(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチに設けられた非消耗電極先端に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを一方向に高速回転させながら薄板重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行っていく溶接中にアーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なアークの回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差ΔＳと所定のトーチ狙い位置のしきい値とを比較して差Ｓを求め、その差Ｓが零となるように上記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し、その制御中に上記差Ｓのある区間での平均値ＳAVE を求め、その平均値ＳAVE と溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値とを比較して差Ｓ1 を求め、その差Ｓ1 と上記差Ｓを再び比較して差Ｓ2 を求め、その差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接トーチの移動制御を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接トーチの移動制御を続行させ、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位置に制御することを特徴とする電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法。
【請求項２】
電極回転式非消耗電極アーク溶接方法により溶接する溶接トーチの電極とワークとのアーク電圧を検出するアーク電圧検出器と、電極の回転角度位置を検出する回転位置検出器と、アーク電圧検出器の検出信号が入力される積分器と、アーク電圧検出器の検出信号のうち、回転位置検出器の位置検出信号に基づいて予め設定した２つの所定角度範囲の検出信号について積分器を動作させる信号を出力するタイミング回路と、積分器からそれぞれ出力された２つの所定角度範囲の検出信号の積分値の差ΔＳを求める第１の比較器と、溶接トーチを溶接線と直交する方向で溶接線近傍の所定位置に設定させる基準値を出力するトーチ狙い位置設定器と、第１の比較器から出力された積分値の差ΔＳとトーチ狙い位置設定器の基準値との差Ｓを求める第２の比較器と、第２の比較器から出力された差Ｓに基づいて当該差Ｓが零となる信号を演算して出力する溶接線倣い制御回路と、溶接線倣い制御回路からの信号に基づいて溶接トーチを溶接線と直交する方向に駆動制御する横移動機構制御器と、第２の比較器からの差Ｓのある区間での平均値ＳAVE を演算し、記憶して出力する差信号平均値メモリ回路と、溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値を出力する倣い制御停止設定器と、差信号平均値メモリ回路から出力された平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器の基準値との差Ｓ1 を求めて出力する差動増幅器と、差動増幅器から出力された上記差Ｓ1 と第２の比較器から出力された差Ｓとを比較して求めた差Ｓ2 を出力する第３の比較器と、第３の比較器から出力された差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接線倣い制御回路から横移動機構制御器への信号の出力を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接線倣い制御回路から横移動機構制御器への信号の出力を続行させる倣い制御オン・オフ切換器とを備えてなることを特徴とする電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、薄板の重ね溶接に関し、上板及び下板側の母材を溶融させることでビードを形成する溶加材を用いないＴＩＧ溶接やプラズマ溶接等の非消耗電極アーク溶接方法において、ビード表面形状が良好でかつ広幅・浅溶込み溶接部を形成しながら、薄板の重ね部により形成される溶接線を自動的に検出し、溶接線に対して適正位置でトーチを倣わせ、仮付けや外来ノイズ等による開先倣いの誤動作を防止した電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法及び開先倣い制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平７−３１４１３８号公報に示された電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法は、溶接トーチに設けられた非消耗電極先端に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを一方向に高速回転させながら薄板重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行っていく溶接中にアーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なアークの回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差ΔＳを所定のしきい値