JP6018886B2 - 溶接方法および溶接ユニット - Google Patents

Description

本発明は、対象物に溶接を行う技術に関する。

従来より、焼却施設や発電所等に設置された鋼製の排気筒を補修するために、排気筒の外面に鋼板を溶接することが行われている。一般的に、排気筒の内面には、排気筒を保護するための塗装が施されていたり、ライニング材が設けられている。したがって、排気筒の外面への溶接を行う際には、内側の塗膜やライニング材が加熱により劣化したり損傷しないように、内面における温度上昇を抑制する必要がある。

例えば、特許文献１および特許文献２では、２つの被溶接部材に交互に溶接ビード（以下、単に「ビード」という。）を施工するウィービングビード法において、後続のビードが、先行するビードに対して隙間が空くように施工することで、温度上昇を抑制する技術が開示されている。また、特許文献１では、スタッドピンを筒身に溶接する際に、ＣＤ（capacitor discharge）溶接法を用いることにより、溶接箇所の裏面の温度上昇を抑制することが開示されている。

特許第５０３９８０１号公報 特開２０１１−１６１４６０号公報

ところで、特許文献１および特許文献２の溶接方法では、２つの被溶接部材の接合部に沿って、ビードが設けられない部分が断続的に設けられることになる。このため、接合強度が不足したり、接合強度の均一性が低下するおそれがある。また、当該溶接方法を用いた場合、実際の接合部の裏面温度が、所定の加熱制限の範囲内であるかを確認することは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、溶接部の裏面温度を所定の加熱制限の範囲内とすることを主な目的としている。

請求項１に記載の発明は、対象物の溶接部上にビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接を行う溶接方法であって、ａ）前記対象物の前記溶接部の裏面における加熱制限に基づいて、第１の溶接パスの溶接継続条件である第１継続条件、第２の溶接パスの溶接開始条件である第２開始条件、および、前記第２の溶接パスの溶接継続条件である第２継続条件を準備する工程と、ｂ）前記第１の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、ｃ）前記第１継続条件を満たしつつ前記第１の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第１の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、ｄ）前記第２開始条件が満たされるまで待機する工程と、ｅ）前記第２開始条件が満たされた状態で、前記第２の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、ｆ）前記第２継続条件を満たしつつ前記第２の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第２の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程とを備え、前記ｃ）工程が、ｃ１）前記第１の溶接パス上に形成される第１ビードの表面温度を測定する工程と、ｃ２）前記第１ビードの表面温度が、第１温度以上、かつ、前記第１温度よりも高い第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、ｃ３）前記第１の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｂ１）工程と前記ｂ２）工程とを繰り返す工程とを備え、前記高温領域の長さが所定の第１長さ以下であることが、前記第１継続条件であり、前記ｅ）工程が、ｅ１）前記第２の溶接パス上に形成される第２ビードの表面温度を測定する工程と、ｅ２）前記第２ビードの表面温度が、前記第１温度以上かつ前記第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、ｅ３）前記第２の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｅ１）工程と前記ｅ２）工程とを繰り返す工程とを備え、前記高温領域の長さが所定の第２長さ以下であることが、前記第２継続条件である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接方法であって、前記溶接部の裏面温度が所定の閾値温度以下であることが、前記第２開始条件であり、前記ｄ）工程が、ｄ１）前記溶接部の表面温度を測定する工程と、ｄ２）前記表面温度の測定結果に基づいて、前記第２開始条件の成否を判断する工程と、ｄ３）前記第２開始条件が満たされるまで、前記ｄ１）工程と前記ｄ２）工程とを繰り返す工程とを備える。

請求項３に記載の発明は、対象物の溶接部上にビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接を行う溶接ユニットであって、ロボットアームと、前記ロボットアームの先端部に取り付けられた溶接トーチとを有する溶接ロボットと、前記対象物の前記溶接部の裏面における加熱制限に基づいて決定された、第１の溶接パスの溶接継続条件である第１継続条件、第２の溶接パスの溶接開始条件である第２開始条件、および、前記第２の溶接パスの溶接継続条件である第２継続条件を記憶する記憶部と、前記第１継続条件、前記第２開始条件および前記第２継続条件の成否を判断して前記溶接ロボットを制御する制御部と、前記ロボットアームの前記先端部に取り付けられて前記溶接部の表面温度を測定するとともに、測定領域が前記溶接トーチに対して相対的に固定された温度センサとを備え、前記制御部の制御により、前記溶接ロボットが、ａ）前記第１の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、ｂ）前記第１継続条件を満たしつつ前記第１の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第１の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、ｃ）前記第２開始条件が満たされるまで待機する工程と、ｄ）前記第２開始条件が満たされた状態で、前記第２の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、ｅ）前記第２継続条件を満たしつつ前記第２の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第２の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程とを実行し、前記ｂ）工程が、ｂ１）前記第１の溶接パス上に形成される第１ビードの表面温度を測定する工程と、ｂ２）前記第１ビードの表面温度が、第１温度以上、かつ、前記第１温度よりも高い第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、ｂ３）前記第１の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｂ１）工程と前記ｂ２）工程とを繰り返す工程とを備え、前記高温領域の長さが所定の第１長さ以下であることが、前記第１継続条件であり、前記ｄ）工程が、ｄ１）前記第２の溶接パス上に形成される第２ビードの表面温度を測定する工程と、ｄ２）前記第２ビードの表面温度が、前記第１温度以上かつ前記第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、ｄ３）前記第２の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｄ１）工程と前記ｄ２）工程とを繰り返す工程とを備え、前記高温領域の長さが所定の第２長さ以下であることが、前記第２継続条件である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の溶接ユニットであって、前記溶接トーチに電力を供給するデジタルパルス電源をさらに備える。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の溶接ユニットであって、対象物の表面にスタッド溶接された複数のスタッドと、前記複数のスタッドに取り付けられて前記溶接ロボットを支持するロボット支持部とをさらに備え、前記複数のスタッドのそれぞれの直径ｄと、前記対象物の板厚ｔとの関係が、ｄ≦（２^０.５・ｔ）を満たす。

