JPH10193106A - パイプ円周自動溶接方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスアーク溶接とショートアーク溶接とを
溶接の対象や場面に応じて組み合わせることにより、溶
接速度およびビードの美観の両方を考慮したパイプ円周
自動溶接方法および装置を提供する。 【解決手段】 突き合わせて固定されている２本のパイ
プの端面を円周溶接する。その際、予め定めた条件２０
１１、２０１２、２０１３の下で、溶接モード２０１４
（パルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モー
ド）を自動的に切り替えて溶接を行う。予め定めた条件
は、複数回積層して溶接する際の現在の溶接対象の層が
どの層か、および現在の溶接姿勢はどのような姿勢か、
の少なくとも一方を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パイプ円周自動溶
接方法および制御装置に係り、特に、パルスアーク溶接
モードとショートアーク溶接モードを自動的に切り替え
て溶接を行うことができる方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスパイプライン敷設工事の際には、突
き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶
接により接続する。この溶接を自動溶接により行う場合
は、パイプにベルト状のガイドレールを巻き、このガイ
ドレール上に溶接ヘッドを走らせＭＡＧ（メタル・アク
ティブ・ガス）法等により溶接している。

【０００３】従来、アーク溶接には大別して、パルスア
ーク溶接とショートアーク溶接とがある。

【０００４】パルスマグ溶接では、図８（ａ）に示すよ
うなパルス状の電流を用いる。その溶滴移行は、臨界電
流より高く鋭いパルス電流によりワイヤ先端の溶滴にピ
ンチ力が働き、パルスに同期して、好ましくは１パルス
１溶滴の移行が行われる。

【０００５】ショートアーク溶接では、図８（ｂ）に示
すようにその溶接電流は非パルス状の電流波形を有し、
アークにより溶かされたワイヤ先端の溶滴が溶融池表面
と接触して母材へ移行する”短絡移行”によって溶接が
行われる。この場合、溶接電源には、通常、定電圧特性
の電源が採用されているため、溶滴が短絡すると高い短
絡電流が流れ、電磁ピンチ力により短絡部が細く絞られ
て、短絡が破れ、アークが再生する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】両アーク溶接を比較す
ると、パルスアーク溶接は高電流による高溶着量の溶接
が可能である反面、低電流域では不安定となる。したが
って、パルスアーク溶接モードは、ビード形成の美観等
を考慮してゆっくりとした溶接を行いたい場合には適さ
ない。逆に、ショートアーク溶接は、高電流域の溶接が
得意でなく、その溶着量は低いため、高溶着量による高
速な溶接には向かない。

【０００７】したがって、本発明は、パルスアーク溶接
とショートアーク溶接とを溶接の対象や場面に応じて組
み合わせることにより、溶接速度およびビードの美観の
両方を考慮したパイプ円周自動溶接方法および装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、突き合わせて
固定されている２本のパイプの端面を全周溶接するパイ
プ円周自動溶接方法であって、予め定めた条件の下で、
パルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードと
を自動的に切り替えて溶接を行うことを特徴とする。

【０００９】前記予め定めた条件は、例えば、複数回積
層して溶接する際の現在の溶接対象の層がどの層か、お
よび現在の溶接姿勢はどのような姿勢か、の少なくとも
一方を含む。

【００１０】この方法により、パルスアーク溶接とショ
ートアーク溶接の両方の利点を取り入れた、溶接速度お
よびビードの美観の両方を考慮したパイプ円周自動溶接
が行える。

【００１１】本発明は、また、突き合わせて固定されて
いる２本のパイプの端面を全周溶接するパイプ円周自動
溶接制御装置であって、各種条件下でパルスアーク溶接
モードとショートアーク溶接モードのいずれの溶接モー
ドを選定するかを決定するための溶接モード判定用テー
ブルと、溶接対象のパイプの少なくとも口径、板厚、開
先角度を含む入力情報に基づいて決定された積層数の各
層および溶接姿勢を含む各種条件を前記溶接モード判定
用テーブルと対照して、各種条件に対する溶接モードを
決定する手段と、該決定された溶接モードにおける各種
溶接パラメータを決定する手段と、該決定された溶接パ
ラメータに基づいて溶接電源および溶接ヘッドを制御す
る制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１２】溶接モード判定用テーブルを設けておくこ
とにより、入力情報および各種条件を与えるだけで、そ
れらに相応しい溶接モードの選定が自動的に行われる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

