JP2000263234A - 鋼管矢板継手の４電極自動溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼管矢板継手の溶接における溶接速度の高速
化とコストダウンを実現する。 【解決手段】 鋼管矢板の長手方向に走行可能な走行台
車３０にマニプレータ３１を搭載し、このマニプレータ
３１に４基の高速回転アーク溶接トーチ１３〜１６を直
線上に配置するとともに、先行の２電極１３と１４およ
び後行の２電極１５と１６によりそれぞれ１つずつの溶
融池５、６を形成するように各回転トーチを配置し、さ
らに各回転トーチには狙い位置を開先幅方向に調整する
Ｘ軸２１、トーチ高さを上下方向に調整するＹ軸２２、
トーチ角度αを調整するα軸２３を設けて溶接ヘッド１
０を構成し、少なくとも第１電極１３と第３電極１５の
高速回転アーク式アークセンサ制御により開先自動倣い
を行いながら、本管１と継手材２の溶接継手３を溶接す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼管矢板の本管と
継手材を４電極２プール式にて溶接する４電極自動溶接
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼管矢板は、一般にスパイラル溶接鋼管
からなる本管と、この本管の両側に長手方向に溶接され
た継手材とから構成される。鋼管矢板の材質とサイズは
ＪＩＳＡ５５３０（１９８３）に規定されており、また
継手の形式として、図１０に示すようなＰ−Ｐ型、Ｐ−
Ｔ型、Ｌ−Ｔ型の３種類がある。本管１は外径５００〜
２０００ｍｍ、厚さ９〜２５ｍｍとなっている。

【０００３】Ｐ−Ｐ型は、継手材がいずれもパイプ材２
ａからなる継手であり、溶接継手がいわゆるフレア継手
３ａとなることに特色がある。Ｐ−Ｔ型は、継手材がパ
イプ材２ａとＴ型材２ｂからなる継手であり、Ｌ−Ｔ型
は、継手材が片側２本のＬ型材２ｃと１本のＴ型材２ｂ
からなる継手である。これらはいずれも溶接継手が隅肉
継手３ｂとなる。Ｐ−Ｐ型、Ｐ−Ｔ型およびＬ−Ｔ型の
継手寸法は下記のようになっている（全てミリ寸法）。 （１）Ｐ−Ｐ型 φ１６５．２×９（または１１） （２）Ｐ−Ｔ型 φ１６５．２×９（または１１） Ｔ−７６×８５×９×９ または φ１６５．２×９ ＣＴ−６２．５×１２５×６．５×９ の２種類がある。 （３）Ｌ−Ｔ型 Ｌ−７５×７５×９ Ｔ−１２５×９ または Ｌ−６５×６５×８ Ｔ−１２５×９ の２種類がある。

【０００４】上記の溶接継手において要求されるビード
幅あるいは脚長寸法は、図１１に示すようになってお
り、Ｐ継手の場合８ｍｍ以上のビード幅、Ｔ継手の場合
９ｍｍ以上の脚長、ＣＴおよびＬ継手の場合８ｍｍ以上
の脚長が要求されている。

【０００５】このような継手材に対し、従来は一般的に
２電極タンデム溶接法が用いられており、この方法は、
各電極毎に１つの溶融池を形成するという２プール方式
の溶接法である。しかし、この溶接法の一番の問題点
は、溶接速度を上げることができないことである。溶接
速度を上げようとして溶接電流を増加すると、アーク圧
力が過大となるため、Ｐ継手のフレア継手の場合はバー
ンスルー（溶接金属の落下）が発生し、Ｔ、ＣＴ、Ｌ継
手の隅肉継手の場合は溶接ビードが凸型になるからであ
る。したがって、この溶接法では溶接速度は１００ｃｍ
／min程度が限界である。

