JP7354650B2

JP7354650B2 - 溶接装置及び溶接方法

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Publication number: JP7354650B2
Application number: JP2019138809A
Authority: JP
Inventors: 明加藤
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Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2023-10-03
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Description

本実施形態は、溶接装置及び溶接方法に関する。

特許文献１には、配管などの曲面を溶接する際に、配管の周囲に沿ってレールを設置し、該レールに沿って溶接用のトーチを搭載した台車走行させながら、配管の繋ぎ目を溶接することが開示されている。更に、トーチと台車のなす角度が一定になるように制御することが開示されている。
このような溶接装置では、溶接するパイプの位置に応じて台車の走行面と水平方向とのなす角度（台車角度）が変化し、台車角度に応じて重力が加わる方向が変化する。このため、特にマグ溶接法を採用する溶接装置では、台車に対して一定の角度で取り付けられたトーチにより溶接を行うと、安定した溶着量、ビード幅とすることが難しいという問題がある。

特開昭５６－１９９９２号公報

上述したように、特許文献１に開示された溶接装置では、トーチと台車のなす角度を一定にすることが開示されているものの、台車角度とトーチの傾斜角度との関係が設定されておらず、安定した溶接量、ビード幅とすることが難しいという問題があった。

本実施形態は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、接合部に溶加材を安定した溶着量、ビード幅で溶着させることが可能な溶接装置、及び溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、一態様に係る溶接装置は、トーチを備えた台車を、接合する部材間の接合部に沿って自走させる溶接装置であって、前記台車の走行面の進行方向と水平面とのなす角度である台車角度を検出する台車角度検出部と、前記台車が自走する方向である自走方向に向けてトーチ先端部を傾斜させるトーチ角度制御部と、前記トーチ先端部の、前記自走方向の傾斜角度であるトーチ角度を検出するトーチ角度検出部と、前記台車角度と前記トーチ角度との対応関係を記憶するトーチ角度対応テーブルと、前記台車の走行を制御する走行制御部と、前記台車角度と前記トーチに供給する溶接電流との関係、及び、前記溶接電流と前記接合部における溶加材の溶着量と、前記台車の走行速度との関係を示す走行速度対応テーブル、を備え、前記トーチ角度制御部は、前記台車を自走させて前記接合部を溶接する際に、前記台車角度検出部で検出される台車角度に対応するトーチ角度となるように、前記トーチ角度を制御し、前記走行制御部は、前記溶着量が設定された際に前記台車角度に基づき、前記走行速度対応テーブルを参照して前記台車の走行速度を設定することを特徴とする。

また、一態様に係る溶接方法は、トーチを備えた台車を、接合する部材間の接合部に沿って自走させて、前記接合部を溶接する溶接方法であって、前記台車の走行面の進行方向と水平面とのなす角度である台車角度を検出するステップと、前記台車を自走させて前記接合部を溶接する際に、前記台車角度とトーチ角度との対応関係を記憶したトーチ角度対応テーブルを参照して、トーチ角度を取得するステップと、前記トーチ角度を制御するステップと、溶着量が設定された際に前記台車角度に基づき、前記台車角度と前記トーチに供給する溶接電流との関係、及び、前記溶接電流と前記接合部における溶加材の溶着量と、前記台車の走行速度との関係、を示す走行速度対応テーブルを参照して、前記台車の走行速度を設定するステップと、を備えたことを特徴とする。

本実施形態によれば、接合部に溶加材を安定した溶着量、ビード幅で溶着させることが可能となる。

図１は、実施形態に係る溶接装置及びその周辺機器の構成を模式的に示す説明図である。図２は、実施形態に係る溶接装置が配管に装着された様子を示す斜視図である。図３は、実施形態に係る溶接装置に搭載される溶接台車の構成を示す斜視図である。図４は、トーチ角度制御ユニットの詳細な構成を示す斜視図である。図５は、トーチ角度制御ユニットの内部構成を示す斜視図である。図６Ａは、実施形態に係る溶接装置に設けられる溶接トーチの側面図である。図６Ｂは、実施形態に係る溶接装置に設けられる溶接トーチの平面図であり、ノズルの振れ幅を示す。図７は、本実施形態に係る溶接装置の電気的な構成を示すブロック図である。図８Ａは、初層溶接時における台車角度に対する、トーチ角度、電流、電圧の対応関係を示すグラフである。図８Ｂは、初層溶接時における、溶接台車の走行速度と溶接電流の対応関係を示すグラフである。図９Ａは、残層溶接時における台車角度に対する、トーチ角度、電流、電圧の対応関係を示すグラフである。図９Ｂは、残層溶接時における、溶接台車の走行速度と溶接電流の対応関係を示すグラフである。

