CN117203015A - 多层堆焊方法、多层堆叠对焊接头以及多层堆焊的层叠模式计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供即使在横向姿态下的多层堆焊中也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而形成焊接金属的表面良好的焊接接头的多层堆焊方法、由该多层堆焊方法形成的多层堆叠对焊接头以及多层堆焊的层叠模式计算方法。焊接金属(WL)从母材的背面(1B)到表面(1A)具有多个层。多个层具备：完工层(FL)，其具有包括最终层(EL)在内的至少两层；以及基底层(GL)，其用于形成完工层(FL)。基底层(GL)中的成为与完工层(FL)相邻的层的边界层(BL)形成为上板侧熔敷部的位置(PUB)比下板侧熔敷部的位置(PLB)接近母材的表面(1A)。
Description
技术领域
本发明涉及在横向姿态下的多层堆焊中也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而形成焊接金属的表面良好的焊接接头的多层堆焊方法、由该多层堆焊方法形成的多层堆叠对焊接头以及多层堆焊的层叠模式计算方法。
背景技术
构造物制造时的焊接工序历来期望省人化或施工效率改善，近年来，焊接机器人的应用增加。另外，构造物的大型化、设计专门化的钢构造物增加，在建筑现场等现场焊接中也为了促进省人化或施工效率改善而使用可移动型焊接机器人，以各种焊接姿态自动施工的机会增加。需要说明的是，作为各种焊接姿态的种类，存在下向姿态、立向姿态、横向姿态等。这些焊接姿态中的横向姿态下的焊接在柱连接焊接中进行的情况较多，与其他焊接姿态相比焊接长度较长，存在作业负荷较高的倾向。另外，由于具有熔融金属容易下垂而导致外观不良的特征，因此横向姿态的焊接的难度高。
在上述的可移动型焊接机器人之中，尤其在建筑现场中被广泛利用的3轴的可移动型焊接机器人中，大多不具备焊炬角变更机构，在该情况下以焊炬角恒定的方式进行焊接，因此横向姿态下的焊接的难度进一步上升。另外，在下板侧进行坡口加工而成的レ型、V型的坡口的情况下，由于施工上的难度，在下板侧附近尤其容易产生焊道下垂，难度进一步上升。
横向姿态的焊接被称为困难姿态的理由之一可以举出在重力的影响下容易产生焊道下垂。一旦产生焊道下垂则难以得到良好的接头外观，因此需要暂时中断焊接并通过研磨处理使焊道形状整齐的作业。另外，在多层堆焊的完工层中产生焊道下垂的可能性也较高，存在需要设置表衬件等对策的情况。需要说明的是，研磨处理、表衬件设置使生产节拍时间增加，从施工效率的观点出发并不优选。
在此在专利文献1中公开了一种焊接方法，在一边将焊丝沿上下方向振荡一边进行横焊时，使焊丝的下方向移动时间比焊丝的上方向移动时间长，并且对焊接中的熔池内赋予磁场，产生将熔融金属推起的方向的搅拌力而形成扁平的焊道。
另外，在专利文献2中记载了一种自动焊接方法，在焊接头内沿焊丝的轴线方向排列配置至少3组焊丝进给部件，通过相对于将3组焊丝进给部件中的位于外侧的两组焊丝进给部件连结的轴线，使位于中央的焊丝进给部件在上下方向上偏移，从而一边对焊丝附加上下方向的弯曲倾向一边进给，而焊接坡口接头内的上表面或下表面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开昭63-108973号公报
专利文献2：日本国特开平8-309524号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，根据专利文献1以及2所公开的焊接方法，另外需要用于使熔融金属产生推起力的专用的磁场产生装置、用于一边对焊丝附加上下方向的弯曲倾向一边进给的焊丝进给装置等特殊的装置，存在用于设置装置的作业时间增加、设备成本的增加等问题点。另外，在使用自动机的情况下，装置变得大型化，因此存在尤其难以应用于从搬运等运输性、操作性的观点出发越轻量、小型则优选的可移动型焊接机器人、以台车为移动机构的焊接装置等这样的问题点。
本发明是鉴于前述的课题而完成的，其目的在于提供即使在横向姿态下的多层堆焊中也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而形成焊接金属的表面良好的焊接接头的多层堆焊方法、由该多层堆焊方法形成的多层堆叠对焊接头以及多层堆焊的层叠模式计算方法。
用于解决课题的方案
因此，本发明的上述目的通过多层堆焊方法的下述[1]的结构而达成。
[1]一种多层堆焊方法，用于针对由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材，利用横向姿态的多层堆焊形成焊接金属而进行接合，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
以所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面的方式形成所述边界层。
另外，本发明的上述目的通过多层堆叠对焊接头的下述[2]的结构而达成。