【０００６】また、電極数を３電極にし、全体の溶着量
を増加させる方法も試みられているが、この方法では、
溶接速度が１５０ｃｍ／min以上になると、第１電極
（先行電極）の溶接が良好に行えないという問題があ
る。その理由は、第１電極のアーク直下の溶接金属層の
厚さが薄くなるため、Ｐ継手のフレア継手の場合は同様
にバーンスルーが発生し、またＴ、ＣＴ、Ｌ継手の隅肉
継手の場合はアークが溶融池を先行し、直接未溶融の母
材に接触するため、アークが不安定となり、いわゆるス
ティキング現象が発生するからである。

【０００７】特開平８−２５２６６７号公報に示された
溶接装置は、以上の問題点を解決する一つの方策ではあ
る。この溶接装置は、複数台の走行式溶接機を管軸方向
に並べて配設し、各々の走行式溶接機の溶接速度は０．
５〜０．７ｃｍ／minであるが、各台あたりの溶接長を
短くすることにより、総合的に溶接速度を上げようとす
るものである。したがって、基本的に、溶接機１台につ
き２電極であり、２プール方式である。また、運棒方式
としてウィービングまたは回転アーク方式を採用してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この溶
接装置には次のような問題点がある。 （１）１５０ｃｍ／min以上の溶接速度を実現するには
少なくとも３台の溶接機が必要である。いくら軽装備、
小型化を可能にした溶接機といえども個々に独立した溶
接機を複数台必要とするため設備費の上昇は免れない。 （２）高速回転アーク溶接の場合でも２電極の２プール
方式では、溶接速度を増加すると、先行電極のアーク直
下の溶融金属層の厚さが薄くなるため、上記のようにバ
ーンスルーが発生しやすくなるし、またアークが不安定
となり、スティキング現象が発生しやすくなる。 （３）ビード継ぎを要するため、その継ぎ目部に溶接欠
陥が発生しやすくなり、かつ処理に時間がかかる。 （４）充填材と称する特殊な形状の板材をフレア開先内
に挿入することによって、カットワイヤの散布を省略す
ることとしているが、このためコストアップをもたすら
すだけでなく、この充填材の安定した取付が困難であ
る。

【０００９】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたもので、鋼管矢板継手の溶接における溶接
速度の高速化とコストダウンを実現する鋼管矢板継手の
４電極自動溶接装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鋼管矢板継
手の４電極自動溶接装置は、鋼管矢板の本管と継手材に
より構成される溶接継手を、一直線上に配置した４基の
溶接トーチにより溶接する自動溶接装置であって、第１
電極と第２電極により、１つの溶融池を形成し、第３電
極と第４電極により、もう１つの溶融池を形成するよう
に４つの電極を配置し、前記４基の溶接トーチのうち、
少なくとも前記第１電極と第３電極は高速回転アーク溶
接トーチにより構成され、前記４基の溶接トーチの狙い
位置を、溶接線に対して開先幅方向に調整可能なＸ軸
と、前記４基の溶接トーチのトーチ高さを、溶接線に対
して上下方向に調整可能なＹ軸と、前記４基の溶接トー
チ並びにそれらの溶接トーチのＸ軸およびＹ軸を有する
溶接ヘッドを備えたマニプレータと、前記溶接ヘッドお
よび前記マニプレータを搭載し、鋼管矢板の長手方向に
走行可能な走行台車とを備えたことを特徴とするもので
ある。

【００１１】本発明の溶接装置においては、４電極を用
い、そのうちの２電極で１プールを形成し、４電極２プ
ール式にて溶接するものである。さらに、少なくとも第
１電極と第３電極に対しては高速回転アーク式アークセ
ンサ制御を行うものである。このため、本発明は下記の
作用効果を奏する。 （１）２電極１プールずつの溶接であるので、その先行
電極と後行電極がそれぞれのアーク圧力により、電極間
の溶融金属を押し合うことになる。そのため、各電極の
直下に十分な厚さの溶接金属層が形成されるため、Ｐ継
手のフレア継手の場合にあってはバーンスルー（溶接金
属の落下）が発生しにくくなり、またＴ、ＣＴ、Ｌ継手
の隅肉継手の場合にあってはアークが安定し、スティキ
ング現象が発生しにくいものとなり、かつ、ビード形状
が平坦な良好なものとなる。 （２）少なくとも先行電極（第１、第３電極）に高速回
転アーク溶接法を採用するため、アーク圧力の分散効果
により、上記（１）と同様の効果が得られ、上記現象が
発生しにくい。 （３）さらに高速回転アークの採用により、高精度で応
答性の良い開先倣い性能が得られるため、２００ｃｍ／
minを超える溶接速度でも、トーチの狙い位置が安定に
保たれるため、アンダーカットや割れ等の溶接欠陥が発
生しない。 （４）上記（１）〜（３）の効果により、従来装置より
も高い溶接電流が適用できる。

