波形ウェブ桁の溶接方法
【課題】良好な溶接ビード外観を、簡便に得る。
【解決手段】波形ウェブ桁１０の波形ウェブ板１２とフランジ板１４の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、２台の自動溶接手段２２、２４の溶接トーチ２３、２５を、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部Ｅまで溶接する。
【解決手段】波形ウェブ桁１０の波形ウェブ板１２とフランジ板１４の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、２台の自動溶接手段２２、２４の溶接トーチ２３、２５を、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部Ｅまで溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法に係り、特に、鋼製橋梁の波形鋼板ウェブ橋を工場内で施工する際に用いるのに好適な、良好な溶接ビード外観を簡便に得ることが可能な波形ウェブ桁の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼製橋梁の波形鋼板ウェブ橋の工場内施工に際して、波形ウェブ桁１０の波形ウェブ板１２とフランジ板１４との隅肉溶接（首溶接とも称する）は、一般に、図１に示す如く、屈曲した波形ウェブ板１２を立てた状態（以下、立置き施工法と称する）で部材を設置し、隅肉溶接を実施している。
【０００３】
この立置き施工法の施工順序は、例えば次のとおりである。
【０００４】
（１）該当部材が、ウェブ板１２とフランジ板１４を仮付け溶接された状態で搬入される。このとき、フランジ板１４には、現地据付時にコンクリートに埋め込まれる付属品（アングル１６や鉄筋等）が、既に外側（ウェブ板１２と反対側）に溶接された状態で納入される。
【０００５】
（２）片側のフランジ面を下にして部材を配置するが、付属品（１６）を回避して固定する。
【０００６】
（３）下側の隅肉溶接部の溶接施工（下向き水平隅肉溶接・両面）を実施する。
【０００７】
（４）溶接終了後、部材を反転させて、（２）（３）と同様に施工を実施する。
【０００８】
なお、波形ウェブ桁ではないが、同様に複雑な形状である船殻外板の溶接方法が特許文献１に記載され、箱形断面形状の鋼構造物を、レール上を走行する自動溶接機を用いて溶接する自動溶接装置が特許文献２に記載され、管交差部を多関節ロボットを用いて溶接する方法が特許文献３に記載され、複数の溶接ロボットを用いて溶接する際の制御装置及び制御方法が特許文献４に記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−９１２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５３５号公報
【特許文献３】特開平１０−５８１３９号公報
【特許文献４】特開２００１−２７３０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、立置き施工法では、フランジ板１４にアングル部材１６や鉄筋が付属しているので、部材を立に配材し固定するとき、これらが突起物となり回避して固定しなければならず、多大な作業時間がかかる。又、ウェブ桁高Ｈには２ｍを越える高いものも多数存在しており、固定作業や溶接作業が危険な作業になり、安全に細心の注意を払う必要がある。
【００１１】
このため立置き施工法ではなく、波形ウェブ板１２を水平に置く横置き施工法では、部材の固定作業が一般に不要になる他、安全性も格段に向上するが、溶接部に傾斜部の施工が発生するため、半自動溶接では、高度な施工技能が要求される。又、水平部と傾斜部を分割して溶接すれば、それぞれの溶接点を結合する始終端部でビード継ぎ部が発生し、溶接ビードの外観検査に合格するためには、継ぎ目処理を平滑に仕上る必要があるという問題点を有していた。即ち、橋梁業界の溶接施工では、不連続ビードが好まれないため、一般にビードの継き目が発生した場合、溶接後に手直し作業を行なう必要があり、これには多大な作業員、作業時間が発生し、製作コストの増大の一因となっていた。
【００１２】
一方、前記特許文献１乃至４に記載の技術は、いずれも、そのままでは、波形ウェブ桁の溶接には適していなかった。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、良好な溶接ビード外観を簡便に得ることが可能な波形ウェブ桁の溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、２台の自動溶接手段（溶接ロボットや自動溶接機）の溶接トーチを、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部まで溶接するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記波形ウェブ板を水平置きとして、前記溶接を行なうことにより、部材の固定作業を不要とし、作業時間を短縮すると共に、安全性も高めたものである。
【００１６】
又、前記溶接を、波形ウェブの山平行部から開始して、谷平行部まで行なうようにしたものである。
【００１７】
又、前記溶接を多層盛にて行なうようにして、隅肉脚長が長い場合にも対応できるようにしたものである。
【００１８】
