JP6887902B2

JP6887902B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP6887902B2
Application number: JP2017136714A
Authority: JP
Inventors: 達雄齋藤; 修岩上; 多可子中田; 善洋成川; 洋介藤村
Original assignee: 株式会社Ｔｖｅ
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: JP2019018216A

Description

本発明は、溶接装置に関する。さらに詳しくは、例えば弁の流路のような横断面が円形の空孔に、弁の弁座リング（以下、単に弁座という）のような円筒状の部材を、その円周に沿って溶接するのに好適な溶接装置に関する。

例えば火力や原子力の発電プラント等の各種プラントには、多くの弁が設置されている。これらの弁のうち、仕切弁、スイング式逆止弁等は、その弁箱内部に弁座が溶接によって装着されている。この溶接には、高い圧力差を保持するために、高品質が要求されている。一方、これらの弁には、経年変化により、弁座を交換する必要が生じることがある。弁は、殆どが配管に溶接によって設置されている。従って、弁座交換のために、当該弁をプラントの外部に持ち出すことはできない。従って、配管に設置された状態の弁に対して、既設の弁座を取り外し、新しい弁座を溶接によって取り付ける必要がある。その場合、弁座交換の作業に長時間を要することは避ける必要がある。特に原子力発電プラントに設置された弁の場合、同一作業者が長時間の作業に携わるのは好ましくはない。複数の作業者が交代で作業を行う必要も生じる。

一方、対象弁の弁箱に溶接装置を取り付け、溶接作業者が、対象弁から離間した位置から遠隔で溶接装置を操作する手法も採られている。この方法では、モニタ画像により、対象弁の溶接状況（アーク、溶接池等）を常に監視しながら、状況に応じて溶接条件を適切に修正する必要がある。例えば、トーチ位置、フィラーの送給位置等を調整し、並行して、その溶接電流、溶接電圧、トーチ搬送速度等を変更する。これらの操作は、極めて厄介な作業である。配管に設置された状態の弁に弁座を溶接する装置や方法が記載された文献は見当たらない。溶接によって弁に固定されている弁座を切除する装置は、特開２００３−１７５４０３号公報に提案されている。

特開２００３−１７５４０３号公報

本発明は、上記した現況に鑑みてなされたものである。本発明は、対象弁の弁箱に弁座を溶接によって装着するに際し、弁箱への溶接装置の設置を含む段取り作業を除いては、殆どの作業が自動的になされる溶接装置及び溶接方法を提供することを目的としている。

本発明に係る溶接装置は、
弁箱内に弁座を溶接によって固定する溶接装置であって、
溶接トーチ機構を有する溶接ヘッドと、
この溶接ヘッドを回転させる溶接ヘッド回転機構と、
この溶接ヘッド回転機構を、ＸＹＺの直交３軸方向それぞれに移動させる３軸位置決め機構と、
溶接用開先及び溶接条件に関するデータを記憶し、このデータに基づいて、上記溶接ヘッド、溶接ヘッド回転機構及び３軸位置決め機構の各動作を制御する制御装置とを備えており、
この制御装置が、上記溶接トーチ機構のトーチへ近接した物を検知しうるように構成されており、
上記３軸位置決め機構が、対象弁に対して着脱可能にされており、
上記溶接ヘッド回転機構は、溶接ヘッドを、Ｘ軸回りに回転させるように構成されている。

好ましくは、
上記溶接トーチ機構のトーチと、このトーチへ近接した物との間の電圧を測定するための電圧検出器を備えており、
上記トーチは、上記測定電圧値に基づいて接近物を検知するために使用される接近物検知用電源との電気的接続、及び、溶接のために使用される溶接用電源との電気的接続が可能にされている。

好ましくは、
上記３軸位置決め機構が、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構及びＺ軸移動機構を含んでおり、
これら３機の移動機構のうちの１機が、対象弁に着脱されうる第一移動機構であり、
他の２機のうちの１機が、上記第一移動機構に取り付けられて第一軸方向に往復動されうる第二移動機構であり、
残りの１機が、上記第二移動機構に取り付けられて上記第一軸方向に垂直な第二軸方向に往復動されうる第三移動機構であり、
上記溶接ヘッド回転機構が、この第三移動機構に取り付けられて上記第一軸方向及び第二軸方向のいずれにも垂直な第三軸方向に往復動されうるように構成されている。

好ましくは、
上記溶接ヘッドが、
上記溶接トーチ機構をＸ軸方向に往復動させるウイービング機構と、
溶接トーチ機構をＸ軸に対して垂直な方向に往復動させるトーチ上下駆動機構とを有しており、
上記ウイービング機構が、上記溶接ヘッド回転機構に、回転させられるように取り付けられており、
上記トーチ上下駆動機構が、上記ウイービング機構に、Ｘ軸方向に往復動させられるように取り付けられている。

好ましくは、
上記溶接ヘッドが、
フィラーワイヤを案内するワイヤ挿入機構と、
このワイヤ挿入機構を、Ｘ軸方向及びＸ軸に対して垂直な方向それぞれに往復動させるワイヤ前後上下駆動機構とを有しており、
このワイヤ前後上下駆動機構が、上記溶接トーチ機構に取り付けられており、
上記ワイヤ挿入機構が、ワイヤ前後上下駆動機構に取り付けられている。

