JP2007054839A - プラズマ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークがチタン、ニッケル等の極薄板であっても、高精度の溶接が可能であり、接合後のワークが、その溶接部において強度的優れるプラズマ溶接装置を提供する。
【解決手段】ワークＷを支持するワーク支持体１と、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御のマイクロプラズマ電源２と、相互に直交する３軸方向に溶接トーチ３を移動させる溶接ロボット４とを備える。ロボット制御手段５にて、溶接ロボット４を制御して、予めティーチングされた溶接経路に沿って溶接トーチ３を移動させる。レーザーセンサ６にて、ワーク支持体１に支持されているワークＷの溶接位置を検出する。経路制御手段７にて、レーザーセンサ６にて検出された溶接位置に基づいて溶接経路を補正する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマ溶接装置に関するものである。

プリント基板の回路パターン印刷やモバイル・バッテリ等に使用される薄板は、チタン、ニッケル等の極薄板である。そして、これらの場合、極薄板同士を接合する必要がある。その接合方法としては、従来から、ろう付けや抵抗スポット溶接等の方式、または、レーザ溶接や電子ビーム溶接等の方式が採用されている。

しかしながら、ろう付け等にて接合を行う場合は、完全な溶融溶接ではないために、接合部の強度、シール性、及び耐腐食性等が不十分であった。また、レーザ溶接にて接合を行う場合は、溶融溶接であるが、装置コスト及び装置維持コストが高く、しかも装置操作の困難性も問題であった。

ところで、近年、薄板等を溶接する場合、プラズマ溶接装置が使用される。この場合、例えば、溶接部位に対してプラズマ溶接トーチを左右にウィービングまたは回転させ、溶接部位との位置関係で変化する電流や電圧を検出することにより溶接線を認識し、この溶接線に倣って溶接を行うものである。そして、溶接部位が薄板の重ね部である場合は、この重ね部の段差に比例して表される電流や電圧変化から、段差を挟んだ左右部位での電流の差、もしくは電圧の差が等しくなるように制御することで、溶接線に倣った溶接を可能としている。

しかしながら、上記のようなプラズマ溶接装置では、薄板の肉厚（板厚）が極めて小さい極薄板であれば、重ね部での段差が小さくなる。このため、検出感度が低下し、溶接線に倣った精度のよい溶接ができないおそれがある。特に、電圧変化に対する感度特性が得られないことで、チタン、ニッケル等の極薄板の溶接には不利であった。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、ワークがチタン、ニッケル等の極薄板であっても、高精度の溶接が可能であり、接合後のワークが、その溶接部において強度的に優れるプラズマ溶接装置を提供することにある。

そこで請求項１のプラズマ溶接装置は、ワークＷを支持するワーク支持体１と、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御のマイクロプラズマ電源２と、相互に直交する３軸方向に溶接トーチ３を移動させる溶接ロボット４と、この溶接ロボット４を制御して、予めティーチングされた溶接経路に沿って上記溶接トーチ３を移動させるロボット制御手段５と、上記ワーク支持体１に支持されているワークＷ、Ｗの溶接位置を検出するレーザーセンサ６と、このレーザーセンサ６にて検出された上記溶接位置に基づいて上記溶接経路を補正する経路制御手段７とを備えたことを特徴としている。

