(57)【要約】【課題】大型の構造物に多数の被溶接部材を溶接する際に、溶接熱による変形を最小限に抑制する。【解決手段】多数の被溶接部材２を構造物１０の所定位置にそれぞれ仮固定する第１ステップと、前記仮固定した被溶接部材２に対し所定の溶接順序で第１パス溶接を行う第２ステップと、前記構造物１０の変形量を測定する第３ステップと、前記測定された変形量に基づいて次パス溶接の溶接順序を仮決定し、当該溶接順序で次パス溶接した場合の前記構造材１０の変形量を予測する第４ステップと、前記予測した変形量が許容範囲内のときに前記仮決定した溶接順序で前記次パス溶接を行う第５ステップと、前記予測した変形量が許容範囲外のときに前記第４ステップに戻り再度溶接順序を仮決定する第６ステップと、前記次パス溶接の終了後に当該次パス溶接が最終パス溶接であるか否かを判定し、最終パス溶接でなければ再度前記第３ステップ乃至第６ステップを繰り返し、最終パスであれば溶接を終了する第７ステップを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の被溶接部材を構造物の所定位置にそれぞれ仮固定する第１ステップと、前記仮固定した被溶接部材に対し所定の溶接順序で第１パス溶接を行う第２ステップと、前記構造物の変形量を測定する第３ステップと、前記測定された変形量に基づいて次パス溶接の溶接順序を仮決定し、当該溶接順序で次パス溶接した場合の前記構造材の変形量を予測する第４ステップと、前記予測した変形量が許容範囲内のときに前記仮決定した溶接順序で前記次パス溶接を行う第５ステップと、前記予測した変形量が許容範囲外のときに前記第４ステップに戻り再度溶接順序を仮決定する第６ステップと、前記次パス溶接の終了後に当該次パス溶接が最終パス溶接であるか否かを判定し、最終パス溶接でなければ再度前記第３ステップ乃至第６ステップを繰り返し、最終パスであれば溶接を終了する第７ステップを有することを特徴とする自動溶接方法。
【請求項２】
前記仮固定した被溶接部材の形状を測定するステップと、前記形状が許容範囲外の場合に少なくとも前記第１パス溶接で当該形状を修復するステップをさらに有することを特徴とする請求項１記載の自動溶接方法。
【請求項３】
前記被溶接部材を構造物に仮固定する際に、位置決めジグにより前記被溶接部材を前記構造物に位置決めするステップをさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の自動溶接方法。
【請求項４】
前記第１乃至最終パス溶接の溶接後の溶接部を観察するステップと、前記溶接後の溶接部に異常がある場合に補修工具によって補修するステップをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自動溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自動溶接方法によって多数の被溶接部材を構造物に溶接するための自動溶接装置であって、
先端に溶接ヘッド及び把持部が設けられたマニュプレータと、前記マニュプレータが移動回転可能に設けられた可動台と、前記構造物を回転可能に載置するターンテーブルと、前記構造物の周囲に配置され当該構造物全体及び溶接箇所を撮像可能な複数の計測装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられた電極、溶接トーチ及び撮像装置と、前記測定装置に接続されターンテーブルやマニュプレータの制御及び溶接作業の制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力容器や熱交換器等の大型の構造物に多数の被溶接部材を溶接するための自動溶接方法及び自動溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉圧力容器や熱交換器等の大型の構造物に多数の被溶接部材を溶接する場合、一般に溶接ロボットを搭載した自動溶接装置が用いられている。このような自動溶接装置では、位置検出器や撮像装置を用いて多数の被溶接部材及び溶接ヘッドをそれぞれ既定の位置に位置決めし、予め入力された所定の溶接条件に基づき各被溶接部材の溶接作業を行っている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−９９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、原子力プラント機器等の大型構造物は、その製缶公差が厳しく設定されており、構造物によってはその外周面に数百個の被溶接部材が溶接されることがあるため、その溶接熱によって構造物が製缶公差以上の変形が生じる可能性がある。そのため、溶接による変形を最小限に抑える必要があるが、従来の大型の構造物に対する自動溶接装置では、その対策が講じられておらず、溶接熱によって製缶公差以上の変形が生じる可能性があった。