説明

タンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システム

【課題】例えば、先行電極は、小振幅のウィービング溶接を行い、後行電極は大きな振幅のウィービング溶接を行いたい場合があったとしても、従来のタンデムアーク溶接では、溶接トーチを一体のものとしてウィービングを行うのみであるので、先行電極と後行電極のウィービング振幅を変えてウィービングを行うことができない。
【解決手段】先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、動作プログラムによって所定の動作を行い、所定の溶接条件で溶接対象物を溶接するタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムに関する。
【背景技術】
【0002】
各種溶接構造物の製造において、高溶着溶接を行うことにより、生産性の向上を図っている。近年では、さらにこれを進めるため、1本の溶接トーチから2本の溶接ワイヤを送給する2電極一体型の溶接トーチ(以下、「タンデムトーチ」と呼ぶ。)や、1本の溶接ワイヤを送給する単電極溶接トーチを2つ近接して配置して使用する溶接法が採用されている。これらは、タンデムアーク溶接と呼ばれている。
【0003】
通常、生産現場で使用されている溶接システムは、溶接ロボットのマニュピレータ等の溶接トーチを搭載して移動する装置を中心に構成されている。そして、動作プログラムに従って所定の速度で所定の動作を行い、所定の溶接制御を実行することで、自動溶接を行う。このことは、タンデムアーク溶接を行う溶接システムにおいても同様である。その場合、タンデムアーク溶接を行う部分では、2本の溶接ワイヤが、溶接対象の溶接線に対して、概ね前後に並ぶ位置関係となるように、動作プログラムが作成されている。
【0004】
図1は、タンデムトーチ50を使ったタンデムアーク溶接システムの機器構成例を簡略化して示している。図1を用いて、タンデムアーク溶接システムの概略構成およびその動作について説明する。タンデムトーチ50は、図示しない溶接ロボットのマニュピレータに搭載されており、溶接対象ワーク60の所定溶接部に沿って移動動作する。溶接ロボットのマニュピレータは、制御器20に接続されている。
【0005】
制御器20には、溶接機30と溶接機40の2台の溶接機が接続されている。溶接機30と溶接機40には、各々に、図示しない溶接ワイヤ送給装置が接続されており、図示しない溶接ワイヤ各々1本ずつ計2本がタンデムトーチ50に供給される。タンデムトーチ50内では、2本の溶接ワイヤは、図示しない2つのコンタクトチップに貫通して供給されている。
【0006】
各コンタクトチップは、パワーケーブル31とパワーケーブル42を介して溶接機30と溶接機40の出力端子に接続されており、溶接機30と溶接機40からの電力が各溶接ワイヤに供給される。溶接対象ワーク60はアースケーブル32とアースケーブル41を介して溶接機30と溶接機40のアース端子に接続されている。溶接ワイヤと溶接対象ワーク60との間にアークが発生することにより溶接電流が流れる回路が形成される。
【0007】
制御器20は、動作プログラムおよび溶接条件を保持しており、動作プログラムに従って、適時、制御線33と制御線43を介して、溶接機30と溶接機40に対して指令やパラメータの転送を行う。溶接機30と溶接機40は、各々に接続された溶接ワイヤ送給装置を制御することにより、制御器20から指令されたパラメータに見合ったワイヤ送給量で各溶接ワイヤを供給する。このようにして、タンデムアーク溶接システムは、溶接対象ワーク60の所定箇所に所定の溶接を行う。
【0008】
次に、図2を用いて、タンデムアーク溶接を行っている様子について説明する。図2は、タンデムトーチ50(図1参照)により、図2の右から左の方向(図中の矢印方向)にタンデムアーク溶接を行っている様子を示している。以下、溶接方向に対して前方にあるものには「先行」、後方にあるものには「後行」という言葉をつけて説明する。
【0009】
図2において、タンデムトーチ50のノズル58内に、2つのコンタクトチップ、すなわち先行コンタクトチップ51と後行コンタクトチップ52が、配置されている。先行コンタクトチップ51には先行溶接ワイヤ53が供給され、後行コンタクトチップ52には後行溶接ワイヤ54が供給されている。
【0010】
