JP2012096267A - 金属円管の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】押圧作業の複雑化や押圧手段の大型化を招くことなく、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わすことができる金属円管の製造装置を提供すること。
【解決手段】金属円管の製造装置１は、円筒状にロール成形されて搬送されるワーク１０の周方向端部である突合せ部１０ａを突合わせた状態で、レーザ溶接ヘッド２２を用いて溶接するものである。この金属円管の製造装置１は、ワーク１０の外径より僅かに大きい孔径の貫通孔２１ａを有する筒状金型２１と、筒状金型２１の貫通孔２１ａにワーク１０が挿通された状態で、ワーク１０の周方向において突合せ部１０ａと反対側に位置する反対部位１０ｃをワークの軸中心Ｏ１に向けて押圧する押圧装置４１，４２，４３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、円筒状のワークの突合せ部が突合わされた状態で溶接する金属円管の製造装置、及び製造方法に関し、特に、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わすことができる金属円管の製造装置、及び製造方法に関する。

金属板から金属円管を製造する方法として、金属板を各種ロール群によって円筒状にロール成形し、その周方向端部である突合せ部を突合わせた状態で溶接する方法がある。この方法では、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わすことが重要である。なぜなら、突合せ部において例えば段差が生じている状態で突合わされた場合、溶接により溶融した突合せ部の表面がフラットにならない。これにより、溶融した突合せ部で接合する部分の体積が減少して、金属円管の接合強度が低下してしまう。また、金属円管の外周面がフラットでなくなり、見た目が悪く、金属円管の品質が低下してしまう。そこで、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わす方法として、例えば、下記特許文献１に記載された方法がある。

下記特許文献１に記載された方法では、図１１に示したように、円筒状のワーク１１０に対してローラ１４１，１４２が左右に配置され、ローラ１４１，１４２に対してワーク１１０の搬送方向の出口側にローラ１４３，１４４が配置されている。そして、溶接ツール１２２の溶接位置よりワーク１１０の搬送方向の入口側において、突合せ部１１０ａの内周面側にローラ１４５を配置するとともに、突合せ部１１０ａの外周面側にローラ１４６を配置している。このようにして、ワーク１１０の左右からと、突合せ部１１０ａの内周面及び外周面とから、ワーク１１０を押圧して、突合せ部１１０ａをその外周面がフラットになるように調整している。

特開２００２−２４８５１９号公報

ところで、上述した方法においては、左右のローラ１４１，１４２、１４３，１４４がワーク１１０に対して押圧する押圧力及び押圧位置とを左右均等にしなければならず、押圧力及び押圧位置の調整が難しかった。特に、ワーク１１０自体に製作誤差（精度のバラツキ）がある場合、即ち、図１２（ａ）に示したように、外周長が軸方向に応じて異なるワーク１１０Ａである場合（ｄ１≠ｄ２）、又は図１２（ｂ）に示したように、突合せ部１１０ａの端面が軸方向に沿ってうねるワーク１１０Ｂである場合には、突合せ部１１０ａの位置に応じて、外周面がフラットになるように突合わすための押圧力及び押圧位置が変化して、突合せ部１１０ａを適正な位置で突合わすことが難しかった。

また、上述した方法においては、突合せ部１１０ａを上下のローラ１４５，１４６で上下方向から押圧している。これにより図１２（ｃ）に示したように突合せ部１１０ａに段差が生じていても、この段差を無くすことができる。しかし、この場合において、突合せ部１１０ａの外周面に作用する摩擦力が大きくなり、外周面に傷が付いて、品質が低下するおそれがあった。
更に、図１１に示した押圧手段１４０（各ローラ１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６）では、上下方向及び左右方向に押圧するため、押圧する方向が多くて、各ローラを駆動する駆動機構の押圧作業が複雑であった。また、各ローラがワーク１１０に対して左右及び上方に配置されるため、各ローラと駆動機構とを含めた押圧手段１４０が大型化するという問題もあった。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、押圧作業の複雑化や押圧手段の大型化を招くことなく、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わすことができる金属円管の製造装置、及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る金属円管の製造装置は、円筒状にロール成形されて搬送されるワークの周方向端部である突合せ部を突合わせた状態で、溶接ツールを用いて溶接するものであって、前記ワークの外径より僅かに大きい孔径の貫通孔を有する筒状金型と、前記筒状金型の貫通孔に前記ワークが挿通された状態で、前記ワークの周方向において前記突合せ部と反対側に位置する反対部位を前記ワークの軸中心に向けて押圧する押圧手段と、を備えることに特徴がある。

また、本発明に係る金属円管の製造装置において、前記押圧手段は、前記溶接ツールの溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記反対部位を押圧して前記突合せ部を突合せる第１押圧装置を有することが好ましい。
また、本発明に係る金属円管の製造装置において、前記押圧手段は、前記溶接ツールの溶接位置又はこの溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部を整形する第２押圧装置を有することが好ましい。
この場合において、前記溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記突合せ部の隙間の形状を測定する突合せ形状測定手段と、前記溶接位置又は前記溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、溶融した前記突合せ部のビードの形状を測定するビード形状測定手段と、前記突合せ形状測定手段及び前記ビード形状測定手段の測定値に基づいて、前記第２押圧装置が前記反対部位を押圧する押圧位置を決定し、前記第２押圧装置の駆動を制御する電子制御装置と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係る金属円管の製造装置において、前記押圧手段は、前記第２押圧装置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部が連続した状態を維持する第３押圧装置を有することが好ましい。
また、本発明に係る金属円管の製造装置において、前記突合せ部の周方向の位置合わせをするガイド手段を備え、このガイド手段は、前記ワークの搬送方向に対して所定の勾配を有するように延び、前記ワークの搬送方向の入口側では前記突合せ部の隙間に入り込み、前記ワークの搬送方向の出口側では前記突合せ部の隙間から抜ける刃部を有することが好ましい。

