JPH0811298B2 - 揺動ア−ク溶接法および揺動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、アーク現象を利用して溶接アークの揺動を
制御することにより、開先倣い制御を行う自動アーク溶
接法の特に揺動アーク溶接法および自動アーク溶接用揺
動装置に関するものである。

（従来の技術） 自動溶接においては、溶接線と溶接トーチをつねに一
定の位置関係に高精度に保持する必要があり、従来から
種々の溶接線倣い制御法が提案されている。特別な検出
器を必要としない方法として、揺動装置と組み合わせて
アークを揺動しアーク現象を利用した開先倣い制御法が
種々提案されている。

一般に、揺動機構としては、溶接全書第６巻「溶融溶
接機器」（P148〜150）のウィービング溶接には、クラ
ンク軸を回転させリンク機構により支点を中心に溶接ト
ーチを揺動する方法が代表的な機構として広く知られて
いる。

また溶接アーク現象を利用した方法としては、特開昭
58−176076号公報で、溶接トーチを溶接進行方向の幅方
向に平行に往復運動させ、揺動の中心での検出信号と揺
動の端部における検出信号の差が基準値と一致するよう
に制御する揺動幅制御方法が提案されている。また特公
昭57−3462号公報では、アーク電圧を一定に保持するよ
う溶接トーチを上下し母材表面からの距離を変化させ、
該溶接トーチを溶接進行方向の幅方向に平行に往復運動
させ、溶接トーチの上下方向の変位高さが所定の設定値
に等しくなるたびに幅方向の往復運動の方向変換を行う
等速反転揺動が提案されている。

しかし、ここで検出しようとする溶接電流または溶接
電圧の変化は、一般にチップ・母材間の距離の変化によ
り変動しているものと考えられていたが、実際には第３
図に示すように溶接ワイヤの先端が右または左の開先壁
面28に近付く過程、つまりチップ・母材間距離が短くな
る過程では、アーク長の変化に対してワイヤ突き出し長
の変化が遅れるためアーク長が短くなり溶接電流は大き
く溶接電圧は低くなる。又揺動の両端で揺動を反転し第
４図に示すように右または左の開先壁面28から遠ざかる
過程、即ちチップ・母材間距離が長くなる過程では逆に
アーク長が長くなり溶接電流は小さく溶接電圧は高くな
るため、揺動の両端近傍での溶接電流は第５図、溶接電
圧は第６図のように変化する。従って、開先内でアーク
を揺動する時の溶接電流および溶接電圧は第７図のよう
になる。

この現象を利用して発明者等は、特願昭60−249958号
で第７図（ロ）の溶接電流と揺動位置によって描かれる
図形の面積L,Rの検出による開先倣い制御法を提案し
た。しかし、このように揺動の両端近傍における溶接電
流および溶接電圧の変化はチップ・母材間距離の変化だ
けでなく、該チップ・母材間距離の変化速度の双方によ
るものであり、この揺動の両端近傍でのチップ・母材間
距離の変化速度は揺動方向への移動速度の影響を受け
る。即ち、溶接電流および溶接電圧の変化量は一定の揺
動周期のもとで揺動幅を広げるか、または一定の揺動幅
のもとで揺動回数を増加し揺動幅方向の移動速度を速く
すると第８図に示すように増加する。このため、特に揺
動両端における溶接電流または溶接電圧の変化量によ
り、開先幅を検知し開先幅に揺動幅を追従させる開先幅
倣い制御においては、第９図に示すごとく揺動幅が最適
値より狭くなり、開先コーナー部に融合不良の欠陥を生
ずる。

また逆に、揺動幅方向の移動速度を遅くすると溶接電
流および溶接電圧の変化量は第10図のように減少するた
め、揺動幅は第11図のように最適値より広くなり、アー
クによって開先壁面が掘られ、開先壁面にアンダーカッ
トを生じ次のパスで融合不良やスラグ巻き込みの欠陥を
生ずる原因となる。

従って特に揺動の両端近傍での溶接電流または溶接電
圧変化を検知し、その結果により揺動中心位置や揺動幅
を逐一修正する溶接線倣い制御を用いる自動溶接では、
検出結果が揺動幅や揺動回数の変更に伴う揺動方向への
移動速度変動の影響を受けないように、揺動方向への揺
動速度を一定に保持する必要がある。

