JPS58212874A - ア−クト−チ溶接のシ−ム追跡法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発　　明　　の　　背　　崇 本発明は電気アーク溶接法におけるシーム追跡法に関す
る。さらに詳しくは、本発明は、アーク自身からの放射
の干渉を受けずにシームを直接税ることができる赤外線
はンサを用いるシーム追跡法に関する。

アーク溶接法において、電気アーク溶接トーチを溶接す
べきシームに沿って移動できることが望ましい。さらに
か）るトーチの移動をアーク溶接システムにより自動的
に行うのが望ましい。現在、はとんどの自動溶接法はス
ポット溶接に限られ−Ｃいる。しかし、自動溶接法、特
に多目的製造用ロボットにより行われる自動溶接法の開
発が続けられるのにつれて、ある種のフィードバック制
ｍ＊構、特に形成中の溶接部の品質を示すだけでなく、
溶接すべきシームに対する１−−チアームの横方向位置
も示すフィードバック制御機構が必要になっている。場
合にょっＣは、予・め定められたシーム位置、曲率およ
び寸法に合わせてシーム追跡運動を溶接システムに１０
グラムしくおくことができる。しかし、溶接すべきシー
ムに沿って１・−ヂアームを自動的に追跡づる手段を電
気アーク溶接システムに設ける方がはるかに望ましい。

さらに、追跡プロセスが連続的にかつ自動的に行われる
こと、そしてこのプロセスが溶接中のシームの特定形状
により実質的に妨害されないことが望ましい。

さらに具体的には、自動溶接において、溶接アームの通
路を適切に制御して、溶融池の中心が溶接シームに合わ
せた状態に留まるようにする必要がある。さらに、反復
作業では、シームの大体の形状をプログラムすることか
ぐきるが、部品毎のはめあい変動間が大ぎくなっで、溶
接通路が個々のシームから大きくずれることがあり、そ
の結果貧弱な溶接部が形成されることが多い。従っ【、
溶融池およびその直前のシームの相対位置を決定するこ
とがぐきるセンサが切望されＣいる。が）るセン勺によ
り得られる制御信号を用いて溶融池を心合わせすること
ができる。さらに、センサが数ミル（約０．１＋＋＋ｍ
）単位までの精度をもち、秒単位またはそれより速い応
答時間を有し、シーム・溶融池相対位置をできるだけ溶
融池の近くで感知し、溶接部から数インチ（約１０１）
の作動距離から動作することくそしてこれらすべてを加
工品への接近方向が限られている制約の下で実現す゛る
こと）が望ましい。さらに、センサは多数の異なる溶接
部の幾何形状および位置で信頼性高く働らき、小形、軽
量、経済的である必要がある。

従来、幾つかの異なる型式のシーム追跡装置が自動ロボ
ット溶接機を案内−するのに適用されＣいる。これらの
装置には、機械接触型、例えば「セシルゲージ（Ｃｅｃ
ｉｌ　ｏａｕｇｅ）　Ｊ　、電磁センサおよび静電セン
サ、信号処理用電子回路付きテレビジョン表示装置、お
よびレーザー源を用いる光学的センサがある。さらに、
アークがシームを横切ってわずかにジグザグ運動するよ
うなアークパラメータの変化に基づくセン勺も使用され
ている。しかし、上述したセンナはいずれも上述した望
ましい阜準のどれか（１つまたは複数）を満足しない。

この分野での別の研究が、米国王ネルギー省に１９８１
年６月に提出されたＪｏｓ６　Ｃｏｎｖｅｒｔｉらの研
究報告［処理中の感知と制御による溶接の信頼性向上（
管の胴廻り溶接用の最適溶接機の開発）［ｍｐｒｏｖｅ
ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒｅ１ｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｗｅ
ｌｄｉｎｇ　ｂｙＩ　ｎ−ｐ　ｒｏｃｃｓｓ　　３　ｅ
ｎｓｉｎｇ　ａｎｄ　　Ｃｏｎｔｒｏｌ　（［）　ｖｅ
ｔ。

