JP5344112B2 - アーク溶接用トーチ - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接用トーチに関し、さらに詳しくは、送り出される溶接ワイヤと接触して電流を供給する給電部が先端内周面に設けられたコンタクトチップと、該コンタクトチップ内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤを案内するワイヤガイドと、を備えており、コンタクトチップとワイヤガイドとの軸線を相対的に変化させてワイヤガイドに案内される溶接ワイヤをコンタクトチップの給電部に接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチに関するものである。

アーク溶接は、連続的に送られる溶接ワイヤにトーチを通じて電力を供給し、溶接ワイヤと被溶接物との間にアーク放電を発生させて、その熱エネルギーにより溶接ワイヤと被溶接物の一部とを溶融させ接合するものである。このようなアーク溶接に用いられるトーチに関する従来の技術としては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１には、溶接ワイヤを所定の曲率に曲げ成形し送り出すワイヤ送給部と前記ワイヤ送給部に連設され該ワイヤ送給部から送り出された溶接ワイヤにコンタクトチップを通じて電力を供給する給電トーチ部とから成り、前記給電トーチ部は、前記溶接ワイヤをほヾ直線状に案内して前記コンタクトチップに送り込むガイド筒を備えていることを特徴とするアーク溶接用トーチが開示されている。

また、このようなアーク溶接用トーチのなかには、図８に示すように、送り出される溶接ワイヤ２と接触して電流を供給する給電部１０ａ’が先端内周面に設けられたコンタクトチップ１０’と、このコンタクトチップ１０’内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤ２を案内するワイヤガイド１１’と、を備えており、コンタクトチップ１０’とワイヤガイド１１’との軸線を相対的に変化させてワイヤガイド１１’に案内される溶接ワイヤ２をコンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’に接触させるよう構成されたものが知られている。コンタクトチップ１０’の外側には、ノズル１３’との間に形成された流路にイナートガスを供給して、溶接部に吹き付けるように構成されている。このようなアーク溶接用トーチ１’では、ワイヤガイド１１’によって溶接ワイヤ２を案内するため、溶接部位に対して溶接ワイヤ２を正確に狙って送り出すことができ、また、コンタクトチップ１０’とワイヤガイド１１’との軸線を相対的に変化させることによってワイヤガイド１１’に案内される溶接ワイヤ２をコンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’に押しつけるようにして接触させるため、溶接ワイヤ２に確実に電流を供給することができる。このようなアーク溶接用トーチ１’におけるコンタクトチップ１０’は、一般に、溶接ワイヤ２の径が例えば１．２ｍｍの場合には、溶接ワイヤ２に対して給電部１０ａ’を確実に接触させるなどの目的から、図９の（ａ）に示したように、給電部１０ａ’の軸方向長さＬａ’が８．７〜１１．１ｍｍに成形されている。

ところで、アーク溶接用トーチ１’においては一般に、コンタクトチップ１０’が新しいときには、できるだけ効率よく電流を溶接ワイヤ２に供給するために、給電点Ｐがコンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’の母材３側先端に設定されている（図９の（ａ）を参照）。しかしながら、コンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’に対して溶接ワイヤ２が接触した状態で送り出されるため、図９の（ｂ）に示すように給電部１０ａ’が摩耗し、溶接ワイヤ２の給電部１０ａ’に対して接触する位置（この位置を給電点Ｐという）がコンタクトチップ１０’の先端から後方（溶接ワイヤを送り出す方向とは逆の方向）に変化することとなる。

