特許 7525749 横向き自動溶接方法及び横向き自動溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】横向き自動溶接方法及び横向き自動溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20240723BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20240723BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 501H

B23K9/12 331F

B23K9/12 331A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024031120

(22)【出願日】2024-03-01

【審査請求日】2024-04-12

【早期審査対象出願】

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(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】井上 浩良

(72)【発明者】

【氏名】田中 良一

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 慎司

(72)【発明者】

【氏名】田代 裕一朗

(72)【発明者】

【氏名】脇田 直弥

(72)【発明者】

【氏名】後藤 憲一

(72)【発明者】

【氏名】片山 翼

【審査官】杉田 隼一

(56)【参考文献】

【文献】特開平９－１０８８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２３－４１６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１７５０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１６７６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－６６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０９５

Ｂ２３Ｋ ９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

横向き自動溶接装置を制御するコンピュータを用いて開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接方法であって、
前記コンピュータは、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、
予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、
前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、
前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、
予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、
前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、
前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行うことを特徴とする、横向き自動溶接方法。

【請求項2】

前記コンピュータは、
複数の前記溶接層を第１層、第２層、中間層および最終層と区分したときの前記中間層の溶接パス数を算出する際に、前記層断面積から前記基準断面積を差し引いた値と前記基準断面積とから、前記中間層における溶接パス数を算出することを特徴とする、請求項１に記載の横向き自動溶接方法。

【請求項3】

前記コンピュータは、
前記基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接パスにおける溶接速度を算出し、
前記溶接速度が予め設定された基準溶接速度範囲の範囲内となるように溶接パス数の修正を行う制御を実行することを特徴とする、請求項１又は２に記載の横向き自動溶接方法。

【請求項4】

複数の前記溶接層のうちの最終層の溶接を開始する前に、前記開先の下側に位置する溶接対象材の表面側の角部に溶接線方向に沿って延びるビードを形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の横向き自動溶接方法。

【請求項5】

開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接装置であって、
溶接トーチと、
溶接線が延びる溶接線方向、前記開先の深さ方向及び前記開先の幅方向の各々の方向に前記溶接トーチを移動させるトーチ移動機構と、
制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、
予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、
前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、
前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、
予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、
前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、
前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行う制御を実行することを特徴とする、横向き自動溶接装置。

【請求項6】

前記制御手段は、複数の前記溶接層を第１層、第２層、中間層および最終層と区分したときの前記中間層の溶接パス数を算出する際に、前記層断面積から前記基準断面積を差し引いた値と前記基準断面積とから、前記中間層における溶接パス数を算出する制御を実行することを特徴とする、請求項５に記載の横向き自動溶接装置。

【請求項7】

前記制御手段は、
前記基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接パスにおける溶接速度を算出し、
前記溶接速度が予め設定された基準溶接速度範囲の範囲内となるように溶接パス数の修正を行う制御を実行することを特徴とする、請求項５又は６に記載の横向き自動溶接装置。

【請求項8】

前記制御手段は、複数の前記溶接層のうちの最終層の溶接を開始する前に、前記開先の下側に位置する溶接対象材の表面側の角部に溶接線方向に沿って延びるビードを形成する制御を実行することを特徴とする、請求項５又は６に記載の横向き自動溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、開先の横向き自動溶接方法及び横向き自動溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

溶接対象材の溶接線、例えばＴ継手、レ型平継手の開先の溶接では、溶接線が延びる方向（溶接線方向）に沿って溶接トーチが走行する。また、通常、この溶接トーチは開先の幅方向に往復動する（ウィービング又はオシレート）。これらの溶接トーチの溶接線方向の走行と開先幅方向の往復動を組み合わせることで、開先内が溶着金属で埋められて開先溶接が行われる。

【0003】

そのような溶接施工の省力化、品質向上のため、予めコンピュータに登録された溶接条件に基づいて、開先を自動検出し溶接トーチを自動駆動する溶接ロボットが開発され使用されている。例えば特許文献１や特許文献２には、横向き溶接を行うことが可能な溶接ロボットを備えた自動溶接装置が開示されている。

【0004】

ところで、自動溶接装置で溶接対象材の開先の溶接を行うためには、開先の形状に応じて予め溶接条件を設定する必要がある。溶接条件は、例えば自動溶接装置を利用する作業者によって設定されたり、或いは作業者による設定に加えて、自動溶接装置に予め記憶されたプログラムに基づいて既知の情報から自動的に設定されることもある。この溶接条件の設定を行う際に作業者への負荷を軽減するためには、可能な限り溶接条件を自動的に設定できることが好ましい。

【0005】

そのような溶接条件を自動生成する自動溶接方法として、特許文献３には、開先の形状に基づいて各溶接パスの溶接条件を自動生成し、生成した溶接条件で自動的に各溶接パスの溶接を行う自動溶接方法が開示されている。具体的には、開先の断面における溶接パスの層毎に溶接高さを算出し、層毎に算出された溶接高さをそれぞれ積算し、溶接高さの積算値が、溶接板厚に対して設定された基準高さ以上となったときに開先の断面を埋めるに必要な溶接パスの層数と決定し、最上層の溶接パスの頂上部分の位置が基準余盛高さの位置となるように、溶接パスの溶接速度を基準溶接速度から修正して決定し、決定した溶接速度で溶接を行う方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０２２－１４４９１６号公報