溶接ワイヤは、コンタクトチップから所定長さ突き出している。溶接ロボットは、その溶接ワイヤの先端の所定長さに相当する位置に制御点を設けて、制御を行っている。一般に、溶接ワイヤを電極とも呼ぶので、以下では、先行溶接ワイヤ53を先行電極53、後行溶接ワイヤ54を後行電極54と呼ぶことにする。なお、先行電極53の先端の制御点と後行電極54の先端の制御点間の距離を電極間距離と呼ぶ。
【0011】
図2において、先行電極53は、先行コンタクトチップ51を介して先行電極用の溶接機30あるいは溶接機40から電力供給を受け、先行電極53と溶接対象ワーク60との間に先行アーク55を発生させる。そのアーク熱により先行電極53および溶接対象ワーク60が溶融し、溶融プール61に溶融金属が供給される。
【0012】
同時に、後行電極54は、後行コンタクトチップ52を介して後行電極用の溶接機30または溶接機40から電力供給を受け、後行電極54と溶接対象ワーク60との間に後行アーク56が発生する。そのアーク熱により後行電極54および溶接対象ワーク60を溶融し、溶融プール61に溶融金属を供給する。
【0013】
先行電極53と後行電極54は、連続的に送給され、かつ、タンデムトーチ50が所定の速度で移動していくことにより、溶融プール61を移動させる。その後方では、溶融金属が固まり溶接ビード62を形成する。このようにして、溶接プロセスが実施される。
【0014】
タンデムアーク溶接において、先行電極が行う溶接と後行電極が行う溶接には、溶接プロセスの中での各々の異なる役割がある。1つの例としては、図2において、先行電極53から発生している先行アーク55により形成される溶融プール61の溶融金属は、先行アーク55のアーク力によって後方へ流れていこうとする。一方、後行電極54から発生している後行アーク56のアーク力がこれを前方に押し返し、このバランスによって溶融プール61を安定させている。この他にも溶け込みに対する寄与の仕方や、溶接ビード62の形状に対する寄与の仕方にも各々の役割がある。このように、両電極は同じ溶接を行っているわけではないので、異なる溶接条件パラメータを溶接機30と溶接機40に与えて溶接を行う必要がある。
【0015】
一般に、アーク溶接では、溶込み形状やビード形状の適正化のため、トーチをウィービングさせながら溶接を行うことが多い(これを「ウィービング溶接」という)。タンデムアーク溶接においても、この点は同じである。
【0016】
例えば、特許文献1は、タンデムアーク溶接システムの溶接ロボットによる溶接線の倣い制御に関する発明について開示したものである。そして、その発明の前提として、溶接ロボットを利用して溶接ロボットに取り付けたタンデムトーチを左右にウィービングさせて溶接することが示されている。
【0017】
このように、溶接ロボットのマニュピレータにおいては、先端に取り付けたトーチをウィービングさせながら溶接することは、広く普及した技術であり、以前から多用されている。このトーチとしては、タンデムトーチであってもウィービングを行うことは可能であり、基本的な技術として利用されていることが、特許文献1からも読み取ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【特許文献1】特開2008−93670号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
しかし、従来のタンデムアーク溶接システムは、通常のウィービングと同じウィービングを行っているだけである。このため、必ずしもタンデムアーク溶接に適したウィービングを行っているわけではないという課題を有していた。
【0020】
例えば、先行電極は、十分な溶け込みを確保するために小振幅のウィービング溶接を行い、あるいは、ウィービングなしの溶接を行い、後行電極は、ビード形状整形のため比較的大きな振幅のウィービング溶接を行いたい場合がある。しかし、従来のタンデムアーク溶接システムでは、トーチを一体のものとしてウィービングを行うのみであるので、先行電極と後行電極のウィービング振幅は同じであり、ウィービング振幅を変えてウィービングすることはできない。
【0021】
本発明は、このような点に鑑み、先行電極と後行電極のウィービング振幅を変えてウィービングすることができるタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上記課題を解決するために、本発明のタンデムアーク溶接方法は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くため、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備えたものである。
