JPS59202179A

JPS59202179A - 自動ア−ク溶接方法

Info

Publication number: JPS59202179A
Application number: JP7609083A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Nomura; 野村　博一; Yuji Sugitani; 祐司杉谷
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1983-05-02
Publication date: 1984-11-15
Also published as: JPS6311107B2

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】本発明は、屈曲的あるいは曲線的に変化する溶接継手線
の自動アーク溶接方法に関する。

溶接トーチの継手線に対する角度は、溶接ビード形状に
直接影響し、一般には９０’近くに保たれるのが普通で
ある。しかしながら、第１図（イ）、（ロ）に示すよう
に、継手線（１）が屈曲的に変化する波形部材の隅肉溶
接もしくは突合溶接を、自動的に連続して溶接をするた
めには、継手線（１）の傾斜を何らかの検出器にて検出
し、溶接トーチ（２）の角度を所定値に補正してやる必
要があるが、適切な検出器が開発されておらず、このた
め、溶接途中において溶接を中断しなければならない場
合があった。

本発明は、このような状況に鑑みて発明されたものであ
り、溶接継手線が直線状でなく、溶接途中におい′Ｃ１
屈曲的に変化したり、あるいは曲線的に変化する場合に
、溶接を中断することなく連続的に良好な溶接が持続さ
れるようＫした自動アーク溶接方法を提供することを目
的とするものである。

本発明の特徴とするところは、溶接アークを溶接継手線
上釦おいて溶接進行方向へ周期的に揺動させ、進行方向
における溶接継手線の傾斜状況をアーク電圧波形の変化
から検出して、溶接トーチの軸線が溶接継手線に対して
常に一定の角度を保ちつつ、かつ一定のアーク長を保つ
ように自動的に制御するようにした自動アーク溶接方法
であシ、この自動アーク溶接方法は、電極が消耗しない
ＴＩＧ溶接は勿論、ワイヤが定速送給されるＭＩＧ溶接
、炭酸ガスアーク溶接、サブマージアーク溶接などのい
わゆる消耗電極形アーク溶接にも広範に適用できる。

本発明では、溶接継手線の傾斜を検出するセンサーとし
て、溶接アークの電圧波形すなわちアーク特性を用いて
いるので、アーク発生点での傾斜がリアルタイムで検出
でき、溶接継手線そのものを検出するので母材面の状態
の影響を受けず、制御の応答性、安定性に極めて優れた
方法である。

以下、本発明による実施例を図面により説明する。

本発明では、溶接継手線の傾斜を検出するために、アー
クを周期的に、かつ同一振幅で揺動させなければならな
い。アークの揺動方法は基本的には、第２図（イ）、（
ロ）の２通シがあげられる。同図（イ）は、トーチ（２
）そのものを基本軸（３）に対し平行的に、前方に（Ｗ
、Ｄ）機械的に揺動させ、同図（ロ）は、トーチ（２）
自体を動かすことなく、アーク（４）を前方に偏向させ
る方法で、これは電磁場をかけたり、シールドガスなど
の流体をふきつけること処よシなされ、これらの手段は
、すでに多くの例が公表されておシ、とくに新規なもの
ではない。

第２図において、Ｗけ揺動の振幅、ｔｏはトーチの基準
軸（３）におけるアーク長、ｔｐは揺動時のアーク長と
し、また、溶接継手線（１）と基準軸（３）の交点を０
点、揺動時のアーク中心軸との交点をＰ点とし、以後こ
の定義に従うものとする。

アークの揺動の周期と時間は、継手線の傾斜を速やかに
検出するうえから、その時の溶接速度との関係で定めら
れ、例えば溶接速度３００１ｔ／―の場合、継手線１ａ
＋ピッチで検出するためには、揺動周期は０．２秒以下
、周波数で５Ｈｚ以上にする必要がある。また、１周期
におけるアーク（４）の揺動時間（第２図のＰ点の状態
）は、溶接の溶造形状及びビード形状を害しないように
選定する必要があシ、第２図（ロ）のようにアークを偏
向させる場合では、揺動時間は１周期の１０分の１程度
に短かぐする必要がある。第３図に、アークの揺動周期
Ｔ・揺動時間ｔと振幅Ｗの関係を示し、これらの用語を
図示のように定義する。

