JP6855065B2 - 管体溶接装置及び管体製造装置 - Google Patents

Description

この発明は、金属平板を円筒状に曲げ加工した後、突き合わせ部分を溶接して円形断面の管体を製造する管体製造装置、及びこの管体溶接装置を備えた管体製造装置に関する。

金属平板を素材として円形断面の管体を製造する場合、矩形の金属平板を円筒状に曲げ加工した後、周方向に対向する２端面の突き合わせ部分を溶接よって接合する管体溶接装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

管体溶接装置は、金属平板を円筒状に曲げ加工したワークを、突き合わせ部分が溶接トーチに対向する状態で、半径方向に沿って内側に加圧しつつ、軸方向に沿って搬送する。突き合わせ部分は、溶接トーチによる加熱によって溶融して接合される。

突き合わせ部分を溶接によって確実に接合するためには、溶接トーチを突き合わせ部分に正確に対向させる必要がある。このため、管体溶接装置は、ワークの搬送方向における溶接トーチの上流側に、ワークの周方向における溶接トーチと同一位置で突き合わせ部分に嵌入するガイド刃を備えている。ガイド刃の突き合わせ部分への嵌入により、突き合わせ部分を溶接トーチに対向する位置に導く。

特開２０１６−２２４８７号公報

しかし、従来の管体溶接装置では、溶接トーチ及びガイド刃は、突き合わせ部分を全面に含む平面に平行な面内でワークの搬送方向に直交する方向について移動することがないように固定されている。一方、溶接前のワークには、曲げ加工時に生じた応力が捩れや反りを生じさせる力としてワークの内部に残留する。ワークは、突き合わせ部分に嵌入しているガイド刃によって捩れや反りを規制されるが、搬送方向におけるガイド刃の下流側でガイド刃が突き合わせ部分に嵌入しなくなると規制が解除される。残留応力は、ガイド刃による規制に対する反力としてワーク内部に蓄積されており、ガイド刃による規制が解除されると、ワークに捩れや反りを生じる。このため、突き合わせ部分が搬送方向におけるガイド刃の下流側でワークの搬送方向に直交する方向に変位し易く、溶接トーチに正確に対向しなくなる可能性がある。これを放置すると、突き合わせ部分を適正に溶接することができず、溶接後の管体の強度が低下する。

この発明の目的は、搬送中のワークの突き合わせ部分の変位に伴って溶接トーチを移動させることで、突き合わせ部分が溶接トーチに常に正確に対向するようにし、突き合わせ部分を適正に溶接することができる管体溶接装置及び管体製造装置を提供することにある。

この発明の管体溶接装置は、金属平板を円筒状に曲げ加工されたワークが軸方向に平行な搬送方向に沿って搬送される間に、ワークにおける周方向に対向する２端面の突き合わせ部分を連続的に溶接するために、溶接トーチ、ガイド部材、支持機構を備えている。溶接トーチは、ワークの外周面の一部に対向する。ガイド部材は、ワークの搬送方向における溶接トーチの上流側でワークの周方向について溶接トーチと同位置に配置され、ワークの突き合わせ部分に嵌入する。支持機構は、溶接トーチとガイド部材とをワークの中心軸を含む面に平行な面内でワークの軸方向に直交する方向に沿って移動自在にして一体的に支持する。

残留応力によってワークに捩れや反りを生じることにより、ワークの突き合わせ部分がワークの中心軸を全面に含む平面に平行な面内で軸方向に直交する方向に変位すると、これに合わせて突き合わせ部分に嵌入しているガイド部材が溶接トーチと一体的に変位する。溶接トーチは、突き合わせ部分の変位に応じて変位することで、突き合わせ部分に常に対向し、突き合わせ部分を確実に溶接する。

この構成において、支持機構は、溶接トーチとガイド部材とを一体的に支持する支持部材と、支持部材をワークの中心軸を含む面に平行な面内でワークの軸方向に直交する方向とワークの中心軸を含む面の法線方向との両方に沿って移動自在に支持するものとすることができる。突き合わせ部分はワークの周方向に沿って変位するが、溶接トーチとガイド部材とを突き合わせ部分の変位に合わせてワークの周方向に沿って確実に移動させることができる。