ｐｍｅｎｔ　　ｏｆ　３ｍａｒｔ　　Ｗｅｌｄｉｎｇ　
　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　ｆｏｒＧｉｒｔｈ　　Ｗｅｌｄｉ
ｎｇ　ｏｆ　１）ｉｐｅｓ）　１に報告されテいる。こ
の報告によれば、接触センサ（熱電対）を用いて初期実
験を行って、溶融池およびシーム句近の温度分布をさぐ
る。これに記載されている遠隔温度感知用の近赤外ホＩ
−ダイＡｒドを用いる試みは、金属表面から反射される
プラズマ放射による光学的干渉が著しいのぐ、うまくぃ
′がながった。

特に、上記論文では、慣用の溶接作業者用ゴグルに類似
した材料でつくった簡単な光学的フィルタを用いて、プ
ラズマアークからの放射を減衰さゼることを提案してい
る。

しかし、本発明者は、タングステン不活性ガス（ＴＡＧ
＞溶接アークからの放射が代表的には、約３ミクロン以
下の赤外線帯域幅を持つ帯域に限定されていることを発
見した。この発見は、溶融池の直近の真の表面温度を検
知するのに赤外線センサを使用できることを示唆してい
る。さらに、本発明者が行った試験により、これらのセ
ンサが自動シーム追跡溶接法に必要とされる必須の時間
および分解能特性を早り゛ることが確かめられた。

発　　明　　の　　ＩＲ要 本発明の好適実施例によれば、移動式アークトーチ溶接
操作におりるシーム追跡法は、波長が約３ミクロンより
良い赤外線帯域中の赤外線のレベルを測定する工程を有
する。この赤外線の測定は、溶接シームからはず等距Ｈ
にあって、シームの両側に位置し、かつアークトーチの
走行方向に配置された少くとも２点について行う。本方
法によれば、シームの両側からの、選ばれた帯域内の赤
外線のレベルを比較しＣ１差信号を発生する。この差信
号を用いて、差信号を小さくするようにアークトーチを
横方向位置決めする。

従って、本発明の目的は、自動シーム追跡情報を発生す
るアーク溶接センサを提供゛りることにある。

本発明の他の目的は、自動アーク溶接トーチを提供する
ことにある。

最後に本発明の別の目的は、電気アーク溶接におけるシ
ーム追跡法を提供することにある。

発　　明　　の　　詳　　述 本発明は、本明細内の特許請求の範囲に特定され明確に
記載されている。しかし、本発明はその構成および実１
／ｊ法に関して、その目的および効果ともども、添付図
面に関連した以下の説明を参照することによりもっとも
よく理解できるぐあろう。

本出願人による１９８２年４月２６日出願の米国特許出
願第３７１，７０４号゛に指摘されているように、溶接
される加工品のトーチ側からの赤外線測定が、普通に人
手できる赤外線検出器を、波長が約３ミクロンより短い
赤外線を除去する光学的フィルタと組合せて用いること
によって可能になる。このようなフィルタの使用により
、電気アークプラズマ自身が発生する優勢な雑音信号の
レベルを大きく下げる。さらに本発明者は、溶融池の先
の（即ち、溶接トーチの移動方向における）まだ接合さ
れていないシームが熱伝導に対りる強い障壁となること
を見出した。従って、溶融池が中心からはずれると、加
工品への熱入力が同様にずれる。このずれと熱伝導障壁
が原因で、溶融池の直ぐ先のシームを横切って温度差が
発現する。

この温度差を゛接触手段、例えば熱電対フォークによっ
て感知することができる。或いはまた、本発明ノ好適例
におい−では、非接触赤外線センサをシームから数イン
チ（約１０１）またはそれ以上の距離に位置させる。こ
れらのセンサはシーム自身への狭い光学的接波路を必要
とするだけである。

