(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の部材を突き合わせて形成したＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
パルス溶接電源から溶接トーチの溶接ワイヤに出力すべき電流のパルス溶接波形を設定しておくと共に、パルス溶接で用いる平均電流値は、開先部のギャップ幅Ｇが０ｍｍ及びその近傍にあるときの２７０〜３３０Ａの範囲に定められた基準値、及びギャップ幅Ｇが予め定めた値を超えて大きくなるごとに予め設定した値だけ段階的に前記基準値よりも小さくしたギャップ幅範囲別の複数の平均電流Ｉａを条件テーブルに各々設定しておき、
溶接線上で検出したギャップ幅情報に基づいて、そのギャップ幅の大きさに対応した平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して切り換えると共に、その平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて制御することを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
検出した前記ギャップ幅に基づいて溶着面積Ｓ１ａを求め、前記平均電流Ｉａに基づいてワイヤ送り速度Ｗｆを求め、前記溶着面積Ｓ１ａと前記ワイヤ送り速度Ｗｆから溶接速度Ｖｗを求め、求められた前記ワイヤ送り速度Ｗｆ及び前記溶接速度Ｖｗに基づいて、前記ワイヤ送り機構のワイヤ送り速度と前記溶接トーチの移動速度を増減する制御を溶接終点又はその終点より所定距離手前の位置まで繰り返し行うようにしたことを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
ギャップ幅Ｇが予め定めた値を超えて大きくなるごとに予め設定した前記値は、２０〜４０Ａの範囲にあることを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
ギャップ幅の偏差と溶接速度Ｖｗの増減に対応させて、溶接トーチを左右に揺動させるウィービング幅Ｕｗ、ウィービング周波数ｆか又は揺動速度Ｕｖを増減制御するようにしたことを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
さらに、充填層及び仕上層に対応して定められた平均電流Ｉａを前記条件テーブルに各々設定しておき、初層溶接後の充填層及び仕上層の各溶接を行う時には、その溶接パスに該当する平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して出力させると共にその平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて制御し、前層のビード幅Ｂｓを検出し、検出したビード幅に基づいて溶接しようとする溶接パスの溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅などの条件を算出して増減する制御を行うようにしたことを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
前記パルス溶接波形は、高電流の１パルスで生成された１溶滴が低電流のベース時間前半に移行可能なパルス波形であって、鋼材用のφ１．２ｍｍ径のソリッドワイヤに給電するパルス電流値Ｉｐを５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定し、また、パルス溶接の平均電流Ｉａの出力制御は、ベース時間Ｔｂ及びワイヤ送り速度Ｗｆの可変制御によって行うようにしたことを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のＸ開先継手の多層盛溶接方法において、
前記溶接トーチ前方の開先上方に設置された開先断面形状を撮像する光切断式センサにより得られる断面形状画像を処理して、溶接中にほぼ一定時間間隔でギャップ幅Ｇｓ又はビード幅Ｂｓ及び開先中心の左右上下位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓを検出し、これら検出データに基づいて、前記初層溶接、充填層及び仕上層溶接におけるパス毎の条件パラメータ制御を溶接始点又はその始点より所定距離前進した位置から行うと共に、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御も溶接終点又はその終点より所定距離手前の位置まで繰り返し行うようにしたことを特徴とするＸ開先継手の多層盛溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ開先継手構造物のパルス溶接に係わり、特に、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応して溶接条件パラメータを可変制御するとともに、トーチ位置ずれを修正制御しながら溶接を行うのに好適な多層盛溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントや化学プラントなど大型構造物には厚板部材が多く用いられており、工場内で溶接が可能なものや現地で組立溶接が必要なものもある。溶接継手の開先を機械加工によって高精度に形成可能なものもあるが、厚板構造物の多くは大型で長尺であり、加工コストの安いガス切断加工による開先継手が用いられている。また、開先継手は片面溶接が可能なＶ形やレ形もあるが、溶接歪みや残留応力などの低減に有効な両面溶接用のＸ開先継手が多く、そのＸ開先の角度は従来から約５０〜７０度と広いものが用いられている。ガス切断加工の開先継手は、開先部のギャップ変化が大きく、溶接線も蛇行し易い形状となっている。長尺の開先継手内にギャップのない部分(接触部分)を設けることによって、溶接ワークの組立作業が容易となるが、ギャップのない部分は溶接時に溶け込み不足となり易い。このようなギャップ変化の大きい開先継手の溶接は、一般に自動溶接が難しく、従来から熟練溶接員による手動溶接が多く行われており、この溶接作業に多くの時間を要している。この手動溶接には、一般にワイヤ溶融式の直流アーク溶接法が用いられ、スパッタの発生が伴う溶接作業となる。厚板長尺で角度の広いＸ開先継手は、表側から多層盛溶接を行った後に、裏側より表側の初層ビード面まで裏ハツリ加工(ガウジングやグラインダー加工)をして、裏側から完全溶け込み溶接の多層盛溶接を行うため、一連の溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接で消費するワイヤ量も増大してコスト高となっている。
