JPH0475116B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、多電極片面自動溶接法に関し、特
に開先シートギャップの幅変動に対して裏ビード
幅を一定に保つとともに、表ビード高さを一定に
保つ裏ビードと表ビードの同時制御に関するもの
である。

［従来の技術］ 片面自動溶接法は、被溶接材の片面よりアーク
溶接を行い、被溶接材の裏面に良好な溶接ビード
を形成でき、被溶接材を反転する必要もないとい
う利点を有しているため、例えば船舶など反転で
きない構造物の溶接に広く利用されている。

然しながら、溶接ビードの形状は開先のルート
ギヤツプ幅の精度に左右される。例えばルートギ
ヤツプ幅が広い部位では溶けこみが過大となり、
著しい場合にはビード溶落が生じる。これを防ぐ
にはルートジヤツプ幅の精度を厳しく管理する必
要があるが、要求される精度は僅か±１mm程度で
あり、その実現は加工精度上、極めて困難であ
る。従つて、溶接線の全域に渡つて適正なビード
形状を得るには、溶接中に刻々と変化するルート
ギヤツプ幅に対し、溶接パラメーターの自動修正
を行う制御方法が不可欠である。

従来、この種の制御方法としては、例えば出願
人が特開昭61−56775号、特開昭61−137676号、
特開昭61−180677号等で提案した「片面溶接にお
ける裏ビード制御方法」があつた。これらの方法
はルートギヤツプ幅の変動によらず裏ビードを一
定に形成するものである。尚、この種の片面自動
溶接法は一般に二電極以上の多電極で実施される
場合が多いが、以下の説明でも多電極を用いるも
のとする。

第２図にその原理図を示す。図に示した片面溶
接において、電極ワイヤ４ａ，４ｂは溶接電源５
から電力を供給され、矢印方向へ溶接を行うが、
溶接線に沿つた電極ワイヤ４ａ，４ｂの移動は、
図示しない送り機構により自動的に行われるもの
とする。

溶接開始時には裏面金属板（例えば銅板）３と
被溶接材１とは電気的接続がないため、溶接開始
時の裏当金属板３と被溶接材１間の電圧は零とな
つている。溶接開始後、裏ビードが良好に出てい
る時は、電極ワイヤ４ａから発するアークが被溶
接材１の間を漏れてフラツクス等の無機材２を通
して裏当金属板３に達し、被溶接材１と裏当金属
板３間に電圧Ｖを生じる。

この被溶接材１と裏当金属板３間の電圧Ｖ（検
出電圧V_d）と裏ビード幅との関係を第３図のグ
ラフに示す。このグラフは縦軸に検出電圧V_d
［Ｖ］、横軸に裏ビード幅［mm］を採つてある。被
溶接材１と裏当金属板３間の電圧V_dとは第４図
のグラフに示す如く良い相関を示しており、この
相関を利用すると、所定の裏ビード幅を形成し得
る基準電圧V₀を設定でき、片面自動溶接の裏ビ
ード幅の制御がオンラインで行える。

この片面溶接における裏ビード制御方法に使用
する制御回路ブロツクの一例を第４図に示す。図
において変換器７は電圧計６で検出した被溶接材
１と裏当金属板３間の検出電圧V_dを直流信号に
変換する。この変換器７は溶接電源５として交流
電源を使用した場合に必要であるが、溶接電線５
が直流電源の場合は不要である。変換器７から出
力された電圧信号はフイルタ８によりノイズを除
去されて比較器９に入力する。比較器９に入力し
た電圧信号は、第５図に示した裏ビード幅及び被
溶接材１と裏当金属板３間の検出電圧V_dとの相
関により、所定の裏ビード幅に応じてあらかじめ
設定された基準電圧信号１０と比較される。比較
器９は上記両電圧信号の偏差信号を積分器１１を
介して溶接電源５に与える。溶接電源５は、その
入力信号に応じた溶接電流を出力する。即ち、被
溶接材１と裏当金属板３間の電圧信号と基準電圧
信号１０が常に一致するように制御する。

