JP6341370B2 - 自動溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動溶接装置に関し、特に、船体やタンク等の構造物に使用されるロンジの突合せ溶接に適した自動溶接装置に関する。

船体やタンク等の大型構造物は、一般に、周壁（外板）を構成する板材の内側にＴ字形状断面を有する補強材（以下、「ロンジ」と称する。）が配置される。また、大型構造物は、複数のブロックに分割されて建造されることが多い。したがって、Ｔ字形状断面を有するロンジの突合せ溶接が必要になる。このロンジの突合せ溶接は、狭い空間で作業しなければならないこと、一箇所の突合せ面で二回の溶接が必要なこと（Ｔ字形状の腕部を構成するフェースプレートとＴ字形状の脚部を構成するウェブ）、一回の溶接が数百ｍｍ程度と短いこと、溶接箇所が多いこと等の観点から自動化が進められている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１に記載された自動溶接ロボットは、ボトムロンジのフェースに着脱自在に取り付けられた走行ユニットと、該走行ユニットに着脱可能に立設された昇降ユニットと、該昇降ユニットに昇降可能に取り付けられたマニプレータユニットと、該マニプレータユニットに着脱自在に取り付けられたトーチホルダーに保持された溶接トーチと、を備えている。かかる自動溶接ロボットは、ユニットの走行、昇降及び前後移動の直動三軸に加え、マニプレータの旋回、回転及び捻りの回転三軸を有しており、全体として六自由度を有している。

また、特許文献２に記載された自動溶接装置は、溶接対象領域を跨いで溶接ロボットを逆さに吊り下げたロボット架台の脚部下端を着脱可能に大型枠組構造物に固定するようにしたものである。かかる自動溶接装置では、溶接ロボットとして、例えば、ロボットアームの先端に溶接ヘッドを有する多関節ロボットが使用される。

ところで、上述した大型構造物の溶接では、開先の実形状は公称形状と差が生じやすく、バラツキも大きいことから、一回の溶接ごとに溶接士が手動で溶接条件の補正を行わなければならなかった。そのため、特許文献１や特許文献２に記載したような自動溶接装置を導入した場合であっても、溶接条件の補正に多大な時間を要し、アークタイム率（作業時間に対するアークを出している時間の割合）の向上が難しかった。また、溶接条件の補正には熟練を要することから、溶接士の技量によって補正内容が異なり、溶接品質にバラツキが生じやすかった。そこで、検出したルートギャップに対応する適正溶接条件を溶接条件データベースより取り出して溶接ロボットを制御する方法が既に提案されている（特許文献３参照）。

特許文献３に記載された自動溶接装置は、高速回転アーク溶接を行う溶接ロボットの動作プログラムをＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより作成し、制御する装置において、適正溶接条件を設定登録した溶接条件データベースと、ルートギャップを検出するギャップ検出手段と、検出された前記ルートギャップに対応する適正溶接条件を前記溶接条件データベースより取り出し、前記溶接ロボットを制御するロボット制御手段及びトーチ姿勢を制御するトーチ姿勢制御手段へ出力する溶接条件制御手段と、を備えている。かかる自動溶接装置では、ギャップ検出手段として、アークセンサや視覚センサ（レーザセンサ、ＣＣＤカメラ）を使用している。

特開２００８−２７９４９５号公報 特開２０１０−２５３５１９号公報 特開２０１０−２５３５１９号公報

上述した特許文献１〜特許文献３に記載された自動溶接装置を使用することにより、船体やタンク等の構造物に使用されるロンジの突合せ溶接の自動化を図ることができる。しかしながら、ロンジの突合せ溶接では、下向き、立向き、横向きの三種類の溶接姿勢を有し、横向き溶接の場合には溶融金属が重力によって溶接線と垂直な方向に垂れやすいという問題があった。

さらに、アルミタンクのように母材がアルミニウムやアルミニウム合金により構成される場合、鉄と比較して状態遷移（固化）が速いことも相俟って、特に横向き溶接のときに気泡が抜け難く、ブローホールが生じやすいという問題もあった。そして、ブローホール等の溶接欠陥が検出された場合には、溶接をし直さなければならないという問題もあった。したがって、アルミ溶接を考慮した場合、上述した特許文献１〜特許文献３に記載された自動溶接装置よりも高精度かつアークタイム率の高い自動溶接装置の開発が望まれていた。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、溶接品質の向上及びアークタイム率の向上を図ることができる自動溶接装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、溶接線に沿って配置される走行レールと、該走行レールに沿って移動可能に配置される溶接機と、を有する自動溶接装置において、前記溶接機は、前記走行レールに移動可能に接続される第一駆動部と、該第一駆動部に前記走行レールと交差する方向に移動可能に接続される第二駆動部と、該第二駆動部に昇降可能に接続される第三駆動部と、該第三駆動部に前記溶接線に対して垂直な方向に回動可能に接続される第四駆動部と、該第四駆動部に前記溶接線に対して平行な方向に回動可能に接続される第五駆動部と、該第五駆動部に固定される溶接トーチと、壁面に対して垂直に配置されるウェブと該ウェブに対して垂直に配置されるフェースプレートとを有するロンジの突合せ溶接をする際に、前記走行レールを前記ロンジに固定する固定治具と、を有し、前記第四駆動部は、多層盛溶接の一パスごとに前記溶接トーチの角度を変更するように構成されており、前記固定治具は、前記走行レールの前記壁面側の端部に固定される第一クランプと、前記走行レールの前記フェースプレート側の端部に固定される第二クランプと、を有し、前記第一クランプは、前記走行レールを挟んで配置される一対の第一締付手段を有し、前記第二クランプは、少なくとも一つの第二締付手段を有し、該第二締付手段を締め付けることによって前記第二クランプを前記フェースプレートに固定し、前記第一締付手段を締め付けることによって前記第一クランプを前記壁面に固定するように構成されている、ことを特徴とする自動溶接装置が提供される。

