JPH09201683A - 非消耗ノズル式立向上進溶接のノズル位置自動補正制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エレクトロスラグ溶接などの非消耗ノズル式
立向上進溶接において、溶接中の溶接ノズル位置の補正
を自動化することで安定した溶込みと溶接中のノズル補
正作業の無監視化を図る。 【解決手段】 投光部と受光部とが同軸のレ−ザ変位測
定器を、開先幅方向、これと直角方向にノズルを挟んで
各１対開先上部位置に設け、前記各変位測定器のレーザ
光がノズルと平行に照射して溶融池表面または開先面ま
での距離を測定するように配置し、１対のそれぞれの測
定距離を比較させながらノズルの傾斜の自動補正を行う
各方向の傾斜調整制御と、さらには第２のレ−ザ変位測
定器を設けてこれによる各方向の平行移動制御とを、溶
接中交互に繰り返し行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエレクトロスラグ溶
接などの非消耗ノズル式立向上進溶接における溶接中の
溶接ノズル位置自動補正制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】立向上進溶接の一つに非消耗ノズル式エ
レクトロスラグ溶接がある。この溶接方法はたとえば高
層ビルの建築に用いられるボックス柱内部の補強板（以
下、ダイヤフラムと称す）の溶接に使われている。ダイ
ヤフラムの溶接は４面を鋼板で囲んで開先を形成し、そ
の開先内に非消耗ノズル（以下、ノズルという。）を挿
入しているため、外から中が見えない状態で溶接が行わ
れる。開先に対して均一で良好な溶込みを常に得るため
には、溶接開始時及び溶接中のノズル位置を適切な位置
に保つことが必要である。溶接開始前のノズルセット
は、一般的にスタ−ト、エンド部に水冷銅当金を取り付
けており、取り付け前に開先の上部と下部からノズルの
調整を行うことができるので、溶接開始直後のトラブル
は起こりにくい。

【０００３】一方、溶接中のノズル調整は開先上部にお
いて遮光板を傾け、スラグ浴を反射させながらノズル位
置の微調整を行っている。しかし、スラグ浴の反映可能
長さは３００ｍｍ程度が限界で、それ以上に長い場合に
は開先上部のノズル位置を目安にノズル先端部の微調整
を施しているが、開先上部とノズル先端部の位置とが一
致しているとは限らず、正確に調整が行えているか判断
が付けにくい。また、ノズルを左右にオッシレ−ト（揺
動）させた場合、開先上部の両端部とノズルとの間隔が
適正であってもノズル先端部が傾斜していた時には片側
だけに熱量が集中し、片溶けや最悪の場合には鋼材が溶
け落ち溶接が中断してしまう。さらに、複数台の溶接機
を取扱い、慎重な調整を怠ってしまった場合には、ノズ
ルの先端に取り付けてあるチップが壁面に接触しやす
く、チップ焼損の危険性が増大する。以上のように、ス
ラグ浴が遮光板に反映できない間のノズル調整は、経験
や勘を頼りに行うしかないのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の問題点を解決して、作業者に代わってノズ
ル位置の自動補正を行うことで安定した溶込みと溶接中
のノズル補正作業の無監視化を図るもので、作業者の負
担軽減と一人で複数台の溶接機の取扱いを可能にし、作
業能率を格段に向上させることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、非消耗ノズル式立向上進溶接におい
て、投光部と受光部とが同軸のレ−ザ変位測定器を、開
先幅方向、これと直角方向のいずれかをそれぞれＸ軸方
向、Ｙ軸方向としたとき、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にノズル
を挟んで各１対開先上部位置に設け、前記各変位測定器
のレーザ光がノズルと平行に照射して溶融池表面または
開先面までの距離を測定するように配置し、１〜５秒の
検出時間を設定してＸ軸方向のそれぞれの変位測定器の
測定距離を平均化し、前記平均化されたそれぞれの測定
距離を比較させながらＸ軸方向のノズルの傾斜の自動補
正を行うＸ軸傾斜調整制御と、１〜５秒の検出時間を設
定してＹ軸方向のそれぞれの変位測定器の測定距離を平
均化し、前記平均化されたそれぞれの測定距離を比較さ
せながらＹ軸方向のノズルの傾斜の自動補正を行うＹ軸
傾斜調整制御とを、溶接中交互に繰り返して行うことを
特徴とする非消耗ノズル式立向上進溶接のノズル位置自
動補正制御方法である。

