(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチ、トーチ回転用リング、トーチ上下用リング、フィラワイヤ送給機構、溶接ヘッドボディ、クランプ機構、を備えた溶接ヘッドであって、
前記溶接ヘッドに備えられた前記溶接ヘッドボディには前記クランプ機構が取り付けられ、前記クランプ機構で被溶接チューブを把持することによって、前記溶接ヘッドを前記被溶接チューブにクランプし、
前記溶接ヘッドボディには、前記トーチ回転用リングを回転駆動する回転用モータ、前記トーチ上下用リングを回転駆動する上下用モータ、ワイヤを送給する送給モータ、を取り付け、
さらに、前記溶接ヘッドボディには、前記回転用モータと前記上下用モータにそれぞれギヤを介して接続された回転用エンコーダと上下用エンコーダが取り付けられ、
前記溶接トーチには、前記被溶接チューブの溶接箇所の周りを回転してアークを発生させる非消耗電極を設け、
前記トーチ回転用リング及び前記トーチ上下用リングは、前記回転用モータ及び前記上下用モータを回転駆動源としてそれぞれの回転伝達手段を介して任意の回転数で回転制御され、
前記トーチ回転用リングと前記トーチ上下用リングは、同心円上に配置されるとともに、前記双方のリングの回転軸は前記被溶接チューブの中心軸と一致させ、
前記溶接トーチは、トーチ台を介して前記トーチ回転用リングによって回転するとともに、前記トーチ上下用リングによって前記被溶接チューブに対して接離方向に移動し、
前記トーチ台にシャフトが取り付けられるとともに前記シャフトが前記トーチ上下用リングに設けられた溝に嵌挿され、前記トーチ回転用リングと前記トーチ上下用リングの回転数差によって前記溶接トーチの非消耗電極を被溶接チューブの溶接箇所に対して接離方向に移動させる
ことを特徴とするチューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定チューブの突き合わせ溶接に係わり、特に隣接するチューブと被溶接部材との間隙が狭い溶接に適用し、１周の全姿勢溶接を行うのに好適な全姿勢自動溶接ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接電源、溶接ヘッド、制御装置、冷却水ポンプからなる全姿勢自動溶接ヘッドで、特に自動ＴＩＧ溶接ヘッドでは、溶接ヘッドを固定チューブへクランプし、トーチをチューブ外周に沿ってワイヤを溶接部に挿入しながら回転させ、同時にトーチを上下移動させることでアーク長を調整しながら溶接を行う。このため溶接ヘッドにはトーチ位置調整機構が必要となる。
【０００３】
ボイラパネル等のように平面上に多数列を有する固定チューブの突き合わせ溶接で、隣接するチューブ間の間隔が１７ｍｍであるような非常に狭隘な被溶接部に従来の溶接ヘッドを適用しようとしても、図４に示すように（従来の差込型溶接ヘッドを図示したもの）、回転用リング２５に取り付けられたトーチ上下動作用モータ２６と平行に取り付けられた送りネジ２８を回転させ、スライドブロック２９を移動させることによりトーチ３０の上下移動（チューブ２１に対しての接離方向の移動）を行う機構のため、トーチ上下機構部３１の寸法が隣接チューブ間隙よりも大きくなり間隙を通過することができない。
【０００４】
従来技術である図５に示す円筒半割り型の溶接ヘッドでは、トーチ３０を回転させるために溶接ヘッド本体が回転する機構になっている。このため隣接チューブ間隙より直径の大きな回転用モータ３２、ワイヤ送給用モータ３３、上下用モータ３４がすべて回転してしまうため間隙を通過することができず適用することができない。
【０００５】
このような理由でボイラパネル等のように間隙が非常に狭隘な被溶接部に１周の全姿勢自動溶接ヘッドを適用することができず、従来技術としてはボイラパネル片側から半周の自動溶接を行う装置（実公平３−３５４８８号公報）を適用するか、または手溶接で作業を行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の半周自動溶接装置では１箇所の溶接を行うのに溶接装置の脱着が最低４回必要であり、また溶接ヘッドの移動も必要である。一方、手溶接においては被溶接部の品質は作業者の技量に左右されるほか、作業性も悪いためブローホールや融合不良などの溶接欠陥が発生しやすい等の問題がある。さらに手溶接での溶接作業は１箇所の被溶接部をボイラパネル両面から２人で作業することから非常に工数がかかった。このような理由により１周の全姿勢自動溶接装置が要求されていた。
