JP2005211939A - 消耗電極式溶接トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】アークの高速揺動が可能で、開先幅の変動に対しても振り幅を柔軟に変更でき、溶接トーチの長さが長くならず操作性が良く、装置が小型化できる消耗電極式狭開先溶接トーチを提供すること。
【解決手段】ワイヤノズル２０の片側を揺動支点とし、反対側の先端に給電チップ２１を取付け、該ワイヤノズル２０に平行に取付けられた揺動板３０が前記支点より延長されていて、揺動板３０の延長部に給電チップ２１を揺動する揺動機構として挟んで設置された一対のソレノイド４３ａ、４３ｂにより構成し、母材の狭開先内にワイヤノズル２０を挿入し、シールドガスを供給しながら上記ワイヤノズル２０により供給される溶接ワイヤ２とアークを高速揺動しながら溶接を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は消耗電極式溶接トーチ（消耗電極式溶接装置）に係わり、特に極厚板の母材に狭開先を設け高能率に１層１パス溶接を行うのに好適な消耗電極式溶接トーチに関する。

圧力容器等の厚板突合わせ溶接には、溶着金属の量を減らし能率向上を図ると同時に、入熱量を減らして溶接品質向上を図るために、開先幅を狭くした消耗電極式狭開先溶接が適用される。従来の消耗電極式狭開先溶接装置には、特公昭５４−４５０号公報や特開昭５９−１４１３７６号公報に示すような波状ワイヤ式溶接装置と、特公昭６３−３９３４６号公報や特開昭５５−１３３８７１号公報に示すような回転アーク式溶接装置と、特許第２９９４８０５号や特開平５−２２０５７２号公報に示すようなワイヤ傾斜揺動式溶接装置が提案されている。

図９の縦断面図は波状ワイヤ式溶接装置を示し、母材１ａ、１ｂ間に形成された狭開先５２内に挿入された溶接トーチ５５内へ、送給ローラ５１によって溶接ワイヤ２が供給されるとともに矯正ローラ５０によって波形の形状に塑性変形が与えられ、溶接トーチ５５によって狭開先５２下端部までガイドされる。溶接ワイヤ２の先端と母材１ａ、１ｂとの間でアーク５３を発生し、この熱によって溶接ワイヤ２は溶解して溶接金属となる。この際、溶接ワイヤ２に付加された塑性変形によってアーク５３は左右に振られてウィービングを行い、狭開先５２の両端部まで溶接ビード５４を広げることができ、安定した溶接ビード形状が得られる。

また図１０の縦断面図は回転アーク式溶接装置を示し、母材１ａ、１ｂ間に形成された狭開先５２内に挿入された溶接トーチ５７内に設けてあるワイヤ通路の位置を、溶接トーチ５７の中心から偏心させ、この溶接トーチ５７を回転させることにより溶接ワイヤ２及びアーク５３をウィービングさせることで、狭開先５２の両端部まで溶接ビード５４を広げることができ、安定した溶接ビード形状が得られる。

また図１１の縦断面図はワイヤ傾斜揺動式溶接装置を示し、母材１ａ、１ｂ間に形成された狭開先５２内に挿入された溶接トーチ本体５８内に設けてあるワイヤ送給ノズル５９先端の給電チップ６０のワイヤ通路をワイヤ送給ノズル５９のワイヤ通路より８〜１５°傾斜させ、このワイヤ送給ノズル５９を回動角１８０°以下で回動させることにより溶接ワイヤ２及びアーク５３をウィービングさせることで、開先の両端部まで溶接ビード５４を広げることができ、安定した溶接ビード形状が得られる。

さらに、溶接の高能率化を図るためには溶接ワイヤとアークの高速揺動が必要である。アークを高速で揺動する方法としては、隅肉溶接を対象とした特許第３１１７２８８号「消耗電極式溶接トーチ」が開示されている。
特公昭５４−４５０号公報 特公平０３−７５２７０号公報 特公昭６３−３９３４６号公報 特開昭５９−１４１３７６号公報 特許第２９９４８０５号 特開平５−２２０５７２号公報 特許第３１１７２８８号

