JP6584684B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、中心から外周縁までの長さが周方向で異なる異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置に関する。

特許文献１に記載されているように、シェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部は、多数の同形状のプレートが重ね合わされ、隣り合うプレートの外周縁同士が溶接され、各プレート間に冷媒流路が形成される。
特許文献１に開示されたシェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部は、多数の真円形プレートが重ね合わされて熱交換部を構成している。
溶接直後に溶接部にアフタシールドガスを噴射し溶接部を大気からシールドして溶接部の冷却を兼ねて溶接部の酸化を防止し、これによって、溶接焼けなどの溶接欠陥を防止することが行われる。特許文献２及び３には、アフタシールドガスを噴射するアフタシールドノズルを備える溶接装置が開示されている。

特許第５６９０５３２号公報 特開２００２−３０１５７１号公報 特開２００７−１４４４２７号公報

真円形プレートを回転させ、溶接トーチを外周縁に対向配置して外周縁同士を溶接する場合、回転中心と外周縁との距離は常に一定であるので、アフタシールドノズルを溶接された外周縁に対して適当な距離に配置して酸化防止効果を高めることは容易である。
しかし、回転中心から外周縁までの長さが周方向で異なる異形プレートの外周縁同士を同じ方法で溶接する場合、外周縁の周方向で回転中心と外周縁との距離が異なるので、アフタシールドノズルを溶接された外周縁に対して常に最適な位置に配置することは容易ではない。

幾つかの実施形態は、異形プレートの外周縁同士を溶接する場合に、溶接部の酸化防止効果を向上させ、溶接焼けなどの溶接欠陥を防止することを目的とする。

（１）幾つかの実施形態に係る溶接装置は、
重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
前記２枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
前記回転台に固定された前記２枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
前記溶接トーチより前記回転台の回転方向下流側に位置して前記溶接トーチに設けられ、前記回転方向に沿って並設されて前記外周縁に向かってシールドガスを噴射し、前記回転方向上流側に位置する第１ノズル及び前記回転方向下流側に位置する第２ノズルを含む複数のノズルを有するアフタシールド部と、
前記溶接トーチに設けられ前記第２ノズルを前記外周縁の周方向（前記回転方向と同一方向又は逆方向）へ回動させるノズル駆動部と、
前記第２ノズルから噴射される前記シールドガスが前記溶接トーチで溶接された前記外周縁に到達する距離が短くなる方向へ前記ノズルの向きを制御する制御部と、
を備える。

本明細書において、「異形プレート」とは、プレートが回転台に固定されたとき、回転中心から外周縁までの長さが周方向で異なるプレートを言う。例えば、外周縁が真円形のように周方向で同一の曲率を有する円弧で構成されるものではなく、周方向で異なる曲率を有するものである。例えば、楕円形のプレートなどが該当するが、楕円形のように外周縁が円弧のみで構成される形状に限定されない。

溶接トーチによって外周縁同士が溶接され、溶接直後の溶接部は複数のノズルから噴射されるシールドガスによって覆われることで酸化が抑制される。
上記（１）の構成において、シールドガスによる酸化防止効果を高めるためには、異形プレートの溶接された外周縁に対してノズルを接近させることが望ましい。

回転台の回転方向下流側に配置される第２ノズルは、外周縁の曲率によっては、溶接後の外周縁から離れてしまう場合が考えられる。そこで、上記制御部によって上記ノズル駆動部を制御し、第２ノズルを外周縁の周方向へ回動させることで、第２ノズルから噴射されるシールドガスが溶接トーチで溶接された外周縁に到達する距離を短くする。これによって、第２ノズルから噴射されるシールドガスによる酸化防止効果を向上できる。
回転方向上流側で溶接トーチの近傍に配置される第１ノズルは、必ずしも向き制御を行わなくても、酸化防止効果を得ることができる。

また、アフタシールド部は溶接トーチに設けられ、溶接トーチと共に移動するため、独自の駆動部を必要とせず、低コスト化できる。また、複数のノズルを溶接トーチに設けることで、溶接トーチに対する複数のノズルの相対位置を溶接された外周縁に対するシールドガスの噴射タイミングが最適となるように予め正確に位置決めできる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記制御部は、前記２枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに前記第２ノズルの向きが座標表記されたノズル姿勢マップを有し、
前記制御部は、前記ノズル姿勢マップに基づいて前記第２ノズルの向きを制御するものである。
上記（２）の構成によれば、ノズル姿勢マップに基づいて第２ノズルの向きが酸化防止効果を高めることができるように予め設定されるため、溶接後の外周縁の酸化防止効果を向上できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記ノズル姿勢マップにおいて、
前記第２ノズルの向きは、前記第２ノズルに相対する前記外周縁の接線に対する前記ノズルの軸線の角度で表される。
上記（３）の構成によれば、ノズル姿勢マップにおいて、第２ノズルの向きを外周縁の接線に対する第２ノズルの軸線の角度で表すことで、上記二次元座標で第２ノズルの向きを設定するのが容易になる。

