(57)【要約】【課題】被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現する。【解決手段】溶接システム１は、溶接電流を供給する溶接用電源装置５０と、被溶接物２００の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物２００を溶接する溶接トーチ１０と、被溶接物２００の入熱される側とは反対側の温度を調整する金属板３００とを備え、溶接用電源装置５０は、溶接部に入熱する際の入熱量及び被溶接物２００の入熱される側とは反対側の温度であって、被溶接物２００を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱量及び温度を受け付け、受け付けた入熱量で溶接部に入熱するように溶接トーチ１０を制御し、被溶接物２００の入熱される側とは反対側の温度を受け付けた温度に調整するように金属板３００を制御する。【選択図】図１
2019005765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより当該被溶接物を溶接する溶接方法において、
前記溶接部に入熱する際の入熱量及び前記被溶接物の入熱される側とは反対側の温度であって、当該被溶接物を溶接する際に当該溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱量及び温度を受け付け、
前記受け付けた入熱量で前記溶接部に入熱し、
前記被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を、前記受け付けた温度に調整することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記入熱は、アーク放電により実現されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記入熱量は、パルスにより構成された入熱パターンで与えられることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記入熱量は、前記溶接部に１回目に一時的に入熱する際の第１の入熱量と、前記溶接部に２回目に一時的に入熱する際の第２の入熱量とを含むことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項５】
溶接電流を供給する溶接電源と、
被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより当該被溶接物を溶接する溶接手段と、
前記被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を調整する調整手段と
を備え、
前記溶接電源は、前記溶接部に入熱する際の入熱量及び前記被溶接物の入熱される側とは反対側の温度であって、当該被溶接物を溶接する際に当該溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱量及び温度を受け付け、当該受け付けた入熱量で当該溶接部に入熱するように前記溶接手段を制御し、当該被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を当該受け付けた温度に調整するように前記調整手段を制御することを特徴とする溶接システム。
【請求項６】
前記溶接手段は、前記被溶接物に沿って前方を移動する第１の溶接手段と、前記被溶接物に沿って後方を移動する第２の溶接手段とを備え、
前記溶接電源は、前記入熱量として、前記溶接部に１回目に一時的に入熱する際の第１の入熱量と、前記溶接部に２回目に一時的に入熱する際の第２の入熱量とを受け付け、当該第１の入熱量で当該溶接部に入熱するように前記第１の溶接手段を制御し、当該第２の入熱量で当該溶接部に入熱するように前記第２の溶接手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接方法及び溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有する第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する際に、溶接アークを安定化させ、溶滴の移行規則性を向上させ、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減させるパルスアーク溶接方法は知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とする溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、長期短絡の発生を判別したときは、長期短絡の解除後の溶接電圧が定常状態に収束するまでの過渡期間中は、ピーク電流の減少及びベース電流の増加を行うパルスアーク溶接の出力制御方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