狭開先溶接の高能率化を考えた場合に、溶接ビード５４のビード幅をＷ、ビード高さをＨとすると、Ｈ／Ｗの値を大きくすると溶接割れが発生し易くなることが知られており、Ｈ／Ｗの値としては０．８以下が望ましい。また、アーク５３をウィービングして開先壁を溶融する能力を高めているが、開先壁を安定して溶融するには限界があり、ビード高さを増やすことが難しい。つまり狭開先溶接で能率を向上させるためには、一層のビード高さを増やすには限界があるので、溶接ワイヤ量を増やして、溶接速度をより高速にする必要がある。

さらに、溶接速度を高速にするためには、その速度に合わせてウィービング周波数を上げる必要があり、ウィービング周波数が少ないとウィービング両端の重なり部に融合不良等の欠陥が発生し易くなる。逆にウィービング周波数を上げてもアークは安定して応答し、ウィービング周波数を高速にすると、自動化で重要になるアーク電圧またはアーク電流値の変動を測定して開先内での溶接トーチ位置を制御するアークセンサの感度が向上することが知られている。

波状ワイヤ式狭開先溶接法の能率向上を検討すると、ワイヤを波形状に塑性変形させるのでウィービング周波数を上げることには限界があり、１．５Ｈｚ以上に上げることは難しいことから、高効率化には限界がある。

次に、回転アーク式狭開先溶接法では、ワイヤを高速回転させることができるので高能率溶接が可能である。しかし問題点としては、ワイヤの回転半径がトーチにより一定であるため、開先幅の変動に対する追従が難しいことがある。

また、ワイヤ傾斜揺動式狭開先溶接法では、ワイヤノズルを往復回動させてワイヤを揺動させるため、やはり高速の揺動が難しく高能率化に対して限界がある。

さらに、特許第３１１７２８８号に開示された隅肉溶接を対象とする高速揺動式溶接装置は、図１２に示すようにトーチ基部１１０の先端にスプリング１１３を介して取付けられていて、その先端にチップ１０４が取付けられているワイヤ供給ノズル１１４と、ワイヤ１０５の供給ノズル１１４の対向側面に配設された一対の磁性金属１１５ａ、１１５ｂと、磁性金属１１５ａ、１１５ｂの外側にコイル中心が一致するように配設された一対の直流電磁コイル１１６ａ、１１６ｂと、直流電磁コイル１１６ａ、１１６ｂに電圧を印加する電圧発生装置１１８などから構成されている。

そして電磁コイル１１６ａ、１１６ｂに電圧を印加したときに、直流電磁コイル１１６ａと磁性金属１１５ａとの間、直流電磁コイル１１６ｂと磁性金属１１５ｂとの間に交互に引力が発生し、それによりワイヤ供給ノズル１１４を高速で揺動することができる。この溶接トーチ１０３では、揺動支点となるばね１１３の下に揺動機構となるソレノイドが設置されているため狭開先にワイヤ供給ノズル１１４を挿入しようとするとワイヤ供給ノズル１１４をかなり長くする必要がある。また、狭開先溶接では開先付近に２次シールドボックスを設置し、開先外よりシールドガスを開先内に吹き込むことを行うが、この２次シールドボックスとソレノイドが干渉する問題もあり、さらにワイヤ供給ノズル１１４を長くしなければならない。そして、ワイヤ供給ノズル１１４が長くなると操作性が悪くなり、装置が大型化するという問題があった。

本発明の課題は、このような事情に鑑みて提案されたもので、消耗電極式狭開先溶接トーチにおいて、さらなる高能率化を図るためにアークの高速揺動が可能で、開先幅の変動に対しても振り幅を柔軟に変更でき、溶接トーチの長さが長くならず操作性が良く、更に装置が小型化できる消耗電極式狭開先溶接トーチを提供することである。

