特許 7510900 溶接装置及び溶接方法

(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】

(24)【登録日】2024-06-26

(45)【発行日】2024-07-04

(54)【発明の名称】溶接装置及び溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/16 20060101AFI20240627BHJP

   B23K 9/18 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 10/02 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 9/167 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 37/02 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 37/06 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 9/035 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

B23K9/16 K

B23K9/18 A

B23K10/02 A

B23K9/167 A

B23K37/02 B

B23K9/16 L

B23K31/00 A

B23K37/06 L

B23K9/035 A

B23K37/06 G

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021043903

(22)【出願日】2021-03-17

(65)【公開番号】P2022143413

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2023-06-01

(73)【特許権者】

【識別番号】302040135

【氏名又は名称】日鉄溶接工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100167634

【弁理士】

【氏名又は名称】扇田 尚紀

(74)【代理人】

【識別番号】100187849

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 隆史

(74)【代理人】

【識別番号】100212059

【弁理士】

【氏名又は名称】三根 卓也

(72)【発明者】

【氏名】田中 良一

(72)【発明者】

【氏名】中野 優

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２７６９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２５２６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２９７４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０７７３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－００１３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５４０２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／１６

Ｂ２３Ｋ ９／１８

Ｂ２３Ｋ １０／０２

Ｂ２３Ｋ ９／１６７

Ｂ２３Ｋ ３７／０２

Ｂ２３Ｋ ３１／００

Ｂ２３Ｋ ３７／０６

Ｂ２３Ｋ ９／０３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被溶接物を溶接する溶接装置において、
前記被溶接物の溶接線に沿って走行する溶接台車と、
前記溶接台車に設けられ、前記溶接線に沿ってサブマージアーク溶接を行うサブマージアーク溶接トーチと、
前記溶接線に沿って非消耗電極式アーク溶接を行う非消耗電極溶接トーチと、
前記サブマージアーク溶接を行う際、フラックスを散布した裏当材を上昇させ、前記被溶接物の溶接部位の裏面に当該裏当材を押し当てる裏当支持装置と、
前記非消耗電極式アーク溶接を行う際、前記裏当支持装置によって前記裏当材を下降させた状態で、前記被溶接物の溶接部位の裏面に不活性ガスを供給するバックシールドガス供給装置と、を備える、溶接装置。

【請求項2】

前記非消耗電極溶接トーチは、プラズマ溶接を行う溶接トーチである、請求項１に記載の溶接装置。

【請求項3】

前記非消耗電極溶接トーチは、ティグ溶接を行う溶接トーチである、請求項１に記載の溶接装置。

【請求項4】

前記非消耗電極溶接トーチは、前記被溶接物の表面を前記溶接線に沿って走行する他の溶接台車に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の溶接装置。

【請求項5】

前記非消耗電極溶接トーチは、前記溶接台車に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の溶接装置。

【請求項6】

溶接装置を用いて被溶接物を溶接する溶接方法であって、
前記溶接装置は、
前記被溶接物の溶接線に沿って走行する溶接台車と、
前記溶接台車に設けられ、前記溶接線に沿ってサブマージアーク溶接を行うサブマージアーク溶接トーチと、
前記溶接線に沿って非消耗電極式アーク溶接を行う非消耗電極溶接トーチと、を備え、
少なくとも前記サブマージアーク溶接又は前記非消耗電極式アーク溶接を行って、前記被溶接物を溶接し、
前記サブマージアーク溶接を行う際、裏当支持装置によってフラックスを散布した裏当材を上昇させ、前記被溶接物の溶接部位の裏面に当該裏当材を押し当て、
前記非消耗電極式アーク溶接を行う際、前記裏当支持装置によって前記裏当材を下降させた状態で、バックシールドガス供給装置から前記被溶接物の溶接部位の裏面に不活性ガスを供給する、溶接方法。

【請求項7】

前記溶接線に沿って前記サブマージアーク溶接トーチを移動させて前記サブマージアーク溶接を行い、
その後、前記非消耗電極溶接トーチを用いて前記非消耗電極式アーク溶接を行い、前記被溶接物のドレッシングを行う、請求項６に記載の溶接方法。

【請求項8】

前記非消耗電極式アーク溶接は、プラズマ溶接である、請求項６又は７のいずれか一項に記載の溶接方法。

【請求項9】

前記非消耗電極式アーク溶接は、ティグ溶接である、請求項６又は７のいずれか一項に記載の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被溶接物を溶接する溶接装置及び当該溶接装置を用いた溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば造船、鉄骨、造管、橋梁、車両等の大型構造物における鋼板の溶接では、サブマージアーク溶接が用いられている（特許文献１）。サブマージアーク溶接では、上面にフラックスを散布した裏当部材を、溶接対象の鋼板間の板継ぎ開先部の下面に当てて裏当て支持し、開先には必要に応じて溶加材（例えばカットワイヤ及びフラックス）を散布して、複数の電極で片面からアーク溶接を行う。

