JP2016087651A - アーク溶接装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高速で接合しつつ接合後の接合対象物のひずみを小さくするアーク溶接装置を提供する。
【解決手段】 アークプラズマを形成する電極12を収容するノズル20は、アークプラズマの径方向外側に気体を供給する気体供給孔220、230、240、250を有する気体供給部22、及び、気体供給部22が供給した気体を吸引する気体吸引部21から形成される。電極12を挟むよう設けられる一対の気体供給孔220、240は、電極12から第一距離L1離れた位置に第一圧力の気体を供給する。一対の気体供給孔220、240とは別に電極12を挟むよう設けられる一対の気体供給孔230、250は、電極12から第一距離L1より長い第二距離L2離れた位置に第一圧力より低い第二圧力の気体を供給する。これにより、アークプラズマは、気体供給孔220、240を結ぶ方向に圧縮され、気体供給孔230、250を結ぶ方向に長くなる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、二つの接合対象物をアーク溶接するアーク溶接装置に関する。
従来、二つの接合対象物と当該二つの接合対象物が当接する部位の近傍に設けられる電極とにそれぞれ極性が異なる電力を供給し二つの接合対象物と電極との間を流れるアーク電流を利用して二つの接合対象物を溶接するアーク溶接装置が知られている。例えば、特許文献1には、アーク電流によるアークプラズマを形成可能な溶接ガスを二つの接合対象物と電極との間に供給可能な溶接ガス供給孔を有する電極を備え、アークプラズマを安定させるアーク溶接装置が記載されている。
特開2006−51521号公報
一般に、アーク溶接におけるアークプラズマのエネルギー密度は、100〜1000W/mm2程度と比較的低い。このため、アーク溶接は、接合対象物における溶融幅が広くかつ溶け込みが浅い低アスペクト比の加工となるため、接合部分のひずみが大きくなりやすく、また、高速での加工が困難である。一方、ひずみを小さくし、かつ、加工速度を速くするためには、エネルギー密度が10000〜1000000W/mm2程度のレーザ溶接が用いられるが、設備が高価なため加工コストが高くなる問題がある。
本発明は、高速で接合しつつ接合後の接合対象物のひずみを小さくするアーク溶接装置を提供することである。
本発明は、二つの接合対象物を溶接するアーク溶接装置であって、電極、気体供給部、気体吸引部、電力供給部、及び、気体貯留部を備える。
電極は、二つの接合対象物が当接する部位の近傍に設けられ、二つの接合対象物が当接する部位との間にアークプラズマを形成する。
気体供給部は、電極の径方向外側に設けられ、アークプラズマの径方向外側に気体を供給する気体供給孔を複数有する。
気体吸引部は、複数の気体供給部と電極との間に設けられ、気体供給部が二つの接合対象物が当接する部位と電極との間のアークプラズマの径方向外側に供給する気体を吸引する気体吸引孔を有する。
電力供給部は、電極と電気的に接続し、二つの接合対象物と異なる極性の電力を電極に供給する。
気体貯留部は、気体供給部がアークプラズマの径方向外側に供給する気体を貯留する。
本発明のアーク溶接装置は、電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔が電極から第一距離離れた位置に形成され、一対の気体供給孔とは別に電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔が電極から第一距離より長い第二距離離れた位置に形成されることを特徴とする。また、本発明のアーク溶接装置は、一対の気体供給孔がアークプラズマの径方向外側に第一圧力の気体を供給し、一対の気体供給部とは別に電極を挟むよう設けられる一対の気体供給部がアークプラズマの径方向外側に第一圧力より低い圧力である第二圧力の気体を供給することを特徴とする。
本発明のアーク溶接装置では、気体供給部は、二つの接合対象物が当接する部位と電極との間のアーク電流によるアークプラズマの径方向外側に気体を供給する。当該アークプラズマの径方向外側に供給される気体は、気体供給部と電極との間に設けられる気体吸引部によって径内方向に吸引される。これにより、当該アークプラズマの径方向外側には、径外方向から径内方向に向かう気体の流れが形成される。この気体の流れによってアークプラズマの形状を自由に変更することができる。
さらに、本発明のアーク溶接装置では、電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔は、アークプラズマの径方向外側に第一圧力の気体を供給する。一方、一対の気体供給孔とは別に電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔は、電極から第一距離より長い第二距離離れた位置に形成され、第一圧力より低い圧力である第二圧力の気体を当該アークプラズマの径方向外側に供給する。これにより、アークプラズマは、一対の気体供給孔を結ぶ方向に圧縮されるため、一対の気体供給孔を結ぶ方向においてアークプラズマのエネルギー密度を上げることができ、溶融幅が狭くかつ溶け込みが深い高アスペクト比での溶接を行うことができる。また、アークプラズマは、一対の気体供給孔とは別に電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔を結ぶ方向の長さが一対の気体供給孔を結ぶ方向の長さより長くなるため、このアークプラズマが長くなる方向に沿って二つの接合対象物をアーク溶接すると、比較的広い範囲を短時間で溶接することができる。
