(57)【要約】【課題】母管と枝管の接合部分の内表面の品質を向上させる配管溶接技術を提供する。【解決手段】配管溶接装置１０は、側面に開口１３が設けられている母管（第１配管１１）の内部を長手方向（Ｚ方向）に移動する第１ステージ２１と、この第１ステージ２１に搭載されるとともに開口１３に取り付けられる枝管（第２配管１２）の開先部１４をこの開口１３に接触させた状態で開先部１４の周縁に沿って溶接を施工する施工部３０と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面に開口が設けられている第１配管の内部を長手方向に移動する第１ステージと、
前記第１ステージに搭載されるとともに、前記開口に取り付けられる第２配管の開先部をこの開口に接触させた状態で、前記開先部の周縁に沿って溶接を施工する施工部と、を備えることを特徴とする配管溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載の配管溶接装置において、
前記施工部は、前記第１配管の内側から、前記第２配管の長軸方向に対して斜めにレーザ光を照射するよう構成され、かつ、前記第２配管の長軸方向を回転軸とした回転動作により前記レーザ光を前記開先部の周縁に沿って走査させる回転走査部を有することを特徴とする配管溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の配管溶接装置において、
前記施工部は、前記第２配管の長手方向に沿って移動する第２ステージを介して前記第１ステージに搭載されていることを特徴とする配管溶接装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の配管溶接装置において、
前記施工部は、第１配管の長手方向及び前記第２配管の長手方向の両方向に対し直交方向に沿って移動する第３ステージを介して前記第１ステージに搭載されていることを特徴とする配管溶接装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の配管溶接装置と、
前記配管溶接装置の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
レーザ発振器制御手段、前記配管溶接装置に具備された枝管位置計測装置の画像処理手段、開先位置計測装置の画像処理手段と配管溶接装置の移動制御手段、予め枝管位置とレーザ照射条件と移動スピードと搖動幅とフィラーワイヤ供給量を記憶した記憶手段と、を有し、
前記配管溶接装置は、前記レーザ光の光路において前記開先部の周縁からの反射光を分岐して画像化する撮像部をさらに有し、
前記制御装置は、
前記撮像部により撮像された画像から実際の前記第２配管の位置を検出し、
この検出結果に基づいて前記配管溶接装置の位置を補正し、
また、前記撮像手段により実際の開先位置を検出し、
この検出結果に基づいてレーザ光照射位置を補正するとともに、
開先ギャップを１点以上計測し、開先ギャップに合せて予め記憶させておいた搖動幅とフィラーワイヤ供給量を開先ギャップに合せて供給できるよう修正する、ことを特徴とする配管溶接システム。
【請求項６】
側面に開口が設けられている第１配管の内部を長手方向に第１ステージを移動させるステップと、
前記開口に取り付けられる第２配管の開先部をこの開口に接触させた状態で、前記第１ステージに搭載される施工部により、前記開先部の周縁に沿って溶接を施工するステップと、を含むことを特徴とする配管溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、配管の溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：heat recovery steam generator）のように母管（第１配管）の側面から複数の枝管（第２配管）が一定間隔で垂直方向に延びる構造体は、この母管と枝管との接合に、ＴＩＧ溶接やＭＡＧ溶接といった手動溶接が一般に用いられる。
一方において、作業効率及び溶接品質を改善するために、自動ＭＡＧで、この母管と枝管とを自動溶接する工法も開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２１４３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまでにおいて、このような母管と枝管との接合は、両者の当接部分を外側から溶接するため、この当接部分の内側まで溶融体が十分に浸透したかについて確認できない。
外側から溶接する場合、強度確保の為に溶融体を内側まで十分に浸透させようとすると内表面に波打ちが生じ、この内表面の性状コントロールが困難である課題があった。
溶接部分の内表面の性状が不安定である場合、ボイラでは、蒸気等の流体が配管内面を通過する際に圧損が発生し、性能低下が懸念される。
【０００５】
