JPH02307676A - 角型部材の自動溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば柱と梁との接合部に使用される仕口コ
ア等のごとき角型部材の自動溶接方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 鉄骨構造物における仕口コアは、第９図及び第１．０図
に示すように、鉄骨柱とＨ形鋼等の鋼製梁との接合部に
使用されるものであり、図において、３０は仕口コア、
３４は鉄骨柱、３６は鋼製梁である。

このような仕口コア３０は、一般に四角形の角型コラム
３１と、このコラム３１の上下両端に溶接され、梁３６
からの応力を伝達するためのダイヤフラム３２とから構
成されている。コラム３１とダイヤフラム３２の継手（
よ通常、突合せ継手であり、その開先３３の形状は第１
１図に示すよう□にし字型が普通である。このような開
先３３に多層盛溶接を行って仕口コア３０を製作する。

なお、第１１図において３８はバッキングである。

そして、仕口コア３０のダイヤフラム３２の面に柱３４
の端面を溶接し、一方、ダイヤフラム３２の辺とコラム
３１の面に梁３６の端面を溶接することにより、鉄骨構
造物を構築している。

上記の仕口コア３０は比較的単純な形状をしているが、
角型コラム３１とダイヤフラム３２との溶接線はコラム
３１の辺にあたる直線部とコーナ一部にあたる円弧部の
組合せである。したがって、特にコーナ一部での溶接か
難しいため、従来は、直線部とコーナ一部に分けて半自
動溶接により別個に溶接していた。しかし、直線部とコ
ーナ一部を別個に溶接するのでは、能率が悪いうえに溶
接ビードの継目か多くなり、これが溶接欠陥の発生の原
因となったり、ビード形状の不良を招くおそれかあるな
どの問題があった。そこで、溶接の自動化が要請される
。このため溶接ロボット等の利用が考えられるが、この
ような自動溶接の場合においても、直線部とコーナ一部
では溶接条件（溶接速度、電流等）を変更する必要があ
るばかりでなく、一般に多層盛溶接となるため溶接プロ
グラムの作成に多大な時間、手数を要するという問題か
ある。さらに、コラム３１は精度の面で常に良好とはい
えず、このため溶接の自動化を一層困難なものにしてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ 仕口コア３０における自動溶接で最も問題となるのは、
コラム３１のコーナ一部における溶接であることは明ら
かである。その一つに、コーナ一部における溶接速度の
適正化とビード形状の平滑化がある。すなわち、直線部
と円弧部を含む溶接線が鉛直面内に置かれる場合、コー
ナ一部の溶接速度が不適正であると直線部と同じビード
高さか得られないばかりでなく、仮にその速度が適正で
あるとしても仕口コアの回転時期がコーナーの円弧部上
にアーク点が入ったと同時であれば溶融プールの重心位
置がアーク点より後方に離れているため、コーナ一部に
おいては溶融プールは上進溶接の状態となり、このため
ビードの断面形状が凸になりやすく、またビード高さが
一様でなく歪曲したりしてビード形状の平滑さを損う。

したかって、仕口コアの回転時期かビード形状の平滑さ
に密接に関係する。

したがって、本発明の目的は、仕口コアのごとき角型部
材の自動溶接において、特にコーナ一部における溶接速
度の適正化及びビード形状の平滑化を図った自動溶接方
法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明に係る角型部材の自
動溶接方法は、溶接線か鉛直面内に置かれかつ直線部と
円弧部を含む角型部材の自動溶接において、溶接ロボッ
トと、角型部材を取り付けそれを所定角度回転する手段
を含むポジショナとを使用して開先を溶接し、この場合
において溶接線の直線部及び円弧部における溶接速度を
それぞれｖ　　、ｖ　　とすると、円弧部における溶接
速度Ｓ　　　　　　　Ｃ ■　が次式を満足するように角型部材を溶接ロボットの
動作と同期させて回転させる。ただし、その回転時期を
溶接時のアーク点が直線部から円弧部上べｐの距離だけ
入った時とするものである。