［実施形態の構成説明］
以下、本実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る溶接装置１０１を用いて配管５１の外周面の円周方向に沿って形成されている開先を溶接する様子を模式的に示す説明図である。また、図２は配管５１に装着された溶接装置１０１の斜視図、図３は溶接台車１１の拡大図である。

図１に示すように、本実施形態に係る溶接装置１０１は、配管５１の周囲に装着可能な移動体Ｍ１を有している。更に、溶接装置１０１は、送給フィーダ１４、溶接電源１５、制御盤１６を有している。本実施形態で示す溶接装置１０１は、マグ溶接、ミグ溶接などの、電極自体が消耗する溶極式のガスシールドアーク溶接（gas-shielded metal arc welding；ＧＭＡＷ）を実施する装置である。即ち、アークを放電するための電極が溶加材を兼ねる構成とされた溶接装置である。

移動体Ｍ１は、互いに対向する位置（１８０°の位置）に設けられた２台の溶接台車１１ａ、１１ｂ（台車）を備えている。各溶接台車１１ａ、１１ｂは、連結アーム１７、ヒンジ１８、車輪１９、結束具２０により連結されている。

なお、以下では円筒形状をなす配管５１は、水平面に対して平行に配置されているものとする。また、配管５１の断面において、真上の位置（図中ｐ１）を０°位置、真下の位置（図中ｐ２）を１８０°位置ということにする。即ち、配管５１の円周上の位置を、０°から１８０°の角度で示す。例えば、真横の位置（図中ｐ３、ｐ４）は９０°位置である。また、以下の説明において、２台の溶接台車１１ａ、１１ｂを区別しないで示す場合には単に「溶接台車１１」と言い、それぞれを特定して示す場合にはサフィックス「ａ」、「ｂ」を付すものとする。

また、「溶接台車１１が配管５１の０°位置にある」と言った場合には、溶接台車１１に搭載される溶接トーチ１２の先端に設けられたノズル１２ａ（図３参照）の先端が０°位置に存在するものとする。更に、以下では溶接台車１１において、該溶接台車１１の前後方向（自走方向）をＸ方向、左右方向をＹ方向、上下方向をＺ方向と定義する（図３参照）。

図１～図３に示すように、溶接台車１１は、溶接トーチ１２（以下、「トーチ１２」と略す）を備えており、配管５１の円周方向に自走しながら該トーチ１２の先端に設けられたノズル１２ａ（トーチ先端部）に送給されるワイヤー（溶加材）に電圧を印加する。該ワイヤーを電極として電圧を印加することにより、配管５１の繋ぎ目となる開先ｑ１（接合する部材間の接合部）の長手方向に沿って溶加材を溶着し、溶接ビードを形成する。なお、「開先」とは、２つの鋼管を突き合わせた時にできるＶ字型の溝を指す。

溶接台車１１には、４個の駆動輪１３が搭載されており、各駆動輪１３を走行モータ収納部２４ａ内（図３参照）に収納されている走行モータ２４（図７参照、図３では図示省略）により回転駆動することにより、溶接台車１１を配管５１の円周方向に沿って自走させることができる。即ち、各溶接台車１１ａ、１１ｂがそれぞれ４個の駆動輪１３を備えているので、２台の溶接台車１１ａ、１１ｂを備えた移動体Ｍ１を、配管５１の円周方向に沿って８輪駆動で回転させることができる。このため、配管５１にレールを設置することなく、２台の溶接台車１１ａ、１１ｂを安定的に自走させることが可能である。

また、図１に示すように移動体Ｍ１は、結束具２０及びヒンジ１８を備えており、結束具２０を接続することにより移動体Ｍ１を配管５１の周囲に装着することができる。また、結束具２０を切り離すことにより移動体Ｍ１を配管５１から取り外すことができる。即ち、結束具２０の着脱により、配管５１に対して簡便に移動体Ｍ１を取り付け、且つ、取り外すことが可能である。更に、連結アーム１７、車輪１９を増設することにより、異なる直径の配管に対して装着することが可能である。

