JP7507480B2 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

例えば非特許文献１（成田圀郎、「溶接後の処理と検査」、溶接学会誌第５０巻第９号第８７５頁、１９８１年）に記載されているように、溶接を行った後には、溶接部の非破壊検査が行われ、割れ等が生じている欠陥箇所の補修（再溶接）が行われる。特に、大型の構造物においては、溶接部に高温割れが生じやすく、欠陥箇所に対する再溶接が不可欠であった。なお、高温割れとは、溶接中又は溶接後の冷却過程において溶接部に生じる割れである。

成田圀郎、「溶接後の処理と検査」、溶接学会誌第５０巻第９号第８７５頁、１９８１年

上記のような欠陥箇所に対する再溶接を可能な限り行わないようにするためには、溶接時の高温割れの発生を抑制することが必要である。しかしながら、高温割れの発生に関わる溶接条件は多岐にわたり、その最適化が困難である結果、溶接時の高温割れの発生が十分抑制されていなかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、高温割れの発生を抑制することが可能な溶接装置及び溶接方法を提供するものである。

本発明の溶接装置は、第１方向における第１部材の端面である第１端面と第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で第１部材及び第２部材を溶接する。溶接装置は、第１方向に交差している第２方向に沿って第１部材と第２部材とが溶接される溶接部上を移動する溶接トーチと、溶接トーチとともに第２方向に沿って移動しながら第１端面及び第２端面がなしている開先の第１方向における幅を測定するセンサとを備える。溶接装置は、開先の幅の変位が所定の閾値未満である場合に溶接装置に第１溶接条件に沿った溶接を行うとともに、開先の幅の変位が閾値以上である場合に第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿った溶接を行うように構成されている。第２溶接条件における開先の幅の変位は、第１溶接条件における開先の幅の変位よりも小さい。

上記の溶接装置では、センサが、溶接トーチの前方において、開先の幅の変位を測定してもよい。

上記の溶接装置では、第２溶接条件における溶接トーチの移動速度が、第１溶接条件における溶接トーチの移動速度よりも小さくてもよい。

上記の溶接装置では、第２溶接条件における溶接トーチの出力が、第１溶接条件における溶接トーチの出力よりも小さくてもよい。

上記の溶接装置では、溶接トーチは、第２溶接条件において、第１方向又は第２方向に沿ってウィービングされてもよい。

上記の溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備えていてもよい。記憶装置には、学習済みモデルが格納されていてもよい。学習済みモデルには、強化学習が行われていてもよい。強化学習においては、複数の学習用溶接条件のいずれかが選択された際に、第１報酬が付与されてもよい。第１報酬は、溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標が小さくなるにしたがって、大きくなってもよい。強化学習においては、第１報酬に基づいて、価値関数の更新が行われてもよい。プロセッサは、価値関数に基づいて第１溶接条件を決定してもよい。

上記の溶接装置では、複数の学習用溶接条件の各々が選択された際の高温割れ指標が、有限要素法解析に基づいて算出されてもよい。

上記の溶接装置では、高温割れ指標が、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪み、凝固脆性温度領域における温度勾配ベクトル及び開先の幅の変位の少なくともいずれかであってもよい。

上記の溶接装置では、強化学習において、複数の学習用溶接条件のいずれかが選択された際に、第２報酬がさらに付与されてもよい。第２報酬は、溶接トーチの平均移動速度が大きくなるにしたがって、大きくなってもよい。強化学習においては、第１報酬及び第２報酬に基づいて、価値関数の更新が行われてもよい。

上記の溶接装置では、学習済みモデルには、Ｑ学習が行われてもよい。
上記の溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備えていてもよい。記憶装置には、学習済みモデルが格納されていてもよい。学習済みモデルは、溶接条件が入力された際に、溶接条件を適用した際の溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標を出力してもよい。学習済みモデルには、学習用溶接条件と学習用溶接条件を適用した際の高温割れ指標とを含む教師データを用いて教師あり学習が行われていてもよい。プロセッサは、学習済みモデルから出力される高温割れ指標に基づいて第１溶接条件を決定してもよい。

上記の溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備えていてもよい。記憶装置には、溶接条件が入力された際に溶接条件の評価値を出力する評価関数が格納されていてもよい。評価値には、溶接条件を適用した際の溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標が含まれていてもよい。プロセッサは、評価値に基づいて遺伝的アルゴリズムを適用することにより、第１溶接条件を決定してもよい。

本発明の溶接方法は、第１方向における第１部材の端面である第１端面と第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で第１部材及び第２部材を溶接する方法である。溶接方法は、第１方向に交差している第２方向に沿って溶接トーチを移動させることにより、第１部材と第２部材とを溶接する工程と、溶接トーチとともに第２方向に沿って移動するセンサにより、第１端面及び第２端面がなしている開先の第１方向における幅を測定する工程とを備える。第１部材と第２部材との溶接は、幅の変位が所定の閾値未満である場合に第１溶接条件に沿って行われるとともに、幅の変位が閾値以上である場合に第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿って行われる。第２溶接条件における幅の変位は、第１溶接条件における幅の変位よりも小さい。

