JPH0220661A - 円筒容器の自動溶接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、円筒容器の胴部の円周方向及び長手方向に
沿う継手部を内面または外面からアーク溶接する自動溶
接法に係り、特に液化ガスタンクなどの圧力容器の溶接
開始から終了までのプロセスをマイクロコンピュータに
よって完全自動で施行するに好適な円筒容器の自動溶接
法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、ステンレス密閉容器などの円筒容器の溶接は、仮
付は溶接された容器の胴部の円周方向（バット）及び長
手方向（シーム）に沿う継手部を先ず内面、次いで外面
から手溶接または台車式などの自動溶接機によって行な
われていた。この従来の溶接法においては、前記継手部
の開先のルートギャップ幅は一般的に零、即ちルートフ
ェースが接した状態で溶接を行なうようにしており、特
に自動溶接では最大でも１ｍｍ以下となるようにその精
度を厳しく管理する必要がある。これは、ルートギャッ
プ幅が大きい箇所では溶けこみが増加し、甚しき場合に
はビードの溶け落ちが生じるためであるが、現実には接
合部材の開先整形加工誤差や先の溶接による溶接変形な
どのためにルート・ギャップ幅の変動は不可避である。

このため、従来では開先のルートフェースの高さ寸法を
比較的大きく採るか、接合部材の裏側に裏当材を設ける
ことによフて溶融金属の抜は落ちを防ぐ必要があった。

一方、特に圧力容器では溶接ビードの放射線透過試験が
義務づけられている故、溶接ビードの余盛り高さには制
限がある。余盛り高さを低くするためには継手部の開先
断面積を大きくするのが望ましいが、上述の通り開先の
ルートフェースの高さ寸法を大きく採る必要があるため
、比較的薄い部材では継手部の表裏両面に同時に開先を
形成することはできない。

そこで従来では、先ず継手部の内面側のみに広い開先を
とったＹ開先を形成し、内面側溶接を施した後、外面溶
接開始に先立って、溶け込みを最適にするための外面側
開先を形成する必要があった。　この外面側開先形成作
業は、以下の手順により行なわれていた。

（イ）先ず内面側ビードに達するガウジングを手作業で
施す。

（ロ）グラインダ等でガウジングスケールを削り取る。

（八）形成された開先に、目視による外観検査。

カラーチエツク、寸法測定等の所謂裏はつり検査を行な
う。

（ニ）裏はつり検査で発見された不良箇所の手直し作業
、例えばカット部のグラインダ処理、開先深さが過剰な
箇所の肉盛修復を行なう。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の円筒容器の溶接法において、外面側
開先形成作業（イ）〜（ニ）に要する作業時間は、溶接
作業全体の実に６０％以上を占め、溶接作業全体の能率
を大幅に低下させるという問題点がある。更に、（八）
の裏はつり検査は、暗く狭い開先内を検査対象としてい
るため、検査を行ないにくく、外観検査の際に欠陥を見
落としたり、開先寸法に大きな誤差を生じる不都合もあ
る。

また、内面側溶接の際にルートフェースの高さ寸法を大
きく採ったとしても、ルートギャップ幅の変動に伴なう
溶け込みの過不足は不可避である。

一方、継手部を■開先の突き合せ継手とすると、溶接ビ
ードの盛り上がりが大きくなるため、後から余盛りビー
トをグラインダ等で研削するという緊雑な作業が必要に
なってしまう。しかも、容器内面におけるこの作業を行
なうには、作業員が容器内に入らねばならないという不
都合がある。

本発明は、上記のような従来技術の有する問題点に鑑み
て成されたものであり、その目的とするところは、内外
面−層ずつの自動溶接でルートギャップ幅が変動しても
安定した溶け込み深さと所定のビード高さが得られ、ガ
ウジング作業を不要とし、ビード研削作業を低減し得る
円筒容器の自動溶接法を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、円筒容器の胴部の円周方向及び長手方向に沿
う継手部に形成されたＸ開先に沿って溶接電極を８勅さ
せながら連続的なアーク溶接を施すに際し、 ルートギャップ幅の変化に対して設定された溶け込み深
さを保つための溶接電流の変化特性を接合部材材質、開
先形状、溶接ワイヤ及びシールドガスなどの使用材料に
特有の関数として予め求めておき、 先ず容器内面側の溶接に際しては、溶接中に前記電極の
前方の開先形状を撮像手段により撮像し、その撮像デー
タに基つきルートギャップ幅を検出しながら、ルートギ
ャップ幅の変化に対して溶け込みが予め定められた第１
の設定値に保持されるように前記ルートギャップ幅検出
値に応じて溶接電流の大きさを前記変化特性に従って実
時間制御すると共に、前記ワイヤの通電チップからの突
き出し長さが予め定められた一定値に保持されるように
前記制御された溶接電流の大きさに応じてワイヤ送給速
度を可変制御し、また、溶接アークの長さ（アーク長）
が予め定められた一定値に保持されるように前記制御さ
れた溶接電流、ワイヤ送給速度の大きさに応じて溶接供
給電圧を可変制御し、更に前記ルートギャップ幅及びワ
イヤ送給速度の変化に対してビード高さが一定に保たれ
るように溶接速度の可変制御による溶着量補償制御を行
ない、 容器外面側の溶接に際しては、既に裏面が溶接されてい
るので、溶融金属の溶け込みの心配が殆どないため、ル
ートギャップ幅が零の時に溶け込み深さがルートフェー
スの厚さ寸法から前記第１の設定値を差し引いた値以上
の第２の設定値を保つような溶接電流の大きさを前記変
化特性から選んでその値に定電流制御し、ルートギャッ
プ幅の変化については溶接速度のみを可変制御してビー
ド高さを一定に保つことにより上記目的を達成したもの
でる。

この場合、容器内面側から溶接を行なっているが、容器
外面側の溶接も最初に行なっても同様である。つまりそ
の場合は、外面側溶接時に前記溶接電流、ワイヤ送給速
度、溶接供給電圧、溶接速度の可変制御を行ない、内面
溶接時は前記溶接速度制御のみを行うことになる。

