JP6524766B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、厚板間の狭幅の開先に対して肉盛り溶接を行う溶接装置に関するものである。

従来のマグ溶接やティグ溶接を行う溶接装置では、溶融池の酸化を防止する為のシールドガスを供給するシールドノズルが溶融池の直上に設けられている。従って、溶融池を観察する為のＣＣＤ等のカメラを溶融池の直上に設けることができない為、溶融池を斜め方向から観察する必要があり、視野が狭いという問題があった。

又、開先内の溶接を監視する場合、溶融池の前方の溶込み状態と、溶融池の後方のなじみ状態、即ち広がり幅を把握することが望まれる為、前後２方向から２台のカメラを用いて溶融池の監視が行われることがあるが、装置構成が複雑化すると共に、コストの増大を招いていた。

更に、従来の溶接装置の場合、カメラにより取得される画像が斜角画像となる為、取得画像を溶接装置の駆動制御に用いる際には、精度向上の妨げとなっていた。

尚、特許文献１には、溶接部の直上に設けられた主筒の側方からシールドガス供給口を介して前記主筒内にシールドガスを導入すると共に、前記シールドガス供給口の上方に設けられたフィルターガラスの上方から視覚センサーにより溶融池の映像情報を検出する構成が開示されている。

特開２００３−１６４９７１号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、溶融池に於ける溶融状態の観察精度を向上させる溶接装置を提供するものである。

本発明は、シールドガスを供給するシールドノズルと、該シールドノズルの上方に該シールドノズルの軸心上に設けられたカメラと、前記シールドノズルに取付けられた溶接トーチとを有し、該溶接トーチは前記シールドノズルの軸心に対して傾斜する方向から溶接ワイヤを供給可能であり、該溶接ワイヤの軸心は前記シールドノズルの下方で該シールドノズルの軸心と交差し、前記カメラは前記シールドノズルを透して溶融池の直上から該溶融池を撮像可能とした溶接装置に係るものである。

又本発明は、前記シールドノズルは中空筒体のノズル本体と、該ノズル本体の上端を閉塞する保護透過部材と、前記ノズル本体に形成された環状流路とを具備し、円周方向より該環状流路に導入されたシールドガスが前記ノズル本体内で下方に偏向され、前記溶融池に真上から吹付けられる溶接装置に係るものである。

又本発明は、前記溶接トーチは後退角付与手段を有し、該後退角付与手段により前記溶接ワイヤに後退角を付与し、前記溶融池に進行方向側から前記溶接ワイヤを供給する溶接装置に係るものである。

又本発明は、前記溶接トーチは、前記シールドノズルの軸心と平行な軸心を中心に回転可能に設けられ、前記溶接トーチを往復回転させることで、前記溶接ワイヤの先端がオシレートする様構成された溶接装置に係るものである。

更に又本発明は、前記ノズル本体は、前記環状流路と前記ノズル本体の内部とを連通させる複数の噴出口を有し、前記環状流路に導入されたシールドガスは前記噴出口より前記保護透過部材に向って噴出された後、下方に偏向される溶接装置に係るものである。

本発明によれば、シールドガスを供給するシールドノズルと、該シールドノズルの上方に該シールドノズルの軸心上に設けられたカメラと、前記シールドノズルに取付けられた溶接トーチとを有し、該溶接トーチは前記シールドノズルの軸心に対して傾斜する方向から溶接ワイヤを供給可能であり、該溶接ワイヤの軸心は前記シールドノズルの下方で該シールドノズルの軸心と交差し、前記カメラは前記シールドノズルを透して溶融池の直上から該溶融池を撮像可能としたので、前記カメラは１台のみで充分な視野が確保でき、前記溶融池の観察精度を向上させることができると共に、前記カメラの画像を基にした制御精度を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る溶接装置を示す側面図である。 溶接装置に適用されるシールドノズルを示す側断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の変形例を示す溶接装置の側断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る溶接装置について説明する。

溶接装置１は、板厚の厚い板材、例えば船舶や橋梁等に使用される板厚の厚い鋼板同士を溶接する際に用いられるものであり、例えば開口幅が２０ｍｍ以下の狭開先に対して肉盛り溶接が可能となっている。