【０００７】
しかしながら、全姿勢自動溶接ヘッドにはアーク長調整と多層溶接に対応するためのトーチ上下機構が必要となるが、狭隘な間隙を通過することができるコンパクトなトーチとトーチ上下機構は開発されていなかった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、ボイラパネル等の被溶接物の間隙が狭隘なもので１周の全姿勢溶接が可能な小型の自動溶接装置を提供し、従来手溶接で施工されていた被溶接部に自動溶接を適用することで、製品の品質向上と品質安定化、合わせて溶接作業工数の低減をはかることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
【００１０】
溶接トーチ、トーチ回転用リング、トーチ上下用リング、フィラワイヤ送給機構、溶接ヘッドボディ、クランプ機構、を備えた溶接ヘッドであって、
前記溶接ヘッドに備えられた前記溶接ヘッドボディには前記クランプ機構が取り付けられ、前記クランプ機構で被溶接チューブを把持することによって、前記溶接ヘッドを前記被溶接チューブにクランプし、
前記溶接ヘッドボディには、前記トーチ回転用リングを回転駆動する回転用モータ、前記トーチ上下用リングを回転駆動する上下用モータ、ワイヤを送給する送給モータ、を取り付け、
さらに、前記溶接ヘッドボディには、前記回転用モータと前記上下用モータにそれぞれギヤを介して接続された回転用エンコーダと上下用エンコーダが取り付けられ、
前記溶接トーチには、前記被溶接チューブの溶接箇所の周りを回転してアークを発生させる非消耗電極を設け、
前記トーチ回転用リング及び前記トーチ上下用リングは、前記回転用モータ及び前記上下用モータを回転駆動源としてそれぞれの回転伝達手段を介して任意の回転数で回転制御され、
前記トーチ回転用リングと前記トーチ上下用リングは、同心円上に配置されるとともに、前記双方のリングの回転軸は前記被溶接チューブの中心軸と一致させ、
前記溶接トーチは、トーチ台を介して前記トーチ回転用リングによって回転するとともに、前記トーチ上下用リングによって前記被溶接チューブに対して接離方向に移動し、
前記トーチ台にシャフトが取り付けられるとともに前記シャフトが前記トーチ上下用リングに設けられた溝に嵌挿され、前記トーチ回転用リングと前記トーチ上下用リングの回転数差によって前記溶接トーチの非消耗電極を被溶接チューブの溶接箇所に対して接離方向に移動させるチューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッド。
【００１１】
また、前記チューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッドにおいて、
前記溶接ヘッドボディには、前記トーチ回転用リングを回転駆動する回転用モータ、前記トーチ上下用リングを回転駆動する上下用モータ、前記クランプ機構、ワイヤを送給する送給モータ、を取り付け、
前記トーチ回転用リング及び前記トーチ上下用リングは、前記回転用モータ及び前記上下用モータを回転駆動源としてそれぞれの回転伝達手段を介して任意の回転数で回転するチューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッド。
【００１２】
また、前記チューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッドにおいて、
前記トーチ台にシャフトが取り付けられるとともに前記シャフトが前記トーチ上下用リングに設けられた溝に嵌挿され、前記トーチ回転用リングと前記トーチ上下用リングの回転数差によって前記溶接トーチを被溶接チューブに対して接離方向に移動させるチューブ突き合わせ溶接用全姿勢溶接ヘッド。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る全姿勢自動溶接ヘッドについて、図１、図２及び図３を用いて以下説明する。図１は本発明の実施形態に係る１周の全姿勢溶接が可能な自動溶接ヘッドの構造を示す図であり、図２は前記溶接ヘッドのトーチとトーチ上下機構を示す正面図及び側面図であり、図３は前記溶接ヘッドの外観と各モータエンコーダの配置とクランプ機構を示す図である。
