溶接現象のインプロセス制御
N！

KK

応用技術研究所

杉谷祐司

西泰彦

はじめに省人化や作業環境の改善等を目的として、溶接の自動化、ロボット化が近年積極的に進められており、自動化のためのセンサの開発や種々の制御手法が提案されているD。
制御対象も、従来の開先ならいから、それらを含めビード幅や溶込み深さといった溶融池形状と直接関係する重）のへと向けられて来ている。従って、センサから得られる情報を用いて実際に操作される量も、卜一チ位置だけでなく溶接電流や溶接速度などの溶接条件（溶接パラメータ）を含めたものとなっている。この溶接パラメータの制御は、溶接技術者の知識と経験が必要なところであり、また、そこに溶接プロセス制御の難しさもある要）のと考えている。

本稿は、筆者らが開発または適用に携わったアーク溶接プロセスの制御に関するものを紹介したものであり、アーク溶接のプロセス制御全般に関しては参考文献1〜5）等を参照されたい。

2

アークセンサアーク現象を通して制御量を検出する方法を一般にアークセンサと呼んでいる。制御
対象及び制御方法は多種多様であるがも5）、卜一チ高さをも含めた開先ならい制御に利用しているのが一般的である。本章では高速回転アーク溶接法の原理とそのアークセン
サの機能6》について述べる。

2．1高速回転アーク溶接法

高速回転アーク溶接法は、図／に示すように電極ワイヤの先端を偏心させておき、電極ノズルを機械的に回転させることによりアークを高速で回転させながら溶接を行う方法である。従来の反復揺動方式では、機構的な制約により揺動周波数の実用的上限は4〜511zであるが、この方法によれば数1011z〜10011zを超えるアークの高速回転が容易に得られる。

高速回転アークによる溶接現象の特徴は、アークの高速回転によりアーク圧力やアーク熱などの物理的因子が、溶融池に対して均一に分散されることにある。平板ビー
一47一

ドにおいて本法と従来法（回転なし）を比較した結果を図2に示す。回転なしの場合に見られるマグ溶接特有の中央集中型の溶込み形状が、本法では周辺分散型に変わ・ており、またビード表面も平滑化され、ビード幅が増加している。この特性は、アークの回転速度が高いほど顕著に現れる。

Weldingwire◎◎R・tating
motor／Bealingblock
望．≧ニニニ＝二剛一響㌃

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Electr。deイr／・．．6 畔一窯＝、『一一rτ臼−、／一煙轡P

図1

晶き．ぐ魅。、，・〃＼＼、＿＿一＿＝二謡ざ＿＿一一

一一一一一 5け日zSL睾『1監1区M、、↓／！

一一一

高速回転アーク溶接法の原理

図2

1

1川z

ビード形状に及ぼすアーク回転の効果

2，2アークセンサの機能

アークセンサとは、溶接トーチを開先内で揺動させ、このときの溶接電流やアーク電圧波形から開先と揺動中心とのズレを検出し、卜一チの狙い位置を修正する方法である，）この方法では、アーク自身をセンサとするため、特別な検出器が不要で、溶接卜一チ廻りが簡素となり、またアーク直下の情報をリアルタイムに検出できるという利点がある。

高速回転アーク溶接法を用いることにより、アークセンサによる開先自動ならい制する。図3は下向きすみ肉溶接におい雛賦

御の性能が、従来よりも飛躍的に同上
N二5〔Illzて、アークの回転速度を111zから50HzA1まで変化させたときの溶接電流波形を▲C△1二昌1）Af

△1一H

▲

1▲

▲
一iilIN示している。回転直径は3，5mm、溶接5112▲C薯△1一 35A

50ms

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電流は300Aである。電流波形の振幅
N（溶接電流変化量）△1は、回転数Nがi1Hz

▲

▲

▲

一却
▲αムhS高くなるほど大きくなることがわかる。
従来の反復揺動式のアークセンサで』

5ms

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200mb

▲

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▲

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図3Hzのオーダーであるのに対して、本法
一48一回転速度と溶接電流波形の関係

では10凹z程度の回転数が容易に得られる。従って、本法ではアークセンサとしての検出能力（溶接電流変化量）及びサンプリング速度（ウィービング周波数）が高くなるため、高精度で応答性の高い開先自動ならい制御が達成される。

