アーク溶接装置
【課題】 ウィービング溶接を精度よく行うことができ、溶接トーチの構造が単純なアーク溶接装置を提供する。
【解決手段】 電極棒１９は、トーチ角変位軸線Ｌ１に対して傾斜して配置される。トーチ揺動駆動手段２４によって、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位する。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させた状態で、ロボット３０によって基部２１を接合方向Ｘに移動させることで、ウィービング溶接を行うことができる。電極棒１９を揺動させた場合でも、電極棒１９とトーチ角変位軸線Ｌ１との交点Ｐ１は、揺動方向に移動せずに留まる。したがって開先幅が狭くても、溶接トーチ２２および電極棒１９が被接合物１８に接触することを防いでウィービング溶接を精度よく行うことができる。また溶接トーチ２２に対して電極棒１９を揺動移動させる構成ではないので、構造を簡単化することができる。
【解決手段】 電極棒１９は、トーチ角変位軸線Ｌ１に対して傾斜して配置される。トーチ揺動駆動手段２４によって、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位する。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させた状態で、ロボット３０によって基部２１を接合方向Ｘに移動させることで、ウィービング溶接を行うことができる。電極棒１９を揺動させた場合でも、電極棒１９とトーチ角変位軸線Ｌ１との交点Ｐ１は、揺動方向に移動せずに留まる。したがって開先幅が狭くても、溶接トーチ２２および電極棒１９が被接合物１８に接触することを防いでウィービング溶接を精度よく行うことができる。また溶接トーチ２２に対して電極棒１９を揺動移動させる構成ではないので、構造を簡単化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置に関し、特に狭開先が形成される被削物を溶接するＴＩＧ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術のＴＩＧ溶接装置が特許文献１に開示される。この溶接装置は、ロボットハンドに装着される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、接合方向に直交する方向にジグザグに揺動された状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００３】
第２の従来技術のＴＩＧ溶接装置が特許文献２の［従来の技術］に開示される。この溶接装置は、トーチ管の先端部分に、棒状の電極棒が取り付けられる。電極棒の軸線と母材表面との成す角度が後退角を成すように、電極棒は、トーチ管の軸線に対して傾斜して固定される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、トーチ管を軸線まわりに揺動角変位させた状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００４】
第３の従来技術の溶接装置が特許文献２の［発明の実施の形態］に開示される。この溶接装置は、トーチ管を接合方向に対して略直角方向に共振振動可能に構成される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、トーチ管を共振振動させた状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２６３６２号公報（１９段落、図１参照）
【特許文献２】特開平１１−２３９８７８号公報（４段落、図６；３７段落、図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第１の従来技術では、ロボットの先端部を、ウィービング動作に対応させてジグザグに揺動させる必要があり、ロボットの制御が複雑となるという問題がある。さらに電極棒を揺動させる振幅幅が小さい場合、ロボットアームの慣性力の影響によって、ウィービング不良が生じるおそれがある。たとえば狭開先の突合せ継手接合の場合には、電極棒を精度よく位置決めして揺動することができない場合があり、電極棒が揺動不足となったり、電極棒が開先壁面に衝突したりするおそれがある。
【０００７】
第２および第３の従来技術では、溶接トーチに対して電極棒を揺動させる特殊な溶接トーチを用いる必要がある。また溶接トーチと電極棒とが固定される汎用的な溶接装置に比べて、構造が複雑となってしまう。これによって溶接ヘッドが故障しやすく、溶接トーチの信頼性が低下してしまうおそれがある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、ウィービング溶接を精度よく行うことができ、溶接トーチの構造が単純なアーク溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ロボットに固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線が設定される基部と、
電極棒の先端部を突出させた状態で、電極棒を着脱可能に装着する溶接トーチと、
前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶接トーチに装着される電極棒の中心軸線が前記トーチ角変位軸線に対して傾斜するように、前記溶接トーチを支持するトーチ支持部と、
前記トーチ支持部を前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するトーチ揺動駆動手段とを含み、
前記電極棒の中心軸線と前記トーチ角変位軸線との交点が、電極棒のうちで溶接トーチから突出する突出部分に配置されることを特徴とするアーク溶接装置である。
【００１０】
本発明に従えば、ロボットによって基部が変位駆動されて、トーチ角変位軸線を被接合物の開先の深さ方向に沿って配置されるとともに、電極棒の先端部が、被接合物の開先に配置される。電極棒は、トーチ角変位軸線に対して傾斜して配置される。トーチ揺動駆動手段によって、トーチ支持部をトーチ角変位軸線まわりに揺動角変位させると、電極棒の先端部は、トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位することとなる。電極棒の先端部を揺動させた状態で、ロボットによって基部を接合方向に移動させることで、電極棒の先端部をジグザグに移動させることができ、ウィービング溶接を行うことができる。
【００１１】
電極棒の先端部を揺動させた場合でも、電極棒の中心軸線とトーチ角変位軸線との交点は、揺動方向に移動せずに留まる。また溶接トーチは、電極棒の先端部を揺動させた場合でも、トーチ角変位軸線方向に関して交点よりも電極棒の先端部側に移動することがない。したがって交点を開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチおよび電極棒が被接合物に接触することを防いでウィービング溶接を行うことができる。また本発明では、溶接トーチに対して電極棒を揺動移動させる構成ではないので、構造を簡単化することができる。
【００１２】
本発明は、溶接トーチは、先端部が先細に形成される直線棒状の電極棒を同軸に装着することを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、溶接トーチが直線棒状の電極棒を装着することで、ウィービング動作を行うために特別形状の電極棒を用いる必要がない。したがって汎用的な溶接トーチおよび電極棒を用いることができ、製造コストの増加を抑えることができる。
【００１４】
本発明は、非溶極式のアーク溶接装置であって、
溶接トーチに装着される電極棒近傍の領域に溶加材を案内する溶加材ガイドと、
前記トーチ角変位軸線に平行に延びる溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶加材ガイドを支持する溶加材ガイド支持部と、
溶加材ガイドによって案内される溶加材が溶接トーチに装着される電極棒に向かうように、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するガイド揺動駆動手段とをさらに含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、ガイド揺動駆動手段によって、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する。これによって、電極棒の揺動に応じて溶加材を揺動させることができ、電極棒を揺動させた場合であっても、電極棒と溶加材との位置ずれを抑えることができる。
【００１６】
本発明は、前記ガイド揺動駆動手段は、前記トーチ揺動駆動手段の動力を伝達して、前記溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する動力伝達機構によって実現されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、ガイド揺動駆動手段は、トーチ揺動駆動手段の動力を溶加材ガイド支持部に伝達する動力伝達機構によって実現される。これによって溶加材ガイド支持部を角変位させるために、別途駆動源を必要とすることがなく、簡単な構造で溶加材ガイド支持部とトーチ支持部の動作を連動させることができる。
【００１８】
本発明は、前記基部に連結されて、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与える開先位置検出手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、開先位置検出手段が、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与えることで、ロボットは、開先位置に対する基部のずれを補正するように、基部を移動させることができる。これによってウィービング溶接を行う間に、開先の形成精度が低くても、電極棒が被接合物に干渉することを防ぐことができる。
【００２０】
本発明は、前記基部に連結されて、開先位置の深さを検出する開先深さ検出手段をさらに含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、開先深さ検出手段が、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材の供給量変化、電圧変化、基部の高さ変化を行うことで、接合品質をさらに向上することができる。
【００２２】
本発明は、前記アーク溶接装置と、前記アーク溶接装置を変位移動するためのロボットとを含むことを特徴とする溶接設備である。
【００２３】
本発明に従えば、ロボットによってアーク溶接装置を変位移動することで、ウィービング動作を行うことができる。ロボットは、アーク溶接装置を接合方向に交差する方向に揺動移動させる必要がなく、ロボットの制御を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１記載の本発明によれば、溶接トーチと電極棒とを互いに固定した状態で、ウィービング溶接を行うことができ、溶接トーチに対して電極棒を揺動させる特殊な溶接トーチを用いる必要がない。したがって溶接トーチの構造を単純化することができ、溶接トーチの信頼性を向上することができる。また電極棒の中心軸線とトーチ角変位軸線との交点を、開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチおよび電極棒が被接合物に干渉することを防いでウィービング溶接を行うことができる。これによって溶接トーチ自体が大型に形成されても、開先幅が狭い開先形状の突合せ継手を接合することができる。開先幅を狭くすることで、熱による組織変化および熱ひずみの影響を抑えることができ、接合される被接合部材の品質を向上することができる。
【００２５】
請求項２記載の本発明によれば、汎用的な溶接トーチおよび電極棒を用いて、ウィービング溶接を行うことができ、製造コストの増加を抑えることができる。
【００２６】
請求項３記載の本発明によれば、溶加材ガイドを電極棒の揺動に応じて揺動させる。これによって電極棒と溶加材との位置ずれを抑えて、ウィービング溶接を行うことができる。これによって溶加材の偏りを防ぐことができ、ビード高さをフラットにすることができる。また開先壁面付近で溶加する溶加材が不足することを防ぐことができる。これによって接合品質を向上することができる。
【００２７】
請求項４記載の本発明によれば、動力伝達機構を用いて、溶加材ガイドの揺動機構を実現することで、別途駆動手段を用いる必要がない。これによって溶加材ガイドと電極棒との連動に関して、同期制御などを行うことなく、確実に連動させることができる。これによって連動不良を防ぐことができ、溶接装置の故障を防ぐことができる。
【００２８】
請求項５記載の本発明によれば、開先位置検出手段を利用することで、開先位置に対する基部のずれを補正することができ、電極棒が被接合物に干渉することを防ぐことができる。これによって開先幅が狭くても、電極棒と被接合物とが干渉することを防いで、ウィービング溶接を行うことができる。
【００２９】
請求項６記載の本発明によれば、開先深さ検出手段が、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材の供給量変化、電圧変化、基部の高さ変化を行うことで、接合品質をさらに向上することができる。
【００３０】
請求項７記載の本発明によれば、ロボットによってアーク溶接装置を変位移動することで、ウィービング動作を行うことができる。ロボットは、アーク溶接装置を接合方向に交差する方向に揺動移動させる必要がなく、ロボットの制御を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０の溶接ヘッド１００を示す正面図である。図２は、溶接ヘッド１００の一部を拡大して示す正面図である。本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０は、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を行う装置であって、ウィービング溶接可能に構成される。アーク溶接装置２０は、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガスの雰囲気中で、タングステンから成る電極棒１９と、被接合物１８との間に、アークを発生させて、そのアーク発生領域に溶加材１７を繰出す。溶加材１７は、金属材料からなり、可撓性を有する線状体である。
【００３２】
アーク発生領域に向けて溶加材１７を順次繰出して、アーク発生領域で溶加材１７と被接合物１８とを溶融させることによって、溶融した溶加材１７によって、被接合物１８に形成される開先を埋める。これによって被接合物１８を構成する２つの被接合部材を溶接することができる。
【００３３】
被接合物１８は、アーク溶接装置２０によって、突合せ溶接が施される。本実施の形態では、溶接前の被接合物１８には、Ｖ型開先またはＸ型開先が形成される。開先は、予め定める接合方向Ｘに延びる。アーク溶接装置２０は、電極棒１９を接合方向Ｘに移動させるとともに、電極棒１９を接合方向Ｘに交差する揺動方向Ｙに揺動変位させてアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【００３４】
アーク溶接装置２０は、溶接ヘッド１００を有する。溶接ヘッド１００は、多関節ロボット３０に接続されるエンドエフェクタとして用いられ、多関節ロボット３０によって、位置および姿勢が変更される。これによって任意の位置に、アーク溶接可能となる。溶接ヘッド１００は、基部２１と、溶接トーチ２２と、トーチ支持部２３と、トーチ揺動駆動手段２４と、溶加材ガイド２５と、溶加材ガイド支持部２６と、ガイド揺動駆動手段２７とを含んで構成される。基部２１は、多関節ロボット３０の端部に固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線Ｌ１が設定される。
【００３５】
基部２１は、溶接時に開先に沿って延びる接合方向Ｘと、溶接トーチ２２を揺動させる揺動方向Ｙとが設定される。接合方向Ｘおよび揺動方向Ｙは、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な平面に沿って延びる。また接合方向Ｘおよび揺動方向Ｙは互いに直交する。また接合方向Ｘのうち、接合時に基部２１が進む方向を接合方向前方Ｘ１と称し、接合方向前方Ｘ１と反対方向を接合方向後方Ｘ２と称する。
【００３６】
溶接トーチ２２は、電極棒１９の先端部１９ｄを突出させた状態で、電極棒１９を着脱可能に装着する。溶接トーチ２２は、電極棒１９と被接合物１８との間にアークを発生させる。具体的には溶接トーチ２２は、電極棒１９と電源とを電気的に接続して、電源から端子電圧を印加して電極棒１９を通電し、被接合物１８に対して電位差を生じさせる。また溶接トーチ２２は、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスを案内して、アーク発生領域に吹き付けることで、大気中の酸素や窒素などの影響を防いで、溶融部分の酸化および窒化を防ぐ。また溶接トーチ２２は、冷却液源から供給される冷却液によって、電極棒１９を冷却し、電極棒１９の温度上昇を防ぐ。また本実施の形態では、溶接トーチ２２は、後述するＡＶＣ装置５１が設けられる。
【００３７】
溶接トーチ２２は、電極棒１９を装着した状態で、電極棒１９と一体に形成される。また溶接トーチ２２は、電極棒１９の大部分を収容する円筒状の筐体を有する。溶接トーチ２２に装着される電極棒１９は、その中心軸線が溶接トーチ２２の中心軸線と同軸に配置される。以下、溶接トーチ２２の中心軸線を電極軸線Ｌ２と称する。電極棒１９のうち溶接トーチ２２の開口から突出する突出部１９ｃは、電極軸線Ｌ２に同軸な円柱状に形成される円柱部分１９ａと、円柱部分１９ａに連なって電極軸線Ｌ２に同軸な円錐状に形成されて溶接トーチ２２から離反するにつれて先細に形成される円錐部分１９ｂとを含んで構成される。本実施の形態では、電極棒１９は、直径が３．２ｍｍに設定され、溶接トーチ２２から突出する突出部１９ｃが、約２７ｍｍに設定される。
