JP2709911B2 - 交差する管の溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交差する管の溶接
方法に関し、特に、一方の管（以下「主管」という）に
交差するもう一方の管（以下「支管」という）の接合部
端面を切断形成し、これらの交差する管を溶接する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より構造物に管体は広く用いられて
いる。構造物として用いらる管体は、断面積に比して強
度が大きく、ねじれや座屈に強く、また断面形状が円形
なために応力解析し易く設計も容易であり、さらに管体
は表面積が小さいので風への抵抗が小さい等の特徴があ
り多くの建造物等の構造物に用いられている。管体を構
造物として用いるには、その設計強度に応じて径の異な
る管体を交差させて、管体を構造物に組み立て溶接しな
ければならないものである。

【０００３】図１７は、交差する管の接合状況す示した
図で、図１７（ａ）は、主管（１）の外周面に径の異な
る支管（２）の接合部を、主管（１）の外周面に適合す
るように接合部端面（３）を形成し、主管（１）と支管
（２）を直角に交差させて溶接するものである。図１７
（ｂ）は、主管（１）の外周面に径の異なる支管（２）
の接合部を、主管（１）の外周面に適合するように接合
部端面（３）を形成し、主管（１）に支管（２）を斜め
に交差させて溶接するものである。このように管体を構
造物として用いるには、種々の径の管体を種々の角度で
交差させ構造物に組み立て溶接しなければならないもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、管体を
構造物に組み立てるには種々の径の管体を種々の角度で
交差させ構造物に溶接するものであり、さらに、このよ
うに径が異なり、また交差角度の異なるという種々の条
件の管体溶接を多くの箇所で行わなければないものであ
り、簡単かつ速やかな作業が望まれ、そしてその溶接部
が十分な強度が得らるようにすることが必要である。

【０００５】交差する管体を溶接し構造物に組み立てる
には、まず主管の外周面に適合するように支管の接合部
端面を切断形成するが、管体構造物の組み立てにおいて
は、２本の管体の径が異なるもの、また２本の管体の交
差する角度が異なるものという種々の条件の場合に対応
して、支管の接合部端面を切断形成することは作業に時
間が掛かりコスト高になるという問題があった。また、
交差する管体を十分な強度が得らるような溶接を行う必
要があり、さらに速やかに溶接を行なうには自動溶接を
行なうことが望まれる。自動溶接を行なうには、管の直
径、管の交差角度等の種々の条件について、その都度溶
接条件の調整を行わなければならず、これには溶接作業
のティーチングに時間が掛かるという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、主管に交差す
る支管の裏板溶接方法において、主管に交差する支管の
接合部端面、及び支管の内径とほぼ同じ外径を有する管
状裏板の接合部端面を切断し、次いで切断した支管を管
状裏板を用いて主管に裏板溶接を行うもので、前記支管
の接合部端面の切断は主管の径、支管の径、支管の板
厚、主管との交差角度、溶接開先角度により演算して支
管を回転させながら切断トーチの支管軸方向移動量及び
切断トーチの傾動角度を制御し、かつ切断速度を制御す
ることにより行い、前記管状裏板の接合部端面の切断
は、主管の径、管状裏板の径、管状裏板の板厚、主管と
の交差角度により演算して管状裏板を回転させながら切
断トーチの管軸方向移動量及び切断トーチの傾動角度を
制御し、かつ切断速度を制御することにより主管に管状
裏板の接合部端面がほぼ密着するように行い、前記支管
の前記管状裏板を用いた裏板溶接は、溶接トーチの位置
と溶接トーチの角度を主管の径、支管の径、支管の板
厚、主管と支管の交差角度及び溶接開先角度より演算
し、溶接トーチの位置、溶接トーチの角度及び溶接速度
を制御し自動溶接で溶接ビードを順次積層して溶接する
ものであることを特徴とする主管に交差する支管の裏板
溶接方法である。

【０００７】本発明の管状裏板の接合部端面を主管にほ
ぼ密着するようにするとは、例えば管状裏板の内径と外
径を結ぶ直線で切断することにより、主管の外周面に対
して管状裏板の接合部端面をほぼ密着させることができ
ものである。また、支管の管状裏板を用いた裏板溶接で
は、まず主管に管状裏板（管状の裏当て金）を設け、主
管に溶接開先を形成した支管を突合わせて、溶接ビード
を順次積層して溶接するものである。

【０００８】

【作用】本発明においては、支管の接合部端面の切断
は、主管の径、支管の径、支管の板厚、主管と支管の交
差角度、及び溶接開先角度より演算し、支管を回転させ
ながら切断トーチを制御するもので、具体的には、主管
の径、支管の径、主管と支管の交差角度からの演算によ
り切断トーチの支管軸方向移動量を、また主管の径、支
管の径、支管の板厚、主管と支管の交差角度、溶接開先
角度からの演算により切断トーチの傾動角度を、さらに
これら演算により切断トーチの支管軸方向移動量と傾動
角度から支管の回転速度を制御するもので、支管の接合
部端面形成を正確にかつ容易に行うことができるもので
ある。また管状裏板の接合部端面も同様に、主管の径、
管状裏板の径、管状裏板の板厚、主管との交差角度によ
り演算して管状裏板を回転させながら切断トーチの管軸
方向移動量及び切断トーチの傾動角度を制御し、かつ切
断速度を制御し、主管に管状裏板の接合部端面がほぼ密
着するように切断するものである。

