JP6315672B2 - 肉盛溶接システム - Google Patents

Description

本発明は、金属製の管の外周に肉盛溶接を行うための肉盛溶接システムに関し、より詳細には、肉盛溶接システムにおける倣い技術に関する。

従来、金属製の管に所望の表面特性（耐食性や耐摩耗性など）を備えたり、管の強度を高めたりするために、管の外周又は内周に肉盛を溶接することが行われている。このように管の外周に肉盛溶接を行うための装置が、例えば、特許文献１に示されている。

特許文献１に記載の肉盛溶接システムは、管を保持し回転させる管ホルダと、肉盛材料を予熱し管に隣接させて保持する予熱ホルダと、溶接トーチ（ＧＴＡＷ（ガスシールドタングステンアーク溶接）トーチ）を先端に備えた溶接ロボットと、溶接ロボットを管の長手方向に沿って走行させる走行装置とを備えている。溶接トーチは管の頂部から20−35°の位置に配置されている。この肉盛溶接システムを用いて、管を回転させながら、溶接トーチと母材（管）の間で生じるアーク熱で溶加材と母材とを溶融させることにより、母材表面に螺旋状の肉盛溶接ビードが形成される。溶接中、溶接トーチは管の長手方向に揺動され、溶接トーチの高さ位置はＡＶＣ（an arc voltage control）装置により適切なアーク長となるように制御されている。また、溶接中の母材の温度を制御するために、管内に水が導通される。

米国特許公報ＵＳ６，７８１，０８３Ｂ１

長尺の管のおよそ全長に亘って肉盛溶接を行う際に、肉盛溶接が進行するうちに、管への入熱により管に歪みが生じる。この歪みを補正せずに肉盛溶接を継続すると、溶接トーチに対する管の相対的位置が水平方向及び／又は鉛直方向に変位する。この変位量は、管の偏心の影響を受けて鉛直方向及び／又は水平方向へ数cm以上に達することがある。適切な肉盛品質を維持するためには、溶接トーチに対する管の相対的位置の変位を補正することが望ましい。ところが、特許文献１に記載の肉盛溶接システムでは、ＡＶＣ装置によって、溶接トーチが管の変位の一軸方向（鉛直方向）成分にのみ倣って変位する。つまり、溶接トーチは、管の変位の水平方向成分には倣わない。そのため、管の歪みが或る量を超えると健全な溶接ができず、溶接品質が低下するおそれがある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、円管状のワークの変形に対し、溶接トーチを２軸方向で倣わせることにより、溶接品質を確保することにある。

本発明に係る肉盛溶接システムは、円筒管状のワークの外周面に肉盛溶接を行う肉盛溶接システムであって、
前記ワークの軸心方向が第１方向となるように当該ワークを保持するとともに、前記ワークを周方向に回転駆動するワーク治具と、
前記ワーク治具に保持された前記ワークに沿って前記第１方向へ移動する台車と、
前記第１方向と直交する第２方向と前記第１方向及び第２方向に直交する第３方向とへ前記台車に対して相対的に変位可能に前記台車に支持された溶接ベースと、
前記第１方向と平行な回転軸を有する少なくとも一対のローラであって、当該一対のローラの回転軸同士が前記第２方向へ離間し且つ各ローラが前記ワークの外周面に圧接されて前記溶接ベースと前記ワークとの距離を一定に保つように、前記溶接ベースに支承された少なくとも一対のローラと、
前記溶接ベースに支持された溶接トーチであって、当該溶接トーチの先端の前記第２方向の位置が前記一対のローラの回転軸同士の間に位置する溶接トーチとを、備えているものである。

上記構成の肉盛溶接システムでは、ワークの一対のローラとの接触部分において、ワークに対する一対のローラの相対的位置は一定に保持される。したがって、ワークの一対のローラとの接触部分において、ワークが第２方向及び第３方向のうち少なくとも一方向に変位（変形）したときに、ワークの変位に追従して一対のローラが設けられた溶接ベースが移動する。溶接ベースの移動に伴い、溶接ベースに支持された溶接トーチも移動する。つまり、溶接トーチは、溶接トーチに対する管の相対位置の変位に対し２軸方向（即ち、第２方向と第３方向）で倣うことができる。このようにして、溶接トーチの先端と母材との距離が一定に維持されるので、ワークに施される肉盛溶接が均一となり高い溶接品質を確保することができる。

上記肉盛溶接システムにおいて、前記溶接ベースが前記ワークの鉛直上方に配置されており、前記一対のローラが重力により前記ワークの外周面に圧接されていることが望ましい。

上記構成によれば、一対のローラをワークに圧接させるための荷重を付与する手段としての機能の少なくとも一部を溶接ベースが担うことができるので、システムの構成を簡易とすることができる。

上記肉盛溶接システムが、前記台車と前記溶接ベースとの間に、前記台車に対して前記溶接ベースを水平方向に変位可能とする水平方向移動機構と、前記台車に対して前記溶接ベースを鉛直方向に変位可能とする鉛直方向移動機構とを備えており、前記鉛直方向移動機構が弾性部材を有していることが望ましい。

