JPWO2017082001A1

JPWO2017082001A1 - Ｔｉｇ溶接装置

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Publication number: JPWO2017082001A1
Application number: JP2017550038A
Authority: JP
Inventors: 日吉石川
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd; Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: US10486259B2; WO2017082001A1; JP6345887B2; US20190151978A1

Abstract

タッチスタート方式において被溶接材（Ｗ）に加わるトーチ（１６）の荷重を軽減し、安定性を大きく向上させる。溶接ヘッド（１０）は、剛性の直進可動部（１２）と、この直進可動部（１２）を鉛直方向で直進移動させる昇降駆動タワー（１４）と、直進可動部（１２）上に鉛直方向で移動可能に搭載されるトーチ（１６）とを有する。直進可動部（１２）の多用途支持部（２２）に回転可能に取り付けられているバランスアーム（２８）の一端部はトーチボディ（３０）に結合され、その他端部にはバランスウエイト（９８）が取り付けられる。

Description

本発明は、タッチスタート方式のＴＩＧ溶接装置に関する。

従来より、小型電気部品の端子部材同士の接合あるいは端子部材と導線との接合には、非消耗型のトーチ電極（タングステン電極棒）を使用するＴＩＧ溶接法が多く用いられている。

非消耗型のトーチ電極を使用するＴＩＧ溶接法において、アーク放電を開始する手法には、スタート時に高周波放電により絶縁破壊を起こしてアークに移行させる高周波発生方式と、スタート時だけトーチ電極と母材つまり被接合材との間に通常１０ｋＶ以上の高電圧を印加して絶縁破壊を起こしアークに移行させる直流高電圧印加方式と、高周波を使わずにトーチ電極を被接合材に接触させて通電を開始した後に引き離してアーク放電を発生させるタッチスタート（またはリフトスタート）方式の３種類がある。高周波発生方式や直流高電圧印加方法は、高周波または高電圧を発生する高圧電源を必要とするために溶接機のコストが高くつくことや、高周波または高電圧のノイズが当該電気回路の電気部品や周囲の電子機器に悪い影響を及ぼすことが、多くの溶接現場で嫌がられている。この点、タッチスタート方式は、高周波電源や高圧電源を使用しないため、溶接機のコストを下げることができるうえ、高周波ノイズの問題がない（特許文献１）。

特開２０００−７１０７４号公報特開２０１５−１２８７８７号公報

もっとも、タッチスタート方式においては、トーチ電極が被溶接材に上から接触する際に、トーチ電極の自重だけでなく、トーチ電極を保持するトーチボディの自重、さらにはトーチボディに接続されている用力（溶接電流、ガス）供給ケーブルの重量等も被溶接材に加わり、その総重量（以下、「トーチ荷重」と称する。）が１０００ｇ重を超えることもめずらしくない。このため、小型精密電子部品の端子部材のような物理的強度の低い被溶接材は、タッチスタートの際に受けるトーチ荷重によって折曲または破損することがある。

この問題に対して、従来は、トーチボディとこれを支持して昇降移動する直進駆動部との間に圧縮コイルばねを介在させて、トーチ荷重を圧縮コイルばねに吸収させることにより、タッチスタート方式において被溶接材に加わるトーチ荷重を軽減するようにしている（特許文献２の第７図および第８図参照）。

しかしながら、上記の従来技術は、圧縮コイルばねの弾性変形に基づく反作用を利用する方式であるため、ばね定数の対荷重特性や経時劣化の影響を受けやすく、実際にはトーチ荷重を１００ｇ重程度にまでしか軽減できない。また、トーチ荷重のうち用力供給ケーブル分の重量はそのケーブルのトーチボディ付近の引き回しの状態に応じて変動し、それによってタッチスタートを繰り返す度にトーチ荷重がばらつきやすく、この点も従来技術の問題点であった。

タッチスタート方式においては、被溶接材に加わるトーチ荷重が十分に小さくないと、物理的な強度の低い被溶接材の中には折曲または破損しなくても大きく撓むものがあり、この場合にもアーク溶接の品質に支障が生じやすい。すなわち、トーチ荷重によって被溶接材が大きく撓む場合は、タッチスタートで通電を開始してからトーチ電極を引き上げる際に、トーチ電極の先端と撓みから戻る被溶接材との間に最適な離間距離を設ける制御は非常に難しく、トーチ荷重がばらつくと益々難しくなる。精細なアーク溶接が求められるアプリケーションにおいては、トーチ電極の先端と被溶接材との間に適正な離間距離ないしアーク長を確保する必要があり、この要件が満たされないときは、アークの集中性ないし入熱が不安定になり、アーク溶接の品質低下の原因となる。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するものであり、タッチスタート方式において被溶接材に加わるトーチ荷重の軽減性および安定性を大きく改善して、アーク溶接の品質を向上させるＴＩＧ溶接装置を提供する。

本発明の第１の観点におけるＴＩＧ溶接装置は、トーチ電極を着脱可能に装着して保持する筒状のトーチボディと、タッチスタート方式において前記トーチ電極の先端と被溶接材との間で通電を行い、またはアークを発生させるために、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路内で電流を流す溶接電源と、鉛直方向で移動可能な直進可動部と、前記直進可動部を直進移動させるための駆動部と、前記直進可動部に支点を介して鉛直な面内で回転可能に取り付けられ、一端部が前記トーチボディに接続され、他端部にバランスウェイトが取り付けられるバランスアームとを有する。

