特許 5679923 自動溶接システムおよび自動溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5679923

(24)【登録日】2015年1月16日

(45)【発行日】2015年3月4日

(54)【発明の名称】自動溶接システムおよび自動溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/02 20060101AFI20150212BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20150212BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20150212BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20150212BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20150212BHJP

   B23K 37/047 20060101ALI20150212BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20150212BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/02 S

   B23K9/12 B

   B23K9/095 501G

   B23K9/095 505C

   B23K9/12 301M

   B23K9/00 501G

   B23K9/173 E

   B23K37/047 501A

   F01D25/00 X

   F01D25/00 F

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2011-149154(P2011-149154)

(22)【出願日】2011年7月5日

(65)【公開番号】特開2013-13921(P2013-13921A)

(43)【公開日】2013年1月24日

【審査請求日】2013年8月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 和裕

(72)【発明者】

【氏名】松浦 剛

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亨

【審査官】 青木 正博

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−０８１２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２２１１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０３４５２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／００−１０／０２

Ｂ２３Ｋ ３７／０４７

Ｆ０１Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内包関係にある２つ以上の円筒状部材同士を周方向に溶接する自動溶接システムにおいて、
前記円筒状部材を載置した状態で回転する回転テーブルと、
前記回転テーブルが回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接する溶接トーチを含む溶接装置と、
前記溶接トーチに溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、
前記溶接トーチを前記回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフト装置と、
前記回転テーブルの回転角度ごとに前記円筒状部材の検出基準位置を検出する位置検出センサと、
前記位置検出センサによる検出基準位置に基づき、前記溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、前記溶接トーチシフト装置を制御する溶接トーチシフト制御機能部を有する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記回転テーブルの全回転角度で、１パスにおける溶接ビード断面が均一になるように、前記溶接位置と前記回転テーブルの中心との距離に基づき、前記回転テーブルの回転数と前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度の少なくてもいずれかを制御する溶接ビード断面均一維持制御機能部
を有することを特徴とする自動溶接システム。

【請求項2】

請求項１の自動溶接システムにおいて、
前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、
前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度／前記回転テーブルの回転数が、前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に比例するように、前記回転テーブルの回転数および前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御する
ことを特徴とする自動溶接システム。

【請求項3】

請求項１の自動溶接システムにおいて、
前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、
前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を一定に制御し、
前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に反比例するように、前記回転テーブルの回転数を制御する
ことを特徴とする自動溶接システム。

【請求項4】

請求項１の自動溶接システムにおいて、
前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、
前記回転テーブルの回転数を一定に制御し、
前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に比例するように、前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御する
ことを特徴とする自動溶接システム。

【請求項5】

内包関係にある２つ以上の円筒状部材同士を周方向に溶接する自動溶接システムにおいて、
前記円筒状部材を載置した状態で回転する回転テーブルと、
前記回転テーブルが回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接する溶接トーチを含む溶接装置と、
前記溶接トーチに溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、
前記溶接トーチを前記回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフト装置と、
前記回転テーブルの回転角度ごとに前記円筒状部材の検出基準位置を検出する位置検出センサと、
前記位置検出センサによる検出基準位置に基づき、前記溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、前記溶接トーチシフト装置を制御する溶接トーチシフト制御機能部を有する制御装置とを備え、
前記溶接装置は、第１溶接位置および第２溶接位置を含む径方向の複数の溶接位置を同時溶接できるように、第１溶接位置を溶接する第１溶接トーチと、この第１溶接トーチの外側に配置され第２溶接位置を溶接する第２溶接トーチを含み、
前記制御装置は、
前記第１溶接位置および第２溶接位置においてそれぞれ所望の溶接ビード断面となるように、前記第１溶接トーチおよび第２溶接トーチに送給するワイヤのワイヤ径を選定する内外調整機能部
を有することを特徴とする自動溶接システム。

【請求項6】

内包関係にある２つ以上の円筒状部材同士を周方向に溶接する自動溶接方法において、
前記円筒状部材を回転テーブルに載置する載置ステップと、
前記回転テーブルの回転角度ごとに前記円筒状部材の検出基準位置を検出する位置検出ステップと、
この検出基準位置に基づき、溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、前記溶接トーチを前記回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフトステップと、
前記回転テーブルの全回転角度で、溶接ビード断面が均一になるように、前記溶接位置と前記回転テーブルの中心との距離に基づき、前記回転テーブルの回転数と前記溶接トーチに送給する溶接ワイヤのワイヤ送給速度の少なくてもいずれかを制御する溶接ビード断面均一制御ステップと、
前記溶接トーチが適切な溶接位置にあり、溶接ビード断面が均一になる状態で、前記回転テーブルが回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接する溶接ステップと
を備えることを特徴とする自動溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸気タービンダイヤフラムの内輪、静翼リング、外輪など、内包関係にある複数の円筒上部材同士を周方向に溶接する自動溶接システム、および、この自動溶接システムによる自動溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載されるように、蒸気タービンダイヤフラムは、内輪、静翼リング、外輪の円筒状部材から構成される。内輪は静翼リングに内包され、静翼リングは外輪に内包されている。内輪と静翼リングの間および静翼リングと外輪の間には、予め開先形状が成型されている。この開先部の開先深さが埋まるまで複数層の溶接を繰り返し、内輪と静翼リングを接合し、静翼リングと外輪を接合する。