【０００６】またさらに、先に述べた変位測定器の上部
にさらに第２のレ−ザ変位測定器を、ノズルの外周に沿
って少なくとも９０度回動させる機構上にノズルを挟ん
で１対設け、前記第２の変位測定器のレーザ光がノズル
の外周方向に傾いて斜めに照射して被溶接材の端面また
は開先面までの距離を測定するように配置し、前記第２
のレーザ変位測定器を前記回動させる機構でＸ軸方向の
測定位置に設定し、１〜５秒の検出時間を設定して第２
の変位測定器それぞれの測定距離を平均化し、前記平均
化されたそれぞれの測定距離を比較させながらノズルを
Ｘ軸方向の所定の位置に水平移動するＸ軸平行移動制御
と、前記第２のレーザ変位測定器を前記回動させる機構
でＹ軸方向の測定位置に設定し、１〜５秒の検出時間を
設定して第２の変位測定器それぞれの測定距離を平均化
し、前記平均化されたそれぞれの測定距離を比較させな
がらノズルをＹ軸方向の所定の位置に水平移動するＹ軸
平行移動制御とを、先に述べたＸ軸傾斜調整制御、前記
のＸ軸平行移動制御、先に述べたＹ軸傾斜調整制御、前
記のＹ軸平行移動制御の順で溶接中繰り返し行なうこと
を特徴とする非消耗ノズル式立向上進溶接のノズル位置
自動補正制御方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、溶接箇所の４面を鋼板で囲
み非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接を行う場合の本
発明例を図によって詳細に説明する。図２は溶接中の基
本状態を示した縦断面、図３は図２の横断面を示し、図
１は被溶接材およびノズル位置自動補正制御方法全体を
示した斜視図である。ここで側板１Ａ、１Ｂ方向を開先
１５に対するＸ軸、スキンプレ−ト２０、ダイヤフラム
２１方向を開先１５に対するＹ軸とする。

【０００８】作業手順は、溶接開始前に非消耗ノズル６
をＸ軸、Ｙ軸の中央にセットするため、水冷銅当金２を
取り付ける前に被溶接材の下部と上部でノズルの調整を
行う。その後、カットワイヤ３を散布した水冷銅当金２
を被溶接材の下部に取り付け、開先１５に非消耗ノズル
６を挿入する。非消耗ノズル６の内部は中空になってお
り、その中空内部にワイヤ７を挿通してチップ５からワ
イヤ４を突き出す。チップ５から突き出したワイヤ４は
４０ｍｍ程度にセットしておく。

【０００９】溶接開始に伴いチップ５から突き出したワ
イヤ４はカットワイヤ３に接触し、ア−クが発生する。
ア−クが発生したら、続いて開先断面積に適したフラッ
クスを開先１５から添加して適正なスラグ浴１９を形成
し、スラグ浴でワイヤ７を溶かして開先内を溶接金属１
７で埋めていく。

【００１０】図２に示すように、溶接状態を断面で見る
とスラグ浴１９、溶融金属１８、溶接金属１７と重なっ
ており、溶接が安定していて溶接ノズルが適正な位置に
常時セットされていれば、図４（ａ）の横断面で示すよ
うに側板１Ａおよび１Ｂとスキンプレ−ト２０およびダ
イヤフラム２１との溶込みはほぼ均一に保たれ、両側の
溶込み深さＲ、ＬがＲ＝Ｌの良好な溶込みが得られる。
しかし、溶接ノズルの位置が適正でない場合には、図４
（ｂ）に示すように側板１Ａおよび１Ｂとスキンプレ−
ト２０およびダイヤフラム２１の溶込みバランスは崩
れ、溶接部の横断面で示すようにたとえば側板１Ｂ側に
片寄ったＲ＞Ｌの溶込みとなる。これでは側板１Ａ側の
溶込みが不足し、溶込み不良を招いてしまう。

【００１１】本発明においてはこのような溶込み不良を
防ぐため、図５に示すように投光部と受光部とが同軸
で、レ−ザ光２２をノズルと平行に照射してスラグ浴表
面までの距離を検出できるレ−ザ変位測定器９Ａ、９
Ｂ、１０Ａ、１０Ｂを検出器とし、図１に示す溶接ノズ
ルの位置移動機構３５、３７との組み合わせで溶接中の
ノズル位置を自動補正し、バランスのとれた良好な溶込
みを確保させる。

【００１２】本発明に用いたレ−ザ変位測定器は０．５
〜５．０ｍまでの距離測定が可能で、検出誤差は±０．
５ｍｍである。また、レ−ザ変位測定器の受光部にバン
ドパスフィルタを施すことで、レ−ザ変位測定器が発し
た波長帯域だけの受光も可能で、検出精度の向上やア−
ク光やその他の外乱等での誤動作の防止を図ることがで
きる。

【００１３】まず、初めにＸ、Ｙ軸のノズル位置移動機
構の動作について図１により説明する。Ｘ軸の自動補正
はＸ軸傾斜調整機構とＸ軸平行移動機構で行う。Ｘ軸傾
斜調整移動機構は、Ｘ軸傾斜調整駆動ユニット３６でＸ
軸傾斜調整ユニット３５をＸ軸の左右方向に動かし、ノ
ズルの上昇用ロ−ラ８を支点にして傾斜調整を自動的に
行う。Ｘ軸平行移動機構は、Ｘ軸平行移動ユニット３３
をＸ軸の左右に移動させて平行移動を自動的に行う。