上記の装置構成においては、直進可動部に支点を介してバランスアームを鉛直な面内で回転可能に取り付け、バランスアームの一端部をトーチボディに結合し、他端部にバランスウェイトを取り付ける構成により、トーチボディ側の重量モーメントとバランスウエイト側の重量モーメントとのバランスを調整するだけで、タッチスタート方式において被溶接材に加わるトーチ荷重を非常に小さな荷重に軽減することができる。

本発明の第２の観点におけるＴＩＧ溶接装置は、トーチ電極を着脱可能に装着して保持する筒状のトーチボディと、タッチスタート方式において前記トーチ電極の先端と被溶接材との間で通電を行い、またはアークを発生させるために、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路内で電流を流す溶接電源と、鉛直方向で移動可能な直進可動部と、前記直進可動部を鉛直方向で直進移動させるための駆動部と、前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内の導電路を介して前記トーチ電極に電気的に接続される電流入力端子と、前記直進可動部に設けられ、前記溶接電源からの溶接電流供給ラインを終端させる第１の電流中継端子と、前記第１の電流中継端子と固定の導体を介して電気的に接続される第２の電流中継端子とを有する電流中継部と、前記電流中継部の前記第２の電流中継端子と前記トーチボディの前記電流入力端子との間に架けられる変位または変形可能な架橋型導体と、前記被溶接材に向けてシールドガスを噴出するために前記トーチボディの下端部に取り付けられるトーチノズルと、前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内のガス流路を介して前記トーチノズルと連通するガス導入ポートと、前記直進可動部に設けられ、前記シールドガスを供給するシールドガス供給部からのガス供給ラインを終端させる第１のガス中継ポートと、前記第１のガス中継ポートと固定のガス室またはガス通路を介して連通する第２のガス中継ポートとを有するガス中継部と、前記ガス中継部の前記第２のガス中継ポートと前記トーチボディの前記ガス導入ポートとの間に架けられる変位または変形可能な架橋型チューブとを有する。

上記の装置構成においては、溶接電流供給ラインおよびガス供給ラインは、電流中継部およびガス中継部で終端するので、それらのラインの重量がトーチボディに影響することはない。トーチボディには電流中継部からの架橋型導体および架橋型チューブが接続されるので、トーチ荷重自体の低減と安定性が実現される。

本発明のＴＩＧ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、タッチスタート方式において被溶接材に加わるトーチ荷重の軽減性および安定性を大きく改善して、アーク溶接の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるＴＩＧ溶接装置の溶接ヘッドを示す斜視図である。上記ＴＩＧ溶接装置の本体ユニットを示す斜視図である。実施形態における被溶接材の一例を示す斜視図である。実施形態におけるトーチの要部の構成を示す部分断面図である。図４のＡ−Ａ線についての断面図である。実施形態におけるＴＩＧ溶接方法の一段階の状態を示す図である。実施形態におけるＴＩＧ溶接方法の一段階の状態を示す図である。実施形態におけるＴＩＧ溶接方法の一段階の状態を示す図である。実施形態におけるＴＩＧ溶接方法の一段階の状態を示す図である。実施形態におけるＴＩＧ溶接方法の一段階の状態を示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

［装置全体の構成］
図１および図２に、本発明の一実施形態におけるＴＩＧ溶接装置の溶接ヘッドおよび本体ユニットの構成をそれぞれ示す。

図１において、溶接ヘッド１０は、主要な構成要素として、たとえば樹脂または金属からなる剛性の直進可動部１２と、この直進可動部１２を鉛直方向で直進移動させる昇降駆動タワー１４と、直進可動部１２上に鉛直方向で移動可能に搭載されるトーチ１６とを有する。

直進可動部１２は、Ｌ形の板体を有し、その垂直平板部１２ａの背後で昇降駆動タワー１４内の駆動部（図示せず）に連結部材１８を介して結合されている。垂直平板部１２ａないし連結部材１８は、昇降駆動タワー１４に取り付けられているリニアガイド（図示せず）により鉛直方向で案内される。昇降駆動タワー１４内の駆動部は、駆動源にサーボモータを用いるサーボ機構と、サーボモータの回転駆動力を鉛直方向の直進駆動力に変換するボールネジ機構とを有している。

溶接ヘッド１０上またはその付近に制御箱２０が配置される。この制御箱２０の中には、溶接ヘッド１０に備わっている各種電気部品の一部または全部を本体ユニット５０（図２）内の主制御部にインタフェースするローカルの制御回路が収容されている。垂直平板部１２ａの前面には、たとえば樹脂等の絶縁体からなる略直方体形状の多用途支持部２２が固着されている。この多用途支持部２２も、直進可動部１２の一部を構成する。

多用途支持部２２の上面には、たとえば銅等の導体からなる中空ブロック構造の用力中継部２４が取り付けられている。多用途支持部２２の両側面には、支点の軸２６を介して左右一対のバランスアーム２８が鉛直面内で回転可能に取り付けられている。用力中継部２４およびバランスアーム２８回りの構成については、後に詳細に説明する。

