JPH0663750A - 厚鋼板のサブマージアーク溶接における開先形状検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 開先形状や断面積の変化を検出して溶接条件
をこれに追随させる。 【構成】 サブマージアーク溶接において溶接トーチに
先行して開先線上を走行する開先形状検出装置１は、開
先を構成するいずれか一方の鋼板表面に達する固定支持
ローラ脚11と、開先を構成する残る鋼板の表面に押し当
てられる上下方向に可動な支持ローラ脚12と、開先内部
に押し当てられる径の異なる球状体を先端に備える上下
ならびに水平方向に可動な２個の測深ローラ脚13、14
と、前記固定支持ローラ脚11を基準として、可動支持ロ
ーラ脚12ならびに２個の測深ローラ脚13、14の上下方向
位置をそれぞれ検出する位置検出器22〜24と、２個の測
深ローラ脚13、14の開先線と直角方向の水平変位を検出
する位置検出器25、26とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば完全溶け込み
溶接部分と部分溶け込み溶接部分とが混在する角鋼管柱
の角シーム溶接のように、位置によって開先形状が変化
する厚鋼板のサブマージアーク溶接における開先形状の
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２に示すように、４枚の鋼板2a、2b、
2c、2dを箱型断面に組み立て、４か所の角シーム部 21
a、 21b、 21c、 21dをサブマージアーク溶接により接
合して中、高層建築用の角鋼管柱（ボックス柱ともい
う）を製造することが行われている。鋼板の板厚が厚い
場合、従来は複数パスで開先内を盛り上げる溶接方法が
通常であったが、角鋼管柱の製造長さは10ｍ以上におよ
ぶことはごく通常であり、作業能率は極めて低い。そこ
で、特公昭51-19419号公報に見られるように、複数本の
トーチを使用し、大電流により１パスで溶接する溶接方
法が開発され、今日ではこれが広く採用されている。

【０００３】ところで、前記の角鋼管柱には、単に柱と
して機能する部分と、梁等と接続して水平力やモーメン
トを受ける仕口部分とがあり、角シーム部の溶接継手に
ついても柱全長にわたって完全溶け込み溶接を行う必要
はなく、仕口部分が完全溶け込みで接合されていれば、
他の部分は部分溶け込みで充分であることが多い。長さ
の割合は仕口部の方がむしろ少ないのであるから、完全
溶け込み溶接を必要部分に限定すれば、作業能率、溶接
電力、溶接材料等の面で経済的であることはいうまでも
ない。

【０００４】ところで、元来サブマージアーク溶接にお
いては、アークをスタートさせた後は溶接装置が自動走
行するから、作業者が絶えず操作する必要はない。そこ
で、角鋼管柱角シーム部のサブマージアーク溶接は、熱
歪みを少なくすることと作業能率の両面から、同じ面の
２シーム、たとえば図２でいうと 21aと 21bとを同じ作
業者がほぼ同時に施工するのが通例である。

【０００５】しかし、一般に角鋼管柱に使用する鋼板は
板厚が厚いため、全長を一定の溶接条件で溶接するだけ
でも高度の技術が必要であり、その上に部分的に開先深
さや溶け込み深さを変化させようとすると、作業者によ
る断面計測や頻繁な変更操作を必要とし、特に溶接速度
の微妙な調整は高度な技能と経験を伴い、極めて困難で
信頼度の低い溶接とならざるを得ない。

