JP2586091B2

JP2586091B2 - 揺動回転アーク溶接法

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Publication number: JP2586091B2
Application number: JP7190888A
Authority: JP
Inventors: 祐司杉谷; 尚弘玉置
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPH01245973A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、回転アーク溶接に揺動を採用した揺動回
転アーク溶接法、特に開先幅の変動に対して適正な溶け
込み幅が得られるように揺動幅を可変制御するととも
に、開先幅の変動に対して溶着量を補償し、ビード高さ
を一定にするための溶接速度の可変制御に関するもので
ある。

［従来の技術］溶接ワイヤを回転軸芯まわりに高速回転することによ
り、アークを回転させる高速回転アーク溶接法によれ
ば、アークの物理的効果が周辺に分散され、溶込の周辺
分散、扁平ビード（わん曲ビード）の形成あるいは回転
遠心力によるワイヤ溶融速度の向上などの利点が得ら
れ、特に厚板の狭開先溶接に用いられて大きな効果を発
揮する。

また、この種の高速回転アーク溶接法は、開先幅が変
化するとアーク電圧Ｅや溶接電流Ｉが変化するという性
質を有している。

以下、この電圧Ｅや溶接電流Ｉの変化特性について説
明する。

第９図は高速回転アーク溶接を行なうときの回転アー
クトーチ３先端と開先２の側面図であり、図において溶
接方向は紙面と垂直で紙面裏面から表面に向う方向であ
って、l_aはアーク長、C_f,R,Lは回転しているときのワイ
ヤ５の位置を示し、C_fは溶接方向前方のワイヤ５の位
置、Ｒは溶接方向に向って時計方向に90度右側、Ｌは溶
接方向に向って反時計方向に左側のワイヤ５の位置を示
す。また、cwはワイヤ５の回転方向を示す。

第10図は第９図の示した溶接部を回転軸芯Ｏ方向から
見た図であり、C_rは溶接方向Ｚに対して後方のワイヤ５
の位置、φは溶接方向Ｚに対するワイヤ５の回転角、θ
はワイヤ５の位置が開先の中心線WCと一致したときの回
転角を示す。

第９図、第10図に示すようにワイヤ５が、ワイヤ送給
速度を一定のもとで回転軸芯Ｏを中心にして回転する
と、回転時のワイヤ５の位置によりワイヤ５と開先壁間
の距離δが異なり、アーク長l_aが変化する。アーク長l_a
が変化すると負荷特性が変化して溶接電流Ｉや電極１と
開先間の電圧Ｅ（以下、アーク電圧という。）も変化す
る。

この溶接電流Ｉ、アーク電圧Ｅの変化はワイヤ５の位
置に対応して正弦波を基準とした変化を示す。何故なら
ば、ワイヤ５が回転するとワイヤ５の位置に応じて距離
δは正弦波を基準として変化するからである。

なお、この関係は消耗電極のみならず、非消耗電極で
も成立する。また、この関係は溶接対象の開先形状がＶ
字開先でもナローギャップ開先でも成立する。

第11図（ａ），（ｂ）は回転するワイヤ５、即ちアー
クの位置に対応して変化するアーク電圧Ｅおよび溶接電
流Ｉの波形を示す。図において（ａ）はアーク電圧Ｅの
波形、（ｂ）は溶接電流Ｉの波形であり、それぞれの波
形は上下逆転した形状となる。

なお、第11図（ｂ）に示した溶接電流Ｉの波形は定電
圧特性の溶接電源のみで得ることができ、アーク電圧Ｅ
の波形は定電圧特性、定電流特性のいずれの溶接電源に
おいても得られる。

第11図（ａ），（ｂ）に於て、実線で示した波形は第
９図、第10図に示すように開先の中心線WCと回転軸芯Ｏ
とが△Ｘずれている場合、破線で示した波形はずれてい
ない場合、即ちワイヤ５の位置C_fと位置C_rを結んだ線が
開先の中心線WCと一致した場合を示す。

第11図（ａ），（ｂ）の破線に示すように、開先の中
心線WCと回転軸芯Ｏがずれていないときは、ワイヤ５の
位置C_fを中心として波形は左右対象であるが、回転軸芯
Ｏが開先の中心線WCからずれているとワイヤの位置C_fを
中心とした波形は非対象となる。

なお、この波形の非対象を検出し、修正することによ
りＸ軸方向のずれ量△ｘを修正することができる。すな
わち波形をC_f点を中心として溶接方向に対して左右に分
割し、分割した波形を各々C_f点から一定角度φ_oの間だ
け取出し、この角度φ_o間で作る波形の面積（積分値）S
_L,S_Rを求めて、この面積S_LとS_Rが等しくなるように溶接
トーチをＸ軸方向に修正することにより回転軸芯Ｏを開
先の中心線WCと一致させることができる。この種のアー
ク自信をセンサとする開先倣いを、アークセンサ方式の
開先倣いという。

