特開 2024-6128 アーク溶接品質検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024006128

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】アーク溶接品質検査装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20240110BHJP

   G01N 29/14 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 515Z

G01N29/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022106736

(22)【出願日】2022-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】507377791

【氏名又は名称】株式会社ジェイ・シー・シー

(71)【出願人】

【識別番号】516356697

【氏名又は名称】信和産業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】519118337

【氏名又は名称】愛電株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391046584

【氏名又は名称】株式会社トーキン

(74)【代理人】

【識別番号】100115716

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 隆雄

(72)【発明者】

【氏名】菊竹 慎強

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 生

(72)【発明者】

【氏名】清田 淳一

(72)【発明者】

【氏名】勝又 直路

(72)【発明者】

【氏名】北村 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】シララヒ サティア トゥタマナ アンドレ

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼ 克則

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AB07

2G047BA05

2G047BC09

2G047EA10

2G047GG28

(57)【要約】

【課題】アーク溶接の品質を迅速かつ高精度に検査することできるアーク溶接品質検査装置を提供する。
【解決手段】アーク溶接品質検査装置１０は、アーク溶接用トーチの側面に取り付けられた状態でＡＥ信号を検出するＡＥセンサ１１と、アーク溶接用トーチを用いたアーク溶接時に、ＡＥセンサ１１により検出されるＡＥ信号を用いて、単位時間毎に、溶接部分の状態を示すパラメータである最大振幅値を演算する最大振幅演算器１３と、最大振幅演算器１３により演算された最大振幅値を表示する表示部１８と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アーク溶接用トーチの側面に取り付けられた状態でＡＥ信号を検出するＡＥセンサと、
前記アーク溶接用トーチを用いたアーク溶接時に、前記ＡＥセンサにより検出されるＡＥ信号を用いて、単位時間毎に、溶接部分の状態を示すパラメータを演算するパラメータ演算部と、
前記パラメータ演算部により演算されたパラメータを表示する表示部と、
を備えたアーク溶接品質検査装置。

【請求項2】

前記ＡＥセンサは、溶接部分から発生した音響であって、アーク放電を発生させるための電極及び前記アーク溶接用トーチを伝搬した前記音響に基づいて前記ＡＥ信号を検出する
請求項１に記載のアーク溶接品質検査装置。

【請求項3】

前記パラメータ演算部は、前記パラメータとして、前記ＡＥ信号の最大振幅、前記ＡＥ信号の積分値、前記ＡＥ信号の２乗平均平方根の少なくとも１つを演算する
請求項１又は請求項２に記載のアーク溶接品質検査装置。

【請求項4】

正常溶接時の前記パラメータを基準データとして記憶するデータ記憶部を更に備え、
前記表示部は、前記パラメータ演算部により演算されたパラメータと、前記データ記憶部に記憶された基準データと、を表示する
請求項３のいずれか１項に記載のアーク溶接品質検査装置。

【請求項5】

前記表示部は、前記パラメータ演算部により演算されたパラメータと、前記データ記憶部に記憶された基準データと、の差が所定の閾値を超えた場合に、異常溶接を示す情報を表示する
請求項４に記載のアーク溶接品質検査装置。

【請求項6】

前記ＡＥセンサを冷却する冷却機構を更に備えた
請求項１に記載のアーク溶接品質検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アーク溶接品質検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、溶接部分の上方からアーク光の形状を撮像し、開先部の溶け落ちにより、アーク光の中に溶け落ちた部分が穴として表れる個所を解析することにより、アーク溶接における溶け落ちを検出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭６３－２５２６７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術では、溶け落ちが発生した場合の特徴的な画像パターンを予め設定する必要がある。しかし、アークは、溶接の条件、あるいはワークの状態等に応じて、揺らぐことがある。このため、様々な要因で発生する溶け落ちを精度良く検出することが困難である。

