JPWO2015136574A1 - 溶接システム - Google Patents

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Abstract

チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置（１）は、テーブル（４）を備えている。テーブル（４）は、溶接トーチ（２１）が取り付けられた円弧状の回転部材（２３）と、この回転部材（２３）をチューブの中心軸回りに回転させるギア列（３）を支持する。さらに、溶接装置（１）は、テーブル（４）をチューブの中心軸と直交する第一方向に移動させる第一移動機構（５）と、第一移動機構５をチューブの中心軸および第一方向と直交する第二方向に移動させる第二移動機構（６）を備えている。

Description

本発明は、チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置、およびこの溶接装置を含む溶接システムに関する。
従来より、チューブ同士の突合せ溶接を自動的に行う溶接装置が知られている。例えば、特許文献１には、図６Ａおよび６Ｂに示すような、横向きに置かれたチューブ１５０に対して全姿勢溶接が可能な溶接装置１００が開示されている。
この溶接装置１００は、アークの長さを調整するために、溶接トーチ１３０がチューブ１５０の径方向に移動できるように構成されている。具体的に、溶接装置１００は、チューブ１５０の中心軸回りに回転する回転部材として、回転用リング１１０と上下用リング１２０の２つの円弧状のリングを有している。回転用リング１１０と上下用リング１２０は、相互に独立した回転が可能となっている。
回転用リング１１０には、溶接トーチ１３０がトーチ台１４０を介して揺動可能に取り付けられている。一方、上下用リング１２０には、周方向に対して傾斜する溝１２５が設けられており、この溝１２５に、トーチ台１４０に固定されたシャフト１４５が挿入されている。そして、上下用リング１２０が回転用リング１１０に対して相対的に回転することにより、シャフト１４５が溝１２５でガイドされて、溶接トーチ１３０がチューブ１５０に近づいたりチューブ１５０から遠ざかったりする。
特開２００１−２２５１６５号公報
しかしながら、図６Ａおよび６Ｂに示すような溶接トーチ１００では、チューブ１５０の中心軸回りに回転する回転部材（回転用リング１１０および上下用リング１２０）に、溶接トーチ１００をチューブ１５０の径方向に移動させる機構が組み込まれているために、回転部材に大きな幅が必要になる。このため、チューブ１５０が狭いピッチで配列された例えばボイラパネルなどの装置を製造する場合には、溶接トーチ１００を使用することができない。
そこで、本発明は、溶接トーチをチューブの径方向に移動でき、かつ、チューブの中心軸回りに回転する回転部材の幅を小さくすることができる溶接装置を提供することを目的とする。また、本発明は、その溶接装置を含む溶接システムを提供することも目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の溶接装置は、チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置であって、溶接トーチが取り付けられた、外歯を有する円弧状の回転部材と、前記回転部材と噛み合って前記回転部材を前記チューブの中心軸回りに回転させるギア列と、前記回転部材および前記ギア列を支持するテーブルと、前記テーブルを前記チューブの中心軸と直交する第一方向に移動させる第一移動機構と、前記第一移動機構を前記チューブの中心軸および前記第一方向と直交する第二方向に移動させる第二移動機構と、を備える。
上記の構成によれば、第一移動機構および第二移動機構が回転部材を支持するテーブルを動かすことにより、溶接トーチをチューブの径方向に移動させることができる。このため、回転部材に溶接トーチを移動させる機構を設ける必要がなく、回転部材の幅を小さくすることができる。
上記の溶接装置は、前記第二移動機構を前記チューブの中心軸に沿って移動させる第三移動機構と、前記第三移動機構を前記チューブに固定するクランプ機構と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、溶接トーチをチューブの軸方向に往復させながら周方向に進行させる、いわゆるウィービング動作を実現できるだけでなく、溶接トーチの先端がチューブの中心軸を通る平面上で楕円を描くように溶接トーチを操作することもできる。
前記溶接トーチは、前記チューブの溶接部位との間にアークを発生させる電極を有し、上記の溶接装置は、前記電極と前記溶接部位との間の距離を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された距離が予め定めらえた値となるように、前記第一駆動機構および前記第二駆動機構を制御する制御手段と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、高品質な溶接を行うことができる。
また、本発明は、１つの側面から、第１チューブと、屈曲する第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される上記の溶接装置と、を備える、溶接システムを提供する。
チューブ同士の突合せ溶接を行う場合に一方のチューブが屈曲していると、そのチューブに溶接装置をどのように固定するかが問題となる。例えば、溶接装置がチューブをクランプするクランプ機構を有する場合、そのクランプ機構はチューブの屈曲部分をクランプすることができない。これに対し、上記の構成のように、屈曲する第２チューブの上方に支持プレートが配置されれば、第２チューブの形状に拘らずに、溶接装置を自由な位置に固定することができる。これにより、溶接装置をチューブの溶接部位に対して最適な位置に設置することができる。
