JPH0453622B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はビード形成制御装置及びビード形成方
法に係り、特に、溶接実施中における材料間の超
音波探知によつて得られる情報を使用しての、溶
接の制御装置及び方法に係る。

溶接中に形成される溶融池（溶融した金属が池
のようになつている部分）を超音波照射を用いて
検知することが提案されている。例えばアイダホ
国立工学研究所［Idaho National Engineering
Laboratory （INEL）］が1982年１月７日に発
表した技術では、水を介して金属プレートと結合
されたトランスジユースが、該プレートの反対側
表面から溶融池までの距離を検知する。INELは
この技術が溶融池が未だ形成中である時に工程の
変化を修正する自動システムの基本たり得ると示
唆した。MITのハルト教授（Professor Hardt）
も、1981年10月28日にこの種の機構を報告してい
る。

フエン及びストラウド（Fenn and Stroud）
の論文「潜弧溶接法における浸透の測定及び制御
（Themeasurement and control of penetration
during submerged−arc welding）」には溶接制
御のより進んだ方法が示されており、この制御法
では、溶接されるプレートの前面に位置する２つ
の超音波トランスジユーサからの超音波エコーが
用いられる。トランスジユーサは溶接電極の背後
に各側に１つずつ配置され、溶接部を挟んで互い
に向き合いつつ、下方の金属内部の方へ向けられ
ている。超音波エネルギビームは溶融池領域から
反射され、それによつてビームの通路長が測定さ
れ得、この長さの値の変化が、溶接電流並びにワ
イヤの供給を制御して所望の長さを達成するのに
使用される。実時間での閉ループ演算が、厚み半
インチ（12mm）及びそれ以上の金属プレートに溶
接部を設けるべく達成されている。

しかしこれらの構成では、一点からのビーム通
路長のみを制御値として用いており、ビードの位
置をビードが設けられる材料の形状に関して制御
することができなかつた。

従つて、本発明は、ビードの位置をビードが設
けられる材料の形状に関して制御する装置を提供
することを第１の目的とするものであり、またビ
ード位置をビードから設けられる材料の形状に関
して制御する方法を提供することを第２の目的と
するものである。

本発明によれば第１の目的は、材料片の表面か
ら内部に超音波を伝播させる手段と、超音波の反
射を検出し検出された前記反射を示す出力信号を
発生する手段と、前記出力信号から溶融池を示す
反射及び該溶融池に隣接する材料片の縁のコーナ
ーからの反射に関する信号要素を選択すべく前記
出力信号をゲート処理する手段と、溶融池と材料
片の縁との実際の相対位置を決定すべく前記選択
された信号要素を評価し、前記相対位置を示す位
置信号を発生する手段と、前記位置信号に応じて
ビードが堆積される位置を制御する手段とを含む
ビード形成制御装置によつて達成され、本発明の
第２の目的は、材料片の表面から内部に超音波を
伝播させる段階と、超音波の反射を検出して出力
信号を発生する段階と、前記出力信号から溶融池
を示す反射及び前記溶融池に隣接する材料片の縁
のコーナーからの反射に関する信号要素を選択す
る段階と、選択された信号要素に応じて前記溶融
池と材料片の前記縁との実際の相対位置を決定す
る段階と、前記決定に基づいて前記相対位置を示
す位置信号を発生する段階と、前記位置信号に応
じて前記溶融池の位置を制御する段階とを含むビ
ード形成制御方法によつて達成される。

以下、本願発明によるビード形成制御装置の具
体例を図面に基づき詳述する。

第１図は、溶接ヘツドによる溶接ワイヤの供給
またはその他の溶接作業と、矢印AWの方向へ向
かう溶接ヘツドのシームに沿つた移動とを制御す
るべく構成された溶接制御装置の概略的なブロツ
ク線図を示す。前記のような装置の通常の形態は
良く知られており、本明細書ではこれ以上触れな
い。ここに説明する機構には、潜弧溶接機を使用
した。

