JP2005103592A - アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスシールドアーク溶接中に溶接速度や溶接姿勢が変化しても、アークが安定であり，欠陥のない健全な溶接部を得ることができるシールドガス雰囲気を形成することができるアーク溶接装置を提供する。
【解決手段】溶接速度設定信号及び溶接トーチの動作軌跡データに基づいて動作制御信号を出力するロボット制御装置と、動作制御信号を入力として溶接トーチを移動させるマニピュレータと、溶接電源と、溶接トーチから噴出されるシールドガスの流量を調整するガス流量調整器とを備えてガスシールドアーク溶接を行うアーク溶接装置において、溶接速度設定信号を入力として溶接速度設定信号とシールドガス流量との関係を定めた関数によってガス流量設定信号を出力するガス流量設定回路を備え、ガス流量調整器がガス流量設定信号を入力としてシールドガス流量を自動的に調整するガス流量自動調整器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接を行うアーク溶接装置において、シールドガスの流量を設定するための改良されたガス流量調整器を備えたアーク溶接装置に関するものである。

ガスシールドアーク溶接では、炭酸ガス、アルゴンガス等のシールドガスをアーク及び溶融池に噴出して、これらを大気から遮蔽して、大気が溶接雰囲気内に侵入することを防ぐ必要がある。このシールドガスがアーク及び溶融池を適切に覆うことができない場合、大気が溶接雰囲気内に侵入する。その結果、アーク発生状態が不安定になり、ブローホールが発生し、また、スパッタが大量に発生して、溶接ビードの外観が悪化し、溶接欠陥になることが多い。

図９はティグ溶接を行うときのアーク発生部の模式図であって、同図（Ａ）は、溶接速度が低速の場合であり、同図（Ｂ）は、溶接速度が高速の場合である。
同図（Ａ）において、タングステン電極１と被溶接物２との間に図示を省略した溶接電源から電力を供給してアーク３を発生させている。また、ノズル４からアーク３及び溶融池５を大気から遮蔽するためのシールドガス６が噴出されている。
同図（Ａ）に示す溶接速度が低速の場合、シールドガス雰囲気はタングステン電極軸に対し略対称にシールド領域を形成している。

一方、同図（Ｂ）に示す溶接速度が高速の場合は、シールド領域が溶接方向と反対側へ偏向し、溶接部前方のシールド性が悪くなっている。この結果，溶接部にブローホールが発生し、良好な溶接部を得ることができない。

そこで、従来、高速溶接を行うときにアーク及び溶融池をシールドガスで大気から遮蔽するための改良された方法が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている高速気体チャンバー式ガスシールドアーク溶接方法を図１０を参照して説明する。

図１０は、従来技術の高速気体チャンバー式ガスシールドアーク溶接方法を説明する図である。同図において、溶接トーチ７に給電チップ１２が取付けられて、この給電チップ１２から溶接ワイヤ１３が送給されている。図示を省略した溶接電源から給電チップ１２と被溶接物２との間に電力が供給されて、アーク３が発生している。また、溶接トーチ７に取付けられたノズル４からシールドガス６が噴出されている。そして、溶接トーチ７に高速気体噴射ノズル８が設けられ、この高速気体噴射ノズル８の狭隘な気体吐出口９から圧縮エア１０が噴出されて、薄層の高速エアカーテン１１が形成されて、溶接中の溶接部周辺が大気から遮蔽されている。この結果、高速溶接時でもアーク３及びその周囲の溶接部を大気から保護することができる。
しかし，この従来技術には、後述する課題を有する。
特開２００２−２１９５７２号公報

上述した従来技術では、溶接速度が変化しても、高速気体噴射ノズル８から一定、かつ、多量の圧縮エア１０が噴出されている。通常、この圧縮エア１０はシールドガス６と同様のガスが使用されるので、このシールドガスの消費コストが高くなる欠点がある。
また，この従来技術では、アーク３を直接保護するシールドガス流量が一定であるため、全姿勢溶接のように、溶接中に上向きや立向きなどの姿勢になると、アーク３を直接保護するシールドガス雰囲気の濃度が低くなる。この結果、アーク３が不安定になり，また、溶接部のシールドが不十分になり、ブローホールなどの欠陥が生じる。