【００１２】本発明において、電極数を４電極とするの
は、所定の溶接ビード断面積（ワイヤ溶着体積÷溶接速
度）を高速溶接で得るために、ワイヤ溶着体積の合計を
増加することが目的である。したがって、コストは増加
するものの、６電極３プール、８電極４プール式も可能
である。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の鋼管矢板継手の４
電極自動溶接装置を示す概要図で、図２はその概略正面
図である。図１において、１０は４電極からなる溶接ヘ
ッドで、そのうち先行の２電極（Ｌ１、Ｔ１）により先
行溶接ヘッド１１を構成し、後行の２電極（Ｌ２、Ｔ
２）により後行溶接ヘッド１２を構成している。第１電
極（Ｌ１）１３と第２電極（Ｔ１）１４は、１つの溶融
池を形成するように近接して配置され、第３電極（Ｌ
２）１５と第４電極（Ｔ２）１６は、もう１つの溶融池
を形成するように近接して配置される。これらの電極間
距離は２５〜１００ｍｍの範囲内となっている。上記溶
接ヘッド１０は、走行台車３０上に搭載されたマニプレ
ータ３１に取り付けられている。マニプレータ３１は上
下および水平方向に移動可能である。

【００１４】１７は溶接ワイヤで、それぞれのワイヤ送
給装置１８によりワイヤパック１９から各電極に送給さ
れる。ワイヤ径は溶着量確保の観点から１．４〜２．０
ｍｍが適当である。ワイヤ送給装置１８はマニプレータ
３１に設置されており、ワイヤパック１９は走行台車３
０上に設置されている。４０は各電極に対応する溶接電
源で、ケーブルベア４１により走行台車３０と接続され
ている。また、走行台車３０には、溶接制御盤３２、台
車制御盤３３、冷却水循環装置３４、シールドガスヘッ
ダー（図示せず）等が設置されている。３５はペンダン
ト式の操作盤である。

【００１５】鋼管矢板は、図２に示すように、本管１と
継手材２をあらかじめ仮付け溶接してからターニングロ
ーラ台車５０上に載置される。前後２台のターニングロ
ーラ５１により本管１の前後各端部を支持する。上記走
行台車３０は、設定された溶接速度で鋼管矢板の長手方
向に走行する。鋼管矢板は、溶接に際し所定の継手ポジ
ションθをとるようにターニングローラ５１により本管
１を回動することによりセットされる。また、上記マニ
プレータ３１により左右および上下方向に溶接ヘッド１
０を移動し、後述するように各電極のトーチ角度α、狙
い位置を定めてから溶接を開始する。

【００１６】図３は溶接ヘッド１０の軸構成を示す概要
図である。ここでは、各電極はいずれも高速回転アーク
溶接トーチ（以下、回転トーチという）として構成され
ている。また、各溶接ヘッド１１、１２は、溶接ワイヤ
１７の狙い位置を溶接線４に対して開先幅方向に調整可
能な電動駆動軸（Ｘ軸という）２１と、トーチ高さを溶
接線４に対して上下方向に調整可能な電動駆動軸（Ｙ軸
という）２２と、溶接ワイヤ１７の先端を中心にトーチ
角度α（αは溶接方向の正面から見たときの角度で、ト
ーチ軸と鉛直線とのなす角度である。）を調整可能な電
動駆動軸（α軸という）２３により構成されている。な
お、以下の説明において、電極の回転方向は図９に示す
ように、溶接方向に対し右回転を正回転、左回転を逆回
転としている。また、各回転トーチ１３〜１６の溶接方
向の前進角、後退角を示すトーチ角度βはそれぞれ所定
の角度で固定にしてある。