短絡期間とアーク期間を繰り返して短絡アーク溶接を行うアーク溶接制御方法であって、アークスタート時における短絡を開放するための初期短絡電流のピーク電流の値またはピーク電流値の出力時間を、溶接電流値またはワイヤ送給速度または溶接ワイヤの先端の形状または入熱状態を調整する制御パラメータに応じて変更するアーク溶接制御方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３７２７０号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２８１８６号公報
【特許文献３】特開２０１６−９３８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、鋼は、凝固時の降温条件により金属組織が変化することが広く知られている。この金属組織の変化により靭性や強度等の機械特性が変化するため、目的に応じて溶接部の金属組織（この場合は凝固組織）を変化させることが重要となる。
【０００７】
本発明の目的は、被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、本発明は、被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接方法において、溶接部に入熱する際の入熱量及び被溶接物の入熱される側とは反対側の温度であって、被溶接物を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱量及び温度を受け付け、受け付けた入熱量で溶接部に入熱し、被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を、受け付けた温度に調整する溶接方法を提供する。
【０００９】
ここで、入熱は、アーク放電により実現される、ものであってよい。また、入熱量は、パルスにより構成された入熱パターンで与えられる、ものであってよい。更に、入熱量は、溶接部に１回目に一時的に入熱する際の第１の入熱量と、溶接部に２回目に一時的に入熱する際の第２の入熱量とを含む、ものであってよい。
【００１０】
また、本発明は、溶接電流を供給する溶接電源と、被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接手段と、被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を調整する調整手段とを備え、溶接電源は、溶接部に入熱する際の入熱量及び被溶接物の入熱される側とは反対側の温度であって、被溶接物を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱量及び温度を受け付け、受け付けた入熱量で溶接部に入熱するように溶接手段を制御し、被溶接物の入熱される側とは反対側の温度を受け付けた温度に調整するように調整手段を制御する溶接システムも提供する。
【００１１】
ここで、溶接手段は、被溶接物に沿って前方を移動する第１の溶接手段と、被溶接物に沿って後方を移動する第２の溶接手段とを備え、溶接電源は、入熱量として、溶接部に１回目に一時的に入熱する際の第１の入熱量と、溶接部に２回目に一時的に入熱する際の第２の入熱量とを受け付け、第１の入熱量で溶接部に入熱するように第１の溶接手段を制御し、第２の入熱量で溶接部に入熱するように第２の溶接手段を制御する、ものであってよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被溶接物の溶接部に一時的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態（実施例１）に係る溶接システムの概略構成例を示す図である。
【図２】（ａ）は、実施例１における目標温度履歴、この目標温度履歴に対する最適化された入熱量及び下面温度で入熱した場合の温度履歴、並びに比較例における温度履歴を示した図であり、（ｂ）は、実施例１及び比較例の入熱量及び下面温度に対する評価関数値を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態（実施例２）に係る溶接システムの概略構成例を示す図である。
【図４】（ａ）は、実施例１における目標温度履歴、実施例２における目標温度履歴、並びにこれらの目標温度履歴に対する最適化された入熱量及び下面温度で入熱した場合の温度履歴を示した図であり、（ｂ）は、実施例１及び実施例２の入熱量及び下面温度に対する評価関数値を示した図である。
