JP2002059290A - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＩＧ溶接では、溶接前処理の開先表面の清
浄、溶接時の歪発生防止の押さえ、溶接後のビード仕上
げ作業を行っている。これらの作業は別々の場所で行っ
ており、広い場所と多くの工数が掛かっていた。この問
題の合理化を行うことを課題にしている。 【解決手段】 自動溶接機の溶接ヘッド３０に、開先表
面の清浄装置４０、階先位置を検出するセンサ５０、溶
接時にワーク１０を押さえる装置６０、溶接トーチ５
５、ワークを押さえる装置８０、溶接ビードの切削装置
９０を溶接方向の前方から順次設ける。押さえ装置６
０、８０は押さえ用のロール６２、８２を補自体に接触
させて冷却している。これによれば、溶接部の研磨、溶
接、溶接後のビード仕上げを１ストロークで行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アーク溶接や摩擦
撹拌溶接（Friction Stir Welding）に好適な溶接方法
およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の車体のような大型構造物の溶
接には、ワークの溶接線の両側を押さえ金具で抑え付け
て、溶接している。金具の加圧機構としては、ボルト締
め、エアシリンダ、エアホースに高圧エアを吹き込む方
法などがある。このようなものは次の文献に示されてい
る。「現代溶接技術大系《第３６巻》 やさしい自動・
半自動溶接・ティグ溶接」産報 昭和55年１月23日 PP.
248〜249。

【０００３】なお、摩擦撹拌溶接（Friction Stir Weld
ing）とは、回転する接合用工具を用いてワークを接合
するものである。接合用の工具は大径の丸棒の先端に小
径の丸棒を有し、小径部をワークに挿入して、工具を回
転させ、回転させながら接合線に沿って移動させ、固相
接合するものである。これは特開表７−５０５０９０号
公報（ＷＯ ９３／１０９３５）、Welding &#38 metal
Fabrication, January 1995 PP.13-16、特願平８−３
２２４９０号に示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】アルミ合金などの溶接
は、開先表面の清浄さが溶接品質に大きな影響を及ぼす
ので、ステンレス鋼製のワイヤホイールなどで研磨して
清浄にしている。また、溶接ビードの余盛りを除去する
必要がある場合はグラインダー等で削除している。この
ような溶接の付帯作業があるので、広い作業場所と多く
の作業工数を必要としている。

【０００５】また、溶接のアーク熱によりワークが加熱
され膨張し変形し、開先に目違いを生ずるのを防止する
ため、金具でワークを押さえて拘束し、溶接している
（前記最初の文献のとおり）。ワークが大きい場合には
大掛かりな設備になり、多額の設備費が必要である。

【０００６】また、溶接入熱により歪みが発生する。歪
の発生量が許容量を越えた場合は、後行程で歪修正を行
っている。

【０００７】本発明は、安価に溶接を行えるようにする
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、少なくと
も、開先部の研磨と溶接、溶接と余盛りの切削を実質的
に同時に行うようにすること、により達成できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図５
により説明する。この実施例は鉄道車両の車体の屋根構
体の溶接装置である。ワーク１０はアルミニウム合金の
押し出し型材であり、車体の長手方向に向けて配置さ
れ、複数本を並列に配置している。ワーク１０同士は突
き合わせ溶接できるように、突き合わせられ、開先があ
る。ワークは架台の裏当て座１５へ固定されている。ま
た、ワーク１０同士は溶接部１３を適宜仮止め溶接され
ている。ワーク１０、１０を跨いだ門型形状の溶接装置
２０が長手方向に敷設した走行レール２９上を走行し
て、溶接ヘッド３０で開先表面の研磨清浄、アーク溶
接、および溶接ビードの余盛り削除を溶接装置２０の１
行程で施工する。溶接ヘッド３０は溶接線の数だけあ
る。裏当て座１５はワーク１０、１０・・・が正規の仕
上げ状態になるように構成している。

【００１０】溶接ヘッド３０は溶接装置２０のガーダ２
１をガーダの長手方向に移動できると共に、昇降でき
る。溶接ヘッド３０はそれぞれ単独で前記移動、昇降が
可能である。

【００１１】溶接ヘッド３０は、溶接進行方向の前方か
ら順に、開先表面の皮膜や汚れを研磨除去して清浄にす
るための研磨装置４０、研磨により発生した屑を吸引し
て除去するための吸引口４７、開先の位置を検出するセ
ンサ５０、溶接部の押さえ装置６０、溶接トーチ５５、
溶接部の押さえ装置８０、溶接ビードの余盛りを切削す
る切削装置９０、切削屑を吸引するための吸引口９７を
設置している。

