JP2017051966A - アーク溶接装置およびアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磨耗した電極チャックの把持面を成膜装置により成膜して、電極チャックに挟持された接合部材をアーク溶接する際に同じ電極チャックを繰り返し使用することにより、設備コストを低減することのできるアーク溶接装置およびアーク溶接方法を提供する。【解決手段】成膜装置２は、ノズル１０と、粉末供給装置１１と、作動ガス供給装置１２と、アース電極チャック７を保持する専用の固定治具１７とで構成される。ＴＩＧ溶接装置のシールドガス供給装置９を共用してアルゴンガスがノズル１０に供給され、シールドガス１４を発生させる。作動ガス供給装置１２からホースを介して高圧低温の不活性ガスからなる作動ガスが粉末供給装置１１に供給され、純銅の材料粉末１８がノズル１０に流入し、アース電極チャック７の把持面１９に高速で噴射される。アース電極チャック７の研磨された把持面１９に成膜厚ｄの皮膜がコールドスプレー法により形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、アーク溶接装置およびアーク溶接方法に関するものである。

従来より、２つの部材を接合する場合、アーク放電を利用するアーク溶接が多く用いられている。アーク溶接では、例えば電気回路を構成するディスクリートな端子部材のような２つの部材の溶接箇所をアース極が接続されたクランプにより挟着しながら、溶接トーチと溶接箇所との間でアークを発生させ、部材を溶融させて溶接箇所を接合する。このように、互いに突き合わせた２つの部材をクランプで保持してアーク溶接を高品質かつ安定に行えるようにしたアーク溶接装置およびアーク溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−８９５５２号公報

一方、電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）等の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）のような大電流が流れるパワー部において、金属部材同士を接合する部位が多く、例えば電源用コイルのリードとハウジングにモールドされたバスバーとをＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接により接合する場合がある。このＴＩＧ溶接装置では、接合部材（母材）を挟みトーチ電極と接合部材との間にアークを発生させ保持するために一対の導電性のよい純銅製の電極チャック（クランプ）が用いられる。この電極チャックの把持面となる先端部には、溶接時にコイルリード等の表面のメッキが不完全燃焼することによって煤が付着し、連続使用すると電極チャックが導通し難くなるので、定期的に煤を除去するために電極チャックの先端表面を研磨する作業が行われる。

しかしながら、電極チャックの研磨が繰り返し行われると、電極チャックの先端長さが短くなり、接合部材を確実に挟むことができなくなる。このため、電極チャックの通電不能やそれにともなう溶接不良が発生するおそれがある。したがって、良好な溶接品質を確保するには、電極チャックの先端長さが管理値以下に磨耗した電極チャックを廃棄し、新品と交換することとなる。このため、溶接装置の設備コストが増加することから、電極チャックの繰り返し使用を可能とすることが期待されている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磨耗した電極チャックの把持面を成膜装置により成膜して、電極チャックに挟持された接合部材をアーク溶接する際に同じ電極チャックを繰り返し使用することにより、設備コストを低減することのできるアーク溶接装置およびアーク溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、溶接対象の２つの接合部材を挟持する一対の電極チャックと、前記接合部材との間でアークを発生させるトーチ電極と、を備えるアーク溶接装置であって、前記電極チャックの把持面に皮膜を形成する成膜装置と、前記電極チャックの把持面を研磨する研磨装置と、を備えることを要旨とする。

上記構成によれば、アーク溶接装置に成膜装置と研磨装置とを組み込んだ装置を構成し、アーク溶接時に接合部材を挟持し通電させる電極チャックが磨耗した場合に、電極チャックの把持面に皮膜を形成することにより先端部分の膜厚を増加させることができる。このため、電極チャックは、先端部分を研磨しても把持面に皮膜を形成することで電極チャックの先端長さが減少しないので、電極チャックを廃棄する必要がなく、アーク溶接する際に同じ電極チャックを繰り返し使用することができる。これにより、電極チャックを用いたアーク溶接装置の設備コストの低減が可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアーク溶接装置において、前記成膜装置は、一対の前記電極チャックの一方を保持する保持部と、金属材料の粉末をガスとともに噴射するノズルと、を備え、前記粉末を前記ノズルから高速で表面に噴射して堆積させるコールドスプレー法によって、前記電極チャックの把持面に皮膜を形成することを要旨とする。

