特開 2022-43714 縦継ぎ鋼管自動溶接工法及びこの工法で使用する装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022043714

(43)【公開日】2022-03-16

(54)【発明の名称】縦継ぎ鋼管自動溶接工法及びこの工法で使用する装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/028 20060101AFI20220309BHJP

   B23K 37/02 20060101ALI20220309BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20220309BHJP

   E04B 1/58 20060101ALI20220309BHJP

   E02D 5/24 20060101ALI20220309BHJP

【ＦＩ】

B23K9/028 K

B23K37/02 301A

B23K9/00 501B

E04B1/58 503H

E02D5/24 102

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020149153

(22)【出願日】2020-09-04

(71)【出願人】

【識別番号】520342585

【氏名又は名称】ＲＹＯＢＩ Ｅ＆Ｃ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391064418

【氏名又は名称】株式会社クロサワジオメック

(74)【代理人】

【識別番号】100082072

【弁理士】

【氏名又は名称】清原 義博

(72)【発明者】

【氏名】青井 實

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 日出子

【テーマコード（参考）】

2D041

2E125

4E081

【Ｆターム（参考）】

2D041AA02

2D041BA19

2D041BA44

2D041CA01

2D041CB06

2D041DB02

2E125AA45

2E125AB17

2E125AC16

2E125CA90

4E081AA15

4E081BA02

4E081BA27

4E081BB04

4E081CA10

4E081CA19

4E081DA05

4E081DA41

4E081EA14

4E081EA32

4E081YB08

(57)【要約】

【課題】
建設工事現場にて、地中に打設された鋼管に対して、次に打設される鋼管を既に打設された鋼管に対して縦継ぎ溶接する、縦継ぎ鋼管自動溶接工法及びこの工法で使用する装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、溶接装置を設置する工程と、
２台以上の自動溶接機を対角上に載置し旋回させ、既に打設された鋼管と次に打設される鋼管が突き合わされた状態で、その外周を溶接させる工程と、
溶接施工中の旋回台の回転制御及び溶接制御を単独及び／または組み合わせる工程と、
溶接施工完了後、溶接装置をクレーンで吊り上げ、作業箇所より離脱される工程と、
を備える、溶接工法を特徴とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

建設工事現場にて、地中に打設された鋼管に対して、次に打設される鋼管を既に打設された鋼管に対して縦継ぎ溶接する溶接工法であって、
前記溶接装置を設置する工程と、
２台以上の自動溶接機を対角上に載置し旋回させ、前記既に打設された鋼管と次に打設される鋼管が突き合わされた状態で、その外周を溶接させる工程と、
溶接施工中の前記旋回台の回転制御及び溶接制御を単独及び／または組み合わせる工程と、
溶接施工完了後、前記溶接装置をクレーンで吊り上げ、作業箇所より離脱される工程と、
を備える、縦継ぎ鋼管自動溶接工法。

【請求項2】

建設工事現場にて、地中に打設された鋼管に対して、次に打設される鋼管を縦継ぎで溶接する自動溶接装置であって、
２台以上の自動溶接機を載置する旋回台と、
旋回台を回転させる回転動力装置を有する地上側の固定台と、
を備え、
前記旋回台に前記既に打設された鋼管と次に打設される鋼管が突き合わされた状態で、その外周に当接するように、前記自動溶接機が載置されてなる、請求項１に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置。

【請求項3】

電動機と、
スプロケットと、
チェーンと、
緊張装置及び固定装置を備える、前記回転動力装置であって、
前記チェーンは、前記電動機の電動機軸上の前記スプロケットから前記旋回台の全周に無端連結され、
前記緊張装置と前記固定装置にて前記チェーンが緊締される請求項１または２に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置。

【請求項4】

前記旋回台に、前記２台以上の自動溶接機が、前記既に打設された鋼管の中心に関して対向して載置されることを特徴とする、請求項１から３に記載のいずれか１項を用いた工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置。

【請求項5】

前記２つ以上の自動溶接機の電源装置と、
前記回転機構の電源装置と、
受電設備と、
リモコン操作ボックスと、
前記自動溶接装置の全体制御及び記録装置を備える、前記自動溶接装置であって、
前記自動溶接機の電源装置は、対向して配置される前記自動溶接機にそれぞれ接続され、
前記受電設備は、前記自動溶接機の電源装置と前記回転機構の電源装置に接続され、
前記リモコン操作ボックスは、前記回転機構の電源装置と前記自動溶接装置の全体制御及び記録装置に接続されてなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、建設工事現場で溶接作業を実施する縦継ぎ鋼管自動溶接工法及びこの工法で使用する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

