JPH04238697A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、垂直パイプの内周面を
溶接するための溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高所に配置された垂直パイプの内周面を
下方の離れた位置から溶接する溶接装置として図３に示
すものが知られている。図示するようにこの溶接装置ａ
は、下方から垂直パイプｂ内に挿入されるロッド状の本
体ｃと、この本体ｃの側部に設けられた溶接トーチｄと
、上記本体ｃをＺ軸（垂直軸）方向およびθ軸（本体ｃ
の中心軸）廻りに移動・回転制御する駆動部ｅとから主
に構成されている。

【０００３】この溶接装置ａを用いて垂直パイプｂの内
周面を溶接する場合、先ず、上記本体ｃを駆動部ｅによ
ってＺ軸方向上方に移動させて垂直パイプｂ内に下方か
ら挿入する。そして、駆動部ｅにより本体ｃをＺ軸方向
およびθ軸廻りに移動調節して、本体ｃ側部の溶接トー
チｄをパイプｂ内周面の開先ｆ軌跡に沿ってトレースさ
せ、その開先ｆ位置をセンシングする。つまり、本体ｃ
側部の溶接トーチｄのトーチ先端部を電圧検出器として
利用し、パイプｂ内周面の開先ｆ軌跡の複数点を測定点
とし、各測定点において溶接トーチｄを上下させてトー
チｄの移動量を電圧の変化として検出し、その結果から
実際の開先ｆ軌跡を求める。その後、このセンシングの
結果に基づいて、上記本体ｃを駆動部ｅによってＺ軸方
向およびθ軸廻りに移動制御して、上記溶接トーチｄに
より開先ｆ軌跡に沿った溶接を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
溶接装置ａにあっては、上記駆動部ｅに溶接装置ａの総
重量が加わることになる。このように大荷重が加わる駆
動部ｅをＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御することは
、駆動部ｅの駆動装置の負担を考慮すると実際上困難で
ある。

【０００５】また、高所に配置された垂直パイプｂの内
周面を下方から溶接する都合上、実質的に溶接を行う溶
接トーチｄを本体ｃの上部に設け、この溶接トーチｄを
移動制御する駆動部ｅを本体ｃの下部に設ける必要があ
る。従って、下方の駆動部ｅによって上方の溶接トーチ
ｄをＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御すると、本体ｃ
に撓みが生じて溶接トーチｄの先端部が大きく振れ、ト
ーチｄ先端部と開先ｆとの間隔が変動して健全な溶接が
行えなくなるという問題が生じる。

【０００６】また、溶接前に行う開先ｆ位置のセンシン
グ時にも、同様に駆動部ｅによって本体ｃをＺ軸方向，
θ軸廻りに移動させることになるが、この際にも、本体
ｃが撓んで溶接トーチｄ先端部と開先ｆとの間隔が変動
してしまい、センシング精度が大幅に低下して、開先ｆ
に対する溶接トーチｄの狙い位置がズレ、溶接欠陥が多
発することになる。

【０００７】特に、溶接すべき垂直パイプｂが細径パイ
プの場合、これに挿入可能とするために本体ｃを細くし
なければならず、本体ｃの剛性が低下して上記振れ現象
が顕著に起きてしまう。また、上記溶接箇所（開先ｆ位
置）が高所であるほど、本体ｃの長さＬを長くしなけら
ばならず、振れ量が大きくなる。

【０００８】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、垂直パイプ内に下方からロッド状の本体を挿入
して、本体に設けられた溶接トーチにより垂直パイプ内
周面を溶接する溶接装置において、溶接精度を高めるこ
とができる溶接装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、垂直パイプの内周面を溶接する溶接装置に
おいて、下方から垂直パイプ内に挿入される外筒部と、
該外筒部の頂部に径方向に拡縮自在に設けられ、その拡
径により垂直パイプの頂部端面に係止され、外筒部を垂
直パイプ内に回転自在に垂下するストッパと、該外筒部
内に摺接自在に設けられた内装部と、該内装部と外筒部
の間に設けられ、内装部を外筒部に対して垂直方向に自
在に摺接させると共に、周方向に一体的に回転させる係
合機構と、上記内装部に設けられ、外筒部を貫通して垂
直パイプ内周面に臨まされた溶接トーチと、上記内装部
の下端部に接続され、内装部を垂直方向および周方向に
移動・回転制御する駆動部と、を備えたことから構成さ
れている。

【００１０】

【作用】垂直パイプ内に下方から外筒部を挿入した後、
外筒部の頂部に位置するストッパを拡径させて、そのス
トッパを垂直パイプの頂部端面に係止させる。これによ
り、外筒部が上記ストッパを介して垂直パイプ内に回転
自在に垂下される。

