(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開先面内に仮付ビードを有する継手を溶接する際に、溶接トーチのウィービングを行うとともに、アーク電圧または溶接電流とウィービング位置を検出し、前記アーク電圧波形または溶接電流波形からアークセンサ倣い信号を演算し、その演算値が設定値と一致するように溶接トーチ位置を自動的に修正するアークセンサ倣い制御を行いながら、自動溶接を行う方法において、
前記アークセンサ倣い信号を所定時間遅延させて、前記アークセンサ倣い制御を行うことにより、仮付ビードの始端部および終端部における溶接トーチの狙い位置ズレの反応を遅らせるとともに、前記アークセンサ倣い信号を積算し、前記積算値の屈曲点を前記所定時間遅延させている期間内で検出することにより、前記仮付ビードの始端および終端を判定し、前記仮付ビードの始端を検出したときには、仮付ビードに到達したと判定して、前記アークセンサ倣い制御を停止し、前記仮付ビードの終端を検出したときには、仮付ビードを通過したと判定して、前記所定時間より長めに遅延させて前記アークセンサ倣い制御を再開することにより、仮付ビード部における溶接トーチの倣いズレを防止することを特徴とする仮付ビード対応のアークセンサ制御による溶接方法。
【請求項２】
溶接トーチが仮付ビード上にある場合には、溶接電流、アーク電圧、溶接速度などの溶接条件を変更することを特徴とする請求項１記載の仮付ビード対応のアークセンサ制御による溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁、造船、建築鉄骨、重機等の鋼構造物のアーク溶接において、開先面内に仮付ビードがある場合に、アークセンサによる溶接線自動倣い制御を行うための溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高速回転アーク溶接あるいは高速揺動アーク溶接においては、従来より、アークセンサにより開先ルート（溶接線）を自動的に追従するアークセンサ倣い制御方法が用いられている。図４は高速回転アーク溶接方法の原理を示す図であり、図５はアークセンサ倣い制御方法の原理を示す図である。
アークセンサ倣い制御方法は、溶接トーチ（トーチ電極）１を例えば回転モータ２、ギヤ機構３等により回転させることによって溶接ワイヤ４の先端部から発生するアーク５を回転させ、このときのアーク電圧または溶接電流を検出し、検出されたアーク電圧波形または溶接電流波形を下板１１側（Ｈ側）と立板１２側（Ｖ側）とで、アーク１回転毎に比較し、面積積分値の差（ＳH−ＳV）が指定の値となるように溶接トーチ１の狙い位置を左右方向（溶接進行方向と直角方向）に修正することにより、開先ルート６を自動的に追従する方法である。また、検出された波形に基づく溶接電流の演算値が所定の値と一致するように、溶接トーチ１の高さを自動的に修正するものである。
なお、溶接トーチの狙い位置（トーチ狙い位置）というのは、例えば隅肉溶接の場合、下板側脚長と立板側脚長とがほぼ等脚長になるように、アークを安定化させ溶接品質やビード形状等を良好に確保するために、開先ルートに対する溶接ワイヤ先端の間隔距離を設定するための座標位置をいう。
【０００３】
高速回転アーク溶接におけるアークセンサ倣い制御は高精度で応答性も高いが、開先面内の小さな仮付ビードに対しても敏感で、溶接トーチの狙い位置が変化する。
一般的には、水平隅肉溶接継手の場合、図６に示すように、仮付ビード６がある場合は、仮付ビード６の下脚側のビード止端を隅肉ルート部と判断するため、アークセンサ倣い制御により溶接トーチ１の狙い位置は下板１１側にずれる。上記の仮付部（仮付ビード部）でのトーチ狙い位置のズレは高速揺動アーク溶接においても同様に発生する。
【０００４】
上記のアークセンサ倣い制御方法を用いて、開先面内に存在する仮付ビードを検出する方法は知られている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの特許文献１、２はいずれも、アークセンサによる倣い制御を行いながら、アークセンサによる仮付ビードを検出するものである。しかし、特許文献１、２では、仮付部において上記のトーチ狙い位置のズレを防止するための解決策は示されていない。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２４８６３号公報
