(57)【要約】【課題】簡単かつ安価なタンデム溶接装置及び特にルートギャップの小さい開先に対するタンデム初層溶接方法を提供する。【解決手段】揺動機能を有する直交座標型１電極溶接装置１０の構造をベースとし、１電極溶接装置に備えられた揺動軸に、２本の溶接トーチを保持するタンデムトーチマウント３０を取り付け、２本の溶接トーチによる溶融池が１プールとなるように、先行トーチ１と後行トーチ２との溶接方向の電極間距離を設定してタンデム溶接するタンデム溶接装置であり、タンデムトーチマウントには、先行トーチと後行トーチとの開先幅方向の電極間距離の調整が可能な電動調整軸４０を設け、揺動軸により、先行トーチと後行トーチとを同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、電動調整軸により、揺動の幅と開先幅方向の電極間距離を制御してタンデム溶接を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動機能を有する直交座標型１電極溶接装置の構造をベースとし、
前記１電極溶接装置に備えられた揺動軸に、２本の溶接トーチを保持するタンデムトーチマウントを取り付け、
前記２本の溶接トーチによる溶融池が１プールとなるように、溶接方向の前後に配置される先行トーチと後行トーチとの溶接方向の電極間距離を設定してタンデム溶接するタンデム溶接装置であって、
前記タンデムトーチマウントには、先行トーチと後行トーチとの開先幅方向の電極間距離の調整が可能な電動調整軸を設け、
ベース構造である前記１電極溶接装置の前記揺動軸により、先行トーチと後行トーチとを同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、
ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記電動調整軸により、前記揺動の幅と前記開先幅方向の電極間距離を制御してタンデム溶接を行う
ことを特徴とするタンデム溶接装置。
【請求項２】
ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、
前記揺動軸は揺動させずに、前記電動調整軸より、前記後行トーチだけを揺動させながらタンデム溶接を行う
ことを特徴とする請求項１記載のタンデム溶接装置。
【請求項３】
２本の溶接トーチによる溶融池が１プールとなるように、２本の溶接トーチの溶接方向の電極間距離を設定して、２本の溶接トーチを同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させながら溶接するタンデム溶接方法であって、
ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、
前記２本の溶接トーチのうち溶接方向の前方に配置される先行トーチはストレート運棒とし、
前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置される後行トーチだけを揺動させながらタンデム溶接を行う
ことを特徴とするタンデム初層溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁、鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板多層盛溶接継手を実施するために使用されるウィービング方式のタンデム溶接装置、及び、特に、ルートギャップが小さい開先に対して初層溶接を良好に行うことができるタンデム初層溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２本の溶接ワイヤーを使用するタンデム溶接方法は、単電極のアーク溶接法に比べて溶着量が倍加するため高能率の溶接ができるものとして知られている。このようなタンデム溶接を実施するための溶接装置としては、例えば特許文献１がある。この特許文献１に開示されるタンデム溶接装置は、１台の走行台車上に２台のヘッドを搭載したものであり、各々のヘッドには溶接トーチを１本ずつ装着した支持アームが昇降と揺動が可能なように設けられている。従って、このタンデム溶接装置では、溶融池が溶接方向の前後に一つずつ別個に形成される、いわゆる２プールタンデム溶接が実施される。
しかし、２プールタンデム溶接では、後述するように、溶込み底部が不連続になったり、ビード表面形状が不連続になるなどの問題がある（図１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２９０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２プールタンデム溶接では上記のように溶込み底部の不連続やビード表面形状の不連続などの問題があるので、これを避けるためには先行・後行の２本の溶接トーチで一つの溶融地を形成しながら、しかも各溶接トーチを開先幅方向に揺動（ウィービング）させながら溶接を行う１プールタンデム溶接とすることが望ましい。
しかし、特許文献１に示すようなタンデム溶接装置では、２プールタンデム溶接であるので、各溶接トーチを揺動させるために１台の走行台車上に２台のヘッドを搭載している。そのため、溶接装置が大型化し、さらには溶接方向の前後極間距離が４０ｍｍ以下となるような１プールのタンデム溶接を実施するには適していない。
