JP2005138151A - Welding method and welding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は溶接方法及び溶接システムに関するもので、特にプラズマ/アークハイブリッド溶接及びレーザ/アークハイブリッド溶接等のハイブリッド溶接により高速で薄板を突き合わせ溶接する場合に適用して有用なものである。 The present invention relates to a welding method and a welding system, and is particularly useful when applied to butt welding thin plates at high speed by hybrid welding such as plasma / arc hybrid welding and laser / arc hybrid welding.
自動車の車体パネル等の成形用素材として、板厚や材質がともに同じか、あるいはともに異なる鋼板同士を突き合わせて一体化したテーラードブランク材が用いられている。かかるテーラードブランク材を得るための溶接をはじめ、薄板の突き合わせ溶接の溶接速度は、近年益々高速化の傾向をたどっており、この高速化に対応すべく溶接ヘッドとしても、例えばレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッド等を用いるハイブリッド溶接が多用されている。 As a forming material for automobile body panels or the like, tailored blank materials are used in which steel plates having the same thickness or the same material or different steel plates are butted together. In recent years, the welding speed of thin plate butt welding, such as welding for obtaining such tailored blank materials, has been increasingly increasing. For example, laser / arc hybrid welding can be used as a welding head to cope with this high speed. Hybrid welding using a head or the like is often used.
図6は従来技術に係るレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッドを示す縦断面図である。同図に示すように、このレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッドIの上部には光ファイバ1の先端部が接続されている。光ファイバ1の基端部は図示しないYAGレーザ発振器に接続されており、このYAGレーザ発振器から発振されたレーザ光2を、光ファイバ1により伝送して当該溶接ヘッドI内へと導入するようになっている。
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a laser / arc hybrid welding head according to the prior art. As shown in the figure, the tip of the
光ファイバ1の先端から出たレーザ光2は、溶接ヘッドI内に設けられたコリメートレンズ群3によって平行光となった後、その半分がレーザ光2の光軸方向に対して45度に傾斜させた板状の第1反射ミラー4によって横方向に反射され、さらに同方向に第1反射ミラー4に対して所定の間隔で対向配置された板状の第2反射ミラー5により下方に反射される。かくして、横断面が円形のレーザ光2が、横断面が半円形の第1分割レーザ光2aと第2分割レーザ光2bとに2分割され、これらの分割レーザ光2a,2bの間に空間部6が形成される。
The
分割レーザ光2a,2bは、溶接ヘッドI内に設けられた集光レンズ群7により集光されて鋼板などの被溶接部材8に照射される。このときのレーザ光照射位置を図中に8aの符号で示す。また、分割レーザ光2a,2bの間の空間部6には、タングステンなどからなる棒状のアーク電極(アークロッド)10が配置されており、このことによってレーザ光2(分割レーザ光2a,2b)とアーク電極10とが同軸状となっている。
The divided
そして、このアーク電極10の配置は、アーク電極位置調整機能とアーク電極傾斜角度調整機能とアーク電極距離調整機能とを兼ね備えたアーク電極調整機構により、適宜調整することができるようになっている。
The arrangement of the
また、溶接ヘッドIの下部には円錐台状のノズル12が取り付けられている。溶接時には、アルゴンガスなどの不活性ガスが、ノズル12内に導入され、ノズル12の先端(下端)の開口部12aから被溶接材8に向かって噴射されるようになっている。
Further, a frustum-
アーク電極10は円柱状のアーク電極支持部材14の中央部に下方へ向けた状態で支持されており、アーク電極部全体はT字状となっている。アーク電極支持部材14は、銅製の導電部材11と、この導電部材11の外周を覆う電気的絶縁材としてのセラミックスチューブ13とを有してなるものであり、ノズル12を径方向に貫通している。
The
導電部材11には図示しない電線が接続され、この導電部材11を介して図示しない電源からアーク電極10へ電圧が印加されるようになっている。
An electric wire (not shown) is connected to the
上述の如きハイブリッド溶接ヘッドIを用いる突き合わせ溶接は、図7に示すような溶接ステージ21上に、図8に示すように鋼板等の被溶接部材22を載置した状態で実施する。すなわち、両図に示すように、溶接ステージ21には被溶接部材22同士の突き合わせ部で形成する溶接線22a(溶接方向(図中の矢印方向))に沿ってその下方に溝部21aが形成してあり、この溝部21aで溶接に伴うカスを回収するとともに、被溶接部材22と溶接ステージ21との溶着を防止して良好な突き合わせ溶接を行い得るように工夫してある。ここで、溶接ステージ21は通常鋼材で形成してある。
Butt welding using the hybrid welding head I as described above is performed in a state where a
なお、本願発明に関連する公知技術として次の特許文献1を挙げることができる。