と比較して差Ｓを求め、その差Ｓが零となるように上記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し、その制御中に上記差Ｓのある区間での平均値を求め、その平均値と溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値とを比較し、上記平均値と基準値との差が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接トーチの移動制御を停止させ、上記平均値と基準値との差が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接トーチの移動制御を続行させ、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位置に制御するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法では、溶接線倣いに用いるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差ΔＳを所定のしきい値と比較して求めた差Ｓのある区間の平均値と倣い制御停止設定器による基準値との差が所定の倣い制御停止レベル値を越えた時に溶接トーチの倣い移動制御を停止させるようにしているが、この方法では停止の誤作動を防止するために平均する区間を増やすと、その平均区間の中に仮付け区間が含まれることがある。その場合に平均区間に対する仮付け区間の割合が小さいときはその仮付け区間が含まれてもその平均区間の上記差の信号Ｓのある区間の平均値がそれ程増加せず、倣い制御停止設定器の倣い制御停止レベル値を越えることはなく、その仮付け区間に対しても倣い制御が行われて仮付け部の位置で倣いが停止しないことが起き、ビードが上板側に蛇行するという問題があった。
【０００４】
本発明は、薄板の重ね溶接部の溶接線のように、一方の開先つまり段差しか存在しない継手に対して精度的に優れた溶接線自動倣いを行い、さらにその溶接線上に仮付けやアークを乱す酸化物等の倣い信号のノイズ源となる部分が存在していたとしても、仮付けや外来ノイズ等による開先倣いの誤動作を防止して倣いを精度よく安定させ、薄板の重ね溶接部のビード表面形状を適正に保つことができる電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法及び開先倣い制御装置を提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法は、溶接トーチに設けられた非消耗電極先端に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを一方向に高速回転させながら薄板重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行っていく溶接中にアーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なアークの回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差ΔＳと所定のトーチ狙い位置のしきい値とを比較して差Ｓを求め、その差Ｓが零となるように上記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し、その制御中に上記差Ｓのある区間での平均値ＳAVE を求め、その平均値ＳAVE と溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値とを比較して差Ｓ1 を求め、その差Ｓ1 と上記差Ｓを再び比較して差Ｓ2 を求め、その差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接トーチの移動制御を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接トーチの移動制御を続行させ、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位置に制御するようにしたものである。
【０００６】
また、本発明に係る電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い制御装置は、電極回転式非消耗電極アーク溶接方法により溶接する溶接トーチの電極とワークとのアーク電圧を検出するアーク電圧検出器と、電極の回転角度位置を検出する回転位置検出器と、アーク電圧検出器の検出信号が入力される積分器と、アーク電圧検出器の検出信号のうち、回転位置検出器の位置検出信号に基づいて予め設定した２つの所定角度範囲の検出信号について積分器を動作させる信号を出力するタイミング回路と、積分器からそれぞれ出力された２つの所定角度範囲の検出信号の積分値の差ΔＳを求める第１の比較器と、溶接トーチを溶接線と直交する方向で溶接線近傍の所定位置に設定させる基準値を出力するトーチ狙い位置設定器と、第１の比較器から出力された積分値の差ΔＳとトーチ狙い位置設定器の基準値との差Ｓを求める第２の比較器と、第２の比較器から出力された差Ｓに基づいて当該差Ｓが零となる信号を演算して出力する溶接線倣い制御回路と、溶接線倣い制御回路からの信号に基づいて溶接トーチを溶接線と直交する方向に駆動制御する横移動機構制御器と、第２の比較器からの差Ｓのある区間での平均値ＳAVE