JP5011796B2 - アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接方法に関し、接合技術の技術分野に属する。

複数の金属板を重ね合わせてアーク溶接するアーク溶接方法として、例えば特許文献１に記載のものがある。この方法においては、図１４に示すように、第１、第２ワーク１，２を溶接するに際して、溶接トーチ３からアークＡを照射する側の第１ワーク１に、反アーク照射側に突出する凸状部１ａを設けると共に、該凸状部１ａの反アーク照射側の表面に複数の溝１ａ′…１ａ′を形成している。そして、第１ワーク１の凸状部１ａが第２ワーク２上に接するようにして、両ワーク１，２を重ね合わせる。次に、溶接トーチ３の外周側に配設された筒状の押し具４で前記第１ワーク１の凸状部１ａの外周側を第２ワーク側に加圧することにより、第１ワーク１を第２ワーク２側に押付け、この状態でアークＡを前記凸状部１ａの中央部に照射することにより両ワーク１，２を溶接するようになっている。

このような方法によれば、溶接時に発生した亜鉛ガスが凸状部１ａの溝１ａ′…１ａ′から排出されるため、ピット、ブローホール等の溶接欠陥の発生が防止されるという効果が得られる。また、前記押し具４により第１ワーク１を第２ワーク２側に押付けるので、ワーク１，２にうねりや歪がある場合でもワーク１，２同士を確実に接触させることができる。これにより、ワーク１，２の間隔を正確に管理することができ、溶接の安定性が向上することになる。
特開平９−４７８７３号公報

ところで、図１５に示すように、一方のワーク５を他方のワーク６に重ね合せて、溶接トーチ７からアークＡを照射することにより両ワーク５，６をアーク溶接するときを考えると、所定の重ね合せ部分にアークＡを照射して、両ワーク５，６を溶融させた後、溶融部８が凝固するときに、ワーク５の溶融部８が冷却過程で収縮する。このとき、図１６に示すように、この収縮に伴って溶融部８の周縁部８ａに中央に向かう引張力（矢印ア参照）が作用する。その結果、図１７に示すように、溶融部８の周縁部８ａにこの引張力に追従できない箇所が生じ、溶融部８の周縁部８ａが破断し、溶け落ち９が発生する。

特に、溶融部８の周囲が位置決めなどのために拘束されている状態においては、溶融部８の収縮の際に、ワーク５の溶融部８と拘束部位との間の限られた領域で前記引張力に追従しなければならないので、前記溶け落ち９が発生し易い。

さらに、アークＡが照射される側のワーク５は溶接時に受ける熱量が大きいため、溶融部８が広い範囲に拡がることになる。そのため、溶融部８の収縮量も大きくなり、ワーク５が薄板（例えば０．８ｍｍ以下）である場合に溶け落ち９の発生が顕著になる。これは、ワーク５が薄板であるほど溶融部８の周縁部８ａの引張力に耐えうる肉厚が確保できないからである。また、ワーク５，６同士の間隔が開いているときに、ワーク５が受ける熱量が大きくなって、前記溶け落ち９が発生し易くなる。

これに対して、前記特許文献１に記載の方法では、図１４に示したように、押し具４によりワーク１を第２ワーク２側に押付け、ワーク１，２同士を確実に接触させることにより、前記のようなワーク同士が離れることによる溶け落ちを防止する効果はあるが、これだけでは溶け落ちの発生を確実に防止するまでには至らず、例えば前述のように溶融部８の周囲が拘束され、又は薄板のワーク５を溶接するような際には溶け落ちが発生し得るのである。

そこで、本発明は、アーク溶接方法において、溶融部の溶け落ちを確実に防止することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、第１ワークを第２ワークに重ね合わせてアーク溶接するアーク溶接方法であって、上方に拡径する凹状部を有する第１ワークを該凹状部の底部が接するように第２ワーク上に重ね合わせる第１ステップと、該第１ステップの後に実行され、前記第１ワークの凹状部を囲む外周部を第２ワーク側に加圧し、該凹状部の底部にその中央部を指向する圧縮応力を付与しながら、該凹状部を上方に拡径したテーパ面部を押し開くように圧潰させる第２ステップと、該第２ステップの後に実行され、前記凹状部の底部の中央部をアーク溶接する第３ステップとを有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のアーク溶接方法において、前記第１ワークは、第２ワークよりも薄板であると共に、前記第３ステップでは、第１ワーク側のみからアーク溶接することを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または請求項２に記載のアーク溶接方法において、前記第３ステップでは、該凹状部の底部の中央部に点状にアーク溶接することを特徴とする。