【0003】

サブマージアーク溶接は、例えば１０ｍｍ～４０ｍｍの比較的に厚い鋼板を大入熱で溶接するには適しており、高効率な溶接が実現できる。しかしながら、例えば６ｍｍ～９ｍｍの比較的に薄い鋼板の溶接にサブマージアーク溶接を適用すると、ビード過大等の溶接外観不良や溶接熱による鋼板歪み（曲がり）が発生し、溶接後の鋼板の熱変形量が大きくなるため、構造物の寸法精度が低下すると共に、構造物の寿命が低下するおそれがある。

【0004】

そこで、特許文献２では、薄鋼板の溶接にガスシールドアーク溶接を適用し、厚鋼板のサブマージアーク溶接と、薄鋼板のガスシールドアーク溶接とを、選択的に実施することが提案されている。すなわち、特許文献２に開示された溶接装置は、サブマージアーク溶接トーチとガスシールドアーク溶接トーチを備えている。

【0005】

また、特許文献３では、薄鋼板の溶接にプラズマ溶接を適用し、特に突合せ溶接にプラズマ溶接を適用する場合には、プラズマキーホール溶接を用いることが開示されている。プラズマ溶接は、プラズマ溶接トーチ内に電極を有し、アルゴンと水素を混合した混合ガスを加熱してプラズマガス状態にした中にプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークをノズル先端の穴を通過させることでプラズマアークを狭窄して熱源の集中性を高めた溶接方法である。そして、プラズマキーホール溶接では、付き合わせた鋼板間にプラズマアークを貫通させながら鋼板同士を接合する。このプラズマキーホール溶接では、ガスシールドアーク溶接に比べて熱源の集中性が高いため、溶接熱による鋼板歪みをさらに抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００７－２２２９０９号公報

【文献】特開２００６－２９７４５９号公報

【文献】特開２０１９－５１５４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述のように、薄鋼板の溶接にはプラズマ溶接を適用するのが好ましい。しかしながら、従来、厚鋼板のサブマージアーク溶接と、薄鋼板のプラズマ溶接とは、それぞれ別の溶接装置で行われていたため効率が悪く、また設備費用も高価なものとなっていた。したがって、厚鋼板溶接と薄鋼板溶接には改善の余地があった。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、厚鋼板溶接と薄鋼板溶接を効率よく、且つ安価に実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決する本発明は、被溶接物を溶接する溶接装置において、前記被溶接物の溶接線に沿って走行する溶接台車と、前記溶接台車に設けられ、前記溶接線に沿ってサブマージアーク溶接を行うサブマージアーク溶接トーチと、前記溶接線に沿って非消耗電極式アーク溶接を行う非消耗電極溶接トーチと、前記サブマージアーク溶接を行う際、フラックスを散布した裏当材を上昇させ、前記被溶接物の溶接部位の裏面に当該裏当材を押し当てる裏当支持装置と、前記非消耗電極式アーク溶接を行う際、前記裏当支持装置によって前記裏当材を下降させた状態で、前記被溶接物の溶接部位の裏面に不活性ガスを供給するバックシールドガス供給装置と、を備えることを特徴としている。

【0010】

前記溶接装置において、前記非消耗電極溶接トーチは、プラズマ溶接を行う溶接トーチであってもよい。また、前記非消耗電極溶接トーチは、ティグ溶接を行う溶接トーチであってもよい。

【0011】

前記溶接装置において、前記非消耗電極溶接トーチは、前記被溶接物の表面を前記溶接線に沿って走行する他の溶接台車に設けられていてもよい。また、前記非消耗電極溶接トーチは、前記溶接台車に設けられていてもよい。

【0013】

別の観点による本発明は、溶接装置を用いて被溶接物を溶接する溶接方法であって、前記溶接装置は、前記被溶接物の溶接線に沿って走行する溶接台車と、前記溶接台車に設けられ、前記溶接線に沿ってサブマージアーク溶接を行うサブマージアーク溶接トーチと、前記溶接線に沿って非消耗電極式アーク溶接を行う非消耗電極溶接トーチと、を備え、少なくとも前記サブマージアーク溶接又は前記非消耗電極式アーク溶接を行って、前記被溶接物を溶接し、前記サブマージアーク溶接を行う際、裏当支持装置によってフラックスを散布した裏当材を上昇させ、前記被溶接物の溶接部位の裏面に当該裏当材を押し当て、前記非消耗電極式アーク溶接を行う際、前記裏当支持装置によって前記裏当材を下降させた状態で、バックシールドガス供給装置から前記被溶接物の溶接部位の裏面に不活性ガスを供給することを特徴としている。