ここで、給電点Ｐと母材３との間の距離がＫａ’からＫｂ’に変化することによる溶接電流の変化を図１０に基づいて説明する。図１０に示したグラフは、例えば直径１．２ｍｍの溶接ワイヤ２の給電点Ｐが常にコンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’の母材３側先端にあるものと想定して、コンタクトチップ１０’の先端と母材３との間の距離がＬ１からＬ２に変化した状態（すなわち、給電点Ｐと母材３との間の距離がＫａ’からＫｂ’に変化した状態）と、溶接電流との関係を示したものである。このグラフから明白であるように、コンタクトチップ１０’の先端と母材３との間の距離が増加するのに伴って、給電点Ｐから流れる電流の溶接ワイヤ２の長さが長くなることから電気的に抵抗が増して、溶接電流が降下することとなる。図１０に示した場合では、コンタクトチップ１０’の先端と母材３との間の距離Ｌ１（＝１５ｍｍ）から距離Ｌ２（＝１８ｍｍ）に３ｍｍ増加すると、およそ溶接電流は約１７７Ａから１５７Ａまで２０Ａ降下することとなる。このように、コンタクトチップ１０’が摩耗することにより溶接電流が２０Ａ以上降下すると、溶接溶け込み不足や、脚長或はのど厚の不足など、溶接品質不良が発生することとなる。

そして、コンタクトチップ１０’は、所定の溶接長さの使用により摩耗して、当初の溶接電流から規定下限電流（溶接条件によって異なるが、溶接品質を維持できる最低限の電流）以下に降下する。図１１に示した場合には、矢印で示した２１ｍの溶接長さで、当初の溶接電流１８７Ａから１５７Ａ、すなわちこの場合には規定下限電流である３０Ａを下回ることとなる。

そのため、従来の技術では、規定下限電流である３０Ａを下回る前、すなわち、溶接長さが２１ｍに達するよりも５ｍ短い１６ｍ（図１１の矢印を付した縦線を参照）で溶接工程での生産を中断してコンタクトチップ１０’を定期的にかつ短い期間で交換していた。定期交換が適切に行えない場合、溶接品質不良の発生を防止するため、溶接部位の検査を行い、検査で溶接不良が発見された場合にはその補修を行っていた。

特開平５−２６９５８０号公報

上述したように、給電部１０ａ’の軸方向長さが８．７〜１１．１ｍｍに成形されたコンタクトチップ１０’を使用する場合には、給電部１０ａ’が摩耗することにより給電点Ｐがその給電部１０ａ’の軸方向長さの範囲で移動して溶接品質不良が発生するため、給電部１０ａ’の軸と直角方向の物理的な限界摩耗量にかかわらず、予測された摩耗量に基づいて定期的に溶接作業を停止させてコンタクトチップ１０’を交換する必要があり、交換するコンタクトチップ１０’のコストがかかるという問題や、交換に際して溶接工程を停止させなければならず、さらに、定期交換が適切に行えない場合、溶接品質不良の発生を防止するため、溶接部位の検査を行い、検査で溶接不良が発見された場合にはその補修を行う必要があることから、生産性を向上させることができないなどの問題があった。

さらに、給電部１０ａ’が摩耗することによりワイヤガイド１１’に対してコンタクトチップ１０’が近付き、やがてワイヤガイド１１’の外周面にコンタクトチップ１０’の内面が接触すると、この接触した点が給電点Ｐとなるが、かかる給電点Ｐがコンタクトチップ１０’の給電部１０ａ’よりも後方に位置するために、電流抵抗が大きくなることから溶接電流が急激に降下して、溶接品質に重大な悪影響を及ぼすこととなるという問題があった。そして、両者が近付いた状態では、ワイヤガイド１１’の外周面とコンタクトチップ１０’の内周面との間にスパークが発生して、遂にはワイヤガイド１１’とコンタクトチップ１０’が固着することとなる。このように、ワイヤガイド１１’とコンタクトチップ１０’が固着すると、トーチ本体１’からコンタクトチップ１０’を取り外すことができなくなり、コンタクトチップ１０’とワイヤガイド１１’だけでなくトーチ本体１’全体を交換する必要が生じ、手間やコストがかかるとともに、かかるトーチ本体１’の交換のために溶接工程を一旦停止させなければならず、生産効率を向上させることができないなどの問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、コンタクトチップとワイヤガイドとの軸線を相対的に変化させてワイヤガイドに案内される溶接ワイヤをコンタクトチップの給電部に接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチにおいて、コンタクトチップの給電部が溶接ワイヤの接触により摩耗するのに伴って変化する給電点の変化を許容して適切に溶接を行うことができ、もって、寿命を延ばしてコストを削減できるとともに生産性を向上させることができるアーク溶接用トーチを提供することを目的とする。

