JPH04118173A - コラム仕口部ダイヤフラムの溶接工法および装置 - 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、鉄骨構造物のコラムと、はり材との接合部を
構成する、コラムはり仕口のブラケット型、特に、はり
貫通タイプ・通しダイヤフラム仕口構造における、コラ
ムとダイヤフラムとの自動溶接工法および装置に関する
。

〔従来の技術〕

低・中層鉄骨構造物におけるコラムとはり材との接合部
（一般に剛仕口構造）には、各部材の軸力、曲げモーメ
ント、せん断力等が集中し、そこで釣合いを保つように
されているため、同仕口部は充分な耐力と剛性を持つよ
うに設計され、コラム周壁の局部破壊等に対し安全性を
確保するように構成されている。

上述のコラムはり仕口部（以下、仕口部と略称する）の
構造を大別すると、工場内で溶接したブラケット型の場
合と、現場溶接の場合とがあるが、施工性・信頼性の上
からブラケット型が広く採用されてきた。

また、ブラケット型の仕口部構造は、さらに柱貫通タイ
プと、はり貫通タイプとに分類されるが、いずれのタイ
プの仕口部も、その構造が複雑で溶接個所が多く、ダイ
ヤフラムとコラム端面とのすみ肉溶接のためコラム端面
の開先加工が必要であるとか、あらかじめ裏当て金を仮
付けする作業を要する等々、加工工数が増加し、タイプ
によっては仕口部構造の溶接部が目視検査、非破壊検査
になじまず、精度を出し難いといった問題点がある。

また、前記したような問題点が比較的少ないタイプの仕
口部では、溶接欠陥が生じ易いとか、材料を無駄にする
等々の別の欠点が指摘されている。

ところで、上記仕口部のうち、はり貫通タイプ・通しダ
イヤフラムを形成するために従来、コラム軸に直角な平
面で長手軸方向にコラムを短く切断してサイコロ状部材
を構成し、その両開口絵に、それぞれ開先加工を施した
上、当該個所の内周壁に裏当て金を隙間なく仮付は溶接
すると共に、前記裏当て余端面に、コラム切断面よりも
僅かに広い面積のダイヤフラムを押し当て、コラムの開
先加工部とダイヤフラムとの接続部を、外周からすみ肉
溶接することによりブラケット型仕口部を組み立ててい
た。

そして、上述仕口部の組立加工のうち、サイコロ状コラ
ムとダイヤフラムとの間の外側からの片面すみ肉溶接に
ついては最近、溶接ロボットおよびその制御技術が格段
に進歩したお陰で工場内で略、自動化することが可能と
なり、作業能率を向上し、溶接継手の品質の均一化と溶
接精度を高めたものが得られるようになった。その結果
、人手による溶接加工に付随する劣悪な作業環境、条件
から作業員を開放することができた。

しかしながら、本溶接の予備作業である裏当て金をコラ
ム端面に仮付は溶接する工程については、−概に自動化
することができない事情がある。

すなわち、 （１）コラム断面形状の規格の許容公差が甘いため、同
一形状に成形した裏当て金では、すべてのコラム端面に
適用することができず、ハンマーとか万力を利用して裏
当て金をコラムになじませなければ、良好な溶接継手を
得るための裏当て全仮付けが得られない。要するに裏当
で金の仮付は溶接のために多くの人手が要る。

（２）コラムに仮付は溶接した裏当て金の端面が同一平
面上に位置せず、ダイヤフラム面との間で不等間隙が生
じる。そのため溶接継手が弱体になるとか、直角精度の
出ない仕口部が組立つ。

（３）すみ肉溶接のポケット部が広いために溶融金属の
容量、投入される熱容量が大きくなり、その分だけ溶接
資材を消費するほか、溶接歪も自づと大きくなるおそれ
がある。