センサをプラズマアークのごく近くに取付けるのが望ま
しく、この場合スペクトル制限用赤外フィルタの使用が
特に望ましいものとなる。

第１図に本発明に係わるセンサを承り。図示の特定実施
例では、赤外線検出器１ｏが２つの別々の検出セルを含
む。−ｈのセルは、溶接シームの片側からこのセルに入
射する赤外線に応答づ°る。

他方のヒルは、シームの他側の対応りる点からの赤外線
に応答する。加工品２ｏのまだ接合されＣいないシーム
間隙３ｏは熱伝導に対震る強い障壁を形づくるので、溶
融池位置が変化づると検出器１０からの電気出力が変わ
る。この差が比較器２５に現われ、比較器２５はトーチ
アーム位置決め装置２６に位置決め制御Ｉ信号を供給り
る。さらに指摘しておくべきこととしｃ１第１図には２
素子レンサ１０を示したが、例えば８〜１２８個の別個
の検出セル区域を有りる多素子赤外線検出器を使用する
こともできる。このような場合、まだ接合されていない
シーム部分を横切る温度分布またはプロフィールを表示
す゛る信号情報を発生することができる。複数の差信号
をコンピュータ処理することも同じく可能で、差信号を
コンピュータにより種々の重みをっけ−Ｃ組合せｃ１１
接合シームを横切る温度不均衡の表示を得る。同様に、
この不均衡情報を用いてトーチアーク位置決め装置２６
を制ｍ＋ｉることができる。

本発明に係わるセン勺は、波長が約３ミクロンより長い
赤外線に感応性ぐなければならない。例えば、検出器の
有効感度範囲は約３ミクＤンから約７ミクロンまでであ
る。検出器Ｇ１１近くまたはそれより僅かに高い温度で
安定′に作動りることも、好ましくは必要である。幾つ
かの特定型式の検出器を使用でき、これらはいずれもそ
の適正作動のために、例えば極低温液体による冷却を必
要としない。特に検出器１０は多素子自己走査式パイロ
電気直線配列検出器、例えば３ｐｉｒｉｃｏｎ社（米国
ユタ州ローガン、ノースメイン２６００所在）から入手
できる検出器とすることができる。

これらの直線検出器配列体は特に温度９缶またはプロフ
ィール情報を得るのに有効である。このプロフィール情
報を用いて温度不均衡を決定することができ、これは特
に薄板材料間の溶接部に有用である。そのは力ぐに、検
出器１０の各素子は、セレン化鉛またはアンチモン化イ
ンジウム光導電性物質を用いた単一素子光導電型検出器
とする口とができる。このような単一素子検出器を用い
てシームの片側の溶融池の前の固定点から赤外線を受取
ることができ、特に深い溶込み溶接部を監視りるのに有
効である。しかし、単一素子パイロ電気検出器もこの目
的に使用することができる。またほかに、検出器１０は
二次元配列パイロ電気セル走査または光導電型検出器と
することができる。

このような検出器は、溶接部の前の全領域から高分解能
熱データを得るのが望ましい特殊な目的用途に好ましい
。

本発明のシーム追跡センサの成功の要因は大部分、この
センサがトーチ側計器であるという事実にある。このよ
うな４器は通常、アーク自身が非常に明るく強い赤外線
を発生りるのＣ１十分に有意な熱データ分解レベルを達
成づる能力に欠（）る。

１゜ アーク自身が発生する赤外線は非常に高強度のもの′Ｃ
″あるので、同時に発生する他の赤外線信号ずべてを鳶
しく抑圧する。しかし、本発明者は、多数の溶接プロセ
スについて、アーク内で発生リ−る赤外線の帯域幅が約
３ミクロンより短い波長に限定されていることを見出し
た。このようなわけで、本発明では、波長が約３ミクロ
ンより長い赤外線を選択的に通過するフィルタ１２を使
用する。このようにして、アークからの［ノイズ］赤外
線を大ぎく減衰づる。フィルタ１２を配置することによ
り、溶融池領域全体をアークからの有意な干渉なしで監
視することが可能になる。フィルタ１２は、低いカット
オン波長３または４ミクロンを有する低域通過赤外線フ
ィルタとすることができる。