請求項１のアーク溶接用トーチに係る発明は、上記目的を達成するため、送り出される溶接ワイヤと接触して電流を供給する給電部が先端内周面に設けられたコンタクトチップと、該コンタクトチップ内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤを案内するワイヤガイドと、を備えており、コンタクトチップとワイヤガイドとの軸線を相対的に変化させてワイヤガイドに案内される溶接ワイヤをコンタクトチップの給電部に接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチであって、前記コンタクトチップの給電部の軸方向長さを、該給電部の摩耗に伴う給電点の変化に抗して溶接電流が規定下限電流以上に維持され得る１．５ｍｍ以上３ｍｍ未満としたことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、コンタクトチップとワイヤガイドとの軸線を相対的に変化させてワイヤガイドに案内される溶接ワイヤをコンタクトチップの給電部に接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチにおいて、コンタクトチップの給電部の軸方向長さを、給電部の摩耗に伴う給電点の変化に抗して溶接電流が規定下限電流以上に維持され得る１．５ｍｍ以上３ｍｍ未満としたことにより、コンタクトチップの給電部が溶接ワイヤの接触により摩耗するのに伴って変化する給電点の変化を許容して適切に溶接を行うことが可能なアーク溶接用トーチを提供することができる。

最初に、本発明のアーク溶接用トーチ１の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて詳細に説明する。図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明のアーク溶接用トーチ１は、概略、送り出される溶接ワイヤ２と接触して電流を供給する給電部１０ａが先端内周面に設けられたコンタクトチップ１０と、このコンタクトチップ１０内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤ２を案内するワイヤガイド１１と、を備えており、コンタクトチップ１０とワイヤガイド１１との軸線を相対的に変化させてワイヤガイド１１に案内されて送り出される溶接ワイヤ２をコンタクトチップ１０の給電部１０ａに接触させるよう構成されている。そして、コンタクトチップ１０の給電部１０ａは、給電部１０ａの摩耗に伴う給電点Ｐの変化に抗して溶接電流が規定下限電流以上に維持され得る軸方向長さＬａに、より具体的には、１〜４ｍｍで形成されている。

ワイヤガイド１１は、軸方向に延びており溶接ワイヤ２を挿通するための穴１２がその中心に形成されている。ワイヤガイド１１の基端部は絶縁体を介してトーチ本体１に取付けられ、ロボットのアームなどに支持されて送給モータ等の駆動により、送り出される溶接ワイヤ２を溶接部位の狙った位置に案内する。

コンタクトチップ１０は、導電体からなり、中空の筒状に形成されてなるもので、その内周面とワイヤガイド１１の外周面との間には所定の間隔Ｃが形成されている。コンタクトチップ１０の先端内周面には、溶接ワイヤ２と接触してこれに電流を供給するための給電部１０ａが形成されている。コンタクトチップ１０は、その基端部又は中間部が回動可能に軸支されており、ワイヤガイド１１の先端から送り出される溶接ワイヤ２に対して給電部１０ａが所定の強さで押し付けられるようにスプリングなどによって付勢されている。コンタクトチップ１０と母材３には、直流電源４の電極が接続される。

図１に示したように、コンタクトチップ１０の給電部１０ａは、この実施の形態の場合、その軸方向長さＬａが１〜４ｍｍの範囲で、より好ましくは、１．５〜３．０ｍｍの範囲で形成されている。そのため、使用当初においては溶接ワイヤ２が給電部１０ａの図１における下端に接している。したがって、給電点Ｐはコンタクトチップ１０の先端に位置しており、給電点Ｐと母材３との間の距離は、Ｋａとなっている。このときの溶接電流は、例えば、図２に示すように１９０〜２００Ａ（アンペア）となっている。

