(57)【要約】【課題】例えば、先行電極は、小振幅のウィービング溶接を行い、後行電極は大きな振幅のウィービング溶接を行いたい場合があったとしても、従来のタンデムアーク溶接では、溶接トーチを一体のものとしてウィービングを行うのみであるので、先行電極と後行電極のウィービング振幅を変えてウィービングを行うことができない。【解決手段】先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備える。【選択図】図３
2013035018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くため、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、
前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、
前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備えたタンデムアーク溶接方法。
【請求項２】
先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さい請求項１記載のタンデムアーク溶接方法。
【請求項３】
先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定する回転軸決定部と、
前記回転軸を中心に溶接トーチが回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出する回転角度算出部と、
前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御部と、
を備えたタンデムアーク溶接システム。
【請求項４】
先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さい請求項３記載のタンデムアーク溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作プログラムによって所定の動作を行い、所定の溶接条件で溶接対象物を溶接するタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種溶接構造物の製造において、高溶着溶接を行うことにより、生産性の向上を図っている。近年では、さらにこれを進めるため、１本の溶接トーチから２本の溶接ワイヤを送給する２電極一体型の溶接トーチ（以下、「タンデムトーチ」と呼ぶ。）や、１本の溶接ワイヤを送給する単電極溶接トーチを２つ近接して配置して使用する溶接法が採用されている。これらは、タンデムアーク溶接と呼ばれている。
【０００３】
通常、生産現場で使用されている溶接システムは、溶接ロボットのマニュピレータ等の溶接トーチを搭載して移動する装置を中心に構成されている。そして、動作プログラムに従って所定の速度で所定の動作を行い、所定の溶接制御を実行することで、自動溶接を行う。このことは、タンデムアーク溶接を行う溶接システムにおいても同様である。その場合、タンデムアーク溶接を行う部分では、２本の溶接ワイヤが、溶接対象の溶接線に対して、概ね前後に並ぶ位置関係となるように、動作プログラムが作成されている。
【０００４】
図１は、タンデムトーチ５０を使ったタンデムアーク溶接システムの機器構成例を簡略化して示している。図１を用いて、タンデムアーク溶接システムの概略構成およびその動作について説明する。タンデムトーチ５０は、図示しない溶接ロボットのマニュピレータに搭載されており、溶接対象ワーク６０の所定溶接部に沿って移動動作する。溶接ロボットのマニュピレータは、制御器２０に接続されている。
【０００５】
制御器２０には、溶接機３０と溶接機４０の２台の溶接機が接続されている。溶接機３０と溶接機４０には、各々に、図示しない溶接ワイヤ送給装置が接続されており、図示しない溶接ワイヤ各々１本ずつ計２本がタンデムトーチ５０に供給される。タンデムトーチ５０内では、２本の溶接ワイヤは、図示しない２つのコンタクトチップに貫通して供給されている。
【０００６】
各コンタクトチップは、パワーケーブル３１とパワーケーブル４２を介して溶接機３０と溶接機４０の出力端子に接続されており、溶接機３０と溶接機４０からの電力が各溶接ワイヤに供給される。溶接対象ワーク６０はアースケーブル３２とアースケーブル４１を介して溶接機３０と溶接機４０のアース端子に接続されている。溶接ワイヤと溶接対象ワーク６０との間にアークが発生することにより溶接電流が流れる回路が形成される。
【０００７】