アーク電圧Ｖａとアーク長ｔとの関係は、よく知られて
いるように、第４図に示すような直線的な関係にある。

従って、第２図のように、溶接継手線（１）と溶接進行
方向が平行な場合には、揺動りともなうアーク電圧波形
は第５図の電圧波形／　（４３ｉ（ロ）のようになる。

第５図の電圧波形（イ）、（ロ）は、それぞれ第２図（
イ）１、侠）に対応している。第５図の電圧波形（イ）
の場合はアーク長が変化しないから、アーク電圧は、一
定値Ｖａｏとなり、電圧波形（→の場合は揺動時間ｔの
間、アーク長はｔｏからＬｐと増大するので、図のよう
Ｋｔ期間だけＶａｐなるパルス状の電圧波形が得られる
。

次に、溶接継手線（１）と溶接進行方向（Ｗ、Ｄ）とが
平行でない場合を第６図の電圧波形（イ）、（ロ）に示
す。同図の電圧波形（イ）、（ロ）は、第２図のアーク
の揺動方法別の（６）、（ロ）に対応しており、簡単の
ためアークの軸線のみで示している。第６図の電圧波形
（イ）、←）において、トーチ（２）の基準軸における
アーク長は、第２図の場合と同じｔｏとすると、揺動時
のアーク長ｔ；、ｔ；ｈ’は何れも継手線の傾斜の影響
を受けて第２図の場合よシ本それぞれ短かくなる。

従って、この場合の揺動にともなうアーク電圧波形は、
第７図の電圧波形（イ）、（ロ）のようになる。

このときの揺動時のアーク電圧とトーチ基準軸でのアー
ク電圧との差は、電圧波形（イ）の場合はｖａｐｌ−Ｖ
ａｏ’　（（０）　、電圧波形（ロ）の場合はｖａｐ”
　−Ｖａ。

（〈ΔＶ）となり、何れも溶接継手線（１）と溶接進行
方向（Ｗ、Ｄ）が平行な場合の電圧差（（６）で０、（
ロ）のとき△ＶＯ）より小さくなる。

そこで、この電圧差が（６）の場合に０．（ロ）の場合
に△ＶＯＫ等しくなるように、第８図（イ）、（ロ）に
示すごとく、溶接トーチ（２）をＡからＢへと旋回させ
ると、トーチ揺動に伴なうアーク電圧波形はそれぞれ、
第５図の電圧波形（イ）、（ロ）のようになシ、トーチ
軸線と溶接継手線（１）との角度φを第２図の基準状態
に自動復帰させることができる。この場合、トーチ（２
）が基準状態にまで旋回する角度θは、当然のことなが
ら、継手線（１）の溶接進行方向（Ｗ、Ｄ）に対する傾
斜角に等しくなる。

以上のように、アークを周期的に、かつ同一振幅で溶接
方向前方へ揺動させ、揺動時のアーク電圧Ｖａｐと、非
揺動時すなわちトーチ基準軸でのアーク電圧ｖａＯとの
差を常時計算し、その差が所定の基準設定値と等しくな
るように、溶接トーチ（２）を、旋回させることにより
、溶接継手線（１）の傾斜がいかように変化しても、ト
ーチ角度（φ）を常に最適な基準状態に維持させること
ができる。なお、実施例では、アーク電圧差Ｖａｐ−ｖ
ａｏを用いているが、第７図において斜線で示した、揺
動時のアーク電圧波形の断面積Ｓイ、、　Ｓｏ　　（正
確には時間積分値）を計算し、この値が所定の基準設定
値ＳＯと等しくなるように制御してもよく、実用的には
アーク電圧波形に電源リップルなどの不用ノイズ成分が
重じようされるので、むしろこの方式の方が制御の安定
性に優れている。また、上記の制御は揺！ＦｒＩ＋１サ
イクル毎に行なう必要はなく、揺動周波数の高い場合に
は、揺動の複数サイクルでの平均値を計算することによ
り、上記と同様のトーチ角度制御をしてもよい。

本発明におけるトーチ角度の制御法は、前記の非揺動時
でのトーチ基準軸でのアーク長が一定に保たれているこ
とが前提となる。アーク長が一定に保たれることは、ト
ーチ角度制御を別にしても、良好な溶接結果を得るうえ
において溶接の基本的な必須条件である。