しかし、前記のいずれの方法においても揺動の溶接電
流および溶接電圧の変動への影響に対する考慮がなされ
ておらず、前記のいずれの揺動方法においても揺動幅お
よび揺動回数を変更する為には、揺動幅変更の移動速度
を変化させねばならず、揺動条件を自由に選択できない
と言う欠点がある。従って、特に揺動の両端近傍での溶
接電流または溶接電圧変化を検知する溶接線倣い制御を
用いる自動溶接では、従来の揺動方法では安定した高精
度の開先線倣いが困難であり、健全な溶接継ぎ手を得る
ことができないと言う問題点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は溶接アーク現象を利用した開先倣い制御方法
での問題点であった、溶接トーチの揺動に起因する検出
信号のバラツキによる制御の不安定を解決し、溶接トー
チの正確な位置決めが可能な揺動アーク溶接法、および
安定した検出信号が得られるアーク溶接用揺動装置を提
供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の要旨は、溶接トーチを開先幅方向に往復運動
させ揺動の両端近傍における溶接電流または溶接電圧の
変動を検知し揺動中心位置を修正しながら溶接線に沿っ
て溶接を行う揺動アーク溶接法において、揺動の両端部
から中央側に定められた区間を設け、該区間における揺
動方向への溶接トーチの移動速度を常にあらかじめ設定
された一定速度で行うことを特徴とする揺動アーク溶接
法、および、 アーク現象を利用して溶接アークの揺動を制御するア
ーク溶接用揺動装置において、溶接トーチを開先幅方向
に揺動するトーチ揺動機構、揺動幅方向の溶接トーチの
位置を検出する揺動位置検出器、揺動の中心位置を設定
する揺動中心位置設定器、揺動回数を設定する揺動回数
設定器、揺動の幅を設定する同様幅設定器、定速区間の
基準幅を設定する定速区間基準幅設定器、該揺動幅設定
器および該定速区間基準幅設定器からの信号により定速
区間幅を判定する判定器、該揺動中心位置設定器、該揺
動幅設定器、該揺動回数設定器および該判定器からの信
号により揺動両端の位置、左右の揺動速度変更点および
速度可変区間の揺動速度を演算する演算器、該演算器の
演算結果によりそれぞれを別々に設定する左端設定器、
左速度変更点設定器、右速度変更点設定器、右端設定器
および可変速度設定器、速度変更信号および位置選択信
号を出力する司令回路、該司令回路からの位置選択信号
により該左端設定器、該左速度変更点設定器、該右速度
変更点設定器および該右端設定器のいずれか１つからの
位置信号を位置設定器に伝達する位置選択器、該位置選
択器から伝達された位置信号、または、該揺動中心位置
設定器から伝達された位置信号を記憶するとともに設定
位置信号をモータコントローラに出力する位置設定器、
定速区間の速度を設定する定速度設定器、該司令回路か
らの速度変更信号により該定速度設定器および該可変速
度設定器からの信号を切り換えるる速度切替器、該速度
切替器からの速度信号に応じて該トーチ揺動機構の揺動
モータの回転速度を制御するとともに該揺動位置検出器
からの検出位置信号と該位置設定器からの設定位置信号
を比較演算した結果に応じて揺動モータの回転方向を制
御する或いは該司令回路を起動するパルス信号を出力す
るモータコントローラからなることを特徴とする揺動装
置にある。

以下に実施例を示す図を基に本発明を詳述する。

（作用） 第１図は本発明による揺動軌跡および検出信号波形の
関係を示す波形図、第２図は本発明の揺動装置のブロッ
ク図を示したもので、揺動中心位置設定器３からは揺動
中心位置信号が演算器７および位置設定器14に出力され
ている。演算器７は揺動中心位置設定器３からの揺動中
心位置信号、揺動幅設定器４からの揺動幅信号および判
定器６からの定速区間幅信号により揺動両端の位置、左
右の揺動速度変更点および速度可変区間の揺動速度を演
算し、それぞれ、左端設定器８、右端設定器９、左速度
変更点設定器10、右速度変更点設定器11および可変速度
設定器12に伝達される。該演算結果に基づき左端設定器
８からは揺動の左端、右端設定器９からは揺動の右端、
左速度変更点設定器10からは左側の速度変更点、右速度
変更点設定器11からは右側の速度変更点の位置信号が出
力される。可変速度設定器12からは該演算結果に基づき
可変速度区間における揺動速度信号が、定速度設定器13
からは定速区間における揺動速度信号が出力される。