１プールのタンデム溶接を実施するには、走行台車上のヘッドを１台とし、そのヘッドに２本の支持アームを設けることが考えられるが、そのような構成では、１台のヘッドに２本の支持アームをそれぞれ独立に昇降及び揺動可能にする必要があるので、駆動装置が多くなってコスト高になるうえに、各溶接トーチの揺動のタイミングを取らなければならいので、制御系が複雑になる問題がある。
【０００５】
一方、上記従来技術の問題に鑑み、タンデム溶接方法に関する発明について、本出願人は先に特願２００８−３０８５７９として次のような提案をした。
「消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とするタンデム揺動溶接方法。」
この先行発明のタンデム溶接方法によれば、溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能となるものである。
【０００６】
本発明は、この先行発明を効果的に実施することができる簡単かつ安価なタンデム溶接装置を提供することを目的とし、さらには特にルートギャップの小さい開先に対するタンデム初層溶接方法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】
【０００７】
本発明に係るタンデム溶接装置は、揺動機能を有する直交座標型１電極溶接装置の構造をベースとし、前記１電極溶接装置に備えられた揺動軸に、２本の溶接トーチを保持するタンデムトーチマウントを取り付け、前記２本の溶接トーチによる溶融池が１プールとなるように、溶接方向の前後に配置される先行トーチと後行トーチとの溶接方向の電極間距離を設定してタンデム溶接するタンデム溶接装置であって、
前記タンデムトーチマウントには、先行トーチと後行トーチとの開先幅方向の電極間距離の調整が可能な電動調整軸を設け、ベース構造である前記１電極溶接装置の前記揺動軸により、先行トーチと後行トーチとを同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記電動調整軸により、前記揺動の幅と前記開先幅方向の電極間距離を制御してタンデム溶接を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係るタンデム溶接装置は、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、前記揺動軸は揺動させずに、前記電動調整軸より、前記後行トーチだけを揺動させながらタンデム溶接を行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るタンデム初層溶接方法は、２本の溶接トーチによる溶融池が１プールとなるように、２本の溶接トーチの溶接方向の電極間距離を設定して、２本の溶接トーチを同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させながら溶接するタンデム溶接方法であって、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、前記２本の溶接トーチのうち溶接方向の前方に配置される先行トーチはストレート運棒とし、前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置される後行トーチだけを揺動させながらタンデム溶接を行うものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明のタンデム溶接装置は、揺動機能を有する直交座標型１電極溶接装置をベース構造とするもので、その１電極溶接装置に備えられた揺動軸に２本の溶接トーチを保持するタンデムトーチマウントを取り付けるとともに、同じ揺動軸のタンデムトーチマウントに、先行トーチに対して後行トーチを独立に開先幅方向に移動可能とする電動調整軸を設けることで、開先幅方向にも電極間距離を設定および変更ができるようにしたものであり、これによって、上記先行発明の有する効果を簡単かつ安価な構成で達成することができる。
また、本発明のタンデム溶接装置では、揺動軸は揺動させずに、電動調整軸より、後行トーチだけを揺動させることができるので、特にルートギャップが３ｍｍ以下の開先の初層溶接を高温割れを生じることなく実施することができる。
【００１１】
さらに、本発明のタンデム初層溶接方法は、上記のように、初層溶接する場合、先行トーチはストレート運棒とし、後行トーチだけを揺動させながら初層のタンデム溶接を行うことにより、特にルートギャップが３ｍｍ以下の開先の初層溶接を高温割れを生じることなく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るタンデム溶接装置の平面図である。
【図２】同タンデム溶接装置の側面図である。
【図３】タンデムトーチの取付状態を示す正面図である。
【図４】溶接継手形状の例を示す図である。
【図５】初層溶接時のトーチ運棒の一例を示す概要図である。
【図６】初層溶接時の先行電極及び後行電極による溶込み形状を示す模式図である。
