JPWO2018066136A1 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

幾つかの実施形態に係る溶接装置は、重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、前記２枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、前記回転台に固定された前記２枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、前記外周縁に対する前記溶接トーチの向き及び間隔を可変とする第１トーチ駆動部と、回転する前記２枚の異形プレートの前記外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き及び外周縁と溶接トーチとの間隔を異形プレートの周方向に沿って一定となるように、前記第１トーチ駆動部を制御する第１制御部と、を備える。

Description

本開示は、中心から外周縁までの長さが周方向で異なる異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置及び溶接方法に関する。

特許文献１に記載されているように、シェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部は、多数の同一形状のプレートが重ね合わされ、各プレートは隣り合うプレートの外周縁同士が溶接され、各プレート間に冷媒流路が形成される。
特許文献１に開示されたシェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部は、多数の真円形プレートが重ね合わされて熱交換部を構成している。

特許第５６９０５３２号公報

上記熱交換部を構成するプレートの外周縁の溶接は、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥をなくす必要がある。溶接に用いられる溶接トーチの外周縁に対する向きや溶接部と溶接トーチ間の間隔、あるいは加熱時間によって溶け込み深さは変わってくる。そこで、周方向で溶け込み不足をなくすため、溶接トーチを設定条件に従って動作させる必要がある。
真円形のプレートを用いる場合、プレート中心を回転軸としてプレートを一定速度で回転させながら、溶接トーチをプレート外周縁に対し一定の向きで対向配置することで、均一な溶け込み深さとすることができる。

しかし、中心から外周縁までの長さが周方向で異なる異形プレートの外周縁を溶接する場合、真円形プレートと同様の溶接方法では、異形プレートが一定速度で回転しても、外周縁が大きな曲率を有する円弧である場合と、外周縁が小さな曲率を有する円弧である場合とでは、溶接トーチの通過速度は、大きい曲率を有する円弧のほうが相対的に速くなる。
そのため、外周縁の周方向で均一な溶け込み深さとすることはできない。

幾つかの実施形態は、重ね合った異形プレートの外周縁を溶接する場合に、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制することを目的とする。

（１）幾つかの実施形態に係る溶接装置は、
重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
前記２枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
前記回転台に固定された前記２枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
前記外周縁に対する前記溶接トーチの向き及び間隔を可変とする第１トーチ駆動部と、
回転する前記２枚の異形プレートの前記外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き、及び前記溶接トーチと前記外周縁との間隔が前記外周縁の周方向に沿って一定となるように、前記第１トーチ駆動部を制御する第１制御部と、
を備える。

本明細書において、「異形プレート」とは、プレートが回転台に固定されたとき、回転中心から外周縁までの長さが周方向で異なるプレートを言う。例えば、外周縁が真円形のように周方向で同一の曲率を有する円弧で構成されるものではなく、周方向で異なる曲率を有するものである。例えば、楕円形を有するプレートなどが該当するが、楕円形のように円弧のみで構成される形状に限定されない。

上記（１）の構成において、回転台に固定されて回転する異形プレートの外周縁が溶接トーチによって溶接される。このとき、上記第１制御部によって、重ね合った２枚の異形プレートの外周縁の接線に対する溶接トーチの向き及び溶接トーチと外周縁との間隔が外周縁の周方向に沿って一定となるように、上記第１トーチ駆動部が制御される。これによって、外周縁の溶け込み深さを周方向で均一にすることができ、溶込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
また、上記回転台は一定速度で回転すればよいので、回転台の駆動部を簡素化かつ低コスト化できる。また、溶接トーチは外周縁の周方向に対して移動させる必要がなく、基本的に固定配置となるので、溶接トーチを外周縁の周方向へ移動させるための駆動部を必要とせず低コスト化できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記第１制御部は、前記外周縁の各部位の前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記外周縁に対する前記溶接トーチの向き変位速度（単位時間における向き変位、即ち向き変位率）を制御するものである。
上記（２）の構成によれば、外周縁の各部位の溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、外周縁に対する溶接トーチの向き変位速度を制御することで、外周縁の周方向で溶け込み深さを均一にでき、溶込み不足により溶接欠陥を抑制できる。
なお、溶接トーチの向きを前記回転台の回転方向と同一方向又は反対方向へ変位させることで、外周縁に対する溶接トーチの相対的な向き変位速度を比較的容易に制御できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記第１制御部は、
前記２枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、前記異形プレートの周方向で少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに、前記領域の各々の設定位置で前記溶接トーチの位置及び向きが座標表記され、前記向きはすべての前記領域で前記外周縁の接線に対し同一角度に設定されたトーチ姿勢マップと、
前記領域の各々の前記設定位置の間で、前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記溶接トーチの向き変位速度が設定されたトーチ向き変位速度マップと、
を有し、
前記第１制御部は、前記トーチ姿勢マップ及び前記トーチ向き変位速度マップに基づいて前記第１トーチ駆動部を制御するものである。

