特開 2024-142386 溶接装置

(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】P2024142386

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/127 20060101AFI20241003BHJP

   B23K 9/18 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

B23K9/127 503D

B23K9/18 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054509

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110847

【弁理士】

【氏名又は名称】松阪 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100136526

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100136755

【弁理士】

【氏名又は名称】井田 正道

(72)【発明者】

【氏名】上川 健司

(72)【発明者】

【氏名】阿部 洋平

(72)【発明者】

【氏名】藤本 貴大

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】中谷 光良

(72)【発明者】

【氏名】安部 正光

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB05

4E001DA01

4E001DC05

(57)【要約】

【課題】開先に対してトーチ部を容易に倣わせる。
【解決手段】溶接装置１は、被溶接材９１間の突合せ部に、所定の長手方向に延びて形成される開先９３に溶接を行うトーチ部３と、被溶接材９１が並ぶ幅方向にトーチ部３を移動可能な状態で支持する支持部４と、当該長手方向に沿う溶接方向に支持部４をトーチ部３と共に移動する移動機構２と、トーチ部３に対して固定され、幅方向における開先９３の所定位置にトーチ部３の基準位置を配置する倣い機構５とを備える。倣い機構５は、開先９３の深さ方向に沿って延びる支持軸５１１と、支持軸５１１の開先９３側の端部に取り付けられ、支持軸５１１に沿って見た場合に支持軸５１１を挟んで両側に配置される一対の接触子と、支持軸５１１の当該端部が開先９３に挿入された状態で支持軸５１１を回転することにより、一対の接触子を開先９３の両側面にそれぞれ接触させる回転機構５１２とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接装置であって、
被溶接材間の突合せ部に、所定の長手方向に延びて形成される開先に溶接を行うトーチ部と、
前記被溶接材が並ぶ幅方向に前記トーチ部を移動可能な状態で支持する支持部と、
前記長手方向に沿う溶接方向に前記支持部を前記トーチ部と共に前記被溶接材に対して相対的に移動する移動機構と、
前記トーチ部に対して固定され、前記幅方向における前記開先の所定位置に、前記トーチ部の基準位置を配置する倣い機構と、
を備え、
前記倣い機構が、
前記開先の深さ方向に沿って延びる支持軸と、
前記支持軸の前記開先側の端部に取り付けられ、前記支持軸に沿って見た場合に前記支持軸を挟んで両側に配置される一対の接触子と、
前記支持軸の前記端部が前記開先に挿入された状態で、前記支持軸を回転することにより、前記一対の接触子を前記開先の両側面にそれぞれ接触させる回転機構と、
を備える溶接装置。

【請求項2】

請求項１に記載の溶接装置であって、
前記幅方向における前記開先の前記所定位置が、前記開先の中央であり、
前記一対の接触子が、前記支持軸から同じ距離だけ離れる溶接装置。

【請求項3】

請求項１に記載の溶接装置であって、
前記一対の接触子のそれぞれが、前記支持軸に沿う中心軸を中心として回転可能なローラである溶接装置。

【請求項4】

請求項１に記載の溶接装置であって、
前記トーチ部が、前記溶接方向に沿う配列方向に配列された複数の溶接トーチを備え、
前記支持部が、前記深さ方向に垂直な面内において、前記溶接方向に対する前記配列方向の傾斜角を変更可能であり、
前記倣い機構が、
前記支持軸、前記一対の接触子および前記回転機構を有する位置調整部と、
前記位置調整部と同様の構造を有する他の位置調整部と、
を備え、
前記溶接方向に関して、前記位置調整部と前記他の位置調整部との間に、前記複数の溶接トーチが配置される溶接装置。

【請求項5】

請求項４に記載の溶接装置であって、
前記支持部が、前記移動機構の移動体と前記トーチ部との間を連結する連結部を備え、
前記連結部が、前記深さ方向に沿う第１回転軸を中心として前記移動体に対して回転可能であり、前記トーチ部が、前記深さ方向に沿う第２回転軸を中心として前記連結部に対して回転可能であり、
前記第１回転軸周りの前記連結部の回転、および、前記第２回転軸周りの前記トーチ部の回転により、前記トーチ部が前記幅方向に移動可能であり、かつ、前記配列方向の前記傾斜角が変更可能である溶接装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１つに記載の溶接装置であって、
前記一対の接触子が前記開先の前記両側面に接触した状態における前記支持軸の回転角に基づいて、前記開先の幅を取得する開先幅取得部と、
前記開先幅取得部による出力に基づいて溶接条件を決定する制御部と、
をさらに備える溶接装置。

【請求項7】

請求項６に記載の溶接装置であって、
前記倣い機構の前記支持軸において、前記支持軸から突出して配置される被検出部が設けられており、
前記支持軸に垂直な一の方向における前記被検出部の位置が、前記支持軸の回転角に応じて変化し、
前記開先幅取得部が、前記一の方向における前記被検出部の位置を測定することにより、前記開先の幅を取得する溶接装置。

【請求項8】

請求項１ないし５のいずれか１つに記載の溶接装置であって、
前記トーチ部において、フラックスを散布する散布ノズル、および、溶接を行う溶接トーチが前記溶接方向に沿って設けられ、
前記開先の溶接時に、前記散布ノズルの散布口および前記溶接トーチの端部が、前記開先内に配置され、前記溶接方向における前記開先の各位置を前記散布ノズルおよび前記溶接トーチが順に通過し、
前記開先の幅が、前記溶接トーチの前記端部の直径の２倍以下であり、
前記開先の底面から前記散布ノズルの前記散布口までの高さが、前記溶接トーチの前記端部の先端までの高さ以下である溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、被溶接材間の突合せ部に形成された開先に溶接を行う溶接装置が利用されている。溶接装置では、開先に対してトーチ部を倣わせるための構成が設けられる。例えば、特許文献１の装置では、回転軸の下端に固定された回動ア－ムの両端部において、回転軸から同じ距離の位置に接触子が設けられる。回転軸が回転すると、まず、一方の接触子の接触端部材が開先の一方の側面に当たり、その後、他方の接触子が他方の側面に当たる。各接触子が開先の側面に接触したときの回動アームの回転角度に基づいて、演算部により開先の位置情報等が求められる。なお、特許文献１の各接触子では、接触端部材と回動ア－ムとの間にコイルばねが設けられる。一方の接触子の接触端部材が開先の側面に当たると、当該接触端部材の移動が止められるが、コイルばねが曲がることにより、回動アームには停止拘束力は作用しない。

