(57)【要約】【課題】構造部材の亀裂の補修溶接を簡便に行え、しかも横向き姿勢溶接および水中溶接にも適用可能にすることにある。【解決手段】三次元方向に駆動可能なトーチヘッド２と、このトーチヘッドに取付けられ先端部に有する溶接トーチにアーク電極１２を把持させて設けた溶接ヘッド１と、トーチヘッド２に取付けられた支持アーム３と、この支持アームに支持されアーク電極１２から発するアーク光に向けてワイヤを供給するワイヤ供給ノズル４と、支持アーム３に支持され構造部材の亀裂発生部位を撮影する監視カメラ５と、この監視カメラにより撮影された映像を基に溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件の入力により前記トーチヘッドを駆動制御し、前記溶接ヘッドを前記構造部材の亀裂に追従させる溶接制御装置７とを備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元方向に駆動可能なトーチヘッドと、このトーチヘッドに取付けられ先端部に有する溶接トーチにアーク電極を把持させて設けた溶接ヘッドと、前記トーチヘッドに取付けられた支持アームと、この支持アームに支持され前記アーク電極から発するアーク光に向けてワイヤを供給するワイヤ供給ノズルと、前記支持アームに支持され構造部材の亀裂発生部位を撮影する監視カメラと、この監視カメラにより撮影された映像を基に前記溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件の入力により前記トーチヘッドを駆動制御し、前記溶接ヘッドを前記構造部材の亀裂に追従させる溶接制御手段とを備え、亀裂を除去することなく亀裂に追従させながらアーク溶接で補修溶接可能にしたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラで撮影された映像を表示して前記構造部材に存する亀裂の位置を確認するモニタを設けたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項３】
三次元方向に駆動可能なトーチヘッドと、このトーチヘッドに取付けられ先端部に有する溶接トーチにアーク電極を把持させて設けた溶接ヘッドと、前記トーチヘッドに取付けられた支持アームと、この支持アームに支持され前記アーク電極から発するアーク光に向けてワイヤを供給するワイヤ供給ノズルと、前記溶接ヘッド内に光軸が前記アーク電極の中心軸と同一軸線上になるように配置された監視カメラと、この監視カメラにより撮影された映像を基に前記溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件が入力されると前記トーチヘッドを駆動制御し、前記溶接ヘッドを前記構造部材の亀裂に追従させる溶接制御手段とを備えたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項３記載の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラで撮影された映像から前記アーク電極位置、ワイヤ供給位置、溶融池形状などの情報を抽出する情報抽出手段と、この情報抽出手段により抽出された情報を画像処理して前記溶接制御手段に溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件を入力する画像処理手段とを設けたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項３記載の亀裂補修溶接装置において、前記ワイヤ供給ノズルからアーク光に向けて供給されるワイヤとして、金属酸化物を含むフラックス入りワイヤを用いて亀裂を消失させることを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項６】
請求項３記載の亀裂補修溶接装置において、前記溶接ヘッドの先端部に前記アーク電極を中心とする空胴部を形成し、この空胴部の開口端に構造部材表面と密接可能なシールドを取付けるとともに、空胴部の内部にシールドガスを充填するシールドガス供給管を設けて水中での構造部材に発生した亀裂を補修溶接可能にしたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項７】