【００１４】図１により本発明の溶接装置の概略構成に
ついて述べる。パーソナルコンピュータ１は、自動溶接
制御のためのＣＡＤデータ（パイプの外径、板厚、材
質、開先形状などの設計値）を作成するためのものであ
り、作成されたデータはフレキシブルディスク（フロッ
ピーディスク）１ａに記録される。制御装置２は、自動
溶接の実質的な制御（電源およびトーチ位置等の制御）
を行うためのものであり、ＣＡＤデータの格納されたフ
レキシブルディスク１ａからそのＣＡＤデータを読み込
む。勿論、フレキシブルディスクによらず、周知のデー
タ通信によってデータ転送を行うようにしてもよい。制
御装置２は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接
条件を設定し、設定された条件に対応して、後述するロ
ジックテーブルに予め記録されたデータにより各種溶接
パラメータを設定する。

【００１５】さらに、この制御装置２では、設定された
溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるＮＣ言語
（数値制御用言語）に変換し、変換した言語を制御デー
タとして制御データテーブルの形で内部のメモリに記録
する。このメモリに記録された制御データを用いて、電
源装置３、及び溶接ヘッド４を駆動制御する構成となっ
ている。なお、制御装置２の主な制御項目は、溶接ヘッ
ド４の溶接の電圧、電流、及びヘッド４に搭載された溶
接トーチ８のパイプ開先に対するウィービング、溶接ヘ
ッド４の移動速度等である。ヘッド４は、パイプ外周に
巻き付けられたガイドレール１２上に、円周方向に移動
可能に装着される。ヘッド４には、溶接トーチ８に対し
て溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部６が搭載されてい
る。

【００１６】図２に、制御装置２および電源３の内部構
成、ならびにこれらとヘッド４のトーチ８およびパイプ
５との間の電気的な接続関係を示す。電源３からは、送
電ケーブル（図示せず）を介して、ヘッド４のワイヤ７
とパイプ５との間に溶接電圧が印加されるようになって
いる。これにより、ワイヤ７とパイプ５表面との間にア
ークが発生する。溶接用ワイヤ７は一定速度で送られ、
アークにより溶かされて溶着金属となり、開先内で固ま
り母材５を接合する。

【００１７】制御装置２は、予め定められた溶接条件お
よび溶接パラメータが、ロジックテーブル（後述）とし
てテーブル形式で格納された溶接データベースを記憶し
たハードディスクのような記憶装置２０１を有する。こ
れに対して、電流Ｉ、電圧Ｖ、ワイヤー径、ワイヤー銘
柄等の各種の入力情報が与えられ、これらに応じた溶接
用ＮＣ動作指令が運転プログラム２０３の形で得られ
る。この運転プログラム２０３はＣＰＵ２０５により実
行される。ＣＰＵ２０５は溶接電源３に対する各種の指
令を出力する機能、芯線速度信号の受信、電流／電圧波
形計測等の機能を実現する。なお、ＣＰＵ動作時に利用
されるメモリは図示しないがＣＰＵ２０５内または外部
に含むものとする。溶接電源の各種指令には、指令電流
値Ｉ１０、ベース電流値Ｉｂ、チャンネル選択情報、電
流パルス幅ｔｐ、指令電圧値Ｖ10が、それぞれＤＡ変換
器２１１、２１２、チャンネル選択部２１３、ＤＡ変換
器２１４、２１５を介して電源３へ供給される。なお、
ショートアーク溶接モードで動作する場合には、ベース
電流およびパルス幅の指令は不要である。また、電源３
の溶接モードを切り替えるため、溶接モード切替指令Ｍ
ＯＤＥが電源３へ供給される。後述するタコジェネレー
タＴＧの出力ＩｔｇはＡＤ変換器２１６を介してＣＰＵ
２０５へ取り込まれる。制御装置２は、電源からの電流
フィードバック（ＦＢ）波形Ｉｆｂおよび電圧フィード
バック波形Ｖｆｂを受けて各種の波形パラメータを計測
するパルス計測回路２１７を有する。このようなパルス
計測回路２１７は、溶接電流波形および溶接電圧波形か
ら各種のパラメータを実測して、アーク倣い補正等に利
用するためのものであり、その内容については、本願出
願人に係る特願平８−７４０３６号等に開示されてい
る。