尚、この例では溶接中における被溶接材１と裏
当金属板３間の電圧Ｖを直接検出したが、電極４
ａと被溶接材１間の電圧すなわちアーク電圧と電
極４ａと裏当金属板３間の電圧を測定し、両電圧
間の差を求め、この両電圧の差を一定に制御して
も上記説明と同様に裏ビード幅を均一に制御する
こともできる。

また、この例では検出電気信号及び基準信号と
して電圧を用いているが、電流を用いてもよく、
制御すべき溶接パラメーターは裏ビード形成に有
効で検出信号を制御できるものであればアーク電
圧、溶接電流、溶接速度、ワイヤ突出長など何れ
でもよい。検出信号の発生源も溶接電源に限るも
のではなく、特別に信号発生器（溶接電源とは異
る周波数、電流、電圧特性を有するもの）を用い
てもよい。

従来の片面自動溶接法は上記のように構成さ
れ、検出信号が常に基準信号に一致するように溶
接パラメータを制御することにより、この基準信
号に応じた一定幅の裏ビード幅を形成できるよう
になつている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の片面自動溶接では、裏ビー
ド幅は開先ルートギヤツプ幅の変動によらず一定
に形成できるものの、表ビードに関しては開先ル
ートギヤツプ幅の変動によりビード高が不均一と
なり、特に開先ルートギヤツプ幅が広くなると余
盛不足を生じるという問題点があつた。

この発明は、かかる問題点を解決するためにな
されたもので、開先ルートギヤツプ幅の変動によ
らず裏ビードの幅を一定に形成するとともに、表
ビードの高さも一定に形成しうる多電極片面自動
溶接法を得ることを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る多電極片面自動溶接法は、被溶
接材の裏側に無機材を介して裏当金属板を当てが
い、前記被溶接材の表側より開先に沿つて溶接電
極を移動させながら連続的なアーク溶接を施すに
際し、溶接中の前記母材と裏当金属板間の電気信
号を検出し、この検出信号が予め設定された基準
信号に一致するように先行溶接電極の溶接電流を
含む溶接パラメータを制御する多電極片面自動溶
接法において、 (イ) 前記制御された先行電極の溶接電流I_Lを検出
し、この検出溶接電流I_Lの変化に対して先行ワ
イヤ送給速度V_fLを下式、 V_fL＝AI_L＋Bl_LI_L ² （I_Lは先行溶接電流の書記値、l_Lは先行ワイヤ
突出長（一定）、Ａ、Ｂは溶接ワイヤ及びシー
ルドガス等の溶接使用材料の種類により一義的
に定まる定数） により可変制御し、 (ロ) 前記制御された先行電極の溶接電流I_Lの変化
に対して溶接速度を下式、 v₁＝v₀・I_L／I_L0 （v₀は溶接速度の初期値、v₁は制御すべき〜溶
接速度、I_L0は溶接電流の初期値）により可変
制御することにより、先行電極による溶着量を
一定に保つと共に、 (ハ) 後行ワイヤ突出長l_Tに対して後行ワイヤ送給
速度V_fTを下式、 V_fT＝AI_T＋Bl_TI_T ² （I_Tは後行溶接電流、但しI_T0を後行溶接電流の
初期値〜とするとI_T＝I_T0、Ａ、Ｂは前述した先
行ワイヤ送給速度V_fT式中の定数Ａ、Ｂと同一
の値） により可変制御し、 (ニ) ルートギヤツプ幅の変化△Ｇを下式、 △Ｇ＝（I_L0〜I_L）／ａ （ａは溶接ワイヤ及びシールドガス等の溶接使
用材料の種類により一義的に定まる定数） により求め、 (ホ) 前記ルートギヤツプ幅の変化△Ｇに対応する
開先断面積の変化△Ｓを下式、 △Ｓ＝Ｔ・△Ｇ （Ｔは母材の板厚） により求め、 (ヘ) 前記開先断面積の変化△Ｓに対し下式、 △Ｓ＝Ｋ｛［V_fL／v₁）−（V_fL0／v₀）］＋［（V_fT
／／v₁）−（V_fT0／v₀）］｝ （V_fL0は先行ワイヤ送給速度V_fLの初期値、
V_fT0は後行ワイヤ送給速度V_fTの初期値、Ｋは
溶接ワイヤ及びシールドガス等の溶接使用材料
の種類により一義的に定まる定数） を満足するように後行電極のワイヤ突出長l_Tを
可変制御することによつて溶接ビードを一定の
高さで形成することにより上記問題点を解決し
たものである。