上記トーチ姿勢マップにおいて、溶接される外周縁の曲率が異なる領域ごとに、前記領域の各々の設定位置で溶接トーチの位置及び向きを座標表記するので、外周縁の周方向に沿って溶け込み深さの制御が容易になる。また、外周縁に対する溶接トーチの向きは、外周縁の周方向に沿って同一角度に設定されるので、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥をなくすことができる。
また、トーチ向き変位速度マップにおいて、溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記溶接トーチの向き変位速度が設定されるため、外周縁の周方向に沿って溶け込み深さを均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記トーチ姿勢マップにおいて、
前記溶接トーチの先端が前記二次元座標のｙ軸と前記外周縁との交点に座標表記され、
前記交点を通る仮想円が設定され、前記溶接トーチの向きは前記交点と前記仮想円の中心点とを通る法線に対して一定の角度を有するように設定される。
上記（４）の構成によれば、溶接トーチの先端が上記交点に座標表記されることで、第１制御部により、異形プレートの任意の周方向位置で、溶接トーチの先端が常に上記交点に位置するように制御されるため、溶接トーチの位置設定が容易である。また、溶接トーチの向きが上記法線に対して一定の角度を有するように設定されるので、溶接トーチの向きを外周縁の接線に対して常に一定の角度とすることができる。
なお、実際の溶接時には、溶接トーチの先端は上記交点から微小距離だけ異形プレートの外側へずらした位置に配置される。

（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記溶接トーチの向きは、前記法線と一致するように設定される。
上記（５）の構成によれば、溶接トーチを法線と一致させることで、溶接トーチを外周縁の接線に対して直角に配置できる。これによって、外周縁の入熱量を最大にできるため、外周縁の溶け込み深さを最大にでき、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記溶接トーチを前記２枚の異形プレートの表裏面と交差する方向へ移動可能にする第２トーチ駆動部と、
前記外周縁に対する前記溶接トーチの間隔を可変とする第３トーチ駆動部と、
前記２枚の異形プレートの前記表裏面と交差する方向の重ね合わせ位置及び前記外周縁に対する前記溶接トーチの間隔を検出する非接触センサと、
前記非接触センサの検出値に基づいて、前記表裏面と交差する方向において前記溶接トーチの位置が前記重ね合わせ位置に一致し、かつ前記間隔が設定値となるように前記第２トーチ駆動部及び前記第３トーチ駆動部を制御する第２制御部と、
を備える。

上記（６）の構成によれば、上記第２制御部によるフィードバック制御により、溶接トーチを常に外周縁の重ね合わせ位置に位置させることができるので、溶接部の入熱量を確保できると共に、異形プレートの外周縁に対する溶接トーチの間隔を常に設定値に保持できるので、溶接部の溶け込み不足を解消できる。
なお、１つの制御部が上記第１制御部及び上記第２制御部の機能を合わせもつように構成してもよい。

（７）一実施形態では、前記（６）の構成において、
前記非接触センサはレーザ変位センサであり、
前記第２制御部は、前記検出値と前記第２制御部に記憶されたマスタ形状とを比較することで、前記重ね合わせ位置及び前記外周縁と前記溶接トーチ間の間隔を検出するものである。
上記（７）の構成によれば、非接触センサとしてレーザ変位センサを用い、溶接光などの外乱によって乱されないレーザ光を用いるので、検出精度を向上できる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記第１制御部は、前記外周縁のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように前記溶接トーチの向き変位速度を制御する。
上記（８）の構成によれば、外周縁のうち応力集中が発生する部位で加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように溶接トーチの向き変位速度を制御することで、例外的に溶け込み深さを深くすることができる。これによって、応力集中が発生する部位の溶接部の強度を向上できる。