（４）一実施形態では、前記（１）〜（３）の何れかの構成において、
前記ノズル駆動部は、
前記第２ノズルに回動可能に取り付けられたピストンロッドを有するエアシリンダを含む。
上記（４）の構成によれば、上記ノズル駆動部を上記エアシリンダで構成することで簡素化かつ軽量化できる。そのため、ノズル駆動部を溶接トーチに設けてもトーチユニットの重量化をまねかず、トーチユニットの作動の負担とならない。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記ノズル駆動部による前記第２ノズルの向き変動動作と共に前記第２ノズルを前記外周縁に向かって接近させるリンク機構を備える。
上記（５）の構成によれば、第２ノズルはノズル駆動部による向き変動動作と共に外周縁に接近できるので、シールドガスによる溶接部の遮蔽効果を高め、溶接部の酸化防止効果をさらに向上できる。

（６）一実施形態では、前記（５）の構成において、
前記第１ノズルは前記リンク機構に取り付けられ、前記第２ノズルの向き変動動作と共に前記リンク機構によって前記第２ノズルと同一方向へ回動可能に構成されている。
上記（６）の構成によれば、第２ノズルの向き変動動作時に第１ノズルを協動させることで、溶接部の酸化防止効果をさらに向上できる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の構成において、
前記複数のノズルに設けられ、前記ノズルから噴射されるシールドガスを前記異形プレートの表裏面に交差する方向に設けられ、シールドガス噴射空間を両側から覆う一対の耐熱性カバーを備える。
上記（７）の構成によれば、上記耐熱性カバーを備えることで、ノズルから噴き出したシールドガスがノズル及び溶接された外周縁の周囲から拡散するのを抑制できるため、溶接された外周縁の酸化防止効果を向上できる。

（８）一実施形態では、前記（７）の構成において、
前記ノズルのノズル口は矩形断面を有し、
前記耐熱性カバーは、前記矩形断面を構成し前記外周縁に沿う方向に配置された隔壁の外面に取り付けられる。
上記（８）の構成によれば、耐熱性カバーを平坦な隔壁外面に取り付けるため、耐熱性カバーの取り付けが容易になる。また、耐熱性カバーによってノズル及び溶接された外周縁の周囲を、外周縁の表裏面と交差する方向両側から挟むように覆うので、シールドガスの拡散防止効果を向上でき、溶接された外周縁の酸化防止効果を向上できる。

幾つかの実施形態によれば、異形プレートの外周縁同士を溶接する場合に、溶接トーチに近い位置に設けられた第１ノズルだけでなく、回転方向下流側に設けられた第２ノズルから噴射されるシールドガスによる酸化防止効果を向上できるので、溶接焼けなどの溶接欠陥を抑制できる。

一実施形態に係る溶接装置の平面図である。 一実施形態に係る溶接装置の正面図である。 一実施形態に係る溶接装置の制御系を示すブロック線図である。 一実施形態に係る溶接装置の制御系を示すブロック線図である。 一実施形態に係る溶接装置の平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は夫々一実施形態に係る溶接装置の動作説明図である。 異形プレートの溶接制御マップの一例を示す説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は一実施形態に係るリンク機構の平面図である。 一実施形態に係るノズル口の斜視図である。 （Ａ）は一実施形態に係る溶接方法の一例を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す溶接方法による溶け込み深さを示す断面図である。 （Ａ）は一実施形態に係る溶接方法の一例を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す溶接方法による溶け込み深さを示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

一実施形態に係る溶接装置１０は、図１及び図２に示すように、溶接対象となる重ね合った２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２同士を溶接するものである。溶接装置１０は回転台１２ａ及び１２ｂを備え、異形プレートＰ_１及びＰ_２は重ね合った状態で回転台１２ａ及び１２ｂ間に配置され、これら回転台によって挟持される。異形プレートＰ_１及びＰ_２は同一の大きさ及び同一の形状を有し、互いに重ね合ったとき、これらの外周縁ｅ１及びｅ２は実質的に一致する。
回転台１２ａ及び１２ｂに固定された２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２に対向する外側位置に溶接トーチ１４が配置される。溶接トーチ１４はトーチユニット１６に取り付けられる。