を演算し、記憶して出力する差信号平均値メモリ回路と、溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値を出力する倣い制御停止設定器と、差信号平均値メモリ回路から出力された平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器の基準値との差Ｓ1 を求めて出力する差動増幅器と、差動増幅器から出力された上記差Ｓ1 と第２の比較器から出力された差Ｓとを比較して求めた差Ｓ2 を出力する第３の比較器と、第３の比較器から出力された差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接線倣い制御回路から横移動機構制御器への信号の出力を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接線倣い制御回路から横移動機構制御器への信号の出力を続行させる倣い制御オン・オフ切換器とを備えて構成されている。
【０００８】
【実施例】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１の開先倣い制御装置の全体を示す構成図、図２は電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転ＴＩＧトーチを示す断面図、、図３は開先倣い方法の倣い信号検出方法を示した模式図、図４は狙い位置によるビード形状の差異を示す説明図、図５は母材の溶接線に仮付けが行われている場合の倣い信号の変化を示す説明図、図６は仮付けが行われている母材の溶接線に溶接された場合のビード形状を示す説明図である。
図において、１は被溶接材である下板１ａに上板１ｂを重ねてなる母材、２は母材１の開先線に位置される非消耗電極であるタングステン電極、３は回転駆動モータ、３ａは回転駆動モータ３のシャフト、４はシャフト３ａに取り付けられ、回転駆動モータ３により高速回転を与えられる駆動ギヤ、５は駆動ギヤ４により高速回転を与えられる従動ギヤ、６はタングステン電極２を先端に設けたコレットチャック６ａで保持する円筒状の電極保持部材、６ｂは電極保持部材７の下方に設けられ、タングステン電極２を取り囲むガスカップである。
【０００９】
７は電極保持部材６の上部を回転自在に支持する上部自動調心ベアリング、８は上部自動調心ベアリング７をリング回転中心から一定量偏心して保持する、即ち電極保持部材６の上部を従動ギヤ５の回転中心から一定量偏心して保持する偏心リングであり、上部自動調心ベアリング７とで偏心リング部材を構成する。９は偏心リング８を一体的に収納する偏心リング保持ケースで、従動ギヤ５に一体的に取り付けられている。１０は電極保持部材６の下部を支持する下部自動調心ベアリングである。１１は回転駆動モータ３の回転角度位置、即ちタングステン電極２の先端の回転角度位置を検出するエンコーダ等の回転位置検出器である。なお、電極保持部材６に保持され、その軸線上に位置するタングステン電極２と母材１との間には後述する定電流溶接電源装置により溶接電圧が印加され、アークが発生している。１２はタングステン電極２〜回転位置検出器１１から構成される電極回転ＴＩＧトーチである。
【００１０】
１２は電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転ＴＩＧトーチで、図２に示したタングステン電極２〜回転位置検出器１１で構成されている。１３は定電流溶接電源装置、１４はタングステン電極２と母材１間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出器、１５はタングステン電極２を所望回転数で回転させるための回転速度設定器、１６は回転速度設定器１５によって設定された回転数設定値に基づき回転駆動モータ３を駆動する回転用モータドライバである。
【００１１】
１７はタングステン電極２と母材１間の基準アーク電圧を設定するアーク電圧基準設定器、１８はアーク電圧検出器１４の検出値とアーク電圧基準設定器１７の基準値との差を比較演算する差動増幅器、１９は差動増幅器１８の出力に基づきトーチ昇降機構２０の昇降用モーター２１を回転制御する昇降用モーター制御器、２２はトーチ横移動機構２３の横移動用モータ２４を回転制御する横移動機構制御器、２５はトーチ昇降機構２０とトーチ横移動機構２３とを支持して母材１上を走行する溶接台車である。
【００１２】
２６は回転位置検出器１１の位置検出信号に基づいて予め設定した２つの所定角度範囲の検出信号について積分器を動作させる信号を出力するタイミング回路、２７ａ，２７ｂはアーク電圧検出器１４のアーク電圧の検出信号が入力されると共にタイミング回路２６からの信号も入力される積分器、２８は積分器２７ａ，２７ｂから出力された積分値の差ΔＳを求める第１比較器、２９は電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交する方向で溶接線近傍の所定狙い位置に設定させる基準値を出力するトーチ狙い位置設定器、３０は第１比較器２８から出力された積分値の差ΔＳとトーチ狙い位置設定器３０の基準値との差Ｓを求めて出力するる第２比較器、３１は第２比較器３０から出力された差Ｓに基づいて当該差Ｓが零となるように制御信号を横移動機構制御器２２に出力する溶接線倣い制御回路である。
【００１３】