前記溶接装置１の本体部２には下端より下方に延出する中空の支持軸３が設けられ、該支持軸３を貫通して垂下された回転軸４が回転自在に設けられている。該回転軸４の下端には溶接トーチ６が設けられ、該溶接トーチ６はトーチホルダ５を有している。

前記回転軸４は、前記本体部２に内蔵されたモータ（図示せず）等により回転可能となっている。又、前記本体部２は図示しない移動機構に取付けられており、該移動機構により前記溶接トーチ６が開先に沿って前後方向に、又溶融池８（後述）に対して上下方向に移動可能となっている。

前記トーチホルダ５は前記回転軸４の軸心上、或は略軸心上に位置している。前記溶接トーチ６の先端、即ち溶接ワイヤ９の先端は前記回転軸４の軸心に対して外方に向って延出しており、該回転軸４が回転することで前記溶接ワイヤ９の先端が前記回転軸４の軸心を中心とした半径で回転する。

前記トーチホルダ５は、前記溶接トーチ６の固定部材であると共に、該溶接トーチ６を被溶接物１１の前記溶融池８に向って湾曲させる湾曲面を有し、前記溶接トーチ６に後退角を付与する後退角付与手段となっている。又、前記溶接トーチ６は、先端に設けられたコンタクトチップ１２を有し、該コンタクトチップ１２を介して前記溶接ワイヤ９に給電可能となっている。

又、前記溶接トーチ６からは上方に向って延在し、前記回転軸４と平行で柔軟性を有するワイヤガイドパイプ７が設けられている。ワイヤ供給装置（図示せず）より前記ワイヤガイドパイプ７を通って前記溶接トーチ６に前記溶接ワイヤ９が供給されることで、該溶接ワイヤ９が前記トーチホルダ５の湾曲面に沿った状態で、即ち前記溶融池８に対して所定の後退角が付与された状態で、前記コンタクトチップ１２より前記溶融池８に供給される様になっている。

尚、本実施例に於いては、前記回転軸４が前記溶融池８よりも進行方向側、即ち前方に位置し、前記溶接ワイヤ９は、後方に向って例えば４０°〜６０°傾斜した状態、即ち後退角が付与された状態で前記溶融池８に供給される。又、前記溶接ワイヤ９の軸心は、シールドノズル１６（後述）の下方で該シールドノズル１６の軸心と交差する。

前記支持軸３には、ホルダ１３，１３を介して前記回転軸４と平行に支持シャフト１４が取付けられている。又、該支持シャフト１４の下端部には、ホルダ１５を介して前記シールドノズル１６が取付けられ、前記支持シャフト１４の前記シールドノズル１６の上方には、ホルダ１７を介してＣＣＤ等のカメラ１８が取付けられている。

該カメラ１８の光軸と前記シールドノズル１６の軸心とが合致する様に、該シールドノズル１６と前記カメラ１８とが配置され、光軸の下方延長線上で前記溶接トーチ６の軸心延長が交差する様になっている。従って、光軸の延長線上に前記溶融池８が形成される様な配置となっている。

前記シールドノズル１６は前記溶融池８の直上に位置し、前記シールドノズル１６は中空筒体となっている。該シールドノズル１６の上端は耐熱ガラス等、耐熱性を有する透明な保護透過部材１９（図２参照）により閉塞され、下端は解放されている。又、前記シールドノズル１６の外周面には、シールドガス供給管２１が接続されている。該シールドガス供給管２１を介してＣＯ2 ガスやＡｒガス等のシールドガスが前記シールドノズル１６内に導入され、該シールドノズル１６の下端部よりシールドガスが前記溶融池８に対して吹付けられる。

前記カメラ１８は前記シールドノズル１６の直上に位置し、前記カメラ１８の光軸と前記シールドノズル１６の軸心は合致しており、前記保護透過部材１９を透して前記溶融池８を直上から観察できる様になっている。