【0023】
また、本発明のタンデムアーク溶接方法は、上記に加えて、先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さいものである。
【0024】
本発明のタンデムアーク溶接システムは、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定する回転軸決定部と、前記回転軸を中心に溶接トーチが回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出する回転角度算出部と、前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御部と、を備えたものである。
【0025】
また、本発明のタンデムアーク溶接システムは、上記に加えて、先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さいものである。
【発明の効果】
【0026】
以上のように、本発明は、先行電極と後行電極に別個の振幅の往復動作をさせることにより、タンデムアーク溶接に適したウィービング溶接を行うことができるタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】タンデムアーク溶接システムの概略構成を示す図
【図2】タンデムトーチによる溶接状態を示す模式図
【図3】(a)本発明の実施の形態1におけるウィービングの仕組みを示す模式図(b)本発明の実施の形態1におけるウィービングの仕組みを示す模式図
【図4】本発明の実施の形態1におけるウィービングの動作を示す模式図
【図5】本発明の実施の形態1におけるウィービング面の決定方法を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、本発明を実施するための形態について、図1から図5を用いて説明する。なお、図1と図2は既に説明したものであり、以下では、図3から図5を中心に説明する。
【0029】
(実施の形態1)
本実施の形態1のタンデムアーク溶接システムの概略構成は、図1と同様である。また、本実施の形態1のタンデムアーク溶接の溶接状態は、図2と同様である。従って、図1や図2と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。そして、本実施の形態1では、図3から図5を中心に説明する。
【0030】
図3は、本実施の形態1のタンデムアーク溶接の仕組みを説明するための図である。図3(a)に示すように、以下の説明では、溶接してない状態における先行電極53の先端と後行電極54の先端、溶接中では先行アーク55の内部と後行アーク56の内部に、先行電極の制御点aと後行電極の制御点bが存在するものと想定している。なお、以下で説明するように、先行電極の制御点aと後行電極の制御点bは、各々のウィービング軌跡を描く点である。そして、制御点aと制御点bは予め決められたものである。
【0031】
図3(b)は、図3(a)のz−z矢視を示す図であり、先行電極の制御点a(以下、「点a」とも呼ぶ。)と後行電極の制御点b(以下、「点b」とも呼ぶ。)について示している。ここでは、この点aと点bを結ぶ線分を線分lで示しており、その長さは距離dである。そして、点aと点bの存在する平面f(図3(b)の場合は紙面)上に線分lに直角な線分m1を考え、その中点を点aと一致させる。同じように、線分lに直角な線分m2を考え、その中点を点bと一致させる。
【0032】
ここで、線分m1の片端と線分m2の片端とを線分lと交差するように結んだ線分jの、線分lとの交点は、線分m1の長さと、線分m2の長さの比で線分lを内分した点であり、これを点oとする。線分m1と線分m2のもう一方の端同士を結んだ線分kも、点oで線分lと交差する。また、線分jと線分l(または、線分kと線分l)の作る角度rは、tan(r)=(m1+m2)/2dの関係にある角度である。
【0033】
点oから平面f上の線分lに垂直な軸を立て、その軸周りに線分lを角度+rから−rの間で往復回転させると、点aと点bは、線分m1と線分m2に接する円弧を描く。ここで、両円弧の弦の長さは、正確には線分m1と線分m2の長さとは異なるが、差は少ない。従って、以下では、両円弧の弦の長さは、線分m1と線分m2の長さに等しいとして考えることにする。
【0034】
