溶接条件の自動決定
大阪大学工学部

黄地尚義

はじめに与えられた溶接対象物に対し、技術者は適切な溶接施工法・施工条件を選択・決定しなければならない。いうまでもなく、この決定には高度の技術的判断が要求され、技術者には各施工法に対する広範でかつ深い知識が必要とされる。このため、溶接技術情報とか各種計算プログラムを蓄積し、技術者の意思決定を支援する試みが検討されている。

ここでは、溶接施工法ならびに施工条件の選択・決定問題を対象に、その現状と課題にっいて述べる。

1

問題とその背景
図1は溶接プロセスにおける入力と出力の関係を示している。溶接条件を定自動的に決するためには、入力（溶接条件）と出力（溶接結果）の関係を何らかの形で結びっけておく必要がある。したがって、ここでの課題は上述の関係をいかにして表現するかということになる。

図2に示すように、溶接現象は極めて多くの因子によって左右される。また、各因子の影響も単純ではない。図3は、そのような一例で、GTA（ガス・タングステン・アーク）

溶接の溶込み特性に及ぼす母材（SUS304）中のS（硫黄）量の影響を示したものである。

図のように、GT

Aによる母材の溶融現象はみかけの溶接条件がたとえ同じであっても、母材中に含まれる微量な元素の差によって著しく影響されるH）。この例からも明らかなように、厳密な意味で、溶接現象を予測することは極めて難しいといえるが、適用範囲を限定すれば、ある程度までの予測が可能となる。

ここでは、このような前提に基づき、溶接条件の自動設定手法として重要と考えられる
以下の二っの手法、すなわち①実験データをべ一スとする溶接条件の推定手法②計算モデルをべ一スとする溶接条件の推定手法について述べる。

35

Wo r k/Wi r e( t )Disturbance

Che! ical con:position( ;1L

Size/DiaHetert)

Ga s/F I ux
( Sl‑'V FfF)

e t c.

J1i f j7)

We I d i ng(tkl;f))

Arc current

process

Penetration(A;Output

Input

Bead shape

Arc voltage(i'elding speed:a) i

7f r'; ;! ‑F ? r ;(71 p ; )Joint strength)/ t ( $ : E)

( !

;(t})

(tB

74iTtt: :r !9$ lt!

('/ IJ v F SLA)

'i;

4 t

i‑ */J Il

T‑pJ!

,

4‑t :Itfi :1'1fISI tt

1 i ElLl

IE E

L‑l21!

TIG

Arc [ength : 5 mm

Stcl'nless steel (lS mmt )Operatir]g time : 60 s

He shie[ded:( 100 A )shielded :ArtlOryQH2

7 ..

.rl3( 100 A )(100A) ' I ;7Ar sh'e[ded7Ar shieided:( 150 A )5 mm

T1 (0'oa2 ela S )T2 (0.006 "I,S )T3 (0'009 efo S )‑ 36 ‑

1 :7t; S (7) *'."

(GTA, SUS304"*II

実験データをべ一スとする推定手法

実験データをべ一スとする手法は、後述する数値的又は解析的モデルによる手法に比べれば、より多様な目的に利用できるという特徴がある。これは、現実に直面する施工上の問題においては、現象を記述する物理的モデルすら構成できない場合が多いことによる。
実験データをもとに溶接条件を推定する手法としては次の二っが代表的である5，6》。

①溶接条件をデータベース化、又は標準化し、これを直接参照し、（溶接対象物の類似性に基づき）、必要なパラメータを逆推定する。

②溶接条件と結果の関係を統計的に処理し、得られた実験的関係式を用いて必要なパラメータを逆推定する。

ここでは、後者とくに実験式を用いて溶接条件を推定する場合を中心に述べる。

まず、いくっかの例を挙げる。図4は、益本ら7）により紹介されたもので、ZIS（東ドイツ，中央溶接研究所）の溶接用技術情報システムである。付表に示すような計算プログ
ラムを整備し、電話回線を利用して溶接条件やコスト等に関する情報を提供している。
このような計算プログラムの具体例7−12）として、ここでは、益本ら8）によるC