【００１１】その後、外筒部内の内装部をその下部に接
続された駆動部によって垂直方向および周方向に移動・
回転制御して、内装部に備えられた溶接トーチにより垂
直パイプ内周面の溶接を行う。

【００１２】この際、内装部と外筒部の間に設けられた
係合機構が、内装部を垂直方向に移動させたときには、
内装部が外筒部内を垂直移動することを許容し、内装部
を周方向に移動させたときには、内装部と外筒部とを一
体的に回転させる。

【００１３】これにより、外筒部が垂直パイプ頂部端面
からパイプ内に垂下された状態で、上記内装部は、外筒
部内をピストンとシリンダの如く垂直方向に摺接移動す
ると共に、周方向には外筒部と一体となって回転する。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１５】図１に、ボイラ等に用いられる垂直パイプ
１の内周面を溶接する溶接装置２を示す。図示するよう
に、この溶接装置２は、下方から垂直パイプ１内に挿入
されるロッド状の本体３を備えている。この本体３は、
円筒状の外筒部３ａと、その内部に設けられ外筒部３ａ
に対してピストンとシリンダの如く摺接自在に構成され
た内装部３ｂとからなっている。

【００１６】上記内装部３ｂは、外筒部３ａの内径に摺
接する径に形成され外筒部３ａの内部に適宜間隔をおい
て配置された複数の円板４と、これら円板４間を連結す
る連結ロッド５と、上記円板４上に設けられた溶接トー
チ６とから構成されている。この溶接トーチ６は、実質
的に溶接を行うトーチ先端部６ａが上記外筒部３ａの側
部に垂直方向に形成された窓部７から突き出され、垂直
パイプ１の内周面に臨むようになっている。また、この
溶接トーチ６は、上記円板４上の送りネジ機構８によっ
て内装部３ｂに対して垂直方向（Ｓ軸方向）に移動自在
で、かつ図示しないスライド機構によって径方向にも適
正移動可能となっている。

【００１７】上記送りネジ機構８を以下に記す。上記溶
接トーチ６は、そのトーチケーシング６ｂが上記円板４
上に回転自在に立設された送りネジ９に螺合されている
。上記トーチケーシング６ｂにはＳ軸ピン１０が付設さ
れており、このＳ軸ピン１０が上記外筒部３ａに垂直方
向に形成されたＳ軸ピン溝１１にスライド自在に係合さ
れている。この構成によれば、上記送りネジ９をモータ
ＭＳで回転駆動することにより、トーチケーシング６ｂ
が送りネジ９に沿って螺進することになる。よって、上
記モータＭＳを右回転，左回転と切り替えれば、溶接ト
ーチ６がＳ軸方向に上昇・下降する。上述の送りネジ機
構８は、主に、溶接前に行う開先１２位置のセンシング
の際に、溶接トーチ６を内装部３ｂに対して垂直方向（
Ｓ軸方向）に移動させるために用いられる。本実施例に
あっては、上記開先１２は、垂直パイプ１の内周面を三
次元的に斜めに溶接するように楕円軌跡となっているが
、これに限らずパイプ１の内周面を直角に二次元的に溶
接すべく円軌跡のときであってもよい。

【００１８】上記内装部３ｂは、その下部に接続された
駆動部１３によってＺ軸方向（垂直方向）およびθ軸廻
り（本体の中心軸廻り）に移動されるようになっている
。この駆動部１３は、図１に示すように、モータＭＺに
より回転駆動されるスクリューシャフト１６に螺合され
た支持台１７上に回転自在に支持されている。図中、１
７ａは螺合部としてのナットである。このスクリューシ
ャフト１６は、その下端部が支持フレーム１８内の下部
に設けられた軸受部１９ａに回転自在に支持されており
、上端部も同様に支持フレーム１８の上部に設けられた
軸受部１９ｂに軸支されている。このスクリューシャフ
ト１６は、上記モータＭＺの回転がベルトまたはギヤ２
５を介して伝達されることにより、回転するようになっ
ている。このモータＭＺの回転により、上記支持台１７
は、支持フレーム１８に垂直方向に形成されたガイド２
４に沿って、その自転が規制されつつＺ軸方向に移動す
ることになる。また、上記支持台１７上には、駆動部１
３をθ軸廻りに回転させるためのモータＭθが設けられ
ている。