本発明の溶接装置によると、高温割れの発生を抑制することができる。

溶接装置１００のブロック図である。 互いに突き合わされた状態の第１部材１１０及び第２部材１２０の平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 液相線温度と固体相線温度との間における凝固脆性温度領域の模式的な高温延性曲線である。 溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みと幅Ｗの変位量との関係を示す模式的なグラフである。

以下に、実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。ここでは、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る溶接装置（以下「溶接装置１００」とする）を説明する。

＜溶接装置１００の構成＞
図１は、溶接装置１００のブロック図である。図１に示されるように、溶接装置１００は、溶接トーチ１０と、駆動機構２０と、電源装置３０と、センサ４０と、コントローラ５０とを有している。

溶接装置１００は、第１部材１１０と、第２部材１２０とを溶接する。図２は、互いに突き合わされた状態の第１部材１１０及び第２部材１２０の平面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図２及び図３に示されるように、第１部材１１０及び第２部材１２０は、第１方向ＤＲ１において、互いに隣り合うように配置されている。

第１部材１１０は、端面１１０ａと、端面１１０ｂとを有している。端面１１０ａ及び端面１１０ｂは、第１方向ＤＲ１における第１部材１１０の端面である。第２部材１２０は、端面１２０ａと、端面１２０ｂとを有している。端面１２０ａ及び端面１２０ｂは、第１方向ＤＲ１における第２部材１２０の端面である。第１部材１１０及び第２部材１２０は、端面１１０ａ及び端面１２０ｂが第１方向ＤＲ１において互いに対向するように配置されている。

第１部材１１０は、第１主面１１０ｃと、第２主面１１０ｄとを有している。第１主面１１０ｃ及び第２主面１１０ｄは、厚さ方向における第１部材１１０の端面である。第２部材１２０は、第１主面１２０ｃと、第２主面１２０ｄとを有している。第１主面１２０ｃ及び第２主面１２０ｄは、厚さ方向における第２部材１２０の端面である。

端面１１０ａ及び端面１２０ａは、開先をなしている。図２及び図３に示されている例では、開先の形状は、Ｖ形開先である。すなわち、端面１１０ａは、第１主面１１０ｃ側から第２主面１１０ｄ側に向かうにしたがって端面１１０ｂとの距離が大きくなるように傾斜しており、端面１２０ａは、第１主面１２０ｃ側から第２主面１２０ｄ側に向かうにしたがって端面１２０ｂとの距離が大きくなるように傾斜している。

但し、開先の形状は、これに限られるものではない。端面１１０ａ及び端面１２０ａがなしている開先は、Ｉ形開先であってもよい。すなわち、端面１１０ａ及び端面１２０ａは、傾斜していなくてもよい。

端面１１０ａと端面１２０ａとがなしている開先の第１方向ＤＲ１における幅を、幅Ｗとする。幅Ｗは、第１方向ＤＲ１における端面１１０ａと端面１２０ａとの間の距離の最大値である。図２及び図３に示されている例では、幅Ｗは、端面１１０ａの第１主面１１０ｃ側の端と端面１２０ａの第１主面１２０ｃ側の端との間の距離である。

第１部材１１０及び第２部材１２０は、例えば、平板状の部材である。第１部材１１０及び第２部材１２０は、例えば、鋼製である。第１部材１１０及び第２部材１２０は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２００８）に規定されている溶接構造用圧延鋼板（ＳＭ材）である。

第１部材１１０及び第２部材１２０は、例えば、同一材料により形成されている。第１部材１１０及び第２部材１２０は、互いに異なる材料により形成されていてもよい。第１部材１１０及び第２部材１２０は、鋼製である必要はない。第１部材１１０及び第２部材１２０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）合金等の非鉄合金であってもよい。

溶接トーチ１０は、例えば、アーク溶接用の溶接トーチである。但し、溶接トーチ１０は、これに限られない。溶接トーチ１０は、レーザ溶接用の溶接トーチであってもよい。溶接トーチ１０は、駆動機構２０により、第２方向ＤＲ２に沿って移動される。より具体的には、溶接トーチ１０は、第１部材１１０と第２部材１２０とが溶接される部分（溶接部）上を、第２方向ＤＲ２における一方側から第２方向ＤＲ２における他方側に向かって移動する。溶接トーチ１０は、第１主面１１０ｃ及び第１主面１２０ｃ側から、第１部材１１０及び第２部材１２０を溶接する。なお、第２方向ＤＲ２は、第１方向ＤＲ１に交差している（好ましくは、直交している）方向である。

好ましくは、駆動機構２０は、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２の少なくとも一方に沿って溶接トーチ１０を揺動させることができる。このことを別の観点から言えば、駆動機構２０は、溶接トーチ１０をウィービングさせることができる。