［発明が解決しようとする課題］幅広のビードを作る溶接法として溶接トーチを開先幅
方向に揺動（ウィービング）させながら溶接を行なう揺
動溶接法が知られている。この種の揺動溶接法は上記の
ような回転アーク溶接法には未だ導入されおらず、その
導入が希求されていた。（以下、回転アーク溶接法にお
いて溶接トーチをウィービングさせる溶接法を揺動回転
アーク溶接法と称する。）この揺動回転アーク溶接法の実現にあたって、自動溶
接の無人化をはかるには、溶接進行に伴ない時々刻々と
変化する開先幅の変動に応じた揺動幅の自動制御が不可
欠である。これは、開先幅が変動すれば、必要とされる
溶け込み幅も変化するためである。

従って、本発明の主要な目的は、開先幅の変動に対し
て揺動幅を制御することにより、適正な溶け込みが得ら
れる揺動回転アーク溶接法を提供することである。

またこれに加えて、制御された揺動幅に応じて溶接速
度を制御することにより溶着量を補償し、ビード高さを
一定に保つのも本発明の課題の一部である。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明における揺動回転
アーク溶接法は、溶接ワイヤを所定の回転半径で軸芯ま
わりに高速回転させて、アークを回転させるとともに、
溶接トーチを開先内で開先幅方向に往復揺動させ、且つ
アーク電圧または溶接電流を検出し、アークセンサ方式
の開先倣いを行ないつつ、予め設定されたアーク電圧ま
たは溶接電流を保持するように、被溶接母材に対する高
さ方向の溶接トーチ位置を制御しながらアーク溶接を行
なうに際し、予測しうる開先幅の開先幅方向の大きさの変移の平均
値±ｇを予め設定し、この平均値±ｇの絶対値|g|と等
しくなるように機械的に制御可能な揺動の単位置を設定
し、開先幅の設計値である基準開先幅に対して、予め定め
られた溶け込みを得る揺動幅の初期値を前記揺動単位量
の整数倍として与え、開先幅の大きさの変化に対するアーク電圧または溶接
電流の変化特性により、開先幅変移に対応する値を検出
し、この検出値をその大きさに応じて0,＋g,−ｇの何れ
かに判別し、その判別結果に基き開先幅の変化に対して
溶け込みが予め定められた一定値に保持されるように前
記整数を増減して揺動幅を制御するものである。

また、その際、制御された揺動幅に応じて溶接速度を
制御することにより溶着量を補償し、ビード高さを一定
に保つ目的で、制御された揺動幅をW_w、その１サイクル
前の揺動幅をW_wo、ワイヤ送給速度をV_fo、所望のビード
高さをｈ、溶接速度の初期値をV_o、制御すべき溶接速度
をＶとするとき、下式、Ｖ＝V_fo／｛（V_fo／V_o）＋（W_w−W_wo）ｈ｝に基き溶接速度を制御するものである。

［作用］この発明に従えば、経験的に予測される開先幅の変移
の平均値±ｇを予め設定し、アーク電圧または溶接電流
の変化特性による開先幅変移の検出は、その値を0,＋g,
−ｇの非連続な値の何れかであるとみなす近似的な検出
を行なう。

更に、平均値±ｇの絶対値|g|と等しくなるように機
械的に制御可能な揺動の単位量を設定し、揺動幅の初期
値は、この揺動単位量の整数倍として与えられる。制御
すべき揺動幅は、開先幅変移の検出値0,＋g,−ｇに応じ
て前記整数を増減することにより与えられる。

そして、上記揺動幅制御に加えて、揺動幅の変化に伴
なう溶接量の変化が、ワイヤ送給量を考慮して溶接速度
を制御することにより補償される。

［実施例］以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例に
ついて説明する。

なお、以下の説明においては溶接電源として定電流電
源を用い、アーク電圧を検出する方式について説明する
が、定電圧電源を用いた場合にはアーク電圧の代りに溶
接電流を検出して行なえばよく、これは溶接電源の外部
特性に応じて選択され得るものである。

第１図は本発明の揺動回転アーク溶接法の基本原理を
示す説明図で、溶接ワイヤ先端及び回転軸芯の軌跡を示
すものである。

図において、WR,WLは各々回転軸芯Ｏから見た揺動折
り返し点であって、WRは揺動右端、WLは揺動左端を示
す。W_Wは揺動幅、すなわち揺動右端WR〜揺動左端WL間の
開先幅方向の距離であり、その中心は開先中心線WCであ
る。

なお、以下の説明でワイヤ回転位置を示す際、そのと
きの回転軸芯Ｏの揺動位置WR,WL,WCを特定する必要があ
る場合は、回転位置記号に揺動位置記号を括弧付き添字
で示す。（例えば、R_(WR)は回転軸芯Ｏが揺動右端WRに
あるときの回転ワイヤ位置Ｒを示す。）また、e₁・・・₅は回転による溶接ワイヤ５の先端の軌跡
であり、e₁〜e₅を揺動１サクイルとする。１は揺動によ
る回転軸芯Ｏが描く軌跡を表わしたものである。

アークを発生させて溶接が開発されると、溶接ワイヤ
５は回転軸芯Ｏを中心としてcw方向へ回転しながら、開
先２の幅方向に回転軸芯Ｏを中心として揺動速度V_W、揺
動幅W_Wで往復揺動しつつ、溶接速度Ｖで溶接方向Ｚへ進
行する。これによって、回転軸芯Ｏの軌跡１が得られ
る。

