JP5207072B2 - 固定管の内外面兼用溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、各種プラント等の配管の管端の突合わせ溶接を行う溶接機に関する。

従来、配管の突合わせ溶接を行うために各種の自動溶接機が提案されている。この自動溶接機は、配管の外周部または内周部にそって配置されたガイドレールに沿って走行可能な走行装置と、この走行装置に搭載された溶接トーチ及びその他の機器とからなり、溶接の際には前記走行装置が配管のガイドレールに沿って走行しながら溶接トーチにより管端の突合せ溶接を行うものである。

管の円周突き合わせ溶接を行う溶接装置は特許文献１に開示されている。
この装置を図６に基づいて説明する。２０は突合されたパイプ１０に装着された円周ガイドレール、２１は円周ガイドレール２０に設置された溶接を自動的に行う溶接機である。溶接機２１はパイプ１０の外周面上を円周ガイドレール２０に案内されて走行する走行装置２２と、走行装置２２上に設けられた開先幅方向にスライド自在なスライドＸ軸２３と、スライドＸ軸２３に連結され、トーチ高さ方向にスライド自在なスライドＹ軸２４と、スライドＹ軸２４にパイプ周方向に揺動自在に取付けられたトーチ支持体２５と、トーチ支持体２５に回転自在に支持された溶接トーチ２６と、走行装置２２上に設けられたワイヤ送給装置２７とから大別構成されている。溶接機２１の走行装置２２は走行台車２２１と、走行台車２２１の下部に設けられ、円周ガイドレール２０の外歯２０２と噛合する走行車輪２２２と走行台車２２１の下部に設けられ、円周ガイドレール２０の両端を把持する把持機構２２３と、走行台車２２１上に設けられ、走行台車２２１と駆動するＺ軸エンコーダ２２５付きＺ軸モータ２２４とから構成されている。
２３１はスライドＸ軸２３を開先幅方向に駆動するＸ方向駆動機構で、２４１はスライドＹ軸２４をトーチ高さ方向に駆動するＹ方向駆動機構で、２５１は溶接トーチ２６をβ方向に角度調整するβ方向駆動機構で、２６１は溶接トーチ内部の回転駆動溶接機構でＲ軸エンコーダ２６３付き、回転モータ２６２を有している。ワイヤ送給装置２７はワイヤ送給機構２７１を駆動するワイヤ送給モータ２７２とワイヤリール２７４で構成されている。３０は溶接ワイヤ３１を内蔵したコンジットケーブル、２９は走行台車２２に設けられた走行位置検出器である。

自動溶接機には次の機能が要求される。
（１）ガイドレール上をスムーズに走行すること。ノッキングなどが発生しないことは勿論のこと、バックラッシュによる局部的な走行不良も極力少ないことが望ましい。
（２）全姿勢に亘って、溶接機が落下せずにレールにしっかりと把持されること。
（３）ガイドレール上走行時に、走行部がガイドレールや母材部にぶつからないこと。
（４）ガイドレールへの着脱が容易なこと。
（５）走行時に、溶接進行方向に対する左右・上下方向の遊びが少ないこと。（実際には±０．１ｍｍ以内が望ましい）
（６）決められた範囲での走行速度のバラツキが少なく（実際には±３．０％程度）、ある溶接姿勢での走行速度のバラツキに再現性のあること。
（７）曲率がある範囲で変化しても走行すること。
（８）必要とする溶接速度範囲で、同じような誤差で走行すること。
（９）ガイドレールを著しく損傷することなく走行すること。また逆に走行部がガイドレールにより著しく損傷を受けることのないこと。