【０００９】また、溶接は、支管の内径とほぼ同じ外径
を有する管状裏板（管状の当て金）を用いて裏板溶接を
行なうことにより交差する主管と支管の溶接部の強度が
十分なものを得ることができるものである。さらに、自
動溶接の溶接トーチの位置と溶接トーチの角度を、主管
の径、支管の径、支管の板厚、主管と支管の交差角度、
及び溶接開先角度より演算し、これにより溶接トーチの
位置、溶接トーチの角度及び溶接速度を制御するもの
で、具体的には、溶接トーチの角度を溶接開先角度の範
囲、例えば溶接開先角度の半分の角度に制御することに
より、溶接点教示作業が不用になり、かつ溶接部の強度
が十分なものを速やかに得ることができるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、主管に交差する支管の
接合部端面を形成し、主管に交差する支管を溶接するも
のである。図１（ａ）に示すように主管（１）の外周面
に適合するように接合部端面（３）を形成した支管
（２）を、図１（ｂ）に示すように主管（１）に支管
（２）を斜めに交差させて、図１（ｃ）に示すように溶
接トーチ（６）により溶接部（５）を形成するものであ
る。また図２（ａ）〜（ｃ）は主管（１）と支管（２）
を直角に交差させて溶接するもので、主管（１）の外周
面に適合するように接合部端面（３）を形成した支管
（２）を、主管（１）に支管（２）を直角に交差させて
溶接トーチ（６）により溶接部（５）を形成するもので
ある。次に本発明の実施例について図面を参照して説明
する。

【００１１】

【実施例】本発明は、主管に交差する支管の接合部端面
を形成する工程と、主管に交差する支管を溶接する工程
を有するものであり、まず、支管の接合部端面の形成に
ついて図３〜図８で説明する。図３は実施例の接合部端
面の切断を示す図で、図３（ａ）は正面図、（ｂ）は
（ａ）の側面図、（ｃ）は切断され接合部端面が形成さ
れた支管である。支管となる管体の接合部の切断は、管
を回転させながら切断トーチを軸方向に移動させ、その
角度を傾動させて接合部端面に曲面を形成するものであ
る。

【００１２】図３（ａ）（ｂ）において、（２）は支管
で主管外表面に溶接するために接合部端面の切断を行う
支管である。（１１）は切断トーチで、例えば酸素・ア
セチレン炎やプラズマ、レーザーなどにより切断するも
のである。切断トーチ（１１）は支管軸方向Ｌに移動を
行う移動テーブル（１２）と切断トーチを角度ω方向に
傾動させる傾動腕（１３）とを有している。移動テーブ
ル（１２）は例えばサーボモータやステッピングモータ
とボールねじで位置決めを行う。（１４）は回転駆動部
で支管を回転させる。傾動腕（１３）と回転駆動部（１
４）は例えばサーボモータやステッピングモータを直
結、もしくは減速機を介して傾動・回転角度を制御す
る。

【００１３】（１６）は上下移動用のモータで、支管
（２）の径により上下させる。（１５）はチャックで支
管（２）を保持するものである。（１８）は傾動腕を駆
動するモータ、（１９）は移動テーブル（１２）を駆動
するモータ（図３（ｂ）では他の機構と交錯するため省
略）である。（１７）は演算・制御部で、これは主管の
径、支管の径、支管の板厚、主管と支管の交差角度及び
溶接開先角度より、支管（２）の回転角度における切断
トーチ（１１）の軸方向移動距離Ｌと傾動角度ωを演算
し、切断トーチ（１１）の軸方向移動を行う移動テーブ
ル（１２）と切断トーチを傾動させる傾動腕（１３）、
回転駆動部（１４）及び切断速度を制御するものであ
る。

【００１４】図３（ａ）（ｂ）に示す管の接合部端面の
切断についてその作動を説明する。まず、支管（２）の
一端をチャック（１５）で保持する（必要により中空チ
ャックを用い、または他端も支持する）。次に傾動腕
（１３）を駆動するモータ（１８）の回転中心を支管
（２）外径上に設置し、傾動腕（１３）に切断トーチを
取付ける。切断トーチ（１１）と支管（２）外径との距
離は切断方法に適切な距離で、例えば酸素アセチレン炎
では５ｍｍに、セットする。これにより切断トーチ（１
１）は常に支管（２）の外周面と一定距離を保つ機構と
するものである。続いて、切断トーチ（１１）を支管
（２）の中心「Ｏ」を通る線上に位置させる。切断にあ
たり、主管の径、支管の径、支管の板厚、主管と支管の
交差角度及び溶接開先角度を演算・制御部（１７）に入
力し、支管（２）の回転角度における切断トーチの軸方
向移動量Ｌ、傾動角度ωを演算し、この演算・制御部
（１７）の指令で、切断トーチ（１１）を移動テーブル
（１２）により移動させ、また傾動腕（１３）により切
断トーチ（１１）の角度を変え、さらに切断速度が制御
される。傾動腕（１３）の回転中心は支管外径上にあ
り、切断トーチは常に支管外径と一定距離を保つ機構と
するものである。

【００１５】このように演算・制御部（１７）よりの制
御指令により切断トーチ（１１）を制御し、図３（ｃ）
に示すように支管（２）に接合部端面（３）を形成す
る。次に、主管の径、支管の径、支管の板厚、主管と支
管の交差角度及び溶接開先角度を演算・制御部（１７）
に入力し、支管（２）の回転角度における切断トーチ
（１１）の軸方向移動量Ｌ、傾動角度ω及び溶接速度の
演算制御についてそれぞれ説明する。