ほかに、フィルタ１２は波長が約３〜７ミクロンの間に
ある赤外線を透過する帯域フィルタとづることかできる
。ほかに、波長約１４ミクロンまでの赤外線が、未接合
溶接シームを横切る熱温度分布の性質についての有益な
情報を含んでいることも留意すべきである。

さらに、本発明のセンサはハウジング１４を含み、第１
図に示ずように検出器１０およびフィルタ１２をこのハ
ウジング１４内に１■る。さらに、収束レンズ１６を用
い【加工品２０のシャープな峡像をセンサ１０上につく
る。レンズ１６は固定または可変焦点型とりることが（
・きる。前述の特許出願でも指摘されているように、透
過型よりはむしろ反射型、例えばカゼグレン（Ｃａｓｓ
ｅｇｒａｉｎ　）光学系をこの目的に使用りることがで
きる。

さらに、第１図に示１通り、加工品２０をクラン７′２
２によってテーブル２４上の所定位置に保持りる。

本発明による温度測定は代表的には、溶接シームに直角
な方向に、第２および３図に示ずｘ　−ｘ’線のような
直線に沿って行う。この１線は、溶接シーム３０に沿っ
て移る溶融池４０より先で、溶接シーム３０の未接合部
分を横切つ−Ｃ位＠する。

第２図の曲線１は直線ｘ−ｘ　”に沿っての湿度プロフ
ィールを示づ。第２図は、溶融池４０がシーム３０に心
合わけされ、でいる場合の温度分布を例示する。溶融池
４０が右にずれると、ずれが仲かＣあっ（も、直線ｘ−
ｘ　”に沿つ（の温度１１」フィールが特に影響される
。従っ（、シーム３０の片側での熱人力が大きくなるの
で、シーム３０の両側の湿度プロフィールに有意な差が
生じる。本発明者は、この効果が起るのは溶接シーム３
０自身が形成覆る熱障壁に原因があることを認識した。

この現象を利用して１−−ヂ位置を、また従つＣ溶融池
位置を制御づることができる。特に、第３図かられかる
ように、溶融池４０がわずかに右にずれるだけで、温度
プロフィール曲線■と■′との間に差が生じる。従っ（
、シームからほず等距離の点でスポット測定を行えば、
溶融池の右または左へのずれを表示づるのに十分であり
、従っＣ横方向トーチ位置決め補正を行うのに十分であ
る。

本発明のアーク溶接センサは赤外線フィルタ１２が存在
することで特別ム利点を発揮する。前述したように、本
発明者は、幾つかの異なる溶接法において、アーク自身
からの赤外線が比較的狭い帯域のスペクトル周波数に限
定されることを見出した。特定の周波数帯域は使用す°
る特定の電極材料および不活性ガスによっτ変わるが、
電気アークが発生する赤外線が通常約３ミクロンより長
い波長を呈さないさとを確かめた。具体的に第４図にタ
ングステン不活性ガス（’Ｉ’　ｌ　Ｇ　＞アークにつ
いて検出器出力電圧（ミリボルト）を波長の関数として
プロットしたグラフを示−リ。使用した不活性ガスはア
ルゴン、使用した電極材料はトリウム入りタングステン
であった。同様のグラフを第５図に示づが、これは、不
活性ガスとしてヘリウムを使用し、電極材料をほずタン
グステンのみでつくった場合のＴ　Ｉ　Ｇアークの近赤
外線スペクトル分布を示す。この場合にも、アーク自身
からの赤外線が明確に帯域幅を限定され、波長約２ミク
ロンのまわりに集中し、約１．５〜約２．５ミクロンの
範囲にわたることがわかる。従って、この形態の不活性
ガスアーク溶接の場合、帯域幅のもつと広いフィルタ１
２を使用でき、る。