上記構成によれば、溶接ベースに作用する荷重を前記弾性部材で支持することができ、さらに、溶接ベースが鉛直方向へ移動したときにその移動のエネルギーを吸収するダンパとしての機能を台車と溶接ベースとの間に備えることができる。

上記肉盛溶接システムが、前記溶接トーチの先端及びその周囲を覆うシールドボックスと、前記シールドボックスへシールドガスを供給するシールドガス源とを更に備えていることが望ましい。

上記構成によれば、シールドボックスの内部はシールドガス雰囲気となるため、ワークの表面に高品質な肉盛層を形成することができる。

上記肉盛溶接システムにおいて、前記溶接トーチは非消耗電極を有し、前記溶接トーチを保持するトーチ治具と、前記トーチ治具を支持し、当該トーチ治具を前記溶接ベースに対して前記第３方向へ移動させることにより、前記非消耗電極から母材までのアーク長を一定に保持するように構成されたＡＶＣユニットとを、更に備えていることが望ましい。

上記構成によれば、ＡＶＣユニットの作用により、より高い精度で溶接トーチを倣わせることができる。

上記肉盛溶接システムにおいて、前記一対のローラは、当該一対のローラの回転軸間の前記第２方向の距離を変更できるように前記溶接ベースに取り付けられていることが望ましい。

上記構成によれば、ワークの外径の固体差、及び、肉盛溶接前後のワークの外径の差異に応じて一対のローラの回転軸間の第２方向の距離を変更することによって、溶接ベースを適切な姿勢に保持することができる。

上記肉盛溶接システムにおいて、前記一対のローラが、前記溶接トーチの前記第１方向の両側に配置された第１ローラ対及び第２ローラ対とを備えており、前記第１ローラ対は肉盛溶接前の前記ワークの外周面に圧接されており、前記第２ローラ対は肉盛溶接後の前記ワークの外周面に圧接されていることが望ましい。

上記構成によれば、ワークに対する溶接トーチの進行方向両側にローラ対が配置されているので、溶接トーチのワークの変形に倣う動きが安定する。

本発明によれば、円管形状のワークの変形に対し、溶接トーチがワークの軸心方向と直交する第２方向と軸心方向及び第２方向と直交する第３方向との２軸方向へ倣うように、溶接トーチを移動させることができる。よって、溶接トーチの先端と母材との距離が一定に維持されるので、ワークに施される肉盛溶接が均一となり高い溶接品質を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る肉盛溶接システムの全体的な構成を示す図である。 図１におけるII−II矢視端面図である。 図１におけるIII−III矢視端面断面図である。 溶接装置をＸ軸方向から見た図である。 溶接装置をＹ軸方向から見た図である。 溶接装置をＺ軸方向から見た図である。 溶接ユニットの概略構成と肉盛溶接システムの制御構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に示す本実施形態に係る肉盛溶接システム１は、円管状のワーク２の外周面に肉盛材料２１を溶接するためのシステムである。肉盛溶接がなされたワーク２、つまり、肉盛溶接品の外周面は、螺旋状に密に巻き付けられた肉盛材料２１からなる肉盛層で覆われている。本実施形態に係るワーク２は、例えば鋼管などの、金属材料からなる円管である。肉盛材料２１は、肉盛溶接品が備える所望の表面特性に応じて選択される金属材料、又は、肉盛溶接品に所望の強度を備えるために選択される金属材料である。

肉盛溶接システム１は、概して、ワーク治具３と、溶接装置５と、走行装置６とを備えている。ワーク治具３は、ワーク２を当該ワーク２の軸心Ｃが延びる方向、即ち、軸心方向（長手方向ともいう）が水平方向となるように保持するとともに、ワーク２を周方向に回転させる機能を有している。走行装置６は、ワーク治具３に保持されたワーク２に沿って軸心方向へ移動する台車６２を備えている。溶接装置５は、台車６２に対して水平方向及び鉛直方向に相対的に変位可能に支持された溶接ベース５１、溶接ベース５１に支承された少なくとも一対のローラ５８、溶接ベース５１に支持された溶接トーチ８１を含む溶接ユニット８などを備えている。この明細書では、ワーク治具３に保持されたワーク２の軸心方向（第１方向）を「Ｘ軸方向」といい、鉛直方向（第３方向）を「Ｚ軸方向」といい、Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する水平な方向（第２方向）を「Ｙ軸方向」という。以下、肉盛溶接システム１の各構成要素について詳細に説明する。

まず、ワーク治具３について説明する。ワーク治具３は、Ｘ軸方向に延びるレール６１と、レール６１上でＸ軸方向に並んだ複数の可動支柱７と、レール６１のＸ軸方向の少なくとも一方の端部側に設けられた少なくとも１つの固定支柱３１とにより構成されている。