【0003】

特許文献２では、開先幅の検出方法が開示されている。当該方法では、外周部が一定の角度を持つテーパ状の形状を備えたローラが溶接アークの前方で開先内に入り込むように配置される。また、ローラの左右両側に、被溶接部材の板面との距離を計測する距離検出手段が固定される。そして、当該左右の距離の変位量の和から開先幅の変動量が検出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３４７８５７２号公報

【特許文献2】特開２００１－２７６９７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１および２の装置では、開先の位置情報や開先幅の変動量等を取得する際に、煩雑な演算が必要となる。したがって、開先に対してトーチ部を容易に倣わせる新規な手法が求められている。

【0006】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、開先に対してトーチ部を容易に倣わせることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の態様１は、溶接装置であって、被溶接材間の突合せ部に、所定の長手方向に延びて形成される開先に溶接を行うトーチ部と、前記被溶接材が並ぶ幅方向に前記トーチ部を移動可能な状態で支持する支持部と、前記長手方向に沿う溶接方向に前記支持部を前記トーチ部と共に前記被溶接材に対して相対的に移動する移動機構と、前記トーチ部に対して固定され、前記幅方向における前記開先の所定位置に、前記トーチ部の基準位置を配置する倣い機構とを備え、前記倣い機構が、前記開先の深さ方向に沿って延びる支持軸と、前記支持軸の前記開先側の端部に取り付けられ、前記支持軸に沿って見た場合に前記支持軸を挟んで両側に配置される一対の接触子と、前記支持軸の前記端部が前記開先に挿入された状態で、前記支持軸を回転することにより、前記一対の接触子を前記開先の両側面にそれぞれ接触させる回転機構とを備える。

【0008】

本発明の態様２は、態様１の溶接装置であって、前記幅方向における前記開先の前記所定位置が、前記開先の中央であり、前記一対の接触子が、前記支持軸から同じ距離だけ離れる。

【0009】

本発明の態様３は、態様１（態様１または２であってもよい。）の溶接装置であって、前記一対の接触子のそれぞれが、前記支持軸に沿う中心軸を中心として回転可能なローラである。

【0010】

本発明の態様４は、態様１（態様１ないし３のいずれか１つであってもよい。）の溶接装置であって、前記トーチ部が、前記溶接方向に沿う配列方向に配列された複数の溶接トーチを備え、前記支持部が、前記深さ方向に垂直な面内において、前記溶接方向に対する前記配列方向の傾斜角を変更可能であり、前記倣い機構が、前記支持軸、前記一対の接触子および前記回転機構を有する位置調整部と、前記位置調整部と同様の構造を有する他の位置調整部とを備え、前記溶接方向に関して、前記位置調整部と前記他の位置調整部との間に、前記複数の溶接トーチが配置される。

【0011】

本発明の態様５は、態様４の溶接装置であって、前記支持部が、前記移動機構の移動体と前記トーチ部との間を連結する連結部を備え、前記連結部が、前記深さ方向に沿う第１回転軸を中心として前記移動体に対して回転可能であり、前記トーチ部が、前記深さ方向に沿う第２回転軸を中心として前記連結部に対して回転可能であり、前記第１回転軸周りの前記連結部の回転、および、前記第２回転軸周りの前記トーチ部の回転により、前記トーチ部が前記幅方向に移動可能であり、かつ、前記配列方向の前記傾斜角が変更可能である。

【0012】

本発明の態様６は、態様１ないし５のいずれか１つの溶接装置であって、前記一対の接触子が前記開先の前記両側面に接触した状態における前記支持軸の回転角に基づいて、前記開先の幅を取得する開先幅取得部と、前記開先幅取得部による出力に基づいて溶接条件を決定する制御部とをさらに備える。

【0013】

本発明の態様７は、態様６の溶接装置であって、前記倣い機構の前記支持軸において、前記支持軸から突出して配置される被検出部が設けられており、前記支持軸に垂直な一の方向における前記被検出部の位置が、前記支持軸の回転角に応じて変化し、前記開先幅取得部が、前記一の方向における前記被検出部の位置を測定することにより、前記開先の幅を取得する。

【0014】

本発明の態様８は、態様１ないし５のいずれか１つ（態様１ないし７のいずれか１つであってもよい。）の溶接装置であって、前記トーチ部において、フラックスを散布する散布ノズル、および、溶接を行う溶接トーチが前記溶接方向に沿って設けられ、前記開先の溶接時に、前記散布ノズルの散布口および前記溶接トーチの端部が、前記開先内に配置され、前記溶接方向における前記開先の各位置を前記散布ノズルおよび前記溶接トーチが順に通過し、前記開先の幅が、前記溶接トーチの前記端部の直径の２倍以下であり、前記開先の底面から前記散布ノズルの前記散布口までの高さが、前記溶接トーチの前記端部の先端までの高さ以下である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、開先に対してトーチ部を容易に倣わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】溶接装置を示す正面図である。

