(57)【要約】【課題】溶接ロボットを用いる上向き溶接方法において、溶接後の靭性を確保でき、他の溶接方法との設定の相互変更が容易である溶接方法を提供する。【解決手段】所定の開先角度を有するようにして近接する二つの部材１０１，１０２を溶接ロボット１を用いて上向き溶接する上向き溶接方法であって、アーク極性を逆極性とし、溶接ワイヤとしてソリッドワイヤを使用し、トーチからのソリッドワイヤの突出し長さを１２〜１８ｍｍとし、シールドガスとして不活性ガスを主成分とするガスを使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の開先角度を有するようにして近接する二つの部材を溶接ロボットを用いて上向き溶接する上向き溶接方法であって、
アーク極性を逆極性とし、
溶接ワイヤとしてソリッドワイヤを使用し、
トーチからの前記ソリッドワイヤの突出し長さを１２〜１８ｍｍとし、
シールドガスとして不活性ガスを主成分とするガスを使用する、上向き溶接方法。
【請求項２】
溶接電流を１３０〜２００Ａとし、
溶接電圧を１３〜２５Ｖとする、請求項１記載の上向き溶接方法。
【請求項３】
一方の前記部材の開先端面が鉛直面であり、
トーチ角度を７３〜７９度とする、請求項１又は２記載の上向き溶接方法。
【請求項４】
ウイービング幅の片方の端部を、一つ前に形成したビードに対して所定の幅で重ねるようにして新たなビードを形成する、請求項１〜３のいずれか一項記載の上向き溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上向き溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接を上向き姿勢で長時間行うことは作業者に肉体的負担が掛かり、また、スパッタが降りかかるため危険でもある。これを解消すべく、従来、溶接ロボットを用いた上向き溶接が提案されている（例えば特許文献１）。上向き溶接では重力による溶接金属の垂れを防止する必要があるところ、特許文献１ではアーク極性を正極性にし、且つ、溶接金属が垂れにくいフラックスワイヤを用いることでこれを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１０６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、フラックスワイヤはソリッドワイヤと比べて溶接時の溶け込みが浅く、溶接後の靭性を確保しにくい傾向がある。また、特許文献１ではアーク極性を一般に用いられる逆極性ではなく正極性としているので、同一の溶接ロボットで他部位を溶接する際に溶接電源機の設定を変更する段取りが必要となる。
【０００５】
そこで本発明は、溶接ロボットを用いる上向き溶接方法であって、溶接後の靭性を確保でき、他の溶接方法との設定の相互変更が容易である上向き溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、所定の開先角度を有するようにして近接する二つの部材を溶接ロボットを用いて上向き溶接する上向き溶接方法であって、アーク極性を逆極性とし、溶接ワイヤとしてソリッドワイヤを使用し、トーチからのソリッドワイヤの突出し長さを１２〜１８ｍｍとし、シールドガスとして不活性ガスを主成分とするガスを使用する上向き溶接方法を提供する。
【０００７】
この溶接方法では、ソリッドワイヤの突出し長さが適切であって溶け込み量も深いので、アークが安定し、溶接後の靱性も確保することができる。また、シールドガスとして不活性ガスを主成分とするガスを使用するので、スパッタ量が少なく安全性が高いうえ、形成したビードが垂れにくい。更に、アーク極性を逆極性とするので、他の溶接方法との設定の相互変更が容易である。
【０００８】
この溶接方法では、溶接電流を１３０〜２００Ａとし、溶接電圧を１３〜２５Ｖとすることが好ましい。この場合、形成したビードの垂れを一層防止することができる。
【０００９】
