(57)【要約】【課題】管材の内周面に肉盛溶接できる溶接装置において、溶接トーチおよび当て板と管材との位置関係の変動を抑制する。【解決手段】溶接装置１は、基台部１１と、基台部１１に設けられる支持部１２と、基端部が支持部１２に支持され先端側が水平方向に伸縮可能なブーム部１３と、ブーム部１３の先端部に設けられる所定の数の溶接トーチ２３および当て板２４１と、所定の数の溶接トーチ２３および当て板２４１よりもさらに先端側に設けられ第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４とを有し、第１のブレ止め機構３は、当て板２４１から見て回転する管材８の内周面の移動方向の後側に向かって突出し、先端部が管材８の内周面に接触する第１のアーム３２を有し、第２のブレ止め機構４は、移動方向の前側に向かって突出し、先端部が管材８の内周面に接触する第２のアーム４２を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線が水平となる向きに配置されて軸線回りに回転する断面が円形の管材の内部に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
基端部が支持部に支持され先端部の側が水平方向に伸縮可能なブーム部と、
前記ブーム部の先端部に設けられる所定の数の溶接トーチおよび前記管材の内周面に接触させる当て板と、
前記所定の数の溶接トーチおよび前記当て板よりもさらに先端側に設けられる第１のブレ止め機構と、
を有し、
前記第１のブレ止め機構は、前記当て板と前記管材の内周面が接触する箇所よりも、前記当て板が前記管材の内周面の、前記当て板から見て前記管材の内周面が移動する側に接触する第１のアームを有することを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記第１のブレ止め機構は、前記第１のアームを前記管材の内周面に向けて付勢する付勢手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記所定の数の溶接トーチおよび前記当て板よりもさらに先端側に設けられる第２のブレ止め機構をさらに有し、
前記第２のブレ止め機構は、前記当て板と前記管材の内周面が接触する箇所よりも、前記当て板が前記管材の内周面の、前記当て板から見て前記管材の内周面が移動する側とは反対側に接触する第２のアームを有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記第２のブレ止め機構は、前記第２のアームを前記管材の内周面に向けて付勢する付勢手段をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記第１のアームと前記第２のアームの少なくとも一方は伸縮可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記所定の数の溶接トーチをオシレーションさせるオシレーション機構をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶接装置。
【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。特には鋼管などの管材の内周面を円周方向に肉盛溶接できる溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木や建築の分野に用いられる構造物として、コンクリート充填鋼管構造（ＣＴＦ：Concrete Filled Steel Tube）がある。コンクリート充填鋼管構造は、円形や四角形などの所定の断面形状を有する鋼管の内部にコンクリートが充填されたものである。このようなコンクリート充填構造用の鋼管の内周面には、充填されたコンクリートとの密着性の向上のため、例えば、円環状や螺旋状などといった各種形状の所定の方向に延伸する突起が設けられている。
【０００３】
このような突起の形成方法として、特許文献１，２には、溶接トーチが設けられたブームをコンクリート充填用の鋼管の内部に挿入し、このコンクリート充填用の鋼管を回転させながらその内周面に溶接ビードを形成する、という方法が開示されている。これにより、溶接ビードからなる突起が形成される。この際、所定の間隔をおいて離れて設けられる２枚の当て板をブーム部コンクリート充填用の鋼管の内周面に接触させ、これらの間で溶接を行う。これにより、２枚の当て板の間に溶融金属を溜め、所定の断面形状の突起を形成する。
【０００４】
しかしながら、このような構成では、次のような問題が生じることがある。コンクリート充填用の鋼管を回転させると、当て板とコンクリート充填用の鋼管の内周面との間の摩擦力によってブーム部にモーメントが掛って変形し、ブーム部に設けられている当て板がコンクリート充填用の鋼管に対して変位することがある。そうすると、当て板とコンクリート充填用の鋼管の内周面との間に隙間が形成されて溶融金属が流出し、突起の形状が乱れることがある。また、前記摩擦力によってブーム部の先端部が搖動すると、当て板とコンクリート充填用の鋼管の内周面との接触状態や位置関係が変動することがある。そうすると、形成される突起の寸法や形状が均一にならなくなることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９３２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、鋼管などの管材の内部に溶接ビードからなる突起を形成する溶接装置であって、溶接トーチおよび当て板と鋼管との位置関係の変動を抑制できる溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００８】
