JP3663102B2 - 消耗電極式アーク溶接の溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
消耗電極式アーク溶接においては、電極ワイヤの先端部とワーク母材との間でアーク発生と短絡を周期的に反復させて溶接をおこなっている。本発明は、このような溶接手法の分野に属している。
【０００２】
【従来の技術】
電極ワイヤをワーク母材に向かって送給し、電極ワイヤの先端部とワーク母材との間でアーク発生と短絡を周期的に反復させて溶接をする方式は、種々な文献に紹介されている。その一つとして、平成２年９月３０日・丸善株式会社発行の社団法人溶接学会編「溶接・接合便覧」がある。同書の２７１頁の図４・６６および図４・６７の（ａ）には、本出願図面の図４、図５および図６のような技術が開示され、とくに図５、図６には上述の周期的現象が記載されている。
【０００３】
図４は、一般的に採用されているアーク溶接ユニット１１であり、パイプ状のガスノズル１の中に電極チップ２が配置され、この電極チップ２内を電極ワイヤ３が貫通し、電極ワイヤ３は送給ローラ４でワーク母材５に向かって所定の速度で送りだされる。シールドガスは炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスであり、二点鎖線図示のように溶接局部を覆うようにして流出している。ワーク母材５は治具（図４には図示していない）で静止部材に固定され、ガスノズル１は矢線６の方に移動する。
【０００４】
電極ワイヤ３とワーク母材５が電源に接続されると、電極ワイヤ３の先端部からワーク母材５に向かってアーク７が発生し、その熱によってワーク母材５が順次溶融させられながら、溶接が進行してゆく。この進行中に溶融池８が形成され、それが凝固して溶接金属９となる。
【０００５】
図５と図６にも関連させて溶着の過程を説明する。図５は、電圧と電流との関係を示した線図であり、電極ワイヤ３とワーク母材５との間に電圧がかけられているときには、電極ワイヤ３の先端部とワーク母材５との間にアーク７が発生している。それは符号Ａで示された区間であり、図６のａ，ｂの段階に相当している。すなわち、アーク発生の初期には、ａのようにワーク母材５の表面部と電極ワイヤ３の先端部の溶融量はわずかである。その後、時間の経過と共に両者の溶融が進行してくると、ｂのように溶融量が増大してくる。電極ワイヤ３は連続的に送りだされてくるので、ｂ状態の溶融量がさらに増大すると、ｃ状態のように短絡する。このときには、図５の符号Ｓで示すように電圧は最小値となり、逆に電流は上昇し、区間Ｓの末期には短絡箇所がｄ状態のように細くなってピンチ部となり、最後には短絡部が切れてサイクルＣ１が終了する。ｅ状態からサイクルＣ２に入ってゆく。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなアーク発生と短絡との周期的な反復を、常に一定の周期で継続させることは困難である。その要因としては、電圧、シールドガスの流通状態、トーチの移動速度、電極ワイヤとワーク母材との間隔等の各値が所定値になっていないことがあげられる。別の見方をすると、上記の各値の変化に支配された状態で、その時々の状況に応じた周期となる。したがって、ワーク母材に投入される熱エネルギ−が過大になると、ワーク母材の溶融量が過多となり、鋼板を溶接するような場合には、溶融部が板厚を貫通という致命的な溶接欠陥となる。上述のような問題は、図５のサイクルＣ１，Ｃ２，Ｃ３・・・・Ｃｎが均一でないことが原因になっている。
【０００７】
上述のような各値の狂いによる問題は、図３のようなロボット装置１０にアーク溶接ユニット１１が取り付けられている場合に、より深刻なものとなる。ロボット装置によって、上述のような移動速度や間隔を微少な許容値内に収めることは、ロボット装置全体の撓みや作動隙間が集積することによって、非常に困難なこととなるのである。また、狂い量を最小化するためには、ロボット装置のティーチングを何度も繰り返して最良のロボット軌跡を求める必要があり、非常に煩わしい作業となる。
【０００８】
図３の構成を説明する。ロボット装置１０は通常の６軸タイプであり、その先端に制御ヘッド１２が結合され、このヘッドにユニット支持部材１３が取り付けてある。アーク溶接ユニット１１は、ユニット支持部材１３にしっかりと固定されており、電極ワイヤ３の先端部はワーク母材５に近づけられている。ここでのワーク母材５は、２枚の鋼板５ａ，５ｂを重ねたもので、鋼板５ａの端面と鋼板５ｂの表面によって形成される隅角部５ｃに溶融池が形成されて、両鋼板５ａ，５ｂの溶接がなされる。この隅角部５ｃは、図３の紙面に対して垂直な方向に伸びており、したがって、電極ワイヤ３の移動方向も隅角部５ｃに沿わせてある。両鋼板５ａ，５ｂは、支持台１４に載せられて、クランプ機構１５でしっかりと固定されている。
【０００９】
上記の鋼板は、いずれも厚さは０．９mmであり、電極ワイヤ３の直径は０．９mmである。また、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３・・・・Ｃｎのサイクルは、１００サイクル／秒である。これらの値は後述の実施形態においても同じである。
【００１０】
【課題を解決するための手段とその作用】
本発明は、以上に述べた問題点を解決するために提供されたもので、溶融池に強制的な振動を付与することによって、制御された溶融状態を求めて健全な溶接をおこなうことを、基本的な考え方にしている。
【００１１】