（４）裏当て金とコラム内壁との間の隙間が、第４図示
の断面のように、形成された溶接継手に対しクラック状
になって残留し継手の強度に影響を及ぼす。

なお、同図中、１は、コラム断面、２は、ダイヤフラム
断面を示す。

等々の技術的問題点を内包するほか、 （５）仕口部は一本のコラムに対し、概略、床の数だけ
必要であり、中・高層構造物用のコラムの需要が増加す
る程、仕口部の需要も増加するのに対し、この種部材組
立のための溶接作業員を、建築業界における需要を満た
すに足るだけ確保することは、今後、次第に困難になる
と予想される。

その対策として本出願人は、さきに、前記仕口部の溶接
組立を自動化して、人手を省くと共に、製品の強度およ
び精度の向上と品質の均一化を図り、また、溶接資材の
節減、作業能率を上げる目的で、レーザビーム溶接機を
導入した仕口部の自動溶接組立工法を開発した（特願平
２−１２８４１９号参照）。

すなわち、コラムを軸直角平面で軸方向に短く切断して
、その開口縁に開先加工を施した後、そこにダイヤフラ
ムを載置した六面体を、コラムの軸方向にクランプして
、コラム軸の回りに前記六面体を回転させながら、コラ
ム端面とダイヤフラムとの溶接ラインに外部からレーザ
ビームを照射して、局部に裏波が生じる程度に連続仮付
は溶着を施す新規な工法を提案した。

その後工程のコラム端面とダイヤフラムとの溶接ライン
の外側からのすみ肉溶接は、先に述べた公知のロボット
溶接装置における溶接ヘッドの位置制御プログラムに、
若干の修正を加えただけで実施可能であるから、その説
明は省略する。

この工法は、しかし、 （１）高価なレーザビーム溶接設備の導入が必要である
。

（２）ダイヤフラムの溶接継手は、常に片側すみ肉溶接
のみによって形成される。

ところに特徴がある。

〔発明が解決しようとするｌｌＩ題〕

そこで本発明工法は、上記の新規工法が意図する目的・
効果に加えて、 （１）従来周知の溶接手段を利用して仕口部の自動溶接
組立を行なう。

（２）コラムの内外側からダイヤフラムの溶接を施し、
溶接継手の安定化を図る。

ことができるコラム仕口部に対するダイヤフラム溶接工
法および装置を開発することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明工法は、上述目的を達成するために、以下に述べ
るとおりの各構成要件を具備する。

（１）軸直角平面で中心軸方向に短く切断し、その両端
開口縁に、それぞれ開先加工を施した角形鋼管開口部の
少なくとも一方側に、前記鋼管切断開口面積よりも、や
や広い面積を備えたダイヤフラムを押し当てると共に、
溶融細径ウイヤを送給し、トーチ内のワイヤの周囲に炭
酸ガス、アルゴンガス等を流して電極を遮蔽しながら溶
接する自動アーク溶接機の溶接ヘッドを、前記鋼管の他
方側開口部またはダイヤフラム中央孔から導入して。

その向きを鋼管内壁とダイヤフラムの溶接ラインに指向
する一方、前記溶接ヘッドの位置を枠体の回転角度と連
動・制御し、ヘッドと溶接ラインとの間を常に、略、一
定に維持させることを特徴とするコラム仕口部ダイヤフ
ラムの溶接工法。

（２）軸直角平面で中心軸方向に短く切断し、その両端
開口縁に、それぞれ開先加工を施した角形鋼管を、底部
に回転・支持軸を固設したＵ字枠の間にクランプして、
その中心軸と前記枠体の回転軸心とを同一直線上に置く
と共に、前記鋼管切断開口面積よりも、やや広い面積を
備えたダイヤフラムを、前記鋼管開口部の少なくとも一
方側に押し当て、溶融細径ワイヤを送給し、トーチ内の
ワイヤの周囲に炭酸ガス、アルゴンガス等を流して電極
を遮蔽しながら溶接する自動アーク溶接機を備えたロボ
ット・アームの溶接ヘッドを、前記鋼管の他方側の関口
部またはダイヤプラム中央孔から導入して、その向きを
鋼管内壁とダイヤフラムの溶接ラインに指向する一方、
前記溶接ヘッドの位置を枠体の回転角度と連動・制御し
、ヘッドと溶接ラインとの間の距離を常に略、一定に維
持さ、判るようにしたことを特徴とするコラム仕ロ部ダ
警′ イヤフラムの溶接装置。