本発明では、溶接部の裏面温度を所定の加熱制限の範囲内とすることができる。

本発明の一の実施の形態に係る溶接ユニットの構成を示す図である。 筒身に設置された溶接ロボットを示す側面図である。 表示部に表示される溶接部の温度分布の一例を示す図である。 溶接ロボットの設置方法の流れを示す図である。 ボルトの直径および排気筒の板厚と裏面温度との関係を示す図である。 排気筒に溶接された鋼板を示す図である。 鋼板および排気筒の断面図である。 排気筒に対する鋼板の溶接の流れを示す図である。 排気筒に対する鋼板の溶接の流れを示す図である。 排気筒に対する鋼板の溶接の流れを示す図である。 溶接の流れの一部を示す図である。 溶接の流れの一部を示す図である。 溶接の流れの一部を示す図である。 溶接の流れの一部を示す図である。 溶接の流れの一部を示す図である。 裏面温度の変化を示す図である。 溶接部の断面マクロ写真である。 比較例の溶接を行った溶接部の断面マクロ写真である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る溶接ユニット６の構成を示す図である。溶接ユニット６は、溶接ロボット１と、駆動電源２と、温度センサ３と、記憶部４１と、制御部４２と、表示部４３とを備える。以下では、溶接ユニット６により、焼却施設や発電所等に設置された鋼製の排気筒の外面に、鋼板が溶接される場合について説明する。

図２は、排気筒９１の外面９２に取り付けられた溶接ロボット１の側面図である。図２では、溶接の対象物である排気筒９１および鋼板９４を断面にて図示する。排気筒９１の外面９２および内面９３はそれぞれ、溶接が行われる対象物の表面および裏面である。排気筒９１の内面９３には、塗膜やライニング材等の保護膜が設けられる。溶接ロボット１は、排気筒９１および鋼板９４に対し、アーク溶接の１種であるＭＡＧ溶接（metal active gas welding）を行う。溶接ロボット１は、多自由度（例えば、６自由度）のロボットアーム１１と、溶接トーチ１２とを備える。溶接トーチ１２は、ロボットアーム１１の先端部１１１に取り付けられ、ロボットアーム１１により３次元的に移動される。

溶接トーチ１２の先端部には、耐風ノズル１３が設けられる。耐風ノズル１３により、シールドガスの流量を毎分約２００リットルまで増加可能である。これにより、風速約１０ｍ／秒の環境下でも溶接を行うことができる。溶接トーチ１２には、駆動電源２（図１参照）から溶接用の電力が供給される。駆動電源２として、低電圧のデジタルパルス電源が利用される。

温度センサ３は、排気筒９１上の溶接部の表面温度を測定する。具体的には、温度センサ３は、排気筒９１の外面９２上の溶接部を撮像して溶接部の温度分布の画像を取得する。温度センサ３から出力された画像は、表示部４３（図１参照）に表示される。温度センサ３は、ロボットアーム１１の先端部１１１に取り付けられ、ロボットアーム１１により、溶接トーチ１２と共に３次元的に移動される。温度センサ３の測定領域は、溶接トーチ１２に対して相対的に固定される。

図３は、表示部４３に表示される溶接部の温度分布の一例を示す図である。図中の左側の部分は鋼板９４であり、図３では、鋼板９４のＲ処理された角部近傍が図示されている。図３では、後述する第１ビード９６１の形成途上の様子を示す。符号８１を付す実線にて囲まれる部分は、溶接トーチ１２により溶接が行われている部位に対応し、最も高温である。符号８２を付す破線にて囲まれる部分は、溶接によるビードが形成済みの部位に対応し、温度は、上述の最高温部８１よりも低い。最高温部８１の温度は、例えば、約１５００℃である。符号８２にて囲まれる部分の温度は、約１５００℃未満であり、最高温部８１に近づくに従って高温となる。

図１に示す記憶部４１および制御部４２は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶するＲＯＭ、および、各種情報を記憶するＲＡＭをバスラインに接続した一般的なコンピュータシステムの構成となっている。記憶部４１は、溶接ロボット１により行われる溶接に関する様々な情報を記憶する。制御部４２は、ロボットアーム１１による溶接トーチ１２の移動、並びに、溶接の開始、停止、中断および再開等、溶接ロボット１の動作を制御する。

図２に示すように、溶接ユニット６は、ロボット支持部５１と、複数のボルト５２とをさらに備える。複数のボルト５２は、排気筒９１の外面９２に接合される。本実施の形態では、６本のボルト５２が排気筒９１に接合される。具体的には、上下方向に３本のボルト５２が配列されたボルト列が、左右方向に２列設けられる。

ロボット支持部５１は、複数のボルト５２に取り付けられて溶接ロボット１を支持する。ロボット支持部５１は、水平方向に広がる略板状の第１部位５１１と、垂直方向に広がる略板状の第２部位５１２と、第１部位５１１と第２部位５１２とに接続される板状の第３部位５１３とを備える。第２部位５１２は、第１部位５１１の排気筒９１側の端部に接合されて排気筒９１の外面９２に対向する。第２部位５１２には、６つの貫通孔が設けられている。第３部位５１３は、第１部位５１１の下面、および、第２部位５１２の排気筒９１とは反対側の面に接合され、第１部位５１１と第２部位５１２との接合を補強する。

図４は、溶接ロボット１の設置方法の流れを示す図である。複数のボルト５２は、スタッド溶接用の溶接機により、排気筒９１の外面９２に略垂直にスタッド溶接される（ステップＳ０１）。各ボルト５２は、スタッド溶接により接合されるスタッドである。続いて、各ボルト５２にナット５３が取り付けられ、ナット５３は、排気筒９１近傍にてボルト５２に溶接される（ステップＳ０２）。

