JP3842780B2 - 溶接トーチ用ノズルの冷却システム - Google Patents

Description

本発明は溶接トーチ用ノズルの冷却システムに関する。

従来、シールドガス雰囲気中で行うアーク溶接では、複数回の溶接作業を行うと、飛散した溶接金属、通称、スパッタがトーチの先端部であるノズルの内部に付着することがある。ノズルの内部にスパッタが付着すると、溶接ワイヤを挿通支持するコンタクトチップとノズルとの間から噴出されるシールドガスの噴出量が減少し、溶接酸化等の溶接不良の原因となる。

そこで、スパッタの付着を防止する方法として、溶接を行う際、ワイヤ支持部の外周に冷却水流通部（ウォータジャケット）が設けられたノズルを使用し、冷却水流通部に冷却水を流通してノズルを冷却し、溶融したスパッタを固化させ、ノズルにスパッタが付着しにくくする方法が知られている（特許文献１）。

しかし、この方法では、ノズルに冷却水流通部を設けることによりノズルが巨大化し、また、冷却水流通部に冷却水を供給及び排出する部材（ホース等）を要するため複雑な冷却システムとなり、溶接トーチの取り回し作業性、コスト増加、重量増加の問題が生じる。

一方、コンタクトチップは、溶接ワイヤの挿通により、その挿通孔が溶接ワイヤと摺接して磨耗し溶接精度が低下するので、できる限り磨耗しにくくする必要があり、この対策として特許文献２及び特許文献３に記載の発明がある。しかし、一般的にコンタクトチップは、銅または銅合金（クロム銅）製であるため高温条件下で使用されると磨耗されやすい。そこで、コンタクトチップを強制的に冷却してやるとよいが、この冷却方法として前記の特許文献１の技術を採用すると、ノズル本体のみが冷却されるだけであり、コンタクトチップの冷却に対しては有効な方法ではない。
特開平５−１６９２６９号公報 特開平９−１４１４４４号公報 特開２００１−３００７３２号公報

本発明は、コンタクトチップを直接冷却して前記の問題を解決するとともに、その冷却システムが安価で、かつ、作業性の向上などを図り得る溶接トーチ用ノズルの冷却システムを提供することを目的とするものである。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、溶接ロボット制御装置に記憶させた溶接軌跡プログラムに基づいて、溶接トーチを冷却器へ移動し、該冷却器内の冷却液に溶接トーチ用ノズルを浸漬させる溶接トーチ用ノズルの冷却システムであって、
前記冷却器と貯水槽とを通水路を介して連通し、該貯水槽を前記溶接軌跡から遠ざけて設置し、
前記通水路を前記冷却器の下面又は側壁面下部に接続したことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記溶接トーチ用ノズル内のコンタクトチップも、ノズルと同時に前記冷却液に浸漬させて冷却するようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷却器の冷却液の水位を一定に保つ定水位機構を、前記通水路と前記貯水槽を用いて構成するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項３記載の発明において、前記定水位機構は、密閉容器からなる前記貯水槽内の冷却液を、該貯水槽内の水位よりも低い位置にある前記冷却器へ流出させる前記通水路と、前記冷却器から前記貯水槽へ空気を流入させる通気路とを備え、前記貯水槽内の冷却液が前記通水路を通って前記冷却器へ流出することにより、通気路の冷却器側の開口である通気口を水没させてその通気口を前記冷却液で塞ぎ、その水没位置において前記冷却器の冷却液の水位が一定に保たれるように構成したものである。

請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、前記通水路と前記通水口とを兼用し、前記通気路と前記通気口とを兼用する貫通孔が、前記貯水槽に設けられており、該貯水槽を前記冷却器に内蔵したものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、前記冷却器に、内部に冷媒が流れる冷却流路からなる冷却装置を設けたものである。

請求項１記載の発明によれば、溶接トーチ用ノズルを冷却することができ、ノズルへのスパッタ付着の問題が解消される。更に、従来のように、溶接トーチ内に冷却水流通部を設ける必要がないため、溶接トーチを重くすることなく安価な冷却システムが提供できる。

更に、溶接トーチの取り回し作業性を損なうことなく、溶接トーチ用ノズルを冷却することができ、ノズルへのスパッタ付着の問題が解消される。更に、前記と同様に溶接トーチを重くすることなく安価な冷却システムが提供できる。