【００１２】これらは座３１に設置されている。柱３２
を昇降させて、ワーク１０に対する位置を定める。セン
サ５０によってワークの開先を検出してトーチ７０が所
定位置に位置するように、座３１をワーク１０の幅方向
に移動させる。

【００１３】研磨装置４０は、ワイヤホイール４２、そ
れを回転させる空気モータ等からなる。空気モータ４３
の回転によって、笠歯車４４、平歯車４５、４６が回転
し、ワイヤホイール４２が回転する。研磨装置４０の座
４１は昇降装置４８によって昇降する。昇降装置４８は
ねじ棒とナットからなり、ハンドル４８ａを回転させる
ことによって昇降する。

【００１４】ワイヤホイール４２はワイヤ線径0.15〜0.
25mmのステンレス鋼線を放射状に植え込んだものであ
る。開先表面を研磨して発生した表面の皮膜屑や汚れの
研磨屑は、ワイヤホイール４２の後部に設置の吸込口４
７で吸引される。

【００１５】センサ５０はレーザ光を開先に照射し、そ
の画像をＣＣＤカメラで撮影し、溶接トーチ５５と開先
の位置を常に一定距離に自動追従させるものである。

【００１６】押さえ装置６０、８０はワーク１０を裏当
て座１５に押しつける（加圧）ものである。押さえ装置
６０は溶接トーチ５５のアークで加熱されたワーク１０
が膨張し変形して開先に目違いを生ずることを防止す
る。押さえ装置６０、８０による加圧はエアシリンダ６
１、８１で行う。ワーク１０への接触は押さえ装置６
０、８０のロール６２、８２である。

【００１７】ワークの押さえ効果は溶接の溶融池に接近
する程大きい。しかし、ロールを溶融池に接近させると
アーク熱でロール６２、８２が高温に過熱され、短時間
で劣化するので、ロール６２、８２の冷却機構を設けて
いる。

【００１８】押さえ装置６０のロール６２は複数個あ
り、全てのロール６２、６２の両側を継板６３でピン６
４を介して連結し、無限帯に構成している。この無限帯
は保持座６５に支持されている。保持座６５はロール６
２の軸方向に２分割されている。環状の無限帯の内部に
接触する凸部６５ａを有する。ロール６２をワーク１０
に押しつけることによって、下方のロール６２の上面が
凸部６５ａに接触する。凸部６５ａよりも上方のロール
６２の下面は凸部６５ａの上面に接触する。保持座６５
には冷却水の通路６６を設けている。凸部６５ａにも冷
却水通路６６を設けるとよい。

【００１９】ロール６２は左右のワーク１０、１０を押
さえる。ロール６２は複数あり、常に、複数のロール６
２がワーク１０に接触しているようにしている。ロール
６２、保持座６５、仕切り板６９の材質は熱伝導が大き
くて硬度も高い銅合金である。

【００２０】溶接ヘッド３０をワーク１０に沿って移動
させると、ロール６２の無限帯が回転する。この際、ロ
ール６２は冷却された保持座６５に接触して冷却され
る。

【００２１】凸部６５ａと凸部６５ａの間には仕切り板
６９を配置している。仕切り板６６の外周縁がロール６
２の中央部の凹部に入っている。これにより、ロール６
２の位置決めを行う。２つの保持座６５、６５は複数の
ボルト・ナット６８によって一体に締結している。

【００２２】ロール６２によるワーク１０の加圧力の調
整はエアシリンダ６１のエア圧力を加減して行う。

【００２３】溶接トーチ５５の後方の押さえ装置８０は
ワーク１０全体が裏当て座１５から浮き上がることを防
止するものである。このため溶接トーチ５５の前方の押
さえ装置６０ほど溶接トーチ５５に接近して設置する必
要はない。しかし、この場合でもロール８２が高温に加
熱されるため、冷却する必要がある。ロール８２はその
軸方向の中央部に溶接ビードとの接触を防止するための
凹部を設けている。ロール８２は左右のワーク１０、１
０を押さえる。ロール８２は筒部の端部にフランジを有
する熱伝体８３を介してピン８４で保持座８５のフラン
ジ８５ａに回転自在に取り付けられている。ピン８４は
ネジ８７でフランジ８５ａに固定している。保持座８５
は冷却水の通路８６に水を通すことによって冷却されて
いる。熱伝体８３は左右に２分割され、そのフランジは
ロール８２および保持座８５のフランジに接触してい
る。ロール８２、熱伝体８３、保持座８５、ピン８４の
材質は熱伝導が大きくて硬度も高い銅合金である。

【００２４】ロール８２によるワーク１０の加圧力の調
整はエアシリンダ８１のエア圧力を加減して行う。

【００２５】切削装置９０はエンドミル９２、これを回
転させる電動機９３からなる。切削装置９０はエアシリ
ンダ８１によって昇降する。このため、切削装置９０は
押さえ装置８０の近傍に設置している。

