JPS5832034B2 - 曲面等の立向き溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、溶接の進行につれて傾斜角度が変化する曲
面等を溶込み量および母材光、裏の溶込み比を一定に維
持しながら立向き溶接するための曲面等の立向き溶接方
法に関する。

一般に、立向き溶接は自動エレクトロガス溶接装置等に
よって行うが、いずれも溶接台車を母材に対してその開
先に泊って上進可能に添設し、その溶接台車に取付けた
溶接トーチを開先内に挿入し、その溶接トーチを通して
溶接ワイヤを当金に囲まれた溶接部に連続的に送結する
ようにしている。

ところで、通常溶接トーチは溶接台車に対してその取付
角度を調整可能に取付けているが、実際の溶接例えば垂
直面、一定傾斜角度の傾斜面の溶接に当ってはその取付
角度を調整した一定角度に維持するのが普通である。

また、アーク電流、アーク電圧、ワイヤ突き出し長さ等
によって決まる溶接入熱量をも一定に維持するのが普通
である。

垂直面、一定傾斜角度の傾斜面を溶接する場合にあって
は、そのように溶接トーチの取付角度および溶接入熱量
を一定に維持することによって良好な溶接結果を期待で
きるが、曲面等のようにその傾斜角度が溶接の進行につ
れて変イヒする場合にあっては良好な溶接結果が得られ
なかった。

すなわち曲面等を前述した従来の立向き溶接方法を適用
して溶接した場合、全溶接長にわたって溶込み量および
母材の表、裏における溶込み比が均一で、一定幅のビー
ドを形成することができない問題があった。

この発明は、このような問題を解消するためになされた
もので、曲面等溶接の進行につれて傾斜角度が変化する
場合にあっても、その傾斜角度の変化に関係なく溶込み
量および母材表裏の溶込み比を均一に保持することがで
き、全溶接長にわたって品質が一定なビードを形成する
ことができる曲面等の立向き溶接方法を提供しようとす
るものである。

今、第１図、第２図に示すように母材傾斜角θがθ１．
θ２（Ｇ１くＧ２）と異なる場合について考えると、溶
接合車は母材に泊って上進するので母材の傾斜に略一致
して傾斜する。

したがって溶接合車に対する溶接トーチの取付角度を一
定に維持した場合、溶接トーチの母材に対する傾斜角度
は母材の傾斜角度に関係なく、一定角度α。

に保持される。

このため、母材の傾斜角度θ１．θ２に応じて溶融池の
湯面に対するワイヤ狙い角度がＧ１゜Ｇ２（Ｇ１〉Ｇ２
）と変化する。

また、母材の板厚ｄが一定であっても母材の傾斜角度に
よって実効板厚がＤｌ、Ｄ２（Ｄｌ〉Ｄ２）と変化する
。

したがって溶融池の湯面の面積が母材の傾斜角度によっ
て変化するので、溶接入熱量を一定に維持した場合、傾
斜角度の変化につれて湯面単位面積当りの入熱量が変化
し、このため溶込み量が変化すると考えられる。

また、母材の傾斜角度によってワイヤ狙い角度が変化す
るので、それによってアーク力による溶融池における溶
融金属の母材裏面側への流動量に差が生じ、その結果裏
側と表側との溶込み比率が変化する。

したがって、曲面等の立向き溶接においては溶融池の湯
面に対するワイヤ狙い角度および湯面単位面積当りの入
熱量を一定に保持することによって前記問題を解決する
ことができる。

そこで、第３図によって、母材の曲面部を微小距離△ｌ
だけ溶接する場合について考察する。

なお、この場合母材の板厚をｄ１開先形状を■形、その
間隔をＧ１溶接部の傾斜角度をθとし、アーク電圧Ｖａ
、アーク電ｆｉＩａを一定とし、単位時間当りの金属溶
着量が体積表示でｍ１溶接所要時間が△ｔであるとする
。

そうすると、その溶接で溶融金属を充填すべき開先空間
の体積Ｖ１は、微小距離△ｌが直線として近似できるの
で、次の（１）式で与えられる。

また、△を時間において溶接ワイヤから開先内に移行し
た溶融金属の体積■２は次の（２）式で与えられる。

が成立する。

また、△を時間に母材に与えられた溶接入熱量Ｑは、そ
の効率をηとすると、 で与えられる。

さらに、母材の板厚ｄと実効板厚りとの間には、の関係
が成立する。

したがって、前記（３） 、 （４） 、 （５）式か
ら、溶融池の単位面積当りの入熱量ｑは となる。

この（６）式において、■ａ・Ｉａ・η・△ｌはθが変
化しても常に一定であるので、 とすれば、前記（６）式は、 と表わすことができる。

ところで、単位時間当りの金属溶着量ｍはワイヤ溶融速
度に比例し、ワイヤ溶融速度はワイヤ突き出し長さＬｅ
ｘにはゾ比例するとして、の関係が成立する。

したがって、傾斜角θとワイヤ突き出し長さＬｅｘとの
間に の関係が成立つようにすれば、（ｓ） 、 （９） 、
（１０）式から、の関係が成立する。

そこで、 とすれば、 となる。

ところで、溶接すべき母材の実用的な傾斜角の範囲は４
５°〜９０°であるから、 と近似することができ、湯面単位面積当りの入熱量ｑを
母材の傾斜角θに無関係に常に略一定とすることができ
る。