【0014】

前記溶接方法において、前記溶接線に沿って前記サブマージアーク溶接トーチを移動させて前記サブマージアーク溶接を行い、その後、前記非消耗電極溶接トーチを用いて前記非消耗電極式アーク溶接を行い、前記被溶接物のドレッシングを行ってもよい。

【0015】

前記溶接方法において、前記非消耗電極式アーク溶接は、プラズマ溶接であってもよい。また、前記非消耗電極式アーク溶接は、ティグ溶接であってもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、１つの溶接装置を用いて、サブマージアーク溶接トーチを用いた厚鋼板のサブマージアーク溶接と、非消耗電極式アーク溶接を用いた薄鋼板の非消耗電極式アーク溶接とを、選択的に実施することができる。このため、これら厚鋼板溶接と薄鋼板溶接を効率よく行うことができ、また経済的にも安価に溶接を実現することができる。しかも、板厚に応じて適切な溶接を施すことができるので、溶接熱による鋼板歪みを抑え、溶接欠陥を効率的に抑制して、高疲労強度の溶接部位を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施形態にかかる溶接装置の構成の概略を示す側面図である。

【図2】本実施形態にかかる第１の溶接台車と溶接ヘッド基台の構成の概略を示す側面図である。

【図3】本実施形態にかかる第１の溶接台車の構成の概略を示す側面図である。

【図4】本実施形態にかかる溶接ヘッド基台の構成の概略を示す側面図である。

【図5】本実施形態にかかる第１の裏当装置の構成の概略を示す側面図である。

【図6】本実施形態において鋼板をサブマージアーク溶接する様子を示す説明図である。

【図7】本実施形態にかかる第２の溶接台車の構成の概略を示す側面図である。

【図8】本実施形態にかかる第２の溶接台車の構成の概略を示す側面図である。

【図9】他の実施形態にかかる溶接ヘッド基台の構成の概略を示す側面図である。

【図10】他の実施形態にかかる溶接ヘッド基台の構成の概略を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0020】

＜溶接装置１の構成＞
先ず、本実施形態にかかる溶接装置（溶接設備）の構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる溶接装置１の構成の概略を示す側面図である。なお、以下においては、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を規定し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を水平方向とし、Ｚ軸正方向を鉛直上向き方向とする。

【0021】

図１に示すように溶接装置１では、複数の鋼板を仮付け溶接により連接した大板、すなわち鋼板Ｈ（本発明における被溶接物）を溶接する。具体的に溶接装置１は、鋼板Ｈに対し、同一の溶接線に沿って、すなわち同一直線又は同一曲線上に沿って、サブマージアーク溶接とプラズマ溶接を選択的に実施し、或いはサブマージアーク溶接とプラズマ溶接を連続的に実施する。なお、本実施形態では、サブマージアーク溶接として、多電極を用いた片面サブマージアーク溶接を行う。また、プラズマ溶接として、プラズマキーホール溶接を行う。

【0022】

溶接装置１において、鋼板Ｈは、図示しない搬送ローラによって、図１に示す高さでＸ軸方向に搬送される。また、溶接装置１が設けられる床面（ピット底面）には、Ｘ軸方向に延伸する一対のレール２、２が敷設されている。レール２には門型台車３が取り付けられ、門型台車３はレール２上をＸ軸方向に走行することができる。なお、門型台車３は固定式でもよい。

【0023】

門型台車３においてＹ軸方向に延伸する梁３ａには、Ｙ軸方向（鋼板Ｈの溶接線が延伸する方向）に走行する第１の溶接台車１０（本発明における溶接台車）が設けられている。第１の溶接台車１０には、溶接ヘッド基台１１が支持されている。溶接ヘッド基台１１は、サブマージアーク溶接装置を備えている。溶接ヘッド基台１１は、第１の溶接台車１０と共にＹ軸方向に移動して、鋼板ＨのＸ軸方向に分布する、仮付け溶接で連接した２つの鋼板Ｈ、Ｈ間の板継ぎ溶接部をサブマージアーク溶接する。なお、第１の溶接台車１０と溶接ヘッド基台１１の詳細な構成は後述する。

【0024】

溶接装置１が設けられる床面には、一対のレール２、２の内側においてＹ軸方向に数十ｍに渡って、Ｘ軸方向に延伸する複数のレール４が敷設されている。レール４には第１の裏当台車１２が取り付けられ、第１の裏当台車１２はレール４上をＸ軸方向に走行することができる。第１の裏当台車１２はサブマージアーク溶接を行う際に用いられ、当該第１の裏当台車１２には、Ｙ軸方向に延伸する裏当銅板１３（本発明における裏当材）を支持する裏当支持装置１４が設けられている。裏当支持装置１４は、第１の裏当台車１２においてＹ軸方向に複数並べて設けられている。なお、第１の裏当台車１２の詳細な構成は後述する。