次に、図２、図３により、前記シールドノズル１６の詳細について説明する。

該シールドノズル１６は、下部ノズル体２２と、中部ノズル体２３と、上部ノズル体２４と、蓋体２５と、前記保護透過部材１９とを有している。尚、前記下部ノズル体２２、前記中部ノズル体２３、前記上部ノズル体２４、前記蓋体２５とでノズル本体が構成される。

前記下部ノズル体２２は略円筒形状であり、上端部は外径が増大した拡径部２６が形成されている。該拡径部２６に前記ホルダ１５が固着され、該ホルダ１５が前記支持シャフト１４に取付けられ、前記ホルダ１５を介して前記下部ノズル体２２が前記支持シャフト１４に保持される。又、前記拡径部２６の内周面には雌ネジ部２７が形成されている。

前記中部ノズル体２３は略円筒形状であり、下端部の外周面には前記雌ネジ部２７と螺合可能な雄ネジ部２８が形成されている。又、前記中部ノズル体２３上端部の内周面には、内周面より後退した逃げ部２９が全周に亘って形成される。前記雌ネジ部２７と前記雄ネジ部２８とが螺合されることで、前記下部ノズル体２２と前記中部ノズル体２３とが一体化される。

前記上部ノズル体２４は略円筒形状であり、外径が前記中部ノズル体２３の外径と同径又は略同径の外径を有する上部嵌合部３１と、該上部嵌合部３１の下面内縁部より下方に突出する円筒状の下部嵌合部３２と、前記上部嵌合部３１の上面内縁部より上方に突出する円筒状の環突条３３とを有している。

前記下部嵌合部３２は、前記中部ノズル体２３に内嵌し、前記下部嵌合部３２の嵌合を介して前記中部ノズル体２３と前記上部ノズル体２４とが一体化される。前記中部ノズル体２３と前記下部嵌合部３２との嵌合により、前記逃げ部２９は密閉された空間となり、前記中部ノズル体２３と前記下部嵌合部３２との間に環状流路３４が形成される。前記中部ノズル体２３には前記シールドガス供給管２１が接続され、該シールドガス供給管２１は前記環状流路３４に連通する。又、前記シールドガス供給管２１は図示しないシールドガス供給源に接続されている。

前記上部嵌合部３１の外周面には雄ネジ部３５が形成されている。又、前記上部嵌合部３１の内周面には、全周に亘って凹溝３６が形成されると共に、該凹溝３６に連続し、上方に向って漸次縮径する断面三角形状の凹溝３７が形成され、前記凹溝３６の下端内径は前記下部嵌合部３２の外径よりも大きくなっている。更に、前記上部嵌合部３１の下面の、前記下部嵌合部３２との境界部には、所定角度ピッチで噴出口３８が複数箇所、例えば３６°ピッチで１０箇所に穿設され、該噴出口３８は前記凹溝３６と連通している。

尚、前記凹溝３６の内径は、複数の前記噴出口３８に対する内接円の径より大きく、又該噴出口３８に対する外接円の径より小さく、図３に示される様に前記噴出口３８は前記凹溝３６に対して半円状の開口部を形成する。又、前記噴出口３８の上端部は、中心方向に向って傾斜している。

前記環突条３３にはシール部材であるＯリング３９が嵌設され、前記環突条３３の上端には、前記上部嵌合部３１の外径と同径又は略同径の前記保護透過部材１９が載置される。又、該保護透過部材１９の下面と前記上部嵌合部３１の上面との間には、前記Ｏリング３９が挾設される。前記保護透過部材１９としては、ガラス等の透明材料、好ましくは耐熱ガラス等が用いられる。

前記蓋体２５は、略円筒リング形状であり、内径が前記上部嵌合部３１の外径と略同径となっており、下端部の内周面には雌ネジ部４１が形成されている。又、前記蓋体２５の上端には、中心側に向って突出するリング状のフランジ部４２が形成されている。

