(57)【要約】【課題】フラックスに覆われているためアーク発生地点を目視できない回転サブマージアーク溶接においても、アークセンサによる的確な倣い制御を可能とする。【解決手段】粒状フラックス２０下で溶接ワイヤ２２と母材間、あるいは溶接ワイヤ間にアークを発生させ、これにより生じる高熱を利用してサブマージアーク溶接を行う際に、アークの回転円における溶接進行方向の前方中心点Ｃｆとアーク電圧波形又はアーク電流波形の間に規則性がある所定回転条件範囲で、Ｃｆを中心とする左右対称な所定積分領域のアーク電圧値又はアーク電流値の積分値ＳＬとＳＲの差が一定値となるように狙い位置を制御する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状フラックス下で溶接ワイヤと母材間、あるいは溶接ワイヤ間にアークを発生させ、これにより生じる高熱を利用してサブマージアーク溶接を行う際に、
アークの回転円における溶接進行方向の前方中心点Ｃｆとアーク電圧波形又はアーク電流波形の間に規則性がある所定回転条件範囲で、
Ｃｆを中心とする左右対称な所定積分領域のアーク電圧値又はアーク電流値の積分値の差が一定値となるように狙い位置を制御することを特徴とする回転サブマージアーク溶接のアークセンサによる倣い制御方法。
【請求項２】
前記所定回転条件範囲が、回転周波数３Ｈｚより大きく、且つ、３０Ｈｚより小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転サブマージアーク溶接のアークセンサによる倣い制御方法。
【請求項３】
前記所定積分領域が、Ｃｆを中心とする左右９０°の領域であることを特徴とする請求項１に記載の回転サブマージアーク溶接のアークセンサによる倣い制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転サブマージアーク溶接のアークセンサによる倣い制御方法に係り、特に、アーク発生地点がフラックスに覆われており、目視確認をすることができないサブマージアーク溶接においても、狙い位置を的確に制御することが可能な、回転サブマージアーク溶接のアークセンサによる倣い制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に例示する如く、粒状フラックス２０下で溶接ワイヤ２２と母材１０間あるいは溶接ワイヤ間にアークを発生させ、これにより生じる高熱を利用して溶接を行うサブマージアーク溶接が知られている。このサブマージアーク溶接では、母材１０の上に予め粒上のフラックス２０を堆積しておき、その中に溶接ワイヤ２２の先端を突込んで溶接を行う。アークは、フラックス２０に覆われて外からは見えない。フラックス２０は、大気の遮断、溶接金属の精錬作用に寄与し、スラグ２６や溶接ビード２８の形成に寄与する。図において、１２は裏当て材、２４は電極である。
【０００３】
このサブマージアーク溶接は、造船や橋梁の板継ぎ溶接や、高層ビルのＢＯＸ柱、圧力容器などに広く使用されている。大電流や、多電極の採用が可能なため、高能率（高溶着速度）であり、且つ、溶け込みも深いが、溶接姿勢は、図２に例示するような下向き、又は図３に例示するような水平（横向き）に限られ、その殆んどは下向き施工である。図２、図３において、１４は立板（例えばＨ形鋼材のフランジ）、１６は下板（同じくウェブ）である。又、運棒方法は、殆んどがストレートであり、一部で揺動させている事例もある。
【０００４】
図２に例示した下向き姿勢では、太径ワイヤ、高電流溶接が適用され、高能率・高品質（深溶け込み、ビード外観良好）であるが、溶接姿勢が下向きとなるようにワーク姿勢を変更する必要があり、Ｈ形鋼材の場合はウェブ片側の１継手ずつしか施工できない。
【０００５】
一方、図３に例示した水平姿勢では、Ｈ形鋼材の場合でもウェブ両側の２継手同時施工が可能であるが、重力の作用でビード垂れが発生し、図３に例示したような水平隅肉溶接では、立板１４側の上脚長不足やアンダカットが発生しやすい。更に、脚長が長い大脚長側では、垂れ気味となり、ビード止端部形状も悪く、水平姿勢での１ラン１０ｍｍ以上の大脚長隅肉溶接の実用化は非常に困難であった。
【０００６】