先行電極53の制御点(点a)と後行電極54の制御点(点b)が円弧を描く往復回転動作を、タンデムトーチ50のウィービング動作と見ると、各々の円弧の弦がウィービング振幅であり、線分m1の長さが先行電極53の振幅であり、線分m2の長さが後行電極54の振幅である。これらの円弧は、平面f上に描かれるウィービング軌跡である。このことから、平面fをウィービング平面と呼ぶ。
【0035】
タンデムトーチ50を溶接進行方向に移動させ、このとき、同じウィービング平面f上でウィービング軌跡を描くように移動したとすると、図4に示すような軌跡のウィービングを行うことになる。図4の上側が点aの描くウィービング軌跡であり、下側が点bの描くウィービング軌跡である。ここで、各々の軌跡のm1とm2が、ウィービングの振幅である。ちなみに、距離dは、先行電極53と後行電極54との間の電極間距離を示すことになる。
【0036】
なお、ウィービング平面fが水平面にある場合、ウィービング動作の結果、点aと点bが描くウィービング軌跡は、水平面上に描かれる。本実施の形態1は、必ずしもウィービング平面fを水平面に限るものではない。例えば、点aと点bが水平面内にない、つまり、線分lが水平から傾いていてもかまわない。また、点oから立てる回転軸も線分lから任意の方向に立てることが可能である。ただし、回転軸と線分lが垂直でなければ、ウィービング振幅は指定した値とは異なってしまうことになる。
【0037】
なお、先行電極のウィービング振幅を0(ゼロ)と指定した場合、点oは点aと一致する。すなわち、回転軸は先行電極の制御点aを通り、先行電極はウィービングを行わず、後行電極だけがウィービングを行う。後行電極のウィービング振幅を0と指定した場合も同様である。このように、先行電極と後行電極のウィービング振幅の指定を変えることにより、いろいろなウィービングの仕方を指定することができ、所望の溶接に適したウィービングを行わせることができる。
【0038】
なお、ウィービング振幅およびウィービング平面は、動作プログラムの中に予め登録されている情報を元に決定する。例えば、ウィービング振幅は、パラメータとして値をプログラムで指定することが考えられる。ウィービング平面fは、例えば、図5のように、プログラムに登録される溶接線上の教示点が成す溶接線方向を水平面に投影した方向xと鉛直方向z、および、xとyの2方向に直角な方向yで設定できる座標系上に、傾きパラメータh1と傾きパラメータh2を以って指定することができる。
【0039】
以上のように、本実施の形態1によれば、指定されたウィービング平面と指定されたウィービング振幅に応じて、上記のようにウィービングのための回転軸を決定し、さらに、回転角度を算出し、実際に、決定した回転軸と算出した回転角度で往復動作をすることにより、ウィービングを行う。
【0040】
ここで、タンデムアーク溶接システムを構成する制御器20は、記憶部と、回転軸決定部と、回転角度算出部と、制御部を備えている。
【0041】
記憶部は、タンデムアーク溶接システムを動作させるための動作プログラムを記憶するものである。
【0042】
回転軸決定部は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の制御点と後行電極先端の制御点を結ぶ線に対して概垂直な回転軸を、動作プログラムに基づいて決定するものである。
【0043】
回転角度算出部は、回転軸決定部で決定された回転軸を中心にタンデムトーチ50が回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を、動作プログラムに基づいて算出するものである。
【0044】
制御部は、記憶部に記憶された動作プログラムと、回転軸決定部で決定された回転軸と、回転角度算出部で算出された回転角度に基づいて、回転軸決定部で決定された回転軸を中心に回転角度算出部で算出された回転角度でタンデムトーチ50を往復動作させるものである。
【0045】
そして、タンデムアーク溶接システムによるタンデムアーク溶接方法は、先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の制御点と後行電極先端の制御点を結ぶ線に対して概垂直な回転軸を、動作プログラムに基づいて決定するステップと、回転軸決定部で決定された回転軸を中心にタンデムトーチ50が回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を、動作プログラムに基づいて算出するステップと、記憶部に記憶された動作プログラムと、回転軸決定部で決定された回転軸と、回転角度算出部で算出された回転角度に基づいて、回転軸決定部で決定された回転軸を中心に回転角度算出部で算出された回転角度でタンデムトーチ50を往復動作させるステップを備えたものである。