【００１６】まず、切断トーチ（１１）の軸方向移動に
ついて述べる。図４は、２本の管体の接合部の平面図、
接合部端面の展開図、及び拡大図である。図４に示すよ
うに、主管（１）の外周面に支管（２）を斜めに交差さ
せるとき、支管（２）の接合部端面のＡ点、Ｂ点、Ｃ点
の各点は、主管（１）と展開図に示すように接合するも
のである。

【００１７】図３に示した切断トーチ（１１）は、支管
（２）を図４の展開図のように切断するために切断トー
チ（１１）を軸方向移動させるものである。図４の展開
図に曲線で描かれているが、詳細には拡大図に示すよう
に、切断線の形状は段状になっている。具体的には、支
管（２）の円周をその径の大きさを考慮して複数に分割
し、例えば支管の径１６５ｍｍの場合で１０００分割、
５０８ｍｍの場合で４０００分割し、それぞれの点での
主管の径、支管の径、主管と支管の交差角度より演算さ
れた値により段状になっているものである。

【００１８】図５は本発明の実施例の支管軸方向長さを
説明する図で、図５（ａ）は主管と交差する支管の正面
図、図５（ｂ）は側面図である。これは、主管（１）の
外周面に接合する支管（２）の接合部端面となる長さに
ついて具体的に説明する図（図３（ａ）の切断トーチ
（１１）の軸方向の移動量を説明するもの）である。図
において、主管（１）外周の半径はＲ、支管（２）の外
周の半径はｒとし、また（α）は支管の回転角度、
（β）は主管の回転角度、（θ）は主管と支管の交差角
度である。

【００１９】図５（ａ）（ｂ）は、主管（１）に支管
（２）が交差角度θ度で接合させる場合である。支管
（２）の接合部端面のＡ点、Ｂ点は、主管（１）の長さ
方向軸線上に位置するもの（直径の点）であり、Ｃ点は
Ａ点からα度に位置する点である。なお、図５に示すよ
うに支管（２）は厚さｔを有するものであるが、図４、
図５では支管（２）の外周が主管（１）に適合して接合
することについて示すものである。

【００２０】図５（ａ）のＯ点は、支管（２）の中心線
と主管（１）の中心線の交点である。支管（２）の外径
と主管（１）の外径の接触点はＡ点からＣ点を通り、Ｂ
点を経てＡ点に戻る支管（２）を１周する軌跡である。
支管（２）軸方向の点Ｃと点Ｏの距離は、 Ｌ０＝Ｌ１＋Ｌ２ と表記できる。そして、図５（ａ）から明らかなように Ｌ１＝Ｌ３／ｔａｎθ Ｌ２＝Ｌ４／ｓｉｎθ Ｌ３＝ｒ・ｃｏｓα である。

【００２１】また、図５（ｂ）から明らかなように、 Ｌ４＝Ｒ・ｃｏｓβ であるからＬ１、Ｌ２は、 Ｌ１＝ｒ・ｃｏｓα／ｔａｎθ Ｌ２＝Ｒ・ｃｏｓβ／ｓｉｎθ であり、 Ｌ０＝ｒ・ｃｏｓα／ｔａｎθ＋Ｒ・ｃｏｓβ／ｓｉｎ
θ と表せる。

【００２２】また、主管の円周角βは、図５（ｂ）に示
されている支管（２）のＬ５から求められ、 Ｌ５＝ｒ・ｓｉｎα、であり、 また、主管（１）から Ｌ５＝Ｒ・ｓｉｎβ、であるから、 ｒ・ｓｉｎα＝Ｒ・ｓｉｎβ となり、 β＝ｓｉｎ^−１（ｒ・ｓｉｎα／Ｒ） で計算できる。このように支管（２）の円周角αが、０
度から３６０度までの支管（２）外径での軸方向長さが
決定できる。

【００２３】次に支管（２）の内径について述べる。上
述した支管（２）の外径の軸方向長さについて示した
が、支管（２）は厚さを有するものであり、板厚ｔを考
慮する必要がある。板厚を考慮した上述の値（変数）に
それぞれ「in」を付加して示すと、 ｒin＝ｒ−ｔ Ｌ１in＝ｒin・ｃｏｓα／ｔａｎθ Ｌ２in＝Ｒ・ｃｏｓβin／ｓｉｎθ Ｌ０in＝ｒin・ｃｏｓα／ｔａｎθ＋Ｒ・ｃｏｓβin／
ｓｉｎθ Ｌ５in＝ｒin・ｓｉｎα＝Ｒ・ｓｉｎβin ｒin・ｓｉｎα＝Ｒ・ｓｉｎβin 但し、βin＝ｓｉｎ^−１（ｒin・ｓｉｎα／Ｒ） が得られる。この式は支管（２）内径が主管（１）外径
に接触する点の支管軸方向の長さである。

【００２４】次に、支管（２）の接合部端面の接触角度
について図６で説明する。前述のように、支管（２）は
任意の円周角αの点で内径と外径での軸方向長さが計算
できる。このとき、支管（２）の内径と外径を結んだ直
線は支管（２）の中心からみた主管外径面上での接触角
度である。図６（ｂ）は図６（ａ）のＹ−Ｙ’方向に切
断した図で、図６（ｃ）はＸ−Ｘ’方向で切断した図で
ある。

