JP5095910B2 - ロボットｔｉｇ溶接のためのワイヤガイド／ノズルアッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、ロボット溶接用の一体化された消耗ワイヤフィードを有する自動ＴＩＧ溶接トーチに関する。

溶接ワイヤを供給されるＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接トーチは、通常、当該トーチに専用の溶接プロセスを実施するために適切な内部部品を備えたワンピース体の形態にある。

トーチは、ストレートであるか、屈曲であり得、すなわち、ビームは、ストレートトーチの場合にはトーチの軸に沿って、屈曲トーチの場合にはトーチの軸に垂直に出てゆく。

通常トーチ支持体または載置部材と呼ばれるトーチの後部には、各タイプのラインに特有の接続システムによりトーチ本体に接続された柔軟なもしくは半剛性流体供給ラインが設けられている。

電力供給ケーブルは、液体冷却またはガス冷却ケーブルの場合を除き、機械手段により、通常それらをトーチの対応する回路にねじ止めすることによってグループ化され、適切に取り付けられている。

クリップ等によりトーチの後部に取り付けられている柔軟なチューブ状シースが、ケーブル束をグループ化し、これを保護している。

トーチ本体と呼ばれるトーチの前部は、シールドガスを送給するためのノズルを備え、このノズルは、ねじまたは他の保持システムもしくは同様のシステムによりトーチ本体に、および電極にも、取り付けられている。

ノズルは、金属で形成され得、水またはガスのような冷却流体により冷却してもよいし、しなくてもよく、この場合、ノズルは、トーチ本体から電気的に絶縁され得る。

しかしながら、ノズルは、また、適切な非冷却絶縁材料、例えばセラミックで作ることもできる。

さらに、通常純タングステンまたはトリウムタングステンで作られる電極が、ノズルが電極の周りにスリーブを形成するように保持システム等によりトーチの中心に保持される。

さらに、消耗ワイヤ供給システムは、一般に、トーチとは独立に設けられる。すなわち、このシステムはトーチ本体またはトーチ支持体に強固に取り付けられ、トーチ支持体は、トーチを移動させるためのデバイスにトーチを接続する部材である。

通常、図１に示されているように、溶接ワイヤは、供給システム３により、ノズル１により取り囲まれた電極２の後部で、溶接方向において、液体金属にたいして接線方向もしくはほぼ接線方向に溶接プール中に供給される。これらの通常の条件において、電極２と溶接ワイヤ３によって規定される角度Ｂは、約８５°〜９０°である。

しかしながら、実際には、このタイプのトーチは、いくつかの欠点を有するために、ロボットＴＩＧ溶接には適切でないことがわかった。

すなわち、接線方向のワイヤ供給は、平行ジョーを有するリグにおける自動ＴＩＧ溶接プロセスには完全に適しているが、このことは、いずれの位置においても溶接するために空間要求の観点がきわめて重要であるところのロボット溶接には、当てはまらないのである。

しかしながら、トーチとは独立に設けられる消耗ワイヤ供給システムを有することは、アッセンブリの全体サイズを大きくし、ロボット溶接での実際の使用に反することは容易に理解されるであろう。

加えて、溶接方向に対する溶接ワイヤの位置を制御することは、ロボットの追加の軸を使用することを要し、装置を複雑化させ、コストを増加させ、故障の原因となる。

さらに、ＴＩＧ溶接においては、ばらつきがなく再現性のある結果を得るために、完全に鋭化された、すなわちとがった電極を使用する必要がある。

そうするために、電極は、その磨耗を補償するために、定期的に再鋭化させなければならないか、その磨耗が大きすぎる場合には、完全に交換さえしなければならない。

この操作は、機械を停止し、電極を取り外し、鋭化し、または交換し、再度装填し、最後に、ワイヤの正確な位置を電極の後部で溶接ジョイントに対して接線方向に再配置するように電極とワイヤのそれぞれの位置を正確に調節することを作業者に要求する。

この手続は、製造機械を１回以上停止することを要し、２または３シフトで使用されるロボットの期待される性能に損害を与える。この手続は、電極とワイヤの位置決めをより正確に行わなければならないほど、時間がかかることは容易に理解されるであろう。

