JP6297743B2 - 水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、水平突き合わせ継手の溶接に係り、ルート部の溶接を含む大溶着溶接によって継手部の溶接を行うことのできる水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法に関する。

一般に、突き合わせ継手とは、溶接母材を突き合わせて継ぐ溶接のことをいい、鉄板を継ぐときに多用される。

図１は、従来の自動溶接時におけるルートパス後の溶接状態を示す図である。
図１において、Ｓ側図は断面図であり、Ｐ側図は部分断面斜視図である。以下の本発明の明細書及び図面において、Ｓは断面図を示し、Ｐは部分断面斜視図を示すものとする。

図１に示すように、このような突き合わせ溶接に際して、縦方向に向かい合う両溶接母材１ａ、１ｂを水平に突き合わせ溶接する場合、普通、上部及び下部の両溶接母材１（１ａ、１ｂ）が向かい合い、溶接継手部は開先（Ｂｅｖｅｌ）形状となる。なお、上部溶接母材１ａの開先面が上に傾くように形成され、下部溶接母材１ｂが平面において直角に開先された状態で溶接が行われる。

このような水平突き合わせ継手に対して自動装備を用いたフラックスコアードアーク溶接法を適用する場合、図１に示すように、上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂは、製作の度合いに応じて異なるギャップを有するように配置され、このようなギャップを埋め込んで溶接が行われる面の背面側に先にルートパス溶接（初層溶接）を行うことによってルート部２が形成される。また、ルート部２付き開先の内部に大溶着溶接を行う場合、低い溶銑(溶融銑鉄)の粘性及び溶銑に働く重力などの影響によって溶銑が溶接アークよりも先行されてアークが溶銑の上に形成されてしまう。このように溶銑の上に形成されたアークは母材を十分に溶入させ難いため、溶接金属の内部に融合不良及び鉱滓混入などの欠陥が頻繁に発生してしまう。

また、アーク力が低い場合には、上部主材である上部溶接母材が未溶接のマクロ断面５３（図１を参照すること）を形成してしまう。

前記アーク力とは、溶融池を押し付ける力のことをいい、一般に、電流の二乗と電圧の積に比例して増加する。アーク力が弱い場合、すなわち、低い電流及び低い電圧を使用する場合、アーク半径５１が小さくなって溶銑５２もまた小さく生成される。また、小さい溶銑５２を押す力も小さくなって、母材の底面に薄い溶入を形成し、上部溶接母材１ａの開先面まで溶銑が押し上げられないため溶接継手部の横断面の上に下部溶接母材１ｂにのみ溶接が形成されて上部溶接母材１ａは未溶接のマクロ断面５３を形成しながら溶接されてしまう。

さらに、通常の溶接チップ３０の先端部３１は外径が約８ｍｍと非常に厚いため、手狭い空間において棒を操作する場合、溶接チップ３０の先端部３１が開先面に接触してショートが頻繁に発生してしまう。図２は、このような従来の技術の溶接チップ３０を示す図である。

このため、開先の内部を溶接するために５〜７パス（Ｐａｓｓ）に亘ってできる限り細かく溶接している。また、開先の内部の溶接を終えた後に表面部の溶接を行う場合、やはり低い溶銑の粘性及び溶銑に働く重力などの影響によって、溶接ビードの垂れ現象が頻繁に発生するため、表面ビードは４〜５パスに亘ってできる限り細かく溶接している。

図３は、厚さ２３ｍｍの溶接母材を従来の技術の溶接装置を用いて多数のパスに亘って溶接した溶接部＃１〜＃６の断面図である。

従来の溶接方式の場合、厚さ１５ｍｍの母材に対しては８パスが求められ、厚さ２３ｍｍの母材に対して１０〜１５パスが求められる。このため、厚さ２３ｍｍの母材を従来の技術の溶接装置を用いて溶接する場合、上部溶接母材が溶接されていない面を有するマクロ断面５３（溶接断面におけるアラビア数字１、３、５、８、９の領域）が生成されて、多数のパス数に亘って溶接を行うことを余儀なくされる。

すなわち、従来の技術の場合には、溶接母材の厚さによって決定されるギャップに対するルートパス溶接（初層溶接）を行うことによってルート部２が形成され、ルート部２が形成された後に開先面の内部に対する大溶着溶接が行われるが、母材の厚さに応じて大溶着溶接を行う場合にも、＃１〜＃６の溶接部の断面から明らかなように、小さい溶着量をもって多数の多層パス（１０〜１５パス）に亘っての溶接を大なわざるを得ないため、パス数の節減を通じた生産量の向上には限界があるのが現状である。