【００２６】吸込口４７、９７はホースを介して真空装
置に連結している。押さえ装置６０、８０の水通路６
６、８６には往復の水のホースが接続している。これら
のホースは上方のガーダ等で支えられている。

【００２７】かかる構成において、ワーク１０、１０を
裏当て座１５に固定した後、研磨装置４０、押さえ装置
６０、８０、切削装置９０の高さをセットし、それぞれ
を駆動状態で、溶接線に沿って上流から下流に向けて溶
接ヘッド３０を移動させる。

【００２８】研磨装置の４０のワイヤホイール４２は開
先を研磨し、その研磨屑はノズル４７から吸い取られ
る。押さえ装置６０、８０のローラ６２、８２は開先の
近くを押さえる。入熱した熱は保持座６５、８５にロー
ル６２、８２が接触することにより、奪われる。溶接ビ
ード（余盛り）は切削装置９０のエンドミル９２の下端
部で切削される。その切削屑はノズル９７で吸い取られ
る。

【００２９】このように、溶接ヘッド３０の１行程の移
動で、研磨、溶接、切削を行うことができるものであ
る。また、装置を小さくでき、必要な場所を小さくでき
るものである。

【００３０】押さえ装置６０、８０のロール６２、８２
はその保持座６５、８５への接触によって強制的に冷却
される。このため、従来のようなローラの回転不能によ
って押さえが不十分になることが無く、溶接部のワーク
１０、１０の段違いが発生することがないものである。
また、エンドミル９２の下端位置も一定になるものであ
る。

【００３１】溶接トーチ５５は溶接ヘッド３０の移動方
向の前方に向いているので、前方の押さえ装置６０の方
が高温になる。この押さえ装置６０のロール６２は無限
帯に設置することによって、保持座６５との接触時間を
長くしている。このため、押さえ装置８０に比べてロー
ル６２は良く冷却されることになる。

【００３２】センサ５０は開先の高さ位置を検出し、柱
３２を昇降させる。また、押さえ装置６０、８０、切削
装置９０を昇降させるエアシリンダ６１、８１は所定圧
で押し下げるようになっており、ワーク側からの反力に
よって若干上下動できる。

【００３３】切削装置９０の切削手段はエンドミル９２
である。このため、切削装置を小型で極めて安価にでき
るものである。なお、切削装置９０による機械切削では
切削のし過ぎを防止するため、ワーク１０の上面よりも
若干上方を切削する。溶接ヘッド３０による切削の後、
グラインダーによる手作業でワークの上面と面一に仕上
げる。切削装置９０による切削が不要な場合はエンドミ
ル９２を除く。

【００３４】アーク溶接による溶接歪の発生が溶接直後
に余盛りを削除することにより軽減できる。溶接後完全
に冷却（室温状態）した後に余盛りをグラインダーで削
除した場合と、溶接直後に高温で余盛りをエンドミル９
２で削除した場合の歪発生量を図６のワークの例で示
す。材質：A5083P-0、板厚：４mm、幅：150mm、長さ：1
000mmのワークを、ＭＩＧ溶接で溶接電流：１８０Ａ、
アーク電圧：２２Ｖ、溶接速度：５０cm/分、溶接ワイ
ヤ径：１.２mmで自動溶接を行った。歪量δは前者が約
９mmで、後者が約７mmになった。なお、エンドミル９２
の位置は約３００°Ｃの位置である。

【００３５】ロール６２、８２がワーク１０の上面を転
動することによって、エアシリンダ６１、８２は曲げ力
を受ける。このため、エアシリンダ６２、８２と保持座
６５、８５の間に直線状の案内装置を設けるとよい。

【００３６】上記実施例はアーク溶接の場合であった
が、摩擦撹拌溶接にも適用できるものである。この場合
は固相接合であるので、アーク溶接ほどには高温にはな
らない。押さえ装置６０、８０の強制冷却手段は必要に
より設ける。研磨装置４０、切削装置９０は同様に適用
できる。

【００３７】なお、摩擦攪拌溶接を図７によって説明す
る。ワーク１１の端部には、外面側（即ち、摩擦攪拌溶
接の工具１００側）に突出する突出部１１ａを有してい
る。厚肉部１１ａはワーク１１の内側に行くにしたがっ
て傾斜している。ワーク１１の端部は垂直である。この
２つのワーク１１、１１を突き合わせている。工具１０
０は大径の丸棒１０１とその先端の小径の丸棒１０２と
からなる。工具を回転させながら小径部１０２を突き合
わせ部に入れ、接合線に沿って移動させる。大径部の下
端、即ち、小径部１０２と大径部１０１との境は、ワー
ク１１の板部１１ｂ、１１ｂの上面よりも外側であっ
て、突出部１１ａ、１１ａの内部に位置している。

