(57)【要約】【課題】  溶接施工に伴う残留応力を効果的に低減でき、母材等の溶接変形を小さく抑えることができるようにする。【解決手段】  荷重付加装置９は、装置の外殻をなす支持フレーム９Ａに固定して設けられ平板材１を一方側で把持する固定把持部９Ｂと、支持フレーム９Ａに対して矢示Ａ方向に移動可能に設けられ平板材１を他方側で把持する可動把持部９Ｃとを備えている。そして、溶接対象の母材である平板材１に対して荷重付加装置９の可動把持部９Ｂにより矢示Ａ方向の引張り荷重を弾性限界の範囲内で付加する。また、このときの引張り荷重を、溶接施工により変化する平板材１の温度Ｔに応じて可変に制御する。そして、溶接施工が終わり平板材１の温度Ｔが室温に近い温度まで下がった段階で、荷重付加装置９による引張り荷重を解放する。【選択図】        図１
2007331024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の一側面に他の部材を突当てた状態で両者の溶接部位に沿って溶接トーチを移動し、前記溶接部位に溶接ビードを形成することによって前記他の部材を母材に接合する溶接装置において、
前記母材には、前記溶接ビードが形成される溶接部位に引張り荷重を付加する荷重付加手段を設け、
該荷重付加手段による引張り荷重は前記母材の温度に応じて可変に制御する構成としたことを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記荷重付加手段は、前記母材が弾性変形する弾性限界の範囲内で前記引張り荷重を母材に付加する構成としてなる請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記溶接部位に近い位置で前記母材の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段で検出した前記母材の温度に従って前記荷重付加手段による引張り荷重を可変に制御する荷重制御手段とを備えてなる請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記温度検出手段で検出した前記溶接トーチの移動による前記母材の温度変化を、温度履歴として記憶する温度履歴記憶手段を備え、前記荷重制御手段は、該温度履歴記憶手段による温度履歴を基にして前記荷重付加手段による引張り荷重を可変に制御する構成としてなる請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチの移動に先立って前記溶接部位の形状を予め計測する形状計測手段と、該形状計測手段で計測した溶接部位の形状に従って前記溶接トーチを自動的に移動制御するトーチ移動制御手段とを備え、該トーチ移動制御手段は、前記荷重付加手段により前記母材に引張り荷重を付加した状態で、前記溶接トーチの移動を制御する構成としてなる請求項１，２，３または４に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼材等からなる溶接構造物を製作するのに好適に用いられる溶接装置に関し、特に、溶接による残留応力の低減を図るようにした溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、母材の表面に他の板材を当接するように突当てた状態で両者の溶接部位に沿って溶接トーチを自動または手動で移動させ、この溶接部位に溶接ワイヤ等からなる溶着金属のビード（溶接ビード）を形成することにより、前記母材上に相手方の板材を接合する構成とした溶接装置は知られている（例えば、特許文献１，２，３参照）。
【０００３】
また、他の従来技術として、溶接施工に伴うひずみ、変形、残留応力等を低減するために、溶接対象物の溶接部近傍に加振機等を設け、溶接トーチ等を用いた溶接作業時に前記溶接部に振動を加えながら溶接を行う構成とした加振溶接方法および装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００４】
一方、別の従来技術として、鋼管を所定の曲げ半径よりも最大３％だけ余分に曲げた後に、本来（所定）の曲げ半径に逆曲げすることによって鋼管の残留応力を小さく抑えるようにした鋼管の曲げ加工方法が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−３４６６９号公報
【特許文献２】特開２００２−１０３０８８号公報
【特許文献３】特開２００４−２４３３３３号公報
【特許文献４】特開平７−２８４９２３号公報
【特許文献５】特開平７−１４４２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来技術（特許文献１，２）による溶接装置では、母材上に相手方の板材を溶接により接合した後に溶接ビード部が固化、収縮するので、これに伴って溶接ビード部の周囲には、例えば熱収縮方向とは逆向き（引張り方向）の残留応力が生じ易く、母材はこの影響で溶接変形するという問題がある。
【０００７】
一方、他の従来技術による加振溶接方法では、溶接施工に伴うひずみ、変形、残留応力等を低減するために、溶接対象物（溶接部位）に振動を加えながら溶接を行うようにしている。しかし、この場合には、溶接対象物が大型化すると、これに伴って加振機の移動距離が大きくなるために、溶接設備全体が大型化、複雑化し、溶接対象物も限られてしまうという問題がある。
【０００８】
