(57)【要約】  本発明は、水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及びその方法に関するものであり、 溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、溶接チップによる溶接方向に位置するように走行機構部に取り付けられて溶接の進行方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射する銅当て金と、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、制御部は、走行機構部が多数の節点を含むウィービング走行及び斜め走行を含む特殊ウィービングパターンに沿って搬送されるようにし、節点と節点との間の移動区間における溶接電流電圧、ワイヤー供給速度、走行速度及び節点における停止時間を制御する。【選択図】図４
2016510263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられて溶接の進行方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射する銅当て金と、上部溶接母材に溶接面が形成されないマクロ断面が形成されない所定の溶着量を維持するように、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記走行機構部が多数の節点を含むウィービング走行及び斜め走行を含む特殊ウィービングパターンに沿って搬送されるようにし、
前記節点と節点との間の移動区間における溶接電流電圧、ワイヤー供給速度、走行速度及び前記節点における停止時間を制御して開先面に対する大溶着溶接が行えるように構成されることを特徴とする水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
【請求項２】
前記溶接電流電圧は、
上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップ（Ｇ）の長さに応じて初期値が設定され、
背面ビード（Ｂ）を形成する２つの節点において、表面ビード（Ｆ）を形成する節点の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように大きさが可変的に制御されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
【請求項３】
前記停止時間は、
背面ビード（Ｂ）の形成のための２つの節点において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、
開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビード（Ｂ）の形成のための２つの節点の各々と、前記表面ビード（Ｆ）の形成のための節点間の各々の節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、
前記表面ビード（Ｆ）となる節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有することを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
【請求項４】
前記ワイヤー供給速度は、
背面ビード（Ｂ）を設定する節点における初期値は、前記ギャップ（Ｇ）によって設定され、前記背面ビード（Ｂ）及び表面ビード（Ｆ）を形成する節点の間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して前記初期値よりも増加するように算出されることを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記電圧検出センサーの電流値及び電圧値を用いて単位体積当たりに所定の溶着量を維持するように前記走行機構部の走行速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置。
【請求項６】
溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられて溶接の進行方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射する銅当て金と、前記走行機構部が多数の節点を含むウィービング走行及び斜め走行を含む特殊ウィービングパターンに沿って搬送されるように制御し、上部溶接母材に溶接面が形成されないマクロ断面が形成されない所定の溶着量を維持するように、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備える水平突き合わせ継手大溶着溶接装置を用いた水平突き合わせ継手大溶着溶接方法において、
前記制御部が、前記節点と節点との間の移動区間における溶接電流及び溶接電圧を算出する溶接電流電圧算出過程と、
前記制御部が、前記各々の節点における停止時間を算出する停止時間算出過程と、
前記溶接電流電圧算出過程において算出された各節点及び節点間の移動区間別の溶接電流、溶接電圧及び前記停止時間算出過程において算出された節点別の停止時間に応じて、前記制御部が溶接器及び前記走行機構部を制御することによって、ルートパス溶接を行うことなく開先面に対する大溶着溶接を行う大溶着溶接制御過程と、
を含むことを特徴とする水平突き合わせ継手大溶着溶接方法。
【請求項７】
前記溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）において算出される前記溶接電流及び溶接電圧は、
前記上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップ（Ｇ）の幅に応じて初期値が設定され、
背面ビード（Ｂ）を形成する２つの節点において、表面ビード（Ｆ）を形成する節点の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように可変となることを特徴とする請求項６に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法。
【請求項８】
前記停止時間算出過程（Ｓ２０）において算出される各々の節点における停止時間は、
