JP2017217659A - 開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法において、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成可能とする。【解決手段】水平方向に沿って配置される容器１１０の外周面に形成された開口部１２１と管台１１２との間に開先１２４が設けられ、溶接トーチ１０を開先１２４に沿う溶接方向に沿って移動し、開先１２４に挿入されたチップ１４から突出するワイヤ１６の先端部にアークを形成し、ワイヤ１６の先端部が溶接進行方向Ｍと反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、開先１２４における現在のワイヤ１６の先端部の溶接角度θ２に基づいてオシレート回動角度αを算出すると共に、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出し、オシレート移動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいてオシレート回動速度Ｖを設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、容器などの大径の第１円筒部材に対して管台などの小径の第２円筒部材を溶接する開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法に関するものである。

容器は、外周部に複数の配管を連結する必要があり、事前に容器の外周部に配管を連結するための管台を溶接により固定する。この場合、溶接工数の低減や溶接継手の高品質化等が望まれていることから、左右対称の溶接条件を用いた円弧状反復運動オシレートによるガスシールド溶接が行われている。このガスシールド溶接は、ワイヤ先端を上進溶接の溶接方向（トーチ及びチップの進行方向）と反対の下向きとし、ワイヤ先端を左右対称の円弧状となるように反復オシレートさせ、反転及びオシレート速度を制御しながらガスシールド溶接を行うものである。このようなガスシールド溶接としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特許第３１２２３０６号公報

上述したガスシールド溶接により容器の外周部に複数の管台を溶接する場合、溶接部が容器の曲面形状をなす外周面であり、管台を全周にわたって溶接するとき、溶接方向が水平方向に対して傾斜状態となる位置がある。また、容器の外周部に固定される管台は、水平方向に沿って配置された容器に対して、上部だけでなく側部などにも固定されるため、取付角度の異なる複数の管台が発生する。そのため、容器に対して管台を全周にわたって溶接するとき、溶接方向が随時変化してしまう。すると、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化すると、溶接金属が重力方向に垂れ落ちてしまう領域があり、溶接品質が低下してしまうという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成可能とする開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の開先溶接装置の制御装置は、水平方向に沿って配置される大径の第１円筒部材の外周面に形成された開口部と小径の第２円筒部材との間に開先が設けられ、溶接トーチを前記開先に沿う溶接方向に沿って移動し、前記開先に挿入されたチップから突出するワイヤの先端部にアークを形成し、前記ワイヤの先端部が溶接進行方向と反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置に基づいてオシレート移動角度を算出すると共に、鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部に作用する溶接部重力寄与度を算出し、前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定する、ことを特徴とするものである。

従って、溶接トーチを第１円筒部材の開口部と第２円筒部材との間に開先に沿って溶接するとき、開先における現在の溶接位置と第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部重力寄与度を加味してオシレート移動速度を設定している。そのため、溶接トーチがリング状をなす開先に沿って全周溶接するとき、溶接位置における重力寄与度を考慮したオシレート移動速度でワイヤの先端部をオシレートすることとなり、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成することができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記制御装置は、予め設定された基準位置からの現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置までの角度に基づいて前記オシレート移動角度を算出する第１算出部と、鉛直方向に沿う鉛直線に対する前記第１円筒部材の中心と現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置とを結ぶ溶接位置線の角度に基づいて前記溶接部重力寄与度を算出する第２算出部と、前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定する第３算出部とを備えることを特徴としている。

従って、第１算出部は、基準位置からの現在の溶接位置までの角度に基づいてオシレート移動角度を算出し、第２算出部は、鉛直線に対する第１配管の中心と現在の溶接位置とを結ぶ溶接位置線の角度に基づいて溶接部重力寄与度を算出し、第３算出部は、オシレート移動角度と溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定する。そのため、現在のワイヤに姿勢に応じた最適なオシレート移動速度を迅速に設定することができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記溶接部重力寄与度は、前記鉛直線に対する前記溶接位置線の角度が大きくなるほど増加する係数であることを特徴としている。

従って、溶接部重力寄与度を鉛直線に対する溶接位置線の角度が大きくなるほど増加する係数とすることで、溶接部重力寄与度を容易に求めることができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記反復オシレートは、前記ワイヤの先端が溶接進行方向と反対方向に円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものであり、前記オシレート移動角度は、前記第１円筒部材の軸方向に直交して径方向に沿う水平線に対する前記円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線の角度であることを特徴としている。