この溶接方法では、一方の部材の開先端面が鉛直面であり、トーチ角度を７３〜７９度とすることが好ましい。この場合、ソリッドワイヤを開先間の隅々まで容易に届かせやすいので、凝固後の欠陥領域が生じにくい。
【００１０】
この溶接方法では、ウイービング幅の片方の端部を、一つ前に形成したビードに対して所定の幅で重ねるようにして新たなビードを形成することが好ましい。これにより、各ビード間の溶け込みを確保することができるとともに、溶接時のアークの安定を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接ロボットを用いる上向き溶接方法であって、溶接後の靭性を確保でき、他の溶接方法との設定の相互変更が容易である上向き溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の溶接ロボットを示す側面図である。
【図２】図１のトーチ側から見た溶接ロボットの正面図である。
【図３】トーチの先端部を示す図である。
【図４】溶接手順を示す図である。
【図５】溶接手順を示す図である。
【図６】溶接手順を示す図である。
【図７】溶接手順を示す図である。
【図８】電流と溶接速度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
本実施形態の上向き溶接方法は、溶接ロボットを用いて、所定の開先角度を有するようにして近接する二つの部材を上向き溶接する方法である。溶接ワイヤとしてはソリッドワイヤを用いる。
【００１５】
＜溶接ロボット＞
図１及び図２に示されているとおり、本実施形態の溶接ロボット１は、ロボット本体部２と、ロボット本体部２から延びるアーム部３と、アーム部３に保持されたトーチ４とを備えている。
【００１６】
ロボット本体部２は、溶接ロボット１の存在位置を規定し、且つ、アーム部３の動きの土台となる部分である。ロボット本体部２には電源ケーブルを兼ねた配線２ａが接続されており、トーチ４のウイービング幅や溶接速度に関する情報を配線２ａを介してロボット本体部２に与えることができる。また、ロボット本体部２は車輪６を備えており、後述するレール７上を走行可能とされている。
【００１７】
アーム部３は、トーチ４の角度や移動を自在に行うことができるように複数の可動部を備えている。
【００１８】
トーチ４としては、一般のシールド溶接で用いるものと同様のものを使用することができ、ソリッドワイヤ（以下、単に「ワイヤ」と呼ぶ。）５及びシールドガスを連続的に供給することができるものを使用する。トーチ４にはワイヤ５が挿通されたコンジットケーブル４ａが接続されており、ワイヤ５は供給装置（図示せず）から押し出されるように連続供給することが可能とされ、その先端がトーチ４の先端部から外部に露出している（図３も参照）。
【００１９】
図１及び図２は、溶接ロボット１が仕口部分（柱１０１と梁１０２との接合部分）の梁１０２の下フランジを柱１０１に対して上向き溶接しようとしている様子を示している。溶接ロボット１の使用に際しては、Ｈ形鋼である梁１０２の下フランジに対して支持部材８を介してレール７を取り付ける。このとき、レール７の走行向きが溶接線と平行となるように向ける。レール７の下面に溶接ロボット１の車輪６を噛ませることで溶接ロボット１を懸架する。このように設置された溶接ロボット１は、アーム部３の動きとレール７上の往復走行とによって、所望の溶接を行うことができる。
【００２０】
トーチ４は、図３に示されているとおり、その先端部からワイヤ５が突出した状態で使用する。トーチ４の基部４ｂの先端にはコンジットケーブル４ａから連通した中空のカバー部４ｃが基部４ｂ内から突出するように設けられており、ワイヤ５はカバー部４ｃの中を通じて外部に露出している。なお、コンジットケーブル４ａは、ワイヤ５に加えてシールドガスを供給するための通路としても働く。
【００２１】
ワイヤ５の材料としては、使用するシールドガスの種類に応じたものを使用する。例えばシールドガスとして混合ガス（例えばアルゴン＋二酸化炭素の混合ガス）を用いる場合は、当該混合ガス用のソリッドワイヤであれば種類を問わない。ワイヤ５の直径は、０．９〜１．６ｍｍが好ましく、１．０〜１．４ｍｍがより好ましい。