このように、本発明のアーク溶接装置は、アークプラズマの径外方向から径内方向に向かう気体の流れによって、比較的広い範囲において溶融幅が狭くかつ溶け込みが深い高アスペクト比での溶接を短時間で行うことができる。これにより、本発明のアーク溶接装置は、高速で接合対象物を接合しつつ接合後の接合対象物のひずみを小さくすることができる。
本発明の第一実施形態によるアーク溶接装置の模式図である。 本発明の第一実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズルの断面図である。 本発明の第一実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズルの斜視図である。 図2のIV−IV線断面図である。 図2のV−V部拡大図である。 本発明の第二実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズルの断面図である。 本発明の第二実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズルの断面図であって、図6とは異なる断面図である。 本発明の第三実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズルの断面図である。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態によるアーク溶接装置を図1から図5に基づいて説明する。
第一実施形態によるアーク溶接装置1は、接合対象物6、7をアーク溶接によって接合する装置である。アーク溶接装置1は、図1に示すように、溶接部10、「電力供給部」としての電源30、気体貯留部40、制御部50などから構成されている。
溶接部10は、アーク溶接装置1に挿入される接合対象物6、7が当接する部位との間にアーク電流を流し、接合対象物6と接合対象物7とをアーク溶接する。溶接部10は、電極12、電位付加部14、「気体供給部」及び「気体吸引部」としてのノズル20、電極支持部16を有している。
電極12は、図1に示すように、ノズル20の内部に収容されている。電極12は、接合対象物6と接合対象物7とが当接する部位の近傍に設けられている。電極12は、電極支持部16を介して電源30と電気的に接続している(図1の接続配線C12)。
電位付加部14は、接合対象物6と接合対象物7とが当接する部位の電極12とは反対側に設けられている。電位付加部14は、電源30と電気的に接続している(図1の接続配線C14)。また、電位付加部14は、接合対象物6、7と電気的に接続している。電位付加部14は、接合対象物6、7を電極12の極性とは異なる極性となるよう二つの接合対象物6、7に電力を供給する。これにより、接合対象物6、7と電極12との間にアーク電流が流れ、アークプラズマP1が形成される(図2、3、4、5参照)。
ノズル20は、電極12とともに電極支持部16に支持されている。ノズル20は、電源30を介して気体貯留部40と接続している(図1の接続配管C201、C202)。ノズル20は、接合対象物6と接合対象物7とが当接する部位と電極12との間のアークプラズマP1の径方向外側に気体を供給しつつ当該気体を吸引する。ノズル20の詳細な構成は後述する。
電極支持部16は、接合対象物6と接合対象物7とが当接する部位の近傍に電極12の一方の端部121が位置するよう電極12及びノズル20を支持する。
電源30は、電極12及び電位付加部14と電気的に接続している。電源30は、制御部50の指令に応じて電極12の極性と電位付加部14の極性とを異ならせるよう電力を供給する。
気体貯留部40は、ノズル20がアークプラズマP1の径方向外側に供給する気体、例えば、ヘリウムやアルゴンなどに水素が混合された気体、を貯留している。気体貯留部40が貯留する気体は、電源30及び接続配管C201、C202を通ってノズル20に供給される。
制御部50は、入力操作用のボタン、設定条件を表示するディスプレイ、並びに、記憶手段としてのRAM、及び、ROMなどを有するマイクロコンピュータなどから構成されている。制御部50は、電源30と電気的に接続している。制御部50は、例えば、あらかじめ入力されているプログラムに基づいてアーク溶接装置1を制御する信号を電源30に出力する。電源30では、当該信号に基づいて、電極12及び電位付加部14に供給する電力やノズル20が供給する気体の圧力などを制御する。