上述した従来の問題を解消するために、本発明は、水平突き合わせ継手部の自動溶接に当たって、開先面に対する大溶着溶接を行うときにルート部が生成されながら大溶着溶接部位が形成されて、溶接断面の内部及び表面に欠陥の無い大溶着溶接が行えるようにし、これによって、溶接パス数が低減される水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法を提供する。

また、本発明は、溶接チップによる溶接方向に位置するように走行機構部に取り付けられて溶接進行の順方向に移動しながら溶銑の流下を防ぎ、装備が取り扱い易く、軽量化が図れる他、溶銑が下部に満たされるようにして表面ビードを完成させることのできる水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法を提供する。

本発明による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置は、溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して特定の方向に周期的に繰り返しウィービング搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられる銅当て金と、水平溶接継手開先の形状を考慮して溶接トーチの棒の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、走行機構部が多数の節点に沿ってウィービング走行するように搬送させ、節点と節点との間の移動区間における溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つを制御して開先面に対する大溶着溶接が行えるように構成される。

上記において、銅当て金は、溶接の進行方向にガスを噴射する順方向ガス噴射部を備えて、溶銑の表面流下を防ぐように構成される。

上記において、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧ及び溶接母材の厚さに応じて初期値が設定され、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧによって溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つがリアルタイムにて変更されるように制御される。

上記において、節点における停止時間は、欠陥のないビードの生成のための全体の停止時間がＴ１である場合、開先面の内部に対する溶接を行う背面ビードＢ側節点、背面ビードＢと表面ビードＦとの間の節点の各々の停止時間は±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、表面ビードＦ側節点における停止時間は±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有する。

上記において、ワイヤー供給速度は、背面ビードＢを設定する節点における初期値はギャップＧによって設定され、前記背面ビードＢと表面ビードＦを形成する節点との間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して初期値よりも増加するように算出される。

上記において、制御部は、電流検出センサーまたは電圧検出センサーの電流値及び電圧値のうちの少なくとも一方を用いて単位体積当たりに所定の溶着量を維持するように溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つを制御する。

上記において、順方向ガスが噴射される銅当て金の一つの面には、流線状に凹設される凹溝が形成され、前記凹溝は上下方向に非対称状を呈するとともに、凹溝の下部に溶銑が満たされるように収容溝がさらに形成される。

上記において、銅当て金は、母材の表面に密着される板状を呈し、母材の表面と密着される面に母材の開先面を上下方向に覆う凹溝が凹設され、前記凹溝は走行機構部の搬送方向に延設され、前記凹溝の下部に形成される収容溝は溶銑を収容するように凹溝に段差状に凹設される。

上記において、走行機構部の走行軸部に組み付けられる銅当て金ｘ軸スライドアセンブリーと、前記銅当て金ｘ軸スライドアセンブリーに連結されて垂直方向に摺動されるｚ軸スライドアセンブリーと、を備え、前記銅当て金は、銅当て金ｚ軸スライドアセンブリーに連結されて、走行機構部の搬送方向と、母材の垂直方向及び母材に対して密着方向に移動される。

本発明による水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して特定の方向に周期的に繰り返しウィービング搬送させる走行機構部と、溶接チップを備えて前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられる銅当て金と、水平溶接継手開先の形状を考慮して溶接トーチの棒の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、前記銅当て金は、溶接の進行方向に移動しながら溶銑の表面流下を防ぐように構成されるものであって、前記制御部が節点と節点との間の移動区間における溶接電流または溶接電圧を算出する溶接電流または溶接電圧算出過程と、前記制御部が各々の節点における停止時間または走行速度を算出する停止時間または走行速度算出過程と、前記溶接電流または溶接電圧算出過程において算出された各節点及び節点間の移動区間別の溶接電流、溶接電圧及び停止時間または走行速度算出過程において算出された節点別の停止時間または走行速度に応じて、制御部が溶接器及び走行機構部を制御することによってルートパス溶接を行うことなく開先面に対する大溶着溶接を行う大溶着溶接過程と、を含んでなる。

上記において、前記溶接電流または溶接電圧算出過程において算出される溶接電流及び溶接電圧は、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧ及び溶接母材の厚さに応じて初期値が設定され、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧによって溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つがリアルタイムにて変更されるように制御される。