本発明の上記課題は、母材の狭開先内にワイヤノズルを挿入し、シールドガスを供給しながら上記ワイヤノズルにより供給されるワイヤによって溶接を行う消耗電極式溶接トーチにおいて、前記ワイヤノズルは、その片側を揺動支点とし、該揺動支点の反対側である母材開先側の先端部に給電チップを取付け、該ワイヤノズルの前記支点に連結して、ワイヤノズルに平行に揺動部材を取付け、該揺動部材を揺動させてワイヤノズルを介して給電チップを揺動させるための揺動機構を、該揺動部材の前記ワイヤノズルの先端部とは反対側に設けた消耗電極式溶接トーチにより達成される。

前記揺動機構は該揺動部材を挟んで設置された一対のソレノイドにより構成しても良い。
また、前記揺動機構の振り幅調整機構を設けても良い。
さらに、前記給電チップを水冷構造にしても良い。
また、前記ワイヤノズルと揺動部材を挟んで両側に固定されたシールドガスノズルを設けても良い。

（作用）
従来技術の消耗電極式狭開先溶接をより高能率化させるために、溶接ワイヤとアークを高速揺動する必要があり、ワイヤノズルの揺動支点上部に揺動機構を設けることにより溶接トーチの長さが長くならず操作性が良く、更に装置が小型化できる。揺動機構としては揺動支点上部のワイヤノズルに平行に取付けられた揺動部材を挟んで設置された一対のソレノイドに交互に電圧を印加することにより、揺動部材を揺動し、ワイヤノズルの揺動支点と反対側にある給電チップを揺動させるとアークも揺動する。また、交互の電圧の周期を変化させることにより、揺動部材の揺動の速さを制御することができ、ソレノイドにより揺動される揺動部材の揺動幅を調整することによりアークの揺動幅を調整することができる。

本発明の溶接トーチによれば、ワイヤノズルの揺動機構を溶接トーチの上部に設置することができるので溶接トーチの長さが長くならず操作性が良く、更に小型化した消耗電極式狭開先溶接装置を提供することができる。また、アークの高速揺動が可能で従来狭開先溶接装置に比較してさらなる高能率化を図ることができ、開先幅の変動に対しても振り幅を柔軟に変更することができる。

以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。
図１は本発明の消耗電極式溶接トーチの一実施例を示す側断面図である。図２は図１の消耗電極式溶接トーチの正面図（図１のＥ−Ｅ線矢視図）である。図３は図１の消耗電極式溶接トーチの平面図である。図４は図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。図５は図１の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。図６は図１の切断線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。図７は図１の切断線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。図８は本溶接トーチにおけるソレノイドに印加する電圧の周期パターンの説明図である。

なお、図１には振り幅調整ノブ４１ａ、固定ナット４２ａ、ソレノイド軸４４ａ、プランジャー４５ａ、絶縁パッド４６ａ、ベアリング４７ａ、４７ｂを図示していない。

幅が狭い開先が加工してある母材１ａ、１ｂの開先底部に消耗電極式溶接トーチ１００の溶接ワイヤ２が送給されるが、溶接ワイヤ２は前記開先内にはワイヤノズル２０により開先先端部に誘導される。また、溶接電流を給電する給電チップ２１がワイヤノズル２０の先端部に設けられた給電チップブロック２２にねじで取付け、取外し自在になっている。

また、給電チップ２１と給電チップブロック２２を冷却する水を導くための冷却水管２３ａ、２３ｂ及び開先底部にシールドガスを導くシールドガスノズル２４ａ、２４ｂがワイヤノズル２０と平行して設けられている。

そして、母材１ａ、１ｂ上部より開先内に向けてシールドガスを吹き込むための２次シールドガスボックス２５が図示しない装置内の適所に設けられている。２次シールドガスボックス２５の内部空間にシールドガスを供給するシールドガス入口２６ａ、２６ｂが設けられ、また前記ボックス２５内にワイヤノズル２０の揺動軸２７ａ、２７ｂがワイヤノズル２０固定部となるトーチ固定ブロック２９に設けられ、トーチ固定ブロック２９には揺動軸２７ａ、２７ｂを固定するための固定ナット２８ａ、２８ｂが設けられ、前記揺動軸２７ａ、２７ｂがワイヤノズル２０の支点となる。