電源装置３０から溶接トーチ１０に電流が供給されることにより、溶接トーチ１０にアークが発生し、当該アークにより第１部材１１０及び第２部材１２０の溶接が行われる。より具体的には、第１部材１１０と第２部材１２０との間に溶接金属１３０が形成されることにより、第１部材１１０と第２部材１２０との溶接が行われる。

溶接金属１３０は、溶接トーチ１０により溶融された第１部材１１０及び第２部材１２０が混合（溶接材料が用いられる場合は、溶融した当該溶接材料もさらに混合される）され、冷却されることにより形成される。溶接トーチ１０の出力は、電源装置３０から供給される電流を変化させることにより、調整される。

センサ４０は、幅Ｗの変位を測定する。センサ４０は、例えば、光学式変位センサ等の変位センサである。但し、センサ４０は、これに限られない。センサ４０は、例えば、撮像素子であり、撮像素子が撮影した画像に基づいて幅Ｗの変位を画像処理により算出してもよい。

センサ４０は、例えば駆動機構２０により、溶接トーチ１０とともに第２方向ＤＲ２に沿って移動される。好ましくは、センサ４０は、溶接トーチ１０よりも前方で（溶接トーチ１０よりも第２方向ＤＲ２における他方側で）幅Ｗの変位を測定することが好ましい。但し、センサ４０は、溶接トーチ１０よりも後方で（溶接トーチ１０よりも第２方向ＤＲ２における一方側で）幅Ｗの変位を測定してもよい。

コントローラ５０は、例えば、パーソナルコンピュータである。但し、コントローラ５０は、これに限られない。コントローラ５０は、入出力インターフェース（図示せず）を介して駆動機構２０に対して制御信号を送信するとともに、入出力インターフェースを介して電源装置３０に対して制御信号を送信する。また、コントローラ５０は、入出力インターフェースを介してセンサ４０から出力される幅Ｗの変位を示す出力信号を受信する。

コントローラ５０は、記憶装置５１と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５２とを有している。記憶装置５１には、所定の閾値が格納されている。ＣＰＵ５２は、この閾値とセンサ４０により測定された幅Ｗの変位との大小関係を比較する。

この比較結果に基づき、コントローラ５０（ＣＰＵ５２）は、溶接装置１００の溶接条件を変更する。より具体的には、幅Ｗの変位が上記の閾値未満である場合、溶接装置１００は、第１溶接条件にしたがって溶接を行う。また、幅Ｗの変位が上記の閾値以上である場合、溶接装置１００は、第２溶接条件にしたがって溶接を行う。第２溶接条件は、第１溶接条件とは異なる溶接条件である。第２溶接条件によると、第１溶接条件よりも幅Ｗの変位が小さくなる。

第１溶接条件と第２溶接条件とでは、例えば、溶接トーチ１０の移動速度が異なる。この場合、第２溶接条件における溶接トーチ１０の移動速度は、第１溶接条件における溶接トーチ１０の移動速度が小さい。コントローラ５０は、例えば、幅Ｗの変位が上記の閾値未満である場合と幅Ｗの変位が上記の閾値以上である場合とで駆動機構２０に送信する制御信号を変更することにより、溶接トーチ１０の移動速度の変更を行う。

第１溶接条件と第２溶接条件とでは、溶接トーチ１０の出力（すなわち、溶接トーチ１０から溶接部への入熱量）が異なっていてもよい。この場合、第２溶接条件における溶接トーチ１０の出力は、第１溶接条件における溶接トーチ１０の出力よりも小さい。コントローラ５０は、例えば、幅Ｗの変位が上記の閾値未満である場合と幅Ｗの変位が上記の閾値以上である場合とで電源装置３０に送信する制御信号を変更することにより、溶接トーチ１０の出力の変更を行う。

第１溶接条件と第２溶接条件とでは、溶接トーチ１０のウィービングの有無が異なっていてもよい。この場合、第２溶接条件においては溶接トーチ１０のウィービングが行われる一方で、第１溶接条件においては溶接トーチ１０のウィービングが行われない。コントローラ５０は、例えば、幅Ｗの変位が上記の閾値未満である場合と幅Ｗの変位が上記の閾値以上である場合とで駆動機構２０に送信する制御信号を変更することにより、溶接トーチ１０のウィービングの有無を切り替える。

なお、第１溶接条件と第２溶接条件との違いは、溶接トーチ１０の動作の違い以外であってもよい。要するに、第２溶接条件は、幅Ｗの変位が小さくなるように決定された溶接条件であれば、特に限定されない。