（１）
軸線が水平となる向きに配置されて軸線回りに回転する断面が円形の管材の内部に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
基端部が支持部に支持され先端部の側が水平方向に伸縮可能なブーム部と、
前記ブーム部の先端部に設けられる所定の数の溶接トーチおよび前記管材の内周面に接触させる当て板と、
前記所定の数の溶接トーチおよび前記当て板よりもさらに先端側に設けられる第１のブレ止め機構と、
を有し、
前記第１のブレ止め機構は、前記当て板と前記管材の内周面が接触する箇所よりも、前記当て板が前記管材の内周面の、前記当て板から見て前記管材の内周面が移動する側に接触する第１のアームを有することを特徴とする溶接装置。
【０００９】
（２）
前記第１のブレ止め機構は、前記第１のアームを前記管材の内周面に向けて付勢する付勢手段をさらに有することを特徴とする（１）に記載の溶接装置。
【００１０】
（３）
前記所定の数の溶接トーチおよび前記当て板よりもさらに先端側に設けられる第２のブレ止め機構をさらに有し、
前記第２のブレ止め機構は、前記当て板と前記管材の内周面が接触する箇所よりも、前記当て板が前記管材の内周面の、前記当て板から見て前記管材の内周面が移動する側とは反対側に接触する第２のアームを有することを特徴とする（１）または（２）に記載の溶接装置。
【００１１】
（４）
前記第２のブレ止め機構は、前記第２のアームを前記管材の内周面に向けて付勢する付勢手段をさらに有することを特徴とする（３）に記載の溶接装置。
【００１２】
（５）
前記第１のアームと前記第２のアームの少なくとも一方は伸縮可能であることを特徴とする（３）または（４）に記載の溶接装置。
【００１３】
（６）
前記所定の数の溶接トーチをオシレーションさせるオシレーション機構をさらに有することを特徴とする（１）から（５）いずれかに記載の溶接装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、管材の内部に溶接ビードからなる突起を形成する溶接装置において、溶接トーチおよび当て板と管材との位置関係の変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、溶接装置の構成例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、溶接装置のヘッド部の構成例を模式的に示すＹ軸方向視の外観図である。
【図３】図３は、溶接装置のヘッド部の構成例を模式的に示すＸ軸方向視の外観図である。
【図４】図４は、溶接装置のヘッド部の構成例を模式的に示す外観図である。
【図５】図５は、本発明の実施例と比較例のブーム部の先端部の変位量の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、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。本発明の実施形態に係る溶接装置は、断面が円形の鋼管などの管材を肉盛溶接の対象とする。このような管材としては、例えば、コンクリート充填用の鋼管が挙げられる。そして、溶接装置は、軸線が水平となる向きに配置されて軸線回りに回転させられている管材の内周面に肉盛溶接を行うことにより、管材の内周面に環状や螺旋状の突起を形成できる。なお、説明の便宜上、本発明の実施形態では、溶接装置の３次元の各方向を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元座標系で示す。そして、水平方向であって溶接対象である管材（軸線が水平となる向きに配置された管材）の軸線方向をＸ軸方向とし、水平方向であって管材の軸線に直角な方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とする。
【００１７】
＜溶接装置の構成例＞
まず、溶接装置１の全体的な構成の例について、図１を参照して説明する。図１は、溶接装置１の構成例を模式的に示すＹ軸方向視の外観図である。図１に示すように、溶接装置１は、ターニングローラー１５と、基台部１１と、基台部１１に設けられる支持部１２と、支持部１２によりＺ軸方向に移動可能（昇降可能）に支持されるブーム部１３と、ブーム部１３をＺ軸方向に移動させるブーム昇降駆動機構１４２と、ブーム部１３をＸ軸方向に伸縮させるブーム伸縮駆動機構１４３とを有する。
【００１８】
