(57)【要約】【課題】管部材を溶接するにあたり、管部材の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の効率化及び自動化を図る。【解決手段】溶接対象とされた管部材の開口端に被さるカップ形状を有すると共に、不活性ガスを外部からカップ内部２１に導入する導入口２２を備えるガスパージ用治具２０を採用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象とされた管部材の開口端に被さるカップ形状を有すると共に、不活性ガスを外部からカップ内部に導入する導入口を備えることを特徴とするガスパージ用治具。
【請求項２】
前記導入口は、前記カップ形状の底に形成されており、
前記導入口に向かって前記カップ内部の形状が段階的に縮小していることを特徴とする請求項１記載のガスパージ用治具。
【請求項３】
溶接トーチを有する多関節ロボットと、
前記多関節ロボットに設けられると共に、請求項１または２記載のガスパージ用治具を把持するクランプ装置と、を有することを特徴とする自動溶接装置。
【請求項４】
前記溶接トーチによるタッチセンシングによって検出した前記管部材の位置及び傾きに基づいて、前記多関節ロボット及び前記クランプ装置の駆動を制御する制御装置を有することを特徴とする請求項３記載の自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスパージ用治具及び自動溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所等で用いられるボイラの内部には、複数の伝熱管内を流れる蒸気あるいは水が集められるヘッダが設置されている。このヘッダは、内部に蒸気あるいは水を集める管寄せと、当該管寄せと伝熱管とを接続するためのスタブ管とから構成されている。また、これらの管寄せとスタブ管とは溶接により固定されている。
ところで、管寄せとスタブ管とを完全溶け込み溶接する際には、溶接部の酸化を防止するため、溶接対象となるこれら管部材の内側を不活性ガスでガスパージする必要がある。
【０００３】
特許文献１には、ガスパージする手段として、被溶接部材の裏側の溶接線に沿ってパージダムを形成し、パージダムに接続するチューブから溶接線に沿って不活性ガスをパージさせる手段、また、ガスノズルを搭載した装置を溶接線に沿って牽引駆動させ、溶接機に追従して、被溶接部材の裏側の溶接線に沿って不活性ガスをパージさせる手段等が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７５５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術を管寄せとスタブ管との完全溶け込み溶接に適用することは困難である。すなわち、上記従来技術では、被溶接部材が板状であり、被溶接部材の裏側に十分な作業スペースがあるため、上記パージダムやガスノズル搭載装置等のガスパージ手段の設置は容易に可能であるが、管寄せやスタブ管のような管部材では、その裏側（内側）に十分な作業スペースがない。また、自動運転中の人の介在は、その人の安全を確保した上で行う必要がある。したがって、管部材の内側におけるガスパージ手段の設置が困難となっており、手間と時間がかかるという問題がある。また、近年、溶接作業のさらなる効率化が要求されており、時間短縮、人が介在する作業を減らす必要性に迫られている。
【０００６】
なお、このような問題は、管寄せとスタブ管とを完全溶込み溶接する場合のみに生じるものではなく、他の管部材を完全溶込み溶接する場合にも生じる。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、管部材を溶接するにあたり、管部材の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の効率化を目的とする。
さらに、本発明は、管部材を溶接するにあたり、管部材の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の自動化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、溶接対象とされた管部材の開口端に被さるカップ形状を有すると共に、不活性ガスを外部からカップ内部に導入する導入口を備えるガスパージ用治具を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記導入口は、上記カップ形状の底に形成されており、上記導入口に向かって上記カップ内部の形状が段階的に縮小しているという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、溶接トーチを有する多関節ロボットと、上記多関節ロボットに設けられると共に、上記第１または第２の発明であるガスパージ用治具を把持するクランプ装置と、を有する自動溶接装置を採用する。
【００１２】