図２に示されるように、第１部材１１０及び第２部材１２０は、第２方向ＤＲ２に沿って、ｎ（ｎ：２以上の自然数）個の領域に区分することができる。これらの領域を、領域Ｒ_１～領域Ｒ_ｎとする。溶接トーチ１０が領域Ｒ_ｋ（ｋ：２以上ｎ以下の自然数）を通過する際の第１溶接条件は、溶接トーチ１０が領域Ｒ_ｌ（ｌ：ｋとは異なる２以上ｎ以下の自然数）を通過する際の第１溶接条件と異なっていてもよい。すなわち、第１溶接条件は、溶接トーチ１０が第２方向ＤＲ２に沿って移動するに伴って変化していてもよい。

なお、第１溶接条件から第２溶接条件に切り替えられた後に幅Ｗの変位が再び上記の閾値未満となった場合には、第２溶接条件から第１溶接条件に戻されてもよい。

＜溶接装置１００の効果＞
溶接トーチ１０からの溶接部への入熱により、溶接トーチ１０の直下近傍には、溶融池が形成される。溶融池は、溶融混合された第１部材１１０及び第２部材１２０（溶接材料が用いられている場合、溶融池には、さらに、溶融した溶接材料も含まれる）により構成されている。

溶融池の後方端（第２方向ＤＲ２における一方側の端）に隣接して、凝固脆性温度領域（ＢＴＲ：Brittle Temperature Region）が形成される。凝固脆性温度領域は、固相と液相とが共存している領域である。すなわち、凝固脆性温度領域は、その温度が母材（第１部材１１０及び第２部材１２０）の固相線温度を超えて母材の液相線温度未満となっている領域である。

図４は、液相線温度と固体相線温度との間における凝固脆性温度領域の模式的な高温延性曲線である。図４中において、横軸は凝固脆性温度領域の温度であり、縦軸は凝固脆性温度領域に加わる引張塑性歪みである。図４中の高温延性曲線（実線）は、所定の温度における高温割れが発生する限界の歪みを示している。また、図４中のＴ_Ｌ及びＴ_Ｓは、それぞれ液相線温度及び固相線温度を示している。

図４に示されるように、凝固脆性温度領域においては、溶融している金属の凝固に伴い（すなわち、温度が低下するに伴い）、引張塑性歪みが増加する（図４中の点線参照）。この点線が高温延性曲線の上方にある領域（図４中のハッチングされた領域を参照）を通過する場合、凝固脆性温度領域に高温割れが生じることになる。すなわち、凝固脆性温度領域における引張塑性歪みは、溶接部に高温割れを生じさせる１つの要因である。

しかしながら、第１部材１１０と第２部材１２０との溶接を行っている過程で溶接部の凝固脆性温度領域における引張歪みを測定することは、困難である。

図５は、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みと幅Ｗの変位との関係を示す模式的なグラフである。図５中において、横軸が溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みであり、縦軸が幅Ｗの変位量である。本発明者らが見出した知見によると、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みと幅Ｗの変位とは、概ね線形の関係にある。すなわち、幅Ｗの変位を小さくすれば、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みが小さくなり、溶接部に高温割れが生じにくくなる。

溶接装置１００においては、幅Ｗの変位が所定の閾値以上となる場合に、溶接条件が第１溶接条件から第２溶接条件へと切り替えられる。溶接条件が第１溶接条件から第２溶接条件に切り替えられることにより、幅Ｗの変位は、小さくなる。

このように、溶接装置１００においては、幅Ｗの変位をモニタリングすることにより溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みを間接的にモニタリングすることができ、そのモニタリング結果に基づいて幅Ｗの変位が小さくなるように溶接条件が調整されるため、溶接部に高温割れが発生することを抑制できる。

（第２実施形態）
以下に、溶接装置２００を説明する。ここでは、溶接装置１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。

＜溶接装置２００の構成＞
溶接装置２００は、溶接装置１００と同様に、溶接トーチ１０と、駆動機構２０と、電源装置３０と、センサ４０と、コントローラ５０とを有している。溶接装置２００は、学習済みモデルを有している。学習済みモデルは、コントローラ５０の記憶装置５１に格納されている。溶接装置２００においては、コントローラ５０（ＣＰＵ５２）が学習済みモデルに基づいて、第１溶接条件を決定する。これらの点に関して、溶接装置２００の構成は、溶接装置１００の構成と異なっている。

学習済みモデルには、例えば、強化学習が行われている。溶接部における高温割れの生じやすさを示す指標を、高温割れ指標とする。高温割れ指標は、例えば、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みである。高温割れ指標は、溶接部の凝固脆性温度領域における温度勾配ベクトル又は幅Ｗの変位であってもよい。高温割れ指標には、上記のパラメータが組み合わせて用いられてもよい。

なお、溶接部の凝固脆性温度領域における温度勾配ベクトルは、凝固脆性温度領域における溶接金属の結晶成長方向と対応している。溶接部における高温割れは、凝固脆性温度領域における溶接金属の結晶成長方向にも影響されるため、溶接部の凝固脆性温度領域における温度勾配ベクトルは、高温割れ指標となり得る。

上記の高温割れ指標は、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）解析に基づいて算出されてもよく、実際の溶接施工時に測定を行うことにより取得してもよい。