【図2】溶接装置を示す右側面図である。

【図3】溶接トーチの端部および散布ノズルの散布口近傍を示す図である。

【図4】支持部を示す平面図である。

【図5】開先幅取得部の構成を示す図である。

【図6】倣い機構の動作を説明するための図である。

【図7】開先幅取得部の動作を説明するための図である。

【図8】開先幅取得部の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、本発明の一の実施の形態に係る溶接装置１を示す正面図である。図２は、溶接装置１を示す右側面図である。溶接装置１は、アーク溶接により複数の被溶接材９１を接合する装置であり、本実施の形態では、サブマージアーク溶接が行われる。溶接装置１では、サブマージアーク溶接以外の溶接が行われてもよい。図１および図２では、互いに直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向として矢印にて示す（他の図において同様）。Ｘ方向およびＹ方向は、水平方向であり、Ｚ方向は、上下方向（鉛直方向）である。Ｘ方向およびＹ方向が、水平方向に対して傾斜してもよく、Ｚ方向が、上下方向に対して傾斜してもよい。

【0018】

溶接装置１は、被溶接材９１間の突合せ部に形成された開先９３に対する溶接を行う。図１および図２に示す例では、被溶接材９１がＹ方向に並んでおり、Ｚ方向の窪みである開先９３は、Ｘ方向に沿う長手方向に延びる。溶接装置１では、後述のトーチ部３がＸ方向に移動して、開先９３の長手方向に延びる溶接ビードを開先９３内に形成する。以下、Ｘ方向を「溶接方向」ともいい、被溶接材９１が並ぶＹ方向を「幅方向」ともいう。

【0019】

本実施の形態では、幅方向における開先９３の幅は比較的狭く（例えば、１６～２０ｍｍ）、溶接ビードは、開先９３の幅の略全体に広がる。開先角度はほぼ０°であり、溶接装置１が、溶接ビードの形成をＮ回（Ｎは２以上の整数）繰り返すことにより、開先９３の深さ方向（すなわち、Ｚ方向）にＮ層の溶接ビードが積層される。このように、初層から最終層まで１層１パスで溶接ビードが積層される。開先９３の深さは、任意に決定されてよいが、例えば２００ｍｍである。図１および図２に示す例では、開先９３の深さ方向は、上下方向と平行である。開先９３の深さ方向は、上下方向に対して傾斜してもよい。溶接装置１では、単層溶接が行われてもよく、後述するように、１層が複数パスにより形成されてもよい。

【0020】

図１に示す溶接装置１は、移動機構２と、トーチ部３と、支持部４と、倣い機構５と、開先深さ取得部６と、開先幅取得部７と、制御部１０とを備える。制御部１０は、自動制御盤、および、コンピュータ等を有する。制御部１０は、溶接装置１の各構成に電気的に接続され、溶接装置１の全体制御を担う。トーチ部３は、複数の溶接トーチ３１ａ，３１ｂと、複数の散布ノズル３２ａ，３２ｂ，３２ｃと、複数のワイヤ送給装置３３ａ，３３ｂと、フラックス供給部（図示省略）と、保持ブロック３６と、ベース部３７とを備える。

【0021】

複数の溶接トーチ３１ａ，３１ｂおよび複数の散布ノズル３２ａ～３２ｃは、それぞれ上下方向（Ｚ方向）に沿って延びており、溶接方向（Ｘ方向）に沿って延びる保持ブロック３６に固定される。図１の例では、２個の溶接トーチ３１ａ，３１ｂ、および、３個の散布ノズル３２ａ～３２ｃが設けられ、（＋Ｘ）側から（－Ｘ）側に向かって順に、散布ノズル３２ａ、溶接トーチ３１ａ、散布ノズル３２ｂ、溶接トーチ３１ｂ、散布ノズル３２ｃが配列される。上下方向に沿って見た場合に、散布ノズル３２ａ、溶接トーチ３１ａ、散布ノズル３２ｂ、溶接トーチ３１ｂおよび散布ノズル３２ｃは、直線上に配置され、以下、当該直線を「トーチ部３の基準線」という（後述の図４の一点鎖線Ｋ１参照）。また、溶接トーチ３１ａ，３１ｂおよび散布ノズル３２ａ～３２ｃの配列方向を、以下、「トーチ配列方向」という。後述するように、上下方向に垂直な面内において、溶接方向に対するトーチ配列方向の傾斜角が変更可能である。溶接装置１の構造の説明では、トーチ配列方向が溶接方向に平行であるものとする。

【0022】

溶接処理では、トーチ部３が（－Ｘ）側から（＋Ｘ）側へと移動するため、溶接方向における開先９３の各位置を、散布ノズル３２ａ、溶接トーチ３１ａ、散布ノズル３２ｂ、溶接トーチ３１ｂ、散布ノズル３２ｃが順に通過する。以下の説明では、溶接トーチ３１ａおよび溶接トーチ３１ｂをそれぞれ「先行溶接トーチ３１ａ」および「後行溶接トーチ３１ｂ」ともいう。また、散布ノズル３２ａ、散布ノズル３２ｂおよび散布ノズル３２ｃをそれぞれ「先行散布ノズル３２ａ」、「中間散布ノズル３２ｂ」および「後行散布ノズル３２ｃ」ともいう。

【0023】

図３は、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１、および、散布ノズル３２ａ～３２ｃの散布口３２０近傍を示す図である。後述するように、開先９３に対して溶接を行う際には、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１（（－Ｚ）側の端部）、および、散布ノズル３２ａ～３２ｃの散布口３２０は、開先９３内に配置される。図３では、開先９３内に配置された溶接トーチ３１ａ，３１ｂおよび散布ノズル３２ａ～３２ｃを示し、被溶接材９１および散布ノズル３２ａ～３２ｃについては、開先９３の幅の略中央における断面（幅方向に垂直な断面）を示す。

