JP6137476B2 - 開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、開先、特に狭開先の自動ＴＩＧ溶接に適した開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法に関するものである。

従来、上記したような狭開先の自動ＴＩＧ溶接に適した開先倣い溶接装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１に記載された開先倣い溶接装置は、円錐形状を成す電極を有する溶接トーチと、この溶接トーチを被溶接材に対して接近離間させる上下スライドベースと、開先を横切る方向に溶接トーチをスライドさせる左右スライドベースと、制御部を備えており、この開先倣い溶接装置では、制御部により上下スライドベース及び左右スライドベースを制御して、溶接トーチにオシレート動作を行わせるようになっている。

この際、制御部では、ＡＶＣ（Arc Voltage Control）を採用することで、溶接トーチの電極の先端と開先底との距離（アーク長）を一定に制御している。このＡＶＣは、アークの長さによってＴＩＧ溶接におけるアーク電圧が変化することを利用したものであり、電極の先端と開先底との距離が短くなって測定アーク電圧が基準電圧よりも低くなった時は、溶接トーチを上昇させてアーク電圧を大きくし、一方、電極の先端と開先底との距離が長くなって測定アーク電圧が基準電圧よりも高くなった時は、溶接トーチを下降させてアーク電圧を小さくすることで、溶接トーチの高さを一定に保つようにしている。

この開先倣い溶接装置では、電極が円錐形状を成しているので、狭開先において開先壁に電極が接近した場合には、電極の胴部と開先壁との距離が電極の先端と開先壁との距離や電極の先端と開先底との距離よりも小さくなることで測定アーク電圧が基準電圧よりも低くなる。このように測定アーク電圧が基準電圧よりも低くなった場合には、通常、溶接トーチを上昇させれば測定アーク電圧が基準電圧に戻るが、上記した電極の胴部と開先壁との距離が極めて小さい状態で基準電圧になるように溶接トーチを上昇させたとしても、電極の胴部と開先壁との距離がほとんど変わらないことから、溶接トーチが上昇し続けてしまう。また、電極の胴部と開先壁との距離、及び、電極の先端と開先底との距離の大小関係が逆転するのが急であり、開先との境界部分（角部分）に未溶接部が生じてしまうことから、開先倣い溶接を行うことができない。

従来において、このような開先壁を倣うことができない事態に対処するべく、特許文献２に記載された開先倣い溶接装置では、先端部を開先壁に向けて折り曲げた電極を用い、また、特許文献３に記載された開先倣い溶接装置では、磁気プローブを電極近傍に配置してアークを偏向させることで、電極の胴部と開先壁との距離が電極の先端と開先底との距離よりも大きくなるようにしている。

特開平０９−０７６０７１号公報 特開昭６０−０２７４７８号公報 特開昭６０−１９１６６４号公報

ところが、上記した特許文献２に記載された開先倣い溶接装置では、先端部を折り曲げた電極の加工費が高くつくうえ、加工精度を確保することが難しいという問題がある。また、電極の先端の消耗時には研磨を行うが、この研磨によって折り曲げた先の部分の長さが短くなることから、電極の胴部と開先壁とが干渉しない長さまでしかこの研磨を行うことができず、歩留まりが悪いものとなってしまうという問題がある。
一方、上記した特許文献３に記載された開先倣い溶接装置では、磁気プローブといった別の装置を付加する必要があるうえ、溶接状況の視認性の悪化及び装置構造の複雑化を招いてしまうという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、溶接コストの上昇や溶接状況の視認性の悪化及び装置構造の複雑化を招くような特別な工具や装置を用いることなく、開先、特に開先角度の小さい狭開先から幅広の開先までの開先の倣い自動ＴＩＧ溶接を行うことが可能な開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために成された本発明の請求項１に係る発明は、円柱形状を成し且つ先端が軸心に対して角度をもって斜め切りされてアークを偏向可能とした電極を有する溶接トーチと、前記溶接トーチを被溶接材間の開先に接近離間させると共に、該開先を横切る方向に往復移動させるオシレート機構と、前記電極を軸心廻りに回転させる回転機構と、前記オシレート機構の作動によってオシレート動作する前記溶接トーチが進む側に常に前記電極の斜め切りされたカット面の下端に位置する電極尖端を前記開先に沿う方向に対して角度をもって配置するべく前記回転機構を制御すると共に、オシレート動作する前記溶接トーチの前記電極の前記電極尖端から前記開先までの距離が短くなってあらかじめ設定した基準電圧値よりも低くなった時点で、前記基準電圧値となるように前記溶接トーチを前記開先から離間する方向（下向姿勢の開先倣い溶接の場合には上下方向；溶接トーチに沿うＺ軸方向）に移動させるべくＡＶＣ（Arc Voltage Control）を行う制御部を備え、前記制御部は、前記ＡＶＣによる前記溶接トーチの該溶接トーチに沿うＺ軸方向の移動量が設定した閾値に達した時点で前記回転機構を動作させて前記電極を軸心廻りに反転させて、前記溶接トーチにそれまでとは逆方向へのオシレート動作を行わせるべく制御する構成としたことを特徴としており、この構成の開先倣い溶接装置を前述の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の請求項２に係る発明は、円柱形状を成し且つ先端が軸心に対して角度をもって斜め切りされてアークを偏向可能とした電極を有する溶接トーチを被溶接材間の開先に接近離間させると共に、該開先を横切る方向に往復移動させてオシレート動作させるに際して、オシレート動作する前記溶接トーチが進む側に常に前記電極の斜め切りされたカット面の下端に位置する電極尖端を前記開先に沿う方向に対して角度をもって配置すると共に、オシレート動作する前記溶接トーチの前記電極の前記電極尖端から前記開先までの距離が短くなってあらかじめ設定した基準電圧値よりも低くなった時点で、前記基準電圧値となるように前記溶接トーチを前記開先から離間する方向（下向姿勢の開先倣い溶接の場合には上下方向；溶接トーチに沿うＺ軸方向）に移動させるＡＶＣを行い、前記ＡＶＣによる前記溶接トーチの該溶接トーチに沿うＺ軸方向の移動量が設定した閾値に達した時点で前記電極を軸心廻りに反転させて、前記溶接トーチにそれまでとは逆方向へのオシレート動作を行わせる構成としたことを特徴としており、この構成の開先倣い溶接方法を前述の課題を解決するための手段としている。