【００１４】次に、Ｙ軸の自動補正はＹ軸傾斜調整機構
とＹ軸平行移動機構で行う。Ｙ軸傾斜調整移動機構は、
Ｙ軸傾斜調整駆動ユニット３８でＹ軸傾斜調整ユニット
３７の軸をＹ軸方向の前後に動かし、回転支点部２９を
支点に上昇駆動部収納ボックス３０をＹ軸方向の前後に
移動させて傾斜調整を自動的に行う。Ｙ軸平行移動機構
は、Ｙ軸平行移動ユニット３４をＹ軸の前後に移動させ
て平行移動を自動的に行なわせる。なお３９は支柱の回
転部である。

【００１５】上記のそれぞれのノズル位置移動機構とレ
−ザ変位測定器を組み合わせ、溶接ノズルの自動補正制
御を円滑に行なわせるため、以下のような自動補正順序
で制御を行う。自動補正制御の順序としては、Ｘ軸傾斜
調整制御→Ｘ軸平行移動制御でＸ軸の自動補正を行った
後、Ｙ軸傾斜調整制御→Ｙ軸平行移動制御でＹ軸の自動
補正を行う。この４工程を溶接中規則正しく繰り返し行
うことで、溶接ノズルを適正な位置に自動補正させる。

【００１６】主な制御動作について図６を用いて説明す
る。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は側板１Ａ、１Ｂの縦
断面図を示す。側板の面と直角方向、すなわちＸ軸の溶
接ノズル自動補正検出制御は、レ−ザ変位測定器９Ａ、
９Ｂを用いて行う。図６（ａ）は溶接ノズルが側板の開
先面２３Ａと２３Ｂとの中間に位置している場合を示
す。この時のレ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ との長さは等しい。た
だしスラグ浴１９は対流しているので表面は当然平滑で
なく波立っている。対流の高低は溶接条件（電流、電
圧、揺動幅等）、開先の大小、溶接材料（スラグの粘性
も含む）等によって多少の差はあるが、溶接終端部でス
ラグ浴の対流を観察すると低い所と高い所の差は最大で
１０ｍｍ程度であることが分かった。

【００１７】そこで、スラグの波立ちと実際の溶接ノズ
ル位置とを誤って検出しないようにレ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂
の長さに許容範囲をもたせた。レ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ の長
さの許容範囲は、スラグ浴の対流観察結果を考慮して±
５ｍｍとし、この許容範囲内ならばレ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂
の長さは等しいとして制御させる。 例えば、レ−ザ光
Ｆ₁ の長さが７５０ｍｍ、レ−ザ光Ｆ₂ の長さが７４５
ｍｍの場合、Ｆ₁ とＦ₂ の差は５ｍｍなので許容範囲に
属しており、Ｆ₁ ＝Ｆ₂ として制御を行う。また、レ−
ザ光Ｆ₁ の長さが７５０ｍｍ、レ−ザ光Ｆ₂ の長さが７
５５ｍｍの場合でも同様である。

【００１８】図６（ａ）は溶接ノズルが適正な状態であ
るが、図６（ｂ）のように溶接ノズルの先端部が開先面
２３Ｂ側に傾いた場合、レ−ザ光Ｆ₁ はスラグ浴の表
面、Ｆ₂ は開先面２３Ｂに照射され、レ−ザ光の長さは
Ｆ₁ ＞Ｆ₂ となる。この時、レ−ザ光の長さは極端に変
動し、開先面２３Ｂに照射したレ−ザ光Ｆ₂ の長さはス
ラグ浴１９表面に照射したレ−ザ光Ｆ₁ より極端に短く
なる。

【００１９】この状態から溶接ノズルを図６（ａ）の状
態に戻すためには、長さが極端に短いレ−ザ光Ｆ₂ をレ
−ザ光Ｆ₁ の長さと等しい状態に戻すことでノズルの傾
きが補正できる。よって、図１に示すＸ軸傾斜調整駆動
ユニット３６を作動させ、Ｘ軸傾斜調整ユニット３５を
開先面２３Ａの方向に移動し、溶接ノズルが開先面２３
Ａ、２３Ｂに対して平行になるように傾斜自動補正制御
を作動させる。レ−ザ光Ｆ₂ の長さがレ−ザ光Ｆ₁ の長
さに次第に近づき、レ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ がＦ₁＝Ｆ₂ の
状態になったら傾斜自動補正制御を停止させる。

【００２０】本発明は、レ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ の長さに許
容範囲を設定したことに加え、所定の検出（サンプリン
グ）時間を設定し、レ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ の検出距離を平
均化し、さらに検出距離を比較しやすい状態に加工して
検出距離の比較を容易に判断させている。本発明に用い
たレ−ザ変位測定器のサンプリング周期は４０ｍｓで、
仮に検出時間（距離のサンプリンング時間）を１秒に設
定した場合には、２５回分の距離デ−タを平均化して検
出距離の比較を行なわせている。