【0025】

鋼板Ｈの下方であって第１の裏当台車１２の上方には、サブマージアーク溶接を行う際に裏当銅板１３にフラックスを散布し、またサブマージアーク溶接を行った後に裏当銅板１３上に残存するフラックスを回収して除去するためのフラックス散布・回収台車１５が設けられている。フラックス散布・回収台車１５は、裏当銅板１３上をＹ軸方向に走行することができる。

【0026】

鋼板Ｈの上面には、Ｙ軸方向に走行する第２の溶接台車２０（本発明における他の溶接台車）が設けられている。第２の溶接台車２０は、プラズマ溶接装置を備えている。第２の溶接台車２０はＹ軸正方向に移動して、鋼板ＨのＸ軸方向に延伸し、仮付け溶接で連接した２つの鋼板Ｈ、Ｈ間の板継ぎ溶接部をプラズマ溶接する。なお、第２の溶接台車２０の詳細な構成は後述する。

【0027】

鋼板Ｈの下方であって第１の裏当台車１２の上方、すなわちフラックス散布・回収台車１５と同じ高さ位置には、第２の裏当台車２１が設けられている。第２の裏当台車２１は、プラズマ溶接用のバックシールドガス供給装置を備えている。

【0028】

以上のように溶接装置１では、第１の溶接台車１０、溶接ヘッド基台１１、第１の裏当台車１２及びフラックス散布・回収台車１５を用いて、鋼板Ｈのサブマージアーク溶接を行うことができる。また溶接装置１では、第２の溶接台車２０及び第２の裏当台車２１を用いて、鋼板Ｈのプラズマ溶接を行うことができる。

【0029】

＜第１の溶接台車１０と溶接ヘッド基台１１の構成＞
次に、上述した第１の溶接台車１０と溶接ヘッド基台１１の構成について説明する。図２は、第１の溶接台車１０と溶接ヘッド基台１１の構成の概略を示す側面図である。図３は、第１の溶接台車１０の構成の概略を示す側面図である。図４は、溶接ヘッド基台１１の構成の概略を示す側面図である。

【0030】

図２及び図３に示すように第１の溶接台車１０の下部には、垂直フレーム３０が鉛直下方に延伸して設けられている。垂直フレーム３０には、昇降フレーム３１がＺ軸方向に昇降自在に支持され、昇降フレーム３１は、昇降駆動モータを含む昇降駆動機構３２によってＺ軸方向に昇降移動する。昇降フレーム３１には、溶接ヘッド基台１１がＸ軸方向に移動自在に吊り下げ支持され、溶接ヘッド基台１１は、昇降フレーム３１上に設けられ、水平駆動モータを含む水平駆動機構３３によってＸ軸方向、すなわち鋼板Ｈの溶接部位における開先を横切る方向（開先の幅方向）に移動する。

【0031】

第１の溶接台車１０には、溶接ヘッド基台１１の後述するフラックス散布ノズル６０、６３にフラックスを供給するためのフラックスホッパー４０が設けられている。また、第１の溶接台車１０には、溶接ヘッド基台１１の後述するサブマージアーク溶接トーチ６１、６２、６４に溶接ワイヤを供給する３台のワイヤコイル４１が設けられている。

【0032】

図４に示すように溶接ヘッド基台１１の下部には、吊り脚５０が設けられている。吊り脚５０の一端部には、開先のＸ軸方向（幅方向）及びＺ軸方向（深さ方向）の位置ずれを検出する開先位置センサ５１が支持されている。吊り脚５０の他端部には、開先検知器の倣いローラ５２、及び当該倣いローラ５２を支持し倣いローラ５２を開先の幅中心とするようにＸ軸方向及びＺ軸方向に位置調整（設定）する手動調整機構５３が支持されている。サブマージアーク溶接を行う際には、開先位置センサ５１或いは開先検知器の倣いローラ５２からの、開先のＸ軸方向及びＺ軸方向の位置ずれ信号に基づいて、図示しない制御装置が、開先に対して溶接ヘッド基台１１が予め設定された所定の高さ位置及びＸ軸方向位置になるように、昇降駆動機構３２の昇降駆動モータ及び水平駆動機構３３の水平駆動モータを駆動する。

【0033】

溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）で倣いローラ５２の後方には、カットワイヤ散布装置の図示しないカットワイヤ散布ノズルが設けられている。カットワイヤ散布ノズルには、溶接ヘッド基台１１に設けられた図示しないカットワイヤホッパに収納したカットワイヤが供給される。