【0024】

先行溶接トーチ３１ａの端部３１１、および、後行溶接トーチ３１ｂの端部３１１は互いに近接して配置される。図３の例では、先行溶接トーチ３１ａは、上下方向に略平行であり、後行溶接トーチ３１ｂは、下側から上側（（－Ｚ）側から（＋Ｚ）側）に向かうに従って（－Ｘ）側に位置するように傾斜する。溶接トーチ３１ａ，３１ｂは筒状であり、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの長手方向に垂直な断面は略円環状である。例えば、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの外径は１０ｍｍであり、内径は４ｍｍである。もちろん、溶接トーチ３１ａ，３１ｂのサイズは適宜変更されてよい。溶接トーチ３１ａ，３１ｂは、例えば銅等の金属にて形成され、十分な耐熱性を有する。溶接トーチ３１ａ，３１ｂの内部には、溶加材であるワイヤ３１０がワイヤ送給装置３３ａ，３３ｂ（図１参照）から送り込まれる。ワイヤ３１０の外面には絶縁材が巻き付けられ、ワイヤ３１０と開先９３の側面９３１との絶縁が確保されてもよい。各溶接トーチ３１ａ，３１ｂおよび被溶接材９１は、溶接電源（図示省略）に電気的に接続される。

【0025】

トーチ配列方向が溶接方向に平行な状態において、散布ノズル３２ａ～３２ｃの上下方向に垂直な断面の外形は、溶接方向に長い略矩形であり、幅方向の幅は、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１の直径と同じ、または、当該直径よりも僅かに小さい。先行散布ノズル３２ａは、上下方向に略平行であり、先行溶接トーチ３１ａの（＋Ｘ）側に近接して配置される。中間散布ノズル３２ｂは、先行溶接トーチ３１ａに近接して沿う（＋Ｘ）側の側面と、後行溶接トーチ３１ｂに近接して沿う（－Ｘ）側の側面とを有する。後行散布ノズル３２ｃは、後行溶接トーチ３１ｂの（－Ｘ）側に近接して配置され、後行溶接トーチ３１ｂと略平行である。

【0026】

散布ノズル３２ａ～３２ｃの内部には、フラックス供給部からフラックスが送り込まれる。これにより、各散布ノズル３２ａ～３２ｃの散布口３２０から開先９３内にフラックスが散布される。上下方向に関して、開先９３の底面９３２から各散布ノズル３２ａ～３２ｃの散布口３２０までの高さは、当該底面９３２から各溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１の先端（すなわち、ワイヤ３１０の周囲を囲む部位の先端）までの高さと同じ、または、当該高さよりも低い。

【0027】

サブマージアーク溶接では、ワイヤ３１０の先端がフラックスに覆われた状態で、被溶接材９１とワイヤ３１０との間にアークを発生させて溶接が行われる。先行散布ノズル３２ａに加えて、中間散布ノズル３２ｂおよび後行散布ノズル３２ｃが設けられる溶接装置１では、適切な量のフラックスを開先９３内に供給することができ、アークがフラックスの外部に漏れ出すオープンアークの発生を抑制することが可能である。

【0028】

本実施の形態では、開先９３の幅は、極狭であり、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１の直径の２倍以下である。開先９３の幅は、当該直径よりも大きいため、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの端部３１１を開先９３内に配置することは可能であるが、当該端部３１１と開先９３の各側面９３１との間の隙間は、当該直径よりも小さい。したがって、仮に、大量のフラックスが当該隙間に入り込むと、溶接方向におけるトーチ部３の移動に支障が生じる可能性がある。既述のように、溶接装置１では、散布ノズル３２ａ～３２ｃの散布口３２０の高さが、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの先端の高さ以下であるため、大量のフラックスが上記隙間に入り込むことが抑制される。その結果、トーチ部３を溶接方向に沿って適切に移動することが可能である。図３では、開先９３内に供給されるフラックス９９を二点鎖線にて示す。

【0029】

図１および図２に示すように、溶接方向における保持ブロック３６の両端部には、倣い機構５の２個の位置調整部５１ａ，５１ｂがそれぞれ固定される。位置調整部５１ａ，５１ｂの詳細については後述する。保持ブロック３６の上方には、ベース部３７が配置される。ベース部３７は、溶接方向に延びる部材であり、溶接方向に並ぶ２個の接続板３８を介して、保持ブロック３６がベース部３７に固定される。ベース部３７の長手方向は、トーチ配列方向と平行である。溶接方向におけるベース部３７の両端部には、既述のワイヤ送給装置３３ａ，３３ｂがそれぞれ固定される。図２では、ワイヤ送給装置３３ａ，３３ｂの図示を省略している。なお、保持ブロック３６とベース部３７とが、１個の接続板３８により接続されてもよく、両者が一体的に形成されてもよい。

【0030】

図４は、支持部４を示す平面図である。図４では、トーチ部３を簡略化して示す。支持部４は、連結部４１を備える。上下方向に沿って見た場合に、連結部４１はＬ字状である。連結部４１の（－Ｘ）側の端部には、上下方向に延びる第１回転軸４３が設けられ、第１回転軸４３を介して後述のステージ２３１のＬ字板２３２が接続される。連結部４１は、第１回転軸４３を中心としてステージ２３１に対して自在に回転可能である。連結部４１の（＋Ｙ）側の端部には、上下方向に延びる第２回転軸４４が設けられ、第２回転軸４４を介して既述のベース部３７が接続される。ベース部３７は、第２回転軸４４を中心として連結部４１に対して自在に回転可能である。このようにして、連結部４１およびベース部３７では、開リンク機構が構成されており、第１回転軸４３周りの連結部４１の回転、および、第２回転軸４４周りのベース部３７の回転により、上下方向に垂直な面内においてトーチ部３が移動可能であり、溶接方向に対するトーチ配列方向の傾斜角も変更可能である。支持部４では、Ｌ字状の連結部４１を用いることにより、第１回転軸４３に掛かるモーメントを小さくしつつ、支持部４をコンパクトにすることが可能となる。

