JPH04224076A - キーホール式片面溶接方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速回転アーク溶接法
を適用したキーホール式片面溶接方法に関し、さらに詳
しくは断続的な仮付ビードの有る開先の片面溶接におけ
る裏ビード形状を、アークセンサすなわち、溶接電流や
アーク電圧からの情報に基づいて安定に制御するように
したキーホール式片面溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アーク直下にキーホールを形成しながら
片面溶接を行う従来のアーク溶接方法において、裏ビー
ド形状を制御するには、一般にバッキング法が使用され
、さらにバッキング材に、例えばアーク光量を検出する
光センサを取り付けて、溶接電流、電圧、溶接速度等の
溶接条件を制御するなどの方法をとっている（特公昭６
２−３６７８７号）。また、このようなセンサを設けな
い場合には、アーク電圧または溶接電流と裏ビードの幅
との間に予めある相関関係を求めておき、この相関に基
づき裏ビード幅を制御するという方法もある（特開昭６
１−１３７６７６号、特開昭６１−１８０６７７号）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
光センサによる制御方法では、バッキング材及び光セン
サを溶接トーチと同期させて移動させるバッキング装置
が必要であり、このようなバッキング装置は複雑で、ま
たその設置が困難な場合がある。

【０００４】一方、アーク電圧または溶接電流との相関
から裏ビード幅を制御する方法では、溶接条件や開先形
状、板厚その他種々の条件に応じた相関関係を全て把握
しておく必要があり、これらの変動要因の決定方法が難
しく、また開先状態に変動が生じた場合には（開先状態
、例えばルートギャップやルートフェースの変動は実際
の片面溶接ではしばしば起こり得る）、安定した裏ビー
ドの形状の制御は一層難しくなる。

【０００５】一般に、裏ビードを良好に出すためには開
先状態を均一に保つ必要があるが、現実的には、ルート
ギャップ、ルートフェースが変化する場合が多い。そこ
で、通常は本溶接を行う前に開先を所定間隔で仮付溶接
する。

【０００６】しかし、このような断続的な仮付溶接をし
た開先では仮付ビードの有る区間と無い区間が混在する
ため、それぞれの区間について溶接条件も当然に変わっ
てくる。上記の従来法はいずれも、仮付ビードの無い均
一な開先形状であることが当然の前提条件となっている
。

【０００７】そこで、本発明者らは断続的な仮付ビード
が存在するような開先に対しても、特別のセンサを使用
することなく、裏ビード形状の制御ができる技術の開発
に努めた。その結果、本出願人の特許出願に係る特開昭
６４−１５２８７号、特開昭６２−２４８５７１号の技
術をさらに発展させることで解決できることがわかった
。すなわち、これらの特許公報は高速で回転するアーク
自体をセンサとして利用し、このアークセンサにより開
先倣い制御を行う高速回転アーク溶接法を示しているが
、この方法でキーホールを形成しながら片面溶接を行う
と、仮付ビードの個所ではアークの回転位置の前方点Ｃ
ｆ　におけるアーク電圧が変化し、またアークの回転位
置の後方点Ｃｒ　におけるアーク長の変化が、開先状態
の変動による裏ビード形状の変化に対応することが判明
した。

【０００８】本発明は、このような知見に基づいてなさ
れたもので、断続的な仮付ビードの有る開先に対し、特
別のセンサを用いることなくアークセンサの情報のみに
基づいて、安定した裏ビード形状の制御ができるキーホ
ール式片面溶接方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係るキーホール式片面溶接方法は、アーク
直下にキーホールを形成しながら断続的な仮付ビードの
有る開先の片面溶接を行うアーク溶接方法において、高
速回転アーク溶接法を用い、その際トーチ高さ（ワイヤ
突出長とアーク長の和）を公知のＡＣＣ制御法（溶接電
流が一定になるように、トーチ高さを制御する方法）を
用いて一定に保ちながら、アークの回転位置の後方点Ｃ
ｒ　におけるアーク長を、該Ｃｒ　点におけるアーク電
圧及び溶接電流の検出値より演算し、得られたアーク長
が設定値と等しくなるように溶接電流を制御するととも
に、仮付ビードの始端位置をアークの回転位置の前方点
Ｃｆ　におけるアーク電圧が低下することで検知し、ほ
ぼその時から、好ましくはアークの中心が仮付ビードの
始端に到達した時から溶接電流を上げ、再びそのアーク
電圧が元に戻った時から溶接電流を下げ、その間トーチ
高さを一定に保つよう溶接電流を増加させることとした
ものである。

