JP2647978B2 - パイプ溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はパイプ溶接機、一層詳しくは、薄肉パイプ内
に高品質の溶接を行なうようになっているパイプ溶接機
に関する。

［従来技術とその問題点］ 薄肉パイプを広く使用しているのは内燃機関のマフラ
装置である。このようなマフラ装置は自動車に関連して
広範囲に使用されている。マフラ装置としては、その入
力側に延びるパイプと出力側から延びるパイプとを備え
たマフラがある。このパイプは薄肉材料（通常は鋼）で
作られている。また、このパイプは通常まっすぐでな
く、すなわち、マフラの入力側から出力側へ直線に延び
ていない。このパイプは、通常、数多の特殊な湾曲で曲
げられており、自動車の車台に関連して設置したときに
特殊な領域に置かれ、自動車の作動部分と干渉しないよ
うにされる。このパイプが自動車の車台内の空のスペー
スを縫って延びるのが普通である。

車台を通ってパイプが縫って延びることにより、多数
のパイプ・ジョイントを形成しなければならない。各パ
イプ・ジョイントは全体的にシールしなければならな
い。接着剤あるいはゴムシールを用いてのシールは時間
のかかる作業である。マフラ装置を製造する際、すべて
のシールが100％有効（漏洩なし）であり、経時的に劣
化しないということが重要である。漏れのあるマフラ装
置は自動車の乗員の健康に害を与える可能性がある。ま
た、今日、触媒コンバータを備えたマフラ装置を通さず
に大気中に直接自動車エンジンの排気を放出するのは環
境基準に反することである。その理由は空気の汚染を招
くからである。

最も有効なシールを製造するために広く用いられてい
る技術はマフラ装置内の各ジョイントを溶接することで
ある。しかしながら、この溶接はマフラ・パイプの薄肉
構造のために注意深く行なわなければならない。従来
は、この溶接を手作業で行なうのが普通であった。しか
しながら、手作業による溶接はしばしば劣悪な溶接を招
き、この溶接部から漏洩が生じることがある。また、溶
接作業で「ホットスポット」を創り出すのもきわめて容
易である。このホットスポットというのは、マフラのパ
イプに孔を明けてしまい、製品が不合格品となる。手作
業溶接技術を用いることによってマフラ・パイプの製造
に関連した不合格率は約20パーセントである。マフラ・
パイプのこの構造は自動車の組立てラインに関連してい
る。

パイプを溶接するのに自動溶接機を使用することは知
られている。この種の機器は、普通、あらゆる種類のパ
イプに使用されるが、一般には、パイプの側壁がマフラ
装置のパイプの側壁よりも厚いものに使用される。マフ
ラ・パイプの薄肉構造の故に、自動溶接はたいていのパ
イプの場合よりもかなり難しい。

自動溶接装置に関連した普通の手順では、溶接電極が
所望の溶接を行なう溶接ジョイント部まわりに360度移
動させる。ここで、溶接電極を下向きに、すなわち、重
力の引っ張る方向に動かすと溶接がうまく行なわれると
いうことがわかった。しかし、溶接電極が重力に抗する
方向に動き始めると、溶接ビードが「パドル（puddl
e）」して「ホットスポット」を生じさせ、パイプ内に
孔を明ける傾向がある。したがって、普通の自動溶接作
業はマフラ・パイプに関連して使用するときには満足で
きないことがわかった。

［発明の目的、構成］ 本発明の構造はマフラ・パイプならびに他の同様なタ
イプの薄肉パイプのための自動溶接装置であって、高い
ところから低いところに向う下向きの方向でのみ自動溶
接が行なわれる自動溶接装置に関する。ここでは、パイ
プを中心として少なくとも90度離れて設置した２つの別
体の溶接電極が利用される。或る構成では、溶接電極は
直径方向に隔たって設けられる。この構成では、溶接電
極の一方は溶接ジョイント部の最上方点で作動を開始
し、180度にわたって時計方向に移動し、このジョイン
ト部分に沿って溶接を完了する。この動きがあるとき
に、他の溶接電極は消勢されており、この最上方点に向
って動かされ、次いで付勢される。最初の溶接電極は消
勢させる。この付勢された溶接電極は180度にわたって
反時計方向に動かされてこの溶接ジョイント部のこの部
分を完成する。すべての溶接は下向きの方向で行なわれ
る。したがって、パイプに孔を明けるおそれのあるいか
なるホットスポットも発生することがなく、したがっ
て、不都合も生じない。実際の溶接作業は自動溶接機と
関連して便利と考えられるコンピュータを使用すること
によって精密に制御される。溶接ヘッドはパイプに対し
て前後に少しだけ調節することができ、パイプとのしっ
かりした接触を常に保つことができる。