【0003】

従来技術に係る一般的な自動溶接システムおよびこの自動溶接システムによる自動溶接方法について説明する。

【0004】

従来技術に係る自動溶接システムは、溶接対象ワーク（接合前の内輪、静翼リング、外輪が内包状態で配置されたもの）を載置した状態で回転する回転テーブルと、溶接対象ワークを溶接する溶接トーチと、この溶接トーチと溶接電源装置とを含む溶接装置と、溶接トーチに溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、コイル状の溶接ワイヤが設置されワイヤ送給装置に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給装置と、溶接トーチを回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフト装置と、溶接トーチを上下に移動する溶接トーチ駆動装置と、溶接対象ワークに予熱を与える電気炉と、これらの装置を制御する制御装置とを備える。

【0005】

まず、溶接対象ワークが回転テーブルに載置される。このとき、回転テーブルの中心と溶接対象ワークの中心を一致させる芯出し作業が行われる。溶接トーチは、溶接位置（開先部）まで径方向にシフトするとともに、アーク長や溶接ビード高を考慮して上下方向に移動する。制御装置は、所望の溶接ビード断面を得るように、回転テーブルの回転数と溶接ワイヤの送給速度を演算する。溶接ワイヤは、溶接ワイヤ供給装置からワイヤ送給装置を介して、所定の送給速度にて、溶接トーチに供給される。溶接電源装置から溶接トーチを介して溶接ワイヤに電気が供給され、溶接位置においてアークが形成される。溶接対象ワークには、電気炉により余熱が加えられる。

【0006】

この状態で、回転テーブルが所定の回転数にて回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接することができる。複数層の溶接を繰り返すことにより、円筒状部材同士を接合することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平７−１１９０６号公報-

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来技術に係る自動溶接システムでは、芯出し作業は必須であり、作業時間短縮を妨げる一因となっていた。

【0009】

そこで、本発明では、位置検出センサを付加し、検出位置に基づき、溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、溶接トーチシフト装置を制御することで、芯出し作業を不要とし、作業時間短縮を図っている（詳細後述）。

【0010】

しかし、回転テーブルの中心と溶接対象ワークの中心とが一致しない場合、下記のような新たな課題が生じる。

【0011】

従来技術のように、回転テーブルの中心と溶接対象ワークの中心とが一致する場合、回転テーブルの中心から溶接位置までの距離は一定であり、溶接ワイヤの送給速度一定および回転テーブルの回転数一定であれば、１パスにおける溶接ビード断面は均一となる。

【0012】

一方、回転テーブルの中心と溶接対象ワークの中心とが一致しない場合、回転テーブルの中心から溶接位置までの距離は従来技術に比べ長くなったり短くなったりするため、溶接ワイヤの送給速度一定および回転テーブルの回転数一定であると、１パスにおける溶接ビード断面は不均一となる。すなわち、肉盛過剰部と肉盛不足部が生じる。

【0013】

１パスにおける溶接ビード断面が不均一であると、溶接品質が低下する。複数層の溶接を繰り返すたび、溶接品質は更に低下する。

【0014】

本発明の目的は、作業時間の短縮を図るとともに、溶接品質を維持することのできる自動溶接システムおよび自動溶接方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

（１）上記目的を達成するために、本発明は、内包関係にある2つ以上の円筒状部材同士を周方向に溶接する自動溶接システムにおいて、前記円筒状部材を載置した状態で回転する回転テーブルと、前記回転テーブルが回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接する溶接トーチを含む溶接装置と、前記溶接トーチに溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、前記溶接トーチを前記回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフト装置と、前記回転テーブルの回転角度ごとに前記円筒状部材の検出基準位置を検出する位置検出センサと、前記位置検出センサによる検出基準位置に基づき、前記溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、前記溶接トーチシフト装置を制御する溶接トーチシフト制御機能部を有する制御装置とを備える。

【0016】

検出基準位置に基づき、溶接トーチが適切な溶接位置にくるように制御することにより、従来技術では必須であった芯出し作業を省略できる。これにより、作業時間短縮を図ることができる。

【0017】

さらに、円筒状部材の成型精度に依らず、良好な溶接品質を維持できる。また、円筒状部材の平面形状は真円に限定されず、例えば、楕円や長円等にも適用できる。

【0018】

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記回転テーブルの全回転角度で、１パスにおける溶接ビード断面が均一になるように、前記溶接位置と前記回転テーブルの中心との距離に基づき、前記回転テーブルの回転数と前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度の少なくてもいずれかを制御する溶接ビード断面均一維持制御機能部を有する。