【０００３】
したがって、溶接の工数低減や合理化を図るためには、狭開先化、裏ハツリ省略化、高能率な溶接法及び溶接自動化が必要である。まず、狭開先化と裏ハツリ省略化を可能にするためには、深溶け込み溶接が可能な新たな溶接法の導入が必要であるばかりでなく、溶け込み不足と入熱過多による溶接割れ(高温割れ)や溶け落ちを防止するための適正な溶接施工技術を確立する必要がある。また、溶接自動化を可能にするためには、開先部のギャップ幅や開先面積などの開先形状寸法や溶接線の位置ずれの検出が可能なセンサが必要であると共に、ギャップ変化や開先面積変化に対応可能な溶接条件制御、トーチ位置制御技術を確立及び導入する必要がある。スパッタの少ない溶接も求められている。
【０００４】
一方、高い電流・電圧と低い電流・電圧を交互に出力させるワイヤ溶融式のパルスアーク溶接法は、通常の直流アーク溶接法と比べて、スパッタの発生が少なく、また、高溶着な溶接が可能であることから、自動車部品など薄板の溶接に多く適用されて、最近では厚板の溶接構造物にも適用されつつある。しかしながら、市販されているパルスＭＡＧ／ＭＩＧ溶接電源の大半は、パルス電流の出力値が多くても５００Ａ程度であり、６００Ａを越えるような高電流のパルス溶接電源は極めて少ない。また、溶接母材の板厚や継手形状やワイヤの材質及び径によって、適用可能なパルス溶接波形及び溶接条件が異なるため、実際にスパッタが少なく、溶接欠陥がない溶接を行うためには、対象製品の継手に合った適正なパルス溶接波形及び溶接施工条件を確立しなければならない。
【０００５】
自動溶接の従来技術として、一般に据付け型の溶接ロボットがあるが、溶接パス毎にティーチングしてプレイバック溶接するのは手間と時間がかかるため、１品物の溶接には不向きである。また、溶接ロボットの可動範囲を超える大物製品や工場外の現地で組立溶接が必要な構造物の溶接を行うことができない。
【０００６】
他の自動溶接の従来技術として、例えば、特公平４−７５１１４号公報の自動アーク溶接法では、溶接中にギャップ幅を検出しながら、そのギャップ幅の大きさに対応して溶接電流ＩaをＩa＝Ｉo−ｋ・Ｇの関係式で増減制御し、また、この溶接電流Ｉaの大きさに応じてワイヤ送り速度ＷｆをＷｆ＝Ａ・Ｉa＋Ｂ・Ｉa２の関係式で可変制御、溶接電圧ＥをＥ＝Ｅｌ＋Ｅａ＋Ｅｒの関係式で可変制御を行うようにしている。同一出願者の特公平４−７５１１５号公報には、溶接電流Ｉ及びワイヤ送り速度Ｗｆの変化に対応して、ビード高さが一定に保たれるように溶接速度ＶpをＶp＝Ｗｆ／［(α・Ｗfo／Ｖpo)＋β・(Ｉo−Ｉa)の関係式で可変制御を行うようにしている。
【０００７】
また、特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置では、開先内の形状を検出するレーザー変位センサと、開先左右端位置及びワイヤ先端位置の情報を検出するＩＴＶカメラと、これらの情報から溶接トーチの位置を演算する手段を備えて、左右方向の位置ずれを演算してトーチ位置制御を可能にしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平４−７５１１４号公報及び特公平４−７５１１５号公報の自動アーク溶接法は、ギャップ幅の変化に対して溶け込みを所望の目標値に保って自動溶接することが可能な１つの方法として有効と考えられる。しかしながら、実際に溶接電流(平均)を微小(数アンペア単位)に可変制御することは意外と難しく、また、溶接電圧及びワイヤ送り速度の微小制御も同様に難しく、過敏な制御で逆効果の動きとなって溶接を乱す可能性がある。また、対象板厚が１０ｍｍ程度のステンレス鋼で、開先角度も広く、表側１パスと裏側１パスの溶接であるため、充填層や仕上層溶接が必要な厚板継手の多パス溶接、材質が異なる継手（例えば軟鋼）の溶接には適用することが困難である。フラックス入りワイヤによる溶接では、ビード表面全体に形成されるフラックスの除去作業が必要となる。また、フラックス入りワイヤとソリッドワイヤとでは、ワイヤ溶融特性及び適正溶接条件が異なるばかりでなく、母材材質や継手形状やワイヤ材質などが異なると、それに適した溶接条件を新たに見出す必要がある。さらに、この自動アーク溶接法では、高速回転アーク溶接法が用いられており、通常の直流アーク溶接や、高い電流と低い電流を交互に出力させるパルスアーク溶接と異なるものである。
【０００９】
特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置は、トーチずれ量を演算して左右方向のトーチ位置制御を行うことが可能な１つの装置として有効と考えられる。しかしながら、レーザー変位センサの場合は、開先内を走査するための回転ミラー機構や揺動機構を必要とし、装置が大型になるばかりなく、溶接速度が速くなると、検出する開先断面形状の歪みによって誤差が生じる恐れがある。開先継手は片面溶接のＶ開先であって、両面溶接が必要なＸ開先ではない。また、この開先倣い制御装置では、溶接中の電流・電圧、溶接速度などの条件パラメータ制御は行われておらず、また、上下方向のトーチ位置制御についても記載されていない。
【００１０】
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｘ開先継手の構造物を対象に、完全溶け込みで高温割れのない良好な溶接を行うことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ開先継手の多層盛溶接方法は、ワイヤ溶融式の溶接トーチ、この溶接トーチの前方にあって開先ギャップ幅を検出するセンサ、前記溶接トーチに溶接ワイヤを供給するワイヤ送り機構及び前記溶接トーチの位置を駆動するトーチ駆動機構を搭載した自走式の溶接台車と、この溶接台車外にあって前記溶接トーチ内のワイヤと母材間に給電するパルス溶接電源と、同じく前記溶接台車外にあって溶接台車の走行速度制御、前記センサの検出指令、前記パルス溶接電源の出力制御、ワイヤ送り速度、及びトーチ位置の制御が可能な溶接制御装置を用いてＸ開先継手の多層盛溶接を行う方法に係る。
