固定構造及び管端溶接装置
【課題】管の固定時における管の軸線方向への移動を防止し、もって管の端部を管板に管端溶接する際の作業性を向上させる。
【解決手段】管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフト５１と、移動シャフト５１を囲んで設けられ拡径自在なスリーブ５２と、移動シャフト５１に一体的に設けられ、スリーブ５２の一端５２ａ側から他端５２ｂ側に向かう移動シャフト５１の移動により、スリーブ５２を拡径させるスリーブ拡径部５３と、スリーブ５２の他端５２ｂに当接され、スリーブ拡径部５３の相対移動によるスリーブ５２の軸線方向への移動を阻止する移動阻止部５４とを備える。
【解決手段】管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフト５１と、移動シャフト５１を囲んで設けられ拡径自在なスリーブ５２と、移動シャフト５１に一体的に設けられ、スリーブ５２の一端５２ａ側から他端５２ｂ側に向かう移動シャフト５１の移動により、スリーブ５２を拡径させるスリーブ拡径部５３と、スリーブ５２の他端５２ｂに当接され、スリーブ拡径部５３の相対移動によるスリーブ５２の軸線方向への移動を阻止する移動阻止部５４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定構造及び管端溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所や火力発電所あるいは石油・天然ガス精製設備等において使用される熱交換器の製造工程では、流体流通用の多数の管と、管支持用の板（以下、管板と称する）とを接合するための溶接作業が行われる。この溶接作業は、各管の端部と、管が挿通された管板の孔部の周縁とを全周に亘って溶接（シール溶接）するものであり、管端溶接と呼ばれている。
【０００３】
管端溶接では、溶接トーチの周方向の移動（旋回）が自動化された溶接装置を用いるのが一般的である（例えば特許文献１参照）。この溶接装置は、モータ駆動される回転部材に溶接トーチが取り付けられた自動溶接部を備えている。自動溶接部における溶接トーチの前方には、シャフト状の固定構造が突出して設けられており、この固定構造を溶接対象の管の内部に挿入することで、管の中心軸線と溶接トーチの旋回軸線とが位置決め（軸合わせ）されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０７５８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固定構造は、管の内部に挿入され管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、移動シャフトの一部を外周側から囲んで設けられ径が変化自在なスリーブと、を備えている。なお、移動シャフト及びスリーブの中心軸線と、溶接トーチの旋回軸線とは、同一軸線上に配置されている。
また、スリーブの両端には、スリーブを内周側から拡径させる第１コーン及び第２コーンが設けられている。第１コーン及び第２コーンのスリーブと接する側には、それぞれ斜面が形成されている。第１コーンは、移動シャフトの先端に一体的に設けられている。一方、第２コーンと移動シャフトとは、互いに相対移動自在に設けられている。
【０００６】
位置決め作業の手順としては、まず、移動シャフト及びスリーブを管の内部に挿入させる。次に、第２コーンを一定の位置に保持した状態で、移動シャフトを管から引き出す方向で移動させる。移動シャフトの移動により、第１コーンが第２コーン側、すなわち管の端部側に向かって移動する。すると、第１コーンと第２コーンとの間の距離が短くなり、スリーブはその軸線方向で圧縮される。
この圧縮によって、スリーブは、第１コーン及び第２コーンのそれぞれの斜面に乗り上がるようにして、内周側から拡径される。拡径されたスリーブは、管の内周面に密着し、管の中心軸線と、移動シャフト及びスリーブとの中心軸線とが軸合わせされる。また、上述したように、移動シャフト及びスリーブの中心軸線と、溶接トーチの旋回軸線とは、同一軸線上に配置されている。よって、スリーブが管の内周面に密着することで、管の中心軸線と溶接トーチの旋回軸線とが軸合わせされるように、管と溶接装置とが位置決めされる。
【０００７】
しかしながら、スリーブが第２コーンの斜面に乗り上がるようにして拡径するため、第２コーンが一定の位置に保持されていても、スリーブは拡径と共に移動シャフトの移動方向、すなわち管の端部側に向かって移動していた。また、スリーブが拡径して管の内周面に密着すると、スリーブと管との密着部分に摩擦力が生じる。この摩擦力により、管は移動シャフトが移動する方向に付勢され、管が管板から突出する虞があった。このように管が管板から突出すると、管の位置決め作業をやり直す必要があるので、管端溶接の作業性が低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、管の固定時における管の軸線方向への移動を防止し、もって管の端部を管板に管端溶接する際の作業性を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、固定構造に係る第１の解決手段として、管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、該移動シャフトを囲むように設けられ拡径自在なスリーブと、前記移動シャフトに一体的に設けられ、前記スリーブに対して前記軸線方向に相対移動することにより前記スリーブを拡径させるスリーブ拡径部と、前記スリーブの端部に当接するように設けられ、前記スリーブ拡径部の相対移動による前記スリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部とを具備する、という手段を採用する。
【００１０】
また、固定構造に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記スリーブ拡径部は、前記スリーブの一端側を拡径させる第１拡径部と、前記スリーブの他端側を拡径させる第２拡径部とを備える、という手段を採用する。
【００１１】
また、固定構造に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記移動シャフトは、前記軸線方向に延在する第１シャフトと、前記軸線方向において前記第１シャフトと相対移動自在な第２シャフトと、を備え、前記第１拡径部は前記第１シャフトに一体的に設けられ、前記第２拡径部は前記第２シャフトに一体的に設けられる、という手段を採用する。
【００１２】
また、本発明では、管端溶接装置に係る第１の解決手段として、管の端部と当該管を支持する管板とを溶接する管端溶接装置であって、溶接トーチを管の端部に沿って旋回させて管の端部を管板に溶接する自動溶接部と、第１〜第３のいずれかの解決手段に係る固定構造を備え、管の中心軸線と前記溶接トーチの旋回軸線とを軸合わせするように管と前記自動溶接部とを位置決めする位置決め装置と、を具備する、という手段を採用する。
【００１３】
また、管端溶接装置に係る第２の解決手段として、管端溶接装置に係る第１の解決手段において、複数の管に亘って自動溶接部を移動させる移動装置と、該移動装置を支持する支持台と、第１〜第３のいずれかの解決手段に係る固定構造を備え、前記支持台を管板に固定する支持台固定装置と、をさらに備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る固定構造によれば、移動シャフト及びスリーブを管の内部に挿入した後、移動シャフトを管の軸線方向に移動させると、スリーブ拡径部がスリーブを拡径させて管を固定する。このようなスリーブの拡径時において、本発明ではスリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部が設けられているので、スリーブの移動に伴って管が軸線方向に移動することがない。
したがって、このような固定構造を管端溶接装置に適用した場合に、管の端部を管板に管端溶接する際の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置の正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る管端溶接装置の側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における自動溶接部の垂直断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態における固定構造の垂直断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態において、自動溶接部の前進動作を示す概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態において、固定構造の固定動作を示す概略図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る管端溶接装置の側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態におけるプレート固定装置の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を、図１〜図８を参照して詳しく説明する。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、図１〜図８においては、ＸＹＺ直交座標系が設定されており、ＸＹ平面が水平面に平行する面となっている。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る管端溶接装置３の正面図である。また、図２は、第１実施形態に係る管端溶接装置３の側面図である。これら図１、図２において、符号１は管板、符号２は管板１に挿通された流体流通用の管、符号３は第１実施形態に係る管端溶接装置を示している。
