JP2011235302A - Welding torch for gas shield welding and gas shield welding method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガスシールド溶接で使用する溶接トーチの構造に関するもので、特にトーチ先端にシールドガスを供給するガスノズルに特徴のある上記装置に関するものである。 The present invention relates to the structure of a welding torch used in gas shield welding, and more particularly to the above-described apparatus characterized by a gas nozzle for supplying a shielding gas to the tip of the torch.
ガスシールド溶接は、溶接を不活性ガスや特殊なガスの雰囲気下で行うことにより、高品質の溶接や特殊金属の溶接を行う溶接方法である。ガスシールド溶接用の溶接トーチは、トーチ先端にシールドガスを供給するガスノズルを備えている。ガスノズルは、中空のパイプで、溶接トーチの先端部分を覆っている。溶接トーチから送り出される溶接ワイヤの先端は、ガスノズルのノズル口(開口端)から所定長さ突出しているが、ノズル口が溶接される母材金属の表面から離れすぎると、ノズル口から供給されたシールドガスが拡散して溶接部を大気からシールドできなくなるため、溶接はノズル口を母材金属の表面に接近させた状態で行われる。 Gas shield welding is a welding method in which high-quality welding or special metal welding is performed by performing welding in an atmosphere of an inert gas or a special gas. A welding torch for gas shield welding includes a gas nozzle for supplying a shielding gas to the tip of the torch. The gas nozzle is a hollow pipe that covers the tip of the welding torch. The tip of the welding wire sent out from the welding torch protrudes from the nozzle port (opening end) of the gas nozzle by a predetermined length. However, if the nozzle port is too far from the surface of the base metal to be welded, it was supplied from the nozzle port. Since the shield gas diffuses and the weld cannot be shielded from the atmosphere, welding is performed with the nozzle opening close to the surface of the base metal.
溶接される母材金属がある程度以上の厚さを有するときは、母材金属の溶接部に開先を取り、多層溶接、すなわち溶接部に溶接トーチを多数回移動させて、多層の肉盛を行う。更にある幅を有する溶接箇所に均一な肉盛を行うために、ウィービングしながら、すなわち溶接トーチの先端をその移動方向と直交する方向に往復動させながら溶接を行う。 When the base metal to be welded has a thickness of a certain level or more, a groove is formed in the weld of the base metal and multilayer welding, that is, the welding torch is moved many times to the weld, to build up the multilayer overlay. Do. Further, in order to perform uniform overlaying on a welded portion having a certain width, welding is performed while weaving, that is, while reciprocating the tip of the welding torch in a direction perpendicular to the moving direction.
溶接される母材金属の厚さが厚くなると、開先の深さも深くなる。また、開先の幅が不必要に広いと、広い断面の開先を埋めるのに必要な溶接材料の量が多くなり、溶接にも時間がかかる。そこで開先の幅はできるだけ狭いことが望まれる。 As the thickness of the base metal to be welded increases, the depth of the groove also increases. If the groove width is unnecessarily wide, the amount of welding material required to fill the groove with a wide cross section increases, and welding takes time. Therefore, it is desirable that the width of the groove is as narrow as possible.
開先深さの深い厚肉材料のガスシールド溶接では、ノズル口を開先の中に差し込んで溶接を行うか、差し込まないで溶接を行うかが問題となる。ノズル口からのワイヤの突出量を通常の突出長さとした状態でノズル口を開先内に差し込んで溶接を行うときは、開先の壁面とガスノズルとの干渉が問題になる。すなわち、開先の幅をガスノズルの外径より大きくしなければならず、また、ウィービングをしつつ溶接を行うときは、ガスノズルと開先の壁との衝突によってウィービング幅が制限されるのを避ける必要がある。ガスノズルと開先の壁との干渉によってウィービング幅を十分に取れないと、溶接ワイヤを開先の壁近くまで接近させることができず、溶接が不完全になる。そのため、細いガスノズルを取り付けたり、扁平なガスノズルを取り付けて溶接を行っている。 In the gas shield welding of a thick material having a deep groove depth, there is a problem whether the nozzle opening is inserted into the groove for welding or not. When welding is performed by inserting the nozzle port into the groove in a state in which the protruding amount of the wire from the nozzle port is a normal protruding length, interference between the wall surface of the groove and the gas nozzle becomes a problem. That is, the width of the groove must be larger than the outer diameter of the gas nozzle, and when welding is performed while weaving, it is avoided that the weaving width is limited by the collision between the gas nozzle and the groove wall. There is a need. If a sufficient weaving width cannot be obtained due to interference between the gas nozzle and the groove wall, the welding wire cannot be brought close to the groove wall, and welding is incomplete. Therefore, welding is performed by attaching a thin gas nozzle or a flat gas nozzle.