In addition, the following
上述の如き従来技術に係る溶接ステージ21を用いた突き合わせ溶接では溶接ビードの乱れを生起してしまう。これは溶接部の溶融池(被溶接部材等が溶融して液状化した部分)に作用する電磁力により、この溶融池の溶融金属が攪拌され、特に溶融金属が流れる方向(以下、湯流れ方向という。)、すなわち重力方向と反対方向(上方向)へ溶融金属が引き上げられるためであると考えられる。ちなみに、電流は溶融池の近傍部分では溶接ステージ21及び被溶接部材22に拡散されるので、フレミングの左手法則による種種の方向への電磁力が発生して上述の如く、湯流れ方向と逆方向への電磁力となることがあると考えられる。
In the butt welding using the
かかる溶融池の乱れは溶接速度が速くなればその分顕著な現象として顕在化する。溶接速度が速くなれば、速くなる程溶融池は溶接方向に沿って細長くなり、その分溶融池の溶融金属がこの部分に作用する電磁力の影響を受け易くなるからである。 Such turbulence in the weld pool becomes more prominent as the welding speed increases. This is because the faster the welding speed, the longer the molten pool becomes elongated along the welding direction, and accordingly the molten metal in the molten pool becomes more susceptible to the electromagnetic force acting on this portion.
そこで、溶接速度のさらなる高速化を図るためにも上述の如き溶接ビードの乱れを低減する対策が待望されている。 Therefore, in order to further increase the welding speed, a countermeasure for reducing the disturbance of the weld bead as described above is desired.
本発明は、上記従来技術に鑑み、溶融池に流れる電流を整定することにより溶接ビードの乱れを可及的に低減し得る溶接方法及び溶接システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a welding method and a welding system capable of reducing the disturbance of a weld bead as much as possible by setting the current flowing in a molten pool in view of the above-described conventional technology.
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。 The configuration of the present invention that achieves the above object is characterized by the following points.
1) 溶接ヘッドを被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って走行させながら、前記被溶接部材を載置する溶接ステージと、前記溶接ヘッド側の電極との間に前記被溶接部材を介して電流を供給することにより前記溶接線に沿う前記被溶接部材同士の溶接を行う溶接方法において、
溶接部の溶融池における湯流れ方向に前記電流による電磁力が作用するように電流を供給すること。
1) The member to be welded between a welding stage on which the member to be welded is placed and the electrode on the side of the welding head while the welding head travels along a welding line that is a contact portion between the members to be welded. In a welding method for welding the members to be welded along the weld line by supplying an electric current through
Supplying an electric current so that the electromagnetic force by the said electric current acts in the molten metal flow direction in the molten pool of a welding part.
2) 上記1)に記載する溶接方法において、
溶接ステージの溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁するとともに、前記他の部分よりも高導電率の部材で形成した電流通路部を有する溶接ステージを用い、電極側がマイナス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し後方をアースするとともに、電極側がプラス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し前方をアースして溶接を行うこと。
2) In the welding method described in 1) above,
Insulating the part of the welding stage along the weld line from the other part and using a welding stage having a current passage formed by a member having a higher conductivity than that of the other part. Ground the rear with respect to the traveling direction of the head and, if the electrode side is a positive electrode, perform the welding by grounding the front with respect to the traveling direction of the welding head.
3) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つの溶接方法において、
溶接ヘッドにプラスマ溶接/レーザ/プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いるハイブリッド溶接を行うこと。
3) In any one of the welding methods described in 1) to 3) above,
Hybrid welding using a hybrid welding head such as a plasma welding / laser / plasma hybrid welding head or a laser / arc hybrid welding head as the welding head.
4) 被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って溶接ヘッドを走行させながら、前記被溶接部材同士を溶接する溶接の際に、前記被溶接部材を載置する溶接ステージにおいて、
前記溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部を有するとともに、当該溶接ステージ側がプラス極で前記溶接ヘッド側の電極がマイナス極である場合、及び当該溶接ステージ側がマイナス極で前記溶接ヘッド側の電極がプラス極である場合の何れの場合にも、前記溶接ヘッドの走行方向に対し前記電流通路部の後方をアースして、溶接の際に溶融池において湯流れ方向に電磁力を作用させる電流を供給するように構成したこと。
4) In a welding stage for placing the members to be welded in welding for welding the members to be welded while running a welding head along a welding line that is a contact portion between the members to be welded,
A portion along the weld line is insulated from other portions and has a current passage portion formed of a high conductivity member, the welding stage side is a positive pole, and the welding head side electrode is a negative pole; and In any case where the welding stage side is a negative pole and the welding head side electrode is a positive pole, the rear of the current passage portion is grounded with respect to the traveling direction of the welding head and melted during welding. It was configured to supply a current that causes electromagnetic force to act in the hot water flow direction in the pond.
5) 上記4)に記載する溶接ステージにおいて、
電流通路部は銅材で形成するとともに、この電流通路部を、絶縁部材を介して他の部材に埋設して構成したこと。
5) In the welding stage described in 4) above,
The current passage portion is made of a copper material, and the current passage portion is embedded in another member via an insulating member.
6) 上記4)又は5)に記載する溶接ステージと、溶接ヘッド,その走行系及び装置全体の制御系を有する溶接装置とを組み合わせて構成したこと。 6) The welding stage described in the above 4) or 5) is combined with a welding apparatus having a welding head, its traveling system, and a control system for the entire apparatus.
7) 6)に記載する溶接システムにおいて、
溶接装置は、溶接ヘッドにプラズマ溶接/レーザ/プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いたハイブリッド溶接装置であること。
7) In the welding system described in 6),
The welding apparatus is a hybrid welding apparatus using a hybrid welding head such as a plasma welding / laser / plasma hybrid welding head or a laser / arc hybrid welding head as the welding head.
上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。 According to the present invention configured as described above, the following effects are obtained.
請求項1に記載する発明は、上記1)に記載するような構成を有するので、
溶融池における溶融金属に湯流れ方向の電磁力が作用し、この溶融金属を湯流れ方向に引っ張り込む。したがって、溶融池における溶融金属の攪拌が抑制され綺麗な仕上がりの
溶接ビードとして良質の溶接部を形成することができる。
Since the invention described in
Electromagnetic force in the hot water flow direction acts on the molten metal in the molten pool, and the molten metal is pulled in the hot water flow direction. Therefore, stirring of the molten metal in the molten pool is suppressed, and a high-quality weld can be formed as a weld bead with a beautiful finish.
請求項2に記載する発明は、上記2)に記載するような構成を有するので、
溶接時の電流は集中的に電流通路部を通り、溶融池の電流が一定方向に整定されるばかりでなく溶融池を流れる電流に作用する電磁力は湯流れ方向となるので、溶融金属が乱されることはなく、溶接線に沿う綺麗な溶接ビードが形成される。
この結果、良質の溶接部を形成することができる。
Since the invention described in
The welding current concentrates through the current path and not only the current in the molten pool is set in a certain direction but also the electromagnetic force acting on the current flowing through the molten pool is in the direction of the molten metal flow, so that the molten metal is disturbed. A beautiful weld bead is formed along the weld line.