又、前記多層盛溶接において、溶接線倣い制御法を利用して、初層の倣い軌跡を記憶し、２層目以降には、初層溶接の倣い軌跡にトーチ狙い位置のシフト量を加味して溶接倣いを行なうようにして、多層盛溶接でも適切な溶接倣いが行えるようにしたものである。
【００１９】
又、前記多層盛溶接において、少なくとも初層はトーチを回転させる回転アーク溶接を行なうようにして、適切な多層盛溶接が行えるようにしたものである。
【００２０】
又、前記多層盛溶接の終端位置を、パス毎にずらしてカスケード処理するようにして、ビード継ぎ目が目立たなくなるようにしたものである。
【００２１】
又、前記溶接を、溶接終端部でビード継ぎが発生するよう波形ウェブ板の長手方向に繰り返すことにより、全長にわたってビード継ぎ部がきれいな溶接が行えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、図２に示す如く、２本の溶接トーチの溶接開始点Ｓをほぼ同一としたので、２本のアーク発生時に形成される２つの溶融池を１つに結合させて１プール化することによって、最大の利点が得られる。即ち、溶融池が１プール化すると、溶接ビードの継ぎ目が無くなり、アークスタート時点で平滑な溶接ビードが得られ、あたかも１本の連続した溶接線のように見える。このため、スタート時点Ｓでの手直し作業が不要になる。
【００２３】
特に、図２に示したように、波形ウェブ板１２を水平置きとした方法では、部材の固定作業が一般に不要になる他、安全面も格段に向上する。なお、波形ウェブ板１２を水平置きとすると、溶接姿勢が時々刻々と変化するが、溶接姿勢の変化に合わせて、その度に溶接を停止し、溶接条件を変更させる施工法を採用すると、ビード継ぎ目が多数発生し、手直し作業が必要になる。そこで、時々刻々の溶接姿勢の変化に対して、溶接条件の調整が可能な自動溶接手段、例えば、溶接線に沿ったトーチの移動と溶接条件を固定シーケンスにより制御して、繰返し同じ溶接部を溶接する自動溶接機や、上位制御部より、溶接部材、溶接条件等の情報を設定し、多軸のロボットを用いて溶接する、多様なワーク形状に対して溶接が可能な溶接ロボット（例えば多関節溶接ロボット）を用いることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、ロボットスライド軸２０上水平方向に移動自在な、２台の協調動作が可能な（例えば６軸）多関節型のツイン溶接ロボット２２、２４を用いて、本発明を実施するものである。図において、２３、２５は、各溶接ロボット２２、２４の溶接トーチである。
【００２６】
施工に際しては、図４に手順を示す如く、まず、ステップ１００の配材で、波形ウェブ板１２とフランジ板１４を仮付けした状態で、図２に示した如く、水平置きする。
【００２７】
次いで、ステップ１０２のデータ読込で、波形ウェブ板１２の設計図面をロボットが読み取り、溶接線を入力する。
【００２８】
次いでステップ１０４の事前センシングで、２台の溶接ロボット２２、２４がそれぞれ、図５に示す如く、溶接前に例えば数箇所ずつのワイヤタッチセンシングを実施し、溶接ワイヤ自体を接触子として用いて、ワイヤと母材間の接触の有無から母材の位置を検出する。そして部材形状の組立誤差等を検知し、ステップ１０２で読み込んだ溶接線情報を修正する。又、２台の溶接ロボット２２、２４の座標軸の誤差を修正するために、同一点をセンシングしておき、補正する。
【００２９】
次いでステップ１０６に進み、初層溶接を行う。具体的には、図３に示した如く、２台の溶接ロボット２２、２４の溶接アーク点が、波の上の中央部付近で近接した状態とし、その後図６に例示する如く、電極ノズル３０の中心に送給され、通電チップ３２の先端で所定量偏心された溶接ワイヤ３４を備えた電極ノズル３０をモータ３６で回転させることにより、ワイヤ先端のアークが溶融池３８上を回転するようにした高速回転アーク溶接法により、同時にアークスタート（溶接開始）を行い、それぞれ反対方向へ溶接を進行させる。これにより、溶接開始点Ｓで溶融池が１プール化するために溶接ビードの継ぎ目が無くなり、アークスタート地点Ｓで平滑な溶接ビードが得られる。
【００３０】
その後、図２に示した如く、それぞれの溶接部位で時々刻々と溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、トーチ角度等）を変化させながら、山上の平行部（山平行部と称する）１２Ａから上円弧部１２Ｂ、傾斜（下進）直線部１２Ｃ、下円弧部１２Ｄ、谷平行部１２Ｅへと連続施工を実施する。このとき、傾斜直線部１２Ｃでは、溶融池が重力によって垂れ落ちないように、アーク圧力で保持する必要があり、ビード形成と合わせた溶接条件を選定する。そして谷平行部１２Ｅのしかるべき時点で溶接停止する。
【００３１】
波形ウェブ板１２の寸法が図７に示す如くであり、１．２ｍｍφのソリッドワイヤを溶接ワイヤ３４とし、Ａｒ−ＣＯ２混合ガスをシールドガスとした場合の初層溶接条件の例を表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
この際、溶接線が連続的に変化するため、全線でアーク位置をセンシングする必要があり、例えば高速回転アーク溶接法による溶接線倣いを実施し、溶接線に対するチップ・母材間距離や、溶接線と直交方向のずれ量を、溶接電流、アーク電圧あるいは短絡移行状態等の変化情報から捉え、トーチの位置修正へフィードバックする。これは、溶接前の設計図面から得られた溶接線の情報と実際の溶接線とでは、切断、組立、製作誤差が発生しており、その影響を無視することはできないからである。
【００３４】
