多関節型のタンデム溶接ロボット
【課題】簡単かつ安価な多関節型のタンデム溶接ロボットを提供する。
【解決手段】２本の溶接トーチ３、４を取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、多関節ロボットの最先端にある手首軸２に取り付けられた前記各溶接トーチ３、４と、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行う。
【解決手段】２本の溶接トーチ３、４を取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、多関節ロボットの最先端にある手首軸２に取り付けられた前記各溶接トーチ３、４と、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁、鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板多層盛溶接継手を実施するために使用される多関節型のタンデム溶接ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
２本の溶接ワイヤーを使用するタンデム溶接方法は、単電極のアーク溶接法に比べて溶着量が倍加するため高能率の溶接ができるものとして知られている。このようなタンデム溶接を実施するための溶接装置としては、例えば特許文献１がある。この特許文献１に開示されるタンデム溶接装置は、１台の走行台車上に２台のヘッドを搭載したものであり、各々のヘッドには溶接トーチを１本ずつ装着した支持アームが昇降と揺動が可能なように設けられている。従って、このタンデム溶接装置では、溶融池が溶接方向の前後に一つずつ別個に形成される、いわゆる２プールタンデム溶接が実施される。
しかし、２プールタンデム溶接では、後述するように、溶込み底部が不連続になったり、ビード表面形状が不連続になるなどの問題がある（図１１参照）。
【０００３】
一方、タンデム溶接を行う溶接ロボットも提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示される溶接ロボットは、様々なワークに対して溶接トーチやロボットアーム等の干渉を引き起こすことなくタンデム溶接を実施できるように、主に溶接ロボット用の取付治具に関するものであり、１プールのタンデム溶接を実施するようになっているものの、タンデムの溶接トーチを旋回することにより開先幅方向にも電極間距離を設けることについては開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２９０７２号公報
【特許文献２】特開２００５−３２４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記従来技術の問題に鑑み、タンデム溶接方法に関する発明について、本出願人は先に特願２００８−３０８５７９として次のような提案をした。
「消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とするタンデム揺動溶接方法。」
この先行発明のタンデム溶接方法によれば、溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能となるものである。
【０００６】
本発明は、この先行発明を効果的に実施することができる簡単かつ安価な多関節型のタンデム溶接ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る多関節型のタンデム溶接ロボットは、２本の溶接トーチを取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、多関節ロボットの最先端にある手首軸に取り付けられた前記各溶接トーチと、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離、すなわち左右極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットは、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、溶接方向の前方に配置された先行トーチはストレート運棒とし、前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置された後行トーチは、前記手首軸により、前記先行トーチのアーク点位置を中心に、所定の振幅で反復旋回揺動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットは、多関節ロボットを利用して、手首軸により２本の溶接トーチを旋回させることで、開先幅方向にも電極間距離を変更可能にすることができ、上記先行発明の有する効果を簡単かつ安価な構成で達成することができる。
また、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットでは、手首軸により、先行トーチは揺動させずに、後行トーチのみを反復旋回揺動させることができるので、特にルートギャップが３ｍｍ以下の開先の初層溶接を高温割れを生じることなく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る多関節型のタンデム溶接ロボットの要部を示す概略側面図である。
【図２】図１の溶接トーチの配置関係を示す上面図である。
【図３】溶接継手形状の例を示す図である。