従って、反復オシレートは、円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものであり、オシレート移動角度を、第１円筒部材の軸方向に直交して径方向に沿う水平線に対する円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線の角度とすることから、最適なオシレート移動速度を迅速に設定することができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記反復オシレートは、溶接方向に交差する方向に移動する第１ルートと、前記第１ルートと逆方向の第２ルートが設けられると共に、前記第１ルートと前記第２ルートが前記ワイヤの回動中心位置で２分割され、前記オシレート移動角度は、前記第１ルートと前記第２ルートが２分割された少なくとも４つのルートで個別に設定されることを特徴としている。

従って、反復オシレートを少なくとも４分割とし、各ルートで最適なオシレート移動角度を設定することとなり、各ルートで適正に開先溶接を行うことができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記オシレート移動速度は、リング形状をなす前記開先を周方向に４つ以上に分割された領域にて設定されることを特徴としている。

従って、オシレート移動速度を開先の周方向に複数分割された領域ごとに設定することで、ワイヤの溶接姿勢に応じた最適なオシレート移動速度を設定することができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置では、前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置を検出する第１検出センサと、鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度を検出する第２検出センサとが設けられ、前記第１検出センサと前記第２検出センサの検出結果に基づいて前記オシレート移動速度を設定することを特徴としている。

従って、第１検出センサが検出した開先における現在の溶接位置と、第２検出センサが検出した鉛直方向に対する第２円筒部材の取付角度に基づいてオシレート移動速度を設定することで、事前に各種のデータを入力する必要がなくなって、オンラインで容易に開先溶接を実施することができる。

また、本発明の開先溶接方法は、水平方向に沿って配置される大径の第１円筒部材の外周面に形成された開口部と小径の第２円筒部材との間に開先が設けられ、溶接トーチを前記開先に沿う溶接方向に沿って移動し、前記開先に挿入されたチップから突出するワイヤの先端部にアークを形成し、前記ワイヤの先端部が溶接進行方向と反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、リング形状をなす前記開先を周方向に分割された複数領域を設定する工程と、前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置に基づいてオシレート移動角度を算出する工程と、鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部に作用する溶接部重力寄与度を算出する工程と、前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいて前記複数領域におけるオシレート移動速度を設定する工程と、設定されたオシレート移動速度に基づいて前記ワイヤの先端部を反復オシレートさせて前記複数領域における前記開先を連続して溶接する工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、溶接トーチがリング状をなす開先に沿って全周溶接するとき、溶接位置における重力寄与度を考慮したオシレート移動速度でワイヤの先端部をオシレートすることとなり、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成することができる。

本発明の開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法によれば、開先における現在の溶接位置に基づいてオシレート移動角度を算出すると共に、鉛直方向に対する第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部に作用する溶接部重力寄与度を算出し、オシレート移動角度と溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定するので、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成することができる。

図１は、本実施形態の開先溶接装置の制御装置を表す概略構成図である。 図２は、複数の管台が固定された容器の断面図である。 図３は、管台と容器の溶接部を表す断面図である。 図４は、管台と容器の溶接部を表す管台側からの正面図である。 図５は、溶接方向が容器の軸方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図である。 図６は、溶接方向が容器の軸方向に対して傾斜する方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図である。 図７は、溶接方向が容器の軸方向に直交する方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図である。 図８は、管台取付角度に対する溶接部重力寄与度を表すグラフである。 図９は、本実施形態の開先溶接方法を表す概略図である。 図１０は、開先溶接装置における溶接トーチを表す斜視図である。 図１１は、溶接トーチの要部正面図である。 図１２は、溶接トーチにおけるワイヤの回動角度を表す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

まず、本実施形態の開先溶接装置に適用される溶接トーチについて説明する。図１０は、開先溶接装置における溶接トーチを表す斜視図、図１１は、溶接トーチの要部正面図、図１２は、溶接トーチにおけるワイヤの回動角度を表す説明図である。

本実施形態の開先溶接装置において、図１０に示すように、溶接トーチ１０は、溶接トーチ本体１１の下端部に設けられた偏平型のシールドノズル１２の内部にチップ回動軸１３が鉛直方向に沿って配設され、チップ回動軸１３の先端部にチップ１４が螺着されている。このチップ１４は、鉛直方向に対して所定角度（例えば、５度から２０度）だけ屈曲したワイヤ導出孔１５が形成され、ワイヤ導出孔１５の先端部からワイヤ１６が導出されている。