【００２５】図６は、前述した支管外径の支管軸方向長
さＬ０と支管内径の支管軸方向長さＬ０in及び板厚ｔを
表示したものである。図６から明らかなように、支管中
心からみた接触角度は λ＝ｔａｎ^−１（（Ｌ０−Ｌ０in）／ｔ） で表示される。なお、図６（ｃ）は説明図で、交差角度
が現れないため実際の長さではない。この接触角度は支
管の板厚方向が０度で表記している。図６（ｂ）、
（ｃ）及び上記式でわかるように、支管軸方向長さが支
管外径が支管内径より大きい時にプラス、反対がマイナ
スとなる。

【００２６】次に接合部端面の溶接開先角度について図
７で説明する。図７は、実施例の接合部端面の接触角度
と溶接開先角度及び切断ト−チの傾動角度を説明する図
で、図７（ａ）は図６（ａ）のＹ−Ｙ’方向に切断した
もの、図７（ｂ）はＸ−Ｘ’方向で切断したものであ
る。支管と主管を溶接して十分な強度を得るために溶接
開先を設ける必要があり、図７で示すように、支管
（２）の接触角度λに溶接開先角度δを付加するもので
ある。

【００２７】そして、支管（２）の接触角度λに溶接開
先角度δを付加する接合部端面を形成するとき、前述し
た図３の切断トーチ（１１）の傾動角度ωについて説明
する。傾動角度ωは、溶接開先角度δを実現するために
切断トーチ（１１）を制御するものである。図７
（ａ）、（ｂ）に示すように支管の接触角度λから溶接
開先角度δを減じた ω＝λ−δ が切断トーチの傾動角度である。

【００２８】次に、切断トーチの軸方向移動量Ｌについ
て図８で述べる。図８は、本発明の実施例の接合部端面
の切断ト−チの傾動角度と位置を説明する図で、支管
（２）断面図を水平に表示したもので、断面は図６
（ａ）のＹ−Ｙ’で切断したもので、説明のために主管
（１）の一部を示している。図８から切断トーチ（１
１）の軸移動量Ｌは支管内径の支管軸方向長さＬ０inと
切断トーチの傾動角度ω及び板厚ｔから Ｌ＝Ｌ０in−ｔ×ｔａｎω である。

【００２９】また、前述した図３に示すように、切断ト
ーチの傾動角度の回転中心は支管外径であるため、図８
に示すように切断トーチは傾動角度ωが変化しても、切
断トーチは常に適当な距離（例えば酸素・アセチレン炎
で５ｍｍ）を保持して、支管の軸方向移動量Ｌの点を指
すように演算・制御部から制御される。上述のように、
任意の回転角度について、切断トーチは軸方向移動量Ｌ
の位置に、傾動角度ωを制御することによって、溶接開
先角度を考慮した接合部端面が得られる。実際の作業は
支管の１周を０度から３６０度まで連続的に変化させな
がら切断トーチを制御するものである。

【００３０】以上のように、主管の径、支管の径、支管
の板厚、主管と支管の交差角度及び溶接開先角度を演算
・制御部（１７）に入力・演算し、制御指令により支管
回転角度を細かく分割した各点における切断トーチ移動
量Ｌと切断トーチの傾動角度ωを制御し、支管に接合部
端面を形成する。次に、切断速度について図３で説明す
る。演算・制御部（１７）では切断トーチ（１１）の軸
方向移動量Ｌ、切断トーチ（１１）の傾動角度ω及び支
管の回転角度のいずれも位置決めもしくは角度調整が可
能で、さらに速度の調整ができるものである。

【００３１】ここでは、接合部端面を形成するときに支
管の一周をある分割数、例えば１０００分割して回転角
度を制御し、併せて切断トーチの軸方向移動量Ｌと切断
トーチの傾動角度ωを制御するが、より精度良く切断す
るため、以下の方策を施した。１０００分割した回転角
度をさらに２分割して、まず１分割分支管を保持したチ
ャック（１５）を回転させ、次に１０００分割した分の
切断トーチの軸方向移動量Ｌを制御・移動させ、２分割
目の回転を行い、続いて１０００分割した分の切断トー
チの傾動角度ωを制御・回転させるよう制御する。接合
部端面の形状をより精度良く得ようとするものである。

【００３２】基本となるのは支管の回転角度であるが、
一定角度であるため、軸方向移動量が大きい時は切断長
さが大きくなり、傾動角度が大きい時は支管の見かけの
板厚が大きくなるため、いずれも切断に時間を要する原
因になり、演算・制御部で切断速度を遅くするように速
度を制御し、より安定な切断を実現するものである。切
断速度は軸方向移動量が大きく、傾動角度も大きい時は
相乗して変化するように演算・制御部が指令する。

【００３３】次に、溶接工程について説明する。上述の
ように支管の接合部端面を切断して形成し、主管外表面
に接合部端面を形成した支管を溶接する。主管と支管の
接合部端面の溶接部強度が十分なものが得らるようにす
るために、裏波溶接、または裏板溶接を行う。まず、平
板の場合を例に裏波溶接、裏板溶接を図９（ａ）（ｂ）
に示す。