【図４】タンデムトーチの向きによる左右極間距離の変更の様子を示す概要図で、（ａ）は基準となる左右極間距離がゼロの場合を示す図、（ｂ）は左右極間距離を与えた場合を示す図である。
【図５】初層溶接時のトーチ運棒の一例を示す概要図である。
【図６】初層溶接時の先行電極及び後行電極による溶込み形状を示す模式図である。
【図７】タンデムトーチの左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図で、溶接方向から見た図である。
【図８】タンデムトーチの左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図で、開先上方から見た図である。
【図９】前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図である。
【図１０】前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。
【図１１】実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。
【図１２】実施例のビード断面形状を示す模式図である。
【図１３】実施の形態２に係るタンデム溶接ロボットの概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る多関節型のタンデム溶接ロボットの要部、すなわち２本の溶接トーチを取り付けた手首軸部分を示す概略側面図であり、図２は２本の溶接トーチの配置関係を示すトーチ先端部分の上面図である。
本実施形態１のタンデム溶接ロボットは、例えば６軸の多関節ロボット（ロボット全体図は省略）とタンデム溶接トーチにより構成されている。図１に一部分を示す多関節ロボットは、溶接トーチの揺動機能を有し、そのロボットアーム１は、多関節ロボットが具備する例えば６軸全軸の複合動作により、開先幅方向に揺動するようになっている。基本的な揺動方向はトーチ軸および溶接方向に対して垂直である。このロボットアーム１の先端部には手首軸２が設けられており、手首軸２には取付部材５を介して２本の溶接トーチ３、４（なお、図１には一方の溶接トーチ３のみが示されている。）が溶接方向に所定の電極間距離（図２に示す溶接ワイヤー６、７の先端間の間隔）で取り付けられている。手首軸２は図示しない駆動モーターにより軸心回りに反復回転するようになっている。なお、取付部材（ブラケット）５は２本の溶接トーチ３、４に対して一体または個別に設けられる。
【００１３】
ここで、２本の溶接トーチ３、４の取付方法の一例を図１、図２により説明する。
溶接方向に対して前方に配置される溶接トーチ３を「先行トーチ３」と称し、先行トーチ３に対して溶接方向の後方に配置される溶接トーチ４を「後行トーチ４」と称すると、先行トーチ３は、溶接ワイヤー６の先端６ａ（アーク点という）が手首軸２の回転中心線２１上に位置するように取り付けられている。そして、後行トーチ４は、先行トーチ３との間に所定の電極間距離（溶接方向の電極間距離を「前後極間距離」という）を隔てて配置されている。ここで、溶接方向の前後極間距離は、溶融池８（後述の図４参照）が１プールとなるように、１０〜４０ｍｍの範囲内で設定する。
このように、２本の溶接トーチ（以下、タンデムトーチという）３、４を、手首軸２の軸心回りに旋回可能に取り付けることにより、開先幅方向にも電極間距離を設けることができる。この開先幅方向の電極間距離を「左右極間距離」と呼んでいる。つまり、「左右極間距離」は、電極間距離の開先幅方向成分である。また、「前後極間距離」は、電極間距離の溶接方向成分である。
【００１４】
なお、旋回中心は、必ずしも手首軸２の回転中心線２１上に存在しなくてもよい。たとえば、タンデムトーチ３、４の中間点としても、多関節ロボットの全軸を動作させることにより先行トーチ３は固定で、後行トーチ４だけを上記中間点を中心に反復旋回揺動させることができる。
しかし、図２に示すように、手首軸２の回転中心線２１上に、先行トーチ３のアーク点がある場合の方が、多関節ロボットの座標演算が簡便である。
【００１５】
このタンデム溶接ロボットは、例えば、図３のＡ、Ｂに示すようなレ型開先の多層盛溶接を実施するために使用するものである。このほかにはＹ開先やＸ開先、Ｖ開先などにも適用することができる。また、板厚ｔは１９ｍｍ以上の厚板の溶接継手に適用されることが多い。
開先Ａは、裏当金付の片面レ型開先で、開先角度は３５゜、ルートギャップＲＧは３〜８ｍｍ程度が一般的である。開先Ｂは、ギャップなしの片面レ型開先で、開先角度は４５゜〜６０°と開先Ａよりも大きくすることが一般的である。この開先Ｂのように、ルートギャップが３ｍｍ以下の場合には、後述するように先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に後行トーチ４を反復旋回揺動させながら初層溶接することが適している（図５参照）。
【００１６】
図４はタンデムトーチ３、４の向きによる左右極間距離の変更の様子を示す概要図であり、（ａ）は基準となる左右極間距離がゼロの場合を示し、（ｂ）は左右極間距離を与えた場合を示す図である。図５は初層溶接時のトーチ運棒の一例を示す概要図である。
このタンデム溶接ロボットにおいては、図４（ａ）に示すように、タンデムトーチ３、４の向きを、溶接方向に対し、先行と後行のアーク点６ａ、７ａがほぼ一直線上に位置するようにセットする。すなわち、揺動方向が溶接方向と垂直になるように、多関節ロボットの全軸を動作させるのである。