また、本発明は、別の側面から、母管から突出する第１チューブと、第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される上記の溶接装置と、前記溶接装置に前記溶接トーチの両側で当該溶接装置から突出するように取り付けられた、先端が前記母管に当接する一対の径方向位置決め部材と、を備える、溶接システムを提供する。
母管から突出する第１チューブに対して第２チューブを接合する場合、母管を利用して溶接装置を迅速に適切な位置に設置することが望まれる。これに対し、上記の構成のように、溶接装置に一対の径方向位置決め部材が取り付けられていれば、径方向位置決め部材の先端を母管に当接させることによって母管の径方向で溶接装置を位置決めすることができる。しかも、溶接装置は支持プレート上に載置されるので、溶接装置を支持プレート上で摺動しながら溶接装置の位置決めを行うことができる。これにより、溶接装置を迅速に適切な位置に設置することができる。
前記母管は鉛直方向に延びていて、前記第１チューブは鉛直方向に複数配列されており、上記の溶接システムは、前記溶接装置に取り付けられた周方向位置決め部材であって、前記第１チューブのうち、前記第２チューブと接合される第１チューブよりも上方に位置する第１チューブと係合する周方向位置決め部材をさらに備えてもよい。この構成によれば、母管の周方向においても溶接装置を位置決めすることができる。これにより、溶接装置をより迅速に適切な位置に設置することができる。
例えば、前記周方向位置決め部材は、前記溶接装置に対して進退可能に構成された、前記第１チューブの内部に先端が嵌まり込み可能なテーパーピンを含んでいてもよい。
前記第２チューブは屈曲していてもよい。この構成によれば、屈曲する第２チューブの上方に支持プレートが配置されているので、第２チューブの形状に拘らずに、溶接装置を自由な位置に固定することができる。
本発明によれば、溶接トーチをチューブの径方向に移動でき、かつ、チューブの中心軸回りに回転する回転部材の幅を小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係る溶接装置の正面図である。 図１に示す溶接装置を側方から見たときの概略構成図である。 図１に示す溶接装置における回転部材の近傍部分を拡大した正面図である。 図１に示す溶接装置を含む溶接システムの平面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ図４に示す溶接システムの一部を拡大した平面図および側面図である。 図６Ａは従来の溶接装置の要部の正面図、図６Ｂは同要部の側面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（溶接装置）
図１および図２に、本発明の一実施形態に係る溶接装置１を示す。この溶接装置１は、チューブ１０同士の突合せ溶接を自動的に行うものである。本実施形態では、チューブ１０が横向きに置かれており、溶接装置１は一方のチューブ１０に上方から乗せられる。
以下では、説明の便宜のために、チューブ１０の軸方向（中心軸ＣＡが延びる方向）をＸ方向、Ｘ方向と直交する上下方向（本発明の第一方向に相当）をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向と直交する水平方向（本発明の第二方向に相当）をＺ方向という。また、Ｘ方向のうちの後述するテーブル４から見て溶接トーチ２１側を前方、その反対側を後方という。ただし、本発明の第一方向および第二方向は、逆（すなわち、第一方向が水平方向、第二方向が上下方向）であってもよいし、双方が斜めであってもよい。また、チューブ１０は、必ずしも横向きに置かれている必要はなく、縦向きや斜め向きに置かれていてもよい。
溶接装置１は、溶接トーチ２１と、溶接トーチ２１が取り付けられた回転部材２３と、回転部材２３を回転可能に支持するテーブル４とを備えている。また、溶接装置１は、テーブル４を三次元的に移動させる３つの移動機構である第一移動機構５、第二移動機構６および第三移動機構７と、第三移動機構７をチューブ１０に固定するクランプ機構８を備えている。
溶接トーチ２１は、Ｘ方向に平行な板状の形状に形成されている。溶接トーチ２１の下面には、チューブ１０の溶接部位との間にアークを発生させる電極２２が設けられている。ここで、溶接部位とは、例えばチューブ１０間の接合部に開先が取られていて何層も溶接層を形成する場合には、一層目では開先の底部であり、二層目以降では、前回の層のことである。
本実施形態の溶接装置１はＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を行うものであり、電極２２は非消耗電極となっている。そして、溶接トーチ１には、図３に示すように、電極２２と溶接部位との間に溶接ワイヤ２５を供給するワイヤ供給装置の先端２６が図略のブラケットにより固定される。
電極２２には、給電手段９１よりケーブル９３および溶接トーチ２１を通じて電圧が印加される。給電手段９１には、電極２２に印加される電圧を測定する電圧計９２が設けられている。電極２２に印加される電圧は、電極２２と溶接部位との間の距離に応じて変化する。すなわち、電圧計９２は、電極２２と溶接部位との間の距離を間接的に測定するものであり、本発明の測定手段に相当する。
図１および図２に戻って、回転部材２３には、チューブ１０が嵌まり込み可能なＵ字状の切り欠きが形成されており、回転部材２３が円弧状をなしている。また、回転部材２３の外周面には、外歯が形成されている。
回転部材２３を回転可能に支持するテーブル４は、Ｘ方向と直交する板状をなしている。このテーブル４には、回転部材２３の切り欠きと同程度の幅で下向きに開口する開口４ａが形成されている。
テーブル４には、回転部材２３と噛み合って回転部材２３をチューブ１０の中心軸ＣＡ回りに回転させるギア列３も支持されている。また、テーブル４の後面には、ギア列３のギアの１つである駆動ギア３０を回転させる旋回モータ４５が取り付けられている。なお、図２では、図面を簡略化するためにギア列３および旋回モータ４５の作図を省略している。