本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法において、図１に示すように、先端が斜め切りされた電極１１のカット面１１ａの軸心に対する角度θは、このカット面１１ａの下端に位置する電極尖端１１ｂから発生するアークＡｒの指向性及び集中性を考慮して設定され、３０°〜６０°とすることが望ましい。

また、本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法において、図３に示すように、先端が斜め切りされた電極１１は、アークＡｒの開先壁Ｗｂへの指向性及び溶接ワイヤ１２の溶融性を確保するために、開先Ｗａに沿う方向に対して角度αで回転させておく必要があり、この回転角度αは、１５°〜４５°とすることが望ましい。但し、溶接ワイヤ１２の供給位置をアークＡｒの位置に調整する機構を有している場合には、回転角度αを開先壁Ｗｂの検出性が上がる４５°〜９０°にしてもよい。

さらに、本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法において、制御に必要な設定項目には、上記電極１１の回転角度αに加えて、オシレート速度，ＡＶＣによる溶接トーチの該溶接トーチに沿うＺ軸移動量の閾値，ＡＶＣによる溶接トーチの移動速度（Δｈ／Δｔ）等があり、ＡＶＣによる溶接トーチの移動速度、すなわち、単時間当たりの移動量は、開先壁とオシレート移動時のビードの凸凹とを認識するのに必要な特徴量である。

本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法は、狭開先の自動ＴＩＧ溶接に適しており、突き合わせ溶接及び隅肉溶接のいずれにも用いることができる。溶接姿勢は、下向姿勢の開先倣い溶接だけでなく、立向姿勢及び上向姿勢の各開先倣い溶接にも適用可能であり、例えば、管の全周にわたって開先倣い溶接を行う全姿勢の開先倣い溶接にも適用可能である。

本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法では、先端が軸心に対して角度をもって斜め切りされてアークを偏向可能とした電極を用いているので、狭開先や開先角度の小さい開先におけるオシレート動作中に開先壁に溶接トーチが接近すると、溶接トーチが進む側に常に位置する電極尖端と開先底との距離が電極尖端と開先壁との距離に転じて、すなわち、電極尖端から開先までの距離が短くなって、溶接トーチを開先から離間する方向に移動させるＡＶＣが行われる。

そして、このＡＶＣによる溶接トーチの開先からの移動量が設定した閾値に達した時点で、電極が軸心廻りに反転して、溶接トーチがそれまでとは逆方向へのオシレート動作を続けるので、狭開先の自動ＴＩＧ溶接中の電極が開先壁に干渉するような事態の発生は回避されることとなる。

この際、加工費が高く且つ加工精度を確保することが難しい電極を用たり、別装置としての磁気プローブを用いたりしないので、溶接コストの上昇が少なく抑えられると共に、溶接状況の視認性の向上及び装置構造の簡略化が図られることとなる。