直進可動部１２は、その水平平板部１２ｂの先端部にトーチ１６を搭載している。トーチ１６は、たとえば銅または真鍮等の導体からなる円筒状のトーチボディ３０と、このトーチボディ３０の下端部に着脱自在に取り付けられる円筒状または円錐状のトーチノズル３２とを有し、トーチボディ３０およびトーチノズル３２の中に棒状のトーチ電極（タングステン電極棒）３４を着脱自在に装着し、トーチノズル３２の下端よりトーチ電極３４の下端部を突出させている。トーチ電極３４は、トーチボディ３０の頂部に螺合して装着されるネジ付きのキャップ３５に後述する電極ホルダ１２４（図４）を介して結合または連結されている。トーチ１６回りの構成については、後に詳細に説明する。

溶接ヘッド１０の直下には、被溶接材Ｗを載置する可動のステージ４０が配置される。ステージ４０は、被溶接材Ｗを水平面内のＸＹ方向で移動させるためのＸＹステージ４２と、被溶接材Ｗを水平面内の方位角方向（θ方向）で移動させるためのθステージ４４とを有している。

図２において、本体ユニット５０は、ユニット筐体の正面にタッチパネル表示器５２、電源スイッチ５４、操作ボタン５６等を配置し、ユニット側面または背面に外部接続端子またはコネクタ類６０を配置している。ガスボンベ６２より送出されるシールドガスは、ホース６４および本体ユニット５０内の制御弁または開閉弁を経由してトーチ１６に供給されるようになっている。

図１および図２において、本体ユニット５０と溶接ヘッド１０およびステージ４０との間には、複数のケーブル６６〜７２が引かれている。図示の例では、本体ユニット５０内の主制御回路（図示せず）が、制御箱２０内の制御回路を中継点とし、ケーブル６６Ａ〜７２Ａ、制御箱２０、ケーブル６６Ｂ〜７２Ｂを介して溶接ヘッド１０の昇降駆動タワー１４内駆動部およびタワー１４外の各種駆動部ならびにステージ４０内の駆動部に接続されている。溶接ヘッド１０の用力中継部２４は、溶接電流供給ラインおよびシールドガス供給ラインを一緒に収容する用力供給ケーブル７０を介して本体ユニット５０内の制御弁またはスイッチ類（図示せず）に接続されている。本体ユニット５０内の主制御部の機能の一部を制御箱２０内に設けることも可能である。

図３に、被溶接材Ｗの一例を示す。この被溶接材Ｗは、小型精密電子部品３６のパッケージから突出する短冊状の端子部材３７に細い導線３８を巻き付けて、この巻き付け部を被溶接部とする。寸法的には、たとえば、端子部材３７の幅ｓが約１ｍｍ、厚さｔが約０．２ｍｍであり、導線３８の太さは約０．０５ｍｍである。このような小型軽薄の被溶接材Ｗは、その被溶接部に上方から強め（たとえば１００ｇ重以上）の荷重を受けると、端子部材３７の根元付近で簡単に折曲または破損しやすく、あるいは大きく撓みやすい。

なお、ＴＩＧ溶接を行うために、端子部材３７の根元付近に接触子７５が着脱可能に装着される。この接触子７５は、アースケーブル７７を介して本体ユニット５０内の溶接電源１４０（図６Ａ）に接続されている。

［装置の主な特徴部分の構成］
次に、図１および図６Ａを参照して、このＴＩＧ溶接装置の主な特徴部分である溶接ヘッド１０の用力中継部２４、トーチ１６およびバランスアーム２８回りの構成を詳細に説明する。

溶接ヘッド１０において、直進可動部１２の水平平板部１２ｂには、トーチボディ３０を鉛直方向で案内するための円筒状のトーチガイド７４が設けられている。このトーチガイド７４の内側には、上下方向に一定のスペースまたは中間部を挟んで２つのリニアブッシュ７６Ｈ，７６Ｌが設けられている（図６Ａ）。トーチボディ３０は、両リニアブッシュ７６Ｈ，７６Ｌの案内により正確に鉛直方向で直進移動することができる。

トーチガイド７４の中間部には、多用途支持部２２と対向する位置に開口部７８が形成されている。そして、トーチボディ３０の中間部の側面には、開口部７８を介して外に露出するように、たとえば銅等の導体からなる中空ブロック構造の用力導入部８０が取り付けられている。この用力導入部８０は、トーチボディ３０内の導電路を介してトーチ電極３４に電気的に接続されている。

用力導入部８０の上面には一対の上流側ガス導入ポート８２が設けられている。さらに、用力導入部８０の背面（トーチボディ３０と向き合う面）には、トーチボディ３０内のガス流路に接続する下流側ガス導入ポート（図示せず）が設けられている。用力導入部８０の内部は中空のガス室またはガス通路になっており、上流側ガス導入ポート８２と下流側ガス導入ポートとは連通している。

一方、直進可動部１２上の用力中継部２４には、その両側面に一対の下流側ガス中継ポート８４が設けられている。この下流側ガス中継ポート８４と用力導入部８０のガス導入ポート８２との間には、空中でアーチ形に延びる変位または変形可能な樹脂製の架橋型チューブ８６が架けられている。さらに、用力中継部２４および用力導入部８０の互いに向き合う面（正面）の間に、空中でアーチ形に延びる変位または変形可能な帯状シートの架橋型導体８８が架けられている。この帯状シートの架橋型導体８８は、たとえば厚さ０．０５ｍｍの極薄の銅シートを複数枚（たとえば９枚）重ねて構成されている。

