(57)【要約】【課題】アーク溶接中に溶滴の状態をインラインにおいてリアルタイムで確実に検出するようにする。【解決手段】本発明の溶接監視装置は、アーク溶接中の溶滴７を監視するものであって、アーク溶接中に溶接ワイヤ４の直下の領域から当該領域外へ移動する溶滴７を検出する溶滴検出手段１０を備えており、この溶滴検出手段１０は、溶接ワイヤ４の先端部４ａ側に向けて検出光を照射すると共に、溶滴７による検出光の遮断状態を基に当該溶滴７が溶接ワイヤ４の直下の領域から領域外へと移動したと判定するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク溶接中の溶滴を監視する溶接監視装置において、
アーク溶接中に溶接ワイヤの直下の領域から当該領域外へ移動する溶滴を検出する溶滴検出手段を備えており、
前記溶滴検出手段は、前記溶接ワイヤの先端部側に向けて検出光を照射すると共に、溶滴による検出光の遮断状態を基に、当該溶滴が溶接ワイヤの直下の領域から領域外へと移動したと判定するように構成されていることを特徴とする溶接監視装置。
【請求項２】
前記溶滴検出手段は、前記検出光としてスポット光を照射する距離検出センサを備え、
前記距離検出センサは、照射された検出光が溶滴により遮断されて検出距離が変化したときに溶滴の移動を検出することを特徴とする請求項１に記載の溶接監視装置。
【請求項３】
前記距離検出センサは前記溶接ワイヤの側方であって当該溶接ワイヤの周りに複数配置されていることを特徴とする請求項２に記載の溶接監視装置。
【請求項４】
前記溶滴検出手段は、前記検出光としてライン光を照射する遮断検出センサを備え、
前記遮断検出センサは、照射されたライン光の遮断状態を基に溶滴の移動を検出することを特徴とする請求項１に記載の溶接監視装置。
【請求項５】
前記遮断検出センサは、前記検出光が溶接ワイヤの先端部と母材との間を通過するように、溶接ワイヤの幅方向両側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の溶接監視装置。
【請求項６】
アーク溶接中の溶滴を監視する溶接監視方法において、
アーク溶接中に溶接ワイヤの先端部側に向けて検出光を照射し、
照射された検出光が溶滴により遮断された状態を基にして、当該溶滴が溶接ワイヤの直下の領域から領域外へと移動したと判定することを特徴とする溶接監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接の状態を監視する溶接監視装置及び溶接監視方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接では、溶接ワイヤと溶接対象材である母材との間でアーク放電が発生することに伴い、溶接ワイヤの先端部に溶滴が形成される。溶接ワイヤの先端部に形成された溶滴は、溶接ワイヤの先端部から離脱して母材の溶融池に移行（溶滴移行）することになる。
溶滴移行する際に、溶接ワイヤの先端部から溶け出た溶滴が母材の溶融池にスムーズに移行すればよいものの、例えば、アーク放電が途切れたり、溶滴が溶接ワイヤの直下領域以外へ飛び出たりすると溶接品質が低下する虞がある。
【０００３】
そのため、溶接を行っているときに、その溶滴移行の状況を監視したり、溶滴移行を修正する技術が幾つか開発されている。
例えば、特許文献１には、炭酸ガス単体または炭酸ガスが主成分である混合ガスをシールドガスとするアーク溶接において溶接ワイヤ先端からの溶滴の離脱を検出する溶滴離脱検出部と、前記溶滴を離脱させる第１パルスと、前記溶滴を整形する第２パルスとを交互に生成して溶接電源に出力すると共に前記溶滴の離脱が検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備える溶接制御装置において、前記波形生成器は、前記第１パルスのピーク期間、立下りスロープ期間またはベース期間において前記溶滴の離脱が検出されなかった場合に、前記第１パルスのベース期間終了後に、前記第２パルスとはパルスピーク電流またはパルス幅の異なるパルス形状を有する第３パルスを生成して前記溶接電源に出力することにより溶滴移行規則性のずれを修正する溶接制御装置が開示されている。