好ましくは、
上記ワイヤ挿入機構に、トーチ機構のトーチの先端のアークを観察するアークモニターが備えられている、請求項５に記載の溶接装置。

好ましくは、
上記制御装置に記憶されている溶接用開先に関するデータが、Ｘ軸回りの所定角度間隔をおいた複数の位置において実測された、溶接用開先のＸ軸方向中心位置、及び、Ｘ軸に対して垂直な方向の開先底の位置を含んでおり、
上記制御装置に記憶されている溶接条件に関するデータが、ビード層に応じた電流値、及び、フィラーワイヤの送り速度を含んでいる。

溶接装置を用いて対象弁の弁箱内に弁座を溶接する方法であって、
この溶接装置が、前述した電圧検出器を備え、且つ、上記トーチに接近物検知用電源が電気的接続可能にされている溶接装置であり、
この溶接装置を上記弁箱に取り付ける、溶接装置設置ステップと、
上記溶接トーチ機構のトーチをセンサとして、弁座及び弁箱の溶接用開先の内面に接近させて、溶接用開先の位置を検出する開先検出ステップと、
検出された溶接用開先のデータをフィードバックした倣い機能を使用して自動溶接を施工する開先倣い溶接ステップとを含む。

好ましくは、
上記溶接装置設置ステップにおいて、溶接装置を、その３軸位置決め機構のＸ軸が弁箱の弁座中心軸に平行な方向となり、Ｚ軸が弁箱の鉛直中心軸に平行な方向となり、Ｙ軸がＸ軸及びＹ軸のいずれにも直交する方向となるように弁箱に取り付け、
上記開先検出ステップにおいて、上記３軸位置決め機構及び上記溶接ヘッド回転機構により、上記トーチを、Ｘ軸回りに回転させ、Ｘ軸方向及びＸ軸に対して垂直な方向に沿って移動させることにより、上記溶接用開先の位置を検出する。

本発明の溶接装置及び溶接方法によれば、弁箱に対して弁座を溶接によって装着することができる。そして、この弁座の溶接においては、対象弁の弁箱への溶接装置の設置を含む段取り作業を除いては、殆どの作業が自動的になされうる。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶接装置を示す正面図である。図２は、図１の溶接装置の平面図である。図３は、図１の溶接装置の右側面図である。図４は、図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿って見た断面図である。図５（ａ）は、図１の溶接装置に備わった駆動機構の内部を平面視で示す一部断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の駆動機構の内部を正面視で示す一部断面図である。図６（ａ）は、図１の溶接装置に備わった溶接ヘッド回転機構の一例を示す正面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＶＩ−ＶＩ線に沿って見た部分断面図である。図７は、図１の溶接装置の制御系統を示すブロック図である。図８は、図１の溶接装置のトーチによる、開先検出動作の手順を示す一部断面図である。図９は、図１の溶接装置によって溶接されたビード層の一例を示す断面図である。図１０は、図１の溶接装置によって弁座が取り付けられた対象弁の一例であるスイング式逆止弁を示す縦断面図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

ここでは、本発明の一実施形態に係る溶接装置２が説明される。図１０には、この溶接装置２による溶接対象の弁として、スイング式逆止弁１０２が例示されている。図中の矢印から明らかなように、この弁１０２の弁箱１０４の左方開口が流体の入り口１０６、右方開口が流体の出口１０８である。弁箱１０４の上端開口１１０は、ボンネット１１２によって開閉可能にされている。ボンネット１１２は、上端開口１１０周囲のフランジ１１４にボルト１１６止めされる。弁箱１０４の内部の流路部には、弁座１１８が溶接で装着されている。溶接部１１９は、この溶接のための開先をも示している。この溶接用開先（以下、単に開先という）１１９は、弁箱１０４と弁座１１８とを溶接するための開先である。この溶接は、後述する本実施形態に係る溶接装置２によって施工されたものである。また、弁体１２０は、アーム１２２によって、弁座１１８のシート面１２４に当接しうるように揺動可能に取り付けられている。図中に実線で示すように、弁体１２０がシート面１２４に当接した状態が閉弁状態であり、二点鎖線で示すように、弁体１２０がシート面１２４から離間した状態が開弁状態である。

図１から図４には、上記溶接装置２が示されている。図１は、溶接装置２の正面図であり、図１０に示す逆止弁１０２の弁箱１０４を、入り口１０６側から右方を見た図といえる。図２は、溶接装置２の平面図であり、図１０に示す弁箱１０４を、上端開口１１０側から下方に見た図といえる。図３は、溶接装置２の右側面図である。

この溶接装置２は、板状の取付ベース４と、この取付ベース４に取り付けられる３軸位置決め機構（３軸移動機構ともいう）６と、この３軸位置決め機構６によってＸＹＺの直交３軸それぞれに移動させられる溶接ヘッド８、溶接ヘッド回転機構１０及びワイヤ送給機構１２とを備えている。取付ベース４にはボルト用の貫通孔が形成されている。貫通孔は、図示しないが、複数の同心円のそれぞれに等間隔をおいて形成されてもよい。複数のサイズの弁箱に設置可能とするためである。１つの弁箱に設置するために使用される貫通孔の個数は、弁箱１０４のフランジ１１４のボルト孔の個数より少なくてよい。溶接ヘッド８は、溶接を施工する部分である。以下に、この溶接ヘッド８を移動させて溶接部位の位置決めを行う機構が説明される。

上記３軸位置決め機構６は、Ｘ軸移動機構１４と、Ｙ軸移動機構１６と、Ｚ軸移動機構１８とを備えている。ここで、Ｘ軸方向は、図１では前後方向、図２及び図４では上下方向、図３では左右方向である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸に垂直な方向であり、図１及び図２では左右方向、図３では前後方向、図４では左右方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な方向であり、図１及び図３では上下方向、図２及び図４では前後方向である。ここでは、この溶接装置２は、そのＸ軸方向が弁箱１０４の流路方向に一致し、Ｚ軸方向が弁箱１０４の上下方向と一致するように取り付けられている。弁箱１０４の流路方向とは、図１０に示す弁座１１４の中心軸ＸＣＬ方向である。

