JP5353921B2

JP5353921B2 - Ｔｉｇ溶接方法およびその装置

Info

Publication number: JP5353921B2
Application number: JP2011026217A
Authority: JP
Inventors: 毅早河; 秀彰白井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: US9061364B2; CN102632325B; CN102632325A; JP2012161836A; US20120199561A1

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接方法およびその装置に関する。より詳細には、被接合物と溶接トーチの電極との間にアーク放電させて溶接アークを発生させ、永久磁石により溶接アークの周囲に磁界を発生させ、磁界と電流との電磁気的相互作用により生じる電磁力を、被接合物の溶融部に作用させ、接合するＴＩＧ溶接方法およびその装置に関する。

被接合物と溶接トーチの電極との間にアーク放電させて溶接アークを発生させ、永久磁石により溶接アークの周囲に磁界を発生させ、該磁界と前記溶接アークに流れるアーク電流との電磁気的相互作用により生じる電磁力を、前記溶接アークに作用させ、被接合物を溶接アークにより溶融して接合するＴＩＧ溶接方法およびその装置として、特許文献１に記載の方法等がある。

特開２００８−１０５０５６号公報

しかしながら、特許文献１の溶接方法を使用した場合には、より高いアスペクト比の溶接部断面形状を得ることができない。アスペクト比とは、溶け込み深さＨと平均溶融幅Ｗとの比を言う。また、特許文献１の実施例２（図２）に示されたように、永久磁石を溶接トーチの電極の周囲に配列した場合、溶接アークの放射熱により永久磁石が過熱する場合があるという不具合もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高いアスペクト比の溶接部断面形状を得ることができ、更に溶接アークの放射熱により永久磁石が過熱することを防止できるＴＩＧ溶接方法およびその装置を提供することである。

本発明の第１形態によれば、ＴＩＧ溶接方法は、
被接合物（５）と溶接トーチ（３）の電極（４）との間にアーク放電させて溶接アーク（８）を発生させ、永久磁石（７）により前記溶接アーク（８）の周囲に磁界を発生させ、該磁界と電流との電磁気的相互作用により生じる電磁力を、前記被接合物（５）の溶融部（１７）に作用させ、接合するＴＩＧ溶接方法において、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の周囲に配列し、永久磁石移動手段（１１〜１５）により前記永久磁石（７）を移動して前記磁界を変動させることにより溶融部（１７）に付与されるローレンツ力を変化させて溶接し、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の軸方向に周期的に往復動させることにより、前記磁界を変動させ、
前記永久磁石移動手段（１１〜１５）は、前記永久磁石（７）を上下に摺動自在に収容する収容穴（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を有する磁石ハウジング（１１）を備え、
前記収容穴は、前記永久磁石の上側に上側空間を前記永久磁石の下側に下側空間を有し、前記下側空間には第１空気通路（１２）が、前記上側空間には第２空気通路（１３）が接続されており、
第１空気通路（１２）および第２空気通路（１３）に空気圧が印加されることにより、永久磁石（７）を上下に摺動させ、
第２空気通路（１３）には、大気圧と１ＭＰａとの間を周期的に変動する脈動空気圧（１５）が印加され、第１空気通路（１２）には、大気圧より高く１ＭＰａより低い一定の空気圧（１４）が印加されることを特徴とする。

永久磁石を溶接トーチの電極の周囲に配列し、永久磁石を移動して磁界を変動させることにより、起電力が生じ渦電流が発生する。この渦電流発生によって溶融部のローレンツ力が増加し内向きの対流駆動力が増加する。このような作用により、高いアスペクト比の溶接部断面形状を得ることができる。更に、永久磁石が移動することにより、周囲の空気と永久磁石との間で熱伝達が加速されて、溶接アークの放射熱により永久磁石が過熱することを防止できる。

