(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接方法であって、
予め定めた条件の下で、パルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードとを自動的に切り替えて溶接を行い、
前記予め定めた条件は、複数回積層して溶接する際の現在の溶接対象の層がどの層か、および現在の溶接姿勢はどのような姿勢か、の少なくとも一方を含むことを特徴とするパイプ円周自動溶接方法。
【請求項２】
突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接制御装置であって、
各種条件下でパルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードのいずれの溶接モードを選定するかを決定するための溶接モード判定用テーブルと、
溶接対象のパイプの少なくとも口径、板厚、開先角度を含む入力情報に基づいて決定された積層数の各層および溶接姿勢を含む各種条件を前記溶接モード判定用テーブルと対照して、各種条件に対する溶接モードを決定する手段と、
該決定された溶接モードにおける各種溶接パラメータを決定する手段と、
該決定された溶接パラメータに基づいて溶接電源および溶接ヘッドを制御する制御手段と、
を備えたパイプ円周自動溶接制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ円周自動溶接方法および制御装置に係り、特に、パルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードを自動的に切り替えて溶接を行うことができる方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスパイプライン敷設工事の際には、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接により接続する。この溶接を自動溶接により行う場合は、パイプにベルト状のガイドレールを巻き、このガイドレール上に溶接ヘッドを走らせＭＡＧ（メタル・アクティブ・ガス）法等により溶接している。
【０００３】
従来、アーク溶接には大別して、パルスアーク溶接とショートアーク溶接とがある。
【０００４】
パルスマグ溶接では、図８（ａ）に示すようなパルス状の電流を用いる。その溶滴移行は、臨界電流より高く鋭いパルス電流によりワイヤ先端の溶滴にピンチ力が働き、パルスに同期して、好ましくは１パルス１溶滴の移行が行われる。
【０００５】
ショートアーク溶接では、図８（ｂ）に示すようにその溶接電流は非パルス状の電流波形を有し、アークにより溶かされたワイヤ先端の溶滴が溶融池表面と接触して母材へ移行する”短絡移行”によって溶接が行われる。この場合、溶接電源には、通常、定電圧特性の電源が採用されているため、溶滴が短絡すると高い短絡電流が流れ、電磁ピンチ力により短絡部が細く絞られて、短絡が破れ、アークが再生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
両アーク溶接を比較すると、パルスアーク溶接は高電流による高溶着量の溶接が可能である反面、低電流域では不安定となる。したがって、パルスアーク溶接モードは、ビード形成の美観等を考慮してゆっくりとした溶接を行いたい場合には適さない。逆に、ショートアーク溶接は、高電流域の溶接が得意でなく、その溶着量は低いため、高溶着量による高速な溶接には向かない。
【０００７】
したがって、本発明は、パルスアーク溶接とショートアーク溶接とを溶接の対象や場面に応じて組み合わせることにより、溶接速度およびビードの美観の両方を考慮したパイプ円周自動溶接方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接方法であって、予め定めた条件の下で、パルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードとを自動的に切り替えて溶接を行い、前記予め定めた条件は、複数回積層して溶接する際の現在の溶接対象の層がどの層か、および現在の溶接姿勢はどのような姿勢か、の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【００１０】
この方法により、パルスアーク溶接とショートアーク溶接の両方の利点を取り入れた、溶接速度およびビードの美観の両方を考慮したパイプ円周自動溶接が行える。
【００１１】
本発明は、また、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接するパイプ円周自動溶接制御装置であって、各種条件下でパルスアーク溶接モードとショートアーク溶接モードのいずれの溶接モードを選定するかを決定するための溶接モード判定用テーブルと、溶接対象のパイプの少なくとも口径、板厚、開先角度を含む入力情報に基づいて決定された積層数の各層および溶接姿勢を含む各種条件を前記溶接モード判定用テーブルと対照して、各種条件に対する溶接モードを決定する手段と、該決定された溶接モードにおける各種溶接パラメータを決定する手段と、該決定された溶接パラメータに基づいて溶接電源および溶接ヘッドを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