第１図において、溶接される材料片、例えば２
個のスチール片をＰ及びＰで示す。好ましく
は、これらの材料部分の溶接されるべき領域は、
例えば直角に切断されるかまたは厚みに従つてプ
ロフイールを与えられるなど適宜準備される。そ
れによつて各材料片は、シーム（継目）Ｓに沿つ
て伸延する前面コーナーFC及び背面コーナーBC
を具備し、該シームに溶接部Ｗが形成される。材
料片の厚みは通常25mmあるいはそれ以上である
が、12mm以上であればより少ない厚みも採用され
得る。

制御装置は２個の超音波トランスジユーサプロ
ーブPRA及びPRBを含み、これらのプローブは
材料片Ｐ，Ｐ内へ超音波を伝播させ得、かつ
該材料片内の超音波を検出し得る。組合された超
音波発生源及び感受器をUSSによつて示す。こ
れは通常、検出された音波から出力信号を創出し
てこの信号をゲードTAGに与える超音波記録器
である。２個のプローブが使用されるので、これ
らのプローブを切替え信号SWSの制御下にプロ
ーブ切替え継電器PSRを介して交互に起動する
のが最も簡単である。プローブは第２図に示すよ
うに配置され、この図には明瞭化のためプローブ
PRBのみを示す。プローブ構成の特別の形態を
次に述べる。２個のプローブは、材料と超音波変
換接触を行ないつつ矢印APによつて示される方
向へ移動する。すなわち２個のプローブはシーム
Ｓを横切る線PL上にシームＳに沿つて移動自在
に配置されており、この位置は溶接ワイヤの供給
WF及び電極線ELによつて示される溶接位置よ
りも僅かに後方である。各プローブは超音波の発
散ビームＢを発生し、両プローブはこのビーム
を、第１図に線FCR，WR及びBCRによつて示
されるようにシームＳへ向けて下方へ発するべく
配置される。前記３本の線によつては、ビームＢ
及び有用な反射超音波の一般的な方向が示される
のみである。ビームＢは、プローブが線EL上の
溶接位置の配置されるにもかかわらず、第２図に
示されるように溶接中の溶接部の前方から後方ま
での全領域が超音波探知されるように発散する
（超音波は剪断又は横モードでパルス状に伝搬す
る）。

前述の構成では、超音波の三つの重要な反射が
起こることが判明した。これらの反射は溶接中の
溶接部Ｗに隣接する前面溶接コーナーFC、背面
溶接コーナーBC及び溶接中の溶接部Ｗ自身から
のものであり、各反射は図中、FCR，BCR及び
WRに一致する。ビームの広がりが十分大きいの
で、三つの反射はどれも溶接中確認され得る。こ
れら三つの反射が信号を創出し、この信号から溶
接中の溶接部と材料片との相対位置並びにビード
の浸透が決定され得る。信号とシステムとが使用
前に、例えばＳ波用のDIN54−122またはA211W
のような標準試験ブロツクを使用して規準化され
ると好都合である。超音波の周波数は、厳密とは
思われない。1MHzでは、減衰はより少ないが分
解能はより低く、また側壁エコー及び他の迷走エ
コーはより多く、一方２〜2.5MHzでは分解能は
より良好で側壁効果もより少ないが、減衰は悪化
する。結局周波数2.25MHz及び2.5MHzがより適
すると判明したが、他の値も適当であることは明
白であり、より大きい値すらも有効であり得る。