（９）幾つかの実施形態に係る溶接方法は、
重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接方法であって、
前記２枚の異形プレートを重ね合った状態で回転台に固定して一定回転速度で回転させる第１工程と、
前記２枚の異形プレートの外周縁に対向して配置された溶接トーチを用い、前記２枚の異形プレートの外周縁を周方向に沿って溶接する第２工程と、
前記第２工程において、前記外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き及び前記溶接トーチと前記外周縁との間隔が前記外周縁の周方向に沿って一定となるように制御する第３工程と、
を含む。

上記（９）の方法によれば、上記第３工程において、重ね合う異形プレートの外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き、及び前記溶接トーチと前記外周縁との間隔が前記外周縁の周方向に沿って一定となるように制御されるので、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
また、上記回転台は一定速度で回転すればよいので、回転台の駆動部を簡素化かつ低コスト化できる。また、溶接トーチは外周縁の周方向へ移動させる必要がなく、基本的に固定配置となるので、溶接トーチを外周縁の周方向へ移動させるための駆動部を必要とせず低コスト化できる。

（１０）一実施形態では、前記（９）の方法において、
前記第３工程において、
前記異形プレートの周方向で少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに、前記領域の各々の設定位置で前記溶接トーチの位置及び向きが設定され、前記向きはすべての前記設定位置で前記外周縁の接線に対し同一角度に設定され、
前記領域の各々の前記設定位置の間で、前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記溶接トーチの向き変位速度が設定される。
上記（１０）の方法によれば、外周縁の曲率が異なる領域ごとに溶接トーチの位置及び向きが設定され、かつ各領域の設定位置の間で加熱時間が一定となるので、外周縁の周方向に沿って溶接部の溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。

（１１）一実施形態では、前記（９）又は（１０）の方法において、
前記第３工程において、
前記外周縁のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように前記溶接トーチの向き変位速度を制御する。
上記（１１）の方法によれば、外周縁のうち応力集中が発生する部位で加熱時間を長くすることができる。これによって、応力集中部の溶け込み深さを深くすることができ、応力集中部の溶接部の強度を向上できる。

幾つかの実施形態によれば、異形プレートの外周縁を溶接する場合に、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥をなくすことができる。また、これを可能とする溶接装置の構成を簡素化かつ低コスト化できる。

一実施形態に係る溶接装置の平面図である。 一実施形態に係る溶接装置の正面図である。 一実施形態に係る溶接装置の制御系を示すブロック線図である。 一実施形態に係る溶接装置の制御系を示すブロック線図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は夫々一実施形態に係る溶接装置の動作説明図である。 異形プレートの溶接制御マップの一例を示す説明図である。 （Ａ）は一実施形態に係る溶接方法を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す溶接方法による溶け込み深さを示す断面図である。 （Ａ）は一実施形態に係る溶接方法を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す溶接方法による溶け込み深さを示す断面図である。 一実施形態に係る溶接方法の工程図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

少なくとも一実施形態に係る溶接装置１０は、図１及び図２に示すように、溶接対象となる２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２が回転可能に固定される回転台１２ａ及び１２ｂを備える。異形プレートＰ_１及びＰ_２は重ね合わされた状態で回転台１２ａ及び１２ｂ間に配置され、これら回転台によって挟持される。異形プレートＰ_１及びＰ_２は同一の大きさ及び同一の形状を有し、互いに重ね合ったとき、これらの外周縁ｅ１及びｅ２は実質的に一致する。
回転台１２ａ及び１２ｂに固定された２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２に対向する位置に溶接トーチ１４が配置される。溶接トーチ１４はトーチユニット１６に取り付けられる。

また、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の向き及び溶接トーチ１４と外周縁ｅ１及びｅ２との間隔を可変とする第１トーチ駆動部１８を備える。
さらに、図３に示すように、回転する２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２の接線に対する溶接トーチ１４の向き、及び溶接トーチ１４と外周縁ｅ１及びｅ２との間隔が外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に沿って一定となるように、第１トーチ駆動部１８を制御する第１制御部２０を備える。