別の構成では、溶接電極は互いに90度離れて設置され
る。これらの溶接電極は同時に付勢され、各溶接電極が
円形の溶接ビードの90度の円弧範囲を溶接する。各溶接
電極は２回作動させられて円形の溶接ビードを形成す
る。各構成において、各溶接電極と密接に組み合わせて
パイロット溶接電極を設けてもよい。

本発明の主目的は薄肉パイプ内で高品質の溶接を行な
い、パイプに関連した不合格品の数をかなり減じること
のできる自動溶接装置を提供することにある。

［実施例］ 図面を参照して、ここには、薄肉マフラ・パイプ10と
薄肉マフラ・パイプ12とからなるマフラ配管系統の一部
が示してある。マフラ・パイプ12は環状スリーブ14を構
成する細長い端を有する。パイプ10の一端はこの環状ス
リーブ14内にぴったり嵌るようになっている。パイプ10
とスリーブ14の間のシールは縁16で行なわれることにな
っている。また、図面には、溶接電極18、20が整合して
いる状態では示していないことに注目されたい。しかし
ながら、実際には、これが縁16の正しい位置となること
は了解されたい。

パイプ10はＶ字形ブロック22に乗るようになってい
る。Ｖ字形ブロック22はくぼんだ着座領域24を有し、こ
の着座領域にパイプ10が位置するようになっている。パ
イプ10を所定位置に装着し、着座領域24内に位置したと
きなどで固定するために、別体の固着ブラケット26を利
用する。固着ブラケット26はふたまたになっていて脚部
28、30を形成している。脚部28、30は頂部32によって相
互につながっている。脚部28の内面はくぼみ34を有し、
脚部30の内面にも同様の脚部36が設けてある。頂部32に
はねじ孔38が形成してある。このねじ孔38には普通のボ
ルト・ファスナ40が螺合させてある。

Ｖ字形ブロック22は長手方向のサイド・レール42、44
を包含する。くぼみ34はサイド・レール42と係合し、く
ぼみ36はサイド・レール44と係合する。ブラケット26は
レール42、44に沿って所定の長手方向位置まで摺動す
る。このとき、ねじ孔38内でボルト・ファスナ40を回転
させてその内端をパイプ10と接触させる。次いでボルト
・ファスナ40をさらに回転させてパイプ10に力を加え、
Ｖ字形ブロック22の着座領域24内に緊密に保持する。こ
こで、この別体のブラケット22から外してパイプ10を本
発明の溶接装置46から取り外せることは了解されたい。

Ｖ字形ブロック22はハウジング・ボデー52の孔50と整
合する孔48を有する。ハウジング・ボデー52は孔50を形
成した直線の隆起54を有する。Ｖ字形ブロック22はこの
隆起54に乗り、留めピン56が孔48、50を連結する。一対
のねじ付きボルト（図示せず）がハウジング・ボデー52
とＶ字形ブロック22を一緒に固着する。

ハウジング・ボデー52は幅の狭いシート状部分58を包
含し、ここに中央配置の拡大くぼみ60が形成してある。
パイプ10がこのくぼみ60内に位置するようになってい
る。

シート状部分58と直接衝合してギヤ・ボデー62が装着
してある。このギヤ・ボデー62はシート状部分58に対し
て摺動できる。ギヤ・ボデー62はくぼみ60と同じ寸法で
それと整合する拡大くぼみ64を有する。ギヤ・ボデー62
は環状のくぼみ66を有する。ギヤ・ボデー62にボルト68
によってリング・ギヤ70が固定してある。リング・ギヤ
70は環状くぼみ66内に位置している。くぼみ66はギヤ・
ボデー62の内面に装着してある。ギヤ・ボデー62の外面
には環状の拡大くぼみ72が設置してある。