上記において、前記停止時間または走行速度算出過程において算出される各々の節点における停止時間は、欠陥のないビードの生成のための全体の停止時間がＴ１である場合、開先面の内部に対する溶接を行う背面ビードＢ側節点、背面ビードＢと表面ビードＦとの間の節点の各々の停止時間は±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、表面ビードＦ側節点における停止時間は±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有する。

上記において、各々の節点と各々の節点との間の移動中に溶接のための適量のワイヤーを供給するためのワイヤー供給速度を算出するワイヤー供給速度設定過程をさらに含み、前記ワイヤー供給速度設定過程において算出されるワイヤー供給速度は、上部溶接母材と下部溶接母材との間の背面ビードＢを設定する節点における初期値は、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧによって設定され、背面ビードＢと表面ビードＦを形成する節点との間に位置する節点においては、開先面の断面の垂直幅に比例して初期値よりも増加するように算出される。

本発明による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法は、母材の厚さとは無関係に、１パス又は２パスの大溶着溶接を用いて水平突き合わせ溶接を終えることができて、水平突き合わせ継手溶接のパス数が顕著に低減され、これによって、溶接作業の速度が大幅に向上する。

また、本発明は、ウィービング走行や斜め走行による溶接を行うときに、開先面の断面幅に比例して電圧、電流、ワイヤー供給速度及び停止時間を制御することによって、溶接断面の内部及び表面に欠陥の無い大溶着溶接が行われるので、溶接品質が大幅に向上する。

さらに、本発明は、銅当て金に溶接方向の順方向に溶銑にガスを噴射することによって、溶銑の流下を防ぎ、逆方向のガス噴射構造に比べて装備が取り扱い易く、軽量化が図れる他、銅当て金の表面に非対称状の下部溝を形成することによって溶銑が下部に満たされるようにして表面ビードを完成させることができるという効果がある。

図１は、従来の自動溶接時におけるルートパス後の溶接状態を示す図である。 図２は、従来の溶接チップを示すものである。 図３は、従来の溶接装置による溶接部の断面図である。 図４は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置の分解斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置の平面図である。 図６は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置の右側面図である。 図７は、本発明の一実施形態による銅当て金の斜視図である。 図８は、従来の銅当て金を示す側断面図である。 図９は、本発明の一実施形態による銅当て金を示す側断面図である。 図１０は、本発明の一実施形態による溶接トーチの断面図である。 図１１は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置の概略的な構成を示すブロック図である。 図１２は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接方法を示す手順図である。 図１３は、本発明の一実施形態による特殊ウィービングパターンのための制御部の移動制御状態を示すものである。 図１４は、本発明の一実施形態による特殊ウィービングパターンの各節点における溶接条件を示すグラフである。 図１５は、本発明の一実施形態による直交ウィービング軸部によるウィービング運動を示すものである。 図１６は、本発明の一実施形態による走行方向の溶接運動及びワイヤーを示すものである。 図１７は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置による溶接部の断面図である。 図１８は、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置による溶接部の断面図である。

以下、添付図面に基づき、水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法の技術的構成について詳細に説明する。

図４から図１８を参照すると、本発明の一実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００は、溶接チップ３２を上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂの開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部９と、溶接チップ３２を備えて走行機構部９に取り付けられる溶接トーチ８と、溶接チップ３２による溶接方向に位置するように走行機構部９に取り付けられる銅当て金４と、上部溶接母材１ａに溶接面が形成されないマクロ断面５３が形成されない所定の溶着量を維持するように水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部６０と、溶接状態を表示する表示部６３と、溶接パラメータを設定する設定部６４及び溶接トーチ８に溶接電圧、電流を供給する溶接器６８を備える。

以下の説明において、図４の「垂直及び上下方向」はｘ軸方向であり、「走行機構部の摺動搬送方向」はｙ軸方向であり、「溶接面を向く方向」はｚ軸方向である。説明の便宜のために、各方向をｘ−ｙ−ｚ方向と表示する。

走行機構部９は、ガイドレールＲに沿って摺動可能なように連結される走行軸部４０を備える。走行軸部４０は、溶接トーチ８及び銅当て金４をｙ軸方向に搬送させるキャリアとして働く。走行軸部４０には、溶接トーチ８をｘ軸方向に駆動するためのトーチｘ軸スライドアセンブリー９１が組み付けられる。トーチｘ軸スライドアセンブリー９１には、溶接トーチ８をｙ軸方向に駆動するためのトーチｙ軸スライドアセンブリー８８が組み付けられ、トーチｙ軸スライドアセンブリー８８には、溶接トーチ８をｚ軸方向に駆動するためのトーチｚ軸スライドアセンブリー８９が組み付けられる。

