(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク開先の下端部端面に、本体部が非導電性材料で形成され、かつ、開先を有すると共に、この開先の表面が導電体層で形成されたフラックスタブ(5) を当接させ、前記ワーク開先を上進溶接する前に、前記下端部のフラックスタブ(5) の開先の内側からアークスタートして上進溶接する上進溶接方法において、
前記ワーク開先の下端部より下方の前記フラックスタブ(5) の開先で所定の溶接条件で上進溶接し、前記ワーク開先ではこのワーク開先に適合した溶接条件に変更して溶接する
ことを特徴とする上進溶接方法。
【請求項２】
前記ワーク開先の下端部のフラックスタブ(5) の開先内での溶接トーチ先端の軌跡が、前記ワーク開先内での軌跡よりも開先表面から遠い内側であることを特徴とする請求項１記載の上進溶接方法。
【請求項３】
前記ワーク開先の上端部端面に、本体部が非導電性材料で形成され、かつ、開先を有すると共に、この開先の表面が導電体層で形成されたフラックスタブ(6) を当接させ、このフラックスタブ(6) の開先では前記ワーク開先での溶接条件と異なる所定の溶接条件で上進溶接することを特徴とする請求項１記載の上進溶接方法。
【請求項４】
前記ワーク開先、及び前記ワーク開先の下端部のフラックスタブ(5) の開先毎の、多層盛時の各層の溶接条件及び溶接トーチ軌跡をそれぞれ設定し、この溶接条件及び溶接トーチ軌跡に基づいて多層盛の上進溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の上進溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚板で構成された大型の溶接構造物の開先を上進溶接する際に、溶接開始位置及び終了位置にフラックスタブを用いる場合の溶接アルゴリズムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、厚板で構成された大型の鉄骨溶接構造物のワークの開先を溶接する場合、このワークをポジショナ等で回転させて下向き溶接や水平溶接を行うことができない場合には、上進溶接（立向き溶接）を行っている。この上進溶接においては、溶接線の下端部すなわち溶接始端部、及び上端部すなわち溶接終端部での湯流れの防止やアークの安定性のために、フランジ開先内と遜色の無いアーク安定性を有するスチールタブを前記下端部及び上端部に使用するのが一般的である。このスチールタブは導電性を有しており、スチールタブを使用する限りにおいては、タブ部つまり前記始端部及び終端部と前記開先内部とは同一の溶接条件で溶接することができ、十分な溶接品質を確保することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常、溶接の始端部及び終端部には溶接欠陥が発生しやすいので、溶接後にスチールタブを溶接したままの状態で始端部及び終端部の溶け込み量等の溶接品質を検査する場合がある。しかしながら、スチールタブがあるので目視により溶接品質を検査することが困難であり、したがって非破壊検査等により検査しなければならず、タブ部の溶接部の検査に非常に長時間を要するという問題を生じている。
【０００４】
さらに、スチールタブと母材との溶接部には過度の応力が集中する傾向があり、これによる鉄骨構造物の亀裂の問題が最近顕著になっている。例えば、図１０に示すような、母材１１と、この母材１１の端部に溶接されたスチールタブ１２との間の溶接部Ｐには、地震等のために過大な応力集中が発生し、この溶接部Ｐから亀裂が発生することが最近判明している。この問題を解決する一つの方法として、溶接後にスチールタブ１２を除去することが考えられる。一般的に、スチールタブ１２を使用した場合、溶接後に構造上又は施工上特に支障が無いときはこのスチールタブ１２を取り除く必要はないが、上記のような問題があるとき、又は、例えば組み立て時に他の構造物に干渉するなどの支障があるときは、スチールタブ１２を切断して取り除く必要がある。
しかしながら、このスチールタブ１２の取り外し作業は、スチールタブ部を切断したり、この切断後の面を滑らかにグラインダ仕上げしたりするなど、非常に煩雑で多くの時間を要するという問題がある。したがって、最近では、スチールタブ１２の代わりに非導電性のフラックスタブを使用することが注目され始めている。このフラックスタブを使用することにより、溶接後にフラックスタブを除去するのが容易となり、また除去後に溶け込み量などの溶接品質を目視で簡単に検査することができるようになる。