また、支持機構は、溶接トーチとガイド部材とをワークの周方向に倣って移動させる倣い機構を含むものとすることができる。溶接トーチとガイド部材とを突き合わせ部分の変位に合わせてワークの周方向に沿って、より確実に移動させることができる。

さらに、ワークの後端がガイド部材を通過した時から溶接トーチに対向する位置に到達する時までの間を含む制動時間において、溶接トーチ及びガイド部材の移動を規制する制動部材を備えることができる。ガイド部材が突き合わせ部分に嵌入しなくなった後に、溶接トーチがガイド部材とともに自由に移動して突き合わせ部分に対向しなくなることを防止できる。

この発明の管体製造装置は、上述の管体溶接装置とともに搬送部材を備えている。搬送部材は、ワークの搬送方向における管体溶接装置の上流側及び下流側に配置され、ワークを搬送方向に沿って搬送する。

この発明によれば、搬送中のワークの突き合わせ部分の変位に伴って溶接トーチを移動させることができ、突き合わせ部分を溶接トーチに常に正確に対向させて、突き合わせ部分を適正に溶接することができる。

この発明の第１の実施形態に係る管体溶接装置の外観図である。 同管体溶接装置の要部の側面断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、同管体溶接装置の要部の動作を説明する正面図である。 この発明の第２の実施形態に係る管体溶接装置の外観図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、同管体溶接装置の要部の動作を説明する正面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、同管体溶接装置の別の要部の動作を説明する正面図である。 この発明の実施形態に係る管体製造装置の概略の側面図である。

以下に、この発明の実施形態に係る管体溶接装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、この発明の第１の実施形態に係る管体溶接装置１０は、溶接トーチ１、ガイド部材２、支持機構３、トンネル金型４、予備加熱トーチ５を備え、矩形の金属平板を円筒形に曲げ加工したワークＷにおける互いに平行な２端部の突き合わせ部分Ｗａを溶接し、管体に成形する。予備加熱トーチ５は、溶接トーチ１による溶接前に突き合わせ部分Ｗａを加熱するものであるが、管体溶接装置１０に必須ではなく、ワークＷの素材や溶接トーチ１の性能等の溶接条件に応じて選択的に配置される。

ワークＷは、図示しない搬送装置を介して軸方向に平行な搬送方向Ｘに沿って、突き合わせ部分Ｗａがトンネル金型４の切欠き部４２内に位置する状態で、トンネル金型４の貫通孔４１を貫通させて搬送される。なお、トンネル金型４に代えて、複数のベルト、複数のチェーン又は複数のローラ列をワークＷの周方向に沿って配置することもできる。

トンネル金型４の切欠き部４２は、貫通孔４１の周面の一部を上面側に開放するように形成されており、溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５の下端部が上方から挿入されている。予備加熱トーチ５は、搬送方向Ｘにおける溶接トーチ１の上流側に配置されている。

ガイド部材２は、搬送方向Ｘにおける予備加熱トーチ５の上流側に配置され、一例として、ガイド刃２１、ホルダ２２から構成されている。ホルダ２２は、搬送方向Ｘに沿って配置された３個の円盤状のガイド刃２１のそれぞれを回転自在に保持している。各ガイド刃２１は、周縁部がワークＷの突き合わせ部分Ｗａに上方から嵌入する。

ガイド部材２は、必ずしも円盤状のガイド刃２１で構成する必要はない。しかし、ガイド部材２として、搬送方向Ｘに沿って回転自在にされた３個の円盤状のガイド刃２１を用いることで、搬送方向Ｘについて比較的長い嵌入範囲Ｌにわたって突き合わせ部分Ｗａに嵌入することができ、ワークＷを安定して搬送することができる。また、回転自在に支持された３個の円盤状のガイド刃２１が嵌入範囲Ｌの全域ではなく部分的に突き合わせ部分Ｗａに嵌入するため、接触抵抗を小さくすることができ、ワークＷの円滑な搬送を妨げることがない。

