JPH06277843A - 多層溶接方法および多層溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接欠陥を形成することなく、精度良く自動
溶接を行なうこと。 【構成】 溶接継手部３０に対して直行する方向に並ん
で配置された一対の非溶接センサ２７ａ，２７ｂを、ロ
ボット２１のハンド部２５により溶接継手部３０に沿っ
て移動させて、溶接継手部３０の断面形状を測定する。
溶接継手部３０の断面形状のうち、一番深い位置を溶接
継手部に沿って連結したライン上に、溶接トーチ２６を
ハンド部２５により移動させる。この溶接トーチ２６に
よって、溶接継手部３０にビード２０の層を形成し、こ
のようにして多層溶接を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接継手部（開先部）
を多層溶接する多層溶接方法および多層溶接装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の多層溶接装置を図８に示す。図８
に示すように従来溶接装置はロボット２１と、ロボット
コントローラ４２と、溶接電源４３とを備えている。更
にロボット２１は、溶接トーチ２６およびこれから数セ
ンチ離れた接触式センサ２７を保持するハンド部２５を
有している。このセンサ２７は、上下と左右の２軸の変
位置を検出することが可能であり、溶接時にセンサ２７
を開先部３０に接触させ、ロボット２１のハンド部２５
を移動させることにより、センサ２７が開先部３０を倣
ってセンサ２７の変位量（移動量）が検出されるように
なっている。また、この変位量が溶接トーチ２６の位置
データとしてロボットコントローラ４２により定めら
れ、開先部３０に溶接トーチ２６が位置決めされ溶接さ
れる。

【０００３】第１層目の溶接時は、開先部３０の最も深
い溝部をセンサ２７が溶接トーチ２６の前方で倣い位置
検出し、これを溶接トーチ２６の位置データとする。し
かしながら第２層目からは、溝部が溶接ビード２０で埋
まることから、センサ２７による位置検出はできなくな
る。すなわち第２層目以降は、第１層目を溶接した時の
位置データをもとに、開先部の図面により多層溶接の層
数と、その層の溶接順番をロボットコントローラ３２に
プログラム入力することにより溶接トーチ２６の位置デ
ータを定め、多層盛り溶接を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような溶接方法
では、第１層目での位置データーをその後の多層溶接の
位置データとしているために、溶接途中で溶接の熱によ
り開先部の形状が変形して精度良く溶接することができ
ないことがある。また開光加工が一般にグラインダーで
行われるため、数ミリの誤差があったりする場合、図面
寸法通りに精度良く溶接することができないことがあ
る。上述した不具合を無視して、予め層数や順番をロボ
ットコントローラ２にプログラム入力して自動溶接を行
うと、層数が多すぎたり、開光部３０からビードがあふ
れたり、層の順番が適切でないことがある。このため、
良好な自動溶接ができないという問題がある。この場
合、これらの欠点をおぎなうために、人の監視を必要と
し溶接途中で前述の不具合が生じないように、溶接を止
めてプログラムの変更を行う対策をしなくてはならな
い。

【０００５】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、精度良く多層の溶接を行うことができる多
層溶接方法および多層溶接装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶接継手部に
対して直交する方向に並んで配置された一対の非接触セ
ンサを溶接継手部に沿って移動させ、前記溶接継手部の
各断面形状を測定する工程と、測定された溶接継手部の
各断面形状のうち、一番深い位置を溶接継手部に沿って
連結したライン上に溶接トーチを移動させて溶接継手部
にビード層を形成する工程とを備え、上述の断面形状の
測定工程およびビード層形成工程を順次繰り返すことに
より、溶接継手部に多層ビードを形成することを特徴と
する多層溶接方法、および溶接継手部に対して直交する
方向に並んで配置され、溶接継手部の断面形状を測定す
るための一対の非接触センサと、この一対の非接触セン
サを溶接継手部に沿って移動させるセンサ駆動機構と、
溶接継手部上にビード層を形成する溶接トーチと、この
溶接トーチを溶接継手部に沿って移動させるトーチ駆動
機構と、前記一対の非接触センサからのデータに基づい
て溶接継手部の各断面形状を求めるとともに、この断面
形状のうち一番深い位置を溶接継手部に沿って連結した
ライン上を前記溶接トーチが通過するよう前記トーチ駆
動機構を制御する制御装置と、を備え、溶接継手部に多
層ビードを形成するための多層溶接装置である。