前記第四駆動部は、前記第三駆動部に回動可能に支持された回動軸と、該回動軸に接続されるとともに前記第五駆動部を支持する回動子と、前記第三駆動部に固定されるとともに前記回動子を前記回動軸周りに回動させる駆動モータと、を有していてもよい。

前記溶接機の動作を制御する制御装置と、開先形状に適した溶接条件を予め登録した溶接条件データベースと、溶接箇所における開先実形状を計測する計測手段と、を有し、前記制御装置は、前記溶接線に沿って離散した複数の計測位置が設定されると、前記計測手段により前記計測位置における開先実形状を計測し、その計測結果と前記溶接条件データベースとを用いて前記溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するように構成されていてもよい。

前記計測手段は、前記第一駆動部と、前記第二駆動部と、前記第三駆動部と、前記溶接トーチと、前記制御装置と、により構成され、前記制御装置は、前記溶接線に対して垂直な方向に前記溶接トーチを移動させつつ昇降させることにより、前記溶接トーチの先端に配置されたワイヤを母材表面に接触させて前記開先実形状を計測するように構成されていてもよい。

上述した本発明の自動溶接装置によれば、第四駆動部により多層盛溶接の一パスごとに溶接トーチの角度を変更するように構成したことにより、一パスごとに溶融金属に対して気泡が抜けやすいトーチ角度を設定することができ、アルミ溶接の場合であっても、溶接品質の向上を図ることができ、ブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。したがって、溶接のやり直しを低減することができ、アークタイム率の向上を図ることもできる。

また、離散した複数の計測位置における開先実形状の計測結果と溶接条件データベースとから、溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するようにしたことにより、溶接士が開先実形状を見ながら溶接条件を補正する必要がなく、溶接士の作業負担を低減することができるとともに、溶接士の技量による溶接品質のバラツキを抑制することができ、溶接品質を向上させることができる。

また、溶接条件の設定の自動化及び溶接士の負担軽減により、各溶接における溶接条件の設定の高速化及び溶接士が同時に複数の溶接装置を取り扱うことに伴うマルチタスク化を図ることができ、アークタイム率の向上を図ることもできる。したがって、横向き溶接における溶融金属の垂れを抑制することができ、状態遷移（固化）が速いアルミ溶接の場合であっても適時に多層盛溶接を行うことができる。

本発明の実施形態に係る自動溶接装置を示す全体構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、である。 図１に示した自動溶接装置を用いた溶接に関する説明図であり、（ａ）はロンジの突合せ溶接継手を示す斜視図、（ｂ）は溶接条件データベースの概要を示す概略構成図、である。 計測手段による開先実形状の計測に関する説明図であり、（ａ）は計測方法を示す概要図、（ｂ）は計測点を示す開先の平面図、である。 図１に示した自動溶接装置を用いた多層盛溶接の説明図であり、（ａ）は一パス目、（ｂ）は二パス目、（ｃ）は三パス目、を示している。 ロンジのフェースプレートの溶接状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、である。 ロンジのウェブの溶接状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図６を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る自動溶接装置を示す全体構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、である。図２は、図１に示した自動溶接装置を用いた溶接に関する説明図であり、（ａ）はロンジの突合せ溶接継手を示す斜視図、（ｂ）は溶接条件データベースの概要を示す概略構成図、である。

本発明の実施形態に係る自動溶接装置１は、溶接線に沿って配置される走行レール２と、走行レール２に沿って移動可能に配置される溶接機３と、を有し、溶接機３は、走行レール２に移動可能に接続される第一駆動部３１と、第一駆動部３１に走行レール２と交差する方向に移動可能に接続される第二駆動部３２と、第二駆動部３２に昇降可能に接続される第三駆動部３３と、第三駆動部３３に溶接線に対して垂直な方向に回動可能に接続される第四駆動部３４と、第四駆動部３４に溶接線に対して平行な方向に回動可能に接続される第五駆動部３５と、第五駆動部３５に固定される溶接トーチ３６と、を有し、第四駆動部３４は、多層盛溶接の一パスごとに溶接トーチ３６の角度を変更するように構成されている。なお、図１（ａ）及び（ｂ）において、配線等については図を省略している。また、説明の便宜上、自動溶接装置１の構造体について、灰色に塗り潰した状態を図示している。

