JP2015139787A - Pipe welding apparatus, pipe welding system, and pipe welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、配管の溶接技術に関する。 Embodiments described herein relate generally to piping welding technology.
排熱回収ボイラ(HRSG:heat recovery steam generator)のように母管(第1配管)の側面から複数の枝管(第2配管)が一定間隔で垂直方向に延びる構造体は、この母管と枝管との接合に、TIG溶接やMAG溶接といった手動溶接が一般に用いられる。
一方において、作業効率及び溶接品質を改善するために、自動MAGで、この母管と枝管とを自動溶接する工法も開発されている。
Like a heat recovery steam generator (HRSG), a structure in which a plurality of branch pipes (second pipes) extend in the vertical direction at regular intervals from the side surface of the main pipe (first pipe) Manual welding such as TIG welding or MAG welding is generally used for joining to the branch pipe.
On the other hand, in order to improve work efficiency and welding quality, a method for automatically welding the mother pipe and the branch pipe by automatic MAG has been developed.
これまでにおいて、このような母管と枝管との接合は、両者の当接部分を外側から溶接するため、この当接部分の内側まで溶融体が十分に浸透したかについて確認できない。
外側から溶接する場合、強度確保の為に溶融体を内側まで十分に浸透させようとすると内表面に波打ちが生じ、この内表面の性状コントロールが困難である課題があった。
溶接部分の内表面の性状が不安定である場合、ボイラでは、蒸気等の流体が配管内面を通過する際に圧損が発生し、性能低下が懸念される。
In the past, since the joining between the mother pipe and the branch pipe is welded from the outside, it is impossible to confirm whether the melt has sufficiently penetrated to the inside of the contacting part.
In the case of welding from the outside, if the melt is sufficiently penetrated to the inside in order to ensure the strength, the inner surface is wavy, and there is a problem that it is difficult to control the properties of the inner surface.
When the properties of the inner surface of the welded portion are unstable, in the boiler, pressure loss occurs when a fluid such as steam passes through the inner surface of the pipe, and there is a concern about performance degradation.
また、外側からの溶接では、ボイラ構造物のように母管に対し外径及び肉厚が共に小さな枝管を一定間隔で複数接合させる場合、溶接作業の際に枝管と溶接装置との干渉が生じ易く、この干渉を回避するために工数が増えるといった課題もあった。 In welding from the outside, when multiple branch pipes with a small outer diameter and wall thickness are joined to the main pipe at regular intervals, such as a boiler structure, interference between the branch pipe and the welding device occurs during welding work. There is also a problem that man-hours increase in order to avoid this interference.
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、母管と枝管の接合部分の内表面の品質を向上させる配管溶接技術を提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a pipe welding technique for improving the quality of the inner surface of the joint portion of the mother pipe and the branch pipe.
本発明の実施形態は、配管溶接装置において、側面に開口が設けられている第1配管の内部を長手方向に移動する第1ステージと、前記第1ステージに搭載されるとともに前記開口に取り付けられる第2配管の開先部をこの開口に接触させた状態で前記開先部の周縁に沿って溶接を施工する施工部と、を備えることを特徴とする。 An embodiment of the present invention is a pipe welding apparatus in which a first stage that moves in the longitudinal direction inside a first pipe that is provided with an opening on a side surface is mounted on the first stage while being mounted on the first stage. And a construction portion for performing welding along the periphery of the groove portion in a state where the groove portion of the second pipe is in contact with the opening.