【００１０】また、このＣｒ　点におけるアーク電圧及
び溶接電流の検出値として、該Ｃｒ　点を中心に所定の
位相角φについて積分し平均化した値を用いることとし
、さらにＣｒ　点におけるアーク長が設定値と等しくな
るよう溶接電流を変化させるとき、トーチ高さ（ワイヤ
突出長とアーク長の和）が一定となるように、ワイヤ送
給速度も変化させ、同時に溶着断面積が一定となるよう
に溶接速度も変化させるものである。

【００１１】

【作用】本発明の作用を図１〜図４により説明する。図
１は本発明のキーホール式片面溶接方法を示す断面側面
図、図２はその平面図、図３及び図４はそれぞれ図１の
Ａ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図である。図において
、１は溶接トーチ、２は溶接ワイヤ、３はアーク、４，
５は被溶接部材、６は開先、７は溶融池、８はキーホー
ル、９は溶接ビード、１０は裏ビード、１１は仮付ビー
ドである。

【００１２】図に示すように、高速回転アーク溶接法を
用いてキーホール８を形成しながら片面溶接を行うと、
アーク３は常に溶融池７の前方にあって高速回転する。 そして、アーク３は回転位置の前方点Ｃｆ　においては
破線で示すように開先６側へ振れ、後方点Ｃｒ　におい
ては溶融池７側へ振れるといった振動現象を呈する。こ
のとき仮付ビード１１の無い区間では、裏ビード１０の
形状は前述のように開先６の状態の影響を受け、ルート
ギャップａやルートフェースｂの大小によって裏ビード
１０の形状が変化する。すなわち、開先６の状態の変動
によって溶融池７がキーホール８を狭めたり広げたりす
る現象を引き起こすのである。例えば、ルートギャップ
ａが小、またはルートフェースｂが大であると、図１の
破線１２で示すように溶融池７はキーホール８を狭める
方向に前進し、このためＣｒ　点でのアーク長が短くな
る。そして裏ビード幅は小さくなるか、もしくは形成さ
れなくなる。このようにアーク長が短くなるので、Ｃｒ
　点での溶接電流は上昇し、アーク電圧は低下する。ま
た反対に、ルートギャップａが大、またはルートフェー
スｂが小であると、図１の破線１３で示すように溶融池
７は逆にキーホール８を広げる方向に後退し、上記とは
逆の現象となる。

【００１３】故に、Ｃｒ　点におけるアーク電圧Ｅ（溶
接チップと母材間の電圧）と溶接電流Ｉを検出すれば裏
ビードの状態が検出できる。

【００１４】図５に溶接進行方向に対するアークの回転
位置（Ｃｆ　，Ｒ，Ｃｒ　，Ｌ）の定義を示し、図６に
開先状態の変動によるアークの回転位置とアーク電圧Ｅ
との関係を示す。同図において、Ａは開先状態が適正の
場合、Ｂはルートギャップが小、またはルートフェース
が大であるため、裏ビード不足の場合、Ｃはルートギャ
ップが大、またはルートフェースが小であるため、裏ビ
ード過大、出過ぎの場合である。すなわち、適正状態Ａ
に対して裏ビード不足Ｂになると、Ｃｒ　点でのアーク
電圧Ｅは低下し、逆に裏ビード過大Ｃになると、該Ｃｒ
　点でのアーク電圧Ｅは上昇する。

【００１５】次に、本発明の制御方法としては、まずＣ
ｒ　点でのアーク電圧Ｅと溶接電流Ｉを検出する。ただ
しこの場合、アーク長の変化を検知するため、ＡＣＣ制
御法により溶接トーチ１の高さ（ワイヤ突出長とアーク
長の和）を一定に制御しながら行うことが必要である。 被溶接部材の凹凸、うねりなどの影響を受けないように
するためである。アーク電圧Ｅと溶接電流Ｉの検出は、
図５に示すように所定の位相角φの間で積分し（ノイズ
成分除去のため）、平均化する。位相角φは５°以上９
０°以下である。次に、それらの検出値からアーク長を
演算し、その演算値が設定値と等しくなるように溶接電
流を変化させ、さらに、トーチ高さ（ワイヤ突出長とア
ーク長の和）が一定となるようにワイヤ送給速度も変化
させ、同時に溶着断面積が一定となるように、すなわち
、ワイヤ送給速度と溶接速度の比が一定となるように溶
接速度も変化させるのである。

