JPH0118830B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、電気アーク溶接、特に溶接領域の実
時間像を形成する改良された一体の光学装置を有
するアーク溶接トーチに関する。

良好なアーク溶接を達成するには、溶接電流、
溶込み、溶融池のシームへの心合わせ、シームビ
ード設置（lay）速度などを制御しなければなら
ない。溶接パラメータを過去の経験に基づいて選
択するオープンループ形機械溶接では、良好な溶
接部が得られない。常時良好な機械溶接を行うに
は、溶接領域および溶融池の特性を感知し、この
情報をフイードバツクとして用いて溶接プロセス
を制御する必要がある。米国オハイオ州立大学、
溶接研究センター（Ohio State University
Center for Welding Research）で行われた実
験では、溶接電極を上から見おろす高架光学装置
により溶融池を観察した。この実験では、慣用の
溶接トーチ、オープン光学装置およびビデオカメ
ラが実用的な溶接作業に適用するには不向きな大
形プラツトホーム上に設置されている。この実験
については、CWR Technical Report529613−
81−３、S.H.Rao、September1981、27−33頁を
参照されたい。

本件と同日出願の昭和58年特許願第135274号に
は、光学装置付きトーチを工業的溶接に適した形
状にすることが記載されている。このトーチの中
心は邪魔なものが除かれて、光学レンズへの光通
路に対する障害物が最小量しか存在しない。そし
て細身の電極ホルダが焦点外にあつて溶融池およ
び溶接領域の像中ではぼけるようになつている。
遠隔ビデオカメラおよびコントローラに接続すれ
ば、そのトーチ視覚装置によりトーチ操作および
溶接プロセスの制御を行うことができる。このト
ーチの１例が第１，２および５図に示され、詳述
されている。

タングステン電極によるアークからの光が完全
に阻止されていないので、電極付近には過飽和像
が生じる。これは電気アークの明るさがアークで
照らされた周囲区域の明るさの数倍あるからであ
る。アークを囲む区域の像を作るのが望ましいの
で、アークの存在はセンサに局部的過負荷を与え
る。

発明の概要 適当な形状の光阻止装置を電気アークの近くに
設けることにより、非常に明るいアーク部分の存
在による像のゆがみをなくすことができる。阻止
装置はアークが像に入るのを遮蔽し、一体の視覚
装置を有するガス・タングステン・アーク溶接ト
ーチから得られる像を改良する。像阻止装置は、
代表的にはモリブデン製スリーブで、これを電極
上に電極先端から十分に、即ち電極直径の４〜６
倍後退させて装着して、アークがスリーブの存在
により妨害されないようにする。モリブデン製ス
リーブは円形または楕円形断面を有し、トーチが
加工品の継目に沿つて移動し、金属の溶融池が電
極の下流方向に卵形をなし、アークエネルギーが
非円形区域に広がるので楕円形断面が好ましい。

別の例では、像阻止装置が電極を保持するモリ
ブデン製コレツトで、このコレツトを突出アーム
の形態の細身の銅電極ホルダに機械的に固定す
る。この阻止装置には、溶融池および溶接区域の
像を改良し、光学装置内に余計な光が入るのを防
ぐ以外に幾つかの利点がある。像を作ろうとする
場面には他の漂遊光または反射光の源があるかも
しれないから、阻止装置の断面はアークおよびア
ーチフアクト（artifact）の顕著な出現を阻止す
るように成形する。

発明の具体的説明 第１図に、光学装置の内蔵された電気アーク溶
接トーチ１２を用いて、加工品１０および１１を
シーム溶接する状態を示す。溶融池１３、再溶融
領域１４の一部および隣接溶接領域の像を光フア
イバケーブル１５の端面に形成し、この像を離れ
た位置にある遠隔システム１６に伝送する。像を
レンズ系１７により拡大し、ビデオカメラ１８、
例えばゼネラル・エレクトリツク社製TN2500電
荷注入デバイス形カメラに中継し、従つてテレビ
ジヨンモニタに中継し、ここで像を眼で見ること
ができる。ビデオ出力をコンピユータ型コントロ
ーラ１９に供給し、フイードバツク方式で用いて
トーチの移動および溶接プロセスを制御して常時
良好な品質の溶接を達成する。