環状の拡大くぼみ72内にはプレート74が装着してあ
る。プレート74は拡大くぼみ76も有し、このくぼみ76は
くぼみ60、64と同じ寸法でそれらと整合している。プレ
ート74はボルト78によってハウジング・ボデー52に固定
してある。しかしながら、ギヤ・ボデー64はプレート74
に対して摺動することができる。

くぼみ66内に装着しかつギヤ・ボデー62に固定して一
対の間隔を置いた作動ボタン80、82が設けてある。これ
らのボタン80、82はくぼみ66の表面からほんの少し高く
なっている。これらのボタン80、82の機能は後に説明す
る。

くぼみ66内には駆動ギヤ84が設置してある。この駆動
ギヤ84はリング・ギヤ70とかみ合っている。駆動ギヤ84
はモータ軸86に固定してある。モータ軸86は軸受組立体
88によって支持されている。軸受組立体88はモータ・マ
ウント・スペーサ92のチャンバ90内に装着してある。こ
のスペーサ92は適当なファスナによってハウジング・ボ
デー52に固定してある。軸86はモータ・ハウジング94内
に装着した電動機（図示せず）に連結してあってそれに
よって作動させられる。電動機の作動は或る種のコンピ
ュータ（図示せず）を用いて制御される。モータ・ハウ
ジング94内の電動機は可逆電動機である。

ハウジング・ボデー52上にはファスナ96によって取り
付けプレート98が固定してある。この取り付けプレート
98上にはリミット・スイッチ・ハウジング100が装着し
てある。このリミット・スイッチ・ハウジング100は作
動アーム102を有する。この作動アーム102はレバー104
と常時接触している。レバー104の内端は連結部106のと
ころでハウジング100に枢着してある。レバー104の外端
はホイール108に連結してある。ホイール108はギヤ・ボ
デー62のくぼみ66の表面と常時接触している。

同様にして、ハウジング・ボデー52にはファスナ110
によって取り付けプレート112が装着してある。プレー
ト112にはリミット・スイッチ・ハウジング114が装着し
てあり、このリミット・スイッチ・ハウジング114はハ
ウジング100とほぼ同じである。ハウジング114の下面か
らはレバー116が延びており、その外端はローラ118に連
結している。ここでも、ローラ118はくぼみ66の壁面と
常時接触している。

ブロック122内には電極18が止めねじ120によって固定
してある。ブロック122は銅のような導電性材料で作っ
てある。電極18はセラミック製のガス・カップ124内に
装着してある。電極18の一部を囲んで同心にスリーブ12
6が配置してあり、このスリーブはブロック122と一体と
なっている。スリーブ126はプラグ128に螺合している。
プラグ128も外ねじを有し、ガス・カップ124の内面と螺
合している。スリーブ126と電極18の間には環状のスペ
ースが設けられ、ブロック122に形成された通路130に供
給された後にこのスペースを通して不活性ガスが導入さ
れる。ガスは導管132を通して通路130に供給される。窒
素のような不活性ガスは供給源（図示せず）から導管13
2に供給されるようになっている。

ガス・カップ124とブロック122の間にはプラスチック
製のシール134が設置してある。シール134はブロック12
2とガス・カップ124の間でガス漏れを防ぐと共に、ガス
・カップ124をブロック122から電気的に絶縁している。

ブロック122には冷却ブロック136が電気的に接続して
ある。この冷却ブロック136はくぼみ138を有し、このく
ぼみ内にはブロック122が緊密嵌合している。止めねじ1
40が冷却ブロック136をブロック122に固着している。

冷却ブロック136内には水入口通路142と水出口通路14
4が設けてある。水入口通路142は水供給導管146に接続
しており、水出口通路144は水排出導管148に接続してい
る。水は通路142、144を通して絶えず供給され、溶接プ
ロセスで生じた余分な熱を排出するようになっている。
ブロック136も銅で作ってある。

ブロック136はボルト・ファスナ150によって取り付け
ブロック152に固定してある。この取り付けブロック152
はファスナ154によってギヤ・ボデー62に固定してあ
る。