制御器２０は、動作プログラムおよび溶接条件を保持しており、動作プログラムに従って、適時、制御線３３と制御線４３を介して、溶接機３０と溶接機４０に対して指令やパラメータの転送を行う。溶接機３０と溶接機４０は、各々に接続された溶接ワイヤ送給装置を制御することにより、制御器２０から指令されたパラメータに見合ったワイヤ送給量で各溶接ワイヤを供給する。このようにして、タンデムアーク溶接システムは、溶接対象ワーク６０の所定箇所に所定の溶接を行う。
【０００８】
次に、図２を用いて、タンデムアーク溶接を行っている様子について説明する。図２は、タンデムトーチ５０（図１参照）により、図２の右から左の方向（図中の矢印方向）にタンデムアーク溶接を行っている様子を示している。以下、溶接方向に対して前方にあるものには「先行」、後方にあるものには「後行」という言葉をつけて説明する。
【０００９】
図２において、タンデムトーチ５０のノズル５８内に、２つのコンタクトチップ、すなわち先行コンタクトチップ５１と後行コンタクトチップ５２が、配置されている。先行コンタクトチップ５１には先行溶接ワイヤ５３が供給され、後行コンタクトチップ５２には後行溶接ワイヤ５４が供給されている。
【００１０】
溶接ワイヤは、コンタクトチップから所定長さ突き出している。溶接ロボットは、その溶接ワイヤの先端の所定長さに相当する位置に制御点を設けて、制御を行っている。一般に、溶接ワイヤを電極とも呼ぶので、以下では、先行溶接ワイヤ５３を先行電極５３、後行溶接ワイヤ５４を後行電極５４と呼ぶことにする。なお、先行電極５３の先端の制御点と後行電極５４の先端の制御点間の距離を電極間距離と呼ぶ。
【００１１】
図２において、先行電極５３は、先行コンタクトチップ５１を介して先行電極用の溶接機３０あるいは溶接機４０から電力供給を受け、先行電極５３と溶接対象ワーク６０との間に先行アーク５５を発生させる。そのアーク熱により先行電極５３および溶接対象ワーク６０が溶融し、溶融プール６１に溶融金属が供給される。
【００１２】
同時に、後行電極５４は、後行コンタクトチップ５２を介して後行電極用の溶接機３０または溶接機４０から電力供給を受け、後行電極５４と溶接対象ワーク６０との間に後行アーク５６が発生する。そのアーク熱により後行電極５４および溶接対象ワーク６０を溶融し、溶融プール６１に溶融金属を供給する。
【００１３】
先行電極５３と後行電極５４は、連続的に送給され、かつ、タンデムトーチ５０が所定の速度で移動していくことにより、溶融プール６１を移動させる。その後方では、溶融金属が固まり溶接ビード６２を形成する。このようにして、溶接プロセスが実施される。
【００１４】
タンデムアーク溶接において、先行電極が行う溶接と後行電極が行う溶接には、溶接プロセスの中での各々の異なる役割がある。１つの例としては、図２において、先行電極５３から発生している先行アーク５５により形成される溶融プール６１の溶融金属は、先行アーク５５のアーク力によって後方へ流れていこうとする。一方、後行電極５４から発生している後行アーク５６のアーク力がこれを前方に押し返し、このバランスによって溶融プール６１を安定させている。この他にも溶け込みに対する寄与の仕方や、溶接ビード６２の形状に対する寄与の仕方にも各々の役割がある。このように、両電極は同じ溶接を行っているわけではないので、異なる溶接条件パラメータを溶接機３０と溶接機４０に与えて溶接を行う必要がある。
【００１５】
一般に、アーク溶接では、溶込み形状やビード形状の適正化のため、トーチをウィービングさせながら溶接を行うことが多い（これを「ウィービング溶接」という）。タンデムアーク溶接においても、この点は同じである。
【００１６】
例えば、特許文献１は、タンデムアーク溶接システムの溶接ロボットによる溶接線の倣い制御に関する発明について開示したものである。そして、その発明の前提として、溶接ロボットを利用して溶接ロボットに取り付けたタンデムトーチを左右にウィービングさせて溶接することが示されている。
【００１７】
このように、溶接ロボットのマニュピレータにおいては、先端に取り付けたトーチをウィービングさせながら溶接することは、広く普及した技術であり、以前から多用されている。このトーチとしては、タンデムトーチであってもウィービングを行うことは可能であり、基本的な技術として利用されていることが、特許文献１からも読み取ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−９３６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、従来のタンデムアーク溶接システムは、通常のウィービングと同じウィービングを行っているだけである。このため、必ずしもタンデムアーク溶接に適したウィービングを行っているわけではないという課題を有していた。