更に、溶接ロボット制御装置に記憶させた溶接軌跡プログラムに基づいて、溶接トーチを冷却器へ移動し溶接トーチ用ノズルを冷却液に浸漬させることにより、溶接及びノズルの冷却を一連の軌跡でスムーズに行うことができ、溶接作業性が向上する。

請求項２記載の発明によれば、コンタクトチップが直接冷却され、コンタクトチップの耐磨耗性が向上し寿命が延びる。

請求項３及び４記載の発明によれば、冷却液の水位が常に一定となり、安定した冷却効果が得られる。

請求項５記載の発明によれば、コンパクトな冷却システムが提供できる。
請求項６記載の発明によれば、冷却効率に優れた冷却システムが提供できる。

本発明を実施するための最良の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１は溶接トーチを備える溶接ロボットと本発明の冷却システムとの関係を説明する図である。

図１において、溶接トーチ１を備える溶接ロボット２には、溶接トーチ１の移動軌跡を制御する溶接軌跡プログラムが記憶された溶接ロボット制御装置３が接続される。前記の溶接軌跡とは、溶接トーチ１を原点ａから溶接対象ワーク位置ｂへ移動させ（図中ａ→ｂ）、ワーク４の溶接線５上に溶接トーチ１を移動させてワークを溶接し（図示省略）、その後、溶接トーチ１を原点ａに復帰（図中ｂ→ａ）する経路である。溶接軌跡プログラムと連動して、溶接ロボット制御装置により、溶接ワイヤやガスや電流の送給も制御される。以上の構成は公知技術である。

溶接トーチ１の先端部には、図２に示すように、溶接ワイヤ６および溶接ワイヤ６を挿通支持するコンタクトチップ７を内側に有する溶接トーチ用ノズル８が設けられている。

本発明の冷却システムは、溶接トーチ１の溶接軌跡上に溶接トーチ用ノズルを冷却液に浸漬させて冷却する冷却器９を設置したことである。

冷却器９は、溶接軌跡の途中または溶接トーチ原点へ任意に設置すればよい。正確にいえば、冷却器９を設置することにより当初の溶接軌跡（図中ａ→ｂ→ａ→ｂ→…）とは異なる新たな溶接軌跡（図中ａ→ｂ→ｃ→ａ→ｂ→ｃ→…）ができ、その新たな溶接軌跡の途中または溶接トーチ原点に冷却器９を設置する。溶接トーチ原点ａに冷却器９を設置する場合には、当初の溶接軌跡を変更しなくてもよい場合がある。冷却器９をロボットアーム２ａの可動範囲内に設置すれば、溶接軌跡プログラムの変更だけで溶接軌跡の変更に対処できる。

冷却器９は上蓋のない容器であり、後述する定水位機構により冷却液が常に一定の水位（液面レベル）に保たれている。

前記のシステムにおいて、溶接作業中に、溶接トーチ用ノズル８を冷却器９の冷却液に浸漬して冷却する。冷却の頻度は、ノズルにスパッタが付着しなければよく、溶接諸条件（電流、電圧、シールドガス、ワイヤ送給、溶接速度）や、被溶接部材の条件（材質、板厚、形状）等により任意に設定すればよい。図中ａ→ｂ→ｃ→ａ→ｂ→ｃのように、ワーク１個の溶接毎に冷却してもよいし、ワーク複数個の溶接後に冷却してもよい。すなわち、（ａ→ｂ）_n→ｃでｎ＝２以上としてもよい。

溶接ロボット制御装置３に記憶された溶接軌跡プログラムに、溶接トーチ１を冷却器９へ移動させ、ノズル８を冷却器９内の冷却液に浸漬させる軌跡（図中ｂ→ｃ）のプログラムを追加する。前記冷却の頻度に応じ、溶接トーチ１を冷却器９へ移動させ、ノズル８を冷却器９内の冷却液に浸漬させるプログラムを任意に設定する。

ノズル８の浸漬範囲は、特に限定されるものではなく、例えば、図２のように、ノズル長Ｄ１が７０ｍｍの場合には、浸漬範囲Ｄ２を先端から４５ｍｍ程度として浸漬すればよい。

ノズル８内には図２に示すように溶接ワイヤを挿通支持し脱着自在なコンタクトチップ７が存在し、ノズル１を冷却液に浸漬するとコンタクトチップ７も同時に冷却液に浸漬して冷却液により直接冷却され、コンタクトチップ７の耐磨耗性が向上し寿命が延びる。