一方、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載のアーク溶接方法において、前記第２ステップでは、加圧手段により前記第１ワークの凹状部を囲む外周部を加圧すると共に、前記第３ステップでは、該加圧手段により加圧した状態を維持しながらアーク溶接することを特徴とする。

そして、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載のアーク溶接方法において、前記加圧手段は溶接トーチに付設されていることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、第１ワーク上方に拡径した凹状部が形成され、第１ステップでこの凹状部の底部が接するように第２ワーク上に重ね合わせると共に、第２ステップで第１ワークの凹状部を囲む外周部を第２ワーク側に加圧するので、該凹状部の底部にその中央部を指向する圧縮応力が付与される。そして、第３ステップで凹状部の底部の中央部がアーク溶接された際に、この溶接部分が溶融して、この後、溶融部が冷却過程で収縮し、該溶融部の周囲に中央への引張力を作用させることになるが、前記第２ステップにより凹状部の底部にその中央部を指向する圧縮応力が作用するので、溶融部分の周囲が前記引張力に対して追従し易くなり、溶け落ちの発生が防止される。

また、第１ワークが第２ワーク側に加圧されるので、第１、第２ワーク間の隙間を確実に無くすことができ、この点からも溶け落ちの発生が防止される効果が得られる。このように、本発明によれば、溶融部の溶け落ちの発生を防止する効果が高く、例えば溶融部の外周側が拘束されているなどの溶け落ちが発生し易い状況であっても、確実にこれを防止することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、第１ワークが第２ワークに対して薄板とされていると共に、第１ワーク側の片側からアーク溶接が行われるようになっており、溶け落ちが発生し易い状況の場合に、前記請求項１に記載の発明が適用されることにより、確実に溶け落ちの発生が防止される。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、アーク溶接は該凹状部の底部の中央部に点状に行われるので、ワークを加圧変形させる手段を複雑化、大型化することなく、前記の溶け落ちの発生を防止する効果が得られる。

また、請求項４に記載の発明によれば、前記第２ステップでは、加圧手段により前記第１ワークの凹状部を囲む外周部を加圧すると共に、前記第３ステップでは、該加圧手段により加圧した状態でアーク溶接するようになっているので、加圧手段をアーク溶接の際の押え、つまり位置決め手段としても有効に機能させることができる。この結果、溶接時の第１、第２ワーク間の隙間を確実に無くすことができると共に、アーク照射箇所の位置精度が向上し、前記請求項１に記載の発明の効果が確実に得られることになる。

そして、請求項５に記載の発明によれば、加圧手段は溶接トーチに付設された構成であるから、簡単な装置構成により、第２ステップにおける第１ワークの加圧、第３ステップにおけるアーク溶接の一連の作業を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１には、本実施形態で接合する自動車の車体のフロアパネル１０とＢフレーム２０とを示す。フロアパネル１０は板厚０．７ｍｍの平板状の部位を有する部材であると共に、Ｂフレーム２０は前記フロアパネルよりも板厚の大きい上方に開口する断面略コ字状の部材であり、該Ｂフレーム２０の上端部にそれぞれフランジ２１，２１が形成されている。そして、フロアパネル１０とこれらのフランジ２１，２１とが上下に重ね合せられ、接合されることになる。

前記フロアパネル１０には、Ｂフレーム側に凹む凹状部１１が形成されている。図２に断面形状で示すように、この凹状部１１は、上方に拡径するテーパ面部１１ａと該テーパ面部１１ａの端面を構成する円状の底面部１１ｂとを有しており、フロアパネル１０とＢフレーム２０とが重ね合わせられたときに、前記底面部１１ｂの下面がＢフレーム２０のフランジ２１の上面に当接するようになっている。