前記上部溶接母材と下部溶接母材との間の背面ビード（Ｂ）の形成のための２つの節点において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、
開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビード（Ｂ）の形成のための２つの節点の各々と、前記表面ビード（Ｆ）の形成のための節点間の各々の節点における停止時間は、±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、
前記表面ビード（Ｆ）となる節点における停止時間は、±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有することを特徴とする請求項６に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法。
【請求項９】
前記各々の節点と各々の節点との間の移動中に前記溶接のための適正量のワイヤーを供給するためのワイヤー供給速度を算出するワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）をさらに含み、
前記ワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）において算出される前記ワイヤー供給速度は、
前記上部溶接母材と下部溶接母材との間の背面ビード（Ｂ）を設定する節点における初期値は、前記上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップ（Ｇ）によって設定され、
前記背面ビード（Ｂ）及び表面ビード（Ｆ）を形成する節点の間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して前記初期値よりも増加するように算出されることを特徴とする請求項６に記載の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平突き合わせ継手の溶接に係り、ルート部の溶接を含む大溶着溶接によって継手部の溶接を行うことのできる水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、突き合わせ継手とは、溶接母材を突き合わせて継ぐ溶接のことをいい、鉄板を継ぐときに多用される。
【０００３】
図１は、従来の自動溶接時におけるルートパス後の溶接状態を示す図である。
図１において、Ｓ側図は断面図であり、Ｐ側図は部分断面斜視図である。以下の本発明の明細書及び図面において、Ｓは断面図を示し、Ｐは部分断面斜視図を示すものとする。
【０００４】
図１に示すように、このような突き合わせ溶接に際して、縦方向に向かい合う両溶接母材１ａ、１ｂを水平に突き合わせ溶接する場合、普通、上部及び下部の両溶接母材１ａ、１ｂが向かい合い、溶接継手部は開先（Ｂｅｖｅｌ）形状となる。なお、上部溶接母材１ａの開先面が上に傾くように形成され、下部溶接母材１ｂが平面において直角に開先された状態で溶接が行われる。
【０００５】
このような水平突き合わせ継手に対して自動装備を用いたフラックスコアードアーク溶接法を適用する場合、図１に示すように、上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂは、製作の度合いに応じて異なるギャップ３を有するように配置され、このようなギャップを埋め込んで溶接が行われる面の背面側に先にルートパス溶接（初層溶接）を行うことによってルート部２が形成される。また、ルート部２付き開先の内部に大溶着溶接を行う場合、低い溶銑の粘性及び溶銑に働く重力などの影響によって溶銑が溶接アークよりも先行されてアークが溶銑の上に形成されてしまう。このように溶銑の上に形成されたアークは母材を十分に溶入させ難いため、溶接金属の内部に融合不良及び鉱滓混入などの欠陥が頻繁に発生してしまう。
また、アーク力が低い場合には、上部主材である上部溶接母材が未溶接のマクロ断面５３（図１を参照すること）を形成してしまう。
【０００６】
前記アーク力とは、溶融池を押し付ける力のことをいい、一般に、電流の二乗と電圧の積に比例して増加する。アーク力が弱い場合（５０）、すなわち、低い電流及び低い電圧を使用する場合、アーク半径５１が小さくなって溶銑５２もまた小さく生成される。また、小さい溶銑５２を押す力も小さくなって、母材の底面に薄い溶入を形成し、上部溶接母材１ａの開先面まで溶銑が押し上げられないため溶接継手部の横断面の上に下部溶接母材１ｂにのみ溶接が形成されて上部溶接母材１ａは未溶接のマクロ断面５３を形成しながら溶接されてしまう。
【０００７】
さらに、通常の溶接トーチ３０の溶接チップ３１は外径が約８ｍｍと非常に厚いため、手狭い空間において運棒をする場合、溶接チップが開先面に接触してショートが頻繁に発生してしまう。図２は、このような従来の技術の溶接チップ３０を示す図である。
【０００８】
このため、開先の内部を溶接するために５〜７パス（Ｐａｓｓ）に亘ってできる限り細かく溶接している。また、開先の内部の溶接を終えた後に表面部の溶接を行う場合、やはり低い溶銑の粘性及び溶銑に働く重力などの影響によって、溶接ビードの垂れ現象が頻繁に発生するため、表面ビードは４〜５パスに亘ってできる限り細かく分けて溶接している。
【０００９】
図３は、厚さ２３ｍｍの溶接母材を従来の技術の溶接装置を用いて多数のパスに亘って溶接した溶接部＃１〜＃６の断面図である。
【００１０】
従来の溶接方式の場合、厚さ１５ｍｍの母材に対しては８パスが求められ、図３に示すように、厚さ２３ｍｍの母材に対して１０〜１５パスが求められる。このため、厚さ２３ｍｍの母材を従来の技術の溶接装置を用いて溶接する場合、上部溶接母材が溶接されていない面を有するマクロ断面５３（溶接断面におけるアラビア数字１、３、５、８、９の領域）が生成されて、多数のパス数に亘って溶接を行うことを余儀なくされる。
【００１１】