そして、ブーム部１３の先端部には、所定の数の溶接トーチ２３および所定の数の型枠２４と、第１のブレ止め機構３と、第２のブレ止め機構４とが設けられる。説明の便宜上、所定の数の溶接トーチ２３および所定の数の型枠２４と、第１のブレ止め機構３と、第２のブレ止め機構４とが設けられている部分を、ヘッド部１４と称する。本発明の実施形態では、ヘッド部１４に２基の溶接トーチ２３が設けられる構成を例に示す。ただし、ヘッド部１４に設けられる溶接トーチ２３の数は２基に限定されない。１基の溶接トーチ２３が設けられる構成であってもよく、３基以上の溶接トーチ２３が設けられる構成であってもよい。
【００１９】
基台部１１は、溶接装置１の基礎となる部分である。基台部１１には回転可能な車輪１１１が設けられており、溶接装置１は、この車輪１１１によって全体としてＸ軸方向に往復移動可能である。例えば、溶接装置１の設置面９（床面など）にはＸ軸方向に延伸するレール９１が敷設されており、基台部１１に設けられる車輪１１１はこのレール９１に載せられている。支持部１２は、基台部１１から上側に向かって突出する柱状の構成を有しており、後述するブーム部１３を所定の高さ位置に支持する。例えば、支持部１２は、所定の間隔をおいて設けられる２本の支柱を有しており、これら２本の支柱によってブーム部１３を挟み込むようにして支持する。ブーム部１３は、Ｘ軸方向に伸縮可能な構成を有している。例えば、ブーム部１３には、伸縮可能な多重筒構造（多重管構造）が適用される。そして、ブーム部１３の先端部には、ヘッド部１４が設けられている。
【００２０】
なお、基台部１１と支持部１２とブーム部１３の構成は、特に限定されない。基台部１１と支持部１２とは、全体としてブーム部１３を溶接装置１の設置面９から所定の高さに支持できる構成であればよい。また、ブーム部１３は、溶接対象である管材８の内部（内周面側に）に挿入可能な寸法を有しており、水平方向（Ｘ軸方向）に伸縮可能な構成であればよい。
【００２１】
このほか、溶接装置１は、各部を駆動制御するための制御部１６を有する。制御部１６には、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとを有するコンピュータが適用される。コンピュータのＲＯＭには、溶接装置１を制御するためのコンピュータプログラムがあらかじめ格納されている。コンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに格納されているコンピュータプログラムを読み出し、ＲＡＭをワークエリアとして用いて実行する。これにより、溶接装置１の各部が制御され、後述する動作が実現する。
【００２２】
ターニングローラー１５は、軸線がＸ軸に平行な向きで配置された管材８を、その軸線を中心として回転させる。具体的には、回転中心線がＸ軸に平行である２つのターニングローラー１５が、Ｙ軸方向に所定の距離をおいて離れて設けられており、２つのターニングローラー１５に管材８を載せることができる。そして、２つのターニングローラー１５は図略の回転駆動機構により回転することにより、２つのターニングローラー１５に載せられた管材８が回転する。
【００２３】
＜ヘッド部＞
次に、ヘッド部１４の構成例について、図２〜図４を参照して説明する。図２は、ヘッド部１４の構成例を模式的に示すＹ軸方向視の外観図である。図３は、ヘッド部１４の構成例を模式的に示すＸ軸方向視の外観図である。図４は、ヘッド部１４の構成例を模式的に示す外観斜視図である。
【００２４】
図２〜図４に示すように、ヘッド部１４には、所定の数（ここでは２基）の溶接トーチ２３がＸ軸方向に並べて設けられる。本実施形態では、これら所定の数の溶接トーチ２３には、ＭＩＧ溶接用の溶接トーチが適用される例を示す。ただし、これらの溶接トーチ２３は、連続的に肉盛溶接を行うことができる構成であればよく、ＭＩＧ溶接用の溶接トーチに限定されない。そして、これらの溶接トーチ２３は、それぞれ下側において肉盛溶接できるように、トーチ先端が下側に向けられている。すなわち、ヘッド部１４に設けられる所定の数の溶接トーチ２３は、いずれも、トーチ先端から下側に向けてシールドガスを噴射するとともに、下側に向けて溶接ワイヤーを繰り出すことができるように配置される。
【００２５】
型枠２４は、溶接トーチ２３により溶融された金属（以下、溶融金属と称する）を溜めることにより、溶融金属を所定の断面形状・寸法の突起に成形する部材である。型枠２４は、Ｘ軸方向に所定の距離をおいて離れて設けられる２枚の当て板２４１を有する。なお、２枚の当て板２４１どうしの距離（すなわち、２枚の当て板２４１どうしの隙間の寸法）は、形成する突起の断面形状に応じて設定される。２枚の当て板２４１の下側の面は管材８の内周面に接触する面であり、Ｘ軸方向視において所定の曲率半径で下側に向かって凸となる曲面に形成される。なお、当て板２４１の下側の面の曲率半径は、溶接対象の管材８の内径に応じて設定されるものであり、管材８の内径と略同じに設定される。また、当て板２４１の内部には、冷媒を流通させる冷媒経路が設けられており、この冷媒経路に冷媒を流すことによって、当て板２４１を冷却することができる。
【００２６】