改良された一体の光学視覚装置を有するガス・
タングステン・アーク溶接（GTAW）トーチの
１実施例を第２〜６図に示す。このトーチは、通
常のガス・タングステン溶接トーチを使用するほ
とんどすべての用途の溶接に用いることができ
る。トーチは水冷式の銅トーチ本体を有し、これ
に一体の細身の電極ホルダおよび溶接領域にカバ
ーガスの流れを送る手段が付属している。光学レ
ンズが電極の真上に位置し溶接領域の像を光フア
イバ束の端面に結像する。トーチおよび光学的構
成要素はコンパクトな外被内に支持されている。

第２図において、金属ハウジング２０の下端に
円筒形セラミツク製ガスカツプまたはノズル２１
が位置し、このガスカツプ２１は環状金属ガスカ
ツプ２２で囲まれている。取換式タングステン電
極２３がガスカツプ２１の中心に、ほゞ光学的中
心線上に位置する。カバーガスの流れを矢印２４
で示す。このガスシールドにより電極、溶融池、
電気アーク２５（第１図）、および隣接する加工
品の加熱区域を外気の汚染から保護する。カバー
ガスは普通不活性ガス、例えばアルゴンまたは不
活性ガスの混合物である。

像阻止またはストツパ装置をアークの近傍の電
極の近くに取付ける。この装置は強力に明るいア
ーク部分（その明るさはアークで照射された周囲
区域の明るさの数倍となる）の存在による像のゆ
がみをなくす作用をなす。第２図に示す阻止装置
２６はモリブデン製で、スリーブの形である。こ
のスリーブ２６をタングステン電極２３に沿つて
すべらせて電極直径の４〜６倍の間の必要な距離
まで後退させて、電気アークがスリーブの存在に
より妨害されないようにする。第３図に示すよう
に、割スリーブ２６の直径は3/16インチで、標準
の3/32インチのタングステン電極の直径の約２倍
である。長さは1/2インチであるが、電極上にと
まつていさえすればもつと短くてもよい。モリブ
デンは機械加工が容易で、タングステンの物理的
特性のほとんどともつともよく適合する。モリブ
デンは溶融温度がタングステンと同じ位で、熱膨
脹係数がタングステンより僅かに高い。従つて高
熱の電極でもモリブデン製スリーブは割れない。
第４図に示すような楕円形断面の阻止装置が好ま
しい。トーチ１２がシームを追跡移動するにつれ
て、電極先端の先の金属溶融池１３が電極先端よ
り下流に卵形または楕円形をとる。これがための
アークエネルギーが電極のうしろに現われる非円
形区域に広げられる。代表的には、楕円形阻止装
置２７の長軸が短軸の1.5〜2.5倍である。

第２および５図に示すように、銅トーチ本体２
８は一体の電極ホルダ２９並びにガス、水および
電力用接続部材３０〜３２を有する。コンパクト
な構成とするために、トーチ本体および細身の電
極ホルダにより電極２３を光学系中心線上に置
き、またガス、水および電気用接続部材３０〜３
２を光学視覚装置に近接かつ平行に延在させる。
通常の電極コレツトが電極のまわりに大きな領域
を占めるのと相違して、このトーチの電極ホルダ
２９は光学軸に直角な断面が最小で、しかも電極
をしつかり保持し、また、例えば200アンペアの
電極電流を流すのに適切な導通面積を与える。円
筒形トーチ本体２８はその内部水室３３に中心バ
ツフルが設けられ、水のトーチ本体との接触を最
大にしてアセンブリの最適冷却を達成する。ねじ
切り管３１を通つて室３３に入つてくる水または
他の冷却材はバツフルの下側をくぐらなければ、
管３２を経て出て行けない。管３２は電力用コネ
クタとしての二重機能を有し、電力を導通する金
属編組ジヤケツトを有するホースを取付具に連結
し、このホースに水を流す。カバーガスはねじ切
り銅管３０から別の通路３４に流入し、さらにオ
リフイス３５を通り抜けて溶接トーチの内部に進
む。カバーガスの流れはトーチ本体２８から電極
ホルダ２９の両側に進んで、ガスカツプ２１を経
て下向きに流れるガス流にほとんど撹乱を与えな
い。良好な遮蔽を実現するには層流が好ましい。