【００１８】
図１に示すように、管板１は、不図示の熱交換器における容器（シェル）内に設けられる板状の部材であって、その壁面がＹ方向に直交する姿勢で設けられている。管板１には、その壁面におけるＸ方向及びＺ方向に亘って、複数の管２が一定の配列ピッチで配設されている。図２に示すように、管板１には板厚方向に貫通する複数の孔部１ａが形成されており、各孔部１ａに管２がそれぞれ挿通されている。管２の端部２ａは、管板１の壁面と面一となる位置に設けられている。管端溶接装置３は、管２の端部２ａと、管板１の孔部１ａにおける周縁とを全周に亘って溶接（シール溶接）するものである。
【００１９】
図１に戻り、管端溶接装置３は、ベースプレート１０（支持台）と、プレート固定装置２０（支持台固定装置）と、移動装置３０と、自動溶接部４０と、不図示の全体制御装置とを備えている。なお、自動溶接部４０には、不図示の溶接制御装置が接続されている。
【００２０】
ベースプレート１０は、矩形の板部材から、自動溶接部４０の移動範囲に対応する部分が切り欠かれた形状を有するものである。ベースプレート１０のＸ方向における両端部には、アーム１１を介して吊下用リング１２がそれぞれ設けられている。吊下用リング１２は、管端溶接装置３を吊り下げつつ移動させるために用いられるものである。
【００２１】
プレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するための装置であって、ベースプレート１０の切り欠かれた部分を除いた３つの隅角部に各々設けられている。また、図２に示すように、プレート固定装置２０は、シャフト状の固定構造５０を備えている。固定構造５０は、管２の内部に挿入されて、管２の内周面に密着することで、ベースプレート１０を管板１に固定するためのものである。なお、固定構造５０の詳細は後述する。
【００２２】
再び図１に戻り、移動装置３０は、Ｘ方向及びＺ方向に自動溶接部４０を移動させる装置である。移動装置３０が自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させることで、自動溶接部４０が矩形の領域Ｓ内に配された管２に対して管端溶接を実施できる構成となっている。移動装置３０は、Ｘ軸ガイド部３１と、Ｚ軸ガイド部３２とを備えている。Ｘ軸ガイド部３１は、ベースプレート１０の板面上に固定されており、Ｘ方向に向かって延在する直動ガイド、ボールネジ及びスライダを含んで構成されている。また、Ｘ軸ガイド部３１には、ボールネジを回転させてスライダをＸ方向に往復移動させるＸ軸モータ３３が設けられている。Ｘ軸モータ３３には、例えばサーボモータが用いられる。Ｚ軸ガイド部３２は、Ｘ軸ガイド部３１のスライダに固定されており、Ｚ方向に向かって延在する直動ガイド、ボールネジ及びスライダを含んで構成されている。すなわち、Ｚ軸ガイド部３２は、Ｘ方向に移動自在に設けられている。また、Ｚ軸ガイド部３２には、ボールネジを回転させてスライダをＺ方向に往復移動させるＺ軸モータ３４が設けられている。Ｚ軸モータ３４には、例えばサーボモータが用いられる。
【００２３】
Ｚ軸ガイド部３２のスライダにはブラケット３５が固定され、ブラケット３５にはスライドガイド部３６が設けられている。自動溶接部４０はスライドガイド部３６に設けられており、スライドガイド部３６は自動溶接部４０をＹ方向に往復移動させるものである。スライドガイド部３６には、自動溶接部４０を往復移動させるための不図示のエアシリンダ等が設けられている。なお、ブラケット３５に、自動溶接部４０のＸ方向及びＺ方向での微少な移動に対応するためのフローティング機構が設けられていてもよい。
【００２４】
図２に示すように、自動溶接部４０は、溶接トーチ４１と、位置決めピン４２と、位置決め装置６０とを備えている。溶接トーチ４１は、管板１に向かって突出し、Ｙ方向に延在する軸線Ｒ（旋回軸線）周りに旋回自在に設けられており、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接するものである。位置決めピン４２は、管板１に向かって突出して設けられ、自動溶接部４０が管板１に向かって前進したときに自動溶接部４０をＹ方向で位置決めするものである。
【００２５】
位置決め装置６０は、自動溶接部４０が管板１に向かって前進したときに管２の内部に挿入される固定構造５０を備えている。位置決め装置６０は、固定構造５０の固定動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとを軸合わせするように、管２と自動溶接部４０とを位置決めするものである。なお、本実施形態におけるプレート固定装置２０及び位置決め装置６０は、同一の構成を有する固定構造５０をそれぞれ備えている。
【００２６】
続いて、本実施形態における自動溶接部４０を、より詳細に説明する。図３は、本実施形態における自動溶接部４０の垂直断面図である。自動溶接部４０は、筐体４３内に、旋回用モータ４４と、回転部材４５とを備えている。旋回用モータ４４は、溶接トーチ４１を軸線Ｒ周りに旋回させる回転駆動力を発生する駆動装置である。旋回用モータ４４の出力軸には、ピニオンギア４６が設けられている。また、旋回用モータ４４は、筐体４３内に一体的に設けられている。回転部材４５は、円形の外周部を有する部材であって、筐体４３にベアリング４７を介して、軸線Ｒ周りに回転自在に設けられている。回転部材４５の外周部にはギアが形成されており、回転部材４５の外周部のギアと、ピニオンギア４６とは互いに噛合している。また、回転部材４５には溶接トーチ４１が固定されている。すなわち、溶接トーチ４１は、回転部材４５に固定されていることで、軸線Ｒ周りに旋回自在となっている。
【００２７】
本実施形態における位置決め装置６０は、自動溶接部４０に設けられている。位置決め装置６０は、シャフト状の固定構造５０と、第１シリンダ６１と、第２シリンダ６２とを備えている。
【００２８】
固定構造５０は、移動シャフト５１と、スリーブ５２と、コーン５３（スリーブ拡径部）と、ストッパー５４（移動阻止部）とを備えている。移動シャフト５１は、筐体４３から＋Ｙ方向側（以下、単に「＋Ｙ側」と称する）に溶接トーチ４１よりも突出して設けられ、スリーブ５２、コーン５３及びストッパー５４を支持する棒状の部材である。移動シャフト５１は、第１シャフト５１ａと、第２シャフト５１ｂとを備えている。第１シャフト５１ａは、Ｙ方向に延在する棒状の部材である。第２シャフト５１ｂは、第１シャフト５１ａを囲んで設けられる筒状の部材である。また、第１シャフト５１ａと第２シャフト５１ｂとは、Ｙ方向において互いに相対移動自在に設けられている。第２シャフト５１ｂは、カラー５５を介して筐体４３にＹ方向に移動自在に支持されている。なお、第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂの各中心軸線は、軸線Ｒと同一軸線上に配されている。
【００２９】
カラー５５は、第２シャフト５１ｂを囲んで設けられる筒状の部材であって、筐体４３に固定されている。カラー５５は、溶接トーチ４１の管端溶接時に生じる熱・火花等によっても溶解及び発火しない材質が用いられ、例えばセラミックを用いて成形されている。
【００３０】
スリーブ５２は、移動シャフト５１の先端側の一部をその外周側から囲んで設けられる筒状の部材である。スリーブ５２のＹ方向における両端、すなわち一端５２ａ及び他端５２ｂの径は、スリーブ５２の中央部における径よりも大きく設定されている。なお、一端５２ａは、固定構造５０の先端側、すなわち＋Ｙ側に設けられ、他端５２ｂは−Ｙ側に設けられている。スリーブ５２には、Ｙ方向に延びる複数のスリット５２ｃが形成されている。そのため、スリーブ５２は、内周側から外周側に向かって付勢されることで、その径が変化自在となっている。
【００３１】
コーン５３は、スリーブ５２の＋Ｙ側に設けられており、スリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２を内周側から拡径させるものである。
ストッパー５４は、移動シャフト５１の一部を外周側から囲んで設けられる部材であって、スリーブ５２の他端５２ｂとカラー５５との間に配されている。
【００３２】
第１シリンダ６１及び第２シリンダ６２は、それぞれ筐体４３内に固定されている。第１シリンダ６１の出力軸は、第１シャフト５１ａに接続され、第２シリンダ６２の出力軸は、ブラケットを介して第２シャフト５１ｂに接続されている。第１シリンダ６１及び第２シリンダ６２は、個別に動作させることができるものであり、例えば圧縮空気を駆動源とするエアシリンダである。
【００３３】
続いて、本実施形態における固定構造５０を、より詳細に説明する。図４は、本実施形態における固定構造５０の垂直断面図である。移動シャフト５１の第１シャフト５１ａは、第２シャフト５１ｂよりも＋Ｙ側に向けて突出して設けられている。スリーブ５２は、第２シャフト５１ｂの＋Ｙ側の端部を外周側から囲んで設けられている。また、スリーブ５２は、第２シャフト５１ｂに対してＹ方向で相対移動自在に設けられている。
【００３４】