次に、第２部位５１２の６つの貫通孔に６本のボルト５２がそれぞれ挿入される。第２部位５１２は、各ボルト５２に溶接されたナット５３に接する。そして、各ボルト５２にナット５４が取り付けられ、ナット５３とナット５４とにより第２部位５１２が挟まれる。これにより、ロボット支持部５１が複数のボルト５２に取り付けられ、ロボット支持部５１の排気筒９１に対する相対位置が決定される（ステップＳ０３）。また、複数のナット５４の締め付けの程度を変更することにより、第１部位５１１の水平方向に対する傾きが調整される。

その後、溶接ロボット１が、ロボット支持部５１の第１部位５１１上に、ボルト等により着脱可能に取り付けられる（ステップＳ０４）。通常、排気筒９１の外面９２は曲面であるため、外面９２を基準として溶接ロボット１の位置決めを行うと、溶接ロボット１の位置精度の向上に限界がある。上述のように、各ボルト５２にナット５３を溶接し、ナット５３を基準としてロボット支持部５１の位置決めを行うことにより、溶接ロボット１の排気筒９１に対する相対位置を精度良く決定することができる。

ステップＳ０１にてボルト５２が溶接される際には、排気筒９１においてボルト５２が溶接される部位の内面９３の温度（以下、「裏面温度」という。）が上昇する。スタッド溶接では、ボルト５２の直径ｄが大きくなると、裏面温度の上昇量も大きくなる。一方、ボルト５２が溶接される部位における排気筒９１の板厚ｔが大きいと、裏面温度の上昇量は小さくなる。

図５は、ボルト５２の直径ｄおよび排気筒９１の板厚ｔと裏面温度との関係を示す図である。図５中において符号８５を付す直線が、ｄ＝２^０.５・ｔ（＝√（２）・ｔ）を示し、符号８６を付す直線が、ｄ＝０．４ｔを示す。スタッド溶接において通常使用されるボルト５２については、ボルト５２の直径ｄを、直線８５以下とする、すなわち、排気筒９１の板厚ｔの（２^０.５）倍以下とすることにより、裏面温度の最高温度を８０℃以下とすることができる。また、排気筒９１に対するボルト５２の接合強度を確保するという観点からは、ボルト５２の直径ｄは、直線８６以上、すなわち、排気筒９１の板厚ｔの０．４倍以上であることが好ましい。上述の溶接ロボット１の設置方法では、ボルト５２の直径ｄは、排気筒９１の板厚ｔの約０．９倍である。

これにより、ボルト５２のスタッド溶接時における裏面温度の上昇を抑制することができる。その結果、排気筒９１の内面９３に設けられた塗膜やライニング材が、スタッド溶接時の熱により劣化したり損傷することを抑制、または、防止することができる。また、ボルト５２の直径を比較的小さくすることにより、溶接ユニット６を排気筒９１から撤去する際に、作業員がハンマ等でボルト５２を叩いて排気筒９１の外面９２から容易に除去することができる。

次に、溶接ユニット６による鋼板９４の排気筒９１に対する溶接について説明する。図６は、排気筒９１に溶接された鋼板９４を示す図である。鋼板９４は、鋼板９４の全周に亘って設けられた環状の溶接部９５に対し、上述の溶接ユニット６により溶接が行われてビード９６が形成されることにより、排気筒９１の外面９２に溶接される。溶接部９５は、鋼板９４の排気筒９１に接する面の全周に亘るエッジ、並びに、鋼板９４および排気筒９１の当該エッジ近傍の部位である。

図７は、図６中のＡ−Ａの位置にて切断した断面を拡大して示す図である。図７に示すように、ビード９６は、溶接部９５上にて重ねて形成された第１ビード９６１、第２ビード９６２、第３ビード９６３、第４ビード９６４、第５ビード９６５、第６ビード９６６および第７ビード９６７を含む。ビード９６は、第１ビード９６１〜第７ビード９６７が溶接部９５上にて重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接を順次行うことにより形成される。

具体的には、溶接部９５の全周に亘って設定された環状の第１の溶接パスに沿って、溶接ロボット１の溶接トーチ１２が移動しつつＭＡＧ溶接を行うことにより、第１ビード９６１が形成される。第１ビード９６１の形成は、図６中の時計回りに行われる。第１ビード９６１が形成されると、溶接部９５の全周に亘って設定された環状の第２の溶接パスに沿って、溶接ロボット１による溶接が行われて第２ビード９６２が形成される。第２の溶接パスの始点は、第１の溶接パスの始点を含むとともに第１の溶接パスに垂直な断面上におよそ位置する。第２ビード９６２の形成も、図６中の時計回りに行われる。

以下同様に、第３ないし第７の溶接パスに沿って、第３ビード９６３、第４ビード９６４、第５ビード９６５、第６ビード９６６および第７ビード９６７の形成が、図６中の時計回りに順次行われる。第３ないし第７の溶接パスはそれぞれ、第１および第２の溶接パスと同様に、溶接部９５の全周に亘って環状に設定される。また、第３ないし第７の溶接パスのそれぞれの始点は、第２の溶接パスの始点と同様に、第１の溶接パスの始点を含むとともに第１の溶接パスに垂直な断面上におよそ位置する。

以下では、図８．Ａないし図８．Ｃを参照しつつ、排気筒９１に対する鋼板９４の溶接方法について、より詳細に説明する。まず、排気筒９１の溶接部９５の内面９３（すなわち、裏面）における加熱制限に基づいて、第１ないし第７の溶接パスのそれぞれの溶接開始条件、および、第１ないし第７の溶接パスのそれぞれの溶接継続条件が決定される。以下の説明では、第１の溶接パスの溶接開始条件および溶接継続条件をそれぞれ、「第１開始条件」および「第１継続条件」という。また、第２の溶接パスの溶接開始条件および溶接継続条件をそれぞれ、「第２開始条件」および「第２継続条件」という。第３ないし第７の溶接パスの溶接開始条件および溶接継続条件においても同様である。