本発明は、ガスシールドアーク溶接中に溶接速度や溶接姿勢が変化しても、アークが安定であり，欠陥のない健全な溶接部を得ることができるシールドガス雰囲気を形成することができるアーク溶接装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、第１の発明は、
ティーチペンダントから入力される溶接速度設定信号及び溶接トーチの動作軌跡データに基づいて動作制御信号を出力するロボット制御装置と、
前記動作制御信号を入力として溶接トーチを移動させるマニピュレータと、
前記溶接トーチと被溶接物との間に電力を供給する溶接電源と、
前記溶接トーチから噴出されるシールドガスの流量を調整するガス流量調整器とを備えてガスシールドアーク溶接を行うアーク溶接装置において、
前記溶接速度設定信号を入力として前記溶接速度設定信号と前記シールドガス流量との関係を定めた関数によってガス流量設定信号を出力するガス流量設定回路を備え、
前記ガス流量調整器が前記ガス流量設定信号を入力としてシールドガス流量を自動的に調整するガス流量自動調整器であることを特徴とするアーク溶接装置である。

第２の発明は、
前記ロボット制御装置に前記溶接トーチの動作軌跡データを入力として溶接姿勢を判別して溶接姿勢判別信号を出力する溶接姿勢判別回路を設け、
前記ガス流量設定回路が前記溶接速度設定信号及び前記溶接姿勢判別信号を入力として前記溶接速度設定信号及び前記溶接姿勢判別信号と前記シールドガス流量との関係を定めた関数によってガス流量設定信号を出力するガス流量設定回路であることを特徴とする第１の発明に記載のアーク溶接装置である。

本発明のアーク溶接装置は、ガスシールドアーク溶接中に溶接速度や溶接姿勢が変化しても、アークが安定であり，欠陥のない健全な溶接部を得ることができるシールドガス雰囲気を形成することができる。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は、本発明のアーク溶接装置の構成図である。マニピュレータ１４には溶接トーチ７が取付けられている。溶接ワイヤ１３は、上記の溶接トーチ７から送給されて、被溶接物２との間にアーク３が発生する。

ティーチペンダント１５から溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接トーチ７の動作軌跡データＤｗがロボット制御装置１６に入力される。このロボット制御装置１６は、入力された溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接トーチ７の動作軌跡データＤｗに基づいて動作制御信号Ｍｃを出力する。マニピュレータ１４は、上記の動作制御信号Ｍｃを入力として溶接トーチ７を移動させる。
また、このロボット制御装置１６には、上記の溶接トーチ７の動作軌跡データＤｗを入力として溶接姿勢を判別し、溶接姿勢判別信号Ｐｗを出力する溶接姿勢判別回路１７が設けられている。

また、上記のロボット制御装置１６は、アーク溶接の開始及び停止のタイミングを同期制御し、溶接電源２１の出力を制御するための溶接電源出力制御信号Ｐｃを出力する。溶接電源２１は、この溶接電源出力制御信号Ｐｃを入力として、アーク溶接を維持するための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧を出力すると共に、上記の溶接ワイヤ１３の送給を制御し、アーク溶接の開始及び停止を制御する。

ガス流量設定回路１８には、上記の溶接速度設定信号Ｖｗ及び上記の溶接姿勢判別信号Ｐｗとシールドガス流量との関係が定められた関数が設けられている。この関数は、後述する溶接速度及び溶接姿勢とシールドガス流量とのグラフから定められる。
そして、このガス流量設定回路１８は、上記の溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接姿勢判別信号Ｐｗを入力として、これらの信号に対応したシールドガス流量を設定するガス流量設定信号Ｇｗを出力する。
ガス流量自動調整器１９は、このガス流量設定信号Ｇｗを入力として、ガスシリンダ２０から供給されたシールドガスの流量を自動的に調整し、溶接トーチ７へ供給する。