また、別の従来技術による鋼管の曲げ加工方法では、鋼管を所定の曲げ半径よりも最大３％余分に曲げた後に、所定の曲げ半径に逆曲げすることにより、鋼管の残留応力を小さく抑えることができるようにしている。しかし、このような方法は、鋼管等の曲げ加工に適用する場合には有効であっても、溶接施工に適用できるものではない。
【０００９】
特に、母材上に相手方の板材を接合する溶接施工の場合には、両者の溶接部位に溶接ワイヤ等からなる溶着金属の溶接ビードを形成するので、このような溶接部位には溶接入熱による膨脹・収縮等の複雑な荷重（応力）が作用することになる。このため、例えば母材の溶接部位等に対して溶接施工の終了後に、逆曲げ等の外力を付加したとしても残留応力を低減するのは難しいものである。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、溶接施工に伴う残留応力を効果的に低減でき、母材等の溶接変形を小さく抑えることができるようにした溶接装置を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、溶接施工の開始直後から溶接部位近傍の温度を監視し、このときの監視（温度）データに基づいて母材に加える引張り荷重を可変に制御することにより、効果的な残留応力の低減化を実現できるようにした溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するため、本発明は、母材の一側面に他の部材を突当てた状態で両者の溶接部位に沿って溶接トーチを移動し、前記溶接部位に溶接ビードを形成することによって前記他の部材を母材に接合する溶接装置に適用される。
【００１３】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記母材には、前記溶接ビードが形成される溶接部位に引張り荷重を付加する荷重付加手段を設け、該荷重付加手段による引張り荷重は前記母材の温度に応じて可変に制御する構成としたことにある。
【００１４】
また、請求項２の発明によると、前記荷重付加手段は、前記母材が弾性変形する弾性限界の範囲内で前記引張り荷重を母材に付加する構成としている。
【００１５】
一方、請求項３の発明は、前記溶接部位に近い位置で前記母材の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段で検出した前記母材の温度に従って前記荷重付加手段による引張り荷重を可変に制御する荷重制御手段とを備えてなる構成としている。
【００１６】
また、請求項４の発明は、前記温度検出手段で検出した前記溶接トーチの移動による前記母材の温度変化を、温度履歴として記憶する温度履歴記憶手段を備え、前記荷重制御手段は、該温度履歴記憶手段による温度履歴を基にして前記荷重付加手段による引張り荷重を可変に制御する構成としている。
【００１７】
さらに、請求項５の発明は、前記溶接トーチの移動に先立って前記溶接部位の形状を予め計測する形状計測手段と、該形状計測手段で計測した溶接部位の形状に従って前記溶接トーチを自動的に移動制御するトーチ移動制御手段とを備え、該トーチ移動制御手段は、前記荷重付加手段により前記母材に引張り荷重を付加した状態で、前記溶接トーチの移動を制御する構成としている。
【発明の効果】
【００１８】
上述の如く、請求項１に記載の発明によれば、溶接対象の母材に設けた荷重付加手段は、溶接施工により変化する前記母材の温度に応じて溶接部位に付加する引張り荷重を可変に制御する構成としているので、例えば母材の温度が低いときには引張り荷重を大きくし、母材の温度が高くなると引張り荷重を小さくするように荷重付加手段を制御することができる。
【００１９】
そして、溶接施工が終わって母材の温度が室温に近い温度まで下がった段階では前記引張り荷重を解放することにより、母材に対して圧縮（収縮）方向の弾性復元力を生じさせ、溶接ビード等の熱収縮方向とは逆向き（引張り方向）の残留応力を前記弾性復元力の作用により低減することができる。
【００２０】
従って、溶接施工の開始から終了にわたる全溶接工程で引張り荷重を母材に付加し、この引張り荷重を母材の温度に応じて可変に制御することにより、溶接施工に伴う母材の残留応力を効果的に低減することができ、母材等の溶接変形を小さく抑えることができると共に、溶接構造物の疲労強度を向上でき、商品価値を高めることができる。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明は、荷重付加手段による引張り荷重を、母材が弾性変形する弾性限界の範囲内の荷重とすることにより、母材に付加する引張り荷重を母材の弾性限界（弾性変形する範囲）内に抑えることができ、母材が溶接入熱の影響で熱変形、即ち塑性変形するのを防ぎつつ、残留応力を効果的に低減することができる。
【００２２】
一方、請求項３に記載の発明は、温度検出手段と荷重制御手段とを備える構成としているので、温度検出手段により溶接部位に近い位置で母材の温度を検出できると共に、荷重制御手段は荷重付加手段による引張り荷重を前記母材の検出温度に従って可変に制御することができ、母材が溶接入熱の影響で熱変形（塑性変形）しない範囲で溶接部位に対して引張り荷重を付加し続けることができる。
【００２３】
また、請求項４に記載の発明は、温度履歴記憶手段を備えることにより、溶接部位に沿って溶接トーチを移動させ溶接ビードを形成しているときに、これに伴う母材の温度変化を温度検出手段で検出した温度履歴として逐次記憶することができ、荷重制御手段は、温度履歴記憶手段による温度履歴をリアルタイムで利用しつつ、荷重付加手段による引張り荷重を可変に制御することができる。