【００２１】以下に検出距離判断の精度に影響を及ぼす
検出時間（サンプリング時間）の適正範囲を調べるため
行なった実験について説明する。予め溶接ノズルを図６
（ｂ）に示すように側板１Ｂ側（開先面２３Ｂ側）に傾
斜させた状態でセットしておき、検出時間を１秒から１
０秒まで各１秒ピッチに設定した条件で自動補正制御を
試みた。自動補正を行う時の溶接ノズルの移動速度は１
ｍｍ／ｓｅｃとし、溶接ノズルの傾斜補正を１ｍｍづつ
移動し、１〜２０ｍｍにおけるレ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ の平
均化された検出距離を表１に示す。また、表２、表３に
は検出時間毎のレ−ザ光Ｆ₁ とＦ₂ の検出距離の比較状
態と何秒間で何回距離の比較が行え、何秒で自動補正が
完了できるかを示した。表２、表３中で数字に下線を引
いてあるのが補正完了時を示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】その結果、図７のグラフに示すように検出
時間が短い程検出回数が多く、短い時間で自動補正を完
了できることが分かった。また、検出時間が長くなると
検出回数が減り自動補正の精度が低下するばかりか、自
動補正に要する時間が長くなる。検出時間が９秒以上で
は溶接ノズルが開先面２３Ａ側に傾いてしまい、自動補
正が良好に作動しないことが分かった。したがって、以
上の結果から検出時間の限界は５秒程度と判断し、検出
時間の適正範囲を１〜５秒とした。

【００２６】次に、距離の検出と自動補正動作との制御
タイミングについて説明する。制御動作順序としては、
設定時間の間にサンプリングした距離を平均化→平均化
した距離の比較→処理の順になる。また判断が済んだ段
階で溶接ノズルの補正方向を判断し溶接ノズルの自動補
正を開始させる。溶接ノズルの自動補正動作は、検出時
間１回目の検出距離の比較判断（検出時間設定が仮に１
秒だったら１秒タイムアップ後）が処理されるまでの間
一時待機状態としておき、一度自動補正動作を開始した
ら距離の比較が許容範囲で等しい状態になるまでノズル
を連続で動作させる。そして、距離の比較が一致（許容
範囲に入った状態）したら瞬時に自動補正動作を停止
し、次の自動補正制御工程へと切り替える。次工程への
切り替えに際しては、切り替え毎に３．０〜５．０ｓｅ
ｃの無検出時間を設け、切り替え直後の誤検出を防止
し、検出精度の向上を図っている。また、溶接ノズルの
移動速さは６〜１２０ｃｍ／ｍｉｎ（１〜２０ｍｍ／ｓ
ｅｃ）の範囲に可変でき、自動補正のサイクル頻度に応
じて任意に設定を行う。

【００２７】上記の制御を用いて溶接ノズルを開先面２
３Ａ、２３Ｂに対して平行になるように自動補正を施し
たが、以下に述べるノズル位置の補正方法を行なうこと
によりさらに良好な制御を行なうことができる。すなわ
ち上記方法は上昇用ロ−ラ８を支点にして自動補正を行
っているため、Ｆ₁ ＝Ｆ₂ になった状態が必ずしも開先
面２３Ａ、２３Ｂの中間位置でない場合もある。図６
（ｂ）の状態からＦ₁ ＝Ｆ₂ になるように自動補正制御
が終了した状態を図６（ｃ）に示すが、Ａ₁ とＡ₂ は等
しくなく、開先面２３Ａ側に寄った状態にある。この状
態のままでは開先面２３Ａ側の溶込みが大きくなり、開
先面２３Ｂ側が過小になるためＡ₁ ＝Ａ₂の状態に戻さ
なければならない。

【００２８】このような場合を想定し、開先面２３Ａ、
２３Ｂの中間に自動補正させる制御を組み込んでいる。
傾斜調整制御のみで開先面２３Ａ、２３Ｂの中間位置に
自動補正された場合にはＸ軸平行移動調整制御で一応検
出を行うが、即次工程へ切り替わる。この平行移動補正
制御は図８（ａ）に示す第２のレ−ザ変位測定器１１
Ａ、１１Ｂで行う。第２のレ−ザ変位測定器１１Ａ、１
１Ｂはレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さでＸ軸とＹ軸両方の溶
接ノズル位置の平行状態の自動補正を行うため、タ−ン
テ−ブル１４にレ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂを取り
付け，断続的に最大９０度回動できる機構とした。図１
において１３は回転伝達用歯車、１２はモータである。

【００２９】第２のレ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂは
レ−ザ変位測定器９Ａ、９Ｂおよび１０Ａ、１０Ｂの上
部に設置し、溶接ノズルとの接触を避けるためリング状
の歯車の裏面に傾斜角度をつけて設けている。第２のレ
−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂにレーザ光がノズルの外
周方向に傾いて照射するように傾斜角度をつけること
で、図８（ｂ）に示すように溶接ノズルが適正位置にあ
る時、母材の表面に対してレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ を均等な
長さで照射することできる。また、図８（ａ）に示すよ
うに溶接ノズルがＸ軸の開先面２３Ａ側に寄っている場
合、レ−ザ光Ｈ₁とＨ₂ の長さに違いが得られる。この
ように、第２のレ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂに傾斜
角度をつけることで、溶接ノズルの平行移動制御を精度
良く行うことができる。

