特許 7604573 制御装置、制御方法及びプログラム

(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】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】制御装置、制御方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20241216BHJP

   B23K 9/013 20060101ALI20241216BHJP

   B23K 9/028 20060101ALI20241216BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 501A

B23K9/013 A

B23K9/028 G

B23K9/12 305

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023127085

(22)【出願日】2023-08-03

【審査請求日】2023-11-16

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】和田 勝則

【審査官】黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５０－１３０６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１４１０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３３０２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１４９０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－３２０２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１２０２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４７４１７４１（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２６９２４１０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／００ － ９／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配管の周方向に沿って溶接又は溶断を行う溶接又は溶断装置を制御する制御装置であって、
前記溶接又は溶断装置を制御して、前記配管を軸回りに回転させながら溶接又は溶断条件を変更して溶接又は溶断を行わせ、
前記溶接又は溶断条件は、溶接又は溶断におけるワイヤーの送給速度、及びアーク電流の種類のうち少なくとも１つであり、
前記配管の溶接又は溶断される領域ごとに、前記溶接又は溶断条件を変更し、前記ワイヤーの送給速度を上げる及び下げる、又は前記アーク電流の大きさを大きくする及び小さくし、
前記溶接又は溶断は、前記配管を１周させて終了する、
制御装置。

【請求項2】

前記領域におけるアーク電流は、初期電流、アップスロープ電流、本溶接電流、ダウンスロープ電流、クレータ電流の少なくとも１つであり、
前記本溶接電流の大きさは、350A以上1000A以下である、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記本溶接電流の大きさは400A以上800A以下である、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記配管をＹ軸に沿って正方向に見たときに反時計回りに回転させる場合、前記溶接に用いる溶接ヘッドの位置が、（Ｘ、Ｚ）＝（-cosθ、sinθ）（15°≦θ≦75°）の領域にある、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項5】

配管の周方向に沿って溶接又は溶断を行う溶接又は溶断装置を制御する制御方法であって、
前記溶接又は溶断装置を制御して、前記配管を軸回りに回転させながら溶接又は溶断条件を変更して溶接又は溶断を行わせ、
前記溶接又は溶断条件は、溶接又は溶断におけるワイヤーの送給速度、及びアーク電流の種類のうち少なくとも１つであり、
前記配管の溶接又は溶断される領域ごとに、前記溶接又は溶断条件を変更し、前記ワイヤーの送給速度を上げる及び下げる、又は前記アーク電流の大きさを大きくする及び小さくし、
前記溶接又は溶断は、前記配管を１周させて終了する、
制御方法。

【請求項6】

コンピュータに、請求項５に記載の制御方法を実行させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置、制御方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

固定管の円周自動TIG溶接装置において、熱伝導型の非キーホールを用いて裏ビードを形成する完全裏波溶接が行われている。溶接トーチの姿勢は、下向、下進、立向、上進及びオールポジションがあり、各姿勢に最適な溶接条件が求められる。そのため、固定管の円周を４分割あるいは８分割し、個別に溶接条件を制御することで安定した裏ビードを確保している。

【0003】

回転管の円周自動TIG溶接装置においては、トーチ位置は固定されている。溶接トーチの姿勢は、下向であり分割して制御はされていない。

【0004】

キーホールTIG溶接を用いて回転管の溶接をすることが特許文献１及び２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開昭５９－１６６８１号公報

【文献】特開昭４９－７７８５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

キーホールTIG溶接を用いて水平の回転管の溶接を行うと、キーホールを維持するためには高い溶接電流領域のアーク力と、高い溶接電流に適応した高速回転と、溶接エリアごとの溶接条件の調節が必要である。
特許文献１に開示された回転管の円周自動TIG溶接装置は一定溶接条件で制御を行っており、回転方向は水平、トーチ位置は下向下進である。そのため、溶けた溶融池が先行することでキーホールの形状・大きさが維持できなくなり、それによりキーホールがふさがり裏ビードが出なくなり、ラップ部とクレータ部の安定した裏ビードを確保できない。
特許文献２に開示されたプラズマ溶接方法は、回転方向は鉛直、トーチ位置は下向であり、溶接電流は150Aと低いことから溶融池が先行せず、回転速度を高速にする必要がない。
本発明の目的は、安定した溶接を可能にする制御装置、制御方法及びプログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、配管の周方向に沿って溶接又は溶断を行う溶接又は溶断装置を制御する制御装置であって、前記溶接又は溶断装置を制御して、前記配管を軸回りに回転させながら溶接又は溶断条件を変更して溶接又は溶断を行わせる、制御装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、安定した溶接を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る配管の自動溶接システムの構成を示す図である。