O21型

突き合せ一層溶接条件設定プログラムを図5に示す。与えられた溶接対象物に対し、溶接パラメータを推定するには、溶接パラメータと溶接結果との関係を定量化しておく必要がある。このプログラムでは、実験式による表現が用いられており、例えば、溶込みの推定にはJacksonらによる次の実験式13）が応用されている。

P＝K・14／3V

2〆3WS−1／3

P二溶込み深さ、I（1）l溶接電流、V＝電圧、W

S＝速度、Kl定数

上例からも推察されるように、溶接パラメータと結果を結び付ける手段として実験計画法がよく用いられる11，目．15）。Dubovetskiiらl

接および丁型継手の水平隅肉溶接を対象に、C

Dらは、図6に示すような両面突合せ溶O2溶接条件の設定プログラムを試作している。具体的には、付表に示すようにワイヤ径d。，、ワイヤ送給速度v。f、アーク電圧
V、，。、溶接速度v、を因子にとり、ワイヤ径をブロック因子とし、それぞれのワイヤ径に対し、3因子［v。f，V，，，，v、］の複合計画16，1了）を実施している。その結果をもとに、溶込み寸法、スパッタ損失等に関する回帰式
Yi−fi（v。．f，Va，。，Vw，d。2）（i＝1，2，・・。）（2）を導いている。次に、これらの回帰式を用いて溶接条件を推定している。例えば、溶込み確保とスパッタ損失が許容値以下であるという制約条件のもとで、
Vw

一一一

max．

（3）

なる最適問題を設定し、必要な溶接条件を算出している。

一37一

ir " ,, lEll'tlf‑ 'It FeJtop'=th""",It

CO' I It
' : []Cl ･,‑If t: [nJ l74ttifl.:[lJ l I""f'i dtt C]C]} 't*Ai 'I

f' I,I ;f, I '; , ･Li:t:

ZIS ‑*'*‑rC][]u' / I " 1!lF ' "" t't'Itlt

L'+.̲‑ f

7 1 ‑'[lCl rTEill7T1't S 7f+ ' lrt T"I't!" '[][]C]

7'F1'r riiF rC] e LJ' I T‑,',rl hl" dt t[] D.u'tt$' "ItFtallttt lC]C]C]

l4ZIS IC 5eJ i i t*R/;E =":1 F : (mm)

T;

TE:

ir :( ! tt i) (R,m)

GAP: 'L‑ hr*)

' ‑‑ hf:.1P '. (Ttm)

I;

i

= iV;

i4EE rv): i ; !: (glmin)

IR;

(A)

SD; i* Fi l(m l2)

S:i(cm/min)

L,:f

P:

PN; rl5(mm)GAPnax:(C 02 1i ; j(t :i( :;I fl : ) ( Io')

*i

*c:.

Q1U)