上記構成において、回転台１２ａ及び１２ｂに挟持されて矢印ａ方向へ回転する異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２が溶接トーチ１４によって溶接される。このとき、第１制御部２０は第１トーチ駆動部１８を制御し、重ね合った２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２の接線に対する溶接トーチ１４の向き、及び溶接トーチ１４と外周縁ｅ１及びｅ２との間隔が外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に沿って一定となる。これによって、外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に沿って溶接部ｗの溶け込み不足による溶接部ｗの溶接欠陥を抑制できる。
また、回転台１２ａ及び１２ｂは一定速度で回転すればよいので、該回転台の駆動部を簡素化かつ低コスト化できる。また、溶接トーチ１４は外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に対して移動させる必要がなく、基本的に固定配置となるので、溶接トーチ１４を外周縁の周方向へ移動させるための駆動部を必要とせず低コスト化できる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、溶接トーチ１４が取り付けられるトーチユニット１６は、レール２２の長手方向（図１の矢印ｂ方向）にスライド可能に取り付けられる。トーチユニット１６は、第１トーチ駆動部１８が設けられる第１ブロック１６ａと、溶接トーチ１４が設けられる第２ブロック１６ｂとで構成される。
一実施形態では、図２及び図３に示すように、第１トーチ駆動部１８は、外周縁ｅ１及びｅ２の接線に対する溶接トーチ１４の向きを可変とする向き可変部１８ａと、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を可変とする間隔可変部１８ｂとを含む。
一実施形態では、間隔可変部１８ｂは、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の先端の間隔を可変とする。

一実施形態では、向き可変部１８ａは、図１に示すように、円弧形状を有するレール２２を含む。レール２２は外周縁ｅ１及びｅ２と対向する位置に設けられ、かつこれら外周縁の周方向に沿って延設される。一実施形態では、溶接トーチ１４の先端は、間隔可変部１８ｂによって外周縁ｅ１及びｅ２に対して進退する方向（図１の矢印ｄ方向）へ直線状に移動可能であり、これによって、溶接トーチ１４の先端を常に外周縁ｅ１及びｅ２上に配置できる。レール２２の円弧中心を溶接トーチ１４の先端の移動線上でかつ外周縁上の１点に設定することで、この１点に溶接トーチ１４の先端を合わせながら、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の向きを変えることができる。
なお、実際の溶接では、溶接トーチ１４の先端は、外周縁ｅ１及びｅ２に対して外側に微小間隔だけずらした位置に配置される。

一実施形態では、向き可変部１８ａは、図２に示すように、レール２２の表面に設けられたラック２４と、ラック２４に噛合うピニオン２６と、トーチユニット１６に設けられピニオン２６を駆動する駆動部２８とで構成される。駆動部２８でピニオン２６を駆動することで、トーチユニット１６はレール２２の長手方向に沿って移動する。ピニオン２６は台２９に回動可能に支持され、駆動部２８及び台２９は支持台３０に固定される。

一実施形態では、間隔可変部１８ｂは、図２に示すように、支持台３０に回動可能に支持されるボールネジ３２と、支持台３０に設けられた駆動部３４と、支持台３６と一体でボールネジ３２と螺合するスライドブロック３８とで構成される。支持台３６は第２ブロック１６ｂの一部を構成する。
駆動部３４によってボールネジ３２が回動し、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の先端の間隔を可変とする。

一実施形態では、図２及び図４に示すように、第２ブロック１６ｂは、溶接トーチ１４を２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向（例えば図２の矢印ｆ方向）へ移動可能にする第２トーチ駆動部４１と、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を可変とする第３トーチ駆動部４９と、を含む。さらに、図１に示すように、２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向の重ね合わせ位置及び外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を検出する非接触センサ５４を備える。非接触センサ５４の検出値は第２制御部５８に入力される。第２制御部５８は、異形プレートＰ_１及びＰ_２の表裏面と交差する方向において溶接トーチ１４の位置が異形プレートＰ_１及びＰ_２の重ね合わせ位置に一致するように第２トーチ駆動部４１を制御する。また、第２制御部５８は、溶接トーチ１４と外周縁ｅ１及びｅ２との間隔が設定値となるように第３トーチ駆動部４９を制御する。

上記構成によれば、第２制御部５８による上記フィードバック制御により、溶接トーチ１４を常に外周縁ｅ１及びｅ２の重ね合わせ位置に位置させることができるので、溶接部ｗの入熱量を確保できる。また、外周縁ｅ１及びｅ２に対する溶接トーチ１４の間隔を常に設定値に保持できるので、外周縁の周方向に沿って溶接部ｗの溶け込み不足を解消できる。
なお、１つの制御部が第１制御部２０及び第２制御部５８の機能をすべて併せ持つようにしてもよい。