【0031】

図１および図２に示すように、移動機構２は、台車２１と、レール２２と、２軸ステージ２３とを備える。レール２２は、溶接方向に延びる。台車２１は、内部に電動モータ等を備えた自走式の台車であり、レール２２に沿って溶接方向に移動する。２軸ステージ２３は、台車２１に固定される。２軸ステージ２３は、ボールネジ機構および電動モータを有し、移動体であるステージ２３１を幅方向および上下方向に移動可能である。図４の例では、ステージ２３１にはＬ字板２３２が固定されており、当該Ｌ字板２３２に上記連結部４１が連結される。既述のように、連結部４１にはトーチ部３が接続されており、台車２１が溶接方向に移動することにより、トーチ部３も台車２１と共に溶接方向に移動する。また、２軸ステージ２３により、トーチ部３がステージ２３１と共に幅方向および上下方向にも移動する。移動機構２の構造は、様々に変更されてよく、駆動源としてリニアモータ等が利用されてもよい。

【0032】

図１に示すように、保持ブロック３６の（＋Ｘ）側には、開先深さ取得部６が配置される。開先深さ取得部６は、センサ支持部６１を介してベース部３７に固定される。開先深さ取得部６は、例えば、レーザセンサであり、出射部および受光部を有する。出射部がレーザ光を被溶接材９１の表面に照射し、当該表面にて反射した反射光を受光部にて受光することにより、開先９３の底面９３２までの距離が取得される。開先深さ取得部６では、開先９３の底面９３２までの距離が取得可能であるならば、他のセンサが用いられてもよい。

【0033】

既述のように、倣い機構５は、２個の位置調整部５１ａ，５１ｂを備える。位置調整部５１ａは、先行散布ノズル３２ａの（＋Ｘ）側に配置され、位置調整部５１ｂは、後行散布ノズル３２ｃの（－Ｘ）側に配置される。位置調整部５１ａは、溶接方向における開先９３の各位置を、先行散布ノズル３２ａよりも先に通過し、位置調整部５１ｂは、開先９３の当該位置を、後行散布ノズル３２ｃよりも後に通過する。図４のように上下方向に沿って見た場合に、位置調整部５１ａ，５１ｂは、トーチ部３の基準線Ｋ１（図４中に一点鎖線にて示す。）上に配置される。以下の説明では、位置調整部５１ａ，５１ｂをそれぞれ「先行位置調整部５１ａ」および「後行位置調整部５１ｂ」ともいう。

【0034】

各位置調整部５１ａ，５１ｂは、開先９３に対して機械倣いを行う。図１に示すように、位置調整部５１ａ，５１ｂは、支持軸５１１と、回転機構５１２と、接触ローラ支持部５１３と、一対の接触ローラ５１４とを備える。支持軸５１１は、上下方向に沿って延びており、図１の例では、上側から下側に向かうに従って直径が漸次小さくなる。支持軸５１１の上側の端部は、回転機構５１２に接続される。回転機構５１２は、圧縮空気を駆動源として支持軸５１１を回転する。

【0035】

支持軸５１１の下側の端部（開先９３側の端部であり、以下、単に「下端部」という。）には、接触ローラ支持部５１３が固定される。接触ローラ支持部５１３は、支持軸５１１に垂直な方向に延びる部材である。接触ローラ支持部５１３の幅は、支持軸５１１の下側の端部の直径と略同じである。接触ローラ支持部５１３の両端部には、一対の接触ローラ５１４がそれぞれ設けられる。一対の接触ローラ５１４は、好ましくは、同じ形状かつ同じ大きさである。上下方向に沿って見た場合に、一対の接触ローラ５１４および支持軸５１１は直線上に並び、一対の接触ローラ５１４は、支持軸５１１から同じ距離だけ離れる。各接触ローラ５１４は、接触ローラ支持部５１３の下側に配置され、接触ローラ支持部５１３に支持される。接触ローラ５１４は、上下方向に略平行な中心軸を中心とする円筒状であり、当該中心軸を中心として回転可能である。なお、一対の接触ローラ５１４において、形状および／または大きさが異なっていてもよい。また、先行位置調整部５１ａと後行位置調整部５１ｂとの間において、接触ローラ５１４の形状および／または大きさが異なっていてもよい。

【0036】

先行位置調整部５１ａにおいて、支持軸５１１の上端は、回転機構５１２から上方に突出する。図１および図４に示すように、当該上端には、被検出ローラ支持部５１６が取り付けられる。被検出ローラ支持部５１６は、支持軸５１１に対して略垂直な方向に突出する。被検出ローラ支持部５１６の先端部には、被検出ローラ５１７が設けられる。被検出ローラ５１７は、被検出ローラ支持部５１６の上側に配置され、上下方向に略平行な中心軸を中心として回転可能である。また、被検出ローラ５１７は、支持軸５１１を中心として支持軸５１１と共に回転し、支持軸５１１の回転角に応じて幅方向における被検出ローラ５１７の位置が変化する。本実施の形態では、被検出ローラ５１７の直径は、接触ローラ５１４と同じであり、支持軸５１１を中心とする周方向および径方向において、被検出ローラ５１７と一方の接触ローラ５１４とが同じ位置に配置される。したがって、上下方向に沿って見た場合に、支持軸５１１がいずれの回転角となるときでも、被検出ローラ５１７の全体が、一方の接触ローラ５１４の全体と重なる。