コーン５３は、第１コーン５６（第１拡径部）と、第２コーン５７（第２拡径部）とを備えている。第１コーン５６は、第１シャフト５１ａの＋Ｙ側の端部に一体的に設けられている。第１コーン５６の−Ｙ側の端部には、−Ｙ側に向かうにしたがって縮径する第１斜面５６ａが形成されている。この第１斜面５６ａは、スリーブ５２における一端５２ａの内周側に配置されている。一方、スリーブ５２は、第１斜面５６ａと同一の傾斜を有し且つ第１斜面５６ａに対向して設けられる第１対向面５２ｄを備えている。第１コーン５６の＋Ｙ側の端部には、＋Ｙ側に向かうに従って縮径する縮径部５６ｂが形成されている。
【００３５】
第２コーン５７は、第２シャフト５１ｂの＋Ｙ側の端部を外周側から囲みつつ一体的に設けられ、スリーブ５２の内周側に配置されている。第１コーン５６と第２コーン５７とは、Ｙ方向において互いに相対移動自在に設けられている。第２コーン５７の−Ｙ側の端部には、−Ｙ側に向かうにしたがって縮径する第２斜面５７ａが形成されている。この第２斜面５７ａは、スリーブ５２における他端５２ｂの内周側に配置されている。一方、スリーブ５２は、第２斜面５７ａと同一の傾斜を有し且つ第２斜面５７ａに対向して設けられる第２対向面５２ｅを備えている。
【００３６】
ストッパー５４は、スリーブ５２の他端５２ｂとカラー５５との間に設けられている。ストッパー５４は、Ｙ方向と直交する面である支持面５４ａを備えており、支持面５４ａは他端５２ｂに接して設けられている。ストッパー５４における支持面５４ａ側の外径は、スリーブ５２の他端５２ｂが拡径したときの内径よりも大きく設定されている。
【００３７】
次に、第１実施形態に係る管端溶接装置３の管端溶接における動作を説明する。
まず、吊下用リング１２を用いて、管端溶接装置３を吊り下げつつ、管板１の壁面における領域Ｓに向けて移動させる。プレート固定装置２０の固定構造５０を、領域Ｓ外の管２の内部に挿入し、固定構造５０の固定動作によりベースプレート１０を管板１に固定する。なお、固定構造５０の固定動作は、後述する位置決め装置６０の位置決め動作と共に説明する。
【００３８】
次に、移動装置３０の作動により、自動溶接部４０を溶接対象の管２の正面に移動させる。移動後、溶接対象の管２の正面には、自動溶接部４０における位置決め装置６０の固定構造５０が対向して配置される。
【００３９】
次に、自動溶接部４０を管板１に向けて前進させる。図５は、自動溶接部４０の前進動作を示す概略図であって、（ａ）は前進動作前の状態を示す側面図、（ｂ）は前進動作後の状態を示す側面図である。
図５（ａ）に示すように、移動装置３０の作動によって、自動溶接部４０が溶接対象の管２の正面に移動する。移動後、溶接対象の管２の正面には、自動溶接部４０における位置決め装置６０の固定構造５０が対向して配置されている。
【００４０】
次に、図５（ｂ）に示すように、スライドガイド部３６の作動により、自動溶接部４０が管板１に向けて前進する。自動溶接部４０が前進することで、固定構造５０は溶接対象の管２の内部に挿入される。前進後、溶接トーチ４１は、管２の端部２ａに対向して配置される。また、自動溶接部４０には位置決めピン４２が設けられており、自動溶接部４０がＹ方向で位置決めされる。そのため、溶接トーチ４１の先端と、管２の端部２ａとの間の距離が、溶接に適した距離に設定される。
【００４１】
次に、位置決め装置６０を作動させて、管２の中心軸線２ｂと、溶接トーチ４１の旋回中心である軸線Ｒとが軸合わせするように、管２と自動溶接部４０とを位置決めする。図６は、固定構造５０の固定動作を示す概略図であって、（ａ）は固定構造５０が管２の内部に挿入された状態を示す垂直断面図、（ｂ）はスリーブ５２の他端５２ｂが拡径した状態を示す垂直断面図、（ｃ）はスリーブ５２の一端５２ａが拡径した状態を示す垂直断面図である。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、自動溶接部４０が管板１に向かって前進し、固定構造５０が管２の内部に挿入された状態では、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂの外周面と、管２の内周面との間には隙間が形成されている。すなわち、固定構造５０が管２の内部に挿入された時点では、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとは必ずしも同一軸線上に配されない。
【００４３】
次に、図６（ｂ）に示すように、第１シャフト５１ａ及びカラー５５を一定の位置に保持した状態で、第２シリンダ６２（図６では図示せず）の作動により、第２シャフト５１ｂを−Ｙ側に移動させる。第２シャフト５１ｂの移動により、第２シャフト５１ｂに一体的に設けられた第２コーン５７が−Ｙ側に移動する。そのため、第２コーン５７の第２斜面５７ａは、第２対向面５２ｅを−Ｙ側に付勢すると共に径方向外側に押し拡げる。すなわち、スリーブ５２の他端５２ｂが、第２斜面５７ａに乗り上がるようにして拡径する。したがって、第２コーン５７がスリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２の他端５２ｂは内周側から拡径される。
【００４４】
スリーブ５２の他端５２ｂが拡径すると、他端５２ｂの外周面は管２の内周面に密着する。よって、他端５２ｂにおいて、スリーブ５２は管２に対して固定される。
なお、他端５２ｂが拡径するときに、第２コーン５７はスリーブ５２を−Ｙ側に向けて付勢する。しかしながら、スリーブ５２における他端５２ｂの−Ｙ側にはストッパー５４が接して設けられており、ストッパー５４はカラー５５に保持されている。そのため、スリーブ５２が第２コーン５７から−Ｙ側に向けて付勢されたとしても、スリーブ５２の−Ｙ側への移動は生じず、スリーブ５２は一定の位置に保持される。さらに、他端５２ｂが拡径し、管２の内周面に密着したときにも、他端５２ｂから管２に対して加えられる−Ｙ側への付勢力は生じない。このような付勢力が生じないことから、管２の管板１からの−Ｙ側への突出を防止することができる。
【００４５】
次に、図６（ｃ）に示すように、第２シャフト５１ｂ及びカラー５５を一定の位置に保持した状態で、第１シリンダ６１（図６では図示せず）の作動により、第１シャフト５１ａを−Ｙ側に移動させる。第１シャフト５１ａの移動により、第１シャフト５１ａに一体的に設けられた第１コーン５６が−Ｙ側に移動する。そのため、第１コーン５６の第１斜面５６ａは、第１対向面５２ｄを−Ｙ側に付勢すると共に径方向外側に押し拡げる。すなわち、スリーブ５２の一端５２ａが、第１斜面５６ａに乗り上がるようにして拡径する。したがって、第１コーン５６がスリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２の一端５２ａは内周側から拡径される。
【００４６】
スリーブ５２の一端５２ａが拡径すると、一端５２ａの外周面は管２の内周面に密着する。よって、一端５２ａにおいて、スリーブ５２は管２に対して固定される。
なお、一端５２ａが拡径するときに、第１コーン５６はスリーブ５２を−Ｙ側に向けて付勢する。しかしながら、スリーブ５２における他端５２ｂの−Ｙ側にはストッパー５４が接して設けられており、ストッパー５４はカラー５５に保持されている。そのため、スリーブ５２が第１コーン５６から−Ｙ側に向けて付勢されたとしても、スリーブ５２の−Ｙ側への移動は生じず、スリーブ５２は一定の位置に保持される。さらに、一端５２ａが拡径し、管２の内周面に密着したときにも、一端５２ａから管２に対して加えられる−Ｙ側への付勢力は生じない。このような付勢力が生じないことから、管２の管板１からの−Ｙ側への突出を防止することができる。
【００４７】
スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂが、いずれも拡径して管２の内周面に密着することにより、軸線Ｒは、管２の中心軸線２ｂに対して傾くことなく、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが同一軸線上に配されて互いに軸合わせされる。よって、固定構造５０の固定動作を含む位置決め装置６０の位置決め動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが軸合わせされるように、管２と自動溶接部４０とが位置決めされる。
【００４８】
なお、位置決め装置６０の位置決め動作を行うことで、固定構造５０が管２の内周面に密着し、固定構造５０がＸ方向及びＺ方向に微少に移動する場合がある。このような固定構造５０の移動に応じて自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させる上述のフローティング機構が、ブラケット３５設けられていてもよい。
【００４９】
また、第１実施形態における第１コーン５６及び第２コーン５７は、第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂによって個別にＹ方向に移動できることから、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂをそれぞれ拡径させることが可能となっている。そのため、一端５２ａ及び他端５２ｂの、管２の内周面に対する密着力を個別に調整でき、それぞれの密着力を均一化するように調整できる。例えば、一端５２ａ及び他端５２ｂの各密着力が不均一であれば、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとの軸合わせが適切に実施されない虞がある。よって、一端５２ａ及び他端５２ｂの管２の内周面に対する密着力を均一化することで、軸合わせを適切に実施することができる。なお、本実施形態では、スリーブ５２の他端５２ｂから拡径させ、次いで一端５２ａを拡径させているが、この順序は逆でもよい。