ギア列３は、駆動ギア３０と、駆動ギア３０と噛み合う第一従動ギア３１と、第一従動ギア３１と噛み合う一対の第二従動ギア３２と、各第二従動ギア３２および回転部材２３と噛み合う一対の第三従動ギア３３とを含む。このような構成により、回転部材２３の切り欠きが一方の第三従動ギア３３に差し掛かったとしても、他方の第三従動ギア３３により回転部材２３に回転力が伝えられる。
第一移動機構５は、テーブル４をＹ方向に移動させるものである。具体的に、第一移動機構５は、ベース５１と、ガイドレール５２によりベース５１に対してＹ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック５４と、スライドブロック５４と螺合するネジ軸５３と、ネジ軸５３を回転させる第一モータ５５とを含む。そして、テーブル４は、取付座４１を介してスライドブロック５４に固定されている。
第二移動機構６は、第一移動機構５をＺ方向に移動させるものである。具体的に、第二移動機構６は、ベース６１と、ガイドレール６２によりベース６１に対してＺ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック６４と、スライドブロック６４と螺合するネジ軸６３と、ネジ軸６３を回転させる第二モータ６５とを含む。そして、第一移動機構５のベース５１は、取付座５６を介してスライドブロック６４に固定されている。
第三移動機構７は、第二移動機構６をＸ方向に移動させるものである。具体的に、第三移動機構７は、ベース７１と、ガイドレール７２によりベース７１に対してＸ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック７４と、スライドブロック７４と螺合するネジ軸７３と、ネジ軸７３を回転させる第三モータ７５とを含む。そして、第二移動機構６のベース６１は、取付座６６を介してスライドブロック７４に固定されている。
第三移動機構７は、Ｘ方向に平行なベースプレート７６に取り付けられている。ベースプレート７６には、上述したクランプ機構８も取り付けられている。クランプ機構８は、図略のノブが操作されることによってチューブ１０をクランプするように構成されている。このクランプにより、ベースプレート７６が例えば水平に維持される。さらに、ベースプレート７６には、３つの移動機構５〜７、テーブル４の大部分およびギア列３を収容するケース１１が取り付けられている。
上述した旋回モータ４５および第一〜第三モータ５５，６５，７５は、制御装置９（図１参照）により制御される。特に、制御装置９は、第一モータ５５および第二モータ６５を、電圧計９２によって間接的に測定された溶接部位から電極２２までの距離が予め定められた値となるように制御する。予め定められた値は、例えば、溶接部位の位置や深さなどに拘らずに一定であってもよいし、溶接部位の位置や深さなどに応じて異なっていてもよい。
以上説明したように、本実施形態の溶接装置１では、第一移動機構５および第二移動機構６が回転部材２３を支持するテーブル４を動かすことにより、溶接トーチ２１をチューブ１０の径方向に移動させることができる。このため、回転部材２３に溶接トーチ２１を移動させる機構を設ける必要がなく、回転部材２３の幅を小さくすることができる。その結果、例えば図３に示すようにチューブ１０が狭いピッチで配列され、隣り合うチューブ１０の間隔Ｌが狭い場合でも、溶接装置１を用いて突合せ溶接を自動的に行うことができる。
また、本実施形態では、溶接装置１が第三移動機構７およびクランプ機構８を備えているので、溶接トーチ２１をチューブ１０の軸方向に往復させながら周方向に進行させる、いわゆるウィービング動作を実現できるだけでなく、溶接トーチ２１の先端である電極２２がチューブ１０の中心軸ＣＡを通る平面上で楕円を描くように溶接トーチ２１を操作することもできる。
また、本実施形態では、溶接部位から電極２２までの距離が溶接部位に応じて予め定められた値となるように第一モータ５５および第二モータ６５が制御されるため、高品質な溶接を行うことができる。
（溶接装置の変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、本発明は、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接またはＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接を行う溶接装置にも適用可能である。この場合には、溶接ワイヤが電極として機能し、その溶接ワイヤに流れる電流が電極と溶接部位との間の距離に応じて変化するため、本発明の測定手段として電流計を用いることができる。
あるいは、本発明の測定手段としては、溶接トーチの電極と溶接部位との間の距離を直接的に測定する距離センサを用いることも可能である。
また、前記実施形態では、全ての移動機構５，６，７においてネジ軸を用いた直動システムが採用されていたが、各移動機構５，６，７では、例えばラックおよびピニオンを用いた直動システムが採用されてもよい。
（溶接システム）
次に、図４ならびに図５Ａおよび図５Ｂを参照して、上述した溶接装置１を含む溶接システム１５を説明する。この溶接システム１５は、第１チューブ１３と第２チューブ１４との水平面上での突合せ溶接に用いられるものである。ここで、「水平面上での突合せ溶接」とは、第１および第２チューブ１３，１４の中心軸が水平方向と平行な場合だけでなく、第１および第２チューブ１３，１４の中心軸が水平方向に対して僅かに（例えば、１０度以下の角度で）傾斜している場合を含む概念である。