【0019】

芯出し作業を省略すると、溶接ビード断面は不均一となり、溶接品質劣化のおそれがある。溶接ビード断面均一維持制御をおこなうことで、芯出し作業を省略しても、溶接ビード断面を均一に維持でき、溶接品質を維持できる。

【0020】

（３）上記（２）において、好ましくは、前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度／前記回転テーブルの回転数が、前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に比例するように、前記回転テーブルの回転数および前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御する。

【0021】

（４）上記（２）において、好ましくは、前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を一定に制御し、前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に反比例するように、前記回転テーブルの回転数を制御する。

【0022】

（５）上記（２）において、好ましくは、前記溶接ビード断面均一維持制御機能部は、前記回転テーブルの回転数を一定に制御し、前記溶接位置と回転テーブル中心との距離に比例するように、前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御する。

【0023】

上記（３）〜（５）に係る構成により、溶接ビード断面を均一に維持できる。

【0024】

（６）上記（１）において、前記溶接装置は、第１溶接位置および第２溶接位置を含む径方向の複数の溶接位置を同時溶接できるように、第１溶接位置を溶接する第１溶接トーチと、この第１溶接トーチの外側に配置され第２溶接位置を溶接する第２溶接トーチを含み、前記制御装置は、前記第１溶接位置および第２溶接位置においてそれぞれ所望の溶接ビード断面となるように、前記第１溶接トーチおよび第２溶接トーチに送給するワイヤのワイヤ径を選定する内外調整機能部を有する。

【0025】

複数の溶接を同時に行うことにより、更なる作業時間短縮を図ることができる。また、溶接歪による変形を軽減できる。

【0026】

さらに、内外調整制御をおこなうことにより、何れかの溶接位置において肉盛過剰や肉盛不足が生じることを防止できる。

【0027】

（７）上記目的を達成するために、本発明は、 内包関係にある2つ以上の円筒状部材同士を周方向に溶接する自動溶接方法において、前記円筒状部材を回転テーブルに載置する載置ステップと、前記回転テーブルの回転角度ごとに前記円筒状部材の検出基準位置を検出する位置検出ステップと、この検出基準位置に基づき、溶接トーチが適切な溶接位置にくるように、前記溶接トーチを前記回転テーブルの径方向に移動する溶接トーチシフトステップと、前記回転テーブルの全回転角度で、溶接ビード断面が均一になるように、前記溶接位置と前記回転テーブルの中心との距離に基づき、前記回転テーブルの回転数と前記溶接トーチに送給する溶接ワイヤのワイヤ送給速度の少なくてもいずれかを制御する溶接ビード断面均一制御ステップと、前記溶接トーチが適切な溶接位置にあり、溶接ビード断面が均一になる状態で、前記回転テーブルが回転することにより、円筒状部材同士を周方向に溶接する溶接ステップとを備える。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、回転テーブルの回転数やワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御することにより、１パスにおける溶接ビード断面は均一となる。これにより、溶接品質を維持しながら、芯出し作業を不要にでき、作業時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】自動溶接システムの平面図である。

【図2】自動溶接システムの側面図（一部、断面図を含む）である。

【図3】内輪と静翼リングとの溶接箇所（第１溶接位置）である開先形状および静翼リングと外輪との溶接箇所（第２溶接位置）である開先形状を示す断面図である。

【図4】制御装置の機能ブロック図である。

【図5】位置検出時の自動溶接システムの状態図（平面図）である。

【図6】位置検出時の詳細図（断面図）である。

【図7】任意の層における位置検出情報を示す図である。

【図8】各諸元を説明する図である。

【図9】芯出し省略により生じる課題を説明する概念図である。

【図10】テーブル回転数情報を示す図である。

【図11】ワイヤ送給速度情報を示す図である。

【図12】第１変形例に係る構成を示す図である。

【図13】第２変形例に係る構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

【0031】

〜基本構成〜
図１は本実施形態の自動溶接システムの平面図であり、図２は本実施形態の自動溶接システムの側面図（一部、断面図を含む）である。本実施形態の自動溶接システムは、溶接対象ワーク１（接合前の内輪２、静翼リング３、外輪４が内包状態で配置されたもの）を載置した状態で回転する回転テーブル１１と、略クロス状に配置される２本のアーム５１，５２と回動軸となるコラム５３を有するベース装置５０と、内輪２と静翼リング３とを溶接する溶接トーチ２１と、静翼リング３と外輪４とを溶接する溶接トーチ３１と、溶接トーチ２１に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置２２と、溶接トーチ３１に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置３２と、コイル状の溶接ワイヤが設置されワイヤ送給装置２２に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給装置２３と、コイル状の溶接ワイヤが設置されワイヤ送給装置３２に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給装置３３と、溶接トーチ２１を回転テーブル１１の径方向に移動する溶接トーチシフト装置２４と、溶接トーチ３１を回転テーブル１１の径方向に移動する溶接トーチシフト装置３４と、溶接トーチ２１を上下に移動する溶接トーチ駆動装置２５と、溶接トーチ３１を上下に移動する溶接トーチ駆動装置３５と、溶接トーチ２１を介してワイヤに電力を付加する溶接電源装置２６と、溶接トーチ３１を介してワイヤに電力を付加する溶接電源装置３６と、溶接対象ワークに予熱を与える電気炉１７と、回転テーブル１１の回転角度ごとに外輪４に設けられた検出基準位置を検出する位置検出センサ１８と、入力端末１９と、これらの装置を制御する制御装置４０とを備える。