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、大型の構造物に多数の被溶接部材を溶接する際に、溶接熱による変形を最小限に抑制することができる自動溶接方法及び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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る自動溶接方法は、多数の被溶接部材を構造物の所定位置にそれぞれ仮固定する第１ステップと、前記仮固定した被溶接部材に対し所定の溶接順序で第１パス溶接を行う第２ステップと、前記構造物の変形量を測定する第３ステップと、前記測定された変形量に基づいて次パス溶接の溶接順序を仮決定し、当該溶接順序で次パス溶接した場合の前記構造材の変形量を予測する第４ステップと、前記予測した変形量が許容範囲内のときに前記仮決定した溶接順序で前記次パス溶接を行う第５ステップと、前記予測した変形量が許容範囲外のときに前記第４ステップに戻り再度溶接順序を仮決定する第６ステップと、前記次パス溶接の終了後に当該次パス溶接が最終パス溶接であるか否かを判定し、最終パス溶接でなければ再度前記第３ステップ乃至第６ステップを繰り返し、最終パスであれば溶接を終了する第７ステップを有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る自動溶接装置は、本件発明の自動溶接方法によって多数の被溶接部材を構造物に溶接するための自動溶接装置であって、先端に溶接ヘッド及び把持部が設けられたマニュプレータと、前記マニュプレータが移動回転可能に設けられた可動台と、前記構造物を回転可能に載置するターンテーブルと、前記構造物の周囲に配置され当該構造物全体及び溶接箇所を撮像可能な複数の計測装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられた電極、溶接トーチ及び撮像装置と、前記測定装置に接続されターンテーブルやマニュプレータの制御及び溶接作業の制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、大型の構造物に多数の被溶接部材を溶接する際に、溶接熱による変形を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る自動溶接装置の全体構成図。
【図２】第１の実施形態に係る自動溶接方法のフロー図。
【図３】第１の実施形態に係る溶接ヘッドの構成図。
【図４】第１の実施形態に係る把持部の構成図。
【図５】第１の実施形態に係るターゲットの配置例を示す図。
【図６】第１の実施形態に係る自動溶接装置の溶接例を示す模式図。
【図７】第２の実施形態に係る補修工具の配置構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る自動溶接方法及び自動溶接装置の実施形態について、図面を参照して説明する。  
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る自動溶接方法及び自動溶接装置について図１乃至図６を参照して説明する。
【００１１】
〈構成〉
本実施形態では、例えば原子炉圧力容器等からなる円筒状の構造物１０の外周面に多数の測定機器等の被溶接部材２をすみ肉溶接する例について説明する。
【００１２】
（全体構成）
本実施形態に係る自動溶接装置１は、図１に示すように、先端に溶接ヘッド７及び把持部８が設けられたマニュプレータ６、前記マニュプレータ６がＸ軸に対し移動可能に、Ｙ軸に対し移動回転可能に設けられた可動台９、構造物１０を回転可能に載置するターンテーブル３、構造物１０の周囲に配置され構造物全体及び溶接箇所を撮像可能な複数の計測装置４、測定装置４に接続され、ターンテーブル３やマニュプレータ６等の各部材の制御及び溶接作業の制御を行う制御部５、構造物１０の外周面の基準位置に設けられた複数の計測用のターゲット２０、及び複数の被溶接部材２が載置された作業台１１から構成される。
【００１３】
マニュプレータ６は溶接ヘッド７及び把持部８をそれぞれ伸縮回動させる駆動機構を備え（図示せず）、可動台９のＹ軸方向に上下動可能に取り付けられている。
【００１４】
（溶接ヘッド）
溶接ヘッド７の先端部には、図３に示すように、溶接トーチ１３とタングステン等からなる電極１４、溶接箇所をモニターするＣＣＤカメラ等からなる撮像装置１５が設けられている。撮像装置１５は溶接前後の溶接箇所の状態及び溶接中の溶融池の状態をモニタリングし、制御部５に撮像画像等の情報を送信する。制御部５は計測装置５及び撮像装置１５からの情報に基づいてマニュプレータ６を駆動制御し溶接ヘッド７を所定の位置に制御し所定の溶接を行う。
【００１５】
（把持部）
