JPH067991B2

JPH067991B2 - 自動溶接装置

Info

Publication number: JPH067991B2
Application number: JP11147885A
Authority: JP
Inventors: 信之奥井; 秀信天野; 敏夫入沢
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPS61269976A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、自動溶接装置に関するもので、詳しくは、開
先状態の変動にかかわらず、常に一定の溶け込み形状を
確保し、かつ、応力集中の少ない余盛形状を得るために
改良された新規構成の自動溶接装置に関するものであ
る。

「従来の技術」例えば、ＬＮＧ船のＬＮＧタンク、あるいは鉄道橋等、
疲労設計が適用される溶接構造物では、溶接継ぎ手部の
品質を向上させ、強度上の信頼性を高めることから、応
力集中が起こりにくくなるように、溶接継ぎ手部の余盛
形状等を厳密にコントロールすることが、要求される。

そこで、従来、疲労設計が適用される溶接構造物では、
前述の要求を満たすことから、溶接後に機械的な加工
（グラインダ加工等）で整形したり、ティグ・アーク溶
接で余盛止端部を再溶融したり、小ビードの溶接（ドレ
ッシングビード法という）をして形状を滑らかにすると
いう対策が採られてきた。

ところが、このような対策は、非常に作業性が悪く、得
策ではない。

一方、最近では、板材や管材の突き合わせ溶接で片側か
ら溶接する場合に、均一な裏ビードを得ることを目的と
して、開先状態の変化（断面積、ルートギャップなど）
を検出し、この開先状態の変化に対応して溶接条件を適
宣変更する自動溶接装置の提案や研究が多くなされるよ
うになった。

「発明が解決しようとする問題点」ところが、従来の自動溶接装置は、走行台車上に溶接ト
ーチを搭載し、溶接トーチの移動速度、ワイヤ供給速
度、電流等の溶接条件を調整可能にしているが、疲労設
計が適用される場合を考慮したものではなく、開先状態
の変化は作業者がみて把握し、それに応じて溶接条件を
変更しなければならなかった。また、これを一歩進め
て、開先状態の変化を開先センサを使って検出し、開先
状態の変化に対応して適宣自動的に溶接条件を変更する
自動溶接装置も研究されているが、これまでの技術で
は、種々の困難があった。

また、前述のように開先状態の変化に応じて溶接条件を
変えるようにした自動溶接装置によっても、溶接作業終
了後に検査してみると、部分的に、応力集中を避ける上
で適切とは言いがたい余盛形状となっている場合があ
り、このような不都合を見逃すことのないように、これ
までは、溶接作業終了後の検査が必須とされており、作
業性の低下や、品質の向上の点で、さらなる改善が望ま
れていた。

この発明は、前記事情に鑑みて提案されたもので溶接条
件により一層厳密にコントロールすることによって、開
先状態の変動にかかわらず、常に一定の溶け込み形状を
確保するとともに、応力集中の少ない余盛形状を得るこ
とができ、したがって、溶接継ぎ手の品質および強度上
の信頼性をより一層高めることができ、かつ、溶接作業
終了後に、溶接状態の検査等を特別に実施する必要がな
く、作業性を向上させる上でも優れた自動溶接装置を提
供することを目的とする。