また、前記ルートギャップ幅検出値は、開先上方から見
た開先エツジを示す二本のショルダーライン及び二本の
ルートラインを前記撮像手段により撮像し、その二本の
ショルダーライン間の設計距離と実測距離との差及び／
または二本のルートライン間の実測距離に基き検出する
ことができる。

更に、溶接使用材料として次の各使用材料、円筒容器材
質；板厚８〜２０ｍｍのステンレス鋼板ＳＵＳ３０４ま
たはＳＵＳ３０４Ｌ 溶接ワイヤ：３０８系フラックスコアードワイヤ（１，
６ｍｍ径） シールドガス：　ＣＯ２ガス（１００％）を用い、溶け
込み深さの第１の設定値を１．５ｍｍ〜２ｍｍとし、ル
ートギャップ幅の変化が０〜３ｍｍのときの本発明の溶
接法の各溶接パラメータの好適な値または好適な制御範
囲は下記条件、溶接電流：　２００Ａ〜５００Ａ ワイヤ送給速度二６０〜３５０ｍｍ／秒溶接電源端子電
圧：２５〜４５Ｖ 溶接速度２２０〜１００ｃｍ７分 ワイヤ突き出し長さ：１０〜２０ｍｍ アーク長さ：０〜５ｍｍ である。

［作　用］ 本発明においては、継手部の開先にはＸ開先が採用され
ている。これは、以下に説明する本発明の溶接法によれ
ば、開先のルートギャップ幅変動に対して溶け込みを所
望の目標値に一定に保つことが可能となるため、Ｙ開先
やＩ開先とする必要がないためである。

本発明に従えば、先ず始めに、開先のルートギャップ幅
の変化に対して成る溶込み深さを保つための溶接電流の
大きさの変化特性が接合部材材質、開先形状、溶接ワイ
ヤおよびシールドガスなどの使用材料に特有の関係とし
て種々のルートギャップ幅について予め実験により求め
られる。例えば、溶接電流を１１ル一トギヤツプ幅を０
１ル一トギヤツプ幅が零のときの溶接電流をＩｏとする
と、成るルートギャップ範囲内においては、Ｉ＝Ｉｏ　
−ｃＧ　　　　　　　　−（１）の線形式で表わせるリ
ニヤな変化特性が得られることが確かめられている。但
しく１）式でＣは定数であり、この定数Ｃと前記Ｉ０と
は、実際の溶接に用いる前記使用材料等によって一義的
に定まる値をもつ。

実際の溶接パラメータの制御に際しては、これらの変化
特性のうちから使用材料と設定溶造み深さに対応した変
化特性が選ばれて用いられる。

溶接中においては、溶接電極の前方の開先形状を撮像手
段で撮像し、その撮像データに基づきルートギャップ幅
の大きさが時々刻々と検出され、このルートギャップ幅
検出値によって、前述の選ばれた変化特性に従った溶接
電流のリアルタイム制御が行われる。この場合、ルート
ギャップ幅の検出位置と溶接電極位置との間隔に応じた
遅延は、例えば検出位置のルートギャップ幅を記憶し、
その記憶された値の中から溶接電極位置に対応した値を
選び出すことにより補償し得る。

このようにして、溶接中のルートギャップ幅の変化に応
じて、第１の設定溶造み深さを保持するための溶接電流
制御が行われ、溶け落ちの生じない安定した自動アーク
溶接が行われる。

また本発明に従えば、前記溶接電極として消耗溶接電極
ワイヤを使用して前記の溶接パラメータ制御が行われる
が、この場合、前記制御された溶接電流夏の大きさの変
化に対応して、 Ｌｅｓｎｅｗｉｃｈの関係式、 ｖ、＝Ａ・Ｉ＋Ｂ−１・■２　　・・・（２）に従い、
ワイヤ送給速度■ｆが可変制御され、これにより前記ワ
イヤの通電チップからの突出し長さ１が予め定められた
一定値に保持される。尚、（２）式でＡ、Ｂはワイヤお
よびシールドガス等によって一義的に定まる定数である
。

更に加えて、前記制御された溶接電流Ｉおよび制御され
たワイヤ送給速度Ｖ、の変化に対応して、 Ｅｔ　　”ＥＬ　　＋Ｅａ　　＋ＥＲ・・・（３）の関
係式に従い、溶接供給電圧Ｅｔが可変制御される。ここ
で前記（３）式の場合、ＥＬはワイヤ突出し長さ１の部
分における電圧降下、Ｅ、はアーク電圧、ＥＲは溶接電
圧供給端子と溶接トーチおよび溶接部材との間のケーブ
ル等の回路抵抗Ｒによる電圧降下であり、それぞれ次の
とおりである。

ＥＬ　＝ａ　　−λ　・　Ｉ　−ｂ　−ｖｆ　／Ｉ　　
　　・・・（４）ＥＪ　＝Ｅｏ　（Ｉ　）＋ｘ　−ＪＺ
□　　　　　　　・・・（５）ＥＲ＝Ｒ−１・・・（６
） 尚、Ｅｏ　　（Ｉ）は溶接電流■の関数としての陽極電
圧降下と陰極電圧降下の和、つまりアーク電圧からアー
ク柱電圧降下を差し引いた量、Ｘはア−クの電位傾度、
ａ、ｂはワイヤおよびシールドガス等によって一義的に
定まる定数である。

前述の供給電圧Ｅｔの可変制御は、前述のように一定値
に制御された突き出し長℃のもとに、例えば（３）〜（
６）式に基づいて、前記制御された溶接電流Ｉおよび制
御されたワイヤ送給速度Ｖ、の変化に対して更に前記ア
ーク長Ｉｌａを成る設定値に保つための電圧補償制御と
して行われる。

本発明に従えは、更に加えて、ルートギャップ幅Ｇと前
記可変制御されたワイヤ送給速度Ｖ、の変化に対応して
、 ｖ＝Ｖｆ−に／（ｖｆｏ・Ｋ／Ｖ０＋△Ｓ　（Ｇ）　）
・・・（７） の制御式に従って溶接速度Ｖが可変制御される。

