JPH04506477A - 溶接方法及び溶接装置 - 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】 溶接方法及び溶接装置 本発明は、溶接方法及び溶接装置に関する。

アーク溶接において溶は込み量のモニターと制御は、高品質の施工にとって重要 である。溶は込み過ぎの溶融池は、垂れ下かり、溶は落ちて穴を残しやすい。溶 は込み不良の溶融池は、溶接継手の背面に裂は目を残す。これは、弱い場所や腐 食の可能性のある領域となる。

熟練した溶接工は、溶接作業の必要な制御を手動で行うことができるが、溶接作 業のパラメータの詳細に依存する自動制御を使用することも知られている。

既知な自動溶接制御装置は、溶接部は込み深さを制御するために、溶接作業中に 形成される溶融池の底である、作られている溶接部の背面から反射する放射を用 いる。しかし、このような制御装置は、溶接部の背面に近づけない場合には使用 できない。

他の既知な制御装置は、溶は込み量を測定するために溶接部の近くで工作物と接 触させる超音波プローブを用いる。しかし、このような制御装置には、検出部を 、良好な音響結合を確保するために一般にグリースで覆い、このグリースが溶融 池を汚染することがあるという欠点がある。

もうひとつの既知の制御装置は、溶接装置のアーク電圧の変化を測定して溶融池 の振動を決定することにより作動する。しかし、この制御装置は、短い安定した アークを維持し、アーク電圧中の雑音比に対する充分な信号を確保するために、 高品質の溶接電力の供給を必要とする。

本発明によれば、アークを形成して、溶融池を生じさせる段階と、溶融池を振動 させる段階と、アーク電流に搬送信号を載せる段階と、アークから放出される放 射を検出する段階と、検出された放射を分析して溶融池のパラメーターの詳細を 得る段階とを含むアーク溶接方法を提供する。

本発明の方法では、溶融池を振動させ、溶融池の前面に表面張力波を励起させ、 アークから放出された放射を検出して分析し、検出された放射の振幅、即ち強さ が形成されたアークの実際の長さに直接比例する。次いで、変調を決定する検出 された放射信号を分析することにより溶融池の振動状態を決定することができ、 このことから溶は込み状態を決定することができる。したがって、アーク長さは 検出された放射信号の振幅（強さ）の変化から決定され、検出された信号の変調 周波数は溶融池の振動数であり、この２つの値から、後に述べるように溶は込み に関連した溶融池のパラメータの詳細を得ることができる。

可聴搬送信号をアーク電流に重畳する方法を手動溶接作業に使用することができ 、一方非可聴搬送信号を自動溶接作業に使用することができ、アークから放出さ れた放射をマイクロホン又は光検出装置により検出する。自動溶接作業では、マ イクロフォンや光検出装置により検出されたアークから放出された放射線と共に 、非可聴式搬送信号が使用できる一方で、手動溶接作業では、可聴式搬送信号を アーク電流に重畳する方法が使用できる。

本発明による方法は、溶接中に起こる状態を単にモニターし、重畳された搬送信 号がアーク中に音を発生し、アーク光を調整する受け身の方法ではなく１．搬送 信号をアーク電流に積極的に重畳する活動的な方法である。したがって、上述し たように、検出され分析された放射は、溶接工の耳で検出され、頭脳で分析され る音響信号か又は、マイクロホンで検出され、溶接の自動制御を行うために、例 えばコンピュータを使って分析される音響信号か、感光装置により検出されコン ピュータを用いて分析される光信号のどちらでもよい。

本発明による方法では、溶接電極と工作物から発する光は、又重畳搬送信号によ り変えられ、これは、この方法の正確さに悪影響を及ぼす。しかし、搬送変調周 波数は、約１００Ｈｚ以上の周波数で固体、例えば電極と工作物内で激しく減衰 され、搬送周波数は、溶融池の振動の測定値を導き出すことができるために溶融 池の振動数より充分高いことが好ましいから、搬送周波数を約１００Ｈｚより上 、しかも充分上に設定することで困難を回避することができる。したがって、溶 接電極と工作物からの搬送周波数の検出された光信号への影響は無視することが できる。

今、本発明を、図面を参照しながら例を通じて説明する。

図ＩＡは、溶は込み過剰の溶接を示す。

図ＩＢは、溶は込み不良の溶接を示す。

図ＩＣは、溶は込み正常の溶接を示す。

図２Ａは、溶は込み正常の溶接の振動モードを示す。

図２Ｂは、溶は込み不良の溶接の振動モードを示す。

図３は、本発明による方法を実施するのに用いる装置を示す。

今、図面を参照すると、図ＩＡは、垂れ下がり、溶は落ち寸前の溶は込み過剰の 溶接を示し、図１Ｂは、弱い個所又は腐食個所となりつる、溶接部背後の裂は目 を有する溶は込み不良の溶接を示す。図ＩＣは、工作物を貫通し、垂れ下がって いない正しく溶は込んだ溶接を示す。