従って、上述したところから明らかなように、電気プラ
ズマアークにより、そしてまた溶融池自身により形成さ
れる強い放ｒＪＪＩｎに関する問題はほとんど解消され
Ｃいる。アークおよび溶融池の近くにセンサを配置する
のが望ましいのは、シームの方向の急激な変化を追跡し
やすいからだけでなく、溶融池の変位によする温度差に
対する応答時間が溶融池から感知点までの距離の２乗に
はず比例するからでもある。この応答時間は、わずかで
あるが、加工品の熱伝導率および比熱にも依存する。

代表的には、０．５インチ（１，３ｃｍ）の距離が１秒
程度の応答時間に対応する。

本発明のセンサは、絶対表面温度ではなくシームを横切
る方向の表面温度差を正確に監視する必要があるだけで
あることに注意すべきである。従って、所望の結果を得
るのに比較的簡単な光学系を使用することができる。溶
接物による赤外線放射率が非常に低いか非常に変わりや
１い場合、シームの両側を塗装する必要がある。この目
的には、通常の工作加工用標示染料を用いることができ
る。

上述したところから理解できるように、本発明は電気ア
ーク溶接トーチを位置決めするだめの経済的でしかも信
頼性の高いセンサおよび方法を提供する。さらに、この
位置決め法は、初期設定後、その後オペレータの介在の
必要なしに、はとんどすべての滑らかに変化づるシーム
形状を追跡づるのに簡単に適応できる。

本発明をその好適な実施例について詳しく説明したが、
当業者であればこれに種々の変更、改変を加えることが
できる。従つ（、特許請求の範囲はこれらの変更例、改
変例すべＣを本発明の範囲に入るものとして包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるセンサと加工品とを示す概略断
面図、 第２図は溶融池平面図と溶融池の前１）の温度プロフィ
ールを示すグラフの組合せ図、 第３図は第２図と同様の溶融池平面図と温度プロフィー
ルを示ずグラフとの組合１図で、特に溶融池の位買のず
れが温度分相に与える影響を示１図、 第４図はアルゴンガスおよびトリウム入りタングステン
電極を用いた溶接法における検出器出力電圧を波長の関
数として小リグラフ、および第５図はヘリウムガスおよ
びタングステン電極を用いた溶接法における第４図と同
様のグラフである。 符号の説□明 １０・・・・・・赤外線検出器、１２・・・・・・フィ
ルタ、１４・・・・・・ハウジング、　１６・・・・・
・レンズ、２０・・・・・・加工品、　　　２２・・・
・・・クランプ、２４・・・・・・テーブル、　　２５
・・・・・・比較器、２６・・・・・・トーチアーム位
置決め装置、３０・・・・・・シーム、　　　４０・・
・・・・溶融池。 特許出願人 ピネラル・エレクトリック・カンパニイ代理人　（７６
３０）　　生　沼　徳　二Ｊワ−、／Ｒ４ ｆｆｔ渠　（ミフｐン） ｌ々７ｒ５ シＩＬ柔　　（ミ７０ン〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動式アークトーチ溶接操作に８５いてシームを追
   跡づる方法に於【、波長が約３ミク１．１ンより長い赤
   外線帯域中の赤外線のレベルを、シームの両側に位置し
   てシームからはず等距離にある少くとも２つの点につい
   て測定し、これらの点は前記アークトーチの走行方向に
   配置されＣおり、前記シームの両側からの前記帯域中の
   赤外線のレベルを比較して差信号を発生し、前記差信号
   のレベルを小さくづるように前記アークトーチを横方向
   位置決めＪる工程よりなるアークトーチ溶接のシーム追
   跡法。 ２；移動式アークトーチ溶接操作におい【シームを追跡
   する方法に於て、シームからはず等距離Ｃシームの両側
   に位置しかつ前記アークトーチの走行方向に配置された
   少くとも２貞の温度を測定し、前記シームの両側につい
   Ｃ測定されＩこ湿度同士を比較しＣ１その温度差に比例
   づる差信号を発生し、前記差信号のレベルを小さくＪる
   ように前記アークトーチを横方向位置決めＪる工程より
   なるアーク１−−チ溶接のシーム追跡法。