ここで、溶接電極20がブロック122に類似したブロッ
ク158上に装着したガス・カップ156内に同様な要領で装
着してあることは了解されたい。ブロック158は冷却ブ
ロック160に装着してあり、この冷却ブロック160はブロ
ック152に類似したブロック162に装着してある。ブロッ
ク162はギヤ・ボデー62に固定してある。また、図面か
ら明らかなように、電極18、20はパイプ10を中心として
直径方向に互いに対向、対面して位置している。また、
電極18、20はパイプ10の壁面から等間隔に隔たってい
る。ガスは導管164によってガス・カップ156に供給され
る。また、水排出導管166は冷却ブロック160に関係して
示してある。

ハウジング・ボデー52の側面には一対の間隔を置いた
くぼみが形成してあり、図にはくぼみ168のみが示して
ある。くぼみ168に各々にはコイル・スプリング170が装
着してある。コイル・スプリング170の自由端は中間ベ
ース174に形成したくぼみ172（ここでも１つだけしか示
していない）に嵌合している。ベース174はボルト176に
よってハウジング・ボデー52に装着してある。ここで、
ボルト176は中間ベース174がハウジング・ボデー52から
やや隔たってギャップ178を形成するように設置してあ
る。その結果、ハウジング・ボデー52は中間ベース174
に対してギャップ178の幅分だけの少ない距離にわたっ
て移動することができる。正規の静止位置はスプリング
170が図に示すように完全に延びているときの位置であ
る。中間ベース174はファスナ180によって主支持ベース
182に取り付けてある。この主支持ベース182は固定構造
体（図示せず）に固定するようになっている。

本発明の溶接装置46の動作は次の通りである。ベース
182は固定構造体に取り付け、電極18、20が垂直平面内
に位置するようにする。これは、ブロック162がブロッ
ク152よりも高い位置になることを意味する。第２図を
参照して、ここに示す構造は反時計方向に90度回転させ
なければならない。所望に応じて、ブロック152をもっ
と高いところに置いてもよい。

次に、パイプ10を先に述べたようにＶ字形ブロック22
にすえ付け、縁16を電極18、20間に延びる垂直平面に位
置させる。溶接動作の開始時に、溶接電極20が付勢さ
れ、溶接電極18は消勢されている。溶接電極20は時計方
向に動かし、これはリング・ギヤ70の回転を生じさせる
ギヤ84の回転によって行なわれる。リング・ギヤ70のこ
の回転はボタン80がローラ108と係合するまで続き、ロ
ーラ108はギヤ84を回転させている電動機を消勢するス
イッチ部材102を線形に動かす。このとき、電極20に供
給されている電流は消勢され、この電極20は今や垂直方
向下方位置にあり、電極18は今や垂直方向上方位置にあ
る。このとき、モータ駆動ギヤ84が反対方向へ再び付勢
され、電極18が付勢される。その結果、電極18は反時計
方向に180度にわたって動かされ、残りの180度の溶接を
行なう。それから、電極18は付勢される。今や、満足で
きる溶接ビードが生じ、パイプ10がパイプ12にしっかり
溶接される。ブラケット26が次いで外され、溶接済みの
パイプが溶接装置46から取り外される。

電極18、20は図示の180度でなくて90度の間隔で装着
することもできる。この場合、溶接作業は異なることに
なる。電極18が第２図で90度にわたって時計方向に回動
するときに電極20は同じ位置に留まる。電極18、20は同
時に付勢され、時計方向に90度回動させられ、パイプ10
の右側、すなわち、半分の円弧部分を溶接することにな
る。次いで、電極18、20が消勢され、反時計方向に180
度にわたって回動させられ、電極20が垂直平面に最も高
い位置になる。次に、電極18、20が再付勢され、反時計
方向に90度回動させられ、パイプ10の360度の円弧にわ
たる溶接を完了する。

第４図に示すように溶接電極18は利用するとき、溶接
アークを発生させるために電気エネルギのサージが必要
である。この電気エネルギのサージは溶接回路内で高電
圧と重なる。一般に、この溶接回路は無線周波数で高電
圧出力を出すホット・スパーク・ギャップ・オシレータ
からなるゼネレータを包含する。この高周波ゼネレータ
は一連の高電圧エネルギの密接なバーストを発生する。
この高電圧は電極18とパイプ10、14の間でガスをイオン
化する。このイオン化されたガスが溶接電流を導くこと
になる。