反射はスイツチPSRを介して超音波記録器
USSに入り、時間軸出力信号TBSを発するが、
該信号は一般に溶接部からの信号要素に先立つて
生じる背面溶接コーナーの信号要素と同時に発
し、該信号は前面溶接コーナーの信号要素に先立
つて生じる。雑音及び無秩序な反射も、これは加
熱区域内でのより高い吸収によつて低減されはす
るが、勿論ある程度は存在する。ゲートTAGは、
超音波パルスが材料に付与された後、定められた
単又は複数時に生じる一定振幅以上の信号を選択
するようにはたらく、各々のプローブからの信号
はゲートTAGにおいて、溶接位置の決定及びビ
ードの浸透を可能ならしめるべく充分な周期で検
査される。溶接のおこなわれるべき前面及び背面
コーナーの位置は溶接シームの両側について分つ
ており、また溶接シームの位置もこれらの位置に
関連して決定されることができるから、溶接ヘツ
ドがシームに沿つて移動しているかどうか、また
はシームからずれているかどうかをチエツクする
ことが可能であり、一方、ビードとシームとの一
致も表示される。これらのチエツクはコントロー
ラCONTでおこなわれ、２つの出力を生ずる。
一方の出力WEは溶接棒供給コントローラWFC
に作用して溶接ワイヤ供給及び溶接電流を調節し
て、求める溶接材の浸透を与え、他方の出力WD
は溶接ヘツドドライブの横断部分がシームライン
上に保持されるように制御する。これらの作動の
詳細についてはここで説明しない。本発明によつ
て与えられる制御信号については、この目的は適
した装置の製造技術にかかわる当業者の周知とす
るところだからである。溶接速度と電流速度の実
際値はもちろん材料及びその他の因子に左右さ
れ、当業者の簡単に決定しうるところである。

但し250Aから800Aの溶接電流は本発明装置の
制御範囲に属する。

制御ループの応答速度は材料及び溶接技術に関
連すべきである。アルミニウムのような急速冷却
金属及びMIGのような小溶融池技術は電流制御
及び位置制御のより迅速な応答を要求する。

実際の応答速度は、溶接電流を調節する溶接ワ
イヤ供給モータ（図示されない）の速度調整をお
こなうコントローラCONTの制御動作をおこな
うべくマイクロコンピユータがプログラミングさ
れるとき決定される。溶接電流は溶融池の寸法す
なわち浸透に影響するから、このような全体制御
は適性な制御方法であるといえる。マイクロコン
ピユータは所定の材料への求める溶融浸透のため
のビーム路長の数値を記憶し、さらに修正制御信
号を発するべく超音波反射によつて支持される実
際値とこれらの記憶値を比較する。溶接深度信号
は特定具体例では材料の背面から反射されるか
ら、信号径路の増加は溶接が浅すぎることを表示
する。溶接電流値も同じくコントローラ内にセツ
トされうるから、さらに電流を徐々に変化させる
ことによつて、溶接材の浸透は250Aから800Aの
範囲を越えたとしてもスムースに変化し、そして
再び回復する（250Aは最小アーク電位）。応答速
度は標準として800A−250A−400A−800Aとい
う段階的電流変化によつて決定された。溶融池の
応答時間はこれらの電流に対して１から３秒の標
準値で測定されるが、但し制御システムはミリセ
カンド単位で測定される数回にわたり電流を変化
される指示に応じる。これは溶融池の応答よりは
るかに迅速である。実際の溶接は電流ステツプに
反応し、ビーム路長の記録はこれらが電流ステツ
プの動作を検出することを示す。

応答速度を限定する因子としては、さらに迅速
な応答が求められる場合、すなわちガス−メタル
アーク溶接またはガス−タングステンアーク溶接
あるいはスチール以外の金属たとえばアルミニウ
ムの場合の電源が考えられる。超音波信号はアル
ミニウムの場合スチールと同じ方法で伝播する。
制御情報のより速い演算も必要があれば可能であ
る。

２個のトランスジユーサのみを用いる代りに前
述の情報を組立てるため３から４個のトランスジ
ユーサを用いてもよい。

すでに埋め込まれているビードを増量するため
にさらにビードを埋め込もうとするとき、または
プレート間のシームスペースの深さ全体に浸透し
ないように埋め込もうとするとき、背面コーナー
の反射は異なる形状であらわれるだろう。しかし
ながら制御装置に何らかの修正が必要な場合には
もちろん本明細書の説明に従つておこなうことが
できよう。