ここで、初層に回転アーク溶接を利用する利点は次のとおりである。即ち、ステップ１０４における初層前のセンシング、例えばワイヤタッチセンシングでは、溶接線全線をセンシングすることは実質的に不可能で、実際のワークの微小な誤差については検出できない。それに対して、回転アーク溶接では、溶接中はほぼ常時、開先中心からの揺動中心の開先幅方向の位置ずれを、溶接電流波形やアーク電圧波形の揺動中心位置に対する非対称性からセンシングして（アークセンサと称する）、溶接トーチの狙い位置が常に開先中心となるように制御しているので、溶接線全線のセンシングが可能となる。又、溶接トーチを横方向に運棒せずに溶接進行のみに動かす図８（Ｂ）に示すようなストレート溶接では、溶け込み形状が中央部に集中し易く、高電流域では更にその傾向が強い。一方、図８（Ａ）に示す回転アーク溶接では、平坦な溶け込み形状が得られ、これは高電流化しても、同様の傾向がある。その結果、直進傾斜部１２Ｃの下進溶接でも、回転アーク及び高電流化により、広い範囲でも深い溶け込み形状が得られる。
【００３５】
ステップ１０６の回転アークによる初層溶接が終了後、隅肉溶接の脚長サイズに応じて、多層盛溶接が必要な場合は、ステップ１０８で２パス目以降の積層溶接を行なう。水平姿勢の隅肉溶接の最大脚長は９〜１１ｍｍであり、１１ｍｍ以上の１パス施行は、重力により、溶接金属が垂れ下がって不能であり、下進溶接では最大脚長が更に小さくなり６ｍｍ程度であるため、例えば、隅肉脚長が６ｍｍの場合は１層１パス、９ｍｍの場合は２層３パス、１３ｍｍの場合は３層６パスとする。具体的には、再び２台の溶接ロボット２２、２４が山上の平行部１２Ａで接近してアークを再スタートさせ、山平行部１２Ａ→上円弧部１２Ｂ→傾斜直線部１２Ｃ→下円弧部１２Ｄ→谷平行部１２Ｅへと溶接を進行させる。この２パス目以降の上層溶接は、溶接トーチを溶接進行方向にのみ動かし、横方向には動かさないストレート溶接を行なう。それは、このストレート溶接が、高速回転アーク溶接と比べ、特に下進溶接で、アークの安定性に優れるためである。特に２層目以降の場合、高速回転アーク溶接では、それ以前の溶接ビードをも溶かすために、垂れ落ちし易い傾向にある。
【００３６】
この２パス目以降では、初層と同じ溶接線を溶接するので、初層の倣い軌跡と同一の動きをすればよい。但し、一般に多層盛の場合は、それまでの積層ビード形状を考慮して、狙い位置を変動（シフト）させるので、そのシフト量を考慮する。即ち、隅肉溶接の形成を考慮して、トーチ狙い位置を図９に示す如くシフトさせるが、溶接線倣いによる修正には、次の２つのパターンがある。
【００３７】
（１）ステップ１０４のワイヤタッチセンシング情報を元に、溶接線の修正を行なう。
【００３８】
（２）ステップ１０４のワイヤタッチセンシング及びステップ１０６のアークセンサによる溶接線倣いの補正量を記憶しておき、両者の補正分を修正する。
【００３９】
この２パス目以降の溶接条件の例を表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
なお、多層盛による熱変形が問題になる場合は、２パス目以降でも、１パス目と同様の溶接線倣い制御を行うことができる。
【００４２】
ステップ１１０で、１つの波の施工が完了したと判断されたときには、ステップ１１２に進み、隣りの波の例えば山中央へ溶接ロボット２２、２４を移動させ、ステップ１０４〜１１０を繰り返して、ステップ１１４で片面が完了したと判定されるまで、当該部材の溶接施工を順次実施する。
【００４３】
片面が完了した場合には、ステップ１１８に進み、部材の上下を反転させ、ステップ１１６で両面が完了したと判定されるまで、ステップ１０４〜１１４を繰り返して、所定の溶接を完了させる。
【００４４】
多層盛溶接の場合、終端部のビード継ぎ目を１箇所で重ねると、不連続部が重なるため、その部分のビード形状が悪化してしまう。そこで、ビード継ぎを目立たなくするため、図１０に示す如く、カスケード（段差）処理することで、不連続部をできるだけ目立たないようにしている。各パス毎のカスケード量は、例えば３０〜８０ｍｍとすることができる。
【００４５】
本実施形態においては、ビードの継ぎ目を谷平行部１２のみとしているため、継ぎ目処理が容易であり、平滑化し易い。特に、終端同士とした場合には、終端同士のビード継ぎ目は、継ぎ目処理が容易であり、平滑化し易い。
【００４６】
即ち、ビード継ぎ目には、図１１に示す如く、（Ａ）溶接開始点（始端）Ｓの上に次の始端Ｓを重ねる始端―始端継Ｓ―Ｓ、（Ｂ）始端Ｓの上に次の溶接終了点（終端）Ｅを重ねる始端―終端継Ｓ―Ｅ、（Ｃ）終端Ｅの上に次の始端Ｓを重ねる終端―始端継Ｅ−Ｓ、（Ｄ）終端Ｅの上に次の終端Ｅを重ねる終端―終端継Ｅ−Ｅの４種類があるが、始端Ｓは、母材の温度が未だ上がっていないため、溶接ビードが拡がらず、丸みを帯びた凸ビードになり易い。一方、終端Ｅには、クレータと呼ばれる凹みが生じる。このクレータは、電流が高いほど大きいので、高電流施工のロボット施工では、特に問題となる。従って、終了点近くで電流や溶接速度を下げ、時には停止又は逆走して、凹みを埋める。
【００４７】
ロボット溶接でのビード継ぎの場合、始端Ｓの狭く凸状のビードを解消する運棒は難しく、終端Ｅのクレータを埋める動作は比較的容易である。特に、ビード継ぎでは、２本の溶接線を重ねることで、より凸形状になり易い。よって、ビード継ぎでは、できる限り始端Ｓを避け、若しくは、後から溶接した側での始端Ｓを避ける。特に、最初の溶接、後からの溶接のいずれも、始端Ｓは難度が高く難しい。更に、ビード継ぎ部分で手直しが発生した場合にも、図１１（Ａ）（Ｃ）のように始端Ｓが残るビード継ぎは、上盛り溶接＋グラインダ切削が必要であるが、図１１（Ｂ）（Ｄ）のように始端Ｓが残らないビード継ぎは、グラインダ切削のみで済む場合が多く、最小限の労力で施工を完了することができる。従って、図１１（Ｄ）に示す終端Ｅ−終端Ｅが最も望ましい。
