JP3231961B2

JP3231961B2 - 管材と管状部品との自動溶接方法

Info

Publication number: JP3231961B2
Application number: JP29019994A
Authority: JP
Inventors: 武信小山; 敬昌青木; 逹菅; 千秋伊藤; 光男周崎; 裕之松村; 繁中山; 壽男長谷川; 正次武市; 將基田中; 哲二服部; 建小池
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 2001-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JPH08150473A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、各スタブ間の間隙が
狭隘なボイラヘッダのスタブの溶接、或いはチューブパ
ネルとヘッダとの溶接等、溶接トーチが溶接対象のスタ
ブ或いはチューブの周りを連続して１周することができ
ない場合において、溶接ビード継ぎ部にアークスタート
ミス等による内部欠陥を生ずることなく、かつ均一で滑
らかな外観を有する、極めて信頼性の高い溶接を行わせ
得る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接トーチを溶接対象チューブの周囲に
１周し得ない場合のチューブとヘッダとの溶接に係る従
来技術の第１の例として、特開昭５７−１５９２９０号
公報に記載された方法がある。該従来技術は、チューブ
パネルの端をヘッダに合わせてチューブパネルを立て、
該チューブパネルの両側面に３次元方向に移動、回動自
在な自動溶接トーチと駆動機構とからなる自動溶接装置
を配置し、自動溶接装置に１台の溶接電源から電流を送
って溶接アークを交互に発生させ、両側面の自動溶接ト
ーチを片側半周ずつリレー式に連続回転させることによ
り、チューブパネルとヘッダとの接合部を全周溶接する
ものである。

【０００３】従来技術の第２の例として、特開昭５７−
１５９２７２号公報に記載された方法がある。該従来技
術は、上記第１の従来技術の例と同様、チューブパネル
の端をヘッダに合わせてチューブパネルを立て、チュー
ブパネルの両側面に３次元方向に移動、回動自在な自動
溶接トーチと駆動機構とからなる自動溶接装置を配置
し、手前側自動溶接トーチによってチューブとヘッダの
接合部の手前側半周を自動溶接すると同時に、反対側の
半円周についても同様の装置と動作によって自動溶接す
るもので、その際、反対側の溶接開始を、手前側溶接部
の溶融金属が半凝固時に反対側の溶接を開始させる等の
若干のタイムラグを設定しておくことにより、手前側と
反対側との溶接継目部に溶融した溶接ビードを得るよう
にするというものである。

【０００４】また従来技術の第３の例として、特開昭５
９−１５６５８０号公報に記載された溶接方法がある。
該従来技術は、鋼管の交叉継ぎ手を半円周ずつアーク溶
接する２台の溶接機を配置し、一方の溶接のアークがビ
ード継ぎ部に達した際に両溶接機ともアーク発生状態と
することにより、一方の溶接機のビード継ぎ部のアーク
をきることなく他方の溶接機にアークを引き継ぎ、交叉
継ぎ手を連続して溶接することを可能にするというもの
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】溶接対象物が単一の溶
接トーチを１周させることができないような場合、複数
の溶接トーチを使用して溶接を行うが、その際溶接ビー
ドの継ぎ部の処理が最も重要になる。上記従来の技術は
その対策として、上述のように２つの溶接トーチを使用
してそれぞれ半円周ずつ溶接を行わせ、溶接継ぎ目部に
おいてできるだけ溶接欠陥を生ずることなく、かつ美し
い溶接ビードが得られるように工夫したものであり、そ
れぞれ一応の目的を達成し得る優れた方法であると言え
る。しかしながら上記従来の技術においては、尚、下記
に示すような改良が望ましい課題を有している。

【０００６】まず前記第１の従来技術例においては、１
台の溶接電源を用いてチューブ１本の半円周ずつを交互
に溶接電源の出力を切替えて順次溶接するものであり、
アークを溶接電源出力切り換えスイッチを切り換えるこ
とによりリレー式に接続して、あたかも１個のアークが
連続してチューブの周りを回転溶接し、継ぎ目のない連
続した均一美麗な溶接ビード外観が得られることになっ
ている。

