JPH1085938A - 厚板多層肉盛り溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚板の多層肉盛り溶接を直前の開先断面形状
を反映させつつ各層連続して自動的に行う。 【解決手段】 溶接条件設定手段により作動される溶接
トーチ１６と、当該溶接トーチの前方で先行して移動さ
れる開先断面検出をなすレーザセンサ２６を備えてい
る。レーザセンサからの検出信号によりトーチ移動経路
に沿った開先断面形状を求めて記憶する記憶保持手段が
あり、前記溶接トーチによる各層溶接に際して開先形状
データを前記記憶保持手段から取得し溶接トーチの各移
動経路位置での開先形状データに相応する溶接条件に合
致するように前記溶接条件設定手段を介して溶接トーチ
を作動させる制御手段を設ける。溶接中はレーザセンサ
による開先形状の認識と、開先形状に適応した溶接条件
の自動生成を行いながら溶接を行うので、開先の変動に
対してリアルタイムな適応溶接が可能となり、また、１
層分の開先形状認識結果を記憶しておき、これをもとに
次の層の溶接計画をたてるので、初層から仕上げ層まで
の自動溶接できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は厚板多層肉盛り溶接
方法および装置に係り、特にレーザセンサを利用して、
厚板の初層から仕上げ層まで開先形状に適応した多層盛
り溶接を自動的に行うのに好適な厚板多層肉盛り溶接方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザセンサを利用したロボット
による厚板多層肉盛り溶接方法として、次の２つの方法
が知られている。

【０００３】第１は、溶接中にレーザセンサで各開先断
面形状を検出しながら、各開先形状に適応した溶接条件
を計算し、その条件（溶接トーチ狙い位置、溶接速度な
ど）でロボットを制御しながら溶接を進めていく方法で
ある。これはリアルタイムトラッキングと称される。

【０００４】第２は、レーザセンサによりまず開先形状
の検出を溶接線全体に行うことにより、溶接線上での開
先形状全体を把握し、その後、検出した溶接線上で開先
形状に適応した次の層の溶接計画を立てて溶接を行う方
法である。開先形状のセンシングは各層溶接完了毎にレ
ーザセンサで行い、これを各層毎に繰返して多層盛り溶
接を行っている。これはドライパスセンシングといわれ
るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者のリアル
タイムトラッキングでは、溶接中は開先形状を常時検出
しているので、例えば溶接線が曲線であったとしても、
それに追従して溶接を行うことが可能であるが、レーザ
センサは検出した各開先断面形状を記録していないの
で、厚板の溶接で溶接が進行して仕上げ層に近づくにつ
れて、レーザセンサによる開先断面形状の把握が難しく
なり、自動で溶接を続けていくことが困難となる問題が
ある。

【０００６】また、後者のドライパスセンシングでは、
溶接線が直線であれば、溶接線開始位置と終了位置付近
でもレーザセンサによる開先断面形状検出を行い、それ
をもとに溶接線上の開先断面形状全体を予測することが
できるが、溶接線が曲線の場合には、溶接線上全ての開
先断面形状を検出する必要がある。したがって、各層の
溶接前にレーザセンサによる開先形状検出を繰返す方法
では、溶接とは別に検出のための時間が余分にかかるこ
とになる。また、溶接中は予め溶接計画で計画されたと
おりの溶接を行い、レーザセンサによる開先断面形状の
検出を行わないので、溶接中の開先形状の変動は溶接作
業後の開先断面形状検出によってのみ把握することがで
き、即応性に欠け、また検出作業に追従して溶接するこ
とができない。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に着目し、厚
板の多層肉盛り溶接を直前の開先断面形状を反映させつ
つ各層連続して自動的に行うことができるようにした厚
板多層肉盛り溶接方法および装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る厚板多層肉盛り溶接方法は、厚板溶接
箇所の開先に沿って溶接トーチを周回移動させ、開先部
に多層肉盛り溶接を施す方法において、前記溶接トーチ
と同伴周回するセンサにより溶接前の溶接が施される開
先断面形状データを検出して、開先断面形状に適応する
溶接条件で現溶接を行うとともに、センサにより検出し
た開先形状断面を記憶させ、現溶接層の溶接の終了後に
記憶していた開先形状データをもとに次の層の溶接条件
を設定して次の層の溶接を行い、これを各層毎に連続し
て繰返すことにより、厚板の初層から仕上げ層まで開先
形状に適応した多層盛り溶接を自動的に行わせることを
特徴とする。