【文献】特開２０２３－００３８４６号公報

【文献】特開２０２１－０１６８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

開先内で溶着金属を積層させる際には、開先内に送給されて溶融したワイヤを凝固させて１層の溶着金属の層を形成する溶接パスを複数回行う。特許文献３に記載の自動溶接方法は、そのような溶接パスを複数回行う方法に関するものであるが、下向き溶接を行う際に特に有用な技術である。

【0008】

一方、横向き溶接を行う際には、開先内に送給されたワイヤが溶融してから凝固するまでの間、溶融金属が重力の影響によって垂れ易くなる。このため、横向き溶接において溶接パスを複数回行い溶着金属を積層させる際には、溶融金属の垂れを考慮して各溶接パスの溶接条件を設定することが望まれる。しかしながら、特許文献３に記載の自動溶接方法は、横向き溶接時における溶融金属の垂れの影響が考慮されていないため、溶接品質確保の観点では改善の余地がある。

【0009】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、開先の横向き溶接において、溶融金属の垂れを抑制できる溶接条件を自動生成することが可能な横向き自動溶接方法及び横向き自動溶接装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決する本発明の一態様は、横向き自動溶接装置を制御するコンピュータを用いて開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接方法であって、前記コンピュータは、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行うことを特徴とする。

【0011】

別の観点による本発明の一態様は、開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接装置であって、溶接トーチと、溶接線が延びる溶接線方向、前記開先の深さ方向及び前記開先の幅方向の各々の方向に前記溶接トーチを移動させるトーチ移動機構と、制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行う制御を実行することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、開先の横向き溶接において、溶融金属の垂れを抑制できる溶接条件を自動生成することが可能な横向き自動溶接方法及び横向き自動溶接装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る横向き自動溶接装置の使用状態の一例を示す図である。

【図2】横向き自動溶接装置の溶接ロボット周辺の構造を説明するための斜視図である。

【図3】溶接ロボットを図２の矢印Ｖの方向から見た図である。

【図4】図３に示す溶接ロボットを下方から見た図である。

【図5】図３に示す溶接ロボットを側方から見た図である。

【図6】溶接対象材の一例を示す斜視図である。

【図7】本実施形態に係る横向き自動溶接装置が実行する「条件生成」の一例を示すフローチャートである。

【図8】本実施形態に係る条件生成方法によって設定される、開先断面に対する各溶接パスの断面領域の一例を示す図である。

【図9】溶接パス数を修正する制御の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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、本明細書および図面において、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。

【0015】

（自動溶接装置）
図１は、本実施形態に係る横向き自動溶接装置１の使用状態の一例を示す図である。図中に示されるＹ方向は、溶接線が延びる方向（以下、「溶接線方向」という）である。Ｘ方向は、開先の深さ方向であり、溶接線方向に直交する水平方向でもある。Ｚ方向は、開先の幅方向であり、鉛直方向でもある。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに垂直な方向である。

【0016】

図１に示した自動溶接装置１（以下、単に「溶接装置１」と記載する）は、Ｙ－Ｚ平面内に延在する溶接対象材５、６の開先４の横向き溶接を行う装置である。溶接対象材５、６は、例えば鋼板である。溶接装置１は、溶接トーチ７０を保持する溶接ロボット１０と、溶接ロボット１０の動作を制御するための制御盤２を備えている。

【0017】

＜制御盤＞
制御盤２は、コンピュータ３（制御部、演算部、記憶部等を含む）や、図示しないディスプレイ、入力キー、操作スイッチ、表示灯等で構成されている。制御盤２内のコンピュータ３は、溶接装置１を利用する作業者の入力操作等に応答して、例えば溶接条件の設定、開先端検出、開先形状検出、溶接条件の算出、補正、溶接データの蓄積、編集などの電子的処理、ならびに、溶接ロボット１０、ワイヤ送給装置（図示せず）、溶接電源（図示せず）及び電磁開閉器（図示せず）などの自動制御を行う。

【0018】

＜溶接ロボットの周辺構造＞
次に、図２～図５を参照しながら溶接ロボット１０の周辺構造をについて更に詳細に説明する。図２は、溶接ロボット１０の周辺構造を説明するための斜視図である。図３は、溶接ロボット１０を図２の矢印Ｖの方向から見た図である。図４は、図３に示す溶接ロボット１０を下方から見た図である。図５は、図３に示す溶接ロボット１０を側方から見た図である。なお、図中に示されるＴ方向は、溶接トーチ７０が首振りする回動方向である。

【0019】

溶接ロボット１０は、溶接対象材５、６の開先４と平行に配置されたガイドレール９に装着されている。ガイドレール９は、４個の吸着具７で支持されて溶接対象材５上に固定されている。吸着具７は、例えばマグネットであり、溶接対象材５に対して磁力によって吸着する。