【０００５】
ところが、従来のままの溶接技術を、セラミックス等の非導体からなるフラックスタブを使用した上進溶接に適用した場合、下端（始端部）及び上端（終端部）に位置するフラックスタブ部ではアークが非常に不安定となり、また湯流れ等が発生する。このため、始端部及び終端部において、十分な溶接品質を確保することができないという問題が生じている。この問題の解決手段として、例えば特開昭５７−６８２８９号公報には、フラックスタブと母材との接触面を固形鉄粉層としたフラックスタブを使用する技術が開示されている。しかしながら、この公報に開示されたフラックスタブを使用した始端部及び終端部で従来どおりの溶接条件で溶接を行った場合、溶接時にフラックスタブから不純物が発生し、アークが非常に不安定になる。この結果、溶接品質が低下して強度を損なうという問題が生じている。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、フラックスタブを用いた開先の下端部及び上端部での良好な溶接品質が得られる上進溶接方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ワーク開先の下端部端面に、本体部が非導電性材料で形成され、かつ、開先を有すると共に、この開先の表面が導電体層で形成されたフラックスタブ５を当接させ、前記ワーク開先を上進溶接する前に、前記下端部のフラックスタブ５の開先の内側からアークスタートして上進溶接する上進溶接方法において、前記ワーク開先の下端部より下方の前記フラックスタブ５の開先で所定の溶接条件で上進溶接し、前記ワーク開先ではこのワーク開先に適合した溶接条件に変更して溶接する方法としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、ワーク開先の下端部端面に当接したフラックスタブの開先の内側からアークスタートするので、溶接開始位置の隙間等による溶接開始時の溶接トーチの突っ込みを抑制できる。また、フラックスタブの開先の表面が導電体層で形成されているので、フラックスタブの開先でのアークが安定し、よってフラックスタブを用いた上進溶接において溶接品質を確保することが可能となる。また、上進溶接において、下端部のフラックスタブの開先での溶接条件、及びワーク開先での溶接条件はそれぞれに適合した異なった条件にできるので、フラックスタブ及びワーク開先でのそれぞれの溶接品質を十分に確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記ワーク開先の下端部のフラックスタブ５の開先内での溶接トーチ先端の軌跡が、前記ワーク開先内での軌跡よりも開先表面から遠い内側である請求項１記載の上進溶接方法としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明によると、下端部のフラックスタブの開先では、溶接トーチ先端の軌跡（つまり、溶接トーチのねらい位置）をワーク開先内での軌跡よりも内側とする。このことは、すなわちフラックスタブの壁よりも内側を溶接トーチがねらうことになり、したがって溶接時にフラックスタブから噴出される不純物の量が少なくなるので、アークが安定し、フラックスタブでの溶接品質を確保することができる。この結果、フラックスタブを使用した上進溶接が可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記ワーク開先の上端部端面に、開先が形成された本体部が非導電性材料で形成され、かつ、この開先の表面が導電体層で形成されたフラックスタブ６を当接させ、このフラックスタブ６の開先では前記ワーク開先での溶接条件と異なる所定の溶接条件で上進溶接する請求項１記載の上進溶接方法としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明によると、ワーク開先の上端部に、開先の表面に導電体層が形成されたフラックスタブを当接させ、この上端部のフラックスタブの開先では、ワーク開先での溶接条件と異なった条件で上進溶接を行う。これにより、上端部のフラックスタブでのアークを安定させ、また、このフラックスタブの開先に適合した溶接条件で上進溶接することができる。この結果、ワーク開先の下端部及び上端部にそれぞれフラックスタブを取り付けて上進溶接する際、溶接品質の確保が可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記ワーク開先、及び前記ワーク開先の下端部のフラックスタブ５の開先毎の、多層盛時の各層の溶接条件及び溶接トーチ軌跡をそれぞれ設定し、この溶接条件及び溶接トーチ軌跡に基づいて多層盛の上進溶接を行う請求項１記載の上進溶接方法としている。
