溶接装置
【課題】 厚板鋼材の突合せ溶接において、従来に比べて低入熱溶接を行うことで、より高品質且つ高効率な溶接を実現することを目的とする。
【解決手段】 略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、溶接トーチと、該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、Ｉ形開先に沿って溶接トーチを昇降させる昇降手段と、溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、制御手段は、溶接ワイヤをＩ形開先の側方からＩ形開先内に差し込んで溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる、という手段を採用する。
【解決手段】 略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、溶接トーチと、該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、Ｉ形開先に沿って溶接トーチを昇降させる昇降手段と、溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、制御手段は、溶接ワイヤをＩ形開先の側方からＩ形開先内に差し込んで溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる、という手段を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開平８−１８７５７９号公報あるいは特開２００２−１０３０４１号公報には、厚板鋼材の立向き突合せ継手に対し、鋼材の材質の劣化を起こすことなく、高品質且つ高効率な溶接を行う技術が開示されている。特開平８−１８７５７９号公報の技術（エレクトロガス溶接方法及びその装置）は、厚板鋼材の立向き突合せ継手のＶ形開先に対し、板厚方向に２つの溶接トーチを並べて挿入し、両溶接トーチを板厚方向に往復駆動すると共に、当該両溶接トーチから送給される溶接ワイヤによるアーク放電の熱源範囲を、上記Ｖ形開先の裏面側より表面側の方を大きくして溶接を行うものである。一方、特開２００２−１０３０４１号公報（極厚鋼材の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法）は、上記のように２本の溶接ワイヤを使用する２電極型の溶接方法において、Ｖ形開先の表面側に特定の成分のフラックス入りワイヤを使用すると共に、裏面側にソリッドワイヤを使用することで、より高品質且つ高効率な溶接を行うものである。
【０００３】
また、特開平１１−１４７１７３号公報あるいは特開平１１−１７９５４９号公報には、溶接角変形及び溶接欠陥の発生を低減する溶接技術について開示されている。特開平１１−１４７１７３号公報の技術（厚板材の接合方法）は、厚板鋼材の突合せ面にＩ形開先を形成し、該Ｉ形開先内の板厚方向の中央部に、板幅方向に沿って銅板の仕切り板を配置して、当該仕切り板を挟んで２つの溶接トーチをＩ形開先内に挿入し、両溶接トーチによって立向き上進溶接及び下進溶接を行うものである。一方、特開平１１−１７９５４９号公報の技術（狭開先用溶接装置）は、厚板鋼材の突合せ面に狭Ｉ形開先を形成し、薄型扁平状の溶接トーチを上記狭Ｉ形開先に挿入して、立向き上進溶接及び下進溶接を行うものである。
【特許文献１】特開平８−１８７５７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１０３０４１号公報
【特許文献３】特開平１１−１４７１７３号公報
【特許文献４】特開平１１−１７９５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、造船や橋梁等に使用される鋼材は、構造物の大型化に伴い厚板化の傾向にある。このように鋼材が厚板化すると、例えばエレクトロガスアーク溶接法のような大入熱１パス溶接では、厚板鋼材の溶接部分に靭性劣化が生じてしまい、強度、すなわち品質を十分に確保できないという問題がある。このような問題の対策として、大入熱用の特殊鋼材を使用する方法も考えられるが、コストが増加するので好ましくない。
【０００５】
上記特開平８−１８７５７９号公報の技術では、このような入熱量による品質劣化の対策として、Ｖ形開先内における溶接ワイヤの位置に応じてアーク放電の熱源範囲を変化させているが、一般にＶ形開先の場合、開先断面積が大きくなるため溶接工程に時間がかかり、生産効率が悪い。また、品質劣化を防止するためには、開先幅を可能な限り狭くして入熱量を低減することが望ましいので、このような観点から上記従来技術は、品質劣化対策としては不十分である。また、特開２００２−１０３０４１号公報の技術も同様に、溶接トーチを開先内に挿入するために開先幅を大きくする必要があり、入熱量が増加してしまう。
【０００６】
一方、特開平１１−１４７１７３号公報及び特開平１１−１７９５４９号公報の技術では、比較的開先幅の狭いＩ形開先を形成し、ＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法等を用いて立向き溶接を行うので、入熱量をある程度低減することが可能であるが、上記Ｉ形開先内に溶接トーチを挿入する必要があるため、当該溶接トーチが挿入可能な程度の開先幅を確保しなければならない。よって、これらの従来技術においても、開先幅を可能な限り狭くするという観点から、品質劣化対策としては不十分である。また、開先幅は可能な限り狭くした方が溶接効率も高くなる。なお、特開平１１−１７９５４９号公報の技術では、溶接トーチを薄型扁平状に構成することで狭開先に対応しているが、このように溶接トーチの大きさを小さくするにも限界がある。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたものであり、厚板鋼材の突合せ溶接において、従来に比べて低入熱溶接を行うことで、より高品質且つ高効率な溶接を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、溶接トーチと、該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、略垂直方向に延在する前記Ｉ形開先の側方において、当該Ｉ形開先に沿って前記溶接トーチを昇降させる昇降手段と、前記溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、前記ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記溶接ワイヤを前記Ｉ形開先の側方から当該Ｉ形開先内に差し込んで前記溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記昇降手段は、前記溶接トーチを所定の範囲で昇降させる副昇降手段と、当該副昇降手段を備えると共に、所定の上昇速度で上昇する主昇降手段とから構成され、前記制御手段は、前記主昇降手段、副昇降手段、ワイヤ送給手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記制御手段は、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の手前端から奥端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを上昇させ、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端から手前端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを下降させるように前記副昇降手段を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明では、第４の解決手段として、上記第２または３の解決手段において、前記制御手段は、溶接ワイヤの突き出し長さが最適な長さとなるように溶接電流の変化に基づいて前記主昇降手段の上昇速度を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明では、第５の解決手段として、上記第１〜４いずれかの解決手段において、前記溶接トーチをＩ形開先の幅方向に往復移動させる溶接トーチ往復手段を備え、前記制御手段は、前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間の所定区間において、前記溶接ワイヤの先端がＩ形開先幅に対して中央に位置するように、溶接電流の変化に基づいて前記溶接トーチ往復手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明では、第６の解決手段として、上記第１〜５いずれかの解決手段において、前記制御手段は、前記溶接電流が一定となるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料に対し、当該Ｉ形開先内に溶接ワイヤのみを挿入して溶接を行うので、従来のように溶接トーチを挿入する場合と比較して、Ｉ形開先幅を非常に狭くすることが可能となる。