所定の数の溶接トーチ２３と、所定の数の溶接トーチ２３のそれぞれに対応する所定の数の型枠２４とは、上下方向に往復移動可能に設けられる。例えば、ヘッド部１４は、ブーム部１３の先端部に設けられているフレーム１４１を有し、このフレーム１４１の側面には、溶接トーチ２３と同数のエアシリンダー２１が、それらのピストンロッドが上下方向に往復動する向きで設けられる。さらに、フレーム１４１の側面には、溶接トーチ２３と同数の支持部材２２が、エアシリンダー２１の駆動力によってフレーム１４１に対してＺ軸方向に往復移動可能に設けられる。そして、所定の数のフレーム１４１のそれぞれには、１基の溶接トーチ２３と１個の型枠２４とが取り付けられており、エアシリンダー２１の駆動力によって支持部材２２とともに上下方向（Ｚ軸方向）に昇降（往復移動）する。
【００２７】
また、型枠２４に設けられる当て板２４１は、管材８の内周面に付勢されて接触することができるように設けられる。例えば、ブーム部１３の先端部には、ピストンロッドを有する所定の数（溶接トーチ２３と同数）のエアシリンダー２１が、それらのピストンロッドの往復運動の方向が上下方向に平行となる向きで設けられている。そして、所定の数（溶接トーチ２３と同数）の支持部材２２のそれぞれに、１基の溶接トーチ２３と１基の型枠２４とが取り付けられており、溶接トーチ２３と型枠２４とが取付けられた支持部材２２は、エアシリンダー２１のピストンロッドに一体に往復移動するように連結されている。このような構成によれば、エアシリンダー２１の動作によって、溶接トーチ２３と型枠２４とがＺ軸方向に往復動可能であり、型枠２４に設けられる２枚の当て板２４１を管材８の内周面に付勢した状態で接触させることができる。
【００２８】
なお、エアシリンダー２１、溶接トーチ２３および型枠２４の構成は、特に限定されない。これらは、管材８の内周面に溶接ビードからなる突起を形成できる構成であればよく、従来公知の構成が適用できる。また、支持部材２２の構成も特に限定されない。要は、溶接トーチ２３の先端部と型枠２４とを一体にＺ軸方向に往復移動させることができる構成であればよい。
【００２９】
また、溶接トーチ２３は支持部材２２に対して相対的に変位できないように固定されているのに対し、型枠２４は支持部材２２に相対的に変位可能に取り付けられている構成であってもよい。例えば、型枠２４は、支持部材２２に対して管材８の回転方向（Ｙ軸方向）に往復動可能に取り付けられている。また、型枠２４は、支持部材２２に対してＸ軸方向に平行な軸線を中心として回転可能に（換言すると振り子状に揺動可能に）取り付けられていてもよい。具体的には、型枠２４は、軸線がＸ軸方向に平行となるように配置された連結ピンを介して支持部材２２に連結される構成が適用できる。このような構成であると、当て板２４１の管材８の内周面への追従性が向上し、溶接中において当て板２４１が管材８の内周面から離れることが抑制される。このように、型枠２４は溶接トーチ２３に対して相対的に変位可能な構成であることが好ましい。
【００３０】
さらに、溶接トーチ２３と型枠２４とが、支持部材２２に対して相対的に変位可能に取り付けられていてもよい。具体的には、支持部材２２とは別体の部材に溶接トーチ２３と型枠２４とが取付けられており、この支持部材２２とは別体の部材は、軸線がＸ軸に平行な連結ピンによって支持部材２２に回転可能に（揺動可能に）連結されているという構成が適用できる。このような構成であれば、溶接トーチ２３と型枠２４とは、支持部材２２に対して相対的に変位可能である。このため、溶接トーチ２３と当て板２４１の管材８の内周面への追従性が向上し、溶接中において当て板２４１が管材８の内周面から離れたり、溶接位置がずれたりすることが抑制される。
【００３１】
なお、型枠２４が支持部材２２に対して相対的に変位可能な構成である場合には、溶接中において型枠２４が管材８の内周面から離れないようにするため、型枠２４が管材８の内周面に向けて付勢されている。例えば、型枠２４は、バネなどの付勢部材によって、管材８の内周面に向けて付勢されており、管材８の内周面に接触した状態に維持される。
【００３２】
さらに、溶接装置１は、溶接トーチ２３を溶接方向に直角な方向（Ｘ軸方向）にオシレーションさせるオシレーション機構を有する。オシレーション機構の構成は特に限定されるものではなく、公知の各種構成が適用できる。溶接の際に溶接トーチ２３をオシレーションさせることにより、溶接ビードに欠陥が生じることを抑制する。
【００３３】
＜ブレ止め機構＞
次に、ヘッド部１４に設けられる第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４の構成例について説明する。溶接装置１は、軸線が水平となる向きに配置されて軸線回りに回転させられている管材８の内周面の最下部に肉盛溶接を行う。この際、回転する管材８の内周面の最低部に、型枠２４に設けられる当て板２４１を接触させた状態に維持する。説明の便宜上、型枠２４に設けられる当て板２４１と管材８の内周面との接触箇所において、当て板２４１に対する管材８の内周面の移動する向きを「移動側」と称し、その反対側を「反移動側」と称する。図３に示すように、管材８が反時計回りに回転する場合には、当て板２４１と管材８の内周面とが接触する箇所において、管材８の内周面は当て板２４１に対して右側に移動する。このため、図３においては、右側が移動側となり、左側が反移動側となる。
【００３４】
