JP2013049079A - スタブ管溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】スタブ管をヘッダ管に溶接することができ、かつ溶接ヘッドを溶接線に直交する方向に往復動するウィービング動作が可能であるスタブ管溶接ヘッドを提供する。
【解決手段】対象物に一端が固定されたスタブ管１の端部全周を溶接するためのスタブ管溶接ヘッド１０であって、スタブ管の軸線が仮想軸線３上に位置する場合に、スタブ管を間隔を隔てて囲む第１開口２２と第１開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第１スロット２４とを有するヘッド本体２０と、ヘッド本体に仮想軸線３を中心に旋回駆動可能に取り付けられ、第１開口と整合してスタブ管を間隔を隔てて囲む第２開口３２と第２開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第２スロット３４とを有する旋回部材３０と、旋回部材に仮想軸線３に対して半径方向に揺動駆動可能に取り付けられた溶接トーチ４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタブ管をヘッダ管に溶接するためのスタブ管溶接ヘッドに関する。

ボイラのヘッダ（集合管）には複数のスタブ管（伝熱管）が溶接される。スタブ管は、１０〜２０ｃｍ程度の長さの短尺スタブ管と、それより長い長尺スタブ管とに区分される。
短尺スタブ管は、ヘッダへの溶接の際に、溶接ヘッドの移動領域に管が存在しないため溶接が容易である。しかし、短尺スタブ管は、ヘッダへの溶接後に他のスタブ管に溶接する必要があるため、溶接箇所が多い問題点がある。
一方、長尺スタブ管は、短尺スタブ管と比較して溶接箇所が少ない利点がある。しかし、長尺スタブ管は、ヘッダへの溶接の際に、溶接ヘッドの移動領域に管が存在するため溶接が困難となる問題点がある。

そこで、長尺スタブ管をヘッダ管に溶接する溶接手段が、種々提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

特開平３−１８９０９４号公報、「管の溶接装置」 特開平１０−１９３１１２号公報、「スタブ管自動溶接装置」 特開平１１−９０６３１号公報、「スタブ管自動溶接方法」 特許第２６２９９３１号公報、「ヘッダへの管溶接装置」

長尺スタブ管をヘッダ管に溶接する場合、溶接部の信頼性を高めるために、溶接ヘッドを溶接線に直交する方向に往復動するウィービング動作が通常要求される。
しかし、特許文献１〜３の装置では、ウィービング動作ができず、溶接部の信頼性向上の余地があった。

また、特許文献４の管溶接装置では、ノズルチップを所定の曲率で屈曲するように形成した湾曲トーチと、ノズルチップを湾曲トーチの軸心を軸として回動する回動機構とを備え、湾曲トーチを軸心周りに回転させることでウィービング動作を擬似的に実現している。
しかし、このウィービング動作は、溶接ヘッドが溶接線に対して斜めに揺動するため、溶接ビードの制御が難しく、信頼性の高い溶接の実現に余地があった。

そのため、長尺スタブ管の溶接において、溶接ビードの制御が容易であり、溶接部の信頼性を高めることができるウィービング動作の実現が望まれていた。

また、特許文献４の管溶接装置では、湾曲トーチがヘッダ管のまわりを公転し、かつ軸心周りに自転するため、湾曲トーチが２つの回転軸の先端にあり、これに給電する可動接触部が２箇所以上となり、可動接触部でノイズの発生に改善の余地があった。
そのため、長尺スタブ管の溶接において、高品質な電気アーク溶接が可能なデジタルアーク溶接の適用が望まれていた。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、スタブ管をヘッダ管に溶接することができ、かつ溶接ヘッドを溶接線に直交する方向に往復動するウィービング動作が可能であるスタブ管溶接ヘッドを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、ノイズの発生を抑制してデジタルアーク溶接の適用が可能であるスタブ管溶接ヘッドを提供することにある。

本発明によれば、対象物に一端が固定されたスタブ管の端部全周を溶接するためのスタブ管溶接ヘッドであって、
スタブ管の軸線が仮想軸線上に位置する場合に、前記スタブ管を間隔を隔てて囲む第１開口と、第１開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第１スロットとを有するヘッド本体と、
ヘッド本体に前記仮想軸線を中心に旋回駆動可能に取り付けられ、第１開口と整合して前記スタブ管を間隔を隔てて囲む第２開口と、第２開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第２スロットとを有する旋回部材と、
旋回部材に前記仮想軸線に対して半径方向に揺動駆動可能に取り付けられた溶接トーチと、を備えたことを特徴とするスタブ管溶接ヘッドが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記溶接トーチに溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給管と、
溶接ワイヤ供給管を通して溶接トーチに接続された電力ケーブルとを備え、
電力ケーブルは、旋回部材の１回又は２回の旋回に追従可能な柔軟性を有する複数の導電線からなる。