【図2】溶接ヘッドの位置を説明する図である。

【図3】配管の溶接される領域を示す図である。

【図4】アーク電流の種類の変更を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る配管の自動溶接システム１００の構成を示す斜視図である。自動溶接システム１００は、配管の自動溶接装置１及び制御装置２０を備える。制御装置２０は、配管の自動溶接装置１を制御することで配管Ｐの溶接を行わせる。

【0012】

以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を配管Ｐの周方向に沿った自動溶接装置１の前後方向（幅方向）とし、Ｙ軸方向を配管Ｐの軸線方向に沿った自動溶接装置１の左右方向（奥行き方向）とし、Ｚ軸方向を自動溶接装置１の上下方向（高さ方向）として、それぞれ示すものとする。

【0013】

本実施形態の自動溶接装置１は、図１に示すように、配管Ｐを軸回りに回転させながら、この配管Ｐの周方向に沿って溶接を自動で行うものである。

【0014】

具体的に、この自動溶接装置１は、配管Ｐの外周面上に位置して、軸回りに回転する配管Ｐに対して溶接を行う溶接ヘッド２と、配管Ｐに対して溶接ヘッド２を上下方向及び配管Ｐの周方向に沿った前後方向に移動自在に支持するヘッド支持機構３とを備えている。なお、ヘッド支持機構３は、この自動溶接装置１のフレーム（図示せず。）に取り付けられている。

【0015】

溶接ヘッド２は、例えば一般に使用されているＴＩＧ溶接用トーチ（非消耗式の溶接トーチ）である。溶接ヘッド２は、配管Ｐとの間でアーク電流を発生させる非消耗電極４と、アークによって生じた溶融池（プール）に向かってシールドガスを放出するトーチノズル５とを有している。

【0016】

図２は、溶接ヘッド２の位置を説明する図である。溶接ヘッド２は、配管Ｐに対して0時半から2時半の位置にあることが望ましい。ＸＹＺ直交座標系を使用して説明すると、図２に示すように配管ＰがＹ軸に沿って正方向に見たときに反時計回りに回転する場合、溶接ヘッド２は、（Ｘ、Ｚ）＝（-cosθ、sinθ）（15°≦θ≦75°）の領域にあるのが望ましい。溶接ヘッド２が0時の位置、つまり（Ｘ、Ｚ）＝（0、1）にある場合、凸ビードが生じ、溶けた溶融池が進行方向と反対側に垂れやすくなる。溶接ヘッド２の位置を図２に示す領域にすることで、凸ビードが生じ、溶けた溶融池が進行方向と反対側に垂れるのを防ぐことができる。

【0017】

溶接ヘッド２には、ワイヤー狙いガイド６が取り付けられている。ワイヤー狙いガイド６は、フィラーワイヤーＷを案内しながら、その先端側からフィラーワイヤーＷを送り出す送給ヘッド６ａと、送給ヘッド６ａの先端部に向かってフィラーワイヤーＷを送給するライナー（コンジットとも言う。）６ｂとを有している。

【0018】

送給ヘッド６ａは、その先端側が非消耗電極４の先端側に向かって延長されたノズル形状を有している。また、ワイヤー狙いガイド６は、この送給ヘッド６ａを回動自在に支持する回動機構６ｃを有して、送給ヘッド６ａの角度を調節自在としている。ライナー６ｂは、ワイヤー送給装置（図示せず。）と接続されており、このワイヤー送給装置によってフィラーワイヤーＷを自動で送給することが可能となっている。

【0019】

ワイヤー狙いガイド６は、ガイド支持機構７を介して溶接ヘッド２の前側に取り付けられている。ガイド支持機構７は、溶接ヘッド２に対するワイヤー狙いガイド６の上下方向（Ｚ軸方向）の位置を調節する高さ調節部７ａと、溶接ヘッド２に対するワイヤー狙いガイド６の左右方向（Ｙ軸方向）の位置を調節する奥行き調節部７ｂとを有している。