本発明に係る金属円管の製造方法は、円筒状にロール成形されたワークをその軸方向に搬送し、前記ワークの周方向端部である突合せ部を突合わせた状態で、溶接ツールを用いて溶接するものであって、貫通孔を有する筒状金型に対して、前記貫通孔の孔径より僅かに小さい外径を有するワークを前記貫通孔に挿通して搬送する搬送工程と、押圧手段により前記ワークの周方向において前記突合せ部と反対側に位置する反対部位を前記ワークの軸中心に向けて押圧する押圧工程と、を備えることに特徴がある。

また、本発明に係る金属円管の製造方法において、前記押圧工程では、前記溶接ツールの溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記反対部位を押圧して前記突合せ部を突合せることが好ましい。
また、本発明に係る金属円管の製造方法において、前記押圧工程では、前記溶接ツールの溶接位置又はこの溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部を整形することが好ましい。
また、本発明に係る金属円管の製造方法において、前記搬送工程では、軸方向長さが５００ｍｍ以下であるワークを搬送しても良い。

よって、本発明に係る金属円管の製造装置、及び製造方法によれば、ワークは筒状金型の貫通孔に対して浮いた状態で押圧され、ワークの外周面が筒状金型の貫通孔に沿って変形する。このように、ワークの外周面を変形させることを前提としているため、ワーク自体に製作誤差（精度のバラツキ）があっても、突合せ部の外周面を柔軟に変形させて、突合せ部をその外周面がフラットになるように突合わすことができる。
また、本発明によれば、押圧手段は、ワークの周方向において突合せ部と反対側に位置する反対部位をワークの軸中心に向けて押圧する。このため、押圧手段はワークを一方向から押圧するものであり、多方向から押圧するものではない。従って、押圧作業の複雑化を防止できる。また、押圧手段は、ワークに対して多方向（例えば、左右両方向）の位置に配置されるものではないため、押圧手段の大型化を防止できる。
また、本発明によれば、突合せ部の外周面は、筒状金型の貫通孔に拘束された状態で、ワークの周方向に僅かに揺動しながらワークの搬送方向に移動する。ここで、一般的に、外筒の円形孔に嵌合（拘束）された内筒が軸方向に移動する場合、内筒が周方向に僅かに揺動しながら軸方向に移動する場合の方が、内筒が単に軸方向に移動する場合に比して、内筒の外周面に作用する摩擦力が小さくなる。このため、突合せ部の外周面に作用する摩擦力が大きくなることを防止でき、外周面に傷が付き難くなり、品質を良好にすることができる。

第１実施形態における金属円管の製造装置を示した概略的な斜視図である。 図１に示した溶接装置等の縦断側面図である。 図１に示した溶接装置等の縦断正面図である。 図１に示した電子制御装置の制御系ブロック図である。 所定突合せ部に対する、金属円管の製造装置の動作を示したフローチャートである。 所定突合せ部に体積欠損が生じている状態を示した図である。 （ａ）図３に示した第１押圧装置のワークに対する力の伝達を示した図である。（ｂ）従来の押圧装置のワークに対する力の伝達を示した図である。 （ａ）溶融した所定突合せ部が凹状になっている状態を示した図である。（ｂ）溶融した所定突合せ部が凸状になっている状態を示した図である。 図４に示した押圧位置決定部の処理内容を示したフローチャートである。 第２実施形態における金属円管の製造装置を示した概略的な斜視図である。 従来の金属円管の製造装置において、ワークが押圧手段により押圧された状態を示した概略的な斜視図である。 （ａ）外周長が軸方向に応じて異なるワークを示した概略的な平面図である。（ｂ）突合せ部が軸方向に沿ってうねるワークを示した概略的な平面図である。（ｃ）突合せ部に段差が生じているワークを示した縦断正面図である。

次に、本発明に係る金属円管の製造方法及び製造装置について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、金属円管の製造装置１（以下、「装置１」と呼ぶ）を示した概略的な斜視図である。図１に示したように、搬送されるワーク１０を連続的に溶接する溶接装置２０と、ワーク１０の移動をガイドするガイド部材３０と、ワーク１０を局所的に押圧する押圧手段４０とを備えている。図２は、図１に示した溶接装置２０等の縦断側面図であり、図３は、図１に示した溶接装置２０等の縦断正面図である。

ワーク１０は、薄板状の金属板が各種ロール群によってプレスされ、円筒状にロール成形されたものである。このため、ワーク１０の断面形状は、略Ｃ字状になっていて、ワーク１０の周方向端部が突合せ部１０ａとなっている。なお、ワーク１０は、その外径が例えば１００ｍｍ程度のものである。この装置１は、図示しない搬送装置によって、ワーク１０を図１の左側から右側へ搬送し、突合せ部１０ａを突合わせた状態で連続的に溶接を行って、金属円管１０Ａを製造するようになっている。