次に、本発明のアーク溶接装置の動作を説明する。
ティーチペンダント１５からロボット制御装置１６に溶接開始指令信号が入力されると、ティーチペンダント１５から予め入力された溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接トーチ７の動作軌跡データＤｗに基づいた動作制御信号Ｍｃが出力される。マニピュレータ１４は、この動作制御信号Ｍｃを入力として、溶接トーチ７を溶接開始位置に移動させる。
溶接トーチ７が溶接開始位置に達すると、ガス流量設定回路１８は、溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接姿勢判別信号Ｐｗを入力として、これらの信号に対応したシールドガス流量を設定するガス流量設定信号Ｇｗをガス流量自動調整器１９に出力する。
ガス流量自動調整器１９は、ガス流量設定信号Ｇｗに対応したシールドガス流量を自動的に調整し、溶接トーチ７から噴出する。また、溶接電源２１は、ロボット制御装置１６から出力された溶接電源出力制御信号Ｐｃを入力として、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧を出力すると共に、溶接ワイヤ１３が送給されてアーク溶接が開始される。溶接中は、溶接トーチ７は上記動作制御信号Ｍｃに従って移動する。そして、溶接トーチ７が溶接終了位置に達すると、アーク溶接が終了する。

図２及び図３を参照して、上述したガス流量設定回路１８に設けられた溶接速度設定信号Ｖｗとシールドガス流量との関係が定められた関数を定めるためのグラフの例を説明する。図２は、ティグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接速度とシールドガス流量との関係を示す図である。溶接条件は、シールドガスがアルゴンで、被溶接物が板厚３ｍｍのＳＵＳ３０４のステンレス鋼で、溶接電流が６０Ａ〜２５０Ａである。
同図において、境界線Ｓの上方の範囲においては、溶接速度に対応したシールドガス流量が噴出されているため、良好な溶接ビードが得られている。一方、境界線Ｓの下方の範囲においては、溶接速度に対してシールドガス流量が不足しているため、ピットやブローホールの溶接欠陥が発生している。

図３は、アルミニウムのミグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接速度とシールドガス流量との関係を示す図である。溶接条件は、シールドガスがアルゴンで、被溶接物が板厚３ｍｍのＡ５０５２のアルミニウム−マグネシウム合金で、溶接電流が６０Ａ〜２５０Ａである。
同図において、境界線Ｓの上方の範囲においては、溶接速度に対応したシールドガス流量が噴出されているため、良好な溶接ビードが得られている。一方、境界線Ｓの下方の範囲においては、溶接速度に対してシールドガス流量が不足しているため、ピットやブローホールの溶接欠陥が発生している。

次に、図４乃至図６を参照して、上述したガス流量設定回路１８に設けられた溶接速度設定信号Ｖｗ及び溶接姿勢判別信号Ｐｗとシールドガス流量との関係が定められた関数を定めるためのグラフの例を説明する。
図４は、水平固定管２２の全姿勢溶接を行う場合の溶接姿勢を示す図である。溶接位置Ｐ１は下向姿勢であり、溶接位置Ｐ２及び溶接位置Ｐ４は、横向姿勢であり、溶接位置Ｐ３は上向姿勢である。

図５は、ティグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接姿勢とシールドガス流量との関係を示す図である。溶接条件は、シールドガスがアルゴンで、被溶接物が板厚３ｍｍのＳＵＳ３０４のステンレス鋼で、溶接電流が１００Ａで、溶接速度が１５ｃｍ／分である。
同図において、境界線Ｓの上方の範囲においては、溶接姿勢に対応したシールドガス流量が噴出されているため、良好な溶接ビードが得られている。一方、境界線Ｓの下方の範囲においては、溶接姿勢に対してシールドガス流量が不足しているため、ピットやブローホールの溶接欠陥が発生している。特に、上向姿勢の場合、アークを直接保護するシールドガス雰囲気の濃度が低くなるため、例えば下向姿勢の２倍のシールドガス流量が必要である。