【００３０】この場合Ｘ方向、Ｙ方向の開先幅の相違に
対処するため、さらには被溶接材ごとの開先幅の相違に
対処するため、ターンテーブル１４の回転角度は開先幅
に応じた適当な位置とする。すなわち図３において４０
は第２のレーザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂが鋼板の端面
上を照射する位置の軌跡であり、４０Ａ、４０ＢはＸ軸
方向の開先幅に対する制御を行なうときの、また４０
Ｃ、４０ＤはＹ軸方向の開先幅に対する制御を行なうと
きの照射位置である。つまり図３の例においてはＸ軸方
向の開先幅である側板１Ａ、１Ｂ間の距離がＹ軸方向の
開先幅より著しく大きいが、このような場合においても
ターンテーブルの回転位置を適当にすることにより、制
御の不感帯を最少限にして精度良く制御を行なうことが
できる。また、被溶接材が変ったときの開先幅の相違に
ついても同様に対処できることはいうまでもない。この
ようにタ−ンテ−ブル１４を９０度の範囲で回動させる
ため、タ−ンテ−ブル１４の上部に回転軸受２７を設置
した。もちろん９０度回転できれば間に合うということ
であって、それ以上の角度回転できても良いことは当然
である。

【００３１】次にタ−ンテ−ブル１４の回動について説
明する。Ｘ軸の平行状態を自動補正した後、Ｙ軸の自動
補正を行うＹ軸傾斜自動補正に移るが、まだこの時点で
はタ−ンテ−ブル１４は回動しない。そしてＹ軸自動補
正を行うＹ軸平行移動調整制御に移った時にタ−ンテ−
ブル１４を回動させる。回動方向は右回り（時計回り）
で、回動角度は９０度以内で上記のように開先幅に応じ
た角度である。また、Ｙ軸から再びＸ軸の自動補正に戻
りＸ軸のＸ軸平行移動調整制御を行う時は、左回り（反
時計回り）で先の回動前の位置に戻し、この動作を溶接
中繰り返し行う。タ−ンテ−ブル１４の回動速度は２０
〜５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定でき、制御の応答速度
に応じて任意に可変できる。

【００３２】ここで、Ｘ軸平行移動調整制御を用いて図
６（ｃ）の状態から図６（ａ）の状態に溶接ノズルを戻
すには、レ−ザ光のＨ₁ とＨ₂ がＨ₁ ＝Ｈ₂ になるよう
にＸ軸平行移動ユニット３３を開先面２３Ｂ側に平行移
動させ、レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂がＨ₁ ＝Ｈ₂ になった状態
で制御を停止させる。

【００３３】第２のレ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂに
おいてもＸ、Ｙ軸用レ−ザ変位測定器９Ａ、９Ｂ、１０
Ａ、１０Ｂと同様にレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ に許容長さをも
たせた。レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さの許容範囲は、レ−
ザ光を照射させる位置が終端部の鋼板端面であるため、
スラグ浴表面のように起伏を考慮する必要はないが、仮
にレ−ザ照射面にスパッタ等の突起物が付着していた場
合を想定して±２．５ｍｍ許容範囲とし、この範囲内な
らばＨ₁ とＨ₂ は等しいとして制御を行わせる。また、
レ−ザ光Ｆ₁ 、Ｆ₂ と同様に所定の検出時間を設定し、
平均化した算出距離を比較させながら自動補正制御を行
なう。そして、検出時間、ノズル移動時間および速度、
制御動作等においてもＸ軸と共通の制御で行う。

【００３４】Ｘ軸の自動補正を行う第１、第２自動補正
制御工程が終了したら、次にＹ軸の自動補正制御工程に
移る。図８（ｂ）にＹ軸の基本状態を示す。Ｙ軸の溶接
ノズル自動補正制御は、スキンプレ−ト２０とダイヤフ
ラム２１の間に溶接ノズルを適正にセットするために行
うものである。制御はＸ軸の自動補正制御と同様にレ−
ザ光Ｇ₁ 、Ｇ₂ でＹ軸傾斜調整制御を行う。図８（Ｃ）
に溶接ノズルが開先面３１Ｂ側に寄った状態を示すが、
レ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂを９０度以内の角度回
動させ、Ｙ軸平行移動調整制御でレ−ザ光Ｈ₁ 、Ｈ₂ の
検出距離比較を行い、適正な位置に溶接ノズルを自動補
正させる。