また、外側からの溶接では、ボイラ構造物のように母管に対し外径及び肉厚が共に小さな枝管を一定間隔で複数接合させる場合、溶接作業の際に枝管と溶接装置との干渉が生じ易く、この干渉を回避するために工数が増えるといった課題もあった。
【０００６】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、母管と枝管の接合部分の内表面の品質を向上させる配管溶接技術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】
本発明の実施形態は、配管溶接装置において、側面に開口が設けられている第１配管の内部を長手方向に移動する第１ステージと、前記第１ステージに搭載されるとともに前記開口に取り付けられる第２配管の開先部をこの開口に接触させた状態で前記開先部の周縁に沿って溶接を施工する施工部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態により、母管と枝管の接合部分の内表面の品質を向上させる配管溶接技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】母管の中心軸及び枝管の中心軸を含む断面において、本発明の実施形態に係る配管溶接装置を示す外観図。
【図２】母管の中心軸の直交断面において、本発明の実施形態に係る配管溶接装置を示す外観図。
【図３】母管と枝管との接合位置にインサートリングを配置した状態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、配管溶接装置１０は、側面に開口１３が設けられている母管（第１配管１１）の内部を長手方向（Ｚ方向）に移動する第１ステージ２１と、この第１ステージ２１に搭載されるとともに開口１３に取り付けられる枝管（第２配管１２）の開先部１４をこの開口１３に接触させた状態で開先部１４の周縁に沿って溶接を施工する施工部３０と、を備えている。
【００１１】
施工部３０は、Ｚ方向に沿って照射されるレーザ光４０ａを第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）に反射させる第１反射板３１と、第１配管１１の内側から第２配管１２の長軸方向に対して斜めにレーザ光４０ｂを照射するよう構成され、かつ第２配管１２の長軸方向を回転軸とした回転動作によりレーザ光４０ｂを開先部１４の周縁に沿って走査させる回転走査部３４とを有する。
【００１２】
この回転走査部３４は、第１反射板３１による第１反射光４１と同軸に回転する支持体３５を有している。
この支持体３５は、第１反射光４１をさらに回転半径方向に反射させる第２反射板３２と、この第２反射板３２による第２反射光４２を開先部１４の周縁に向かって反射させる第３反射板３３とを有している。
この第２反射板３２に反射されたレーザ光４０ｂは、透過窓３６を透過して開先部１４の周縁に照射される。
【００１３】
第１反射光４１及び第２反射光４２の光路を含む空間は、支持体３５により、開先部１４の周縁を含む空間から遮断されているため、第１反射板３１、第２反射板３２及び第３反射板３３を含む光学部品が、施工時に生じるスパッタにより汚染されることがない。
透過窓３６の外表面は、その近傍にエア供給部（図示略）から供給されるエアが吹き付けられており、スパッタを吹き飛ばすことで汚染を防止している。
また、レーザ光４０ｂが照射される開先部１４の周縁は、溶融金属の酸化を防止するため、ボンベ等（図示略）から供給される不活性ガスによりパージされている。
【００１４】
第１反射板３１が固定されるハウジング３８には、その他の光学系（図示略）が固定されるとともに、レーザ光４０ａと第１反射光４１が通過する光路に孔が設けられている。
このハウジング３８と支持体３５とは転動体３７により連結されており、この支持体３５は、ハウジング３８の側に固定されたモータ（図示略）により回転駆動する。
【００１５】
第１ステージ２１は、母管（第１配管１１）の内周面に設置される基台２４（図２）に対し、長手方向（Ｚ方向）のみに移動が規制された状態で取り付けられている。
この基台２４には、第１配管１１の長手方向（Ｚ方向）に沿って、レール２５ａが固定され、第１ステージ２１にはこのレール２５ａに沿って移動するガイド２６ａが固定されている。
なお、この第１ステージ２１は、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構（図示略）により駆動される。
【００１６】
第２ステージ２２は、第１ステージ２１に対し、第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）のみに移動が規制された状態で取り付けられている。
第２ステージ２２は、第１ステージ２１に固定されたレール２５ｂに沿って移動するガイド２６ｂが固定され、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構（図示略）により駆動される。