この型式の溶接アークを開始させるときの欠点として
は、高周波ゼネレータからの放射が無線波送信と干渉す
る可能性があるということである。したがって、この形
式の機器の使用は連邦通信コミッションの規則によって
管理される。アークがこのような高周波ゼネレータを使
用することなく発生する場合には、このような行政機関
の干渉はなく、このような機器を作動させるのに外部の
承認を得る必要なない。

高周波ゼネレータを使用しない１つの方法としては、
第11図に示すようにパイロット・アーク配置の使用があ
る。このパイロット・アーク配置はパイロット・アーク
184を利用し、このパイロット・アークは普通のガスス
トーブのパイロット・ライトに類似した要領で絶えず作
動させられる。このパイロット・アーク184は溶接電極1
86とパイロット電極188との間に定められる。パイロッ
ト電極188はその外面に一連のねじ山190を有し、これら
のねじ山は取り付けスリーブ193と螺合するようになっ
ている。この取り付けスリーブ192は金属製のガス・カ
ップ194内に装着してある。このガス・カップ194はアノ
ード・リングとしても作用する。

電極186は止めねじ196によってブロック198に固定し
てある。ブロック198は銅のような導電性材料で作って
ある。電極186はガス・カップ194内の中央に取り付けて
ある。電極186はブロック198に形成した通路200を貫通
している。ガス・カップ194にはプラグ202が螺合させて
ある。ガスは通路200または接続通路204に供給される。
ガスは通路204、200を通して供給され、溶接電極186の
先端付近で排出される。

ガス・カップ194とブロック198の間にはプラスチック
製のシール206が設置してある。シール206はブロック19
8とガス・カップ194の間でのガス漏れを防ぐと共に、ガ
ス・カップ194をブロック198から電気的に絶縁するよう
に作用する。ブロック198には冷却ブロック208が電気的
に接続されている。冷却ブロック208には一対の水冷却
通路が設けてあり、１つの通路210のみが図示してあ
る。

パイプ212の形をした被溶接加工片と溶接電極186との
間には溶接給電装置214が設けてある。電極186とガス・
カップ194の間にはパイロット・アーク給電装置216が電
気接続してある。ガス・カップ194上にはねじ付きコネ
クタ218が取り付けてあり、このコネクタには一対の留
めナットが取り付けてあり、これらの留めナットの間に
は導線224のコネクタ222が緊密に結合してある。ねじ付
きコネクタ218はガス・カップ194に緊密に締め付けられ
た金属製のリング219に固定してある。導体224はパイロ
ット・アーク給電装置216に接続している。パイロット
・アーク給電装置216から溶接電極186への接続は導体22
6による。導体228が溶接給電装置を加工片212に接続し
ている。導体230が溶接給電装置214を溶接電極186に接
続している。

