JP7371377B2 - 水中溶接システム - Google Patents

Description

本発明は、水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムに関する。

海上に設置する洋上風力発電装置に期待が寄せられている。洋上は陸上に比べて風エネルギーが高く、大型のブレードを適用することができるため、効率的な発電が可能になる。

洋上風力発電装置は、水中に構築された基礎構造上に構築される。基礎構造は、ケーソン式や組杭式等が提案されているが、近年では、大口径の鋼管で構成されたモノパイル等の柱状構造物が注目されている。

基礎構造としてモノパイル等の金属構造物を用いる場合、金属構造物の周面に卑な電位を有する電気防食アノード等の金属部品を接続し、海水や水による金属構造物の腐食を防止する防食方法が知られている。

金属構造物と金属部品との接続は、水中溶接が一般的であり、水中の溶接個所まで潜水士が潜り、人の手で水中溶接を行うか、溶接装置が水中の溶接個所まで電動機動力により移動させて水中溶接を行っていた。

特開昭４８－１０２０４８号公報

しかしながら、水深が深い個所や潮流の影響を受ける個所での水中溶接は、時間の制約、潮流によって溶接個所へのアクセス困難、安定した溶接品質確保が困難、安全性のリスクという問題点があった。

なお、水中溶接機を搭載したキャリッジを、鋼管の周面に固定された案内環をレールとして走行させることで、自動的に溶接するための装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置によると、溶接個所へのアクセスが容易になり、水上での操作により容易に溶接作業を行うことができるが、案内環を固定した状態では溶接する方向がキャリッジの走行方向に限定されてしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、溶接個所に容易にアクセスでき、所望の範囲を容易に溶接することができる汎用性が高い水中溶接システムを提供することにある。

本発明の水中溶接システムは、水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、前記水中溶接機の操作を受け付けるコントロール装置と、を具備し、前記水中溶接機と前記案内装置とは、前記コントロール装置の操作で動作する連結機構によって連結及び分離可能であることを特徴とする。
さらに、本発明の水中溶接システムは、前記案内装置には、前記水中溶接機の前記把持アームによって把持可能な被把持部が設けられており、前記連結機構は、前記把持アームと前記被把持部とであっても良い。
また、本発明の水中溶接システムは、水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、を具備し、前記水中溶接機と前記案内装置とは、連結機構によって連結及び分離可能であり、前記把持アームよる把持個所及び前記溶接ロボットハンドによる溶接個所を画角に含む水中カメラを具備し、前記連結機構は、前記水中カメラによる映像に前記柱状構造物の周面が映り込む状態で前記水中溶接機と前記案内装置とを連結可能であることを特徴とする。
さらに、本発明の水中溶接システムは、前記案内装置は、前記柱状構造物に環装可能な中空部を有する基体を備え、前記基体の内周には、前記柱状構造物に当接することで、上下方向の移動をガイドする複数のガイドローラが設けられても良い。
さらに、本発明の水中溶接システムは、前記基体は、複数のパーツが連結具によって連結されて構成されても良い。
また、本発明の水中溶接システムは、水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、を具備し、前記水中溶接機と前記案内装置とは、連結機構によって連結及び分離可能であり、前記案内装置は、前記柱状構造物に環装可能な中空部を有する基体を備え、前記基体の内周には、前記柱状構造物に当接することで、上下方向の移動をガイドする複数のガイドローラが設けられ、前記基体の下面には、下方に向けて延設され、先端に前記水中溶接機が連結される複数の連結棹が、周方向に等間隔で設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の水中溶接システムは、前記連結棹には、前記水中溶接機を操作するコントロール装置と前記水中溶接機とを接続するケーブルを案内する案内孔が形成されても良い。
さらに、本発明の水中溶接システムは、前記案内孔から繰り出される前記ケーブルの最大ケーブル長は、柱状構造物の周長をＰとし、Ｎ台の前記水中溶接機によって溶接を実行する場合、Ｐ／２Ｎ以上Ｐ／Ｎ未満に設定されても良い。

本発明によれば、汎用性が高い簡単な構成で、溶接個所に容易にアクセスでき、所望の範囲を容易に溶接することができるという効果を奏する。

本発明に係る水中溶接システムの実施形態の構成を示す側面図である。 図１に示す水中溶接機の構成を示す図である。 図１に示す水中溶接機及びコントロール装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す案内装置の構成を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施形態は、海底や湖底等の水底部１に根入れされたモノパイル２（水中に構築された柱状構造物）の周面に、電気防食アノード３（金属部品）を溶接する水中溶接システムである。