【００２０】
例えば、先行電極は、十分な溶け込みを確保するために小振幅のウィービング溶接を行い、あるいは、ウィービングなしの溶接を行い、後行電極は、ビード形状整形のため比較的大きな振幅のウィービング溶接を行いたい場合がある。しかし、従来のタンデムアーク溶接システムでは、トーチを一体のものとしてウィービングを行うのみであるので、先行電極と後行電極のウィービング振幅は同じであり、ウィービング振幅を変えてウィービングすることはできない。
【００２１】
本発明は、このような点に鑑み、先行電極と後行電極のウィービング振幅を変えてウィービングすることができるタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システム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】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明のタンデムアーク溶接方法は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くため、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備えたものである。
【００２３】
また、本発明のタンデムアーク溶接方法は、上記に加えて、先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さいものである。
【００２４】
本発明のタンデムアーク溶接システムは、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定する回転軸決定部と、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出する回転角度算出部と、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御部と、を備えたものである。
【００２５】
また、本発明のタンデムアーク溶接システムは、上記に加えて、先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さいものである。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明は、先行電極と後行電極に別個の振幅の往復動作をさせることにより、タンデムアーク溶接に適したウィービング溶接を行うことができるタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】タンデムアーク溶接システムの概略構成を示す図
【図２】タンデムトーチによる溶接状態を示す模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１におけるウィービングの仕組みを示す模式図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるウィービングの仕組みを示す模式図
【図４】本発明の実施の形態１におけるウィービングの動作を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態１におけるウィービング面の決定方法を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について、図１から図５を用いて説明する。なお、図１と図２は既に説明したものであり、以下では、図３から図５を中心に説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
本実施の形態１のタンデムアーク溶接システムの概略構成は、図１と同様である。また、本実施の形態１のタンデムアーク溶接の溶接状態は、図２と同様である。従って、図１や図２と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。そして、本実施の形態１では、図３から図５を中心に説明する。
【００３０】
図３は、本実施の形態１のタンデムアーク溶接の仕組みを説明するための図である。図３（ａ）に示すように、以下の説明では、溶接してない状態における先行電極５３の先端と後行電極５４の先端、溶接中では先行アーク５５の内部と後行アーク５６の内部に、先行電極の制御点ａと後行電極の制御点ｂが存在するものと想定している。なお、以下で説明するように、先行電極の制御点ａと後行電極の制御点ｂは、各々のウィービング軌跡を描く点である。そして、制御点ａと制御点ｂは予め決められたものである。
