(57)【要約】【課題】実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測して、その解析予測結果に応じて構造物の溶接を制御する。【解決手段】第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行う際、第１及び第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成し、溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で、第１及び第２の部材の温度を計測して計測温度を得る。第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて計測温度に応じて残留応力を評価して、推定残留応力を得、推定残留応力に応じて溶接条件を変更して変更溶接条件とする。そして、溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて変更後の溶接条件に応じて溶接を行う。【選択図】      図２
2004181462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って、多層溶接を行うようにした溶接システムにおいて、
前記第１及び前記第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、
前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測手段と、
前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価手段と、
前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更手段とを有し、
前記溶接条件変更手段によって前記予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて、前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項２】
前記溶接条件変更手段は、前記推定残留応力と予め設定された許容応力とを比較して前記推定残留応力が前記許容応力以上であると、前記予め設定された溶接条件を変更するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項３】
前記計測温度に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正手段を備え、
前記残留応力評価手段は、前記解析モデル修正手段によって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項４】
前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算手段と、
前記計測温度と前記計算温度とを比較してその比較結果に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正手段とを備え、
前記残留応力評価手段は、前記解析モデル修正手段によって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項５】
前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算手段と、
前記計測温度と前記計算温度とが異なる際前記解析モデルを修正する解析モデル修正手段とを備え、
前記残留応力評価手段は、前記計測温度と前記計算温度とが一致した際の解析モデルを用いて前記（ｋ＋１）〜前記ｎの溶接パスに起因する温度を計算した計算結果に応じて熱弾塑性解析によって前記残留応力を評価するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項６】
前記第１〜前記第ｎの溶接パスは複数のグループの何れか一つに属しており、該グループ毎に溶接を行うとともに前記残留応力の評価を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項７】
第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行うようにした溶接システムにおいて、
前記多層溶接を行う溶接装置と、
前記溶接装置に通信回線を介して接続された残留応力評価装置とを有し、
前記溶接装置には前記多層溶接を行う溶接手段と、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測手段と、前記残留応力評価装置と前記通信回線を介してデータの送受を行う第１の通信制御手段とが備えられ、
前記残留応力評価装置には、前記第１の通信制御手段と前記通信回線を介してデータの送受を行う第２の通信制御手段と、前記第１の通信制御手段から受けた前記第１及び前記第２の部材に関するデータ及び予め設定された溶接条件に応じて解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて、前記第１の通信制御手段から受けた前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価手段と、前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更手段とが備えられ、