即ち、特許文献１では、パルス波形を制御することによって、溶滴移行の規則性が崩れても即座に復帰できるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２には、消耗電極ワイヤと被溶接材との間に溶接電源を導通接続し、シールドガス雰囲気中でアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接において、溶接状態を監視する溶接状態監視装置であって、消耗電極ワイヤの先端部から溶滴が溶融池へ移行する溶滴移行の間に生じる溶接電圧、溶接電流あるいは溶接電圧からなる溶接状態信号の波形変化に対応して波形変化信号を出力する溶滴移行検出部と、前記溶滴移行の間に出力された前記波形変化信号の信号数情報を含む溶滴移行状態信号を出力する溶滴移行状態検出部とを備えた溶接状態監視装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３３７２８号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や特許文献２の技術では、アーク溶接中での溶接電圧や溶接電流を検出することによって間接的に溶滴移行を検出することができるものの、アーク溶接中に溶滴が実際にどのような状態にあるかということを、直接的に且つリアルタイムに検出することは難しいのが実情であった。
また、アーク溶接中に溶滴の状況を直接的に検出する手法として、特許文献２の図６に示されているように、溶滴の様子を高速度カメラなどで撮像して観察することも考えられる。しかしながら、高速度カメラを用いた溶滴移行の監視技術をインライン（実際の溶接工程）に採用するのは非常に困難である。
【０００７】
本発明は、問題点に鑑み、溶接中に溶滴の状態をインラインであっても容易且つ確実に検出することができる溶接監視装置及び溶接監視方法を提供するようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、アーク溶接中の溶滴を監視する溶接監視装置において、アーク溶接中に溶接ワイヤの直下の領域から当該領域外へ移動する溶滴を検出する溶滴検出手段を備えており、前記溶滴検出手段は、前記溶接ワイヤの先端部側に向けて検出光を照射すると共に、溶滴による検出光の遮断状態を基に、当該溶滴が溶接ワイヤの直下の領域から領域外へと移動したと判定するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
前記溶滴検出手段は、前記検出光としてスポット光を照射する距離検出センサを備え、前記距離検出センサは、照射された検出光が溶滴により遮断されて検出距離が変化したときに溶滴の移動を検出することが好ましい。
前記距離検出センサは前記溶接ワイヤの側方であって当該溶接ワイヤの周りに複数配置されていることが好ましい。
【００１０】
前記溶滴検出手段は、前記検出光としてライン光を照射する遮断検出センサを備え、前記遮断検出センサは、照射されたライン光の遮断状態を基に溶滴の移動を検出することが好ましい。
前記遮断検出センサは、前記検出光が溶接ワイヤの先端部と母材との間を通過するように、溶接ワイヤの幅方向両側に配置されていることが好ましい。
【００１１】
本発明における課題解決のための他の技術的手段は、アーク溶接中の溶滴を監視する溶接監視方法において、アーク溶接中に溶接ワイヤの先端部側に向けて検出光を照射し、照射された検出光が溶滴により遮断された状態を基にして、当該溶滴が溶接ワイヤの直下の領域から領域外へと移動したと判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶接中に溶滴の状態をインラインにおいてリアルタイムで確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】アーク溶接を行う溶接装置の全体図である。
【図２】アーク溶接中の溶滴の状態図である。
【図３】第１実施形態に係る溶接監視装置を示したものであり、（ａ）は溶接ワイヤの周辺を示す正面図であり、（ｂ）は溶接ワイヤの周辺の平面図であり、（ｃ）は溶接ワイヤの周辺の平面図（変形例）である。
【図４】第２実施形態に係る第１の溶接監視装置を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る第２の溶接監視装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る溶接監視装置を備えた溶接装置を示している。