【0034】

溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）でカットワイヤ散布ノズルの後方には第１のフラックス散布ノズル６０が設けられ、さらにその後方には第１のサブマージアーク溶接トーチ６１が設けられている。第１のフラックス散布ノズル６０は、第１のサブマージアーク溶接トーチ６１の基幹に支持されている。第１のサブマージアーク溶接トーチ６１の基幹は、溶接ヘッド基台１１に支持されている。第１のフラックス散布ノズル６０には、図２及び図３に示す第１の溶接台車１０上のフラックスホッパー４０からフラックスが供給される。第１のサブマージアーク溶接トーチ６１には、図２及び図３に示す第１の溶接台車１０上の３台のうちの一のワイヤコイル４１から溶接ワイヤが供給される。

【0035】

溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）で第１のサブマージアーク溶接トーチ６１の後方には、第２のサブマージアーク溶接トーチ６２が設けられている。第２のサブマージアーク溶接トーチ６２の基幹は、溶接ヘッド基台１１に支持されている。第２のサブマージアーク溶接トーチ６２には、図２及び図３に示す第１の溶接台車１０上の３台のうちの一のワイヤコイル４１から溶接ワイヤが供給される。

【0036】

溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）で第２のサブマージアーク溶接トーチ６２の後方には第２のフラックス散布ノズル６３が設けられ、さらにその後方には第３のサブマージアーク溶接トーチ６４が設けられている。第２のフラックス散布ノズル６３は、第３のサブマージアーク溶接トーチ６４の基幹に支持されている。第３のサブマージアーク溶接トーチ６４の基幹は、溶接ヘッド基台１１に支持されている。第２のフラックス散布ノズル６３には、図２及び図３に示す第１の溶接台車１０上のフラックスホッパー４０からフラックスが供給される。第３のサブマージアーク溶接トーチ６４には、図２及び図３に示す第１の溶接台車１０上の３台のうちの一のワイヤコイル４１から溶接ワイヤが供給される。

【0037】

なお、本実施形態の溶接ヘッド基台１１には、３つのサブマージアーク溶接トーチ６１、６２、６４が設けられていたが、サブマージアーク溶接トーチの数はこれに限定されない。

【0038】

溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）で第３のサブマージアーク溶接トーチ６４の後方には、フラックス回収器（吸引ノズル）６５が設けられている。フラックス回収器６５の基幹は、溶接ヘッド基台１１に支持されている。フラックス回収器６５は、溶接後の開先周りに残留するフラックスを吸引して、図２及び図３に示すフラックスホッパー４０に戻す。

【0039】

＜第１の裏当台車１２の構成＞
次に、上述した第１の裏当台車１２の構成について説明する。図５は、第１の裏当台車１２を含む第１の裏当装置の構成の概略を示す側面図である。

【0040】

図５に示すように第１の裏当台車１２には、一対の垂直ブロック７０、７１がそれぞれＸ軸正方向側とＸ軸負方向側に設けられている。垂直ブロック７０、７１の上面それぞれには、鋼板Ｈを搬送ローラ７２、７３が設けられている。また、垂直ブロック７０、７１の上面それぞれには、鋼板拘束用マグネット７４と、鋼板Ｈの板継部の高さ調節のための下支え固定ローラ７５が設けられている。鋼板Ｈの板継部は裏当銅板１３の真上に位置し、板継部よりＸ軸方向側の鋼板Ｈは下支え固定ローラ７５で下支えられる。

【0041】

第１の裏当台車１２には、上述したようにＹ軸方向に延伸する裏当銅板１３を支持する複数の裏当支持装置１４が設けられている。裏当銅板１３と裏当支持装置１４は、垂直ブロック７０、７１の間に設けられている。

【0042】

裏当支持装置１４は、裏当銅板１３を支持する裏当銅板台車８０を備えている。裏当銅板台車８０は、昇降フレーム９０に支持され、Ｘ軸方向に移動自在に構成されている。裏当銅板台車８０には、裏当銅板１３を支持する銅板支持台８１と、銅板支持台８１をＺ軸方向に昇降させるエアホース８２とが設けられている。エアホース８２は、例えば消防用の送水用ホースを転用したものであり、当該エアホース８２に圧縮エアが送給されて、エアホース８２が楕円形になるように膨らむことで銅板支持台８１が上昇する。

【0043】

昇降フレーム９０は、垂直ブロック７０、７１の間においてＺ軸方向に昇降自在に構成されている。昇降フレーム９０は、Ｘ軸正方向に突出するアーム９１とＸ軸負方向に突出するアーム９２を備えている。アーム９１、９２はそれぞれ、昇降ユニット９３、９４に支持されている。これら昇降ユニット９３、９４により、昇降フレーム９０（裏当銅板１３）が上昇する。昇降ユニット９３、９４はそれぞれ、第１の裏当台車１２に支持されている。