一方、ノズル口を開先に差し込まない溶接では、溶接ワイヤの先端をノズル口から長く突出させて開先底部の溶接が行われる。この場合には、トーチ先端から長く突出したワイヤ先端の振れ(ワイヤの傾きないし曲がりによる先端の変位)が問題になる。また、多層溶接で肉盛が進行すると、見かけ上の開先深さが浅くなるので、それに応じてワイヤの先端を後退させる必要がある。この後退動作に伴って、ノズル口も後退して、部材金属の表面との間隔が広くなり、シールドガスが拡散してしまうということが起る。 On the other hand, in welding in which the nozzle opening is not inserted into the groove, welding is performed on the groove bottom portion by causing the tip of the welding wire to protrude long from the nozzle opening. In this case, the deflection of the wire tip that protrudes long from the tip of the torch (displacement of the tip due to the inclination or bending of the wire) becomes a problem. Further, when the build-up progresses by multi-layer welding, the apparent groove depth becomes shallow, and it is necessary to retract the tip of the wire accordingly. Along with this retreating operation, the nozzle opening also retreats, the distance from the surface of the member metal becomes wide, and the shield gas diffuses.
このような問題に対応するため、下記特許文献1〜5には、厚肉材料や狭い箇所をガスシールド溶接するための溶接トーチの構造が提案されている。
In order to cope with such a problem, the following
しかし、たとえば特許文献1記載の構造では、開先幅をガスノズルの外径より狭くすることができないという制限があり、特許文献2記載の構造では、表面に障害物や段差がある部材の溶接には採用することができないという問題がある。また、特許文献3ないし5の構造では、ガスノズルが特殊な形状や構造を備えたものとなり、そのためにガスノズルが高価になったり、開先が取られていない母材や開先深さの浅い母材の溶接には適合しないなどの問題があり、汎用性の点で問題がある。
However, for example, in the structure described in
この発明は、開先幅の制約を受けないで、開先の深い材料の溶接も開先が取られていない材料の溶接もそれぞれに適合した条件でガスシールド溶接を行うことができ、しかもシールドガスを供給するのに必要な太さの単純な円形断面のガスノズルからシールドガスを供給して溶接を行うことが可能な溶接トーチを得ることを課題としている。 According to the present invention, gas shield welding can be performed under conditions suitable for both welding of a material having a deep groove and welding of a material having no groove without being restricted by the groove width. An object of the present invention is to obtain a welding torch capable of performing welding by supplying shield gas from a gas nozzle having a simple circular cross section having a thickness necessary for supplying gas.
この発明の溶接トーチは、トーチ本体に対してトーチ軸方向に相対移動可能なガスノズル2を備えている。ガスノズル2は、トーチ軸方向のガイド筒13に筒軸方向に摺動自在に嵌挿して設けるか、あるいは軸方向に伸縮可能な蛇腹構造の筒体などにより、ノズル口22を進退(トーチ軸方向に移動)自在にして装着されている。このガスノズル2は、NC制御によりストローク制御可能なサーボシリンダなどの進退駆動装置5に連結されて、ノズル口22が移動及び位置決めされる。トーチ先端から溶接ワイヤ3の先端までの距離は、設定された所定の距離に保持され、ノズル口22の進退動作により、ノズル口から溶接ワイヤの先端までの距離(突出量)が変化する。
The welding torch of the present invention includes a
狭くて深い開先の底の部分を溶接するときは、ガスノズルを後退させ、ノズル口から溶接ワイヤを長く突出させた状態で溶接を行う。このとき、ガスノズル2は、開先内に挿入されることなく、かつ溶接ワイヤの先端が開先の底部にまで達して溶接が行われる。開先内には溶接ワイヤのみが挿入され、ノズル口は開先の外に位置しているので、ガスノズルと開先の壁とを干渉させることなくワイヤ先端に必要なウィービング動作を行わせることができる。また、開先幅をガスノズルの外径より幅狭くすることも可能である。
When welding the bottom portion of the narrow and deep groove, welding is performed with the gas nozzle retracted and the welding wire protruding long from the nozzle port. At this time, the