【００３８】
トーチ支持部２３は、基部２１に設定されるトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位可能に、基部２１に連結される。またトーチ支持部２３は、溶接トーチ２２の軸線方向中間部分を着脱可能に支持する。したがってトーチ支持部２３に支持される溶接トーチ２２は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位可能に設けられる。
【００３９】
トーチ支持部２３は、溶接トーチ２２を支持する支持部分３２を有する。この支持部分３２は、トーチ角変位軸線Ｌ１から接合方向後方Ｘ２に離反して配置される。また支持部分３２に支持される溶接トーチ２２は、支持部分３２に支持される被支持部分から、溶接トーチ２２の開口に向かってその軸線方向に進むにつれて、接合方向前方Ｘ１に進んで、トーチ角変位軸線Ｌ１に近づくように傾斜する。このように溶接トーチ２２がトーチ支持部２３に支持されることで、電極軸線Ｌ２が、トーチ角変位軸線Ｌ１に対して傾斜する。本実施の形態では、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との角度θ１は、２０°に設定される。
【００４０】
溶接トーチ２２がトーチ支持部２３に支持された状態で、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とは、予め設定される交点Ｐ１で交差する。トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、電極棒１９のうちで、溶接トーチ２２から突出する突出部１９ｃであって、先端部１９ｄを除く領域の一点に配置される。電極棒１９の先端部１９ｄから交点Ｐ１までのトーチ角変位軸線Ｌ１に沿う方向の寸法Ｈ３は、接合すべき開先１６の深さ寸法Ｈ４とほぼ同程度に設定される。これによって電極棒１９の先端部１９ｄは、開先１６に臨む開先底面１５に近傍に配置可能となる。本実施の形態では、電極棒１９の先端部１９ｄから、電極軸線Ｌ２に沿って約１９ｍｍ移動した位置に、前記交点Ｐ１が設定される。アーク溶接にあたって、溶接トーチ２２は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向後方Ｘ２に配置される。また電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される。
【００４１】
図３は、トーチ揺動駆動手段２４を示す断面図である。トーチ揺動駆動手段２４は、基部２１に対して、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位駆動する。トーチ揺動駆動手段２４は、出力軸３３ａを回転駆動する揺動用モータ３３と、動力伝達機構３４とを含んで構成される。揺動用モータ３３は、出力軸３３ａの角変位量を制御可能なサーボモータで実現される。揺動用モータ３３は、出力軸３３ａを回転駆動可能に基部２１に固定される。
【００４２】
動力伝達機構３４は、揺動用モータ３３の出力軸の回転力をトーチ支持部２３に伝達する機構である。動力伝達機構３４は、歯車伝達によって動力を伝達し、各歯車が基部２１の内部空間に配置される。本実施の形態では、動力伝達機構３４は、動力入力歯車３４ａと、中間歯車３４ｂと、動力出力歯車３４ｃとを含んで構成される。動力入力歯車３４ａは、揺動用モータ３３の出力軸と同軸に固定され、その軸線まわりに回転可能に揺動用モータ３３に支持される。中間歯車３４ｂは、動力入力歯車３４ａに噛合して、その軸線まわりに回転可能に基部２１に支持される。動力出力歯車３４ｃは、中間歯車３４ｂに噛合して、その軸線まわりに回転可能に基部２１に支持される。動力出力歯車３４ｃは、連結軸３４ｄが同軸に固定される。連結軸３４ｄは、基部２１に設けられて、トーチ支持部２３に対して一体に連結されることで、トーチ支持部２３を基部２１に対して支持する。各歯車３４ａ，３４ｂ，３４ｃの回転軸線は、互いに平行に設定される。動力出力歯車３４ｃの回転軸線は、トーチ角変位軸線Ｌ１と一致して配置される。
【００４３】
揺動用モータ３３が、出力軸３３ａをその角変位軸線まわりに揺動角変位駆動することによって、連結軸３４ｄとともにトーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位することができる。また動力伝達機構３４が、揺動用モータ３３の動力を減速する減速機を兼ねる。揺動用モータ３３が、動力伝達機構３４を介して、動力をトーチ支持部２３に与えることで、アーク発生領域から可及的に離反させることができ、アーク発生領域で生じた火花などが揺動用モータ３３に到達することを防ぐことができる。
【００４４】
溶加材ガイド２５は、溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部近傍の領域に溶加材１７を案内する。溶加材ガイド２５は、溶加材１７が挿通する挿通孔が形成される。挿通孔を通過した溶加材１７の先端部は、電極棒１９の先端部近傍の領域に位置する。溶加材１７は、リールに巻かれた状態から、送給装置によって繰出されて、溶加材ガイド２５の挿通孔を通過することで、電極棒１９の先端部近傍の領域に送給される。
【００４５】
溶加材ガイド支持部２６は、基部２１に設定される溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位可能に、基部２１に連結される。ここで溶加材角変位軸線Ｌ３は、基部２１に予め設定され、トーチ角変位軸線Ｌ１に平行に延びて、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される軸線である。また溶加材ガイド支持部２６は、溶加材ガイド２５を支持する。これによって溶加材ガイド支持部２６に支持される溶加材ガイド２５は、溶加材ガイド支持部２６とともに溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに角変位可能に設けられる。溶加材ガイド支持部２６に支持される溶加材ガイド２５は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される。
【００４６】
溶加材ガイド支持部２６は、溶加材ガイド２５を把持する把持部分３５と、把持部分３５に連結されて円柱状の軸部分３６とを含んで構成される。軸部分３６は、溶加材角変位軸線Ｌ３と同軸に延びて、溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位可能に構成される。軸部分３６は、軸線方向一端部３６ａが基部２１に支持され、軸線方向他端部３６ｂに把持部分３５が連結される。
【００４７】
ガイド揺動駆動手段２７は、溶加材ガイド２５によって案内される溶加材１７が溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部１９ｄに向かうように、トーチ支持部２３の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位駆動する。
【００４８】
図４は、被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを示す斜視図である。本実施の形態では、突合せ接合される２つの被接合部材１８ａ，１８ｂは、略同一直径に形成される２つの短筒状薄肉管である。このような２つの短筒状薄肉管が、同軸に配置された状態で、一方の短筒状薄肉管の軸線方向端部と、他方の短筒状薄肉管の軸線方向端部とが突合わされた状態で、その突合せ部分に開先１６が形成される。開先１６は、管を周方向に一周する。開先１６が形成される継手部分が、アーク溶接装置２０によってアーク溶接される。このようにして短円筒状薄肉管が複数溶接された被接合物１８は、たとえば直径が５〜１０ｍ、高さ１０〜２０ｍ、板厚２５ｍｍの液化天然ガス（ＬＮＧ）貯留用タンクとして用いられる。また開先１６は、幅寸法に比べて深さ寸法が大きい狭開先形状に形成される。具体的には、深さ寸法が約１８ｍｍであって、幅寸法が約８ｍｍに形成される。
【００４９】
図５は、ウェービング動作を説明するために、接合方向前方Ｘ１から接合方向後方Ｘ２に被接合物１８の開先１６を見て示す断面図である。アーク溶接にあたって、多関節ロボット３０によって基部２１が変位駆動されて、トーチ角変位軸線Ｌ１が被接合物１８の開先１６の幅方向中央位置に配置されるとともに、接合方向Ｘが開先１６の伸延方向に沿って配置される。また多関節ロボット３０によって、被接合物１８の開先１６に電極棒１９が挿入される。このとき電極棒１９の先端部１９ｄは、開先１６に臨む開先底面１５に近傍に配置され、開先底面１５との間に間隔をあけて配置される。
【００５０】
トーチ揺動駆動手段２４によって、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位させると、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位する。具体的には、接合方向Ｘに垂直な切断面でみたときに、図５（１）に示すように、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とが一致する標準状態とする。
【００５１】
図５（２）に示すように標準状態に対して、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方に角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄは、標準状態に比べて開先１６内で揺動方向一方Ｙ１に移動する。また図５（３）に示すように、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方に角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄは、標準状態に比べて開先内で揺動方向他方Ｙ２に移動する。
【００５２】
トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位させることで、図５（２）に示す第１揺動状態と、図５（３）に示す第２揺動状態とが交互に繰返され、電極棒１９の先端部１９ｄは、揺動方向一方Ｙ１と揺動方向他方Ｙ２とに交互に移動する。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させた場合でも、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、揺動方向Ｙに移動せずに留まる。したがって電極棒１９のうち、交点Ｐ１近傍部分では、揺動方向Ｙに揺動する振れ幅が小さい。
【００５３】
これによって交点Ｐ１を開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、電極棒１９を揺動させるにあたって、電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐことができる。特に交点Ｐ１を開先１６の開口近傍に配置することによって、被接合物１８との接触を防いで、開先１６の深い位置に電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させることができる。
【００５４】
前記標準状態において、トーチ角変位軸線Ｌ１から電極棒１９の先端部１９ｄまでの、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向の距離をＨ１とする。トーチ角変位軸線Ｌ１から被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂまでの揺動方向距離をＨ２する。溶接トーチ２２をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位させる角度範囲を±θ２とすると、Ｈ１・ｓｉｎ（θ２）＜Ｈ２の関係に設定される。これによって電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐことができる。本実施の形態では、溶接トーチ２２を角変位軸線Ｌ１まわりに±２０°角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄが、被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することなく、内壁１４ａ，１４ｂの近傍にわたって揺動方向Ｙに交互に移動させることができる。
【００５５】
また溶接トーチ２２によって、電極棒１９の先端部１９ｄと、開先底面１５との間にアークを発生させることができ、被接合物１８の一部をアークによって溶融させることができる。またアーク発生領域に溶加材１７を順次送給して、アーク発生領域で溶加材１７と被接合物１８とを溶融させて、溶融した溶加材１７によって、被接合物１８に形成される開先を順次埋める。これによって被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを溶接することができる。本実施の形態では、トーチ支持部２３によって溶接トーチ２２を揺動角変位させた状態で、溶接トーチ２２によってアークを発生させることで、アークを揺動方向Ｙに動かしながら溶接することができる。また溶加材１７の先端部は、溶加材ガイド２５によって案内されることで、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動に追従して、揺動する電極棒１９の先端部１９ｄの近傍位置に配置される。これによって溶加材１７の溶融不足を防ぐことができる。
【００５６】
さらに電極棒１９は、図５（２）に示すように、揺動方向一方Ｙ１に揺動移動するときは、先端部１９ｄが最も揺動方向一方Ｙ１に位置して、先端部１９ｄから基端部に向かうにつれて揺動方向他方Ｙ２に進む。これによって電極棒１９がトーチ角変位軸線Ｌ１に平行な状態で、その先端部１９ｄが揺動方向一方Ｙ１に位置する場合に比べて、電極棒１９と被接合物１８との干渉を防いで、揺動方向一方Ｙ１に向けてアークを発生させることができ、被接合物１８の開先１６の揺動方向一方Ｙ１の内壁１４ａの溶融不良を防ぐことができる。
【００５７】
同様に図５（３）に示すように、揺動方向他方Ｙ２に揺動移動するときには、先端部１９ｄが最も揺動方向他方Ｙ２に位置して、先端部１９ｄから基端部に向かうにつれて揺動方向一方Ｙ１に進む。これによって電極棒１９がトーチ角変位軸線Ｌ１に平行な状態で、その先端部１９ｄが揺動方向他方Ｙ２に位置する場合に比べて、電極棒１９と被接合物１８との干渉を防いで、揺動方向他方Ｙ２向けてアークを発生させることができ、被接合物１８の開先１６の揺動方向他方Ｙ２の内壁１４ｂの溶融不良を防ぐことができる。
【００５８】
図６は、トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７と、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８とを示す平面図である。図６には、トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７を一点鎖線で示し、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８を破線で示す。トーチ揺動駆動手段２４によって、開先１６内で電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させたるとともに、多関節ロボット３０によって、基部２１を開先１６の伸延方向に沿って移動させる。このときトーチ角変位軸線Ｌ１は、開先１６の幅方向中央位置を通過して、開先１６の伸延方向に延びる移動軌跡３７に沿って進む。
【００５９】
これによって溶接ヘッド１００は、電極棒１９の先端部１９ｄを、被接合物１８に対して、開先１６の伸延方向に沿って移動するとともに、その伸延方向に直交する方向にジグザグに揺動する移動軌跡３８に沿って移動させることができる。これによって電極棒１９の先端部１９ｄを、いわゆるウィービングさせることができ、開先１６の幅方向に広がる幅広のビードを形成することができる。
【００６０】
図７は、溶融した溶加材を多層盛りして、被接合物１８の開先１６を埋めた状態を示す断面図である。アーク溶接によって、開先１６に溶融した溶加材が固化した溶加材層１３を厚み方向に順次積層して形成する。このように溶加材１７を多層盛りすることによって、開先１６の深さが深い場合であっても、開先１６を溶加材１７で埋めることができる。多関節ロボット３０によって、既に形成された溶加材層１３に対して、電極棒１９の先端部１９ｄを予め定める距離離間させた状態で、円筒状の被接合物１８の外周を複数回、周回させてアーク溶接することで、溶加材層１３を開先１６に積層させた多層盛りを形成することができる。このように溶接ヘッド１００を、被接合物１８に対して周回させてアーク溶接することで、開先１６の周方向にわたって一様な接合品質を得ることができる。
【００６１】
以上のように本実施の形態では、トーチ揺動駆動手段２４によって、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位駆動される。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させた状態で、多関節ロボット３０によって基部２１を開先１６の伸延方向に移動させることで、電極棒１９の先端部１９ｄをジグザグに移動させることができ、ウィービング溶接を行うことができる。
【００６２】
また電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させる場合、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、揺動方向Ｙに移動せずに留まる。したがって電極棒１９のうち、交点Ｐ１近傍部分では、揺動方向Ｙに揺動する振れ幅が小さい。これによって開先幅が狭くても、電極棒１９が開先１６の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防いでウィービング溶接を行うことができる。
【００６３】