上記取付ベース４は、平板状の部材でり、弁箱１０４の上端フランジ１１４にボルト止めされる。本実施形態では、この取付ベース４に、Ｙ軸移動機構１６が取り付けられている。Ｙ軸移動機構１６は、取付ベース４の上面に固定されたＹ軸基部２４と、このＹ軸基部２４上をＹ軸方向に往復動可能に設けられたＹ軸移動部２６とを備えている。このＹ軸移動部２６には、Ｘ軸移動機構１４が取り付けられている。このＸ軸移動機構１４は、Ｙ軸移動部２６の上面に固定されたＸ軸基部２０と、このＸ軸基部２０上をＸ軸方向に往復動可能に設けられたＸ軸移動部２２とを備えている。このＸ軸移動部２２には、Ｚ軸移動機構１８が取り付けられている。このＺ軸移動機構１８は、Ｘ軸移動部２２の側面に固定されたＺ軸基部２８と、このＺ軸基部２８上をＺ軸方向に往復動可能に設けられたＺ軸移動部３０とを備えている。Ｙ軸移動機構１６は、取付ベース４に取り付けられているので第一移動機構とも呼ぶ。Ｘ軸移動機構１４は、この第一移動機構たるＹ軸移動機構１６に取り付けられているので第二移動機構とも呼ぶ。Ｚ軸移動機構１８は、この第二移動機構たるＸ軸移動機構１４に取り付けられているので第三移動機構とも呼ぶ。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のいずれの移動機構１４、１６、１８を第一移動機構、第二移動機構、第三移動機構にしてもよい。しかし、溶接装置をコンパクトな形態で対象弁に納めるためには、Ｚ軸移動機構１８を第三移動機構とするのが好ましい。このように、Ｘ軸移動機構１４、Ｙ軸移動機構１６及びＺ軸移動機構１８は、寸法は異なるが、それぞれ基部と移動部とを備えた同様の基本構成を有している。後述するトーチウイービング機構（以下、単にウイービング機構という）７２、トーチ上下駆動機構７４及びワイヤ前後上下機構７６も、同様に、基部と移動部とを含む構成を有している。移動部は、スライドプレートとも呼ばれる。トーチ８２の先端は、ここではタングステン電極である。

上記各基部２０、２４、２８に対する上記各移動部２２、２６、３０の取付機構としては、ラック＆ピニオン、送りネジ機構等が採用されうる。本実施形態では、Ｘ軸移動機構１４、Ｙ軸移動機構１６及びＺ軸移動機構１８のいずれにも、ボールねじを用いた送りネジ機構が採用されている。この機構は、図５を参照しつつ以下に説明される。

図５には、本溶接装置２における全移動機構を代表して、Ｙ軸移動機構１６が示されている。他の移動機構も、この移動機構１６と略同等の構成を有している。このＹ軸移動機構１６は、前述の取付ベース４に固定するための固定プレート３２と、固定プレート３２の上面に設置されたボックス３４と、ボックス３４の上面に設置されたレール板３６と、このレール板３６に直線移動可能に係合された移動部（スライドプレート）２６と、ボックス３４内に収容されて、移動部２６を移動させる駆動部３８とを有している。ここで、固定プレート３２、ボックス３４、レール板３６及び駆動部３８が、Ｙ軸基部２４に相当する。

上記駆動部３８は、エンコーダ４０が接続された駆動用モータ４２と、この駆動用モータ４２によって駆動される送りネジ機構４４とを有している。送りネジ機構４４は、ボールねじ４６と、ボールねじ４６の回転を直線駆動力として移動部２６に伝達する駆動固定部４８とを有している。駆動固定部４８は、図示しない雌ねじ部が回転不能な状態でボールねじ４６に螺合しており、その先端は移動部２６に固定されている。駆動部３８はさらに、駆動用モータ４２からボールねじ４６に回転力を伝達するタイミングベルト５０と、ボールねじ４６の回転データを記録するポテンショメータ５２と、ボールねじ４６の回転をポテンショメータ５２に伝達する歯車機構５４とを有している。溶接ヘッド回転機構１０のモータにもエンコーダ及びポテンショメータが付設されており、ウイービング機構７２及びトーチ上下駆動機構７４の各モータにはエンコーダが付設されている。

Ｚ軸移動部３０の上部には、ワイヤ送給機構１２が取り付けられており、Ｚ軸移動部３０の下部には溶接ヘッド回転機構１０が取り付けられている。溶接ヘッド回転機構１０とワイヤ送給機構１２とは、Ｚ軸移動機構１８によって一体で上下動させられる。まず溶接ヘッド回転機構１０について説明し、ワイヤ送給機構１２については後述する。

図６には、溶接ヘッド回転機構１０が示されている。溶接ヘッド回転機構１０は、溶接ヘッド８をＸ軸回りに回転させる機構である。溶接ヘッド回転機構１０の下端には、ＴＩＧ溶接を実行する溶接ヘッド８が取り付けられる（図１及び図３参照）。溶接ヘッド回転機構１０は、その上端に配置された駆動用モータ５６と、この駆動用モータ５６の回転軸方向及び回転数を変更する、係合し合った一対の傘歯車５８と、係合し合った一対のアイドラーギア６０、６２と、傘歯車５８の回転を上側のアイドラーギア６０に伝達するタイミングベルト６４と、下側のアイドラーギア６２に係合した出力用駆動ギア６６と、これらを収容する本体ケース６８とを有している。上記出力用駆動ギア６６の回転軸が、Ｘ軸とされている。出力用駆動ギア６６には、後述するウイービング機構７２が接続されるための固定用プレート７０が設けられている。