自動溶接機として種々の装置が提案されている。
特許文献２には、溶接トーチを被溶接管の溶接線に沿って走行させるためのガイドとなる案内装置を、複数個に分割可能なリング状案内金具本体とこれを管の円周に固定するための固定具とから構成して管の円周に簡便に固定することを可能にした案内装置が開示されている。しかしながら、この案内装置は管の外周を溶接するためのものであり、内周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献３には、配管の外周面に倣って走行する走行装置と、走行装置により支持されて前記配管の管端の突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接機とを備える自動溶接機であって、
管の外周面に、一定の幅を有する帯状かつ環状の部材であって幅方向の両端に環状部材と一体で環状に一周する２本のレールとラックレールとを設けた環状部材を配置し、この環状部材のラックレールとかみ合うピニオンギアを車軸に備えかつ溶接トーチを固定した走行台車を環状部材に沿って走行させるようにした自動溶接機が開示されている。しかしながら、この案内装置も特許文献１記載のものと同様に管の外周を溶接するためのものであり、内周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献４には、定置された鋼管の周方向内面を突き合わせ溶接する自動溶接方法であって、鋼管の内周面の周方向に案内レールを設け、この案内レールによって自走式溶接機をガイドしながら走行させて鋼管周方向内面を突き合わせ溶接する方法が記載されている。しかしながら、この案内装置は管の内周を溶接するためのものであり、外周面の溶接にも適用できるものではない。

特許文献５には、溶接トーチ・溶接ワイヤ等の溶接に必要な装置を搭載した走行台車と走行台車をガイドしながら走行させるガイドレールとを備えた溶接用走行装置であって、走行台車のガイドレールへの装着及び取り外しを簡便に行えるようにした装置が開示されている。
この機構そのものはガイドレールを内周面に設けた場合及びガイドレールを外周面に設けた場合のいずれにも適用可能であるといえるが、その互換性についての記述はなされていない。

上記したように、鋼管の円周自動溶接を実施する際に、外周面溶接は外周面側に専用のガイドレールを装着し、内周面溶接は内周面側に専用のガイドレールを装着し、そのガイドレールの上に溶接機を装着して自動溶接を実施する方法が一般的である。しかしながら、外周面側のガイドレールと内周面側のガイドレールとは曲率が反対になるため、例えば外周面用の溶接機を内周面溶接に適用する場合には、ガイドレールが走行台車の一部に干渉し使用不可能である。また、外周面溶接機では溶接トーチの仕様上、高電流の溶接が不可能であり、高能率な溶接ができないという問題がある。
上記のように、外周面溶接機及び内周面溶接機はそれぞれ互換性の無いものとなっており、それぞれ別の溶接機を用意する必要があった。

特開平４−２００８６６号公報 特開昭５４−５４９３６号公報 特開平７−３１４１３２号公報 特開昭５８−６５５７９号公報 実公平３−１２４７１号公報

本発明は、配管の内周面の溶接及び外周面の溶接の両方に用いることができる内外面兼用の溶接機を提供することを目的とする。

本発明者等は、既存の外周面溶接機の走行台車部分を改造すると共にその他の部分の配置等を変更することにより、外周面溶接機を内周面用のガイドレールにおいても使用可能な内外面兼用の溶接機とすることができることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載する通りの固定管内外面兼用溶接機及び外周面溶接機の改造方法に係るものである。

（１）固定管の外周面及び内周面の円周方向に沿って配設されたガイドレール上を走行して該外周面及び内周面の片面溶接を実施する内外面兼用溶接機であって、該溶接機は、ガイドレールに沿って走行可能な走行台車を備えた走行装置と、溶接トーチと、該溶接トーチの上下移動機構（上下ユニット）と、該溶接トーチの左右移動機構（左右ユニット）と、走行位置検出部と、ワイヤ送給機構と、ＣＣＤカメラユニットと、を備えた外周面溶接機について、前記走行装置は前記走行台車の下部に設けられた走行車と支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とが協同してガイドレールを挟み込むことによってガイドレールを把持して溶接機を支持するとともに、下記に挙げた外周面溶接機の改造に関する項目の内、少なくとも（１）〜（６）を実施することにより内周面溶接機として使用可能としたことを特徴とする固定管内外面兼用溶接機。
（１）走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大
（２）溶接電極部の形状変更又は取付位置変更
（３）走行位置検出部の位置変更又は方式変更
（４）ＣＣＤカメラユニットの取付位置の変更
（５）溶接機取り扱い用把手の形状変更
（６）スパッタガードの形状変更
（７）外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替
（８）溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加
（９）溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加
（２）固定管の外周面の円周方向に沿って配設されたガイドレール上を走行して該外周面片面溶接を実施する外周面溶接機を内外面兼用溶接機とする外周面溶接機の改造方法であって、ガイドレールに沿って走行可能な走行台車を備えた走行装置と、溶接トーチと、該溶接トーチの上下移動機構（上下ユニット）と、該溶接トーチの左右移動機構（左右ユニット）と、走行位置検出部と、ワイヤ送給機構と、ＣＣＤカメラユニットと、を備えた外周面溶接機について、前記走行装置は前記走行台車の下部に設けられた走行車と支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とが協同してガイドレールを挟み込むことによってガイドレールを把持して溶接機を支持するとともに、下記に挙げた外周面溶接機の改造に関する項目の内、少なくとも（１）〜（６）を実施することにより内周面溶接機として使用可能にすることを特徴とする外周面溶接機の改造方法。
（１）走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大
（２）溶接電極部の形状変更又は取付位置変更
（３）走行位置検出部の位置変更又は方式変更
（４）ＣＣＤカメラユニットの取付位置の変更
（５）溶接機取り扱い用把手の形状変更
（６）スパッタガードの形状変更
（７）外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替
（８）溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加
（９）溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加