また、一方上記の関係式において、 の関係が成立するようにすれば、前記の場合と同様母材
の傾斜角θの変化に応じて湯面単位面積当りの入熱量ｑ
を母材の傾斜角θに無関係に常に略一定とすることがで
きる。

一方、溶融池の湯面に如するワイヤ狙い角度αは、母材
の傾斜角度θの変化に応じて溶接トーチの溶接台車に対
する取付角度α。

を変化させることによって傾斜角度θに無関係に一定に
保持することができる。

この発明はこのような究明結果に基いてなされたもので
、母材の溶接部における傾斜角度θに応じて溶接トーチ
の溶接台車に対する取付角度α。

を変化させて溶融池の湯面に対するワイヤ狙い角度αを
常に一定に保持するとともに、上記傾斜角θの変イしに
応じて単位時間当りの金属溶着量ｍを変化させたり、ま
たアーク電圧Ｖａを変化させて溶融池の湯面単位面積当
りの入熱量ｑを常に一定に保持することを特徴とするも
のである。

以下、この発明の実施例を第４図を参照して説明する。

母材１の曲面部（なお、図では単なる傾斜板として画い
である。

）に、その母材１の開先２に泊って上進可能に溶接台車
３を添着している。

溶接台車３は母材１の表側に表台車４を配置するととも
に母材１の裏側、つまり凹曲面側に裏台車５を対向させ
て配置している。

そして、両台車３，４を加圧機構６によって母材１に圧
着させている。

加圧機構６は、先端ねじ部が表台車４を貫通し、後端部
が開先２を通して裏台車５にピン７によって枢着された
連結枠８と、その連結枠８の先端ねじ部に螺着したナツ
ト９とそのナツト９と表台車４との間に介挿した加圧ス
プリング１０とで構成されている。

なお、表台車４はその中央部を開先２内に嵌合する大径
にしたガイドローラ１１を上、下端部に有し、また裏台
車５は受はローラ１２をその上、下端部に有する。

溶接台車３を形成する表および裏台車４，５はそれぞれ
その下端部から下方に母材１に泊って延張する支持アー
ム１３゜１４を有する。

この支持アーム１３，１４はそれぞれ表および裏台車４
，５に対して母材１方向に回動自在に装着されており、
またスプリング部材（図示せず）によって母材１方向に
弾性偏倚されている。

支持アーム１３，１４はそれぞれ下端に母材１の開先２
部の表、裏に摺接し、溶接部を囲むつまり開先２から溶
融金属が流れ落ちるのを防止し、溶融池１５を形成する
水冷当金１６，１７を保持している。

この水冷当金１６，１７は図には詳細に示していないが
母材１の曲面に沿うように支持アーム１３．１４に回動
可能に支持されており、またスプリング部材（図示せず
）によって母材１に圧接されるようになっている。

ところで、母材１の表側に設けられた支持アーム１３に
は溶融池１５、□望ましくはその溶融池１５上方で発生
するアーク点１Ｂに隣接する部位に支点ピン１９によっ
て回動アーム２０の一端を回動自在に枢着している。

この支点ピン１９の位置は、回動アーム２０の回動、特
に突さ出される容接ワイヤの突き出し長さＬｅｘが母材
１の溶接部における傾斜角θに比例するような位置に規
定されている。

回動アーム２０の中央部に電動シリンダ２１の胴部を支
点ピン２２によって回動自在に枢着している。

電動シリンダ２１は、その伸縮ロッド２３の先端を支持
アーム１３の上端部に支点ピン２４によって回動自在に
枢着している。

そうして、回動アーム２０の他端部にワイヤ送給モータ
２５の胴部を、その出力軸側を母材１方向に向けて装着
している。

そして、そのモータ２５の出力軸側にフレーム２６を装
着し、そのフレーム２６に溶接トーチ２７の基端部を装
着している。

この溶接トーチ２７はその先端を母材１の開先２内に延
在している。

溶接トーチ２７の先端は下向に彎曲しており、送給され
る溶接ワイヤＷを溶融池１５の中心部に案内するように
なっている。

フレーム２６には溶接ワイヤＷを溶接トーチ２７に連続
的に送り込むワイヤ送給機構２８が設けられている。

このワイヤ送給機構２８は溶接トーチ２７の基端部にア
ウトレット２９を設けるとともにその成端側にインレッ
ト３０を設け、そのアウトレット２９とインレット３０
との間にモータ２５に駆動される送給ローラ３１とその
ローラ３１に溶接ワイヤＷを圧接する加圧ロール３２を
設けたものである。