支持機構３は、一例として、ベース板３１、支持部材３２、取付板３３、支柱３４から構成されている。ベース板３１は、図示しないフレームにトンネル金型４とともに固定されており、４本の支柱３４を平面視において搬送方向Ｘに直交する変位方向Ｙに沿って往復移動自在に支持する。ここで、平面視とはワークＷの中心軸Ｗｂを全面に含む平面に平行な面に対向する方向の視線であり、変位方向ＹはワークＷの中心軸Ｗｂを全面に含む平面に平行な面内でワークＷの軸方向に直交する方向である。

４本の支柱３４のそれぞれの一端部は、取付板３３の裏面に固定されている。取付板３３の表面には、取付部材１１及び５１を介して溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５が支持部材３２とともに固定されている。溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５は、取付板３３により、支持部材３２と一体的に支持されている。支持部材３２は、ホルダ２２を変位方向Ｙに沿う方向の移動を規制しつつ上下方向Ｚに沿って昇降自在に支持している。溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５は、取付板３３により、変位方向Ｙについてガイド刃２１を含むガイド部材２と一体的に固定されており、ガイド刃２１と一体的に変位方向Ｙに沿って往復移動する。また、ガイド刃２１及びホルダ２２は、自重によって下方に付勢されている。

少なくとも１本の支柱３４には、この発明の制動部材であるブレーキ６が備えられている。ブレーキ６は、ワークＷの後端が最も下流側に位置するガイド刃２１を通過した時から溶接トーチ１との対向位置に到達する時までを含む制動時間Ｔの間に駆動され、支柱３４の移動を規制する。溶接トーチ１、予備加熱トーチ５及びガイド刃２１は、制動時間Ｔの間には変位方向Ｙに沿って移動しない。ガイド刃２１が突き合わせ部分Ｗａに嵌入しなくなった後に、溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５がガイド刃２１とともに自由に移動して突き合わせ部分Ｗａに対向しなくなることを防止できる。

なお、制動時間Ｔにおける溶接トーチ１と突き合わせ部分Ｗａとの変位方向Ｙの誤差が無視できる場合には、ブレーキ６を省略することができる。ブレーキの駆動は、ワークＷの搬送時間、又はワークＷの後端の検出によって制御することができる。

曲げ加工時の残留応力によって搬送中のワークＷに捩れや反りを生じると、突き合わせ部分Ｗａが変位方向Ｙに沿って変位しようとする。従来の管体溶接装置では、変位方向Ｙについて固定されたガイド刃が突き合わせ部分Ｗａの変位方向Ｙの変位を完全に規制していたためワークＷの残留応力が助長され、ワークＷの後端がガイド刃を通過した後に溶接トーチに対向する位置に到達するまでの間に突き合わせ部分Ｗａが大きく変位していた。

これに対して、この発明の実施形態に係る管体溶接装置１０では、ガイド部材２の自重及び支柱３４のベース板３１に対する摺動抵抗によって突き合わせ部分Ｗａの変位方向Ｙの変位を規制してはいるものの、これらに抗して突き合わせ部分Ｗａが変位することを許容している。このため、ワークＷの残留応力が増加することがなく、ワークＷの後端がガイド刃２１を通過した後に溶接トーチ１に対向する位置に到達するまでの間で突き合わせ部分Ｗａが大きく変位することがない。

図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、突き合わせ部分Ｗａがガイド部材２の自重及び支柱３４のベース板３１に対する摺動抵抗を越えて変位方向Ｙの矢印Ｙａ又はＹｂ側に変位すると、溶接トーチ１もガイド刃２１と一体的に矢印Ｙａ又はＹｂ側に変位する。実際には、突き合わせ部分Ｗａは、ワークＷの周方向に沿って移動し、変位方向Ｙの変位に伴って上下方向Ｚにも移動する。このため、ガイド刃２１も変位方向Ｙの変位に伴って上下方向Ｚに移動する。