上記本発明の構成によれば、旋回部材の第２スロットがヘッド本体の第１スロットと整合した状態でロボット等によりヘッド本体を移動し、２つのスロットをスタブ管が通過して、互いに整合する第１開口と第２開口の仮想軸線上又はその近傍にスタブ管の軸線を位置決めすることができる。

また、溶接トーチが旋回部材に取り付けられているので、この状態で旋回部材を旋回駆動することで、溶接トーチによりスタブ管をヘッダ管に溶接することができる。

さらに、溶接トーチは、仮想軸線に対して半径方向に揺動駆動可能であるので、溶接中に溶接トーチが溶接線に直交する方向に往復動するウィービング動作が可能である。
従って、ウィービング動作が通常の溶接ウィービングと同様であるため、溶接ビードの制御が容易になると共に、従来汎用ロボットなどを用いて行っていた溶接条件から容易に移行することが可能となる。

また、本発明の実施形態によれば、溶接ワイヤ供給管を通して溶接トーチに接続された電力ケーブルを備え、電力ケーブルは、旋回部材の１回又は２回の旋回に追従可能な柔軟性を有する複数の導電線からなるので、旋回部材の旋回を周方向に１８０度又は３６０度の範囲で往復動させることにより、ノイズが発生しやすい可動接触部を介さずに溶接トーチに電力を供給できる。
従って、ノイズの発生が抑制でき、給電が安定化するので、近年主流となっているデジタル制御の溶接電源を用いた場合のパルスなどのアークコントロールをノイズ無く信号伝達することが可能となる。

本発明のスタブ管溶接ヘッドを下方から見た斜視図である。 図１の下面図である。 図１の側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明のスタブ管溶接ヘッドを下方から見た斜視図である。
本発明のスタブ管溶接ヘッド１０は、対象物に一端が固定されたスタブ管１の端部全周を溶接するための溶接ヘッドである。
対象物は、例えばボイラのヘッダ（集合管）である。
スタブ管１は、この例では長尺スタブ管であるが、短尺スタブ管であってもよい。

図１において、本発明のスタブ管溶接ヘッド１０は、ヘッド本体２０、旋回部材３０、及び溶接トーチ４０を備える。

ヘッド本体２０は、この例では多角形の平板であり、その上面に吊り金具２１が固定され、吊り金具２１の上端はロボットアーム（図示せず）の先端に固定されている。
ロボットアームはロボット制御装置（図示せず）により３次元空間内で位置と姿勢を数値制御され、ヘッド本体２０の位置と姿勢をスタブ管１に対して自由に制御できるようになっている。

図２は、図１の下面図であり、図３は図１の側面図である。

図１〜図３において、仮想軸線３は、スタブ管１が予め設定した位置に位置する際のスタブ管１の軸線である。すなわち、仮想軸線３は、スタブ管溶接ヘッド１０に対して設定された仮想上の軸線であるが、スタブ管１が予め設定した位置に位置する場合には、スタブ管１の軸線に一致する。
なお、本発明のスタブ管溶接ヘッド１０の使用時において、スタブ管１の軸線が仮想軸線３に一致することは必須ではなく、干渉を避けられる範囲で不一致であってもよい。

ヘッド本体２０は、スタブ管１の軸線が仮想軸線３上に位置する場合に、スタブ管１を間隔を隔てて囲む第１開口２２と、第１開口２２と外部空間とを連通しスタブ管１が通過可能な第１スロット２４とを有する。第１開口２２と第１スロット２４は連続してＵ字型の開口を形成している。
ヘッド本体２０は、この例では異形８角形の平板であるが、その他の形状であってもよい。
第１開口２２は、この例では円形孔であるが、その他の形状であってもよい。
第１スロット２４は、この例では円形孔の直径に相当する幅を有するが、スタブ管１が通過可能である限りで、相違してもよい。

旋回部材３０は、第１開口２２と整合してスタブ管１を間隔を隔てて囲む第２開口３２と、第２開口３２と外部空間とを連通しスタブ管１が通過可能な第２スロット３４とを有する。第２開口３２と第２スロット３４は連続してＵ字型の開口を形成している。
第２開口３２は、この例では第１開口２２と同一の円形孔であるが、その他の形状であってもよい。
第２スロット３４は、この例では第１スロット２４と同様に円形孔の直径に相当する幅を有するが、スタブ管１が通過可能である限りで、相違してもよい。

旋回部材３０は、ヘッド本体２０に仮想軸線３を中心に旋回駆動可能に取り付けられている。
旋回部材３０は、仮想軸線３を中心とする円板形状であり、その外周面に仮想軸線３を中心とするＶ字断面を有する案内部３０ａと歯付きプーリ部３０ｂとを有する。