建設工事現場での基礎に用いる鋼管は、各種工法にて打ち込みや圧入がなされ、続いて打ち込まれる鋼管を、クレーンで吊り下げ保持の状態で熟練工による手作業での全周溶接が行われており、溶接施工規定によれば、３層盛り程度の多層盛り施工することが規定されている。

【0003】

現場の土質構成や支持層の深さと構造物の荷重により、鋼管径は通常６０～２００ｃｍの範囲であり、鋼管が長くなれば継ぎ足し数も増し、溶接施工も長時間に及んでいる。

【0004】

また、溶接品質の確保や作業の安全性から作業環境にも降雨や風速の規定があり、長時間労働環境のもと熟練工の人材確保の課題と相まって、作業生産性の向上と人材不足の対応が喫緊の課題であり、作業の効率化、省力化及び、品質向上等の解決策として、溶接施工の自動化に大きな期待が寄せられている。

【0005】

以上の背景から、鋼管全周に案内ガイドレールを設け、それに沿って、１台の全自動溶接機を周回させる方式での、建設工事現場での鋼管縦継ぎ（鉛直方向）溶接に対する自動化の実用が試みられている（特許文献１参照）。

【0006】

この溶接工法は、１台の溶接装置による小径の鋼管への適用にとどまっており、肉厚大径の鋼管への適用、及び溶接機の複数台設置による溶接歪抑制対策及び溶接作業効率の向上が課題となっている。
ここでは２台以上の自動溶接機を用いて、特に中口径から大口径の鋼管縦継ぎ溶接を高精度の品質を保ち、高い効率で施工可能な要求に応える必要があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１８－５３６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、 縦継ぎ鋼管自動溶接工法及びこの工法で使用する装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

請求項１に係る発明は、
建設工事現場にて、地中に打設された鋼管に対して、次に打設される鋼管を既に打設された鋼管に対して縦継ぎ溶接する溶接工法であって、
前記溶接装置を設置する工程と、
２台以上の自動溶接機を対角上に載置し旋回させ、前記既に打設された鋼管と次に打設される鋼管が突き合わされた状態で、その外周を溶接させる工程と、
溶接施工中の前記旋回台の回転制御及び溶接制御を単独及び／または組み合わせる工程と、
溶接施工完了後、前記溶接装置をクレーンで吊り上げ、作業箇所より離脱される工程と、
を備える、縦継ぎ鋼管自動溶接工法に関する。

【0010】

請求項２に係る発明は、
建設工事現場にて、地中に打設された鋼管に対して、次に打設される鋼管を縦継ぎで溶接する自動溶接装置であって、
２台以上の自動溶接機を載置する旋回台と、
旋回台を回転させる回転動力装置を有する地上側の固定台と、
を備え、
前記旋回台に前記既に打設された鋼管と次に打設される鋼管が突き合わされた状態で、その外周に当接するように、前記自動溶接機が載置されてなる、請求項１に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置に関する。

【0011】

請求項３に係る発明は、
電動機と、
スプロケットと、
チェーンと、
緊張装置及び固定装置を備える、前記回転動力装置であって、
前記チェーンは、前記電動機の電動機軸上の前記スプロケットから前記旋回台の全周に無端連結され、
前記緊張装置と前記固定装置にて前記チェーンが緊締される請求項１または２に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置に関する。

【0012】

請求項４に係る発明は、前記旋回台に、前記２台以上の自動溶接機が、前記既に打設された鋼管の中心に関して対向して載置されることを特徴とする、請求項１から３に記載のいずれか１項を用いた工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置に関する。

【0013】

請求項５に係る発明によれば、前記２つ以上の自動溶接機の電源装置と、
前記回転機構の電源装置と、
受電設備と、
リモコン操作ボックスと、
前記自動溶接装置の全体制御及び記録装置を備える、前記自動溶接装置であって、
前記自動溶接機の電源装置は、対向して配置される前記自動溶接機にそれぞれ接続され、
前記受電設備は、前記自動溶接機の電源装置と前記回転機構の電源装置に接続され、
前記リモコン操作ボックスは、前記回転機構の電源装置と前記自動溶接装置の全体制御及び記録装置に接続されてなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の工法で使用する縦継ぎ鋼管自動溶接装置に関する。