本実施形態では、鉛直方向に延びる母管１２から複数の第１チューブ１３が放射状に突出している。すなわち、第１チューブ１３は短管である。第１チューブ１３は、母管１２の外周面の略半分の領域に設けられている。また、第１チューブ１３は、鉛直方向にも配列されている。一方、第１チューブ１３に接合される第２チューブ１４は、水平面上で屈曲している。図例では、特定の高さ位置における全て（図例では６本）の第２チューブ１４が第１チューブ１３と合致するように配置されている。
溶接システム１５は、第２チューブ１４の上方で第２プレート１４を覆う支持プレート１６と、この支持プレート１６上に載置された溶接装置１を含む。本実施形態では、支持プレート１６が、全ての第２支持プレート１６に跨るように母管１２の周方向に延びる円弧状をなしている。支持プレート１６は、少なくとも１つの第２チューブ１４に固定されている。溶接装置１は、支持プレート１６上に載置された状態で支持プレート１６に固定されている。
さらに本実施形態では、図５Ａおよび５Ｂに示すように、溶接装置１に、一対の径方向位置決め部材１７と周方向位置決め部材１８が取り付けられている。一対の径方向位置決め部材１７は、溶接トーチ２１の両側で溶接装置１から突出している。
具体的に、一対の径方向位置決め部材１７は、テーブル４（図１，２参照）と直交する方向（すなわち、溶接トーチ２１の突出方向）に延びる棒状の部材であり、溶接装置１のケース１１の両側面に固定されている。ただし、径方向位置決め部材１７は、ベースプレート７６（図１，２参照）に固定されていてもよい。各径方向位置決め部材１７の先端は内側に少しだけ折り曲げられており、この先端が母管１２に当接する。
周方向位置決め部材１８は、第１チューブ１３のうち、第２チューブ１４と接合される第１チューブ１３よりも上方に位置する第１チューブ１３と係合する。より詳しくは、周方向位置決め部材１８は、テーパーピン１８ａと、一端が装置本体１に接続され、他端でテーパーピンを支持するＬ字状のアーム１８ｂを含む。
テーパーピン１８ａは、溶接装置１に対して進退可能に構成されている。すなわち、アーム１８ｂは、テーパーピン１８ａを溶接トーチ２１の突出方向に摺動可能に支持する。また、テーパーピン１８ａは、第１チューブ１３の内径よりも小さな直径から第１チューブ１３の内径よりも大きな直径へ拡大するテーパー部を有している。このため、テーパーピン１８ａの先端は、第１チューブ１３の内部に嵌まり込み可能となっている。
溶接装置１がチューブをクランプするクランプ機構８（図１，２参照）を有する場合、そのクランプ機構８は第２チューブ１４の屈曲部分をクランプすることができない。これに対し、本実施形態の溶接システム１５では、屈曲する第２チューブ１４の上方に支持プレート１６が配置されているので、第２チューブ１４の形状に拘らずに、溶接装置１を自由な位置に固定することができる。これにより、溶接装置１をチューブの溶接部位に対して最適な位置に設置することができる。
また、本実施形態の溶接システム１５では、溶接装置１に一対の径方向位置決め部材１７が取り付けられているので、径方向位置決め部材１７の先端を母管１２に当接させることによって母管１２の径方向で溶接装置１を位置決めすることができる。しかも、溶接装置１は支持プレート１６上に載置されるので、溶接装置１を支持プレート１６上で摺動しながら溶接装置１の位置決めを行うことができる。これにより、溶接装置１を迅速に適切な位置に設置することができる。
さらに、本実施形態の溶接システム１５では、溶接装置１に周方向位置決め部材１８が取り付けられているので、母管１２の周方向においても溶接装置１を位置決めすることができる。これにより、溶接装置１をより迅速に適切な位置に設置することができる。
（溶接システムの変形例）
母管１２からは１本の第１チューブ１３のみが水平方向に突出していてもよい。この場合、母管１２は必ずしも鉛直方向に延びている必要はなく、斜め方向や水平方向に延びていてもよい。また、第１チューブ１３は必ずしも母管１２から突出する短管である必要はなく、横向きに置かれた単管であってもよい。
第１チューブ１３が１本の場合は、溶接システム１５の支持プレート１６は、１本の第２チューブ１４上に配置されてもよい。この場合、支持プレート１６は、例えば、正方形状や長方形状であってもよいし、円形状や楕円状であってもよい。
また、溶接システム１５が径方向位置決め部材１７を有する場合（周方向位置決め部材１８の有無は問わない）、第２チューブ１４は必ずしも屈曲している必要はなく、ストレートであってもよい。さらに、第２チューブ１４が屈曲する場合は、溶接システム１５が径方向位置決め部材１７および周方向位置決め部材１８を有さず支持プレート１６のみを有していてもよい。
１ 溶接装置
１０ チューブ
１２ 母管
１３ 第１チューブ
１４ 第２チューブ
１５ 溶接システム
１６ 支持プレート
１７ 径方向位置決め部材
１８ 周方向位置決め部材
１８ａ テーパーピン
２１ 溶接トーチ
２２ 電極
２３ 回転部材
３ ギア列
４ テーブル
５ 第一移動機構
６ 第二移動機構
７ 第三移動機構
８ クランプ機構
９ 制御手段
９２ 電圧計（測定手段）
本発明は、チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置を含む溶接システムに関する。
従来より、チューブ同士の突合せ溶接を自動的に行う溶接装置が知られている。例えば、特許文献１には、図６Ａおよび６Ｂに示すような、横向きに置かれたチューブ１５０に対して全姿勢溶接が可能な溶接装置１００が開示されている。
この溶接装置１００は、アークの長さを調整するために、溶接トーチ１３０がチューブ１５０の径方向に移動できるように構成されている。具体的に、溶接装置１００は、チューブ１５０の中心軸回りに回転する回転部材として、回転用リング１１０と上下用リング１２０の２つの円弧状のリングを有している。回転用リング１１０と上下用リング１２０は、相互に独立した回転が可能となっている。