前記第２の通信制御手段は、前記溶接条件変更手段によって前記予め設定された溶接条件が変更されると、前記変更溶接条件を前記第１の通信制御手段に送り、前記溶接手段では第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接システム。
【請求項８】
第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って、多層溶接を行う溶接方法において、
前記第１及び前記第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、
前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測ステップと、
前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価ステップと、
前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更ステップとを有し、
前記溶接条件変更ステップによって前記予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて、前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項９】
前記溶接条件変更ステップでは、前記推定残留応力と予め設定された許容応力とを比較して前記推定残留応力が前記許容応力以上であると、前記予め設定された溶接条件を変更するようにしたことを特徴とする請求項８に記載の残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項１０】
さらに、前記計測温度に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正ステップを有し、
前記残留応力評価ステップでは、前記解析モデル修正ステップで前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求めるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項１１】
前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算ステップと、
前記計測温度と前記計算温度とを比較してその比較結果に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正ステップとを有し、
前記残留応力評価ステップでは、前記解析モデル修正ステップによって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求めるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項１２】
前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算ステップと、
前記計測温度と前記計算温度とが異なる際前記解析モデルを修正する解析モデル修正ステップとを有し、
前記残留応力評価ステップでは、前記計測温度と前記計算温度とが一致した際の解析モデルを用いて前記（ｋ＋１）〜前記ｎの溶接パスに起因する温度を計算した計算結果に応じて熱弾塑性解析によって前記残留応力を評価するようにしたことを特徴とする請求項８に記載の残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項１３】
前記第１〜前記第ｎの溶接パスは複数のグループの何れか一つに属しており、該グループ毎に溶接を行うとともに前記残留応力の評価を行うようにしたことを特徴とする請求項８に記載の残留応力評価を用いた溶接方法。
【請求項１４】
第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行う溶接方法において、
前記第１及び前記第２の部材に関するデータを通信回線を介して送出する第１の送信ステップと、
前記第１及び前記第２の部材に関するデータを受信して該第１及び該第２の部材に関するデータ及び予め設定された溶接条件に応じて解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、
前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測ステップと、
前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した旨の通知を前記通信回線を介して受けるととともに前記計測温度を受けると、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価ステップと、
前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更ステップと、
前記溶接条件変更ステップで前記予め設定された溶接条件が変更されると、前記変更溶接条件を、前記通信回線を介して送信する第２の送信ステップと、