【００１２】
上記の課題を解決する本発明は、一対の部材を突き合わせて形成したＸ開先継手の多層盛溶接方法において、パルス溶接電源から溶接トーチの溶接ワイヤに出力すべき電流のパルス溶接波形を設定しておくと共に、パルス溶接で用いる平均電流値は、継手表側及び裏側の各初層の、開先部のギャップ幅Ｇが０ｍｍ及びその近傍にあるときの２７０〜３３０Ａの範囲に定められた基準値、及びギャップ幅Ｇが予め定めた値を超えて大きくなるごとに予め設定した値だけ段階的に前記基準値よりも小さくしたギャップ幅範囲別の複数の平均電流Ｉａを条件テーブルに各々設定しておき、前記検出したギャップ幅情報に基づいて、そのギャップ幅の大きさに対応した平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して切り換えると共に、その平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて制御することを特徴とする。
【００１３】
また、検出した前記ギャップ幅に基づいて溶着面積Ｓ１ａを求め、前記平均電流Ｉａに基づいてワイヤ送り速度Ｗｆを求め、前記溶着面積Ｓ１ａと前記ワイヤ送り速度Ｗｆから溶接速度Ｖｗを求め、求められた前記ワイヤ送り速度Ｗｆ及び前記溶接速度Ｖｗに基づいて前記ワイヤ送り機構のワイヤ送り速度と前記走行台車の走行速度を増減する制御を溶接終点又はその終点よりも所定距離手前の位置まで繰り返し行うようにする。
【００１４】
前記予め設定した値は、２０〜４０Ａの範囲にあることが望ましい。
【００１５】
さらに、ギャップ幅の偏差と溶接速度Ｖｗの増減に対応させて溶接トーチを左右に揺動させるウィービング幅Ｕｗ、ウィービング周波数ｆか又は揺動速度Ｕｖを増減制御するようにした。特に、深溶け込みが必要なギャップのない部分では溶接速度Ｖｗを５００ｍｍ/ｍｉｎ程度及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａを３００Ａ程度に設定して初層溶接を行うようにした。また、初層溶接後の充填層及び仕上層の各溶接を行う時には、充填層及び仕上層に対応して定められた平均電流Ｉａを前記条件テーブルに各々設定しておき、その溶接パスに該当する平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して出力させると共に、その平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて出力させ、ビード幅Ｂｓや開先面積Ａｓの偏差に基づいて溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅などの条件を算出して増減する制御を行うようにした。
【００１６】
上記目的を達成する本発明の第２の手段は、パルス溶接波形が高電流の１パルスで生成された１溶滴が低電流のベース時間前半に母材に移行可能なパルス波形であって、鋼材用のφ１．２ｍｍ径のソリッドワイヤに給電するパルス電流値Ｉｐを５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定し、また、パルス溶接の平均電流Ｉａの出力制御は、ベース時間Ｔｂ及びワイヤ送り速度Ｗｆの可変制御によって行うようにしたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記目的を達成する本発明の第３の手段は、溶接トーチ前方の開先上方に開先断面形状を撮像する光切断式センサを設置し、この光切断センサより得られる断面形状画像を画像処理装置によって処理することで、溶接中にほぼ一定時間間隔でギャップ幅Ｇｓ又はビード幅Ｂｓ及び開先中心の左右上下位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓを検出し、これら検出データに基づいて、前記初層溶接、充填層及び仕上層溶接におけるパス毎の条件パラメータ制御を溶接始点又はその溶接始点から所定距離前進した位置（ビード幅〜５０ｍｍ程度）から行うと共に、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御も溶接終点又はその溶接終点から所定距離手前（終端クレータ長さ〜５０ｍｍ程度）の位置まで繰り返し行うようにしたことを特徴とする。
【００１８】
すなわち、本発明の多層盛溶接方法では、Ｘ開先継手の構造物を対象に、開先断面積が小さくなるように開先角度θを３０〜４０度の範囲に限定して形成し、高電流のパルス溶接波形で多層盛溶接を行うことにより、溶接パス数の削減、ワイヤ溶着量の大幅低減、溶接による熱変形の減少及びスパッタの低減を図ることができる。Ｘ開先継手の表側と裏側の各初層溶接を行う時は、開先部のギャップ幅の大きさに対応した平均電流Ｉａを条件テーブルより選択して切り換えると共に、その平均電流Ｉａに適した平均電圧Ｅａを算出し、算出された平均電圧Ｅａに制御する。
【００１９】
特に、ギャップのない部分では平均電流Ｉａを多くても３００Ａ程度、溶接速度Ｖｗを５００ｍｍ／ｍｉｎ程度及び幾分遅い領域に設定してパルス溶接することで、溶接割れや融合不良など欠陥のない深溶け込みのビード断面を得ることができる。また、ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流の値を予め設定した値、例えば２０〜４０Ａ程度づつ階段状に小さくすることで、その条件切変えが容易となるばかりでなく、アーク力が抑制されて溶け落ちやアンダーカットの発生をなくすことができる。さらに、ギャップ幅の偏差に対応した溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗを算出して増減する制御、ウィービング幅やウィービング周波数の増減制御を行うことにより、ギャップのある部分もない部分も平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。また、初層溶接後の充填層及び仕上層の各溶接を行う時には、所定値の平均電流及び平均電圧を出力させ、ビード幅や開先面積の偏差に基づいて溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅Ｕｗなどの条件を算出して増減する制御を行うことにより、開先幅の狭い部分も広い部分も同一のパス数で溶接でき、溶着融合不良やアンダーカットのない平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。
