JP2010017758A - 現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】配管の内周面の溶接及び外周面の溶接の両方に用いることができる内外面兼用自動溶接ヘッドの提供。
【解決手段】現場固定管１の外周面及び内周面の円周方向に沿って配設されたレール２上を走行して該外周面及び内周面の片面溶接を実施する自動溶接機のヘッド３であって、該ヘッドは、レールに沿って走行可能な走行装置４と、該走行装置に支持される装置群７とからなり、該装置群は少なくとも溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構、及びワイヤ送給機構８とを備え、前記走行装置はそのままで又は全部或いは部品の一部の交換によって前記外周面レール及び前記内周面レールの両方に走行可能とすることができ、該走行装置及び該装置群は、外周面溶接時に許容される物理的な範囲及び内周面溶接時に許容される物理的な範囲の双方を同時に満たす範囲内に全て配置されている現場固定管の内外周兼用の自動溶接ヘッド。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種プラント等の配管の管端の突合わせ溶接を自動的に行う溶接ヘッドに関する。

従来、配管の突合わせ溶接を行うために各種の自動溶接ヘッドが提案されている。この自動溶接ヘッドは、配管の外周部または内周部にそって配置されたガイドレールに沿って走行可能な走行装置と、この走行装置に搭載された溶接トーチ及びその他の機器とからなり、溶接の際には前記走行装置が配管のガイドレールに沿って走行しながら溶接トーチにより管端の突合せ溶接を行うものである。

管の円周突き合わせ溶接を行う溶接装置は特許文献１に開示されている。
この装置を図４に基づいて説明する。２０は突合されたパイプ１０に装着された円周ガイドレール、２１は円周ガイドレール２０に設置された溶接を自動的に行う溶接ヘッドである。溶接ヘッド２１はパイプ１０の外周面上を円周ガイドレール２０に案内されて走行する走行装置２２と、走行装置２２上に設けられた開先幅方向にスライド自在なスライドＸ軸２３と、スライドＸ軸２３に連結され、トーチ高さ方向にスライド自在なスライドＹ軸２４と、スライドＹ軸２４にパイプ周方向に揺動自在に取付けられたトーチ支持体２５と、トーチ支持体２５に回転自在に支持された溶接トーチ２６と、走行装置２２上に設けられたワイヤ送給装置２７とから大別構成されている。溶接ヘッド２１の走行装置２２は走行台車２２１と、走行台車２２１の下部に設けられ、円周ガイドレール２０の外歯２０２と噛合する走行車輪２２２と走行台車２２１の下部に設けられ、円周ガイドレール２０の両端を把持する把持機構２２３と、走行台車２２１上に設けられ、走行台車２２１と駆動するＺ軸エンコーダ２２５付きＺ軸モータ２２４とから構成されている。
２３１はスライドＸ軸２３を開先幅方向に駆動するＸ方向駆動機構で、２４１はスライドＹ軸２４をトーチ高さ方向に駆動するＹ方向駆動機構で、２５１は溶接トーチ２６をβ方向に角度調整するβ方向駆動機構で、２６１は溶接トーチ内部の回転駆動溶接機構でＲ軸エンコーダ２６３付き、回転モータ２６２を有している。ワイヤ送給装置２７はワイヤ送給機構２７１を駆動するワイヤ送給モータ２７２とワイヤリール２７４で構成されている。３０は溶接ワイヤ３１を内蔵したコンジットケーブル、２９は走行台車２２に設けられた走行位置検出器である。

自動溶接ヘッドには次の機能が要求される。
（１）ガイドレール上をスムーズに走行すること。ノッキングなどが発生しないことは勿論のこと、バックラッシュによる局部的な走行不良も極力少ないことが望ましい。
（２）全姿勢に亘って、溶接ヘッドが落下せずにレールにしっかりと把持されること。
（３）ガイドレール上走行時に、走行部がガイドレールや母材部にぶつからないこと。
（４）ガイドレールへの着脱が容易なこと。
（５）走行時に、溶接進行方向に対する左右・上下方向の遊びが少ないこと。（実際には±０．１ｍｍ以内が望ましい）
（６）決められた範囲での走行速度のバラツキが少なく（実際には±３．０％程度）、ある溶接姿勢での走行速度のバラツキに再現性のあること。
（７）曲率がある範囲で変化しても走行すること。
（８）必要とする溶接速度範囲で、同じような誤差で走行すること。
（９）ガイドレールを著しく損傷することなく走行すること。また逆に走行部がガイドレールにより著しく損傷を受けることのないこと。