ここでＶｆＯはルートギャップ幅がＴのときのワイヤ送
給速度初期値、ｖｏは同様にルートギャップ幅が茎のと
きの溶接速度初期値であり、Ｋはワイヤ断面積にワイヤ
の溶着効率を乗じた値、△５（Ｇ）はルートギャップ幅
Ｇの関数としての、ルートギャップ幅か開いたことによ
りビード高さを一定とするために必要となった溶着量の
増加分で、例えば△Ｓ　（Ｇ）＝ｄ−Ｇ　（ｄは開先深
さ）である。

前記溶接速度の可変制御は、前述のように一定値に制御
された突き出し長さ１のもとに、例えば（７）式に基づ
いて、ルートギャップ幅Ｇと前記可変制御されたワイヤ
送給速度Ｖ、の変化に対して常にビード高さが一定に保
たれるように溶着量の補償制御として行われる。

ついで本発明においては他方の面側の溶接に際しては既
に裏面が溶接されてるので、溶融金属の溶け落ちの心配
がほとんどないためルートギャップ幅が零のときに溶込
み深さがルートフェースの厚さ寸法から前記第１の設定
値を差し引いた値以上の第２の設定値を保つような溶接
電流の大きさを前記変化特性から選んでその値となるよ
うに定電流制御が行われ、ルートギャップ幅の変化につ
いては溶接速度のみを可変制御してビード高さを一定に
保つ制御が行われる。

この場合の制御式は、ワイヤ送給速度Ｖ、が常に一定で
あるので（７）式より、 Ｖ＝Ｖｙｏ・Ｋ／（Ｖｒｏ−に／Ｖｏ＋△Ｓ　（Ｇ）　
）・・・（８） で与えられ、溶接速度Ｖのみが可変制御されてビード高
さが一定に保たれる。

また、本発明におけるルートギャップ幅の検出は下記の
通りに行われる。

前記撮像手段により開先を上方から撮像すると、開先エ
ツジを示す二本のショルダーライン及び二本のルートラ
インが得られる。ここで、二本のルートライン間の距離
はルートギャップ幅を表わすことは述へるまでもない。

一方、二本のショルダーライン間の設計距離と実際の距
離との差はルートギャップ幅の変化に対応している。従
って、撮像手段の撮像データに基づきこれらの距離や差
を求めれば、ルートギャップ幅を間接的に検出すること
もできる。

本発明の特徴と利点を一層明確にするために、好ましい
実施例について図面とともに説明すれば以下のとおりで
ある。

［実施例］ ■　溶接装置の構成 第１図に本発明の好適な実施例に使用する円筒容器溶接
装置の構成例を示す。

この装置は大きく分けて、円筒容器８を横倒し状態に支
持してその軸芯回りに回動させるターニングローラー５
と、台車９上に装備された溶接ロボット１０とから構成
されている。容器８は一端面側に口８１を有し、この口
のある端面側に前記溶接ロボット１０が対置されている
。また、容器８のシーム及びバットの継手部（図示せず
）にはＸ開先が形成されている。

溶接ロボット１０は、主制御装置２と、溶接電源装置３
と、マニプレータ４とを備えている。マニプレータ４は
ボスト４１に昇降位置調節可能に支持されたガイドブロ
ック４２を有し、このブロック４２には図示しない駆動
装置によって水平移動可能に水平コラム４３が案内支持
されており、この水平コラム４３の先端近傍には溶接ワ
イヤ送給リール６が取付けられ、更に水平コラム４３の
先端にはブーム４４が取付けられている。ブーム４４は
、この場合、容器８の軸心と同心、またはブーム先端が
回動する容器８の口８１の縁と機械的に干渉しない範囲
内で平行に配置されている。

尚、８ａは直径の異なる容器の仮想線であり、このよう
な容器の直径の変化による口の高さ位置の変更に対して
は、ブーム４４の高さ位置、即ち水平コラム４３の高さ
位置を変えればよく、或はまたターニングローラ５の高
さ位置を変えてもよい。

ブーム４４の先端には、起倒シリンダー４５によりブー
ム長さ方向と直行する水平軸（以下、θ軸と称する）回
りで回動可能なアーム４６が取付けられており、アーム
４６先端には溶接ヘッド１がγ軸旋回ブロック１８によ
ってアーム軸（以下、γ軸と称する）回りに少なくとも
９０″の角度範囲で回動され得るように装備されている
。

前記アーム４６は、第２図及び第３図に示されるように
ブームの先端に枢支されたＹｓ軸スライドブロック４６
Ｙ、と、このｙｓ＠スライドブロック４６Ｙ、に摺動可
能に取付けられたＹＡ軸スライドブロック４６　Ｙ　Ａ
とからなるＹ軸スライドブロック４６Ｙを備えており、
アーム長さ方向に伸縮自在となっている。尚、ＹＡ軸ス
ライドブロック４６　Ｙ　Ａの先端には、ワイヤ送給装
置６Ａから送給された溶接ワイヤを溶接ヘッド１へ送給
するためのワイヤ送給モータ６Ｂが備えられている。

第２図に破線で示すように、ブーム４４とアーム４６と
の軸を揃えて真直に水平姿勢をとると、台車９の移動で
ヘッド１を容器８の口８１を通して出し入れでき、容器
８内などの溶接部位の上でアーム４６をブーム４４に対
して直角に回動させて第２図の実線のように垂直姿勢を
とると、Ｙ軸スライド４６Ｙによる伸縮長さの調節で溶
接ヘッド１を溶接部に近付けたり離したりできる。