【０００６】そこで従来は、不経済を承知の上で全長を
完全溶け込み溶接とするか、仕口部分について事前に開
先下部の下盛り溶接を施しておいてから、全長を部分溶
け込み仕様で通し溶接することが行われていた。また、
開先加工は通常ガス切断によることが多いので、設計上
は一様な開先断面であっても、加工の際の誤差、鋼板の
組み立て誤差、鋼板の変形等によって断面形状あるいは
断面積は全長にわたって必ずしも一定とはならない。そ
こで、作業者が予め開先形状を測定する必要があった。
そこで、特開昭55−106683号公報によれば、溶接母材の
開先線に沿ってアーク自動溶接するに際し、溶接位置に
先行して開先の幅および深さの両方を検出し、この検出
点と溶接位置間の遅れを補正しながら前記の検出量を演
算して開先断面積の変動を求め、これに基づいて溶接速
度およびワイヤ供給速度の少なくとも一方、さらにはオ
シレート振幅を適正に制御する自動溶接制御方法、なら
びに、溶接母材の開先線に沿って走行するアーク自動溶
接装置において、溶接トーチに先行して開先線内に嵌入
される２個の検出ローラと、この検出ローラのそれぞれ
に開先深さおよび開先幅を検出するために設けた検出装
置と、この検出装置によって検出した検出量を演算して
適正な溶接速度およびワイヤ供給速度の少なくとも一方
さらにはオシレート振幅を求めこれらを駆動回路に出力
する演算装置とからなることを特徴とする自動溶接制御
装置が開示されている。

【０００７】また、断面形状とはかかわりなく、その中
心線が蛇行あるいは湾曲していて開先断面の図心とトー
チ先端とが徐々にずれ、自動溶接中に溶接状態が変化し
てしまっている事態も発生する。そこで、特公昭57-433
54号公報によれば、２個の案内車輪よりなる倣い機構に
より、開先線の左右の曲がりならびに広狭を検出し、溶
接ノズルを正確に溶接線に追随させる自動溶接機の倣い
方法が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように部分的に溶
接条件が変化する溶接作業において、全長を完全溶け込
み溶接とするか、仕口部分について事前に開先下部の下
盛り溶接を施しておいてから、全長を部分溶け込み仕様
で通し溶接することは技術的問題点はないもののあまり
にも不経済であり、製造現場にあってはその是正が急務
であった。また、前記特開昭55−106683号公報の自動溶
接制御方法および装置によれば、対称断面の開先におけ
る開先の幅および深さしか検出できないので、レ形開先
を始めとする非対称断面の一般開先の形状検出や開先線
の曲がりに追随できない欠点があり、特公昭57-43354号
公報の自動溶接機の倣い方法によれば、２個の検出車輪
を開先面の片側にのみ接触させているので、開先線の曲
がりおよび幅の変化は検出するものの深さが変化する場
合には検出せず、したがって開先断面積の変化に追随で
きない欠点がある。

【０００９】健全な溶接部を得るには、開先内に溶接金
属が充填されると共に表面に適当な高さの余盛りが必要
である。開先の断面積が所定値よりも小さいと、余盛り
が過大となるためこの部分を切削する必要があり、逆に
開先の断面積が所定値よりも大きい場合は開先内に溶接
金属が充満されず、開先断面を残したアンダーカットの
状態となり、別途、不足部分について肉盛り溶接を施す
必要が生じる場合もあって、いずれも好ましくない。

【００１０】本発明は、上記の諸問題を解決し、開先断
面積と曲がりの両方を同時に検出して溶接機あるいは溶
接条件をこれに追随させる開先形状検出装置を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、厚鋼板のサブ
マージアーク溶接において溶接トーチに先行して開先線
上を走行する開先形状検出装置であって、開先を構成す
るいずれか一方の鋼板表面に達する固定の支持ローラ脚
と、開先を構成する残る鋼板の表面に押し当てられる上
下方向に可動な支持ローラ脚と、開先内部に押し当てら
れる径の異なる球状体を先端に備える上下ならびに水平
方向に可動な２個の測深ローラ脚と、前記の固定支持ロ
ーラ脚を基準として、前記可動支持ローラ脚ならびに２
個の測深ローラ脚の上下方向位置をそれぞれ検出する検
出手段と、前記の球状体を先端に備える２個の測深ロー
ラ脚の開先線と直角方向の水平変位を検出する検出手段
とを備えることを特徴とする。