［作用］ この発明に従えば、多電極片面自動溶接におい
て均一な幅で裏ビードを形成するには、上記従来
技術の裏ビード制御方法を行う。但し、本発明に
用いる裏ビード制御方法は、制御対象として先行
電極に対する溶接電流を採るものとする。

以下、上記従来技術の裏ビード制御方法を行う
に際して、均一な高さで表ビードを形成する作用
について説明する。尚、以下の説明中の式に於
て、ａ、Ａ、Ｂ、Ｋ等の定数は、溶接ワイヤ及び
シールドガス等の溶接使用材料の種類により一義
的に定まる定数である。これらの定数の値は、予
め実験的に求めるか、或は経験により蓄積された
データを使用するものとする。また、以下の説明
は多電極溶接の一例として二電極溶接について説
明する。

上記従来技術の被溶接材〜裏当金属板間の検出
信号に基いて溶接電流を制御する裏ビード制御を
行う際、裏ビード制御時の制御された先行溶接電
流I_Lと溶接速度ｖとの比I_L／ｖが一定となるよう
に溶接速度ｖを変化させると、入熱一定になるの
で先行電極による溶着量は一定になる。

従つて、先行溶接電流I_Lの変化に対して先行電
極による溶接量を一定に保持する溶接速度v₁は、
溶接電流の初期値をI_L0、溶接速度の設定初期値
をv₀とすると、 溶接速度制御式 v₁＝v₀・I_L／I_L0 ……（） として求められる。

本発明に於ては、この（）式に従つて溶接速
度を可変制御するが、この場合、前記制御された
溶接電流I_Lの変化に対応して周知の関係式、 先行ワイヤ送給速度制御式 V_fL＝AI_L＋Bl_LI_L ² ……（） に従い、先行電極のワイヤ送給速度V_fLが可変制
御され、先行電極のワイヤ突出長l_Lが予め定めら
れた一定値に保持される。

前述の（）式に基いた溶接速度の可変制御
は、（）式の如く先行電極のワイヤ突出長l_Lが
一定値に制御されたもとに行われ、先行電極によ
る溶着量が一定に保たれる。

尚、溶着量が一定の場合、溶接ビード高さは開
先ルートギヤツプの変化により過不足が生じる
が、本発明によれば、開先ルートギヤツプの変化
に対しては、後行電極により溶着量の補償制御を
行い、溶接ビード高さを一定に保つ。

後行電極のワイヤ送給速度V_fTは、後述の如く
可変制御される後行電極のワイヤ突出長l_Tに応じ
て周知の関係式、 後行ワイヤ送給速度制御式 V_fT＝AI_T＋Bl_TI_T ² ……（） に従い可変制御される。尚、（）式に於て、I_T
は後行電極の溶接電流であつて、この溶接電流I_T
は、その設定初期値I_T0に等しい。

（）式の制御により、後行電極のワイヤ突出
長l_Tはルートギヤツプ幅が設定幅の時は予め定め
られた値（以下、設定値l_T0と称する）に保たれ
るが、この発明に従えば、ルートギヤツプ幅の変
化が検出されると、ワイヤ突出長l_Tはルートギヤ
ツプ幅の変化に応じて可変の値を採る。即ち、ル
ートギヤツプ幅の変化を検出し、この検出ルート
ギヤツプ幅の変化に対応した開先断面積の変化を
求め、この開先断面積の変化に対して必要な溶着
量を後行電極のワイヤ突出長l_Tの可変制御により
補償し、先行電極と後行電極とで形成されるビー
ド高さを一定に保つ。

ここで、ルートギヤツプ幅の変化の検出には前
記制御された溶接電流I_Lを用いる。この制御され
た溶接電流I_Lは、ルートギヤツプ幅の変化を△Ｇ
とすると、 I_L＝I_L0−ａ△Ｇ 即ち、 ルートギヤツプ幅変化算出式 △Ｇ＝（I_L0−I_L）／ａ ……（） なる線形な特性を有することが確かめられてい
る。