本発明の第２形態によれば、ＴＩＧ溶接装置は、
被接合物（５）と溶接トーチ（３）の電極（４）との間にアーク放電させて溶接アーク（８）を発生させ、前記被接合物（５）を前記溶接アーク（８）により溶融して接合するＴＩＧ溶接装置（１００）であって、
前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）と、
前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の周囲に配置された永久磁石（７）と、
該永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）に対して移動させる永久磁石移動手段（１１〜１５）と、
を備え、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の軸方向に周期的に往復動させることにより、前記磁界を変動させるＴＩＧ溶接装置（１００）において、
前記永久磁石移動手段（１１〜１５）は、前記永久磁石（７）を上下に摺動自在に収容する収容穴（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を有する磁石ハウジング（１１）を備え、
前記収容穴は、前記永久磁石の上側に上側空間を前記永久磁石の下側に下側空間を有し、前記下側空間には第１空気通路（１２）が、前記上側空間には第２空気通路（１３）が接続されており、
第１空気通路（１２）および第２空気通路（１３）に空気圧が印加されることにより、永久磁石（７）を上下に摺動させ、
第２空気通路（１３）には、大気圧と１ＭＰａとの間を周期的に変動する脈動空気圧（１５）が印加され、第１空気通路（１２）には、大気圧より高く１ＭＰａより低い一定の空気圧（１４）が印加されることを特徴とする。

本発明に係るＴＩＧ溶接装置の概観図である。図１の溶接アーク発生部の模式図である。図２の溶接アーク発生部のＡ−Ａ断面図である。永久磁石により溶接アークが変形した状態を示す図である。（ａ）は、永久磁石に上側から印加される空気圧であり、（ｂ）は、永久磁石に下側から印加される空気圧である。本発明に係るＴＩＧ溶接方法による溶接断面部の写真である。従来のＴＩＧ溶接方法による溶接断面部の写真である。

（第１実施形態）
図１は、電極４と被接合物５との間に磁界を発生させる永久磁石７を設けた本発明のＴＩＧ溶接装置１００の概観図を示す。図１に示すように、ＴＩＧ溶接装置１００は、溶接機本体１に設置されてＴＩＧ溶接電源２の負極が接続される溶接トーチ３の電極４と、被接合物（ワーク）５に接続され正極である電極６が配設されている。イナート（不活性）ガスは、シールドガス容器９から電極４の外周部１６（図２参照）へ供給される。そして、図示しないイナートガスが後述する磁石ハウジング１１と電極４との間から噴出され、溶接アーク８の表面を覆って溶接部が酸化するのを防ぐ。また、溶接トーチ３の電極４の中心軸と被接合物５の被接合部（溶接線部）１０は一致させる。そして、溶接実行中に、ワーク５を、Ｙ方向（溶接線方向）に例えば１０ｍｍ／ｓの速度で移動させる。これにより、溶接線部１０に溶接ビード部が形成される。

図２に図１の溶接アーク発生部の模式図を示し、図３に図２の溶接アーク発生部のＡ−Ａ断面図を示す。電極４の先端と被接合物５との間の距離ｘは例えば１ｍｍであり、後述する磁石ハウジング１１の下端面と電極４の先端との間の距離ｙは例えば０.５ｍｍである。図２に示すように、電極４と被接合物５との間に生じる溶接アーク８に影響を及ぼすように、電極４の中心軸から所定の距離だけ離れた位置に永久磁石７が配置されている。

永久磁石７は、図２及び図３に示すように、長方形の断面を有する柱状の（直方体の）単一磁石であり、第１実施形態では４個の永久磁石７が電極４の周囲に等間隔にかつ、電極４の中心軸から等しい距離を置いた位置に、磁石ハウジング１１内に配列されている。そして、永久磁石７の磁極（Ｓ磁極とＮ磁極）は柱の両端面に設けられており、図３に示すように平面視において、４個の永久磁石７は、相互に同一磁極が対向するように配置されている。そして、一つの永久磁石７の隣には、一つの永久磁石７の磁極と逆磁極を有する別の永久磁石７が配置されている。なお、磁界の磁力線を溶接アーク８に大量に通過させることが所望の効果を得る上で重要であり、このため、永久磁石７は磁束密度の大きい希土類磁石が好適に採用される。これにより、コンパクトにして強力な磁界が得られる。

ＴＩＧ溶接方法は、被接合物５を溶接アーク８により溶融して接合する方法である。溶接アーク８は、電極４と電極６と導通する被接合部１０との間を流れるアーク放電であり、高温のプラズマ状となった荷電粒子の流れである。アーク放電は基本的には電極４と被接合部１０との最短距離の空間に生じ、電極４の中心軸上に発生し釣鐘状の形状を有する。アーク放電自体はプラズマ状となった荷電粒子の流れであり、つまり電流が流れることにより、アーク放電の周りにはこの電流、つまりアーク電流により（永久磁石７により引き起こされる磁界とは別の）磁界が生じる。