強化学習が行われる際に用いられる溶接条件（学習用溶接条件）には、例えば、溶接トーチ１０の移動速度が含まれる。学習用溶接条件には、溶接トーチ１０の出力が含まれていてもよい。学習用溶接条件には、その他に、第１部材１１０と第２部材１２０との間の仮付けの有無、第１部材１１０と第２部材１２０との間の仮付けの寸法、第１部材１１０と第２部材１２０との間の仮付けの数、第１部材１１０の寸法、第２部材１２０の寸法、開先の形状等が含まれていてもよい。学習用溶接条件の数は、複数である。複数の学習用溶接条件の各々は、上記のパラメータのうちの少なくとも１つに関して、互いに異なっている。

強化学習においては、学習用溶接条件の選択に伴って、報酬が付与される。報酬は、複数の学習用溶接条件のうちのいずれを選択するかにより異なる。強化学習においては、学習用溶接条件の選択に伴って付与された報酬に基づいて価値関数を更新することにより行われる。

例えば、学習用溶接条件の選択に伴って、第１報酬が付与される。第１報酬は、選択された学習用溶接条件に対応する高温割れ指標が小さいほど、大きくなる。価値関数が第１報酬に基づいて更新されることにより、強化学習が進行する。

学習用溶接条件の選択に伴って、第２報酬がさらに付与されてもよい。第２報酬は、第１報酬とは異なる報酬である。第２報酬は、溶接トーチ１０の平均移動速度が大きくなるほど（すなわち、溶接効率が高くなるほど）、大きくなる。この場合、価値関数は、第１報酬及び第２報酬に基づいて更新されることになる。

強化学習は、溶接の進行段階に応じた複数の状態に分けて行われてもよい。この複数の状態の各々は、例えば、溶接トーチ１０が領域Ｒ_１～領域Ｒ_ｎのいずれに位置しているかに対応している。この複数の状態の各々は、溶接トーチ１０が領域Ｒ_１～領域Ｒ_ｎのいずれに位置しているか及び溶接トーチ１０の移動速度の履歴に対応していてもよい。強化学習が複数の状態に分けて行われる場合、学習用溶接条件の選択、報酬の付与及び価値関数の更新は、複数の状態の各々において行われることになる。

第１溶接条件は、学習済みモデルの価値関数に基づいて決定される。より具体的に、第１溶接条件は、学習済みモデルの価値関数を複数の状態の各々において最大化するように決定される。コントローラ５０は、決定された第１溶接条件に含まれる各時点での溶接トーチ１０の移動速度及び出力にしたがって、溶接トーチ１０を動作させる。

上記の強化学習は、例えば、Ｑ学習である。但し、学習済みモデルは、Ｑ学習以外の強化学習が行われたものであってよい。Ｑ学習は、式（１）にしたがって価値関数の更新を繰り返すことにより行われる。

Ｑ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））は、時点ｔにおける価値関数である。ｓ（ｔ）は、時点ｔにおける状態を示している。ｓ（ｔ）は、時点ｔにおいて状態に応じて、複数の値を取り得る。ａ（ｔ）は、時点ｔにおける行動を示している。ａ（ｔ）は、時点ｔにおいて選択された行動に応じて、複数の値を取り得る。αは、学習率であり、０を超えて１以下の数値である。γは、割引率であり、０を超えて１以下の数値である。

ｍａｘ［Ｑ（ｓ（ｉ），ａ（ｉ）］は、時点ｉにおける価値関数の最大値である。時点ｉは、時点ｔに対する過去又は未来の任意の時点である。ｒは、選択された行動（溶接条件）に対応して与えられる報酬である。

Ｑ学習においては、第１に、Ｑ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））に対して、任意の初期値が与えられる。第２に、式（１）にしたがって、Ｑ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））が繰り返し更新される。この更新を行う際、例えば、ε－ｇｒｅｅｄｙ法が用いられる。すなわち、この更新を行う際、原則として、価値関数の値が最大となる溶接条件の選択が行われるが、一定の確率で価値関数の大小にかかわらずランダムな溶接条件の選択が行われる。この一定の確率は、学習が進むにつれて（繰り返し回数が増加するにつれて）減少する。

ｓ（ｔ）は、例えば、時点ｔにおける溶接トーチ１０の位置及び時点ｔ以前の溶接条件の履歴に対応している。時点ｔにおける溶接トーチ１０の位置は、溶接トーチ１０が領域Ｒ_１～領域Ｒ_ｎのいずれに位置しているかに対応している。時点ｔ以前の溶接条件の履歴は、例えば、時点ｔ以前の溶接トーチ１０の移動速度の履歴又は時点ｔ以前の溶接トーチ１０の移動速度の履歴である。いくつ前の時点まで溶接条件の履歴をｓ（ｔ）として考慮するかは、適宜選択される。

