JP2002210572A - 溶融溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 継手の信頼性が高く、作業性に優れるととも
に操作の容易な溶融溶接装置を提供する。 【解決手段】 間隔を空けて配置した２つの金属棒１、
１′の間に電流を流し、アークによって先端を溶融させ
ると共にフラックスを溶融によって形成される溶融池を
成長させ、アークが消滅して２つの金属棒の洗端間が溶
融池によって満たされたとき、通電を遮断すると同時に
金属棒の先端間を圧接させ金属棒を接続する溶融溶接装
置３において、溶接される金属棒間に、一定の電流を供
給する電源９と、金属棒を保持する金属棒保持装置４
と、金属棒の間隔を調整する駆動手段７と、電源の出力
電圧及び出力波形を検出し、出力波形が所定の波形にな
ったときに駆動手段を駆動して金属棒の先端を圧接させ
る制御手段１０により構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な溶融溶接装置
に関する。詳しくは、継手の信頼性が高く、現場での作
業性に優れると共に操作に熟練を要しない溶融溶接装置
を提供しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】棒鋼を端面間で突き合わせ接合する方法
として、エレクトロスラグ溶接法がある。

【０００３】エレクトロスラグ溶接法は、２本の鉄筋棒
鋼間に形成したアークとスラグによって溶接部を溶融さ
せ加圧して接合する方法である。

【０００４】上記エレクトロスラグ溶接方法の概略を図
５及び図６を用いて説明する。

【０００５】エレクトロスラグ溶接方法は概略次の４段
階を経て行われる。すなわち、第１段階のアーク発生
期、第２段階のアーキング及びスラグ生成期、第３段階
のエレクトロスラグ期、第４段階の圧接期である。

【０００６】先ず、図５に示すような装置によって、２
つの棒鋼１、１′の溶接の準備が為される。下側の棒鋼
１はコンクリート２によって支持されている。

【０００７】溶接ヘッドａは固定部ｂと可動部ｃを備
え、可動部ｃは固定部ｂに上下方向に移動可能に支持さ
れている。固定部ｂ及び可動部ｃにはそれぞれクランプ
部ｄ、ｅが設けられており、固定部ｂのクランプ部ｄが
下側の棒鋼１にクランプされることによって溶接ヘッド
ａが棒鋼１を介してコンクリート２に支持されることに
なる。また、上側の棒鋼１′は可動部ｃのクランプ部ｅ
にクランプされてその下端面が下側の棒鋼１の上端面と
所定の間隔を保つように支持される。固定部ｂは両開き
に構成されたフラックス容器ｆを備えており、該フラッ
クス容器ｆによって２つの棒鋼１、１′の突き合わせ部
が包囲される。そして、２つの棒鋼１、１′の近接され
た端面間には着火物（メタルウールを球状にしたもの）
ｇが介挿されると共に、フラックス容器ｆ内に低塩基度
の溶融型フラックスｈが供給されて、２つの棒鋼１、
１′の周りがフラックスｈで満たされる。以上のように
して溶接の準備が為される（図６（ａ）参照）。

【０００８】溶接電源ｉが用意され、該溶接電源ｉは制
御部ｊによって制御されて２つの棒鋼１、１′間に定電
流を供給するようになっている。そして、操作ボックス
ｋが溶接ヘッドａの近くに配置され、作業員によって、
溶接ヘッドａと共に該操作ボックスｋが操作されて制御
部を介して溶接電源ｈの制御が為されるようになってい
る。

【０００９】図６（ａ）に示したように準備が完了した
ところで、作業員によって操作ボックスｋが操作されて
２つの棒鋼１、１′間に通電される。通電が開始される
と、着火物ｇが瞬時に加熱され、その熱でアークｌが容
易に発生する。そして、アークｌが発生すると、可動部
ｃのクランプ部ｅを徐々に上方へ移動させ、すなわち、
上側の棒鋼１′を下側の棒鋼１から離間させて行き、溶
接電圧を一定に保つようにする（これが第１段階のアー
ク発生期である）。