第４図に前記溶接ヘッド１の構成例を示す。

第４図において、（Ａ）図は溶接ヘッド１部分の正面（
溶接方向前方）拡大図であり、（Ｂ）図は（Ａ）図の側
面図である。

これら第４図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、溶接ヘッド
１は、アーム４６と直行して固定された溶接開先幅方向
に向いたＸ軸ｆｉｘに案内支持されたＸ軸スライドブロ
ック１１と、溶接ヘッド１の高さ方向に固定されたｙ軸
１２ｙに案内支持されたＸ軸スライドブロック１２と、
前記Ｘ軸１１Ｘとｙ軸１２ｙと直行する溶接方向に向け
られたＯ３軸１３０Ｓに案内支持されたＯ３軸スライド
ブロック１３と、前記ｙ軸１２ｙと平行な向きにＸ軸ス
ライドブロック１２に取付けられたトーチ１４と、トー
チ位置（溶接点）の前方で一定距離だけ先行した開先位
置を照明するために、図示しない手段により溶接へラド
１に固定された照明用ライト１５（第４図ＣＢ）におい
ては図示を省略する）と、ライト１５の照明する部分を
ＣＣＤｗｌ像素子で像影子るＣＣＤカメラ１６と、トー
チ前方にて溶接中に発生するヒユームをＣＣＤカメラ１
６の視野内から除去するエアーノズル１７とを備えてい
る。

ここで前記トーチ１４には、アークを回転軸芯回りに回
転させて、その物理的効果を周辺に分散させ、溶け込み
の周辺分散と扁平ビード（湾曲ビード）などの利点が得
られる高速回転アークトーチが用いられている。この高
速回転アークトーチの使用は特に薄板の場合に効果的で
あるが、本発明はこれに限定されるものではない。

また前記Ｏ３軸スライドブロック１３は、パッド溶接の
際に、容器円周の傾斜によって重力の作用で溶融池形状
が変化をきたすため、所定の溶融池形状を得る目的でア
ーク発生点を成る大きさだけ溶接方向の先方または後方
へ移動させるためにトーチ位置にオフセット量を与える
ものである。

この場合、移動量（オフセット量）の大きさは、予め所
定の溶接条件、容器径、溶接ワイヤ、溶接母材材料、開
先形状等で実験的に求めておく。本例ではシーム溶接と
ほぼ同様な溶融池形状を得るために、このオフセット量
により内面溶接の際には若干上進溶接ぎみとし、外面溶
接時は若干下進溶接ぎみとしている。

溶接ヘッド１へのトーチ１４へは、第１図に示した送給
リール６Ａからワイヤ送給モータ６Ｂを介して溶接、ワ
イヤが供給され、このワイヤには溶接電源装置３から溶
接電流が供給される。また、台車９近傍に配置されたボ
ンベ７からはトーチ１４ヘシールドガスが供給され、更
に台車９上の図示しないエアー源からノズル１７に加圧
エアーが供給されるようになってい　尚、溶接ヘッド１
の上方の軸１８γは、上述のγ軸を示す。

この溶接ヘッド１の各軸ブロック１１，１２゜１３．１
８の変位や、アーム４６の水平・垂直姿勢変え回動、Ｙ
軸ブロック４６Ｙの伸縮、及びコラム４３の水平移動と
ブロック４２の高さ位置調整、そしてターニングローラ
５の回動などの制御は、制御装置２がＣＣＤカメラ１６
からの画像データやトーチ１４のアーク自体の電気的特
性データ及び手動人力による指令等に基いて行なうよう
になっている。この制御装置２の内部構成は第５図中に
示されている。

Ｉ！　制御系の構成 第５図に、上述の溶接装置を使用した本発明の好適な実
施例に係る円筒容器の自動溶接法の制御系のブロック図
を示す。

第５図において、主制御装置２は、画像処理制御装置２
１と、この画像処理制御装置２１に付属するモニタテレ
ビ２１ＴＶと、開先倣い制御装置２２と、トーチ高さ制
御装置２３と、溶接制御装置２４と、モータ制御装置２
５と、ターニングローラ制御装置２６と、マニプレータ
制御装置２７と、これら各制御装置２１〜２７への制御
指令を与えるマイクロコンピュータ（以下、ＭＣ０Ｎと
称す）３０及びそれに付属するキーボード等の入力装置
３１とを含んでいる。

画像処理制御装置２１は、ＣＣＤカメラ１６カ）らの撮
像信号を画像処理して、開先位置、開先形状、仮付は部
位置、溶融池形状等の情報をモニタテレビ２１７Ｖ等に
出力する。

開先倣い制御装置２２は、画像処理開先倣い制御系２２
ａとアークセンサ開先倣い制御系２２ｂとを含む。その
うち、画像処理開先倣い制御系２２ａは、入力装置３１
からＭＣ０Ｎ３０に設定されたアークセンサ倣い開始速
度よりも溶接速度が遅い場合に、画像処理制御装置２１
からの情報を受けて開先中心を求め、トーチが開先中心
に位置するようにＸ軸スライドブロック１１によるＸ軸
１１ｘ方向（開先幅方向）の開先倣いを行なう。

但し、アークセンサ倣い開始速度より溶接速度が早い場
合は、アークセンサ開先倣い制御系２２ｂがトーチ１４
のアーク特性測定データに基いてＸ軸スライドブロック
１１による開先倣いを行なう。ここで、トーチ１４とし
て高速回転アークトーチを採用した場合、アークセンサ
開先倣い制御系２２ｂのアーク特性測定データに基づく
トーチ位置の制御法は、例えば特願昭６１−９４９０５
号に詳しい。

これら開先倣い制御装置２２の系２２ａ、２２ｂの切り
替えは溶接速度に基＜ＭＣ０Ｎ３０の指令により行なわ
れる。

トーチ高さ制御装置２３は、トーチ高さ粗倣い制御系２
３ａと電流制御トーチ高さ制御系２３ｂとを含む。トー
チ高さ粗倣い制御系２３ａは、Ｘ軸スライドブロック１
２の位置を検出し、Ｘ軸スライドブロック１２が常に原
点位置近傍に保持されるようにＹ軸スライドブロック４
６Ｙの位置を制御する。更に電流制御トーチ高さ制御系
２３ｂが、溶接電流の変化を検出して基準値と比較し、
常に溶接電流が基準値と等しくなるようにＸ軸スライド
ブロック１２の上下位置の制御を行なう。