これによって溶接トーチ２２自体が大型に形成されても、開先幅が狭い開先形状の突合せ継手を接合することができる。開先幅を狭くすることで、熱による組織変化および熱ひずみ、内部応力、割れおよび材質劣化などの熱の影響を抑えることができ、接合される被接合部材の品質を向上することができる。また開先幅が幅広の場合に比べて、被接合物１８の溶接を短時間で行うことができる。
【００６４】
特に、開先底面１５を溶融させる場合、言い換えると最も深い部分に溶加材を溶着する場合には、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１を、開先１６の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチ２２および電極棒１９が被接合物１８に干渉することを防いでウィービング溶接を行うことができる。
【００６５】
また本実施の形態では、ウィービング溶接にあたって、多関節ロボット３０は、開先１６の伸延方向に沿う直線的な移動軌跡３７に沿って、基部２１を移動させる。したがって多関節ロボット３０によって、溶接ヘッドを揺動方向Ｙに揺動させながら接合方向Ｘに移動させる場合に比べて、多関節ロボット３０による溶接ヘッド１００の変位駆動を簡単化することができる。これによって多関節ロボット３０のウェービング動作に関する位置教示動作を容易に行うことができる。また溶接トーチ２２を角変位軸線Ｌ１まわりに角変位させる角変位量を変更するだけで、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動方向Ｙに関する変位量を容易に変更させることができる。また開先１６の伸延方向に関する溶接トーチ２２の走行量に応じて、揺動方向Ｙの変位量Ｙを拡大または縮小させることも可能となる。また電極棒１９が開先に侵入可能であるならば、開先幅が極めて小さい場合であっても、角変位量を小さくすることで、電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに衝突することなく、ウィービング溶接を行うことができる。
【００６６】
また本実施の形態では、溶接トーチ２２と電極棒１９とを一体に固定させた状態で、ウィービング溶接を行うことができる。したがって従来技術のように、溶接トーチ２２に対して電極棒１９を揺動させる特殊な溶接トーチ２２を用いる必要がなく、溶接トーチ２２の構造を単純化することができ、溶接トーチ２２の信頼性を向上することができる。また本実施の形態では、溶接トーチ２２が直線棒状の電極棒１９を装着することで、ウィービング動作を行うために特別形状の電極棒を用いる必要がない。したがって汎用的な溶接トーチ２２および電極棒１９を用いることができ、製造コストの増加を抑えることができる。また直線棒状の電極棒１９を用いることで、電極棒１９の先端部１９ｄがアーク溶接によって消耗した場合に、他の電極棒１９への変更を容易に行うことができる。さらに先端部１９ｄが消耗した電極棒１９について、その先端部１９ｄを研磨することで、アーク溶接可能な電極棒１９として再利用することができ、電極棒１９の消費数を低減することができる。また汎用的な溶接トーチ２２および電極棒１９を用いることで、図５（１）に示す標準状態とすることで、通常のアーク溶接を行うこともできる。
【００６７】
図８は、図２のＳ８−Ｓ８切断面線から見て、ガイド揺動駆動手段２７の動作を模式的に示す断面図である。図８（１）〜図８（３）は、図５（１）〜図５（３）にそれぞれ対応する。また図８では、周方向一方Ｒ１が時計まわりに設定され、周方向他方Ｒ２が反時計まわりに設定される。本実施の形態では、ガイド揺動駆動手段２７は、トーチ揺動駆動手段２４の動力を伝達する動力伝達機構によって実現される。
【００６８】
ガイド揺動駆動手段２７は、案内体４０と、案内輪４１と、リンク体４２とを含んで構成される。案内体４０は、トーチ支持部２３に設けられる。トーチ支持部２３は、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な第１方向Ａと、前記第１方向Ａおよびトーチ角変位軸線Ｌ１にともに垂直な第２方向Ｂとが設定される。第１方向Ａと第２方向Ｂとは、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な一平面に含まれる。第１方向Ａおよび第２方向Ｂは、トーチ支持部２３に設定されるので、トーチ支持部２３のトーチ角変位軸線Ｌ１まわりの角変位とともに、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。
【００６９】
案内体４０は、トーチ支持部２３から突出して、第１方向Ａに平行に延びる一対のレール部４０ａ，４０ｂを有する。各レール部４０ａ，４０ｂは、第２方向Ｂに間隔をあけて配置される。これによって案内体４０は、第１方向Ａに沿って延びる空間であるレール溝が形成される。また各レール部４０ａ，４０ｂの第２方向中央位置にトーチ角変位軸線Ｌ１が設定される。言い換えるとトーチ角変位軸線Ｌ１は、レール溝４３を通過して延びる。案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。
【００７０】
案内輪４１は、各レール部４０ａ，４０ｂの間に嵌り込むことによって、第２方向Ｂの変位が阻止されるとともに、第１方向Ａに移動可能に形成される。また案内輪４１は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも溶加材角変位軸線Ｌ３寄りに配置される。案内輪４１は、トーチ角変位軸線Ｌ１と平行な回転軸線Ｌ４が設定される円筒状に形成され、いわゆるカムフォロアによって実現される。
【００７１】
リンク体４２は、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向に延びる略長手形状に形成される。リンク体４２は、長手方向一端部４２ａが溶加材ガイド支持部２６の軸部分３６に固定され、長手方向他端部４２ｂで案内輪４１を支持する。案内輪４１は、その回転軸線Ｌ４まわりに回転可能にリンク体４２に支持される。またリンク体４２は、溶加材角変位軸線Ｌ３から案内輪４１までの距離を一定に保つ。
【００７２】
図８（１）に示す標準状態では、溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４とを結ぶ直線と、案内輪４１の回転軸線Ｌ４とトーチ角変位軸線Ｌ１とを結ぶ直線が同一平面上に配置される。このときリンク体４２の長手方向と、トーチ支持部２３の第１方向Ａとが平行に延びる。また図５（１）に示すように、接合方向Ｘに垂直な切断面でみたときに、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とが一致する標準状態とする。また標準状態では、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１から案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向かって延びる。また溶加材ガイド２５に案内される溶加材１７の先端部は、溶加材角変位軸線Ｌ３から案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向かって延びる。
【００７３】
図８（２）は、標準状態から、トーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位した状態を示す。この状態では、案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位する。このときリンク体４２によって溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４との距離が一定に維持されるので、案内輪４１は案内体４０に第２方向Ｂに摺動案内されて、リンク体４２を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２に角変位させる。
【００７４】
図８（３）は、標準状態から、トーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に角変位した状態を示す。この状態では、案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に角変位する。このときリンク体４２によって溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４との距離が一定に維持されるので、案内輪４１は案内体４０に第２方向Ｂに摺動案内されて、リンク体４２を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向一方Ｒ１に角変位させる。
【００７５】
これによって標準状態から、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１および周方向他方Ｒ２に交互に揺動角変位させることによって、リンク体４２に固定される溶加材ガイド支持部２６を、溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２および周方向一方Ｒ１に交互に揺動角変位させることができる。このようにトーチ支持部２３の角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を角変位させるとともに、トーチ支持部２３の角変位方向Ｒ１，Ｒ２に対して、反対方向Ｒ２，Ｒ１に溶加材ガイド支持部２６を角変位させることができる。したがって、揺動状態に拘わらず、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとは、案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向いて配置される。
【００７６】
図９は、図２のＳ９−Ｓ９切断面線から見て、電極棒１９と溶加材１７の動作を示す図である。図９（１）〜図９（３）は、図５（１）〜図５（３）、図８（１）〜図８（３）にそれぞれ対応する。また図９では、周方向一方Ｒ１が時計まわりに設定され、周方向他方Ｒ２が反時計まわりに設定される。
【００７７】
上述したようにトーチ支持部２３の角変位に連動して溶加材ガイド支持部２６が角変位する。したがって、図９（１）に示す標準状態から、図９（２）に示すように、電極棒１９の先端部１９ｄが揺動方向一方Ｙ１に変位すると、溶加材１７の先端部１７ａもまた揺動方向一方Ｙ１に変位する。また図９（１）に示す標準状態から、図９（３）に示すように、電極棒１９の先端部１９ｄが揺動方向他方Ｙ２に変位すると、溶加材１７の先端部１７ａもまた揺動方向他方Ｙ２に変位する。本実施の形態では、標準状態における案内輪４１の回転軸線Ｌ４と、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとが、略一致することで、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの揺動方向Ｙの変位量を略一致させることができる。
【００７８】
たとえばトーチ角変位軸線Ｌ１から電極棒１９の先端部１９ｄまでの、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向の距離をＨ１とし、溶加材角変位軸線Ｌ３から溶加材１７の先端部１７ａまでの、溶加材角変位軸線Ｌ３に垂直な方向の距離をＨ５とする。また標準状態からトーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位する角度をφ１とした場合に、溶加材ガイド支持部２６が溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２に角変位する角度をφ２とする。この場合、Ｈ１・φ１≒Ｈ２・φ２に設定される。これによって、溶加材１７の先端部１７ａとが、略一致することで、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの揺動方向Ｙの変位量を略一致させることができる。本実施の形態では、Ｈ１＝５．９ｍｍ、Ｈ５＝５０ｍｍ、φ１＝１０°、φ２＝１．２°に設定される。
【００７９】
以上のようにガイド揺動駆動手段２７によって、トーチ支持部２３の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位駆動する。これによって電極棒１９の揺動に応じて溶加材１７を揺動させることができ、電極棒１９を揺動させた場合であっても、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの位置ずれを抑えて、ウィービング溶接を行うことができる。これによって溶加材１７の偏りを防ぐことができ、ビード高さをフラットにすることができる。また開先壁面付近で溶融する溶加材１７が不足することを防ぐことができ、接合品質を向上することができる。
【００８０】
さらにガイド揺動駆動手段２７は、トーチ揺動駆動手段２４の動力を溶加材ガイド支持部２６に伝達する動力伝達機構によって実現される。これによって溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに角変位させるために、別途駆動源を必要とすることがなく、簡単な構造で溶加材ガイド支持部２６とトーチ支持部２３の動作を連動させることができる。また溶加材１７と電極棒１９との連動に関して、同期制御などを行うことなく、確実に連動させることができる。これによって連動不良を防ぐことができ、アーク溶接装置２０の故障を防ぐことができる。また溶接トーチ２２と溶加材ガイド２５とを接合方向に離反させることで、構成部品の集中化を防ぎ、溶接装置の構造を簡単化することができる。また本実施の形態では、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりのトーチ支持部２３の揺動角変位量を調整することで、開先幅に応じて、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動量を容易に変化させることができる。また多関節ロボット３０による移動に拘わらず、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動量を変化させることができる。
【００８１】
図１０は、アーク溶接装置２０を含む溶接システム６１を示すブロック図である。溶接システム６１は、アーク溶接装置２０と、アーク溶接装置２０を移動させるロボット３０と、アーク溶接装置２０および多関節ロボット３０を制御する制御装置６０とを含む。制御装置６０は、アーク溶接装置２０を統括的に制御する。また本実施の形態では、制御装置６０は、多関節ロボット３０に動作指令を与える。
【００８２】
アーク溶接装置２０は、溶接用電源装置５０と、ＡＶＣ装置５１と、ガス送給装置５２と、ワイヤ送給装置５３と、冷却水送給装置５９と、上述した揺動用モータ３３と、エンコーダ５４と、レーザセンサ５５とを含んで構成される。溶接用電源装置５０と、ガス送給装置５２と、ワイヤ送給装置５３とは、溶接ヘッド１００とは別体に設けられる。またＡＶＣ装置５１と、揺動用モータ３３と、エンコーダ５４とは、溶接ヘッド１００に一体に形成される。
【００８３】
溶接用電源装置５０は、直流電源または交流電源であって、電極棒１９と、被接合物１８とに電位差を生じさせるための装置である。溶接用電源装置５０は、一方の出力端子と、他方の出力端子との間に電位差を生じさせる。一方の出力端子と、溶接トーチ２２に装着される電極棒１９とが、溶接ケーブルによって電気的に接続される。また他方の出力端子と、被接合物１８とが、接地ケーブルによって電気的に接続される。これによって被接合物１８と、電極棒１９とで電位差が生じて、被接合物１８と電極棒１９の先端部１９ｄとの間に、アークを発生させることができる。またアーク発生時に生じる熱を利用して溶接を行うことができる。溶接用電源装置５０は、制御装置６０からアーク発生指令が与えられることで、２つの出力端子に電位差を生じさせる。
【００８４】
ＡＶＣ装置５１は、自動電圧制御（Arc Voltage Controller、略称ＡＶＣ）であって、アーク発生時におけるアーク電圧と、制御装置６０に設定される基準電圧とを比較して、
溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部１９ｄをトーチ角変位軸線Ｌ１に沿って上下動させて、アーク長が一定となるように調整する。本実施の形態では、ＡＶＣ装置５１は、ユニットとして溶接トーチ２２に設けられる。開先１６の伸延方向に沿ってアーク溶接するにあたって、ＡＶＣ装置５１によって電極棒１９の先端部１９ｄの位置を変位させることで、開先底面１５の凹凸による溶接欠陥を抑え、ビード外観の均一化を図ることができる。ＡＶＣ装置５１は、制御装置６０から駆動指令が与えられることで、アーク長が一定となるように電極棒１９の先端部１９ｄの位置を調整する。
【００８５】
ガス送給装置５２は、不活性ガスを圧縮貯留するボンベと、ボンベ内の不活性ガスを減圧して噴出させる圧力調整器と、圧力調整器から溶接トーチ２２に不活性ガスを導く管路を形成するガスホースと、ガスホースに介在される開閉弁とを有する。開閉弁が管路を開くことで、ボンベから溶接トーチ２２に向けて不活性ガスが流下する。また開閉弁が管路を閉じることで不活性ガスの流下が阻止される。溶接トーチ２２は、ガス送給装置５２から送給される不活性ガスを、溶接トーチ２２の開口からアーク発生領域に噴射させる。ガス送給装置５２は、制御装置６０からガス送給指令が与えられることで、開閉弁によって管路を開いて、不活性ガスを溶接トーチ２２の開口から噴射させる。
【００８６】
ワイヤ送給装置５３は、溶加材１７が複数巻掛けられるワイヤリールと、ワイヤリールに巻掛けられる溶加材１７を繰出す送給機とを含んで構成される。溶加材１７は、送給機から溶加材ガイド２５に導かれる。また送給機によって繰出された溶加材１７は、溶加材ガイド２５によって案内されて、溶加材１７の先端部１７ａが、電極棒１９の先端部１９ｄに向かって案内される。ワイヤ送給装置５３は、制御装置６０からワイヤ送給指令が与えられることで、送給機によって、溶加材１７をワイヤリールから繰出して溶加材ガイド２５に送給する。
【００８７】