溶接が進行すると、開先の底部に溶接材料が肉盛され、開先の見かけ深さが浅くなり、それに応じて溶接トーチも後退するが、この溶接トーチの後退に応じて進退駆動装置5が駆動されてノズル口22が相対的に進出して、ノズル口22と母材表面82との間隔を一定に保つ。溶接トーチの後退量は、溶接ロボットのNC装置で制御されているので、同じNC装置で進退駆動装置5を制御することにより、溶接トーチの後退量と等しい量だけノズル口22を相対的に進出させてノズル口22と母材金属の表面82との間隔を一定に保持することができる。また、母材表面に障害物や段差があるときは、ティーチングや加工プログラムにより、ガスノズル2にその障害物や段差を乗り越えるための後退動作をさせることができる。
As welding progresses, the welding material is built up on the bottom of the groove, the apparent depth of the groove becomes shallower, and the welding torch also retreats accordingly. When driven, the
ノズル口22の進出端は、最前進端に進出したとき、すなわちノズル口からの溶接ワイヤの突出量が最も短くなるときに、平面の溶接を行う条件となるように設定する。これにより、開先が設けられていない母材の溶接や浅い開先が設けられた母材の溶接も支障なく行うことができる。また、母材表面82、82相互が図7に示すように鋭角に交差している隅肉溶接においても、適宜ノズル口22を後退させることにより、ガスノズル2と母材表面82とを干渉させることなく溶接を行うことができる。
The advancing end of the
この発明の溶接トーチによれば、開先の深さや開先の幅に制限を受けることなく、深い開先を設けた母材金属から開先を設けられていない母材金属の溶接まで、シールドガスのノズル口と母材金属表面との間隔及び溶接ワイヤ先端と母材金属との間隔を最適間隔に保持した状態でガスシールド溶接を行うことができる。溶接が進行して溶接金属の肉盛により見かけ上の開先深さが順次浅くなる溶接においても、常にノズル口と母材金属表面との間隔を一定に保持して溶接ワイヤのみを順次後退させて溶接を行うことができる。 According to the welding torch of the present invention, the shield from the base metal having a deep groove to the welding of the base metal having no groove without being limited by the groove depth or the groove width. Gas shield welding can be performed in a state in which the gap between the gas nozzle opening and the base metal surface and the gap between the welding wire tip and the base metal are maintained at the optimum intervals. Even in welding where the apparent groove depth gradually decreases due to welding progressing as the weld metal builds up, the distance between the nozzle opening and the base metal surface is always kept constant, and only the welding wire is retracted sequentially. Welding can be performed.
この発明の溶接トーチは、ガスノズルを開先内に挿入しないで溶接を行うので、開先幅を必要に応じて十分に狭くすることができ、また開先内へのワイヤ先端のウィービングに制限が生ずることもない。更に溶接ワイヤと母材金属との接触を検出するセンシング動作により、開先の深さや開先の幅をNC装置で検出して、最適なノズル口の位置を自動設定することができる。 Since the welding torch according to the present invention performs welding without inserting the gas nozzle into the groove, the groove width can be sufficiently narrowed as necessary, and the weaving of the wire tip into the groove is limited. It does not occur. Further, by the sensing operation for detecting the contact between the welding wire and the base metal, the depth of the groove and the width of the groove can be detected by the NC device, and the optimum nozzle opening position can be automatically set.
次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図において、1は溶接トーチ、2はガスノズル、3は溶接トーチの先端から送り出されている溶接ワイヤ、4は溶接ロボットのアーム先端に設けられている手首、6はショックセンサである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the figure, 1 is a welding torch, 2 is a gas nozzle, 3 is a welding wire fed from the tip of the welding torch, 4 is a wrist provided at the arm tip of the welding robot, and 6 is a shock sensor.
