JP4794648B2 - アーク溶接装置 - Google Patents

Description

この発明は、被溶接物に搭載された耐電圧の低い電子部品を損傷しないようにしたアーク溶接装置に関する。

アーク溶接は、電極と被溶接物の間にアークを発生させ、そのアーク熱で被溶接物を溶融接合する接合法で、抵抗溶接やはんだ付と比べて接合品質のばらつきが小さいという特徴がある。電極と被溶接物の間にアークを起動させるためには、電極と被溶接物の間に数ｋＶから１０数ｋＶの高周波電圧や直流高電圧を印加する必要があり、それらを発生させるための回路が溶接電源に組み込まれている。
このアーク溶接を電子部品のリード、もしくは電子部品が接続されたブスバーに適用する場合、高周波電圧や直流高電圧が被溶接物の電気回路に廻り込んで電子部品が破壊されないよう、溶接電源に接続された導電性のクランプ治具で被溶接個所を１箇所づつ確実に掴んで、接合箇所と電源の片極を接続していた。
特許文献１は、複数の電子部品のリード端子と、これに接続される接続部をもつ導体を接続するに際し、リード端子と導体の接続部を整列させて溶接するものである。

特開２００２−１３４６８８号公報（第３〜５頁、図１）

しかしながら、溶接電源に接続された導電性のクランプ治具で被溶接個所を１箇所づつ確実に掴んで、接合箇所と電源の片極を接続していた場合でも、回路構成によっては電磁誘導によって高周波電圧や直流高電圧が電気回路に廻り込む可能性があり、耐電圧の低い電子部品を含んだ電気回路ではアーク溶接を適用できなかった。特許文献１でも同様であった。
すなわち、アークスタート時の高周波電圧や直流高電圧が、電磁誘導やクランプの不具合で電気回路に廻り込み、耐電圧の低い電子部品が破壊されるという問題があった。
また、この電子部品破壊を恐れ、一点一点に電源極の接触工程とアーク起動を行うと、工数が多くなり被溶接箇所の多いものでは非常に生産性が悪いという問題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、被溶接物に搭載された耐電圧の低い電子部品を損傷しないアーク溶接装置を得ることを目的にしている。

この発明に係わるアーク溶接装置においては、溶接電源の一極に接続された電極、溶接電源の他極に接続された第一の導電性ブロック、この第一の導電性ブロックの表面に密着し、第一の導電性ブロックと電気的に結合され、電極との間でアーク起動が行われると共に任意のアーク起動回数毎に異なる表面でアークが起動されるように第一の導電性ブロック上を移動される導電性シート、及び導電性材料により形成され、被溶接物の被溶接個所を保持するクランプ手段を備え、第一の導電性ブロックとクランプ手段を電気的に切断された状態で導電性シートの表面でアーク起動を行うと共に、アーク起動後に第一の導電性ブロックとクランプ手段とを電気的に接続し、電極を移動して被溶接個所に対向させ、被溶接個所の溶接を行うものである。

この発明は、以上説明したように、溶接電源の一極に接続された電極、溶接電源の他極に接続された第一の導電性ブロック、この第一の導電性ブロックの表面に密着し、第一の導電性ブロックと電気的に結合され、電極との間でアーク起動が行われると共に任意のアーク起動回数毎に異なる表面でアークが起動されるように第一の導電性ブロック上を移動される導電性シート、及び導電性材料により形成され、被溶接物の被溶接個所を保持するクランプ手段を備え、第一の導電性ブロックとクランプ手段を電気的に切断された状態で導電性シートの表面でアーク起動を行うと共に、アーク起動後に第一の導電性ブロックとクランプ手段とを電気的に接続し、電極を移動して被溶接個所に対向させ、被溶接個所の溶接を行うので、アーク起動を被溶接物と電気的に切断された状態で行うことにより、被溶接物に搭載された耐電圧の低い電子部品を損傷しないようにすることができる。