溶接電源３からトーチ１４及び接合部材８への溶接電流
・電圧の供給は溶接制御装置２４を介して行なわれ、ワ
イヤ送給モータ６Ｂの制御はモータ制御装置２５により
行なわれ、更にターニングローラ５の回転及び回転速度
（バット溶接の溶接速度）の制御はターニングローラ制
御装置２６によって行なわれる。また、マニプレータ４
の各部及び溶接ヘッド１の回動機構１８の制御はマニプ
レータ制御装置２７により行なわれる。

尚、マニプレータ４の各部及び溶接ヘッド１の各部は、
リミットスイッチ、ポテンショメータ等。

の図示しない位置検出手段を備えており、その位置検出
信号は各々の制御装置を介してＭＣＯＮ３０に与えられ
る。

また、溶接トーチ１４の溶接進行方向Ｆに対する位置も
図示しない位置検出手段により検出されＭＣ０Ｎ３０に
与えられる。

Ｉｌｌ　、円筒容器の溶接手順 第６図に前記ＭＣ０Ｎ３０の制御により本発明に係る円
筒容器の自動溶接法を実施する際の制御シーケンスのフ
ローチャートを示す。

以下、このフローチャートに沿って本発明に係る円筒容
器の自動溶接法の手順を説明する。

システムの電源投入（Ｓｌ）後、機能選択（Ｓ２）を行
なう。ここで、選択される機能（Ｓ３）には、溶接実験
（Ｓ３−１）、データベース編集（３３−２）、実行シ
ーケンス（Ｓ３−３）の三種類が用意されているものと
する。所定の溶け込み深さｐを保つための溶接電流Ｉの
データが未だ得られていない場合には、溶接実験（Ｓ３
−１）を選択し、溶接実験を行う。

溶接実験（Ｓ３−１） ここでは、ルートギャップ幅の変化に対して、所定の溶
け込み深さｐを保つための溶接電流■の特性を調べる溶
接実験を行なう。実験手順については説明を省略し、溶
接実験の結果の一例を第７図に示す。

第７図は、自動アーク溶接について、ワイヤ送給速度と
溶接速度の比Ｖ、／Ｖを各ルートギャップ幅で一定にし
て、一定な溶け込み深さの得られる条件での溶接電流Ｉ
とルートギャップ幅Ｇとの関係、即ちルートギャップ幅
Ｇを変えた場合の成る溶込み深さｐを保つための溶接電
流Ｉの大きさを求めた結果である。

第７図において、○印は溶込み１ｍｍを確保する特性、
・印は溶込み２ｍｍを確保する特性、Δ印は溶け込み３
ｍｍを確保する特性、Ｘ印はビード溶け落ちを生じる電
流上限特性である。この場合、開先形状は第８図に示す
通りであり、溶接使用材料は下記の条件Ａのとおりであ
る。

条件Ａ。

円筒容器材質：板厚１０ｍｍのステンレス鋼板ＵＳ３０
４ 溶接ワイヤ：３０８系フラックスコアードワイヤ（１，
６ｍｍ径） シールドガス：００２ガス（１００％）例えば、第７図
において、目標溶け込みり＋＝２ｍｍを確保する特性は
、 ｌ０＝３６０　（Ａ）　、　ｃ＝３７．　（Ａ／ｍｍ）
を上記（１）式に当嵌めて、 １＝３６０−３７Ｇ　　　　　　・・・（１＾）なる単
純な線形式で表わされる。

尚、第７図において、条件Ａに対して目標溶け込み２ｍ
ｍを確保する特性の適用範囲は、ルートギャップ幅変化
が０〜３ｍｍの範囲である。従って、第７図に示した特
性に従って制御を行う際は、ルートギャップ幅の寸法制
度を０〜３ｍｍの範囲に収める必要がある。

溶接実験を終了すると、データベース編集（Ｓ３−２）
へ進む。

データベース編集（Ｓ３−２） 溶接実験（Ｓ３−１）で得られた溶接電流の特性は、Ｍ
Ｃ０Ｎ３０によりｉＩｌ宣にｌＪＡ集され、記憶される
６例えば、溶接実験（Ｓ３−１）で条件Ａに対して（Ｉ
Ａ）式が得られたとすると、ＭＣ０Ｎ３０は予測される
様々なルートギャップ幅Ｇに対して（ＩＡ）式の値を求
め、制御すべき溶接電流■のデータを作製し、これを記
憶する（以下、この記憶データ、を溶接データベースと
称す）。

以上で実効シーケンス（Ｓ３−３）を行うための準備が
終了する。

実行シーケンス（Ｓ３−３） データベース編集（Ｓ３−２）で記憶されたデータベー
スに基づき、以下のシーケンスで溶接が実行される。

実行条件指定（Ｓ３−３　＝１） 先ず、溶接開始に先立って、入力装置３１を介してＭＣ
０Ｎ３０に実行条件を指定する。ここで指定されるのは
、継手種類、溶接データベース等である。以下の説明で
は継手種類として最終鏡板部の内面側のバット継手が指
定されたものとする。一方、溶接データベースは、デー
タベース編集（Ｓ３−２）でＭＣ０Ｎ３０に記憶させて
おいたもののなかから、使用するワイヤやシ・−ルドガ
スなどに適合するものを選択する。

また、前述のＣ，ａ、ｂ、Ａ、Ｂ、Ｘ、ＲＩ　Ｏ，ｖ　
Ｏ＋Ｖｆｏの各定数と、Ｕ、　Ｉ！、、等の設定値、及
びＯ３軸ブロック１３によるオフセット量等も何らかの
手段によりＭＣ０Ｎ３０に与えられる。

例えば、溶接データベースを指定すると、これらの値が
一義的に定まるようにＭＣ０Ｎ３０にプログラムしてお
く。

各軸設定（Ｓ３−３−２） 人力装置３１に対する入力作業を終えた後、台車９を移
動して容器８の口８１にブーム４４を対置させ、ブーム
４４を容器８の軸心と平行に対置させた後、各部を原点
復帰させて水平コラム４３の高さ位置を容器８の０８１
に合せ、且つアーム４６を第２図の実線で示した姿勢に
しておく。この状態ではブーム４４の先端は口８１に真
直に向い合っている。