溶接モード判定用テーブルを設けておくことにより、入力情報および各種条件を与えるだけで、それらに相応しい溶接モードの選定が自動的に行われる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１により本発明の溶接装置の概略構成について述べる。パーソナルコンピュータ１は、自動溶接制御のためのＣＡＤデータ（パイプの外径、板厚、材質、開先形状などの設計値）を作成するためのものであり、作成されたデータはフレキシブルディスク（フロッピーディスク）１ａに記録される。制御装置２は、自動溶接の実質的な制御（電源およびトーチ位置等の制御）を行うためのものであり、ＣＡＤデータの格納されたフレキシブルディスク１ａからそのＣＡＤデータを読み込む。勿論、フレキシブルディスクによらず、周知のデータ通信によってデータ転送を行うようにしてもよい。制御装置２は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接条件を設定し、設定された条件に対応して、後述するロジックテーブルに予め記録されたデータにより各種溶接パラメータを設定する。
【００１５】
さらに、この制御装置２では、設定された溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるＮＣ言語（数値制御用言語）に変換し、変換した言語を制御データとして制御データテーブルの形で内部のメモリに記録する。このメモリに記録された制御データを用いて、電源装置３、及び溶接ヘッド４を駆動制御する構成となっている。なお、制御装置２の主な制御項目は、溶接ヘッド４の溶接の電圧、電流、及びヘッド４に搭載された溶接トーチ８のパイプ開先に対するウィービング、溶接ヘッド４の移動速度等である。ヘッド４は、パイプ外周に巻き付けられたガイドレール１２上に、円周方向に移動可能に装着される。ヘッド４には、溶接トーチ８に対して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部６が搭載されている。
【００１６】
図２に、制御装置２および電源３の内部構成、ならびにこれらとヘッド４のトーチ８およびパイプ５との間の電気的な接続関係を示す。電源３からは、送電ケーブル（図示せず）を介して、ヘッド４のワイヤ７とパイプ５との間に溶接電圧が印加されるようになっている。これにより、ワイヤ７とパイプ５表面との間にアークが発生する。溶接用ワイヤ７は一定速度で送られ、アークにより溶かされて溶着金属となり、開先内で固まり母材５を接合する。
【００１７】
制御装置２は、予め定められた溶接条件および溶接パラメータが、ロジックテーブル（後述）としてテーブル形式で格納された溶接データベースを記憶したハードディスクのような記憶装置２０１を有する。これに対して、電流Ｉ、電圧Ｖ、ワイヤー径、ワイヤー銘柄等の各種の入力情報が与えられ、これらに応じた溶接用ＮＣ動作指令が運転プログラム２０３の形で得られる。この運転プログラム２０３はＣＰＵ２０５により実行される。ＣＰＵ２０５は溶接電源３に対する各種の指令を出力する機能、芯線速度信号の受信、電流／電圧波形計測等の機能を実現する。なお、ＣＰＵ動作時に利用されるメモリは図示しないがＣＰＵ２０５内または外部に含むものとする。溶接電源の各種指令には、指令電流値Ｉ１０、ベース電流値Ｉｂ、チャンネル選択情報、電流パルス幅ｔｐ、指令電圧値Ｖ10が、それぞれＤＡ変換器２１１、２１２、チャンネル選択部２１３、ＤＡ変換器２１４、２１５を介して電源３へ供給される。なお、ショートアーク溶接モードで動作する場合には、ベース電流およびパルス幅の指令は不要である。また、電源３の溶接モードを切り替えるため、溶接モード切替指令ＭＯＤＥが電源３へ供給される。後述するタコジェネレータＴＧの出力ＩｔｇはＡＤ変換器２１６を介してＣＰＵ２０５へ取り込まれる。制御装置２は、電源からの電流フィードバック（ＦＢ）波形Ｉｆｂおよび電圧フィードバック波形Ｖｆｂを受けて各種の波形パラメータを計測するパルス計測回路２１７を有する。このようなパルス計測回路２１７は、溶接電流波形および溶接電圧波形から各種のパラメータを実測して、アーク倣い補正等に利用するためのものであり、その内容については、本願出願人に係る特願平８−７４０３６号等に開示されている。
【００１８】