固定支柱３１は、レール６１のＸ軸方向の両端部のうち、溶接を開始する端部側に設けられている。但し、固定支柱３１は、レール６１のＸ軸方向の両端部側に設けられていてもよい。固定支柱３１は、支柱本体３１１と、支柱本体３１１に軸受を介して回転可能に支持された回転軸３１２と、回転軸３１２に設けられたチャック３１３と、回転軸３１２の回転駆動機構３２とを有している。回転軸３１２はＸ軸方向と平行であり、回転軸３１２のＸ軸方向の一方の端部にチャック３１３が設けられている。チャック３１３は、ワーク２の軸心方向端部を把持するためのものである。チャック３１３に把持されたワーク２の軸心Ｃは、回転軸３１２の軸心と同軸上に位置している。

本実施形態に係る回転駆動機構３２は、動力源であるモータ３２１と、モータ３２１の出力軸に嵌装されたピニオンギヤ３２２と、回転軸３１２に嵌装された駆動ギア３２３とで構成されている。上記構成の回転駆動機構３２では、モータ３２１からの回転出力がピニオンギヤ３２２及び駆動ギア３２３から成る動力伝達機構を介して回転軸３１２へ伝達される。回転軸３１２の回転に伴い、回転軸３１２に端部が把持されたワーク２が回転軸３１２と一体的に回転する。

図２は、図１におけるII−II矢視端面図であって、Ｘ軸方向から見た可動支柱７を示している。可動支柱７は、レール６１上を移動するスライダ７１を基部に備えている。このスライダ７１により、可動支柱７はレール６１上をＸ軸方向へ移動することができる。スライダ７１は、スライダベース７１１と、スライダベース７１１に回転可能に支承され且つレール６１を上下から挟み込むローラ７１２とを備えている。スライダベース７１１には、平柱状の支柱本体７２が立設されている。

支柱本体７２には、上方に向けて開放する長穴状の溝７３が設けられている。溝７３の底部には、肉盛溶接システム１で取り扱われるワーク２の外径よりも大きな内径の下半円部が形成されている。支柱本体７２の上部には溝７３の入口を閉じることのできるバー７４が設けられている。バー７４の一方の端部は支柱本体７２に回動可能に支承されており、他方の端部が支柱本体７２にロックピンにより留め付けられている。そして、溝７３の入口がバー７４で閉じられることにより、可動支柱７にワーク２が挿通される挿通孔７５が形成される。この挿通孔７５の周囲の適宜位置には、複数のカムフォロア７６が設けられている。各カムフォロア７６は、挿通孔７５に挿通されたワーク２の表面上を転動するローラを有している。本実施形態に係る可動支柱７は、ワーク２を三点で支持できるように３つ、具体的には、バー７４に１つと支柱本体７２に２つのカムフォロア７６が挿通孔７５の周囲にバランス良く配置されている。但し、カムフォロア７６の数や位置は本実施形態に限定されない。

可動支柱７上のカムフォロア７６の位置は固定されていてもよいが、異なる外径のワーク２に対応するために、可動支柱７上のカムフォロア７６の相対的位置が可変であってもよい。可動支柱７に対するカムフォロア７６の相対的位置を変化させることにより、挿通孔７５の中心から各カムフォロア７６のローラの周囲までの距離（これは、可動支柱７に挿通されるワーク２の半径と対応する）を調節することができる。例えば、バー７４に設けられたカムフォロア７６においては、支柱本体７２にロックピンのための挿入穴を複数設け、これら複数の挿入穴からロックピンが挿入される１つを選択することにより、挿通孔７５の中心からカムフォロア７６までの距離を調節することができる。また、例えば、支柱本体７２に設けられたカムフォロア７６においては、支柱本体７２に設けられたカムフォロア７６のための取り付け穴が複数あるか又は長穴であり、支柱本体７２に対するカムフォロア７６の取り付け位置を変化させることにより、挿通孔７５の中心からカムフォロア７６までの距離を調節することができる。

次に、走行装置６について説明する。走行装置６は、溶接装置５をＸ軸方向へ移動させるＸ軸移動手段である。走行装置６は、Ｘ軸方向に延びるレール６１と、レール６１上を走行するＸ軸方向のスライダである台車６２と、台車６２を移動させるスライダ駆動機構６３とを備えている。レール６１は、前述のワーク治具３の一構成要素であるレールと共用される。

図３は、図１におけるIII−III矢視端面断面図であって、主にＸ軸方向から見た台車６２及びスライダ駆動機構６３を示している。台車６２は、スライダベース６２１と、スライダベース６２１に回転可能に支承され且つレール６１を上下から挟み込むローラ６２２とを備えている。台車６２には、溶接装置５とスライダ駆動機構６３の可動部材とが搭載されている。