すなわち、従来の技術の場合には、溶接母材の厚さによって決定されるギャップ３に対するルートパス溶接（初層溶接）を行うことによってルート部２が形成され、ルート部２が形成された後に開先面の内部に対する大溶着溶接が行われるが、母材の厚さに応じて大溶着溶接を行う場合にも、＃１〜＃６の溶接部の断面から明らかなように、小さい溶着量をもって多数の多層パス（１０〜１５パス）に亘っての溶接を大なわざるを得ないため、パス数の節減を通じた生産量の向上には限界があるのが現状である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明は、上述した従来の技術の問題を解消するためのものであり、水平突き合わせ継手部の自動溶接に当たって、開先面に対する大溶着溶接を行うときにルート部が生成されながら大溶着溶接部位が形成されて、溶接断面の内部及び表面に欠陥の無い大溶着溶接が行えるようにし、これによって、溶接パス数が低減される水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及びその方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、大溶着ウィービング溶接に際して、グルーブの表面方向へのビード垂れ及び溶接線方向への溶銑の先行などを防ぐことのできる水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及びその方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した目的を達成するための本発明の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置は、溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられて溶接の進行方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射する銅当て金と、上部溶接母材に溶接面が形成されないマクロ断面が形成されない所定の溶着量を維持するように、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記走行機構部が多数の節点を含むウィービング走行及び斜め走行を含む特殊ウィービングパターンに沿って搬送されるようにし、前記節点と節点との間の移動区間における溶接電流電圧、ワイヤー供給速度、走行速度及び前記節点における停止時間を制御することによって、ルートパス溶接を行うことなく開先面に対する大溶着溶接が行えるように構成されることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記溶接電流電圧は、上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧの長さに応じて初期値が設定され、背面ビードＢを形成する２つの節点において表面ビードＦを形成する節点の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように大きさが可変的に制御される。
【００１６】
また、好ましくは、前記停止時間は、背面ビードＢの形成のための２つの節点において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビードＢの形成のための２つの節点の各々と、前記表面ビードＦの形成のための節点間の各々の節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、前記表面ビードＦとなる節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有する。
【００１７】
さらに、好ましくは、前記ワイヤー供給速度は、背面ビードＢを設定する節点における初期値は、前記ギャップＧによって設定され、前記背面ビードＢ及び表面ビードＦを形成する節点の間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して前記初期値よりも増加するように算出される。
【００１８】
さらに、好ましくは、前記銅当て金は、後方ガス注入部と、前方ガス注入部と、前記後方ガス注入部及び前方ガス注入部が形成された面の反対面に溶接方向に進むにつれて深さが低くなるように溝状に形成され、前記後方ガス注入部及び前方ガス注入部の各々の後方ガス吐出口及び前方ガス吐出口が溶接方向の反対方向を向くように形成されたガス通路と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記銅当て金によって噴射されるガスは、溶銑の先行力よりも強い圧力をもって噴射される。
【００２０】
さらに、好ましくは、前記走行機構部は、前記溶接トーチを前記開先面の垂直方向に搬送させる直交ウィービング軸部と、前記溶接トーチを前記開先面に沿って移動させる走行軸部と、を備える。
【００２１】
さらに、好ましくは、前記溶接トーチは、外径が８ｍｍ以下である溶接チップと、前記溶接チップの外周面に形成される絶縁コーティング層と、を備える。
【００２２】
さらに、好ましくは、前記走行機構部は、溶接電流を検出する電流検出センサーと、溶接電圧を検出する電圧検出センサーと、をさらに備える。
【００２３】
さらに、好ましくは、前記制御部は、前記電圧検出センサーの電流値及び電圧値を用いて単位体積当たりに所定の溶着量を維持するように前記走行機構部の走行速度を制御する。
【００２４】
上述した目的を達成するための本発明の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、溶接チップを上部溶接母材及び下部溶接母材の開先に対して垂直及び斜め方向に搬送させる走行機構部と、溶接チップを有し、前記走行機構部に取り付けられる溶接トーチと、前記溶接チップによる溶接方向に位置するように前記走行機構部に取り付けられて溶接の進行方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射する銅当て金と、前記走行機構部が多数の節点を含むウィービング走行及び斜め走行を含む特殊ウィービングパターンに沿って搬送されるように制御し、上部溶接母材に溶接面が形成されないマクロ断面が形成されない所定の溶着量を維持するように、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に溶接条件を制御する制御部と、を備える水平突き合わせ継手大溶着溶接装置を用いた水平突き合わせ継手大溶着溶接方法において、前記制御部が、前記節点と節点との間の移動区間における溶接電流及び溶接電圧を算出する溶接電流電圧算出過程と、前記制御部が、前記各々の節点における停止時間を算出する停止時間算出過程と、前記溶接電流電圧算出過程において算出された各節点及び節点間の移動区間別の溶接電流、溶接電圧及び前記停止時間算出過程において算出された節点別の停止時間に応じて、前記制御部が溶接器及び前記走行機構部を制御することによって、ルートパス溶接を行うことなく開先面に対する大溶着溶接を行う大溶着溶接制御過程と、を含むことを特徴とする。