【００１６】
請求項４に記載の発明によると、ワーク開先、及び下端部のフラックスタブの開先での上進溶接において、それぞれの開先での多層盛溶接時の各層毎の溶接条件及び開先内の溶接トーチ軌跡を各開先に適合させて設定し、この溶接条件及び溶接トーチ軌跡に基づいて多層盛溶接が可能となる。したがって、フラックスタブを使用したワーク開先での上進溶接による多層盛溶接の品質確保が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、本発明に係わる上進溶接を適用するワーク例を示しており、ここでは鉄骨コラムの仕口溶接部を例にとって説明する。なお、通常、鉄骨コラムの仕口溶接部は溶接ロボットを備えた溶接ラインにおいて溶接されるが、ここでは溶接ロボットを図示していない。また、本発明においては、溶接トーチの移動方法は溶接ロボットによる方法に限定されず、例えば他の自動装置又は手動操作でもよいので、以下では具体的な溶接トーチの移動装置は説明されていない。
【００１８】
鉄骨コラムの柱１は、外形が四角柱状を成した中空の部材で構成されており、この柱１の外周側面にはＨ鋼で形成されたフランジ２が柱１の長手方向に溶接される。フランジ２は、このＨ鋼の対向する平行な部材２ａ，２ｂが柱１の長手方向に直交するように溶接されている。このフランジ２は、柱１の外周面に環状に溶接された１対のダイヤフラム３，３を介して溶接されている。そして、各ダイヤフラム３，３とフランジ２の各部材２ａ，２ｂとの仕口溶接部４には開先（通常はレ型開先）が設けられており、この鉄骨コラムをポジショナ等で回転できない場合には、この開先は上進溶接により溶接される。
【００１９】
図２は上進溶接を行うワーク開先の詳細斜視図を示しており、ここでは前記仕口溶接部４の開先を表している。なお、以下の説明では、仕口溶接部４の開先をワーク開先と呼ぶ。また、同図において、フランジ２の各部材２ａ，２ｂの開先での開先形状や溶接条件等は同じなので、説明の簡単のために部材２ａの方の上進溶接についてのみ説明する。
ダイヤフラム３の外周面に面した部材２ａの端部に開先が設けられており、この開先の溶接線方向が略鉛直方向を向くように本ワークが設置されている。この開先の溶接始端部（前記溶接線下端部）及び溶接終端部（前記溶接線上端部）には溶接線延長上に沿ってそれぞれフラックスタブ５，６を当接している。各フラックスタブ５，６は前記溶接線の延長方向にそれぞれ所定の長さＬ1 ，Ｌ2 の開先を有しており、この開先の角度（いわゆる開先角度）は、前記ワーク開先（ここでは前記フランジ２の開先）と略同一となっている。
【００２０】
フラックスタブ５，６の本体は例えばセラミックス等の非導電性の材料から形成されており、フラックスタブ５，６の開先部の表面には所定厚さの導電体層が形成されている。この導電体層は、例えば鉄粉やアルミニウム粉等の金属粉を含んで所定の導電性を有する塗布材を所定厚さに塗布したもの、あるいは、アルミ箔や亜鉛板により形成することができる。
【００２１】
図３は、本発明に係わるフラックスタブ使用時の上進溶接シーケンスを表すフローチャート例を示す。なお、フローチャートの各ステップ番号はＳを付して表す。
Ｓ１で、溶接トーチを上進溶接を行う開先の下端部の溶接開始位置へ移動させ、次にＳ２で、下端タブ部（すなわち、フラックスタブ５の開先）の溶接条件でアークスタートを行う。そして、Ｓ３で、溶接トーチの溶接線方向（ここでは鉛直方向）の移動量が前記下端タブ部の長さＬ1 に達したか否かを判断し、達しないときはＳ３を繰り返して長さＬ1 に達するまで待ち、達したときはＳ４で直ちにワーク開先の溶接条件に変更した後、このワーク開先の溶接を継続する。この次、Ｓ５で、溶接トーチの溶接線方向の移動量がワーク開先の溶接線の長さＬ0 （図２を参照）に達したか否かを判断し、達してないときはＳ５を繰り返して長さＬ0 に達するまで待ち、達したときはＳ６で直ちに上端タブ部（すなわち、フラックスタブ６の開先）の溶接条件に変更した後、上端タブ部での溶接を継続する。そして、Ｓ７で、溶接トーチの溶接線方向の移動量が上端タブ部の長さＬ2 に達したか否かを判断し、達してないときはＳ７を繰り返して長さＬ2 に達するまで待ち、達したときはＳ８でアーク停止を行い、溶接を終了する。