この場合、形成される溶け込み幅は揺動幅W_Wの大きさ
により決り、必要な溶け込み幅を得る揺動幅W_Wは開先幅
Ｇに応じて定まる。

例えば、開先幅Ｇの設計値G_O（以下、基準開先幅G_Oと
いう）に対して必要な溶け込み幅を得る揺動幅W_Wを基準
揺動幅データベース値W_Oとする。この基準揺動幅データ
デース値W_Oは基準開先幅G_Oの大きさに応じて経験的に求
めることができる。いま、開先幅Ｇが基準開先幅G_Oに対
してΔＧだけ変化してＧ＝G_O＋ΔＧになったとすると、制御すべき揺動幅W
_Wは、 W_W＝W_O＋ΔＧ（１）で与えられる。

従って、基準揺動幅W_Oに開先幅変移ΔＧを単純に加え
れば制御すべき揺動幅W_Wが求められる。

しかしながら、実際に制御を行なう上では、開先幅変
移ΔＧの大きさを正確に検出するのは困難であり、また
揺動幅W_Wは僅か数mm程度であるから、開先幅の変化に追
従して連続的に揺動幅W_Wを調整するのは機械的に困難で
ある。

そこで本発明では、開先幅変移ΔＧの検出に際して
は、経験的に予測しうる開先幅変移ΔＧの大きさの平均
値±ｇを予め設定する。この場合、実際の開先幅変移Δ
Ｇは、上記従来技術で説明したアーク電圧の変化特性に
より、開先幅変移ΔＧの大きさに対応する値として検出
し、この検出される値を或る設定帯域と比較し、その比
較結果によりΔＧ＝0,ΔＧ＝＋g,ΔＧ＝−ｇの三種類の
うち何れかを選択する。つまり、開先幅変移ΔＧは0,＋
b,−ｇのうち何れかであるとみなすものとする。

また、機械的に制御可能な揺動単位量W_unitを予測開
先幅変移±ｇの絶対値|g|と等しく（W_unit＝|g|）とな
るように設定し、基準揺動幅データベース値W_Oとして、
この揺動単位量W_unitの整数倍として表現される基準揺
動幅演算用変換値W₁を採り、制御すべき揺動幅W_Wは上記
開先幅変位ΔＧの判別値に応じて上記整数を増減して与
えるものとする。

ここで、揺動単位量W_unitとは、揺動を与えるモータ
の精度等により定まる揺動幅方向の制御可能な単位置で
あり、予めその値が与えられれば、揺動速度V_W［mm/se
c］とアークの回転数（ワイヤの回転数）Ｎ［H_Z］とに
より、 W_unit＝V_W・（1/N）・ｍ（２）の関係式で示すことができる。

なお、ｍは揺動単位量W_unitに収るアークの回転数で
あり、予め与えられた揺動単位量W_unitの値により求ま
る。すなわち、揺動速度V_Wで距離W_unit移動する間のア
ークの回転数であり、ｍ＝W_unit／｛V_W・（1/N）｝（３）と表わせる。但し、ｍは適宜に処理、例えば四捨五入し
て整数を採るものとする。

また、半サイクルの基準揺動幅演算用変換値W₁/2を揺
動単位量W_unitのｎ倍、すなわち基準揺動幅演算用変換
値W₁を揺動単位量W_unitの2n倍として表わすと、 W₁＝2n・W_unit （４）と書ける。

ｎは、経験的に求められる基準揺動幅データベース値
W_Oよりｎ＝（W_O/2）／W_unit ＝W_O/2・W_unit （５）として求めることができる。但し、ｎは適宜に処理、例
えば四捨五入して整数を採るものとする。また、W_unit
＝|g|であるから、開先幅変移ΔＧがΔＧ＝±ｇと見な
されるときの揺動幅W_Wは、 W_W＝２（ｎ±１）・W_unit （６）と表わせる。

（４），（６）式に各々上記（２）式を代入すると、Ｗ＝2V_W・（1/N）・ｍ・ｎ（７） W_W＝2V_W・（1/N）・ｍ・（ｎ±１）（８）を得る。

（８）式が制御すべき揺動幅W_Wを与える制御式であ
り、その初期値は（７）式で表わされる。（８）式の右
辺第４項の±１が正負の何れを採るかは、判別された開
先幅変移ΔＧにより決る。すなわち、ΔＧ＝＋ｇとみな
されるときは＋１、 ΔＧ＝−ｇとみなされるときは−１を採る。また、ΔＧ
＝０とみなされるとき（７）式を保持する。

従って、基準開先幅G_O、経験的に求められる基準揺動
幅データベース値W_O、予測開先幅変移±ｇ、揺動単位量
W_unit、揺動速度V_W、アークの回転数Ｎが与えられれ
ば、開先幅変移ΔＧの大きさを判別し、その判別結果に
基き（８）式に従い、揺動幅W_Wを制御できる。

なお、上記説明では基準揺動幅として、経験的に求め
られる基準揺動幅データベース値W_O、及び（７）式によ
り与えられる基準揺動幅演算用変換値W₁の二種類の値を
用いているが、本発明の方法によるデータが蓄積されれ
ば、経験的に求められる値も（７）式により与えられる
基準揺動幅演算用変換値W₁のみを用いればよい。