【００２４】
さらに、請求項５に記載の発明は、形状計測手段とトーチ移動制御手段とを備えているので、溶接トーチの移動に先立って溶接部位の形状を形状計測手段により予め計測することができ、この計測結果（溶接部位の形状）に従ってトーチ移動制御手段により溶接トーチを自動制御で移動することができる。そして、トーチ移動制御手段は、前記荷重付加手段によって母材に引張り荷重を付加したままの状態で、前記溶接トーチの移動を制御することができる。これにより、溶接施工の開始から引張り荷重の付加・解放（残留応力の低減処理）にわたる全溶接工程で自動溶接を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態による溶接装置を、Ｔ字型隅肉溶接継手を製作する自動溶接機に適用した場合を例に挙げ、図１ないし図１１にわたる添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
ここで、図１ないし図６は本発明の第１の実施の形態を示している。図中、１は溶接対象の母材となる平板材で、該平板材１は、例えば鋼板等の金属板により長方形状をなす平板として形成されている。そして、平板材１には、図１に示す如く後述の荷重付加装置９（固定把持部９Ｂと可動把持部９Ｃ）により矢示Ａ方向の引張り荷重が付加されるものである。
【００２７】
２は平板材１に接合される他の部材としての立板で、該立板２は、平板材１の表面（一側面）上に当接するように突当てた状態で、後述の溶接部位３に溶接トーチ５等を用いて溶接施工がなされることにより、平板材１との間で所謂Ｔ字型隅肉溶接継手を形成するものである。
【００２８】
このため、立板２の当接面（以下、突当て面２Ａという）には、図２に示すように片刃と呼ばれる斜めのカット面２Ｂが予め形成される。そして、後述の溶接トーチ５は、立板２のカット面２Ｂに対して常に所定の距離を保つように立板２の溶接施工方向に移動され、これにより溶接施工が行われるものである。
【００２９】
３は平板材１と立板２との間に形成される溶接部位で、この溶接部位３は、例えば立板２のカット面２Ｂに沿った直線状の溶接線として、本実施の形態の場合には形成される。しかし、溶接部位３の形状は、直線状をなす溶接線に限られるものではなく、例えばジグザグ状またはＳ字状等に屈曲した溶接線であってもよく、あるいは３次元の曲面状、凹凸面状をなしてもよいものである。
【００３０】
４は溶接部位３の形状等を計測する形状計測手段としての距離・形状センサを示し、該距離・形状センサ４は、例えば倣いローラ、磁気センサ、光センサ、超音波センサ、ワイヤ電極センサ、アークセンサ等を用いて構成され、後述のセンサ移動装置１０により溶接部位３に沿って移動制御される。そして、距離・形状センサ４は、後述の溶接トーチ５等による溶接施工に先立って溶接部位３の形状が、例えば直線状であるか、曲線状に折曲がっているか否か等を計測すると共に、溶接トーチ５による溶接狙い位置等を計測するものである。
【００３１】
即ち、後述の溶接トーチ５を用いた溶接施工時には、例えば溶接トーチ５の先端と溶接部位３との間に所定の距離を保つように溶接狙い位置を算出する必要がある。このため、距離・形状センサ４は、前述の如く溶接部位３の形状を計測すると共に、溶接狙い位置に対応した距離の計測等も行うものである。
【００３２】
５は溶接施工を行うための溶接トーチで、該溶接トーチ５は、例えばアーク溶接、レーザ溶接またはガス溶接等の溶接ノズル部を構成し、その先端部５Ａから高温のアーク、レーザまたはガス炎等を溶接部位３に向けて出射する。また、溶接トーチ５には、先端部５Ａ側に後述のワイヤ供給装置１２を用いて溶接ワイヤ６が供給される。そして、溶接トーチ５は、この溶接ワイヤ６を加熱溶融させることにより、溶接ビード７を図３に示す如く平板材１と立板２との間の溶接部位３に１層または多層で盛付けるように形成するものである。
【００３３】
８，８，…は平板材１上に設けられた温度検出手段としての温度センサで、該各温度センサ８は、例えば高い耐熱性を有した熱電対等の温度センサを用いて構成されている。そして、各温度センサ８は、図１に示すように溶接部位３（溶接線）に沿って互いに離間すると共に、溶接部位３に近い位置に配置されている。なお、温度センサ８の個数は、図１に例示した３個に限るものではない。
【００３４】
ここで、これらの温度センサ８は、溶接トーチ５（溶接ビード７）の移動に伴う平板材１の温度変化を連続的に検出すると共に、このときの温度変化を母材（平板材１）の温度履歴として後述の制御装置１４（温度履歴記憶部２１）に記憶させるものである。
【００３５】
９は平板材１に引張り荷重を付加する荷重付加手段としての荷重付加装置で、該荷重付加装置９は、装置の外殻をなす支持フレーム９Ａと、該支持フレーム９Ａに固定して設けられ平板材１を一方側で把持する固定把持部９Ｂと、平板材１を他方側で把持し、支持フレーム９Ａに対して図１中の矢示Ａ方向に移動可能に設けられる可動把持部９Ｃと、該可動把持部９Ｃを駆動する荷重付加用のアクチュエータ（図示せず）等とにより構成されている。
【００３６】
この場合、前記荷重付加用のアクチュエータは、例えば油圧式または電動式のリニアアクチュエータ等により構成され、荷重付加装置９の可動把持部９Ｃを図１中の矢示Ａ方向に駆動することにより、平板材１に対して矢示Ａ方向の引張り荷重を付加するものである。そして、このときの引張り荷重は、後述の制御装置１４（荷重制御部２３）により図６中の特性線２５に沿って可変に制御される。