第１のブレ止め機構３は、第１の付勢機構３１と第１のアーム３２とを有する。第２のブレ止め機構４は、第２の付勢機構４１と第２のアーム４２とを有する。第１のブレ止め機構３の第１のアーム３２と第２のブレ止め機構４の第２のアーム４２は、いずれも、ヘッド部１４のＸ軸方向の先端部であって、所定の数の溶接トーチ２３が設けられる位置よりもさらに先端側に設けられる。第１のブレ止め機構３の第１のアーム３２と、第２のブレ止め機構４の第２のアーム４２は、それぞれ、所定の方向に突出する棒状の構成を有する。また、第１のアーム３２と第２のアーム４２の先端部には、それぞれ、管材８の内周面との摩擦を低減するために、Ｘ軸回りに回転可能なローラーが設けられている。
【００３５】
第１のアーム３２と第２のアーム４２は、それぞれ、先端部（ローラー）が管材８の内周面の所定の位置に接触でき、かつ、その状態（突出の向きや長さ）を維持できるように構成されている。第１のアーム３２の先端が接触する「所定の位置」は、次のとおりである。Ｘ軸方向に関しては、所定の数の溶接トーチ２３が溶接を行う位置よりも先端側（支持部１２から遠い側）の位置である。Ｙ軸方向に関しては、当て板２４１と管材８の内周面との接触箇所（すなわち、管材８の内周面の最低部）よりも移動側の位置である。Ｚ軸方向に関しては、管材８の中心またはそれよりも上側の位置である。第２のアーム４２の先端が接触する「所定の位置」は、次のとおりである。Ｘ軸方向に関しては、所定の数の溶接トーチ２３が溶接を行う位置よりも先端側の位置である。Ｙ軸方向に関しては、当て板２４１と管材８の内周面との接触箇所よりも反移動側の位置である。Ｚ軸方向に関しては、管材８の中心またはそれよりも上側の位置である。
【００３６】
第１のブレ止め機構３の第１の付勢機構３１は、第１のアーム３２を管材８の内周面に向けて付勢することにより、第１のアーム３２の先端部（ローラー）を管材８の内周面の前記所定の位置に所定の押しつけ力をもって接触させる。同様に、第２のブレ止め機構４の第２の付勢機構４１は、第２のアーム４２を管材８の内周面に向けて付勢することにより、第２のアーム４２の先端部（ローラー）を管材８の内周面の前記所定の位置に所定の押しつけ力をもって接触させる。このような付勢機構としては、例えば、ピストンロッドを有するエアシリンダーが適用される。この場合には、第１の付勢機構３１と第２の付勢機構４１のそれぞれとしての２基のエアシリンダーのシリンダーチューブが、ヘッド部１４のＸ軸方向の先端部に取り付けられる。そして、第１の付勢機構３１としてのエアシリンダーのピストンロッドに第１のアーム３２が連結され、第２の付勢機構４１としてのエアシリンダーのピストンロッドに第２のアーム４２が連結される。このような構成によれば、それぞれのエアシリンダーの動作によって、第１のアーム３２の先端部と第２のアーム４２の先端部とを、それそれ、管材８の内周面の前記所定の位置に付勢して接触させる（押し付ける）ことができる。
【００３７】
なお、第１の付勢機構３１と第２の付勢機構４１による付勢力は特に限定されないが、例えば、３００Ｎ程度の付勢力が適用できる。また、第１の付勢機構３１と第２の付勢機構４１による第１のアーム３２と第２のアーム４２のそれぞれのストローク量も特に限定されないが、例えば、それぞれ５０ｍｍ程度のストローク量が適用できる。
【００３８】
種々の内径の管材８に対応するため、第１のブレ止め機構３の第１のアーム３２と第２のブレ止め機構４の第２のアーム４２は、いずれも先端部の位置（ローラーの位置）を変更可能に構成されている。例えば、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４は、それぞれ、ヘッド部１４にＸ軸回りに向きを変更可能に取り付けられている。例えば、第１の付勢機構３１としてのエアシリンダーのシリンダーチューブがヘッド部１４にＸ軸回りに向きを変更可能に取り付けられ、第１のアーム３２はエアシリンダーのピストンロッドに一体に往復移動可能に連結されている。第２のブレ止め機構４も同様の構成が適用できる。さらに、第１のアーム３２と第２のアーム４２は、第１の付勢機構３１と第２の付勢機構４１のそれぞれに対して、突出長さが変更可能に取り付けられている。例えば、第１のアーム３２と第２のアーム４２には、それぞれ長手方向に延伸するＴ溝が設けられており、それらのＴ溝には、ボルトの頭部やナットが挿入されている。そして、Ｔ溝の挿入されたボルトやナットを介して、第１の付勢機構３１と第２の付勢機構４１のそれぞれにネジ止めされている。このような構成によれば、ボルトやナットをＴ溝に沿って移動させることにより、第１のアーム３２と第２のアーム４２のそれぞれの突出長さを変更できる。
【００３９】
さらに、第１のアーム３２と第２のアーム４２は、それぞれ長手方向に伸縮可能な構成を有していてもよい。図２〜図４においては、第２のアーム４２が伸縮可能な構成を有する例を示す。これらの図に示すように、第２のアーム４２は、それぞれ棒状の先端側アーム４２１と基端側アーム４２２とを有する。基端側アーム４２２の長手方向の一方の端部（基端部）は、ヘッド部１４の先端部にＸ軸回りに向きを変更可能に取り付けられている。そして、基端側アーム４２２の他方の端部（先端部）には第２の付勢機構４１が取り付けられており、さらに第２の付勢機構４１には先端側アーム４２１が取り付けられている。第２の付勢機構４１がエアシリンダーであれば、シリンダーチューブが基端側アーム４２２に取り付けられ、ピストンロッドに先端側アーム４２１が取り付けられている。先端側アーム４２１には長手方向に延伸するＴ溝が設けられており、このＴ溝にはボルトの頭部やナットが挿入されている。そして、先端側アーム４２１は、Ｔ溝に挿入されたボルトの頭部やナットを介して、第２の付勢機構４１にネジ止めされている。このような構成によれば、Ｔ溝に挿入されたボルトやナットの位置を変更することにより、第２のアーム４２の全体の長さを変更できる。このようなＴ溝が形成される棒状の部材としては、例えば、アルミニウム合金からなる押し出し材が適用できる。
