JP2004017088A - 多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置 - Google Patents
多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ギャップ変化や溶接線の蛇行など寸法精度の悪い開先継手の溶接構造物を対象に、完全溶け込みで欠陥のない良好な溶接を得るのに好適な多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置を提供する。
【解決手段】高電流の１パルスで１溶滴を移行させるパルス溶接波形と、初層溶接で出力すべきギャップ幅範囲別の複数の平均電流と充填層及び仕上層での他の平均電流とを設定し、初層溶接時は、開先部のギャップ幅，開先中心の左右上下位置ずれの検出情報に基づいて、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、ギャップ幅に関係のある溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの条件パラメータを算出して増減し、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置ずれを修正する。
【選択図】 図６
【解決手段】高電流の１パルスで１溶滴を移行させるパルス溶接波形と、初層溶接で出力すべきギャップ幅範囲別の複数の平均電流と充填層及び仕上層での他の平均電流とを設定し、初層溶接時は、開先部のギャップ幅，開先中心の左右上下位置ずれの検出情報に基づいて、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、ギャップ幅に関係のある溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの条件パラメータを算出して増減し、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置ずれを修正する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法精度の悪い開先継手の厚板構造物の自動溶接に係わり、特に、多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚板構造物の多くは大型で長尺であり、加工コストの安いガス切断加工による開先継手が用いられている。開先継手には片面溶接が可能なＶ形やレ形もあるが、溶接歪みや残留応力などの低減に有効な両面溶接用のＸ開先継手が多く、そのＸ開先の角度は約５０〜７０度と広い。
【０００３】
ガス切断加工の開先継手は、寸法精度が悪く、開先部のギャップ変化が大きく、開先表面に段差があり、溶接線も蛇行し易い形状となっている。長尺の開先継手内にギャップのない接触部分を設ければ、溶接ワークの組立作業が容易となるが、溶接時に溶け込み不足となり易い。このようなギャップ変化の大きい開先継手の溶接は、一般に自動溶接が難しく、従来から手動溶接が多く行われており、溶接作業に多くの時間を要している。手動溶接には、一般にワイヤ溶融式の直流アーク溶接法が用いられ、スパッタの発生が伴う溶接作業となる。厚板長尺で角度の広いＸ開先継手は、表側から多層盛溶接を行った後に、裏側より表側の初層ビード面まで裏ハツリ加工（ガウジングやグラインダ加工）をして、裏側から完全溶け込み溶接の多層盛溶接をするため、一連の溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接で消費するワイヤ量も増大してコスト高となっている。
【０００４】
したがって、溶接の工数を低減し合理化するためには、開先を狭くし、裏ハツリを省略し、溶接の効率を高め、及び溶接を自動化する必要がある。まず、開先を狭くし、裏ハツリを省略できるようにするためには、深溶け込み溶接が可能な新たな溶接法の導入が必要である。その際に、溶け込み不足と入熱過多による溶接割れ（高温割れ）や溶け落ちを防止するために、適正な溶接施工技術を確立する必要がある。溶接を自動化するには、開先部のギャップ幅や開先面積などの開先形状寸法や溶接線の位置ずれの検出が可能なセンサが必要になる。ギャップ変化や開先面積変化に対応可能な溶接条件制御やトーチ位置制御の技術を確立する必要がある。この他、自動溶接を長時間保持するためには、トーチノズルへのスパッタ付着によるシールド低下を防止しなければならず、スパッタの発生が少ない溶接法が求められている。
【０００５】
一方、高い電流・電圧と低い電流・電圧を交互に出力させるワイヤ溶融式のパルスアーク溶接法は、通常の直流アーク溶接法と比べて、スパッタの発生が少なく、また、高溶着な溶接が可能であることから、自動車部品など薄板の溶接に多く適用されており、最近では厚板の溶接構造物にも適用されつつある。しかし、市販されているパルスＭＡＧ／ＭＩＧ溶接電源の大半は、パルス電流の出力値が高々５００Ａ程度であり、６００Ａを越えるような高電流のパルス溶接電源は極めて少ない。また、溶接母材の板厚や継手形状やワイヤの材質及び径によって、適用可能なパルス溶接波形及び溶接条件が異なるため、実際にスパッタが少なく、溶接欠陥がない溶接を実現するためには、対象製品の継手に合った適正なパルス溶接波形及び溶接施工条件を確立しなければならない。
【０００６】
自動溶接の従来技術として、一般に据付け型の溶接ロボットがある。溶接パス毎にティーチングしてプレイバック溶接するのは、手間と時間がかかるので、１品物の溶接には不向きである。また、溶接ロボットの可動範囲を超える大物製品や工場外の現地で組立溶接が必要な構造物の溶接は、実際にはできない。他の自動溶接の従来技術として、例えば、特公平４−７５１１４号公報の自動アーク溶接法では、溶接中にギャップ幅を検出しながら、そのギャップ幅の大きさに対応して溶接電流Ｉａを
「Ｉａ＝Ｉｏ−ｋ・Ｇ」
の関係式で増減制御し、また、この溶接電流Ｉａの大きさに応じてワイヤ送り速度Ｗｆを
「Ｗｆ＝Ａ・Ｉａ＋Ｂ・Ｉａ２」
の関係式で可変制御し、溶接電圧Ｅを
「Ｅ＝Ｅｌ＋Ｅａ＋Ｅｒ」
の関係式でそれぞれ可変制御している。
【０００７】
特公平４−７５１１５号公報には、溶接電流Ｉａ及びワイヤ送り速度Ｗｆの変化に対応して、ビード高さが一定に保たれるように、溶接速度Ｖｐを
「Ｖｐ＝Ｗｆ／［（α・Ｗｆｏ／Ｖｐｏ）＋β・（Ｉｏ−Ｉａ）］」
の関係式で可変制御している。
【０００８】
また、特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置では、開先内の形状を検出するレーザー変位センサと、開先左右端位置及びワイヤ先端位置の情報を検出するＩＴＶカメラと、これらの情報から溶接トーチの位置を演算する手段とを備え、左右方向の位置ずれを演算しトーチ位置を制御している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平４−７５１１４号公報及び特公平４−７５１１５号公報の自動アーク溶接法は、ギャップ幅の変化に対して溶け込みを所望の目標値に保って自動溶接することが可能な１つの方法として有効と考えられる。しかし、実際に溶接電流（平均）を微小（数アンペア単位）に可変制御することは困難であり、また、溶接電圧及びワイヤ送り速度の微小制御も同様に難しく、過敏な制御で逆効果の動きとなって溶接を乱す可能性がある。また、対象板厚が１０ｍｍ程度のステンレス鋼で、開先角度も広く、表側１パスと裏側１パスの溶接であるため、充填層や仕上層溶接が必要な厚板継手の多パス溶接、材質が異なる継手の溶接には適用することは困難である。フラックス入りワイヤによる溶接では、ビード表面全体に形成されるフラックスの除去作業が必要となる。また、フラックス入りワイヤとソリッドワイヤとでは、ワイヤ溶融特性及び適正溶接条件が異なるばかりでなく、母材材質や継手形状やワイヤ材質などが異なると、それに適した溶接条件を新たに見出す必要がある。さらに、この自動アーク溶接法では、高速回転アーク溶接法が用いられており、通常の直流アーク溶接や高い電流と低い電流を交互に出力させるパルスアーク溶接と異なるものである。
【００１０】
特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置は、トーチずれ量を演算して左右方向のトーチ位置制御を行うことが可能な１つの装置として有効と考えられる。しかしながら、レーザ変位センサの場合は、開先内を走査するための回転ミラー機構や揺動機構を必要とし、装置が大型になるばかりなく、溶接速度が速くなると、検出する開先断面形状の歪みによって誤差が生じるおそれがある。また、光の強烈なアーク溶接画像と微光の開先切断画像を両立させるための特殊なフィルタや装置が必要となる。この開先倣い制御装置では、溶接中の電流・電圧，溶接速度などの条件パラメータ制御はなく、上下方向のトーチ位置制御についても記載されていない。
【００１１】
一方、特開平５−１３８３５４号公報の溶接自動倣い装置では、レーザスリット光による開先切断画像及び溶接トーチを含む溶融池のアーク溶接画像を同時に撮像するＩＴＶカメラと、このＩＴＶカメラの検出画像情報よりトーチ左右位置ずれ，ビード高さ，溶接断面積を求める演算手段とを設けて、トーチ左右位置を制御し、トーチ下端位置を制御し、溶接速度を制御している。しかし、開先部にギャップ変化がある開先継手に対しては、ギャップ幅の大きさに対応した高い溶接電流と低い溶接電流を出力する制御やウィービング幅を増減する制御を同時に行わないと、溶け込み不足，溶け落ち，アンダーカットが発生し良好な溶接ビードが得られない可能性が高い。また、開先が深いまたは広い継手の多層多パス盛溶接の場合は、撮像する画像の視野範囲を大きくする必要がある。その視野範囲の拡大に伴って、検出すべき位置や溶接断面積や形状の検出精度が著しく低下し、トーチ位置制御及び速度制御に大きな誤差が生じる可能性がある。開先底部の溶接から開先上部の溶接を行う過程で、アーク溶接画像が上昇していくので、レーザスリット光による開先切断画像がアーク溶接画像と重なり合って見えなくなって検出不可能となるおそれがある。
【００１２】
本発明者らは、特開平１０−２１６９４０号公報において、多層盛溶接方法及び多層盛溶接装置を提案したが、片面溶接が可能なＶ形やレ形の開先継手を主な対象としており、Ｘ開先継手ではなかった。したがって、Ｘ開先継手のギャップの幅が問題になることはなく、Ｘ開先継手に特有な溶け落ちや溶け込み不足の現象に悩まされることも相対的に少なかった。その結果、初層の溶接及び仕上層の溶接を充填層の溶接と区別し、特別に配慮する必要性も少なかった。したがって、特開平１０−２１６９４０号公報の多層盛溶接装置は、Ｘ開先継手に関しては「自動」溶接装置にはならず、作業員が制御する必要があった。
【００１３】
本発明の目的は、ギャップ変化や溶接線の蛇行など寸法精度の悪い開先継手の厚板構造物を対象に、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応した溶接条件パラメータを可変制御し、トーチ位置ずれを修正制御し、完全溶け込みで高温割れなど溶接欠陥のない良好な溶接を実行するに好適な多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分を有し、突合わせ部にギャップがある開先継手に対して、前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，仮付けの有無，開先中心の左右及び上下位置ずれ量の少なくとも１つ以上を検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、パルス溶接電源と、溶接制御装置とを用いて多層盛溶接する多層盛溶接方法において、パルス溶接電源から出力すべき高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間前半に移行可能なパルス溶接波形を設定し、初層のパルス溶接で用いるギャップ幅範囲別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、初層溶接を実行する時は、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を用い、開先中心の左右及び上下位置ずれの検出情報に基づいて、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、前記ギャップ幅に関係する溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法を提案する。
【００１５】
特に、初層溶接動作時には、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を正常値とし、仮付けのある開先部分から検出したギャップ幅は異常値と見なして削除し、または前記異常値の削除後に、前回検出した正常値のギャップ幅に変換して正常値と見なし、このギャップ幅の検出情報に基づいて、初層の溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するとよい。
【００１６】
また、充填層のパルス溶接で用いるビード幅範囲別または開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群または所定値の平均電流を条件テーブルに設定し、前記充填層の溶接を実行する時には、仮付けのない部分とある部分とで変化している残存の開先面積と、ビード幅または開先肩幅またはビード幅及び開先肩幅とを用い、開先中心の左右及び位置ずれ，上下位置ずれの検出情報に基づいて、ビード幅または開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、または所定値の平均電流及び平均電圧を出力させ、充填層で溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法とすることもできる。
【００１７】
仕上層のパルス溶接で用いる開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、前記初層または充填層の溶接後に仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、前記開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、仕上層で溶接すべき残存の溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法とすることもできる。特に、前記充填層と仕上層または仕上層の溶接を実行する時には、さらに開先表面の段差の検出情報を用い、前記段差の高い開先側の方向にトーチ位置を所定量シフト，ウィービングの停止時間を所定値長くするとよい。
【００１８】
また、前記厚板長尺部材の開先継手は、完全溶け込み溶接が必要なＸ開先継手であって、表側と裏側の各初層溶接は、深溶け込みが必要なギャップのない部分では、裏ビードの形成可能な高めの平均電流を出力させ、開先両壁面の溶融が必要なギャップ変化のある部分では、前記ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ減少するように出力させ、溶着面積の増加に必要な溶接速度を減少する制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御とを実行し、前記初層溶接後の充填層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させまたは所定値の平均電流を出力させ、仕上層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させ、前記充填層及び仕上層別にそれぞれ溶接すべき残存の溶着面積の増減計算に対応した溶接速度の増減制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御と、開先表面の段差が高い開先側のウィービング停止時間を予め定めた値だけ長くする制御とを実行する多層盛溶接方法とすることもできる。特に、開先角度の狭いＸ開先継手または開先角度の広いＸ開先継手の各溶接を選択可能とし、前記Ｘ開先継手の表側の初層溶接と、裏側の初層溶接と、初層溶接後の充填層の溶接と、仕上層の溶接とで各々出力すべきギャップ範囲別，開先幅範囲別の複数の平均電流群を溶接条件テーブルにそれぞれ設けるとよい。
【００１９】
上記いずれの多層盛溶接方法においても、開先部の断面形状画像を処理する画像処理装置に接続している光切断式センサを溶接トーチ前方の開先上面に設置し、溶接前に溶接開始点でトーチ先端のワイヤ位置決めとセンサ座標の基準原点とを合わせ、初層と充填層の溶接動作時には、前記画像処理装置と一対の光切断式センサとにより、溶接トーチより先行する位置でほぼ一定時間間隔で取得する断面形状画像を処理し、ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積，開先表面の段差，開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれの値をそれぞれ検出し、検出したデータを溶接制御装置側で分類，異常値の削除及び平均化の処理をして用い、仕上層の溶接動作時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、初層と充填層及び仕上層の溶接パス毎に溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを算出して増減制御し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれを修正制御するとよい。
【００２０】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分があるまたは溶接線が蛇行するまたはギャップ幅や開先断面積が変化することもある開先継手に対して、前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，開先中心の左右及び上下位置ずれ量などを検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値またはこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能であると共に、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によってパルス溶接の平均電流，平均電圧の増減制御が可能なパルス溶接電源と、前記センサから得られる断面形状画像を処理して開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積及び開先表面の段差を検出する画像処理装置と、開先角度が狭い開先継手と広い開先継手の各溶接を選択可能とし、前記開先継手の初層と充填層及び仕上層の各溶接別に使用する平均電流や平均電圧，溶接中の各計算処理で使用する溶接データを格納するデータファイルと、溶接及び検出動作中に前記画像処理装置からリアルタイムで取得する検出データを分類，異常値の削除及び平均化の処理をする検出データ処理手段と、溶接トーチの左右位置ずれ及び上下位置ずれの修正量，ワイヤ送り速度と溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータの増減量をそれぞれ算出して、トーチ位置の修正制御，溶接条件パラメータの適正制御を溶接台車及びパルス溶接電源にそれぞれ実行させる溶接処理手段とを有する溶接制御装置とからなる多層盛自動溶接装置を提案する。
【００２１】
また、溶接前にトーチ位置決めとセンサ座標の原点合わせの設定状況及び結果を表示し、溶接線長さの設定情報を表示し、溶接中にリアルタイムで変化するトーチ現在位置，出力中の溶接条件，検出データの情報を表示し、装置異常や溶接異常が生じた時に警告を表示する画面表示手段を溶接制御装置に設けるとよい。
【００２２】