３２は第２の比較器３０からの差Ｓのある区間毎即ち、所定時間間隔での平均値を演算し、記憶して出力する差信号平均値メモリ回路、３３は電極回転ＴＩＧトーチ１２の倣い制御を停止させる基準値を出力する倣い制御停止設定器、３４は差信号平均値メモリ回路３２から出力された平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器３３の基準値との差Ｓ1 を求めて出力する差動増幅器、３５は差動増幅器３４から出力された差Ｓ1 と第２比較器３０からの差Ｓとの差Ｓ2 を求めて出力する第３の比較器、３６は第３の比較器３４から出力された差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接線倣い制御回路３１から横移動機構制御器２２への信号の出力を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接線倣い制御回路３１から横移動機構制御器２２への信号の出力を続行させる倣い制御オン・オフ切換器である。
【００１４】
次に上記実施形態１の動作を説明する。
まず、図２に示す実施形態１の電極回転ＴＩＧトーチ１２の動作を説明する。回転駆動モータ３が回転すると、その回転は駆動ギア４、従動ギヤ５及び偏心リング保持ケース９を介して偏心リング８に伝達される。偏心リング８は電極保持部材６の上部を回転自在に支持している上部自動調心ベアリング７をリング回転中心から一定距離離れた偏心位置に回転自在に保持しているから、電極保持部材６の上部は偏心リング８の回転に伴いその回転軸を中心として旋回することになる。また、電極保持部材６の下部は、偏心リング８の回転中心に同軸で取り付けられ且つその周囲を固定された下部自動調心ベアリング１０にも保持されているから、下部自動調心ベアリング１０と偏心リング８との作用により、電極保持部材６の下部から下方に伸びるタングステン電極２の先端は、下部自動調心ベアリング１０を回転中心の支点としたスリコギ式の円運動を行うことになる。
【００１５】
タングステン電極２の先端が円運動をしているときに、タングステン電極２の基部を保持している電極保持部材６の下部は下部自動調心ベアリング１０に回転自在に支持され、回転中心の支点となっており、それ自体は回転しないので、図示しない給電ケーブルによって電極保持部材６の下部に位置するタングステン電極２に直接給電することができる。なお、上記上部自動調心ベアリング７及び下部自動調心ベアリング１０に代えて球面すべり軸受、ユニット用玉軸受等、同様の機能を果たす自在軸受で代替することもできる。
【００１６】
次に、電極回転ＴＩＧ溶接装置の動作について説明する。
例えば厚みが２mmのステンレススチールの薄板を重ね溶接する場合、非消耗電極であるタングステン電極２の電極回転直径を２．５mmとし、回転駆動モータ３により電極回転周波数を３〜５Ｈｚとし、定電流溶接装置１３により溶接電流を１４０Ａで、タングステン電極２の先端に円運動を与え、タングステン電極２に発生するアークを高速回転させながら、母材１の溶接線に沿って溶接速度２５〜３０cm/ 分で重ね溶接を行う。このとき、トーチ傾斜角は０±１０°以内の適正値に保持されている。
【００１７】
トーチを静止させた状態では、アークが溶接部に一点集中してアーク直下が常に溶融していたものが、アークを発生させながらタングステン電極２の先端が機械的にほぼ円状に円運動して溶接を行うため、母材１の被溶接部に対して溶接アークはタングステン電極２の先端の回転に伴って被溶接部を円状に移動し、アーク直下の溶融部がある回転径で移動することになり、アークの被溶接部への入熱がある径に分散された形となり、その結果、広幅、浅溶込みの溶接部を高速で効率よく形成することができる。
【００１８】
なお、ＴＩＧアークの特性上、上記のタングステン電極２の回転による効果は回転に伴ってアークが溶融部を移動可能かどうかで決まり、ＴＩＧアークの場合は電極回転周波数は約２０Ｈｚ程度が限度である。また、入熱の分散効果はある回転径以上で見られ、また、入熱分散による母材の溶融効率の大幅な低下によりその回転径の最大値が決定される。薄板の重ね溶接で用いられる溶接電流が十数Ａ〜二百数十ＡのＴＩＧアークの場合には回転径として１〜４ｍｍ程度が適正な範囲である。そして、この回転径の適正範囲は使用する溶接電流の値に依存する。
【００１９】
次に、溶接中における開先線倣い方法について図１、図３〜図６に基づいて説明する。
まず、開先線倣い方法の原理について説明する。
電極回転ＴＩＧトーチ１２に設けられたタングステン電極２が重ね溶接される下板１ａと上板１ｂとからなる母材１の溶接線に沿って溶接を行っていく。そして、図３の（ａ）に示すようにタングステン電極２の先端、即ちアークがアークの回転円Ｒの進行方向の後方中心Ｃ．Ｒ位置であるＡ点から下板１ａ側のＢ点にくると、図３の（ｂ）に示すように下板１ａ側の回転位置でのアーク電圧検出器１４が検出するアーク電圧は次第に上昇し、Ｂ点でアーク電圧の上昇はほぼ最大になる。その後、Ｂ点からアークの回転円Ｒの進行方向の前方中心Ｃ．Ｆ位置であるＣ点にくるに従いアーク電圧は次第に減少し、さらにアークが回転して今度はＣ点から上板１ｂ側のＤ点にくると、上板１ｂ側の回転位置でのアーク電圧検出器１４が検出するアーク電圧は次第に減少し、Ｄ点でアーク電圧の減少はほぼ最大になる。その後、Ｄ点からＡ点にいくに従いアーク電圧は上昇する。
【００２０】
図３の（ｂ）は基準電圧を基準として上記アーク電圧の変化を示したもので、その斜線部分ＳＬ、ＳＲは図３の（ａ）のアークの回転円の進行方向の前方中心Ｃ．Ｆを基準として左右の０°〜９０°（Ｒ領域）と２７０°〜３６０°（Ｌ領域）の２つの所定角度範囲θ１，θ２の積分値を表したものである。
従って、回転するタングステン電極２の下板１ａ側と上板１ｂ側のアーク電圧をそれぞれ検出し、両者の電圧を比較すれば、タングステン電極２の先端の回転円Ｒの中心が母材１の溶接線に位置しているかどうかがわかる。