【００４０】
なお、図２〜図４では、第２のアーム４２が伸縮可能な構成を示すが、第１のアーム３２も伸縮可能な構成であってもよい。第１のアーム３２と第２のアーム４２のいずれか一方または両方が伸縮可能な構成であってもよい。
【００４１】
また、図２〜図４では、第２のアーム４２が、先端側アーム４２１と基端側アーム４２２の２本の棒状の部材を有する構成を示したが、このような構成に限定されない。例えば、３本以上の棒状の部材を有する構成であってもよい。このほか、伸縮可能な構成として、ブーム部１３と同様な多重筒構造（多重管構造）が適用されてもよい。さらに、突出長さを変更する構成として、第１のアーム３２と第２のアーム４２が着脱可能な構成を有するとともに、種々の長さの第１のアーム３２と第２のアーム４２をあらかじめ用意しておき、管材８の内径に応じて交換する構成であってもよい。
【００４２】
このように、第１のブレ止め機構３の第１のアーム３２と第２のブレ止め機構４の第２のアーム４２は、突出方向と突出長さを変更できる。これにより、種々の内径の管材に対して、それぞれの先端部を前記所定の位置に接触させることができる。
【００４３】
要は、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４は、それぞれ、第１のアーム３２と第２のアーム４２のそれぞれ先端部が、前記所定の位置に接触することができ、かつその状態を維持できる構成であればよい。なお、第１のアーム３２と第２のアーム４２は、それぞれ、管材８の内周面の所定の位置に接触している状態において、それらの長手方向と接触箇所の接線とが直角であることが好ましい。このような構成によれば、第１のアーム３２と第２のアーム４２のそれぞれの先端部が管材８の内周面から反力を受けた場合であっても、第１のアーム３２と第２のアーム４２には回転モーメントが掛からない。このため、このような構成であると、第１のアーム３２と第２のアーム４２の回転を防止できる。
【００４４】
また、ヘッド部１４がフレーム１４１を有する構成である場合には、所定の数の溶接トーチ２３および型枠２４と、第１のブレ止め機構３と、第２のブレ止め機構４とは、フレーム１４１を介してブーム部１３の先端部に着脱可能に取り付けられる。すなわち、所定の数の溶接トーチ２３および型枠２４はエアシリンダー２１を介してフレーム１４１の側面に取り付けられるとともに、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４とはフレーム１４１の先端部（支持部１２から遠い側の端部）に取り付けられる。そして、これらが取付けられたフレーム１４１が、ブーム部１３の先端部に着脱可能に取り付けられる。
【００４５】
＜溶接装置の動作＞
次に、溶接装置１の動作について説明する。あらかじめ、溶接装置１のヘッド部１４に、肉盛溶接の対象である管材８の内径に応じた曲率半径を有する当て板２４１を取り付けておく。また、肉盛溶接の対象である管材８を、その軸線が水平となる向きで（Ｘ軸に平行となる向きで）、ターニングローラー１５に載せる。さらに、第１のアーム３２および第２のアーム４２の突出方向および長さを、管材８の内径に応じて前記所定の位置に接触するように設定しておく。なお、第１のアーム３２と第２のアーム４２の突出方向と長さは、管材８の内径と、溶接トーチ２３の寸法と、溶接トーチ２３と第１のアーム３２および第２のアーム４２の位置関係とから決定できる。また、肉盛溶接の対象である管材８を、その軸線が水平となる向きで（Ｘ軸に平行となる向きで）配置する。
【００４６】
制御部１６は、ブーム昇降駆動機構１４２を制御してブーム部１３の上下方向位置を管材８の内部に挿入可能な位置に移動させる。次いで制御部１６は、ブーム伸縮駆動機構１４３を制御しブーム部１３をＸ軸方向に伸ばしてヘッド部１４を管材８の内部に挿入する。次いで、制御部１６は、エアシリンダー２１を作動させて当て板２４１の下面を管材８の内周面の最低部（すなわち、管材８の中心線の真下の位置）に付勢した状態で接触させる。前記のとおり、当て板２４１の下面は、管材８の内径に応じた曲率半径（略同じ曲率半径）を有している。このため、当て板２４１の下面と管材８の内周面との間には、溶融金属が漏出するような隙間が生じない。
【００４７】