3

溶込み深さとビード高さの制御

本章では、溶込み深さとビード高さを制御するための溶接パラメータ制御について述べる。ここで述べる制御方法は2例あり、どちらもルートギャップ幅（開先間隙）が変化した場合の溶込み深さとビード高さの制御を対象としている。一っは、アークセンサ（1トーチ高さ制御〉により制御されているトーチ高さの変化から溶込み深さ（及びビード高さ）の変動を検出して、電極とは別のフィラーワイヤの送給速度を操作して溶込み深さとビード高さを一定に制御する方法？）である。もう一っは、溶接線前方のルートギャップ幅をCC

Dカメラを用いた画像処理により検出し、複数の溶接パラメータを一連に制御して溶込み深さとビード高さを一定に制御する方法8）である。制御対象から見た場合、前者は、間接的ではあるが溶込み深さ（及びビード高さ）を検出して、その偏差を基に操作量を決定するフィードバック制御であり、後者は、ルートギャップ幅という外乱を検出し、溶接パラメータを調整するフィードフォワード制御である。

3，1フィラーワイヤ添加による制御

図4に、Y開先でルートギャップが無い場合と有る場合のビード形状を示す。図4より分かるように、ルートギャップが広がるとビード形状はほとんど変わらず、その位置のみが下がったものとなる。図5白丸は、ルートギャップが変化した際のトーチ高さ（トーチ高さ制御時）とビード高さ及び溶込み深さを示している。図5白丸より分かるように、ルートギャップの広がりと共に、ビード上部（ビード高さ）の位置とビード下部（溶込み深さ）の位置が同様に下方に移行しており、さらに、卜一チの位置も同様に低下している。つまり、トーチ高さの推移により溶込み深さとビード高さの変化が検出出来ることが分かる。ただし、これらの関係が成り立つのは、Y開先でビードが開先内に形成される場合のみであることが実験で確かめられている。

これらの知見を基に、フィラーワイヤを添加し、卜一チ高さが一定となるようにそる、また、その際のビード断面形状を図6に示す、フィラーワイヤ添加制御により、ルートギャ・ノプが広がっても溶接ビードがG1＝Om田

G1；2・2mのルートギャップ無しの場合まで押し上げられていることが分かる。

図4

一49一

ルートギャップの変化時のビード断面

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i〜7㎜

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G『㎜｝

図5

ルートギャッブ変化時のトーチ高さとビード高さ及び溶込み深さ（フィラーワイヤ添加制御を行った

図6

フィラーワイヤ添加制御の有無によるビード断面形状比較場合（黒丸）と行わない場合（白丸））3，2ルートギャップ幅検出による溶接パラメータ制御
本システムでは、溶接トーチ前方（約100mm）の開先形状をCCDカメラにより、撮影し、画像処理によりルートギャップ幅を検出する。溶Con；【oUe【Pρ）肛50u【c邑

1恥ge

昌05夏ヒoτ唖【e2【Qce550【T〉

Fe已de【臨螺接制御装置は、検出されたギャップ幅に対応して溶接電流、溶接速度、ワイヤ送給速度、アーkoしoいnりψ1■eユdmg
D正【㏄ 。n l

ク電圧を制御する。システム構成を図7に示す。

←一一一一
『

本章では、画像処理により検出されたルート『

一〆冠eld ％01

1＿＿To【じh＿＿＿

ギャップ幅より、一定のビード高さと溶込み深さを得るための溶接パラメータ決定方法につい図7

システム構成て述べる。まず図8に溶込み深さとビード高さを制御する基本的考え方を示す。消耗式電極の》一cons曜く22cn1／mln》

SA＿cons！

アーク溶接では溶接電流を変化するとワイヤ送欝1糊鑑潔騨翫箸翁二で壷≧爽量熱、、、

図のように、溶接電流を変化するときに溶着断面積（ビード高さ）が一定となるように溶接速度も制御すると溶込み深さは効果的に変化する。

図8

ビ＿ド形状1こ及ぼす
溶接パラメータの影響

っまり、ビード形状は、アーク直下の溶融金属厚さやアーク圧力と平衡する溶融金属の重力へ，、、ドなどの因子に影響されるため、溶込み深さとビード高さを制御するためには、複数の溶接パラメータを総合的に制御する必要がある。
一50一