前記ボックス２５より母材１（１ａ、１ｂ）側とは反対側の溶接トーチ１００にはハウジング３３が設けられ、該ハウジング３３には揺動軸２７ａ、２７ｂを先端部に有する揺動板３０と溶接ワイヤ２をワイヤノズル２０に導く溶接ワイヤライナー３１が上下方向に貫通して設けられ、またソレノイド固定ブロック３２を固着している。

ソレノイド固定ブロック３２の下端部には前記トーチ固定ブロック２９が一体的に接続されており、ボックス２５は図示しない装置に固定されている。

ハウジング３３内にはプッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂとソレノイド軸４４ａ、４４ｂが設けられている。

図６に示すように一対の揺動軸２７ａ、２７ｂが一対のトーチ固定ブロック２９、２９を貫通して揺動板３０にドライベアリング等からなる一対のベアリング４７ａ、４７ｂを介して回動自在にトーチ固定ブロック２９に一対の固定ナット２８ａ、２８ｂで適度の強さで締め付けられている。

また、ハウジング３３の両壁面を貫通して一対のプランジャー４５ａ、４５ｂの移動幅を調整するための一対の振り幅調整ノブ４１ａ、４１ｂとノブ４１ａ、４１ｂを固定するための固定ナット４２ａ、４２ｂからなる振り幅調整機構が設けられている。また、プッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂに電圧を印加するとプランジャー４５ａ、４５ｂに固定され一体でソレノイド軸４４ａ、４４ｂが移動する。該ソレノイド軸４４ａ、４４ｂに間隔を開けて絶縁パッド４６ａ、４６ｂが設けられ、該絶縁パッド４６ａ、４６ｂで揺動板３０を揺動させ、同時に揺動板３０とプッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂを絶縁している。

上記したようにトーチ固定ブロック２９に揺動軸２７ａ、２７ｂが取り付けられ、揺動軸２７ａ、２７ｂを支点にして揺動板３０がベアリング４７ａ、４７ｂを介して取り付けられているので揺動板３０が回動する構造になっている。揺動板３０にはワイヤノズル２０が接続され、その先に給電チップ取付けブロック２２と給電チップ２１が取り付けられている。

揺動機構としては対向するプッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂを用いる。プッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂは本体内にコイル（図示せず）が入っていて、該コイルに電圧が印加されて励磁するとプランジャー４５ａ、４５ｂを本体側に引き込む構造になっている。プランジャー４５ａ、４５ｂとソレノイド軸４４ａ、４４ｂは一体構造になっていて、コイルが励磁するとソレノイド軸４４ａ、４４ｂも移動する。図８に示すように対向する一対のプッシュ・プルソレノイド４３ａ、４３ｂに交互に電圧を印加するとソレノイド軸４４ａ、４４ｂが絶縁パッド４６ａ、４６ｂを介して揺動板３０を互いに押し合って、揺動板３０が揺動し、その動きに連動してワイヤノズル２０と給電チップ２１側が揺動することにより溶接ワイヤ２が揺動し、アークが開先内で揺動することになる。

なお、印加する電圧の周期を調整することにより、例えば１０〜６０Ｈｚ程度の高速で揺動することが可能である。また振り幅調整ノブ４１ａ、４１ｂはハウジング３３にねじ構造で取り付けてプランジャー４５ａ、４５ｂのストッパになっていて、振り幅調整ノブ４１ａ、４１ｂの位置を調整することにより揺動板３０の振り幅およびアークの振り幅が調整可能になっている。そして振り幅調整ノブ４１ａ、４１ｂをモータ等で移動可能にすれば自動で振り幅を調整することも可能である。

溶接ワイヤ２への給電は、給電チップ２１、ワイヤノズル２０、冷却水管２３ａ、２３ｂ、揺動板３０を介して揺動板上部に取付けたボルト３９、ナット４０で固定する給電ケーブル（図示せず）を経由して行う。これらの部品の材質は銅あるいは銅合金よりなる。給電チップ２１と給電チップ取付けブロック２２はアークと溶融池からの輻射熱でかなりの高温にさらされる。特に給電チップ２１は高温になると溶接ワイヤ２との接触による磨耗が激しくなるので冷却構造になっている。また、揺動板３０等からなる揺動部は給電部となるためソレノイド固定ブロック３２と絶縁パッド４６ａ、４６ｂによりその他のトーチ部品から絶縁してある。