【0005】

本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであり、アーク溶接の品質を迅速かつ高精度に検査することできるアーク溶接品質検査装置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】

【0006】

本発明に係るアーク溶接品質検査装置は、アーク溶接用トーチの側面に取り付けられた状態でＡＥ信号を検出するＡＥセンサと、前記アーク溶接用トーチを用いたアーク溶接時に、前記ＡＥセンサにより検出されるＡＥ信号を用いて、単位時間毎に、溶接部分の状態を示すパラメータを演算するパラメータ演算部と、前記パラメータ演算部により演算されたパラメータを表示する表示部と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

本発明は、アーク溶接の品質を迅速かつ高精度に検査することできる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係るアーク溶接品質検査装置の構成を示すブロック図である。

【図2】アーク溶接ロボット装置のワイヤ溶接用トーチに取り付けられたＡＥセンサ１１を示す図である。

【図3】ワイヤ溶接用トーチに取り付けられたＡＥセンサを示す図である。

【図4】他のワイヤ溶接用トーチに取り付けられたＡＥセンサを示す図である。

【図5】ＡＥ信号の概念図である。

【図6】表示部に表示されたグラフを示す図である。

【図7】表示部に表示されたグラフを示す図である。

【図8】表示部に表示されたグラフを示す図である。

【図9】表示部に表示されたグラフを示す図である。

【図10】正常溶接時及び異常溶接時の最大振幅値（Amplitude）を示す図である。

【図11】正常溶接時及び異常溶接時の積分値（Energy）を示す図である

【図12】積分値（Energy）の総計を類似比較する図である。

【図13】ワイヤ溶接用トーチの他の例を示す図である。

【図14】冷却機構を示す分解斜視図である

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアーク溶接品質検査装置１０の構成を示すブロック図である。

【0010】

アーク溶接品質検査装置１０は、入力される音響に応じてＡＥ信号を検出するＡＥセンサ１１と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ１２と、ＡＥ信号の最大振幅値を演算する最大振幅演算器１３と、を備えている。

【0011】

さらに、アーク溶接品質検査装置１０は、ＡＥ信号の積分値を演算する積分器１４と、ＡＥ信号の実効値を演算する実効値演算器１５と、正常溶接時の基準データが予め記憶されているデータ記憶部１６と、データを合成するデータ合成部１７と、合成されたデータに基づいてアーク溶接の品質状態を表示する表示部１８と、を備えている。

【0012】

図２は、アーク溶接ロボット装置１００のワイヤ溶接用トーチ１１０に取り付けられたＡＥセンサ１１を示す図である。

【0013】

アーク溶接ロボット装置１００は、鉄骨フレーム、建設機械、自動車、鉄道車両、航空機、船舶といった大型機械の溶接を行う機械工場で使用される。機械工場では、アーク溶接ロボット装置１００は、鉄鋼同士、アルミニウム、チタンといった金属を接合するためのアーク溶接を行う。

【0014】

アーク溶接ロボット装置１００は、空気中の放電を利用して、アーク溶接を行う。具体的には、アーク溶接は、次の手順で行われる。

【0015】

（ａ）ワイヤ供給装置から、電極となるワイヤが、ワイヤ溶接用トーチ１１０を経由して所定速度で送り出される。
（ｂ）ワイヤに電流が流れる。
（ｃ）ワイヤが母材（溶接対象の金属）に接触する。
（ｄ）ワイヤが金属から引き離され、その瞬間に、アーク放電が発生する。
（ｅ）高温（最高２万度）のアークによって、ワイヤ及び母材が溶けて、母材が接合する。
（ｆ）アーク放電の発生時、溶接周辺部には、シールドガスが供給される。シールドガスは、アークや溶融地の周辺を大気からシールドする役割がある。

