JP2007061830A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合長さの長い突き合わせ部をハイブリット溶接する場合でも、プラズマアークを安定させて良好な接合部を得ることができる溶接装置を提供すること。
【解決手段】 ベース２３に埋設した下部電極２１上に２枚の被溶接部材８０をその板端を付き合わせた状態で載置し、該被溶接部材８０を、その上面をクランプ３０により押さえて下部電極２１上に固定し、突き合わせ部８１の溶接線８３に沿って溶接ヘッド４０を走行させることにより、突き合わせ部８１を溶接する溶接装置であって、下部電極２１が溶接線８３に平行で該溶接線８３の下側に所定幅の間隙をもって互いに対向するように配置されており、ベース２３が、その上角凹部に下部電極２１を絶縁材２５を介して保持し、溶接線８３の下側で所定幅の間隙Ｋで離間するように配置されている溶接装置において、離間した下部電極２１の、溶接ヘッド４０の走行開始側の端面５１を導電材２１１で連結した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、２枚の被溶接部材の板端を突き合わせて溶接により接合する溶接装置に関する。

自動車の車体を構成する薄板鋼板材料は、車体の部位により、板厚の異なるものが使用されるが、近年、生産性や歩留まりを向上させるために、予め平板状態で板厚の異なる薄板鋼板（被溶接部材）を溶接して接続しておき、これをプレス成形して車体の構造部材を構成することが行われるようになった。したがって、この溶接部位がプレス成形時の変形に追従して、柔軟かつ強靱に接合されることが望まれる。

この溶接方法として、レーザ溶接とプラズマ溶接とを組み合わせたハイブリット溶接が用いられることが多いが、ハイブリット溶接は、レーザ溶接時にプラズマ化（イオン化）したガス雲にプラズマアークが導かれることで、被溶接部材の突き合わせ部に多少の隙間があっても高い安定した接合が可能である（ギャップ許容度が高い）が、接合長さの長い突き合わせ部の場合は、プラズマアークが不安定となり、接合部に欠陥が発生することがあるという問題がある。
これを防止するための関連技術として、特開２００２−１８５８２号公報（以下、「特許文献１」という。）、ならびに特開２００３−７１５９２号公報（以下、「特許文献２」という。）に記載された技術がある。

特許文献１に記載の「ハイブリットアーク／レーザ溶接」は、上記のようなハイブリットアーク／レーザプロセスによって形成された溶接ビードには欠陥が生じることが非常に多く、そのため溶接ビードは外観にむらがあり満足できるものではない（特許文献１の段落（０００９）参照）」という溶接ビードの欠陥を回避するために、溶接すべきワークピース６、７上の電気アーク４及びレーザビーム５の入射点１２の下流に、アースコンタクタ１０を配置したものである。
また、特許文献２には、その従来技術の図６に示されるように、中央に溝を有する凹状のテーブル５上に鋼板１、４を載置し、鋼板１、４の上面をクランプ８で押さえて溶接線Ｌをレーザビームにより溶接する溶接装置が記載されている。
特開２００２−１８５８２号公報 特開２００３−７１５９２号公報

ところが、前記特許文献１に記載されたハイブリッドアーク／レーザ溶接では、アースコンタクタ１０を電気アーク４およびレーザビーム５の入射点１２の下流に配置し、この入射点１２の移動と同期して移動させることにより、溶接によって誘導された磁界の効果が電気アークの安定性を乱すことを防止するもので、電気アーク４およびレーザビーム５を送出するハイブリッド溶接ヘッドの機構が複雑になり、高価なものとなるという問題がある。

また、特許文献２に記載の溶接装置及び溶接方法では、テーラードブランク材の溶接箇所が複数ある場合には、溶接ヘッドの移動を考慮してこの特許文献２のような装置が好ましいが、単純に２枚の鋼板を突き合わせ溶接するような場合には装置が複雑となり、かつ、鋼板を電磁石で吸着してテーブルに固定することは、ハイブリッド溶接の場合、プラズマアークへの磁気的乱れを起こし溶接へ影響を与えるという問題がある。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、接合長さの長い突き合わせ部をハイブリット溶接する場合でも、プラズマアークを安定させて良好な接合部を得ることができる溶接装置を提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１に記載の溶接装置は、ベースに埋設した下部電極上に２枚の被溶接部材をその板端を付き合わせた状態で載置し、該被溶接部材をその上面をクランプにより押さえて前記下部電極上に固定し、前記突き合わせ部の溶接線に沿って溶接ヘッドを走行させることにより、前記突き合わせ部を溶接する溶接装置であって、前記下部電極が前記溶接線に平行で該溶接線の下側に所定幅の間隙をもって互いに対向するように配置されており、前記ベースが、その上角凹部に前記下部電極を絶縁材を介して保持し、前記溶接線の下側で所定幅の間隙で離間するように配置されている溶接装置において、離間した前記電極の、前記溶接ヘッドの走行開始側の端面を導電材で連結したことを特徴とする。