さらに、溶接トーチ１４より回転台１２ａ及び１２ｂの回転方向ａの下流側に位置するアフタシールド部２０を備える。アフタシールド部２０は、溶接トーチ１４に設けられ、回転台１２ａおよび１２ｂの回転方向ａに沿って並設された複数のノズル２２ａ及び２２ｂを有する。ノズル２２ａ及び２２ｂはシールドガスを噴射するノズル口２４ａ及び２４ｂを有し、ノズル口２４ａ及び２４ｂは外周縁ｅ１及びｅ２に向けて配置される。複数のノズル２２ａ及び２２ｂのうち、第１ノズル２２ａは回転方向上流側に配置され、第２ノズル２２ｂは回転方向下流側に配置される。

溶接装置１０は、さらに、図１に示すように、第２ノズル２２ｂのノズル口２４ｂを外周縁の周方向（回転方向ａと同一方向又は逆方向）へ回動させるノズル駆動部２６を備える。第２ノズル２２ｂの向きは、図３に示す第１制御部２８によって、ノズル口２４ｂから噴射されるシールドガスが外周縁ｅ１及びｅ２の溶接部ｗに到達する距離が短くなる方向（通常第１ノズル２２ａ側）へ制御される。図５はこのように第２ノズル２２ｂの向きが制御された状態を示す。

上記構成において、回転台１２ａ及び１２ｂは例えば一定周速度で回転される。溶接トーチ１４によって異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁同士が溶接され、外周縁ｅ１及びｅ２の溶接部ｗは複数のノズル２２ａ及び２２ｂから噴射されるアフタシールドガスによって酸化が抑制される。このとき、図５に示すように、第１制御部２８によって、ノズル口２４ｂの向きは外周縁の溶接部ｗに対するシールドガス到達距離が短くなるように制御されるため、アフタシールドガスによる酸化防止効果を向上できる。これによって、溶接焼けなどの溶接欠陥を防止できる。

このように、溶接トーチ１４との間隔が第１ノズル２２ａより離れた第２ノズル２２ｂの向き制御を行うことで、溶接部ｗの酸化防止効果を向上できる。
また、アフタシールド部２０は溶接トーチ１４に設けられるため、独自の駆動部を必要とせず、低コスト化できる。また、溶接トーチ１４に対する複数のノズル２２ａ及び２２ｂの相対位置を溶接部ｗに対するシールドガスの噴射タイミングが最適となるように予め正確に位置決めできる。

図６（Ａ）は、曲率が小さい外周縁ｅ１及びｅ２を溶接する場合を示し、図６（Ｂ）は、曲率が大きい外周縁ｅ１及びｅ２を溶接する場合を示す。
第１ノズル２２ａより回転方向下流側に配置される第２ノズル２２ｂは、図６（Ｂ）に示すように、溶接部ｗの外周縁の曲率が大きい場合、外周縁から離れてしまうおそれがある。そこで、第１制御部２８によってノズル駆動部２６を制御し、第２ノズル２２ｂを外周縁の周方向（通常第１ノズル２２ａ側）へ回動させることで、第２ノズルから噴射されるシールドガスが溶接トーチ１４で溶接された外周縁に到達する距離を短くする。これによって、第２ノズルから噴射されるシールドガスによる酸化防止効果を向上できる。
回転方向上流側で溶接トーチの近傍に配置される第１ノズル２２ａは、必ずしも向き可変動作を行わなくても、酸化防止効果を得ることができる。

一実施形態では、図２及び図３に示すように、溶接トーチ１４を外周縁ｅ１及びｅ２に向かって進退させる第１トーチ駆動部１８を備える。
一実施形態では、異形プレートＰ_１及びＰ_２は、特許文献１に開示される真円形プレートと同様に、シェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部を形成する。異形プレートＰ_１及びＰ_２は、上記真円形プレートと同様に、図１に示すように、内側に冷媒が流通する内円の孔ｈ１及びｈ２が形成される。内円の孔ｈ１及びｈ２の内縁を３本の固定つめ（不図示）で合わせることにより、溶接対象となる２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２が重ね合わされた状態となる。