従って、従来に比べて入熱量を低減することができ、より高品質且つ高効率な溶接を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係る溶接装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る消耗電極式アーク溶接（ＭＩＧまたはＭＡＧ等）用溶接装置の構成概略図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図である。これらの図に示すように、本溶接装置は、ワイヤ送給装置１ａ、溶接トーチ１、溶接ワイヤ２、溶接電源３、副昇降ユニット４、主昇降ユニット５、レール６及び溶接制御部７から構成され、Ｉ形開先Ｇが形成された一対の厚板鋼材Ｓの突合せ溶接を行うものである。また、符号Ｍは溶接金属、Ｒは裏当て材である。
【００１６】
一対の厚板鋼材Ｓは、例えば造船や橋梁等の大型構造物に用いられる５０ｍｍを越えるような板厚の大きな鋼材であり、垂直姿勢で溶接面を突きあわせて配置（対向配置）され、所定の幅（開先ギャップｇ）を有するＩ形開先Ｇを形成している。また、図１において、垂直方向をＺ軸方向、厚板鋼材Ｓの板厚方向をＸ軸方向、Ｉ形開先の幅方向をＹ軸方向とする。なお、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇは、５ｍｍ以上〜１５ｍｍ以下の狭ギャップに設定されている。裏当て材Ｒは、溶接金属Ｍの流出防止用のセラミック等の耐熱性部材であり、Ｉ形開先Ｇの一方（溶接装置から見て奥側）の開口部を塞ぐように厚板鋼材ＳのＺ軸方向に設置されている。また、図示していないが、Ｉ形開先ＧのＺ軸方向の下端の開口部は、他の厚板鋼材または溶接金属Ｍで塞がれている。
【００１７】
本溶接装置において、ワイヤ送給装置１ａは、溶接制御部７の制御の下、溶接ワイヤ２を所定の送給速度で溶接トーチ１に送給する。溶接トーチ１は、上記ワイヤ送給装置１ａから送給される溶接ワイヤ２をＩ形開先Ｇ内に送給するものであり、溶接ワイヤ２の送給口がＸ軸方向に対して角度θを有するように副昇降ユニット４を介して主昇降ユニット５に設置されている。つまり、溶接ワイヤ２は、Ｘ軸方向に対して角度θを有する斜め上方からＩ形開先Ｇに送給される。また、図示していないが、溶接トーチ１は上記送給口から溶接ワイヤ２を送給すると共に、シールドガスを噴射するシールドガス噴射機構を備えており、当該シールドガスの噴射タイミングは、溶接制御部７によって制御される。溶接ワイヤ２は、周知のように母材である厚板鋼材Ｓとの間でアーク放電を発生させるための電極の役割を果たしている。なお、上記角度θは、１０°〜４５°程度に設定されている。
【００１８】
溶接電源３は、溶接制御部７の制御の下、上記溶接ワイヤ２に所定の（より具体的には溶接ワイヤ２の先端部の位置に応じた）溶接電流及び溶接電圧を供給する。つまり、厚板鋼材Ｓと溶接ワイヤ２の先端部との間では、上記溶接電流及び溶接電圧に応じたアーク放電が発生し、その溶接電圧は溶接電流により変化しない定電圧特性となる。溶接金属Ｍは、このようなアーク放電によって上記溶接ワイヤ２及び厚板鋼材Ｓが溶融し、冷え固まってＩ形開先Ｇ内に積層したものである。
【００１９】
副昇降ユニット４は、主昇降ユニット５上の所定箇所に備えられており、溶接制御部７の制御の下、図示しないステッピングモータ等から構成される駆動機構により、上記溶接トーチ１をＺ軸方向に所定の範囲で昇降させると共に、Ｙ軸方向に対して所定の範囲で往復動させる。つまり、溶接トーチ１は、Ｚ軸とＹ軸との２軸の可動軸を持つ。主昇降ユニット５は、溶接制御部７の制御の下、図示しないステッピングモータ等から構成される駆動機構により、レール６上をＺ軸方向に昇降する。レール６は、Ｚ軸方向に延設された主昇降ユニット５の昇降用レールである。
【００２０】
溶接制御部７は、所定の溶接制御プログラムに基づいて、上記ワイヤ送給装置１ａ、溶接電源３、副昇降ユニット４及び主昇降ユニット５の同期制御を行うことでＩ形開先Ｇ内の下方から上方に向けて順次積層溶接を行う。なお、この溶接制御部７による溶接処理動作についての詳細は後述する。
【００２１】
次に、このように構成された本溶接装置（具体的には溶接制御部７）の溶接処理動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
まず、溶接制御部７は、主昇降ユニット５の昇降を制御することにより、溶接トーチ１を予め設定されている溶接開始位置に移動させる（ステップＳ１）。ここでは、説明の簡略化のため、図３（ａ）に示すように、ある程度溶接金属Ｍが積層されている場合を想定し、溶接開始位置をＺＳとする。つまり、溶接制御部７は、溶接トーチ１が溶接開始位置ＺＳに移動するように、主昇降ユニット５の昇降を制御する。なお、図３において、Ｉ形開先Ｇの本溶接装置から見て手前側端部のＸ座標をＸｎとし、奥側端部のＸ座標をＸｂとする。
【００２３】
続いて、溶接制御部７は、溶接トーチ１のシールドガス噴射機構に対し、シールドガスの噴射開始を指示する（ステップＳ２）。これにより、溶接トーチ１の送給口からＩ形開先Ｇに向けてシールドガスが噴射される。そして、シールドガスのプリフロー終了後、溶接制御部７は、ワイヤ送給装置１ａに対して、初期送給速度ＦＳで溶接ワイヤ２を溶接トーチ１に送給するように指示すると共に、初期溶接電流Ｉｓ及び初期溶接電圧Ｅｓを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示する（ステップＳ３）。
【００２４】
ここで、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆと突き出し長さＬと溶接電流Ｉとの関係について説明する。図４は、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆを一定にした場合の、溶接ワイヤ２の突き出し長さＬと溶接電流Ｉとの関係を示したものである。図４において、横軸のＡは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが最も長い状態（つまり図３（ｄ）の状態）を示し、Ｂは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬがＡの半分程度の長さの状態（つまり図３（ｅ）の状態）を示し、Ｃは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが最も短い状態（つまり図３（ｆ）の状態）を示している。この図に示すように、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆが一定の場合、溶接電流Ｉは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬに応じて変動する。より具体的には、突き出し長さＬが長いと抵抗が大きくなるため溶接電流Ｉは小さくなり、突き出し長さＬが短いと抵抗が小さくなるため溶接電流Ｉは大きくなる。
【００２５】