【００１７】
そして、タンデム溶接ロボットは、タンデムトーチ３、４のトーチ角度を一定に保ったまま、タンデムトーチ３、４を開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させながら１プールタンデム溶接による多層盛溶接を行う。
なお、タンデムトーチ３、４の揺動制御、すなわちアークが開先壁に近づいたときに揺動方向を反転させる制御は、予め設定された揺動パターンに従って行われる。
【００１８】
また、ルートギャップまたは前層のビード幅に応じて、図４（ｂ）に示すように、溶接方向と揺動方向はそのままで、手首軸２でタンデムトーチ３、４の向きを変えることにより、左右極間距離を電動で制御することができる。溶接方向に対するタンデムトーチ３、４の偏向角θは、溶接方向を０゜としたとき、−９０゜≦θ≦９０゜の範囲で制御される。
【００１９】
初層溶接において、ルートギャップが３ｍｍを超えるような開先の場合は、多関節ロボットの全軸を動作させることにより、タンデムトーチ３、４を両方とも、開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で、揺動させて１プールタンデム溶接を行う。
一方、特に、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先の場合には、図５に示すようなトーチ運棒で初層溶接を行うことが最適である。この場合、先行トーチ３は開先幅方向には一切揺動させずに、ストレート運棒とする。一方、後行トーチ４は、先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に反復旋回揺動（円弧揺動）させるトーチ運棒とするものである。
上記のような後行トーチ４だけを揺動させるタンデム溶接方法を採用することにより、ルートギャップが３ｍｍ以下の初層溶接においても、高温割れが無く、開先ルート部の溶融も良好な初層溶接ビードを得ることができる。図６を参照して、その理由を説明する。
【００２０】
図６の(ａ）図に示すように、ルートギャップが小さい（３ｍｍ以下の）初層溶接で、先行電極および後行電極を揺動すると、開先ルート部が溶融しにくく、融合不良が発生しやすい。これは、先行電極が揺動していることが原因である。
また、(ｂ）図に示すように、先行電極および後行電極ともに揺動させない場合は、後行電極直下の溶込みが深くなるため、開先角度や溶接条件によっては、高温割れが発生しやすい。
そこで、上述の溶接方法、すなわち先行電極（先行トーチ３）は揺動させずに、後行電極（後行トーチ４）だけを旋回揺動させると、（ｃ）図に示すように、後行電極直下の溶込みが浅くなるため、高温割れの発生を抑えることができる。
【００２１】
上記の初層溶接が終了し、２層目以降の積層溶接をする場合は、図７及び図８に示すように、前層のビード幅に応じて、開先幅方向にも左右極間距離を設けてタンデム溶接を行う。すなわち、本実施形態では、手首軸２により、先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に後行トーチ４を所要角度θだけ旋回させれば、開先幅方向にも左右極間距離を設けることができる。このように、前層のビード幅に応じて、手首軸２の回転角により、タンデムトーチ３、４の左右極間距離を制御し、さらに前述のように多関節ロボットの全軸の動作により揺動幅を制御し、タンデムトーチ３、４を同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させることにより積層溶接を行う。
【００２２】
図７及び図８はタンデムトーチ３、４の左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図である。なお、図７はレ型開先の場合で、図８はＶ型開先の場合である。図において、３は先行トーチ、４は後行トーチ、６は先行電極（先行ワイヤー）、７は後行電極（後行ワイヤー）、８は溶融池、９は開先、１０は溶接ビードである。
また、Ｇはルートギャップまたは前層ビード幅、Ｗは揺動幅、ＤSは先行電極６と後行電極７間の振り幅間隔、ＤFRは溶接方向の前後極間距離、ＤRLは開先幅方向の左右極間距離、ＤLは先行電極６の左側揺動端と開先９の一方の左側側壁との距離（接近幅）、ＤTは後行電極７の右側揺動端と開先９の他方の右側側壁との距離（接近幅）をあらわす。
ここに、上記の揺動幅Ｗおよび左右極間距離ＤRLは、次式で表される。
Ｗ＝｛Ｇ−（ＤL＋ＤS＋ＤT）｝／２ ・・・（１）
ＤRL＝Ｗ＋ＤS ・・・（２）
【００２３】
前層ビード幅に対する揺動幅Ｗおよび振り幅間隔ＤRLの一例を示すと、図９及び図１０のようになる。図９は前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図で、図１０は前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。
図９に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．２５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．５Ｘ−４の関係で直線的に変化させる。
また、図１０に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝０．３７５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝６ｍｍと一定にする。