すなわち、本発明の多層盛溶接方法では、厚板長尺部材の開先部にギャップ変化や段差や溶接線の蛇行が伴う溶接構造物を対象に、高電流の１パルスで１溶滴が移行可能なパルス溶接波形と、溶接パス毎に画像処理装置と一対の光切断式センサで検出する開先部のギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先面積，開先表面の段差，開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれの検出情報とに基づいて、ギャップ幅や開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を出力すると共に、溶接条件パラメータの適正制御，トーチ位置の修正制御を溶接パス毎に実行するので、スパッタの発生が少ないパルス溶接が可能となる。また、開先部にギャップ変化や段差や仮付けや溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手であっても、溶接開始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で実行でき、工数を低減し、溶接品質を高めることができる。特に、完全溶け込み溶接が必要なＸ開先継手であっても、表側及び裏側の初層溶接で、深溶け込みが必要なギャップのない部分では、裏ビードの形成可能な高めの平均電流を出力させてパルス溶接するので、欠陥のない深溶け込みの初層ビード断面を得ることができる。また、開先両壁面の溶融が必要なギャップ変化のある部分では、前記ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ減少するように出力させ、溶着面積の増加に必要な溶接速度を減少させる制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加させる制御とをするので、アーク力が抑制されて溶け落ちやアンダーカットの発生を抑制でき、ギャップ変化のある部分も平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。同時に、位置ずれに対するトーチ位置を修正制御し、溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手でも溶接線左右及び上下方向のトーチ位置ずれが解消でき、溶接ビードの形成不良を防止できる。
【００２３】
充填層のパルス溶接で用いるビード幅範囲別または開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群または所定値の平均電流を条件テーブルに設定し、前記初層後の充填層の溶接を実行する時には、仮付けのない部分とある部分とで変化している残存の開先面積とビード幅または開先肩幅またはビード幅及び開先肩幅とを用いて、ビード幅または開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、充填層で溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するので、開先幅の狭い部分も広い部分も同一のパス数で溶接できる。また、仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、仕上層で溶接すべき残存の溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御するので、センサによる検出が困難な時でも、開先幅の狭い部分も広い部分も、また仮付けのある部分もない部分も同一のパス数で溶接できるばかりでなく、溶接線の曲がりやレールずれに対する左右及び上下方向のトーチ位置ずれが解消でき、溶着融合不良やアンダーカットのない平滑でほぼ均等な余盛高さの溶接ビードを得ることができる
さらに、本発明の多層盛自動溶接装置では、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値または前記パルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能であり、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によってパルス溶接の平均電流，平均電圧の増減制御が可能なパルス溶接電源を用いている。パルス溶接する時は、例えば、鋼材用の１．２ｍｍ 径のソリッドワイヤに給電するパルス電流値Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定し、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間Ｔｂ前半に移行可能なパルス波形とし、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御による平均電流Ｉａの増減制御を実行すると、小電流領域（平均）から大電流領域まで安定なアーク及び溶滴移行が得られ、スパッタの発生が少ない良好なパルス溶接が可能となり、アーク溶接時間，スパッタ除去作業，トーチノズル清掃回数を大幅に軽減できる。
【００２４】
光切断式センサは、開先断面形状の画像を処理する画像処理装置と一対であって、少なくとも開先面を直角に切断する垂直方向にスリット光を照射するレーザ投光器と、干渉フィルタを介してスリット光の反射像を撮像する受光器とをセンサ筐体内に装備している。その光切断式センサは、溶接トーチより先行する開先上面で断面形状画像の撮像が可能であると共に、溶接台車に搭載されている左右及び上下方向に移動可能な溶接トーチと独立させた位置の溶接台車本体に設けると、溶接線左右方向に揺動させる溶接トーチの動きに影響を受けることなく、開先上面の位置で揺れのない断面形状画像を正常に抽出できる。また、この断面形状画像を処理して開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積及び開先表面の段差などを検出する検出手段を画像処理装置に設けると、検出情報が得られ、その検出情報を制御装置側で取得して分類，異常値の削除及び平均化などの処理をして溶接の制御に用いることが可能となる。検出データ処理手段と、溶接条件の出力や計算処理で使用する溶接データファイルと、位置ずれの修正量や溶接条件パラメータの増減量を算出して制御する溶接処理手段を溶接制御装置に設けると、検出データの分類及び平均処理と溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくすためのトーチ位置の修正制御と溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータの適正制御が可能となり、開先部にギャップ変化や段差や溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手であっても、溶接開始点から終点まで平滑で欠陥のない良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接が自動で実行でき、溶接を合理化し、工数を低減し、溶接品質を高めることができる。
【００２５】
溶接対象の任意寸法の開先継手に対して、溶接前にその開先形状寸法や溶接の基準条件の入力情報を基にして、多層盛溶接で必要なパス数やパス毎のトーチ位置及び溶接条件を演算及び演算結果の画面表示をすると、任意寸法の多層盛溶接の計画や演算結果の事前把握が可能となり、確定後の演算結果の溶接データを用いて溶接パス毎のトーチ位置及び溶接条件の指令や基本的な溶接動作が可能となる。トーチ位置決めとセンサ座標原点合わせの設定及び結果表示の画面を設けると、溶接前に必要な初層溶接開始点でのトーチ（ワイヤ先端）位置決めとその位置座標の取得及び記憶，センサ座標原点合わせを容易に実行できる。溶接線長さを設定表示させると、溶接の開始点から終了点に到達した位置で溶接動作を終了させることができる。溶接実行中の情報をリアルタイムで表示する画面を設けると、制御されているトーチ現在位置，出力中の溶接条件，検出データを表示画面で視認できる。装置異常や溶接異常が生じた時にその警告表示をすると、溶接動作の強制終了処理、異常回避の操作などを容易に実行でき、装置の操作性及び使い勝手を高めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図２１を参照して、本発明による多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置の実施形態を説明する。図１は、本発明による多層盛溶接方法を採用した多層盛自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した多層盛自動溶接装置における溶接制御装置１１の内容構成の一例を示すブロック図である。
【００２７】
図１において、一対の厚板長尺部材を突合わせた溶接ワーク１ａ，１ｂは、多層盛溶接が必要なＸ開先継手である。溶接ワーク１ａ，１ｂは、コストが安いガス切断加工法により、事前に開先面を加工し、その開先面同士を突合わせてＸ開先継手を組立てている。このため、加工面の寸法精度や組立てが悪く、溶接すべき継手の長手方向には、開先部２にギャップ変化がある部分とない部分が混在しており、溶接線も曲がりが生じている。長手方向の溶接ワーク１ａ上に設置されたガイドレール３は、溶接台車４の走行を案内する。自走式の溶接台車４には、ワイヤ溶融式の溶接トーチ６と、ワイヤリール７に巻かれている溶接ワイヤ５を溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ送り機構８と、溶接トーチ６を左右・上下方向に任意移動できるトーチ駆動機構９と、開先部２の断面形状を撮像する光切断式センサ１０とを搭載している。
【００２８】
光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より所定距離だけ先行する独立した位置の溶接台車４本体に設置しているため、溶接線左右に揺動（ウィービング動作）させる溶接トーチ６の動きに影響を受けることなく、開先上面の位置で揺れのない開先部の断面形状画像を正しく抽出できる。画像処理置２２は、この断面形状画像を取込み画像処理し、自動溶接の制御で必要な開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，開先部２のギャップ幅またはビード幅，開先肩幅，角度，開先面積，開先表面の段差などの情報を検出する。溶接制御装置１１は、溶接台車４の駆動を制御し、パルス溶接電源１２ａの出力を制御し、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２に検出を指令して検出データを情報処理し、溶接トーチ６位置及び溶接条件を制御し、構成機器を統括管理する。
【００２９】
パルス溶接電源１２ａは、溶接ワイヤ溶融のための高いパルス電流と低いベース電流を交互に繰り返し出力する定電流制御方式または定電圧制御方式または両方併用制御方式のパルス溶接電源であり、溶接トーチ６先端に送給するワイヤ５と溶接ワーク１ａ，１ｂとの間に給電する。パルス溶接電源１２ａは、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であり、パルス電流値またはこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能である。また、パルス溶接の平均電流の出力制御は、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によりなされる。
【００３０】
溶接中のシールドガスは、パルス溶接電源１２ａ及びトーチケーブル介してガスボンベ１６から供給される。ガスボンベ１６は、鋼材溶接の場合、Ａｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ２ ガス入りの混合ガスボンベである。Ａｒ＋ＣＯ２ 混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ２ を加えたＡｒ＋ＣＯ２＋Ｏ２の混合ガスやＡｒ＋Ｏ２ の混合ガスを使用することも可能である。配線ケーブル１３は、パルス溶接電源１２ａと溶接トーチ６及びワイヤ送り機構８を接続しており、配線ケーブル１４ａ，１４ｂは、溶接制御装置１１と溶接台車４，光切断式センサ１０，パルス溶接電源１２ａを接続している。
【００３１】
図２において、操作盤１５ａは、自動運転に必要な初期設定，開先部２の形状寸法，基本溶接条件を入力設定する。画面表示装置１５ｂは、溶接データファイル作成時の入力と演算結果とを表示し、自動溶接時に必要な溶接トーチ位置，溶接条件，センサの検出情報を表示し、その他、自動運転時に必要な情報を表示する。統括制御装置１７はパソコンなどからなり、任意形状寸法の開先部２の多層盛溶接に必要なパス毎の溶接位置や溶接条件を予め決定して登録しておく溶接データファイル１８ｂを自動作成する溶接演算プログラム１８ａと、溶接データファイル１８ｂと画像処理装置２２より取得する検出データとに基づき、溶接パス毎の制御及び多層盛溶接を自動実行する自動運転プログラム１９と、自動溶接で必要な溶接位置演算制御部２０ａ，溶接条件演算制御部２０ｂ，溶接中のデータを記録する制御データ記録ファイル２１ａ，検出データ記録ファイル２１ｂなどを備えている。操作ペンダント２４ｂは、各軸駆動装置２４ａを介して、溶接台車４や溶接トーチ６の移動操作，溶接条件の設定修正の操作に用いられ、溶接前に溶接トーチ６を開始点へ移動させてトーチ（ワイヤ）位置決めし、溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正，溶接停止などができるようにする。
【００３２】
図３は本発明の多層盛溶接方法において、スパッタの発生を抑制するためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す図である。横軸の時間に対する縦軸には、定速送りのワイヤ，パルス電圧の波形，パルス電流の波形，ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。
【００３３】
本発明においては、定速送りのワイヤに同期させて、パルス溶接電源１２ａより高いパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐと低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂを交互に出力させるか、または直流の低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂに高電流のパルス電流
Ｉｐ・電圧Ｖｐのパルス波形を重畳して出力させる。このパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐの期間Ｔｐ中に、溶融させたワイヤ５先端に溶滴２６を形成させ、パルス期間Ｔｐ終了後のベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂの期間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴２６を母材２９側の溶融プール２７へ離脱移行させる１パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させる。ワイヤ溶滴２６の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク２５長を保持するように溶接平均電圧Ｅａを出力させてパルスアーク溶接するので、スパッタの発生を防止でき、良好な溶接ビードを形成できる。
【００３４】
なお、アーク２５長が短かすぎてワイヤ先端の溶滴２６が短絡移行（アーク消滅）してアーク再点弧する時や、ピーク時間が長すぎてアーク力の強いパルス電流Ｉｐの期間Ｔｐ中に溶滴２６が離脱移行する時には、溶滴２６の一部がスパッタ２８となって飛散する。そのスパッタの一部がトーチノズルに付着して堆積すると、ガスシールドの低下による溶接欠陥の発生に至る。
【００３５】
角度の狭いＸ開先継手の溶接では、特にギャップのない部分で裏側まで溶融する深溶け込みと溶接割れ防止が必要であるために、パルス電流Ｉｐ値の出力が高い溶接波形を採用している。例えば、鋼材用の１．２ｍｍ 径のソリッドワイヤに給電すべきパルス電流Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで１溶滴をベース時間前半に移行可能としている。パルス電流Ｉｐ値が５５０Ａ未満の溶接電源では深溶け込み溶接が得られなかった。また、６５０Ａを遥かに越えるような溶接電源はトランス容量が増大することになるので好ましくない。パルスアーク溶接での平均電圧Ｅａと平均電流Ｉａは、
「Ｅａ＝（Ｖｐ・Ｔｐ＋Ｖｂ・Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ）」
「Ｉａ＝（Ｉｐ・Ｔｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ）」
で示される。
【００３６】
平均電流Ｉａは主にベース時間Ｔｂを増減させて可変制御する。ワイヤ送り速度Ｗｆは、その平均電流Ｉａとほぼ比例関係にあるので、同調させて増減し、その溶接中にワイヤ溶滴２６が短絡移行しない程度のアーク長２５を保持するように平均電圧Ｅａを調整すればよい。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源を使用する場合は、パルス電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂの設定によって上記のパルス電流Ｉａ及びベース電流Ｉｂを出力させればよい。このように制御すると、小電流（平均）領域から大電流領域までスパッタのないパルス溶接を良好に実行できる。ここでは、矩形波のパルス波形で説明したが、台形波状，鋸形波状のパルス波形でもよい。
【００３７】
図４は、鋼材板厚Ｔ＝３２ｍｍのＸ開先継手で、角度が６０度と３５度における多層盛溶接を示す図である。角度が６０度と広い従来開先の場合（１）は、表側４パス裏側４パス溶接であるのに対して、角度を３５度に狭くして開先面積を小さくすると、図４（２）に示すようにパス数の少ない表側３パス裏側３パス溶接が可能となる。図中に記載の番号は溶接のパス番号であり、記号のＴは板厚、Ｈは表側の開先深さ、ｈ１は１パス目溶接の初層ビード高さである。
【００３８】
図５は、図４（２）に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順を示す図である。（１）は表側初層の１パス目溶接Ｓ１、（２）は充填層で２パス目溶接Ｓ２、（３）は仕上層で３パス目溶接Ｓ３である。また、（４）は溶接ワークを反転した後の裏側初層の４パス目溶接Ｓ４、（５）は充填層で５パス目溶接Ｓ５、（６）は裏側最後の仕上層で６パス目溶接のビード断面をそれぞれ示している。立て向き上進姿勢や横向き姿勢の場合には、溶接ワークの反転作業が不要となり、下向き姿勢溶接の時より平均電流・電圧を減少させて充填層及び仕上層を溶接することになる。
【００３９】
図６は、本発明の溶接方法で初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。上段は開先部ギャップ検出画像、そのギャップ幅の大きさ（Ｇ＝０，Ｇ＝５ｍｍ）に対応したパルス電流波形，溶接ビード断面を中央に示し、下段にはギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｐと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度とウィービング幅Ｕｗとの関係を示している。すなわち、深溶け込みが必要なギャップのない部分及びその近傍では、平均電流Ｉａが高い約３００Ａを出力させると共に、それに比例関係にある適正な平均電圧Ｅａを出力させる。平均電流Ｉａが高いと、ワイヤ送り速度（溶融速度）Ｗｆが速くなるために、溶接速度Ｖｐを速くして溶接すべき溶着面積（ワイヤ溶着面積）を減少させる。ギャップ幅が大きくなるに従って、平均電流Ｉａを階段状に予め定めた値（例えば２０〜４０Ａ程度）ずつ減少させてアーク力を弱めると共に、それに適した平均電圧Ｅａ及びワイヤ送り速度Ｗｆを出力させ、ウィービング幅を増加させる。溶接速度Ｖｐについては、ギャップ幅が大きくなるに従って溶接すべき溶着面積Ｓ１（溶着量）を増加させる必要があるため、溶接速度Ｖｐをギャップ幅に応じて減少させる。
【００４０】
図７及び図８は、本発明の溶接方法で充填層及び仕上層の溶接条件を制御する状況を示す図である。初層溶接後の充填層の溶接では、残存している開先面積
Ａｓ，ビード幅Ｂｓ，開先肩幅Ｗｓの検出情報を用いる。平均電流Ｉａは初層溶接時より低めであり、ギャップ幅と関係のある開先肩幅Ｗｓ（ギャップなし時のＷｏ＋Ｇ）が大きくなるに従って、階段状に予め定めた値（例えば２０〜４０Ａ程度）ずつ増加させ、ウィービング幅も増加させている。その平均電流Ｉａと比例関係にある適正な平均電圧及びワイヤ送り速度を出力させ、融合不良の防止と開先両壁の溶融を促進している。溶接速度は、開先面積及び開先肩幅の大きさによって増減する溶着面積に対応するように増減させている。
【００４１】
一方、仕上層の溶接では、センサによる開先形状検出が困難となるため、その検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、溶接すべき残存の溶着面積，平均電流，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータをそれぞれ算出して増減出力している。さらに開先表面の段差ｋｓの情報を用いて、この段差ｋｓの高い開先側の方向にウィービングの停止時間を長く、トーチ位置を所定量シフトさせるとよい。このように増減制御することにより、開先面積や開先肩幅が変化するまたは開先表面に段差のある開先継手であっても、開先上面の余盛高さがほぼ均等で溶け込みが良好でアンダーカットのない溶接ビード断面を得ることができる。