【特許文献２】特開平９−２０６９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、仮付部で溶接トーチの狙い位置がずれると、溶接ビードの外観を損なうだけでなく、溶接部に重大な欠陥が生じることがある。例えば、図７に示すように、完全溶込みが要求される厚板多層溶接では、以下のような問題がある。
（１）トーチの狙い位置が下板側にずれると、仮付ビードが再溶融しにくくなるため、仮
付ビード底部（開先ルート部）に溶接欠陥が残る危険性が高くなる。
（２）初層溶接ビードの下脚長が仮付部で過大となるため、第２層溶接においても、仮付
部でトーチの狙い位置が下板側にずれ、次層で欠陥が発生する危険性が高まる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑み、仮付部でのトーチ狙い位置ズレを防ぎ、溶接欠陥やビード形状の悪化等が生じることのない仮付ビード対応のアークセンサ制御による溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明に係る仮付ビード対応のアークセンサ制御による溶接方法は、開先面内に仮付ビードを有する継手を溶接する際に、溶接トーチのウィービングを行うとともに、アーク電圧または溶接電流とウィービング位置を検出し、前記アーク電圧波形または溶接電流波形からアークセンサ倣い信号を演算し、その演算値が設定値と一致するように溶接トーチ位置を自動的に修正するアークセンサ倣い制御を行いながら、自動溶接を行う方法において、前記アークセンサ倣い信号を所定時間遅延させて、前記アークセンサ倣い制御を行うことにより、仮付ビードの始端部および終端部における溶接トーチの狙い位置ズレの反応を遅らせるとともに、前記アークセンサ倣い信号を積算し、前記積算値の屈曲点を前記所定時間遅延させている期間内で検出することにより、前記仮付ビードの始端および終端を判定し、前記仮付ビードの始端を検出したときには、仮付ビードに到達したと判定して、前記アークセンサ倣い制御を停止し、前記仮付ビードの終端を検出したときには、仮付ビードを通過したと判定して、前記所定時間より長めに遅延させて前記アークセンサ倣い制御を再開することを特徴とするものである。
【０００９】
このように、本発明では、アークセンサ倣い信号を所定時間遅延させているため、仮付ビード部に到達して、アークセンサ倣い信号が変化しても、すぐには溶接トーチの狙い位置は変化しない。一方、前記アークセンサ倣い信号を遅延させずに積算し、積算値の屈曲点を検出することにより、ノイズの影響を受けずに、仮付ビードの有無、すなわち仮付ビード部への到達と通過を判別することができる。
従って、前記アークセンサ倣い信号の遅延時間を、前記方法による仮付ビードの検出時間よりも長めに設定しておき、仮付ビードを検出した時点でアークセンサ倣い制御を停止すれば、仮付ビード部における溶接トーチの狙い位置ズレを防止することができる。
また、仮付ビードの始端と同様に、仮付ビードの終端すなわち仮付ビード部の通過も、アークセンサ倣い信号積算値の屈曲点から検出し、アークセンサ倣い制御を再開する。
以上の方法により、仮付ビード部でのトーチ狙い位置ズレなしに、アークセンサによる倣い制御が可能となる。
【００１０】
また、本発明では、溶接トーチが仮付ビード状にある場合、すなわち仮付ビード部を溶接する場合は、溶接電流、アーク電圧、溶接速度などの溶接条件を変更するものである。一般的には、仮付ビードを再溶融するために、溶接電流を増加したり、溶着断面積が過大とならないように、溶接速度を増加するなどの条件変更を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
まず、アークセンサ倣い信号（アークセンサ信号ともいう）が仮付ビード部（仮付部）でどのように変化するかを図１に模式的に示す。図１の（ａ）図はアークセンサ倣い制御なし（狙い位置固定）の場合のアークセンサ信号の変化を示すものである。
ここで、「アークセンサ倣い制御なし」というのは、溶接トーチの倣い制御を行わずに、所定の狙い位置に固定した状態でアークを回転あるいは揺動させて溶接を行った場合である。