チップ回動軸１３は、基端部が溶接トーチ本体１１を貫通し、この溶接トーチ本体１１の上端部に配設された歯車１７，１８を介して駆動モータ（例えば、ステッピングモータ）１９に連結されている。シールドノズル１２は、内部に複数のシールドガス供給管２０が配設されてシールドガス入口２１に接続されると共に、複数の給水管２２、排水管２３が配設されて冷却水入口２４、冷却水出口２５に接続されている。

そのため、図１１及び図１２に示すように、部材（例えば、容器）１０１と部材（例えば、管台）１０２との開先１０３内にシールドノズル１２を配置し、チップ１４の先端部から屈曲して突出したワイヤ１６と開先１０３との間にアークを発生させると共に、シールドノズル１２からシールドガスを噴出させ、溶接進行方向Ｍにシールドノズル１２を移動させながら溶接を行う。このとき、駆動モータ１９の駆動回転力により歯車１７，１８を介してチップ回動軸１３を回動させ、チップ１４から突出したワイヤ１６の先端部を円弧方向Ｒに沿って反復オシレートさせる。この反復オシレートは、回動領域Ｒ１，Ｒ２が左右対称になるようにワイヤ１６の先端部を反復オシレートさせる。

本実施形態の開先溶接装置は、大径の第１円筒部材としての容器の外周部に小径の第２円筒部材としての複数の管台を溶接により固定するために用いられる。図２は、複数の管台が固定された容器の断面図、図３は、管台と容器の溶接部を表す断面図、図４は、管台と容器の溶接部を表す管台側からの正面図である。

図２に示すように、容器１１０は、所定の外径を有する円筒形状をなす容器であり、図示しないが、長手方向（軸方向）における各端部が閉塞されている。この容器１１０は、外周部に複数の管台１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９が溶接により固定されている。各管台１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９は、容器１１０に対して所定の配管を連結するために用いられるものであり、取付位置は、周方向に所定間隔を空けて設定されると共に、軸方向にずれて設定される。

図３及び図４に示すように、容器１１０は、管台１１２を取付ける位置に管台１１２の外径とほぼ同径の開口部１２１が形成されると共に、開口部１２１の全周に外周面側に拡径する開先面１２２が形成されている。管台１１２は、基端部が容器１１０の開口部１２１内に位置するように位置決めされ、仮溶接（点溶接など）により仮溶接部１２３が形成されることで、容器１１０の外周部に仮固定される。この状態で、管台１１２に開先溶接装置を装着し、溶接トーチ１０（図１０参照）を管台１１２の外周部に沿って移動する。すると、溶接トーチ１０が容器１１０における開口部１２１の（開先面１２２と管台１１２の外周面との間に設けられた開先１２４に沿って溶接を行い、開先１２４に溶接部（ビード）１２５を形成することで、容器１１０に管台１１２が固定される。

ところで、図２に示すように、管台１１１は、容器１１０の鉛直方向の上部に固定されるが、管台１１２は、容器１１０の鉛直方向に対して所定の角度をもった位置で固定される。即ち、図３及び図４に示すように、管台１１２は、容器１１０の中心を通る鉛直線Ｌ１に対して、中心線Ｏ１が所定の角度（以下、取付角度）θ１をもって傾斜している。また、溶接トーチ１０（図１０参照）は、リング形状をなす開先１２４に沿って移動しながら溶接を行うことから、溶接位置が連続して移動し、容器１１０の中心を通る鉛直線Ｌ２に対する溶接位置線Ｗ１の角度θ２が連続して変化する。このとき、溶接位置が移動することから、鉛直線Ｌ１に対する容器１１０の中心と溶接位置とを結ぶ溶接位置線Ｗ２の角度（以下、溶接角度）θ１も連続して変化する。

本実施形態の開先溶接装置における溶接トーチ１０は、開先１２４に挿入されたチップ１４から突出するワイヤ１６の先端部にアークを形成し、このワイヤ１６の先端部が溶接進行方向Ｍと反対方向に円弧状軌跡を描くように反復オシレートさせて溶接を行うものである。そのため、溶接位置が鉛直方向の上部から下部に移動するとき、溶融金属が重力の影響により垂れ落ち、この溶接金属がアークより溶接方向の前方側に移動してしまい、流下した溶融金属が邪魔となってアークの熱が直接母材にと届かず、溶込み量が少なくなって融合不良を発生するおそれがある。