【００２２】
＜溶接方法＞
溶接ロボット１を用いた上向き溶接方法について説明する。開先の形状は一般にレ形、Ｋ形、Ｖ形等様々であるが、ここでは図４〜７に示されているとおり、レ形の開先を例にして説明する。ここでは溶接すべき部材のうち、開先端面が鉛直面であるほうを壁側部材１１、開先端面が鉛直方向に対して傾斜しているほうを開先側部材１２と呼ぶ。図４〜７では、開先角度（開先端面同士が成す角度）θ１は３５度である。壁側部材１１と開先側部材１２との間のルート間隔を塞ぐようにして、溶接する側とは反対側の面から裏当て金１３を当てる。
【００２３】
トーチ４にワイヤ５を装着し、溶接電源機の設定としてアーク極性を逆極性とする。溶接電流は１３０〜２００Ａとすることが好ましく、１５０〜２００Ａとすることがより好ましく、１６０〜１９０Ａとすることが更に好ましい。溶接電流が小さすぎるとワイヤの溶け込みが不十分となりやすく、溶接電流が大きすぎると電力消費が大きくなるうえビードの外観形状が悪くなりやすい。溶接電圧は１３〜２５Ｖとすることが好ましく、１５〜２３Ｖとすることがより好ましく、１７〜２１Ｖとすることが更に好ましい。
【００２４】
シールドガスとしては、不活性ガスを主成分とするガスを用いることが好ましく、不活性ガスとしてはアルゴンが好ましい。アルゴンを単独で用いてもよく、シールドガスとして一般に用いられる他のガスとの混合ガスとして用いてもよい。他のガスとしては二酸化炭素が好ましく、体積比でアルゴン：二酸化炭素＝９５：５〜６５：３５であることが好ましく、８５：１５〜７５：２５であることがより好ましく、８０：２０であることが更に好ましい。不活性ガスを主成分とするガスを用いることにより、二酸化炭素を単独で用いる場合や不活性ガスが低割合である混合ガスを用いる場合に比べて、アークの安定度が向上する。
【００２５】
トーチ４の先端部において、ワイヤ５の突出し長さＬは、１２〜１８ｍｍとする。ここで、突出し長さＬは、トーチ４の基部４ｂの先端から突き出ているカバー部４ｃの長さと、露出したワイヤ５の長さとの合計の長さを指している。突出し長さＬは、１３〜１７ｍｍとすることがより好ましく、１４〜１６ｍｍとすることが更に好ましく、１５ｍｍであることが特に好ましい。突出し長さＬがこれらの範囲内であると、アークの安定度が高く、シールドガスによるシールド効果が高い。また、ワイヤ５を開先空間の隅々まで容易に届かせやすいので、凝固後の欠陥領域を生じにくくすることができる。
【００２６】
溶接に際しては、所定のトーチ角度θ２でもってトーチ４の先端部を開先空間へ進入させる。ここで「トーチ角度θ２」とは、図４に示されているとおり、鉛直方向下側から近づけたトーチ４を、トーチ４の長さ方向が開先側部材１２の開先端面の傾斜の向きに近づくように傾けた場合に、水平方向を基準としてトーチの長さ方向がなす角度（ただし、θ２＝０〜９０度）をいう。このとき、トーチ角度θ２を７３〜７９度とすることが好ましく、７４〜７８度することがより好ましく、７５〜７７度とすることが更に好ましい。トーチ角度θ２が小さすぎると開先側部材１２にトーチ４がぶつかりやすく、開先側部材１２側でワイヤ５が届かずに融合不良が発生する虞がある。また、トーチ角度θ２角度が大きすぎると、壁側部材１１の近くを溶接する際にワイヤ５の側部が壁側部材１１の端面に接近しすぎてアークが短絡する虞がある。
【００２７】
図４〜７においては、ロボット本体部２は図示右側に位置しており、紙面手前側−奥側方向が溶接線であり、溶接は図示左右方向にウイービングしながら紙面奥側方向へ進行し、ビードｂ（ｂ１，ｂ２，ｂ３，…，ｂｎ）を形成してゆく。溶接は壁側部材１１側から開始してビードｂを順次形成してゆき、開先側部材１２へと到達させる。両部材１１，１２間に、鉛直方向に所定の厚さを有する溶接層Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，…，Ｂｎ；図７参照）を形成したら、次に当該層の表面に対して再び壁側部材１１側から溶接金属を重ねてゆく。鉛直方向下方へ行くほど開先が広くなってゆくので、両部材１１，１２間にビードｂを形成する作業を繰り返して水平方向にビードｂを並べることによって一つの溶接層Ｂとする。こうした積層を繰り返すことによって、溶接に要した金属の全層厚が両部材１１，１２の厚さに到達し、両部材１１，１２の溶接が完了する（図７参照）。