管体溶接装置１０では、突き合わせ部分Ｗａの変位方向Ｙの変位に合わせて溶接トーチ１が変位するため、溶接トーチ１が常に突き合わせ部分Ｗａに対向し、突き合わせ部分Ｗａを適正に溶接することができる。また、ワークＷの後端がガイド刃２１を通過した後に溶接トーチ１に対向する位置に到達するまでの間には、突き合わせ部分Ｗａが大きく変位することがない上に、ブレーキ６の駆動によって溶接トーチ１及びガイド刃２１の変位が規制される。これによって、ワークＷの全長にわたって突き合わせ部分Ｗａを適正に溶接することができる。

なお、支持機構３は、溶接トーチ１、予備加熱トーチ５及びガイドは２１を変位方向ＹについてワークＷの中心軸に対向する位置に付勢する機構を備えることもできる。

図４に示すように、この発明の第２の実施形態に係る管体溶接装置２０は、第１の実施形態に係る管体溶接装置１０に副取付板３３１、ガイド３３２、スライダ３３３、フォロワ３３４及びカム板３３５を備えたものである。管体溶接装置２０のその他の構成は管体溶接装置１０と同一であるため、同一の符号を付して説明を省略する。なお、図４に示す例では、取付板３３及び副取付板３３１の高さに合わせて、支柱３４は２本にされている。

取付板３３の裏面には、２個のスライダ３３３が取り付けられている。副取付板３３１の表面には、２個のガイド３３２が取り付けられている。各スライダ３３３は各ガイド３３２にそれぞれ係合しており、取付板３３は副取付板３３１に対して上下方向Ｚに沿って往復移動自在にされている。

取付板３３の裏面には、さらに円筒状のフォロワ３３４が回転自在に支持されている。カム板３３５は、図示しないフレームに固定されており、上面がワークＷの外径に等しい径の円弧にされている。フォロワ３３４は、取付板３３から作用する重量により、周面をカム板３３５の上面に圧接させている。取付板３３は、変位方向Ｙに沿って移動する際に、ワークＷの外周面の曲率に合わせて上下方向Ｚに沿って移動する。フォロワ３３４及びカム板３３５が、この発明の倣い機構に相当する。

図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ワークＷの搬送中における捩れや反りによって突き合わせ部分ＷａがワークＷの周方向に沿って変位すると、突き合わせ部分Ｗａの変位に合わせて取付板３３が溶接トーチ１、予備加熱トーチ５及びガイド刃２１（ガイド部材２の一部である。）とともに、変位方向Ｙ及び上下方向Ｚに沿って変位する。突き合わせ部分Ｗａが変位した場合に、その変位に応じて溶接トーチ１が上下方向Ｚに沿って移動することで、溶接トーチ１と突き合わせ部分Ｗａとの間隔Ｇが一定に維持され、突き合わせ部分Ｗａの溶接状態がより適正に維持される。

突き合わせ部分Ｗａの上下方向Ｚへの変位は、ワークＷが小径になるほど大きくなり、溶接トーチ１が上下方向Ｚに沿って移動しない場合は、溶接トーチ１と突き合わせ部分Ｗａとの間隔Ｇが大きくなって適正に溶接することができなくなる。そこで、管体溶接装置２０の構成を適用することで、溶接トーチ１を上下方向Ｚに沿って変位させることで、溶接状態を適正にできる。

なお、支柱３４と副取付板３３１との間に、ベース板３１に対して揺動自在に支持する揺動機構を備えることにより、突き合わせ部分Ｗａの変位に応じて溶接トーチ１を常にワークＷの中心軸に対向するように傾斜させることもできる。

図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、管体溶接装置１０又は２０には、溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５をガイド部材２のガイド刃２１とともに取付板３３を介して、突き合わせ部分Ｗａの変位方向（ワークＷの軸方向に直交する方向）における初期位置Ｓに復帰させる復帰機構４０を設けることもできる。