【００１８】溶接電源３は、制御装置２からの電流指令
３０１を増幅器３０３を介してワイヤ供給部６のモータ
Ｍへ供給する。モータＭの回転速度を検出するタコジェ
ネレータＴＧの速度フィードバック信号は前述したよう
に、制御装置２のＡＤ変換器２１６へ供給される。溶接
電源３は、溶接モード切替指令ＭＯＤＥを受けて、パル
ス溶接モードとショートアーク溶接モードのいずれでも
動作可能であり、電力制御部３０５１および制御ロジッ
ク部３０５２を含む制御部３０５を有する。この制御部
３０５は、パルスアーク溶接モードにおいて、制御装置
２からのベース電流Ｉｂ３０６、パルス電流Ｉｐ３０
９、パルス幅ｔｐ、電圧指令３１１を受けて、これらの
条件に合致するパルス出力をヘッドへ供給する。パルス
電流Ｉｐ３０９は、制御装置２からのチャンネル選択情
報３０７によりＲＯＭテーブル３０８内の複数のパルス
電流設定値のうちの１つを選択したものである。ＲＯＭ
テーブル３０８は、図ではその出力としてパルス電流Ｉ
ｐのみを示しているが、パルス電流Ｉｐおよびパルス幅
ｔｐの組を出力する。パルス幅ｔｐ３１０は、ＲＯＭテ
ーブル３０８から出力されるパルス幅ｔｐの微調整量を
示す。また、電源３は、ショートアーク溶接モードにお
いては、電圧指令３１１を受けて、この条件に合致する
電圧出力をヘッドへ供給する。溶接電流フィードバック
値ＳＩ10および溶接電圧フィードバック値ＳＶ10は、そ
れぞれ電流メータ３１４および電圧メータ３１３でそれ
らの平均値が検出されるとともに、前述したパルス計測
回路２１７へ供給される。

【００１９】次に、図３および図４のフローチャートを
参照して、本実施の形態における動作を説明する。この
処理は、制御装置２のＣＰＵ２０５が実行することがで
きる。

【００２０】図３において、ＣＰＵ２０５は、まず、オ
ペレータから溶接対象のパイプの口径、板厚、開先角度
等（図５（ａ）（ｂ））の入力を受ける（Ｓ３０１）。
その後、オペレータから、この溶接に対して適切と思わ
れるアーク特性条件を表わす数値の入力を受ける（Ｓ３
０２）。このアーク特性条件は、どのような場合にショ
ートアーク溶接モードを選択するかを決定するものであ
り、本実施の形態では次のように予め決定しておく。

【００２１】 ３：上向き姿勢、仕上層、裏波層（初層） ２：仕上層、裏波層 １：裏波層 ＊：すべてパルスアーク溶接 ４：すべてショートアーク溶接 ここで「＊」はドントケアを示す。ユーザはこのような
数値をアーク特性条件として入力する。これに基づい
て、後述するような溶接モードの自動切り替えが設定さ
れる。

【００２２】次に、入力情報を積層計画用ロジックテー
ブル２０１ａに照らして、積層計画を行う（Ｓ３０
３）。この積層計画では、積層数、各積層高さ（図５
（ｃ））、開先幅（開先角度および板厚から求まる）、
溶接姿勢、番地（パイプ周方向の位置）等の自動設定が
行われる。溶接姿勢は、図５（ｄ）に示すように、下
向、立向、上向の各姿勢の範囲を、例えば、下向の範囲
を０時０分から２時０分の間というように決定する。な
お、ロジックテーブル２０１ａの詳細およびこれを用い
た溶接データの作成については、本願出願人が先に提案
した特願平７−１７３９２１号に開示されている。

【００２３】続いて、このようにして決定された積層計
画に対して、溶接モード判定用ロジックテーブル２０１
ｂを参照して個々の場面（層あるいは姿勢）での溶接モ
ードを自動判定して、それらに好ましい各種溶接パラメ
ータを設定する（Ｓ３０４〜Ｓ３１７）。