[2]一种多层堆叠对焊接头，其通过由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材经由利用多层堆焊形成的焊接金属接合而成，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面。
另外，本发明的上述目的通过多层堆焊的层叠模式计算方法的下述[3]的结构而达成。
[3]一种多层堆焊的层叠模式计算方法，用于进行[1]所述的多层堆焊方法，其中，
具备将至少包括坡口形状、坡口角度、以及所述母材的板厚的信息的施工信息与所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据库，
所述多层堆焊的层叠模式计算方法具有基于所述数据库决定来包括层叠数以及所述边界层的位置的层叠模式的工序。
发明效果
根据本发明的多层堆焊方法，即使在横向姿态下的多层堆焊中，也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而形成焊接金属的表面良好的焊接接头。
附图说明
图1是具备使用本实施方式的多层堆焊方法的可移动型焊接机器人的焊接系统的一实施方式的概要图。
图2是可移动型焊接机器人的概要侧视图。
图3是可移动型焊接机器人的立体图。
图4是可移动型焊接机器人安装于多边形方型钢管的情况的立体图。
图5是示出由本实施方式的多层堆焊方法形成的多层堆叠对焊接头的截面的低倍照片。
图6是示意性示出由焊接模式1形成的多层堆叠对焊接头的基底层的剖视图。
图7是示意性示出由焊接模式2形成的多层堆叠对焊接头的基底层的剖视图。
图8是示意性示出由焊接模式3形成的多层堆叠对焊接头的基底层的剖视图。
图9是示意性示出以恒定的焊炬角焊接横向姿态的坡口的状态的剖视图。
图10是示意性示出即将焊接第3层中的最终道次即与上板坡口面接触的焊接道次之前的状态的剖视图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的多层堆焊方法的一实施方式详细进行说明。需要说明的是，使用可移动型焊接机器人的本实施方式是最发挥本发明效果的一例，例如也可以是基于以台车为移动机构的焊接装置、6轴的产业用机器人、作业者的手焊的实施方式。
<1.焊接系统＞
首先，参照图1～图4对具备可移动型焊接机器人100的焊接系统50进行说明。
图1是示出本实施方式的焊接系统的结构的概要图。如图1所示那样，焊接系统50具备可移动型焊接机器人100、进给装置300、焊接电源400、保护气体供给源500以及控制装置600。
(1-1.控制装置)
控制装置600通过机器人用控制线缆620而与可移动型焊接机器人100连接，并通过电源用控制线缆630而与焊接电源400连接。
控制装置600具有预先保持工件信息、导轨信息、成为焊接对象的母材即工件Wo以及导轨120的位置信息、确定可移动型焊接机器人100的动作模式、焊接开始位置、焊接结束位置、焊接条件、确定摆动动作等的示教数据的数据保持部601。并且，基于该示教数据对可移动型焊接机器人100以及焊接电源400发送指令，控制可移动型焊接机器人100的动作以及焊接条件。
另外，控制装置600具有根据由接触感测、视觉传感器等的感测得到的检知数据计算坡口形状信息的坡口条件计算部602以及以该坡口形状信息为基础修正上述示教数据的焊接条件而取得焊接条件的焊接条件计算部603。另外，具有对在可移动型焊接机器人100中用于沿后述的X方向、Y方向、Z方向驱动的驱动部进行控制的速度控制部604、判定焊炬位置的焊炬位置判定部605以及对可移动型焊接机器人100中的作为焊炬角度驱动部的可动臂部116进行控制的焊炬角度计算部606。并且，构成包括上述坡口条件计算部602、焊接条件计算部603、速度控制部604、焊炬位置判定部605以及焊炬角度计算部606的控制部610。需要说明的是，焊炬位置判定部605以及焊炬角度计算部606也能够集中为一个而构成。
并且，控制装置600通过用于进行示教的控制器与具有其他控制功能的控制器成为一体而形成。但是，控制装置600并不限定于此，也可以将用于进行示教的控制器以及具有其他控制功能的控制器分为两个等根据作用而分割为多个。另外，也可以将控制装置600包含于可移动型焊接机器人100内，也可以如图1所示那样，与可移动型焊接机器人100分开而独立地设置控制装置600。即，在本实施方式中说明的具有可移动型焊接机器人100以及控制装置600的焊接系统中，包括控制装置600包含于可移动型焊接机器人100内的情况以及控制装置600与可移动型焊接机器人100独立地设置的情况中的任一情况。另外，在本实施方式中，使用机器人用控制线缆620以及电源用控制线缆630发送信号，但并不限定于此，也可以无线发送。需要说明的是，从焊接现场中的使用性的观点出发，优选的是，分为用于进行示教的控制器与具有其他控制功能的控制器这两个。
(1-2.焊接电源)