スライダ駆動機構６３は、動力源であるモータ６３１と、モータ６３１の回転出力を減速する減速機６３２と、減速機６３２の出力軸に嵌装されたピニオンギヤ６３３と、ピニオンギヤ６３３と噛合しているラック６３４とで構成されている。モータ６３１、減速機６３２及びピニオンギヤ６３３は、台車６２に搭載された可動部材であり、台車６２と共に移動する。ラック６３４は、レール６１上に固定され且つレール６１に沿ってＸ軸方向に延びている。

上記構成の走行装置６において、モータ６３１の回転出力が、減速機６３２で減速されたのち、ピニオンギヤ６３３へ伝達される。そして、ピニオンギヤ６３３とラック６３４の噛み合いにより、台車６２がレール６１上を走行する。モータ６３１の稼働は、後述する溶接制御装置８５により制御される。

続いて、溶接装置５について詳細に説明する。図４は溶接装置５をＸ軸方向から見た図、図５は溶接装置５をＹ軸方向から見た図、図６は溶接装置５をＺ軸方向から見た図である。図１及び４〜６に示されるように、溶接装置５は、ワーク２の上方に配置された溶接ベース５１と、溶接ベース５１に取り付けられた少なくとも一対のローラ５８と、溶接ベース５１に支持された溶接ユニット８と、溶接ベース５１を台車６２上に立たせるスタンド９とで構成されている。

スタンド９は、台車６２上に設けられたＺ軸移動機構９１と、Ｚ軸移動機構９１上に設けられたＹ軸移動機構９２と、Ｙ軸移動機構９２上に設けられたシールドボックス９３とから構成されている。このスタンド９により、溶接ベース５１は台車６２に対してＹ軸方向とＺ軸方向との２軸方向へ相対的に変位することができる。

Ｚ軸移動機構９１は、台車６２に固定された下ベース９１１と、Ｙ軸移動機構９２に固定された上ベース９１２と、下ベース９１１に固定され且つ上ベース９１２に摺動可能に内装されたＺ軸方向に延びるスライダ軸９１３と、下ベース９１１と上ベース９１２との間に設けられた弾性部材であるバネ９１４と、スライダ軸９１３と上ベース９１２との間に介装されたベアリング９１５とを備えている。バネ９１４は、下ベース９１１と上ベース９１２とがＺ軸方向に反発するように、上ベース９１２を上向きに付勢している。

上記構成のＺ軸移動機構９１は、溶接ベース５１を台車６２に対してＺ軸方向へ相対的に変位可能とするとともに、溶接ベース５１がＺ軸方向に変位する際にダンパとしての機能を発揮する。

Ｙ軸移動機構９２は、Ｙ軸方向に延びるレール９２１と、レール９２１上を走行するＹ軸スライダ９２２とを備えている。レール９２１はＺ軸移動機構９１の上ベース９１２に固定されており、Ｙ軸スライダ９２２はシールドボックス９３に固定されている。このＹ軸移動機構９２により、溶接ベース５１は台車６２に対してＹ軸方向へ相対的に変位することができる。

シールドボックス９３は、Ｚ軸方向の一方（上方）が開放された立方体状箱であって、ワーク２がＸ軸方向に挿通される。シールドボックス９３の底部又は側面下部には、シールドガス供給口９３１（図７、参照）が設けられており、このシールドガス供給口９３１を通じてシールドガス源からシールドボックス９３内へシールドガスが供給される。シールドガスは、後述する溶接トーチ８１から噴出するシールドガスと同じガスであることが望ましく、例えば、アルゴンガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスである。

シールドボックス９３のＸ軸方向へ向く両面には、上端からワーク２の挿通位置まで切り欠いた態様の溝９３２が各々設けられている。Ｘ軸方向から見た溝９３２の入口側（上側）は、下方に向けて漸次窄まるテーパ状の台形を成している。また、Ｘ軸方向から見た溝９３２の底側は、ワーク２の外径よりも大きい内径の半円を成している。この溝９３２の半円部分を通過するように、シールドボックス９３にワーク２が挿通される。但し、シールドボックス９３は、ワーク２と直接には接触しない。

溶接ベース５１は、シールドボックス９３の上方を覆う蓋の態様で、シールドボックス９３（即ち、スタンド９）と連結されている。溶接ベース５１のＸ軸方向の両端部分は、シールドボックス９３との連結部５１１となっている。連結部５１１のＹ軸方向の一端は、支承軸５６を介してシールドボックス９３に回動可能に支承されている。また、連結部５１１のＹ軸方向の他端は、シールドボックス９３の上部に基端が支承されたピン５７によって、シールドボックス９３と結合されている。ピン５７は、基端から溶接ベース５１の係合部までの有効長さが調節可能である。このピン５７の有効長さを調節することにより、シールドボックス９３と溶接ベース５１との間に配置されるワーク２の外径の多少の差異に対応することができる。