【0016】

図３は、ワイヤ溶接用トーチ１１０に取り付けられたＡＥセンサ１１を示す図である。ワイヤ溶接用トーチ１１０は、トーチ本体部１１１と、トーチ本体部１１１の先端部に設けられたノズル１１２と、を有する。ワイヤは、ワイヤ供給装置によって、トーチ本体部１１１、ノズル１１２を経由して、母材上へ送り出される。

【0017】

ＡＥセンサ１１は、トーチ本体部１１１の側面に固定されている。そして、ＡＥセンサ１１は、溶接部分から、ワイヤ及びノズル１１２を伝搬する音響に基づいてＡＥ信号を検出する。

【0018】

図４は、他のワイヤ溶接用トーチ１１０に取り付けられたＡＥセンサ１１を示す図である。ＡＥセンサ１１は、トーチ本体部１１１の側面に固定されており、トーチ本体部１１１を伝搬する音響に基づいてＡＥ信号を検出する。

【0019】

ＡＥセンサ１１は、トーチ本体部１１１の側面に固定されている。このため、溶接部分から出る音響周波数は、ワイヤ及びトーチ本体部１１１内のワイヤ供給管を伝搬することによって、ほとんど減衰することなく、ＡＥセンサ１１で検出される。ここで、物質が塑性変形時（ワイヤ溶接時）に出す音響周波数は、固有の特徴がある。そのため、ＡＥセンサ１１で得られるＡＥ信号は、ワイヤ溶接時の溶接部分の状態（正常溶接／異常溶接）の影響を受けている。

【0020】

ＡＤコンバータ１２は、ＡＥセンサ１１で検出されたＡＥ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、ＡＤコンバータ１２は、デジタル信号となったＡＥ信号を最大振幅演算器１３、積分器１４及び実効値演算器１５にそれぞれ供給する。

【0021】

図５は、ＡＥ信号の概念図である。最大振幅演算器１３は、所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に、ＡＥ信号の最大振幅値（中心から最大振幅値までの電圧をｄＢ換算）を演算する。最大振幅値は、溶接部の亀裂の深さ及び長さ、ワイヤの摩耗量と相関関係がある。

【0022】

積分器１４は、所定時間毎に、ＡＥ信号の積分値を演算する。積分値は、エネルギーに相当するものであり、溶接部の亀裂の大きさ（面積）、ワイヤの摩耗量と相関関係がある。実効値演算器１５は、所定時間毎に、ＡＥ信号の２乗平均平方根（ＲＭＳ）である実効値を演算する。実効値は、ワイヤの摩擦係数と相関関係がある。よって、ＡＥ信号の所定時間毎の最大振幅値、積分値、実効値を調べることによって、溶接部の品質が分かる。

【0023】

データ記憶部１６には、正常溶接時の基準データとして、ＡＥ信号の最大振幅値、ＡＥ信号の積分値、ＡＥ信号の実効値がそれぞれ記憶されている。

【0024】

データ合成部１７は、最大振幅演算器１３、積分器１４及び実効値演算器１５で演算された演算値と、データ記憶部１６に記憶されている正常溶接時の基準データと、を比較して、合成する。

【0025】

具体的には、データ合成部１７は、最大振幅演算器１３から最大振幅値が供給された場合は、当該最大振幅値と正常溶接時の最大振幅値とを合成して、所定の信号処理（例えば、最大振幅に対するエラー頻度の演算）を行って出力する。
データ合成部１７は、積分器１４から積分値が供給された場合は、当該積分値と正常溶接時の積分値とを合成して、所定の信号処理（例えば、積分値に対するエラー頻度の演算）を行って出力する。
データ合成部１７は、実効値演算器１５から実効値が供給された場合は、当該実効値と正常溶接時の実効値とを合成して、所定の信号処理（例えば、実効値に対するエラー頻度の演算）を行って出力する。

【0026】

表示部１８は、データ合成部１７から出力される信号に基づいてワイヤ溶接の品質状態を表す波形図を表示する。
図６から図９は、表示部１８に表示されたグラフを示す図である。図６及び図７は、最大振幅［ｍＶ］に対するエラー頻度［回数］を示している。図８及び図９は、積分値（エネルギー）に対するエラー頻度［回数］を示している。