焊接电源400根据来自控制装置600的指令，向消耗电极(以后，也称为“焊丝”)211以及工件Wo供给电力，从而在焊丝211与工件Wo之间产生电弧。来自焊接电源400的电力经由电力线缆410而输送至进给装置300，并从进给装置300经由导线管420而输送至焊炬200。并且，如图2所示那样，经由焊炬200前端的导电嘴而向焊丝211供给。需要说明的是，焊接作业时的电流可以是直流或交流中的任一个，另外，其波形没有限制。因而，电流也可以是矩形波、三角波等脉冲。
另外，焊接电源400例如将电力线缆410作为正(+)电极连接于焊炬200侧，并将电力线缆430作为负(-)电极连接于工件Wo。需要说明的是，这是以反极性进行焊接的情况，在以正极性进行焊接的情况下，经由正的电力线缆与工件Wo侧连接并经由负的电力线缆与焊炬200侧连接即可。
(1-3.保护气体供给源)
保护气体供给源500由封入有保护气体的容器以及阀等附属构件构成。保护气体从保护气体供给源500经由气体管510而向进给装置300输送。输送至进给装置300的保护气体经由导线管420而被输送至焊炬200。输送至焊炬200的保护气体在焊炬200内流动，并被向喷嘴210引导，而从焊炬200的前端侧喷出。作为本实施方式中使用的保护气体，例如能够使用氩(Ar)、二氧化碳气体(CO2)或它们的混合气体。
(1-4.进给装置)
进给装置300将焊丝211抽出并向焊炬200输送。由进给装置300输送的焊丝211没有特别限定，根据工件Wo的性质、焊接方式等而选择，例如使用实心焊丝、药芯焊丝。另外，焊丝211的材质也没有限制，例如可以是软钢，也可以是不锈钢、铝、钛这样的材质。并且，焊丝211的线径也没有限制，但在本实施方式中优选的线径的上限为1.6mm，下限为0.9mm。
本实施方式的导线管420在管的外皮侧形成有用于作为电力线缆发挥功能的导电路，且在管的内部配置有保护焊丝211的保护管并形成有保护气体的流路。但是，导线管420并不限定于此，例如也能够使用以用于向焊炬200进给焊丝211的保护管为中心捆扎电力供给用线缆、保护气体供给用的软管而成的导线管。另外，例如，也能够将输送焊丝211以及保护气体的管与电力线缆单独地设置。
(1-5.可移动型焊接机器人)
可移动型焊接机器人100如图2以及图3所示那样具备导轨120、设置于导轨120上并沿着该导轨120移动的机器人主体110、以及载置于机器人主体110的焊炬连接部130。机器人主体110主要包括设置于导轨120上的壳体部112、安装于该壳体部112的固定臂部114、以及以能够沿箭头R1方向旋转的状态安装于该固定臂部114的可动臂部116。
焊炬连接部130经由作为使焊炬200沿焊接线方向、即X方向可动的可动部的曲轴170而安装于可动臂部116。焊炬连接部130具备固定焊炬200的焊炬夹持器132以及焊炬夹持器134。另外，在壳体部112的与装配焊炬200的一侧相反的一侧，设置有对连接进给装置300与焊炬200的导线管420进行支承的线缆夹持器150。
另外，在本实施方式中，将在工件Wo与焊丝211之间施加电压并利用在焊丝211接触到工件Wo时产生的电压下降现象而感测工件Wo上的坡口10的表面等的接触式传感器作为检知机构。检知机构并不限定于本实施方式的接触式传感器，也可以使用图像传感器即视觉感测、或者激光传感器即激光感测等、或这些检知机构的组合，但从装置结构的简便性出发优选使用本实施方式的接触式传感器。
机器人主体110的壳体部112具备如图2的箭头X所示那样沿相对于纸面垂直的方向、即机器人主体110沿着导轨120移动的X方向进行驱动的未图示的机器人驱动部。另外，壳体部112也能够沿相对于X方向垂直的坡口10的深度方向上移动的Z方向进行驱动。另外，固定臂部114能够相对于壳体部112经由滑动支承部113而沿相对于X方向垂直的坡口10的宽度方向即Y方向进行驱动。
并且，安装有焊炬200的焊炬连接部130通过曲轴170如图3的箭头R2所示那样转动，能够在X方向上沿前后方向、即焊接线方向进行摇头驱动。另外，可动臂部116安装为能够如箭头R1所示那样相对于固定臂部114旋转，能够调整并固定最佳的角度。
如以上那样，机器人主体110能够将作为其前端部的焊炬200以3个自由度驱动。但是，机器人主体110并不限于此，也可以是，能够根据用途以任意数量的自由度驱动。
通过如以上那样构成，安装于焊炬连接部130的焊炬200的前端部能够朝向任意的方向。并且，机器人主体110能够在导轨120上在图2中沿X方向进行驱动。通过在焊炬200沿Y方向往复移动的同时，机器人主体110沿X方向移动，能够进行摆动焊接。另外，通过由曲轴170进行的驱动，例如能够与设置前进角或后退角等施工状况相应地使焊炬200倾斜。并且，通过利用曲轴170的驱动使焊炬200在X方向上倾斜，能够修正图4所示的由于多边形方型钢管那样的工件Wo的角部WC与导轨120的曲线部122的曲率不同的情况等而产生的焊炬角度的变化、即前进角或后退角。
在导轨120的下方，例如设置有磁铁等安装构件140，导轨120构成为容易通过安装构件140相对于工件Wo装卸。在将可移动型焊接机器人100设置于工件Wo的情况下，操作员通过抓住可移动型焊接机器人100的两侧把手160，能够将可移动型焊接机器人100容易地设置于工件Wo上。
