JPH0270384A - 多層盛り自動アーク溶接法 - 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 この発明は多層盛り自動アーク溶接法に関するものであ
り、特に柱や梁の仕口部などの突合せ溶接部に対する自
動溶接ロボット用として好適なティーチングプレイハッ
ク方式のデータコンピュータを利用した多層盛り自動ア
ーク溶接法に関するものである。

〔従来の技術〕

鉄骨製作において、工程の大部分を占めるのは溶接であ
り、柱や梁などの長さ方向の隅肉溶接は自動化が進んで
いるが、溶接部の多い仕口部は溶接線が短いためにいま
だに手作業で行われることが多く、熟練技術者の確保が
将来的にあやぶまれている。このため、自動溶接ロボッ
トを仕口部の溶接に使用する試みが種々なされているが
、−船釣な溶接ロボットでは対象部材を限定して導入さ
れるため、ロボットのもつ溶接条件が少なく、しかもそ
の特定の溶接条件をロボット自体の内部メモリに持たせ
てしまったものが殆どである。

〔発明が解決しようとする課題〕

鉄骨仕口部の溶接は多層盛り溶接で行われるが、多層盛
り溶接では、板厚、開先角度、ルートギャップ値、ワイ
ヤ径などの組合せで膨大な数の溶接条件が必要となり、
また溶接施工に必要なパス数も条件毎にかなり異なって
くる。そこで従来の溶接ロボットでは記憶させるべきメ
モリの容量が限られていることから所有できる溶接条件
も限定され、従ってデジタルカセットテープ等の補助記
憶装置を用いて記憶容量不足を補っているが、必要に応
じてテープから主メモリに溶接条件をロードする際に、
テープでは情報をシリアルに記憶して読み出すためロー
ディングに長時間を要してしまう欠点がある。また従来
の溶接ロボットには例えばアークセンサ方式の倣いを備
えたものもあるが、多層盛り溶接ではその原理上、初層
で検出した溶接線を倣うため、初層の倣い精度が最終的
なビード外観や溶接欠陥の有無に大きく影響するほか、
初層溶接後に起こる熱変形については有効な補正機能を
持たず、さらに突合せ溶接で起こりがちな継手の目違い
、肌隙、テーパ状ルートギャップ等の条件トラブルに対
処するには、効果なテレビジョンカメラ等のイメージセ
ンサを付設しなければならなかった。

この発明は、前述のような従来技術の欠点を解決して、
倣いセンサを用いずに、オペレータが開先を計測して板
厚等の条件と共に手元でインプットし、溶接の始終端を
ティーチングするだけで自動的に多層盛り溶接を行う小
形可搬式の溶接ロボットを実現できる多層盛り自動アー
ク溶接法を提供しようとするものであり、゛さらには直
線溶接区間のテーパ状ルートギヤ・７プにも溶接区間の
始端終端の開先精度をインプットするだけで自動的に対
応できる前記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〕

本願の第１発明に係る多層盛り自動アーク溶接法では、
前述の課題を達成するために、横向き突合せ、下向き突
合せ、隅肉などの溶接種別と開先の形状および角度の別
毎に、溶接速度、溶接電流、ウィービング幅、ワイヤ送
給速度、層数等に応じた複数の溶接条件を、種々の板厚
値とルートギャップ値とをパラメータとして予め実験に
より求めてデータベース化しておき、被溶接継手の直線
溶接区間の始端と終端との位置をティーチングによって
設定すると共に、被溶接継手の板厚とルートギャップ値
とに対応した溶接条件を前記データベースから読み出し
ながら、この読み出した溶接条件で前記始端から溶接を
開始して前記直線溶接区間の終端まで自動溶接するもの
である。

また本願の第２発明に係る多層盛り自動アーク溶接法で
は、前述の課題を達成するために、前記第１発明の特徴
に加えて、ティーチング時に前記直線溶接区間の始端と
終端の各ルートギャップ値を記憶させ、前記直線溶接区
間の途中のルートギャップ修正値を前記記憶値から直線
補間して求めておき、被溶接継手の板厚と始端のルート
ギャップ値とに対応した溶接条件を前記データベースか
ら読み出して、この読み出した溶接条件で前記溶接区間
の始端から溶接を開始し、溶接中に始端からの溶接距離
が予め定められた値になる度に前記直線補間で求めたル
ートギャップ修正値に対応した溶接条件の修正を行うこ
とにより、溶接速度とウィービング幅の変化でパス毎の
余盛り量をほぼ一定に保ちながら自動溶接を継続するも
のである。