【００２８】
溶接速度（トーチが溶接線方向に進行する速度）は、１２〜２８ｃｍ／分であることが好ましく、１３〜２５ｃｍ／分であることがより好ましく、１４〜２０ｃｍ／分であることが更に好ましい。ウイービング幅Ｗは、４〜１０ｍｍとすることが好ましく、５〜９ｍｍとすることがより好ましく、６〜８ｍｍとすることが更に好ましい。ウイービング幅が小さすぎるとビードｂの総本数が多くなり溶接完了までの時間が長くかかる。ウイービング幅が大きすぎるとビードｂが凝固する際に溶接金属が中央に集まり垂れやすくなる。
【００２９】
溶接線に沿って一つのビードｂを形成した後に次の溶接金属を重ねるに際しては、図５に示されているとおり、そのウイービング幅Ｗの片方の端部（壁側部材１１側の端部）を、一つ前に形成したビードｂ３に対して溶接金属を所定の被せ幅Ｒで重ねるようにして新たなビードｂ４を形成することが好ましい。このようにすると、隣り合うビードｂ３，ｂ４間の溶け込みを確保することができるとともに、アークの安定を図ることができる。また、隣り合うビードｂ３，ｂ４間の段差を小さくすることができ、そのビードの表面上に次の層の溶接金属を重ねる際に作業しやすくなる。また、被せ幅Ｒは、０．０〜１．０ｍｍとすることが好ましく、０．４〜０．８ｍｍとすることがより好ましく、０．５〜０．７ｍｍとすることが更に好ましく、０．５ｍｍとすることが特に好ましい。
【００３０】
また、各溶接層Ｂの形成に際し、図６に示されているとおり、最終ビード（開先側部材１２に接触するビード）となるビードの一つ手前のビードを、開先側部材１２の端面から所定の間隔Ｓだけ離した状態とすることが好ましい。この間隔Ｓは、用いるワイヤ５の直径にもよるが、１〜３ｍｍであることが好ましく、１．５〜２．５ｍｍとすることがより好ましく、２ｍｍとすることが更に好ましい。このような間隔を確保することで、その溶接層Ｂにおける最終ビードを形成する際にワイヤ５を間隔Ｓの領域に容易に進入させることができ、当該部分における溶け込み不良や凝固後の欠陥領域の発生を防止することができる。
【００３１】
溶接層Ｂを積層してゆき、溶接に要した金属の全層厚が両部材１１，１２の厚さと同程度の厚さ、又は、両部材１１，１２の厚さマイナス１ｍｍ程度の厚さになったとき、最後の表層溶接を行う。ここで、壁側部材１１の近傍では、壁側部材１１に１ｍｍ程度の幅を被せるようにして（図７の矢印が指している部分）表層ビードを形成することが好ましい。これにより表層溶接が安定化し、外観形状が整う。
【００３２】
以上に説明した上向き溶接方法では、溶接ロボット１を用いるため、作業者に肉体的負担を強いることなく、また、スパッタを浴びる危険性を回避することができ、設定した電流及び電圧のもとで所望のウイービング幅及び溶接速度で正確に溶接を行うことができる。また、ソリッドワイヤはフラックスワイヤと比べて溶け込み量が深いので、耐震構造性能の指標の一つである靭性を確保することができる。また、シールドガスとして不活性ガス（例えばアルゴン）を主成分とするガスを使用するので、スパッタ量が少なく安全性が高いうえ、形成したビードが垂れにくい。更に、アーク極性を逆極性とするので、他の溶接方法、例えば下向き溶接や横向き溶接との設定の相互変更が容易である。
【００３３】