【００２４】
このように、前層ビード幅の変動に応じて、手首軸２の回転により揺動幅Ｗを制御することにより、揺動幅及び揺動ピッチ（アーク点の１揺動周期の溶接方向の間隔）を小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することが可能となる。つまり、溶接速度が一定の場合、揺動幅が大きくなるほど揺動ピッチが大きくなる（荒くなる）ので、揺動端部での溶接欠陥が発生しやすくなるが、図７及び図８に示すように、開先幅に対する溶接範囲を先行電極６と後行電極７で、例えば半分ずつ分担するようにすれば、揺動幅及び揺動ピッチを共に小さくすることができるので、揺動端部での溶接欠陥を抑制することができるのである。
【００２５】
図１１は実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。図１１において、（ａ）は従来技術の２プールタンデム溶接の場合、（ｂ）は実施例の場合、（ｃ）は両者の比較図である。
従来技術の場合は、次のような問題がある。
（１）溶込み底部の不連続
２プールタンデム溶接の場合は、基本的にシングルトーチによる１層２パスと同じであるため、図１１（ａ）のビード断面形状のように、溶込みラインが双子山状となり、１層１パスよりも欠陥が発生しやすいものとなる。
（２）ビード表面形状の不連続
僅かなトーチ位置（揺動範囲）の変動により、溶着ビード高さが左右で異なり、ビード表面形状が不均一になりやすい。
【００２６】
一方、実施例の場合は、図１１(ｂ）、（ｃ）に実線で示すように、１プールタンデムによる左右極間距離を設けた揺動溶接であるため、２プールタンデム溶接と比較して、先行の溶込みが若干減少すると共に、後行の溶込みが若干増加する傾向にあり、溶込み深さが均一化し、かつビード高さも均一化される効果がある。
【００２７】
図１２は実施例のビード断面形状を示す模式図であり、溶接欠陥のない、きわめて良好な形状を呈することが確認されている。
【００２８】
実施の形態２．
図１３は実施の形態２に係るタンデム溶接ロボットの概要図である。
このタンデム溶接ロボットは、直交座標型の溶接装置３０をベース構造とし、これにθ軸（旋回軸）２０を加えた構成としたものである。また、本例では、溶接トーチは２電極一体型のトーチ（以下、「一体型トーチ」と略記する）１１により構成されている。一体型トーチ１１とは、２本の溶接トーチ３、４が一つのシールドガスノズル１２の中に所定の電極間距離を隔てて装着された構成となっているものである。
図１３において、２１はθ軸２０の駆動モーター、２２は一体型トーチ１１を一端に取り付けた旋回アームで、旋回アーム２２の基端はθ軸２０に連結されている。また、θ軸２０の中心線と先行電極６の中心線との交点２３に先行電極６のアーク点が位置するように一体型トーチ１１が取り付けられている。１３、１４は被溶接部材である。
【００２９】
なお、先行トーチ３と後行トーチ４は互いに平行になるように設けられているが、必ずしも平行でなくてもよく、どちらか一方または両方のトーチの先端が、前述のように溶融池が１プールとなるように溶接方向の前後極間距離を１０〜４０ｍｍの範囲内で小さくなるように傾いていてもよい。
【００３０】
ベース構造である直交座標型の溶接装置３０は、走行軸（Ｘ軸）と、揺動軸（Ｙ軸）と、昇降軸（Ｚ軸）とを備えている。走行軸（Ｘ軸）は、走行台車３１、ガイドレール３２、車輪（図示せず）、走行モーター（図示せず）等からなる。なお、３３はガイドレール３２を被溶接部材１３上に固定設置するためのマグネットである。
揺動軸（Ｙ軸）は、昇降軸（Ｚ軸）３５に対して、開先幅方向に揺動可能な揺動スライダー３７により構成されている。
【００３１】
本実施形態によれば、実施の形態１で述べたタンデム溶接方法を実施することができると共に、市販の直交座標型の１電極溶接装置を利用して簡単に製作することができるので、製作費を安くすることができ、溶接装置の小型化も可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１ ロボットアーム
２ 手首軸
３ 先行トーチ
４ 後行トーチ
５ 取付部材
６ 先行電極
７ 後行電極
８ 溶融池
９ 開先
１０ 溶接ビード
１１ ２電極一体型のトーチ（一体型トーチ）
１２ シールドガスノズル
１３ 被溶接部材
１４ 被溶接部材
２０ θ軸（旋回軸）
２１ 駆動モーター
２２ 旋回アーム
３０ 直交座標型の溶接装置
３１ 走行台車
３２ ガイドレール
３３ マグネット
３５ 昇降軸（Ｚ軸）
３７ 揺動スライダー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁、鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板多層盛溶接継手を実施するために使用される多関節型のタンデム溶接ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
２本の溶接ワイヤーを使用するタンデム溶接方法は、単電極のアーク溶接法に比べて溶着量が倍加するため高能率の溶接ができるものとして知られている。このようなタンデム溶接を実施するための溶接装置としては、例えば特許文献１がある。この特許文献１に開示されるタンデム溶接装置は、１台の走行台車上に２台のヘッドを搭載したものであり、各々のヘッドには溶接トーチを１本ずつ装着した支持アームが昇降と揺動が可能なように設けられている。従って、このタンデム溶接装置では、溶融池が溶接方向の前後に一つずつ別個に形成される、いわゆる２プールタンデム溶接が実施される。
