JP2014208353A - アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接長が長かったり複雑形状であったりしても、溶込み不足及び余盛高さを抑えて母材にアーク溶接を行う。【解決手段】 アーク溶接方法が、溶接を行うべき溶接部１０１上の所定部位１０１Ｐで非溶極式アーク１１０を発生させて母材１００を予熱する第１加熱工程Ｓ１１３と、所定部位１０１Ｐから溶接部１０１の延在方向一方側に向けて第１溶極式アーク溶接を行う第１溶接工程Ｓ１１６と、所定部位１１０Ｐで非溶極式アーク１１０を発生させて母材１００を再加熱する第２加熱工程Ｓ１６３と、所定部位１１０Ｐから溶接部１０１の延在方向他方側に向けて第２溶極式アーク溶接を行う第２溶接工程Ｓ１６６と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＩＧ溶接等の溶極式アーク溶接を用いたアーク溶接方法に関する。

熱伝導のよい金属を溶極式アーク溶接すると、アークの発生と同時に電極が溶融するので、溶接部の始点付近で溶込み不足が発生する。そこで従来、ＴＩＧアークを発生させて母材を必要な温度に加熱してからＭＩＧ溶接を行う、という溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２６４１６１号公報

特許文献１では、溶接部の短い溶接施工箇所への適用を念頭においている。しかし、溶接部が長かったり複雑形状であったりすると、１つの溶接部を１パスで処理することができない場合が生じる。例えば、治具に支持された母材に無端状の溶接部が設定される場合、１パスで処理することは困難である。

そこで本発明は、溶接部が長かったり複雑形状であったりしても、溶込み不足及び余盛高さを抑えて母材をアーク溶接することを目的としている。

本発明に係るアーク溶接方法は、溶接を行うべき溶接部上の所定部位で、非溶極式アークを発生させて母材を予熱する第１加熱工程と、前記所定部位から前記溶接部の延在方向一方側に向けて第１溶極式アーク溶接を行う第１溶接工程と、前記所定部位で非溶極式アークを発生させて前記母材を再加熱する第２加熱工程と、前記所定部位から前記溶接部の延在方向他方側に向けて第２溶極式アーク溶接を行う第２溶接工程と、を備える。

前記方法によれば、第１溶極式アーク溶接を行うに先立って、第１溶極式アーク溶接の始点付近が非溶極式アークで加熱される。非溶極式アークを利用するため母材が短時間で能率良く加熱され、第１溶極式アーク溶接の始点付近で十分な溶込みを得ることができて第１溶極式アーク溶接における溶接品質を高くすることができる。その後、同一の溶接部に沿って第２溶極式アーク溶接を行うに先立って、第２溶極式アーク溶接の始点付近も非溶極式アークで加熱されるので、第２溶極式アーク溶接における溶接品質も高くすることができる。非溶極式アークによる加熱工程を経て溶極式アーク溶接を行うと、ビード高さが始点付近で比較的小さくなる。第１及び第２溶極式アーク溶接の始点付近を同じ箇所に揃えているので、２つのビードを重ねることで１本のビードを連続的に一体的に形成しても、始点付近でのビード高さが残余部位でのビード高さと略同等になる。このように、１つの溶接部に沿って２回に分けて溶極式アーク溶接を行う場合に、溶込み不足を抑えると共に余盛高さを抑えた溶接ビードを得ることができる。

前記溶接部が無端状であり、前記第１溶接工程において、前記第１溶極式アーク溶接が、前記所定部位から前記溶接部上の終点まで前記溶接部の前記延在方向一方側に向けて行われ、前記第２溶接工程において、前記第２溶極式アーク溶接が、前記所定部位から前記終点まで前記延在方向他方側に向けて行われてもよい。

前記方法によれば、溶接部が無端状であっても、２回に分けて溶極式アーク溶接を行うことで上述の作用を奏するアーク溶接を行うことができる。

前記母材が車両用フレームであり、前記所定部位が前記フレームの外面側に位置し、前記終点が前記外面側と反対側に位置してもよい。

前記方法によれば、ビードの始点付近を外面側に位置させることができる。

前記母材がアルミニウム合金であり、前記非溶極式アークがＴＩＧアークであり、前記溶極式アーク溶接がＭＩＧ溶接であってもよい。

前記方法によれば、熱伝導のよい金属に対し、溶接部が長かったり複雑であったりしても、溶込み不足を解消してアーク溶接を行うことができる。

前記第１加熱工程及び前記第２加熱工程それぞれで得られる溶融池の幅を、前記第１溶接工程及び前記第２溶接工程それぞれ得られるビード幅よりも小さくしてもよい。

前記方法によれば、溶融池が小さいので溶接ワイヤの消費が少なくなる。また、溶接痕が目立ちにくくなる。

本発明によれば、溶接部が長かったり複雑形状であったりしても、溶込み不足及び余盛高さを抑えて母材をアーク溶接することができる。

第１実施形態に係るアーク溶接装置の概要構成を示すブロック図である。 図１に示すアーク溶接装置により実行されるアーク溶接を示すフローチャートである。 図２に示すアーク溶接の手順を示す作用図である。図３（ａ）が第１加熱工程、図３（ｂ）が第１溶接工程、図３（ｃ）が第２加熱工程、図３（ｄ）が第２溶接工程をそれぞれ示す。 第２実施形態に係るアーク溶接装置を用いて製造され得る自動二輪車のフレーム組立体を示す図である。図４（ａ）が左側面図、図４（ｂ）が図４（ａ）のｂ矢視図、図４（ｃ）が図４（ａ）のｃ矢視図である。 第２実施形態に係るアーク溶接装置を示す正面図である。 図５に示すアーク溶接装置により実行されるアーク溶接を示すフローチャートである。 図６に示すアーク溶接の手順を示す作用図である。図７（ａ）が第１加熱工程、図７（ｂ）が第１溶接工程、図７（ｃ）が第２加熱工程、図７（ｄ）が第２溶接工程をそれぞれ示す。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同一の又は対応する要素には全図を通じて同一の符号を付し、重複する詳細説明を省略する。