【0020】

溶接ロボット１０の底部は、Ｙ方向（溶接線方向）に沿って移動する走行台車（以下、Ｙ走行台車２０）で構成されている。Ｙ走行台車２０は、ガイドレール９に設けられたラック（図示せず）に噛み合うピニオン（図示せず）を有しており、ガイドレール９とＹ走行台車２０によってラック＆ピニオン式の直線移動機構（Ｙ駆動機構）が構成されている。このＹ駆動機構によって溶接ロボット１０がＹ方向に往復動できる。

【0021】

また、溶接装置１には、上記のＹ駆動機構に加えて、Ｘ方向（開先４の深さ方向）に溶接ロボット１０を移動させるＸ駆動機構（図示せず）も設けられている。さらに、図５に示すトーチ駆動バー４４をＺ方向（開先の幅方向）に移動させることで溶接トーチ７０をＺ方向に移動させるＺ駆動機構（図示せず）も設けられている。Ｘ駆動機構とＺ駆動機構の構造としては、公知の構造を適用できる。例えば本実施形態に係るＸ駆動機構には、前述の特許文献３に開示されたＺ駆動機構を適用でき、本実施形態に係るＺ駆動機構には、特許文献３に開示されたＸ駆動機構を適用できる。

【0022】

上述したＸ駆動機構、Ｙ駆動機構およびＺ駆動機構の各種駆動機構は、それぞれ駆動源として例えばステッピングモータなどの電気モータ（図示せず）を備えている。図１に示した制御盤２内のコンピュータ３は、各電気モータを駆動するモータドライバに駆動指令パルスを与えて各電気モータの動作を制御し、各モータの回転量（Ｘ移動量、Ｙ移動量、Ｚ移動量）を把握して溶接トーチ７０の位置座標を把握する。

【0023】

溶接ロボット１０は、溶接トーチ７０の姿勢を調整するためのトーチ姿勢調整機構５０（図５）を備えている。トーチ姿勢調整機構５０には、公知の構造、例えば前述の特許文献３に開示されたトーチ調整機構を適用できる。このトーチ姿勢調整機構５０により、溶接トーチ７０を、図５中の２点鎖線で示す、前方傾斜姿勢７０ｗｆまたは後方傾斜姿勢７０ｗｒならびにそれらの間の任意の傾斜姿勢に設定することができる。

【0024】

溶接ロボット１０は、溶接トーチ７０を電動で首振り回動させるＴ軸駆動機構６０をさらに備えている。Ｔ軸駆動機構６０は、モータケース６１及び軸受ケース６２を備えており、モータケース６１及び軸受ケース６２は板５７に装着されている。軸受ケース６２内軸受で回動可能に支持されたＴ軸６３は、モータケース６１内の減速機構付き電気モータ（図示せず）の出力軸に結合している。Ｔ軸６３にはトーチホルダ６４が結合しており、このトーチホルダ６４で溶接トーチ７０が保持されている。モータケース６１内電気モータの正転で溶接トーチ７０を図４中の２点鎖線で示す右傾斜姿勢７０Ｔｒに、逆転で左傾斜姿勢７０Ｔｌに定めることができる。上記の電気モータは、例えばステッピングモータであり、図１に示した制御盤２内のコンピュータ３が電気モータを駆動するモータドライバに駆動指令パルスを与えてモータの動作を制御し回転量（Ｔ軸回転量）を把握して首振り回動の傾斜を把握する。

【0025】

本実施形態に係る溶接装置１は以上のように構成されている。この溶接装置１においては、各種駆動機構等の動作により溶接トーチ７０をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることができ、また、Ｘ方向を回動中心として回動させ、Ｙ方向を回動中心として回動させることができる。換言すると、溶接装置１は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の各方向に溶接トーチ７０を移動させるトーチ移動機構と、Ｘ方向およびＹ方向の各方向を回動中心として溶接トーチ７０を回動させるトーチ回動機構を有している。

【0026】

（自動溶接方法）
次に、上記の溶接装置１を用いた横向き自動溶接方法について説明する。本実施形態においては、開先内を複数の溶接パスで横向き溶接を行う際の各パスの溶接条件の自動生成方法について重点的に説明するが、溶接装置１で溶接条件の自動生成を開始する前に、まずは開先形状の特定方法について説明する。

【0027】

＜開先形状の特定＞
開先形状の特定方法の一例として、溶接装置１による開先形状の全自動計測方法について説明する。図６は、溶接対象材５、６の一例を示す斜視図である。なお、溶接対象材５、６の裏面側に接している平板８０は当て金である。

【0028】

まず、制御盤２内のコンピュータ３からの制御信号に基づき、溶接トーチ７０に送給された溶接ワイヤ先端のＸ、Ｙ、Ｚ位置を定める「原点調整」が実施される。

【0029】

次に、溶接ロボット１０のＹ往方向走行と走行距離計測が開始され、開先線の一端部である開先１点目Ｃｓ１が検出される。具体的には、Ｔ軸駆動機構６０の駆動を制御することで溶接トーチ７０を開先４の溶接開始側の一端に指向する傾斜姿勢に定めてＹ走行台車２０をＹ往方向走行駆動し、溶接ワイヤの先端と開先４の溶接開始側の一端にあるフェイス板（図示せず）との接触を検知することにより開先１点目Ｃｓ１が検出される。その後、溶接ワイヤの先端を開先４の断面に沿う所定軌跡で振って開先１点目Ｃｓ１における開先４のギャップや開先角度、板厚等の開先形状が計測される。