そこで、下板１ａ側と上板１ｂ側とのアーク電圧を検出し、検出した電圧を比較してその差を求め、その差を溶接線位置を検出できるように設定された基準値と比較することにより、タングステン電極２の先端の回転円Ｒの中心が母材１の溶接線に位置しているかどうかがわかる。
【００２１】
ところで、重ね溶接される下板１ａと上板１ｂとからなる母材１の溶接線に仮付けＰが行われている場合、かかる電極回転ＴＩＧトーチ１２を適正位置に制御する方法では、電極回転ＴＩＧトーチ１２の位置精度及び追従性が良好なため、仮付けＰのある場所では、必ず上板１ｂ側に修正移動されるため、ビードが仮付け部で図６の破線で示すように上板１ｂ側に蛇行したようになる。また、電極回転ＴＩＧトーチ１２が仮付けのある場所にきたときには、第２比較器３０から溶接線倣い制御回路３１に出力される差の信号Ｓは図５に示すように、大きく変化する。かかる差の信号の変化は外来ノイズが混入することによっても生じる。
【００２２】
このように、開先倣い実施時には開先倣いのための誤差信号はほぼ一定に維持され、開先の位置ズレの場合には僅かな変化しか生じないのでこの変化を捉えて開先倣いを行い得る。しかしながら仮付け等があると開先倣いのための検出信号に明確なかつ大きな変化が現れる。
そこで、従来の電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法では、溶接線倣いに用いるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差を所定のしきい値と比較した差Ｓのある区間の平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器の基準値との差が所定の倣い制御停止レベル値以上の時に溶接トーチの倣い移動制御を停止させることにより、仮付け等があるときには倣い制御の実行を停止して倣いの安定化を図っている。
そして、倣い制御の停止の誤動作を防止するため、積分値の差ΔＳを所定のしきい値と比較した差の信号Ｓの平均値ＳAVE をとるための平均する区間を増やすことが考えられる。
【００２３】
しかし、この従来の方法では平均する区間を増やすと、その平均区間の中に仮付け区間が含まれた場合に、その平均区間の上記差Ｓのある区間の平均値ＳAVE がそれ程増加しないため、倣い制御停止設定器による基準値との差が倣い停止レベル値を越えることはなく、その仮付け区間に対しても倣い制御が行われて仮付け部の位置で倣いが停止しなくなる事態が起きることがある。
そこで、本発明では平均する区間を増やしても、このような仮付け部の位置で倣いが停止しなくなる事態が生じないようにするため、上記差Ｓのある区間の平均値ＳAVE と倣い制御設定器の基準値との差Ｓ1 の信号と１回転毎に出力される差Ｓとを比較して差Ｓ2 を求め、その差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えた場合に、倣い制御を停止させ、その差Ｓ2 が所定の倣い停止レベル値を越えない場合は倣い制御を続行する。
【００２４】
このように上記差Ｓのある区間の平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器による基準値との差Ｓ1 の信号を直ちに所定の倣い制御停止レベル値と比較せず、１回転毎に出力される差Ｓとを比較して差Ｓ2 を求め、その差Ｓ2 を所定の倣い停止レベル値と比較するようにしたのは、仮付け部の位置にきたときには１回転毎に出力される差Ｓは図５に示すように大きく変化するため、その差Ｓ2 が大きくなって所定の倣い停止レベル値を越えることとなり、仮付け部の位置では必ず倣い制御を停止させることができるからである。
この一連の制御を繰り返すことにより、仮付け部やノイズが混入した場合でも、ビードが上板側に蛇行せず止端部の整ったビードが得られる。
【００２５】
さらに精度よく実施するためには、上記差Ｓのある区間の平均値をとる際、倣い制御を停止させる区間、即ちノイズが信号に混入したり、仮付け部に入ったり等したりして差Ｓがある値以上の時となる区間は平均値をとる対象としないことである。
このことにより、上記差Ｓのある区間の平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器３１による基準値との差Ｓ1 の信号と１回転毎に出力される差Ｓとを比較して差Ｓ2 を求めるときに、平均値ＳAVE が大きくなることはないため、仮付け部の位置にきたときの１回転毎に出力される差Ｓとを比較して求められる差Ｓ2 が大きくなるからである。
【００２６】
次に、開先線倣い方法について説明する。
電極回転ＴＩＧトーチ１２に設けられたタングステン電極２が重ね溶接される下板１ａと上板１ｂとからなる母材１の溶接線に沿って溶接を行っていくとき、アーク電圧検出器１４はタングステン電極２先端の回転によって変化しているアーク電圧を検出し、積分器２７ａ，２７ｂに入力している。
一方、回転位置検出器１１は回転しているタングステン電極２の回転位置を検出して位置検出信号をタイミング回路２６に出力している。そして、タイミング回路２６では回転位置検出器１１の位置検出信号に基づき、予め設定した上板１ｂ側の例えば４５°〜９０°である４５°の角度範囲θ１と下板１ａ側の例えば３１５°〜３６０°である４５°の角度範囲θ２において積分器２７ａ，２７ｂがアーク電圧を積分するようにしている。
【００２７】