【００３７】
１０は距離・形状センサ４を溶接部位３に沿って移動するためのセンサ移動装置で、該センサ移動装置１０は、例えば自動溶接機のロボットアーム（図示せず）等を用いて構成される。そして、センサ移動装置１０は、図４に示すように後述する制御装置１４の出力側に接続され、この制御装置１４により駆動制御されるものである。
【００３８】
１１は溶接トーチ５を移動させるトーチ移動装置で、このトーチ移動装置１１も、例えば自動溶接機のロボットアーム等により構成され、平板材１と立板２との間の溶接部位３（溶接線）に沿って溶接トーチ５を移動するものである。そして、トーチ移動装置１１は、後述の制御装置１４（例えば、溶接施工制御部１８）と共にトーチ移動制御手段を構成している。
【００３９】
１２は溶接トーチ５に対して溶接ワイヤ６を供給するワイヤ供給装置で、該ワイヤ供給装置１２は、例えばワイヤリール（図示せず）等に巻回された溶接ワイヤ６を溶接トーチ５に向けて繰出すように供給し、その供給速度が後述の溶接施工制御部１８等により可変に制御されるものである。
【００４０】
１３は溶接電源を可変に制御する溶接電源装置で、該溶接電源装置１３は、溶接トーチ５の溶接施工に用いる溶接電源（例えば、溶接電流または溶接電圧等）を、溶接トーチ５の移動速度、溶接ワイヤ６の供給速度等に応じて可変に制御するものである。
【００４１】
１４は自動溶接機に搭載されたマイクロコンピュータ等からなる制御装置で、該制御装置１４は、図４に示すように入力側が距離・形状センサ４および温度センサ８等に接続され、出力側がセンサ移動装置１０、トーチ移動装置１１、ワイヤ供給装置１２、溶接電源装置１３および荷重付加装置９のアクチュエータ等に接続されている。
【００４２】
ここで、制御装置１４は、中央演算装置（ＣＰＵ）等からなる統括制御部１５を有し、該統括制御部１５は、後述の距離・形状解析部１６、溶接施工制御部１８、温度測定制御部２０および荷重制御部２３等に動作制御を行うための信号を入出力する。そして、制御装置１４は、図５に示す処理手順に沿って残留応力を低減する溶接制御処理を実行するものである。
【００４３】
１６は制御装置１４に設けられた距離・形状解析部で、該距離・形状解析部１６は、距離・形状センサ４で計測した計測データに基づき溶接部位３の形状を解析すると共に、溶接トーチ５による溶接狙い位置に対応した距離データの解析等を行うものである。そして、距離・形状解析部１６は、その解析結果を溶接位置設定記憶部１７に更新可能に順次格納する。また、溶接位置設定記憶部１７は、センサ移動装置１０の移動制御を行うものである。
【００４４】
１８は制御装置１４に設けられた溶接施工制御部で、この溶接施工制御部１８は、溶接設定条件記憶部１９と統括制御部１５との間で溶接施工に必要なデータ（情報）を入出力しつつ、トーチ移動装置１１、ワイヤ供給装置１２および溶接電源装置１３の動作制御を行うものである。
【００４５】
２０は制御装置１４に設けられた温度測定制御部で、この温度測定制御部２０は、複数の温度センサ８を用いて平板材１の温度測定を行い、その測定結果を温度履歴記憶部２１に更新可能に格納させる。また、温度解析部２２は、各温度センサ８による検出温度の平均値（例えば、後述の温度Ｔに対応する）を求め、この平均値に基づいた温度履歴も温度履歴記憶部２１に更新可能に格納されるものである。
【００４６】
２３は制御装置１４に設けられた荷重制御部で、該荷重制御部２３は、荷重付加装置９による引張り荷重を後述の温度Ｔに従って可変に制御する荷重制御手段を構成している。この場合、荷重制御部２３は、荷重設定条件記憶部２４との間で荷重設定条件（データ）の入出力を行い、図６に示す特性線２５に沿って荷重付加装置９による引張り荷重を制御するものである。
【００４７】
即ち、荷重設定条件記憶部２４には、図６中に実線で示す荷重制御用の特性線２５と、母材（平板材１）の弾性限界を表すために二点鎖線で示した特性線２６等とが格納されている。なお、図６中の特性線２５，２６はあくまでも一例を示すもので、例えば平板材１、立板２の板厚が変わる等、種々の溶接条件毎に複数のテーブル（荷重制御用の特性）が用意される。
【００４８】
また、母材である平板材１の弾性限界を表す特性線２６とは、これを越える荷重を平板材１に加えた場合に荷重付加装置９による荷重（外力）と溶接入熱との影響によって平板材１が変形し、平板材１は弾性限界を越えた塑性変形状態になることを示すものである。
【００４９】
このため、荷重付加装置９による引張り荷重は、図６中に実線で示す特性線２５のように、二点鎖線で示す特性線２６よりも常に小さい荷重（弾性限界の範囲内の荷重）に設定される。即ち、特性線２５は、二点鎖線で弾性限界を示す特性線２６に対し装置の機械的誤差、応答遅れ等を差し引いた荷重の特性値として、可能な限り弾性限界に近い値に設定されるものである。
【００５０】
そして、このときの引張り荷重は、特性線２５の特性線部２５Ａのように、平板材１の温度Ｔ（複数の温度センサ８による平均値）が室温状態のときに最大の初期荷重Ｐ1 に設定され、温度Ｔが温度Ｔ2 （例えば、３００〜７００℃）まで上昇すると、初期荷重Ｐ1 よりも小さい荷重Ｐ3 （Ｐ3 ＜Ｐ2 ＜Ｐ1 ）に設定される。なお、温度Ｔ1 とは、例えば５０℃程度の温度条件を示し、溶接施工が終了したときに後述の如く特性線部２５Ｃに沿って、荷重付加装置９による引張り荷重を解放（荷重付加を停止）する場合の温度条件を示している。
