JPS61262463A - 多層振分け自動溶接方法 - Google Patents

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〕 本発明は多層振分は溶接方法の自動化に関する。

〔従来の技術〕

中・厚板構造物の溶接に用いられる多層振分は溶接では
、前ビードの重なり部にトーチ狙い位置を制御して振分
けたり、最終積層状態を考慮した上で各パス毎の溶接条
件制御が必要とされる。

ところで、非接触センサにより溶接開先を検知し、トー
チ位置制御並びに溶接条件を制御する方法としては、例
えば開先と直角にスリット光を投射すると共に、これを
斜め方向からＩＴＶカメラ−等で撮像し、断面形状を検
出してトーチ位置を開先中央に制御する方法等、種々の
方法が従来考案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の方法では多ｓｉ分は溶接に要
求される高精度を満たすための情報処理手法が確立され
ていなかった。このため、多層振分は溶接は作業者の経
験に頼らざるを得ない問題があり、熟練作業者不足等の
問題から自動化による高品質化、高能率化が望まれてい
る。

上記事情に鑑み、本発明は熱交換器や塔槽類等の中・厚
板構造物の多層振分は溶接を対象に、非接触センサを用
いた高精度な開先情報検知手段および開先情報を利用し
た振分は溶接手法を確立し、多層連続溶接自動化の妨げ
となっていた多層振分は溶接における溶接線倣い技術な
らびに溶接条件制御の完全自動化を図り、これにより複
数継手を一人で管理できるようにして品質の安定化と大
幅な能率向上の実現を課題とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による多層振分は自動溶接方法は、光学式距離セ
ンサを溶接線に略直角方向に揺動させ、得られた距離信
号と揺動時のセンサ信号から開先の位置および形状に掛
る実開先情報を得る工程と、該実開先情報から表面キズ
、開先表面のうねり及び傾斜、並びにスパッタ等の影響
を排除してトーチ狙い位置を設定すると共に、開先両肩
部および最深部等の溶接条件制御に必要な特徴点、並び
に未溶接断面積を求める工程と、前記開先内特徴点を基
準に多層振分は溶接に必要な各パスにおけるトーチ狙い
位置設定式を決める工程と、施工対象別に溶接条件、ト
ーチ狙い位置設定式、基準開先による未溶接断面積を予
め出力データ表に纒め、これをプログラム化する工程と
、該プログラム化工程で設定された各パスにおける基準
溶接条件に実開先断面積の変動に応じた修正処理を行な
って適正溶接条件を出力し、該出力により各パスの溶接
作業を制御すると共に、表層の溶接は一定の溶接条件を
用いてピードの外観を均一にするようにしたことを特徴
とするものである。

（作用〕 本発明によれば、第一パスから振分は最終パスまでのト
ーチ狙い位置設定に必要な高精度な開先情報を提供する
方法と、基準開先データを元に積層手順を設定する方法
により多層振分は溶接を自動化でき、熱交・塔槽類等の
中・厚肉溶接構造物全般に応用できるものである。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）は各種中厚内継手における振分は
溶接部断面を示したもので、同図（Ａ）は■字開先、同
図（Ｂ）は０字開先、同図（Ｃ）は■字開先の片側に傾
斜を有するもの、同図（Ｄ）は０字開先の片側に傾斜を
有するものの一例である。図中１は母材、２．２′は開
先線、３は溶接ピード、４は裏側溶接部を示す。本発明
は種々の溶接方法を用いてこれらどのような開先に対し
ても適用できるが、Ｖ字開先の潜弧溶接（サブマージア
ーク溶接）に適用した実施例について以下に説明する。

第１図は本発明を潜弧溶接に適用した場合の溶接状態お
よび光学式距離センサによる開先形状の検出手段を示す
斜視図である。同図において、１は溶接母材、２は開先
、３は溶接ピード、５はフラックス、６は溶接ワイヤ、
７は溶接トーチ、８は距離測定用の光学式センサ、９は
開先断面形状を検出する際にセンサ８を揺動させる軌跡
、１０はセンサ８を所定幅だけ揺動させるための揺動用
モータ、１１はセンサ８で得られた距離信号を処理する
ための処理装置、１２はセンサ８による距離信号と揺動
モータ１０の位置信号を合成して開先形状を得るための
演算装置である。