本実施形態に係る自動溶接装置１は、例えば、図２（ａ）に示したように、複数のロンジ４１を有するブロック４を突合せ溶接して接続する場合に、ロンジ４１どうしを突合せ溶接する際に使用される。ロンジ４１は、一般に、壁面（スキンプレート４２）に対して垂直に配置されるウェブ４１ａと、ウェブ４１ａに対して垂直に配置されるフェースプレート４１ｂと、を有し、Ｔ字形状断面を有している。

走行レール２は、ロンジ４１のウェブ４１ａどうしの突合せ面やフェースプレート４１ｂどうしの突合せ面によって構成される溶接線に対して略平行にブロック４に固定される。したがって、ウェブ４１ａを溶接する場合とフェースプレート４１ｂを溶接する場合とで、走行レール２の固定方法が異なる。走行レール２の固定方法については、後述する。

走行レール２は、板状の本体部２１と、本体部２１の両側面に長手方向に沿って配置されたガイド部２２と、本体部２１の略中央部の凹部に配置されたラック部２３と、を有する。ガイド部２２は、第一駆動部３１の車輪３１ｂを支持するとともに走行の案内を行う。ラック部２３は、走行レール２の長手方向に沿って配置されており、第一駆動部３１のピニオン３１ｅと組み合わされてラック・ピニオン機構を構成する。

なお、以後の説明において、走行レール２の延伸方向（長手方向）をＸ軸、走行レール２の長手方向に垂直な方向（横幅方向）をＹ軸、走行レール２の垂線方向（Ｘ軸及びＹ軸に垂直な方向）をＺ軸、として直交三軸を表示するものとする。

溶接機３の第一駆動部３１は、走行レール２上を走行する台車を構成する。すなわち、溶接機３をＸ軸方向に移動させる駆動手段を構成している。具体的には、第一駆動部３１は、走行レール２上に配置される第一本体部３１ａと、第一本体部３１ａの下面に回転可能に配置された車輪３１ｂと、第一本体部３１ａ上に配置された第一駆動モータ３１ｃと、を有する。

第一本体部３１ａは、例えば、矩形の板状部材によって構成される。車輪３１ｂは、例えば、第一本体部３１ａの四隅に配置されており、走行レール２の両側に二つずつ配置される。車輪３１ｂは、走行レール２のガイド部２２の延伸方向（Ｘ軸方向）と垂直な方向（Ｚ軸方向）の回転軸を有するとともに、周面にガイド部２２に係止可能な溝を有する。第一駆動モータ３１ｃは、下向き（Ｚ軸マイナス方向）に第一本体部３１ａ上に配置されており、支持部材３１ｄにより固定されている。また、第一駆動モータ３１ｃの先端部にはピニオン３１ｅが接続されており、ピニオン３１ｅは第一本体部３１ａを貫通して走行レール２のラック部２３と噛み合うように配置されている。したがって、第一駆動モータ３１ｃを駆動させると、ピニオン３１ｅが回転してラック部２３上を転動し、第一本体部３１ａが走行レール２に沿ってＸ軸方向に移動することとなる。

溶接機３の第二駆動部３２は、溶接機３をＹ軸方向に移動させる駆動手段を構成している。具体的には、第二駆動部３２は、第一本体部３１ａ上に配置される第二本体部３２ａと、第二本体部３２ａ上に配置されたスライド部３２ｂと、第二本体部３２ａに配置された第二駆動モータ３２ｃと、を有する。

第二本体部３２ａは、第一本体部３１ａ上に固定された構造物であり、スライド部３２ｂをＸＹ平面に平行に保持するとともに、第二駆動モータ３２ｃを支持する。第二本体部３２ａは、第一本体部３１ａと平行な面を形成する天板を有し、天板上にはスライド部３２ｂの移動を案内するガイド溝部材３２ｄが配置されている。

スライド部３２ｂは、Ｙ軸方向に長い矩形の板状部材によって構成される。スライド部３２ｂは、第一本体部３１ａ側の面に長手方向に沿って配置された凸部３２ｅと、スライド部３２ｂの略中央部の凹部に配置されたラック部３２ｆと、を有する。凸部３２ｅは、第二本体部３２ａ上に配置されたガイド溝部材３２ｄの凹部に挿入されている。ラック部３２ｆは、スライド部３２ｂの長手方向に沿って配置されており、第二駆動モータ３２ｃのピニオン３２ｈと組み合わされてラック・ピニオン機構を構成する。