Selbai: r iil li a);t J I‑ 38 ‑) (1)1 =] ' K i ri 1 ) 8)sl(el6Ili * * ')lJ％lV）

400 30lII

メてI（⊂mγm，nヂ。

廻り 寿一、声二 一rび一一

一一一

◆r／ゼし

40

1漸一20r〆

i

800

35

一−−60（b）（a｝

図7

実験計画法による実験式の作成（要因実験3×3×3）
κoXCxθ
Il［i／オ！L

L

一一㌧矛

κθ
1
l l／

ぬ一

メ／

メ

為一rレチー／／ふr一一＿＿lI
olExtendedlal

図8lbl

一部実施実験計画（a）と複合計画（b），rl【刷m』rl

一→（3因子系）

・レ

050

匡耐ml吋

60

70

2020
ヨスヨロコ

ゑヲ

3罵3鷹3ドS。帽e2。，4・，6・cm【k墓toE」A西厚E

experimentql

point

30，50cm．／瓢、謂・7・一m匹nかドロ（EE

灘1ノ／E

③ドるζ
1・！

評

1mlハ…

／

挿

10o．33（〕21副、5F．）

520／8馬88

無パ54

iタ1：一032（、O￡、5（mm）（b）外部推定

実験式による予測（下向隅肉、脚長の予測）

一3931，9）

／「

5（mm）

内部推定

図9

メの、／伽轡

5f

ロ．／／

1111、56㌦、、O

ひ暫／

15／98・

凄

5O

typ◎

SqmPl。30，40，50cm（D⊂RP）ドしロほ

15酬n2G以下、実験式による推定に際しての留意点について簡単に述べる。
図7は実験計画法j7，18）を利用して溶接条件と結果とを関係づける場合を示している。

具体的には、アーク溶接条件の溶込み形状に与える影響を検討するものとし、溶接条件としては、アーク電流1、電圧V、、溶接速度vの3因子に注目している。図ではそれぞれの因子を3段階（水準と呼ぶ）変化させている。この例のように、実験に際して、全ての水準の組合せをt回繰り返し検討する場合、これを要因実験（factorialdesign）という。・

したがって、図7のような実験を3因子3水準（3×3×3）の要因実験と呼ぶ。容易に推察できるように、要因実験では因子および水準数が多くなると実験数が急激に増大し、実験が効果的でなくなる。そのような場合には、図8に示す一部実施実験（直交表による実験）や複合計画などを利用することができる17｝。

さて、図9は、図7の要領で作成した実験式を用いて、サブマジアークによる下向き隅肉溶接の脚長の予測を試みた例である。（a）（b）両図において、●印は実験式の作成に利用した要因実験点（3x3x3、t＝2）を、○印は実験式の推定精度を検討する目的で利用した実験点を意味している。すなわち、（a）図では、予測される点が要因実験領域の内部にあり、いわゆる内部推定（interpolation）の問題となっているのに対し、（b）図では外部推定（extrapolation）の問題となっている。当然のことながら、外部推定（b）では推定の精度が著しく低下するので、実験式の予測への適用に際しては内部推定となるよう注意する必要がある。

いうまでもなく実験式の作成に際しては、多くの条件又はパラメータが、暗黙のうちに、固定・利用されている。たとえば、図9の例では材料の化学組成、試験片の寸法、卜一チの高さ・角度、電源の種類・極性、ワイヤの種類・寸法、フラックスの種類・粒度等である。

したがって、図9で用いた実験式が、厳密な意味で信頼できるのは、これら暗黙のうちに固定・利用されている条件が完全に一致している場合である。

すなわち、図9（a）に示したように、実験式による予測は比較的簡単で、実験式の作成に際して行われた実験の背景が十分に把握できている場合には、極めて有効である。

この反面、図2に示したように溶接現象は多くの因子によって影響される。このため、実験式の得られた背景を第三者に正確に伝えること、すなわち実験式の適用範囲を明示することがが意外に難しくなる。言い換えると、実験式による方法は、簡単ではあるが、汎用性のあるプログラムを作ることが難しいという欠点をもっている。

皿

計算モデルをベースとする推定手法19−2z）

溶接条件を予測する手法の一つとして、物理的モデル、又はシミュレーンヨンが有効で一40一

あろうと考えられる。ここでは、溶接条件を決定する問題を、必要な溶込みを確保する問
題、すなわち必要な温度場を確保する問題とみなし、熱伝導論的立場から検討した結果について簡単に述べる。

皿1一①

解析的モデルによる方法2G，2D

溶融溶接においては、必要な溶込みを確保することが重要となる。ここでは、この課題を次のように簡略化し検討している。図10のように、試片上の一点Sから溶接を開始し、試片上の他点Fで溶接を終了する場合を想定する。ここで、溶接線近傍にいくっかの評価点（targetと呼んでいる）を設け、そこでの温度を要求値に一致させる問題を考える。

ただし、熱源は一定速度で移動するものとし、かつ、その入熱が付図のようなパターンで与えられるものとした。具体的には、次の二つの場合を対象とし検討している20》。

［問題1］

各評価点毎に指定された時刻tk（k−1，2，3，…，Np）での各評価点の温度丁、（t、）を要求値丁。kに一致させるのに必要な入熱パターンを決定する問題。
［問題n］