3．2．i溶接速度の決定方法

図9に示すようにルートギャップG；0（mm〉

50qのときに所定の余盛高さが得られる溶着断面ノノ積をSO（mm2）とし、ルートギャップの増加に＼1＼1

馬4S

ω＝

ひ＝κ辺／℃㍉＋」∫κ；刀1〜Vire

図9

feedBngrate【mm〆sl

ビード高さが一定となる

溶接速度の決定方法

うに求まる。

△S（G）二（I／r＋ D＋P）xG
l、／（So−1△S（G））

・・D・・（1）・（2）。。

lワイヤ断面積（mバ）

3．2，2溶接電流の決定方法

4011x

ヒ、一電流と溶込み深さの関係を求め、溶込み深さーが11月ρ1のxC

ノγ1とワイヤ送給速度Vf（mm／s）より式（2）のよK』一

ひ ：Wdd、 g speed〔n111Vδ｝
κ l Cross secロonal area of w1Te（rnm21

接速度V（mm／s）はルー1・ギャップG（mm）

V二K・V

コー（よる必要溶着断面積を式（1）のように△S（G）（mバ）とすると、ビード高さが一定となる溶ラ＼」S
＼ Gノ一●、、晒re：ψ16 1mstamlessO、〜O−−sLedCO『ed川「e20・定の点、を結んだものである。

Gas，COz亘00％pS

ICPcharacterisLics】r2mm・二hn1R（，蝋ion〔淑orc厭5011z，ψ3mm

このデータを求めるに際して、溶接速度は，踊》enelra［ロo睦dep匙h監b0

ビード高さがほぼ一定となるよう式（2）に従い制御している。また、ワイヤ送給速度及び

図10

アーク電圧の制御は次項以降で述べるワイヤh2
Rooしgapwkl巳h6，111m3

一定溶込み深さにおけるルートギャップと溶接電流の関係

突出し長及びアーク長の制御法に基づいて行っている。図10より溶込み深さが一定となる溶接電流1（A）は次式ように与えられる。

1二io一（）・G・・…

（3）

101ルートギャップ幅G二〇のときの適正溶接電流（A）
C

lルートギャ・ソプ幅Gが1mm増加した際の溶接電流の変化率（A／mm）

3，2．3ワイヤ送給速度の決定方法

溶接電流の変化に対して、一定な・ノイヤ突出し長Lが得られるように、溶接電流
1と・ノイヤ送給速度のVfの関係を求める、これらの間には、Lesnewich9）、により次式が成り立っ。

Vf＝AI十BLI2
A，B・・…

l定数一51一（4）図11は、本実験に用いた1．6mmφフラックス入りワイヤの溶融速度を定電流特性の電源を用いて調べたものである。各電流値における実測値より式（4〉の定数A，Bを求め、その平均値（A；0．226，B＝4，631x10−5）から式（4）により求めた計算値が図11の直線である。高電流側では多少計算値とズレているが、350A以下では大きな誤差はない。図12は、A，Bの平均値を用いて式（4）より計算したワイヤ送給速度で溶接を行った時のワイヤ突出し長を実測したもので、定電圧特性を用い、ACC卜一チ高さ制御により電流を制御している。ワイヤ突出し長L；15mmの設定に対し、高電流側で誤差が大きくなるが、350A以下ではほぼ突出し長が±1mmの間に保たれていることが分かる。
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ワイヤ突出し長とワイヤ＼杢

図12コ50工（Al。。O

幽ワイヤ突出し長制御結果

溶融速度との関係

3．2．4アーク電圧の決定方法

溶接電流の変化に対して、一定なアーク長を得るためには端子電圧（チップ・母材問電圧）Etとアーク長の関係を得る必要がある。Etは図13のようにアーク電圧Vaと・7イヤ突出し部の電圧降下V。の和であるから、式（5）と表わせ、Etを求めるにはVaとV、，を推定する必要がある。