【００２４】具体的には、まず、層、回転方向、姿勢を
選択し（Ｓ３０４，Ｓ３０５，Ｓ３０６）、これらに対
して溶接モード判定用ロジックテーブル２０１を参照す
る。

【００２５】図６にこの溶接モード判定用ロジックテー
ブル２０１の一例を示す。このテーブル２０１ｂの各行
２０１６には、アーク特性条件２０１１、層間条件２０
１２、姿勢条件２０１３、および溶接モード２０１４の
各欄を有する。アーク特性条件は前述したとおりであ
り、例えばこのテーブルの１行目は、アーク特性条件の
入力値が４またはこれ以上の場合に、現在の層がどの層
か、あるいは姿勢が何かに拘わらず、溶接モード「９」
（この例ではショートアーク溶接）が選定されることを
示す。２行目は、アーク特性条件の入力値が３またはこ
れ以上であれば、上向き姿勢の場合に溶接モード「９」
すなわちショートアーク溶接モードが選定されることを
示す。３行目は、アーク特性条件の入力値が２またはこ
れ以上であれば、仕上層に対して溶接モード「９」すな
わちショートアーク溶接モードが選定されることを示
す。同様に、４行目は、アーク特性条件の入力値が１ま
たはこれ以上であれば、裏波層に対して溶接モード
「９」すなわちショートアーク溶接モードが選定される
ことを示す。５行目は、任意のアーク特性条件の数値に
ついて、裏波層に対して溶接モード「１」すなわちパル
スアーク溶接モードが選定されることを示す。６行目
は、任意のアーク特性条件の数値について、すべて溶接
モード「６」すなわちパルスアーク溶接モードが選定さ
れることを示す。溶接モード「１」と「６」の違いは、
図７に示すように、それぞれパルス値Ｉｐとパルス幅ｔ
ｐの組み合わせの異なるものに対応し、図２の制御装置
２で説明したチャンネル選択情報３０７により指定され
る。

【００２６】図６のテーブル２０１ｂに対して、例え
ば、アーク特性条件の入力値「３」が与えられた場合を
考える。この場合、「４」に満たないので１行目には該
当せず、２行目において「３」以上に該当する。したが
って、その行の条件である「上向」の姿勢について溶接
モード「９」が選定されることになる。ついで、３行目
にも該当する。この３行目では「仕上層」について溶接
モード「９」が選定される。さらに４行目にも該当し、
「裏波層」について溶接モード「９」が選定される。さ
らに、５行目にも該当するが、これは裏波層にパルスア
ーク溶接モードを指定するものであり、上の行（４行
目）の判定結果と衝突するので、この条件は無視され
る。同様に、６行目にも該当するが、上の行の判定と衝
突する項目については無視される。結局、アーク特性条
件の入力値「３」に対しては、前述したように、「上
向」、「仕上層」、「裏波層」についてショートアーク
溶接モード「９」が選定され、他の層および姿勢につい
てはパルスアーク溶接である溶接モード「６」が選定さ
れることになる。アーク特性条件の入力値が「０」であ
る場合には、裏波層について溶接モード「１」が選定さ
れ、他の層および姿勢については溶接モード「６」が選
定されることになる。

【００２７】なお、図６の例では、パイプ周りのヘッド
の回転方向についての欄は設けていないが、必要な場合
には設けてもよい。

【００２８】図３に戻り、与えられた層、回転方向およ
び姿勢について、図６で説明したような方法により溶接
モードを判定する（Ｓ３０７）。これによりパルスアー
ク溶接モードが選定された場合には、それに相応しい溶
接パラメータが設定される（Ｓ３０８）。また、その自
動倣いパラメータが設定される（Ｓ３０９）。各溶接モ
ードの溶接パラメータは、図２の溶接電源指令出力に相
当する。自動倣いパラメータの詳細については、前述の
特願平８−７４０３６号に開示されている。同様に、シ
ョートアーク溶接モードが選定された場合には、それに
相応しい溶接パラメータが設定され（Ｓ３１０）、ま
た、その自動倣いパラメータが設定される（Ｓ３１
１）。

【００２９】ついで、次の姿勢があれば（Ｓ３１２）、
姿勢を変更して（Ｓ３１３）、ステップＳ３０７へ戻
り、新たな溶接モードの判定を行う。全姿勢が終わった
ら、次の回転方向について、溶接モード判定を行う（Ｓ
３１４、Ｓ３１５）。さらに、これらの手順を層を変え
て行う（Ｓ３１６、３１７）。

【００３０】これらのパラメータに基づいて前述した運
転プログラム２０３（または制御データテーブル）が作
成される。

【００３１】次に、図４に進み、運転プログラム２０３
にしたがって溶接の自動運転を開始する。図では図３の
処理から連続して図４の処理を行うようになっている
が、オペレータの指示を待って図４の処理を行うように
してもよい。