このように溶接電流Ｉが変動するとＩ形開先Ｇ内での溶け込みが十分に得られなくなり、安定した溶接を行えなくなる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、溶接電流Ｉが一定となるように溶接ワイヤ２の送給速度Ｆの制御を行う。つまり、上記ステップＳ３では、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆを初期送給速度ＦＳとすることで、溶接電流Ｉが初期溶接電流Ｉｓに一定となるように制御を行っている。これにより、手前側端部Ｘｎにおいて溶接トーチ１から送給された溶接ワイヤ２の先端部でアーク放電が開始され、初期溶接時間Ｔｓだけ初期溶接処理が行われる。これら初期送給速度ＦＳ、初期溶接電流Ｉｓ、初期溶接電圧Ｅｓ及び初期溶接時間Ｔｓは、溶接制御部７に予め設定されているものである。
【００２６】
そして、初期溶接時間Ｔｓが経過して初期溶接処理が終了すると、溶接制御部７は、副昇降ユニット４に対し、溶接トーチ１を所定の上昇速度Ｖｏｇで上昇させるように指示すると共に、主昇降ユニット５に対しても所定の上昇速度ＶＣで上昇するように指示する（ステップＳ４）。同時に、溶接制御部７は、溶接ワイヤ２の先端部の位置Ｘに応じて最適なアーク放電が発生するような送給速度Ｆ、溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを設定し、溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉが一定となるような送給速度Ｆで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示し本溶接を開始する（ステップＳ５）。このように、溶接トーチ１を上昇させながら溶接を行うことで、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが変化しつつ、溶接ワイヤ２の先端部が手前側端部Ｘｎから奥側端部Ｘｂに向けて移動することになる。つまり、溶接トーチ１の上昇速度Ｖｏｇ及び主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは、最適なアーク放電を維持しつつ溶接ワイヤ２の先端部がＸ軸方向を移動するように、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆ、溶接速度、最適なアーク長、開先ギャップｇ等を考慮して設定されている。
【００２７】
続いて、図３（ｄ）に示すように、溶接トーチ１が上昇して溶接ワイヤ２の先端部が奥側端部Ｘｂに到達すると、溶接制御部７は、奥側端部溶接処理用の溶接電流Ｉｂ及び溶接電圧Ｅｂを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｂが一定となるような送給速度Ｆｂで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ６）。これにより、所定時間、奥側端部溶接処理が行われる。また、溶接制御部７は、奥側端部溶接処理中、副昇降ユニット４を停止させる。なお、以上のように手前側端部Ｘｎから奥側端部Ｘｂに向けて行われた溶接を第１のパスと以下記載する。
【００２８】
上記奥側端部溶接処理が終了すると、溶接制御部７は、図３（ｅ）に示すように、副昇降ユニット４に対して所定の下降速度Ｖｏｒで溶接トーチ１を下降させるように指示し（ステップＳ７）、溶接ワイヤ２の先端部の位置Ｘに応じた溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉが一定となるような送給速度Ｆで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示し本溶接を再開する（ステップＳ８）。このように、溶接トーチ１を下降させることにより、溶接ワイヤ２の先端部は、奥側端部Ｘｂから手前側端部Ｘｎに向けて移動することになる。なお、このように奥側端部Ｘｂから手前側端部Ｘｎに向けて行われた溶接を第２のパスと以下記載する。
【００２９】
ところで、上記のように奥側端部溶接処理終了後に、手前側端部Ｘｎに向けて溶接を続行する場合、最適な溶接ワイヤの突き出し長さＬを維持するために、第１のパスによって積層された溶接金属Ｍの一層の高さ分だけ溶接ワイヤ２の先端部を上昇させる必要がある。これは、主昇降ユニット５の上昇によって行われている。すなわち、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは、このような前回のパスによって積層された溶接金属Ｍの一層の高さ分を考慮して設定されている。しかしながら、実際には、Ｉ形開先Ｇの形成精度には限界があるため、Ｉ形開先Ｇ内の全区間において開先ギャップｇを一定にすることは不可能である。そのため、開先ギャップｇに応じて、１パスの溶接金属Ｍの積層高さが変動する可能性がある。従って、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを一定に制御した場合に、溶接金属Ｍの積層高さが変動することにより、あるパスにおいては最適なアーク放電が得られない可能性がある。
【００３０】
そこで、本実施形態では、溶接金属Ｍの積層高さに応じて溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが変化することを利用し、突き出し長さＬの変化によって生じる溶接電流の微小な変化を検出し、当該溶接電流の微小な変化に基づいて、そのパスの溶接金属Ｍの積層高さを求め、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣの制御を行う。具体的には、溶接制御部７は、溶接電源３から実際に溶接ワイヤ２に流れている溶接電流（実電流値）を取得し、当該実電流値と、溶接電流Ｉの設定値（設定電流値）との比較を行い、設定電流値＜実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを大きくし、設定電流値＝実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは変化させず、また、設定電流値＞実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを小さくするように制御を行う。このように主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを制御することで、１パスの溶接金属Ｍの積層高さが変動した場合でも、安定して溶接を続行することができる。
【００３１】
次に、溶接制御部７は、溶接ワイヤ２の先端部が倣い開始位置Ｘｓｂに到達したか否かを判断する（ステップＳ９）。溶接制御部７は、ステップＳ９において「NO」と判断した場合、ステップＳ７の処理に戻る。一方、ステップＳ９において「YES」、すなわち溶接ワイヤ２の先端部が倣い開始位置Ｘｓｂに到達したと判断された場合、溶接制御部７は、倣い処理を開始する（ステップＳ１０）。
【００３２】
倣い処理とは、図６に示すように、倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎにおいて、溶接ワイヤ２の先端部をＩ形開先Ｇの開先ギャップｇに対して中央に位置決めする処理である。このように、溶接ワイヤ２の先端部の位置決めを行うことにより、開先ギャップｇのバラつきに依らず、常にＩ形開先Ｇの中央に溶接ワイヤ２の先端部を送給することができ、安定した溶接を行うことができる。具体的には、倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎにおいて、溶接制御部７は、溶接トーチ１をＹ軸方向に所定回数だけ往復動させるように副昇降ユニット４を制御し、この時の実電流値を溶接電源３から取得する。
【００３３】
溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇに対して中央に位置していれば、溶接トーチ１をＹ軸方向に往復動させた場合、図７（ａ）に示すように、突き出し長さＬは開先ギャップｇの中央に対して対称的な変化を示すため、溶接電流Ｉの実電流値の変動も開先ギャップｇの中央に対して対称的な変動を示す。また、例えば、溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇの中央に対して片側にずれていれば、溶接トーチ１をＹ軸方向に往復動させた場合、図７（ｂ）に示すように、突き出し長さＬは開先ギャップｇの中央に対して非対称的な変化を示すため、溶接電流Ｉの実電流値の変動も開先ギャップｇの中央に対して非対称的な変動を示す。このように、溶接電流Ｉの実電流値の変動をモニタすれば、溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇに対してどの部分に位置しているか判定できる。溶接制御部７は、溶接電流Ｉの実電流値が対称的な変動を示すような位置に溶接ワイヤ２の先端部が移動するように、副昇降ユニット４を制御する。