図１に示すように、溶接台車１１には、トーチ１２が設けられており、該トーチ１２はコンジェットチューブ２３を介して送給フィーダ１４に接続されている。

送給フィーダ１４は、コンジェットチューブ２３を経由して、ノズル１２ａ（図３参照）に溶加材となるワイヤーを供給する機能を備えている。更に、送給フィーダ１４は、溶接電源１５に接続されており、該溶接電源１５より出力される電圧をワイヤーに供給する。

制御盤１６は、配線２１を介して溶接電源１５、送給フィーダ１４、トーチ１２、溶接台車１１に接続されており、溶接装置１０１を総括的に制御する機能を備える。具体的に、送給フィーダ１４を制御してノズル１２ａにワイヤーを送給する制御、ワイヤーに電圧を印加してアーク溶接を実施する制御、溶接台車１１を配管５１の外周面の円周方向に向けて自走させる制御、ノズル１２ａの傾斜角度（後述するトーチ角度）を変更する制御、ノズル１２ａを自走方向に直交する方向（図３のＹ方向）に変動させる制御、ノズル１２ａと開先ｑ１との距離（Ｚ方向の距離）を調整する制御、などを行う。詳細については後述する。

図２、図３に示すように、溶接台車１１には、水平方向に対する溶接台車１１の傾斜角度（台車角度θ）を検出する傾斜計２２（台車角度検出部）が設けられている。傾斜計２２により溶接台車１１の傾斜角度を検出することが可能であり、ひいては、配管５１の周囲における溶接台車１１の位置（ノズル１２ａの位置）を検出することができる。例えば、溶接台車１１の位置が０°位置、９０°位置などの位置データを検出することが可能である。即ち、傾斜計２２は、溶接台車１１が走行する走行面の進行方向と水平面とのなす角度である台車角度θ（図１参照）を検出する台車角度検出部としての機能を備えている。

更に、図３に示すように溶接台車１１には、トーチ角度制御ユニット２７と、上下スライダ２５と、オシレート機構２６が設けられている。

トーチ角度制御ユニット２７は、トーチ１２の先端に設けられたノズル１２ａの、溶接台車１１の進行方向（自走方向）の傾斜角度φ、即ち、図３に示すＸ－Ｚ平面上での傾斜角度を変更する機能を備えている。

図４は、トーチ角度制御ユニット２７の詳細な構成を示す斜視図、図５は、トーチ角度制御ユニット２７の内部構成を示す斜視図である。図４、図５に示すように、トーチ角度制御ユニット２７は、ノズル１２ａの根本部分（図４に示すノズル１２aの符号Ｃ１に対応する部位）を固定する旋回プレート２８を備えている。ノズル１２ａは、固定具２９により旋回プレート２８に固定されている。該旋回プレート２８は、３つの連結具３０により長尺の円弧形状をなすガイドレール３１に連結されている。ガイドレール３１には、旋回用ギヤ３１ａが形成されている。

更に、溶接台車１１には、ノズル１２ａを旋回させるための旋回モータ３２が設けられている。旋回モータ３２の出力軸はフレームプレート３３（図５）を貫通し、直径が異なる２つのギヤを備えるモータギヤ３４に接続されている。

モータギヤ３４の、半径が小さいギヤは旋回用ギヤ３１ａに噛合している。また、半径が大きいギヤは、フレームプレート３３に軸支された位置検出用ギヤ３６に噛合している。位置検出用ギヤ３６は、現在のノズル１２ａの傾斜角度を検出するトーチ角度センサ４５（図７参照、図５では図示省略）に接続されている。トーチ角度センサ４５（トーチ角度検出部）は、位置検出用ギヤ３６の回転角度に基づき、例えばエンコーダなどにより現在におけるノズル１２ａの傾斜角度（トーチ角度）を検出する。

フレームプレート３３には、旋回プレート２８をガイドするためのガイドローラ３５が４か所に取り付けられている。従って、旋回モータ３２を回転駆動させると、該旋回モータ３２の出力軸に接続されたモータギヤ３４が回転し、更に、該モータギヤ３４に噛合された旋回用ギヤ３１ａが旋回する。即ち、ガイドレール３１が４個のガイドローラ３５にガイドされて旋回し、ひいてはガイドローラ３５に固定された旋回プレート２８が旋回する。

このため、トーチ１２のノズル１２ａの先端部を中心として、該ノズル１２ａの根本部分（図４の符号Ｃ１）を旋回させることができる。つまり、ノズル１２ａによる溶接位置を変化させることなく、ノズル１２ａの向きを、図３に示すＸ－Ｚ平面に沿って変更することができる。即ち、旋回プレート２８、ガイドレール３１、及びガイドローラ３５は、ノズル１２ａ（トーチ先端部）の根本部分を円弧形状の方向に沿ってスライド移動するスライド機構としての機能を備えている。