【００５１】
また、平板材１の温度Ｔが、温度Ｔ2 〜Ｔ3 まで上昇したときには、前記引張り荷重が特性線２５の特性線部２５Ｂに沿って増減されるように、荷重Ｐ3 よりも小さい荷重に制御し、例えば熱力学溶融温度（８００℃）に相当する温度Ｔ3 以上まで上昇するときには、荷重付加装置９による引張り荷重を特性線部２５Ｄのように零（荷重付加を停止）に設定するものである。
【００５２】
本実施の形態による溶接装置は上述の如き構成を有するもので、次に、制御装置１４による溶接制御処理について、図５に示す処理手順に沿って説明する。
【００５３】
まず、平板材１の表面（一側面）上に立板２を図１に示す如く突当てた状態で溶接工程がスタート（開始）すると、ステップ１で溶接装置全体の電源が投入され、ステップ２では、例えば平板材１、立板２の板厚条件等に対応した荷重設定データを図４中の荷重設定条件記憶部２４等から読出す。
【００５４】
次に、ステップ３では荷重付加装置９を駆動し、前記荷重設定データに基づいた荷重（図１中に示す矢示Ａ方向の引張り荷重）を平板材１に対して付加する。この場合は、実際の溶接作業が開始される前の段階で、平板材１の温度Ｔは室温状態にあるので、矢示Ａ方向の引張り荷重は図６中に例示した最大の初期荷重Ｐ1 に設定される。
【００５５】
次に、ステップ４，５では、センサ移動装置１０により距離・形状センサ４を溶接線（図１中に示す溶接部位３）に沿って移動し、溶接部位３の形状と距離等の計測を連続に行う。そして、ステップ６では、距離・形状センサ４で計測したデータに基づき溶接部位３の形状を解析すると共に、距離データの解析等を行うことによって溶接トーチ５による溶接狙い位置に算出する。
【００５６】
次に、ステップ７に移って溶接部位３の形状、距離データの解析結果を溶接位置として記憶するため、例えば図４中に示す溶接位置設定記憶部１７等に解析結果を更新可能に順次格納する。そして、溶接部位３の形状と距離等の計測が終了すると、ステップ８で距離・形状センサ４を待機位置に戻し、次なる計測作業に備えるようにする。
【００５７】
次に、ステップ９ではトーチ移動装置１１により溶接トーチ５を溶接開始位置に移動し、ステップ１０では図４中の溶接設定条件記憶部１９等から溶接施工に必要な溶接条件（例えば、溶接トーチ５の移動速度、溶接ワイヤ６の供給速度、溶接電流等の条件）を読出す。
【００５８】
そして、ステップ１１では、これらの溶接条件に従って溶接施工を実行する。この場合、溶接トーチ５を図１中に例示した溶接部位３に沿って移動しつつ、溶接トーチ５の先端部５Ａ側で溶接ワイヤ６を加熱溶融させることにより、溶接部位３の全長にわたる溶接ビード７（図３参照）を平板材１と立板２との間に１層または多層盛りで盛付けるように形成するものである。
【００５９】
また、ステップ１２では、溶接トーチ５（溶接ビード７）の移動に伴う平板材１の温度変化を、複数の温度センサ８による平均温度（平均値）として連続的に検出すると共に、このときの温度変化を母材（平板材１）の温度履歴として温度履歴記憶部２１に更新可能に格納する。
【００６０】
そして、ステップ１３では、荷重付加装置９による矢示Ａ方向の引張り荷重を平板材１の温度Ｔに従って図６中の特性線２５のように可変に制御する。即ち、溶接施工に伴う溶接入熱により平板材１の温度Ｔが温度Ｔ2 （例えば、３００〜７００℃）以上に上昇するまでは、平板材１に対する引張り荷重を図６中の特性線部２５Ａに沿って漸次減少させるように可変に制御する。
【００６１】
そして、平板材１の温度Ｔが温度Ｔ2 〜Ｔ3 （例えば、８００℃程度）の範囲に達すると、平板材１に対する引張り荷重を図６中の特性線部２５Ｂに沿って可変に制御する。また、平板材１の温度Ｔが温度Ｔ3 を越えるときには、所謂熱力学溶融温度を越えて鋼板等の平板材１が僅かな外力でも熱変形（塑性変形）し易い状態にあるので、この場合には平板材１に対する引張り荷重を図６中の特性線部２５Ｄのように零（荷重付加を停止）にする。
【００６２】
また、複数の温度センサ８を用いて検出する平板材１の温度Ｔは、前述の如く温度履歴記憶部２１に更新可能に格納した温度履歴をリアルタイムで利用することにより、平板材１の温度変化を予測して荷重付加装置９による付加荷重を可変に制御でき、このときの荷重変化を滑らかに調整（補正）することができる。
【００６３】
次に、ステップ１４では溶接トーチ５を用いた溶接施工が終了したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ１１に移って溶接施工を継続する。そして、ステップ１４で「ＹＥＳ」と判定したときには、溶接施工が完了しているので、ステップ１５に移って平板材１の温度Ｔを複数の温度センサ８から読込む。
【００６４】
そして、この場合は溶接施工の終了後で、平板材１の温度Ｔは周囲の外気等により徐々に冷やされる状態であるから、ステップ１６では荷重付加装置９によって平板材１に付加する引張り荷重を、温度Ｔの減少に伴って特性線２５（特性線部２５Ｂ，２５Ａ）の如く荷重を増加させるように可変に制御する。
【００６５】
次に、ステップ１７では平板材１の温度Ｔが基準の温度Ｔ1 （例えば、５０℃前，後）まで低下したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ１５以降の処理を継続する。そして、ステップ１７で「ＹＥＳ」と判定したときには、平板材１の温度Ｔが基準の温度Ｔ1 まで低下しているので、ステップ１８に移って荷重付加を停止（解放）させる。