【００４８】
次に、図１２を参照して、図１３に示すような小型自動溶接機を用いて溶接するようにした、本発明の第２実施形態を説明する。
【００４９】
本実施形態は、走行レール４０上を走行する２台の小型溶接台車４２、４４上の溶接トーチ４３、４５により溶接するようにしたものである。図１３において、４６は溶接トーチ４３のホルダ、４７は台車４２の車輪、４８はケーブル、図１２において、５０は、溶接条件の設定、溶接・走行のオンオフ管理、及び、２台の溶接台車４２、４４の同期制御を行なうための制御ボックスである。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、いずれも、波形ウェブ板１２のウェブが水平置きとなるようにしていたので、施工が特に容易である。なお、本発明の適用対象は、必ずしも水平置きに限定されない。
【００５１】
又、ウェブ板１２の同じ側を続けて溶接するのではなく、片側ずつ交互に溶接しても構わない。溶接開始位置も山平行部１２Ａの中央位置に限定されず、中央からずれた位置や、谷平行部１２Ｅから溶接を開始しても構わない。ウェブの波の数も１以上であれば本発明を適用できる。
【００５２】
更に、溶接線倣い制御法も、ワイヤタッチセンサ（溶接開始前）やアークセンサ（溶接中）によるものに限定されず、光学センサなどを用いて、他の方法で、溶接線からのずれ量に応じて溶接トーチ位置を制御するものでも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】溶接対象の波形ウェブ桁を立置きした状態を示す斜視図
【図２】本発明による溶接線を示す斜視図
【図３】本発明の第１実施形態による施工状況を示す側面図
【図４】同じく溶接手順を示す流れ図
【図５】同じくワイヤセンシング位置の例を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）側面図
【図６】同じく初層溶接に用いる高速回転アーク溶接状態を示す斜視図
【図７】同じく波形ウェブ板の寸法の例を示す側面図
【図８】（Ａ）高速回転アーク溶接と（Ｂ）ストレート溶接の溶接トーチの動きと溶接ビードを示す斜視図及び平面図
【図９】同じく多層盛溶接の（Ａ）各パスの狙い位置と（Ｂ）各パス間のシフト量を示す正面図
【図１０】同じくビード継ぎのカスケード処理を示す斜視図
【図１１】同じく各種ビード継ぎを比較して示す平面図
【図１２】本発明の第２実施形態による施工状況を示す斜視図
【図１３】第２実施形態で用いる自動溶接機の例を示す斜視図
【符号の説明】
【００５４】
１０…波形ウェブ桁
１２…波形ウェブ板
１２Ａ…山平行部
１２Ｂ…上円弧部
１２Ｃ…傾斜直線部
１２Ｄ…下円弧部
１２Ｅ…谷平行部
１４…フランジ板
２０…ロボットスライド軸
２２、２４…溶接ロボット
２３、２５、４３、４５…溶接トーチ
３８…溶接池（プール）
４０…走行レール
４２、４４…溶接台車
５０…制御ボックス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法に係り、特に、鋼製橋梁の波形鋼板ウェブ橋を工場内で施工する際に用いるのに好適な、良好な溶接ビード外観を簡便に得ることが可能な波形ウェブ桁の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼製橋梁の波形鋼板ウェブ橋の工場内施工に際して、波形ウェブ桁１０の波形ウェブ板１２とフランジ板１４との隅肉溶接（首溶接とも称する）は、一般に、図１に示す如く、屈曲した波形ウェブ板１２を立てた状態（以下、立置き施工法と称する）で部材を設置し、隅肉溶接を実施している。
【０００３】
この立置き施工法の施工順序は、例えば次のとおりである。
【０００４】
（１）該当部材が、ウェブ板１２とフランジ板１４を仮付け溶接された状態で搬入される。このとき、フランジ板１４には、現地据付時にコンクリートに埋め込まれる付属品（アングル１６や鉄筋等）が、既に外側（ウェブ板１２と反対側）に溶接された状態で納入される。
【０００５】
（２）片側のフランジ面を下にして部材を配置するが、付属品（１６）を回避して固定する。
【０００６】
（３）下側の隅肉溶接部の溶接施工（下向き水平隅肉溶接・両面）を実施する。
【０００７】
（４）溶接終了後、部材を反転させて、（２）（３）と同様に施工を実施する。
【０００８】
なお、波形ウェブ桁ではないが、同様に複雑な形状である船殻外板の溶接方法が特許文献１に記載され、箱形断面形状の鋼構造物を、レール上を走行する自動溶接機を用いて溶接する自動溶接装置が特許文献２に記載され、管交差部を多関節ロボットを用いて溶接する方法が特許文献３に記載され、複数の溶接ロボットを用いて溶接する際の制御装置及び制御方法が特許文献４に記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−９１２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５３５号公報
【特許文献３】特開平１０−５８１３９号公報