一実施形態では、図３及び図６に示すように、第１制御部２８は、回転台１２ａ及び１２ｂの回転中心（即ち、２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の回転中心）Ｏ_１を座標中心（０，０）としたｘ軸及びｙ軸からなる二次元座標に、少なくとも外周縁の曲率が異なる領域ごとに第２ノズル２２ｂの向きが座標表記されたノズル姿勢マップ３０を有する。第１制御部２８はノズル姿勢マップ３０に基づいて第２ノズル２２ｂの向きを制御する。
このように、ノズル姿勢マップ３０に基づいて第２ノズル２２ｂの向きが酸化防止効果を高めるように予め設定されるので、溶接部ｗの酸化防止効果を向上できる。

一実施形態では、図７に示すように、回転中心Ｏ_１を同一中心角θごとに領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）に分割し、領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）ごとに第２ノズル２２ｂの向きを座標表記する。第１制御部２８は、この座標表記に基づいて第２ノズル２２ｂの向きを制御する。中心角θを小さくすることで、外周縁の周方向で第２ノズル２２ｂの向きをきめ細かく設定できる。

一実施形態では、ノズル姿勢マップ３０の二次元座標において、図６に示すように、第２ノズル２２ｂの向きは、第２ノズル２２ｂに相対する外周縁ｅ１及びｅ２の接線Ｌｔに対する第２ノズル２２ｂの軸線ｉの角度αで表す。
このように、第２ノズル２２ｂの向きを二次元座標上で接線Ｌｔに対する第２ノズル２２ｂの軸線ｉの角度αで表すことで、第１制御部２８による第２ノズル２２ｂの向きを設定するのが容易になる。

一実施形態では、図１に示すように、ノズル駆動部２６は、軸３１を介して第２ノズル２２ｂに回動可能に取り付けられたピストンロッド３２を有するエアシリンダ３４を含む。第１制御部２８はエアシリンダ３４の駆動を制御する。
上記構成によれば、ノズル駆動部２６をエアシリンダ３４で構成することで簡素化かつ軽量化できる。そのため、ノズル駆動部２６を溶接トーチ１４に設けてもトーチユニット１６の重量化をまねかず、トーチユニット１６の作動の負担とならない。
一実施形態では、図１に示すように、溶接トーチ１４に固定板３６が取り付けられ、第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂは固定板３６に取り付けられる。第２ノズル２２ｂは軸３８を介して固定板３６に回動可能に取り付けられる。

一実施形態では、図８に示すように、ノズル駆動部２６による第２ノズル２２ｂの向き変動動作と共に、第２ノズル２２ｂを外周縁ｅ１及びｅ２に向かって近づけるリンク機構４０を備える。
上記構成によれば、第２ノズル２２ｂをノズル駆動部２６による向き変動動作と共に外周縁ｅ１及びｅ２に接近させることができるので、シールドガスによる溶接部ｗの遮蔽効果をさらに向上できる。これによって、シールドガスによる溶接部ｗの酸化防止効果をさらに向上できる。

図５において、溶接部ｗが外周縁ｅ１及びｅ２の曲率が大きい部位であるとき、第２ノズル２２ｂの軸線ｉを回転方向ａと逆方向へ傾けて溶接部ｗに対するシールドガス噴射距離を短くする状態を示している。
２２ｂは、ノズル駆動部２６によって第２ノズル２２ｂを第１ノズル２２ａ側へ回動させる実施形態のときの第２ノズル２２ｂの位置を示す。２２ｂ’は、図８に示すリンク機構４０をさらに備え、第２ノズル２２ｂの回動と同時にリンク機構４０によって第２ノズル２２ｂを溶接部ｗ側へ接近したときの第２ノズルの位置を示す。

一実施形態では、図８に示すように、第１ノズル２２ａはリンク機構４０に取り付けられ、第２ノズル２２ｂの回動と共にリンク機構４０によって第２ノズル２２ｂと同一方向（即ち溶接トーチ１４側）へ回動可能に構成されている。
上記構成によれば、第２ノズル２２ｂの回動動作時に第１ノズル２２ａを溶接トーチ１４側へ回動させることで、シールドガスによる溶接部ｗの遮蔽効果をさらに向上でき、これによって、溶接部ｗの酸化防止効果をさらに向上できる。

一実施形態では、図８に示すように、リンク機構４０はリンク４２ａ、４２ｂ及び４２ｃを含む。リンク４２ａの一端はエアシリンダ３４に接続され、他端はリンク４２ｂの一端と軸４４ａによって回動可能に接続されている。リンク４２ｂは軸方向中央で軸３１に回動可能に支持され、リンク４２ｂの他端はリンク４２ｃの一端と軸４４ｂによって回動可能に接続されている。リンク４２ｃの他端は軸４４ｃによって固定板３６に回動可能に接続されている。
ピストンロッド３２が伸びると、第２ノズル２２ｂは第１ノズル２２ａ側へ傾くと共に、外周縁ｅ１及びｅ２へ接近する。同時に第１ノズル２２ａも溶接トーチ１４側（矢印方向）へ傾く。
これによって、溶接部ｗの溶接直後に溶接部ｗを第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂから噴射されるシールドガスによる遮蔽効果をさらに向上でき、溶接部ｗの酸化防止効果をさらに向上できる。