【００１０】次いで、下側の棒鋼１の先端がアークｌに
よって溶融し始め、アークｌの周囲のフラックスｈも溶
融してスラグプールｍを形成する。溶接電圧を上記した
一定値に保持すると、２つの棒鋼１、１′の先端が溶融
し、平坦になって行き、下側の棒鋼１の先端に上に溶融
池ｎが形成される。一方、フラックスｈもさらに溶融
し、溶融池の上にスラグプールｍを形成する。このよう
にして、下から上へ順番に、溶融池ｎ、スラグプール
ｍ、アークｌが形成される（図６（ｂ）参照）。これが
第２の段階である。そして、上側の棒鋼１′の先端がア
ークｌで溶けて大きな溶滴が生じると、溶接電圧が急速
に低下してアークｌの保持が困難となり、ついには、ア
ークｌは消滅して、次の第３の段階に入る。

【００１１】この段階では、棒鋼１、１′の先端はスラ
グプールｍに完全に浸かり、溶融池ｎの金属が精錬さ
れ、棒鋼１の端部に合金元素が充満する。スラグプール
ｍによって溶融池ｎが覆われる（図６（ｃ）参照）。こ
こで、可動部ｃを下降させて上側の棒鋼１′を下降させ
スラグプールｍに接触させると、アークは発生しなくな
る。

【００１２】そして、上記した第３段階が終わるとき
に、可動部ｃを操作して上側の棒鋼１′を下方に素早く
押し込み、上側の棒鋼１′を下側の棒鋼１に圧接する。
すなわち、上側の棒鋼１′を下降させ、且つ、加圧する
ことによってスラグプールｍを周囲に押し出し、さらに
溶融金属を外周部に押し出す（図６（ｄ）、（ｅ）参
照）。そして、その状態を数秒保つ。これが第４の段階
である。冷却後に冷却スラグｏを取り除いて溶接継手が
完成する。なお、溶融金属が冷却されて出来たリングｐ
は除去する必要がない。

【００１３】上記したエレクトロスラグ溶接法は、継手
の信頼性が高い、エネルギー消費量が低い、アークが外
に出ず遮光の必要がない、現場での作業環境がよい等の
数々の利点を有する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たエレクトロスラグ溶接法は、従来にあっては溶接ヘッ
ドａを手動で操作（可動部ｃの移動等）していたので、
途中の工程の制御が不十分であり欠陥の発生も多かっ
た。例えば、上記した第１段階で、アークｌが発生した
後は、上側の棒鋼１′を上方へ移動させて溶接電圧を一
定に保つ必要があるが、棒鋼１′の引き上げ速度が速す
ぎると、電流不足を来してアークｌが立ち消えてしま
い、また、引き上げ速度が遅すぎると、短絡が起こり、
温度が急激に低下してアークが消えてしまう。

【００１５】そこで、本発明は、溶接の全工程を自動化
することによって上記した問題を解決することを課題と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明溶融溶接装置は、
上記した課題を解決するために、溶接される２つの金属
棒間に一定の電流を供給する溶接電源と、２つの金属棒
を各先端間が対向した状態で且つその間隔を調整可能に
保持する金属棒保持装置と、上記金属棒保持装置を駆動
して２つの金属棒の先端間の間隔を調整する駆動手段
と、上記溶接電源の出力電圧及び出力波形を検出し、上
記出力電圧を溶接の各段階において適正に保つように上
記駆動手段を駆動して２つの金属棒の先端間の間隔を調
整すると共に、上記出力波形が所定の波形となったとき
に上記駆動手段を駆動して２つの金属棒の先端間を圧接
させる制御装置とを備えたものである。

【００１７】従って、本発明溶融溶接装置にあっては、
金属棒の溶融溶接の全工程を自動化することができ、溶
接工の操作ミスによる溶接不良を解消し、品質の高い金
属棒の溶融溶接を行うことができる。しかも、溶接に関
する基礎的な知識と技能を有するものであれば、誰でも
操作することが可能であり、溶接コストの低減に寄与す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明金属棒の溶融溶接方
法及び装置の実施の形態を添付図面を参照して説明す
る。