【００３２】図４では、順次、層、回転方向、姿勢を選
択して（Ｓ３１８、Ｓ３１９，Ｓ３２０）、これらに対
して先に設定された運転プログラムに従って溶接電源３
および溶接ヘッド４を制御する（Ｓ３２１）。また、こ
れと並行してアークセンス、電流・電圧サンプリング、
トーチ位置（上下、左右）制御、パルス訛り防止制御、
アーク電圧制御等の各種アーク倣い制御を行う（Ｓ３２
２）。このような制御を、順次、姿勢、回転方向、層を
更新して繰り返す（Ｓ３２３，Ｓ３２４，Ｓ３２５，Ｓ
３２６，Ｓ３２７，Ｓ３２８）。

【００３３】以上の構成および動作によって、溶接の対
象に応じて予め設定したとおりの溶接モードの自動切替
を行いながら、自動溶接を行うことができる。

【００３４】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、システム構成および処理の具体的内容は例
示であり、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形・
変更が可能である。上記説明では、ショートアーク溶接
モードを、層別および姿勢別に基づいて選定したが、パ
ルス溶接モードを選定した層においても特定の番地につ
いてショートアーク溶接モードを指定するようにしても
よい。これも積層計画Ｓ３０３において行うことができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、パルスアーク溶接とシ
ョートアーク溶接とを溶接の対象や場面に応じて組み合
わせることにより、溶接速度およびビードの美観の両方
を考慮したパイプ円周自動溶接を行うことが可能にな
る。また、溶接装置は予め設定された手順通りに自動運
転されるので、適正な溶接条件が入力されさえすれば、
オペレータは初心者であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパイプ円周自動溶接装置の概略構
成を示す構成図である。

【図２】図１に示した制御装置および溶接用電源の内部
構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示した制御装置の動作を示すフローチャ
ートである。

【図４】図３の処理に続く処理を示すフローチャートで
ある。

【図５】図３のステップＳ３０１，Ｓ３０３における各
種入力情報および積層計画で決定される条件の説明図で
ある。

【図６】図３のステップＳ３０７で参照される溶接モー
ド判定用ロジックテーブルの構成図である。

【図７】図６に示した溶接モード「１」「６」の違いを
説明するためのパルス電流波形図である。

【図８】パルスアーク溶接およびショートアーク溶接の
違いを説明するための電流波形図である。

【符号の説明】

１…コンピュータ、２…制御装置、３…電源装置、４…
ヘッド、５…パイプ、６…ワイヤ供給部、７…ワイヤ、
８…溶接トーチ、１２…ガイドレール、２０１ｂ…溶接
モード判定用ロジックテーブル。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０９ Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０９Ｄ (72)発明者 水上 清二 東京都小平市花小金井６丁目８番６号 (72)発明者 壬生 生男 茨城県那珂郡那珂町菅谷2982−３ (72)発明者 前田 謙一 茨城県常陸太田市天神林町1225−47

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 突き合わせて固定されている２本のパイ
   プの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接方法であっ
   て、 予め定めた条件の下で、パルスアーク溶接モードとショ
   ートアーク溶接モードとを自動的に切り替えて溶接を行
   うことを特徴とするパイプ円周自動溶接方法。
2. 【請求項２】 前記予め定めた条件は、複数回積層して
   溶接する際の現在の溶接対象の層がどの層か、および現
   在の溶接姿勢はどのような姿勢か、の少なくとも一方を
   含むことを特徴とする請求項１記載のパイプ円周自動溶
   接方法。
3. 【請求項３】 突き合わせて固定されている２本のパイ
   プの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接制御装置で
   あって、 各種条件下でパルスアーク溶接モードとショートアーク
   溶接モードのいずれの溶接モードを選定するかを決定す
   るための溶接モード判定用テーブルと、 溶接対象のパイプの少なくとも口径、板厚、開先角度を
   含む入力情報に基づいて決定された積層数の各層および
   溶接姿勢を含む各種条件を前記溶接モード判定用テーブ
   ルと対照して、各種条件に対する溶接モードを決定する
   手段と、 該決定された溶接モードにおける各種溶接パラメータを
   決定する手段と、 該決定された溶接パラメータに基づいて溶接電源および
   溶接ヘッドを制御する制御手段と、 を備えたパイプ円周自動溶接制御装置。