【００６６】
これにより、平板材１は、荷重付加装置９による引張り荷重が図６中の特性線部２５Ｃに沿って急激に低下して解放される。そして、この状態で荷重付加装置９の固定把持部９Ｂ、可動把持部９Ｃ等が平板材１から取外され、制御装置１４による溶接制御処理が終了される。
【００６７】
かくして、本実施の形態によれば、溶接対象の母材（平板材１）に対して荷重付加装置９により矢示Ａ方向の引張り荷重を弾性限界の範囲内で付加しつつ、溶接施工により変化する平板材１の温度Ｔに応じて当該引張り荷重を可変に制御する構成としている。
【００６８】
これにより、平板材１の温度Ｔが低いときには図６中の特性線２５に沿って引張り荷重を大きくし、平板材１の温度Ｔが高くなると引張り荷重を小さくするように荷重付加装置９で付加する荷重を制御することができ、平板材１が溶接入熱の影響で熱変形（塑性変形）しない範囲で溶接部位３に対して前記引張り荷重を付加し続けることができる。
【００６９】
そして、溶接トーチ５等を用いた溶接施工が終わって平板材１の温度Ｔが室温に近い温度（例えば、基準の温度Ｔ1 ）まで下がった段階では、荷重付加装置９による引張り荷重を解放することにより、平板材１に対して圧縮（収縮）方向の弾性復元力を生じさせ、溶接ビード７等の熱収縮方向とは逆向き（引張り方向）の残留応力を前記弾性復元力の作用で低減することができる。
【００７０】
従って、溶接施工の開始から終了にわたる全溶接工程で引張り荷重を平板材１に付加し、この引張り荷重を母材となる平板材１の温度Ｔに応じて可変に制御することにより、溶接施工に伴う平板材１の残留応力を効果的に低減することができ、平板材１が図３中に二点鎖線で例示するように溶接変形するのを小さく抑えることができると共に、溶接構造物の疲労強度を向上でき、商品価値を高めることができる。
【００７１】
また、前述した溶接制御処理を実行する制御装置１４は、図４に示す如く温度履歴記憶部２１を備えることにより、溶接部位３に沿って溶接トーチ５を移動させ溶接ビード７を形成しているときに、これに伴う平板材１の温度変化を各温度センサ８で検出した温度履歴として逐次記憶することができる。そして、荷重制御部２３は、温度履歴記憶部２１による温度履歴を統括制御部１５等を通じてリアルタイムで活用しつつ、荷重付加装置９による引張り荷重を可変に制御することができる。
【００７２】
さらに、本実施の形態では、前述した通り溶接トーチ５の移動に先立って、溶接部位３の形状等を距離・形状センサ４により予め計測することができ、この計測結果に従って溶接施工制御部１８、トーチ移動装置１１等により溶接トーチ５を自動制御で移動することができる。これにより、溶接施工の開始から引張り荷重の付加・解放（残留応力の低減処理）にわたる全溶接工程で自動溶接を実現することができる。
【００７３】
次に、図７ないし図１１は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態では、前述した第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。しかし、本実施の形態の特徴は、平板材１を用いて図７に示すような溶接構造物３１を自動溶接により製作する構成としたことにある。
【００７４】
ここで、溶接構造物３１は、前述した平板材１と立板２からなるＴ字型隅肉溶接継手に、門型状の予備組立体３２を溶接施工で接合することにより製作されるものである。この場合、予備組立体３２は、２枚の立板３３，３４を他の平板材３５に対して予め溶接することにより門型状をなす溶接組立体として形成されている。
【００７５】
そして、予備組立体３２は、図８に示すように平板材１の他側面（立板２が接合された一側面とは反対側の面）に重合せるように配置され、立板３３，３４を平板材１上に図７に示す如く突当てた状態で後述の如く溶接施工を行うことにより、溶接構造物３１を自動溶接によって製作するものである。
【００７６】
この場合、平板材１と立板３３との間には、図７に示す如く直線状をなす溶接部位３６（溶接線）が形成され、この溶接部位３６には、溶接トーチ５等を用いて図７中に二点鎖線で示す如く溶接ビード３７を盛付けることにより両者は隅肉溶接（接合）される。
【００７７】
即ち、溶接部位３６の全長にわたる溶接ビード３７は、平板材１と立板３３との間に１層または多層盛りで盛付けるように形成される。そして、平板材１と立板３３との溶接が終了した後には、平板材１に対して次なる立板３４が同様に溶接されるものである。
【００７８】
また、荷重付加装置９の支持フレーム９Ａには、フレーム移送装置３８（図９参照）が設けられ、このフレーム移送装置３８により母材となる平板材１は、例えば図１に示す位置から図８に示す位置まで１８０度回転（反転）した状態に移送される。
【００７９】
そして、フレーム移送装置３８は、後述の制御装置３９（移送制御部４１）により移送動作が制御され、例えば図８に示す位置まで平板材１を移送した状態で、次なる溶接施工（例えば、図１１中のステップ４６）に備えて平板材１等を所定位置に位置決めするものである。
【００８０】
ここで、図９に示す制御装置３９は、図１０および図１１に示す処理手順に沿って残留応力を低減する溶接制御処理を実行するもので、第１の実施の形態で述べた制御装置１４とほぼ同様に構成されている。しかし、この場合の制御装置３９は、中央演算装置（ＣＰＵ）等からなる統括制御部４０が、距離・形状解析部１６、溶接施工制御部１８、温度測定制御部２０、荷重制御部２３に加えて移送制御部４１にも動作制御を行うための信号を入出力する構成となっている。