本発明によれば、内周面溶接装置と外周面溶接装置とを別個に保有する必要が無くなり装置の稼働率が向上すると共に、装置の基本的構成が同じであるため、装置のメンテナンスが容易となり、メンテナンス部品も２機種が１機種になったことにより、少数保管で済む。また、内外周面とも同じオペレートになるため、オペレータ訓練が半分で済み、オペレートミスが少なくなり、結果として品質向上が図れる。更に、機種のバージョンアップも内外面同時に実施できるため、高性能化の開発投資が半分で済むという効果を奏する。

小径固定管の外周面を溶接する様子を示した図である。 図１において用いた外周面溶接機を中径固定管の内周面の溶接に用いた様子を示す図である。 本発明の改造溶接機を用いて中径固定管の内周面を溶接する様子を示す図である。 溶接機の走行位置検出部の配置を変更した例を示す図である。 溶接トーチの上下ユニット及び内周面用トーチ取付アダプタを示す図である。 従来技術の固定管の突き合わせ溶接を説明する図である。

本発明の溶接機は、小径固定管の外周面及び中径固定管の内円周に対して、該外周及び該内周に沿って配設されたガイドレール上を走行して片面溶接を共通に実施できる内外周兼用の自動溶接機である。

溶接機は溶接機がガイドレールに沿って走行することを可能とする走行台車とこの走行台車に取付けられた装置群とで構成される。
この装置群とは具体的には、トーチ周辺ユニット７［溶接トーチ、溶接トーチの上下移動機構（上下ユニット）、溶接トーチの左右移動機構（左右ユニット）、制御中継箱]、ワイヤ送給機構、走行位置検出機構、ＣＣＤカメラユニット（ＣＣＵ）等である。
従来はこれらの装置群は外周面溶接機及び内周面溶接機のそれぞれに設けられていたが、本発明の溶接機は内外面兼用であるので、これらはワンセットあればよい。

外周面溶接機を外周溶接及び内周溶接の両者に兼用可能にするためには、外周面溶接機を構成する各部材が内周面溶接時に許容される物理的な範囲内に全て配置するように改造する必要がある。このようにすることによって、内周溶接及び外周溶接のいずれの溶接においても、溶接機がガイドレールや管壁と接触して走行が妨げられることがなくなる。

本発明の溶接機について図に基づいて説明する。
図１は小径固定管の外周面を溶接する場合の装置構成を例示したものである。
管１の外周にはガイドレール２が固定され、このガイドレール２に沿って溶接機３が移動しつつ溶接作業を行う。走行装置は走行台車４と、走行台車４の下部に設けられた走行車５と支え車部６とを有し、走行車５と支え車部とが協同してガイドレールを挟み込むことによってガイドレールを把持して溶接機を支持している。
走行台車には、走行車５、支え車部６、トーチ周辺ユニット（溶接トーチ、溶接トーチの上下ユニット、溶接トーチの左右ユニット）７、走行位置検出部８、及び図示しないワイヤ送給ユニットとを有しており、必要に応じてＣＣＤカメラユニット（ＣＣＵ）９等が搭載される。