【0032】

回転テーブル１１には回転テーブル１１の回転角度および回転数を検出する回転数検出センサ１２が設けられている。回転数検出センサ１２は、回転角度を検出し、単位時間当たりの回転角度に基づき回転数を検出する。

【0033】

ベース装置５０はコラム５３を中心に回動可能であり、溶接時にはアーム５１が回転テーブル１１上に位置するように、位置検出時にはアーム５２が回転テーブル１１上に位置するように制御される。アーム５１の側面にはレール５４が設けられ、溶接トーチシフト装置２４，３４により溶接ワイヤ供給装置２３，３３がレール上を移動することで、溶接トーチ２１，３１は回転テーブル１１の径方向に移動する。アーム５２には位置検出センサ１８が固定される。

【0034】

〜基本動作〜
自動溶接システムの基本動作について説明する。図３は、内輪２と静翼リング３との溶接箇所（第１溶接位置）である開先形状および静翼リング３と外輪４との溶接箇所（第２溶接位置）である開先形状を示す断面図である。この開先形状は、ルートギャップ、開先角度、開先深さにより設計段階で決められている。

【0035】

第１溶接位置における溶接について説明する。溶接トーチ２１を径方向に移動するとともに、上下方向にも移動する。上下方向の位置は、各パス（各層）のビード高およびアーク長に基づき設定される。径方向の位置は、開先角度に基づき各層毎に設定される。

【0036】

コイル状の溶接ワイヤはワイヤ供給装置２３に設置され、ワイヤ供給装置２３からワイヤ送給装置２２に供給され、ワイヤ送給装置２２を介して所定の送給速度で溶接トーチ２１を通過する。このとき、溶接電源装置２６から溶接トーチ２１を介して溶接ワイヤに電力を付加すると、アーク放電により溶接ワイヤは溶融し、所定のビード断面が形成される。

【0037】

この状態で回転テーブル１１が回転すると、周方向に連続するビードが形成され、１層目（１パス目）の溶接が完了する。その後、２層目の溶接に適した位置に溶接トーチ２１を移動し、２層目（２パス目）の溶接を行なう。このように複数層の溶接を繰り返して開先深さまで埋めることにより、内輪２と静翼リング３とを接合する。

【0038】

第２溶接位置においても、第１溶接位置での溶接と連動して同様な溶接をおこない、静翼リング３と外輪４とを接合する。

【0039】

〜制御装置〜
図４は、制御装置４０の機能ブロック図である。制御装置４０は、演算処理機能４１と記憶部４２と駆動系制御機能４３と電源制御機能４４とを有する。

【0040】

演算処理機能４１は、回転数検出センサ１２や位置検出センサ１８や入力端末１９からの入力情報や記憶部４２に記憶されている開先形状などの情報に基づき演算処理を行う。

【0041】

駆動系制御機能４３は、演算処理機能４１の演算処理結果に基づき、ワイヤ送給装置２２，３２や溶接ワイヤ供給装置２３，３３や溶接トーチシフト装置２４，３４や溶接トーチ駆動装置２５，３５の駆動や回転テーブル１１の駆動（回転数）を制御する。溶接トーチの径方向位置制御は、駆動系制御機能４３の一機能である。

【0042】

電源制御機能４４は、演算処理機能４１の演算処理結果に基づき、溶接電源装置２６，３６を制御することで、アーク長やワイヤ送給速度を制御する。

【0043】

制御装置４０は更に特徴的構成として、溶接ビード断面均一維持制御機能４５と内外調整機能４６とを有している（後述）。

【0044】

〜特徴的動作〜
自動溶接システムの特徴的な動作について説明する。

【0045】

まず、予め、内輪２，静翼リング３，外輪４の形状、第１溶接位置の開先形状、第２溶接位置の開先形状や溶接ワイヤに係る情報を入力端末１９を介して制御装置４０の記憶部４２に記憶する。演算処理機能４１は、これらの情報に基づいて、各層毎のトーチ基準位置（図３参照）を演算する。

【0046】

溶接対象ワーク１（接合前の内輪２、静翼リング３、外輪４が内包状態で配置されたもの）を回転テーブル１１に載置する。このとき、従来技術では必須であった芯出し作業を省略する。