【００３４】図９（ｂ）は平板の場合の裏波溶接を示
す。δが溶接開先角度で、Ｗ１がルート間隔と呼ばれる
裏波を出すための隙間で通常、２ｍｍから３ｍｍを使用
し、溶接法としてはティグ（タングステンを電極とした
不活性ガス雰囲気中で行う）溶接が採用される。本方式
で接合部端面を形成する時は支管の軸方向移動量Ｌに具
体的な数字、例えば３ｍｍを加えることで実現する。

【００３５】図９（ａ）は平板の場合の裏板溶接を示
す。δが溶接開先角度で、Ｗ２がルート間隔と呼ばれる
裏板を用いて健全な溶接部を得るための隙間で、通常は
４ｍｍから７ｍｍを使用し、溶接法は炭酸ガスやミグ
（不活性ガス雰囲気中で行う）溶接が採用される例が多
い。本方式で接合部端面を形成する時は支管の軸方向移
動量Ｌに具体的な数字、例えば５ｍｍを加えることで実
現する。

【００３６】次に、裏板溶接を行うときの平板の裏板に
相当する管形状を形成する方法について図１０で説明す
る。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、主管（１）に交
差角度θで接合する支管（２）の裏板（２３）の直径は
支管（２）の内径と同じ（実際の施工ではやや小さい直
径）で、裏板（２３）が主管（２）に接続する部分は、
前述した図６（ｂ）（ｃ）で説明した接触角度λであ
り、支管の直径、支管の板厚を裏板の直径、裏板の板厚
と読み替えれば用意に演算・制御できる。これは支管の
溶接開先角度δが０度の場合と同様である。裏板の接触
角度λ’と支管の一部拡大図を図１０（ｃ）に示してい
る。

【００３７】さらに、溶接工程の自動溶接について図１
１で説明する。図１１はアーク溶接装置を示すものであ
る。台（３７）上の主管（１）の外表面に支管（２）を
セットし、アーク溶接のトーチ（６）で溶接を行う。溶
接トーチ（６）は、アーク溶接電源、ＣＯ_２ガスなどの
供給、ワイヤ送給などの溶接機構（３４）とケーブル
（３６）で接続されている。なお、実際は個々の器具、
個々のケーブルを用いるが、図１１では溶接機構（３
４）とケーブル（３６）として示す。また、溶接トーチ
（６）は、その角度、位置決め、移動を行うマニピュレ
ータ（３０）に連結されている。

【００３８】溶接機構（３４）は、溶接機構制御部（３
２）でアーク溶接電源、ＣＯ_２ガスなどの供給、流量調
整、ワイヤ送給などの制御がなされ、マニピュレータ
（３０）はマニピュレータ制御部（３３）とケーブル
（３５）で接続されており、溶接トーチ（６）の角度、
位置、移動速度の制御がなされる。

【００３９】溶接機構制御部（３２）及びマニピュレー
タ制御部（３３）は、演算・制御部（３１）において主
管の径、支管の径、支管の板厚、主管と支管の交差角
度、及び溶接開先角度を基に演算し、制御指令がなされ
る。この演算は、管の接合部端面の形成について、前記
した図３で説明した切断トーチを制御する演算・制御部
と基本的に同様に行われ、それに加えて溶接トーチ
（６）が溶接開先に適宜の角度、位置するものである。
また演算・制御部（３１）は、支管（２）の円周の径を
複数に分割し、例えば１００点に分割し、それぞれの点
での値により点間を制御する。

【００４０】マニピュレータ（３０）は、関節形ロボッ
トで各部材は６つの自由度を有しており矢印にその動き
を示すように、基本的なアームの旋回運動、振り、ひね
りなどの動作を行うことができるもので、演算・制御部
（３１）とケーブル（３５）で接続されているマニピュ
レータ制御部（３３）で制御される。その動きは、主管
（１）と支管（２）の接合部となる溶接開先角度内に溶
接トーチ（６）が位置と角度を保持し、接合部に沿って
移動しながら溶接を進める。溶接条件（電流・電圧・速
度）は、支管を周回する各部分の溶接開先角度の向きに
よって、横向きを中心にやや上向き、やや下向きの溶接
姿勢となり、健全な溶接部を得るために、適宜変更す
る。

【００４１】演算制御部（３１）は、溶接条件をデータ
ベース化することも可能であり、横向きを中心とする範
囲の狭い姿勢という理由で一定の溶接条件とすることも
できる。例えば、主管がＳＴＰＧ４１０（ＪＩＳ Ｇ
３４５４ 圧力配管用炭素鋼鋼管）１５０Ａスケジュー
ル（以下Ｓと表記）８０（直径１６５．２ｍｍ、板厚１
１．０ｍｍ）、支管がＳＴＰＧ９０ＡＳ８０（直径１０
１．６ｍｍ、板厚８．１ｍｍ）、開先角度３５度、交差
角度７５度の溶接では溶接電流１２０Ａ、電圧１９Ｖ、
速度２０ｃｍ／分の一定条件で施工できた。

【００４２】溶接機構制御部（３２）は、アーク溶接電
源、ＣＯ_２ガスなどの供給、流量調整、ワイヤ送給など
を行う溶接機構（３４）を制御するもので、溶接部分に
位置する溶接トーチ（６）に、演算・制御部（３１）よ
りの溶接部分の大きさ、溶接開先等によりアーク溶接電
源、ガスの流量調整、ワイヤ送り量などを制御するもの
である。