第二駆動モータ３２ｃは、上向き（Ｚ軸プラス方向）に第二本体部３２ａ上に配置されており、支持部材３２ｇにより固定されている。また、第二駆動モータ３２ｃの先端部にはピニオン３２ｈが接続されており、ピニオン３２ｈは第二本体部３２ａの天板を貫通してスライド部３２ｂのラック部３２ｆと噛み合うように配置されている。したがって、第二駆動モータ３２ｃを駆動させると、ピニオン３２ｈが回転してラック部３２ｆと噛合し、スライド部３２ｂがＹ軸方向に移動することとなる。

溶接機３の第三駆動部３３は、溶接機３をＺ軸方向に移動させる駆動手段を構成している。具体的には、第三駆動部３３は、第二駆動部３２のスライド部３２ｂの先端部（Ｙ軸プラス方向端部）に配置される第三本体部３３ａと、第三本体部３３ａに沿ってＺ軸方向に移動可能に配置された昇降部３３ｂと、第二駆動部３２のスライド部３２ｂ上に配置された第三駆動モータ３３ｃと、を有する。

第三本体部３３ａは、Ｙ軸方向に移動可能なスライド部３２ｂに固定された構造部材であり、昇降部３３ｂをＸＺ平面に平行に保持する。第三本体部３３ａのＸＺ平面を構成する表面には、昇降部３３ｂの移動を案内するガイド溝部材３３ｄが配置されている。

昇降部３３ｂは、Ｚ軸方向に長い矩形の板状部材によって構成される。昇降部３３ｂは、第三本体部３３ａ側の面に長手方向に沿って配置された凸部３３ｅと、昇降部３３ｂの略中央部の凹部に配置されたラック部３３ｆと、を有する。凸部３３ｅは、第三本体部３３ａ上に配置されたガイド溝部材３３ｄの凹部に挿入されている。ラック部３３ｆは、昇降部３３ｂの長手方向に沿って配置されており、第三駆動モータ３３ｃのピニオン３３ｈと組み合わされてラック・ピニオン機構を構成する。

第三駆動モータ３３ｃは、横向き（Ｙ軸プラス方向）にスライド部３２ｂ上に配置されており、支持部材３３ｇにより固定されている。また、第三駆動モータ３３ｃの先端部にはピニオン３３ｈが接続されており、ピニオン３３ｈは昇降部３３ｂのラック部３３ｆと噛み合うように配置されている。したがって、第三駆動モータ３３ｃを駆動させると、ピニオン３３ｈが回転してラック部３３ｆと噛合し、昇降部３３ｂがＺ軸方向に移動することとなる。

溶接機３の第四駆動部３４は、溶接トーチ３６をＸ軸方向に平行なＢ軸周りに回動させる駆動手段を構成している。具体的には、第四駆動部３４は、第三駆動部３３に回動可能に支持された回動軸３４ａと、回動軸３４ａに接続されるとともに第五駆動部３５を支持する回動子３４ｂと、第三駆動部３３に固定されるとともに回動子３４ｂを回動軸３４ａ周りに回動させる第四駆動モータ３４ｃと、を有する。

回動軸３４ａは、昇降部３３ｂに接続された一対の支持アーム３４ｄによって回動可能に支持されており、支持アーム３４ｄの間に回動軸３４ａに固定された回動子３４ｂが配置されている。したがって、回動子３４ｂは、一対の支持アーム３４ｄによって回動可能に支持される。

回動子３４ｂは、例えば、回動軸３４ａを中心とする円弧面を有する略扇形形状を有しており、円弧面はラック部３４ｅを構成している。ラック部３４ｅは、第四駆動モータ３４ｃのピニオン３４ｇと組み合わされてラック・ピニオン機構を構成する。なお、回動子３４ｂは、軽量化のために適宜肉抜きされる。

第四駆動モータ３４ｃは、横向き（Ｘ軸マイナス方向）に昇降部３３ｂ上に配置されており、支持部材３４ｆにより固定されている。また、第四駆動モータ３４ｃの先端部にはピニオン３４ｇが接続されており、ピニオン３４ｇは回動子３４ｂのラック部３４ｅと噛み合うように配置されている。回動子３４ｂを支持する支持アーム３４ｄ及び第四駆動モータ３４ｃを支持する支持部材３４ｆは、それぞれ昇降部３３ｂに固定されていることから、昇降部３３ｂのＺ軸方向の移動に伴って、回動子３４ｂ及び第四駆動モータ３４ｃも昇降することとなる。そして、第四駆動モータ３４ｃを駆動させると、ピニオン３４ｇが回転してラック部３４ｅと噛合し、回動子３４ｂが回動軸３４ａ（Ｂ軸）周りに回動することとなる。

なお、第四駆動部３４の構成は図示したものに限定されず、溶接トーチ３６を回動軸３４ａ（Ｂ軸）周りに回動させることができれば、リンク機構を用いたものであってもよいし、油圧シリンダ、エアシリンダ、電動式アクチュエータ等の駆動手段を用いたものであってもよい。