〔作用〕

本発明工法の要部は、略、以下記載のプロセスにより行
なわれる。

（１）コラムを、軸心に直角な平面によりコラム軸方向
に短く、サイコロ状に切断して、仕口部の中間部材を形
成すると共に、その端面開口縁に開先加工を施し、これ
を回転・支持軸を備えた枠体に載せ、コラム軸心と、枠
体回転軸心とが同−直線上にあるよう、コラムを枠体に
クランプする。

（２）コラム断面積よりも僅かに広い面積を持った第１
ダイヤフラムを、コラムの両開口端の一方側で同開口を
塞ぐように位置決めして押し当てる。

ただし、当該ダイヤフラムの中心部にはコラム径をａと
した場合、最小限、略、０．２　ａの直径を有する中央
孔を穿設しであることが望ましい。

（３）コラムの他方の開口部を介して、位置制御された
溶接ロボットの溶接ヘッドをコラム内部に導入し、同ヘ
ッドをコラム内壁と第１ダイヤフラムとの溶接ラインに
近接・対向し、その方向を前記溶接ラインに指向する。

上記溶接ロボットには、細径ワイヤの周囲に炭酸ガス、
アルゴンガスまたはヘリウムガスなどのガスを流して、
その雰囲気により外気からワイヤを遮蔽したアーク溶接
機が設備されている。

（４）前記溶接ヘッドと溶接ラインとの間隔を所定値に
保ち、アーク溶接を開始すると共に、コラム、ダイヤフ
ラムをクランプしている枠体を、その回転軸の回りに緩
やかに回す一方、これに関連してロボット・アームの先
端に設けた溶接ヘッドの位置を、上下方向に移動させ、
常に溶接ヘッドと溶接ラインとの距離が所定値を維持す
るよう制御する。

その間、細径ワイヤと炭酸ガスまたはアルゴンガスなど
の溶接所要量は、絶えず自動的に溶接ヘッド部分に供給
され、そこで溶接継手を形成して行くことは、公知の溶
接技術にみられるとおりである。

（５）かくして枠体を、３６０°回転させることにより
、良好に調整されたジグを用いたときは、コラムの片一
方開口部に連続的に内側溶接された第１ダイヤフラムが
取付けられる。溶接作業が終了したロボット°アームは
、コラム内部から引き出され、仕口部材外部に待機する
。

当該第１ダイヤフラムに対する外面本溶接は、従来公知
の溶接ロボットを利用して行うが、それは通常、前記コ
ラムの別の開口部に第２ダイヤフラムを内面溶接した後
工程として施される。

ただし、当該工程直後に外面本溶接を行うことを妨げな
い。

（６）コラムの一方側開口部に第１ダイヤフラムが溶着
され終ると、クランプ軸を中心に１８０゜仕口部材を回
転させ、第１ダイヤフラムが枠体の開放側に位置し、相
変らずコラム軸心と枠体の回転軸心とが同一直線上にあ
るように仕口部材を設定する。

（７）その次は、上記第（２）項〜第（５）項記載の工
程が繰返し行われるが、その際、取付けられる第２ダイ
ヤフラムには、必ずしも中央孔を設けることを要しない
。

すなわち、第１ダイヤフラムに施した中央孔は、開孔を
介して、溶接ロボットアーム・溶接ヘッドをコラム内側
に導入し、かつ、コラム内側と第２ダイヤフラムとの溶
接ラインに近接・対向して配置するためのものであり、
その径の大きさは、コラムとダイヤフラムとの溶接個所
が仕口部材回転に伴なって上、下方向に移動するのに対
して、溶接ヘッドを、これと所要間隔を維持しながら追
従させるに足るだけの余裕空隙に対応する。

したがって、ロボット・アームすなわち溶接ヘッドが仕
口部のコラム内部で首振り、上、下および進退制御が可
能であるときは、第１ダイヤフラムの中央孔の径は溶接
ロボット・アームを余裕をもって導入することができる
程度の大きささえあれば良いことになる。

