JP2903715B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、垂直パイプの内周面を
溶接するための溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高所に配置された垂直パイプの内周面を
下方の離れた位置から溶接する溶接装置として図３に示
すものが知られている。図示するようにこの溶接装置ａ
は、下方から垂直パイプｂ内に挿入されるロッド状の本
体ｃと、この本体ｃの側部に設けられた溶接トーチｄ
と、上記本体ｃをＺ軸（垂直軸）方向およびθ軸（本体
ｃの中心軸）廻りに移動・回転制御する駆動部ｅとから
主に構成されている。

【０００３】この溶接装置ａを用いて垂直パイプｂの内
周面を溶接する場合、先ず、上記本体ｃを駆動部ｅによ
ってＺ軸方向上方に移動させて垂直パイプｂ内に下方か
ら挿入する。そして、駆動部ｅにより本体ｃをＺ軸方向
およびθ軸廻りに移動調節して、本体ｃ側部の溶接トー
チｄをパイプｂ内周面の開先ｆ軌跡に沿ってトレースさ
せ、その開先ｆ位置をセンシングする。つまり、本体ｃ
側部の溶接トーチｄのトーチ先端部を電圧検出器として
利用し、パイプｂ内周面の開先ｆ軌跡の複数点を測定点
とし、各測定点において溶接トーチｄを上下させてトー
チｄの移動量を電圧の変化として検出し、その結果から
実際の開先ｆ軌跡を求める。その後、このセンシングの
結果に基づいて、上記本体ｃを駆動部ｅによってＺ軸方
向およびθ軸廻りに移動制御して、上記溶接トーチｄに
より開先ｆ軌跡に沿った溶接を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
溶接装置ａにあっては、上記駆動部ｅに溶接装置ａの総
重量が加わることになる。このように大荷重が加わる駆
動部ｅをＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御すること
は、駆動部ｅの駆動装置の負担を考慮すると実際上困難
である。

【０００５】また、高所に配置された垂直パイプｂの内
周面を下方から溶接する都合上、実質的に溶接を行う溶
接トーチｄを本体ｃの上部に設け、この溶接トーチｄを
移動制御する駆動部ｅを本体ｃの下部に設ける必要があ
る。従って、下方の駆動部ｅによって上方の溶接トーチ
ｄをＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御すると、本体ｃ
に撓みが生じて溶接トーチｄの先端部が大きく振れ、ト
ーチｄ先端部と開先ｆとの間隔が変動して健全な溶接が
行えなくなるという問題が生じる。

【０００６】また、溶接前に行う開先ｆ位置のセンシン
グ時にも、同様に駆動部ｅによって本体ｃをＺ軸方向，
θ軸廻りに移動させることになるが、この際にも、本体
ｃが撓んで溶接トーチｄ先端部と開先ｆとの間隔が変動
してしまい、センシング精度が大幅に低下して、開先ｆ
に対する溶接トーチｄの狙い位置がズレ、溶接欠陥が多
発することになる。

【０００７】特に、溶接すべき垂直パイプｂが細径パイ
プの場合、これに挿入可能とするために本体ｃを細くし
なければならず、本体ｃの剛性が低下して上記振れ現象
が顕著に起きてしまう。また、上記溶接箇所（開先ｆ位
置）が高所であるほど、本体ｃの長さＬを長くしなけら
ばならず、振れ量が大きくなる。

【０００８】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、垂直パイプ内に下方からロッド状の本体を挿入
して、本体に設けられた溶接トーチにより垂直パイプ内
周面を溶接する溶接装置において、溶接精度を高めるこ
とができる溶接装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、垂直パイプの内周面を溶接する溶接装置に
おいて、下方から垂直パイプ内に挿入される外筒部と、
該外筒部の頂部に径方向に拡縮自在に設けられ、その拡
径時に垂直パイプの頂部端面に載置され、外筒部を垂直
パイプ内に回転自在に垂下するストッパと、上記外筒部
内に下方から挿入され外筒部に対して相対移動可能な内
装部と、該内装部に設けられ外筒部を貫通して垂直パイ
プ内周面に臨まされた溶接トーチと、上記外筒部に形成
され上記溶接トーチが垂直方向に移動可能に貫通される
窓部と、上記内装部の下端部に接続され内装部を外筒部
に対して相対移動させる駆動部とを備えたことから構成
されている。