溶接電源３は、制御装置２からの電流指令３０１を増幅器３０３を介してワイヤ供給部６のモータＭへ供給する。モータＭの回転速度を検出するタコジェネレータＴＧの速度フィードバック信号は前述したように、制御装置２のＡＤ変換器２１６へ供給される。溶接電源３は、溶接モード切替指令ＭＯＤＥを受けて、パルス溶接モードとショートアーク溶接モードのいずれでも動作可能であり、電力制御部３０５１および制御ロジック部３０５２を含む制御部３０５を有する。この制御部３０５は、パルスアーク溶接モードにおいて、制御装置２からのベース電流Ｉｂ３０６、パルス電流Ｉｐ３０９、パルス幅ｔｐ、電圧指令３１１を受けて、これらの条件に合致するパルス出力をヘッドへ供給する。パルス電流Ｉｐ３０９は、制御装置２からのチャンネル選択情報３０７によりＲＯＭテーブル３０８内の複数のパルス電流設定値のうちの１つを選択したものである。ＲＯＭテーブル３０８は、図ではその出力としてパルス電流Ｉｐのみを示しているが、パルス電流Ｉｐおよびパルス幅ｔｐの組を出力する。パルス幅ｔｐ３１０は、ＲＯＭテーブル３０８から出力されるパルス幅ｔｐの微調整量を示す。また、電源３は、ショートアーク溶接モードにおいては、電圧指令３１１を受けて、この条件に合致する電圧出力をヘッドへ供給する。溶接電流フィードバック値ＳＩ10および溶接電圧フィードバック値ＳＶ10は、それぞれ電流メータ３１４および電圧メータ３１３でそれらの平均値が検出されるとともに、前述したパルス計測回路２１７へ供給される。
【００１９】
次に、図３および図４のフローチャートを参照して、本実施の形態における動作を説明する。この処理は、制御装置２のＣＰＵ２０５が実行することができる。
【００２０】
図３において、ＣＰＵ２０５は、まず、オペレータから溶接対象のパイプの口径、板厚、開先角度等（図５（ａ）（ｂ））の入力を受ける（Ｓ３０１）。その後、オペレータから、この溶接に対して適切と思われるアーク特性条件を表わす数値の入力を受ける（Ｓ３０２）。このアーク特性条件は、どのような場合にショートアーク溶接モードを選択するかを決定するものであり、本実施の形態では次のように予め決定しておく。
【００２１】
３：上向き姿勢、仕上層、裏波層（初層）
２：仕上層、裏波層
１：裏波層
＊：すべてパルスアーク溶接
４：すべてショートアーク溶接
ここで「＊」はドントケアを示す。ユーザはこのような数値をアーク特性条件として入力する。これに基づいて、後述するような溶接モードの自動切り替えが設定される。
【００２２】
次に、入力情報を積層計画用ロジックテーブル２０１ａに照らして、積層計画を行う（Ｓ３０３）。この積層計画では、積層数、各積層高さ（図５（ｃ））、開先幅（開先角度および板厚から求まる）、溶接姿勢、番地（パイプ周方向の位置）等の自動設定が行われる。溶接姿勢は、図５（ｄ）に示すように、下向、立向、上向の各姿勢の範囲を、例えば、下向の範囲を０時０分から２時０分の間というように決定する。なお、ロジックテーブル２０１ａの詳細およびこれを用いた溶接データの作成については、本願出願人が先に提案した特願平７−１７３９２１号に開示されている。
【００２３】
続いて、このようにして決定された積層計画に対して、溶接モード判定用ロジックテーブル２０１ｂを参照して個々の場面（層あるいは姿勢）での溶接モードを自動判定して、それらに好ましい各種溶接パラメータを設定する（Ｓ３０４〜Ｓ３１７）。
【００２４】
具体的には、まず、層、回転方向、姿勢を選択し（Ｓ３０４，Ｓ３０５，Ｓ３０６）、これらに対して溶接モード判定用ロジックテーブル２０１を参照する。
【００２５】
図６にこの溶接モード判定用ロジックテーブル２０１の一例を示す。このテーブル２０１ｂの各行２０１６には、アーク特性条件２０１１、層間条件２０１２、姿勢条件２０１３、および溶接モード２０１４の各欄を有する。アーク特性条件は前述したとおりであり、例えばこのテーブルの１行目は、アーク特性条件の入力値が４またはこれ以上の場合に、現在の層がどの層か、あるいは姿勢が何かに拘わらず、溶接モード「９」（この例ではショートアーク溶接）が選定されることを示す。２行目は、アーク特性条件の入力値が３またはこれ以上であれば、上向き姿勢の場合に溶接モード「９」すなわちショートアーク溶接モードが選定されることを示す。３行目は、アーク特性条件の入力値が２またはこれ以上であれば、仕上層に対して溶接モード「９」すなわちショートアーク溶接モードが選定されることを示す。同様に、４行目は、アーク特性条件の入力値が１またはこれ以上であれば、裏波層に対して溶接モード「９」すなわちショートアーク溶接モードが選定されることを示す。５行目は、任意のアーク特性条件の数値について、裏波層に対して溶接モード「１」すなわちパルスアーク溶接モードが選定されることを示す。６行目は、任意のアーク特性条件の数値について、すべて溶接モード「６」すなわちパルスアーク溶接モードが選定されることを示す。溶接モード「１」と「６」の違いは、図７に示すように、それぞれパルス値Ｉｐとパルス幅ｔｐの組み合わせの異なるものに対応し、図２の制御装置２で説明したチャンネル選択情報３０７により指定される。
【００２６】
図６のテーブル２０１ｂに対して、例えば、アーク特性条件の入力値「３」が与えられた場合を考える。この場合、「４」に満たないので１行目には該当せず、２行目において「３」以上に該当する。したがって、その行の条件である「上向」の姿勢について溶接モード「９」が選定されることになる。ついで、３行目にも該当する。この３行目では「仕上層」について溶接モード「９」が選定される。さらに４行目にも該当し、「裏波層」について溶接モード「９」が選定される。さらに、５行目にも該当するが、これは裏波層にパルスアーク溶接モードを指定するものであり、上の行（４行目）の判定結果と衝突するので、この条件は無視される。同様に、６行目にも該当するが、上の行の判定と衝突する項目については無視される。結局、アーク特性条件の入力値「３」に対しては、前述したように、「上向」、「仕上層」、「裏波層」についてショートアーク溶接モード「９」が選定され、他の層および姿勢についてはパルスアーク溶接である溶接モード「６」が選定されることになる。アーク特性条件の入力値が「０」である場合には、裏波層について溶接モード「１」が選定され、他の層および姿勢については溶接モード「６」が選定されることになる。