各評価点の最高到達温度丁。、、，k（k−1，2，3，…，Np）を要求値丁。kに一致させるのに必要な入熱パターンを決定する問題。

図11は、問題nの典型例を示したもので、平板上に幅W。のビードを形成させる場合を例示している。この場合には、要求する溶融境界上に、図示の要領で、いくっかの評価点：（P1，P2，…，P、，）を設定し、これら各点の最高到達温度を母材の溶融温度とする問題を考えればよい。

以下、上述の問題を熱伝導方程式の解析解（基本解）を用いて表現・検討した結果20，21）を簡単に述べる。図12は問題1に関するもので、（a）図に示すような有限長さLoの薄板の一端Sから他端Fまで一定速度v、で溶接する場合の最適入熱パターンの計算例である。

具体的には、熱源が一定速度v。でSからFまで移動するものとし、熱源側方3m皿の位置の温度を1400℃（1673K）に維持する問題に対する最適入熱パターン（b）とその温度場（c）である。

（b）図に見られるように、この例では終端部での入熱を低減させることにより要求する温度場が確保されている。図13は類似な計算例で、銅（破線）、軟鋼（実線）、アルミ（点線）に対する最適パターンを対比している。

図14は、問題Hに関するもので、パイプの円周溶接に対する最適入熱パターンの計算例である。図は、板厚2皿皿、直径2．3cmのパイプ（軟鋼）に4皿m幅のビードを得るための入熱パターンである20）。

なお、ここでは計算例のみを紹介した。計算アルゴリズムの詳細20）ならびに計算結果に対する実験的な検討結果ZDについては、紙面の都合上、省略する。

一41一

しRequiredfusionboundory
PIPIP2∠Tdrget

P2Pi｛κ1，γ1）

Pr

PNp

四〇ノ2sL亟暫二＿」F
S（f＝0）

weldingdiredionlF

Heot50urce（臨o：Requlred＝ω

beαdwidth

乙・：Requiredbe。dlengthlu〜：NumberΦofheot

input

り

工o

皇0ぬ（S）
図10

O＿＿Tlmef〔F）（S）

最適入熱パターンの推定［間題1］

図11

Timef

（F）

最適入熱パターンの推定［問題H］

1500
1200
タ9DO
IQ・量500
Torgo電え

帯一6ロr

ドリ

呈300

一一丁…曽一一一騨

4ノーS（f二〇｝
Weldlng directlon

0HS（f＝i》FZOO

乙O

5Temρerotureby2000

葛缶 1，0トE

Fop＝O05言⊆800．

、一㌦r一工5、−400

Aし（T。．巳73鴎

ヌopl』mumh9αste？l8npu量

h＝0，2cm

L。＝4crn

50000000000000000000
τ。＝1673K

N＝NP；2010Tlme

15ZD

5》

（に）α4。Pコ

量3じ・2

唱一、一一一、一＿．．、＿、51｝G一⊂・σ。i1273鴎

モ
ユMiid 1（f、16ア川杭工r、20

フoo60Q

5ーL．』

le12・・

15（5）最適入熱パターンの計算例①（Lo−4cm，△y−0．3cm）20）

h＝OZcm L●＝4cm
Vw二〇2⊂mF。P＝O N二Np：20＿1600

タf）w■02cm0

図1210Mlidよ（ωmp（b》ooTIエ200㌦乳＿㌔．

L一．．．．

1000Timg〜〔5）図13最適入熱パターンの計算例②

図14AngIe θ
最適入熱パターンの計算例③（円周溶接）

一42一

皿一②

数値計算モデルによる方法且9，22）

前項では、温度場の推定に解析解を利用した。当然のことながら、解析解は多くの厳しい仮定を前提としており、これらの仮定が上述の手法の適用範囲を著しく限定する。
この難点は数値計算モデルを利用することにより、かなりの程度まで緩和できる。
ここでは、図15に示す溶融池の差分モデル23−25）を用いて、準定常状態を対象に検討した結果について述べる。

図16，17に計算例を示す。図16は、薄板の立向溶接に関するもので、溶融池形態に及ぼす重力の影響を示している。図17は、下向隅肉の溶融池現象に及ぼすアークカの影響を示したもので、計算結果は、アーク圧力により溶融池が凹む結果、溶込みが深くなることを意味している。