上記構成によれば、アーク溶接後に把持面が研磨され磨耗した電極チャックは、金属材料の粉末をガスとともに高速で噴射し固相状態のまま把持面に衝突させて皮膜を形成するコールドスプレー法により把持面の膜厚を増加させることができる。このため、従来の溶射等に比べ材料粉末を高温に加熱する必要がなく、加熱による材料粉末の酸化や熱変質等の材質変化を防止できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアーク溶接装置において、一対の前記電極チャックのそれぞれは、純銅からなり、前記成膜装置は、純銅粉末を噴射して皮膜を形成することを要旨とする。

上記構成によれば、純銅製のそれぞれの電極チャックに純銅粉末を噴射して皮膜を形成するので、導電性のよい皮膜が得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を用いたアーク溶接方法であって、一対の前記電極チャックの少なくとも一方の把持面が所定の先端長さ以下に磨耗したときに、前記成膜装置により前記電極チャックの把持面に所定の厚さの皮膜を形成した後、前記研磨装置により前記把持面を磨耗前の先端長さとなるように研磨することを要旨とする。

上記構成によれば、電極チャックの把持面に所定の厚さの皮膜を形成した後、磨耗前の先端長さに把持面を研磨された電極チャックを用いて繰り返し接合部材をアーク溶接により接合することができる。これにより、磨耗した電極チャックを廃棄して新品と交換することなく同じ電極チャックを繰り返し半永久的に使用できるので、アーク溶接装置の設備コストを低減することが可能になる。また、電極チャックの磨耗により発生する溶接不良を防止して良好な溶接品質を確保することができる。

本発明によれば、磨耗した電極チャックの把持面を成膜装置により成膜して、電極チャックに挟持された接合部材をアーク溶接する際に同じ電極チャックを繰り返し使用することにより、設備コストを低減することのできるアーク溶接装置およびアーク溶接方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係るアーク溶接装置の概略全体構成を示す模式図。 アーク溶接装置の詳細構成を示す模式図。 図１における成膜装置の詳細構成を示す模式図。 コールドスプレー法を用いた成膜方法の処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアーク溶接装置１の概略全体構成を示す模式図である。なお、本実施形態では、アーク溶接装置の１つであるＴＩＧ溶接装置を例として説明する。
アーク溶接装置（以下、ＴＩＧ溶接装置という）１は、大電流が流れるパワー部を有する、例えばＥＰＳのＥＣＵのハウジングにモールドされたバスバー端子と電源用コイルのリード線等との接合に用いられるとともに、溶接対象である２つの接合部材８を両側から挟持する電極チャック（例えば、アーム型クランプ）７の図示しない先端表面（把持面）に皮膜を形成する成膜装置２と電極チャック７の把持面を研磨あるいは平面研削する研磨装置３とが組み込まれている。

図１に示すように、ＴＩＧ溶接装置１は、直流式の溶接電源６と、一方の電極（本実施形態では、負極）を構成する溶接トーチ４およびトーチ電極５と、他方の電極（本実施形態では、正極）を兼ねてＴＩＧ溶接を行う２つの接合部材８を挟持する一対の電極チャック（以下、アース電極チャックという）７と、シールドガスの供給源であるガスボンベからなるシールドガス供給装置９とを有する。

成膜装置２は、材料粉末を高圧低温のガス（キャリアガス、以下、作動ガスという）とともにアース電極チャック７の把持面に噴射するノズル１０と、所望量の材料粉末を作動ガスとともにノズル１０に供給する粉末供給装置１１と、粉末供給装置１１に対して高速の作動ガスを供給する作動ガス供給装置１２とを有する。