【発明の効果】

【0014】

請求項１に係る発明によれば、熟練工の手作業でなされていた溶接施工を、全自動化による溶接施工とすることで、溶接速度並びに生産性の向上と施工工期の短縮を図ることができる。また、実際の手作業での溶接施工では、管理者１名＋溶接工２名＋手元補助２名の計５名程度が作業に従事するが、全自動化装置により、従事者は管理者１名＋操作員１名＋手元補助１名の計３名となり、作業に従事する熟練工数の省力化を図ることができる。
また、溶接工程の最初に位置する仮付け溶接が複数台の溶接装置で自動的に対角位置が仮付けされるために、溶接歪の発生が無く、従い鋼管打設に厳しく求められる垂直精度の保持に大いに有効である。
さらに手作業での溶接施工は、高温高熱下での過酷な環境下にさらされ、拘束時間も長い。全自動化作業とすることで、建設工事現場での事故防止にも寄与することができる。

【0015】

請求項２に係る発明によれば、複数台の自動溶接機が載置されることで効率よく溶接施工することが可能であり、様々な鋼管径にも対応可能である効果を奏する。

【0016】

請求項３に係る発明によれば、電動機の同機軸上に対して、相当に大きな回転径を持つ旋回台を安全に且つ円滑に駆動でき、且つチェーンの緊締状態を維持することで、チェーンが滑ることなく容易に回転動力を伝達できるので、回転動力装置の構造が簡便になり、経済的にも有利な効果を奏する。

【0017】

請求項４に係る発明によれば、２台以上の自動溶接機が鋼管の中心に関して対向して載置されることで、本溶接施工前に行う仮付け溶接時より、垂直精度維持に影響を及ぼす溶接歪の発生を抑制でき、更に本溶接作業でも、常に対角上を同一の溶接条件で成されるために、理想的な溶接品質が可能となる効果を奏する。

【0018】

請求項５に係る発明によれば、建設工事現場における溶接作業において最適な溶接条件が一元管理され、理想的な溶接品質を常時管理できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の一例を示す施工状態の全体正面図である。

【図2】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置での旋回台に載置された自動溶接機を示す側面図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は図１のＡ及びＢにそれぞれ対応する図である。

【図3】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の回転装置を示す平面図であり、（２）は（１）のＣ、（３）は（１）のＤに対応する図である。

【図4】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の全自動施工及び制御機構を示す全体説明図である。

【図5】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の支え架台を示す概略正面図である。

【図6】本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の支え架台を示す概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る縦継ぎ鋼管自動溶接装置の全体正面図を図１に示し、旋回台に自動溶接機が載置された側面図を図２に示す。
縦継ぎ鋼管自動溶接装置１は、２台以上の自動溶接機を載置する旋回台６と、旋回台６を回転させる回転動力装置８（図２参照）を有する地上側の固定台５と、を備え、
前記旋回台６に前記既に打設された鋼管１と次に打設される被溶接鋼管２が突き合わされた状態で、その外周に当接するように、前記自動溶接機９－１及び９－２が２台以上載置されている。
旋回台６は軽量かつ輸送性を考慮されるとともに、旋回台６と固定台５を玉軸受け７（図２参照）を挟み一体で吊り上げ下げ可能に吊フックを有しており、クレーンによって旋回台全体を吊り上げることが可能である。

【0021】

図２に示すように、自動溶接機９－１及び９－２は鋼管径の変化に対応可能なように取り付けられ、溶接部４に対して溶接トーチ９－３が距離及び角度が変更可能なように設定できる。なお、溶接速度は、手作業で２０ｃｍ／ｍｉｎ前後が一般的であるが、本装置では、工場における全自動溶接工法の実施例に基づき、４０ｃｍ／ｍｉｎ前後で溶接することが可能である。なお、本発明で説明する炭酸ガスを用いたアーク溶接以外にも、スポット溶接やレーザー溶接等も適用可能である。

【0022】

また旋回台６には、既に打設された鋼管１の中心に関して対向するように一対の自動溶接機９－１及び９－２を載置することができるので、溶接施工前に行う仮固定時より生じる溶接歪を抑制することができる。

【0023】

更に、旋回台６の下部に設けられる固定台５には、図２に示すように、旋回台を円滑に回転できる球軸受け７が複数個配置されており、更に、図２及び図３に示すように電動機２１とスプロケット２２、チェーン２３、固定装置２４及び緊張装置２５で構成される回転動力装置８を備えている。