一方、図３に示すように、前記フロアパネル１０とＢフレーム２０とのアーク溶接を行う溶接装置３０は、主な構成要素として、溶接トーチ３１と、該溶接トーチ３１の外周側で該溶接トーチ３１に対して上下に相対移動可能とされた円筒形状の加圧部材３２と、該加圧部材３２を移動制御する一対のエアシリンダ３３，３３とを有している。

前記溶接トーチ３１は、上下に延びる溶接ワイヤ３１ａと、該溶接ワイヤ３１ａを下部を所定長さ露出させた状態で該溶接ワイヤ３１ａの外周を覆う銅管３１ｂと、該銅管３１ｂの外周側に配設されたセラミック製の絶縁層３１ｃと、該絶縁層３１ｃの外周側に配設されて下端部が前記溶接ワイヤ３１ａの下端部よりも上方に位置する円筒状の銅管３１ｄとを有している。また、前記銅管３１ｂと絶縁層３１ｃとの隙間から下方側に不活性ガスが供給されるようになっている。

前記エアシリンダ３３は、前記溶接トーチ３１の上部にシリンダ本体３３ａが連結されて、ロッド３３ｂの先端が前記加圧部材３２の上部に固定された支持部材３２ａに連結された構成である。そして、エアシリンダ３３のロッド３３ｂが後退した状態で、前記加圧部材３２の下端部は前記溶接ワイヤ３１ａの下端部よりも下方に位置するようになっている。なお、加圧部材３２を上下移動させるアクチュエータとしては前記エアシリンダ３３に限らず、モータ等であってもよい。

次に、前記溶接装置３０を用いた前記フロアパネル１０とＢフレーム２０との接合方法について説明する。

まず、図３に示すように、エアシリンダ３３のロッド３３ｂが後退した状態で、前記加圧部材３２の下部端面が前記フロアパネル１０の凹状部１１の外周縁の直外周部１１ｃに対向位置するように、該フロアパネル１０とＢフレーム２０とが重ねられた状態で配置する。このとき、溶接ワイヤ３１ａが凹状部１１の中心部１１ｄに所定の間隔（例えば１５ｍｍ）を隔てて対向した状態となる。また、凹状部１１の周囲において既に溶接された部位が複数箇所存在し、フロアパネル１０の凹状部１１の周囲は拘束された状態となっている。なお、フランジ２１の下面には、該フランジ２１下面に当接し、該フランジ２１の上方からの荷重を吸収する支持部材４０が配置されている。

そして、図４に示すように、エアシリンダ３３のロッド３３ｂを進出させるように制御して、加圧部材３２によりフロアパネル１０をＢフレーム２０側に押圧する。このとき、加圧部材３２の押圧力によりフロアパネル１０の凹状部１１が変形することになる。つまり、加圧部材３２の押圧力により、凹状部１１のテーパ面部１１ａが中間部で屈曲する変形が生じ、これによって上方に凸となる環状の屈曲部１１ｅが形成される。この屈曲部１１ｅにより、凹状部１１における屈曲部１１ｅの内方側に中央を指向する圧縮応力（矢印イ参照）が発生することになる。

次に、図５に示すように、溶接ワイヤ３１ａから凹状部１１の中央部１１ｄに点状にアークＡが照射される。このとき、アークＡの照射部分、即ち凹状部１１の中央部１１ｄとこれに重なるＢフレーム２０の部位２２とが溶融し、図６に示すように、溶融部５０が形成される。

そして、アークＡの照射が終了すると、エアシリンダ３３のロッド３３ｂを後退させる。この後、前記溶融部５０が冷却し、この冷却過程で溶融部５０は収縮することになる。そのため、この溶融部５０は溶融金属の収縮に伴って、図６、７に示すように、該溶融部５０の周縁部５０ｂに対して中央方向への引張力（矢印ア参照）が作用することになる。このとき、前記のように凹状部１１を変形させて屈曲部１１ｅを形成したことにより凹状部１１には中央を指向する圧縮応力（矢印イ参照）が作用しているので、前記溶融部５０の収縮に対して周縁部５０ａが中央方向に追従し易くなり、周縁部５０ａの破断、即ち溶け落ちの発生が防止される。