この（）式に従つて、ルートギヤツプ幅の変
化△Ｇが検出される。

一方、開先ルートギヤツプ幅の変化△Ｇに対応
する開先断面積の変化△Ｓは、開先角を無視でき
るものとすると、 開先断面積変化算出式 △Ｓ＝Ｔ・△Ｇ ……（） として開先ルートギヤツプ幅の変化△Ｇと板厚Ｔ
との積で表わせる。

また、前記（）〜（）式に基いた制御によ
る溶着量の増加分△Ｍは、前記（）、（）式に
よる先行電極の溶着量の増加分△M_Lと、前記
（）、（）式による後行電極の溶着量の増加分
△M_Tとの和、 △Ｍ＝△M_L＋△M_T である。

ここで△M_Lは、V_fLの初期設定値をV_fL0とする
と、前記（）、（）式により、 △M_L＝（V_fL／v₁）−（V_fL0／v₀） である。

同様に△M_Tは、V_fTの初期設定値をV_fT0とする
と、前記（）、（）式により、 △M_T＝（V_fT／v₁）−（V_fT0／v₀） である。

従つて、前記（）〜（）式に基いた制御に
よる溶接量の増加分△Ｍは、 溶着量算出式 △Ｍ＝△M_L＋△M_T＝｛（V_fL／v₁）−（V_fL0／v₀）
｝＋｛（V_fT／v₁）−（V_fT0／v₀）｝……（） である。

（）〜（）式により、開先断面積の変化△
Ｓと溶着量の増加分Ｍには、 関係式 △Ｓ＝Ｔ・△Ｇ ＝Ｔ・｛（I_L0−I_L）／ａ｝ ＝Ｋ・△Ｍ ＝Ｋ・｛△M_L＋△M_T｝ ＝Ｋ｛［（V_fL／v₁）−（V_fLO／v₀）］ ＋［（V_fT／v₁）−（V_fT0／v₀）］｝ ……（） の関係を得る。

この（）式を満足するように後行電極のワイ
ヤ突出長l_Tを可変制御することにより、ルートギ
ヤツプ幅の変化に応じて溶着量が補償され、先行
電極と後行電極とで形成されるビード高さが一定
に保たれる。

［実施例］ 以下、本発明の好ましい実施例について添付図
面を参照して詳細に説明する。尚、裏ビード制御
に付いては上記従来技術と同様であるから、裏ビ
ード制御の説明は省略する。

第１図はこの発明の一実施例に係る制御ブロツ
ク図であり、この発明を二電極片面自動溶接に適
用した例を示す。

図に於て、送り機構１９は先行・後行電極（図
示せず）を一体的に移動させるが、その制御は駆
動モータ１８を介して溶接速度制御器１７によつ
て行なわれる。また、先行（後行）ワイヤ送給モ
ータ２１，（２３）の制御は先行（後行）モータ
制御器２０，（２２）によつて行なわれ、更に、
後行ワイヤ送給モータ２３は後行ワイヤ突出長制
御器２４によつても制御される。

これらの各制御器１７，２０，２２，２４への
制御指令は、例えばマイクロコンピユータ等の演
算制御装置１５から与えられ、演算制御装置１５
は付属する入力装置１６によつて設定入力された
各定数（ａ、Ａ、Ｂ、Ｋ等）及び初期設定値
（vo、I_L0）と後述の検出信号を前述の（）〜
（）式に従つて演算処理し、各制御器に制御信
号を与える。

上記従来技術の裏ビード幅一定制御によつて先
行溶接電流I_Lが変動するが、この制御された先行
溶接電流I_Lは先行電流検出器１２により検出さ
れ、変換器１３で直流信号に変換される、但し、
この変換器１３は溶接電源として直流電源を用い
た場合は不要である。変換器１３から出力された
直流信号はフイルター１４によりノイズを除去さ
れて演算制御装置１５に入力する。演算制御装置
１５は、検出先行溶接電流I_Lと入力装置１６に設
定入力された初期速度v₀及び初期溶接電流I_L0を
前述の溶接速度制御式（）式に従つて演算し、
先行電極による溶着量を一定に保持する溶接速度
v₁を求める。更に、この溶接速度v₁に対応する速
度制御信号を溶接速度制御器１７に与え、送り機
構駆動モータ１８の駆動を制御し、送り機構１９
の速度を可変制御する。即ち、溶接速度を可変制
御する。