この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置を示す全体構成図である。 この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置のアーク起動を示す図である。 この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置の被溶接部と導電性ブロックの電気的接続を示す図である。 この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置の被溶接物の溶接を示す図である。 この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置のクランプ治具と被溶接個所の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２によるアーク溶接装置のクランプ治具を示す図である。 この発明の実施の形態２によるアーク溶接装置のくし歯形状のクランプ治具を示す図である。 この発明の実施の形態３によるアーク溶接装置のガスノズルを示す図である。 この発明の実施の形態４によるアーク溶接装置の複数のクランプ治具間をつなぐ導電ブロックを示す図である。 この発明の実施の形態５によるアーク溶接装置の気密チャンバを示す図である。 この発明の実施の形態６によるアーク溶接装置の移動する導電性シートを示す図である。 この発明の実施の形態７によるアーク溶接装置の電極と被溶接個所を囲う空間を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置を示す全体構成図である。
図１において、被溶接物１と電気的に切断された導電性ブロック２（第一の導電性ブロック）が配置され、導電性ブロック２は溶接電源３の片極に電気接続されている。導電性ブロック２上に溶接電源３の片極（導電ブロック２と逆極）に接続された電極を有するトーチ４を配置し、アーク起動が行われる。導電性ブロック２はシリンダ５などにより可動し、可動先にはクランプ治具６（クランプ手段）によりクランプされた被溶接箇所が配置されている。クランプ治具６はシリンダ７などにより可動する。トーチ４はロボット８により可動される。また、溶接電源３及びガス供給源９からトーチ４に電源及びガスを供給するゲーブル１０が設けられている。シリンダ５、７、クランプ治具６及びロボット８は、ベース１１上に固定される。また、ロボット８、溶接電源３、シリンダ５、７は、制御装置１２により制御される。

図２は、この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置のアーク起動を示す図である。
図２において、１、２、４〜６は図１におけるものと同一のものである。被溶接物１の被溶接個所１３がクランプ治具６に保持されている。トーチ４に電極１４が設けられている。被溶接個所１３は、電子部品のリードまたは電子部品を含み電気的回路を構成するブスバーである。 図３は、この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置の被溶接部と導電性ブロックの電気的接続を示す図である。
図３において、１、２、４〜６、１３、１４は図２におけるものと同一のものである。
図４は、この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置の被溶接物の溶接を示す図である。
図４において、１、２、４〜６、１３、ｌ４は図２におけるものと同一のものである。
図５は、この発明の実施の形態１によるアーク溶接装置のクランプ治具と被溶接個所の関係を示す図である。
図５において、１、４、６、１３は図２におけるものと同一のものである。

次に、動作について説明する。
まず始めに、この導電性ブロック２上にトーチ４を配置し、アーク起動を行う。この導電性ブロック２は、シリンダ５などにより可動し、可動先にはクランプ治具６によりクランプされた被溶接箇所１３が配置されている。なお、クランプ治具６は、被溶接箇所１３直下の被溶接箇所材料を保持する構成とし、クランプ治具６の材料は、導電性を有するもので作られる。

次に、図３に示すように、アーク起動を確認した後に導電性ブロック２を移動し、導電性ブロック２と被溶接箇所１３のクランプ治具６を接触させることで両者を電気的に接続する。この導電性ブロック２の移動は、制御装置１２の制御により行ってもよく、また、手動により行ってもよい。なお、この導電性ブロック２とクランプ治具６の接触による電気的接続に代わり、導電性ブロック２が接続された溶接電源３の片極とクランプ治具６とを直接ケーブル等で接続してもよい。ただし、このクランプ治具６と溶接電源３の電気的接続は、アーク起動後に行い、アーク起動前には両者を電気的に切断しておく。
次に、図４に示すように、アークを形成したまま、導電性ブロック２からクランプ治具６に挟まれた被溶接箇所１３の直上へトーチ４を移動し、ＴＩＧ溶接が行われる。このトーチ４の移動は、導電性ブロック２の移動完了後に行ってもよく、また、導電性ブロック２の移動と並行して行ってもよい。
なお、アーク起動の確認は、溶接電源の内部の電気回路、または、溶接電源の出力端子に接続されたケーブルに電流計を設置して導電性ブロック２に流れる電流値をモニタ手段によりモニタし、その電流値が所望の値に達していることを制御装置１２により確認して実施されるか、またはアークを視認することにより行ってもよい。