溶接装置２０は、ワーク１０を挿通する筒状金型２１と、ワーク１０を溶接する溶接ツールとしてのレーザ溶接ヘッド２２とを有している。筒状金型２１は、直方体の箱状のものであり、中央に搬送されるワーク１０を挿通する円形の貫通孔２１ａを有している。この筒状金型２１の上部において、ワーク１０の搬送方向（以下、単に「搬送方向」と呼ぶ）の入口側にガイド部材３０が組付けられ、搬送方向の中央部にレーザ溶接ヘッド２２が組付けられている。また、筒状金型２１の下部において、搬送方向に沿って押圧手段４０が組付けられている。

筒状金型２１は、長手方向（図２の左右方向）の寸法が例えば２５０ｍｍ程度であり、高さ方向（図３の上下方向）の寸法が例えば２００ｍｍ程度であり、幅方向（図３の左右方向）の寸法が例えば２８０ｍｍ程度のものである。また、筒状金型２１の貫通孔２１ａの孔径は、ワーク１０の外径より、僅かに大きく設定されている。レーザ溶接ヘッド２２は、ワーク１０の突合せ部１０ａにレーザ光を照射し突合せ部１０ａを接合するものである。

ガイド部材３０は、突合せ部１０ａの周方向の位置合わせをするものである。このガイド部材３０は、カミソリ状のものであり、下方に刃部３０ａを有している。この刃部３０ａは、図２に示したように、搬送方向に対して所定の勾配を有するように延びていて、搬送方向の入口側では突合せ部１０ａの隙間１０ｂに入り込み、搬送方向の出口側では突合せ部１０ａの隙間１０ｂから抜けるようになっている。この実施形態においては、刃部３０ａの厚さは２ｍｍ程度に設定され、突合せ部１０ａの隙間１０ｂは３ｍｍ程度に設定されている。

押圧手段４０は、図２に示したように、ワーク１０の周方向において突合せ部１０ａと反対側に位置する反対部位１０ｃ（ワーク１０の下方部分）を軸中心Ｏ１（図３参照）に向けて押圧するものである。この押圧手段４０は、搬送方向の入口側から順に、第１押圧装置４１と、第２押圧装置４２と、第３押圧装置４３とを有している。各押圧装置４１，４２，４３は、図１に示したように、電子制御装置５０に接続されていて、それぞれ独立して駆動するように構成されている。

第１押圧装置４１は、図２に示したように、溶接位置（レーザ溶接ヘッド２２の先端の位置）より搬送方向の入口側で、反対部位１０ｃを押圧するものであり、ローラフォロア４１ａと第１駆動機構４１ｂとを有している。ローラフォロア４１ａは、ワーク１０の反対部位１０ｃと直接接触し、回転しながらワーク１０に径方向（図２の上下方向）の力を伝えるものである。第１駆動機構４１ｂは、ローラフォロア４１ａを反対部位１０ｃに向けて押圧し、その押圧荷重を制御できるように構成されている。この第１押圧装置４１の作用効果については、後に詳しく説明する。

第２押圧装置４２は、図２に示したように、溶接位置又は溶接位置より搬送方向の出口側で、反対部位１０ｃを押圧するものであり、ローラフォロア４２ａと第２駆動機構４２ｂとを有している。ローラフォロア４２ａは、ワーク１０の反対部位１０ｃと直接接触し、回転しながらワーク１０に径方向（図２の上下方向）の変位を伝えるものである。第２駆動機構４２ｂは、ローラフォロア４２ａを反対部位１０ｃに向けて押圧し、その押圧位置を制御できるように構成されている。この第２押圧装置４２の作用効果については、後に詳しく説明する。

第３押圧装置４３は、図２に示したように、第２押圧装置４２より搬送方向の出口側で、反対部位１０ｃを押圧するものであり、ローラフォロア４３ａと第３駆動機構４３ｂとを有している。ローラフォロア４３ａは、ワーク１０の反対部位１０ｃと直接接触し、回転しながらワーク１０に径方向（図２の上下方向）の力を伝えるものである。第３駆動機構４３ｂは、ローラフォロア４３ａを反対部位１０ｃに向けて押圧し、その押圧荷重を制御できるように構成されている。この第３押圧装置４３の作用効果については、後に詳しく説明する。

続いて、電子制御装置５０の制御系について、図４を用いて説明する。図４は、電子制御装置５０の制御系ブロック図である。この電子制御装置５０は、第１駆動制御部５１と、第２駆動制御部５２と、第３駆動制御部５３と、治具制御部５４と、押圧位置決定部５５とを備えている。また、この電子制御装置５０には、突合せ形状測定手段としての第１レーザ変位装置６１と、ビード形状測定手段としての第２レーザ変位装置６２とが接続されている。

