(57)【要約】【課題】  Ｔ字継手において、母材突き合わせ部の深溶け込み溶接を可能とする、立向き上進溶接方法を提供すること。【解決手段】  溶接トーチを、Ｔ字に突き合わされて立向きに置かれた第１部材と第２部材に対向させ、ルート部に在る第１点から、第１部材側に在って第１点よりも上方の第２点まで、第１部材の壁面に沿って移動させる第１ステップと、第２点から第２部材側に在って第２点よりも上方の第３点まで、溶接トーチを移動させる第２ステップと、第３点からルート部に在って第３点よりも上方の第４点まで、溶接トーチを第２部材の壁面に沿って移動させる第３ステップと、第４点からルート部に在って第４点よりも上方の第５点まで、溶接トーチをルート部に沿って移動させる第４ステップと、第５点からルート部に在って第５点よりも下方かつ第４点よりも上方の第６点まで、溶接トーチをルート部に沿って移動させる第５ステップと、を備えている溶接方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔ字に突き合わされて立向きに置かれた第１部材と第２部材に溶接トーチを対向させ、点火した前記溶接トーチを、前記第1部材と前記第２部材とが成すルート部に在る第１点か
ら、第１部材側に在って前記第１点よりも上方の第２点まで、前記第１部材の壁面に沿って移動させる第１ステップと、
前記第２点から第２部材側に在って前記第２点よりも上方の第３点まで、前記点火した溶接トーチを移動させる第２ステップと、
前記第３点から前記ルート部に在って前記第３点よりも上方の第４点まで、前記点火した溶接トーチを前記第２部材の壁面に沿って移動させる第３ステップと、
前記第４点から前記ルート部に在って前記第４点よりも上方の第５点まで、前記点火した溶接トーチを前記ルート部に沿って移動させる第４ステップと、
前記第５点から前記ルート部に在って前記第５点よりも下方かつ第４点よりも上方の第６点まで、前記点火した溶接トーチを前記ルート部に沿って移動させる第５ステップと、を備えている溶接方法。
【請求項２】
前記第１点から前記第６点までの距離が、前記第１点から前記第４点までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記第５点から前記第６点までの距離が、前記第１点から前記第４点までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記第１部材と前記第２部材は、前記第１部材を立板側にしてかつ前記第２部材を底板側にして、Ｔ字に突き合わされていることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記第２ステップにおいて、前記点火した溶接トーチを用いて前記第２点から前記第３点まで移動させる際、前記点火した溶接トーチは、前記第２点と前記第３点を結ぶ直線上を移動することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記第２ステップにおいて、前記点火した溶接トーチを用いて前記第２点から前記第３点まで移動させる際、前記点火した溶接トーチは、前記ルート部に在って前記第１点よりも下方の第７点を経由することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項７】
アームに取り付けられた溶接トーチと、
前記溶接トーチとワークの位置関係を計測する位置検出センサと、
前記位置検出センサの出力に基づいて前記アームを制御し、前記溶接トーチを狙った位置に設定する制御部と、を備え、
前記制御部は、Ｔ字に突き合わされて立向きに置かれた第１部材と第２部材に前記溶接トーチを対向させ、点火した前記溶接トーチを、前記第1部材と前記第２部材とが成すルー
ト部に在る第１点から、第１部材側に在って前記第１点よりも上方の第２点まで、前記第１部材の壁面に沿って移動させる第１ステップと、
前記第２点から第２部材側に在って前記第２点よりも上方の第３点まで、前記点火した溶接トーチを移動させる第２ステップと、
前記第３点から前記ルート部に在って前記第３点よりも上方の第４点まで、前記点火した溶接トーチを前記第２部材の壁面に沿って移動させる第３ステップと、
前記第４点から前記ルート部に在って前記第４点よりも上方の第５点まで、前記点火した溶接トーチを前記ルート部に沿って移動させる第４ステップと、