【００１９】このような駆動部１３によって内装部３ｂ
をＺ軸方向へ移動させると、上記内装部３ｂは外筒部３
ａに対してピストンとシリンダの如く摺接移動する。ま
た、θ軸廻りに回転させると、内装部３ｂのＺ軸ピン１
４が外筒部３ａの側部に垂直方向に形成されたＺ軸ピン
溝１５に係合することにより、内装部３ｂは外筒部３ａ
と一体的に回転するようになっている。上記Ｚ軸ピン１
４は内装部３ｂの円板４に付設されている。また、これ
らのＺ軸ピン１４およびＺ軸ピン溝１５は一箇所に限ら
ず、本体３の長手方向，或いは周方向に沿って複数箇所
設けてもよい。

【００２０】上記Ｚ軸ピン溝１５の溝長さ１５Ｌは、少
なくとも上記開先１２の最高部１２ａと最低部１２ｂと
の間隔長分１２Ｌは必要であり、望ましくは、上記開先
１２を充分カバー（移動）できる範囲１２ＬＬ（１２Ｌ
Ｌ＞１２Ｌ）程度がよい。また、このＺ軸ピン溝１５の
上下限近傍位置には、オーバシュートによる装置の破損
を防止するためＺ軸ピン１４の位置を検出するセンサが
（図示せず）備えられている。なお、これらＺ軸ピン１
４およびＺ軸ピン溝１５が特許請求の範囲の係合機構に
相当する。

【００２１】一方、上記外筒部３ａは、図１に示すよう
に、頂部２０が閉塞された円筒体から構成されている。 この頂部２０には、径方向に拡縮自在に構成されたスト
ッパ２１が備えられている、このストッパ２１は、図２
に示すように扇状に形成され、上方から見て１２０　度
間隔に３個設けられている。これらのストッパ２１は、
その縮径時には図２に一点鎖線で示すように外筒部３ａ
の径方向内方に格納され、拡径時には実線で示すように
径方向外方に延出されるようになっている。このような
ストッパ２１の拡縮作動は、図示されないエアパイプま
たは溶接用ガスパイプからのエア圧または溶接用ガス圧
によってなされるようになっている。

【００２２】上記ストッパ２１は、図１に示すように、
その拡径時に垂直パイプ１の頂部端面１ａに取り付けら
れたアタッチメント２２に係止されるようになっている
。このアタッチメント２２は、図２に示すように、スト
ッパ２１を支持するストッパ載部２２ａと、ストッパ２
１の外周端部が接触して径方向の位置を決定する周端部
２２ｂとを備えている。上記ストッパ載部２２ａは、縮
径されたストッパ２１と接触しない形状に成形されてい
る。

【００２３】上記ストッパ載部２２ａとストッパ２１の
下面部とは相互に滑りやすい材質から滑りやすい形状に
形成されており、上記拡径時において外筒部３ａをθ軸
廻り回転させた際に、アタッチメント２２上をストッパ
２１が良好に摺接するようになっている。例えば、相互
の摺接面を平滑に形成しその間にオイルを介在させたり
、逆に、摺接面に突起物を形成して接触面積を減少させ
て摺接抵抗の低下を図ったり、或いは、摺接面にベアリ
ングを介在させることも考えられる。いずれの場合にあ
っても、外筒部３ａをθ軸廻り回転させた際に外筒部３
ａが軸ブレしないように、上記摺接面はθ軸に対して正
確に垂直面出し成形されている。

【００２４】上記ストッパ２１下方の外筒部３ａの側部
には、図１に示すように、径方向に拡縮自在に構成され
、その拡径により垂直パイプ１内面を押圧して本体３の
芯出しを行なう芯出部材２３が設けられている。この芯
出部材２３も上記ストッパ２１と同様に１２０　度間隔
に３個設けられ、図示されないエアパイプまたは溶接用
ガスパイプからのエア圧または溶接用ガス圧によって径
方向に拡縮されるようになっている。これら芯出部材２
３は、その拡径時に垂直パイプ１内面に押圧される部分
が上記ストッパ２１と同様にパイプ１内面に対して滑り
やすい材質から滑りやすい形状たとえばローラ付などで
形成されている。

【００２５】上記芯出部材２３は、溶接トーチ６の芯ブ
レを考慮すれば、溶接すべき開先１２位置の近傍に配置
されるのが望ましい。本実施例にあっては、芯出部材２
３を開先１２位置の上方に一か所のみ設けた構成にした
が、これに限らず開先１２位置の下方に二か所，三か所
と増設してもよい。