第４の発明は、上記第３の発明において、上記溶接トーチによるタッチセンシングによって検出した上記管部材の位置及び傾きに基づいて、上記多関節ロボット及び上記クランプ装置の駆動を制御する制御装置を有するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガスパージ用治具が溶接対象とされた管部材の開口端に被さるカップ形状を有している。したがって、カップ形状のガスパージ用治具を、溶接対象とされた管部材の開口端に被せるといった単純な作業で、ガスパージ手段の設置作業が完了する。また、管部材の開口端は、ガスパージ用治具のカップ形状及びその重量によりシールされるので、ガスパージの際に開口端から不活性ガスが容易にリークしてしまうことはなく、管部材の内側を適切にガスパージすることができる。したがって、本発明では、管部材を溶接するにあたり、管部材の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の効率化が可能となる。
また、本発明のガスパージ用治具は単純な作業で設置が可能なため、溶接トーチを有する多関節ロボットにクランプ装置を設け、ガスパージ用治具を溶接対象とされた管部材の開口端に載置できるようにする。これにより、本発明では、管部材を溶接するにあたり、管部材の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の自動化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動溶接装置を用いて製造されるヘッダの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る自動溶接装置を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガスパージ用治具を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るクランプ装置を示す構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る自動溶接装置による自動溶接のフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る自動溶接装置によるガスパージ用治具のスタブ管への設置動作を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るガスパージ用治具を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係るガスパージ用治具及び自動溶接装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の実施形態においては、管寄せとスタブ管とを完全溶け込み溶接してヘッダを製造する場合を例示して説明を行う。
【００１６】
図１は、本実施形態の自動溶接装置１（図２参照）を用いて製造されるヘッダ１０の斜視図である。なお、図１においては、複数あるうちの一部のスタブ管１２の図示を省略している。
ヘッダ１０は、火力発電所等が備えるボイラの内部に設置され、図１に示すように、管寄せ１１と、スタブ管１２（管部材）とから構成されている。
【００１７】
管寄せ１１は、内部が中空とされた略円筒形状の部材であり、中心軸が水平となるように姿勢設定されている。この管寄せ１１の周壁部１１ａに対しては、当該周壁部１１ａを貫通するスタブ管取付け穴１１ｂが設けられている。このスタブ管取付け穴１１ｂは、管寄せ１１に接続されるスタブ管１２の数だけ設けられており、図１に示すように、管寄せ１１の上部に集められている。
【００１８】
スタブ管１２は、伝熱管（不図示）と管寄せ１１とを接続する管部材である。なお、伝熱管は、内部に水を通し、石炭等を燃焼させることによって発生した熱量を水に伝熱する管部材である。このスタブ管１２は、伝熱管の数だけ設けられており、内部の穴１２ａが管寄せ１１のスタブ管取付け穴１１ｂと接続されるように管寄せ１１に溶接されている。なお、本実施形態においては、管寄せ１１とスタブ管１２とは完全溶込み溶接にて接合されている。また、スタブ管１２の穴１２ａの直径は、管寄せ１１のスタブ管取付け穴１１ｂと略同一に設定されている。
【００１９】
図２は、本実施形態の自動溶接装置１を示す構成図である。
図２に示すように、自動溶接装置１は、ＭＡＧ溶接によって、管寄せ１１とスタブ管１２との溶接を行う溶接トーチ２を有する。ただし、ＭＡＧ溶接に限られるものではなく、ガス溶接や他のアーク溶接を行う構成を採用することも可能である。溶接トーチ２は、多関節ロボット３の先端部３ａに取り付けられている。
【００２０】
多関節ロボット３は、先端部３ａに取り付けられた溶接トーチ２を用い、管寄せ１１とスタブ管１２との溶接を自動で行うアームロボットである。本実施形態の多関節ロボットは、６軸アームロボットであり、先端部３ａを任意の方向に任意の姿勢で移動させることが可能な構成となっている。多関節ロボット３の先端部３ａには、溶接トーチ２の他に、クランプ装置３０が設けられており、本実施形態のガスパージ用治具２０を把持する構成となっている。
【００２１】