【図７】タンデムトーチの左右極間距離設置時の電極の配置と動作を示す模式図で、溶接方向から見た図である。
【図８】タンデムトーチの左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図で、開先上方から見た図である。
【図９】前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図である。
【図１０】前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。
【図１１】実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。
【図１２】実施例のビード断面形状を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例について説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施の形態に係るタンデム溶接装置の平面図、図２は同タンデム溶接装置の側面図、図３は先行トーチと後行トーチの取付状態を示す正面図である。
このタンデム溶接装置は、直交座標型の１電極溶接装置１０をベース構造とし、この１電極溶接装置１０の同じ揺動軸（Ｙ軸）に、一方の溶接トーチを他方の溶接トーチに対して独立に開先幅方向に移動可能とする電動調整軸４０を設けたものである。
【００１５】
ベース構造である直交座標型の１電極溶接装置１０は、走行軸（Ｘ軸）と、揺動軸（Ｙ軸）と、昇降軸（Ｚ軸）とを備えている。
走行軸（Ｘ軸）は、被溶接部材６ａ、６ｂのうち一方の被溶接部材６ａ上に設置されたガイドレール１１と、ガイドレール１１上を走行する走行台車１２とから主に構成されている。ガイドレール１１はマグネット１３により開先８に沿って着脱可能に設置されている。走行台車１２は、走行手段として、走行モーター１４と、走行モーター１４により駆動される車輪１５と、脱輪防止のためのガイドローラー１６とを備えている。
上記の走行台車１２上には、揺動軸と昇降軸とを備えるフレーム１８が設置されている。なお、昇降軸は図示しない。
【００１６】
揺動軸（Ｙ軸）は、開先幅方向に反復移動する揺動スライダー２０を備える構成となっており、揺動スライダー２０はフレーム１８に設けられている。揺動手段は、揺動スライダー２０の作動部２１に螺合するボールネジ２２と、ボールネジ２２を回転駆動する揺動モーター２３とを備えている。揺動スライダー２０は断面が例えば四角形のように回り止めが可能な形状となっており、この断面形状に合わせた四角形のガイド穴２４がフレーム１８の前面壁に設けられている。あるいは、リニアガイドを用いて揺動スライダー２０を直線的に移動させてもよい。
【００１７】
揺動スライダー２０の先端部には、本例ではタンデムトーチマウント３０が昇降可能に設けられているが、タンデムトーチマウント３０は揺動スライダー２０に固定して取り付けてもよい。タンデムトーチマウント３０の先端部には、２本の溶接トーチ（タンデムトーチという）１、２が溶接方向（Ｘ方向）の前後に所定の電極間距離（溶接ワイヤー３、４の先端間の距離をいう）を隔てて取り付けられている。ここで、溶接方向の電極間距離を「前後極間距離」という。溶接方向の前後極間距離は、溶融池５（後述の図８参照）が１プールとなるように、１０〜４０ｍｍの範囲内で設定する。
【００１８】
さらに、タンデムトーチマウント３０には、同じＹ方向に移動可能な電動調整軸４０が設けられている。ここで、溶接方向に対して前方に配置される溶接トーチ１を「先行トーチ１」と称し、先行トーチ１に対して溶接方向の後方に配置される溶接トーチ２を「後行トーチ２」と称すると、電動調整軸４０は、本例では先行トーチ１を基準として後行トーチ２をＹ方向（開先幅方向）に独立に（又は相対的に）移動させるようにしている。
【００１９】
電動調整軸４０の駆動手段は、調整軸モーター４１と、調整軸モーター４１により回転駆動されるピニオン４２と、ピニオン４２が噛み合うラック４３と、ラック４３を備え、後行トーチ２のアタッチメント３２が先端部に取り付けられた移動部材４４と、移動部材４４のリニアガイド４５とを備えている。したがって、電動調整軸４０の駆動手段により、先行トーチ１に対して後行トーチ２を開先幅方向に独立に移動させることができる。これにより、先行電極（先行ワイヤー）３と後行電極（後行ワイヤー）４との電極間距離を開先幅方向にも設定もしくは変更することができる。ここで、開先幅方向の電極間距離を「左右極間距離」という。また、溶接方向の電極間距離を「前後極間距離」という。つまり、「左右極間距離」は、電極間距離の開先幅方向成分であり、「前後極間距離」は、電極間距離の溶接方向成分である。
【００２０】
タンデムトーチマウント３０の先端部に設けられたアタッチメント３１、３２は、各々ピン３６を中心にトーチ角度が変更できるように構成されている。
【００２１】
このタンデム溶接装置は、例えば、図４のＡ、Ｂに示すようなレ型開先の多層盛溶接を実施するために使用するものである。このほかにはＹ開先やＸ開先、Ｖ開先などにも適用することができる。また、板厚ｔは１９ｍｍ以上の厚板の溶接継手に適用されることが多い。