この観点で、提起される課題は、上記欠点を持たない、電気アーク溶接トーチのための改善されたワイヤガイド／ノズルアッセンブリ、および消耗ワイヤフィードを有する改善された自動ＴＩＧ溶接トーチを提案することである。

いいかえると、本発明の目的は、溶接ワイヤを電極に対して容易かつ正確に配置することができる、溶接ワイヤを有するＴＩＧ溶接用の新規なトーチ構造を提供することである。

本発明の解決策は、ガスを送給するための少なくとも１つのノズルおよび少なくとも１つの消耗ワイヤを案内するための少なくとも１つのワイヤガイドシステムを備え、前記ワイヤガイドシステムの下流端が前記ノズル内に達していることを特徴とする電気アークトーチのためのワイヤガイド／ノズルアッセンブリである。

場合に応じて、本発明のワイヤガイド／ノズルアッセンブリは、以下の技術的特徴の１つまたはそれ以上を含むことができる。

− ノズルの周囲壁が、ワイヤガイドシステムが通過する少なくとも１つの切り欠き部を有する；
− ワイヤガイドシステムが、ノズルに固定されている；
− ワイヤガイドシステムの下流端における軸とノズルの軸とが、互いに、１０°〜７０°、好ましくは約１５°〜４５°の角度をなす；
− ワイヤガイドシステムが、中空かつ長方形の一般形状にあり、好ましくは、ワイヤガイドシステムが、中空チューブの形状を有し、その内径が０．６ｍｍ〜２ｍｍである；
− ワイヤガイドシステムが、湾曲部が後続する、ノズルの軸に平行な部分を備え、この平行部分と湾曲部は、ともに、ノズルの外側に配置されている；
− ワイヤガイドシステムの平行部分の軸をノズルの軸から隔てている距離が、３０ｍｍ以下である；
− ノズルが、ノズルを溶接トーチに取り付けるための取り付け手段を備え、好ましくは取り付け手段は、ノズルの外側周囲壁上に設けられたねじ山（thread）を備える。

他の側面によれば、本発明は、そのようなワイヤガイド／ノズルアッセンブリを備えるＴＩＧ溶接トーチにも関する。

好ましくは、トーチは、ワイヤガイドにより運ばれるワイヤがノズルを貫通し、電極またはノズルの軸に対して５°〜５０°、好ましくは１０°〜３０°の角度で電極に向かって伸びるようにワイヤガイド／ノズルアッセンブリに対して配置された非消耗電極をさらに含み、ワイヤおよび電極は、同一の平面内にある。

トーチは、ワイヤガイド／ノズルアッセンブリを所定の位置に取り付ける載置部材をさらに備える。

さらに他の側面によれば、本発明は、そのようなトーチを備えるロボットアームを少なくとも１つ有するロボット溶接装置に関する。

以下、本発明を添付図面を参照してより詳細に説明する。図面において、
− 図１は、先行技術によるＴＩＧトーチのためのワイヤ供給構造の側面図を示し、
− 図２は、本発明によるＴＩＧトーチのための載置部材の頂面図を示し、
− 図３および図４は、本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド／ノズルアッセンブリの側面を概略的に示し、
− 図５および図６は、本発明によるトーチを通る長手方向断面図であり、
− 図７〜図９は、本発明によるトーチのワイヤガイド／ノズルアッセンブリの可能な配置を概略的に示す。

本発明によるアーク溶接トーチは、３つの主要サブアッセンブリ、すなわちトーチ支持体もしくは載置部材２７、トーチ本体１６、およびワイヤガイドシステム１３を内包し、ワンピースワイヤガイド／ノズルアッセンブリを形成するノズル１１から構成される。