図１、図３及び図４に示されるように、溶接ヘッド８は、ウイービング機構７２と、トーチ上下駆動機構７４と、ワイヤ前後上下機構７６と、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８と、トーチ８２を保持した溶接トーチ機構８０とを備えている。上記ウイービング機構７２は、溶接ヘッド回転機構１０の出力用駆動ギア６６の一部である固定用プレート７０（図６参照）に取り付けられている。従って、ウイービング機構７２は、出力用駆動ギア６６（図６参照）により、Ｘ軸回りに回転させられる。後述するように、ウイービング機構７２には、トーチ上下駆動機構７４と、ワイヤ前後上下機構７６と、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８と、溶接トーチ機構８０とが連結されているので、これらが一体で出力用駆動ギア６６によってＸ軸回りに回転させられる。

ウイービング機構７２は、トーチ８２をウイービングさせる機構である。トーチ８２をウイービングさせるとは、トーチ８２を、溶接方向に垂直な方向に往復動させることである。本実施形態では、ウイービング機構７２は、その移動部７３をＸ軸方向に往復動させる。ウイービング機構７２の移動部７３には、トーチ上下駆動機構７４が取り付けられている。従って、トーチ上下駆動機構７４は、ウイービング機構７２により、Ｘ軸方向に往復動させられる。

トーチ上下駆動機構７４の移動部７５には、溶接トーチ機構８０が取り付けられている。トーチ上下駆動機構７４は、溶接トーチ機構８０をＸ軸に垂直な方向（Ｘ軸を中心とする円の半径方向）に往復動させる機構である。一例として、トーチ８２の長手方向がＺ軸方向（上下方向）に向けられているときには、溶接トーチ機構８０は、トーチ上下駆動機構７４によってＺ軸方向（上下方向）に往復動させられる。溶接トーチ機構８０には、ワイヤ前後上下機構７６が取り付けられ、このワイヤ前後上下機構７６の図示しない移動部には、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８が付けられている。従って、ワイヤ前後上下機構７６、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８も、トーチ上下駆動機構７４により、溶接トーチ機構８０と一体でＸ軸に垂直な方向に往復動させられる。

ワイヤ前後上下機構７６は、その移動部に接続されたワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８を、Ｘ軸方向（前後方向）、及び、Ｘ軸に垂直な方向に移動させる。一例として、トーチ８２の長手方向がＺ軸方向（上下方向）に向けられているときには、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８は、ワイヤ前後上下機構７６によってＸ軸方向、及び、Ｚ軸方向（上下方向）に往復動させられる。

ワイヤ挿入機構とアークモニタ機構とは一体化されている。具体的には、ワイヤ挿入機構７８内に、アークの状態を監視するカメラ（図示せず）が内蔵されている。このカメラは、トーチ８２の先端とフィラーワイヤの先端とを撮影している。また、ワイヤ挿入機構７８は、ワイヤ送給機構１２から送られて来るフィラーワイヤを、ガイド用のパイプ等によってトーチ８２の先端に案内する。このトーチ８２には、溶接動作のための図示しない溶接用電源と、開先内面等の当接物及び近接物を検知するための図示しない検知用電源とが接続されている。

ワイヤ送給機構１２は、フィラーワイヤ９１を巻いて収納するワイヤリール８６と、このワイヤリール８６からフィラーワイヤ９１を引き出して溶接ヘッド８のワイヤ挿入機構７８に送り込む引き出し機構８８と、モータ９０とを備えている。引き出し機構８８は、モータ９０によって回転させられる図示しない一対のローラによってフィラーワイヤ９１を挟持した状態で引き出す。引き出し機構８８とワイヤ挿入機構７８との間には、フィラーワイヤ９１をその中に通して案内する柔軟なチューブ９２が掛け渡されている（図１及び図３参照）。

図７に示されるように、この溶接装置２には制御装置９３が備えられている。この制御装置９３には、制御盤９４、中間ボックス９６及び操作盤９８が含まれている。操作盤９８にはタッチパネル等が含まれる。中間ボックス９６又は操作盤９８には、モニタ画面等が含まれる。この制御装置９３は、各移動機構及び検知機構の動作等を制御する。この検知機構は、主にセンサとしてのトーチ８２に接続されたものである。

この制御装置９３は、Ｘ軸移動機構１４、Ｙ軸移動機構１６及びＺ軸移動機構１８による溶接ヘッド８（ウイービング機構７２と、トーチ上下駆動機構７４と、ワイヤ挿入機構及びアークモニタ機構７８と、溶接トーチ機構８０とを含む、）の位置決め動作を制御する。また、溶接ヘッド回転機構１０による溶接ヘッド８の位置決め動作を制御する。さらに、トーチ上下駆動機構７４による溶接トーチ機構８０の位置決め動作を制御する。溶接トーチ機構８０のトーチ８２による開先検知時の接触検知制御を行う。この開先検知は、内径検知ともいう。開先が、弁座及び弁箱の内面に、円周方向に形成されているからである。選択された溶接条件に基づいて、溶接ヘッド８による溶接施工を制御する。