Et−Va＋一VL．

・・…

（5）

、ノ

図、

￥ノ：嚇reext虻・ns：u（1）VLの推定＼lellglh

ら：Arclen帥Halm￠ylo）によると、ワイヤ突出し長Lでの電圧降下

εr：TemlmalvりltagebetweelI
weld5ngtり「chandwo「kPiece垢．；1）rOPl）edvdしageillwireeNしellsioll

VLは次式で近似される。

VL＝aLj−bvf／」

L砿：Reala「cv。1しaRe・・…
一52一（6） 図13 アーク溶接モデル

a。溶接ワイヤの溶接時の実効的な比抵抗（Ω・mm）

b：溶接ワイヤの常温での比抵抗に関係する定数（J／mm3〉（2）Vaの推定

アーク電圧とアーク長の関係式はAyrtonの式を始め数多くある。本システムでは短絡寸前のアーク電圧と電位傾度に着目して、アーク長とアーク電圧の実験式を作ることを試みた。

アーク電圧Vaは陽極降下VA、アーク柱降下Vp、陰極降下Vkの和として表わされるが、この内Vpは電位傾度X（V／mm）とアーク長￠a（mm）の積、VA＋Vkをアーク長0のときのアーク電圧Voと仮定すると、Vaは式（7）で表わせる。ここでVoは、実験より求めた短絡寸前のチップ・母材間電圧より、ワイヤ突出し長での電圧降下Vrを差し引き求められる。

V，a＝Vo十X・la

…

。・

（7）

3，2．5溶接パラメータの制御結果と適用例

X開先SU

S

304、長さ500mmの試験片にて、ルートギャップGを0〜3mmまでテーパー状に設け、ギャップO側より溶接を行った。画像越理によるルートギャッ
プ幅検出1直と、溶接パラメータの制御波形を図Mに示す。また、溶接ビードの外観とビード断面を図15に示す。溶込み深さ及びビード高さとも、ほぼ一定に制御されており、良好な結果が得られる。
〜5Ω灘欝簸灘鍵〈Weldln9（し旧CI聖1

1300

250

weldII』KSiX・｝dlll竺・
Gap＝Omm

180、隔ぼccdmg駅ed

ドノ040

図i5制御ビードの外観と断面

100

RooL庫IPwldlh＼うπlm
りLo、〜なしkh匿lgdlredl｛》ll−図艮

Gap：2．5mm12s

ルートギャップ幅の検出値と溶接パラメータの制御波形

一53一本制御システムは、図16に示す機構をもつ溶接ロボットに適用し、ステンレス製圧力容器の長手及び円周継手の内外面自動溶接を可能とした。図17に溶接時の状況を示す。

．＿．

＝．L師λ晦

㎞㎞、議認訳
φ420mm

図給4cyhnder．＿．．＿

圧力容器溶接ロボットの機構

図17

圧力容器溶接時の状況

片面溶接の裏ビード制御
本章では、1型狭開先の初層片面溶接における裏ビード制御法の一例について述べる。
溶接法は、開先側壁の溶込みが充分に得られ、かつ凹型の滑らかなビード形状が得られる高速回転アーク溶接法を用いている。溶接ワイヤは1．2mm直径のソリッドワイヤであり、シールドガスはAr＋20％CO2を使用している。

4，1裏ビード制御法の原理

片面溶接で良好な裏ビードを得るためには、アーク発生点から溶融池先端までの距離を適切に保っことが必要である。溶融池先端がアーク発生点に対して大きく先行した場合は溶込み不足を生じるし、逆にアークが溶融池に対して先行すると裏ビードが出過ぎたり、裏面にアンダーカットが出やすくなる。さらに著しい場合には、ビードが不連続となる。このアーク発生点から溶融先端までの相対距離は、通常、溶接速度を調整することにより制御される。

本システムでは、図18に示すように、帯状のアルミ箔を貼り付けたセラミックバッキングを裏当材として用いる。このアルミ箔と母材との間に検出される電位（バッキング電位と称す）は、アーク発生点と溶融池先端までの距離に関連して変化する。っまり、溶融池が先行し、アークが溶融池後方で発生している場合は、アルミ箔までアークのフレームは届かず、バッキング電位は生じない。しかし、アークが溶融池先端
一54一

