JPH04187380A

JPH04187380A - キーホール式片面溶接方法

Info

Publication number: JPH04187380A
Application number: JP31415490A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sugitani; 祐司杉谷; Masatomo Murayama; 雅智村山
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-11-21
Filing date: 1990-11-21
Publication date: 1992-07-06
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH082499B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、高速回転アーク溶接法を適用したキーホール
式片面溶接方法に関し、さらに詳しくは開先状態の変動
によって変化しようとする裏ビード形状を、アークセン
サすなわち、溶接電流やアーク電圧からの情報に基づい
て安定に制御するようにしたキーホール式片面溶接方法
に関する。

［従来の技術］アーク直下にキーホールを形成しながら片面溶接を行う
従来のアーク溶接方法において、裏ビード形状を制御す
るには、一般にバッキング法が使用され、さらにバッキ
ング材に、例えばアーク光量を検出する光センサを取り
付けて、溶接電流、アーク電圧、溶接速度等の溶接条件
を制御するなどの方法をとっている（特公昭６２−３６
７８７号）。また、このようなセンサを設けない場合に
は、アーク電圧または溶接電流と裏ビードの幅との間に
予めある相関関係を求めておき、この相関に基づき裏ビ
ード幅を制御するという方法もある（特開昭６１−１３
７６７６号、特開昭６１−１８０６７７号）。

［発明が解決しようとする課８］しかしながら、上記の光センサによる制御方法では、バ
ッキング材及び光センサを溶接トーチと同期させて移動
させるバッキング装置が必要であり、このようなバッキ
ング装置は複雑で、またその設置が困難な場合がある。

一方、アーク電圧または溶接電流との相関から裏−ビー
ド幅を制御する方法では、溶接条件や開先形状、板厚そ
の他種々の条件に応じた相関関係を全て把握しておく必
要があり、これらの変動要因の決定方法が難しく、また
−開先状態に変動が生じた場合には（開先状態、例えば
ルートギャップやルートフェースの変動は実際の片面溶
接ではしばしば起こり得る）、安定した裏ビードの形状
の制御は一層難しくなる。

一般に裏ビードを良好に出すためには開先状態を均一に
保つ必要があるが、現実的には、ルートギャップ、ルー
トフェースが変化する場合が多い。

そこで、本発明者らは開先状態に変動があっても特別の
センサを使用することなく、裏ビード形状の制御ができ
る技術の開発に努めた。その結果、本出願人の特許出願
に係る特開昭６２−２４８５７１号の技術をさらに発展
させることで解決できることがわかった。すなわち、こ
の特許公報は高速で回転するアーク自体をセンサとして
利用し、このアークセンサにより開先倣い制御を行う高
速回転アーク溶接法を示しているが、この方法でキーホ
ールを形成しながら片面溶接を行うと、アークの回転位
置の後方点Ｃにおけるアーク長の変化が、開先状態の変
動による裏ビード形状の変化に対応することが判明した
。

本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、
高速・高能率の片面溶接を実現するとともに、特別のセ
ンサを用いることなくアークセンサの情報のみに基づい
て、開先状態の変動にかかわらず安定した裏ビード形状
の制御ができるキーホール式片面溶接方法を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するため、本発明に係るキーホール式
片面溶接方法は、アーク直下にキーホールを形成しなが
ら片面溶接を行うアーク溶接方法において、高速回転ア
ーク溶接法を用い、その際トーチ高さ（ワイヤ突出長と
アーク長の和）を公知のＡＣＣ制御法（溶接電流が一定
になるように、トーチ高さを制御する方法）を用いて一
定に保ちながら、アークの回転位置の後方点Ｃにおける
アーク長を、該Ｃ点におけるアーク電圧及び溶接電流の
検出値より演算し、得られたアーク長が設定値と等しく
なるように溶接電流を制御することとしたものである。

また、このＣ点におけるアーク電圧及び溶接電流の検出
値として゛、該Ｃ点を中心に所定の位相角φについて積
分し平均化した値を用いることとし、さらに、Ｃ点にお
Ｉするアーク長が設定値と等しくになるよう溶接電流を
変化させるとき、トーチ高さ（ワイヤ突出長とアーク長
の和）が−定となるように、ワイヤ送給速度も変化させ
、同時に溶着断面積が一定となるように溶接速度も変化
させるものである。