As a result, a high-quality weld can be formed.
請求項3に記載する発明は、上記3)に記載するような構成を有するので、
特に溶接速度が速く溶接ビードの乱れを生起し易いハイブリッド溶接においても良好な品質の溶接部を形成することができる。
Since the invention described in
In particular, it is possible to form a weld of good quality even in hybrid welding where the welding speed is high and disturbance of the weld bead is likely to occur.
請求項4に記載する発明は、上記4)に記載するような構成を有するので、
溶接時の電流は集中的に電流通路部を通り、溶融池の電流が一定方向に整定されるばかりでなく溶融池を流れる電流に作用する電磁力は湯流れ方向となるので、溶融金属が乱されることはなく、溶接線に沿う綺麗な溶接ビードが形成される。
この結果、良質の溶接部を形成することができる。
Since the invention described in
The welding current concentrates through the current path and not only the current in the molten pool is set in a certain direction but also the electromagnetic force acting on the current flowing through the molten pool is in the direction of the molten metal flow, so that the molten metal is disturbed. A beautiful weld bead is formed along the weld line.
As a result, a high-quality weld can be formed.
請求項5に記載する発明は、上記5)に記載するような構成を有するので、
溶接電流を集中的に流す高導電体の電流通路を容易に形成することができる。
Since the invention described in
It is possible to easily form a high conductor current path through which a welding current flows intensively.
請求項6に記載する発明は、上記6)に記載するような構成を有するので、
請求項4又は請求項5に記載する作用・効果を有する溶接システムを提供することができる。
Since the invention described in claim 6 has the configuration as described in 6) above,
The welding system which has an effect | action and effect described in
請求項7に記載する発明は、上記7)に記載するような構成を有するので、
特に溶接速度が速く溶接ビードの乱れを生起し易いハイブリッド溶接においても良好な品質の溶接部が形成される溶接システムを提供することができる。
Since the invention described in
In particular, it is possible to provide a welding system in which a weld of a good quality is formed even in hybrid welding where the welding speed is high and the weld bead is likely to be disturbed.
図1は本発明の実施の形態に係る溶接システムを示す斜視図、図2は図1に示する溶接システムにおける溶接時の態様を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a welding system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an aspect during welding in the welding system shown in FIG.
両図に示すように、当該溶接システムは被溶接部材22同士の当接部である溶接線22aに沿って溶接ヘッドIIを図中に矢印で示す方向に走行させながら、前記被溶接部材22同士を突き合わせ溶接するものである。ここで、溶接ヘッドIIを含む溶接装置は、他に溶接ヘッドIIの走行系及び全体の制御系等(何れも図示せず。)を有する。
As shown in both figures, the welding system is configured such that the welded
溶接の際に前記被溶接部材22を載置する溶接ステージ31は、前記溶接線22aに沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部31bを有する。ここで、電流通路部31bには図7及び図8に示す溝21aと同様の機能を果たす溝31aが形成してあり、相対的な低導電率部材等で形成した本体31cに絶縁部材31dを介して埋設してある。したがって、溶接の際の溶接電流は電流通路部31bを集中的して流れる。この結果、溶接電流を狭い範囲に閉じ込めて集中的に一方向に流すことができ、さらに被溶接部材22の溶接部である溶融池22bを流れる電流を所定の一方向に整定することができる。
A