次に、ノズル20の構成について図2〜5に基づいて詳細に説明する。図2は、ノズル20の中心軸CA1に垂直な方向のノズル20の断面図であって、ノズル20における接合対象物6、7近傍の部位をノズル20の内部を気体が流れる方向からみた断面図である。図3は、ノズル20の斜視図であって、ノズル20の一部分、具体的には、ノズル20の四分の一に当たる部分の断面図である。図2、3には、アーク溶接装置1において接合対象物6、7が移動する方向を溶接線方向D1として白抜き矢印で示してある。
ノズル20は、形状が略直方体状の部材である。ノズル20は、気体吸引部21、気体供給部22などから形成されている。第一実施形態では、気体吸引部21と気体供給部22とは、一体に形成されている。
気体吸引部21は、ノズル20の略中央に設けられている。気体吸引部21は、気体吸引孔210を有する。気体吸引孔210には、電極12が収容されている。気体吸引孔210は、図4、5に示す点線矢印F210のように、アークプラズマP1の周辺の気体を吸引する。
気体供給部22は、気体吸引部21の径方向外側に気体吸引部21を囲むよう設けられている。気体供給部22は、気体供給孔220、230、240、250を有している。
気体供給孔220、230、240、250のうち、気体供給孔220、240は、電極12を挟むよう形成されている。具体的には、図2に示すように、中心軸CA1を通り溶接線方向D1の方向に延びる仮想線及び中心軸CA1を通り溶接線方向D1とは反対の方向に延びる仮想線を接合対象物6、7の移動軸A67とし、電極12の中心軸と同軸である中心軸CA1上の点を通り気体供給孔220と気体供給孔240とを結ぶ仮想線を第一の仮想線VL1とすると、移動軸A67と第一の仮想線VL1とは中心軸CA1上で垂直に交差するよう気体供給孔220、240は形成されている。また、気体供給孔220、240は、それぞれ中心軸CA1上の点までの距離が同じ距離であって、当該距離はいずれも第一距離L1となるよう形成されている。
気体供給孔220、240は、図4に示すように、中心軸CA1に平行に形成されている第一気体供給孔221、241と接合対象物6、7に近づくに従って電極12に近づくよう形成される第二気体供給孔222、242から構成されている。気体供給孔220、240は、図4に示す点線矢印F220、F240のように、アークプラズマP1の径方向外側に第一圧力の気体を供給する。気体供給孔220、240は、特許請求の範囲に記載の「一対の気体供給孔」に相当する。
気体供給孔230、250は、電極12を挟むよう形成されている。具体的には、図2に示すように、中心軸CA1上の点を通り気体供給孔230と気体供給孔250とを結ぶ仮想線を第二の仮想線VL2とすると、移動軸A67と第二の仮想線VL2とは同じ直線となるよう気体供給孔230、250は形成されている。また、気体供給孔230、250は、それぞれ中心軸CA1上の点までの距離が同じ距離であって、当該距離はいずれも第一距離L1より長い第二距離L2となるよう形成されている。気体供給孔230、250は、図5に示す点線矢印F230、F250のように、アークプラズマP1の径方向外側に第一圧力より低い第二圧力の気体を供給する。気体供給孔230、250は、特許請求の範囲に記載の「一対の気体供給孔とは別に電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔」に相当する。
ノズル20では、気体供給部22がアークプラズマP1の径方向外側に供給する気体を気体吸引部21が吸引する。これにより、図4に示す点線矢印F22、F24、及び、図5に示す点線矢印F23、F25のように、アークプラズマP1の径外方向から径内方向に向かう気体の流れを形成する。アークプラズマP1の径方向外側における気体の流れによってアークプラズマP1の中心軸CA1に垂直な方向の断面形状は、図2に示すように、第二の仮想線VL2上に長辺を有する楕円形状となる。
第一実施形態によるアーク溶接装置1では、接合対象物6と接合対象物7とを溶接するとき、電極12と接合対象物6、7との間を流れるアーク電流によってアークプラズマP1が形成される。このアークプラズマP1の径方向外側では、気体供給部22と気体吸引部21とによって点線矢印F22、F23、F24、F25で示すようなアークプラズマP1の径外方向から径内方向に向かう気体の流れが形成されている。第一実施形態では、この気体の流れによってアークプラズマP1の形状を自由に変更することができる。
さらに、アーク溶接装置1では、気体供給孔220、240は、気体供給孔230、250に比べ電極12の近くに形成されている。また、気体供給孔220、240は、気体供給孔230、250が供給する第二圧力の気体より高い第一圧力の気体をアークプラズマP1の径方向外側に供給する。これにより、図4に示すように、アークプラズマは、気体供給孔220と気体供給孔240とを結ぶ方向に圧縮されるため、気体供給孔220と気体供給孔240とを結ぶ方向におけるアークプラズマP1のエネルギー密度を上げることができる。したがって、アーク溶接装置1では、図4に示すように、接合対象物6、7が当接する部位に形成される溶融部67の幅が比較的狭く、かつ、溶融部67の溶け込みが比較的深い溶接を行うことができる。