また、トーチｙ軸スライドアセンブリー８９には直交ウィービング軸部４１が組み付けられ、直交ウィービング軸部４１にウォームスライドアセンブリー８７が組み付けられる。ウォームスライドアセンブリー８７は、直交ウィービング軸部４１に連結されてｙ軸及びｚ軸方向に摺動される。ウォームスライドアセンブリー８７にはアングルスライドアセンブリー８６が連結され、ウォームスライドアセンブリー８７は回転方向を切り換えて図６に示すアングル軸８６５を中心としてアングルスライドアセンブリー８６を回転させる。アングルスライドアセンブリー８６の内部に設けられるバネをハンドルで調節することにより、ｘ軸及びｙ軸方向への摺動が行われる。アングルスライドアセンブリー８６には、溶接トーチ８が組み付けられる。なお、走行軸部４０には、センサー部６１と、コントロールボックス８５が取り付けられる。

銅当て金４は、走行機構部９に取り付けられるものであり、さらに詳しくは、銅当て金駆動アセンブリ８０が走行機構部９の走行軸部４０に組み付けられ、銅当て金４が銅当て金駆動アセンブリ８０に連結される。銅当て金駆動アセンブリ８０は、大きく、銅当て金ｘ軸スライドアセンブリー８３と、銅当て金ｚ軸スライドアセンブリー８４と、により構成される。銅当て金ｘ軸スライドアセンブリー８３は、走行軸部４０に取設されてガイドレールＲに沿って一緒にｙ軸方向に摺動され、銅当て金４をｘ軸方向に摺動させる。銅当て金ｚ軸スライドアセンブリー８４は、銅当て金ｘ軸スライドアセンブリー８３に連結されてｘ軸方向に摺動可能である。銅当て金４は、銅当て金ｚ軸スライドアセンブリー８４に連結される。要するに、銅当て金４は、ガイドレールＲに沿ってｙ軸方向に搬送されるとともに、ｘ軸方向に摺動可能であり、母材方向に密着されるようにｚ軸方向に移動可能である。

銅当て金４は、冷却水を流動させて溶接に当たって溶融金属及びスラグが流出されないようにする機能をする。すなわち、銅当て金４は、溶着量が増えても溶銑が表面に流下しないようにすることにより、大溶着溶接が行えるので、自動溶接に当たって少ない数のパスで溶接を終えて溶接欠陥が防がれ、溶接品質が向上し、作業時間が短縮される。銅当て金４には、前方ガス注入部２１と、溶接の進行方向に順方向ガスを噴射するガス吐出口２１ａと、が形成される。銅当て金４は、溶接の進行方向に保護ガスを噴射するように溶接装置１００に取り付けられ、溶接される上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂが接触される個所に密着されて溶銑の内部に溶接部の機械的な性質を低下させる外部空気が流入することを防ぐ。溶接トーチ８の先端に配設される溶接チップは外径が８ｍｍ以下の値を有し、好ましくは、５ｍｍ以下に形成する。前記溶接チップの外周面に形成されるセラミックなどの絶縁コーティング層３３を備える。溶接トーチ８は外径が小さく、表面に絶縁コーティング層３３が形成されて溶接チップが小さいので開先の内部における円滑な棒の操作が可能になる他、溶接チップ３２及び開先面が接触しても絶縁コーティング層３３によってショートの発生が防がれて連続的に溶接可能になる。

上述したように、走行機構部９は、ガイドレールＲ上に沿って溶接装置１００を移動させる走行軸部４０と、溶接トーチ８をガイドレールＲの垂直方向である溶接開先面の垂直方向に搬送させるウィービング運動を行う直交ウィービング軸部４１と、溶接電流及び溶接電圧を検出するセンサー部６１と、を備える。前記走行軸部４０には走行モーター駆動部６５が配設され、直交ウィービング軸部４１にはウィービングモーター駆動部６６が配設される。また、センサー部６１には、溶接電流を検出する溶接電流検出センサー６１ａと、溶接電圧を検出する溶接電圧検出センサー６１ｂと、が配設される。

また、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂによって受信された検出値に基づいて、制御部６０から送信される溶接条件制御信号を受信して溶接器６８の溶接電流及び溶接電圧を制御する溶接条件制御部６９が配設される。