ところで、開先幅Ｇが変動すれば必要とされる溶着量
も変化するが、本発明においては溶接速度の制御により
溶着量を補償し、ビード高さを一定に保つ。

以下、第２図を参照して溶接速度制御について説明す
る。この第２図は上記第１図に示した開先２の側面断面
図である。図において、1aは母材表面、2bは開先底面を
示す。

まず、上記揺動１サイクルにおいて、揺動幅W_Wは揺動
両端のワイヤ位置L_(WL),R_(WR)における開先幅Ｇに対し
て次のような関係にある。

Ｇ＝W_W＋２ΔＷ（９）この（９）式において、ΔＷは揺動端部での回転軸芯
Ｏと開先壁面との距離であり、基本的には設定すべきア
ーク長とワイヤ回転径によって定められる定数で、アー
ク電圧と溶接電流の設定値が一定であれば開発幅Ｇが変
動しても一定である。これは、実験的にも確認されてい
る。

一方、この揺動１サイクルにおけるワイヤ送給速度を
V_f、溶接速度をＶとし、形成された溶着量金属の断面積
をＡとすると、これらの間には、 V_f＝Ａ・Ｖ（10）の関係がある。

また、ビード表面と上記揺動両端のワイヤ位置の垂直
方向の距離をΔｈ、ビード高さをｈ、開先角度をθとす
ると、Ａ＝｛（W_W＋２ΔＷ）−２Δｈ・tanθ−ｈ・tanθ｝ｈ
（11）となる。この開先２の深さ（或は母材１の板厚）と開先
角度θ₁が一定であれば、開先幅Ｇの変動下においても
常に一定のビード高さを与える溶着量金属の断面積Ａ
が、上記揺動幅制御から求まる揺動幅W_Wの値に基いて算
出できることを示している。

従って、予め、開先角度θ、所望のビード高さｈ、ワ
イヤ送給速度V_f及び上記の定数ΔＷを設定しておけば、
上記揺動幅制御から求まる揺動幅W_Wの値に応じて適正な
溶接速度Ｖを求めることができる。

次に、溶接速度Ｖを求める具体的な演算について説明
する。

一般に、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、ワイヤ送給速度V_f
などの溶接条件は、その開先形状に応じて予じめ初期値
として設定され、以後開先幅の変動状態をみながら上記
溶接条件の変更が行なわれて行く。この一般的な方法に
従って、ワイヤ送給速度V_f，溶接速度Ｖの初期値を各々
V_fo,V_oとし、この条件で溶接を開始して、１サイクルの
揺動を行なうと、その時得られる溶着金属の断面積A
_Oは、 A_O＝V_fo／V_O （12）となる。次に、揺動幅W_Wになる前の揺動１サイクルの揺
動幅をW_WOとする。このとき例えば、W_WはW_WOより大（W_W
＞W_WO）とする。

このような場合に一定のビード高さｈを確保するため
には、溶着断面積をΔＡ＝Ａ−A_Oだけ加させてやらなけ
ればならない。すなわち、前述のＡを表わす（11）式に
おいては、W_Wを除く他の全てのパラメータは定数である
から、 ΔＡ＝Ａ−A_O＝（W_W-W_WO）ｈ（13）故に、一定のビード高さｈを確保するための溶接速度
Ｖは（11）式と、（12）式から次式で与えられる。

Ｖ＝V_fo/A ＝V_fo／（A_O＋ΔＡ）＝V_fo／｛（V_fo／V_o）＋（W_W−W_WO）ｈ｝（14）この（14）式を用いれば、開先幅の変動する開先にお
いて、所望するビード高さｈを与えれば、溶接前に定め
た初期溶接速度V_Oとワイヤ送給速度V_foと、揺動幅W_Wと
前サイクルの揺動幅W_WOとの差、すなわち、W_W−W_WOから
揺動幅W_Wにおける適正溶接速度Ｖが計算で求められる。
この方法は開先角度θ₁が一定であれば、もしくは大幅
に変化しなければその設定値に関係なく、適用できるの
で、第２図の開先形状に限らず、非対称開先にも適用で
きる。

第３図はこの発明の好ましい実施例に係る揺動回転ア
ーク溶接法の制御糸を示すブロック図である。

図において、被溶接部材１には開先２が形成されてお
り、回転アークトーチ（溶接トーチ）３は、モータ４に
より溶接ワイヤ５を矢印CW方向に回転させながら揺動ア
ーム６により開先幅方向にウィービング（揺動）されつ
つ溶接台車７による送りで開先２に沿って紙面表面垂直
方向へ溶接を進め、その後方に溶接ビード（図示せず）
を形成させる。

また、揺動アーム６による揺動は正逆駆動可能な揺動
用モータ８の回転運動を直線運動に換える伝達機構９を
介して行なわれる。

なお、回転アークトーチ３の揺動方法としては、（イ）ピッチＰを一定にする。

（ロ）揺動速度V_Wを一定にする。

の何れかであるが、ここでは揺動用モータ８の負荷を一
定にするため、（ロ）を採ることにする。

また、回転アークトーチ３は開先幅方向（Ｘ軸方向）と
高さ方向（Ｙ軸方向）との両移動機構10X,10Yで支持さ
れている。Ｘ軸移動機構10Xは、トーチ３をＸ軸方向へ
位置修正する、すなわち開先倣い制御を行なうためのも
のであり、Ｙ軸移動機構10Yは常にアーク長が一定とな
るようにＹ軸方向にトーチ３を位置修正する、すなわ
ち、定アーク長制御を行なうためのものである。

