JPS6239077B2 - - 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法におけるシーム追跡
法に関する。さらに詳しくは、本発明は、アーク
自身からの放射の干渉を受けずにシームを直接視
ることができる赤外線センサを用いるシーム追跡
法に関する。

アーク溶接法において、電気アーク溶接トーチ
を溶接すべきシームに沿つて移動できることが望
ましい。さらにかゝるトーチの移動をアーク溶接
システムにより自動的に行うのが望ましい。現
在、ほとんどの自動溶接法はスポツト溶接に限ら
れている。しかし、自動溶接法、特に多目的製造
用口ボツトにより行われる自動溶接法の開発が続
けられるのにつれて、ある種のフイードバツク制
御機構、特に形成中の溶接部の品質を示すだけで
なく、溶接すべきシームに対するトーチアームの
横方向位置も示すフイードバツク制御機構が必要
になつている。場合によつては、予め定められた
シーム位置、曲率および寸法に合わせてシーム追
跡運動を溶接システムにプログラムしておくこと
ができる。しかし、溶接すべきシームに沿つてト
ーチアームを自動的に追跡する手段を電気アーク
溶接システムに設ける方がはるかに望ましい。さ
らに、追跡プロセスが連続的にかつ自動的に行わ
れること、そしてこのプロセスが溶接中のシーム
の特定形状により実質的に妨害されないことが望
ましい。

さらに具体的には、自動溶接において、溶接ア
ームの通路を適切に制御して、溶融池の中心が溶
接シームに合わせた状態に留まるようにする必要
がある。さらに、反復作業では、シームの大体の
形状をプログラムすることができるが、部品毎の
はめあい変動量が大きくなつて、溶接通路が個々
のシームから大きくずれることがあり、その結果
貧弱な溶接部が形成されることが多い。従つて、
溶融池およびその直前のシームの相対位置を決定
することができるセンサが切望されている。かゝ
るセンサにより得られる制御信号を用いて溶融池
を心合わせすることができる。さらに、センサが
数ミル（約0.1mm）単位までの精度をもち、秒単
位またはそれより速い応答時間を有し、シーム・
溶融池相対位置をできるだけ溶融池の近くで感知
し、溶接部から数インチ（約10cm）の作動距離か
ら動作すること（そしてこれらすべてを加工品へ
の接近方向が限られている制約の下で実現するこ
と）が望ましい。さらに、センサは多数の異なる
溶接部の幾何形状および位置で信頼性高く働ら
き、小形、軽量、経済的である必要がある。

従来、幾つかの異なる型式のシーム追跡装置が
自動ロボツト溶接機を案内するのに適用されてい
る。これらの装置には、機械接触型、例えば「セ
シルゲージ（Cecil gauge）」、電磁センサおよび
静電センサ、信号処理用電子回路付きテレビジヨ
ン表示装置、およびレーザー源を用いる光学的セ
ンサがある。さらに、アークがシームを横切つて
わずかにジグザグ運動するようなアークパラメー
タの変化に基づくセンサも使用されている。しか
し、上述したセンサはいずれも上述した望ましい
基準のどれか（１つまたは複数）を満足しない。

この分野での別の研究が、米国エネルギー省に
1981年６月に提出されたJose′ Convertiらの研究
報告「処理中の感知と制御による溶接の信頼性向
上（管の胴廻り溶接用の最適溶接機の開発）Ｉ
mprovement of Reliability of Welding by In―
Process Sensing and Control（Dvelopment of
Smart Welding Machines for Girth Welding
of Pipes）」に報告されている。この報告によれ
ば、接触センサ（熱電対）を用いて初期実験を行
つて、溶融池およびシーム付近の温度分布をさぐ
る。これに記載されている遠隔温度感知用の近赤
外ホトダイオードを用いる試みは、金属表面から
反射されるプラズマ放射による光学的干渉が著し
いので、うまくいかなかつた。特に、上記論文で
は、慣用の溶接作業者用ゴグルに類似した材料で
つくつた簡単な光学的フイルタを用いて、プラズ
マアークからの放射を減衰させることを提案して
いる。

しかし、本発明者は、タングステン不活性ガス
（TIG）溶接アークからの放射が代表的には、約
３ミクロン以下の赤外線帯域幅を持つ帯域に限定
されていることを発見した。この発見は、溶融池
の直近の真の表面温度を検知するのに赤外線セン
サを使用できることを示唆している。さらに、本
発明者が行つた試験により、これらのセンサが自
動シーム追跡溶接法に必要とされる必須の時間お
よび分解能特性を呈することが確かめられた。