復帰機構４０は、一例として、支持板３５１、スプリング３５２、ストッパ３５３及びスプリング３５４によって構成されている。支持板３５１は、ベース板３１と同様に、フレーム１０１に固定されている。スプリング３５２は、ベース板３１と取付板３３との間で支柱３４に外嵌し、弾性力によって取付板３３をベース板３１から離間する矢印Ｙａ方向に付勢する。なお、支柱３４は、一端部を取付板３３に固定されている。

ストッパ３５３は、両端のそれぞれに第１鍔部３５３１及び第２鍔部３５３２を備えた軸体であり、支持板３５１によって軸方向に移動自在に支持されている。第１鍔部３５３１は、取付板３３の側面に接離自在にされている。第２鍔部３５３２は、支持板３５１を挟んで取付板３３の反対側に位置している。ストッパ３５３の軸方向の長さは、第２鍔部３５３２が支持板３５１に当接した時に、ガイド刃２１が初期位置Ｓに位置する状態での取付板３３の側面に第１鍔部３５３１が当接するように設定されている。

スプリング３５４は、支持板３５１と第１鍔部３５３１との間でストッパ３５３に外嵌し、スプリング３５２よりも強い弾性力によって第１鍔部３５３１を支持板３５１から離間する矢印Ｙｂ方向に付勢する。

図６（Ａ）に示すように、ガイド刃２１がワークＷの突き合わせ部分Ｗａに嵌入していない状態、又は突き合わせ部分Ｗａが変位していない状態では、取付板３３には、スプリング３５２及びスプリング３５４の弾性力以外の力が作用しない。このため、ストッパ３５３は、スプリング３５２よりも強いスプリング３５４の弾性力により、第２鍔部３５３２が支持板３５１に当接するまで、第１鍔部３５３１によって取付板３３を矢印Ｙｂ方向に押圧する。ガイド刃２１は、スプリング３５２及びスプリング３５４の弾性力により、取付板３３を介して初期位置Ｓに保持される。

図６（Ｂ）に示すように、ワークＷの突き合わせ部分Ｗａの変位によってガイド刃２１を介して取付板３３に矢印Ｙａ方向の力が作用すると、スプリング３５４の弾性力に抗して取付板３３が矢印Ｙａ方向に変位する。この状態からガイド刃２１がワークＷの突き合わせ部分Ｗａに嵌入しなくなると、ガイド刃２１は、スプリング３５２よりも強いスプリング３５４の矢印Ｙｂ方向の弾性力により、取付板３３を介して初期位置Ｓに復帰する。

図６（Ｃ）に示すように、ワークＷの突き合わせ部分Ｗａの変位によってガイド刃２１を介して取付板３３に矢印Ｙｂ方向の力が作用すると、スプリング３５２の弾性力に抗して取付板３３が矢印Ｙｂ方向に変位する。この状態からガイド刃２１がワークＷの突き合わせ部分Ｗａに嵌入しなくなると、ガイド刃２１は、スプリング３５２の矢印Ｙａ方向の弾性力により、取付板３３を介して初期位置Ｓに復帰する。

ワークＷを管体溶接装置１０又は２０に搬入する際に、突き合わせ部分Ｗａにおける搬送方向Ｘの上流側の端部をガイド刃２１の初期位置Ｓに一致させ、ワークＷの搬入に伴ってガイド刃２１を突き合わせ部分Ｗａに搬送方向Ｘに沿って嵌入させる。突き合わせ部分Ｗａが変位した場合にも、突き合わせ部分Ｗａにおける搬送方向Ｘの下流側の端部がガイド刃２１を通過した時にから溶接トーチ１との対向位置を通過するまでの間のブレーキ６の駆動を終了すると、ガイド刃２１が初期位置Ｓに復帰する。

ガイド刃２１を含むガイド部材２は、溶接トーチ１によるワークＷの施突き合わせ部分Ｗａの溶接が行われていない時に、復帰機構４０によって溶接トーチ１及び予備加熱トーチ５とともにガイド刃２１の初期位置Ｓに復帰する。管体溶接装置１０又は２０に複数のワークＷを間欠的に搬入する場合に、全てのワークＷについて突き合わせ部分Ｗａの位置を一定にすることができ、ワークＷの搬入作業を容易化できる。