細身の銅電極ホルダ２９は突出アームまたはチ
ヤツクであり、３つの部品よりなる。ホルダの静
止アーム３６および３７はトーチ本体２８と一体
であり、中央アーム３８は可動である。これら３
つのアームはすべてアーム端にリング３９を有
し、このリング３９にタングステン棒電極２３が
挿入される。可動アーム３８は、クランプねじ４
０を締付けるときこのねじの作用で電極２３を静
止アーム３６，３７にしつかり押付けるのに用い
られる。このクランプねじ４０はトーチ支持枠兼
ハウジング２０の側面にあけた穴を通してまわす
ことができ、電極の簡単な取替えを可能にしてい
る。絶縁スリーブ４１はトーチ本体２８を金属ハ
ウジング２０から電気絶縁し、高電圧溶接アーク
始動中に銅トーチ本体から金属製枠へのアークの
発生を防止するのに十分なフラツユオーバ距離を
保つ。絶縁管４２はガス、水および電力接続部材
を包囲する。ガス供給ライン３０′、水供給ライ
ン３１′および水／電力ケーブル３２′（第１図参
照）と光フアイバケーブル１５は溶接区域から遠
去かるように導びかれる。ハウジング２０に取付
けられた装着用ブラケツト４３は、光学的溶接ト
ーチ１２を任意の利用可能な構造、例えばロボツ
トの手首またはアームに装着することを可能にす
る。

４４はトーチと一体の光学視覚装置を示す。図
示の複合レンズ系４５，４６（焦点距離25mm、
f1：1.4）は、溶融池を見るための物理的寸法、
開口開きおよび被写界深度に適するようになつて
いる。レンズ系は可動レンズハウジング４７の内
側にあり、ハウジング４７を軸線方向に移動し
て、ガスカツプ２１を越えて電極から延長する妥
当な範囲（1/2インチ）にわたつて、溶接スポツ
トに焦点を合わせることができる。光学軸４８は
ガスカツプ２１の中心およびタングステン電極２
３とほゞ心合わせされている。光通路は光学装置
をカバーガスから遮断する石英窓４９を透過す
る。この透明な熱反射窓４９はリング５０により
ハウジング２０内に固定されている。フイルタ領
域に１個以上の光フイルタ５１を収容する。フイ
ルタ５１は選択的透過フイルタまたは中性フイル
タいずれでもよい。フイルタを通過するエネルギ
ーはセンサ特性および仕事に適当である。レンズ
ハウジング４７の円筒形空腔には、光フアイバケ
ーブル１５の端面が光学軸上にかつ所望の像縮小
を与える間隔にて保持される。商業経路で入手で
きるコーヒーレントな光フアイバケーブル１５を
使用することにより、光フアイバ束の一端でとら
えられた像が他端に忠実に伝送される。

第６図は石英窓４９を通して見た溶接領域の図
である。この石英窓を通して下を覗くと、溶融池
１３、タングステン電極２３および細身の電極ホ
ルダ２９、そしておそらく阻止装置２６または２
７の一部（断面形状に依存する）が見えるだろ
う。溶接再溶融区域および加工品間の継目の一部
も見えるであろうが、図示していない。電極ホル
ダ２９は溶融池の光学的焦点領域から十分遠くに
配置されて、光フアイバ束１５の端面上の溶融池
の像の光学的ゆがみを最小にする。即ち、電極ホ
ルダは焦点からはずれており、像の中でぼけてい
るか、またはほとんど見えない。阻止装置２６は
電気アークが像に入るのを遮蔽し、トーチ視覚装
置が形成する像を改良する。光阻止装置２６がな
いと、電極付近の像が過飽和像となつてしまう。
アークを取囲む区域を像にしたいので、アークの
存在はセンサに局部的に過負荷を与える。この余
計な光は光フアイバケーブル１５内で方々に反射
され、ソリツドステート・ビデオカメラに中継さ
れる像のコントラストを低める。像ストツパ２６
の使用により伝送端でのこの余計な光を遮断し、
像のコントラストを改良する。

第７図に示す光阻止装置の第２実施例はタング
ステン電極２３を保持するモリブデン製コレツト
５２である。阻止装置であるモリブデン製コレツ
ト５２と細身輪郭の銅電極ホルダ２９との間には
適当な機械的接続を行う。この構造には、取外し
た後の電極の装填が容易であり、銅トーチ本体２
８および電極ホルダ２９が水冷されているので電
極からの熱除去が一層良好であり、電極の長さに
沿つての電圧降下が少ないという追加の利点があ
る。コレツト５２の底部は電極先端から電極直径
の４〜６倍の距離にあつてアークに妨害を与えな
いようになつている。モリブデン製コレツト５２
は断面円形でも楕円形でもよい。