溶接ロボットの手首4には、当該手首の軸線41回りの回転によって旋回する旋回ブラケット42が取り付けられ、この旋回ブラケットの先端に、ショックセンサ6を介してトーチホルダ11が装着されている。溶接トーチ1は、そのネック部12をトーチホルダ11に固定した状態で取り付けられている。溶接トーチ1には、そのネック部12より先端の側に、ガイド内筒13が固定されている。このガイド内筒13に軸方向に摺動自在にガイド外筒14が嵌挿されている。ガイド外筒14の先端には、ガスノズル2が固定されている。ガスノズル2には、トーチ本体の基端に接続したホース21を通してシールドガスが供給され、溶接中は、ガスノズル2の下端のノズル口22からシールドガスが流出する。溶接ワイヤ3は、ホース21の中を通って溶接トーチ1の先端のチップ15から送り出される。
The wrist 4 of the welding robot is attached with a turning
トーチホルダ11には、溶接トーチ1と平行にサーボシリンダ5が装着されている。このサーボシリンダのロッド51の先端は、ガイド外筒14の基端に固着した連結板16に連結されている。従って、サーボシリンダのロッド51とガイド外筒14に固定されているガスノズル2は、一体となってストローク(軸方向移動)する。ロッド51のストローク位置は、サーボシリンダ5に内蔵のセンサで検出されて、溶接ロボットのNC装置7にフィードバック信号cとして与えられている。NC装置7は、ロッド51のストローク量が指令した値Lsとなるように、サーボ弁52を制御して、サーボシリンダ5に与える作動油a、bを制御している。
A
ノズル口22のストローク原点は、開先が設けられていない平面を溶接するときのノズル口の位置で、このときノズル口22からチップ15が長さLoだけ突出し、更にこのチップの先端から溶接ワイヤ3が長さLだけ突出している(図2参照。なお、図1はLo<0の場合の例である)。すなわち、サーボシリンダのロッド51のストローク原点で、ノズル口22は、溶接ワイヤ3の先端からL+Loだけ上方に位置している。ロッド51のストロークは、ロッド51が引き込まれる方向を正方向としている。従って、ロッド51がLsだけストロークしたときのノズル口22の位置は、溶接ワイヤ3の先端からL+Lo+Lsの高さとなる。
The stroke origin of the
次に平行開先、すなわち開先幅Wが開先の底から開先の出口まで変化しない開先を設けた母材金属8、8を多層溶接する場合を例にして、この発明の溶接トーチを用いた溶接動作を説明する。まず、溶接に先立ってNC装置7に、
dn:ガスノズル2の外径
B :トーチの傾き分も含む干渉余裕代
a :ウイービングの振幅
L :チップ先端からの溶接ワイヤの突き出し長さ
Lo:ストローク原点におけるチップ15のノズル口22からの突出長さ
δ :1層当りの肉盛の高さ
を登録する。
Next, a welding torch according to the present invention will be described by taking as an example a case where
dn: outer diameter of
次に、ガスノズル2を上昇端に移動した状態で、溶接ワイヤ3と母材金属8、8との間に低い電位差をかけて溶接ワイヤ3を母材金属8、8に接触させ、接触時の電流を検出するワイヤタッチセンシングにより、
W :開先幅
H :開先深さ
を検出し、その検出値をNC装置7に記憶する。開先幅Wは、ワイヤ先端を開先81の片側の壁に接触させたあと反対側の壁に接触させたときの、溶接トーチの水平方向の移動量をNC装置7で検出することにより計測できる。また、開先深さHは、ワイヤ先端を母材金属の表面に接触させたあと開先の中央で開先の底(裏当金の表面)に接触させたときの溶接トーチの上下方向の移動量をNC装置7で検出することにより計測できる。
Next, in a state where the
W: groove width H: groove depth is detected, and the detected value is stored in the
計測された開先幅W及び深さHに基づき、サーボシリンダ5に与えるストロークの指令値Lsを次の(1)〜(3)のように設定する。ここで、Lsはサーボシリンダに与えるストローク(ノズル後退ストローク)の指令値、Nは溶接の層数である。
(1)開先幅Wがdn+2a+2Bより大きい(図4)ときは、ノズル口22を開先内に差込んでも開先の壁とガスノズル2とが干渉する恐れがないから、ノズル口22を原点位置にして溶接を実施する。すなわち、
W>dn+2a+2Bであれば、
開先深さに関わらず指令値Ls=0で全層の溶接を行う。
(2)開先幅が小さいとき、すなわち、W≦dn+2a+2Bのとき(図5)は、開先の深さに応じてノズルを上げて干渉を防止する。すなわち、
L+Lo>H+Bであれば、指令値Ls=0とし、
L+Lo≦H+Bであれば、指令値Ls=H−(L+Lo)+Bとして、第1層の溶接を始める。
(3)一方、N層目の溶接が行われた後では、開先深さが既に行われた溶接の肉盛の厚さだけ浅くなるので、N+1層目の溶接を行うときは、
L+Lo>H−N×δ+Bであれば、指令値Ls=0
L+Lo≦H−N×δ+Bであれば、指令値Ls=H−N×δ−(L+Lo)+B
で溶接を行う。
Based on the measured groove width W and depth H, the stroke command value Ls given to the
(1) When the groove width W is larger than dn + 2a + 2B (FIG. 4), there is no possibility that the groove wall and the
If W> dn + 2a + 2B,
All layers are welded at the command value Ls = 0 regardless of the groove depth.