【0030】

続いて、Ｙ復方向走行と走行距離計測が開始され、開先線の開先１点目Ｃｓ１とは反対側の端部である開先２点目Ｃｓ２が検出される。具体的には、Ｔ軸駆動機構６０の駆動を制御することで溶接トーチ７０を開先４の溶接終了側の一端に指向する傾斜姿勢に定めてＹ走行台車２０をＹ復方向走行駆動し、溶接ワイヤの先端と開先４の溶接終了側の一端にあるフェイス板（図示せず）との接触を検知することにより開先２点目Ｃｓ２が検出される。その後、溶接ワイヤの先端を開先４の断面に沿う所定軌跡で振って開先２点目Ｃｓ２における開先４のギャップや開先角度、板厚等の開先形状が計測される。

【0031】

以上で説明した開先形状の特定は、制御盤２内のコンピュータ３による制御下において全自動で実施されるが、例えば開先１点目Ｃｓ１の位置と開先２点目Ｃｓ２の位置については、作業者が制御盤２に座標情報を入力することによって制御盤２内のコンピュータ３に記憶させてもよい。この場合、溶接装置１は、開先１点目Ｃｓ１の位置と開先２点目Ｃｓ２の位置を特定する動作を実施せず、入力された開先１点目Ｃｓ１の位置における開先４の形状計測と、入力された開先２点目Ｃｓ２の位置における開先４の形状計測を自動的に行う。

【0032】

また例えば、開先１点目Ｃｓ１及び開先２点目Ｃｓ２の位置情報に加えて、作業者が開先４のギャップや開先角度、板厚等の開先形状の情報を制御盤２に入力して制御盤２内のコンピュータ３に記憶させてもよい。この場合、溶接装置１は、開先形状を特定するための動作を実施せず、入力された開先形状の情報に基づき、後述する「条件生成」の制御フローを開始する。すなわち、後述する「条件生成」の制御フローを開始するために必要な開先形状の特定方法は、特に限定されず、上述した方法や公知の方法を適用できる。

【0033】

＜条件生成＞
図７は、本実施形態に係る溶接装置１が実行する「条件生成」の一例を示すフローチャートである。

【0034】

まず、図７中のステップｓ１に示すように、制御盤２内のコンピュータ３は、開先１点目Ｃｓ１の開先４の形状から開先１点目Ｃｓ１の断面積を算出し、これと同様に、開先２点目Ｃｓ２の開先４の形状から開先２点目Ｃｓ２の断面積を算出する。次に、開先１点目Ｃｓ１の断面積と開先２点目Ｃｓ２の断面積とに基づいて、開先線の途中の開先中間点Ｃｓｍの断面積を算出する。開先中間点Ｃｓｍの断面積は、例えば、開先１点目Ｃｓ１の断面積と開先２点目Ｃｓ２の断面積との平均値である。この平均値を算出して、開先１点目Ｃｓ１と開先２点目Ｃｓ２との間の開先中間点Ｃｓｍの断面積とみなす。なお、開先中間点Ｃｓｍは、開先１点目Ｃｓ１から開先２点目Ｃｓ２までの距離の１／２の位置にあるとは限らない。

【0035】

次に、図７中のステップｓ２に示すように、開先中間点Ｃｓｎの断面を溶着金属で埋めるために必要な「溶接層の積層数」と「各溶接層の深さ」を算出する。具体的には、制御盤２内のコンピュータ３に予め設定された溶接対象材５、６の板厚と余盛高さと基準層深さとから、溶接層の積層数を算出し、ここで算出された積層数と溶接対象材５、６の板厚と余盛高さとから、各溶接層の深さを算出する。

【0036】

「基準層深さ」とは、横向き溶接時に溶融金属が垂れ難くなる溶接層１層あたりの開先深さ方向（Ｘ方向）の長さであり、当業者が横向き溶接の実験等を行い適宜設定するものである。なお、基準層深さは、溶融金属の垂れを抑制することが可能な目安の深さであり、実際の溶接層の深さが基準層深さを超えた時に必ず垂れが生じるということではない。

【0037】

溶接層の積層数と各溶接層の溶接層深さは、例えば次のように算出される。表１は、余盛高さＨｗが２ｍｍ、基準層深さＤｒｅｆが４ｍｍと設定されている場合の計算例である。

【0038】

【表1】

【0039】

まず、（板厚ｔ＋余盛高さＨｓ）／基準層深さＤｒｅｆの計算を行う。ここで算出された値の小数点以下を切り捨てた値が溶接層の積層数である。例えば、板厚ｔが２０ｍｍの場合には、（板厚ｔ＋余盛高さＨｓ）／基準層深さＤｒｅｆの計算値が５．５であり、この値の小数点以下を切り捨てた数値である“５”が溶接層の積層数である。すなわち、板厚ｔが２０ｍｍの場合には、開先４内に溶接層を５層形成する条件が設定される。

【0040】

そのような溶接層が５層形成される開先断面の一例を図８に示す。この例では、第１層Ａ、第２層Ｂ、第３層Ｃ、第４層Ｄ、第５層Ｅからなる５層の溶接層が存在する。なお、図８中の各溶接層Ａ～Ｅの層内に付された数字は各々の層内における溶接パス数である。溶接パス数の決定方法については後述する。