前記変更溶接条件を受け、第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行う溶接ステップとを有することを特徴とする残留応力評価を用いた溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、溶接によって生じる残留応力を解析評価して得られた評価結果を用いることにより、残留応力を低減して溶接を行うための溶接システム及び溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、溶接構造物では、溶接によって残留応力及び残留変形が発生することがあり、このような残留応力等が所定の値を越えると、構造物に悪影響を及ぼす関係上、残留応力等は極力低減する必要がある。このため、従来、予め溶接構造物に発生するであろう残留応力を試験片等の解析対象物を用いて解析予測することが行われている。
【０００３】
例えば、解析対象物について有限要素法モデルを作成して、解析対象物表面の数点において残留応力を実測し、この実測残留応力に基づいて残留歪パターンを仮定する。そして、解析モデルについて、境界要素法を適用し、残留歪パターンに対する応力分布を求める。次に、残留応力の実測点の応力となる係数を決定した後、この係数を用いて解析対象物全体の応力分布を境界要素法によって求めている（特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、構造物の任意の測定点で得られた残留変形量を強制変位データとして、構造物全体の表面に強制変位データを与えた後、構造物を構成する材料の機械的性質を示す関係式に応じて構造物全体の応力−歪関係を求めて、構造物全体の応力分布を予測することも行われている（特許文献２参照）。
【０００５】
また、有限要素法によって、切り込み法による残留応力の測定を詳細に模擬して、残留応力の実測値と有限要素法による解析値との比を補正係数として求めた後、この補正係数を、有限要素法で得られた残留応力分布に乗じて、応力分布を予測することが行われている（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２２３６６１号公報（段落（００３０）〜（００３９）、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平６−１８６１４１号公報（段落（０００８）〜（００１３）、第１図）
【０００８】
【特許文献３】
特開平１１−１４８８７５号公報（段落（００１６）〜（００２２）、第３図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１〜３に記載された残留応力の解析予測手法では、試験片等の解析対象物に対して溶接を完了した後、解析対象物の残留応力を測定して、有限要素法等を用いて、解析対象物の応力分布を予測して、実際の構造物を溶接する際にこの解析結果を考慮するにすぎず、試験片等の解析対象物と実際の構造物とは同一ではないから、解析対象物について応力分布の解析予測を行っても、実際の構造物では応力分布が大きく異なることもあり、結果的に残留応力が所定の値を越えて、構造物に悪影響を及ぼすこともある。
【００１０】
さらに、特許文献１〜３に記載された残留応力の解析予測手法では、試験片等の解析対象物の残留応力を計測する関係上、解析対象物を切断したり、解析対象物に切り込みを入れなければならないことが多く、このような解析予測手法を実際の構造物の残留応力を解析予測する際に用いることはできない。
【００１１】
いずれにしても、特許文献１〜３に記載された残留応力の解析予測手法では、試験片等の解析対象物について残留応力を計測して、応力分布の解析予測をしているものの、実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測することは難しいという課題がある。
【００１２】
そして、特許文献１〜３に記載された残留応力の解析予測手法を用いた際には、実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測して、その解析予測結果を考慮して構造物の溶接を制御することはできない。
【００１３】
本発明の目的は、実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測して、その解析予測結果に応じて構造物の溶接を制御することのできる溶接システム及び溶接方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行うようにした溶接システムにおいて、前記第１及び前記第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測手段と、前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価手段と、前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更手段とを有し、前記溶接条件変更手段によって前記予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接システムが得られる。
【００１５】
このようにして、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、第１及び第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成して、予め定められた溶接条件に応じて第ｋの溶接パスについて溶接を行う過程で、第１及び第２の部材の温度を計測して得られた計測温度に応じて、第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得、推定残留応力に応じて予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とし、溶接条件変更手段によって予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて変更溶接条件に応じて溶接を行うようにすれば。実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測した結果に応じて構造物の溶接を精度よく制御することができ、残留応力を低減できることになる。
