JPH1024370A

JPH1024370A - 突合せ自動溶接装置

Info

Publication number: JPH1024370A
Application number: JP17892296A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Murayama; 雅智村山; Daisuke Ozamoto; 大輔尾座本; Yuji Sugitani; 祐司杉谷
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1996-07-09
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】開先形状の変化及び溶接線の変化に対応し
て、溶接条件を適正に制御する機能を有し、かつ曲面・
傾斜面を有するワークの自在な形状に対応でき、かつ溶
接生産性の高い突合せ自動溶接装置を提供する。【解決手段】自動溶接装置２をワーク１の溶接線１１
にほぼ平行に取り付けられたレール３に案内させてワー
ク曲面上を走行させ、先行溶接トーチ２２で高速回転ア
ーク溶接をし、後行溶接トーチ２５で同時に２層目を溶
接する。その際溶接中リアルタイムにレーザセンサ２６
と傾斜センサ２８、２９で開先状態の変化や溶接線の傾
斜変化を検出し、予め設定されている開先形状別、ルー
トギャップ別、前後・左右の傾斜別の適正溶接条件を出
力して最適制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲面や傾斜面等を
有するワークの突合せ溶接を高速回転アーク溶接で行う
突合せ自動溶接装置に係り、特に、造船用の曲がり外板
等の自動溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】船舶の曲がり外板などの大形構造物にあ
っては曲面・傾斜面を有する部分が多く、このような曲
面等を持つワークの突合せ溶接の自動化は非常に困難な
ため、止むを得ず半自動溶接、すなわち人間が溶接トー
チを持って溶接していた。その理由の第１は、ワークが
大型で、かつ曲面加工されたものであることから、突合
せ継手の開先の加工精度や組立精度が悪く、ルートギャ
ップなどの開先形状の変動が大きく、さらに溶接線の傾
斜に応じて溶接条件を適正に制御する必要があるが、こ
れらの機能を有する自動溶接装置がなかったためであ
る。第２の理由は、傾斜面・曲面を有するワークの自在
な形状に対応可能で、かつ高い溶接生産性を有する自動
溶接機構そのものがなかったためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような曲面・傾
斜面を有するワークでは、開先の加工精度や組立精度等
を確保することには限界があり、開先状態が変動しやす
いものであるから、溶接欠陥の発生を防ぐためには溶接
中リアルタイムに開先状態の変化及び溶接線の変化を検
出し、開先状態や溶接線の変化に対応した適正な溶接条
件で溶接することが必要である。さらに、自動溶接装置
の機構もワーク毎に曲面形状などが変わっても自在に対
応できるようにすることが必要である。

【０００４】本発明は、このような観点からなされたも
のであり、開先形状の変化及び溶接線の変化に対応し
て、溶接条件を適正に制御する機能を有し、かつ曲面・
傾斜面を有するワークの自在な形状に対応でき、かつ溶
接生産性の高い突合せ自動溶接装置を提供することを課
題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る突合せ自動
溶接装置は、曲面及び／又は傾斜面を有するワークを高
速回転アーク溶接により突合せ溶接する自動溶接装置で
あって、ワークの溶接線にほぼ平行に取り付けられるレ
ールと、レールに案内されてワーク上を走行する走行台
車と、走行台車上に搭載され、高速回転アーク溶接を行
う溶接ヘッドと、溶接ヘッドの溶接進行方向の前方に取
り付けられ、開先状態の変化を検出する開先検出器と、
溶接線の前後方向及び左右方向の傾斜角度を検出する傾
斜検出器とを備え、さらに自動溶接装置を制御する溶接
制御装置が、開先形状別、前後傾斜別、及び左右傾斜別
の溶接条件を設定する手段と、溶接条件を記憶する手段
と、開先検出器及び傾斜検出器により、溶接中リアルタ
イムに検出した開先形状、前後傾斜、及び左右傾斜に応
じて、適正な溶接条件を出力する溶接条件制御手段とを
備えたことを特徴とするものである。

【０００６】本発明における自動溶接装置は、溶接線に
ほぼ平行に取り付けられたレールに案内されてワーク曲
面上を走行する。そして、レールは屈曲自在に構成され
ており、具体的には、柔軟性を有する帯板の上に走行台
車の駆動輪が噛み合うローラチェーン又は可撓性のラッ
ク部材を取り付け、帯板の下面に所定間隔で取り付けら
れたマグネット等の吸着手段によりワーク上に固定され
るようになっている。このため、ワーク面がどのような
曲面形状をしていても、容易に溶接経路に対応させるこ
とができる。また、レールの取り付け、取り外しも簡単
である。さらに、複数の帯板のそれぞれにローラチェー
ン又はラック部材を固定し、各帯板を幅方向（左右方
向）に屈折可能に結合することにより、レールの自由度
がさらに向上する。