本発明の方法では、溶融池を振動させ、かくして溶融池に表面張力波を生じさせ る。

アーク溶接により生じる溶融池を、溶接電流のショートパルス又は、溶接ガスで 生じる衝撃波により固有振動モードで振動させることができる。図２Ａと図２Ｂ は、溶は込み及び溶は込み不良の溶融池の基本固有振動モードを示す。振動数は 、実際の溶融池の大きさ、従って表面張力波が形成されるため、溶融池の表面張 力により決まる。基本振動数Ｖを、溶融池の質量Ｍ、前面の表面積Ａ、表面張力 σ、密度ρにより計算することができる。

溶は込み状態の溶融池に対して、 ｖ”　＝＝Ｘρ／Ｍ　（１） ここにＸは形状または形成係数であり、実際の溶融池の形状に、　対しては略ｌ である。

溶は込み不良の溶融池に対して、 ｖ’　＝Ｘσ／ρ（Ａ−ｓｙｘ）　（２）ここにＸは溶は込み不良の溶融池に通 した形成係数である。

従って、同じ材料に対しては、基本振動数は、溶は込み池では溶融池の質量Ｍで 、溶は込み不良池では、前面の表面積Ａで決まる。

溶は込み溶融池と溶は込み不良溶融池との区別は、振動の振幅を調べることによ り行われる。溶は込み池は、溶は込み不良池よさせる方法による。励振力は実際 の溶融池のほとんどの大きさに渡って比較的平坦な分布を示すから、励振インパ ルスの立体的な分布は、溶は込み池の大きな振幅振動に有利である。溶は込み溶 融池の振動の振幅は、単純なバネ−ダッシュポットモデルを用いて予測すること ができる。

溶接パルス電流により励起される振動に対して、振幅は、（ＩＦ　”　−Ｉ”　 ）ｔ、　（３） に比例する。

ここに１．は、ｔ、秒（実際には４ｍ５）間続（パルス電流（実際には約２００ Ａ）であり、■は、溶接電流である。

溶接ガスで生じた衝撃波により励起される振動に対して、振幅は、 ΔＰＡｔ、　（４） に比例する。

ここにΔＰは、ｔ９秒間続く衝撃波の圧力であり、Ａは池の前面の表面積である 。

上記の式により、池の振幅を正規化することができ、正規化された振幅は、励振 インパルスに依存する。ショートインパルスを用いる利点は、関心のある全ての 周波数が同じ正規化を有することである。励振インパルスは、溶は込み溶融池に おいて約１ｍｍ（波高値）の池の振幅を生じさせるに充分な強さであるよう選択 され、その結果いかなるノイズも消滅させる。

溶は込み溶融池の作動振動数範囲は、約２０Ｈｚから８０Ｈｚである。溶融池が 垂れ下り始める溶融池の振動数は、溶融池の密度と表面張力との割合の１／４の 大きさに依存する。したがって、”垂れ下がり”振動数は、材料の特性に比較的 鈍感であり、大部分の材料に対し３０Ｈｚに近い。これは、全ての溶は込み状態 の溶接にとって重要な結果である。

溶接中に放出されるアーク光は非常に低い電流の場合を除いて、アーク長さに比 例する。従って、溶融池が振動すると、アーク光はアーク長さに比例して変化す る。もしアーク長さが３ｍｍのときに溶融池の振動振幅が１ｍｍであると、アー ク光は３３％だけ変化する。

正規化には２つの方法がある。第１に、検出した強さを平均化光強さで割って正 規化する。そして、信号は溶融池の振幅をアーク長さで割ったものに等しい。第 ２には、信号を、励振インパルスの強さで正規化する。これは、励振が溶接電流 インパルスによるか、溶接ガスで生じた衝撃波によるかにより、上式の（３）か （４）で割ることにより行われる。正規化は、キャリブレーションが不要である ことを意味する。

あらゆる振動数の測定分解能は、測定所要時間に依存する。Ｔを所要時間とする と、振動数の分解能ΔＶは以下のように得られる。

ΔｖＴ＝　１　（５） 溶接中、溶融池の大きさの測定分解能と測定頻度との間に妥協が必要とされる。

溶接工程の制御のためには、分解能２Ｈｚが良い妥協値であり、４０Ｈｚの溶融 池振動数に対し１０％までの溶融池の質量の測定、及び０．５秒毎の測定を可能 とする。

溶接作業は、通常アーク長さ、移動速度、及び溶接電流で定義される。本発明の 方法により溶接作業は溶は込み量と溶融池の大きさで定義される。溶は込み量は 、正規化された溶融池のスペクトルの振幅と溶は込みのない下限値とを比較する ことにより決められ、溶融池の大きさは、基本振動数から計算される。