【００２７】
なお、図６の例では、パイプ周りのヘッドの回転方向についての欄は設けていないが、必要な場合には設けてもよい。
【００２８】
図３に戻り、与えられた層、回転方向および姿勢について、図６で説明したような方法により溶接モードを判定する（Ｓ３０７）。これによりパルスアーク溶接モードが選定された場合には、それに相応しい溶接パラメータが設定される（Ｓ３０８）。また、その自動倣いパラメータが設定される（Ｓ３０９）。各溶接モードの溶接パラメータは、図２の溶接電源指令出力に相当する。自動倣いパラメータの詳細については、前述の特願平８−７４０３６号に開示されている。同様に、ショートアーク溶接モードが選定された場合には、それに相応しい溶接パラメータが設定され（Ｓ３１０）、また、その自動倣いパラメータが設定される（Ｓ３１１）。
【００２９】
ついで、次の姿勢があれば（Ｓ３１２）、姿勢を変更して（Ｓ３１３）、ステップＳ３０７へ戻り、新たな溶接モードの判定を行う。全姿勢が終わったら、次の回転方向について、溶接モード判定を行う（Ｓ３１４、Ｓ３１５）。さらに、これらの手順を層を変えて行う（Ｓ３１６、３１７）。
【００３０】
これらのパラメータに基づいて前述した運転プログラム２０３（または制御データテーブル）が作成される。
【００３１】
次に、図４に進み、運転プログラム２０３にしたがって溶接の自動運転を開始する。図では図３の処理から連続して図４の処理を行うようになっているが、オペレータの指示を待って図４の処理を行うようにしてもよい。
【００３２】
図４では、順次、層、回転方向、姿勢を選択して（Ｓ３１８、Ｓ３１９，Ｓ３２０）、これらに対して先に設定された運転プログラムに従って溶接電源３および溶接ヘッド４を制御する（Ｓ３２１）。また、これと並行してアークセンス、電流・電圧サンプリング、トーチ位置（上下、左右）制御、パルス訛り防止制御、アーク電圧制御等の各種アーク倣い制御を行う（Ｓ３２２）。このような制御を、順次、姿勢、回転方向、層を更新して繰り返す（Ｓ３２３，Ｓ３２４，Ｓ３２５，Ｓ３２６，Ｓ３２７，Ｓ３２８）。
【００３３】
以上の構成および動作によって、溶接の対象に応じて予め設定したとおりの溶接モードの自動切替を行いながら、自動溶接を行うことができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、システム構成および処理の具体的内容は例示であり、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形・変更が可能である。上記説明では、ショートアーク溶接モードを、層別および姿勢別に基づいて選定したが、パルス溶接モードを選定した層においても特定の番地についてショートアーク溶接モードを指定するようにしてもよい。これも積層計画Ｓ３０３において行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、パルスアーク溶接とショートアーク溶接とを溶接の対象や場面に応じて組み合わせることにより、溶接速度およびビードの美観の両方を考慮したパイプ円周自動溶接を行うことが可能になる。また、溶接装置は予め設定された手順通りに自動運転されるので、適正な溶接条件が入力されさえすれば、オペレータは初心者であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパイプ円周自動溶接装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】図１に示した制御装置および溶接用電源の内部構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図３の処理に続く処理を示すフローチャートである。
【図５】図３のステップＳ３０１，Ｓ３０３における各種入力情報および積層計画で決定される条件の説明図である。
【図６】図３のステップＳ３０７で参照される溶接モード判定用ロジックテーブルの構成図である。
【図７】図６に示した溶接モード「１」「６」の違いを説明するためのパルス電流波形図である。
【図８】パルスアーク溶接およびショートアーク溶接の違いを説明するための電流波形図である。
【符号の説明】
１…コンピュータ、２…制御装置、３…電源装置、４…ヘッド、５…パイプ、６…ワイヤ供給部、７…ワイヤ、８…溶接トーチ、１２…ガイドレール、２０１ｂ…溶接モード判定用ロジックテーブル。
【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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