【０００７】

【作用】本発明によれば、溶接継手部に対して直交する
方向に並んで配置された一対の非接触センサを溶接継手
部に沿って移動させることにより、溶接継手部の断面形
状のうち、例えば一方の斜面部を一方の非接触センサ
で、他方の斜面部を他方の非接触センサで検出すること
ができ、このため、溶接継手部の断面形状全体を精度よ
く測定することができる。また、測定された溶接継手部
の各断面形状のうち、一番深い位置を連結したライン状
に溶接トーチを移動させてビード層を形状することによ
り、断面形状のうち最も窪んだ所を選定して多層溶接を
行うことができ、各層の溶接ビードの表面を全体になだ
らかにすることができる。また溶接ビードに深い窪みが
発生することはなく、溶接欠陥をなくすことができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

【０００９】図１乃至図７は、本発明による多層溶接方
法および多層溶接装置の一実施例を示す図である。図１
および図２において、符号２１はロボットであり、ロボ
ット２１はハンド部２５を有し、このハンド部２５は溶
接ビード２０を形成するための溶接トーチ２６を保持し
ている。ハンド部２５と溶接トーチ２６は、各々ケーブ
ル３４によってロボットコントローラ２２と溶接電源に
接続されている。さらに、ロボットコントローラ２２
は、パソコン２４にケーブル３４によって接続されてい
る。ロボット１の先端に設けられたハンド部２５には、
溶接トーチ２６に隣接して、溶接継手部（開先部）３０
を測定一対の光センサ２７ａ，２７ｂが保持されてい
る。一対の光センサ２７ａ，２７ｂは、開先部３０に沿
った垂直面Ｔの一方側および他方側に各々対象に設けら
れ、一対の光センサ２７ａ，２７ｂから開先部３０への
光線と、垂直面Ｔとのなす角は各々１５°となっている
（図５）。

【００１０】図５に示すように、ハンド部２５に保持さ
れた一対の光センサ２７ａ，２７ｂは、開先部３０の被
溶接物である母材２８の上方で、ハンド部２５に設けら
れた上下移動モータ３１と左右移動モータ３２とによっ
て微調整される。また一対の光センサ２７ａ，２７ｂ
は、溶接時において開先部３０の断面形状を測定するよ
うになっている。すなわち一対の光センサ２７ａ，２７
ｂからの測定データはロボットコントローラ２２からパ
ソコン２４に送られてデータ処理されて断面形状が求め
られる。そしてパソコン２４において、断面形状の最も
深い位置と、溶接される予定部分の溶接断面積の情報が
求められる。次にこの最も深い位置と溶接断面積がパソ
コン２４から、ロボットコントローラ２２に送られ、ロ
ボットコントローラ２２によってハンド部２５に保持さ
れた溶接トーチ２６の位置決めが行われる。

【００１１】なお、ハンド部２５は一対の光センサ２７
ａ，２７ｂと溶接トーチ２６の両方の駆動機構として機
能する。また、ロボットコントローラ２２とパソコン２
４とによって制御装置が構成され、ロボットコントロー
ラ２２によってハンド部２５を開先部３０に沿って移動
させるようになっている。またロボットコントローラ２
２によって、上下移動モータ３１および左右移動モータ
３２が駆動され、一対の光センサ２７ａ，２７ｂの微調
整が行われる。