本発明の方法は、以下の工程を制御するＩＢＭ　ＰＣＸＴコピュータを用いて実 施することができる。

１、溶融池の振動を励起する。

２、アーク電流に少なくとも１００Ｈｚの搬送信号を重畳する。

３、アークにより放出される放射を音響又は光として検出する。

４、検出した放射を正規化し、スペクトルを計算する。

５、スペクトルから溶は込み、溶融池の大きさを決定する。

６、溶接電流を調整し、本サイクルを繰り返す。

本サイクル時間は、コンピュータが、゛最後の３工程で必要とされる計算を行い かつ、又溶融池を励振させるのを考慮に入れるために、測定時間より僅かに長く すべきである。溶融池の基本振動数及び振動の振幅のモニターを行い、溶接作業 が一定の電流を用いるとしても、品質保証の目的で後の使用に備えてファイルに 保存することができる。溶接作業を、目標のゆ　溶融池振動数によって特定する なら、品質管理は達成される。

本発明の方法は、種々の材料や形状に適用でき、厚さ６ｍｍまで単一バスでつき 合わせ溶接を行うことができる。本方法は、厚さ、熱シンク、及び仮締めの変化 に対して寛容であり、管を環状に溶接することができる。

図３は、本発明の方法を実施する際に使用する装置を示す。鋼管で囲まれた非干 渉性グラスファイバー束よりなるアーク強さ検出器りが、溶接トーチＴに取り付 けられ、トーチによって作られるアークの方に向けられている。心合わせは重要 ではなく、要求されるのは、放出されるアーク光のいくらかを収光することであ る。集めた光は、光フアイバーケーブルを経由して処理装置（図示せず）又は上 述した如き工程に伝えられる。

本発明の方法は、ロボット自動溶接作業に充分適しており、本方法の実施に要求 される装置が小型で、安価で、頑丈で、溶接の前面（トーチ側）に取りつけ及び 心合わせしやすく、キャリブレーションを必要としないという利点を提供する。

さらに、溶融池の大きさと溶は込み量を溶融池の固有振動モードの測定から計算 することができるので、溶接工は、溶融池の大きさおよび溶は込み量によって溶 接手順を特定することができる。

溶融池の大きさ及び溶は込み量をモニターする能力は、溶融池このことにより、 溶接長さに沿う溶融池の大きさの記録を溶接しながら保持することができるので 、溶接の品質を改善し、後の溶接検査の必要性を減じることができる。

メゲｌ、−ｆ　１７．９７．５ １容１す込、過、ｊ　溶は込み不良 溶は込み正常 国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．アークを形成して、溶融池を生じさせる段階と、前記溶融池を振動させる段 階と、前記アーク電流に搬送信号を載せる段階と、前記アークから放出される放 射を検出する段階と、検出された前記放射を分抗して前記溶融池のパラメーター の詳細を得る段階とを含むアーク溶接方法。
2. ２．前記溶融池を、前記溶接電流のショートパルスにより振動させることを特徴 とする請求項１に記載の方法。
3. ３．前記溶融池を、前記溶接作業に使用されるガスの圧力ショートパルスにより 振動させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ４．前記検出された放射が、前記アークにより放出される光であることを特徴と する請求項１、請求項２、或いは請求項３に記載の方法。
5. ５．前記検出される放射が、前記アークにより放出される音響信号であることを 特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
6. ６．前記搬送信号が少なくとも１００Ｈｚの周波数であることを特徴とする先行 請求項のいずれかに記載の方法。
7. ７．前記分析がコンピュータにより行われることを特徴とする先行請求項のいず れかに記載の方法。
8. ８．前記得られた詳細が、前記溶接作業の自動制御に用いられることを特徴とす る先行請求項のいずれかに記載の方法。
9. ９．溶融池を生み出すアークを形成するための装置と、前記溶融池を振動させる ための振動装置と、前記アーク電流に搬送信号を重量させるための装置と、前記 アークにより放出される放射を収集するための放射検出装置と、前記溶融池のパ ラメータの詳細を得るために前記検出された放射を分析するプロセス装置からな るアーク溶接装置。
10. １０．前記振動装置が、前記溶接電流にパルスを生じさせる装置からなることを 特徴とする請求項９に記載の装置。
11. １１．前記振動装置が、前記溶接作業に使用されるガスに圧力ショートパルスを 生じさせる装置からなることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. １２．前記検出装置が、前記アークにより放出される光を検出するように配置さ れた光ファイバーケーブルからなることを特徴とする請求項９、請求項１０、或 いは請求項１１に記載の装置。
13. １３．前記検出装置が、前記アークにより放出される音響信号を検出するように 配置されたマイクロホンからなることを特徴とする請求項９、請求項１０、或い は請求項１１に記載の装置。
14. １４．前記プロセス装置が、コンピュータからなることを特徴とする請求項９か ら請求項１３のいずれかに記載の装置。
15. １５．前記プロセス装置の出力に依存して前記装置の作動の自動制御を行うよう に作動する制御装置を含む請求項９から請求項１４のいずれかに記載の装置。