よって、溶接ヘッドの走行開始側の端面を導電材で連結してアースを設置したので、プラズマアーク電流が被溶接部材からＴＩＧ電極に向かって流れ、それに伴う磁界が溶接部後方で左上から右下に向かい、電流が溶融池では溶接開始点から溶接進行方向に向かって流れ、これにともない、溶融池にはフレミングの左手の法則による溶融池を押さえる方向の力が掛かるため、ビードが安定し、良好な接合ビードを得ることができる。

また、本発明に係る請求項２に記載の溶接装置は、請求項１に記載の溶接装置において、前記クランプは、各々の前記下部電極上に溶接線に平行に設置され、前記被溶接部材を跨ぐフレームと、該フレームに吊り下げられ、常に下方に付勢された弾性部材を介して上下方向に移動可能に設けられた複数の押圧部材とを備えることを特徴とする。
よって、下部電極との接触性が向上でき、被溶接部材と下部電極との接触抵抗が下がり、電流の回り込みが低減できる。

また、本発明に係る請求項３に記載の溶接装置は、請求項２に記載の溶接装置において、前記クランプの押圧部材を、下方に付勢する弾性部材の付勢力を調整可能にする調整機構を介して前記フレームに吊り下げることを特徴とする。
よって、押圧部材を上下方向に移動可能で付勢力を調整可能に設けたので、溶接収縮等による被溶接部材の不安定な動きを吸収でき、良好な接合ビードとすることができる。

また、本発明に係る請求項４に記載の溶接装置は、請求項２乃至請求項３に記載の溶接装置において、前記クランプの押圧部材の全数を（ステンレス材を含む）非磁性鋼で構成したことを特徴とする。
よって、電流の回り込みを低減でき、かつ、プラズマアーク近傍に残留磁気等による磁気的乱れを無くすことができる。

また、本発明に係る請求項５に記載の溶接装置は、請求項１乃至請求項４に記載の溶接装置において、前記ベースを鉄材で、前記下部電極を銅材で構成したことを特徴とする。
よって、プラズマ溶接時の被溶接部材の溶融池にフレミングの左手の法則による溶融池を押さえる方向の下向きの力を発生させ、安定した接合ビードを形成することができる。

本発明の溶接装置によれば、プラズマ溶接とレーザ溶接とを組み合わせたハイブリット溶接で、その接合ビードを安定させることができ、溶接不良を低減することができる。

次に、本発明に係る溶接装置の一の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態の溶接装置は、自動車の車体製造工場のプレス工程に設けられたものである。
ここで、図１は、溶接装置の側面図であり、図２は、その縦断面図である。図３は、下型の斜視図である。

溶接装置の構成について説明する。溶接装置１０は、図１、図２に示すように、２枚の被溶接部材８０、８０がその端部が突き合わされて載置される下型２０と、該下型２０の上部に被溶接部材８０を跨ぐように配置されたクランプ３０、３０と、被溶接部材８０の前記突き合わせ部８１の溶接線８３に沿って走行する溶接ヘッド４０とを備えている。

被溶接部材８０が載置される下型２０は、図３に示すように、種々の幅寸法の該被溶接部材８０を載置可能な長さを有し、その突き合わせ部８１の下部で所定幅の間隙Ｋをもって互いに対向するように配置され、銅製の角柱状の下部電極２１と、該下部電極２１をその上角凹部に絶縁材２５を介して保持する断面Ｌ字状のベース２３と、下部電極２１の、溶接ヘッド４０の走行開始側の端面２１１で、該端面２１１同士を接続する導電材であるアース板２１５とを備えている。

なお、銅製の下部電極２１の比電気抵抗値は、１．７２μΩ・ｃｍであり、被溶接部材８０の炭素鋼の比電気抵抗値は、９．８〜１６μΩ・ｃｍである。
ベース２３の上角凹部の内角部に対応する下部電極２１の下角部は、切り欠かれて絶縁材２５とにより角断面の空間を形成し、この空間に冷却水配管２７が埋設されている。