図６は、マグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接姿勢とシールドガス流量との関係を示す図である。溶接条件は、シールドガスがアルゴン８０体積％＋炭酸ガス２０体積％であり、被溶接物が板厚６ｍｍの軟鋼パイプで、溶接電流が１４０Ａ〜２２０Ａで、溶接速度が４０ｃｍ／分である。
同図において、境界線Ｓの上方の範囲においては、溶接姿勢に対応したシールドガス流量が噴出されているため、良好な溶接ビードが得られている。一方、境界線Ｓの下方の範囲においては、溶接姿勢に対してシールドガス流量が不足しているため、ピットやブローホールの溶接欠陥が発生している。特に、上向姿勢の場合、アークを直接保護するシールドガス雰囲気の濃度が低くなるため、例えば下向姿勢の２倍近いシールドガス流量が必要である。

図７は、従来技術と本発明とのアーク溶接装置において、ティグ溶接による溶加材無しのビード溶接を行い、溶接中にロボット制御装置１６からの溶接速度設定信号Ｖｗを切り換えたときの溶接ビード２３の外観を示す図である。
同図（Ａ）は、従来技術のアーク溶接装置によりティグ溶接を行ったときの溶接ビード２３の外観を示す図であり、同図（Ｂ）は、本発明のアーク溶接装置によりティグ溶接を行ったときの溶接ビード２３の外観を示す図であり、同図（Ｃ）は、従来技術と本発明とのアーク溶接装置における溶接速度とシールドガス流量との関係を示す図である。

溶接条件は、シールドガスがアルゴンで、被溶接物が板厚３ｍｍのＡ５０５２のアルミニウム−マグネシウム合金であり、溶接速度が１０ｃｍ／分のとき溶接電流が８０Ａであり、溶接速度が５０ｃｍ／分のとき溶接電流が１５０Ａである。また、シールドガス流量は、従来技術においては、１０リットル／分で一定であり、本発明においては、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、溶接速度が１０ｃｍ／分で、シールドガス流量が１０リットル／分である。また、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は、溶接速度が５０ｃｍ／分で、シールドガス流量が２０リットル／分である。溶接長は３００ｍｍである。

同図（Ａ）に示す従来技術においては、時刻ｔ２において、溶接速度が１０ｃｍ／分から５０ｃｍ／分に増加したにもかかわらず、シールドガス流量が１０リットル／分で一定である。その結果、溶接速度が５０ｃｍ／分である時刻ｔ２から時刻ｔ３の間は、溶接速度に対してシールドガス流量が不足しているために、ピット２４等の溶接欠陥が発生している。
これに対して、本発明においては、時刻ｔ２において、溶接速度が１０ｃｍ／分から５０ｃｍ／分に増加すると、図１に示したガス流量設定回路１８により溶接速度に対応してシールドガス流量が１０リットル／分から２０リットル／分に増加している。その結果、溶接部を適切にシールドすることができるために、溶接部に欠陥が生じていない。

図８は、図７と同様に、従来技術と本発明とのアーク溶接装置において、ティグ溶接による溶加材無しのビード溶接を行い、溶接中にロボット制御装置１６からの溶接速度設定信号を切り換えたときの溶接結果を示す図であるが、従来技術において、溶接欠陥を発生させないために、シールドガス流量を溶接速度が速いときのシールドガス流量である２０リットル／分で一定にしたときの従来技術と本発明とにおけるシールドガスの消費量を比較した図である。

図８（Ａ）は、従来技術と本発明とのアーク溶接装置における溶接速度とシールドガス流量との関係を示す図であり、同図（Ｂ）は従来技術において、シールドガス流量を溶接速度が速いときのシールドガス流量で一定にしたときの従来技術と本発明とにおけるシールドガスの消費量を比較した図である。
同図において、溶接欠陥は、従来技術と本発明とにおいて、いずれも発生しないが、本発明は、従来技術と比較して、シールドガスの消費量を著しく節約できる効果がある。