本発明に係る開先倣い溶接装置によれば、溶接コストの上昇や溶接状況の視認性の悪化を招くような特別な工具や装置を用いることなく、開先、特に開先角度の小さい狭開先から幅広の開先までの開先の倣い自動ＴＩＧ溶接を行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る開先倣い溶接装置の概略構成説明図である。 図１の開先倣い溶接装置による開先倣い溶接要領を示す開先の拡大断面説明図（ａ），（ｂ）である。 図１の開先倣い溶接装置による開先倣い溶接要領を示す図２（ａ），（ｂ）にそれぞれ対応する開先の部分拡大平面説明図（ａ），（ｂ）である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法を示しており、この実施形態では、本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法を下向姿勢の開先倣い溶接に採用した場合を示している。

図１に示すように、自動ＴＩＧ溶接装置である開先倣い溶接装置１は、被溶接材Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに沿って配置されたレール２上を移動する走行部３と、この走行部３に配置された上下方向の縦ガイド４に沿って上下動する昇降部５と、この昇降部５に開先Ｗａを横切る方向に配置された横ガイド６に沿って移動するスライダ７と、このスライダ７に支持される溶接トーチ８と、この溶接トーチ８及び被溶接材Ｗに接続する溶接電源９と、制御部１０を備えているほか、後述する制御部１０のＡＶＣに必要な溶接トーチ８の軸心方向の変化量を計測するための図示しないポテンショメータが備えられている。

溶接トーチ８の先端部に位置する円柱状のタングステン製の電極１１は、図１の拡大円内に示すように、その先端が軸心に対してθの角度をもって斜め切りされており、カット面１１ａの下端を電極尖端１１ｂとしていて、アークＡｒが真下ではなくカット面１１ａに沿うようにして偏向するようになっている。

ここで、先端が斜め切りされた電極１１のカット面１１ａの軸心に対する角度θは、このカット面１１ａの下端に位置する電極尖端１１ｂから発生するアークＡｒの指向性及び集中性を考慮して設定され、３０°〜６０°とすることが望ましく、４５°とすることがより望ましい。
なお、図１における符号１２は溶接ワイヤであり、符号１３はワイヤホルダである。

この実施形態において、上下方向の縦ガイド４に沿って上下動する昇降部５及び横ガイド６に沿って移動するスライダ７でオシレート機構が構成され、スライダ７には、溶接トーチ８とともに円柱状のタングステン製の電極１１を軸心廻りに回転させる回転機構が内蔵されている。

この際、図３に示すように、先端が斜め切りされた電極１１は、アークＡｒの開先壁Ｗｂへの指向性及び溶接ワイヤ１２の溶融性を確保するために、開先Ｗａに沿う方向に対して角度αで回転させておく必要があり、この回転角度αは、１５°〜４５°とすることが望ましく、３０°とすることがより望ましい。

制御部１０は、走行部３に速度指令を与えて、被溶接材Ｗ，Ｗ間の開先Ｗａに対する溶接トーチ８の溶接速度を制御すると共に、オシレート機構を構成する昇降部５及びスライダ７のそれぞれに指令を与えて、開先Ｗａに沿って移動する溶接トーチ８に開先Ｗａを横切る方向のオシレート動作を行わせるようになっている。

また、制御部１０は、オシレート機構の作動によってオシレート動作する溶接トーチ８が進む側に常に電極１１の電極尖端１１ｂを位置させるべく回転機構を制御するようになっている。

さらに、制御部１０において、開先倣いの制御には、アークＡｒの長さ（溶接トーチ８の高さ）を一定にするＡＶＣ（Arc Voltage Control）が採用されており、具体的には、オシレート動作する溶接トーチ８の電極１１の電極尖端１１ｂから開先Ｗａまでの距離が短くなった時点で、溶接トーチ８を開先Ｗａから離間する方向（溶接トーチ８に沿うＺ軸方向）に移動させるべくオシレート機構を制御するようになっている。

そして、この制御部１０では、ＡＶＣによる溶接トーチ８のＺ軸方向の移動量が予め設定した閾値に達した時点で回転機構を動作させて電極１１を軸心廻りに反転させて、溶接トーチ８にそれまでとは逆方向へのオシレート動作を行わせるべく制御するようになっている。