［作　用コ本発明の作用を第１図、第２図及び第３図により説明す
る。第１図は本発明のキーホール式片面溶接方法を示す
断面側面図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図の平面
図及び断面正面図である。

図において、１は溶接トーチ、２は溶接ワイヤ、３はア
ーク、４，５は被溶接部材、６は開先、７は溶融池、８
はキーホール、９は溶接ビード、１０は裏と一ドである
。

図に示すように、高速回転アーク溶接法を用いてキーホ
ール８を形成しながら片面溶接を行うと、アーク３は常
に溶融池７の前方にあって高速回転する。そしてアーク
３は回転の前方点Ｃｒにおいでは破線で示すように開先
６側へ振れ、後方点Ｃにおいては溶融池７側へ振れると
いった振動現象を呈する。このとき裏ビード１０の形状
は前述のように開先６の状態の影響を受け、ルートギャ
ップａやルートフェースｂの大小によって裏ビード１０
の形状が変化する。すなわち、開先６の状態の変動によ
って溶融池７がキーホール８を狭めたり広げたりする現
象を引き起こすのである。

例えば、ルートギャップａが小、またはルートフェース
ｂが大であると、第１図の破線１１で示すように溶融池
７はキーホール８を狭める方向に前進し、このためＣ点
でのアーク長が短くなる。

「そして裏と一ド輻は小さくなるか、もしくは形成されな
くなる。このようにアーク長が短くなるので、Ｃ点での
溶接電流叫上昇し、アーク電圧は低下する。また反対に
、ルートギャップａが大、またはルートフェースｂが小
であると、第１図の破線１２で示すように溶融池７は逆
にキーホール８を広げる方向に後退し、上記とは逆の現
象となる。

故に、Ｃ点におけるアーク電圧Ｅ（溶接チップと母材間
の電圧）と溶接電流Ｉを検出すれば裏ビードの状態が検
出できる。

第４図に溶接進行方向に対するアークの回転位置（Ｃ、
Ｒ，Ｃ、Ｌ）の定義を示し、第５図ｆ　　　　　　　　
「に開先状態の変動によるアークの回転位置とアーク電圧
Ｅとの関係を示す。同図において、Ａは開先状態が適正
の場合、Ｂはルートギャップが小、またはルートフェー
スが大であるため、裏ビード不足の場合、Ｃはルートギ
ャップが大、またはルートフェースが小であるため、裏
ビード過大、８過ぎの場合である。すなわち、適正状態
Ａに対し裏ビード不足Ｂになると、Ｃ点でのアーク電圧
「Ｅは低下し、逆に裏ビード過大Ｃとなると、該Ｃ点での
アーク電圧Ｅは上昇する。

次に、本発明の制御方法としては、まずＣ点「でのアーク電圧Ｅと溶接電流Ｉを検出する。ただしこの
場合、アーク長の変化を検知するため、ＡＣＣ制御法に
より溶接トーチ１の高さ（ワイヤ突出長とアーク長の和
）を一定に制御しながら行うことが必要である。被溶接
部材の凹凸、うねりなどの影響を受けないようにするた
めである。アーク電圧Ｅと溶接電流Ｉの検出は、第４図
に示すように所定の位相角φの間で積分しくノイズ成分
除去のため）、平均化する。位相角φは５＠以上９０″
以下である。次に、それらの検出値からアーク長を演算
し、その演算値が設定値と等しくなるように溶接電流を
変化させ、さらに、トーチ高さ（ワイヤ突出長とアーク
長の和）が一定となるようにワイヤ送給速度も変化させ
、同時に溶着断面積が一定となるように、すなわち、ワ
イヤ送給速度と溶接速度の比が一定となるように溶接速
度も変化させるのである。

また、本発明においては従来のバッキング法を用いなく
とも実施できる。なお、従来のアークセンサは開先倣い
制御が目的であるため、Ｃｒ点についての情報のみに基
づいて制御している。

［実施例〕第６図は本発明のキーホール式片面溶接方法を実施する
装置の一実施例を示すブロック図である。

溶接ワイヤ２の先端のアーク３を回転させるには、偏心
チップ方式（特公昭６３−３９３４６号）と偏心回転機
構式（特開昭６２−１０４６８４号）とがあるが、ここ
では後者の偏心回転機構式で示されている。すなわち、
溶接トーチ１の上部を自動調心玉軸受２１により支持し
、中間部に図示しない自動調心玉軸受を介して偏心回転
機構（ギヤ機構）２２を設け、モータ２３により溶接ト
ーチ１の下端が円運動を行うように高速で回転させるも
のである。これにより溶接トーチ１の中心に送給される
溶接ワイヤ２の先端が円運動を行い、アーク３が高速回
転する。− 溶接ワイヤ２すなわちアーク３の回転位置（第４図参照
）はモータ２３に取り付けたエンコーダ２４により検出
されるようになっている。