〔溶接装置〕
図１は、実施形態に係るアーク溶接装置１の概要構成を示す概念図である。図１に示すように、アーク溶接装置１は、溶接空間３を形成するフレーム２を有し、この溶接空間３内で母材１００に溶極式アーク溶接を行う。アーク溶接装置１は、溶接治具１１と、治具ロボット１２と、非溶極式トーチ１３と、溶極式トーチ１４と、非溶極式溶接ロボット１５と、溶極式溶接ロボット１６とを更に備えている。これら装置１１〜１６は、溶接空間３内に配置されている。アーク溶接装置１は、その制御系の主要素として、非溶極式用制御器３１及び溶極式用制御器３２を備えている。

母材１００は、拘束具を用いて溶接治具１１に対する位置及び姿勢が変わらないようにして溶接治具１１に固定及び支持される。溶接治具１１は、フレーム２に設けられた治具ロボット１２に装着されている。治具ロボット１２は、溶接治具１１及びこれに支持された母材１００のフレーム２に対する位置及び姿勢を変位させる。

一例として、治具ロボット１２は、フレーム２に対して水平な走行方向に直進走行可能な走行体２１と、走行体２１に対して水平な傾動軸線周りに傾動可能な傾動体２２とを有する。溶接治具１１は、傾動体２２に対して傾動軸線に非平行の旋回軸線周りに旋回可能に装着されている。治具ロボット１２は、走行体２１をフレーム２に対して直進走行させるための走行アクチュエータ２３と、傾動体２２を走行体２１に対して傾動させるための傾動アクチュエータ２４と、溶接治具１１を傾動体２２に対して旋回させるための旋回アクチュエータ２５とを備える。これらアクチュエータ２３〜２５が動作すると、溶接治具１１及びこれに支持された母材１００が、走行方向に位置を変えることができ、傾動軸線及び旋回軸線周りに姿勢を変えることができる。ただし、この治具ロボット１２の構成は一例に過ぎず、適宜変更可能である。

非溶極式トーチ１３は、非溶極式アーク溶接を行う能力がある溶接トーチであり、母材１００を溶接する際に、溶接を行うべき溶接部１０１上の所定部位で非溶極式アークを発生させる。溶極式トーチ１４は、溶極式アーク溶接を行う能力がある溶接トーチであり、母材１００を溶接する際には、非溶極式トーチ１３による加熱後に前記所定部位から溶接部１０１の延在方向に沿って溶極式アーク溶接を行う。

非溶極式トーチ１３は、母材１００に非溶極式アーク溶接を行うために利用されるのではなく、溶極式トーチ１４を用いた溶極式アーク溶接の前に母材１００を加熱するために利用される。これにより溶極式アーク溶接の始点付近での溶込み不足の解消が図られる。このため、非溶極式トーチ１３は、溶接には必要とされる場合があっても加熱には不要である装置（例えば、溶加材送給のための装置）を備えていなくともよい。

なお、詳細図示を省略するが、母材１００を溶接治具１１に固定するときには、母材１００が非溶極式トーチ１３の溶接機アース電極（図示せず）及び溶極式トーチ１４の溶接機アース電極（図示せず）それぞれとケーブル（図示せず）を介して接続される。それにより２つのトーチ１３，１４がアークを発生することができる。

非溶極式トーチ１３には、不活性ガス（例えば、アルゴン）をシールドガスとして噴射しながらタングステン電極から非溶極式アークとしてのＴＩＧアークを発生し、ＴＩＧ溶接を行うことができるＴＩＧ溶接トーチを適用することができる。タングステンその他材料からなる電極からプラズマジェットを噴出してプラズマアーク溶接を行うことができるプラズマアーク溶接トーチを適用してもよい。

溶極式トーチ１４には、不活性ガス（例えば、アルゴン）をシールドガスとして噴射しながらアークを発生させるための電極であって溶接材でもある溶接ワイヤを送給し、それによりＭＩＧ溶接を行うＭＩＧ溶接トーチを適用することができる。炭酸ガス（例えば二酸化炭素）をシールドガスに用いる炭酸ガスアーク溶接トーチ、又は、不活性ガス及び炭酸ガスの混合ガスをシールドガスに用いるＭＡＧ溶接トーチを適用してもよい。サブマージアーク溶接を行うことができるトーチ、又は、セルフシールドアーク溶接を行うことができるトーチを適用することもできる。

母材１００がアルミニウム合金である場合、非溶極式トーチ１４にＴＩＧ溶接トーチを適用して溶極式トーチ１４にＭＩＧ溶接トーチを適用すると好適である。これにより、コストを抑えて溶接品質を高くすることができる。

非溶極式溶接ロボット１５は、基台１５ａと、基台１５ａに設けられた多関節アーム１５ｂとを備える多関節型の産業ロボットであり、多関節アーム１５ｂの先端に非溶極式トーチ１３が装着される。溶極式溶接ロボット１６も、基台１６ａと、基台１６ａに設けられた多関節アーム１６ｂとを備える多関節型の産業ロボットであり、多関節アーム１６ｂの先端に溶極式トーチ１４が装着される。一例として、多関節アーム１５ｂ，１６ｂは垂直多関節型であり、多関節アーム１５ｂ，１６ｂの動作に応じて非溶極式トーチ１３及び溶極式トーチ１４の位置及び姿勢が溶接空間３内で三次元的に変化する。

２つの溶接ロボット１５，１６は、天吊り状態で溶接空間３内に配置される。つまり、基台１５ａ，１６ａがフレーム２の天井部内面に固定されて多関節アーム１５ｂ，１６ｂが基台１５ａ，１６ａから下方に屈曲可能に延在する状態で、２つの溶接ロボット１５，１６がフレーム２に支持される。治具ロボット１２は、フレーム２の底部に設けられており、母材１００は溶接空間３内で上下方向中央部に概ね配置される。

非溶極式用制御器３１は、非溶極式溶接ロボット１５を制御する。つまり、非溶極式溶接ロボット１５の関節１５ｃそれぞれに対応した複数のアームアクチュエータ１５ｄを制御し、それにより多関節アーム１５ｂ及び非溶極式トーチ１３の位置及び姿勢を制御する。非溶極式用制御器３１は、非溶極式トーチ１３の動作（すなわち、アークの発生及び停止）を併せて制御してもよい。