一実施形態では、図２に示すように、第２トーチ駆動部４１は、固定ブロック４４と共に支持台４６に固定される駆動部４２を含む。矢印ｆ方向に配置されたネジ軸３９が支持台３６を下方から支持する。固定ブロック４４では、ネジ軸３９とボールネジ４０とが互いに交差する方向で螺合し、駆動部４２によってボールネジ４０及びネジ軸３９が回動する。ネジ軸３９が回動することで、固定ブロック４４及び支持台４６が異形プレートＰ_１及びＰ_２の合わせ面ｓと交差する方向（矢印ｆ方向）へ平行移動する。

一実施形態では、図２に示すように、第３トーチ駆動部４９は、支持台４６に支持されボールネジ４８を回動する駆動部５０を含む。ボールネジ４８にはトーチ本体５３に固定されたスライドブロック５２が螺合し、ボールネジ４８が回動すると、トーチ本体５３は外周縁ｅ１及びｅ２に対して進退する方向へ直線状に移動する。
一実施形態では、図２に示すように、非接触センサ５４は固定板５６を介して第２ブロック１６ｂに固定される。従って、非接触センサ５４は溶接トーチ１４と共に矢印ｂ方向又は矢印ｄ方向へ移動するため、独自の移動手段を必要としない。
一実施形態では、各駆動部２８、３４、４２及び５０は、正逆回転可能なサーボモータで構成され、第１制御部２０及び第２制御部５８によって正逆方向へ回転する。

一実施形態では、非接触センサ５４はレーザ変位センサであり、第２制御部５８は、レーザ変位センサの検出値と第２制御部５８に記憶されたマスタ形状とを比較することで、異形プレートＰ_１及びＰ_２の重ね合わせ位置、及び外周縁ｅ１及びｅ２と溶接トーチ１４間の間隔を検出する。
このように、非接触センサとしてレーザ変位センサを用い、溶接光などの外乱によって乱されないレーザ光を用いるので、検出精度を向上できる。
特に、波長が長い青色レーザ光を発振するレーザ変位センサを用いることで、さらに検出精度を向上できる。

一実施形態では、異形プレートＰ_１及びＰ_２は、特許文献１に開示される真円形プレートと同様に、シェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部を形成する。異形プレートＰ_１及びＰ_２は、上記真円形プレートと同様に、図１に示すように、内側に冷媒が流通する内円の孔ｈ１及びｈ２が形成される。内円の孔ｈ１及びｈ２の内縁を３本の固定つめ（不図示）で合わせることにより、溶接対象となる２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２が重ね合わされた状態となる。

一実施形態では、図３に示すように、第１制御部２０は、トーチ姿勢マップ６０及びトーチ向き変位速度マップ６２を内蔵している。
トーチ姿勢マップ６０は、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ｘ軸及びｙ軸からなる二次元座標が用いられる。この二次元座標の座標中心（０、０）に回転台１２ａ及び１２ｂの回転中心（即ち、異形プレートＰ_１、Ｐ_２の回転中心）Ｏ_１が配置される。
そして、図６に示すように、少なくとも外周縁ｅ１、ｅ２の曲率が異なる領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）ごとに外周縁を分割し、分割された領域の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で溶接トーチ１４の位置及び向きが座標表記される。溶接トーチ１４の向きは、図５に示すように、すべての領域の設定位置で外周縁の接線Ｌｔに対し同一角度となるように設定される。

トーチ向き変位速度マップ６２は、領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）の間で、溶接トーチ１４による加熱時間が一定となるように、溶接トーチ１４の向き変位速度が設定されたマップである。
第１制御部２０は、トーチ姿勢マップ６０及びトーチ向き変位速度マップ６２に基づいて第１トーチ駆動部１８を制御する。