第１駆動制御部５１は、第１駆動機構４１ｂと接続していて、ワーク１０の材質、板厚、外径等に基づいて生成した制御信号を第１駆動機構４１ｂに出力して、第１駆動機構４１ｂを駆動するようになっている。第２駆動制御部５２は、押圧位置決定部５５が決定した押圧位置Ｘｆを入力し、この押圧位置Ｘｆに基づいて生成した制御信号を第２駆動機構４２ｂに出力して、第２駆動機構４２ｂを駆動するようになっている。第３駆動制御部５３は、第３駆動機構４３ｂと接続していて、ワーク１０の材質、板厚、外径等に基づいて生成した制御信号を第３駆動機構４３ｂに出力して、第３駆動機構４３ｂを駆動するようになっている。治具制御部５４は、レーザ溶接ヘッド２２及び図示しない搬送装置と接続していて、これらを駆動するようになっている。

ここで、第１レーザ変位装置６１及び第２レーザ変位装置６２について説明する。第１レーザ変位装置６１は、図１及び図２に示したように、溶接位置より搬送方向の入口側で、突合せ部１０ａの隙間１０ｂの形状を測定するものである。これにより、突合せ部１０ａの体積がどのくらい不足しているかを測定できる。第２レーザ変位装置６２は、図１及び図２に示したように、溶接位置又は溶接位置より搬送方向の出口側で、溶融した突合せ部１０ａのビードの形状を測定するものである。これにより、溶融した突合せ部１０ａのビードの体積がどのくらい過不足しているかを測定できる。なお、突合せ形状測定手段及びビード形状測定手段は、レーザ変位装置６１，６２に限定されるものではなく、例えば画像処理装置であっても良い。

押圧位置決定部５５は、ローラフォロア４２ａの押圧位置Ｘｆを決定するものである。この押圧位置決定部５５は、第１レーザ変位装置６１により測定された測定値Ｆ１に基づいてフィードフォワード制御を行うとともに、第２レーザ変位装置６２により測定された測定値Ｂ１に基づいてフィードバック制御を行っている。押圧位置決定部５５の制御処理については、後に詳しく説明する。

次に、上記した構成を有する装置１の動作について、図５を用いて説明する。ここで、突合せ部１０ａは、ワーク１０の周方向端部であり且つワーク１０の軸方向に沿った全体を指し示す部分である。そこで、突合せ部１０ａのうち軸方向における所定部分を所定突合せ部１０ｘとして、図５では、所定突合せ部１０ｘに対する装置１の動作をフローチャートで示す。

図５に示したように、先ず、図示しない搬送装置によってワーク１０の搬送が開始され、所定突合せ部１０ｘが溶接装置２０に向けて移動する（ステップ１）。そして、第１レーザ変位装置６１が、溶接前の所定突合せ部１０ｘの隙間１０ｂの形状を測定する（ステップ２）。ここで、図６において、所定突合せ部１０ｘに体積欠損ＶＤが生じている状態を示す。図６に示したように、体積欠損ＶＤは、金属板がプレス抜きされて端面にダレが生じることによって形成されたものである。このステップ２では、所定突合せ部１０ｘの不足している体積が測定され、この測定値Ｆ１が押圧位置決定部５５に入力される。

続いて、所定突合せ部１０ｘは、ガイド部材３０によりガイドされる（ステップ３）。このステップ３では、所定突合せ部１０ｘは、ガイド部材３０の刃部３０ａの搬送方向の入口から、刃部３０ａと離れている状態（隙間１０ｂがある状態）で、搬送方向へ進んでいく。ここで、所定突合せ部１０ｘが搬送方向に進むにつれて、ワーク１０に対する第１押圧装置４１の押圧荷重の影響が大きくなり、所定突合せ部１０ｘの隙間１０ｂが狭くなっていく。こうして、所定突合せ部１０ｘは、刃部３０ａの搬送方向の中央部から出口側に向けて、刃部３０ａにまとわりつく。そして、刃部３０ａは上述したように勾配を有しているため、所定突合せ部１０ｘは刃部３０ａの搬送方向の出口側で閉じて突合わされた状態になる。このようにして、ガイド部材３０及び第１押圧装置４１によって、所定突合せ部１０ｘの周方向の位置合わせ（センタリング）がされる。

そして、ワーク１０の周方向において所定突合せ部１０ｘと反対側に位置する所定反対部位１０ｙは、第１押圧装置４１により押圧される（ステップ４）。ここで、第１押圧装置４１の作用効果について、第１押圧装置４１により押圧する場合と従来の押圧装置（手段）１４０（上記した特許文献１に記載されたローラ１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６）により押圧する場合とを比較して説明する。図７（ａ）では、筒状金型２１を用いて第１押圧装置４１が押圧する場合を概略的に示し、図７（ｂ）では、従来の押圧装置１４０により押圧する場合を概略的に示す。

先ず、従来の押圧装置１４０が押圧する場合ついて説明する。図７（ｂ）に示したように、従来の押圧装置１４０では、ワーク１１０を左右からローラ１４３（１４１），１４４（１４２）で押圧している。ここで、突合せ部１１０ａをその外周面がフラットになるように突合わすことが重要である。なぜなら、突合せ部１１０ａにおいて例えば段差が生じている状態で突合わされた場合、溶接により溶融した突合せ部の表面がフラットにならなくて、金属円管の強度不足、品質低下を招くためである。