溶極式用制御器３２は、溶極式溶接ロボット１６を制御する。つまり、溶極式溶接ロボット１６の関節１６ｃそれぞれに対応した複数のアームアクチュエータ１６ｄを制御し、それにより多関節アーム１６ｂ及び溶極式トーチ１４の位置及び姿勢を制御する。溶極式制御器３２は、溶極式トーチ１４の動作（すなわち、アークの発生及び停止と溶接ワイヤの送給及び停止）を併せて制御してもよい。

溶極式用制御器３２は、治具ロボット１２を併せて制御してもよい。つまり、治具ロボット１２の各アクチュエータ２３〜２５を制御し、それにより溶接治具１１及びこれに支持された母材１００の位置及び姿勢を制御してもよい。このようにして治具ロボット１２に専用の制御器を廃すると、制御系ハードウェアが簡略化される。

〔動作〕
図２は、図１に示すアーク溶接装置１により実行されるアーク溶接の手順を示すフローチャートである。図３は、図２に示すアーク溶接の作用図である。本実施形態では詳細図示を省略するが、アーク溶接装置１にアーク溶接を自動的に行わせる準備として、オペレータが母材１００を溶接治具１１に取り付け、操作盤（図示せず）で溶接開始の指令を入力する。この指令を受けて、母材１００へのアーク溶接が、図２に示す手順に従って自動的に進行していく。以降の説明におけるトーチ１３，１４及び母材１００の動作は、特段断らない限り、対応する制御器３１，３２により制御される。

ここでは、一例として、母材１００に溶接を行うべき溶接部１０１が１本のみ存在し、位置及び姿勢を拘束した状態にして母材１００を溶接治具１１に取り付けても当該溶接部１０１が溶接治具１１又は傾動体２２で隠されないものとする。溶接部１０１を複数とした場合や、母材１００を溶接治具１１にどのようにして取り付けたとしても或る溶接部１０１の一部が溶接治具１１又は傾動体２２で隠されてしまう場合も、後述のとおり本実施形態に係るアーク溶接を応用することで、母材１００に所要の溶接作業を行うことができる（第２実施形態及び図４〜図７を参照）。

―エアーカット（溶接・加熱準備）―
溶接開始の指令が入力されると、まず、溶極式溶接ロボット１６及び治具ロボット１２が駆動されて溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットが行われる（ステップＳ１１１）。これにより、溶極式トーチ１４はその原点位置から第１溶接準備位置まで移動し、溶接治具１１及び母材１００はその原点位置から第１治具待機位置まで移動する。溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットは並行して実施されてもよいし、順次実施されてもよい。溶極式トーチ１４が第１溶接準備位置まで移動し且つ母材１００が第１治具待機位置まで移動すると、溶極式トーチ１４が、母材１００と近接対向し、溶接を行うべき溶接部１０１上の所定部位１０１Ｐから若干離隔するように配置される（図３（ａ）に示す溶極式トーチ１４の母材１００に対する位置関係を参照）。

「所定部位１０１Ｐ」は、溶接部１０１が閉線分状（換言すれば、２つの端点に挟まれた直線状）であれば当該溶接部１０１上における２端点間の部位であり、溶接部１０１が無端状であれば当該溶接部１０１上における任意の部位である。逆に言えば、溶接部１０１は、当該所定部位１０１Ｐからその延在方向両側に延びている。

次に、非溶極式ロボット１５が駆動されて非溶極式トーチ１３のエアーカットが行われ（ステップＳ１１２）、非溶極式トーチ１３がその原点位置から第１加熱位置まで移動する。母材１００が第１治具待機位置に位置したうえで非溶極式トーチ１３が第１加熱位置まで移動すると、非溶極式トーチ１３は、溶極式トーチ１４よりも前記所定部位１０１Ｐに近接し、当該所定部位１０１Ｐで非溶極式アーク１１０を発生させることができるようになる（図３（ａ）に示す非溶極式トーチ１３の母材１００に対する位置関係を参照）。

―第１加熱―
非溶極式トーチ１３の第１加熱位置へのエアーカットが完了すると、非溶極式トーチ１３が非溶極式アーク１１０を所定期間発生させる（第１加熱工程Ｓ１１３）。これにより、前記所定部位１０１Ｐが加熱され、それにより当該所定部位１０１Ｐに溶融池１０２が形成される（図３（ａ）を参照）。

―エアーカット（退避・溶接開始）―
非溶極式アーク１１０が停止すると、非溶極式溶接ロボット１５が駆動されて非溶極式トーチ１３のエアーカットが行われ（ステップＳ１１４）、非溶極式トーチ１３が第１加熱位置から第１溶接退避位置まで移動する。第１溶接退避位置は、次の溶極式アーク溶接の実行時に母材１００や溶極式溶接ロボット１６との干渉を避けるためにこれらから十分に離れた位置であり、原点位置とは異なっていてもよい。

非溶極式トーチ１３のエアーカットと並行して、溶極式溶接ロボット１６が駆動されて溶極式トーチ１４のエアーカットが行われる（ステップＳ１１５）。溶極式トーチ１４は、第１溶接準備位置から第１溶接開始位置まで移動する。溶極式トーチ１３のエアーカットの開始時点は、非溶極式トーチ１４の第１溶接退避位置へのエアーカットの開始時点と同じでもよいが、非溶極式アークの停止直前（すなわち、アーク発生中）の時点にまで早めてもよい。

―第１溶極式アーク溶接―
溶極式トーチ１４のエアーカットが完了すると、溶極式トーチ１３を用いて、前記所定部位１０１Ｐから溶接部１０１の延在方向一方側に向けて第１の溶極式アーク溶接が行われる（第１溶接工程Ｓ１１６）。すなわち、溶極式トーチ１４は、溶接ワイヤを送給しながら溶接ワイヤから溶極式アーク１１５を発生させ、所定部位１０１Ｐ内の或る位置を始点とした第１の溶極式アーク溶接を開始する。

溶極式アーク溶接を開始すると、溶極式溶接ロボット１６及び治具ロボット１２を駆動して溶極式トーチ１４を母材１００に対して溶接部１０１の延在方向一方側に相対移動させる（図３（ｂ）参照）。この相対移動は、フレーム２に対して溶極式トーチ１４を移動させるのみによっても実現されるし、フレーム２に対して溶接治具１１及び母材１００を移動させるのみによっても実現されるし、これら２種類の移動を組み合せることによっても実現される。