【００３４】
このように、倣い処理をしつつ溶接が行われ、溶接ワイヤ２の先端部が手前側端部Ｘｎまで到達すると、溶接制御部７は、手前側端部Ｘｎが溶接終了位置か否かを判断する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１において、「NO」、つまり溶接を続行すると判断した場合、溶接制御部７は、手前側端部溶接処理用の溶接電流Ｉｎ及び溶接電圧Ｅｎを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｎが一定となるような送給速度Ｆｎで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ１２）。これにより、図３（ｆ）に示すように、所定時間、手前側端部溶接処理が行われる。なお、溶接制御部７は、手前側端部溶接処理中、副昇降ユニット４を停止させる。
【００３５】
また、ステップＳ１１において、「YES」、つまり手前側端部Ｘｎを溶接終了位置と判断した場合、溶接制御部７は、クレータ処理用のクレータ溶接電流Ｉｅ及びクレータ溶接電圧Ｅｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｅが一定となるような送給速度Ｆｅで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ１８）。これにより、所定時間、クレータ処理が行われる。なお、送給速度Ｆｅ、クレータ溶接電流Ｉｅ、クレータ溶接電圧Ｅｅ及びクレータ処理時間は、予め溶接制御部７に設定されている。そして、クレータ処理が終了すると、溶接制御部７は、溶接電源３に対して溶接電流及び溶接電圧の供給を停止するように指示し、シールドガスのアフターフロー完了後、シールドガスの噴射を停止させ、溶接処理を終了する（ステップＳ１９）。
【００３６】
一方、ステップＳ１２の終了後は、再び第１のパスが行われる。ここで、ステップＳ１３及びＳ１４の処理は、上述したステップＳ４及びＳ５の処理と同様なので説明を省略する。続いて、溶接制御部７は、倣い処理区間が終了したか否かを判断する（ステップＳ１５）。溶接制御部７は、ステップＳ１５において「NO」と判断した場合、ステップＳ１３の処理に戻る。一方、ステップＳ１５において「YES」、すなわち溶接ワイヤ２の先端部が倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎから離脱したと判断された場合、溶接制御部７は、倣い処理を終了する（ステップＳ１６）。つまり、ステップＳ１０〜Ｓ１６の処理の間は、溶接に支障を来たさない程度に倣い処理が行われている。
【００３７】
そして、溶接ワイヤ２の先端部が奥側端部Ｘｂまで到達すると、溶接制御部７は、奥側端部Ｘｂが溶接終了位置か否かを判断する（ステップＳ１７）。このステップＳ１７において、「NO」、つまり溶接を続行すると判断した場合、溶接制御部７は、ステップＳ６の処理に移行し、溶接を続行する。一方、ステップＳ１７において、「YES」、つまり奥側端部Ｘｂを溶接終了位置と判断した場合、溶接制御部７は、ステップＳ１８及びＳ１９の処理を行い溶接処理を終了する。このように、手前側端部Ｘｎもしくは奥側端部Ｘｂが溶接終了位置と判断されるまで、第１のパス及び第２のパスを繰り返すことで溶接処理が行われる。
【００３８】
以上のように、本溶接装置によれば、溶接ワイヤ２のみをＩ形開先Ｇ内に送給するので、従来と比較して、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇを狭くすることができる。従って、従来に比べて入熱量を低減することができ、より高品質且つ高効率な溶接を実現することが可能である。また、本溶接装置を用いることによって、大入熱用の特殊鋼材を使用する必要もなく、コストの増大を防ぐこともできる。
【００３９】
なお、本発明は、上記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。
【００４０】
（１）上記実施形態では、副昇降ユニット４及び主昇降ユニット５の２つの昇降ユニットを用いて溶接ワイヤ２の先端部のＺ軸方向の位置を制御したが、これに限らず、１台の昇降ユニットを用いて溶接ワイヤ２の先端部のＺ軸方向の位置を制御しても良い。
【００４１】
（２）上記実施形態では、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇを５ｍｍ以上〜１５ｍｍ以下と設定したが、これに限らず、可能な限り狭くしても良い。また、溶接ワイヤ２の送給角度θを１０°〜４５°に設定したが、当該角度θも適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶接装置の構成概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る溶接装置の溶接処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態における溶接処理の様子を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における溶接電流の制御方法の第１説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における溶接電流の制御方法の第２説明図である。
【図６】本発明の一実施形態における倣い処理の第１説明図である。
【図７】本発明の一実施形態における倣い処理の第２説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ…ワイヤ送給装置、１…溶接トーチ、２…溶接ワイヤ、３…溶接電源、４…副昇降ユニット、５…主昇降ユニット、６…レール、７…溶接制御部、Ｇ…Ｉ形開先、Ｓ…厚板鋼材、Ｍ…溶接金属、Ｒ…裏当て材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開平８−１８７５７９号公報あるいは特開２００２−１０３０４１号公報には、厚板鋼材の立向き突合せ継手に対し、鋼材の材質の劣化を起こすことなく、高品質且つ高効率な溶接を行う技術が開示されている。特開平８−１８７５７９号公報の技術（エレクトロガス溶接方法及びその装置）は、厚板鋼材の立向き突合せ継手のＶ形開先に対し、板厚方向に２つの溶接トーチを並べて挿入し、両溶接トーチを板厚方向に往復駆動すると共に、当該両溶接トーチから送給される溶接ワイヤによるアーク放電の熱源範囲を、上記Ｖ形開先の裏面側より表面側の方を大きくして溶接を行うものである。一方、特開２００２−１０３０４１号公報（極厚鋼材の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法）は、上記のように２本の溶接ワイヤを使用する２電極型の溶接方法において、Ｖ形開先の表面側に特定の成分のフラックス入りワイヤを使用すると共に、裏面側にソリッドワイヤを使用することで、より高品質且つ高効率な溶接を行うものである。
【０００３】
また、特開平１１−１４７１７３号公報あるいは特開平１１−１７９５４９号公報には、溶接角変形及び溶接欠陥の発生を低減する溶接技術について開示されている。特開平１１−１４７１７３号公報の技術（厚板材の接合方法）は、厚板鋼材の突合せ面にＩ形開先を形成し、該Ｉ形開先内の板厚方向の中央部に、板幅方向に沿って銅板の仕切り板を配置して、当該仕切り板を挟んで２つの溶接トーチをＩ形開先内に挿入し、両溶接トーチによって立向き上進溶接及び下進溶接を行うものである。一方、特開平１１−１７９５４９号公報の技術（狭開先用溶接装置）は、厚板鋼材の突合せ面に狭Ｉ形開先を形成し、薄型扁平状の溶接トーチを上記狭Ｉ形開先に挿入して、立向き上進溶接及び下進溶接を行うものである。
【特許文献１】特開平８−１８７５７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１０３０４１号公報
【特許文献３】特開平１１−１４７１７３号公報