【特許文献４】特開２００１−２７３０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、立置き施工法では、フランジ板１４にアングル部材１６や鉄筋が付属しているので、部材を立に配材し固定するとき、これらが突起物となり回避して固定しなければならず、多大な作業時間がかかる。又、ウェブ桁高Ｈには２ｍを越える高いものも多数存在しており、固定作業や溶接作業が危険な作業になり、安全に細心の注意を払う必要がある。
【００１１】
このため立置き施工法ではなく、波形ウェブ板１２を水平に置く横置き施工法では、部材の固定作業が一般に不要になる他、安全性も格段に向上するが、溶接部に傾斜部の施工が発生するため、半自動溶接では、高度な施工技能が要求される。又、水平部と傾斜部を分割して溶接すれば、それぞれの溶接点を結合する始終端部でビード継ぎ部が発生し、溶接ビードの外観検査に合格するためには、継ぎ目処理を平滑に仕上る必要があるという問題点を有していた。即ち、橋梁業界の溶接施工では、不連続ビードが好まれないため、一般にビードの継き目が発生した場合、溶接後に手直し作業を行なう必要があり、これには多大な作業員、作業時間が発生し、製作コストの増大の一因となっていた。
【００１２】
一方、前記特許文献１乃至４に記載の技術は、いずれも、そのままでは、波形ウェブ桁の溶接には適していなかった。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、良好な溶接ビード外観を簡便に得ることが可能な波形ウェブ桁の溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、２台の自動溶接手段（溶接ロボットや自動溶接機）の溶接トーチを、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部まで溶接するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、前記波形ウェブ板を水平置きとして、前記溶接を行なうことにより、部材の固定作業を不要とし、作業時間を短縮すると共に、安全性も高めたものである。
【００１６】
又、前記溶接を、波形ウェブの山平行部から開始して、谷平行部まで行なうようにしたものである。
【００１７】
又、前記溶接を多層盛にて行なうようにして、隅肉脚長が長い場合にも対応できるようにしたものである。
【００１８】
又、前記多層盛溶接において、溶接線倣い制御法を利用して、初層の倣い軌跡を記憶し、２層目以降には、初層溶接の倣い軌跡にトーチ狙い位置のシフト量を加味して溶接倣いを行なうようにして、多層盛溶接でも適切な溶接倣いが行えるようにしたものである。
【００１９】
又、前記多層盛溶接において、少なくとも初層はトーチを回転させる回転アーク溶接を行なうようにして、適切な多層盛溶接が行えるようにしたものである。
【００２０】
又、前記多層盛溶接の終端位置を、パス毎にずらしてカスケード処理するようにして、ビード継ぎ目が目立たなくなるようにしたものである。
【００２１】
又、前記溶接を、溶接終端部でビード継ぎが発生するよう波形ウェブ板の長手方向に繰り返すことにより、全長にわたってビード継ぎ部がきれいな溶接が行えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、図２に示す如く、２本の溶接トーチの溶接開始点Ｓをほぼ同一としたので、２本のアーク発生時に形成される２つの溶融池を１つに結合させて１プール化することによって、最大の利点が得られる。即ち、溶融池が１プール化すると、溶接ビードの継ぎ目が無くなり、アークスタート時点で平滑な溶接ビードが得られ、あたかも１本の連続した溶接線のように見える。このため、スタート時点Ｓでの手直し作業が不要になる。
【００２３】
特に、図２に示したように、波形ウェブ板１２を水平置きとした方法では、部材の固定作業が一般に不要になる他、安全面も格段に向上する。なお、波形ウェブ板１２を水平置きとすると、溶接姿勢が時々刻々と変化するが、溶接姿勢の変化に合わせて、その度に溶接を停止し、溶接条件を変更させる施工法を採用すると、ビード継ぎ目が多数発生し、手直し作業が必要になる。そこで、時々刻々の溶接姿勢の変化に対して、溶接条件の調整が可能な自動溶接手段、例えば、溶接線に沿ったトーチの移動と溶接条件を固定シーケンスにより制御して、繰返し同じ溶接部を溶接する自動溶接機や、上位制御部より、溶接部材、溶接条件等の情報を設定し、多軸のロボットを用いて溶接する、多様なワーク形状に対して溶接が可能な溶接ロボット（例えば多関節溶接ロボット）を用いることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
本発明の第１実施形態は、図３に示す如く、ロボットスライド軸２０上水平方向に移動自在な、２台の協調動作が可能な（例えば６軸）多関節型のツイン溶接ロボット２２、２４を用いて、本発明を実施するものである。図において、２３、２５は、各溶接ロボット２２、２４の溶接トーチである。
【００２６】
施工に際しては、図４に手順を示す如く、まず、ステップ１００の配材で、波形ウェブ板１２とフランジ板１４を仮付けした状態で、図２に示した如く、水平置きする。
【００２７】
次いで、ステップ１０２のデータ読込で、波形ウェブ板１２の設計図面をロボットが読み取り、溶接線を入力する。
【００２８】
次いでステップ１０４の事前センシングで、２台の溶接ロボット２２、２４がそれぞれ、図５に示す如く、溶接前に例えば数箇所ずつのワイヤタッチセンシングを実施し、溶接ワイヤ自体を接触子として用いて、ワイヤと母材間の接触の有無から母材の位置を検出する。そして部材形状の組立誤差等を検知し、ステップ１０２で読み込んだ溶接線情報を修正する。又、２台の溶接ロボット２２、２４の座標軸の誤差を修正するために、同一点をセンシングしておき、補正する。