溶接機３の第五駆動部３５は、溶接トーチ３６をＹ軸方向に平行なＡ軸周りに回動させる駆動手段を構成している。具体的には、第五駆動部３５は、第四駆動部３４の回動子３４ｂに支持された第五本体部３５ａと、第五本体部３５ａに回動可能に接続されるとともに溶接トーチ３６を支持するトーチ保持部３５ｂと、第五本体部３５ａに固定されるとともにトーチ保持部３５ｂをＡ軸周りに回動させる第五駆動モータ３５ｃと、を有する。

第五本体部３５ａは、Ｂ軸周りに回動可能な回動子３４ｂに固定された構造部材であり、トーチ保持部３５ｂを回動可能に保持する。第五本体部３５ａには、第五駆動モータ３５ｃが固定されており、第五駆動モータ３５ｃの先端部には第一歯車３５ｄが接続されている。また、第五本体部３５ａには、第一歯車３５ｄにより回転される第二歯車３５ｅが回転可能に支持されている。

トーチ保持部３５ｂは、第五本体部３５ａの前面（Ｙ軸プラス方向面）に配置されており、背面にＹ軸方向に延びる回動軸３５ｆが配置されている。回動軸３５ｆは、第五本体部３５ａに回動可能に支持されている。また、トーチ保持部３５ｂの背面には、第二歯車３５ｅの円周面に沿って第二歯車３５ｅと噛み合うようにラック部３５ｇが形成されている。したがって、第五駆動モータ３５ｃを駆動させて第一歯車３５ｄを回転させると、第一歯車３５ｄと噛合する第二歯車３５ｅが回転し、第二歯車３５ｅと噛合するラック部３５ｇを有するトーチ保持部３５ｂは回動軸３５ｆ（Ａ軸）周りに回動することとなる。

また、トーチ保持部３５ｂの表面には、溶接トーチ３６を保持するクランプ３５ｈが配置されている。なお、クランプ３５ｈの構成は図示したものに限定されるものではなく、溶接トーチ３６を保持することができるものであればよい。

溶接トーチ３６は、例えば、アーク溶接に使用される一般的な溶接トーチであり、先端からワイヤ３６ａが溶接部に供給されるように構成されている。なお、図１（ａ）及び（ｂ）において、溶接トーチ３６にワイヤ３６ａを送給するワイヤ供給手段やワイヤ３６ａについては図を省略している。

上述した第一駆動部３１、第二駆動部３２、第三駆動部３３において、駆動手段としてラック・ピニオン機構を利用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ボールネジ、油圧シリンダ、エアシリンダ、電動式アクチュエータ等の駆動手段を利用してもよい。また、溶接機３は、図１（ａ）において一点鎖線で示したように、ケーシングにより覆われていてもよい。

上述した自動溶接装置１は、図２（ｂ）に示したように、溶接機３の動作を制御する制御装置５と、開先形状に適した溶接条件を予め登録した溶接条件データベース６と、溶接箇所における開先実形状を計測する計測手段と、を有している。計測手段は、例えば、第一駆動部３１と、第二駆動部３２と、第三駆動部３３と、溶接トーチ３６と、制御装置５と、により構成され、制御装置５は、溶接線に対して垂直な方向に溶接トーチ３６を移動させつつ昇降させることにより、溶接トーチ３６の先端に配置されたワイヤ３６ａを母材表面４１ｃに接触させて開先実形状を計測するように構成されている。なお、制御装置５及び溶接条件データベース６は、いわゆるパーソナルコンピュータにより構成することができ、溶接機３と有線又は無線により接続される。

ここで、図３は、計測手段による開先実形状の計測に関する説明図であり、（ａ）は計測方法を示す概要図、（ｂ）は計測点を示す開先の平面図、である。図３（ｂ）に示すように、ロンジ４１のウェブ４１ａ又はフェースプレート４１ｂの突合せ面に沿ってルートギャップΔｇが形成される。開先実形状は公称形状と差が生じやすく、バラツキも大きいことから、従来は溶接士による溶接条件の補正が必要であった。本実施形態では、上述した計測手段により開先実形状を計測するように構成されている。

まず、図３（ｂ）に示したように、溶接線に沿って開先実形状を計測したい計測位置Ｓ１〜Ｓ５を複数設定する。計測位置Ｓ１〜Ｓ５のそれぞれについて、図３（ａ）に示したように、溶接トーチ３６を各計測位置Ｓ１〜Ｓ５に沿って昇降させながら、例えば、図中の矢印で示した順序で移動させ、計測点Ｐ１〜Ｐ６においてワイヤ３６ａを母材表面４１ｃに接触させて接触時に通電させる。かかるタッチセンシングにより各計測位置Ｓ１〜Ｓ５における開先実形状を計測することができる。このタッチセンシングを各計測位置Ｓ１〜Ｓ５において繰り返すことにより、溶接線に沿った複数箇所において開先実形状を計測することができる。