冷却水送給装置５９は、冷却水を供給するための冷却水源と、冷却水源から溶接トーチ２２に冷却水を導くとともに、溶接トーチ２２で暖められた冷却水を排出タンクに導く循環ホースと、循環ホースに介在される開閉弁とを有する。開閉弁が管路を開くことで、冷却水源から溶接トーチ２２に向けて冷却水が流下する。また開閉弁が管路を閉じることで冷却水の流下が阻止される。溶接トーチ２２は、冷却水が導かれることで、温度上昇が抑えられる。冷却水送給装置５９は、制御装置６０から冷却水送給指令が与えられることで、開閉弁によって管路を開いて、冷却水を溶接トーチ２２に導く。
【００８８】
制御装置６０は、制御手順を示すプログラムおよび制御条件を示すでータベースなどが記憶される記憶回路と、記憶回路に記憶されるプログラムを実行する演算回路とを含んで構成される。制御装置６０は、たとえばプログラマブルコントローラによって実現される。また記憶回路は、ＲＯＭ（Read Only memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）
によって実現され、演算回路は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。
【００８９】
揺動用モータ３３は、制御装置６０から与えられる角変位指令に従って、出力軸３３ａを角変位させて、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。またエンコーダ５４は、揺動用モータ３３の出力軸３３ａの角変位量を検出する検出手段であって、検出結果を示す信号を制御装置６０に与える。またレーザセンサ５５は、開先位置を検出する開先位置検出手段であって、レーザセンサ５５に対する開先位置の揺動方向Ｙの位置を示す信号を制御装置６０に与える。またレーザセンサ５５は、開先の深さを検出する開先深さ検出手段を兼用し、開先底面１５の深さ方向の位置を示す信号を制御装置６０に与える。
【００９０】
図１１は、溶接ヘッド１００を示す平面図である。また図１２は、溶接ヘッド１００を示す左側面図である。レーザセンサ５５は、溶接ヘッド１００に設けられる。レーザセンサ５５は、アーム部材５６を介して基部２１に固定される。レーザセンサ５５およびアーム部材５６は、溶接トーチ２２および溶加材ガイド２５の揺動を阻害しない一に配置され、溶接トーチ２２の揺動に拘わらず、基部２１に対して一定の位置に固定される。レーザセンサ５５は、溶接トーチ２２および溶加材ガイド２５よりも接合方向前方Ｘ１に位置する開先領域を撮像する。制御装置６０は、レーザセンサ５５から撮像された開先領域を示す情報を画像処理することで、基部２１に対する開先の内壁１４ａ，１４ｂ、開先１６の幅方向中央位置、開先底面１５の深さを求めることができる。制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に基づくことによって、開先１６に倣ってトーチ角変位軸線Ｌ１を揺動方向に変位させることができる。
【００９１】
図１３は、溶接ヘッド１００を示す右側面図である。多関節ロボット３０は、６軸の垂直多関節ロボットによって実現され、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５が設定される。多関節ロボット３０は、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５まわりに基部２１を回転させることができる。本実施の形態では、多関節ロボット３０の手首部は、連結部材５７を介して、基部２１と連結される。多関節ロボット３０は、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５と、前記トーチ角変位軸線Ｌ１とが一致するように、基部２１を連結する。また基部２１は、アーク発生領域を覆うシールド部材５８が固定される。シールド部材５８は、溶接トーチ２２に対して、揺動方向Ｙ両側および接合方向後方Ｘ２に配置されて、アーク発生領域を覆う。これによってアーク発生領域を不活性ガスで満たすことができるとともに、アークによる火花がシールド部材５８の外方に飛散することを防ぐことができる。
【００９２】
図１４は、制御装置６０のアーク溶接手順を示すフローチャートである。まずステップａ０で、被接合物１８に開先１６が形成されるとともに、アーク溶接可能な接合準備が完了した状態で、作業者などからアーク溶接指令が与えられると、ステップａ１に進み溶接動作を開始する。制御装置６０は、記憶回路に記憶される溶接プログラムを実行することによって、以下の動作を実行する。
【００９３】
ステップａ１では、制御装置６０は、多関節ロボット３０に移動指令を与えて、予め作業者などから予め定められる初期位置に、溶接ヘッド１００を移動させる。初期位置は、開先１６内に電極棒１９の先端部１９ｄが配置されるとともに、開先１６の伸延方向に、基部２１の接合方向Ｘが沿う位置である。溶接ヘッド１００が初期位置に移動すると、ステップａ２に進む。
【００９４】
ステップａ２では、制御装置６０は、ガス送給装置５２にガス送給指令を与えるとともに、冷却水送給装置５９に冷却水送給指令を与える。次に、溶接用電源装置５０にアーク発生指令を与えるとともに、ワイヤ送給装置５３にワイヤ送給指令を与えて、電極棒１９と被接合物１８との間にアークを発生させると同時に、溶加材１７の送給を開始する。このようにして、アーク溶接を開始すると、ステップａ３に進む。
【００９５】
ステップａ３では、制御装置６０は、多関節ロボット３０によって、基部２１を開先１６の伸延方向に沿って移動させる。このとき制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に従って、多関節ロボット３０に揺動方向に移動指令を与えて、トーチ角変位軸線Ｌ１を、開先１６の揺動方向中央位置に配置させた状態を維持させる。また制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に従って、開先１６の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐ揺動変位量を求める。制御装置６０は、求めた揺動変位量で電極棒１９の先端部１９ｄを揺動変位させるように、エンコーダ５４からの検出結果に基づいて、揺動用モータ３３に揺動指令を与える。
【００９６】
またウィービング溶接中に、制御装置６０は、ＡＶＣ装置５１に駆動指令を与えて、アーク長が一定となるように電極棒１９の先端部１９ｄと開先底面１５との距離を調整する。これによって開先底面１５の凹凸による溶接欠陥を抑え、ビード外観の均一化を図ることができる。このようにしてウィービング溶接を開始すると、ステップａ３に進む。
【００９７】
ステップａ３では、制御装置６０は、溶接ヘッド１００が被接合物１８を周回して、開先底面１５から予め定める粗仕上げ高さまで、溶加材１７を多層盛りしたか否かを判断する。たとえば初期位置を予め定める回数旋回したことを判断したり、レーザセンサ５５によって開先１６の溶加材１７の高さが粗仕上げ高さに達したことを判断したりすると、ステップａ４に進む。制御装置６０は、開先底面１５から予め定める高さまで、溶加材１７を多層盛りしたと判断するまで、ステップａ３を繰返す。たとえば粗仕上げ高さは、開先１６の深さ寸法とほぼ同一に設定される。
【００９８】
ステップａ４では、制御装置６０は、仕上げ溶接制御を行う。具体的には、制御装置６０は、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛り高さが最終仕上げ高さＨ１０以上となるようにワイヤ送給装置５３を制御する。図１５は、仕上げ時のワイヤ送給装置５３の制御を説明するためのグラフである。図１５の横軸は、溶接ヘッド１００の移動位置を示す。図１５の縦軸は、溶接ヘッド１００の位置毎での溶加材１７の多層盛り高さを示す図である。ステップａ４では、制御装置６０は、ステップａ３に継続してウィービング溶接を行って溶接ヘッド１００を移動させるときに、溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０以上である期間Ｗ１については、ワイヤ送給装置５３によるワイヤ送給を停止する。また溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０未満である期間Ｗ２については、ワイヤ送給装置５３によるワイヤ送給を行う。制御装置６０は、溶加材１７の多層盛りの高さは、レーザセンサ５５からの信号に基づいて演算することができる。このようにして制御装置６０は、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０以上となったことを判断すると、ステップａ５に進む。
【００９９】
ステップａ５では、制御装置６０は、溶接用電源装置５０にアーク停止指令を与えて、アークの発生を終了させるとともに、ＡＶＣ装置５１および揺動用モータ３３に駆動停止指令を与える。また制御装置６０は、ガス送給装置５２、ワイヤ送給装置５３、冷却水送給装置５９にそれぞれ、送給終了指令を与える。このようにして各装置に終了指令を与えると、ステップａ６に進む。ステップａ６では、制御装置６０は、多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を予め定められる待機位置に移動させて、ステップａ７に進み、溶接動作を終了する。
【０１００】
以上のように本実施の形態では、多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を移動させることで、任意の位置および姿勢に溶接ヘッド１００を移動させることができ、溶接可能な場面を増やすことができる。また本実施の形態では、多関節ロボット３０は、開先１６に沿って溶接ヘッド１００の基部２１を移動させるだけで、ウィービング溶接を行うことができ、多関節ロボットの手首を揺動方向に移動させる場合に比べて、ウィービングに生じる慣性力が小さく、高速揺動可能でかつ高精度にウィービング溶接を行うことができる。また狭開先であってもアーク溶接することができる。
【０１０１】
またレーザセンサ５５を用いて、開先位置に対する基部２１の揺動方向の相対位置を検出する。制御装置６０が、レーザセンサ５５の検出結果に基づいて、多関節ロボット３０を制御する。これによって多関節ロボット３０は、開先１６に対する基部２１のずれを補正するように、基部２１を移動させることができる。これによってウィービング溶接を行う間に、開先１６の形成精度が低くても、電極棒１９が被接合物１８に干渉することを防ぐことができる。
【０１０２】
またレーザセンサ５５を用いて、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材１７の供給量変化、アーク電圧変化、基部２１の高さ変化などの溶接条件を変更することで、接合品質をさらに向上することができる。本実施の形態では、ステップａ４における仕上げ溶接工程で、溶加材１７の多層盛り高さに応じて、溶加材１７の送給の有無を変更することで、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛り高さのばらつきを抑えることができ、美感および接合強度を向上して、接合品質を向上させることができる。また本実施の形態では、レーザセンサ５５を用いることで、開先位置検出手段と、開先深さ検出手段とを別途用意する場合に比べて、アーク溶接装置の構成を簡単化することができる。
【０１０３】
また本実施の形態では、溶接トーチ２２の揺動にかかわらずに、レーザセンサ５５が基部２１に対して固定されることで、溶接トーチ２２の揺動とともにぶれることがなく、精度よく、開先位置および開先部分の深さを求めることができる。また本実施の形態では、ロボットの手首に設定されるエンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５と、トーチ角変位軸線Ｌ１とが同軸に設定されることで、ロボットの手首位置に設定される座標と、前記交点Ｐ１の座標とを容易に関連づけることができ、制御装置６０は、ロボット３０の移動位置を容易に演算することができる。
【０１０４】
また本実施の形態では、仕上げ工程として、ウィービングさせながら、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材送給の有無を切換えたが、ウィービングさせずに、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材送給の有無を切換えてもよい。また溶接ヘッド１００による周回の途中で、仕上げ工程を行ってもよい。したがって仕上げ工程と、通常のウィービング溶接工程とを交互に繰返してもよい。これによってさらに溶加材１７の多層盛り高さを均一化することができる。
【０１０５】
上述した本実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば本実施の形態では、開先は、Ｖ字開先としたが、他の開先形状であってもよく、たとえばＸ字開先であっても同様の効果を得ることができる。また円筒状の被接合物１８に対して溶接を行ったが、板状の被接合物１８であっても、アーク溶接を行うことができる。また本実施の形態では、ＴＩＧ溶接を例示したが、ＭＩＧ（Metal Inert
Gas）溶接であってもよい。また電極棒、溶加材、不活性ガスの種類については、限定されない。さらに不活性ガスを用いない単純なアーク溶接であってもよい。また加熱させた溶加材１７を電極棒１９の先端部１９ｄに送給してもよい。
【０１０６】
また本実施の形態で、例示したアーク接合装置の各寸法は、一例であって他の寸法を用いてもよい。また本実施の形態では、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材１７の送給の有無を変更したが、溶加材１７の送給速度を変更してもよく、高さが低い場合には、高さが高い場合に比べて溶加材１７の送給速度を高くしてもよい。また本実施の形態では、トーチ支持部２３を揺動させるために、サーボモータを用いたが、他の駆動手段を用いてもよい。たとえばエアシリンダなどの往復駆動装置を用いてもよい。また本実施の形態では、トーチ揺動駆動手段２４の動力を用いて、溶加材ガイド２５を角変位駆動したが、トーチ揺動駆動手段２４とは別の駆動手段を用いて、溶加材ガイド２５を角変位させてもよい。また本実施の形態に示したガイド揺動駆動手段２７は、カムフォロアと、レールとを用いた、他のリンク機構によって、トーチ揺動駆動手段２４の動力を利用して、溶加材ガイド２５を変位させてもよい。
【０１０７】
また本実施の形態では、アーク溶接装置２０は、溶接ヘッド１００以外も含んだが、溶接ヘッド１００を溶接装置本体としてもよい。また多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を任意の位置および姿勢に移動させたが、これに限定されず、溶接ヘッド１００を搬送可能であれば、他の搬送装置を用いても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０の溶接ヘッド１００を示す正面図である。
【図２】溶接ヘッド１００の一部を拡大して示す正面図である。
【図３】トーチ揺動駆動手段２４を示す断面図である。
【図４】被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを示す斜視図である。
【図５】ウェービング動作を説明するために、接合方向前方Ｘ１から接合方向後方Ｘ２に被接合物１８の開先１６を見て示す断面図である。
【図６】トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７と、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８とを示す平面図である。
【図７】溶融した溶加材を多層盛りして、被接合物１８の開先１６を埋めた状態を示す断面図である。
【図８】図２のＳ８−Ｓ８切断面線から見て、ガイド揺動駆動手段２７の動作を模式的に示す断面図である。
【図９】図２のＳ９−Ｓ９切断面線から見て、電極棒１９と溶加材１７の動作を示す図である。
【図１０】アーク溶接装置２０を含む溶接システム６１を示すブロック図である。
【図１１】溶接ヘッド１００を示す平面図である。
【図１２】溶接ヘッド１００を示す左側面図である。
【図１３】溶接ヘッド１００を示す右側面図である。
【図１４】制御装置６０のアーク溶接手順を示すフローチャートである。
【図１５】仕上げ時のワイヤ送給装置５３の制御を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
１９ 電極棒
１９ｃ 突出部分
１９ｄ 電極棒の先端部
２０ アーク溶接装置
２１ 基部
２２ 溶接トーチ
２３ トーチ支持部
２４ トーチ揺動駆動手段
２５ 溶加材ガイド
２６ 溶加材ガイド支持部
２７ ガイド揺動駆動手段
３０ 多関節ロボット
Ｌ１ トーチ角変位軸線
Ｌ２ 電極軸線
Ｐ１ 交点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置に関し、特に狭開先が形成される被削物を溶接するＴＩＧ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術のＴＩＧ溶接装置が特許文献１に開示される。この溶接装置は、ロボットハンドに装着される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、接合方向に直交する方向にジグザグに揺動された状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００３】
第２の従来技術のＴＩＧ溶接装置が特許文献２の［従来の技術］に開示される。この溶接装置は、トーチ管の先端部分に、棒状の電極棒が取り付けられる。電極棒の軸線と母材表面との成す角度が後退角を成すように、電極棒は、トーチ管の軸線に対して傾斜して固定される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、トーチ管を軸線まわりに揺動角変位させた状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００４】