「問題点を解決するための手段」本発明の自動溶接装置は、溶接継ぎ手のビード形状パラ
メータと溶接条件パラメータについて重回帰解析を行っ
て究明した幾つかの理論、即ち、応力集中係数に最も大きく影響を与える溶接部の止
端半径はフランク角との相関が強く、また、このフラン
ク角はビード高さとの相関が強く、結局、前記止端半径
は、溶接パラメータとして制御可能なビード高さに置き
換えることが可能であること、ビード高さは、、単独のパラメータではなく、ビー
ド幅との相関が強く、応力集中係数を規定値内に収める
ためのビード形状パラメータとしては、これらビード高
さおよびビード幅の積である余盛の溶着断面積を制御す
ればよいこと、単位時間における溶着量は溶接電流によって定まり、
一方溶着断面積は開先断面積と余盛断面積の和として求
められ、溶接速度は前記溶着断面積と溶着量の関数とし
て求められること、等の理論に基づいて勘案されたもので、走行台車上に溶
接トーチを搭載し、溶接トーチの移動速度、該溶接トー
チへのワイヤ供給速度、ワイヤに印加する電流値等の溶
接条件を調整し得るようにした自動溶接機と、被溶接部
の開先状態を検出するとともに検出結果に応じた信号を
出力する開先検知装置と、前記溶接トーチの移動方向の
直後に配置した余盛検知センサーによって溶接状態を検
出するとともに、この検出結果を解析・評価して所定の
信号を出力する溶接状態検知装置と、前記開先検知装置
の出力信号によって前記自動溶接機のトーチ移動速度や
ワイヤに印加する電流値等の溶接条件を設定するととも
に、前記溶接状態検知装置の信号によって前記溶接条件
を補正する主制御装置とを備えることを必須としてい
る。

「作用」このように構成であると、開先状態によって設定された
溶接条件が溶接直後の溶接状態に応じてさらに補正され
るため、単に開先状態だけで溶接条件を設定した従来の
ものと比較して、より厳密に溶接条件をコントロールす
ることでき、開先状態の変動にかかわらず、常に一定の
溶き込み形状を確保し、かつ、応力集中の少ない余盛形
状を得ることが可能で、したがって、溶接継ぎ手の品質
および強度上の信頼性をより一層高めることができる。

また、前記溶接状態検知装置によって溶接作業時に順次
溶接状態が検査されてゆくため、溶接作業終了とほぼ同
時に溶接状態の検査作業も終了することになり、作業時
間を短縮して作業性を向上させることもできる。

「実施例」以下、本発明に係る自動溶接装置の一実施例を図面に基
づいて説明する。

第１図は一実施例の自動溶接装置１の斜視図を示してい
る。

この自動溶接装置１は、自動溶接機２、開先検知装置
３、溶接状態検知装置４、主制御装置５等から構成され
ている。

前記自動溶接機２は、レール６によって案内され走行速
度を調節可能な走行台車７に、溶接トーチ８や、溶接ワ
イヤ９を溶接トーチ８に自動的に供給するワイヤ送給装
置10を搭載して、走行台車７の走行速度を加減すること
によって溶接トーチ８の移動速度を設定するようにした
もので、前記溶接トーチ８は位置を調節可能に取り付け
られ、また、走行台車７とは別個に配置した電源11か
ら、電圧、電流を供給する構成にされている。

前記開先検知装置３は、被溶接部の開先状態を検出し、
検出結果に応じた信号を出力するもので、第２図に示す
ように、前記溶接トーチ８の移動方向の直前に位置して
開先状態を検出する開先検知センサー3aと、該開先検知
センサー3aからの信号を受けて開先状態を読み取るとと
もに、読み取ったデータを分析し、この分析結果に応じ
た司令値を情報として出力する出力部3bとを具備してお
り、また、第１図に示すように、開先検知センサー3a
は、位置調節機構3cによって走行台車７に位置調整可能
に取り付けられている。前記開先検知センサー3aは、レ
ーザーダイオードと一次元半導体位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）を組み合わせた非接触式のセンサーであり、例え
ば、被溶接部が、第３図に示すように、板材12・12相互
を開先を取って突き合わせ溶接する場合に、該開先検知
センサー3aの検出データが前記出力部3bに送られると、
直ちに、ルートギャップＧが開先中心Ｃの位置、開先角
度α等が解析されるようになっている。

