JPH0450102B2 - - Google Patents

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JPH0450102B2
JPH0450102B2 JP62180359A JP18035987A JPH0450102B2 JP H0450102 B2 JPH0450102 B2 JP H0450102B2 JP 62180359 A JP62180359 A JP 62180359A JP 18035987 A JP18035987 A JP 18035987A JP H0450102 B2 JPH0450102 B2 JP H0450102B2
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Juji Sugitani
Yoshihiro Kanjo
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Nippon Kokan Ltd
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    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/12Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K9/00Arc welding or cutting
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  • Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、溶接用ワイヤを用いた自動アーク
溶接法、特に突き合わせ継手の両面溶接に際して
ルートギヤツプの幅変動に対して溶込みを一定に
保ち、ビードの溶け落ちを防止するとともにビー
ド高さを一定にするための溶接パラメータ制御に
関するものである。
〔従来の技術〕
突き合わせ継手のアーク溶接では、開先のルー
トギヤツプ幅は一般的に零、すなわちルートフエ
ースが接した状態で溶接を行うようにしており、
特に自動溶接では最大でも1mm以下となるように
その管理を厳しく行う必要がある。これは、ルー
トギヤツプ幅が大きいところでは溶込みが不足し
たり、ひどい場合にはビードの溶け落ちが生じた
りするからであるが、現実には、接合部材の開先
成形加工には機械加工の精度上の限界もあるの
で、継手長さ方向に関するルートギヤツプ幅の変
動は不可避である。
このため従来では、片面からの溶接を一定条件
で行つてビード形状を一様にするために、溶接前
にルートギヤツプの広い箇所を手溶接等で埋めて
継手全長にわたつてルートギヤツプ幅がなるべく
零になるようにし、また開先のルートフエースを
3〜5mm以上と比較的大きくとつて溶接中のビー
ドの溶け落ちを防ぐ必要があつた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来技術における溶接前のルートギヤツプの広
い箇所を手溶接等で埋める作業は溶接作業全体の
能率を大幅に低下させる。
また従来では開先のルートフエースの高さ寸法
を大きくとる必要があるので、両面溶接の場合
に、表面溶接後、裏面溶接開始に先立つて溶込み
を最適にするための裏面側開先を表面側ビードに
達するガウジング等によつて形成する必要が生じ
るほか、接合部材が薄くなると傾斜開先がとれず
にI開先での突き合わせ継手とならざるを得ず、
溶接ビードの盛上りが大きくなつて、後からこれ
をグラインダ等で削り取る作業が必要になつてし
まい、例えば容器内面溶接に適用した場合にはこ
れが容器内の難作業となる欠点が避けられない。
従つてこの発明の主要な課題は、突き合わせ継
手のルートギヤツプの幅変動に対して溶込みをあ
る目標値に一定に保ち、ルートフエースの高さ寸
法が小さくても、ビードの溶け落ちを有効に防止
することができる自動アーク溶接法を提供するこ
とであり、特に消耗溶接電極としての溶接用ワイ
ヤを用いる場合に、そのワイヤ突出し長さを溶接
中一定に保持し、両面溶接部のビード高さを一定
に保持することができる自動アーク溶接法を提供
することである。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明においては、接合すべき2部材間の開
先に沿つて消耗溶接電極としての溶接ワイヤを移
動させながら連続的なアーク溶接を施すに際し、
ルートギヤツプ幅の変化に対して設定された溶込
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予め求められ、一方の面側の
溶接に際しては溶接中に前記ワイヤの前方で開先
のルートギヤツプ幅の大きさが検出され、ルート
ギヤツプ幅の変化に対して溶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
ヤツプ幅検出値に応じて溶接電流の大きさが前記
変化特性に従つて実時間制御されると共に、前記
ワイヤの通電チツプからの突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が可変
制御される。この場合、好ましくは前記溶接電流
およびワイヤ送給速度の変化に対してアーク長が
予め定められた一定値に保持されるように溶接供
給電圧の可変制御による電圧補償制御が行われ
る。さらに、前記一方の面側の溶接に際して前記
溶接電流およ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が行われる。ついで他
方の面側の溶接に際しては、ルートギヤツプ幅が
零のときに溶け込み深さがルートフエースの厚さ
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が行わ