回転用リング１１０には、溶接トーチ１３０がトーチ台１４０を介して揺動可能に取り付けられている。一方、上下用リング１２０には、周方向に対して傾斜する溝１２５が設けられており、この溝１２５に、トーチ台１４０に固定されたシャフト１４５が挿入されている。そして、上下用リング１２０が回転用リング１１０に対して相対的に回転することにより、シャフト１４５が溝１２５でガイドされて、溶接トーチ１３０がチューブ１５０に近づいたりチューブ１５０から遠ざかったりする。
特開２００１−２２５１６５号公報
しかしながら、図６Ａおよび６Ｂに示すような溶接装置１００では、チューブ１５０の中心軸回りに回転する回転部材（回転用リング１１０および上下用リング１２０）に、溶接トーチ１３０をチューブ１５０の径方向に移動させる機構が組み込まれているために、回転部材に大きな幅が必要になる。このため、チューブ１５０が狭いピッチで配列された例えばボイラパネルなどの装置を製造する場合には、溶接装置１００を使用することができない。
そこで、本発明は、溶接トーチをチューブの径方向に移動でき、かつ、チューブの中心軸回りに回転する回転部材の幅を小さくすることができる溶接装置を含む溶接システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の溶接システムにおける溶接装置は、チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置であって、溶接トーチが取り付けられた、外歯を有する円弧状の回転部材と、前記回転部材と噛み合って前記回転部材を前記チューブの中心軸回りに回転させるギア列と、前記回転部材および前記ギア列を支持するテーブルと、前記テーブルを前記チューブの中心軸と直交する第一方向に移動させる第一移動機構と、前記第一移動機構を前記チューブの中心軸および前記第一方向と直交する第二方向に移動させる第二移動機構と、を含む。
上記の構成によれば、第一移動機構および第二移動機構が回転部材を支持するテーブルを動かすことにより、溶接トーチをチューブの径方向に移動させることができる。このため、回転部材に溶接トーチを移動させる機構を設ける必要がなく、回転部材の幅を小さくすることができる。
上記の溶接装置は、前記第二移動機構を前記チューブの中心軸に沿って移動させる第三移動機構をさらに含んでもよい。この構成によれば、溶接トーチをチューブの軸方向に往復させながら周方向に進行させる、いわゆるウィービング動作を実現できるだけでなく、溶接トーチの先端がチューブの中心軸を通る平面上で楕円を描くように溶接トーチを操作することもできる。
前記溶接トーチは、前記チューブの溶接部位との間にアークを発生させる電極を有し、上記の溶接装置は、前記電極と前記溶接部位との間の距離を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された距離が予め定めらえた値となるように、前記第一移動機構および前記第二移動機構を制御する制御手段と、をさらに含んでもよい。この構成によれば、高品質な溶接を行うことができる。
また、本発明は、１つの側面から、第１チューブと、屈曲する第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される上記の溶接装置と、を備える、溶接システムを提供する。
チューブ同士の突合せ溶接を行う場合に一方のチューブが屈曲していると、そのチューブに溶接装置をどのように固定するかが問題となる。例えば、溶接装置がチューブをクランプするクランプ機構を有する場合、そのクランプ機構はチューブの屈曲部分をクランプすることができない。これに対し、上記の構成のように、屈曲する第２チューブの上方に支持プレートが配置されれば、第２チューブの形状に拘らずに、溶接装置を自由な位置に固定することができる。これにより、溶接装置をチューブの溶接部位に対して最適な位置に設置することができる。
また、本発明は、別の側面から、母管から突出する第１チューブと、第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される上記の溶接装置と、前記溶接装置に前記溶接トーチの両側で当該溶接装置から突出するように取り付けられた、先端が前記母管に当接する一対の径方向位置決め部材と、を備える、溶接システムを提供する。
母管から突出する第１チューブに対して第２チューブを接合する場合、母管を利用して溶接装置を迅速に適切な位置に設置することが望まれる。これに対し、上記の構成のように、溶接装置に一対の径方向位置決め部材が取り付けられていれば、径方向位置決め部材の先端を母管に当接させることによって母管の径方向で溶接装置を位置決めすることができる。しかも、溶接装置は支持プレート上に載置されるので、溶接装置を支持プレート上で摺動しながら溶接装置の位置決めを行うことができる。これにより、溶接装置を迅速に適切な位置に設置することができる。
前記母管は鉛直方向に延びていて、前記第１チューブは鉛直方向に複数配列されており、上記の溶接システムは、前記溶接装置に取り付けられた周方向位置決め部材であって、前記第１チューブのうち、前記第２チューブと接合される第１チューブよりも上方に位置する第１チューブと係合する周方向位置決め部材をさらに備えてもよい。この構成によれば、母管の周方向においても溶接装置を位置決めすることができる。これにより、溶接装置をより迅速に適切な位置に設置することができる。
例えば、前記周方向位置決め部材は、前記溶接装置に対して進退可能に構成された、前記第１チューブの内部に先端が嵌まり込み可能なテーパーピンを含んでいてもよい。
前記第２チューブは屈曲していてもよい。この構成によれば、屈曲する第２チューブの上方に支持プレートが配置されているので、第２チューブの形状に拘らずに、溶接装置を自由な位置に固定することができる。