自動溶接ヘッドとして種々の装置が提案されている。
特許文献２には、溶接トーチを被溶接管の溶接線に沿って走行させるためのガイドとなる案内装置を、複数個に分割可能なリング状案内金具本体とこれを管の円周に固定するための固定具とから構成して管の円周に簡便に固定することを可能にした案内装置が開示されている。しかしながら、この案内装置は管の外周を溶接するためのものであり、内周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献３には、配管の外周面に倣って走行する走行装置と、走行装置により支持されて前記配管の管端の突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接機とを備える自動溶接機であって、管の外周面に、一定の幅を有する帯状かつ環状の部材であって幅方向の両端に環状部材と一体で環状に一周する２本のレールとラックレールとを設けた環状部材を配置し、この環状部材のラックレールとかみ合うピニオンギアを車軸に備えかつ溶接トーチを固定した走行台車を環状部材に沿って走行させるようにした自動溶接機が開示されている。しかしながら、この案内装置も特許文献１記載のものと同様に管の外周を溶接するためのものであり、内周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献４には、定置された鋼管の周方向内面を突き合わせ溶接する自動溶接方法であって、鋼管の内周面の周方向に案内レールを設け、この案内レールによって自走式溶接ヘッドをガイドしながら走行させて鋼管周方向内面を突き合わせ溶接する方法が記載されている。しかしながら、この案内装置は管の内周を溶接するためのものであり、外周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献５には、溶接トーチ・溶接ワイヤ等の溶接に必要な装置を搭載した走行台車と走行台車をガイドしながら走行させるガイドレールとを備えた溶接用走行装置であって、走行台車のガイドレールへの装着及び取り外しを簡便に行えるようにした装置が開示されている。
この機構そのものはガイドレールを内周面に設けた場合及びガイドレールを外周面に設けた場合のいずれにも適用可能であるといえるが、その互換性についての記述はなされていない。

上記したように、鋼管の円周自動溶接を実施する際に、外面溶接は外面側にガイドレールを装着し、内面溶接は内面側にガイドレールを装着し、そのガイドレールの上に溶接ヘッドを装着して自動溶接を実施する方法が一般的である。しかしながら、外面側のガイドレールと内面側のガイドレールとは曲率が反対になるため、溶接ヘッドは各々互換性の無いものになっていた。

特開平４−２００８６６号公報 特開昭５４−５４９３６号公報 特開平７−３１４１３２号公報 特開昭５８−６５５７９号公報 実公平３−１２４７１号公報

本発明は、配管の内周面の溶接及び外周面の溶接の両方に用いることができる内外面兼用自動溶接ヘッドを提供することを目的とする。

本発明者等は、溶接ヘッドの内、走行装置とその他の部分（トーチ部、トーチ左右軸、トーチ上下軸、ワイヤ送給部等）とを分離し、走行部のみ外周面、内周面専用とし、その他の部分を内外周面兼用とすることにより上記の課題を達成することができることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載するとおりの溶接ヘッドに係るものである。