次いで制御部１６は、ターニングローラー１５の回転を開始して管材８の軸線回り（Ｘ軸回り）の回転を開始するとともに、溶接トーチ２３を制御してその先端からシールドガスを噴射しつつ溶接ワイヤーを繰り出し、２枚の当て板２４１どうしの間においてアークを発生させて下向きの肉盛溶接を行う。この肉盛溶接により、２枚の当て板２４１どうしの間に溶融金属が溜まり、溜まった溶融金属が固化して突起となる。そして、管材８の回転に伴い、管材８の内周面には、円周方向に延伸する環状の突起が形成される。また、制御部１６は、溶接の際に溶接トーチ２３をオシレーションさせる。これにより、欠陥の発生を抑制する。そして、制御部１６は、管材８が所定回数回転するまで、ターニングローラー１５の回転と溶接トーチ２３の駆動を継続し、管材８の所定回数の回転が完了後に、ターニングローラー１５の回転を停止するとともに溶接トーチ２３の動作を停止する。なお、管材８の回転回数は特に限定されるものではなく、１回転でもよく２回転以上でもよい。管材８を２回転以上回転させることによって、同じ個所に重ねて肉盛溶接を行い、形成する突起を高くできる。
【００４８】
＜作用および効果＞
当て板２４１の下面を管材８の内周面に接触させた状態で管材８を回転させると、ブーム部１３の先端部には、当て板２４１と管材８の内周面との摩擦力により、移動側への曲げ力が掛かる。このため、ブーム部１３が撓んでその先端部が移動側に変位したり水平方向に揺動（振動）したりすることがある。特に、ブーム部１３が長くなるにしたがって変位や搖動が生じやすくなる。そして、ブーム部１３が変位すると、当て板２４１も移動側に変位して当て板２４１と管材８の内周面との間に隙間が生じ、この隙間に溶融金属が流入したり、さらにこの隙間を通じて溶融金属が当て板２４１どうしの間から流出したりして、形成される突起の形状が乱れる（所望の形状の突起を形成できなくなる）ことがある。また、ブーム部１３の先端部が搖動すると、当て板２４１と管材８の内周面との接触状態や位置関係が変動し、形成される突起の形状や寸法が不均一になることがある。
【００４９】
そこで、本発明の実施形態では、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４によって、ブーム部１３の変位や搖動を防止または抑制し、溶接トーチ２３および当て板２４１と管材８との位置関係の変動を抑制する。これにより、突起の形状や寸法の乱れなどを防止または抑制する。具体的な作用効果は次のとおりである。
【００５０】
第１のアーム３２の先端部は、当て板２４１が管材８の内周面に接触する位置よりも移動側の位置において管材８の内周面に接触している。このような構成であると、ブーム部１３の先端部に移動側に向かって曲げ力が掛った場合に、第１のアーム３２によって曲げ力が受け止められるから、ブーム部１３の移動側への撓み（曲げ変形）を防止できる。
【００５１】
さらに、第１のアーム３２の先端部は、管材８の高さ方向の中心またはそれよりも上側の位置において管材８の内周面に接触している。このような構成であると、ブーム部１３の先端部の変位を防止する効果を高めることができる。具体的には次のとおりである。前記のとおり、当て板２４１は、管材８の内周面の最低部に接触している。この状態で、当て板２４１が移動側に変位すると、管材８の内周面によって上側に持ち上げられることになる。換言すると、当て板２４１は、上側に変位できなければ、管材８の内周面の最低部に接触している状態から移動側に変位できない。そして、第１のアーム３２の先端部が管材８の内周面の高さ方向の中心またはそれよりも上側において管材８の内周面に接触していると、第１のアーム３２が移動側に曲げ変形して上側に持ち上げられるような力がかかると、管材８の内周面から下側へ向かう反力を受ける。このため、当て板２４１の上側への変位が抑制されるから、当て板２４１が内周面の最低部に接触している状態から移動側への変位が抑制される。したがって、溶接トーチ２３および当て板２４１と管材８との位置関係の変動が抑制される。
【００５２】
第２のアーム４２の先端部は、当て板２４１が管材８の内周面に接触する位置よりも反移動側の位置において、管材８の内周面に接触している。このような構成であると、当て板２４１が反移動側に変位することを防止または抑制できる。前記のとおり、管材８を回転させながら肉盛溶接を行っている間は、当て板２４１と管材８の内周面とは相対的な移動を続けている。このため、例えば当て板２４１と管材８の内周面との摩擦力が経時的に変動すると、ブーム部１３の先端部にかかる曲げ力も変動する。そして、摩擦力が急激に小さくなってブーム部１３の先端部に掛かる曲げ力が急激に小さくなると、ブーム部１３の弾性力（復元力）によってブーム部１３の先端部が反移動側に変位することがある。その結果、当て板２４１が、管材８の内周面の最低部に接触している状態から反移動側に変位する。本発明の実施形態では、第２のアーム４２がブーム部１３の復元力を受けることによって、ブーム部１３が反移動側に曲げ変形することを防止し、当て板２４１が管材８の内周面の最低部に接触している状態を維持する。したがって、溶接トーチ２３および当て板２４１と管材８との位置関係の変動が抑制される。
【００５３】
第２のアーム４２の先端部は、管材８の高さ方向の中心またはそれよりも上側において、管材８の内周面に接触していることが好ましい。この理由は、第１のアーム３２と同様である。
【００５４】