【００３５】また、Ｙ軸においてはスキンプレ−ト２０
とダイヤフラム２１の板厚、溶込み形状（溶接条件）等
により、溶接ノズルを開先の中央以外の任意の位置にセ
ットする場合がある。例えば、図９（ａ）に示すように
スキンプレ−ト２０側の溶込みを少し多めに得たい場合
等には、スキンプレ−ト２０寄りに溶接ノズルをセット
する。

【００３６】この場合のノズル自動補正制御としては、
Ｘ軸傾斜調整制御、Ｘ軸平行移動調整制御、Ｙ軸傾斜調
整制御はそのままとし、Ｙ軸平行移動調整制御のみを変
更し、任意の位置への自動補正を行う。制御動作として
は、第２のレ−ザ変位測定器１１Ａ、１１Ｂのレ−ザ光
Ｈ₁ とＨ₂ の長さが通常等しい状態になるように自動補
正制御を作動させているが、Ｙ軸のノズル位置を任意に
設定する場合、当然レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の照射する箇所
は変わり、レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さは違ってくる。図
１０（ｂ）に示すようにレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さが等
しくない状態でも、等しい状態として制御を行なわせ
る。

【００３７】そのためには、溶接ノズルの基準位置を明
確にしておくことが必要で、任意に設定したい基準位置
のレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さを溶接開始前に記憶させて
おく。その記憶させたレ−ザ光の長さを判断基準にＹ軸
の平行移動調整制御を行う。レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ 各々の
長さの許容範囲は通常のレ−ザ光Ｈ₁ 、Ｈ₂ と共通の±
２．５ｍｍとした。例えば、レ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の基準
長さをＨ₁ ＝６２０ｍｍ、Ｈ₂ ＝５１０ｍｍとした場
合、Ｈ₁ は６１７．５〜６２２．５ｍｍ、Ｈ₂ は５０
７．５〜５１２．５ｍｍの範囲の長さならばＨ₁ ＝Ｈ₂
となり、この範囲内に入るように自動補正制御を行う。
この場合の検出時間、ノズル移動時間および速度、制御
の切り替えタイミング、検出制御動作等においては通常
の制御と共通の制御条件で行う。

【００３８】上記は溶接ノズルを固定した状態で溶接を
行う場合の溶接ノズル自動補正制御方法について説明し
たが、ダイヤフラム２１の板厚が厚くなると図１に示す
揺動ユニット３２により、Ｘ軸方向に溶接ノズルを揺動
させて溶込みの確保を行う。Ｘ軸平行移動調整制御はレ
−ザ光Ｈ₁ ＝Ｈ₂ （許容範囲±２．５ｍｍ）で溶接ノズ
ルの適正位置を制御しているが、揺動を行う場合には溶
接ノズルの左右停止時または移動時のレ−ザ光Ｈ₁ とＨ
₂ の検出距離は各々異なる。そのため、溶接開始前に溶
接ノズルの初期設定（基準距離の記憶）を行ない、揺動
時でも対応できるようにした。

【００３９】図１１（ａ）、（ｂ）は溶接ノズルの揺動
状態を示す。図１１（ａ）はＸ軸方向の開先面２３Ｂ側
に溶接ノズルを停止させた状態である。この時のレ−ザ
光Ｈ₁ とＨ₂ はＨ₁ ＞Ｈ₂ の状態にある。また、図１１
（ｂ）はＸ軸方向の開先面２３Ａ側に溶接ノズルを停止
させた状態である。この時のレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ はＨ₁
＜Ｈ₂ となり、開先面２３Ａ側と２３Ｂ側ではレ−ザ光
Ｈ₁ とＨ₂ の長さは左右対称となる。そのため，溶接開
始前の溶接ノズル初期設定時には、開先面２３Ａと２３
Ｂにおけるレ−ザ光Ｈ₁ とＨ₂ の長さを２通り記憶させ
ている。例えば、Ｘ軸の開先面２３Ｂ側におけるレ−ザ
光Ｈ₁ の長さ設定を６２０ｍｍ、レ−ザ光Ｈ₂ の長さ設
定を５００ｍｍとしたら、開先面２３Ａ側のレ−ザ光Ｈ
₁ の長さは５００ｍｍ、レ−ザ光Ｈ₂ の長さは６２０ｍ
ｍという具合である。

【００４０】揺動を使う場合の自動補正制御の順序とし
ては、Ｘ軸方向の自動補正を行うＸ軸傾斜調整制御→Ｘ
軸平行移動調整制御（Ｘ軸方向の左右停止時）→Ｙ軸方
向の自動補正を行うＹ軸傾斜調整制御→Ｙ軸平行移動調
整制御の順である。このように揺動を用いたときのＸ軸
平行移動調整制御は、左端、右端の停止時にだけ自動補
正を行う。従って、左端、右端の停止時間の長短によっ
て検出距離の精度が左右されるため、検出時間は１．０
〜２．０ｓｅｃ以下に設定した。もし仮に左端の検出中
および自動補正動作中に揺動の停止時間がタイムアップ
し、右端に移動した場合には左端側の検出距離デ−タを
すべてクリアし、自動補正動作は自動補正不完全の状態
でもって右端側の検出に即切り変わるようにしている。
この場合、左端側の自動補正制御は今回は見送られ、次
サイクル時に行うことになる。自動補正制御サイクルが
速いので、自動補正が不完全な状態で次工程に移ったと
しても不具合を起こすことはない。以上の自動補正制御
を用いることで溶接中の溶接ノズルを自動的に補正する
ことができ、終始端を通して良好な溶込みを得ることが
できる。