また、検出先行溶接電流I_Lの変動に対して、先
行ワイヤ突出長l_Lを一定に保持するのが、前述の
先行ワイヤ送給速度制御式（）式である。演算
制御装置１５は、定数Ａ、Ｂ、設定値l_Lの入力装
置１６による設定入力、及び検出先行溶接電流I_L
を（）式に従つて演算し、検出先行溶接電流I_L
の変動に応じた先行ワイヤ送給速度V_fLの制御信
号を先行ワイヤ送給速度制御器２０に与える。先
行ワイヤ送給速度制御器２０は先行ワイヤ送給モ
ータ２１の駆動を制御して先行ワイヤ突出長l_Lを
一定に保持する。

以上の制御を同時に行うことにより、先行ワイ
ヤ突出長l_Lが一定のもと、先行溶接電流I_Lの変動
に対して先行電極による溶着量が一定に保たれ
る。

尚、後行電極の後行ワイヤ送給速度V_fTは後行
ワイヤ突出長l_Tの変化に対して可変制御される
が、そのための制御式が前述の後行ワイヤ送給速
度制御式（）式である。この（）式の演算制
御装置１５は、定数Ａ、Ｂ、I_T、設定値l_T0の入力
装置１６による設定入力を（）式に従つて演算
し、後行ワイヤ送給速度V_fTの制御信号を後行ワ
イヤ送給速度制御器２２に与え、後行ワイヤ送給
モータ２３の駆動を制御して与えられた後行ワイ
ヤ突出長l_T0を一定に保持し、ルートギヤツプ幅
の変化が無い限り、この設定値l_T0を保持する。

上記の（）〜（）式による制御に際して、
ルートギヤツプ幅の大きさＧの変化を、開先断面
積の変化△Ｓとしてとらえるが前述のルートギヤ
ツプ幅変化算出式（）及び開先断面積変化算出
式（）式である。演算制御装置１５には、これ
ら算出式（）、（）式も与えられており、初期
値I_L0、定数ａの入力装置１６による設定入力及
びフイルター１４からの検出信号I_Lが（）式に
従つて演算され、ルートギヤツプ幅の大きさＧが
求められる。この（）式の演算結果及び被溶接
材の板厚Ｔの入力装置１６による設定入力が
（）式に従つて演算され、開先断面積の変化△
Ｓが求められる。

一方、上記の制御式（）〜（）式に基く制
御による初期設定値V₀、、V_fL0、V_fT0〜制御後の
値v₁、V_fL、v_fT間の溶着量の増加分△Ｍをとらえ
るのが前述の溶着量増加分算出式（）式であ
る。演算制御装置１５には、このための演算式も
与えられており、初期値v₀、、V_fL0、V_fT0の入力
装置１６による設定入力及び（）〜（）式で
求めた制御後のv₁、V_fL、V_fTを（）式に従つて
演算し、溶着量の増加分△Ｍを求める。

これら算出式（）〜（）式によつて求めら
れた開先断面積の変化△Ｓと溶着量の増加分△Ｍ
との関係を示すのが、前述の関係式（）式であ
る。演算制御装置１５は（）〜（）式の演算
結果を関係式（）式に代入し、（）式を満足
するように後行ワイヤ突出長l_Tの制御指令を後行
ワイヤ突出長制御器２４に与える。後行ワイヤ突
出長制御器２４は後行ワイヤ送給モータ２３を介
して（）式を満足するように後行ワイヤ突出長
l_Tを可変制御する。演算制御装置１５はこの時の
後行ワイヤ突出長l_Tの値を（）式の制御に用い
る初期値として再設定し、以後の制御を続ける。
この後行ワイヤ突出長l_Tの制御により、ルートギ
ヤツプ幅の変化に対して溶着量が補償され、溶接
全領域線に亘つて表ビードが一定の高さで形成さ
れる。

上記のように構成された多電極片面自動溶接法
に於ては、先行溶接電流を制御して一定の幅で裏
ビードを形成するとともに、この制御された先行
溶接電流に基き溶接速度、先行ワイヤ送給速度及
び後行ワイヤ突出長を制御することにより一定の
高さで表ビードを形成できる。