前記の冷却液の種類は特に限定されるものではないが、例えば「スパッタ付着防止剤」として市販されている大崎電工社製の「商品名：ウェルダートΣ１１」を使用すると、ノズル８およびコンタクトチップ７の冷却性が良く、スパッタ付着防止とコンタクトチップ７の耐磨耗性の向上を両立できる。特にウェルダートΣ１１には潤滑油が含まれており、コンタクトチップ７の挿通孔と溶接ワイヤ６との間で潤滑作用が働くため、コンタクトチップ７の耐磨耗性が一層優れ、寿命が著しく伸びる。なお、これらの効能を必要としないのであれば、冷却液は水を使用してもよい。

なお、本実施例は溶接ロボットを使用して溶接する場合の例であるが、図示しないが、溶接作業者が溶接トーチ１を手に持って行う手溶接にも適用される。この場合には、溶接作業における定位置の近傍に前記の冷却器９を配置し、作業者の手によって適宜、ノズル８を冷却器９内の冷却液に浸漬する。また、ロボット以外の自動溶接でも構わない。すなわち、溶接トーチ１の原点〜ワーク４間の移動（軌跡）を伴う溶接には全て適用可能である。

次に、前記の冷却器９内の冷却液の水位を一定に保持する定水位機構について図３により説明する。
以下、便宜上、水位・貯水・通水など“水”を用いて記載するが、冷媒は水に限らず前記冷却液やその他の液体でも構わない。

定水位機構は、図３に示すように構成される。密閉容器からなる貯水槽１０は、その上面には給水口１１とそれを密閉する蓋１２を有し、下面又は側壁面下部には通水口１３が設けられ、該通水口１３に、第１冷却器１４の側壁面下部に形成された通水口１５と接続される通水路１６が接続される。また、貯水槽１０の側壁面上部には通気口１７が設けられ、該通気口１７に、第１の冷却器１４の上部に形成された通気口１８と接続される通気路１９が接続される。

通水路１６から分岐した分岐通水路２０を第２冷却器の下面または側壁面下部に接続する。図示しないが、分岐数および冷却器１４，２１の数は幾つでも構わない。例えば、複数の溶接ライン、すなわち複数の溶接トーチが存在する場合、これと同数の分岐通水路２０及び第２冷却器２１を接続し、これらの冷却器１４，２１を個々の溶接トーチに専用の冷却器としても良い。あるいは、分岐通水路２０および第２冷却器２１を廃止し、１個の第１の冷却器１４のみとしてもよい。

前記通水路１６にはバルブ２２が設けられており、該バルブ２２を閉じた状態で冷却液を貯水槽１０に給水する。このとき、貯水槽１０の高さ位置（正確には、貯水槽１０内の水位Ｌ１）よりも低い位置に、冷却器１４，２１（正確には、冷却器１４，２１の通気口）を設置する。

そして、バルブ２２を静かに開けると、貯水槽１０内の冷却液Ｗが、自重により通水路１６および分岐通水路２０を通って第１冷却器１４及び第２冷却器２１へ流出し、両冷却器１４，２１の冷却水位が上昇する。このとき、密閉容器からなる貯水槽１０は、冷却液Ｗの流出に伴い減圧になろうとするが、上面が開口されて大気と連通する第１冷却器１４側から貯水槽１０へ通気路１８を介して空気が流入するため減圧にはならず、速やかに冷却液Ｗが冷却器１４，２１に流出し、各冷却器１４，２１の水位Ｌ２が上昇する。その後、第１冷却器１４内の水位Ｌ２の上昇に伴い、第１冷却器１４の通気口１８が水没する（閉じる）と、貯水槽１０へ空気の流入が不能となり、貯水槽１０からの冷却液Ｗの流出が停止する（貯水槽内が減圧になろうとすると冷却液は流出しない）。この状態において、貯水槽１０内の水位はＬ１を保持し、第１冷却器内の水位は通気口１８部での水位Ｌ２を保持し、この水位Ｌ１とＬ２の水位差Ｌ３をもって各部の水位（水圧）が静的にバランスしている。