【００１０】

【作用】垂直パイプ内に下方から外筒部を挿入した後、
外筒部の頂部に位置するストッパを拡径させて、そのス
トッパを垂直パイプの頂部端面に係止させる。これによ
り、外筒部が上記ストッパを介して垂直パイプ内に回転
自在に垂下される。

【００１１】その後、外筒部内の内装部をその下部に接
続された駆動部によって垂直方向および周方向に移動・
回転制御して、内装部に備えられた溶接トーチにより垂
直パイプ内周面の溶接を行う。

【００１２】この際、溶接トーチは、垂直パイプ内にス
トッパを介して回転自在に垂下された外筒部に形成され
た窓部内を垂直方向に自在に移動すると共に、周方向に
は上記外筒部と一体的に回動する。

【００１３】このように、垂直パイプに下方から挿入さ
れた外筒部の自重を、拡径されたストッパによって垂直
パイプの頂部端面に支持させ、内装部の下端部に接続さ
れた駆動部に加わる荷重負担を内装部の自重のみとして
いるので、駆動部の荷重負担が少なくなり、駆動部によ
る溶接トーチの移動の制御精度を高められる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１５】図１に、ボイラ等に用いられる垂直パイプ
１の内周面を溶接する溶接装置２を示す。図示するよう
に、この溶接装置２は、下方から垂直パイプ１内に挿入
されるロッド状の本体３を備えている。この本体３は、
円筒状の外筒部３ａと、その内部に設けられ外筒部３ａ
に対してピストンとシリンダの如く摺接自在に構成され
た内装部３ｂとからなっている。

【００１６】上記内装部３ｂは、外筒部３ａの内径に摺
接する径に形成され外筒部３ａの内部に適宜間隔をおい
て配置された複数の円板４と、これら円板４間を連結す
る連結ロッド５と、上記円板４上に設けられた溶接トー
チ６とから構成されている。この溶接トーチ６は、実質
的に溶接を行うトーチ先端部６ａが上記外筒部３ａの側
部に垂直方向に形成された窓部７から突き出され、垂直
パイプ１の内周面に臨むようになっている。また、この
溶接トーチ６は、上記円板４上の送りネジ機構８によっ
て内装部３ｂに対して垂直方向（Ｓ軸方向）に移動自在
で、かつ図示しないスライド機構によって径方向にも適
正移動可能となっている。

【００１７】上記送りネジ機構８を以下に記す。上記溶
接トーチ６は、そのトーチケーシング６ｂが上記円板４
上に回転自在に立設された送りネジ９に螺合されてい
る。上記トーチケーシング６ｂにはＳ軸ピン１０が付設
されており、このＳ軸ピン１０が上記外筒部３ａに垂直
方向に形成されたＳ軸ピン溝１１にスライド自在に係合
されている。この構成によれば、上記送りネジ９をモー
タＭＳで回転駆動することにより、トーチケーシング６
ｂが送りネジ９に沿って螺進することになる。よって、
上記モータＭＳを右回転，左回転と切り替えれば、溶接
トーチ６がＳ軸方向に上昇・下降する。上述の送りネジ
機構８は、主に、溶接前に行う開先１２位置のセンシン
グの際に、溶接トーチ６を内装部３ｂに対して垂直方向
（Ｓ軸方向）に移動させるために用いられる。本実施例
にあっては、上記開先１２は、垂直パイプ１の内周面を
三次元的に斜めに溶接するように楕円軌跡となっている
が、これに限らずパイプ１の内周面を直角に二次元的に
溶接すべく円軌跡のときであってもよい。