開先Ａは、裏当金付の片面レ型開先で、開先角度は３５゜、ルートギャップＲＧは３〜８ｍｍ程度が一般的である。開先Ｂは、ギャップなしの片面レ型開先で、開先角度は４５゜〜６０°と開先Ａよりも大きくすることが一般的である。この開先Ｂのように、ルートギャップが３ｍｍ以下の場合には、後述するように先行トーチ１は揺動させずに、後行トーチ２だけを揺動させながら初層溶接することが適している（図５参照）。
【００２２】
このタンデム溶接装置においては、一方の被溶接部材６ａ上にマグネット１３でガイドレール１１を開先８と略平行になるように設置し、そのガイドレール１１上に走行台車１２を設置して所定の速度（溶接速度）で走行させて溶接を開始する。また、溶接開始前には、タンデムトーチ１、２の各電極３、４の先端が、溶接方向に対し、ほぼ一直線上に位置するようにセットする。例えば、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先の場合は、左右極間距離がほぼゼロになるようにセットしてから溶接を開始する。
【００２３】
そして、タンデム溶接装置は、後述するルートギャップの大小による初層溶接の場合以外は、基本的に摺動スライダー２０を動作させて、タンデムトーチ１、２の両方を同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させながら１プールタンデム溶接による多層盛溶接を行う。すなわち、タンデムトーチ１、２は、揺動スライダー２０に取り付けられたタンデムトーチマウント３０の先端部に取り付けられているので、揺動スライダー２０を動作させれば、タンデムトーチ１、２の両方を上記のように揺動させることができる。
なお、タンデムトーチ１、２の揺動制御、すなわちアークが開先壁に近づいたときに揺動方向を反転させる制御は、予め設定された揺動パターンに従って行われる。
【００２４】
初層溶接において、ルートギャップが３ｍｍを超えるような開先の場合は、所定の左右極間距離を設けて、揺動スライダー２０を動作させることにより、タンデムトーチ１、２を両方とも、開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で、揺動させて１プールタンデム溶接を行う。
【００２５】
一方、特に、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先の場合には、図５に示すようなトーチ運棒で初層溶接を行うことが最適である。この場合、先行トーチ１は開先幅方向には一切揺動させずに、ストレート運棒とする。一方、後行トーチ２は、電動調整軸４０を正逆回転させることにより、図５に矢印で示すように、開先幅方向に揺動させるトーチ運棒とするものである。
上記のような後行トーチ２だけを揺動させるタンデム溶接方法を採用することにより、ルートギャップが３ｍｍ以下の初層溶接においても、高温割れが無く、開先ルート部の溶融も良好な初層溶接ビードを得ることができる。図６を参照して、その理由を説明する。
【００２６】
図６の(ａ）図に示すように、ルートギャップが小さい（３ｍｍ以下の）初層溶接で、先行電極および後行電極を揺動すると、開先ルート部が溶融しにくく、融合不良が発生しやすい。これは、先行電極が揺動していることが原因である。
また、(ｂ）図に示すように、先行電極および後行電極ともに揺動させない場合は、後行電極直下の溶込みが深くなるため、開先角度や溶接条件によっては、高温割れが発生しやすい。
そこで、上述の溶接方法、すなわち先行電極（先行トーチ１）は揺動させずに、後行電極（後行トーチ２）だけを揺動させると、（ｃ）図に示すように、後行電極直下の溶込みが浅くなるため、高温割れの発生を抑えることができる。
【００２７】
上記の初層溶接が終了し、２層目以降の積層溶接をする場合は、図７及び図８に示すように、前層のビード幅に応じて、開先幅方向にも左右極間距離を設けてタンデム溶接を行う。すなわち、揺動スライダー２０に取り付けられたタンデムトーチマウント３０の先端部には、先行トーチ１と後行トーチ２が取り付けられており、さらに後行トーチ２はタンデムトーチマウント３０に設けられた電動調整軸４０により開先幅方向に独立に移動可能になっているので、電動調整軸４０により、先行トーチ１に対して後行トーチ２を相対的に移動させれば、開先幅方向にも左右極間距離を設けることができる。このように、電動調整軸４０の駆動モーターにより、タンデムトーチ１、２の左右極間距離を制御するとともに、揺動スライダー２０の駆動モーターによりタンデムトーチ１、２の揺動幅を制御することにより積層溶接を行う。
【００２８】
図７及び図８はタンデムトーチ１、２の左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図である。なお、図７はレ型開先の場合で、図８はＶ型開先の場合である。図において、１は先行トーチ、２は後行トーチ、３は先行電極（先行ワイヤーー）、４は後行電極（後行ワイヤーー）、５は溶融池、８は開先、９は溶接ビードである。
また、Ｇはルートギャップまたは前層ビード幅、Ｗは揺動幅、ＤSは先行電極３と後行電極４間の振り幅間隔、ＤFRは溶接方向の前後極間距離、ＤRLは開先幅方向の左右極間距離、ＤLは先行電極３の左側揺動端と開先８の一方の左側側壁との距離（接近幅）、ＤTは後行電極４の右側揺動端と開先８の他方の右側側壁との距離（接近幅）をあらわす。