【００１２】上述のように開先部３０の断面形状は、垂
直面Ｔに対して１５°傾けて対象に配置された一対の光
センサ２７ａ，２７ｂから、開先部３０の母材２８へレ
ーザ光を投光し、その反射光に基づいて三角測量法を用
いて距離計測を行うことにより求められる。母材２８の
表面が光沢面であって、レーザ光と母材との投光角度が
小さいと、反射光が一対の光センサ２７ａ，２７ｂへも
どる光量が少なくなり誤測定や測定不可になることがあ
る。

【００１３】本発明の場合、図５および図６に示すよう
に、一対のセンサ２７ａ，２７ｂにより互いに対称の角
度からレーザ光を投光して受光することによって、特に
光量不足となる開先部３０の斜面部または溶接ビード２
０の凹凸を精度良く測定することができる。すなわち一
方の光センサ２７ａによってレーザ光の投光角度が大
（反射光量が大）となる例えば開先部３０の一方の斜面
部までの距離を測定し、他方の光センサ２７ｂによって
レーザ光の投光角度が大となる他方の斜面部までの距離
を測定する。そして、一対の光センサ２７ａ，２７ｂで
得られた画像３５ａ，３５ｂをロボットコントローラ２
２を介してパソコン２４に各々入力し、パソコン２４に
よって２方向で得られた画像を合成する。このようにし
て、精度良く開先部３０の断面形状を測定することがで
きる。

【００１４】次に一対の光センサ２７ａ，２７ｂについ
て詳述する。

【００１５】図５に示すように、この一対の光センサ２
７ａ，２７ｂは、上下移動モータ３１と左右移動のモー
タ３２によって駆動され、一対の光センサ２７ａ，２７
ｂのゼロ基準が、常に測定対象面となるようにロボット
コントローラ２２が上下移動モータ３１および左右移動
モータ３２を制御する。

【００１６】このため一対の光センサ２７ａ，２７ｂと
母材２８の距離の測定値は、上下移動モータ３１による
一対の光センサ２７ａ，２７ｂの移動量がその値とな
る。このように一対の光センサ２７ａ，２７ｂと母材２
８との間の距離を求めることにより、数１０ｍｍの測定
範囲の光センサ２７ａ，２７ｂを用いて、測定範囲より
大きい開先部３０の形状を精度良く測定することができ
る。

【００１７】一対の光センサ２７ａ，２７ｂは、レーザ
光を用い、母材２８からの反射光を利用して開先部３０
の断面形状を測定しているため、溶接時において溶接ト
ーチ２６からのアーク光がレーザの反射光量に影響を与
え測定誤動作を発生することが考えられる。

【００１８】そこで本実施例では、溶接時に開先部３０
の測定を行なうことなく、溶接ビード２０の各層を形成
した後、最初の位置まで溶接トーチ２６をハンド部２５
により戻す工程で、一対の光センサ２７ａ，２７ｂによ
り開先部を測定する。次にパソコン２４によって開先部
３０の断面形状を求め、ロボットコントローラ２２にこ
の断面形状データとして記憶させる。その後、溶接時に
このデータを使用して溶接を行う。