【０００７】しかしながら切り換えスイッチによるアー
クの切り換え操作が入り、アークが一瞬ではあるが切れ
るため、連続しているとは言い難い。このことは例えば
図９(a) に示すように受け側のロボットのアークスター
トミスの発生の可能性、ビード継ぎ部内部の溶け込み不
良・融合不良等の溶接欠陥を生じる可能性、或いは均一
なビード外観が得られない虞れ等の生ずるのを完全には
払拭し得ないものである。

【０００８】次に第２の従来技術例においては、チュー
ブとヘッダの接合部の一方の側の自動溶接を開始し、そ
れから若干のタイムラグを設定して当該溶接部の金属が
半凝固時に反対側の溶接を開始しさせることにより、両
側の溶接部の間の溶け込み不良或いは融合不良の発生は
抑止されるが、当該溶接部におけるビードの余盛量が増
大し、多層盛り溶接の際に不具合を生ずる可能性を有し
ている。また、両側を同時に溶接するために、管材の温
度が上昇し、変形を生ずる虞れがある。

【０００９】また第３の従来技術においては、ビード継
ぎ部において両側の溶接機をアーク発生状態としたうえ
で、アーク送り側のアークを切り、アーク受け側の溶接
機にアークを渡す手順を踏むために、両溶接機を同時に
アーク発生状態とするラップ時間が必要であり、アーク
位置を検出（例えばロボット位置の信号、または視覚セ
ンサーによって検出）して、これによってアーク受け渡
しの制御を行っているため、上記ラップ時間が長くな
る。その結果図９(b) に示すようにビードの余盛量が増
大し、特にビード継ぎ部が幾重にも重なる、いわゆる多
層盛り溶接の場合には適用が難しくなるという課題を有
している。

【００１０】本願発明はこのような現状に鑑みてなされ
たもので、簡潔な構成によって各管状部品間の間隙が狭
隘なボイラヘッダのスタブ等の溶接において、溶接ビー
ド継ぎ部において内部欠陥を生ずることなく、かつ均一
で滑らかな外観を有する溶接を行わせ得る、極めて信頼
性の高い方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的は前記特許請
求の範囲に記載された管材と管状部品の自動溶接方法お
よび装置によって達成される。すなわち、管状部品の取
り付けピッチが小さく各管状部品間の間隙が狭隘で、溶
接トーチが溶接対象の管状部品の周りを連続して１周す
ることができない管材と管状部品の溶接を行うための、
管材の軸と管状部品の軸を含む面の両側に各１台ずつ配
設した３次元方向に移動・転向自在な溶接トーチと、該
溶接トーチを動作させる手段と、該溶接トーチの動作を
制御する手段と、他方側の溶接トーチからのアークの発
生を電気的に監視する手段とを有した管材と管状部品と
の自動溶接において、管材の背の部分においてアークの
引き継ぎ点を設け、与えられた信号に応じて他方側の溶
接電源を印加する手段と、他方側のアークの発生が検出
されたとき手前側の溶接電源の出力を遮断する手段とを
設けて、手前側の溶接トーチがアークを発生して管状部
品の片側半周の溶接を行って前記引き継ぎ点に到達する
際に、前記溶接トーチの他方側にあって溶接電源を印加
された溶接トーチから自動的にワイヤをアーク中に挿入
してアークを発生させ、アークの発生を監視する手段に
よって前記他方側の溶接トーチからのアーク発生を検知
すると同時に、それまでアークを発生していた手前側の
溶接トーチ側の溶接電源の出力を遮断して溶接を他方側
に受け渡し、この動作を反復してそれぞれの溶接トーチ
が片側半周ずつ溶接を行う管材と管状部品の自動溶接方
法である。以下、本発明の作用等について実施例に基づ
いて説明する。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【実施例】図１は本願発明に基づく管材と管状部品との
自動溶接の実施例として、ボイラのヘッダのスタブの溶
接を対象にした場合の、自動溶接方法の基本的動作を説
明する図である。他方側のアークの発生を監視し、手前
側の溶接電源を遮断する手段としては、溶接電流が流れ
た際に直接リレーを働かせるＷＣＲリレーを使用する方
法、或いは電流検知器によってアーク発生に伴う電流を
検知し、該検知された信号に基づいて溶接電源を遮断す
る方法等種々あるが、本実施例においてはＷＣＲリレー
を使用した場合について説明する。