【0024】

チェーン２３は、旋回台６の外周に電動機２１及びスプロケット２２と無段連結されており、さらに固定装置２４と緊張装置２５によって、チェーンは常に緊張状態にある。これにより、旋回台６は電動機２１からスプロケット２２を経由して滑ることなく回転動力が伝達される。また、旋回台６は、正逆方向を変更でき、且つ無段階に回転することが可能である。
なお、電動機回転数と溶接速度の関係から減速比率が決定され、輸送性から来る旋回台外径と電動機出力軸の外径比から定まる比率は１：２０程度に至る。
この大きさの外径比での通常の歯車減速及び回転伝達機構では、軽量化目的で薄さを追求した旋回板への歯車切削加工の精度維持及び経済性が難点となる。
また、装置全体として安全上の均衡保持が可能なように、電動機２１と対向して電動機バランサー２６（図２参照）が設けられており、旋回台回転時の安定性と安全性が確保される。

【0025】

また固定台５下には、図５及び図６のように、複数の支え支柱３０と支柱を受ける支え架台３３、軸心調整部３１及び軸心調整ジャッキ３１－１と高さ調整部３２及び高さ調整ジャッキ３２－２から構成され、固定台５上部である旋回台６の旋回を堅固に支えるとともに、固定台５の水平度を維持でき、且つ鋼管径の変化に対応できるように調整可能であり、地盤の状況等の溶接施工の状況に応じて、水平度が保たれた状態で規定角度を維持しつつ溶接施工することを容易にすることができる。

【0026】

更に、図４を参照すると、溶接装置の周囲には、地上に配置した装置用の受電設備Ｂｏｘ１、自動溶接機用の電源装置と操作用のリモコンＢｏｘ２－１及びＢｏｘ２－２、溶接装置全体制御及び各溶接施工条件を記録できる記録装置Ｂｏｘ３及び記録装置Ｂｏｘ３に接続するリモコン操作Ｂｏｘ４を備えており、溶接装置が全自動操作可能なように最適制御、管理及び記録することができる。なお、記録装置において、装置操作及び全自動運転の全ての項目の制御及び操作信号は、制御アルゴリズムにより指令される。
受電設備を起点に、同じく地上の左右２台の自動溶接機、溶接機電源装置から電力と炭酸ガスの供給を受け、固定台の電動機は同じく受電設備から電力を受けた後に、記録装置の正逆及び無段階回転数制御指令により回転機構によって回転動力を伝える。

【0027】

この溶接系の配線、配管（図４の直線箇所参照）は旋回台の回転が半円周の繰り返しであるゆえ、配線及び配管は、過巻やからむことがなく整然と取り廻される。
更に、自動化施工中の主要管理項目である旋回台の回転速度や溶接装置の位置情報等の回転系の管理と、溶接電流、電圧値及び溶接位置の関係等の溶接系の管理の制御系を単独あるいは組み合わせて行うことができる。

【0028】

次に、溶接装置設置工程、溶接工程及び作業終了工程について、図１、図４、図５及び図６を参照して説明する。
＜設置工程＞
図１において、参照符号１は既に打設された既設鋼管である。次に溶接されて打設される被溶接鋼管が参照符号２で示される。被溶接鋼管２はクレーンフック３－２から吊ワイヤ３－１に吊り下げられて溶接部４にて開先や裏当て加工がなされている。溶接施工規定に基づき、通常は３層盛り溶接を実施し、溶接歪を起こすことなく品質が維持され、迅速かつ安全に施工される溶接機９－１、９－２及び溶接トーチ９－３（図２を参照）等で構成される。

【0029】

地上に敷鉄板３４があらかじめ敷設され、敷鉄板３４と最初の鋼管の打設位置には最適な間隔がある。既設鋼管１を打ち終えた段階で、敷鉄板３４上に支え架台３３（図５を参照）を置く。
支え架台３３は分割式であり、ここでは３分割で図示しているが、敷鉄板３４上に軸心及び高さ調整装置を含めてボルト固定などで転倒の不安なく堅固に設置されている（図５参照）。その後に、別位置で組み立てられた旋回台組立一式がクレーンで吊上げられて、支え架台の支え支柱３０のフランジとボルト結合される。旋回台組立の下部に位置する固定板（台）５には、電動機２１やスプロケット２２、電動機バランサー２６など必要総部品が組み込まれている。旋回台６の上部回転板には、溶接機９－１、９－２、溶接トーチ９－３、緊張装置２５など必要総部品があらかじめ組み込まれている。
その後に、図５及び図６より旋回台組立一式に対して、支え架台３３の軸心調整部３１及び軸心調整ジャッキ３１－１で同軸調整を行い、更に高さ調整部３２及び高さ調整ジャッキ３２－２での高さ調整を経て、支え架台３３を完全に敷鉄板３４に固定した状態で、仮付けを最初にした溶接作業が開始される。