【0047】

アーム５２が回転テーブル１１上に位置するようにベース装置５０を回動制御する。図５は位置検出時の自動溶接システムの状態図（平面図）であり、図６はその詳細図（断面図）である。検出基準位置は外輪４の内側面に設けられている。位置検出センサ１８はアーム５２に固定されており、位置検出センサ１８と検出基準位置との距離を検出することで、回転テーブル中心と検出基準位置との距離Ｒ０を検出する。

【0048】

この状態で、回転テーブル１１を一回転させ、回転数検出センサ１２により回転角度を検出しながら、回転角度０〜３６０°に対応する距離Ｒ０（θ）を検出し、位置検出情報を記憶部４２に記憶する。演算処理機能４１は、開先形状（図３参照）等に基づき第１溶接位置における距離Ｒ１ｉ（θ）および第１溶接位置における距離Ｒ２ｉ（θ）を演算する。ｉは層番号を示す。つまり各層毎に距離Ｒ１（θ），距離Ｒ２（θ）を演算する。図７は、任意の層における位置検出情報を示す図である。

【0049】

位置検出終了後、アーム５１が回転テーブル１１上に位置するようにベース装置５０を回動制御する（図１参照）。溶接トーチ２１，３１を径方向および上下方向に移動し、トーチ基準位置に配置する。電気炉１７は溶接対象ワーク１に予熱を与える。溶接準備が完了すると回転テーブル１１を回転させ溶接を開始する。

【0050】

駆動系制御機能４３は距離Ｒ１（θ）に基づき溶接トーチ２１を径方向に移動し、距離Ｒ２（θ）に基づき溶接トーチ３１を径方向に移動する。これにより、溶接トーチ２１は常に第１溶接位置に維持され、溶接トーチ３１は常に第２溶接位置に維持される。

【0051】

回転テーブル１１が一回転すると、１層目の溶接が完了し、２層目の溶接を開始する。

【0052】

〜効果〜
自動溶接システムの位置検出に係る効果について説明する。

【0053】

上記構成により、本実施形態の自動溶接システムは従来技術では必須であった芯出し作業を省略できる。これにより、作業時間短縮を図ることができる。

【0054】

自動溶接システムの芯出し不要に係る更なる効果について説明する。

【0055】

芯出し作業を伴う従来技術では、精度よく芯出しを行なったとしても、溶接対象ワーク１の成型精度が劣ると、溶接位置がずれるため溶接品質が劣る。

【0056】

本実施形態の自動溶接システムは、位置検出を行なうため、溶接対象ワーク１の成型精度に依らず、良好な溶接品質を維持できる。

【0057】

芯出し作業を伴う従来技術では、溶接対象ワーク１の平面形状は真円に限定される。

【0058】

本実施形態の自動溶接システムは、位置検出を行なうため、溶接対象ワーク１の平面形状は真円に限定されず、例えば、楕円や長円等にも適用できる。

【0059】

自動溶接システムの複数同時溶接に係る効果について説明する。

【0060】

従来技術では、１つの溶接装置により第１溶接位置における溶接を行い、溶接完了後、第２溶接位置における溶接を行うことが一般的である。

【0061】

本実施形態の自動溶接システムは、第１溶接位置における溶接と第２溶接位置における溶接を同時に行うため、更なる作業時間短縮を図ることができる。

【0062】

第１溶接位置における溶接を行った後に第２溶接位置における溶接を行う従来技術では、第２溶接位置における溶接時には、第１溶接位置では放熱が開始しているため、第１溶接位置と第２溶接位置の間で、溶接歪による変形が生じるおそれがある。

【0063】

本実施形態の自動溶接システムは、第１溶接位置における溶接と第２溶接位置における溶接を同時に行うため、溶接歪による変形を軽減できる。

【0064】

〜芯出しをしないことによる課題〜
上述のように本実施形態の自動溶接システムは、芯出し不要に係る構成を特徴としている。しかし、回転テーブル１１の中心と溶接対象ワーク１の中心とが一致しない場合、下記のような新たな課題が生じる。

【0065】

従来技術のように、回転テーブル１１の中心と溶接対象ワーク１の中心とが一致する場合、回転テーブル１の中心から溶接位置までの距離は一定（溶接対象ワーク１の半径）であり、溶接ワイヤの送給速度一定および回転テーブルの回転数一定であれば、１パスにおける溶接ビード断面は均一となる。

【0066】

一方、回転テーブル１１の中心と溶接対象ワーク１の中心とが一致しない場合、回転テーブルの中心から溶接位置までの距離は従来技術に比べ長くなったり短くなったりするため（図７参照）、溶接ワイヤの送給速度一定および回転テーブルの回転数一定であると、１パスにおける溶接ビード断面は不均一となる。すなわち、肉盛過剰部と肉盛不足部が生じる。