従来の押圧装置１４０では、突合せ部１１０ａをその外周面がフラットになるように突合わすためには、左右のローラ１４３（１４１），１４４（１４２）がワーク１１０に対して押圧する押圧力及び押圧位置とを左右均等にしなければならず、押圧力及び押圧位置の調整が難しい。特に、ワーク１１０自体に製作誤差（精度のバラツキ）がある場合、即ち、図１２（ａ）に示したように、外周長が軸方向に応じて異なるワーク１１０Ａである場合（ｄ１≠ｄ２）、又は図１２（ｂ）に示したように、突合せ部１１０ａの端面が軸方向に沿ってうねるワーク１１０Ｂである場合には、突合せ部１１０ａの位置に応じて、外周面がフラットになるように突合わすための押圧力及び押圧位置が変化して、突合せ部１１０ａを適正な位置で突合わすことが難しい。

また、従来の押圧装置１４０では、突合せ部１１０ａを上下のローラ１４５，１４６で上下方向から押圧している。これにより、図１２（ｃ）に示したように突合せ部１１０ａに段差が生じていても、この段差を無くすことができる。しかし、この場合において、突合せ部１１０ａの外周面に作用する摩擦力が大きくなり、外周面に傷が付いて品質が悪化するおそれがある。更に、円筒状のワーク１１０を左右のローラ１４３（１４１），１４４（１４２）及び上下のローラ１４５，１４６で拘束する必要があるため、ワーク１１０の外径が狙った外径に対してコンマ１ｍｍ以上の誤差がある場合に、各ローラ１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６で拘束することができなくなり、歩留まりが悪化する原因となっている。

これに対して、第１押圧装置４１が押圧する場合においては、以下の作用効果が生じる。図７（ａ）に示したように、この第１押圧装置４１では、ローラフォロア４１ａが所定反対部位１０ｙを軸中心Ｏ１に向けて押圧する。これにより、ワーク１０は筒状金型２１の貫通孔２１ａに対して浮いた状態で押圧され、ワーク１０の上方側の外周面が筒状金型２１の貫通孔２１ａに沿って変形する。このように、ワーク１０を変形させることを前提としているため、図１２（ａ）に示したように、外周長が軸方向に応じて異なるワーク１１０Ａである場合、又は図１２（ｂ）に示したように、突合せ部１１０ａの端面が軸方向に沿ってうねるワーク１１０Ｂである場合、或いは図１２（ｃ）に示したように、突合せ部１１０ａに段差が生じているワーク１１０Ｃである場合であっても、所定突合せ部１０ｘの外周面を柔軟に変形させて、所定突合せ部１０ｘをその外周面がフラットになるように突合わすことができる。

ところで、図７（ａ）に示したように、ローラフォロア４１ａの押圧力は、所定反対部位１０ｙから所定突合せ部１０ｘに向けて矢印で示したように伝達する。そして、所定突合せ部１０ｘでワーク１０の周方向に逆向きの押圧力が作用して、所定突合せ部１０ｘがワーク１０の周方向に僅かに揺動することになる。これにより、所定突合せ部１０ｘの外周面は、筒状金型２１の貫通孔２１ａに拘束された状態で、ワーク１０の周方向に僅かに揺動しながら、図示しない搬送装置によりワーク１０の搬送方向に移動する。ここで、一般的に、外筒の円形孔に嵌合（拘束）された内筒が軸方向に移動する場合、内筒が周方向に僅かに揺動しながら軸方向に移動する場合の方が、内筒が単に軸方向に移動する場合に比して、内筒の外周面に作用する摩擦力が小さくなる。このことから、筒状金型２１を用いて第１押圧装置４１により押圧する場合では、従来の押圧装置１４０により押圧する場合に比して、所定突合せ部１０ｘの外周面に作用する摩擦力が大きくなることを防止でき、外周面に傷が付き難くなり、品質が悪化することを防止できる。

また、図７（ａ）に示したように、ワーク１０は、第１押圧装置４１により変形しながら局所的に押圧され、従来の押圧装置１４０で押圧される場合のように、ワーク１０全体の形状が拘束された状態で押圧されない。このため、ワーク１０の外径が狙った外径よりコンマ１ｍｍ以上大きい又は小さい場合であっても、言い換えると、ロール成形されたワーク１０の外径の寸法精度が低くても、ワーク１０が筒状金型２１の貫通孔２１ａに挿通されるものであれば、所定突合せ部１０ｘをその外周面がフラットになるように突合わすことができ、歩留まり悪化を防止することができる。

なお、図７（ａ）に示したように、ワーク１０は筒状金型２１の貫通孔２１ａに対して浮いた状態で押圧されるため、筒状金型２１の貫通孔２１ａの断面は、円形ではなく、上半分の半円であっても良いと考えられる。しかしながら、筒状金型２１の貫通孔２１ａの断面が上半分の半円である場合には、ワーク１０が過剰に変形して断面が栗のような形状になる場合がある。このため、筒状金型２１の貫通孔２１ａの断面は円形である必要があり、貫通孔２１ａの下半分の半円でワークの過剰な変形を防止することができる。