以上の構成により、この溶接装置２は、そのトーチ８２及びフィラーワイヤを、Ｘ軸回りに回転させ、Ｘ軸方向及びＸ軸に垂直な方向に往復動させることができる。この溶接装置２が、そのＸ軸が弁座１１８の中心軸ＸＣＬと一致するように対象弁箱１０４に設置されると、そのトーチ８２及びフィラーワイヤは、弁座１１８の中心軸ＸＣＬ回りに回転可能となる。また、この中心軸ＸＣＬ方向、及び、この中心軸ＸＣＬに垂直な方向に往復動可能となる。この動作により、溶接装置２は、弁箱１０４と弁座１１８との溶接用開先１１９の検出、及び、この開先１１９における溶接を行うことが可能となる。開先１１９の検出には、トーチ８２がセンサとして機能する。

以下に、溶接装置２に対する前準備、及び、溶接装置２の弁箱１０４への設置について説明がなされる。溶接装置２を弁箱１０４へ設置する前に、段取り作業として、以下の作業が成される。予め、溶接ヘッド８におけるトーチ（タングステン電極）８２とフィラーワイヤとの位置調整がなされる。具体的には、ワイヤ前後上下機構７６を動作させることにより、トーチ８２の先端位置に、ワイヤ挿入機構７８から送出されたフィラーワイヤを対応させる。

弁箱１０４へ弁座１１８を溶接するための溶接条件が、操作盤９８のタッチパネルの画面に入力される。溶接条件として、溶接ビード層に応じた電流値、フィラーワイヤの送り速度等の複数種類の溶接条件が制御装置９３内のＣＰＵに入力される。また、図９に示すＴＩＧ溶接の初層から最終層２０１、２０２、２０３、２０４、２０５までの各ビード層の厚さもＣＰＵに入力される。

また、溶接対象弁に関する設計データ及び寸法測定データ等から得られる当該弁の弁箱内部の各部寸法が、操作盤９８のタッチパネルの画面に、初期データとして入力される。この入力は、溶接装置２の弁箱１０４への設置後に行うこともできる。初期データとは、図１０に示すように、上端フランジ１１４の中心を通って鉛直下方に延びる線である弁箱中心軸ＺＣＬ、弁箱中心軸ＺＣＬと弁座中心軸ＸＣＬとの交点である弁箱中心Ｏ、弁箱１０４の上端フランジ１１４の上面から弁座中心軸ＸＣＬまでの鉛直方向距離である弁座中心深さＤＬ、弁座内径ＤＳ、開先深さ、弁箱中心Ｏから開先中心までのＸ軸方向距離等である。この初期データは、前述の溶接条件とともに、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）のメモリに記憶される。

なお、溶接装置２が対象弁の弁箱１０４に設置されて位置合わせがなされる前のトーチ８２の位置は、原点位置（基準位置）とされる。位置合わせが行われてこの対象弁に対する溶接動作が終了する毎に、トーチ８２は原点復帰しうる。ある弁の溶接が終了した後、次の弁に溶接装置２が設置される前に、トーチ８２は自動的に原点復帰される。原点位置は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向において、トーチ８２の±移動ストロークの初期位置（中間位置）とすることが可能である。つまり、各移動ストロークの±０の位置を、原点位置とすることが可能である。Ｘ軸方向では、弁箱１０４のＺ軸方向中心軸ＺＣＬ上を原点位置とすることも可能である。

次に、図１から図３に示すように、溶接装置２が弁箱１０４に設置される。具体的には、溶接ヘッド８及び溶接ヘッド回転機構１０が、弁箱１０４内に収まるように、溶接装置２の取付ベース４が、弁箱１０４上端のフランジ１１４に図示しないボルトによって固定される。溶接装置２は、そのＸ軸方向が弁箱１０４の流路方向（弁座１１４の中心軸ＸＣＬ方向）に一致し、Ｚ軸方向が弁箱１０４の上下方向と一致するように取り付けられる。そうすると、トーチ８２の先端位置の、弁箱１０４内における位置（弁箱内面に対する相対位置）が確定され、制御装置９３に読み込まれる。

次いで、Ｙ軸移動機構１６及びＺ軸移動機構１８が、トーチ８２の回転軸（溶接ヘッド８の回転軸）を弁座中心軸ＸＣＬに一致させるように、溶接ヘッド８及び溶接ヘッド回転機構１０をＹ方向及びＺ方向に移動させる。トーチ８２の回転軸とは、すなわちＸ軸である。トーチ８２の回転軸（Ｘ軸）が弁座中心軸ＺＣＬに一致したときのトーチ８２の位置が、トーチ８２の初期設定位置である。溶接ヘッド８は、少なくとも溶接ヘッド８の回転軸（Ｘ軸）が弁座中心軸ＸＣＬに一致しているときには、弁座１１８に干渉することなく挿入されうるような形状寸法にされている。

次いで、開先１１９の開先底及び開先中心の検出を行う開先検出動作が開始される。この開先検出においては、トーチ８２が開先検知センサとして用いられ、このトーチ８２が開先内面に接触することにより、検出がなされる。この検出法は、接触式の検出法と言える。実際は、後述するように、トーチ８２が対象物に近接することにより、この近接物が検知される。図示しないが、トーチ８２には、開先内面を検知するために、溶接用電源とは別の検知用電源、及び、電圧検出器を含んだ接触検知回路が接続されている。

図８（ａ）に示すように、まず、Ｘ軸移動機構１４が、溶接トーチ機構８０を、弁箱１０４及び弁座１１８の開先中心位置まで、Ｘ軸方向（弁座の中心軸ＸＣＬ方向）に移動させる。この段階での開先中心位置は、初期データから得られる開先中心位置である。また、開先中心とは、開先のＸ軸方向の中心位置のことである。