マニュプレータ６の先端に取り付けられる把持部８は、図４に示すように、被溶接部材２を把持するアーム１６と、被溶接部材２を所定の位置に位置決めする位置決めジグ１７と、位置決めジグ１７を保持しエア通路１８から給排気されるエアによって移動されるソケット１９とから構成される。
【００１６】
被溶接部材２が把持部８によって構造物１０の所定の溶接位置に移動された後、撮像装置１５でその位置を確認しながら位置合わせを行った後、位置決めジグ１７をソケット１９とともにエア通路１８を介して供給されるエアによって突出させ、被溶接部材２を構造物１０に当接させ、その状態で溶接ヘッド７により仮固定のための溶接が行われる。
【００１７】
仮固定が終了した後は、エア通路１８を介してエアを吸引することで位置決めジグ１７はソケット１９とともに元の位置に戻る。なお、位置決めジグ１７の寸法、形状は被溶接部材２の形状等に応じて適宜変更可能である。  
また、上記実施形態では撮像装置１５は溶接ヘッドの端面７に設けているが、これに限定されず、把持部８の端面にも設けてもよい。
【００１８】
（ターゲット）
計測用のターゲット２０の配置例を図５に示す。ターゲット２０は構造物１０の外周面の高さ方向及び周方向に所定の間隔で配置され、計測装置４で構造物１０の形状及び溶接箇所等を撮像する際の基準位置として使用する。
【００１９】
〈作用〉
このように構成された自動溶接装置１を用いて構造物１０の外周面に複数の被溶接部材２を溶接する工程について図２を用いて説明する。
【００２０】
まず、本実施形態では溶接条件として、すみ肉溶接を用い、すみ肉継手の脚長を３ｍｍ、溶接パス数を３パスとし、被溶接部材の個数を１７０個とする。被溶接部材２が多数の場合、構造物１０への総入熱量が大きくなるため、これによる構造物１０の溶接変形の影響を考慮する必要がある。そのため、構造物１０の溶接変形を最小限に抑えるように、各溶接パスにおいて溶接スタート位置及び溶接順序が決定される。
【００２１】
本実施形態では、以下に説明するように、仮固定→第１パス溶接→第２パス溶接→第３パス（最終パス）溶接からなる工程で溶接が行われる。
【００２２】
（仮固定）
まず、作業台１１上の被溶接部材２を把持部８により把持し、溶接位置まで移動し、仮固定を行う。これを被溶接部材２の全てに対し実施する（第１ステップ、以下「Ｓ１」という。）。１７０箇所の溶接位置は制御部５に予め入力されており、被溶接部材２の把持、移動、仮固定は、制御部がターンテーブル３、マニュプレータ６、溶接ヘッド７、把持部８及び可動台９を駆動制御することで実施される。仮固定は溶接ヘッド７により行われるが、その際、スポット溶接等が用いられる。なお、スポット溶接による溶接熱の影響は無視できる程度であり、構造物１０は仮固定によって変形を受けない。
【００２３】
ところで、被溶接部材２を構造物１０の外周面に例えば垂直等、所定の角度で固定する必要があるが、仮固定に際して被溶接部材２が大きく傾いて仮固定される等、所望の形状で仮固定されないケースがある。  
そのため、計測装置４により仮固定した被溶接部材２の全てについてその形状を計測し、各被溶接部材２が所定の形状で仮固定されているかを判定する。
【００２４】
（第１パス溶接）
次に、仮固定した被溶接部材２の全個数に対し第１パス（初層）溶接を行うが、その前に、第１パス溶接のスタート位置と溶接順序を決定する。第１パス溶接前では構造物１０は溶接熱による変形が未だ生じていないので、溶接熱が一箇所に集中しないように所定のアルゴリズムに基づいて溶接順序が決定される。また、第１パス溶接のスタート位置、すなわち１個目の被溶接部材２を溶接する位置も適宜決定してよい。このスタート位置と溶接順序に基づいて被溶接部材２の全個数に対し第１パス溶接を行う（Ｓ２）。
【００２５】
その際、第１パス溶接では、前工程で仮固定された被溶接部材２の形状が規定外と判定された被溶接部材２に対し形状修復溶接を同時に実施する。すなわち、被溶接部材２の仮固定された被溶接部材２の形状（傾き角度等）が許容範囲内である場合は、通常の手順にしたがって、例えば、被溶接部材２の周囲を任意の位置から連続的に溶接する。
【００２６】
一方、被溶接部材２の形状が許容範囲外の場合、例えば正規の角度よりも傾いた形状で仮固定されている場合等は、その被溶接部材２の周囲を所定の手順で溶接し、傾きが所望の角度になるように修復する。例えば、傾いている側の１８０°反対の箇所を最初に溶接固着し、当該溶接部が収縮するのを利用して傾きを修正し、次いで、他の箇所を溶接する。
【００２７】
このように、第１パス溶接では許容範囲外の形状を有する全ての被溶接部材２について形状を修復する第１パス溶接を実施する。  
なお、第１パス溶接後でも形状が修復されない場合は、以下に説明する第２及び／又は第３パス溶接において、形状修復溶接を実施してもよい。
【００２８】
（第２パス溶接）
第２パス溶接では、まず、第１パス溶接後の構造材１０の全領域にわたってその変形量を計測装置４によって計測し（Ｓ３）、そのデータを制御装置５に保存する。なお、第２パス溶接は第１パス溶接から見た場合、次パス溶接に該当する。