れ、ルートギヤツ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。
この発明の好ましい実施態様によれば、他方の
面側の溶接に際して溶接速度のみの制御はルート
ギヤツプ幅が零のときの開先断面積に対する溶接
部位の開先断面積の差に応じて溶接速度Vのみを
可変制御して行われる。
〔作用〕
この発明に従えば、まず始めに、接合すべき2
部材間の開先のルートギヤツプ幅の変化に対して
或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溶込み深さに
ついて予め実験により求められる。例えば、溶接
電流をI、ルートギヤツプ幅をG、ルートギヤツ
プ幅が零のときの溶接電流をI0とすると、或る溶
接速度範囲内においては、 I=I0−kG ……(1) の線形式で表せるリニアな変化特性が得られるこ
とが確かめられている。但し(1)式でkは定数であ
り、この定数kと前記I0とは、実際の溶接に用い
る前記使用材料等によつ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込み深
さに対応した変化特性が選ばれて用いられる。
一方の面側の溶接に際して、溶接中において
は、溶接電極の前方で開先のルートギヤツプ幅の
大きさが例えば撮像手段と画像処理システム等の
検出手段によつて時々刻々と検出され、このルー
トギヤツプ幅検出値によつて、前述選ばれた変化
特性に従つた溶接電流のリアルタイム制御が行わ
れる。この場合、ルートギヤツプ幅の検出位置と
溶接電極位置との間隔に応じた遅延を溶接速度と
の関係で補償し得ることは述べるまでもない。
このようにして、溶接中のルートーギヤツプ幅
の変化に応じて、第1の設定溶込み深さを保持す
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。
またこの発明に従えば、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、この場合さらに、例えば前
記制御された溶接電流Iの大きさの変化に対応し
て、 Vf=A・I+B・l・I2 ……(2) の関係式に従い、ワイヤ送給速度Vfが可変制御
され、これにより前記ワイヤの通電チツプからの
突出し長さl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
ス等によつて一義的に定まる定数である。
さらにこのましくは、この場合さらに加えて、
例えば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Vfの変化に対応して、 Et=El+Ea+Er ……(3) の関係式(アークの負荷特性)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は突出し長さlの部分における溶接用ワイ
ヤの電圧降下、Eaはアーク長laのアーク電圧、Er
は溶接電圧供給端とワイヤへの通電チツプおよび
溶接部材との間の接続回路抵抗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・l・j−b・Vf/j ……(4) Ea=E0(I)+x・la ……(5) Er=R・I ……(6) 尚、これらの式中で、jは溶接用ワイヤの電流
密度であつてワイヤ径をDとすれば、 j=I/(1/4πD2) ……(7) で表され、またE0(I)は溶接電流Iの関数として
のアーク長la=0のときの電極電圧降下、xはア
ークの電位勾配を表す定数、a、bはワイヤおよ
びシールドガス等によつ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さlのもとに、例
えば(3)〜(7)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Vfの変化
に対して更に前記アーク長laを或る設定値に保つ
ための電圧補償制御として行われる。
さらにまたこの発明に従えば、さらに加えて、
例えば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Vfの変化に対応して、 V=Vf/{α・Vf0/V0+β(I0−I)} ……(8) の制御式に従つて溶接速度Vが可変制御される。
ここでVf0はルートギヤツプ幅が零のときのワイ
ヤ送給速度初期値、V0は同様にルートギヤツプ
幅が零のときの溶接速度初期値であり、α、βは
ワイヤおよびシールドガス等によつて一義的に定
まる定数である。
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lのもとに、例えば
(8)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Vfの変化に対して
更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。
ついでこの発明においては他方の面側の溶接に
際して、ルートギヤツプ幅が零のときに溶け込み
深さがルートフエ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が行われ、ルートギヤツプ
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、例えば、 V=Vf0(α・Vf0/V0+ΔS) ……(9) で与えられ、ルートギヤツプ幅G=0のときの開
先断面積S0に対する溶接部位の開先断面積Sの差
ΔS=S−S0に応じて溶接速度Vのみが可変制御
されてビード高さが一定に保たれる。
〔実施例〕
第1図はこの発明の好適な実施例に係る自動ア
ーク溶接法の制御系を示すブロツク図であり、こ
の例では、アークを回転させてその物理的効果を
周辺に分散させ、溶込みの周辺分散と扁平ビード