【0027】

図６から図９に示すように、正常品（正常溶接）、過電流及び過電圧（異常溶接）の違いが明らかになっている。また、正常品、芯ずれ及びガス流量減（異常溶接）の違いも明らかになっている。

【0028】

つぎに、アーク溶接の品質を示す最大振幅値（Amplitude）及び積分値（Energy）の他の検査結果を説明する。
図１０は、正常溶接時及び異常溶接時の最大振幅値（Amplitude）を示す図である。同図において、左端の棒グラフは正常溶接を示し、その他の棒グラフは異常溶接を示している。

【0029】

異常溶接時の最大振幅値は、正常時に比べて、大きな値又は小さな値になる。このため、検査時の最大振幅値と正常時の最大振幅値との差が、所定の閾値を超えた場合、異常溶接が発生したと考えられる。

【0030】

そこで、アーク溶接品質検査装置１０は、次のようにして、正常溶接／異常溶接を自動的に判定してもよい。例えば、アーク溶接品質検査装置１０のデータ合成部１７は、最大振幅演算器１３で演算された最大振幅値と、正常溶接時の最大振幅値の基準データと、の差が所定の閾値を超えた場合、異常溶接が発生したことを示すトリガー信号を発生してもよい。

【0031】

トリガー信号が発生した場合、表示部１８又はスピーカーが、異常溶接を示す情報を出力する。これにより、オペレータの主観を排除して、アーク溶接の品質を高精度に検査することができる。なお、上記の自動判定は、最大振幅値を用いた方法に限らず、積分値及び実効値を用いた方法にも適用可能である。

【0032】

図１１は、正常溶接時及び異常溶接時の積分値（Energy）を示す図である。同図において、左端の棒グラフは正常溶接を示し、その他の棒グラフは異常溶接を示している。

【0033】

異常溶接時の積分値は、正常時に比べて、大きな値又は小さな値になる。このため、データ合成部１７は、検査時の積分値と正常時の積分値との差が、所定の閾値を超えた場合、上述したトリガー信号を発生してもよい。

【0034】

図１２は、積分値（Energy）の総計を類似比較する図である。同図（a）は正常溶接、同図（ｂ）は芯ずれ下２ｍｍの異常溶接、同図（ｃ）はガス流量２０％減の異常溶接を示している。なお、縦軸は積分値である。図１２（a）～同図（ｃ）に示すように、正常溶接時の積分値は、概ねまとまった集合体になっている。これに対して、異常溶接時の積分値は、少し散っている。このため、積分値（Energy）の総計から、異常溶接の状態が判定可能になる。

【0035】

以上のように、本発明の実施形態に係るアーク溶接品質検査装置１０は、アーク溶接ロボット装置１００のワイヤ溶接用トーチ１１０に取り付けられたＡＥセンサ１１からＡＥ信号を検出する。ＡＥ信号は、ワイヤ溶接時の溶接部分から伝搬された音響に基づく信号であることから、ワイヤ溶接の品質の影響を受けている。そこで、アーク溶接品質検査装置１０は、ＡＥ信号に基づく所定の演算データと、正常溶接時の基準データと、を比較することによって、アーク溶接の品質を高精度に検査することができる。

【0036】

また、アーク溶接品質検査装置１０は、アーク溶接を実行しながら、ＡＥ信号に基づく所定の演算データと、正常溶接時の基準データと、を比較することができるので、ほぼリアルタイムでアーク溶接の品質を検査することができる。