【００１４】
ここで、１はトーチ回転用リング、２はトーチ上下用リング、３は溶接ヘッドボディ、４はシャフト、５はトーチ上下用モータ、６はトーチ回転用モータ、７，８はギヤ、９はトーチ回転位置検出エンコーダ、１０はトーチ上下用リング回転位置検出用エンコーダ、１１はトーチ、１２は非消耗電極、１３は止めネジ、１４はトーチ台、１５は溝、１６はシャフト、１７は吐出口、１９はクランプ機構、２０はワイヤ送給機構、２１はチューブ、２２はハンドノブ、２３はブロック、２４はネジ、をそれぞれ表す。
【００１５】
本実施形態における溶接ヘッドは、図３に示すように、被溶接チューブ２１（チューブと略す）へ溶接ヘッドを固定できる構造となっており、溶接ヘッドは溶接ヘッドボディ３（ボディと略す）、溶接トーチ１１（トーチと略す）、溶接ヘッドクランプ機構１９（クランプ機構と略す）、トーチ回転用リング１（回転用リングと略す）、トーチ上下用リング２（上下用リングと略す）、フィラワイヤ（ワイヤと略す）送給機構２０、回転用エンコーダ９、上下用エンコーダ１０、から構成されている。
【００１６】
そして、回転用リング１、上下用リング２は同心円上に配置され、２つのリングの回転軸はチューブ２１の中心軸と一致するようになっている。
【００１７】
溶接ヘッドのチューブ２１へのクランプは、溶接ヘッド側面に取り付けられたハンドノブ２２によりネジ２４を回転させブロック２３をチューブ２１に押しつけることにより行う。
【００１８】
図１に示すように、ボディ３には、回転用モータ６、上下用モータ５にギヤ８ａ，８ｂを介して回転用エンコーダ９、上下用エンコーダ１０が取り付けられている。回転用リング１と上下用リング２は同一シャフトに平行に取り付けられたギヤ７ａ，７ｂによりモータ５，６の駆動力を伝達する構造となっている。
【００１９】
ギヤ７ａと７ｂはそれぞれ独立した回転が可能な構造となっており、ギヤ７ａは上下用モータ５に直結されており上下用リング２を駆動できる構造となっている。ギヤ７ｂは回転用モータ６に直結されており、回転用リング１を駆動できると構造となっている。ギヤ７ａにはギヤ８ａを介して上下用エンコーダ１０が、ギヤ７ｂにはギヤ８ｂを介して回転用エンコーダ９が取り付けられており、回転用リング１、上下用リング２は精密な回転位置制御が可能な構造となっている。
【００２０】
このように、ボディにはクランプ機構、トーチ回転用モータ、トーチ上下用モータ、回転用エンコーダ、上下用エンコーダ、ワイヤ送給用モータ、ワイヤリールが取り付けられており、回転用モータ、上下用モータとボディに取り付けられているシャフトには２個の平歯車（ギヤと呼ぶ）が取り付けられ、一方のギヤは回転用モータにより回転させることができる。もう一方のギヤは上下用モータにより回転させることができる構造となっている
図２に示すように、トーチ１１の形状は小型の円弧形状となっており、本溶接装置はＴＩＧ溶接を適用しているため、トーチ１１には非消耗電極１２の固定位置周辺にシールドガス吐出口１７を設けている。この吐出口１７に金網等のガスレンズ１８を取り付けることでアーク周辺に均一にシールドガスを吐出することができ、安定したアークが形成可能な構造となっている。
【００２１】
また、トーチ１１の肉厚を薄くするため非消耗電極１２はトーチ１１側面から止めネジ１３で固定する構造となっており、アークの輻射熱でトーチ１１が変形または融解するのを防止するため冷却水を循環させている。
【００２２】
図２に示すように、トーチ１１がトーチ台１４及び他の回転伝達手段を介して回転用リング１に連結されていることにより、トーチ１１は回転用リング１の回転によってチューブ２１の溶接箇所の周りを回転して溶接箇所にアークを発生させる。
【００２３】
トーチ１１の上下移動は、トーチ１１に取り付けられた円弧形状のトーチ台１４にシャフト１６を取り付け、上下用リング２に設けられた円弧形状の溝１５に挿入する。
【００２４】
回転用リング１と上下用リング２が同回転数で回転しているときには上下用リングの溝１５に対してのシャフト１６の位置は変わらないためトーチ１１の上下位置は変化しない。
【００２５】
しかし、回転用リング１の回転数より上下用リング２の回転数が小さくなれば、シャフト１６は傾斜させて加工してある溝１５内で図に対して右側に移動する。このためトーチ１１はトーチ台１４の取り付け位置を中心としてチューブ２１から離反する方向に移動することになる。