このような手順で溶接を行うと被溶接物１と離れたところでアークを起動するため、電磁誘導によってアーク起動時の高周波電圧や直流高電圧が被溶接物１の電気回路に廻り込むことを防止でき、被溶接物１に搭載された耐電圧の低い電子部品を損傷しない。
また、導電性ブロック２に流れる電流値を、モニタすることでアーク起動を確認できることから、アーク起動から最小のタイムラグで導電性ブロック２の可動ができ、装置のサイクルタイムを短縮できて生産性が向上する。
さらに、図５に示すように、クランプ治具６で被溶接箇所１３以外を覆うことで、アーク光が被溶接物１にあたることを防止し、その輻射熱で被溶接物１の損傷を防止できる。同時に設備の損傷も防止できる。

ここで、クランプ治具６を熱伝導率が高く、高強度の銅合金により形成することで、クランプ治具６の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。
また、クランプ治具６を水冷することで、クランプ治具６の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。

また、アーク起動用の導電性ブロック２を熱伝導率が高い純銅または銅合金により形成することで、導電性ブロック２の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。
さらに、アーク起動用の導電性ブロック２を水冷することで、導電性ブロック２の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。

また、アーク起動用の導電性ブロック２と溶接トーチ４の電極の距離を１ｍｍ以下にすることで、確実にアークが起動することから、アーク不起動による装置の停止を防止できる。
また、アーク起動時の設定電流を溶接時の設定電流よりも低くすることで、導電性ブロック２の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。
さらにまた、アーク起動時の導電性ブロック２と溶接トーチ４の位置関係を任意のアーク起動回数毎に変更することで、導電性ブロック２表面が常にアーク起動し易い状態となり、アーク不起動による装置停止を防止できる。
また、溶接電流の低下を検出し、制御装置１２によりアーク電圧をゼロにすることで、無負荷電圧による耐電圧の低い部品の損傷を防止できる。

加えて、直流高電圧によってアーク起動をする溶接電源を用いることで、電磁誘導の影響が低減でき、導電性ブロック２と被溶接物１の距離を近づけることが可能となって、装置がコンパクトになるとともに、サイクルタイムが短縮できて生産性が向上する。
また、ＴＩＧ溶接電源やプラズマ溶接電源を用いることで、スパッタが発生せず、被溶接物の短絡不良を防止できる。

実施の形態１によれば、被溶接物と電気的に切断された状態の導電ブロックでアーク起動させ、アーク起動時の高周波電圧や直流高電圧が被溶接箇所に直接負荷しないことから、被溶接物に搭載された耐電圧の低い電子部品を損傷しない。 また、導電性ブロックに流れる電流値をモニタすることでアーク起動を確認できることから、アーク起動から最小のタイムラグで導電性ブロックの可動ができ、装置のサイクルタイムを短縮できて生産性が向上する。
また、クランプ治具で被溶接箇所以外を覆うことにより、アーク光が被溶接物にあたることを防止し、その輻射熱で被溶接物の損傷を防止でき、同時に設備の損傷も防止できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２によるアーク溶接装置のクランプ治具を示す図である。
図６において、１、６、１３は図２におけるものと同一のものである。
図７は、この発明の実施の形態２によるアーク溶接装置のくし歯形状のクランプ治具を示す図である。
図７において、６、１３は図６におけるものと同一のものである。