研磨装置３は、アース電極チャック７を図示しない研磨専用治具に取り付け、ＴＩＧ溶接後のアース電極チャック７の把持面に付着した煤の研磨、あるいは成膜後のアース電極チャック７の把持面の平面研削を行う。

次に、図２は、ＴＩＧ溶接装置１の詳細構成を示す模式図である。
図２に示すように、ＴＩＧ溶接装置１は、直流式の電源回路、制御回路等を内蔵した溶接電源６と、ＴＩＧ溶接を行う溶接電源６の負極側の溶接トーチ４と正極側のアース電極チャック７とを有する。

溶接トーチ４は、溶接電源６から配線を介してＴＩＧ溶接用の電力と、シールドガス供給装置９からホースを介してシールドガス（例えば、アルゴンガス）１４との供給を受け、筒状のケースの中に先端を突出させた棒状のトーチ電極（例えば、タングステン電極棒）５を装着している。溶接トーチ４は、溶接電源６の負極に電気的に接続されている。

アース電極チャック７は、接合部材８に対して両側に突出して直角に延在する一対の開閉可能な純銅製（本実施形態では、Ｃ１１００タフピッチ銅）の板状（例えば、板厚５ｍｍ程度）のアーム型のクランプであり、溶接電源６の正極に電気的に接続されている。アース電極チャック７は、ＴＩＧ溶接の溶接対象物となるＥＣＵ１３の２つの接合部材８（例えば、丸棒状のコイルリード８ａと平角状のハウジングバスバー８ｂとの接合）を両側から押圧し接触抵抗が小さい状態で挟持する。ここで、アース電極チャック７は、例えば、一方のアームの動きが固定され、他方のアームがコイルばね等を用いて移動可能に配置されることによって接合部材８を押圧し挟持する構造を有する。

通電が開始されると、アース電極チャック７双方から接合部材８に電流が流れ込み、トーチ電極５の先端と接合部材８の溶接部１６との間でアーク(放電)１５が発生し、溶接部１６は持続するアーク１５の高熱によって溶融する。通電が止まりシールドガス１４の供給が止まると、アーク１５が消滅し溶融部分は球状に凝固して接合部材８と一体に接合される。なお、アーク１５は不活性ガスからなるシールドガス１４でシールドされ、空気による接合部材８の酸化や窒化が防止される。また、トーチ電極（タングステン電極）５はほとんど消耗せず、アーク１５を発生するためだけの電極として用いられる。

次に、図３は、図１における成膜装置２の詳細構成を示す模式図である。
図３に示すように、成膜装置２は、ノズル１０と、材料粉末（粉末）１８を供給する粉末供給装置１１と、粉末供給装置１１に作動ガスを供給する作動ガス供給装置１２と、アース電極チャック７を保持する専用の固定治具（保持部）１７とで構成される。

ＴＩＧ溶接装置１（図１参照）のシールドガス供給装置９を共用してアルゴンガスがノズル１０に供給され、シールドガス１４を発生させる。作動ガス供給装置１２からホースを介して高圧低温の不活性ガスからなる作動ガス（例えば、窒素、アルゴンガス等）が粉末供給装置１１に供給され、粉末の金属材料（例えば、純銅粉末）がノズル１０に流入し、純銅の材料粉末１８が高速で噴射される。その結果、煤を研磨された後、固定治具１７に固定されたアース電極チャック７の把持面１９には、成膜厚ｄ（本実施形態では、０．５〜１ｍｍ程度）の皮膜がコールドスプレー法により形成される。ここで、アース電極チャック７の成膜後の先端長さを図中ｈ’で示す。なお、コールドスプレー法は、作動ガス温度が材料粉末１８の融点より低い特徴を有する。