前記第５点から前記ルート部に在って前記第５点よりも下方かつ第４点よりも上方の第６点まで、前記点火した溶接トーチを前記ルート部に沿って移動させる第５ステップと、を実行する自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接に関し、特に、アーク溶接における立向き上進溶接に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスシールドを利用するアーク溶接では、溶接部の品質を保つために、溶接姿勢を一般に下向きにして施工する。上向き溶接を行う場合には、溶着金属の垂れを抑えるために電流を低く設定する。その結果、特に厚板に対しては溶け込みが浅くなり、また、多少なりとも溶着金属が垂れ、外観に難が生じやすい。
【０００３】
立向き溶接は、鉛直方向の溶接線に対して溶接を行い、ビードを、下から上方向に盛る上進溶接と、上から下方向に盛る下進溶接とに分かれる。重力方向に溶接を進める下進溶接では溶着金属の垂れ部分にアークが当たり、母材の突き合わせ部の溶け込みが浅くなる。重力方向とは反対に溶接を進める上進溶接では、溶接トーチを前進角にして溶着金属を押し上げれば溶着金属の垂れを軽減させることはできるが、下進溶接と同様、溶着金属の垂れ部分にアークが当たり、溶け込みが浅くなる。
【０００４】
溶接部の品質を保つための下向き溶接を実施するには構造物を反転させることが多い。しかし、大型構造物の溶接において下向き溶接を実施するためには、ポジショナーや、反転させるための大型クレーンが必要になる。反転する作業が追加されるだけでなく、反転用の吊座を溶接、除去する作業も発生し、工期がさらに長くなる。
【０００５】
これらの課題を解決するために、Ｔ字継手の溶接部を反転せずに立向き溶接を実施する際、溶接トーチを母材面に沿ってウィービングさせることにより、母材の突き合わせ部で深い溶け込みを確保する溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１）。ウィービングとは、溶接棒（或いは溶接トーチ）を溶接方向に対してほぼ直角に交互に動かしながら溶接する運棒方法を指す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平６−７３７５２号公報（４頁４６行から５９行、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のウィービングパターンによれば、Ｔ字継手の立向き溶接において、比較的、薄板の溶接では溶け込みを確保できるが、厚板では良好な溶け込みが得難い。溶け込みを深くするため、電流値を増加させた場合でも、溶接トーチはＴ字継手の母材突き合わせ部を中心として左側壁面もしくは右側壁面のどちらかで、前進角をとる。溶着金属が母材突き合わせ部に押し込まれることにより、アーク自体が母材に当たらず溶け込みが浅くなる。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、Ｔ字継手において、母材突き合わせ部の深溶け込み溶接を可能とする、立向き上進溶接方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る溶接方法は、Ｔ字に突き合わされて立向きに置かれた第１部材と第２部材に溶接トーチを対向させ、点火した溶接トーチを、第1部材と第２部材とが成すルート部
に在る第１点から、第１部材側に在って第１点よりも上方の第２点まで、第１部材の壁面に沿って移動させる第１ステップと、第２点から第２部材側に在って第２点よりも上方の第３点まで、点火した溶接トーチを移動させる第２ステップと、第３点からルート部に在って第３点よりも上方の第４点まで、点火した溶接トーチを第２部材の壁面に沿って移動させる第３ステップと、第４点からルート部に在って第４点よりも上方の第５点まで、点火した溶接トーチをルート部に沿って移動させる第４ステップと、第５点からルート部に在って第５点よりも下方かつ第４点よりも上方の第６点まで、点火した溶接トーチをルート部に沿って移動させる第５ステップと、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、開先の突き合わせ部に直接アークを当てることができ、深溶け込みが可能な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に関わる自動溶接装置の構成を説明する図である。
【図２】Ｔ字継手の立向き上進溶接を説明する図である。
【図３】本発明の立向き上進溶接の基本的動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるウィービングパターンを示した模式図である。