【図５】最適化された入熱量及び１周期あたりの熱量をこれと等しくしたパルスの例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態は、ライン溶接において、溶接部への入熱量及び被溶接物の下面温度を決めることにより、溶接施工時の金属組織を目的に応じて作り分けるための溶接部の温度履歴を実現するものである。ここで、ライン溶接とは、被溶接物に対して移動しながら溶接部に入熱することにより行う溶接である。これは、溶接部から見れば、溶接部に少なくとも１回一時的に入熱することにより行う溶接と捉えることもできる。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態（実施例１）に係る溶接システム１の概略構成例を示す図である。この溶接システム１は、消耗電極式（溶極式）のガスシールドアーク溶接法によって、被溶接物２００の溶接を行うものである。
【００１７】
この溶接システム１は、溶接ワイヤ１００を用いて被溶接物２００を溶接する溶接手段の一例としての溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０を保持すると共に溶接トーチ１０の位置や姿勢を設定するロボットアーム２０とを備えている。また、溶接システム１は、溶接トーチ１０に溶接ワイヤ１００を送給するワイヤ送給装置３０と、溶接トーチ１０にシールドガス（例えば炭酸ガス）を供給するシールドガス供給装置４０とを備えている。更に、溶接システム１は、溶接トーチ１０を介して溶接ワイヤ１００及び被溶接物２００に直流の溶接電流の供給を行うと共に溶接電流を制御する溶接電源の一例としての溶接用電源装置５０と、ロボットアーム２０を制御するロボット制御装置６０とを備えている。尚、ここでは詳細な説明を行わないが、溶接用電源装置５０は、溶接電流の他に、溶接速度や溶接ワイヤ１００の送給速度等の制御も行っている。また、溶接用電源装置５０は、決められた入熱量で入熱がなされるよう、溶接ワイヤ１００への溶接電流の供給を制御する。更に、被溶接物２００の下面には調整手段の一例としての金属板３００が取り付けられ、溶接用電源装置５０は、被溶接物２００の下面温度が決められた温度となるよう、金属板３００の温度の制御も行う。
【００１８】
図２（ａ）に、実施例１における被溶接物２００上の任意の点の目標温度履歴を太い実線で示す。図示するように、この目標温度履歴では、鋼の融点近傍の１５００℃からγ−α変態が開始する８００℃まで１７５℃／ｓの速度で降温される。この温度域を急速な冷却とすることで、凝固開始時から成長を始めるデンドライトの粗大化及びγの粗大化を抑制している。また、８００℃以下は、２０℃／ｓで冷却することとした。この冷却速度としてベイナイトを析出させることで、引っ張り強度と靭性のバランスの取れた組織を得ることができる。
【００１９】
この目標温度履歴を実現する入熱量を決めるために、差分法による三次元熱伝導シミュレーションを行った。このシミュレーションで用いる被溶接物２００の形状は１５０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍの直方体とし、全ての方向について３ｍｍ間隔で分割することにより、直方体をメッシュ分割した。時間刻みは０．５秒とし、溶接速度は５ｍｍ／ｓとした。また、物性値は鋼を仮定して熱伝導率を２０Ｗ／（ｍＫ）、密度を７８７０ｋｇ／ｍ３、比熱を４３５Ｊ／（ｋｇＫ）とした。更に、初期条件として被溶接物２００の全てのメッシュにおける交点（メッシュ点）を２０℃に設定した。境界条件としては、上面下面以外の４つの面については、断熱条件とした。上面については、外気温度を２０℃、熱伝達係数を１５Ｗ／（ｍ２Ｋ）として強制対流熱伝達による大気との熱の交換を行うこととした。アークによる被溶接物２００への入熱は、上面のメッシュ点（ｘ，ｙ）＝（６０ｍｍ，１５ｍｍ）、及び、上面内でこのメッシュ点に隣接する４つのメッシュ点に熱流束として与えた。そして、下面温度を３００℃一定の条件とし、熱流束を最適化パラメータとし、共役勾配法を用いて入熱量を最適化した。即ち、目標温度履歴を実現する入熱量に最も近い入熱量を求めた。
【００２０】
ここで、入熱量を最適化する方法に特に制限はない。上記では共役勾配法を用いたが、様々な分野で広く用いられているニュートン法や遺伝的アルゴリズム等、如何なる最適化アルゴリズムを用いて最適化してもよい。
【００２１】
図２（ａ）には、実施例１における最適化された入熱量及び下面温度で入熱した場合の被溶接物２００上の任意の点の温度履歴を細い実線で示す。図２（ａ）に一点鎖線で示す比較例１は、実施例１と同様の方法で入熱量を最適化したが下面温度を２０℃とした場合の温度履歴であり、図２（ａ）に二点鎖線で示す比較例２は、下面温度を実施例１と同じにしたが、入熱量を最適化しなかった場合の温度履歴である。
【００２２】