【００２０】
パルス電流値Ｉｐを５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで生成された１溶滴が低電流のベース時間Ｔｂ前半に母材に移行可能なパルス波形とし、ベース時間Ｔｂ及びワイヤ送り速度Ｗｆの可変制御による平均電流Ｉａの出力制御を行うことにより、小電流領域(平均)から大電流領域まで安定なアーク及び溶滴移行が得られ、スパッタの発生が少ないパルス溶接を良好に行うことができる。
【００２１】
また、一対の光切断式センサ及び画像処理装置によって検出されるギャップ幅Ｇｓ又はビード幅Ｂｓ、開先中心の左右上下位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓの検出データに基づいて、溶接条件の制御、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御を行うことにより、溶接線の始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で行え、工数低減及び溶接品質の向上を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の多層盛溶接方法に係わる自動溶接装置を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した自動溶接装置における溶接制御盤１１の内容を示す構成ブロック図である。図１に示す自動溶接装置は、一対の厚板長尺部材１a、１ｂを突合わせた多層盛溶接が必要なＸ開先継手を溶接する。開先面の加工はガス切断加工法にて事前に行い、その開先面同士を突合わせてＸ開先継手が組立てられている。溶接すべき継手の長手方向には、開先部２にギャップ変化がある部分とない部分が混在しており、溶接線も曲がりが生じている。長手方向の溶接ワーク１a上に設置されたガイドレール３は、溶接台車４の走行を案内する。自走式の溶接台車４には、ワイヤ溶融式の溶接トーチ６と、この溶接トーチ６を左右・上下方向に任意移動できるトーチ駆動機構９と、ワイヤリール７に巻かれているワイヤ５を溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ送り機構８と、Ｘ開先継手２の断面形状を撮像する光切断式センサ１０とが搭載されている。
【００２３】
溶接台車４と光切断式センサ１０には、配線ケーブル１４ａで溶接制御盤１１が接続され、ワイヤ送り機構８と溶接トーチ６には、配線ケーブル１３で溶接ワイヤ溶融式のパルス溶接電源１２ａが接続されている。溶接制御盤１１とパルス溶接電源１２ａは、配線ケーブル１４bで接続されている。
【００２４】
前記光切断式センサ１０は、溶接台車４の、溶接トーチ６より所定距離だけ進行方向前方側の位置に設置されており、溶接制御盤１１に内臓の画像処理置２２と一対で開先中心の左右位置ずれ、上下位置ずれ、開先部２のギャップ幅Ｇ又は前層のビード幅Ｂｓ、開先肩幅Ｗｓ、開先面積Ａｓなどの情報を所定の時間間隔で検出するものである。
【００２５】
溶接制御盤１１は、前記溶接台車４の駆動制御、パルス溶接電源１２ａの出力制御、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２への検出指令及び取得する検出デ−タの情報処理、溶接トーチ６位置及び溶接条件の制御、及び構成機器の統括管理を行うものである。
【００２６】
パルス溶接電源１２ａは、高いパルス電流と低いベース電流を交互に繰り返し出力する溶接ワイヤ溶融式のパルス溶接電源(定電流制御方式又は定電圧制御方式或いは両方併用制御方式のパルス溶接電源)であり、溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ５と溶接ワーク１a、１bとの間に給電を行う。このパルス溶接電源１２ａは、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値又はこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能な電源である。また、パルス溶接の平均電流の出力制御は、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御が可能なものである。パルス溶接電源１２ａはまた、冷却水循環ポンプを備えている。
【００２７】
溶接中のシールドガスは、パルス溶接電源１２ａ及びトーチケーブルを介して図示されていないガスボンベ１６から供給される。ガスボンベ１６は、鋼材用の溶接で用いられているＡｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ２ガス入りの混合ガスボンベである。このＡｒ＋ＣＯ２混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ２を加えたＡr＋ＣＯ２＋Ｏ２の混合ガスやＡr＋Ｏ２の混合ガスを使用することも可能である。
【００２８】
図２に溶接制御盤１１の主要構成と、他の機器との接続関係を示す。溶接制御盤１１は、統括制御装置１７と、それぞれ統括制御装置１７に接続された操作盤１５ａ、画面表示装置１５ｂ、電源指示回路１２ｂ、画像処理装置２２、および各軸駆動装置２４ａと、投光受光制御器２３と、を含んで構成されている。電源指示回路１２ｂが前記パルス溶接電源１２ａに接続され、各軸駆動装置２４ａが溶接台車４に、画像処理装置２２と投光受光制御器２３が光切断式センサ１０に接続されている。溶接制御盤１１にはまた、操作ペンダント２４ｂが接続されている。
【００２９】
操作盤１５aは、これを介して自動運転に必要な初期設定、開先継手２の形状寸法、基本溶接条件の入力設定が行われる。画面表示装置１５ｂは、溶接データファイル作成時の入力と演算結果の表示、自動溶接時に必要な溶接トーチ位置、溶接条件、センサの検出情報の表示、その他、自動運転時に必要な情報の表示を行う。
【００３０】