クランプ３０は、前記下型２０上に載置した被溶接部材８０の突き合わせ部８１の両側上部に平行に設置されたフレーム３１と、該フレーム３１に弾性部材３５１を介して上下方向に移動可能に設けられた複数の押圧部材３３とを備え、それぞれの被溶接部材８０を前記下型２０上に押さえつけるように配置される。

フレーム３１は、上部の水平梁３１１と、該水平梁３１１の両端に接続され、被溶接部材８０を跨ぐように下方に垂下する脚部３１３、３１３とを備えている。脚部３１３の下端は、下型２０の下面に固定されたアクチュエータ３２の下向きのピストンロッドの先端に接続されて、アクチュエータ３２により水平梁３１１を上下移動可能にしている。
水平梁３１１には、垂直方向に多数の貫通孔３１１１が設けられ、押圧部材３３を後述する調整機構３５を介して支持している。

押圧部材３３は、非磁性鋼であるステンレス鋼製で、下端の押圧面３３１１が被溶接部材８０の突き合わせ部８１の近くで下部電極２１の上方に位置し、上部で前記突き合わせ部８１から離れる方向に傾斜する傾斜部３３１と、該傾斜部３３１の上端で水平方向に所定長さ延在する天井部３３３と、該天井部３３３から下方に伸びる縦壁部３３５と、該縦壁部３３５の下端から前記押圧面３３１１と同一面で該押圧面３３１１に向かって延びる押圧面３３５１とからなる下向きの略コ字状を呈したものである。
なお、押圧部材３３を構成するステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の比電気抵抗値は、７２μΩ・ｃｍである。

フレーム３１に押圧部材３３を支持させる調整機構３５は、押圧部材３３の天井部３３３に螺植された長尺のボルト３５３と、水平梁３１１の下面と押圧部材３３の上面との間に介在させた弾性部材３５１と、フレーム３１の水平梁３１１に設けた貫通孔３１１１に下方から差し込まれて、水平梁３１１の上面から突出したボルト３５３の頭部に螺合した調整ナット３５５とから構成されている。
したがって、被溶接部材８０の板厚が異なる場合でも、弾性部材３５１によりその板厚の差を吸収して一定の押圧力で被溶接部材８０を押圧することができる。

被溶接部材８０の突き合わせ部８１を溶接する溶接ヘッド４０は、レーザヘッド５０とＴＩＧ電極６０とを図略の移動装置に取り付けたものである。
レーザヘッド５０は、図略のレーザ発振器に接続され、被溶接部材８０の突き合わせ部８１にレーザ光線を照射するために、突き合わせ部８１の真上に移動可能に設置されるものである。
ＴＩＧ電極６０は、タングステン電極に電流を流してプラズマを発生させ、その周囲に不活性ガスを吐出してプラズマを安定させながら被溶接部材８０を溶融し溶接するために、レーザヘッド５０の横に傾斜して設けられ、レーザヘッド５０と同期して移動可能に支持されているものである。

以上のように構成した溶接装置１０の作用を図４、図５を参照して説明する。なお、図４、図５では、レーザヘッド５０の記載を省略し、ＴＩＧ電極６０を突き合わせ部８１の真上に配置して模式的に記載している。
下型２０に２枚の被溶接部材８０を、その端部を突き合わせて下型２０の下部電極２１が離間している間隙Ｋの略中央に突き合わせ部８１が位置するように載置する。
そして、クランプ３０を支持しているアクチュエータ３２を作動させて、クランプ３０を下降させる。クランプ３０の下降により、該クランプ３０に支持されている押圧部材３３の押圧面３３１１、３３５１が両被溶接部材８０の上面に当接してこれを押圧し、該被溶接部材８０を下部電極２１及びベース２３の上面と押圧部材３３の前記押圧面３３１１、３３５１とにより電気的に導通状態で狭持し固定する。

その後、被溶接部材８０の突き合わせ部８１の上方に、該突き合わせ部８１と平行に移動可能に設置されたレーザヘッド５０とＴＩＧ電極６０を作動させて、該突き合わせ部８１を溶接する。すなわち、ＴＩＧ電極６０により、該ＴＩＧ電極６０と被溶接部材８０との間にプラズマアークを発生させて被溶接部材８０の突き合わせ部８１を溶融させて溶融池８５を形成させる。

このとき、ＴＩＧ電流Ａは、図４に示すように、比電気抵抗値の低い下部電極２１（銅の比電気抵抗値１．７２μΩ・ｃｍ）から比電気抵抗値の低い被溶接部材８０（炭素鋼の比電気抵抗値９．８〜１６μΩ・ｃｍ）を介してＴＩＧ電極６０の先端へ流れ（太い矢印の電流Ａ）、比電気抵抗値の高い押圧部材３３（ＳＵＳ３０４の比電気抵抗値７２μΩ・ｃｍ）からはほとんど流れず（細い矢印の電流ａ）、押圧部材３３からの電流の回り込みを低減して、プラズマアークのエネルギーを効率よく利用している。

