レーザセンサによる多層盛溶接のパス間自動補正：技術的根拠と実装ノウハウ
多層盛溶接における「パス間位置補正」は、溶接品質の安定化と自動化率向上における最大の難所である。1層目の溶接熱による母材の歪み、開先精度のバラつき、そして層を重ねるごとに変化する開先断面形状をいかにリアルタイムで検出し、ロボットの軌跡へフィードバックするかが鍵となる。
1. 原理とシステム構成：レーザセンサの選定と位置補正ロジック
レーザセンサによる断面プロファイル取得
スリット光（レーザ光）を溶接線に対して垂直に照射し、反射光をカメラで捉える「光切断法」を用いる。
- サンプリング周波数: 30Hz〜100Hz以上を推奨。
- 空間分解能: 溶接ビード形状の再現には、少なくとも0.1mm以下の精度が必要。
補正ロジック：重心法とエッジ検出の組み合わせ
多層盛において、単純な「開先中心」の追従では不十分である。以下のアルゴリズムが標準的である。
1. エッジ検出: 溶接済みビードの肩部と、未溶接の開先壁面を分離する。
2. 重心計算: 溶接すべき開先断面の面積重心（または溶接線中心）を算出。
3. オフセット演算:
- 1層目（ルートパス）：ルート面中心を狙う。
- 2層目以降：前層のビード表面形状を考慮し、「ビードの融合不良」を避けるためのオフセット値（通常0.5～1.5mm）を自動付加する。
2. 現場実務における設定ノウハウとトラブル対策
溶接条件とセンサ感度の最適化
現場で最も多いトラブルは「アーク光によるセンサの誤検知（ノイズ）」である。
| 課題 | 原因 | 対策 |
|---|---|---|
| アーク光干渉 | 強烈な発光がカメラに入り込む | 適切な光学フィルタ（バンドパスフィルタ）の設置、センサ遮光板の強化 |
| スパッタ付着 | レーザ受光窓へのスパッタ堆積 | エアパージの流量確保（0.2MPa以上）、保護ガラスの定期交換 |
| 反射率のバラつき | ステンレス等の光沢面による乱反射 | レーザ照射角度のオフセット（垂直ではなく10～15度傾ける）、HDR機能の活用 |
教示（ティーチング）の定石
- パス間データ保存: 各パス終了後、センサが取得した最終形状プロファイルをメモリに保存し、次パス開始前にロードする「先読み補正」を行う。
- 教示点の数: 曲線部や開先幅が変化する箇所では、最低でも50mm間隔でポイントを追加し、センサの補正追従負荷を軽減する。
3. JIS/ISO規格と品質評価指標
多層盛溶接の品質は、JIS Z 3104（放射線透過試験）やJIS Z 3106（超音波探傷試験）に準拠した内部欠陥ゼロが求められる。
パス間温度管理の重要性
レーザ補正が正確でも、熱歪みによる「座屈」が発生すれば意味をなさない。
- 層間温度（Interpass Temperature）: 一般に150℃～250℃以下に管理する（材料特性による）。
- 評価指標:
- 融合不良（Lack of Fusion）: センサで検出した開先壁面とビードの重なりが1.0mm未満となった場合、即座にエラー停止または補正値を再計算するロジックを組む。
- ビード高さ: ISO 5817（溶接継手の品質レベル）に基づき、余盛高さの許容値（通常1+0.2b mm以下）を監視する。
4. 自動化における高度な制御実装
動的オフセット制御（Dynamic Offset Control）
開先幅が溶接途中で変化する場合、固定オフセットでは対応できない。以下のロジックを実装する。
$$V_{offset} = K_p \cdot (W_{actual} – W_{nominal})$$
- $V_{offset}$: 補正量
- $K_p$: ゲイン（溶接姿勢や開先角度に合わせて調整）
- $W_{actual}$: センサが読み取った現在の開先幅
- $W_{nominal}$: 教示時の基準開先幅
この制御により、開先幅の「広がり」に対して自動的にウィービング幅を拡大し、融合不良を防止する。
センサと溶接電源の同期
- 通信プロトコル: EtherCATやPROFINET等のリアルタイム通信を用いること。通信遅延が10msを超えると、高速溶接時（50cm/min以上）に軌跡の「出遅れ」が発生し、溶け込み不良を誘発する。
5. 技術的チェックリスト（現場運用）
1. キャリブレーション: 始業前、専用の治具（マスターワーク）を用いてTCP（工具中心点）とセンサの座標系が一致しているか確認すること。
2. 保護ガラスの清掃: 4時間毎にアルコール清掃を行う。
3. ロギング: 全てのパスにおいて「レーザが認識した開先幅」と「ロボットの補正値」をCSV出力し、ヒストグラムで管理する。標準偏差が0.5mmを超えた場合はセンサの取付剛性を再確認する。
この運用を徹底することで、熟練工の勘に頼らず、数値に基づく「再現性の高い多層盛溶接」が可能となる。