【００１６】さらに、溶接条件は仮付ビード１１の有る
区間と無い区間では異なるため、仮付ビード１１の個所
を検知する必要がある。そこで、図５に示すＣｆ　点で
のアーク電圧をモニターすると、アーク３が仮付ビード
１１に近づくとＣｆ　点でのアーク電圧が低下する。ま
た仮付ビード１１の終端でこのアーク電圧は元に戻る。 図７にアークの回転位置におけるアーク電圧波形を示す
。すなわち、仮付ビード１１の無い区間では、実線１４
で示すようにＣｆ　点でのアーク電圧は多少高くなって
いるが、Ｃｆ　点が仮付ビード１１の始端１６に接近し
てから終端１７までの間は、破線１５で示すようにＣｆ
　点でのアーク電圧が低下する。

【００１７】したがって、Ｃｆ　点でのアーク電圧の変
化で仮付ビード１１の位置を検知できるが、この検知に
続いて仮付ビード１１を溶融し、上述のように裏ビード
１０の形状を制御しなければならない。そのため、まず
溶接電流を上げるタイミングをＣｆ　点がほとんど仮付
ビード１１の始端１６に到達した時点、好ましくはアー
ク３の中心が始端１６に達した時とし（このタイミング
はアーク３の回転直径と溶接速度から求めることができ
る。）、次に溶接電流を下げるタイミングは、図７のア
ーク電圧波形が破線１５から実線１４に変わった時とす
る。そして、その間における溶接電流の増加量はＡＣＣ
制御法によるトーチ高さが一定となるように増加する。

【００１８】また、本発明においては従来のバッキング
法を用いなくとも実施できる。なお、従来のアークセン
サは開先倣い制御が目的であるため、Ｃｆ　点について
の情報のみに基づいて制御している。

【００１９】

【実施例】図８は本発明のキーホール式片面溶接方法を
実施する装置の一実施例を示すブロック図である。

【００２０】溶接ワイヤ２の先端のアーク３を回転させ
るには、偏心チップ方式（特公昭６３−３９３４６号）
と偏心回転機構式（特開昭６２−１０４６８４号）とが
あり、ここでは後者の偏心回転機構式で示されている。 すなわち、溶接トーチ１の上部を自動調心玉軸受２１に
より支持し、中間部に図示しない自動調心玉軸受を介し
て偏心回転機構（ギヤ機構）２２を設け、モータ２３に
より溶接トーチ１の下端が円運動を行うように高速で回
転させるものである。これにより溶接トーチ１の中心に
送給される溶接ワイヤ２の先端が円運動を行い、アーク
３が高速回転する。　　溶接ワイヤ２すなわちアーク３
の回転位置（図５参照）はモータ２３に取り付けたエン
コーダ２４により検出されるようになっている。

【００２１】溶接電源２５は溶接トーチ１と一方の被溶
接部材４との間に接続されている。アーク３のアーク電
圧Ｅ及び溶接電流Ｉはそれぞれアーク電圧検出器２６及
び溶接電流検出器２７により検出され、それぞれ差動増
幅器２８，２９を介してＣＰＵ３０に入力されるように
なっている。３１，３２はそれぞれアーク電圧の基準値
の設定器及び溶接電流の基準値の設定器であり、アーク
電圧検出器２６と差動増幅器２８，及び溶接電流検出器
２７と差動増幅器２９からのアーク電圧・溶接電流波形
信号、並びにエンコーダ２４からの回転位置信号を得て
ＣＰＵ３０にて公知のアークセンサによる開先倣い制御
３３とＡＣＣ制御によるトーチ高さ制御３４を行う。こ
の開先倣いのための制御回路及びトーチ高さ制御回路は
図示されていない。ただし、ここではＣｒ　点における
アーク長の変化を検知するため、つまり被溶接部材４，
５の凹凸、うねりなどにより溶接ワイヤ２の先端の高さ
を一定に制御する必要があるため、ＡＣＣ制御法により
トーチ高さを一定に制御している。