統括制御装置１７はパソコンなどからなり、任意形状寸法の開先継手２の多層盛溶接に必要なパス毎の溶接位置や溶接条件を予め決定して登録しておく溶接データファイル１８b、溶接データファイル１８bを自動作成する溶接演算プログラム１８a、溶接データファイル１８bと画像処理装置２２より取得する検出データに基づいて、溶接パス毎の制御及び多層盛溶接を自動で行う自動運転プログラム１９、自動溶接で必要な溶接位置演算制御部２０a、溶接条件演算制御部２０b、溶接中のデータを記録する制御データ記録ファイル２１a、検出データ記録ファイル２１b、及び前記溶接演算プログラム１８a、自動運転プログラム１９、溶接位置演算制御部２０a、溶接条件演算制御部２０bの動作を制御する制御部を含んで構成されている。
【００３１】
操作ペンダント２４ｂは各軸駆動装置２４ａを介して、溶接台車４や溶接トーチ６の移動操作、溶接条件の設定修正の操作が可能なものである。溶接前に溶接トーチ６を開始点へ移動させてトーチ(ワイヤ)位置決めをしたり、また、溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正、溶接停止などが行えるようにしてある。
【００３２】
図３を参照して本発明の溶接方法の実施の形態を説明する。図３は、スパッタの発生をなくすためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。横軸の時間に対する縦軸には、定速送りのワイヤ、パルス電圧の波形、パルス電流の波形、ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。すなわち、定速送りのワイヤに同期させて、パルス溶接電源１２ａより高いパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐと低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂを交互に出力させるか、又は直流の低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂに高電流のパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐのパルス波形を重畳して出力させる。そして、このパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐの期間Ｔｐ中に溶融させたワイヤ５先端に溶滴２６を形成させ、このパルス期間Ｔｐ終了後のベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂの期間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴２６を母材２９側の溶融プール２７へ離脱移行させる、1パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させるようにしている。
【００３３】
同時に、ワイヤ溶滴２６の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク２５の長さを保持するように溶接平均電圧Ｅａを出力させてパルスアーク溶接を行うことで、スパッタの発生が防止でき、良好な溶接ビードを形成することができる。反対に、アーク２５の長さが短かすぎてワイヤ先端の溶滴２６が短絡移行(アーク消滅)してアーク再点弧する時や、ピーク時間が長すぎてアーク力の強いパルス電流Ｉｐの期間Ｔｐ中に溶滴２６が離脱移行する時には、溶滴２６の一部がスパッタ２８となって飛散する結果となる。
【００３４】
角度の狭いＸ開先継手の溶接では、特にギャップのない部分で裏側まで溶融する深溶け込みと溶接割れ防止が必要であるために、パルス電流Ｉｐ値の出力が高い溶接波形を採用している。例えば、鋼材用の１．２ｍｍ径のソリッドワイヤに給電すべきパルス電流Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで１溶滴をベース時間前半に移行可能としている。パルス電流Ｉｐ値が５５０Ａ未満の溶接電源では深溶け込み溶接が得られなかった。また、６５０Ａを遥かに越えるような溶接電源はトランス容量が増大することになるので好ましくない。
【００３５】
パルスアーク溶接での平均電圧はＥａ＝(Vp・Tp＋Vb・Tb)/(Tp+Tb)で示され、また、平均電流はＩａ＝(Ip・Tp＋Ib・Tb)/(Tp+Tb)で示される。ここでは矩形波のパルス波形で説明したが、台形波状、鋸形波状のパルス波形でもよい。平均電流Ｉａの可変制御はベース時間Ｔｂを増減させて行う。ワイヤ送り速度Ｗｆは、その平均電流Ｉａとほぼ比例関係にあるので同調させて増減し、その溶接中にワイヤ溶滴２６が短絡移行しない程度のアーク２５長さを保持するように平均電圧Ｅａを調整設定すればよい。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源を使用する場合は、パルス電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂの設定によって上記のパルス電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂを出力させればよい。このように制御することで小電流(平均)領域から大電流領域までスパッタのないパルス溶接を良好に行うことができる。
【００３６】
図４の(１)に鋼材板厚３２ｍｍのＸ開先継手における従来方式の多層盛溶接の例を、図４の(２)に同じく鋼材板厚３２ｍｍのＸ開先継手における本発明の方法による多層盛溶接の例を比較して示す。すなわち、角度が６０度と広い図４の(１)に示す従来開先の場合は、表側４パス裏側４パス溶接であるのに対して、角度を３５度に狭くした図４の(２)に示す本発明の方法では、開先面積を小さくすることで、パス数の少ない表側３パス裏側３パス溶接が可能となる。
【００３７】
図５の(１)〜(６)に、図４の(２)に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順の例を示す。（１）は表側初層の１パス目溶接Ｓ１、（２）は充填層で２パス目溶接Ｓ２、（３）は仕上層で３パス目溶接Ｓ３である。また、（４）は溶接ワークを反転した後の裏側初層の４パス目溶接Ｓ４、（５）は充填層で５パス目溶接Ｓ５、（６）は裏側最後の仕上層で６パス目溶接Ｓ６、のビード断面をそれぞれ示している。立て向き上進姿勢の場合には、溶接ワークの反転作業が不要となり、下向き姿勢溶接の時より平均電流・電圧を減少させて充填層及び仕上層の各溶接を行うことになる。