加熱制限とは、溶接部９５の内面９３において許容される加熱状態である。第１開始条件とは、第１の溶接パスの始点において、第１の溶接パスに沿う溶接の開始の可否を判断するための条件であり、第１開始条件が満たされると、第１の溶接パスに沿う溶接、すなわち、第１ビード９６１の形成が開始される。第２開始条件は、第２の溶接パスの始点において、第２の溶接パスに沿う溶接の開始の可否を判断するための条件であり、第２開始条件が満たされると、第２の溶接パスに沿う溶接、すなわち、第２ビード９６２の形成が開始される。第３ないし第７開始条件も同様に、第３ないし第７の溶接パスの始点において、第３ないし第７の溶接パスに沿う溶接の開始の可否を判断するための条件である。

本実施の形態では、溶接部９５の内面９３における加熱制限は、溶接部９５の内面９３の温度（以下、「裏面温度」という。）が８０℃以上に連続的に維持される時間が２５秒以下であること、である。第１開始条件および第２開始条件は、溶接部９５の裏面温度が所定の閾値温度以下であること、である。第３開始条件ないし第７開始条件も同様に、溶接部９５の裏面温度が閾値温度以下であること、である。閾値温度は、例えば、４０℃である。

第１継続条件とは、第１の溶接パスに沿う溶接の実施中に、溶接を継続して行うことの可否を判断するための条件である。第１継続条件が満たされている間、第１の溶接パスに沿う溶接、すなわち、第１ビード９６１の形成が継続される。第１継続条件が満たされない場合、溶接は一旦中断され、第１継続条件が満たされると、第１の溶接パスに沿う溶接が再開される。第２継続条件は、第２の溶接パスに沿う溶接の実施中に、溶接を継続して行うことの可否を判断するための条件である。第２継続条件が満たされている間、第２の溶接パスに沿う溶接、すなわち、第２ビード９６２の形成が継続される。第２継続条件が満たされない場合、溶接は一旦中断され、第２継続条件が満たされると、第２の溶接パスに沿う溶接が再開される。第３ないし第７継続条件も同様に、第３ないし第７の溶接パスに沿う溶接を継続して行うことの可否を判断するための条件である。

本実施の形態では、第１継続条件は、表示部４３に表示される溶接部９５の温度分布において、図３に示す第１ビード９６１の高温領域９６１ａの長さＬ１が、所定の第１長さ以下であること、である。高温領域９６１ａとは、第１ビード９６１の表面温度が、所定の第１温度以上、かつ、所定の第２温度以下である領域である。第１温度は常温よりも高く、上記閾値温度よりも高い２００℃であり、第２温度は第１温度よりも高い８００℃である。図３中では、高温領域９６１ａを、符号８３を付す実線にて囲む。高温領域９６１ａの長さは、第１の溶接パスに沿って測定される。第１長さは、例えば３７ｍｍである。

第２継続条件は、表示部４３に表示される溶接部９５の温度分布において、第２ビード９６２の高温領域の長さが、所定の第２長さ以下であること、である。高温領域は、上述のように、第２ビード９６２の表面温度が第１温度（２００℃）以上第２温度（８００℃）以下の領域である。第２長さは、例えば４２ｍｍである。第３ないし第７継続条件も同様に、第３ビード９６３ないし第７ビード９６７の高温領域の長さが、第３ないし第７長さ以下であること、である。例えば、第３長さは５１ｍｍであり、第４長さは５０ｍｍであり、第５長さは３７ｍｍである。第６長さは３６ｍｍであり、第７長さは４８ｍｍである。

加熱制限に係る裏面温度や維持時間は、排気筒９１の内面９３に設けられる保護膜の種類等により様々に変更される。第１ないし第７開始条件に係る閾値温度は、上記加熱制限、および、排気筒９１の材質や板厚等により様々に変更される。第１ないし第７継続条件に係る第１ないし第７長さも同様に、上記加熱制限、および、排気筒９１の材質や板厚等により様々に変更される。加熱制限、第１ないし第７開始条件、および、第１ないし第７継続条件は、実験やシミュレーションにより決定される。決定された第１ないし第７開始条件、および、第１ないし第７継続条件は、予め記憶部４１（図１参照）に記憶されて準備される（ステップＳ１１）。

溶接ユニット６では、制御部４２により溶接ロボット１のロボットアーム１１が制御され、溶接トーチ１２および温度センサ３が、第１の溶接パスの始点に対応する位置に移動する。鋼板９４は、排気筒９１の外面９２に予め仮付けされている。続いて、制御部４２により、第１開始条件の成否が判断される（ステップＳ１２）。具体的には、第１の溶接パスの始点を含む溶接部９５の表面温度の分布が、温度センサ３により測定され、測定結果が制御部４２に送られる。制御部４２では、当該測定結果に基づいて、第１開始条件の成否、すなわち、溶接部９５の裏面温度が４０℃以下であるか否かが判断される。ステップＳ１２では、例えば、溶接部９５の表面温度から、事前のシミュレーション等に基づいて裏面温度が求められてもよい。また、表面温度が４０℃以下である場合に、裏面温度が４０℃以下であると判断してもよい。

第１開始条件が満たされない場合は、第１開始条件が満たされるまで待機する。外気温等の影響により第１開始条件が満たされにくい場合は、例えば、溶接部９５全体を冷却してもよい。第１開始条件が満たされると、第１の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ１３）。そして、第１継続条件を満たしつつ、溶接トーチ１２および温度センサ３が移動し、第１の溶接パスに沿う溶接が継続され、第１の溶接パスの終点にて溶接を終了する（ステップＳ１４）。