【００１９】先ず、図１によって本発明に係る溶融溶接
装置３について説明する。

【００２０】ワーク保持装置４は固定側クランプ部５と
可動側クランプ部６とを有し、２つのクランプ部５と６
との間の間隔が駆動部７によって可変にされている。駆
動部７は２つのクランプ部５、６間の間隔を可変できる
ものであれば、特に構造は問わないが、例えば、駆動源
としてモータを使用し、モータの駆動力によって回転す
るピニオンによって可動側に設けられたラックを送る機
構や、可動側に螺合されたボール軸をモータによって回
転して可動側を送るもの等が適用可能である。

【００２１】そして、固定側クランプ５がコンクリート
２によって固定されている下側の棒鋼１に挟着されるこ
とによって棒鋼１を介してコンクリート２に支持され、
駆動部７を介して固定側クランプ部５に支持されている
可動側クランプ部６を上側の棒鋼１′にクランプして、
上側の棒鋼１′をその先端が下側棒鋼１の先端と一定の
間隔を置いて対向するように支持する。そして、２つの
棒鋼１、１′の先端間に上記したと同様の着火物（図示
しない）が位置されると共に、２つの棒鋼１、１′の先
端間が対向した部分がフラックス容器８によって覆わ
れ、該フラックス容器８内にフラックスが供給される。

【００２２】溶接電源９の出力端子９ａ、９ｂがそれぞ
れ棒鋼１、１′に接続され、２つの棒鋼１、１′の先端
間に一定の電流を供給するようになっている。該一定の
電流は溶接する金属棒の種類及び棒径に応じて設定され
る。

【００２３】制御装置１０は溶接電源９を制御すると共
に、２つの棒鋼１、１′間の電圧及び電圧波形を監視
し、該監視結果に基づいて、上記駆動部７に適時に駆動
信号を出力して、可動側の棒鋼１′を固定側の棒鋼１に
対して離接させるようになっている。

【００２４】図２に制御装置１０の構成の概略をブロッ
ク図で示す。

【００２５】ＣＰＵユニット１１は制御全般を司るもの
であり、溶接工程全体の制御のために必要なプログラム
が記述されたメモリ、上記プログラムに従って各種処理
を行う中央演算装置、一時的なデータの保持等を行うメ
モリ等を有する。

【００２６】電源制御Ｉ／Ｆ１２は、ＣＰＵユニット１
１からの溶接電源９をＯＮ／ＯＦＦするための２進数信
号をパラレルＩ／Ｏユニット１４によって変換されたビ
ット単位のＯＮ／ＯＦＦ信号を溶接電源９のＯＮ／ＯＦ
Ｆを行うリレーの駆動に必要な大きさの電流に変換する
ものである。

【００２７】電圧計測Ｉ／Ｆ１５は、計測した棒鋼１、
１′間の電圧をＡ／Ｄユニット１６が取り扱えるレベル
の電圧に変換し、Ａ／Ｄユニット１６は電圧計測Ｉ／Ｆ
１５から受けたアナログ信号をディジタル信号に変換し
てＣＰＵユニット１１に受け渡す。

【００２８】Ｄ／Ａユニット１７は、上記駆動部７のモ
ータの駆動のために出されるディジタル信号をアナログ
電圧に変換してモータドライバ１８に出力する。該アナ
ログ電圧の極性によって棒鋼１′の移動方向が、また、
電圧値によって移動速度が決まる。なお、上記モータド
ライバ１８がパルス列によって指示されるもである場合
には、上記Ｄ／Ａユニット１７はパルス列出力ユニット
によって置き換えられる。

【００２９】上記した溶融溶接装置３によって棒鋼１、
１′の溶融溶接が為されるが、その処理の流れを図３の
フローチャート及び図４のタイムチャートを参照して説
明する。

【００３０】先ず、自動運転開始の指令が出されると、
溶接電源９がＯＮされて、２つの棒鋼１、１′間に定電
流が供給される（ステップ１）。

【００３１】２つの棒鋼１、１′の先端間にアークが発
生し、予めタイマで定められた一定時間（Ｔ１）が経過
すると（ステップ２）、安定した状態のアークが得られ
るので、そこで、一定の電圧Ｖ１を設定し（ステップ
３）同時に該電圧Ｖ１を保つようにフィードバック制御
を行う（ステップ４）。すなわち、駆動部７を駆動して
上側の棒鋼１′を徐々に上方へ引き上げて上記電圧Ｖ１
を保つ。この状態を予めタイマで定められた一定時間
（Ｔ２）継続させる（ステップ５）。