この溶接装置１は、母材２（溶接対象材）を溶接する溶接トーチ３を有している。この溶接トーチ３は、アーク溶接を行うための溶接ワイヤ４（消耗電極）を母材２に向けて送り出すことができるようになっている。本実施形態の場合、溶接トーチ３は、垂直６軸多関節ロボット５の先端部に取り付けられており、ロボットコントローラからの制御信号によって各関節を回転や回動させ、溶接トーチ３の姿勢を自在に変えて母材２のアーク溶接を行うことができるようになっている。
【００１５】
さて、アーク溶接を行うと、図２（ａ）に示すように、溶接ワイヤ４と母材２との間でアーク放電が発生することに伴い、溶接ワイヤ４の先端部４ａに溶滴７が形成される。この溶滴７は次第に成長して根元がくびれ始め、溶接ワイヤ４の先端部４ａから離脱し、溶接ワイヤ４の先端部４ａの直下の領域Ａ（直下領域）に形成された溶融池へ移動する。
ところが、図２（ｂ）に示すように、肥大化した溶滴７が直下領域Ａから離れて、直下領域Ａではない外側の領域Ｂ（外側領域）に移動すると溶接の品質が低下してしまう虞がある（図中、粗大化）。言い換えれば、肥大化した溶滴７が溶融池ではなく、溶融池から離れた外側領域に移動してしまうと品質が低下してしまう。特に、図２（ｃ）や図２（ｄ
）に示すように、アーク溶接中に肥大化した溶滴７が溶接ワイヤ４の先端部４ａからちぎれて外側領域Ｂへ飛んでしまう状況になると、溶接後の強度が低下したり、離脱した溶滴７が母材２上に残ることとなり好ましくない（図中、離脱アーク切れ、再点弧）。
【００１６】
そこで、本発明では、溶接中に、図２（ａ）で示される溶接良好状態から、図２（ａ）〜図２（ｄ）で示される溶接不良状態への移行が検知可能なように、言い換えれば、溶接ワイヤ４の先端部４ａの直下領域Ａから外側領域Ｂへと溶滴７が移動したことを素早く検知できるように、溶滴７を監視する溶接監視装置を溶接装置１に設けることとしている。
以下、溶接監視装置について詳しく説明する。
【００１７】
図３（ａ）に示すように、溶接監視装置は、直下領域Ａから外側領域Ｂに移動する溶滴７を検出光によって検出可能な溶滴検出手段１０を備えている。この溶滴検出手段１０は、溶滴７が直下領域Ａに留まっていて検出光が遮断されていないときは溶接良好状態であるとし、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動して当該外側領域Ｂに照射した検出光が遮断されているときは溶接不良状態であると検知する。
【００１８】
詳しくは、溶滴検出手段１０は、スポット状の検出光を照射し、検出対象までの距離を検出する距離検出センサ１１と、この距離検出センサ１１から照射された検出光を反射して所定の検出対象に向ける反射ミラー１２とを有している。本実施形態の場合、距離検出センサ１１は、赤外線レーザスポット光を照射するレーザ距離計で構成されている。
図３（ａ），（ｂ）に示すように、距離検出センサ１１は、溶接ワイヤ４の側方であって当該溶接ワイヤ４の周りに均等間隔で複数配置されている。図３（ａ）の場合、距離検出センサ１１同士の開き角度θが１２０°となるように、溶接ワイヤ４の周りに３台の距離検出センサ１１が配置されている。この各距離検出センサ１１は、その光軸が母材２側に向くよう下向きでケース１３に格納され、このケース１３は溶接トーチ３の外周面に取り付けられている。
【００１９】
また、ケース１３の下面には、溶接トーチ３から突出する溶接ワイヤ４に近接する位置に検出光が通過する窓１４が形成されている。この窓１４には防塵・防護のための保護ガラスが配備されていることが好ましい。
なお、距離検出センサ１１の台数は、３台に限らず複数台であればよく、例えば、図３（ｃ）に示すように、各開き角度θが９０°となるように溶接ワイヤ４の周りに４台の距離検出センサ１１を配置してもよい。
【００２０】
反射ミラー１２は、距離検出センサ１１から照射された検出光を反射することによって検出対象へ案内するものである。本実施形態では、１つのケース１３内に２つの反射ミラー１２ａ、１２ｂが設けられている。１つ目の反射ミラー１２ａは、距離検出センサ１１の直前面に配備され、距離検出センサ１１から照射された検出光を径内側（溶接トーチ３に近づく側）へ反射し、２つめの反射ミラー１２ｂは、溶接トーチ３近傍に配備されて、検出光を溶接ワイヤ４に沿ってケース１３外に進行させるようにしている。具体的には、距離検出センサ１１から照射された検出光が、母材２上であって直下領域Ａと外側領域Ｂとの境へ照射されるように、２つの反射ミラー１２ａ、１２ｂの配置角度が設定される。