これら両移動機構10X,10Yは各々Ｘ軸モータ11X,Y軸モ
ータ11Yで駆動される。

トーチ３への溶接電流・電圧の供給は溶接電源12から
行なわれ、この溶接電源12は溶接用途によって定電流電
源または定電圧電源のいずれかが使用されるが、ここで
は定電流電源とする。この溶接電源12には、アーク電圧
検出器13が並列に接続されている。この検出器13Eは、
後述する制御の必要に応じて設けられているものであ
る。

また、ワイヤ送給モータ14の制御は送給モータ制御装
置15により行なわれ、揺動アーム６による揺動幅の制御
は揺動制御装置16により行なわれ、溶接台車７による溶
接速度の制御は溶接速度制御装置17により行なわれる。
更に、Ｘ軸モータ10X,Y軸モータ10Yの制御はＸ軸制御装
置18X,Y軸制御装置18Yにより行なわれる。

送給モータ制御装置15、揺動制御装置16、溶接速度制
御装置17への制御指令はマイクロコンピュータ等の主処
理装置19から与えられるが、この主処理装置19は、各定
数及び設定値を設定入力するための入力装置20が付属し
ており、更に、開先幅検出装置21からの開先幅変移ΔＧ
検出信号と、モータ４に付属するワイヤ回転数検出器22
からのワイヤ回転数検出信号を受け取るようになってい
る。

次に、上記実施例の揺動幅制御の動作について、第４
図のフローチャートを参照して説明する。なお、このフ
ローチャートにおける演算は、主処理装置19内の揺動幅
演算部192で行なわるものである。

先ず基準開先幅G_Oに応じて経験的に求まる基準揺動幅
データベース値W_O，アークの回転数N,揺動速度V_W，及び
予測開先幅±ｇに応じて定められる揺動単位量W_unitの
値が入力装置20から主処理装置19に入力され、メモリー
191に格納される（ステップSA）。

次に、（３）（５）式が計算され、ｍおよびｎの整数
値が求められ、これらm,nがメモリー191に格納され（ス
テップSB）、（７）式で与えられる基準値揺動幅演算用変換値W₁が
計算される（ステップSC）。

以上の演算の後、溶接が開始される（ステップSD）。
ここで溶接開始時のアーク回転径位置は第１図における
e₁とする。

Nsサイクルの揺動が終了したら（ステップSE）、主処理装置17は、開先幅変移検出装置21の検出信号に
基づいて、（７）式のｎを保持するか、あるいは（８）
式において、右辺第４項はｎ＋１とｎ−１の何れを採る
かを保持するかを判断し（ステップSF）、その判断結果により揺動幅W_Wを演算する（ステップS
G）。

これに基づいて揺動１サイクルの溶接が行なわれる
（ステップSH）。

ここで、溶接終了か否かの判断が行なわれ（ステップ
１）、その判断結果により溶接を終えるか、或るいは上記
（ステップSF）→（ステップS1）の動作が溶接終了に至
まで繰り返し行なわれる。

このような制御によって溶接中の開先幅Ｇの変動に対
する揺動幅W_Wの制御が行なわれ、開先幅Ｇの変動に依ら
ず適正な溶け込み幅が得られる。

なお、上記説明の（ステップSA）においては、基準開
先幅G_Oに応じて経験的に求まる基準揺動幅データベース
値W_Oを入力するものとしたが、（７）式で表わされる基
準揺動幅演算用変換値W₁のデータが予め得られている場
合は（ステップSA）においてV_W,N,m,nを入力し（ステッ
プSB）〜（ステップSC）は省略してもよい。

また、ステップSEにおけるNsサイクルは、アークスタ
ート後に、溶接プール（溶融池）が安定した状態になっ
てから制御を行うための待ち時間に相当するものであ
り、例えば15サイクルを採用することが考えられるが、
溶接条件によって適宜変更することができる。

次に、上記実施例の溶接速度制御の動作について、第
５図のフローチャートを参照して説明する。なお、この
フローチャートにおける演算は、主処理装置19内の溶接
速度演算部194で行なわれるものである。

先ず所望する溶接ビード高さh,溶接速度の初期値V_O、
ワイヤ送給速度の設定値V_foが入力装置20から主処理装
置19に入力され、メモリー193に格納される（ステップS
a）。

次に、A_O＝V_fo／V_Oの計算が行なわれ、同様にメモリ
ー193に格納される（ステップSb）。

また、上記第４図の揺動幅制御フローチャートのステ
ップSCで与えられる基準揺動幅演算用変換値W₁がメモリ
ー193に格納される（ステップSc）。この基準揺動幅演
算用変換値W₁をW_WOとする。

以上の後、溶接が開始される（ステップSd）。

ここで溶接開始時のアーク回転径位置は第１図におけ
るe₁とする。

Nsサイクルの揺動が終了したら（ステップSe）、上記第４図の揺動幅制御のフローチャートステップSG
で与えられる揺動幅W_Wがメモリー193に格納される（ス
テップsf）。