【００１６】
例えば、前記溶接条件変更手段は、前記推定残留応力と予め設定された許容応力とを比較して前記推定残留応力が前記許容応力以上であると、前記予め設定された溶接条件を変更する。
【００１７】
さらに、本発明では、前記計測温度に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正手段を備え、前記残留応力評価手段は、解析モデル修正手段によって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求める。
【００１８】
加えて、本発明では、前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算手段と、前記計測温度と前記計算温度とを比較してその比較結果に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正手段とを備え、前記残留応力評価手段は、前記解析モデル修正手段によって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求めるようにしてもよい。
【００１９】
また、前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算手段と、前記計測温度と前記計算温度とが異なる際前記解析モデルを修正する解析モデル修正手段とを備え、前記残留応力評価手段は、前記計測温度と前記計算温度とが一致した際の解析モデルを用いて前記（ｋ＋１）〜前記ｎの溶接パスに起因する温度を計算した計算結果に応じて熱弾塑性解析によって前記残留応力を評価するようにしてもよい。
【００２０】
なお、前記第１〜前記第ｎの溶接パスを複数のグループに分けて、該グループ毎に溶接を行うとともに前記残留応力の評価を行うようにしてもよい。
【００２１】
このようにして、残留応力と予め設定された許容応力とを比較して、推定残留応力が許容応力以上であると、溶接条件を変更するようにすれば、溶接過程で推定残留応力に応じて適宜溶接条件を変更して、構造物の残留応力を低減できる。また、第１〜第ｎの溶接パスを複数のグループの何れか一つにグループ化して、グループ毎に溶接を行うとともに残留応力の評価を行うようにすれば、溶接パス数が極めて多い多層溶接において、演算量を減らして、しかも構造物の残留応力を低減できる。
【００２２】
また、本発明によれば、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行うようにした溶接システムにおいて、前記多層溶接を行う溶接装置と、前記溶接装置に通信回線を介して接続された残留応力評価装置とを有し、前記溶接装置には前記多層溶接を行う溶接手段と、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測手段と、前記残留応力評価装置と前記通信回線を介してデータの送受を行う第１の通信制御手段とが備えられ、前記残留応力評価装置には、前記第１の通信制御手段と前記通信回線を介してデータの送受を行う第２の通信制御手段と、前記第１の通信制御手段から受けた前記第１及び前記第２の部材に関するデータ及び予め設定された溶接条件に応じて解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて、前記第１の通信制御手段から受けた前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価手段と、前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更手段とが備えられ、前記第２の通信制御手段は、前記溶接条件変更手段によって前記予め設定された溶接条件が変更されると、前記変更溶接条件を前記第１の通信制御手段に送り、前記溶接手段では第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接システムが得られる。
【００２３】
このようにして、通信回線を介して溶接装置と残留応力評価装置とを接続するようにすれば、一つの残留応力評価装置で、複数の溶接装置と遠隔的に残留応力の評価及び溶接条件の変更を行うことができ、施工現場で容易に構造物の残留応力を低減して溶接を行うことができることになる。
【００２４】
さらに、本発明によれば、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って、多層溶接を行う溶接方法において、前記第１及び前記第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測ステップと、前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価ステップと、前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更ステップとを有し、前記溶接条件変更ステップによって前記予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて、前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたことを特徴とする残留応力評価を用いた溶接方法が得られる。