トーチ揺動機構１にはアーム25を介してトーチホルダ
26に溶接トーチ27が取り付けられ、揺動モータ20によっ
て開先幅方向（左右）に揺動される。

揺動位置検出器２は、揺動モータ20に取り付けたパル
スジェネレータとアップダウンカウンタで構成し、揺動
モータ20の回転によるパルスジェネレータの出力パルス
をアップダウンカウンタでカウントし、溶接トーチ27の
揺動方向の位置信号としてモータコントローラ16に出力
する。モータコントローラ16は、位置設定器14からの出
力信号である設定位置信号31と該揺動位置検出器２から
の溶接トーチ検出位置信号32を比較し、その結果、溶接
トーチ27が設定位置より左にあるときは右行信号を、ま
た右にあるとき左行信号を、また同時に速度切替器18か
ら出力された速度信号24により揺動モータ20の速度制御
信号を、揺動モータ20に出力する。揺動モータ20はモー
タコントローラ16からの制御信号により回転し、揺動機
構１は溶接トーチ27を開先幅方向に移動する。位置設定
器14からの出力信号と該溶接トーチ位置信号を比較し、
その結果が一致したときは、溶接モータ20への制御信号
は出力されず、司令回路17にパルス信号23が出力され、
該司令回路17を起動する。

司令回路17は位置選択信号を１度の動作で１つずつ、
左側の速度変更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→左側の速
度変更点（ｃ）→右側の速度変更点（ｄ）→揺動の右端
（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）→左側の速度変更点
（a₁）の順で位置選択器15に出力する。位置選択器15は
位置選択信号21によって左端設定器８からの揺動の左
端、右端設定器９からの揺動の右端、左速度変更点設定
器10からの左側の速度変更点、右速度変更点設定器11か
らの右側の速度変更点の位置信号から１つだけを選択し
位置設定器14へ伝達する。位置設定器14はこの新しい位
置信号を記憶しモータコントローラ16に新しい位置信号
を出力する。このため溶接トーチ位置と位置設定器14か
らの位置信号は異なり、モータコントローラ16からは揺
動モータ20に制御信号が出力され、溶接トーチ27は左側
の速度変更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→左側の速度変
更点（ｃ）→右側の速度変更点（ｄ）→揺動の右端
（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）→左側の速度変更点
（a₁）の順で順次移動する。

また、司令回路17からは各速度変更点で速度切替信号
22が出力され、速度切替器18によって速度信号が切替え
られ、速度変更点（a,d）では定速度設定器13からの定
速度信号が、速度変更点（c,f）では可変速度設定器12
からの可変速度信号がモータコントローラ16に伝達され
る。

即ち、司令回路17からの位置選択信号21により位置選
択器15を経て位置設定器14に左側の速度変更点（ａ）が
記憶されており、溶接トーチ27が左へ移動して溶接トー
チ位置が左側の速度変更点（ａ）と一致すると、モータ
コントローラ16からの揺動モータ20への制御信号の出力
は低下し、同時に司令信号17にパルス信号が出力され
る。該司令回路17からの位置選択信号21により位置選択
器15を経て位置設定器14に揺動の左端（ｂ）が記憶さ
れ、同時に速度変更信号22が速度切替器18に出力され定
速度信号がモータコントローラ16に伝達される。モータ
コントローラ16は定速度による左行制御信号をモータ20
に出力し、溶接トーチ27は定速度設定器13によって与え
られた移動速度で左へ移動する。次に溶接トーチ位置が
揺動の左端（ｂ）と一致すると前記と同様に位置設定器
14には左側の速度変更点（ｃ）が記憶され、出力される
位置信号と溶接トーチ位置は一致せず、モータコントロ
ーラ16からは右行の制御信号が出力され揺動は反転され
る。更に左側の速度変更点（ｃ）と溶接トーチ位置が一
致すると、位置設定器14には右側の速度変更点（ｄ）が
記憶され同時に司令回路17から速度切替信号が出力さ
れ、可変速度設定器12で設定された速度信号が伝達さ
れ、モータコントローラ16からは可変速度設定器12で設
定された速度での右行信号が揺動モータ20に出力され
る。以上のように順次繰り換される。

従って左側の速度変更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→
左側の速度変更点（ｃ）および右側の速度変更点（ｄ）
→揺動の右端（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）の揺動速
度は定速度設定器13で設定した一定の速度となり、また
モータコントローラ16からパルス信号が出力されてから
再び揺動モータ20に制御信号が出力されるまでの時間は
約50μsec.と極めて短時間で処理されており揺動は間断
なく行われ、第１図に示す揺動軌跡が得られる。