【００２５】
好ましくは、前記溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）において算出される前記溶接電流及び溶接電圧は、前記上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧの幅に応じて初期値が設定され、背面ビードＢを形成する２つの節点において表面ビードＦを形成する節点の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように可変となる。
【００２６】
また、好ましくは、前記停止時間算出過程（Ｓ２０）において算出される各々の節点における停止時間は、前記上部溶接母材と下部溶接母材との間の背面ビードＢの形成のための２つの節点において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビードＢの形成のための２つの節点の各々と、前記表面ビードＦの形成のための節点間の各々の節点における停止時間は、±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、前記表面ビードＦとなる節点における停止時間は、±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有する。
【００２７】
さらに、好ましくは、上述した水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、前記各々の節点と各々の節点との間の移動中に前記溶接のための適正量のワイヤーを供給するためのワイヤー供給速度を算出するワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）をさらに含む。
【００２８】
さらに、好ましくは、前記ワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）において算出される前記ワイヤー供給速度は、前記上部溶接母材と下部溶接母材との間の背面ビードＢを設定する節点における初期値は、前記上部溶接母材と下部溶接母材との間のギャップＧによって設定され、前記背面ビードＢ及び表面ビードＦを形成する節点の間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して前記初期値よりも増加するように算出される。
【発明の効果】
【００２９】
上述した構成を有する本発明は、ウィービング走行や斜め走行による溶接を行う場合、ウィービング又は斜め走行を停止させる多数の節点を有するように溶接チップのウィービング及び斜め走行を制御し、ウィービング走行や斜め走行による溶接を行う過程において、電圧の強さ、電流の強さ及びワイヤー供給速度は開先面の断面の幅に比例して可変となり、停止時間は、開先面の断面の幅に反比例するように可変となるので、ルート部の溶接を含む１パスの大溶着溶接を行うことによって、開先面の内部の約５０％、好ましくは、約８０％以上の断面領域がルート部を有する１パス溶接部に形成されることから、母材の厚さとは無関係に、１パス又は２パスの大溶着溶接を用いて水平突き合わせ溶接を終えることができて、水平突き合わせ継手溶接のパス数が顕著に低減され、これによって、溶接作業の速度が大幅に向上する効果を有する。
【００３０】
また、本発明は、ウィービング走行や斜め走行による溶接を行うときに、開先面の断面幅に比例して電圧、電流、ワイヤー供給速度及び停止時間を制御することによって、溶接断面の内部及び表面に欠陥の無い大溶着溶接が行われるので、溶接品質が大幅に向上する効果を有する。
【００３１】
さらに、本発明は、銅当て金に溶接方向とは逆方向に溶銑にガスを噴射することによって、水平突き合わせ継手のための大溶着溶接に際してグルーブの表面方向へのビード垂れ及び溶接線方向への溶銑の先行が防がれるので、溶接品質がなお一層向上する効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、従来の自動溶接時におけるルートパス後の溶接状態を示す図である。
【図２】図２は、従来の技術の溶接チップ３０を示す図である。
【図３】図３は、異なる厚さを有する６個の母材を従来の技術の溶接装置を用いて溶接する場合、マクロ断面５３のように多数の溶接パス数が求められることを示す溶接部の断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００の分解斜視図である。
【図５】図５は、図４の溶接装置１００の平面図である。
【図６】図６は、図４の溶接装置１００の右側面図（図４を基準として）である。
【図７】図７は、図５の銅当て金４の斜視図である。
【図８】図８は、図５の溶接トーチ８の断面図である。
【図９】図９は、図５の溶接装置１００の概略的な機能ブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法の処理過程を示す手順図である。
【図１１】図１１は、特殊ウィービングパターン７のための図９の制御部６０による走行軸部４０及び直交ウィービング軸部４１の移動制御状態を示す図である。
【図１２】図１２は、前記特殊ウィービングパターン７の溶接における各節点Ｐ１〜Ｐ５における停止時間、節点間における移動速度、溶接電流、溶接電圧制御をはじめとする溶接条件を示すグラフである。
【図１３】図１３は、特殊ウィービングパターン７を用いた溶接過程を示す図である。
【図１４】図１４は、直交ウィービング軸部４１を用いてウィービング運動を行う過程の溶接状態を示す図である。
【図１５】図１５は、走行方向の溶接運動及びワイヤー１２を示す図である。
【図１６】図１６は、銅当て金４によって溶銑が上部溶接母材１ａに押し上げられる状態を示す図である。
【図１７】図１７は、図５乃至図１１の構成を有する溶接装置１００によって大溶着溶接が行われた溶接状態を示す溶接部の断面図である。
【図１８】図１８は、図５乃至図１１の構成を有する溶接装置１００によって大溶着溶接が行われた溶接状態を示す溶接部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態による水平突き合わせ継手大溶着溶接装置及びその方法について詳述する。