【００２２】このようなトーチ高さ制御のもとで、エン
コーダ２４からの回転位置信号がＣＰＵ３０に入力され
ると、その回転位置信号に応じてアーク電圧Ｅ及び溶接
電流Ｉが検出され、Ｅｃｆ判定器３５により、まずＣｆ
　点でのアーク電圧Ｅｃｆが所定のしきい値ｘより大き
いかどうか判定される。前述のように、アーク３が仮付
ビード１１の始端１６に近付くと、Ｃｆ　点でのアーク
電圧Ｅｃｆは低下する。またアーク３が仮付ビード１１
の終端１７より外れると、Ｃｆ　点でのアーク電圧Ｅｃ
ｆは元に戻る。 したがって、Ｃｆ　点でのアーク電圧Ｅｃｆをモニター
すればその変化が生じたときに、仮付ビード１１の存在
及び位置を検知できる。その仮付ビード１１の存在及び
位置の指標としてしきい値ｘを設定し、Ｅｃｆ≧ｘなら
ば、仮付ビード１１は存在しないため、溶接電流制御器
３６により溶接電流設定器３２の設定値を変更すること
なくＣｒ　点でのアーク長ｌｃｒを後述するように一定
に制御する。またＥｃｆ＜ｘとなったときには、仮付ビ
ード１１が有るため、次に再びＥｃｆ≧ｘとなるまでの
間、トーチ高さが一定となるように溶接電流設定器３２
の設定値を増加変更し、この増加された溶接電流のもと
で同じくＣｒ　点でのアーク長ｌｃｒを一定に制御する
。この溶接電流を上げるタイミング及び下げるタイミン
グは前述したとおりである。

【００２３】Ｃｒ　点でのアーク長■ｃｒの制御は、以
下のようにして行う。すなわち、Ｅｃｒ積分器３７及び
Ｉｃｒ積分器３８によりアーク電圧・溶接電流波形信号
を、図５に示すようにＣｒ　点を中心とする位相角φの
範囲で、アーク３の１回転ごとに積分し、アーク電圧の
積分値ＳＥｃｒ　，溶接電流の積分値ＳＩｃｒ　を求め
る。そしてこの積分値ＳＥｃｒ　，ＳＩｃｒ　のそれぞ
れの平均値、すなわちＥｃｒ，Ｉｃｒをｌｃｒ演算器３
９に入力し、以下の６式を解くことにより、ｌｃｒを得
る。

【００２４】第９図を参照して、ＥｃｒとＩｃｒの検出
値及びワイヤ送給速度Ｖｆ　，制御回路４３により検出
されるワイヤ送給速度ｖｆ　により、Ｃｒ　点でのアー
ク長ｌｃｒは次式より計算できる。

【００２５】 Ｅｃｒ＝Ｖａ　＋ＶＬ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…（１）ＶＬ　＝ａＬＩａ　−ｂｖｆ　／Ｉａ
　　　　　…（２）Ｖａ　＝Ｖｏ　＋Ｘｌｃｒ　　　　
　　　　　　　　　　　　…（３）Ｖｏ　＝ｃＩｃｒ＋
ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）Ｘ＝
ｅＩｃｒ＋ｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
（５）ｖｆ　＝ｇＩａ　＋ｈＬＩａ　２　　　　　　　
　　　　…（６）ここに、 ＶＬ　：溶接ワイヤ突出し部での両端間の電圧降下Ｖａ
　：アーク柱での電圧降下 Ｌ：ワイヤ突出長 Ｉａ　：溶接電流の平均値（電流計２７より検出される
溶接電流を平均化した値） ｖｆ　：ワイヤ送給速度 Ｘ：アークの電位傾度 ａ〜ｈ：全て定数で、ワイヤ、シールドガスの種類によ
り実験で定められる。

【００２６】以上の６式より求めたアーク長ｌｃｒがあ
らかじめ設定された適正状態Ａでの基準アーク長ｌｃｒ
ｏ　に等しくなるように溶接電流Ｉａ　を変化させるの
である。 すなわち、ｌｃｒ＞ｌｃｒｏ　のときは、ｌｃｒ＝ｌｃ
ｒｏ　となるまで、溶接電流Ｉａ　を減少し、ｌｃｒ＜
ｌｃｒｏ　のときは、ｌｃｒ＝ｌｃｒｏ　となるまで、
溶接電流Ｉａ　を増加させる。 このための比較器４０及びｌｃｒｏ　設定器４１が設け
られている。比較器４０の出力はＣＰＵ３０にフィード
バックされ、溶接電流Ｉａ（３６），ワイヤ送給速度ｖ
ｆ　（４３）及び溶接速度ｖ（４２）をそれぞれ制御す
るのである。ここで、溶接電流Ｉａ　を変化させるとき
、（６）式においてワイヤ突出長Ｌが一定となるように
ワイヤ送給速度ｖｆ　も変化させ、かつ、ＡＣＣトーチ
高さ制御における電流基準値はこのＩａ　を用いて常に
トーチ高さを一定に制御しておく。また、溶接電流Ｉａ
　を変化させるとき、溶着断面積（Ｓ＝ｖｆ　／ｖ）　
が一定となるように溶接速度ｖも変化させるようにする
。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、断続的な
仮付ビードの有る開先に対するキーホール式片面溶接に
おいて、高速回転アーク溶接法を適用し、アークセンサ
の情報のみに基づいてアークの回転位置の後方点Ｃｒ　
でのアーク長を一定に制御し、かつ前方点Ｃｆ　でのア
ーク電圧の変化により仮付ビードの位置を検知し、該仮
付ビードの個所ではトーチ高さが一定となるように溶接
電流を上げることにより、何ら特別のセンサを用いるこ
となく、安定した裏ビード形状の制御ができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のキーホール式片面溶接方法を示す断面
側面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】溶接進行方向に対するアークの回転位置をあら
わす説明図である。