用力中継部２４の上面には、導電性の上流側ガス中継ポート９０が設けられている。このポート９０に本体ユニット５０からの用力供給ケーブル７０の終端が着脱可能に接続される。この場合、用力供給ケーブル７０内のガス供給ラインが上流側ガス中継ポート９０のガス通路に接続されるだけでなく、用力供給ケーブル７０内の溶接電流供給ラインが用力中継部２４の本体に電気的に接続される。用力中継部２４の内部は中空のガス室またはガス通路になっており、上流側ガス中継ポート９０と下流側ガス中継ポート８４とは連通している。

用力供給ケーブル７０は比較的重いケーブルであるが、上記のように用力中継部２４で終端するので、その重量は直進可動部１２にかかり、トーチ１６には全くかからない。トーチ１６には架橋型チューブ８６および架橋型導体８８の重量がかかる。これら架橋型チューブ８６および架橋型導体８８は、用力供給ケーブル７０に比して格段に軽量であり、しかもそれぞれの空中姿勢がアーチ形で一定なので、トーチ荷重に変動を来たすことは殆どない。

上記のような直進可動部１２上の用力中継部２４およびトーチ１６の用力導入部８０回りの用力供給系統において、本体ユニット５０（図２）より送出されるシールドガスは、用力供給ケーブル７０（ガス供給ライン）→用力中継部２４（上流側ガス中継ポート９０→下流側ガス中継ポート８４）→架橋型チューブ８６→用力導入部８０（上流側ガス導入ポート８２→下流側ガス導入ポート）→トーチボディ３０→トーチノズル３２と繋がるガス流路を上記の順に流れるようになっている。また、本体ユニット５０より送出される溶接電流は、用力供給ケーブル７０（溶接電流供給ライン）→用力中継部２４（導電性ブロック）→架橋型導体８８→用力導入部８０（導電性ブロック）→トーチボディ３０→トーチ電極３４と繋がる電流経路を上記の順または逆の順（逆方向）に流れるようになっている。

バランスアーム２８は、剛体たとえばステンレス鋼からなり、屈曲部２８ａ、第１アーム部２８ｂおよび第２アーム部２８ｃを有し、全体が”ヘ”字状に形成されている。屈曲部２８ａは、支点の軸２６により多用途支持部２２の両側面の前部に回転可能に取り付けられる。第１アーム部２８ｂの先端部には、トーチボディ３０の側面に固着されているピン９２と嵌合する横長の軸受９４が設けられている。トーチガイド７４の側面には、上下方向に移動可能なピン９２を通すための縦長の開口部９６が形成されている（図１）。

一方、第２アーム部２８ｃの先端部には、たとえばステンレス鋼からなる直方体形状のバランスウエイト９８がボルト１００によって取り付けられている。このバランスウエイト９８の重量を調整するために、たとえば板片状の重量加算用ウエイト１０２をボルト１０４によってバランスウエイト９８に着脱可能に取り付けてもよい。直進可動部１２の水平平板部１２ｂには、バランスウエイト９８が通れる大きさの開口部１０６が形成されている。

バランスアーム２８においては、第１アーム部２８ｂの先端部に取り付けられているトーチ１６回りの総重量つまりトーチ荷重により図６Ａにおいて反時計回りの重量モーメントが作用する一方で、第２アーム部２８ｃの先端部に取り付けられているバランスウエイト９８の重量により図６Ａにおいて時計回りの重量モーメントが作用する。

ここで、トーチ１６側の重量モーメントがバランスウエイト９８側の重量モーメントを少し（たとえばトーチ荷重に換算して１０〜３０ｇ重）だけ上回るように、バランスウエイト９８の重量が設定ないし調整される。このようにトーチ１６側の重量モーメントをバランスウエイト９８側の重量モーメントより大きく設定することで、トーチ１６に外力が加わらないときは、図６Ａに示すようにバランスウエイト９８の上面が多用途支持部２２の下面（ストッパ）に当接する。この状態で、バランスアーム２８は静止し、溶接ヘッド１０上でトーチ１６が一定（基準）の高さ位置に保持される。

なお、トーチ１６のピン９２とこれに嵌合している第１アーム部２８ｂの軸受９４は、トーチ１６の鉛直方向の直進移動とバランスアーム２８の回転移動とを相互に変換するためのクランク機構を構成している。

多用途支持部２２は、中空の筐体またはブロックとして構成され、その中に開口（図示せず）を介してトーチ１６の用力導入部８０と対向する電磁ソレノイドたとえばプランジャソレノイド１１０が固定して取り付けられている。このプランジャソレノイド１１０のプランジャ１１２が前進移動すると、その先端が用力導入部８０の側面（対向面）に大きな押圧力で当接して、プランジャソレノイド１１０と用力導入部８０が物理的に一体化（結合）し、ひいてはトーチ１６と直進可動部１２とが物理的に一体化（結合）するようになっている。プランジャソレノイド１１０の駆動回路は制御箱２０に収容されている。

この溶接ヘッド１０においては、直進可動部１２上で昇降移動するトーチ１６の高さ位置を検出するために、図１に示すように、トーチ１６のピン９２に上端が結合されているたとえば金属または樹脂からなる剛性の棒体１１４の下端の高さ位置が、直進可動部１２の水平平板部１２ｂに取り付けられているセンサユニット１１６の光学センサまたは近接センサ（図示せず）によって検出されるようになっている。センサユニット１１６の出力信号線１１８は制御箱２０内の制御回路に接続されている。