まず開先形状の検出方法について説明すると、図示のよ
うに溶接部から一定距離りだけ前方で、溶接線と略直角
方向にセンサ８を揺動させることにより、０．１〜５．
０麿の微少ピッチで連続的に距離信号を取込み、この信
号（Ｙ軸）とセンサ位置信号（Ｘ軸）を演算装置１２で
合成して高精度の開先形状を検出する。第３図（Ａ）〜
（Ｃ）は、こうして検出されたＶ字型開先の断面形状を
示している。同図（Ａ＞は溶接前、同図（Ｂ）は第１パ
ス終了後、同図（Ｃ）は第２パス終了後に検出された形
状を夫々示している。なおセンサ８の揺動に際しては、
トーチを揺動させる場合にはこれを搭載した溶接台車に
、また母材を回転させる場合は回転装置等の駆動部にパ
ルスエンコーダを取付け、該パルスエンコーダから発振
されるパルスを計数し、センサ８の揺動タイミングをこ
れに同期させるようにする。

こうして得られた開先断面形状から表面のキズやスパッ
タの影響を排除して適正な開先情報を得、るため、次の
処理を行なう（第４図（Ａ）（Ｂ）参照）。なお、図中
Ｙはセンサ８／母材１１１ｉの距離、Ｗはセンサ８の揺
動幅である。

第一に、図中９′で示す上記の開先断面形状から、次の
アルゴリズムにより多層振分は溶接の狙い位置設定に必
要な特徴点（開先の両肩ｄ、ｆ、開先内の最深部ｅ）を
求める　（第４図（Ａ）参照）。

開先両肩部の求め方 ■：：端ａ点からｂ点までの平均距離（Ｌｌ）とｂ点か
ら０点までの平均距離（Ｌ２）から、直線Ｌ１−１２の
傾きを求める。なお、Ｌｔ　、　Ｌ２は何れも１ａｇ＋
〜１０履の長さである。

■：次に（直線Ｌ１−Ｌ２を任意に設定した距離×（数
ミリ程度）だけ図の下方にスライドさせで開先９との交
点ｄを求め、これを仮の開先左肩とする。

■二更に、ｄ点の先（図の右側）の数ポイントを同時に
比較し、ｄ点のセンサ値（Ｙ軸値）よりも小さい（図の
下方にある）という条件が満されることを確認した上で
、このｄ点を最終的に開先左肩とする。開先右肩ｆ点に
ついても同様にして求める。

上記の処理方法によれば、第２図（Ｃ）（Ｄ）のように
開先の片側表面に傾斜がある場合でも開先肩を検知する
ことができる。

開先内置深部の求め方 ■：：端ａ点から順にセンサ値を比較して小さい方のセ
ンサ値を残す処理を行ない、最少センサ値を求める。

■：先に求めたｄ点およびｆ点間の中点を求める。

■：最最少セン価値Ｘ座標が、両肩ｄ、ｆ闇の中点のＸ
座標を中心に任意に設定した士数ミリの範囲内にあれば
、最少センサ値の座標（Ｘ、Ｙ）を最深部ｅとする。ま
た、前記中点のＸ座標が前記範囲外であるときは、当該
中点と開先線９′との交点を最深部ｅとする。

第二に、次のアルゴリズムに従って未溶接部断面積を求
める（第４図（Ｂ）参照）。即ち、■：：先左側の直線
Ｌ１−Ｌ２を図中下方に数ミリだけスライドさせ、開先
９′との交点ｄ′を得る。開先右側についても同様の処
理をして点ｆ′を得る。

■：直線ｄ’−ｆ’で囲まれた開先内の断面積Ａを求め
る。

■二上記の断面積Ａは、直線ｄ’−ｆ’間のセンサ値に
センサデータ取込みピッチを乗じたものから、直線ｄ’
−ｆ’で図の下方に区分けされた部分のみを演算して求
める。

上記の平均化処理による母材表面の直線近似および比較
処理による検知点の評価を行うて求めた開先角特徴点（
両肩ｄ点およびｆ点、最深部ｅ点）および未溶接断面積
Ａは、母材表面の傾斜、うねり、キズ、組立て誤差スパ
ッタ等の影響を排除し得た信頼性の高いデータとなる。