【００４２】
図９は、図３に示したパルス溶接及び図６〜図８に示したパス毎の多層盛溶接とにおける平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係を示す図である。両者の間には比例増加する関係の特性を有しており、下記の（１）式及び（２）式で表わせられる。ｋ１，ｋ２はワイヤ定数、ｋ３，ｋ４は電圧定数である。
【００４３】
ワイヤ送り速度：Ｗｆ＝ｋ１・Ｉａ＋ｋ２ …（１）
平均電圧： Ｅａ＝ｋ３・Ｉａ＋ｋ４ …（２）
図１０は、角度が３５度で狭いＸ開先継手（板厚：３２ｍｍ）における初層溶接で重要な開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係を示す図である。図１０の○印の部分が溶け込みの良好な適正領域であり、ギャップ幅が大きくなるに従って、その適正領域は、概ね階段状に低電流側へ移行する結果となっている。特に、ギャップのない（Ｇ＝０）部分の溶接では、約３００Ａ前後の平均電流で裏側まで溶け込む溶接が可能である。しかし、約３３０Ａを越える高電流領域ではワイヤ溶融量の増加によって溶接ビードが高く（ビードの高さと幅の比が大きい）なり、また、溶接速度を増減させても溶接による高温割れ（◆印）が発生し易い。約２７０Ａ未満の電流領域ではアーク力及び溶接入熱の不足によって裏側まで溶かすことができずに溶け込み不足（▲印）となる。ギャップ幅１ｍｍ以上の領域では、高温割れの問題がなくなるが、平均電流及び溶接入熱が高すぎると溶け落ち（●印）やアンダーカットが生じる。その平均電流及び溶接入熱が低すぎると溶け込み不足（▲印）が生じることになる。したがって、溶け良好な適正領域は両者の中間に存在することが分かり、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手で適用可能である。ギャップ幅が広い部分での溶け落ちを確実に防止する一つの手段として、裏側の開先継手内にセラミックス性の裏当て材を設ければよい。
【００４４】
図１１は、ギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｐと平均電流を変化させて初層溶接をした結果を示す図である。溶け込みの良好な適正領域は、溶接速度Ｖｐが５００ｍｍ／ｍｉｎ 前後及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａが２７０Ａ≦Ｉａ≦３３０Ａの範囲の部分に存在することが分かった。
【００４５】
図１２はＸ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと開先面積［Ａｓ＝Ｈ２・ｔａｎ（θ／２）＋Ｈ・Ｇ］、初層の溶着面積Ｓ１及びビード高さの関係を示す図である。溶着面積Ｓ１を増大させる制御をすると、図４（２）及び図５に示したように初層のビード高さｈ１を約８．５±１ｍｍ 範囲に形成できる。この初層溶接後に残存する面積は、図７及び図８に示した充填層と仕上層の溶接とで開先表面まで均等に盛り上げることができる。
【００４６】
したがって、ここでは、ギャップが０（Ｇｏ）の時の基準面積Ｓｏと、センサ側から順次取得する検出データを分類してそれぞれ平均化処理したギャップ幅Ｇｓ値またはギャップ幅Ｇｓと開先角度θｓ両方の値を用いて、溶接すべき溶着面積Ｓ１を（３）式かまたは（４）式より求めるようにしている。ｋ５ はギャップ重み定数、ｋ６ は角度重み定数、θｏは標準角度である。また、その溶着面積Ｓ１に必要な溶接速度Ｖｐ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、平均電流Ｉａと相関関係のあるワイヤ送り速度Ｗｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）及びワイヤ径ｄ（ｍｍ）とから求めることができ、（５）式で示される。ηはワイヤ溶着定数である。
【００４７】
初層の溶着面積：
Ｓ１＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇｓ−Ｇｏ） …（３）
Ｓ１＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇｓ−Ｇｏ）＋ｋ６・ｔａｎ（θｓ−θｏ） …（４）
溶接速度：
Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓ１） …（５）
この他に、ギャップ幅が１ｍｍ以上の領域では開先面両壁の溶融促進と溶け落ち防止を図る必要があるため、溶接トーチを溶接線方向の左右に揺動させるウィービング制御をしている。ギャップ幅Ｇｓの大きさ及び溶接速度Ｖｐに対応したウィービング幅Ｕｗやウィービング周波数ｆｗの増減制御［例えばＵｗ＝Ｇｓ−ｋ１０，ｆｗ＝Ｖｐ／（６０・Ｐｕ）］をする。ｋ１０はウィービングの幅定数、Ｐｕは一往復のピッチである。このようにしてギャップ幅の大きさに対応させて溶接条件パラメータの制御をすると、図６〜図８の各中央にそれぞれ示した溶接ビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４８】
図１３は、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手の多層盛溶接を対象に、表側の初層溶接と裏側の初層溶接、表側と裏側の充填層及び仕上層の溶接でそれぞれ出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一実施例を示す図であり、図６〜図８に示した初層，充填層及び仕上層の各溶接の条件制御に用いている。裏側の初層溶接を行う時には、表側溶接が完了済みで溶け落ちの可能性がないので、ギャップの広い部分でも高めの平均電流を出力させて能率良く確実な完全溶け込みを得るようにしている。表側と裏側の初層溶接では、それぞれギャップ幅範囲別に設定した各々の平均電流を選択して出力させ、その平均電流Ｉａに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを前記の（１）（２）式で計算する。
【００４９】
また、表側または裏側の充填層，仕上層の各溶接を行う時には、ギャップと関係のある開先肩幅範囲別の平均電流Ｉａを選択して出力させる。一定値の平均電流を出力させるように設定することも可能である。そして、溶接中にほぼ一定時間間隔でセンサ側より検出される開先面積（残存面積）Ａｓと開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓまたは前記開先肩幅及びビード幅とを用いて、溶接すべき残存の溶着面積Ｓｐ，溶接速度Ｖｐ，ウィービング幅Ｕｗなどを算出して増減制御する。同時に、開先表面の段差ｋｓを用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置をシフト，ウィービングの停止時間を長くするとよい。
【００５０】
ここでは、溶接パスプラン演算で求めたギャップ０時の充填層及び仕上層での基準面積ＳＧｏ及び最小開先肩幅Ｗｍｉｎ と、検出データの開先肩幅Ｗｓを平均化
Ｗｓ＝（Ｗｓ１＋Ｗｓ２＋…＋Ｗｓａ）／ａ
した値を用いて、開先肩幅の変化に対応した溶接すべき溶着面積Ｓｐを（６）式で求めている。ｋ７ はビード幅重み定数である。或いは開先面積Ａｓと開先肩幅Ｗｓの検出値を用いて、残されている溶接面積［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］を残りのパス数（ｐ−ｎ）で割算する（７）式によって開先面積の変化に対応した溶着面積Ｓｐを求めることができる。ｋ８ は余盛り高さ、ｋ９ は仕上ビード幅定数である。この時の溶接速度Ｖｐは（８）式で求められる。
【００５１】
充填／仕上層の溶着面積：Ｓｐ＝ＳＧｏ＋ｋ７・（Ｗｓ−Ｗｍｉｎ） …（６）
Ｓｐ＝［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］／（Ｐ−ｎ） …（７）
溶接速度：Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓｐ） …（８）
このように計算処理して、溶接条件パラメータをリアルタイムで制御すると、図５に示した溶接パス毎のビード断面のように、良好な溶接部を得ることができる。溶接条件テーブルには、各々の平均電流とその電流に適した各平均電圧Ｅａの両方を編集可能な溶接条件テーブルにして、開先部のギャップや開先肩幅の検出情報に基づいて切り換え出力できるようにしてもよい。このように溶接条件テーブルを事前に準備すると、図６〜図８に示したように溶接条件パラメータを可変制御できる。
【００５２】
一方、対象製品によっては、Ｘ開先継手の開先角度を狭くするができずに、これまでと同様の広い開先角度のままで自動溶接したい要求もあり、これに対応できるようにする必要がある。図１４は、開先角度が５５〜６５度のＸ開先継手の多層盛溶接を対象に、表側の初層溶接と裏側の初層溶接、表側と裏側の充填層及び仕上層の溶接でギャップ幅範囲別及び開先肩幅範囲別に各々出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一実施例を示す図である。開先角度が広いＸ開先継手の場合は、狭いＸ開先継手の初層溶接の時と比べて溶融し易いので、ギャップ幅範囲別に低めの平均電流を設定している。充填層と仕上層の各溶接で用いる開先肩幅範囲別の平均電流は、図１４に示した開先角度の狭い溶接の時と同程度の値を設定している。これらの各値は必要に応じて変更できるようにすればよい。このような溶接条件テーブルを用いると、開先角度の広いＸ開先継手の多層盛溶接が可能となる。
【００５３】
図１５は、鋼材板厚Ｔ＝２０ｍｍ、開先角度が６０度のＸ開先継手で、表側２パス及び裏側２パスが必要な多層盛溶接における初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。上段は開先部のギャップＧ，開先肩幅Ｗｓ，開先面積Ａｓ，段差ｋｓなどの検出画像、中央にはギャップ幅の大きさ（Ｇ＝０，Ｇ＝５ｍｍ）に対応したパルス電流波形，溶接ビード断面を示し、下段にはギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｐと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｆ及びウィービング幅Ｕｗとの関係を示している。初層で溶接すべき溶着断面積Ｓ１は、ギャップが０（Ｇｏ）の時の基準面積Ｓｏを調整した（３）式で求め、また、ワイヤ送り速度Ｗｆと平均電圧Ｅａ及び溶接速度Ｖｐは、（１）（２）（５）式でそれぞれ求めて増減させている。
【００５４】
初層と仕上層とからなる２パス溶接の場合、初層後の仕上層で溶接すべき残存の溶着面積Ｓ２は、充填層がないため、初層溶接時に検出し記録した開先面積Ａｓと開先肩幅Ｗｓとより算出する溶接面積［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］から、既に溶接済みの溶着面積Ｓ１を除いた値となり、（９）式で求められる。また、その時の溶接速度Ｖｐは（１０）で求められる。
【００５５】
充填層のない仕上層の溶着面積：
Ｓ２＝［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］−Ｓ１ …（９）
溶接速度：Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓ２）…（１０）
この仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層の初層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、図１４に示した開先肩幅範囲別の平均電流Ｗｓを出力させ、溶接すべき残存の溶着面積Ｓ２，溶接速度Ｖｐ，ウィービング幅Ｕｗ（例えばＵｗ＝Ｗｓ−Ｋ１２）などを算出して増減制御する。同時に、開先表面の段差ｋｓを用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置をシフトさせ、ウィービングの停止時間を長くするとよい。
【００５６】
裏側の初層と仕上層の２パス溶接も、表側の溶接の時と同様に算出して増減制御すればよい。また、開先角度が狭いＸ開先継手の２パス溶接の場合も同様に算出して増減制御すればよい。このように計算処理して、溶接条件パラメータをリアルタイムで制御すると、ギャップ変化や段差があっても、また、角度の広い開先の溶接や角度の狭い開先の溶接であっても、同一の所定パス数で開先表面にアンダーカットのない完全溶け込みの溶接ビード断面を得ることができる。
【００５７】
一方、板厚などの寸法が異なる各々のＸ開先継手に対しても自動溶接ができるようにする必要があるため、ここでは、入力すべき開先寸法と図１３及び図１４に示した平均電流の条件テーブルに基づいて、溶接開始点での基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を溶接演算プログラム１８ａによって演算するようにしている。図１６は、溶接データ演算結果の表示例を示す図である。その演算方法は省略するが、溶接パス毎のトーチ位置の目標値，溶接条件，積層ビードの幅や高さが分かるようになっている。
【００５８】
次に、本発明の溶接制御で使用する光切断式センサによる検出方法の概要について説明する。図１７は、光切断式センサ１０と関連機器の構成を示す斜視図である。光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より先行する開先部２の上部位置にあり、その開先部２を直角に切断する垂直方向にスリット状の光３１ｂを照射するレーザ投光器３１ａと、その反射像を干渉フィルタ３２ｂを介して撮像するカメラ３２ａを備えている。干渉フィルタ３２ｂは特定波長のレーザ光のみを抽出する。２３は投光受光制御器であり、レーザ投光器３１ａとカメラ３２ａを制御すると共に、撮像された光切断画像を画像処理装置２２に送信する。画像処理装置２２は、自動溶接を行う時に必要な開先中心の左右位置ずれΔＹｓ，上下位置ずれΔＺｓ，開先肩幅Ｗｓ，開先面積Ａｓ，開先表面の段差ｋｓ，ギャップＧｓ，ビード幅Ｂｓなどの検出情報を抽出する溶接検出プログラムを内蔵しており、統括制御装置１７からの検出指令と検出結果の報告要求に応答する。光切断式センサ１０の筐体部分は、過熱を防止する水冷構造、支障のある微粒子の侵入を防止するガス流出構造になっており、溶接トーチ６と独立した位置の溶接台車４に固定されている。
【００５９】
図１８は溶接前に行うトーチ位置（ワイヤ先端位置）座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す図である。溶接台車４を駆動して溶接トーチ６を溶接開始点に移動し、図１８（２）に示したようにワイヤ５先端を開先部２の中央部にあるギャップＧの中心位置（●点）に合わせ、そのワイヤ位置を溶接位置座標の原点（Ｙｐ＝０，Ｚｐ＝０）とする。センサ側では、図１８（１）に示したように光切断式センサ１０の設置位置で撮像される開先断面の線画像３３を画像処理装置２２で処理し、ギャップＧｓの中央位置（●点）を検出し、その検出位置をセンサ座標の原点（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）として、左右及び上下方向のトーチ位置ずれを（ΔＹｓ＝０，ΔＺｓ＝０）する。初層溶接の時には、開先肩幅の中心位置を他のセンサ座標の原点（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）として使用することも可能である。溶接の終了位置については、開始点からの溶接線長さ（溶接距離）を入力設定することで、所定の位置で溶接動作を終了させることができる。他の方法として、例えば溶接の終了位置を検知する検知スイッチを溶接台車側かガイドレール側か溶接母材側に設置すると、所定の位置で溶接動作を終了させることができる。
【００６０】
図１９は、画像処理装置２２と一対の光切断式センサ１０で検出する内容を示す図である。光切断式センサ１０で撮像される開先断面の線画像（３３ａ〜ｆ）を画像処理装置２２に取込んで検出項目を抽出する。例えば、開先肩幅Ｗｓは、左右上面の線画像３３ｆ，３３ａと左右の開先斜面の線画像３３ｄ，３３ｂが各々交わる交点（ｄ点とｃ点を結ぶ長さ）の距離で求められる。ｃ点とｄ点の高さ変化が左右の段差ｋｓであり、このｃ点とｄ点の距離を２等分した中点が左右方向の開先中心である。開先斜面の角度が左右異なるまたは加工精度が悪い場合に、開先継手の上部と底部とで中心ずれが生じることになる。それを避けるために、溶接部に近い位置で開先中心を求めている。すなわち、開先の右斜面の線画像３３ｄと開先底部のビード面の線画像３３ｅとが交わる交点（ｂ点）より１ｍｍ程度上の位置に水平線３５を描き、その水平線３５と左右の開先斜面の線画像３３ｄ，３３ｂとが交わる交点（ｊ点とｉ点を結ぶ長さ）の距離を２等分した中点位置（ｆ点）を開先中心とすることで、中心ずれをなくすことができる。この中点位置ｆ点と初期設定時の原点位置（Ｙｓ＝０）との偏差（水平方向の距離）を左右位置ずれΔＹｓとしている。一方、開先底部の上下位置ずれΔＺｓについては、開先底部の最も深い位置（ｅ点）を求め、または開先の左斜面の線画像３３ｂと左底面の線画像３３ｃとが交わる交点ａ点を通る他の水平線と前記ｆ点の垂直線とが交わる交点位置（ｅ点近傍）を求めた後に、初期設定時の原点位置（Ｚｓ＝０）との偏差（垂直方向の距離）を計測して上下位置ずれΔＺｓとしている。上下位置ずれΔＺｓは、前層のビード高さを加算した合計量に相当する値である。また、開先面積Ａｓ（溶接残存面積）は、まだ溶接が残っている部分の開先内の総面積を計測している。
【００６１】
図２０は、溶接すべき開先内に仮付けのある部分とない部分との検出画像を示す図である。図２０（１）に示した仮付け４９のない開先部では、線画像が２本に分かれており、正常なギャップＧｓをして検出できる。これに対して図２０（２）に示した仮付け４９のある開先部では、開先深さＨｓが幾分小さく、前記線画像が底部で一体となっているため、仮付け部４９のビード幅（広い）をギャップＧｓと誤って検出する可能性が高い。なお、この仮付け部のビード幅をギャップとして処理して制御に用いると、溶接速度を減少させて溶着面積が増加する不具合な結果となるおそれがある。
【００６２】
仮付けの有無判別は、線画像の相違または開先深さの相違によって識別することができる。ここでは、この仮付けの有無判別により仮付け４９のない開先部分から検出したギャップ幅Ｇｓを正常値とし、仮付け４９のある開先部分から検出したギャップ幅Ｇｓは異常値と見なして削除している。この異常値の削除後に、その前段階で検出した正常値のギャップＧｓ幅に変換している。このように処理すると、正常なギャップ幅の検出ができ、仮付け部分の溶接を正常に制御することができる。
【００６３】
図２１は、本発明の自動溶接装置の操作盤に表示する画面構成の一実施例を示す図である。（１）は多層盛溶接運転メニュー選択の初期画面５１、（２）は溶接パスプラニングでの継手選択及びパスプラン作成画面５２、（３）はトーチ基準位置取込み画面５３、（４）はセンサ基準位置自動設定画面５４、（５）は溶接線長さ設定画面５５、（６）は自動溶接運転画面５６を示している。装置起動時の初期画面５１には、幾つかのメニュー表示の選択画面があり、所定の番号指定によって、図２１（２）〜（６）に示した各々の画面に移行でき、また、初期画面に戻ることもできるようになっている。操作手順の概要は以下の通りである。まず、１番の溶接パスプラニングを指定すると、同図（２）の画面５２になり、継手選択（Ｘ開先，Ｖ開先），溶接パスプラン新規作成実行，溶接データ登録ファイル開示が行えるようになっている。例えば、溶接パスプラン新規作成実行では、選択した継手用の溶接演算プログラム１８ａが起動し、その開先寸法の入力と図１３，図１４に示した平均電流の条件テーブルを基にして、基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を自動演算する。その演算結果を図１６に示したように表示し、溶接データファイルが作成される。既に登録済みの溶接データファイルを指定（ファイル番号）して呼び出し開示することもできるようになっている。２番指定のトーチ基準位置取込み画面５３では、溶接台車を溶接開始点へ移動させて、図１８（２）に示したように開先内でトーチ位置（ワイヤ先端位置）決めをした後に、トーチ位置取込みを実行すると、溶接制御装置１１側でそのトーチ位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）を取得して結果を表示する。その後に、３番指定のセンサ基準位置自動設定画面５４で実行を指定すると、光切断式センサ１０を溶接開始点へ自動で誘導すると共に、画像処理装置２２側へ検出指令を出して、図１８（１）に示したように開先部のギャップ幅中心と開先肩幅中心でのセンサ基準位置（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）とを合せる。４番指定の溶接線長さ設定画面５５で、溶接の開始点から終了点までの溶接距離Ｘを入力設定する。この距離設定によって溶接の終了点で自動停止できる。溶接スタートエンド条件設定やその他必要な設定をした後に、５番指定で自動溶接運転画面５６となる。この自動溶接運転画面５６では、継手や溶接パス数と溶接すべき現在パス番号の表示，電流や電圧などの出力すべき溶接条件の表示，検出データとトーチ現在位置の表示をする。また、溶接パスの指定と実行の他に、溶接の一時停止や溶接再開も行え、装置異常や溶接異常の発生時には、一時停止をしてその異常の内容表示や警告表示をする。このような操作画面及び表示画面を設けることで、自動溶接運転が可能となるばかりでなく、リアルタイムで変化している溶接及び検出の状況を画面で見ることができる。また、異常の内容表示や警告表示をすることで、異常回避の操作などを容易にし、装置の操作性及び使い勝手を高められる。