ここに、Ωはアーク点から溶融プールの重心位置までの
距離である。

ただし、ｈは溶接ビードの高さ、ｒ、は上記円弧部の第
１層目の溶接ビードの内周半径である。

［作　用コ ポジショナに取り付けられた角型部材に対し溶接ロボッ
トで開先を溶接する。この場合において、溶接線は鉛直
面内に置かれかつ直線部と円弧部を含む。そして、その
直線部に対して溶接速度ｖ８で溶接し、円弧部に対して
溶接速度Ｖ　に対し上記（１）式を満足するような溶接
速度Ｖ　で溶接する。すなわち、速度Ｖ　よりｈ／（２
ｒ、＋ｈ）分たけ遅い速度でコーナ一部を溶接すること
により、コーナ一部のビード高さは直線部と同一となる
。

コーナ一部の溶接の際、ポジショナは溶接ロボットと同
期して動作する。したがって、溶接トーチの中心すなわ
ち溶接時のアーク点が直線部からコーナ一部の始点を越
えてΩの距離だけ入った時に角型部材をポジショナによ
り所定角度回転させ、同時に溶接速度を相対的に上記の
Ｖ　からＶ　にＳ　　　　　　　　　Ｃ 切り替える。そうすると、溶融プールの重心位置におけ
る接線が常に水平となるためコーナ一部でのビード形状
は平滑となる。上記Ωはアーク点から溶融プールの重心
位置までの距離であり、主として溶接電流値に関係する
。このため、Ωを決定するにあたっては試し溶接でそれ
を求めておく必要がある。

次に、アーク点かそのコーナ一部の終点に達すると、同
時に溶接速度を」１記Ｖ　からＶ　へ切りＳ 替え、次の直線部をこの速度Ｖ　で溶接する。角型部材
の回転はアーク点がコーナ一部の終点から距離ｇたけ直
線部に入った時に終了する。

以後、同様の動作を繰り返すことにより角型部材を全周
連続で自動溶接することかできる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ）は仕口コアの溶接線を全周連続的
に自動溶接する場合の動作説明図、第２図はその１つの
コーナ一部における仕口コアの回転時期を示した詳細な
動作説明図である。この場合、溶接線１０は鉛直面内に
置かれ、直線部１１ａ。

１１ｂ、ｌｌｃ、ｌｌｄとコーナ一部１２ａ、］２ｂ、
１２ｃ、１２ｄを含むものである。溶接ｌ・−チ１は、
この溶接線１０に対して垂直でかつ後方または前方（紙
面の表裏方向）に一定の角度で傾斜しており、上記コー
ナ一部ではその軸線がコーナ一部の曲率中心を向くよう
に姿勢制御される。

また、溶接トーチ１は電極ワイヤ２を自動送給するよう
に構成され、開先断面形状は全周について一様である。

第１図において、仕口コア３０の断面の輪郭形状が破線
で示されており、仕口コア３０は後述するようにポジシ
ョナに取り付けられ、溶接ロボットと同期して動作する
ように制御される。

第１図、第２図に基づいて溶接動作を説明する。

まず、溶接開始点Ａを水平な直線部１１ａの適当な位置
に設定する（第１図（ａ）参照）。この開始点Ａ及び各
々の直線部とコーナ一部との接続点Ｂ、Ｃ，Ｄ、・・、
■の各位置は仕口コア３０の寸法あるいは溶接ロボット
によるティーチングによって制御装置（図示せず）の記
憶部に記憶されている。また、上記ρの距離も同様に記
憶部に記憶されている。したがって、溶接開始点Ａがら
第１のコーナ一部１２ａの始点Ｂまではあらかじめ設定
された溶接速度Ｖ　で溶接する。次いで、第１コーナ一
部１．２　ａの点Ｂからは速度Ｖ　に対し上記（１）式
を満足する溶接速度Ｖ　に変更し、点Ｂよりβだけ第１
コーナ一部１．２　ａに入った位置Ｂ１にアーク点が達
した時に仕口コアの回転を開始して、第１コーナ一部ユ
２ａの終点Ｃよりｐだけ次の直線部１１ｂに入ったとき
に仕口コアの９０°回転か終了するように溶接する。