請求項３記載の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラの前面に減光フィルタ及び光学フィルタを着脱可能に設けたことを特徴とする亀裂補修溶接装置。
【請求項８】
請求項３、請求項６及び請求項７のいずれかに記載の亀裂補修溶接装置を用いて、横向き姿勢で亀裂補修溶接を実施するに際し、前記ワイヤ供給ノズルから金属酸化物を含むフラックス入りワイヤを溶接進行方向と直交する方向の溶融池上方から挿入して、深い溶け込みを溶融池中央真下にして補修溶接することを特徴とする亀裂補修溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材に発生した亀裂を該亀裂に沿って追従する監視カメラにより監視しながら補修溶接が可能な構造部材の亀裂補修溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部材に発生した亀裂を補修するには、一般的に亀裂部分を含む構造部材の周辺領域の欠陥部を削り取った後に開先整形し、この開先部を肉盛り溶接により補修することが行われている。
【０００３】
しかし、この方法では、開先整形や開先部の肉盛り溶接に多大な労力と時間を要するという問題がある。また、原子炉などの放射線環境下で機器の補修を行う場合、作業者に対する被曝量を低減させるため、水中で遠隔操作により補修作業を行う必要があるが、遠隔操作で機器の開先整形や開先溶接を行うことは困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような肉盛溶接による構造部材の亀裂補修方法において、遠隔操作で亀裂の除去や、亀裂部を溶融金属で埋め込んで亀裂を消失させる溶接肉盛補修技術は開発されていないのが現状である。また、遠隔で構造部材の亀裂位置を正確に観察する手法も同様に開発されていない。
【０００５】
従って、遠隔操作で亀裂部分を含む構造部材の欠陥部を除去することなく、しかも亀裂に追従しながら補修溶接を行い得る方法および装置の技術開発が強く望まれていた。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、構造部材の亀裂の補修溶接を簡便に行え、しかも横向き姿勢溶接および水中溶接にも適用できる亀裂補修溶接装置及びこの装置を用いた亀裂補修溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段および方法により構造部材の亀裂を補修溶接可能にするものである。
【０００８】
請求項１に対応する発明は、三次元方向に駆動可能なトーチヘッドと、このトーチヘッドに取付けられ先端部に有する溶接トーチにアーク電極を把持させて設けた溶接ヘッドと、前記トーチヘッドに取付けられた支持アームと、この支持アームに支持され前記アーク電極から発するアーク光に向けてワイヤを供給するワイヤ供給ノズルと、前記支持アームに支持され構造部材の亀裂発生部位を撮影する監視カメラと、この監視カメラにより撮影された映像を基に前記溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件の入力により前記トーチヘッドを駆動制御し、前記溶接ヘッドを前記構造部材の亀裂に追従させる溶接制御手段とを備え、亀裂を除去することなく亀裂に追従させながらアーク溶接で補修溶接可能にする。
【０００９】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラで撮影された映像を表示して前記構造部材に存する亀裂の位置を確認するモニタを設ける。
【００１０】
請求項３に対応する発明は、三次元方向に駆動可能なトーチヘッドと、このトーチヘッドに取付けられ先端部に有する溶接トーチにアーク電極を把持させて設けた溶接ヘッドと、前記トーチヘッドに取付けられた支持アームと、この支持アームに支持され前記アーク電極から発するアーク光に向けてワイヤを供給するワイヤ供給ノズルと、前記溶接ヘッド内に光軸が前記アーク電極の中心軸と同一軸線上になるように配置された監視カメラと、この監視カメラにより撮影された映像を基に前記溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件が入力されると前記トーチヘッドを駆動制御し、前記溶接ヘッドを前記構造部材の亀裂に追従させる溶接制御手段とを備える。
【００１１】