本発明の実施形態により、母管と枝管の接合部分の内表面の品質を向上させる配管溶接技術が提供される。 The embodiment of the present invention provides a pipe welding technique for improving the quality of the inner surface of the joint portion of the mother pipe and the branch pipe.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1及び図2に示すように、配管溶接装置10は、側面に開口13が設けられている母管(第1配管11)の内部を長手方向(Z方向)に移動する第1ステージ21と、この第1ステージ21に搭載されるとともに開口13に取り付けられる枝管(第2配管12)の開先部14をこの開口13に接触させた状態で開先部14の周縁に沿って溶接を施工する施工部30と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
施工部30は、Z方向に沿って照射されるレーザ光40aを第2配管12の長手方向(X方向)に反射させる第1反射板31と、第1配管11の内側から第2配管12の長軸方向に対して斜めにレーザ光40bを照射するよう構成され、かつ第2配管12の長軸方向を回転軸とした回転動作によりレーザ光40bを開先部14の周縁に沿って走査させる回転走査部34とを有する。
The
この回転走査部34は、第1反射板31による第1反射光41と同軸に回転する支持体35を有している。
この支持体35は、第1反射光41をさらに回転半径方向に反射させる第2反射板32と、この第2反射板32による第2反射光42を開先部14の周縁に向かって反射させる第3反射板33とを有している。
この第2反射板32に反射されたレーザ光40bは、透過窓36を透過して開先部14の周縁に照射される。
The
The
The
第1反射光41及び第2反射光42の光路を含む空間は、支持体35により、開先部14の周縁を含む空間から遮断されているため、第1反射板31、第2反射板32及び第3反射板33を含む光学部品が、施工時に生じるスパッタにより汚染されることがない。
透過窓36の外表面は、その近傍にエア供給部(図示略)から供給されるエアが吹き付けられており、スパッタを吹き飛ばすことで汚染を防止している。
また、レーザ光40bが照射される開先部14の周縁は、溶融金属の酸化を防止するため、ボンベ等(図示略)から供給される不活性ガスによりパージされている。
Since the space including the optical paths of the first reflected light 41 and the second reflected light 42 is blocked from the space including the peripheral edge of the
Air supplied from an air supply unit (not shown) is blown to the outer surface of the
Further, the peripheral edge of the
第1反射板31が固定されるハウジング38には、その他の光学系(図示略)が固定されるとともに、レーザ光40aと第1反射光41が通過する光路に孔が設けられている。
このハウジング38と支持体35とは転動体37により連結されており、この支持体35は、ハウジング38の側に固定されたモータ(図示略)により回転駆動する。
The other optical system (not shown) is fixed to the
The
第1ステージ21は、母管(第1配管11)の内周面に設置される基台24(図2)に対し、長手方向(Z方向)のみに移動が規制された状態で取り付けられている。
この基台24には、第1配管11の長手方向(Z方向)に沿って、レール25aが固定され、第1ステージ21にはこのレール25aに沿って移動するガイド26aが固定されている。
なお、この第1ステージ21は、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構(図示略)により駆動される。
The
A
The
第2ステージ22は、第1ステージ21に対し、第2配管12の長手方向(X方向)のみに移動が規制された状態で取り付けられている。
第2ステージ22は、第1ステージ21に固定されたレール25bに沿って移動するガイド26bが固定され、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構(図示略)により駆動される。
これにより第2ステージ22は、施工部30を、第2配管12の長手方向(X方向)に沿って移動させることができる。
そして、第2ステージ22は、その移動方向(X方向)に対して直交する直立面27を有している。
The
The
Thereby, the
And the
第3ステージ23は、第2ステージ22の直立面27に対し、第1配管11の半径方向(Y方向)のみに移動が規制された状態で、取り付けられている。
第3ステージ23は、第2ステージ22に固定されたレール25cに沿って移動するガイド26cが固定され、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構(図示略)により駆動される。
そして、この第3ステージ23には、上述したように、第1反射板31及びその他の光学系(図示略)が固定されるハウジング38が固定されている。
これにより、第3ステージ23は、施工部30を、第1配管11の長手方向(Z方向)及び第2配管12の長手方向(X方向)の両方向に対し、直交方向(Y方向)に沿って移動させることができる。
The
The
Further, as described above, the
Thereby, the
第1ステージ21を、母管(第1配管11)の長手方向(Z方向)に直進移動させることにより、複数の枝管(第2配管12)の溶接を連続的に実施することができる。
第1ステージ21、第2ステージ22及び第3ステージ23を移動調整することにより、レーザ光40bの照射軌跡を、開先部14の周縁に併せることができる。
By moving the
By moving and adjusting the
これら第1ステージ21、第2ステージ22及び第3ステージ23の移動は、予め入力された枝管位置情報に基づいて、コンピュータ制御により実行される。
なお、レーザ光40bの照射軌跡が、開先部14の周縁に合うように、施工部30を固定することができれば、第2ステージ22及び第3ステージ23のうち少なくとも一方を省くこともできる。
The movement of the
Note that at least one of the