前記溶接状態検知装置４は、前記溶接トーチ８によって
溶接が完了した部分の溶接状を直ちに検出し、検出結果
に応じた信号を出力するもので、第２図に示すように、
前記溶接トーチ８の移動方向の直後に位置して溶接状態
を検出する余盛検知センサー4aと、該余盛検知センサー
4aからの信号を受けて溶接状態を読み取るとともに、読
み取ったデータを分析・評価し、この評価に応じた司令
値を情報として出力する評価出力部4bとを具備してお
り、また、第１図に示すように、前記余盛検知センサー
4aは、位置調節機構4cによって走行台車７に位置調節可
能に取り付けられている。前記余盛検知センサー4aは、
レーザーダイオードとＣＣＤカメラを組み合わせた非接
触式のセンサーを用いて光波切断法によって溶接形状を
計測するものであり、例えば、溶接部が、第４図に示す
ように、板材12・12相互を開先を取って突き合わせ溶接
した場合に、該余盛検知センサー4aによって計測された
データが評価出力部4bに送られると、直ちに、ビード幅
Ｗ、ビード高さｈ、Ｗ/h等が解析されるようになってい
る。

また、前記余盛検知センサー4aによる計測は、第５図
(A)に示すように、溶接部13に沿って指定したピッチＰ
毎に行なわれる。

前記余盛検知センサー4aで計測される情報、すなわち、
第５図(B)に示すように、レーザーダイオードから溶接
部にレーザーを照射して得られる情報（光切断像のこと
で第５図(D)に示すような像）は、直ちに第５図(E)のよ
うな形状データに変換され、この形状データから、上記
ビード幅Ｗとビード高さおよびＷ/hだげが解析され、こ
の形状データはバブルメモリーに記録される。

溶接終了後バブルメモリーを解析装置（バブルリーダ
ー）にかけて、形状データ（ビード幅Ｗ、ビード高さ
ｈ、フランク角θ、止端半径ρ）と応力集中係数Ｋｔを
アウトアップし、合否が判定される。

前記主制御装置５は、前述の各検知装置３・４から情報
を受けて、これらの情報に基づいて、前記自動溶接機２
の各部の動作を制御するもので、具体的には、溶接トー
チ８の自動倣い、および溶接動作の始動・停止等の動作
を制御する他に、溶接トーチ８の移動速度（即ち、走行
台車７の走行速度）やワイヤ９に印加する電流値等の溶
接条件の設定を行ない、さらに、設定した溶接条件およ
び各検知装置３・４の計測結果を適宣手段で表示する。

このような主制御装置５の機能について、第２図に基づ
いて詳述すると、該主制御装置５は、開先状態、溶接電
流、溶接速度（トーチの移動速度）等の溶接条件のデー
タおよびプログラムをファイルした記憶回路5aと、前述
の検知装置３からの情報を前記記憶回路5aのデータやプ
ログラムに従って演算処理し、溶接状態が最適となる溶
接条件を算出するとともに、この算出した溶接条件をさ
らに前記検出装置４の情報によって補正する中央処理回
路5bと、各検知装置３・４の計測データや中央処理装置
5bの算出した溶接条件を表示するためのインターフェー
ス5cと、前記開先検知装置３の情報に基づいて溶接トー
チ８を被溶接部の開先中心Ｃに位置合わせしたりするた
めの位置制御用入出力回路5dと、前記中央処理回路5bの
算出した溶接条件で前記自動溶接機２の各部を動作させ
るための溶接条件入出力回路5eと、被溶接部の板厚や開
先形状、あるいは両面溶接か片面溶接か等の溶接の初期
条件をマニュアル入力するための入力部5f（第１図参
照）を備えており、機器への指令、速度指令、電流指
令、電圧指令等を出力するとともに、異常が検出されて
異常指令が入力された場合には、動作を停止するように
構成されている。

前記記憶回路5aへの溶接条件のファイルは、ルートギャ
ップＧがゼロの時の適正溶接条件（継手部の応力集中係
数Ｋｔを設定値以下に抑えることのできる溶接条件）
を、被溶接部の板厚の関数として入力しても良く、ま
た、前記板厚が１mm変化する毎に、対応する適正溶接条
件をマトリックス式に入力しておいても良い。