【００１７】Ｘ軸２１は、各回転トーチにそれぞれ独立
に設けてもよいが、ここでは先行２電極のＬ１回転トー
チ１３とＴ１回転トーチ１４に対しては共通にしてあ
る。これは、先行２電極の狙い位置を同じにしているか
らである（但し、継手タイプに応じて狙い位置は変え
る）。後行２電極に対しては、隅肉溶接の場合、Ｌ２、
Ｔ２電極の狙い位置を変える必要性もあることから、そ
れぞれ独立にＸ軸２１を設けてある。Ｘ軸２１はまた、
高速回転アークセンサによる開先自動倣いの制御軸であ
る。次に、Ｙ軸２２は、各電極とも全て独立に構成され
ている。Ｙ軸２２もまた、高速回転アークセンサにより
トーチ高さが所定の高さとなるように制御する制御軸で
ある。なお、Ｘ軸２１、Ｙ軸２２の駆動機構については
図示していないが、公知のボールネジ機構を利用すれば
よい。これらのＸ軸２１、Ｙ軸２２の制御並びに溶接ワ
イヤ１７の回転速度と回転方向の制御は、前記溶接制御
盤３２にて行われる。

【００１８】α軸２３は、例えば、円弧状ラックとピニ
オンによる電動回転機構とすることによって各回転トー
チのトーチ角度αを可変にすることができる。トーチ角
度αは継手タイプ（Ｐ、Ｔ、ＣＴ、Ｌ継手）に応じて所
定の角度に設定される。

【００１９】以下、実施例について説明する。表１に示
す溶接施工条件で溶接試験を行った。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１に示すように、各継手タイプについ
て、２００ｃｍ／minの溶接速度で実施した。なお、図
４は本実施例における電極配置およびトーチ角度βを示
し、図５、図６は継手タイプ毎の継手ポジションθとト
ーチ角度α、ワイヤ狙い位置、ワイヤ回転方向の関係を
示す。

【００２２】図７に溶接状況の一例を示す。この例は、
Ｐ継手すなわちフレア継手を溶接している状況を模式的
に示したものである。その他のＴ、ＣＴ、Ｌ継手の隅肉
継手を溶接する場合も同様である。なお、図７におい
て、９は溶接に先立ってフレア開先内に散布されたカッ
トワイヤである。

【００２３】先行２電極の回転トーチ１３と１４によ
り、１つの溶融池５を形成しながら１層目の溶接ビード
７が形成されていく。また同時に、後行２電極の回転ト
ーチ１５と１６により、１層目の溶接ビード７上に、も
う１つの溶融池６を形成しながら２層目の溶接ビード８
が盛り付け溶接されていく。

【００２４】このように、先行の２電極１３、１４によ
り、１つの溶融池５を形成しているので、それぞれの電
極１３、１４のアーク圧力により、電極間の溶融金属を
押し合うことになるため、先行電極１３のアーク直下に
おける溶接金属層の厚さの減少を防止することができ
る。その結果、Ｐ継手の場合はバーンスルー（溶接金属
の落下）が発生しにくいのである。また、高速回転アー
ク溶接であるので、各電極１３、１４のアーク圧力の分
散効果により、上記現象をさらに発生しにくいものとす
る。したがって、溶接速度の高速化が可能となる。