そこで、本実施形態の開先溶接装置の制御装置及び開先溶接方法は、容器１１０に対する管台１１２の取付位置が所定の傾斜角度をもっていても、また、溶接位置が連続して移動して溶接角度が連続して変化しても、ワイヤ１６の先端部を適正に反復オシレートさせて高品質な溶接を行うものである。

図１は、本実施形態の開先溶接装置の制御装置を表す概略構成図である。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置にて、制御装置３０は、開先１２４における現在のワイヤ１６の先端部の溶接角度（溶接位置）θ２に基づいてオシレート回動角度（オシレート移動角度）αを算出すると共に、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出し、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいてオシレート回動速度（オシレート移動速度）Ｖを設定する。

オシレート回動速度Ｖは、下記数式１により算出する。

具体的に、制御装置３０は、予め設定された鉛直線（基準位置）Ｌ２からの現在のワイヤ１６の先端部の溶接位置線（溶接位置）Ｗ１までの角度θ２に基づいてオシレート回動角度αを算出するα算出部（第１算出部）３１と、鉛直線Ｌ１に対する容器１１０の中心と現在のワイヤ１６の先端部の溶接位置とを結ぶ中心線（溶接位置線）Ｏ１の角度θ１に基づいて溶接部重力寄与度βを算出するβ算出部（第２算出部）３２と、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいてオシレート回動速度Ｖを設定するワイヤ回動速度算出部（第３算出部）３３とを備えている。

この場合、開先１２４における現在のワイヤ１６の先端部の溶接位置を検出する第１検出センサとして、駆動モータ１９にエンコーダ４１が設けられている。そのため、開先１２４における現在の溶接位置に基づいて鉛直線Ｌ２と溶接位置線Ｗ１とのなす角度θ２が算出できる。また、鉛直線Ｌ１に対する管台１１２の取付角度θ１を検出する第２検出センサとして、溶接トーチ１０に管台角度検出器（水準器など）４２が設けられている。制御装置３０は、エンコーダ４１と管台角度検出器４２の検出結果に基づいてオシレート回動速度Ｖを設定し、駆動モータ１９をフィードバック制御する。

なお、鉛直線Ｌ１に対する管台１１２の取付角度θ１は、予めわかっていることから、エンコーダ４１により検出した現在の溶接位置だけをオンラインで検出し、制御装置３０がオシレート回動速度Ｖを設定してもよい。

以下、制御装置３０により具体的な処理内容について詳細に説明する。図５は、溶接方向が容器の軸方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図、図６は、溶接方向が容器の軸方向に対して傾斜する方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図、図７は、溶接方向が容器の軸方向に直交する方向であるときのワイヤ回動角度を表す概略図、図８は、管台取付角度に対する溶接部重力寄与度を表すグラフ、図９は、本実施形態の開先溶接方法を表す概略図である。

溶接トーチ１０は、リング形状をなす開先１２４に沿って溶接を行うとき、管台１１２の外周部側を時計回り方向に沿って３６０度回転する。このとき、溶接トーチ１０は、図９に示すように、時計回り方向に開先１２４に沿って移動して溶接するため、各溶接位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈにて、その溶接方向（姿勢）が相違することとなり、リング形状をなす開先１２４を周方向に８つ以上に分割した周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを設定し、各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈごとにオシレート回動速度Ｖを設定する。

また、ワイヤ１６の反復オシレートは、溶接進行方向Ｍに交差する方向に移動する第１ルートと、第１ルートと逆方向の第２ルートが設けられると共に、第１ルートと第２ルートがワイヤ１６の回動中心位置で２分割される。即ち、ワイヤ１６の反復オシレートは、開先１２４における幅方向の中心から管台１１２側にオシレートするルートＰ_１と、開先１２４における管台１１２に沿うルートＰ_２と、開先１２４における管台１１２側から幅方向の中心にオシレートするルートＰ_３と、開先１２４における幅方向の中心から容器１１０側にオシレートするルートＰ_４と、開先１２４における容器１１０に沿うルートＰ_５と、開先１２４における容器１１０側から幅方向の中心にオシレートするルートＰ_６とを有し、この各ルートＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６を繰り返し移動することで開先溶接を実施する。なお、４つのルートＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_６は、ワイヤ１６を回動してオシレートする領域であるが、２つルートＰ_２，Ｐ_５は、ワイヤ１６の回動を停止する領域である。