図１に示すような管の外周部を溶接する場合には、溶接機の形状、構造は溶接作業に特に影響を及ぼさないため、溶接機の形状、構造、その空間的配置にはかなり自由度がある。しかしながら、この溶接機を内周部の溶接にそのまま適用すると溶接機を構成する要素がガイドレールに当たるという不具合が生じる。
例えば図２は、図１で示した外周面溶接機を管の内周部の溶接に用いた場合の様子を示すものであるが、図のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅで示した部分において溶接機がガイドレールと接触するという不具合が生じる。
また、外周溶接の曲率と内周溶接の曲率とは反対となるため、それぞれに適した走行装置を備えた溶接機を用いる必要がある。

そこで、本発明においては、外周面用の溶接機について改造を施すことにより、これを内周面用の溶接機として使用しても走行装置がガイドレールと接触することなく走行可能とするものである。
外周面用の溶接機を内周面用の溶接機として用いることを可能とする具体的な改造項目としては次のものが挙げられる。
（１）走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大
（２）溶接電極部の形状変更又は取付位置変更
（３）走行位置検出部の位置変更又は方式変更
（４）ＣＣＤカメラユニットの取付位置の変更
（５）溶接機取り扱い用把手の形状変更
（６）スパッタガードの形状変更
（７）外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替
（８）溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加
（９）溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加

上記の改造内容について以下図３〜５に基づいて説明する。
図３〜５におけるＲ１〜Ｒ９（Ｒ６は省略）は外周面溶接機について行った改造箇所を示す。
＜Ｒ１：走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大＞
図３のＲ１で示すように、ガイドレール２と接触する走行台車フレームの下端部ａ、ｂの部分を加工することによりガイドレール部の逃げを大きくする。具体的には接触する可能性のある部分を除去する。
＜Ｒ２：溶接電極部の形状又は取付位置の変更＞
内周面用トーチを取付可能な構造とするために図３のＲ２で示す溶接電極部の形状、取付位置を変更する。

＜Ｒ３：走行位置検出部の位置又は方式の変更＞
外周面用溶接機の走行位置検出部が内周面溶接用のガイドレールと接触する場合には、図３、図４に示すように走行位置検出部の位置を距離Ｈだけ上方に持ち上げる改造を行う。
この場合、図４に示すようにアームの長さを変更する改造を合わせて行う。
あるいは走行位置検出のための方式を変更しても良い。
＜Ｒ４：ＣＣＵの取付位置の変更＞
外周面用溶接機に取付けられていたＣＣＵを図３のＲ４で示すようにガイドレールと接触しない位置に付け替える。
＜Ｒ５：溶接機取り扱い用把手の形状の変更＞
外周面用溶接機に取付けられていた溶接機を取り扱うための把手がガイドレールと接触するものであれば、図３のＲ５で示される把手の形状を変更する。
＜Ｒ６：スパッタガードの形状変更＞
スパッタガードは内面溶接用で使用する際にガイドレールと干渉する箇所を改造する。（図は省略）
＜Ｒ７：外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替＞
外周面溶接機では溶接トーチの仕様上、高電流の溶接が不可能であり、高能率な溶接ができないという問題があるが、内周面溶接ではフラックスコアードワイヤで高電流域が使用されることが多いため、内周面溶接に際して、高電流の使用可能な溶接トーチに取り替え可能とするために具体的には図５に示すように内周面用トーチの取付アダプタを作製する。

＜Ｒ８：溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加＞
外周面用溶接機は、溶接トーチの上下位置を調整するために所定の有効ストロークを有している。外周面用溶接機を内周面用溶接機としても使用可能にするためには外周面用溶接機に要求されていた有効ストロークよりも大きいストロークとする必要がある。
このため、図５に示す溶接トーチの上下ユニットの有効ストロークを増大するための改造を行う。

＜Ｒ９：溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加＞
前記した上下ユニットの有効ストロークについて述べたと同様の理由により、図３のＲ９で示す溶接トーチの左右ユニットの有効ストロークを増大するための改造を行う。

上記に示した改造項目の内、本発明では（１）〜（６）が必須であり、その他の項目は個々の外周面溶接機の形状、構造に応じて、内周面のガイドレールに接触しない用にするための必要最小限の改造項目を実施すればよい。
Φ３００ｍｍ以上の外周面溶接機について前記の改造を行うことにより、Φ１６００以上の内周面溶接が可能となった。