請求項２のプラズマ溶接装置は、上記マイクロプラズマ電源２は、１アンペア単位でデジタル制御が可能であることを特徴としている。

請求項３のプラズマ溶接装置は、上記ワークＷが、チタン、ニッケル、又はステンレス等の極薄板であることを特徴としている。

請求項１のプラズマ溶接装置によれば、マイクロプラズマ電源によって、プラズマ電極と溶接トーチのノズルとの間に電圧を加えることによって、プラズマジェットが発生して溶接が行われる。この場合、プラズマ電源が、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御を行うことができるマイクロプラズマ電源であるので、溶接トーチに印加する電圧の調整を精度良く行うことができる。この際、ワーク（母材）と溶接トーチのノズルとの間の距離を一定に保持することができ、高精度の接合を行うことができる。このため、溶接部において、従来のろう付けや抵抗スポット溶接に比べて十分な強度を有し、しかもこの溶接装置にて溶接を行えば低コスト化を達成できる。また、この溶接装置によって溶接された製品はその溶接部においては漏れや腐食等を安定して防止することができ、耐久性に優れたものとなる。さらに、レーザーセンサにて検出された溶接位置に基づいて溶接経路を補正する経路制御手段を備えているので、溶接線がジグザグ線や複雑な曲線であっても、ロボット制御手段にて溶接トーチを移動させて、その溶接線に対応した溶接経路に確実に追従して溶接することができる。このため、安定した溶接作業を行うことができ、高品質の製品を安定して提供することができる。

請求項２のプラズマ溶接装置によれば、溶接時において、１アンペア単位でデジタル制御が可能であるので、高精度の溶接が一層可能となる。

請求項３のプラズマ溶接装置によれば、ワークが、チタン、ニッケル、又はステンレス等の極薄板であっても、確実に溶接することができる。

次に、この発明のプラズマ溶接装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのプラズマ溶接装置の全体斜視図である。このプラズマ溶接装置は、プラズマ電極（図示省略）と溶接トーチ３のノズルとの間に電圧を加える非移行アーク型のプラズマ溶接装置であり、ワークＷを支持するワーク支持体１（図２参照）と、マイクロプラズマ電源２と、相互に直交する３軸方向に溶接トーチ３を移動させる溶接ロボット４と、この溶接ロボット４を制御するロボット制御手段５と、上記ワーク支持体１に支持されているワークＷの溶接位置を検出するレーザーセンサ６と、このレーザーセンサ６にて検出された溶接位置に基づいて上記溶接経路を補正する経路制御手段７とを備える。

ワークＷは、例えば、チタン、ニッケル、又はステンレス等の極薄板であり、この溶接装置によって、２枚のワークＷ、Ｗを、図３のように突合せ溶接したり、図示省略するが拝み溶接等したりすることができる。また、ワーク支持体１は、例えば、図２に示すように、２枚のワークＷ、Ｗのうち一方のワークＷの反溶接部側を挟持状に保持する第１保持体８と、他方のワークＷの反溶接部側を挟持状に保持する第２保持体９とを備える。このため、第１保持体８と第２保持体９との間に突合せ部（溶接部３０）が形成される。

マイクロプラズマ電源２は、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御を行うものである。また、１アンペア単位でデジタル制御が可能である。レーザーセンサ６は、レーザ光を照射する照射部と、反射光を受ける受光部とを有するセンサ本体１０を備える。すなわち、照射部からレーザ光を溶接部（溶接線）３０に照射し、この溶接部３０にて反射された反射光を受光部にて受けて、溶接部３０の位置を検出する。

溶接ロボット４は相互に直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に変位（移動）可能な３次元ロボットであり、Ｘ軸方向に移動するＸ方向移動体１２と、Ｙ軸方向に移動するＹ方向移動体１３と、Ｚ軸方向に移動するＺ方向移動体１４とを備える。Ｘ方向移動体１２はＸ軸方向に沿って配設されたガイドレール１５にスライド自在に配置され、また、Ｘ方向移動体１２にＹ軸方向に移動可能としてＹ方向移動体１３が付設されている。そして、このＹ方向移動体１３にＺ軸方向に移動可能としてＺ方向移動体１４が付設されている。

また、Ｚ方向移動体１４には上記溶接トーチ３が付設される。このため、ロボット制御手段５にて制御されて、溶接トーチ３が相互に直交する３軸方向に沿って移動する。すなわち、Ｘ方向移動体１２をＸ軸方向に沿って移動させることによって、溶接トーチ３をＸ軸方向に沿って移動させることができ、Ｙ方向移動体１３をＹ軸方向に沿って移動させることによって、溶接トーチ３をＹ軸方向に沿って移動させることができ、Ｚ方向移動体１４をＺ軸方向に沿って移動させることによって、溶接トーチ３をＺ軸方向に沿って移動させることができる。