図３は、本実施形態のガスパージ用治具２０を示す構成図である。なお、図３（ａ）は、ガスパージ用治具２０を部分的に断面で示した正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢視Ａ図である。
ガスパージ用治具２０は、管寄せ１１とスタブ管１２との完全溶け込み溶接を行う際に、溶接トーチ２が配置される側と逆側、すなわち、管内側を不活性ガスによってガスパージする際に用いられるものである。
【００２２】
図３に示すように、ガスパージ用治具２０は、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端（図１において符号１２ｂで示す）に被さることが可能なカップ形状を有する。カップ内部２１の形状は、スタブ管１２の外部形状に応じて設計されている。具体的に、カップ内部２１の形状は、有底円筒形状を有しており、その径は、スタブ管１２の外径よりも所定量だけ大きく設計されている。
【００２３】
また、ガスパージ用治具２０は、不活性ガスを外部からカップ内部２１に導入する導入口２２を有する。導入口２２は、カップ形状の底において、その中心部を貫通して形成されている。導入口２２は、図２に示すように、ガスパージ装置５のガス供給チューブ６と接続され、カップ形状の底からカップ内部２１に不活性ガスを導入する構成となっている。導入口２２には、ガス供給チューブ６と接続するためのネジ溝２３が形成されている。
【００２４】
なお、ガスパージ装置５は、不活性ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を供給する構成となっている。ただし、アルゴン（Ａｒ）に限られるものではなく、ガス溶接や他のアーク溶接を行う場合、例えば二酸化炭素や、アルゴンと二酸化炭素との混合ガス等を供給する構成を採用することも可能である。ガス供給チューブ６は、ある程度の柔軟性を有し、ガスパージ用治具２０の移動に追従できる構成となっている。
【００２５】
図２において、ガス供給チューブ６は、配線絡みを防止するため、多関節ロボット３の内部に配線され、先端部３ａ近傍から外部に導出し、ガスパージ用治具２０と接続される構成となっている。このように、不活性ガスは、ガス供給チューブ６を通り、スタブ管１２の開口端１２ｂに被さったガスパージ用治具２０を介してスタブ管１２の内側に供給される。
【００２６】
上記構成のガスパージ用治具２０は、不活性ガスの供給圧等を考慮して、所定の重量を有する金属材（本実施形態ではステンレス鋼）から形成されている。すなわち、不活性ガスの供給圧等によって、ガスパージ用治具２０が、スタブ管１２の開口端１２ｂに載置された所定の状態から、浮いたり動いたりすることがないように、その重量が調整されている。このため、カップ形状のガスパージ用治具２０を、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに被せるだけで、開口端１２ｂのシール性が確保され、また、このような単純な作業で、ガスパージ手段の設置作業が完了する。
【００２７】
図４は、本実施形態のクランプ装置３０を示す構成図である。なお、図４（ａ）は、クランプ装置３０を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、クランプ装置３０のクランプハンド３１を示す平面図である。
クランプ装置３０は、上述のように単純な作業で設置が可能なガスパージ用治具２０を多関節ロボット３に搭載させることにより、ガスパージ手段の設置作業の効率化から一歩進んで、当該作業そのものの自動化を図ろうとするものである。
【００２８】
図４に示すように、クランプ装置３０は、ガスパージ用治具２０を把持するクランプハンド３１と、クランプハンド３１を昇降させるクランプアーム３２と、を有する。
クランプハンド３１は、ガスパージ用治具２０を把持する一対の把持爪３３を有する。一対の把持爪３３は、ガスパージ用治具２０の抓み部２４（図３参照）を把持可能な形状を有している。なお、抓み部２４は、ガスパージ用治具２０のガス供給チューブ６が接続される部位近傍の外形を所定量絞ることにより形成されている。
【００２９】
クランプハンド３１は、エアシリンダ構造を有しており、エアの供給により一対の把持爪３３が同期して開閉駆動する構成となっている。このクランプハンド３１は、クランプアーム３２に接続されている。
クランプアーム３２は、クランプハンド３１を所定方向に直動させる直動アクチュエータ３４と、一対のガイドロッド３５とを有する。クランプアーム３２も同様に、エアシリンダ構造を有しており、エアの供給により直動アクチュエータ３４が伸縮駆動する構成となっている。一対のガイドロッド３５は、直動アクチュエータ３４の伸縮に応じて伸縮し、クランプハンド３１の移動をガイドする構成となっている。
【００３０】
なお、クランプ装置３０のうち、クランプアーム３２については必ずしも必要はないが、本実施形態のように多関節ロボット３の先端部３ａに設けられ、近傍に溶接トーチ２が配置されるような場合には有用である。すなわち、クランプハンド３１の昇降により、溶接トーチ２との干渉を回避できるため、溶接トーチ２の溶接作業と、ガスパージ用治具２０の載置作業と、を互いに阻害することなく円滑に行える点で有用である。