制御部６０は、前記制御部６０が開先面の各位置別に溶接トーチ８において生成されるアークの電圧、電流、走行軸部の移動、停止時間、ワイヤー供給速度を制御することによって特殊ウィービングパターン７を有する大溶着溶接を行って、両母材１（１ａ、１ｂ）の間に形成されるギャップに対するルート部を形成するルートパス溶接（初層溶接）を別途に行うことなく、１次パス溶接によってルートパスを含んで全体の開先面積の５０％以上、好ましくは、８０％以上の溶接を行うことができる。

このような１次パス溶接における大溶着溶接を可能にする制御を行うとともに、制御部６０は、付加的に、様々なギャップの変化に対応して変動されるワイヤー突出長さ１２の変化に起因するワイヤーの抵抗差によって発生する出力溶接電流及び電圧の変動を溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂを用いて検出して表示部６３に表示する。また、制御部６０は、走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６を制御して溶接装置１００の実際の走行速度１３を変更して単位体積当たりに所定の溶着量を維持するようにする。

この場合、設定部６４を介してアークのセンシングを通じた実際の走行速度の変更有無を選択することができる。所定の溶接条件（電流、電圧、溶接速度）下において溶接を行う場合において、ギャップが大きくなると、すなわち、開先の単位体積が増加すると、所定の溶接条件による溶着量が増加した開先単位体積を十分に満たさないため、溶接アーク形成地点から溶接チップの先端までの距離、すなわち、ワイヤー突出長さ１２が長くなる。これによって、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂに入力される出力電流及び電圧の値が−ΔＡ、−ΔＶに見合う分だけ低くなる。制御部６０は、走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６を調節して走行機構部９の走行速度を落として単位体積当たりの溶着量を増加させる効果を有するためワイヤー突出長さ１２は再び短くなり、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂに入力される出力電流及び電圧の値が再び＋ΔＡ、＋ΔＶに見合う分だけ増加して単位体積当たりに所定の溶着量が維持される。

特に、前記銅当て金４は、溶接の進行方向にガスを噴射する順方向ガス噴射部を備える。すなわち、銅当て金４には、前方ガス注入部２１及び溶接の進行方向に順方向ガスを噴射するガス吐出口２１ａが形成されて、溶接の進行方向に移動しながら順方向にガスを噴射することによって、溶銑の表面流下を防ぐように構成される。

このような構造は、逆方向ガスを噴射する構造と比較するとき、逆方向ガスを噴射する構造は、３本のガス連結ラインを必要とするため、装備を取り扱い難く、重量が増えるのに対し、順方向ガス噴射構造は、１本のガス連結ラインのみを必要とするため、装備が取り扱い易く、軽量化が図れる。

図５を参照すると、前記銅当て金４には、冷却水を流入させるための冷却水流入口４０１と、冷却水を排出するための冷却水排出口４０２と、が形成される。また、順方向ガスが噴射される銅当て金４の一つの面には、流線状に凹溝２１５が凹設される。凹溝２１５が凹設された銅当て金４の一つの面は、母材の表面に密着される。前記凹溝２１５は上下方向に非対称状を呈し、凹溝２１５の下部に溶銑が満たされるように収容溝２１７をさらに備える。すなわち、図９に示すように、凹溝２１５は、下部に段差状に凹設された収容溝２１７を形成して上下方向に非対称状を呈する。

さらに詳しくは、銅当て金４は、母材の表面に密着されるように略四角板状を呈し、母材の表面と向かい合う面に母材の開先面を上下方向に覆うように凹溝２１５が凹設される。凹溝２１５の下部には、段差状を呈して溶銑を収容する収容溝２１７が凹溝２１５からさらに凹んでいる。凹溝２１５には、ガス吐出口２１ａが形成される。凹溝２１５は、走行機構部の搬送方向に延設される。

このような構造は、図８に示す従来の銅当て金３００に形成された凹溝３０１の構造と比較するとき、図８の構造は表面ビードが完成されていないのに対し、図９の構造は収容溝２１７に溶銑が満たされて表面ビードを満足のいくレベルに完成することができる。

一方、本発明の実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０を有する走行機構部９と、銅当て金４と、溶接トーチ８及び制御部６０を備える水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００を用いて、底面に開先が形成された上部溶接母材１ａと、開先が形成されていない下部溶接母材１ｂに対して初層溶接を行うことなく水平突き合わせ継手溶接を行う。

