By 張煒上級溶接アプリケーションエンジニア EVSTアプリケーションエンジニアリングチーム · ・EVSTロボティクス統合エンジニアリングによるレビュー済み
厚板多層溶接セルは、産業用ロボットとアークおよびシームトラッキング機能を組み合わせ、トーチをリアルタイムで±0.5mm以内の精度で接合部の中心線に固定することで、最初の部品から1000番目の部品まで一定のパラメータで多層ビードを形成する。さらに、外部軸（溶接ポジショナー、移動レール）を追加することで、熟練溶接工が位置調整に何時間もかかるような重い構造用鋼材を1台のロボットで溶接できる。 このガイドでは、セルの背後にある継ぎ目追跡、マルチパス制御、外部軸の決定について説明し、EVSTが構造用鋼、エンジニアリング機械、圧力容器、鉄道台車向けにセルをどのように設計しているかを解説します。
主要な取り組み
- 熟練した溶接工の採用は難しく、厚板の長い多層溶接継手全体で一貫性を保つことはさらに難しい。シームトラッキング機能を備えたロボットは中心線を一定に保つ。 ±0.5 mm （EVST統合セルでキャリブレーションされたアーク＋ビジョン追跡で通常達成可能） 〜99％で 標準的な厚板接合部の初回合格率（ISO 3834クラスB製作における業界標準範囲、プロジェクトごとにサイズが決定）。
- 多層溶接では、層間温度や織り方のパラメータが変動すると不良となるが、ロボットはこれら両方を一定に保つため、スラグ混入、溶融不良、アンダーカットが大幅に減少する。
- 二軸U型ポジショナーが部品を最適な水平重力溶接位置に回転させ、移動レールがリーチを延長し、セルは全体として 最大16軸の外部軸.
- セルあたり熟練溶接工2名が配置転換される （単一シフトを基準とした場合の典型的な値。部品構成や検査クラスによって変動する）2シフト連続運転の場合。
- 工業部門は警備員を雇って ISO 10218 独房の中。
この記事は、厚板構造溶接の自動化に取り組む生産管理者、溶接技術者、工場経営者を対象としています。外軸を持つ多層厚板継手について解説しており、パラメータ領域が異なる薄板やアルミニウムの溶接については対象外です。
厚板多層溶接とはどのようなものか
重厚な構造用鋼材（H形鋼、箱桁、フレーム、圧力容器シェル、鉄道台車など）では、継ぎ目が長く、鋼板が厚いため、1回の溶接では隙間を埋めたり、完全な溶け込みを得ることができません。溶接工は、ルートパス、フィラーパス、キャップパスの順に、熱入力とビード位置を制御しながら、ビードを層状に重ねていきます。何千もの部品を溶接する中で、人間の手は多少のずれが生じます。深夜の疲労で溶接速度が鈍り、中心線がずれ、検査で継ぎ目が不合格となることもあります。このような継ぎ目は、人間が仕様通りに溶接するには反復性が高すぎ、また、後から検査して修正するにはあまりにも重要すぎるため、溶接セルが存在するのです。
図1 — 多層溶接ビードの断面：底部にルートパス、その上にフィラーパスが積み重なり、最後に熱による変色が見られるキャップパスがある。パス数とパス間のパラメータによって、継手が検査に合格するかどうかが決まる。
厚板溶接の自動化が効果を発揮する場合と、そうでない場合
決定的な要因は ジョイントの複雑さ、部品のサイズ、検査クラスこのフレームを使用してください。
| マルチパスロボットセルを選択する場合… | 再考すべき時… |
|---|---|
| プレートは厚みがあるため、複数回のパスが必要となる。 | 薄板加工は主に1回のパスで行う。 |
| 関節は長いか、多くの部分にわたって繰り返される | 幾何学は論理なしにすべての部分を変える |
| 検査では、一貫した初回合格品質が求められる。 | 軽作業における目視検査のみ |
| 熟練溶接工は不足しているか、高齢化が進んでいる。 | 既存の溶接機は容易に生産量を満たす |
| 大きな部品は、パスごとに向きを変える必要がある | 溶接工が一度に扱う小さな部品 |
EVSTは、当社のエンジニアが「 センターライン優先法: リアルタイムのアークとシームの追跡でトーチをジョイントの中心線に固定し、一定のパス間温度でパスを重ねて織ります。これは、マルチパスジョイントはロボットの姿勢よりもパラメータのずれによって故障することがはるかに多いためです。
手動溶接とロボット溶接による厚板多層溶接の比較
| 因子 | 手溶接 | ロボットによる多層溶接 |
|---|---|---|
| 関節位置精度 | 手と目を合わせ、疲労とともに漂う | 縫い目追跡により中心線±0.5mmに固定 |
