狭開先ロボット溶接におけるギャップ変動に対する適応制御に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560621
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 大嶋 健司 埼玉大学, 工学部, 教授 (70026087)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金子 裕良 埼玉大学, 工学部, 講師 (10233892) ; 山根 敏 埼玉大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (10191363)
• Keywords: スイッチバック溶接 / 狭開先溶接 / 溶接条件制御 / CCDカメラ / 裏ビード制御 / フィードフォワード制御 / 溶接ロボット / 電源特性制御

Research Abstract

中厚板のGMA多層盛狭開溶接において残留応力を小さくするとともに、高効率溶接を行うためには狭開先が望ましい。本研究では12mm厚の開先角度が24度の母材において一層(ビード高さ)9mmの高品質溶接を対象とした。この目的のために、スイッチバック溶接法を適用する。ギャップ変動に関わらず、良好な溶接結果を得るためには、溶接条件の最適化が重要である。そこで、溶接実験結果から、熱伝導方程式に基づく数値モデルを誘導し、これを用いてファジィモデルを構築する。このモデルにより、ギャップに対する最適な溶接条件を求める。
まず、4mmギャップにおけるスイッチバック溶接法を行う。溶接トーチが10Hzでウィービングを行うとともに、溶接線に沿って20mm前進、15mm後退を繰り返しつつ進行する。これにより、ルートエッジおよび開先表面に適切な入熱が行える。
つぎに、溶接条件を最適化するために、数値モデルを求める。24度のV開先にて12mm厚、長さ175mm、幅100mmの軟鋼板を溶接する場合を考える。溶接トーチを熱源としてモデル化する。溶接における発生熱量は半分がワイヤ溶融に要した熱量とし、残りは母材への入熱と空気中への放熱とした。スイッチバック溶接を行う場合、溶融池表面は傾斜する。数値モデルにおいても、この傾斜を近似するため、2.5mm毎に溶融金属を溶着させる。定常状態におけるビードは7層から形成される。ビード高さを9mmとし、ギャップが4mm、5mm、6mmに対するストロークと溶融池長さの数値シミュレーションを行った。ストロークが長くなるとともに、ストロークに対する溶融池長さは短くなる。最適な溶接条件を求めるために、階層型ファジィ推論を用いて、モデルを構築する。計算結果をファジィモデルにより表すように、メンバーシップ関数を調整した。ギャップが与えられたとき、溶融池のファジィモデルを用いて、後退ストロークと15mmとの平均値に対する溶融池長さの比が1となるようにストロークを求めた。また、数値シミュレーションにて求めた冷却時間も12秒前後であった。ギャップが広がるとともに、ストロークは長くなり、単位時間あたりの入熱量は少なくなった。

Research Products

• [Publications] 大嶋 健司: "MIG溶接溶融池のニューラルネットワークモデル"溶接学会論文集. 21,2. 227-233 (2003)
• [Publications] Kenji OSHIMA: "Adaptive Control of Back Bead in V Groove Welding without Backing Plate"Proc.of IIW Commission XII. 69-80 (2003)
• [Publications] Satoshi Yamane: "Fuzzy Model and Adaptive Control of Weld Pool in Narrow Gap Robotic Welding"Proc.of IIW Commission XTI. 81-90 (2003)
• [Publications] 大嶋 健司: "バッキングレスV開先継手における開先状態変動に対する裏ビードの制御"溶接学会全国大会講演概要. 72. 222-223 (2003)
• [Publications] 金子 裕良: "マルチロボットにおける溶接作業配分の最適化"溶接学会全国大会講演概要. 73. 160-161 (2003)
• [Publications] 山根 敏: "狭開先ロボット溶接における溶接溶融池のファジィモデルと制御"溶接学会全国大会講演概要. 73. 226-227 (2003)