さらに本願第３発明の多層盛り自動アーク溶接法におい
ては、前記第２発明の特徴に加えて、ティーチング時の
始端と終端の位置情報および各端ルートギャップ値から
ルート中心の軌跡を計算してトーチの移動軌跡を前記中
心軌跡に沿わせるものである。

〔作　用〕

本発明の溶接法は、特に仕口部などの数Ｌｏｃｍ程度の
直線溶接区間に対する多層盛り溶接ロボット向けのもの
である。従って横向き溶接と下向き溶接が主であるが、
勿論、隅肉溶接や狭開先溶接にも適用可能である。

多数の溶接条件を完全にソフトウェアに組み込むことば
ソフトウェアの構築上の問題と主メモリの記憶容量の面
から現実には殆ど実現性がない。

例えば断面計算の溶着量が得られても、ビード外観、溶
込み、欠陥などを満足させるとは限らない。下向き溶接
でも、溶込み不足、オーバーランプ、アンダーカット等
が起こり得るし、まして横向き溶接ではビードの垂れや
外観などにも問題が残る。

そこで本発明では実際にテストピースを使い、種々な板
厚、ルートギャップ幅、開先角度等に対して最適と思わ
れる条件を例えば熟練者の目で作成し、これをデータベ
ースとして蓄積して利用する方式を採用している。

すなわち本発明においては、被溶接継手の板厚と、溶接
始終端のルートギャップ値とをデータ入力して、例えば
フロッピーディスクに記憶しておいた前記データベース
から対応する溶接条件を検索する一方、ティーチングに
よって例えば母材と裏当て金との角などの狙い易いとこ
ろをトーチに教示して、人力されたルートギャップ値に
よって最適なトーチ移動軌跡を内部計算し、このときテ
ーバ状ルートギャップで前記始終端のルートギャップ値
が異なる場合は、そのルートギャップ値の溶接進行に伴
う変化に対応して各パス毎の余盛り高さを一定に保つよ
うに溶接速度とウィービング幅とを変化させるものであ
る。

溶接条件のデータベースの作成に関しては、各ワイヤ径
毎に溶接電流・電圧の変化に対する溶着量の変化を測定
し、例えばパソコン上で溶着量から狙い位置を決定して
一旦データベース化し、作成した溶接条件で実際に溶接
施工して超音波検査などにより欠陥の無いことを確認し
てデータを採用するのがよい。またこの溶接条件のデー
タベースは板厚とルートギャップを検索キーとして作成
し、下向き、横向きといった溶接姿勢の違いと開先角変
則にフロッピーディスクに分けて登録して用いるのがよ
く、これは板厚やルートギャップは溶接対象毎に異なる
ことが多いが、溶接姿勢や開先角度はあまり変わらない
ためである。これにより、溶接対象の設計基準が変われ
ばフロッピーディスクを交換して溶接することになり、
現場オペレータの選択ミスも起こりにくくなる。

突合せ溶接の開先加工は、ガス切断や開先加工機（機械
式切削機）等で行なわれ、開先角度は火口のセットや切
削ミルによってほぼ設計基準通りに守られているのが通
常であるが、ルートギャップは、ガス切断機のレールと
溶接部材切断線（開先線）の平行度や、他の部材との組
み付け、仕上がり寸法の関係等から、始端と終端とでル
ートギャップの異なるテーパーギャップになることがあ
る。従来の多層盛り自動アーク溶接法では、このような
ギャップの変化には対応しておらず、これに対応するに
はルートギャップの変化に従って適宜教示点を設け、そ
こで溶接条件を変更するという手法を採用するのが通常
である。この場合、ギャップの変化量毎、例えば全長５
００ｍｍの溶接線で始終端のルートギャップが６ｍｍか
ら３ｍｍへ変化する場合と、５ｍｍから１０ｍｍへ変化
する場合とでは、その教示する点数・使用する溶接条件
の選択が異なり、また溶接条件の変化量を細かくとらな
いとステップ状にビード幅が変化する結果となり、溶接
欠陥を生じる原因ともなる。

そこで本発明では、始めに始端と終端の各ルートギャッ
プ値を計測して入力し、始端と終端の開先断面の原点を
教示することにより、パソコン上で溶接線に沿った開先
断面変化を直線補間によって空間的にシミュレートし、
溶接の進行と共に補間したルートギャップ値に対応した
溶接条件に修正しつつ、この溶接条件によってトーチ軌
跡と、溶接速度およびウィービング幅の変化量とを決定
して溶接施工する。すなわち開先断面に変化があっても
、溶接速度およびウィービング幅の変化で余盛り量を一
定に保ち、かつ必要な溶込みを確保する。この場合、教
示された始端と終端の２点間を溶接進行方向の一定距離
毎に分割して仮想の点を設け、各仮想点で溶接速度およ
びウィービング幅を変更して、階段状となる変化を疑似
的に直線化する。