【００８１】
そして、制御装置３９の移送制御部４１は、フレーム移送装置３８の動作をフィードバック制御することにより、固定把持部９Ｂと可動把持部９Ｃとの間で平板材１を把持しつつ、引張り荷重を付加した状態の荷重付加装置９（支持フレーム９Ａ）を、例えば図１に示す平板材１の初期位置から図８に示す反転位置まで１８０度回転した状態等に移送するものである。
【００８２】
本実施の形態による溶接装置は上述の如き構成を有するもので、その基本的な作動については第１の実施の形態とほぼ同様であり、第１の実施の形態と同様な作用効果を奏するものである。
【００８３】
そこで、図１０および図１１に示す処理手順に沿って本実施の形態による残留応力を低減するための溶接制御処理について説明する。
【００８４】
まず、図１０中のステップ２１〜３５にわたる処理は、ステップ２２の処理を除いて第１の実施の形態による図５中のステップ１〜１４と同様であり、図１に例示したように平板材１の表面（一側面）上に立板２を突当てた状態で溶接作業が行われるものである。
【００８５】
しかし、本実施の形態にあっては、平板材１と立板２との溶接工程が終了した後に、予備組立体３２の立板３３，３４を図７に示す如く平板材１上に突当てた状態で次工程の溶接作業を連続的に行うため、両者を識別するパラメータＰａをステップ２２で、例えばＰａ＝０として設定するものである。
【００８６】
そして、平板材１と立板２との溶接工程が終了すると、ステップ３５で「ＹＥＳ」と判定されるので、次なるステップ３６では、パラメータＰａを「１」だけ増加させる処理（Ｐａ←Ｐａ＋１）を行う。次に、ステップ３７では、パラメータＰａが予め決められた設定値Ｎ（例えば、Ｎ＝３）、即ちＰａ＝Ｎに達したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間は、次なるステップ３８に移る。
【００８７】
この場合、ステップ３８ではフレーム移送制御処理等が行われ、制御装置３９の移送制御部４１により前述したようにフレーム移送装置３８の動作をフィードバック制御する。これにより、荷重付加装置９の支持フレーム９Ａは、平板材１を図１に示す初期位置から図８に示す反転位置まで１８０度回転した状態等に移送される。
【００８８】
そして、この間も荷重付加装置９は、固定把持部９Ｂと可動把持部９Ｃとの間で平板材１を把持しつつ、平板材１の温度Ｔに基づく引張り荷重を平板材１に対して付加し続けるものである。また、平板材１の他側面（立板２が接合された一側面とは反対側の面）には、図７に示すようにを予備組立体３２が重合せるように配置され、立板３３，３４を平板材１上に突当てた状態で次なる溶接工程が実行される。また、溶接部位３６に近い位置には、複数の温度センサ（図示せず）が第１の実施の形態で述べた温度センサ８と同様に配置される。
【００８９】
次に、図１０に示すステップ３９と図１１に示すステップ４０では、センサ移動装置１０により距離・形状センサ４を溶接線（図７中に示す溶接部位３６）に沿って移動し、溶接部位３６の形状と距離等の計測を連続に行う。そして、ステップ４１では、距離・形状センサ４で計測したデータに基づき溶接部位３６の形状を解析すると共に、距離データの解析等を行うことによって溶接トーチ５による溶接狙い位置に算出する。
【００９０】
次に、ステップ４２に移って溶接部位３６の形状、距離データの解析結果を溶接位置として記憶するため、例えば図９中に示す溶接位置設定記憶部１７等に解析結果を更新可能に順次格納する。そして、溶接部位３６の形状と距離等の計測が終了すると、ステップ４３で距離・形状センサ４を待機位置に戻し、次なる計測作業に備えるようにする。
【００９１】
次に、ステップ４４ではトーチ移動装置１１により溶接トーチ５を溶接開始位置に移動し、ステップ４５では図９中の溶接設定条件記憶部１９等から溶接施工に必要な溶接条件（例えば、溶接トーチ５の移動速度、溶接ワイヤ６の供給速度、溶接電流等の条件）を読込む。
【００９２】
そして、ステップ４６では、これらの溶接条件に従って溶接施工を実行する。この場合、溶接トーチ５を図７中に例示した溶接部位３６に沿って移動しつつ、溶接トーチ５の先端部５Ａ側で溶接ワイヤ６を加熱溶融させることにより、溶接部位３６の全長にわたる溶接ビード３７を平板材１と立板３３との間に１層または多層盛りで盛付けるように形成するものである。
【００９３】
また、ステップ４７では、溶接トーチ５（溶接ビード７）の移動に伴う平板材１の温度変化を、溶接部位３６近傍の平均温度（温度Ｔ）として連続的に検出すると共に、このときの温度変化を母材（平板材１）の温度履歴として温度履歴記憶部２１に更新可能に格納する。
【００９４】
そして、ステップ４８では、荷重付加装置９による矢示Ａ方向の引張り荷重を平板材１の温度Ｔに従って第１の実施の形態（図６中に例示した特性線２５）と同様に可変に制御する。次に、ステップ４９では溶接部位３６に沿った溶接施工が終了したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ４６に移って溶接施工を継続する。
【００９５】
そして、ステップ４９で「ＹＥＳ」と判定したときには、図７中の溶接部位３６に沿った溶接施工が完了しているので、ステップ５０に移ってパラメータＰａを「１」だけ増加させる処理（Ｐａ←Ｐａ＋１）を行う。そして、ステップ５１では、パラメータＰａが予め決められた設定値Ｎ（例えば、Ｎ＝３）、即ちＰａ＝Ｎに達したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間は、図１０に示すステップ３８に戻る。