第３の従来技術の溶接装置が特許文献２の［発明の実施の形態］に開示される。この溶接装置は、トーチ管を接合方向に対して略直角方向に共振振動可能に構成される。溶接装置は、ロボットによって接合方向に沿って移動されるとともに、トーチ管を共振振動させた状態でアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２６３６２号公報（１９段落、図１参照）
【特許文献２】特開平１１−２３９８７８号公報（４段落、図６；３７段落、図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
第１の従来技術では、ロボットの先端部を、ウィービング動作に対応させてジグザグに揺動させる必要があり、ロボットの制御が複雑となるという問題がある。さらに電極棒を揺動させる振幅幅が小さい場合、ロボットアームの慣性力の影響によって、ウィービング不良が生じるおそれがある。たとえば狭開先の突合せ継手接合の場合には、電極棒を精度よく位置決めして揺動することができない場合があり、電極棒が揺動不足となったり、電極棒が開先壁面に衝突したりするおそれがある。
【０００７】
第２および第３の従来技術では、溶接トーチに対して電極棒を揺動させる特殊な溶接トーチを用いる必要がある。また溶接トーチと電極棒とが固定される汎用的な溶接装置に比べて、構造が複雑となってしまう。これによって溶接ヘッドが故障しやすく、溶接トーチの信頼性が低下してしまうおそれがある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、ウィービング溶接を精度よく行うことができ、溶接トーチの構造が単純なアーク溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ロボットに固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線が設定される基部と、
電極棒の先端部を突出させた状態で、電極棒を着脱可能に装着する溶接トーチと、
前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶接トーチに装着される電極棒の中心軸線が前記トーチ角変位軸線に対して傾斜するように、前記溶接トーチを支持するトーチ支持部と、
前記トーチ支持部を前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するトーチ揺動駆動手段とを含み、
前記電極棒の中心軸線と前記トーチ角変位軸線との交点が、電極棒のうちで溶接トーチから突出する突出部分に配置されることを特徴とするアーク溶接装置である。
【００１０】
本発明に従えば、ロボットによって基部が変位駆動されて、トーチ角変位軸線を被接合物の開先の深さ方向に沿って配置されるとともに、電極棒の先端部が、被接合物の開先に配置される。電極棒は、トーチ角変位軸線に対して傾斜して配置される。トーチ揺動駆動手段によって、トーチ支持部をトーチ角変位軸線まわりに揺動角変位させると、電極棒の先端部は、トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位することとなる。電極棒の先端部を揺動させた状態で、ロボットによって基部を接合方向に移動させることで、電極棒の先端部をジグザグに移動させることができ、ウィービング溶接を行うことができる。
【００１１】
電極棒の先端部を揺動させた場合でも、電極棒の中心軸線とトーチ角変位軸線との交点は、揺動方向に移動せずに留まる。また溶接トーチは、電極棒の先端部を揺動させた場合でも、トーチ角変位軸線方向に関して交点よりも電極棒の先端部側に移動することがない。したがって交点を開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチおよび電極棒が被接合物に接触することを防いでウィービング溶接を行うことができる。また本発明では、溶接トーチに対して電極棒を揺動移動させる構成ではないので、構造を簡単化することができる。
【００１２】
本発明は、溶接トーチは、先端部が先細に形成される直線棒状の電極棒を同軸に装着することを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、溶接トーチが直線棒状の電極棒を装着することで、ウィービング動作を行うために特別形状の電極棒を用いる必要がない。したがって汎用的な溶接トーチおよび電極棒を用いることができ、製造コストの増加を抑えることができる。
【００１４】
本発明は、非溶極式のアーク溶接装置であって、
溶接トーチに装着される電極棒近傍の領域に溶加材を案内する溶加材ガイドと、
前記トーチ角変位軸線に平行に延びる溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶加材ガイドを支持する溶加材ガイド支持部と、
溶加材ガイドによって案内される溶加材が溶接トーチに装着される電極棒に向かうように、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するガイド揺動駆動手段とをさらに含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、ガイド揺動駆動手段によって、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する。これによって、電極棒の揺動に応じて溶加材を揺動させることができ、電極棒を揺動させた場合であっても、電極棒と溶加材との位置ずれを抑えることができる。
【００１６】
本発明は、前記ガイド揺動駆動手段は、前記トーチ揺動駆動手段の動力を伝達して、前記溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する動力伝達機構によって実現されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、ガイド揺動駆動手段は、トーチ揺動駆動手段の動力を溶加材ガイド支持部に伝達する動力伝達機構によって実現される。これによって溶加材ガイド支持部を角変位させるために、別途駆動源を必要とすることがなく、簡単な構造で溶加材ガイド支持部とトーチ支持部の動作を連動させることができる。
【００１８】
本発明は、前記基部に連結されて、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与える開先位置検出手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、開先位置検出手段が、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与えることで、ロボットは、開先位置に対する基部のずれを補正するように、基部を移動させることができる。これによってウィービング溶接を行う間に、開先の形成精度が低くても、電極棒が被接合物に干渉することを防ぐことができる。
【００２０】
本発明は、前記基部に連結されて、開先位置の深さを検出する開先深さ検出手段をさらに含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、開先深さ検出手段が、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材の供給量変化、電圧変化、基部の高さ変化を行うことで、接合品質をさらに向上することができる。
【００２２】
本発明は、前記アーク溶接装置と、前記アーク溶接装置を変位移動するためのロボットとを含むことを特徴とする溶接設備である。
【００２３】
本発明に従えば、ロボットによってアーク溶接装置を変位移動することで、ウィービング動作を行うことができる。ロボットは、アーク溶接装置を接合方向に交差する方向に揺動移動させる必要がなく、ロボットの制御を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１記載の本発明によれば、溶接トーチと電極棒とを互いに固定した状態で、ウィービング溶接を行うことができ、溶接トーチに対して電極棒を揺動させる特殊な溶接トーチを用いる必要がない。したがって溶接トーチの構造を単純化することができ、溶接トーチの信頼性を向上することができる。また電極棒の中心軸線とトーチ角変位軸線との交点を、開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチおよび電極棒が被接合物に干渉することを防いでウィービング溶接を行うことができる。これによって溶接トーチ自体が大型に形成されても、開先幅が狭い開先形状の突合せ継手を接合することができる。開先幅を狭くすることで、熱による組織変化および熱ひずみの影響を抑えることができ、接合される被接合部材の品質を向上することができる。
【００２５】
請求項２記載の本発明によれば、汎用的な溶接トーチおよび電極棒を用いて、ウィービング溶接を行うことができ、製造コストの増加を抑えることができる。
【００２６】
請求項３記載の本発明によれば、溶加材ガイドを電極棒の揺動に応じて揺動させる。これによって電極棒と溶加材との位置ずれを抑えて、ウィービング溶接を行うことができる。これによって溶加材の偏りを防ぐことができ、ビード高さをフラットにすることができる。また開先壁面付近で溶加する溶加材が不足することを防ぐことができる。これによって接合品質を向上することができる。
【００２７】
請求項４記載の本発明によれば、動力伝達機構を用いて、溶加材ガイドの揺動機構を実現することで、別途駆動手段を用いる必要がない。これによって溶加材ガイドと電極棒との連動に関して、同期制御などを行うことなく、確実に連動させることができる。これによって連動不良を防ぐことができ、溶接装置の故障を防ぐことができる。
【００２８】
請求項５記載の本発明によれば、開先位置検出手段を利用することで、開先位置に対する基部のずれを補正することができ、電極棒が被接合物に干渉することを防ぐことができる。これによって開先幅が狭くても、電極棒と被接合物とが干渉することを防いで、ウィービング溶接を行うことができる。
【００２９】
請求項６記載の本発明によれば、開先深さ検出手段が、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材の供給量変化、電圧変化、基部の高さ変化を行うことで、接合品質をさらに向上することができる。
【００３０】
請求項７記載の本発明によれば、ロボットによってアーク溶接装置を変位移動することで、ウィービング動作を行うことができる。ロボットは、アーク溶接装置を接合方向に交差する方向に揺動移動させる必要がなく、ロボットの制御を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０の溶接ヘッド１００を示す正面図である。図２は、溶接ヘッド１００の一部を拡大して示す正面図である。本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０は、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を行う装置であって、ウィービング溶接可能に構成される。アーク溶接装置２０は、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガスの雰囲気中で、タングステンから成る電極棒１９と、被接合物１８との間に、アークを発生させて、そのアーク発生領域に溶加材１７を繰出す。溶加材１７は、金属材料からなり、可撓性を有する線状体である。
【００３２】
アーク発生領域に向けて溶加材１７を順次繰出して、アーク発生領域で溶加材１７と被接合物１８とを溶融させることによって、溶融した溶加材１７によって、被接合物１８に形成される開先を埋める。これによって被接合物１８を構成する２つの被接合部材を溶接することができる。
【００３３】
被接合物１８は、アーク溶接装置２０によって、突合せ溶接が施される。本実施の形態では、溶接前の被接合物１８には、Ｖ型開先またはＸ型開先が形成される。開先は、予め定める接合方向Ｘに延びる。アーク溶接装置２０は、電極棒１９を接合方向Ｘに移動させるとともに、電極棒１９を接合方向Ｘに交差する揺動方向Ｙに揺動変位させてアーク溶接を行うことで、２つの被接合部材をウィービング溶接することができる。
【００３４】
アーク溶接装置２０は、溶接ヘッド１００を有する。溶接ヘッド１００は、多関節ロボット３０に接続されるエンドエフェクタとして用いられ、多関節ロボット３０によって、位置および姿勢が変更される。これによって任意の位置に、アーク溶接可能となる。溶接ヘッド１００は、基部２１と、溶接トーチ２２と、トーチ支持部２３と、トーチ揺動駆動手段２４と、溶加材ガイド２５と、溶加材ガイド支持部２６と、ガイド揺動駆動手段２７とを含んで構成される。基部２１は、多関節ロボット３０の端部に固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線Ｌ１が設定される。
【００３５】
基部２１は、溶接時に開先に沿って延びる接合方向Ｘと、溶接トーチ２２を揺動させる揺動方向Ｙとが設定される。接合方向Ｘおよび揺動方向Ｙは、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な平面に沿って延びる。また接合方向Ｘおよび揺動方向Ｙは互いに直交する。また接合方向Ｘのうち、接合時に基部２１が進む方向を接合方向前方Ｘ１と称し、接合方向前方Ｘ１と反対方向を接合方向後方Ｘ２と称する。
【００３６】
溶接トーチ２２は、電極棒１９の先端部１９ｄを突出させた状態で、電極棒１９を着脱可能に装着する。溶接トーチ２２は、電極棒１９と被接合物１８との間にアークを発生させる。具体的には溶接トーチ２２は、電極棒１９と電源とを電気的に接続して、電源から端子電圧を印加して電極棒１９を通電し、被接合物１８に対して電位差を生じさせる。また溶接トーチ２２は、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスを案内して、アーク発生領域に吹き付けることで、大気中の酸素や窒素などの影響を防いで、溶融部分の酸化および窒化を防ぐ。また溶接トーチ２２は、冷却液源から供給される冷却液によって、電極棒１９を冷却し、電極棒１９の温度上昇を防ぐ。また本実施の形態では、溶接トーチ２２は、後述するＡＶＣ装置５１が設けられる。
【００３７】
溶接トーチ２２は、電極棒１９を装着した状態で、電極棒１９と一体に形成される。また溶接トーチ２２は、電極棒１９の大部分を収容する円筒状の筐体を有する。溶接トーチ２２に装着される電極棒１９は、その中心軸線が溶接トーチ２２の中心軸線と同軸に配置される。以下、溶接トーチ２２の中心軸線を電極軸線Ｌ２と称する。電極棒１９のうち溶接トーチ２２の開口から突出する突出部１９ｃは、電極軸線Ｌ２に同軸な円柱状に形成される円柱部分１９ａと、円柱部分１９ａに連なって電極軸線Ｌ２に同軸な円錐状に形成されて溶接トーチ２２から離反するにつれて先細に形成される円錐部分１９ｂとを含んで構成される。本実施の形態では、電極棒１９は、直径が３．２ｍｍに設定され、溶接トーチ２２から突出する突出部１９ｃが、約２７ｍｍに設定される。
【００３８】
トーチ支持部２３は、基部２１に設定されるトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位可能に、基部２１に連結される。またトーチ支持部２３は、溶接トーチ２２の軸線方向中間部分を着脱可能に支持する。したがってトーチ支持部２３に支持される溶接トーチ２２は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位可能に設けられる。
【００３９】
トーチ支持部２３は、溶接トーチ２２を支持する支持部分３２を有する。この支持部分３２は、トーチ角変位軸線Ｌ１から接合方向後方Ｘ２に離反して配置される。また支持部分３２に支持される溶接トーチ２２は、支持部分３２に支持される被支持部分から、溶接トーチ２２の開口に向かってその軸線方向に進むにつれて、接合方向前方Ｘ１に進んで、トーチ角変位軸線Ｌ１に近づくように傾斜する。このように溶接トーチ２２がトーチ支持部２３に支持されることで、電極軸線Ｌ２が、トーチ角変位軸線Ｌ１に対して傾斜する。本実施の形態では、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との角度θ１は、２０°に設定される。
【００４０】
溶接トーチ２２がトーチ支持部２３に支持された状態で、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とは、予め設定される交点Ｐ１で交差する。トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、電極棒１９のうちで、溶接トーチ２２から突出する突出部１９ｃであって、先端部１９ｄを除く領域の一点に配置される。電極棒１９の先端部１９ｄから交点Ｐ１までのトーチ角変位軸線Ｌ１に沿う方向の寸法Ｈ３は、接合すべき開先１６の深さ寸法Ｈ４とほぼ同程度に設定される。これによって電極棒１９の先端部１９ｄは、開先１６に臨む開先底面１５に近傍に配置可能となる。本実施の形態では、電極棒１９の先端部１９ｄから、電極軸線Ｌ２に沿って約１９ｍｍ移動した位置に、前記交点Ｐ１が設定される。アーク溶接にあたって、溶接トーチ２２は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向後方Ｘ２に配置される。また電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される。
【００４１】
図３は、トーチ揺動駆動手段２４を示す断面図である。トーチ揺動駆動手段２４は、基部２１に対して、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位駆動する。トーチ揺動駆動手段２４は、出力軸３３ａを回転駆動する揺動用モータ３３と、動力伝達機構３４とを含んで構成される。揺動用モータ３３は、出力軸３３ａの角変位量を制御可能なサーボモータで実現される。揺動用モータ３３は、出力軸３３ａを回転駆動可能に基部２１に固定される。
【００４２】