本発明の特徴と利点を一層理解するために、本発明の好
ましい実施例を図面と共に説明すれば以下の通りである
。

〔実　施　例〕

第１図に本発明の実施に用いる多層盛り溶接ロボットシ
ステムの構成を示す。本実施例に係るシステムはティー
チングプレイバック方式のものであり、互いにケーブル
とホース類で結ばれた構成となっている。第１図におい
て、■はコントローラボックス、２は溶接電源、３は水
冷機、４はシールドガスボンベ、５は溶接ワイヤ送給装
置、６は走行レール、７はロボット本体、８は溶接トー
チ、９はティーチングボックスである。

ロボット本体７は直交３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）とトーチ回転
軸（Ｋ）との４軸構成で第２図にその具体例の詳細が示
しである。

第２図において、ロボット本体７は走行レール６を挟ん
でそれに沿って転動するガイド車輪７７を底面に有する
外側ケース７１と、外側ケース７１内に図示しないスラ
イドガイドによって支持され送り軸機構７２によってＸ
軸方向に進退移動する内側ボックス７３と、内側ボ・ツ
クスフ３の先端に取り付けられたＹ軸ユニット７４と、
Ｙ軸ユニット７４の送り軸機構７５によってＹ軸方向に
昇降移動するに軸ユニット７６とを備えている。前記レ
ール６には長さ方向にう・ンクネジ６１が取付けられて
おり、前記外側ケース７１に固定されたモータ７１ａが
ラック６１とビニオンギアを介して係合し、その回転に
よってロボット本体７をＺ軸方向にレール６に沿って移
動させる。また前記内側ボックス７３を進退移動させる
送り軸機構７２は、外側ケース７１に支持されたモータ
７３ａによって駆動される。さらに前記に軸ユニット７
６を昇降移動させる送り軸機構７５は、Ｙ軸ユニット７
４に支持されたモータ７４ａによって駆動される。Ｋ軸
ユニット７６には、トーチ８をＺ軸と平行なに軸周りに
回動させるトーチウィービングモータ７６ａが取り付け
られている。尚、７８はこのモータ７６ａによって回動
されるトーチ８を保持するトーチブラケットであり、ト
ーチ軸心をに軸中心から偏心させている。これにより、
横向きＴ型溶接でレール６を被溶接部材に直接乗せてセ
ットした場合でも、回動軸のモータ７６ａと部材との干
渉を避け、回動中心でトーチを保持した場合よりもトー
チを水平に寝かせることができるようになっている。ま
たウィービングした場合のワイヤ先端の軌跡は変わらな
いが、溶接アークはワイヤの軸方向へ飛ぶ性質があるの
で、開先に対してワイヤが水平に近くなり、ビードの垂
れを防止することもできるようになっている。一方、下
向き溶接の場合にはビードの真上からモータ７６ａを偏
らせているので、溶接の輻射熱からモータを保護できる
ようになっている。

尚、好ましくは各軸モータともパルスモータを用い、特
にに軸モータ７６ａのビニオン駆動には溶接中のトーチ
ウィービングを円滑に行なうためにバンクラッシュの殆
どない例えばノ１−モニ・７クドライブギア等を用いる
のがよい。

また第２図で７９はトーチケーブルの支柱であり、本体
１がレール６上を移動する際にトーチケーブルがレール
等に引っ掛からないようにするためのものである。

レール６は被溶接部材に図示しないクランプまたは磁石
などによってセットされるが、ここではその構造は説明
するまでもない。

溶接機の構成は、通常の溶接機電源２に水冷循環装置３
を付設して、トーチ８に水冷タイプのものを用いている
。コントローラ１は、例えば１６ビツトのパソコンを用
いており、フロッピーディスク１０のためのドライブ装
置１１をつないでいる。ティーチングボックス９はティ
ーチング時のロボットの操作、溶接条件の選択・確認な
どの一切の操作を行うためのものである。

さて、本実施例のシステムにおける多層盛り溶接では、
溶接姿勢と開先角度に応じたフロッピーディスク１０を
選んでコントローラ１にかけ、板厚とルートギャップ値
の計測結果をティーチングボックス９から入力して、溶
接始端と終端のティーチングデータのもとにフロッピー
ディスクの溶接条件データを展開して溶接する。この場
合、所望の通りの溶接を行なうにはワイヤ送給量を適正
に把握して安全に制御することが望ましい。

