JPH0417753B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧力容器等の大型厚肉構造物を自動
的に溶接するための制御装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、厚板の継手部を溶接する際には、高能
率に溶接するため、その開先幅を狭くして溶接す
る狭開先溶接手段が用いられている。

この厚板の狭開先溶接を行なう場合、第７図に
示すように、厚板としての母材１，１の開先隙間
１ａに溶接用トーチ６を挿入した後、この溶接用
トーチ６先端部まで送給ローラ７を用いて溶接ワ
イヤ５を送給する。そして、溶接ワイヤ５をアー
ク４によつて溶融し、母材１，１の隙間１ａを溶
接金属３により溶接する。なお、第７図の符号２
は裏当金を示す。

ところで、この狭開先溶接では、溶接用トーチ
６と開先壁との隙間が通常２〜５mmと小さいた
め、作業員が常時溶接状態を監視し、トーチ位置
および姿勢を調整する必要がある。

また、厚板の多層溶接の場合、開先形状の変化
に伴い最終層付近では溶接ビード高さが不均一と
なつて、連続溶接ができないため、低い部分を断
続的に溶接して高さがほぼ均一になるように調整
した後、最終層の溶接をして仕上げている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来の厚板溶接手段では、一つの継
手ごとに溶接状態を監視する作業員が一人必要で
あり、多大な労力を要する一方、溶接ビード高さ
を調整するため、連続溶接ができず作業能率が低
下するという問題点がある。

また、一般に、開先の溶接にあつては、溶接用
トーチが開先壁に接触しないように溶接用トーチ
を溶接線に沿つて移動させて溶接が行なわれる。

ところが、開先に、加工誤差，組立誤差あるい
は熱収縮などによつて倒れを生じることがある。
特に厚板層の継手部の溶接の場合、厚板層間に形
成される開先にわずかな倒れが生じても、開先が
深いため開先上部の開先壁に溶接用トーチが接触
するという問題点が生じる。

本発明は、このような問題点を解決しようとす
るもので、厚板の狭開先溶接に際し、溶接トーチ
の位置および姿勢の調整を自動化することによ
り、一人の作業員で管理できるようにして、溶接
作業の省人化および能率向上をはかるとともに、
厚板の溶接における上述の特有の問題点、すなわ
ち溶接時における溶接用トーチと開先壁との接触
が防止できるようにした、厚板自動溶接制御装置
を影響することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このため、本発明の厚板自動溶接制御装置は、
厚板層の開先隙間に挿入される溶接用トーチと、
同トーチの位置および姿勢を調整しうるアクチユ
エータとをそなえ、上記トーチの先端におけるア
ーク光を含んだ溶接部を撮像しうるテレビカメラ
と、同テレビカメラによる映像を画像処理して上
記アクチユエータへ上記トーチの上下および左右
方向位置制御信号を送る第１のトーチ制御系が設
けられるとともに、上記開先隙間の上方において
上記トーチに対をなして装着された複数のアーク
光検知センサと、これらのアーク光検知センサか
らの検出信号を相互に比較してその差信号により
上記アクチユエータへトーチ姿勢制御信号を送る
第２のトーチ制御系が設けられたことを特徴とし
ている。

〔作 用〕

上述の本発明の厚板自動溶接制御装置では、ア
ーク光を含む溶接部をテレビカメラで撮像し、そ
の映像を画像処理することにより算出されるトー
チ位置とアーク光検知センサにより検知されるト
ーチ姿勢とに基づき、第１および第２のトーチ制
御系によつて、溶接用トーチの位置および姿勢が
自動的に調整される。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の実施例について説明
すると、第１図は本発明の第１実施例としての厚
板自動溶接制御装置を示す模式的な斜視図であ
り、平板状の厚板層としての母材１，１の開先隙
間１ａに溶接用トーチ６がアーク点を中心に円弧
状に移動できるように挿入され、同溶接用トーチ
６内には、送給ローラ７によつて送給される溶接
ワイヤ５がトーチ６先端における開先隙間１ａの
溶接部まで貫通して配設されている。