しかし、２プールタンデム溶接では、後述するように、溶込み底部が不連続になったり、ビード表面形状が不連続になるなどの問題がある（図１１参照）。
【０００３】
一方、タンデム溶接を行う溶接ロボットも提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示される溶接ロボットは、様々なワークに対して溶接トーチやロボットアーム等の干渉を引き起こすことなくタンデム溶接を実施できるように、主に溶接ロボット用の取付治具に関するものであり、１プールのタンデム溶接を実施するようになっているものの、タンデムの溶接トーチを旋回することにより開先幅方向にも電極間距離を設けることについては開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２９０７２号公報
【特許文献２】特開２００５−３２４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記従来技術の問題に鑑み、タンデム溶接方法に関する発明について、本出願人は先に特願２００８−３０８５７９として次のような提案をした。
「消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とするタンデム揺動溶接方法。」
この先行発明のタンデム溶接方法によれば、溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能となるものである。
【０００６】
本発明は、この先行発明を効果的に実施することができる簡単かつ安価な多関節型のタンデム溶接ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る多関節型のタンデム溶接ロボットは、２本の溶接トーチを取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、多関節ロボットの最先端にある手首軸に取り付けられた前記各溶接トーチと、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離、すなわち左右極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットは、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、溶接方向の前方に配置された先行トーチはストレート運棒とし、前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置された後行トーチは、前記手首軸により、前記先行トーチのアーク点位置を中心に、所定の振幅で反復旋回揺動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットは、多関節ロボットを利用して、手首軸により２本の溶接トーチを旋回させることで、開先幅方向にも電極間距離を変更可能にすることができ、上記先行発明の有する効果を簡単かつ安価な構成で達成することができる。
また、本発明の多関節型のタンデム溶接ロボットでは、手首軸により、先行トーチは揺動させずに、後行トーチのみを反復旋回揺動させることができるので、特にルートギャップが３ｍｍ以下の開先の初層溶接を高温割れを生じることなく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る多関節型のタンデム溶接ロボットの要部を示す概略側面図である。
【図２】図１の溶接トーチの配置関係を示す上面図である。
【図３】溶接継手形状の例を示す図である。
【図４】タンデムトーチの向きによる左右極間距離の変更の様子を示す概要図で、（ａ）は基準となる左右極間距離がゼロの場合を示す図、（ｂ）は左右極間距離を与えた場合を示す図である。
【図５】初層溶接時のトーチ運棒の一例を示す概要図である。
【図６】初層溶接時の先行電極及び後行電極による溶込み形状を示す模式図である。
【図７】タンデムトーチの左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図で、溶接方向から見た図である。
【図８】タンデムトーチの左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図で、開先上方から見た図である。
【図９】前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図である。
【図１０】前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。
【図１１】実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。
【図１２】実施例のビード断面形状を示す模式図である。
【図１３】実施の形態２に係るタンデム溶接ロボットの概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る多関節型のタンデム溶接ロボットの要部、すなわち２本の溶接トーチを取り付けた手首軸部分を示す概略側面図であり、図２は２本の溶接トーチの配置関係を示すトーチ先端部分の上面図である。