【００４３】次に主管（１）の座標について説明する。
図１２は、本発明の実施例の主管軸方向長さを説明する
図で、これは、前述した図５と同様であり、主管（１）
のＬ１０をＸ方向、Ｌ５をＹ方向、Ｌ４をＺ方向とす
る。図１２（ａ）、（ｂ）から明らかなように Ｌ８＝ｒ・ｃｏｓα／ｓｉｎθ （ｒ・ｃｏｓα＝Ｌ３であることは図５で前述） Ｌ９＝Ｒ・ｃｏｓβ／ｔａｎθ （Ｒ・ｃｏｓβ＝Ｌ４であることは図５で前述）

【００４４】そして、 Ｌ１０＝Ｌ８＋Ｌ９ ＝ｒ・ｃｏｓα／ｓｉｎθ＋Ｒ・ｃｏｓβ／ｔａｎθ これが主管（１）と支管（２）の中心線の交点Ｏからの
Ｘ方向の距離（座標）である。Ｙ座標はＬ５、Ｚ座標は
Ｌ４であり、それぞれ Ｌ５＝Ｒ・ｓｉｎβ Ｌ４＝Ｒ・ｃｏｓβ で、β＝ｓｉｎ^−１（ｒ・ｓｉｎα／Ｒ）も前述した。

【００４５】支管（２）が０度から３６０度まで変化す
る間、演算することで溶接トーチの位置を制御できる。
ここでも支管（２）の場合と同様に、支管の板厚を考慮
した添え字 in を求めることができる。ｒin＝ｒ−ｔか
ら Ｌ１０in＝ｒin・ｃｏｓα／ｓｉｎθ＋Ｒ・ｃｏｓβin
／ｔａｎθ Ｌ５in＝Ｒ・ｓｉｎβin Ｌ４in＝Ｒ・ｃｏｓβin 但し、βin＝ｓｉｎ^−１（ｒin・ｓｉｎα／Ｒ） である。

【００４６】図１３は、裏板を設けた溶接ビードの積層
法を示した図である。なお、図示していないが裏波溶接
の場合も初層溶接を除けば同様である。積層順序は、例
えば支管にＳＴＰＧ９０ＡＳ８０（直径１０１．６ｍ
ｍ、板厚８．１ｍｍ）の場合、図１３（ａ）に示すよう
に、ビード（カ）から順次ビード（キ）、ビード
（ク）、ビード（ケ）、ビード（コ）、ビード（サ）、
ビード（シ）となる。このとき、溶接トーチ（６）のワ
イヤ先端は図１３（ｂ）に示すようにビード（カ）の場
合、ワイヤ先端は（ア）の位置になる。

【００４７】次に、溶接トーチのワイヤ先端の位置補正
について説明する。図１３（ｂ）のワイヤ先端（ア）の
位置は、図１２で計算したＸＹＺ座標がそれぞれ、Ｌ１
０in、Ｌ５in、Ｌ４inであり、溶接トーチのワイヤ先端
はこの点になる。ビード（キ）の場合、ワイヤ先端は
（イ）の位置となり、溶接開先形状と溶接条件（電流、
電圧、速度）から、例えば、主管がＳＴＰＧ１５０ＡＳ
８０、支管がＳＴＰＧ９０ＡＳ８０、開先角度３５度、
交差角度７５度の溶接では溶接電流１２０Ａ、電圧１９
Ｖ、速度２０ｃｍ／分、ルート間隔５ｍｍの場合であれ
ば、ビード（カ）のビード右方向への広がりは３ｍｍが
想定され、ビード（ク）のビード場合、ワイヤ先端の位
置（ウ）は右方向に２．５ｍｍ、上方向に２．５ｍｍが
想定される。想定された距離の分、ワイヤ先端の位置
（イ）、（ウ）について位置補正する。同様の処理を開
先形状と溶接条件から溶接ビード（ク）（ケ）（コ）
（サ）の溶接ビードにも想定し、位置補正する。

【００４８】上述の位置補正を実現する方法について説
明する。溶接工程の演算・制御部では、ワイヤ先端
（イ）の位置補正量が右方向に３ｍｍのため、支管
（２）の板厚を３ｍｍ減じた位置として演算する。な
お、支管（２）の半径ｒ、主管（１）の半径Ｒ、支管
（２）と主管（１）の交差角θ及びＬ１０、Ｌ５、Ｌ
４、βの関係は、図１２で説明したものであり、これら
について、ワイヤ先端（イ）の位置を、ｒイ、Ｒイ、Ｌ
１０イ、Ｌ５イ、Ｌ４イ、βイ、と表示すると、ワイヤ
先端（イ）の位置は、 ｒイ＝ｒ−ｔ−３ として Ｌ１０イ＝ｒイ・ｃｏｓα／ｓｉｎθ＋Ｒ・ｃｏｓβイ
／ｔａｎθ Ｌ５イ＝Ｒ・ｓｉｎβイ Ｌ４イ＝Ｒ・ｃｏｓβイ 但し、βイ＝ｓｉｎ^−１（ｒイ・ｓｉｎα／Ｒ） となり、ＸＹＺの座標を得られる。