当該溶接部１０１上で予め定められた終点１０１Ｑまで溶極式アーク溶接が進むと、溶接ワイヤの送給が停止すると共にアークが停止する。溶接を行うべき溶接部１０１上には、前記所定部位１０１Ｐ内の始点から当該終点１０１Ｑに至るまでビード１２１が置かれる。ビード１２１の始端１２１Ｓは所定部位１０１Ｐ内に置かれ、ビード１２１の終端１２１Ｅは終点１０１Ｑ上に置かれる。

「終点１０１Ｑ」は、溶接部１０１が閉線分状に形成される場合には前記所定部位１０１Ｐから見て延在方向一方側の端点に設定されることができ、溶接部１０１が無端状に形成される場合には溶接部１０１上にて前記所定部位１０１Ｐから外れた任意の位置に設定される。なお、第１溶接工程Ｓ１１６の実行により、溶極式トーチ１４は、第１溶接開始位置から第１溶接終了位置まで移動し、母材１００は、第１治具待機位置から第１溶接終了位置まで移動する。

―エアーカット（溶接・加熱準備）―
このようにして第１の溶極式アーク溶接が完了すると、溶極式溶接ロボット１６及び治具ロボット１２が駆動されて溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットが行われる（ステップＳ１６１）。すなわち、溶極式トーチ１４が、その第１溶接終了位置から次に溶接を行うべき溶接部１０１の所定部位１０１Ｐに対応した位置（第２溶接準備位置）に移動し、母材１００が、その第１溶接終了位置から当該所定部位１０１Ｐに対応した位置（第２治具待機位置）に移動する。本実施形態では、溶接部１０１が１本である場合を想定しているので、「次に溶接を行うべき溶接部１０１」は、先の第１溶接工程Ｓ１１６で溶接対象になった溶接部１０１のうち、未だビードが置かれていない部分である。ここでの「所定部位１０１Ｐ」は、先の第１加熱工程Ｓ１１３で非溶極式アークを発生させ、また、先の第１溶接工程Ｓ１１６で第１の溶極式アーク溶接の始点１２１Ｓを位置させた前記所定部位１０１Ｐと同一である。

溶極式トーチ１４が第２溶接準備位置まで移動し且つ母材１００が第２治具待機位置まで移動すると、溶極式トーチ１４が、母材１００と近接対向し、溶接を行うべき溶接部１０１上の所定部位１０１Ｐから若干離隔するように配置される。

溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットが完了すると、非溶極式溶接ロボット１５が駆動されて非溶極式トーチ１３のエアーカットが行われ（ステップＳ１６２）、非溶極式トーチ１３が、第１溶接退避位置から所定部位１０１Ｐに対応した第２加熱位置に移動する。

なお、先の第１の溶極式アーク溶接及び次の第２の溶極式アーク溶接は、最終的には１本に連続する溶接部１０１を溶接対象としながらも溶接方向は反対に向いている。第２の溶極式アーク溶接における溶極式トーチ１４の母材１００に対する相対移動の便宜を考慮して、第２溶接準備位置（特に姿勢）は、第１溶接準備位置と一致していなくてもよいし、また、第２治具待機位置（特に姿勢）は、第１治具待機位置と一致していなくてもよい。第２加熱位置も、第２治具待機位置が第１治具待機位置と異なる場合には特に、第１加熱位置と一致していなくてもよい。

溶極式トーチ１４が第２溶接準備位置まで移動し且つ母材１００が第２治具待機位置まで移動すると、溶極式トーチ１４が、母材１００と近接対向し、溶接を行うべき溶接部１０１上の所定部位１０１Ｐから若干離隔するように配置される（図３（ｃ）に示す溶極式トーチ１４の母材１００に対する位置関係を参照）。母材１００が第２治具待機位置に位置したうえで非溶極式トーチ１３が第２加熱位置まで移動すると、非溶極式トーチ１３は、溶極式トーチ１４よりも所定部位１０１Ｐに近接し、当該所定部位１０１Ｐで非溶極式アーク１１０を発生させることができるようになる（図３（ｃ）に示す非溶極式トーチ１３の母材１００に対する位置関係を参照）。

―第２加熱―
非溶極式トーチ１３の第２加熱位置へのエアーカットが完了すると、非溶極式トーチ１３が非溶極式アーク１１０を所定期間発生させる（第２加熱工程Ｓ１６３）。これにより所定部位１０１Ｐが再加熱され、それにより当該所定部位１０１Ｐに溶融池１０２が再形成される（図３（ｃ）を参照）。

この所定部位１０１Ｐ内には、第１の溶極式アーク溶接においてビード１２１の始端１２１Ｓが置かれている。第２加熱工程Ｓ１６３では、第１溶接工程Ｓ１１６で置かれたビード１２１の始端１２１Ｓにも非溶極式アーク１１０を発生させ、それによりビード１２１の始端１２１Ｓを溶融させてもよい。

―エアーカット（退避・溶接開始）―
非溶極式アーク１１０が停止すると、非溶極式溶接ロボット１５が駆動されて非溶極式トーチ１３のエアーカットが行われ（ステップＳ１６４）、非溶極式トーチ１３が第２加熱位置から第２溶接退避位置まで移動する。第２溶接退避位置は、次の溶極式アーク溶接の実行時に母材１００や溶極式溶接ロボット１６との干渉を避けるためにこれらから十分に離れた位置であり、原点位置とは異なっていてもよいし、第１溶接退避位置と同一でも異なっていてもよい。

非溶極式トーチ１３のエアーカットと並行して、溶極式溶接ロボット１６が駆動されて溶極式トーチ１４のエアーカットが行われる（ステップＳ１６５）。溶極式トーチ１４は、第２溶接準備位置から第２溶接開始位置まで移動する。溶極式トーチ１３のエアーカットの開始時点は、非溶極式トーチ１４の第１溶接退避位置へのエアーカットの開始時点と同じでもよいが、非溶極式アークの停止直前（すなわち、アーク発生中）の時点にまで早めてもよい。