【００２５】
例えば、前記溶接条件変更ステップでは、前記推定残留応力と予め設定された許容応力とを比較して前記推定残留応力が前記許容応力以上であると、前記予め設定された溶接条件を変更する。
【００２６】
さらに、前記計測温度に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正ステップを有するようにしてもよく、この際には、前記残留応力評価ステップでは、前記解析モデル修正ステップで前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求める。
【００２７】
また、前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算ステップと、前記計測温度と前記計算温度とを比較してその比較結果に応じて前記解析モデルを修正して修正解析モデルを得る解析モデル修正ステップとを有するようにしてもよく、この際、前記残留応力評価ステップでは、前記解析モデル修正ステップによって前記解析モデルが修正されると前記修正解析モデルを用いて前記推定残留応力を求める。
【００２８】
加えて、前記解析モデルを用いて前記予め設定された溶接条件に応じて前記第ｋの溶接パスに起因する温度を計算して計算温度を得る温度計算ステップと、前記計測温度と前記計算温度とが異なる際前記解析モデルを修正する解析モデル修正ステップとを有するようにしてもよく、その際、前記残留応力評価ステップでは、前記計測温度と前記計算温度とが一致した際の解析モデルを用いて前記（ｋ＋１）〜前記ｎの溶接パスに起因する温度を計算した計算結果に応じて熱弾塑性解析によって前記残留応力を評価する。なお、前記第１〜前記第ｎの溶接パスが複数のグループの何れか一つに属して、該グループ毎に溶接を行うとともに前記残留応力の評価を行うようにしてもよい。
【００２９】
また、本発明によれば、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び前記第２の部材の当接部に規定される開先において第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の溶接パスについて順次溶接を行って多層溶接を行う溶接方法において、前記第１及び前記第２の部材に関するデータを通信回線を介して送出する第１の送信ステップと、前記第１及び前記第２の部材に関するデータを受信して該第１及び該第２の部材に関するデータ及び予め設定された溶接条件に応じて解析モデルを生成する解析モデル生成ステップと、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋ（ｋは１〜（ｎ−１）のいずれかの整数）の溶接パスについて溶接を行う過程で前記第１及び前記第２の部材の温度を計測して計測温度を得る温度計測ステップと、前記第ｋの溶接パスについて溶接が終了した旨の通知を前記通信回線を介して受けるととともに前記計測温度を受けると、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて前記計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得る残留応力評価ステップと、前記推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とする溶接条件変更ステップと、前記溶接条件変更ステップで前記予め設定された溶接条件が変更されると前記変更溶接条件を前記通信回線を介して送信する第２の送信ステップと、前記変更溶接条件を受け、第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行う溶接ステップとを有することを特徴とする残留応力評価を用いた溶接方法が得られる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３１】
図１を参照して、本発明による溶接システムについて説明する。この溶接システムは、溶接装置１０及び残留応力評価装置３１を備えている。図示の溶接装置１０は、溶接ロボット１１及び溶接制御装置（溶接機）１２を有しており、溶接ロボット１１によって、被溶接物１３が溶接されて、構造物となる。例えば、被溶接物１３は複数の第１及び第２の部材１３ａ及び１３ｂを有し、これら部材１３ａ及び１３ｂが接触する部分には、開先１３ｃが規定されている（開先１３ｃとは、部材１３ａ及び１３ｂに設けられた切り欠きがなす溝のことをいう）。そして、この開先１３ｃの内部が溶接されるべき部位とする。
【００３２】
溶接ロボット１１は溶接トーチ１１ａ及び駆動機構１１ｂを有しており、溶接トーチ１１ａは、開先１３ｃの延在方向に沿って溶接材送給装置（図示せず）から送給される溶接材（ワイヤー：図示せず）を溶融して、部材１３ａ及び１３ｂを溶接接合する。一方、駆動機構１１ｂは溶接制御装置１２に制御されて、溶接トーチ１１ａを３次元的（つまり、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）に駆動する。溶接に当たっては、溶接制御装置１２は、溶接トーチ１１ａに与える電流（Ｉ）及び電圧（Ｅ）を後述するようにして制御するとともに、駆動機構１１ｂを制御して、溶接トーチ１１ａの移動速度、つまり、溶接速度（ｖ）を制御する。部材１３ａ及び１３ｂの溶接に当たっては、所謂多層溶接が行われる。つまり、少なくとも２回の溶接パスを行って部材１３ａ及び１３ｂを接合することになる（言い換えると、ｎ（ｎは２以上の整数）回の溶接パスを行って部材１３ａ及び１３ｂを接合する）。