【００１８】上記内装部３ｂは、その下部に接続された
駆動部１３によってＺ軸方向（垂直方向）およびθ軸廻
り（本体の中心軸廻り）に移動されるようになってい
る。この駆動部１３は、図１に示すように、モータＭＺ
により回転駆動されるスクリューシャフト１６に螺合さ
れた支持台１７上に回転自在に支持されている。図中、
１７ａは螺合部としてのナットである。このスクリュー
シャフト１６は、その下端部が支持フレーム１８内の下
部に設けられた軸受部１９ａに回転自在に支持されてお
り、上端部も同様に支持フレーム１８の上部に設けられ
た軸受部１９ｂに軸支されている。このスクリューシャ
フト１６は、上記モータＭＺの回転がベルトまたはギヤ
２５を介して伝達されることにより、回転するようにな
っている。このモータＭＺの回転により、上記支持台１
７は、支持フレーム１８に垂直方向に形成されたガイド
２４に沿って、その自転が規制されつつＺ軸方向に移動
することになる。また、上記支持台１７上には、駆動部
１３をθ軸廻りに回転させるためのモータＭθが設けら
れている。

【００１９】このような駆動部１３によって内装部３ｂ
をＺ軸方向へ移動させると、上記内装部３ｂは外筒部３
ａに対してピストンとシリンダの如く摺接移動する。ま
た、θ軸廻りに回転させると、内装部３ｂのＺ軸ピン１
４が外筒部３ａの側部に垂直方向に形成されたＺ軸ピン
溝１５に係合することにより、内装部３ｂは外筒部３ａ
と一体的に回転するようになっている。上記Ｚ軸ピン１
４は内装部３ｂの円板４に付設されている。また、これ
らのＺ軸ピン１４およびＺ軸ピン溝１５は一箇所に限ら
ず、本体３の長手方向，或いは周方向に沿って複数箇所
設けてもよい。

【００２０】上記Ｚ軸ピン溝１５の溝長さ１５Ｌは、少
なくとも上記開先１２の最高部１２ａと最低部１２ｂと
の間隔長分１２Ｌは必要であり、望ましくは、上記開先
１２を充分カバー（移動）できる範囲１２ＬＬ（１２Ｌ
Ｌ＞１２Ｌ）程度がよい。また、このＺ軸ピン溝１５の
上下限近傍位置には、オーバシュートによる装置の破損
を防止するためＺ軸ピン１４の位置を検出するセンサが
（図示せず）備えられている。なお、これらＺ軸ピン１
４およびＺ軸ピン溝１５が特許請求の範囲の係合機構に
相当する。

【００２１】一方、上記外筒部３ａは、図１に示すよう
に、頂部２０が閉塞された円筒体から構成されている。
この頂部２０には、径方向に拡縮自在に構成されたスト
ッパ２１が備えられている、このストッパ２１は、図２
に示すように扇状に形成され、上方から見て120 度間隔
に３個設けられている。これらのストッパ２１は、その
縮径時には図２に一点鎖線で示すように外筒部３ａの径
方向内方に格納され、拡径時には実線で示すように径方
向外方に延出されるようになっている。このようなスト
ッパ２１の拡縮作動は、図示されないエアパイプまたは
溶接用ガスパイプからのエア圧または溶接用ガス圧によ
ってなされるようになっている。

【００２２】上記ストッパ２１は、図１に示すように、
その拡径時に垂直パイプ１の頂部端面１ａに取り付けら
れたアタッチメント２２に係止されるようになってい
る。このアタッチメント２２は、図２に示すように、ス
トッパ２１を支持するストッパ載部２２ａと、ストッパ
２１の外周端部が接触して径方向の位置を決定する周端
部２２ｂとを備えている。上記ストッパ載部２２ａは、
縮径されたストッパ２１と接触しない形状に成形されて
いる。