【００５０】
次に、自動溶接部４０の作動により、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接する。
旋回用モータ４４を作動させ溶接トーチ４１を軸線Ｒ周りに旋回させつつ、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接する。溶接時には、位置決め装置６０の位置決め動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが軸合わせされている。また、上述したようにコーン５３（第１コーン５６及び第２コーン５７）がスリーブ５２を拡径させるときに、スリーブ５２が−Ｙ側に移動せず、管２に対する−Ｙ側への付勢力が生じない。そのため、管２の管板１からの−Ｙ側への突出が防止され、溶接トーチ４１の先端と管２の端部２ａとの距離を、溶接に適した距離に維持できる。したがって、軸線Ｒ周りに旋回自在な溶接トーチ４１は、管２の端部２ａと、管板１の孔部１ａにおける周縁とを全周に亘って適切に管端溶接できる。
【００５１】
なお、第１実施形態におけるプレート固定装置２０が備える固定構造５０は、位置決め装置６０が備える固定構造５０と同一の構成を有している。そのため、プレート固定装置２０を用いてベースプレート１０を管板１に固定するときに、プレート固定装置２０の固定構造５０が挿入される管２の、管板１からの突出を防止することができる。
【００５２】
本実施形態によれば、第１コーン５６及び第２コーン５７がスリーブ５２を拡径させても、スリーブ５２はＹ方向において一定の位置に保持され、スリーブ５２の管２に対する相対位置が保持される。そのため、スリーブ５２が拡径して管２の内周面に密着しても、管２を管板１から−Ｙ側に突出させる方向での付勢力が生じない。よって、管２の管板１からの突出が防止でき、管２の端部２ａと溶接トーチ４１との間の距離を溶接に適した距離に維持することで適切に管端溶接を実施できる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
図７は、第２実施形態に係る管端溶接装置３Ａの側面図である。なお、図７において、図２に示す第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態に係る管端溶接装置３Ａのプレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するシャフト状の第２固定構造５０Ａ（固定構造）を備えている。
【００５４】
第２実施形態におけるプレート固定装置２０を、より詳細に説明する。図８は、第２実施形態におけるプレート固定装置２０の垂直断面図である。なお、図８において、図３及び図４に示す第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５５】
プレート固定装置２０は、第２固定構造５０Ａと、固定用シリンダ２１とを備えている。
第２固定構造５０Ａは、第２移動シャフト５１Ａ（移動シャフト）と、第２スリーブ５２Ａ（スリーブ）と、第１コーン５６と、ストッパー５４とを備えている。
第２移動シャフト５１Ａは、Ｙ方向に延在する棒状部材である。第２移動シャフト５１Ａは、カラー５５を介してプレート固定装置２０の筐体２２に支持されている。カラー５５は、第２移動シャフト５１Ａを外周側から囲んで設けられる筒状の部材であって、筐体２２に固定されている。なお、第２移動シャフト５１Ａとカラー５５とは、相対移動自在に設けられている。
【００５６】
第２スリーブ５２Ａは、第２移動シャフト５１Ａの先端側（＋Ｙ側）の一部を外周側から囲んで設けられる筒状の部材である。第２スリーブ５２Ａの＋Ｙ側における一端５２ａの径は、第２スリーブ５２Ａの中央部の径よりも大きく設定されている。一方、第２スリーブ５２Ａの他端５２ｆの径と、中央部の径とは同一に設定されている。第２スリーブ５２Ａには、Ｙ方向に延びる複数のスリット５２ｃが形成されており、スリット５２ｃが形成されていることで、一端５２ａの径が変化自在となっている。
【００５７】
固定用シリンダ２１は、筐体２２内に固定され、例えば圧縮空気を駆動源とするエアシリンダである。固定用シリンダ２１の出力軸は、第２移動シャフト５１Ａに接続されている。
【００５８】
プレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するための装置である。そのため、第２移動シャフト５１Ａの中心軸線である軸線Ｒと、管２の中心軸線２ｂ（図７参照）との軸合わせ、特に軸線Ｒの中心軸線２ｂに対する傾きの精度は厳密には要求されない。また、ベースプレート１０に管板１との間の距離を一定に保つためのスペーサ等を設けることで、ベースプレート１０を管板１の壁面に平行に設けることも可能である。したがって、その一端５２ａのみが拡径する第２スリーブ５２Ａを用いたとしても、本実施形態に係る管端溶接装置３Ａを管板１に適切に固定することができ、また、この固定方法によっても、自動溶接部４０の管端溶接精度を低下させるものではない。
【００５９】
したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態によって得られる効果に加え、プレート固定装置２０の構造を簡略化することができるので、組立の手間及びコスト等を削減できる。
【００６０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）例えば、上記実施形態では、固定構造５０において、第１コーン５６及び第２コーン５７が別体に構成され、互いに相対移動自在に設けられているが、これに限定されるものではなく、第１コーン５６及び第２コーン５７が一体的に設けられる構成であってもよい。
【００６１】
このような構成によれば、別々に設けられる第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂの代わりに、第２の実施形態で説明した第２移動シャフト５１Ａを用いることができることから、スリーブ５２を拡径させるための駆動装置（エアシリンダ等）を簡略化でき、組立の手間及びコスト等を削減できる。なお、このような構成においては、一端５２ａ及び他端５２ｂの管２の内周面に対する各密着力を均一化するため、例えばスリーブ５２を高い弾性を有する材料で成形することが考えられる。
【００６２】
（２）位置決め装置６０の固定構造５０は、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂを個別に拡径できる構成である。しかしながら、これに限定されるものではなく、移動装置３０が、軸線Ｒの延在する方向を管２の中心軸線２ｂと同一の方向に維持したまま、自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させることのできる構成であれば（例えば高い剛性を備える場合など）、位置決め装置６０が備える固定構造を第２実施形態における第２固定構造５０Ａとしてもよい。
【００６３】
（３）上記各実施形態におけるストッパー５４とカラー５５とは別体に構成されているが、これに限定されるものではなく、これらが一体的に成形されていてもよい。
【００６４】
（４）第２実施形態における第２スリーブ５２Ａは、＋Ｙ側の一端５２ａが拡径する構成であるが、これに限定されるものではなく、−Ｙ側の他端５２ｆの径が第２スリーブ５２Ａの中央部の径よりも大きく設定され、且つ他端５２ｆが拡径する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…管板、２…管、２ａ…端部、２ｂ…中心軸線、３…管端溶接装置、１０…ベースプレート（支持台）、２０…プレート固定装置（支持台固定装置）、３０…移動装置、４０…自動溶接部、４１…溶接トーチ、５０…固定構造、５０Ａ…第２固定構造（固定構造）、５１…移動シャフト、５１Ａ…第２移動シャフト（移動シャフト）、５１ａ…第１シャフト、５１ｂ…第２シャフト、５２…スリーブ、５２Ａ…第２スリーブ（スリーブ）、５２ａ…一端、５２ｂ…他端、５３…コーン（スリーブ拡径部）、５４…ストッパー（移動阻止部）、５６…第１コーン（第１拡径部）、５７…第２コーン（第２拡径部）、６０…位置決め装置、Ｒ…軸線（旋回軸線）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定構造及び管端溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所や火力発電所あるいは石油・天然ガス精製設備等において使用される熱交換器の製造工程では、流体流通用の多数の管と、管支持用の板（以下、管板と称する）とを接合するための溶接作業が行われる。この溶接作業は、各管の端部と、管が挿通された管板の孔部の周縁とを全周に亘って溶接（シール溶接）するものであり、管端溶接と呼ばれている。
【０００３】
管端溶接では、溶接トーチの周方向の移動（旋回）が自動化された溶接装置を用いるのが一般的である（例えば特許文献１参照）。この溶接装置は、モータ駆動される回転部材に溶接トーチが取り付けられた自動溶接部を備えている。自動溶接部における溶接トーチの前方には、シャフト状の固定構造が突出して設けられており、この固定構造を溶接対象の管の内部に挿入することで、管の中心軸線と溶接トーチの旋回軸線とが位置決め（軸合わせ）されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０７５８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固定構造は、管の内部に挿入され管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、移動シャフトの一部を外周側から囲んで設けられ径が変化自在なスリーブと、を備えている。なお、移動シャフト及びスリーブの中心軸線と、溶接トーチの旋回軸線とは、同一軸線上に配置されている。