本形態では、溶接ヘッドIIの走行方向に対し電流通路部31bの後方をアース33している。本形態における溶接ヘッドIIはその電極がマイナス極、溶接ステージ31がプラス極の場合であるからである。
In this embodiment, the rear side of the
かかる本形態において溶接時の溶接電流は、溶接ステージ31の電流通路部31bを集中的に流れる。すなわち、図3に示すように、アース33から電流通路部31b、溶融池22bを通りアーク電極34に至る。したがって、この場合右ネジの法則により電流通路部31b及びアーク電極34に至るアーク35には図にリング状の矢印で示すような磁界Bが形成される。この結果、これらを合成した磁束Bは被溶接部材22の表面と平行な方向となる。したがって、この磁界Bにより溶融池22bに流れる電流Iにはフレミングの左手法則により図中下方向の力Fが作用する。この力Fは重力方向、すなわち湯流れ方向である。したがって、本形態によれば、溶接速度が高速になり、その分溶融池22bの形状が溶接ヘッドIIの走行方向に細長くなっても溶融金属は被溶接部材22同士の突き合わせ部分の隙間に良好に入り込み綺麗な溶接ビードが形成される。
In this embodiment, the welding current during welding flows intensively in the
図4は本形態に係る溶接システムにより溶接した場合の溶接ビード、図5は従来技術に係る溶接システムシステムにより溶接した場合の溶接ビードの形状を平面的に見た写真で示す説明図である。両図中、22は被溶接部材、36及び16が溶接ビードである。図5に示す溶接ビード16は溶接ビード16のハンピング、乱れ等を生起しているのに対し、図4に示す溶接ビード36はこの様なハンピング、乱れ等を生起することなく綺麗な形状となっていることが明確に理解される。
FIG. 4 is a weld bead when welded by the welding system according to the present embodiment, and FIG. 5 is an explanatory view showing a photograph of the shape of the weld bead when welded by the welding system system according to the prior art in a plan view. In both figures, 22 is a member to be welded, and 36 and 16 are weld beads. While the
なお、溶接ヘッドII側の電極がプラス極、溶接ステージ31側がマイナス極の場合にも溶接ヘッドIIの走行方向に対し電流通路部31bの後方をアースする。この場合、上記実施の形態に対して電流の方向は逆になるが、同時に磁界の方向も逆になるので電磁力の方向は上記実施の形態と同様に湯流れ方向となる。したがって、上記実施の形態と同様に、綺麗な溶接ビードを形成することができる。
Even when the electrode on the welding head II side is a positive electrode and the
また、前記特許文献1には、ハイブリッドアーク/レーザ溶接において、誘導電磁場に基づく力をバランスさせる旨の記載があるが、これはアースコンタクター10を介して溶接電流を流すように構成したもので、このことにより溶融池に流れる電流を抑制することによりこの溶融池の溶融金属が電磁力の影響を受けないようにしたものである。したがって、前述の如く、誘導電磁場に基づく力を減少、バランスさせるに止まる。
Further,
これに対し、本願発明においては、溶融池22bに積極的に所定方向の溶接電流を流し、これによる電磁力を湯流れ方向に作用させて被溶接部材22の突き合わせ部の隙間に入り込ませている。このことにより、さらにビード形状の安定化を図ることができる。
On the other hand, in this invention, the welding current of a predetermined direction is actively sent through the
本実施例ではステージ31の電流通路部31bを銅で、本体を鋼材で形成したものである。本実施例によれば、導電率の高い銅で電流通路部31bを形成し、それよりも低い鋼材でその他の部分である本体を31cを形成したので、電流通路部31bに溶接電流を集中させることができる。
In this embodiment, the
本実施例では、溶接ヘッドIIを図6に示すものと同様のアーク/レーザハイブリッド溶接ヘッドで形成したハイブリッド溶接装置を有するハイブリッド溶接システムを構築した。本実施例によれば、溶接速度が5m/min程度と高速のハイブリッド溶接において、作業効率が良好な溶接速度の高速化を維持したまま溶接品質も良好なものとすることができる。 In this example, a hybrid welding system having a hybrid welding apparatus in which the welding head II is formed of an arc / laser hybrid welding head similar to that shown in FIG. 6 was constructed. According to this example, in high-speed hybrid welding with a welding speed of about 5 m / min, it is possible to improve the welding quality while maintaining a high welding speed with good working efficiency.