次に、本発明における傾斜継手線でのアーク長の制御法
を第９図及び第１０図を用いて説明する。

第９図は、傾斜した溶接継手線（１）において、アーク
を偏向的に揺動させる場合を示している。溶接トーチ（
２）が（２−１）の位置から溶接進行方向（Ｗ、Ｄ）に
移動し、（２−２）の位置にくると、アークの揺動にと
もなうアーク電圧波形は、第１０図の（２−１）から（
２−２）へと変化する。すなわち、溶接継手線（１）の
傾斜度の影善を受けてアーク電圧は全体的に減少し、ア
ークの非揺動時の値をみると、アーク長けｔｏからｔ′
　アーク電圧でＶａＯから　ＶａＯ’へと減少している
。従って、アークの非揺動時のアーク電圧差ＶａＯ−・
Ｖａｏ’（−ΔＶＯ）を計算し、この値がゼロとなるよ
うに溶接トーチ軸線方向（第９図のＹ軸）へ△ｔだけ移
動してやると、（２−３）の状態となシ、アーク電圧は
元の（２−１）の状態に復帰する。なお、この場合トー
チの移動方向（Ｙ軸）は、第９図のトーチ軸線方向に限
定する必要はなく、これとある任意の角度を持つ方向で
あっても良い。

前記したごとく本発明におけるトーチ角度の制御法では
、非揺動時でのアーク長が一定に保たれていることが前
提となるから、実際の制御においては、第９図のアーク
長制御を行ない、非揺動時でのアーク電圧差△ＶＯがゼ
ロとなったことを確認した後、第８図（イ）、（ロ）の
トーチ角度制御動作を行りわせるように順序を選択する
と、誤動作のない安定な制御結果が得られる。

次に１制御回路の一例を第１１図にて説明する。

第１１図の制御回路は、トーチ角度（θ）の制御に、前
記第７図における揺動時のアーク電圧波形の面積（Ｓ）
を計算する方式を採用している。第１２図は、前記制御
回路によって駆動される溶接装置の模式図である。

検出されたアーク電圧波形（Ｖａ・１１）は、ローパス
フィルタ（２）にて波形に重じようされた電源リップル
などの高周波ノイズが除去された後、まずスイッチ（Ｓ
ｌ）によシアークが揺動されていない期間のみのアーク
電圧成分が平滑回路（至）を通過して平均値化された後
、差動増幅器Ｑ４のプラス側端子へＶａｏとして入力さ
れる。一方、スイッチ（Ｓ２）は、本制御動作における
最初の非揺動期間にのみ瞬時的に閉路され、記憶器（ハ
）Ｋ基準アーク電圧（ｖａｏｏ）を記憶させたのち開路
状態を保つ。従って、差動増幅器α４の出力電圧によシ
駆動されるトーチ高さモータ（Ｙモータ、１５）は、非
揺動時のアーク電圧が常にＶａｏｏと等しくなるごとく
移動制御される。つまシ、第１２図の溶接台車（ハ）Ｋ
取付けられたＹモータ０６が駆動され、溶接トーチ（２
）をＹ軸方向に移動させてそのアーク長を一定に保つよ
うにする。

次に、トーチ角度（θモータ）の制御について説明する
。前記ローパスフィルター（イ）を通過したアーク電圧
波形と、平滑化された非揺動時のアーク電圧（ｖａｏｏ
）が、差動増幅器０りに入力されることにより、揺動期
間のみのパルス状のアーク電圧波形が積分器α力に入力
される。従って、積分器αηは、パルス波形の面積（第
７図の斜線部の面積）を計算する。積分器αηの動作期
間は、揺動装置（イ）に接続し、アークの揺動期間と非
揺動期間を弁別する同期パルス発生器翰にて規定され、
揺動開始時に発生するセットパルス圀にて動作開始し、
揺動終了時に発生するセットパルス（イ）にて積分電圧
がゼロレベルにリセットされる。