先ず、内面溶接に際して、バット継手に合った溶接ヘッ
ド位置にするために、γ軸旋回ブロック１８によって溶
接ヘッド１を回動し、そのＸ軸が容器８の軸方向を向く
ようにする。次いでアーム４６をブーム４４の先端で起
倒シリンダ４５により起し、第２図に破線で示したよう
にアーム４６とブーム４４を真直に軸を揃えた状態とす
る。この状態で溶接ヘッド１が口８１の縁からはみださ
ないように前記原点位置が定められている。その後コラ
ム４３を水平移動させて容器８内部にブーム４４の先端
部を挿入してアーム４６を回動して第２図に実線で示し
たように垂直に立てる。

以上の操作のうち、原点復帰は、ＭＣ０Ｎ３０に各部の
原点位置を予め記憶させておけば自動的に原点復帰させ
ることが可能である。その他の操作は、人力装置３１に
対する手動入力に基き、ＭＣ０Ｎ３０を介してマニプレ
ータ制御装置２７等に指示を与えることにより行なう。

トーチ高さ設定（Ｓ３−３−３） 次に、ＭＣ０Ｎ３０はマニピュレータ制御装置２７を介
してＹ、軸ブロック４６ＹＳを上下動させる。この際、
ＭＣ０Ｎ３０は、ＣＣＤカメラ１６の撮像信号を検出し
、この検出信号がピーク、即ちＣＣＤカメラ１６のピン
トが合焦位置となるように、溶接ヘッド１の高さ位置を
自動設定する。

開先サーチ（Ｓ３−３−４） 画像処理制御装置２１よりモニタテレビ２　’Ｉ　ＴＶ
に出力された画像をオペレータの目視により参照しなが
ら、バット継手の開先の溶接始端位置をサーチする。そ
のサーチ結果に基き、トーチが溶接始端位置に対して適
正な位置となるように、入力装置３１からＭＣ０Ｎ３０
を介してマニプレータ制御装置２７及びターニングロー
ラ制御装置２６に制御指令を与える。マニプレータ制御
装置２７及びターニングローラ制御装置２６は、ＭＣ０
Ｎ３０の指令に従い、マニプレータ４の水平コラム４３
及びターニングローラ５を移動させて、トーチ１４が正
しく開先に指向するようにさせる。

尚、Ｏ５＠ブロック１３は、ＭＣ０Ｎ３０に与えられた
オフセット量が得られるように、図示しない制御手段に
より調整される。

開先線教示（Ｓ３−３−５） ＣＣＤカメラ１６で開先形状を真上から撮像すると、モ
ニタテレビ２１　ＴＶ２１には、第８図に示すように開
先のエツジの画像が四本の縦ラインとして得られる。オ
ペレータは、モニタテレビ２１ＴＶを参照しながら、こ
の開先形状を示すルートラインＲＬＩ、ＲＬ２、ショル
ダーラインＳＬＩ。

ＳＬ２の四本のライン位置を例えば入力装置３１を介し
てＭＣ０Ｎ３０に教示する。これら教示ラインは、ルー
トギャップ幅Ｇの検出を行なう基準となるものである。

ここで内面側溶接及び外面側溶接の際のルートギャップ
幅Ｇの検出について説明しておく。

第９図において、内面側のルートギャップ幅Ｇの検出は
、画像の二本のルートラインＲＬＩ、ＲＬ２間の距離を
直接計測することにより行なう。

一方、外面側のルートギャップ幅Ｇの検出は、内面溶接
ビードのたれ込みや仮付ビードなどにより直接計測出来
ないので、画像の二本のショルダーラインＳＬＩ、ＳＬ
２間の距離を計測し、開先角度を一定と仮定してショル
ダーラインＳＬＩ。

ＳＬ２間の設計距離と計測距離との差を計算することに
よりルートギャップ幅Ｇを間接的に求める。この場合、
ルートギャップ幅Ｇは負の値を持つことも考えられるが
、負の値は一義的に零と見なすものとする。

尚、内面側のルートギヤツブ幅Ｇ検出に際し、外面側か
らの光ノイズ等が原因で二本のルートラインＲＬＩ、Ｒ
Ｌ２が検出できない場合は、外面側と同様な方法により
検出してもよい。但し、開先角度の変動を考慮すると上
記直接計測のほうが正確な検出を行なえる。内面側は種
々の溶接条件制御を行なう関係上、できる限り正確なル
ートギャップ幅Ｇを検出することが望ましい。

溶接（Ｓ３−３−６） 以上でトーチのセットが完了するので溶接を開始する。

アークを発生して溶接が開始されると、ＣＣＤカメラ１
６の撮像信号に基く画像処理装置の画像データ処理によ
り、トーチ位置（溶接点）の前方の既知の距離位置（例
えば溶接点から１００ｍｍ前方の位置とする）のルート
ギャップ幅Ｇが例えば前記撮像信号のフレーム時間毎に
検出され、その検出値は画像処理制御装置２１のメモリ
（図示せず）に次々に格納される。

第５図において、位置Ｆ、にあるトーチ１４が１００ｍ
ｍ前方の位置Ｆ２に達するまでに、ＭＣ０Ｎ３０は上述
の格納されたルートギャップ幅Ｇのデータを検索し、位
置Ｆ２におけるルートギャップ幅Ｇを求める。更に、こ
の求められたルートギャップ幅Ｇに基いて溶接データベ
ースを検索し、設定溶込み深さＰ＋を保つための最適な
溶接電流■の大きさを決定する。次に、位置Ｆ２におけ
るトーチ１４への溶接電流Ｉが決定された大きさになる
ように、溶接制御装置２４に指令を与える。