請求項１の発明は、電極ワイヤをワーク母材に向かって送給し、電極ワイヤの先端部とワーク母材との間でアーク発生と短絡を周期的に反復させて溶接をする消耗電極式アーク溶接において、上記のアーク発生と短絡の周期とほぼ同じ周期の振動を強制的に溶融池に付与することを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法である。
【００１２】
こうすることによって、図５、図６で述べたアーク発生と短絡との周期が均一化されて、溶接局部に投入される熱エネルギ−が適正なものとなる。すなわち、図６のようなアーク発生と短絡は周期的に行われるので、その周期性を狂わせないようにするために、溶融池にアーク発生と短絡の周期にほぼ等しい周期の振動を強制的に付与する。したがって、順次送給されてくる電極ワイヤの先端部は、一定時間のアーク発生の後、溶融池に接近するかあるいはその表面に接触して短絡現象が定められた時期に形成される。このようにアーク発生熱量が均一化され、さらに溶融金属による短絡が定まった時期に形成されるので、意図された周期の溶接制御がなされる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、強制的な振動の方向は溶融池の表面が電極ワイヤの先端部に接近したり離隔したりするように設定されていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法である。このような振動の方向性を画定しておくことによって、アーク発生途上の定まった時期に短絡現象に移行することが、一層、確実になされる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２において、アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法である。溶融池が強制的に振動させられている状態のところへ、ロボット装置でアーク溶接ユニットが移動させられることによって、上述のような定期性のあるアーク発生と短絡が反復される。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１、請求項２および請求項３のいずれかにおいて、アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられていると共に強制的な振動の起振手段もこの支持部材に取り付けられていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法である。ロボット装置のユニット支持部材に、アーク溶接ユニットと起振手段の両者が取り付けられているので、これら両者の相対位置関係が確定され、さらに、起振手段をワーク母材の決められた位置に接触させることによって、最終的には電極ワイヤ先端部とワーク母材との相対位置も良好な状態で維持される。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１、請求項２、請求項３および請求項４のいずれかにおいて、強制的な振動の起振力は溶融池の近くのワーク母材に作用させることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法である。起振力をこのような位置に作用させることによって、溶融池に対する振動伝達が確実に果たされ、同時に起振手段と電極ワイヤ先端部を接近させて配置できるので、この両者の相対位置を正確に求めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２の実施形態にしたがって、本発明を詳しく説明する。なお、先に説明した部材と同じ機能のものには、同じ符号を図中に記載してある。図３での支持台１４は広い面積を有しているが、実施形態のものはクランプ機構１５に対応した支持片１６であり、静止部材１７上に固定されている。したがって、ワーク母材５は図示の両端で固定され、中間部は浮いた状態になっている。
【００１８】
起振手段１８としては、電磁ソレノイド式、回転モータ式等いろいろなものが採用できるが、ここでは電動モータを利用した場合を示した。起振電動モータ１９は、内部に偏心ウエイトを備えた一般的なもので、それによる振動はローラ２０からワーク母材の鋼板５ａに伝達される。起振電動モータ１９の下側にはヨーク部材２１が固定され、そこにローラ２０を挿入して軸２２で回転自在に支持してある。起振手段１８、すなわち、ここではローラ２０を一定の力で鋼板５ａに押付けなければならないので、押付け手段が採用されている。この手段は、コイルスプリングのような部品でもよいが、ここではエアシリンダ２３を採用している。エアシリンダ２３はユニット支持部材１３に固定され、そのピストンロッド２４が起振電動モータ１９に結合してある。なお、エアシリンダ２３に過度な振動反力が伝達されることを防止するために、緩衝部材２５が起振電動モータ１９とピストンロッド２４との間に介在させてある。緩衝部材２５は、たとえばウレタンを用いるのが適当である。
【００１９】
ローラ２０は、隅角部５ｃに沿って転動するのであり、ワーク母材５との接触箇所は隅角部５ｃの近くである。符号２６は、隅角部５ｃに形成された溶融池である。したがって、起振力は溶融池２６の近傍に作用させられるのである。なお、ローラ２０の転動に変えてワーク母材５上を滑動するシュー部材であってもよい。起振電動モータ１９で溶融池２６が振動させられると、その振動方向によって溶融池２６の表面が電極ワイヤ３の先端部に接近したり離隔したりする。このために、電極ワイヤ３を溶融池２６に対して上方から接近させてある。
【００２０】
上記の実施形態の作動を説明する。起振電動モータ１９の振動周期は、望ましいとされるアーク発生と短絡との周期とほぼ同じ値とされている。エアシリンダ２３の出力でローラ２０を鋼板５ａに軽く押付け、起振電動モータ１９を作動させると、ワーク母材５は図２（Ａ）のように上下に振動する。このような振動変位によって、図５や図６で説明したアーク発生と短絡の周期的な反復現象が継続して、溶接が進行してゆくのである。