<2.横向姿态的多层堆焊方法>
接着，对使用上述可移动型焊接机器人100的横向姿态的多层堆焊方法进行说明。
在通常的横向姿态下的焊接的情况下，基本上除了初始层以外以“直线运条”进行焊接。在此，直线运条是指不进行摆动而呈直线状进行焊接的运条操作。另外，从防止焊道下垂的观点出发，通常进行低热量输入施工。然而，当以低热量输入实施直线运条时，容易成为凸焊道形状，因此通常在各道次中设定最佳的焊炬角度而进行焊接，成为条形堆积状的完工形状。作为能够设定任意的焊炬角度的焊接方法，例如可以举出由熟练工进行的焊接、使用6轴以上的产业用机器人的焊接。
另一方面，可移动型焊接机器人100通常不具备焊炬角变更机构，因此如图9所示那样，即使是横向姿态下的焊接，在上板侧的焊炬角度以及下板侧的焊炬角度的全部道次中也以恒定的焊炬角α进行焊接，在以恒定的焊炬角α进行的焊接中除了横向姿态下的焊接的难度以外，还无法根据状况将焊炬角设定为最佳的条件，因此更容易产生焊道下垂。并且，在对下板侧进行坡口加工而成的レ型、V型的坡口(以后，也总称为“下坡口”)的情况下，由于施工上的难度，在下板侧附近尤其容易产生焊道下垂。
因此，在本实施方式中，不仅作为困难姿态的横向姿态的情况，而且即使为容易产生焊道下垂的以恒定的焊炬角α进行的焊接、坡口形状为レ型或V型，为了使接头外观良好，也需要考虑后述的“完工层”、尤其是“最终层”中的焊道下垂，而恰当地形成作为其前一阶段的“基底层”中的焊道形状。以下，对形成基底层时的3个焊接模式进行说明。
(2-1.焊接模式1)
图5是由基于焊接模式1的横向姿态下的多层堆焊方法形成的多层堆叠对焊接头20的截面低倍照片。另外，图6是由焊接模式1的多层堆焊方法形成的基底层GL的截面示意图。
对于图5所示的焊接接头20而言，通过将板厚为25mm且材质由SM490A构成的作为母材的下板1L以及上板1U以下坡口的横向姿态配置，使用背垫板2利用由7层构成的焊接金属WL实施了横焊。需要说明的是，在此所说的下坡口具体而言是对下板侧进行坡口加工而成的レ型。详细而言，通过在图5中由带圈数字的1～5所示的5层构成的基底层GL以及由带圈数字的6以及7所示的两层构成的完工层FL而形成焊接金属WL。需要说明的是，图5的各层中的虚线示意性示出各道次的边界。各道次原则上从靠近下板1L的一侧的道次朝向上板1U依次层叠。
在这样的下坡口且横向姿态下的焊接中，容易产生焊道下垂，有可能对接头外观造成大的影响。
需要说明的是，在以下的说明中，多个层将包括最终层EL在内的至少两层设为完工层FL，将成为完工层FL的基底的层设为基底层GL，将基底层GL中的与完工层FL相邻的层设为边界层BL而进行说明。需要说明的是，在此所说的“多个层”在图5所示的实施方式中为7层，“边界层BL”成为第5层。
另外，将各层中的上板1U侧的熔敷部的位置设为PU(n)，将下板1L侧的熔敷部的位置设为PL(n)。其中，n表示层数。具体而言，图5示出n＝3的情况，图6示出n＝4的情况。
需要说明的是，熔敷部的位置是指各层中的在上板1U或下板1L与焊接金属WL的边界部分处最靠表面的位置。因此，在第5层成为边界层BL的情况下，边界层BL的上板侧熔敷部的位置PUB＝PU(5)，边界层BL的下板侧熔敷部的位置PLB＝PL(5)。
另外，在图5中作为母材的上板1U以及下板1L的表面1A为右侧面，背面1B为左侧面。
在本实施方式的焊接接头20中，边界层BL的上板侧熔敷部的位置PUB形成为比边界层BL的下板侧熔敷部的位置PLB接近母材的表面1A。
具体而言，上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB处于2～12mm的范围，下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB处于4～16mm的范围。并且，下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB与上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB之差即DLB-DUB形成为1mm以上且10mm以下。
通过这样形成距离DLB比DUB大的具有倾斜的边界层BL，从而即使在容易产生焊道下垂的横向姿态下的焊接中产生了焊道下垂，也在下板1L侧确保有比上板1U侧大的空间，因此能够在该空间收容熔融金属。因此，焊接金属的表面形状变得良好，能够容易地形成外观优异的完工层FL。
需要说明的是，完工层FL也可以是一层，但通过作为两层以上的多层逐渐修正倾斜，容易形成良好的外观的完工层FL，从而优选设为两层以上。
在图6所示的焊接模式1下的焊接中，关于边界层BL，可以通过实验等预先求出坡口形状、坡口角度以及母材的板厚X等施工信息、下板侧熔敷部的位置PLB的位置信息、上板侧熔敷部的位置PUB的位置信息以及下板侧熔敷部的位置PLB和上板侧熔敷部的位置PUB间的相对位置信息的关系，例如预先制作下述表1那样的表。
[表1]
表1