複数（この例で６つ）のＶガイドローラ３１が、ヘッド本体２０の下面に仮想軸線３と平行な軸心を中心に回転可能に取り付けられており、複数のＶガイドローラ３１のＶ型外面と案内部３０ａのＶ字断面とが嵌合することで、旋回部材３０を仮想軸線３を中心に旋回可能に案内している。
複数のＶガイドローラ３１は、仮想軸線３を中心に周方向に等間隔又はほぼ等間隔に配置され、そのうちの１つのＶガイドローラ３１が、旋回部材３０の第２スロット３４に位置する場合でも、その他のＶガイドローラ３１により旋回部材３０を旋回可能に案内できるように、第２スロット３４の寸法が設定されている。

複数（この例で４つ）のタイミングベルト用のアイドラー３３が、ヘッド本体２０の下面に仮想軸線３と平行な軸心を中心に回転可能に取り付けられている。
また、タイミングベルト駆動用の駆動プーリ３５が、ヘッド本体２０の下面に仮想軸線３と平行な軸心を中心に旋回駆動モータ３６で回転駆動可能に取り付けられている。

さらに、タイミングベルト３７が、複数のアイドラー３３と駆動プーリ３５との間で、その歯が外側を向くようにエンドレスに掛け渡されている。
複数のアイドラー３３は、タイミングベルト３７の一部が旋回部材３０の歯付きプーリ部３０ｂと歯合するように配置されている。
また、タイミングベルト３７と旋回部材３０の歯付きプーリ部３０ｂとが歯合する範囲（周方向角度範囲）は、旋回部材３０の第２スロット３４がタイミングベルト３７側に位置するときでも、旋回部材３０を旋回駆動できるように、第２スロット３４の周方向角度範囲よりも大きく設定されている。

上述した構成により、旋回部材３０を、ヘッド本体２０に仮想軸線３を中心に案内しかつ３６０度以上にわたり旋回駆動することができる。
なお、Ｖガイドローラ３１でなく、ローラの組み合わせにより、旋回部材３０を仮想軸線３を中心に案内してもよい。
また、タイミングベルト３７以外のチェーン、歯車等により、旋回部材３０を旋回駆動してもよい。

溶接トーチ４０は、旋回部材３０に仮想軸線３に対して半径方向に揺動駆動可能に取り付けられている。
溶接トーチ４０は、スタブ管１が予め設定した位置に位置し、仮想軸線３がスタブ管１の軸線に一致するときに、溶接トーチ４０から軸方向に供給された溶接ワイヤ４がスタブ管１の溶接部近傍に位置するように湾曲した湾曲トーチであるのがよい。

図３に示すように、溶接トーチ４０は、旋回部材３０に揺動可能に取り付けられた揺動軸４２を有する。また、旋回部材３０に取り付けられた揺動駆動モータ４４と、揺動駆動モータ４４の出力軸４４ａの揺動を揺動軸４２に伝達する動力伝達機構４６とを有する。
動力伝達機構４６は、この例では、１対の歯車４６ａ，４６ｂからなる。１対の歯車４６ａ，４６ｂはこの例では揺動に必要な範囲以外が切除されている。
なお、動力伝達機構４６は、歯車に限定されず、リンク機構でもカム機構でもよい。

上述した構成により、揺動駆動モータ４４の出力軸４４ａの正転と逆転を繰り返すことにより、溶接トーチ４０を仮想軸線３に対して半径方向に揺動駆動することができる。
溶接トーチ４０の揺動範囲は、例えばリミットスイッチ（図示せず）で制御することができる。また、揺動駆動モータ４４を数値制御して溶接トーチ４０の揺動範囲を任意に制御してもよい。

図３において、本発明のスタブ管溶接ヘッド１０は、さらに溶接トーチ４０に溶接ワイヤ４を供給する溶接ワイヤ供給管４８と、溶接ワイヤ供給管４８を通して溶接トーチ４０に接続された電力ケーブル５０とを備える。
電力ケーブル５０は、旋回部材３０の１回又は２回の旋回に追従可能な柔軟性を有する複数の導電線５０ａからなる。

上述したように、本発明の旋回部材３０のタイミングベルト３７との接触部（周方向角度範囲）は開口部（第２スロット３４）より大きくとってあるため、旋回部材３０は仮想軸線３を中心に３６０度以上の旋回が可能となっている。
また旋回部材３０は、周辺６点で、Ｖガイドローラ３１に支持されており、これらのＶガイドローラ３１の接触間隔も開口部（第２スロット３４）より広く取ることで、６箇所のうち、最低でも常に５箇所のＶガイドローラ３１で旋回部材３０は支持される構造となっている。