ａ（ｔ）は、例えば、時点ｔにおける溶接条件に対応している。ａ（ｔ）として考慮される時点ｔにおける溶接条件は、例えば、時点ｔにおける溶接トーチ１０の出力、時点ｔにおける溶接トーチ１０の移動速度である。

但し、ａ（ｔ）として考慮する時点ｔにおける溶接条件は、溶接トーチ１０の移動速度及び溶接トーチ１０の出力に限られない。例えば、ａ（ｔ）として考慮する時点ｔにおける溶接条件は、第１部材１１０と第２部材１２０との間の仮付けの寸法、第１部材１１０と第２部材１２０との間の仮付けの数、第１部材１１０の寸法、第２部材１２０の寸法、開先の形状等である。

ｒは、例えば、時点ｔにおける溶接条件での高温割れ指標に基づいて付与される第１報酬を含む。ｒは、時点ｔにおける溶接条件での溶接効率を示す指標（例えば、溶接トーチ１０の平均移動速度）に基づいて付与される第２報酬をさらに含んでいてもよい。

第１溶接条件は、学習済みのＱ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））の値に基づいて決定される。より具体的には、各時点での第１溶接条件は、Ｑ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））の値が最大化されるａ（ｔ）に対応するように決定される。

＜溶接装置２００の効果＞
高温割れの発生には、多数のパラメータが関与している。そのため、実際の溶接施工を繰り返すことにより、溶接効率を維持しつつ、高温割れの発生を抑制可能な溶接条件に最適化しようとすると、困難を伴う。

他方で、例えば強化学習を用いることにより、溶接効率を維持しつつ、高温割れの発生を抑制可能な溶接条件の最適化を容易に行うことができる。また、有限要素法解析を用いて高温割れ指標を算出することにより、強化学習に必要な多量のデータセットを容易に準備することができるため、この最適化は、さらに効率化される。

＜強化学習に基づく第１溶接条件の決定例＞
第１部材１１０及び第２部材１２０の第１方向ＤＲ１における幅を、それぞれ、７０ｍｍとした。第１部材１１０及び第２部材１２０の第２方向ＤＲ２における長さを、それぞれ、３００ｍｍとした。第１部材１１０及び第２部材１２０は、４つの領域、すなわち、領域Ｒ_１、領域Ｒ_２、領域Ｒ_３及び領域Ｒ_４に区分されている。

溶接トーチ１０が領域Ｒ_１にある時点を時点１とし、溶接トーチ１０が領域Ｒ_２にある時点を時点２とし、溶接トーチ１０が領域Ｒ_３にある時点を時点３とし、溶接トーチ１０が領域Ｒ_４にある時点を時点４とした。

ａ（ｔ）として考慮する溶接条件は、溶接トーチ１０の移動速度とした。ａ（ｔ）として、５ｍｍ／秒、１０ｍｍ／秒、１５ｍｍ／秒及び２０ｍｍ／秒の４種類の溶接トーチ１０の移動速度が選択可能とされた。なお、溶接トーチ１０の移動速度以外の溶接条件は、一定値に固定された。より具体的には、溶接トーチ１０からの単位長さあたりの入熱量が７０Ｊ／ｍｍとされ、第１部材１１０と第２部材１２０との間に仮付けは設けられなかった。

ｓ（ｔ）は、時点ｔにおける溶接トーチ１０の位置（領域Ｒ_１～領域Ｒ_４のいずれに溶接トーチ１０があるか）及び時点（ｔ－１）における溶接トーチ１０の移動速度に基づいて決定された。但し、ｓ（１）に関しては、それ以前の時点における溶接トーチ１０の移動速度が存在しないため、時点（ｔ－１）における溶接トーチ１０の移動速度は考慮されなかった。

ｒは、高温割れ指標に基づく第１報酬及び溶接トーチ１０の平均速度に基づく第２報酬が付与された。高温割れ指標が大きい溶接条件であるほど大きな第１報酬が付与され、溶接トーチ１０の平均速度が大きい溶接条件であるほど大きな第２報酬が付与された。高温割れ指標には、溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪みが用いられた。

以上の条件の下で、式（１）を５０回更新した。式（１）の更新を５０回行った時点におけるＱ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））の値が表１に示されている。なお、時点１～時点４において、それぞれ４通りの溶接トーチ１０の移動速度の選択が可能であるため、合計パターンは、４^４＝２５６通り存在している。

表１に示されるように、時点１における溶接トーチ１０の移動速度を５ｍｍ／秒、時点２における溶接トーチ１０の移動速度を５ｍｍ／秒、時点３における溶接トーチ１０の移動速度を１５ｍｍ／秒、時点４における溶接トーチ１０の移動速度を２０ｍｍ／秒とすることが、各時点でのＱ（ｓ（ｔ），ａ（ｔ））の値を最大化するａ（ｔ）の選択となる。