【００４１】

【実施例】

（実施例１）直流定電圧特性の電源を用いた非消耗ノズ
ル式エレクトロスラグ溶接で、本発明の溶接ノズル位置
自動補正制御方法を用いた実施例について説明する。使
用した溶接試験片はＩ型開先でダイヤフラム、スキンプ
レ−ト板厚２５ｍｍ、ギャップ２５ｍｍ、長さ５００ｍ
ｍの４面鋼材の試験板を製作した。溶接ノズルの外径１
２ｍｍで溶接電流３８０Ａ、溶接電圧４６Ｖ、揺動なし
で、使用した溶材は軟鋼用Ｓｉ−Ｍｎ系のソリッドワイ
ヤ、フラックスは中酸化Ｍｎ系のメルトフラックスを用
いた。

【００４２】溶接ノズルをＸ軸とＹ軸の中央にセットし
て終始自動補正制御を用いて溶接を行った。自動補正制
御条件としては、レ−ザ光Ｆ₁ 、Ｆ₂ 、Ｇ₁ 、Ｇ₂ 、Ｈ
₁ 、Ｈ₂ 共に検出時間を２秒、ノズルの移動時間を２ｍ
ｍ／ｓｅｃ各自動補正間の切り替え時間を４秒に設定し
た。溶接中、Ｘ軸方向の傾斜、平行移動自動補正および
Ｙ軸方向の傾斜、平行移動自動補正が良好状態で行え
た。また、Ｘ軸、Ｙ軸方向の平行移動自動補正時におけ
るタ−ンテ−ブル１４の回動も円滑に行えた。溶接後、
溶接金属の中心から縦断面マクロ組織試験片を全線に亘
り採取し、溶込み状態を調べた。調査の結果、溶込みむ
らはなく良好な溶込みが得られた。

【００４３】（実施例２）直流定電圧特性の電源を用い
た非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接で、本発明の溶
接ノズル位置自動補正制御方法を用いた実施例について
説明する。使用した溶接試験片はＩ型開先で、ダイヤフ
ラム、スキンプレ−ト板厚５０ｍｍ、ギャップ２５ｍ
ｍ、長さ５００ｍｍの４面鋼材の試験板を製作した。溶
接ノズルの外径１２ｍｍで溶接電流３８０Ａ、溶接電圧
５２Ｖ、揺動幅３２ｍｍ、揺動停止時間４秒、使用した
溶材は軟鋼用Ｓｉ−Ｍｎ系のソリッドワイヤ、フラック
スは中酸化Ｍｎ系のメルトフラックスを用いた。

【００４４】自動補正制御条件としては、レ−ザ光Ｆ
₁ 、Ｆ₂ 、Ｇ₁ 、Ｇ₂ 、Ｈ₁ 、Ｈ₂ 共に検出時間を１
秒、ノズルの移動時間３ｍｍ／ｓｅｃ各自動補正の切り
替え時間を５秒とし、Ｘ軸方向の揺動初期設定は右端で
Ｈ₁ ＝６３０ｍｍ、Ｈ₂ ＝５１０ｍｍ、左端でＨ₁ ＝５
１３ｍｍ、Ｈ₂ ＝６３４ｍｍの条件で溶接を行った。溶
接後、マクロ組織試験片を縦断面および溶接開始位置、
溶接の中間位置、溶接の終端位置から横断面について採
取して全線における溶込み状態と開先に対するＸ、Ｙの
軸溶込み幅を調査した。その結果、Ｘ軸の左右、Ｙ軸の
前後の溶込み幅の違いは３ｍｍ以下に制御でき、むらの
ない良好な溶込みが得られた。

【００４５】

【発明の効果】本発明の非消耗ノズル式立向上進溶接の
溶接ノズル位置自動補正制御方法は、溶接中のノズル位
置を自動的に補正できるため熟練者でも調整の難しかっ
た溶接長３００ｍｍ以上のノズル調整作業を解消するこ
とができた。また、脱技能化が図れたため誰にでも簡単
に操作でき、作業者の負担軽減及び作業能率の大幅な向
上を可能にしたため、本発明の工業的価値は非常に高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノズル位置自動補正制御方法の全体を示した斜
視図