【００１６】図１において、１はスタブ、２はヘッダ、
３はロボットＡ、４はロボットＢ、５は溶接トーチＡ、
６は溶接トーチＢ、７は溶接電源Ａ、８は溶接電源Ｂ、
９はＷＣＲリレーＡ、１０はＷＣＲリレーＢ、１１は電
源Ａ、１２は電源Ｂ、１３はロボット制御盤Ａ、１４は
ロボット制御盤Ｂ、１５は溶接電源制御装置Ａ、１６は
溶接電源制御装置Ｂ、１７は外部信号入力Ａ、１８は外
部信号入力Ｂ、１９は溶接ビード継ぎ部である。

【００１７】図１は、中央部のスタブ１およびヘッダ２
の左側に記載されているロボットＡ３側においては、電
源Ａ１１に接している溶接電源Ａ７の中のＷＣＲリレー
Ａ９の回路が形成された状態にあり、またロボット制御
盤Ａ１３中の溶接電源制御装置Ａ１５の回路が閉じられ
た状態にあって溶接トーチＡ５に通電され、スタブ１と
ヘッダ２との溶接が行われている状態を示している。

【００１８】この時、図１の右側に記載されているロボ
ットＢ４側は、電源Ｂ１２に接しているＷＣＲリレーＢ
１０およびロボット制御盤Ｂ１４内の溶接電源制御装置
Ｂ１６は回路を開いた状態にある。

【００１９】ロボット制御盤Ｂ１４内の外部信号入力Ｂ
１８の一端はロボットＡ３側の溶接電源Ａ７内のＷＣＲ
リレーＡ９に接続されており、相手側（ロボットＡ３
側）の溶接トーチＡ５からアーク電流が確実に流れてい
るか否かを監視している状態にある。またこの時、ロボ
ットＢ４側の溶接トーチＢ６はアークを受けるべき位置
から約１０ｍｍ程度外側に離れた退避位置にある。

【００２０】ロボットＡ３側でスタブ１とヘッダ２との
溶接を継続して、溶接位置が溶接ビードの継ぎ部１９に
到達する際、ロボットＢ４側に起動信号を発信する。そ
れに基づいてロボットＢ４側は所定のプログラムに基づ
いて起動し、まず溶接トーチＢ６がアーク継ぎ部に移動
し、溶接電源制御装置Ｂ１６が回路を閉じ、溶接を行っ
ている溶接トーチＡ５先端部のアーク内に溶接ワイヤを
挿入する。

【００２１】アーク中には大きなアーク電流が流れてい
るから、溶接ワイヤが所定位置まで進入することにより
確実かつ必然的にロボットＢ４の溶接トーチＢ６部にお
いてもアークが発生する。アークが発生するとロボット
Ｂ４側のＷＣＲリレーＢ１０の回路が自動的に形成され
る。そのＷＣＲリレーＢ１０の信号がロボットＡ３側に
送られ、該信号を受けたロボットＡ３は、即座に溶接電
源制御装置Ａ１５によってロボットＡ３自身のアークを
切る。これによってロボットＡ３側からロボットＢ４側
へ確実にアークの受け渡しが行われる。

【００２２】アーク受け側がアークを発生し、このアー
ク発生を検知したＷＣＲの信号によってアーク渡し側が
アークを切ることにより、当該溶接部にアークが切れる
状態は起こり得ない。その一方で一連の動作が電気的信
号によって処理されることにより、アーク受け側とアー
ク渡し側の双方にアークが発生している時間は事実上ゼ
ロに等しく、双方の溶接トーチからのアークがラップす
ることに基づく溶接ビードが必要以上に盛り上がるとい
うような現象は生じない。