なお、第１のアーム３２と第２のアーム４２は、それぞれ、管材８の内周面に接触している状態において、それらの長手方向と接触箇所の接線とが直角であることが好ましい。このような構成によれば、第１のアーム３２と第２のアーム４２のそれぞれの先端部に管材８の内周面からの反力を受けた場合であっても、第１のアーム３２と第２のアーム４２には回転モーメントはかからない。このため、第１のアーム３２と第２のアーム４２の不測の回転を防止できる。
【００５５】
本発明の実施形態では、溶接装置１が第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４を有する構成を例に示したが、このような構成に限定されない。例えば、溶接装置１は、第１のブレ止め機構３のみを有し、第２のブレ止め機構４を有さない構成であってもよい。また、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４以外に、これらと同様の構成を有するブレ止め機構を有していてもよい。
【００５６】
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。図５は、本発明の実施例と比較例のブーム部１３の先端部（すなわちヘッド部１４）のＹ軸方向の変形量の測定結果を示すグラフである。本発明の実施例と比較例の共通条件として、ブーム部１３は３段の伸縮式の構造を有し、各段の長さは２０００ｍｍとした。このため、ブーム部１３は、２０００ｍｍ〜６０００ｍｍの長さの範囲で伸縮可能である。また、溶接トーチ２３の数を２基とし、当て板２４１を管材８の内周面に押し付ける付勢力を２５０Ｎとし、溶接対象の管材８の内径を１０５０ｍｍとした。そして、比較例では、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４を用いず、本発明の実施例では、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４を用いた。第１のブレ止め機構３の第１のアーム３２と第２のブレ止め機構４の第２のアーム４２の付勢力は、３００Ｎとした。また、第１のアーム３２は、水平方向に対して０°（ｄｅｇ）の角度で移動側に突出させて、その先端部を内周面に接触させた。第２のアーム４２は、水平方向に対して６０°（ｄｅｇ）の角度で反移動側に突出させ、その先端部を内周面に接触させた。
【００５７】
図５（ａ）（ｂ）のグラフ中の「計算値」は、ブーム部１３を片持ち支持梁と見做し、次の数式により計算した変位量である。
δ＝（Ｐ×ｌ3）／（３×Ｅ×Ｉ）
δ：水平方向の変位量（移動側を正とする）
Ｐ：摩擦力（＝摩擦係数μ×エアシリンダーの押しつけ力Ｆ）
ｌ：ブーム部１３の長さ
Ｅ：ブーム部１３のヤング率
Ｉ：ブーム部１３の断面二次モーメント
計算値では、摩擦力Ｐを６２０Ｎとした。ブーム部１３のヤング率は、ブーム部１３に普通鋼を適用し、そのヤング率の値を２０６０００ＭＰａとした。ブーム部１３の断面二次モーメントは実際には各段で異なるが、全体的に均一と見做して１．６×１０7ｍ4とした。そして、ブーム部１３の長さが２０００ｍｍ〜６０００ｍｍの範囲で変位量を計算した。
【００５８】
図５に示すように、本発明の実施例によれば、第１のブレ止め機構３と第２のブレ止め機構４を用いない構成に比較して、Ｙ軸方向の変位量を小さくできることが確認された。特に、ブーム部１３を最も長くした場合（ブーム部１３の長さを６０００ｍｍとした場合）、比較例では先端部の変位量が１８ｍｍとなったのに対し、実施例では、先端部の変位量が約９ｍｍとなり、１０ｍｍ以下に抑えることができた。また、本発明の実施例によれば、ブーム部１３の長さが約５０００ｍｍ以上の範囲では、実際の変位量を上記の数式を用いて計算される変位量よりも小さくできることが確認された。
【００５９】
以上、本発明の実施形態および実施例について詳細に説明したが、前記実施形態および実施例は、本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎない。本発明は、前記実施形態や実施例によって技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明は、その技術思想またはその主要な特徴から逸脱することなく、さまざまな形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、管材の内周面を円周方向に溶接可能な溶接装置に関する。そして、本発明によれば、溶接トーチの変位や搖動を防止することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：溶接装置、１１：基台部、１１１：車輪、１２：支持部、１３：ブーム部、１４：ヘッド部、１４１：フレーム、２１：エアシリンダー、２２：支持部材、２３：溶接トーチ、２４：型枠、２４１：当て板、３：第１のブレ止め機構、３１：第１の付勢機構、３２：第１のアーム、３２３：ローラー、４：第２のブレ止め機構、４１：第２の付勢機構、４２：第２のアーム、４２１：先端側アーム、４２２：基端側アーム、４２３：ローラー、８：管材、９：設置面、９１：レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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