図３に戻って、溶接台車１１に設けられた上下スライダ２５は、トーチ角度制御ユニット２７に連結されており、該トーチ角度制御ユニット２７を上下方向、即ち、図３に示すＺ方向に移動させる。該上下スライダ２５を制御することにより、ノズル１２ａと開先ｑ１との間の距離が所望の距離となるように制御することができる。

溶接台車１１に設けられたオシレート機構２６は、トーチ角度制御ユニット２７に連結されており、該トーチ角度制御ユニット２７を左右方向（図３に示すＹ方向）に旋回させる。以下、図６Ａ、図６Ｂを参照して、オシレート機構２６による制御について説明する。図６Ａは、トーチ１２の側面図、即ち、図３のＹ方向から見た図である。図６Ｂは、トーチ１２の平面図、即ち、図３のＺ方向から見た図である。

オシレート機構２６は駆動用のモータ（図示省略）を備えており、トーチ角度制御ユニット２７（図３参照）をＹ方向に旋回させる。従って、図６Ｂに示すように、トーチ１２のノズル１２ａを、中心位置ｓ１１を基準として、位置ｓ１２～ｓ１３の振れ幅で左右に旋回させることができる。オシレート機構２６を作動させることにより、配管５１の開先ｑ１の幅（Ｙ方向の長さ）が大きい場合であっても、ノズル１２ａが左右に旋回する振れ幅を制御することにより、所望の幅の溶加材を溶着させることができ、開先に溶加材を充填することができる。その結果、配管５１の繋ぎ目を強固に、且つ、シール性を維持して固定することが可能となる。

図７は、制御盤１６の電気的な構成を示すブロック図である。図７に示すように、制御盤１６は、入力受付部４１と、制御部４２と、記憶部４３を備えている。更に、制御盤１６は、操作者が各種の操作を入力する入力部４４と、傾斜計２２と、トーチ角度センサ４５と、トーチ角度制御ユニット２７と、オシレート機構２６と、上下スライダ２５と、走行モータ２４に接続されている。

入力受付部４１は、入力部４４よりユーザが入力する各種の情報を取得する。例えば、溶接パスの設定、溶接台車１１の移動、溶接開始の操作、センターずれの補正、溶接停止の操作、などの操作が入力された際に、これらのデータを取得して、制御部４２に出力する。

制御部４２は、トーチ角度制御部４２１と、オシレート制御部４２２と、上下位置制御部４２３と、走行制御部４２４と、溶接制御部４２５を備えている。

トーチ角度制御部４２１は、傾斜計２２で検出される溶接台車１１の傾斜角度（台車角度）に基づいて、トーチ１２の先端に設けられたノズル１２ａの傾斜角度（トーチ角度）を制御する制御指令を、トーチ角度制御ユニット２７に出力する。

オシレート制御部４２２は、開先ｑ１を長手方向に沿って溶接する際の溶接の幅、即ち、溶接ビードのＹ方向の幅が所望の数値となるように制御する制御指令を、オシレート機構２６に出力する。

上下位置制御部４２３は、ノズル１２ａと開先ｑ１との距離が所望の距離となるように制御する制御指令を、上下スライダ２５に出力する。

走行制御部４２４は、溶接台車１１が所望の走行速度で走行するように、走行モータ２４に制御指令を出力する。

溶接制御部４２５は、ノズル１２ａの電極（ワイヤー）に供給する電圧、電流、ワイヤーの送給速度を含む、開先ｑ１を溶接する際の各種の数値を制御する。

なお、制御部４２は、メモリに記憶されているコンピュータプログラム及び各種データに基づいて、ＣＰＵが制御を実行することにより情報処理演算を実行する。このため、制御部４２が有するトーチ角度制御部４２１、オシレート制御部４２２、上下位置制御部４２３、走行制御部４２４、溶接制御部４２５の機能を実行することができる。

記憶部４３は、溶接台車１１により開先ｑ１を溶接する際に必要とする各種のデータ、及びテーブルを記憶する。具体的に、配管５１の周囲に沿って自走する溶接台車１１のＸ－Ｚ平面に沿って傾斜する角度である台車角度と、ノズル１２ａがＸ－Ｚ平面に沿って傾斜する角度であるトーチ角度との対応関係を示すトーチ角度対応テーブルを記憶する。トーチ角度対応テーブルは、過去においてアーク溶接を実施した際の、台車角度とトーチ角度との関係において、適切な溶着量、ビード幅となる溶接が実施されたときのデータに基づいて、統計的に求めることができる（図８Ａ、図９Ａ）。