本発明の実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、制御部６０が２つの母材１の厚さなどに応じて決定される両母材間のギャップＧを基準として、ウィービング走行溶接及び斜め走行溶接を行う経路を分割する多数の節点を形成して、各々の節点において停止時間を有して停止溶接を行う特殊ウィービングパターン溶接の多数の節点（第１の節点Ｐ１〜第５の節点Ｐ５）のうち、背面ビードＢの形成位置において溶接を行う２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）における初期値としての溶接電圧、溶接電流、表面ビードＦの形成位置の節点（第３の節点Ｐ３）と、２つの背面ビードＢの形成位置の節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）の各々と表面ビードＦの形成位置の節点（第３の節点）との間の多数の分割された節点（第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４）における前記初期値に対する関係から溶接電圧、溶接電流値を算出して前記溶接器６８に転送する溶接電流または溶接電圧算出過程と、制御部６０が両母材１ａ、１ｂ間のギャップＧを基準として、各々の第１の節点Ｐ１〜第５の節点Ｐ５における停止時間を算出する停止時間算出過程と、各節点における停止時間と、前記各節点及び節点の間において算出された溶接電流、溶接電圧を用いて前記特殊ウィービングパターンによる大溶着溶接を行う大溶着溶接過程と、を含む。

前記溶接電流または溶接電圧算出過程において算出される溶接電流及び溶接電圧は、ギャップＧの幅に応じて初期値が設定され、背面ビードＢを形成する２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）において表面ビードＦを形成する節点（第３の節点Ｐ３）の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように可変となる。

また、停止時間算出過程において算出される各々の節点における停止時間は、背面ビードＢの形成のための２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビードＢの形成のための２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）の各々と、前記表面ビードＦの形成のための節点との間の各々の節点における停止時間Ｔ２及びＴ４は、約±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、前記表面ビードＦとなる節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有する。

さらに、前記水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、各々の節点と各々の節点との間の移動中に前記溶接のための適正量のワイヤーを供給するためのワイヤー供給速度を算出するワイヤー供給速度設定過程をさらに含む。

ワイヤー供給速度設定過程において算出されるワイヤー供給速度は、背面ビードＢを設定する節点における初期値はギャップＧによって設定され、背面ビードＢ及び表面ビードＦを形成する節点の間に位置する節点においては、開先面の断面の垂直幅に比例して初期値よりも増加するように算出される。

大溶着溶接過程は、溶接進行面の反対面において上部溶接母材と下部溶接母材との間の段差を合わせるルートパス溶接（初層溶接）を行うことなく、溶接進行面の開先の内部において１次パスの大溶着溶接を直接的に行う。

すなわち、前記大溶着溶接過程においては、各節点ごとに異なる停止時間、電圧、電流、ワイヤー供給速度を有するように溶接が制御され、節点間の移動速度はギャップＧの幅に応じて可変となる値を有するように制御される。

各々の節点又は溶接部における溶接条件の充足有無は、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂにおいて検出された溶接電流及び溶接電圧によって判断される。

また、各々の節点における停止時間及び節点間の移動は、走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６によって行われる。

さらに、各々の溶接電流と、溶接電圧及びワイヤー供給速度は、制御部６０が溶接器６８を制御することによって制御される。

特殊ウィービングパターン７は、溶接装置１００の内部に配設される直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０間の組み合わせによって形成される。

特殊ウィービングパターン７は、第１のルート部である第１の節点Ｐ１→第１のミドル部である第２の節点Ｐ２→表面部である第３の節点Ｐ３の区間においては直交ウィービング軸部４１のみがＹ軸方向に移動するウィービング走行（Ｗｅａｖｉｎｇ）と、表面部である第３の節点Ｐ３→第２のミドル部である第４の節点Ｐ４→第２のルート部である第５の節点Ｐ５の区間においては直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０が同時に作動して斜め方向に棒を操作する斜め走行（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ）を含む。

また、各々の節点において所定の溶着量の生成のために止まる停止時間Ｔ、各々の節点の間における搬送速度Ｓは、母材の厚さに応じて決定されるギャップＧの幅に比例する所定の速度値を有し、溶接電流及び溶接電圧は、背面ビードＢを形成する第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５において最小値を有し、表面ビードＦを形成する第３の節点Ｐ３において最大値を有する。さらに、背面ビードＢを形成する第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５の各々と、表面ビードＦを形成する第３の節点Ｐ３との間に位置する節点は、開先面断面の幅に比例する大きさを有するように設定される。

前記特殊ウィービングパターン７による水平突き合わせ継手大溶着溶接を行うために、上部溶接母材１ａの底面に斜面を形成することによって、下部溶接母材１ｂ及び上部溶接母材１ａ間の溶接部位としての開先が形成される。