【0041】

次に、前述の方法で算出された溶接層の積層数を用いて、（板厚ｔ＋余盛高さＨｓ）／積層数の計算を行う。ここで算出された値が、各溶接層の溶接層深さとなる。上記表１に示すように、板厚ｔが２０ｍｍの場合には、各溶接層（第１層～第５層）の溶接深さＬｄがそれぞれ４．４ｍｍに設定される。

【0042】

次に、図７中のステップｓ３に示すように、各溶接層の断面積である「層断面積」を算出する。具体的には、開先４の形状と、ステップｓ２で算出された溶接層深さから、例えば下記の式を用いて溶接層ごとに層断面積を算出する。
Ｓｎ＝（Ｇｎ×Ｌｄ＋（Ｌｄ×ｔａｎθ）×Ｌｄ）／２
Ｓｎ：溶接層の層断面積（ｍｍ²）、Ｇｎ：溶接層の開先幅（ｍｍ）、Ｌｄ：溶接層の深さ（ｍｍ）、θ：開先角度（°）

【0043】

次に、図７中のステップｓ４に示すように、各溶接層の１パスあたりの「基準断面積」を算出する。具体的には、制御盤２内のコンピュータ３に予め設定された「基準溶接条件」と開先４に送給するワイヤの径から、溶接層ごとに基準断面積を算出する。

【0044】

「基準溶接条件」とは、溶接電流、溶接電圧、ワイヤ送給速度、溶接速度、ワイヤの溶着効率等を含む条件であり、当業者が横向き溶接の実験等を行い適宜設定するものである。なお、複数の溶接層は、第１層、第２層、中間層、最終層と区分され、上記の基準溶接条件は、第１層、第２層、中間層、最終層ごとにそれぞれ設定されるものである。

【0045】

「最終層」とは、複数の溶接層のうちの最後に形成される溶接層であり、溶接対象材５、６の表面に最も近い溶接層である。図８に示す例では、第５層Ｅが最終層である。「中間層」とは、第２層と最終層との間に位置する溶接層である。図８に示す例では、第３層Ｃと第４層Ｄが中間層に属する溶接層である。なお、溶接層の積層数が４層である場合には、中間層は１層で構成され、溶接層の積層数が３層である場合には、中間層は存在しない。

【0046】

前述した各溶接層の１パスあたりの「基準断面積」は、例えば下記の式で算出される。
Ｓｐ＝（Ｗｆ×（Ｗｄ／２）²×π×Ｋ）／Ｗｍｉｎ
Ｗｆ：ワイヤ送給速度（ｍ／ｍｉｎ）、Ｗｄ：ワイヤ径（ｍｍ）、Ｋ：溶着効率（％）、Ｗｍｉｎ：基準溶接速度範囲の下限値（ｍｍ／ｍｉｎ）
なお、「基準溶接速度範囲」とは、基準溶接条件として設定されている溶接速度の範囲である。

【0047】

次に、図７中のステップｓ５に示すように、各溶接層における溶接パス数を算出する。詳述すると、既に算出されている各溶接層の層断面積と１パスあたりの基準断面積とから、各溶接層における溶接パス数を算出する。具体的には、（層断面積Ｓｎ／基準断面積Ｓｐ）の計算を行い、算出された値の小数点以下を切り捨てた値を溶接パス数とする。

【0048】

例えば図８に示した第１層Ａにおける層断面積Ｓｎが３８．６ｍｍ²であり、第１層Ａにおける基準断面積Ｓｐが２９．０ｍｍ²である場合には、（層断面積Ｓｎ／基準断面積Ｓｐ）の計算値は１．３３となる。ここで算出された値の小数点以下を切り捨てた数値である“１”が第１層Ａにおける溶接パス数となる。また例えば、第２層Ｂにおける層断面積Ｓｎが５２．８ｍｍ²であり、第２層Ｂにおける基準断面積Ｓｐが１９．２ｍｍ²である場合には、（層断面積Ｓｎ／基準断面積Ｓｐ）の計算値は２．７４となり、小数点以下を切り捨てた数値である“２”が第２層Ｂにおける溶接パス数となる。第３層Ｃ～第５層Ｅにおける溶接パス数も同様の方法によって算出する。また、算出された各溶接層の溶接パス数を用いて、（層断面積Ｓｎ／溶接パス数）の計算を行うことで、各溶接パスの断面積を算出することができる。

【0049】

以上の方法によって、溶接層ごとの溶接パス数と溶接層内に占める各溶接パスの断面積の大きさが決定される。前述した表１においては、積層数から算出された溶接層深さＬｄが、垂れが生じ難い深さとして設定された基準層深さよりも大きい例も含まれているが、上記のように溶接パス数を設定することによって、各溶接層の層断面積を適度に細分化できる。これにより、各溶接パスの溶接時における溶融金属の垂れを抑制できる。