ここで、図５のフローチャートに戻る。第１押圧装置４１の押圧の後、レーザ溶接ヘッド２２が所定突合せ部１０ｘの溶接を開始する（ステップ５）。このステップ５では、治具制御部５４からの指令に基づき、レーザ溶接ヘッド２２から所定突合せ部１０ｘに向けてレーザが照射され、所定突合せ部１０ｘが溶融する。ところで、溶融した金属が凝固する際の体積膨張や、非溶融部分の変態による体積変化、温度変化による膨張・収縮によって、ワーク１０が変形する。このため、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面は、フラットにならず、凸状になったり凹状になったりする。

特に、図６で示したように所定突合せ部１０ｘに体積欠損ＶＤが生じている場合には、図８（ａ）に示したように、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面が凹状になる。また、所定突合せ部１０ｘが突合わされる荷重が小さい場合においても、図８（ａ）に示したように、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面が凹状になる。一方、所定突合せ部１０ｘが突合わされる荷重が大きい場合には、図８（ｂ）に示したように、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面が凸状になる。なお、図８は、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面状態を示す断面図である。ここで、一般的に、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面がフラットになるように溶接条件が管理されている。ところが、突合せ部１０ａの端面の形状や溶接環境等が常に一定でないため、溶接条件を厳密に管理しても、安定的に溶融した所定突合せ部１０ｘの表面をフラットにすることは困難である。

そこで、この装置１では、第２押圧装置４２を用いて溶融した所定突合せ部１０ｘを整形することにより、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面を精度良くフラットに（アップセット）するようにしている。ここで、第２押圧装置４２によるローラフォロア４２ａの押圧位置Ｘｆは、押圧位置決定部５５により決定されるため、押圧位置決定部５５の処理内容について、図９のフローチャートを用いて説明する。押圧位置決定部５５は、図９に示したフローチャートに基づくプログラムを所定時間（例えば、５ｍｓｅｃ）の経過毎に開始・実行する。

図９に示したように、先ず、押圧位置決定部５５は、予め設定されたワーク１０の材質、板厚、外径等に基づいてローラフォロア４２ａの仮押圧位置Ｘａを決定する（ステップ６１）。次いで、押圧位置決定部５５は、第１レーザ変位装置６１により測定された測定値Ｆ１、即ち突合せ部１０ａの体積の不足量を入力する（ステップ６２）。なお、入力した測定値Ｆ１は、所定突合せ部１０ｘより搬送方向の入口側に位置する突合せ部１０ａの体積の不足量であり、フィードフォワードされる値である。また、押圧位置決定部５５は、第２レーザ変位装置６２により測定された測定値Ｂ１、即ち溶融した突合せ部１０ａのビードの体積量を入力する（ステップ６２）。なお、入力した測定値Ｂ１は、溶融した所定突合せ部１０ｘより搬送方向の出口側に位置する溶融した突合せ部１０ａのビードの体積量であり、フィードバックされる値である。

次に、押圧位置決定部５５は、測定値Ｆ１に基づいて仮押圧位置Ｘａに対する第１補正量Ｆａを演算する（ステップ６３）。そして、押圧位置決定部５５は、仮押圧位置Ｘａに第１補正量Ｆａを考慮した値である第１補正押圧位置Ｘｂを決定する（ステップ６４）。具体的に、押圧位置決定部５５は、突合せ部１０ａに体積欠損ＶＤが生じている場合（図６参照）、ローラフォロア４２ａの押圧位置をより大きく押圧力を付与する位置に調整する。このように、突合せ部１０ａの体積の不足量に基づいてフィードフォワード制御することより、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面が凹状になることを防止する。

続いて、押圧位置決定部５５は、測定値Ｆ２に基づいて第１補正押圧位置Ｘｂに対する第２補正量Ｂａを演算する（ステップ６５）。そして、押圧位置決定部５５は、第１補正押圧位置Ｘｂに第２補正量Ｂａを考慮した値である押圧位置（第２補正押圧位置）Ｘｆを決定する（ステップ６５）。具体的に、押圧位置決定部５５は、溶融した突合せ部１０ａのビードの体積量が不足している場合（図８（ａ）参照）、ローラフォロア４２ａの押圧位置をより大きく押圧力を付与する位置に調整する。また、押圧位置決定部５５は、溶融した突合せ部１０ａのビードの体積量が余剰である場合（図８（ｂ）参照）には、ローラフォロア４２ａの押圧位置をより小さな押圧力を付与する位置に調整する。このように、溶融した突合せ部１０ａのビードの体積量に基づいてフィードバック制御することにより、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面が凹状又は凸状になることを防止する。

こうして、押圧位置決定部５５は、押圧位置Ｘｆを決定した後、押圧位置Ｘｆに基づいて生成した制御信号を第２駆動機構４２ｂに出力して、第２駆動機構４２ｂを駆動する（ステップ６７）。これにより、ローラフォロア４２ａは、その位置が押圧位置Ｘｆとなるように移動して、所定反対部位１０ｙを押圧する。そして、押圧位置決定部５５は、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面がフラットであるか否かを判定する（ステップ６８）。溶融した所定突合せ部１０ｘの表面がフラットである場合には、押圧位置決定部５５は、押圧位置Ｘｆを補正する必要がないため、「Ｙｅｓ」と判定し、このプログラムを一旦終了する。一方、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面がフラットでない場合には、押圧位置決定部５５は、押圧位置Ｘｆを補正する必要があるため、「Ｎｏ」と判定し、ステップ６２〜６８を繰り返して実行する。このようにして、第２押圧装置４２により、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面を精度良くフラットに（アップセット）することができる。なお、溶融した所定突合せ部１０ｘの表面形状を測定するための図示しないレーザ変位装置、又は画像処理装置が筒状金型２１に設けられている。