【００３３】
部材１３ａ及び１３ｂには、所定の位置（例えば、開先近傍の部材１３ａ及び１３ｂの表面（一面））に複数の温度センサー２１が配置され、温度センサー２１で計測された部材の温度は計測温度として、残留応力評価装置３１に与えられる。
【００３４】
ここで、図２も参照して、いま、部材１３ａ及び１３ｂとして、薄い平板（以下薄板平板と呼ぶ）同士を溶接する場合について説明する。なお、ここでは、ｎ＝５とする（つまり、５回の溶接パスによって、５層の多層盛溶接を行うものとする）。
【００３５】
溶接制御装置１２には、溶接条件として、電圧Ｅ、電流Ｉ、溶接速度ｖ、及び溶接材送給速度に対応する溶接肉盛形状Ｓが設定されており、これら電圧Ｅ、電流Ｉ、溶接速度ｖ、及び溶接肉盛形状Ｓは、複数設定されているものとし、溶接制御装置１２は、溶接条件に応じて溶接ロボット１１を制御する。ここでは、電圧Ｅ、電流Ｉ、溶接速度ｖ、及び溶接肉盛形状Ｓとして、Ｅｉ，Ｉｉ，ｖｉ，及びＳｉが設定されている。
【００３６】
まず、残留応力評価装置３１では、ｋ（変数であり、１〜ｎまでの整数）＝１として（ステップＰ１）、続いて、溶接制御装置１２に第ｋの溶接パスについて溶接を指示する溶接指示信号を送出する（ステップＰ２）。溶接制御装置１２では、この溶接指示信号に応答して、第ｋの溶接パスについて予め設定された溶接条件を選択する（以下この溶接条件を第ｋの溶接条件と呼ぶ：ステップＰ３）。例えば、電圧＝Ｅｋ，電流＝Ｉｋ，溶接速度＝ｖｋ，及び溶接肉盛形状＝Ｓｋとして、第ｋの溶接パスを、薄板平板１３ａ及び１３ｂの開先１３ｃに沿って規定して、駆動機構１１ｂを制御しつつ、溶接トーチ１１ａで溶接を行う。この際、溶接トーチ１１ａには電圧Ｅｋ及び電流Ｉｋが与えられ、駆動機構１１ｂは溶接トーチ１１ａを溶接速度ｖｋで移動させる。一方、溶接材送給装置からは溶接肉盛形状Ｓｋで規定される速度で溶接材が送給される。
【００３７】
そして、第ｋの溶接パス（ｋ＝１の際の溶接パスは図３に▲１▼で示す）について溶接の施工を行うと（ステップＰ４）、温度センサー２１で薄板平板１３ａ及び１３ｂの温度が計測されて（ステップＰ５）、計測温度Ｔｍ（ｍは温度センサー２１の個数に対応し、ｍ＝１〜Ｍ（Ｍは２以上の整数）である）として、残留応力評価装置３１に与えられる。
【００３８】
一方、残留応力評価装置３１では、薄板平板の溶接について、ＦＥＭ（有限要素法）を用いてモデル化して解析モデルを生成する（ステップＰ６）。つまり、残留応力評価装置３１には、薄板平板の溶接についてＦＥＭを用いてモデル化した解析モデルが基準解析モデルとして設定されている。残留応力評価装置３１では基準解析モデルに基づいて、前述の第ｋの溶接条件で、第ｋの溶接パスについて溶接を行った際の薄板平板の温度を解析温度として求める（ステップＰ７）。つまり、残留応力評価装置３１では、基準解析モデルについて、熱伝導解析を行って、温度履歴を求め、この温度履歴に応じて解析温度を得ることになる。この解析温度は、前述の温度センサー２１が配置された位置について求められる。この解析温度をＴｆｅｍで表す。
【００３９】
次に、残留応力評価装置３１は、Ｔｆｅｍ＝Ｔｍであるか否かを調べる（ステップＰ８）。なお、残留応力評価装置３１は望ましくはＴｆｅｍ＝Ｔｍであるか否かを調べることになるが、例えば、温度偏差許容値ΔＴを設定して、｜Ｔｆｅｍ−Ｔｍ｜＜ΔＴであるか否かを調べるようにしてもよい（以下の説明では、Ｔｆｅｍ＝Ｔｍであるか否かを調べるとして説明を行うが、｜Ｔｆｅｍ−Ｔｍ｜＜ΔＴであるか否かを調べるようにしても同様である）。Ｔｆｅｍ＝Ｔｍでないと、残留応力評価装置３１は、解析パラメータを変更して（ステップＰ９）、基準解析モデルを修正して修正解析モデルを得る。そして、再度、ステップＰ７及びＰ８を行う。このようにして、Ｔｆｅｍ＝Ｔｍとなるまで、解析パラメータを変更して、解析モデルを修正することになる。
【００４０】
上述のようにして、第ｋの溶接パスに関して、Ｔｆｅｍ＝Ｔｍとなった時点における解析モデルを用いて、残留応力評価装置３１では、第（ｋ＋１）の溶接パスから第ｎの溶接パスについて、第ｋの溶接条件で溶接を行ったと仮定して、薄板平板の温度解析を行って、解析温度を得る（ステップＰ１０）。その後、残留応力評価装置３１では、第（ｋ＋１）の溶接パス〜第ｎの溶接パスについての解析温度に応じて、つまり、温度履歴に応じて、熱弾塑性応力解析を行って、薄板平板に掛かる残留応力（推定残留応力）σＲを求める（ステップＰ１１）。そして、この推定残留応力σＲが予め設定された許容応力未満であるか否かを調べる（ステップＰ１２）。
【００４１】
推定残留応力σＲ≧許容応力であると、残留応力評価装置３１は、前述の第（ｋ＋１）〜第ｎの溶接パスについて溶接条件を変更する（ステップＰ１３）。溶接条件を変更する際には、まず、電圧Ｅｉ，電流Ｉｉ，溶接速度ｖｉ，溶接肉盛形状Ｓｉについて、その一つをｋから（ｋ＋１）〜ｎに順次変更する。つまり、電圧Ｅｉ，電流Ｉｉ，溶接速度ｖｉ，溶接肉盛形状Ｓｉの組み合わせについて、ｋから（ｋ＋１）に順次変更して、ステップＰ１０〜Ｐ１２を行う。そして、推定残留応力σＲ＜許容応力となる溶接条件を求めることになる。