【図６】開先状態の変動によるアークの回転位置とアー
ク電圧との関係を示すアーク電圧波形図である。

【図７】仮付ビードの有無によりＣｆ　点でのアーク電
圧の変化をあらわしたアーク電圧波形図である。

【図８】本発明方法を実施する装置の一実施例を示すブ
ロック図である。

【図９】アーク長を計算するために用いる説明図である
。

【符号の説明】

１　　　　溶接トーチ ２　　　　溶接ワイヤ ３　　　　アーク ４　　　　被溶接部材 ５　　　　被溶接部材 ６　　　　開先 ７　　　　溶融池 ８　　　　キーホール ９　　　　溶接ビード １０　　裏ビード １１　　仮付ビード ２３　　モータ ２４　　エンコーダ ２６　　アーク電圧検出器 ２７　　溶接電流検出器 ２８　　差動増幅器 ２９　　差動増幅器 ３０　　ＣＰＵ ３５　　Ｅｃｆ判定器 ３６　　溶接電流制御器 ３７　　Ｅｃｒ積分器 ３８　　Ｉｃｒ積分器 ３９　　ｌｃｒ演算器 ４０　　比較器 ４１　　ｌｃｒｏ　設定器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アーク直下にキーホールを形成しなが
   ら断続的な仮付ビードの有る開先の片面溶接を行うアー
   ク溶接方法において、高速回転アーク溶接法を用い、そ
   の際ＡＣＣ制御法によりトーチ高さ（ワイヤ突出長とア
   ーク長の和）を一定に制御し、同時にアークセンサによ
   る開先自動倣い制御を行いながら、アークの回転位置の
   後方点Ｃｒ　におけるアーク長を、該Ｃｒ　点における
   アーク電圧及び溶接電流の検出値より演算し、得られた
   アーク長が設定値と等しくなるように溶接電流を制御す
   るとともに、アークの回転位置の前方点Ｃｆ　における
   アーク電圧を検出することにより前記仮付ビードの位置
   を検知し、前記Ｃｆ　点におけるアーク電圧が低下した
   らほぼその時から溶接電流を上げ、前記Ｃｆ　点におけ
   るアーク電圧が再び元に戻った時から溶接電流を下げ、
   その間トーチ高さを一定に保つように溶接電流を増加さ
   せることを特徴とするキーホール式片面溶接方法。
2. 【請求項２】　　前記Ｃｒ　点におけるアーク長を演算
   する場合に前記Ｃｒ　点におけるアーク電圧及び溶接電
   流の検出値として、該Ｃｒ　点を中心に所定の位相角φ
   について積分し平均化した値を用いることを特徴とする
   請求項１記載のキーホール式片面溶接方法。
3. 【請求項３】　　演算により得られた前記Ｃｒ　点にお
   けるアーク長が、設定値と等しくなるように、溶接電流
   を制御するとき、トーチ高さ（ワイヤ突出長とアーク長
   の和）が一定となるように、ワイヤ送給速度も変化させ
   ることを特徴とする請求項１または２記載のキーホール
   式片面溶接方法。
4. 【請求項４】　　前記Ｃｒ　点における設定値と等しく
   なるように溶接電流を変化させるとき、溶着断面積が一
   定となるように溶接速度も変化させることを特徴とする
   請求項１もしくは２または３記載のキーホール式片面溶
   接方法。
5. 【請求項５】　　アーク長溶接電流を上げるタイミング
   を、高速回転アークの中心が前記仮付ビードの始端に到
   達した時としたことを特徴とする請求項１記載のキーホ
   ール式片面溶接方法。