そして、溶接トーチ１の使用に伴って（すなわち溶接長が長くなると）、コンタクトチップ１０の給電部１０ａは、溶接ワイヤ２が押しつけられた状態で送り出されることにより摩耗することとなる。しかしながら、給電部１０ａが摩耗しても、給電点Ｐは給電部の上端まで移動するだけであり、この実施の形態の場合には、給電部１０ａの軸方向の長さＬａが１〜４ｍｍの範囲、より好ましくは、１．５〜３．０ｍｍの範囲である。したがって、給電部１０ａが摩耗しても、給電点Ｐと母材３との間の距離は、Ｋｂ＝Ｋａ＋１〜４ｍｍとなり、給電点Ｐの移動による溶接電流の降下は、溶接不良が起きる規定下限電流を下回ることはなく、適切に溶接を行って所望の溶接品質を保つことことができる。そして、そのために、図２に示すように溶接長が増大しても、溶接電流の降下が抑えられるため、コンタクトチップ１０の寿命が延びることから、交換の必要性が少なくなり、コストを削減できるとともに生産性を向上させることができる。

次に、本発明のアーク溶接用トーチの第２の実施の形態およびそのコンタクトチップの給電部の摩耗検知システムを図３〜図５に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態においては、上述した実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみについて説明することとする。
本発明のアーク溶接用トーチ１は、概略、送り出される溶接ワイヤ２と接触して電流を供給する給電部１０ａが先端内周面に設けられたコンタクトチップ１０と、このコンタクトチップ１０内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤ２を案内するワイヤガイド１１と、を備えており、コンタクトチップ１０とワイヤガイドと１１の軸線を相対的に変化させてワイヤガイド１１に案内される溶接ワイヤ２をコンタクトチップ１０の給電部１０ａに接触させるよう構成されたもので、コンタクトチップ１０の内周面の給電部１０ａの後方に形成されておりこの給電部１０ａが摩耗することにより溶接ワイヤ２と接触することとなる摩耗時接触部１０ｂを備えており、このアーク溶接用トーチ１のコンタクトチップの給電部の摩耗検知システムは、コンタクトチップ１０に供給される電流を検知する電流検知手段５と、この電流検知手段５により検知される電流の変化に基づいて摩耗時接触部１０ｂに溶接ワイヤ２が接触しコンタクトチップ１０の給電部１０ａが摩耗したとの判定を行う判定手段７と、さらに、この判定手段７により給電部１０ａが摩耗したとの判定が行われた場合に警告を発する警告手段８、９とを備えている。

溶接トーチ１は、上述した実施の形態と同様に、ロボットのアームなどに取付けられて母材３の溶接部位に沿って移動される。溶接ワイヤ２はロール２０に巻き取られており、巻き癖を取ってから溶接トーチ１の後方から送り出し機構を介してワイヤガイド１１の穴１２に通されて、先端から溶接部位の狙った位置に対して案内され所定の速度で送り出される。

母材３は、治具３０上に位置決め固定されており、治具３０には母材３と通電可能なアース３１が接地されている。電源４の一方の電極は溶接トーチ１のコンタクトチップ１０に接続され、他方の電極はアース３１を介して母材３に接続されている。そして、電源４の一方の電極とコンタクトチップ１１とを接続するケーブル４１の途中には、シャント抵抗４３を介して電流計５が接続されており、さらには、電源４の一方の電極とコンタクトチップ１０とを接続するケーブル４１と、電源４の他方の電極とアース３１とを接続するケーブル４２の途中には電圧計６が接続されている。電流計５と電圧計６の検知結果は制御用コンピュータ７に入力される。制御用コンピュータ７には、警告を発する警告手段として警報ランプ８や警報スピーカ９などが接続されている。