発明の概要 本発明の好適実施例によれば、移動式アークト
ーチ溶接操作におけるシーム追跡法は、波長が約
３ミクロンより長い赤外線帯域中の赤外線のレベ
ルを測定する工程を有する。この赤外線の測定
は、溶接シームからほゞ等距離にあつて、シーム
の両側に位置し、かつアークトーチの走行方向に
配置された少くとも２点について行う。本方法に
よれば、シームの両側からの、選ばれた帯域内の
赤外線のレベルを比較して、差信号を発生する。
この差信号を用いて、差信号を小さくするように
アークトーチを横方向位置決めする。

従つて、本発明の目的は、自動シーム追跡情報
を発生するアーク溶接センサを提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、自動アーク溶接トーチを
提供することにある。

最後に本発明の別の目的は、電気アーク溶接に
おけるシーム追跡法を提供することにある。

発明の詳述 本発明は、本明細書の特許請求の範囲に特定さ
れ明確に記載されている。しかし、本発明はその
構成および実施方法に関して、その目的および効
果ともども、添付図面に関連した以下の説明を参
照することによりもつともよく理解できるであろ
う。

本出願人による1982年４月26日出願の米国特許
出願第371704号に指摘されているように、溶接さ
れる加工品のトーチ側からの赤外線測定が、普通
に入手できる赤外線検出器を、波長が約３ミクロ
ンより短い赤外線を除去する光学的フイルタと組
合せて用いることによつて可能になる。このよう
なフイルタの使用により、電気アータプラズマ自
身が発生する優勢な雑音信号のレベルを大きく下
げる。さらに本発明者は、溶融池の先の（即ち、
溶接トーチの移動方向における）まだ接合されて
いないシームが熱伝導に対する強い障壁となるこ
とを見出した。従つて、溶融池が中心からはずれ
ると、加工品への熱入力が同様にずれる。このず
れと熱伝導障壁が原因で、溶融池の直ぐ先のシー
ムを横切つて温度差が発現する。この温度差を接
触手段、例えば熱電対フオークによつて感知する
ことができる。或いはまた、本発明の好適例にお
いては、非接触赤外線センサをシームから数イン
チ（約10cm）またはそれ以上の距離に位置させ
る。これらのセンサはシーム自身への狭い光学的
接近路を必要とするだけである。センサをプラズ
マアークのごく近くに取付けるのが望ましく、こ
の場合スペクトル制限用赤外フイルタの使用が特
に望ましいものとなる。

第１図に本発明に係わるセンサを示す。図示の
特定実施例では、赤外線検出器１０が２つの別々
の検出セルを含む。一方のセルは、溶接シームの
片側からこのセルに入射する赤外線に応答する。
他方のセルは、シームの他側の対応する点からの
赤外線に応答する。加工品２０のまだ接合されて
いないシーム間隙３０は熱伝導に対する強い障壁
を形づくるので、溶融池位置が変化すると検出器
１０からの電気出力が変わる。この差が比較器２
５に現われ、比較器２５はトーチアーム位置決め
装置２６に位置決め制御信号を供給する。さらに
指摘しておくべきこととして、第１図には２素子
センサ１０を示したが、例えば８〜128個の別個
の検出セル区域を有する多素子赤外線検出器を使
用することもできる。このような場合、まだ接合
されていないシーム部分を横切る温度分布または
プロフイールを表示する信号情報を発生すること
ができる。複数の差信号をコンピユータ処理する
ことも同じく可能で、差信号をコンピユータによ
り種々の重みをつけて組合せて、末接合シームを
横切る温度不均衡の表示を得る。同様に、この不
均衡情報を用いてトーチアーク位置決め装置２６
を制御することができる。