第２冷却器２１は、第１冷却器１４と分岐通水路２０を介して連通されており、サイフォンの原理により第１冷却器１４の水位と同じである。

次に、前記の状態で、溶接トーチ用ノズル８を第２冷却器２１の冷却液Ｗに浸漬させて冷却する。安定した冷却効果を得るためには、ノズル８の浸漬位置と水位（水量）を合致しておく必要がある。ノズル８は溶接作業によって高温状態にあり、ノズル８を浸漬させると、冷却液Ｗがノズル８へ付着したり蒸発したりして水位Ｌ２が下がる（水位のバランスが崩れる）。それに応じて溶接トーチ１の浸漬位置を変更することは極めて困難であるが、本実施例によれば、水位Ｌ２が下がると第１冷却器２０の通気口１８が開口して大気が通気路１９を通って貯水槽１０に流入し、貯水槽１０内の冷却液Ｗが通水路６及び分岐通水路２０を通って両冷却器１４，２１に再び流入する。したがって、両冷却器１４，２１の水位（水量）Ｌ２が常に一定に保たれ、安定した冷却効果が得られる。すなわち、一時的に失われた水位（水圧）バランスが、直ちに自動的に復元される。

溶接トーチ用ノズル８は、溶接ロボットの制御により、冷却器１４，２１に対し、一定の高さ位置に入れられるため、冷却器１４，２１の水位を常に一定に保持できることにより、ノズル８を、常に設定した範囲に浸漬させることができる。

溶接トーチ用ノズル８を第１冷却器１４の方に浸漬させて冷却してもよいが、浸漬時の衝撃により水面が不安定（波打ち）になり、通気口１８が開いたり閉じたりして定水位機構が不完全になる虞があるので、分岐した第２冷却器２１の方にノズル８を浸漬させるのが好ましい。

ノズル８の冷却を行うと、ノズル８と冷却液Ｗとの熱交換により冷却液Ｗの温度が上昇し、次回のノズルの冷却時に冷却効率が低下する場合がある。その場合には、例えば、図５に示すように、内部に冷媒が流れる冷却管からなる冷却装置３１を冷却器１４，２１に設けて、冷却器１４，２１や冷却液を積極的に冷却してもよい。この冷媒の例としては、工場内の各種設備を冷却する工場冷却水を使用すればよい。

また、通水路１６および通気路１９の長さを延長し、貯水槽１０を溶接ラインから遠ざけて設置すれば、貯水槽１０への冷却液の補給を遠隔作業で行うことができ、給水の際に溶接ラインを止める必要がなく、溶接作業効率が上がる。あるいは、分岐通水路２０を延長し、貯水槽１０と第１冷却器１４をセットで溶接ラインから遠ざけて設置してもよい。

また、貯水槽１０を手狭な溶接ラインから遠ざけて設置すれば、貯水槽１０の設置位置／高さの自由度が向上するため、大容量の貯水槽１０を使用することができ、貯水槽１０への冷却液の補給時間間隔を長くすることができる。

図４は本発明の第２実施例を示す。
本実施例は前記第１実施例における貯水槽１０、第１冷却器１４、通水路１６、通気路１９を簡略化した例である。

図４において、貯水槽１０Ａの下部に通水口１３Ａが設けられ、貯水槽１０Ａの側壁に通気口１７Ａが設けられており、例えば、貯水槽としてＰＥＴボトル１０Ａを使用し、そのキャップに通水口１３Ａが設けられ、胴体に通気口１７Ａが設けられている。ＰＥＴボトル１０Ａのキャップを取り外し、冷却液Ｗを補充してキャップを締めた後、ＰＥＴボトル１０Ａを上下逆さまにして上面が開口する第１冷却器１４Ａに内蔵する。第１冷却器１４Ａには通水口１３Ａを介して分岐通水路１６が接続されており、その先には前記と同様の第２冷却器２１が接続されている。

分岐通水路１６を延長し、貯水槽１０Ａを溶接ラインから遠ざけて設置すれば、貯水槽１０Ａへの冷却液Ｗの補給を遠隔作業で行うことができ、給水の際に溶接ラインを止める必要がなく、溶接作業効率が上がる。更に貯水槽１０Ａへの溶接の熱害がないので、貯水槽１０Ａとして透明な廃棄ＰＥＴボトル１０Ａの再使用が可能となり、貯水量を簡単に目視でき、また、安価な冷却システムが提供できる。