また、スリーブの両端には、スリーブを内周側から拡径させる第１コーン及び第２コーンが設けられている。第１コーン及び第２コーンのスリーブと接する側には、それぞれ斜面が形成されている。第１コーンは、移動シャフトの先端に一体的に設けられている。一方、第２コーンと移動シャフトとは、互いに相対移動自在に設けられている。
【０００６】
位置決め作業の手順としては、まず、移動シャフト及びスリーブを管の内部に挿入させる。次に、第２コーンを一定の位置に保持した状態で、移動シャフトを管から引き出す方向で移動させる。移動シャフトの移動により、第１コーンが第２コーン側、すなわち管の端部側に向かって移動する。すると、第１コーンと第２コーンとの間の距離が短くなり、スリーブはその軸線方向で圧縮される。
この圧縮によって、スリーブは、第１コーン及び第２コーンのそれぞれの斜面に乗り上がるようにして、内周側から拡径される。拡径されたスリーブは、管の内周面に密着し、管の中心軸線と、移動シャフト及びスリーブとの中心軸線とが軸合わせされる。また、上述したように、移動シャフト及びスリーブの中心軸線と、溶接トーチの旋回軸線とは、同一軸線上に配置されている。よって、スリーブが管の内周面に密着することで、管の中心軸線と溶接トーチの旋回軸線とが軸合わせされるように、管と溶接装置とが位置決めされる。
【０００７】
しかしながら、スリーブが第２コーンの斜面に乗り上がるようにして拡径するため、第２コーンが一定の位置に保持されていても、スリーブは拡径と共に移動シャフトの移動方向、すなわち管の端部側に向かって移動していた。また、スリーブが拡径して管の内周面に密着すると、スリーブと管との密着部分に摩擦力が生じる。この摩擦力により、管は移動シャフトが移動する方向に付勢され、管が管板から突出する虞があった。このように管が管板から突出すると、管の位置決め作業をやり直す必要があるので、管端溶接の作業性が低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、管の固定時における管の軸線方向への移動を防止し、もって管の端部を管板に管端溶接する際の作業性を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、固定構造に係る第１の解決手段として、管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、該移動シャフトを囲むように設けられ拡径自在なスリーブと、前記移動シャフトに一体的に設けられ、前記スリーブに対して前記軸線方向に相対移動することにより前記スリーブを拡径させるスリーブ拡径部と、前記スリーブの端部に当接するように設けられ、前記スリーブ拡径部の相対移動による前記スリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部とを具備する、という手段を採用する。
【００１０】
また、固定構造に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記スリーブ拡径部は、前記スリーブの一端側を拡径させる第１拡径部と、前記スリーブの他端側を拡径させる第２拡径部とを備える、という手段を採用する。
【００１１】
また、固定構造に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記移動シャフトは、前記軸線方向に延在する第１シャフトと、前記軸線方向において前記第１シャフトと相対移動自在な第２シャフトと、を備え、前記第１拡径部は前記第１シャフトに一体的に設けられ、前記第２拡径部は前記第２シャフトに一体的に設けられる、という手段を採用する。
【００１２】
また、本発明では、管端溶接装置に係る第１の解決手段として、管の端部と当該管を支持する管板とを溶接する管端溶接装置であって、溶接トーチを管の端部に沿って旋回させて管の端部を管板に溶接する自動溶接部と、第１〜第３のいずれかの解決手段に係る固定構造を備え、管の中心軸線と前記溶接トーチの旋回軸線とを軸合わせするように管と前記自動溶接部とを位置決めする位置決め装置と、を具備する、という手段を採用する。
【００１３】
また、管端溶接装置に係る第２の解決手段として、管端溶接装置に係る第１の解決手段において、複数の管に亘って自動溶接部を移動させる移動装置と、該移動装置を支持する支持台と、第１〜第３のいずれかの解決手段に係る固定構造を備え、前記支持台を管板に固定する支持台固定装置と、をさらに備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る固定構造によれば、移動シャフト及びスリーブを管の内部に挿入した後、移動シャフトを管の軸線方向に移動させると、スリーブ拡径部がスリーブを拡径させて管を固定する。このようなスリーブの拡径時において、本発明ではスリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部が設けられているので、スリーブの移動に伴って管が軸線方向に移動することがない。
したがって、このような固定構造を管端溶接装置に適用した場合に、管の端部を管板に管端溶接する際の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置の正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る管端溶接装置の側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における自動溶接部の垂直断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態における固定構造の垂直断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態において、自動溶接部の前進動作を示す概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態において、固定構造の固定動作を示す概略図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る管端溶接装置の側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態におけるプレート固定装置の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を、図１〜図８を参照して詳しく説明する。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、図１〜図８においては、ＸＹＺ直交座標系が設定されており、ＸＹ平面が水平面に平行する面となっている。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る管端溶接装置３の正面図である。また、図２は、第１実施形態に係る管端溶接装置３の側面図である。これら図１、図２において、符号１は管板、符号２は管板１に挿通された流体流通用の管、符号３は第１実施形態に係る管端溶接装置を示している。
【００１８】
図１に示すように、管板１は、不図示の熱交換器における容器（シェル）内に設けられる板状の部材であって、その壁面がＹ方向に直交する姿勢で設けられている。管板１には、その壁面におけるＸ方向及びＺ方向に亘って、複数の管２が一定の配列ピッチで配設されている。図２に示すように、管板１には板厚方向に貫通する複数の孔部１ａが形成されており、各孔部１ａに管２がそれぞれ挿通されている。管２の端部２ａは、管板１の壁面と面一となる位置に設けられている。管端溶接装置３は、管２の端部２ａと、管板１の孔部１ａにおける周縁とを全周に亘って溶接（シール溶接）するものである。
【００１９】
図１に戻り、管端溶接装置３は、ベースプレート１０（支持台）と、プレート固定装置２０（支持台固定装置）と、移動装置３０と、自動溶接部４０と、不図示の全体制御装置とを備えている。なお、自動溶接部４０には、不図示の溶接制御装置が接続されている。
【００２０】
ベースプレート１０は、矩形の板部材から、自動溶接部４０の移動範囲に対応する部分が切り欠かれた形状を有するものである。ベースプレート１０のＸ方向における両端部には、アーム１１を介して吊下用リング１２がそれぞれ設けられている。吊下用リング１２は、管端溶接装置３を吊り下げつつ移動させるために用いられるものである。
【００２１】
プレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するための装置であって、ベースプレート１０の切り欠かれた部分を除いた３つの隅角部に各々設けられている。また、図２に示すように、プレート固定装置２０は、シャフト状の固定構造５０を備えている。固定構造５０は、管２の内部に挿入されて、管２の内周面に密着することで、ベースプレート１０を管板１に固定するためのものである。なお、固定構造５０の詳細は後述する。
【００２２】