一方、トーチ６先端におけるアーク４によるア
ーク光を含んだ溶接部を撮像する工業用テレビカ
メラ１０がそなえられており、このテレビカメラ
１０は、アーク４，溶接ワイヤ５，開先壁等を区
別できるように適当なフイルタをそなえるととも
に、その視野に常にトーチ６先端における溶接部
が入るように、溶接用トーチ６と連動するように
設置されている。なお、テレビカメラ１０は、そ
の映像信号を送信すべく、送信ケーブル１１を介
して画像処理装置１２に接続されている。

そして、画像処理装置１２では、テレビカメラ
１０で撮像した溶接部の画像を二値化処理（適当
な基準値を設定しアーク光の輝度分布を明と暗と
の二値に分ける処理）して、溶接ワイヤ５に対し
垂直な方向および水平な方向のテレビ走査線信号
から、開先幅，溶接ワイヤ５の位置および溶接ワ
イヤ５の突出長を算出している。

また、開先隙間１ａ上方においてトーチ６の両
側部にはシールド箱９を介して一対のアーク光検
知センサ１４，１４がそなえられ、これらのアー
ク光検知センサ１４，１４にはアーク４によるア
ーク光を受光すると光電効果により出力信号を出
す受光素子が内蔵されている。そして、アーク光
検知センサ１４，１４から出力される出力信号
は、送信ケーブル１５を介してアンプ１６に送ら
れ、このアンプ１６では、送信された微弱な出力
信号を増幅し電圧信号に変換する。

さらに、第１および第２のトーチ制御系を内蔵
するトーチ位置および姿勢制御装置１８が、送信
ケーブル１３を介し画像処理装置１２に接続され
るとともに送信ケーブル１７を介しアンプ１６に
接続されて配設されている。

トーチ位置および姿勢制御装置１８は、画像処
理装置１２から送信ケーブル１３を通つて送信さ
れてきた開先幅，溶接ワイヤ５の位置および溶接
ワイヤ５の突出長の情報をあらかじめ設定した基
準値と比較し、溶接用トーチ６の先端部位置（上
下，左右方向位置）を常に一定条件に保持制御し
うる第１のトーチ制御系としての機能と、アンプ
１６から送信ケーブル１７を通つて送信された信
号を判断し、開先隙間１ａ上方において溶接用ト
ーチ６の姿勢（トーチ６の傾き角度）を修正制御
しうる第２のトーチ制御系としての機能とを有し
ており、図示しないマイクロコンピユータ，入出
力インタフエース等から構成されている。

ところで、このトーチ位置および姿勢制御装置
１８からの制御信号により溶接用トーチ６の位置
および姿勢を調整するアクチユエータが駆動モー
タ２１，２４，２５およびこれらのモータ２１，
２４，２５それぞれにより駆動される伝達軸２
２，２６，２７から構成されている。そして、ト
ーチ位置および姿勢制御装置１８から送信される
トーチ位置制御信号およびトーチ姿勢制御信号
は、送信ケーブル１９および２０によつて駆動モ
ータ２４，２５および２１に送られるしたがつ
て、駆動モータ２１は伝達軸２２を介して溶接用
トーチ６を上下方向に駆動する一方、駆動モータ
２４および２５のそれぞれは、伝達軸２６および
２７を介して、溶接用トーチ６の左右方向および
傾き角度を調整する。なお、第１図中の符号３は
溶接金属、２８は駆動モータ２４および２５の収
納箱を示す。

本発明の第１実施例としての厚板自動溶接制御
装置は上述のごとく構成されているので、厚板層
としての母材１，１の溶接作業中に、テレビカメ
ラ１０によつて撮像された溶接部を示す画像は、
画像処理装置１２において、二値化処理され、開
先幅，溶接ワイヤ５の位置および溶接ワイヤ５の
突出長が算出された出力信号としてトーチ位置お
よび姿勢制御装置１８へ送信される。

一方、トーチ６の姿勢が変化し、一対のアーク
光検知センサ１４，１４のどちらか一方のアーク
光検知センサ１４がアーク４によるアーク光を受
光しなくなると、このセンサ１４からトーチ位置
および姿勢制御装置１８への出力信号が途絶え、
溶接用トーチ６の傾きが検知される。