【０００７】溶接ヘッドを搭載した走行台車つまり自動
溶接装置の走行台車は、ワーク上に支持され、レールに
より案内される。さらにその駆動輪がローラチェーン又
は可撓性ラック部材に噛み合って駆動されるので、振動
やスリップを生じることなくワーク曲面を走行可能であ
る。このため、傾斜角度が９０゜に近い角度まで自動溶
接装置を登らせることが可能である。また、自動溶接装
置は、好ましくは、レール上を走行する駆動台車と、駆
動台車にガイド手段により上下摺動自在に係合し、駆動
台車より浮かした状態で装着される走行台車とから構成
する。この構成により、自動溶接装置の走行台車は直接
ワーク上に支持されて駆動台車と一緒に走行するため、
自動溶接装置の全重量が駆動台車及びレールにかから
ず、安定した走行を保証する。また、上下摺動自在なガ
イド手段により、走行台車がワーク面の凹凸部を乗り越
える際の上下動の影響力を駆動台車等に伝えることがな
いため、安全である。

【０００８】開先検出器は、開先のルートギャップや開
先角度などの開先形状の変化や開先中心位置、継手の終
端位置、開先内の仮付けビードの有無などの開先状態の
変化を溶接中リアルタイムに検出し、また傾斜角検出器
は、溶接線の前後方向及び左右方向の傾斜角度を検出す
るので、これらの情報に基づき、溶接制御装置が溶接条
件データベースより開先状態や溶接線の傾斜角度に対応
した適正な溶接条件を取り出して出力する。従って、開
先状態や溶接線の傾斜角度が変化してもそれに対応した
適正な溶接条件で溶接が行われるため、溶接欠陥を発生
させることなく良好な溶接が可能となる。加えて、アー
クセンサによる溶接線自動ならい制御、トーチ高さ制御
のもとでの高速回転アーク溶接であるため、溶接の無監
視化が可能となり、溶接の自動化が実現し、また溶接品
質が格段に向上する。また、溶接条件は開先形状別、前
後傾斜別、及び左右傾斜別となっており、検出値に対応
するそれぞれの溶接パラメータを制御することにより、
溶接条件を最適制御することができる。

【０００９】また、より溶接能率を向上させるために
は、タンデムの多電極とし、先行の電極は高速回転アー
ク溶接を行うものとする。後行電極はストリンガ、回
転、揺動式等どのような方式のものでもかまわない。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の突合せ自動溶接装
置の全体概要図である。図１により構成の概要を説明す
る。

【００１１】１はワークであり、ここでは、一例とし
て、造船用の曲がり外板を突合せ溶接する場合を示して
いる。このようなワークは大形・長尺部材であるととも
に三次元の曲面を有しているものが多い。また、溶接線
１１は直線部、曲がり部、傾斜部を含んでいる。溶接線
１１の両端にはタブ板１２が取り付けられており、また
その開先１３内には図４に示すように、仮付けビード１
４が適当な長さ、のど厚で施工されている。開先１３の
裏側にはセラミックス等からなる裏当材１５を設けてい
る。ワーク１は、図１に示すようにオフセット定盤１０
０上に設けられた多数の高さの異なる棒状の突起１０１
によって支持されている。

【００１２】２はワーク１の溶接線１１を高速回転アー
ク溶接により突合せ溶接をする自動溶接装置で、溶接線
１１にほぼ平行に取り付けられたレール３に案内されて
ワーク１上を走行するようになっている。レール３は屈
曲自在に構成されており、ワーク面及び溶接線１１にほ
ぼ平行に取り付けられる。そしてこのレール３に自動溶
接装置２の走行台車４を走行可能に係合する。走行台車
４は車輪４１を介してワーク１上に支持されており、搭
載重量等の全負荷が、直接、レール３にかからないよう
になっている。

【００１３】自動溶接装置２は、溶接の高能率化を図る
ために、２つの溶接ヘッド２０、２１を備えており、先
行の溶接ヘッド２０は高速回転アーク溶接を行うための
もので、後行の溶接ヘッド２１には通常のストリンガの
ものを使用している。また、自動溶接装置２はケーブル
等の支持アーム１１０に取り付けられているホイスト１
１１により吊り下げてレール３にセットするようになっ
ている。１６はレール３の両端部を多少延長するための
端部プラットホームである。