永久磁石で発生する磁界は溶融部に作用する。溶接アークと同様に溶融部も電流が流れており、磁力が発生しているのでローレンツ力が作用する。それは溶融部の対流駆動力の１つとして電磁気力と言われており、溶融部断面で見た場合に外から内向きに働く力で、これが大きくなると深い溶け込み形状を得ることができる。その溶け込みを増幅する方法が磁石を動かすことである。すなわち、磁石を動かすことで起電力が生じ渦電流が発生する。永久磁石による磁力線に加え渦電流発生によってローレンツ力は磁石を動かさない場合と比べて増加する。これにより、溶融部において内向きの対流が増加して高いアスペクト比の溶融部断面形状を得ることが可能となる。
なお、図３に示す永久磁石７の配置により、図４に示すように、磁界が発生して、永久磁石７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ相互の間に磁力線２１が生じる。そして、溶接アーク８は、磁界とアーク電流（電極４とワーク５との間に発生）の電磁気的相互作用により生じるローレンツ力によって偏向される。この溶接アーク８の偏向方向を溶接線方向Ｙに一致させる。これにより、溶接アーク８は、偏向方向つまり溶接線方向Ｙにアーク放電が有するエネルギの溶接線方向成分を大きく発生させることが可能となる。この作用が、平均溶融幅が狭くかつ溶接部の溶け込みが深くなることを助長し、さらに溶接アーク８の断面形状の周期的変動と相まって、高いアスペクト比の溶接部断面形状を得ることが可能となる。

磁石ハウジング１１は、図２、３に示すように、円筒形をしており、４個の永久磁石７を摺動自在に収容する４つの穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有する。１つの永久磁石７ａは、磁石ハウジング１１の収容穴１１ａ内に上下に摺動自在に収容されている。収容穴１１ａは、永久磁石７ａによりその空間を分離されて、永久磁石７ａの上側に空間１１ａａをその下側に空間１１ａｂを有する。収容穴１１ｂ、１１ｃ、１１ｄも収容穴１１ａと同様な構造になっている。そして、４個の永久磁石７の上側空間１１ａａ、１１ｂａ、１１ｃａ、１１ｄａは、所定の通路（図示せず）により接続されており、その下側空間１１ａｂ、１１ｂｂ、１１ｃｂ、１１ｄｂも、別な通路（図示せず）により接続されている。そして、下側空間、例えば１１ａｂの下端には空気通路１２が、上側空間、例えば１１ａａの上端には空気通路１３が接続されている。この構造により、４個の永久磁石７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが同期して上下に移動することが可能となる。

空気通路１３には、図５（ａ）に示すような、大気圧と１ＭＰａとの間を周期的に変動する脈動空気圧（パルス空気圧）１５が空圧制御手段（図示せず）により印加され、空気通路１２には、図５（ｂ）に示すような大気圧より高く１ＭＰａより低い一定の空気圧１４が印加される。上記脈動空気圧の周期は例えば１５Ｈｚである。この脈動空気圧により、１つの永久磁石７ａは、溶接トーチ３の電極４の軸方向に周期的に往復動することとなる。そして、磁石ハウジング１１の４つの穴１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが上記のような構造となっているため、他の永久磁石７ｂ、７ｃ、７ｄも、永久磁石７ａの動きと同期する動きをすることとなる。なお、永久磁石７が往復動する距離は例えば０.５ｍｍである。

この永久磁石７の周期的な往復動により、溶融部１７に起電力が生じ渦電流が発生する。この渦電流発生によって溶融部のローレンツ力が増加し内向きの対流駆動力が増加する。さらに、溶接部に加えられるアーク放電によるプラズマが周期的に変動して、溶接部に非定常な熱流れが発生して、溶け込みの十分深い良好な溶接部が得られ高いアスペクト比の溶接部断面形状を得ることができる。更に、永久磁石が移動することにより、周囲の空気と永久磁石との間で熱伝達が加速されて、溶接アークの放射熱により永久磁石が過熱することを防止できる。