トーチ支持体もしくは載置部材は、すべての流体入り口、特に冷媒（水）の供給および変換のためのもの；溶接プロセスを行うために必要なガスまたは複数ガスのための入り口；１またはそれ以上の電力ケーブルを介する電力用接続（これらケーブルは、ソリッド（solid）であるか、または液体冷却またはガス冷却され、その取り付け方法は、関係するケーブルに依存する）；および溶接ワイヤ案内シース用の入り口（シースは、電極により規定されるトーチの幾何学的軸に平行にある）を支持する。

載置部材２７は、それ自身「耐衝撃性」安全装置に載置された適切な機械部材によりロボットシステムのリスト（wrist）に固定されている。

載置部材２７は、一方では、載置部材が流体、すなわちガスおよび冷却水を送給する対象であるトーチ本体１６サブアッセンブリ、および溶接プロセスを行うために必要な電気接触を提供することが意図されたコンタクトソケットを介しての電力を受け、他方では、載置部材が溶接金属、すなわち消耗溶接ワイヤを送給する対象であるワイヤガイド１３／ノズル１１アッセンブリを受ける。

載置部材２７の設計は、ワイヤガイド１３／ノズル１１アッセンブリが、行おうとする溶接操作に従い予め選択された位置３０においてトーチ本体１６サブアッセンブリと同心的に位置することを可能とするものであり、種々の位置３０は、図２に図式的に示すように、２７０°リングにわたって分布している。

図５および図６に示すように、トーチ本体１６は、筒状焼結タングステンロッド内に作られた純タングステンもしくはトリウムタングステン電極１２を収容し、電極の一端は尖っている。

電極１２は、プッシュ作動もしくはプル作動グリッパシステム、かみ合いシステム等のような通常の保持システムにより中央に保持される。

電極１２は、また、２つの部材、すなわち純タングステンまたはトリウムタングステンで作られた、押し込み固定され、クリンプされまたはろう付けされた部分を支持する、銅合金で作られた支持部材から構成することもできる。この場合、電極は、摩滅したときに交換される消耗電極となる。

トーチ本体１６は、トーチ支持体内に作られた冷却液体回路により冷却されてもよいし、されなくてもよい。

トーチ本体１６は、追加の中央ガス回路を備えることもできる。その場合、トーチ本体は、デュアルフローＴＩＧプロセスを行うために、ノズル１１の周りに配置された外側ノズルを備える。

トーチ本体１６は、トーチ本体１６の肩部３１に（３０において）当接することとなるトーチ支持体もしくは載置部材２７中に挿入され、肩部３１は、Ｚアクセスに沿う位置のための参照点として作用する。トーチ本体が肩部に当接して配置されたら、トーチ本体をその場に保持するために、適切な機械デバイス、例えばロックリング、コッターピンシステム等によりロックすることができる。

ワイヤガイド１３／ノズル１１アッセンブリは、例えばろう付け、ねじ、ボンドまたは溶接により互いに固着されたノズル１１およびワイヤガイドシステム１３から構成される。

図３および図４に詳細に示すように、ノズル１１は、筒状の一般形状の中空金属部品であり、トーチのパワーに応じてトーチ支持体２７由来の冷却液により冷却してもしなくてもよい。

ノズル１１は、トーチ本体１６と同心となるようにトーチ支持体２７に固定され、トーチ本体から電気的に絶縁されている。

軸調節デバイス１５が、ワイヤガイド１３／ノズル１１アッセンブリを電極１２に対して正確に位置させることを可能とする。調節デバイス１５は、例えば、トーチ本体１６の部分１８と協働するねじ付リング１５およびノズル１１の下流端の外周壁に設けられたねじ山１７を含む。

ノズル１１は、溶接ワイヤ１４を搬送するためのワイヤガイド１３を受け入れる。

ワイヤガイド１３は、チューブ状部材の形態にあり、その内径は、使用するワイヤ１４の直径に依存する。

ワイヤガイド１３は、図３に示すように、ノズル１１の外側に沿ってノズル１１から短い距離Ｄで走行し、典型的には約３０ｍｍ以下の距離Ｄでノズルと平行に配置されている。図３からわかるように、距離Ｄは、ノズル１１の軸と、ノズル１１の軸と平行かほとんど平行なワイヤガイド１３の部分（部分２４）の領域におけるノズル１１の外側でのチューブ１３の軸との間の距離である。