また、この溶接装置は、図１に示すように、操作ペンダント（チィーチペンダント）２５を備える。すなわち、作業者（オペレータ）がこの操作ペンダント２５を操作しながら、溶接ロボット４を駆動させて、この溶接ロボット４にさせたい仕事の順に順序良く教示していくことになる。

レーザーセンサ６は、ワーク支持体１に支持されているワークＷ、Ｗの溶接部３０の溶接位置を検出し、この検出値を経路制御手段７に入力する。経路制御手段７では、溶接経路がずれていれば、検出した溶接位置に基づいて、ロボット制御手段５を駆動させて溶接トーチ３の位置の修正を行うことになる。

次に、上記のように構成された溶接装置を使用した溶接方法を説明する。まず、ワークＷ、Ｗを、図２に示すように、ワーク支持体１に支持させる。次に、ティーチングされた溶接経路に従って、溶接トーチ３を移動させて溶接する。すなわち、予め、溶接準備工程（ティーチング工程）で、上記したように、操作ペンダント２５を操作することによって、ワークＷ、Ｗの溶接部３０の溶接トーチ３に対するティーチング（教示）が行われる。

この際、溶接ロボット４を駆動させて上記ティーチングされた溶接経路に沿って溶接トーチ３を移動させつつ、レーザーセンサ６によって、ワーク支持体１に支持されているワークＷ、Ｗの溶接部３０の溶接位置を検出する。そして、上記ティーチングされている溶接経路がずれている場合に、経路制御手段７にて修正しつつ溶接することになる。

また、溶接時には、マイクロプラズマ電源によって、プラズマ電極と溶接トーチのノズルとの間に電圧を加える。これによって、プラズマジェットが発生して溶接が行われる。

上記溶接装置では、プラズマ電源２が、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御を行うことができるマイクロプラズマ電源２であるので、溶接トーチ３に印加する電圧の調整を精度良く行うことができる。この際、ワーク（母材）Ｗと溶接トーチ３のノズルとの間の距離を一定に保持することができ、高精度の接合を行うことができる。このため、溶接部３０において、従来のろう付けや抵抗スポット溶接に比べて十分な強度を有し、しかもこの溶接装置にて溶接を行えば低コスト化を達成できる。また、この溶接装置によって溶接された製品はその溶接部３０においては漏れや腐食等を安定して防止することができ、耐久性に優れたものとなる。さらに、レーザーセンサ６にて検出された溶接位置に基づいて溶接経路を補正する経路制御手段７を備えているので、溶接線がジグザグ線や複雑な曲線であっても、ロボット制御手段５にて溶接トーチ３を移動させて、その溶接線に対応した溶接経路に確実に追従して溶接することができる。このため、安定した溶接作業を行うことができ、高品質の製品を安定して提供することができる。特に、溶接時において、１アンペア単位でデジタル制御が可能であるので、高精度の溶接が一層可能となる。

このように、この溶接装置を使用すれば、ワークＷが、溶接の最も困難な素材であるチタンを使用した板厚０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の極薄板であっても、突合せ溶接（図３参照）や拝み溶接等を行うことができる。すなわち、オペレータが熟練技能者でなくても、チタンやニッケル等の種々の材質からなる極薄板を接合する際（その溶接線が３次元的に曲がるものであっても）に、自動溶接が可能である。

この溶接装置を使用した溶接では、溶接速度、溶接入熱、継手の信頼性、装置の価格（コスト）、ワーク固定の簡便性、及び継手形状の自由度等に優れる。これに対して、レーザ溶接及び抵抗溶接では、装置の価格、ワーク固定の簡便性、及び継手形状の自由度に劣り、ＴＩＧ溶接及びろう付けでは、溶接速度、溶接入熱、及び継手の信頼性に劣り、超音波溶接では、装置の価格、及び継手形状の自由度に劣る。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、ワーク支持体１は、ワークＷを支持できて、溶接トーチ３の移動の妨げにならないものであればよいので、図２に示すようなものに限るものではない。また、溶接ロボット４として、上記実施形態では、Ｘ軸方向に移動するＸ方向移動体１２と、Ｙ軸方向に移動するＹ方向移動体１３と、Ｚ軸方向に移動するＺ方向移動体１４とを備えたものであったが、三次元に駆動することができおるアームを供えた多関節ロボットであってもよい。