そして、図５及び図９に示すように、反復オシレートは、ワイヤ１６の先端が溶接進行方向Ｍと反対方向に円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものであり、溶接トーチ１０が開先１２４における溶接位置ａを含む周方向領域Ａを溶接するとき、オシレート回動角度α_１は、容器１１０の軸方向に直交して径方向に沿う水平線Ｌ３と、円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線Ｎ１とのなす角度である。

また、図６及び図９に示すように、溶接トーチ１０が開先１２４における溶接位置ｂを含む周方向領域Ｂを溶接するとき、オシレート回動角度α_２は、容器１１０の軸方向に直交して径方向に沿う水平線Ｌ３と、円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線Ｎ２とのなす角度である。更に、図７及び図９に示すように、溶接トーチ１０が開先１２４における溶接位置ｃを含む周方向領域Ｃを溶接するとき、オシレート回動角度α_３は、容器１１０の軸方向に直交して径方向に沿う水平線Ｌ３と、円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線Ｎ３とのなす角度である。なお、詳細な説明はしないが、溶接トーチ１０が開先１２４における溶接位置ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈを含む周方向領域Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを溶接するときも、オシレート回動角度は、同様の角度となる。

一方、溶接部重力寄与度βは、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する重力の寄与度であり、例えば、図８に示すように、鉛直線Ｌ２に対する溶接位置線Ｗ１の角度が大きくなるほどに増加する係数である。ここで、溶接部重力寄与度βは、管台１１２の取付角度θ１が０度のときに最小（例えば、０．１）となり、管台１１２の取付角度θ１が９０度のときに最大（１．０）なる。なお、図８に示すマップ（グラフ）は、溶接トーチ１０が管台１１の外周部を時計回り方向に移動して溶接するとき、管台１１２の取付角度θ１が１度から９０度で増加するときの溶接部重力寄与度βの一例である。また、管台１１２の取付角度θ１に対する溶接位置線Ｗ１の重力寄与度は、比例的に増加するものとしたが、これを２次曲線としてもよい。

ここで、本実施形態の開先溶接方法について詳細に説明する。

本実施形態の開先溶接方法は、リング形状をなす開先１２４を周方向に分割された複数の周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを設定する工程と、開先１２４における現在のワイヤ１６の先端部の溶接位置（溶接角度θ２）に基づいてオシレート回動角度αを算出する工程と、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出する工程と、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいて各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおけるオシレート回動速度Ｖを設定する工程と、設定されたオシレート回動速度Ｖに基づいてワイヤ１６の先端部を反復オシレートさせて各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおける開先１２４を連続して溶接する工程とを有する。

まず、開先１２４におけるワイヤ１６の先端部の溶接角度θ２に基づいたオシレート回動角度αを算出する。ここで、基準オシレート回動角度は、溶接トーチ１０が移動しながら開先溶接を実施するとき、水平方向に沿う水平線と、ワイヤ１６の先端がオシレートした円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線とのなす角度に規定している。そして、本実施形態にて、例えば，基準オシレート回動角度は，溶接金属への重力の影響が比較的単純で溶接金属の形状が良好になりやすい周方向領域Ｃ，Ｇを選択している。但し、基準オシレート回動角度は、この規定方法に限るものではなく、他の周方向領域Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｈの位置、つまり、鉛直線とオシレート線とのなす角度であってもよく、更に、鉛直線ではなく傾斜する所定の線としてもよい。

図９に示すように、溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ａを移動して溶接するとき、ワイヤ１６は、ルートＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６を通って移動し、このときのオシレート回動角度α_１は、各ルートＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_６で基準オシレート回動角度と同様の角度となる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｂを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_２は、基準オシレート回動角度に対してルートＰ_１，Ｐ_３で小さくなり、ルートＰ_４，Ｐ_６で大きくなる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｃを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_３は、各ルートＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_６で基準オシレート回動角度に対して小さい角度となる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｄを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_４は、基準オシレート回動角度に対してルートＰ_１，Ｐ_３で大きくなり、ルートＰ_４，Ｐ_６で小さくなる。