撮像部50は、レーザ光40aの光路に配置され開先部14の周縁から第3反射板33、第2反射板32、第1反射板31の順番に戻ってきた反射光を分岐する第1ハーフミラー51と、この第1ハーフミラー51による分岐光の光路に配置される第2ハーフミラー52と、この第2ハーフミラー52の透過光の光路に配置されるミラー53が設けられている。
The
第2ハーフミラー52による反射光は、開先部14の周縁にフォーカスされた第1カメラ56に入射する。
枝管位置情報に基づいて各ステージ21,22,23を移動させた後、回転走査部34を回転させながら金属を溶融させないレベルの低強度のレーザ光40bを照射して、レーザ光40bの照射位置をモニタ上で確認することができる。
The reflected light from the
After moving the
そして、この照射位置と開先部14の周縁位置とがずれていれば、各ステージ21,22,23の移動を微調整してこのずれを解消する。
次に金属を溶融させるレベルにレーザ光40bの強度を上げて照射を行い、開先部14の周縁の溶接状況を画像化してモニタ上で確認することができる。
また溶接終了後に、回転走査部34を回転させて第1カメラ56により溶接ビードを観測し、溶接ビード表面の不良の有無を確認することができる。
And if this irradiation position and the peripheral position of the
Next, the intensity of the
In addition, after the end of welding, the
ミラー53による反射光は透過窓36にフォーカスされた第2カメラ57に入射する。
これにより、溶接処理中のスパッタに伴う飛散物による透過窓36の外表面の汚染状況をモニタ上で確認することができる。
The reflected light from the
Thereby, the contamination state of the outer surface of the
撮像部50において、これら第1ハーフミラー51、第2ハーフミラー52、ミラー53、第1カメラ56、第2カメラ57及びその他の光学系(図示略)は、精密に組立調整されケーシングに収納されている。
そしてこの撮像部50は、第1反射板31及びその他の光学系(図示略)を収納したハウジング38と同じステージ(図示では第3ステージ23)に、固定されている。
In the
The
なお、図1において、第1ハーフミラー51、第2ハーフミラー52、ミラー53は、第2配管12の長手方向(X方向)に積層されているが、第1配管11の長手方向(Z方向)及び第2配管12の長手方向(X方向)の両方向に対し直交方向(Y方向)に積層するように構成されてもよい。
In FIG. 1, the first half mirror 51, the
光ケーブル17の基端は、第1配管11の外部に配置されているレーザ発振器(図示略)に接続され、その先端は撮像部50に接続されている。
このレーザ発振器で発振されたレーザ光は、この光ケーブル17を伝送して先端から第1配管11の内部空間に照射される。
The proximal end of the
The laser light oscillated by the laser oscillator is transmitted through the
次に溶接方法の実施例について説明する。
図3に示すように、母管(第1配管11)と枝管(第2配管12)との接合部に、レーザ加熱により溶融するインサートリング18を挿入して溶接することができる。
そして、このインサートリング18は、母管(第1配管11)の内側よりも外側の肉厚を厚くする場合もある。
Next, examples of the welding method will be described.
As shown in FIG. 3, an
And this
また、開先部14の周縁のレーザ光40bの照射位置にフィラーワイヤを供給するワイヤ供給部(図示略)を、回転走査部34に設けることができる。
この供給部(図示略)は、レーザ光40bが照射される開先部14の周縁に沿って開口先端が走査されるシース型のガイド(図示略)を有し、フィラーワイヤは母管(第1配管11)の外部からこのガイドの内部を経由して供給される。
またこの供給部は、フィラーワイヤを予熱する予熱部を備えることが望ましい。
In addition, a wire supply unit (not shown) that supplies a filler wire to the irradiation position of the
The supply section (not shown) has a sheath-type guide (not shown) whose opening tip is scanned along the peripheral edge of the
Further, it is desirable that the supply unit includes a preheating unit for preheating the filler wire.
また、第2ステージ22を、第2配管12の長手方向(X方向)に搖動させながら溶接を施工することにより、溶接線の幅を太くすることができる。
この揺動により形成される溶接線の幅は、母管11側を広くとることが望ましい。
さらに搖動させる第2ステージ22の振幅や周波数を調整することにより、溶接線の幅や表面性状を調整することができる。
Moreover, the width of the weld line can be increased by performing welding while the
It is desirable that the width of the weld line formed by this swing is wide on the side of the
Further, by adjusting the amplitude and frequency of the
また、第一工程で母管(第1配管11)と枝管(第2配管12)を貫通溶接した後に、第二工程でフィラーワイヤを供給して溶接線のビード高さを調整することができる。
さらに第三工程において、フィラーワイヤを供給せずに、レーザ照射のみで溶接線のビード形状を整形することができる。
In addition, after through welding the mother pipe (first pipe 11) and the branch pipe (second pipe 12) in the first step, a filler wire is supplied in the second step to adjust the bead height of the weld line. it can.