図18は差分モデルを用いて薄板裏波溶接の可能領域19）を推定した結果である。図19に示すように、モデルによる溶接可能領域の推定は比較的的確である。

このような数値計算モデルを用いて必要な溶接条件を機械的に設定することも可能と考えられる。図20はそのような可能性にっいて検討したもので、モデルと非線形最適化の手法とを用いて必要な溶接条件の推定を試みている。具体的には、ビード寸法で要求値を与え、その確保に必要な入熱条件（アーク電流1、、溶接速度Vw）をモデルを利用して逆推定する。たとえば、裏波溶接では、要求値として表・裏ビード幅（W，。，Wb。）を与え、次の最適問題を考える。

F（1、，Vw）＝（W、一W，。）2＋（WrWb。）2

ここで、F二目的関数（objective→min（4）function），

W，＝表ビード幅（計算値），W、。：表ビード幅（要求値）
W、：裏ビード幅（計算値），W、。＝裏ビード幅（要求値）
本研究では、（4）式を近似的に解く手法として、主に最急降下法を利用している。図20に電算機による探索例を示す。図中の折線が最急降下法による探索経路で、1、一200A，V。
一10cm／minなる点が初期値で、F，、一〇．0013なる点が得られた最適値である。図のよ・うに、電算機による探索は的確である。したがって■モデルが十分信頼できる場合には電算機による溶接条件の自動決定が可能であると判断される・

図1に示したように、現実の溶接過程においては種々の変動要因が存在し、結果の予測を難しくする。このような変動に対する一つの対策として、モデルにフレキシビリティをもたせ、モデルを系の変動に適応させればよい。図21はそのような例22）で、この例