| レイヤーパラメータの一貫性 | 溶接工が層間温度を推定 | プログラムによって安定的に維持され、スラグとアンダーカットが減少 |
| 不良率（初回合格率） | 変動あり、深夜シフト | 約99%がシームトラッキングと安定したパラメータの下で |
| 職を失った溶接工たち | - | 1セルあたり2個（標準） |
| 連続走行 | 疲労を伴う1回のシフト | オペレーターのずれのない2交代制 |
| 広い範囲に届く | 溶接機が位置を調整し、クランプを締め直す | ポジショナーが回転し、移動レールが伸びる。 |
厚板セルはどのように作られるか
図2 — 1セルにおけるセンターライン優先方式：ロボットが溶接を行い、ポジショナーが部品を水平重力方向に回転させ、移動レールが可動範囲を拡張する。これら3つの動作はすべて、単一のコントローラ上で協調制御される外部軸である。
3つの技術的な詳細が、セルが数ヶ月にわたる生産期間にわたって許容範囲を維持できるかどうかを決定づける。
- リアルタイムの縫い目追跡。 アークトラッキングとビジョンベースのシームトラッキングにより、溶接トーチはリアルタイムで、溶接ビード全体にわたって±0.5mm以内の精度で接合部の中心線に固定されます。ロボットはプログラムされた経路をただ辿るだけでなく、溶接しながら実際の接合部に合わせて修正を行います。これは、マルチパス溶接の品質が維持できない最低限の基準です。
- マルチパスパラメータ制御。 セルシーケンスでは、制御されたパス間温度と織り方でルートパス、フィルパス、キャップパスが連続して実行され、熱入力は一定に保たれます。厚板のマルチパス加工を阻害する要因であるスラグ混入、溶融不足、アンダーカットは、これらの要素を一定に保つことで大幅に減少します。
- 関節部に到達する外部軸。 2軸U型ポジショナーは、部品を最適な水平重力位置に回転させ、各パスが下り坂になるようにします。移動レールは、固定ベースアームでは届かないほど長い関節部を、ロボットをラインに沿って移動させます。このセルは最大16軸まで拡張可能で、これは大型構造フレームを1回のセットアップで全周溶接するために必要な数です。
実際には、ポジショナーをオプションとして扱うことが最もよくある失敗例です。ロボットが不自然な角度で溶接すると、動作速度が遅くなり、微細な欠陥が蓄積されますが、同じロボットでも回転した部品を溶接すると、きれいに溶接できます。EVSTは、ポジショナーとレールのサイズを部品の実際の形状に合わせて決定し、カテゴリに基づいて決定することはありません。
投資対効果：品質、生産性、熟練労働者の代替
最初のレバーは 検査歩留まり: 中心線を±0.5 mmに維持し、パラメータを安定させることで、初回合格率が99%に近づき、下流のX線検査やUT検査で必要となる再加工が不要になります。2つ目は スループット: オペレーターの疲労を伴わない2交代制連続溶接は、同じセル範囲から出力を向上させます。3つ目は 熟練労働者の職権喪失各セルにつき2名の溶接工が解放され、資格を持った人材の構造的な不足を解消します。投資回収期間は、検査クラス、部品構成、現在の人員配置によって異なり、EVSTはプロジェクトごとに投資額を算出します。
業界全体に適用される
- 構造用鋼材およびプレハブ建築物 — H形鋼、箱型桁、柱梁接合部。継ぎ目の追跡が差別化要因となる、長くて反復的な溶接。
- エンジニアリング機械および土木機械 ―厚い鋼板に多重接合を施した、頑丈なフレームと下部シャーシ。
- 圧力容器 ―厚手のシェルにおける周方向および縦方向の継ぎ目。検査等級が厳しく、一貫性が求められる箇所である。
- 鉄道台車と鉄道車両 ―厳格な初回合格基準が課される、厚板接合部の繰り返し接合。
作業内容が全く同じであるため、同じ論理が当てはまります。つまり、1回の溶接では対応できないほど厚い板材に対して、複数回の溶接工程を経て、完全に溶け込む長い接合部を溶接する作業です。これらの3つの条件が満たされる限り、セルは採算が取れます。
セルが従う規格
厚板構造物向けのロボット溶接セルは、以下の3つの規格群に基づいて設計されています。
- ISO 3834 ―金属材料の溶融溶接における品質要件。 ISO 3834-2（包括的）、3834-3（標準）、および3834-4（初歩的）の各クラスは、溶接セルのWPS（溶接手順仕様書）が満たすべき文書化、手順認定、および検査の要件を定めています。
- ISO 14732 ―金属材料の完全機械化および自動溶接を行う溶接作業員の資格。 ロボット溶接セルにおけるオペレーターおよび調整担当者の資格認定を対象としており、多くのEUおよびOEM仕様で要求されています。