積分器２７ａ，２７ｂがアーク電圧を積分した積分値は第１比較器２８に入力される。このように積分器２７ａ，２７ｂで積分するのはアーク電圧波形にノイズがあり、その影響を受けないようにするためである。第１比較器２８では積分器２７ａによる積分値ＳＬと２７ｂによる積分値ＳＲの差ΔＳを求め、それを第２比較器３０に出力する。第２比較器３０では第１比較器２８で求めた積分値の差ΔＳとトーチ狙い位置設定器２９によって設定された所定の基準値と比較し、その差Ｓの信号を溶接線倣い制御回路３１に出力する。溶接線倣い制御回路３１では第２比較器３０で求めた差Ｓが零となるような横移動指令信号を横移動機構制御器２２に出力する。
【００２８】
このとき、溶接線倣い制御回路３１と横移動機構制御器２２との間に設けられている倣い制御オン・オフ切換器３６は後述するように信号を通すように開いており、横移動機構制御器２２は横移動用モータ２４を回転させてトーチ横移動機構２３を駆動して電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交する方向に移動制御して薄板重ね部の溶接線に電極回転ＴＩＧトーチ１２がくるように、即ちタングステン電極２の先端の回転円の中心が溶接線に位置するように電極回転ＴＩＧトーチ１２を適正位置に制御するようにしたものである。
【００２９】
そこで、母材１の溶接線に仮付けが行われている場合の開先倣い実施時には、開先線倣い方法は次のように行われる。
まず、仮付けが存在しない母材１の溶接線に対しては、上述の如く、第２比較器３０から出力された第１比較器２８で求めた積分値の差ΔＳとトーチ狙い位置設定器３０の所定の基準値と比較した差Ｓが溶接線倣い制御回路３１に出力され、溶接線倣い制御回路３１では第２比較器３０で求めた差Ｓが零となるような横移動指令信号を横移動機構制御器２２に出力し、横移動機構制御器２２は横移動用モータ２４を回転させてトーチ横移動機構２３を駆動して電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交する方向に移動制御して薄板重ね部の溶接線に電極回転ＴＩＧトーチ１２がくるように、電極回転ＴＩＧトーチ１２を適正位置に制御する。
【００３０】
次に、仮付けが存在する母材１の溶接線に対しては、仮付けが存在しない母材１の溶接線に対して行われている開先線倣い制御中に、差信号平均値メモリ回路３２が第２比較器３０から出力された差Ｓのある区間毎での平均値ＳAVE を求め、それを差動増幅器３４に出力している。差動増幅器３４では差信号平均値メモリ回路３２の平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器３３の基準値との差Ｓ1 を求めて第３の比較器３４に出力している。第３の比較器３４では差動増幅器３４が出力する差Ｓ1 と第２比較器３０から出力された差信号Ｓとの差Ｓ2 を求めて倣い制御オン・オフ切換器３５に出力する。
【００３１】
制御オン・オフ切換器３５では第３の比較器３４から出力された差Ｓ2 が倣い制御停止レベル値を越えるときは溶接線倣い制御回路３１から横移動機構制御器２２への信号の出力を停止させて溶接トーチの移動制御を停止させる。また、第３の比較器３４から出力された差Ｓ2 が倣い制御停止レベル値を越えないときは倣い制御オン・オフ切換器３６は信号を通すように開いており、溶接線倣い制御回路３１から横移動機構制御器２２への信号の出力を続行させて溶接トーチの移動制御を続行させる。
このようにすることにより、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチが適正位置に制御されてビードの蛇行がかなり緩和される。
【００３２】
なお、トーチ狙い位置設定器２９はタングステン電極２の先端、即ちアークの回転円の中心が溶接線に位置するような図４に示す狙い位置Ａのときは、基準値が例えば０Ｖに設定されており、アークの回転円Ｒの中心が溶接線と直交する方向で、図４に示す狙い位置Ｂの位置にくるようにするときは基準値を例えば０．７Ｖ、図４に示す狙い位置Ｃの位置にくるようにするときは基準値を例えば１．０Ｖに設定すればよい。従って、アークが常に溶接線と平行な狙い位置に適正に存在するよう調整することができる。
このように、溶接中におけるアーク電圧を検出し、アーク電圧を信号処理してアークの回転円Ｒの中心が狙い位置に位置するように制御して電極回転ＴＩＧトーチ１２を自動追従させるようにしているため、溶接アーク自体がセンサの役目を果たし、溶接過程で溶接線に沿って電極回転ＴＩＧトーチ１２を精度よく追従できる。
【００３３】
実施形態２
図７は本発明の実施形態２の開先倣い制御装置の全体を示す構成図である。図において、実施形態１と同様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。この実施形態の差信号平均値メモリ回路３２は記憶開始タイミング信号を受けてから記憶終了タイミング信号を受けまでの間に入力された第２の比較器３０からの差Ｓの平均値ＳAVE を演算し、記憶して出力するものである。３７は入力側が第３比較器の出力側に接続され、出力側が差信号平均値メモリ回路３２のもう一つの入力側に接続された差信号メモリタイミング回路で、差信号平均値メモリ回路３２に記憶開始タイミング信号を所定時間間隔毎に出力すると共に次の記憶開始タイミング信号からはその直前に記憶終了タイミング信号を出力し、第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 が所定のメモリ禁止レベル値を越える場合には次の記憶開始タイミング信号を出力する直前より前のそのメモリ禁止レベル値を越える時に記憶終了タイミング信号を出力するものである。