【００３２】上記により安定したアークが発生し、且
つ、それが継続することによってスラグプールが生成さ
れ、それが拡大して行き、ついにはアークが存在しない
状態となる。

【００３３】上記した一定の時間Ｔ２が経過したところ
で、上側の棒鋼１′を下降させその先端をスラグプール
に浸す。これによって溶接電圧は急速に低下し行く。こ
の期間がアーク状態からエレクトロスラグへの移行期で
ある。

【００３４】そして、一定の電圧Ｖ２を設定しそれを維
持する（ステップ６）。

【００３５】そして、ＣＰＵユニット１１に与えられた
電圧情報からサンプリングを行って、そのピーク波形の
パターン比較をする等の手段によって溶接電源９の出力
波形が正弦波形となるのを監視する。これは、エレクト
ロスラグのプールは交流電流の働きと同じように働くの
で、溶接電源９の出力波形が正弦波形になるということ
は完全なエレクトロスラグが生成されていることを意味
するからである。

【００３６】そして、溶接電源９の出力波形が正弦波形
となったのを検知する（ステップ７）と同時にタイマを
作動させ、エレクトロスラグの状態を一定時間Ｔ３継続
させる。

【００３７】上記した一定時間Ｔ３が経過すると（ステ
ップ８）、溶接電源のフィードバック制御を解除すると
共に上側の棒鋼１′を下側の棒鋼１に圧接する加圧を開
始し（ステップ９）、さらに、一定時間Ｔ４の経過後
（ステップ１０）溶接電源９をＯＦＦする（ステップ１
１）。

【００３８】そして、上記した加圧を一定時間Ｔ５継続
した後（ステップ１２）、加圧を終了し、且つ、溶接の
自動運転を終了する（ステップ１３）。

【００３９】上記したように、上記した溶融溶接装置３
にあっては、溶接の工程をスタートさせれば、後は自動
的に溶融溶接の全工程が進行するので、溶接の失敗が無
く、品質の高い溶融溶接を行うことができる。

【００４０】なお、上記した実施の形態においては、棒
鋼を接合する場合を例として説明したが、本発明にかか
る溶融溶接装置によって接合される金属棒の材質は鋼材
に限るものではなく、鋼材以外の金属棒、例えば、アル
ミニウム棒の溶接や異種金属同士の接合も可能である。

【００４１】また、上記説明においては上下に配置され
た金属棒を接合する場合を例として示したが、接合され
る金属棒の姿勢が限定されることを意味するものではな
く、他の姿勢、例えば、水平に配置された金属棒同士の
接合も可能であることは勿論である。

【００４２】さらに、上記した実施の形態において示し
た各部の具体的形状乃至構造は、いずれも本発明を実施
するに際して行う具体化のほんの一例を示したものにす
ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解
釈されることがあってはならないものである。

【００４３】

【発明の効果】以上に記載したところから明らかなよう
に、本発明溶融溶接装置は、間隔を空けて配置した２つ
の金属棒の間に一定の電流を流すことによってアークを
発生させ、該アークによって金属棒の先端を溶融させる
と共に金属棒の先端間の周囲に供給したフラックスを溶
融させてスラグプールを形成させ、さらにスラグプール
の成長と金属棒の溶融成分によって形成される溶融池を
生成且つ成長させ、アークが消滅して２つの金属棒の先
端間がスラグプールと溶融池によって満たされさらに溶
融池の金属が精錬されたときに金属棒への通電を遮断す
ると同時に又は通電をしながら２つの金属棒の先端間を
圧接させ、溶融池を形成していた金属を介し、又は排出
して２つの金属棒を接続するための溶融溶接装置であっ
て、溶接される２つの金属棒間に一定の電流を供給する
溶接電源と、２つの金属棒を各先端間が対向した状態で
且つその間隔を調整可能に保持する金属棒保持装置と、
上記金属棒保持装置を駆動して２つの金属棒の先端間の
間隔を調整する駆動手段と、上記溶接電源の出力電圧及
び出力波形を検出し、上記出力電圧を溶接の各段階にお
いて適正に保つように上記駆動手段を駆動して２つの金
属棒の先端間の間隔を調整すると共に、上記出力波形が
所定の波形となったときに上記駆動手段を駆動して２つ
の金属棒の先端間を圧接させる制御装置とを備えたこと
を特徴とする。