前記シールドノズル１６は、前記下部ノズル体２２の前記雌ネジ部２７と前記中部ノズル体２３の前記雄ネジ部２８とを螺合させ、前記中部ノズル体２３に前記上部ノズル体２４の下部嵌合部３２を嵌合させ、前記保護透過部材１９を前記環突条３３上に載置した状態で、前記上部ノズル体２４の前記雄ネジ部３５と前記蓋体２５の前記雌ネジ部４１とを螺合させる。以上により、前記下部ノズル体２２と、前記中部ノズル体２３と、前記上部ノズル体２４と、前記保護透過部材１９と、前記蓋体２５とが一体化され、前記シールドノズル１６が構成される。

この時、前記中部ノズル体２３の上面と前記上部嵌合部３１の下面とが気密に当接することで、前記環状流路３４が気密に形成され、該環状流路３４は前記噴出口３８を介して前記シールドノズル１６の内部と連通する。又、前記保護透過部材１９は、前記環突条３３と前記フランジ部４２とにより挾込まれて固定され、前記保護透過部材１９と前記上部ノズル体２４との間は前記Ｏリング３９によりシールされる。

前記溶接装置１により溶接を行なう際には、先ず前記被溶接物１１の狭開先内に前記溶接トーチ６及び前記シールドノズル１６を挿入し、前記コンタクトチップ１２を介して前記溶接ワイヤ９に電力を供給することで、該溶接ワイヤ９と前記被溶接物１１との間にアークが形成され、該被溶接物１１と前記溶接ワイヤ９とが溶融し、狭開先内に前記溶融池８が形成される。

前記溶接ワイヤ９を供給しつつ、前記本体部２内のモータを介して前記回転軸４を所定の角度で往復回転させ、前記溶接ワイヤ９の先端をオシレートさせながら、該溶接トーチ６を狭開先に沿って移動させ、１パス毎に前記溶接トーチ６を上方に移動させることで、前記被溶接物１１の狭開先内に溶融金属を順次積層させ、前記被溶接物１１の溶接を行う。

又、溶接処理中、前記シールドノズル１６には、前記シールドガス供給管２１よりシールドガスが供給される。シールドガスは、前記シールドノズル１６の周面より環状の前記環状流路３４に流入し、該環状流路３４内に拡散された後、前記噴出口３８を介して前記シールドノズル１６内に噴出される。

この時、前記凹溝３７は上方に向って縮径、即ち中心方向に向って傾斜しているので、前記噴出口３８より噴出されたシールドガスは、前記凹溝３７に沿って中心方向へと偏向され、前記保護透過部材１９に吹付けられる。

該保護透過部材１９に吹付けられたシールドガスは、該保護透過部材１９との衝突により該保護透過部材１９の下面に拡散し、更に下方に偏向され、前記シールドノズル１６の下端より前記溶融池８に対して吹出される。該溶融池８にシールドガスが真上から吹付けられることで、該溶融池８の周囲にシールドガスの層が形成されるので、溶融金属と外気との接触が防止され、溶融金属が外気と接触することによる酸化等の欠陥が防止される。

又、溶接処理中の前記溶融池８の状態は、前記シールドノズル１６の直上に設けられた前記カメラ１８により、前記保護透過部材１９を透して撮像され、撮像画像を基に前記溶接装置１の制御が行われる。

上述の様に、本実施例では、前記シールドノズル１６の上面を耐熱ガラス等の前記保護透過部材１９とし、前記カメラ１８により前記保護透過部材１９を透して前記溶融池８の状態を直上から観察できる様にしている。

従って、該溶融池８の観察が斜角画像に基づくものではなく、真上からの画像に基づくものであるので、一方向の画像で充分な観察が行える。又、前記カメラ１８は１台のみで充分な視野が確保できるので、前記溶融池８の観察精度、前記カメラ１８の画像を基にした前記溶接装置１の制御精度を向上させることができる。

又、前記シールドノズル１６に供給されたシールドガスは、環状の前記環状流路３４に拡散された後、前記凹溝３７に沿って前記保護透過部材１９の中心方向へと吹付けられるので、シールドガスが前記保護透過部材１９の表面に拡散し、シールドガスのエアカーテンが形成され、該保護透過部材１９にヒュームやスパッタが付着するのを防止できる。