溶接電源２５は溶接トーチ１と一方の被溶接部材４との
間に接続されている。アーク３のアーク電圧Ｅ及び溶接
電流Ｉはそれぞれアーク電圧検出器２６及び溶接電流検
出器２７により検出され、それぞれ差動増幅器２８．２
９を介してＣＰＵ３０に入力されるようになっている。

、３１．３２はそれぞれアーク電圧の基準値の設定器及
び溶接電流の基準値の設定器であり、アーク電圧検出器
２６と差動増幅器２８．及び溶接電流検出器２７と差動
増幅器２９からのアーク電圧・溶接電流波形信号、並び
にエンコーダ２４からの回転位置信号を得てＣＰＵ３０
にて公知のアークセンサによる開先倣い制御３３とＡＣ
Ｃ制御によるトーチ高さ制御３４を行う。この開先倣い
のための制御回路及びトーチ高さ制御回路は図示されて
いない。ただし、ここではＣ点におけるアーク長の変化
を検知するため、つまり被溶接部材４，５の凹凸、うね
りなどにより溶接ワイヤ２の先端の高さを一定に制御す
る必要があるため、ＡＣＣ制御法によりトーチ高さを一
定に制御している。

このようなトーチ高さ制御のもとで、エンコーダ２４か
らの回転位置信号がＣＰＵ３０に入力されると’−Ｅｅ
ｒ積分器３５及−びｌｃｒ積分器３６によりアーク電圧
・溶接電流波形信号を、第４図に示すようにＣ点を中心
とする位相角φの範囲で、アーク３の１回転ごとに積分
し、アーク電圧の積分値Ｓ　　、溶接電流の積分値Ｓ　
　を求める。

ＥＣｒ　　　　　　　　　　　ｌｃｒそしてこの積分値５Ｅｅｒ　’　　”　Ｉｅｒのそれぞ
れの平均値、すなわち、Ｅ　　、Ｉ　　をｐ　演算器３
７にｃｒ　　　　　　ｃｒ　　　　　　ｃｒ大入力、以
下の６式を解くことにより、ｐ　を得Ｃ「る。

第７図を参照して、Ｅ　と！　の検出値及びワｅｒ　　
　　　　ｅｒイヤ送給速度Ｖ　、制御回路４２により検出されたワイ
ヤ送給速度Ｖｒにより、Ｃｒ点でのアーク長ｇ　は次式
より計算できる。

Ｃ「Ｅ　　−Ｖ　　＋Ｖ　　　　　　　　　　・・・（１）
ｃｒ　　　ａ　　　ＬＶ　Ｌ　−ａ　Ｌ　Ｉ　ａ　−ｂ　ｖ　ｒ　／　Ｉａ　
　　”’　（２）Ｖ　　−Ｖ　　＋Ｘ、Ｑ　　　　　　
　　　・・・（３）ａ　　　　　　　ｏ　　　　　　　
　　ｃｒＶ　繻ｃＩ　　十ｄ　　　　　　　　　川（４
）ＯＣＴＸ−ｅｌ＋ｆ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
５）Ｃｒ２　　　　　・・・（６）ｖ　ｒ　−ｇ　Ｉ　ａ十ｈ　Ｌ　Ｉ　ａここに、Ｖ　：溶接ワイヤ突出し部での両端間の電り圧降下 ■ａ：ミニアークの電圧降下Ｌ：ワイヤ突出長 ■　＝溶接電流の平均値（電流計２７より検出される溶
接電流を平均化した値）ｖｆ：ワイヤ送給速度Ｘ：アークの電位傾度ａ−ｈ：全で定数で、ワイヤ、シールドガスの種類によ
り実験で定められる。