【００２９】
次いでステップ１０６に進み、初層溶接を行う。具体的には、図３に示した如く、２台の溶接ロボット２２、２４の溶接アーク点が、波の上の中央部付近で近接した状態とし、その後図６に例示する如く、電極ノズル３０の中心に送給され、通電チップ３２の先端で所定量偏心された溶接ワイヤ３４を備えた電極ノズル３０をモータ３６で回転させることにより、ワイヤ先端のアークが溶融池３８上を回転するようにした高速回転アーク溶接法により、同時にアークスタート（溶接開始）を行い、それぞれ反対方向へ溶接を進行させる。これにより、溶接開始点Ｓで溶融池が１プール化するために溶接ビードの継ぎ目が無くなり、アークスタート地点Ｓで平滑な溶接ビードが得られる。
【００３０】
その後、図２に示した如く、それぞれの溶接部位で時々刻々と溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、トーチ角度等）を変化させながら、山上の平行部（山平行部と称する）１２Ａから上円弧部１２Ｂ、傾斜（下進）直線部１２Ｃ、下円弧部１２Ｄ、谷平行部１２Ｅへと連続施工を実施する。このとき、傾斜直線部１２Ｃでは、溶融池が重力によって垂れ落ちないように、アーク圧力で保持する必要があり、ビード形成と合わせた溶接条件を選定する。そして谷平行部１２Ｅのしかるべき時点で溶接停止する。
【００３１】
波形ウェブ板１２の寸法が図７に示す如くであり、１．２ｍｍφのソリッドワイヤを溶接ワイヤ３４とし、Ａｒ−ＣＯ２混合ガスをシールドガスとした場合の初層溶接条件の例を表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
この際、溶接線が連続的に変化するため、全線でアーク位置をセンシングする必要があり、例えば高速回転アーク溶接法による溶接線倣いを実施し、溶接線に対するチップ・母材間距離や、溶接線と直交方向のずれ量を、溶接電流、アーク電圧あるいは短絡移行状態等の変化情報から捉え、トーチの位置修正へフィードバックする。これは、溶接前の設計図面から得られた溶接線の情報と実際の溶接線とでは、切断、組立、製作誤差が発生しており、その影響を無視することはできないからである。
【００３４】
ここで、初層に回転アーク溶接を利用する利点は次のとおりである。即ち、ステップ１０４における初層前のセンシング、例えばワイヤタッチセンシングでは、溶接線全線をセンシングすることは実質的に不可能で、実際のワークの微小な誤差については検出できない。それに対して、回転アーク溶接では、溶接中はほぼ常時、開先中心からの揺動中心の開先幅方向の位置ずれを、溶接電流波形やアーク電圧波形の揺動中心位置に対する非対称性からセンシングして（アークセンサと称する）、溶接トーチの狙い位置が常に開先中心となるように制御しているので、溶接線全線のセンシングが可能となる。又、溶接トーチを横方向に運棒せずに溶接進行のみに動かす図８（Ｂ）に示すようなストレート溶接では、溶け込み形状が中央部に集中し易く、高電流域では更にその傾向が強い。一方、図８（Ａ）に示す回転アーク溶接では、平坦な溶け込み形状が得られ、これは高電流化しても、同様の傾向がある。その結果、直進傾斜部１２Ｃの下進溶接でも、回転アーク及び高電流化により、広い範囲でも深い溶け込み形状が得られる。
【００３５】
ステップ１０６の回転アークによる初層溶接が終了後、隅肉溶接の脚長サイズに応じて、多層盛溶接が必要な場合は、ステップ１０８で２パス目以降の積層溶接を行なう。水平姿勢の隅肉溶接の最大脚長は９〜１１ｍｍであり、１１ｍｍ以上の１パス施行は、重力により、溶接金属が垂れ下がって不能であり、下進溶接では最大脚長が更に小さくなり６ｍｍ程度であるため、例えば、隅肉脚長が６ｍｍの場合は１層１パス、９ｍｍの場合は２層３パス、１３ｍｍの場合は３層６パスとする。具体的には、再び２台の溶接ロボット２２、２４が山上の平行部１２Ａで接近してアークを再スタートさせ、山平行部１２Ａ→上円弧部１２Ｂ→傾斜直線部１２Ｃ→下円弧部１２Ｄ→谷平行部１２Ｅへと溶接を進行させる。この２パス目以降の上層溶接は、溶接トーチを溶接進行方向にのみ動かし、横方向には動かさないストレート溶接を行なう。それは、このストレート溶接が、高速回転アーク溶接と比べ、特に下進溶接で、アークの安定性に優れるためである。特に２層目以降の場合、高速回転アーク溶接では、それ以前の溶接ビードをも溶かすために、垂れ落ちし易い傾向にある。
【００３６】
この２パス目以降では、初層と同じ溶接線を溶接するので、初層の倣い軌跡と同一の動きをすればよい。但し、一般に多層盛の場合は、それまでの積層ビード形状を考慮して、狙い位置を変動（シフト）させるので、そのシフト量を考慮する。即ち、隅肉溶接の形成を考慮して、トーチ狙い位置を図９に示す如くシフトさせるが、溶接線倣いによる修正には、次の２つのパターンがある。
【００３７】
（１）ステップ１０４のワイヤタッチセンシング情報を元に、溶接線の修正を行なう。
【００３８】
（２）ステップ１０４のワイヤタッチセンシング及びステップ１０６のアークセンサによる溶接線倣いの補正量を記憶しておき、両者の補正分を修正する。
【００３９】
この２パス目以降の溶接条件の例を表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
なお、多層盛による熱変形が問題になる場合は、２パス目以降でも、１パス目と同様の溶接線倣い制御を行うことができる。
【００４２】