【図５】点Ｐ５よりも点Ｐ９が下に位置するウィービングパターンを示した模式図である。
【図６】点Ｐ５よりも点Ｐ９が上に位置するウィービングパターンを示した模式図である。
【図７】Ｔ字継手の底面に部材が存在する時のウィービングパターンを示した模式図である。
【図８】定常状態のウィービングパターンを説明するための図である。
【図９】本発明のウィービングパターンを三次元座標に示した模式図である。
【図１０】座標、停止時間、点間速度および点間距離の関係を表示した図である。
【図１１】点Ｐ１から点Ｐ５までの移動時間を算出する式を表す図である。
【図１２】点Ｐ１から点Ｐ９までの移動時間を算出する式を表す図である。
【図１３】突き合わせ部全体で良好な溶け込みを得るための条件式を表す図である。
【図１４】アーク溶接を実施したウィービングパターンの条件を表示した図である。
【図１５】本発明の実施の形態２におけるウィービングパターンを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１３】
実施の形態１．
先ず、図1に基づいてガスシールドアーク溶接を行う自動溶接装置の構成について説明
する。自動溶接装置１００は、溶接トーチ１、制御部１０、アーム２０、位置検出センサ３０などから構成されている。溶接トーチ１の先端に取り付けられているノズル２からは、ワーク（溶接対象物）５０に向けてシールドガスが供給される。位置検出センサ３０は、溶接トーチ１からワーク５０までの距離、ワーク５０および溶接トーチ１の位置などを検出する。制御部１０は、位置検出センサ３０が計測した溶接トーチ１とワーク５０の位置関係を基に、アーム２０に制御信号を出力する。アーム２０は、制御部１０からの制御信号に基づいて溶接トーチ１をワーク５０の狙い位置に移動する。制御部１０の指示に従
って、点火した溶接トーチ１がワーク５０の表面をなぞると、ワーク５０に入熱され、溶接が進行する。
【００１４】
次に、図２に基づいてガスシールドアーク溶接におけるＴ字継手の立向き上進溶接の基本を説明する。この図は立板側になる部材Ｗ１と底板側になる部材Ｗ２で形成されるＴ字継手に対して、点火した溶接トーチが移動し、すみ肉溶接が進んでいる状態を表示している。部材Ｗ１と部材Ｗ２は立向きに置かれている、すなわち、溶接線（ルート部）が垂直方向を向いている。溶接トーチ１ａと溶接トーチ１ｂはノズル２と溶接ワイヤ３をそれぞれ備えている。溶接中にアーク４および溶接ワイヤ３から離脱する溶融金属５により母材（部材Ｗ１と部材Ｗ２）を接合させていく。溶接トーチ１ａは前進角に設定されている。溶接トーチ１ｂは後進角に設定されている。点火した溶接トーチ１は母材が突き合わせられたルート部６をウィービングパターンに沿って立向き上進溶接を行っていく。
【００１５】
図３は本発明に係わる立向き上進溶接の基本的動作を示している。黒丸は溶接トーチ１から放出されるアーク４の移動点を表している。点火した溶接トーチの移動順序は符号ｐ１〜符号ｐ６によって表されている。作業者に対し立向き姿勢にあるＴ字継手に対して、溶接トーチをウィービングさせながらアーク溶接を行う。溶接トーチの溶接経路は、母材壁面に沿ったウィービングパターンＷＰ１（符号ｐ１〜符号ｐ４）と、ルート部６に沿ったウィービングパターンＷＰ２（符号ｐ４〜符号ｐ６）から構成されている。図面上では符号ｐ１、符号ｐ４、符号ｐ６は同じ箇所を指しているが、実際には溶接トーチが溶接方向に定速度で移動しているため、溶接トーチの場所としては異なる。溶接トーチはウィービングパターンＷＰ２の符号ｐ６に達したら、ウィービングパターンＷＰ１の符号ｐ１に戻って同じ動きを繰り返す。ウィービングパターンＷＰ２の符号ｐ５をウィービングパターンＷＰ１の動作中に越えないように立向き溶接を行っていく。符号ｐ２’では、溶接中に停止してビード中央部の溶着金属量を補充する。
【００１６】
図４に基づいて溶接トーチの溶接開始点からの一連のウィービングパターンを溶接方向への移動を踏まえて説明する。自動溶接装置１００又は人は、まず突き合わせ部（ルート部）の点Ｐ１でアークを点弧し溶接トーチを点火する。点火した溶接トーチが母材壁面をなぞると、溶接トーチの軌跡に応じてアークが移動する。部材Ｗ１の壁面に沿ってアークは点Ｐ２まで移動し、続いて点Ｐ３、点Ｐ４と移動し母材の突き合わせ部（ルート部）に戻ってくる。アークが点Ｐ２から点Ｐ３まで移動する際、溶接トーチは、点Ｐ２と点Ｐ３を結ぶ直線上を移動する。溶接トーチは一定の速度で上進しているため、点Ｐ４は点Ｐ１よりも上方に位置することになる。続いて、点Ｐ４から点Ｐ５への移動については、部材Ｗ１と部材Ｗ２の突き合わせ部に沿って一定距離を移動し、同様に突き合わせ部に沿って点Ｐ６へ溶接方向とは逆方向に移動する。以上が一連のウィービングパターン（一巡分）である。