トランスジユーサの接触が良好であることもも
ちろん必要とされる。また溶接の近傍区域は加熱
が著るしく、トランスジユーサに対して有害であ
る。第３図はこの問題を解決するためにセツトさ
れたトランスジユーサをあらわす。トランスジユ
ーサPRはダクトＤの頂部に取付けられているが、
これは斜に勾配をつけてもよい。ダクトＤはゲル
供給口GFを介して吸込まれたゲルＧの供給をう
ける。ゲルＧは、トランスジユーサPRから発す
る超音波を材料Ｐに結合するために適しており、
装置全体が前進するにしたがつてダクトＤの下面
に漏れ出ることができる。このようにしてトラン
スジユーサは良好な超音波条件を維持しながら、
溶接熱から離間され得る。ゲルはこの区域内の温
度に耐え得るはずであり、好ましくは揺変性材料
であり得る。適切なゲルは液体中の微細な粘土粒
子を懸濁させて形成することができるが、もちろ
んその他の材料であつてもかまわない。ゲルは矢
印で示す方向に流失することができる。

第４図はトランスジユーサと材料との間の結合
の、絶縁縁を提供するもう一つの変形例をあらわ
す。この接続方式では、トランスジユーサPRは、
そこから発する超音波を包含し、これを溶接すべ
き材料に転送する導波管としてはたらく剛性材料
のコラムＣに取付けられている。このコラムは側
面が平行をなし、さらにトランスジユーサの開口
より広い円断面を有することができる。コラム長
は拡散ビームがコラム内で反射されて収束し、次
にコラムを出る際拡散するように選定されてい
る。好ましくはコラム長は拡散ビームがコラムを
出る際、トランスジユーサの開口と同じ寸法をも
つように選定されるのがよい。コラムはゲル膜に
よつて材料表面に結合される。コラムは金属製す
なわちたとえばスチールまたはアルミニウム、あ
るいはPERSPEX（RTM）のようなプラスチツク
材料であり得る。要は良好な超音波伝播が獲得さ
れればよいわけである。コラム長はトランスジユ
ーサPRの熱絶縁を確保しうる長さが必要である。

第４図に示す柱状体Ｃは、連結型導波管として
動作するように一体的に構成されている。その形
状は反射するまでビームの広がりに一致してお
り、反射後、破線で示すような発散ビームが形成
されるように収束する。このような形状により漂
遊反射が減少する。また、該柱状体はゲルにより
材料に連結される。柱状体は表面に対して垂直で
あり得、所望される場合には傾斜させてもよい。

一体型導波管を使用する代わりに従来の「ホー
ン形」導波管を使用してもよく、その場合、ホー
ンの小径端にトランスジユーサが連結され、長径
開放端は材料に当てられる。ピツクアツプトラン
スジユーサは、材料に連結されて反射信号を受信
すべく、開放端に取付けられ得る。

ホーンは一般的な使用では空気を充填され得る
が、特に水中使用の場合には水が充填され得る。

トランスジユーサの小端部は、トランスミツタ
とレシーバとの両方を兼ね得る。この構成ではゲ
ルまたは他の潤滑剤のような「消耗品」を用いる
必要がないので、効率は低下するとしても「清
潔」な場所に好適である。

第５図は、一定の連結を保つためにプローブ
（及び柱状体）と材料との界面に配置された連結
用ゲルまたは他の媒体の構成を示す。プローブ
（又は柱状体）と材料表面との間の間隔が半波長
の奇数倍の時、材料に対する最適な伝達が生じ
る。使用周波数（即ち２から3MHz）で、この間
隔は半波長、約0.25mmの倍数である。