【００３４】
この実施形態では、停止の誤動作を防止するために平均区間を増やすように、差信号メモリタイミング回路３７が記憶開始タイミング信号を所定時間間隔毎に出力する所定時間間隔を大きくとっている。また、平均区間を増やしたときに仮付け区間が含まれる場合があることを考慮して、仮付け区間が含まれたときにその平均区間の第２比較器３０から出力された差Ｓの平均値が上昇しないように、言い換えればその仮付け区間については平均値をとる対象としないために、差信号メモリタイミング回路３７が第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 と比較する所定のメモリ禁止レベル値は平均区間に仮付け区間を含まない場合における第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 より少し大きい値に設定されている。
【００３５】
つぎに、実施形態２の開先線倣い方法について図７に基づいて説明する。
この実施形態においては、実施形態１と異なる動作についてのみ説明する。
この実施形態では、差信号平均値メモリ回路３２が第２の比較器からの差Ｓの平均値ＳAVE を演算する平均区間に仮付け区間を含まない場合は、第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 が所定のメモリ禁止レベル値を越えない時であり、差信号メモリタイミング回路３７は差信号平均値メモリ回路３２に記憶開始タイミング信号を所定時間間隔毎に出力すると共に次の記憶開始タイミング信号からはその直前に記憶終了タイミング信号を出力する。
【００３６】
従って、差信号平均値メモリ回路３２は差信号メモリタイミング回路３７からの記憶開始タイミング信号を受けたときから記憶終了タイミング信号を受けるまでの間の第２の比較器３０からの差Ｓについての平均値ＳAVE を演算し、記憶して差動増幅器３４に出力する。そして、差信号平均値メモリ回路３２はその直後に次の記憶開始タイミング信号を受けると、それ以前に記憶された平均値ＳAVE を消去して再びそのときから記憶終了タイミング信号を受けるまでの間の第２の比較器３０からの差Ｓについての平均値ＳAVE を演算し、記憶して差動増幅器３４に出力する。このような動作を順次繰り返していく。
この場合には、差信号平均値メモリ回路３２から出力される平均値ＳAVE は一定に維持される。
【００３７】
次に、差信号平均値メモリ回路３２が第２の比較器からの差Ｓの平均値ＳAVE を演算する平均区間に仮付け区間を含まれる場合は、第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 が所定のメモリ禁止レベル値を越える時であり、差信号メモリタイミング回路３７は差信号平均値メモリ回路３２に記憶開始タイミング信号を所定時間間隔毎に出力するが、記憶終了タイミング信号は次の記憶開始タイミング信号の直前ではなく、メモリ禁止レベル値を越える時に記憶終了タイミング信号を出力する。
従って、差信号平均値メモリ回路３２は差信号メモリタイミング回路３７からの記憶開始タイミング信号を受けたときから上記記憶終了タイミング信号を受けるまでの間の第２の比較器３０からの差Ｓについての平均値ＳAVE を演算し、記憶して差動増幅器３４に出力する。このときは、メモリ禁止レベル値は第３の比較器３５から入力された差Ｓ2 の値より少し大きく設定されているから、差信号平均値メモリ回路３２は仮付け区間に入ると直ぐに記憶終了タイミング信号を受けるため、差信号平均値メモリ回路３２から出力される平均値ＳAVE は略一定に維持される。
【００３８】
そして、差信号平均値メモリ回路３２は記憶終了タイミング信号を受けてから少し経ってから次の記憶開始タイミング信号を受け、それ以前に記憶された平均値ＳAVE を消去して再びそのときから記憶終了タイミング信号を受けるまでの間の第２の比較器３０からの差Ｓについての平均値ＳAVE を演算し、記憶して差動増幅器３４に出力する。それ以降は、上述した平均区間に仮付け区間を含まれない場合と仮付け区間を含む場合のいずれかの動作が繰り返えされることとなる。このように、平均区間に仮付け区間を含まれない場合と仮付け区間を含む場合の何れの場合にも、差信号平均値メモリ回路３２から出力される平均値ＳAVE は略一定に維持される。
【００３９】
従って、上記差Ｓのある区間の平均値ＳAVE と倣い制御停止設定器３３による基準値との差Ｓ1 の信号と１回転毎に出力される差Ｓとを比較して差Ｓ2 を求めるときに、平均値ＳAVE が大きくなることはないため、仮付け部の位置にきたときの１回転毎に出力される差Ｓとを比較して求められる差Ｓ2 が大きくなるから、仮付け部の位置にきたときに差Ｓ2 が倣い制御停止レベル値を確実に越えることとなり、仮付け部の位置で倣い制御が確実に停止され、倣い制御が精度よく実施されることとなる。
【００４０】
なお、上記実施形態において、アークの狙い位置はが微妙なものであり、０．２〜０．３ｍｍ変わるとビード形状が悪化することがある。また、板厚により狙い位置も変わり、狙い位置によりビード形状が変化する。トーチ角度は概略垂直±１０°以内が望ましく、０．５〜２．５ｍｍ程度の薄板の場合、溶接線倣いの狙い位置は上板側に０．５〜０．８ｍｍ程度はいったところがよい。
さらに、電極回転ＴＩＧトーチ１２はタングステン電極２の母材１への短絡を防止するためにトーチ昇降動作の調整を行う必要がある。電極回転ＴＩＧトーチ１２の溶接中の昇降動作の調整は、アーク電圧検出器１４によるアーク電圧検出信号と、アーク電圧基準設定器１７の基準アーク電圧の偏差を差動増幅器１６により演算し、この偏差が常の零となるように昇降用モーター制御器１９が昇降用モーター２１を回転制御して電極回転ＴＩＧトーチ１２を昇降させることによって行われる。