そして、ワイヤ送給モーフ２５の胴部上面に母材１の溶
接部の傾斜角検出装置として例えば航空機等で姿勢制御
に使用されているジャイロ装置３３を設置している。

このジャイロ装置３３は自身の中心軸Ｓの垂直軸ｖｌに
対する傾斜角Ａを検出し、その傾斜角Ａに比例した電気
信号例えば電圧Ｅａを出力するものである。

ところで、このジャイロ装置３３の傾斜姿勢は支点ピン
２２．２４間を結ぶ電動シリンダ２１の伸縮ロッド２３
の長さおよび支持アーム１３の垂直軸ｖｌに対する傾斜
角度、換言すれば支持アーム１３は母材１３に略平行な
状態に設けられているので、母材１の水平軸ｈｌに対す
る傾斜角θによって決まる。

一方、溶融池１５の湯面に対するワイヤ狙い角度αは、
溶接トーチ２７がジャイロ装置３３と一体化されている
ので、そのジャイロ装置３３の傾斜角へによって決まる
。

したがって、そのワイヤ狙い角度αを設定した一定角度
に保つためには、ジャイロ装置３３の傾斜角度Ａを常に
一定に保てばよいので、ジャイロ装置３３の傾斜角度Ｎ
が設定した所定角度（この角度はワイヤ狙い角度を設定
することによって決まる。

）を保っているときの出力電圧に等しい基準電圧Ｅｓを
設定し、その基準電圧Ｅｓとジャイロ装置３３の出力電
圧Ｅａとを比較し、その差が零となるように、その差電
圧を制御信号として電気シリンダ２１の伸縮ロッド２３
の伸張長さを制御するようにしている。

つまり、ジャイロ装置３３の傾斜角度Ａが一定になるよ
うに電気シリンダ２１の伸縮ロッド２３の伸張長さを制
御するということは、母材１の溶接部における傾斜角度
θの変化に応じて溶接トーチ２７の溶接台車３に対する
取付角度α。

を変化させて溶融池１５の湯面に対するワイヤ狙い角度
αを常に一定に保持するということになる。

また、前記溶接トーチ２７の先端部と、該溶接トーチ２
７を支承する支点ピン１９と、アーク点１８とは厳密に
いうと、特殊な位置関係、つまり、溶融池１５の湯面に
対するワイヤ狙い角度αが常に一定になるように前記溶
接トーチ２７の溶接台車３に対する取付角度α。

を変イヒさせた場合に、ワイヤＷの突き出し長さＬｅｘ
と母材１の溶接部における傾斜角度θとの間に前述した
第（１０）式により表わされる関係、つまり、Ｌｅｘ＝
に３・θなる関係が成り立つような位置関係に相互配置
されている。

しかして、このような構成のものであれは、溶接の進行
によって母材１の溶接部の傾斜角度θが変化しても、ジ
ャイロ装置３３がそれを検出して電気シリンダ２１の伸
縮ロッド２３を作動させ、溶接トーチ２７の溶接台車３
に対する取付角度α。

を変化させて溶融池１５の湯面に対するワイヤ狙い角度
αを常に一定に保持するように制御することになる。

したがって、母材１の傾斜角度の変化に関係なく母材１
表裏の溶込み比を均一にすることができるという効果が
得られる。

しかも、溶接トーチ２７の先端部と、該溶接トーチ２７
を支承する支点ピン１９と、アーク点１８とを特殊な位
置関係、つまり、溶融池１５の湯面に対するワイヤ狙い
角度αが常に一定になるように前記溶接トーチ２７の溶
接台車３に対する取付角度α０を変化させた場合に、ワ
イヤＷの突き出し長さＬｅｘと母材１の溶接部の傾斜角
度θとの間にＬｅｘ ＝ ｋ３・θなる関係（ｋ３は定
数）が成り立つような位置関係に相互配置しているので
、前述シタ第（１０）（１１） （１２） （１３）
（１４）式カラモ明らかなように、湯面単位面積当りの
入熱量ｑを母材１の溶接部における傾斜角度θに関係な
く常に略一定の値にすることができる。

つまり、前記傾斜角度θに応じて溶融池１５の湯面面積
が変化しても、それに応じて溶接入熱量Ｑが変化し、前
記溶融池の湯面単位面積当りの入熱量ｑが常に略一定に
保持される。