電気防食アノード３は、鋼管であるモノパイル２よりも卑な電位を有する流電陽極（アルミニウム、亜鉛、マグネシウム又はこれらの合金等）を有する。電気防食アノード３をモノパイル２に水中溶接して接続することで、モノパイル２に防食電流を流し、海水や水によるモノパイル２の腐食を防止する。

本実施形態の水中溶接システムは、水中溶接機１０と、ケーブル４を介して水中溶接機１０と接続されたコントロール装置３０と、水中溶接機１０を水中の溶接個所まで案内する案内装置４０とを備えている。

水中溶接機１０は、図２を参照すると、姿勢測定部１１と、スラスタ１２と、把持アーム１３と、溶接ロボットハンド１４と、水中カメラ１５と、照明部１６と、制御部１７とが、フレーム２０に取り付けられている。なお、図２において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。また、フレーム２０には、図示しない浮力体が取付けられており、水中溶接機１０は比重が１の中性浮力状態に調整されている。

姿勢測定部１１は、３軸ジャイロ、地磁気センサ、傾斜センサ等の水中溶接機１０の姿勢を検出するセンサを備え、これらのセンサによる検出値を制御部１７に出力する。

スラスタ１２は、例えば、スクリューとスクリューを正回転又は逆回転に駆動するモータとで構成され、水中溶接機１０に対して上下方向、前後方向及び左右方向の推力をそれぞれ付与することで、水中溶接機１０を水中で自在に移動させる。

把持アーム１３は、水中溶接機１０の前方に位置する対象物を把持する機能を有する。把持アーム１３によって対象物を把持することで、水中における水中溶接機１０の位置及び姿勢が固定される。

溶接ロボットハンド１４は、先端部に溶接トーチ１４１が装着された多関節ロボットであり、把持アーム１３によって水中溶接機１０の位置及び姿勢が固定された状態で、所定の範囲に任意の方向から溶接を行うことが可能になっている。なお、図２中の符号１４２は、溶接トーチ１４１に溶接ワイヤを供給するためのコンジットケーブルである。

水中カメラ１５は、水中溶接機１０の前方を撮影する撮影手段である。水中カメラ１５の画角には、把持アーム１３による把持箇所と、溶接ロボットハンド１４による溶接個所と含まれている。

照明部１６は、把持アーム１３による把持箇所と、溶接ロボットハンド１４による溶接個所とを含む水中溶接機１０の前方領域を照射する照明手段である。

制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータ等の演算処理回路である。ＲＯＭには水中溶接機１０の動作制御を行うための制御プログラムが記憶されている。制御部１７は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、水中溶接機１０の全体制御を行う。

コントロール装置３０は、図３を参照すると、パーソナルコンピュータ等の演算処理装置であり、水中溶接機１０の水中カメラ１５によって撮影された映像を表示する表示部３１と、水中溶接機１０の操作を受け付ける操作部３２とを備えている。

操作部３２は、キーボード、タッチパネル、ジョイスティック等の入力手段であり、照明部１６に対する照明操作、水中カメラ１５に対する撮影操作、水中溶接機１０に対する移動操作、把持アーム１３に対する把持操作、溶接ロボットハンド１４に対する溶接位置操作、溶接トーチ１４１に対する溶接操作を受け付け、受け付けた各操作をケーブル４経由で水中溶接機１０に送信する。

制御部１７は、図３を参照すると、照明制御部１７１、撮影制御部１７２、移動制御部１７３、把持制御部１７４、溶接位置制御部１７５、溶接制御部１７６として機能する。なお、図２及び図３では、水中溶接機１０の各構成に動力を供給する動力線は省略している。水中溶接機１０を動力は、水中溶接機１０に設けた動力貯蔵部や動力発生部から供給するようにしても良く、ケーブル４経由で供給するようにしても良い。

照明制御部１７１は、コントロール装置３０から受信した照明操作に応じて、照明部１６のオン／オフや光量を制御する。

撮影制御部１７２は、コントロール装置３０から受信した撮影操作に応じて、水中カメラ１５のズーム、パン、チルト等を制御する。水中カメラ１５によって撮影された映像は、ケーブル４経由でコントロール装置３０の表示部３１に表示される。