像を形成しようとする溶接区域の場面には他の
漂遊光または反射光源がある。電気アークおよび
反射光のようなアーチフアクトが特に出現する場
合には、阻止装置の断面を改変して像を改良しそ
のようなアークやアーチフアクトを遮蔽すること
ができる。さらに、一体の視覚センサを有する溶
接トーチの他の例が、前掲の米国特許出願に記載
されている。その１例は同心構造で、リング状ト
ーチ本体および一体の半径方向アーム形の電極ホ
ルダを有し、また光学システムの外側にかつ同心
的にガス、水および電力接続部材を有する。光学
レンズが電極の直上に位置し、トーチ本体の中心
を通して溶接領域を見る。この光学的溶接トーチ
は全長が約７インチで、視野が１インチである。
別の例は第２図に類似しているが、折曲げられた
視覚装置を有し、原子力工業におけるパイプの軌
道状アーク溶接でしばしば遭遇するような、接近
路の限定された溶接用途に使用することができ
る。折曲げ光学装置は溶接領域上の装置全体の高
さを最小に、具体的には４インチにする。本発明
の像阻止装置はこれらのトーチ構造のいずれにも
使用でき、トーチの視覚装置により作られる像を
改良する。

本発明をその好適な実施例について具体的に図
示し説明したが、当業者であれば形状および細部
の上述したまた他の変更が本発明の要旨の範囲内
で可能であることが理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は視覚装置を有するガス・タングステ
ン・アーク溶接トーチをシーム溶接中の状態で示
す斜視図、第２図はトーチおよび一体の視覚装置
の縦断面図、第３図はタングステン電極およびモ
リブデン製スリーブの形態の阻止装置の拡大斜視
図、第４図は楕円形阻止装置の断面図、第５図は
トーチ本体および一体の電極ホルダならびに電極
および楕円形スリーブを示す側面図、第６図はト
ーチの窓を通して見た溶接領域の平面図、そして
第７図は電極、ホルダおよびホルダに固定された
アーク遮蔽用モリブデン製コレツトの側面図であ
る。 １０，１１……加工品、１２……アーク溶接ト
ーチ、１３……溶融池、１５……光フアイバケー
ブル、１６……遠隔システム、１８……ビデオカ
メラ、２０……ハウジング、２１，２２……ガス
カツプ、２３……タングステン電極、２５……電
気アーク、２６，２７……阻止装置、２８……ト
ーチ本体、２９……電極ホルダ、３０〜３２……
ガス、水および電気接続部材、３６〜３８……ア
ーム、４１……絶縁スリーブ、４４……視覚装
置、４５，４６……レンズ系、４７……ハウジン
グ、４８……光学軸、４９……窓、５２……モリ
ブデン製コレツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスノズルを支持するハウジングと、前記ハ
   ウジング内に収容され、カバーガス、電力および
   冷却材接続部材を有するとともに、加工品との間
   に電気アークを形成する交換可能な電極を前記ガ
   スノズル内に保持する一体の電極ホルダを有する
   トーチ本体と、を具える一体の視覚センサ付きア
   ーク溶接トーチであつて、該トーチが光学軸が前
   記電極と一直線上にある一体の光学的視覚装置を
   有し、前記光学的視覚装置は、光学軸に直交する
   小さい断面を有する前記電極ホルダが焦点からは
   ずれて、前記加工品の溶融池および溶接領域の像
   を形成し、さらに、アークの像ができないように
   前記電極上に電極先端から後退して取付けられた
   スリーブ形状の光阻止手段と、前記像を遠隔シス
   テムに伝送する光フアイバケーブル手段とを有す
   るアーク溶接トーチ。 ２ 前記阻止手段がアークを乱さないように電極
   先端から後退して配置された円筒形スリーブであ
   る特許請求の範囲第１項記載の溶接トーチ。 ３ 前記阻止手段が断面が楕円形のスリーブであ
   つて、アークを乱さないように電極先端から後退
   して配置されている特許請求の範囲第１項記載の
   溶接トーチ。 ４ 前記阻止手段が前記電極ホルダに固定され
   た、電極を保持するコレツトであつて、アークを
   乱さないように電極先端から後退して配置されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の溶接トーチ。 ５ 前記阻止装置が電極先端から電極直径の４〜
   ６倍だけ後退して配置されたモリブデン製割スリ
   ーブである特許請求の範囲第１項記載の溶接トー
   チ。 ６ 前記阻止装置が前記電極ホルダに固定された
   モリブデン製コレツトで、その端部が電極先端か
   ら電極直径の４〜６倍だけ後退している特許請求
   の範囲第１項記載の溶接トーチ。