そして、上記の被溶接部材８０からＴＩＧ電極６０に流れるＴＩＧ電流Ａにより、図５に示すように、ＴＩＧ電極６０と被溶接部材８０との間には反時計回りの磁界Ｂが発生するとともに、溶融池８５では溶接開始点から溶接進行方向Ｗに向かいＴＩＧ電流Ａが流れる。これにより溶融池８５にはフレミングの左手の法則により、特に溶融池８５の進行方向後方においても下向きの電磁力Ｆが発生し、溶融池８５を押さえる方向の力が掛かる。

上記により形成された溶融池８５の底部に焦点を結ぶようにレーザヘッド５０からレーザビームを照射すると、プラズマアークを集中させて安定させることができる。
したがって、このプラズマアークの集中と前述の溶融池８５への押圧力とにより、接合長の長い溶接であっても安定したビードが形成でき、きれいな溶接線８３を形成することができるようになった。

なお、本発明は前記実施の形態のものに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
すなわち、本実施の形態では、アーク溶接にＴＩＧ溶接を用いたもので説明したが、ミグ溶接等プラズマを用いる溶接であればよい。
また、レーザ溶接装置はＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ等種々のレーザ溶接装置が利用できる。

本発明は、間隙Ｋで離間させた下部電極２１の、溶接ヘッド４０の走行開始側の端面２１１を導電材のアース板２１５で連結したので、ＴＩＧ電流Ａが被溶接部材８０からＴＩＧ電極６０に流れる際に、フレミングの左手の法則により下向きの電磁力Ｆが発生し、溶融池８５を押さえる方向の力が掛かるため、安定したビードが形成でき、きれいな溶接線８３を形成することができるようになった。

本発明の一の実施の形態に係る溶接装置の側面図である。 本発明の一の実施の形態に係る溶接装置の縦断面図である。 本発明の一の実施の形態に係る溶接装置に用いる下型の斜視図である。 本発明の一の実施の形態に係る溶接装置による溶接時の電流が流れる状況を示す断面図である。 本発明の一の実施の形態に係る溶接装置による溶接時の磁界や磁力の状況を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 溶接装置
２０ 下型
２１ 下部電極
２１１ 導電材（アース板）
２５ 絶縁材
３０ クランプ
３１ フレーム
３３ 押圧部材
３５ 調整機構
３５１ 弾性部材
３５３ ボルト
３５５ 調整ナット
４０ 溶接ヘッド
５０ レーザヘッド
６０ ＴＩＧ電極
８０ 被溶接部材
８１ 突き合わせ部
８５ 溶融池
８７ ビード
Ｋ 間隙

Claims (5)

1. ベースに埋設した下部電極上に２枚の被溶接部材をその板端を付き合わせた状態で載置し、該被溶接部材を、その上面をクランプにより押さえて前記下部電極上に固定し、前記突き合わせ部の溶接線に沿って溶接ヘッドを走行させることにより、前記突き合わせ部を溶接する溶接装置であって、
   前記下部電極が前記溶接線に平行で該溶接線の下側に所定幅の間隙をもって互いに対向するように配置されており、前記ベースが、その上角凹部に前記下部電極を絶縁材を介して保持し、前記溶接線の下側で所定幅の間隙で離間するように配置されている溶接装置において、
   離間した前記電極の、前記溶接ヘッドの走行開始側の端面を導電材で連結したことを特徴とする溶接装置。
2. 請求項１に記載の溶接装置において、
   前記クランプは、各々の前記下部電極上に溶接線に平行に設置され、前記被溶接部材を跨ぐフレームと、
   該フレームに吊り下げられ、常に下方に付勢された弾性部材を介して上下方向に移動可能に設けられた複数の押圧部材と
   を備えることを特徴とする溶接装置。
3. 請求項２に記載の溶接装置において、
   前記クランプの押圧部材を、下方に付勢する弾性部材の付勢力を調整可能にする調整機構を介して前記フレームに吊り下げることを特徴とする溶接装置。
4. 請求項２乃至請求項３に記載の溶接装置において、
   前記クランプの押圧部材の全数を（ステンレス材を含む）非磁性鋼で構成したことを特徴とする溶接装置。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の溶接装置において、
   前記ベースを鉄材で、前記下部電極を銅材で構成したことを特徴とする溶接装置。

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