かかるタッチセンシングにおいて、溶接トーチ３６を溶接線に垂直な方向（計測点Ｐ１〜Ｐ６の方向）に移動させる手段として第二駆動部３２を使用し、溶接トーチ３６を昇降させる手段として第三駆動部３３を使用し、溶接トーチ３６を溶接線に沿って移動させる手段として第一駆動部３１を使用する。なお、開先形状の計測手段は、かかるタッチセンシングに限定されるものではなく、溶接トーチ３６以外の感圧センサによりタッチセンシングを行うようにしてもよいし、画像処理によって開先実形状を計測するようにしてもよい。

制御装置５は、溶接線に沿って離散した複数の計測位置Ｓ１〜Ｓ５が設定されると、計測手段により計測位置Ｓ１〜Ｓ５における開先実形状を計測し、その計測結果と溶接条件データベース６とを用いて溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するように構成されている。計測位置Ｓ１〜Ｓ５は、例えば、溶接箇所の始点位置と終点位置の二箇所であってもよいし、始点位置と終点位置とその中間位置の複数箇所であってもよい。また、計測点Ｐ１〜Ｐ６は、開先形状の大きさによって適宜設定されるものであり、図に示した六箇所に限定されるものではない。

図２（ｂ）に示したように、溶接条件データベース６には、溶接姿勢（下向き、立向き、横向き）、開先形状、板厚、ワイヤ径、ルートギャップ等の溶接に必要な情報に対応した溶接条件が予め記憶されている。制御装置５は、別途インプットされるロンジ４１や溶接条件に関する基本情報（板厚、ワイヤ径等）に加えて、計測手段によって計測された計測結果を参照することにより、溶接条件データベース６に記憶された溶接条件から最も適切な溶接条件を選択する。

計測手段の計測結果により上位条件である溶接条件が選択されると、下位条件として多層盛溶接のパスごとの溶接条件が選択される。下位条件の溶接条件には、パス数、区間数、区間幅、電流、電圧、溶接速度、Ｂ軸トーチ角度等の開先の多層盛溶接に必要な条件が記憶されている。

各計測位置Ｓ１〜Ｓ５における下位条件の溶接条件が選択されると、制御装置５は、計測手段により計測された開先実形状に基づいて、各計測位置間（Ｓ１・Ｓ２間、Ｓ２・Ｓ３間、Ｓ３・Ｓ４間、Ｓ４・Ｓ５間）において溶接条件を線形補間し、溶接線に沿って連続した溶接条件を設定する。すなわち、制御装置５は、溶接線に沿って離散した複数の計測位置Ｓ１〜Ｓ５が設定されると、計測手段により計測位置Ｓ１〜Ｓ５における開先実形状を計測し、その計測結果と溶接条件データベース６とを用いて溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するように構成されている。

なお、ここでは、計測結果から溶接条件を選択した後、溶接条件を線形補間して溶接線に沿って連続した溶接条件を設定する場合について説明したが、開先実形状の計測結果から溶接線に沿って線形補間し、溶接線に沿って連続する開先形状を算出してから、補正された開先形状に基づいて溶接条件データベース６から最適な溶接条件を選択するようにしてもよい。

ここで、図４は、図１に示した自動溶接装置を用いた多層盛溶接の説明図であり、（ａ）は一パス目、（ｂ）は二パス目、（ｃ）は三パス目、を示している。図４（ａ）〜（ｃ）に示したように、本実施形態に係る自動溶接装置１では、一パス目のＢ軸トーチ角度はθ１、二パス目のＢ軸トーチ角度はθ２、三パス目のＢ軸トーチ角度はθ３のように、多層盛溶接の一パスごとに溶接トーチ３６の角度を変更するように構成されている。このＢ軸トーチ角度θ１〜θ３の変更は、第四駆動部３４によって処理される。

上述した自動溶接装置１によれば、第四駆動部３４により多層盛溶接の一パスごとに溶接トーチの角度（Ｂ軸トーチ角度）を変更するように構成したことにより、一パスごとに溶融金属に対して気泡が抜けやすいトーチ角度を設定することができ、溶接品質の向上を図ることができ、ブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。したがって、溶接のやり直しを低減することができ、アークタイム率の向上を図ることもできる。特に、本実施形態に係る自動溶接装置１は、ブローホール等の溶接欠陥が生じやすいアルミ溶接において効果的である。

また、離散した複数の計測位置Ｓ１〜Ｓ５における開先実形状の計測結果と溶接条件データベース６とから、溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するようにしたことにより、溶接士が開先実形状を見ながら溶接条件を補正する必要がなく、溶接士の作業負担を低減することができるとともに、溶接士の技量による溶接品質のバラツキを抑制することができ、溶接品質を向上させることができる。

また、溶接条件の設定の自動化及び溶接士の負担軽減により、各溶接における溶接条件の設定の高速化及び溶接士が同時に複数の溶接装置を取り扱うことに伴うマルチタスク化を図ることができ、アークタイム率の向上を図ることもできる。したがって、横向き溶接における溶融金属の垂れを抑制することができ、状態遷移（固化）が速いアルミ溶接の場合であっても適時に多層盛溶接を行うことができる。