移動制御部１７３は、コントロール装置３０から受信した移動操作に応じて、スラスタ１２の推力を制御して水中溶接機１０を水中で移動させる。また、移動制御部１７３は、姿勢測定部１１による検出値に応じて、スラスタ１２の推力を制御して水中溶接機１０の姿勢を安定化させる。

把持制御部１７４は、コントロール装置３０から受信した把持操作に応じて、把持アーム１３による対象物の把持／解放を制御する。

溶接位置制御部１７５は、コントロール装置３０から受信した溶接位置操作に応じて、溶接ロボットハンド１４を駆動させ、先端部に装着された溶接トーチ１４１による溶接位置を制御する。

溶接制御部１７６は、コントロール装置３０から受信した溶接操作に応じて、溶接トーチ１４１による溶接を実行させる。

案内装置４０は、図４を参照すると、モノパイル２に環装可能な中空部を有する基体４１を備えている。基体４１は、水よりも十分に大きな比重を有し、案内装置４０は、自重によって水中に沈降するように構成されている。なお、図４において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。

基体４１の内周には、複数のガイドローラ４３が設けられている。ガイドローラ４３は、モノパイル２に当接することで、モノパイル２に環装された基体４１の上下方向の移動をガイドする。

基体４１の上面には、ワイヤや鎖等の索体５を連結する複数の吊り手４４が周方向に等間隔に設けられている。

基体４１は、２個のパーツ４１ａ、４１ｂが連結具によって連結されて構成されている。従って、モノパイル２を挟んでパーツ４１ａとパーツ４１ｂとを連結することで、基体４１をモノパイル２に環装させることができ、モノパイル２に環装された基体４１をパーツ４１ａとパーツ４１ｂとに分割することで、モノパイル２から基体４１を取り除くことができる。

基体４１の下面には、下方に向けて延設された複数の連結棹４２が設けられている。複数の連結棹４２は、重量バランスが偏らないように、周方向に等間隔で設けられている。連結棹４２の先端部には、水中溶接機１０の把持アーム１３によって把持可能な被把持部４５が形成されている。本実施形態では、１８０度の間隔で２本の連結棹４２を設けたが、連結棹４２は３本以上設けても良い。

また、連結棹４２には、水中溶接機１０に接続されるケーブル４よりも大径の案内孔４６が形成されている。

次に、本実施形態の水中溶接システムを用いた水中溶接方法について説明する。
まず、基体４１の吊り手４４に索体５を連結して吊り下げ、案内装置４０（基体４１）をモノパイル２に環装する。

次に、連結棹４２の先端部に形成された被把持部４５に水中に浸かるまで、案内装置４０をモノパイル２に沿って下降させる。そして、連結棹４２の案内孔４６を経由したケーブル４が接続された水中溶接機１０を水中に入れ、コントロール装置３０を用いた移動操作及び把持操作で、水中溶接機１０の前面がモノパイル２の周面に対向する向きで把持アーム１３によって被把持部４５を把持させ、案内装置４０と水中溶接機１０とを連結させる。

なお、水中溶接機１０は中性浮力状態に調整されている。従って、水中で案内装置４０と水中溶接機１０とを連結させることで、案内装置４０の重量バランスが偏ることを防止できる。また、図１には、２台の水中溶接機１０を案内装置４０と連結させた例を示したが、１台の水中溶接機１０のみを案内装置４０と連結させた場合でも、水中溶接機１０が水中に位置させることで、案内装置４０の重量バランスが偏ることがない。

次に、コントロール装置３０を用いた照明操作及び撮影操作で、照明部１６を点灯させて水中カメラ１５によるモノパイル２の周面の撮影を開始させる。なお、水中溶接機１０は、前面がモノパイル２の周面に対向する向きで案内装置４０と連結されているため、水中カメラ１５によって撮影される映像にモノパイル２の周面が映り込む状態となっている。

次に、コントロール装置３０の表示部３１に表示されるモノパイル２の周面の映像を視認しながら、案内装置４０をモノパイル２に沿って下降させ、連結された水中溶接機１０を溶接個所である電気防食アノード３付近まで沈める。これにより、溶接個所が水深の深い個所や潮流の影響を受ける個所であっても、素早く容易にアクセスすることができる。