溶接トーチ１４は、トーチ姿勢マップ６０に基づいて外周縁ｅ１及びｅ２の曲率が異なる領域ごとに位置及び向きを設定され、かつ外周縁に対する溶接トーチ１４の向きは、すべての領域で同一角度に設定されるので、外周縁の周方向に沿って溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
トーチ向き変位速度マップ６２は、領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）の各々の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、溶接トーチ１４の向き変位速度が設定されるため、外周縁の周方向に沿って溶け込み深さを均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥をなくすことができる。
溶接トーチ１４の向き変位速度は、異形プレートＰ_１及びＰ_２の回転方向ａに対して、溶接トーチ１４の向きを同一方向へ変位させるか、あるいは逆方向へ変位させるかによって容易に変えることができる。

一実施形態では、図５に示すように、トーチ姿勢マップ６０において、溶接トーチ１４の先端が二次元座標のｙ軸と外周縁ｅ１、ｅ２との交点Ｐｉに座標表記され，交点Ｐｉを通る仮想円Ｃが設定される。そして、溶接トーチ１４の向きは交点Ｐｉと仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とを通る法線Ｌｎに対して一定の角度を有するように設定される。なお、図５（Ａ）は、回転台１２ａ、１２ｂの回転中心Ｏ_１と仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とが一致する場合を示し、図５（Ｂ）は、回転台１２ａ、１２ｂの回転中心Ｏ_１と仮想円Ｃの中心点Ｏ_２とが不一致の場合を示す。

このように、溶接トーチ１４の先端が交点Ｐｉに座標表記されることで、第１制御部２０により、異形プレートの任意の回転位置で、溶接トーチ１４の先端が常に交点Ｐｉに位置するように制御される。従って、溶接トーチ１４の位置設定が容易になる。また、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎに対して一定の角度を有するように設定されるため、溶接トーチ１４の向きを外周縁の接線Ｌｔに対して常に一定の角度とすることができる。これによって、溶け込み深さを外周縁の周方向に沿って均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
なお、実際の溶接時には、溶接トーチ１４の先端は交点Ｐｉから微小距離だけ外周縁ｅ１及びｅ２の外側へずらした位置に配置される。

一実施形態では、図７に示すように、溶接トーチ１４の向きは法線Ｌｎと一致するように設定される。これによって、溶接トーチ１４を外周縁の接線Ｌｔに対して直角に配置できるため、外周縁の入熱量を最大にできる。従って、外周縁の溶け込み深さを最大にできるため、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
図７（Ａ）は、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎと一致する例を示し（例１）、図８（Ａ）は、溶接トーチ１４の向きが法線Ｌｎと一致せず、法線Ｌｎと角度αだけ異なる例を示す（例２）。例１の場合、外周縁の入熱量は最大となるため、図７（Ｂ）に示すように、溶接部ｗの溶け込み深さｍ１は最大となる。例２では、例１と比べて外周縁の入熱量は低減するため、図８（Ｂ）に示すように、溶接部ｗの溶け込み深さｍ２は例１より低減する。

なお、外周縁の分割領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）を細分化するほど、溶接トーチ１４の位置及び向きを精密に制御できる。例えば、中心角度θを１°未満ごとに外周縁を分割すれば、溶接トーチ１４の位置及び向きを更に精密に制御できる。

なお、溶接トーチ１４は、例えば、可燃性ガスの燃焼熱でガス溶接機によって被溶接材を加熱して溶接するガス溶接、被溶接材と溶接トーチとの間にアークを発生させて被溶接材を溶融するアーク溶接（プラズマ溶接を含む。）、その他任意の溶接方法で用いられる溶接トーチを使用可能である。

一実施形態では、第１制御部２０は、外周縁ｅ１及びｅ２のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように、溶接トーチ１４の向き変位速度を制御する。
これによって、応力集中が発生する部位の溶け込み深さを例外的に深くすることができる。これによって、応力集中部位の溶接部の強度を向上できる。
例えば、トーチ向き変位速度マップ６２において、外周縁ｅ１、ｅ２を同一中心角度θで周方向に領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）に分割し、応力集中部位の溶接トーチ１４による加熱時間が他の部位より長くなるように、溶接トーチ１４の向き変位速度を設定する。
第１制御部２０は、このトーチ向き変位速度マップに基づいて溶接トーチ１４の向き変位速度を制御する。