第５図に略示した超音波トランスジユーサUT
は、トランスミツタとレシーバとの両方を兼ね得
る。連結面CFは凹部の周縁部を形成する。凹部
は高さ約0.25mmの連結間隙CGを形成する。ゲル
導管GDは、連結面及び凹部にゲルを送るように
トランスジユーサUTの内部に形成される。ゲル
は供給口GFからポンプPPにより押出され、該ポ
ンプは蠕動式であり得る。動作中、導管GD内の
ゲルの圧力によりトランスジユーサは材料Ｐの表
面からやや引上げられ、縁部面CFの下に小さい
間隙GOが形成される。ゲルは間隙GOを通つて
漏出し、材料Ｐ上のトランスジユーサの運動を円
滑にすると共にこれを冷却する。トランスジユー
サUTは、アームＡに取付けられたキヤツプCA
によつて支持され、キヤツプCA内に収納された
ばねＳはキヤツプとトランスジユーサとの間に圧
力を加え、ゲルの圧力と共に間隙GOを形成す
る。別のトランスジユーサPTは、ポンプPPを制
御して一定の連結間隙を保つようにばねＳを監視
する。間隙GOは連結間隙の約10分の１なので間
隙GOからの損失は小さく、縁部と材料Ｐとの接
触が避けられる。この構成は上述の素子と共に使
用され得る。

超音波エネルギーの別の連結方法は、球または
円盤またはローラのような回転素子を用いて接触
させることにより行われ得る。回転素子は例えば
金属のような剛性材料、或いはシリコンゴムのよ
うな軟質材料から構成され得る。

縦波または圧縮波は距離及び温度と共に減衰す
るが、溶接位置の一致を混乱させる溶接ビード内
からの反射を形成し得る点で余り有益でなく、横
波または剪断波を使用するという点はこの事実に
置いて縦波または圧縮波よりもすぐれている。前
部表面から波が出るのは明らかに長所であるが、
そればかりでない。従来、溶込み深さは水連結に
よるインソニフイケーシヨンにより後部表面から
一致させていた。ビードが後部表面まで溶込まな
い場合この方法は安全で有効であるが、ビードが
貫通する場合使用することができず、後者のケー
スの方がより一般的である。従つて、前部表面か
らのインソニフイケーシヨンを用いて材料を通る
溶接形状及び溶込に関するリアルタイムデータを
精製することのできる技術が本発明により提供さ
れたことは著しい進歩である。この技術は、フラ
ツクス粉末を使用するサブマージアーク、及び不
活性ガスを使用するガスシールド溶接を含む各種
シールド溶接方法、並びに他の溶接方法で使用す
ることができる。金属以外の材料、例えばプラス
チツクの溶接方法は、本発明の具体例により制御
され得る。本構成によれば、シームラインの行程
を予め詳しく知らずに溶接シームラインを追跡す
ること、及び特に溶接品質に悪影響を与える不良
な溶接形状の場合、溶接工の技術の変更なしに一
貫した溶接基準を形成することが可能なので、こ
の技術は、厚さが12mm（２分の１インチ）より大
のプレート及び非反復溶接にとつて特に重要であ
る。超音波表面波は、シーム縁部からの反射を試
験することによりシームにデータを与えるべく使
用され得る。この点は、例えば厚さが15mmより小
さいような薄形材料に特に好適である。

ビードは、行程の移動中に溶接ヘツドを横方向
にウエーブさせることにより、ビードよりも幅の
広い行程に付着され得る。こうして間隙は充填さ
れ、「ウイーブ」動作を変化させることによりシ
ームの幅を一致させ得る。溶接ビードは、電磁手
段、例えばアークの周囲に配置された４個の電磁
石を介してウイーブされ得る。