また、溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｅを移動して溶接するとき、ワイヤ１６は、ルートＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６を通って移動し、このときのオシレート回動角度α_５は、各ルートＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_６で基準オシレート回動角度と同様の角度となる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｆを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_６は、基準オシレート回動角度に対してルートＰ_１，Ｐ_３で小さくなり、ルートＰ_４，Ｐ_６で大きくなる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｇを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_７は、各ルートＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_６で基準オシレート回動角度に対して小さい角度となる。溶接トーチ１０が開先１２４における周方向領域Ｈを移動して溶接するとき、オシレート回動角度α_８は、基準オシレート回動角度に対してルートＰ_１，Ｐ_３で大きくなり、ルートＰ_４，Ｐ_６で小さくなる。

即ち、周方向領域Ａ，Ｅでは、全てのオシレート回動角度α_１，α_５が基準オシレート回動角度と同様となり、周方向領域Ｃ，では、全てのオシレート回動角度α_３，α_７が基準オシレート回動角度より小さくて同様となり、周方向領域Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈでは、基準オシレート回動角度と異なり、溶接進行方向Ｍの左右両側でオシレート回動角度α_１，α_３，α_５，α_７が異なるものとなる。

次に、管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出する。この場合、図８に示すように、予め設定されたマップ（グラフ）を用いて取付角度θ１から溶接部重力寄与度βを求める。

そして、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βを前述した数式１に代入して、各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおけるオシレート回動速度Ｖを設定する。本実施形態では、周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈが８個の分割されていることから、数式１のｎは、各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈに対応した１〜８で表されるが、ｎは、分割数に応じて異なるものとなる。制御装置３０は、周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈごとに設定されたオシレート回動速度Ｖに基づいてワイヤ１６の先端部を反復オシレートさせて各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおける開先１２４を連続して溶接する。

図９及び図１０に示すように、シールドノズル１２を開先１２４内配置し、チップ１４の先端部から屈曲して突出したワイヤ１６と開先１０３との間にアークを発生させると共に、シールドノズル１２からシールドガスを噴出させ、溶接進行方向Ｍに移動させながら溶接を行う。このとき、駆動モータ１９によりチップ回動軸１３を介してチップ１４から突出したワイヤ１６の先端部をルートＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６に沿って反復オシレートさせる。

このとき、例えば、周方向領域Ａにて、図９に実線で表すルートＰ_１，Ｐ_６は、ワイヤ１６の回動方向が鉛直方向の上向きとなり、図９に点線で表すルートＰ_３，Ｐ_４は、ワイヤ１６の回動方向が鉛直方向の下向きとなる。そのため、反復オシレートの過程で、重力に逆らうルートＰ_１，Ｐ_６におけるワイヤ１６の回動方向での溶接は、溶融金属がアーク点より下方（回動方向の後方）へ流れるため、アークの熱を直接母材へ付加することができ、十分な溶込みを確保することができる。一方、反復オシレートの過程で、重力に沿ったルートＰ_３，Ｐ_４におけるワイヤ１６の回動方向での溶接は、溶融金属がアーク点より下方（回動方向の前方）へ流れるため、この溶融金属が邪魔となってアークの熱を直接母材へ付加することが困難となり、十分な溶込みを確保することができない。

そこで、本実施形態では、開先１２４における溶接位置（溶接角度θ２）と管台１１２の取付角度θ１に基づいて各周方向領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおける最適なオシレート回動速度Ｖを設定し、設定された最適なオシレート回動速度Ｖに基づいて開先１２４の溶接を実施する。

そのため、反復オシレートの過程で、重力に逆らうルートＰ_１，Ｐ_６におけるワイヤ１６の回動方向での溶接は、オシレート回動速度Ｖを遅くし、重力に沿ったルートＰ_３，Ｐ_４におけるワイヤ１６の回動方向での溶接は、オシレート回動速度Ｖを速くする。即ち、重力に逆らうルートＰ_１，Ｐ_６におけるオシレート回動速度Ｖより、重力に沿ったルートＰ_３，Ｐ_４におけるオシレート回動速度Ｖを速くする。すると、重力に沿ったルートＰ_３，Ｐ_４におけるワイヤ１６の回動方向での溶接時、溶融金属がアーク点より下方（回動方向の前方）へ流れることが抑制され、溶融金属が邪魔となることもなく、アークの熱を直接母材へ付加することができ、十分な溶込みを確保することができる。

なお、ここでは、周方向領域Ａにおけるオシレート回動速度Ｖを用いた開先溶接について説明したが、他の周方向領域Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈにおけるオシレート回動速度Ｖを用いた開先溶接についても同様である。