（１）現場固定管の外周面及び内周面の円周方向に沿って配設されたレール上を走行して該外周面及び内周面の片面溶接を実施する自動溶接機のヘッドであって、該ヘッドは、レールに沿って走行可能な走行装置と、該走行装置に支持される装置群とからなり、該装置群は少なくとも溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構、及びワイヤ送給機構とを備え、前記走行装置はそのままで又は全部或いは部品の一部の交換によって前記外周面レール及び前記内周面レールの両方に走行可能とすることができ、該走行装置及び該装置群は、外周面溶接時に許容される物理的な範囲及び内周面溶接時に許容される物理的な範囲の双方を同時に満たす範囲内に全て配置されていることを特徴とする現場固定管の内外周兼用の自動溶接ヘッド。
（２）前記走行装置がレールの上面に配置される走行車とレールの下に配置される支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とがレールを挟み込むことによってレールを把持して溶接ヘッドを支持するようにされ、支え部が該管の外周及び内周の曲率に従って交換可能に配設されていることを特徴とする（１）記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
（３）前記走行車がレールの方向に沿って２対設けられ、支え車部が前記２対の走行車のそれぞれの直下に１対ずつ配設されていることを特徴とする（２）記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
（４）前記走行車がレールの方向に沿って２対設けられ、支え車部が前記２対の走行車の中間位置の直下に１対配設されていることを特徴とする（２）記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
（５）前記外周面溶接時に許容される物理的な範囲が鋼管表面の上部２００ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
（６）前記外周面溶接時の配管径が１５０Ａ〜１８００Ａであることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
（７）前記内周面溶接時の配管径が８００Ａ以上であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。

本発明によれば、内周面溶接装置と外周面溶接装置とを別個に保有する必要が無くなり装置の稼働率が向上すると共に、装置の基本的構成が同じであるため、装置のメンテナンスが容易となり、メンテナンス部品も２機種が１機種になったことにより、少数保管で済む。また、内外周面とも同じオペレートになるため、オペレータ訓練が半分で済み、オペレートミスが少なくなり、結果として品質向上が図れる。更に、機種のバージョンアップも内外面同時に実施できるため、高性能化の開発投資が半分で済む。

本発明の溶接ヘッドは、現場小径固定管の外周面及び現場中径固定管の内円周に対して、該外周及び該内周に沿って配設されたレール上を走行して片面溶接を共通に実施できる内外周兼用の自動溶接機の溶接ヘッドである。

本発明の溶接ヘッドは、少なくとも次の装置及び機構を備えている。
（１）レールに沿って走行することを可能とする走行装置
（２）溶接トーチ
（３）溶接トーチの上下移動機構
（４）溶接トーチの左右移動機構
（５）ワイヤ送給機構
また、溶接ヘッドは上記の装置・機構の他に例えば溶接状態を遠隔的に監視するためのＣＣＵ（カメラ制御器）一体型のカメラ等を必要に応じて搭載することができる。
本発明者等は、溶接ヘッドの内、走行装置とその他の部分（溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構、ワイヤ送給機構）とを分離し、走行装置のみを外面、内面専用の構成とし、その他の部分を内外面兼用の構成としたものである。

走行装置は、そのままで又は全部或いは部品の一部の交換によって前記外周面レールの曲率及び前記内周面レールの曲率に対して前記ヘッド全体を共通に支持しつつ走行できる構成とする。
走行装置は、管の周面に設けられたレールに沿って走行可能なものであればよく、具体的にはレール上面に配置される走行車と、レール下面に配置され、走行車と協同してレールを挟み込んで把持することによって溶接ヘッド本体をレール上に保持する支え車部とを備えた台車及びその駆動機構を含む。
レールを走行車及び支え車部を備えた台車が走行するという構成とすることにより、溶接ヘッドが安定してスムーズに移動することができる。また、走行車と支え車部でレールを挟み込んで保持するという構成とすることにより、溶接ヘッドをレール上に安定して保持することができ、またガイドレールへの着脱が容易となる。

走行車は台車の台枠によって支持されており、溶接ヘッドを安定に保持する観点からレールの方向に沿って２対設ける。
また、支え車部は一対またはレールの方向に沿って２対設けることができる。
レールを確実に挟み込んで把持するために、支え車部を一対設ける場合は２対の走行車の中間位置の直下に配設し、支え車部を２対設ける場合は２対の走行車の各対のそれぞれの直下に配設する。支え車部を２対設けた方が、溶接ヘッドの姿勢を安定させることができるので好ましい。