【００６４】
図２２は、本発明の多層盛溶接方法における検出動作及び溶接制御動作の実行手順の概要を示す図である。図２１（６）に示した自動溶接運転画面５６で溶接実行を指定すると、実施される内容である。最初に溶接台車４を初期位置６２へ移動させ、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２に検出指令を出し、位置ずれや開先形状寸法を検出させると共に、溶接トーチより先行する位置で取得した検出データの分類及び平均化処理、トーチ位置の修正計算や溶接条件パラメータの補正計算の処理６７を実行する。溶接トーチ６が溶接開始位置６４へ到達した地点で、パルス溶接電源１２ａ側へ指令して溶接開始６５となる。予め定めた溶接スタート条件でアークを発生させた後に、定常の溶接条件に移行する。溶接台車４にはトーチ現在位置要求と結果報告６８をさせている。また、トーチ位置修正及び溶接条件補正の位置６９，７１に到達する毎に、溶接線左右及び上下方向の位置ずれ量ΔＹｍ，ΔＺｍの修正指令７０とウィービング条件の補正指令７２ｂは溶接台車４に送信し、平均電流Ｉａ及び平均電圧Ｅａの補正指令はパルス溶接電源１２ａに送信する。したがって、検出指令６６からトーチ位置の修正計算や溶接条件パラメータの補正計算６７し、それを制御７０，７２ｂ，７２ｃする一連の動作は、ほぼ一定時間間隔で溶接終了位置７５ａに到達するまで繰り返す７５ｂ。溶接終了位置７５ａに到達すると、予め定めた溶接エンド条件で溶接終端処理７６ａをした後に、溶接トーチ６を回避位置へ移動７７する。指定数の溶接パスが完了していなければ、溶接パス更新６１の箇所まで戻り７７ｂ，再び初期位置６２に移動する。溶接パス完了ならば７７ｃ，エンド７８に至る。
【００６５】
このように構成すると、多層盛溶接の自動運転で必要な検出動作及び溶接制御動作を確実に実行できる。ここでは省略しているが、溶接の不具合が認められた時にはオペレータの判断で、トーチ位置ずれの割込み修正，溶接条件パラメータの割込み修正ができるようにしてある。また、溶接の一時停止とその溶接再開もできるので、溶接不具合を回避することが可能になる。
【００６６】
次に、本発明の多層盛溶接におけるトーチ位置の制御方法について説明する。図２３は、溶接線の位置ずれとその位置ずれ検出の概要を示す図である。図２３（１）は初層溶接で目標値とすべき溶接位置（Ｙ１＝０，Ｚ１＝０）と溶接ワイヤ５（トーチ）位置ずれΔＹｍ，ΔＺｍの関係を示し、図２３（２）は光切断式センサによる位置ずれ（ΔＹｓ，ΔＺｓ）、ギャップ幅Ｇｓの検出を示し、図２３（３）はガイドレール３上を走行する溶接台車４と修正すべき溶接線左右の位置ずれΔＹｍの関係を示す。溶接トーチを位置決めした後に、溶接開始点（●点）から溶接台車４が走行する過程で、図１８（３）に示したように開先継手の曲がりやガイドレール３の設置ずれなどによって溶接トーチ６が開先中心の溶接線３６からずれることになる。このような開先継手の溶接を良好に自動で行うためには、位置ずれ（ΔＹｓ，ΔＺｓ）の検出情報を用いて、この位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正する制御が必要となる。
【００６７】
図２４は、図２３に示した溶接線左右方向のトーチ位置ずれを適正に修正する方法の制御ブロックを示す図である。一連の制御動作は、溶接線方向に走行しながらパルス溶接をする溶接トーチ６及び溶接台車４の制御と、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２から検出データ群の取得と、その検出データの分類や平均化の処理や位置ずれ計算３８ａ，３８ｂ，修正値の計算４０と、位置修正の制御指令４１，トーチ現在位置４３の把握などの手順からなり、溶接トーチ６が溶接終了位置に到達するまで繰り返される。修正位置でない時には、他の計算処理４４も実行している。検出データの処理としては、ほぼ一定時間間隔（１〜２秒程度）で取得する検出データ群の中から左右方向の位置ずれΔＹｓの値を抽出する。その位置ずれの検出データ値は、ばらついているおそれがあるので、順次取得した値（ΔＹｓ１，ΔＹｓ２，…ΔＹｓａ）を所定数（例えばａ＝３点から５点）を集めて平均化の処理を（１１）式で実行する。
【００６８】
平均化：ΔＹｓ＝（ΔＹｓ１＋ΔＹｓ２＋…＋ΔＹｓａ）／ａ …（１１）
この平均化処理は古いデータを１つ捨てて新しいデータを１つ加えて平均化する処理を繰り返し、データのバラツキを緩和する。また、修正すべき左右方向の位置修正量ΔＹｍは、トーチ位置の基準値Ｙｐと、平均化の処理をした検出データの算出値ΔＹｓとの偏差となり（１２）式で求めることができる。
【００６９】
左右位置の修正量：ΔＹｍ＝Ｙｐ−ΔＹｓ …（１２）
なお、トーチ位置の目標値Ｙｐは、溶接パス毎の左右位置（Ｙ１，Ｙ２，…
Ｙｐ）の値であり、１層１パスの多層盛溶接の場合（図４）には、表側も裏側も何れの溶接パスも開先中心が目標値となる。さらに、ここでは過剰な修正や過小な修正を避けるため、上限下限領域（ｋ１３≦ΔＹｍ≦ｋ１４）を設けて１回当りの修正量を抑制すると、過剰な修正動作や不要な動きが防止でき、溶接の悪化を防止できる。このように溶接パス毎に所定の検出及び位置修正の計算処理を実行して左右方向のトーチ位置制御をリアルタイムですると、左右方向の位置ずれを解消できる。
【００７０】
一方、上下方向のトーチ位置制御では、検出データ群の中から上下位置ずれΔＺｓの値を順次抽出して平均化の処理［ΔＺｓ＝（ΔＺｓ１＋ΔＺｓ２＋…ΔＺｓａ）／ａ］をした検出データ値を用いる。初層溶接で検出される上下位置ずれの値はギャップ部分の位置ずれである。これに対して、充填層や仕上層の溶接で検出される上下位置ずれの値は、前層までの累計ビード高さを加算したずれ量に該当することになる。溶接パス毎のトーチ上下位置の目標値Ｚｐは、図１２に示した上下位置（Ｚ１，Ｚ２，…Ｚｐ）の値である。したがって、修正すべき上下方向の位置修正量ΔＺｍは、平均化処理した検出データ値ΔＺｓとトーチ上下位置の目標値Ｚｐとの偏差となり（１３）式で求められる。
【００７１】
上下位置の修正量：ΔＺｍ＝ΔＺｓ−Ｚｐ …（１３）
また、上記と同様に、１回当りの修正量を抑制するための上限下限領域
（±Ｃ３≦ΔＺｍ≦Ｃ４）を設けると、過剰な修正動作や不要な動きが防止できる。
【００７２】
このようにして上下方向のトーチ位置制御を上述した左右方向のトーチ位置制御と合せて実行すると、該当する溶接パス毎のトーチ位置ずれをなくし、良好な溶接ビードを得ることができる。溶接パス毎のトーチ位置制御や溶接条件パラメータの増減制御は、溶接開始点から終了位置に到達するまで実行すればよい。また、溶接開始部と溶接終端部のビード形状変化が検出結果に及ぼす影響を抑制するために、これらの制御を溶接開始点より所定距離（例えば１０〜５０ｍｍ）前進した位置から開始して、溶接終了点より所定距離（１０〜５０ｍｍ）手前の位置で可変制御を止める制御に切り換えてもよい。さらに、仕上層の溶接前に前層溶接で開先上面肩の一部が溶かされていて、開先形状の検出が困難な場合には、その前層溶接で検出及び制御されて記憶した検出記録データを再度使用して、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置制御，溶接条件パラメータの増減制御をすると、自動溶接を持続できる。
【００７３】
次に、多層盛溶接で必要なウィービング動作の制御方法について説明する。ギャップ幅又はビード幅Ｂｓが変化する開先部の両壁を確実に溶融させるためには、溶接トーチを溶接線左右方向に揺動させるウィービング溶接の制御が必要である。図２５はウィービング溶接の制御方法を示す図である。図２６はウィービング溶接の制御ブロックを示す図である。また、図２７は開先表面に段差ｋｓがある仕上層溶接でのウィービングの左右停止時間及びトーチ位置の制御方法を示す図である。初層溶接の時は、光切断式センサと一対の画像処理装置で検出されるギャップ幅Ｇｓの平均化処理した情報を用いて、ウィービング条件の増減を制御する。充填層溶接の時は、ビード幅Ｂｓの検出値を平均化処理してもちいる。仕上層溶接の時には、開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓ、開先表面の段差ｋｓの検出値を平均化処理して用いる。ウィービング条件の主な制御項目は、ウィービング幅Ｕｗ，揺動速度Ｖｕ，左右の停止時間ＴＬ，ＴＲであり、溶接トーチ６が修正すべき位置４１に到達した地点で、ウィービング条件の修正制御４７をリアルタイムでする。ここでは溶接速度Ｖｐを増減する制御に合せて、トーチ揺動の１往復のピッチＰｕが一定になるようにＵｗ，Ｖｕの値を計算処理４６する。すなわち、該当する溶接パスで検出されるデータ４５ａの平均化処理をした検出値４５ｂ（ギャップＧｓまたはビード幅Ｂｓまたは開先肩幅Ｗｓ）の大きさに比例してウィービング幅Ｕｗを広くし、揺動速度Ｖｕを速くする。各層別のウィービング幅Ｕｗは（１４）〜（１６）式で求められ、揺動速度Ｖｕは（１７）式で求められる。
【００７４】
初層のウィービング幅 ：Ｕｗ＝Ｇｓ−ｋ１０ …（１４）
充填層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｂｓ−ｋ１１ …（１５）
仕上層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｗｓ−ｋ１２又はＵｗ＝Ｂｓ−ｋ１２ …（１６）
揺動速度：Ｖｕ＝２・Ｕｗ／［（６０・Ｐｕ／Ｖｐ）−（ＴＬ＋ＴＲ）］…（１７）
ただし、ｋ１０，ｋ１１，ｋ１２はウィービングの幅定数である。
【００７５】
仕上層の溶接で、図２７（１）に示したように開先表面左側の段差が高い場合（−ｋｓ＜Ｃ１の時）には、左停止時間ＴＬ（ｓ）を初期値より長く（例えばＴＬ＝ＴＬ＋０．１）し、開先中心のトーチ位置をΔＹｋだけ左側へシフトさせる制御をする。反対に、図２７（２）開先表面右側の段差が高い場合（＋ｋｓ＞Ｃ２の時）には、右停止時間ＴＲ を初期値より長く（例えばＴＲ＝ＴＲ＋０．１）し、開先中心のトーチ位置をΔＹｋだけ右側にシフトさせる制御をする。この仕上層前の充填層の溶接でも、段差ｋｓの情報を用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置を所定量シフト，ウィービングの停止時間を所定値長くする制御をすることもできる。
【００７６】
このように所定の検出及び位置修正の計算処理を実行し、ウィービング条件の修正制御をすると、溶接パス毎にアンダーカットや融合不良のない溶接ビードが得られる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の多層盛方法及び自動溶接装置によれば、開先部のギャップ変化や段差や溶接線の蛇行など寸法精度の悪い開先継手の溶接構造物であっても、高電流の１パルスで１溶滴を移行させるパルス溶接波形の出力と、ギャップ幅，開先肩幅，段差などの大きさに対応した平均電流，平均電圧，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの条件パラメータの適正制御によって、スパッタの少ない深溶け込み溶接，溶接割れや溶け落ちやアンダーカットのない溶接品質を得ることができる。また、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御によって、溶接線曲がりやレール設置ずれがある長尺部材の開先継手でも、溶接始点から終点まで良好な溶接ビードをパス毎に形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で実行でき、溶接を合理化し、工数を低減し、溶接の品質を高めることができる。さらに、溶接前の設定や結果表示から溶接中の動作表示や異常時の警告表示などの画面表示によって、装置の操作性及び使い勝手を良くできる。本発明の多層盛方法及び自動溶接装置を発電プラントや化学プラントなど厚板溶接構造物へ適用すると、溶接の自動化，合理化，コスト削減などを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多層盛溶接方法を採用した多層盛自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した多層盛自動溶接装置における溶接制装置１１の内容構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の多層盛溶接方法において、スパッタの発生を抑制するためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す図である。
【図４】鋼材板厚Ｔ＝３２ｍｍのＸ開先継手で、角度が６０度と３５度における多層盛溶接を示す図である。
【図５】図４（２）に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順を示す図である。
【図６】本発明の溶接方法で初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図７】本発明の溶接方法で充填層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図８】本発明の溶接方法で仕上層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図９】図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係を示す図である。
【図１０】Ｘ開先継（角度：３５度，板厚：３２ｍｍ）における初層溶接で重要な開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係を示す図である。
【図１１】ギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｐと平均電流を変化させて初層溶接して結果を示す図である。
【図１２】Ｘ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと開先面積及び初層の溶着面積Ｓ１とビード高さとの関係を示す図である。
【図１３】角度の狭いＸ開先継手における表側の初層溶接と裏側の初層溶接と表側と裏側の充填層及び仕上層の各溶接とで出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一例を示す図である。
【図１４】角度の広いＸ開先継手における表側の初層溶接と裏側の初層溶接と表側と裏側の充填層及び仕上層の各溶接とで出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一例を示す図である。
【図１５】角度の広いＸ開先継手における初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図１６】溶接データ演算結果の表示例を示す図である。
【図１７】光切断学式センサ１０及び関連機器の構成を示す図である。
【図１８】溶接前にするトーチ位置（ワイヤ先端位置）座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す図である。
【図１９】画像処理装置２２と一対の光切断式センサ１０とにより検出する内容を示す図である。
【図２０】溶接すべき開先内に仮付けのある部分とない部分との検出画像を示す図である。
【図２１】本発明の多層盛自動溶接装置の操作盤に表示する画面構成の一例を示す図である。
【図２２】本発明の多層盛溶接方法における検出動作及び溶接制御動作の実行手順の概要を示す図である。
【図２３】溶接線の位置ずれとその位置ずれ検出の概要を示す図である。
【図２４】図２３に示した溶接線左右方向のトーチ位置ずれを適正に修正する方法の制御ブロックを示す図である。
【図２５】ウィービング溶接の制御方法を示す図である。
【図２６】図２５に示したウィービング溶接方法の制御ブロックを示す図である。
【図２７】開先表面に段差ｋｓがある仕上層溶接でのウィービングの左右停止時間とトーチ位置の制御方法を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…溶接ワーク、２…開先部、３…ガイドレール、４…溶接台車、５…溶接ワイヤ、６…溶接トーチ、８…ワイヤ送り機構、９…トーチ駆動機構、１０…光切断式センサ、１１…溶接制御装置、１２ａ…パルス溶接電源、１５ａ…操作盤、１５ｂ…画面表示装置、１７…統括制御装置、１８ｂ…溶接データファイル、２２…画像処理装置、２３…投光受光制御器、２４ａ…各軸駆動装置、２５…アーク、２６…ワイヤ溶滴、３１ａ…レーザ投光器、３１ｂ…スリット光、３２ａ…カメラ、３２ｂ…干渉フィルタ、３３…開先形状の線画像。
【発明の属する技術分野】
本発明は、寸法精度の悪い開先継手の厚板構造物の自動溶接に係わり、特に、多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚板構造物の多くは大型で長尺であり、加工コストの安いガス切断加工による開先継手が用いられている。開先継手には片面溶接が可能なＶ形やレ形もあるが、溶接歪みや残留応力などの低減に有効な両面溶接用のＸ開先継手が多く、そのＸ開先の角度は約５０〜７０度と広い。
【０００３】
ガス切断加工の開先継手は、寸法精度が悪く、開先部のギャップ変化が大きく、開先表面に段差があり、溶接線も蛇行し易い形状となっている。長尺の開先継手内にギャップのない接触部分を設ければ、溶接ワークの組立作業が容易となるが、溶接時に溶け込み不足となり易い。このようなギャップ変化の大きい開先継手の溶接は、一般に自動溶接が難しく、従来から手動溶接が多く行われており、溶接作業に多くの時間を要している。手動溶接には、一般にワイヤ溶融式の直流アーク溶接法が用いられ、スパッタの発生が伴う溶接作業となる。厚板長尺で角度の広いＸ開先継手は、表側から多層盛溶接を行った後に、裏側より表側の初層ビード面まで裏ハツリ加工（ガウジングやグラインダ加工）をして、裏側から完全溶け込み溶接の多層盛溶接をするため、一連の溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接で消費するワイヤ量も増大してコスト高となっている。
【０００４】
したがって、溶接の工数を低減し合理化するためには、開先を狭くし、裏ハツリを省略し、溶接の効率を高め、及び溶接を自動化する必要がある。まず、開先を狭くし、裏ハツリを省略できるようにするためには、深溶け込み溶接が可能な新たな溶接法の導入が必要である。その際に、溶け込み不足と入熱過多による溶接割れ（高温割れ）や溶け落ちを防止するために、適正な溶接施工技術を確立する必要がある。溶接を自動化するには、開先部のギャップ幅や開先面積などの開先形状寸法や溶接線の位置ずれの検出が可能なセンサが必要になる。ギャップ変化や開先面積変化に対応可能な溶接条件制御やトーチ位置制御の技術を確立する必要がある。この他、自動溶接を長時間保持するためには、トーチノズルへのスパッタ付着によるシールド低下を防止しなければならず、スパッタの発生が少ない溶接法が求められている。
【０００５】
一方、高い電流・電圧と低い電流・電圧を交互に出力させるワイヤ溶融式のパルスアーク溶接法は、通常の直流アーク溶接法と比べて、スパッタの発生が少なく、また、高溶着な溶接が可能であることから、自動車部品など薄板の溶接に多く適用されており、最近では厚板の溶接構造物にも適用されつつある。しかし、市販されているパルスＭＡＧ／ＭＩＧ溶接電源の大半は、パルス電流の出力値が高々５００Ａ程度であり、６００Ａを越えるような高電流のパルス溶接電源は極めて少ない。また、溶接母材の板厚や継手形状やワイヤの材質及び径によって、適用可能なパルス溶接波形及び溶接条件が異なるため、実際にスパッタが少なく、溶接欠陥がない溶接を実現するためには、対象製品の継手に合った適正なパルス溶接波形及び溶接施工条件を確立しなければならない。
【０００６】