ワイヤを搬送するために使用されるチューブ状部材１３は、半剛性ワイヤ１４を詰まりや過剰の摩擦なしにチューブ部材中を通ることを可能とするに十分な半径をもって曲げられ（部分２５）、また電極１２に面するその下流端で型彫り（profile）されている。

ワイヤガイド１３は、機械加工されたハウジングまたは切り欠き部１０を介して、電極１２の方向において、好ましくは電極１２またはノズル１１を通る軸に対して１０°〜３０°の角度でワイヤ１４がノズル１１を貫通するように、ノズル１１中に挿入され、ワイヤ１４と電極１２は、同一平面内にある。

ワイヤガイド１３／ノズル１１アッセンブリの幾何学形状は、末端部分、すなわち図４に示すようにワイヤがワイヤガイドを去る点におけるワイヤの案内されない部分が最小となるようなものである。ワイヤガイド１３の下流端２０は、図３および図４に示すように、電極１２またはトーチ本体１６と機械的に接触してはならない。

溶接ワイヤ１４の端部は、ＴＩＧプロセスの実施中に、与えられた仕事高さ（work height）およびガスについて得られるアーク電圧には無関係に、電気アークによって作られるアノードスポット２２中に入る。

溶接ワイヤ１４は、該ワイヤ１４の端部が電極１２の尖鋭端をかすめて通るように、すなわち、好ましくは溶接ワイヤ１４の直径よりも小さくない距離内で該尖鋭端に近づくように送給される。

従って、本発明のトーチは、ワンピース形態のものであり、すなわち、ワイヤガイド１３を備えるＴＩＧトーチは、部分的にノズル１１中に統合一体化され、従って作るべき接合の面に対してワイヤを案内するための追加の軸を必要とせず、ロボット溶接アームに一体化させることが非常に実際的になる。

電極１２を電極ホルダー１９に予めセットし、一体化されたワイヤガイド１３を備えるノズル１１を調節することは、ワイヤ１４が常にアークのアノードスポット中に到達するようにこれを電極１２に対して正確に位置させることを確実にする。

予めセットされた電極ホルダー１９は、ロボットのＺ軸に沿った再設定の必要なしに迅速にこのモジュールを交換することを可能とする。

電極ホルダー１９は、電極１２をシールドガスで遮蔽し、従って２つの同心ガス流を用いたＴＩＧ溶接プロセスの操作条件と同様に操作条件を提供するように配置することができる。

さらに、トーチは、アーク−電圧自己調節モードで操作させることができ、これはロボットにより直接行われる。

さらにまた、トーチは、機械的または光学的タイプの工業的ジョイントモニターシステム、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを備えるレーザを用いるものを備えることができる。

ワイヤ送出装置は、用途および利用可能な技術に依存して、連続的にまたは交互に動作させることができる。

溶接実験は、上記ロボットトーチを備える溶接アッセンブリは空間的に種々の幾何学的位置において動作することを立証している。

ワイヤ／電極平面およびワイヤ１４が電極１２と作る角度を考慮するならば、本アッセンブリは、図７〜図９に示す形態で動作することができる。すなわち、
− 電極が垂直で、ワイヤが一定の規定された角度で側部に到来する（図７の左側の図）か、ワイヤが垂直に到来し、電極が一定の規定された角度で側部に傾斜する（図７の中央の図）か、あるいは垂直軸がワイヤの軸と電極の軸との間の角度の二等分線を通る（図７の右側の図）、溶接方向における垂直ワイヤ／電極平面；
− 電極が垂直で、ワイヤが一定の規定された角度で側部に到来する（図８の左側の図）か、ワイヤが垂直に到来し、電極が一定の規定された角度で側部に傾斜する（図８の中央の図）か、あるいは垂直軸がワイヤと電極との間の角度の二等分線を通る（図８の右側の図）、角度Ｂ（図８参照、溶接方向に垂直な軸に対して０°〜９０°）で傾斜する垂直ワイヤ／電極平面。これらすべての角度は、約±５°という広い許容差を許容する。用いた形態とは無関係に、ワイヤは、好ましくは、溶接の進行方向において電極１２の後に送給されるが、反対の配置、すなわち進行方向においてワイヤが電極よりも先に来ることも使用可能である；
− 電極が垂直で、ワイヤが同じ側で構造角度で到来するか、電極が４０°までであり得る可変角度Ｂで傾斜する、溶接方向に直角なワイヤ／電極平面。