【００４２】
一方、推定残留応力σＲ＜許容応力となると、残留応力評価装置３１はｋ＝ｋ＋１として（ステップＰ１４）、第ｎの溶接パスまで溶接が終了したか否かを判定して（ステップＰ１５）、第ｎの溶接パスまで終了していなければ、ステップＰ２に戻る。そして、残留応力評価装置３１は溶接制御装置１２に第（ｋ＋１）の溶接パスについて溶接を指示する溶接指示信号を送出する。この際には、前述のステップＰ１３で求められた溶接条件（以下変更溶接条件と呼ぶ）が溶接制御装置１２に与えられることになり、溶接制御装置１２で予め第（ｋ＋１）の溶接パスについて定められた溶接条件にかかわらず、変更溶接条件を第（ｋ＋１）の溶接条件として溶接を実行することになる。
【００４３】
その後、ステップＰ５で再び温度が計測されて、前述のようにして、ｋ＝ｎとなるまで、推定残留応力σＲと許容応力とが比較される。この際、前述のようにして、残留応力σＲ＜許容応力となるように溶接条件が変更されることになる。
【００４４】
このようにして、多層盛溶接を行うと、ｎ＝５の場合には、図３に示すように、多層盛溶接が行われることになる（図３において、▲２▼〜▲５▼はそれぞれ第２〜第５層を示す）。このようにして、薄板平板を溶接する際には、まず、第１〜第ｎの溶接パス毎にその溶接条件を予め設定する。そして、この溶接条件に応じて全溶接パスをモデル化して解析モデルを生成する。その後、第１の溶接パスについて溶接を行い、薄板平板の温度を計測する。この計測温度に応じて解析モデルを熱弾塑性解析によって残留応力を評価する。そして、推定残留応力が許容値（許容応力）以上であると、第１の溶接パス以降の溶接条件を変更することになる。
【００４５】
つまり、多層盛溶接を行う際には、第ｋの溶接パスまでについて、溶接を行った後、ＦＥＭを用いた解析モデルについて、ｎ層までの（つまり、全溶接パスについて）温度履歴に応じて熱弾塑性解析を行って、残留応力を推定する。この推定残留応力が許容応力未満となるように、溶接条件を変更して、第（ｋ＋１）の溶接パスについて溶接を行う。つまり、実際の構造物の溶接工程において、ＦＥＭを用いた解析モデルに対して温度に基づいて残留応力を解析予測して、その解析予測結果に応じて溶接条件を修正するようにしたから、構造物の溶接を行う際、構造物の残留応力を許容応力未満に精度制御することができることになる。
【００４６】
なお、薄板平板を溶接する際には、解析モデルとして２次元モデルを用いれば十分であり、より精度を向上させるためには、３次元モデルを用いることが好ましい。この際には、薄板平板の表面及び裏面で温度を計測する必要がある。一方、厚板平板を溶接する際には、解析モデルとして３次元モデルを用いる必要がある（つまり、厚板平板の場合には、Ｚ軸方向に対する温度分布を考慮する必要があるため、３次元モデルを用いることになる）。また、評価精度を上げるためには、多点で温度測定を行って、温度分布を導出することが望ましい（以下の例についても、評価精度を向上させるためには、多点温度計測を行うことが望ましい）。
【００４７】
また、溶接パス数が多い場合には、各溶接パスについて溶接を施工した後、前述のようにして残留応力評価を行うと、演算量が極めて多くなってしまう関係上、複数の溶接パスをグループ化した後、各グループについて溶接を施工した後、前述のようにして残留応力の評価を行えば、演算量を少なくすることができる。
【００４８】
ここで、平板以外の他の部材を溶接する際の例を挙げると、例えば、図４（ａ）に示す厚肉円筒（軸対称）２２を周面に沿って溶接する際には、溶接部位２２ａに関して、円筒の外周面及び内周面で温度計測を行い（図４（ｂ）参照）、図２で説明したようにして、残留応力評価を行いつつ、各溶接パスについて溶接を行うことになる。この際には、解析モデルとして、図４（ｃ）に示す２次元モデル（軸対称モデル）２２ｂを用いてもよく、３次元モデル（図示せず）を用いるようにしてもよい。そして、２次元モデルを用いるか３次元モデルを用いるかは溶接速度によって規定される。
【００４９】
同様にして、図５（ａ）に示すノズル２３をその薄肉部分で周面に沿って溶接する際には、溶接部位２３ａに関して、ノズルの外周面及び内周面で温度計測を行い（図５（ｂ）参照）、図２で説明したようにして、残留応力評価を行いつつ、各溶接パスについて溶接を行うことになる。この際には、解析モデルとして、図５（ｃ）に示す２次元モデル（軸対称モデル）２３ｂを用いてもよく、３次元モデルを用いるようにしてもよい。そして、２次元モデルを用いるか３次元モデルを用いるかは溶接速度によって規定される。
【００５０】
さらに、図６（ａ）に示すように、容器２４を貫通する配管等の貫通部２４ａを溶接する際には、その貫通部付近において、温度計測を行い（図６（ｂ）参照）、図２で説明したようにして、残留応力評価を行いつつ、各溶接パスについて溶接を行うことになる。この際には、解析モデルとして、図６（ｃ）に示す３次元モデル２４ｂが用いられる。
【００５１】
また、図７（ａ）に示すＴ字形継手２５を溶接する際には（所謂隅肉溶接）、溶接部位２５ａに関して、接合部付近で温度計測を行い（図７（ｂ）参照）、図２で説明したようにして、残留応力評価を行いつつ、各溶接パスについて溶接を行うことになる。この際には、解析モデルとして、図７（ｃ）に示す２次元モデル２５ｂを用いてもよく、３次元モデルを用いるようにしてもよい。３次元モデルを用いる際には、例えば、図７（ｄ）に示すようにして、溶接部位２５ａに沿って複数の箇所で温度計測が行われる。そして、２次元モデルを用いるか３次元モデルを用いるかは溶接速度によって規定される。