自動溶接の従来技術として、一般に据付け型の溶接ロボットがある。溶接パス毎にティーチングしてプレイバック溶接するのは、手間と時間がかかるので、１品物の溶接には不向きである。また、溶接ロボットの可動範囲を超える大物製品や工場外の現地で組立溶接が必要な構造物の溶接は、実際にはできない。他の自動溶接の従来技術として、例えば、特公平４−７５１１４号公報の自動アーク溶接法では、溶接中にギャップ幅を検出しながら、そのギャップ幅の大きさに対応して溶接電流Ｉａを
「Ｉａ＝Ｉｏ−ｋ・Ｇ」
の関係式で増減制御し、また、この溶接電流Ｉａの大きさに応じてワイヤ送り速度Ｗｆを
「Ｗｆ＝Ａ・Ｉａ＋Ｂ・Ｉａ２」
の関係式で可変制御し、溶接電圧Ｅを
「Ｅ＝Ｅｌ＋Ｅａ＋Ｅｒ」
の関係式でそれぞれ可変制御している。
【０００７】
特公平４−７５１１５号公報には、溶接電流Ｉａ及びワイヤ送り速度Ｗｆの変化に対応して、ビード高さが一定に保たれるように、溶接速度Ｖｐを
「Ｖｐ＝Ｗｆ／［（α・Ｗｆｏ／Ｖｐｏ）＋β・（Ｉｏ−Ｉａ）］」
の関係式で可変制御している。
【０００８】
また、特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置では、開先内の形状を検出するレーザー変位センサと、開先左右端位置及びワイヤ先端位置の情報を検出するＩＴＶカメラと、これらの情報から溶接トーチの位置を演算する手段とを備え、左右方向の位置ずれを演算しトーチ位置を制御している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平４−７５１１４号公報及び特公平４−７５１１５号公報の自動アーク溶接法は、ギャップ幅の変化に対して溶け込みを所望の目標値に保って自動溶接することが可能な１つの方法として有効と考えられる。しかし、実際に溶接電流（平均）を微小（数アンペア単位）に可変制御することは困難であり、また、溶接電圧及びワイヤ送り速度の微小制御も同様に難しく、過敏な制御で逆効果の動きとなって溶接を乱す可能性がある。また、対象板厚が１０ｍｍ程度のステンレス鋼で、開先角度も広く、表側１パスと裏側１パスの溶接であるため、充填層や仕上層溶接が必要な厚板継手の多パス溶接、材質が異なる継手の溶接には適用することは困難である。フラックス入りワイヤによる溶接では、ビード表面全体に形成されるフラックスの除去作業が必要となる。また、フラックス入りワイヤとソリッドワイヤとでは、ワイヤ溶融特性及び適正溶接条件が異なるばかりでなく、母材材質や継手形状やワイヤ材質などが異なると、それに適した溶接条件を新たに見出す必要がある。さらに、この自動アーク溶接法では、高速回転アーク溶接法が用いられており、通常の直流アーク溶接や高い電流と低い電流を交互に出力させるパルスアーク溶接と異なるものである。
【００１０】
特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置は、トーチずれ量を演算して左右方向のトーチ位置制御を行うことが可能な１つの装置として有効と考えられる。しかしながら、レーザ変位センサの場合は、開先内を走査するための回転ミラー機構や揺動機構を必要とし、装置が大型になるばかりなく、溶接速度が速くなると、検出する開先断面形状の歪みによって誤差が生じるおそれがある。また、光の強烈なアーク溶接画像と微光の開先切断画像を両立させるための特殊なフィルタや装置が必要となる。この開先倣い制御装置では、溶接中の電流・電圧，溶接速度などの条件パラメータ制御はなく、上下方向のトーチ位置制御についても記載されていない。
【００１１】
一方、特開平５−１３８３５４号公報の溶接自動倣い装置では、レーザスリット光による開先切断画像及び溶接トーチを含む溶融池のアーク溶接画像を同時に撮像するＩＴＶカメラと、このＩＴＶカメラの検出画像情報よりトーチ左右位置ずれ，ビード高さ，溶接断面積を求める演算手段とを設けて、トーチ左右位置を制御し、トーチ下端位置を制御し、溶接速度を制御している。しかし、開先部にギャップ変化がある開先継手に対しては、ギャップ幅の大きさに対応した高い溶接電流と低い溶接電流を出力する制御やウィービング幅を増減する制御を同時に行わないと、溶け込み不足，溶け落ち，アンダーカットが発生し良好な溶接ビードが得られない可能性が高い。また、開先が深いまたは広い継手の多層多パス盛溶接の場合は、撮像する画像の視野範囲を大きくする必要がある。その視野範囲の拡大に伴って、検出すべき位置や溶接断面積や形状の検出精度が著しく低下し、トーチ位置制御及び速度制御に大きな誤差が生じる可能性がある。開先底部の溶接から開先上部の溶接を行う過程で、アーク溶接画像が上昇していくので、レーザスリット光による開先切断画像がアーク溶接画像と重なり合って見えなくなって検出不可能となるおそれがある。
【００１２】
本発明者らは、特開平１０−２１６９４０号公報において、多層盛溶接方法及び多層盛溶接装置を提案したが、片面溶接が可能なＶ形やレ形の開先継手を主な対象としており、Ｘ開先継手ではなかった。したがって、Ｘ開先継手のギャップの幅が問題になることはなく、Ｘ開先継手に特有な溶け落ちや溶け込み不足の現象に悩まされることも相対的に少なかった。その結果、初層の溶接及び仕上層の溶接を充填層の溶接と区別し、特別に配慮する必要性も少なかった。したがって、特開平１０−２１６９４０号公報の多層盛溶接装置は、Ｘ開先継手に関しては「自動」溶接装置にはならず、作業員が制御する必要があった。
【００１３】
本発明の目的は、ギャップ変化や溶接線の蛇行など寸法精度の悪い開先継手の厚板構造物を対象に、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応した溶接条件パラメータを可変制御し、トーチ位置ずれを修正制御し、完全溶け込みで高温割れなど溶接欠陥のない良好な溶接を実行するに好適な多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分を有し、突合わせ部にギャップがある開先継手に対して、前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，仮付けの有無，開先中心の左右及び上下位置ずれ量の少なくとも１つ以上を検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、パルス溶接電源と、溶接制御装置とを用いて多層盛溶接する多層盛溶接方法において、パルス溶接電源から出力すべき高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間前半に移行可能なパルス溶接波形を設定し、初層のパルス溶接で用いるギャップ幅範囲別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、初層溶接を実行する時は、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を用い、開先中心の左右及び上下位置ずれの検出情報に基づいて、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、前記ギャップ幅に関係する溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法を提案する。
【００１５】
特に、初層溶接動作時には、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を正常値とし、仮付けのある開先部分から検出したギャップ幅は異常値と見なして削除し、または前記異常値の削除後に、前回検出した正常値のギャップ幅に変換して正常値と見なし、このギャップ幅の検出情報に基づいて、初層の溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するとよい。
【００１６】
また、充填層のパルス溶接で用いるビード幅範囲別または開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群または所定値の平均電流を条件テーブルに設定し、前記充填層の溶接を実行する時には、仮付けのない部分とある部分とで変化している残存の開先面積と、ビード幅または開先肩幅またはビード幅及び開先肩幅とを用い、開先中心の左右及び位置ずれ，上下位置ずれの検出情報に基づいて、ビード幅または開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、または所定値の平均電流及び平均電圧を出力させ、充填層で溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法とすることもできる。
【００１７】
仕上層のパルス溶接で用いる開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、前記初層または充填層の溶接後に仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、前記開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、仕上層で溶接すべき残存の溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御する多層盛溶接方法とすることもできる。特に、前記充填層と仕上層または仕上層の溶接を実行する時には、さらに開先表面の段差の検出情報を用い、前記段差の高い開先側の方向にトーチ位置を所定量シフト，ウィービングの停止時間を所定値長くするとよい。
【００１８】
また、前記厚板長尺部材の開先継手は、完全溶け込み溶接が必要なＸ開先継手であって、表側と裏側の各初層溶接は、深溶け込みが必要なギャップのない部分では、裏ビードの形成可能な高めの平均電流を出力させ、開先両壁面の溶融が必要なギャップ変化のある部分では、前記ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ減少するように出力させ、溶着面積の増加に必要な溶接速度を減少する制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御とを実行し、前記初層溶接後の充填層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させまたは所定値の平均電流を出力させ、仕上層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させ、前記充填層及び仕上層別にそれぞれ溶接すべき残存の溶着面積の増減計算に対応した溶接速度の増減制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御と、開先表面の段差が高い開先側のウィービング停止時間を予め定めた値だけ長くする制御とを実行する多層盛溶接方法とすることもできる。特に、開先角度の狭いＸ開先継手または開先角度の広いＸ開先継手の各溶接を選択可能とし、前記Ｘ開先継手の表側の初層溶接と、裏側の初層溶接と、初層溶接後の充填層の溶接と、仕上層の溶接とで各々出力すべきギャップ範囲別，開先幅範囲別の複数の平均電流群を溶接条件テーブルにそれぞれ設けるとよい。
【００１９】
上記いずれの多層盛溶接方法においても、開先部の断面形状画像を処理する画像処理装置に接続している光切断式センサを溶接トーチ前方の開先上面に設置し、溶接前に溶接開始点でトーチ先端のワイヤ位置決めとセンサ座標の基準原点とを合わせ、初層と充填層の溶接動作時には、前記画像処理装置と一対の光切断式センサとにより、溶接トーチより先行する位置でほぼ一定時間間隔で取得する断面形状画像を処理し、ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積，開先表面の段差，開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれの値をそれぞれ検出し、検出したデータを溶接制御装置側で分類，異常値の削除及び平均化の処理をして用い、仕上層の溶接動作時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、初層と充填層及び仕上層の溶接パス毎に溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを算出して増減制御し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれを修正制御するとよい。
【００２０】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分があるまたは溶接線が蛇行するまたはギャップ幅や開先断面積が変化することもある開先継手に対して、前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，開先中心の左右及び上下位置ずれ量などを検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値またはこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能であると共に、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によってパルス溶接の平均電流，平均電圧の増減制御が可能なパルス溶接電源と、前記センサから得られる断面形状画像を処理して開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積及び開先表面の段差を検出する画像処理装置と、開先角度が狭い開先継手と広い開先継手の各溶接を選択可能とし、前記開先継手の初層と充填層及び仕上層の各溶接別に使用する平均電流や平均電圧，溶接中の各計算処理で使用する溶接データを格納するデータファイルと、溶接及び検出動作中に前記画像処理装置からリアルタイムで取得する検出データを分類，異常値の削除及び平均化の処理をする検出データ処理手段と、溶接トーチの左右位置ずれ及び上下位置ずれの修正量，ワイヤ送り速度と溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータの増減量をそれぞれ算出して、トーチ位置の修正制御，溶接条件パラメータの適正制御を溶接台車及びパルス溶接電源にそれぞれ実行させる溶接処理手段とを有する溶接制御装置とからなる多層盛自動溶接装置を提案する。
【００２１】
また、溶接前にトーチ位置決めとセンサ座標の原点合わせの設定状況及び結果を表示し、溶接線長さの設定情報を表示し、溶接中にリアルタイムで変化するトーチ現在位置，出力中の溶接条件，検出データの情報を表示し、装置異常や溶接異常が生じた時に警告を表示する画面表示手段を溶接制御装置に設けるとよい。
【００２２】
すなわち、本発明の多層盛溶接方法では、厚板長尺部材の開先部にギャップ変化や段差や溶接線の蛇行が伴う溶接構造物を対象に、高電流の１パルスで１溶滴が移行可能なパルス溶接波形と、溶接パス毎に画像処理装置と一対の光切断式センサで検出する開先部のギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先面積，開先表面の段差，開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれの検出情報とに基づいて、ギャップ幅や開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を出力すると共に、溶接条件パラメータの適正制御，トーチ位置の修正制御を溶接パス毎に実行するので、スパッタの発生が少ないパルス溶接が可能となる。また、開先部にギャップ変化や段差や仮付けや溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手であっても、溶接開始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で実行でき、工数を低減し、溶接品質を高めることができる。特に、完全溶け込み溶接が必要なＸ開先継手であっても、表側及び裏側の初層溶接で、深溶け込みが必要なギャップのない部分では、裏ビードの形成可能な高めの平均電流を出力させてパルス溶接するので、欠陥のない深溶け込みの初層ビード断面を得ることができる。また、開先両壁面の溶融が必要なギャップ変化のある部分では、前記ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ減少するように出力させ、溶着面積の増加に必要な溶接速度を減少させる制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加させる制御とをするので、アーク力が抑制されて溶け落ちやアンダーカットの発生を抑制でき、ギャップ変化のある部分も平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。同時に、位置ずれに対するトーチ位置を修正制御し、溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手でも溶接線左右及び上下方向のトーチ位置ずれが解消でき、溶接ビードの形成不良を防止できる。
【００２３】
充填層のパルス溶接で用いるビード幅範囲別または開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群または所定値の平均電流を条件テーブルに設定し、前記初層後の充填層の溶接を実行する時には、仮付けのない部分とある部分とで変化している残存の開先面積とビード幅または開先肩幅またはビード幅及び開先肩幅とを用いて、ビード幅または開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、充填層で溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するので、開先幅の狭い部分も広い部分も同一のパス数で溶接できる。また、仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、仕上層で溶接すべき残存の溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御するので、センサによる検出が困難な時でも、開先幅の狭い部分も広い部分も、また仮付けのある部分もない部分も同一のパス数で溶接できるばかりでなく、溶接線の曲がりやレールずれに対する左右及び上下方向のトーチ位置ずれが解消でき、溶着融合不良やアンダーカットのない平滑でほぼ均等な余盛高さの溶接ビードを得ることができる
さらに、本発明の多層盛自動溶接装置では、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値または前記パルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能であり、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によってパルス溶接の平均電流，平均電圧の増減制御が可能なパルス溶接電源を用いている。パルス溶接する時は、例えば、鋼材用の１．２ｍｍ 径のソリッドワイヤに給電するパルス電流値Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定し、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間Ｔｂ前半に移行可能なパルス波形とし、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御による平均電流Ｉａの増減制御を実行すると、小電流領域（平均）から大電流領域まで安定なアーク及び溶滴移行が得られ、スパッタの発生が少ない良好なパルス溶接が可能となり、アーク溶接時間，スパッタ除去作業，トーチノズル清掃回数を大幅に軽減できる。
【００２４】
光切断式センサは、開先断面形状の画像を処理する画像処理装置と一対であって、少なくとも開先面を直角に切断する垂直方向にスリット光を照射するレーザ投光器と、干渉フィルタを介してスリット光の反射像を撮像する受光器とをセンサ筐体内に装備している。その光切断式センサは、溶接トーチより先行する開先上面で断面形状画像の撮像が可能であると共に、溶接台車に搭載されている左右及び上下方向に移動可能な溶接トーチと独立させた位置の溶接台車本体に設けると、溶接線左右方向に揺動させる溶接トーチの動きに影響を受けることなく、開先上面の位置で揺れのない断面形状画像を正常に抽出できる。また、この断面形状画像を処理して開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積及び開先表面の段差などを検出する検出手段を画像処理装置に設けると、検出情報が得られ、その検出情報を制御装置側で取得して分類，異常値の削除及び平均化などの処理をして溶接の制御に用いることが可能となる。検出データ処理手段と、溶接条件の出力や計算処理で使用する溶接データファイルと、位置ずれの修正量や溶接条件パラメータの増減量を算出して制御する溶接処理手段を溶接制御装置に設けると、検出データの分類及び平均処理と溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくすためのトーチ位置の修正制御と溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータの適正制御が可能となり、開先部にギャップ変化や段差や溶接線の曲がりがある長尺部材の開先継手であっても、溶接開始点から終点まで平滑で欠陥のない良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接が自動で実行でき、溶接を合理化し、工数を低減し、溶接品質を高めることができる。