更に、台車角度に対する、溶接時における適切な電圧、電流、溶接速度（溶接台車１１の走行速度）が記憶される。例えば、図８Ａ、図９Ａに示す如く台車角度に対する、適切なトーチ角度対応テーブルが記憶される。図８Ａは、初層（１回目のパス；「裏波溶接」ともいう）の溶接時のトーチ角度対応テーブル、図９Ａは残層（２回目以降のパス）の溶接時のトーチ角度対応テーブルを示している。

更に、記憶部４３には、統計的に求められた溶接速度に対する適正な電流の関係を示す走行速度対応テーブルが記憶されている。例えば、図８Ｂ、図９Ｂに示す走行速度対応テーブルが記憶される。図８Ｂは、初層の溶接時の走行速度対応テーブル、図９Ｂは残層の溶接時の走行速度対応テーブルを示している。

図８Ｂに示す「〇」、「×」、「横向き△」、「＋」、「上向き△」の記号は、溶接台車１１の台車角度ごと（０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°）の、溶接台車１１の走行速度に対して適正に溶接することが可能な電流値を示している。例えば、溶接台車１１が０°位置に存在するときには、該溶接台車１１の走行速度が１０［ｃｍ／min］である場合に、溶接電流を８０～１１０［Ａ］とすることにより、適正な溶接が行われることを示している（図中の「〇印」を参照）。図９Ｂについても同様に、溶接台車１１の台車角度ごとの、溶接台車１１の走行速度に対して適正に溶接することが可能な電流値を示している。

更に、溶接ビードの溶着量を所望の数値にするための、対応グラフが記憶されている。例えば、図８Ｂにおいて、溶着量を１．２［ｇ／ｃｍ］とする場合の曲線ｆ１、溶着量を１．６［ｇ／ｃｍ］とする場合の曲線ｆ２、溶着量を２．０［ｇ／ｃｍ］とする場合の曲線ｆ３が記憶されている。また、図９Ｂにおいて、溶着量を１．０［ｇ／ｃｍ］とする場合の曲線ｆ４、溶着量を３．５［ｇ／ｃｍ］とする場合の曲線ｆ５が記憶されている。なお、図８Ｂでは３つの曲線ｆ１～ｆ３を示し、図９Ｂでは２つの曲線ｆ４～ｆ５を示しているが、複数の溶着量に対する曲線を設定することができる。

更に、記憶部４３には、各種の配管ごとに、溶接のパス数とノズル１２ａの横方向の振れ幅との関係を示す振れ幅テーブルが記憶されている。例えば、５回のパスで溶接する場合には、１～５の各パスごとの振れ幅がテーブルに設定されている。

［実施形態の作用の説明］
次に、上述のように構成された本実施形態に係る溶接装置１０１の作用について説明する。
初めに、作業者は、円筒形状を有する配管５１の周囲に図１に示す移動体Ｍ１を装着し、その後結束具２０を連結する。

作業者は、開先ｑ１を溶接する際のパス番号を選択する。具体的に、作業者は溶接対象の開先ｑ１を複数層に溶接する場合において、初層であれば「１」、残層であれば、「２」「３」・・等の数値（パス番号）を入力部４４より入力する。

入力受付部４１は、パス番号を取得し、このパス番号の情報を制御部４２に出力する。オシレート制御部４２２は、パス番号に基づいて、記憶部４３に記憶されている振れ幅テーブルを参照して、溶接を実行する際におけるノズル１２ａの左右方向の振れ幅を設定する。即ち、図６Ｂに記載した符号ｓ１２～ｓ１３の幅を設定する。

その後、作業者は、入力部４４においてトーチ角度の調整を行う旨の操作を入力する。この操作信号は入力受付部４１にて取得され、制御部４２に出力される。トーチ角度制御部４２１は、傾斜計２２にて検出される溶接台車１１の台車角度を取得する。更に、記憶部４３に記憶されている、台車角度とトーチ角度との関係を示すトーチ角度対応テーブル（図８Ａ、図９Ａ）を参照し、最適なトーチ角度を取得する。例えば、パス番号が「１」（即ち、初層）であり、溶接台車１１が１８０°位置に存在する場合には、図８Ａに示すように、トーチ角度を－４５°に設定する。