請求項４に対応する発明は、請求項１又は請求項３に対応する発明の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラで撮影された映像から前記アーク電極位置、ワイヤ供給位置、溶融池形状などの情報を抽出する情報抽出手段と、この情報抽出手段により抽出された情報を画像処理して前記溶接制御手段に溶接ヘッドの狙い位置と溶接条件を入力する画像処理手段とを設ける。
【００１２】
請求項５に対応する発明は、請求項１又は請求項３に対応する発明の亀裂補修溶接装置において、前記ワイヤ供給ノズルからアーク光に向けて供給されるワイヤとして、金属酸化物を含むフラックス入りワイヤを用いて亀裂を消失させる。
【００１３】
請求項６に対応する発明は、請求項３に対応する発明の亀裂補修溶接装置において、前記溶接ヘッドの先端部に前記アーク電極を中心とする空胴部を形成し、この空胴部の開口端に構造部材表面と密接可能なシールドを取付けるとともに、空胴部の内部にシールドガスを充填するシールドガス供給管を設けて水中での構造部材に発生した亀裂を補修溶接可能にする。
【００１４】
請求項７に対応する発明は、請求項３に対応する発明の亀裂補修溶接装置において、前記監視カメラの前面に減光フィルタ及び光学フィルタを着脱可能に設ける。
【００１５】
請求項８に対応する発明は、請求項３、請求項６及び請求項７のいずれかに対応する発明の亀裂補修溶接装置を用いて、横向き姿勢で亀裂補修溶接を実施するに際し、前記ワイヤ供給ノズルから金属酸化物を含むフラックス入りワイヤを溶接進行方向と直交する方向の溶融池上方から挿入して、深い溶け込みを溶融池中央真下にして補修溶接する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明による亀裂補修溶接装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【００１８】
図１において、１は溶接ヘッドで、この溶接ヘッド１は三次元（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向に動作可能なトーチヘッド２に取付けられている。また、３はトーチヘッド２に取付けられた支持アームで、この支持アーム３にはワイヤ供給ノズル４及び監視カメラ５がそれぞれ取付けられている。
【００１９】
一方、６は監視カメラ５により撮影された基材２１の被溶接面を表示するモニタ、７は作業者によりモニタ６に表示される画像から基材１００に存する亀裂１０１の位置を確認し、入力手段より溶接部位の狙い位置及び溶接条件が入力されると、トーチヘッド２に制御指令を与えて各軸を駆動制御するとともに、ワイヤ送給機８にワイヤ送り動作指令を与えてワイヤ供給ノズル４にワイヤを送る溶接制御装置である。
【００２０】
また、９は入力手段より溶接部位の狙い位置及び溶接条件が入力されるとトーチヘッド２を通して溶接ヘッド１の電極を通電する溶接電源である。
【００２１】
次にこのように構成された構造部材の亀裂補修溶接装置の作用を述べる。
【００２２】
いま、モニタ６に監視カメラ４により撮影された基材１００の被溶接面が表示されている状態にあるものとする。作業者はモニタ６の画面に表示されている基材１００の被溶接面の存する亀裂１０１の位置を確認し、入力手段より溶接制御装置７に溶接ヘッド１の狙い位置と溶接条件を入力する。
【００２３】
次に溶接電源９のオンにより補修溶接が開始されると、溶接ヘッド１のタングステン電極１２から発するアーク光２０に向けてワイヤ供給ノズル４よりワイヤが供給され、亀裂部分が補修溶接される。このとき、監視カメラ５で撮影された映像をモニタ６の画面上で溶接線（溶融池）及び溶接状態を監視しながら、溶接制御装置７によりトーチヘッド２を駆動制御することで、基材１００の亀裂１０１に追従しながらアーク溶接される。
【００２４】
このような亀裂補修溶接を行うことにより、亀裂を除去することなく、監視カメラ５により亀裂を確認し、溶接制御装置７によりトーチヘッド２を駆動制御することで、亀裂に追従しながらアーク溶接を行い得るので、簡単且つ容易に補修溶接を行うことができる。
【００２５】
図２は本発明による亀裂補修溶接装置の第２の実施形態を示す構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００２６】