このような構成を成す開先倣い溶接装置１において、先端が軸心に対して角度θをもって斜め切りされた電極１１を有する溶接トーチ８にオシレート動作を行わせると、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、制御部１０によりオシレート動作する溶接トーチ８が進む側（図示左側）に電極１１の電極尖端１１ｂが配置され、この状態で開先Ｗａの開先壁Ｗｂに溶接トーチ８が接近すると、図２（ａ）及び図３（ａ）に一点鎖線で示すように、電極尖端１１ｂと開先底Ｗｃとの距離ｈが電極尖端１１ｂと開先壁Ｗｂとの距離ｈ１に転じて、すなわち、電極尖端１１ｂから開先Ｗａまでの距離が短くなって、溶接トーチ８を開先Ｗａから離間する方向（この実施形態では上下方向；Ｚ軸方向）に移動させるＡＶＣが行われる。

そして、このＡＶＣにより溶接トーチ８が上昇して開先Ｗａからの移動量が予め設定した閾値に達した時点で、軸心廻りに反転して、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に二点鎖線で示すように、溶接トーチ８がそれまでとは逆方向へのオシレート動作を続けるので、開先Ｗａの自動ＴＩＧ溶接中の電極１１が開先壁Ｗｂに干渉するような事態の発生は回避されることとなる。

この際、従来のように、歩留まりが悪いうえに加工費が高く且つ加工精度を確保することが難しい電極を用たり、別装置としての磁気プローブを用いたりしないので、すなわち、先端が斜め切りされた電極１１及び物理量の変化のみで開先倣い溶接を行い得るので、溶接コストの上昇が少なく抑えられると共に、溶接状況の視認性の向上及び装置構造の簡略化が図られることとなる。

この実施形態では、本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法を下向姿勢の開先倣い溶接に採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、立向姿勢及び上向姿勢の各開先倣い溶接や、管の全周にわたって開先倣い溶接を行う全姿勢の開先倣い溶接にも適用可能である。

本発明に係る開先倣い溶接装置及び開先倣い溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

１ 開先倣い溶接装置
５ 昇降部（オシレート機構）
７ スライダ（オシレート機構）
８ 溶接トーチ
１０ 制御部
１１ 電極
１１ａ カット面
１１ｂ 電極尖端
Ａｒ アーク
ｈ 電極尖端と開先底との距離
ｈ１ 電極尖端と開先壁との距離
Ｗ 被溶接材
Ｗａ 開先
Ｗｂ 開先壁（開先）
Ｗｃ 開先底（開先）
α 電極の回転角度
θ カット面の軸心に対する角度

Claims (2)

1. 円柱形状を成し且つ先端が軸心に対して角度をもって斜め切りされてアークを偏向可能とした電極を有する溶接トーチと、
   前記溶接トーチを被溶接材間の開先に接近離間させると共に、該開先を横切る方向に往復移動させるオシレート機構と、
   前記電極を軸心廻りに回転させる回転機構と、
   前記オシレート機構の作動によってオシレート動作する前記溶接トーチが進む側に常に前記電極の斜め切りされたカット面の下端に位置する電極尖端を前記開先に沿う方向に対して角度をもって配置するべく前記回転機構を制御すると共に、オシレート動作する前記溶接トーチの前記電極の前記電極尖端から前記開先までの距離が短くなってあらかじめ設定した基準電圧値よりも低くなった時点で、前記基準電圧値となるように前記溶接トーチを前記開先から離間する方向に移動させるべくＡＶＣを行う制御部を備え、
   前記制御部は、前記ＡＶＣによる前記溶接トーチの該溶接トーチに沿うＺ軸方向の移動量が設定した閾値に達した時点で前記回転機構を動作させて前記電極を軸心廻りに反転させて、前記溶接トーチにそれまでとは逆方向へのオシレート動作を行わせるべく制御する
   ことを特徴とする開先倣い溶接装置。
2. 円柱形状を成し且つ先端が軸心に対して角度をもって斜め切りされてアークを偏向可能とした電極を有する溶接トーチを被溶接材間の開先に接近離間させると共に、該開先を横切る方向に往復移動させてオシレート動作させるに際して、
   オシレート動作する前記溶接トーチが進む側に常に前記電極の斜め切りされたカット面の下端に位置する電極尖端を前記開先に沿う方向に対して角度をもって配置すると共に、オシレート動作する前記溶接トーチの前記電極の前記電極尖端から前記開先までの距離が短くなってあらかじめ設定した基準電圧値よりも低くなった時点で、前記基準電圧値となるように前記溶接トーチを前記開先から離間する方向に移動させるＡＶＣを行い、
   前記ＡＶＣによる前記溶接トーチの該溶接トーチに沿うＺ軸方向の移動量が設定した閾値に達した時点で前記電極を軸心廻りに反転させて、前記溶接トーチにそれまでとは逆方向へのオシレート動作を行わせる
   ことを特徴とする開先倣い溶接方法。

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