（１）式について、さらに第３図を参照しながら説明す
る。まず、開先の断面形状は直線部、コーす一部共に一
様で、ワイヤ送給速度は一定とする。

直線部でビード高さｈを得る溶接速度Ｖ　で内面曲率半
径ｒ１のコーナ一部を移動させたときの溶着量Ｗ　と、
該コーナ一部で同じビード高さｈを得るための溶接速度
Ｖ　で曲率半径ｒ、のコーナ一部を移動させたときの溶
着量Ｗ　との比は、で表される。また、曲率半径ｒ、の
コーナ一部を速度Ｖ、ワイヤ送給速度Ｖｒで移動させた
ときの溶着量Ｗは、 Ｗ　　　　　ｖＳ Ｓ したがって、 となって、上記（１）式が得られる。すなわち、コーナ
一部の溶接速度■　を直線部の溶接速度ｖ８よりｈ／（
２ｒ、＋ｈ）分だけ遅くなるように相】 射的に制御することにより、直線部と同じビード高さｈ
が得られる。

次に、仕口コア３０の回転時期について、溶接トーチ１
の中心（アーク点）がＢ１点に到達した時に、ポジショ
ナにより０点を中心に９０°回転させる。同時に、この
回転動作に同期させて溶接トーチ１を動かす（第１図（
ｂ）、第２図参照）。

この回転動作中第１コーナ一部１２ａの溶接速度ｖｏは
上記（１）式を満足するよう制御される。

ところで、Ｂ点の運動軌跡Ｂ　　−Ｂ−８２（１５）は
判っているので、トーチ］の運動軌跡もこのＢ点の運動
軌跡１５から容易に求められるとともに、仕口コア３０
の回転中における溶接速度■　は、Ｂ点の移動速度つま
りポジショナの回転速度（既知）から相対的に上記（１
）式を満足するように制御することができる。

任意の１つのコーナーの円弧部において溶接速度Ｖ　を
実現する手段について説明すると、第４図において Ｌ　：溶接線の縦辺の長さ ■ Ｌ　：溶接線の横辺の長さ Ｒ：円弧部の曲率中心の回転半径 ｒ１円弧部の半径 とすると、 １つのコーナーの円弧部の長さ−πｒ　／　２（↓↓） その円弧部を溶接するときのロボットの移動距離＝πＲ
／２ Ｌ　ｔ　””　Ｌ　２のときは　Ｒ−汀（Ｌ　／　２−
　ｒ　）したがって、溶接速度Ｖ　を実現するためのロ
ボット移動速度Ｖ。（Ｒｏｂ）は、 となる。したがって、コーナ一部入口に１・−チが到達
したときポジショナを回転し始め、ロボッ］・は半径Ｒ
の円弧」二を速度Ｒ／ｒＸｖ　　で移動すればよい。

なお、ポジショナの回転速度はトーチが１つのコーナ一
部の円弧上を移動する間（１）に９０’回転すればよい
ので、 ］ ■ｃ　　　　　２ｖ。

となり、ポジショナの回転角速度は、 となる。

次に、仕口コア３０の回転時期を上記のようにアーク点
が第１コーナ一部１．２　ａにΩだけ入ったＢ１点に到
達した時とした理由について説明する。

アーク溶接において、アーク点３と溶融ブール４の重心
位置Ｇとは第５図に示すように一致せず、後方に多少離
れている。この距離ρは溶接電流値にもよるが、溶接電
流値２５ＯＡのとき、Ω−５〜６　ｍｍ位である。

いま、あるコーナ一部のＲ止まり（直線部と該コーナ一
部との接続点）にアーク点３が到達した時に仕口コア３
０か回転を始めるとすると、第６図（ａ）に示すように
、溶融プール４の重心位置Ｇにおける接線５は水平とな
らず、水平線６との間に傾斜角α（′＝ｉρ／ｒ、）を
持つ。

また、当該コーナ一部における傾斜角αを図示すると第
６図（ｂ）のようになる。図中、■　は隣接直線部の溶
接速度である。

このように溶融プール４の重心はコーナ一部において常
に上り勾配にさらされ、このため上進溶接の状態のよう
になり、第７図（ａ）に示すようにビード７の断面形状
が凸になりやすく、また同図（ｂ）に示すようにビード
高さｈが直線部と同じ高さにならず歪曲することとなる
からである。

したがって、本発明のように仕口コア３０の回転をΩた
けコーナ一部に入った位置で行えば、上記傾斜角αかほ
とんどゼロとなり、上記のようなビード形状の不具合は
生ぜず平滑なものとなる。