【0050】

なお、中間層に属する各溶接層（図８の例では第３層Ｃと第４層Ｄ）において溶接パス数を算出する際には、（（層断面積Ｓｎ‐基準断面積Ｓｐ）／基準断面積Ｓｐ）の計算を行い、算出された値の小数点以下を切り捨てた数値に“１”を加算した数値を溶接パス数として設定することが好ましい。これにより、中間層に属する各溶接層における最終パスの溶接時に生じ得る溶け込み不良の発生を抑制できる。

【0051】

次に、図７中のステップｓ６に示すように、各溶接パスの断面積を算出する。具体的には、既に算出されている層断面積と溶接パス数から、例えば下記の式を用いて各溶接パスの断面積を算出する。
Ｓｐｎ＝Ｓｎ／溶接パス数
Ｓｐｎ：溶接パスの断面積（ｍｍ²）、Ｓｎ：溶接層の層断面積（ｍｍ²）

【0052】

次に、図７中のステップｓ７に示すように、各溶接パスにおける溶接速度を算出する。溶接速度は、予め設定された基準溶接条件と開先に供給するワイヤの径と溶接パスの断面積とから、例えば下記の式を用いて算出される。
Ｗｓ＝（Ｗｆ×（Ｗｄ／２）²×π×Ｋ）／Ｓｐｎ
Ｗｓ：溶接パスの溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、Ｗｆ：ワイヤ送給速度（ｍ／ｍｉｎ）、Ｗｄ：ワイヤ径（ｍｍ）、Ｋ：溶着効率（％）、Ｓｐｎ：溶接パスの断面積（ｍｍ²）

【0053】

次に、図７中のステップｓ８に示すように、開先１点目Ｃｓ１と開先２点目Ｃｓ２における溶接速度の比率を決定する。具体的には、開先１点目Ｃｓ１の断面積と開先２点目Ｃｓ２の断面積の比較から、開先中間点Ｃｓｍの溶接速度に対する開先１点目Ｃｓ１の溶接速度の比率と開先２点目Ｃｓ２の溶接速度の比率を決定する。そして、決定された比率に基づき、開先１点目Ｃｓ１の各溶接パスにおける溶接速度と、開先２点目Ｃｓ２の各溶接パスにおける溶接速度を算出する。次に、開先線に沿って開先１点目Ｃｓ１から開先２点目Ｃｓ２までの区間を例えば図６に示すように５つの領域Ｓａ～Ｓｅに区分する。その後、上記の比率に基づいて算出された、開先１点目Ｃｓ１における溶接速度と開先２点目Ｃｓ２における溶接速度とを用いて、各領域の溶接速度を直線補間により決定する。例えば、開先１点目Ｃｓ１の溶接速度を最初の領域Ｓａの溶接速度とし、開先２点目Ｃｓ２の溶接速度を最後の領域Ｓｅの溶接速度として、２番目の領域Ｓｂの始点から、４番目の領域Ｓｄの終点までの溶接速度を直線補間により決定する。

【0054】

次に、図７中のステップｓ９に示すように、決定した溶接速度に従い各領域Ｓａ～Ｓｅのオシレート条件（例えばオシレート速度）を算出する。具体的には、例えば作業者によって予め設定された溶接層ごとのオシレート幅やオシレート端点停止時間などの条件に基づきオシレート速度が算出され、算出されたオシレート速度に従って溶接時に溶接トーチ７０がオシレートされる。なお、溶接トーチ７０のオシレートは必要に応じて行われることであり、溶接装置１はオシレートのＯＮ／ＯＦＦ切替が可能な構成を有している。例えば図７に示す条件生成フローの開始前にオシレートの設定がＯＦＦにされている場合には、オシレートの条件生成ステップｓ９はスキップされる。また例えば、複数の溶接層のうちの第１層の溶接時にのみオシレートをＯＮとし、他の溶接層の溶接時にはオシレートをＯＦＦとする設定にしてもよい。

【0055】

以上のステップｓ１～ｓ９を経て、溶接装置１を制御するコンピュータ３による「条件生成」が終了する。その後、生成された溶接条件に基づいて開先の横向き自動溶接が開始される。

【0056】

本実施形態に係る横向き自動溶接方法においては、溶融金属の垂れが生じ難い深さとして予め設定される基準層深さを起点として、溶接層の積層数や溶接パス数等を算出する。このため、横向き溶接時の溶融金属の垂れを考慮した溶接条件を自動生成することが可能となる。

【0057】

なお、本実施形態では、開先中間点Ｃｓｍの断面積に基づきステップｓ２～ステップｓ７を実行する例を説明したが、これらのステップｓ２～ｓ７を実行する対象断面は、開先中間点Ｃｓｍの断面に限定されず、開先線内の他の位置における断面であってもよい。すなわち、開先線内の任意の位置における開先断面に対してステップｓ２～ステップｓ７を実行しても、当該断面における溶接層の積層数や溶接パス数などの溶接条件を自動生成することは可能である。

【0058】

また、前述したステップｓ７で、各溶接パスにおける溶接速度を算出する際には、図９に示すフローチャートに沿って必要に応じて溶接パス数の修正を行うことが好ましい。以下、具体的に説明する。

【0059】

＜溶接パス数の修正＞
まず、図９中のステップｓ７１に示すように、算出された溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値以上であるか否かを判定する。基準溶接速度範囲は、前述したように基準溶接条件として設定されている溶接速度の範囲である。ステップｓ７１において、溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値を下回る場合には、ステップｓ７２に進む。そのような溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値を下回る場合の一例を下記表２に示す。