このような制御によって溶接中のルートギャップ幅Ｇの
変動に対して設定溶込み深さＰ＋を保持するような適正
な溶接電流Ｉの制御が行われる。

従って所望の設定溶込み深さでの安定した溶接が果たさ
れる。

この制御によって溶接電流Ｉが変化するが、それに対し
てワイヤ突き出し長さＡ及びア・−り長ＩＬ１を一定に
保持するため、（２）式及び（３）〜（６）式に従いワ
イヤ送給速度ｖｒ、電源供給電圧Ｅｔを制御する。制御
されたワイヤ送給速度■ｔ、電源供給電圧Ｅｔは第７図
の例においては第９図に示す通りとなる。

第９図において、（２）式における定数は、Ａ＝０．２
２６．Ｂ＝４．６３１Ｘ１０−’である。また、ワイヤ
突き出し長１の設定値はｕ＝１５ｍｍである。

これらの定数が人力装置３１から人力されるとＭＣ０Ｎ
３０内ではこれを（２）式に当嵌めて前述の制御された
溶接電流Ｉに応じたワイヤ送給速度Ｖ、の制御信号をモ
ータ制御装置２５へ与え、ワ＼ イヤ送給モータ６Ｂの速度を可変制御する。

また第９図において、ワイヤ突き出し長さｉ関１５ｍｍ
に加えてアーク長ｊ２．＝２．５ｍｍが設定値であり、
定数は、（３）〜（６）式においてｘ＝２．　４　　（
Ｖ／ｍｍ）。

Ｅｏ　　（Ｉ）−０，０２５ｘｌ＋１６．　４　　（Ｖ
）。

Ｒ＝０．０１　　Ω、　　ａ＝１．　１２ｘｌＯ−３ｂ
＝２．　　１９ である。

これらの値が入力装置３１から入力されると、ＭＣ０Ｎ
３０内ではこれを（３）〜（６）式に当嵌めて、前述制
御された溶接電流Ｉおよび制御されたワイヤ送給速度Ｖ
ｆに応じた電圧Ｅｔが溶接制御装置２４から出力される
ように電圧を可変制御する。

ルートギャップ幅Ｇの変化に対してビード高さを一定に
保つには、前述の検出されたルートギャップ幅Ｇの値か
ら、ルートギャップ幅Ｇが開いたことによりビード高さ
を一定とするために必要となった溶着量の増加分を求め
、これと現在のワイヤ送給速度Ｖ、とから溶接速度の可
変制御でビード高さを補償するのが前述（７）式の制御
式であ０る。ＭＣ０Ｎ３０にはこのための演算式も与え
られており、ルートキャップ幅が零のときの溶接速度初
期値Ｖ０とワイヤ送給速度初期値ＶｆＯと定数にの入力
装置３１による設定に従ってＭＣ０Ｎ３０の内部でルー
トギャップ幅Ｇとワイヤ送給速度■ｆとに応じた溶接速
度Ｖが演算され、ターニングローラ制御装置２６を介し
てターニングローラ５が可変速度制御されることにより
、ビード高さも初期設定値に一定に保持される。

尚、この場合、第９図では、 Ｖ　ｏ　＝　７　、６７　ｍ　ｍ　／秒Ｖ、。＝１７１
．４ｍｍ／秒 に＝１．２７５ｍｍ２ △Ｓ　（Ｇ）＝３．５ＸＧ として溶接速度Ｖを求め、ルートギャップ幅Ｇによって
決まる溶接電流■との関係で示している。

以上のような溶接パラメータ制御により、内面側のバッ
ト溶接が、所定の溶込み深さｐｌで一定ビード高さで行
なわれる。

各軸退避（Ｓ３−３−７） バットに沿った一周の溶接が行われ、溶接ヘッド１が溶
接始端部に達すると、溶接始端部の開先は既に埋められ
ているから、開先のショルダーラインＳＬＩ、ＳＬ２が
検出できなくなった時点をビードの始端部とみなして溶
接を終了させる。溶接が終了すると、ＭＣ０Ｎ３０は先
ずＹＡ軸スライドブロック４６ＹＡを上昇させて溶接ヘ
ッド１を引き上げ、アームをシリンダーにより起してブ
ーム４４と軸を揃え、水平コラム４３を逆方向に水平移
動させてヘッド１を容器内から引出し原点復帰させる。

以上、容器内面のバット溶接について説明したが、容器
内面のシーム溶接については、同様にヘッド１を容器８
内に挿入し、ヘッド１の向きを原点後部状態からそのＸ
軸が容器長さ方向と直交するように、γ軸旋回ブロック
１８をヘッド１を旋回させて行う。この場合、溶接の送
りは水平コラム４３の水平移動で与えられ、その送り速
度即ち溶接速度は、マニプレータ制御装置２７に制御さ
れる。このシーム溶接は、接合部材がなくなった時点を
ビードの始端部とみなして溶接終了させる。

一方、容器外面の溶接については、カイトブロック４２
により水平コラム４３の高さ位置を上昇させ、容器頂部
にて同様に下向き姿勢の溶接を行えばよい。この場合、
開先のルートギャップは既に内面側溶接で埋められてお
り、外面溶接では溶け落ちの心配がほとんどないため、
ルートフェース厚さｔｒから内面溶接時の設定溶込深さ
を２１を差し引いた値より大きな設定温は込み深さＰ２
が常に得られるような溶接電流Ｉの大きさを第７図のデ
ータから選んでＭＣ０Ｎ３０に設定し、ルートギャップ
幅Ｇの変化に応じて溶接速度Ｖのみを可変制御してビー
ド高さを一定に保つ制御を行う。この場合の制御式は、
（８）式で与えられ、これがＭＣ０Ｎ３０にプログラム
される。

尚、実施例のシステムでは内面側溶接時のルートギャッ
プ幅データがＭＣ０Ｎ　３０で処理されるので、溶接位
置との関係でこのデータを記憶しておけば外面側溶接時
のルートギャップ幅変化およびそれに比例した開先断面
積変化△Ｓのデータを作ることができる。