このセット及びリセットのタイミングは、揺動回数１回
分にのみとられれず、複数回の揺動回数にても行なわれ
る。積分器σ乃にて計算された波形面積は、記憶器（至
）、（Ｉｎにて記憶される。記憶器（２）は、スイッチ
（Ｓ３）によす最初の積分器出力（Ｓｏ　）を記憶し、
これを保持する。記憶器（Ｉ→は、積分器０７）の毎回
の出力を繰シ返し修正し記憶する。従って、トーチ角度
（θ）が最初の基準値に等しくない場合には、記憶器０
樽の出力（Ｓ）は、基準値（Ｓｏ）と異った値となり、
トーチ角度修正モータ（θモータ、２１）にて基準トー
チ角度に修正駆動される。スイッチ（Ｓ４）は、前記差
動増幅器０４の出力がゼロレベルの時、すなわち、非揺
動時のアーク長が基準値となっているときにのみ閉路さ
れるようになっており、θモータＱりけＹモータに）が
停止しているときにのみ動作する。つまり、第１２図の
溶接台車（ハ）Ｋ取付けられたθモータＱ］）は、アー
ク長が一定に制御された後に、溶接継手線に対するアー
クの角度がはげ９０°になるように、トーチ（２）の他
端を円弧レール四に沿って移動させ、トーチ（２）の角
度（φ）を制御する。また、本発明の制御法によれば溶
接部材の終端を検知し、溶接を自動的に終了させること
もできる。すなわち、第１３図（イ）において、溶接ト
ーチ（２）が溶接終了端Ｍ（ステイフナの端部＋８１１
　）に達すると、アークが前方に揺動したときのアーク
電圧（第５図、（ロ）のＶａｐ）は異常に高くなる。な
お、（園は母材である。また、第１６図ｃ口）では、壁
面間の影響を受けてアーク電圧は異常に低下する。従っ
て、これらの論理をすなわち異常変化情報を用いること
により部材端の自動検知が可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る自動アー
ク溶接方法は、溶接継手線が屈曲的にあるいは曲線的に
変化する場合であっても、良好な溶接が可能になってい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）、（ロ）は溶接継手線が屈曲している場合
の説明図、第２図（イ）、（ロ）は本発明におけるアー
クの揺動力法の説明図、第６図はアークの揺動周期Ｔ・
揺動時間ｔと振幅Ｗの関係を示した説明図、第４図はア
ーク電圧（Ｖａ）とアーク長（ｔ）との関係を示した特
性図、第５図は溶接継手線と溶接進行方向とが平行ない
場合のアーク電圧波形の説明図、第６図（イ）、（ロ）
は溶接継手線と溶接進行方向とが平行でない場合の説明
図、第７図は第６図の場合のアーク電圧波形の説明図、
第８図（イ）、（ロ）は溶接トーチの旋回方法の説明図
、第９図は本発明の溶接トーチの制御方法の説明図、第
１０図は第９図におけるアーク電圧波形の説明図、第１
１図は本発明の一実施例に係る方法を実施するための制
御回路、第１２図は第１１図の制御回路によって駆動さ
れる溶接装置の模式図、第１３図（イ）、（ロ）は溶接
部材の終端を検知する方法のを説明するための説明図で
ある。（１）・・・溶接継手線、（２）・・・溶接トーチ、（
３）・・・基準軸、（４）・・・アーク。代理人　弁理人　木　村　三　朗手続補正書（自発）特許庁長官殿　　　　　　　　ａｏ　ａ　５８□１２ｎ
２？’ｓ１、事件の表示特願昭５８−７６０９０号２、発明の名称自動アーク溶接方法３、補正をする者事件との関係　特　　許出願人名　称　（４１２）日本鋼管株式会社４、代理人６、補正の対象明細書の「特許請求の範囲」の欄７、補１Ｆの内容別紙のとおシ特許請求の範囲（補正）（１）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されている
期間のアーク電圧のピーク値ｆｆａｐ）と、アークが揺
動されてい々い期間のアーク電圧（狗０）との差△■を
揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、△Ｖがあらか
じめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接トーチを
旋回させ、溶接トーチと溶接継手線との表す角度が常に
一定となるように自動制御することを特徴とした自動ア
ーク溶接方法、（２）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されていな
い期間のアーク電圧（Ｖａｏ）とあらかじめ定めた基準
設定値とが等しくなるように溶接トーチを高さ方向に移
動し、電極先端と溶接継手線との距離が一定となるよう
に自動制御すると共に、アークが揺動されている期間の
アーク電圧のピーク値（Ｖａｏ）と、アークが揺動され
ていない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）との差△Ｖを揺動
の１周期もしくは複数周期でもとめ、△■があらかじめ
定めた基準設定値と等しくなるように溶接トーチを旋回
させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が常に一定
となるように自動制御することを特徴とした自動アーク
溶接方法。（３）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されている
期間のアーク電圧のピーク値（Ｖａ　ｐ　）と。アークが揺動されていない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）
との差△■を揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、
△Ｖがあらかじめ定めた基準設定値と等しくなるように
溶接トーチを旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのな
す角度が常に一定となるように自動制御し、さらに、ろることを認知して溶接を終了させることを特徴とした
自動アーク溶接法。（４）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されている
期間のアーク電圧波形を、非揺動期間のアーク電圧（Ｖ
ａｏ）を基準にして、時間積分により波形の面積を、揺
動の１周期もしくは複数周期でもとめ、この値があらか
じめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接トーチを
旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が常に
一定となるように自動制御することを特徴とした自動ア
ーク溶接方法。（５）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖ　ａ　）を検出し、アークが揺動されて
いない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）を検出し、この値が
あらかじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接ト
ーチを高さ方向に移動し、電極先端と溶接継手線との距
り（アーク長）が一定となるように自動制御すると共に
、アークが揺動されている期間のアーク電圧波形を、非揺
動期間のアーク電圧（Ｖａｏ）を基準にして、時間積分
により波形の面積を、揺動の１周期もしくは複数周期で
もとめ、この値があらかじめ定めた基準設定値と等しく
なるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチと溶接継
手線とのなす角度が常に一定となるように自動制御する
ことを特徴とした自動アーク溶接方法。（６）溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、アー
ク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されている
期間のアーク電圧波形を、揺動期間のアーク電圧（Ｖａ
ｏ）を基準にして、時間積分により波形の面積を、揺動
の１周期もしくは複数周期でもとめ、この値があらかじ
め定めた基準設定値と等しくなるように溶接トーチを旋
回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が常に一
定となるように自動制御し、さらに、自動アーク溶接方法。４４４