また、図5に示すように、アークプラズマP1の形状は、気体供給孔230と気体供給孔250とを結ぶ方向の長さが気体供給孔220と気体供給孔240とを結ぶ方向の長さより長くなるため、気体供給孔230と気体供給孔250とを結ぶ方向と移動軸A67の方向とを同じにすると、比較的広い範囲を短時間で溶接することができる。
このように、第一実施形態によるアーク溶接装置1は、アークプラズマP1の径外方向から径内方向に向かって流れる気体によって、比較的広い範囲において溶融幅が狭くかつ溶け込みが深い高アスペクト比での溶接を短時間で行うことができる。これにより、高速で接合対象物6、7を接合しつつ接合後の接合対象物6、7の溶融部67におけるひずみを小さくすることができる。
また、アーク溶接装置1では、高アスペクト比かつ高速で接合対象物6、7を接合することができるため、高価な設備を使用するレーザ溶接に比べ、加工コストを低減することができる。
また、アーク溶接装置1では、図4に示すように、第二気体供給孔222、242は、接合対象物6、7に近づくに従って電極12に近づくよう形成されている。これにより、気体供給孔220、240を流れる気体は、アークプラズマP1の径内方向に向かって流れるため、アークプラズマP1の形状は気体供給孔220と気体供給孔240とを結ぶ方向にさらに短くなり、アークプラズマのエネルギー密度をさらに上げることができる。したがって、溶融部67の幅をさらに狭くし、かつ、溶融部67の溶け込みをさらに深くすることができる。
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態によるアーク溶接装置を図6、7に基づいて説明する。第二実施形態は、気体吸引部と電極との間に電極収容部を備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第二実施形態によるアーク溶接装置が備えるノズル60の断面図を図6、7に示す。ノズル60は、気体吸引部21、気体供給部22に加えて電極収容部26を有する。
電極収容部26は、気体吸引孔210に収容されている略筒状の部材である。電極収容部26は、ノズル20の中心軸CA1方向に電極収容部26を貫通する収容空間260を有する。収容空間260には、電極12が収容されている。また、収容空間260には、図6、7の点線矢印F260に示すように、アークプラズマP1に向かって、例えば、ヘリウムやアルゴンなどの不活性の気体が流れている。収容空間260からアークプラズマP1の近傍に流れ出た気体は、図6、7の実線矢印F26に示すように、気体吸引孔210に吸引される。
第二実施形態によるアーク溶接装置では、収容空間260をアークプラズマP1に向かって流れる気体によって電極12の一方の端部121の近傍に形成されるアークプラズマP1が接合対象物6、7に押し付けられる。これにより、アークプラズマのエネルギー密度をさらに上げることができる。したがって、第二実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、溶融部67の幅をさらに狭くし、かつ、溶融部67の溶け込みをさらに深くすることができる。
また、第二実施形態によるアーク溶接装置では、アークプラズマP1に向かって流れる気体によってアークプラズマP1が電極12の一方の端部121から比較的離れた位置に形成されるため、アークプラズマP1による電極12の酸化を防止することができる。
(第三実施形態)
次に、本発明の第三実施形態によるアーク溶接装置を図8に基づいて説明する。第三実施形態は、ノズルを付勢する付勢手段を備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第三実施形態によるアーク溶接装置では、ノズル70は、「付勢手段」としてのスプリング27を有している。
スプリング27は、気体吸引部21及び気体供給部22と接合対象物6、7とが当接する方向に気体吸引部21及び気体供給部22を付勢する。
第三実施形態によるアーク溶接装置では、気体供給部22が所定圧以上の気体を供給すると、気体吸引部21及び気体供給部22の接合対象物6、7側の端面701と接合対象物6、7のノズル20側の端面671との間に隙間SP2が形成される。隙間SP2に供給される気体の圧力がスプリング27の付勢力より大きく、かつ、一定であると、端面701と端面671との距離を一定に保つことができるため、接合対象物6、7の表面の形状に影響されることなく、隙間SP2を流れる気体の流れを一定に保つことができる。これにより、径方向外側における気体の流れによって形状が変更可能なアークプラズマの形状を安定させることができる。したがって、第三実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、高いアスペクト比を安定させることができる。
(他の実施形態)
(ア)上述の実施形態では、気体供給孔は四つ設けられるとした。しかしながら、気体供給孔の数はこれに限定されない。