【００４９】また、ワイヤ先端（ウ）の位置補正は、右
方向に２．５ｍｍ上方向に２．５ｍｍであるから、支管
（２）の板厚を２．５ｍｍ減じ、主管（１）を２．５ｍ
ｍ加えて演算する。ワイヤ先端（ウ）の位置を、ｒウ、
Ｒウ、Ｌ１０ウ、Ｌ５ウ、Ｌ４ウ、βウ、と表示する
と、ワイヤ先端（ウ）の位置は、ｒウ＝ｒ−ｔ−２．
５、Ｒウ＝Ｒ＋２．５ｍｍとして Ｌ１０ウ＝ｒウ・ｃｏｓα／ｓｉｎθ＋Ｒウ・ｃｏｓβ
ウ／ｔａｎθ Ｌ５ウ＝Ｒウ・ｓｉｎβウ Ｌ４ウ＝Ｒウ・ｃｏｓβウ 但し、βウ＝ｓｉｎ^−１（ｒウ・ｓｉｎα／Ｒウ） となり、ＸＹＺの座標を得られる。同様にして残りの溶
接ビードも位置補正したＸＹＺ座標を演算し、マニュプ
レータを制御する。

【００５０】これら位置補正量は、直径方向と上下方向
を演算・制御部に入力して、演算を行い、マニュプレー
タを制御する。マニュプレータを制御する際に、支管
（２）の一周を分割して直線近似のデータで溶接を行う
が、例えばＳＴＰＧ９０ＡＳ８０で交差角度が７５度の
場合は６０分割した。

【００５１】次に、溶接トーチ（６）の角度について図
１４及び図１５で説明する。この角度にはＸＹ平面上の
角度と支管の端面を形成するために切断トーチの傾動角
度に相当する角度の２つがある。まず、傾動角度に相当
するものを図１４で説明する。図１４（ａ）は切断の場
合の切断トーチ傾動角度ωと溶接開先角度δを表示した
ものであり、図１４（ｂ）は溶接の場合の傾動角度τ
を、切断トーチ傾動角度ωと溶接開先角度の中央δ／２
をねらう場合を表示している。

【００５２】溶接トーチ（６）の傾動角度τは、 τ＝ω＋（δ／２）＋９０ で、この図１４（ｂ）の切断トーチ傾動角度ωはマイナ
スの値である。但し、この式は支管が垂直の場合であ
り、実際の溶接では主管が水平に設置されるため、さら
に補正が必要で、溶接トーチの真の傾動角度は τ＝ω＋δ／２＋９０＋（９０−θ）・ｃｏｓα と演算され、制御される。

【００５３】次いで、ＸＹ平面上の角度について説明す
る。主管と支管は図１５に示すように設置されており、
図１５（ａ）はマニュプレータを上からみた平面図（溶
接トーチはここでは図示してないがマニュプレータの下
にある）で、主管軸方向でマニュプレータから離れた方
向（右方向）をＸＹ平面上の角度φを０度とし、マニュ
プレータ側（左方向）を１８０度として説明する。図１
５（ｂ）は側面図である。

【００５４】図１２（ａ）から明らかなように支管の回
転角度αは支管軸中心からみたものであり、ＸＹ平面上
での支管の切断平面は楕円である。楕円の公式から、Ｘ
＝長径・ｃｏｓα、Ｙ＝短径・ｓｉｎαであり、長径は ｒ’＝ｒ／ｃｏｓ（９０−θ） ＝ｒ／ｓｉｎθ よって、 Ｘ＝ｒ’・ｃｏｓα ＝（ｒ／ｓｉｎθ）・ｃｏｓα Ｙ＝ｒ・ｓｉｎα 求める回転角度φは、 ｔａｎφ＝Ｙ／ｘ ＝（ｒ・ｓｉｎα）／（（ｒ／ｓｉｎθ）×ｃｏｓα） ＝ｓｉｎα・ｓｉｎθ／ｃｏｓα ＝ｓｉｎθ・ｔａｎα と計算される。

【００５５】演算制御部（３１）では、支管の回転角度
をもとに演算して、ＸＹ平面の回転角度φの時の溶接ト
ーチの傾動角度τを求めておき、ＸＹＺ座標の点間の位
置を直線で演算し、溶接トーチ（６）の回転角度φ、傾
動角度τを比例的に増減するように連続的に制御するこ
とによって、点間の溶接を行い、これを分割数分繰返す
ことによって一層の溶接ビードを置き、必要な層数の溶
接ビードを続け、主管と支管の溶接を完成するものであ
る。

【００５６】次に、裏板の密着性について図１６で説明
する。交差する管の溶接方法において、裏板溶接では裏
板ができるだけ隙間がないように密着していることが好
ましい。しかし、交差する管の溶接方法において、支管
と同様に裏板も管状であり、前述した支管の接合部端面
と同様に切断するものであるが、主管の外周面に対して
管状裏板の接合部端面を完全に密着するように形成する
ことは困難であるが、実際に、管状裏板の内径と外径を
結ぶ直線で切断することにより、主管の外周面に対して
管状裏板の接合部端面をほぼ密着させることができ、こ
の裏板溶接で十分な溶接強度が得られるものである。