コンタクトチップ１０は、上述した実施の形態と同様に、導電体からなり、中空の筒状に形成されてなるもので、その内周面とワイヤガイド１１の外周面との間には所定の間隔Ｃが形成されており、その基端部又は中間部が回動可能に軸支されており、ワイヤガイド１１の先端から送り出される溶接ワイヤ２に対して給電部１０ａが所定の強さで押し付けられるようにスプリングなどによって付勢されている。コンタクトチップ１１の先端内周面には、溶接ワイヤ２と接触してこれに電流を供給するための給電部１０ａが形成されている。さらにこの実施の形態におけるコンタクトチップ１０は、給電部１０ａの後方（図４および図５においては給電部１０ａの右方）に給電部１０ａの内径よりも大きい内径の摩耗時接触部１０ｂが形成されている。給電部１０ａの軸方向長さＬａは、上述した実施の形態と同様に、１〜４ｍｍの範囲、より好ましくは、１．５〜３．０ｍｍの範囲に設定することができるが、この実施の形態ではＬａ＝２．０ｍｍに設定されている。

摩耗時接触部１０ｂは、図５に示すように、給電部１０ａが摩耗したとき、ワイヤガイド１１の外周面にコンタクトチップ１０の内周面との間隔Ｃが近付いてスパークが発生する前に、溶接ワイヤ２と接触するようにその内径が設定されており（この内径を摩耗限界という）、且つ、給電点Ｐが後方に移動して溶接電流が降下し規定下限電流を下回るようにその軸方向長さＬｂが設定されている（例えば、５．２ｍｍ）。

次に、本発明のコンタクトチップの摩耗検知方法を、図３〜図５に示したように構成されたトーチを用いる場合によって、その作動とともに図６および図７に基づいて説明する。
本発明のコンタクトチップ１０の摩耗検知方法は、概略、送り出される溶接ワイヤ２と接触して電流を供給する給電部１０ａが先端内周面に設けられたコンタクトチップ１０と、このコンタクトチップ１０内に所定の間隔Ｃを有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤ２を案内するワイヤガイド１１と、を備えており、コンタクトチップ１０とワイヤガイド１１との軸線を相対的に変化させてワイヤガイド１１に案内される溶接ワイヤ２をコンタクトチップ１０の給電部１０ａに接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチ１において、コンタクトチップ１０の給電部１０ａの摩耗を検知する方法であって、コンタクトチップ１０の溶接ワイヤ２と接触する給電部１０ａの後方に、この給電部１０ａが摩耗することにより溶接ワイヤ２と接触することとなる摩耗時接触部１０ｂを形成しておき、コンタクトチップ１０に供給される電流を検知し、この検知された電流の変化に基づいてコンタクトチップ１０の給電部１０ａが摩耗したことを検知するものである。

コンタクトチップ１０は、図１に示した実施の形態のコンタクトチップ１０と同様に給電部１０ａが溶接ワイヤ２と接触するように付勢されており、給電部１０ａが摩耗することによって溶接ワイヤ２が後方の摩耗時接触部１０ｂに接触するまで（図５の鎖線を参照）は、給電点Ｐの移動が少なく、例えば図７の摩耗寸法Ｄ＝０〜０．７ｍｍに示したように、溶接電流が規定下限電流を下回るほど降下することがないため（図７では１３Ａの電流降下である）、安定してコンタクトチップ１０の給電部１０ａから溶接ワイヤ２に電流が供給される。このとき、図６に示すように、電源４からコンタクトチップ１０に供給される電流が電流計５によって検知されており（Ｓ１）、その電流の検知結果は制御用コンピュータ７に出力されている。制御用コンピュータ７では、溶接電流が規定下限電流を下回っていないかを監視している。