【００１２】

【作 用】本発明の開先形状検出の原理を図１および図
３、図４により説明する。図１は本発明の開先形状検出
装置を含む溶接設備の全体図である。開先形状検出装置
１は、被溶接物である鋼材２と平行に、かつほぼ同じ高
さに設置された走行レール５上を走行する溶接装置３、
制御装置４と一定距離を隔てて連結され、溶接機に先行
して被溶接物である鋼材２の開先線上を走行する。開先
深さ等の測定に際しては、開先を構成するいずれか一方
の鋼板の表面を高さ測定の基準とする。

【００１３】図３は、開先形状検出装置１の概念を模式
的に示したもので、装置１の本体10から下方へ、鋼材
２、２’により形成される開先線を挟んで両側に２個の
支持ローラ脚11、12が設けられている。支持ローラ脚の
一方11は装置本体10に固定されて装置本体を支持し、他
方12は装置本体に対し上下方向に可動となっており、そ
の上下方向の位置が測定できる。２個の支持ローラ脚1
1、12の装置本体からの基準下方突き出し量（以下、高
さという）をそれぞれh₁、h₂とすれば、固定側支持ロー
ラ脚11の高さh₁は一定値であり、可動側支持ローラ脚12
の高さh₂とh₁の差は、固定側の鋼板表面を基準とした目
違い量を表わし、h₁とh₂の平均値は、図３で２点鎖線で
示した開先両側の鋼板表面の平均高さ面を表わす。

【００１４】さらに、開先形状検出装置１の本体10から
下方へ、半径R₃、R₄（R₃＞R₄）の２個の球状体を先端に
備える測深ローラ脚13、14が上下方向に可動の状態で取
り付けられ、各球状体は開先内面に押し当てられてい
る。球状体の曲率中心の高さをそれぞれh₃、h₄とすれ
ば、大きい球状体の中心位置の鋼板表面の平均高さ面か
らの深さをd₁、この中心から開先底部までの深さをd₂、
その合計である同じく鋼板表面の平均高さ面からの開先
深さＤは、

【００１５】

【数１】

【００１６】となり、開先角度２αに関係なくh₁、h₂、
h₃、h₄とR₃、R₄から求めることができる。これらのう
ち、h₁、R₃、R₄は装置により既知の値であり、h₂、h₃、
h₄が測定によって得られる値である。一方、この開先形
状検出装置１では、２個の球状体13、14の開先幅方向の
ずれ量ｘを検出できる。この２個の球状体13、14の中心
を結んだ線の傾き角をθとすると、

【００１７】

【数２】

【００１８】によりαとθは求められるから、開先の幅
ｗは、図４に示したように底部の頂点から上方の鋼板表
面へ下ろした垂線によりw₁、w₂に分割して、

【００１９】

【数３】

【００２０】となって、Ｄ、α、θにより算出でき、

【００２１】

【数４】

【００２２】としてｘ、h₂、h₃、h₄の測定結果から、開
先断面積Ｓを求めることができる。この断面積に適当な
余盛り量を加えた全溶接面積が決定するから、これに従
って溶接装置の溶接装置の走行速度ならびに溶接ワイヤ
供給速度を指示して溶接を行うのである。また、ｘの値
はそのまま、溶接トーチの変位量の指示値として使用す
ることができる。

【００２３】

【実施例】図５〜図11により本発明の一実施例である開
先形状検出装置について詳細に説明する。図５は開先形
状検出装置１の正面図で、10はケーシング（本体）、27
は支持アーム、11、12は支持ローラ脚で11は固定支持、
12は可動支持、13、14は測深ローラ脚で13の球状体は大
径、14は小径である。