また、前記加圧部材３２によりフロアパネル１０がＢフレーム２０側に加圧されるので、これらの部材１０，２０間の隙間を確実に無くすことができ、この点からも溶け落ちの発生が防止される効果が得られる。

しかも、本実施の形態においては、薄板のフロアパネル１０の側からアークＡを照射するようになっていると共に、該フロアパネル１０における溶融部５０の周囲が拘束されている状況、即ち溶け落ちが発生し易い状況であるが、前記のような方法により溶け落ちの発生が確実に防止されることになる。

また、本実施形態のように、点状にアーク溶接する場合には、加圧部材３２を円筒状に形成すればよく、装置３０の複雑化、大型化を招くことがない。

さらに、前記加圧手段３２は、溶接の際の位置決め手段（押え手段）としても兼用することができるので、別途位置決め手段を備える必要がなくなって、装置の簡素化が図られる。また、このように加圧手段３２により確実に位置決めすることにより、溶融部５０の位置精度が向上し、つまり溶融部５０を凹状部１１の中央に精度良く形成することができるので、加圧部材３２により凹状部１１が加圧変形された際に、溶融部５０の周囲に均等に圧縮応力が作用することになって、溶け落ちの発生を防止する効果が高まる。

また、前記のように溶接トーチ３１に加圧部材３２を付設することによって、簡単な装置構成により、該加圧部材３２によるフロアパネル１０の加圧変形、溶接トーチ３１を用いたアーク溶接の一連の作業を行うことができる。

次に、前記フロアパネル１０の変形例を説明すると、図８に示すように、フロアパネル１０′は、凹状部１１が反Ｂフレーム２０側に突出する凸部１２の中央に設けられ、凹状部１１の底面部１１ｂとフロアパネル１０の延設面１３とが同一面上に位置するように構成されているものがある。これによれば、フロアパネル１０′の裏面とＢフレーム２０のフランジ２１の表面とが面同士で接触することになり、溶接作業の安定性を向上させることができる。

一方、前記実施形態では、加圧部材３２を押付ける際に、フロアパネル１０の裏面がフランジ２１表面に当接するまで加圧したが、図９に示すように、フロアパネル１０の裏面とフランジ２１表面との間に間隔ｄを確保して、つまりこれらが当接しないように加圧することによっても凹状部１１を変形させることができ、同様に凹状部１１に中央に向かう圧縮応力を付与することができる。また、図１０に示すように、加圧部材３２により凹状部１１のテーパ面部１１ａの外周縁１１ｆを加圧するようにしてもよく、この場合には前記のような屈曲部１１ｅは形成されないが、凹状部１１に中央に向かう圧縮応力は付与されることになる。

次に、前記加圧部材３２の変形例について説明する。まず、図１１に示すものは、エアシリンダ３３，３３のロッド３３ｂ，３３ｂ先端にリング状の加圧部材３２′が連結されたものである。これにおいては、エアシリンダ３３，３３の制御により溶接トーチ３１の外周側で前記加圧部材３３ｃが上下方向に移動することになる。溶接時には加圧部材３２′の下面がフロアパネル１０の凹状部１１の外周部１１ｃに当接することになる。これによれば、加圧部材３２′にスパッタ等が付着したときに容易に取り除くことが出来るので、メンテナンス性が向上することになる。

また、図９に示すものは、３つのエアシリンダ３３…３３のロッド３３ｂ…３３ｂ先端にそれぞれ加圧部材３２″…３２″が連結されており、これらの加圧部材３２″…３２″は前記加圧部材３２′を等角度で３分割したものとなっている。これにおいては、エアシリンダ３３…３３の制御により溶接トーチ３１の外周側でそれぞれの加圧部材３２″…３２″が上下方向に移動し、溶接時には加圧部材３２″…３２″の下面がフロアパネル１０の凹状部１１の外周部１１ｃに当接することになる。これによれば、前記と同様に加圧部材３２″…３２″のメンテナンス性が向上すると共に、フロアパネル１０の凹状部１１を囲む外周部１１ｃが傾斜していたり、凹凸が形成されている場合においても、各加圧部材３２″…３２″によりこの外周部１１ｃに均等に押圧力を付与することが可能であり、フロアパネル１０の凹状部１１を確実に変形させ、また、該凹状部１１の底面部１１ｂの下面全体をＢフレーム２０側に確実に押付け、両者１０，２０の隙間を無くすことができる。