これらの出力信号が、トーチ位置および姿勢制
御装置１８に入力されると、あらかじめ設定した
基準値と比較され、トーチ位置すなわち上下およ
び左右方向位置を常に一定条件に保持する制御信
号が、それぞれ駆動モータ２１および２４へ出力
されるとともに、アーク光検知センサ１４，１４
が両方同時にアーク光を受光する方向にトーチ姿
勢（傾き角度）を移動させる制御信号が駆動モー
タ２５へ出力される。

すなわち、駆動モータ２１は、伝達軸２２を介
し、駆動モータ２４，２５の収納箱２８自体を上
下に駆動することによつて、溶接用トーチ６を上
下に駆動し、その上下方向位置を調整する。

また駆動モータ２４は駆動軸２６を出没させて
溶接用トーチ６を開先隙間１ａの幅方向（溶接用
トーチ６の移動方向に直交する方向）に駆動し、
溶接用トーチ６の左右方向位置を調整する。

さらに、モータ２５が駆動軸２７を寸法W₂だ
け駆動し、溶接用トーチ６を溶接アーク点Ｏを中
心に回動させて溶接用アーク６の姿勢（傾き角）
を調整する（第６図参照）。

なお、モータ２４による左右方向位置調整とモ
ータ２５による姿勢角度調整とが同時に行なわれ
てもよいことは言うまでもない。

このように、溶接用トーチ６を常に適正位置お
よび姿勢に自動的に保持制御でき、溶接作業時
に、作業員による溶接部の監視および溶接用トー
チ６の位置および姿勢の調整が不要になるので、
溶接作業の省人化および能率向上がはかれる。し
かも従来、溶接部の監視が難しいため欠陥が生じ
やすかつた深くて狭いＩ型開先の多層溶接部にお
いて、その監視が確実に行なわれるようになるの
で、品質の向上がはかれるのである。

第２，３図は本発明の第２実施例としての厚板
自動溶接制御装置を示すもので、第２図はその模
式的な斜視図、第３図はそのビード積層状態を示
す模式的な断面図であり、第４図は従来の装置に
おけるビード積層状態を第３図に対応させて示す
模式的な断面図であつて、この第２実施例は、本
装置を厚肉円筒の周継手に適用した場合である。

第２実施例も、上述の第１実施例とほぼ同じに
構成されているが、溶接すべき厚板層としての円
筒状の母材１′，１′がターニングローラ８上に支
持され、このターニングロール８は、図示しない
ターニングローラ駆動用モータ，減速装置および
エンコーダを内蔵した駆動モータ収納箱３２に接
続されて、図示しないターニングローラ駆動モー
タにより回転駆動される。

また、駆動モータ収納箱３２は、送信ケーブル
２９，３１およびモータ制御盤３０を介してトー
チ位置および姿勢制御装置１８に接続されてい
る。

そして、母材１′，１′の溶接部における組立誤
差，熱収縮等によつて生じる開先幅の変動が、第
１実施例と同様に、画像処理装置１２において二
値化処理されて算出され、トーチ位置および姿勢
制御装置１８で基準値と比較されることにより、
溶接速度の指令信号となつて、ケーブル２９，３
１およびモータ制御盤３０を介し駆動モータ収納
箱３２内のモータに出力される。すなわち、開先
幅が広い場合にはモータの回転速度を遅くし、開
先幅が狭い場合にはモータの回転速度を速くする
ように、指令信号を出力する。

この指令信号によりモータ制御盤３０は、指令
された溶接速度に見合うようにターニングローラ
８の回転速度を制御調整するのである。

なお、第２実施例においても、図示しないが、
駆動モータ２１，２４，２５から成るアクチユエ
ータがそなえられており、溶接用トーチ６の位置
および姿勢が自動的に制御されるようになつてい
る。