【００３１】
図２に戻り、自動溶接装置１は、上述した各構成機器の動作を統括して制御する制御装置４０を有している。制御装置４０は、溶接トーチ２による管寄せ１１とスタブ管１２との溶接の自動化プログラム及びガスパージ用治具２０のスタブ管１２への設置の自動化プログラム等を記憶しているコンピュータシステムであり、各自動化プログラムに基づいて各構成機器の動作を制御する構成となっている。
【００３２】
次に、本実施形態の自動溶接装置１による管寄せ１１とスタブ管１２との自動溶接の一連の動作について、図５及び図６を参照して説明する。なお、図５は、本実施形態の自動溶接装置１による自動溶接のフローチャートである。また、図６は、本実施形態の自動溶接装置１によるガスパージ用治具２０のスタブ管１２への設置動作を説明するための図である。
【００３３】
図５に示すように、自動溶接装置１による自動溶接では、ガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）と、溶接工程（ステップＳ２）と、ガスパージ用治具除去工程（ステップＳ３）とを順に行う。
なお、以下の説明では、特に断りが無い限り、制御装置４０が、主体者として以下の動作を制御する。
【００３４】
ガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）は、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに、カップ形状のガスパージ用治具を載置する工程である。
このガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）では、図６（ａ）に示すように、溶接対象とされたスタブ管１２の上方にガスパージ用治具２０を位置させる。詳しくは、制御装置４０は、溶接対象とされたスタブ管１２の位置及び角度に基づいて多関節ロボット３の関節を駆動させ、スタブ管１２の上方にガスパージ用治具２０を位置させる。
【００３５】
その後、図６（ｂ）に示すように、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに、ガスパージ用治具２０を載置させる。詳しくは、制御装置４０は、溶接対象とされたスタブ管１２の位置及び角度に基づいてクランプ装置３０のクランプアーム３２を伸長させ、ガスパージ用治具２０がスタブ管１２の開口端１２ｂに被さった時点で、クランプハンド３１の把持を解除させる。そして、クランプハンド３１を退避させる。
【００３６】
ここで、ガスパージ用治具２０は、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに被さるカップ形状を有している。したがって、カップ形状のガスパージ用治具２０を、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに被せるといった単純な作業で、ガスパージ手段の設置作業が完了する。また、スタブ管１２の開口端１２ｂは、ガスパージ用治具２０のカップ形状及びその重量によりシールされるので、ガスパージの際に開口端１２ｂから不活性ガスが容易にリークしてしまうことはなく、管部材の内側を適切にガスパージすることができる。
【００３７】
溶接工程（ステップＳ２）は、ガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）後に、管寄せ１１とスタブ管１２とを完全溶け込み溶接する工程である。
この溶接工程（ステップＳ２）では、ガスパージ装置５から供給されてくる不活性ガスを、ガスパージ用治具２０を介して開口端１２ｂからスタブ管１２の内側に導入させつつ、多関節ロボット３で溶接トーチ２を操作して、管寄せ１１とスタブ管１２とを完全溶け込み溶接する。
【００３８】
ここで、ガスパージ用治具２０によれば、溶接対象とされたスタブ管１２の内側に、溶接中、継続的に不活性ガスを供給することで、溶接対象とされたスタブ管１２の内側を部分的にガスパージすることが可能である。したがって、管寄せ１１及びスタブ管１２の全部を囲うチャンバー等を設置することや、他の穴１１ｂ，１２ａ等を全て塞ぐといった作業をすることなく、効率的なガスパージが可能となる。
【００３９】
ガスパージ用治具除去工程（ステップＳ３）は、溶接工程（ステップＳ２）後に、スタブ管１２の開口端１２ｂに被せられたガスパージ用治具２０を除去する工程である。
このガスパージ用治具除去工程（ステップＳ３）では、上述したガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）と逆の順番、すなわち、図６（ｂ）から図６（ａ）に示すように多関節ロボット３及びクランプ装置３０の駆動を制御して、スタブ管１２の開口端１２ｂに被せられたガスパージ用治具２０を除去する。
【００４０】
以上により、自動溶接装置１による自動溶接の一連の動作が終了する。
なお、その後、溶接対象とされていた次のスタブ管１２がある場合には、再び上述したガスパージ用治具載置工程（ステップＳ１）と、溶接工程（ステップＳ２）と、ガスパージ用治具除去工程（ステップＳ３）と、を順に行うこととなる。