【００２６】
反対に回転用リング１の回転数より上下用リング１２の回転数が大きくなれば、シャフト１６は溝１５内で図に対して左側に移動する。このためトーチ１１はトーチ台１４の取り付け位置を中心としてチューブ２１に接近する方向に移動することになる。
【００２７】
本実施形態では、溶接速度で回転している同回転数の回転用リング１、上下用リング２において、回転用リング１の回転数は変化させず、上下用リング２の回転速度を増減させることでトーチ１１を上下させている。
【００２８】
本実施形態はＴＩＧ溶接を採用しているが、ＧＭＡ溶接など他の溶接方法の自動溶接ヘッドにおいても同様の構造で小型化を図ることが可能である。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成例、並びに機能乃至作用を奏するものを含むものである。
【００３０】
クランプ機構を用いて溶接ヘッドを被溶接物に把持し、トーチを回転させながら１周の全姿勢溶接を行う自動溶接ヘッドにおいて、図１に示すように溶接ヘッドの構造をコの字形状とし、回転用リング１、上下用リング２の馬蹄型リングを被溶接チューブの中心軸を中心として同心円上に配置して２個のリングはそれぞれ独立した回転が可能な構造とする。
【００３１】
上下用リング２、回転用リング１はボディ３に取り付けられた３個のシャフト４ａ，４ｂ，４ｃと上下用モータ５、回転用モータ６に取り付けられた２個のギヤ７ａ，７ｂが別々に回転することができる構造とすることで、ギヤ７ａ，７ｂを介してモータ５，６で別々に駆動させることができる構造となっている。
【００３２】
また図２に示すようにトーチ１１を円弧形状として非消耗電極１２は止めネジ１３で固定する。トーチ１１はトーチ台１４端部に取り付け、トーチ台１４はトーチ１１取り付け側の反対側端部を中心に円弧状に移動可能な構造とする。
【００３３】
上下用リング２端面には円弧形状の溝１５を傾斜させて加工し、この溝１５にはトーチ台１４に取り付けられたシャフト１６が挿入され、回転用リング１と上下用リング２に回転数差が生じると、トーチ台１４の取り付け軸を中心としてトーチ１１が円弧運動をする構造とする。
【００３４】
本発明によれば、回転用モータ、ワイヤ送給用モータ、上下用モータをすべてボディに固定することができ、トーチ回転部、トーチ位置調整部を間隙が約１７ｍｍである被溶接部においても、隣接するチューブと干渉することなく回転させることができ、ボイラパネルのチューブ突き合わせ溶接部等、間隙が狭隘な溶接部の１周の自動溶接が可能となることで、不良率の低減による品質向上と作業者の技量による品質のばらつきが解消されるほか、溶接作業工数の低減をはかることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、間隙が狭隘な被溶接部に適用可能な自動溶接ヘッドを製作することができるので、従来工法と比較して溶接作業工数を約半分に低減させることができるほか、溶接部の品質安定化と品質向上の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る１周の全姿勢溶接が可能な自動溶接ヘッドの構造を示す図である。
【図２】本実施形態の溶接ヘッドのトーチとトーチ上下機構を示す正面図及び側面図である。
【図３】本実施形態の溶接ヘッドの外観と各モータエンコーダの配置及びクランプ機構を示す図である。
【図４】従来の差込型溶接ヘッドの正面図及びトーチ上下機構を示す概略図である。
【図５】円筒半割り型溶接ヘッドの側面図と正面図を示す概略図である。
【符号の説明】
１  回転用リング
２  上下用リング
３  ボディ
４  シャフト
５  上下用モータ
６  回転用モータ
７，８  ギヤ
９  回転用エンコーダ
１０  上下用エンコーダ
１１  トーチ
１２  非消耗電極
１３  止めネジ
１４  トーチ台
１５  溝
１６  シャフト
１７  吐出口
１９  クランプ機構
２０  ワイヤ送給機構
２１  チューブ
２２  ハンドノブ
２３  ブロック
２４  ネジ
【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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