―第２溶極式アーク溶接―
溶極式トーチ１４のエアーカットが完了すると、溶極式トーチ１３を用いて、所定部位１０１Ｐから溶接部１０１の延在方向他方側に向けて第２の溶極式アーク溶接が行われる（第２溶接工程Ｓ１６６）。すなわち、溶極式トーチ１４は、溶接ワイヤを送給しながら溶接ワイヤから溶極式アーク１１５を発生させ、所定部位１０１Ｐ内の或る位置を始点として第１の溶極式アーク溶接とは反対側に向けて第２の溶極式アーク溶接を開始する。溶極式アーク溶接を開始すると、溶極式溶接ロボット１６及び治具ロボット１２を駆動して溶極式トーチ１４を母材１００に対して溶接部１０１の延在方向一方側に相対移動させる（図３（ｄ）参照）。

当該溶接部１０１上で予め定められた終点１０１Ｒまで溶極式アーク溶接が進むと、溶接ワイヤの送給が停止すると共にアークが停止する。溶接を行うべき溶接部１０１上には、前記所定部位１０１Ｐ内の始点から当該終点１０１Ｒに至るまでビード１２２が置かれる。ビード１２２の始端１２１Ｓは所定部位１０１Ｐ内に置かれ、ビード１２１の終端１２２Ｅは終点１０１Ｒ上に置かれる。そしてビード１２２の始端１２２Ｓがビード１２１の始端１２１Ｓに連続し、溶接部１０１上には、ビード１２１，１２２から成る１本に連続したビード１２０が置かれる。ただし、このビード１２０は、ビード１２１，１２２の溶接方向が互いに反対を向いているので、これらビード１２１，１２２の始端１２１Ｓ，１２２２Ｓを基準にしてビード波が対称に形成される。

「終点１０１Ｒ」は、溶接部１０１が閉線分状に形成される場合には前記所定部位１０１Ｐから見て延在方向他方側の端点に設定されることができ、溶接部１０１が無端状に形成される場合には、第１の溶極式アーク溶接において設定された終点と同一又はその付近の位置に設定される。なお、第２溶接工程Ｓ１６６の実行により、溶極式トーチ１４は第２溶接開始位置から第２溶接終了位置まで移動し、母材１００は、第２治具待機位置から第２溶接終了位置まで移動する。

―エアーカット（帰還）―
所要の溶接作業が終わると、溶極式溶接ロボット１６及び治具ロボット１２が駆動されて溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットが行われる（ステップＳ１７１）。すなわち、溶極式トーチ１４がその第２溶接終了位置から原点位置に帰還し、母材１００がその第２溶接終了位置から原点位置に帰還する。溶極式トーチ１４及び母材１００のエアーカットが完了すると、非溶極式溶接ロボット１５が駆動されて非溶極式トーチ１３のエアーカットが行われ（ステップＳ１７２）、非溶極式トーチ１３が第２溶接退避位置から原点位置に帰還する。トーチ１３，１４及び母材１００が全て原点位置に帰還すると、アーク溶接が終了する。

〔作用〕
上述したアーク溶接の方法によると、第１の溶極式アーク溶接を行うに先立ち、第１の溶極式アーク溶接の始点付近（所定部位１０１Ｐ）が非溶極式アークで加熱される。非溶極式アークを利用するので母材１００が短時間で能率良く加熱されるし、第１の溶極式アーク溶接の始端付近で十分な溶込みを得ることができる。よって、第１の溶極式アークにおける溶接品質を高くすることができる。その後、同一の溶接部１０１に沿って第２の溶極式アーク溶接を行うに先立って、第２の溶極式アーク溶接の始端付近も非溶極式アーク１１０で加熱されるので、第２の溶極式アーク溶接における溶接品質も高くすることができる。

非溶極式アーク１１０による加熱工程を経て溶極式アークを行うと、溶極式アークを溶込み確保のために溶接始点で留まらせる必要性がなくなる。よって、溶接始点付近での余盛高さを抑えることができる。特に、第１及び第２溶極式アーク溶接の始点を揃えているので、２つのビード１２１，１２２から１本に連続するビード１２０を形成するようにしても、これら２つのビード１２１，１２２の始点付近でのビード高さを残余部位でのビード高さと略同等にそろえることができる。このように、１つの溶接部１０１に沿って２回に分けて溶極式アーク溶接を行う場合に、溶込み不足及び余盛高さを抑えることができる。本実施形態では、第２加熱工程Ｓ１６３において第１溶接工程Ｓ１１６で置かれたビード１２１の始端１２１Ｓを溶融させるようにしているので、第２溶接工程Ｓ１６６で置かれるビード１２２が第１溶接工程Ｓ１１６で置かれたビード１２１の上に重なるのを良好に防ぐことができ、余盛高さを抑えるうえで有益である。

図３（ｂ）に示すように、第１加熱工程Ｓ１１３で形成される溶融池１０２の幅を、その後の第１溶接工程Ｓ１１６で形成されるビード１２１の幅よりも小さくしている。これにより、溶接ワイヤの節約を図ることができると共に、溶接痕が目立ちにくくなり、美観を向上したビード１２１を溶接部上に置くことができる。このような幅の管理は、非溶極式トーチ１３で非溶極式アーク１１０を発生させるに際し、溶極式トーチ１３の溶接機においてクリーニング幅を狭くするように設定するなどの方法により実現可能である。また、このような幅の管理は、第１加熱工程Ｓ１１３及び第１溶接工程Ｓ１１６の組合せに加えて又はこれに替えて、第２加熱工程Ｓ１６３及び第２溶接工程Ｓ１６６の組合せに対して行われてもよい。すなわち、第１溶接工程Ｓ１１６及び第２溶接工程Ｓ１６６のうち少なくともいずれか一方において、溶融池１０２の幅がビード１２０の幅よりも小さければよい。