ここで、図５のフローチャートに戻る。第２押圧装置４２の押圧の後、所定反対部位１０ｙは、第３押圧装置４３のローラフォロア４３ａにより押圧される（ステップ７）。ステップ７では、第３押圧装置４３の押圧により、溶融した所定突合せ部１０ｘで突合せ方向に荷重が作用して、溶融した所定突合せ部１０ｘが分離した状態で凝固することが防止される。即ち、溶融した所定突合せ部１０ｘは、突合せ方向に荷重が付加されていなければ分離し易くなっていて、第３押圧装置４３により溶融した所定突合せ部１０ｘが連続した状態を維持できるようになっている。そして、最後に、第２レーザ変位装置６２が、溶融した所定突合せ部１０ｘのビードの形状を測定し、この測定値Ｂ１が押圧位置決定部５５に入力される（ステップ８）。このようにして、所定突合せ部１０ｘに対する装置１の動作が終了する。

この実施形態の作用効果について、説明する。
この実施形態における金属円管の製造装置、及び製造方法によれば、ワーク１０は筒状金型２１の貫通孔２１ａに対して浮いた状態で押圧され、ワーク１０の上方側の外周面が筒状金型２１の貫通孔２１ａに沿って変形する。このように、ワーク１０の外周面を変形させることを前提としているため、ワーク１０自体に製作誤差（精度のバラツキ）があっても、突合せ部１０ａの外周面を柔軟に変形させて、突合せ部１０ａをその外周面がフラットになるように突合わすことができる。

また、この実施形態によれば、押圧装置４１，４２，４３は、反対部位１０ｃをワーク１０の軸中心Ｏ１に向けて押圧する。このため、押圧装置４１，４２，４３は、ワーク１０を一方向から押圧するものであり、従来の押圧装置１４０（図７（ｂ）参照）のように、多方向から押圧するものではない。従って、各ローラフォロア４１ａ，４２ａ，４３ａを駆動する駆動機構４１ｂ，４２ｂ，４３ｂの押圧作業が複雑になることを防止できる。また、押圧装置４１，４２，４３は、ワーク１０に対して下方にのみ配置されている。このため、押圧装置４１，４２，４３は、従来の押圧装置１４０（図７（ｂ）参照）のように、ワーク１０に対して多方向の位置に配置されるものではなく、押圧装置の大型化を防止できる。

また、この実施形態によれば、突合せ部１０ａの外周面は、筒状金型２１の貫通孔２１ａに拘束された状態で、ワーク１０の周方向に僅かに揺動しながら搬送方向に移動する。ここで、一般的に、外筒の円形孔に嵌合（拘束）された内筒が軸方向に移動する場合、内筒が周方向に僅かに揺動しながら軸方向に移動する場合の方が、内筒が単に軸方向に移動する場合に比して、内筒の外周面に作用する摩擦力が小さくなる。このため、突合せ部１０ａの外周面に作用する摩擦力が大きくなることを防止でき、外周面に傷が付き難くなり、品質を良好にすることができる。

次に、第２実施形態について、図１０を用いて説明する。第１実施形態では、連続造管により連続している金属円管１０Ａを製造したが、第２実施形態では、必要な長さ毎に造管して短管７０Ａを製造するようになっている。第２実施形態においては、第１実施形態と同一部材について同一の符号を付し、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

ワーク７０は、その軸方向長さが５００ｍｍ以下となっているものであり、ワーク７０の突合せ部７０ａが溶接装置２０により溶接されることによって、短管７０Ａが製造されている。この第２実施形態においては、図１０に示したように、搬送方向において溶接位置と同じ位置に押圧装置８０が設けられている。このように、第１実施形態と異なり、押圧装置が一つであるが、その理由について以下説明する。

先ず、第１実施形態においては、搬送されるワーク１０は、第２実施形態のワーク７０より長いものであり、連続して延びているものである。このため、突合せ部１０ａにおいて、溶接が既に完了している部分と溶接が未だ完了していない部分との間で、周方向に広がろうとする剛性の差が大きい。この剛性の差に基づく悪影響を抑えるという観点から、第１実施形態では、第１押圧装置４１を備えることが好ましい。
一方、第２実施形態においては、搬送されるワーク７０の軸方向長さが５００ｍｍ以下であるため、ワーク７０は短いものである。このため、突合せ部７０ａにおいて、溶接が既に完了している部分と溶接が未だ完了していない部分との間で、周方向に広がろうとする剛性の差は小さい。従って、この剛性の差に基づく悪影響が小さいため、第１押圧装置４１に相当する押圧装置を設けなくてもよい。
また、第１実施形態の第３押圧装置４３は、溶融した突合せ部１０ａが連続した状態を維持するためのものであり、ワークの材質、外径、板厚等の溶接条件等によって適宜省略できるものである。
このような理由に基づいて、第２実施形態では、押圧装置が一つである。

この第２実施形態においては、押圧装置が一つであるため、押圧装置をコンパクト且つ安価に構成することができる。その他の作用効果については、第１実施形態と実質的に同様であるため、その説明を省略する。