【特許文献４】特開平１１−１７９５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、造船や橋梁等に使用される鋼材は、構造物の大型化に伴い厚板化の傾向にある。このように鋼材が厚板化すると、例えばエレクトロガスアーク溶接法のような大入熱１パス溶接では、厚板鋼材の溶接部分に靭性劣化が生じてしまい、強度、すなわち品質を十分に確保できないという問題がある。このような問題の対策として、大入熱用の特殊鋼材を使用する方法も考えられるが、コストが増加するので好ましくない。
【０００５】
上記特開平８−１８７５７９号公報の技術では、このような入熱量による品質劣化の対策として、Ｖ形開先内における溶接ワイヤの位置に応じてアーク放電の熱源範囲を変化させているが、一般にＶ形開先の場合、開先断面積が大きくなるため溶接工程に時間がかかり、生産効率が悪い。また、品質劣化を防止するためには、開先幅を可能な限り狭くして入熱量を低減することが望ましいので、このような観点から上記従来技術は、品質劣化対策としては不十分である。また、特開２００２−１０３０４１号公報の技術も同様に、溶接トーチを開先内に挿入するために開先幅を大きくする必要があり、入熱量が増加してしまう。
【０００６】
一方、特開平１１−１４７１７３号公報及び特開平１１−１７９５４９号公報の技術では、比較的開先幅の狭いＩ形開先を形成し、ＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法等を用いて立向き溶接を行うので、入熱量をある程度低減することが可能であるが、上記Ｉ形開先内に溶接トーチを挿入する必要があるため、当該溶接トーチが挿入可能な程度の開先幅を確保しなければならない。よって、これらの従来技術においても、開先幅を可能な限り狭くするという観点から、品質劣化対策としては不十分である。また、開先幅は可能な限り狭くした方が溶接効率も高くなる。なお、特開平１１−１７９５４９号公報の技術では、溶接トーチを薄型扁平状に構成することで狭開先に対応しているが、このように溶接トーチの大きさを小さくするにも限界がある。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたものであり、厚板鋼材の突合せ溶接において、従来に比べて低入熱溶接を行うことで、より高品質且つ高効率な溶接を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、溶接トーチと、該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、略垂直方向に延在する前記Ｉ形開先の側方において、当該Ｉ形開先に沿って前記溶接トーチを昇降させる昇降手段と、前記溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、前記ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記溶接ワイヤを前記Ｉ形開先の側方から当該Ｉ形開先内に差し込んで前記溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記昇降手段は、前記溶接トーチを所定の範囲で昇降させる副昇降手段と、当該副昇降手段を備えると共に、所定の上昇速度で上昇する主昇降手段とから構成され、前記制御手段は、前記主昇降手段、副昇降手段、ワイヤ送給手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記制御手段は、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の手前端から奥端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを上昇させ、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端から手前端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを下降させるように前記副昇降手段を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明では、第４の解決手段として、上記第２または３の解決手段において、前記制御手段は、溶接ワイヤの突き出し長さが最適な長さとなるように溶接電流の変化に基づいて前記主昇降手段の上昇速度を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明では、第５の解決手段として、上記第１〜４いずれかの解決手段において、前記溶接トーチをＩ形開先の幅方向に往復移動させる溶接トーチ往復手段を備え、前記制御手段は、前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間の所定区間において、前記溶接ワイヤの先端がＩ形開先幅に対して中央に位置するように、溶接電流の変化に基づいて前記溶接トーチ往復手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明では、第６の解決手段として、上記第１〜５いずれかの解決手段において、前記制御手段は、前記溶接電流が一定となるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料に対し、当該Ｉ形開先内に溶接ワイヤのみを挿入して溶接を行うので、従来のように溶接トーチを挿入する場合と比較して、Ｉ形開先幅を非常に狭くすることが可能となる。従って、従来に比べて入熱量を低減することができ、より高品質且つ高効率な溶接を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係る溶接装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る消耗電極式アーク溶接（ＭＩＧまたはＭＡＧ等）用溶接装置の構成概略図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図である。これらの図に示すように、本溶接装置は、ワイヤ送給装置１ａ、溶接トーチ１、溶接ワイヤ２、溶接電源３、副昇降ユニット４、主昇降ユニット５、レール６及び溶接制御部７から構成され、Ｉ形開先Ｇが形成された一対の厚板鋼材Ｓの突合せ溶接を行うものである。また、符号Ｍは溶接金属、Ｒは裏当て材である。
【００１６】
一対の厚板鋼材Ｓは、例えば造船や橋梁等の大型構造物に用いられる５０ｍｍを越えるような板厚の大きな鋼材であり、垂直姿勢で溶接面を突きあわせて配置（対向配置）され、所定の幅（開先ギャップｇ）を有するＩ形開先Ｇを形成している。また、図１において、垂直方向をＺ軸方向、厚板鋼材Ｓの板厚方向をＸ軸方向、Ｉ形開先の幅方向をＹ軸方向とする。なお、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇは、５ｍｍ以上〜１５ｍｍ以下の狭ギャップに設定されている。裏当て材Ｒは、溶接金属Ｍの流出防止用のセラミック等の耐熱性部材であり、Ｉ形開先Ｇの一方（溶接装置から見て奥側）の開口部を塞ぐように厚板鋼材ＳのＺ軸方向に設置されている。また、図示していないが、Ｉ形開先ＧのＺ軸方向の下端の開口部は、他の厚板鋼材または溶接金属Ｍで塞がれている。
【００１７】
本溶接装置において、ワイヤ送給装置１ａは、溶接制御部７の制御の下、溶接ワイヤ２を所定の送給速度で溶接トーチ１に送給する。溶接トーチ１は、上記ワイヤ送給装置１ａから送給される溶接ワイヤ２をＩ形開先Ｇ内に送給するものであり、溶接ワイヤ２の送給口がＸ軸方向に対して角度θを有するように副昇降ユニット４を介して主昇降ユニット５に設置されている。つまり、溶接ワイヤ２は、Ｘ軸方向に対して角度θを有する斜め上方からＩ形開先Ｇに送給される。また、図示していないが、溶接トーチ１は上記送給口から溶接ワイヤ２を送給すると共に、シールドガスを噴射するシールドガス噴射機構を備えており、当該シールドガスの噴射タイミングは、溶接制御部７によって制御される。溶接ワイヤ２は、周知のように母材である厚板鋼材Ｓとの間でアーク放電を発生させるための電極の役割を果たしている。なお、上記角度θは、１０°〜４５°程度に設定されている。
【００１８】
