熱歪みによる変位を先読みする：アーク・レーザセンサによる溶接倣い制御の最適戦略
溶接自動化における最大の障壁は、熱歪みによるワークの「逃げ」や「突き上げ」である。特に中厚板の多層盛りや、拘束の弱い薄板構造物では、アークスタート後に発生する熱勾配がパスのズレを誘発する。本稿では、レーザセンサを用いたプリスキャンから、リアルタイムの動的補正までを網羅的に解説する。
1. 物理的メカニズムと変位予測の基礎
溶接中の変位は「拘束条件」「入熱量」「材料の熱膨張係数」の3要素で決定される。
熱膨張による変位のメカニズム
鋼材の線膨張係数 ($\alpha$) は約 $1.2 \times 10^{-5} / \text{K}$ である。溶接線に沿って局所的に $500^\circ\text{C}$ の温度上昇が発生した場合、単純計算で $0.6\%$ の伸びが生じる。
- 拘束効果: 治具による拘束が強ければ、伸びは「座屈」となり、ワークが上方に浮き上がる（突き上げ）。
- 非拘束: 自由端に近いほど、溶接線に沿って「引き込み」が発生し、ギャップが変化する。
センサの役割分担
- レーザセンサ（プリスキャン）: 溶接開始前の「静的な幾何学的誤差」を補正。
- アークセンサ（ウィービング）: 溶接中の「動的な熱歪み」を電流値の変化からフィードバック補正。
2. レーザセンサによるプリスキャン戦略
単に軌跡をなぞるだけでは、熱による変位は補正できない。以下の「オフセットマッピング」が現場の実践ノウハウとなる。
ステップ1：熱予測マップの作成
ワークの板厚と拘束位置を入力値とし、シミュレーションまたは過去の実績値から「変位予測関数」を定義する。
- 計算式例: $Z_{offset} = K \cdot Q_{net} \cdot t^{-1.5}$
- $K$: 拘束係数（治具剛性による経験値）
- $Q_{net}$: 単位長さあたりの入熱量 ($\text{J/mm}$)
- $t$: 板厚 ($\text{mm}$)
ステップ2：プリスキャンデータのオフセット処理
レーザセンサで取得した点群データに対し、予測関数に基づいた「仮想パス」を生成する。
1. スキャン: 溶接線上の3〜5点をサンプリング。
2. 補間: スプライン曲線で軌跡を生成。
3. オフセット付与: 溶接進行方向に合わせ、熱膨張による突き上げを打ち消す方向へ、Z軸をあらかじめマイナス補正しておく。
3. 実務現場におけるトラブル対策と調整ノウハウ
突発的な変位に対する「動的書き換え」
ロボットのティーチングデータに対し、溶接中にリアルタイムで座標を更新する「シフト機能」を活用する。
| トラブル現象 | 原因 | 対策（現場的アプローチ） |
|---|---|---|
| 溶接開始直後のハンチング | センサのノイズ・反射 | フィルタリング強度の調整と、スタート端のダミー走行による安定化 |
| 多層盛りでのパスズレ | 層間の残留熱による膨張 | 2層目以降はプリスキャンを省略し、アークセンサの積分値を優先 |
| 突合せギャップの変化 | クランプの甘さ | レーザによるギャップ幅計測を行い、条件（速度・電流）をリアルタイムで自動変更 |
教示（ティーチング）のポイント
- 法線ベクトルの重要性: レーザセンサの光軸がワーク表面に対して垂直であることを確認せよ。斜め入射は反射率低下を招き、データの欠落（ドロップアウト）を引き起こす。
- ワークの汚れ: スパッタや油分はレーザ光を散乱させる。エアブローのノズルをセンサヘッドに直付けし、常に清掃する動線を確保すること。
4. JIS/ISO規格に基づく評価と品質管理
溶接自動化の精度管理には、以下の規格が示す指標を用いる。
関連規格
- ISO 25217: アーク溶接におけるロボットの性能評価基準。
- JIS Z 3111: 溶接継手の試験方法。変位による溶け込み不良は、放射線透過試験（RT）や超音波探傷試験（UT）で評価する。
精度評価の数値目標（目安）
現場での「合格ライン」は、ワイヤ径を基準とするのが鉄則である。
- パスの追従精度: 許容誤差は $\pm 0.5\text{mm}$ 以内。
- センサのサンプリング周期: 溶接速度 $500\text{mm/min}$ の場合、少なくとも $20\text{Hz}$ 以上のサンプリングが必要。これより遅いと、熱歪みによる急激な挙動に追従できない。
評価方法
1. トレーステスト: 無通電状態で、レーザセンサが認識した軌跡と、設計図面上の座標を比較する。
2. 熱歪みシミュレーション溶接: 実際に溶接を行い、溶接終了直後のワークの残留変位を三次元測定機で計測。この実測値を「補正関数」の定数として反映させる。
5. 自動化システム構築の技術的勘所
現場で最も失敗するのは「センサに頼りすぎること」である。
1. 治具の剛性: センサはあくまで「微修正」用である。変位の根本原因であるワークの浮き上がりは、強力なトグルクランプやマグネット治具で物理的に抑え込むことが大前提。
2. センサの冗長化: レーザセンサが認識不能な状況（強烈なアーク光や黒皮材）を想定し、必ずアークセンサによるバックアップ制御を併用すること。
3. データログの蓄積: 溶接電流、電圧、ワイヤ送給速度、センサ補正値の4つを同期させ、CSVデータとして保存せよ。不良が発生した際、どのタイミングで「熱変位の予測」が外れたかを数値で逆引きできるようにしておくことが、職人の勘をデジタル化する唯一の道である。