この揺動幅W_WをW_W1とする。

以上の溶接作業中の溶接速度は、V_Oである。

次に、主処理装置19では、（W_W1−W_WO）ｈの計算が行
なわれ（ステップSg）、更に前記溶接速度Ｖに関する（12）式に基いて溶接速
度Ｖの計算が行なわれる（ステップSh）。

以上のようにして溶接速度Ｖが求められ、これに基づ
いて半揺動サイクルの溶接が行なわれる（ステップS
j）。

ここで、溶接終了か否かの判断が行なわれ（ステップ
Sk）、その判断結果により溶接を終えるか、或いは上記
（ステップSf）→（ステップSj）の動作を溶接終了に至
るまで繰り返し行なわれる。また、ステップSeにおける
Nsサイクルは、アークスタート後に、溶接プール（溶融
池）が安定した状態になってから制御を行うための待ち
時間に相当するものであり、例えば15サイクルを採用す
ることが与えられるが、溶接条件によって適宜変更する
ことができる。

以上のように、この実施例によれば、揺動幅W_Wの変化
に対して溶接速度Ｖを可変制御するとによりビード高さ
が一定に保たれる。

なお、上記揺動幅制御及び溶接速度制御を行なう際の
主処理装置19による揺動の反転指令は、ワイヤ回転数検
出器22で検出されるワイヤ回転数に基づいて行なわれ
る。上記（７）式より、回転軸芯Ｏが基準揺動幅演算用
変換値W₁移動する間のアークの回転数は、２（ｍ・ｎ）
で与えられる。また、上記（８）式より、回転軸芯Ｏが
揺動幅W_W移動する間のアークの回転数は、２（ｍ・ｎ±
１）で与えられる。従って、制御すべき揺動幅が定まれ
ばアークの回転数すなわちワイヤ回転数を検出すること
により反転指令を与えるタイミングを決定できる。

次に、アーク電圧の変化特性による開先幅変移ΔＧの
検出方向の一例について説明する。

第１図に示すように、ワイヤ５が左右の開先壁2L,2R
に最接近する位置は、ワイヤ回転位置L_(WL),R_(WR)であ
る。

ここで、ワイヤ回転位置L_(WL)〜開先壁2L間の距離δ_L
とワイヤ回転位置R_(WR)〜開先壁2R間の距離δ_Rとは等し
い（δ_L＝δ_R）から、上記従来技術で説明したアーク特
性により、回転位L_(WL)におけるアーク電圧の検出値E
_L(WL)と回転位置R_(WR)におけるアーク電圧の検出値 E_R(WR)とは等しく（E_L(WL)＝E_R(WL)）なる。この検出値
E_L(WL),E_R(WR)は、開先幅Ｇが変化すると上記変化特性
により、 E_L(WL)＝E_R(WR)の関係を保持しつつ、その値の大きさは
変化する。

従って、このE_L(WL)，E_R(WR)の値を検出すれば基準開
先幅G_Oに対する正負を検出可能であるが、ここでは母材
内での電圧降下を考慮して、更に揺動中心WC上の検出値
をも検出する。この揺動中心WCは開先２の中央であるか
ら、ワイヤ回転位置L_(WL)〜揺動中心WC間の開先幅方向
の距離δ_CLとワイヤ回転位置R_(WR)〜揺動中心WC間の開
先幅方向の距離δ_CRとは等しい（δ_CL＝δ_CR）から、揺
動中心WC上のワイヤ回転位置C_f(WC)におけるアーク電圧
の検出値E_cf(wc)と、前記検出値E_L(WL)及びE_R(WR)との
間には下記の関係が成り立つ。

｛（E_R(WR)＋E_L(WL)）/2｝−E_cf(wc)＝Ｃ（14）ここで、Ｃは開先幅Ｇの大きさによって定まる定数で
ある。

この（14）式を簡易化のため下記のように記す。

（E_s−E_cf）（14a）（但し、E_s＝（E_R(WR)＋E_L(WL)）/2,E_cfはE_cf(wc)を示
す。）この（14a）式の値が実際の開先幅Ｇの大きさに対応
する値を示す。

また、基準開先幅G_Oにおける（14a）式の値をE_Oとする
と、このE_Oが基準開先幅G_Oの大きさに対応する値を示
す。

上記（14a）式とこのE_Oとの差、（E_s−E_cf）−E_O＝ΔＥ（15）が、開先幅変移ΔＧの大きさに対応する値を示す。この
ΔＥを上限E₁と下限E₂を持つ設定不感帯域と比較し、E₂
≦ΔＥ≦E₁のときはΔＧ＝0,ΔＥ＞E₁のときはΔＧ＝＋
g, ΔＥ＜E₂のときはΔＧ＝−ｇとみなす。

次に、第６図を参照しながら、上記の開先幅変移ΔＧ
を求める更に具体的な検出方法について説明する。この
第６図は第３図の開先幅変移検出装置21の回路ブロック
の一例を示すものである。