本発明によれば、溶接トーチをチューブの径方向に移動でき、かつ、チューブの中心軸回りに回転する回転部材の幅を小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係る溶接システムにおける溶接装置の正面図である。 図１に示す溶接装置を側方から見たときの概略構成図である。 図１に示す溶接装置における回転部材の近傍部分を拡大した正面図である。 図１に示す溶接装置を含む溶接システムの平面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ図４に示す溶接システムの一部を拡大した平面図および側面図である。 図６Ａは従来の溶接装置の要部の正面図、図６Ｂは同要部の側面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（溶接装置）
図１および図２に、本発明の一実施形態に係る溶接システムにおける溶接装置１を示す。この溶接装置１は、チューブ１０同士の突合せ溶接を自動的に行うものである。本実施形態では、チューブ１０が横向きに置かれており、溶接装置１は一方のチューブ１０に上方から乗せられる。
以下では、説明の便宜のために、チューブ１０の軸方向（中心軸ＣＡが延びる方向）をＸ方向、Ｘ方向と直交する上下方向（本発明の第一方向に相当）をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向と直交する水平方向（本発明の第二方向に相当）をＺ方向という。また、Ｘ方向のうちの後述するテーブル４から見て溶接トーチ２１側を前方、その反対側を後方という。ただし、本発明の第一方向および第二方向は、逆（すなわち、第一方向が水平方向、第二方向が上下方向）であってもよいし、双方が斜めであってもよい。また、チューブ１０は、必ずしも横向きに置かれている必要はなく、縦向きや斜め向きに置かれていてもよい。
溶接装置１は、溶接トーチ２１と、溶接トーチ２１が取り付けられた回転部材２３と、回転部材２３を回転可能に支持するテーブル４とを備えている。また、溶接装置１は、テーブル４を三次元的に移動させる３つの移動機構である第一移動機構５、第二移動機構６および第三移動機構７と、第三移動機構７をチューブ１０に固定するクランプ機構８を備えている。
溶接トーチ２１は、Ｘ方向に平行な板状の形状に形成されている。溶接トーチ２１の下面には、チューブ１０の溶接部位との間にアークを発生させる電極２２が設けられている。ここで、溶接部位とは、例えばチューブ１０間の接合部に開先が取られていて何層も溶接層を形成する場合には、一層目では開先の底部であり、二層目以降では、前回の層のことである。
本実施形態の溶接装置１はＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を行うものであり、電極２２は非消耗電極となっている。そして、溶接トーチ２１には、図３に示すように、電極２２と溶接部位との間に溶接ワイヤ２５を供給するワイヤ供給装置の先端２６が図略のブラケットにより固定される。
電極２２には、給電手段９１よりケーブル９３および溶接トーチ２１を通じて電圧が印加される。給電手段９１には、電極２２に印加される電圧を測定する電圧計９２が設けられている。電極２２に印加される電圧は、電極２２と溶接部位との間の距離に応じて変化する。すなわち、電圧計９２は、電極２２と溶接部位との間の距離を間接的に測定するものであり、本発明の測定手段に相当する。
図１および図２に戻って、回転部材２３には、チューブ１０が嵌まり込み可能なＵ字状の切り欠きが形成されており、回転部材２３が円弧状をなしている。また、回転部材２３の外周面には、外歯が形成されている。
回転部材２３を回転可能に支持するテーブル４は、Ｘ方向と直交する板状をなしている。このテーブル４には、回転部材２３の切り欠きと同程度の幅で下向きに開口する開口４ａが形成されている。
テーブル４には、回転部材２３と噛み合って回転部材２３をチューブ１０の中心軸ＣＡ回りに回転させるギア列３も支持されている。また、テーブル４の後面には、ギア列３のギアの１つである駆動ギア３０を回転させる旋回モータ４５が取り付けられている。なお、図２では、図面を簡略化するためにギア列３および旋回モータ４５の作図を省略している。
ギア列３は、駆動ギア３０と、駆動ギア３０と噛み合う第一従動ギア３１と、第一従動ギア３１と噛み合う一対の第二従動ギア３２と、各第二従動ギア３２および回転部材２３と噛み合う一対の第三従動ギア３３とを含む。このような構成により、回転部材２３の切り欠きが一方の第三従動ギア３３に差し掛かったとしても、他方の第三従動ギア３３により回転部材２３に回転力が伝えられる。
第一移動機構５は、テーブル４をＹ方向に移動させるものである。具体的に、第一移動機構５は、ベース５１と、ガイドレール５２によりベース５１に対してＹ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック５４と、スライドブロック５４と螺合するネジ軸５３と、ネジ軸５３を回転させる第一モータ５５とを含む。そして、テーブル４は、取付座４１を介してスライドブロック５４に固定されている。
第二移動機構６は、第一移動機構５をＺ方向に移動させるものである。具体的に、第二移動機構６は、ベース６１と、ガイドレール６２によりベース６１に対してＺ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック６４と、スライドブロック６４と螺合するネジ軸６３と、ネジ軸６３を回転させる第二モータ６５とを含む。そして、第一移動機構５のベース５１は、取付座５６を介してスライドブロック６４に固定されている。
第三移動機構７は、第二移動機構６をＸ方向に移動させるものである。具体的に、第三移動機構７は、ベース７１と、ガイドレール７２によりベース７１に対してＸ方向に摺動自在に支持されたスライドブロック７４と、スライドブロック７４と螺合するネジ軸７３と、ネジ軸７３を回転させる第三モータ７５とを含む。そして、第二移動機構６のベース６１は、取付座６６を介してスライドブロック７４に固定されている。