(イ)上述の実施形態では、一対の気体供給孔を結ぶ仮想線と当該一対の気体供給孔とは別の1つの気体供給孔を結ぶ仮想線とは、ノズルの中心軸上で垂直に交差するとした。しかしながら、気体供給孔が形成される位置はこれに限定されない。一対の気体供給孔を結ぶ仮想線と当該一対の気体供給孔とは別の1つの気体供給孔を結ぶ仮想線とは重なってなければよい。
(ウ)上述の実施形態では、気体吸引部と気体供給部とは一体に形成されるとした。気体吸引部と気体供給部とは別々に形成されてもよい。
(エ)気体供給部が供給する気体は、電源を介して気体貯留部が供給するとした。しかしながら、気体貯留部は、電源を介することなく気体供給部に気体を供給してもよい。
(オ)上述の実施形態では、電極支持部に支持されている電極と電位付加部との間に接合対象物を挿入し、アーク溶接を行うこととした。しかしながら、固定されている接合対象物に対して電極及び電位付加部を移動し、アーク溶接をおこなってもよい。
(カ)上述の実施形態では、電位付加部によって接合対象物の極性を電極の極性と異ならせるようにした。しかしながら、電位付加部はなくてもよい。電極に供給する電力の極性を接合対象物の極性と異なるようにしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
1 ・・・アーク溶接装置、
6、7 ・・・接合対象物、
12 ・・・電極、
21 ・・・気体吸引部、
210 ・・・気体吸引孔、
22 ・・・気体供給部、
220、230、240、250・・・気体供給孔、
30 ・・・電源(電力供給部)、
40 ・・・気体貯留部。

Claims (5)

  1. 二つの接合対象物(6、7)をアーク溶接するアーク溶接装置(1)において、
    前記二つの接合対象物が当接する部位の近傍に設けられ、前記二つの接合対象物が当接する部位との間にアークプラズマ(P1)を形成する電極(12)と、
    前記電極の径方向外側に設けられ、前記アークプラズマの径方向外側に気体を供給する気体供給孔(220、230、240、250)を複数有する気体供給部(22)と、
    前記気体供給部と前記電極との間に設けられ、前記気体供給部が前記アークプラズマの径方向外側に供給する気体を吸引する気体吸引孔(210)を有する気体吸引部(21)と、
    前記電極と電気的に接続し、前記二つの接合対象物と異なる極性の電力を前記電極に供給する電力供給部(30)と、
    前記気体供給部が前記アークプラズマの径方向外側に供給する気体を貯留する気体貯留部(40)と、
    を備え、
    前記電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔(220、240)は、前記電極から第一距離(L1)離れた位置に形成され、
    前記一対の気体供給孔とは別に前記電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔(230、250)は、前記電極から前記第一距離より長い第二距離(L2)離れた位置に形成され、
    前記一対の気体供給孔は、前記アークプラズマの径方向外側に第一圧力の気体を供給し、前記一対の気体供給孔とは別に前記電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔は、前記アークプラズマの径方向外側に前記第一圧力より低い圧力である第二圧力の気体を供給することを特徴とするアーク溶接装置。
  2. 前記一対の気体供給孔及び前記電極の中心軸上の点を通る第一の仮想線(VL1)と、前記一対の気体供給孔とは別に前記電極を挟むよう設けられる一対の気体供給孔及び前記電極の中心軸上の点を通る第二の仮想線(VL2)とは前記電極の中心軸上で直角に交差し、
    前記アークプラズマは、前記電極の中心軸に垂直な方向の断面形状が前記第二の仮想線の方向に長辺を有する楕円形状であることを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接装置。
  3. 前記気体吸引部の径方向内側に前記電極を収容する収容空間(260)を有する電極収容部(26)をさらに備え、
    前記収容空間には前記アークプラズマに向かう気体が流れることを特徴とする請求項1または2に記載のアーク溶接装置。
  4. 前記気体供給部及び前記気体吸引部と前記二つの接合対象物とが当接する方向に前記気体供給部及び前記気体吸引部を付勢する付勢手段(27)をさらに備え、
    前記気体供給部が前記アークプラズマの径方向外側に所定圧以上の気体を供給するとき、前記気体供給部の前記二つの接合対象物側の端面(701)と前記二つの接合対象物の前記気体供給部側の端面(671)との間には隙間(SP2)が形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のアーク溶接装置。
  5. 前記一対の気体供給孔は、前記二つの接合対象物に近づくに従って前記電極に近づくよう形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のアーク溶接装置。
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