【0044】

昇降フレーム９０が昇降する空間の下方には、チェーンコンベア１００に第１の裏当台車１２で支持されて設けられている。チェーンコンベア１００のエンドレスチェーン１０１、１０２は、図１に示すスプロケットホイール１０３に噛み合って張架されており、フラックスおよびスラグなどの紛体搬送用の複数の掻き脚をチェーンの両側（Ｘ軸方向）に突き出したものである。上側のエンドレスチェーン１０１の掻き脚は、Ｙ軸方向に延びる溝板１０４に摺接している。溝板１０４上のフラックス及びスラグは、Ｙ軸方向に搬送されて、図１に示すＸ軸方向に延伸するベルトコンベア１０５に落下し、当該ベルトコンベア１０５によってＸ軸方向に搬出される。

【0045】

＜サブマージアーク溶接方法＞
次に、鋼板Ｈのサブマージアーク溶接方法について説明する。図６は、鋼板Ｈをサブマージアーク溶接する様子を示す説明図である。

【0046】

先ず、図６（ａ）に示すように、フラックス散布・回収台車１５が裏当銅板１３上をＹ軸方向に走行し、当該フラックス散布・回収台車１５によって裏当銅板１３上に裏フラックスＦｒを散布する。裏フラックスＦｒの厚みは、例えば約６ｍｍである。この際、裏当銅板１３は、図５の実線で示すように下降し、退避位置に配置される。

【0047】

次に、裏当銅板１３は、図５の二点鎖線に示すように上昇し、溶接位置に配置される。溶接位置は、例えば裏当銅板１３の上面が鋼板Ｈの下面から約２０ｍｍ下の位置である。続いて、図６（ｂ）に示すようにエアホース８２に圧縮エアが送給され、エアホース８２が楕円形になるように膨らむことで銅板支持台８１が上昇し、裏当銅板１３が上駆動する。そして、裏当銅板１３上に散布された裏フラックスＦｒが鋼板Ｈの下面に圧接する。

【0048】

この状態で、溶接ヘッド基台１１のサブマージアーク溶接装置がＹ軸方向に走行しながら、鋼板Ｈの溶接線に沿って板継部を溶接する。溶接中には、鋼板Ｈの開先（溶接部位）にカットワイヤ散布ノズルからカットワイヤＣｗが送給され、さらにカットワイヤＣｗ上に、例えば第１のフラックス散布ノズル６０から表フラックスＦｆが散布される。そして、例えば第１のサブマージアーク溶接トーチ６１からの溶接ワイヤＥｗのアークによって、カットワイヤＣｗが溶ける。こうして、鋼板Ｈが溶接される。

【0049】

鋼板ＨのＹ軸方向の全長の溶接が終了すると、裏当銅板１３は、図５の実線で示すように下降し、退避位置に配置される。この際、裏当銅板１３上に残留する裏フラックスＦｒ及びスラグは、フラックス散布・回収台車１５で除去され、チェーンコンベア１００により搬送されベルトコンベア１０５に落下し、当該ベルトコンベア１０５によってＸ軸方向に搬出される。

【0050】

＜第２の溶接台車２０の構成＞
次に、上述した第２の溶接台車２０の構成について説明する。図７及び図８はそれぞれ、第２の溶接台車２０の構成の概略を示す側面図である。

【0051】

図７及び図８に示すように第２の溶接台車２０には、昇降駆動モータを含む昇降駆動機構１１０が設けられている。昇降駆動機構１１０にはアーム１１１が支持され、アーム１１１は昇降駆動機構１１０によってＺ軸方向に昇降移動する。また、昇降駆動機構１１０は、図示しない水平移動機構に設けられ、昇降駆動機構１１０及びアーム１１１は、水平移動機構によってＸ軸方向に移動する。

【0052】

アーム１１１には、支持部材１１２を介して、プラズマ溶接トーチ１２０（本発明における非消耗電極溶接トーチ）、ワイヤヘッド１２１、及びカメラ保護筒１２３が設けられている。プラズマ溶接トーチ１２０の下部には、ワイヤヘッド１２１からワイヤ突き出しパイプ１２２を通して溶接ワイヤが供給される。なお、本実施形態の第２の溶接台車２０には、１つのプラズマ溶接トーチ１２０が設けられていたが、プラズマ溶接トーチの数はこれに限定されず、複数設けられていてもよい。