【0067】

上記課題について詳細に説明する。図８は、各諸元を説明する図である。溶接対象ワーク１の内径をＤ１（ｍ）とし、外径をＤ２（ｍ）とする。回転テーブル中心と第１溶接位置との距離をＲ１（ｍ）とし、回転テーブル中心と第２溶接位置との距離をＲ２（ｍ）とする。回転テーブル１１の基準位置からの変位を回転角度θ（deg）とし、回転テーブル１１の回転数をｎ（ｒｐｍ）とする。なお、ｄθ／ｄｔ＝２πｎの関係がある。また、溶接ワイヤ送給装置２２の溶接ワイヤ送給速度をＷＳ１（ｍ／ｍｉｎ）とし、このワイヤの断面積をＷＡ１（ｍ２）とする。溶接ワイヤ送給装置３２の溶接ワイヤ送給速度をＷＳ２（ｍ／ｍｉｎ）とし、このワイヤの断面積をＷＡ２（ｍ２）とする。一方、第１溶接位置におけるビード幅をＢＷ１とし、ビード高をＢＨ１とする。第２溶接位置におけるビード幅をＢＷ２とし、ビード高をＢＨ２とする。

【0068】

ここで、単位時間当たりの溶接ワイヤ供給量とビード体積の関係は以下のように表される。
第１溶接位置において
ＷＳ１×ＷＡ１＝ＢＷ１×ＢＨ１×２π×Ｒ１×ｎ（ｍ３／ｍｉｎ）
第２溶接位置において
ＷＳ２×ＷＡ２＝ＢＷ２×ＢＨ２×２π×Ｒ２×ｎ（ｍ３／ｍｉｎ）
第１溶接位置の関係式を変形すると、ビード断面積は以下のように表される。
ＢＷ１×ＢＨ１＝（ＷＳ１×ＷＡ１／２πｎ）×（１／Ｒ１）（ｍ２）
すなわち、ＷＳ１，ＷＡ１，ｎが一定の条件の下では、ビード断面積はＲ１に反比例する。一方、Ｒ１（θ）は図７のように、回転角度θに依り変動する。従って、Ｒ１が長くなるとビード断面積は小さくなり、Ｒ１が短くなるとビード断面積は大きくなる。

【0069】

図９は、上記課題を説明する概念図である。従来技術と同様に、Ｒ１＝Ｄ１であれば、所望の溶接ビード断面が得られる。しかし、Ｒ１＞Ｄ１である場合は、肉盛不足になる。一方、Ｒ１＜Ｄ１である場合は、肉盛過剰になる。溶接ビード断面が不均一であると、溶接品質が低下する。複数層の溶接を繰返すたび、溶接品質は更に低下する。

【0070】

第２溶接位置においても同様な課題が生じる。

【0071】

〜溶接ビード断面均一維持制御〜
制御装置４０は更に特徴的構成として、溶接ビード断面均一維持制御機能４５を有している（図４参照）。溶接ビード断面均一維持制御機能４５について詳しく説明する。

【0072】

第１溶接位置の関係式を更に変形すると、ワイヤ送給速度／テーブル回転数は以下のように表される。
ＷＳ１×／ｎ＝（２π×ＢＷ１×ＢＨ１／ＷＡ１）×Ｒ１（ｍ）
すなわち、ＷＳ１×／ｎがＲ１に比例する場合、溶接ビード断面均一となる。

【0073】

溶接ビード断面均一維持制御機能４５は、記憶部４２から位置検出情報を入力し、演算処理機能４１にＲ１（θ）に対応するＷＳ１（θ）およびｎ（θ）を演算させる。さらに、ＷＳ２×／ｎがＲ２に比例するように、演算処理機能４１にＲ２（θ）に対応するＷＳ２（θ）を演算させる。

【0074】

溶接ビード断面均一維持制御機能４５は、演算処理結果に基づき、駆動系制御機能４３に回転テーブル１１の回転数ｎを制御させるとともに、電源制御機能４４にワイヤ送給速度ＷＳ１，ＷＳ２を制御させる。

【0075】

なお、ワイヤ送給速度ＷＳ１，ＷＳ２を一定に制御し、テーブル回転数ｎがＲ１，Ｒ２に反比例するように、テーブル回転数ｎを制御してもよい。図１０は、テーブル回転数情報を示す図である。駆動系制御機能４３はテーブル回転数情報に基づき、回転角度ごとにテーブル回転数を制御する。

【0076】

また、テーブル回転数ｎを一定に制御し、ワイヤ送給速度ＷＳ１がＲ１に比例し、かつ、ワイヤ送給速度ＷＳ２がＲ２に比例するように、ワイヤ送給速度ＷＳ１，ＷＳ２を制御してもよい。図１１は、ワイヤ送給速度情報を示す図である。電源制御機能４４はワイヤ送給速度情報に基づき、回転角度ごとにワイヤ送給速度を制御する。