本発明のアーク溶接装置の構成図である。 ティグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接速度とシールドガス流量との関係を示す図である。 アルミニウムのミグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接速度とシールドガス流量の関係を示す図である。 水平固定管２２の全姿勢溶接を行う場合の溶接姿勢を示す図である。 ティグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接姿勢とシールドガス流量との関係を示す図である。 マグ溶接において、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が生じない溶接姿勢とシールドガス流量との関係を示す図である。 従来技術と本発明とのアーク溶接装置において、ティグ溶接による溶加材無しのビード溶接を行い、溶接中にロボット制御装置１６からの溶接速度設定信号Ｖｗを切り換えたときの溶接ビード２３の外観を示す図である。 従来技術と本発明とのアーク溶接装置において、ティグ溶接による溶加材無しのビード溶接を行い、溶接中にロボット制御装置１６からの溶接速度設定信号を切り換え、従来技術において、溶接欠陥を発生させないために、シールドガス流量を溶接速度が速いときのシールドガス流量である２０リットル／分で一定にしたときの従来技術と本発明とにおけるシールドガスの消費量を比較した図である。 ティグ溶接を行うときのアーク発生部の模式図である。 従来技術の高速気体チャンバー式ガスシールドアーク溶接方法を説明する図である。

符号の説明

１ タングステン電極
２ 被溶接物
３ アーク
４ ノズル
５ 溶融池
６ シールドガス
７ 溶接トーチ
８ 高速気体噴射ノズル
９ 気体吐出口
１０ 圧縮エア
１１ 高速エアカーテン
１２ 給電チップ
１３ 溶接ワイヤ
１４ マニピュレータ
１５ ティーチペンダント
１６ ロボット制御装置
１７ 溶接姿勢判別回路
１８ ガス流量設定回路
１９ ガス流量自動調整器
２０ ガスシリンダ
２１ 溶接電源
２２ 水平固定管
２３ 溶接ビード
２４ ピット
Ｄｗ 動作軌跡データ
Ｇｗ ガス流量設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｍｃ 動作制御信号
Ｐ１ 溶接位置
Ｐ２ 溶接位置
Ｐ３ 溶接位置
Ｐ４ 溶接位置
Ｐｃ 溶接電源出力制御信号
Ｐｗ 溶接姿勢判別信号
Ｓ 境界線
ｔ１ 時刻
ｔ２ 時刻
ｔ３ 時刻
Ｖｗ 溶接速度設定信号

Claims (2)

1. ティーチペンダントから入力される溶接速度設定信号及び溶接トーチの動作軌跡データに基づいて動作制御信号を出力するロボット制御装置と、
   前記動作制御信号を入力として溶接トーチを移動させるマニピュレータと、
   前記溶接トーチと被溶接物との間に電力を供給する溶接電源と、
   前記溶接トーチから噴出されるシールドガスの流量を調整するガス流量調整器とを備えてガスシールドアーク溶接を行うアーク溶接装置において、
   前記溶接速度設定信号を入力として前記溶接速度設定信号と前記シールドガス流量との関係を定めた関数によってガス流量設定信号を出力するガス流量設定回路を備え、
   前記ガス流量調整器が前記ガス流量設定信号を入力としてシールドガス流量を自動的に調整するガス流量自動調整器であることを特徴とするアーク溶接装置。
2. 前記ロボット制御装置に前記溶接トーチの動作軌跡データを入力として溶接姿勢を判別して溶接姿勢判別信号を出力する溶接姿勢判別回路を設け、
   前記ガス流量設定回路が前記溶接速度設定信号及び前記溶接姿勢判別信号を入力として前記溶接速度設定信号及び前記溶接姿勢判別信号と前記シールドガス流量との関係を定めた関数によってガス流量設定信号を出力するガス流量設定回路であることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。
   

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