【００２３】上記ストッパ載部２２ａとストッパ２１の
下面部とは相互に滑りやすい材質から滑りやすい形状に
形成されており、上記拡径時において外筒部３ａをθ軸
廻り回転させた際に、アタッチメント２２上をストッパ
２１が良好に摺接するようになっている。例えば、相互
の摺接面を平滑に形成しその間にオイルを介在させた
り、逆に、摺接面に突起物を形成して接触面積を減少さ
せて摺接抵抗の低下を図ったり、或いは、摺接面にベア
リングを介在させることも考えられる。いずれの場合に
あっても、外筒部３ａをθ軸廻り回転させた際に外筒部
３ａが軸ブレしないように、上記摺接面はθ軸に対して
正確に垂直面出し成形されている。

【００２４】上記ストッパ２１下方の外筒部３ａの側部
には、図１に示すように、径方向に拡縮自在に構成さ
れ、その拡径により垂直パイプ１内面を押圧して本体３
の芯出しを行なう芯出部材２３が設けられている。この
芯出部材２３も上記ストッパ２１と同様に120 度間隔に
３個設けられ、図示されないエアパイプまたは溶接用ガ
スパイプからのエア圧または溶接用ガス圧によって径方
向に拡縮されるようになっている。これら芯出部材２３
は、その拡径時に垂直パイプ１内面に押圧される部分が
上記ストッパ２１と同様にパイプ１内面に対して滑りや
すい材質から滑りやすい形状たとえばローラ付などで形
成されている。

【００２５】上記芯出部材２３は、溶接トーチ６の芯ブ
レを考慮すれば、溶接すべき開先１２位置の近傍に配置
されるのが望ましい。本実施例にあっては、芯出部材２
３を開先１２位置の上方に一か所のみ設けた構成にした
が、これに限らず開先１２位置の下方に二か所，三か所
と増設してもよい。

【００２６】以上の構成からなる本実施例の作用を述べ
る。

【００２７】垂直パイプ１の内周面を溶接するに際し
て、先ず、図１に示すモータＭＺを回転させて支持台１
７をＺ軸方向上方へ移動させ、支持台１７に連結された
本体３の内装部３ｂを上方へ移動させる。この際、本体
３の外筒部３ａは、内装部３ｂのＺ軸ピン１４が外筒部
３ａのＺ軸ピン溝１５の上端部に係合した状態で、内装
部３ｂと一体的にＺ軸方向上方へ押し上げられる。この
結果、本体３は、内装部３ｂと外筒部３ａとが一体的に
Ｚ軸方向上方に移動し、垂直パイプ１内に挿入される。
この本体３のＺ軸方向上方へ移動は、本体３の頂部２０
が垂直パイプ１の頂部端面１ａから突き出るまで行われ
る。

【００２８】そして、本体３の外筒部３ａの頂部２０に
位置するストッパ２１を拡径させ、そのストッパ２１を
垂直パイプ１の頂部端面１ａにアタッチメント２２を介
して係止させる。これにより、本体３は、その外筒部３
ａが垂直パイプ１内に垂下され、垂直方向の位置決めが
なされることになる。このとき、本体３の内装部３ｂは
下方の駆動部１３に支持されることになる。なお、上記
３個のストッパ２１の内部にそれぞれ荷重を計測するロ
ードセルを組み込んでおき、これらのロードセルが本体
３の外筒部３ａの重量値をバランスよく１／３均等で検
出するまで、本体３のＺ軸方向への移動制御を行うよう
にしてもよい。これにより、ストッパ２１とアタッチメ
ント２２との係合状態を確認することができ、係合不良
により本体３が傾いたままで垂下され、その状態で開先
１２のセンシングや溶接がなされることを未然に防止で
きる。