少なくとも一実施形態に係る溶接方法は、図９に示すように、第１工程Ｓ１０．第２工程Ｓ１２及び第３工程Ｓ１４を含む。
第１工程（異形プレート設置工程）Ｓ１０では、２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２を重ね合った状態で回転台１２ａ及び１２ｂに固定し、回転台１２ａ及び１２ｂを一定回転速度で回転させる。
第２工程（溶接工程）Ｓ１２では、２枚の異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁ｅ１及びｅ２に対向して配置された溶接トーチ１４を用い、一定速度で回転する２枚の異形プレートの外周縁ｅ１及びｅ２を周方向に沿って溶接する。
第２工程Ｓ１２において、外周縁ｅ１及びｅ２の接線Ｌｔに対する溶接トーチ１４の向き、及び外周縁ｅ１及びｅ２と溶接トーチ１４との間隔が異形プレートＰ_１及びＰ_２の周方向に沿って一定となるように制御する（第３工程（制御工程）Ｓ１４）。

上記方法によれば、第３工程Ｓ１４において、重ね合う異形プレートＰ_１及びＰ_２の外周縁の接線に対する溶接トーチ１４の向き、及び外周縁と溶接トーチ１４との間隔が異形プレートの周方向に沿って一定となるように制御されるので、外周縁ｅ１及びｅ２の周方向で溶け込み不足が生じないため、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。
また、回転台１２ａ及び１２ｂは一定速度で回転すればよいので、該回転台の駆動部を簡素化かつ低コスト化できると共に、溶接トーチ１４は異形プレート外周縁の周方向に対して基本的に固定配置となるので、溶接トーチ１４を移動させるための駆動部を必要とせず低コスト化できる。

一実施形態では、第３工程Ｓ１４において、図６に示すように、異形プレートＰ_１及びＰ_２の周方向で少なくとも外周縁ｅ１及びｅ２の曲率が異なる領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２，・・・）ごとに、各領域の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で溶接トーチ１４の位置及び向きが設定され、前記向きはすべての設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）で外周縁の接線Ｌｔ（図５参照）に対し同一角度に設定される。また、各領域Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・）の設定位置ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・）の間で、溶接トーチ１４による加熱時間が一定となるように、溶接トーチ１４の向き変位速度が設定される。
これによって、外周縁ｅ１及びｅ２の周方向に沿って溶接部ｗの溶け込み不足をなくすことができ、溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。

一実施形態では、第３工程Ｓ１４において、第１制御部２０によって、回転台１２ａ及び１２ｂの回転方向ａと同一方向（図５（Ａ）に示す矢印ｇ方向）へ溶接トーチ１４の向きを変動させ、あるいは、回転台の回転方向ａと反対方向（図５（Ａ）に示す矢印ｉ方向）へ溶接トーチ１４の向きを変動させることで、溶接トーチ１４の向き変位速度を簡易に調整することができる。

一実施形態では、第３工程Ｓ１４において、外周縁ｅ１及びｅ２のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように、溶接トーチ１４の向き変位速度を制御する。
これによって、応力集中部の溶け込み深さを深くすることができ、応力集中部の溶接部ｗの強度を向上できる。

幾つかの実施形態によれば、異形プレートの外周縁を溶接する場合に、外周縁の溶け込み不足による溶接欠陥を抑制できる。また、これを可能とする溶接装置の構成を簡素化かつ低コスト化でき、異形プレートを対象とした任意の溶接方法に有益できる。

１０ 溶接装置
１２ａ、１２ｂ 回転台
１４ 溶接トーチ
１６ トーチユニット
１６ａ 第１ブロック
１６ｂ 第２ブロック
１８ 第１トーチ駆動部
１８ａ 向き可変部
１８ｂ 間隔可変部
２０ 第１制御部
２２ レール
２４ ラック
２６ ピニオン
２８、３４、４２、５０ 駆動部
２９ 台
３０、３６ 支持台
３２、４０、４８ ボールネジ
３６、４６ 支持台
３８、５２ スライドブロック
３９ ネジ軸
４１ 第２トーチ駆動部
４２ 非接触センサ
４４ 固定ブロック
４９ 第３トーチ駆動部
５３ トーチ本体
５４ 非接触センサ
５６ 固定板
５８ 第２制御部
６０ トーチ姿勢マップ
６２ トーチ向き変位速度マップ
Ｃ 仮想円
Ｌｔ 接線
Ｌｎ 法線
Ｏ_１ 回転中心
Ｏ_２ 中心点
Ｐ_１、Ｐ_２ 異形プレート
Ｐｉ 交点
Ｒ（Ｒ_１、Ｒ_２、・・・） 領域
ｅ１、ｅ２ 外周縁
ｈ１、ｈ２ 孔
ｍ１、ｍ２ 溶け込み深さ
ｖ（ｖ１、ｖ２、・・・） 設定位置
ｗ 溶接部
θ 中心角