本発明に係わるセンサは、波長が約３ミクロン
より長い赤外線に感応性でなければならない。例
えば、検出器の有効感度範囲は約３ミクロンから
約７ミクロンまでである。検出器は室温近くまた
はそれより僅かに高い温度で安定に作動すること
も、好ましくは必要である。幾つかの特定型式の
検出器を使用でき、これらはいずれもその適正作
動のために、例えば極低温液体による冷却を必要
としない。特に検出器１０は多素子自己走査式パ
イロ電気直線配列検出器、例えばSpiricon社（米
国ユタ州ローガン、ノースメイン2600所在）から
入手できる検出器とすることができる。これらの
直線検出器配列体は特に温度分布またはプロフイ
ール情報を得るのに有効である。このプロフイー
ル情報を用いて温度不均衡を決定することがで
き、これは特に薄板材料間の溶接部に有用であ
る。そのほかに、検出器１０の各素子は、セレン
化鉛またはアンチモン化インジウム光導電性物質
を用いた単一素子光導電型検出器とすることがで
きる。このような単一素子検出器を用いてシーム
の片側の溶融池の前の固定点から赤外線を受取る
ことができ、特に深い溶込み溶接部を監視するの
に有効である。しかし、単一素子パイロ電気検出
器もこの目的に使用することができる。またほか
に、検出器１０は二次元配列パイロ電気セル走査
または光導電型検出器とすることができる。この
ような検出器は、溶接部の前の全領域から高分解
能熱データを得るのが望ましい特殊な目的用途に
好ましい。

本発明のシーム追跡センサの成功の要因は大部
分、このセンサがトーチ側計器であるという事実
にある。このような計器は通常、アーク自身が非
常に明るく強い赤外線を発生するので、十分に有
意な熱データ分解レベルを達成する能力に欠け
る。アーク自身が発生する赤外線は非常に高強度
のものであるので、同時に発生する他の赤外線信
号すべてを著しく抑圧する。しかし、本発明者
は、多数の溶接プロセスについて、アーク内で発
生する赤外線の帯域幅が約３ミクロンより短い波
長に限定されていることを見出した。このような
わけで、本発明では、波長が約３ミクロンより長
い赤外線を選択的に通過するフイルタ１２を使用
する。このようにして、アークからの「ノイズ」
赤外線を大きく減衰する。フイルタ１２を配置す
ることにより、溶融池領域全体をアークからの有
意な干渉なしで監視することが可能になる。フイ
ルタ１２は、低いカツトオン波長３または４ミク
ロンを有する低域通過赤外線フイルタとすること
ができる。ほかに、フイルタ１２は波長が約３〜
７ミクロンの間にある赤外線を透過する帯域フイ
ルタとすることができる。ほかに、波長約14ミク
ロンまでの赤外線が、末接合溶接シームを横切る
熱温度分布の性質についての有益な情報を含んで
いることも留意すべきである。

さらに、本発明のセンサはハウジング１４を含
み、第１図に示すように検出器１０およびフイル
タ１２をこのハウジング１４内に装着する。さら
に、収束レンズ１６を用いて加工品２０のシヤー
プな映像をセンサ１０上につくる。レンズ１６は
固定または可変焦点型とすることができる。前述
の特許出願でも指摘されているように、透過型よ
りはむしろ反射型、例えばカゼグレン
（Cassegrain）光学系をこの目的に使用すること
ができる。さらに、第１図に示す通り、加工品２
０をクランプ２２によつてテーブル２４上の所定
位置に保持する。

本発明による温度測定は代表的には、溶接シー
ムに直角な方向に、第２および３図に示すＸ―
X′線のような直線に沿つて行う。この直線は、
溶接シーム３０に沿つて移る溶融池４０より先
で、溶接シーム３０の末接合部分を横切つて位置
する。第２図の曲線Ｉは直線Ｘ―X′に沿つての
温度プロフイールを示す。第２図は、溶融池４０
がシーム３０に心合わせされている場合の温度分
布を例示する。溶融池４０が右にずれると、ずれ
が僅かであつても、直線Ｘ―X′に沿つての温度
プロフイールが特に影響される。従つて、シーム
３０の片側での熱入力が大きくなるので、シーム
３０の両側の温度プロフイールに有意な差が生じ
る。本発明者は、この効果が起るのは溶接シーム
３０自身が形成する熱障壁に原因があることを認
識した。この現象を利用してトーチ位置を、また
従つて溶融池位置を制御することができる。特
に、第３図からわかるように、溶融池４０がわず
かに右にずれるだけで、温度プロフイール曲線
と′との間に差が生じる。従つて、シームから
ほゞ等距離の点でスポツト測定を行えば、溶融池
の右または左へのずれを表示するのに十分であ
り、従つて横方向トーチ位置決め補正を行うのに
十分である。