上記のように、この実施形態においては、溶接ヘッド１０の直進可動部１２に支点２６を介してバランスアーム２８を鉛直な面内で回転可能に取り付け、バランスアーム２８の第１アーム部２８ｂの先端部にトーチボディ３０を結合し、第２アーム部２８ｃの先端部にバランスウェイト９８を取り付ける構成により、トーチ１６側の重量モーメントとバランスウエイト９８側の重量モーメントとのバランスを調整するだけで、トーチ荷重を非常に小さい荷重（たとえば３０ｇ重以下）に軽減することができる。

さらに、この実施形態の溶接ヘッド１０においては、本体ユニット５０から引かれてくる重い用力供給ケーブル７０を直進可動部１２上の用力中継部２４で終端させ、用力中継部２４の後段（下流側）では空中でアーチ形の安定な姿勢をとる変位または変形可能な架橋型チューブ８６および架橋型導体８８をトーチボディ３０に接続する構成により、トーチ荷重自体の大幅な低減とトーチ荷重の変動防止を効果的に実現することができる。

［トーチの構成］
図４および図５に、トーチ１６の要部の構成を示す。トーチボディ３０の内側には、タングステンまたはタングステン合金からなる棒状のトーチ電極３４をトーチボディ３０の軸心で保持するための円筒状のコレット１２０がトーチ電極３４と一体に収容される。このコレット１２０は、その下端部にすり割り部１２０ａを有するだけでなく、その上端部にもすり割り部１２０ｂを有しており、一回り大きな口径を有する円筒状のコレットボディ１２２に内挿されている。

コレットボディ１２２の下端にはトーチ電極３４を通すための孔１２２ａが形成され、この孔１２２ａの内側の周囲には下向きのテーパ部１２２ｂが形成されている。トーチ１６の頂部でキャップ３５（図１）をコレットボディ１２２に螺合すると、その螺合の締め付けでコレット１２０が下方に押圧され、コレット１２０の下部すり割り部１２０ａがコレットボディ１２２下端のテーパ部１２２ｂに押し付けられる。これにより、コレット１２０の下部すり割り部１２０ａがその口径を狭める方向に変形してトーチ電極３４を狭着（保持）するようになっている。

コレット１２０の上端部は、キャップ３５まで延びている筒状の電極ホルダ１２４に保持されている。電極ホルダ１２４の下端部１２４ａは太径に形成され、この太径下端部１２４ａの内側面には上向きのテーパ部１２４ｂが形成されている。上記のようにトーチ１６の頂部でキャップ３５（図１）をコレットボディ１２２に螺合すると、その螺合の締め付けで電極ホルダ１２４が下方に押圧され、コレット１２０の上部すり割り部１２０ｂが電極ホルダ１２４のテーパ部１２４ｂに押し付けられる。これにより、コレット１２０の上部すり割り部１２０ｂが口径を狭める方向に変形してトーチ電極３４を狭着（保持）するようになっている。

電極ホルダ１２４の太径下端部１２４ａは、図５に示すように、各々の角部ＣがＲ形状に加工された略直方体の形体を有しており、各々の角部Ｃがコレットボディ１２２の内側面に軽く接触しながらコレットボディ１２２内で軸方向に摺動できるようになっている。この太径下端部１２４ａの角部Ｃ以外の平坦な外周面とコレットボディ１２２の内側面との間の隙間Ｓは、シールドガスを通すための通孔を形成する。

トーチ１６の下端部において、コレット１２０とコレットボディ１２２との間には、用力導入部８０（図６Ａ）よりトーチボディ３０の中間部に導入されたシールドガスＳＧを下方に導く円筒状のガス通路１２６が形成されている。そして、コレットボディ１２２の下端部には周回方向に所定の間隔を置いて複数の通孔１２２ｃが形成されている。ガス通路１２６を下ってきたシールドガスＳＧは、通孔１２２ｃを通ってトーチ電極３４とトーチノズル３２との間の空間またはノズル室１２８に出て、このノズル室２８の下端の出口つまり噴出口１３０から外に噴出するようになっている。トーチノズル３２は、好ましくはセラミック（たとえばアルミナ）からなっている。

上記のように、この実施形態におけるトーチ１６は、トーチ電極３４を貫通させた状態でトーチボディ３０の中に着脱可能に収容される筒状コレット１２０の両端部にすり割り部１２０ａ，１２０ｂを設け、コレットボディ１２２の下端部にコレット１２０の下部すり割り部１２０ａと押圧接触するテーパ部１２２ｂを設けるとともに、電極ホルダ１２４の下端部１２４ａにコレット１２０の上部すり割り部１２０ｂと押圧接触するテーパ部１２４ｂを設ける。このようなコレット１２０回りの構成によれば、トーチ電極３４をトーチボディ３０内の鉛直方向に離間した２箇所で軸心上に保持するので、トーチ電極３４の位置ずれや傾きを絶対的に防止することができる。このことは、タッチスタート方式のＴＩＧ溶接において、特に被溶接部が小サイズのものである場合は、タッチ（接触）位置の精度が高いだけでなく、アーク放電時にトーチ電極３４の先端部が被溶接部と向き合うときの垂直姿勢を保つうえでも、非常に大きな利点となる。

［装置の動作（作用）］
次に、図６Ａ〜図６Ｅを参照して、この実施形態におけるＴＩＧ溶接装置の動作を説明する。

先ず、本体ユニット５０内の主制御部の制御の下で、溶接対象の被溶接材Ｗを載置しているステージ４０（ＸＹステージ４２およびθステージ４４）が水平面内の位置合わせの動作を行う。この位置合わせ動作により、被溶接材Ｗの被溶接部がトーチ電極３４の真下に位置するようになる。