【００３４】
図４は、本発明の実施形態による溶接装置１００の右側（図１を基準として）から眺めた分解斜視図であり、図５は、図４の溶接装置１００の右側面図であり、図６は、図４の溶接装置１００の底面図である。
【００３５】
図４に示すように、前記溶接装置１００は、ガイドレールＲ上を走行する走行機構部９と、走行機構部９の底面に取り付けられる溶接トーチ８と、溶銑に溶接の進行方向とは逆方向に溶銑の先行力よりも強い圧力を有するガスを噴射するように溶接トーチ８の溶接の進行方向側に取り付けられる銅当て金４と、制御部６０と、表示部６３と、設定部６４及び溶接器６８を備える。
【００３６】
前記図４の溶接装置１００の詳細な構成は、下記の図９の溶接装置１００の機能ブロック図の説明に際してさらに詳細に説明する。
【００３７】
図７は、図５の銅当て金４の斜視図である。
図７に示すように、前記銅当て金４は、右側面に後方ガス注入部２０及び前方ガス注入部２１が形成され、左側面には溶接方向に進むにつれて深さが低くなる溝状のガス通路４ａと後方ガス吐出口２０ａ及び前方ガス吐出口２１ａが形成される構造を有する。
上述した構造を有する銅当て金４は、図１３に示すように、溶接の進行方向１３のうち溶接トーチ８の反対方向に配設されて溶接トーチ８の反対側にガス５を噴射するように溶接装置１００に取り付けられた後に、溶接さるべき上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂの当接部位に密着される。
【００３８】
上述した構造を有する銅当て金４は、後方ガス注入部２０及び前方ガス注入部２１を介してガスを注入した後、左側面（図面を基準として）のガス通路４ａの溶接チップ３２の隣の位置に形成される後方ガス吐出口２０ａ及び前方ガス吐出口２１ａを介して溶銑３（図１３を参照すること）の先行力よりも強い圧力を有するガス５を溶接トーチ８の反対側に噴射して、溶銑３（図１３を参照すること）が溶接の進行方向に流れることを防ぎ、溶銑３（図１３を参照すること）に上方向抵抗力６（図１３を参照すること）を提供する。その結果、溶銑がアークの形成位置に流入することを防ぎながら、上方向に押し上げる力を提供して、上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂの開先面が溶銑によってアークが達しないため溶融されないことによって発生するマクロ断面５３の生成によって多数のパス数の溶接を行うことを余儀なくされるなどの従来の技術の問題が解消される。
【００３９】
前記銅当て金４が噴射するガス５の溶銑３の先行力よりも強いガスの圧力とは、溶銑が溶接の進行方向に流れることを防ぐほどの圧力のことをいう。前記溶銑の先行力は、溶接電流及び溶接電圧によって生成される溶銑の量によって算術的に決定される。このため、前記銅当て金４によって噴射されるガスの圧力は、溶銑の量によって算術的に決定される先行力によって決定され、これは、各々の溶接状況に応じて異なる値を有するものであり、その具体的な数値の限定は省略する。
【００４０】
図８は、図５の溶接トーチ８の断面図である。
図８に示すように、前記溶接トーチ８は、外径が８ｍｍ以下、好ましくは、５ｍｍ以下である溶接トーチ８と、溶接トーチ８の外周面に形成されるセラミックなどの絶縁コーティング層３３と、を備える。上記の構成を有する溶接トーチ８は外径が小さく、表面に絶縁コーティング層３３が形成されて溶接チップが小さいので開先の内部における円滑な運棒が可能になる他、溶接チップ３２及び開先面が接触しても絶縁コーティング層３３によってショートの発生が防がれて連続的に溶接可能になる。
【００４１】
図９は、図４の溶接装置１００の概略的な機能ブロック図である。
図４及び図９を参照して前記溶接装置１００についてさらに詳細に説明すると、前記溶接装置１００は、図４及び図４に基づく説明のように、ガイドレールＲ上を走行する走行機構部９と、走行機構部９の底面に取り付けられる溶接トーチ８と、溶銑に溶接の進行方向とは逆方向に溶銑の先行力よりも強い圧力を有するガスを噴射するように溶接トーチ８の溶接の進行方向側に取り付けられる銅当て金４と、上部溶接母材１ａに溶接面が形成されないマクロ断面５３（図１を参照すること）が形成されない所定の溶着量を維持するように、水平突き合わせ継手の開先面の位置別に電圧、電流、ワイヤー供給速度、走行速度、停止時間、銅当て金４のガス噴射圧力、走行機構部９の直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０の搬送速度を制御する制御部６０と、溶接状態を表示する表示部６３と、溶接パラメータを設定する設定部６４及び溶接トーチ８に溶接電圧、電流を供給する溶接器６８を備える。
【００４２】
前記走行機構部９は、図４に示すように、ガイドレールＲ上に沿って溶接装置１００を移動させる走行軸部４０と、溶接トーチ８をガイドレールＲの垂直方向である溶接開先面の垂直方向に搬送させるウィービング運動を行う直交ウィービング軸部４１と、溶接電流及び溶接電圧を検出するセンサー部６１と、を備える。
【００４３】
また、図９に示すように、前記走行軸部４０には走行モーター駆動部６５が配設され、前記直交ウィービング軸部４１にはウィービングモーター駆動部６６が配設される。さらに、前記センサー部６１には溶接電流を検出する溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧を検出する溶接電圧検出センサー６１ｂが配設される。
【００４４】
上記の構成を有する溶接装置１００は、前記制御部６０が開先面の各位置別に溶接トーチ８において生成されるアークの電圧、電流、走行軸部の移動、停止時間、ワイヤー供給速度を制御することによって特殊ウィービングパターン７を有する大溶着溶接を行って、両母材１ａ、１ｂの間に形成されるギャップに対するルート部２を形成するルートパス溶接（初層溶接）を行うことなく、開先面の内部における１次パスにおいて直接的に大溶着溶接を行うことによって約５０％、好ましくは、約８０％以上の１次パス溶接が行えるようにすることを特徴とする。
【００４５】