【００２２】
このように、各開先部、すなわち下端タブ部、ワーク開先及び上端タブ部毎に、それぞれの開先に適切な溶接条件が設定されており、フラックスタブ５，６を使用した下端タブ部及び上端タブ部での溶接条件をワーク開先の溶接条件とは異なった条件としている。なお、ここで言う溶接条件とは、溶接電流、溶接電圧、溶接速度（溶接トーチ先端速度に等しい）、開先内での溶接トーチ先端の描く軌跡、この軌跡上の各停止位置での停止タイマ時間等を表している。また、ここで言う溶接トーチ先端とは、厳密には、溶接トーチから所定の突出長だけ突き出た溶接ワイヤの先端のことを言う。
【００２３】
図４は、フラックスタブ使用時の上進溶接の下端タブ部（始端部）の溶接トーチ先端軌跡を模式的に表している。同図において、点線はフラックスタブ５内での軌跡を表し、実線はワーク開先内での軌跡を表している。
ここでは、２層の多層盛溶接の軌跡が示されており、溶接トーチは、１層目で、フラックスタブ５内の各ポイントをＰ1'→Ｐ2'→Ｐ3'→Ｐ4'→Ｐ5'→Ｐ1'の１サイクルのウィービングパターンで所定サイクル繰り返して上進溶接した後、ワーク開先内の各ポイントをＰ1 →Ｐ2 →Ｐ3 →Ｐ4 →Ｐ5 →Ｐ1 のウィービングパターンで繰り返して上進溶接する。また、２層目では、同様にして、フラックスタブ５内の各ポイントをＱ1'→Ｑ2'→Ｑ3'→Ｑ4'→Ｑ1'の１サイクルのウィービングパターンで所定サイクル繰り返して上進溶接した後、ワーク開先内の各ポイントをＱ1 →Ｑ2 →Ｑ3 →Ｑ4 →Ｑ1 のウィービングパターンで繰り返して上進溶接する。このように、フラックスタブ５内の軌跡は各層共にワーク開先内の軌跡よりも開先表面から遠い内側に設定されている。これは、非導電性のフラックスタブ５が溶けてアーク切れ異常が発生し、これによって溶接ロボット等が異常停止するなど、溶接ラインの無人化が阻害されないように、ワーク開先内でのウィービングパターンよりウィービング幅を小さくするためである。また、フラックスタブ５内の開先の内側のポイントＰ1'からスタートアークが行われており、これにより開先の端部の隙間に溶接トーチが突っ込むことを防止している。
【００２４】
また、下端タブ部では、溶接電流及び溶接電圧はフラックスタブ５に使用されている導電体層の厚さに適合させて設定され、また、ワーク開先での溶接条件に対して低めとしている。さらに、フラックスタブ５への溶け込み量を所定値以下に抑えるために、フラックスタブ５内でのウィービングパターンの繰り返しサイクル回数又は周波数、あるいは溶接線方向の上進速度により制御している。
この結果、フラックスタブ５，６から発生する不純物の量を抑え、またアーク切れ異常の発生を防止できる。また、導電体層によってフラックスタブ５，６でのアークが安定するので、フラックスタブ５，６の溶接品質が向上する。
【００２５】
図５は、フラックスタブ使用時の上進溶接の上端タブ部（終端部）の溶接トーチ先端軌跡を模式的に表しており、前記同様に、点線はフラックスタブ６内での軌跡を表し、実線はワーク開先内での軌跡を表している。
ここでも、２層の多層盛の場合の軌跡が示されており、溶接トーチは、１層目で、前記ワーク開先内の各ポイントをＰ1 →Ｐ2 →Ｐ3 →Ｐ4 →Ｐ5 →Ｐ1 のウィービングパターンで繰り返して上進溶接した後、フラックスタブ６内の各ポイントをＰ1'' →Ｐ2'' →Ｐ3'' →Ｐ4'' →Ｐ5'' →Ｐ1'' のウィービングパターンで所定サイクル繰り返して上進溶接し、ポイントＰ1'' で溶接を終了する。また、２層目では、同様にして、ワーク開先内の各ポイントをＱ1 →Ｑ2 →Ｑ3 →Ｑ4 →Ｑ1 のウィービングパターンで繰り返して上進溶接した後、フラックスタブ６内の各ポイントをＱ1'' →Ｑ2'' →Ｑ3'' →Ｑ4'' →Ｑ1'' のウィービングパターンで所定サイクル繰り返して上進溶接し、ポイントＱ1'' で溶接を終了する。このように、フラックスタブ６内の軌跡は、下端タブ部と同様に、各層共ワーク開先内の軌跡より開先の内側に設定されており、ウィービングパターンのウィービング幅を小さくしている。これは、上端タブ部での溶接時には、それまでワーク開先を上進溶接して来たときの熱がフラックスタブ６に伝達されているので、フラックスタブ６が非常に溶け易くなっているからである。したがって、上端タブ部での溶接電流、溶接電圧及び溶接速度も、ワーク開先での各条件と変えている。