一方、高さ方向においては、本体ユニット５０内の主制御部の制御の下で、昇降駆動タワー１４の昇降駆動によりトーチ１６のスタート位置が調整される。

上記のような位置合わせないし初期高さ位置調整が済むと、本体ユニット５０内の主制御部の制御の下で、昇降駆動タワー１４が作動して、直進可動部材１２を下降移動させる。そして、図６Ｂに示すようにトーチ電極３４の先端が被溶接材Ｗに当接し、さらに直進可動部材１２が下降移動すると、図６Ｃに示すようにバランスアーム２８が作動して時計回りに回転する。この時、被溶接材Ｗにはトーチ１６が載っているが、バランスアーム２８の働きにより、非常に小さな荷重（たとえば３０ｇ重以下）に軽減されたトーチ荷重が被溶接材Ｗに加わる。このため、被溶接材Ｗは、トーチ荷重によって折曲または折損することはなく、可撓性のものにあってもその撓み量が非常に小さい。そして、バランスアーム２８の回転移動が一定値に達すると、あるいはそれを超えると、センサユニット１１６が所定の検出信号を出力し、それに応答して主制御部が直進可動部材１２の下降移動を停止する。さらに、プランジャソレノイド１１０を作動させて、直進可動部材１２上でトーチ１６を固定（ロック）する。

こうしてトーチ電極３４の先端が被溶接材Ｗに加圧接触している状態の下で、本体ユニット５０内で溶接電源１４０のスイッチＳＷがそれまでのオフ状態からオン状態に切り換えられる（図６Ｃ）。そうすると、溶接電源１４０より直流電圧がトーチ電極３４と被溶接材Ｗとの間に印加される。これにより、溶接電源１４０の直流電圧源Ｅの正極端子→アースケーブル７７→被溶接材Ｗ→トーチ電極３４→トーチボディ３０→用力導入部８０→架橋型導体８８→用力中継部２４→用力ケーブル７０（溶接電流供給ライン）→直流電圧源Ｅの負極端子の電流経路（閉回路）で、通電開始の直流電流つまりスタート電流ｉ_Ｓが流れる。

この時、トーチ電極３４の先端が被溶接材Ｗに接触しているので、電流ｉ_Ｓの大きさに関係なくアークはまだ発生しない。もっとも、溶接電源回路１４０の出力を制御することにより、スタート電流ｉ_Ｓの電流値を一定範囲に制御してもよい。

なお、トーチ１６を下ろす途中で、あるいはトーチ電極３４の先端が被溶接材Ｗに当接した後に、シールドガスＳＧの供給が開始される。上記のように、本体ユニット５０（図２）より用力供給ケーブル７０（ガス供給ライン）を介して溶接ヘッド１０に送られてきたシールドガスは、用力中継部２４→架橋型チューブ８６→用力導入部８０→トーチボディ３０→トーチノズル３２の各ガス流路を通ってトーチノズル３２の噴射口１３０より被溶接材Ｗに向けて噴射される。

こうして、スタート電流ｉ_Ｓを流したまま、かつトーチ１６を直進可動部材１２に固定（ロック）したまま、主制御部の制御の下で昇降駆動タワー１４が上昇駆動を開始し、直進可動部材１２をアーク放電に最適な設定離間距離Ｈ_Ｓ（たとえば＋２ｍｍ）に等しいストローク量だけ上方に移動させる。これにより、トーチボディ３０も直進可動部材１２と一体に同じストローク量だけ上方に移動し、トーチ電極３４の先端が被溶接材Ｗとの接触位置から設定離間距離Ｈ_Ｓだけ高く引き上げられ、その高さ位置で静止する（図６Ｄ）。一方、被溶接材Ｗは、トーチ荷重を受けた時に殆ど撓んでいなかったので、トーチ電極３４の先端が上方へ離れた後もそれまでと略同じ位置で同じ姿勢を保っている。この結果、トーチ電極３４の先端と被溶接材Ｗの被溶接部とは正しく向き合い、両者の間に設定離間距離Ｈ_Ｋのスペースが確保される。

この場合、昇降駆動タワー１４内の駆動部においては、プランジャソレノイド１１０を介してトーチ１６を固定保持している直進可動部材１２を正確に設定離間距離Ｈ_Ｋのストローク量（引き上げ量）だけ上昇移動させるようにサーボ機構が動作する。このサーボ機構の位置決め制御では、センサユニット１１６の出力信号あるいはロータリエンコーダ（図示せず）の出力信号がフィードバック信号に用いられる。

そして、このトーチ電極３４の引き上げと同時に、または引き上げが完了した後に、溶接電源１４０を制御して、溶接電流をそれまでのスタート電流ｉ_Ｓよりも一段と大きいアーク放電用の正規の直流電流または主電流ｉ_Ｍに切り換える。この主電流ｉ_Ｍの電流値は、被溶接部を溶かすのに十分な高熱のアークを発生させる値（通常１０〜３０Ａ）に選ばれる。