ちなみに、ダイヤフラムに設ける中央孔の大きさは、仕
口部剛性の上からは小さければ小さい程、好ましい。

以上、説明の本発明工法は、コラムとダイヤフラムとの
間に溶接継手を形成するのに、もっばら内面（側）溶接
工程が先行するかのように述べているが、外面溶接、内
面溶接の、いずれを先行させるかは、実施上、自由であ
る。

要するに、本発明工法は、サイコロ状コラム材開口部に
裏当て金を取り付けることなく、仕口部のコラム・ダイ
ヤフラムの溶接ラインを内外面から溶接して、そこに溶
接継手を形成するところに特徴があるので、それに基づ
いて後述する、すべての効果を期待することができる。

〔実施例〕

以下に、本発明工法および同工法を実施するための装置
の一実施例につき、図面に沿って説明するが、前記装置
を構成する各部材の構成は、本発明の出願当時の、当業
界における公知の技術レベルの範囲内で適宜の設計変更
が可能であるから、格別の理由を示さず本実施例記載の
構成のみに基づいて本発明工法の構成要件を限定して理
解すべきではない。

第１図は、本発明工法を実施する装置の概略側面図を示
し、第２図（ａ）は、仕口部内に溶接機ロボット・アー
ムを導入する経緯を示す側面図で、第２図（ｂ）は、コ
ラム仕口部の平面図、第３図は、前記ロボット・アーム
の制御の一態様を示すものである。

第１図中、１は、角形鋼管（コラム）を、その細心に直
角な平面で長手軸方向に短く（３０〜１００１）切断し
て、サイコロ状に形成した仕口中間部材で、その両開口
端縁の外側に、それぞれし形またはＪ形開先２が施され
ている。

３は、中間部材１の開口端に取付けるダイヤフラムで、
その大きさは、通常、角形鋼管のサイズ＋４０ｍ角で、
鋼管素材と略、同一の肉厚を備える。

４は、ダイヤフラム３に設けた中央孔で、１０〜１５ａ
Ｉｌφの大きさがあれば溶接ロボット・アームの導入を
妨げない。

５は、底部に回転・支持軸６を取付けたＵ字枠で、前記
枠の間に、仕口部素材をクランプし、かつ、前記角形鋼
管（中間部材）の軸心と前記回転・支持軸心とが、同一
直線上に位置するよう、枠の１両アーム端に前記回転・
支持軸６と直交する方向Ｓ／ に伸縮調節ができ、かつ、その直交軸の回りに１８０°
回転可能なように取付けた仕口挟持部材７．８を設けて
いる。

９は、挟持部材の一方に取付けたネジ締付は機構または
流体圧機構である。

なお、１０は、Ｕ生粋回転・支持軸６を水平方向に軸受
する機枠、１１は、前記回転・支持軸６を緩やかに回転
・駆動させる原動機を備えた駆動機構である。

他方、１２は、溶接ロボット装置で、同装置は、Ｕ字枠
５の開放端に対向して配置され、かつ、水平方向に伸縮
でき、また、上、下方向に滑動する溶接ヘッド１３を先
端に備えたロボット・アーム１４が設けである。

ロボット・アーム１４の溶接ヘッド１３を取付けた先端
部は、首振り可能なリンク機構により構成され、溶接ヘ
ッド１３の方向を仕口部材内部で、コラム端面とダイヤ
フラムとの溶接ラインに指向でき、かつ、前記溶接ライ
ンに近接可能なように制御される。

１５は、溶接電源、１６は、溶融金属用細線、１７は、
炭酸ガスボンベで、それぞれの供給ラインは、まとめて
ハーネス１８に納め、ロボット・アーム１４に沿って溶
接ヘッド１３まで延長、連結している。