これにより第２ステージ２２は、施工部３０を、第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）に沿って移動させることができる。
そして、第２ステージ２２は、その移動方向（Ｘ方向）に対して直交する直立面２７を有している。
【００１７】
第３ステージ２３は、第２ステージ２２の直立面２７に対し、第１配管１１の半径方向（Ｙ方向）のみに移動が規制された状態で、取り付けられている。
第３ステージ２３は、第２ステージ２２に固定されたレール２５ｃに沿って移動するガイド２６ｃが固定され、ラックアンド・ピニオンやスクリュー軸等による直動機構（図示略）により駆動される。
そして、この第３ステージ２３には、上述したように、第１反射板３１及びその他の光学系（図示略）が固定されるハウジング３８が固定されている。
これにより、第３ステージ２３は、施工部３０を、第１配管１１の長手方向（Ｚ方向）及び第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）の両方向に対し、直交方向（Ｙ方向）に沿って移動させることができる。
【００１８】
第１ステージ２１を、母管（第１配管１１）の長手方向（Ｚ方向）に直進移動させることにより、複数の枝管（第２配管１２）の溶接を連続的に実施することができる。
第１ステージ２１、第２ステージ２２及び第３ステージ２３を移動調整することにより、レーザ光４０ｂの照射軌跡を、開先部１４の周縁に併せることができる。
【００１９】
これら第１ステージ２１、第２ステージ２２及び第３ステージ２３の移動は、予め入力された枝管位置情報に基づいて、コンピュータ制御により実行される。
なお、レーザ光４０ｂの照射軌跡が、開先部１４の周縁に合うように、施工部３０を固定することができれば、第２ステージ２２及び第３ステージ２３のうち少なくとも一方を省くこともできる。
【００２０】
撮像部５０は、レーザ光４０ａの光路に配置され開先部１４の周縁から第３反射板３３、第２反射板３２、第１反射板３１の順番に戻ってきた反射光を分岐する第１ハーフミラー５１と、この第１ハーフミラー５１による分岐光の光路に配置される第２ハーフミラー５２と、この第２ハーフミラー５２の透過光の光路に配置されるミラー５３が設けられている。
【００２１】
第２ハーフミラー５２による反射光は、開先部１４の周縁にフォーカスされた第１カメラ５６に入射する。
枝管位置情報に基づいて各ステージ２１，２２，２３を移動させた後、回転走査部３４を回転させながら金属を溶融させないレベルの低強度のレーザ光４０ｂを照射して、レーザ光４０ｂの照射位置をモニタ上で確認することができる。
【００２２】
そして、この照射位置と開先部１４の周縁位置とがずれていれば、各ステージ２１，２２，２３の移動を微調整してこのずれを解消する。
次に金属を溶融させるレベルにレーザ光４０ｂの強度を上げて照射を行い、開先部１４の周縁の溶接状況を画像化してモニタ上で確認することができる。
また溶接終了後に、回転走査部３４を回転させて第１カメラ５６により溶接ビードを観測し、溶接ビード表面の不良の有無を確認することができる。
【００２３】
ミラー５３による反射光は透過窓３６にフォーカスされた第２カメラ５７に入射する。
これにより、溶接処理中のスパッタに伴う飛散物による透過窓３６の外表面の汚染状況をモニタ上で確認することができる。
【００２４】
撮像部５０において、これら第１ハーフミラー５１、第２ハーフミラー５２、ミラー５３、第１カメラ５６、第２カメラ５７及びその他の光学系（図示略）は、精密に組立調整されケーシングに収納されている。
そしてこの撮像部５０は、第１反射板３１及びその他の光学系（図示略）を収納したハウジング３８と同じステージ（図示では第３ステージ２３）に、固定されている。
【００２５】
なお、図１において、第１ハーフミラー５１、第２ハーフミラー５２、ミラー５３は、第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）に積層されているが、第１配管１１の長手方向（Ｚ方向）及び第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）の両方向に対し直交方向（Ｙ方向）に積層するように構成されてもよい。
【００２６】
光ケーブル１７の基端は、第１配管１１の外部に配置されているレーザ発振器（図示略）に接続され、その先端は撮像部５０に接続されている。
このレーザ発振器で発振されたレーザ光は、この光ケーブル１７を伝送して先端から第１配管１１の内部空間に照射される。
【００２７】
次に溶接方法の実施例について説明する。
図３に示すように、母管（第１配管１１）と枝管（第２配管１２）との接合部に、レーザ加熱により溶融するインサートリング１８を挿入して溶接することができる。
そして、このインサートリング１８は、母管（第１配管１１）の内側よりも外側の肉厚を厚くする場合もある。
【００２８】