図９．Ａおよび図９．Ｂは、第１の溶接パスに沿う溶接中の溶接ユニット６の動作の詳細を示す図である。溶接が開始されると、第１の溶接パス上に形成される第１ビード９６１の表面温度が、温度センサ３により測定される（ステップＳ４１）。温度センサ３による測定結果は制御部４２に送られ、制御部４２により、表面温度が２００℃以上８００℃以下の高温領域９６１ａの長さＬ１（図３参照）が取得される（ステップＳ４２）。そして、制御部４２により、高温領域９６１ａの長さＬ１が上述の第１長さ（３７ｍｍ）以下であるか否か、すなわち、第１継続条件の成否が判断される（ステップＳ４３）。第１継続条件が満たされている場合は、溶接が継続される。

一方、第１継続条件が満たされていない場合、すなわち、高温領域９６１ａの長さＬ１が第１長さよりも長い場合は、溶接トーチ１２による溶接が中断され、溶接トーチ１２および温度センサ３の移動が停止する（ステップＳ４４）。そして、溶接が中断された状態で、ステップＳ４１，Ｓ４２と同様に、第１ビード９６１の表面温度の測定、および、高温領域９６１ａの長さＬ１の取得が行われる（ステップＳ４５，Ｓ４６）。溶接ユニット６では、第１継続条件が満たされるまで（ステップＳ４７）、すなわち、高温領域９６１ａの長さＬ１が第１長さ以下となるまで、ステップＳ４５，Ｓ４６が繰り返される。第１継続条件が満たされると、溶接が再開される（ステップＳ４８）。

溶接ユニット６では、溶接トーチ１２が第１の溶接パスの終点に至るまで（ステップＳ４９）、上述のステップＳ４１〜Ｓ４３（溶接が中断された場合は、ステップＳ４１〜Ｓ４８）が繰り返される。第１の溶接パスの終点まで第１ビード９６１が形成されると、当該終点にて第１の溶接パスに沿う溶接が終了する。

第１ビード９６１の形成が終了すると、溶接トーチ１２による溶接が停止され、溶接トーチ１２および温度センサ３の移動も停止される。溶接トーチ１２および温度センサ３は、第２開始条件が満たされるまで停止した状態で待機する（ステップＳ１５）。

具体的には、図１０に示すように、第２の溶接パスの始点を含む溶接部９５の表面温度の分布が、温度センサ３により測定され、測定結果が制御部４２に送られる（ステップＳ５１）。制御部４２では、当該測定結果に基づいて、第２開始条件の成否、すなわち、溶接部９５の裏面温度が４０℃以下であるか否かが判断される（ステップＳ５２）。ステップＳ５２では、例えば、溶接部９５の表面温度から、事前のシミュレーション等に基づいて裏面温度が求められてもよい。また、表面温度が４０℃以下である場合に、裏面温度が４０℃以下であると判断してもよい。第２開始条件が満たされない場合、第２開始条件が満たされるまで、ステップＳ５１，Ｓ５２が繰り返される。外気温等の影響により第２開始条件が満たされにくい場合、あるいは、待機時間を短くしたい場合は、例えば、溶接部９５全体を冷却してもよい。

第２開始条件が満たされると、溶接待機状態が解除され、第２の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ１６）。そして、第２継続条件を満たしつつ、溶接トーチ１２および温度センサ３が移動し、第２の溶接パスに沿う溶接が継続され、第２の溶接パスの終点にて溶接が終了する（ステップＳ１７）。

図１１．Ａおよび図１１．Ｂは、第２の溶接パスに沿う溶接中の溶接ユニット６の動作の詳細を示す図である。第２の溶接パスに沿う溶接の流れは、第１の溶接パスに沿う溶接の流れと同様である。溶接が開始されると、第２の溶接パス上に形成される第２ビード９６２の表面温度が、温度センサ３により測定される（ステップＳ６１）。温度センサ３による測定結果は制御部４２に送られ、制御部４２により、表面温度が２００℃以上８００℃以下の高温領域の長さが取得される（ステップＳ６２）。そして、制御部４２により、高温領域の長さが上述の第２長さ（４２ｍｍ）以下であるか否か、すなわち、第２継続条件の成否が判断される（ステップＳ６３）。第２継続条件が満たされている場合は、溶接が継続される。

一方、第２継続条件が満たされていない場合、すなわち、高温領域の長さが第２長さよりも長い場合は、溶接トーチ１２による溶接が中断され、溶接トーチ１２および温度センサ３の移動が停止する（ステップＳ６４）。そして、溶接が中断された状態で、ステップＳ６１，Ｓ６２と同様に、第２ビード９６２の表面温度の測定、および、高温領域の長さの取得が行われる（ステップＳ６５，Ｓ６６）。溶接ユニット６では、第２継続条件が満たされるまで（ステップＳ６７）、すなわち、高温領域の長さが第２長さ以下となるまで、ステップＳ６５，Ｓ６６が繰り返される。第２継続条件が満たされると、溶接が再開される（ステップＳ６８）。

溶接ユニット６では、溶接トーチ１２が第２の溶接パスの終点に至るまで（ステップＳ６９）、上述のステップＳ６１〜Ｓ６３（溶接が中断された場合は、ステップＳ６１〜Ｓ６７）が繰り返される。第２の溶接パスの終点まで第２ビード９６２が形成されると、当該終点にて第２の溶接パスに沿う溶接が終了する。