次に、センサとしてのトーチが、開先１１９を検出すべく動作する。開先検出は、弁座１１８の内周の９０°間隔位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）のそれぞれにおいて実行される。ここでは、０°位置が鉛直（Ｚ軸）下方、１８０°位置が鉛直（Ｚ軸）上方、９０°位置が水平（Ｙ軸）左方、２７０°位置が水平（Ｙ軸）右方としている。内周の基準位置（０°）をどの方向にするかは、特に限定されない。

次に、図８（ａ）に示すように、トーチ上下駆動機構７４が、初期データの開先中心に在るトーチ８２を開先の底に向けて移動させる。具体的には、溶接トーチ機構８０が、弁座半径方向外方に移動させられる。例えば、０°位置であれば鉛直下方（Ｚ軸下方）に移動させられる。これにより、トーチ８２は、開先内を開先底に向かって移動する。トーチ８２が開先底への接触したことは、上記電圧検出器によって検知される。実際には、接触というより、以下の通り近接である。電圧検出器がトーチ８２の先端と開先１１９の内面との間の電圧を測定している。トーチ８２の先端が開先底に所定の極少距離まで接近すると、微量な電圧値が測定される。この電圧検知により、トーチ上下駆動機構７４のモータが停止してトーチ８２の移動が停止する。これにより、その開先底の半径方向位置が検知される。半径方向位置とは、Ｘ軸を中心とする円の半径方向である。前述のとおり、このＸ軸は、弁座中心軸ＸＣＬと一致させられている。３軸位置合わせ機構６のみならず、前述のとおり、溶接ヘッド回転機構１０のモータにもエンコーダ及びポテンショメータが付設されており、ウイービング機構７２及びトーチ上下駆動機構７４の各モータにはエンコーダが付設されている。エンコーダのパルス数と、ポテンショメータの電圧値が、制御装置９３内の高速カウンタに読み込まれ、その値が距離数及び回転角度に変換され、開先底の位置データとして制御装置９３内のＣＰＵに記憶される。以下、同様である。

次いで、真の開先中心位置を検出する。図８（ｂ）に示すように、トーチ上下駆動機構７４が、トーチ８２を、初期データの開先中心における真の開先底から、半径方向内方に移動させる。すなわち、トーチ８２の先端を、開先底から離間する方向に移動させる。このとき、トーチ８２の先端を開先１１９から脱出させることはしない。トーチ８２の先端を、開先底から開先深さより短い距離だけ移動させる。

次いで、図８（ｃ）に示すように、Ｘ軸移動機構１４が、トーチ８２を、半径方向位置（図中の上下方向位置）を維持しつつ、Ｘ軸方向の一方（例えば前方）へ所定寸法（例えば０．２ｍｍ）ピッチで移動させる。トーチ８２の先端が開先内周面に接触する（所定の極少離間距離まで接近する）と、その開先内周面のＸ軸方向一方端位置が検知され、トーチ８２の移動が停止する。このトーチの先端位置が記憶される。次いで、Ｘ軸移動機構１４が、トーチ８２を、半径方向位置を維持しつつ、Ｘ軸方向の他方（例えば後方）へ所定寸法（例えば０．２ｍｍ）ピッチで移動させる。トーチ８２の先端が開先内周面に接触する（所定の極少離間距離まで接近する）と、その開先内周面のＸ軸方向の他方端位置が検出され、トーチ８２の移動が停止する。このトーチ８２の先端位置が記憶される。そして、真の開先中心位置が検出される。検出された開先内周面のＸ軸方向一方端位置と他方端位置との中間位置が、真の開先中心位置（開先のＸ軸方向中心位置）として記録される。この中間位置は、弁箱中心Ｏを原点（基準点）とした位置である。

前述した開先中心位置の検出において、トーチ８２が、Ｘ軸を中心とする円の半径方向に移動する。このトーチ８２を移動させるために、トーチ上下駆動機構７４のみならず、Ｙ軸移動機構及びＺ軸移動機構６が並行して動作することがある。それは、例えば、トーチ上下駆動機構７４の駆動のみでは、トーチ８２を必要距離移動させることが困難な場合である。必要な半径方向移動距離が大きいときとは、例えば、対象弁の口径が大きい場合である。弁座１１８内の下方と上方、すなわち、０°及び１８０°の方向に対しては、トーチ上下駆動機構７４と主にＺ軸移動機構１８とが協働する。弁座１１８内の左方と右方、すなわち、９０°と２７０°との方向に対しては、トーチ上下機構７４と主にＹ軸移動機構１６とが協働する。

次に、残りの３つの角度位置（９０°、１８０°、２７０°）それぞれにおいて、上記０°位置で行われたのと同じ開先中心位置検出動作が順次繰り返される。図８（ｂ）に示すトーチ８２の半径方向内方移動距離は、４つの全ての角度位置において同一である。まず、０°位置で開先中心位置を検出し終わったトーチ８２を、トーチ上下駆動機構７４と主にＺ軸移動機構１８とが、半径方向内方に所定距離だけ移動させて、トーチ８２の先端を開先外へ出す。次いで、溶接ヘッド回転機構１０が、溶接ヘッド８を９０°回転させて、トーチ８２を９０°の角度位置に移動させる。その状態から、前述した０°の角度位置で行われた開先中心位置検出動作と同じ動作が順次繰り返される。同様にして、１８０°位置及び２７０°位置それぞれにおいて、この開先中心位置検出動作が順次繰り返される。そして、開先底位置（半径方向位置、Ｚ軸方向位置及びＹ軸方向位置）及び開先中心位置（Ｘ軸方向位置）が演算され、記憶される。