アーク溶接の適用のほとんどは自動台車（装置）によるものであるが、サブマージアーク溶接の場合、アーク発生地点がフラックスに覆われており、目視確認をすることが出来ないため、本当の狙い位置調整は非常に難しい。従来技術としては、（１）溶接対象部材に接触させたガイドローラに沿って台車を走行させ、部材と電極位置関係を保つ、ガイドローラなどによる機械式倣いや、（２）台車レールを狙い位置に沿って設置するレール走行式、あるいは、（３）先端部にローラ部を設けたポテンショメータ（位置センサ）を溶接対象部材に押し当てて位置制御する方法などがあるが、いずれも倣い精度が低かった。
【０００７】
即ち、機械式倣いやポテンショメータを利用した位置制御では、あくまでガイドローラやセンサを接触させている部分と電極の位置関係を制御できるだけであり、部材の交差部や開先ルート部などを正確に倣うことはできない。又、溶接中の熱変形への対応もできない。更に、タンデム溶接や多パス溶接の場合、先行電極や前パスのビード形状に対して狙い位置を設定したいが不可能である等の問題点を有していた。
【０００８】
ここで、図２に例示したような下向き溶接の場合は、適切な溶接条件の裕度が広いため、倣い精度は大きな問題にならないが、図３に例示したような水平姿勢の場合、狙い位置条件の裕度が狭いため、ビード不良（立板側の上脚長不足やアンダカット）に繋がるという問題点を有していた。
【０００９】
一方、フラックスを使わないガスシールドアーク溶接においては、出願人が特許文献１で提案したように、図４に示す如く、溶接ワイヤ２２の先端を回転させる回転アーク溶接における溶接線倣い制御が提案されている。図において、２３はアークである。
【００１０】
図５にアーク回転位置の定義の一例を示す。ここでは、アークの回転円において溶接進行方向の前方中心点をＣｆ、後方中心点をＣｒ、立板１４側をＲ側、下板１６側をＬ側とする。
【００１１】
又、ノズル回転軸２５と直交する軸線２１上に溶接トーチの狙い位置ｘpをとり、溶接トーチの狙い位置が溶接線ＷＬと一致しているときのｘpをｘp＝０とし、ｘp＝０を中心に、立板１４側（図５のアーク回転位置で示すとＲ側）をプラス、下板１６側（図５のアーク回転位置で示すとＬ側）をマイナスと定義する。
【００１２】
アークセンサ溶接線倣い制御方法では、図５に示すようにアークの１回転毎にＣｆ点を中心に左右（Ｌ，Ｒ）同一の位相角θの範囲（例えば５°＜θ＜１８０°）で、例えばアーク電圧値を積分し、立板（Ｒ）側のアーク電圧値の積分値ＳＲと下板（Ｌ）側のアーク電圧値の積分値ＳＬとの差（ＳＲ−ＳＬ）をアークセンサの出力として取り出し、（ＳＲ−ＳＬ）の値及び符号により、溶接トーチの狙い位置を自動修正する。
【００１３】
すなわち、アークセンサの出力（ＳＲ−ＳＬ）は、図６（Ａ）に示すように、溶接トーチの狙い位置が溶接線と一致しているとき（ｘp＝０）、ＳＲ−ＳＬ＝０となるから、そのままで溶接を進行させる。また、図６（Ｂ）に示すように、溶接トーチの狙い位置が下板１６側にずれているとき（ｘp＜０）、アーク長は立板１４側の方が下板１６側よりも長くなり、ＳＲ−ＳＬ＞０となるから、溶接トーチの狙い位置を立板１４側へ修正するよう指令を与える。また、図６（Ｃ）に示すように、溶接トーチの狙い位置が立板１４側にずれているとき（ｘp＞０）、アーク長は下板１６側の方が立板１４側よりも長くなり、ＳＲ−ＳＬ＜０となるから、溶接トーチの狙い位置を下板１６側へ修正するよう指令を与える。
【００１４】
図５から明らかなように、ｘp＝０、ＳＲ−ＳＬ＝０を中心として、アークセンサの出力（ＳＲ−ＳＬ）は符号が正負反転するから、溶接トーチの狙い位置が立板１４側または下板１６側にずれているときは、常にＳＲ−ＳＬ＝０となる方向へ溶接トーチの狙い位置を修正すればよい。
【００１５】
従って、回転ガスシールドアーク溶接で用いられているアークセンサによる溶接線倣い制御を、サブマージアーク溶接にも適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平３−１１４６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、発明者がガスシールドアーク溶接の技術をサブマージアーク溶接にそのまま適用しようと試みたところ、上手くいかないことが判明した。