其中，X是母材的板厚(mm)。
并且，通过基于施工信息，根据上述表1由人工求出下板侧熔敷部的位置PLB的位置信息、上板侧熔敷部的位置PUB的位置信息以及下板侧熔敷部的位置PLB和上板侧熔敷部的位置PUB间的相对位置信息中的至少两个位置信息，从而决定作为目标的边界层BL的形状。
为了通过焊接得到这样的形状的边界层BL，如图6所示那样，在基于土焊接模式1的焊接中，基底层GL的各层以下板侧熔敷部的位置PL(n)距母材的表面1A的距离DL(n)与上板侧熔敷部的位置PU(n)距母材的表面1A的距离DU(n)之差即DL(n)-DU(n)到边界层BL为止依次变大的方式层叠。为了形成没有缺陷的基底层GL，基底层GL的各层优选以从1层趋向5层逐渐接近边界层BL的倾斜的方式调整倾斜。通过这样的调整，能够更简便地制作因为上板侧焊接道次的熔融部在重力的影响下容易下垂而制作困难的边界层BL的倾斜。需要说明的是，层叠数n以及道次数基于施工信息由人工决定即可。
另外，上述的层叠数n、道次数、基底层GL的各层以及边界层BL的决定也可以不依赖于人工而自动地决定。即，关于层叠数n，将坡口形状、坡口角度以及母材的板厚X等施工信息输入预先决定的运算式而求出层叠数n。并且，基于存储将施工信息与边界层BL的下板侧熔敷部的位置PLB的位置信息、上板侧熔敷部的位置PUB的位置信息以及下板侧熔敷部的位置PLB和上板侧熔敷部的位置PUB间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据的数据库，决定包括边界层BL的位置在内的各层叠模式。并且，向根据层叠数n求出道次数的其他运算式输入而求出各层的道次数。
例如，在根据运算式求出层叠数n为8层的情况下，基于数据库求出8层中的第几层成为边界层BL。在第5层被求出为边界层BL的情况下，将第5层作为边界层BL，决定基底层GL及完工层FL的焊接模式以及各层中的道次数。并且，以使基底层GL、边界层BL以及完工层FL分别满足所求出的形状的方式，调整后述的摆动、焊接速度、焊丝前端的目标位置等而形成各层。
需要说明的是，根据距母材的表面1A的距离DL(n)与DU(n)之差即DL(n)-DU(n)到边界层BL为止依次变大的焊接模式1，求出层叠数n以及道次数的运算式变得简单，能够容易地计算层叠条件。
需要说明的是，上述的多层堆焊方法并不限定于图5所示的レ型坡口，也能够应用于I型坡口、V型坡口等其他形状的坡口。
(2-2.焊接模式2)
如图7所示那样，在基于焊接模式2的横向姿态下的多层堆焊方法中，边界层BL的上板侧熔敷部的位置PUB也形成为比边界层BL的下板侧熔敷部的位置PLB接近母材的表面1A。具体而言，设定为上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB处于2～12mm的范围，且下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB处于4～16mm的范围。并且，下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB与上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB之差即DLB-DUB形成为1mm以上且10mm以下。需要说明的是，图7示出n＝4的例子。
另外，在焊接模式2的焊接中，各基底层GL从规定的层即图7中的第2层到边界层BL为止，下板侧熔敷部的位置PL(n)距下板1L的表面1A的距离DL(n)与上板侧熔敷部的位置PU(n)距上板1U的表面1A的距离DU(n)之差即DL(n)-DU(n)为正的多个层连续地形成。通过这样形成各基底层GL，从而在形成焊接金属的表面良好的焊接接头时，容易形成作为期望的形状的边界层BL。另外，根据焊接模式2，从初始层起在上板1U侧较多设置熔敷金属的厚度量，能够较早达成作为目标的边界层BL的倾斜的角度，因此倾斜的角度调整变得更容易。
(2-3.焊接模式3)
如图8所示那样，在基于焊接模式3的横向姿态下的多层堆焊方法中，边界层BL的上板侧熔敷部的位置PUB也形成为比边界层BL的下板侧熔敷部的位置PLB接近母材的表面1A。具体而言，形成为上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB处于2～12mm的范围，且下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB处于4～16mm的范围。并且，下板侧熔敷部的位置PLB距下板1L的表面1A的距离DLB与上板侧熔敷部的位置PUB距上板1U的表面1A的距离DUB之差即DLB-DUB形成为1mm以上且10mm以下。需要说明的是，图8示出n＝3的例子。