また、図２（ｂ）に、実施例１、比較例１及び比較例２の入熱量、下面温度及び評価関数値を示す。ここで、評価関数値は、各時間での目標温度からのずれを目標温度が１５００℃から４００℃までの時間範囲において足し合わせて得られた値である。評価関数値は、その値が小さいほど、目標温度からのずれが小さい。図２（ａ），（ｂ）に示された通り、実施例１のように下面温度を適切に設定し入熱量を最適化することで、目標温度履歴に近い温度履歴を得ることができた。尚、図２（ｂ）では、下面温度として２０℃及び３００℃しか示していないが、これについても、１００℃、１５０℃、２００℃等、複数の下面温度を設定した場合の評価関数値に基づき、適切な下面温度を求めてよい。
【００２３】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態（実施例２）に係る溶接システム２の概略構成例を示す図である。この溶接システム２も、消耗電極式（溶極式）のガスシールドアーク溶接法によって、被溶接物２００の溶接を行うものである。但し、この溶接システム２は、図１に示した溶接システム１と同じ構成の溶接システム１ａ及び溶接システム１ｂを含んだものとなっている。
【００２４】
このうち、溶接システム１ａは、溶接ワイヤ１００ａを用いて被溶接物２００を溶接する第１の溶接手段の一例としての溶接トーチ１０ａ（以下、「先行トーチ１０ａ」ともいう）と、溶接トーチ１０ａを保持すると共に溶接トーチ１０ａの位置や姿勢を設定するロボットアーム２０ａとを備えている。また、溶接システム１ａは、溶接トーチ１０ａに溶接ワイヤ１００ａを送給するワイヤ送給装置３０ａと、溶接トーチ１０ａにシールドガス（例えば炭酸ガス）を供給するシールドガス供給装置４０ａとを備えている。更に、溶接システム１ａは、溶接トーチ１０ａを介して溶接ワイヤ１００ａ及び被溶接物２００に直流の溶接電流の供給を行うと共に溶接電流を制御する溶接電源の一例としての溶接用電源装置５０ａと、ロボットアーム２０ａを制御するロボット制御装置６０ａとを備えている。尚、ここでは詳細な説明を行わないが、溶接用電源装置５０ａは、溶接電流の他に、溶接速度や溶接ワイヤ１００ａの送給速度等の制御も行っている。また、溶接用電源装置５０ａは、決められた入熱量で入熱がなされるよう、溶接ワイヤ１００ａへの溶接電流の供給を制御する。更に、被溶接物２００の下面には調整手段の一例としての金属板３００が取り付けられ、溶接用電源装置５０ａは、被溶接物２００の下面温度が決められた温度となるよう、金属板３００の温度の制御も行う。
【００２５】
また、溶接システム１ｂは、溶接ワイヤ１００ｂを用いて被溶接物２００を溶接する第２の溶接手段の一例としての溶接トーチ１０ｂ（以下、「後行トーチ１０ｂ」ともいう）等を備えている。溶接システム１ｂのロボットアーム２０ｂ、ワイヤ送給装置３０ｂ、シールドガス供給装置４０ｂ、溶接用電源装置５０ｂ及びロボット制御装置６０ｂを含む部分は、溶接システム１ａのロボットアーム２０ａ、ワイヤ送給装置３０ａ、シールドガス供給装置４０ａ、溶接用電源装置５０ａ及びロボット制御装置６０ａを含む部分と同様なので、図示を省略している。
【００２６】
図４（ａ）に、実施例２における被溶接物２００上の任意の点の目標温度履歴を太い実線で示す。図４（ａ）には、比較のために、実施例１における被溶接物２００上の任意の点の目標温度履歴も太い破線で示している。尚、実施例２における目標温度履歴は、実施例１における目標温度履歴と開始点が異なるのみで、降温条件等は同じである。
【００２７】
この目標温度履歴を実現する入熱量を決めるために、差分法による三次元熱伝導シミュレーションを行った。実施例２では、実施例１よりも更に目標温度に近付けるため、図３に示したように、先行トーチ１０ａと後行トーチ１０ｂとを用いて、温度制御を行った。先行トーチ１０ａと後行トーチ１０ｂとは、互いの中心点が１０２ｍｍ離れるように配置した。また、後行トーチ１０ｂによる入熱は、上面のメッシュ点（ｘ，ｙ）＝（６０ｍｍ，１５ｍｍ）、及び、このメッシュ点の周囲の１２点に熱流束として与えた。後行トーチ１０ｂに関するもの以外の条件は、全て実施例１と同じである。
【００２８】
図４（ａ）には、実施例２における最適化された入熱量及び下面温度で入熱した場合の被溶接物２００上の任意の点の温度履歴を細い実線で示す。図４（ａ）には、実施例１における最適化された入熱量及び下面温度で入熱した場合の被溶接物２００上の任意の点の温度履歴も細い破線で示している。
【００２９】
また、図４（ｂ）に、実施例１の入熱量、下面温度及び評価関数値と、実施例２の第１入熱量、第２入熱量、下面温度及び評価関数値とを示す。ここで、実施例２の第１入熱量は、先行トーチ１０ａによる入熱量であり、溶接部から見れば、溶接部に１回目に一時的に入熱する際の入熱量である。また、実施例２の第２入熱量は、後行トーチ１０ｂによる入熱量であり、溶接部から見れば、溶接部に２回目に一時的に入熱する際の入熱量である。評価関数値は、その値が小さいほど、目標温度からのずれが小さい。図４（ｂ）に示すように、実施例２の評価関数値は、実施例１の評価関数値の１／３以下となっており、先行トーチ１０ａと後行トーチ１０ｂの２つの溶接トーチを用いてその入熱量を適切に制御する場合の方が、１つの溶接トーチの入熱量を制御する場合よりも目標温度に近付けることができた。