【００３８】例えば、２つのワーク１１、１１の間に隙
間があると、摩擦攪拌溶接時に、この隙間を埋められ
る。このため、凹みが生ずる。また、前記境によってワ
ーク１１、１１の一部は削り取られる。これらにより、
ワーク１１の面を平滑に仕上げるためには、余盛りの状
態（突出部１１ａ付き）で溶接（接合）を行い、その
後、前記余盛りを切削するとよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、安価に溶接を行うこと
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の溶接ヘッドの側面図。

【図２】図１の溶接ヘッドを備えた溶接装置の全体斜視
図。

【図３】図１の溶接ヘッドの溶接部押さえ装置の拡大側
面図。

【図４】図３の縦断面図。

【図５】図１の溶接ヘッドの押さえ装置の縦断面図。

【図６】溶接歪を説明するためのワークの全体図。

【図７】本発明の他の実施例の溶接部の縦断面図。

【符号の説明】

１０、１１…ワーク、１５…裏当て座、２０…溶接装
置、３０…溶接ヘッド、４０…研磨装置、４２…ワイヤ
ホイール、４７…吸引口、５０…センサ、５５…溶接ト
ーチ、６０、８０…押さえ装置、６２、８２…ロール、
８０…切削装置、９２…エンドミル、９７…吸引口、１
００…回転工具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲吉▼崎 圭典 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 Ｆターム(参考） 3C047 FF09 HH14 3C049 AA03 AA06

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対のワークの開先の部分の研磨を行い
   つつ、該研磨した部分を溶接すること、を特徴とする溶
   接方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記研磨はワイヤホ
   イールを回転させて行うこと、を特徴とする溶接方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、溶接方向において前
   記ワイヤホイールの後方において、研磨屑を吸引するこ
   と、を特徴とする溶接方法。
4. 【請求項４】 一対のワークの開先の部分の研磨を行い
   つつ、該研磨した部分の溶接を行い、該溶接を行いつ
   つ、該溶接の余盛りの切削を行うこと、を特徴とする溶
   接方法。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記切削はエンドミ
   ルによる切削であること、を特徴とする溶接方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、溶接方向において前
   記エンドミルの後方において、研磨屑を吸引すること、
   を特徴とする溶接方法。
7. 【請求項７】 溶接を行いつつ、該溶接の余盛りの切削
   を行うこと、を特徴とする溶接方法。
8. 【請求項８】 溶接部の前方を押さえロールで押さえつ
   つ、アーク溶接を行い、 該溶接時に、前記押さえロールに接触する保持座の内部
   に冷却媒体を流通させること、を特徴とする溶接方法。
9. 【請求項９】 溶接部の前方を押さえロールで押さえつ
   つ、溶接を行い、該溶接を行いつつ、溶接の余盛りをエ
   ンドミルで切削し、 前記溶接時に、前記押さえロールに接触する保持座の内
   部に冷却媒体を流通させること、を特徴とする溶接方
   法。
10. 【請求項１０】 一対のワークの開先の部分の研磨を行
    う研磨装置と、溶接装置と、該溶接装置と前記研磨装置
    との間に配置され、ワークを押さえる押さえ装置と、か
    らなり、 該押さえ装置は、ワークの上面を転動するロールと、冷
    却媒体で冷却されるものであって、保持した前記ロール
    を冷却する保持座と、からなること、を特徴とする溶接
    装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記研磨装置
    は、ワイヤホイールと、該ワイヤホイールを回転させる
    回転装置と、からこと、を特徴とする溶接装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、前記研磨装置と
    前記押さえ装置との間に、吸引口を有すること、を特徴
    とする溶接装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０において、前記押さえロー
    ルは、無限帯に該無限帯に沿って複数個を取り付けたも
    のであり、前記保持座は該無限帯の環状の内部に位置す
    る凸部を有し、前記ロールは前記凸部に接触すること、
    を特徴とする溶接装置。
14. 【請求項１４】 移動方向の前端側から順次、一対のワ
    ークの開先の部分の研磨を行う研磨装置、ワークを押さ
    える第１の押さえ装置、溶接装置、ワークを押さえる第
    ２の押さえ装置、溶接の余盛りを切削する切削装置、を
    備え、 前記第１の押さえ装置及び前記第２の押さえ装置は、ワ
    ークの上面を転動するロールと、冷却媒体で冷却される
    ものであって、保持した前記ロールを冷却する保持座
    と、からなること、を特徴とする溶接装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４において、前記切削装置は
    エンドミルを備えていること、を特徴とする溶接装置。
16. 【請求項１６】 移動方向の一端側からアークによる溶
    接装置、溶接ビードの切削装置を備えること、を特徴と
    する溶接装置。