このような１次パス溶接における大溶着溶接を可能にする制御を行うとともに、前記制御部６０は、付加的に、様々なギャップの変化に対応して変動されるワイヤー突出長さ１２（図１２を参照すること）の変化に起因するワイヤーの抵抗差によって発生する出力溶接電流及び電圧の変動を溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂを用いて検出して表示部６３に表示する。また、前記制御部６０は、走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６を制御して溶接装置１００の実際の走行速度１３を変更して単位体積当たりに所定の溶着量を維持するようにする。ここで、設定部６４を介してアークのセンシングを通じた実際の走行速度の変更有無を選択することができる。所定の溶接条件（電流、電圧、溶接速度）下において溶接を行う場合において、ギャップが大きくなる場合、すなわち、開先の単位体積が増加した場合に、単位体積当たりの溶着量は小さくなってワイヤー突出長さ１２（図１２を参照すること）が長くなり、これによって、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂに入力される出力電流及び電圧の値が−ΔＡ、−ΔＶに見合う分だけ低くなる。制御部６０は、走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６を調節して走行機構部９の走行速度を落として単位体積当たりの溶着量を増加させる効果を有するためワイヤー突出長さ１２は再び短くなり、これによって、溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電流検出センサー６１ｂに入力される出力電流及び電圧の値が再び＋ΔＡ、＋ΔＶに見合う分だけ増加する。これによって、単位体積当たりに所定の溶着量が維持される。
【００４６】
図１０は、本発明の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法の処理過程を示す手順図である。
図１０に示すように、本発明の水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０を有する走行機構部９と、銅当て金４と、溶接トーチ８及び制御部６０を備える水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００を用いて、底面に開先が形成された上部溶接母材１ａと、開先が形成されていない下部溶接母材１ｂに対して初層溶接を行うことなく水平突き合わせ継手溶接を行う水平突き合わせ継手大溶着溶接方法において、前記制御部６０が２つの母材１の厚さに応じて決定される両母材間のギャップＧを基準として、ウィービング走行溶接及び斜め走行溶接を行う経路を分割する多数の節点を形成して、各々の節点において停止時間を有して停止溶接を行う特殊ウィービングパターン溶接の多数の節点（第１の節点Ｐ１〜第５の節点Ｐ５）のうち、背面ビードＢの形成位置において溶接を行う２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）における初期値としての溶接電圧、溶接電流、溶接電流と、表面ビードＦの形成位置の節点（第３の節点Ｐ３）と、前記２つの背面ビードＢの形成位置の節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）の各々と前記表面ビードＦの形成位置の節点（第３の節点）との間の多数の分割された節点（第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４）における前記初期値に対する関係から溶接電圧、溶接電流、溶接電流値を算出して前記溶接器６８に転送する溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）と、前記制御部６０が両母材１ａ、１ｂ間のギャップＧを基準として、各々の第１の節点Ｐ１〜第５の節点Ｐ５における停止時間を算出する停止時間算出過程（Ｓ２０）と、前記各節点における停止時間と、前記各節点及び節点の間において算出された溶接電流、溶接電圧を用いて前記特殊ウィービングパターンによる大溶着溶接を行う大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）と、を含むことを特徴とする。
【００４７】
上述した処理過程のうち、前記溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）において算出される前記溶接電流及び溶接電圧は、前記ギャップＧの幅に応じて初期値が設定され、背面ビードＢを形成する２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）において表面ビードＦを形成する節点（第３の節点Ｐ３）の開先面の断面の垂直幅に比例して増加するように可変となる。
【００４８】
また、前記停止時間算出過程（Ｓ２０）において算出される各々の節点における停止時間は、背面ビードＢの形成のための２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）において予熱を行い、欠陥の無いビードの生成のための停止時間をＴ１としたとき、開先面の内部に対する溶接を行う前記背面ビードＢの形成のための２つの節点（第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５）の各々と、前記表面ビードＦの形成のための節点との間の各々の節点における停止時間Ｔ２及びＴ４は、約±１０％の誤差範囲において０．２＊Ｔ１の停止時間を有し、前記表面ビードＦとなる節点における停止時間は、約±１０％の誤差範囲において０．８＊Ｔ１の停止時間を有することを特徴とする。
【００４９】
さらに、上述した水平突き合わせ継手大溶着溶接方法は、前記各々の節点と各々の節点との間の移動中に前記溶接のための適正量のワイヤーを供給するためのワイヤー供給速度を算出するワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）をさらに含む。
【００５０】
前記ワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）において算出される前記ワイヤー供給速度は、背面ビードＢを設定する節点における初期値は前記ギャップＧによって設定され、前記背面ビードＢ及び表面ビードＦを形成する節点の間に位置する節点においては、前記開先面の断面の垂直幅に比例して前記初期値よりも増加するように算出される。