【0020】

ガイド支持機構７では、高さ調節部７ａ及び奥行き調節部７ｂにより溶接ヘッド２に対するワイヤー狙いガイド６の上下方向及び左右方向の位置を調節した後に、その位置を固定することが可能となっている。

【0021】

また、溶接ヘッド２には、アフターシールド機構８が取り付けられている。アフターシールド機構８は、アフターシールド機構８は、溶接ヘッド２の先端側から溶接線方向の後方側を覆うアフターシールドカバー８ａを有し、このアフターシールドカバー８ａの内側から配管Ｐの溶接直後に形成される溶接ビードに対してアフターシールドガスを放出する。

【0022】

ヘッド支持機構３は、配管Ｐに対して溶接ヘッド２を上下方向（Ｚ軸方向）に移動自在に支持する上下スライダ３ａと、配管Ｐに対して溶接ヘッド２を前後方向（Ｘ方向）に移動自在に支持する前後スライダ３ｂと、配管Ｐに対する溶接ヘッド２の上下方向（Ｘ軸方向）の位置を調節する高さ調節部３ｃと、配管Ｐに対する溶接ヘッド２の左右方向（Ｙ軸方向）の位置を調節する奥行き調節部３ｄとを有している。

【0023】

ヘッド支持機構３では、上下スライダ３ａ及び前後スライダ３ｂにより配管Ｐに対して溶接ヘッド２を上下方向及び前後方向に常時移動させることが可能である。ヘッド支持機構３では、高さ調節部３ｃ及び奥行き調節部３ｄにより配管Ｐに対する溶接ヘッド２の上下方向及び左右方向の位置を調節した後に、その位置を固定することが可能となっている。

【0024】

ヘッド支持機構３は、配管Ｐの周方向に並ぶ一対の回転ローラ９を有している。一対の回転ローラ９は、配管Ｐの外周面と溶接ヘッド２の先端との間の距離を一定に保つように、上下スライダ３ａの下端部に取付板１０を介して取り付けられている。

【0025】

一対の回転ローラ９は、取付板１０に軸支されることによって、配管Ｐの外周面と摺接しながら回転することが可能となっている。また、一対の回転ローラ９は、溶接ヘッド２の自重によって配管Ｐの外周面に押し付けられる。

【0026】

また、ヘッド支持機構３は、配管Ｐの最上部に対する溶接ヘッド２の前後方向の位置（オフセット）を調節するオフセット調節部１１を有している。オフセット調節部１１は、上下スライダ３ａの下端部に対する取付板１０の前後方向の取付位置を変更することが可能となっている。

【0027】

ヘッド支持機構３では、このオフセット調節部１１により配管Ｐの最上部に対する溶接ヘッド２の前後方向の位置を調節した後に、その位置を固定することが可能となっている。

【0028】

以下、制御装置２０による自動溶接装置１の制御方法について説明する。制御装置２０は、非消耗電極４が発生するアーク電流の大きさを制御する。制御装置２０は、回転ローラ９を制御して配管Ｐを軸回りに回転させながら溶接条件を変更して、溶接ヘッド２に配管Ｐの周方向に沿って溶接を行わせる。制御装置２０は、溶接条件の変更を、回転ローラ９が配管Ｐを１回転させる間に変更してもよいし、配管Ｐを１回転させるごとに変更してもよいが、溶けた溶融池が垂れるのを防ぐ点から、配管Ｐを１周する間に変更することが好ましい。

【0029】

溶接条件は、ワイヤー狙いガイド６によるワイヤーの送給速度、回転ローラ９が回転することによる配管Ｐの回転速度、及び非消耗電極４が発生するアーク電流の種類のうち少なくとも１つである。制御装置２０は、ワイヤーの送給速度、配管Ｐの回転速度及びアーク電流の種類を個別に設定する。