時間に基づく一致を使用する点は、振幅のみに
依存する従来技術とは異なり、疑似信号に対する
識別にも非常に有用である。ビームエネルギーが
軸方向ピーク強度の小部分を構成している部分で
さえ、有用な信号は超音波発散ビームの偏軸部分
により供給され得ることが認められた。明らか
に、送信／受信兼用型、または送信或いは受信が
別々の型の３個以上のトランスジユーサも使用さ
れ得るが、２個使用する上記の構成により、一定
の超音波変換接触に関する必要の点で好ましい解
決が得られる。連結用ゲルとして様々な材料を使
用することができ、例えばメチルセルロースを主
成分とするようなセルロース揺変性ゲルが挙げら
れる。

上記記載の技術により、ビードが付着される材
料の形状に関して溶込みを実時間にて制御するこ
とが可能であり、従つて、安定し良好な性能で溶
接部を形成することができ、特に、溶込み深さの
制御に信頼性があるので１度のパスに於ける溶込
みを深くすることができ、従つて仕事の効率が高
まり、化学的均一性が得られ、所与の溶接に対す
るパスの回数が減り、粒度が粗くなり、材料を貫
通する完全な溶込みが可能であり、疲れ性能は良
好であり、過剰溶込みの危険がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の制御装置の具体例のブロツ
ク線図、第２図は、本発明による溶接作業中の超
音波の伝播及び反射を示す説明図、第３図から第
５図は、本発明の作業に使用できる超音波トラン
スジユーサの結合構成の概略説明図である。 Ｐ，Ｐ……材料片、PRA，PRB……プロ
ーブ、USS……超音波スコープ、TAG……ゲー
ト、PSR……プローブ切替継電器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 材料片の表面から内部に超音波を伝播させる
   手段と、超音波の反射を検出し検出された前記反
   射を示す出力信号を発生する手段と、前記出力信
   号から溶融池を示す反射及び該溶融池に隣接する
   材料片の縁のコーナーからの反射に関する信号要
   素を選択すべく前記出力信号をゲート処理する手
   段と、溶融池と材料片の縁との実際の相対位置を
   決定すべく前記選択された信号要素を評価し、前
   記相対位置を示す位置信号を発生する手段と、前
   記位置信号に応じてビードが堆積される位置を制
   御する手段とを含むビード形成制御装置。 ２ 前記位置を制御する手段はアーク溶接法にお
   ける溶接電流の制御を行う手段を含む特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記位置を制御する手段はビードの浸透の制
   御を行う手段を含む特許請求の範囲第１項に記載
   の装置。 ４ 前記超音波を伝播させる手段は超音波を伝播
   する表面において反射を検出する特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。 ５ 材料片の表面から内部に超音波を伝播させる
   段階と、超音波の反射を検出して出力信号を発生
   する段階と、前記出力信号から溶融池を示す反射
   及び前記溶融池に隣接する材料片の縁のコーナー
   からの反射に関する信号要素を選択する段階と、
   選択された信号要素に応じて前記溶融池と材料片
   の前記縁との実際の相対位置を決定する段階と、
   前記決定に基づいて前記相対位置を示す位置信号
   を発生する段階と、前記位置信号に応じて前記溶
   融池の位置を制御する段階とを含むビード形成制
   御方法。 ６ 前記ビードが二つの材料片の間に形成される
   特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 一つの通路に沿つてビードを形成すべく制御
   信号に応じて一つの通路を追跡自在な溶接装置を
   配置し、前記位置信号を前記溶接装置に前記制御
   信号の少なくとも一部として使用して前記溶接装
   置に通路を追跡せしめ、かつ所要の溶融池の浸透
   を生ぜしめることを含む特許請求の範囲第５項に
   記載の方法。 ８ 材料片の背面を越えたビードの突出を制限す
   べく溶融池の浸透が制御される特許請求の範囲第
   ５項に記載の方法。 ９ 超音波の反射を検出する段階は超音波を伝播
   する材料の表面において超音波の反射を検出する
   段階を含む特許請求の範囲第５項に記載の方法。