ここで判定器６からの定速区間幅信号が揺動幅設定器
４で設定された揺動幅の1/2より大きいときには、左側
の速度変更点（ｃ）→右側の速度変更点（ｄ）および右
側の速度変更点（ｆ）→左側の速度変更点（a₁）の速度
可変区間が存在できなくなり、揺動回数が固定されてし
まう。そこで本発明の装置ではこの問題を解決するため
に判定器６は、定速区間基準幅設定器５で設定された定
速区間の基準幅と揺動設定幅４で設定された揺動幅の1/
4の幅とを比較し、いずれか狭い方の幅信号が定速幅信
号として演算器７に伝達される。即ち常に左側の速度変
更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→左側の速度変更点
（ｃ）および右側の速度変更点（ｄ）→揺動の右端
（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）の定速区間の幅を揺動
幅の1/4以下とすることで、揺動幅が狭い領域において
も左側の速度変更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→左側の
速度変更点（ｃ）および右側の速度変更点（ｄ）→揺動
の右端（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）の定速区間を確
保しながら揺動回数を変更可能にしている。

また揺動を行わないときは揺動中心位置設定器３から
出力される揺動の中心位置信号が位置設定器14に出力さ
れ、司令回路17は起動されない。従って溶接トーチ27は
揺動中心位置に保持される。

揺動中心位置設定器３の揺動の中心、揺動幅設定器４
の揺動幅および揺動回数設定器19の揺動回数は、開先倣
い制御回路（図示せず）からの倣い信号によって変更さ
れる。該３つの設定値の内いずれかが変更されると、演
算器７により揺動両端の位置、左右の揺動速度変更点お
よび速度可変区間の揺動速度を演算し、それぞれ、左端
設定器８、右端設定器９、左速度変更点設定器10、右速
度変更点設定器11および可変速度設定器12の設定値を更
新し揺動位置を修正する。

なお、揺動機構１は走行方向と直行する開先幅方向に
走行台車29に取り付けられ、溶接トーチ27を揺動方向に
100mm移動ができる。また、走行台車29は開先と概ね平
行に設置したレール30に取り付け、溶接トーチ１を開先
の中心に位置させ溶接を開始する。溶接開始と同時に開
先幅方向への揺動とレール30上を走行台車29が移動を開
始する。

このときの、揺動軌跡は、第１図に示すごとく揺動
幅、揺動回数の変化に対しては、左側の速度変更点
（ｃ）→右側の速度変更点（ｄ）および右側の速度変更
点（ｆ）→左側の速度変更点（a₁）の速度可変区域での
揺動幅方向の溶接トーチ27の移動速度が変化するだけ
で、揺動両端に設定された左側の速度変更点（ａ）→揺
動の左端（ｂ）→左側の速度変更点（ｃ）および右側の
速度変更点（ｄ）→揺動の右端（ｅ）→右側の速度変更
点（ｆ）の定速区間での揺動幅方向の溶接トーチ27の移
動速度は揺動幅、揺動回数の変化に関係なく、一定であ
るため、開先壁面によるチャプ・母材間距離の変化量が
一定となる。即ち、溶接電流波形は揺動両端の左側の速
度変更点（ａ）→揺動の左端（ｂ）→左側の速度変更点
（ｃ）および右側の速度変更点（ｄ）→揺動の右端
（ｅ）→右側の速度変更点（ｆ）の定速区間では揺動
幅、揺動回数の変化に影響されることなく一定の信号波
形を得ることができる。

従って、溶接電流および溶接電圧は揺動端部と開先壁
面との位置関係の変動のみによって変化するため、揺動
の変化に関係なく倣い制御回路（図示せず）による、高
精度の開先壁面の位置検出を可能にして、追従精度の高
い開先倣い制御を可能にし、良好な溶接結果を得ること
ができた。なお、検出信号に溶接電圧を用いても溶接電
流と同様の結果を得ることができる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、揺動両端における揺動
軌跡が常に一定であるため、揺動両端近傍における溶接
電流および溶接電圧の変化は、時間に対しても、揺動位
置に対しても常に一定条件となるため、アークの揺動に
よる開先壁面のアーク現象を利用したあらゆるセンシン
グ技術に応用でき、しかも高精度の検出を可能にした。