トーチ角度制御部４２１は、トーチ角度の設定指令信号を出力する。トーチ角度制御ユニット２７は、トーチ角度の設定指令信号に基づいて、トーチ角度、即ちノズル１２ａの傾斜角度が設定した角度となるように制御する。例えば、溶接台車１１が配管５１の９０°位置に存在しており（台車角度が９０°）、初層を溶接する場合には、図８Ａに示すようにトーチ角度が－１７°となるように制御される。

具体的に、図２、図３に示した旋回モータ３２を駆動させることにより、図５に示したモータギヤ３４を回転させる。すると、ガイドレール３１に設けられる円弧状の旋回用ギヤ３１ａが摺動して、ノズル１２ａのＸ－Ｚ平面の方向の角度が変化し、所望のトーチ角度に設定される。

なお、図６Ａに示すように、ノズル１２ａが配管５１の中心を向いている状態（即ち、溶接台車１１の走行面の法線方向ｚ１を向いている場合）が、トーチ角度０°であり、ノズル１２ａが走行方向の後方に傾斜する方向をマイナスとし、前方に傾斜する方向をプラスとする。即ち、図６Ａに示すトーチ角度φはマイナスの数値である。

その後、作業者は入力部４４において、配管５１の外周面の円周上における溶接台車１１の初期位置、即ち、初期の台車角度を設定する。例えば、初期の台車角度として１８０°位置（図１に示す符号ｐ２）を設定する。この情報は入力受付部４１にて取得され、更に制御部４２に出力される。

走行制御部４２４は、溶接台車１１が、設定された初期の台車角度の位置に来るように、走行モータ２４の駆動を制御する。例えば、上記の例では配管５１の１８０°位置に溶接台車１１が来るように走行モータ２４の駆動を制御する。

次いで、作業者は入力部４４において、溶接の開始操作を入力する。入力受付部４１は、溶接の開始操作が入力されると、制御部４２に溶接を開始する旨の指令信号を出力する。溶接制御部４２５は、リアルタイムで傾斜計２２より、その時点における台車角度を取得し、この台車角度に基づいて記憶部４３に記憶されているトーチ角度対応テーブルを参照し、適正な溶接条件、即ち、トーチ角度、ワイヤーに供給する電圧、電流を求める。

具体的に、パス番号が「１」であり、溶接台車１１の台車角度が１８０°位置である場合には、トーチ角度制御部４２１はトーチ角度が－４５°となるように制御する（図８Ａ参照）。更に、溶接制御部４２５は、ノズル１２ａに供給する電圧を１７Ｖ、電流を１１０Ａに設定する。更に、溶接ビードの溶着量に基づき図８Ｂを参照して、溶接台車１１の走行速度を求める。

台車角度が１８０°位置である場合には電流は１１０Ａであり、更に、溶着量を１．２［ｇ／ｃｍ］とする場合には、図８Ｂに示すｆ１を参照し、溶接台車１１の走行速度を１７［ｃｍ／min］に設定する。

更に、オシレート制御部４２２は、現在のパス番号に応じたノズル１２ａの振れ幅を、記憶部４３に記憶されている振れ幅テーブルより取得する。この振れ幅とするための指令信号をオシレート機構２６に出力する。その結果、溶接台車１１に固定されているトーチ１２のノズル１２ａは、開先ｑ１に対して所望の振れ幅となるように、ノズル１２ａが制御される。

また、溶接台車１１が自動で走行している際に、ノズル１２ａがＹ方向に位置ずれした場合には、作業者は入力部４４において位置ずれを補正するための補正操作を行う。入力受付部４１は、補正操作が入力されると、補正指令信号を走行制御部４２４に出力する。走行制御部４２４は、走行モータ２４に位置ずれを補正する旨の指令信号に出力する。その結果、走行モータ２４は位置ずれが解消するように溶接台車１１の走行を制御する。例えば、マグ溶接では左右方向の多少のずれは許容できるので、作業者が見てずれを補正する。

その後、溶接台車１１が配管５１の０°位置に達し、一連の溶接作業が終了した場合には、入力部４４において、溶接作業を終了とする操作を行う。入力受付部４１は、溶接作業の終了を示す指令信号を制御部４２に出力する。溶接制御部４２５は、この指令信号を受けて、溶接作業を終了する。即ち、トーチ１２への電圧供給を停止し、且つ、ワイヤーの供給を停止する。その後、次のパスの溶接に移行する。また、全てのパスの溶接が終了した場合には、本処理を終了する。