【００２４】ケーシング10は支持ローラ脚や測深ローラ
脚の取り付けられた下部ケーシング10a と、これと嵌合
し、支持アーム27を介して溶接装置あるいは制御装置等
に連結される上部ケーシング10b とからなる。測深ロー
ラ13、14の球状体はさきに図３、４で説明したように原
理的には球体であるが、この実施例ではのちに図10で説
明するように、軸受けを設ける構造上の理由から円断面
のタイヤ部分をもつ円盤状のローラを使用している。す
なわち、開先方向から見た先端部のプロフィルが円形で
あれば、測定上はいかなるものでもよい。

【００２５】図６は図５の左方向より見た側面図で、支
持ローラ脚11、12は開先を挟んで両側に分かれて配置さ
れ、それぞれの鋼板表面に乗っているのに対し、球状体
であるローラ13、14は開先内面に押し当てられている。
溶接装置あるいは制御装置等の走行する走行レールと、
開先形状検出装置１の走行する鋼材２とは完全に同一高
さとは限らないから、高さの変動に対応するため上部ケ
ーシング10b は支持アーム27により支持し、下部ケーシ
ング10a は上部ケーシング10b とは独立に上下動できる
ように、スプリングを付設したロッド108 で吊られてい
る構造とした。また、走行レールからの距離も一定では
ないから、支持アーム27と上部ケーシング10b の接続部
分27d を開先線と直角方向に調整可能としてある。

【００２６】ケーシングを支持し、溶接設備と連結して
いる支持アーム27は検出装置側部分27a と、溶接設備側
部分27b とに分かれ、ヒンジ部27c で接続されており、
検出装置の不使用時にこれを取り外したり、図６に２点
鎖線で示すように一時上方へ退避させたりできる。開先
形状検出装置１は溶接トーチに先行して開先線上を走行
する必要があるので、支持アーム27は溶接装置３の前方
に設けなければならない。開先形状検出装置１があまり
溶接トーチに接近していると、フラックスの供給に支障
があるし、溶接金属が前方に流れた場合に不都合であ
る。また、測定から溶接までの演算時間も必要である。
なお、溶接トーチが測定位置に到達した時点で溶接条件
が適合するよう、開先形状検出に際しては検出位置の情
報が併せて記録されることは、いうまでもない。

【００２７】「作用」の項で説明したように、本発明に
おいては支持ローラ脚12と、測深ローラ脚13、14とが下
部ケーシング10a に対し上下動可能であり、支持ローラ
脚11の高さを基準にそれぞれの上下方向の高さを測定で
きる。図７は、支持ローラ脚12を例とした測定機構を説
明する部分側面図である。上下動するロッド12c の下端
部には、ローラ12a が保持器12b に挿入されて取り付け
られており、ロッドの軸と直交する平面上を任意の方向
にころがり移動しながら軽荷重を支持できる。ロッド12
c はスプリング12d により常時下方へ押しつけられてい
る。ロッド12c の上端には連結板12e が取り付けられ、
隣接して平行に設置された位置検出器22と連結されてい
る。位置検出器22としては、差動トランス、直線形ポテ
ンショメータ、抵抗式位置検出器等の電気的変位測定機
器が好適である。

【００２８】一方、本発明においては測深ローラ脚13、
14の先端部にある径の異なる２基の球状体を開先内壁に
押しつけた状態において、２基の球状体の中心の開先線
と直角方向ずれ量、すなわち「作用」の項で説明したｘ
を測定できる。したがって、この水平方向ずれ量と、開
先深さの両情報により、トーチ先端の開先に対する狙い
位置が正確に決定でき、健全な溶接部を実現することが
できる。

【００２９】図８は下部ケーシング10a の上面より見た
平面図で、支持ローラ脚11、12および測深ローラ脚13、
14はいずれもその縦ロッドの上端のみが現れて、それぞ
れの中心位置が示されている。支持ローラ脚12に対応す
る位置検出器22、測深ローラ脚13、14に対応する位置検
出器23、24についても同様である。測深ローラ脚13、14
はブロック31に取り付けられ、両側の案内軸32a 、32b
で案内されているので、ブロック31全体が開先線と平行
を保ちつつ左右に移動できる。その移動量は、ブロック
31の端部に取り付けられた鋼板33が、位置検出器25、26
を出入りすることで検出できる。図９は、鋼板33と位置
検出器25近傍の部分側面図である。