上記装置において、サイコロ状中間部材１を、その軸心
をＵ生粋回転・支持軸６の中心線の延長軸線に一致する
ようクランプし、中間部材１の開口端所定位置に第１ダ
イヤフラム３を、第２図（ｂ）に示すように押し付けた
後、一般にロボット・アーム１４を直線状に伸ばしたま
ま、その先端溶接ヘッド１３を、開口部またはダイヤフ
ラム中央孔を介して仕口中間部材１の内部に導入し、次
に、ロボット・アーム１４の先端部を首振り（第３図参
照）させて、溶接ヘッド１３を中間部材１の端面とダイ
ヤフラム３との溶接ラインに近接し、がっ、その方向を
、前記ラインに指向し、両者の相対位置を決めた後、炭
酸ガスおよび溶接細線を溶接ヘッド１３側に連続供給し
て、内側から、アーク溶接を開始する。

と共にＵ生粋回転軸６を緩やかに回転させて、新たな溶
接ラインを溶接ヘッド１３に対向させ、それに伴なって
溶接ヘッド１３の位置を制御し、両者の相対的位置関係
を維持しながら、両者の間に内面溶接継手を形成する。

かくして、Ｕ字枠５を３６０°回転させることにより、
サイコロ状角形鋼管１の一方側開口端に対してダイヤフ
ラム３の内面溶接が終了する。

なお、その際の溶接ヘッドの位置・方向と、Ｕ字枠の回
転角度との関連性を規制する制御装置には、従来、周知
の電子計算機を利用することができる。

さきに述べたとおり、当該ラインの外面溶接は、公知の
溶接ロボットを利用して実施する。

ダイヤフラム３に穿設した中央孔４は、少なくとも第２
ダイヤフラムをサイコロ状中間部材１に対して内面溶接
するため、仕口部内部に溶接ヘッド１３を導入するのに
必要であるが、仕口部構造の強度からみると、その大き
さは可能な限り小径であることが望ましい。

第２ダイヤフラムの中間部材１に対する内面溶接は、前
記部材を挟持部７．８の中心軸の回りに１８０°回転・
固定して、上記同様に行う。

第２図（ａ）は、溶接ロボット・アームを、ダイヤフラ
ムの中央孔を介して仕口部内側に導入する状態を示すも
ので、図中、１は、角形鋼管をサイコロ状に切断した仕
口中間部材、３は、ダイヤフラム、４は、その中央孔、
７および８は、Ｕ字枠端に軸支されている仕口部の挟持
部材、１３は、溶接ヘッド、１４は、ロボット・アーム
、１８は、細径線、炭酸ガス供給管および電線をまとめ
たハーネスである。

第２図（ｂ）は、仕口部の正面図で、１は、中間部材、
３は、ダイヤフラム、４は、その中央孔で、ダイヤフラ
ム３の一辺は、角形鋼管断面径＋４０ｍｍである。

第３図は、溶接ロボット・アームの先端を二重に首振り
制御させた状態を示し、図中、１３は、溶接ヘッド、１
４は、ロボット・アーム、１８は、ハーネスである。

これによって、溶接ヘッド１３の位置および指向方向を
充分精密に制御することができる。

なお、溶接ヘッド１３の機械的なガイドとしては、ロボ
ット・アーム先端に水平および上下方向センサを取付け
、同センサを、それぞれサイコロ状コラムおよびダイヤ
フラムの内壁面に沿わせて滑動させるようにする手段も
ある。

上述装置の作動については、さぎの〔作用〕の項に記載
の説明も参照されたい。

〔発明の効果〕

本発明工法は、以上述べたとおりであって、コラム仕口
部の溶接組立において、 （１）コラム端面とダイヤフラムとの間の溶接加工に、
裏当て金を使用しないから、裏当て材をコラム内面に、
なじませる作業とか仮付は溶接などの工数が節減できる
。

（２）裏当て金を使用せず、コラム端面の機械加工の精
度が、そのまま溶接後の仕口部材の精度につながるので
製品精度が高い。

（３）コラムとダイヤフラムとを直接接触させるので開
先部の溶接ポケットの容量が少なくなり、溶接資材、熱
エネルギーの消費が少なくて済む。

したがって、加熱による歪の発生量が小さく、製品の精
度を高める。

（４）本発明装置および公知の溶接ロボット装置を利用
することにより、コラム仕口部の溶接組立を、総体的に
半自動化することができ、作業員の確保の必要が少なく
なる。