另外，基于焊接模式3的各基底层GL以各层中的下板侧熔敷部的位置PL(n)距下板1L的表面1A的距离DL(n)与上板侧熔敷部的位置PU(n)距上板1U的表面1A的距离DU(n)之差即DL(n)-DU(n)到边界层BL为止交替地成为正负的方式层叠。在图8所示的实施方式中，基底层GL的第2层以及第4层的下板侧熔敷部的位置PL(n)形成为比上板侧熔敷部的位置PU(n)接近作为母材的下板1L的表面1A，第3层以及第5层的下板侧熔敷部的位置PL(n)形成于比上板侧熔敷部的位置PU(n)远离作为母材的下板1L的表面1A的位置。
通过这样形成各基底层GL，从而在形成焊接金属的表面良好的焊接接头时，容易形成为期望的形状的边界层BL。另外，根据焊接模式3，容易确保后述那样的各层的最终道次即与上板坡口面接触的焊接道次的空间，容易兼顾外观与焊接品质。
以上，通过利用焊接模式1～3中的任一个形成期望的形状的边界层BL，从而在焊接完工层时由于重力对焊道形状的影响，在下板侧的熔敷部中，板厚方向的大小比上板侧的熔敷部大，其结果是，最终层中的焊接金属的表面形状变得良好，能够形成外观优异的焊接接头。
需要说明的是，作为在形成上述的焊接模式的基础上调整各层的形状、各道次的熔敷量的方法的一例，能够举出以下所示的(A)～(C)的各因素。
(A)摆动
通过设置频率1～3Hz、摆动宽度0.5～1.5mm、摆动停止时间0～0.5sec，能够形成容易使接头形状整齐的良好的焊道。
(B)焊丝前端目标位置以及焊接的空间确保
各层的最终道次即与上板坡口面接触的焊接道次中的焊丝前端目标位置优选从作为母材的上板的坡口面分离2～5mm左右。在此，参照图10进行具体说明。图10示出即将焊接第3层中的最终道次即与上板坡口面接触的焊接道次之前的状态。在此，当上述焊丝前端目标位置过度接近坡口面1UA直到距上板1U的坡口面1UA小于2mm、例如成为0～1mm的范围的程度时，电弧容易形成于坡口面1UA侧，因此可能引起电弧长度不稳定这样的现象。另外，当引起电弧长度变动时，成为溅射的大量产生、有损接头外观的原因。另一方面，当上述焊丝前端目标位置从坡口面1UA过度分离直到距坡口面1UA超过5mm、例如成为6mm以上的范围的程度时，电弧不与母材的上板1U触碰而可能成为融合不良等焊接缺陷的原因。
需要说明的是，即将焊接最终道次之前的层叠宽度LW影响用于最终道次的空间的确保。例如，当层叠宽度LW过大时，用于焊接最终道次的空间变窄，另一方面，当层叠宽度LW过小时，需要增多最终道次的熔敷量。因此，最终道次之前的层叠宽度LW的大小成为引起焊瘤、焊道下垂等的原因，因此需要设为适当的高度。需要说明的是，上述的层叠宽度LW是指从下板1L的坡口面1LA到在即将焊接最终道次之前焊接了的焊接道次中的最远离坡口面1LA的位置的宽度。
另外，各层的开始道次、即与下板坡口面接触的焊接道次中的焊丝前端目标位置期望从作为母材的下板1L的坡口面1LA分离1～3mm左右。在可移动型焊接机器人100中焊炬角α的变更较为困难，因此在横焊姿态下容易产生焊道下垂。因此，通过使焊丝前端目标位置从坡口面1LA分离1～3mm左右，能够抑制焊瘤的产生。焊瘤是指焊道末端部与母材的融合较差的状态的部分，在JIS Z 3001-4中定义为“焊接金属WL在末端不与母材融合而重叠的部分”，为了使融合良好，通过焊接速度的适当化、摆动也能够期待改善效果。
(C)层叠数以及道次数
除了上述的基底层GL以及完工层FL的最佳形状的设计以外，层叠数以及道次数是在调整焊接的空间的方面最重要的因素。
以上，基于附图详细说明了本发明的多层堆焊方法的一实施方式，但本发明并不限定于前述的实施方式，能够适当进行变形、改良等。
例如，本发明的多层堆焊方法优选在具备本实施方式的可移动型焊接机器人100的焊接系统50中使用，但本发明并不限定于此，也能够在具备6轴焊接机器人的焊接系统中应用。
如以上那样，在本说明书中公开了如下事项。
(1)一种多层堆焊方法，用于针对由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材，利用横向姿态的多层堆焊形成焊接金属而进行接合，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
以所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面的方式形成所述边界层。
根据该结构，即使在横向姿态下的多层堆焊中，也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而形成焊接金属的表面良好的焊接接头。
(2)根据(1)所述的多层堆焊方法，其中，
所述多层堆焊方法具有基于施工信息来决定所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息的工序，
所述施工信息至少包括坡口形状、坡口角度以及所述母材的板厚的信息。
根据该结构，能够基于规定的施工信息来设计边界层。
(3)根据(1)或(2)所述的多层堆焊方法，其中，
具备将至少包括坡口形状、坡口角度以及所述母材的板厚的信息的施工信息与所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据库，
所述多层堆焊方法具有基于所述数据库来决定包括层叠数以及所述边界层的位置的层叠模式的工序。