【００５７】主管の外周面に対して管状裏板の隙間につ
いて具体的に示す。図１６（ｂ）では、主管（１）の径
が１０６ｍｍ、支管（２）の径が９４ｍｍ、支管（２）
の板厚が１６ｍｍ、裏板（２３）の板厚が１２ｍｍで、
隙間が生じやすい形状（曲率が大きい形状）を示してい
る。この図では裏板（２３）の外径と主管（１）の隙間
は約０．５ｍｍである。また、図１６（ａ）では、主管
径が１６５ｍｍ、支管径が１０２ｍｍ、支管の板厚が８
ｍｍ、裏板の板厚が６ｍｍのもので、この隙間は約０．
０７ｍｍとなり、現実的には何の問題もなく、実用に耐
える裏板溶接で十分な溶接強度が得られるものである。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、支
管の接合部端面を切断形成する工程が主管の径、支管の
径、支管の板厚、主管と支管の交差角度及び溶接開先角
度より演算し、支管の回転角度における切断トーチの軸
方向移動量、切断トーチの傾動角度を演算、制御し、か
つ切断トーチの軸方向移動量の大小と切断トーチの傾動
角度の大小によって、支管の切断速度を制御することに
より、支管の接合部端面を速やかに切断形成することが
できるという効果を有する。また、支管の内径と同様の
径を有する裏板に相当する管の板厚より、支管の裏板に
相当する管の端面を速やかに切断形成することができ
る。また、主管の径、支管の径、支管の板厚、主管と支
管の交差角度及び溶接開先角度より演算し、支管の接合
部端面を主管に溶接する工程を裏波溶接または裏板溶接
で行う溶接点の座標と溶接トーチのＸＹ平面の角度、溶
接トーチの傾動角度を演算し、制御することによって、
自動溶接を行うことができる。さらに、複数のビードを
溶接する層毎のシフト量を演算、制御することによって
十分な強度を有する主管と支管の溶接部が速やかに得ら
れるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】主管に交差する支管の接合部端面を溶接する状
況を示す図

【図２】主管に交差する支管の接合部端面を溶接する状
況を示す図

【図３】本発明の実施例の接合部端面の切断を示す図

【図４】本発明の実施例の接合部端面を展開図を用いて
説明する図

【図５】本発明の実施例の支管軸方向長さを説明する図

【図６】本発明の実施例の接合部端面の接触角度につい
て説明する図

【図７】本発明の実施例の接合部端面の接触角度と溶接
開先角度及び切断トーチの傾動角度を説明する図

【図８】本発明の実施例の接合部端面の切断トーチの傾
動角度と位置を説明する図

【図９】本発明の実施例の平板の溶接について説明する
図

【図１０】本発明の実施例の溶接工程の裏板について説
明する図

【図１１】本発明の実施例の溶接工程について説明する
図

【図１２】本発明の実施例の主管軸方向長さを説明する
図

【図１３】本発明の実施例の溶接ビード積層順序とビー
ドシフト量を説明する図

【図１４】本発明の実施例と溶接トーチの傾動角度を説
明する図

【図１５】本発明の実施例の溶接トーチのＸＹ平面の角
度を説明する図

【図１６】本発明の実施例の裏板の密着について説明す
る図

【図１７】交差する管の接合状況を示した図

【符号の説明】

１ 主管 ２ 支管 ３ 接合部端面 ５ 溶接部 ６ 溶接トーチ １１ 切断トーチ １２ 移動テーブル １３ 傾動腕 １４ 回転駆動部 １５ チャック １６ 上下移動用モータ １７ 演算・制御部 １８ 傾動腕駆動モ−タ １９ 移動テーブル駆動モータ ２１ 溶接開先 ２３ 裏板 ３０ マニピュレータ ３１ 演算・制御部 ３２ 溶接機構制御部 ３３ マニピュレータ制御部 ３４ 溶接機構 ３５、３６ ケーブル ３７ 架台 α 支管の回転角度 β 主管の回転角度 δ 溶接開先角度 θ 主管と支管の交差角度 τ 溶接トーチ傾動角度 φ 溶接トーチＸＹ平面角度 ω 切断トーチ傾動角度 λ 接触角度 Ｌ 切断トーチ支管軸方向長さ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 9/12 ３３１ 9348−4Ｅ Ｂ２３Ｋ 9/12 ３３１Ｐ 9348−4Ｅ ３３１Ｑ 9/127 ５０２ 9348−4Ｅ 9/127 ５０２Ｆ 37/06 ３０１ 37/06 ３０１Ｚ (56)参考文献 特開 昭60−240374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−187169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−212168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−219480（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−21467（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−13676（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主管に交差する支管の裏板溶接方法におい
   て、 主管に交差する支管の接合部端面、及び支管の内径とほ
   ぼ同じ外径を有する管状裏板の接合部端面を切断し、次
   いで切断した支管を管状裏板を用いて主管に裏板溶接を
   行うもので、 前記支管の接合部端面の切断は主管の径、支管の径、支
   管の板厚、主管との交差角度、溶接開先角度により演算
   して支管を回転させながら切断トーチの支管軸方向移動
   量及び切断トーチの傾動角度を制御し、かつ切断速度を
   制御することにより行い、 前記管状裏板の接合部端面の切断は、主管の径、管状裏
   板の径、管状裏板の板厚、主管との交差角度により演算
   して管状裏板を回転させながら切断トーチの管軸方向移
   動量及び切断トーチの傾動角度を制御し、かつ切断速度
   を制御することにより主管に管状裏板の接合部端面がほ
   ぼ密着するように行い、 前記支管の前記管状裏板を用いた裏板溶接は、溶接トー
   チの位置と溶接トーチの角度を主管の径、支管の径、支
   管の板厚、主管と支管の交差角度及び溶接開先角度より
   演算し、溶接トーチの位置、溶接トーチの角度及び溶接
   速度を制御し自動溶接で溶接ビードを順次積層して溶接
   するものであることを特徴とする主管に交差する支管の
   裏板溶接方法。