（第２実施形態）
〔母材〕
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係るアーク溶接方法は、溶接を行うべき溶接部が無端状である場合に母材にアーク溶接を行うための方法に関するものであり、以降の説明では、かかる溶接部に溶接を行うことで製造される物として、自動二輪車のフレーム組立体を例示する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るアーク溶接装置を用いて製造され得る自動二輪車のフレーム組立体１５０を示す図である。図４（ａ）は、フレーム組立体１５０の左側面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ矢視図（すなわち、フレーム組立体１５０をヘッドパイプ部１５１の軸線方向下側から見て示す図）、図４（ｃ）は、図４（ａ）のｃ矢視図（すなわち、フレーム組立体１５０の背面図）である。なお、図４を参照して説明するフレーム組立体１５０の方向の概念は、当該フレーム組立体１５０を備えた自動二輪車に騎乗した運転者から見た方向を基準としている。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、図示例によるフレーム組立体１５０は、円筒状のヘッドパイプ部１５１と、ヘッドパイプ部１５１から左右に分かれて後方へと延びる一対のメインフレーム部１５２，１５３（図４（ａ）では右メインフレーム部１５３の図示を省略）とを有する。図４（ｃ）に示すように、図示例によるフレーム組立体１５０は、メインフレーム部１５２，１５３をその前後中央部にて左右方向に接続するセンタクロスバー部１５４と、メインフレーム部１５２，１５３をその後端部にて左右方向に接続するリアクロスバー部１５５とを有している。

図４（ａ）〜（ｃ）において、フレーム組立体１５０は、５つの金属材１６１〜１６５を母材とするアーク溶接を行うことで製造される。第１金属材１６１は、ヘッドパイプ部１５１に概略対応し、ヘッドパイプ部１５１を成す部位から左右に分かれて後方に突出する継手部１６１ａ，１６１ｂを有する。第２金属材１６２は、左メインフレーム部１５２に概略対応し、前端部に形成されて継手部１６１ａと溶接される継手部１６２ａと、左メインフレーム部１５２を成す部位の前後中央部及び後端部それぞれにおいて当該部位の内面から車幅方向内側へと突出する継手部１６２ｂ，１６２ｃとを有する。第３金属材１６３は、右メインフレーム部１５３に概略対応し、第２金属材１６２と同様にして継手部１６３ａ〜ｃを有する。第４金属材１６４は、センタクロスバー部１５４に概略対応し、左端部に形成されて継手部１６２ｂと溶接される継手部１６４ａと、右端部に形成されて継手部１６３ｂと溶接される継手部１６４ｂとを有する。第５金属材１６５は、リアクロスバー部１５５に概略対応し、左端部に形成されて継手部１６２ｃと溶接される継手部１６５ａと、右端部に形成されて継手部１６３ｃと溶接される継手部１６５ｂとを有している。

図４（ａ）〜（ｃ）において、フレーム組立体１５０は、合計６つの溶接個所１７１〜１７６にアーク溶接を行うことで製造される。当該溶接個所１７１〜１７６には、継手部１６１ａ，１６２ａを溶接する第１溶接個所１７１と、継手部１６１ｂ，１６３ａを溶接する第２溶接個所１７２と、継手部１６２ｂ，１６４ａを溶接する第３溶接個所１７３と、継手部１６３ｂ，１６４ｂを溶接する第４溶接個所１７４と、継手部１６２ｃ，１６５ａを溶接する第５溶接個所１７５と、継手部１６３ｃ，１６５ｂを溶接する第６溶接個所１７６とが含まれる。

一般に自動二輪車のフレーム組立体１５０では、その製造において母材となる金属材１６１〜１６５が、略角形状断面を有する管状に成形されるので、前記６つの溶接個所１７１〜１７６ではいずれも溶接を行うべき溶接部（又は溶接線）１８１〜１８６が無端状になる。

〔溶接装置〕
図５は、第２実施形態に係るアーク溶接装置２０１を示す正面図である。第２実施形態に係るアーク溶接装置２０１は、前述の金属材１６１〜１６５を母材としてその継手部に設定される溶接部１８１〜１８６を対象とするアーク溶接を行ってフレーム組立体を製造するのに好適に利用されることができる。このアーク溶接装置２０１も、その基本的な構成は、第１実施形態で示したものと同様である。フレーム２０２は、平面視で略矩形状の底板材２０４及び天井板材２０５と、底板材２０４及び天井板材２０５の四隅同士を上下方向に接続する４本の柱材２０６（図５では正面２本のみを図示）とを備え、溶接空間２０３は、これら部材２０４〜２０６の内側に形成されて平面視で略矩形状である。

治具ロボット２１２の走行体２２１は、底板材２０４に走行方向に直進方向可能に支持されたスライダ２２１ａと、スライダ２２１ａから上方に延びる一対の立設部２２１ｂとを有し、スライダ２２１ａは溶接空間２０３内で走行方向に直交する水平方向において中央部に配置され、立設部２２１ｂは、当該走行直交方向に対向している。傾動体２２２は、一対の立設部２２１ｂそれぞれに傾動可能に支持され、走行直交方向に向けられた傾動軸線周りにスライダ２２１ａの上方で傾動する。溶接治具２１１は、このような傾動体２２２に旋回可能に装着されており、溶接治具２１１及びこれに支持される母材１６１〜１６５は、溶接空間２０３内で上下方向において中央部に位置する。

溶接ロボット２１５，２１６は、その基台２１５ａ，２１６ａが天井板材２０５の内面側に固定され且つその多関節アーム２１５ｂ，２１６ｂが対応する基台２１５ａ，２１６ａから屈曲可能に下方に延在する状態で、溶接空間２０３内に配置される。２つの溶接ロボット１５，１６は、平面視で溶接治具２１１を挟むようにして略対角方向に離れて配置されていてもよい。

〔動作〕
図６は、図２に示すアーク溶接装置２０１により実行されるアーク溶接の手順を示すフローチャートである。図７は、図６に示すアーク溶接の手順を示す作用図である。なお、詳細図示を省略しているが、本実施形態に係るアーク溶接装置２０１も、上記実施形態と同様にしてロボット２１２，２１５，２１６を制御する１以上の制御器（図示せず）を備え、以降の説明におけるトーチ２１３，２１４及び母材１６１〜１６６の動作は、特段断らない限り対応する制御器によって制御される。