Further, in the third step, the bead shape of the weld line can be shaped only by laser irradiation without supplying the filler wire.
以上述べた実施形態の配管溶接装置によれば、第1配管の側面に第2配管の開先を接合するに際し、第1配管の内部から溶接を自動施工することにより、作業を効率化し、接合部分の内表面の品質を向上させることが可能となる。
さらに、溶接の施工部は、枝管の内側に挿入する必要がないために、動作を簡素化することができる。このため、連立する枝管を連続的に溶接することが容易となる。
According to the pipe welding apparatus of the above-described embodiment, when joining the groove of the second pipe to the side face of the first pipe, welding is automatically performed from the inside of the first pipe, thereby improving work efficiency and joining. The quality of the inner surface of the part can be improved.
Furthermore, since the welding construction part does not need to be inserted inside the branch pipe, the operation can be simplified. For this reason, it becomes easy to weld the continuous branch pipe continuously.
また、溶接時に、母管の内側からレーザを斜めに照射する構成としたことで、レーザヘッド自体が枝管内部に配置される構成とするよりも、位置決め性に優れ、施工を短時間で行なうことが可能である。
特に、HRSGのように、母管に対して多数の枝管を溶接接合する場合、本実施形態の構成によって施工が短時間化されることは特に効果的である。
そして、装置を小型することができ、内径の細い母管にも適用することができる。
In addition, the structure in which the laser is obliquely irradiated from the inside of the mother pipe during welding is superior to the structure in which the laser head itself is arranged inside the branch pipe, and the construction is performed in a short time. It is possible.
In particular, when a large number of branch pipes are welded to the mother pipe as in HRSG, it is particularly effective that the construction is shortened by the configuration of the present embodiment.
The apparatus can be downsized and can be applied to a mother pipe having a small inner diameter.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
例えば、第1反射板31や第1ハーフミラー51等の光学部品を組み合わせたものとして説明したが、これらの組み合わせに限定する必要はなく、光学伝送手段として所定の機能を発揮する構成であればよい。また、光ケーブル17から出射したレーザを平行化するレンズや、溶接部位に照射するレーザを集光するレンズ等は図示していないが、必要に応じて適宜設置される。
For example, although it demonstrated as what combined optical components, such as the 1st reflective plate 31 and the 1st half mirror 51, it is not necessary to limit to these combinations and if it is the structure which exhibits a predetermined function as an optical transmission means. Good. Further, a lens for collimating the laser emitted from the
また、電極先端を溶接対象部位に接近させてX方向に沿う回転軸で回転させる構成とすれば、TIG溶接やMIG溶接でも可能である。ただし、レーザ溶接の場合は電極先端を接近させる必要がないので位置決め性に勝り、また、比較して配管溶接装置の構成を簡素にできる点で優れている。 Further, TIG welding or MIG welding is possible if the tip of the electrode is made to approach the site to be welded and rotated around the rotation axis along the X direction. However, in the case of laser welding, it is not necessary to bring the electrode tips close to each other, so that the positioning is superior, and it is excellent in that the configuration of the pipe welding apparatus can be simplified in comparison.
さらに、枝管12を母管11の周方向に複数設ける場合は、配管溶接装置10を母管11の周方向にそって移動する軸を追加してもよい。基台24を母管11の外から母管11周方向に相対的に移動させる駆動装置を設けてもよいし、基台24と第1ステージ21の間に、母管11の周方向に沿った円弧状のステージを追加して移動可能としてもよい。
Further, when a plurality of
10…配管溶接装置、11…第1配管、12…第2配管、13…開口、14…開先部、17…光ケーブル、18…インサートリング、21…第1ステージ、22…第2ステージ、23…第3ステージ、24…基台、25(25a,25b,25c)…レール、26(26a,26b,26c)…ガイド、27…直立面、30…施工部、31…第1反射板、32…第2反射板、33…第3反射板、34…回転走査部、35…支持体、36…透過窓、37…転動体、38…ハウジング、40(40a,40b)…レーザ光、41…第1反射光、42…第2反射光、50…撮像部、51…第1ハーフミラー、52…第2ハーフミラー、53…ミラー、56…第1カメラ、57…第2カメラ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1ステージに搭載されるとともに、前記開口に取り付けられる第2配管の開先部をこの開口に接触させた状態で、前記開先部の周縁に沿って溶接を施工する施工部と、を備えることを特徴とする配管溶接装置。 A first stage that moves in the longitudinal direction inside a first pipe having an opening on a side surface;
A construction portion that is mounted on the first stage and that welds along the periphery of the groove portion in a state where the groove portion of the second pipe attached to the opening is in contact with the opening. A pipe welding apparatus comprising:
前記施工部は、前記第1配管の内側から、前記第2配管の長軸方向に対して斜めにレーザ光を照射するよう構成され、かつ、前記第2配管の長軸方向を回転軸とした回転動作により前記レーザ光を前記開先部の周縁に沿って走査させる回転走査部を有することを特徴とする配管溶接装置。 In the pipe welding apparatus according to claim 1,
The construction portion is configured to irradiate laser light obliquely with respect to the major axis direction of the second pipe from the inside of the first pipe, and the major axis direction of the second pipe is a rotation axis. A pipe welding apparatus, comprising: a rotation scanning unit that scans the laser beam along a peripheral edge of the groove portion by a rotation operation.