【0077】

溶接ビード断面均一維持制御機能４５が作動することにより、芯出し作業を省略しても、溶接ビード断面を均一に維持できる。これにより溶接品質を維持できる。

【0078】

〜内外間における課題〜
上述のように本実施形態の自動溶接システムは、複数同時溶接に係る構成を特徴としている。しかし、内側にある第１溶接位置における溶接長は、外側にある第２溶接位置における溶接長に比べて、短くなる。仮に、ワイヤ送給速度ＷＳ１，ＷＳ２が同一、ワイヤの断面積をＷＡ１，ＷＡ２が同一の条件の下では、第１溶接位置では第２溶接位置に比べて肉盛過剰となり、第２溶接位置では第１溶接位置に比べて肉盛不足となる。従って、内外間において肉盛量を調整する必要がある。

【0079】

電源制御機能４４は、ワイヤ送給速度ＷＳ１とＷＳ２を独立に制御できる。たとえば、Ｄ１／Ｄ２＝ＷＳ１／ＷＳ２を満たすようにワイヤ送給速度を制御することで、上記内外間における課題を解決できる。

【0080】

しかし、ワイヤ送給速度の制御だけでは対応できない場合もある。たとえば、電流値を大きくすればワイヤ送給速度を速くすることができるが、溶接電源装置２６，３６の電力供給能力に制限され電流値を大きくできない場合もある。

【0081】

〜内外調整〜
制御装置４０は更に特徴的構成として、内外調整機能４６を有している（図４参照）。内外調整機能４６について詳しく説明する。

【0082】

上記〜基本動作〜および〜動作〜において述べたように、演算処理機能４１は溶接開始前に開先形状等の情報に基づいて各層毎のトーチ基準位置を演算する。このとき、基準となるワイヤ送給速度も演算する。

【0083】

内外調整機能４６は、ワイヤ送給速度の制御のみで内外間の調整ができるかを判断し、調整可能であると判断すると、次のステップに進み、自動溶接システムは溶接を開始する。

【0084】

一方、調整不可能であると判断すると、入力端末１９のモニタ部に調整不可能である旨および、推奨する溶接ワイヤの断面積（またはワイヤ径）、ワイヤ材質を表示する。

【0085】

第１溶接位置では第２溶接位置に比べて肉盛過剰となりやすいため、内外調整機能４６は、ワイヤ断面積ＷＡ１＜ＷＡ２となるような溶接ワイヤを選定する。また、電流値同一の条件の下ではワイヤ断面積が小さくなるとワイヤ送給速度が速くなる。

【0086】

また、耐熱材やＳＵＳ鋼の溶接ワイヤは、一般鋼に比べてより多くの電力を必要とする。つまり、電流値同一の条件の下ではワイヤ送給速度が遅くなる。

【0087】

モニタ部の表示に基づき、ワイヤ供給装置２３またはワイヤ供給装置３３または両方に新しい溶接ワイヤを設置するとともに、新しい溶接ワイヤに係る情報（断面積、径、材質）を入力端末１９を介して入力する。

【0088】

内外調整機能４６は新たな情報に基づいて再度内外間の調整ができるかを判断し、調整可能であると判断すると、自動溶接システムは溶接を開始する。

【0089】

内外調整機能４６が作動することにより、ワイヤ送給速度の制御のみで内外間の調整が対応できない場合でも、第１溶接位置にて肉盛過剰となることなく、第２溶接位置にて肉盛不足となることなく、溶接できる。

【0090】

〜変形例〜
本発明は、本実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。いくつかの変形例を説明する。

【0091】

（１）本実施形態では、芯出し不要に係る特徴と、複数同時溶接に係る特徴について説明したが、どちらか一方の特徴を有するものでもよい。図１２は第１変形例に係る構成を示す図であり、芯出し不要に係る特徴のみを有する。

【0092】

すなわち、第１変形例の自動溶接システムは、回転テーブル１１と、回転数検出センサ１２と、２本のアーム５１，５２とコラム５３を有するベース装置５０と、溶接トーチ２１と、ワイヤ送給装置２２と、溶接ワイヤ供給装置２３と、溶接トーチシフト装置２４と、溶接トーチ駆動装置２５と、溶接電源装置２６と、溶接対象ワークに予熱を与える電気炉１７と、位置検出センサ１８と、入力端末１９と、これらの装置を制御する制御装置４０とを備える（一部図示省略、図1参照）。

【0093】

第１変形例に係る自動溶接システムの動作について説明する。

【0094】

まず、予め、開先形状等に係る情報を記憶する。演算処理機能４１は、これらの情報に基づいて、各層毎のトーチ基準位置や基準供給電力等を演算する。

【0095】

溶接対象ワーク１を回転テーブル１１に載置する。回転テーブル１１を一回転させ、位置検出センサ１８により、回転角度０〜３６０°に対応する距離Ｒ０（θ）を検出し、第１溶接位置における距離Ｒ１（θ）および第１溶接位置における距離Ｒ２（θ）を演算する。

【0096】

位置検出終了後、溶接トーチ２１を径方向および上下方向に移動し、第１溶接位置におけるトーチ基準位置に配置する。回転テーブル１１を回転させ、距離Ｒ１（θ）に基づいた径方向位置制御および溶接ビード断面均一維持制御をおこないながら溶接する。