例えば溶接ワイヤの比重をρ（鉄系ワイヤの場合はρ＝
　７．８５ｇ／ｃｍ’）、ワイヤ単重をＷ（ワイヤ径１
．２ｍｍの場合Ｗ＝８．８８ｇ／ｍ、　　ワイヤ径１．
４１の場合Ｗ　＝　１２．４５ｇ／ｍ、ワイヤ径１　、
６ｍｍの場合Ｗ　＝　１５．９０ｇ／ｍ）、溶接速度を
Ｗｖ（ｍｍ／５ｅｃ）　、ビード溶着断面積をＳｉ（但
しｉは１，２，３・・・ｎ：層数）、ワイヤ送給Ｉｉ（
速度）をＷｔ　［ｍｍ／５ｅｃ）とすると、３＋＝　（
αＨＷ　−Ｗｒ）　／　（ρ・ＷＶ）　　（ｍｍ”）の
ように簡単に表すことができる。ここではαはスパッタ
やスラグによる減少率を表わす係数である。多層盛りは
上式のＳｉを層数ｎについて総和を求め、これが開先断
面Ｓ。を規定通りに埋めるものとして溶接を行なう。す
なわち、式で表わせば次の通りである。

Ｓ０＝　　Σ　　Ｓｉ １＝１ この−括予測ともいえる方式は前記ワイヤ送給量を正確
に管理することによって充分な精度での制御が可能であ
り、溶接制御機構が簡単になると共に作業速度が高速化
できる点で利点がある。

テーパ状ルートギャップに対しては、前述したように、
はじめに直線溶接区間の始端と終端のルートギャップ値
を入力し、始端と終端の開先断面の原点位置を教示する
ことにより、コントローラ１内で開先断面を空間的にシ
ミュレートし、溶接条件によってトーチ軌跡、溶接速度
・ウィービング幅の変化量を決定して余盛り量が一定に
保たれるように、かつ必要な溶込みが得られるように溶
接施工する。この場合の教示された始端と終端の２点間
の直線補間は、２点間を溶接進行方向（Ｚ軸方向）の所
定距離毎に分割して、複数の分割仮想点をつなぐ疑似的
な直線化を行なう。これを第３図と共に具体例で説明す
る。第３図において、例えば下向きし形開先で、開先角
度３５度、板厚３０ｍｍ、始端ルートギャップ５ｍｍ、
終端ルートギャップ１０ｍｍの場合を例に挙げている。

教示は、第３図で始端の■と終端の■の２点のみであり
、これら教示点はこの場合は母材３１と裏当て金３２と
の角部である。前記点■をｘｙｚ直交座標の原点（０，
０，０）とし、第１パスの条件として、例えば始端のト
ーチ狙い位置はルートギャップの半分のシフト量（Ｘ、
＝３ｍｍ）を与えて点（３，０，０）とし、始端でのウ
ィービング幅ＷＷ＋はルートギャップと等しくＷ、ＩＩ
＝６ｍｍ、更に溶接速度Ｗｖ　＝　３００　ｍｍ／５ｅ
ｃと定めるものとする。始端ルートギャップＲｒ＋＝６
ｍｍ、終端ルートギャップＲｇ２＝１０ｍｍであるので
、終端のシフト量Ｘ２は、始終端のルートギャップの比
から、６：３＝１０：Ｘｚ Ｘｚ＝３＊１０／６＝５ｍｍ となり、溶接長を５００ｍｍとすると、始端狙い位置（
３，０，０）から終端倣い位置（５，０゜５００）まで
を結ぶ直線が第１パスのトーチ軌跡となる。同様にウィ
ービング幅もルートギャップ変化に合せて、 ６：６＝１０：Ｗｗｚ Ｗｗｚ＝　６　＊　１０　／　６　＝　１０　ｍｍとし
、始端Ｗｗ＋＝６ｍｍから終端Ｗ、、＝　１０　ｍｍへ
徐々に増加させる。

