JPH02307678A - 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１０図に
示すように、鉄刊柱と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、３
４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３］とダイヤフラム３２の継手は
通常、突合せ継手であり、その開先３３の形状は第１１
図に示すようにし字型が普通である。このような開先３
３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か、
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が
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があるな
との問題かあった。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か、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が
ある。さらに、コラム３］は粘度の面で當に良好とはい
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
適正化とビート形状の平滑化がある。すなわぢ、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か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、またビード高さか
一様でなく歪曲したりしてビード形状の平滑さを損う。

そこで、この対策としては溶融プールをできるだけ小さ
く、つまり溶融プールの重心位置をアーク点に近づける
ように小さくする必要があるとともに、コーナ一部の溶
接速度への切替え時期つまり仕口コアの回転時期を考慮
する必要がある。

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！′：］
ｌ材の自動溶接方法は、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［・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
、この場合において円弧部においては溶接電流値を直線
部のときより低くして溶接し、かつ直線部及び円弧部に
おける溶接速度をそれぞれｖ　　、ｖ　　と１７、また
電極ワイヤＣ の送給速度をそれぞれｖ　　、ｖ　　とすると、円弧ｆ
ｓ　　　ｆｃ 部における溶接速度■　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、さらに
その回転時期を溶接時のアーク点か直線部から円弧部上
にΩの距離た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ブ−−ルの重心位置までの距離であ
る。

ただし、ｈは溶接ビートの高さ、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 ポジショナに取りイ」けられた角型部材に対［７溶接ロ
ボツ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、溶接電流値Ｉ８．ワイヤ送給速度
■ｆ８及び溶接速度ｖ８て溶接し、円弧部に対して上記
■　より低い溶接電流値工　、同様に上記ｖｒ８より遅
いワイヤ送給速度Ｖｆｏ及び上記ｖ８に対し溶接電流値
を低下したことに伴うワイヤ送給速度の変化分を見込ん
で補正した溶接速度Ｖ　、具体的には上記（１）式を満
足するような溶接速度Ｖ　で溶接する。すなわち、円弧
部において溶接電流値を直線部のときよりも低くすれば
溶融プールが小さくなってその重心位置がアーク点に近
づ（ため、上進溶接の状態をほとんど解消できる。しか
しながら、溶接電流値を低くすればワイヤ送給速度も当
然、円弧部では遅くなるので、ビード高さを同一にする
にはワイヤ送給速度の変化分を見込んで溶接速度を補正
する必要がある。この結果、円弧部においてもビード高
さは変わらす、かつビード形状の平滑さを保つことがで
きる。

さらに、円弧部の溶接の際、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１・−チか直線
部から円弧部の始点を越えてΩの距離たけ入った時に角
型部祠をポジショナにより所定角度回転させる。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、」二連の作用で溶融プールが小さくなること
と相俟って上進溶接の状態が完全に解消できる。この結
果、円弧部でのビード形状は確実に平滑になる。上記ρ
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かあ
る。

次に、アーク点かその円弧部の終点に到達すると、同時
に溶接電流値を高くし、かつ溶接速度を上記Ｖ　からＶ
　へ切り替え、次の直線部をこのＳ 速度Ｖ　で溶接する。角型部制の回転はアーク点か円弧
部の終点から距離ρだ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。

［実施例コ 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］０は鉛直面内に
置かれ、直線部１１ａ。

１１ｂ、１１．ｃ、ｌｌｄとコーナ一部１２ａ、１２ｂ
、１２ｃ、１２ｄを含むものである。溶接トーチ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。

なお、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３ｏ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。

ます、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、・・・
２　工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Ωの距離も同様
に記憶部に記憶されている。また、これらの直線部及び
コーナ一部に対応して溶接電流値が変更設定される。ず
なわち、コーナ一部では直線部のときＩ　よりも低い値
Ｉ。（普通、１０〜３０％減）に設定される。

さらに、電極ワイヤ２の送給速度についても直線部のｖ
Ｉｓからコーナ一部のｖｒｏに変更設定されるとともに
、溶接電流値の低下に伴いワイヤ送給速度も遅くなるた
め、コーナ一部の溶接速度Ｖ　を、上記（１）式に従っ
てワイヤ送給速度の変化分を見込んで補正するよう制御
される。したがって、溶接開始点Ａから第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。このときの溶接電流値は■　であり、
ワイヤ送給速度はｖｆＳである。次いで、第１コーナー
部１２ａの点Ｂからは溶接速度Ｖ　に対し、上記（１）
式を満足する溶接速度Ｖ　に変更し、点Ｂよすρたけ第
１コーナ一部１２ａ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１２
ａの終点Ｃよりｐだけ次の直線部１　］、　ｂに入った
時に仕口コアの９０’回転が終了するように溶接する。

このときの溶接電流値工。は直線部の溶接電流値■８よ
り低い値であり、これに伴いワイヤ送給速度ｖｆｃも直
線部のワイヤ送給速度ｖｆｓより遅くなる。そのため、
コーナ一部においても直線部と同じビード高さを得るた
め、溶接速度Ｖ　についてワイヤ送給速度の変化分を見
込んだ補正をする必要があるのである。

なお、コーナ一部の溶接の場合、後述するように、同時
に仕口コア３０を９０°回転させながら溶接する。

次に、上記のコーナ一部の溶接速度Ｖ　を求めるにあた
って第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、コーナ一部共に一様であるとする。

直線部でビート高さｈを得る溶接速度Ｖ　で内面間率半
径ｒ、のコーナ一部を移動させたときの溶着ｍＷ　　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、次のように表される。