実施の形態２は、図６のように、実施の形態１記載の被溶接箇所１３が複数ある場合、被溶接箇所１３は同一の形状とし、一括でクランプできるクランプ治具６を設ける。
これにより、１点ずつアーク起動をすることなく同一の条件で溶接ができるため、生産性が向上する。

また、図７に示すように、クランプ治具６をくし歯形状にすることで、被溶接箇所１３をトーチが移動する時にアークが途切れないことから、高周波電圧や直流高電圧の負荷で耐電圧の低い電子部品を損傷する恐れがあるアーク再起動が起こらない。
さらに、クランプ治具６と溶接トーチ４の電極との距離が５ｍｍ以下にすることで、クランプ治具６をくし歯形状にしなくても被溶接箇所１３をトーチ４が移動する時にアークが途切れないことから、高周波電圧や直流高電圧の負荷で耐電圧の低い電子部品を損傷する恐れがあるアーク再起動が起こらない。

実施の形態２によれば、同一形状の被溶接箇所が複数ある場合、一括してクランプでき、１点ずつアーク起動をすることなく同一の条件で溶接ができるため、生産性が向上する。
また、被溶接箇所をトーチが移動する時にアークが途切れないことから、高周波電圧や直流高電圧の負荷で耐電圧の低い電子部品を損傷する恐れがあるアーク再起動が起こらないようにすることができる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３によるアーク溶接装置のガスノズルを示す図である。
図８において、１、６、１３、１４は図２におけるものと同一のものである。

実施の形態３は、被溶接個所１３を覆うシールドガスの供給についてのものである。通常は、トーチ４からシールドガスが供給されるが、実施の形態３では、実施の形態２で述べた複数の被溶接箇所１３を一括でクランプする場合に、図８に示されるように、ガスノズル１５から供給されるシールドガスが同時に複数の被溶接箇所１３を覆うようにし、このガスノズル１５は、固定され、電極１４のみが移動して被溶接箇所１３を順次溶接するようにしている。

実施の形態３によれば、これにより、電極に追従してガスノズルが移動しないことから、被溶接箇所のシールド雰囲気が安定に形成され、溶接部の表面酸化やブローホールが発生しない。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４によるアーク溶接装置の複数のクランプ治具間をつなぐ導電ブロックを示す図である。
図９において、１、６、１３は図２におけるものと同一のものである。図９では、クランプ治具６が複数有り、クランプ治具６間を導電性ブロック１６でつなぎ、その導電性ブロック１６をシリンダ１７などにより可動する。

実施の形態４は、実施の形態１のクランプ治具６が複数ある場合のもので、クランプ治具６間をつなぐ導電性ブロック１６（第二の導電性ブロック）をシリンダ１７などにより挿入配置する。
これにより、被溶接箇所１３の間が離れている、またクランプ方向が異なる場合も、クランプ部ごとにアーク起動することなく溶接ができるため、生産性が向上する。

ここで、導電性ブロック１６を熱伝導率が高い純銅または銅合金により形成することで、導電性ブロック１６の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。
また、導電性ブロック１６を水冷することで、導電性ブロック１６の温度上昇が抑えられて損傷が抑制でき、その寿命が向上する。

実施の形態４によれば、被溶接箇所の間が離れているときや、クランプ方向が異なる場合にも、クランプ部ごとにアーク起動することなく溶接ができるため、生産性が向上する。

実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５によるアーク溶接装置の気密チャンバを示す図である。
図１０において、１、４、６、１３、１４は図２におけるものと同一のものである。気密チャンバ１８には、Ａｒガスなどの不活性ガスが充満している。

実施の形態５は、図１０に示されるように、電極１４および被溶接個所１３をＡｒガスなどの不活性ガスを充満した気密チャンバ１８の中に入れて溶接する。
これにより、被溶接箇所１３のシールド雰囲気が安定に形成され、溶接部の表面酸化やブローホールが発生しない。