動力伝達機構３４は、揺動用モータ３３の出力軸の回転力をトーチ支持部２３に伝達する機構である。動力伝達機構３４は、歯車伝達によって動力を伝達し、各歯車が基部２１の内部空間に配置される。本実施の形態では、動力伝達機構３４は、動力入力歯車３４ａと、中間歯車３４ｂと、動力出力歯車３４ｃとを含んで構成される。動力入力歯車３４ａは、揺動用モータ３３の出力軸と同軸に固定され、その軸線まわりに回転可能に揺動用モータ３３に支持される。中間歯車３４ｂは、動力入力歯車３４ａに噛合して、その軸線まわりに回転可能に基部２１に支持される。動力出力歯車３４ｃは、中間歯車３４ｂに噛合して、その軸線まわりに回転可能に基部２１に支持される。動力出力歯車３４ｃは、連結軸３４ｄが同軸に固定される。連結軸３４ｄは、基部２１に設けられて、トーチ支持部２３に対して一体に連結されることで、トーチ支持部２３を基部２１に対して支持する。各歯車３４ａ，３４ｂ，３４ｃの回転軸線は、互いに平行に設定される。動力出力歯車３４ｃの回転軸線は、トーチ角変位軸線Ｌ１と一致して配置される。
【００４３】
揺動用モータ３３が、出力軸３３ａをその角変位軸線まわりに揺動角変位駆動することによって、連結軸３４ｄとともにトーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位することができる。また動力伝達機構３４が、揺動用モータ３３の動力を減速する減速機を兼ねる。揺動用モータ３３が、動力伝達機構３４を介して、動力をトーチ支持部２３に与えることで、アーク発生領域から可及的に離反させることができ、アーク発生領域で生じた火花などが揺動用モータ３３に到達することを防ぐことができる。
【００４４】
溶加材ガイド２５は、溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部近傍の領域に溶加材１７を案内する。溶加材ガイド２５は、溶加材１７が挿通する挿通孔が形成される。挿通孔を通過した溶加材１７の先端部は、電極棒１９の先端部近傍の領域に位置する。溶加材１７は、リールに巻かれた状態から、送給装置によって繰出されて、溶加材ガイド２５の挿通孔を通過することで、電極棒１９の先端部近傍の領域に送給される。
【００４５】
溶加材ガイド支持部２６は、基部２１に設定される溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位可能に、基部２１に連結される。ここで溶加材角変位軸線Ｌ３は、基部２１に予め設定され、トーチ角変位軸線Ｌ１に平行に延びて、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される軸線である。また溶加材ガイド支持部２６は、溶加材ガイド２５を支持する。これによって溶加材ガイド支持部２６に支持される溶加材ガイド２５は、溶加材ガイド支持部２６とともに溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに角変位可能に設けられる。溶加材ガイド支持部２６に支持される溶加材ガイド２５は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも接合方向前方Ｘ１に配置される。
【００４６】
溶加材ガイド支持部２６は、溶加材ガイド２５を把持する把持部分３５と、把持部分３５に連結されて円柱状の軸部分３６とを含んで構成される。軸部分３６は、溶加材角変位軸線Ｌ３と同軸に延びて、溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位可能に構成される。軸部分３６は、軸線方向一端部３６ａが基部２１に支持され、軸線方向他端部３６ｂに把持部分３５が連結される。
【００４７】
ガイド揺動駆動手段２７は、溶加材ガイド２５によって案内される溶加材１７が溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部１９ｄに向かうように、トーチ支持部２３の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位駆動する。
【００４８】
図４は、被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを示す斜視図である。本実施の形態では、突合せ接合される２つの被接合部材１８ａ，１８ｂは、略同一直径に形成される２つの短筒状薄肉管である。このような２つの短筒状薄肉管が、同軸に配置された状態で、一方の短筒状薄肉管の軸線方向端部と、他方の短筒状薄肉管の軸線方向端部とが突合わされた状態で、その突合せ部分に開先１６が形成される。開先１６は、管を周方向に一周する。開先１６が形成される継手部分が、アーク溶接装置２０によってアーク溶接される。このようにして短円筒状薄肉管が複数溶接された被接合物１８は、たとえば直径が５〜１０ｍ、高さ１０〜２０ｍ、板厚２５ｍｍの液化天然ガス（ＬＮＧ）貯留用タンクとして用いられる。また開先１６は、幅寸法に比べて深さ寸法が大きい狭開先形状に形成される。具体的には、深さ寸法が約１８ｍｍであって、幅寸法が約８ｍｍに形成される。
【００４９】
図５は、ウェービング動作を説明するために、接合方向前方Ｘ１から接合方向後方Ｘ２に被接合物１８の開先１６を見て示す断面図である。アーク溶接にあたって、多関節ロボット３０によって基部２１が変位駆動されて、トーチ角変位軸線Ｌ１が被接合物１８の開先１６の幅方向中央位置に配置されるとともに、接合方向Ｘが開先１６の伸延方向に沿って配置される。また多関節ロボット３０によって、被接合物１８の開先１６に電極棒１９が挿入される。このとき電極棒１９の先端部１９ｄは、開先１６に臨む開先底面１５に近傍に配置され、開先底面１５との間に間隔をあけて配置される。
【００５０】
トーチ揺動駆動手段２４によって、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位させると、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位する。具体的には、接合方向Ｘに垂直な切断面でみたときに、図５（１）に示すように、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とが一致する標準状態とする。
【００５１】
図５（２）に示すように標準状態に対して、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方に角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄは、標準状態に比べて開先１６内で揺動方向一方Ｙ１に移動する。また図５（３）に示すように、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方に角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄは、標準状態に比べて開先内で揺動方向他方Ｙ２に移動する。
【００５２】
トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位させることで、図５（２）に示す第１揺動状態と、図５（３）に示す第２揺動状態とが交互に繰返され、電極棒１９の先端部１９ｄは、揺動方向一方Ｙ１と揺動方向他方Ｙ２とに交互に移動する。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させた場合でも、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、揺動方向Ｙに移動せずに留まる。したがって電極棒１９のうち、交点Ｐ１近傍部分では、揺動方向Ｙに揺動する振れ幅が小さい。
【００５３】
これによって交点Ｐ１を開先の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、電極棒１９を揺動させるにあたって、電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐことができる。特に交点Ｐ１を開先１６の開口近傍に配置することによって、被接合物１８との接触を防いで、開先１６の深い位置に電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させることができる。
【００５４】
前記標準状態において、トーチ角変位軸線Ｌ１から電極棒１９の先端部１９ｄまでの、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向の距離をＨ１とする。トーチ角変位軸線Ｌ１から被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂまでの揺動方向距離をＨ２する。溶接トーチ２２をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位させる角度範囲を±θ２とすると、Ｈ１・ｓｉｎ（θ２）＜Ｈ２の関係に設定される。これによって電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐことができる。本実施の形態では、溶接トーチ２２を角変位軸線Ｌ１まわりに±２０°角変位させることで、電極棒１９の先端部１９ｄが、被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに接触することなく、内壁１４ａ，１４ｂの近傍にわたって揺動方向Ｙに交互に移動させることができる。
【００５５】
また溶接トーチ２２によって、電極棒１９の先端部１９ｄと、開先底面１５との間にアークを発生させることができ、被接合物１８の一部をアークによって溶融させることができる。またアーク発生領域に溶加材１７を順次送給して、アーク発生領域で溶加材１７と被接合物１８とを溶融させて、溶融した溶加材１７によって、被接合物１８に形成される開先を順次埋める。これによって被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを溶接することができる。本実施の形態では、トーチ支持部２３によって溶接トーチ２２を揺動角変位させた状態で、溶接トーチ２２によってアークを発生させることで、アークを揺動方向Ｙに動かしながら溶接することができる。また溶加材１７の先端部は、溶加材ガイド２５によって案内されることで、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動に追従して、揺動する電極棒１９の先端部１９ｄの近傍位置に配置される。これによって溶加材１７の溶融不足を防ぐことができる。
【００５６】
さらに電極棒１９は、図５（２）に示すように、揺動方向一方Ｙ１に揺動移動するときは、先端部１９ｄが最も揺動方向一方Ｙ１に位置して、先端部１９ｄから基端部に向かうにつれて揺動方向他方Ｙ２に進む。これによって電極棒１９がトーチ角変位軸線Ｌ１に平行な状態で、その先端部１９ｄが揺動方向一方Ｙ１に位置する場合に比べて、電極棒１９と被接合物１８との干渉を防いで、揺動方向一方Ｙ１に向けてアークを発生させることができ、被接合物１８の開先１６の揺動方向一方Ｙ１の内壁１４ａの溶融不良を防ぐことができる。
【００５７】
同様に図５（３）に示すように、揺動方向他方Ｙ２に揺動移動するときには、先端部１９ｄが最も揺動方向他方Ｙ２に位置して、先端部１９ｄから基端部に向かうにつれて揺動方向一方Ｙ１に進む。これによって電極棒１９がトーチ角変位軸線Ｌ１に平行な状態で、その先端部１９ｄが揺動方向他方Ｙ２に位置する場合に比べて、電極棒１９と被接合物１８との干渉を防いで、揺動方向他方Ｙ２向けてアークを発生させることができ、被接合物１８の開先１６の揺動方向他方Ｙ２の内壁１４ｂの溶融不良を防ぐことができる。
【００５８】
図６は、トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７と、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８とを示す平面図である。図６には、トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７を一点鎖線で示し、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８を破線で示す。トーチ揺動駆動手段２４によって、開先１６内で電極棒１９の先端部１９ｄを揺動方向Ｙに揺動させたるとともに、多関節ロボット３０によって、基部２１を開先１６の伸延方向に沿って移動させる。このときトーチ角変位軸線Ｌ１は、開先１６の幅方向中央位置を通過して、開先１６の伸延方向に延びる移動軌跡３７に沿って進む。
【００５９】
これによって溶接ヘッド１００は、電極棒１９の先端部１９ｄを、被接合物１８に対して、開先１６の伸延方向に沿って移動するとともに、その伸延方向に直交する方向にジグザグに揺動する移動軌跡３８に沿って移動させることができる。これによって電極棒１９の先端部１９ｄを、いわゆるウィービングさせることができ、開先１６の幅方向に広がる幅広のビードを形成することができる。
【００６０】
図７は、溶融した溶加材を多層盛りして、被接合物１８の開先１６を埋めた状態を示す断面図である。アーク溶接によって、開先１６に溶融した溶加材が固化した溶加材層１３を厚み方向に順次積層して形成する。このように溶加材１７を多層盛りすることによって、開先１６の深さが深い場合であっても、開先１６を溶加材１７で埋めることができる。多関節ロボット３０によって、既に形成された溶加材層１３に対して、電極棒１９の先端部１９ｄを予め定める距離離間させた状態で、円筒状の被接合物１８の外周を複数回、周回させてアーク溶接することで、溶加材層１３を開先１６に積層させた多層盛りを形成することができる。このように溶接ヘッド１００を、被接合物１８に対して周回させてアーク溶接することで、開先１６の周方向にわたって一様な接合品質を得ることができる。
【００６１】
以上のように本実施の形態では、トーチ揺動駆動手段２４によって、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに揺動角変位駆動される。電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させた状態で、多関節ロボット３０によって基部２１を開先１６の伸延方向に移動させることで、電極棒１９の先端部１９ｄをジグザグに移動させることができ、ウィービング溶接を行うことができる。
【００６２】
また電極棒１９の先端部１９ｄを揺動させる場合、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１は、揺動方向Ｙに移動せずに留まる。したがって電極棒１９のうち、交点Ｐ１近傍部分では、揺動方向Ｙに揺動する振れ幅が小さい。これによって開先幅が狭くても、電極棒１９が開先１６の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防いでウィービング溶接を行うことができる。
【００６３】
これによって溶接トーチ２２自体が大型に形成されても、開先幅が狭い開先形状の突合せ継手を接合することができる。開先幅を狭くすることで、熱による組織変化および熱ひずみ、内部応力、割れおよび材質劣化などの熱の影響を抑えることができ、接合される被接合部材の品質を向上することができる。また開先幅が幅広の場合に比べて、被接合物１８の溶接を短時間で行うことができる。
【００６４】
特に、開先底面１５を溶融させる場合、言い換えると最も深い部分に溶加材を溶着する場合には、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２との交点Ｐ１を、開先１６の開口または開口よりも外方に配置することによって、開先幅が狭くても、溶接トーチ２２および電極棒１９が被接合物１８に干渉することを防いでウィービング溶接を行うことができる。
【００６５】
また本実施の形態では、ウィービング溶接にあたって、多関節ロボット３０は、開先１６の伸延方向に沿う直線的な移動軌跡３７に沿って、基部２１を移動させる。したがって多関節ロボット３０によって、溶接ヘッドを揺動方向Ｙに揺動させながら接合方向Ｘに移動させる場合に比べて、多関節ロボット３０による溶接ヘッド１００の変位駆動を簡単化することができる。これによって多関節ロボット３０のウェービング動作に関する位置教示動作を容易に行うことができる。また溶接トーチ２２を角変位軸線Ｌ１まわりに角変位させる角変位量を変更するだけで、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動方向Ｙに関する変位量を容易に変更させることができる。また開先１６の伸延方向に関する溶接トーチ２２の走行量に応じて、揺動方向Ｙの変位量Ｙを拡大または縮小させることも可能となる。また電極棒１９が開先に侵入可能であるならば、開先幅が極めて小さい場合であっても、角変位量を小さくすることで、電極棒１９が被接合物１８の内壁１４ａ，１４ｂに衝突することなく、ウィービング溶接を行うことができる。
【００６６】
また本実施の形態では、溶接トーチ２２と電極棒１９とを一体に固定させた状態で、ウィービング溶接を行うことができる。したがって従来技術のように、溶接トーチ２２に対して電極棒１９を揺動させる特殊な溶接トーチ２２を用いる必要がなく、溶接トーチ２２の構造を単純化することができ、溶接トーチ２２の信頼性を向上することができる。また本実施の形態では、溶接トーチ２２が直線棒状の電極棒１９を装着することで、ウィービング動作を行うために特別形状の電極棒を用いる必要がない。したがって汎用的な溶接トーチ２２および電極棒１９を用いることができ、製造コストの増加を抑えることができる。また直線棒状の電極棒１９を用いることで、電極棒１９の先端部１９ｄがアーク溶接によって消耗した場合に、他の電極棒１９への変更を容易に行うことができる。さらに先端部１９ｄが消耗した電極棒１９について、その先端部１９ｄを研磨することで、アーク溶接可能な電極棒１９として再利用することができ、電極棒１９の消費数を低減することができる。また汎用的な溶接トーチ２２および電極棒１９を用いることで、図５（１）に示す標準状態とすることで、通常のアーク溶接を行うこともできる。
【００６７】
図８は、図２のＳ８−Ｓ８切断面線から見て、ガイド揺動駆動手段２７の動作を模式的に示す断面図である。図８（１）〜図８（３）は、図５（１）〜図５（３）にそれぞれ対応する。また図８では、周方向一方Ｒ１が時計まわりに設定され、周方向他方Ｒ２が反時計まわりに設定される。本実施の形態では、ガイド揺動駆動手段２７は、トーチ揺動駆動手段２４の動力を伝達する動力伝達機構によって実現される。