図１に小径固定管の外周面を溶接する場合の装置構成を例示する。
走行装置は台車４とこの台車４に設けられた走行車５、支え車部６及び駆動機構等からなっている。
走行装置は管の外周の曲率及び内周の曲率に応じて走行可能とするために、全部又は一部を交換可能とする。具体的には走行車、支え車部、その保持機構及び推進機構を含めた全体を取り替えるようにしてもよいし、部分的に取り替え可能にしても良い。
台車４は内面用、外面用で交換して用いる。
走行車間の間隔と支え車部間の間隔との関係は、外周面溶接に際しては、走行車間隔＞支え車部間隔となるようにし、内周面溶接に際しては、走行車間隔＜支え車部間隔となるようにする。
具体的には、外周面走行装置を内周面用に変更する際には、走行装置のレールに沿った両端側の内面レールに接触する部分を短くし、なおかつ走行車に対する支え車部の間隔を、走行車間の間隔よりも若干広く配置させる。
配管の種類によっては交換が不要でそのままで外周及び内周のレール走行が可能な場合もあるので、この場合には取り替えすることなく使用すればよい。

溶接ヘッドは走行装置とこの走行装置の台車４に取付けられた装置群とで構成される。
この装置群とは具体的には、トーチ周辺ユニット７（トーチ、トーチ上下ユニット、トーチ左右ユニット、制御中継箱）、ＣＣＤカメラユニット９、走行モータ、ワイヤ送給ユニット８等であり、これらは内面、外面溶接ヘッドにおいて共通に用いられる

溶接ヘッドを内周溶接及び外周溶接の両者に兼用可能なようにするために、溶接ヘッドを構成する各部材（走行装置、溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構、ワイヤ送給機構等）が外周面溶接時に許容される物理的な範囲及び内周面溶接時に許容される物理的な範囲の双方を同時に満たす範囲内に全て配置する。このようにすることによって、内周溶接及び外周溶接のいずれの溶接においても、溶接ヘッドがレールや管壁と接触して走行が妨げられることがなくなる。

現場溶接を実施する際に、隣接する管や障害物との離隔が２００ｍｍ程度まで接近している例がある。従って外周面溶接時に許容される溶接ヘッドの管表面からの高さは２００ｍｍ以内に収めることが好ましい。
また、外周面溶接時の配管径は１５０Ａから１８００Ａであることが好ましく、内周面溶接時の配管径は８００Ａ以上であることが好ましい。
現場固定管が小径管であると、外周面溶接ヘッドをガイドレール上を走行させる際に、溶接ヘッドの腹がガイドレールにぶつかったり、走行車部と支え車部とのバランスが悪く安定して走行できなかったりするという問題がある。従って、外周面溶接時の配管径は１５０Ａ以上であることが好ましい。同様に現場固定管が小径管である場合には走行性上の理由から、内周面溶接時の配管型は８００Ａ以上であることが好ましい。

以下、図面に基づいて本発明を説明する。
図１は前記したように小径固定管の外周面を溶接する場合を示したものであるが、管１の外周にはガイドレール２が固定され、このガイドレール２に沿って溶接ヘッド３が移動しつつ溶接作業を行う。走行装置は走行台車４と、走行台車４の下部に設けられた走行車５と支え車部６とを有し、走行車５と支え車部とが協同してレールを挟み込むことによってレールを把持して溶接ヘッドを支持している。
溶接ヘッドは、少なくとも走行部とトーチ周辺ユニット（溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構）７、及びワイヤ送給機構（ワイヤ送給ユニット）とを有しており、必要に応じてＣＣＤカメラユニット９等が搭載される。

図１に示すような管の外周部を溶接する場合には、溶接ヘッドの形状、構造は溶接作業に特に影響を及ぼさないため、溶接ヘッドの形状、構造、その空間的配置にはかなり自由度がある。しかしながら、この溶接ヘッドを内周部の溶接にそのまま適用すると溶接ヘッドを構成する要素がガイドレールに当たるという不具合が生じる。
例えば図２は、図１において用いた溶接ヘッドを管の内周部の溶接に用いた場合を示すものであるが、図のａ，ｂ，ｃで示した部分において溶接ヘッドがガイドレールと接触するという不具合が生じる。
また、外周溶接の曲率と内周溶接の曲率とは反対となるため、それぞれに適した走行装置を備えた溶接ヘッドを用いる必要がある。