［実施形態の効果の説明］
このようにして本実施形態に係る溶接装置１０１では、溶接台車１１を自走させて開先ｑ１を溶接する際に、溶接台車１１のＸ－Ｚ平面方向の傾斜角度（台車角度）に応じて、トーチ１２のノズル１２ａの傾斜角度（トーチ角度）を変化させている。具体的には、配管５１の外周面の円周上における溶接台車１１の台車角度（０°位置、１８０°位置など）に応じて、トーチ角度を変化させている。

また、トーチ角度対応テーブルは、過去においてアーク溶接を実施した際の、台車角度とトーチ角度との関係において、良好に溶接が実施されたときのデータに基づいて、統計的に求めている。従って、溶接台車１１が配管５１の周囲を自走して開先ｑ１を溶接する際に、溶接台車の位置に関わらず、ほぼ一定の溶着量で且つ一定のビード幅でアーク溶接を実施することが可能となる。

即ち、トーチ１２のノズル１２ａは、溶接台車１１の下方向に向けて配置されており、該ノズル１２ａに送給されるワイヤーに電圧を印加して配管５１の開先ｑ１を溶接する。従って、溶接台車１１が配管５１の０°位置（台車角度が０°）である場合には、ノズル１２ａは下方（Ｚ方向の下側）を向くことになる。一方、溶接台車１１が配管５１の１８０°位置（台車角度が１８０°）である場合には、ノズル１２ａは上方（Ｚ方向の上側）を向くことになる。

更に、溶接台車１１が配管５１の９０°位置（台車角度が９０°）である場合には、ノズル１２ａは水平方向を向くことになる。従って、溶接台車１１が位置する傾斜角度に応じて、重力が加えられる方向が異なり、同一の条件で溶接すると、安定した溶着量、ビード幅とすることが難しい。特に、初層の溶接は裏波溶接となるので、開先ｑ１に隙間が空いており、重力の影響を大きく受ける。本実施形態ではこのような問題を解決することができる。

また、図４に示すように、ノズル１２ａの根本部分は旋回プレート２８に固定されており、該旋回プレート２８を旋回させてトーチ角度を変化させている。従って、ノズル１２ａの先端部と開先ｑ１における溶接部位との距離をほぼ一定に保持することができる。このため、安定的に溶接電流を流すことができ、且つ、安定的にシールドガスを供給することができるので、良好なアーク溶接を実施することが可能となる。

更に、溶接台車１１のＸ－Ｚ平面に沿って傾斜する角度である台車角度と、ノズル１２ａがＸ－Ｚ平面に沿って傾斜する角度であるトーチ角度との関係を示すトーチ角度対応テーブルが記憶部４３に記憶され、このトーチ角度対応テーブルを参照して、トーチ角度が設定される。従って、過去の統計的なデータに基づく適正なトーチ角度を設定することが可能となる。

また、本実施形態に係る溶接装置は、溶接台車１１が自走して配管５１の周囲を移動する構成であり、従来のように、レールを設けていないので、装置構成を簡素化することができ、且つ小型、軽量化を図ることができる。このため、移動が容易であり、配管を溶接する場所へ容易に移動して溶接作業を実施することが可能となる。また、レールを設けず、溶接台車１１が自走するので、例えば配管５１が熱により変形し、断面形状が円形でなくなる場合でも、良好なアーク溶接を実施することが可能となる。

更に、移動体Ｍ１は、互いに１８０°の方向となる位置に２つの溶接台車１１ａ、１１ｂを備えているので、移動体Ｍ１の全体の重量バランスを安定化することができる。また、溶接台車１１を一台のみとする場合には、該溶接台車１１に対して１８０°となる位置に、重量バランス用の錘を設ける構成とすることも可能である。

また、２台の溶接台車１１ａ、１１ｂを設置することにより、一方の溶接台車１１ａを１８０°位置から０°位置まで走行させると、他方の溶接台車１１ｂは１８０°位置に到達する。従って、一方の溶接台車１１ａが１８０°位置から０°位置まで走行して溶接が終了すると、即時に他方の溶接台車１１ｂによる１８０°位置からの溶接を実施することが可能となり、溶接に要する時間を短縮化することが可能となる。