【００１４】５は先行溶接ヘッド２０用の溶接電源で、
６は後行溶接ヘッド２１用の溶接電源である。７は自動
溶接装置２の溶接制御装置である。８はワイヤ送給装置
で、各溶接ヘッドに溶接ワイヤを送給する。ワイヤ送給
装置８はワーク１上に設置されているが、ホイストによ
り吊り下げ式にすることもできる。電源ケーブル、制御
ケーブル、ワイヤ送給用のコンジットケーブル、冷却水
循環装置９からの冷却水ホース等のケーブル類はアーム
１１０に伸縮自在に支持される。

【００１５】図２は溶接ロボットの概略正面図、図３は
同ロボットの概略側面図である。上記のレール３は、柔
軟性を有する帯板３１の上にアタッチメント３３により
ローラチェーン３２を固定し、帯板３１の下面に所定間
隔でマグネット３４を取り付け、マグネット３４によ
り、レール３をワーク１上に着脱自在に固定する構成と
なっている。このようなレール２の構成により、容易に
ワーク面と同様の形状を再現することができる。また、
溶接経路に対する自由度が高い。なお、吸着手段として
のマグネットの代わりに真空パッドのような吸引保持器
を用いることもできる。

【００１６】走行台車４を駆動するために、レール３上
を走行する駆動台車４２を走行台車４の内部に設けてお
り、その駆動台車４２に、ローラチェーン３２と噛み合
って回転駆動される駆動鎖車４３と、帯板３１の両端部
に係合する複数のガイドローラ４４、４５を設けてい
る。走行台車４はこの駆動台車４２に上方より被せた形
で装着され、駆動台車４２上に突設した複数のガイド棒
４６などからなるガイド手段により上下摺動自在に係合
されている。そして、走行台車４をガイド棒４６に駆動
台車４２より少し浮かせた状態で挿入し、駆動台車４２
に搭載重量等の負荷がかからないようにしている。駆動
台車４２の駆動鎖車４３を固定状態のローラチェーン３
２に噛み合わせて駆動することにより、駆動台車４２が
レール３上を走行するので、ガイド棒４６に係合された
走行台車４及びその上の自動溶接装置本体もレール３に
沿って駆動台車４２と一緒に走行する。自動溶接装置２
の走行台車４は、前述のように車輪４１を介してワーク
１上に支持されているので、可撓性のレール３に負荷を
かけることなく高重量を支えることができる。また、走
行台車４がワーク面の凹凸部を乗り越える際の上下動に
よる影響もレール３に与えることはない。なお、駆動台
車４２の駆動機構を駆動ギヤとプラスチック製などから
なる可撓性のラック部材で構成することもできる。

【００１７】先行溶接ヘッド２０の溶接トーチ２２は、
走行台車４上のＸ軸スライド機構２２１と、これにアー
ム２２２で連結されたＹ軸スライド機構２２３により支
持されている。先行の溶接トーチ２２は高速回転アーク
溶接トーチであるので、Ｘ軸スライド機構２２１により
開先ならい制御を行い、Ｙ軸スライド機構２２３により
トーチ高さ制御を行う。２２４、２２５はそれぞれＸ軸
モータ、Ｙ軸モータである。また、２２６は溶接トーチ
２２の回転機構を内蔵したギヤボックス、２３は溶接ワ
イヤ、２４はガスシールドノズルである。さらに、２５
は後行溶接ヘッド２１の溶接トーチで、非回転式のもの
である。

【００１８】図３に示すように、先行溶接トーチ２２の
前方（溶接進行方向の前方）に開先検出器としてのレー
ザセンサ２６が取り付けられている。このレーザセンサ
２６を、図４にも示すように、揺動軸２７により開先１
３の幅方向に一定の速度・幅でスキャンさせることによ
り、センサ出力（距離）とセンサ位置を検出し、演算に
より、ルートギャップＧや開先中心位置などの開先形状
情報を求める。

【００１９】また、図２における２８、２９は傾斜セン
サで、走行台車４などの適当な位置に取り付けられ、一
方の傾斜センサ２８は溶接線１１の前後方向の傾斜を検
出し、他方の傾斜センサ２９は溶接線１１の左右方向の
傾斜を検出する。