【００２５】
溶接対象の任意寸法の開先継手に対して、溶接前にその開先形状寸法や溶接の基準条件の入力情報を基にして、多層盛溶接で必要なパス数やパス毎のトーチ位置及び溶接条件を演算及び演算結果の画面表示をすると、任意寸法の多層盛溶接の計画や演算結果の事前把握が可能となり、確定後の演算結果の溶接データを用いて溶接パス毎のトーチ位置及び溶接条件の指令や基本的な溶接動作が可能となる。トーチ位置決めとセンサ座標原点合わせの設定及び結果表示の画面を設けると、溶接前に必要な初層溶接開始点でのトーチ（ワイヤ先端）位置決めとその位置座標の取得及び記憶，センサ座標原点合わせを容易に実行できる。溶接線長さを設定表示させると、溶接の開始点から終了点に到達した位置で溶接動作を終了させることができる。溶接実行中の情報をリアルタイムで表示する画面を設けると、制御されているトーチ現在位置，出力中の溶接条件，検出データを表示画面で視認できる。装置異常や溶接異常が生じた時にその警告表示をすると、溶接動作の強制終了処理、異常回避の操作などを容易に実行でき、装置の操作性及び使い勝手を高めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図２１を参照して、本発明による多層盛溶接方法及び多層盛自動溶接装置の実施形態を説明する。図１は、本発明による多層盛溶接方法を採用した多層盛自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した多層盛自動溶接装置における溶接制御装置１１の内容構成の一例を示すブロック図である。
【００２７】
図１において、一対の厚板長尺部材を突合わせた溶接ワーク１ａ，１ｂは、多層盛溶接が必要なＸ開先継手である。溶接ワーク１ａ，１ｂは、コストが安いガス切断加工法により、事前に開先面を加工し、その開先面同士を突合わせてＸ開先継手を組立てている。このため、加工面の寸法精度や組立てが悪く、溶接すべき継手の長手方向には、開先部２にギャップ変化がある部分とない部分が混在しており、溶接線も曲がりが生じている。長手方向の溶接ワーク１ａ上に設置されたガイドレール３は、溶接台車４の走行を案内する。自走式の溶接台車４には、ワイヤ溶融式の溶接トーチ６と、ワイヤリール７に巻かれている溶接ワイヤ５を溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ送り機構８と、溶接トーチ６を左右・上下方向に任意移動できるトーチ駆動機構９と、開先部２の断面形状を撮像する光切断式センサ１０とを搭載している。
【００２８】
光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より所定距離だけ先行する独立した位置の溶接台車４本体に設置しているため、溶接線左右に揺動（ウィービング動作）させる溶接トーチ６の動きに影響を受けることなく、開先上面の位置で揺れのない開先部の断面形状画像を正しく抽出できる。画像処理置２２は、この断面形状画像を取込み画像処理し、自動溶接の制御で必要な開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，開先部２のギャップ幅またはビード幅，開先肩幅，角度，開先面積，開先表面の段差などの情報を検出する。溶接制御装置１１は、溶接台車４の駆動を制御し、パルス溶接電源１２ａの出力を制御し、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２に検出を指令して検出データを情報処理し、溶接トーチ６位置及び溶接条件を制御し、構成機器を統括管理する。
【００２９】
パルス溶接電源１２ａは、溶接ワイヤ溶融のための高いパルス電流と低いベース電流を交互に繰り返し出力する定電流制御方式または定電圧制御方式または両方併用制御方式のパルス溶接電源であり、溶接トーチ６先端に送給するワイヤ５と溶接ワーク１ａ，１ｂとの間に給電する。パルス溶接電源１２ａは、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であり、パルス電流値またはこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能である。また、パルス溶接の平均電流の出力制御は、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によりなされる。
【００３０】
溶接中のシールドガスは、パルス溶接電源１２ａ及びトーチケーブル介してガスボンベ１６から供給される。ガスボンベ１６は、鋼材溶接の場合、Ａｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ２ ガス入りの混合ガスボンベである。Ａｒ＋ＣＯ２ 混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ２ を加えたＡｒ＋ＣＯ２＋Ｏ２の混合ガスやＡｒ＋Ｏ２ の混合ガスを使用することも可能である。配線ケーブル１３は、パルス溶接電源１２ａと溶接トーチ６及びワイヤ送り機構８を接続しており、配線ケーブル１４ａ，１４ｂは、溶接制御装置１１と溶接台車４，光切断式センサ１０，パルス溶接電源１２ａを接続している。
【００３１】
図２において、操作盤１５ａは、自動運転に必要な初期設定，開先部２の形状寸法，基本溶接条件を入力設定する。画面表示装置１５ｂは、溶接データファイル作成時の入力と演算結果とを表示し、自動溶接時に必要な溶接トーチ位置，溶接条件，センサの検出情報を表示し、その他、自動運転時に必要な情報を表示する。統括制御装置１７はパソコンなどからなり、任意形状寸法の開先部２の多層盛溶接に必要なパス毎の溶接位置や溶接条件を予め決定して登録しておく溶接データファイル１８ｂを自動作成する溶接演算プログラム１８ａと、溶接データファイル１８ｂと画像処理装置２２より取得する検出データとに基づき、溶接パス毎の制御及び多層盛溶接を自動実行する自動運転プログラム１９と、自動溶接で必要な溶接位置演算制御部２０ａ，溶接条件演算制御部２０ｂ，溶接中のデータを記録する制御データ記録ファイル２１ａ，検出データ記録ファイル２１ｂなどを備えている。操作ペンダント２４ｂは、各軸駆動装置２４ａを介して、溶接台車４や溶接トーチ６の移動操作，溶接条件の設定修正の操作に用いられ、溶接前に溶接トーチ６を開始点へ移動させてトーチ（ワイヤ）位置決めし、溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正，溶接停止などができるようにする。
【００３２】
図３は本発明の多層盛溶接方法において、スパッタの発生を抑制するためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す図である。横軸の時間に対する縦軸には、定速送りのワイヤ，パルス電圧の波形，パルス電流の波形，ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。
【００３３】
本発明においては、定速送りのワイヤに同期させて、パルス溶接電源１２ａより高いパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐと低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂを交互に出力させるか、または直流の低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂに高電流のパルス電流
Ｉｐ・電圧Ｖｐのパルス波形を重畳して出力させる。このパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐの期間Ｔｐ中に、溶融させたワイヤ５先端に溶滴２６を形成させ、パルス期間Ｔｐ終了後のベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂの期間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴２６を母材２９側の溶融プール２７へ離脱移行させる１パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させる。ワイヤ溶滴２６の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク２５長を保持するように溶接平均電圧Ｅａを出力させてパルスアーク溶接するので、スパッタの発生を防止でき、良好な溶接ビードを形成できる。
【００３４】
なお、アーク２５長が短かすぎてワイヤ先端の溶滴２６が短絡移行（アーク消滅）してアーク再点弧する時や、ピーク時間が長すぎてアーク力の強いパルス電流Ｉｐの期間Ｔｐ中に溶滴２６が離脱移行する時には、溶滴２６の一部がスパッタ２８となって飛散する。そのスパッタの一部がトーチノズルに付着して堆積すると、ガスシールドの低下による溶接欠陥の発生に至る。
【００３５】
角度の狭いＸ開先継手の溶接では、特にギャップのない部分で裏側まで溶融する深溶け込みと溶接割れ防止が必要であるために、パルス電流Ｉｐ値の出力が高い溶接波形を採用している。例えば、鋼材用の１．２ｍｍ 径のソリッドワイヤに給電すべきパルス電流Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで１溶滴をベース時間前半に移行可能としている。パルス電流Ｉｐ値が５５０Ａ未満の溶接電源では深溶け込み溶接が得られなかった。また、６５０Ａを遥かに越えるような溶接電源はトランス容量が増大することになるので好ましくない。パルスアーク溶接での平均電圧Ｅａと平均電流Ｉａは、
「Ｅａ＝（Ｖｐ・Ｔｐ＋Ｖｂ・Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ）」
「Ｉａ＝（Ｉｐ・Ｔｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ）」
で示される。
【００３６】
平均電流Ｉａは主にベース時間Ｔｂを増減させて可変制御する。ワイヤ送り速度Ｗｆは、その平均電流Ｉａとほぼ比例関係にあるので、同調させて増減し、その溶接中にワイヤ溶滴２６が短絡移行しない程度のアーク長２５を保持するように平均電圧Ｅａを調整すればよい。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源を使用する場合は、パルス電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂの設定によって上記のパルス電流Ｉａ及びベース電流Ｉｂを出力させればよい。このように制御すると、小電流（平均）領域から大電流領域までスパッタのないパルス溶接を良好に実行できる。ここでは、矩形波のパルス波形で説明したが、台形波状，鋸形波状のパルス波形でもよい。
【００３７】
図４は、鋼材板厚Ｔ＝３２ｍｍのＸ開先継手で、角度が６０度と３５度における多層盛溶接を示す図である。角度が６０度と広い従来開先の場合（１）は、表側４パス裏側４パス溶接であるのに対して、角度を３５度に狭くして開先面積を小さくすると、図４（２）に示すようにパス数の少ない表側３パス裏側３パス溶接が可能となる。図中に記載の番号は溶接のパス番号であり、記号のＴは板厚、Ｈは表側の開先深さ、ｈ１は１パス目溶接の初層ビード高さである。
【００３８】
図５は、図４（２）に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順を示す図である。（１）は表側初層の１パス目溶接Ｓ１、（２）は充填層で２パス目溶接Ｓ２、（３）は仕上層で３パス目溶接Ｓ３である。また、（４）は溶接ワークを反転した後の裏側初層の４パス目溶接Ｓ４、（５）は充填層で５パス目溶接Ｓ５、（６）は裏側最後の仕上層で６パス目溶接のビード断面をそれぞれ示している。立て向き上進姿勢や横向き姿勢の場合には、溶接ワークの反転作業が不要となり、下向き姿勢溶接の時より平均電流・電圧を減少させて充填層及び仕上層を溶接することになる。
【００３９】
図６は、本発明の溶接方法で初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。上段は開先部ギャップ検出画像、そのギャップ幅の大きさ（Ｇ＝０，Ｇ＝５ｍｍ）に対応したパルス電流波形，溶接ビード断面を中央に示し、下段にはギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｐと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度とウィービング幅Ｕｗとの関係を示している。すなわち、深溶け込みが必要なギャップのない部分及びその近傍では、平均電流Ｉａが高い約３００Ａを出力させると共に、それに比例関係にある適正な平均電圧Ｅａを出力させる。平均電流Ｉａが高いと、ワイヤ送り速度（溶融速度）Ｗｆが速くなるために、溶接速度Ｖｐを速くして溶接すべき溶着面積（ワイヤ溶着面積）を減少させる。ギャップ幅が大きくなるに従って、平均電流Ｉａを階段状に予め定めた値（例えば２０〜４０Ａ程度）ずつ減少させてアーク力を弱めると共に、それに適した平均電圧Ｅａ及びワイヤ送り速度Ｗｆを出力させ、ウィービング幅を増加させる。溶接速度Ｖｐについては、ギャップ幅が大きくなるに従って溶接すべき溶着面積Ｓ１（溶着量）を増加させる必要があるため、溶接速度Ｖｐをギャップ幅に応じて減少させる。
【００４０】
図７及び図８は、本発明の溶接方法で充填層及び仕上層の溶接条件を制御する状況を示す図である。初層溶接後の充填層の溶接では、残存している開先面積
Ａｓ，ビード幅Ｂｓ，開先肩幅Ｗｓの検出情報を用いる。平均電流Ｉａは初層溶接時より低めであり、ギャップ幅と関係のある開先肩幅Ｗｓ（ギャップなし時のＷｏ＋Ｇ）が大きくなるに従って、階段状に予め定めた値（例えば２０〜４０Ａ程度）ずつ増加させ、ウィービング幅も増加させている。その平均電流Ｉａと比例関係にある適正な平均電圧及びワイヤ送り速度を出力させ、融合不良の防止と開先両壁の溶融を促進している。溶接速度は、開先面積及び開先肩幅の大きさによって増減する溶着面積に対応するように増減させている。
【００４１】
一方、仕上層の溶接では、センサによる開先形状検出が困難となるため、その検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、溶接すべき残存の溶着面積，平均電流，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータをそれぞれ算出して増減出力している。さらに開先表面の段差ｋｓの情報を用いて、この段差ｋｓの高い開先側の方向にウィービングの停止時間を長く、トーチ位置を所定量シフトさせるとよい。このように増減制御することにより、開先面積や開先肩幅が変化するまたは開先表面に段差のある開先継手であっても、開先上面の余盛高さがほぼ均等で溶け込みが良好でアンダーカットのない溶接ビード断面を得ることができる。
【００４２】
図９は、図３に示したパルス溶接及び図６〜図８に示したパス毎の多層盛溶接とにおける平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係を示す図である。両者の間には比例増加する関係の特性を有しており、下記の（１）式及び（２）式で表わせられる。ｋ１，ｋ２はワイヤ定数、ｋ３，ｋ４は電圧定数である。
【００４３】
ワイヤ送り速度：Ｗｆ＝ｋ１・Ｉａ＋ｋ２ …（１）
平均電圧： Ｅａ＝ｋ３・Ｉａ＋ｋ４ …（２）
図１０は、角度が３５度で狭いＸ開先継手（板厚：３２ｍｍ）における初層溶接で重要な開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係を示す図である。図１０の○印の部分が溶け込みの良好な適正領域であり、ギャップ幅が大きくなるに従って、その適正領域は、概ね階段状に低電流側へ移行する結果となっている。特に、ギャップのない（Ｇ＝０）部分の溶接では、約３００Ａ前後の平均電流で裏側まで溶け込む溶接が可能である。しかし、約３３０Ａを越える高電流領域ではワイヤ溶融量の増加によって溶接ビードが高く（ビードの高さと幅の比が大きい）なり、また、溶接速度を増減させても溶接による高温割れ（◆印）が発生し易い。約２７０Ａ未満の電流領域ではアーク力及び溶接入熱の不足によって裏側まで溶かすことができずに溶け込み不足（▲印）となる。ギャップ幅１ｍｍ以上の領域では、高温割れの問題がなくなるが、平均電流及び溶接入熱が高すぎると溶け落ち（●印）やアンダーカットが生じる。その平均電流及び溶接入熱が低すぎると溶け込み不足（▲印）が生じることになる。したがって、溶け良好な適正領域は両者の中間に存在することが分かり、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手で適用可能である。ギャップ幅が広い部分での溶け落ちを確実に防止する一つの手段として、裏側の開先継手内にセラミックス性の裏当て材を設ければよい。
【００４４】
図１１は、ギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｐと平均電流を変化させて初層溶接をした結果を示す図である。溶け込みの良好な適正領域は、溶接速度Ｖｐが５００ｍｍ／ｍｉｎ 前後及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａが２７０Ａ≦Ｉａ≦３３０Ａの範囲の部分に存在することが分かった。
【００４５】
図１２はＸ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと開先面積［Ａｓ＝Ｈ２・ｔａｎ（θ／２）＋Ｈ・Ｇ］、初層の溶着面積Ｓ１及びビード高さの関係を示す図である。溶着面積Ｓ１を増大させる制御をすると、図４（２）及び図５に示したように初層のビード高さｈ１を約８．５±１ｍｍ 範囲に形成できる。この初層溶接後に残存する面積は、図７及び図８に示した充填層と仕上層の溶接とで開先表面まで均等に盛り上げることができる。
【００４６】
したがって、ここでは、ギャップが０（Ｇｏ）の時の基準面積Ｓｏと、センサ側から順次取得する検出データを分類してそれぞれ平均化処理したギャップ幅Ｇｓ値またはギャップ幅Ｇｓと開先角度θｓ両方の値を用いて、溶接すべき溶着面積Ｓ１を（３）式かまたは（４）式より求めるようにしている。ｋ５ はギャップ重み定数、ｋ６ は角度重み定数、θｏは標準角度である。また、その溶着面積Ｓ１に必要な溶接速度Ｖｐ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、平均電流Ｉａと相関関係のあるワイヤ送り速度Ｗｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）及びワイヤ径ｄ（ｍｍ）とから求めることができ、（５）式で示される。ηはワイヤ溶着定数である。
【００４７】
初層の溶着面積：
Ｓ１＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇｓ−Ｇｏ） …（３）
Ｓ１＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇｓ−Ｇｏ）＋ｋ６・ｔａｎ（θｓ−θｏ） …（４）
溶接速度：
Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓ１） …（５）
この他に、ギャップ幅が１ｍｍ以上の領域では開先面両壁の溶融促進と溶け落ち防止を図る必要があるため、溶接トーチを溶接線方向の左右に揺動させるウィービング制御をしている。ギャップ幅Ｇｓの大きさ及び溶接速度Ｖｐに対応したウィービング幅Ｕｗやウィービング周波数ｆｗの増減制御［例えばＵｗ＝Ｇｓ−ｋ１０，ｆｗ＝Ｖｐ／（６０・Ｐｕ）］をする。ｋ１０はウィービングの幅定数、Ｐｕは一往復のピッチである。このようにしてギャップ幅の大きさに対応させて溶接条件パラメータの制御をすると、図６〜図８の各中央にそれぞれ示した溶接ビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４８】