以上の６式より求めたアーク長Ｉ　があらがしめＣ「設定された適正状態Ａでの基準アーク長ｐ　　にｃｒｏ等しくなるように溶接電流Ｉ　を変化させるのである。

すなわち、ｇ　＞ｇ　　のときは、ｇ　−ｃｒ　　　　
　ｃｒｏ　　　　　　　　　　　　　　ｃｒｐ　　とな
るまで、溶接電流Ｉ　を減少し、’　ｃｒｅｒｏ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａくＩ　
　のときは、Ｉ　　−１となるまで、溶ｅｒｏ　　　　
　　　　　　　　　　　ｅｒ　　　　　ｅｒ。

接電施工、を増加させる。このための比較器３８及びｐ
　　設定器３９が設けられている。比較器ｒＯ３８の出力はＣＰＵ３０にフィードバックされ、溶接電
流１　　（４０）、　ワイヤ送給速度ｖ、（４２）、及
び溶接速度１／（４１）を制御する。二二で、溶接電流
Ｉ、を変化させるとき、（６）式においてワイヤ突出長
しが一定となるようにワイヤ送給速度Ｖｒも変化させ、
かつ、ＡＣＣ）−チ高さ制御における溶接電流基準値は
このＩ　を用いて常にトーチ高さを一定に制御しておく
。また、溶接電流Ｉ、を変化させるとき、溶着断面積（
Ｓ−ｖ　ｒ　／　ｖ　）が一定となるように溶接速度Ｖ
も変化させるようにする。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、キーホール式片面溶接に
おいて、開先形状の状態にょる裏ビード形状の制御が、
高速回転アーク溶接法を適用し、アークセンサの情報の
みに基づいてアークの回転位置の後方点Ｃでのアーク長
を一定に制御することで可能になったので、従来のよう
に特別のセンサを設ける必要がなくなり、高速、高能率
の片面溶接が実現できる。また本発明による裏ビードの
形状は常に開先状態の変動に対して適正に合わせられる
のできわめて安定しているなど多大の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のキーホール式片面溶接方法を示す断面
側面図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図の平面図及
び断面正面図、第４図は溶接進行方向に対するアークの
回転位置をあられす説明図、第５図は開先状態の変動に
よるアークの回転位置とアーク電圧との関係を示すアー
ク電圧波形図、第６図は本発明方法を実施する装置の一
実施例を示すブロック図、第７図はアーク長を計算する
ために用いる説明図である。１・・・溶接トーチ２・・・溶接ワイヤ３・・・アーク４．５・・・被溶接部材６・・・開先７・・・溶融池８・・・キーホール９・・・溶接ビード１０・・・裏ビード２３・・・モータ２４・・・エンコーダ２６・・・アーク電圧検出器２７・・・溶接電流検出器２８．２９・・・差動増幅器３０・・・ＣＰＵ３５・・・Ｅ　積分器ｒ３６・・・Ｉ　積分器ｒ３７・・・ｐ　演算器ｒ３８・・・比較器３９・・・ｇ　　設定器ｒＯ代理人　弁理士　　佐々木　宗　治

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アーク直下にキーホールを形成しながら片面溶接
を行うアーク溶接方法において、高速回転アーク溶接法を用い、その際ＡＣＣ制御法によ
りトーチ高さ（ワイヤ突出長とアーク長の和）を一定に
制御し、同時にアークセンサによる開先自動倣い制御を
行いながら、アークの回転位置の後方点Ｃ＿ｒにおける
アーク長を、該Ｃ＿ｒ点におけるアーク電圧及び溶接電
流の検出値より演算し、得られたアーク長が設定値と等
しくなるように溶接電流を制御することにより、裏ビー
ド形状を安定に制御することを特徴とするキーホール式
片面溶接方法。
（２）前記Ｃ＿ｒ点におけるアーク長を演算する場合に
前記Ｃ＿ｒ点におけるアーク電圧及び溶接電流の検出値
として、該Ｃ＿ｒ点を中心に所定の位相角φについて積
分し平均化した値を用いることを特徴とする請求項１記
載のキーホール式片面溶接方法。
（３）演算により得られた前記Ｃ＿ｒ点におけるアーク
長が、設定値と等しくなるように、溶接電流を制御する
とき、トーチ高さ（ワイヤ突出長とアーク長の和）が一
定となるように、ワイヤ送給速度も変化させることを特
徴とする請求項１または２記載のキーホール式片面溶接
方法。
（４）前記Ｃ＿ｒ点におけるアーク長が設定値と等しく
になるよう溶接電流を変化させるとき、溶着断面積が一
定となるように溶接速度も変化させることを特徴とする
請求項１もしくは２または３記載のキーホール式片面溶
接方法。