即ち、ガスシールドアーク溶接では、回転周波数によらずＣｆ信号とアーク電圧波形の関係が図７に示す如くとなり、アーク電圧波形が規則性を有するが、サブマージアーク溶接では、図７に示すような理想的な回転アーク溶接−電圧波形の関係を得ることができなかった。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ガスシールドアーク溶接の倣い制御をそのまま適用したのでは、倣い制御が上手くいかないサブマージアーク溶接の条件を適切に制御して、アークセンサによる倣い制御を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、粒状フラックス下で溶接ワイヤと母材間、あるいは溶接ワイヤ間にアークを発生させ、これにより生じる高熱を利用してサブマージアーク溶接を行う際に、アークの回転円における溶接進行方向の前方中心点Ｃｆとアーク電圧波形又はアーク電流波形の間に規則性がある所定回転条件範囲で、Ｃｆを中心とする左右対称な所定積分領域のアーク電圧値又はアーク電流値の積分値の差が一定値となるように狙い位置を制御するようにして、前記課題を解決したものである。
【００２０】
ここで、前記所定回転条件範囲を、回転周波数３Ｈｚより大きく、且つ、３０Ｈｚより小さくすることができる。
【００２１】
又、前記所定積分領域を、Ｃｆを中心とする左右９０°の領域とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、サブマージアーク溶接においても、アークセンサによる倣い制御が可能となる。従って、フラックスによりアークは見えないが、近傍の部材などを基準に狙い位置を制御するわけではなく、発生しているアーク自体の電流、電圧データによりアーク発生地点で狙い位置を制御できるため、熱変形及び先行電極や前パスのビード形状への対応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明が対象とするサブマージアーク溶接の原理を示す斜視図
【図２】下向き溶接の例を示す断面図
【図３】水平隅肉溶接の例を示す断面図
【図４】ガスシールドアーク溶接における回転アーク溶接の様子を示す斜視図
【図５】アークの回転位置の定義を示す図
【図６】溶接トーチの狙い位置とアークセンサの出力の関係を示す図
【図７】理想的な回転アーク溶接−電圧波形の例を示す図
【図８】本発明の原理を説明するための、７ＨｚでのＣｆ信号とアーク電圧／電流波形の関係の例を示す図
【図９】同じく３ＨｚでのＣｆ信号とアーク電圧／電流波形の関係の例を示す図
【図１０】同じく３０ＨｚでのＣｆ信号とアーク電圧／電流波形の関係の例を示す図
【図１１】本発明の第１実施形態の概要を示す斜視図
【図１２】同じく積分領域を示す図
【図１３】同じく制御回路を示す図
【図１４】本発明の第２実施形態の概要を示す斜視図
【図１５】本発明の第３実施形態の概要を示す斜視図
【図１６】第３実施形態の電極配置を示す図
【図１７】本発明の第４実施形態の概要を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
回転サブマージアーク溶接について、発明者が、直径１．６ｍｍの溶接ワイヤの先端を回転径３ｍｍで、溶接ビードを掻き下げるように反時計方向ＣＣＷに回転させてトーチ角度５０°、溶接速度４０ｃｐｍで実験を行ったところ、所定回転条件範囲、例えば回転周波数３Ｈｚより大きく、且つ、３０Ｈｚより小さいときに、Ｃｆ位置とアーク電圧／電流波形の間に、図８（回転周波数７Ｈｚの例）に示す如く、前方Ｃｆ位置でピーク電圧となり、後方１８０°位置でボトム電圧となる規則性が得られた。３Ｈｚ及び３０Ｈｚで、Ｃｆ信号と電圧（電流）信号に規則性の無いデータを、それぞれ図９及び図１０に示す。
【００２６】
なお回転条件範囲には、回転径の限界も存在し、その他、回転ピッチで規定することもできる。
【００２７】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その第１実施形態は、シングル回転サブマージアーク溶接において、図１１に示す如く、溶接ワイヤ２２の先端を回転周波数３Ｈｚ〜３０Ｈｚで反時計方向ＣＣＷに回転させて掻き下げる際に、図１２に示す如く、Ｃｆを中心とする左右９０°の所定積分領域でアーク電圧値を積分して積分値ＳＬとＳＲの差（ＳＬ−ＳＲ）の値を検出し、これが一定値（例えば０）となるように狙い位置を制御するようにしたものである。なお、（ＳＬ−ＳＲ）の値の目標値を０以外として、狙い位置を溶接先からオフセットさせても良い。