図１３は、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手の多層盛溶接を対象に、表側の初層溶接と裏側の初層溶接、表側と裏側の充填層及び仕上層の溶接でそれぞれ出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一実施例を示す図であり、図６〜図８に示した初層，充填層及び仕上層の各溶接の条件制御に用いている。裏側の初層溶接を行う時には、表側溶接が完了済みで溶け落ちの可能性がないので、ギャップの広い部分でも高めの平均電流を出力させて能率良く確実な完全溶け込みを得るようにしている。表側と裏側の初層溶接では、それぞれギャップ幅範囲別に設定した各々の平均電流を選択して出力させ、その平均電流Ｉａに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを前記の（１）（２）式で計算する。
【００４９】
また、表側または裏側の充填層，仕上層の各溶接を行う時には、ギャップと関係のある開先肩幅範囲別の平均電流Ｉａを選択して出力させる。一定値の平均電流を出力させるように設定することも可能である。そして、溶接中にほぼ一定時間間隔でセンサ側より検出される開先面積（残存面積）Ａｓと開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓまたは前記開先肩幅及びビード幅とを用いて、溶接すべき残存の溶着面積Ｓｐ，溶接速度Ｖｐ，ウィービング幅Ｕｗなどを算出して増減制御する。同時に、開先表面の段差ｋｓを用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置をシフト，ウィービングの停止時間を長くするとよい。
【００５０】
ここでは、溶接パスプラン演算で求めたギャップ０時の充填層及び仕上層での基準面積ＳＧｏ及び最小開先肩幅Ｗｍｉｎ と、検出データの開先肩幅Ｗｓを平均化
Ｗｓ＝（Ｗｓ１＋Ｗｓ２＋…＋Ｗｓａ）／ａ
した値を用いて、開先肩幅の変化に対応した溶接すべき溶着面積Ｓｐを（６）式で求めている。ｋ７ はビード幅重み定数である。或いは開先面積Ａｓと開先肩幅Ｗｓの検出値を用いて、残されている溶接面積［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］を残りのパス数（ｐ−ｎ）で割算する（７）式によって開先面積の変化に対応した溶着面積Ｓｐを求めることができる。ｋ８ は余盛り高さ、ｋ９ は仕上ビード幅定数である。この時の溶接速度Ｖｐは（８）式で求められる。
【００５１】
充填／仕上層の溶着面積：Ｓｐ＝ＳＧｏ＋ｋ７・（Ｗｓ−Ｗｍｉｎ） …（６）
Ｓｐ＝［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］／（Ｐ−ｎ） …（７）
溶接速度：Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓｐ） …（８）
このように計算処理して、溶接条件パラメータをリアルタイムで制御すると、図５に示した溶接パス毎のビード断面のように、良好な溶接部を得ることができる。溶接条件テーブルには、各々の平均電流とその電流に適した各平均電圧Ｅａの両方を編集可能な溶接条件テーブルにして、開先部のギャップや開先肩幅の検出情報に基づいて切り換え出力できるようにしてもよい。このように溶接条件テーブルを事前に準備すると、図６〜図８に示したように溶接条件パラメータを可変制御できる。
【００５２】
一方、対象製品によっては、Ｘ開先継手の開先角度を狭くするができずに、これまでと同様の広い開先角度のままで自動溶接したい要求もあり、これに対応できるようにする必要がある。図１４は、開先角度が５５〜６５度のＸ開先継手の多層盛溶接を対象に、表側の初層溶接と裏側の初層溶接、表側と裏側の充填層及び仕上層の溶接でギャップ幅範囲別及び開先肩幅範囲別に各々出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一実施例を示す図である。開先角度が広いＸ開先継手の場合は、狭いＸ開先継手の初層溶接の時と比べて溶融し易いので、ギャップ幅範囲別に低めの平均電流を設定している。充填層と仕上層の各溶接で用いる開先肩幅範囲別の平均電流は、図１４に示した開先角度の狭い溶接の時と同程度の値を設定している。これらの各値は必要に応じて変更できるようにすればよい。このような溶接条件テーブルを用いると、開先角度の広いＸ開先継手の多層盛溶接が可能となる。
【００５３】
図１５は、鋼材板厚Ｔ＝２０ｍｍ、開先角度が６０度のＸ開先継手で、表側２パス及び裏側２パスが必要な多層盛溶接における初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。上段は開先部のギャップＧ，開先肩幅Ｗｓ，開先面積Ａｓ，段差ｋｓなどの検出画像、中央にはギャップ幅の大きさ（Ｇ＝０，Ｇ＝５ｍｍ）に対応したパルス電流波形，溶接ビード断面を示し、下段にはギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｐと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｆ及びウィービング幅Ｕｗとの関係を示している。初層で溶接すべき溶着断面積Ｓ１は、ギャップが０（Ｇｏ）の時の基準面積Ｓｏを調整した（３）式で求め、また、ワイヤ送り速度Ｗｆと平均電圧Ｅａ及び溶接速度Ｖｐは、（１）（２）（５）式でそれぞれ求めて増減させている。
【００５４】
初層と仕上層とからなる２パス溶接の場合、初層後の仕上層で溶接すべき残存の溶着面積Ｓ２は、充填層がないため、初層溶接時に検出し記録した開先面積Ａｓと開先肩幅Ｗｓとより算出する溶接面積［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］から、既に溶接済みの溶着面積Ｓ１を除いた値となり、（９）式で求められる。また、その時の溶接速度Ｖｐは（１０）で求められる。
【００５５】
充填層のない仕上層の溶着面積：
Ｓ２＝［Ａｓ＋ｋ８・（Ｗｓ＋ｋ９）］−Ｓ１ …（９）
溶接速度：Ｖｐ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗｆ）／（４・Ｓ２）…（１０）
この仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層の初層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、図１４に示した開先肩幅範囲別の平均電流Ｗｓを出力させ、溶接すべき残存の溶着面積Ｓ２，溶接速度Ｖｐ，ウィービング幅Ｕｗ（例えばＵｗ＝Ｗｓ−Ｋ１２）などを算出して増減制御する。同時に、開先表面の段差ｋｓを用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置をシフトさせ、ウィービングの停止時間を長くするとよい。
【００５６】
裏側の初層と仕上層の２パス溶接も、表側の溶接の時と同様に算出して増減制御すればよい。また、開先角度が狭いＸ開先継手の２パス溶接の場合も同様に算出して増減制御すればよい。このように計算処理して、溶接条件パラメータをリアルタイムで制御すると、ギャップ変化や段差があっても、また、角度の広い開先の溶接や角度の狭い開先の溶接であっても、同一の所定パス数で開先表面にアンダーカットのない完全溶け込みの溶接ビード断面を得ることができる。
【００５７】
一方、板厚などの寸法が異なる各々のＸ開先継手に対しても自動溶接ができるようにする必要があるため、ここでは、入力すべき開先寸法と図１３及び図１４に示した平均電流の条件テーブルに基づいて、溶接開始点での基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を溶接演算プログラム１８ａによって演算するようにしている。図１６は、溶接データ演算結果の表示例を示す図である。その演算方法は省略するが、溶接パス毎のトーチ位置の目標値，溶接条件，積層ビードの幅や高さが分かるようになっている。
【００５８】
次に、本発明の溶接制御で使用する光切断式センサによる検出方法の概要について説明する。図１７は、光切断式センサ１０と関連機器の構成を示す斜視図である。光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より先行する開先部２の上部位置にあり、その開先部２を直角に切断する垂直方向にスリット状の光３１ｂを照射するレーザ投光器３１ａと、その反射像を干渉フィルタ３２ｂを介して撮像するカメラ３２ａを備えている。干渉フィルタ３２ｂは特定波長のレーザ光のみを抽出する。２３は投光受光制御器であり、レーザ投光器３１ａとカメラ３２ａを制御すると共に、撮像された光切断画像を画像処理装置２２に送信する。画像処理装置２２は、自動溶接を行う時に必要な開先中心の左右位置ずれΔＹｓ，上下位置ずれΔＺｓ，開先肩幅Ｗｓ，開先面積Ａｓ，開先表面の段差ｋｓ，ギャップＧｓ，ビード幅Ｂｓなどの検出情報を抽出する溶接検出プログラムを内蔵しており、統括制御装置１７からの検出指令と検出結果の報告要求に応答する。光切断式センサ１０の筐体部分は、過熱を防止する水冷構造、支障のある微粒子の侵入を防止するガス流出構造になっており、溶接トーチ６と独立した位置の溶接台車４に固定されている。
【００５９】
図１８は溶接前に行うトーチ位置（ワイヤ先端位置）座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す図である。溶接台車４を駆動して溶接トーチ６を溶接開始点に移動し、図１８（２）に示したようにワイヤ５先端を開先部２の中央部にあるギャップＧの中心位置（●点）に合わせ、そのワイヤ位置を溶接位置座標の原点（Ｙｐ＝０，Ｚｐ＝０）とする。センサ側では、図１８（１）に示したように光切断式センサ１０の設置位置で撮像される開先断面の線画像３３を画像処理装置２２で処理し、ギャップＧｓの中央位置（●点）を検出し、その検出位置をセンサ座標の原点（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）として、左右及び上下方向のトーチ位置ずれを（ΔＹｓ＝０，ΔＺｓ＝０）する。初層溶接の時には、開先肩幅の中心位置を他のセンサ座標の原点（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）として使用することも可能である。溶接の終了位置については、開始点からの溶接線長さ（溶接距離）を入力設定することで、所定の位置で溶接動作を終了させることができる。他の方法として、例えば溶接の終了位置を検知する検知スイッチを溶接台車側かガイドレール側か溶接母材側に設置すると、所定の位置で溶接動作を終了させることができる。
【００６０】
図１９は、画像処理装置２２と一対の光切断式センサ１０で検出する内容を示す図である。光切断式センサ１０で撮像される開先断面の線画像（３３ａ〜ｆ）を画像処理装置２２に取込んで検出項目を抽出する。例えば、開先肩幅Ｗｓは、左右上面の線画像３３ｆ，３３ａと左右の開先斜面の線画像３３ｄ，３３ｂが各々交わる交点（ｄ点とｃ点を結ぶ長さ）の距離で求められる。ｃ点とｄ点の高さ変化が左右の段差ｋｓであり、このｃ点とｄ点の距離を２等分した中点が左右方向の開先中心である。開先斜面の角度が左右異なるまたは加工精度が悪い場合に、開先継手の上部と底部とで中心ずれが生じることになる。それを避けるために、溶接部に近い位置で開先中心を求めている。すなわち、開先の右斜面の線画像３３ｄと開先底部のビード面の線画像３３ｅとが交わる交点（ｂ点）より１ｍｍ程度上の位置に水平線３５を描き、その水平線３５と左右の開先斜面の線画像３３ｄ，３３ｂとが交わる交点（ｊ点とｉ点を結ぶ長さ）の距離を２等分した中点位置（ｆ点）を開先中心とすることで、中心ずれをなくすことができる。この中点位置ｆ点と初期設定時の原点位置（Ｙｓ＝０）との偏差（水平方向の距離）を左右位置ずれΔＹｓとしている。一方、開先底部の上下位置ずれΔＺｓについては、開先底部の最も深い位置（ｅ点）を求め、または開先の左斜面の線画像３３ｂと左底面の線画像３３ｃとが交わる交点ａ点を通る他の水平線と前記ｆ点の垂直線とが交わる交点位置（ｅ点近傍）を求めた後に、初期設定時の原点位置（Ｚｓ＝０）との偏差（垂直方向の距離）を計測して上下位置ずれΔＺｓとしている。上下位置ずれΔＺｓは、前層のビード高さを加算した合計量に相当する値である。また、開先面積Ａｓ（溶接残存面積）は、まだ溶接が残っている部分の開先内の総面積を計測している。
【００６１】
図２０は、溶接すべき開先内に仮付けのある部分とない部分との検出画像を示す図である。図２０（１）に示した仮付け４９のない開先部では、線画像が２本に分かれており、正常なギャップＧｓをして検出できる。これに対して図２０（２）に示した仮付け４９のある開先部では、開先深さＨｓが幾分小さく、前記線画像が底部で一体となっているため、仮付け部４９のビード幅（広い）をギャップＧｓと誤って検出する可能性が高い。なお、この仮付け部のビード幅をギャップとして処理して制御に用いると、溶接速度を減少させて溶着面積が増加する不具合な結果となるおそれがある。
【００６２】
仮付けの有無判別は、線画像の相違または開先深さの相違によって識別することができる。ここでは、この仮付けの有無判別により仮付け４９のない開先部分から検出したギャップ幅Ｇｓを正常値とし、仮付け４９のある開先部分から検出したギャップ幅Ｇｓは異常値と見なして削除している。この異常値の削除後に、その前段階で検出した正常値のギャップＧｓ幅に変換している。このように処理すると、正常なギャップ幅の検出ができ、仮付け部分の溶接を正常に制御することができる。
【００６３】
図２１は、本発明の自動溶接装置の操作盤に表示する画面構成の一実施例を示す図である。（１）は多層盛溶接運転メニュー選択の初期画面５１、（２）は溶接パスプラニングでの継手選択及びパスプラン作成画面５２、（３）はトーチ基準位置取込み画面５３、（４）はセンサ基準位置自動設定画面５４、（５）は溶接線長さ設定画面５５、（６）は自動溶接運転画面５６を示している。装置起動時の初期画面５１には、幾つかのメニュー表示の選択画面があり、所定の番号指定によって、図２１（２）〜（６）に示した各々の画面に移行でき、また、初期画面に戻ることもできるようになっている。操作手順の概要は以下の通りである。まず、１番の溶接パスプラニングを指定すると、同図（２）の画面５２になり、継手選択（Ｘ開先，Ｖ開先），溶接パスプラン新規作成実行，溶接データ登録ファイル開示が行えるようになっている。例えば、溶接パスプラン新規作成実行では、選択した継手用の溶接演算プログラム１８ａが起動し、その開先寸法の入力と図１３，図１４に示した平均電流の条件テーブルを基にして、基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を自動演算する。その演算結果を図１６に示したように表示し、溶接データファイルが作成される。既に登録済みの溶接データファイルを指定（ファイル番号）して呼び出し開示することもできるようになっている。２番指定のトーチ基準位置取込み画面５３では、溶接台車を溶接開始点へ移動させて、図１８（２）に示したように開先内でトーチ位置（ワイヤ先端位置）決めをした後に、トーチ位置取込みを実行すると、溶接制御装置１１側でそのトーチ位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）を取得して結果を表示する。その後に、３番指定のセンサ基準位置自動設定画面５４で実行を指定すると、光切断式センサ１０を溶接開始点へ自動で誘導すると共に、画像処理装置２２側へ検出指令を出して、図１８（１）に示したように開先部のギャップ幅中心と開先肩幅中心でのセンサ基準位置（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）とを合せる。４番指定の溶接線長さ設定画面５５で、溶接の開始点から終了点までの溶接距離Ｘを入力設定する。この距離設定によって溶接の終了点で自動停止できる。溶接スタートエンド条件設定やその他必要な設定をした後に、５番指定で自動溶接運転画面５６となる。この自動溶接運転画面５６では、継手や溶接パス数と溶接すべき現在パス番号の表示，電流や電圧などの出力すべき溶接条件の表示，検出データとトーチ現在位置の表示をする。また、溶接パスの指定と実行の他に、溶接の一時停止や溶接再開も行え、装置異常や溶接異常の発生時には、一時停止をしてその異常の内容表示や警告表示をする。このような操作画面及び表示画面を設けることで、自動溶接運転が可能となるばかりでなく、リアルタイムで変化している溶接及び検出の状況を画面で見ることができる。また、異常の内容表示や警告表示をすることで、異常回避の操作などを容易にし、装置の操作性及び使い勝手を高められる。
【００６４】
図２２は、本発明の多層盛溶接方法における検出動作及び溶接制御動作の実行手順の概要を示す図である。図２１（６）に示した自動溶接運転画面５６で溶接実行を指定すると、実施される内容である。最初に溶接台車４を初期位置６２へ移動させ、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２に検出指令を出し、位置ずれや開先形状寸法を検出させると共に、溶接トーチより先行する位置で取得した検出データの分類及び平均化処理、トーチ位置の修正計算や溶接条件パラメータの補正計算の処理６７を実行する。溶接トーチ６が溶接開始位置６４へ到達した地点で、パルス溶接電源１２ａ側へ指令して溶接開始６５となる。予め定めた溶接スタート条件でアークを発生させた後に、定常の溶接条件に移行する。溶接台車４にはトーチ現在位置要求と結果報告６８をさせている。また、トーチ位置修正及び溶接条件補正の位置６９，７１に到達する毎に、溶接線左右及び上下方向の位置ずれ量ΔＹｍ，ΔＺｍの修正指令７０とウィービング条件の補正指令７２ｂは溶接台車４に送信し、平均電流Ｉａ及び平均電圧Ｅａの補正指令はパルス溶接電源１２ａに送信する。したがって、検出指令６６からトーチ位置の修正計算や溶接条件パラメータの補正計算６７し、それを制御７０，７２ｂ，７２ｃする一連の動作は、ほぼ一定時間間隔で溶接終了位置７５ａに到達するまで繰り返す７５ｂ。溶接終了位置７５ａに到達すると、予め定めた溶接エンド条件で溶接終端処理７６ａをした後に、溶接トーチ６を回避位置へ移動７７する。指定数の溶接パスが完了していなければ、溶接パス更新６１の箇所まで戻り７７ｂ，再び初期位置６２に移動する。溶接パス完了ならば７７ｃ，エンド７８に至る。
【００６５】
このように構成すると、多層盛溶接の自動運転で必要な検出動作及び溶接制御動作を確実に実行できる。ここでは省略しているが、溶接の不具合が認められた時にはオペレータの判断で、トーチ位置ずれの割込み修正，溶接条件パラメータの割込み修正ができるようにしてある。また、溶接の一時停止とその溶接再開もできるので、溶接不具合を回避することが可能になる。
【００６６】
次に、本発明の多層盛溶接におけるトーチ位置の制御方法について説明する。図２３は、溶接線の位置ずれとその位置ずれ検出の概要を示す図である。図２３（１）は初層溶接で目標値とすべき溶接位置（Ｙ１＝０，Ｚ１＝０）と溶接ワイヤ５（トーチ）位置ずれΔＹｍ，ΔＺｍの関係を示し、図２３（２）は光切断式センサによる位置ずれ（ΔＹｓ，ΔＺｓ）、ギャップ幅Ｇｓの検出を示し、図２３（３）はガイドレール３上を走行する溶接台車４と修正すべき溶接線左右の位置ずれΔＹｍの関係を示す。溶接トーチを位置決めした後に、溶接開始点（●点）から溶接台車４が走行する過程で、図１８（３）に示したように開先継手の曲がりやガイドレール３の設置ずれなどによって溶接トーチ６が開先中心の溶接線３６からずれることになる。このような開先継手の溶接を良好に自動で行うためには、位置ずれ（ΔＹｓ，ΔＺｓ）の検出情報を用いて、この位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正する制御が必要となる。
【００６７】
図２４は、図２３に示した溶接線左右方向のトーチ位置ずれを適正に修正する方法の制御ブロックを示す図である。一連の制御動作は、溶接線方向に走行しながらパルス溶接をする溶接トーチ６及び溶接台車４の制御と、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２から検出データ群の取得と、その検出データの分類や平均化の処理や位置ずれ計算３８ａ，３８ｂ，修正値の計算４０と、位置修正の制御指令４１，トーチ現在位置４３の把握などの手順からなり、溶接トーチ６が溶接終了位置に到達するまで繰り返される。修正位置でない時には、他の計算処理４４も実行している。検出データの処理としては、ほぼ一定時間間隔（１〜２秒程度）で取得する検出データ群の中から左右方向の位置ずれΔＹｓの値を抽出する。その位置ずれの検出データ値は、ばらついているおそれがあるので、順次取得した値（ΔＹｓ１，ΔＹｓ２，…ΔＹｓａ）を所定数（例えばａ＝３点から５点）を集めて平均化の処理を（１１）式で実行する。
【００６８】
平均化：ΔＹｓ＝（ΔＹｓ１＋ΔＹｓ２＋…＋ΔＹｓａ）／ａ …（１１）
この平均化処理は古いデータを１つ捨てて新しいデータを１つ加えて平均化する処理を繰り返し、データのバラツキを緩和する。また、修正すべき左右方向の位置修正量ΔＹｍは、トーチ位置の基準値Ｙｐと、平均化の処理をした検出データの算出値ΔＹｓとの偏差となり（１２）式で求めることができる。