第１コーナ一部１２ａの終点Ｃに溶接１・−チ１が到達
した時には溶接速度を上記のＶ　からｖ８に切り替え、
この速度Ｖ　で次の第２直線部１１ｂを溶接する（第１
図（ｃ）参照）。以後、上記と同様に第２コーナ一部１
２ｂ、第３直線部１１Ｃ１第３コーナ一部１２Ｃ１第４
直線部１１ｄ。

及び第４コーナ一部１２ｄの順に溶接し、第１直線部１
１　ａの溶接開始点Ａに戻って一周する。２層目以降は
上記の動作を繰り返すことになる。このようにして仕口
コア３０を全周連続で自動溶接することができる。

次に、第８図は上記の自動溶接を行う溶接装置の斜視図
であり、本装置は、多関節の溶接ロボット２０と、仕口
コア３０を取りイ」けロボット２０と同期動作を行うポ
ジショナ２４とから構成されている。

ポジショナ２４は、仕口コア３０を水平に片持ち状に取
り刊ける回転テーブル２５を有し、この回転テーブル２
５により仕口コア３０を所定角度回転させる。その動作
は前述したように溶接ロボット２０の動作に同期させて
行う。

以上の説明から明らかなように、溶接線１０は四角形の
ものに限らず、多角形すなわち三角形、（］５） 五角形、六角形等のものにも同様に適用できるものであ
る。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、溶接線が鉛直面内に置か
れかつ直線部と円弧部を含む角型部材に対し、溶接ロボ
ットとポジショナを使用し全周連続で自動溶接すること
ができ、しかも円弧部における溶接速度Ｖ　を直線部の
溶接速度Ｖ　に対しＱ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　Ｓて前記（１）式を満足す
るように切り替え制御するとともに、円弧部の溶接にお
いて角型部材の回転時期を溶接時のアーク点から溶融プ
ールの重心位置までの距離ρだけ直線部から円弧部上に
入った時として該円弧部を溶接することとしたので、円
弧部におけるビード高さを直線部と同等に、かつそのビ
ード形状を平滑にすることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明による角型部材の自動溶
接方法の動作説明図、第２図はコーナ一部（円弧部）に
おりる角型部材の回転時期を示しく１６） た説明図、第３図はコーナ一部の溶接速度を求めるため
の説明図、第４図は円弧部で溶接速度Ｖ。 を実現する手段に用いる図、第５図はアーク点と溶融プ
ールの重心位置までの距離Ωの関係図、第６図（ａ）、
（ｂ）は角型部材の回転時、溶融プールの重心位置にお
ける接線が傾斜角を示す状態及びその傾斜角の変化状態
を示した図、第７図（ａ）、（ｂ）は角型部材の回転時
期をコーナ一部のＲ止まりとした時のビード形状を示し
た図、第８図は本発明の自動溶接方法に使用する溶接装
置の斜視図、第９図は仕口コアの使用状態を示した図、
第１０図は仕口コアの斜視図、第１１図は仕口コアにお
ける開先の断面図である。 １・・・溶接トーチ ２・・・電極ワイヤ ３・・アーク点 ４・・・溶融プール １０・・・溶接線 １、１　ａ〜］］ｄ・・・直線部 １２ａ〜１２ｄ・・・コーナ一部（円弧部）２０・・・
溶接ロボット ２４・・・ポジショナ ２５・・・回転テーブル ３０・・・仕口コア ３３・・・開先

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　溶接線が鉛直面内に置かれかつ直線部と円弧部を含む
   角型部材の自動溶接において、 溶接ロボットと、前記角型部材を取り付けそれを所定角
   度回転する手段を含むポジショナとを使用して開先を溶
   接し、この場合前記溶接線の直線部及び円弧部における
   溶接速度をそれぞれｖ＿ｓｖ＿ｃとするとき、該円弧部
   における溶接速度ｖ＿ｃが次式を満足するように前記角
   型部材を前記溶接ロボットの動作と同期させて回転させ
   、かつその回転時期を溶接時のアーク点がアーク点から
   溶融プールの重心位置までの距離ｌだけ前記直線部から
   円弧部上に入った時として該円弧部を溶接することを特
   徴とする角型部材の自動溶接方法。 ｖ＿ｃ＝（２ｒ＿ｉ／２ｒ＿ｉ＋ｈ）×ｖ＿ｓただし、
   ｈ：溶接ビードの高さ ｒ＿ｉ：前記円弧部の第ｉ層目の溶接ビードの内周半径