また現に、劣悪な作業環境のもとに仕事に従事している
作業者を別の職場に振り向けることができる。

（５）コラム端面とダイヤフラムとの間に内・外面溶接
による高品質の溶接継手を形成することができ、均一、
かつ安定した製品が得られる。

（６）裏当て金を施した溶接継手の場合には、前記裏当
て金と、コラム内側またはダイヤフラムとの間の隙間が
溶接継手に対してクラック状の形状となって残り、繰返
し荷重に対し強度上問題が生じるおそれがあるが、本発
明工法による内・外面溶接の場合には、その心配がない
。

等々、従来公知のコラム仕口部の溶接組立工法または装
置では期待することができない、格別の作用、効果を奏
するものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明工法を実施する装置の概略側面図を示
し、第２図（ａ）は、仕口部内に溶接機ロボット・アー
ムを導入する経緯を示す側面図で、第２図（ｂ）は、コ
ラム仕口部の平面図、第３図は、前記ロボット・アーム
の制御の一態称を示すもので、第４図は、裏当て金を施
した従来仕様のコラム仕ロ部の一部断面を示す。 １・・・サイコロ状角形鋼管、 ２・・・開先加工、　　　　　　３・・・ダイヤフラム
、４・・・中央孔、　　　　　　　５・・・Ｕ字枠、６
・・・回転・支持軸、　　　　７．８・・・仕口挟持部
材、９・・・ネジ締付は機構または流体圧機構、１０・
・・機枠、　　　　　　　１１・・・駆動機構、１２・
・・溶接ロボット装置、　１３・・・溶接ヘッド、１４
・・・ロボット・アーム、　１５・・・溶接電源、１６
・・・溶融金属用細線、　　１７・・・炭酸ガスボンベ
、１８・・・ハーネス。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸直角平面で中心軸方向に短く切断し、その両端
   開口縁に、それぞれ開先加工を施した角形鋼管開口部の
   少なくとも一方側に、前記鋼管切断開口面積よりも、や
   や広い面積を備えたダイヤフラムを押し当てると共に、
   溶融細径ワイヤを送給し、トーチ内のワイヤの周囲に炭
   酸ガス、アルゴンガス等を流して電極を遮蔽しながら溶
   接する自動アーク溶接機の溶接ヘッドを、前記鋼管の他
   方側開口部またはダイヤフラム中央孔から導入して、そ
   の向きを鋼管内壁とダイヤフラムの溶接ラインに指向す
   る一方、前記溶接ヘッドの位置を枠体の回転角度と連動
   ・制御し、ヘッドと溶接ラインとの間を常に、略、一定
   に維持させることを特徴とするコラム仕口部ダイヤフラ
   ムの溶接工法。
2. （２）軸直角平面で中心軸方向に短く切断し、その両端
   開口縁に、それぞれ開先加工を施した角形鋼管を、底部
   に回転・支持軸を固設したＵ字枠の間にクランプして、
   その中心軸と前記枠体の回転軸心とを同一直線上に置く
   と共に、前記鋼管切断開口面積よりも、やや広い面積を
   備えたダイヤフラムを、前記鋼管開口部の少なくとも一
   方側に押し当て、溶融細径ワイヤを送給し、トーチ内の
   ワイヤの周囲に炭酸ガス、アルゴンガス等を流して電極
   を遮蔽しながら溶接する自動アーク溶接機を備えたロボ
   ット・アームの溶接ヘッドを、前記鋼管の他方側の開口
   部またはダイヤフラム中央孔から導入して、その向きを
   鋼管内壁とダイヤフラムの溶接ラインに指向する一方、
   前記溶接ヘッドの位置を枠体の回転角度と連動・制御し
   、ヘッドと溶接ラインとの間の距離を常に略、一定に維
   持させるようにしたことを特徴とするコラム仕口部ダイ
   ヤフラムの溶接装置。