上記のＱ学習が行われた学習済みモデルを用いた溶接条件の決定とは別に、有限要素法解析に基づいて高温割れの有無が評価された。この解析は、上記の同様に、２５６通り行われた。その結果、溶接トーチ１０の領域Ｒ_１、領域Ｒ_２、領域Ｒ_３及び領域Ｒ_４における移動速度をそれぞれ５ｍｍ／秒、５ｍｍ／秒、１５ｍｍ／秒及び２０ｍｍ／秒とすることが、高温割れの発生抑止及び溶接効率の観点から、最も好ましい溶接条件であった。すなわち、有限要素法解析により得られた最適な溶接条件と学習済みモデルにより得られた最適な溶接条件とが、互いに一致した。

このように、第１溶接条件がＱ学習の行われた学習済みモデルに基づいて適切に決定され得ることが、上記の比較から明らかにされた。

＜変形例＞
上記では、学習済みモデルには強化学習が適用されるとしたが、学習済みモデルに適用される学習は、これに限られない。例えば、学習済みモデルは、入力される溶接条件に対して当該溶接条件を適用した際の高温割れ指標を出力し、学習用溶接条件と当該学習用溶接条件を適用した際の高温割れ指標とを含むデータセットを教師データとして用いて教師あり学習が行われていてもよい。

また、第１溶接条件は、遺伝的アルゴリズムを適用することにより決定されてもよい。より具体的には、記憶装置５１には、溶接条件が入力された際に当該溶接条件の評価値を出力する評価関数が格納されている。この評価値には、高温割れ指標が含まれている。ＣＰＵ５２は、この評価値を参照して遺伝的アルゴリズムを適用する（例えば、高温割れ指標が最小となる溶接条件を遺伝的アルゴリズムで探索する）ことにより、第１溶接条件を決定してもよい。

さらに、第１溶接条件の決定手法（最適化手法）は、上記のものに限られない。ＣＰＵ５２は、例えば、コンプレックスメソッド、最急降下法又はランダムサーチを適用することにより、第１溶接条件を決定してもよい。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上記の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

１０ 溶接トーチ、２０ 駆動機構、３０ 電源装置、４０ センサ、５０ コントローラ、５１ 記憶装置、５２ ＣＰＵ、１００，２００ 溶接装置、１１０ 第１部材、１１０ａ，１１０ｂ 端面、１１０ｃ 第１主面、１１０ｄ 第２主面、１２０ 第２部材、１２０ａ，１２０ｂ 端面、１２０ｃ 第１主面、１２０ｄ 第２主面、１３０ 溶接金属、ＤＲ１ 第１方向、ＤＲ２ 第２方向、Ｗ 幅。

Claims (12)