【0097】

回転テーブル１１が一回転すると、１層目の溶接が完了し、２層目の溶接を開始する。このように複数層の溶接を繰り返して開先深さまで埋まることにより、内輪２と静翼リング３とを接合する。

【0098】

第１溶接位置における溶接完了後、溶接トーチ２１を径方向および上下方向に移動し、第２溶接位置におけるトーチ基準位置に配置する。回転テーブル１１を回転させ、距離Ｒ２（θ）に基づいた径方向位置制御および溶接ビード断面均一維持制御をおこないながら溶接する。

【0099】

回転テーブル１１が一回転すると、１層目の溶接が完了し、２層目の溶接を開始する。このように複数層の溶接を繰り返して開先深さまで埋まることにより、静翼リング３と外輪４とを接合する。

【0100】

芯出し作業を省略することにより、作業時間短縮を図ることができる。また、芯出し作業を省略しても、溶接ビード断面を均一に維持でき、溶接品質を維持できる。

【0101】

（２）本実施形態では、ベース装置５０は回動可能であり、自動溶接システムは位置検出後、溶接を開始したが、位置検出と溶接を同時におこなう構成でも良い。図１３は第２変形例に係る構成を示す図である。

【0102】

第２変形例のベース装置５０には、アーム５１とアーム５５が固定されている。アーム５１の側面にはレール５４が設けられ、溶接トーチシフト装置２４，３４により溶接ワイヤ供給装置２３，３３がレール上を移動することで、溶接トーチ２１，３１は回転テーブル１１の径方向に移動する。アーム５５には位置検出センサ１８が固定される。位置検出センサ１８は、回転テーブル１１の回転角度ごとに外輪４に設けられた検出基準位置を検出する。

【0103】

このとき、位置検出センサ１８が第１溶接位置および第２溶接位置に対して位相９０°前の検出基準位置を検出できるように、位置検出センサ１８およびアーム５５は設置されている。

【0104】

第２変形例に係る自動溶接システムの動作について説明する。

【0105】

まず、予め、開先形状等に係る情報を記憶する。演算処理機能４１は、これらの情報に基づいて、各層毎のトーチ基準位置や基準供給電力等を演算する。

【0106】

溶接対象ワーク１を回転テーブル１１に載置する。回転テーブル１１を回転させ、位置検出センサ１８により、回転角度０〜３６０°に対応する距離Ｒ０（θ）を検出し、第１溶接位置における距離Ｒ１（θ）および第２溶接位置における距離Ｒ２（θ）を演算する。

【0107】

これと同時に、溶接トーチ２１，３１を径方向および上下方向に移動し、第１溶接位置，第２溶接位置におけるトーチ基準位置に配置する。回転テーブル１１を位相９０°回転させ、距離Ｒ１（θ），距離Ｒ２（θ）に基づいた径方向位置制御および溶接ビード断面均一維持制御をおこないながら溶接を開始する。

【0108】

回転テーブル１１が一回転すると、１層目の溶接が完了し、２層目の溶接を開始する。２パス目（２層目）以降において、再度、位置検出を行なってもよい。

【0109】

第２変形例に係る自動溶接システムでは、本実施形態で述べた効果と同じ効果が得られる。

【0110】

さらに、本実施形態において、位置検出後、溶接を開始するのに対し、第２変形例においては、位置検出と溶接を同時に行うため、更なる作業時間短縮を図ることができる。

【0111】

また、本実施形態において、位置検出後、２パス目以降、最初の位置検出情報に基づいて距離Ｒ１（θ），距離Ｒ２（θ）を演算するのに対し、第２変形例においては、各パス毎の位置検出情報に基づいて距離Ｒ１（θ），距離Ｒ２（θ）を演算するため、より精度のよい制御ができる。このとき、位置検出と溶接を同時に行うため、作業時間が延長するといった問題は生じない。

【符号の説明】

【0112】

１ 溶接対象ワーク
２ 内輪、
３ 静翼リング
４ 外輪
１１ 回転テーブル
１２ 回転数検出センサ
１７ 電気炉
１８ 位置検出センサ
１９ 入力端末
２１ 溶接トーチ
２２ ワイヤ送給装置
２３ 溶接ワイヤ供給装置
２４ 溶接トーチシフト装置
２５ 溶接トーチ駆動装置
２６ 溶接電源装置
３１ 溶接トーチ
３２ ワイヤ送給装置
３３ 溶接ワイヤ供給装置
３４ 溶接トーチシフト装置
３５ 溶接トーチ駆動装置
３６ 溶接電源装置
４０ 制御装置
４１ 演算処理機能
４２ 記憶部
４３ 駆動系制御機能
４４ 電源制御機能
４５ 溶接ビード断面均一維持制御機能
４６ 内外調整機能
５０ ベース装置
５１ アーム（溶接）
５２ アーム（位置検出）
５３ コラム
５４ レール
５５ アーム（位置検出）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】