(湾油ビード)の形成などの利点の得られる高速
回転アーク溶接法に適用した場合を示している
が、この発明はこれに限定されるものではない。
第1図において、溶接部材1にはその厚さ方向
の寸法trのルートフエースで突き合わせた開先2
が形成されており、回転アークトーチ10はモー
タ11により溶接用ワイヤ3を矢印CW方向に回
転させながら送り装置14による送りで開先に沿
つて矢印FA方向へ溶接を進め、その後方にビー
ドを形成させている。溶接用ワイヤ3はワイヤ送
給モータ15によつて或る制御された送給速度で
供給されている。トーチ10の前方で一定距離だ
け先行した開先位置をテレビジヨンカメラ12が
撮像しており、このカメラ12はトーチ10と共
通に前記送り装置14によつて一体的に移動され
るようになつている。テレビジヨンカメラ12に
よる撮像信号は画像処理装置13によつて信号処
理され、画像データ処理によつてトーチ10の前
方の既知の距離位置における開先のルートギヤツ
プ幅Gが例えば前記撮像信号のフレーム時間毎に
検出される。尚、このルートギヤツプ幅の画像デ
ータによる検出は、例えば特願昭62−89908号に
て提案した方式によつて実施するのが好ましい
が、本発明はこれに限定されるものではない。
トーチ10への溶接電流・電圧の供給は溶接電
源16から溶接制御装置17を介して行われ、ま
たワイヤ送給モータ15の制御はモーター制御装
置18により行われ、さらに送り装置14による
溶接速度の制御は溶接速度制御装置19によつて
行われる。
これら溶接制御装置17、モーター制御装置1
8および溶接速度制御装置19への制御指令はマ
イクロコンピユータ(以下MCONと称す)20
から与えられ、MCON20は、付属の入力装置
21によつて設定入力された各定数および設定値
と前記画像処理装置13からのルートギヤツプ幅
Gの検出信号を受け取つて前述の各式(1)〜(8)に従
う演算を行い、各制御装置17,18,19へ制
御信号を与える。ここで入力装置21によつて与
えるのは、前述のk、a、b、A、B、x、D、
Rの各定数と、I0、V0、Vf0、l、la等の設定値
および溶接速度Vの上下限Vnax、Vnioである。こ
れら入力値の値は、予め実験で求めておいた値の
なかから、使用するワイヤのシールドガスなどに
適合するものを選んで入力する。
第2図に、溶接用ワイヤとして1.6mm径のフラ
ツクス入りステンレスワイヤを用い、シールドガ
スとしてCO2ガスを用いた場合の板厚10mmのステ
ンレス鋼板(SUS304)の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Vf/Vを一
定にしてビードの溶け落ち防止のための溶接電流
Iとルートギヤツプ幅Gとの関係、即ち溶接速度
Vが20〜100cm/分の範囲内においてルートギヤ
ツプ幅Gを変えた場合の或る溶込み深さpを保つ
ための溶接電流Iの大きさを求めた結果を示す。
この場合、開先形状は第3図に示す通りであ
り、◇印は溶込み1.5mmを確保する特性、◆印は
溶込み2mmを確保する特性、●印はビード溶け落
ちを生じる電流上限特性である。例えば第2図に
おいて、目標溶け込みp1=2mmを確保する特性
は、I0=360〔A〕、k=30〔A/mm〕から、 I=360−30G ……(1A) なる単純な線形式で表される。
前記MCON20に前記入力装置21からこの
I0=360〔A〕、k=30〔A/mm〕が設定されると、
MCON20は画像処理装置13からのルートギ
ヤツプ幅検出値Gに応じて前記(1A)式に従い
溶込みp1=2mmを保つための溶接電流Iの大きさ
を演算し、溶接制御装置17にトーチ10への溶
接電流がその大きさになるように指令する。
このような制御によつて溶接中のルートギヤツ
プ幅Gの変動に対して設定された溶込み深さp1
保持するような適正な溶接電流Iの制御が行わ
れ、従つて所望の設定溶込み深さでの安定した溶
接が果されるものである。
上記の制御によつて溶接電流Iが変化するが、
それに対してワイヤ突き出し長さlおよびアーク
長laを一定に保持する為の式(2)および(3)〜(7)は、
第2図の例においては第4図に示す通りの実験結
果が得られている。
第4図において、溶接電流Iの変化に対して、
ワイヤ送給速度Vfはワイヤ突き出し長さlとし
てl=15mmを設定値とすると、(2)式において定数
A=0.2、B=4.59×10-5となる。
これらの定数が入力装置21から入力されると
MCON20内ではこれを(2)式に当嵌めて前述制
御された溶接電流Iに応じたワイヤ送給速度Vf
の制御信号をモータ制御装置18へ与え、ワイヤ
送給モータ15の速度をを可変制御する。
また第4図において、ワイヤ突き出し長さl=
15mmに加えてアーク長la=1.5mmを設定値とする
と、D=1.6mm、R=0Ωで(3)〜(7)式においては
x=2.4〔V/mm〕、E0(I)=0.025I+16.4〔V〕、a=
1.12×10-3、b=2.19となる。
これらの値が入力装置21から入力されると、
MCON20内ではこれを(3)〜(7)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Vfに応じた電圧Etが溶接制御装置1
7から出力されるように電圧を可変制御する。
溶接電流Iの変化に対してビード高さを一定に
保つには、前述の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Vfの変化を、各々の或
る基準状態での値(例えばG=0のときの値=初
期値I0、Vf0)における溶着量に対する変化とし
てとらえ、これを溶接速度の可変制御で補償する
のが前述(8)式の制御式である。MCON20には
このための演算式も与えられており、初期値I0
Vf0と定数α、βの入力装置21による設定に従
つてMCON21の内部で溶接電流Iとワイヤ送
給速度Vfとに応じた溶接速度Vが演算され、溶