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いる期間のアーク電圧のピーク値（Ｖａｐ）と、アーク
が揺動されていない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）との差
ΔＶを揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、ΔＶが
あらかじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接ト
ーチを旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度
が常に一定となるように自動制御することを特徴とした
自動アーク溶接方法。
（２）　　溶接アークを溶接進行方向処揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いない期間のアーク電圧（Ｖａ　ｏ　）とあらかじめ定
めた基準設定値とが等しくなるように溶接トーチを高さ
方向に移動し、電極先端と溶接継手線との距離が一定と
なるように自動制御すると共に１アークが揺動されてい
る期間のアーク電圧のピーク値（ｖａｐ）と、アークが
揺動されていない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）との差△
Ｖを揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、△Ｖがあ
らかじめ定めた基準設定値と等しくなるよう如溶接トー
チを旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が
常に一定となるように自動制御することを特徴とした自
動アーク溶接方法。
（３）　　溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いる期間のアーク電圧のピーク値（Ｖａｐ）と、アーク
が揺動されていない期間のアーク電圧（ＶａＯ）との差
ΔＶを揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、△Ｖが
あらかじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接ト
ーチを旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度
が常に一定となるように自動制御し、そして、アーク電圧差△Ｖを基準値と比較することにより溶接部
材端を検出し溶接を終了させることを特徴とした自動ア
ーク溶接法。
（４）　　溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いる期間のアーク電圧波形を、非揺動期間のアーク電圧
（ｖａＯ）を基準にして、時間積分により波形の面積を
、揺動の１周期もしくは複数周期でもとめ、この値があ
らかじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接トー
チを旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が
常に一定となるように自動制御することを特徴とした自
動アーク溶接方法。
（５）　　溶接アークを溶接進行方向傾揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いない期間のアーク電圧（Ｖａｏ）を検出し、この値が
あらかじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接ト
ーチを高さ方向に移動し、電極先端と溶接継手線との距
り（アーク長）が一定となるように自動制御すると共に
、アークが揺動されている期間のアーク電圧波形を、非揺
動期間のアーク電圧（Ｖａｏ）を基準にして、時間積分
により波形の面積を、揺動の１周期もしくは複数周期で
もとめ、この値があらかじめ定めた基準設定値と等しく
なるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチと溶接継
手線とのなす角度が常に一定となるように自動制御する
ことを特徴とした自動アーク溶接方法。
（６）　　溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
アーク電圧波形（Ｖａ）を検出し、アークが揺動されて
いる期間のアーク電圧波形を、揺動期間のアーク電圧（
ｖａＯ）を基準にして、時間積分により波形の面積を、
揺動の１周期もしくけ複数周期でもとめ、この値があら
かじめ定めた基準設定値と等しくなるように溶接トーチ
を旋回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が常
に一定となるように自動制御し、そして、揺動期間のアーク電圧波形の時間積分値を基準値と比較
することにより溶接部材端を検出し、溶接を終了させる
ことを特徴とした自動アーク溶接方法。