根据该结构，能够基于将施工信息与规定的位置信息建立了关联的数据库，自动地决定包括层叠数以及边界层的位置的层叠模式。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的多层堆焊方法，其中，
以如下方式形成所述边界层：
从所述母材的表面到所述PUB的距离DUB处于2～12mm的范围，且从所述母材的表面到所述PLB的距离DLB处于4～16mm的范围，并且
所述DUB与所述DLB之差为1mm以上且10mm以下。
根据该结构，通过在该边界层的表面侧形成完工层，能够以较少的完工层数得到良好的接头外观。
(5)根据(1)～(4)中任一项所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止依次变大的方式形成所述基底层。
根据该结构，在形成焊接金属的表面良好的焊接接头时，容易形成为期望的形状的边界层。另外，求出层叠数以及道次数的运算式变得简单，能够容易地计算层叠条件。
(6)根据(1)～(4)中任一项所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
从所述基底层中的规定的层到所述边界层为止连续地形成从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))为正的多个层。
根据该结构，在形成焊接金属的表面良好的焊接接头时，容易形成为期望的形状的边界层。另外，能够从初始层起在上板侧较多设置熔敷金属的厚度量。
(7)根据(1)～(4)中任一项所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止交替地成为正负的方式形成所述基底层。
根据该结构，在形成焊接金属的表面良好的焊接接头时，容易形成为期望的形状的边界层。另外，容易确保坡口侧的空间，容易兼顾外观品质与焊接品质。
(8)一种多层堆叠对焊接头，其通过由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材经由利用多层堆焊形成的焊接金属接合而成，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面。
根据该结构，即使在横向姿态下的多层堆焊中，也能够将焊道下垂的产生抑制为最小限度而得到焊接金属的表面良好的焊接接头。
(9)根据(8)所述的多层堆叠对焊接头，其中，
从所述母材的表面到所述PUB的距离DUB处于2～12mm的范围，且从所述母材的表面到所述PLB的距离DLB处于4～16mm的范围，并且
所述DUB与所述DLB之差为1mm以上且10mm以下。
根据该结构，能够以较少完工层数得到外观性能优异的焊接接头。
(10)一种多层堆焊的层叠模式计算方法，其用于进行(3)所述的多层堆焊方法，其中，
具备将至少包括坡口形状、坡口角度以及所述母材的板厚的信息的施工信息与所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据库，
所述多层堆焊的层叠模式计算方法具有基于所述数据库来决定包括层叠数以及所述边界层的位置的层叠模式的工序。
根据该结构，能够基于将施工信息与规定的位置信息建立了关联的数据库，自动地决定包括层叠数以及边界层的位置的层叠模式。
以上，参照附图对各种实施方式进行了说明，但本发明当然并不限定于上述示例。本领域技术人员能够在专利技术方案所记载的范畴内想到各种变更例或修正例，这些变更例或修正例当然也属于本发明的技术范围。另外，也可以在不脱离发明的主旨的范围内，将上述实施方式中的各构成要素任意地组合。
需要说明的是，本申请基于2021年7月29日申请的日本专利申请(特愿2021-124523)，其内容在本申请之中作为参照而被引用。
附图标记说明
1A 母材的表面
1B 母材的背面
1L 作为母材的下板
1U 作为母材的上板
20 多层堆叠对焊接头
BL 边界层
DL(n) 从母材的表面到PL(n)的距离
DLB 从母材的表面到PLB的距离
DU(n) 从母材的表面到PU(n)的距离
DUB 从母材的表面到PUB的距离
EL 最终层
FL 完工层
GL 基底层
n 层叠数
PL(n) 第n层中的下板侧熔敷部的位置
PLB 边界层中的下板侧熔敷部的位置
PU(n) 第n层中的上板侧熔敷部的位置
PUB 边界层中的上板侧熔敷部的位置
WL 焊接金属
X母材的板厚。
Claims (17)
1.一种多层堆焊方法，用于针对由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材，利用横向姿态的多层堆焊形成焊接金属而进行接合，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
以所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面的方式形成所述边界层。
2.根据权利要求1所述的多层堆焊方法，其中，