溶接給電装置214が付勢されたり、消勢されたりする
間、パイロット・アーク給電装置216が付勢され、アー
ク184が連続的に発生させられている。パイロット電極1
88の調節はきざみ付き領域232のところで電極188を手動
回転させ、電極188を溶接電極186に対して前後方向に移
動させることによって行なわれる。アーク184が維持さ
れているかぎり、溶接給電装置214から通常レベルの電
圧を発生させ、電極186と加工片122の間で溶接を行なう
ことだけが必要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶接装置の頂面図であり、それに溶着
したマフラ・パイプを示す図である。 第２図は第１図の２−２線に沿った一部断面正面図であ
る。 第３図は第２図の３−３線に沿った横断面図である。 第４図は本発明の溶接装置で利用している溶接電極の１
つを通る、第２図の４−４線に沿った横断面図である。 第５図は本発明の溶接ヘッド装置の溶接ヘッド・ハウジ
ングを通る、第３図の５−５線に沿った横断面図であ
る。 第６図は本発明の溶接装置に組み込んだモータ取り付け
構造を通る、第５図の６−６線に沿った横断面図であ
る。 第７図は第３図の７−７線に沿った背面図である。 第８図は本発明の溶接ヘッド装置の動きを制限するよう
に利用するマイクロスイッチの１つを通る、第７図の８
−８線に沿った横断面図である。 第９図は第３図の９−９線に沿った横断面図で、マイク
ロスイッチのための作動ボタン構成を詳細に示す図であ
る。 第10図は溶接作業中に被溶接パイプを固定位置に堅固に
保持するのに利用する別体のクランプの正面図である。 第11図は第４図と同様の図であり、パイロット・アーク
を包含する溶接電極−ガス・カップの変更例を示す図で
ある。 図面において、10、12……薄肉マフラ・パイプ、14……
環状スリーブ、18、20……溶接電極、22……Ｖ字形ブロ
ック、26……固着ブラケット、34、36……くぼみ、42、
44……サイド・レール、52……ハウジング・ボデー、60
……中央拡大くぼみ、62……ギヤ・ボデー、70……リン
グ・ギヤ、74……プレート、80、82……作動ボタン、84
……駆動ギヤ、98……取り付けプレート、112……取り
付けプレート、116……レバー、118……ローラ、122…
…ブロック、124……ガス・カップ、126……スリーブ、
128……プラグ、134……シール、136……冷却ブロッ
ク、156……ガス・カップ、158、162……ブロック、170
……コイル・スプリング、174……中間ベース、182……
主支持ベース

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定構造体に取り付けるようになっている
   取り付け用ベースと、この取り付け用ベースに装着した
   溶接ヘッド・ハウジングとを包含し、この溶接ヘッド・
   ハウジングが中央拡大くぼみを有し、この中央拡大くぼ
   みへの接近が前記溶接ヘッド・ハウジングの上方からな
   され、前記中央拡大くぼみ内にパイプ支持手段が装着し
   てあり、このパイプ支持手段が溶接しようとしているパ
   イプを上に乗せて支持するようになっており、また、前
   記溶接ヘッド・ハウジング上に一対の溶接電極が装着し
   てあり、これらの溶接電極が溶接しようとしているパイ
   プを中心にして互いに直交方向に対向しており、前記溶
   接電極がリング・ギヤ上に取り付けてあって一緒に動く
   ようになっており、このリング・ギヤが前記溶接ヘッド
   ・ハウジングに対して動くことができ、前記溶接電極の
   各々が上方位置から下方位置まで移動している間にのみ
   溶接するように作動させられ、前記上方位置がパイプの
   直径に対して前記下方位置から180度隔たっており、前
   記上下の位置が共に溶接しようとしているパイプの中心
   を通って延びる１つの垂直平面上に位置しており、さら
   に、前記取り付け用ベースと前記溶接ヘッド・ハウジン
   グとの間にスプリング手段が取り付けてあり、前記溶接
   ヘッド・ハウジングがそれに対する前記スプリング手段
   の片寄せ力に抗して限られた量だけ動けるようになって
   いることを特徴とするパイプ溶接装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のパイプ溶接装置におい
   て、前記パイプ支持手段がＶ字形ブロックを包含し、こ
   のＶ字形ブロックが前記中央拡大くぼみの下端に取り付
   けてあり、別体の固着ブラケットがこのＶ字形ブロック
   と連動するように設けてあり、この別体の固着ブラケッ
   トが溶接しようとしているパイプが前記Ｖ字形ブロック
   上に載ったときにこのパイプの位置を固定するように所
   定位置にすえ付けてあることを特徴とするパイプ溶接装
   置。
3. 【請求項３】請求項２に記載のパイプ溶接装置におい
   て、前記溶接電極の各々に隣接してパイロット・アーク
   電極が設けてあり、各溶接電極に対して１つの別個のパ
   イロット・アーク電極があり、各溶接電極とそれらに対
   応したパイロット・アーク電極との間でパイロット・ア
   ークが発生させられ、各パイロット・アークがそれぞれ
   の溶接電極が作動していない間に発生させられるように
   なっていることを特徴とするパイプ溶接装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載のパイプ溶接装置におい
   て、各パイロット・アーク電極がそれに対応した溶接電
   極に対して調節自在に装着してあってそれらの間の間隔
   を変えられるようになっていることを特徴とするパイプ
   溶接装置。