このように本実施形態の開先溶接装置の制御装置にあっては、水平方向に沿って配置される容器１１０の外周面に形成された開口部１２１と管台１１２との間に開先１２４が設けられ、溶接トーチ１０を開先１２４に沿う溶接方向に沿って移動し、開先１２４に挿入されたチップ１４から突出するワイヤ１６の先端部にアークを形成し、ワイヤ１６の先端部が溶接進行方向Ｍと反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、開先１２４における現在のワイヤ１６の先端部の溶接角度θ２に基づいてオシレート回動角度αを算出すると共に、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出し、オシレート移動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいてオシレート回動速度Ｖを設定する。

従って、溶接トーチ１０を容器１１０の開口部１２１と管台１１２との間に開先１２４に沿って溶接するとき、開先１２４における現在の溶接角度θ２と管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部重力寄与度βを加味してオシレート回動速度Ｖを設定している。そのため、溶接トーチ１０がリング状をなす開先１２４に沿って全周溶接するとき、溶接位置における溶接部重力寄与度βを考慮したオシレート回動速度Ｖでワイヤ１６の先端部をオシレートすることとなり、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成することができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、予め設定された基準位置からの現在のワイヤ１６の先端部の溶接位置までの角度θ２に基づいてオシレート回動角度αを算出する第１算出部３１と、鉛直線に対する容器１１０の中心と現在の溶接位置とを結ぶ溶接位置線Ｗ１の角度θ１に基づいて溶接部重力寄与度βを算出する第２算出部３２と、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいてオシレート回動速度Ｖを設定する第３算出部３３とを備えている。従って、現在のワイヤ１６に姿勢に応じた最適なオシレート回動速度Ｖを迅速に設定することができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、溶接部重力寄与度βは、鉛直線に対する溶接位置線の角度が大きくなるほど増加する係数である。従って、溶接部重力寄与度βを容易に求めることができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、反復オシレートは、ワイヤ１６の先端が溶接進行方向と反対方向に円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものであり、オシレート回動角度αは、容器１１０の軸方向に直交して径方向に沿う水平線に対する円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線の角度である。従って、最適なオシレート回動速度Ｖを迅速に設定することができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、反復オシレートは、溶接方向に交差する方向に移動する第１ルートと、第１ルートと逆方向の第２ルートが設けられると共に、第１ルートと第２ルートがワイヤ１６の回動中心位置で２分割され、オシレート回動角度Ｖは、少なくとも４つのルートで個別に設定されている。従って、反復オシレートを少なくとも４分割とし、各ルートで最適なオシレート回動角度Ｖを設定することとなり、各ルートで適正に開先溶接を行うことができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、オシレート回動速度Ｖは、リング形状をなす開先１２４を周方向に４つ以上に分割された領域にて設定される。従って、ワイヤ１６の溶接姿勢に応じた最適なオシレート回動速度Ｖを設定することができる。

本実施形態の開先溶接装置の制御装置では、開先１２４における現在の溶接角度θ２を検出する第１検出センサ４１と、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１を検出する第２検出センサ４２とを設け、第１検出センサ４１と第２検出センサ４２の検出結果に基づいてオシレート回動速度Ｖを設定している。従って、事前に各種のデータを入力する必要がなくなって、オンラインで容易に開先溶接を実施することができる。

また、本実施形態の開先溶接方法にあっては、開先１２４を周方向に分割された複数領域を設定する工程と、開先１２４における現在の溶接角度θ２に基づいてオシレート回動角度αを算出する工程と、鉛直方向に対する管台１１２の取付角度θ１に基づいて溶接部１２５に作用する溶接部重力寄与度βを算出する工程と、オシレート回動角度αと溶接部重力寄与度βに基づいて複数領域におけるオシレート回動速度Ｖを設定する工程と、設定されたオシレート回動速度Ｖに基づいてワイヤ１６の先端部を反復オシレートさせて複数領域における開先１２４を連続して溶接する工程とを有する。

従って、溶接トーチ１０がリング状をなす開先１２４に沿って全周溶接するとき、溶接位置における溶接部重力寄与度βを考慮したオシレート回動速度Ｖでワイヤ１６の先端部をオシレートすることとなり、溶接方向が水平方向に対して傾斜する方向に変化しても、融合不良の発生を抑制して適正な溶接継手を形成することができる。

なお、上述した実施形態では、反復オシレートがワイヤ１６の先端が円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものとしたが、ワイヤ１６の先端が直線状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものとしてもよい。