なお、溶接ヘッドとしてはハイブリッド形式のものに限る必要は、勿論ない。電流を利用した溶接を行うものであれば、特に限定することなく適用でき、同様の効果を得る。例えばプラズマ溶接等にも同様に適用し得る。 Needless to say, the welding head need not be limited to the hybrid type. As long as welding using current is performed, the present invention can be applied without particular limitation, and the same effect can be obtained. For example, it can be similarly applied to plasma welding or the like.
本発明は、例えば自動車産業におけるテーラードブランク溶接等に適用して有用なものである。 The present invention is useful when applied to, for example, tailored blank welding in the automobile industry.
II 溶接ヘッド
22 被溶接部材
22a 溶接線
22b 溶融池
31 溶接ステージ
31a 溝部
31b 電流通路部
31c 本体
31d 絶縁部材
33 アース
34 アーク電極
35 アーク
36 溶接ビード
I 電流
B 磁束
F 力
Claims (7)
溶接部の溶融池における湯流れ方向に前記電流による電磁力が作用するように電流を供給することを特徴とする溶接方法。 While moving the welding head along a welding line that is a contact portion between the members to be welded, the welding member is interposed between the welding stage on which the member to be welded is placed and the electrode on the welding head side. In a welding method for welding the members to be welded along the weld line by supplying current,
A welding method comprising supplying an electric current so that an electromagnetic force due to the electric current acts in a molten metal flow direction in a weld pool of a welded portion.
溶接ステージの溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁するとともに、前記他の部分よりも高導電率の部材で形成した電流通路部を有する溶接ステージを用い、電極側がマイナス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し後方をアースするとともに、電極側がプラス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し前方をアースして溶接を行うことを特徴とする溶接方法。 The welding method according to claim 1,
Insulating the part of the welding stage along the weld line from the other part and using a welding stage having a current passage formed by a member having a higher conductivity than that of the other part. A welding method comprising grounding the rear with respect to the traveling direction of the head and grounding the front with respect to the traveling direction of the welding head when the electrode side is a positive electrode.
溶接ヘッドにプラズマ溶接/レーザ/プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いるハイブリッド溶接を行うことを特徴とする溶接方法。 The welding method according to any one of claims 1 to 3,
A welding method characterized by performing hybrid welding using a hybrid welding head such as a plasma welding / laser / plasma hybrid welding head or a laser / arc hybrid welding head for the welding head.
前記溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部を有するとともに、当該溶接ステージ側がプラス極で前記溶接ヘッド側の電極がマイナス極である場合、及び当該溶接ステージ側がマイナス極で前記溶接ヘッド側の電極がプラス極である場合の何れの場合にも、前記溶接ヘッドの走行方向に対し前記電流通路部の後方をアースして、溶接の際に溶融池において湯流れ方向に電磁力を作用させる電流を供給するように構成したことを特徴とする溶接ステージ。 In a welding stage for placing the members to be welded in welding for welding the members to be welded while running a welding head along a welding line that is a contact portion between the members to be welded,
A portion along the weld line is insulated from other portions and has a current passage portion formed of a high conductivity member, the welding stage side is a positive pole, and the welding head side electrode is a negative pole; and In any case where the welding stage side is a negative pole and the welding head side electrode is a positive pole, the rear of the current passage portion is grounded with respect to the traveling direction of the welding head and melted during welding. A welding stage configured to supply an electric current for applying an electromagnetic force in a hot water flow direction in a pond.
電流通路部は銅材で形成するとともに、この電流通路部を、絶縁部材を介して他の部材に埋設して構成したことを特徴と溶接ステージ。 The welding stage according to claim 4,
A welding stage characterized in that the current passage portion is formed of a copper material, and the current passage portion is embedded in another member via an insulating member.
溶接装置は、溶接ヘッドにプラズマ溶接/レーザ/プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ/アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いたハイブリッド溶接装置であることを特徴とする溶接システム。 The welding system according to claim 6,
The welding system is a hybrid welding apparatus using a hybrid welding head such as a plasma welding / laser / plasma hybrid welding head or a laser / arc hybrid welding head as a welding head.
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