尚、上記実施例に於ては、この発明を二電極片
面自動溶接に適用する場合に付いて説明したが、
三電極以上を用いる片面自動溶接に適用しても良
い。

［発明の効果］ 以上に述べた如くこの発明によれば、多電極片
面自動溶接に於て、開先ルートギヤツプ幅の変動
に依らず、溶接全領域線に亘つて均一な幅の裏ビ
ードと均一な高さの表ビードを同時に形成し得る
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する制御回路のブロツク
図、第２図は従来のビード制御方法を示す部分断
面図付側面図、第３図は検出電圧−裏ビード幅の
特性図、第４図は従来のビード制御方法に使用す
る制御系のブロツク図である。 図中、１２は先行電流検出器、１３は変換器、
１４はフイルタ、１５は演算制御装置、１６は入
力装置、１７は溶接速度制御器、１８は送り機構
駆動モータ、１９は送り機構、２０は先行ワイヤ
送給速度制御器、２１は先行ワイヤ送給モータ、
２２は後行ワイヤ送給速度制御器、２３は後行ワ
イヤ送給モータ、２４は後行ワイヤ突出長制御器
を示す。 尚、各図中同一符号は同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被溶接材の裏側に無機材を介して裏当金属板
   を当てがい，前記被溶接材の表側より開先に沿っ
   て先行及び後行溶接電極を移動させながら連続的
   なアーク溶接を施すに際し、溶接中の前記母材と
   裏当金属板間の電気信号を検出し、この検出信号
   が予め設定された基準信号に一致するように先行
   溶接電極の溶接電流を含む溶接パラメータを制御
   する多電極片面自動溶接法において、 (イ) 前記制御された先行電極の溶接電流I_Lを検出
   し、この検出溶接電極I_Lの変化に対して先行ワ
   イヤ送給速度V_fLを下式 V_fL＝AI_L＋Bl_LI_L ² （I_Lは先行溶接電流の初期値、l_Lは先行ワイヤ
   突出長（一定）、Ａ、Ｂは溶接ワイヤ及びシー
   ルドガス等の溶接使用材料の種類により一義的
   に定まる定数） により可変制御し、 (ロ) 前記制御された先行電極の溶接電流I_Lの変化
   に対して溶接速度を下式、 v₁＝v₀・I_L／I_L0 （v₀は溶接速度の初期値、v₁は制御すべき溶接
   速度、I_L0は溶接電流の初期値） により可変制御することにより、先行電極によ
   る溶着量を一定に保つと共に、 (ハ) 後行ワイヤ突出長l_Tに対して後行ワイヤ送給
   速度V_fTを下式、 V_fT＝AI_T＋Bl_TI_T ² （I_Tは後行溶接電流、但しI_T0を後行溶接電流の
   初期値とするとI_T＝I_T0、Ａ、Ｂは前述した先行
   ワイヤ送給速度V_fT式中の定数Ａ、Ｂと同一の
   値） により可変制御し、 (ニ) ルートギップ幅の変化△Ｇを下式、 △Ｇ＝（I_L0−I_L）／ａ （ａは溶接ワイヤ及びシールドガス等の溶接使
   用材料の種類により一義的に定まる定数） により求め、 (ホ) 前記ルートギツプ幅の変化△Ｇに対応する開
   先断面積の変化△Ｓを下式、 △Ｓ＝Ｔ・△Ｇ （Ｔは母材の板厚） により求め、 (ヘ) 前記開先断面積の変化△Ｓに対して下式、 △Ｓ＝Ｋ｛［（V_fT／v₁）−（V_fL0／v₀）］＋［（V
   _fT／v₁）−（V_fT0／v₀）］｝ （V_fL0は先行ワイヤ送給速度V_fLの初期値、
   V_fT0は後行ワイヤ送給速度V_fTの初期値、Ｋは
   溶接ワイヤ及びシールドガス等の溶接使用材料
   の種類により一義的に定まる定数） を満足するように後行電極のワイヤ突出長l_Tを
   可変制御することにより、溶接ビードを一定の
   高さで形成することを特長とする多電極片面自
   動溶接法。