ここで、各仕様条件を選定して最適な成膜が可能になる。一例として、ノズル先端−固定治具上面間距離：１５±０．１[ｍｍ]、アース電極チャック表面温度：１５０±１０[℃]において、作動ガス圧力：２ＭＰＡ、作動ガス温度：４００℃、粉末衝突速度：１０００ｍ／ｓでのコールドスプレー法により成膜厚ｄ：１．２±０．０５[ｍｍ]の成膜が行われる。

次に、図４は、コールドスプレー法を用いた成膜方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下にステップＳ４０１〜Ｓ４０６で示す動作ブロックを参照して成膜装置２および研磨装置３の動作を説明する。

まず、ＴＩＧ溶接後の一方のアース電極チャック７を研磨装置３の研磨専用治具にセットし、把持面１９を研磨して付着した煤を除去する（例えば、平面度±０．２、ステップＳ４０１）。

続いて、アース電極チャック７の先端長さｈが繰り返しの研磨により所定の値まで短くなった場合、アース電極チャック７を成膜装置（コールドスプレー装置）２の専用の固定治具１７にセットする（ステップＳ４０２）。

その後、コールドスプレー法によってアース電極チャック７の把持面１９に高圧低温の純銅の材料粉末１８を固相状態に保ったまま高速で噴射して堆積させ、把持面１９に皮膜を形成して成膜厚ｄを増加させる（ステップＳ４０３）。

次に、アース電極チャック７を研磨装置３の研磨専用治具にセットし、図面指定値通りの先端長さｈ’になるまで把持面１９を平面研削する（例えば、平面度±０．０５、ステップＳ４０４）。

続いて、成膜後のアース電極チャック７に対して、抵抗値測定を行って精度確認を実施する（ステップＳ４０５）。ここで、各アース電極チャック７の接合部材８側の端面（把持面）１９（図２参照）と溶接電源６側の端面２０との間（図２参照）の電気抵抗値を測定し、所定の値以下（≒０Ω）であること、およびアース電極チャック７の部材先端と皮膜との界面の剥離がないことを確認する。

最後に、ＴＩＧ溶接装置１に成膜された一対のアース電極チャック７を取り付ける（ステップＳ４０６）。そして、ＴＩＧ溶接の準備作業を終了する。

次に、上記のように構成された本実施形態であるＴＩＧ溶接装置１の作用および効果について説明する。

上記構成によれば、ＴＩＧ溶接装置１に成膜装置２と研磨装置３とを組み込みアーク溶接装置を構成する。ＴＩＧ溶接時にコイルリード８ａおよびハウジングバスバー８ｂからなる接合部材８を挟持する一対のアース電極チャック７が磨耗した場合に、成膜装置２により各アース電極チャック７の先端表面である把持面１９に皮膜を形成する。把持面１９に所定の厚さの皮膜を形成した後、研磨装置３により磨耗前の先端長さに把持面１９を研磨する。すなわち、アース電極チャック７の先端長さｈ’を増加させることができる。このため、アース電極チャック７は、把持面１９が磨耗しても皮膜を形成することで先端長さｈ’が減少しないので、アース電極チャック７を廃棄して新品に交換する必要がなく繰り返し同じアース電極チャック７を使用することができる。

また、ＴＩＧ溶接後に把持面１９を研磨されて磨耗したアース電極チャック７は、純銅の材料粉末１８を高圧低温の作動ガスとともに高速で噴射し、固相状態のまま把持面１９に衝突させて皮膜を形成される。すなわち、アース電極チャック７はコールドスプレー法によって、把持面１９の成膜厚ｄを増加させることができる。このため、従来の溶射等に比べ材料粉末１８を高温に加熱する必要がなく、加熱による酸化や熱変質等の材質変化を防止できる。

さらに、純銅製のアース電極チャック７に純銅の材料粉末１８を噴射して成膜するので、導電性のよい皮膜が得られる。このため、繰り返し成膜されたアース電極チャック７を用いてトーチ電極５と接合部材８との間にアーク１５を発生させ接合部材８を接合することができる。