【００２１】
上記構成の溶滴検出手段１０においては、距離検出センサ１１から検出光を照射すると、検出光は反射ミラー１２によって反射しながら窓１４を通過し、溶接ワイヤ４の側方で当該溶接ワイヤ４に沿って下側に進み、外側領域Ｂ（直下領域Ａと外側領域Ｂとの境）に照射されることになる。
この溶滴検出手段１０においては、距離検出センサ１１から照射された検出光により、距離検出センサ１１から母材２までの光路距離が検出されているが、アーク溶接中、図２（ｂ）〜図２（ｄ）のように、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに離脱した際には、検出光が母材２に到達せずに溶滴７で遮断されることとなる。この状況下においては、光路距離が短くなり距離検出センサ１１の出力が変化するため、溶滴７によって検出光が遮断されたことが分かる。このように検出光の遮断状態を基に、溶滴７が直下領域Ａから移動して外側領域Ｂに入った状態、言い換えれば、溶接不良状態と判断する。
【００２２】
溶滴検出手段１０は、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動したことを検知すると、溶滴７が外側領域Ｂに移動したことを示す検知信号をロボットコントローラや別のコン
トローラに出力する。この検知信号を基に、ロボットによる溶接作業を停止したり、溶接条件（溶接電圧、溶接電流）を変更するようにしてもよい。溶接作業を停止しないまでも、後に行う溶接検査において、この検知信号を出力した溶接部分を重点的に検査するようにしてもよい。
【００２３】
とはいえ、本発明では、溶接中に溶滴７が溶接ワイヤ４の先端部４ａから当該溶接ワイヤ４の側方（外側領域Ｂ）に移動してしまったことを検出できればよく、溶滴７が外側領域Ｂに移動後における処理は特に限定されない。
以上述べた如く、本発明を用いることで、検出光を溶接ワイヤ４の先端部４ａ側であって溶接ワイヤ４の近傍に照射するだけで、従来のように溶接中の溶接電圧や溶接電流を測定したり、溶滴７を高速度カメラで撮像して複雑な画像処理を行わなくても、溶滴７の状態を簡単に且つ確実に検出することが可能となり、インラインへの適用も容易なものとなる。
［第２実施形態］
次ぎに、溶接監視装置の第２実施形態について述べる。
【００２４】
前述した第１実施形態では、検出光はスポット光であり、母材２の上方から溶接ワイヤ４の側方に沿って下に進むように構成された溶滴検出手段１０を採用していた。
それに対し、第２実施形態では、検出光をスポット光ではなくライン光とした上で、ライン光が母材２に略水平に照射されて溶接ワイヤ４の先端部４ａを通るように溶滴検出手段１０を構成している。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、第２実施形態の溶滴検出手段１０は、赤外線レーザライン光Ｌを検出光として照射し、この検出光が遮られたか否かを検出する遮断検出センサ１５を有している。
遮断検出センサ１５は、ライン光Ｌを照射する複数の照射部１６と、各照射部１６に対面する側に配備されて照射部１６からのライン光Ｌをそれぞれ受光する複数の受光部１７とを備えている。詳しくは、各照射部１６は上下２段に並べられ、上下の照射部１６の対向側に各受光部１７が上下２段に並べられている。各照射部１６は、溶接ワイヤ４を挟んで母材２の幅方向一端側に配備され、各受光部１７は母材２の幅方向他端側に配備される。なお、照射した検出光が溶接予定線に沿う状態となるように照射部１６や受光部１７の配置を設定することが好ましい。
【００２６】
このような溶滴検出手段１０によって溶滴の状態を検出するには、図４（ｂ）に示すように、例えば、上下の照射部１６から照射されるライン光Ｌ１、Ｌ２（検出光）の幅を直下領域Ａの幅と略同じとし、上下の各検出光Ｌ１、Ｌ２が溶接ワイヤ４と母材２との間を通過するように上下の照射部１６の配置を設定する。そうすることで、図４（ｂ）に示すような通常の溶接状態であれば、上側の検出光Ｌ１と下側の検出光Ｌ２との両方とも遮られることとなり、遮断検出センサ１５は遮断状態と判断する。ところが、図４（ｃ）に示すように、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動した状態であれば、上側の検出光Ｌ１は遮断状態になるものの、下側の検出光Ｌ２は非遮断となり、遮断検出センサ１５の出力が変化する。このように、上側（一方）の検出光Ｌ１が遮断となり、下側（他方）の検出光Ｌ２が非遮断となったとき、遮断検出センサ１５は、溶滴７が外側領域Ｂに入った状態、溶接不良状態と判断している。