これら高精度のデータを用いた溶接線倣い手法および溶
接条件制御手法により、次に説明するようにして自動的
に多層振分は溶接を行なう（第５図、第６図参照）。

第５図はｖ字型開先の多層振分は溶接結果（４パス仕上
げ）を示す断面図である。また、第６図は第１図の手段
で検出した開先形状から、第４図に示す処理手法を用い
て振分は溶接に要求される各パス毎のトーチ狙い位置の
検知方法を示したものである。なお、同図（Ａ）〜同図
（Ｄ）は、夫々Ｍ１パス〜第４パスにおける狙い位置の
検出方法を示し、また図中０印は前記開先内の特徴点を
、・印は溶接トーチ狙い位置を示している。これらの図
を参照してトーチ狙い位置の設定および溶接条件制御手
法を説明する。

まず、予備実験により各パス毎の適正狙い位置（図中の
・印）を求め、これらの狙い位置と先に求めた特徴点く
両肩、最深部）との関係を把握し、施工対象材質、開先
種類、溶接法、ワイヤ径等）毎に分類して整理する。第
７図はその一例を示しており、炭素鋼、７０度■型開先
、潜弧溶接、ワイヤ系４．８　ａｍの場合の溶接施工条
件出力データの一部を示してたものである。この出力デ
ータ表から、開先深さ１５履の場合を取上げて処理手順
を説明すれば次の通りである。

即ち、開先深さを１５．と入力すると、総パス数４が求
められる。総パス数４の欄には、第１パス〜第４パスま
での各々のトーチ狙い位置演算式、基準開先の溶接条件
番号、基準開先による未溶接断面積がセットされている
。従って、自動溶接を開始すると、センサで検知した開
先断面形状をもとに、第７図にセットされているトーチ
狙い位置演算式で処理されて第１パスの狙い位置が求ま
る。

同時に、第７図（３にセットされている基準開先の未溶
接断面積Ａｎおよびセンサで検知した実開先断面積Ａの
比に対し、第１パスの基準溶接条件の溶接断面積を乗じ
ることにより実開先に対応する必要溶接断面積を算出し
、下記第１表からこれに該当する溶接条件を求めて出力
する。この一連の処理を、センサオシレートピッチに対
応した一部ピッチ毎に行ない、実開先の断面形状および
溶接線に応じた溶接を行なう。なお、トーチ狙い位置お
よび溶接条件の出力は、トーチとセンサ間の距離を考慮
した遅れ倣い方式で行なう。

第１表 センサで検出した実開先断面積（４） 出力溶接断面積−□ 基準開先の未溶接断面積（Ａｏ） ×基準溶接断面積　　　　（１）式 （注１）　基準開先の未溶接断面積（Ａｏ　）は第１表
（３にセット （注２）　基準溶接断面積は第１表（２にセットされた
溶接条件番号をもとに第２表より選択される。

（注３）（１）式による演算の結果、求められた出力溶
接断面積をもとに第２表より出力溶接条件（電流、電圧
、速度）を決定する。

上記のようにして第１パスの溶接が終了したら、例えば
被溶接物が円筒の場合には溶接開始点設けた突起物をリ
ミットスイッチ等で蹴ることにより、また被溶接物が平
面の場合には端部をセンサで検知することにより第１パ
ス終了の信号を形成し、該信号を第２パスの開始信号と
する。第２パス開始信号を受けたら、出力データを第２
パスに切替えて第７図における第２パス欄のデータを読
取り、前述した一連の処理により適正溶接条件およびト
ーチ狙い位置を出力する。これを順次繰返して多層振分
は溶接を行ない、総パス数が終了した時点で自動的に溶
接を停止する。

次に、本発明の実用的な特徴の一つである表層の積層手
法について説明すると、上記実施例における総パス数は
４であるから、この場合には第３パス及び第４パスが表
層となる。本発明では表層でいる。これは自動化により
品質を向上させると共に、製品価値を高めることにつな
がる。これを第４図（Ｂ）を参照して説明すると、図示
のように開先表面からＸ２　　（数ミリ）だけ下方にｄ
′点。

ｆ′点を求め、直線ｄ’　−ｆ’　と開先９で囲まれた
開先断面積については溶接条件制御にて積層する一方、
表層部分については適正余盛りが形成できるように予め
予備試験で設定した溶接条件にて溶接する。その結果、
一定幅のビード外観が得られる。