本発明の第２実施例としての厚板自動溶接制御
装置は上述のごとく構成されているので、厚肉円
筒の溶接においても、第１実施例とほぼ同様の作
用効果が得られるとともに、開先幅の変動に応じ
ターニングローラ８の回転速度を調整することに
より、従来、第４図に示すように、開先幅の変動
によつて不均一となつていた溶接ビード高さが、
第３図に示すように、常に均一にできるようにな
り、多層連続自動溶接が可能となる。したがつ
て、溶接ビード高さを調整するために、溶接を断
続的に行なうことがなくなり、溶接作業能率を大
幅に高めることができるのである。

第５図は本発明の第３実施例としての厚板自動
溶接制御装置を示す模式的な斜視図であり、厚肉
円筒の複数（本実施例では２ケ所）の周継手を同
時に溶接する場合に適用したものである。この第
３実施例では、第２実施例とほぼ同じ構成の装置
が２台並列してそなえられており、それぞれ溶接
台車３３が溶接ワイヤ５，溶接用トーチ６，送給
ローラ７，工業用テレビカメラ１０およびトーチ
駆動用のアクチユエータを含む溶接装置一式を搭
載している。

そして、溶接台車３３は、レール３４に装着さ
れて、このレール３４上を移動する。また、サイ
ドビーム３４ａが、レール３４の両側部を支持
し、架台３５の外側に沿つて上下動可能に装着さ
れており、レール３４とともに溶接台車３３を上
下方向に駆動する。さらに、架台３５は床面に固
定されたレール３６に同レール３６上を走行する
ように設置されている。

一方、複数継手の溶接を集中管理し遠隔操作す
るための集中制御盤３７がそなえられ、この集中
制御盤３７は、溶接用制御装置，溶接速度制御装
置，トーチ位置および姿勢制御装置１８（第１，
２図参照）、溶接部監視モニタおよびこれらの装
置を管理するマイクロコンピユータ等から成つて
いる。

なお、第５図では各機器の接続に必要な電気配
線および溶接に必要な水，ガスの配管を省略して
示している。

また、本発明の第３実施例では、第１，２実施
例と同様に、開先幅，溶接用トーチ６の位置およ
び姿勢の検出信号をもとに、位置６の位置および
姿勢を自動的に制御するとともに、ターニングロ
ーラ８によつて溶接速度を調整することで溶接ビ
ード高さを均一にする。

さらに、集中制御盤３７での操作により溶接台
車３３を上下，左右に移動することによつて、複
数個の継手を１人の作業員で管理する。

なお、連続自動溶接時に、ビード表面に生成固
着するスラグは、図示しないタガネにより連続し
衝撃を与えて自動除去する。

本発明の第３実施例としての厚板自動溶接制御
装置は上述のごとく構成されているので、第１，
２実施例と同様の作用効果が得られるとともに、
複数の継手部の溶接を１人の作業員により管理で
きるので、労力を大幅に削減できるとともに、溶
接作業の能率向上がはかれる。

また、第３実施例では、第１実施例において示
した平板状の厚板層の長手溶接についても同様の
作用効果が得られる。この長手溶接の際には、溶
接の進行を溶接用トーチ６を搭載した溶接台車３
３または架台３５を移動させることによつて行な
い、溶接速度のフイードバツクを溶接台車３３ま
たは架台３５の進行速度に対して行なえばよい。

なお、狭開先溶接手段には開先端部の融合不良
を防止するため、溶接ワイヤに波形の曲げぐせを
与えてアークを揺動させる方式あるいはねじりを
与えた２本の溶接ワイヤによりアークを揺動させ
る方式等がすでに提案されているが、溶接部の溶
融池，アーク状態は基本的に同一であるため、本
発明の装置はそのいずれにも適用できる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の厚板自動溶接制
御装置によれば、厚板層の開先隙間に挿入される
溶接用トーチと、同トーチの位置および姿勢を調
整しうるアクチユエータとをそなえ、上記トーチ
の先端におけるアーク光を含んだ溶接部を撮像し
うるテレビカメラと、同テレビカメラによる映像
を画像処理して上記アクチユエータへ上記トーチ
の上下および左右方向位置制御信号を送る第１の
トーチ制御系とが設けられるとともに、上記開先
隙間の上方において上記トーチに対をなして装着
された複数のアーク光検知センサと、これらのア
ーク光検知センサからの検出信号を相互に比較し
てその差信号により上記アクチユエータへトーチ
姿勢制御信号を送る第２のトーチ制御系が設けら
れるという簡素な構成で、次のような効果ないし
利点が得られる。