第三移動機構７は、Ｘ方向に平行なベースプレート７６に取り付けられている。ベースプレート７６には、上述したクランプ機構８も取り付けられている。クランプ機構８は、図略のノブが操作されることによってチューブ１０をクランプするように構成されている。このクランプにより、ベースプレート７６が例えば水平に維持される。さらに、ベースプレート７６には、３つの移動機構５〜７、テーブル４の大部分およびギア列３を収容するケース１１が取り付けられている。
上述した旋回モータ４５および第一〜第三モータ５５，６５，７５は、制御装置９（図１参照）により制御される。特に、制御装置９は、第一モータ５５および第二モータ６５を、電圧計９２によって間接的に測定された溶接部位から電極２２までの距離が予め定められた値となるように制御する。予め定められた値は、例えば、溶接部位の位置や深さなどに拘らずに一定であってもよいし、溶接部位の位置や深さなどに応じて異なっていてもよい。
以上説明したように、本実施形態の溶接装置１では、第一移動機構５および第二移動機構６が回転部材２３を支持するテーブル４を動かすことにより、溶接トーチ２１をチューブ１０の径方向に移動させることができる。このため、回転部材２３に溶接トーチ２１を移動させる機構を設ける必要がなく、回転部材２３の幅を小さくすることができる。その結果、例えば図３に示すようにチューブ１０が狭いピッチで配列され、隣り合うチューブ１０の間隔Ｌが狭い場合でも、溶接装置１を用いて突合せ溶接を自動的に行うことができる。
また、本実施形態では、溶接装置１が第三移動機構７およびクランプ機構８を備えているので、溶接トーチ２１をチューブ１０の軸方向に往復させながら周方向に進行させる、いわゆるウィービング動作を実現できるだけでなく、溶接トーチ２１の先端である電極２２がチューブ１０の中心軸ＣＡを通る平面上で楕円を描くように溶接トーチ２１を操作することもできる。
また、本実施形態では、溶接部位から電極２２までの距離が溶接部位に応じて予め定められた値となるように第一モータ５５および第二モータ６５が制御されるため、高品質な溶接を行うことができる。
（溶接装置の変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、本発明は、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接またはＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接を行う溶接装置にも適用可能である。この場合には、溶接ワイヤが電極として機能し、その溶接ワイヤに流れる電流が電極と溶接部位との間の距離に応じて変化するため、本発明の測定手段として電流計を用いることができる。
あるいは、本発明の測定手段としては、溶接トーチの電極と溶接部位との間の距離を直接的に測定する距離センサを用いることも可能である。
また、前記実施形態では、全ての移動機構５，６，７においてネジ軸を用いた直動システムが採用されていたが、各移動機構５，６，７では、例えばラックおよびピニオンを用いた直動システムが採用されてもよい。
（溶接システム）
次に、図４ならびに図５Ａおよび図５Ｂを参照して、上述した溶接装置１を含む溶接システム１５を説明する。この溶接システム１５は、第１チューブ１３と第２チューブ１４との水平面上での突合せ溶接に用いられるものである。ここで、「水平面上での突合せ溶接」とは、第１および第２チューブ１３，１４の中心軸が水平方向と平行な場合だけでなく、第１および第２チューブ１３，１４の中心軸が水平方向に対して僅かに（例えば、１０度以下の角度で）傾斜している場合を含む概念である。
本実施形態では、鉛直方向に延びる母管１２から複数の第１チューブ１３が放射状に突出している。すなわち、第１チューブ１３は短管である。第１チューブ１３は、母管１２の外周面の略半分の領域に設けられている。また、第１チューブ１３は、鉛直方向にも配列されている。一方、第１チューブ１３に接合される第２チューブ１４は、水平面上で屈曲している。図例では、特定の高さ位置における全て（図例では６本）の第２チューブ１４が第１チューブ１３と合致するように配置されている。
溶接システム１５は、第２チューブ１４の上方で第２チューブ１４を覆う支持プレート１６と、この支持プレート１６上に載置された溶接装置１を含む。本実施形態では、支持プレート１６が、全ての第２チューブ１４に跨るように母管１２の周方向に延びる円弧状をなしている。支持プレート１６は、少なくとも１つの第２チューブ１４に固定されている。溶接装置１は、支持プレート１６上に載置された状態で支持プレート１６に固定されている。
さらに本実施形態では、図５Ａおよび５Ｂに示すように、溶接装置１に、一対の径方向位置決め部材１７と周方向位置決め部材１８が取り付けられている。一対の径方向位置決め部材１７は、溶接トーチ２１の両側で溶接装置１から突出している。
具体的に、一対の径方向位置決め部材１７は、テーブル４（図１，２参照）と直交する方向（すなわち、溶接トーチ２１の突出方向）に延びる棒状の部材であり、溶接装置１のケース１１の両側面に固定されている。ただし、径方向位置決め部材１７は、ベースプレート７６（図１，２参照）に固定されていてもよい。各径方向位置決め部材１７の先端は内側に少しだけ折り曲げられており、この先端が母管１２に当接する。
周方向位置決め部材１８は、第１チューブ１３のうち、第２チューブ１４と接合される第１チューブ１３よりも上方に位置する第１チューブ１３と係合する。より詳しくは、周方向位置決め部材１８は、テーパーピン１８ａと、一端が溶接装置１に接続され、他端でテーパーピンを支持するＬ字状のアーム１８ｂを含む。
テーパーピン１８ａは、溶接装置１に対して進退可能に構成されている。すなわち、アーム１８ｂは、テーパーピン１８ａを溶接トーチ２１の突出方向に摺動可能に支持する。また、テーパーピン１８ａは、第１チューブ１３の内径よりも小さな直径から第１チューブ１３の内径よりも大きな直径へ拡大するテーパー部を有している。このため、テーパーピン１８ａの先端は、第１チューブ１３の内部に嵌まり込み可能となっている。