【００６８】
ガイド揺動駆動手段２７は、案内体４０と、案内輪４１と、リンク体４２とを含んで構成される。案内体４０は、トーチ支持部２３に設けられる。トーチ支持部２３は、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な第１方向Ａと、前記第１方向Ａおよびトーチ角変位軸線Ｌ１にともに垂直な第２方向Ｂとが設定される。第１方向Ａと第２方向Ｂとは、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な一平面に含まれる。第１方向Ａおよび第２方向Ｂは、トーチ支持部２３に設定されるので、トーチ支持部２３のトーチ角変位軸線Ｌ１まわりの角変位とともに、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。
【００６９】
案内体４０は、トーチ支持部２３から突出して、第１方向Ａに平行に延びる一対のレール部４０ａ，４０ｂを有する。各レール部４０ａ，４０ｂは、第２方向Ｂに間隔をあけて配置される。これによって案内体４０は、第１方向Ａに沿って延びる空間であるレール溝が形成される。また各レール部４０ａ，４０ｂの第２方向中央位置にトーチ角変位軸線Ｌ１が設定される。言い換えるとトーチ角変位軸線Ｌ１は、レール溝４３を通過して延びる。案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。
【００７０】
案内輪４１は、各レール部４０ａ，４０ｂの間に嵌り込むことによって、第２方向Ｂの変位が阻止されるとともに、第１方向Ａに移動可能に形成される。また案内輪４１は、トーチ角変位軸線Ｌ１よりも溶加材角変位軸線Ｌ３寄りに配置される。案内輪４１は、トーチ角変位軸線Ｌ１と平行な回転軸線Ｌ４が設定される円筒状に形成され、いわゆるカムフォロアによって実現される。
【００７１】
リンク体４２は、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向に延びる略長手形状に形成される。リンク体４２は、長手方向一端部４２ａが溶加材ガイド支持部２６の軸部分３６に固定され、長手方向他端部４２ｂで案内輪４１を支持する。案内輪４１は、その回転軸線Ｌ４まわりに回転可能にリンク体４２に支持される。またリンク体４２は、溶加材角変位軸線Ｌ３から案内輪４１までの距離を一定に保つ。
【００７２】
図８（１）に示す標準状態では、溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４とを結ぶ直線と、案内輪４１の回転軸線Ｌ４とトーチ角変位軸線Ｌ１とを結ぶ直線が同一平面上に配置される。このときリンク体４２の長手方向と、トーチ支持部２３の第１方向Ａとが平行に延びる。また図５（１）に示すように、接合方向Ｘに垂直な切断面でみたときに、トーチ角変位軸線Ｌ１と電極軸線Ｌ２とが一致する標準状態とする。また標準状態では、電極棒１９の先端部１９ｄは、トーチ角変位軸線Ｌ１から案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向かって延びる。また溶加材ガイド２５に案内される溶加材１７の先端部は、溶加材角変位軸線Ｌ３から案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向かって延びる。
【００７３】
図８（２）は、標準状態から、トーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位した状態を示す。この状態では、案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位する。このときリンク体４２によって溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４との距離が一定に維持されるので、案内輪４１は案内体４０に第２方向Ｂに摺動案内されて、リンク体４２を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２に角変位させる。
【００７４】
図８（３）は、標準状態から、トーチ支持部２３がトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に角変位した状態を示す。この状態では、案内体４０は、トーチ支持部２３とともにトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に角変位する。このときリンク体４２によって溶加材角変位軸線Ｌ３と案内輪４１の回転軸線Ｌ４との距離が一定に維持されるので、案内輪４１は案内体４０に第２方向Ｂに摺動案内されて、リンク体４２を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向一方Ｒ１に角変位させる。
【００７５】
これによって標準状態から、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１および周方向他方Ｒ２に交互に揺動角変位させることによって、リンク体４２に固定される溶加材ガイド支持部２６を、溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２および周方向一方Ｒ１に交互に揺動角変位させることができる。このようにトーチ支持部２３の角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を角変位させるとともに、トーチ支持部２３の角変位方向Ｒ１，Ｒ２に対して、反対方向Ｒ２，Ｒ１に溶加材ガイド支持部２６を角変位させることができる。したがって、揺動状態に拘わらず、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとは、案内輪４１の回転軸線Ｌ４に向いて配置される。
【００７６】
図９は、図２のＳ９−Ｓ９切断面線から見て、電極棒１９と溶加材１７の動作を示す図である。図９（１）〜図９（３）は、図５（１）〜図５（３）、図８（１）〜図８（３）にそれぞれ対応する。また図９では、周方向一方Ｒ１が時計まわりに設定され、周方向他方Ｒ２が反時計まわりに設定される。
【００７７】
上述したようにトーチ支持部２３の角変位に連動して溶加材ガイド支持部２６が角変位する。したがって、図９（１）に示す標準状態から、図９（２）に示すように、電極棒１９の先端部１９ｄが揺動方向一方Ｙ１に変位すると、溶加材１７の先端部１７ａもまた揺動方向一方Ｙ１に変位する。また図９（１）に示す標準状態から、図９（３）に示すように、電極棒１９の先端部１９ｄが揺動方向他方Ｙ２に変位すると、溶加材１７の先端部１７ａもまた揺動方向他方Ｙ２に変位する。本実施の形態では、標準状態における案内輪４１の回転軸線Ｌ４と、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとが、略一致することで、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの揺動方向Ｙの変位量を略一致させることができる。
【００７８】
たとえばトーチ角変位軸線Ｌ１から電極棒１９の先端部１９ｄまでの、トーチ角変位軸線Ｌ１に垂直な方向の距離をＨ１とし、溶加材角変位軸線Ｌ３から溶加材１７の先端部１７ａまでの、溶加材角変位軸線Ｌ３に垂直な方向の距離をＨ５とする。また標準状態からトーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に角変位する角度をφ１とした場合に、溶加材ガイド支持部２６が溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに周方向他方Ｒ２に角変位する角度をφ２とする。この場合、Ｈ１・φ１≒Ｈ２・φ２に設定される。これによって、溶加材１７の先端部１７ａとが、略一致することで、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの揺動方向Ｙの変位量を略一致させることができる。本実施の形態では、Ｈ１＝５．９ｍｍ、Ｈ５＝５０ｍｍ、φ１＝１０°、φ２＝１．２°に設定される。
【００７９】
以上のようにガイド揺動駆動手段２７によって、トーチ支持部２３の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに揺動角変位駆動する。これによって電極棒１９の揺動に応じて溶加材１７を揺動させることができ、電極棒１９を揺動させた場合であっても、電極棒１９の先端部１９ｄと、溶加材１７の先端部１７ａとの位置ずれを抑えて、ウィービング溶接を行うことができる。これによって溶加材１７の偏りを防ぐことができ、ビード高さをフラットにすることができる。また開先壁面付近で溶融する溶加材１７が不足することを防ぐことができ、接合品質を向上することができる。
【００８０】
さらにガイド揺動駆動手段２７は、トーチ揺動駆動手段２４の動力を溶加材ガイド支持部２６に伝達する動力伝達機構によって実現される。これによって溶加材ガイド支持部２６を溶加材角変位軸線Ｌ３まわりに角変位させるために、別途駆動源を必要とすることがなく、簡単な構造で溶加材ガイド支持部２６とトーチ支持部２３の動作を連動させることができる。また溶加材１７と電極棒１９との連動に関して、同期制御などを行うことなく、確実に連動させることができる。これによって連動不良を防ぐことができ、アーク溶接装置２０の故障を防ぐことができる。また溶接トーチ２２と溶加材ガイド２５とを接合方向に離反させることで、構成部品の集中化を防ぎ、溶接装置の構造を簡単化することができる。また本実施の形態では、トーチ角変位軸線Ｌ１まわりのトーチ支持部２３の揺動角変位量を調整することで、開先幅に応じて、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動量を容易に変化させることができる。また多関節ロボット３０による移動に拘わらず、電極棒１９の先端部１９ｄの揺動量を変化させることができる。
【００８１】
図１０は、アーク溶接装置２０を含む溶接システム６１を示すブロック図である。溶接システム６１は、アーク溶接装置２０と、アーク溶接装置２０を移動させるロボット３０と、アーク溶接装置２０および多関節ロボット３０を制御する制御装置６０とを含む。制御装置６０は、アーク溶接装置２０を統括的に制御する。また本実施の形態では、制御装置６０は、多関節ロボット３０に動作指令を与える。
【００８２】
アーク溶接装置２０は、溶接用電源装置５０と、ＡＶＣ装置５１と、ガス送給装置５２と、ワイヤ送給装置５３と、冷却水送給装置５９と、上述した揺動用モータ３３と、エンコーダ５４と、レーザセンサ５５とを含んで構成される。溶接用電源装置５０と、ガス送給装置５２と、ワイヤ送給装置５３とは、溶接ヘッド１００とは別体に設けられる。またＡＶＣ装置５１と、揺動用モータ３３と、エンコーダ５４とは、溶接ヘッド１００に一体に形成される。
【００８３】
溶接用電源装置５０は、直流電源または交流電源であって、電極棒１９と、被接合物１８とに電位差を生じさせるための装置である。溶接用電源装置５０は、一方の出力端子と、他方の出力端子との間に電位差を生じさせる。一方の出力端子と、溶接トーチ２２に装着される電極棒１９とが、溶接ケーブルによって電気的に接続される。また他方の出力端子と、被接合物１８とが、接地ケーブルによって電気的に接続される。これによって被接合物１８と、電極棒１９とで電位差が生じて、被接合物１８と電極棒１９の先端部１９ｄとの間に、アークを発生させることができる。またアーク発生時に生じる熱を利用して溶接を行うことができる。溶接用電源装置５０は、制御装置６０からアーク発生指令が与えられることで、２つの出力端子に電位差を生じさせる。
【００８４】
ＡＶＣ装置５１は、自動電圧制御（Arc Voltage Controller、略称ＡＶＣ）であって、アーク発生時におけるアーク電圧と、制御装置６０に設定される基準電圧とを比較して、
溶接トーチ２２に装着される電極棒１９の先端部１９ｄをトーチ角変位軸線Ｌ１に沿って上下動させて、アーク長が一定となるように調整する。本実施の形態では、ＡＶＣ装置５１は、ユニットとして溶接トーチ２２に設けられる。開先１６の伸延方向に沿ってアーク溶接するにあたって、ＡＶＣ装置５１によって電極棒１９の先端部１９ｄの位置を変位させることで、開先底面１５の凹凸による溶接欠陥を抑え、ビード外観の均一化を図ることができる。ＡＶＣ装置５１は、制御装置６０から駆動指令が与えられることで、アーク長が一定となるように電極棒１９の先端部１９ｄの位置を調整する。
【００８５】
ガス送給装置５２は、不活性ガスを圧縮貯留するボンベと、ボンベ内の不活性ガスを減圧して噴出させる圧力調整器と、圧力調整器から溶接トーチ２２に不活性ガスを導く管路を形成するガスホースと、ガスホースに介在される開閉弁とを有する。開閉弁が管路を開くことで、ボンベから溶接トーチ２２に向けて不活性ガスが流下する。また開閉弁が管路を閉じることで不活性ガスの流下が阻止される。溶接トーチ２２は、ガス送給装置５２から送給される不活性ガスを、溶接トーチ２２の開口からアーク発生領域に噴射させる。ガス送給装置５２は、制御装置６０からガス送給指令が与えられることで、開閉弁によって管路を開いて、不活性ガスを溶接トーチ２２の開口から噴射させる。
【００８６】
ワイヤ送給装置５３は、溶加材１７が複数巻掛けられるワイヤリールと、ワイヤリールに巻掛けられる溶加材１７を繰出す送給機とを含んで構成される。溶加材１７は、送給機から溶加材ガイド２５に導かれる。また送給機によって繰出された溶加材１７は、溶加材ガイド２５によって案内されて、溶加材１７の先端部１７ａが、電極棒１９の先端部１９ｄに向かって案内される。ワイヤ送給装置５３は、制御装置６０からワイヤ送給指令が与えられることで、送給機によって、溶加材１７をワイヤリールから繰出して溶加材ガイド２５に送給する。
【００８７】
冷却水送給装置５９は、冷却水を供給するための冷却水源と、冷却水源から溶接トーチ２２に冷却水を導くとともに、溶接トーチ２２で暖められた冷却水を排出タンクに導く循環ホースと、循環ホースに介在される開閉弁とを有する。開閉弁が管路を開くことで、冷却水源から溶接トーチ２２に向けて冷却水が流下する。また開閉弁が管路を閉じることで冷却水の流下が阻止される。溶接トーチ２２は、冷却水が導かれることで、温度上昇が抑えられる。冷却水送給装置５９は、制御装置６０から冷却水送給指令が与えられることで、開閉弁によって管路を開いて、冷却水を溶接トーチ２２に導く。
【００８８】
制御装置６０は、制御手順を示すプログラムおよび制御条件を示すでータベースなどが記憶される記憶回路と、記憶回路に記憶されるプログラムを実行する演算回路とを含んで構成される。制御装置６０は、たとえばプログラマブルコントローラによって実現される。また記憶回路は、ＲＯＭ（Read Only memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）
によって実現され、演算回路は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。
【００８９】
揺動用モータ３３は、制御装置６０から与えられる角変位指令に従って、出力軸３３ａを角変位させて、トーチ支持部２３をトーチ角変位軸線Ｌ１まわりに角変位する。またエンコーダ５４は、揺動用モータ３３の出力軸３３ａの角変位量を検出する検出手段であって、検出結果を示す信号を制御装置６０に与える。またレーザセンサ５５は、開先位置を検出する開先位置検出手段であって、レーザセンサ５５に対する開先位置の揺動方向Ｙの位置を示す信号を制御装置６０に与える。またレーザセンサ５５は、開先の深さを検出する開先深さ検出手段を兼用し、開先底面１５の深さ方向の位置を示す信号を制御装置６０に与える。
【００９０】
図１１は、溶接ヘッド１００を示す平面図である。また図１２は、溶接ヘッド１００を示す左側面図である。レーザセンサ５５は、溶接ヘッド１００に設けられる。レーザセンサ５５は、アーム部材５６を介して基部２１に固定される。レーザセンサ５５およびアーム部材５６は、溶接トーチ２２および溶加材ガイド２５の揺動を阻害しない一に配置され、溶接トーチ２２の揺動に拘わらず、基部２１に対して一定の位置に固定される。レーザセンサ５５は、溶接トーチ２２および溶加材ガイド２５よりも接合方向前方Ｘ１に位置する開先領域を撮像する。制御装置６０は、レーザセンサ５５から撮像された開先領域を示す情報を画像処理することで、基部２１に対する開先の内壁１４ａ，１４ｂ、開先１６の幅方向中央位置、開先底面１５の深さを求めることができる。制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に基づくことによって、開先１６に倣ってトーチ角変位軸線Ｌ１を揺動方向に変位させることができる。
【００９１】
図１３は、溶接ヘッド１００を示す右側面図である。多関節ロボット３０は、６軸の垂直多関節ロボットによって実現され、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５が設定される。多関節ロボット３０は、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５まわりに基部２１を回転させることができる。本実施の形態では、多関節ロボット３０の手首部は、連結部材５７を介して、基部２１と連結される。多関節ロボット３０は、エンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５と、前記トーチ角変位軸線Ｌ１とが一致するように、基部２１を連結する。また基部２１は、アーク発生領域を覆うシールド部材５８が固定される。シールド部材５８は、溶接トーチ２２に対して、揺動方向Ｙ両側および接合方向後方Ｘ２に配置されて、アーク発生領域を覆う。これによってアーク発生領域を不活性ガスで満たすことができるとともに、アークによる火花がシールド部材５８の外方に飛散することを防ぐことができる。
【００９２】
図１４は、制御装置６０のアーク溶接手順を示すフローチャートである。まずステップａ０で、被接合物１８に開先１６が形成されるとともに、アーク溶接可能な接合準備が完了した状態で、作業者などからアーク溶接指令が与えられると、ステップａ１に進み溶接動作を開始する。制御装置６０は、記憶回路に記憶される溶接プログラムを実行することによって、以下の動作を実行する。