また、「アークセンサ倣い信号」とは、アーク電圧または溶接電流波形を揺動の左右で比較した偏差信号であり、これに倣い制御ゲインを乗じると、アークの１回転または１周期毎の溶接トーチの位置補正量となる。従って、倣いアークセンサ信号に倣い制御ゲインを乗じた値を積算すればトーチ位置の軌跡になる。なお、（ａ）図はアーク電圧波形をアークセンサ信号として用いた場合であり、以下の（ｂ）図および図２においても同様である。
アークセンサ倣い制御なしの場合には、アークが仮付ビードに乗り上げると、立板側（Ｖ側）のアーク電圧が低くなるため、アークセンサ倣い信号（ＳH−ＳV）は、仮付部で（ａ）図のように増加する。
【００１２】
一方、アークセンサ倣い制御ありの場合の仮付部でのアークセンサ信号とトーチ狙い位置の変化を（ｂ）図に示す。
アークセンサ倣い制御ありの場合も、アークセンサ倣い制御なしの場合と同様に、仮付ビードの始端に到達すると、アークセンサ倣い信号（ＳH−ＳV）は増加するが、アークセンサ倣い制御により溶接トーチの狙い位置が下板側に変化するため、アークセンサ信号は徐々に減少する。溶接トーチは、最終的に、アークセンサ倣い信号がゼロになる位置まで下板側に移動し、そこで収束する。また、溶接トーチが仮付ビードを通過すると、アークセンサ倣い信号（ＳH−ＳV）は減少してマイナスとなるため、溶接トーチが上板側に変化するため、アークセンサ信号は徐々に増加し、溶接トーチは最終的に仮付ビード到達前の狙い位置まで移動し、そこで収束する。
以上のように、従来のアークセンサ倣い制御を行った場合、仮付ビード部でアークセンサ倣い信号に変化は現れるが、この変化を瞬時に検出することは事実上不可能であり、アークセンサ倣い信号の変化から仮付ビードを検出した時には、検出前に溶接トーチの狙い位置がずれてしまうという問題があった。
【００１３】
図２は本発明の仮付ビード対応のアークセンサ制御方法を模式的に示すタイミングチャートである。
図２の（ａ）図は従来のアークセンサ信号波形、つまり生のアークセンサ信号波形Ａを示すものである。しかし、実際の波形はノイズが多いため、Ａの信号波形のしきい値判定による仮付ビードの検出は一般的に困難である。
【００１４】
そこで、（ｂ）図に示すように、Ａの信号波形を積算すると、ノイズの影響を大幅に緩和することができる。ここでは、Ｂの信号波形のしきい値判定による屈曲点Ｂ１、Ｂ２の検出により、仮付ビードの始端および終端を判定している。
具体的な仮付ビード検出判定の一例を（ｄ）図に示す。本実施形態では、仮付部での狙い位置ズレを防止するため、アークセンサ倣い制御を仮付部でＯＦＦにするものである。アークセンサ倣い制御のＯＮ／ＯＦＦ制御の一例を（ｅ）図に示す。
実際のアークセンサ倣い制御には（ａ）図の生信号波形Ａではなく、信号波形Ａを所定時間だけ遅延させた（ｃ）図のような信号波形Ｃを用いる。遅延時間は（ｂ）図に示す屈曲点判定に必要な時間よりも長めに設定する（例えば、１〜３秒程度）。
【００１５】
また、図中、ｔ１は仮付ビードの始端検出時からアークセンサ倣い制御をＯＦＦにするまでの時間であり、ほぼゼロに設定されている。ｔ２は仮付ビードの終端検出時からアークセンサ倣い制御をＯＮにするまでの時間であり、信号波形Ｃの遅延時間よりも少し長めに設定されている。これは仮付ビード終端部での狙い位置ズレを防ぐためである。なお、本実施形態ではｔ１、ｔ２を時間で設定してるが、溶接速度がわかれば距離で設定することも可能である。
【００１６】
（ｅ）図と（ｃ）図を対比すれば、仮付部で異常となるアークセンサ信号を無視していることがわかる。
従って、本制御方法では、アークセンサ倣い制御を行いながら、仮付ビードの判定が可能であるため、仮付部でのトーチ狙い位置ズレ（倣いズレ）を回避することができる。
【００１７】
なお、仮付ビードは一般的に、５０〜１００ｍｍの長さである。また、溶接速度は３０〜６０ｃｐｍである。従って、仮付部の通過時間は５秒〜３０秒程度となる。
【００１８】
図３は本制御方法を実施するための一例を示す制御ブロック図である。例えば、高速回転アーク溶接に用いられるもので、実際には溶接ロボットコントローラ内のコンピュータ等に搭載された制御プログラムに基づいて制御されている。なお、図３中の信号Ａ〜Ｅは、図２（ａ）〜（ｅ）に示した信号Ａ〜Ｅにそれぞれ対応している。
【００１９】