溶接電源により送られる電流は、カーボンまたはステンレス鋼並びにニッケル基、チタン／ジルコニウム基およびタンタル基合金の場合には、パルス化もしくは非パルス化ＤＣ電流であり得、アルミニウム基またはマグネシウム基軽合金を溶接するためにはＡＣまたは可変極性電流であり得る。

さらに、トーチに使用される溶接電極１４の送出は、連続的でも、あるいは例えば連結ロッド、クランクその他の機械的装置によりまたは送出モータを制御するための電子デバイスにより速度調節された動きによりパルス化されてもよい。

既に述べたように、本発明のトーチは、単一ガス流またはデュアルガス流タイプのＴＩＧ溶接プロセスに動作するように設計することができる。

本発明の溶接トーチは、被覆（亜鉛メッキまたは電気亜鉛メッキ）炭素鋼で作られた、フェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼で作られた、またはアルミニウムまたはマグネシウム軽合金で作られた厚さ０．５ｍｍ〜４ｍｍの金属シートまたはプレートからなる種々の要素を溶接またはブレイズ溶接により互いに接合するために使用することができる。

所望の用途に依存して、溶接ワイヤは、非合金もしくは低合金鋼、フェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼、ニッケルもしくはニッケル合金、純銅もしくは銅合金、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金で作ることができる。

本発明の溶接トーチは、非常に広範な部品または被加工物、特に自動車産業に意図された被加工物、殊にアルミニウムもしくはアルミニウム合金車体もしくは車体部品、ボンネット、トランクカバー、ドアおよびフロア接続、並びにフェライトもしくはオーステナイトステンレス鋼排気系を溶接するためばかりでなく、オートバイ産業のような他の産業用、特にアルミニウムもしくはアルミニウム合金バイクフレームを溶接するため、あるいは鋼もしくは軽合金足場もしくははしごを製造するための自動化溶接ロボットに取り付けることができるように設計される。本発明のトーチは、より一般的に、良質の溶接ビードを得ることを要するいずれもの溶接操作を行うために使用することができる。

一例として、本発明のトーチは、以下の表に示す条件の下で、良質の溶接を作る。

先行技術によるＴＩＧトーチのためのワイヤ供給構造の側面図。 本発明によるＴＩＧトーチのための載置部材の頂面図。 本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド／ノズルアッセンブリの側面の概略図。 本発明による電気アーク溶接トーチ用のワイヤガイド／ノズルアッセンブリの側面の概略図。 本発明によるトーチを通る長手方向断面図。 本発明によるトーチを通る長手方向断面図。 本発明によるトーチのワイヤガイド／ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。 本発明によるトーチのワイヤガイド／ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。 本発明によるトーチのワイヤガイド／ノズルアッセンブリの可能な配置を示す概略図。

符号の説明

１１…ノズル
１２…非消耗電極
１３…ワイヤガイドシステム
１４…溶接ワイヤ
１６…トーチ本体
２０…ワイヤガイドシステムの下流端
２４…ワイヤガイドシステムの平行部分
２５…ワイヤガイドシステムの湾曲部

Claims (13)