【００２７】
さて、図４に示した遮断検出センサ１５では上下の検出光Ｌ１、Ｌ２を用いて溶滴の状態を検出していたが、図５（ａ）に示すように、１つの検出光Ｌ３を用いて溶滴の状態を検出してもよい。詳しくは、遮断検出センサ１５は、ライン光Ｌ３を照射する１つの照射部１６と、照射部１６に対面する側に配備されてライン光Ｌ３を受光する１つの受光部１７とを有している。照射部１６は、上述したもの同様に溶接ワイヤ４を挟んで母材２の幅方向一端側に配備され、受光部１７は母材２の幅方向他端側に配備されている。
【００２８】
このような溶滴検出手段１０によって溶滴の状態を検出するには、図５（ｂ）に示すように、例えば、照射部１６から照射されるライン光Ｌ３の幅を直下領域Ａの幅と略同じとし、照射した検出光Ｌ３が溶接ワイヤ４と母材２との間を通過するように照射部１６の配置を設定する。そうすることで、図５（ｂ）に示すような通常の溶接状態であれば、検出
光Ｌ３は遮られることとなり、遮断検出センサ１５は遮断状態と判断する。ところが、図５（ｃ）に示すように、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動した状態であれば、検出光Ｌ３は非遮断となり遮断検出センサ１５の出力が変化するため、遮断検出センサ１５は貫通状態と判断する。遮断検出センサ１５が貫通状態であると検知した際には、溶滴７が外側領域Ｂに入った状態、溶接不良状態と判断することができる。
つまり、図５の溶滴検出手段１０では、図４とは異なり、溶滴７が直下領域Ａに留まっていて検出光Ｌ３が遮断されているときは溶接良好状態にあると検知し、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動して当該外側領域Ｂに照射した検出光Ｌ３が遮断してないときは溶接不良状態であると検知する。
【００２９】
なお、検出光が遮られるときは、通常の溶接状態であると判断しているが、溶滴が遮断される時間間隔を遮断検出センサ１５の出力信号を基に検出しておき、例えば、時間間隔が一定であるときは通常の溶接状態であると判断し、時間間隔が不規則に変化したときは溶接不良状態と判断してもよい。
以上ように第２実施形態の溶滴検出手段１０であっても、検出光を溶接ワイヤ４の先端部４ａ側であって溶接ワイヤ４の近傍に照射するだけで、従来のように溶接中の溶接電圧や溶接電流を測定したり、溶滴７を高速度カメラで撮像して複雑な画像処理を行わなくても、溶滴７の状態を簡単に且つ確実に検出することが可能となり、インラインへの適用も容易なものとなる。
【００３０】
なお、本実施形態において、上述したように直下領域Ａにライン光を照射する代わりに、直下領域Ａの縁に接する外側領域Ｂに対して検出光Ｌを通過させるようにすることも可能である。その場合、例えば、図５（ｂ）に示すような通常の溶接状態であれば、検出光Ｌは遮断されず、遮断検出センサ１５は貫通状態と判断する。ところが、図５（ｃ）に示すように、溶滴７が直下領域Ａから外側領域Ｂに移動した状態であれば、検出光は遮断となり遮断検出センサ１５は遮断状態と判断する。この場合、遮断検出センサ１５が遮断状態であると検知した際には、溶滴７が外側領域Ｂに入った、すなわち溶接不良状態であると判断することができる。
【００３１】
第２実施形態の他の構成などは、第１実施形態と略同様である故、詳細な説明は省略する。
今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００３２】
１    溶接装置
２    母材
３    溶接トーチ
４    溶接ワイヤ
５    垂直６軸多関節ロボット
７    溶滴
１０  溶滴検出手段
１１  距離検出センサ
１２  反射ミラー
１３  ケース
１４  窓
１５  遮断検出センサ
１６  照射部
１７  受光部
Ａ    直下領域
Ｂ    外側領域
【図１】
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【図２】
2012245564.tif 000004
【図３】
2012245564.tif 000005
【図４】
2012245564.tif 000006
【図５】
2012245564.tif 000007