【００１９】次にこのような構成からなる本実施例の作
用について図３、図４および図７を参照して説明する。
図７は本実施例の作用を示すフローチャートである。

【００２０】まず、図３および図４に開先部３０におけ
る多層溶接の順番を示す。図３および図４に示すよう
に、パソコン２４の画面に開先部３０の断面形状が表示
される。ハンド２５によって溶接トーチ２６が開先部３
０に沿って移動して、ビード２０の第１層１が形成され
る。次に、一対の光センサ２７ａ，２７ｂによって開先
部３０が測定され、パソコン２４で開先部３０の断面形
状が求められる。次に、パソコン２４によって開先部３
０の断面形状の深さが計測され、深いところが２ケ所同
時に計測されると、予め特定された側を優先するルール
に基づいて例えば数字２のビード２０を溶接することが
決定される。このようにして、ハンド部２５によって溶
接トーチ２６が開先部３０に沿って移動し、ビード２０
の第２層２が形成される。次に、一対の光センサ２７
ａ，２７ｂにより開先部３０が計測され、パソコン２４
によって開先部３０の断面形状の深い位置が求められ
る。次に溶接トーチ２６によってビード２０の第３層３
が形成される。この様に常に、溶接トーチ２６によって
形成される。ビード２０の層は、各開先部３０の断面形
状のうち最も深い距離ｌにある点を開先部３０に沿って
連結したライン上に形成される。

【００２１】このような順序でビード２０の第５〜第８
層５，６，７，８を形成した後、開先部３０の計測デー
タによりビード２０の第７層７および第８層８とを比較
をし、最も深い位置を求める。最も深い位置を２ケ所同
時に検出した場合（図３において第５層５と第７層７の
交点の黒丸および第７層７と第８層８の交点の黒丸を参
照）、母材２８に近い側を優先するルールに基づいてビ
ード２０の第９層を形成する。

【００２２】ビード２０の各層が形状された後の開先部
３０の断面形状から、最も深い距離ｌと溶接すべき溶接
断面積Ｓがパソコン２４で計算され、表示される。

【００２３】図４に示すように、この溶接断面積を求め
る計算は、次のように行なわれる。すなわち開先部３０
の各断面において、等間隔（本装置では１ｍｍピッチ）
に深さｌ₁ ，ｌ₂ ，………となる各点を直線で結び、囲
まれた各ブロックの面積の和を溶接すべき開先部３０の
溶接断面積Ｓとする。

【００２４】開先部の各断面形状において、最も深い距
離ｌと溶接断面積Ｓが、全域で０またはマイナス値にな
った時点で溶接は完了したものと判断し、上述の多層溶
接作業が終了する。

【００２５】なお、開先加工がされていない溶接継手の
一種である隅肉溶接の場合、予め溶接前に最終の多層溶
接部の断面形状をパソコン２４を介してロボットコント
ローラ２２に記憶させておく。そして、各層の溶接を行
うごとに測定した溶接継手部の断面形状の測定値と、予
め記憶された最終の値とを比較し、溶接断面積Ｓまたは
最も深い距離ｌが０又はマイナスになった時点で溶接作
業を完了させる。

【００２６】以上説明したように本実施例によれば、開
先部３０に沿った垂直面Ｔに対して対称に一対の光セン
サ２７ａ，２７ｂを設け、一対の光センサ２７ａ，２７
ｂからのレーザ光反射光量が高い状態の距離信号を合成
することにより、外部からの光（アーク光や太陽光）に
対して、安定した形状測定することが出来る。また開先
部３０の断面形状のうち最も窪んだ所を選定して多層溶
接を行うために、各層での溶接ビードの表面は全体的に
なだらかになる。このため溶接ビードに極端に深い窪み
が発生することはなく、また深い窪み部での溶接におい
て多発する溶接不良（溶接欠陥）をなくすことができ
る。

【００２７】さらに開先部３０の断面形状を常に計測し
ているため、熱変形により開先部３０の断面積が途中で
縮まり小さくなった場合でも、溶接断面積が０又はマイ
ナスの時点で溶接を完了するので、従来の溶接のように
小さくなった分だけ溶接ビードが盛り上ることはなく、
形状に即した安定した溶接を行なうことができる。また
一対の光センサ２７ａ，２７ｂは、光センサ２７ａ，２
７ｂのゼロ基準が測定面となるよう追従移動制御される
ので、測定範囲の小さい（数センチ）の光センサ２７
ａ，２７ｂを使用することが可能となる。例えば、一般
に測定精度０．１ｍｍ以上の高精度センサは測定範囲が
数センチであるが、本実施例によれば、このような高精
度センサを用いることができ、さらに一対の光センサ２
７ａ，２７ｂによる測定を、アーク光等がない時に行う
ことができ、アーク光の光による影響、高周波ノイズ等
も無視出来、これらの対策をせずに高精度に測定可能と
なる。