ステップ１１０で、１つの波の施工が完了したと判断されたときには、ステップ１１２に進み、隣りの波の例えば山中央へ溶接ロボット２２、２４を移動させ、ステップ１０４〜１１０を繰り返して、ステップ１１４で片面が完了したと判定されるまで、当該部材の溶接施工を順次実施する。
【００４３】
片面が完了した場合には、ステップ１１８に進み、部材の上下を反転させ、ステップ１１６で両面が完了したと判定されるまで、ステップ１０４〜１１４を繰り返して、所定の溶接を完了させる。
【００４４】
多層盛溶接の場合、終端部のビード継ぎ目を１箇所で重ねると、不連続部が重なるため、その部分のビード形状が悪化してしまう。そこで、ビード継ぎを目立たなくするため、図１０に示す如く、カスケード（段差）処理することで、不連続部をできるだけ目立たないようにしている。各パス毎のカスケード量は、例えば３０〜８０ｍｍとすることができる。
【００４５】
本実施形態においては、ビードの継ぎ目を谷平行部１２のみとしているため、継ぎ目処理が容易であり、平滑化し易い。特に、終端同士とした場合には、終端同士のビード継ぎ目は、継ぎ目処理が容易であり、平滑化し易い。
【００４６】
即ち、ビード継ぎ目には、図１１に示す如く、（Ａ）溶接開始点（始端）Ｓの上に次の始端Ｓを重ねる始端―始端継Ｓ―Ｓ、（Ｂ）始端Ｓの上に次の溶接終了点（終端）Ｅを重ねる始端―終端継Ｓ―Ｅ、（Ｃ）終端Ｅの上に次の始端Ｓを重ねる終端―始端継Ｅ−Ｓ、（Ｄ）終端Ｅの上に次の終端Ｅを重ねる終端―終端継Ｅ−Ｅの４種類があるが、始端Ｓは、母材の温度が未だ上がっていないため、溶接ビードが拡がらず、丸みを帯びた凸ビードになり易い。一方、終端Ｅには、クレータと呼ばれる凹みが生じる。このクレータは、電流が高いほど大きいので、高電流施工のロボット施工では、特に問題となる。従って、終了点近くで電流や溶接速度を下げ、時には停止又は逆走して、凹みを埋める。
【００４７】
ロボット溶接でのビード継ぎの場合、始端Ｓの狭く凸状のビードを解消する運棒は難しく、終端Ｅのクレータを埋める動作は比較的容易である。特に、ビード継ぎでは、２本の溶接線を重ねることで、より凸形状になり易い。よって、ビード継ぎでは、できる限り始端Ｓを避け、若しくは、後から溶接した側での始端Ｓを避ける。特に、最初の溶接、後からの溶接のいずれも、始端Ｓは難度が高く難しい。更に、ビード継ぎ部分で手直しが発生した場合にも、図１１（Ａ）（Ｃ）のように始端Ｓが残るビード継ぎは、上盛り溶接＋グラインダ切削が必要であるが、図１１（Ｂ）（Ｄ）のように始端Ｓが残らないビード継ぎは、グラインダ切削のみで済む場合が多く、最小限の労力で施工を完了することができる。従って、図１１（Ｄ）に示す終端Ｅ−終端Ｅが最も望ましい。
【００４８】
次に、図１２を参照して、図１３に示すような小型自動溶接機を用いて溶接するようにした、本発明の第２実施形態を説明する。
【００４９】
本実施形態は、走行レール４０上を走行する２台の小型溶接台車４２、４４上の溶接トーチ４３、４５により溶接するようにしたものである。図１３において、４６は溶接トーチ４３のホルダ、４７は台車４２の車輪、４８はケーブル、図１２において、５０は、溶接条件の設定、溶接・走行のオンオフ管理、及び、２台の溶接台車４２、４４の同期制御を行なうための制御ボックスである。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、いずれも、波形ウェブ板１２のウェブが水平置きとなるようにしていたので、施工が特に容易である。なお、本発明の適用対象は、必ずしも水平置きに限定されない。
【００５１】
又、ウェブ板１２の同じ側を続けて溶接するのではなく、片側ずつ交互に溶接しても構わない。溶接開始位置も山平行部１２Ａの中央位置に限定されず、中央からずれた位置や、谷平行部１２Ｅから溶接を開始しても構わない。ウェブの波の数も１以上であれば本発明を適用できる。
【００５２】
更に、溶接線倣い制御法も、ワイヤタッチセンサ（溶接開始前）やアークセンサ（溶接中）によるものに限定されず、光学センサなどを用いて、他の方法で、溶接線からのずれ量に応じて溶接トーチ位置を制御するものでも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】溶接対象の波形ウェブ桁を立置きした状態を示す斜視図
【図２】本発明による溶接線を示す斜視図
【図３】本発明の第１実施形態による施工状況を示す側面図
【図４】同じく溶接手順を示す流れ図
【図５】同じくワイヤセンシング位置の例を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）側面図
【図６】同じく初層溶接に用いる高速回転アーク溶接状態を示す斜視図
【図７】同じく波形ウェブ板の寸法の例を示す側面図
【図８】（Ａ）高速回転アーク溶接と（Ｂ）ストレート溶接の溶接トーチの動きと溶接ビードを示す斜視図及び平面図
【図９】同じく多層盛溶接の（Ａ）各パスの狙い位置と（Ｂ）各パス間のシフト量を示す正面図
【図１０】同じくビード継ぎのカスケード処理を示す斜視図
【図１１】同じく各種ビード継ぎを比較して示す平面図
【図１２】本発明の第２実施形態による施工状況を示す斜視図
【図１３】第２実施形態で用いる自動溶接機の例を示す斜視図
【符号の説明】
【００５４】
１０…波形ウェブ桁
１２…波形ウェブ板
１２Ａ…山平行部
１２Ｂ…上円弧部
１２Ｃ…傾斜直線部
１２Ｄ…下円弧部
１２Ｅ…谷平行部
１４…フランジ板
２０…ロボットスライド軸
２２、２４…溶接ロボット
２３、２５、４３、４５…溶接トーチ