【００３０】測深ローラ脚13、14の先端に取り付けられ
る球状体の形状ならびに寸法は、測定する開先に応じ
て、適当な寸法、形状のものと交換して使用すればよい
が、重要なのはタイヤ部分の半径であり、たとえば幅37
mm、深さ59mmのＶ形開先の場合、大きい方の半径10mm、
小さい方の半径 8mmのものを使用するとよい。図10に測
深ローラ脚13の構造例を示す。13a は球状体で、タイヤ
部分の断面は半径 6.5mmの円形であり、ボス部分の円盤
は半径14mmで、中心軸13b 、ならびに軸受13c により脚
体13d に取り付けられている。上下位置測定部分ではタ
イヤ部分の中心高さh₃を測定する。この例における開先
の幅は18mm、深さは21mmである。

【００３１】図11は本実施例の構成を示す。１は開先形
状検出装置、３は溶接装置、４は制御装置で41は操作部
分、42は表示部分である。すなわち、操作部分41により
開先形状の検出を行い、「作用」の項で説明したよう
に、ｘ、h₂、h₃、h₄の測定結果から、制御部分４におい
て開先断面積Ｓを算出して溶接条件を決定し、溶接装置
３に指示するのである。測定値は表示部分で目視できる
とともにプリンタにより記録することもできる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、任意の非対称断面をも
つ開先形状、すなわち断面積ならびに水平方向変位や曲
がり量を実測して溶接装置をこれに追随させ、適正な溶
接を効率的に行うことができるという、優れた効果を奏
する。本発明によって測定した開先断面を実測したとこ
ろ、開先深さで３％、開先幅では４％、開先断面積で２
％以内であり、実際の溶着金属量でも５％以内の誤差に
とどまるという好成績であり、作業者の負担が軽減さ
れ、品質も安定した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成を示す正面図である。

【図２】本発明に係わる角鋼管柱の斜視図である。

【図３】本発明の測定原理を示す概念図である。

【図４】同じく本発明の測定原理を示す概念図である。

【図５】本発明の実施例を示す正面図である。

【図６】本発明の実施例を示す側面図である。

【図７】本発明の実施例における部分側面図である。

【図８】本発明の実施例における部分平面図である。

【図９】本発明の実施例における部分側面図である。

【図10】本発明の実施例における部分側面図である。

【図11】本発明の実施例における構成図である。

【符号の説明】

１ 形状検出装置 ２ 鋼材 ３ 溶接装置 ４ 制御装置 ５ 走行レール 10 ケーシング 11、12 支持ローラ脚 13、14 測深ローラ脚 22〜26 位置検出器 27、28 支持アーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚鋼板のサブマージアーク溶接において
   溶接トーチに先行して開先線上を走行する開先形状検出
   装置であって、開先を構成するいずれか一方の鋼板表面
   に達する固定の支持ローラ脚と、開先を構成する残る鋼
   板の表面に押し当てられる上下方向に可動な支持ローラ
   脚と、開先内部に押し当てられる径の異なる球状体を先
   端に備える上下ならびに水平方向に可動な２個の測深ロ
   ーラ脚と、前記固定支持ローラ脚を基準として、前記可
   動支持ローラ脚ならびに２個の測深ローラ脚の上下方向
   位置をそれぞれ検出する検出手段と、前記の球状体を先
   端に備える２個の測深ローラ脚の開先線と直角方向の水
   平変位を検出する検出手段とを備えることを特徴とする
   厚鋼板のサブマージアーク溶接における開先形状検出装
   置。