（具体例） 最後に、第８図を参照して本発明による多層振分は溶接
を行なうための作業者の具体的な操作手順、並びに制御
フＯ−の概要を説明する。

（１）まず、作業者は被溶接物を概略位置決めしくＡ）
、溶接材料のセット（Ｂ）及び溶接トーチのセット（Ｃ
）を行なう。

（２次に、溶接施工条件（溶接部、被溶接材料の材質、
開先種類、開先深さ等）を制御装置に入力する（Ｄ）。

（３続いて、制御盤の「自動溶接」ボタンをＯＮにすれ
ば、自動的に溶接が開始される（Ｅ）。

自動溶接が開始されたら、センサにて開先形状をサンプ
リングし、演算する（Ｆ）。

（イ）演算の結果得られた開先情報を基に、所定の狙い
位置演算式（第６図）でトーチ狙い位置を求め（Ｇ）、
これを一時記憶して適正な倣いタイミングになった時の
実際のトーチ位置と比較しくＨ）、偏差が生じた場合に
は修正する（１）。

■　更に、第ｎパスの溶接が終了したか否・かを判断し
くＪ）、ＹＥＳの場合には第ｎパスが最終層か否かを判
断する（Ｋ）。逆に、ＮＯの場合にいはパス変更処理（
狙い位置、溶接条件を変更）（Ｌ）を行ない、次パス条
件にて（Ｆ）以降を繰返す。

（６１前記（Ｋ）で第ｎパスが最終層（ＹＥＳ）の場合
、溶接終了処理（重ね量制御とクレーム処理・・・詳細
記載せず）（Ｍ）を行なって溶接を停止する（Ｎ）。

上記の手順から明らかなように、本発明によれば「自動
溶接」ボタンをＯＮＬ、た後は作業者の監視は不要とな
り、従って複数継手の管理が可能でしかも品質の安定化
を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば多層振分は溶接を
完全自動化し、複数継続子を一人で管理することが可能
になると共に、品質の安定化と大幅な能率向上を実現で
きる等、顕著な効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をＶ字開先の潜弧溶接に適用した一実施
例における溶接状況と、開先形状の検出手段を示す斜視
図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は夫々中・厚肉構造物の振分
は溶接部の断面図、第３図（Ａ）〜（Ｃ）は夫々第１図
の検出手段で検出した開先部の断面形状を示す図、第４
図（Ａ）（Ｂ）は第１図の検出手段で検出した開先断面
形状の処理方法を説明するための図、第５図はＶ字型開
先の多層振分は溶接結果と溶接時の狙い位置を説明する
ための図、第６図（Ａ）〜（Ｄ）は夫々のパス毎のトー
チ狙い位置の検出不法を説明するための因、第７図は各
パス毎の狙い位置と溶接条件を示す図、第８図は本発明
による多層振分は自動溶接方法のフォローチャートであ
る。 １・・・被溶接母材、２．２′・・・開先線、３・・・
溶接ビード、５・・・フラックス、６・・・溶接ワイヤ
、７・・・溶接トーチ、８・・・センサ、９，９′・・
・開先断面形状、１０・・・揺動モータ、１１・・・処
理装置、１２・・・演算装置 出願人復代理人　弁理士　鈴江武彦 手続補正書 １２１．６ＱＰ７・−１ｆ３８ 特許１官　志賀　学　殿 １、事件の表示 特ｉ昭６０−１０４４６４号 ２、発明の名称 多Ｍ慣分は自動溶接方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （６２０）　　三菱！工業株式会社 ４、後代　理　人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学式距離センサを溶接線に略直角方向に揺動させ、得
   られた距離信号と揺動時のセンサ信号から開先の位置お
   よび形状に掛る実開先情報を得る工程と、該実開先情報
   から表面キズ、開先表面のうねり及び傾斜、並びにスパ
   ッタ等の影響を排除してトーチ狙い位置を設定すると共
   に、開先両肩部および最深部等の溶接条件制御に必要な
   特徴点、並びに未溶接断面積を求める工程と、前記開先
   内特徴点を基準に多層振分け溶接に必要な各パスにおけ
   るトーチ狙い位置設定式を決める工程と、施工対象別に
   溶接条件、トーチ狙い位置設定式、基準開先による未溶
   接断面積を予め出力データ表に纒め、これをプログラム
   化する工程と、該プログラム化工程で設定された各パス
   における基準溶接条件に実開先断面積の変動に応じた修
   正処理を行なつて適正溶接条件を出力し、該出力により
   各パスの溶接作業を制御すると共に、表層の溶接は一定
   の溶接条件を用いてビードの外観を均一にするようにし
   たことを特徴とする多層振分け自動溶接方法。