ここで同じ溶接速度で全長を溶接すると、溶着金属量が
一定であるから、余盛り量が一定とならない。そこで溶
接速度をルートギャップの変化に応じて加減し、たとえ
ば上記のように終端に向ってルートギャップが広がる場
合には、溶接速度をＷｖ　　Ｗｗｚ　（Ｒｇ２　Ｒｇ＋
）　＊βによって遅くする。尚、βは溶接速度に関する
パラメータで、ルートギャップ値の差１ｍｍにつき例え
ば３〜５％程度の速度変化とするが、季節による周囲温
度の変化、余熱の有無による母材温度の変化、使用ワイ
ヤ等によって変化するので、ティーチングボックス９か
ら修正入力できるようにしておくのがよい。

このようにして途中の仮想点でも同様の計算で軌跡、ウ
ィービング幅、溶接速度を決定する。尚、仮想点は、テ
ィーチングにより移動パルス数が既知であるので、それ
を等分割するように、例えば溶接線長が５００ｍｍ程度
では数１０ｍｍ程度の間隔に取れば充分であるが、ルー
トギャップのテーパの程度によっては階段状のビード形
状となる場合もあるので、前記Ｙ軸モータ７４ａやに軸
モータ７６ａなどの制御の分解能に適合した範囲内で短
い間隔に取るのがよい。

第２パス以降では、Ｙ軸方向へのシフト位置でのルート
ギャップ値を同様に計算して溶接条件を求める。例えば
Ｙ軸シフト量を５ｍｍとすると、第２パスのルートギヤ
ツブは、 始端■では、６　＋ｔａｎ　３５°＊　５　＝９．５　
ｍｍ。

終端■では、ｉｏ＋ｊａｎ　３５°＊　５　＝　１３．
５ｍ　ｍとなる。

以後のパスでも同様にして計算が行なわれる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、倣いセンサを用
いずに、オペレータが開先を計測して板厚等の条件と共
に手元でインプットし、溶接の始終端をティーチングす
るだけで自動的に多層盛り溶接を行なう小形可搬式の溶
接ロボットを実現できるものであり、さらには直Ｍ４溶
接区間のテーパ状ルートギャップにも溶接区間の始端終
端の開先精度をインプットするだけで自動的に対応でき
るので、自動化率の低かった鉄骨仕口部の多層盛り溶接
作業の自動化に顕著な効果を奏することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に用いるロボットシステムの構成
を示す説明図、第２図はロボット本体の具体的実施例を
示す断面図、第３図はテーパ状ルートギャップの直線補
間による計算法を示す説明図である。 ＦＩＧ、１ ■　； ３　： ５　； ７　： ９　： コントローラボックス、２：溶接電源、水冷機、　　　
４：シールドガスボンベ、溶接ワイヤ送給装置、６：走
行レール、ロボット本体、　　　８：溶接トーチ、ティ
ーチングボックス、７１：外側ケース、：送り軸機構、
　　７３：内側ボックス、＝Ｙ軸ユニット、　　７５：
送り軸機構、：に軸ユニット。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）横向き突合せ、下向き突合せ、隅肉などの溶接種
   別と開先の形状および角度の別毎に、溶接速度、溶接電
   流、ウイービング幅、ワイヤ送給速度、層数等に応じた
   複数の溶接条件を、種々の板厚値とルートギャップ値と
   をパラメータとして予め実験により求めてデータベース
   化しておき、被溶接継手の直線溶接区間の始端と終端と
   の位置をティーチングによって設定すると共に、被溶接
   継手の板厚とルートギャップ値とに対応した溶接条件を
   前記データベースから読み出しながら、この読み出した
   溶接条件で前記始端から溶接を開始して前記直線溶接区
   間の終端まで自動溶接することを特徴とする多層盛り自
   動アーク溶接法。
2. （２）ティーチング時に前記直線溶接区間の始端と終端
   の各ルートギャップ値を記憶させ、前記直線溶接区間の
   途中のルートギャップ修正値を前記記憶値から直線補間
   して求めておき、被溶接継手の板厚と始端のルートギャ
   ップ値とに対応した溶接条件を前記データベースから読
   み出して、この読み出した溶接条件で前記溶接区間の始
   端から溶接を開始し、溶接中に始端からの溶接距離が予
   め定められた値になるたびに前記直線補間で求めたルー
   トギャップ修正値に対応した溶接条件の修正を行うこと
   により、溶接速度とウイービング幅の変化でパス毎の余
   盛り量をほぼ一定に保ちながら自動溶接を継続すること
   を特徴とする請求項１に記載の多層盛り自動アーク溶接
   法。
3. （３）ティーチング時の始端と終端の位置情報および各
   端ルートギャップ値からルート中心の軌跡を計算してト
   ーチの移動軌跡を前記中心軌跡に沿わせることを特徴と
   する請求項２に記載の多層盛り自動アーク溶接法。