以上から、周方向の４点における開先底の３次元位置が特定され、記憶される。換言すれば、開先底がなす円の直交する２直径の位置及び長さが特定される。

特定された４点の開先底位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）は真円上に無い場合がある。その場合には、補正することにより、溶接線としての円が特定される。例えば、９０°離間して隣接する２点を結ぶ円弧を形成するために、その円弧の中心点をＸ軸（溶接ヘッド８の回転軸）上から変位させることができる。すなわち、円弧補完である。円弧補完を簡潔に言うと、溶接時に、トーチ８２が、検出角度位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）で検出した４つの開先底の位置を通るように、円弧を描いて移動させられることである。

以上のごとくして測定された各角度位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）における開先の位置データが、制御装置９３内のＣＰＵにデータベースとしてファイル化されている。また、溶接位置に応じた電流値やフィラーワイヤの送り速度等の溶接条件がファイル化されている。図９に例示される５層のビード層からなるＴＩＧ溶接の場合、初層（第１層）２０１から最終層（第５層）２０５までの、各電流値、各フィラーワイヤの送り速度等がファイル化されている。

上記開先の位置データに基づいた開先倣いにより、上記溶接条件が自動的に選択されつつ、弁座１１８の弁箱１０４への自動溶接が施工される。ここで言う開先倣いとは、４つの角度位置で検出した開先底及び開先中心の位置データをフィードバックして溶接施工されることである。例えば、ストレート（ウイービング無し）溶接が施工される場合では、開先検出によって得られたデータが選択され、開先中心位置に沿ってトーチが移動するように溶接ヘッド回転機構１０が動作させられる倣い機能が使用される。

開先底の半径方向の位置（内径データ）に、各ビード層の半径方向の層厚さが加算されていくことにより、各ビード層の半径方向位置が定まる。換言すれば、開先底の半径方向の位置から、あるビード層の開先底からの高さを減ずれば、当該ビード層の半径方向の位置となる。

また、図９に例示される溶接位置に応じて、初層から最終層２０１、２０２、２０３、２０４、２０５までの溶接条件が適宜選択される。溶接条件として、各ビード層に応じた電流値やフィラーワイヤの送り速度等の条件が選択される。例えば、図９における初層２０１には第１条件が選択され、電流２００Ａ、ワイヤ送り速度５０ｃｍ／分で溶接される。例えば最終層２０５には第５条件が選択され、電流１８０Ａ、ワイヤ送り速度８０ｃｍ／分で溶接される。

一方、ウイービング溶接は、トーチ上下駆動機構７４のエンコーダによる位置データのフィードバックにより、アーク倣い機能が用いられて施工されうる。このウイービング溶接は、トーチ８２が、溶接方向に移動しつつ、溶接方向に垂直な方向に変位しながらなされる溶接である。ウイービング溶接は、ウイービング機構７２及び／又はＸ軸移動機構６が動作することにより、施工可能である。ウイービング溶接により、ビード幅が広がる。アーク倣い機能とは、以下の機能である。トーチ８２先端の電極が開先１１９の内面に近接すると、電極と開先内面との間のアーク電圧の変化に対し、ＡＶＣ（Arc Voltage Control）機能が反応してトーチ８２が上下動する。つまり、トーチ上下駆動機構７４が動作する。このトーチ上下駆動機構７４のエンコーダによる位置データのフィードバックにより、トーチ８２が、上記アーク電圧の変化の前のトーチ位置に戻る。

以上説明された溶接装置は、配管に固定されている弁に対し、その状態で新たな弁座を装着するのに有用である。

２・・・溶接装置
４・・・取付ベース
６・・・３軸位置決め機構
８・・・溶接ヘッド
１０・・・溶接ヘッド回転機構
１２・・・ワイヤ送給機構
１４・・・Ｘ軸移動機構
１６・・・Ｙ軸移動機構
１８・・・Ｚ軸移動機構
２０・・・Ｘ軸基部
２２・・・Ｘ軸移動部
２４・・・Ｙ軸基部
２６・・・Ｙ軸移動部
２８・・・Ｚ軸基部
３０・・・Ｚ軸移動部
３２・・・固定プレート
３４・・・ボックス
３６・・・レール板
３８・・・駆動部
４０・・・エンコーダ
４２・・・（Ｙ軸移動機構の）駆動用モータ
４４・・・送りネジ機構
４６・・・ボールねじ
４８・・・駆動固定部
５０・・・タイミングベルト
５２・・・ポテンショメータ
５４・・・歯車機構
５６・・・（溶接ヘッド回転機構の）駆動用モータ
５８・・・傘歯車
６０・・・上側アイドラーギア
６２・・・下側アイドラーギア
６４・・・タイミングベルト
６６・・・出力用駆動ギア
６８・・・本体ケース
７０・・・（出力用駆動ギアの）固定用プレート
７２・・・ウイービング機構
７３・・・（ウイービング機構の）移動部
７４・・・トーチ上下駆動機構
７５・・・（トーチ上下駆動機構の）移動部
７６・・・ワイヤ前後上下機構
７８・・・ワイヤ挿入機構（アークモニタ）
８０・・・溶接トーチ機構
８２・・・トーチ
８６・・・ワイヤーリール
８８・・・引き出し機構
９０・・・（ワイヤ送給機構の）モータ
９１・・・フィラーワイヤ
９２・・・チューブ
９３・・・制御装置
９４・・・制御盤
９６・・・中間ボックス
９８・・・操作盤
１０２・・・スイング式逆止弁
１０４・・・弁箱
１０６・・・入り口
１０８・・・出口
１１０・・・上端開口
１１２・・・ボンネット
１１４・・・フランジ
１１６・・・ボルト
１１８・・・弁座
１１９・・・開先（溶接部）
１２０・・・弁体
１２２・・・アーム
１２４・・・シート面
ＤＬ・・・（Ｚ軸方向）弁座中心深さ
ＤＳ・・・弁座内径
Ｏ・・・弁箱中心
ＸＣＬ・・・（Ｘ軸方向）弁座中心軸
ＺＣＬ・・・（Ｚ軸方向の）弁箱中心軸