【0037】

なお、図２から図４に示したワイヤ溶接用トーチ１１０の代わりに、次のようなワイヤ溶接用トーチ１１０を用いることも可能である。
図１３は、ワイヤ溶接用トーチ１１０の他の例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図である。ワイヤ溶接用トーチ１１０は、トーチ本体部１１１と、トーチ本体部１１１の先端部に設けられたノズル１１２と、を有する。ノズル１１２の内部であって、径の中心部には、ワイヤ案内管１１２ａが設けられている。ワイヤは、不図示のワイヤ供給装置によって、トーチ本体部１１１、ノズル１１２（ワイヤ案内管１１２ａ）を経由して、母材上へ送り出される。

【0038】

また、ノズル１１２の内周面とワイヤ案内管１１２ａの外周面の間から、シールドガスが噴射される。そして、ワイヤ溶接用トーチ１１０は、シールドガス中にアークを発生して、アーク熱で母材とワイヤを連続的に溶かしてワイヤ溶接する。

【0039】

ＡＥセンサ１１は、図１３に示すように、トーチ本体部１１１上であって、ノズル１１２の取り付け部付近に設けられている。これにより、ＡＥセンサ１１は、溶接部分から、ワイヤ、ノズル１１２内のワイヤ案内管１１２を伝搬する音響に基づいて、ＡＥ信号を検出する。

【0040】

なお、ワイヤ溶接用トーチ１１０は、上述した形態に限定されるものではなく、その他の形態であってもよい。ワイヤ溶接用トーチ１１０は、例えば、空冷溶接トーチにも適用可能である。

【0041】

［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ部位には同じ符号を付け、重複する部分の詳細な説明は省略する。

【0042】

図１、図３及び図４に示すＡＥセンサ１１は、ワイヤ溶接の際に高温になった場合は、正確にＡＥ信号を検出できない可能性がある。そこで、第２の実施形態では、空気を送ってＡＥセンサ１１を冷却する冷却機構が設けられている。

【0043】

図１４は、冷却機構２００を示す分解斜視図である。冷却機構２００は、ＡＥセンサ１１を側面から冷却するヒートシンク２０１と、ＡＥセンサ１１を覆うＡＥセンサシールドカバー２０２と、を備えている。

【0044】

ＡＥセンサ１１は、断熱プレート２０３を挟んで、ワイヤ溶接用トーチ１１０のトーチ本体部１１１上に固定される。ヒートシンク２０１は、ＡＥセンサ１１の側面を覆うように配置される。ＡＥセンサシールドカバー２０２は、箱形に成型された部材であり、ＡＥセンサ１１及びヒートシンク２０１を上面側から覆い、トーチ本体部１１１上に固定される。

【0045】

ＡＥセンサシールドカバー２０２には、空気供給口２０２ｉｎ及び空気排出口２０２ｏｕｔが設けられている。ＡＥセンサシールドカバー２０２は、空気供給口２０２ｉｎから空気が供給されると、その空気によってＡＥセンサ１１及びヒートシンク２０１を冷却する。そして、ＡＥセンサシールドカバー２０２は、ＡＥセンサ１１及びヒートシンク２０１の熱によって温められた空気を、空気排出口２０２ｏｕｔから排出する。

【0046】

ＡＥセンサ１１は、このように構成された冷却機構２００によって効率よく放熱されるので、ワイヤ溶接の影響を受けることなく、正確にＡＥ信号を検出することができる。なお、冷却機構２００は、このような空冷式に限定されるものではなく、例えば水冷式であってもよい。

【0047】

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で設計変更されたものにも適用可能である。例えば、表示部１８は、溶接時にリアルタイムで得られたデータと正常溶接時の基準データと同時に表示したが、いずれか一方のみを表示してもよい。

【符号の説明】

【0048】

１０ アーク溶接品質検査装置
１１ ＡＥセンサ
１２ ＡＤコンバータ
１３ 最大振幅演算器
１４ 積分器
１５ 実効値演算器
１６ データ記憶部
１７ データ合成部
１８ 表示部
１００ アーク溶接ロボット装置
１１０ ワイヤ溶接用トーチ
２００ 冷却機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】