アルミニウム溶接におけるアークセンサの開発 21 Development of arc sensor in aluminum welding 宇治克将(Katsumasa Uji), 孫玉興(Yuxing Sun) 山根敏(Satoshi Yamane)准教授株式会社IHI(IHI Corporation) パナソニック溶接システム株式会社(Panasonic Welding Systems Co.,Ltd.) As provision against global warming, it’s important to reduce the weight of structure. For this purpose, aluminum is one of optimum material. However, aluminum welding is difficult than metal welding and the sensor tracing welding line is not developed. By analyzing the arc phenomena, the technique detecting and tracing welding line is developed to practical field in stable welding. 地球温暖化への対策として、材料の軽量化が求められており、これを行うためにアルミニウムは最適である。しかし、溶接において鉄材料より難しく、現在、溶接線を追跡するセンサは開発されていない。そこで、アーク現象を解明し、良好な溶接を行うための溶接線の検出及び追跡技術を開発する。 1.背景と目的 4.アークセンサとは近年、地球温暖化への関心が高まり、CO2の削減が世界的に重要な課題として取り上げられている。軽量で熱伝導性、比強度に優れるアルミニウムを構造材として用いることができないか問題点安定した溶接を行うためには、ウィービング中心を溶接線の中心に一致させ左右均等に溶滴を与える必要がある。アークセンサトーチ高さ(電極-母材間距離)が変化するとアーク負荷の電流-電圧特性が変化するという基本的なアーク特性を利用して、溶接位置などの変化を検出するために用いられる。構造物の軽量化により燃費が向上し CO2削減につながる • アーク現象が不安定となり、高い溶接技術が必要となる • 溶接線を追跡するセンサは開発されていない溶接トーチがウィービングの中心からもう一方へ移動し中心に戻るまでそれぞれ母期間における溶接電流と電圧の平均値を比較してトーチ位置を修正することで、センシングを実現する。目的アルミニウム溶接におけるアーク現象を解明し、良好な溶接を行うための溶接線の検出及び追跡技術を開発する。溶接の中心が合っているかの判別 2.アルミニウムの性質溶融点[℃] 593~649 1530 1540~1650 1400~1427 630 1083 密度[g/cm] 2.80 7.86 4.43 7.90 1.77 8.93 熱伝導率[W/m・K] 137.0 60.4 7.5 16.0 159.0 385.0 電気伝導率[%対Cu] 35.0 17.2 1.0 2.4 40.0 100.0 耐力[N/m2] 101 179 909 206 200 69 引張強さ[N/m2] 212 315 999 588 250 213 アルミニウムの特徴航空機、建築材、電気機器、化学プラントなどその適用範囲は多岐にわたっており、今後は自動車、交通用車両、船舶などの輸送機器関係の構造材に活用が期待されている。 • 比重が鉄の約35%と軽量 • 熱伝導率が高い • 比強度が大きい Base Metal 中心が合っている場合 3.システム構成ロボット溶接システム中心がずれている場合揺動半周期の検出システム構成      定置型6軸ロボットフルデジタル電源コンピュータ(4台) 画像メモリ CCDカメラ通信 EthernetネットワークＯＳ RT Linux →リアルタイム制御 • トーチモーションに同期して溶接電源、ワイヤ送給速度、ロボットを協調制御 • 電源はフルデジタル電源で、ソフトウェア制御しているので、条件の変更が容易 • トーチ前方にCCDカメラを固定 →電極ワイヤ直下の溶融池を明瞭に観察・シャッタが開いている１ msの間電流を 30A に下げる・ 950nm バンドパスフィルタ制御PC間の信号を検出しパルス波形として取り込むことで、揺動半周期を検出した。揺動半周期ごとの溶接電圧・溶接電流の平均値を比較し、差がなくなるように制御する。 5.実験結果溶接条件ワイヤ送給速度：205ms 溶接電流：200A パルス周波数：200Hz パルス幅：2.5ms シールドガス：Ar100% ハイスピードカメラシステム高速度カメラ溶接トーチ溶接ロボット高速度カメラ •10000fpsで撮影可能 •溶接電流・溶接電圧をサンプリング周波数100kHzで同時計測可能溶接の様子を高速度カメラで撮影し観察すると同時に、溶接電流・溶接電圧を測定母材バックライト溶融池撮影用CCDカメラワイヤ送給装置ワイヤリール中心がずれている場合、電極母材間距離が小さくなると溶接電圧が小さくなり、溶接電流が大きくなる。電極-母材間距離が大きくなると溶接電圧が大きくなり、溶接電流が小さくなる。 Base Metal Torch Motion 銅 Voltage マグネシウム Current ステンレス鋼 Torch Motion チタン Voltage 普通鋼 Current アルミニウム合金プッシュプル方式プッシュ送給ロールフレキシブルコンジットプル送給ロール溶接ワイヤワイヤ送給モータ最適な溶接条件を検討アルミニウムワイヤは通常のワイヤよりも軟らかく、送給装置と溶接トーチの間で発生する摩擦抵抗や曲りなどで座屈を生じ易すいので、安定な溶接状態を維持できないという問題がある。実際にすみ肉溶接を行い、高速度カメラでその様子と電流・電圧波形を記録した。揺動中にパルスごとに溶滴移行が行われ、安定した溶接ができた。 6.まとめと今後の課題 • アルミニウム溶接を行うために、ワイヤ送給方式をプッシュプル方式に、送給装置の駆動方式をダブル駆動に変更した。 • 揺動半周期を検出することができるようにした。 • すみ肉溶接実験を行い、その様子と電流・電圧波形を観察した。 • 揺動中にパルスごとに溶滴移行が行われ、安定した溶接をすることができた。今後の課題 • ワイヤ送給方式を通常のプッシュ方式からプッシュプル方式に変更 • 送給装置の駆動方式をシングル駆動からダブル駆動に変更 • 半周期ごとの溶接電圧・溶接電流の平均値を計算し、比較する。 • 平均値の差がなくなるよう制御系を構成し、溶接を行う。