【００１７】
点Ｐ６に移動してきたアークは、点Ｐ１から点Ｐ２への移動と同じように、点Ｐ７へ移動し、ウィービングパターンＷＰ１を繰り返して溶接を進めていく。特に、点Ｐ４から点Ｐ５への突き合わせ部に沿って移動する間は溶接トーチに後退角をもたせることが望ましい。これは、前進角、あるいは面直では溶接トーチの移動に伴い溶着金属が溶接方向へ、つまり点Ｐ５の方向へ押し流され、アークが母材の突き合わせ部に当たらなくなり、溶け込みが浅くなることを防ぐためである。後退角では溶接方向とは逆に溶着金属が押し流され、アークが常に母材の突き合わせ部に当てることができ、深溶け込みが得られる。
【００１８】
ここで、アーク４を点Ｐ３から点Ｐ４へ移動する時、点Ｐ４がルート部６に来るように溶接トーチ１の位置を正確に制御する必要がある。部材の組立てにおいては、溶接線（ルート部）が必ずしも鉛直方向を向いているとは限らない。溶接線が鉛直方向からずれていると、アーク４を点Ｐ４から点Ｐ５に移動する際に、アーク４がルート部６から外れるこ
とが生じる。溶け込みが浅くなることを防ぐため、溶接点を点Ｐ３から点Ｐ４へ移動する際には、溶接トーチ１の前方に取り付けられた位置検出センサ３０によりルート部６の変位を読み取り、溶接トーチ１をルート部６に位置合わせする。この操作によりアーク４をルート部に直接当てることができ深溶け込みな溶接が可能となる。
【００１９】
外観の向上と溶接欠陥の防止を進めるためには、各移動点間の速度および移動点における停止時間をそれぞれ制御する。自動溶接ではこういったウィービングパターンを設定する際に、各移動点の座標位置、移動点間距離、移動点での停止時間を入力することが一般的である。注意することは点Ｐ５の座標位置の設定である。図５は突き合わせ部で一部分に溶け込み不良が発生しやすいウィービングパターンを示したものである。溶接開始点となる点Ｐ１から２往復分のウィービングパターンを描いている。ここでは、１往復目の点Ｐ５よりも、２往復目の点Ｐ９のほうが上方に位置している。このウィービングパターンでは点Ｐ５と点Ｐ９の間の突き合わせ部でアークが直接当たらない部分が存在し溶け込み不良が発生しやすい。
【００２０】
これに対し図６は突き合わせ部で良好な溶け込みが得られるウィービングパターンを示したものである。ウィービングパターンの移動点を説明しやすくするため、溶接開始点となる点Ｐ１は母材突き合わせ部の途中に設定している。図５と同様に２往復分のウィービングパターンを描いている。点Ｐ９は点Ｐ５よりも下方に位置している。溶け込み不良が発生し易い点Ｐ５と点Ｐ９の間は点Ｐ４から点Ｐ５に溶接トーチが移動する際にすでに十分な溶け込みが得られている。そのためには、点Ｐ５と点Ｐ６の間の距離を、点Ｐ６と点Ｐ９の間の距離よりも長くする。
【００２１】
このウィービングパターンでは点Ｐ１と点Ｐ４の間で溶け込み不良が発生するが、通常、部材Ｗ１と部材Ｗ２に加え底面に部材Ｗ３があることが多い。図７にＴ字継手の底面に部材Ｗ３が存在する時の溶接開始部におけるウィービングパターンを示す。溶接トーチは溶接開始点の点Ｐ１から点Ｐ２、点Ｐ３、点Ｐ４へと移動する。この時、点Ｐ１と点Ｐ４は同じ座標位置である。溶接トーチは上方には移動せず部材Ｗ３の表面上でウィービングする。こうすることで溶接開始点の点Ｐ１とルート部の点Ｐ４の間の溶け込み不良がなくなり、突き合わせ部全体で良好な溶け込みが得られる。
【００２２】
図８は定状態におけるウィービングパターンの繰り返し状況を示している。溶接トーチは、定常状態では、［点Ｐ１→点Ｐ２→点Ｐ３→点Ｐ４→点Ｐ５］という一連の動作を繰り返す。点Ｐ５の次は点Ｐ１に戻るため、点Ｐ５から点Ｐ６までの距離は、点Ｐ１から点Ｐ５までの距離に等しい。点Ｐ６から点Ｐ９までの距離は点Ｐ１から点Ｐ４までの距離に等しい。
【００２３】
次に、点Ｐ５における座標位置の設定について説明する。図９はウィービングパターンの２往復目の点Ｐ９まで描いた３次元座標図である。Ｔ字継手を想定しており、直線ｍおよび直線ｎはそれぞれ左側壁面および右側壁面の表面上に存在する直線で、Ｙ軸と角度α，角度βをなしている。また、各点（Ｐ１〜Ｐ６）、停止時間（ｔ１〜ｔ６）、点間速度（ｖ１〜ｖ６）は事前に図１０に示すように設定する。溶接速度ＶはＸ軸プラス方向に進むものとする。
【００２４】