【００９６】
そして、この場合には、例えば図７に示す立板３４を平板材１に隅肉溶接するため、両者の溶接部位が最適位置となるようにステップ３８によるフレーム移送制御処理等が行われ、制御装置３９の移送制御部４１によりフレーム移送装置３８を介して荷重付加装置９の支持フレーム９Ａが移送される。
【００９７】
次に、その後のステップ３９〜４９にわたる処理では、立板３４と平板材１との隅肉溶接に必要な制御処理が前述の場合と同様に行われる。そして、ステップ５１で「ＹＥＳ」と判定したときには、Ｐａ＝Ｎとなって、図７に示す溶接構造物３１全体の自動溶接が終了した段階であるので、ステップ５２に移り、平板材１の温度Ｔを温度センサ（図示せず）から読込む。
【００９８】
そして、この場合は溶接施工の終了後で、平板材１の温度Ｔは周囲の外気等により漸次冷やされる状態であるから、ステップ５３では荷重付加装置９によって平板材１に付加する引張り荷重を、温度Ｔの減少に伴って図６中の特性線２５（特性線部２５Ｂ，２５Ａ）の如く荷重を増加させるように可変に制御する。
【００９９】
次に、ステップ５４では平板材１の温度Ｔが基準の温度Ｔ1 （例えば、５０℃前，後）まで低下したか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ５２以降の処理を継続する。そして、ステップ５４で「ＹＥＳ」と判定したときには、平板材１の温度Ｔが基準の温度Ｔ1 まで低下しているので、ステップ５５に移って荷重付加を停止（解放）させる。
【０１００】
これにより、平板材１は、荷重付加装置９による引張り荷重が図６中の特性線部２５Ｃに沿って急激に低下して解放される。そして、この状態で荷重付加装置９の固定把持部９Ｂ、可動把持部９Ｃ等が平板材１から取外され、制御装置３９による溶接制御処理が終了される。
【０１０１】
かくして、本実施の形態によれば、図７に示すような溶接構造物３１を自動溶接により製作する場合でも、溶接施工の開始から終了にわたる全溶接工程で引張り荷重を平板材１に付加し、この引張り荷重を母材となる平板材１の温度Ｔに応じて可変に制御する。これにより、溶接施工に伴う平板材１の残留応力を効果的に低減することができ、平板材１が溶接変形したりするのを小さく抑えることができる。
【０１０２】
なお、前記第１の実施の形態では、平板材１に対する立板２の突当て面２Ａに片刃と呼ばれる斜めのカット面２Ｂを形成して溶接施工を行う場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば立板の下面を単に当接させた状態で所謂隅肉溶接を行う構成としてもよい。
【０１０３】
また、例えば平板材１等の母材と相手方となる他の部材（立板２）との溶接部位に形成する溶接ビードは、１層のビードに限るものではなく、多層の溶接ビードを盛付けて形成する構成であってもよい。そして、この点は第２の実施の形態についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による溶接装置を示す一部破断の斜視図である。
【図２】図１中の平板材に立板を溶接している状態を示す縦断面図である。
【図３】図１中の平板材に立板を溶接した後の状態を示す縦断面図である。
【図４】第１の実施の形態による溶接装置の制御ブロック図である。
【図５】図４中の制御装置による溶接制御処理を示す流れ図である。
【図６】図４中の荷重設定条件記憶部に格納した温度と引張り荷重との関係を示す特性線図である。
【図７】第２の実施の形態による溶接装置を示す一部破断の斜視図である。
【図８】図７中の平板材に門型状の予備組立体を重合せる状態を示す分解斜視図である。
【図９】第２の実施の形態による溶接装置の制御ブロック図である。
【図１０】図９中の制御装置による溶接制御処理を示す流れ図である。
【図１１】図１０に続く溶接制御処理を示す流れ図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  平板材（母材）
２，３３，３４  立板（他の部材）
３，３６  溶接部位
４  距離・形状センサ（形状計測手段）
５  溶接トーチ
６  溶接ワイヤ
７，３７  溶接ビード
８  温度センサ（温度検出手段）
９  荷重付加装置（荷重付加手段）
９Ａ  支持フレーム
９Ｂ  固定把持部
９Ｃ  可動把持部
１０  センサ移動装置
１１  トーチ移動装置（トーチ移動制御手段）
１４，３９  制御装置
２１  温度履歴記憶部（温度履歴記憶手段）
２３  荷重制御部（荷重制御手段）
３１  溶接構造物
３２  予備組立体
【図１】
2007331024.tif 000003
【図２】
2007331024.tif 000004
【図３】
2007331024.tif 000005
【図４】
2007331024.tif 000006
【図５】
2007331024.tif 000007
【図６】
2007331024.tif 000008
【図７】
2007331024.tif 000009
【図８】
2007331024.tif 000010
【図９】
2007331024.tif 000011
【図１０】
2007331024.tif 000012
【図１１】
2007331024.tif 000013