以上、本発明に係る金属円管の製造装置、及び製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第１実施形態において、押圧手段４０として、第１押圧装置４１，第２押圧装置４２，第３押圧装置４３を設けたが、第３押圧装置４３を設けなくても良く、第１押圧装置４１及び第２押圧装置４２のうち何れか一方を設けなくても良い。
また、第２実施形態において、押圧手段として、押圧装置８０のみを設けたが、第１押圧装置４１に相当する押圧装置、又は第３押圧装置４３に相当する装置を設けても良い。
また、各実施形態において、突合せ部１０ａの周方向の位置合わせをするガイド手段として、刃部３０ａを有するガイド部材３０を用いたが、ガイド手段の構成は適宜変更可能である。また、ガイド手段を設けなくても良い。
また、各実施形態において、レーザ溶接を例示したが、溶接方法はレーザ以外（例えば、ＭＩＧ，ＭＡＧ，ＴＩＧ，プラズマ溶接等）に対しても本発明を適用することができる。

１ 金属円管の製造装置
１０ ワーク
１０Ａ 金属円管
１０ａ 突合せ部
１０ｂ 隙間
１０ｃ 反対部位
１０ｘ 所定突合せ部
１０ｙ 所定反対部位
２０ 溶接装置
２１ 筒状金型
２１ａ 貫通孔
３０ ガイド部材
３０ａ 刃部
４０ 押圧手段
４１ 第１押圧装置
４２ 第２押圧装置
４３ 第３押圧装置
５０ 電子制御装置
５５ 押圧位置決定部
６１ 第１レーザ変位装置
６２ 第２レーザ変位装置
７０ ワーク
７０Ａ 短管
８０ 押圧装置

Claims (10)

1. 円筒状にロール成形されて搬送されるワークの周方向端部である突合せ部を突合わせた状態で、溶接ツールを用いて溶接する金属円管の製造装置において、
   前記ワークの外径より僅かに大きい孔径の貫通孔を有する筒状金型と、
   前記筒状金型の貫通孔に前記ワークが挿通された状態で、前記ワークの周方向において前記突合せ部と反対側に位置する反対部位を前記ワークの軸中心に向けて押圧する押圧手段と、を備えることを特徴とする金属円管の製造装置。
2. 請求項１に記載する金属円管の製造装置において、
   前記押圧手段は、前記溶接ツールの溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記反対部位を押圧して前記突合せ部を突合せる第１押圧装置を有することを特徴とする金属円管の製造装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する金属円管の製造装置において、
   前記押圧手段は、前記溶接ツールの溶接位置又はこの溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部を整形する第２押圧装置を有することを特徴とする金属円管の製造装置。
4. 請求項３に記載する金属円管の製造装置において、
   前記溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記突合せ部の隙間の形状を測定する突合せ形状測定手段と、
   前記溶接位置又は前記溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、溶融した前記突合せ部のビードの形状を測定するビード形状測定手段と、
   前記突合せ形状測定手段及び前記ビード形状測定手段の測定値に基づいて、前記第２押圧装置が前記反対部位を押圧する押圧位置を決定し、前記第２押圧装置の駆動を制御する電子制御装置と、を備えることを特徴とする金属円管の製造装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載する金属円管の製造装置において、
   前記押圧手段は、前記第２押圧装置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部が連続した状態を維持する第３押圧装置を有することを特徴とする金属円管の製造装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載する金属円管の製造装置において、
   前記突合せ部の周方向の位置合わせをするガイド手段を備え、
   このガイド手段は、前記ワークの搬送方向に対して所定の勾配を有するように延び、前記ワークの搬送方向の入口側では前記突合せ部の隙間に入り込み、前記ワークの搬送方向の出口側では前記突合せ部の隙間から抜ける刃部を有することを特徴とする金属円管の製造装置。
7. 円筒状にロール成形されたワークをその軸方向に搬送し、前記ワークの周方向端部である突合せ部を突合わせた状態で、溶接ツールを用いて溶接する金属円管の製造方法において、
   貫通孔を有する筒状金型に対して、前記貫通孔の孔径より僅かに小さい外径を有するワークを前記貫通孔に挿通して搬送する搬送工程と、
   押圧手段により前記ワークの周方向において前記突合せ部と反対側に位置する反対部位を前記ワークの軸中心に向けて押圧する押圧工程と、を備えることを特徴とする金属円管の製造方法。
8. 請求項７に記載する金属円管の製造方法において、
   前記押圧工程では、前記溶接ツールの溶接位置より前記ワークの搬送方向の入口側で、前記反対部位を押圧して前記突合せ部を突合せることを特徴とする金属円管の製造方法。
9. 請求項７又は請求項８に記載する金属円管の製造方法において、
   前記押圧工程では、前記溶接ツールの溶接位置又はこの溶接位置より前記ワークの搬送方向の出口側で、前記反対部位を押圧して溶融した前記突合せ部を整形することを特徴とする金属円管の製造方法。
10. 請求項７乃至請求項９の何れかに記載する金属円管の製造方法において、
    前記搬送工程では、軸方向長さが５００ｍｍ以下であるワークを搬送することを特徴とする金属円管の製造方法。
    
    
    
    

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