再び図１に戻り、移動装置３０は、Ｘ方向及びＺ方向に自動溶接部４０を移動させる装置である。移動装置３０が自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させることで、自動溶接部４０が矩形の領域Ｓ内に配された管２に対して管端溶接を実施できる構成となっている。移動装置３０は、Ｘ軸ガイド部３１と、Ｚ軸ガイド部３２とを備えている。Ｘ軸ガイド部３１は、ベースプレート１０の板面上に固定されており、Ｘ方向に向かって延在する直動ガイド、ボールネジ及びスライダを含んで構成されている。また、Ｘ軸ガイド部３１には、ボールネジを回転させてスライダをＸ方向に往復移動させるＸ軸モータ３３が設けられている。Ｘ軸モータ３３には、例えばサーボモータが用いられる。Ｚ軸ガイド部３２は、Ｘ軸ガイド部３１のスライダに固定されており、Ｚ方向に向かって延在する直動ガイド、ボールネジ及びスライダを含んで構成されている。すなわち、Ｚ軸ガイド部３２は、Ｘ方向に移動自在に設けられている。また、Ｚ軸ガイド部３２には、ボールネジを回転させてスライダをＺ方向に往復移動させるＺ軸モータ３４が設けられている。Ｚ軸モータ３４には、例えばサーボモータが用いられる。
【００２３】
Ｚ軸ガイド部３２のスライダにはブラケット３５が固定され、ブラケット３５にはスライドガイド部３６が設けられている。自動溶接部４０はスライドガイド部３６に設けられており、スライドガイド部３６は自動溶接部４０をＹ方向に往復移動させるものである。スライドガイド部３６には、自動溶接部４０を往復移動させるための不図示のエアシリンダ等が設けられている。なお、ブラケット３５に、自動溶接部４０のＸ方向及びＺ方向での微少な移動に対応するためのフローティング機構が設けられていてもよい。
【００２４】
図２に示すように、自動溶接部４０は、溶接トーチ４１と、位置決めピン４２と、位置決め装置６０とを備えている。溶接トーチ４１は、管板１に向かって突出し、Ｙ方向に延在する軸線Ｒ（旋回軸線）周りに旋回自在に設けられており、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接するものである。位置決めピン４２は、管板１に向かって突出して設けられ、自動溶接部４０が管板１に向かって前進したときに自動溶接部４０をＹ方向で位置決めするものである。
【００２５】
位置決め装置６０は、自動溶接部４０が管板１に向かって前進したときに管２の内部に挿入される固定構造５０を備えている。位置決め装置６０は、固定構造５０の固定動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとを軸合わせするように、管２と自動溶接部４０とを位置決めするものである。なお、本実施形態におけるプレート固定装置２０及び位置決め装置６０は、同一の構成を有する固定構造５０をそれぞれ備えている。
【００２６】
続いて、本実施形態における自動溶接部４０を、より詳細に説明する。図３は、本実施形態における自動溶接部４０の垂直断面図である。自動溶接部４０は、筐体４３内に、旋回用モータ４４と、回転部材４５とを備えている。旋回用モータ４４は、溶接トーチ４１を軸線Ｒ周りに旋回させる回転駆動力を発生する駆動装置である。旋回用モータ４４の出力軸には、ピニオンギア４６が設けられている。また、旋回用モータ４４は、筐体４３内に一体的に設けられている。回転部材４５は、円形の外周部を有する部材であって、筐体４３にベアリング４７を介して、軸線Ｒ周りに回転自在に設けられている。回転部材４５の外周部にはギアが形成されており、回転部材４５の外周部のギアと、ピニオンギア４６とは互いに噛合している。また、回転部材４５には溶接トーチ４１が固定されている。すなわち、溶接トーチ４１は、回転部材４５に固定されていることで、軸線Ｒ周りに旋回自在となっている。
【００２７】
本実施形態における位置決め装置６０は、自動溶接部４０に設けられている。位置決め装置６０は、シャフト状の固定構造５０と、第１シリンダ６１と、第２シリンダ６２とを備えている。
【００２８】
固定構造５０は、移動シャフト５１と、スリーブ５２と、コーン５３（スリーブ拡径部）と、ストッパー５４（移動阻止部）とを備えている。移動シャフト５１は、筐体４３から＋Ｙ方向側（以下、単に「＋Ｙ側」と称する）に溶接トーチ４１よりも突出して設けられ、スリーブ５２、コーン５３及びストッパー５４を支持する棒状の部材である。移動シャフト５１は、第１シャフト５１ａと、第２シャフト５１ｂとを備えている。第１シャフト５１ａは、Ｙ方向に延在する棒状の部材である。第２シャフト５１ｂは、第１シャフト５１ａを囲んで設けられる筒状の部材である。また、第１シャフト５１ａと第２シャフト５１ｂとは、Ｙ方向において互いに相対移動自在に設けられている。第２シャフト５１ｂは、カラー５５を介して筐体４３にＹ方向に移動自在に支持されている。なお、第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂの各中心軸線は、軸線Ｒと同一軸線上に配されている。
【００２９】
カラー５５は、第２シャフト５１ｂを囲んで設けられる筒状の部材であって、筐体４３に固定されている。カラー５５は、溶接トーチ４１の管端溶接時に生じる熱・火花等によっても溶解及び発火しない材質が用いられ、例えばセラミックを用いて成形されている。
【００３０】
スリーブ５２は、移動シャフト５１の先端側の一部をその外周側から囲んで設けられる筒状の部材である。スリーブ５２のＹ方向における両端、すなわち一端５２ａ及び他端５２ｂの径は、スリーブ５２の中央部における径よりも大きく設定されている。なお、一端５２ａは、固定構造５０の先端側、すなわち＋Ｙ側に設けられ、他端５２ｂは−Ｙ側に設けられている。スリーブ５２には、Ｙ方向に延びる複数のスリット５２ｃが形成されている。そのため、スリーブ５２は、内周側から外周側に向かって付勢されることで、その径が変化自在となっている。
【００３１】
コーン５３は、スリーブ５２の＋Ｙ側に設けられており、スリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２を内周側から拡径させるものである。
ストッパー５４は、移動シャフト５１の一部を外周側から囲んで設けられる部材であって、スリーブ５２の他端５２ｂとカラー５５との間に配されている。
【００３２】
第１シリンダ６１及び第２シリンダ６２は、それぞれ筐体４３内に固定されている。第１シリンダ６１の出力軸は、第１シャフト５１ａに接続され、第２シリンダ６２の出力軸は、ブラケットを介して第２シャフト５１ｂに接続されている。第１シリンダ６１及び第２シリンダ６２は、個別に動作させることができるものであり、例えば圧縮空気を駆動源とするエアシリンダである。
【００３３】
続いて、本実施形態における固定構造５０を、より詳細に説明する。図４は、本実施形態における固定構造５０の垂直断面図である。移動シャフト５１の第１シャフト５１ａは、第２シャフト５１ｂよりも＋Ｙ側に向けて突出して設けられている。スリーブ５２は、第２シャフト５１ｂの＋Ｙ側の端部を外周側から囲んで設けられている。また、スリーブ５２は、第２シャフト５１ｂに対してＹ方向で相対移動自在に設けられている。
【００３４】
コーン５３は、第１コーン５６（第１拡径部）と、第２コーン５７（第２拡径部）とを備えている。第１コーン５６は、第１シャフト５１ａの＋Ｙ側の端部に一体的に設けられている。第１コーン５６の−Ｙ側の端部には、−Ｙ側に向かうにしたがって縮径する第１斜面５６ａが形成されている。この第１斜面５６ａは、スリーブ５２における一端５２ａの内周側に配置されている。一方、スリーブ５２は、第１斜面５６ａと同一の傾斜を有し且つ第１斜面５６ａに対向して設けられる第１対向面５２ｄを備えている。第１コーン５６の＋Ｙ側の端部には、＋Ｙ側に向かうに従って縮径する縮径部５６ｂが形成されている。
【００３５】
第２コーン５７は、第２シャフト５１ｂの＋Ｙ側の端部を外周側から囲みつつ一体的に設けられ、スリーブ５２の内周側に配置されている。第１コーン５６と第２コーン５７とは、Ｙ方向において互いに相対移動自在に設けられている。第２コーン５７の−Ｙ側の端部には、−Ｙ側に向かうにしたがって縮径する第２斜面５７ａが形成されている。この第２斜面５７ａは、スリーブ５２における他端５２ｂの内周側に配置されている。一方、スリーブ５２は、第２斜面５７ａと同一の傾斜を有し且つ第２斜面５７ａに対向して設けられる第２対向面５２ｅを備えている。
【００３６】
ストッパー５４は、スリーブ５２の他端５２ｂとカラー５５との間に設けられている。ストッパー５４は、Ｙ方向と直交する面である支持面５４ａを備えており、支持面５４ａは他端５２ｂに接して設けられている。ストッパー５４における支持面５４ａ側の外径は、スリーブ５２の他端５２ｂが拡径したときの内径よりも大きく設定されている。
【００３７】
次に、第１実施形態に係る管端溶接装置３の管端溶接における動作を説明する。
まず、吊下用リング１２を用いて、管端溶接装置３を吊り下げつつ、管板１の壁面における領域Ｓに向けて移動させる。プレート固定装置２０の固定構造５０を、領域Ｓ外の管２の内部に挿入し、固定構造５０の固定動作によりベースプレート１０を管板１に固定する。なお、固定構造５０の固定動作は、後述する位置決め装置６０の位置決め動作と共に説明する。
【００３８】
次に、移動装置３０の作動により、自動溶接部４０を溶接対象の管２の正面に移動させる。移動後、溶接対象の管２の正面には、自動溶接部４０における位置決め装置６０の固定構造５０が対向して配置される。
【００３９】
次に、自動溶接部４０を管板１に向けて前進させる。図５は、自動溶接部４０の前進動作を示す概略図であって、（ａ）は前進動作前の状態を示す側面図、（ｂ）は前進動作後の状態を示す側面図である。
図５（ａ）に示すように、移動装置３０の作動によって、自動溶接部４０が溶接対象の管２の正面に移動する。移動後、溶接対象の管２の正面には、自動溶接部４０における位置決め装置６０の固定構造５０が対向して配置されている。