溶接ベース５１の連結部５１１には、シールドボックス９３の溝９３２の入口側の台形部分に対応する形状であって、Ｚ軸方向に垂れ下がる垂下部５１２が設けられている。この垂下部５１２は、シールドボックス９３の溝９３２の台形部分を塞ぐように形成されている。垂下部５１２には、同一形状の一対のローラ５８が支承されている。一対のローラ５８はＸ軸方向と平行な回転軸５８１を有し、一対のローラ５８の回転軸５８１間はＹ軸方向に離間している。そして、一対のローラ５８の回転軸５８１同士のＹ軸方向間に、後述する溶接トーチの先端（電極の先端）のＹ軸方向位置が位置している。

各ローラ５８は、シールドボックス９３に挿通されたワーク２の外周面上を転動する。そのために、各ローラ５８がワーク２の外周面上を転動し、且つ、各ローラ５８からワーク２の軸心Ｃよりも上側の外周面に圧接されるように、垂下部５１２への取付位置が定められている。このようにして、溶接ベース５１は、Ｘ軸方向の両端部に各々設けられた一対のローラ５８を介してワーク２に載置される。ここで、一対のローラ５８には、各ローラ５８がワーク２の外周面に圧接されるように、溶接ベース５１から溶接ベース５１の少なくとも一部分の自重を含む荷重が付与されている。

また、溶接ベース５１がスタンド９によりＹ軸方向とＺ軸方向とに移動可能であることから、溶接ベース５１に設けられた一対のローラ５８の回転軸５８１どうしを繋ぐＹ軸方向の直線は傾くことなく水平に維持される。以上のように、溶接ベース５１に取り付けられた一対のローラ５８とワーク２との関係により、ワーク２に対する一対のローラ５８の相対的な位置は一定に保持される。よって、ワーク２と一対のローラ５８との接触部分がＹ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも一方向へ変位すると、一対のローラ５８と溶接ベース５１とが一体的に、ワーク２の変位に倣ってＹ軸方向及び／又はＺ軸方向へ移動する。

なお、溶接ベース５１の２つの垂下部５１２のうち一方に設けられた一対のローラ５８（溶接上流側の一対のローラ）は表面に肉盛層が形成されたあとのワーク２（肉盛溶接品）と接触し、他方に設けられた一対のローラ５８（溶接下流側の一対のローラ）はワーク２の表面と接触する。つまり、溶接上流側の一対のローラと、溶接下流側の一対のローラとで、接触するワーク２の外径が異なる。このように肉盛溶接前後のワーク２の外径の差異やワーク２の外径の固体差があっても溶接ベース５１が適切な姿勢（即ち、水平な姿勢）を保持できるように、一対のローラ５８の回転軸５８１間のＹ軸方向の距離が調整される。そのために、垂下部５１２とローラ５８の結合部は、垂下部５１２に対する各ローラ５８の相対的な取り付け位置がＹ軸方向で変化できるような構成を有している。具体的には、垂下部５１２にローラ５８を取り付けるためのＹ軸方向の長孔が形成されており、この長孔の範囲内でローラ５８の回転軸５８１の取り付け位置を変化させることができる。例えば、溶接上流側の一対のローラ５８の回転軸５８１間のＹ軸方向の離間距離が、溶接下流側の一対のローラ５８の回転軸５８１間の離間距離よりも大きくなるように、各ローラ５８の取り付け位置を定めることにより、肉盛溶接前後でワーク２と接触する一対のローラ５８の回転軸５８１間のＹ軸方向の距離を違えさせることができる。

溶接ベース５１の連結部５１１のＸ軸方向間は、溶接ユニット８を支持する溶接ユニット支持部５１３となっている。図７には、溶接ユニット８の概略構成と肉盛溶接システムの制御構成とが示されている。溶接ユニット８はＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を行うための装置群であり、溶接トーチ８１、溶接トーチ８１へ電気を供給する溶接電源８２、溶接トーチ８１へ冷却水を供給する冷却水循環装置８８、溶接トーチ８１へシールドガスを供給するシールドガス源８３、溶接トーチ８１の先端近傍へ肉盛材料２１である溶加材を送給する溶加材送給装置８４、肉盛溶接システム１の運転を制御する溶接制御装置８５などを備えている。

溶接トーチ８１には、ノズルと、そのノズルの中心部に設けられたタングステン電極と、冷却水が導通される冷却通路などが設けられている（いずれも図示せず）。シールドガスには、例えば、アルゴンガスや二酸化炭素ガスなどの不活性ガスが用いられる。

溶加材送給装置８４は、溶加材のコイルから溶加材を引き出して、溶接速度に応じた速度で溶加材を溶接トーチ８１の先端近傍へ送給するように構成されている。なお、溶加材送給装置８４に溶加材を予熱する予熱器が設けられていてもよい。