【００２０】図５は、開先形状の検出による制御システ
ムの構成を示すブロック図である。上記のように検出さ
れたレーザセンサ２６の出力（距離）と揺動軸位置をそ
れぞれＡ／Ｄ変換器３０１、３０２を介してパソコンボ
ード３０３に取り込み、パソコンにて演算を施し、演算
に基づく開先形状、ルートギャップ、開先中心位置等を
制御装置３０４（溶接制御装置７内のシーケンサであ
る）に送ることにより、制御装置３０４は、センサ揺動
軸２７の揺動制御をしながら、その開先状態の変化に対
応した適正な溶接条件を溶接条件適応制御手段３０５に
出力する。

【００２１】図６は、溶接条件制御システムの構成を示
すブロック図である。ここでは、一例として、レーザセ
ンサ２６により溶接中リアルタイムにルートギャップを
検出し、また傾斜センサ２８、２９によりワーク傾斜、
つまり前後・左右の傾斜角を検出し、制御装置４０１
（溶接制御装置７内のシーケンサであり、上記制御装置
３０４と同じものである）に入力させる。制御装置４０
１では、あらかじめルートギャップ別・傾斜別の適正溶
接条件がパソコン４０２により溶接条件データベース４
０３としてオフラインプログラムされており、この溶接
条件データベース４０３から、ルートギャップの変化、
ワーク傾斜の変化に対応した適正溶接条件が出力され、
このようにして溶接条件の最適制御が行われる。溶接条
件は、溶接パラメータ（溶接速度、溶接電流、アーク電
圧、ワイヤ送給速度、アーク回転速度、トーチ狙い位置
等）を調整することにより、ルートギャップ別・傾斜別
等それぞれについて、設定されている。

【００２２】溶接条件データベースは、開先形状別（板
厚・開先角度別）、ルートギャップ別、ワークの前後傾
斜別・左右傾斜別に構成される。また、開先状態を検出
する手段として、ＣＣＤカメラによる画像処理手段を採
用することも可能である。

【００２３】この自動溶接装置２は上記のように構成さ
れており、溶接線１１にほぼ平行に取り付けられたレー
ル３に案内されながらワーク面を走行する。先行溶接ト
ーチ２２はアークセンサによる開先ならい制御及びトー
チ高さ制御を行いながら高速回転アーク溶接により開先
１３を溶接すると同時に、後行溶接トーチ２５により２
層目を溶接する。さらに、溶接中リアルタイムに、レー
ザセンサ２６により先行溶接トーチ２２の前方における
開先状態の変化を検出しており、また傾斜センサ２８、
２９により溶接線１１の前後方向及び左右方向の傾斜を
検出しており、これらの情報は溶接制御装置７にフィー
ドバックされ、開先状態や溶接線の傾斜に応じて、適正
な溶接条件を出力して溶接が行われるので、きわめて良
好な突合せ溶接が施工される。すなわち、曲面等を有す
るワーク１の開先加工精度や仮付け精度等に多少の不具
合があっても、溶接点における開先状態に適した溶接条
件で溶接するため、その不具合が是正されることにな
る。この結果、溶接欠陥を生じることなく高品質の溶接
継手が形成される。さらに、高い溶接能率を達成するこ
とができ、いかなる溶接経路に対しても容易かつ簡単に
対応させることができる。

【００２４】図７にレールの他の構成例を示す。図８は
その底面図である。上記のレール３は１本の長い部材か
らなるものであったが、ここでは帯板３１を複数とし、
それに伴いローラチェーン３２も各帯板３１に固定され
ている。そして、帯板３１の接続端に少し斜めに山形状
に切除した傾斜端３５を設け、両側の帯板３１の下面に
は交互に接続金具３６とボルト３７を設け、接続金具３
６にボルト３７に横方向から嵌入する切り欠き穴３８を
設けてなるものである。接続金具３６の基端はピン３９
で帯板３１に枢着されている。なお、傾斜端３５は一方
の帯板３１にのみ設け、他方の帯板３１の接続端はフラ
ットでもよい。このような接続構成によると、各接続金
具３６の切り欠き穴３８をボルト３７に横から嵌入し、
傾斜端３５同士、あるいは一方の帯板３１の傾斜端３５
と他方の帯板３１のフラットな接続端を突き合わせて接
続金具３６及びボルト３７で固定すれば、破線で示すよ
うに他方の帯板３１が少し幅方向に屈折する。従って、
各帯板３１を左又は右の方向に屈折させることができる
ので、上下方向の湾曲と相俟って三次元の移動経路を構
築することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ワーク面を走行する自動溶接装置により、曲面等を有す
るワークの高速回転アーク溶接による自動突合せ溶接が
可能となる。また、自動溶接装置を案内するレールの自
由度が高く、どのようなワーク面に対しても簡単に取り
付けることができ、作業能率が高い。特に大形・長尺部
材の開先加工精度や仮付け精度等に多少の不具合があっ
ても、開先検出器及び傾斜検出器により溶接中リアルタ
イムに検出した開先及び溶接線情報に基づいて、開先形
状別、ルートギャップ別、溶接線の前後及び左右方向の
傾斜別にそれぞれ設定された適正溶接条件を出力し最適
制御するものであるため、極めて高い溶接品質を保証す
る。よって、橋梁や造船用のブロック部材の突合せ自動
溶接を高能率、高品質に施工できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の突合せ自動溶接装置の全体概要図であ
る。