【００２９】次いで、上記外筒部３ａの側部に位置する
芯出部材２３を拡径させて、その芯出部材２３を垂直パ
イプ１内面に押圧させ、本体３の芯出しを行なう。これ
により、本体３は、垂直パイプ１の中心線と芯出しさ
れ、径方向の位置決めがなされる。

【００３０】このように、パイプ１に対する本体３の垂
直方向の位置決め、および径方向の芯出しが終了した
後、駆動部１３のモータＭＺ，Ｍθを回転させて内装部
３ｂをＺ軸方向に移動させると共にθ軸廻りに回転さ
せ、内装部３ｂに設けられた溶接トーチ６を垂直パイプ
１内周面の開先１２軌跡に沿ってトレースさせる。

【００３１】この際、内装部３ｂと外筒部３ａの間に設
けられた係合機構（Ｚ軸ピン１４，Ｚ軸ピン溝１５）
が、内装部３ｂを垂直方向に移動させたときには、内装
部３ｂが外筒部３ａ内を垂直移動することを許容し、内
装部３ｂを周方向に移動させたときには、内装部３ｂと
外筒部３ａとを一体的に回転させるように機能する。す
なわち、外筒部３ａは、内装部３ｂのＺ軸ピン１４が外
筒部３ａのＺ軸ピン溝１５に係合されていることから、
これらピン１４，ピン溝１５を介して内装部３ｂと一体
的にθ軸廻りに連れ回る。また、内装部３ｂのＺ軸方向
への移動させると、内装部３ｂがこの外筒部３ａ内を外
筒部３ａにガイドされつつ相対的に垂直方向に摺接移動
することになる。

【００３２】これにより、外筒部３ａが垂直パイプ頂部
端面１ａからパイプ１内に垂下された状態で、内装部３
ｂは、この外筒部３ａ内をピストンとシリンダの如く垂
直方向に摺接移動し、且つ周方向には外筒部３ａと一体
となって回転することになる。この際、上記ストッパ２
１および芯出部材２３は一体的にθ軸廻りに回転し、ス
トッパ２１の下面部がアタッチメント２２と摺接すると
共に、芯出部材２３の押圧部がパイプ１内周面と摺接す
ることになる。

【００３３】このように本体３をθ軸廻りに回転させる
と共にＺ軸方向に移動させて、溶接トーチ６のトーチ先
端部６ａをパイプ１内周面の楕円状の開先１２軌跡に沿
ってトレースさせる。この際、上記トレースの途中で、
本体３の回転移動を数回一時中断し、その都度、モータ
ＭＳによって溶接トーチ６を内装部３ｂに対して垂直方
向（Ｓ軸方向）に移動させ、開先１２位置のセンシング
を行う。つまり、上記溶接トーチ６のトーチ先端部６ａ
を電圧検出器として利用し、パイプ１内周面の開先１２
軌跡の複数点を測定点とし、各測定点において溶接トー
チ６をそのトーチ先端部６ａが開先１２の上下の斜面部
に当たるまでＳ軸方向に上下させてそのときのトーチ６
の移動量を電圧の変化として検出し、その結果から実際
の開先１２軌跡を求める。

【００３４】その後、上記センシング結果に基づいて、
モータＭＺおよびモータＭθにより、内装部３ｂをＺ軸
方向およびθ軸廻りに移動制御して、溶接トーチ６を開
先１２軌跡に沿って正確にトレースさせ、垂直パイプ１
内周面の溶接を行う。なお、溶接の最中に溶接の熱歪み
などに起因して開先１２位置がズレた場合には、一旦装
置を停止させ再度センシングを行うようにしてもよい。

【００３５】このような溶接装置２にあっては、上記外
筒部３ａが垂直パイプ頂部端面１ａに懸下されているこ
とから、駆動部１３には溶接装置２の総重量が加わるの
ではなく、内装部３ｂのみの荷重が加わることになる。
よって、駆動部１３の負担がかるくなり、溶接トーチ６
をＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御する際の制御精度
が高まることになる。