次に、コントロール装置３０を用いた把持操作で、把持アーム１３による被把持部４５の把持を解消させ、水中溶接機１０を案内装置４０から分離させる。そして、表示部３１の映像を視認しながら、コントロール装置３０を用いた移動操作及び把持操作で、水中溶接機１０を溶接個所まで移動させ、把持アーム１３によってモノパイル２の周面に設けられた突起部として電気防食アノード３を把持させる。把持アーム１３によって電気防食アノード３を把持することで、水中溶接機１０の姿勢を安定させ、溶接実行時の反力をとることができる。

次に、表示部３１の映像を視認しながら、コントロール装置３０を用いた溶接位置操作及び溶接操作で、溶接ロボットハンド１４を駆動させて溶接トーチ１４１による溶接位置を移動させながら、溶接トーチ１４１による溶接を実行させる。水上での操作により溶接ロボットハンド１４が届く所望の溶接個所で溶接を実行することができる。

なお、本実施形態では、水中溶接機１０と案内装置４０との連結機構として把持アーム１３及び被把持部４５を用いたが、部品点数の増加が許容される場合には、専用の連結機構を用いるようにしても良い。この場合でも、水中溶接機１０への操作で連結及び分離を可能にすると、案内装置４０に制御用の配線を行う必要がないため好適である。

さらに、本実施形態では、ケーブル４を案内装置４０の案内孔４６経由で水中溶接機１０に接続しているため、水中でのケーブル処理が容易になる。さらに、案内孔４６から繰り出されるケーブル４の最大ケーブル長Ｌを制限することで、水中でのケーブル処理がさらに容易になる。なお、コントロール装置３０と案内孔４６との間のケーブル４に案内孔４６を通らないストッパを取り付けることで、案内孔４６から繰り出されるケーブル４の最大ケーブル長Ｌを制限することができる。そして、最大ケーブル長Ｌは、モノパイル２の周長をＰとし、Ｎ台の水中溶接機１０によって溶接を実行する場合、Ｐ／２Ｎ以上Ｐ／Ｎ未満に設定すると良い。

以上説明したように、本実施形態は、水中に構築された柱状構造物であるモノパイル２の周面に金属部品である電気防食アノード３を溶接する水中溶接システムであって、対象物を把持する把持アーム１３と、先端部に溶接トーチ１４１が取付けられた溶接ロボットハンド１４とを備え、水中で移動可能な水中溶接機１０と、モノパイル２に沿って水中を自重で沈降する案内装置４０と、を具備し、水中溶接機１０と案内装置４０とは、連結機構によって連結及び分離可能である。
この構成により、汎用性が高い簡単な構成で、溶接個所に容易にアクセスでき、所望の範囲を容易に溶接することができる。

さらに、本実施形態において、案内装置４０には、水中溶接機１０の把持アーム１３によって把持可能な被把持部４５が設けられており、連結機構は、把持アーム１３と被把持部４５とからなる。
この構成により、溶接実行時に反力を取る把持アーム１３を連結機構として兼用することができる。

さらに、本実施形態において、把持アーム１３よる把持個所及び溶接ロボットハンド１４による溶接個所を画角に含む水中カメラ１５を具備し、連結機構は、水中カメラ１５による映像にモノパイル２の周面が映り込む状態で水中溶接機１０と案内装置４０とを連結可能である。
この構成により、溶接作業を視認する水中カメラ１５によって、溶接個所へのアクセスを確認できる。

さらに、本実施形態において、案内装置４０は、モノパイル２に環装可能な中空部を有する基体４１を備え、基体４１の内周には、モノパイル２に当接することで、上下方向の移動をガイドする複数のガイドローラ４３が設けられている。
この構成により、案内装置４０を上下方向にスムーズに移動させることができ、水中溶接機１０を溶接個所までアクセスがさらに容易になる。

さらに、本実施形態において、基体４１は、複数のパーツ４１ａ、４１ｂが連結具によって連結されて構成されている。
この構成により、モノパイル２の上部で他工事が実施されている場合でも、案内装置４０（基体４１）をモノパイル２に環装できると共に、環装された基体４１をモノパイル２から取り除ける。

さらに、本実施形態において、基体４１の下面には、下方に向けて延設され、先端に水中溶接機１０が連結される複数の連結棹４２が、周方向に等間隔で設けられている。
この構成により、基体４１に邪魔されることなく、水中溶接機１０を溶接個所に近づけることができる。また、案内装置４０の重量バランスが偏ることを防止できる。