溶接トーチ８１と溶加材送給装置８４とは一つのトーチ治具８６に保持されている。トーチ治具８６は、ＡＶＣユニット８７を介して溶接ベース５１に支持されている。ＡＶＣユニット８７は、溶接ベース５１に立設されたＺ軸方向のレール８７１と、レール８７１上を移動するスライダ８７２と、スライダ８７２の駆動手段であるＺ軸移動モータ８７３と、ＡＶＣ制御部４６とを備えている。スライダ８７２にはトーチ治具８６が取り付けられている。トーチ治具８６は、溶接トーチ８１の前後角を調節できるように、スライダ８７２に対して移動（揺動）可能となっている。

溶接制御装置８５は、肉盛溶接システム１を運転するための演算と制御とを行う演算制御装置である。溶接制御装置８５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory：不揮発性メモリ（不揮発性ＲＡＭ）を含む）、Ｉ／Ｆ（Interface）、Ｉ／Ｏ（Input/output Port）等を有している（いずれも図示せず）。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。ＣＰＵが実行するプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の各種記憶媒体に保存されており、これらの記憶媒体からＲＯＭにインストールされる。ＲＡＭには、プログラム実行時に必要なデータが一時的に記憶される。Ｉ／Ｆは、外部装置（溶接制御装置８５に接続されたパーソナルコンピュータ等）とのデータ送受信を行う。Ｉ／Ｏは、各種センサの検出信号の入力／出力を行う。溶接制御装置８５では、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとＣＰＵ等のハードウェアとが協働することにより、以下に説明する溶接制御装置８５の各機能を実現する処理を行うように構成されている。なお、溶接制御装置８５は単一のＣＰＵにより各処理を実行してもよいし、複数のＣＰＵ或いはＣＰＵと特定の処理回路の組み合わせにより各処理を実行してもよい。

溶接条件制御部８５１は、溶接電源８２から電極へ供給される電圧及び電流を制御する電圧・電流制御部４１、冷却水循環装置８８の動作を制御する冷却水供給制御部４２、シールドガス源８３からシールドガスの供給量を制御するガス供給制御部４３、溶加材送給装置８４による溶加材の送給速度を制御する溶加材送給制御部４４、などの各種溶接条件を制御する機能を有している。溶接条件制御部８５１では、予め溶接制御装置８５に設定された溶接条件に沿って、各種溶接条件の制御が行われる。

溶接位置制御部８５２は、走行装置６により溶接トーチ８１のＸ軸方向の位置を制御する走行制御部４５、ＡＶＣユニット８７により母材から溶接トーチ８１の非消耗式電極までの高さを制御するＡＶＣ制御部４６などの、溶接トーチ８１の先端の位置を制御する機能を有している。走行制御部４５は、溶接速度と対応する所定の速度で台車６２が移動するように、走行装置６のスライダ駆動機構６３を動作させる。また、ＡＶＣ制御部４６は、溶接中のアーク電圧を測定し、この電圧値が一定となるようにＺ軸移動モータ８７３を駆動してトーチ治具８６に保持された溶接トーチ８１をＺ軸方向に移動させる。より詳細には、溶接中に測定したアーク電圧を所定の基準電圧と比較し、測定したアーク電圧が基準電圧よりも小さい場合には溶接トーチ８１を上昇させてアーク電圧を大きくし、測定したアーク電圧が基準電圧よりも大きい場合には溶接トーチ８１を降下させてアーク電圧を低くし、溶接中に測定したアーク電圧と基準電圧との差が予め設定された範囲内の場合には溶接トーチ８１のＺ軸方向の移動を停止する。このようなＡＶＣ制御により、溶接中のアーク長が一定に保持される。

ここで、上記構成の肉盛溶接システム１による肉盛溶接加工の流れについて説明する。まず、溶接の準備段階において、ワーク２をワーク治具３に取り付ける。具体的には、固定支柱３１に設けられたチャック３１３にワーク２の軸心方向端部を把持させる。さらに、各可動支柱７の挿通孔７５にワーク２を挿通させる。そして、モータ３２１を動作させてワーク２を所定速度で軸心Ｃを回転の中心として回転させる。また、溶接の準備段階において、シールドボックス９３へシールドガスを供給して、シールドボックス９３内にシールドガスを充填する。

次に、溶接制御装置８５は、溶接トーチ８１を初期Ｘ位置へ移動させるように、走行装置６を動作させる。さらに、溶接制御装置８５は、溶接中の溶接トーチ８１が、予め設定された所定の溶接速度に対応した速度でＸ軸方向へ移動するように、走行装置６を制御する。また、溶接制御装置８５は、溶接中の母材から溶接トーチ８１の非消耗式電極までの高さ、即ち、アーク長が一定に保持されるように、ＡＶＣユニット８７を動作させる。

続いて、溶接制御装置８５は、溶接電源８２から溶接トーチ８１への電圧及び電流の供給、シールドガス源８３から溶接トーチ８１へのシールドガスの供給、冷却水循環装置８８による溶接トーチ８１への冷却水の供給、及び溶加材送給装置８４による溶加材の送給をそれぞれ開始する。そして、溶接制御装置８５は、上記の各種溶接条件が予め設定された溶接条件と対応するように、溶接電源８２、シールドガス源８３、溶加材送給装置８４及び冷却水循環装置８８の動作を制御する。