アークセンサ倣い信号の演算回路２４は、従来と同様の方法で、開先幅方向の左右倣い信号と、トーチ高さ方向の上下倣い信号を演算する。左右倣い信号は、溶接電流検出回路２１またはアーク電圧検出回路２２により検出された溶接電流波形またはアーク電圧波形を揺動の左右で比較し、その偏差（ＳH−ＳV）を求める。上下倣い信号は、溶接電流検出回路２１またはアーク電圧検出回路２２により検出された溶接電流波形またはアーク電圧波形から面積平均値を求め、基準値との差を求める。また、回転位置検出回路２３は、図８に示すように溶接進行方向の前方点Cｆを基準に溶接ワイヤ４の回転位置を検出し、上記の左右倣い信号及び上下倣い信号の算出基準とされる。
アークセンサ倣い信号の演算回路２４には、回路定数として、積分領域、積分ゲインなどが設定されている。
【００２０】
アークセンサ倣い信号の演算回路２４は、上記のように算出された左右倣い信号（図２（ａ）の信号Ａ）及び上下倣い信号をアークセンサ信号遅延回路２５とアークセンサ信号積算回路２６に出力する。ここでは、仮付部でのトーチ狙い位置ズレ（倣いズレ）が問題であるので、主に左右倣い信号の処理について説明する。
【００２１】
アークセンサ信号遅延回路２５は、図２（ｃ）に示したように所定時間遅延した信号Ｃを溶接トーチ位置の駆動回路２９に出力する。遅延時間は遅延回路２５の定数として設定されている。
一方、アークセンサ信号積算回路２６は、信号Ａを積算することにより、図２（ｂ）に示したように仮付ビード判定のための信号Ｂを仮付ビードの判定回路２８に出力する。
【００２２】
仮付ビードの判定回路２８は、回路定数として設定されている屈曲点判定条件（しきい値など）に基づき信号Ｂの屈曲点を検出・判定し、図２（ｄ）のような仮付ビード判定信号Ｄをアークセンサ倣い制御のＯＮ／ＯＦＦ回路２８に出力する。
【００２３】
アークセンサ倣い制御のＯＮ／ＯＦＦ回路２８は、回路定数として設定されている倣い制御のＯＮ／ＯＦＦの各遅延時間に基づき、図２（ｅ）のような倣い制御のＯＮ／ＯＦＦ信号Ｅを溶接トーチ位置の駆動回路２９に出力する。
【００２４】
これにより、溶接トーチ位置の駆動回路２９は、倣い制御のＯＦＦ信号が入力されると直ちに、溶接トーチ位置の駆動機構３０をＯＦＦにし、倣い制御のＯＮ信号が入力されると遅延して、溶接トーチ位置の駆動機構３０をＯＮにする。なお、溶接トーチ位置の駆動機構３０としては、溶接装置が直交座標型ロボットの場合はスライドブロック、多関節型ロボットの場合は各軸モータが対応し、また、スライドブロックや多関節ロボットの位置制御回路が溶接トーチ位置の駆動回路２９の一例としてあげることができる。
【００２５】
以上のように、仮付部（仮付ビード部）では、アーク溶接は行われているがアークセンサ倣い制御は行わないとするものであるので、トーチ狙い位置ズレは生じない。また、仮付ビードを再溶融する必要があるため、仮付部では溶接条件を最適な条件に変更して溶接する。例えば、仮付ビードを再溶融させるために溶接電流を上げたり、溶着断面積が過大とならないように、溶接速度を増加させるなどである。このようにすることにより、仮付ビード部の溶接品質を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】仮付部でのアークセンサ信号の変化を示す模式図。
【図２】本発明の仮付ビード対応のアークセンサ制御方法を模式的に示すタイミングチャート。
【図３】本発明の仮付ビード対応のアークセンサ制御方法を実施する制御装置のブロック図。
【図４】高速回転アーク溶接方法の原理を示す説明図。
【図５】アークセンサ倣い制御方法の原理を示す説明図。
【図６】仮付ビード部での溶接トーチの狙い位置ズレを示す説明図。
【図７】厚板多層溶接における仮付ビード部の溶接欠陥発生状況を示す説明図。
【図８】回転アークにおける溶接ワイヤの回転位置を示す説明図。
【符号の説明】
【００２７】
１  溶接トーチ
７  解離付ビード
１１  下板
１２  立板
２１  溶接電流検出回路
２２  アーク電圧検出回路
２３  回転位置検出回路
２４  アークセンサ倣い信号の演算回路
２５  アークセンサ信号遅延回路
２６  アークセンサ信号積算回路
２７  仮付ビードの判定回路
２８  アークセンサ倣い制御のＯＮ／ＯＦＦ回路
２９  溶接トーチ位置の駆動回路
３０  溶接トーチ位置の駆動機構
【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７】
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【図８】
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