【０００９】また、本発明に係る厚板肉盛り溶接装置
は、溶接条件設定手段により作動される溶接トーチと、
当該溶接トーチの前方で先行して移動される開先断面検
出センサと、この開先断面検出センサからのトーチ移動
経路に沿った開先断面形状を記憶する記憶保持手段と、
前記溶接トーチによる各層溶接に際して現溶接層の完了
時に、現溶接層の溶接中に記憶したトーチ移動経路に沿
った開先形状データを参照して次の層の溶接条件を計画
する計画手段と、前記開先断面検出センサで検出した開
先断面形状に適応する溶接条件に合致するように前記溶
接条件設定手段を介して溶接トーチを作動させる制御手
段とを備えた構成としたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る厚板多層肉
盛り溶接方法および装置の具体的実施形態を図面を参照
して詳細に説明する。この溶接方法の実施例として、圧
力容器の鏡板を溶接対象とした厚板多層肉盛り溶接装置
の例を説明する。

【００１１】図１は厚板多層肉盛り溶接装置としての実
施形態に係る円周溶接装置の溶接作業状態の説明図であ
る。図示のように、この円周溶接装置は、円筒圧力容器
本体１０の端部に鏡板１２を溶接するためのもので、鏡
板１２が仮付けされた円筒圧力容器本体１０をその軸芯
回りに回転可能に支持するの回転支持台１４を有してい
る。これにより溶接線は容器本体１０の回転駆動軸芯と
直交する平面上に軸芯を中心とする一定半径をもつ円と
して規定される。

【００１２】前記回転支持台１４の側方には溶接線を含
む平面内で溶接トーチ１６を水平方向と垂直方向に移動
可能にした２軸移動マニプレータ１８が設置され、溶接
トーチ１６を溶接線に倣う位置に配置可能にしている。
すなわちマニプレータ１８は支柱２０に沿って移動し得
る昇降スライダ２２に水平アーム２４を取付けたもの
で、水平アーム２４は昇降スライダ２２に水平移動可能
に装着されている。水平アーム２４の先端には溶接トー
チ１６が取付けられているが、上記構成により溶接トー
チ１６が溶接線を含む平面上で平面移動可能とされる。
また、水平アーム２４の先端には溶接部である開先断面
形状を検出するためのレーザセンサ２６が取付けられて
おり、このレーザセンサ２６は溶接トーチ１６からある
一定距離だけ離れたところに設置されている。この場
合、レーザセンサ２６は溶接トーチ１６の溶接進行方向
の前方位置に先行して設置され、溶接前の開先形状断面
を検出するようになっている。

【００１３】ところで、前記溶接トーチ１６は水平アー
ム２４の先端部に取付けられているが、アーム先端にて
独立して直交２軸方向移動と１軸回りに回転可能となっ
ている。このトーチ駆動軸部３０のスケルトンを図２に
示す。水平アーム２４の先端部に垂直軸２８Ｚを設け、
これをガイドとして昇降する水平Ｘ軸２８Ｘが設けられ
ている。水平Ｘ軸２８Ｘにはクランク部２８ＸＣが形成
され、このクランク部２８ＸＣ部分にて直交する水平Ｙ
軸２８Ｙが固定されている。そして、水平Ｙ軸２８Ｙに
沿って軸方向移動可能に溶接トーチ１６が取付けられて
いる。これにより、溶接トーチ１６はマニプレータ１８
に支持された状態で、溶接開先部３２に対して上下して
溶接距離を可変とし（垂直軸２８Ｚに対する水平Ｘ軸の
昇降）、溶接時のウィービングができるものとなってい
るとともに（水平Ｙ軸２８Ｙに対するトーチの左右移
動）、回転支持台１４により圧力容器１０を回転して開
先部３２の溶接部位を変更できる。これらは図示しない
アクチュエータにより作動される。また、前記レーザセ
ンサ２６が当該箇所に装備され、特に水平Ｘ軸２８Ｘの
先端部に開先部３２に向けて計測用レーザビームを照射
し、かつ内蔵されたミラーにより開先部３２の断面方向
（水平Ｙ軸２８Ｙ方向）に走査可能とされている。

【００１４】上記溶接トーチ１６とレーザセンサ２６と
は、図２に示しているように、溶接対象である圧力容器
本体１０と鏡板１２からなるワークの突合せ開先部３２
に対面されるが、このとき、ワーク回転方向（矢印Ａ）
に対し、レーザセンサ２６が先行し、溶接トーチ１６が
後行するように配置される。