付近で発生している場含には、アークフレームがアルミ箔にかかり、溶接の進行と共にアルミ箔は溶けながら、ある電位を検出する。本システムにおける片面裏ビード制
御法の原理は、このバッキング電位を検出し、それに応じて溶接速度を制御することにより、アーク発生点から溶融池先端までの距
一一一『一一一一一一♪1r︑h離を適切に保持しようとするものである。これ

ノ、

AIUmlnUlu tape
Back正ngJ〆は、野村らが示したサブマージアーク溶接のフ

一一一｝

｝

一一一列p軒図19に本システムの制御ブロック図を、また図18片面裏ビード制御法の原理

ヤ・プ幅（mm）
15mm
18mm

ル12mm冒e口倣1軍

8peo一十VdCo

trol盛erVd

AlulMnumtape

図20に片面溶接制御を行ったビードの断面形状を示す。

離灘肱1RallooI
Weld Bead 凹01ten
Ceramlc Backin9である。

匹lefcrooco

γり

0拝離口t国図19

片面溶接の制御ブロック図

図20

片面溶接制御のビード断面形状

4，2ファジィ制御の適用

上述の片面裏ビード制御にファジィ理論を適用した1列について紹介する。制御ブロッRC『ercnce

耳e1｛Ung

離諮。、

Speo
十Vd

1器。11。、

L△▼ツ

D監〔〔e『e『しt止alクを図21に示す。人出力は図Ch・cull

19と同一であり、コントロー
ラの演算部分のみをファジィ

図21片面溶接のファジィ制御ブロック図推論に置き換えた。ファジィ推論のルールを表1に示す。バッキング電位の偏差eとその微分値△eの入力により、1サイクル当たりの溶接速度の増減量△Vをファジィ推論している。

一55一

表1

片面溶接ファジィ制御ルール（溶接速度の増減量△Vの推論ルール）

N

ZO

PNL
NSZO

NSZO
PSZOe
△eN

ZO
P
e＝VR−V

ただし、

PS
PL

N

負値

NS：負の小さな値
NL：負の大きな値
Pd

正値

PS：正の小さな値△eコde／dt
VR：バッキング電圧基準値

PL二正の大きな値

Vd：バッキング電圧実測値

ZO：零

ファジィ制御を用いて片面溶接を行った

場合の裏ビード外観とビード断面を図22に示す。試験体は溶接長200mmの間で、開先幅を18mm〜12mmまで変化させているが良好な裏ビードが得られている。

図22

ファジィ制御による裏ビード外観とビード断面（開先幅 18mmから12mmまで連続変化）

4．3レール溶接への適用

鉄道レール現地溶接の自動化、溶接品質の同上と安定化などを目的に開発したレール溶接ロボッド2》の初層片面溶接に本片面裏ビード制御システムを適用している。

レール溶接ロボットは、高速回転アーク狭開先溶接法で鉄道レールの突合せ溶接を行うもので、本制御システムの適用により、開先間隙12mmから18mmまでの自動溶接を可能とした。溶接ロボットの外観と溶接ビー
図23

ドの断面を図23に示す。
一56一

レール溶接ロボットと継手断面5

おわりに溶接現象のインプロセス制御と題して、高速回転アーク溶接におけるアークセンサ、ビード高さと溶込み深さの制御、及び片面溶接制御にっいて、その原理と適用例について述べた。これは、筆者らの開発、適用事例を述べたものであり、内容に偏りがあるものと思われるがご容赦願いたい。

センシング技術の進歩や新しい制御方法の発展とともに、溶接プロセスの制御も今後・層進むものと思われる。より信頼性、汎用性の高い制御システムの確立されることを期待したい。

＜参考文献＞

1）（社）溶接学会溶接法研究委員会編；アーク溶接におけるセンシングと制御、溶接法
ガイドブ・ノク2、1990年発行

2）荒田、井上；アーク溶接の自動制御、溶接学会誌、41−6（1972），613−6483）野村、杉谷；最近のアーク溶接用センサの現状、ジョイテ・ソク、4月号（1989），59654）荒谷；lnPrQcess

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5）杉谷1アークセンシング技術の現状、ジョイテ1ノク、7月号（1991），28−33
6）杉谷、小林、村山；高速回転アーク自動溶接法の開発と適用、溶接技術2月号（1990）
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118一一119一57一