【００３１】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のｚ−ｚ矢視を示す図であり、先行電極の制御点ａ（以下、「点ａ」とも呼ぶ。）と後行電極の制御点ｂ（以下、「点ｂ」とも呼ぶ。）について示している。ここでは、この点ａと点ｂを結ぶ線分を線分ｌで示しており、その長さは距離ｄである。そして、点ａと点ｂの存在する平面ｆ（図３（ｂ）の場合は紙面）上に線分ｌに直角な線分ｍ１を考え、その中点を点ａと一致させる。同じように、線分ｌに直角な線分ｍ２を考え、その中点を点ｂと一致させる。
【００３２】
ここで、線分ｍ１の片端と線分ｍ２の片端とを線分ｌと交差するように結んだ線分ｊの、線分ｌとの交点は、線分ｍ１の長さと、線分ｍ２の長さの比で線分ｌを内分した点であり、これを点ｏとする。線分ｍ１と線分ｍ２のもう一方の端同士を結んだ線分ｋも、点ｏで線分ｌと交差する。また、線分ｊと線分ｌ（または、線分ｋと線分ｌ）の作る角度ｒは、ｔａｎ（ｒ）＝（ｍ１＋ｍ２）／２ｄの関係にある角度である。
【００３３】
点ｏから平面ｆ上の線分ｌに垂直な軸を立て、その軸周りに線分ｌを角度＋ｒから−ｒの間で往復回転させると、点ａと点ｂは、線分ｍ１と線分ｍ２に接する円弧を描く。ここで、両円弧の弦の長さは、正確には線分ｍ１と線分ｍ２の長さとは異なるが、差は少ない。従って、以下では、両円弧の弦の長さは、線分ｍ１と線分ｍ２の長さに等しいとして考えることにする。
【００３４】
先行電極５３の制御点（点ａ）と後行電極５４の制御点（点ｂ）が円弧を描く往復回転動作を、タンデムトーチ５０のウィービング動作と見ると、各々の円弧の弦がウィービング振幅であり、線分ｍ１の長さが先行電極５３の振幅であり、線分ｍ２の長さが後行電極５４の振幅である。これらの円弧は、平面ｆ上に描かれるウィービング軌跡である。このことから、平面ｆをウィービング平面と呼ぶ。
【００３５】
タンデムトーチ５０を溶接進行方向に移動させ、このとき、同じウィービング平面ｆ上でウィービング軌跡を描くように移動したとすると、図４に示すような軌跡のウィービングを行うことになる。図４の上側が点ａの描くウィービング軌跡であり、下側が点ｂの描くウィービング軌跡である。ここで、各々の軌跡のｍ１とｍ２が、ウィービングの振幅である。ちなみに、距離ｄは、先行電極５３と後行電極５４との間の電極間距離を示すことになる。
【００３６】
なお、ウィービング平面ｆが水平面にある場合、ウィービング動作の結果、点ａと点ｂが描くウィービング軌跡は、水平面上に描かれる。本実施の形態１は、必ずしもウィービング平面ｆを水平面に限るものではない。例えば、点ａと点ｂが水平面内にない、つまり、線分ｌが水平から傾いていてもかまわない。また、点ｏから立てる回転軸も線分ｌから任意の方向に立てることが可能である。ただし、回転軸と線分ｌが垂直でなければ、ウィービング振幅は指定した値とは異なってしまうことになる。
【００３７】
なお、先行電極のウィービング振幅を０（ゼロ）と指定した場合、点ｏは点ａと一致する。すなわち、回転軸は先行電極の制御点ａを通り、先行電極はウィービングを行わず、後行電極だけがウィービングを行う。後行電極のウィービング振幅を０と指定した場合も同様である。このように、先行電極と後行電極のウィービング振幅の指定を変えることにより、いろいろなウィービングの仕方を指定することができ、所望の溶接に適したウィービングを行わせることができる。
【００３８】
なお、ウィービング振幅およびウィービング平面は、動作プログラムの中に予め登録されている情報を元に決定する。例えば、ウィービング振幅は、パラメータとして値をプログラムで指定することが考えられる。ウィービング平面ｆは、例えば、図５のように、プログラムに登録される溶接線上の教示点が成す溶接線方向を水平面に投影した方向ｘと鉛直方向ｚ、および、ｘとｙの２方向に直角な方向ｙで設定できる座標系上に、傾きパラメータｈ１と傾きパラメータｈ２を以って指定することができる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態１によれば、指定されたウィービング平面と指定されたウィービング振幅に応じて、上記のようにウィービングのための回転軸を決定し、さらに、回転角度を算出し、実際に、決定した回転軸と算出した回転角度で往復動作をすることにより、ウィービングを行う。
【００４０】
ここで、タンデムアーク溶接システムを構成する制御器２０は、記憶部と、回転軸決定部と、回転角度算出部と、制御部を備えている。
【００４１】