ここに、上記の揺動幅Ｗおよび左右極間距離ＤRLは、次式で表される。
Ｗ＝｛Ｇ−（ＤL＋ＤS＋ＤT）｝／２        ・・・（１）
ＤRL＝Ｗ＋ＤS                            ・・・（２）
【００２９】
前層ビード幅に対する揺動幅Ｗおよび振り幅間隔ＤRLの一例を示すと、図９及び図１０のようになる。図９は前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図で、図１０は前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。なお、図では、横軸Ｘを前層ビード幅とし、縦軸Ｙをそれぞれ揺動幅および振り幅間隔としてあらわしてある。
図９に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．２５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．５Ｘ−４の関係で直線的に変化させる。
また、図１０に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝０．３７５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝６ｍｍと一定にする。
【００３０】
このように、前層ビード幅の変動に応じて、揺動幅Ｗを揺動モーター２３により制御することにより、また振り幅間隔ＤRLを調整軸モーター４１により制御することにより、揺動幅及び揺動ピッチ（アーク点の１揺動周期の溶接方向の間隔）を小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することが可能となる。つまり、溶接速度および揺動軸速度が一定の場合、揺動幅が大きくなるほど揺動ピッチが大きくなる（荒くなる）ので、揺動端部での溶接欠陥が発生しやすくなるが、図７及び図８に示すように、開先幅に対する溶接範囲を先行電極３と後行電極４で、例えばほぼ半分ずつ分担するようにすれば、揺動幅及び揺動ピッチを共に小さくすることができるので、揺動端部での溶接欠陥を抑制することができるのである。
【００３１】
図１１は実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。図１１において、（ａ）は従来技術の２プールタンデム溶接の場合、（ｂ）は実施例の場合、（ｃ）は両者の比較図である。
従来技術の場合は、次のような問題がある。
（１）溶込み底部の不連続
２プールタンデム溶接の場合は、基本的にシングルトーチによる１層２パスと同じであるため、図１１（ａ）のビード断面形状のように、溶込みラインが双子山状となり、１層１パスよりも欠陥が発生しやすいものとなる。
（２）ビード表面形状の不連続
僅かなトーチ位置（揺動範囲）の変動により、溶着ビード高さが左右で異なり、ビード表面形状が不均一になりやすい。
【００３２】
一方、実施例の場合は、図１１(ｂ）、（ｃ）に実線で示すように、１プールタンデムによる左右極間距離を設けた揺動溶接であるため、２プールタンデム溶接と比較して、先行の溶込みが若干減少すると共に、後行の溶込みが若干増加する傾向にあり、溶込み深さが均一化し、かつビード高さも均一化される効果がある。
【００３３】
図１２は実施例のビード断面形状を示す模式図であり、溶接欠陥のない、きわめて良好な形状を呈することが確認されている。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、先行発明によるタンデム溶接方法を実施することができると共に、市販の直交座標型の１電極溶接装置を利用して簡単に製作することができるので、製作費を安くすることができ、溶接装置の小型化も可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１  先行トーチ
２  後行トーチ
３  先行電極
４  後行電極
５  溶融池
６ａ  被溶接部材
６ｂ  被溶接部材
８  開先
９  溶接ビード
１０  直交座標型の１電極溶接装置
１１  ガイドレール
１２  走行台車
１３  マグネット
１４  走行モーター
１５  車輪
１６  ガイドローラー
１８  フレーム
２０  揺動スライダー
２１  作動部
２２  ボールネジ
２３  揺動モーター
２４  ガイド穴
３０  タンデムトーチマウント
３１  アタッチメント
３２  アタッチメント
３５  取付部材
３６  ピン
４０  電動調整軸
４１  調整軸モーター
４２  ピニオン
４３  ラック
４４  移動部材
４５  リニアガイド
【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】
2011031250.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011031250.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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