【図２】溶接ノズルの基本位置を示す正面図

【図３】溶接ノズルの基本位置を示す平面図

【図４】溶接金属の溶込み状態を示す説明図で、（ａ）
は均等な場合、（ｂ）は不均等な場合

【図５】レ−ザ変位測定器の取り付け位置およびレ−ザ
光の照射位置を示す説明図

【図６】Ｘ軸傾斜調整制御を示す説明図で、（ａ）は基
本位置、（ｂ）は傾斜が生じた状態、（ｃ）は調整完了
状態

【図７】検出時間と自動補正の所要時間および検出回数
との関係を示すグラフ

【図８】（ａ）はＸ軸平行移動制御、（ｂ）はＹ軸方向
の基本位置、（ｃ）はＹ軸平行移動制御を示す説明図

【図９】揺動を行なうときの位置関係を示す平面図

【図１０】ダイヤフラムとスキンプレ−トの溶込みを可
変にする時の自動補正制御を示す説明図

【図１１】揺動を行う時の自動補正制御を示す説明図
で、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ揺動の各端部における位
置

【符号の説明】 １Ａ、１Ｂ 側板 ２ 銅当金 ３ カットワイヤ ４ 突き出したワイヤ ５ チップ ６ 非消耗ノズル ７ ワイヤ ８ 上昇用ロ−ラ ９Ａ、９Ｂ Ｘ軸用レ−ザ変位測定器 １０Ａ、１０Ｂ Ｙ軸用レ−ザ変位測定器 １１Ａ、１１Ｂ Ｘ、Ｙ軸平行移動制御用レ−ザ変位
測定器（第２のレーザ変位測定器） １２ モ−タ １３ 回転伝達用歯車 １４ タ−ンテ−ブル １５ 開先 １７ 溶接金属 １８ 溶融金属 １９ スラグ浴 ２０ スキンプレ−ト ２１ ダイヤフラム ２２ レ−ザ光 ２３Ａ、２３Ｂ 側板の開先面 ２７ 回転軸受 ２９ 回転支点部 ３０ 上昇駆動収納ボックス ３１Ａ、３１Ｂ スキンプレート、ダイヤフラムの開
先面 ３２ 揺動ユニット ３３ Ｘ軸平行移動ユニット ３４ Ｙ軸平行移動ユニット ３５ Ｘ軸傾斜調整ユニット ３６ Ｘ軸傾斜調整駆動ユニット ３７ Ｙ軸傾斜調整ユニット ３８ Ｙ軸傾斜調整駆動ユニット ３９ 回転部 ４０ 第２のレーザ変位測定器の照射位置の軌跡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非消耗ノズル式立向上進溶接において、
   投光部と受光部とが同軸のレ−ザ変位測定器を、開先幅
   方向、これと直角方向のいずれかをそれぞれＸ軸方向、
   Ｙ軸方向としたとき、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向にノズルを挟
   んで各１対開先上部位置に設け、前記各変位測定器のレ
   ーザ光がノズルと平行に照射して溶融池表面または開先
   面までの距離を測定するように配置し、１〜５秒の検出
   時間を設定してＸ軸方向のそれぞれの変位測定器の測定
   距離を平均化し、前記平均化されたそれぞれの測定距離
   を比較させながらＸ軸方向のノズルの傾斜の自動補正を
   行うＸ軸傾斜調整制御と、１〜５秒の検出時間を設定し
   てＹ軸方向のそれぞれの変位測定器の測定距離を平均化
   し、前記平均化されたそれぞれの測定距離を比較させな
   がらＹ軸方向のノズルの傾斜の自動補正を行うＹ軸傾斜
   調整制御とを、溶接中交互に繰り返して行うことを特徴
   とする非消耗ノズル式立向上進溶接のノズル位置自動補
   正制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の変位測定器の上部にさら
   に第２のレ−ザ変位測定器を、ノズルの外周に沿って少
   なくとも９０度回動させる機構上にノズルを挟んで１対
   設け、前記第２の変位測定器のレーザ光がノズルの外周
   方向に傾いて斜めに照射して被溶接材の端面または開先
   面までの距離を測定するように配置し、前記第２のレー
   ザ変位測定器を前記回動させる機構でＸ軸方向の測定位
   置に設定し、１〜５秒の検出時間を設定して第２の変位
   測定器それぞれの測定距離を平均化し、前記平均化され
   たそれぞれの測定距離を比較させながらノズルをＸ軸方
   向の所定の位置に水平移動するＸ軸平行移動制御と、前
   記第２のレーザ変位測定器を前記回動させる機構でＹ軸
   方向の測定位置に設定し、１〜５秒の検出時間を設定し
   て第２の変位測定器それぞれの測定距離を平均化し、前
   記平均化されたそれぞれの測定距離を比較させながらノ
   ズルをＹ軸方向の所定の位置に水平移動するＹ軸平行移
   動制御とを、請求項１記載のＸ軸傾斜調整制御、前記の
   Ｘ軸平行移動制御、請求項１記載のＹ軸傾斜調整制御、
   前記のＹ軸平行移動制御の順で溶接中繰り返し行なうこ
   とを特徴とする非消耗ノズル式立向上進溶接のノズル位
   置自動補正制御方法。