【００２８】次の他の実施例について説明する。上記実
施例では一対の光センサを対称に角度を付けて設けた
が、これに限らず一個の光センサとミラーを用いて対称
的な角度から溶接継手部の断面形状を測定することが考
えられる。

【００２９】また、上記実施例ではレーザ光により溶接
継手部の断面形状を検出したが、レーザ光を用いる光セ
ンサのかわりに、一対の傾斜して配置したＴＶカメラ
（ＣＣＤカメラ）を使用し、これにより得た溶接継手部
の断面形状の画像データから最も深い位置を検出し、次
層の溶接のための溶接トーチの位置決めデータとするこ
ともできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
溶接継手部に対して直行する方向に並んで配置された一
対の非溶接センサによって溶接継手部の断面形状を測定
することにより、溶接継手部の傾斜面および凹凸面に対
しても、精度良くその断面形状を求めることができる。
また溶接継手部の断面形状のうち、一番深い位置を連結
したラインに沿ってビード層を形成するので、溶接欠陥
のない精度の良い自動溶接を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多層溶接方法および多層溶接装置
を示す全体システム図。

【図２】ロボットのハンド部の拡大斜視図。

【図３】溶接継手部の断面形状を示す図。

【図４】溶接継手部の断面形状から溶接断面積を求める
説明図。

【図５】光センサにより溶接継手部の断面形状を測定す
る状態を示す図。

【図６】光センサからの信号に基づいて溶接継手部の断
面形状を求める状態を示す図。

【図７】本発明の作用を示すフローチャート。

【図８】従来の多層溶接方法および多層溶接装置を示す
全体システム図。

【図９】ロボットのハンド部の拡大斜視図。

【符号の説明】

２０ ビード ２１ ロボット ２２ ロボットコントローラ ２４ パソコン ２５ ハンド部 ２６ 溶接トーチ ２７ａ，２７ｂ 光センサ ２８ 母材 ３０ 溶接継手部（開先部）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接継手部に対して直交する方向に並んで
   配置された一対の非接触センサを溶接継手部に沿って移
   動させて、前記溶接継手部の断面形状を測定する工程
   と、 測定された溶接継手部の各断面形状のうち、一番深い位
   置を溶接継手部に沿って連結したライン上に溶接トーチ
   を移動させて溶接継手部にビード層を形成する工程とを
   備え、 上述の断面形状の測定工程およびビード層形成工程を順
   次繰り返すことにより、溶接継手部に多層ビードを形成
   することを特徴とする多層溶接方法。
2. 【請求項２】断面形状の測定工程の後、各断面形状から
   溶接すべき溶接断面積を求め、溶接継手部に沿った溶接
   断面積が全てゼロかまたはマイナス値となった場合に、
   溶接作業を停止する工程を更に備えたことを特徴とする
   請求項１記載の多層溶接方法。
3. 【請求項３】溶接継手部に対して直交する方向に並んで
   配置され、溶接継手部の断面形状を測定するための一対
   の非接触センサと、 この一対の非接触センサを溶接継手部に沿って移動させ
   るセンサ駆動機構と、 溶接継手部上にビード層を形成する溶接トーチと、この
   溶接トーチを溶接継手部に沿って移動させるトーチ駆動
   機構と、 前記一対の非接触センサからのデータに基づいて溶接継
   手部の各断面形状を求めるとともに、この断面形状のう
   ち一番深い位置を溶接継手部に沿って連結したライン上
   を前記溶接トーチが通過するよう前記トーチ駆動機構を
   制御する制御装置と、 を備え、溶接継手部に多層ビードを形成するための多層
   溶接装置。