図４及び図５に例示した金属材１６１〜１６５を母材とする場合、母材１６１〜１６５をどのような姿勢で取り付けても、溶接部１８１〜１８６が部分的に溶接治具２１１又は傾動体２２２で隠されてしまう。そこで、各溶接部１８１〜１８６それぞれに対する溶接を２パスで済ませるための２つの異なる姿勢（第１及び第２の姿勢）を予め把握しておく。

―第１加熱・第１溶接―
図６に示すように、そのうえで、オペレータは、まず母材１６１〜１６５を第１の姿勢で溶接治具２１１に取り付け（ステップＳ２０１）、第１プログラムの実行開始の指令をアーク溶接装置２０１の制御系に与える（ステップＳ２０２）。この第１プログラムは、第１実施形態におけるステップＳ１１１〜Ｓ１１６と同様の処理を繰り返すことで、複数の溶接部１８１〜１８６それぞれに対して前半１パス分のアーク溶接（すなわち、第１加熱と第１の溶極式アーク溶接）を順次行う。

第１プログラムが実行開始すると、溶極式トーチ２１４及び母材１６１〜１６５のエアーカットを行い（ステップＳ２１１）、溶極式トーチ２１４を原点位置から最初の溶接部（例えば、溶接部１８１）に対応した第１溶接準備位置に移動させ、母材を当該溶接部に対応した第１治具待機位置に移動させる。次に、非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２１２）、非溶極式トーチ２１３を原点位置から当該溶接部１８１に対応した第１加熱位置に移動させる。

次に、非溶極式トーチ２１３が非溶極式アークを所定期間発生し（第１加熱工程Ｓ２１３）、それにより当該溶接部１８１の所定部位１８１Ｐを加熱し、当該所定部位１８１Ｐに溶融池を形成する（図７（ａ）を参照）。所定期間が経過すると非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２１４）、非溶極式トーチ１３を第１加熱位置から第１溶接退避位置に移動させる。この非溶極式トーチ２１３のエアーカットと並行して、溶極式トーチ２１４のエアーカットを行い（ステップＳ２１５）、溶極式トーチ２１４を第１溶接準備位置から第１溶接開始位置まで移動させる。

次に、溶極式トーチ２１４を用いて所定部位１８１Ｐから溶接部１８１の延在方向一方側に向けて第１の溶極式アーク溶接を行う（第１溶接工程Ｓ２１６）。溶極式アーク溶接を開始すると、溶極式トーチ２１４を母材１６１〜１６５に対して溶接部１８１の延在方向一方側に対して相対移動させる。溶極式アーク溶接が当該溶接部１８１の前半１パス分として予め定められた終点１８１Ｑまで進むと、溶接ワイヤの送給を停止させると共にアークを停止させる。溶接を行うべき溶接部１８１上には、所定部位１８１Ｐ内の始点から当該終点１８１Ｑに至るまでビード１９１が置かれる（図７（ｂ）を参照）。ビード１９１の始端１９１Ｓは所定部位１８１Ｐ内に置かれ、ビード１９１の終端１９１Ｅは当該終点１８１Ｑ上に置かれる。

このようにして第１の溶極式アーク溶接が完了すると、母材１６１〜１６５に設定された全ての溶接部１８１〜１８６に対して前半１パス分の溶接処理が終了するまで（すなわち、ステップＳ２１７にてＮＯである限り）、上記手順Ｓ２１１〜Ｓ２１６が繰り返される。

例えば、１つ目の溶接部１８１に対する第１の溶極式アーク溶接が完了して２つ目の溶接部１８２に対して第１の溶極式アーク溶接を行うにあたっては、まず、ステップＳ２１１にて、溶極式トーチ２１４を、溶接処理済の溶接部１８１に対応した第１溶接終了位置から、次に溶接を行うべき溶接部１８２に対応した第１溶接準備位置へと移動させることとなる。ステップＳ２１１にて、母材１６１〜１６５を溶接部１８１に対応した第１溶接終了位置から溶接部１８２に対応した第１治具待機位置へと移動させることとなる。ステップＳ２１２にて、非溶極式トーチ２１３を、溶接部１８１に対応した第１溶接退避位置から溶接部１８２に対応した第１加熱位置へと移動させることとなる。

全ての溶接部１８１〜１８６について前半１パス分の溶接処理が完了すると（Ｓ２１７：ＹＥＳ）、溶極式トーチ２１４及び母材１６１〜１６５のエアーカットを行い（ステップＳ２２１）、溶極式トーチ２１４を最後の溶接部（例えば、溶接部１８６）に対応した第１溶接終了位置からその原点位置まで帰還させ、母材１６１〜１６５を当該溶接部１８６に対応した第１溶接終了位置からその原点位置まで帰還させる。次に、非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２２２）、非溶極式トーチ２１３を当該溶接部１８６に対応した第１溶接退避位置からその原点位置まで帰還させる。

―第２加熱・第２溶接―
次に、オペレータが、一旦母材１６１〜１６５を溶接治具２１１から取り外し、取り外された母材１６１〜１６５を前述の第２の姿勢で溶接治具２１１に取り付け直し（ステップＳ２５１）、第２プログラムの実行開始の指令をアーク溶接装置２０１の制御系に与える（ステップＳ２５２）。この第２プログラムは、第１実施形態におけるステップＳ１６１〜Ｓ１６６と同様の処理を繰り返すことで、複数の溶接部１８１〜１８６それぞれに対して後半１パス分のアーク溶接（すなわち、第２加熱と第２の溶極式アーク溶接）を順次行う。

第２プログラムが実行開始すると、溶極式トーチ２１４及び母材１６１〜１６５のエアーカットを行い（ステップＳ２６１）、溶極式トーチ２１４を原点位置から最初の溶接部（例えば、溶接部１８１）に対応した第２溶接準備位置に移動させ、母材１６１〜１６５を原点位置から当該溶接部１８１に対応した第２治具待機位置に移動させる。次に、非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２６２）、非溶極式トーチ２１３を原点位置から当該溶接部１８１に対応した第２加熱位置に移動させる。