図７に示すように、この発明の実施形態に係る管体製造装置１００は、搬送方向Ｘにおける管体溶接装置１０の上流側及び下流側に、搬送ローラ対１０２、１０３を備えている。搬送ローラ対１０２、１０３は、管体溶接装置１０を固定しているフレーム１０１に軸支されており、図示しないモータの回転が供給される。ワークＷの搬送方向Ｘの長さが比較的短い場合、この発明の搬送部材として、搬送ローラ対１０２、１０３に代えて又はこれらと伴にプッシャ及びプラーを備えることもできる。また、管体溶接装置１０に代えて管体溶接装置２０を用いることもできる。

なお、管体溶接装置１０又は管体溶接装置２０が図６に示した復帰機構４０を備えている場合には、搬送ローラ対１０３の近傍にワークＷの突き合わせ部分Ｗａの周方向の位置をガイド刃２１の初期位置Ｓに対向する位置に規定する位置合わせ部材１０４を設けることもできる。位置合わせ部材１０４は、搬送方向Ｘに沿って複数備えることもできる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１−溶接トーチ
２−ガイド部材
３−支持機構
４−トンネル金型
５−予備加熱トーチ
６−ブレーキ（制動部材）
１０，２０−管体溶接装置
４０−復帰機構
１００−管体製造装置
１０２，１０３−搬送ローラ（搬送部材）
１０４−位置合わせ部材
３３４−フォロワ（倣い機構）
３３５−カム板（倣い機構）
Ｗ−ワーク
Ｗａ−突き合わせ部分

Claims (7)

1. 金属平板を円筒状に曲げ加工されたワークが軸方向に平行な搬送方向に沿って搬送される間に、前記ワークにおける周方向に対向する２端面の突き合わせ部分を溶接する管体溶接装置であって、
   前記ワークの外周面の一部に対向する溶接トーチと、
   前記搬送方向における前記溶接トーチの上流側で前記ワークの周方向について前記溶接トーチと同位置に配置され、前記突き合わせ部分に嵌入するガイド部材と、
   前記溶接トーチと前記ガイド部材とを前記ワークの中心軸を含む面に平行な面内で前記ワークの軸方向に直交する方向に沿って移動自在にして一体的に支持する第１の移動部材を有する支持機構と、
   を備えた管体溶接装置。
2. 前記支持機構は、前記溶接トーチと前記ガイド部材とを前記ワークの中心軸を含む面に平行な面内で前記ワークの軸方向に直交する方向と前記ワークの中心軸を含む面の法線方向との両方に沿って移動自在にして一体的に支持する請求項１に記載の管体溶接装置。
3. 前記支持機構は、前記溶接トーチと前記ガイド部材とを前記ワークの周方向に倣って沿って確実に移動させる倣い機構をさらに備えた請求項２に記載の管体溶接装置。
4. 前記ワークの後端が前記ガイド部材を通過した時から前記溶接トーチに対向する位置に到達する時までの間を含む制動時間において、前記溶接トーチ及び前記ガイド部材の移動を規制する制動部材をさらに備えた請求項１乃至３の何れかに記載の管体溶接装置。
5. 前記溶接トーチ及び前記ガイド部材をワークの軸方向に直交する方向における初期位置に復帰させる復帰機構をさらに備えた請求項１乃至４の何れかに記載の管体溶接装置。
6. 請求項１乃至４の何れかに記載の管体溶接装置と、
   前記搬送方向における前記管体溶接装置の上流側及び下流側に配置され、前記ワークを前記搬送方向に沿って搬送する搬送部材と、を備えた管体製造装置。
7. 請求項５に記載の管体溶接装置と、
   前記搬送方向における前記管体溶接装置の上流側及び下流側に配置され、前記ワークを前記搬送方向に沿って搬送する搬送部材と、
   前記搬送方向における前記ワークの前記突き合わせ部分の周方向の位置を規定する規定部材と、を備えた管体製造装置。

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