上述のE_R(WR),E_L(WL),E_cf(WC)を瞬時に検出するの
は、ノイズ等の影響もあり困難なため、ここでは各々積
分角φ_Oの範囲で電圧波形を積分して積分値として検出
する。更に、この積分は、回転軸芯Ｏが各々WR,WL,WC上
にあるときの前後でα回（アークのα回転分）行なうも
のとする。この場合、アークがα回回転する間の、揺動
による回転軸芯Ｏの開先幅方向の移動距離は（V_W/N）α
で表わされるから、上記の検出を行なう区間は、各々、 WR±（V_W・α/2N） WL±（V_W・α/2N） WC±（V_W・α/2N）となる。

第６図において、アーク電圧検出器13Eでアーク電圧
Ｅを検出し、この検出アーク電圧Ｅと予め設定器211に
設定してあるアーク電圧Ｅの平均値である基準電圧E_Oと
の差Ｅ−E_Oを作動増幅器212で演算する。この演算した
値Ｅ−E_Oが切換え器213で分割されて出力される。切換
え器213による分割のタイミングは制御器214からの指令
信号で行なう。

制御器214は揺動位置設定器215に設定された回転軸芯
Ｏの揺動位置WL,WC,WRと、処理回数設定器216に設定された処理回数αとから、
検出区間WL±（V_W・α/2N）,WR±（V_W・α/2N）,WC±
（V_W・α/2N）を求め、これらの値をワイヤ揺動位置検
出器217により検出される実際のワイヤ軸芯の揺動位置
と比較する。そして、ワイヤ軸芯の揺動位置が検出区間
WL±（V_W・α/2N）にある間、ワイヤ回転位置検出器218
で検出したワイヤの回転角φと、予め定めた５°から18
0°の範囲の一定の角度φ_Oを設定した積分角設定器219
の出力φ_Oとを比較演算し、ワイヤの回転軸芯がWL±（V
_W・α/2N）にあるときのワイヤ回転位置Ｌを中心とした
φ_Oの区間をＬ区間とし、この区間の波形が切換え器213
のＬ側から出力される。同様に、ワイヤ軸芯の揺動位置
が検出区間WC±（V_W・α/2N）にある間のワイヤ回転位
置C_fを中心としたφ_Oの区間をC_f区間として、この区間
の波形が切換え器213のC_f側から出力され、ワイヤ軸芯
の揺動位置が検出区間WR±（V_W・α/2N）にある間のワ
イヤ回転位置Ｒを中心としたφ_Oの区間をＲ区間とし
て、この区間の波形が切換え器213のＲ側から出力され
る。切換え器213のＬ側，C_f側,R側からの出力は、各々
積分器220,221,222で積分される。積分器220,221,222は
制御器214を介して出力されるα回（設定器216に設定さ
れた処理回数）分のアークの回転に対して波形積分を行
ない、その出力S_L,S_R,S_cfを各々記憶器223、224、225に
出力する。記憶器223、224、225は積分器220,221,222か
ら入力した信号S_L,S_R,S_cfをα回枚に記憶保持を繰返し
ながらS_L,S_Rを加算器226に、S_cfを差動増幅器227の一端
に出力する。加算器226の出力S_L＋S_Rは演算器228で1/2
に乗算され、S_LとS_Rの平均値（S_L＋S_R）/2＝S_Sが出力さ
れる。演算器228の出力S_Sは差動増幅器227の他端に入力
し、差動増幅器227では、S_SとS_cfとの差（S_S−S_cf）が
求められる。この差、（S_S−S_cf）は差動増幅器229の一
端に出力する。また、記憶器230には（S_S−S_cf）の初期
値、すなわち基準開先幅で適正な溶け込みを得るため基
準揺動幅が与えられているときの（S_S−S_cf）に相当す
る値S_Oが記憶保持され、この値が差動増幅器229の他端
に与えられ、差動増幅器229では、（S_S−S_cf）−S_O＝Δ
Ｓが求められる。このΔＳの値が、開先幅変移ΔＧに対
応する値である。更にΔＳは判別器231に与えられる。

一方、不感帯設定器232に設定されている上限S₁と下
限S₂を持つ帯域は判別器231でΔＳと比較され、判別器2
31は、 S₂≦ΔＳ≦S₁のときは0,ΔＳ＞S₁のときは＋g,ΔＳ＜S₂
のときは−ｇを出力する。

なお、上記の説明で積分角設定器219に設定された角
度φ_Oを５°から180°の範囲としたのは、角度φ_Oが５
°以下となるとノイズの影響を受易く検出が困難になる
ためである。また、不感帯設定器232に設定される帯域
は、予測開先幅変移±ｇの大きさに応じて適宜に設定さ
れる。

次に、Ｘ軸方向のトーチ移動の制御、すなわち開先倣
い制御について説明する。開先倣い制御には、上記第６
図に示した開先幅変移検出装置21の回路ブロックで得ら
れる信号S_L,S_Rを用いることができる。この開先左右縁
部で検出されたS_L,S_Rは、アークの狙い位置が適正であ
れば、等しく（S_L＝S_R）なる。従って、S_LとS_Rとの差S_L
−S_Rを求め、この差S_L−S_Rが零となるようにトーチ３を
Ｘ軸方向へ位置修正すれば開先倣い制御が行なえる。