【００３０】
［変形例］
消耗電極を溶融する先行トーチ１０ａからのアークをパルスにして溶滴移行を促すことで、アークの安定化及びスパッタの抑制等の溶接品質の向上を行うことができる。その際、パルスの単位時間（例えば１周期）に作られる熱量は、最適化方法によって決められた一定入熱での熱量と単位時間で同等となるようにしてもよい。
【００３１】
図５は、最適化された入熱量及び１周期あたりの熱量をこれと等しくしたパルスの例を示した図である。図では、パルスの１周期あたりの熱量が、１周期に対応する時間における最適化された入熱量と等しくなるように、ピーク値ＱＰ、ピーク幅ｔＰ、ベース値ＱＢ、ベース幅ｔＢが調整されている。これにより、短い時間に着目すると溶滴の移行を促すようになっており、長い時間に着目すると溶接部を目標とする温度履歴に合わせるようになっている。
【００３２】
その際、ベース値は、アークを維持できる程度の熱量であることが好ましい。パルスの周期に制限はないが、溶滴移行を促進させるためには１ｍｓから５００ｍｓ程度が好ましく、更には、急激に低下する温度履歴を実現するために、１ｍｓから数十ｍｓ程度が好ましい。また、１周期内に作られるパルスの数には制限がない。１周期内に１つのパルスを作ってもよいし、溶滴成長及び溶滴離脱をそれぞれ促進させる２つのパルスを作って組み合わせてもよいし、３つ以上のパルスを作って組み合わせてもよい。
【００３３】
上記では、パルスの単位時間あたりの熱量を、最適化された入熱パターンの単位時間あたりの熱量に等しくするものとして説明したが、これには限らない。前者の熱量を後者の熱量に完全に等しくする必要はなく、略等しくするものであってよい。即ち、パルスの単位時間あたりの熱量を、最適化された入熱パターンの単位時間あたりの熱量に合致させるものであればよい。
【００３４】
尚、本実施の形態において、溶接トーチ１０（溶接トーチ１０ａ，１０ｂ）は、溶接用電源装置５０（溶接用電源装置５０ａ，５０ｂ）に接続され、被溶接物２００の上部、下部又は横に設けられて、被溶接物２００に熱を与える装置の一例として設けた。ここで、被溶接物２００に熱を与える態様は特に限定されない。上述したようにアーク放電による加熱であってもよいし、レーザ加熱や、抵抗加熱等であってもよい。
【００３５】
また、第２の実施の形態のように２つの溶接トーチを用いる場合、先行トーチ１０ａと後行トーチ１０ｂとの間隔は、溶接部材や溶接速度に応じて適切に離すことが好ましい。一例として、溶接速度５ｍｍ／ｓで鋼を溶接する場合、後行トーチ１０ｂは先行トーチ１０ａよりも５０ｍｍから１５０ｍｍ程度後方に配するとよい。また、溶接ライン上での温度履歴の均一性を保つために、各溶接トーチの移動速度は溶接中一定で、常に一定間隔離れた配置とするのがよい。
【００３６】
更に、後行トーチ１０ｂの後方に別の溶接トーチを設けてもよい。その際も、溶接部材や溶接速度に応じて溶接トーチの間隔を適切に離すことが好ましい。後方に配する溶接トーチの数を増やして適切に入熱量を決めることで、目標温度履歴からのずれをより小さくすることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、被溶接物２００の下面温度を制御するために、被溶接物２００に金属板３００を取り付けたが、これには限らない。例えば、金属板３００に代えてハロゲンヒータを設け、溶接用電源装置５０（溶接用電源装置５０ａ，５０ｂ）がハロゲンヒータによる熱量を制御してもよい。
【００３８】
更に、本実施の形態では、金属板３００の温度やハロゲンヒータの熱量を溶接用電源装置５０（溶接用電源装置５０ａ，５０ｂ）が制御するようにしたが、これには限らない。溶接用電源装置５０（溶接用電源装置５０ａ，５０ｂ）とは別の制御装置がこのような制御を行うようにしてもよい。
【００３９】
［本実施の形態の効果］
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、比較例よりも目標温度履歴に近い温度履歴を再現することができる。つまり、本実施の形態に係る入熱量と下面温度の最適化方法及び最適化された入熱量と下面温度は、溶接部の組織を制御する効果がある。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ，１ｂ，２…溶接システム、１０ａ…溶接トーチ（先行トーチ）、１０ｂ…溶接トーチ（後行トーチ）、２０ａ，２０ｂ…ロボットアーム、３０ａ，３０ｂ…ワイヤ送給装置、４０ａ，４０ｂ…シールドガス供給装置、５０ａ，５０ｂ…溶接用電源装置、６０ａ，６０ｂ…ロボット制御装置、１００ａ，１００ｂ…溶接ワイヤ、２００…被溶接物、３００…金属板
【図１】
2019005765.tif 000003
【図２】
2019005765.tif 000004
【図３】
2019005765.tif 000005
【図４】
2019005765.tif 000006
【図５】
2019005765.tif 000007