【００１５】上述のような駆動系統に加えて、溶接処理
をなすための種々の制御条件を設定する溶接条件設定手
段としてのコントローラ３４と溶接電源装置３６が設け
られている（図１）。コントローラ３４のシステムブロ
ック図を図４に示す。図示のように、コントローラ３４
はトーチ３軸駆動部３０の各軸にホストコンピュータ３
８に挿入された軸制御ボード４０によりサーボアンプ４
２を介して制御される。ホストコンピュータ３８はティ
ーチングペンダント４４と溶接電源３６、ワイヤ送給装
置４６も含めた全ての管理を行うようになっている。ま
た、レーザセンサ２６を制御するレーザセンサコントロ
ーラ４８が設けられ、レーザセンサ２６の制御とレーザ
センサ２６からの断面形状データを受け取った以後の処
理（開先断面形状データの解析とその結果に基づいた溶
接条件の生成など）を行う。

【００１６】上述の装置構成により行われる溶接は、円
周上を１周する１パス溶接が基本のシーケンスとなって
おり、この１パス溶接時にレーザセンサ２６によりワー
クの開先断面形状を先読みして、開先形状に適応した溶
接条件の計算を行い、ロボット各軸と溶接電源を制御す
ることによりその溶接条件で１パス溶接を行わせるよう
にしている。すなわち、１層の溶接は、１パスもしくは
数パス溶接で構成されるが、各層の第１パスで開先断面
形状の検出と同時に各開先形状データを記録しておき、
その層が終了した時、記録した開先形状データに基づ
き、残りの開先形状を推定して、残りの層数と次の層の
パス数を計画するのである。この計画に基づいて、前と
同じように、次の層の溶接が各パス毎に行われる。これ
を各層毎に繰返すことにより、初層から仕上げ層までの
多層盛り溶接を自動的に行わせる。また、この時に、初
層用から中間層用、仕上げ層用へと溶接条件を計算する
ためのロジックも残りの開先形状に合わせて自動的に切
り替わっていくようにする。

【００１７】この具体的溶接処理を図５のフローチャー
トを参照して説明する。この溶接シーケンスは１周毎の
溶接が基本とされ、最初に準備作業として、オペレータ
のキー入力によりワークデータ（外径、板厚、開先タイ
プ等）を入力する。ホストコンピュータ３８はこれを受
けて各軸原点の設定をなす（ステップ１００）。この原
点設定は電源をＯＮした時のみ必要である。そして、１
層目の溶接を開始するために、オペレータはトーチ軸駆
動部３０の２軸（Ｙ、Ｚ）をマニュアルで開先計測開始
点まで移動する（ステップ１１０）。この移動後の溶接
トーチ１６の位置である開先形状計測位置が、後の溶接
シーケンスの基準位置となる。その後、溶接スタートス
イッチをＯＮし（ステップ１２０）、これを受けてレー
ザセンサコントローラ４８はレーザセンサ２６をＯＮす
る（ステップ１３０）。これにより開先形状の検出が開
始され、レーザセンサで溶接開始点を捜しながら、ホス
トコンピュータ３８はトーチ１６を移動して、検出した
溶接開始点で停止する（ステップ１４０）。

【００１８】ホストコンピュータ３８は１周溶接開始指
令を発し（ステップ１５０）、検出した溶接開始点から
アークをオンにし、回転支持台１４上でワークを回転さ
せて溶接を開始する。溶接中、レーザセンサコントロー
ラ内４８では、レーザセンサによる開先形状検出と、そ
の開先形状に適応した溶接条件（トーチ狙い位置とウィ
ービング条件等を含む）の生成ロジックが実行されてお
り（ステップ１６０）、ホストコンピュータ３８側に狙
い位置の補正値と溶接条件の修正値がある決まった周期
で出力されている。このレーザセンサコントローラ４８
からの修正値をもとにホストコンピュータ３８はトーチ
駆動軸部３０と溶接電源装置３６を制御している（ステ
ップ１７０）。

【００１９】また、この時、レーザセンサコントローラ
４８では、１周分の開先形状検出データを記憶してい
る。ワークが１回転すると、ホストコンピュータ３８は
溶接を停止し（ステップ１８０）、溶接トーチ１６を待
機位置まで移動させる。ここで、オペレータがトーチ１
６を点検し、必要ならばノズルの清掃を行う。

【００２０】各層の第１パス溶接が終了した場合だけ、
レーザセンサコントローラ４８内に記憶された１周分の
開先断面形状データをもとにして、次の層の溶接計画が
実行され、次の層のパス数、次の層の溶接条件生成ロジ
ック（初層、中間層、仕上げ層用）などが決定される
（ステップ１９０）。