次に、上述した本実施形態に係る自動溶接装置１の固定方法について、図５及び図６を参照しつつ説明する。ここで、図５は、ロンジのフェースプレートの溶接状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、である。図６は、ロンジのウェブの溶接状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、である。

図５（ａ）及び（ｂ）に示したように、ロンジ４１のフェースプレート４１ｂを溶接する場合には、走行レール２をロンジ４１に固定する固定治具７を使用する。固定治具７は、走行レール２の両端部に固定されるクランプにより構成され、クランプは、フェースプレート４１ｂの表面及び裏面で平面を形成する略コ字状断面を有するクランプ本体７ａと、フェースプレート４１ｂの裏面のクランプ本体７ａに配置される締付手段７ｂと、により構成される。

クランプ本体７ａは、開口部を内側に向けた状態で走行レール２の両端部にボルト等の固定具により固定される。クランプ本体７ａの固定面と対峙する面には締付手段７ｂが配置され、ハンドル７ｃを回転させると先端部７ｄがフェースプレート４１ｂの裏面に押し付けられるように構成されている。なお、締付手段７ｂはトグル機構等の他の手段により構成するようにしてもよい。また、クランプ本体７ａの側面には、溶接機３のＸ軸方向の移動を補助するストッパ７ｅが配置されていてもよい。

上述した固定治具７を走行レール２に固定した後、図５（ａ）に示したように、クランプ本体７ａの対峙する開口部にフェースプレート４１ｂを挿入し、図５（ｂ）に示したように、溶接トーチ３６をフェースプレート４１ｂの突合せ面４１ｄに配置できる位置に固定治具７を固定する。その後、溶接機３を走行レール２に接続する。本実施形態において、計測手段により開先実形状を計測していることから、溶接線の正確な位置を事後的に認識することができる。したがって、走行レール２が溶接線（フェースプレート４１ｂの突合せ面４１ｄ）に対して完全な平行状態に配置されている必要はなく、走行レール２と溶接線とのズレは計測手段の計測結果によって容易に補正することができる。

図６（ａ）及び（ｂ）に示したように、ロンジ４１のウェブ４１ａを溶接する場合には、走行レール２をロンジ４１に固定する固定治具７′を使用する。固定治具７′は、走行レール２の壁面（スキンプレート４２）側の端部に固定される第一クランプ７１と、走行レール２のフェースプレート４１ｂ側の端部に固定される第二クランプ７２と、を有し、第一クランプ７１は、走行レール２を挟んで配置される一対の第一締付手段７１ａを有し、第二クランプ７２は、少なくとも一つの第二締付手段７２ａを有し、第二締付手段７２ａを締め付けることによって第二クランプ７２をフェースプレート４１ｂに固定し、第一締付手段７１ａを締め付けることによって第一クランプ７１を壁面（スキンプレート４２）に固定するように構成されている。

第一クランプ７１は、例えば、走行レール２の裏面にボルト等の固定具によって固定される固定面と走行レール２の裏面に垂直に延設された脚部とを有する第一クランプ本体７１ｂを有する。第一クランプ本体７１ｂの脚部は、走行レール２の横幅よりも長く形成されており、走行レール２から両側にはみ出した部分に第一締付手段７１ａが配置される。第一締付手段７１ａは、ハンドル７１ｃを回転させると先端部７１ｄが壁面（スキンプレート４２）に押し付けられるように構成されている。なお、第一締付手段７１ａはトグル機構等の他の手段により構成するようにしてもよい。

第二クランプ７２は、例えば、走行レール２の裏面にボルト等の固定具によって固定される固定面と走行レール２の裏面に垂直に延設された二本の脚部とを有する第二クランプ本体７２ｂを有する。第二クランプ本体７２ｂは、略Ｆ字形状断面を有する板状部材により構成される。第二締付手段７２ａは、脚部のいずれか一方（例えば、外側の脚部）に配置される。第二締付手段７２ａは、ハンドル７２ｃを回転させると先端部７２ｄがフェースプレート４１ｂに押し付けられるように構成されている。なお、第二締付手段７２ａはトグル機構等の他の手段により構成するようにしてもよい。

上述した固定治具７′を走行レール２に固定した後、図６（ａ）に示したように、第二クランプ本体７２ｂの脚部の間にフェースプレート４１ｂを挿入し、第二締付手段７２ａを締め付けることによって第二クランプ７２をフェースプレート４１ｂに固定する。次に、第一締付手段７１ａを締め付けることによって二つの第一クランプ７１を壁面（スキンプレート４２）に固定する。固定治具７′は、溶接トーチ３６がウェブ４１ａの突合せ面４１ｅに配置できるように走行レール２をロンジ４１に固定する。かかる固定治具７′では、二つの第一クランプ７１と一つの第二クランプ７２との三点により走行レール２を支持していることから、走行レール２を安定に固定することができる。