(2) When the groove width is small, that is, when W ≦ dn + 2a + 2B (FIG. 5), the nozzle is raised according to the groove depth to prevent interference. That is,
If L + Lo> H + B, the command value Ls = 0.
If L + Lo ≦ H + B, welding of the first layer is started with the command value Ls = H− (L + Lo) + B.
(3) On the other hand, after the N-th layer welding is performed, the groove depth becomes shallower by the thickness of the weld overlay that has already been performed, so when performing the N + 1-th layer welding,
If L + Lo> H−N × δ + B, the command value Ls = 0.
If L + Lo ≦ H−N × δ + B, the command value Ls = H−N × δ− (L + Lo) + B
Weld with.
図6は、Hn=H−N×δとして、上記の条件で溶接が行われるようにサーボシリンダのストロークLsを制御する制御手順の一例を示したフローチャートである。ここで、判定ステップS1がYesであれば、ガスノズル2を開先に差込んで溶接を行ってもガスノズルと開先の壁とが干渉する恐れがないので、ガスノズル2を原点位置Ls=0にして総ての溶接を行う(ステップS2)。
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a control procedure for controlling the stroke Ls of the servo cylinder so that welding is performed under the above-described conditions, where Hn = H−N × δ. Here, if the determination step S1 is Yes, even if the
判定ステップS1がNoであれば、ガスノズル2を開先に差込んで溶接を行うとガスノズルと開先の壁とが干渉する恐れがある。しかし、実質的な開先深さHn(=H−N×δ)がガスノズルを原点位置Ls=0にしてもガスノズルの先端が母材表面に達しない深さであれば、ガスノズルを対比させる必要がないので、その判定をステップS3で行っている。すなわち、実質的な開先深さHnに余裕Bを加えた寸法がガスノズルを原点位置にしたときのノズル口からワイヤ先端までの距離L+Loより小さければ(ステップS3の判定がYes)、ノズル口と母材表面との間に余裕B以上の間隙があることとなり、また層数Nが多くなれば実質的な開先深さがより浅くなるので、それ以後の溶接はガスノズルを原点位置Ls=0にしてその後の総ての溶接を行う(ステップS2)。
If the determination step S1 is No, if the
ステップS3の判定がNoであれば、ガスノズルを原点位置にして溶接を行うと、ガスノズルと開先の壁が干渉する恐れがあることとなるから、ステップS4でガスノズルの先端と母材表面との間に余裕Bだけの隙間が開くように、ガスノズルをLs=Hn−(L+Lo)+Bだけ後退させて、その層の溶接を行う(ステップS5)。この場合は、肉盛が進むにつれて実質的な開先深さHnが浅くなるので、一層の溶接が終わる毎にステップS6でHnを修正して、ステップS3の判定に戻る。 If the determination in step S3 is No, if the welding is performed with the gas nozzle as the origin position, the gas nozzle and the groove wall may interfere with each other. The gas nozzle is retracted by Ls = Hn− (L + Lo) + B so that a gap of only margin B is opened therebetween, and the layer is welded (step S5). In this case, since the substantial groove depth Hn becomes shallower as the build-up progresses, Hn is corrected in step S6 each time one layer of welding is completed, and the process returns to the determination in step S3.
以上の実施例の説明で理解されるように、本願の発明に係る溶接トーチを用いることにより、開先幅が狭い場合や開先深さが深い場合、溶接の進行により実質的な開先深さが変わる場合、開先が設けられていない場合など、種々の条件でのガスシールド溶接において、シールドガスを供給するガスノズルと開先の壁とを干渉させることなく、ガスノズルを最適の位置にして溶接を行うことができる。 As can be understood from the above description of the embodiments, by using the welding torch according to the invention of the present application, when the groove width is narrow or the groove depth is deep, the substantial groove depth is increased by the progress of welding. In the case of gas shield welding under various conditions, such as when there is no groove, the gas nozzle is placed in an optimal position without causing interference between the gas nozzle supplying the shield gas and the wall of the groove. Welding can be performed.
1 溶接トーチ
2 ガスノズル
3 溶接ワイヤ
5 進退駆動装置(サーボシリンダ)
7 溶接ロボットのNC装置
8 母材
13 ガイド筒
22 ノズル口
82 母材表面
DESCRIPTION OF
7 NC device of
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