本発明の自動溶接機は、配管の内周面の溶接及び外周面の溶接の両方に用いることができるので、装置の稼働率が向上し、装置のメンテナンスが容易となるので、パイプライン敷設工事における突き合わせ円周溶接用の溶接機として好適に使用できる。

（図１〜図３について）
１ 管
２ ガイドレール
３ 溶接機
４ 走行台車
５ 走行車
６ 支え車部
７ トーチ周辺ユニット
８ 走行位置検出部
９ ＣＣＤカメラユニット
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ 溶接機がガイドレールと接触する箇所
（図６について）
１０ パイプ
２０ 円周ガイドレール
２１ 溶接機
２２ 走行装置
２３ スライドＸ軸
２４ スライドＹ軸
２５ トーチ支持体
２６ 溶接トーチ
２７ ワイヤ送給装置
３０ コンジットケーブル
３１ 溶接ワイヤ
２２４ Ｚ軸モータ
２３１ Ｘ方向駆動機構
２３２ Ｘ軸モータ
２４１ Ｙ方向駆動機構
２４２ Ｙ軸モータ
２５１ β方向駆動機構
２５２ β軸モータ
２６１ 回転駆動機構
２６２ 回転モータ
２７２ ワイヤ送給モータ

Claims (2)

1. 固定管の外周面及び内周面の円周方向に沿って配設されたガイドレール上を走行して該外周面及び内周面の片面溶接を実施する内外面兼用溶接機であって、該溶接機は、ガイドレールに沿って走行可能な走行台車を備えた走行装置と、溶接トーチと、該溶接トーチの上下移動機構（上下ユニット）と、該溶接トーチの左右移動機構（左右ユニット）と、走行位置検出部と、ワイヤ送給機構と、ＣＣＤカメラユニットと、を備えた外周面溶接機について、前記走行装置は前記走行台車の下部に設けられた走行車と支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とが協同してガイドレールを挟み込むことによってガイドレールを把持して溶接機を支持するとともに、下記に挙げた外周面溶接機の改造に関する項目の内、少なくとも（１）〜（６）を実施することにより内周面溶接機として使用可能としたことを特徴とする固定管内外面兼用溶接機。
   （１）走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大
   （２）溶接電極部の形状変更又は取付位置変更
   （３）走行位置検出部の位置変更又は方式変更
   （４）ＣＣＤカメラユニットの取付位置の変更
   （５）溶接機取り扱い用把手の形状変更
   （６）スパッタガードの形状変更
   （７）外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替
   （８）溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加
   （９）溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加
2. 固定管の外周面の円周方向に沿って配設されたガイドレール上を走行して該外周面片面溶接を実施する外周面溶接機を内外面兼用溶接機とする外周面溶接機の改造方法であって、ガイドレールに沿って走行可能な走行台車を備えた走行装置と、溶接トーチと、該溶接トーチの上下移動機構（上下ユニット）と、該溶接トーチの左右移動機構（左右ユニット）と、走行位置検出部と、ワイヤ送給機構と、ＣＣＤカメラユニットと、を備えた外周面溶接機について、前記走行装置は前記走行台車の下部に設けられた走行車と支え車部とを有し、該走行車と該支え車部とが協同してガイドレールを挟み込むことによってガイドレールを把持して溶接機を支持するとともに、下記に挙げた外周面溶接機の改造に関する項目の内、少なくとも（１）〜（６）を実施することにより内周面溶接機として使用可能にすることを特徴とする外周面溶接機の改造方法。
   （１）走行台車フレームのガイドレール部逃げ拡大
   （２）溶接電極部の形状変更又は取付位置変更
   （３）走行位置検出部の位置変更又は方式変更
   （４）ＣＣＤカメラユニットの取付位置の変更
   （５）溶接機取り扱い用把手の形状変更
   （６）スパッタガードの形状変更
   （７）外周面用及び内周面用の溶接トーチ取替
   （８）溶接トーチ上下ユニットの有効ストローク増加
   （９）溶接トーチ左右ユニットの有効ストローク増加

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