実施の形態５によれば、被溶接箇所のシールド雰囲気が安定に形成され、溶接部の表面酸化やブローホールが発生しない溶接を行うことができる。

実施の形態６．
図１１は、この発明の実施の形態６によるアーク溶接装置の移動する導電性シートを示す図である。
図１１において、２、４、５、１４は図２におけるものと同一のものである。図１１では、電極１４に対向して導電性ブロック２上に導電性シート１９が移動するように配置され、この導電性シート１９をシート送り機構２０により移動させ、電極１４に対向する位置にアーク起動個所２１ができるようにする。この導電性シート１９は回転ブラシ２２（清浄化手段）により清浄化される。

実施の形態６は、図１１に示されるように、導電性ブロック２の表面に密着した導電性シート１９を配置し、任意のアーク起動回数毎に導電性シート１９を移動して異なる表面位置（アーク起動個所２１）でアークを起動する。

ここで、導電性シート１９の表面をブラシがけなどで機械的に清浄化することで、一度アーク起動したシート表面で再度アーク起動できることから、導電性シートの寿命が向上する。

実施の形態６によれば、これにより、導電性シートが常にアークが起動し易い状態であり、アークが確実に起動することから、アーク不起動による装置停止を防止できる。

実施の形態７．
図１２は、この発明の実施の形態７によるアーク溶接装置の電極と被溶接個所を囲う空間を示す図である。
図１２において、１、２、４〜６、１３、１４は図２におけるものと同一のものである。囲い２３は、空間を形成する。

実施の形態７は、図１２に示されるように、側面および底面が囲み空間を形成する囲い２３に、上面から電極１４、穴の開いた底面から被溶接箇所１３を配置し、トーチ４の移動範囲全体を一つの囲い２３に囲まれた空間とする。
この囲い２３内で溶接することにより、アーク光の輻射熱を囲いで遮光できるため、被溶接物１の被溶接箇所１３以外の熱的な損傷が防止できると共に、熱による設備の損傷も防止できる。

ここで、この囲い２３に囲まれた空間にＡｒなどの空気よりも重い不活性ガスを供給して溶接すれば、被溶接箇所１３のシールド雰囲気が安定に形成され、溶接部の表面酸化やブローホールが発生しない。

実施の形態７によれば、アーク光の輻射熱を囲いで遮光できるため、被溶接物の被溶接箇所以外の熱的な損傷が防止できると共に熱による設備の損傷も防止でき、被溶接個所のシールド雰囲気を安定に形成でき、溶接部の表面酸化やブローホールが発生しないようにすることができる。

１ 被溶接物
２ 導電性ブロック
３ 溶接電源
４ トーチ
５ シリンダ
６ クランプ治具
７ シリンダ
８ ロボット
９ ガス供給源
１０ ケーブル
１１ ベース
１２ 制御装置
１３ 被溶接個所
１４ 電極
１５ ガスノズル
１６ 導電性ブロック
１７ シリンダ
１８ 気密チャンバ
１９ シート
２０ シート送り機構
２１ アーク起動個所
２２ 回転ブラシ
２３ 囲い

Claims (23)