【0060】

【表2】

【0061】

表２の例では、中間層の基準溶接速度範囲として、４００～５５０（ｍｍ／ｍｉｎ）が設定されているが、第４層における１パス目と２パス目の溶接速度として算出された値は３８６（ｍｍ／ｍｉｎ）であり、中間層の基準溶接速度範囲の下限値４００（ｍｍ／ｍｉｎ）を下回っている。中間層の基準溶接速度範囲の下限値は、中間層の横向き溶接時に垂れが生じ難い速度として設定されるため、垂れを抑制する効果を高めるため、溶接速度を修正することが好ましい。

【0062】

そこで、図９に示すフローでは、溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値を下回る溶接パスがある場合に、ステップｓ７２として、当該溶接パスを含む溶接層の溶接パス数を１パス増加させる。表２の例では、第４層の溶接パス数を３パスから４パスに増加させる。次に、ステップｓ７３において、図７のステップｓ７と同様の方法で各溶接パスの断面積を再計算する。ここで算出された各溶接パスの断面積の値を用いて、ステップｓ７４として、図７のステップｓ７と同様の方法で各溶接パスにおける溶接速度を再計算する。その後、ステップｓ７１に戻り、再計算された溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値以上であるか否かを再度判定する。

【0063】

ステップｓ７１において、溶接速度が基準溶接速度範囲の下限値以上である場合には、ステップｓ７５に進む。ステップｓ７５では、溶接速度が基準溶接速度範囲の上限値以下であるか否かを判定する。ステップｓ７５において、溶接速度が基準溶接速度範囲の上限値を上回る場合には、ステップｓ７６に進む。そのような溶接速度が基準溶接速度範囲の上限値を上回る場合の一例を下記表３に示す。

【0064】

【表3】

【0065】

表３の例では、第４層における１～３パス目の溶接速度として算出された値が５７９（ｍｍ／ｍｉｎ）であり、中間層の基準溶接速度範囲の上限値５５０（ｍｍ／ｍｉｎ）を上回っている。このように溶接速度が基準溶接速度範囲の上限値を上回る溶接パスがある場合には、ステップｓ７６として、当該溶接パスを含む溶接層の溶接パス数を１パス減少させる。表３の例では、第４層の溶接パス数を４パスから３パスに減少させる。次に、ステップｓ７７において、図７のステップｓ６と同様の方法で各溶接パスの断面積を再計算する。ここで算出された各溶接パスの断面積の値を用いて、ステップｓ７８として、図７のステップｓ７と同様の方法で各溶接パスにおける溶接速度を再計算する。その後、ステップｓ７５に戻り、再計算された溶接速度が基準溶接速度範囲の上限値以下であるか否かを再度判定する。

【0066】

以上のステップｓ７１～ｓ７８の制御を行うことによって、各溶接パスにおける溶接速度が基準溶接速度範囲の範囲内となるまで溶接パス数を修正でき、より適切な溶接条件を自動生成することができる。

【0067】

＜垂れ防止ビード＞
開先４の横向き溶接を行う際には、図８に示すように、開先４の下側に位置する溶接対象材６の表面側の角部に垂れ防止ビード９０を形成してもよい。垂れ防止ビード９０は、溶接線方向（Ｙ方向）に延びた溶接ビードである。

【0068】

最終層（図８の例では第５層Ｅ）は、余盛高さＨｗを含む溶接層であるため、例えば第１層Ａから第４層Ｄまでを実際に溶接した際に各溶接層Ａ～Ｄの溶接層深さが設計値よりも過度に大きくなると、第５層Ｅが開先４内に十分に収まらず、第５層Ｅの溶接時に垂れが生じ易くなる場合がある。

【0069】

そのような場合に予め垂れ防止ビード９０を形成しておくと、第５層Ｅの１パス目の溶着金属が垂れ防止ビード９０の上に載る状態となるため、開先４からの溶融金属の垂れを抑制できる。また、垂れ防止ビード９０を形成することによって、従来、垂れ防止用の部品として使用されていたセラミックタブが不要となり、部品コストを削減することができる。

【0070】

なお、垂れ防止ビード９０は、最終層の溶接開始前に形成されていれば、垂れ防止ビード９０の形成タイミングは特に限定されない。図８の例では、第１層Ａの１パス目の溶接を開始する前に形成してもよいし、第４層Ｄの３パス目の溶接終了後であって第５層Ｅの１パス目の溶接開始前に形成してもよい。

【0071】

また、溶接条件の生成時においては、例えば制御盤２内のコンピュータ３に設定される余盛高さＨｗの大きさが所定の閾値以上であるときに、最終層の溶接開始前に垂れ防止ビード９０を形成する溶接条件を生成するようにしてもよい。

【0072】

以上、本発明の実施形態について例示したが、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。

【0073】

例えば、上記実施形態の構成要件は任意に組み合わせることができる。当該任意の組み合せからは、組み合わせにかかるそれぞれの構成要件についての作用及び効果が当然に得られるとともに、本明細書の記載から当業者には明らかな他の作用及び他の効果が得られる。