【0037】

図５は、開先幅取得部７の構成を示す図である。開先幅取得部７は、接触式の変位センサ７１と、開先幅算出部７０とを備える。変位センサ７１は、保持ブロック３６上に取り付けられ（図１参照）、被検出ローラ５１７の（－Ｙ）側に配置される。変位センサ７１には、円板状の接触部７２が幅方向に進退可能に設けられ、接触部７２が被検出ローラ５１７に対向する。変位センサ７１では、接触部７２が（＋Ｙ）方向に向かって弱い力で付勢されており、接触部７２が、被検出ローラ５１７に常時接触する。これにより、幅方向における被検出ローラ５１７の位置、正確には、支持軸５１１から幅方向に最も離れた被検出ローラ５１７の外縁の位置が測定される。被検出ローラ５１７の位置の測定値は、開先幅算出部７０に出力される。後述するように、開先幅算出部７０では、被検出ローラ５１７の位置から開先９３の幅が算出される。開先幅算出部７０は、例えば、制御部１０のコンピュータの機能により実現されてもよく、この場合、当該機能が、開先幅取得部７および制御部１０により共有されていると捉えることが可能である。

【0038】

次に、溶接装置１による被溶接材９１の開先９３に対する溶接処理について説明する。溶接処理では、図１の台車２１の移動によりトーチ部３が（－Ｘ）側から（＋Ｘ）側へと移動し、先行位置調整部５１ａの支持軸５１１、先行散布ノズル３２ａ、先行溶接トーチ３１ａ、中間散布ノズル３２ｂ、後行溶接トーチ３１ｂ、後行散布ノズル３２ｃ、後行位置調整部５１ｂの支持軸５１１が、溶接方向における開先９３の各位置を順に通過する。このとき、開先深さ取得部６により取得される開先９３の底面９３２までの距離に基づいて、制御部１０により２軸ステージ２３が制御され、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの先端と開先９３の底面９３２との間が一定の距離（例えば、３０～４０ｍｍ）に保たれる。すなわち、トーチ部３の高さが自動調整される。なお、直前に溶接ビードが形成されている場合、開先９３の底面９３２は、当該溶接ビードの上面である。溶接処理では、トーチ配列方向およびベース部３７が、必ずしもＸ方向（溶接方向）に平行とはならない。

【0039】

各位置調整部５１ａ，５１ｂでは、支持軸５１１の下端部が開先９３内に配置された後、回転機構５１２が圧縮空気の圧力により支持軸５１１を回転する。一対の接触ローラ５１４のうち一方の接触ローラ５１４が開先９３の一方の側面９３１に接触すると（押し当てられると）、トーチ部３が幅方向に受動的に移動しつつ、支持軸５１１がさらに回転する。そして、他方の接触ローラ５１４も開先９３の他方の側面９３１に接触する。これにより、図６に示すように、開先９３の両側面９３１間の中央に支持軸５１１が配置される。

【0040】

実際には、支持軸５１１の下端部が開先９３内に配置されている間、回転機構５１２が支持軸５１１に対して回転力を継続して付与する。したがって、開先９３の幅が変動する場合でも、一対の接触ローラ５１４が開先９３の両側面９３１に接触した状態が維持され、支持軸５１１が開先９３の両側面９３１間の中央に自動的に配置される。厳密には、一対の接触ローラ５１４が接触する開先９３の両側面９３１の位置は、溶接方向にずれているが、当該位置のずれは僅かであるため、倣い動作に対する影響は極めて小さい。

【0041】

また、開先９３の長手方向がＸ方向（台車２１の移動方向であり、溶接方向である。）に対して傾いていたり、開先９３がＸ方向に沿って蛇行する場合もある。このような場合でも、トーチ部３のトーチ配列方向がＸ方向に対して受動的に傾斜しつつ、先行位置調整部５１ａの支持軸５１１、および、後行位置調整部５１ｂの支持軸５１１が、開先９３の両側面９３１間の中央に自動的に配置される。換言すると、トーチ部３の基準線Ｋ１が、幅方向における開先９３の中央に配置される。これにより、開先９３内において幅方向の両側に均質に広がる、適切な溶接ビード（すなわち、欠陥が抑制された溶接ビード）を形成することが可能となる。

【0042】

図１に示すように、先行位置調整部５１ａにおける一対の接触ローラ５１４は、散布ノズル３２ａ～３２ｃの下端（散布口３２０）よりも下方、かつ、開先９３の底面９３２よりも上方に配置される。したがって、溶接ビードを形成すべき上下方向の位置近傍において、先行位置調整部５１ａの一対の接触ローラ５１４を開先９３の両側面９３１に接触させて、支持軸５１１を開先９３の中央に配置することが可能である。一方、後行位置調整部５１ｂにおける一対の接触ローラ５１４は、散布ノズル３２ａ～３２ｃの下端よりも上方に配置されるため、開先９３に散布されたフラックスの影響を受けることなく、支持軸５１１を開先９３の中央に配置することが可能である。

【0043】

また、溶接処理では、図７に示すように、溶接方向における開先９３の各位置において、被検出ローラ５１７の幅方向の位置が、変位センサ７１により取得される。開先幅算出部７０（図５参照）では、例えば、被検出ローラ５１７の幅方向の位置から支持軸５１１の回転角が特定され、当該回転角を用いて溶接方向の各位置における開先９３の幅が算出される。開先幅算出部７０では、被検出ローラ５１７の幅方向の位置と、開先９３の幅との関係を示す関数やテーブル等が予め準備されていてもよい。

【0044】

本処理例では、開先９３の複数通りの幅に対して、溶接欠陥が生じにくい溶接条件を示す参照テーブルが、実験等により予め求められ、制御部１０に記憶されている。溶接条件は、例えば、溶接トーチ３１ａ，３１ｂに付与する電流および電圧である。制御部１０では、開先幅取得部７により取得される開先９３の幅を用いて参照テーブルを参照することにより、溶接方向の各位置における溶接条件が決定される。そして、溶接トーチ３１ａ，３１ｂの先端が当該位置に到達する際に、当該溶接条件が示す電流および電圧が溶接トーチ３１ａ，３１ｂに付与される。なお、溶接方向におけるトーチ部３の移動速度（溶接速度）が溶接条件に含まれ、溶接処理において、溶接方向の各位置への溶接時における当該移動速度が、当該位置における開先９３の幅に合わせて変更されてもよい。