【0053】

カメラ保護筒１２３の内部には、鋼板Ｈの溶接直前の溶接線を撮影する撮影素子を持つカメラ１２４が設けられている。プラズマ溶接を行う際には、撮影素子を持つカメラ１２４からの溶接線の撮影画像信号に基づいて、図示しない制御装置が、溶接線のＸ軸方向位置と溶接線の開先幅を算出する。制御装置では、算出された溶接線のＸ軸方向位置に基づいて、当該溶接線のＸ軸方向位置が予め定められた所定の基準位置になるように、昇降駆動機構１１０が取りつけられた水平駆動機構の水平駆動モータを駆動する。また制御装置では、算出された溶接線の開先幅に基づいて、当該開先を溶接するに適した溶接条件（例えば溶接電流値、ワイヤ供給速度、パイロットガス送給量及び溶接台車速度等）の設定を行う。

【0054】

＜第２の裏当台車２１の構成＞
第２の裏当台車２１には、公知の裏当台車を組み合わせて用いることができる。例えば、特開２０１７－７７５７５号公報に記載された裏当台車と、特開２００６－２９７４５９号公報に記載に記載された裏当て支持装置とを組み合わせて、バックシールドガス供給装置を備えた第２の裏当台車２１を構成してもよい。

【0055】

＜プラズマ溶接方法＞
次に、鋼板Ｈのプラズマ溶接方法、具体的にはプラズマキーホール溶接について説明する。

【0056】

プラズマ溶接を行う前には、第１の裏当台車１２の裏当銅板１３は、図５の実線で示したように下降し、退避位置に配置されている。

【0057】

この状態で、第２の溶接台車２０がＹ軸方向に走行しながら、鋼板Ｈの溶接線に沿って板継部を溶接する。具体的には、鋼板Ｈの開先に対してプラズマ溶接トーチ１２０からのプラズマアークをあてる。そうすると、鋼板Ｈを貫通してキーホールが形成される。このキーホールは溶接が進行するにつれて後方に移動し、さらに溶融金属も後方に移動、凝固して、溶接ビードが連続的に形成される。こうして、鋼板Ｈの板継部が溶接される。

【0058】

鋼板Ｈの開先にプラズマアークをあてる際、第２の裏当台車２１のバックシールドガス供給装置から供給されたバックシールドガスは、ガス吹き出し孔からガス吸い込み空間に吹き出され、鋼板Ｈの下面をアルゴンガス雰囲気にガスシールドする。これにより、裏ビードの酸化を抑え、ビード形状不良を抑制することができる。

【0059】

＜溶接装置１の動作＞
次に、以上のように構成された溶接装置１の動作について説明する。本実施形態では、以下の３つの動作パターンについて説明する。なお、３つの動作パターンにおいて、サブマージアーク溶接とプラズマ溶接はそれぞれ、上述した説明した方法で行われる。

【0060】

［第１の動作パターン］
第１の動作パターンは、サブマージアーク溶接又はプラズマ溶接（プラズマキーホール溶接）のいずれかを行うパターンである。例えば１０ｍｍ～４０ｍｍの厚鋼板Ｈを溶接する際には、サブマージアーク溶接を行う。一方、例えば６ｍｍ～９ｍｍの薄鋼板Ｈを溶接する際には、プラズマ溶接を行う。

【0061】

このように１つの溶接装置１を用いて、サブマージアーク溶接と、プラズマ溶接とを、選択的に実施することができる。このため、これら厚鋼板溶接と薄鋼板溶接を効率よく行うことができ、また経済的にも安価に溶接を実現することができる。しかも、板厚に応じて適切な溶接を施すことができるので、溶接熱による鋼板歪みを抑え、溶接欠陥を効率的に抑制して、高疲労強度の溶接部位を作製することができる。

【0062】

［第２の動作パターン］
第２の動作パターンは、プラズマ溶接を行った後、サブマージアーク溶接を行うパターンである。例えば鋼板Ｈの開先において初層をプラズマ溶接した後、当該初層の上からサブマージアーク溶接を行う。かかる場合、プラズマ溶接を行うことで溶接初期における入熱を抑制することができ、溶接の自由度が大きくなる。その後、サブマージアーク溶接を行うことで、溶接を効率よく行うことができる。また、開先の初層をプラズマ溶接することで、サブマージアーク溶接で発生しやすい裏ビードの溶け込み不良を抑制することもできる。さらに、開先の初層をプラズマ溶接することで、溶接幅を制御しやすく、溶接線に沿って同じ幅で溶接することも可能となる。

【0063】

［第３の動作パターン］
第３の動作パターンは、サブマージアーク溶接を行った後、プラズマ溶接を行うパターンである。例えばサブマージアーク溶接を行うと溶接ビードが形成されるが、この溶接ビードの両端部の溶接止端に対してプラズマ溶接を行って、当該溶接止端を再溶融させてドレッシングを行う。このプラズマ溶接のドレッシングによって、溶接止端の曲率が大きくなり、当該溶接止端における応力集中を抑制することができるので、高疲労強度の溶接部位を作製することができる。しかも、１つの溶接装置１を用いて、溶接とドレッシングを連続して行うことができ、効率が良い。