【００４１】
上記実施形態１、２では、積分器２７ａ，２７ｂで積分するアーク電圧の対象を下板１ａ側では０°〜４５°である４５°の角度範囲θ１とし、上板１ｂ側では３１５°〜３６０°である４５°の角度範囲θ２としているが、下板１ａ側では０°と５°〜１８０°で囲まれる１７５°までの角度範囲θ１とし、上板１ｂ側では１８０°〜３５５°と３６０°で囲まれる１７５°までの角度範囲θ２としても、アークの回転円Ｒの中心が溶接線に対して適正位置にくるように制御できることはいうまでもない。
【００４２】
上記実施形態では、２つの積分器２７ａ，２７ｂを用いているが、１つの積分器で２つの所定角度範囲の検出信号についてそれぞれ積分し、２つの積分値を第１比較器２８に出力してもよく、この場合、一方の所定角度範囲の検出信号について積分し、その値を他に転送後、高速でリセットし、他方の所定角度範囲の検出信号について積分を行えば１つの積分器でも充分である。
また、上記実施形態では、電極回転ＴＩＧ溶接方法及び電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転ＴＩＧトーチ１２について説明したが、本発明はタングステン電極を用いるプラズマ溶接或いはタングステン電極以外の銅電極、炭素電極という非消耗電極を用いた他の溶接方法及び溶接装置にも適用され得ることはいうまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上説明したとおり、溶接トーチに設けられた非消耗電極先端に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを一方向に高速回転させながら薄板重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行っている場合に、アーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なアークの回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差ΔＳと所定のトーチ狙い位置のしきい値とを比較して差Ｓを求め、その差Ｓが零となるように上記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し、その制御中に上記差Ｓのある区間での平均値ＳAVE を求め、その平均値ＳAVE と溶接トーチの倣い制御を停止させる基準値とを比較して差Ｓ1 を求め、その差Ｓ1 と上記差Ｓを再び比較して差Ｓ2 を求め、その差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えたときは溶接トーチの移動制御を停止させ、上記差Ｓ2 が所定の倣い制御停止レベル値を越えないときは溶接トーチの移動制御を続行させ、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位置に制御するようにしたので、薄板の重ね溶接継手部の溶接線の自動開先倣いが可能となり、広幅、浅溶込みの溶接部を高速で効率よく形成することができ、さらにその溶接線上に仮付けやアークを乱す酸化物等の倣い信号のノイズ源となる部分が存在していた場合には、その部分で倣い制御を確実に停止して仮付けや外来ノイズ等による開先倣いの誤動作を防止するため、薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチが適正位置に制御されてビードの蛇行がかなり緩和され、溶接部の要求するビード形状の維持ができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の開先倣い制御装置の全体を示す構成図である。
【図２】電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転ＴＩＧトーチを示す断面図である。
【図３】開先線倣い方法の倣い信号検出方法を示した模式図である。
【図４】狙い位置によるビード形状の差異を示す説明図である。
【図５】母材の溶接線に仮付けが行われている場合の倣い信号の変化を示す説明図である。
【図６】仮付けが行われている母材の溶接線に溶接された場合のビード形状を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態２の開先倣い制御装置の全体を示す構成図である。
【符号の説明】
１    母材
２    タングステン電極（非消耗電極）
１１    回転位置検出器
１２    電極回転ＴＩＧトーチ
１４    アーク電圧検出器
２２    横移動機構制御器
２３    トーチ横移動機構
２４    横移動用モータ２４
２６    タイミング回路
２７ａ  積分器
２７ｂ  積分器
２８    第１比較器
２９    トーチ位狙い位置設定器
３０    第２比較器
３１    溶接線倣い制御回路
３２    差信号平均値メモリ回路
３３    倣い制御停止設定器
３４    差動増幅器
３５    第３の比較器
３６    倣い制御オン・オフ切換器
【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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