第２の実施形態では、図２に示すように監視カメラ５により撮影された基材１０１の被溶接面の画像情報を情報抽出装置１０に取り込み、この情報抽出装置１０により溶融池情報を抽出し、その溶融池情報を画像処理装置１１により画像処理して溶接部位の狙い位置及び溶接条件を溶接制御装置７及び溶接電源８に入力するようにしたものである。
【００２７】
このような構成とすれば、監視カメラ５で撮影された画像情報が情報抽出装置１０に取り込まれると、この情報抽出装置１０により溶融池情報が抽出され、この情報を画像処理装置１１で画像処理することで、溶接ヘッド１の狙い位置と溶接条件が溶接制御装置７及び溶接電源９に入力され、前述同様にトーチヘッド２を駆動制御することができる。従って、作業者が入力操作することなく溶接ヘッド１を自動的に亀裂に追従させながらアーク溶接を行い得るので、簡単且つ容易に補修溶接を行うことができる。
【００２８】
図３は本発明による亀裂補修溶接装置の第３の実施形態を示す構成図で、図１と同一構成部品には同一符号を付して説明する。
【００２９】
図３において、三次元（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向に動作可能なトーチヘッド２に溶接ヘッド１が取付けられるとともに、支持アーム３を介してワイヤ供給ノズル４が取付けられる点については図１と同じであるが、本実施形態では溶接ヘッド１内に監視カメラ５をタングステン電極１２の真上に位置させて取付けるようにしたものである。
【００３０】
ここで、溶接ヘッド１及び監視カメラ５の取付け構成を詳細に述べる。
【００３１】
溶接ヘッド１内の先端部に有する開口部に溶接トーチ１３が嵌め込まれ、この溶接トーチ１３のほぼ中心部に設けられた電極把持部１４にタングステン電極１２が鉛直に把持されている。また、溶接ヘッド１の先端にタングステン電極１２を中心にしてその外周側を囲むようにノズル１５が取付けられている。
【００３２】
この場合、電極把持部１４は、監視カメラ５の撮影範囲を遮らない面積となるような極小さなものが用いられ、しかも映像には映らないように監視カメラ５の焦点から外れた位置に配置されている。
【００３３】
一方、監視カメラ５は、その前面を溶接ヘッド１内の溶接トーチ１３の中心部に有する開口部の上面に設けられたガラス窓１６に向けて設けられ、図示しない支持部材に取付けられている。
【００３４】
この場合、監視カメラ５は、その光軸とタングステン電極１２の中心軸が同一軸線上になるように配置されている。
【００３５】
減光フィルタ１７及び光学フィルタ１８が収められたフィルタケーシング１９を介在させて設けられている。
【００３６】
また、監視カメラ５の前面とガラス窓１６との間に減光フィルタ１７及び光学フィルタ１８が収められたフィルタケーシング１９が設けられている。このフィルタケーシング１９は、電動モータ２１の回転軸に連結され、監視カメラ５への着脱を可能にしてある。
【００３７】
なお、図示はしていないが、図１又は図２に示すモニタ６又は情報抽出装置１０及び画像処理装置１１、溶接制御装置７及び溶接電源９が前述同様に配置されている。
【００３８】
このような構成の亀裂補修溶接装置とすれば、溶接ヘッド１内に監視カメラ５をその光軸が溶接トーチ１３の電極把持部１４に把持されたタングステン電極１２と同一軸線上に配置するようにしたので、監視カメラ５により溶融池並びに溶融池近傍を真上から撮影することが可能となり、正確に亀裂補修溶接を行うことができる。
【００３９】
また、監視カメラ５の前方に配置された減光フィルタ１７及び光学フィルタ１８が収められたフィルタケーシング１９を電動モータ２１の駆動により着脱することで、アークを発生中の観察とアークが発生していないときの観察をともに行うことができる。
【００４０】
従って、この監視カメラ５の映像から電極位置、ワイヤ供給位置、亀裂位置、溶融池形状などの情報を抽出することで、溶接線の追従及び溶接状態の監視並びに検査を行うことができる。
【００４１】
次に上記のような構成の亀裂補修溶接装置を用いて、補修溶接を行う場合の溶接方法について述べる。
【００４２】
まず、通常の横向き姿勢での溶接方法において、深い溶け込みを得るために金属酸化物を含むフラックス入りワイヤ２２を用いて、亀裂を消失させる場合、溶融池近傍を観察すると図４に示すような模式図となる。このときの溶け込み状態は、図５に示すような模式図となる。
【００４３】
横向き姿勢の溶接では、フラックス入りワイヤ２２を溶接進行方向から挿入することが一般的であるが、重力の関係でフラックス成分が溶融池２３の下方に偏り、最大溶け込み深さはアーク点より下方となる。このため、溶接ヘッド１が亀裂１０１に追従しても、亀裂位置が最大溶け込み深さとならず、亀裂先端部が溶けない可能性がある。