また、開先部１４の周縁のレーザ光４０ｂの照射位置にフィラーワイヤを供給するワイヤ供給部（図示略）を、回転走査部３４に設けることができる。
この供給部（図示略）は、レーザ光４０ｂが照射される開先部１４の周縁に沿って開口先端が走査されるシース型のガイド（図示略）を有し、フィラーワイヤは母管（第１配管１１）の外部からこのガイドの内部を経由して供給される。
またこの供給部は、フィラーワイヤを予熱する予熱部を備えることが望ましい。
【００２９】
また、第２ステージ２２を、第２配管１２の長手方向（Ｘ方向）に搖動させながら溶接を施工することにより、溶接線の幅を太くすることができる。
この揺動により形成される溶接線の幅は、母管１１側を広くとることが望ましい。
さらに搖動させる第２ステージ２２の振幅や周波数を調整することにより、溶接線の幅や表面性状を調整することができる。
【００３０】
また、第一工程で母管（第１配管１１）と枝管（第２配管１２）を貫通溶接した後に、第二工程でフィラーワイヤを供給して溶接線のビード高さを調整することができる。
さらに第三工程において、フィラーワイヤを供給せずに、レーザ照射のみで溶接線のビード形状を整形することができる。
【００３１】
以上述べた実施形態の配管溶接装置によれば、第１配管の側面に第２配管の開先を接合するに際し、第１配管の内部から溶接を自動施工することにより、作業を効率化し、接合部分の内表面の品質を向上させることが可能となる。
さらに、溶接の施工部は、枝管の内側に挿入する必要がないために、動作を簡素化することができる。このため、連立する枝管を連続的に溶接することが容易となる。
【００３２】
また、溶接時に、母管の内側からレーザを斜めに照射する構成としたことで、レーザヘッド自体が枝管内部に配置される構成とするよりも、位置決め性に優れ、施工を短時間で行なうことが可能である。
特に、ＨＲＳＧのように、母管に対して多数の枝管を溶接接合する場合、本実施形態の構成によって施工が短時間化されることは特に効果的である。
そして、装置を小型することができ、内径の細い母管にも適用することができる。
【００３３】
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、置き換え、変更、組み合わせ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同様に、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ものである。
【００３４】
例えば、第１反射板３１や第１ハーフミラー５１等の光学部品を組み合わせたものとして説明したが、これらの組み合わせに限定する必要はなく、光学伝送手段として所定の機能を発揮する構成であればよい。また、光ケーブル１７から出射したレーザを平行化するレンズや、溶接部位に照射するレーザを集光するレンズ等は図示していないが、必要に応じて適宜設置される。
【００３５】
また、電極先端を溶接対象部位に接近させてＸ方向に沿う回転軸で回転させる構成とすれば、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接でも可能である。ただし、レーザ溶接の場合は電極先端を接近させる必要がないので位置決め性に勝り、また、比較して配管溶接装置の構成を簡素にできる点で優れている。
【００３６】
さらに、枝管１２を母管１１の周方向に複数設ける場合は、配管溶接装置１０を母管１１の周方向にそって移動する軸を追加してもよい。基台２４を母管１１の外から母管１１周方向に相対的に移動させる駆動装置を設けてもよいし、基台２４と第１ステージ２１の間に、母管１１の周方向に沿った円弧状のステージを追加して移動可能としてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０…配管溶接装置、１１…第１配管、１２…第２配管、１３…開口、１４…開先部、１７…光ケーブル、１８…インサートリング、２１…第１ステージ、２２…第２ステージ、２３…第３ステージ、２４…基台、２５（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ）…レール、２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）…ガイド、２７…直立面、３０…施工部、３１…第１反射板、３２…第２反射板、３３…第３反射板、３４…回転走査部、３５…支持体、３６…透過窓、３７…転動体、３８…ハウジング、４０（４０ａ，４０ｂ）…レーザ光、４１…第１反射光、４２…第２反射光、５０…撮像部、５１…第１ハーフミラー、５２…第２ハーフミラー、５３…ミラー、５６…第１カメラ、５７…第２カメラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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