JP2903716B2 - 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係り、特に、溶接精度を高め
た溶接装置に関する。

【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４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、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。

【０００５】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が撓んでしまい溶接トーチｄ先端部と開先ｆとの間隔
が変動する。この結果、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。

【０００６】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。

【０００７】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、溶接箇所の高さやパ
イプの管径に拘らず、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。

【０００８】

【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、その内周面
を溶接する溶接トーチを有するロッド状の本体と、該本
体の頂部に周方向に所定間隔を隔てて径方向に拡縮自在
に設けられ、その拡径時に垂直パイプの頂部端面に載置
される位置決めストッパと、上記本体の側部に周方向に
所定間隔を隔てて径方向に拡縮自在に設けられ、その拡
径時に垂直パイプ内面を押圧して芯出しを行う芯出部材
と、該芯出部材の垂直パイプ内面に対する押圧部分に形
成された滑り構造とを備えたことから構成されている。

【０００９】

【作用】垂直パイプ内にロッド状の本体を挿入した後、
本体の頂部に位置する位置決め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、本体は、位置決めストッパによって垂直パイ
プ内に垂下され、垂直方向の位置決めがなされることに
なる。

【００１０】次いで、上記本体の側部に位置する芯出部
材を拡径させて、その芯出部材の先端に形成された滑り
構造を垂直パイプの内面に押圧させ、本体の芯出しを行
う。これにより、本体は、垂直パイプの中心線に対して
芯出しされ、径方向の位置決めがなされることになる。

【００１１】このように、本体のパイプに対する垂直方
向の位置決め、および径方向の芯出しが終了した後、本
体に備えられた溶接トーチにより、垂直パイプの内周面
の溶接を行う。このとき、本体の回転に伴って滑り構造
が垂直パイプの内周面を滑るので、スムーズな回転と正
確な芯出しとが両立でき、溶接の精度が高まる。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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３ａに対して垂直方向（Ｓ軸方向）に移動自在
となっている。

【００１５】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３ｂ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。

【００１６】上記内装部３ｂは、下方に配置された駆動
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。
Ｚ軸方向の移動の際には、上記内装部３ｂは外筒部３ａ
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軸廻りの移動の際には、内装部３ｂのピン１４が
外筒部３ａの側部に垂直方向に形成されたピン溝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。

【００１７】上記駆動部１３は、図３(a)(b)(c) 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１９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（図示せず）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１７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Ｍ
θが設けられている。

【００１８】一方、図１に示す上記外筒部３ａは、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位置決めスト
ッパ２１が備えられている、この位置決めストッパ２１
は、図２に示すように扇状に形成され、上方から見て12
0 度間隔に３個設けられている。これらの位置決めスト
ッパ２１は、その縮径時には図２に一点鎖線で示すよう
に本体３の外筒部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。この位置決めストッパ２１の拡縮作動は、図
示されない専用のエアパイプまたは溶接用ガスパイプか
らのエア又は溶接用ガス圧によってなされるようになっ
ている。

【００１９】上記位置決めストッパ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、位置決めストッパ２１を支持するストッパ載部２２
ａと、位置決めストッパ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、縮径された位置決めストッパ２
１と接触しない形状に成形されている。

【００２０】上記ストッパ載部２２ａと位置決めストッ
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本体３を
θ軸廻り回転させた際に、アタッチメント２２上を位置
決めストッパ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、本体３をθ軸廻り回転させた際に
本体３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。

【００２１】上記位置決めストッパ２１下方の外筒部３
ａ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も上記位置決めストッパ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
プ又は溶接用ガスパイプからのエア又は溶接用ガス圧に
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
れる部分が上記位置決めストッパ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に形成
されている。

【００２２】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。

【００２３】以上の構成からなる本実施例の作用を述べ
る。

【００２４】垂直パイプ１の内周面を溶接するに際し
て、先ず、図３に示すモータＭＺを回転させて駆動部１
３をＺ軸方向上方へ移動させることにより、駆動部１３
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のピン１４
が外筒部３ａのピン溝１５の上端部１５ａ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軸方向上方への移動は、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。

【００２５】そして、本体３の外筒部３ａの頂部２０に
位置する位置決めストッパ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３ａ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個の位置決めストッパ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、位置決め
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。

【００２６】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ことになる。

【００２７】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、図３に示すモータＭθを回転させて駆動部１３をθ
軸廻りに回転させ、内装部３ｂをθ軸廻りに回転させ
て、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。この
際、外筒部３ａは、内装部３ｂのピン１４が外筒部３ａ
のピン溝１５に係合されていることから、これらピン１
４，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。この際、上記位置決めストッパ２１および
芯出部材２３も一体的にθ軸廻りに回転し、位置決めス
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。

【００２８】このように本体３をθ軸廻りに回転させ
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。

【００２９】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、本体３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１
２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。

【００３０】上述のように、開先１２位置のセンシング
時に、本体３が上記位置決めストッパ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２
３により径方向に位置決めがなされていることから、セ
ンシング精度が高まることになる。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。

【００３１】また、溶接時に本体３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
上記位置決めストッパ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。

【００３２】

【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。

【００３３】(1) 本体が位置決めストッパによって垂直
方向に位置決めされると共に、芯出部材によって径方向
にも位置決めされ、且つ芯出時に滑り構造が垂直パイプ
の内面に押圧されるので、溶接時やセンシング時に本体
を振れを抑えてつつスムーズに回転させることができ、
溶接精度を高めることができる。

【００３４】(2) よって、溶接箇所が高く長尺な本体を
用いる場合や、溶接すべき垂直パイプのパイプ径が小径
で細い本体を用いる場合であっても、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で
ある。

【図２】図１の上面図である。

【図３】図３は図１の本体を移動制御する駆動部を示
し、図３(a) は駆動部の側面図、図３(b) はその正面
図、図３(c) は図３(a) のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】従来例を示す溶接装置の概略側面図である。

【符号の説明】

１ 垂直パイプ １ａ 頂部端面 ２ 溶接装置 ３ 本体 ６ 溶接トーチ ２０ 頂部 ２１ 位置決めストッパ ２３ 芯出部材

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、その内周
   面を溶接する溶接トーチを有するロッド状の本体と、該
   本体の頂部に周方向に所定間隔を隔てて径方向に拡縮自
   在に設けられ、その拡径時に垂直パイプの頂部端面に載
   置される位置決めストッパと、上記本体の側部に周方向
   に所定間隔を隔てて径方向に拡縮自在に設けられ、その
   拡径時に垂直パイプ内面を押圧して芯出しを行う芯出部
   材と、該芯出部材の垂直パイプ内面に対する押圧部分に
   形成された滑り構造とを備えたことを特徴とする溶接装
   置。