【００２８】
本発明を実施する場合に用いられるアークセンサ溶接線倣い制御装置のブロック回路図を図１３に示す。
【００２９】
図において、３１はアーク電圧検出器、３２は溶接電流検出器、３３はスイッチで、ここではアーク電圧検出器３１の方に接続している。溶接電流により制御する場合は、スイッチ３３を溶接電流検出器３２側へ切り替える。
【００３０】
３５はアーク回転位置検出器で、図５に示したアーク回転位置（Ｃｆ、Ｒ、Ｃｒ、Ｌ）を検出する。３６はタイミングパルス発生器であって、アーク回転位置検出器３５によって検出されたアーク回転位置を入力し、積分領域が所定の角度範囲になるようにタイミングパルスをそれぞれアーク電圧ＥａのＬ側積分器３７とＲ側積分器３８に指令する。
【００３１】
タイミングパルス発生器３６によって指令される角度範囲は、本例においては、左右０°〜９０°である。この角度範囲は、予め設定されているものであり、本例では上述のように０°〜９０°に設定されているが、これに限られるものではなく、左右対称であれば良い。
【００３２】
３９は、Ｌ側積分器３７によるＬ側積分値ＳＬとＲ側積分器３８によるＲ側積分値ＳＲとの差を演算する差動アンプで、この差動アンプ３９によりアークセンサ出力（ＳＬ−ＳＲ）が求められる。
【００３３】
求められたアークセンサ出力（ＳＬ−ＳＲ）は、溶接線倣い制御回路４０に入力する。溶接線倣い制御回路４０では、差動アンプ３９の偏差信号に基づいて倣い距離が演算され、この演算結果に基づいてモータ４１が制御され、溶接トーチ４７が倣い制御される。
【００３４】
本実施形態においては、立板１４側の溶け込みを広くして、上脚脚長を伸ばすことができる。
【００３５】
次に、図１４を参照して本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様のシングル回転サブマージアーク溶接において、溶接ワイヤ２２を第１実施形態と逆の時計方向ＣＷに掻き上げ回転するようにしたものである。
【００３６】
本実施形態においては、下板１６側の溶け込みを広くして、下脚脚長を伸ばすことができる。
【００３７】
次に、図１５を参照して本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、タンデム回転サブマージアーク溶接において、先行電極２４Ａの溶接ワイヤ２２Ａを回転させないストレート運棒とし、後行電極２４Ｂの溶接ワイヤ２２Ｂの先端を、反時計方向ＣＣＷの掻き下げ回転とするようにしたものである。
【００３８】
先行電極２４Ａのノズル回転軸２５Ａと後行電極２４Ｂのノズル回転軸２５Ｂの配置例を図１６に示す。
【００３９】
本実施形態においては、後行電極２４Ｂの溶接ワイヤ２２Ｂの回転により、立板１４側の溶け込みを広くして、上脚脚長を伸ばすと共に、先行電極２４Ａへの対応が可能となる。
【００４０】
なお、図１７に示す第４実施形態のように、先行電極２４Ａの溶接ワイヤ２２Ａの先端も、例えば時計方向ＣＷへ掻き上げ回転させて、下板１６側の溶け込みを広くし、下脚脚長を伸ばすこともできる。
【００４１】
なお、前記実施形態においては所定回転周波数範囲が３Ｈｚより大きく、且つ、３０Ｈｚより小さくされ、所定積分領域が、Ｃｆを中心とする左右９０°の領域とされていたが、所定回転周波数範囲や所定積分領域は、これに限定されず、例えば回転径に応じて変えることができる。
【００４２】
本発明の適用対象も、水平隅肉溶接に限定されず、下向き溶接や開先形状を有する平板の突合せ溶接を対象とすることもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１４…立板
１６…下板
２０…フラックス
２２、２２Ａ、２２Ｂ…溶接ワイヤ
２４、２４Ａ、２４Ｂ…電極
２８…溶接ビード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１６】
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【図１７】
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