JPH0669625B2 - 角型部材の自動溶接方法 - Google Patents

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図に示すようにレ字
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ー部にあたる円弧部の組合せで
ある。したがって、特にコーナー部での溶接が難しいた
め、従来は、直線部とコーナー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、直線部とコーナー部
を別個に溶接するのでは、能率が悪いうえに溶接ビード
の継目が多くなり、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、直線部とコーナー部では溶接
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のコーナー部における溶接であることは明らかで
ある。その一つに、コーナー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、コーナー
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
が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、コーナー部におい
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。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、コーナー部の溶接速
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、特にコーナー部における溶接速
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、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_ｓ,v_ｃとし、また電極ワイヤの送給速
度をそれぞれｖ_fs,v_fcとすると、円弧部における溶接速
度ｖ_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、さらにその回転時期を溶
接時のアーク点が直線部から円弧部上にｌの距離だけ入
った時とするものである。ここに、ｌ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_ｉは上記円弧部の第
ｉ層目の溶接ビードの内周半径である。

［作用］ 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、溶接電流値Ｉ_ｓ，ワイヤ送給速度ｖ_fs
及び溶接速度ｖ_ｓで溶接し、円弧部に対して上記Ｉ_ｓよ
り低い溶接電流値Ｉ_ｃ，同様に上記ｖ_fsより遅いワイヤ
送給速度ｖ_fc及び上記ｖ_ｓ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_ｃ，具体的には上記(1)式を満足するような
溶接速度ｖ_ｃ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くため、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
ず、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、溶接トーチが直線部
から円弧部の始点を越えてｌ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、上述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ｌ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、ｌ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、アーク点が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_ｃからｖ
_ｓへ切り替え、次の直線部をこの速度ｖ_ｓで溶接する。
角型部材の回転はアーク点が円弧部の終点から距離ｌ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
とができる。

［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
ー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,11c,11dとコーナー部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、上記コーナー部ではその軸線が
コーナー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
部とコーナー部との接続点B,C,D,…,I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ｌ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ー部に対応して溶
接電流値が変更設定される。すなわち、コーナー部では
直線部のときＩ_ｓよりも低い値Ｉ_ｃ（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_fsからコーナー部のｖ_fc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、コーナー部の溶接速度ｖ_ｃ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のコーナー部12aの始点Ｂまではあらかじめ設定され
た溶接速度ｖ_ｓで溶接する。このときの溶接電流値はＩ
_ｓであり、ワイヤ送給速度はｖ_fs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_ｓに対し、上記
(1)式を満足する溶接速度ｖ_ｃに変更し、点Ｂよりｌだ
け第１コーナー部12aに入った位置Ｂ_１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コーナー部12
aの終点Ｃよりｌだけ次の直線部11b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Ｉ_ｃは直線部の溶接電流値Ｉ_ｓより低い値であ
り、これに伴いワイヤ送給速度ｖ_fcも直線部のワイヤ送
給速度ｖ_fsより遅くなる。そのため、コーナー部におい
ても直線部と同じビード高さを得るため、溶接速度ｖ_ｃ
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、コーナー部の溶接の場合、
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、上記のコーナー部の溶接速度ｖ_ｃ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、コーナー部共に一様であるとする。

直線部でビード高さｈを得る溶接速度ｖ_ｓで内面曲率半
径ｒ_ｉのコーナー部を移動させたときの溶着量Ｗ_ｓと、
該コーナー部で同じビード高さｈを得るための溶接速度
ｖ_ｃで曲率半径ｒ_ｉのコーナー部を移動させたときの溶
着量Ｗ_ｃとの比は、次のように表される。

また、曲率半径ｒ_ｉのコーナー部を速度v,ワイヤ送給速
度ｖ_ｆで移動させたときの溶着量Ｗは、 であるから、 したがって、 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、コーナー部共に同
一で、溶接速度のみを変えた場合、上式においてｖ_fc／
ｖ_fs＝１であるから、このときのコーナー部の溶接速度
ｖ_coは、 となる。したがって、ワイヤ送給速度が一定の場合、
(2)式に従ってコーナー部の溶接速度を制御すれば、コ
ーナー部のビード高さｈを直線部と同じにすることがで
きる。しかしながら、コーナー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せず、後方に多少離
れている。この距離ｌは主に溶接電流値に関係し、溶接
電流値Ｉ＝250Aで、ｌ＝５〜６mm位である。したがっ
て、あるコーナー部のＲ止まり（直線部と該コーナー部
との接続点）にアーク点３が到達した時に仕口コア30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（≒ｌ／ｒ_ｉ）を持つ。

また、当該コーナー部における傾斜角αを図示すると第
５図（ｂ）のようになる。図中、ｖ_ｓ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の重心はコーナー部において常
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６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。

したがって、コーナー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からコーナー部12aに入った点Ｂ_１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。もちろん、ビード高さは変化しない。

よって、本発明においては、コーナー部で溶接電流値を
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_ｃ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ｌだけ
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、溶接トーチ１がＢ_１点に到達した時に、ポジシ
ョナによりＯ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Ｉ_ｃ及びｖ_fc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
ー部12aの溶接速度ｖ_ｃ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_０−Ｂ−Ｂ_２（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ｖ_ｃ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_ｃを
実現する手段について説明すると、第７図において Ｌ_１：溶接線の縦辺の長さ Ｌ_２：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 ここで、 Ｌ_１＝Ｌ_２のときは したがって、溶接速度ｖ_ｃを実現するためのロボット移
動速度ｖ_c(Rob)は、 となる。したがって、コーナー部入口にトーチが到達し
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／ｒ×ｖ_ｃ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つのコーナー
部の円弧上を移動する間（ｔ）に90°回転すればよいの
で、 となり、ポジショナの回転角速度は、 となる。

第１コーナー部12aの終点Ｃに溶接トーチ１が到達した
時には溶接速度を上記のｖ_ｃからｖ_ｓ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Ｉ_ｃか
らより高いＩ_ｓへ、ｖ_fcからより速いｖ_fsへ切り替え、
この溶接速度ｖ_ｓ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コーナー部
12b,第３直線部11c,第３コーナー部12c,第４直線部11d,
及び第４コーナー部12dの順に溶接し、第１直線部11a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付
ける回転テーブル25を有し、この回転テーブル25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、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電流値を直線部のと
きより低くし、かつ溶接速度ｖ_ｃを直線部の溶接速度ｖ
_ｓに対して前記(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ｌだけ入っ
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が小さくなり、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が常
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図はコーナー部（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
ーナー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ｌ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ー部のビード形状を示した
図、第７図は円弧部で溶接速度ｖ_ｃ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…コーナー部（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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 健一郎 富山県富山市石金20番地 株式会社不二越 内 (72)発明者 金山 秀明 富山県富山市石金20番地 株式会社不二越 内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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_fs,v_fc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。 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