図６は、本発明に係るＴＩＧ溶接方法による溶接断面部の写真であり、図７は従来の（永久磁石固定式の）ＴＩＧ溶接方法による溶接断面部の写真である。本発明に係るＴＩＧ溶接方法による溶接断面部は、従来のものより明らかに溶融部が深くなっていることが分かる。

（他の実施形態）
第１実施形態では、永久磁石７の周期的な往復動を空気圧制御により実施したが、空気圧制御ではなく、例えばモーターを使用したカム駆動により周期的な往復動を実施しても良い。すなわち、永久磁石７の周期的な往復動を達成するために、空圧、油圧、機械駆動等いずれの手段を用いても良いことは、当業者が容易に想到することである。
また、第１実施形態では、永久磁石７の周期的な往復動を用いたが、周期的ではなくランダムに（不規則に）往復動させても良く、また、往復動ではなく例えば磁石ハウジング１１を電極４を中心として回転させることにより永久磁石を回転（公転）させても良い。
また、第１実施形態では４個の永久磁石７を等間隔に規則的に配置したが不規則に配置しても良い。

１００本発明のＴＩＧ溶接装置
３溶接トーチ
４溶接トーチの電極
５ワーク（被接合物）
７永久磁石
８溶接アーク
１１磁石ハウジング
１７溶融部

Claims

被接合物（５）と溶接トーチ（３）の電極（４）との間にアーク放電させて溶接アーク（８）を発生させ、永久磁石（７）により前記溶接アーク（８）の周囲に磁界を発生させ、該磁界と電流との電磁気的相互作用により生じる電磁力を、前記被接合物（５）の溶融部（１７）に作用させ、接合するＴＩＧ溶接方法において、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の周囲に配列し、永久磁石移動手段（１１〜１５）により前記永久磁石（７）を移動して前記磁界を変動させることにより溶融部（１７）に付与されるローレンツ力を変化させて溶接し、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の軸方向に周期的に往復動させることにより、前記磁界を変動させ、
前記永久磁石移動手段（１１〜１５）は、前記永久磁石（７）を上下に摺動自在に収容する収容穴（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を有する磁石ハウジング（１１）を備え、
前記収容穴は、前記永久磁石の上側に上側空間を前記永久磁石の下側に下側空間を有し、前記下側空間には第１空気通路（１２）が、前記上側空間には第２空気通路（１３）が接続されており、
第１空気通路（１２）および第２空気通路（１３）に空気圧が印加されることにより、永久磁石（７）を上下に摺動させ、
第２空気通路（１３）には、大気圧と１ＭＰａとの間を周期的に変動する脈動空気圧（１５）が印加され、第１空気通路（１２）には、大気圧より高く１ＭＰａより低い一定の空気圧（１４）が印加されることを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
被接合物（５）と溶接トーチ（３）の電極（４）との間にアーク放電させて溶接アーク（８）を発生させ、前記被接合物（５）を前記溶接アーク（８）により溶融して接合するＴＩＧ溶接装置（１００）であって、
前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）と、
前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の周囲に配置された永久磁石（７）と、
該永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）に対して移動させる永久磁石移動手段（１１〜１５）と、
を備え、
前記永久磁石（７）を前記溶接トーチ（３）の前記電極（４）の軸方向に周期的に往復動させることにより、前記磁界を変動させるＴＩＧ溶接装置（１００）において、
前記永久磁石移動手段（１１〜１５）は、前記永久磁石（７）を上下に摺動自在に収容する収容穴（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を有する磁石ハウジング（１１）を備え、
前記収容穴は、前記永久磁石の上側に上側空間を前記永久磁石の下側に下側空間を有し、前記下側空間には第１空気通路（１２）が、前記上側空間には第２空気通路（１３）が接続されており、
第１空気通路（１２）および第２空気通路（１３）に空気圧が印加されることにより、永久磁石（７）を上下に摺動させ、
第２空気通路（１３）には、大気圧と１ＭＰａとの間を周期的に変動する脈動空気圧（１５）が印加され、第１空気通路（１２）には、大気圧より高く１ＭＰａより低い一定の空気圧（１４）が印加されることを特徴とするＴＩＧ溶接装置（１００）。