一方、前記実施形態では、点状にアーク溶接するものについて説明したが、本発明は線状にアーク溶接するものであっても適用することができる。例えば直線状にアーク溶接するものにおいては、前記凹状部１１′の形状は、溶接経路の直線１１ｄ′から等距離の点を集合させて底面部１１ｂ′の外周が形成され、この底面部１１ｂ′から上方に拡径するテーパ面１１ａ′が形成されたものとされる。この場合には、凹状部１１′の外周部１１ｃ′に沿う端面形状を有する加圧部材３２が準備されることになる。そして、前記同様に、加圧部材３２によって凹状部１１′を囲む外周部１１ｃ′を加圧することにより凹状部１１′の内部に前記直線１１ｄ′に向かう圧縮応力が付与される。次に、この状態で直線１１ｄに沿って溶接トーチ３１を移動させつつアークＡを照射させたときに、直線状に形成された溶接部５０が収縮しても、前記圧縮応力により溶融部５０の溶け落ちの発生が防止されるのである。なお、この場合は加圧部材３２に対して溶接トーチ３１は任意に移動可能に構成されることになる。

本発明は、アーク溶接方法に関し、溶接部の溶け落ちの発生が防止できるから、製造産業に広く利用可能である。

本発明の実施の形態に係るフロアパネルとＢフレームの斜視図である。 図１の線Ｘ−Ｘによる断面図である。 アーク溶接を行う装置の正面図である。 加圧部材による加圧時の説明図である。 アーク照射時の説明図である。 溶融部の周縁部に作用する引張力及び凹状部の圧縮応力の説明図である。 同説明図である。 フロアパネルの変形例の説明図である。 凹状部を変形させる他の例の説明図である。 同説明図である。 加圧部材の変形例の説明図である。 同説明図である。 直線状に溶接するときの説明図である。 従来技術の説明図である。 従来の問題点の説明図である。 溶接部周辺に作用する力の説明図である。 図１５の領域Ｙの拡大図である。

符号の説明

１０ フロアパネル
１１ 凹状部
１１ｂ 底面部
１１ｄ 中央部
２０ Ｂフレーム
３２ 加圧部材

Claims (5)

1. 第１ワークを第２ワークに重ね合わせてアーク溶接するアーク溶接方法であって、
   上方に拡径する凹状部を有する第１ワークを該凹状部の底部が接するように第２ワーク上に重ね合わせる第１ステップと、
   該第１ステップの後に実行され、前記第１ワークの凹状部を囲む外周部を第２ワーク側に加圧し、該凹状部の底部にその中央部を指向する圧縮応力を付与しながら、該凹状部を上方に拡径したテーパ面部を押し開くように圧潰させる第２ステップと、
   該第２ステップの後に実行され、前記凹状部の底部の中央部をアーク溶接する第３ステップとを有することを特徴とするアーク溶接方法。
2. 前記請求項１に記載のアーク溶接方法において、
   前記第１ワークは、第２ワークよりも薄板であると共に、
   前記第３ステップでは、第１ワーク側のみからアーク溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
3. 前記請求項１または請求項２に記載のアーク溶接方法において、
   前記第３ステップでは、該凹状部の底部の中央部に点状にアーク溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載のアーク溶接方法において、
   前記第２ステップでは、加圧手段により前記第１ワークの凹状部を囲む外周部を加圧すると共に、
   前記第３ステップでは、該加圧手段により加圧した状態を維持しながらアーク溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
5. 前記請求項４に記載のアーク溶接方法において、
   前記加圧手段は溶接トーチに付設されていることを特徴とするアーク溶接方法。

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