ところで上記実施例では、溶接使用材料の一例として条
件Ａを示した。この条件Ａに対して本発明の溶接法を通
用する場合、ルートギャップ幅変動が０〜３ｍｍの範囲
における各溶接パラメータの好適な値や制御範囲は第７
図及び第９図に示した通りであり、この範囲では溶け込
み、ビード高さが一定でしかも欠陥のないビードが得ら
れることが確認されている。勿論、条件Ａ以外の溶接使
用材料の組合せについても、ルートギャップ幅の変化に
対して設定された溶け込み深さを保つための溶接電流の
変化特性を使用材料に特有の関数として予め求めること
により、上記実施例と同様の効果を奏することができる
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、Ｘ開先継手のルー
トギャップの幅変動に対して溶け込みを所望の目標値に
一定に保って自動溶接することが可能であるから、ガウ
ジングやカラーチエツク等の面倒な作業が不要となる。

更にビード高さを−定に保つことができるので、グライ
ンダー処理はバット溶接の終始端部のみ施せばよく、グ
ラインダー処理に要する時間は従来例に比して大幅に減
少する。参考までに、第１表に円筒容器の溶接作業に要
する時間について、本発明の方法と従来法との比較を示
す。第１表に示すように、本発明の方法によれば、溶接
作業全体の作業時間は従来例に比して約１／３に短縮し
、作業能率が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に使用する溶接装置の構成例
を示す概略側面図、第２図はブーム先端のアーム部分を
示す部分側面図、第３・図はＹ軸スライドの伸縮状態を
示す部分平面図、第４図（Ａ）は溶接ヘッド部分を示す
拡大平面図、第４図（Ｂ）は前図に対応する拡大側面図
、第５図は本発明の一実施例に使用する制御系の概略の
構成例を示すブロック図、第６図は本発明の制御シーケ
ンスを示すフローチャート図、第７図はルートギャップ
幅変化に対して成る溶け込み深さを確保するための溶接
電流の変化特性を示す線図、第８図は前図の実験に用い
た開先形状及び開先の撮像状態を示す説明図、第９図は
前記実験例における溶接電流と各溶接パラメータとの関
係を示す線図である。 １：溶接ヘッド、２；主制御装置、３：溶接電源装置、
４：マニプレータ、５；ターニングローラ、８：円筒容
器、１４８回転アークトーチ、１６　：　ＣＣＤカメラ
、２１：画像処理制御装置、２ＩＴＶ：モニタテレビ、
２２：開先倣い制御装置、２３：トーチ高さ制御装置、
２４：溶接制御装置、２５：そ−夕制御装置、２６：タ
ーニングローラ制御装置、２７：マニプレータ制御装置
、３０：マイクロコンピュータ、３１：人力装置。 尚、各図中同一図面は同−又は相当部を示す。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、円筒容器の胴部の円周方向及び長手方向に沿う継手
   部に形成されたＸ開先に沿って溶接電極を移動させなが
   ら連続的なアーク溶接を施すに際し、 ルートギャップ幅の変化に対して設定された溶け込み深
   さを保つための溶接電流の変化特性を接合部材材質、開
   先形状、溶接ワイヤ及びシールドガスなどの使用材料に
   特有の関数として予め求めておき、 先ず容器内面側の溶接に際しては、溶接中に前記電極の
   前方の開先形状を撮像手段により撮像し、その撮像デー
   タに基づきルートギャップ幅を検出しながら、ルートギ
   ャップ幅の変化に対して溶け込みが予め定められた第１
   の設定値に保持されるように前記ルートギャップ幅検出
   値に応じて溶接電流の大きさを前記変化特性に従って実
   時間制御すると共に、前記ワイヤの通電チップからの突
   き出し長さが予め定められた一定値に保持されるように
   前記制御された溶接電流の大きさに応じてワイヤ送給速
   度を可変制御し、又溶接アークの長さが予め定められた
   一定値に保持されるように前記制御された溶接電流、ワ
   イヤ送給速度の大きさに応じて溶接供給電圧を可変制御
   し、更に前記ルートギャップ幅及びワイヤ送給速度の変
   化に対してビード高さが一定に保たれるように溶接速度
   の可変制御による溶着量補償制御を行ない、容器外面側
   の溶接に際しては、ルートギャップ幅が零の時に溶け込
   み深さがルートフェースの厚さ寸法から前記第１の設定
   値を差し引いた値以上の第２の設定値を保つような溶接
   電流の大きさを前記変化特性から選んでその値に定電流
   制御し、ルートギャップ幅の変化については溶接速度の
   みを可変制御してビード高さを一定に保つことを特徴と
   する円筒容器の自動溶接法。 ２、前記ルートギャップ幅検出値が、開先上方から見た
   開先エッジを示す二本のショルダーライン及び二本のル
   ートラインを前記撮像手段により撮像し、その二本のシ
   ョルダーライン間の設計距離と実測距離との差及び／ま
   たは二本のルートライン間の実測距離に基き検出される
   ことを特徴とする請求項１に記載の円筒容器の自動溶接
   法。 ３、請求項１に記載の円筒容器の自動溶接法において、
   溶接使用材料として次の各使用材料、円筒容器材質：板
   厚８〜２０ｍｍのステンレス鋼板ＳＵＳ３０４またはＳ
   ＵＳ３０４Ｌ 溶接ワイヤ：３０８系フラックスコアードワイヤ（１．
   ６ｍｍ径） シールドガス：ＣＯ＿２ガス（１００％） を用い、溶け込み深さの第１の設定値を１．５ｍｍ〜２
   ｍｍとし、ルートギャップ幅の変化が０〜３ｍｍのとき
   、各溶接パラメータの値または制御範囲を下記条件、 溶接電流：２００Ａ〜５００Ａ ワイヤ送給速度：６０〜３５０ｍｍ／秒 アーク電圧：２５〜４５Ｖ 溶接速度：２０〜１００ｃｍ／分 ワイヤ突き出し長さ：１０〜２０ｍｍ アーク長さ：０〜５ｍｍ とすることを特徴とする請求項１に記載の円筒容器の自
   動溶接法。