続いて、溶接機３を走行レール２に接続する。本実施形態において、計測手段により開先実形状を計測していることから、溶接線の正確な位置を事後的に認識することができる。したがって、走行レール２が溶接線（ウェブ４１ａの突合せ面４１ｅ）に対して完全な平行状態に配置されている必要はなく、走行レール２と溶接線とのズレは計測手段の計測結果によって容易に補正することができる。

上述したように、フェースプレート４１ｂを溶接する場合及びウェブ４１ａを溶接する場合において、固定治具７，７′を用いて走行レール２及び溶接機３をロンジ４１に固定した後、計測手段を用いて計測位置Ｓ１〜Ｓ５における開先実形状を計測する。制御装置５は、溶接条件データベース６から、計測結果に最適な溶接条件を抽出し、その溶接条件に基づいて第一駆動部３１〜第五駆動部３５を操作し溶接機３を制御する。このとき、本実施形態に係る自動溶接装置１では、第四駆動部３４により、多層盛溶接の一パスごとに溶接トーチ３６の角度（Ｂ軸トーチ角度）を変更しながら所望の溶接を行う。

したがって、上述した自動溶接装置１及びその固定治具７，７′を利用することにより、溶接品質の向上及びアークタイム率の向上を図ることができる。また、その結果、横向き溶接の場合であっても溶融金属の垂れを最小限に抑制することができ、状態遷移（固化）の速いアルミ溶接の場合であっても高品質な溶接を行うことができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、アルミ溶接以外の通常の鋼材の溶接にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 自動溶接装置
２ 走行レール
３ 溶接機
５ 制御装置
６ 溶接条件データベース
７ 固定治具
３１ 第一駆動部
３２ 第二駆動部
３３ 第三駆動部
３４ 第四駆動部
３４ａ 回動軸
３４ｂ 回動子
３４ｃ 第四駆動モータ
３５ 第五駆動部
３６ 溶接トーチ
３６ａ ワイヤ
４１ ロンジ
４１ａ ウェブ
４１ｂ フェースプレート
４１ｃ 母材表面
４２ スキンプレート（壁面）
７１ 第一クランプ
７１ａ 第一締付手段
７２ 第二クランプ
７２ａ 第二締付手段

Claims (4)

1. 溶接線に沿って配置される走行レールと、該走行レールに沿って移動可能に配置される溶接機と、を有する自動溶接装置において、
   前記溶接機は、
   前記走行レールに移動可能に接続される第一駆動部と、
   該第一駆動部に前記走行レールと交差する方向に移動可能に接続される第二駆動部と、
   該第二駆動部に昇降可能に接続される第三駆動部と、
   該第三駆動部に前記溶接線に対して垂直な方向に回動可能に接続される第四駆動部と、
   該第四駆動部に前記溶接線に対して平行な方向に回動可能に接続される第五駆動部と、
   該第五駆動部に固定される溶接トーチと、
   壁面に対して垂直に配置されるウェブと該ウェブに対して垂直に配置されるフェースプレートとを有するロンジの突合せ溶接をする際に、前記走行レールを前記ロンジに固定する固定治具と、を有し、
   前記第四駆動部は、多層盛溶接の一パスごとに前記溶接トーチの角度を変更するように構成されており、
   前記固定治具は、前記走行レールの前記壁面側の端部に固定される第一クランプと、前記走行レールの前記フェースプレート側の端部に固定される第二クランプと、を有し、前記第一クランプは、前記走行レールを挟んで配置される一対の第一締付手段を有し、前記第二クランプは、少なくとも一つの第二締付手段を有し、該第二締付手段を締め付けることによって前記第二クランプを前記フェースプレートに固定し、前記第一締付手段を締め付けることによって前記第一クランプを前記壁面に固定するように構成されている、
   ことを特徴とする自動溶接装置。
2. 前記第四駆動部は、前記第三駆動部に回動可能に支持された回動軸と、該回動軸に接続されるとともに前記第五駆動部を支持する回動子と、前記第三駆動部に固定されるとともに前記回動子を前記回動軸周りに回動させる駆動モータと、を有することを特徴とする請求項１に記載の自動溶接装置。
3. 前記溶接機の動作を制御する制御装置と、開先形状に適した溶接条件を予め登録した溶接条件データベースと、溶接箇所における開先実形状を計測する計測手段と、を有し、前記制御装置は、前記溶接線に沿って離散した複数の計測位置が設定されると、前記計測手段により前記計測位置における開先実形状を計測し、その計測結果と前記溶接条件データベースとを用いて前記溶接線に沿って連続した溶接条件を設定するように構成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の自動溶接装置。
4. 前記計測手段は、前記第一駆動部と、前記第二駆動部と、前記第三駆動部と、前記溶接トーチと、前記制御装置と、により構成され、前記制御装置は、前記溶接線に対して垂直な方向に前記溶接トーチを移動させつつ昇降させることにより、前記溶接トーチの先端に配置されたワイヤを母材表面に接触させて前記開先実形状を計測するように構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の自動溶接装置。