さらに旋回部材３０の下方には軸受に支持されて、歯車４６ａ，４６ｂで駆動可能な湾曲トーチ（溶接トーチ４０）が取り付けてある。揺動駆動モータ４４は歯車４６ａ，４６ｂを介して上方に配置してあり、揺動駆動モータ４４を正転、逆転と往復運転することで、湾曲トーチ４０の先端部が揺動運動し、これによりウィービング動作が可能となる。

湾曲トーチ４０は溶接電流の回りこみを避けるために溶接ヘッドとは電気的に絶縁されており、溶接熱、スパッタ、ヒューム対策として耐熱プラスチックによる反射板の設置、各モータカバー、モータ取付部には耐熱プラスチックを挟みこむ、耐熱ベアリングを使用する、などの対策をとるのが好ましい。

上述した本発明の構成によれば、旋回部材３０の第２スロット３４がヘッド本体２０の第１スロット２４と整合した状態でロボット等によりヘッド本体２０を移動し、２つのスロット２４，３４をスタブ管１が通過して、互いに整合する第１開口２２と第２開口２４の仮想軸線３上又はその近傍にスタブ管１の軸線を位置決めすることができる。
また、溶接トーチ４０が旋回部材３０に取り付けられているので、この状態で旋回部材３０を旋回駆動することで、溶接トーチ４０によりスタブ管１をヘッダ管に溶接することができる。

さらに、溶接トーチ４０は、仮想軸線３に対して半径方向に揺動駆動可能であるので、溶接中に溶接トーチ４０が溶接線に直交する方向に往復動するウィービング動作が可能である。
従って、ウィービング動作が通常の溶接ウィービングと同様であるため、溶接ビードの制御が容易になると共に、従来汎用ロボットなどを用いて行っていた溶接条件から容易に移行することが可能となる。

また、本発明の実施形態によれば、溶接ワイヤ供給管４８を通して溶接トーチ４０に接続された電力ケーブル５０を備え、電力ケーブル５０は、旋回部材３０の１回又は２回の旋回に追従可能な柔軟性を有する複数の導電線５０ａからなるので、旋回部材３０の旋回を周方向に１８０度又は３６０度の範囲で往復動させることにより、ノイズが発生しやすい可動接触部を介さずに溶接トーチ４０に電力を供給できる。
従って、ノイズの発生が抑制でき、給電が安定化するので、近年主流となっているデジタル制御の溶接電源を用いた場合のパルスなどのアークコントロールをノイズ無く信号伝達することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ スタブ管、３ 仮想軸線、４ 溶接ワイヤ、
１０ スタブ管溶接ヘッド、
２０ ヘッド本体、２１ 吊り金具、
２２ 第１開口、２４ 第１スロット、
３０ 旋回部材、３０ａ 案内部、３０ｂ 歯付きプーリ部、
３１ Ｖガイドローラ、３２ 第２開口、
３３ アイドラー、３４ 第２スロット、
３５ 駆動プーリ、３６ 旋回駆動モータ、３７ タイミングベルト、
４０ 溶接トーチ（湾曲トーチ）、４２ 揺動軸、
４４ 揺動駆動モータ、４６ 動力伝達機構、
４６ａ，４６ｂ 歯車、４８ 溶接ワイヤ供給管、
５０ 電力ケーブル、５０ａ 導電線

Claims (3)

1. 対象物に一端が固定されたスタブ管の端部全周を溶接するためのスタブ管溶接ヘッドであって、
   スタブ管の軸線が仮想軸線上に位置する場合に、前記スタブ管を間隔を隔てて囲む第１開口と、第１開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第１スロットとを有するヘッド本体と、
   ヘッド本体に前記仮想軸線を中心に旋回駆動可能に取り付けられ、第１開口と整合して前記スタブ管を間隔を隔てて囲む第２開口と、第２開口と外部空間とを連通しスタブ管が通過可能な第２スロットとを有する旋回部材と、
   旋回部材に前記仮想軸線に対して半径方向に揺動駆動可能に取り付けられた溶接トーチと、を備えたことを特徴とするスタブ管溶接ヘッド。
2. 前記溶接トーチに溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給管と、
   溶接ワイヤ供給管を通して溶接トーチに接続された電力ケーブルとを備え、
   電力ケーブルは、旋回部材の１回又は２回の旋回に追従可能な柔軟性を有する複数の導電線からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のスタブ管溶接ヘッド。
3. 前記溶接トーチは、旋回部材に揺動可能に取り付けられた揺動軸を有しており、
   さらに、旋回部材に取り付けられた揺動駆動モータと、該揺動駆動モータの出力軸の揺動を前記揺動軸に伝達する動力伝達機構とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のスタブ管溶接ヘッド。