【００２３】図２は上記溶接動作の内、溶接トーチの動
きを説明する図である。図２に表される中央のスタブ１
とヘッダ２とを溶接する際、まず最初にアークスタート
位置２０の位置において、溶接トーチＡ５によって溶接
を開始し、スタブ１とヘッダ２との溶接線に沿って溶接
を行いながら矢印のように反時計方向に進み、溶接ビー
ド継ぎ部２１に至る。

【００２４】溶接トーチＡ５が溶接ビード継ぎ部２１に
到達した際、反対側に位置する溶接トーチＢ６側に起動
信号を発信し、それに基づいて溶接トーチＢ６が溶接ビ
ード継ぎ部２１部に移動し、溶接を行っている溶接トー
チＡ５先端部のアーク内に溶接ワイヤを挿入する。

【００２５】溶接トーチＢ６側がアークを発生した際
に、その信号を溶接トーチＡ５側に送って、溶接トーチ
Ａ５側のアークを切る。溶接トーチＢ６はそのままスタ
ブ１とヘッダ２との溶接を継続し、溶接開始位置のアー
クスタート位置２０に至り、溶接が１パス盛りの際には
その位置で溶接を終了する。

【００２６】溶接対象の溶接が２パス盛りになる場合に
は、図３に示すようにアークスタート位置２０からａで
示す溶接線に沿って溶接を行い、溶接ビード継ぎ部２１
において、スタブ１を挟んで反対側に位置する溶接トー
チにアークを継いでｂに示す溶接線に沿って溶接を行
い、当初のアークスタート位置２０に至る。図３におい
て符号２４は溶接トーチの進行方向を示しいる。アーク
スタート位置２０に到達した溶接トーチは溶接を行いな
がら図３における溶接ビード継ぎ部２２の位置に移動す
る。

【００２７】溶接ビード継ぎ部２２においては前述の溶
接ビード継ぎ部２１の場合と同様、スタブ１を挟んで反
対側に位置するアーク受け側の溶接トーチにアークを継
ぎ、該受け側の溶接トーチのアーク発生信号によってア
ーク渡し側の溶接トーチを切る。

【００２８】溶接ビード継ぎ部２２でアークを継いだ溶
接トーチは、図３におけるｃの溶接線に沿って溶接を行
い、溶接ビード継ぎ部２３で再びスタブ１を挟んで反対
側に位置する溶接トーチにアークを継ぎ、アークを受け
た溶接トーチはｄの溶接線に沿って溶接を行い、溶接ビ
ード継ぎ部２２に到達した時点で溶接を完了する。

【００２９】また、溶接が２パス以上の多層多パス溶接
になる場合には上記の操作を繰り返して溶接ビードを重
ねることにより、アークの切れることに伴う溶接ビード
継ぎ部における内部欠陥を生ずることなく、かつ均一な
外観を有する溶接を行うことを可能にする。図４は上記
本願発明に基づく溶接方法によって溶接した２パス盛り
溶接ビード継ぎ部の断面を示す模式的な図である。

【００３０】図５〜６は本願発明に基づくスタブ１とヘ
ッダ２との溶接時の全体図を示すもので、図５はその平
面図、図６は図５におけるａ・ａ線矢視図（側面図）で
ある。図５〜６においては、ロボットＡ３およびロボッ
トＢ４の２台のアーク溶接ロボットを使用し、各アーク
溶接ロボットをヘッダ２の軸と平行に走行するガントリ
ータイプの走行装置３０に、ヘッダ２の軸と垂直方向に
移動自在に取り付けている。

【００３１】図７は本願発明がその対象としている、ス
タブ１が小さいピッチで溶接された状態のヘッダ２の斜
視外観図、図８はスタブ１と、スタブ１を溶接した状態
のヘッダ２の一部破断側面図である。