【0046】
なお、タンデムトーチ50の往復動作は、例えば、溶接ロボットを構成するマニピュレータにタンデムトーチ50を保持させ、溶接ロボットを構成するロボット制御装置である制御器20によりマニピュレータの動作を制御することで、実現することができる。
【0047】
また、動作プログラムは、タンデムアーク溶接システムを所定の動作パターンで動作させ、所定の溶接条件で溶接対象物を溶接させるためのものである。
【0048】
以上のように、本実施の形態1のタンデムアーク溶接方法およびタンデムアーク溶接システムによれば、タンデムトーチ50や近接して配置した2つの単電極溶接トーチを用いたタンデムアーク溶接においても、先行電極と後行電極とで異なるウィービングを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明によれば、タンデムアーク溶接におけるウィービング動作の自由度をあげることができ、タンデムアーク溶接に適したウィービング操作を行う可能性を高め、その結果、溶け込みやビード形状などの溶接品質の向上を図ることができ、例えば、溶接製缶工程等に用いるタンデムアーク溶接方法やタンデムアーク溶接システムとして産業上有用である。
【符号の説明】
【0050】
20 制御器
30 溶接機
31 パワーケーブル
32 アースケーブル
33 制御線
40 溶接機
41 アースケーブル
42 パワーケーブル
43 制御線
50 タンデムトーチ
51 先行コンタクトチップ
52 後行コンタクトチップ
53 先行電極(先行溶接ワイヤ)
54 後行電極(後行溶接ワイヤ)
55 先行アーク
56 後行アーク
58 ノズル
60 溶接対象ワーク
61 溶融プール
62 溶接ビード
a 制御点(先行電極)
b 制御点(後行電極)
d 距離(電極間距離)
l 線分(先行電極制御点と後行電極制御点を結ぶ線分)
m1 線分(先行電極の振幅を示す線分)
m2 線分(後行電極の振幅を示す線分)
j 線分(補助線)
k 線分(補助線)
r 角度(ウィービング角度)
o 点(ウィービング中心)
f 平面(ウィービング平面)
x プログラムに登録される溶接線上の教示点が成す溶接線方向を水平面に投影した方向
z 鉛直方向
y xとyの2方向に直角な方向
h1 傾きパラメータ
h2 傾きパラメータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くため、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定するステップと、
前記回転軸を中心に溶接トーチが回転動作し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出するステップと、
前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御を行うステップを備えたタンデムアーク溶接方法。
【請求項2】
先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さい請求項1記載のタンデムアーク溶接方法。
【請求項3】
先行電極と後行電極の各々に対して個別に設定された振幅のウィービング軌跡を描くための、先行電極先端の予め決められた制御点と後行電極先端の予め決められた制御点とを結ぶ線に対して略垂直な回転軸を決定する回転軸決定部と、
前記回転軸を中心に溶接トーチが回転し、先行電極と後行電極が指定された振幅の往復動作を行うための回転角度を算出する回転角度算出部と、
前記回転軸を中心に前記回転角度で、前記溶接トーチを往復動作させる制御部と、
を備えたタンデムアーク溶接システム。
【請求項4】
先行電極の往復動作の振幅は、後行電極の往復動作の振幅よりも小さい請求項3記載のタンデムアーク溶接システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−35018(P2013−35018A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−172774(P2011−172774)
【出願日】平成23年8月8日(2011.8.8)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】