第２ビード９６２の形成が終了すると、溶接トーチ１２による溶接が停止され、溶接トーチ１２および温度センサ３の移動も停止される。溶接トーチ１２および温度センサ３は、第３開始条件が満たされるまで停止した状態で待機する（ステップＳ１８）。待機時の具体的な動作は、図１０に示すステップＳ５１〜Ｓ５２と同様である。第３開始条件が満たされると、溶接待機状態が解除され、第３の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ１９）。そして、第３継続条件を満たしつつ、溶接トーチ１２および温度センサ３が移動し、第３の溶接パスに沿う溶接が継続され、第３の溶接パスの終点にて溶接が終了する（ステップＳ２０）。溶接時の具体的な動作は、図９．Ａおよび図９．Ｂに示すステップＳ４１〜Ｓ４９、および、図１１．Ａおよび図１１．Ｂに示すステップＳ６１〜Ｓ６９と同様である。

以下同様に、第４開始条件が満たされるまで待機し、第４開始条件が満たされると、第４の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ２１，Ｓ２２）。第４継続条件を満たしつつ第４の溶接パスに沿う溶接が継続され、第４の溶接パスの終点にて溶接が終了する（ステップＳ２３）。続いて、第５開始条件が満たされるまで待機し、第５の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ２４，Ｓ２５）。溶接は、第５継続条件を満たしつつ継続され、第５の溶接パスの終点にて終了する（ステップＳ２６）。

次に、第６開始条件が満たされるまで待機し、第６の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ２７，Ｓ２８）。溶接は、第６継続条件を満たしつつ継続され、第６の溶接パスの終点にて終了する（ステップＳ２９）。そして、第７開始条件が満たされるまで待機し、第７の溶接パスに沿う溶接が開始される（ステップＳ３０，Ｓ３１）。溶接は、第７継続条件を満たしつつ継続され、第７の溶接パスの終点にて終了する（ステップＳ３２）。これにより、図６および図７に示すように、鋼板９４の周囲の溶接部９５にビード９６が形成され、排気筒９１の外面９２に対する鋼板９４の溶接が終了する。

以上に説明したように、溶接ユニット６では、溶接部９５上にてビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って、複数回の溶接を溶接ロボット１により行うことにより、１回のみの溶接で鋼板９４を排気筒９１に溶接する場合に比べ、溶接部９５の裏面温度の上昇を抑制することができる。

また、第１の溶接パスに沿う溶接と、第２の溶接パスに沿う溶接との間にて溶接が一旦停止され、上述の加熱制限に基づいて決定された第２開始条件が満たされるまで、溶接を開始することなく待機する。他の溶接パス間における待機工程においても同様である。このように、加熱制限に基づいて溶接パス間の待機工程が管理されることにより、溶接部９５の裏面温度を、所定の加熱制限の範囲内とすることができる。

さらに、第１の溶接パスに沿う溶接が、加熱制限に基づいて決定された第１継続条件を満たしつつ継続され、第２の溶接パスに沿う溶接が、加熱制限に基づいて決定された第２継続条件を満たしつつ継続される。他の溶接パスに沿う溶接においても同様である。このように、加熱制限に基づいて各溶接パスに沿う溶接の継続が管理されることにより、各溶接パスに沿う溶接の実施時における溶接部９５の裏面温度を、所定の加熱制限の範囲内とすることができる。

図１２は、溶接部９５上の所定の位置における裏面温度の変化を示す図である。図１２は、溶接ユニット６による排気筒９１に対する鋼板９４の溶接と同様の溶接を、溶接部９５の裏面温度を計測可能な状態で再現した場合の裏面温度を示す。図中の裏面温度の７つのピークは、第１ないし第７の溶接パスに沿う溶接において、溶接トーチ１２が、上記所定の位置上を通過した際の温度である。各ピーク温度は、約１１０℃以上、かつ、約１４０℃以下であり、各ピーク近傍において、裏面温度が８０℃以上に連続的に維持される時間は、２５秒以下である。

図１３は、溶接ユニット６により形成されたビード９６の断面マクロ写真である。また、図１４は、溶接ユニット６による溶接とは異なる比較例の溶接方法により形成されたビードの断面マクロ写真である。比較例の溶接方法では、１つの溶接パスに沿う１回の手棒溶接により、ビード９６とおよそ等しい脚長を有するビードが形成される。図１３における希釈率は、図１４における希釈率の約４０％である。

このように、溶接ユニット６では、溶接部９５の裏面温度を、所定の加熱制限の範囲内とすることができる。また、比較例の溶接方法に比べて、溶接部９５における希釈率を低くする（すなわち、溶接部９５への溶け込みを小さくする）ことができる。その結果、排気筒９１の内面９３に設けられた保護膜の損傷を抑制または防止することができる。

上述のように、溶接ユニット６では、第２の溶接パスに沿う溶接開始前の待機工程（ステップＳ１５）において、溶接部９５の表面温度を測定する工程、および、表面温度の測定結果に基づいて第２開始条件の成否が判断される工程（ステップＳ５１，Ｓ５２）が、第２開始条件が満たされるまで繰り返される。これにより、第２開始条件の成否を精度良く判断することができる。第３ないし第７の溶接パスに沿う溶接開始前の待機工程においても同様である。

溶接ユニット６では、第１の溶接パスに沿う溶接において、第１ビード９６１の表面温度を測定する工程、および、表面温度が第１温度以上第２温度以下（２００℃以上８００℃以下）の高温領域９６１ａの長さＬ１を取得する工程（ステップＳ４１，Ｓ４２）が、第１の溶接パスの終点まで繰り返される。そして、高温領域９６１ａの長さＬ１が第１長さ（３７ｍｍ）以下であるという第１継続条件が満たされていれば溶接を継続し、第１継続条件が満たされていない場合は、第１継続条件が満たされるまで溶接が中断される。これにより、第１の溶接パスに沿う溶接において、第１継続条件の成否を容易かつ精度良く判断することができる。