【0074】

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

【0075】

なお、以下のような構成例も本開示の技術的範囲に属する。
（１）横向き自動溶接装置を制御するコンピュータを用いて開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接方法であって、
前記コンピュータは、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、
予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、
前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、
前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、
予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、
前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、
前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行うことを特徴とする、横向き自動溶接方法。
（２）前記コンピュータは、
複数の前記溶接層を第１層、第２層、中間層および最終層と区分したときの前記中間層の溶接パス数を算出する際に、前記層断面積から前記基準断面積を差し引いた値と前記基準断面積とから、前記中間層における溶接パス数を算出することを特徴とする、（１）に記載の横向き自動溶接方法。
（３）前記コンピュータは、
前記基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接パスにおける溶接速度を算出し、
前記溶接速度が予め設定された基準溶接速度範囲の範囲内となるように溶接パス数の修正を行う制御を実行することを特徴とする、（１）又は（２）に記載の横向き自動溶接方法。
（４）複数の前記溶接層のうちの最終層の溶接を開始する前に、前記開先の下側に位置する溶接対象材の表面側の角部に溶接線方向に沿って延びるビードを形成することを特徴とする、（１）～（３）のいずれかに記載の横向き自動溶接方法。
（５）開先の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に前記開先の横向き溶接を行う横向き自動溶接装置であって、
溶接トーチと、
溶接線が延びる溶接線方向、前記開先の深さ方向及び前記開先の幅方向の各々の方向に前記溶接トーチを移動させるトーチ移動機構と、
制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記横向き溶接を開始する前の溶接条件生成時に、
予め設定された、溶接対象材の板厚と余盛高さと基準層深さとから、前記開先の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、
前記板厚と前記余盛高さと前記積層数とから、各溶接層の溶接層深さを算出し、
前記開先の形状と前記溶接層深さとから、各溶接層の断面積である層断面積を算出し、
予め設定された基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、
前記層断面積と前記基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、
前記生成された溶接条件で前記開先の横向き溶接を行う制御を実行することを特徴とする、横向き自動溶接装置。
（６）前記制御手段は、複数の前記溶接層を第１層、第２層、中間層および最終層と区分したときの前記中間層の溶接パス数を算出する際に、前記層断面積から前記基準断面積を差し引いた値と前記基準断面積とから、前記中間層における溶接パス数を算出する制御を実行することを特徴とする、（５）に記載の横向き自動溶接装置。
（７）前記制御手段は、
前記基準溶接条件と前記開先に送給するワイヤの径から、各溶接パスにおける溶接速度を算出し、
前記溶接速度が予め設定された基準溶接速度範囲の範囲内となるように溶接パス数の修正を行う制御を実行することを特徴とする、（５）又は（６）に記載の横向き自動溶接装置。
（８）前記制御手段は、複数の前記溶接層のうちの最終層の溶接を開始する前に、前記開先の下側に位置する溶接対象材の表面側の角部に溶接線方向に沿って延びるビードを形成する制御を実行することを特徴とする、（５）～（７）のいずれかに記載の横向き自動溶接装置。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本発明は、開先の横向き自動溶接方法に適用することができる。

【符号の説明】

【0077】

１ ：自動溶接装置
２ ：制御盤
３ ：コンピュータ
４ ：開先
５、６ ：溶接対象材
７ ：吸着具
９ ：ガイドレール
１０ ：溶接ロボット
２０ ：Ｙ走行台車
５０ ：トーチ姿勢調整機構
６０ ：Ｔ軸駆動機構
６１ ：モータケース
６２ ：軸受ケース
６３ ：Ｔ軸
６４ ：トーチホルダ
７０ ：トーチ
７０ｗｆ ：前方傾斜姿勢
７０ｗｒ ：後方傾斜姿勢
７０Ｔｒ ：右傾斜姿勢
７０Ｔｌ ：左傾斜姿勢
８０ ：当て金
９０ ：垂れ防止ビード
Ａ ：第１層
Ｂ ：第２層
Ｃ ：第３層
Ｄ ：第４層
Ｅ ：第５層
Ｃｓ１ ：開先１点目
Ｃｓ２ ：開先２点目
Ｃｓｍ ：開先中間点
Ｈｗ ：余盛高さ
Ｓａ～Ｓｅ：領域

【要約】

【課題】開先の横向き溶接において、溶融金属の垂れを抑制できる溶接条件を自動生成することが可能な横向き自動溶接方法を提供する。
【解決手段】横向き自動溶接装置を制御するコンピュータを用いて開先４の形状に基づく溶接条件を自動生成し、生成された溶接条件で自動的に開先４の横向き溶接を行う横向き自動溶接方法において、予め設定された、溶接対象材５、６の板厚と余盛高さＨｗと基準層深さとから、開先４の断面を溶着金属で埋めるために必要な溶接層の積層数を算出し、各溶接層の溶接層深さを算出し、各溶接層の層断面積を算出し、各溶接層の１パスあたりの基準断面積を算出し、層断面積と基準断面積から、各溶接層における溶接パス数を算出することで、溶接条件を生成し、生成された溶接条件で開先４の横向き溶接を行う。
【選択図】図８

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】