【００２１】このような１周溶接シーケンスを初層から
仕上げ層まで繰返して行うことにより、図６に示される
ように、厚板肉盛り溶接を自動的に行わせることができ
るのである。

【００２２】以上のように、本実施形態によれば、溶接
トーチ１６による溶接周回時に溶接直後の開先断面をレ
ーザセンサ１８により検出し、この検出データを記憶さ
せておき、次層の溶接時の溶接条件設定をなすために用
いるようにしているため、各層の溶接処理を連続して行
わせることができ、円筒圧力容器などの厚板溶接を多層
で溶接する作業時間を大幅に短縮することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、溶接条
件設定手段により作動される溶接トーチと、当該溶接ト
ーチの前方で先行して移動される開先断面検出センサ
と、この開先断面検出センサからのトーチ移動経路に沿
った開先断面形状を記憶する記憶保持手段と、前記溶接
トーチによる各層溶接に際して現溶接層の完了時に、現
溶接層の溶接中に記憶したトーチ移動経路に沿った開先
形状データを参照して次の層の溶接条件を計画する計画
手段と、前記開先断面検出センサで検出した開先断面形
状に適応する溶接条件に合致するように前記溶接条件設
定手段を介して溶接トーチを作動させる制御手段とを備
え、溶接中はレーザセンサによる開先形状の認識と、開
先形状に適応した溶接条件の自動生成を行いながら溶接
を行うので、開先の変動に対してリアルタイムな適応溶
接が可能となり、また、前層で開先形状認識結果を記憶
しておき、これをもとに次の層の溶接計画をたてるの
で、初層から仕上げ層までの自動溶接が可能となる効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る厚板多層肉盛り溶接装置の全体
構成を示す斜視図である。

【図２】同装置の溶接トーチとレーザセンサの取付け部
のスケルトン図である。

【図３】溶接トーチとレーザセンサの配置形態の説明図
である。

【図４】同装置のコントローラの構成ブロック図であ
る。

【図５】実施形態に係る溶接処理のフローチャートであ
る。

【図６】溶接結果の開先部断面図である。

【符号の説明】

１０ 圧力容器本体 １２ 鏡板 １４ 回転支持台 １６ 溶接トーチ １８ マニプレータ ２０ 支柱 ２２ 昇降スライダ ２４ 水平アーム ２６ レーザセンサ ２８Ｘ 水平Ｘ軸 ２８Ｙ 水平Ｙ軸 ２８Ｚ 垂直軸 ３０ トーチ駆動軸部 ３２ 開先部 ３４ コントローラ ３６ 溶接電源装置 ３８ ホストコンピュータ ４０ 軸制御ボード ４２ サーボアンプ ４４ ティーチングペンダント ４６ ワイヤ供給装置 ４８ レーザセンサコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 101:12 (72)発明者 小川 慎太郎 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 肥後 嘉裕 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚板溶接箇所の開先に沿って溶接トーチ
   を周回移動させ、開先部に多層肉盛り溶接を施す方法に
   おいて、前記溶接トーチと同伴周回するセンサにより溶
   接前の溶接が施される開先断面形状データを検出して、
   開先断面形状に適応する溶接条件で現溶接を行うととも
   に、センサにより検出した開先形状断面を記憶させ、現
   溶接層の溶接の終了後に記憶していた開先形状データを
   もとに次の層の溶接条件を設定して次の層の溶接を行
   い、これを各層毎に連続して繰返すことにより、厚板の
   初層から仕上げ層まで開先形状に適応した多層盛り溶接
   を自動的に行わせることを特徴とする厚板肉盛り溶接方
   法。
2. 【請求項２】 溶接条件設定手段により作動される溶接
   トーチと、当該溶接トーチの前方で先行して移動される
   開先断面検出センサと、この開先断面検出センサからの
   トーチ移動経路に沿った開先断面形状を記憶する記憶保
   持手段と、前記溶接トーチによる各層溶接に際して現溶
   接層の完了時に、現溶接層の溶接中に記憶したトーチ移
   動経路に沿った開先形状データを参照して次の層の溶接
   条件を計画する計画手段と、前記開先断面検出センサで
   検出した開先断面形状に適応する溶接条件に合致するよ
   うに前記溶接条件設定手段を介して溶接トーチを作動さ
   せる制御手段とを備えたことを特徴とする厚板肉盛り溶
   接装置。