【００４４】
そこで、横向き姿勢での溶接方法において、金属酸化物を含むフラックス入りワイヤ２２を溶接進行方向と直交する方向の溶融池上方から挿入したときの溶融池近傍を観察すると図６に示すような模式図のようになる。また、このときの溶け込み状態は、図７に示すような模式図となる。
【００４５】
このようにフラックス入りワイヤ２２を溶接進行方向と直交する方向の溶融池上方（溶融池の横方向）から挿入することにより、フラックス成分が溶融池に攪拌され、重力の影響によりアーク点近傍で最大溶け込み深さが得られることになる。このため、溶接トーチ１３が亀裂を追従することで、亀裂位置が最大溶け込み深さとなり、亀裂先端部まで溶かすことが可能となる。
【００４６】
図８は本発明による亀裂補修溶接装置の第４の実施形態を示す構成図で、図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４７】
本実施形態では、水中における基材表面の亀裂を補修溶接可能にするため、図８に示すように溶接ヘッド１の先端部にタングステン電極１２を中心とする空胴部を形成し、この空胴部の開口端に水中での基材表面と密接可能なシールド２４を取付け、また空胴部の内部に連通させてシールドガス供給管２５を取付けるとともに、ワイヤ供給ノズル４をタングステン電極１２の先端に向けて気密に貫通させて設ける構成とするものである。
【００４８】
このような構成の亀裂補修溶接装置において、図９に示すように水中に存する基材１００の亀裂発生位置に溶接ヘッド１の先端部をシールド２４により密着させ、ヘルドガス供給管２５を通して溶接ヘッド１の先端部内にＡｒガスなどの不活性ガスを充填する。これにより溶接ヘッド１の先端部の内部圧力はその外側の水圧より高くなり、ヘッド内の水を排出することができる。この水の排出状態は監視カメラ５の映像から確認することができる。
【００４９】
また、水の排出が完了したことを確認した後に溶接を行うが、このよう溶接時の溶融池挙動なども前述した実施形態と同様に監視カメラ５の映像を確認しながら補修溶接が行われる。
【００５０】
従って、１台の監視カメラ５で排水状況、亀裂位置の確認、溶接状態の確認、ビード外観、未溶接部の確認をしながら水中での亀裂補修溶接を実施することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、構造部材の亀裂の補修溶接を簡便に行え、しかも横向き姿勢溶接および水中溶接にも適用できる亀裂補修溶接装置及びこの装置を用いた亀裂補修溶接方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による亀裂補修溶接装置の第１の実施形態を示す構成図。
【図２】本発明による亀裂補修溶接装置の第２の実施形態を示す構成図。
【図３】本発明による亀裂補修溶接装置の第３の実施形態を示す構成図。
【図４】同実施形態の亀裂補修溶接装置を用いて、横向き姿勢でフラックスワイヤを進行方向から挿入した溶接方法による溶融池近傍を観察した模式図。
【図５】同じくそのときの溶け込み状態の模式図。
【図６】同実施形態の亀裂補修溶接装置を用いて、フラックスワイヤを進行方向と直交する溶融池上方から挿入した溶接方法による溶融池近傍を観察した模式図。
【図７】同じくそのときの溶け込み状態の模式図。
【図８】本発明による亀裂補修溶接装置の第４の実施形態を示す断面図。
【図９】同実施形態において、水中での亀裂補修溶接を行っている状態を示す構成図。
【符号の説明】
１…溶接ヘッド
２…トーチヘッド
３…支持アーム
４…ワイヤ供給ノズル
５…監視カメラ
６…モニタ
７…溶接制御装置
８…ワイヤ送給機
９…溶接電源
１０…情報抽出装置
１１…画像処理装置
１２…タングステン電極
１３…溶接トーチ
１４…電極把持部
１５…ノズル
１６…ガラス窓
１７…減光フィルタ
１８…光学フィルタ
１９…フィルタケーシング
２０…アーク光
２１…電動モータ
２２…フラックス入りワイヤ
２３…溶融池
２４…シールド
２５…シールドガス供給管
【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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