更に、本実施形態では、予め設定した走行速度対応テーブルを用いて、溶接台車１１の走行速度を設定している。更に、トーチ１２に供給する電圧、電流を設定している。従って、台車角度が変化した場合でも、安定的に溶加材を開先ｑ１に溶着させることができる。このため、配管５１の繋ぎ目を強固に、且つシール性を維持して固定することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、配管５１が水平方向に対して平行に配置されている例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、配管５１が水平方向に対して所定の角度だけ傾斜して配置されている場合には、傾斜している角度に応じた補正係数を設定し、記憶部４３に記憶されているトーチ角度に補正係数を乗じることにより、設定するトーチ角度を求めるようにしてもよい。また、傾斜角度に応じたトーチ角度対応テーブルを予め記憶部４３に記憶しておき、このトーチ角度対応テーブルを用いてトーチ角度を設定するようにしてもよい。

更に、本実施形態は、断面が円形状に形成された配管に限定されず、断面が円形状以外の配管についても適用することができる。即ち、本実施形態に係る溶接装置は、溶接台車１１の進行方向に向く傾斜角度（図３に示すＸ－Ｚ平面に沿った角度）が変化する条件下において、適用することが可能である。例えば、コーナが円弧形状に加工されているダクトなどにも採用することが可能である。

以上、実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの実施形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１１、１１ａ、１１ｂ溶接台車
１２溶接トーチ（トーチ）
１２ａノズル
１３駆動輪
１４送給フィーダ
１５溶接電源
１６制御盤
１７連結アーム
１８ヒンジ
１９車輪
２０結束具
２１配線
２２傾斜計
２３コンジェットチューブ
２４走行モータ
２４ａ走行モータ収納部
２５上下スライダ
２６オシレート機構
２７トーチ角度制御ユニット
２８旋回プレート
２９固定具
３０連結具
３１ガイドレール（円弧状ギヤ）
３１ａ旋回用ギヤ
３２旋回モータ
３３フレームプレート
３４モータギヤ
３５ガイドローラ
３６位置検出用ギヤ
４１入力受付部
４２制御部
４３記憶部
４４入力部
４５トーチ角度センサ
５１配管
１０１溶接装置
４２１トーチ角度制御部
４２２オシレート制御部
４２３上下位置制御部
４２４走行制御部
４２５溶接制御部

Claims

トーチを備えた台車を、接合する部材間の接合部に沿って自走させる溶接装置であって、
前記台車の走行面の進行方向と水平面とのなす角度である台車角度を検出する台車角度検出部と、
前記台車が自走する方向である自走方向に向けてトーチ先端部を傾斜させるトーチ角度制御部と、
前記トーチ先端部の、前記自走方向の傾斜角度であるトーチ角度を検出するトーチ角度検出部と、
前記台車角度と前記トーチ角度との対応関係を記憶するトーチ角度対応テーブルと、
前記台車の走行を制御する走行制御部と、
前記台車角度と前記トーチに供給する溶接電流との関係、及び、前記溶接電流と前記接合部における溶加材の溶着量と、前記台車の走行速度との関係を示す走行速度対応テーブル、を備え、
前記トーチ角度制御部は、前記台車を自走させて前記接合部を溶接する際に、前記台車角度検出部で検出される台車角度に対応するトーチ角度となるように、前記トーチ角度を制御し、
前記走行制御部は、前記溶着量が設定された際に前記台車角度に基づき、前記走行速度対応テーブルを参照して前記台車の走行速度を設定すること
を特徴とする溶接装置。
前記トーチ先端部の根本部分を円弧形状の方向に沿ってスライド移動するスライド機構を備え、
前記トーチ角度制御部は、前記スライド機構を作動して、前記トーチ角度を所望の角度に制御すること
を特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
前記部材の外周面の方向に沿って、互いに１８０°の方向となるように前記台車を２台設置したこと
を特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
トーチを備えた台車を、接合する部材間の接合部に沿って自走させて、前記接合部を溶接する溶接方法であって、
前記台車の走行面の進行方向と水平面とのなす角度である台車角度を検出するステップと、
前記台車を自走させて前記接合部を溶接する際に、前記台車角度とトーチ角度との対応関係を記憶したトーチ角度対応テーブルを参照して、トーチ角度を取得するステップと、
前記トーチ角度を制御するステップと、
溶着量が設定された際に前記台車角度に基づき、前記台車角度と前記トーチに供給する溶接電流との関係、及び、前記溶接電流と前記接合部における溶加材の溶着量と、前記台車の走行速度との関係、を示す走行速度対応テーブルを参照して、前記台車の走行速度を設定するステップと、
を備えたことを特徴とする溶接方法。