こうして、主電流ｉ_Ｍが流れている間は、図６Ｄに示すように、トーチ電極３４（特に先端付近）と被溶接材Ｗの被溶接部との間でアークＡＣが持続し、被溶接部はアークＡＣの熱によって溶融する。このＴＩＧ溶接装置においては、アークＡＣのアーク長が適正（設定通り）に制御されるため、アークの集中性ないし入熱が安定し、アーク溶接が良好に行われる。なお、主電流ｉ_Ｍの電流値を始終一定値に保ってもよいが、被溶接部の溶融を促進するために、途中で主電流ｉ_Ｍの電流値をさらにステップ的または漸次的に増大させるような電流波形制御（あるいは逆にダウンスロープの電流波形制御）を用いることも可能である。

そして、通電開始から所定の時間（通常１０〜１０００ｍｓｅｃ）が経過すると、溶接電源１４０のスイッチＳＷがオフ状態に切り換えられる。スイッチＳＷがオフして主電流ｉ_Ｍが切られると、その瞬間にアークは消滅する。直後にシールドガスＳＧの供給も止められる。アークが消滅すると、被溶接部の溶融部分が大気中の自然冷却によって直ぐに凝固する。こうして、被溶接材Ｗの被溶接部は一体またはひと固まりに溶接接合される（図６Ｅ）。

溶接ヘッド１０においては、アークが消滅した直後、昇降駆動部の上昇駆動により、直進可動部材１２がスタンバイ用の高さ位置または次回のスタート位置まで上昇し、この直後にプランジャソレノイド１１０の励磁電流が切られる。すると、バランスアーム２８が復動して、図６Ａの原位置に戻る。

上述したように、この実施形態におけるＴＩＧ溶接装置は、溶接ヘッド１０の直進可動部１２にバランスアーム２８を鉛直な面内で回転可能に取り付け、バランスアーム２８の第１アーム部２８ｂの先端部にトーチボディ３０を結合し、第２アーム部２８ｃの先端部にバランスウェイト９８を取り付ける構成により、トーチ１６側の重量モーメントとバランスウエイト９８側の重量モーメントとのバランスを調整するだけで、タッチスタート方式において被溶接材Ｗに加わるトーチ荷重を非常に小さな荷重に軽減することが可能であり、これによって被溶接材Ｗの折曲または破損を確実に防止することができるとともに、被溶接材Ｗが可撓性のものであってもトーチ荷重を受けたときの撓み量を可及的に小さくすることができる。

また、この実施形態のＴＩＧ溶接装置は、本体ユニット５０からの重い用力供給ケーブル７０を溶接ヘッド１０の直進可動部１２上の用力中継部２４で終端させ、用力中継部２４の後段（下流側）では空中でアーチ形の安定な姿勢をとる変位または変形可能な架橋型チューブ８６および架橋型導体８８をトーチボディ３０に接続する構成により、トーチ荷重自体の大幅な低減と安定性を効果的に実現することができる。

このように、タッチスタート方式において被溶接材Ｗに加わるトーチ荷重が非常に小さく、しかもトーチ荷重のばらつきも小さいので、アーク溶接の品質が向上する。さらに、この実施形態のＴＩＧ溶接装置においては、トーチ電極３４をトーチボディ３０内の鉛直方向に離間した２箇所で軸心上に保持する電極保持部（１２０，１２２，１２４）によりトーチ電極３４の水平方向の位置ずれを確実に防止できるとともに、直進可動部１２に設けられる電磁ソレノイド１１０と昇降駆動タワー１４に設けられるサーボ機構との協働動作によりトーチ電極３４の引き上げ量ないしアーク放電高さ位置を高い精度で一定値に制御できるようにしている。これにより、アーク長を適正（設定通り）に制御して、アークの集中性ないし入熱の安定化を図り、アーク溶接の品質および信頼性を一層向上させることができる。

［他の実施形態又は変形例］
上述した実施形態では、バランスウエイト９８の重量を調整するために、板片状の重量加算用ウエイト１０２をボルト１０４によってバランスウエイト９８に着脱可能に取り付けるようにした。別の手法として、図示省略するが、バランスアーム２８の第１アーム部２８ｂおよび／または第２アーム部２８ｃの長さを可変に調整する機構を設けてもよい。かかる調整機構によれば、バランスウエイト９８の重量を連続的に調整するのと同じ効果が得られる。

上述した実施形態では、１本の用力供給ケーブル７０を用いて、本体ユニット５０側から溶接ヘッド１０への溶接電流の供給とシールドガスの供給を行うようにしている。しかし、独立の電流供給ラインと独立のガス供給ラインを用いることも可能である。また、用力中継部２４および／または用力導入部８０を溶接電流供給系の中継部とガス供給系の中継部とに分割する構成も可能である。

上述した実施形態においてトーチ電極３４をトーチボディ３０内の鉛直方向に離間した２箇所で軸心上に保持する電極保持部（１２０，１２２，１２４）の構成は、汎用性が高く、これ単独でも任意のＴＩＧ溶接ヘッドまたはトーチに適用可能である。したがって、たとえば、バランスアーム２８、用力中継部２４、架橋型チューブ８６、架橋型導体８８等を備えないＴＩＧ溶接ヘッドないしトーチにも適用可能である。

１０溶接ヘッド
１２直進可動部
１４昇降駆動タワー
１６トーチ
２２用力中継部
２８バランスアーム
３０トーチボディ
３５コイルばね
３８トーチボディ
３４トーチ電極
４０ステージ
８０用力導入部
８６架橋型チューブ
８８架橋型導体
９８バランスウエイト
１２０コレット
１２２コレットボディ
１２４電極ホルダ
Ｗ被溶接材