【図２】自動溶接装置の概略正面図である。

【図３】自動溶接装置の概略側面図である。

【図４】レール装置の他の構成例を示す平面図である。

【図５】開先形状の検出による制御システムの構成を示
すブロック図である。

【図６】溶接条件制御システムの構成を示すブロック図
である。

【図７】レールの他の構成例を示す平面図である。

【図８】上記レールの底面図である。

【符号の説明】

１ワーク２自動溶接装置３レール４走行台車５、６溶接電源７溶接制御装置８ワイヤ送給装置９冷却水循環装置１１溶接線１２タブ板１３開先１４仮付けビード１５裏当材１６端部プラットホーム２０先行溶接ヘッド２１後行溶接ヘッド２２先行溶接トーチ２３溶接ワイヤ２４ガスシールドノズル２５後行溶接トーチ２６レーザセンサ２７揺動軸２８、２９傾斜センサ３１帯板３２ローラチェーン３３アタッチメント３４マグネット３５傾斜端３６接続金具３７ボルト３８切り欠き穴３９ピン４１車輪４２駆動台車４３駆動鎖車４４、４５ガイドローラ４６ガイド棒１００オフセット定盤１０１突起１１０支持アーム１１１ホイスト２２１Ｘ軸スライド機構２２２アーム２２３Ｙ軸スライド機構２２４Ｘ軸モータ２２５Ｙ軸モータ２２６ギヤボックス３０１、３０２Ａ／Ｄ変換器３０３パソコンボード３０４制御装置４０１制御装置４０２パソコン４０３溶接条件データベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 37/02 Ｂ２３Ｋ 37/02 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】曲面及び／又は傾斜面を有するワークを
高速回転アーク溶接により突合せ溶接する自動溶接装置
であって、前記ワークの溶接線にほぼ平行に取り付けられるレール
と、前記レールに案内されて前記ワーク上を走行する走行台
車と、前記走行台車上に搭載され、高速回転アーク溶接を行う
溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドの溶接進行方向の前方に取り付けられ、
開先状態の変化を検出する開先検出器と、前記溶接線の前後方向及び左右方向の傾斜角度を検出す
る傾斜検出器とを備え、さらに前記自動溶接装置を制御
する溶接制御装置が、開先形状別、前後傾斜別、及び左右傾斜別の溶接条件を
設定する手段と、前記溶接条件を記憶する手段と、前記開先検出器及び前記傾斜検出器により、溶接中リア
ルタイムに検出した開先形状、前後傾斜、及び左右傾斜
に応じて、適正な溶接条件を出力する溶接条件制御手段
とを備えたことを特徴とする突合せ自動溶接装置。
【請求項２】タンデムの多電極を有し、先行電極は高
速回転アーク溶接を行う電極としたことを特徴とする請
求項１記載の突合せ自動溶接装置。
【請求項３】前記レールは、柔軟性を有する帯板と、
該帯板上に固定され、前記走行台車の駆動輪が噛み合う
ローラチェーン又は可撓性のラック部材と、前記帯板の
下面に所定間隔で取り付けられ、前記ワーク上に固定さ
れる吸着手段とから屈曲自在に構成されていることを特
徴とする請求項１記載の突合せ自動溶接装置。
【請求項４】前記レールは、前記ローラチェーン又は
ラック部材をそれぞれ固定した複数の帯板を有し、各々
の前記帯板を幅方向に屈折可能に結合してなることを特
徴とする請求項３記載の突合せ自動溶接装置。
【請求項５】前記自動溶接装置は、前記レール上を走
行する駆動台車と、該駆動台車にガイド手段により上下
摺動自在に係合し、前記駆動台車より浮かした状態で装
着される前記走行台車とを有することを特徴とする請求
項１記載の突合せ自動溶接装置。