又、シールドガスは、前記保護透過部材１９に吹付けられた後、下方へ偏向されて前記溶融池８に吹付けられる様になっているので、偏向される過程でシールドガスが整流され、前記溶融池８に均等に吹付けることができる。

又、前記溶接トーチ６に前記溶融池８に向って湾曲する湾曲面を有する前記トーチホルダ５を設け、該トーチホルダ５に沿って前記溶接ワイヤ９を供給することで、該溶接ワイヤ９に後退角を付与させることができるので、該溶接ワイヤ９を前記溶融池８の直上ではなく斜め方向から供給することができる。従って、前記カメラ１８の視野が前記溶接トーチ６で遮られることがなく、観察精度をより向上させることができる。

又、狭開先の溶接では、溶融金属が前記被溶接物１１上に広がることができず、前記溶接トーチ６の進行方向に流れる現象、即ち溶融金属の先行が発生するが、本実施例に於いては、前記溶接ワイヤ９に後退角が付与されているので、溶融金属がアークの圧力により後方へと押圧され、溶融金属が進行方向へと流れることを防止する。従って、溶融金属が進行方向へと流れることにより生じる溶接欠陥を防止することができる。

尚、本実施例では、前記溶接ワイヤ９を前記トーチホルダ５に沿って湾曲させることで、前記溶接ワイヤ９に後退角を付与し、直上から前記溶融池８の観察を可能としているが、該溶接ワイヤ９に後退角を付与し、前記溶融池８に対して斜め前方より前記溶接ワイヤ９を供給できれば他の構成を用いてもよい。

例えば、図４に示される様に、後退角を付与しない従来と同様の溶接トーチ４３を、本実施例の前記シールドノズル１６に対して傾けた状態で一体化させる。尚、図４中では、前記溶接トーチ４３自体が前記溶接ワイヤ９に対する後退角付与手段となっている。

この状態で、前記シールドノズル１６を前記溶融池８（図１参照）に対して垂直に設置することで、前記溶接トーチ４３は前記溶融池８に対して斜め前方から後退角が付与された状態で前記溶接ワイヤ９を供給することとなり、前記溶接トーチ４３により前記カメラ１８の視野が遮られることがなく、本実施例の前記溶接装置１と同様の効果を得ることができる。

１ 溶接装置 ５ トーチホルダ
６ 溶接トーチ ８ 溶融池
９ 溶接ワイヤ １６ シールドノズル
１８ カメラ １９ 保護透過部材
２１ シールドガス供給管 ２２ 下部ノズル体
２３ 中部ノズル体 ２４ 上部ノズル体
２５ 蓋体 ３４ 環状流路
３８ 噴出口

Claims (3)

1. シールドガスを供給するシールドノズルと、該シールドノズルの上方に該シールドノズルの軸心上に設けられたカメラと、前記シールドノズルに取付けられた溶接トーチとを有し、前記シールドノズルは中空筒体のノズル本体と、該ノズル本体の上端部を閉塞する保護透過部材と、前記ノズル本体に形成された環状流路とを有し、前記ノズル本体は、前記環状流路と前記ノズル本体の内部とを連通させる複数の噴出口を有し、前記溶接トーチは前記シールドノズルの軸心に対して傾斜する方向から溶接ワイヤを供給可能であり、該溶接ワイヤの軸心は前記シールドノズルの下方で該シールドノズルの軸心と交差し、前記カメラは前記シールドノズルを透して溶融池の直上から該溶融池を撮像可能とし、円周方向より前記環状流路に導入されたシールドガスは前記噴出口より前記保護透過部材に向って噴出された後、下方に偏向され、前記溶融池に真上から吹付けられることを特徴とする溶接装置。
2. 前記溶接トーチは後退角付与手段を有し、該後退角付与手段により前記溶接ワイヤに後退角を付与し、前記溶融池に進行方向側から前記溶接ワイヤを供給する請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記溶接トーチは、前記シールドノズルの軸心と平行な軸心を中心に回転可能に設けられ、前記溶接トーチを往復回転させることで、前記溶接ワイヤの先端がオシレートする様構成された請求項１又は請求項２のうちいずれか１項に記載の溶接装置。

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