Claims (11)

1. 重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
   前記２枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
   前記回転台に固定された前記２枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
   前記外周縁に対する前記溶接トーチの向き及び間隔を可変とする第１トーチ駆動部と、
   回転する前記２枚の異形プレートの前記外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き、及び前記溶接トーチと前記外周縁との間隔が前記外周縁の周方向に沿って一定となるように、前記第１トーチ駆動部を制御する第１制御部と、
   を備えることを特徴とする溶接装置。
2. 前記第１制御部は、前記外周縁の各部位の前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記外周縁に対する前記溶接トーチの向き変位速度を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記第１制御部は、
   前記２枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、前記異形プレートの周方向で少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに、前記領域の各々の設定位置で前記溶接トーチの位置及び向きが座標表記され、前記向きはすべての前記領域で前記外周縁の接線に対し同一角度に設定されたトーチ姿勢マップと、
   前記領域の各々の前記設定位置の間で、前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記溶接トーチの向き変位速度が設定されたトーチ向き変位速度マップと、
   を有し、
   前記第１制御部は、前記トーチ姿勢マップ及び前記トーチ向き変位速度マップに基づいて前記第１トーチ駆動部を制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記トーチ姿勢マップにおいて、
   前記溶接トーチの先端が前記二次元座標のｙ軸と前記外周縁との交点に座標表記され、
   前記交点を通る仮想円が設定され、前記溶接トーチの向きは前記交点と前記仮想円の中心点とを通る法線に対して一定の角度を有するように設定されることを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
5. 前記溶接トーチの向きは、前記法線と一致するように設定されることを特徴とする請求項４に記載の溶接装置。
6. 前記溶接トーチを前記２枚の異形プレートの表裏面と交差する方向へ移動可能にする第２トーチ駆動部と、
   前記外周縁に対する前記溶接トーチの間隔を可変とする第３トーチ駆動部と、
   前記２枚の異形プレートの前記表裏面と交差する方向の重ね合わせ位置及び前記外周縁に対する前記溶接トーチの間隔を検出する非接触センサと、
   前記非接触センサの検出値に基づいて、前記表裏面と交差する方向において前記溶接トーチの位置が前記重ね合わせ位置に一致し、かつ前記間隔が設定値となるように前記第２トーチ駆動部及び前記第３トーチ駆動部を制御する第２制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の溶接装置。
7. 前記非接触センサはレーザ変位センサであり、
   前記第２制御部は、前記検出値と前記第２制御部に記憶されたマスタ形状とを比較することで、前記重ね合わせ位置及び前記間隔を検出するものであることを特徴とする請求項６に記載の溶接装置。
8. 前記第１制御部は、前記外周縁のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように前記溶接トーチの前記向き変位速度を制御することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の溶接装置。
9. 重ね合った２枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接方法であって、
   前記２枚の異形プレートを重ね合った状態で回転台に固定して一定回転速度で回転させる第１工程と、
   前記２枚の異形プレートの外周縁に対向して配置された溶接トーチを用い、前記２枚の異形プレートの外周縁を周方向に沿って溶接する第２工程と、
   前記第２工程において、前記外周縁の接線に対する前記溶接トーチの向き及び前記外周縁との間隔が前記外周縁の周方向に沿って一定となるように制御する第３工程と、
   を含むことを特徴とする溶接方法。
10. 前記第３工程において、
    前記異形プレートの周方向で少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに、前記領域の各々の設定位置で前記溶接トーチの位置及び向きが設定され、前記向きはすべての前記設定位置で前記外周縁の接線に対し同一角度に設定され、
    前記領域の各々の前記設定位置の間で、前記溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、前記溶接トーチの向き変位速度が設定されることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
11. 前記第３工程において、
    前記外周縁のうち応力集中が発生する部位の加熱時間が他の部位より例外的に長くなるように前記溶接トーチの前記向き変位速度を制御することを特徴とする請求項９又は１０に記載の溶接方法。

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