一実施形態では、図９に示すように、複数のノズル２２ａ及び２２ｂに一対の耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂが設けられる。一対の耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂは、これらのノズルから噴射されるシールドガスＧを異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面に対して交差する方向に設けられ、シールドガス噴射空間を両側から覆う。
上記構成によれば、耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂを備えることで、第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂから噴き出したシールドガスが溶接部付近から拡散するのを抑制できるため、溶接部ｗの酸化防止効果を向上できる。

一実施形態では、図９に示すように、第１ノズル２２ａ又は第２ノズル２２ｂのノズル口２４ａ及び２４ｂは矩形断面を有する。耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂは、ノズル口２４ａ及び２４ｂの矩形断面を構成し外周縁ｅ１及びｅ２に沿う方向に配置された隔壁２５ａ及び２５ｂの外面に取り付けられる。
上記構成によれば、耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂを平坦な隔壁外面に取り付けるため、耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂの取り付けが容易になる。また、シールドガスＧの溶接部ｗへの噴き付け時に、耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂによって溶接部ｗを外周縁ｅ１及びｅ２の表裏面と交差する方向両側から挟むように覆うので、溶接部ｗからのシールドガスＧの拡散を効果的に抑制でき、溶接部ｗの酸化防止効果を向上できる。
耐熱性カバー４６ａ及び４６ｂは、例えば、耐熱ガラス製クロスで構成される。耐熱ガラス製クロスで構成することで軽量化が図られ、ノズルの向き制御が容易になる。

一実施形態では、第２ノズル２２ｂの向き変動動作と共に、第１ノズル２２ａを第２ノズル２２ｂと同一方向へ回動させるリンク機構４０を備える実施形態において、図３に示すように、第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂの向きが座標表記されたノズル姿勢マップ３０を有する。そして、第１制御部２８はノズル姿勢マップ３０に基づいて第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂの向きを制御する。
このように、第１制御部２８によってノズル姿勢マップ３０に基づいて第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂの向きを制御するため、異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁の形状に即応して外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に沿って第１ノズル２２ａ及び第２ノズル２２ｂから噴射シールドガスの溶接部ｗへの到達距離を常に短くすることができる。これによって、外周縁ｅ１及びｅ２の周方向全域で溶接部ｗの酸化防止効果を向上できる。

一実施形態では、第２ノズル２２ｂの角度とリンク機構４０の構成とによって、第１ノズル２２ａの角度が自動的に決定される。
これによって、第１ノズル２２ａの駆動部及び制御部が不要となり、低コスト化できる。

一実施形態では、回転台１２ａ及び１２ｂは一定速度で回転すればよいので、該回転台の駆動部を簡素化かつ低コスト化できる。また、溶接トーチ１４は外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に対して移動させる必要がなく、基本的に固定配置となるので、溶接トーチ１４を外周縁の周方向へ移動させるための駆動部を必要とせず低コスト化できる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、溶接トーチ１４が取り付けられるトーチユニット１６は、レール４８の長手方向（図１の矢印ｂ方向）にスライド可能に取り付けられる。トーチユニット１６は、第１トーチ駆動部１８が設けられる第１ブロック１６ａと、溶接トーチ１４が設けられる第２ブロック１６ｂとで構成される。
一実施形態では、図２及び図３に示すように、第１トーチ駆動部１８は、外周縁ｅ１及びｅ２の接線に対する溶接トーチ１４の向きを可変とする向き可変部１８ａと、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を可変とする間隔可変部１８ｂとを含む。
一実施形態では、間隔可変部１８ｂは、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の先端の間隔を可変とする。

一実施形態では、向き可変部１８ａは、図１に示すように、円弧形状を有するレール４８を含む。レール４８は外周縁ｅ１及びｅ２と対向する位置に設けられ、かつこれら外周縁の周方向に沿って延設される。一実施形態では、溶接トーチ１４の先端は、間隔可変部１８ｂによって外周縁ｅ１及びｅ２に対して進退する方向（図１の矢印ｄ方向）へ直線状に移動可能であり、これによって、溶接トーチ１４の先端を常に外周縁ｅ１及びｅ２上に配置できる。レール４８の円弧中心を溶接トーチ１４の先端の移動線上でかつ外周縁上の１点に設定することで、この１点に溶接トーチ１４の先端を合わせながら、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の向きを変えることができる。
なお、実際の溶接では、溶接トーチ１４の先端は、外周縁ｅ１及びｅ２に対して外側に微小間隔だけずらした位置に配置される。