また、アークを揺動し溶接電流または溶接電圧の変化
により開先壁面を検知し、開先位置を認識し、揺動中心
および揺動幅を最適位置に保持しようとする溶接方法に
おいて、揺動条件の変更に伴う、揺動幅方向のアークの
揺動速度変化による検出誤差を防止するという開先倣い
制御の根本問題を解決し高精度の開先倣い制御を実用化
したことにより、健全な溶接を安定して得ることができ
るなど、工業上優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による揺動軌跡および検出信号波形を示
す波形図、第２図は本発明の揺動装置のブロック図、第
３〜７図は揺動アークと開先壁面の関係および溶接電
流、溶接電圧の関係を示す説明図、第８〜11図は揺動軌
跡と検出信号の関係を示す説明図である。 １……トーチ揺動機構、２……揺動位置検出器、３……
揺動中心位置設定器、４……揺動幅設定器、５……定速
区間基準設定器、６……判定器、７……演算器、８……
左端設定器、９……右端設定器、10……左速度変更点設
定器、11……右速度変更点設定器、12……可変速度設定
器、13……定速度設定器、14……位置設定器、15……位
置選択器、16……モータコントローラ、17……司令回
路、18……速度切替器、19……揺動回数設定器、20……
揺動モータ、21……位置選択信号、22……速度変更信
号、23……パルス信号、24……速度信号、25……アー
ム、26……トーチホルダ、27……溶接トーチ、28……開
先壁面、29……走行台車、30……レール、31……設定位
置信号、32……検出位置信号。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接トーチを開先幅方向に往復運動させ揺
   動の両端近傍における溶接電流または溶接電圧の変動を
   検知し揺動中心位置を修正しながら溶接線に沿って溶接
   を行う揺動アーク溶接法において、 揺動の両端部から中央側に定められた区間を設け、該区
   間における揺動方向への移動速度が常にあらかじめ設定
   された一定速度であることを特徴とする揺動アーム溶接
   法。
2. 【請求項２】アーク現象を利用して溶接アークの揺動を
   制御するアーク溶接用揺動装置において、 溶接トーチ（27）を開先幅方向に揺動するトーチ揺動機
   構（１）、 揺動幅方向の溶接トーチの位置を検出する揺動位置検出
   器（２）、 揺動の中心位置を設定する揺動中心位置設定器（３）、 揺動回数を設定する揺動回数設定器（19）、 揺動の幅を設定する揺動幅設定器（４）、 定速区間の基準幅を設定する定速区間基準幅設定器
   （５）、 該揺動幅設定器および該設定区間基準設定器（５）から
   の信号により定速区間幅を判定する判定器（６）、 該揺動中心位置設定器（３）、該揺動幅設定器（４）、
   該揺動回数設定器（19）および該判定器（６）からの信
   号により揺動両端の位置、左右の揺動速度変更点および
   速度可変区間の揺動速度を演算する演算器（７）、 該演算器（７）の演算結果によりそれぞれを別々に設定
   する左端設定器（８）、左速度変更点設定器（10）、右
   速度変更点設定器（11）、右端設定器（９）および可変
   速度設定器（12）、 速度変更信号（22）および位置選択信号（21）を出力す
   る司令回路（17）、 該司令回路（17）から位置選択信号（21）により該左端
   設定器（８）、該左速度変更点設定器（10）、該右速度
   変更点設定器（11）および該右端設定器（９）のいずれ
   か１つからの位置信号を位置設定器（14）に伝達する位
   置選択器（15）、 該位置選択器（15）から伝達された位置信号、または、
   該揺動中心位置設定器（３）から伝達された位置信号を
   記憶するとともに設定位置信号（31）をモータコントロ
   ーラ（16）に出力する位置設定器（14）、 定速区間の速度を設定する定速度設定器（13）、 該司令回路（17）からの速度変更信号（22）により該定
   速度設定器（13）および該可変速度設定器（12）からの
   信号を切り替える速度切替器（18）、 該速度切替器（18）からの速度信号（24）に応じて該ト
   ーチ揺動機構（１）の揺動モータ（20）の回転速度を制
   御するとともに該揺動位置検出器（２）からの検出位置
   信号（32）と該位置設定器（14）からの設定位置信号
   （31）を比較演算した結果に応じて揺動モータ（20）の
   回転方向を制御する或いは該司令回路（17）を起動する
   パルス信号（23）を出力するモータコントローラ（1
   6）、 からなることを特徴とする揺動装置。