そこで、本発明では、溶接ヘッドの内、走行装置とその他の部分とを分離し、走行装置については外面溶接専用及び内面溶接専用の構成とし、その他の部分を内外面兼用とする。
具体例を図３に示す。本例では、外周溶接に使用した台車４を、内周溶接に適した台車４′に取り替えると共に、走行装置以外の溶接ヘッドを構成する要素は台車４及び台車４′に兼用可能な形状、構造とし、それぞれが適宜台車４と台車４’に着脱可能な構成となっている。
台車４では、台車の進行方向に沿った方向に各要素を設置することができるが、台車４′では、図２で示したｂ、ｃの部分がガイドレールと接触することがないような配置となるように各要素を台車上に配置する。また、図２で示したａは台車４を台車４’に変更することによってガイドレールとの接触を回避することができる。

本発明の自動溶接ヘッドは、配管の内周面の溶接及び外周面の溶接の両方に用いることができるので、装置の稼働率が向上し、装置のメンテナンスが容易となるので、パイプライン敷設工事における突き合わせ円周溶接用の溶接ヘッドとして好適に使用できる。

小径固定管の外周面を溶接する様子を示した図である。 図１において用いた溶接ヘッドを中径固定管の内周面の溶接に用いた様子を示す図である。 本発明の溶接ヘッドを用いて中径固定管の内周面を溶接する様子を示す図である。 従来技術の固定管の突き合わせ溶接を説明する図である。

符号の説明

（図１〜図３について）
１ 管
２ ガイドレール
３ 溶接ヘッド
４ 台車
５ 走行車
６ 支え車部
７ トーチ周辺ユニット
８ ワイヤ送給ユニット
９ ＣＣＤカメラユニット
ａ，ｂ，ｃ 溶接ヘッドがガイドレールと接触する箇所
（図４について）
１０ パイプ
２０ 円周ガイドレール
２１ 溶接ヘッド
２２ 走行装置
２３ スライドＸ軸
２４ スライドＹ軸
２５ トーチ支持体
２６ 溶接トーチ
２７ ワイヤ送給装置
３０ コンジットケーブル
３１ 溶接ワイヤ
２２４ Ｚ軸モータ
２３１ Ｘ方向駆動機構
２３２ Ｘ軸モータ
２４１ Ｙ方向駆動機構
２４２ Ｙ軸モータ
２５１ β方向駆動機構
２５２ β軸モータ
２６１ 回転駆動機構
２６２ 回転モータ
２７２ ワイヤ送給モータ

Claims (7)

1. 現場固定管の外周面及び内周面の円周方向に沿って配設されたレール上を走行して該外周面及び内周面の片面溶接を実施する自動溶接機のヘッドであって、該ヘッドは、レールに沿って走行可能な走行装置と、該走行装置に支持される装置群とからなり、該装置群は少なくとも溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構、溶接トーチの左右移動機構、及びワイヤ送給機構とを備え、前記走行装置はそのままで又は全部或いは部品の一部の交換によって前記外周面レール及び前記内周面レールの両方に走行可能とすることができ、該走行装置及び該装置群は、外周面溶接時に許容される物理的な範囲及び内周面溶接時に許容される物理的な範囲の双方を同時に満たす範囲内に全て配置されていることを特徴とする現場固定管の内外周兼用の自動溶接ヘッド。
2. 前記走行装置がレールの上面に配置される走行車とレールの下に配置される支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とがレールを挟み込むことによってレールを把持して溶接ヘッドを支持するようにされ、支え車部が該管の外周及び内周の曲率に従って交換可能に配設されていることを特徴とする請求項１記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
3. 前記走行車がレールの方向に沿って２対設けられ、支え車部が前記２対の走行車のそれぞれの直下に１対ずつ配設されていることを特徴とする請求項２記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
4. 前記走行車がレールの方向に沿って２対設けられ、支え車部が前記２対の走行車の中間位置の直下に１対配設されていることを特徴とする請求項２記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
5. 前記外周面溶接時に許容される物理的な範囲が鋼管表面の上部２００ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
6. 前記外周面溶接時の配管径が１５０Ａ〜１８００Ａであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。
7. 前記内周面溶接時の配管径が８００Ａ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の現場固定管の内外面兼用自動溶接ヘッド。

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