1. 溶接電源の一極に接続された電極、上記溶接電源の他極に接続された第一の導電性ブロック、この第一の導電性ブロックの表面に密着し、上記第一の導電性ブロックと電気的に結合され、上記電極との間でアーク起動が行われると共に任意のアーク起動回数毎に異なる表面でアークが起動されるように上記第一の導電性ブロック上を移動される導電性シート、及び導電性材料により形成され、被溶接物の被溶接個所を保持するクランプ手段を備え、上記第一の導電性ブロックと上記クランプ手段を電気的に切断された状態で上記導電性シートの表面でアーク起動を行うと共に、上記アーク起動後に上記第一の導電性ブロックと上記クランプ手段とを電気的に接続し、上記電極を移動して上記被溶接個所に対向させ、上記被溶接個所の溶接を行うことを特徴とするアーク溶接装置。
2. 溶接電源の一極に接続された電極、上記溶接電源の他極に接続された第一の導電性ブロック、この第一の導電性ブロックの表面に密着し、上記第一の導電性ブロックと電気的に結合され、上記電極との間でアーク起動が行われると共に任意のアーク起動回数毎に異なる表面でアークが起動されるように上記第一の導電性ブロック上を移動される導電性シート、及び導電性材料により形成され、被溶接物の被溶接個所を保持するクランプ手段を備え、上記溶接電源の他極と上記クランプ手段を電気的に切断された状態で上記導電性シートの表面でアーク起動を行うと共に、上記アーク起動後に上記溶接電源の他極と上記クランプ手段とを電気的に接続し、上記電極を移動して上記被溶接個所に対向させ、上記被溶接個所の溶接を行うことを特徴とするアーク溶接装置。
3. 上記導電性シートの表面を機械的に清浄化する清浄化手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のアーク溶接装置。
4. 上記クランプ手段は、複数の被溶接箇所を一括で保持することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアーク溶接装置。
5. 上記クランプ手段は、上記複数の被溶接個所をそれぞれ挟むようにくし歯形状を有していることを特徴とする請求項４記載のアーク溶接装置。
6. 上記クランプ手段と上記電極との距離を５ｍｍ以下にすることを特徴とする請求項４または請求項５記載のアーク溶接装置。
7. 上記クランプ手段は、複数設けられ、上記クランプ手段間を接続するように配置された第二の導電性ブロックを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のアーク溶接装置。
8. 上記第二の導電性ブロックは、銅合金により形成されていることを特徴とする請求項７記載のアーク溶接装置。
9. 上記第二の導電性ブロックは、水冷されていることを特徴とする請求項７または請求項８記載のアーク溶接装置。
10. 固定位置に配置され、上記複数の被溶接個所を覆うようにシールドガスを供給するガスノズルを備えたことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載のアーク溶接装置。
11. 不活性ガスを充満させた気密チャンバを備え、上記気密チャンバの不活性ガス中に上記電極および上記被溶接個所が収納されて溶接が行われることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のアーク溶接装置。
12. 上記クランプ手段は、アーク光を被溶接物と遮断するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のアーク溶接装置。
13. 側面及び穴が設けられた底面を有する囲いを備え、この囲いの上部から上記電極を配置し、上記底面の穴より上記被溶接個所を配置して上記囲いの中で溶接することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載のアーク溶接装置。
14. 上記囲いには、空気より比重の大きい不活性ガスが供給されることを特徴とする請求項１３記載のアーク溶接装置。
15. 上記クランプ手段は、銅合金により形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載のアーク溶接装置。
16. 上記クランプ手段は、水冷されていることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれかに記載のアーク溶接装置。
17. 上記第一の導電性ブロックは、純銅または銅合金により形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれかに記載のアーク溶接装置。
18. 上記第一の導電性ブロックは、水冷されていることを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれかに記載のアーク溶接装置。
19. 上記第一の導電性ブロックを流れる電流をモニタするモニタ手段を備え、このモニタ手段によりモニタされた電流値が所定値を超えたとき上記アーク起動が確認されることを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれかに記載のアーク溶接装置。
20. 上記アーク起動時の設定電流は、溶接時の設定電流よりも低いことを特徴とする請求項１〜請求項１９のいずれかに記載のアーク溶接装置。
21. 溶接電流の低下を検知し、アーク電圧をゼロにする制御装置を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項２０のいずれかに記載のアーク溶接装置。
22. 上記溶接電源は、直流高電圧を供給することを特徴とする請求項１〜請求項２１いずれかに記載のアーク溶接装置。
23. 上記溶接電源は、ＴＩＧ溶接電源またはプラズマ溶接電源であることを特徴とする請求項１〜請求項２１のいずれかに記載のアーク溶接装置。