接速度制御装置19を介して送り装置14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、この場合の溶接速
度Vの制御は溶接電流Iとワイヤ送給速度Vf
の変化に応じて行われるが、第4図では第2図の
例において実験的に求めた特性として、溶接速度
Vを、 V=Vf(V0/Vf0=Vf(20/67.54) として演算する場合を示してある。
以上のような溶接パラメータ制御を行つて部材
1の表面側の溶接を所定の溶込み深さp1で一定ビ
ード高さにて行つたのち、裏面側についてはすで
に開先のルートギヤツプは表側溶接で埋められて
いるから、裏側溶接に際してはG=0のときに設
定溶け込み深さp2≧tf−p1を保つような溶接電流
Iの大きさを第2図のデータから選んでMCON
20の設定し、ルートギヤツプ幅Gの変化につい
てはG=0のときの開先断面積S0に対する溶接部
位の開先断面積Sの差ΔS=S−S0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、例えば、 V=Vf0=(α・Vf0/V0+ΔS) ……(9) で与えられ、これがMCON20にプログラムさ
れる。
尚、実施例のシステムでは表側溶接時のルート
ギヤツプ幅データがMCON20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
けば裏側溶接時のルートギヤツプ幅変化およびそ
れに比例した開先断面積変化ΔSのデータを作る
ことができる。
〔発明の効果〕
以上に述べたようにこの発明によれば、突合せ
継手のルートギヤツプの幅変動に対して溶込みを
所望の目標値に一定に保つて自動溶接することが
可能であり、あまり厚くない溶接部材でもI開先
とせずにすみ、ビードの溶け落ちを起こさずにし
かも扁平なビード形状での両面自動溶接が達成可
能である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係る溶接システ
ムの構成を示すブロツク図、第2図はルートギヤ
ツプ幅変化に対して或る溶込み深さを確保するた
めの溶接電流の変化特性の例を示す線図、第3図
は前図の実験に用いた開先形状を示す説明図、第
4図は前記実験例における溶接電流の各溶接パラ
メータとの関係を示す線図である。 1:溶接部材、2:開先、3:溶接用ワイヤ、
10:回転アーク溶接トーチ、11:トーチ回転
用モータ、12:テレビジヨンカメラ、13:画
像処理装置、14:送り装置、15:ワイヤ送給
モータ、16:溶接電源、17:溶接制御装置、
18:モータ制御装置、19:溶接速度制御装
置、20:マイクロコンピユータ、21:入力装
置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 接合すべき2部材間の開先に沿つて消耗溶接
    電極としての溶接ワイヤを移動させながら連続的
    なアーク溶接を施すに際し、ルートギヤツプ幅の
    変化に対して設定された溶込み深さを保つための
    溶接電流の大きさの変化特性を溶接ワイヤおよび
    シールドガスなどの使用材料に特有の関係として
    予め求めておき、一方の面側の溶接に際しては溶
    接中に前記ワイヤの前方で開先のルートギヤツプ
    幅の大きさを検出しながら、ルートギヤツプ幅の
    変化に対して溶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ヤツプ幅検出
    値に応じて溶接電流の大きさを前記変化特性に従
    つて実時間制御すると共に、前記ワイヤの通電チ
    ツプからの突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、さらに
    前記溶接電流およ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い、他方の面
    側の溶接に際してはルートギヤツプ幅が零のとき
    に溶け込み深さがルートフエ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、ルートギヤ
    ツ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を行うことを特
    徴とする自動アーク溶接法。 2 他方の面側の溶接に際して溶接速度のみの制
    御をルートギヤツプ幅が零のときの開先断面積に
    対する溶接部位の開先断面積の差に応じて溶接速
    度Vのみを可変制御して行う特許請求の範囲第1
    項に記載の自動アーク溶接法。
JP62180359A 1987-07-20 1987-07-20 Automatic arc welding method Granted JPS6422469A (en)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62180359A JPS6422469A (en) 1987-07-20 1987-07-20 Automatic arc welding method
EP88111343A EP0300369B1 (en) 1987-07-20 1988-07-14 Automatic arc-welding method
US07/219,391 US4816640A (en) 1987-07-20 1988-07-14 Automatic arc-welding method
DE8888111343T DE3875413T2 (de) 1987-07-20 1988-07-14 Automatisches lichtbogen-schweissverfahren.
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