以下、前記自動溶接装置１を用いて溶接する場合の動作
・順序等について、第６図に基づいて説明する。

まず、作業開始にあたって、溶接準備作業を行う。この
準備作業には、走行台車７の位置合わせ、溶接機２の各
部の点検等が含まれる。

次に、溶接条件をセットする。この場合の溶接条件セッ
トは、主制御装置５の操作パネル上キイを操作して所定
の入力データＳ１をマニュアル入力することによって行
う。前記入力データＳ１は、被溶接部の板厚、開先形
状、両面溶接あるいは片面溶接等で、これらのデータが
入力されると、主制御装置５の記憶回路5aにファイルさ
れているデータから適正な溶接条件が選定され、セット
される。

溶接条件がセットされたことを確認後、前記主制御装置
５の溶接開始ボタンを押すと、溶接開始となる。この溶
接開始のステップ（Ｓ２で示す）になると、開先検知装
置３が始動して、開先検知センサー3aの計測データによ
り、開先中心Ｃの位置やルートギャップＧが検出され、
その情報が主制御装置５に送られる。開先中心Ｃの位置
やルートギャップＧを検出すると、前記開先検知センサ
ー3aは動きを止める。一方、前記主制御装置５は、前記
開先検知装置３から送られた情報により、溶接トーチ８
が開先中心Ｃに位置決めされるように、所定の信号を溶
接機２に送るとともに、情報に応じた溶接条件を設定
し、該溶接条件が入力データＳ１によってセットされた
溶接条件と一致する場合には、Ｓ３で示す如く溶接機２
の各部へ開始信号を送り、また、セットされた溶接条件
と一致しない場合には、前記情報に基づいて溶接条件を
セットし直して、各部に開始信号を送る。

そして、主制御装置５から各部に開始信号が送られて数
秒後に、シールドガスのプリフロー、ワイヤーの送給が
開始され、アーク発生が始まり、アーク発生後数秒後に
は、走行台車７が走行を始めて、溶接が実施されて行
く。

溶接実施中には、前記開先検知装置３は、被溶接部の開
先状態を計測してその情報を前記主制御装置５に送り、
主制御装置５は、その情報に基づいて所定の演算を行
い、Ｓ４に示す如く、開先状態の変動があればそれに応
じて溶接条件を設定し直して、溶接トーチ８が開先中心
Ｃに位置するように、また、溶け込み深さＤが一定に保
たれ、かつ応力集中の少ない余盛形状が得られるよう
に、溶接機２の各部にその指令信号を出力する。この場
合に設定し直される溶接条件は、溶接電流や、溶接速度
（走行台車の走行速度）で、例えば、ルートギャップＧ
が標準よりも大きくなった場合には、溶接電流及び溶接
速度を小さくする。溶接電流及び溶接速度をこのように
制御することによって、溶け込み深さＤを一定にするこ
とができ、また、ビード高さｈおよびフランク角θ、止
端半径ρ等を一定に保つことができる。

一方、溶接が実施されるとほぼ同時、あるいは若干遅れ
て、前記溶接状態検知装置４が始動する。この溶接状態
検知装置４は、余盛検知センサー4aの計測したデータを
解析して、前述の如く、ビード幅Ｗ、ビード高さｈ、フ
ランク角θ、止端半径ρ等を求め、これらから、余盛形
状が設定した応力集中係数Ｋｔを満足するかどうかを評
価し、また一方では、計測したデータをバブルメモリー
に記憶されるとともに、これらの情報を主制御装置５に
送る。主制御装置５は、これらの情報に基づいて、応力
集中係数Ｋｔが設定値を満足にしない場合には、Ｓ５・
Ｓ６に示す如く変更信号が出され、Ｋｔが設定値に近付
くように、溶接速度を増減するなどの二次的な溶接条件
の補正が行なわれる。