溶接電源３は、溶接制御部７の制御の下、上記溶接ワイヤ２に所定の（より具体的には溶接ワイヤ２の先端部の位置に応じた）溶接電流及び溶接電圧を供給する。つまり、厚板鋼材Ｓと溶接ワイヤ２の先端部との間では、上記溶接電流及び溶接電圧に応じたアーク放電が発生し、その溶接電圧は溶接電流により変化しない定電圧特性となる。溶接金属Ｍは、このようなアーク放電によって上記溶接ワイヤ２及び厚板鋼材Ｓが溶融し、冷え固まってＩ形開先Ｇ内に積層したものである。
【００１９】
副昇降ユニット４は、主昇降ユニット５上の所定箇所に備えられており、溶接制御部７の制御の下、図示しないステッピングモータ等から構成される駆動機構により、上記溶接トーチ１をＺ軸方向に所定の範囲で昇降させると共に、Ｙ軸方向に対して所定の範囲で往復動させる。つまり、溶接トーチ１は、Ｚ軸とＹ軸との２軸の可動軸を持つ。主昇降ユニット５は、溶接制御部７の制御の下、図示しないステッピングモータ等から構成される駆動機構により、レール６上をＺ軸方向に昇降する。レール６は、Ｚ軸方向に延設された主昇降ユニット５の昇降用レールである。
【００２０】
溶接制御部７は、所定の溶接制御プログラムに基づいて、上記ワイヤ送給装置１ａ、溶接電源３、副昇降ユニット４及び主昇降ユニット５の同期制御を行うことでＩ形開先Ｇ内の下方から上方に向けて順次積層溶接を行う。なお、この溶接制御部７による溶接処理動作についての詳細は後述する。
【００２１】
次に、このように構成された本溶接装置（具体的には溶接制御部７）の溶接処理動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
まず、溶接制御部７は、主昇降ユニット５の昇降を制御することにより、溶接トーチ１を予め設定されている溶接開始位置に移動させる（ステップＳ１）。ここでは、説明の簡略化のため、図３（ａ）に示すように、ある程度溶接金属Ｍが積層されている場合を想定し、溶接開始位置をＺＳとする。つまり、溶接制御部７は、溶接トーチ１が溶接開始位置ＺＳに移動するように、主昇降ユニット５の昇降を制御する。なお、図３において、Ｉ形開先Ｇの本溶接装置から見て手前側端部のＸ座標をＸｎとし、奥側端部のＸ座標をＸｂとする。
【００２３】
続いて、溶接制御部７は、溶接トーチ１のシールドガス噴射機構に対し、シールドガスの噴射開始を指示する（ステップＳ２）。これにより、溶接トーチ１の送給口からＩ形開先Ｇに向けてシールドガスが噴射される。そして、シールドガスのプリフロー終了後、溶接制御部７は、ワイヤ送給装置１ａに対して、初期送給速度ＦＳで溶接ワイヤ２を溶接トーチ１に送給するように指示すると共に、初期溶接電流Ｉｓ及び初期溶接電圧Ｅｓを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示する（ステップＳ３）。
【００２４】
ここで、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆと突き出し長さＬと溶接電流Ｉとの関係について説明する。図４は、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆを一定にした場合の、溶接ワイヤ２の突き出し長さＬと溶接電流Ｉとの関係を示したものである。図４において、横軸のＡは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが最も長い状態（つまり図３（ｄ）の状態）を示し、Ｂは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬがＡの半分程度の長さの状態（つまり図３（ｅ）の状態）を示し、Ｃは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが最も短い状態（つまり図３（ｆ）の状態）を示している。この図に示すように、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆが一定の場合、溶接電流Ｉは溶接ワイヤ２の突き出し長さＬに応じて変動する。より具体的には、突き出し長さＬが長いと抵抗が大きくなるため溶接電流Ｉは小さくなり、突き出し長さＬが短いと抵抗が小さくなるため溶接電流Ｉは大きくなる。
【００２５】
このように溶接電流Ｉが変動するとＩ形開先Ｇ内での溶け込みが十分に得られなくなり、安定した溶接を行えなくなる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、溶接電流Ｉが一定となるように溶接ワイヤ２の送給速度Ｆの制御を行う。つまり、上記ステップＳ３では、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆを初期送給速度ＦＳとすることで、溶接電流Ｉが初期溶接電流Ｉｓに一定となるように制御を行っている。これにより、手前側端部Ｘｎにおいて溶接トーチ１から送給された溶接ワイヤ２の先端部でアーク放電が開始され、初期溶接時間Ｔｓだけ初期溶接処理が行われる。これら初期送給速度ＦＳ、初期溶接電流Ｉｓ、初期溶接電圧Ｅｓ及び初期溶接時間Ｔｓは、溶接制御部７に予め設定されているものである。
【００２６】
そして、初期溶接時間Ｔｓが経過して初期溶接処理が終了すると、溶接制御部７は、副昇降ユニット４に対し、溶接トーチ１を所定の上昇速度Ｖｏｇで上昇させるように指示すると共に、主昇降ユニット５に対しても所定の上昇速度ＶＣで上昇するように指示する（ステップＳ４）。同時に、溶接制御部７は、溶接ワイヤ２の先端部の位置Ｘに応じて最適なアーク放電が発生するような送給速度Ｆ、溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを設定し、溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉが一定となるような送給速度Ｆで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示し本溶接を開始する（ステップＳ５）。このように、溶接トーチ１を上昇させながら溶接を行うことで、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが変化しつつ、溶接ワイヤ２の先端部が手前側端部Ｘｎから奥側端部Ｘｂに向けて移動することになる。つまり、溶接トーチ１の上昇速度Ｖｏｇ及び主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは、最適なアーク放電を維持しつつ溶接ワイヤ２の先端部がＸ軸方向を移動するように、溶接ワイヤ２の送給速度Ｆ、溶接速度、最適なアーク長、開先ギャップｇ等を考慮して設定されている。
【００２７】
続いて、図３（ｄ）に示すように、溶接トーチ１が上昇して溶接ワイヤ２の先端部が奥側端部Ｘｂに到達すると、溶接制御部７は、奥側端部溶接処理用の溶接電流Ｉｂ及び溶接電圧Ｅｂを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｂが一定となるような送給速度Ｆｂで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ６）。これにより、所定時間、奥側端部溶接処理が行われる。また、溶接制御部７は、奥側端部溶接処理中、副昇降ユニット４を停止させる。なお、以上のように手前側端部Ｘｎから奥側端部Ｘｂに向けて行われた溶接を第１のパスと以下記載する。
【００２８】
上記奥側端部溶接処理が終了すると、溶接制御部７は、図３（ｅ）に示すように、副昇降ユニット４に対して所定の下降速度Ｖｏｒで溶接トーチ１を下降させるように指示し（ステップＳ７）、溶接ワイヤ２の先端部の位置Ｘに応じた溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉが一定となるような送給速度Ｆで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示し本溶接を再開する（ステップＳ８）。このように、溶接トーチ１を下降させることにより、溶接ワイヤ２の先端部は、奥側端部Ｘｂから手前側端部Ｘｎに向けて移動することになる。なお、このように奥側端部Ｘｂから手前側端部Ｘｎに向けて行われた溶接を第２のパスと以下記載する。
【００２９】
