多層盛り溶接ロボットシステムの極意：パス計画と層間温度管理の完全実務ガイド
厚板溶接の自動化において、多層盛り（マルチパス）溶接の成否は、構造物の品質と寿命を直接左右する。単にロボットに教示（ティーチング）するだけでは、ブローホール、スラグ巻き込み、高温割れ、そして致命的な機械的性質の劣化を防ぐことはできない。
本稿では、溶接現場の最前線で培った知見に基づき、多層盛り溶接におけるロボットのパス計画の構築法と、厳密な層間温度（インターパス・テンプ）管理の実際を、冶金学的背景およびJIS規格の観点を含めて徹底的に解説する。
1. 基礎知識：多層盛り溶接とロボット自動化のメカニズム
厚板（一般に板厚12mm超）を1パスで溶接することは、入熱過多による結晶粒の粗大化や、溶接金属の靭性低下を招くため実用的ではない。そのため、複数層に分けて溶接金属を積み重ねる「多層盛り溶接」が必須となる。
ロボット自動化におけるパス計画の基本概念
パス計画とは、開先形状、ワイヤ径、入熱量に応じて、各層（Layer）のパス（Pass）数、トーチの狙い位置（ターゲットポイント）、および溶接条件（電流・電圧・速度）をマッピングするプロセスである。
- 根層（ルートパス）： 開先底部の完全溶け込みを確保する最重要パス。
- 中間層（フィリングパス）： 開先を効率的に埋め、母材とのなじみを良くするパス。
- 表面層（キャップパス）： 最終形状を整え、アンダーカットやオーバーラップを防ぐパス。
手動溶接では職人の感覚に依存していたウィービング幅、ステップオーバー距離、トーチ角度の微調整を、ロボットではプログラムとして数値化・固定化する必要がある。
2. 現場での実践：パス計画の設計とパラメータ制御
2.1 開先形状とパスパターンの設計
厚板の代表的なV形・X形・レ形開先において、層ごとのビード配置は次のように設計する。
- 1層目（ルートパス）： 開先ギャップとルートフェイスに対し、アークが確実に両側の母材の根元を捉えるよう、直線または小刻みなウィービング（振幅2〜3mm）を設定。
- 2層目以降（マルチラン）： 1パスあたりのビード幅はワイヤ径の3〜4倍程度を目安とする。ビードの重なり（オーバーラップ率）は全体の30%〜40%を維持し、段差やスラグ巻き込みのポケット（溝）を作らないようにする。
2.2 溶接条件の動的切り替え（層別マトリクス）
ロボットコントローラ上で、層が進むにつれて条件を切り替えるプログラム（ファイル切り替え機能など）を構築する。
| 層の位置 | 電流 (A) | 電圧 (V) | 溶接速度 (cm/min) | 狙い位置の傾向 |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| ルートパス | 低め (180〜210) | やや低め (20〜22) | 遅め (25〜30) | 開先底部の真ん中 |
| フィリングパス | 高め (240〜280) | 標準 (26〜30) | 標準 (35〜45) | 左右の側壁を交互に狙う |
| キャップパス | 中程度 (200〜230) | 標準 (24〜28) | やや遅め (30〜35) | 開先端から1〜2mm内側 |
*注記：軟鋼・JIS SM490A、ソリッドワイヤ（YGW12 φ1.2）を用いたCO2/MAG半自動・ロボット溶接の一般的な目安。*
3. 層間温度（インターパス・テンプ）管理の実践と待機時間制御
多層盛り溶接における最大の品質リスクは、熱の蓄積による「層間温度の過昇」である。
3.1 層間温度管理の目的と冶金学的影響
層間温度が高すぎると、以下のような致命的な欠陥を引き起こす。
1. 冷却速度の低下： 組織が粗大化し、シャルピー衝撃値（靭性）が著しく低下する。
2. 高温割れ（凝固割れ・液化割れ）： 凝固完了までの時間が延び、収縮応力が集中しやすくなる。
3. 溶落ち（Burn-through）： 母材自体が蓄熱により溶融しやすくなり、特に根層付近で形状が崩れる。
逆に、温度が低すぎると（特に高張力鋼において）急冷されすぎて硬化組織（マルテンサイト等）が生成し、遅れ破壊や低温割れの原因となる。
3.2 ロボットシステムにおける待機時間制御の手法
現場では、サーモグラフィカメラや接触式熱電対をロボットセルに組み込み、リアルタイムで温度管理を行うか、あらかじめ算出したタイマー制御（インターバルタイマー）を導入する。
- 温度センシング連動制御：
- パス終了直後、ロボットが非接触放射温度計（パイロメータ）の前に移動し、指定箇所（通常は直近のビード中央部から10mm以内）の温度を計測。
- 目標層間温度（例: 150℃以下）に低下するまで、ロボットは「ホームポジション待機」または「水冷ステーションでの冷却（空冷・水冷ファン）」を実行。
- タイマーベース制御（簡易自動化）：
- 熱解析シミュレーションや実験値に基づき、入熱量ごとの冷却時間をプログラムにハードコードする（例：「第3パス完了後、強制空冷ファンにより120秒間待機」）。
4. トラブルシューティング：現場で多発する不具合と対策
トラブル1：積層途中のスラグ巻き込み（特にMAG/CO2複合溶接・フラックスコアードワイヤ使用時）
- 原因： 前層のビード表面が凸凹になりすぎている、またはトーチ角度が不適切でスラグが先行している。
- 対策：
- フィリングパスのトーチ前進角を5°〜15°に維持し、アーク力でスラグを後方に押し出す。
- グラインダーによる中間清掃（スラグレスの場合はワイヤブラシ清掃）のプロセスをロボットアームのツールチェンジャーで自動化する。
トラブル2：側壁の融合不良（ランサイド・アンカリング不足）
- 原因： パス幅が狭すぎたり、開先壁面への熱量が不足して溶け込み不良が発生する。
- 対策：
- ウィービングパターンに「両端でのDwell（停留時間：0.1〜0.3秒）」をプログラムし、母材側壁に確実にエネルギーを集中させる。
5. 専門的知見：JIS規格と冶金学的裏付け
5.1 関連規格と管理基準
多層盛り溶接の施工においては、以下の規格が基準となる。
- JIS Z 3601（溶接施工確認試験方法）： 母材の板厚、継手形状、入熱量、層間温度の上限・下限が規定されており、これを超える条件変更は再試験が必要となる。
- ISO 13916（Welding — Guidance on the measurement of interpass temperature）： 層間温度の測定位置、測定方法（アーク停止直後、溶接部からビード幅の最低1倍または25mm離れた位置など）の国際基準。
5.2 組織制御（再熱構造とオーステナイト粒径）
多層盛り溶接の本質的なメリットは、「後続パスの熱による先行パス（溶接金属およびHAZ：熱影響部）の焼き入れ・焼き戻し効果（リファイン）」にある。
- 下層が上層の熱を受けることで、粗大な鋳造組織（カラムナー組織）が細粒化され、靭性が回復する。
- この熱サイクルを意図通りに機能させるためには、各パスの入熱量と層間温度が厳密に一定でなければならない。層間温度が高すぎると、再結晶による細粒化効果が相殺され、かえって結晶粒が成長して脆化を招く。
溶接ロボットの自動化は、単なる「人手不足の解消」ではない。人間の手では制御しきれないミリ単位の軌跡精度と、緻密な入熱・冷却サイクルの繰り返しこそが、JIS/ISOが要求する最高品質の厚板溶接物を生み出す唯一の手段である。