【００３８】
図６は、図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係の一例である。平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆの間、及び平均電流Ｉａと平均電圧Ｅａとの間には各々比例増加する特性の関係にあり、下記の（１）式及び（２）式で表される。図５に示したＸ開先継手の多層盛溶接でこの特性を利用する。ｋ１、ｋ２はワイヤ定数、ｋ３、ｋ４は電圧定数である。
【００３９】
ワイヤ送り速度：Ｗｆ＝ｋ１・Ｉａ＋ｋ２  ‥‥‥  （１）
平均電圧：      Ｅａ＝ｋ３・Ｉａ＋ｋ４  ‥‥‥  （２）
図７にＸ開先継手(角度：３５度、板厚：３２ｍｍ)における初層溶接で重要な、開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係の例を示す。図中の○印の部分が溶け込みの良好な、ギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａの適正領域であり、ギャップ幅が大きくなるに従って、その適正領域は概ね階段状に低電流側へ移行する結果となっている。特に、ギャップのない(Ｇ＝０)部分の溶接では、約３００Ａ前後の平均電流で裏側まで溶け込む溶接が可能である。約３３０Ａを超える高電流領域ではワイヤ溶融量の増加によって溶接ビードが高く(ビードの高さと幅の比が大きい)なり、また、溶接速度を増減させても溶接による高温割れ(◆印)が発生し易い。反対に約２７０Ａ未満の電流領域ではアーク力及び溶接入熱の不足によって裏側まで溶かすことができずに溶け込み不足(▲印)となる。ギャップ幅１ｍｍ以上の領域では、高温割れの問題がなくなるが、平均電流及び溶接入熱が高すぎると溶け落ち(●印)やアンダーカットが生じる。その平均電流及び溶接入熱が低すぎると溶け込み不足(▲印)が生じることになる。したがって、溶け込み良好な適正領域は両者の中間に存在することが分かり、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手で適用可能である。
【００４０】
ギャップ幅が広い部分での溶け落ちを確実に防止する一つの手段として、裏側の開先継手内にセラミックス性の裏当て材を設けるとよい。図８はギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｗと平均電流を変化させて初層溶接を行った結果を示したものであり、溶け込みの良好な適正領域は溶接速度Ｖｗが５００ｍｍ／ｍｉｎ前後及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａが３００Ａ前後の部分に存在することが分かった。
【００４１】
次に、本発明の溶接方法で初層溶接の条件制御を行う例を図９を参照して説明する。図９は、上段に開先部ギャップ検出画像、そのギャップの大きさ(Ｇ＝０、Ｇ＝５ｍｍ)に対応したパルス電流波形、溶接ビード断面、下段にギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｗと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度との関係図を示している。すなわち、ギャップのない部分及びその近傍では平均電流Ｉａがもっとも高い約３００Ａを出力させると共に、それに比例関係にある適正なワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを出力させている。そして検出されるギャップ幅が大きくなるに従って、平均電流Ｉａを階段状に２０〜４０Ａづつ減少させると共に、それに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとしている。一方、溶接速度Ｖｗについては、ギャップ幅が大きくなるに従って溶接すべき溶着面積Ｓ１ａ(つまり溶着量)を増加させる必要があるため、溶接速度Ｖｗをギャップ幅が大きくなるに従って減少させる制御となっている。すなわち、平均電流Ｉａ、平均電圧Ｅａは、所定の時間間隔毎に検出されるギャップ幅Ｇに応じて設定され、ワイヤ送り速度Ｗｆ及び溶接速度Ｖｗは、所定の時間間隔毎に設定された平均電流Ｉａ及び算出される溶着面積Ｓ１ａに応じて設定される。なお、ギャップ幅Ｇの検出は必ずしも定められた時間間隔毎に行う必要はなく、溶接進行方向の所定の距離毎に行うようにしてもよい。
【００４２】
図１０はＸ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと初層側の開先面積Ａs [＝Ｈ２・ｔａｎ(θ／２)＋Ｈ・Ｇ］、初層の溶着面積Ｓ１ａ及び初層ビード高さｈ１の関係を示すものであり、溶着面積Ｓ１ａを増大させる制御を行うことで、初層ビード高さｈ１を約８．５±０．５ｍｍに形成することが可能となる。このビード高さは概ね７≦ｈ１≦９ｍｍの範囲に形成すれば、その後の充填層及び仕上溶接で開先表面まで均等に盛り上げることが簡単にできる。したがって、ここではギャップが０ (Ｇo)の時の基準面積Ｓｏとセンサで検出されるギャップＧｓ値を用いて、溶接すべき溶着面積Ｓ1ａを（３）式より求めるようにしている。ｋ５はギャップ重み定数である。また、その溶着面積Ｓ１ａに必要な溶接速度Ｖｗは、平均電流Ｉａと相関関係のあるワイヤ送り速度Ｗｆ(m/min)及びワイヤ径ｄとから求めることができ、（４）式で表わせる。ηはワイヤ溶着定数である。
【００４３】
溶着面積：Ｓ１ａ＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇs−Ｇo）                ‥‥‥（３）
溶接速度：Ｖｗ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗf）／（４・Ｓ１ａ）‥（４）