ところで、上記のように奥側端部溶接処理終了後に、手前側端部Ｘｎに向けて溶接を続行する場合、最適な溶接ワイヤの突き出し長さＬを維持するために、第１のパスによって積層された溶接金属Ｍの一層の高さ分だけ溶接ワイヤ２の先端部を上昇させる必要がある。これは、主昇降ユニット５の上昇によって行われている。すなわち、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは、このような前回のパスによって積層された溶接金属Ｍの一層の高さ分を考慮して設定されている。しかしながら、実際には、Ｉ形開先Ｇの形成精度には限界があるため、Ｉ形開先Ｇ内の全区間において開先ギャップｇを一定にすることは不可能である。そのため、開先ギャップｇに応じて、１パスの溶接金属Ｍの積層高さが変動する可能性がある。従って、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを一定に制御した場合に、溶接金属Ｍの積層高さが変動することにより、あるパスにおいては最適なアーク放電が得られない可能性がある。
【００３０】
そこで、本実施形態では、溶接金属Ｍの積層高さに応じて溶接ワイヤ２の突き出し長さＬが変化することを利用し、突き出し長さＬの変化によって生じる溶接電流の微小な変化を検出し、当該溶接電流の微小な変化に基づいて、そのパスの溶接金属Ｍの積層高さを求め、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣの制御を行う。具体的には、溶接制御部７は、溶接電源３から実際に溶接ワイヤ２に流れている溶接電流（実電流値）を取得し、当該実電流値と、溶接電流Ｉの設定値（設定電流値）との比較を行い、設定電流値＜実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを大きくし、設定電流値＝実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣは変化させず、また、設定電流値＞実電流値の場合、主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを小さくするように制御を行う。このように主昇降ユニット５の上昇速度ＶＣを制御することで、１パスの溶接金属Ｍの積層高さが変動した場合でも、安定して溶接を続行することができる。
【００３１】
次に、溶接制御部７は、溶接ワイヤ２の先端部が倣い開始位置Ｘｓｂに到達したか否かを判断する（ステップＳ９）。溶接制御部７は、ステップＳ９において「NO」と判断した場合、ステップＳ７の処理に戻る。一方、ステップＳ９において「YES」、すなわち溶接ワイヤ２の先端部が倣い開始位置Ｘｓｂに到達したと判断された場合、溶接制御部７は、倣い処理を開始する（ステップＳ１０）。
【００３２】
倣い処理とは、図６に示すように、倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎにおいて、溶接ワイヤ２の先端部をＩ形開先Ｇの開先ギャップｇに対して中央に位置決めする処理である。このように、溶接ワイヤ２の先端部の位置決めを行うことにより、開先ギャップｇのバラつきに依らず、常にＩ形開先Ｇの中央に溶接ワイヤ２の先端部を送給することができ、安定した溶接を行うことができる。具体的には、倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎにおいて、溶接制御部７は、溶接トーチ１をＹ軸方向に所定回数だけ往復動させるように副昇降ユニット４を制御し、この時の実電流値を溶接電源３から取得する。
【００３３】
溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇに対して中央に位置していれば、溶接トーチ１をＹ軸方向に往復動させた場合、図７（ａ）に示すように、突き出し長さＬは開先ギャップｇの中央に対して対称的な変化を示すため、溶接電流Ｉの実電流値の変動も開先ギャップｇの中央に対して対称的な変動を示す。また、例えば、溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇの中央に対して片側にずれていれば、溶接トーチ１をＹ軸方向に往復動させた場合、図７（ｂ）に示すように、突き出し長さＬは開先ギャップｇの中央に対して非対称的な変化を示すため、溶接電流Ｉの実電流値の変動も開先ギャップｇの中央に対して非対称的な変動を示す。このように、溶接電流Ｉの実電流値の変動をモニタすれば、溶接ワイヤ２の先端部が開先ギャップｇに対してどの部分に位置しているか判定できる。溶接制御部７は、溶接電流Ｉの実電流値が対称的な変動を示すような位置に溶接ワイヤ２の先端部が移動するように、副昇降ユニット４を制御する。
【００３４】
このように、倣い処理をしつつ溶接が行われ、溶接ワイヤ２の先端部が手前側端部Ｘｎまで到達すると、溶接制御部７は、手前側端部Ｘｎが溶接終了位置か否かを判断する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１において、「NO」、つまり溶接を続行すると判断した場合、溶接制御部７は、手前側端部溶接処理用の溶接電流Ｉｎ及び溶接電圧Ｅｎを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｎが一定となるような送給速度Ｆｎで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ１２）。これにより、図３（ｆ）に示すように、所定時間、手前側端部溶接処理が行われる。なお、溶接制御部７は、手前側端部溶接処理中、副昇降ユニット４を停止させる。
【００３５】
また、ステップＳ１１において、「YES」、つまり手前側端部Ｘｎを溶接終了位置と判断した場合、溶接制御部７は、クレータ処理用のクレータ溶接電流Ｉｅ及びクレータ溶接電圧Ｅｅを溶接ワイヤ２に供給するように溶接電源３に指示すると共に、溶接電流Ｉｅが一定となるような送給速度Ｆｅで溶接ワイヤ２を送給するようにワイヤ送給装置１ａに指示する（ステップＳ１８）。これにより、所定時間、クレータ処理が行われる。なお、送給速度Ｆｅ、クレータ溶接電流Ｉｅ、クレータ溶接電圧Ｅｅ及びクレータ処理時間は、予め溶接制御部７に設定されている。そして、クレータ処理が終了すると、溶接制御部７は、溶接電源３に対して溶接電流及び溶接電圧の供給を停止するように指示し、シールドガスのアフターフロー完了後、シールドガスの噴射を停止させ、溶接処理を終了する（ステップＳ１９）。
【００３６】
一方、ステップＳ１２の終了後は、再び第１のパスが行われる。ここで、ステップＳ１３及びＳ１４の処理は、上述したステップＳ４及びＳ５の処理と同様なので説明を省略する。続いて、溶接制御部７は、倣い処理区間が終了したか否かを判断する（ステップＳ１５）。溶接制御部７は、ステップＳ１５において「NO」と判断した場合、ステップＳ１３の処理に戻る。一方、ステップＳ１５において「YES」、すなわち溶接ワイヤ２の先端部が倣い処理区間Ｘｓｂ−Ｘｎから離脱したと判断された場合、溶接制御部７は、倣い処理を終了する（ステップＳ１６）。つまり、ステップＳ１０〜Ｓ１６の処理の間は、溶接に支障を来たさない程度に倣い処理が行われている。
【００３７】
そして、溶接ワイヤ２の先端部が奥側端部Ｘｂまで到達すると、溶接制御部７は、奥側端部Ｘｂが溶接終了位置か否かを判断する（ステップＳ１７）。このステップＳ１７において、「NO」、つまり溶接を続行すると判断した場合、溶接制御部７は、ステップＳ６の処理に移行し、溶接を続行する。一方、ステップＳ１７において、「YES」、つまり奥側端部Ｘｂを溶接終了位置と判断した場合、溶接制御部７は、ステップＳ１８及びＳ１９の処理を行い溶接処理を終了する。このように、手前側端部Ｘｎもしくは奥側端部Ｘｂが溶接終了位置と判断されるまで、第１のパス及び第２のパスを繰り返すことで溶接処理が行われる。
【００３８】
以上のように、本溶接装置によれば、溶接ワイヤ２のみをＩ形開先Ｇ内に送給するので、従来と比較して、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇを狭くすることができる。従って、従来に比べて入熱量を低減することができ、より高品質且つ高効率な溶接を実現することが可能である。また、本溶接装置を用いることによって、大入熱用の特殊鋼材を使用する必要もなく、コストの増大を防ぐこともできる。
【００３９】