前記施工部は、前記第2配管の長手方向に沿って移動する第2ステージを介して前記第1ステージに搭載されていることを特徴とする配管溶接装置。 In the pipe welding apparatus according to claim 1 or 2,
The said welding part is mounted in the said 1st stage through the 2nd stage which moves along the longitudinal direction of the said 2nd piping, The pipe welding apparatus characterized by the above-mentioned.
前記施工部は、第1配管の長手方向及び前記第2配管の長手方向の両方向に対し直交方向に沿って移動する第3ステージを介して前記第1ステージに搭載されていることを特徴とする配管溶接装置。 In the piping welding apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The construction section is mounted on the first stage via a third stage that moves along a direction orthogonal to both the longitudinal direction of the first pipe and the longitudinal direction of the second pipe. Pipe welding equipment.
前記配管溶接装置の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
レーザ発振器制御手段、前記配管溶接装置に具備された枝管位置計測装置の画像処理手段、開先位置計測装置の画像処理手段と配管溶接装置の移動制御手段、予め枝管位置とレーザ照射条件と移動スピードと搖動幅とフィラーワイヤ供給量を記憶した記憶手段と、を有し、
前記配管溶接装置は、前記レーザ光の光路において前記開先部の周縁からの反射光を分岐して画像化する撮像部をさらに有し、
前記制御装置は、
前記撮像部により撮像された画像から実際の前記第2配管の位置を検出し、
この検出結果に基づいて前記配管溶接装置の位置を補正し、
また、前記撮像手段により実際の開先位置を検出し、
この検出結果に基づいてレーザ光照射位置を補正するとともに、
開先ギャップを1点以上計測し、開先ギャップに合せて予め記憶させておいた搖動幅とフィラーワイヤ供給量を開先ギャップに合せて供給できるよう修正する、ことを特徴とする配管溶接システム。 The pipe welding apparatus according to any one of claims 2 to 4,
A control device for controlling the driving of the pipe welding device,
The controller is
Laser oscillator control means, image processing means of branch pipe position measuring device provided in the pipe welding apparatus, image processing means of groove position measuring apparatus and movement control means of pipe welding apparatus, branch pipe position and laser irradiation condition in advance Storage means for storing movement speed, peristaltic width, and filler wire supply amount,
The pipe welding apparatus further includes an imaging unit that branches and images reflected light from the periphery of the groove portion in the optical path of the laser light,
The controller is
Detecting the actual position of the second pipe from the image captured by the imaging unit;
Based on the detection result, the position of the pipe welding apparatus is corrected,
Further, the actual groove position is detected by the imaging means,
While correcting the laser beam irradiation position based on this detection result,
One or more groove gaps are measured and corrected so that the peristaltic width and filler wire supply amount stored in advance according to the groove gap can be supplied according to the groove gap. .
前記開口に取り付けられる第2配管の開先部をこの開口に接触させた状態で、前記第1ステージに搭載される施工部により、前記開先部の周縁に沿って溶接を施工するステップと、を含むことを特徴とする配管溶接方法。 Moving the first stage in the longitudinal direction inside the first pipe having an opening on the side surface;
In the state where the groove portion of the second pipe attached to the opening is in contact with the opening, the step of performing welding along the periphery of the groove portion by the construction portion mounted on the first stage; A pipe welding method comprising:
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