開先内でアークのガスシールドを確実にするために給電チップ２１等からなる揺動部を挟んでシールドガスノズル２４ａ、２４ｂを設けてアーク直近にシールドガスを吹き込む。また、開先内のシールドガスノズル２４ａ、２４ｂからのシールドガスの吹き出しは下方に向かって行うが、開先内の周辺空気を巻き込むのでアークのシールドが不完全になり易いため、２次シールドボックス２５を開先外に設置して開先内にシールドガスを吹き込む。シールドガスノズル２４ａ、２４ｂは銅管等の材質を使用するためやはりアークや溶融池より輻射熱を受けて高温になる熱は上部に伝わるのでトーチ固定ブロック２９を水冷する構造にしてある。

本発明はアークの高速揺動が可能で、開先幅の変動に対しても振り幅を柔軟に変更でき、溶接トーチの長さが長くならず操作性が良い、高能率な溶接を行うのに好適な消耗電極式溶接トーチに利用可能性がある。

本発明の一実施例の消耗電極式溶接トーチを示す側断面図（図３のＡ−Ａ線矢視図）である。 図１の消耗電極式溶接トーチの正面図（図１のＥ−Ｅ線矢視図）である。 図１の消耗電極式溶接トーチの平面図である。 図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図１の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 図１の切断線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。 図１の切断線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。 本溶接トーチにおけるソレノイドに印加する電圧の周期パターンの説明図である。 従来狭開先溶接装置の縦断面図である。 上記とは異なる従来狭開先溶接装置の縦断面図である。 上記とは異なる従来狭開先溶接装置の縦断面図である。 従来高速揺動式溶接装置の側断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 母材 ２ 溶接ワイヤ
２０ ワイヤノズル ２１ 給電チップ
２２ 給電チップ取付けブロック ２３ａ、２３ｂ 冷却水管
２４ａ、２４ｂ シールドガスノズル
２５ ２次シールドガスボックス ２６ａ、２６ｂ シールドガス入口
２７ａ、２７ｂ 揺動軸 ２８ａ、２８ｂ 固定ナット
２９ トーチ固定ブロック ３０ 揺動板
３１ 溶接ワイヤライナー ３２ ソレノイド固定ブロック
３３ ハウジング ３４ 冷却水入口
３５ 冷却水出口 ３６ａ、３６ｂ シールドガス入口
３７ 冷却水入口 ３８ 冷却水出口
３９ ボルト ４０ ナット
４１ａ、４１ｂ 振り幅調整ノブ ４２ａ、４２ｂ 固定ナット
４３ａ、４３ｂ プッシュ・プルソレノイド
４４ａ、４４ｂ ソレノイド軸 ４５ａ、４５ｂ プランジャー
４６ａ、４６ｂ 絶縁パッド ４７ａ、４７ｂ ベアリング
１００ 消耗電極式溶接トーチ

Claims (5)

1. 母材の狭開先内にワイヤノズルを挿入し、シールドガスを供給しながら上記ワイヤノズルにより供給されるワイヤによって溶接を行う消耗電極式溶接トーチにおいて、
   前記ワイヤノズルは、その片側を揺動支点とし、該揺動支点の反対側である母材開先側の先端部に給電チップを取付け、該ワイヤノズルの前記支点に連結して、ワイヤノズルに平行に揺動部材を取付け、該揺動部材を揺動させてワイヤノズルを介して給電チップを揺動させるための揺動機構を、該揺動部材の前記ワイヤノズルの先端部とは反対側に設けたことを特徴とした消耗電極式溶接トーチ。
2. 揺動機構が揺動部材を挟んで設置された一対のソレノイドにより構成されたことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式溶接トーチ。
3. 揺動機構には、振り幅調整機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式溶接トーチ。
4. 給電チップを水冷構造にしたことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式溶接トーチ。
5. ワイヤノズルと揺動部材を挟んで両側に固定されたシールドガスノズルを設けたことを特徴とする請求項１記載の消耗電極式溶接トーチ。

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