【００２６】以上の構成からなる本実施例の作用を述べ
る。

【００２７】垂直パイプ１の内周面を溶接するに際して
、先ず、図１に示すモータＭＺを回転させて支持台１７
をＺ軸方向上方へ移動させ、支持台１７に連結された本
体３の内装部３ｂを上方へ移動させる。この際、本体３
の外筒部３ａは、内装部３ｂのＺ軸ピン１４が外筒部３
ａのＺ軸ピン溝１５の上端部に係合した状態で、内装部
３ｂと一体的にＺ軸方向上方へ押し上げられる。この結
果、本体３は、内装部３ｂと外筒部３ａとが一体的にＺ
軸方向上方に移動し、垂直パイプ１内に挿入される。 この本体３のＺ軸方向上方へ移動は、本体３の頂部２０
が垂直パイプ１の頂部端面１ａから突き出るまで行われ
る。

【００２８】そして、本体３の外筒部３ａの頂部２０に
位置するストッパ２１を拡径させ、そのストッパ２１を
垂直パイプ１の頂部端面１ａにアタッチメント２２を介
して係止させる。これにより、本体３は、その外筒部３
ａが垂直パイプ１内に垂下され、垂直方向の位置決めが
なされることになる。このとき、本体３の内装部３ｂは
下方の駆動部１３に支持されることになる。なお、上記
３個のストッパ２１の内部にそれぞれ荷重を計測するロ
ードセルを組み込んでおき、これらのロードセルが本体
３の外筒部３ａの重量値をバランスよく１／３均等で検
出するまで、本体３のＺ軸方向への移動制御を行うよう
にしてもよい。これにより、ストッパ２１とアタッチメ
ント２２との係合状態を確認することができ、係合不良
により本体３が傾いたままで垂下され、その状態で開先
１２のセンシングや溶接がなされることを未然に防止で
きる。

【００２９】次いで、上記外筒部３ａの側部に位置する
芯出部材２３を拡径させて、その芯出部材２３を垂直パ
イプ１内面に押圧させ、本体３の芯出しを行なう。これ
により、本体３は、垂直パイプ１の中心線と芯出しされ
、径方向の位置決めがなされる。

【００３０】このように、パイプ１に対する本体３の垂
直方向の位置決め、および径方向の芯出しが終了した後
、駆動部１３のモータＭＺ，Ｍθを回転させて内装部３
ｂをＺ軸方向に移動させると共にθ軸廻りに回転させ、
内装部３ｂに設けられた溶接トーチ６を垂直パイプ１内
周面の開先１２軌跡に沿ってトレースさせる。

【００３１】この際、内装部３ｂと外筒部３ａの間に設
けられた係合機構（Ｚ軸ピン１４，Ｚ軸ピン溝１５）が
、内装部３ｂを垂直方向に移動させたときには、内装部
３ｂが外筒部３ａ内を垂直移動することを許容し、内装
部３ｂを周方向に移動させたときには、内装部３ｂと外
筒部３ａとを一体的に回転させるように機能する。すな
わち、外筒部３ａは、内装部３ｂのＺ軸ピン１４が外筒
部３ａのＺ軸ピン溝１５に係合されていることから、こ
れらピン１４，ピン溝１５を介して内装部３ｂと一体的
にθ軸廻りに連れ回る。また、内装部３ｂのＺ軸方向へ
の移動させると、内装部３ｂがこの外筒部３ａ内を外筒
部３ａにガイドされつつ相対的に垂直方向に摺接移動す
ることになる。

【００３２】これにより、外筒部３ａが垂直パイプ頂部
端面１ａからパイプ１内に垂下された状態で、内装部３
ｂは、この外筒部３ａ内をピストンとシリンダの如く垂
直方向に摺接移動し、且つ周方向には外筒部３ａと一体
となって回転することになる。この際、上記ストッパ２
１および芯出部材２３は一体的にθ軸廻りに回転し、ス
トッパ２１の下面部がアタッチメント２２と摺接すると
共に、芯出部材２３の押圧部がパイプ１内周面と摺接す
ることになる。

【００３３】このように本体３をθ軸廻りに回転させる
と共にＺ軸方向に移動させて、溶接トーチ６のトーチ先
端部６ａをパイプ１内周面の楕円状の開先１２軌跡に沿
ってトレースさせる。この際、上記トレースの途中で、
本体３の回転移動を数回一時中断し、その都度、モータ
ＭＳによって溶接トーチ６を内装部３ｂに対して垂直方
向（Ｓ軸方向）に移動させ、開先１２位置のセンシング
を行う。つまり、上記溶接トーチ６のトーチ先端部６ａ
を電圧検出器として利用し、パイプ１内周面の開先１２
軌跡の複数点を測定点とし、各測定点において溶接トー
チ６をそのトーチ先端部６ａが開先１２の上下の斜面部
に当たるまでＳ軸方向に上下させてそのときのトーチ６
の移動量を電圧の変化として検出し、その結果から実際
の開先１２軌跡を求める。