また、第２の溶接パスに沿う溶接において、第２ビード９６２の表面温度を測定する工程、および、表面温度が第１温度以上第２温度以下（２００℃以上８００℃以下）の高温領域の長さを取得する工程（ステップＳ６１，Ｓ６２）が、第２の溶接パスの終点まで繰り返される。そして、高温領域の長さが第２長さ（４２ｍｍ）以下であるという第２継続条件が満たされていれば溶接を継続し、第２継続条件が満たされていない場合は、第２継続条件が満たされるまで溶接が中断される。これにより、第２の溶接パスに沿う溶接において、第２継続条件の成否を容易かつ精度良く判断することができる。第３ないし第７の溶接パスに沿う溶接においても同様である。

上述のように、溶接ユニット６では、溶接トーチ１２の先端部に耐風ノズル１３が設けられることにより、風速約１０ｍ／秒の環境下でも溶接を行うことができる。このため、溶接ユニット６は、屋外構造物である排気筒９１の外面９２に対する溶接等、屋外における溶接に特に適している。溶接ユニット６では、駆動電源２としてデジタルパルス電源が利用される。これにより、溶接部９５への低入熱を容易に実現することができる。

さらに、溶接ユニット６では、溶接対象物である排気筒９１の外面９２にロボット支持部５１を取り付け、ロボット支持部５１により溶接ロボット１が支持される。これにより、排気筒９１が風等の影響により揺れている状態であっても、溶接部９５に対して溶接ロボット１が相対的に固定されることになり、精度良く溶接を行うことができる。

上述の溶接ユニット６および溶接方法では、様々な変更が可能である。

第２開始条件は、溶接部９５の裏面温度が所定の閾値温度以下であることには限定されず、例えば、第１の溶接パスに沿う溶接終了後の経過時間が所定の閾値時間以上であること、であってもよい。閾値時間は、実験やシミュレーションにより求められた溶接終了後の経過時間と裏面温度との関係に基づいて予め決定される。あるいは、第２開始条件は、溶接部９５の表面温度が所定の閾値温度以下であること、であってもよい。他の溶接開始条件においても同様である。

第１継続条件に係る高温領域９６１ａを規定する第１温度および第２温度は、適宜変更されてよい。ただし、第１温度は、常温よりも高く、上記閾値温度よりも高い温度に設定され、第２温度は第１温度よりも高い温度に設定される。本発明に関連する技術では、第１継続条件は、高温領域９６１ａの長さが第１長さ以下であることには限定されず、例えば、最高温部８１の大きさが所定の大きさ以下であること、であってもよい。第２ないし第７継続条件においても同様である。

駆動電源２および温度センサ３の種類は、様々に変更されてよい。例えば、温度センサ３として、溶接部９５における各位置の温度を数値にて表示するものが利用されてもよい。また、温度センサ３は、必ずしもロボットアーム１１の先端部１１１に取り付けられる必要はなく、例えば、溶接部９５の全体の温度を同時に測定する温度センサが、排気筒９１に対して相対的に固定されてもよい。

溶接ロボット１による溶接は、ＭＡＧ溶接以外のアーク溶接でもよく、レーザ溶接等、アーク溶接以外の溶接であってもよい。また、排気筒９１に対する溶接ロボット１の相対位置が、風等により大きく変化しないのであれば、溶接ロボット１は、必ずしも、排気筒９１に取り付けられたロボット支持部５１に取り付けられる必要はない。溶接ロボット１は、例えば、排気筒９１近傍に位置するゴンドラ内に設置されてもよい。

上述の溶接方法では、溶接部９５上にビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接が行われるのであれば、溶接パスの個数は７には限定されない。なお、ステップＳ０１〜Ｓ０４に示す溶接ロボットの設置方法は、複数の溶接パスに沿う上記溶接を行わない溶接ロボットの設置の際に利用されてもよい。

上述の溶接方法では、第２開始条件の成否が制御部４２により判断されるが、第２開始条件の成否は、作業員が、表示部４３に表示された溶接部９５の表面温度を目視して判断してもよい。作業員は、第２開始条件が満たされたと判断すると、溶接ロボット１に、第２の溶接パスに沿う溶接の開始を指示する。この場合も、第２開始条件の成否を精度良く判断することができる。他の溶接開始条件の成否の判断においても同様である。

また、第１ないし第７継続条件の成否も、作業員が、表示部４３に表示された溶接部９５の表面温度の分布を目視して判断してもよい。あるいは、上述の高温領域の長さが制御部４２により取得されて表示部４３に表示され、作業員が、表示された長さを目視して第１ないし第７継続条件の成否を判断してもよい。作業員は、第１ないし第７継続条件が満たされていると判断すると、溶接ロボット１に溶接を継続させ、第１ないし第７継続条件が満たされていないと判断すると、溶接ロボット１による溶接を中断させる。この場合も、第１ないし第７継続条件の成否を容易かつ精度良く判断することができる。

さらには、上記溶接方法では、溶接部９５に対する溶接は、溶接ロボット１を利用することなく、作業員による半自動溶接や手棒溶接により行われてもよい。この場合であっても、上述のように、所定の加熱制限に基づいて決定された溶接開始条件により、溶接パス間の待機工程が管理されることにより、溶接部９５の裏面温度を当該加熱制限の範囲内とすることができる。また、加熱制限に基づいて決定された溶接継続条件により、各溶接パスに沿う溶接の継続が管理されることにより、各溶接パスに沿う溶接の実施時における溶接部９５の裏面温度を加熱制限の範囲内とすることができる。

上記溶接ユニット６および溶接方法は、排気筒９１に対する鋼板９４の溶接以外の様々な対象物に対する溶接に利用されてよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ 溶接ロボット
２ 駆動電源
３ 温度センサ
６ 溶接ユニット
１１ ロボットアーム
１２ 溶接トーチ
４１ 記憶部
４２ 制御部
５１ ロボット支持部
５２ ボルト
９１ 排気筒
９２ （排気筒の）外面
９３ （排気筒の）内面
９４ 鋼板
９５ 溶接部
９６ ビード
１１１ （ロボットアームの）先端部
９６１ 第１ビード
９６１ａ 高温領域
９６２ 第２ビード
９６３ 第３ビード
９６４ 第４ビード
９６５ 第５ビード
９６６ 第６ビード
９６７ 第７ビード
Ｓ０１〜Ｓ０４，Ｓ１１〜Ｓ３２，Ｓ４１〜Ｓ４９，Ｓ５１〜Ｓ５２，Ｓ６１〜Ｓ６９ ステップ