そして、溶接トーチ１の使用に伴ってコンタクトチップ１０の給電部１０ａが摩耗すると、図５に実線で示したように、ワイヤガイド１１の外周面とコンタクトチップ１０の内周面との間隔Ｃが近付いてスパークが発生する前の摩耗限界で、溶接ワイヤ２が後方の摩耗時接触部１０ｂに接触し、給電点Ｐが後方に移動して、図７の摩耗寸法０．７ｍｍに示したように、溶接電流が降下し規定下限電流を下回ることとなる（図７に示した実施の形態では、摩耗寸法０ｍｍから溶接電流が３５Ａ降下している）。制御用コンピュータ７は、溶接電流が規定下限電流を下回るほど降下したと判定すると（図６のＳ２）、コンタクトチップ１０の給電部１０ａの摩耗を検知し（図６のＳ３）、警報ランプ８を発光させたり警報スピーカ９から警告を発するなど、警告手段にアラームを出力する。（図６のＳ４）。なお、本発明は、コンタクトチップ１０の給電部１０ａが摩耗したことを検知した場合に、警告を発することだけに限定されることはなく、警告を発するのと併行して溶接工程を停止させるよう制御してもよい。

本発明では、コンタクトチップ１０の給電部１０ａが摩耗することにより溶接電流が降下するのを利用して、溶接電流に基づいて給電部１０ａの摩耗を検知するため、ワイヤガイド１１の外周面にコンタクトチップ１０の内周面が近付いても、両者の間にスパークが発生して固着するまでには至らず、また、コンタクトチップ１０を摩耗限界まで使用することができるため、コンタクトチップ１０の交換頻度を少なくすることができる。したがって、コンタクトチップ１０を交換するためのコストを削減でき、かかる交換のために溶接工程を停止させたり、溶接部位の検査を行って溶接不良が発見された場合の補修を行う必要が少なくなることから、生産性を向上させることができる。

本発明のアーク溶接用トーチの第１の実施の形態を示す要部断面図である。 本発明の第１の実施の形態における溶接トーチの使用に伴う電流の変化を説明するために示したグラフである。 本発明のアーク溶接用トーチの第２の実施の形態を示す概念図である。 本発明のアーク溶接用トーチの先端部の断面図である。 本発明のアーク溶接用トーチのコンタクトチップが摩耗した状態を説明するために示した拡大断面図である。 本発明のコンタクトチップの摩耗検出方法を行うための手順を示すブロック図である。 本発明により検出する溶接電流の変化を説明するために示したグラフである。 従来の一般的なアーク溶接用トーチを説明するために示した要部拡大断面図である。 従来のコンタクトチップにおいて、給電部が摩耗することにより給電点が移動することを説明するために示した部分拡大断面図である。 従来のコンタクトチップにおいて、給電部が摩耗して給電点が移動することにより溶接電流が降下することを説明するために示したグラフである。 従来のコンタクトチップにおいて、溶接トーチの使用に伴う電流の変化を説明するために示したグラフである。

１：溶接トーチ、 ２：溶接ワイヤ、 ３：母材、 ５：電流計（電流検知手段）、 ７：制御用コンピュータ（判定手段）、 １０：コンタクトチップ、 １０ａ：給電部、 １０ｂ：摩耗時接触部、 １１：ワイヤガイド

Claims (1)

1. 送り出される溶接ワイヤと接触して電流を供給する給電部が先端内周面に設けられたコンタクトチップと、該コンタクトチップ内に所定の間隔を有する状態で配設されて送り出される溶接ワイヤを案内するワイヤガイドと、を備えており、コンタクトチップとワイヤガイドとの軸線を相対的に変化させてワイヤガイドに案内される溶接ワイヤをコンタクトチップの給電部に接触させるよう構成されたアーク溶接用トーチであって、
   前記コンタクトチップの給電部の軸方向長さを、該給電部の摩耗に伴う給電点の変化に抗して溶接電流が規定下限電流以上に維持され得る１．５ｍｍ以上３ｍｍ未満としたことを特徴とするアーク溶接用トーチ。