【００４０】
次に、図５（ｂ）に示すように、スライドガイド部３６の作動により、自動溶接部４０が管板１に向けて前進する。自動溶接部４０が前進することで、固定構造５０は溶接対象の管２の内部に挿入される。前進後、溶接トーチ４１は、管２の端部２ａに対向して配置される。また、自動溶接部４０には位置決めピン４２が設けられており、自動溶接部４０がＹ方向で位置決めされる。そのため、溶接トーチ４１の先端と、管２の端部２ａとの間の距離が、溶接に適した距離に設定される。
【００４１】
次に、位置決め装置６０を作動させて、管２の中心軸線２ｂと、溶接トーチ４１の旋回中心である軸線Ｒとが軸合わせするように、管２と自動溶接部４０とを位置決めする。図６は、固定構造５０の固定動作を示す概略図であって、（ａ）は固定構造５０が管２の内部に挿入された状態を示す垂直断面図、（ｂ）はスリーブ５２の他端５２ｂが拡径した状態を示す垂直断面図、（ｃ）はスリーブ５２の一端５２ａが拡径した状態を示す垂直断面図である。
【００４２】
図６（ａ）に示すように、自動溶接部４０が管板１に向かって前進し、固定構造５０が管２の内部に挿入された状態では、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂの外周面と、管２の内周面との間には隙間が形成されている。すなわち、固定構造５０が管２の内部に挿入された時点では、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとは必ずしも同一軸線上に配されない。
【００４３】
次に、図６（ｂ）に示すように、第１シャフト５１ａ及びカラー５５を一定の位置に保持した状態で、第２シリンダ６２（図６では図示せず）の作動により、第２シャフト５１ｂを−Ｙ側に移動させる。第２シャフト５１ｂの移動により、第２シャフト５１ｂに一体的に設けられた第２コーン５７が−Ｙ側に移動する。そのため、第２コーン５７の第２斜面５７ａは、第２対向面５２ｅを−Ｙ側に付勢すると共に径方向外側に押し拡げる。すなわち、スリーブ５２の他端５２ｂが、第２斜面５７ａに乗り上がるようにして拡径する。したがって、第２コーン５７がスリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２の他端５２ｂは内周側から拡径される。
【００４４】
スリーブ５２の他端５２ｂが拡径すると、他端５２ｂの外周面は管２の内周面に密着する。よって、他端５２ｂにおいて、スリーブ５２は管２に対して固定される。
なお、他端５２ｂが拡径するときに、第２コーン５７はスリーブ５２を−Ｙ側に向けて付勢する。しかしながら、スリーブ５２における他端５２ｂの−Ｙ側にはストッパー５４が接して設けられており、ストッパー５４はカラー５５に保持されている。そのため、スリーブ５２が第２コーン５７から−Ｙ側に向けて付勢されたとしても、スリーブ５２の−Ｙ側への移動は生じず、スリーブ５２は一定の位置に保持される。さらに、他端５２ｂが拡径し、管２の内周面に密着したときにも、他端５２ｂから管２に対して加えられる−Ｙ側への付勢力は生じない。このような付勢力が生じないことから、管２の管板１からの−Ｙ側への突出を防止することができる。
【００４５】
次に、図６（ｃ）に示すように、第２シャフト５１ｂ及びカラー５５を一定の位置に保持した状態で、第１シリンダ６１（図６では図示せず）の作動により、第１シャフト５１ａを−Ｙ側に移動させる。第１シャフト５１ａの移動により、第１シャフト５１ａに一体的に設けられた第１コーン５６が−Ｙ側に移動する。そのため、第１コーン５６の第１斜面５６ａは、第１対向面５２ｄを−Ｙ側に付勢すると共に径方向外側に押し拡げる。すなわち、スリーブ５２の一端５２ａが、第１斜面５６ａに乗り上がるようにして拡径する。したがって、第１コーン５６がスリーブ５２に対して−Ｙ側に相対移動することで、スリーブ５２の一端５２ａは内周側から拡径される。
【００４６】
スリーブ５２の一端５２ａが拡径すると、一端５２ａの外周面は管２の内周面に密着する。よって、一端５２ａにおいて、スリーブ５２は管２に対して固定される。
なお、一端５２ａが拡径するときに、第１コーン５６はスリーブ５２を−Ｙ側に向けて付勢する。しかしながら、スリーブ５２における他端５２ｂの−Ｙ側にはストッパー５４が接して設けられており、ストッパー５４はカラー５５に保持されている。そのため、スリーブ５２が第１コーン５６から−Ｙ側に向けて付勢されたとしても、スリーブ５２の−Ｙ側への移動は生じず、スリーブ５２は一定の位置に保持される。さらに、一端５２ａが拡径し、管２の内周面に密着したときにも、一端５２ａから管２に対して加えられる−Ｙ側への付勢力は生じない。このような付勢力が生じないことから、管２の管板１からの−Ｙ側への突出を防止することができる。
【００４７】
スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂが、いずれも拡径して管２の内周面に密着することにより、軸線Ｒは、管２の中心軸線２ｂに対して傾くことなく、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが同一軸線上に配されて互いに軸合わせされる。よって、固定構造５０の固定動作を含む位置決め装置６０の位置決め動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが軸合わせされるように、管２と自動溶接部４０とが位置決めされる。
【００４８】
なお、位置決め装置６０の位置決め動作を行うことで、固定構造５０が管２の内周面に密着し、固定構造５０がＸ方向及びＺ方向に微少に移動する場合がある。このような固定構造５０の移動に応じて自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させる上述のフローティング機構が、ブラケット３５設けられていてもよい。
【００４９】
また、第１実施形態における第１コーン５６及び第２コーン５７は、第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂによって個別にＹ方向に移動できることから、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂをそれぞれ拡径させることが可能となっている。そのため、一端５２ａ及び他端５２ｂの、管２の内周面に対する密着力を個別に調整でき、それぞれの密着力を均一化するように調整できる。例えば、一端５２ａ及び他端５２ｂの各密着力が不均一であれば、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとの軸合わせが適切に実施されない虞がある。よって、一端５２ａ及び他端５２ｂの管２の内周面に対する密着力を均一化することで、軸合わせを適切に実施することができる。なお、本実施形態では、スリーブ５２の他端５２ｂから拡径させ、次いで一端５２ａを拡径させているが、この順序は逆でもよい。
【００５０】
次に、自動溶接部４０の作動により、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接する。
旋回用モータ４４を作動させ溶接トーチ４１を軸線Ｒ周りに旋回させつつ、管２の端部２ａと管板１とを管端溶接する。溶接時には、位置決め装置６０の位置決め動作によって、管２の中心軸線２ｂと軸線Ｒとが軸合わせされている。また、上述したようにコーン５３（第１コーン５６及び第２コーン５７）がスリーブ５２を拡径させるときに、スリーブ５２が−Ｙ側に移動せず、管２に対する−Ｙ側への付勢力が生じない。そのため、管２の管板１からの−Ｙ側への突出が防止され、溶接トーチ４１の先端と管２の端部２ａとの距離を、溶接に適した距離に維持できる。したがって、軸線Ｒ周りに旋回自在な溶接トーチ４１は、管２の端部２ａと、管板１の孔部１ａにおける周縁とを全周に亘って適切に管端溶接できる。
【００５１】
なお、第１実施形態におけるプレート固定装置２０が備える固定構造５０は、位置決め装置６０が備える固定構造５０と同一の構成を有している。そのため、プレート固定装置２０を用いてベースプレート１０を管板１に固定するときに、プレート固定装置２０の固定構造５０が挿入される管２の、管板１からの突出を防止することができる。
【００５２】
本実施形態によれば、第１コーン５６及び第２コーン５７がスリーブ５２を拡径させても、スリーブ５２はＹ方向において一定の位置に保持され、スリーブ５２の管２に対する相対位置が保持される。そのため、スリーブ５２が拡径して管２の内周面に密着しても、管２を管板１から−Ｙ側に突出させる方向での付勢力が生じない。よって、管２の管板１からの突出が防止でき、管２の端部２ａと溶接トーチ４１との間の距離を溶接に適した距離に維持することで適切に管端溶接を実施できる。
【００５３】
〔第２実施形態〕
図７は、第２実施形態に係る管端溶接装置３Ａの側面図である。なお、図７において、図２に示す第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
第２実施形態に係る管端溶接装置３Ａのプレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するシャフト状の第２固定構造５０Ａ（固定構造）を備えている。
【００５４】
第２実施形態におけるプレート固定装置２０を、より詳細に説明する。図８は、第２実施形態におけるプレート固定装置２０の垂直断面図である。なお、図８において、図３及び図４に示す第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５５】