1. 第１方向における第１部材の端面である第１端面と前記第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で前記第１部材及び前記第２部材を溶接する溶接装置であって、
   前記第１方向に交差している第２方向に沿って前記第１部材と前記第２部材とが溶接される溶接部上を移動する溶接トーチと、
   前記溶接トーチとともに前記第２方向に沿って移動しながら前記第１端面及び前記第２端面がなしている開先の前記第１方向における幅を測定するセンサとを備え、
   前記溶接装置は、前記幅の変位が所定の閾値未満である場合に前記溶接装置に第１溶接条件に沿った溶接を行うとともに、前記幅の変位が前記閾値以上である場合に前記第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿った溶接を行うように構成されており、
   前記第２溶接条件における前記幅の変位は、前記第１溶接条件における前記幅の変位よりも小さく、
   前記第２溶接条件における前記溶接トーチの出力は、前記第１溶接条件における前記溶接トーチの出力よりも小さい、溶接装置。
2. 前記センサは、前記溶接トーチの前方において、前記幅の変位を測定する、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記第２溶接条件における前記溶接トーチの移動速度は、前記第１溶接条件における前記溶接トーチの移動速度よりも小さい、請求項１又は請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記第２溶接条件においては、前記溶接トーチは、前記第１方向又は前記第２方向に沿ってウィービングされる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の溶接装置。
5. 第１方向における第１部材の端面である第１端面と前記第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で前記第１部材及び前記第２部材を溶接する溶接装置であって、
   前記第１方向に交差している第２方向に沿って前記第１部材と前記第２部材とが溶接される溶接部上を移動する溶接トーチと、
   前記溶接トーチとともに前記第２方向に沿って移動しながら前記第１端面及び前記第２端面がなしている開先の前記第１方向における幅を測定するセンサとを備え、
   前記溶接装置は、前記幅の変位が所定の閾値未満である場合に前記溶接装置に第１溶接条件に沿った溶接を行うとともに、前記幅の変位が前記閾値以上である場合に前記第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿った溶接を行うように構成されており、
   前記第２溶接条件における前記幅の変位は、前記第１溶接条件における前記幅の変位よりも小さく、
   前記溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備え、
   前記記憶装置には、学習済みモデルが格納されており、
   前記学習済みモデルには、強化学習が行われており、
   前記強化学習においては、複数の学習用溶接条件のいずれかが選択された際に、第１報酬が付与され、
   前記第１報酬は、前記溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標が小さくなるにしたがって、大きくなり、
   前記強化学習においては、前記第１報酬に基づいて、価値関数の更新が行われ、
   前記プロセッサは、前記価値関数に基づいて前記第１溶接条件を決定する、溶接装置。
6. 前記複数の学習用溶接条件の各々が選択された際の前記高温割れ指標は、有限要素法解析に基づいて算出される、請求項５に記載の溶接装置。
7. 前記高温割れ指標は、前記溶接部の凝固脆性温度領域における引張塑性歪み、前記凝固脆性温度領域における温度勾配ベクトル及び前記幅の変位の少なくともいずれかである、請求項６に記載の溶接装置。
8. 前記強化学習においては、前記複数の学習用溶接条件のいずれかが選択された際に、第２報酬がさらに付与され、
   前記第２報酬は、前記溶接トーチの平均移動速度が大きくなるにしたがって、大きくなり、
   前記強化学習においては、前記第１報酬及び前記第２報酬に基づいて、前記価値関数の更新が行われる、請求項５～請求項７のいずれか１項に記載の溶接装置。
9. 前記学習済みモデルには、Ｑ学習が行われている、請求項５～請求項８のいずれか１項に記載の溶接装置。
10. 第１方向における第１部材の端面である第１端面と前記第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で前記第１部材及び前記第２部材を溶接する溶接装置であって、
    前記第１方向に交差している第２方向に沿って前記第１部材と前記第２部材とが溶接される溶接部上を移動する溶接トーチと、
    前記溶接トーチとともに前記第２方向に沿って移動しながら前記第１端面及び前記第２端面がなしている開先の前記第１方向における幅を測定するセンサとを備え、
    前記溶接装置は、前記幅の変位が所定の閾値未満である場合に前記溶接装置に第１溶接条件に沿った溶接を行うとともに、前記幅の変位が前記閾値以上である場合に前記第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿った溶接を行うように構成されており、
    前記第２溶接条件における前記幅の変位は、前記第１溶接条件における前記幅の変位よりも小さく、
    前記溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備え、
    前記記憶装置には、学習済みモデルが格納されており、
    前記学習済みモデルは、溶接条件が入力された際に、前記溶接条件を適用した際の前記溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標を出力し、
    前記学習済みモデルには、学習用溶接条件と前記学習用溶接条件を適用した際の前記高温割れ指標とを含む教師データを用いて教師あり学習が行われており、
    前記プロセッサは、前記学習済みモデルから出力される前記高温割れ指標に基づいて前記第１溶接条件を決定する、溶接装置。
11. 第１方向における第１部材の端面である第１端面と前記第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で前記第１部材及び前記第２部材を溶接する溶接装置であって、
    前記第１方向に交差している第２方向に沿って前記第１部材と前記第２部材とが溶接される溶接部上を移動する溶接トーチと、
    前記溶接トーチとともに前記第２方向に沿って移動しながら前記第１端面及び前記第２端面がなしている開先の前記第１方向における幅を測定するセンサとを備え、
    前記溶接装置は、前記幅の変位が所定の閾値未満である場合に前記溶接装置に第１溶接条件に沿った溶接を行うとともに、前記幅の変位が前記閾値以上である場合に前記第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿った溶接を行うように構成されており、
    前記第２溶接条件における前記幅の変位は、前記第１溶接条件における前記幅の変位よりも小さく、
    前記溶接装置は、記憶装置と、プロセッサとをさらに備え、
    前記記憶装置には、溶接条件が入力された際に前記溶接条件の評価値を出力する評価関数が格納されており、
    前記評価値には、前記溶接条件を適用した際の前記溶接部における高温割れの生じやすさの指標である高温割れ指標が含まれており、
    前記プロセッサは、前記評価値に基づいて遺伝的アルゴリズムを適用することにより、前記第１溶接条件を決定する、溶接装置。
12. 第１方向における第１部材の端面である第１端面と前記第１方向における第２部材の端面である第２端面とが対向している状態で前記第１部材及び前記第２部材を溶接する溶接方法であって、
    前記第１方向に交差している第２方向に沿って溶接トーチを移動させることにより、前記第１部材と前記第２部材とを溶接する工程と、
    前記溶接トーチとともに前記第２方向に沿って移動するセンサにより、前記第１端面及び前記第２端面がなしている開先の前記第１方向における幅を測定する工程とを備え、
    前記第１部材と前記第２部材との溶接は、前記幅の変位が所定の閾値未満である場合に第１溶接条件に沿って行われるとともに、前記幅の変位が前記閾値以上である場合に前記第１溶接条件とは異なる第２溶接条件に沿って行われ、
    前記第２溶接条件における前記幅の変位は、前記第１溶接条件における前記幅の変位よりも小さく、
    前記第２溶接条件における前記溶接トーチの出力は、前記第１溶接条件における前記溶接トーチの出力よりも小さい、溶接方法。

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