したがって、前記傾斜角度θの変化に応じてビード幅が
変わるというような不都合がなく、全溶接長にわたって
一定幅のビードを形成することができるという効果が得
られる。

なお、第５図は前記実施例における母材の傾斜角度θの
変化に対する母材表裏のビード幅の変化傾向を従来の溶
接トーチの取付角度α。

を調整しないものと比較して示す図で、前記実施例によ
る表ビード幅の変イヒを実ＩＢ−１で、裏ビード幅の変
化を実線Ｂ−２で示し、従来装置による表ビード幅の変
イヒを点Ｗｂ−’ｉで、裏ビード幅の変化を点線ｂ −
２で示す。

この図で明らかなように、前記実施例のように溶接トー
チの取付角度α。

を調整し、ワイヤ狙い角度αを一定に保持するようにし
た場合には母材の表、裏における溶込み比が一定に保た
れ表および裏におけるビード幅も略一定に保たれる。

また、第６図は前記実施例における母材の傾斜角度θの
変化に対する母材の実効板厚りの変化と溶接速度Ｖの変
化の傾向を示すものである。

この図において着目すべき点は、母材の傾斜角度θの変
化、換言すれば実効板厚りの変化に応じて溶接速度Ｖが
変化していることで、これは傾斜角θの変化に応じてワ
イヤ突き出し長さＬｅｘが比例的に変化しているためで
あり、溶融池の湯面単位面積当りの入熱量ｑが一定に保
持されることを示している。

これら第５図及び第６図に示す実験例は、母材１の板厚
が１５ｍｍ、曲率半径が１８００ Ｒ，開先間隔が１５
±１ ｍｍ、溶接電圧が３６■（一定）、溶接電流が６
０ＯＡ（一定）、ワイヤＷの突き出し長さＬｅｘが２０
〜４０酩なる条件のもとて行なったものである。

なお、前記実施例は溶接トーチ２７を支点ビン１９を中
心として回動し、換言すれば溶接トーチ２７の溶接台車
３に対する取付角度を調節することによってワイヤ狙い
角度を一定にすることによって同時にワイヤ突き出し長
さをも調節できるようにして入熱を一定とするようにし
た最も望ましいものであったが、例えばワイヤ突き出し
長さを一定にする機構のものでは溶接トーチの溶接台車
に対する取付角度の調節とともにアーク電圧Ｖａを例え
ばサイリスク、トランジスタ等のスイッチング素子を使
用する等して傾斜角θの変化に応じてＶａ ｏｃ ｉ／
θの関係を充すように自動的に設定される様な制御機能
を設けて湯面単位面積当りの入熱量ｑを一定に保つよう
にしてもよいのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の溶接方法を説明するための
略図、第３図はこの発明の説明するための略図、第４図
はこの発明の一実施例を説明するための装置の側面図、
第５図、第６図は同実帷例の作用効果を示す％注油線表
である。 １・・・・・・母材、２・・・・・・開先、３・・・・
・・溶接台車、１５・・・・・・溶融池、１６，１７・
・・・・・当金、１８・・・・・・アーク点、２０・・
・・・・回動アーム、２１・・・・・・電動シリンダ、
２５・・・・・・ワイヤ送給モータ、２７・・・・・・
溶接トーチ、２８・・・・・・ワイヤ送給機構、３３・
・・・・・ジャイロ装置、Ｗ・・・・・・溶接ワイヤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 母材の溶接部における傾斜角度θの変化に応じて、 溶接トーチの溶接台車に対する取付角度α。 を変化させて溶融池の湯面に対するワイヤ狙い角度αを
   常に一定に保持し、かつ （ａ）上記傾斜角θの変１ヒに応じて、ワイヤ突き出し
   長さＬｅｘを、この傾斜角θに比例的に変化させて単位
   時間当りの金属溶着量ｍを変化させるか、あるいは （ｂ） 上記傾斜角θの変化に応じて、アーク電圧Ｖ
   ａを、この傾斜角θに逆比例的に変化させ、かつワイヤ
   突き出し長さＬｅｘを一定にして、 溶融池の湯面単位面積当りの入熱量ｑを常に一定に保持
   することを特徴とする曲面等の立向き溶接方法。 ２ ワイヤ突き出し長さＬｅｘが、溶接トーチの溶接台
   車に対する取付角度α。 を変化させた場合に変１ヒするようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の曲面等の立向き溶接方
   法。 ３ 母材の溶接部の傾斜角度θの変化を溶接台車に取付
   けたジャイロ装置によって検出するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の曲面等の立向き溶
   接方法。 ４ ジャイロ装置の検出結果によって溶接トーチの溶接
   台車に対する取付角度α。 および溶接入熱量Ｑを自動制御するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の曲面等の立向き溶
   接方法。