これにより、アース電極チャック７の把持面１９をコールドスプレー法により成膜厚ｄを増加させることで、磨耗したアース電極チャック７を廃棄することなく繰り返し半永久的に使用できる。この結果、アース電極チャック７を用いたＴＩＧ溶接装置１の設備コストを低減することが可能になる。また、アース電極チャック７の磨耗により発生する溶接不良を防止して良好な溶接品質を確保することができる。

以上のように、本実施形態によれば、磨耗した電極チャックの把持面を成膜装置により成膜して、電極チャックに挟持された接合部材を溶接する際に同じ電極チャックを繰り返し使用することにより、設備コストを低減することのできるアーク溶接装置およびアーク溶接方法を提供できる。

以上、本発明に係る一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、Ｌ字型のアース電極チャック７でアームにより接合部材８を両側から挟持する場合について例を示したが、これに限定されるものでなく、接合部材８周辺の干渉を避けるため干渉しない任意の形状を有して接合部材８を挟持できるものであればよい。

上記実施形態では、ＥＰＳ用のＥＣＵ１３のリード径の大きいコイルリード８ａとハウジングバスバー８ｂとを接合する例を示したが、これに限定されるものでなく、リード径の小さいコンデンサ等のリードとハウジングバスバー８ｂとの接合に適用してもよい。また、ＥＰＳのＥＣＵ１３に限らず大電流が流れるパワー部を有する装置の接合部に使用してもよい。

上記実施形態では、高圧低温の作動ガスを使用する場合について例を示したが、金属粒子を加熱すると塑性変形しやすくなるため、粒子が変質等しない程度に作動ガス温度を上げてもよい。

上記実施形態において、アース電極チャック７および材料粉末１８の材質は純銅に限定されず、例えばアルミニウムの導体であってもよい。また、アルミニウムの溶接には交流式の溶接電源が使用される。

上記実施形態において、成膜装置２のノズル１０は据置型に限定されず、例えば上下方向に移動可能に配置されていてもよい。

１：ＴＩＧ溶接装置（アーク溶接装置）、２：成膜装置、３：研磨装置、
４：溶接トーチ、５：トーチ電極、６：溶接電源、
７：アース電極チャック（電極チャック）、８：接合部材、８ａ：コイルリード、
８ｂ：ハウジングバスバー、９：シールドガス供給装置、１０：ノズル、
１１：粉末供給装置、１２：作動ガス供給装置、１３：ＥＣＵ、１４：シールドガス、
１５：溶接アーク、１６：溶接部、１７：固定治具（保持部）、
１８：材料粉末（粉末）、１９：把持面、２０：端面、
ｄ：成膜厚、ｈ：先端長さ、ｈ’：成膜後の先端長さ

Claims (4)

1. 溶接対象の２つの接合部材を挟持する一対の電極チャックと、
   前記接合部材との間でアークを発生させるトーチ電極と、備えるアーク溶接装置であって、
   前記電極チャックの把持面に皮膜を形成する成膜装置と、
   前記電極チャックの把持面を研磨する研磨装置と、
   を備えることを特徴とするアーク溶接装置。
2. 請求項１に記載のアーク溶接装置において、
   前記成膜装置は、一対の前記電極チャックの一方を保持する保持部と、金属材料の粉末をガスとともに噴射するノズルと、を備え、
   前記粉末を前記ノズルから高速で表面に噴射して堆積させるコールドスプレー法によって、前記電極チャックの把持面に皮膜を形成することを特徴とするアーク溶接装置。
3. 請求項２に記載のアーク溶接装置において、
   一対の前記電極チャックのそれぞれは、純銅からなり、前記成膜装置は、純銅粉末を噴射して皮膜を形成することを特徴とするアーク溶接装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を用いたアーク溶接方法であって、
   一対の前記電極チャックの少なくとも一方の把持面が所定の先端長さ以下に磨耗したときに、前記成膜装置により前記電極チャックの把持面に所定の厚さの皮膜を形成した後、前記研磨装置により前記把持面を磨耗前の先端長さとなるように研磨することを特徴とするアーク溶接方法。

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