【0045】

溶接装置１では、トーチ部３が開先９３の（－Ｘ）側の端部から（＋Ｘ）側の端部まで移動することにより、溶接方向における開先９３の全体に延びる溶接ビードが形成される。次の溶接ビードを形成する場合、２軸ステージ２３がトーチ部３を上方に移動した後、台車２１の移動によりトーチ部３が被溶接材９１の（－Ｘ）側に配置される。その後、上記と同様にして、溶接ビードの形成が行われる。溶接ビードの形成を所定回数繰り返すことにより、多層の溶接ビードが積層され、溶接処理が完了する。

【0046】

上記溶接装置１では、先行位置調整部５１ａおよび後行位置調整部５１ｂが設けられるが、倣い機構５は、１個の位置調整部のみを有するものであってもよい。例えば、トーチ部３が１個の溶接トーチのみを有する場合等には、１個の位置調整部のみを用いて、当該溶接トーチ（トーチ部３の基準位置）を開先９３の略中央に配置し、溶接ビードを適切に形成することが可能である。

【0047】

以上に説明したように、溶接装置１は、トーチ部３と、支持部４と、移動機構２と、倣い機構５とを備える。トーチ部３は、被溶接材９１間の突合せ部に、所定の長手方向に延びて形成される開先９３に溶接を行う。支持部４は、被溶接材９１が並ぶ幅方向にトーチ部３を移動可能な状態で支持する。移動機構２は、当該長手方向に沿う溶接方向に支持部４をトーチ部３と共に移動する。倣い機構５は、トーチ部３に対して固定されており、支持軸５１１と、一対の接触子（上記では、接触ローラ５１４）と、回転機構５１２とを備える。支持軸５１１は、開先９３の深さ方向（上記では、上下方向）に沿って延びる。一対の接触子は、支持軸５１１の開先９３側の端部に取り付けられるとともに、支持軸５１１に沿って見た場合に支持軸５１１を挟んで両側に配置される。回転機構５１２は、支持軸５１１の当該端部が開先９３に挿入された状態で支持軸５１１を回転することにより、一対の接触子を開先９３の両側面９３１にそれぞれ接触させる。これにより、倣い機構５では、幅方向における開先９３の中央にトーチ部３の基準位置（上記では、トーチ部３の基準線Ｋ１）を配置することが容易に可能となる、すなわち、開先９３に対してトーチ部３を容易に倣わせることができる。その結果、溶接装置１では、好ましい溶接ビードを形成することが実現される。

【0048】

好ましくは、一対の接触子のそれぞれが、支持軸５１１に沿う中心軸を中心として回転可能な接触ローラ５１４である。これにより、開先９３内において一対の接触子を滑らかに移動させることができ、開先９３に対してトーチ部３をより確実に倣わせることができる。なお、溶接装置１の設計によっては、一対の接触子がローラ以外であってもよく、開先９３の両側面９３１に摺動する部材であってもよい。

【0049】

好ましくは、トーチ部３が、溶接方向に沿う配列方向（上記では、トーチ配列方向）に配列された複数の溶接トーチ３１ａ，３１ｂを備える。支持部４が、上記深さ方向に垂直な面内において、溶接方向に対する配列方向の傾斜角を変更可能である。また、倣い機構５が、支持軸５１１、一対の接触子および回転機構５１２を有する位置調整部５１ａと、位置調整部５１ａと同様の構造を有する他の位置調整部５１ｂとを備える。溶接方向に関して、位置調整部５１ａと位置調整部５１ｂとの間に、複数の溶接トーチ３１ａ，３１ｂが配置される。このような構造により、開先９３の傾きや蛇行に合わせて、複数の溶接トーチ３１ａ，３１ｂの配列方向を傾けることができ、好ましい溶接ビードをより確実に形成することができる。

【0050】

好ましくは、支持部４が、移動機構２の移動体（上記では、ステージ２３１）とトーチ部３との間を連結する連結部４１を備える。連結部４１が、深さ方向に沿う第１回転軸４３を中心として当該移動体に対して回転可能であり、トーチ部３が、深さ方向に沿う第２回転軸４４を中心として連結部４１に対して回転可能である。第１回転軸４３周りの連結部４１の回転、および、第２回転軸４４周りのトーチ部３の回転により、トーチ部３が幅方向に移動可能であり、かつ、上記配列方向の傾斜角が変更可能である。このような溶接装置１では、支持部４の構成を簡素化することができる。なお、支持部４の構成は任意に変更されてよく、例えば、トーチ部３を幅方向に移動可能とするスライド機構等が利用されてもよい。

【0051】

好ましくは、溶接装置１が、開先幅取得部７と、制御部１０とをさらに備える。開先幅取得部７は、一対の接触子が開先９３の両側面９３１に接触した状態における支持軸５１１の回転角に基づいて、開先９３の幅を取得する。制御部１０は、開先幅取得部７による出力に基づいて溶接条件を決定する。これにより、実際の開先９３の幅に基づく適切な溶接条件を用いて溶接を行うことができ、欠陥が抑制された溶接ビードを形成することが可能となる。なお、制御部１０を実現するコンピュータは、トーチ部３および移動機構２等を含む溶接装置１の本体から離れた位置に設けられてもよい。この場合に、当該コンピュータが、インターネット等のネットワークを介して溶接装置１の本体に通信可能に接続されてもよく、制御部１０が、クラウドコンピューティングにより実現されてもよい。

【0052】

好ましくは、倣い機構５の支持軸５１１において、支持軸５１１から突出して配置される被検出部（上記では、被検出ローラ５１７）が設けられ、支持軸５１１に垂直な一の方向における被検出部の位置が、支持軸５１１の回転角に応じて変化する。開先幅取得部７が、当該一の方向における被検出部の位置を測定することにより、開先９３の幅を取得する。このような溶接装置１では、開先９３の幅を容易に取得することができる。なお、被検出部は、ローラ以外であってもよい。