第７図には、かかるＸ軸方向の駆動制御を行なうＸ軸
制御装置18Xの回路ブロックの一例が示されている。

上記第６図の記憶器223,225からα回枚に記憶保持を
繰返しながら出力される信号S_L,S_Rは、第７図の差動増
幅器181Xの両入力端に各々入力される。この差動増幅器
181Xからは、S_LとS_Rとの差S_L−S_Rが出力され、この差出
力はＸ軸モータ駆動制御器182Xに入力される。Ｘ軸モー
タ駆動制御器182Xは、該差出力が零になるように、Ｘ軸
モータ11Xを介してトーチ３をＸ軸方向へ移動させる。
このようにして、トーチ３のＸ軸方向の位置を修正する
ことにより開先倣い制御が行なわれる。

次に、Ｙ軸制御装置18Yによる定アーク長制御につい
て説明する。

第８図には、かかる制御を行なうＹ軸制御装置18Yの
回路ブロックの一例が示されている。

第７図において、アーク電圧検出器13からの検出アー
ク電圧Ｅは差動増幅器181Yの一端に入力される。一方、
この差動増幅器181Yの他端には、予め設定器182Yによっ
て適宜の値に設定された基準値が入力される。増幅器18
1Yはかかる基準値と、上述した検出値との差を出力し、
この差出力はＹ軸モータ駆動制御器183Yに入力される。
Ｙ軸モータ駆動制御器183Yは、該差出力が零になるよう
に、すなわちアーク電圧Ｅが基準値になるように、Ｙ軸
モータ11Yを介してトーチ３をＹ軸方向へ移動させる。
これによって、アーク電圧Ｅが一定に保たれ、アーク長
が一定に保たれる。

従って、トーチ３がＸ軸方向へ移動すると、トーチ３
は開先壁に沿ってＹ軸方向へ移動することになる。この
制御法によれば、開先形状がどのように変化しても、ト
ーチ３の先端は母材表面1aあるいは開先底面2bから一定
の距離を保ったまま常に開先幅内で反転揺動をくり返す
ことになる。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば、開先幅の変化に基
いて揺動幅を可変制御することとしたので、開先幅が変
化しても適正な溶け込みが得られる。

更に、この揺動幅の変化に基いて溶接速度を可変制御
し溶着量を補償するようにしたので、開先幅が変化して
も一定のビード高さを保てるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の揺動回転アーク溶接法の原理を説明
するための溶接部上面図、第２図はその側面断面図、
第３図はこの発明の揺動回転アーク溶接法に係る制御系
を示すブロック図、第４図は揺動幅制御の動作を示すフ
ローチャート、第５図は溶接速度制御の動作を示すフロ
ーチャート、第６図は開先幅検出装置の構成の一例を示
すブロック図、第７図は開先倣いを行なう回路ブロック
の一例を示すブロック図、第８図は定アーク長制御を行
なう回路ブロックの一例を示ブロック図、第９図は従来
の回転アーク溶接法の溶接部上面図、第10図はその側面
図、第11図及び第12図は回転するワイヤの位置に対応し
て変化するアーク電圧Ｅおよび溶接電流Ｉの波形を示す
グラフである。図において、１は被溶接部材、２は開先、３は回転アー
クトーチ、19は主処理装置、20は入力装置、21は開先幅
検出装置、22はワイヤ回転数検出器、192は揺動幅演算
部、194は溶接速度演算部である。なお、各図中同一符号は同一または相当部を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接ワイヤを所定の回転半径で軸芯まわり
に高速回転させてアークを回転させるとともに、溶接ト
ーチを開先内で開先幅方向に往復揺動させ、且つアーク
電圧または溶接電流を検出し、アークセンサ方式の開先
倣いを行ないつつ、予め設定されたアーク電圧または溶
接電流を保持するように、被溶接母材に対する高さ方向
の溶接トーチ位置を制御しながらアーク溶接を行なうに
際し、予測しうる開先幅の開先幅方向の大きさの変移の平均値
±ｇを予め設定し、この平均値±ｇの絶対値|g|と等し
くなるように機械的に制御可能な揺動の単位量を設定
し、開先幅の設計値である基準開先幅に対して、予め定めら
れた溶け込みを得る揺動幅の初期値を前記揺動単位量の
整数倍として与え、開先幅の大きさの変化に対するアーク電圧または溶接電
流の変化特性により、開先幅変移に対応する値を検出
し、この検出値をその大きさに応じて0,＋g,−ｇの何れ
かに判別し、その判別結果に基き開先幅の変化に対して
溶け込みが予め定められた一定値に保持されるように前
記整数を増減して揺動幅を制御することを特徴とする揺
動回転アーク溶接法。
【請求項２】請求項１記載の揺動回転アーク溶接法によ
り前記揺動幅を制御するに際し、この制御された揺動幅をW_w、その１サイクル前の揺動幅
をW_wo、ワイヤ送給速度をV_fo、所望のビード高さをｈ、
溶接速度の初期値をV_o、制御すべき溶接速度をＶとする
とき、下式、Ｖ＝V_fo／｛（V_fo／V_o）＋（W_w−W_wo）ｈ｝に基き溶接速度を制御することを特徴とする揺動回転ア
ーク溶接法。