上記肉盛溶接システム１の稼働により、シールドガス雰囲気中で溶接トーチ８１の電極と母材（ワーク２）の間にアークが発生し、そのアーク熱により溶加材及び母材が溶融されて、母材表面に肉盛溶接が施される。このようにして、ワーク２の表面に螺旋状の肉盛材料２１によるビードが順次形成されていく。

上記肉盛溶接加工の過程で、肉盛溶接が進行するうちに、ワーク２への入熱によりワーク２に歪みが生じる。この歪みを補正せずに肉盛溶接を続けた場合、溶接トーチ８１に対するワーク２の相対位置がＹ軸方向及び／又はＺ軸方向に変位する。この変位量はワーク２の偏心の影響を受けて大きくなる。ここで、ワーク２のワーク２と一対のローラ５８との接触部分がＹ軸方向及びＺ軸方向の少なくとも一方に変位した場合には、ワーク２の変位に倣って溶接ベース５１がＹ軸方向及び／又はＺ軸方向へ移動する。このようにして、ワーク２に対する溶接ベース５１の相対的位置が一定に保持されるので、ワーク２に対する溶接トーチ８１の先端の相対的位置も一定に保持することができる。

上記の通り、少なくとも一対のＹ軸方向に離間したローラ５８と、一対のローラ５８が取り付けられた溶接ベース５１と、溶接ベース５１をＺ軸方向とＹ軸方向に移動可能に支持するスタンド９とにより、ワーク２の変位に倣って溶接トーチ８１をＹ軸方向及びＺ軸方向へ移動させる２軸方向の倣い機構が構成されている。この２軸方向の倣い機構により、溶接中のワーク２に対する溶接トーチ８１の先端の相対的位置が一定に維持される。換言すれば、溶接中の溶接トーチ８１の先端と母材との距離が一定に維持される。よって、ワーク２に施される肉盛溶接が均一となり高い溶接品質を確保することができる。

上記２軸方向の倣い機構では、ワーク２の変形を検出したり、溶接トーチ８１のＹ軸方向及び／又はＺ軸方向への移動を電気的に制御したりしないので、ワーク２の歪みに素早く追従して溶接トーチ８１をワーク２の変形に倣わせることができる。つまり、上記２軸方向の倣い機構は、良好な倣い応答性を有する。また、上記２軸方向の倣い機構は機械的構造であるため、確実且つ安定して動作し、電気的制御装置やそのためのプログラム等が不要であるので設備コストを抑えることができる。

そして、肉盛溶接システム１は、上記２軸方向の倣い機構に加えて、アーク長を一定に保持するためのＡＶＣユニット８７を備えている。このＡＶＣユニット８７によって、母材と溶接トーチ８１の先端との適切な位置関係がより精確に維持される。よって、高い肉盛溶接品質を安定して提供することが可能となる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

例えば、上記肉盛溶接システム１においては、一対のローラ５８の回転軸５８１同士を結ぶ直線は略水平であり、一対のローラ５８が溶接ベース５１を含む溶接装置５及びシールドボックス９３などの重量の一部によりワーク２に圧接されている。このように、溶接ベース５１がワーク２の鉛直上方に配置されており、一対のローラ５８が重力によりワーク２の外周面に圧接されていることによれば、一対のローラ５８をワーク２に圧接させるための荷重を付与する手段としての機能の少なくとも一部を溶接ベース５１が担うことができるので、肉盛溶接システム１の構成を簡易とすることができる。但し、一対のローラ５８がワーク２の外周面に圧接されるために、バネ荷重などの荷重が一対のローラ５８へ付与されてもよい。この場合、ワーク２の軸心方向（第１方向）は水平方向に限られず、任意の方向であって良い。また、ワーク２の軸心方向と直交する方向（第２方向）は鉛直方向に限られず、鉛直方向から傾いていてもよい。また、これらの２つの方向と直交する方向（第３方向）は水平方向に限られず、水平方向から傾いていてもよい。

また、例えば、溶接ユニット８はＴＩＧ溶接を行うための装置群であるが、溶接ユニット８で行われる溶接手法はＴＩＧ溶接に限定されない。溶接ユニット８で行われる溶接手法は、例えば、一般に肉盛溶接に使われる溶接手法である、被覆アーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接、プラズマアーク溶接などのうちいずれかであってよい。

また、例えば、上記実施形態に係る肉盛溶接システム１では、溶接手法がＴＩＧ溶接であることから、非消耗式電極を備えた溶接トーチのＺ軸方向の非接触式倣い機構として一般的に利用されているＡＶＣユニットを採用しているが、Ｚ軸方向の非接触式倣い機構はＡＶＣに限定されない。例えば、アーク電圧値を計測する代わりに、母材と溶接トーチ８１の先端との距離を非接触式変位センサで計測してもよい。この場合、例えば、レーザセンサなどの非接触式変位センサで母材と溶接トーチ８１の先端との距離を計測し、この距離を所定の値に維持すべく、トーチ治具８６をＺ軸方向へ移動するように構成された非接触式倣い機構を用いることができる。