【００５１】
前記大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）は、溶接進行面の反対面において上部溶接母材と下部溶接母材との間の段差を合わせるルートパス溶接（初層溶接）を行うことなく、溶接進行面の開先の内部において１次パスの大溶着溶接を直接的に行う。
【００５２】
すなわち、上述した大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）においては、各節点ごとに異なる停止時間、電圧、電流、ワイヤー供給速度を有するように溶接が制御され、節点間の移動速度はギャップＧの幅に応じて可変となる値を有するように制御される。
【００５３】
各々の節点又は溶接部における溶接条件の充足有無は、図９の溶接電流検出センサー６１ａ及び溶接電圧検出センサー６１ｂにおいて検出された溶接電流及び溶接電圧によって判断される。
【００５４】
また、各々の節点における停止時間及び節点間の移動は、図９の走行モーター駆動部６５及びウィービングモーター駆動部６６によって行われる。
【００５５】
さらに、前記各々の溶接電流と、溶接電圧及びワイヤー供給速度は、制御部６０が溶接器６８を制御することによって制御される。
【００５６】
図１１は、特殊ウィービングパターン７のための図９の制御部６０による走行軸部４０及び直交ウィービング軸部４１の移動制御状態を示す図であり、図１２は、前記特殊ウィービングパターン７の溶接における各節点Ｐ１〜Ｐ５における停止時間、節点間における移動速度、電流、電圧制御を含む溶接条件を示すグラフである。
【００５７】
図１１の上部に示すように、前記特殊ウィービングパターン７は、溶接装置１００の内部に配設される直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０間の組み合わせによって形成される。
【００５８】
前記特殊ウィービングパターン７は、第１のルート部である第１の節点Ｐ１→第１のミドル部である第２の節点Ｐ２→表面部である第３の節点Ｐ３の区間においては直交ウィービング軸部４１のみがＹ軸方向に移動するウィービング走行（Ｗｅａｖｉｎｇ）と、表面部である第３の節点Ｐ３→第２のミドル部である第４の節点Ｐ４→第２のルート部である第５の節点Ｐ５の区間においては直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０が同時に作動して斜め方向に運棒する斜め走行（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ）を含む。
【００５９】
また、各々の節点において所定の溶着量の生成のために止まる停止時間Ｔ、各々の節点の間における搬送速度Ｓは、母材の厚さに応じて決定されるギャップＧの幅に比例する所定の速度値を有し、溶接電流及び溶接電圧は、背面ビードＢを形成する第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５において最小値を有し、表面ビードＦを形成する第３の節点Ｐ３において最大値を有する。さらに、背面ビードＢを形成する第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５の各々と、表面ビードＦを形成する第３の節点Ｐ３との間に位置する節点は、開先面断面の幅に比例する大きさを有するように設定される。
【００６０】
上述した特殊ウィービングパターン７による水平突き合わせ継手大溶着溶接を行うために、図１１の下部に示す溶接状態図のように、上部溶接母材１ａの底面に斜面を形成することによって、下部溶接母材１ｂ及び上部溶接母材１ａ間の溶接部位としての開先が形成される。
【００６１】
図１２を参照して、２３ｍｍの厚さを有する２つの鉄板母材に対する、５個の節点Ｐ１〜Ｐ５を有する特殊ウィービングパターン７を用いた水平突き合わせ継手の溶接における各節点別の溶接条件制御の例について説明すれば、下記の通りである。
【００６２】
図１２において、背面ビードＢ（図１７及び図１８を参照すること）が形成される第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５においては、予熱のために１秒の停止時間を有する。また、開先面の内部に対する溶接を行う第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４においては０．２秒の停止時間を有し、表面ビードＦとなる第３の節点Ｐ３においては予熱及び大容量の溶銑の形成のために約０．８秒の停止時間を有する。
【００６３】
また、第１の節点Ｐ１及び第５の節点Ｐ５の溶接電流ＩＲ及び溶接電圧ＶＲの各々は、約±１０％の誤差範囲において２６３Ａ及び３１．２Ｖ、第２の節点Ｐ２及び第４の節点Ｐ４の溶接電流ＩＭ及び溶接電圧ＶＭの各々は、約±１０％の誤差範囲において３５９Ａ及び３３．２Ｖ、第３の節点Ｐ３の溶接電流ＩＦ及び溶接電圧ＶＦの各々は、約±１０％の誤差範囲において４２１Ａ及び３５．７Ｖを有するように制御される。
【００６４】
さらに、前記各々の節点Ｐ１〜Ｐ５間の移動速度は２ｃｍ／ｓｅｃに一定に維持され、これは、ギャップＧ又は開先面の幅に比例して所定の速度値を有するように増加する。
【００６５】
また、前記各々の節点Ｐ１〜Ｐ５の間におけるワイヤー供給速度において、第１の節点Ｐ１と第２の節点Ｐ２との間のワイヤー供給速度ＷＲは、約±１０％の誤差範囲において１０２８ｃｍ／ｍｉｎ、第２の節点Ｐ２と第３の節点Ｐ３との間のワイヤー供給速度ＷＭは、約±１０％の誤差範囲において１７２７ｃｍ／ｍｉｎ、第３の節点Ｐ３と第４の節点Ｐ４との間のワイヤー供給速度ＷＦは、約±１０の誤差範囲において２１３９ｃｍ／ｍｉｎ、さらに、第４の節点Ｐ４と第５の節点Ｐ５との間のワイヤー供給速度ＷＭは、約±１０％の誤差範囲において１７２７ｃｍ／ｍｉｎを有する。
【００６６】
さらに、キャリッジ走行速度は、第１の節点Ｐ１から第５の節点Ｐ５まで平均約１０．６ｃｍ／ｍｉｎである。
【００６７】
図１３乃至図１８は、図４の溶接装置１００による前記大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）を示す図である。
図１３は、銅当て金４の開先の上に密着された概略的な状態を示す図であり、図１４は、直交ウィービング軸部４１によるウィービング走行を行う過程の溶接状態を示す図であり、図１５は、斜め走行方向の溶接及びワイヤー１２を示す図である。