本実施形態１のタンデム溶接ロボットは、例えば６軸の多関節ロボット（ロボット全体図は省略）とタンデム溶接トーチにより構成されている。図１に一部分を示す多関節ロボットは、溶接トーチの揺動機能を有し、そのロボットアーム１は、多関節ロボットが具備する例えば６軸全軸の複合動作により、開先幅方向に揺動するようになっている。基本的な揺動方向はトーチ軸および溶接方向に対して垂直である。このロボットアーム１の先端部には手首軸２が設けられており、手首軸２には取付部材５を介して２本の溶接トーチ３、４（なお、図１には一方の溶接トーチ３のみが示されている。）が溶接方向に所定の電極間距離（図２に示す溶接ワイヤー６、７の先端間の間隔）で取り付けられている。手首軸２は図示しない駆動モーターにより軸心回りに反復回転するようになっている。なお、取付部材（ブラケット）５は２本の溶接トーチ３、４に対して一体または個別に設けられる。
【００１３】
ここで、２本の溶接トーチ３、４の取付方法の一例を図１、図２により説明する。
溶接方向に対して前方に配置される溶接トーチ３を「先行トーチ３」と称し、先行トーチ３に対して溶接方向の後方に配置される溶接トーチ４を「後行トーチ４」と称すると、先行トーチ３は、溶接ワイヤー６の先端６ａ（アーク点という）が手首軸２の回転中心線２１上に位置するように取り付けられている。そして、後行トーチ４は、先行トーチ３との間に所定の電極間距離（溶接方向の電極間距離を「前後極間距離」という）を隔てて配置されている。ここで、溶接方向の前後極間距離は、溶融池８（後述の図４参照）が１プールとなるように、１０〜４０ｍｍの範囲内で設定する。
このように、２本の溶接トーチ（以下、タンデムトーチという）３、４を、手首軸２の軸心回りに旋回可能に取り付けることにより、開先幅方向にも電極間距離を設けることができる。この開先幅方向の電極間距離を「左右極間距離」と呼んでいる。つまり、「左右極間距離」は、電極間距離の開先幅方向成分である。また、「前後極間距離」は、電極間距離の溶接方向成分である。
【００１４】
なお、旋回中心は、必ずしも手首軸２の回転中心線２１上に存在しなくてもよい。たとえば、タンデムトーチ３、４の中間点としても、多関節ロボットの全軸を動作させることにより先行トーチ３は固定で、後行トーチ４だけを上記中間点を中心に反復旋回揺動させることができる。
しかし、図２に示すように、手首軸２の回転中心線２１上に、先行トーチ３のアーク点がある場合の方が、多関節ロボットの座標演算が簡便である。
【００１５】
このタンデム溶接ロボットは、例えば、図３のＡ、Ｂに示すようなレ型開先の多層盛溶接を実施するために使用するものである。このほかにはＹ開先やＸ開先、Ｖ開先などにも適用することができる。また、板厚ｔは１９ｍｍ以上の厚板の溶接継手に適用されることが多い。
開先Ａは、裏当金付の片面レ型開先で、開先角度は３５゜、ルートギャップＲＧは３〜８ｍｍ程度が一般的である。開先Ｂは、ギャップなしの片面レ型開先で、開先角度は４５゜〜６０°と開先Ａよりも大きくすることが一般的である。この開先Ｂのように、ルートギャップが３ｍｍ以下の場合には、後述するように先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に後行トーチ４を反復旋回揺動させながら初層溶接することが適している（図５参照）。
【００１６】
図４はタンデムトーチ３、４の向きによる左右極間距離の変更の様子を示す概要図であり、（ａ）は基準となる左右極間距離がゼロの場合を示し、（ｂ）は左右極間距離を与えた場合を示す図である。図５は初層溶接時のトーチ運棒の一例を示す概要図である。
このタンデム溶接ロボットにおいては、図４（ａ）に示すように、タンデムトーチ３、４の向きを、溶接方向に対し、先行と後行のアーク点６ａ、７ａがほぼ一直線上に位置するようにセットする。すなわち、揺動方向が溶接方向と垂直になるように、多関節ロボットの全軸を動作させるのである。
【００１７】
そして、タンデム溶接ロボットは、タンデムトーチ３、４のトーチ角度を一定に保ったまま、タンデムトーチ３、４を開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させながら１プールタンデム溶接による多層盛溶接を行う。
なお、タンデムトーチ３、４の揺動制御、すなわちアークが開先壁に近づいたときに揺動方向を反転させる制御は、予め設定された揺動パターンに従って行われる。
【００１８】
また、ルートギャップまたは前層のビード幅に応じて、図４（ｂ）に示すように、溶接方向と揺動方向はそのままで、手首軸２でタンデムトーチ３、４の向きを変えることにより、左右極間距離を電動で制御することができる。溶接方向に対するタンデムトーチ３、４の偏向角θは、溶接方向を０゜としたとき、−９０゜≦θ≦９０゜の範囲で制御される。
【００１９】
初層溶接において、ルートギャップが３ｍｍを超えるような開先の場合は、多関節ロボットの全軸を動作させることにより、タンデムトーチ３、４を両方とも、開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で、揺動させて１プールタンデム溶接を行う。
一方、特に、ルートギャップが３ｍｍ以下の開先の場合には、図５に示すようなトーチ運棒で初層溶接を行うことが最適である。この場合、先行トーチ３は開先幅方向には一切揺動させずに、ストレート運棒とする。一方、後行トーチ４は、先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に反復旋回揺動（円弧揺動）させるトーチ運棒とするものである。