【００３６】また、開先１２位置のセンシング時に、外
筒部３ａが上記ストッパ２１により垂下されて垂直方向
の位置決めがなされると共に、芯出部材２３により径方
向に位置決めがなされており、その外筒部３ａの内部を
内装部３ｂが摺接移動することから、外筒部３ａがガイ
ドレールの如く機能し、センシング精度が高まることに
なる。

【００３７】よって例えば、溶接すべき垂直パイプ１が
細径パイプの場合、これに挿入可能とするために本体３
を細くしなければならないが、このように細い剛性の低
い本体３を用いた場合でも充分なセンシング精度を確保
することができる。また、溶接すべき開先１２位置が高
所であるほど、長尺の本体３を用いる必要があるが、こ
の長尺の剛性の低い本体３を用いた場合にあっても充分
なセンシング精度を確保することができる。このように
センシング精度が向上することにより、開先１２に対す
る溶接トーチ６の狙い位置のズレが低減し、溶接精度が
高まる。

【００３８】また、溶接時に内装部３ｂをＺ軸方向およ
びθ軸廻りに移動制御する際に生じる本体３の撓み・振
れが上記ストッパ２１および芯出部材２３により抑えら
れるので、上述の如き細く長尺な本体３を用いた場合で
あっても、トーチ先端部６ａと開先１２との間隔を一定
に保つことができ、健全な溶接が達成される。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る溶接装
置によれば次の如き優れた効果を発揮することができ
る。

【００４０】(1) 上記外筒部が垂直パイプ頂部端面に懸
下された状態で溶接を行うことから、駆動部には溶接装
置の総重量が加わるのではなく内装部のみの荷重が加わ
ることになり、駆動部の負担がかるくなる。よって、こ
の駆動部によって溶接トーチをＺ軸方向およびθ軸廻り
に移動制御する際の制御精度を高めることができる。

【００４１】(2) 垂直パイプ頂部端面に懸下され垂直方
向に位置決めされた外筒部が内装部のガイドレールの如
く機能することにより、内装部に備えられた溶接トーチ
の移動精度を高めることができる。よって、精度の高い
溶接を行うことができる。

【００４２】(3) 従って、溶接箇所が高く外筒部および
内装部を長尺に成形せざるを得ない場合や、溶接すべき
垂直パイプのパイプ径が小径で外筒部を細く成形せざる
を得ない場合であっても、精度の高い健全な溶接を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例を示す溶接装置の概略側面図。

【図２】図１の上面図。

【図３】従来例を示す溶接装置の概略側面図。

【符号の説明】

１ 垂直パイプ １ａ 頂部端面 ２ 溶接装置 ３ａ 外筒部 ３ｂ 内装部 ６ 溶接トーチ １３ 駆動部 １４，１５ 係合機構 ２０ 頂部 ２１ ストッパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 実 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石川島播磨重工業株式会社 技術研究所 内 (56)参考文献 実公 昭48−38504（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 37/00 B23K 9/028 B23K 9/127

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直パイプの内周面を溶接する溶接装置
   において、下方から垂直パイプ内に挿入される外筒部
   と、該外筒部の頂部に径方向に拡縮自在に設けられ、そ
   の拡径時に垂直パイプの頂部端面に載置され、外筒部を
   垂直パイプ内に回転自在に垂下するストッパと、上記外
   筒部内に下方から挿入され外筒部に対して相対移動可能
   な内装部と、該内装部に設けられ外筒部を貫通して垂直
   パイプ内周面に臨まされた溶接トーチと、上記外筒部に
   形成され上記溶接トーチが垂直方向に移動可能に貫通さ
   れる窓部と、上記内装部の下端部に接続され内装部を外
   筒部に対して相対移動させる駆動部とを備えたことを特
   徴とする溶接装置。