【００２５】高速回転アークセンサによる開先自動倣い
は、この例では、第１電極のＬ１回転トーチ１３と第３
電極のＬ２回転トーチ１５により実施されている。第２
電極のＴ１回転トーチ１４は、Ｘ軸２１を共通にしてい
るため、第１電極のＬ１回転トーチ１３の開先倣い動作
に従うことになる。第４電極のＴ２回転トーチ１６も同
様の構成としてもよい。このように、少なくとも第１電
極と第３電極は回転トーチとなっているので、精度の良
い開先自動倣いを実施できる。なお、第２電極と第４電
極はそれぞれの先行電極である第１、第３電極の開先倣
い軌跡を再生することでも実施することができる。この
場合、第２、第４電極はストリンガ溶接とすることもで
きる。

【００２６】溶接試験結果は、図８にビード断面形状を
模式的に示すように、２００ｃｍ／minの溶接速度で
も、溶接欠陥のない極めて良好なビード形状を呈してい
た。また、ビード幅は約９ｍｍであった。Ｐ継手以外の
継手についても良好な結果が得られた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の溶接装置
によれば、４電極２プール式にて溶接を実施するもの
で、しかも先行電極である第１電極と第３電極に高速回
転アーク溶接トーチを用い、かつ高速回転アーク式アー
クセンサ制御により開先自動倣いを行いながら、鋼管矢
板継手を溶接するものであるから、溶接品質を高く保ち
つつ溶接速度の高速化を達成でき、かつこれに伴うコス
トダウンの効果が大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接装置を示す概要図である。

【図２】溶接装置の概略正面図である。

【図３】溶接ヘッドの軸構成を示す概要図である。

【図４】実施例における電極配置およびトーチ角度βを
示す図である。

【図５】Ｐ継手の場合における継手ポジションθとトー
チ角度α、ワイヤ狙い位置、ワイヤ回転方向の関係を示
す図である。

【図６】Ｔ、ＣＴ、Ｌ継手の場合における継手ポジショ
ンθとトーチ角度α、ワイヤ狙い位置、ワイヤ回転方向
の関係を示す図である。

【図７】Ｐ継手の溶接状況を示す図である。

【図８】溶接試験結果のビード断面形状を模式的に示す
図である。

【図９】ワイヤ回転方向を定義する図である。

【図１０】鋼管矢板の継手形式を示す図である。

【図１１】各継手タイプの溶接継手に要求されるビード
幅または脚長寸法を示す図である。

【符号の説明】

１ 本管 ２ 継手材 ３ 溶接継手 ４ 溶接線 ５ 溶融池 ６ 溶融池 ７ １層目の溶接ビード ８ ２層目の溶接ビード １０ 溶接ヘッド １１ 先行溶接ヘッド １２ 後行溶接ヘッド １３ 第１電極（回転トーチ） １４ 第２電極（回転トーチ） １５ 第３電極（回転トーチ） １６ 第４電極（回転トーチ） ２１ Ｘ軸 ２２ Ｙ軸 ２３ α軸 ３０ 走行台車 ３１ マニプレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安達 敏文 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 北村 信男 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB06 BB08 BB09 CC03 CC04 DB01 DF04 DF09 EA03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼管矢板の本管と継手材により構成され
   る溶接継手を、一直線上に配置した４基の溶接トーチに
   より溶接する自動溶接装置であって、 第１電極と第２電極により、１つの溶融池を形成し、第
   ３電極と第４電極により、もう１つの溶融池を形成する
   ように４つの電極を配置し、 前記４基の溶接トーチのうち、少なくとも前記第１電極
   と第３電極は高速回転アーク溶接トーチにより構成さ
   れ、 前記４基の溶接トーチの狙い位置を、溶接線に対して開
   先幅方向に調整可能なＸ軸と、 前記４基の溶接トーチのトーチ高さを、溶接線に対して
   上下方向に調整可能なＹ軸と、 前記４基の溶接トーチ並びにそれらの溶接トーチのＸ軸
   およびＹ軸を有する溶接ヘッドを備えたマニプレータ
   と、 前記溶接ヘッドおよび前記マニプレータを搭載し、鋼管
   矢板の長手方向に走行可能な走行台車と、を備えたこと
   を特徴とする鋼管矢板継手の４電極自動溶接装置。