上記のような後行トーチ４だけを揺動させるタンデム溶接方法を採用することにより、ルートギャップが３ｍｍ以下の初層溶接においても、高温割れが無く、開先ルート部の溶融も良好な初層溶接ビードを得ることができる。図６を参照して、その理由を説明する。
【００２０】
図６の(ａ）図に示すように、ルートギャップが小さい（３ｍｍ以下の）初層溶接で、先行電極および後行電極を揺動すると、開先ルート部が溶融しにくく、融合不良が発生しやすい。これは、先行電極が揺動していることが原因である。
また、(ｂ）図に示すように、先行電極および後行電極ともに揺動させない場合は、後行電極直下の溶込みが深くなるため、開先角度や溶接条件によっては、高温割れが発生しやすい。
そこで、上述の溶接方法、すなわち先行電極（先行トーチ３）は揺動させずに、後行電極（後行トーチ４）だけを旋回揺動させると、（ｃ）図に示すように、後行電極直下の溶込みが浅くなるため、高温割れの発生を抑えることができる。
【００２１】
上記の初層溶接が終了し、２層目以降の積層溶接をする場合は、図７及び図８に示すように、前層のビード幅に応じて、開先幅方向にも左右極間距離を設けてタンデム溶接を行う。すなわち、本実施形態では、手首軸２により、先行トーチ３のアーク点６ａ位置を中心に後行トーチ４を所要角度θだけ旋回させれば、開先幅方向にも左右極間距離を設けることができる。このように、前層のビード幅に応じて、手首軸２の回転角により、タンデムトーチ３、４の左右極間距離を制御し、さらに前述のように多関節ロボットの全軸の動作により揺動幅を制御し、タンデムトーチ３、４を同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させることにより積層溶接を行う。
【００２２】
図７及び図８はタンデムトーチ３、４の左右極間距離設定時の電極の配置と動作を示す模式図である。なお、図７はレ型開先の場合で、図８はＶ型開先の場合である。図において、３は先行トーチ、４は後行トーチ、６は先行電極（先行ワイヤー）、７は後行電極（後行ワイヤー）、８は溶融池、９は開先、１０は溶接ビードである。
また、Ｇはルートギャップまたは前層ビード幅、Ｗは揺動幅、ＤSは先行電極６と後行電極７間の振り幅間隔、ＤFRは溶接方向の前後極間距離、ＤRLは開先幅方向の左右極間距離、ＤLは先行電極６の左側揺動端と開先９の一方の左側側壁との距離（接近幅）、ＤTは後行電極７の右側揺動端と開先９の他方の右側側壁との距離（接近幅）をあらわす。
ここに、上記の揺動幅Ｗおよび左右極間距離ＤRLは、次式で表される。
Ｗ＝｛Ｇ−（ＤL＋ＤS＋ＤT）｝／２ ・・・（１）
ＤRL＝Ｗ＋ＤS ・・・（２）
【００２３】
前層ビード幅に対する揺動幅Ｗおよび振り幅間隔ＤRLの一例を示すと、図９及び図１０のようになる。図９は前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図で、図１０は前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図である。
図９に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．２５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．５Ｘ−４の関係で直線的に変化させる。
また、図１０に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝０．３７５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝６ｍｍと一定にする。
【００２４】
このように、前層ビード幅の変動に応じて、手首軸２の回転により揺動幅Ｗを制御することにより、揺動幅及び揺動ピッチ（アーク点の１揺動周期の溶接方向の間隔）を小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することが可能となる。つまり、溶接速度が一定の場合、揺動幅が大きくなるほど揺動ピッチが大きくなる（荒くなる）ので、揺動端部での溶接欠陥が発生しやすくなるが、図７及び図８に示すように、開先幅に対する溶接範囲を先行電極６と後行電極７で、例えば半分ずつ分担するようにすれば、揺動幅及び揺動ピッチを共に小さくすることができるので、揺動端部での溶接欠陥を抑制することができるのである。
【００２５】
図１１は実施例と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。図１１において、（ａ）は従来技術の２プールタンデム溶接の場合、（ｂ）は実施例の場合、（ｃ）は両者の比較図である。
従来技術の場合は、次のような問題がある。
（１）溶込み底部の不連続
２プールタンデム溶接の場合は、基本的にシングルトーチによる１層２パスと同じであるため、図１１（ａ）のビード断面形状のように、溶込みラインが双子山状となり、１層１パスよりも欠陥が発生しやすいものとなる。
（２）ビード表面形状の不連続
僅かなトーチ位置（揺動範囲）の変動により、溶着ビード高さが左右で異なり、ビード表面形状が不均一になりやすい。
【００２６】
一方、実施例の場合は、図１１(ｂ）、（ｃ）に実線で示すように、１プールタンデムによる左右極間距離を設けた揺動溶接であるため、２プールタンデム溶接と比較して、先行の溶込みが若干減少すると共に、後行の溶込みが若干増加する傾向にあり、溶込み深さが均一化し、かつビード高さも均一化される効果がある。
【００２７】