【００６９】
左右位置の修正量：ΔＹｍ＝Ｙｐ−ΔＹｓ …（１２）
なお、トーチ位置の目標値Ｙｐは、溶接パス毎の左右位置（Ｙ１，Ｙ２，…
Ｙｐ）の値であり、１層１パスの多層盛溶接の場合（図４）には、表側も裏側も何れの溶接パスも開先中心が目標値となる。さらに、ここでは過剰な修正や過小な修正を避けるため、上限下限領域（ｋ１３≦ΔＹｍ≦ｋ１４）を設けて１回当りの修正量を抑制すると、過剰な修正動作や不要な動きが防止でき、溶接の悪化を防止できる。このように溶接パス毎に所定の検出及び位置修正の計算処理を実行して左右方向のトーチ位置制御をリアルタイムですると、左右方向の位置ずれを解消できる。
【００７０】
一方、上下方向のトーチ位置制御では、検出データ群の中から上下位置ずれΔＺｓの値を順次抽出して平均化の処理［ΔＺｓ＝（ΔＺｓ１＋ΔＺｓ２＋…ΔＺｓａ）／ａ］をした検出データ値を用いる。初層溶接で検出される上下位置ずれの値はギャップ部分の位置ずれである。これに対して、充填層や仕上層の溶接で検出される上下位置ずれの値は、前層までの累計ビード高さを加算したずれ量に該当することになる。溶接パス毎のトーチ上下位置の目標値Ｚｐは、図１２に示した上下位置（Ｚ１，Ｚ２，…Ｚｐ）の値である。したがって、修正すべき上下方向の位置修正量ΔＺｍは、平均化処理した検出データ値ΔＺｓとトーチ上下位置の目標値Ｚｐとの偏差となり（１３）式で求められる。
【００７１】
上下位置の修正量：ΔＺｍ＝ΔＺｓ−Ｚｐ …（１３）
また、上記と同様に、１回当りの修正量を抑制するための上限下限領域
（±Ｃ３≦ΔＺｍ≦Ｃ４）を設けると、過剰な修正動作や不要な動きが防止できる。
【００７２】
このようにして上下方向のトーチ位置制御を上述した左右方向のトーチ位置制御と合せて実行すると、該当する溶接パス毎のトーチ位置ずれをなくし、良好な溶接ビードを得ることができる。溶接パス毎のトーチ位置制御や溶接条件パラメータの増減制御は、溶接開始点から終了位置に到達するまで実行すればよい。また、溶接開始部と溶接終端部のビード形状変化が検出結果に及ぼす影響を抑制するために、これらの制御を溶接開始点より所定距離（例えば１０〜５０ｍｍ）前進した位置から開始して、溶接終了点より所定距離（１０〜５０ｍｍ）手前の位置で可変制御を止める制御に切り換えてもよい。さらに、仕上層の溶接前に前層溶接で開先上面肩の一部が溶かされていて、開先形状の検出が困難な場合には、その前層溶接で検出及び制御されて記憶した検出記録データを再度使用して、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置制御，溶接条件パラメータの増減制御をすると、自動溶接を持続できる。
【００７３】
次に、多層盛溶接で必要なウィービング動作の制御方法について説明する。ギャップ幅又はビード幅Ｂｓが変化する開先部の両壁を確実に溶融させるためには、溶接トーチを溶接線左右方向に揺動させるウィービング溶接の制御が必要である。図２５はウィービング溶接の制御方法を示す図である。図２６はウィービング溶接の制御ブロックを示す図である。また、図２７は開先表面に段差ｋｓがある仕上層溶接でのウィービングの左右停止時間及びトーチ位置の制御方法を示す図である。初層溶接の時は、光切断式センサと一対の画像処理装置で検出されるギャップ幅Ｇｓの平均化処理した情報を用いて、ウィービング条件の増減を制御する。充填層溶接の時は、ビード幅Ｂｓの検出値を平均化処理してもちいる。仕上層溶接の時には、開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓ、開先表面の段差ｋｓの検出値を平均化処理して用いる。ウィービング条件の主な制御項目は、ウィービング幅Ｕｗ，揺動速度Ｖｕ，左右の停止時間ＴＬ，ＴＲであり、溶接トーチ６が修正すべき位置４１に到達した地点で、ウィービング条件の修正制御４７をリアルタイムでする。ここでは溶接速度Ｖｐを増減する制御に合せて、トーチ揺動の１往復のピッチＰｕが一定になるようにＵｗ，Ｖｕの値を計算処理４６する。すなわち、該当する溶接パスで検出されるデータ４５ａの平均化処理をした検出値４５ｂ（ギャップＧｓまたはビード幅Ｂｓまたは開先肩幅Ｗｓ）の大きさに比例してウィービング幅Ｕｗを広くし、揺動速度Ｖｕを速くする。各層別のウィービング幅Ｕｗは（１４）〜（１６）式で求められ、揺動速度Ｖｕは（１７）式で求められる。
【００７４】
初層のウィービング幅 ：Ｕｗ＝Ｇｓ−ｋ１０ …（１４）
充填層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｂｓ−ｋ１１ …（１５）
仕上層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｗｓ−ｋ１２又はＵｗ＝Ｂｓ−ｋ１２ …（１６）
揺動速度：Ｖｕ＝２・Ｕｗ／［（６０・Ｐｕ／Ｖｐ）−（ＴＬ＋ＴＲ）］…（１７）
ただし、ｋ１０，ｋ１１，ｋ１２はウィービングの幅定数である。
【００７５】
仕上層の溶接で、図２７（１）に示したように開先表面左側の段差が高い場合（−ｋｓ＜Ｃ１の時）には、左停止時間ＴＬ（ｓ）を初期値より長く（例えばＴＬ＝ＴＬ＋０．１）し、開先中心のトーチ位置をΔＹｋだけ左側へシフトさせる制御をする。反対に、図２７（２）開先表面右側の段差が高い場合（＋ｋｓ＞Ｃ２の時）には、右停止時間ＴＲ を初期値より長く（例えばＴＲ＝ＴＲ＋０．１）し、開先中心のトーチ位置をΔＹｋだけ右側にシフトさせる制御をする。この仕上層前の充填層の溶接でも、段差ｋｓの情報を用いて、段差の高い開先側の方向にトーチ位置を所定量シフト，ウィービングの停止時間を所定値長くする制御をすることもできる。
【００７６】
このように所定の検出及び位置修正の計算処理を実行し、ウィービング条件の修正制御をすると、溶接パス毎にアンダーカットや融合不良のない溶接ビードが得られる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の多層盛方法及び自動溶接装置によれば、開先部のギャップ変化や段差や溶接線の蛇行など寸法精度の悪い開先継手の溶接構造物であっても、高電流の１パルスで１溶滴を移行させるパルス溶接波形の出力と、ギャップ幅，開先肩幅，段差などの大きさに対応した平均電流，平均電圧，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの条件パラメータの適正制御によって、スパッタの少ない深溶け込み溶接，溶接割れや溶け落ちやアンダーカットのない溶接品質を得ることができる。また、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御によって、溶接線曲がりやレール設置ずれがある長尺部材の開先継手でも、溶接始点から終点まで良好な溶接ビードをパス毎に形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で実行でき、溶接を合理化し、工数を低減し、溶接の品質を高めることができる。さらに、溶接前の設定や結果表示から溶接中の動作表示や異常時の警告表示などの画面表示によって、装置の操作性及び使い勝手を良くできる。本発明の多層盛方法及び自動溶接装置を発電プラントや化学プラントなど厚板溶接構造物へ適用すると、溶接の自動化，合理化，コスト削減などを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多層盛溶接方法を採用した多層盛自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した多層盛自動溶接装置における溶接制装置１１の内容構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の多層盛溶接方法において、スパッタの発生を抑制するためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す図である。
【図４】鋼材板厚Ｔ＝３２ｍｍのＸ開先継手で、角度が６０度と３５度における多層盛溶接を示す図である。
【図５】図４（２）に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順を示す図である。
【図６】本発明の溶接方法で初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図７】本発明の溶接方法で充填層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図８】本発明の溶接方法で仕上層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図９】図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係を示す図である。
【図１０】Ｘ開先継（角度：３５度，板厚：３２ｍｍ）における初層溶接で重要な開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係を示す図である。
【図１１】ギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｐと平均電流を変化させて初層溶接して結果を示す図である。
【図１２】Ｘ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと開先面積及び初層の溶着面積Ｓ１とビード高さとの関係を示す図である。
【図１３】角度の狭いＸ開先継手における表側の初層溶接と裏側の初層溶接と表側と裏側の充填層及び仕上層の各溶接とで出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一例を示す図である。
【図１４】角度の広いＸ開先継手における表側の初層溶接と裏側の初層溶接と表側と裏側の充填層及び仕上層の各溶接とで出力する平均電流Ｉａの溶接条件テーブルの一例を示す図である。
【図１５】角度の広いＸ開先継手における初層溶接の条件を制御する状況を示す図である。
【図１６】溶接データ演算結果の表示例を示す図である。
【図１７】光切断学式センサ１０及び関連機器の構成を示す図である。
【図１８】溶接前にするトーチ位置（ワイヤ先端位置）座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す図である。
【図１９】画像処理装置２２と一対の光切断式センサ１０とにより検出する内容を示す図である。
【図２０】溶接すべき開先内に仮付けのある部分とない部分との検出画像を示す図である。
【図２１】本発明の多層盛自動溶接装置の操作盤に表示する画面構成の一例を示す図である。
【図２２】本発明の多層盛溶接方法における検出動作及び溶接制御動作の実行手順の概要を示す図である。
【図２３】溶接線の位置ずれとその位置ずれ検出の概要を示す図である。
【図２４】図２３に示した溶接線左右方向のトーチ位置ずれを適正に修正する方法の制御ブロックを示す図である。
【図２５】ウィービング溶接の制御方法を示す図である。
【図２６】図２５に示したウィービング溶接方法の制御ブロックを示す図である。
【図２７】開先表面に段差ｋｓがある仕上層溶接でのウィービングの左右停止時間とトーチ位置の制御方法を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…溶接ワーク、２…開先部、３…ガイドレール、４…溶接台車、５…溶接ワイヤ、６…溶接トーチ、８…ワイヤ送り機構、９…トーチ駆動機構、１０…光切断式センサ、１１…溶接制御装置、１２ａ…パルス溶接電源、１５ａ…操作盤、１５ｂ…画面表示装置、１７…統括制御装置、１８ｂ…溶接データファイル、２２…画像処理装置、２３…投光受光制御器、２４ａ…各軸駆動装置、２５…アーク、２６…ワイヤ溶滴、３１ａ…レーザ投光器、３１ｂ…スリット光、３２ａ…カメラ、３２ｂ…干渉フィルタ、３３…開先形状の線画像。
Claims (10)
- 溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分を有し、突合わせ部にギャップがある開先継手に対して、前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，仮付けの有無，開先中心の左右及び上下位置ずれ量の少なくとも１つを検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、パルス溶接電源と、溶接制御装置とを用いて多層盛溶接する多層盛溶接方法において、
初層のパルス溶接で用いるギャップ幅範囲別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、
初層溶接を実行する時は、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を用い、開先中心の左右及び上下位置ずれの検出情報に基づいて、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、前記ギャップ幅に関係する溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１に記載の多層盛溶接方法において、
初層溶接動作時には、仮付けのない開先部分から検出したギャップ幅を正常値とし、仮付けのある開先部分から検出したギャップ幅は異常値と見なして削除し、または前記異常値の削除後に、前回検出した正常値のギャップ幅に変換して正常値と見なし、このギャップ幅の検出情報に基づいて、初層の溶接条件パラメータを各々算出して増減制御することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１に記載の多層盛溶接方法において、
充填層のパルス溶接で用いるビード幅範囲別または開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群または所定値の平均電流を条件テーブルに設定し、前記充填層の溶接を実行する時には、仮付けのない部分とある部分とで変化している残存の開先面積と、ビード幅または開先肩幅またはビード幅及び開先肩幅とを用い、開先中心の左右及び位置ずれ，上下位置ずれの検出情報に基づいて、
ビード幅または開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、または所定値の平均電流及び平均電圧を出力させ、充填層で溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１に記載の多層盛溶接方法において、
仕上層のパルス溶接で用いる開先肩幅別の複数の平均電流群または電流群及び平均電圧群を条件テーブルに設定し、前記初層または充填層の溶接後に仕上層の溶接を実行する時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出及び制御に用いた検出記録データを再度用い、
前記開先肩幅の大きさに対応した平均電流及び平均電圧を階段状に増減出力させ、仕上層で溶接すべき残存の溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項３または４に記載の多層盛溶接方法において、
前記充填層と仕上層または仕上層の溶接を実行する時には、さらに開先表面の段差の検出情報を用い、前記段差の高い開先側の方向にトーチ位置を所定量シフト，ウィービングの停止時間を所定値長くすることを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の多層盛溶接方法において、
前記厚板長尺部材の開先継手は、完全溶け込み溶接が必要なＸ開先継手であって、表側と裏側の各初層溶接は、深溶け込みが必要なギャップのない部分では、裏ビードの形成可能な高めの平均電流を出力させ、開先両壁面の溶融が必要なギャップ変化のある部分では、前記ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ減少するように出力させ、溶着面積の増加に必要な溶接速度を減少する制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御とを実行し、
前記初層溶接後の充填層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させまたは所定値の平均電流を出力させ、仕上層の溶接では、開先肩幅が大きくなるに従って平均電流を予め定めた値ずつ増加するように出力させ、前記充填層及び仕上層別にそれぞれ溶接すべき残存の溶着面積の増減計算に対応した溶接速度の増減制御と、溶接トーチのウィービング幅を増加する制御と、開先表面の段差が高い開先側のウィービング停止時間を予め定めた値だけ長くする制御とを実行することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の多層盛溶接方法において、
開先角度の狭いＸ開先継手または開先角度の広いＸ開先継手の各溶接を選択可能とし、前記Ｘ開先継手の表側の初層溶接と、裏側の初層溶接と、初層溶接後の充填層の溶接と、仕上層の溶接とで各々出力すべきギャップ範囲別，開先幅範囲別の複数の平均電流群を溶接条件テーブルにそれぞれ設けたことを特徴とする多層盛溶接方法。 - 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の多層盛溶接方法において、
開先部の断面形状画像を処理する画像処理装置に接続している光切断式センサを溶接トーチ前方の開先上面に設置し、溶接前に溶接開始点でトーチ先端のワイヤ位置決めとセンサ座標の基準原点とを合わせ、
初層と充填層の溶接動作時には、前記画像処理装置と一対の光切断式センサとにより、溶接トーチより先行する位置でほぼ一定時間間隔で取得する断面形状画像を処理し、ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積，開先表面の段差，開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれの値をそれぞれ検出し、検出したデータを溶接制御装置側で分類，異常値の削除及び平均化の処理をして用い、仕上層の溶接動作時には、センサの検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、
初層と充填層及び仕上層の溶接パス毎に溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅などの溶接条件パラメータを算出して増減制御し、溶接線左右及び上下方向の位置ずれを修正制御することを特徴とする多層盛溶接方法。 - 溶接すべき一対の厚板長尺部材を突合わせた継手部の溶接線内に複数の仮付け部分があるまたは溶接線が蛇行するまたはギャップ幅や開先断面積が変化することもある開先継手に対して、
前記開先継手の溶接線方向に設置されたガイドレール上を走行し、ワイヤ溶融式の溶接トーチとトーチ駆動機構と開先部のギャップ幅，開先中心の左右及び上下位置ずれ量などを検出するセンサとを搭載した自走式の溶接台車と、
少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値またはこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能であると共に、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御によってパルス溶接の平均電流，平均電圧の増減制御が可能なパルス溶接電源と、
前記センサから得られる断面形状画像を処理して開先中心の左右位置ずれ，上下位置ずれ，ギャップ幅，ビード幅，開先肩幅，開先深さ，角度，開先面積及び開先表面の段差を検出する画像処理装置と、
開先角度が狭い開先継手と広い開先継手の各溶接を選択可能とし、前記開先継手の初層と充填層及び仕上層の各溶接別に使用する平均電流や平均電圧，溶接中の各計算処理で使用する溶接データを格納するデータファイルと、
溶接及び検出動作中に前記画像処理装置からリアルタイムで取得する検出データを分類，異常値の削除及び平均化の処理をする検出データ処理手段と、
溶接トーチの左右位置ずれ及び上下位置ずれの修正量，ワイヤ送り速度と溶接すべき溶着面積，溶接速度，ウィービングの幅や停止時間などの溶接条件パラメータの増減量をそれぞれ算出して、トーチ位置の修正制御，溶接条件パラメータの適正制御を溶接台車及びパルス溶接電源にそれぞれ実行させる溶接処理手段とを有する溶接制御装置とからなる多層盛自動溶接装置。 - 請求項９に記載の多層盛自動溶接装置において、
溶接前にトーチ位置決めとセンサ座標の原点合わせの設定状況及び結果を表示し、溶接線長さの設定情報を表示し、溶接中にリアルタイムで変化するトーチ現在位置，出力中の溶接条件，検出データの情報を表示し、装置異常や溶接異常が生じた時に警告を表示する画面表示手段を溶接制御装置に設けたことを特徴とする多層盛自動溶接装置。
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