では、温度データによるモデルの修正とモデルによる溶接条件の推定とを繰り返す。

一43一

1﹃IIB

Aiii萎i…轟：
llI

1Plh
X

＝；3＝；；…………………1…＝・

X

11
1羅…≡＝；3
11IIQ

Il﹃IlY萎iiiiiiiiii……酬

lllMoltenpoo【・一；＝■・認一壁一（q）（C）
Q：HeqtoX
Q

Heot

inpu｛

Pq；Arcpressure

inputPαlArc

Z

（a）

一恥QZX

preSSure

薄板裏波溶接（ModelI）（b）

隅肉溶接（恥delE）

図15溶融池の差分モデル24，25）
亀二Q

RH24．Omm
〃

二3，0m

y

二20，0cmlmin

η吃1σ亀1500m

ArcpressurOzone

」ノs

一『！

ノ！

一→一一！」＿

HeaUnputzone

纈鴇。

↓・→一・一・一・一甲一シ）
図16

η昌60●

￠o

図17

ゆ⊆

駒

010！

，ノ！

工つノ．，要ゆ／o

幅監㌧，

図181ユρ

薄板裏波溶接における溶接可能領域（H：板厚）

曳Hナ

実線：溶け落ち限界

破線：裏面溶融限界
010Welding

20speed｛Pa〕

500

数値計算例②（下向隅肉溶接）

膨

〆．〆／

コα（Pa》

畠10mmノノ諺．

「＝｝0αDρ27グ

数値計算例①（立向下進溶接）
SS41o

ρ330γ（cmmin）

一44一

む

ヨぼケお

（1）

頃

こロにりしロに豆

二葛Z二

γ＝2フcrnrnin

マヨフえロコノ平．．、藷

q2㈱

取×。／。
ヨ⑪。。▲イ／x裏・／。・

1ノィ、

σ＝1610ン／▲

含弓、㏄○」5▽ミニエ（3） 〆＝20cm／min
ロヨ
ロコノ

ごコミニユ

皇（41 レ＝15cm min
クぽ ロ ヂolO

20Weldi∩g30

speed

（5）

γ（cmlmln》

叫mIn

9lbl

計算モデルによる溶接可能領域の推定19》9 9巳
ニエコココニニコヒ鴛繍ヅン稀・／Qρい…二呂二49巳／3eg

÷5」日、／「n／Fn＝1．日6ea

a・ael3／

図20計算モデルによる＼！

〜巳9St轟rt
田e786
pomt＝二江4．ga
Fn一日．6〜9〜Rεqu曜m￠nt−to 8 8 mm

目聖rd試c21日》u。＝¶490』

（a）

図19

ノ＝13cm〔3間t1、巳囲eldlnq写peed

0bjoc亀i鴨R．qu1＿．n隻
Proco霊竃旨bo層

5溶接条件の探索こ旧／扇1n〜e3B
V■〔；m／剛n1相rundlonhodo

I嚇1飢！邑い。【。

（最急降下法）雨耐〉uou30

Flh，Vu一。

P邑r己㎎tor一◎Pr，o．RhOρt隔1：己tmn

I邑nto

南d曜1P逸r胆db」邑c》噂ru興ers↓。n〔れむへざセハ

図21

計算モデルによる溶接条件自動設定の試み22）

一45一

結び

本報告では、溶接条件の推定手法として、実験データをべ一スとする手法と計算モデルをべ一スとする手法とに注目して述べた。いずれの手法においても、現状では、極めて限定された条件下でのみ溶接条件の自動決定が可能と判断される。より強力な手法を開発するためには、溶接現象にっいてのより深い理解が必要であることはいうまでもないが、溶融現象をリアルタイムで把握するためのセンシング技術が重要であると考えている。

参考文献（1）Paton，B．E．eta1．，AutomaticWelding，Vo1．27，pp1−4（1974）（2）Makara，A．M．，Auto皿aticWelding，Vo1．30，pp1−3（1977）（3）

黄地、三宅、田村、井上、西口、溶接学会論文集、Vol．8，pp54−58（1990）（4）

黄地、井上、西口、溶接学会論文集、Vo1．9，No．4，（1991）掲載予定（5）

黄地、日本溶接協会、WDS委員会資料、WDS−82−19，（1982）（6）黄地、溶接学会誌、Vol．60，pp302−307（1991）（7）

益本、篠田、溶接学会誌、Vo1．45，pp180−185（1976）（8）

益本、篠田他、溶接学会誌、VoL48，

pp17−21（1979）（9）

益本、篠田他、溶接学会誌、Vo1．48，

pp532 536（1979）（10）

Lauterwald，B．，

Vo1．12，H9，pp1249−1260（1970）（11）

Dubovetski

Vo1．33，

ZIS

Hitteilungen，i，S．V．，Sergatski

PP22−26i，G．1．

andKasatkin，0．G．，

AutomaticWelding，（1980）（12）日本溶接協会、WDS委員会、溶接データシステムに関する講習会テキスト、（1982）（13）

Jackson，C．E．

andShrubsal1，A．E．，

Weld．

（14）

Konko1，P．J．

andKoons，G．F．，（15）

Wang，K．K．

andRas皿ussen，G．，

J．

ofEngineering

Wilson，K．B．，

J．

of

Royal

Wel（1．

J．，

J．，

Vo1．32，Vol．57，

PP172s−178s

PP367s−374s

for（1953）（1978）

Industry，（1972）

Nov．，

Soc．，

Vo1．13，

pp999−1006（16）Box，G．E．P．

pp1−38

andStatisticalSer．

B，（1951）（17）朝尾、安藤、楠、中村、実験計画法、日科技連、（1973）（18）田口、実験計画法上下、丸善、（1976）（19）黄地、日本溶接協会、WDS委員会、溶接データシステムに関する講習会テキスト、
pp43−64（1982）（20）黄地、近藤、西口、溶接学会論文集、Vo1．8，pp48−53（1990）（21）黄地、近藤、西口他、溶接学会論文集、Vol．8，pp167−173（1990）（22）黄地、米谷、吉田他、溶接学会論文集、Vo1．8，pp173−178（1990）（23）西口、黄地、古賀、溶接学会誌、Vol．50，pp525−530（1981）（24）西口、黄地、中田、石橋、溶接学会論文集、Vo1．2，pp201−207（1984）（25）西口、黄地、吉田、白樫、溶接学会論文集、Vo1．4，pp673−677（1986）

一46一