溶接装置１がチューブをクランプするクランプ機構８（図１，２参照）を有する場合、そのクランプ機構８は第２チューブ１４の屈曲部分をクランプすることができない。これに対し、本実施形態の溶接システム１５では、屈曲する第２チューブ１４の上方に支持プレート１６が配置されているので、第２チューブ１４の形状に拘らずに、溶接装置１を自由な位置に固定することができる。これにより、溶接装置１をチューブの溶接部位に対して最適な位置に設置することができる。
また、本実施形態の溶接システム１５では、溶接装置１に一対の径方向位置決め部材１７が取り付けられているので、径方向位置決め部材１７の先端を母管１２に当接させることによって母管１２の径方向で溶接装置１を位置決めすることができる。しかも、溶接装置１は支持プレート１６上に載置されるので、溶接装置１を支持プレート１６上で摺動しながら溶接装置１の位置決めを行うことができる。これにより、溶接装置１を迅速に適切な位置に設置することができる。
さらに、本実施形態の溶接システム１５では、溶接装置１に周方向位置決め部材１８が取り付けられているので、母管１２の周方向においても溶接装置１を位置決めすることができる。これにより、溶接装置１をより迅速に適切な位置に設置することができる。
（溶接システムの変形例）
母管１２からは１本の第１チューブ１３のみが水平方向に突出していてもよい。この場合、母管１２は必ずしも鉛直方向に延びている必要はなく、斜め方向や水平方向に延びていてもよい。また、第１チューブ１３は必ずしも母管１２から突出する短管である必要はなく、横向きに置かれた単管であってもよい。
第１チューブ１３が１本の場合は、溶接システム１５の支持プレート１６は、１本の第２チューブ１４上に配置されてもよい。この場合、支持プレート１６は、例えば、正方形状や長方形状であってもよいし、円形状や楕円状であってもよい。
また、溶接システム１５が径方向位置決め部材１７を有する場合（周方向位置決め部材１８の有無は問わない）、第２チューブ１４は必ずしも屈曲している必要はなく、ストレートであってもよい。さらに、第２チューブ１４が屈曲する場合は、溶接システム１５が径方向位置決め部材１７および周方向位置決め部材１８を有さず支持プレート１６のみを有していてもよい。
１ 溶接装置
１０ チューブ
１２ 母管
１３ 第１チューブ
１４ 第２チューブ
１５ 溶接システム
１６ 支持プレート
１７ 径方向位置決め部材
１８ 周方向位置決め部材
１８ａ テーパーピン
２１ 溶接トーチ
２２ 電極
２３ 回転部材
３ ギア列
４ テーブル
５ 第一移動機構
６ 第二移動機構
７ 第三移動機構
８ クランプ機構
９ 制御手段
９２ 電圧計（測定手段）

Claims (8)

  1. チューブ同士の突合せ溶接を行う溶接装置であって、
    溶接トーチが取り付けられた、外歯を有する円弧状の回転部材と、
    前記回転部材と噛み合って前記回転部材を前記チューブの中心軸回りに回転させるギア列と、
    前記回転部材および前記ギア列を支持するテーブルと、
    前記テーブルを前記チューブの中心軸と直交する第一方向に移動させる第一移動機構と、
    前記第一移動機構を前記チューブの中心軸および前記第一方向と直交する第二方向に移動させる第二移動機構と、
    を備えた、溶接装置。
  2. 前記第二移動機構を前記チューブの中心軸に沿って移動させる第三移動機構と、
    前記第三移動機構を前記チューブに固定するクランプ機構と、をさらに備える、請求項１に記載の溶接装置。
  3. 前記溶接トーチは、前記チューブの溶接部位との間にアークを発生させる電極を有し、
    前記電極と前記溶接部位との間の距離を測定する測定手段と、
    前記測定手段によって測定された距離が予め定めらえた値となるように、前記第一駆動機構および前記第二駆動機構を制御する制御手段と、をさらに備える、請求項１または２に記載の溶接装置。
  4. 第１チューブと、屈曲する第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、
    前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、
    前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接装置と、
    を備える、溶接システム。
  5. 母管から突出する第１チューブと、第２チューブとの水平面上での突合せ溶接に用いられる溶接システムであって、
    前記第２チューブの上方で当該第２チューブを覆うように前記第２チューブに固定される支持プレートと、
    前記支持プレート上に載置された状態で前記支持プレートに固定される請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接装置と、
    前記溶接装置に前記溶接トーチの両側で当該溶接装置から突出するように取り付けられた、先端が前記母管に当接する一対の径方向位置決め部材と、
    を備える、溶接システム。
  6. 前記母管は鉛直方向に延びていて、前記第１チューブは鉛直方向に複数配列されており、
    前記溶接装置に取り付けられた周方向位置決め部材であって、前記第１チューブのうち、前記第２チューブと接合される第１チューブよりも上方に位置する第１チューブと係合する周方向位置決め部材をさらに備える、請求項５に記載の溶接システム。
  7. 前記周方向位置決め部材は、前記溶接装置に対して進退可能に構成された、前記第１チューブの内部に先端が嵌まり込み可能なテーパーピンを含む、請求項６に記載の溶接システム。
  8. 前記第２チューブは屈曲している、請求項５〜７のいずれか一項に記載の溶接システム。
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