３８…溶接池（プール）
４０…走行レール
４２、４４…溶接台車
５０…制御ボックス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、
２台の自動溶接手段の溶接トーチを、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、
同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、
各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部まで溶接することを特徴とする波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項２】
前記波形ウェブ板を水平置きとして、前記溶接を行なうことを特徴とする請求項１に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項３】
前記溶接を、波形ウェブの山平行部から開始して、谷平行部まで行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項４】
前記溶接を多層盛にて行なうことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項５】
前記多層盛溶接において、溶接線倣い制御法を利用して、初層の倣い軌跡を記憶し、２層目以降には、初層溶接の倣い軌跡にトーチ狙い位置のシフト量を加味して溶接倣いを行なうことを特徴とする請求項４に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項６】
前記多層盛溶接において、少なくとも初層はトーチを回転させる高速回転アーク溶接を行なうことを特徴とする請求項４又は５に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項７】
前記多層盛溶接の終端位置を、パス毎にずらしてカスケード処理することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項８】
前記溶接を、溶接終端部でビード継ぎが発生するよう波形ウェブ板の長手方向に繰り返すことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項１】
波形ウェブ桁の波形ウェブ板とフランジ板の接合部を隅肉溶接するための波形ウェブ桁の溶接方法において、
２台の自動溶接手段の溶接トーチを、波形ウェブの平行部の略中央の同じ位置に向けて配置し、
同時に溶接を開始して、同じ溶融池から各々反対方向に進行させ、
各々の溶接アークを停止させることなく、円弧部、傾斜部及び次の円弧部を経て、次の平行部まで溶接することを特徴とする波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項２】
前記波形ウェブ板を水平置きとして、前記溶接を行なうことを特徴とする請求項１に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項３】
前記溶接を、波形ウェブの山平行部から開始して、谷平行部まで行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項４】
前記溶接を多層盛にて行なうことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項５】
前記多層盛溶接において、溶接線倣い制御法を利用して、初層の倣い軌跡を記憶し、２層目以降には、初層溶接の倣い軌跡にトーチ狙い位置のシフト量を加味して溶接倣いを行なうことを特徴とする請求項４に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項６】
前記多層盛溶接において、少なくとも初層はトーチを回転させる高速回転アーク溶接を行なうことを特徴とする請求項４又は５に記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項７】
前記多層盛溶接の終端位置を、パス毎にずらしてカスケード処理することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【請求項８】
前記溶接を、溶接終端部でビード継ぎが発生するよう波形ウェブ板の長手方向に繰り返すことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波形ウェブ桁の溶接方法。
【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２００７−９０３９０（Ｐ２００７−９０３９０Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８３５８４（Ｐ２００５−２８３５８４）
【出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【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１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【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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