【００２９】
次に、制御部５は、第２パス溶接のスタート位置と溶接順序を仮決定する。溶接順序及びスタート位置の仮決定は、Ｓ３で計測した構造材１０の変形量を考慮し、変形を抑制又は修復可能なように、さらに、溶接熱が一部の領域に集中しないように所定のアルゴリズムに基づいて決定される。
【００３０】
次に、制御部５は、仮決定されたスタート位置と溶接順序に基づいて第２パス溶接を行った場合の構造物１０の溶接熱による変形量を予測する（Ｓ４）。  
予測した変形量が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内であれば仮決定されたスタート位置と溶接順序に基づいて第２パス溶接を行う（Ｓ５）。
【００３１】
一方、予測した変形量が許容範囲外であれば、制御部５は、再度スタート位置と溶接順序を再演算し（Ｓ６）、再度仮決定されたスタート位置と溶接順序基づいて溶接熱による変形量を予測する。変形量が許容範囲内に収まるまでこの手順を繰り返す。
【００３２】
（第３パス（最終パス）溶接）
第２パス溶接の終了後、この溶接が最終パス溶接であるか否かを判断する。なお、第３パス（最終パス）溶接は第２パス溶接から見た場合、次パス溶接に該当する。
【００３３】
本実施形態では溶接パス数は３であるので、判断結果が〈ＮＯ〉である場合は、再度Ｓ３〜Ｓ６の工程を繰り返す。そして、本実施形態では第３パス溶接が最終パス溶接なので、第３パス溶接の終了とともに溶接作業が終了する（Ｓ７）。  
なお、溶接パス数は３に限定されず、適宜増減可能であり、そのパス数に応じてＳ３〜Ｓ６の工程を繰り返せばよい。
【００３４】
（溶接作業例）
図６は第１乃至第３パス溶接における溶接作業例を示す模式図である。溶接ヘッド７に取り付けた撮像装置１５により電極１４の狙い位置を適切に制御し、溶接ワイヤの送給状態と溶接中の溶融池等の溶接部１２の状態をモニタリングするとともに（図示せず）、溶接が正常に行われたか否かも確認する。溶融池に溶接ワイヤが付着する等の異常を検知した場合は、制御部４により溶接を中止したり、溶接ヘッド７の位置を制御することで、健全で確実な溶接作業を実施する。例えば、電極１４の狙い位置は、常に電極１４先端を溶融池の中心に位置するのが望ましいので、電極１４をそのような位置に制御することで健全な溶接を行う。
【００３５】
〈効果〉
本実施形態によれば、構造物１０に対し多数の被溶接部材２を溶接する際に、各溶接パスにおいて溶接熱による構造物１０の変形を予測し、変形量が許容範囲内になるように溶接順序及びスタート位置を選定するので、構造物１０の溶接熱による変形を最小限に抑制することができる。
【００３６】
また、仮固定の際に被溶接部材２が傾いて仮固定されたとしても、溶接によってその形状を修復することにより、被溶接部材２０を所定の形状で構造物１０に溶接固定することができる。
【００３７】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る自動溶接装置及び自動溶接方法について図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
本第２の実施形態は、異常な溶接が行われた場合に、異常箇所を修復することを特徴とする。  
本実施形態の自動溶接装置１では、マニュピレータ６の先端にロータリーバー等の補修工具２１が取り付けられる回転可能なソケット２２が設けられている。ソケット２２は例えばエア通路（図示せず）により供給されるエアによって高速回転する。そして、溶接ヘッド７の先端に設けられた撮像装置カメラ１５により異常な溶接ビード等の異常箇所が確認された場合、補修工具２１を適切な移動手段により異常箇所に当接させ（図示せず）、エア通路を介して供給されるエアによってソケット２２とともに補修工具２１を回転させ異常箇所を除去する。
【００３９】
補修工具２１として種々のサイズのロータリーバーを使用できるとともに、研磨、切削工具等も使用可能であり、異常箇所の形状、材質等に合わせて適切な補修工具が選択される。
【００４０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１… 自動溶接装置、２…非溶接部材、３…ターンテーブル、４…計測装置、５…制御部、６…マニュピレータ、７…溶接ヘッド、８…把持部、９…可動台、１０…構造物、１１…作業台、１２…溶接部、１３…溶接トーチ、１４…電極、１５…撮像装置、１６…アーム、１７…位置決めジグ、１８…エア通路、１９…ソケット、２０…ターゲット、２１…補修工具、２２…ソケット。
【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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