一実施形態では、向き可変部１８ａは、図２に示すように、レール４８の表面に設けられたラック５０と、ラック５０に噛合うピニオン５２と、ピニオン５２を駆動する駆動部５４とで構成される。駆動部５４でピニオン５２を駆動することで、トーチユニット１６はレール４８の長手方向に沿って移動する。ピニオン５２は台５６に回動可能に支持され、駆動部５４及び台５６は支持台５８に固定される。

一実施形態では、間隔可変部１８ｂは、図２に示すように、支持台５８に回動可能に支持されるボールネジ６０と、支持台５８に設けられた駆動部６２と、支持台５８と一体でボールネジ６０と螺合するスライドブロック６３とで構成される。スライドブロック６３が固定される支持台５９は第２ブロック１６ｂの一部を構成する。
駆動部６２によってボールネジ６０が回動し、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の先端の間隔を可変とする。

一実施形態では、図２及び図４に示すように、第２ブロック１６ｂは、溶接トーチ１４を２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向（例えば図２の矢印ｆ方向）へ移動可能にする第２トーチ駆動部６４と、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を可変とする第３トーチ駆動部６６と、を含む。さらに、図１に示すように、２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向の重ね合わせ位置及び外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を検出する非接触センサ６８を備える。
図４に示すように、非接触センサ６８の検出値は第２制御部２９に入力される。第２制御部２９は、異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向において溶接トーチ１４の位置が異形プレートＰ_１及びＰ_２の重ね合わせ位置に一致するように第２トーチ駆動部６４を制御する。また、第２制御部２９は、溶接トーチ１４と外周縁ｅ１及びｅ２との間隔が設定値となるように第３トーチ駆動部６６を制御する。

上記構成によれば、向き可変部１８ａ及び間隔可変部１８ｂによって、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の向き及び間隔を外周縁の周方向に沿って設定値に保持できる。また、非接触センサ６８の検出によるフィードバック制御により、溶接トーチ１４を常に外周縁ｅ１及びｅ２の重ね合わせ位置に位置させることができるので、溶接部ｗの入熱量を確保できる。また、上記フィードバック制御によって外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を常に設定値に保持できるので、外周縁の周方向に沿って溶接部ｗの溶け込み深さを均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。

一実施形態では、図２に示すように、第２トーチ駆動部６４は、固定ブロック７０と共に支持台７２に固定される駆動部７４を含む。矢印ｆ方向に配置されたネジ軸７６が支持台５９を下方から支持する。固定ブロック７０では、ネジ軸７６とボールネジ７８とが互いに交差する方向で螺合し、駆動部７４によってボールネジ７８及びネジ軸７６が回動する。ネジ軸７６が回動することで、固定ブロック７０及び支持台７２が異形プレートＰ_１及びＰ_２の合わせ面ｓと交差する方向（矢印ｆ方向）へ平行移動する。

一実施形態では、図２に示すように、第３トーチ駆動部６６は、支持台７２に支持されボールネジ８０を回動する駆動部８２を含む。ボールネジ８０にはトーチ本体８４に固定されたスライドブロック８６が螺合し、ボールネジ８０が回動すると、トーチ本体８４は外周縁ｅ１及びｅ２に対して進退する方向へ直線状に移動する。
一実施形態では、図２に示すように、非接触センサ６８は固定板８８を介して第２ブロック１６ｂに固定される。従って、非接触センサ６８は溶接トーチ１４と共に矢印ｂ、ｄ及びｆ方向へ移動するため、独自の移動手段を必要としない。
一実施形態では、各駆動部５４、６２、７４及び８２は、正逆回転可能なサーボモータで構成され、第１制御部２８又は第２制御部２９によって正逆方向へ回転する。

一実施形態では、非接触センサ６８はレーザ変位センサであり、第２制御部２９は、レーザ変位センサの検出値と第２制御部２９に記憶されたマスタ形状とを比較することで、異形プレートＰ_１及びＰ_２の重ね合わせ位置、及び外周縁ｅ１及びｅ２と溶接トーチ１４間の間隔を検出する。
このように、非接触センサとしてレーザ変位センサを用い、溶接光などの外乱によって乱されないレーザ光を用いるので、検出精度を向上できる。
特に、波長が長い青色レーザ光を発振するレーザ変位センサを用いることで、さらに検出精度を向上できる。