Claims

トーチ電極を着脱可能に装着して保持する筒状のトーチボディと、
タッチスタート方式において前記トーチ電極の先端と被溶接材との間で通電を行い、またはアークを発生させるために、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路内で電流を流す溶接電源と、
鉛直方向で移動可能な直進可動部と、
前記直進可動部を直進移動させるための駆動部と、
前記直進可動部に支点を介して鉛直な面内で回転可能に取り付けられ、一端部が前記トーチボディに結合され、他端部にバランスウェイトが取り付けられるバランスアームと
を有するＴＩＧ溶接装置。
前記支点に対して、前記バランスウェイト側の重量モーメントは前記トーチボディ側の重量モーメントより小さく設定される、請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内の導電路を介して前記トーチ電極に電気的に接続される外部端子と、
前記直進可動部に設けられ、前記溶接電源からの溶接電流供給ラインを終端させる第１の電流中継端子と、前記第１の電流中継端子と固定の導体を介して電気的に接続される第２の電流中継端子とを有する電流中継部と、
前記電流中継部の前記第２の電流中継端子と前記トーチボディの前記外部端子との間に架けられる変位または変形可能な架橋型導体と
を有する、請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記被溶接材に向けてシールドガスを噴出するために前記トーチボディの下端部に取り付けられるトーチノズルと、
前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内のガス流路を介して前記トーチノズルと連通するガス導入ポートと、
前記直進可動部に設けられ、前記シールドガスを供給するシールドガス供給部からのガス供給ラインを終端させる第１のガス中継ポートと、前記第１のガス中継ポートと固定のガス室またはガス通路を介して連通する第２のガス中継ポートとを有するガス中継部と、
前記ガス中継部の前記第２のガス中継ポートと前記トーチボディの前記ガス導入ポートとの間に架けられる変位または変形可能な架橋型チューブと
を有する、請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置。
トーチ電極を着脱可能に装着して保持する筒状のトーチボディと、
タッチスタート方式において前記トーチ電極の先端と被溶接材との間で通電を行い、またはアークを発生させるために、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路内で電流を流す溶接電源と、
鉛直方向で移動可能な直進可動部と、
前記直進可動部を直進移動させるための駆動部と、
前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内の導電路を介して前記トーチ電極に電気的に接続される外部端子と、
前記直進可動部に設けられ、前記溶接電源からの溶接電流供給ラインを終端させる第１の電流中継端子と、前記第１の電流中継端子と固定の導体を介して電気的に接続される第２の電流中継端子とを有する電流中継部と、
前記電流中継部の前記第２の電流中継端子と前記トーチボディの前記外部端子との間に架けられる変位または変形可能な架橋型導体と、
前記被溶接材に向けてシールドガスを噴出するために前記トーチボディの下端部に取り付けられるトーチノズルと、
前記トーチボディの側面または上端に取り付けられ、前記トーチボディ内のガス流路を介して前記トーチノズルと連通するガス導入ポートと、
前記直進可動部に設けられ、前記シールドガスを供給するシールドガス供給部からのガス供給ラインを終端させる第１のガス中継ポートと、前記第１のガス中継ポートと固定のガス室またはガス通路を介して連通する第２のガス中継ポートとを有するガス中継部と、
前記ガス中継部の前記第２のガス中継ポートと前記トーチボディの前記ガス導入ポートとの間に架けられる変位または変形可能な架橋型チューブと
を有するＴＩＧ溶接装置。
前記溶接電流供給ラインと前記ガス供給ラインは１本のケーブルに一緒に収容され、
前記電流中継部と前記ガス中継部は導電性の第１の中空ブロックに一体に設けられる、
請求項５に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記外部端子と前記ガス導入ポートは導電性の第２の中空ブロックに一体に設けられる、請求項５に記載のＴＩＧ溶接装置。
両端部にすり割り部を有し、前記トーチ電極を貫通させた状態で前記トーチボディの中に着脱可能に収容される筒状のコレットと、
前記トーチボディの下端部で前記コレットの下端側のすり割り部を介して前記トーチ電極を前記トーチボディの軸心上で保持する第１の電極保持部と、
前記トーチボディの中間部で前記コレットの上端側のすり割り部を介して前記トーチ電極を前記トーチボディの軸心上で保持する第２の電極保持部と
を有する、請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記第１の電極保持部は、前記トーチボディの下端部に固定して設けられ、前記コレットの下端側のすり割り部の下端部に押圧接触可能なテーパ部を有する、請求項８に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記第２の電極保持部は、前記コレットを介して前記トーチ電極と一体に前記トーチボディの中に装入され、前記コレットの上端側のすり割り部の上端部に押圧接触可能なテーパ部を有する、請求項８に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記第２の電極保持部は、前記トーチボディの内壁に円周方向の複数個所で接触し、前記トーチボディの中でその軸方向に摺動可能である、請求項１０記載のＴＩＧ溶接装置。
前記直進可動部に対して前記トーチボディを任意の高さ位置で電磁力により固定するために前記直進可動部に設けられる電磁ソレノイドを有する、請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置。
前記駆動部は、サーボモータを含むサーボ機構を有し、タッチスタート方式において前記トーチ電極を前記被溶接材との接触状態から上方に引き上げるときは、前記電磁ソレノイドにより前記直進可動部に固定保持されている前記トーチボディを前記サーボ機構により所望の距離だけ上昇移動させる、請求項１２に記載のＴＩＧ溶接装置。