本発明のアーク溶接センサは赤外線フイルタ１
２が存在することで特別な利点を発揮する。前述
したように、本発明者は、幾つかの異なる溶接法
において、アーク自身からの赤外線が比較的狭い
帯域のスペクトル周波数に限定されることを見出
した。特定の周波数帯域は使用する特定の電極材
料および不活性ガスによつて変わるが、電気アー
クが発生する赤外線が通常約３ミクロンより長い
波長を呈さないことを確かめた。具体的に第４図
にタングステン不活性ガス（TIG）アークについ
て検出器出力電圧（ミリボルト）を波長の関数と
してプロツトしたグラフを示す。使用した不活性
ガスはアルゴン、使用した電極材料はトリウム入
りタングステンであつた。同時のグラフを第５図
に示すが、これは、不活性ガスとしてヘリウムを
使用し、電極材料をほゞタングステンのみでつく
つた場合のTIGアークの近赤外線スペクトル分布
を示す。この場合にも、アーク自身からの赤外線
が明確に帯域幅を限定され、波長約２ミクロンの
まわりに集中し、約1.5〜約2.5ミクロンの範囲に
わたることがわかる。従つて、この形態の不活性
ガスアーク溶接の場合、帯域幅のもつと広いフイ
ルタ１２を使用できる。

従つて、上述したところから明らかなように、
電気プラズマアークにより、そしてまた溶融池自
身により形成される強い放射源に関する問題はほ
とんど解消されている。アークおよび溶融池の近
くにセンサを配置するのが望ましいのは、シーム
の方向の急激な変化を追跡しやすいからだけでな
く、溶融池の変位による温度差に対する応答時間
が溶融池から感知点までの距離の２乗にほゞ比例
するからでもある。この応答時間は、わずかであ
るが、加工品の熱伝導率および比熱にも依存す
る。代表的には、0.5インチ（1.3cm）の距離が１
秒程度の応答時間に対応する。

本発明のセンサは、絶対表面温度ではなくシー
ムを横切る方向の表面温度差を正確に監視する必
要があるだけであることに注意すべきである。従
つて、所望の結果を得るのに比較的簡単な光学系
を使用することができる。溶接物による赤外線放
射率が非常に低いか非常に変わりやすい場合、シ
ームの両側を塗装する必要がある。この目的に
は、通常の工作加工用標示染料を用いることがで
きる。

上述したところから理解できるように、本発明
は電気アーク溶接トーチを位置決めするための経
済的でしかも信頼性の高いセンサおよび方法を提
供する。さらに、この位置決め法は、初期設定
後、その後オペレータの介在の必要なしに、ほと
んどすべての滑らかに変化するシーム形状を追跡
するのに簡単に適応できる。

本発明をその好適な実施例について詳しく説明
したが、当業者であればこれに種々の変更、改変
を加えることができる。従つて、特許請求の範囲
はこれらの変更例、改変例すべてを本発明の範囲
に入るものとして包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるセンサと加工品とを示
す概略断面図、第２図は溶融池平面図と溶融池の
前方の温度プロフイールを示すグラフの組合せ
図、第３図は第２図と同様の溶融池平面図と温度
プロフイールを示すグラフとの組合せ図で、特に
溶融池の位置のずれが温度分布に与える影響を示
す図、第４図はアルゴンガスおよびトリウム入り
タングステン電極を用いた溶接法における検出器
出力電圧を波長の関数として示すグラフ、および
第５図はヘリウムガスおよびタングステン電極を
用いた溶接法における第４図と同様のグラフであ
る。 符号の説明、１０……赤外線検出器、１２……
フイルタ、１４……ハウジング、１６……レン
ズ、２０……加工品、２２……クランプ、２４…
…テーブル、２５……比較器、２６……トーチア
ーム位置決め装置、３０……シーム、４０…溶融
池。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動式アークトーチ溶接操作においてシーム
   を追跡する方法において、 前記アークトーチの走行方向で前記シームの両
   側に配置されて前記シームからほぼ等距離の所に
   位置する少なくとも２つの点から放出された、波
   長が約３ミクロンより長い赤外線帯域中の赤外線
   のレベルを決定し、 前記シームの両側からの前記帯域中の前記放出
   された赤外線のレベルを比較して差信号を発生
   し、 前記差信号のレベルを小さくするように前記ア
   ークトーチを横方向に位置決めする工程を有する
   ことを特徴とするアークトーチ溶接のシーム追跡
   法。 ２ 約３ミクロンより長い波長の赤外線を選択的
   に通すフイルタにより、前記アークおよび前記シ
   ームから生じる赤外線をろ波する特許請求の範囲
   第１項記載のアークトーチ溶接のシーム追跡法。 ３ 前記放出された赤外線を加工品のアークトー
   チ側の温度の表示として用いる特許請求の範囲第
   １または２項記載のアークトーチ溶接のシーム追
   跡法。