一実施形態では、図３に示すように、第１制御部２８は、トーチ姿勢マップ９０及びトーチ向き変位速度マップ９２を内蔵している。
トーチ姿勢マップ９０は、図６の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ｘ軸及びｙ軸からなる二次元座標が用いられる。この二次元座標の座標中心（０、０）に回転台１２ａ及び１２ｂの回転中心（即ち、異形プレートＰ_１、Ｐ_２の回転中心）Ｏ_１が配置される。
そして、図７に示すように、少なくとも外周縁ｅ１、ｅ２の曲率が異なる領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）ごとに外周縁を分割し、分割された領域の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で溶接トーチ１４の位置及び向きが座標表記される。溶接トーチ１４の向きは、図６に示すように、すべての領域の設定位置で外周縁の接線Ｌｔに対し同一角度となるように設定される。

トーチ向き変位速度マップ９２は、領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）の間で、溶接トーチ１４による加熱時間が一定となるように、溶接トーチ１４の向き変位速度が設定されたマップである。
第１制御部２８は、トーチ姿勢マップ９０及びトーチ向き変位速度マップ９２に基づいて第１トーチ駆動部１８を制御する。

溶接トーチ１４は、トーチ姿勢マップ９０に基づいて少なくとも外周縁ｅ１及びｅ２の曲率が異なる領域ごとに位置及び向きを設定され、かつ外周縁に対する溶接トーチ１４の向きは、すべての領域で同一角度に設定されるので、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
トーチ向き変位速度マップ９２は、領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、溶接トーチ１４の向き変位速度が設定されるため、外周縁の周方向に沿って溶け込み深さを均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥をなくすことができる。
溶接トーチ１４の向き変位速度は、異形プレートＰ_１及びＰ_２の回転方向ａに対して、溶接トーチ１４の向きを同一方向へ変位させるか、あるいは逆方向へ変位させるかによって容易に変えることができる。

一実施形態では、図６に示すように、トーチ姿勢マップ９０において、溶接トーチ１４の先端が二次元座標のｙ軸と外周縁ｅ１、ｅ２との交点Ｐｉに座標表記され，交点Ｐｉを通る仮想円Ｃが設定される。そして、溶接トーチ１４の向きは交点Ｐｉと仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とを通る法線Ｌｎに対して一定の角度を有するように設定される。なお、図６（Ａ）は、回転台１２ａ、１２ｂの回転中心Ｏ_１と仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とが一致する場合を示し、図６（Ｂ）は、回転台１２ａ、１２ｂの回転中心Ｏ_１と仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とが不一致の場合を示す。

このように、溶接トーチ１４の先端が交点Ｐｉに座標表記されることで、第１制御部２８により、異形プレートの任意の回転位置で、溶接トーチ１４の先端が常に交点Ｐｉに位置するように制御される。従って、溶接トーチ１４の位置設定が容易になる。また、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎに対して一定の角度を有するように設定されるため、溶接トーチ１４の向きを外周縁の接線Ｌｔ’に対して常に一定の角度とすることができる。これによって、溶け込み深さを外周縁の周方向に沿って均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
なお、実際の溶接時には、溶接トーチ１４の先端は交点Ｐｉから微小距離だけ外周縁ｅ１及びｅ２の外側へずらした位置に配置される。

一実施形態では、図１０に示すように、溶接トーチ１４の向きは法線Ｌｎと一致するように設定される。これによって、溶接トーチ１４を外周縁の接線Ｌｔ’に対して直角に配置できるため、外周縁の入熱量を最大にできる。従って、外周縁の溶け込み深さを最大にできるため、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
図１０（Ａ）は、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎと一致する例を示し（例１）、図１１（Ａ）は、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎと一致せず、法線Ｌｎと角度βだけ異なる例を示す（例２）。例１の場合、外周縁の入熱量は最大となるため、図１０（Ｂ）に示すように、溶接部ｗの溶け込み深さｍ１は最大となる。例２では、例１と比べて外周縁の入熱量は低減するため、図１１（Ｂ）に示すように、溶接部ｗの溶け込み深さｍ２は例１より低減する。

なお、１つの制御部が第１制御部２８及び第２制御部２９の機能をすべて併せ持つようにしてもよい。
また、外周縁の分割領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）を細分化するほど、溶接トーチ１４の位置及び向きを精密に制御できる。例えば、中心角度θを１°〜２°ごとに外周縁を分割すれば、溶接トーチ１４の位置及び向きを更に精密に制御できる。