【0030】

＜溶接工程＞
図４を参照して、溶接工程について以下のように説明する。鋼管の中心をＯ点、１号溶接装置（以下１溶接と称する）開始点をＡ、２号溶接装置（以下２溶接と称する）開始点をＢとしたとき、１溶接はＡ位置、２溶接はＢ位置を同時に点付け溶接して、歪を起こすことなく行い、その後、高速モードで時計回りである右回転にて、１溶接はＤ位置、２溶接はＣ位置にて溶接を行うことで仮固定作業が完了する。従って１及び２溶接でＡ～Ｄの４点の仮付け作業を終える。

【0031】

その後、１層目の本溶接を反時計回りである左回転にて開始し、１溶接はＤ位置、２溶接はＣ位置を起点として、旋回台の設定回転数を基に定めた溶接電流値を維持した本溶接が、１溶接はＤ－Ｃ間、２溶接はＣ－Ｄ間で同時になされる。２層目、３層目溶接もトーチ角度を変える等の規定に基づき、１溶接はＣ－Ｄ間、２溶接はＤ－Ｃ間を反復周回して溶接施工が行われ、本溶接作業が完了する。

【0032】

＜制御系の管理工程＞
作業中の回転制御は、図４に記載されるように、動力及び信号ともにＢｏｘ３から送られる。Ｂｏｘ３は、溶接系Ｂｏｘ２－１及びＢｏｘ２－２を連携して、Ｂｏｘ３での操作及び全自動運転の全ての項目において制御され、同時に施工記録も保存されることで事後の品質管理の検証や更なる改良及び改善データとして反映される。
なお、Ｂｏｘ４では、操作員が手元で常時身に着け、施工状態での数値監視および緊急時の非常停止等を行う。

【0033】

＜作業終了工程＞
溶接作業終了後、クレーンによって固定台、旋回台及び玉軸受けを含む５，６，７部全体を吊り上げる。
支え架台３３は敷鉄板３４上に残置される。鋼管は垂直精度を保ち打設され、鋼管外周と支え架台３３の内径には十分な隙間があり、安全に残置できる。
さらには、次回以降の旋回台を含む５，６，７部全体の同軸及び高さ調整も不要である。
固定台５から旋回台６を包み込み玉軸受け７を挟むように、５，６，７部全体は、上下板の外れ止めが回転時にも固定台５に接触することなく、但し外れる状態になれば支えるように（ここでは表示せず）あり、クレーンにて地上の受け台に安全を確保した状態にて、一体として近接場所に置き、吊っている吊金具をクレーンから取り外す。なお、クレーンで吊っている上部鋼管は既に溶接されており、吊ワイヤ３－１を外しても安全な状態にある。
このように、鋼管に溶接する工程と、溶接工程が終了する毎に自動溶接装置をクレーンで吊り上げ、作業箇所より離脱されて取り外す工程とを繰り返す。
本実施形態の縦継ぎ鋼管自動溶接装置を用いることで、建設工事現場にて縦継ぎでの鋼管の自動溶接作業が容易になる。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明は、鋼管を縦継ぎで溶接する工法を、高品質で且つ効率よく構築可能であり、縦継ぎ鋼管自動溶接工法およびその工法で使用する装置として好適に使用される。

【符号の説明】

【0035】

１ 縦継ぎ鋼管自動溶接装置全体正面図
１ 既打設鋼管
２ 被溶接鋼管
３－１ 吊ワイヤ
３－２ クレーンフック
４ 溶接部
５ 固定台
６ 旋回台
７ 玉軸受け
８ 回転動力装置
９－１ 自動溶接機１
９－２ 自動溶接機２
９－３ 溶接トーチ
２０ 電動機フランジ
２１ 電動機
２２ スプロケット
２３ チェーン
２４ 固定装置
２５ 緊張装置
２６ 電動機バランサー
３０ 支え支柱
３１ 軸心調整部
３１－１ 軸心調整ジャッキ
３２ 高さ調整部
３２－２ 高さ調整ジャッキ
３３ 支え架台
３４ 敷鉄板
Ｂｏｘ１ 受電設備
Ｂｏｘ２－１ 自動溶接機１電源装置(地上)
Ｂｏｘ２－２ 自動溶接機２電源装置(地上)
Ｂｏｘ３ 回転駆動系および全体制御、記録装置
Ｂｏｘ４ リモコン操作 Box

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】