板厚が０．２ｍｍのチタン極薄板の突合せ溶接を行って、その溶接部のマクロ・ミクロ試験を行った。この結果、溶接部金属は母材（ワーク）に比べて結晶粒が細粒化していたことが分った。また、溶接部のビッカース硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）を行った。その結果を次の表１に示す。なお、表１において、母材部とはチタン材の極薄板であり、溶接金属部とはこの発明にかかる溶接装置にて溶接を行うことによって形成される溶接部である。また、試験はそれぞれ２回行った。

この結果（表１）から分るように、溶接金属の平均の硬度Ｈｖは１２１．５であり、母材（ワーク）の平均の硬度Ｈｖは１００である。すなわち、溶接金属は結晶の細粒下により若干母材に比べて硬度が上昇していることが分った。

次に板厚が０．２ｍｍのチタン材の突合せ溶接継手の引張り試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）の結果を次の表２及び図４に示す。この表２において、母材とは、板厚が０．２ｍｍのチタン材であり、Ａ及びＢの継手とは、それぞれ２枚のチタン材（板厚が０．２ｍｍ）を突合せ溶接で接合したものである。

この表２及び図４（ａ）（ｂ）から分るように、継手引張りによる破断はすべて母材部分であり、溶接継手部が十分な強度を有して完全溶融していることが確認された。なお、図４（ａ）は溶接部を有さないワーク（母材）に引張り試験を行った場合を示し、図４（ｂ）は溶接部を有するワーク（母材）に引張り試験を行った場合を示している。

さらに、板厚が０．１ｍｍのチタン材の突合せ溶接部でのＸ線による非破壊検査を行った。この結果、溶接ビード部分は無欠陥であった

このように、強度試験、マクロ・ミクロ試験、Ｘ線試験等により溶接部の性能を評価した場合、以下のような結果が得られた。すなわち、溶接部が母材と同等以上の性能を有し、特に変色もなく、ビード高さも１０ミクロン程度で溶接後のビード切削を必要とせず、作業性に優れると共に、溶接作業時間の短縮を図ることができた。

この発明のプラズマ溶接装置の全体簡略図である。 ワーク支持体の簡略図である。 上記プラズマ溶接装置にて溶接されたワークの簡略斜視図である。 引張り試験結果を示し、（ａ）は溶接部を有さないワークの引張り試験後の平面図であり、（ｂ）は溶接部を有するワークの引張り試験後の平面図である。

符号の説明

１・・ワーク支持体、２・・マイクロプラズマ電源、３・・溶接トーチ、４・・溶接ロボット、５・・ロボット制御手段、６・・レーザーセンサ、７・・経路制御手段、Ｗ・・ワーク

Claims (3)

1. ワーク（Ｗ）を支持するワーク支持体（１）と、電流をデジタル制御すると共に、パルス信号使用可能なインバータ制御のマイクロプラズマ電源（２）と、相互に直交する３軸方向に溶接トーチを移動させる溶接ロボット（４）と、この溶接ロボット（４）を制御して、予めティーチングされた溶接経路に沿って上記溶接トーチ（３）を移動させるロボット制御手段（５）と、上記ワーク支持体（１）に支持されているワーク（Ｗ）（Ｗ）の溶接位置を検出するレーザーセンサ（６）と、このレーザーセンサ（６）にて検出された上記溶接位置に基づいて上記溶接経路を補正する経路制御手段（７）とを備えたことを特徴とするプラズマ溶接装置。
2. 上記マイクロプラズマ電源（２）は、１アンペア単位でデジタル制御が可能であることを特徴とする請求項１のプラズマ溶接装置。
3. 上記ワーク（Ｗ）が、チタン、ニッケル、又はステンレス等の極薄板であることを特徴とする請求項１又は請求項２のプラズマ溶接装置。