【００３４】その後、上記センシング結果に基づいて、
モータＭＺおよびモータＭθにより、内装部３ｂをＺ軸
方向およびθ軸廻りに移動制御して、溶接トーチ６を開
先１２軌跡に沿って正確にトレースさせ、垂直パイプ１
内周面の溶接を行う。なお、溶接の最中に溶接の熱歪み
などに起因して開先１２位置がズレた場合には、一旦装
置を停止させ再度センシングを行うようにしてもよい。

【００３５】このような溶接装置２にあっては、上記外
筒部３ａが垂直パイプ頂部端面１ａに懸下されているこ
とから、駆動部１３には溶接装置２の総重量が加わるの
ではなく、内装部３ｂのみの荷重が加わることになる。 よって、駆動部１３の負担がかるくなり、溶接トーチ６
をＺ軸方向およびθ軸廻りに移動制御する際の制御精度
が高まることになる。

【００３６】また、開先１２位置のセンシング時に、外
筒部３ａが上記ストッパ２１により垂下されて垂直方向
の位置決めがなされると共に、芯出部材２３により径方
向に位置決めがなされており、その外筒部３ａの内部を
内装部３ｂが摺接移動することから、外筒部３ａがガイ
ドレールの如く機能し、センシング精度が高まることに
なる。

【００３７】よって例えば、溶接すべき垂直パイプ１が
細径パイプの場合、これに挿入可能とするために本体３
を細くしなければならないが、このように細い剛性の低
い本体３を用いた場合でも充分なセンシング精度を確保
することができる。また、溶接すべき開先１２位置が高
所であるほど、長尺の本体３を用いる必要があるが、こ
の長尺の剛性の低い本体３を用いた場合にあっても充分
なセンシング精度を確保することができる。このように
センシング精度が向上することにより、開先１２に対す
る溶接トーチ６の狙い位置のズレが低減し、溶接精度が
高まる。

【００３８】また、溶接時に内装部３ｂをＺ軸方向およ
びθ軸廻りに移動制御する際に生じる本体３の撓み・振
れが上記ストッパ２１および芯出部材２３により抑えら
れるので、上述の如き細く長尺な本体３を用いた場合で
あっても、トーチ先端部６ａと開先１２との間隔を一定
に保つことができ、健全な溶接が達成される。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る溶接装
置によれば次の如き優れた効果を発揮することができる
。

【００４０】（１）　上記外筒部が垂直パイプ頂部端面
に懸下された状態で溶接を行うことから、駆動部には溶
接装置の総重量が加わるのではなく内装部のみの荷重が
加わることになり、駆動部の負担がかるくなる。よって
、この駆動部によって溶接トーチをＺ軸方向およびθ軸
廻りに移動制御する際の制御精度を高めることができる
。

【００４１】（２）　垂直パイプ頂部端面に懸下され垂
直方向に位置決めされた外筒部が内装部のガイドレール
の如く機能することにより、内装部に備えられた溶接ト
ーチの移動精度を高めることができる。よって、精度の
高い溶接を行うことができる。

【００４２】（３）　従って、溶接箇所が高く外筒部お
よび内装部を長尺に成形せざるを得ない場合や、溶接す
べき垂直パイプのパイプ径が小径で外筒部を細く成形せ
ざるを得ない場合であっても、精度の高い健全な溶接を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例を示す溶接装置の概略側面図。

【図２】図１の上面図。

【図３】従来例を示す溶接装置の概略側面図。

【符号の説明】

１　　垂直パイプ １ａ　　頂部端面 ２　　溶接装置 ３ａ　　外筒部 ３ｂ　　内装部 ６　　溶接トーチ １３　　駆動部 １４，１５　　係合機構 ２０　　頂部 ２１　　ストッパ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　垂直パイプの内周面を溶接する溶接装
   置において、下方から垂直パイプ内に挿入される外筒部
   と、該外筒部の頂部に径方向に拡縮自在に設けられ、そ
   の拡径により垂直パイプの頂部端面に係止され、外筒部
   を垂直パイプ内に回転自在に垂下するストッパと、該外
   筒部内に摺接自在に設けられた内装部と、該内装部と外
   筒部の間に設けられ、内装部を外筒部に対して垂直方向
   に自在に摺接させると共に周方向に一体的に回転させる
   係合機構と、上記内装部に設けられ、外筒部を貫通して
   垂直パイプ内周面に臨まされた溶接トーチと、上記内装
   部の下端部に接続され、内装部を垂直方向および周方向
   に移動・回転制御する駆動部と、を備えたことを特徴と
   する溶接装置。