【００５２】
加えて、図８（ａ）に示すソケット２６を溶接する際には、溶接部位２６ａに関して、接合部付近で温度計測を行い（図８（ｂ）参照）、図２で説明したようにして、残留応力評価を行いつつ、各溶接パスについて溶接を行うことになる。この際には、解析モデルとして、図８（ｃ）に示す２次元モデル２６ｂを用いてもよく、３次元モデルを用いるようにしてもよい。そして、２次元モデルを用いるか３次元モデルを用いるかは溶接速度によって規定される。
【００５３】
ここで、図９を参照して、図示の例では、溶接ロボット１１及び溶接制御装置１２は、溶接施工場所に配置されており、溶接制御装置１２には通信制御装置４１が接続されている。さらに、温度センサー２１は温度計測器４２を介して通信制御装置４１に接続されている。通信制御装置４１は通信回線（図示の例では、通信衛星）５１を介してホスト装置６１に接続されている。ホスト装置６１には通信制御装置６２が備えられ、通信回線５１を介して通信制御装置４１とデータの送受を行う。そして、通信制御装置６２には残留応力評価装置３１が接続されている。
【００５４】
溶接施工場所で溶接を行う際には、溶接制御装置１２から通信制御装置４１を介して第１及び第２の部材１３ａ及び１３ｂに関するデータ及び溶接条件が通信制御装置６２に送られるとともに温度計測器４２で計測された部材の温度が通信制御装置４１を介して通信制御装置６２に送られる。残留応力評価装置３１では、図２で説明したようにして、残留応力の評価を行い、溶接条件の変更について、通信制御装置６２を介して通信制御装置４１に伝えることになる。そして、溶接条件に変更があれば、溶接制御装置１２は、変更後の溶接条件に応じて溶接ロボット１１を制御することになる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、第１及び第２の部材を溶接によって接合して構造物とする際、前記第１及び第２の部材について予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成して、前記予め定められた溶接条件に応じて第ｋの溶接パスについて溶接を行う過程で、前記第１及び第２の部材の温度を計測して得られた計測温度に応じて、第ｋの溶接パスについて溶接が終了した後、前記解析モデルについて熱弾塑性解析を用いて残留応力を評価して推定残留応力を得、該推定残留応力に応じて前記予め設定された溶接条件を変更して変更溶接条件とし、溶接条件変更手段によって前記予め設定された溶接条件が変更されると、第（ｋ＋１）の溶接パスについて前記変更溶接条件に応じて溶接を行うようにしたので、実際の構造物の溶接工程において残留応力を解析予測した結果に応じて構造物の溶接を精度よく制御することができ、残留応力を低減できるという効果がある。
【００５６】
本発明では、推定残留応力と予め設定された許容応力とを比較して、推定残留応力が許容応力以上であると、溶接条件を変更するようにしたので、溶接過程で推定残留応力に応じて適宜溶接条件を変更して、構造物の残留応力を低減できるという効果がある。
【００５７】
本発明によれば、第１〜第ｎの溶接パスを複数のグループに分けることによりグループ化して、グループ毎に溶接を行うとともに残留応力の評価を行うようにしたから、溶接パス数が極めて多い多層溶接において、演算量を減らして、しかも構造物の残留応力を低減できるという効果がある。
【００５８】
本発明では、通信回線を介して溶接装置と残留応力評価装置とを接続するようにしたから、一つの残留応力評価装置で、複数の溶接装置と遠隔的に残留応力の評価及び溶接条件の変更を行うことができ、施工現場で容易に構造物の残留応力を低減して溶接を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶接システムの一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す溶接システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】薄板平板を多層溶接した際の一例を示す概要図である。
【図４】厚肉円筒を多層溶接する際の一例を説明するための概要図である。
【図５】厚肉円筒を多層溶接する際の一例を説明するための概要図である。
【図６】容器貫通部を多層溶接する際の一例を説明するための概要図である。
【図７】Ｔ字形継手を多層溶接する際の一例を説明するための概要図である。
【図８】ソケットを多層溶接する際の一例を説明するための概要図である。
【図９】本発明による溶接システムの他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  溶接装置
１１  溶接ロボット
１２  溶接制御装置（溶接機）
１３  被溶接物
２１  温度センサー
３１  残留応力評価装置
【図１】
2004181462.tif 000003
【図２】
2004181462.tif 000004
【図３】
2004181462.tif 000005
【図４】
2004181462.tif 000006
【図５】
2004181462.tif 000007
【図６】
2004181462.tif 000008
【図７】
2004181462.tif 000009
【図８】
2004181462.tif 000010
【図９】
2004181462.tif 000011