また、例えば、上記実施形態に係る肉盛溶接システム１では、溶接ベース５１の下部にシールドボックス９３が設けられ、このシールドボックス９３で溶接トーチ８１及びその周囲が覆われている。このようにシールドボックス９３を設けることによれば、シールドボックス９３の内部は大気から遮断されたシールドガス（不活性ガス）雰囲気であるため、高品質な肉盛層をワーク２の表面に形成することができる。但し、溶接ベース５１の下部に、シールドボックス９３に代えて単なる枠部材が設けられていても構わない。

また、例えば、上記実施形態に係る肉盛溶接システム１では、溶接ベース５１のＹ軸方向の両端部にそれぞれ一対のローラ５８を配置しているが、ローラ５８の数はこれより多くてもよい。或いは、溶接ベース５１のＸ軸方向長さが十分に短い場合には、一対のローラ５８を溶接ベース５１のＸ軸方向の両端の各々に設ける代わりに、一対のローラ５８を溶接ベース５１のＸ軸方向の中央寄りに設けてもよい。

１ 肉盛溶接システム
２ ワーク
２１ 肉盛材料
３ ワーク治具
３１ 固定支柱
３２ 回転駆動機構
５ 溶接装置
５１ 溶接ベース
５８ ローラ
６ 走行装置
６１ レール
６２ 台車
６３ スライダ駆動機構
７ 可動支柱
７１ スライダ
７２ 支柱本体
７３ 溝
７４ バー
７５ 挿通孔
７６ カムフォロア
８ 溶接ユニット
８１ 溶接トーチ
８２ 溶接電源
８３ シールドガス源
８４ 溶加材送給装置
８５ 溶接制御装置
８５１ 溶接条件制御部
８５２ 溶接位置制御部
８８ 冷却水循環装置
９ スタンド
９１ Ｚ軸移動機構（鉛直方向移動機構）
９２ Ｙ軸移動機構（水平方向移動機構）
９３ シールドボックス
９３２ 溝

Claims (7)

1. 円筒管状のワークの外周面に肉盛溶接を行う肉盛溶接システムであって、
   前記ワークの軸心方向が第１方向となるように当該ワークを保持するとともに、前記ワークを周方向に回転駆動するワーク治具と、
   前記ワーク治具に保持された前記ワークに沿って前記第１方向へ移動する台車と、
   前記第１方向と直交する第２方向と前記第１方向及び第２方向に直交する第３方向とへ前記台車に対して相対的に変位可能に前記台車に支持された溶接ベースと、
   前記第１方向と平行な回転軸を有する少なくとも一対のローラであって、当該一対のローラの回転軸同士が前記第２方向へ離間し且つ各ローラが前記ワークの外周面に圧接されて前記溶接ベースと前記ワークとの距離を一定に保つように、前記溶接ベースに支承された少なくとも一対のローラと、
   前記溶接ベースに支持された溶接トーチであって、当該溶接トーチの先端の前記第２方向の位置が前記一対のローラの回転軸同士の間に位置する溶接トーチとを、
   備えている、肉盛溶接システム。
2. 前記溶接ベースが前記ワークの鉛直上方に配置されており、
   前記一対のローラが重力により前記ワークの外周面に圧接されている、請求項１に記載の肉盛溶接システム。
3. 前記台車と前記溶接ベースとの間に、前記台車に対して前記溶接ベースを水平方向に変位可能とする水平方向移動機構と、前記台車に対して前記溶接ベースを鉛直方向に変位可能とする鉛直方向移動機構とを備えており、前記鉛直方向移動機構が弾性部材を有している、請求項２に記載の肉盛溶接システム。
4. 前記溶接トーチの先端及びその周囲を覆うシールドボックスと、
   前記シールドボックスへシールドガスを供給するシールドガス源とを更に備えている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の肉盛溶接システム。
5. 前記溶接トーチは非消耗電極を有し、
   前記溶接トーチを保持するトーチ治具と、
   前記トーチ治具を支持し、当該トーチ治具を前記溶接ベースに対して前記第３方向へ移動させることにより、前記非消耗電極から母材までのアーク長を一定に保持するように構成されたＡＶＣユニットとを、更に備えている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の肉盛溶接システム。
6. 前記一対のローラは、当該一対のローラの回転軸間の前記第２方向の距離を変更できるように前記溶接ベースに取り付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の肉盛溶接システム。
7. 前記一対のローラが、前記溶接トーチの前記第１方向の両側に配置された第１ローラ対及び第２ローラ対とを備えており、
   前記第１ローラ対は肉盛溶接前の前記ワークの外周面に圧接されており、前記第２ローラ対は肉盛溶接後の前記ワークの外周面に圧接されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の肉盛溶接システム。
   

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