各点での停止時間中も溶接トーチは溶接速度Ｖに応じて移動する。点間速度ｖ１は、点Ｐ１から点Ｐ２への移動速度であり、２往復目の点Ｐ６から点Ｐ７への移動速度と同じである。また、点間速度は図５に示す各点間をつないだ時の直線方向への速度成分ではなく、各点をＹ-Ｚ平面に投影させ、そのＹ-Ｚ平面上での点間距離を結んだ時の直線方向への速度成分である。図１０に示してある点間距離はＹ-Ｚ平面へ投影させたときの距離であ
る。
【００２５】
以上より、母材突き合わせ部の全体に良好な溶け込みを得るためには、点Ｐ５が点Ｐ９よりも上方にあれば良い。この条件を満足させるための溶接速度、座標、停止時間、点間速度の関係を導く。つまり、溶接開始点の点Ｐ１から点Ｐ５までの距離が、点Ｐ１から点Ｐ９までの距離を上回るようにすればよい。まず、点Ｐ５までの移動時間を溶接速度と移動距離から算出する。各点間の移動時間および停止時間合計をそれぞれ計算すると図１１のとおりとなる。以上の合計時間をＴ１とすると、溶接中の点Ｐ５のＸ軸方向の移動距離Ｌ（１→５）は以下のとおりとなる（ｘ５：点Ｐ５のｘ座標）。
Ｌ（１→５）＝ｘ５＋Ｖ×Ｔ１
【００２６】
続いて、点Ｐ１から点Ｐ９までの移動時間を溶接速度と移動距離から算出する。点Ｐ６、点Ｐ７、点Ｐ８、点Ｐ９はウィービングパターの２往復目である。それぞれ１往復目の点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３、点Ｐ４と同じ設定座標値であり、各点間の速度、距離、停止時間も同じである。各点における移動時間および停止時間合計をそれぞれ計算すると図１２のとおりとなる。以上の合計時間をＴ２とすると溶接中の点Ｐ９までのＸ軸方向の移動距離Ｌ（１→９）は以下のとおりとなる。
Ｌ（１→９）＝Ｖ×Ｔ２
【００２７】
突き合わせ部全体で良好な溶け込みを得るためには移動距離Ｌ（１→５）よりも移動距離Ｌ（１→９）が小さくなる必要がある。つまり、図１３に示す条件式を満たすように座標ｘ５を設定する必要がある。継手形状から角度αと角度βが、必要脚長から座標ｚ２と座標ｚ３が決まるので、後は溶接速度Ｖ、点間速度（ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ５）と停止時間（ｔ６〜ｔ９）を実験的に決める中で条件式を満足するようにすれば良い。
【００２８】
この方法により、母材の突き合わせ部で良好な溶け込みを確保できるので、溶け込み不良が発生しない溶接部を得ることができる。溶接電流１７０Ａ、電圧２３Ｖとし、実際に実験的に求めた条件を図１４に示す。溶接速度＝４３ｍｍ／分、角度α＝４５度、角度β＝４５度を図１１の条件式に代入して計算すると、（左辺=６.０：右辺=１.７）になる。この条件で、突き合わせ溶接を行うと、本発明のウィービングパターンを適用した断面は母材の突き合わせ部で十分な溶け込みが得られていることを確認できた。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態２に係るウィービングパターンを図１５に示す。ウィービングパターンＷＰ１に経由点となる点Ｐ２’を挿入しウィービングパターンＷＰ３としている。点Ｐ２’は点Ｐ１よりも下方で、ルート部上の点である。溶接トーチは、アークが点Ｐ２から点Ｐ２’を移動するさい、部材１の表面に沿って移動する。溶接トーチは、アークが点Ｐ２’から点Ｐ３に移動するさい、部材２の表面に沿って移動する。ウィービングパターンＷＰ１では点Ｐ３から点Ｐ４への移動時に溶接トーチが前進角となり、右側壁面の溶け込みが浅くなる。しかし、この構成によれば、ウィービングパターンＷＰ３は点Ｐ２’から点Ｐ３へは後退角となるため、アークが母材にあたり溶け込みが深くなる。点Ｐ２から点Ｐ２’と点Ｐ３から点Ｐ４へは前進角となるが、移動開始点の点Ｐ１から点Ｐ２および点Ｐ２’から点Ｐ３で溶け込みが確保できている。
【００３０】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
この発明は、開先の突き合わせ部に直接アークを当てることができ、深溶け込みが可能な溶接を行う方法に関するものである。
【符号の説明】
【００３２】
１  溶接トーチ、２  ノズル、３  溶接ワイヤ、４  アーク、６  ルート部、１０  制御部、２０  アーム、３０  位置検出センサ、１００  自動溶接装置、Ｗ１  部材、Ｗ２
部材
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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