なお、本発明は、上記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。
【００４０】
（１）上記実施形態では、副昇降ユニット４及び主昇降ユニット５の２つの昇降ユニットを用いて溶接ワイヤ２の先端部のＺ軸方向の位置を制御したが、これに限らず、１台の昇降ユニットを用いて溶接ワイヤ２の先端部のＺ軸方向の位置を制御しても良い。
【００４１】
（２）上記実施形態では、Ｉ形開先Ｇの開先ギャップｇを５ｍｍ以上〜１５ｍｍ以下と設定したが、これに限らず、可能な限り狭くしても良い。また、溶接ワイヤ２の送給角度θを１０°〜４５°に設定したが、当該角度θも適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶接装置の構成概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る溶接装置の溶接処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態における溶接処理の様子を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における溶接電流の制御方法の第１説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における溶接電流の制御方法の第２説明図である。
【図６】本発明の一実施形態における倣い処理の第１説明図である。
【図７】本発明の一実施形態における倣い処理の第２説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ…ワイヤ送給装置、１…溶接トーチ、２…溶接ワイヤ、３…溶接電源、４…副昇降ユニット、５…主昇降ユニット、６…レール、７…溶接制御部、Ｇ…Ｉ形開先、Ｓ…厚板鋼材、Ｍ…溶接金属、Ｒ…裏当て材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、
溶接トーチと、
該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、
略垂直方向に延在する前記Ｉ形開先の側方において、当該Ｉ形開先に沿って前記溶接トーチを昇降させる昇降手段と、
前記溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、
前記ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記溶接ワイヤを前記Ｉ形開先の側方から当該Ｉ形開先内に差し込んで前記溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記昇降手段は、前記溶接トーチを所定の範囲で昇降させる副昇降手段と、当該副昇降手段を備えると共に、所定の上昇速度で上昇する主昇降手段とから構成され、
前記制御手段は、前記主昇降手段、副昇降手段、ワイヤ送給手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
前記制御手段は、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の手前端から奥端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを上昇させ、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端から手前端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを下降させるように前記副昇降手段を制御することを特徴とする請求項２記載の溶接装置。
【請求項４】
前記制御手段は、溶接ワイヤの突き出し長さが最適な長さとなるように溶接電流の変化に基づいて前記主昇降手段の上昇速度を制御することを特徴とする請求項２または３記載の溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチをＩ形開先の幅方向に往復移動させる溶接トーチ往復手段を備え、
前記制御手段は、前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間の所定区間において、前記溶接ワイヤの先端がＩ形開先幅に対して中央に位置するように、溶接電流の変化に基づいて前記溶接トーチ往復手段を制御することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の溶接装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記溶接電流が一定となるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶接装置。
【請求項１】
略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料を突合せ溶接する溶接装置であって、
溶接トーチと、
該溶接トーチに所定の送給速度で溶接ワイヤを送給するワイヤ送給手段と、
略垂直方向に延在する前記Ｉ形開先の側方において、当該Ｉ形開先に沿って前記溶接トーチを昇降させる昇降手段と、
前記溶接トーチに所定の溶接電流を給電する溶接電源と、
前記ワイヤ送給手段、昇降手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記溶接ワイヤを前記Ｉ形開先の側方から当該Ｉ形開先内に差し込んで前記溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間で往復移動させる
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記昇降手段は、前記溶接トーチを所定の範囲で昇降させる副昇降手段と、当該副昇降手段を備えると共に、所定の上昇速度で上昇する主昇降手段とから構成され、
前記制御手段は、前記主昇降手段、副昇降手段、ワイヤ送給手段及び溶接電源を同期制御することによりＩ形開先を下から上に向けて順次積層溶接させることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
前記制御手段は、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の手前端から奥端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを上昇させ、溶接ワイヤの先端を前記Ｉ形開先の奥端から手前端へ移動させる場合は、前記溶接トーチを下降させるように前記副昇降手段を制御することを特徴とする請求項２記載の溶接装置。
【請求項４】
前記制御手段は、溶接ワイヤの突き出し長さが最適な長さとなるように溶接電流の変化に基づいて前記主昇降手段の上昇速度を制御することを特徴とする請求項２または３記載の溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチをＩ形開先の幅方向に往復移動させる溶接トーチ往復手段を備え、
前記制御手段は、前記Ｉ形開先の奥端と手前端との間の所定区間において、前記溶接ワイヤの先端がＩ形開先幅に対して中央に位置するように、溶接電流の変化に基づいて前記溶接トーチ往復手段を制御することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の溶接装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記溶接電流が一定となるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−６９２５６（Ｐ２００７−６９２５６Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６０８８９（Ｐ２００５−２６０８８９）
【出願日】平成１７年９月８日（２００５．９．８）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月８日（２００５．９．８）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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