1. 尖鋭端を持つタングステン電極を有するワンピース形態のＴＩＧ溶接トーチを備える少なくとも１つのロボットアームを備え、前記トーチは、
   トーチ支持体または載置部材、
   肩部を有しており、前記トーチ支持体または載置部材中に挿入され、前記肩部が前記トーチ支持体または載置部材と当接したトーチ本体、
   前記トーチ支持体または載置部材中に挿入された前記トーチ本体をロックしてその場に保持する機械デバイス、および
   アッセンブリ
   を備え、前記アッセンブリは、
   ａ）ガスを送給するためのノズルであって、前記トーチ本体と同心になるように前記トーチ支持体または載置部材に固定され、その長さ方向に第１の軸を有しているノズル、および、
   ｂ）先端を有する消耗ワイヤを案内するためのワイヤガイドシステムであって、前記ワイヤガイドシステムは、中空チューブの形状を有し、前記ノズルに固定され、かつ第１の部分を含み、前記第１の部分は、前記ワイヤガイドシステムの下流端を含み、その長さ方向に第２の軸を有しているワイヤガイドシステム
   を備え、
   前記下流端は、前記消耗ワイヤを前記ノズル内に導き、
   前記消耗ワイヤの先端および前記タングステン電極は、同一平面内にあり、
   前記ノズルは、周囲壁をさらに有し、前記周囲壁は、前記ワイヤガイドシステムが通過する切り欠き部を有し、
   前記第１の軸と前記第２の軸は、互いに対し、約５°〜約５０°の角度をなし、
   前記ワイヤは、前記ワイヤの端が前記タングステン電極の該尖鋭端に接触することなく前記ワイヤの直径よりも小さくない距離で該尖鋭端に近づくように送給された後、溶接される少なくとも１つの部材上に電気アークにより作られるアノードスポット中に入るように案内され、
   前記ワイヤガイドシステムは、前記第１の部分の上流に位置し、前記第１の軸に平行な第２の部分と、これと接した第３の部分とをさらに含み、前記第３の部分は湾曲部を含みかつ前記第１および第２の部分間に介在し、前記第２の部分と前記第３の部分とは前記ノズルの外側に配置されているロボット溶接装置。
2. 前記第１の軸および第２の軸が、互いに対して、約１５°〜約４５°の角度で配置されている請求項１に記載のロボット溶接装置。
3. 前記ワイヤガイドシステムが、中空かつ長方形の形状にある請求項１に記載のロボット溶接装置。
4. 前記ワイヤガイドシステムの内径が０．６ｍｍ〜２ｍｍである請求項１に記載のロボット溶接装置。
5. 前記第２の部分の軸を前記ノズルの前記第１の軸から隔てている距離が、約３０ｍｍ以下である請求項１に記載のロボット溶接装置。
6. 前記ノズルが、前記ノズルを溶接トーチに取り付けるための取り付け手段をさらに備える請求項１に記載のロボット溶接装置。
7. 前記取り付け手段が、前記ノズルの外側周囲壁上に設けられたねじ山を備える請求項６に記載のロボット溶接装置。
8. 前記第１の軸と第２の軸が、約１０°〜約３０°の角度で配置されている請求項１に記載のロボット溶接装置。
9. ２つの金属部材を互いにロボット溶接またはロボットろう付け溶接するための方法であって、
   ａ）請求項１に記載のＴＩＧトーチを備えたロボットアームを有するロボット溶接装置を準備する工程、
   ｂ）前記ＴＩＧトーチにワイヤを供給する工程、
   ｃ）前記ワイヤを、前記ワイヤの端が前記タングステン電極の該尖鋭端に接触することなく前記ワイヤの直径よりも小さくない距離で該尖鋭端に近づくように送給した後、溶接される少なくとも１つの部材上に電気アークにより作られるアノードスポット中に入るように案内する工程、
   ｄ）前記ワイヤを溶融させ、それにより前記金属部材を互いに溶接またはろう付け溶接する工程
   を含む該方法。
10. 前記部材が、０．５〜４ｍｍの厚さを有する金属シートまたは板である請求項９に記載の方法。
11. 前記部材が、炭素鋼、ステンレス鋼、またはアルミニウムもしくはマグネシウム軽合金から作られている請求項９に記載の方法。
12. 前記部材が、コーティングされている請求項１０に記載の方法。
13. 前記ワイヤが、鋼、ステンレス鋼、アルミニウムもしくはマグネシウム軽合金、ニッケルもしくはニッケル合金、または銅もしくは銅合金で作られている請求項９に記載の方法。

Images