プレート固定装置２０は、第２固定構造５０Ａと、固定用シリンダ２１とを備えている。
第２固定構造５０Ａは、第２移動シャフト５１Ａ（移動シャフト）と、第２スリーブ５２Ａ（スリーブ）と、第１コーン５６と、ストッパー５４とを備えている。
第２移動シャフト５１Ａは、Ｙ方向に延在する棒状部材である。第２移動シャフト５１Ａは、カラー５５を介してプレート固定装置２０の筐体２２に支持されている。カラー５５は、第２移動シャフト５１Ａを外周側から囲んで設けられる筒状の部材であって、筐体２２に固定されている。なお、第２移動シャフト５１Ａとカラー５５とは、相対移動自在に設けられている。
【００５６】
第２スリーブ５２Ａは、第２移動シャフト５１Ａの先端側（＋Ｙ側）の一部を外周側から囲んで設けられる筒状の部材である。第２スリーブ５２Ａの＋Ｙ側における一端５２ａの径は、第２スリーブ５２Ａの中央部の径よりも大きく設定されている。一方、第２スリーブ５２Ａの他端５２ｆの径と、中央部の径とは同一に設定されている。第２スリーブ５２Ａには、Ｙ方向に延びる複数のスリット５２ｃが形成されており、スリット５２ｃが形成されていることで、一端５２ａの径が変化自在となっている。
【００５７】
固定用シリンダ２１は、筐体２２内に固定され、例えば圧縮空気を駆動源とするエアシリンダである。固定用シリンダ２１の出力軸は、第２移動シャフト５１Ａに接続されている。
【００５８】
プレート固定装置２０は、ベースプレート１０を管板１に固定するための装置である。そのため、第２移動シャフト５１Ａの中心軸線である軸線Ｒと、管２の中心軸線２ｂ（図７参照）との軸合わせ、特に軸線Ｒの中心軸線２ｂに対する傾きの精度は厳密には要求されない。また、ベースプレート１０に管板１との間の距離を一定に保つためのスペーサ等を設けることで、ベースプレート１０を管板１の壁面に平行に設けることも可能である。したがって、その一端５２ａのみが拡径する第２スリーブ５２Ａを用いたとしても、本実施形態に係る管端溶接装置３Ａを管板１に適切に固定することができ、また、この固定方法によっても、自動溶接部４０の管端溶接精度を低下させるものではない。
【００５９】
したがって、第２実施形態によれば、第１実施形態によって得られる効果に加え、プレート固定装置２０の構造を簡略化することができるので、組立の手間及びコスト等を削減できる。
【００６０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）例えば、上記実施形態では、固定構造５０において、第１コーン５６及び第２コーン５７が別体に構成され、互いに相対移動自在に設けられているが、これに限定されるものではなく、第１コーン５６及び第２コーン５７が一体的に設けられる構成であってもよい。
【００６１】
このような構成によれば、別々に設けられる第１シャフト５１ａ及び第２シャフト５１ｂの代わりに、第２の実施形態で説明した第２移動シャフト５１Ａを用いることができることから、スリーブ５２を拡径させるための駆動装置（エアシリンダ等）を簡略化でき、組立の手間及びコスト等を削減できる。なお、このような構成においては、一端５２ａ及び他端５２ｂの管２の内周面に対する各密着力を均一化するため、例えばスリーブ５２を高い弾性を有する材料で成形することが考えられる。
【００６２】
（２）位置決め装置６０の固定構造５０は、スリーブ５２の一端５２ａ及び他端５２ｂを個別に拡径できる構成である。しかしながら、これに限定されるものではなく、移動装置３０が、軸線Ｒの延在する方向を管２の中心軸線２ｂと同一の方向に維持したまま、自動溶接部４０をＸ方向及びＺ方向に移動させることのできる構成であれば（例えば高い剛性を備える場合など）、位置決め装置６０が備える固定構造を第２実施形態における第２固定構造５０Ａとしてもよい。
【００６３】
（３）上記各実施形態におけるストッパー５４とカラー５５とは別体に構成されているが、これに限定されるものではなく、これらが一体的に成形されていてもよい。
【００６４】
（４）第２実施形態における第２スリーブ５２Ａは、＋Ｙ側の一端５２ａが拡径する構成であるが、これに限定されるものではなく、−Ｙ側の他端５２ｆの径が第２スリーブ５２Ａの中央部の径よりも大きく設定され、且つ他端５２ｆが拡径する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…管板、２…管、２ａ…端部、２ｂ…中心軸線、３…管端溶接装置、１０…ベースプレート（支持台）、２０…プレート固定装置（支持台固定装置）、３０…移動装置、４０…自動溶接部、４１…溶接トーチ、５０…固定構造、５０Ａ…第２固定構造（固定構造）、５１…移動シャフト、５１Ａ…第２移動シャフト（移動シャフト）、５１ａ…第１シャフト、５１ｂ…第２シャフト、５２…スリーブ、５２Ａ…第２スリーブ（スリーブ）、５２ａ…一端、５２ｂ…他端、５３…コーン（スリーブ拡径部）、５４…ストッパー（移動阻止部）、５６…第１コーン（第１拡径部）、５７…第２コーン（第２拡径部）、６０…位置決め装置、Ｒ…軸線（旋回軸線）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、
該移動シャフトを囲むように設けられ拡径自在なスリーブと、
前記移動シャフトに一体的に設けられ、前記スリーブに対して前記軸線方向に相対移動することにより前記スリーブを拡径させるスリーブ拡径部と、
前記スリーブの端部に当接するように設けられ、前記スリーブ拡径部の相対移動による前記スリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部と
を具備することを特徴とする固定構造。
【請求項２】
前記スリーブ拡径部は、前記スリーブの一端側を拡径させる第１拡径部と、前記スリーブの他端側を拡径させる第２拡径部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固定構造。
【請求項３】
前記移動シャフトは、前記軸線方向に延在する第１シャフトと、前記軸線方向において前記第１シャフトと相対移動自在な第２シャフトと、を備え、
前記第１拡径部は前記第１シャフトに一体的に設けられ、前記第２拡径部は前記第２シャフトに一体的に設けられることを特徴とする請求項２に記載の固定構造。
【請求項４】
管の端部と当該管を支持する管板とを溶接する管端溶接装置であって、
溶接トーチを管の端部に沿って旋回させて管の端部を管板に溶接する自動溶接部と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の固定構造を備え、管の中心軸線と前記溶接トーチの旋回軸線とを軸合わせするように管と前記自動溶接部とを位置決めする位置決め装置と、
を具備することを特徴とする管端溶接装置。
【請求項５】
複数の管に亘って自動溶接部を移動させる移動装置と、
該移動装置を支持する支持台と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の固定構造を備え、前記支持台を管板に固定する支持台固定装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の管端溶接装置。
【請求項１】
管の内部に挿入され、管の軸線方向に移動自在な移動シャフトと、
該移動シャフトを囲むように設けられ拡径自在なスリーブと、
前記移動シャフトに一体的に設けられ、前記スリーブに対して前記軸線方向に相対移動することにより前記スリーブを拡径させるスリーブ拡径部と、
前記スリーブの端部に当接するように設けられ、前記スリーブ拡径部の相対移動による前記スリーブの軸線方向への移動を阻止する移動阻止部と
を具備することを特徴とする固定構造。
【請求項２】
前記スリーブ拡径部は、前記スリーブの一端側を拡径させる第１拡径部と、前記スリーブの他端側を拡径させる第２拡径部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の固定構造。
【請求項３】
前記移動シャフトは、前記軸線方向に延在する第１シャフトと、前記軸線方向において前記第１シャフトと相対移動自在な第２シャフトと、を備え、
前記第１拡径部は前記第１シャフトに一体的に設けられ、前記第２拡径部は前記第２シャフトに一体的に設けられることを特徴とする請求項２に記載の固定構造。
【請求項４】
管の端部と当該管を支持する管板とを溶接する管端溶接装置であって、
溶接トーチを管の端部に沿って旋回させて管の端部を管板に溶接する自動溶接部と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の固定構造を備え、管の中心軸線と前記溶接トーチの旋回軸線とを軸合わせするように管と前記自動溶接部とを位置決めする位置決め装置と、
を具備することを特徴とする管端溶接装置。
【請求項５】
複数の管に亘って自動溶接部を移動させる移動装置と、
該移動装置を支持する支持台と、
請求項１から３のいずれか一項に記載の固定構造を備え、前記支持台を管板に固定する支持台固定装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の管端溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２１０６４（Ｐ２０１２−１２１０６４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７６２０７（Ｐ２０１０−２７６２０７）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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