【００９３】
ステップａ１では、制御装置６０は、多関節ロボット３０に移動指令を与えて、予め作業者などから予め定められる初期位置に、溶接ヘッド１００を移動させる。初期位置は、開先１６内に電極棒１９の先端部１９ｄが配置されるとともに、開先１６の伸延方向に、基部２１の接合方向Ｘが沿う位置である。溶接ヘッド１００が初期位置に移動すると、ステップａ２に進む。
【００９４】
ステップａ２では、制御装置６０は、ガス送給装置５２にガス送給指令を与えるとともに、冷却水送給装置５９に冷却水送給指令を与える。次に、溶接用電源装置５０にアーク発生指令を与えるとともに、ワイヤ送給装置５３にワイヤ送給指令を与えて、電極棒１９と被接合物１８との間にアークを発生させると同時に、溶加材１７の送給を開始する。このようにして、アーク溶接を開始すると、ステップａ３に進む。
【００９５】
ステップａ３では、制御装置６０は、多関節ロボット３０によって、基部２１を開先１６の伸延方向に沿って移動させる。このとき制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に従って、多関節ロボット３０に揺動方向に移動指令を与えて、トーチ角変位軸線Ｌ１を、開先１６の揺動方向中央位置に配置させた状態を維持させる。また制御装置６０は、レーザセンサ５５から与えられる信号に従って、開先１６の内壁１４ａ，１４ｂに接触することを防ぐ揺動変位量を求める。制御装置６０は、求めた揺動変位量で電極棒１９の先端部１９ｄを揺動変位させるように、エンコーダ５４からの検出結果に基づいて、揺動用モータ３３に揺動指令を与える。
【００９６】
またウィービング溶接中に、制御装置６０は、ＡＶＣ装置５１に駆動指令を与えて、アーク長が一定となるように電極棒１９の先端部１９ｄと開先底面１５との距離を調整する。これによって開先底面１５の凹凸による溶接欠陥を抑え、ビード外観の均一化を図ることができる。このようにしてウィービング溶接を開始すると、ステップａ３に進む。
【００９７】
ステップａ３では、制御装置６０は、溶接ヘッド１００が被接合物１８を周回して、開先底面１５から予め定める粗仕上げ高さまで、溶加材１７を多層盛りしたか否かを判断する。たとえば初期位置を予め定める回数旋回したことを判断したり、レーザセンサ５５によって開先１６の溶加材１７の高さが粗仕上げ高さに達したことを判断したりすると、ステップａ４に進む。制御装置６０は、開先底面１５から予め定める高さまで、溶加材１７を多層盛りしたと判断するまで、ステップａ３を繰返す。たとえば粗仕上げ高さは、開先１６の深さ寸法とほぼ同一に設定される。
【００９８】
ステップａ４では、制御装置６０は、仕上げ溶接制御を行う。具体的には、制御装置６０は、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛り高さが最終仕上げ高さＨ１０以上となるようにワイヤ送給装置５３を制御する。図１５は、仕上げ時のワイヤ送給装置５３の制御を説明するためのグラフである。図１５の横軸は、溶接ヘッド１００の移動位置を示す。図１５の縦軸は、溶接ヘッド１００の位置毎での溶加材１７の多層盛り高さを示す図である。ステップａ４では、制御装置６０は、ステップａ３に継続してウィービング溶接を行って溶接ヘッド１００を移動させるときに、溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０以上である期間Ｗ１については、ワイヤ送給装置５３によるワイヤ送給を停止する。また溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０未満である期間Ｗ２については、ワイヤ送給装置５３によるワイヤ送給を行う。制御装置６０は、溶加材１７の多層盛りの高さは、レーザセンサ５５からの信号に基づいて演算することができる。このようにして制御装置６０は、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛りの高さが、最終仕上げ高さＨ１０以上となったことを判断すると、ステップａ５に進む。
【００９９】
ステップａ５では、制御装置６０は、溶接用電源装置５０にアーク停止指令を与えて、アークの発生を終了させるとともに、ＡＶＣ装置５１および揺動用モータ３３に駆動停止指令を与える。また制御装置６０は、ガス送給装置５２、ワイヤ送給装置５３、冷却水送給装置５９にそれぞれ、送給終了指令を与える。このようにして各装置に終了指令を与えると、ステップａ６に進む。ステップａ６では、制御装置６０は、多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を予め定められる待機位置に移動させて、ステップａ７に進み、溶接動作を終了する。
【０１００】
以上のように本実施の形態では、多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を移動させることで、任意の位置および姿勢に溶接ヘッド１００を移動させることができ、溶接可能な場面を増やすことができる。また本実施の形態では、多関節ロボット３０は、開先１６に沿って溶接ヘッド１００の基部２１を移動させるだけで、ウィービング溶接を行うことができ、多関節ロボットの手首を揺動方向に移動させる場合に比べて、ウィービングに生じる慣性力が小さく、高速揺動可能でかつ高精度にウィービング溶接を行うことができる。また狭開先であってもアーク溶接することができる。
【０１０１】
またレーザセンサ５５を用いて、開先位置に対する基部２１の揺動方向の相対位置を検出する。制御装置６０が、レーザセンサ５５の検出結果に基づいて、多関節ロボット３０を制御する。これによって多関節ロボット３０は、開先１６に対する基部２１のずれを補正するように、基部２１を移動させることができる。これによってウィービング溶接を行う間に、開先１６の形成精度が低くても、電極棒１９が被接合物１８に干渉することを防ぐことができる。
【０１０２】
またレーザセンサ５５を用いて、開先深さを検出することで、検出結果に応じた制御を行うことができる。たとえば開先深さに基づいて、溶加材１７の供給量変化、アーク電圧変化、基部２１の高さ変化などの溶接条件を変更することで、接合品質をさらに向上することができる。本実施の形態では、ステップａ４における仕上げ溶接工程で、溶加材１７の多層盛り高さに応じて、溶加材１７の送給の有無を変更することで、開先１６の伸延方向にわたって、溶加材１７の多層盛り高さのばらつきを抑えることができ、美感および接合強度を向上して、接合品質を向上させることができる。また本実施の形態では、レーザセンサ５５を用いることで、開先位置検出手段と、開先深さ検出手段とを別途用意する場合に比べて、アーク溶接装置の構成を簡単化することができる。
【０１０３】
また本実施の形態では、溶接トーチ２２の揺動にかかわらずに、レーザセンサ５５が基部２１に対して固定されることで、溶接トーチ２２の揺動とともにぶれることがなく、精度よく、開先位置および開先部分の深さを求めることができる。また本実施の形態では、ロボットの手首に設定されるエンドエフェクタ角変位軸線Ｌ５と、トーチ角変位軸線Ｌ１とが同軸に設定されることで、ロボットの手首位置に設定される座標と、前記交点Ｐ１の座標とを容易に関連づけることができ、制御装置６０は、ロボット３０の移動位置を容易に演算することができる。
【０１０４】
また本実施の形態では、仕上げ工程として、ウィービングさせながら、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材送給の有無を切換えたが、ウィービングさせずに、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材送給の有無を切換えてもよい。また溶接ヘッド１００による周回の途中で、仕上げ工程を行ってもよい。したがって仕上げ工程と、通常のウィービング溶接工程とを交互に繰返してもよい。これによってさらに溶加材１７の多層盛り高さを均一化することができる。
【０１０５】
上述した本実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば本実施の形態では、開先は、Ｖ字開先としたが、他の開先形状であってもよく、たとえばＸ字開先であっても同様の効果を得ることができる。また円筒状の被接合物１８に対して溶接を行ったが、板状の被接合物１８であっても、アーク溶接を行うことができる。また本実施の形態では、ＴＩＧ溶接を例示したが、ＭＩＧ（Metal Inert
Gas）溶接であってもよい。また電極棒、溶加材、不活性ガスの種類については、限定されない。さらに不活性ガスを用いない単純なアーク溶接であってもよい。また加熱させた溶加材１７を電極棒１９の先端部１９ｄに送給してもよい。
【０１０６】
また本実施の形態で、例示したアーク接合装置の各寸法は、一例であって他の寸法を用いてもよい。また本実施の形態では、溶加材１７の多層盛りの高さに応じて、溶加材１７の送給の有無を変更したが、溶加材１７の送給速度を変更してもよく、高さが低い場合には、高さが高い場合に比べて溶加材１７の送給速度を高くしてもよい。また本実施の形態では、トーチ支持部２３を揺動させるために、サーボモータを用いたが、他の駆動手段を用いてもよい。たとえばエアシリンダなどの往復駆動装置を用いてもよい。また本実施の形態では、トーチ揺動駆動手段２４の動力を用いて、溶加材ガイド２５を角変位駆動したが、トーチ揺動駆動手段２４とは別の駆動手段を用いて、溶加材ガイド２５を角変位させてもよい。また本実施の形態に示したガイド揺動駆動手段２７は、カムフォロアと、レールとを用いた、他のリンク機構によって、トーチ揺動駆動手段２４の動力を利用して、溶加材ガイド２５を変位させてもよい。
【０１０７】
また本実施の形態では、アーク溶接装置２０は、溶接ヘッド１００以外も含んだが、溶接ヘッド１００を溶接装置本体としてもよい。また多関節ロボット３０によって、溶接ヘッド１００を任意の位置および姿勢に移動させたが、これに限定されず、溶接ヘッド１００を搬送可能であれば、他の搬送装置を用いても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の一実施形態であるアーク溶接装置２０の溶接ヘッド１００を示す正面図である。
【図２】溶接ヘッド１００の一部を拡大して示す正面図である。
【図３】トーチ揺動駆動手段２４を示す断面図である。
【図４】被接合物１８を構成する２つの被接合部材１８ａ，１８ｂを示す斜視図である。
【図５】ウェービング動作を説明するために、接合方向前方Ｘ１から接合方向後方Ｘ２に被接合物１８の開先１６を見て示す断面図である。
【図６】トーチ角変位軸線Ｌ１の移動軌跡３７と、電極棒１９の先端部１９ｄの移動軌跡３８とを示す平面図である。
【図７】溶融した溶加材を多層盛りして、被接合物１８の開先１６を埋めた状態を示す断面図である。
【図８】図２のＳ８−Ｓ８切断面線から見て、ガイド揺動駆動手段２７の動作を模式的に示す断面図である。
【図９】図２のＳ９−Ｓ９切断面線から見て、電極棒１９と溶加材１７の動作を示す図である。
【図１０】アーク溶接装置２０を含む溶接システム６１を示すブロック図である。
【図１１】溶接ヘッド１００を示す平面図である。
【図１２】溶接ヘッド１００を示す左側面図である。
【図１３】溶接ヘッド１００を示す右側面図である。
【図１４】制御装置６０のアーク溶接手順を示すフローチャートである。
【図１５】仕上げ時のワイヤ送給装置５３の制御を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
１９ 電極棒
１９ｃ 突出部分
１９ｄ 電極棒の先端部
２０ アーク溶接装置
２１ 基部
２２ 溶接トーチ
２３ トーチ支持部
２４ トーチ揺動駆動手段
２５ 溶加材ガイド
２６ 溶加材ガイド支持部
２７ ガイド揺動駆動手段
３０ 多関節ロボット
Ｌ１ トーチ角変位軸線
Ｌ２ 電極軸線
Ｐ１ 交点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットに固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線が設定される基部と、
電極棒の先端部を突出させた状態で、電極棒を着脱可能に装着する溶接トーチと、
前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶接トーチに装着される電極棒の中心軸線が前記トーチ角変位軸線に対して傾斜するように、前記溶接トーチを支持するトーチ支持部と、
前記トーチ支持部を前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するトーチ揺動駆動手段とを含み、
前記電極棒の中心軸線と前記トーチ角変位軸線との交点が、電極棒のうちで溶接トーチから突出する突出部分に配置されることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
溶接トーチは、先端部が先細に形成される直線棒状の電極棒を同軸に装着することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
非溶極式のアーク溶接装置であって、
溶接トーチに装着される電極棒近傍の領域に溶加材を案内する溶加材ガイドと、
前記トーチ角変位軸線に平行に延びる溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶加材ガイドを支持する溶加材ガイド支持部と、
溶加材ガイドによって案内される溶加材が溶接トーチに装着される電極棒に向かうように、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するガイド揺動駆動手段とをさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記ガイド揺動駆動手段は、前記トーチ揺動駆動手段の動力を伝達して、前記溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する動力伝達機構によって実現されることを特徴とする請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記基部に連結されて、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与える開先位置検出手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記基部に連結されて、開先位置の深さを検出する開先深さ検出手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のアーク溶接装置と、前記アーク溶接装置を変位移動するためのロボットとを含むことを特徴とする溶接設備。
【請求項１】
ロボットに固定されて、予め定めるトーチ角変位軸線が設定される基部と、
電極棒の先端部を突出させた状態で、電極棒を着脱可能に装着する溶接トーチと、
前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶接トーチに装着される電極棒の中心軸線が前記トーチ角変位軸線に対して傾斜するように、前記溶接トーチを支持するトーチ支持部と、
前記トーチ支持部を前記トーチ角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するトーチ揺動駆動手段とを含み、
前記電極棒の中心軸線と前記トーチ角変位軸線との交点が、電極棒のうちで溶接トーチから突出する突出部分に配置されることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
溶接トーチは、先端部が先細に形成される直線棒状の電極棒を同軸に装着することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
非溶極式のアーク溶接装置であって、
溶接トーチに装着される電極棒近傍の領域に溶加材を案内する溶加材ガイドと、
前記トーチ角変位軸線に平行に延びる溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位可能に前記基部に連結されて、溶加材ガイドを支持する溶加材ガイド支持部と、
溶加材ガイドによって案内される溶加材が溶接トーチに装着される電極棒に向かうように、トーチ支持部の揺動角変位に連動させて、溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動するガイド揺動駆動手段とをさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記ガイド揺動駆動手段は、前記トーチ揺動駆動手段の動力を伝達して、前記溶加材ガイド支持部を溶加材角変位軸線まわりに揺動角変位駆動する動力伝達機構によって実現されることを特徴とする請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記基部に連結されて、開先位置に対する基部の相対位置を検出し、検出結果をロボットに与える開先位置検出手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記基部に連結されて、開先位置の深さを検出する開先深さ検出手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のアーク溶接装置と、前記アーク溶接装置を変位移動するためのロボットとを含むことを特徴とする溶接設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−１１４２７９（Ｐ２００８−１１４２７９Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２０３４（Ｐ２００６−３０２０３４）
【出願日】平成１８年１１月７日（２００６．１１．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月７日（２００６．１１．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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