【００６８】
図１３乃至図１５に示すように、上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂを母材１ａ、１ｂの厚さに応じた幅を有するギャップＧを形成するように配置した後、形成されたギャップＧを基準として、図１０の溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）、停止時間算出過程（Ｓ２０）及びワイヤー供給速度設定過程（Ｓ３０）を行うことによって、特殊ウィービングパターン７の各溶接部位における溶接電流、溶接電圧、ワイヤー供給速度、走行機構部の移動速度などが算出された後に大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）が行われる。
【００６９】
上述した大溶着溶接制御過程（Ｓ１００）においては、背面ビードＢ（図１７を参照すること）を形成する節点（第１の節点Ｐ１及び第２の節点Ｐ５）における停止時間が最も長くなって、大容量の溶銑が形成されることによって、ルートパス溶接を行わなくても欠陥の無い良好な品質の背面ビードＢが形成される。
【００７０】
この過程において、図６に示すように、銅当て金４の後方ガス吐出口２０ａ及び前方ガス吐出口２１ａは溶接チップ３２の隣に位置し、ガス通路４ａは溶接の進行方向の背面に位置するように銅当て金４が取り付けられる。このようにして取り付けられた銅当て金４は、溶接が行われる過程において溶接の進行方向の反対方向に溶銑の先行力よりも大きなガス圧力にてガス５を噴射する。これによって、溶銑３に上方向抵抗力６が働いて、アーク発生領域に溶銑３が流れることが防がれ、上部溶接母材１ａに押し上げられる。図１６は、銅当て金４に噴射されるガス及び大きなアーク力によって溶銑が上部溶接母材１ａに押し上げられるとともに、溶接トーチ８に向かって移動しない状態を示す図である。
【００７１】
図１７及び図１８は、図５乃至図１２の構成を有する溶接装置１００及び溶接方法による大溶着溶接状態を示す溶接部の断面図である。図１７において、Ｓは断面図であり、Ｐは断面斜視図である。
【００７２】
図４の水平突き合わせ継手大溶着溶接装置１００に図１０の溶接方法を適用して水平突き合わせ継手溶接を行えば、第１の節点乃至第５の節点Ｐ１〜Ｐ５において各々停止時間を有することによって大きな溶銑５６が形成される。このとき、供給される溶接電流及び溶接電圧は、溶接の対象となる上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂの厚さに応じて、図１０の溶接電流電圧算出過程によって算出される。図１０の溶接電流電圧算出過程（Ｓ１０）において、溶接電流及び溶接電圧が算出されれば、各節点間の移動速度もまた算出される。
【００７３】
このような特殊ウィービングパターン７の遂行は、本発明の溶接トーチ８における溶接チップ３２の直径を最小化させ、外周面に絶縁コーティング層３３を形成することによって溶接チップの運棒が自由になり、上部溶接母材１ａ又は下部溶接母材１ｂと溶接チップ３２が接触する場合にも、絶縁によってアークの発生が停止しないので可能になる。すなわち、前記特殊ウィービングパターン７の遂行は、本発明の溶接トーチ８を適用しない場合に溶接チップ３２が運棒し難く、未絶縁の溶接チップ３２が上部溶接母材１ａ及び下部溶接母材１ｂと接触する場合にアークの発生が停止して容易に行われない。
【００７４】
次いで、このような溶接過程が行われながら、前記制御部６０の制御及び銅当て金４によって溶銑５６にガス５が噴射される。前記銅当て金４は、制御部６０が溶接電流、溶接電圧、直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０の走行制御情報を用いて生成した溶銑の量を考慮して既に設定された圧力のガスを溶接の進行方向の反対方向に噴射する。このようなガス噴射過程において噴射されるガスは溶銑の先行力よりも強い圧力のガスによって大きなアーク力によって形成された溶銑が溶接トーチ８に向かって流入することが防がれる。
【００７５】
上述したように、溶接過程において形成された大きな溶銑５６は、噴射ガスの圧力及び大きなアーク力による圧力によって上部溶接母材１ａの開先面まで押し上げられて上部溶接母材が溶接されたマクロ断面５８を形成する。
【００７６】
アーク力によって溶銑５６が形成された後には、図１０の前記停止時間算出過程（Ｓ１２）によって算出された停止時間及び節点間の移動速度に応じて直交ウィービング軸部４１及び走行軸部４０の移動方向、速度、停止時間を制御し、各々溶接位置における溶接電流及び電圧に応じてアークを発生することによって、上部溶接母材１ａと下部溶接溶接母材１ｂとの間に図１１に基づいて説明した特殊ウィービングパターン７による溶接が行われる。
【００７７】
上述したように、本発明の特殊ウィービングパターン７の溶接条件制御を行う水平突き合わせ継手大溶着溶接方法を用いて２つの母材に対して水平突き合わせ継手溶接を行う場合、前記溶接電流、溶接電圧、停止時間、ワイヤー供給速度、走行速度などは、１パスの溶接によって、溶接部位に対する５０％〜１００％の溶接が行われるように算出される。このため、本発明は、水平突き合わせ継手溶接を行うに当たって、ルートパス溶接（初層溶接）を行うことなく開先面の内部における１次パス溶接である初期大溶着溶接を行うことによって、図１７及び図１８に示すように、本発明は、一回の溶接によって良好な品質を有する背面ビードＢ及び表面ビードＦを有する５０％〜１００％の大溶着溶接を行うことができる。これにより、残りの５０％〜０％の部分に対する溶接のみを行えばよいので、水平突き合わせ継手溶接を１パス又は２パスにて行うことができて、水平突き合わせ継手溶接のパス数を大幅に低減することができる。
【図１】
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【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図３】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2016510263.tif 000021
2016510263.tif 000022
2016510263.tif 000023
2016510263.tif 000024