この他に、ギャップ幅が１ｍｍ以上の領域では開先面両壁の溶融促進と溶け落ち防止を図る必要があるため、溶接トーチを溶接線方向の左右に揺動させるウィービング制御を行っている。ギャップ幅の大きさ及び溶接速度に対応したウィービング幅Ｕｗやウィービング周波数ｆ及び揺動速度Ｕｖの増減制御を行うようにしている。このようにして溶接条件パラメータをギャップ幅の大きさに対応させて制御を行うことにより、図９の中央に示した溶接ビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４４】
さらに、初層溶接後の充填層及び仕上層溶接を行う時には、表１に示す充填層／仕上層の平均電流Ｉａを選択して出力させると共に、溶接中にほぼ一定時間間隔でセンサ側より検出されるビード幅Ｂｓ又は開先面積Ａｓを用いて、溶接パスごとに溶接すべき溶着面積Ｓna、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅などを算出して増減制御するようにしている。溶着面積Ｓnaは、ｎパス目の溶着面積である。このようにして溶接条件パラメータをリアルタイムで制御することで、図５に示した溶接パス毎のビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４５】
【表１】
0004117526.tif 000002
表１に、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手における表側及び裏側の初層溶接、充填層と仕上層の各溶接で出力する平均電流Ｉａの条件テーブルの例を示す。すなわち、初層溶接ではギャップ幅範囲別の複数の平均電流を設定しておき、開先部のギャップ検出情報に基づいて切り換え出力できるようにしている。その平均電流Ｉａに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを前記の（１）、（２）式で計算する。また、充填層及び仕上層で使用する平均電流Ｉａも溶接姿勢に応じて適切な電流値を選択できるように、条件テーブルに、溶接姿勢に対応した複数の平均電流値を設定しておくとよい。下向き姿勢の多層盛溶接で高電流を選択し、立て向き姿勢の溶接で低電流を選択することで、両方の多層盛溶接を可能にすることができる。さらに充填層及び仕上層で使用する平均電流Ｉａを、ギャップ幅範囲別又は開先肩幅範囲別に区分けして選択するようにしてもよい。
【００４６】
このように条件テーブルを事前に準備することで、図７及び図９に示した溶接条件パラメータを可変制御することができる。一方、板厚などの寸法が異なる各々のＸ開先継手に対しても自動溶接ができるようにする必要があるため、ここでは入力すべき開先寸法（例えば開先角度θ、開先深さＨ、ギャップＧなど）と表１に示した平均電流の条件テーブルを基にして、溶接開始点での基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を溶接演算プログラム１８ａによって演算するようにしている。その演算方法は省略するが、表２に溶接データ演算結果の一例を示す。表２に示すように、溶接パス毎のトーチ位置の目標値、溶接条件、積層ビードの幅や高さが分かるようにしている。
【００４７】
【表２】
0004117526.tif 000003
次に、本発明の溶接制御で使用する光切断式センサによる検出方法の概要について説明する。図１１は光切断式センサ１０と関連機器の概略構成を示す斜視図である。光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より進行方向前方の開先継手２の上方に位置して、その開先継手２を継手長手方向に直交する垂直方向にスリット状の光３１bを照射するレーザ投光器３１aと、その反射像を干渉フィルタ３２bを介して光切断画像として撮像するカメラ３２aを含んで構成されている。干渉フィルタ３２bは特定波長のレーザ光のみを抽出する。
【００４８】
レーザ投光器３１aとカメラ３２aは投光受光制御器２３に接続され、投光受光制御器２３は、レーザ投光器３１aとカメラ３２aを制御すると共に、撮像された光切断画像を画像処理装置２２に送信する。この画像処理装置２２には、自動溶接を行う時に必要な開先中心の左右位置ずれΔＹｓ、上下位置ずれΔＺｓ、開先肩幅Ｗｓ、開先面積Ａｓ、ギャップＧｓ又はビード幅Ｂｓの検出情報を抽出する溶接検出プログラムが内蔵されており、統括制御装置１７からの検出指令と検出結果の報告要求に対応できるようになっている。
【００４９】
光切断式センサ１０の筐体部分（図示省略）は、過熱を防止する水冷構造、支障のある微粒子の侵入を防止するガス流出構造にしてある。なお、スリット状のレーザ投光器３１aの代りに、スポット状のレーザ光を照射し、このスポット状のレーザ光を高速で左右揺動させる機構を備えた揺動式レーザ投光器を使用してもよい。
【００５０】
図１２は溶接前に行うトーチ位置(ワイヤ先端位置)座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す概略図である。溶接台車４を駆動して溶接トーチ６を溶接開始点に移動し、図１２の（２）に示すようにワイヤ５先端を開先継手２の中央部にあるギャップGの中心位置(●点)に合わせ、そのワイヤ位置を溶接位置座標の原点(Yp=0、Zp=0)とする。一方、センサ側では、図１２の（１）に示すように光切断式センサ１０の設置位置で撮像される開先断面の光切断画像（線画像３３）を画像処理装置２２で処理し、ギャップGｓの中央位置(●点)を検出する。その検出位置をセンサ座標の原点(Ys=0、 Ｚs=0)として、左右及び上下方向のトーチ位置ずれを△Ys=0、△Ｚs=0する。初層溶接時は開先肩幅の中心位置を、センサ座標の原点(Ys=0、 Ｚs=0)として使用してもよい。
【００５１】
図１３は光切断式センサ１０で検出する内容を示す説明図であり、図中には検出項目とその記号名称を記している。光切断式センサ１０で撮像される開先断面の線画像(３３a〜ｆ)を画像処理装置２２に取込んで所要の検出項目を抽出する。例えば、開先肩幅Ｗsは、左右上面３３f、３３aと左右の開先斜面３３ｄ、３３ｂが各々交わる交点(ｄ点とｃ点)を結ぶ距離で求められる。このｄ点とｃ点の距離を２等分した中点が左右方向の開先中心である。
【００５２】