【0064】

＜溶接装置１の他の実施形態＞
以上の実施形態の第２の溶接台車２０にはプラズマ溶接トーチ１２０が設けられていたが、プラズマ溶接トーチ１２０に代えて、ティグ溶接を行うティグ溶接トーチが設けられていてもよい。かかる場合、上述した第２の裏当台車２１と同じ構成の裏当台車が用いられる。

【0065】

このようにプラズマ溶接に代えてティグ溶接を行う場合でも、上記実施形態と同様の効果を享受することができる。特に近年、大電流を用いたティグ溶接が行われる場合があり、かかる場合、ティグ溶接でもプラズマ溶接と同等の効果を享受できる。換言すれば、上記効果を得るためには、溶接装置１において、サブマージアーク溶接に加えて、プラズマ溶接、ティグ溶接等の非消耗電極式アーク溶接が行われればよい。

【0066】

＜溶接装置１の他の実施形態＞
以上の実施形態の溶接装置１では、プラズマ溶接トーチ１２０は第２の溶接台車２０に設けられていたが、図９に示すように溶接ヘッド基台１１にプラズマ溶接トーチ１３０が設けられていてもよい。

【0067】

プラズマ溶接トーチ１３０は、溶接ヘッド基台１１の溶接時移動方向（Ｙ軸方向）で、開先位置センサ５１の後方であって、さらにカットワイヤ散布装置の図示しないカットワイヤ散布ノズルの後方に設けられる。プラズマ溶接トーチ１３０は、保持具１３１に着脱自在に装着される。保持具１３１は吊り脚１３２の下端に支持され、吊り脚１３２の上端は溶接ヘッド基台１１に支持されている。なお、本実施形態では、第２の溶接台車２０は省略できる。

【0068】

例えばサブマージアーク溶接を行う際には、プラズマ溶接トーチ１３０は保持具１３１から外され、プラズマ溶接を行う際に、プラズマ溶接トーチ１３０は保持具１３１に装着されてもよい。そして、かかる場合においても、溶接装置１を用いて、上述した第１～第３の動作パターンを実施することができる。しかも、第２の溶接台車２０を省略できるので、装置構成をより簡略化することができる。

【0069】

なお、プラズマ溶接トーチ１３０の位置は図９の例に限定されない。例えば図１０に示すように、プラズマ溶接トーチ１３０はフラックス回収器６５の後方に設けられていてもよい。

【0070】

また、本実施形態においても溶接ヘッド基台１１には、プラズマ溶接トーチ１３０に代えて、ティグ溶接トーチが設けられていてもよい。

【0071】

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は、被溶接物を溶接する溶接装置及び溶接方法に利用することができる。

【符号の説明】

【0073】

１ 溶接装置
２ レール
３ 門型台車
３ａ （門型台車３の）梁
４ レール
１０ 第１の溶接台車
１１ 溶接ヘッド基台
１２ 第１の裏当台車
１３ 裏当銅板
１４ 裏当支持装置
１５ フラックス散布・回収台車
２０ 第２の溶接台車
２１ 第２の裏当台車
３０ 垂直フレーム
３１ 昇降フレーム
３２ 昇降駆動機構
３３ 水平駆動機構
４０ フラックスホッパー
４１ ワイヤコイル
５０ 吊り脚
５１ 開先位置センサ
５２ 倣いローラ
５３ 手動調整機構
６０ 第１のフラックス散布ノズル
６１ 第１のサブマージアーク溶接トーチ
６２ 第２のサブマージアーク溶接トーチ
６３ 第２のフラックス散布ノズル
６４ 第３のサブマージアーク溶接トーチ
６５ フラックス回収器
７０、７１ 垂直ブロック
７２、７３ 搬送ローラ
７４ 鋼板拘束用マグネット
７５ 下支え固定ローラ
８０ 裏当銅板台車
８１ 銅板支持台
８２ エアホース
９０ 昇降フレーム
９１、９２ アーム
９３、９４ 昇降ユニット
１００ チェーンコンベア
１０１、１０２ エンドレスチェーン
１０３ スプロケットホイール
１０４ 溝板
１０５ ベルトコンベア
１１０ 昇降駆動機構
１１１ アーム
１１２ 支持部材
１２０ プラズマ溶接トーチ
１２１ ワイヤヘッド
１２２ ワイヤ突き出しパイプ
１２３ カメラ保護筒
１２４ 撮影素子を持つカメラ
１３０ プラズマ溶接トーチ
１３１ 保持具
１３２ 吊り脚
Ｃｗ カットワイヤ
Ｅｗ 溶接ワイヤ
Ｆｆ 表フラックス
Ｆｒ 裏フラックス
Ｈ 鋼板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】