【００３２】

【発明の効果】このように本願発明によれば、上記発明
の詳細な説明の項で説明したように、スタブ取り付けピ
ッチが小さく各スタブ間間隙が狭隘で、溶接トーチが溶
接対象のスタブの周りを連続して１周することができな
いボイラのヘッダのスタブ等の自動溶接において、２台
の溶接トーチを使用し、アーク渡し側の溶接トーチのア
ーク中にアーク受け側の溶接トーチのワイヤを挿入し、
アーク受け側の溶接トーチのアーク電流発生を検知し、
その信号に基づいてアーク渡し側の溶接トーチの溶接電
源の出力を遮断することにより、アーク受け側のアークスタートミス発生の虞れがな
い。アークの一時的停止に基づく溶接ビード継ぎ部内部に
おける溶け込み不良、融合不良等の溶接欠陥発生の虞れ
を除去し得る。各溶接トーチが同時にアークを発生する（ラップす
る）時間が、ほぼゼロであることにより、美しい均一な
ビード外観を得ることを可能にする。溶接ビード継ぎ部にビードの余分な余盛りが生じない
ことにより、多層盛り溶接時においても、内部欠陥を有
さず、かつ均一な外観を得る溶接を可能にし得る。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に基づくヘッダのスタブ自動溶接方法
の基本的動作を説明する図である。

【図２】本願発明に基づくヘッダのスタブ自動溶接方法
の内、溶接トーチの動きを説明する図である。

【図３】本願発明に基づくヘッダのスタブ自動溶接方法
の内、溶接が２パス盛りになる場合の溶接トーチの動き
を説明する図である。

【図４】本願発明に基づく溶接方法によって溶接した２
パス盛り溶接ビード継ぎ部の断面を示す模式的な図であ
る。

【図５】本願発明に基づくスタブ１とヘッダ２との溶接
時の全体平面図である。

【図６】図５におけるａ・ａ線矢視図（側面図）であ
る。

【図７】本願発明がその対象としている、スタブが小さ
いピッチで溶接された状態のヘッダの斜視外観図であ
る。

【図８】本願発明がその対象としている、スタブが小さ
いピッチで溶接された状態の、スタブと、スタブを溶接
した状態のヘッダの一部破断側面図である。

【図９】従来技術における溶接時の溶接ビード継ぎ部の
断面を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤千秋千葉県千葉市中央区新浜町１番地川崎重工業株式会社千葉工場内 (72)発明者周崎光男千葉県千葉市中央区新浜町１番地川崎重工業株式会社千葉工場内 (72)発明者松村裕之神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者中山繁神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者長谷川壽男神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者武市正次神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者田中將基神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者服部哲二神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者小池建神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (56)参考文献特開昭59−156580（ＪＰ，Ａ) 特開平４−75777（ＪＰ，Ａ) 特開平１−143787（ＪＰ，Ａ) 特開平８−155639（ＪＰ，Ａ) 特公昭52−40305（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭40−28447（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/032 B23K 9/095 B23K 9/12 B23K 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管状部品の取り付けピッチが小さく各管
状部品間の間隙が狭隘で、溶接トーチが溶接対象の管状
部品の周りを連続して１周することができない管材と管
状部品の溶接を行うための、管材の軸と管状部品の軸を
含む面の両側に各１台ずつ配設した３次元方向に移動・
転向自在な溶接トーチと、該溶接トーチを動作させる手
段と、該溶接トーチの動作を制御する手段と、他方側の
溶接トーチからのアークの発生を電気的に監視する手段
とを有した管材と管状部品との自動溶接において、管材の背の部分においてアークの引き継ぎ点を設け、与えられた信号に応じて他方側の溶接電源を印加する手
段と、他方側のアークの発生が検出されたとき手前側の
溶接電源の出力を遮断する手段とを設けて、手前側の溶接トーチがアークを発生して管状部品の片側
半周の溶接を行って前記引き継ぎ点に到達する際に、前
記溶接トーチの他方側にあって溶接電源を印加された溶
接トーチから自動的にワイヤをアーク中に挿入してアー
クを発生させ、アークの発生を監視する手段によって前記他方側の溶接
トーチからのアーク発生を検知すると同時に、それまで
アークを発生していた手前側の溶接トーチ側の溶接電源
の出力を遮断して溶接を他方側に受け渡し、この動作を反復してそれぞれの溶接トーチが片側半周ず
つ溶接を行うことを特徴とする管材と管状部品の自動溶
接方法。