【0030】

制御装置２０は、例えば回転ローラ９の回転数又は回転角度により溶接条件を変更する。制御装置２０は、回転ローラ９の回転数又は回転角度により溶接条件を変更することで、配管Ｐの回転数により、溶接条件を変更することができる。制御装置２０は、配管Ｐの回転数により、ワイヤーの送給速度及びアーク電流の大きさを個別に設定することで、入熱量を制御し、本溶接中のラップ・クレータ処理の際に、溶け落ちや内部欠陥の発生を抑制することができる。
制御装置２０は、例えば配管Ｐの回転速度が遅くなったときにはワイヤーの送給速度を遅くすることで、余盛高さを同じにすることができる。また、制御装置２０は、例えば配管Ｐの回転速度が速くなったときにはワイヤーの送給速度を速くすることで、余盛高さを同じにすることができる。

【0031】

配管Ｐの回転速度は、40cm/min以上150cm/min以下であることが望ましい。配管Ｐの回転速度は、50cm/min以上100cm/min以下であることがさらに望ましい。

【0032】

また、制御装置２０は、回転ローラ９の回転数又は回転角度により溶接条件を変更することで、配管Ｐの溶接される領域ごとに溶接条件を変更することができる。制御装置２０は、例えば図３に示すように配管Ｐの溶接される領域を領域Ａ１～Ａ４に分け、領域ごとに溶接条件を変更することができる。

【0033】

アーク電流の種類は、初期電流、アップスロープ電流、本溶接電流、ダウンスロープ電流、クレータ電流の少なくとも１つである。図４は、アーク電流の種類の変更を示した図である。
図４において、縦軸はアーク電流の大きさ、横軸は時刻を示す。制御装置２０は、アーク電流を初期電流、アップスロープ電流、本溶接電流、ダウンスロープ電流、クレータ電流の順番で変化させる。

【0034】

初期電流及びアップスロープ電流は、本溶接電流に達するための立ち上げの電流である。本溶接電流は、溶接を行う際のアーク電流である。ダウンスロープ電流及びクレータ電流は、溶接が終了し、立ち下げの電流である。配管Ｐが炭素鋼管であるとき、回転を停止した後に徐々に電流の大きさが小さくなるダウンスロープ電流により立ち下げを行うことで、最後のクレータ処理においてブローホールが生じるのを防ぐことができる。

【0035】

制御装置２０は、本溶接電流の大きさを変化させてもよい。本溶接電流の大きさは、350A以上1000A以下が望ましい。また、本溶接電流の大きさは、400A以上800A以下がさらに望ましい。

【0036】

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
上記実施形態では、配管Ｐを軸回りに回転させながら、この配管Ｐの周方向に沿ってＴＩＧ溶接を自動で行う場合を例示しているが、溶接方法については、ＴＩＧ溶接のような非消耗電極式のガスシールドアーク溶接に限らず、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接、炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式のガスシールドアーク溶接であってもよい。

【0037】

また、上記実施形態では、配管を軸回りに回転させながら、溶接ヘッドにより配管の周方向に沿って溶接を自動で行う配管の自動溶接装置に本発明を適用した場合について説明しているが、配管を軸回りに回転させながら、溶断ヘッドにより配管の周方向に沿って溶断を自動で行う配管の自動溶断装置に本発明を適用することも可能である。

【0038】

また、プラズマアークは、上述した溶接の用途に限らず、例えば、被加工物に対するロウ付けや、接合、切断、溶射、溶融炉などにも利用されている。なお、本発明では、このような溶接以外の用途についても、溶接の一形態として取り扱うものとする。

【0039】

上述した実施形態における制御装置２０の全部又は一部の機能はコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記録装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。また、制御装置２０の全部又は一部の機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

【符号の説明】

【0040】

１…自動溶接装置 ２…溶接ヘッド（ＴＩＧ溶接トーチ） ３…ヘッド支持機構 ６…ワイヤー狙いガイド ７…ガイド支持機構 ８…アフターシールド機構 ９…回転ローラ １０…取付板 １１…オフセット調節部 １００…自動溶接システム ２０…制御装置 Ａ…領域 Ｐ…配管 Ｃ…中心軸 Ｓ…回転軸

【要約】

【課題】安定した溶接を可能にする制御装置、制御方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】配管の周方向に沿って溶接又は溶断を行う溶接又は溶断装置を制御する制御装置であって、前記溶接又は溶断装置を制御して、前記配管を軸回りに回転させながら溶接又は溶断条件を変更して溶接又は溶断を行わせる、制御装置。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】