【００２１】
図２（Ａ）は、ワーク母材の撓み振動であるが、（Ｂ）は支持片の側に変位構造を付与している。すなわち、静止部材１７に起立させたコイルスプリング２７にカップ状の支持片２８を被せるようにして組み合わせ、この支持片２８にクランプ機構２９を結合してある。このような構造によってワーク母材５は、コイルスプリング２７で支持された状態になり、ローラ２０で加振されるとワーク母材が振動し、溶融池２６が振動する。
【００２２】
図１から明らかなように溶融池２６の表面は右下がりに傾斜している。この場合、溶融金属が右の方へ片寄る心配があるときには、溶融池２６の表面が水平になるように、ワーク母材５を反時計方向に傾斜させる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、電極ワイヤをワーク母材に向かって送給し、電極ワイヤの先端部とワーク母材との間でアーク発生と短絡を周期的に反復させて溶接をする消耗電極式アーク溶接において、上記のアーク発生と短絡の周期とほぼ同じ周期の振動を強制的に溶融池に付与するものである。こうすることによって、図５、図６で述べたアーク発生と短絡との周期が均一化されて、溶接局部に投入される熱エネルギ−が適正なものとなる。すなわち、図６のようなアーク発生と短絡は周期的に行われるので、その周期性を狂わせないようにするために、溶融池にアーク発生と短絡の周期にほぼ等しい周期の振動を強制的に付与する。そして、この強制的振動が過剰溶融を招かないような値に設定してある。したがって、順次送給されてくる電極ワイヤの先端部は、一定時間のアーク発生の後、溶融池に接近するかあるいはその表面に接触して短絡現象が定められた時期に形成される。このようにアーク発生熱量が均一化され、さらに溶融金属による短絡が定まった時期に形成されるので、鋼板等に溶融貫通部が発生したりせず、意図された周期の溶接制御がなされる。
【００２４】
強制的な振動の方向は溶融池の表面が電極ワイヤの先端部に接近したり離隔したりするように設定されているので、アーク発生途上の定まった時期に短絡現象に移行することが、一層、確実になされる。
【００２５】
アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられているから、溶融池が強制的に振動させられている状態のところへ、ロボット装置でアーク溶接ユニットが移動させられることによって、上述のような定期性のあるアーク発生と短絡が反復される。
【００２６】
アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられていると共に強制的な振動の起振手段もこの支持部材に取り付けられている。ロボット装置のユニット支持部材に、アーク溶接ユニットと起振手段の両者が取り付けられていることとなり、したがって、これら両者の相対位置関係が確定され、さらに、起振手段をワーク母材の決められた位置に接触させることによって、最終的には電極ワイヤ先端部とワーク母材との相対位置も良好な状態で維持される。
【００２７】
強制的な振動の起振力は溶融池の近くのワーク母材に作用させられる。起振力をこのような位置に作用させることによって、溶融池に対する振動伝達が確実に果たされ、同時に起振手段と電極ワイヤ先端部を接近させて配置できるので、この両者の相対位置を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す正面図である。
【図２】ワーク母材の振動形態を示すもので、（Ａ）は撓み方式、（Ｂ）は上下動方式である。
【図３】ロボット装置を用いた場合の簡略的な正面図である。
【図４】一般的なアーク溶接の状態を示す縦断側面図である。
【図５】電圧と電流の関係を示す線図である。
【図６】アーク発生と短絡の反復現象を順を追って示した過程図である。
【符号の説明】
３ 電極ワイヤ
５ ワーク母材
７ アーク
１８ 起振手段
２６ 溶融池
１１ アーク溶接ユニット
１０ ロボット装置
１３ ユニット支持部材

Claims (5)

1. 電極ワイヤをワーク母材に向かって送給し、電極ワイヤの先端部とワーク母材との間でアーク発生と短絡を周期的に反復させて溶接をする消耗電極式アーク溶接において、上記のアーク発生と短絡の周期とほぼ同じ周期の振動を強制的に溶融池に付与することを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法。
2. 請求項１において、強制的な振動の方向は溶融池の表面が電極ワイヤの先端部に接近したり離隔したりするように設定されていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法。
3. 請求項１または請求項２において、アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法。
4. 請求項１、請求項２および請求項３のいずれかにおいて、アーク溶接ユニットはロボット装置のユニット支持部材に取り付けられていると共に強制的な振動の起振手段もこの支持部材に取り付けられていることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法。
5. 請求項１、請求項２、請求項３および請求項４のいずれかにおいて、強制的な振動の起振力は溶融池の近くのワーク母材に作用させることを特徴とする消耗電極式アーク溶接の溶接方法。

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