次に、非溶極式トーチ２１３が非溶極式アークを所定期間発生し（第２加熱工程Ｓ２６３）、それにより当該溶接部１８１の所定部位１８１Ｐを加熱し、当該所定部位１８１Ｐに溶融池を形成する（図７（ｃ）を参照）。所定期間が経過すると非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２６４）、非溶極式トーチ２１３を第２加熱位置から第２溶接退避位置に移動させる。この非溶極式トーチ２１３のエアーカットと並行して、溶極式トーチ２１４のエアーカットを行い（ステップＳ２６５）、溶極式トーチ２１４を第２溶接準備位置から第２溶接開始位置まで移動させる。

次に、溶極式トーチ２１４を用いて所定部位１８１Ｐから溶接部１８１の延在方向他方側に向けて第２の溶極式アーク溶接を行う（第２溶接工程Ｓ２６６）。溶極式アーク溶接を開始すると、溶極式トーチ２１４を母材１６１〜１６５に対して溶接部１８１の延在方向他方側に対して相対移動させる。溶極式アーク溶接が当該溶接部１８１の後半１パス分として予め定められた終点１８１Ｒまで進むと、溶接ワイヤの送給を停止させると共にアークを停止させる。溶接を行うべき溶接部１８１上には、所定部位１８１Ｐ内の始点から当該終点１８１Ｒに至るまでビード１９２が置かれる（図７（ｄ）を参照）。ビード１９２の始端１９２Ｓは所定部位１８１Ｐ内に置かれ、ビード１９２の終端１９２Ｅは当該終点１８１Ｒ上に置かれる。そして、ビード１９２の始端１９２Ｓがビード１９１の始端１９１Ｓに連続する。溶接部１８１は無端状であるところ、終点１８１Ｒは、第１溶接工程における終点１８１Ｑと同一又はその付近である。そのため、ビード１９２の終端１９２Ｅもビード１９１の終端１９１Ｅに連続する。これにより、無端状の溶接部１８１上には、ビード１９１，１９２から成る１本に周状に連続したビード１９０が置かれる。

このようにして第２の溶極式アーク溶接が完了すると、母材１６１〜１６５に設定された全ての溶接部１８１〜１８６に対して後半１パス分の溶接処理が終了するまで（すなわち、ステップＳ２６７にてＮＯである限り）、上記手順Ｓ２６１〜Ｓ２６６が繰り返される。

全ての溶接部１８１〜１８６について後半１パス分の溶接処理が完了すると（Ｓ２６７：ＹＥＳ）、溶極式トーチ２１４及び母材１６１〜１６５のエアーカットを行い（ステップＳ２７１）、溶極式トーチ２１４を最後の溶接部（例えば、溶接部１８６）に対応した第２溶接終了位置からその原点位置まで帰還させ、母材１６１〜１６５を当該溶接部１８６に対応した第２溶接終了位置からその原点位置まで帰還させる。次に、非溶極式トーチ２１３のエアーカットを行い（ステップＳ２７２）、非溶極式トーチ２１３を当該溶接部１８６に対応した第２溶接退避位置からその原点位置まで帰還させる。

〔作用〕
上述したアーク溶接の方法によると、溶接部が無端状であっても、２回に分けて溶極式アーク溶接を行うことで上記実施形態と同様の作用を奏するアーク溶接を行うことができる。上述した方法を採用することで溶込み不足及び余盛高さを抑えてフレーム組立体１５０を製造することができ、フレーム組立体１５０の品質が向上する。このようにフレーム組立体１５０を対象とする場合には、外観を成す表面上に所定部位１８１Ｐを設定し、外観を形成しない表面（外観を成す外面側とは反対側の面）上に終点１８１Ｑ，１８１Ｒを設定してもよい。

以上、実施形態について説明したが、上記構成及び方法は一例に過ぎず本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更、削除、追加可能である。

本発明は、溶接部が長かったり複雑形状であったりしても溶込み不足及び余盛高さを抑えて母材にアーク溶接を行うことができるとの作用効果を奏し、例えば自動二輪車の車体フレームの製造などに適用することができる。

１，２０１ アーク溶接装置
１１，２１１ 溶接治具
１２，２１２ 治具ロボット
１３，２１３ 非溶極式トーチ
１４，２１４ 溶極式トーチ
１５，２１５ 非溶極式溶接ロボット
１６，２１６ 溶極式溶接ロボット
１００ 母材
１０１ 溶接部
１０１Ｐ 所定部位
１０１Ｑ，１０１Ｒ 終点
１０２ 溶融池
１２０，１２１，１２２ ビード
１５０ フレーム組立体
１６１〜１６５ 金属材（母材）
１７１〜１７６ 溶接個所
１８１〜１８６ 溶接部
１９０，１９１，１９２ ビード
Ｓ１１３，Ｓ２１３ 第１加熱工程
Ｓ１１６，Ｓ２１６ 第１溶接工程
Ｓ１６３，Ｓ２６３ 第２加熱工程
Ｓ１６６，Ｓ２６６ 第２溶接工程

Claims (5)

1. 溶接を行うべき溶接部上の所定部位で、非溶極式アークを発生させて母材を予熱する第１加熱工程と、
   前記所定部位から前記溶接部の延在方向一方側に向けて第１溶極式アーク溶接を行う第１溶接工程と、
   前記所定部位で非溶極式アークを発生させ又はビームを照射して前記母材を再加熱する第２加熱工程と、
   前記所定部位から前記溶接部の延在方向他方側に向けて第２溶極式アーク溶接を行う第２溶接工程と、を備える、アーク溶接方法。
2. 前記溶接部が無端状であり、
   前記第１溶接工程において、前記第１溶極式アーク溶接が、前記所定部位から前記溶接部上の終点まで前記溶接部の前記延在方向一方側に向けて行われ、
   前記第２溶接工程において、前記第２溶極式アーク溶接が、前記所定部位から前記終点まで前記延在方向他方側に向けて行われる、請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 前記母材が車両用フレームであり、前記所定部位が前記フレームの外面側に位置し、前記終点が前記外面側と反対側に位置する、請求項２に記載のアーク溶接方法。
4. 前記母材がアルミニウム合金であり、前記非溶極式アークがＴＩＧアークであり、前記溶極式アーク溶接がＭＩＧ溶接である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
5. 前記第１加熱工程及び前記第２加熱工程それぞれで得られる溶融池の幅を、前記第１溶接工程及び前記第２溶接工程それぞれ得られるビード幅よりも小さくする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
   

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