記憶部は、タンデムアーク溶接システムを動作させるための動作プログラムを記憶するものである。
【００４２】
回転軸決定部は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の制御点と後行電極先端の制御点を結ぶ線に対して概垂直な回転軸を、動作プログラムに基づいて決定するものである。
【００４３】
回転角度算出部は、回転軸決定部で決定された回転軸を中心にタンデムトーチ５０が回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を、動作プログラムに基づいて算出するものである。
【００４４】
制御部は、記憶部に記憶された動作プログラムと、回転軸決定部で決定された回転軸と、回転角度算出部で算出された回転角度に基づいて、回転軸決定部で決定された回転軸を中心に回転角度算出部で算出された回転角度でタンデムトーチ５０を往復動作させるものである。
【００４５】
そして、タンデムアーク溶接システムによるタンデムアーク溶接方法は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の制御点と後行電極先端の制御点を結ぶ線に対して概垂直な回転軸を、動作プログラムに基づいて決定するステップと、回転軸決定部で決定された回転軸を中心にタンデムトーチ５０が回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を、動作プログラムに基づいて算出するステップと、記憶部に記憶された動作プログラムと、回転軸決定部で決定された回転軸と、回転角度算出部で算出された回転角度に基づいて、回転軸決定部で決定された回転軸を中心に回転角度算出部で算出された回転角度でタンデムトーチ５０を往復動作させるステップを備えたものである。
【００４６】
なお、タンデムトーチ５０の往復動作は、例えば、溶接ロボットを構成するマニピュレータにタンデムトーチ５０を保持させ、溶接ロボットを構成するロボット制御装置である制御器２０によりマニピュレータの動作を制御することで、実現することができる。
【００４７】
また、動作プログラムは、タンデムアーク溶接システムを所定の動作パターンで動作させ、所定の溶接条件で溶接対象物を溶接させるためのものである。
【００４８】
以上のように、本実施の形態１のタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムによれば、タンデムトーチ５０や近接して配置した２つの単電極溶接トーチを用いたタンデムアーク溶接においても、先行電極と後行電極とで異なるウィービングを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、タンデムアーク溶接におけるウィービング動作の自由度をあげることができ、タンデムアーク溶接に適したウィービング操作を行う可能性を高め、その結果、溶け込みやビード形状などの溶接品質の向上を図ることができ、例えば、溶接製缶工程等に用いるタンデムアーク溶接方法やタンデムアーク溶接システムとして産業上有用である。
【符号の説明】
【００５０】
２０  制御器
３０  溶接機
３１  パワーケーブル
３２  アースケーブル
３３  制御線
４０  溶接機
４１  アースケーブル
４２  パワーケーブル
４３  制御線
５０  タンデムトーチ
５１  先行コンタクトチップ
５２  後行コンタクトチップ
５３  先行電極（先行溶接ワイヤ）
５４  後行電極（後行溶接ワイヤ）
５５  先行アーク
５６  後行アーク
５８  ノズル
６０  溶接対象ワーク
６１  溶融プール
６２  溶接ビード
ａ    制御点（先行電極）
ｂ    制御点（後行電極）
ｄ    距離（電極間距離）
ｌ    線分（先行電極制御点と後行電極制御点を結ぶ線分）
ｍ１  線分（先行電極の振幅を示す線分）
ｍ２  線分（後行電極の振幅を示す線分）
ｊ    線分（補助線）
ｋ    線分（補助線）
ｒ    角度（ウィービング角度）
ｏ    点（ウィービング中心）
ｆ    平面（ウィービング平面）
ｘ    プログラムに登録される溶接線上の教示点が成す溶接線方向を水平面に投影した方向
ｚ    鉛直方向
ｙ    ｘとｙの２方向に直角な方向
ｈ１  傾きパラメータ
ｈ２  傾きパラメータ
【図１】
2013035018.tif 000003
【図２】
2013035018.tif 000004
【図３】
2013035018.tif 000005
【図４】
2013035018.tif 000006
【図５】
2013035018.tif 000007