２３ｍｍの厚さを有する２つの鉄板母材に対する、５個の節点Ｐ１〜Ｐ５を有する特殊ウィービングパターン７を用いた水平突き合わせ継手の溶接における各節点別の溶接条件制御の例について説明すれば、下記の通りである。

背面ビードＢが形成される第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５においては、予熱のために１秒の停止時間を有する。また、開先面の内部に対する溶接を行う第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４においては０．２秒の停止時間を有し、表面ビードＦとなる第３の節点Ｐ３においては予熱及び大容量の溶銑の形成のために約０．８秒の停止時間を有する。

また、第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５の溶接電流ＩＲ及び溶接電圧ＶＲの各々は、約±１０％の誤差範囲において２６３Ａ及び３１．２Ｖ、第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４の溶接電流ＩＭ及び溶接電圧ＶＭの各々は、約±１０％の誤差範囲において３５９Ａ及び３３．２Ｖ、第３の節点Ｐ３の溶接電流ＩＦ及び溶接電圧ＶＦの各々は、約±１０％の誤差範囲において４２１Ａ及び３５．７Ｖを有するように制御される。

さらに、各々の節点Ｐ１〜Ｐ５間の移動速度は２ｃｍ／ｓｅｃに一定に維持され、これは、ギャップＧ又は開先面の幅に比例して所定の速度値を有するように増加する。

また、前記各々の節点Ｐ１〜Ｐ５の間におけるワイヤー供給速度において、第１の節点Ｐ１と第２の節点Ｐ２との間のワイヤー供給速度ＷＲは、約±１０％の誤差範囲において１０２８ｃｍ／ｍｉｎ、第２の節点Ｐ２と第３の節点Ｐ３との間のワイヤー供給速度ＷＭは、約±１０％の誤差範囲において１７２７ｃｍ／ｍｉｎ、第３の節点Ｐ３と第４の節点Ｐ４との間のワイヤー供給速度ＷＦは、約±１０の誤差範囲において２１３９ｃｍ／ｍｉｎ、さらに、第４の節点Ｐ４と第５の節点Ｐ５との間のワイヤー供給速度ＷＭは、約±１０％の誤差範囲において１７２７ｃｍ／ｍｉｎを有する。

さらに、キャリッジ走行速度は、第１の節点Ｐ１から第５の節点Ｐ５まで平均約１０．６ｃｍ／ｍｉｎである。

上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂを母材１ａ、１ｂの厚さに応じた幅を有するギャップＧを形成するように配置した後、形成されたギャップＧを基準として、溶接電流または溶接電圧算出過程（Ｓ１０）、停止時間算出過程（Ｓ２０）及びワイヤー供給速度算出過程（Ｓ３０）を行うことによって、特殊ウィービングパターン７の各溶接部位における溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行機構部の停止時間などが算出された後に大溶着溶接過程（Ｓ１００）が行われる。

前記大溶着溶接過程においては、背面ビードＢを形成する節点（第１の節点Ｐ１及び第２の節点Ｐ５）における停止時間が最も長くなって、大容量の溶銑が形成されることによって、ルートパス溶接を行わなくても欠陥の無い良好な品質の背面ビードＢが形成される。

水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００に図１０の溶接方法を適用して水平突き合わせ継手溶接を行えば、第１の節点乃至第５の節点Ｐ１〜Ｐ５において各々停止時間を有することによって大きな溶銑５６が形成される。このとき、供給される溶接電流及び溶接電圧は、溶接の対象となる上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂの厚さに応じて、溶接電流または溶接電圧算出過程によって算出される。溶接電流または溶接電圧算出過程（Ｓ１０）において、溶接電流及び溶接電圧が算出されれば、各節点間の移動速度もまた算出される。

このような特殊ウィービングパターン７の遂行は、本発明の溶接トーチ８における溶接チップ３２の直径を最小化させ、外周面に絶縁コーティング層３３を形成することによって溶接チップの棒の操作が自由になり、上部溶接母材１ａ又は下部溶接母材１ｂと溶接チップ３２が接触する場合にも、絶縁によってアークの発生が停止しないので可能になる。すなわち、前記特殊ウィービングパターン７の遂行は、本発明の溶接トーチ８を適用しない場合に溶接チップ３２のウィービングが難しく、未絶縁の溶接チップ３２が上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂと接触する場合にアークの発生が停止して容易に行われない。

次いで、このような溶接過程が行われながら、制御部６０の制御及び銅当て金４によって溶銑５６にガスが噴射される。前記銅当て金４は、制御部６０が溶接電流、溶接電圧、直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０の走行制御情報を用いて生成した溶銑の量を考慮して溶接の進行方向の順方向に噴射する。