前述の溶接状態の評価は、溶接速度に同期させて行うこ
とができ、指定距離（例えば、10mm、50mm、100mm等）
を単位として行われる。

溶接実施中に、台車のオーバーロードや、アーク切れ、
抜け落ち等の異常が発生して、主制御装置５に異常指令
が入力されると、Ｓ７に示すように、その異常信号によ
って溶接機２が停止される。異常指令がない場合には、
そのまま溶接作業が続行され、溶接線の終端に配置した
リミットスイッチ等によって一連の溶接作業が終了した
ことが検出されたら、Ｓ８・Ｓ９に示すように、主制御
装置５から溶接機２に停止信号が出され、溶接動作が停
止される。

以上のように、前記自動溶接装置１においては、開先状
態によって設定された溶接条件が溶接直後の溶接状態に
応じてさらに補正されるため、単に開先状態だけで溶接
条件を設定した従来のものと比較して、より厳密に溶接
条件をコントロールすることができ、開先状態の変動に
かわらず、常に一定の溶け込み形状を確保し、かつ、応
力集中の少ない余盛形状を得ることが可能で、したがっ
て、溶接継ぎ手の品質および強度上の信頼性をより一層
高めることができる。

また、前記溶接状態検知装置４によって溶接作業時に順
次溶接状態が検査されてゆくため、溶接作業終了とほぼ
同時に溶接状態の検査作業も終了することになり、作業
時間が短縮され、作業性が向上する。

「発明の効果」以上の説明で明らかなように、本発明の自動溶接装置に
あっては、開先状態によって設定された溶接条件が溶接
直後の溶接状態に応じてさらに補正されるため、単に開
先状態だけで溶接条件を設定した従来のものと比較し
て、より厳密に溶接条件をコントロールすることがで
き、開先状態の変動にかかわらず、常に一定の溶け込み
形状を確保し、かつ、応力集中の少ない余盛形状を得る
ことが可能で、したがって、溶接継ぎ手の品質および強
度上の信頼性をより一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の自動溶接装置の斜視図、第
２図は同ブロック図、第３図は被溶接部の説明図、第４
図は余盛形状の説明図、第５図(A)（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）
（Ｅ）はそれぞれ余盛検知装置による計測の説明図で、
そのうち第５図(C)は第５図(B)のＣ−Ｃ線に沿う矢視
図、第６図は前記一実施例の作業手順を説明するフロー
図である。１……自動溶接装置、２……自動溶接機、３……開先検
知装置、3a……開先検知センサー、3b……出力部、４…
…溶接状態検知装置、4a……余盛検知センサー、4b……
評価出力部、５……主制御装置、5a……記憶回路、5b…
…中央処理回路、5c……インターフェース、5d……位置
制御用入出力回路、5e……溶接条件用入出力回路、5f…
…入力部、７……走行台車、８……溶接トーチ、９……
溶接ワイヤ、10……ワイヤ送給装置、11……電源、12…
…板材、13……溶接部、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者入沢敏夫神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走行台車上に溶接トーチを搭載し、溶接ト
ーチの移動速度、該溶接トーチへのワイヤ供給速度、ワ
イヤに印加する電流値等の溶接条件を調整し得るように
した自動溶接機と、被溶接部の開先状態を検出するとと
もに検出結果に応じた信号を出力する開先検知装置と、
前記溶接トーチの移動方向の直後に配置した余盛検知セ
ンサーによって溶接状態を検出するとともに、この検出
結果を解析・評価して所定の信号を出力する溶接状態検
知装置と、前記開先検知装置の出力信号によって前記自
動溶接機のトーチ移動速度やワイヤに印加する電流値等
の溶接条件を設定するとともに、前記溶接状態検知装置
の信号によって前記溶接条件を補正する主制御装置とを
備えた自動溶接装置。