さらに、本実施形態において、連結棹４２には、水中溶接機１０を操作するコントロール装置３０と水中溶接機１０とを接続するケーブル４を案内する案内孔４６が形成されている。
この構成により、水中でのケーブル処理が容易になる。

さらに、本実施形態において、案内孔４６から繰り出されるケーブル４の最大ケーブル長Ｌは、モノパイル２の周長をＰとし、Ｎ台の水中溶接機１０によって溶接を実行する場合、Ｐ／２Ｎ以上Ｐ／Ｎ未満に設定されている。
この構成により、水中でのケーブル処理がさらに容易になる。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ 水底部
２ モノパイル
３ 電気防食アノード
４ ケーブル
５ 索体
１０ 水中溶接機
１１ 姿勢測定部
１２ スラスタ
１３ 把持アーム
１４ 溶接ロボットハンド
１５ 水中カメラ
１６ 照明部
１７ 制御部
２０ フレーム
３０ コントロール装置
３１ 表示部
３２ 操作部
４０ 案内装置
４１ 基体
４１ａ、４１ｂ パーツ
４２ 連結棹
４３ ガイドローラ
４４ 吊り手
４５ 被把持部
４６ 案内孔
１４１ 溶接トーチ
１４２ コンジットケーブル
１７１ 照明制御部
１７２ 撮影制御部
１７３ 移動制御部
１７４ 把持制御部
１７５ 溶接位置制御部
１７６ 溶接制御部

Claims (8)

1. 水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、
   対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、
   前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、
   前記水中溶接機の操作を受け付けるコントロール装置と、を具備し、
   前記水中溶接機と前記案内装置とは、前記コントロール装置の操作で動作する連結機構によって連結及び分離可能であることを特徴とする水中溶接システム。
2. 前記案内装置には、前記水中溶接機の前記把持アームによって把持可能な被把持部が設けられており、
   前記連結機構は、前記把持アームと前記被把持部とからなることを特徴とする請求項１記載の水中溶接システム。
3. 水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、
   対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、
   前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、を具備し、
   前記水中溶接機と前記案内装置とは、連結機構によって連結及び分離可能であり、
   前記把持アームよる把持個所及び前記溶接ロボットハンドによる溶接個所を画角に含む水中カメラを具備し、
   前記連結機構は、前記水中カメラによる映像に前記柱状構造物の周面が映り込む状態で前記水中溶接機と前記案内装置とを連結可能であることを特徴とする水中溶接システム。
4. 前記案内装置は、前記柱状構造物に環装可能な中空部を有する基体を備え、
   前記基体の内周には、前記柱状構造物に当接することで、上下方向の移動をガイドする複数のガイドローラが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水中溶接システム。
5. 前記基体は、複数のパーツが連結具によって連結されて構成されていることを特徴とする請求項４記載の水中溶接システム。
6. 水中に構築された柱状構造物の周面に金属部品を溶接する水中溶接システムであって、
   対象物を把持する把持アームと、先端部に溶接トーチが取付けられた溶接ロボットハンドとを備え、水中で移動可能な水中溶接機と、
   前記柱状構造物に沿って水中を自重で沈降する案内装置と、を具備し、
   前記水中溶接機と前記案内装置とは、連結機構によって連結及び分離可能であり、
   前記案内装置は、前記柱状構造物に環装可能な中空部を有する基体を備え、
   前記基体の内周には、前記柱状構造物に当接することで、上下方向の移動をガイドする複数のガイドローラが設けられ、
   前記基体の下面には、下方に向けて延設され、先端に前記水中溶接機が連結される複数の連結棹が、周方向に等間隔で設けられていることを特徴とする水中溶接システム。
7. 前記連結棹には、前記水中溶接機を操作するコントロール装置と前記水中溶接機とを接続するケーブルを案内する案内孔が形成されていることを特徴とする請求項６記載の水中溶接システム。
8. 前記案内孔から繰り出される前記ケーブルの最大ケーブル長は、前記柱状構造物の周長をＰとし、Ｎ台の前記水中溶接機によって溶接を実行する場合、Ｐ／２Ｎ以上Ｐ／Ｎ未満に設定されていることを特徴とする請求項７記載の水中溶接システム。

Images