- AWS D1.1 — 構造溶接基準：鋼材。 北米の構造用鋼材規格で、事前認定済みのWPS（溶接手順仕様書）、資格試験、検査規則が定められている。米国の構造用鋼材工事および橋梁工事のほとんどはD1.1規格を採用している。
- ISO 10218 ―ロボットの安全性。 産業用アームは、ISO 10218-1（ロボット）およびISO 10218-2（システム統合）に従って、セル内で警備された状態で稼働する。
シームトラッキングとマルチパスパラメータ制御は、これらの基準を満たすためのツールであり、WPS（溶接手順仕様書）、オペレーターの資格、または検査計画の代替となるものではありません。
FAQ
厚板における継ぎ目追跡の精度はどの程度ですか？ アークとビジョンベースのシームトラッキングにより、EVST統合セル上でトーチをリアルタイムで±0.5 mm以内のジョイント中心線に固定します（これはキャリブレーションされたトラッキングで達成可能な標準的な値であり、表面の状態、フィット、手順によって異なります）。これにより、プログラムされたパスだけに頼るのではなく、ビードが敷設される際に実際のシームに合わせて補正が行われます。
なぜ初回合格率が99%に達するのか？ 中心線ずれとパラメータずれという2つの主要な不具合モードが両方とも解消されるためです。シームトラッキングによって中心線ずれが解消され、プログラムされた層間温度と織り方制御によって層間温度と織り方制御が層間温度ずれが解消されます。これらを組み合わせることで、多層接合部は毎回同じように施工されます。この数値は、ISO 3834クラスB相当の製造において業界標準として達成可能な範囲を示しており、実際の施工速度はプロジェクトごとに異なります。
ポジショナーとトラベルレールは必要ですか？ ポジショナーは、ほぼ常に歩留まりの向上によってコストが回収されます。部品を水平重力位置に回転させることで、微細な欠陥が除去され、ロボットの溶接速度が向上します。一方、移動レールは、可動範囲の拡大によってコストが回収されます。これは、接合部がロボットの可動範囲よりも長い場合に必要となります。大型構造フレームなど、両方の条件が満たされる場合、セルは最大16軸まで拡張可能です。
どのような基準に基づいて運用されていますか？ 産業部門は、 ISO 10218 セル内部で、溶接手順はプロジェクトごとに設定され、 ISO 3834, ISO 14732 or AWS D1.1 顧客の検査クラスの要件に従ってください。追跡システムは、これらの基準を満たすための補助ツールであり、基準そのものに取って代わるものではありません。
部品タイプの切り替えにも使えますか？ はい、新しい部品はプログラムと治具の変更を伴い、溶接プロセスライブラリには再利用可能な溶接手順が格納されています。シームトラッキングは部品ファミリー内の嵌合のばらつきを補正しますが、形状が大きく変わる場合は本格的な再プログラミングが必要です。
それをあなたの工場に持ち込む
厚板多段ロボット溶接は、重工業製造工場で最も難しく、人員確保も困難な接合部を、一貫性のある2交代制の検査基準を満たす標準プロセスへと変革します。トーチを中心線に固定し、パラメータを一定に保ち、外部軸を使用して固定ベースアームでは届かない箇所に到達します。この選択は、ロボットのメーカーではなく、板厚、接合部の長さ、検査等級によって決まります。 EVST センターラインファースト方式で厚板セルを設計し、溶接ロボット、シームトラッキング、二軸U型ポジショナー、移動レールを1つのセルとして統合します。詳細については、ガイドをご覧ください。 ロボットの移動レールを選ぶ方法, 溶接ポジショナーの選定 (NAIST) と ロボット＋レール＋ポジショナーのセル連携または、EVSTに厚板セルのスコープ設計について相談してください。
著者紹介: - 張煒 は、上級溶接アプリケーションエンジニアです。 EVSTアプリケーションエンジニアリングチーム厚板構造用鋼、エンジニアリング機械、圧力容器、鉄道車両向けのロボット溶接セル統合において12年以上の経験を持つ。上記で説明したセンターライン優先方式を用いて、接合部の複雑さ、検査クラス、到達範囲に関するセル範囲の策定を主導し、部品範囲ごとにシームトラッキング、マルチパスプログラム制御、ポジショナー、移動レール軸のサイズを決定する。EVSTロボティクス統合エンジニアリングによる技術的な正確性のレビュー済み。数値は達成可能な典型的な範囲であり、保証ではなく、プロジェクトごとにサイズが決定される。 訂正および更新情報：最終更新日をご覧ください。