【００２６】
図６〜８は、それぞれワーク開先、下端タブ部及び上端タブ部の溶接条件の一例を示しており、１層目の条件のみを示している。ここで、ポイントは図５及び図６で示したような各部の開先内での溶接トーチ先端の軌跡上の位置を表し、各ポイント間では例えばロボットの場合には溶接トーチは直線補間により移動するものとする。また、Ｘ、Ｙ、Ｚは基準ポイント（ワーク開先ではＰ１、下端タブ部ではＰ１' 、また上端タブ部ではＰ１''とする）からの各ポイントの相対位置を表している。電流、電圧及び速度は、当該ポイントまでの移動時の溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を表し、停止タイマは当該ポイントに到達した後に前記溶接電流及び溶接電圧を維持する時間を表す。このように、ワーク開先ではその開先に適合した溶接条件で上進溶接し、下端部及び上端部でのフラックスタブ５，６の開先では、それぞれワーク開先での溶接条件より小さ目にしている。例えば、軌跡がフランジ開先での軌跡より平面視で開先の内側になるように各ポイントは１〜３ｍｍ程度内側に、溶接電流及び溶接電圧はそれぞれフランジ開先より５〜１５Ａ、０〜３Ｖ小さく、また、停止タイマは小さくしている。また、電流を小さくしない場合には、各ポイントの高さ方向（同図ではＺ方向）の位置を大きくするか、速度を大きくするようにしてもよい。
【００２７】
図９は、フラックスタブ使用時の上進溶接の他のシーケンス例を表すフローチャートを示す。なお、図３で示したフローチャートと同一処理内容のステップには同一のステップ番号が付けられており、以下では異なる処理を行うステップを中心に説明する。
まず、Ｓ２で、前述同様に下端タブ部の溶接条件でアークスタートを行い、ワーク開先に向かって上進溶接する。つぎにＳ１３で、溶接トーチの溶接線方向（ここでは鉛直方向）の位置が、ワーク開先より１サイクル以内手前か否かを判断する。ここで、ワーク開先より１サイクル以内手前か否かの判断は、現在位置からワーク開先位置までの溶接線方向の距離が下端タブ部での１サイクル上進溶接時の上進距離よりも小さいか否かで判断している。そして、１サイクル以内手前でないときはＳ１３を繰り返して１サイクル以内手前になるまで待ち、手前になったときは前述同様のＳ４に処理を移行して直ちにワーク開先の溶接条件に変更し、このワーク開先の上進溶接を継続する。
【００２８】
このように、本上進溶接シーケンス例では、ワーク開先位置より１サイクル以内手前になったら、ワーク開先の溶接条件に変更して上進溶接している。これによって、ワーク開先の溶接条件に切り換わる位置がワーク開先内に入らないようにできるので、ワーク開先の溶接強度を確実に強化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる上進溶接を適用するワーク例を示す。
【図２】上進溶接を行うワーク開先の詳細斜視図である。
【図３】フラックスタブ使用時の上進溶接シーケンスのフローチャート例を示す。
【図４】上進溶接のフラックスタブの下端タブ部の溶接トーチ先端軌跡を表す。
【図５】上進溶接のフラックスタブの上端タブ部の溶接トーチ先端軌跡を表す。
【図６】フラックスタブ使用時の上進溶接のワーク開先の溶接条件を示す。
【図７】フラックスタブ使用時の上進溶接の下端タブ部の溶接条件を示す。
【図８】フラックスタブ使用時の上進溶接の上端タブ部の溶接条件を示す。
【図９】フラックスタブ使用時の上進溶接の他のシーケンスを表すフローチャート例を示す。
【図１０】従来技術に係わるスチールタブを用いた開先端部の溶接部の説明図である。
【符号の説明】
１…柱、２フランジ、３イヤフラム、４仕口溶接部、５，６フラックスタブ、１１母材、１２スチールタブ。
【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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【図１０】
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