Claims (5)

1. 対象物の溶接部上にビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接を行う溶接方法であって、
   ａ）前記対象物の前記溶接部の裏面における加熱制限に基づいて、第１の溶接パスの溶接継続条件である第１継続条件、第２の溶接パスの溶接開始条件である第２開始条件、および、前記第２の溶接パスの溶接継続条件である第２継続条件を準備する工程と、
   ｂ）前記第１の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、
   ｃ）前記第１継続条件を満たしつつ前記第１の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第１の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、
   ｄ）前記第２開始条件が満たされるまで待機する工程と、
   ｅ）前記第２開始条件が満たされた状態で、前記第２の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、
   ｆ）前記第２継続条件を満たしつつ前記第２の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第２の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、
   を備え、
   前記ｃ）工程が、
   ｃ１）前記第１の溶接パス上に形成される第１ビードの表面温度を測定する工程と、
   ｃ２）前記第１ビードの表面温度が、第１温度以上、かつ、前記第１温度よりも高い第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、
   ｃ３）前記第１の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｂ１）工程と前記ｂ２）工程とを繰り返す工程と、
   を備え、
   前記高温領域の長さが所定の第１長さ以下であることが、前記第１継続条件であり、
   前記ｅ）工程が、
   ｅ１）前記第２の溶接パス上に形成される第２ビードの表面温度を測定する工程と、
   ｅ２）前記第２ビードの表面温度が、前記第１温度以上かつ前記第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、
   ｅ３）前記第２の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｅ１）工程と前記ｅ２）工程とを繰り返す工程と、
   を備え、
   前記高温領域の長さが所定の第２長さ以下であることが、前記第２継続条件であることを特徴とする溶接方法。
2. 請求項１に記載の溶接方法であって、
   前記溶接部の裏面温度が所定の閾値温度以下であることが、前記第２開始条件であり、
   前記ｄ）工程が、
   ｄ１）前記溶接部の表面温度を測定する工程と、
   ｄ２）前記表面温度の測定結果に基づいて、前記第２開始条件の成否を判断する工程と、
   ｄ３）前記第２開始条件が満たされるまで、前記ｄ１）工程と前記ｄ２）工程とを繰り返す工程と、
   を備えることを特徴とする溶接方法。
3. 対象物の溶接部上にビードが重なるように設定された複数の溶接パスに沿って複数回の溶接を行う溶接ユニットであって、
   ロボットアームと、前記ロボットアームの先端部に取り付けられた溶接トーチとを有する溶接ロボットと、
   前記対象物の前記溶接部の裏面における加熱制限に基づいて決定された、第１の溶接パスの溶接継続条件である第１継続条件、第２の溶接パスの溶接開始条件である第２開始条件、および、前記第２の溶接パスの溶接継続条件である第２継続条件を記憶する記憶部と、
   前記第１継続条件、前記第２開始条件および前記第２継続条件の成否を判断して前記溶接ロボットを制御する制御部と、
   前記ロボットアームの前記先端部に取り付けられて前記溶接部の表面温度を測定するとともに、測定領域が前記溶接トーチに対して相対的に固定された温度センサと、
   を備え、
   前記制御部の制御により、前記溶接ロボットが、
   ａ）前記第１の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、
   ｂ）前記第１継続条件を満たしつつ前記第１の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第１の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、
   ｃ）前記第２開始条件が満たされるまで待機する工程と、
   ｄ）前記第２開始条件が満たされた状態で、前記第２の溶接パスに沿う溶接を開始する工程と、
   ｅ）前記第２継続条件を満たしつつ前記第２の溶接パスに沿う溶接を継続し、前記第２の溶接パスの終点にて溶接を終了する工程と、
   を実行し、
   前記ｂ）工程が、
   ｂ１）前記第１の溶接パス上に形成される第１ビードの表面温度を測定する工程と、
   ｂ２）前記第１ビードの表面温度が、第１温度以上、かつ、前記第１温度よりも高い第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、
   ｂ３）前記第１の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｂ１）工程と前記ｂ２）工程とを繰り返す工程と、
   を備え、
   前記高温領域の長さが所定の第１長さ以下であることが、前記第１継続条件であり、
   前記ｄ）工程が、
   ｄ１）前記第２の溶接パス上に形成される第２ビードの表面温度を測定する工程と、
   ｄ２）前記第２ビードの表面温度が、前記第１温度以上かつ前記第２温度以下である高温領域を検出し、前記高温領域の長さを取得する工程と、
   ｄ３）前記第２の溶接パスの前記終点にて溶接を終了するまで、前記ｄ１）工程と前記ｄ２）工程とを繰り返す工程と、
   を備え、
   前記高温領域の長さが所定の第２長さ以下であることが、前記第２継続条件であることを特徴とする溶接ユニット。
4. 請求項３に記載の溶接ユニットであって、
   前記溶接トーチに電力を供給するデジタルパルス電源をさらに備えることを特徴とする溶接ユニット。
5. 請求項３または４に記載の溶接ユニットであって、
   対象物の表面にスタッド溶接された複数のスタッドと、
   前記複数のスタッドに取り付けられて前記溶接ロボットを支持するロボット支持部と、
   をさらに備え、
   前記複数のスタッドのそれぞれの直径ｄと、前記対象物の板厚ｔとの関係が、
   ｄ≦（２^０.５・ｔ）
   を満たすことを特徴とする溶接ユニット。