本第２実施例において、貯水槽１０Ａに冷却液Ｗを入れ、通水口１３Ａを下向きにして第１冷却器１４Ａ内に入れると、前記の第１実施例と同様の原理により、貯水槽１０Ａから第１、２冷却器１４Ａ，２１へ冷却液Ｗが流出し、冷却器１４Ａ，２１の水位が上昇する。そして、通気口１７Ａが水没すると貯水槽１０Ａから冷却器１４Ａ，２１への冷却液Ｗの流出が停止する。ノズル８の冷却により、水位が下がると、通気口１７Ａが開口し大気が貯水槽１０Ａに流入し、貯水槽１０Ａ内の冷却液Ｗが通水口１３Ａ及び分岐通水路１６を通って両冷却器１４Ａ，２１内に再び流入する。したがって、両冷却器１４Ａ，２１の水位（水量）Ｌ２が常に一定に保たれ、ノズル８の安定した冷却効果が得られる。

本第２実施例における通水口１３Ａは、前記の第１実施例における通水路１６と通水口１３，１５を兼用し、通気路１９と通気口１７，１８とを兼用する通気口（貫通孔）１７Ａが、貯水槽１０Ａに設けられ、貯水槽１０Ａを冷却器１４Ａに内蔵した点が異なるが、水位一定の原理は第１実施例と同じである。

なお、前記の定水位機構は、前記の実施例に限定されるものではなく、水位面が所定水位により低下した場合に冷却液が所定水位まで補給されて、常に一定の水位置を保持する定水位機構であれば良く、例えば、公知のフローティング式（特開２００３−６４７５１号参照）でもよい。

本発明の冷却システムと溶接ロボットとの関係を示す図。 本発明の冷却液の浸漬範囲を示す図。 本発明の冷却システムの第１実施例を示す図。 本発明の冷却システムの第２実施例を示す図。 本発明の冷却装置を示す冷却器の断面図。

符号の説明

１ 溶接トーチ
２ 溶接ロボット
３ 溶接ロボット制御装置
４ ワーク
５ 溶接線
７ コンタクトチップ
８ 溶接トーチ用ノズル
９，１４，２１，１４Ａ，２１Ａ 冷却器
１０，１０Ａ 貯水槽
１３，１５ ，１３Ａ通水口
１６ 通水路
１７，１８，１７Ａ 通気口
１９ 通気路
３１ 冷却装置
ａ〜ｃ 溶接トーチの軌跡
Ｗ 冷却液

Claims (6)

1. 溶接ロボット制御装置に記憶させた溶接軌跡プログラムに基づいて、溶接トーチを冷却器へ移動し、該冷却器内の冷却液に溶接トーチ用ノズルを浸漬させる溶接トーチ用ノズルの冷却システムであって、
   前記冷却器と貯水槽とを通水路を介して連通し、該貯水槽を前記溶接軌跡から遠ざけて設置し、
   前記通水路を前記冷却器の下面又は側壁面下部に接続したことを特徴とする溶接トーチ用ノズルの冷却システム。
2. 前記溶接トーチ用ノズル内のコンタクトチップも、ノズルと同時に前記冷却液に浸漬させて冷却するようにした請求項１記載の溶接トーチ用ノズルの冷却システム。
3. 前記冷却器の冷却液の水位を一定に保つ定水位機構を、前記通水路と前記貯水槽を用いて構成するようにした請求項１又は２記載の溶接トーチ用ノズルの冷却システム。
4. 前記定水位機構は、密閉容器からなる前記貯水槽内の冷却液を、該貯水槽内の水位よりも低い位置にある前記冷却器へ流出させる前記通水路と、前記冷却器から前記貯水槽へ空気を流入させる通気路とを備え、前記貯水槽内の冷却液が前記通水路を通って前記冷却器へ流出することにより、通気路の冷却器側の開口である通気口を水没させてその通気口を前記冷却液で塞ぎ、その水没位置において前記冷却器の冷却液の水位が一定に保たれるように構成した請求項３記載の溶接トーチ用ノズルの冷却システム。
5. 前記通水路と前記通水口とを兼用し、前記通気路と前記通気口とを兼用する貫通孔が、前記貯水槽に設けられており、該貯水槽を前記冷却器に内蔵した請求項４記載の溶接トーチ用ノズルの冷却システム。
6. 前記冷却器に、内部に冷媒が流れる冷却流路からなる冷却装置を設けた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の溶接トーチ用ノズルの冷却システム。

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