開先斜面の角度が左右異なる又は加工精度が悪い場合に、開先継手の上部と底部とで中心ずれが生じることになる。それを避けるために、溶接部に近い位置で開先中心を求めている。すなわち、開先の右斜面３３ｄと開先底部のビード面３３ｅとが交わる交点(ｂ点)より１ｍｍ程度上の位置に水平線３５を描き、その水平線３５と左右の開先斜面３３ｄ、３３ｂとが交わる交点(ｊ点とｉ点)を結ぶ距離を２等分した中点位置(ｆ点)を開先中心とすることで、中心ずれをなくすことができる。この中点位置ｆ点と初期設定時の原点位置(Ys＝０)との偏差(水平方向の距離)を左右位置ずれ△Ysとしている。
【００５３】
一方、開先底部の上下位置ずれ△Zsについては、開先底部の最も深い位置(ｅ点)を求め、又は開先の左斜面３３ｂと左底面３３ｃとが交わる交点ａ点を通る他の水平線と前記ｆ点の垂直線とが交わる交点位置(ｅ点近傍)を求めた後に、初期設定時の原点位置(Zs＝０)との偏差(垂直方向の距離)を計測して上下位置ずれ△Zsとしている。この上下位置ずれ△Zsは、ビード高さと高さ位置ずれの和に相当する値である。また、開先面積Ａｓ(溶接残存面積)は、まだ溶接が残っている部分の開先内の面積を計測している。このようにして計測することで、自動溶接で必要な所望の各検出項目を得ることができ、上記した溶接条件の可変制御のみならず、溶接線左右方向及び上下方向の位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓをなくす方向にトーチ位置の修正制御を行うことができる。
【００５４】
以上述べたように、本実施の形態の多層盛方法によれば、開先部のギャップ変化や溶接線の蛇行などがあるＸ開先継手の溶接構造物であっても、狭開先化によってワイヤ溶着量や溶接パス数の低減、熱変形の軽減ができ、また、高電流のパルス溶接波形の出力と、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流、平均電圧、溶接速度、ウィービング幅などの条件制御によってスパッタの少ない深溶け込み溶接、溶接割れや溶け落ちのない溶接品質を得ることができる。また、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御によって溶接線の始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で行うことができる。本実施の形態の多層盛溶接方法を発電プラントや化学プラントなど厚板溶接構造物へ適用することにより、溶接の合理化、溶接品質向上、コスト低減に寄与することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｘ開先継手の溶接構造物について、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応して溶接条件パラメータを可変制御し、かつトーチ位置ずれを修正制御するので、良好な溶接品質の多層盛溶接を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接方法に係わる自動溶接装置の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示した自動溶接装置における溶接制御盤の内容を示す説明図である。
【図３】本発明の溶接方法で用いるパルス溶接波形及び溶滴移行の例を示す説明図である。
【図４】Ｘ開先継手における従来方式の多層盛溶接と本発明の方法による多層盛溶接を比較して示す断面図である。
【図５】図４に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順の例を示す断面図である。
【図６】図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａの関係の例を示すグラフである。
【図７】本発明の溶接方法の実施の形態における開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａの組合せと溶接欠陥との関係を示すグラフである。
【図８】ギャップなし開先の初層溶接での溶接速度Ｖｗと平均電流の組合せと溶接欠陥との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の溶接方法で初層溶接の条件制御を行う例を示す説明図である。
【図１０】本発明の溶接方法の実施の形態におけるギャップ幅と開先面積、初層の溶着面積及びビード高さの関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の溶接方法の実施の形態における溶接制御に使用する光切断学式センサと関連機器の構成及び検出方法を示す斜視図である。
【図１２】本発明の溶接方法の実施の形態におけるセンサ座標の原点と溶接座標の原点の基準合わせを溶接前に行う方法を説明する断面図である。
【図１３】図１１に示した光切断式センサで検出する内容を示す断面図である。
【００２７】
【符号の説明】
１ａ、１ｂ  溶接ワーク
２  開先継手
３  ガイドレール
４  溶接台車、
５  溶接ワイヤ
６  溶接トーチ
８  ワイヤ送り機構
９  トーチ駆動機構
１０  光切断式センサ
１１  溶接制御盤
１２ａ  パルス溶接電源
１５ａ  操作盤、
１５ｂ  画面表示装置
１７  統括制御装置
１８ａ  溶接データファイル
２２  画像処理装置
２３  投光受光制御器
２４ａ  各軸駆動装置
２５  アーク
２６  ワイヤ溶滴
２８  スパッタ
３１ａ  レーザー投光器
３１ｂ  スリット光
３２ａ  カメラ
３２ｂ  干渉フィルター
２８  開先中心軸
３３、３３ａ〜３３ｆ  開先形状の線画像
【図１】
0004117526.tif 000004
【図２】
0004117526.tif 000005
【図３】
0004117526.tif 000006
【図４】
0004117526.tif 000007
【図５】
0004117526.tif 000008
【図６】
0004117526.tif 000009
【図７】
0004117526.tif 000010
【図８】
0004117526.tif 000011
【図９】
0004117526.tif 000012
【図１０】
0004117526.tif 000013
【図１１】
0004117526.tif 000014
【図１２】
0004117526.tif 000015
【図１３】
0004117526.tif 000016