(1) 常に溶接用トーチを適性な位置および姿勢に
自動的に保持制御できるので、作業員による溶
接部の監視および溶接用トーチの調整が不要と
なり、溶接作業に省人化および能率向上をはか
れる。特に厚板溶接における特有の問題点、す
なわち開先にわずかな倒れが生じても溶接用ト
ーチが開先壁に接触するという問題点を解消す
ることができる。

(2) 従来、溶接部の監視が難しいため欠陥が生じ
やすかつた深くて狭い型開先の多層溶接部に
おいて、その監視が確実に行なわれるようにな
るので、品質の向上がはかれる。

(3) 組立誤差，熱収縮等によつて生じる厚板層の
開先幅の変動をテレビカメラによる映像の画像
処理から検知して、溶接速度を調整することに
より、常に溶接ビード高さを均一にすることが
できるので、厚板層の狭開先溶接において多層
連続の自動溶接が可能となつて、溶接作業の能
率を大幅に高めることができる。

(4) 本装置あるいは各種制御装置，遠隔操作装置
等から集中制御盤を構成することによつて、複
数個の継手の溶接を同時に１人で管理すること
ができ、溶接作業に要する労力を大幅に削減で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例としての厚板自動
溶接制御装置を示す模式的な斜視図であり、第
２，３図は本発明の第２実施例としての厚板自動
溶接制御装置を示すもので、第２図はその模式的
な斜視図、第３図はそのビード積層状態を示す模
式的な断面図であり、第４図は従来の装置におけ
るビード積層状態を第３図に対応させて示す模式
的な断面図であつて、第５図は本発明の第３実施
例としての厚板自動溶接制御装置を示す模式的な
斜視図であり、第６図は第１実施例における姿勢
制御の作動を説明するための模式側面図、第７図
は従来の厚板溶接手段を示す要部各大断面図であ
る。 １，１′…厚板層としての母材、１ａ…開先隙
間、３…溶接金属、４…アーク、５…溶接ワイ
ヤ、６…溶接用トーチ、７…送給ローラ、８…タ
ーニングローラ、９…シールド箱、１０…工業用
テレビカメラ、１１…送信ケーブル、１２…画像
処理装置、１３…送信ケーブル、１４…アーク光
検知センサ、１５…送信ケーブル、１６…アン
プ、１７…送信ケーブル、１８…第１および第２
のトーチ制御系としてのトーチ位置および姿勢制
御装置、１９，２０…送信ケーブル、２１…アク
チユエータとしての駆動モータ、２２…伝達軸、
２４，２５…アクチユエータとしての駆動モー
タ、２６，２７…伝達軸、２８…収納箱、２９…
送信ケーブル、３０…モータ制御盤、３１…送信
ケーブル、３２…駆動モータ収納箱、３３…溶接
台車、３４…レール、３４ａ…サイドビーム、３
５…架台、３６…レール、３７…集中制御盤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 厚板層の開先隙間に挿入される溶接用トーチ
   と、同トーチの位置および姿勢を調整しうるアク
   チユエータとをそなえ、上記トーチの先端におけ
   るアーク光を含んだ溶接部を撮像しうるテレビカ
   メラと、同テレビカメラによる映像を画像処理し
   て上記アクチユエータへ上記トーチの上下および
   左右方向位置制御信号を送る第１のトーチ制御系
   とが設けられるとともに、上記開先隙間の上方に
   おいて上記トーチに対をなして装着された複数の
   アーク光検知センサと、これらのアーク光検知セ
   ンサからの検出信号を相互に比較してその差信号
   により上記アクチユエータへトーチ姿勢制御信号
   を送る第２のトーチ制御系が設けられたことを特
   徴とする、厚板自動溶接制御装置。