図１２は実施例のビード断面形状を示す模式図であり、溶接欠陥のない、きわめて良好な形状を呈することが確認されている。
【００２８】
実施の形態２．
図１３は実施の形態２に係るタンデム溶接ロボットの概要図である。
このタンデム溶接ロボットは、直交座標型の溶接装置３０をベース構造とし、これにθ軸（旋回軸）２０を加えた構成としたものである。また、本例では、溶接トーチは２電極一体型のトーチ（以下、「一体型トーチ」と略記する）１１により構成されている。一体型トーチ１１とは、２本の溶接トーチ３、４が一つのシールドガスノズル１２の中に所定の電極間距離を隔てて装着された構成となっているものである。
図１３において、２１はθ軸２０の駆動モーター、２２は一体型トーチ１１を一端に取り付けた旋回アームで、旋回アーム２２の基端はθ軸２０に連結されている。また、θ軸２０の中心線と先行電極６の中心線との交点２３に先行電極６のアーク点が位置するように一体型トーチ１１が取り付けられている。１３、１４は被溶接部材である。
【００２９】
なお、先行トーチ３と後行トーチ４は互いに平行になるように設けられているが、必ずしも平行でなくてもよく、どちらか一方または両方のトーチの先端が、前述のように溶融池が１プールとなるように溶接方向の前後極間距離を１０〜４０ｍｍの範囲内で小さくなるように傾いていてもよい。
【００３０】
ベース構造である直交座標型の溶接装置３０は、走行軸（Ｘ軸）と、揺動軸（Ｙ軸）と、昇降軸（Ｚ軸）とを備えている。走行軸（Ｘ軸）は、走行台車３１、ガイドレール３２、車輪（図示せず）、走行モーター（図示せず）等からなる。なお、３３はガイドレール３２を被溶接部材１３上に固定設置するためのマグネットである。
揺動軸（Ｙ軸）は、昇降軸（Ｚ軸）３５に対して、開先幅方向に揺動可能な揺動スライダー３７により構成されている。
【００３１】
本実施形態によれば、実施の形態１で述べたタンデム溶接方法を実施することができると共に、市販の直交座標型の１電極溶接装置を利用して簡単に製作することができるので、製作費を安くすることができ、溶接装置の小型化も可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１ ロボットアーム
２ 手首軸
３ 先行トーチ
４ 後行トーチ
５ 取付部材
６ 先行電極
７ 後行電極
８ 溶融池
９ 開先
１０ 溶接ビード
１１ ２電極一体型のトーチ（一体型トーチ）
１２ シールドガスノズル
１３ 被溶接部材
１４ 被溶接部材
２０ θ軸（旋回軸）
２１ 駆動モーター
２２ 旋回アーム
３０ 直交座標型の溶接装置
３１ 走行台車
３２ ガイドレール
３３ マグネット
３５ 昇降軸（Ｚ軸）
３７ 揺動スライダー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の溶接トーチを取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、
多関節ロボットの最先端にある手首軸に取り付けられた前記各溶接トーチと、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、
前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行うことを特徴とする多関節型のタンデム溶接ロボット。
【請求項２】
ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、溶接方向の前方に配置された先行トーチはストレート運棒とし、前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置された後行トーチは、前記手首軸により、前記先行トーチのアーク点位置を中心に、所定の振幅で反復旋回揺動させることを特徴とする請求項１記載の多関節型のタンデム溶接ロボット。
【請求項１】
２本の溶接トーチを取り付けた多関節型溶接ロボットにおいて、
多関節ロボットの最先端にある手首軸に取り付けられた前記各溶接トーチと、ロボット全軸の複合動作により前記各溶接トーチを開先幅方向に揺動させる揺動機能とを有し、
前記各溶接トーチのトーチ角度を一定に保ったまま、前記各溶接トーチを開先幅方向に同じ位相かつ同じ振幅で揺動させるとともに、ルートギャップまたは前層ビード幅に応じて、前記手首軸を旋回させることにより、溶接方向に対する開先幅方向の電極間距離を所定の値に変更することで、前記開先幅方向の電極間距離とともに前記揺動の幅を制御してタンデム溶接を行うことを特徴とする多関節型のタンデム溶接ロボット。
【請求項２】
ルートギャップが３ｍｍ以下の開先を初層溶接する場合には、溶接方向の前方に配置された先行トーチはストレート運棒とし、前記先行トーチに対して溶接方向の後方に配置された後行トーチは、前記手首軸により、前記先行トーチのアーク点位置を中心に、所定の振幅で反復旋回揺動させることを特徴とする請求項１記載の多関節型のタンデム溶接ロボット。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２５２６５（Ｐ２０１１−２５２６５Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７１８８０（Ｐ２００９−１７１８８０）
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
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