また、上述した実施形態では、リング形状をなす開先１２４を周方向に８に分割した各領域でオシレート回動速度Ｖを設定したが、この分割数は適宜設定すればよいものである。

１０ 溶接トーチ
１１ 溶接トーチ本体
１２ シールドノズル
１３ チップ回動軸
１４ チップ
１５ ワイヤ導出孔
１６ ワイヤ
１９ 駆動モータ
３０ 制御装置
３１ α算出部（第１算出部）
３２ β算出部（第２算出部）
３３ ワイヤ回動速度算出部（第３算出部）
４１ エンコーダ（第１検出センサ）
４２ 管台角度検出器（第２検出センサ）
１１０ 容器（第１円筒部材）
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９ 管台（第２円筒部材）
１２１ 開口部
１２２ 開先面
１２４ 開先
１２５ 溶接部

Claims (8)

1. 水平方向に沿って配置される大径の第１円筒部材の外周面に形成された開口部と小径の第２円筒部材との間に開先が設けられ、溶接トーチを前記開先に沿う溶接方向に沿って移動し、前記開先に挿入されたチップから突出するワイヤの先端部にアークを形成し、前記ワイヤの先端部が溶接進行方向と反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、
   前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置に基づいてオシレート移動角度を算出すると共に、鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部に作用する溶接部重力寄与度を算出し、前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定する、
   ことを特徴とする開先溶接装置の制御装置。
2. 前記制御装置は、予め設定された基準位置からの現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置までの角度に基づいて前記オシレート移動角度を算出する第１算出部と、鉛直方向に沿う鉛直線に対する前記第１円筒部材の中心と現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置とを結ぶ溶接位置線の角度に基づいて前記溶接部重力寄与度を算出する第２算出部と、前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいてオシレート移動速度を設定する第３算出部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の開先溶接装置の制御装置。
3. 前記溶接部重力寄与度は、前記鉛直線に対する前記溶接位置線の角度が大きくなるほど増加する係数であることを特徴とする請求項２に記載の開先溶接装置の制御装置。
4. 前記反復オシレートは、前記ワイヤの先端が溶接進行方向と反対方向に円弧状軌跡を描くように反復するオシレートを行うものであり、前記オシレート移動角度は、前記第１円筒部材の軸方向に直交して径方向に沿う水平線に対する前記円弧状軌跡における始点と終点を結ぶオシレート線の角度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の開先溶接装置の制御装置。
5. 前記反復オシレートは、溶接方向に交差する方向に移動する第１ルートと、前記第１ルートと逆方向の第２ルートが設けられると共に、前記第１ルートと前記第２ルートが前記ワイヤの回動中心位置で２分割され、前記オシレート移動角度は、前記第１ルートと前記第２ルートが２分割された少なくとも４つのルートで個別に設定されることを特徴とする請求項４に記載の開先溶接装置の制御装置。
6. 前記オシレート移動速度は、リング形状をなす前記開先を周方向に４つ以上に分割された領域にて設定されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の開先溶接装置の制御装置。
7. 前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置を検出する第１検出センサと、鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度を検出する第２検出センサとが設けられ、前記第１検出センサと前記第２検出センサの検出結果に基づいて前記オシレート移動速度を設定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の開先溶接装置の制御装置。
8. 水平方向に沿って配置される大径の第１円筒部材の外周面に形成された開口部と小径の第２円筒部材との間に開先が設けられ、溶接トーチを前記開先に沿う溶接方向に沿って移動し、前記開先に挿入されたチップから突出するワイヤの先端部にアークを形成し、前記ワイヤの先端部が溶接進行方向と反対方向にて溶接方向に交差する方向に反復オシレートさせて溶接を行う開先溶接装置において、
   リング形状をなす前記開先を周方向に分割された複数領域を設定する工程と、
   前記開先における現在の前記ワイヤの先端部の溶接位置に基づいてオシレート移動角度を算出する工程と、
   鉛直方向に対する前記第２円筒部材の取付角度に基づいて溶接部に作用する溶接部重力寄与度を算出する工程と、
   前記オシレート移動角度と前記溶接部重力寄与度に基づいて前記複数領域におけるオシレート移動速度を設定する工程と、
   設定されたオシレート移動速度に基づいて前記ワイヤの先端部を反復オシレートさせて前記複数領域における前記開先を連続して溶接する工程と、
   を有することを特徴とする開先溶接方法。

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