【００４４】従って、本発明溶融溶接装置にあっては、
金属棒の溶融溶接の全工程を自動化することができ、溶
接工の操作ミスによる溶接不良を解消し、品質の高い金
属棒の溶融溶接を行うことができる。しかも、溶接に関
する基礎的な知識と技能を有するものであれば、誰でも
操作することが可能であり、溶接コストの低減に寄与す
る。

【００４５】請求項２に記載した発明にあっては、上記
所定の波形を正弦波形としたので、エレクトロスラグが
生成されていることを確実に検知することができ、その
結果、品質の良好な金属棒の溶融溶接を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２乃至図４と共に本発明溶融溶接装置の実施
の形態を示すものであり、本図は構成の概略を示すもの
である。

【図２】制御装置の構成の概略を示すものである。

【図３】動作を示すフローチャート図である。

【図４】溶接の全工程における溶接電圧の変化の一例を
示すタイムチャート図である。

【図５】従来の溶融溶接装置の一例を示す概略構成図で
ある。

【図６】溶融溶接の概要を（ａ）から（ｅ）へ順を追っ
て示す概略図である。

【符号の説明】

１、１′…棒鋼（金属棒）、３…溶融溶接装置、４…ワ
ーク保持装置（金属棒保持装置）、７…駆動部（駆動手
段）、９…溶接電源、１０…制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 誠 神奈川県川崎市本町２−11−19 財団法人 日本溶接技術センター内 (72)発明者 茂呂 周一 神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央５−５−13 株式会社なかじょう内 (72)発明者 木川 正洋 東京都港区西新橋３−21−８ 岩谷産業株 式会社内 (72)発明者 鈴木 康幸 東京都江東区大島２−９−６ キロニー産 業株式会社内 (72)発明者 竹中 一博 東京都江東区大島２−９−６ キロニー産 業株式会社内 (72)発明者 安國 宗道 東京都江東区大島２−９−６ キロニー産 業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 間隔を空けて配置した２つの金属棒の間
   に一定の電流を流すことによってアークを発生させ、該
   アークによって金属棒の先端を溶融させると共に金属棒
   の先端間の周囲に供給したフラックスを溶融させてスラ
   グプールを形成させ、さらにスラグプールの成長と金属
   棒の溶融成分によって形成される溶融池を生成且つ成長
   させ、アークが消滅して２つの金属棒の先端間がスラグ
   プールと溶融池によって満たされさらに溶融池の金属が
   精錬されたときに金属棒への通電を遮断すると同時に又
   は通電をしながら２つの金属棒の先端間を圧接させ、溶
   融池を形成していた金属を介し、又は排出して２つの金
   属棒を接続するための溶融溶接装置であって、 溶接される２つの金属棒間に一定の電流を供給する溶接
   電源と、 ２つの金属棒を各先端間が対向した状態で且つその間隔
   を調整可能に保持する金属棒保持装置と、 上記金属棒保持装置を駆動して２つの金属棒の先端間の
   間隔を調整する駆動手段と、 上記溶接電源の出力電圧及び出力波形を検出し、上記出
   力電圧を溶接の各段階において適正に保つように上記駆
   動手段を駆動して２つの金属棒の先端間の間隔を調整す
   ると共に、上記出力波形が所定の波形となったときに上
   記駆動手段を駆動して２つの金属棒の先端間を圧接させ
   る制御装置とを備えたことを特徴とする溶融溶接装置。
2. 【請求項２】 上記所定の波形が正弦波形であることを
   特徴とする請求項１に記載の溶融溶接装置。