また、曲率半径ｒ　のコーナ一部を速度Ｖ、ワイヤ送給
速度Ｖ、で移動させたときの溶着量Ｗは、Ｗ８　　　　
ｖｏ　　　　ｖｆ８ したかって、 となって、上記（１）式が得られる。

いま、仮にワイヤ送給速度を直線部１．コーナ一部共に
同一で、溶接速度のみを変えた場合、上式％式％ コーナ一部の溶接速度Ｖ　は、 となる。したかって、ワイヤ送給速度か一定の場合、（
２）式に従ってコーナ一部の溶接速度を制御すれば、コ
ーナ一部のビード高さｈを直線部と同じにすることかで
きる。しかしなから、コーナ一部の溶接は一般に上進溶
接の状態となる。これを第４図、第５図について説明す
る。

アーク溶接において、アーク点３と溶融プール４の重心
位置Ｇとは第４図に示すように一致ぜす、後方に多少能
れている。この距離ρは主に溶接電流値に関係し、溶接
電流値１＝２５０Ａで、Ω＝５〜６市位である。したが
って、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か到達した時に仕口コア３
０が回転を始めるとすると、第５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（′、ＩＪ　／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
５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主う
になり、第６図（ａ）に示すようにビード７の断面形状
が凸になりゃすく、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
。

したがって、コーナ一部では溶接電流値を低くすること
によって、溶融プール４ができるだけ小さくなるように
し、これによって溶融プール４の重心位置Ｇをアーク点
３に近づける。さらに、仕口コア３０の回転時期をアー
ク点３が直線部１１ａからコーナ一部１２ａに入った点
Ｂ１に到達した時とすることにより、溶融プール４の重
心位置Ｇにおける接線５が常に水平となり、上進溶接の
状態を完全に解消することができる。この結果、上述し
たようなビード形状の不具合を生ぜず、ビード形状は平
滑なものとなる。もぢろん、ビード高さは変化しない。

よって、本発明においては、コーナ一部で溶接電流値を
低くするとともに、それによるワイヤ送給速度の変化分
を加味した、上記（１）式に従う溶接速度Ｖ　とし、か
つ仕口コア３０の回転時期をコーナ部上に所定の距離Ω
たけ入った時としたものである。

再び、第１図に戻って、仕口コア３０の回転について説
明すると、溶接１・−チ１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）。また、溶接電流値及びワイ
ヤ送給速度も上述のようにそれぞれ直線部のときよりも
小さくした値■　及びｖｆｏに切り替えられていること
はいうまでもない。また、仕口コア３０の回転動作中第
１コーナ一部１．２　ａの溶接速度■　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（１，５）は判っているので、トーチ
１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
御することかできる。

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７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 ｒ・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　　＝Ｌ２のときは　Ｒ＝　ＪＴ（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、 （］Ｂ６ −　−　　ｖ　ｃ となる。したかって、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、ロボットは半径Ｒの
円弧上を速度Ｒ／ｒＸｖ　　で移動ずればよい。

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、 ｖｃ　　　、　　　２Ｖｃ となり、ポジショナの回転角速度は、 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へ切り替え、
かつ溶接電流値及びワイヤ送給速度もそれぞれ上記の１
　からより高いＩ　へ、ｖｆ。

Ｃ，Ｓ からより速いｖｆ８へ切り替え、この溶接速度ｖ８で次
の第２直線部１１　ｂ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１２ｂ、第３直線
部１１ｃ、第３コーナ一部１２ｃ。

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１１．　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を取り付はロボット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
り付ける回転テーブル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、溶接線コ−０は四角形
のものに限らず、多角形すなわち三角形、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］ 以上のように本発明によれば、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
かでき、しかも円弧部における溶接電流値を直線部のと
きより低くし、かつ溶接速度■　を直線部の溶接速度Ｖ
　に対して前Ｑ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　Ｓ記（１）式を満足するように切
り替え、かつ角型部材の回転時期を円弧部上に所定の距
離ρたけ入った時として該円弧部を溶接することとした
ので、円弧部における溶融プールか小さくなり、その重
心位置がアーク点に近づくとともに、その重心位置にお
ける接線か常に水平となるため、上進溶接の状態を完全
に解消でき、その結果、直線部と同じビード高さで、か
つそのビード形状を平滑にすることかできるという効果
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
おける角型部材の回転時期を示した説明図、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５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６図（ａ）、（ｂ）は溶融プールが大きい
ときのコーナ一部のビード形状を示した図、第７図は円
弧部で溶接速度■　を実現する手段に用いる図、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 １１ａ−１１ｄ・直線部 １２ａ〜１２ｄ・・・コーナ一部（円弧部）２０・・・
溶接ロボット ２１・・・アーム ２４・・・ポジショナ ２５・・・回転テーブル ３０・・仕口コア ３３・・開先 代理人　弁理士　　佐々木　宗　冶 、ｏ　　　　　　　　（Ｊ −Ｑ 〜　　　　　　−へ

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円弧部においては溶接電流
   値を直線部のときより低くして溶接し、かつ直線部及び
   円弧部における溶接速度をそれぞれｖ＿ｓ、ｖ＿ｃとし
   、また電極ワイヤの送給速度をそれぞれｖ＿ｆ＿ｓ、ｖ
   ＿ｆ＿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、さらにその回転時期を
   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＝ｖ＿ｓ×（２ｒ＿ｉ／２ｒ＿ｉ＋ｈ）×（ｖ＿
   ｆ＿ｃ／ｖ＿ｆ＿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