【００４１】
上述したガスパージ用治具２０のスタブ管１２への載置及び除去の自動化に関し、制御装置４０は、溶接トーチ２によるタッチセンシングによって検出したスタブ管１２の位置及び傾きに基づいて、多関節ロボット３及びクランプ装置３０の駆動を制御する構成となっている。なお、タッチセンシングとは、周知のように、ワーク（管寄せ１１やスタブ管１２）と溶接ワイヤ間に電圧を印加しておき、ワークとワイヤとの接触による電圧降下を利用して、ワークの位置等を検出するものである。
【００４２】
このタッチセンシングによって、制御装置４０は、溶接対象とされたスタブ管１２の位置及び傾きを検出する。溶接対象とされたスタブ管１２の位置及び傾きが検出できれば、後はそれらに基づいて、ガスパージ用治具２０のスタブ管１２への設置の自動化プログラムのパラメータ（多関節ロボット３の関節角度等）を補正すればよい。これにより、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、ガスパージ用治具２０の載置及び除去の自動化が可能となる。
【００４３】
したがって、上述の本実施形態によれば、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに被さるカップ形状を有すると共に、不活性ガスを外部からカップ内部２１に導入する導入口２２を備えるガスパージ用治具２０を採用することによって、カップ形状のガスパージ用治具２０を、溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに被せるといった単純な作業で、ガスパージ手段の設置作業を完了できる。また、スタブ管１２の開口端１２ｂは、ガスパージ用治具２０のカップ形状及びその重量によりシールされるので、ガスパージの際に開口端１２ｂから不活性ガスがリークすることを抑制でき、スタブ管１２の内側を適切にガスパージすることができる。したがって、本実施形態では、スタブ管１２を溶接するにあたり、スタブ管１２の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の効率化が可能となる。
【００４４】
また、上述の本実施形態によれば、溶接トーチ２を有する多関節ロボット３と、多関節ロボット３に設けられると共に、ガスパージ用治具２０を把持するクランプ装置３０と、を有する自動溶接装置１を採用することによって、ガスパージ用治具２０は単純な作業で設置が可能なため、溶接トーチ２を有する多関節ロボット３にクランプ装置３０を設け、ガスパージ用治具２０を溶接対象とされたスタブ管１２の開口端１２ｂに載置できるようにする。これにより、本実施形態では、スタブ管１２を溶接するにあたり、スタブ管１２の内側をガスパージするガスパージ手段の設置作業の自動化が可能となる。
【００４５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４６】
例えば、上記実施形態では、図３に示すように、カップ内部２１の形状が所定の径の有底円筒状であると説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
図７は、別実施形態のガスパージ用治具２０を示す構成図である。なお、図７（ａ）は、別実施形態のガスパージ用治具２０を部分的に断面で示した正面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の矢視Ｂ図である。
図７に示すように、導入口２２に向かってカップ内部２１の形状が段階的に縮小しているという構成を採用しても良い。詳しくは、カップ底に向かって内径が３段階で小さくなる形状となっている。この構成によれば、溶接対象となる管部材の径の種類が複数ある場合であっても、一つのガスパージ用治具２０で対応が可能であるという利点がある。すなわち、管部材の径毎に、専用のガスパージ用治具２０を製造せずとも良く、コスト安に寄与できる。
【００４７】
また、例えば、上記実施形態では、制御装置４０は、溶接トーチ２によるタッチセンシングによって検出したスタブ管１２の位置及び傾きに基づいて、多関節ロボット３及びクランプ装置３０の駆動を制御すると説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、溶接対象とされたスタブ管１２の位置及び傾きを予め記憶しておけば、それらの値を用いればよいので、必ずしもタッチセンシングが必要となる訳ではない。
【符号の説明】
【００４８】
１……自動溶接装置、２……溶接トーチ、３……多関節ロボット、１２……スタブ管（管部材）、１２ｂ……開口端、２０……ガスパージ用治具、２１……カップ内部、２２……導入口、３０……クランプ装置、４０……制御装置
【図１】
2013094795.tif 000003
【図２】
2013094795.tif 000004
【図３】
2013094795.tif 000005
【図４】
2013094795.tif 000006
【図５】
2013094795.tif 000007
【図６】
2013094795.tif 000008
【図７】
2013094795.tif 000009