【0053】

好ましくは、トーチ部３において、フラックスを散布する散布ノズル３２ａ、および、溶接を行う溶接トーチ３１ａが溶接方向に沿って設けられる。開先９３の溶接時に、散布ノズル３２ａの散布口３２０および溶接トーチ３１ａの端部３１１が、開先９３内に配置され、溶接方向における開先９３の各位置を散布ノズル３２ａおよび溶接トーチ３１ａが順に通過する。開先９３の幅が、溶接トーチ３１ａの当該端部３１１の直径の２倍以下であり、開先９３の底面９３２から散布ノズル３２ａの散布口３２０までの高さが、溶接トーチ３１ａの当該端部３１１の先端までの高さ以下である。これにより、溶接トーチ３１ａと開先９３の側面９３１との間にフラックスが詰まり、トーチ部３の移動が阻害されることを抑制することができる。

【0054】

上記溶接装置１では様々な変形が可能である。

【0055】

上記実施の形態では、一対の接触子（接触ローラ５１４）が、支持軸５１１から同じ距離だけ離れるため、幅方向においてトーチ部３の基準位置が開先９３の中央に配置される（すなわち、後述の所定位置が開先９３の中央である）。一方、溶接装置１の設計によっては、一方の接触子と支持軸５１１との間の第１の距離が、他方の接触子と支持軸５１１との間の第２の距離と相違してもよい。このような溶接装置１では、第１の距離と第２の距離との比に対応する、幅方向における開先９３の所定位置に、トーチ部３の基準位置を配置することが可能である。この場合、例えば、溶接トーチ３１ａ，３１ｂが開先９３の中央に配置されるように、幅方向においてトーチ部３の基準位置からずれた位置に溶接トーチ３１ａ，３１ｂが配置される。

【0056】

上下方向において、一対の接触子が取り付けられる支持軸５１１の位置は、当該一対の接触子が開先９３の両側面９３１に接触可能であるならば、支持軸５１１の先端から（＋Ｚ）側にある程度離れていてもよい。すなわち、一対の接触子が取り付けられる支持軸５１１の端部は、支持軸５１１の先端からある程度離れた支持軸５１１の部位も含む。また、一対の接触子は、上下方向に互いにずれた位置に配置されてもよい。

【0057】

上記実施の形態の形態では、支持軸５１１に沿って見た場合に、被検出ローラ５１７が接触ローラ５１４と同じ位置に配置されるが、図８に示すように、被検出ローラ５１７が接触ローラ５１４と異なる位置に配置されてもよい。図８の例では、支持軸５１１を中心として接触ローラ５１４から９０°ずらした角度位置に被検出ローラ５１７が配置される。この場合、変位センサ７１の長手方向を溶接方向に略平行とすることができ、トーチ部３に取り付けられる構成の幅方向のサイズを小さくすることが可能となる。

【0058】

上記実施の形態では、被検出ローラ５１７が開先９３の外部に配置されるが、開先９３の幅等によっては、被検出ローラ５１７が開先９３の内部に配置されてもよい。

【0059】

開先幅取得部７では、接触式の変位センサ７１が設けられるが、被検出ローラ５１７の変位が取得可能であるならば、他の種類のセンサが用いられてもよい。また、開先幅取得部７では、ロータリエンコーダ等を支持軸５１１に取り付けることにより、支持軸５１１の回転角が取得されてもよい。支持軸５１１の回転角に基づいて開先９３の幅を取得する開先幅取得部７は、様々な態様にて実現することが可能である。

【0060】

溶接トーチの個数は、１個または３個以上であってもよい。この場合でも、上記倣い機構５を有する溶接装置１では、開先９３に対してトーチ部３を容易に倣わせて、好ましい溶接ビードを形成することが可能である。例えば、溶接トーチの個数が１個である場合、溶接方向における当該溶接トーチの前後に散布ノズルが設けられることが好ましい。散布ノズルの個数も、溶接トーチの個数に合わせて適宜変更されてよい。

【0061】

溶接装置１では、溶接部の１層が複数パスにより形成されてもよい。この場合、例えば、幅方向における溶接トーチ３１ａ，３１ｂの位置をトーチ部３の基準線Ｋ１に対してパス毎にずらすことにより、各パスにおいて、開先９３の中央から所望の距離だけずれた位置に溶接ビードを形成することが可能である。

【0062】

移動機構２は、必ずしも支持部４およびトーチ部３を移動させる機構である必要はなく、被溶接材９１を溶接方向に移動させる機構であってもよい。すなわち、移動機構２は、溶接方向に支持部４およびトーチ部３を被溶接材９１に対して相対的に移動すればよい。

【0063】

被溶接材９１は、略平板状や略円筒状等、様々な形状を有していてよい。また、複数の溶接装置１が設けられ、１つまたは複数の開先９３に対して並行して（同時に）溶接が行われてもよい。この場合に、複数の溶接装置１における溶接条件が同じであっても、異なっていてもよい。

【0064】

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

【符号の説明】

【0065】

１ 溶接装置
２ 移動機構
３ トーチ部
４ 支持部
５ 倣い機構
７ 開先幅取得部
１０ 制御部
３１ａ，３１ｂ 溶接トーチ
３２ａ～３２ｃ 散布ノズル
４１ 連結部
４３ 第１回転軸
４４ 第２回転軸
５１ａ，５１ｂ 位置調整部
９１ 被溶接材
９３ 開先
９９ フラックス
２３１ ステージ
３１１ （溶接トーチの）端部
３２０ 散布口
５１１ 支持軸
５１２ 回転機構
５１４ 接触ローラ
５１７ 被検出ローラ
９３１ （開先の）側面
９３２ （開先の）底面
Ｋ１ 基準線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】