なお、溶接トーチ１４は、例えば、可燃性ガスの燃焼熱でガス溶接機によって被溶接材を加熱して溶接するガス溶接、被溶接材と溶接トーチとの間にアークを発生させて被溶接材を溶融するアーク溶接（プラズマ溶接を含む。）、その他任意の溶接方法で用いられる溶接トーチを使用可能である。

幾つかの実施形態によれば、異形プレートの外周縁同士を溶接する場合に、溶接トーチに近い位置に設けられた第１ノズルだけでなく、回転方向下流側に設けられた第２ノズルから噴射されるシールドガスによる酸化防止効果を向上できるので、溶接焼けなどの溶接欠陥を抑制できる。

１０ 溶接装置
１２ａ、１２ｂ 回転台
１４ 溶接トーチ
１６ トーチユニット
１６ａ 第１ブロック
１６ｂ 第２ブロック
１８ 第１トーチ駆動部
１８ａ 向き可変部
１８ｂ 間隔可変部
２０ アフタシールド部
２２ａ 第１ノズル
２２ｂ、２２ｂ’ 第２ノズル
２４ａ、２４ｂ ノズル口
２６ ノズル駆動部
２８ 第１制御部
２９ 第２制御部
３０ ノズル姿勢マップ
３２ ピストンロッド
３４ エアシリンダ
３６、８８ 固定板
４０ リンク機構
４６ａ、４６ｂ 耐熱性カバー
４８ レール
５０ ラック
５２ ピニオン
５４、６２、７４、８２ 駆動部
５８、５９、７２ 支持台
６０、７８、８０ ボールネジ
６３、８６ スライドブロック
６４ 第２駆動部
６６ 第３トーチ駆動部
６８ 非接触センサ
７６ ネジ軸
８４ トーチ本体
９０ トーチ姿勢マップ
９２ トーチ向き変位速度マップ
Ｃ 仮想円
Ｇ シールドガス
Ｌｔ、Ｌｔ’ 接線
Ｌｎ 法線
Ｐ_１、Ｐ_２ 異形プレート
Ｐｉ 交点
ｅ１、ｅ２ 外周縁
ｈ１、ｈ２ 孔
ｍ１、ｍ２ 溶け込み深さ
ｓ 合わせ面
ｗ 溶接部
θ 中心角

Claims (8)

1. 重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
   前記２枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
   前記回転台に固定された前記２枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
   前記溶接トーチより前記回転台の回転方向下流側に位置して前記溶接トーチに設けられ、前記回転方向に沿って並設されて前記外周縁に向かってシールドガスを噴射し、前記回転方向上流側に位置する第１ノズル及び前記第１ノズルより前記回転方向下流側に位置する第２ノズルを含む複数のノズルを有するアフタシールド部と、
   前記溶接トーチに設けられ前記第２ノズルを前記外周縁の周方向へ回動させるノズル駆動部と、
   前記第２ノズルから噴射される前記シールドガスが前記溶接トーチで溶接された前記外周縁に到達する距離が短くなる方向へ前記ノズルの向きを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする溶接装置。
2. 前記制御部は、前記２枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに前記第２ノズルの向きが座標表記されたノズル姿勢マップを有し、
   前記制御部は、前記ノズル姿勢マップに基づいて前記第２ノズルの向きを制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記ノズル姿勢マップにおいて、
   前記第２ノズルの向きは、前記第２ノズルに相対する前記外周縁の接線に対する前記第２ノズルの軸線の角度で表されることを特徴とする請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記ノズル駆動部は、
   前記第２ノズルに回動可能に取り付けられたピストンロッドを有するエアシリンダを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の溶接装置。
5. 前記ノズル駆動部による前記第２ノズルの向き変動動作と共に、前記第２ノズルを前記外周縁に向かって接近させるリンク機構を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の溶接装置。
6. 前記第１ノズルは前記リンク機構に取り付けられ、前記第２ノズルの向き変動動作と共に前記リンク機構によって前記第２ノズルと同一方向へ回動されることを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
7. 前記複数のノズルに設けられ、前記ノズルから噴射されるシールドガスを前記異形プレートの表裏面に交差する方向に設けられ、シールドガス噴射空間を両側から覆う一対の耐熱性カバーを備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の溶接装置。
8. 前記ノズルのノズル口は矩形断面を有し、
   前記耐熱性カバーは、前記矩形断面を構成し前記外周縁に沿う方向に配置された隔壁の外面に取り付けられることを特徴とする請求項７に記載の溶接装置。

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