溶銑５６が形成された後には、停止時間算出過程によって算出された停止時間及び節点間の移動速度に応じて直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０の移動方向、速度、停止時間を制御し、各々溶接位置における溶接電流及び電圧に応じてアークを発生することによって、上部溶接母材１ａと下部溶接溶接母材１ｂとの間に特殊ウィービングパターン７による溶接が行われる。

すなわち、本発明の特殊ウィービングパターン７の溶接条件制御を行う水平突き合わせ継手大溶着溶接方法を用いて２つの母材に対して水平突き合わせ継手溶接を行う場合、前記溶接電流、溶接電圧、停止時間、ワイヤー供給速度、走行速度などは、１パスの溶接によって、溶接部位に対する５０％〜１００％の溶接が行われるように算出される。このため、本発明は、水平突き合わせ継手溶接を行うに当たって、ルートパス溶接（初層溶接）を行うことなく開先面の内部における１次パス溶接である初期大溶着溶接を行うことによって、図１７及び図１８に示すように、本発明は、一回の溶接によって良好な品質を有する背面ビードＢ及び表面ビードＦを有する５０％〜１００％の大溶着溶接を行うことができる。これによって、残りの５０％〜０％の部分に対する溶接のみを行えばよいので、水平突き合わせ継手溶接を１パス又は２パスにて行うことができて、水平突き合わせ継手溶接のパス数を大幅に低減することができる。

以上、本発明による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及び方法について図示の実施形態を参照して説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当業者であれば誰でもこれより種々の変形及び均等な他の実施形態が実施可能であるということが理解できる筈である。よって、真の技術的な保護範囲は、添付の特許請求の技術的思想によって定められるべきである。

Claims (8)

1. 溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して特定の方向に周期的に繰り返しウィービング搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられる銅当て金と、水平溶接継手開先の形状を考慮して溶接トーチの棒の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   走行機構部が多数の節点に沿ってウィービング走行するように搬送させ、節点と節点との間の移動区間における溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つを制御して開先面に対する大溶着溶接が行えるように構成され、
   前記銅当て金は、溶接の進行方向にガスを噴射する順方向ガス噴射部を備えて、溶銑の表面流下を防ぐように構成されることを特徴とする水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
2. 上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップ（Ｇ）及び溶接母材の厚さに応じて初期値が設定され、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップ（Ｇ）によって溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つがリアルタイムにて変更されるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
3. 前記節点における停止時間は、
   欠陥のないビードの生成のための全体の停止時間がＴ１である場合、
   開先面の内部に対する溶接を行う背面ビード（Ｂ）側節点、背面ビード（Ｂ）と表面ビード（Ｆ）との間の節点の各々の停止時間は±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、表面ビード（Ｆ）側節点における停止時間は±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有することを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
4. 前記ワイヤー供給速度は、
   背面ビード（Ｂ）を設定する節点における初期値はギャップ（Ｇ）によって設定され、前記背面ビード（Ｂ）と表面ビード（Ｆ）を形成する節点との間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して初期値よりも増加するように算出されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
5. 前記制御部は、
   電流検出センサーまたは電圧検出センサーの電流値及び電圧値のうちの少なくとも一方を用いて単位体積当たりに所定の溶着量を維持するように溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行速度、節点における停止時間、ウィービング速度、ウィービング幅のうちの少なくとも一つを制御することを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
6. 前記銅当て金の一つの面には、流線状に凹設される凹溝が形成され、前記凹溝は上下方向に非対称状を呈するとともに、凹溝の下部に溶銑が満たされるように収容溝がさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
7. 前記銅当て金は、母材の表面に密着される板状を呈し、母材の表面と密着される面に母材の開先面を上下方向に覆う凹溝が凹設され、前記凹溝は走行機構部の搬送方向に延設され、前記凹溝の下部に形成される収容溝は溶銑を収容するように凹溝に段差状に凹設されることを特徴とする請求項６に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
8. 走行機構部の走行軸部に組み付けられる銅当て金ｘ軸スライドアセンブリーと、
   前記銅当て金ｘ軸スライドアセンブリーに連結されて垂直方向に摺動されるｚ軸スライドアセンブリーと、
   を備え、
   前記銅当て金は、銅当て金ｚ軸スライドアセンブリーに連結されて、走行機構部の搬送方向と、母材の垂直方向及び母材に対して密着方向に移動されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。