所述多层堆焊方法具有基于施工信息来决定所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息的工序，
所述施工信息至少包括坡口形状、坡口角度、以及所述母材的板厚的信息。
3.根据权利要求1或2所述的多层堆焊方法，其中，
具备将至少包括坡口形状、坡口角度、以及所述母材的板厚的信息的施工信息与所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据库，
所述多层堆焊方法具有基于所述数据库来决定包括层叠数以及所述边界层的位置的层叠模式的工序。
4.根据权利要求1或2所述的多层堆焊方法，其中，
以如下方式形成所述边界层：
从所述母材的表面到所述PUB的距离DUB处于2～12mm的范围，且从所述母材的表面到所述PLB的距离DLB处于4～16mm的范围，并且
所述DUB与所述DLB之差为1mm以上且10mm以下。
5.根据权利要求3所述的多层堆焊方法，其中，
以如下方式形成所述边界层：
从所述母材的表面到所述PUB的距离DUB处于2～12mm的范围，且从所述母材的表面到所述PLB的距离DLB处于4～16mm的范围，并且
所述DUB与所述DLB之差为1mm以上且10mm以下。
6.根据权利要求1或2所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止依次变大的方式形成所述基底层。
7.根据权利要求3所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止依次变大的方式形成所述基底层。
8.根据权利要求4所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止依次变大的方式形成所述基底层。
9.根据权利要求1或2所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
从所述基底层中的规定的层到所述边界层为止连续地形成从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))为正的多个层。
10.根据权利要求3所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
从所述基底层中的规定的层到所述边界层为止连续地形成从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))为正的多个层。
11.根据权利要求4所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
从所述基底层中的规定的层到所述边界层为止连续地形成从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))为正的多个层。
12.根据权利要求1或2所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止交替地成为正负的方式形成所述基底层。
13.根据权利要求3所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止交替地成为正负的方式形成所述基底层。
14.根据权利要求4所述的多层堆焊方法，其中，
在将第n层中的所述上板侧熔敷部的位置设为PU(n)并将第n层中的所述下板侧熔敷部的位置设为PL(n)的情况下，
以从所述母材的表面到所述PL(n)的距离DL(n)与从所述母材的表面到所述PU(n)的距离DU(n)之差(DL(n)-DU(n))到所述边界层为止交替地成为正负的方式形成所述基底层。
15.一种多层堆叠对焊接头，其通过由配置为形成坡口的上板以及下板构成的一对母材经由利用多层堆焊形成的焊接金属接合而成，其中，
所述焊接金属从所述母材的背面到表面具有多个层，
所述多个层具备：
完工层，其具有包括最终层在内的至少两层；以及
基底层，其位于比所述完工层靠所述母材的背面侧的位置，并包括成为与所述完工层相邻的层的边界层，
所述边界层中的所述上板侧熔敷部的位置PUB比所述边界层中的所述下板侧熔敷部的位置PLB接近所述母材的表面。
16.根据权利要求15所述的多层堆叠对焊接头，其中，
从所述母材的表面到所述PUB的距离DUB处于2～12mm的范围，且从所述母材的表面到所述PLB的距离DLB处于4～16mm的范围，并且
所述DUB与所述DLB之差为1mm以上且10mm以下。
17.一种多层堆焊的层叠模式计算方法，用于进行权利要求3所述的多层堆焊方法，其中，
具备将至少包括坡口形状、坡口角度、以及所述母材的板厚的信息的施工信息与所述PUB的位置信息、所述PLB的位置信息、以及所述PUB和所述PLB之间的相对位置信息中的至少两个位置信息建立了关联的数据库，
所述多层堆焊的层叠模式计算方法具有基于所述数据库来决定包括层叠数以及所述边界层的位置的层叠模式的工序。
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