Claims

弁箱内に弁座を溶接によって固定する溶接装置であって、
溶接トーチ機構を有する溶接ヘッドと、
この溶接ヘッドを回転させる溶接ヘッド回転機構と、
この溶接ヘッド回転機構を、ＸＹＺの直交３軸方向それぞれに移動させる３軸位置決め機構と、
溶接用開先及び溶接条件に関するデータを記憶し、このデータに基づいて、上記溶接ヘッド、溶接ヘッド回転機構及び３軸位置決め機構の各動作を制御する制御装置とを備えており、
この制御装置が、上記溶接トーチ機構のトーチへ近接した物を検知しうるように構成されており、
上記３軸位置決め機構が、対象弁に対して着脱可能にされており、
上記３軸位置決め機構のＸ軸が弁箱の弁座中心軸に平行な方向となるように取付けられ、
上記溶接ヘッド回転機構は、溶接ヘッドを、Ｘ軸回りに回転させるように構成されている、溶接装置。
上記溶接トーチ機構のトーチと、このトーチへ近接した物との間の電圧を測定するための電圧検出器を備えており、
上記トーチは、上記測定電圧値に基づいて接近物を検知するために使用される接近物検知用電源との電気的接続、及び、溶接のために使用される溶接用電源との電気的接続が可能にされている、請求項１に記載の溶接装置。
上記３軸位置決め機構が、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構及びＺ軸移動機構を含んでおり、
これら３機の移動機構のうちの１機が、対象弁に着脱されうる第一移動機構であり、
他の２機のうちの１機が、上記第一移動機構に取り付けられて第一軸方向に往復動されうる第二移動機構であり、
残りの１機が、上記第二移動機構に取り付けられて上記第一軸方向に垂直な第二軸方向に往復動されうる第三移動機構であり、
上記溶接ヘッド回転機構が、この第三移動機構に取り付けられて上記第一軸方向及び第二軸方向のいずれにも垂直な第三軸方向に往復動されうるように構成されている、請求項１又は２に記載の溶接装置。
上記溶接ヘッドが、
上記溶接トーチ機構をＸ軸方向に往復動させるウイービング機構と、
溶接トーチ機構をＸ軸に対して垂直な方向に往復動させるトーチ上下駆動機構とを有しており、
上記ウイービング機構が、上記溶接ヘッド回転機構に、回転させられるように取り付けられており、
上記トーチ上下駆動機構が、上記ウイービング機構に、Ｘ軸方向に往復動させられるように取り付けられている、請求項１から３のいずれかに記載の溶接装置。
上記溶接ヘッドが、
フィラーワイヤを案内するワイヤ挿入機構と、
このワイヤ挿入機構を、Ｘ軸方向及びＸ軸に対して垂直な方向それぞれに往復動させるワイヤ前後上下駆動機構とを有しており、
このワイヤ前後上下駆動機構が、上記溶接トーチ機構に取り付けられており、
上記ワイヤ挿入機構が、ワイヤ前後上下駆動機構に取り付けられている、請求項１から４のいずれかに記載の溶接装置。
上記ワイヤ挿入機構に、トーチ機構のトーチの先端のアークを観察するアークモニターが備えられている、請求項５に記載の溶接装置。
上記制御装置に記憶されている溶接用開先に関するデータが、Ｘ軸回りの所定角度間隔をおいた複数の位置において実測された、溶接用開先のＸ軸方向中心位置、及び、Ｘ軸に対して垂直な方向の開先底の位置を含んでおり、
上記制御装置に記憶されている溶接条件に関するデータが、ビード層に応じた電流値、及び、フィラーワイヤの送り速度を含んでいる、請求項１から６のいずれかに記載の溶接装置。
溶接装置を用いて対象弁の弁箱内に弁座を溶接する方法であって、
上記溶接装置が、請求項２に記載の溶接装置であり、
この溶接装置を上記弁箱に取り付ける、溶接装置設置ステップと、
上記溶接トーチ機構のトーチをセンサとして、弁座及び弁箱の溶接用開先の内面に接近させて、溶接用開先の位置を検出する開先検出ステップと、
検出された溶接用開先のデータをフィードバックした倣い機能を使用して自動溶接を施工する開先倣い溶接ステップとを含む、溶接方法。
上記溶接装置設置ステップにおいて、溶接装置を、その３軸位置決め機構のＸ軸が弁箱の弁座中心軸に平行な方向となり、Ｚ軸が弁箱の鉛直中心軸に平行な方向となり、Ｙ軸がＸ軸及びＹ軸のいずれにも直交する方向となるように弁箱に取り付け、
上記開先検出ステップにおいて、上記３軸位置決め機構及び上記溶接ヘッド回転機構により、上記トーチを、Ｘ軸回りに回転させ、Ｘ軸方向及びＸ軸に対して垂直な方向に沿って移動させることにより、上記溶接用開先の位置を検出する、請求項８に記載の溶接方法。