特許文献１との対比でいえば、特許文献１に開示された溶接方法ではフラックスワイヤを用いることでビードの垂れを防止していたが、本実施形態の溶接方法では、不活性ガスを主成分とする混合ガスを用い、ワイヤ５の突出し長さＬを上記の範囲内としたことで、ソリッドワイヤでもビードが垂れにくい溶接を行うことができる。特に、溶接電流及び溶接電圧を上記の範囲に設定して溶接を行うことで、ビードの垂れを一層防止することができる。また、フラックスワイヤはソリッドワイヤと比べて溶け込みが浅いため靭性を確保しにくい傾向があり、特許文献１に開示された溶接方法ではこれを改善するためには塩基性の特殊フラックスワイヤを用いる必要がある。これに対し、本実施形態の溶接方法ではソリッドワイヤを用いるため靭性の問題は生じにくい。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態では各溶接層の最終ビードの一つ手前のビード（図６でいえばビードｂ５）を形成する際に、ビードを開先側部材１２から所定の間隔Ｓを一旦確保したうえで次に開先側部材１２に接触する最終ビードを形成する方法を示したが、当該一つ手前のビードを伸ばすことによって当該ビードを開先側部材１２に接触させることで凝固後の欠陥領域の発生を防止してもよい。
【００３５】
また、上記実施形態では図１及び図２において仕口部分を上向き溶接しようとしている様子を挙げたが、上向き溶接であれば、溶接する場所を問わず他の部分に対しても本発明を適用することができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、溶接する部材の開先形状がレ形である場合を示したが、本発明は開先形状がＫ形やＶ形等他の形状である場合にも適用することができる。この場合トーチ角度θ２についても上記と同様の角度とすることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００３８】
図１及び図２に示された溶接ロボットを用いて、ソリッドワイヤ（直径：１．２ｍｍ、材料規格：ＹＧＷ１９）で鋼板（ＳＮ４９０Ｂ、厚さ＝１９ｍｍ）上に上向きでビードを形成した。ソリッドワイヤの突出し長さ、溶接電流・電圧、溶接速度、ウイービング幅は表１のとおりとした。ビードの外観評価を表１に示す。外観評価の指標は以下のとおりである。
・「Ａ」…ビード形状が正常であり、高さのばらつきも観察されなかった。
・「Ｂ」…ビード形状が不整であり、高さのばらつきも観察された。
これらの外観評価は、溶接後の靭性の高さを推定することができるものである。
【００３９】
【表１】
2020066019.tif 000003
【００４０】
表１に示された結果から、外観評価を高いものとするにはソリッドワイヤの突出し長さには適切な長さがあることが分かる。
【００４１】
次に、電流（１２０〜２２０Ａ）と溶接速度（１０〜３０ｃｍ／分）を様々に組み合わせた条件で上向きでビードを形成し、それぞれの外観を観察した。ここではソリッドワイヤの直径を１．２ｍｍとし、ウイービング幅を８ｍｍとした。電圧は１１〜２３Ｖとした。結果を図８に示す。外観評価の指標は以下のとおりである。
・「○」…ビード形状が正常であり、高さや幅のばらつきも観察されなかった。
・「△」…ビード形成不良、高さのばらつき、幅のばらつきの少なくとも一つが観察されたが、許容できる程度であった。
・「×」…ビード形成不良、高さのばらつき、幅のばらつきの少なくとも一つが観察された。
これらの外観評価は、溶接後の靭性の高さを推定することができるものである。
【００４２】
図８に示された結果から、外観評価を高いものとするには電流と溶接速度に望ましい範囲が存在することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、上向き溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…溶接ロボット、２…ロボット本体部、２ａ…配線、３…アーム部、４…トーチ、４ａ…コンジットケーブル、４ｂ…基部、４ｃ…カバー部、５…ワイヤ、６…車輪、７…レール、８…支持部材、１１…壁側部材、１２…開先側部材、１３…裏当て金、１０１…柱、１０２…梁、Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，…，Ｂｎ）…溶接層、ｂ（ｂ１，ｂ２，…，ｂｎ）…ビード、Ｒ…被せ幅、Ｓ…間隔、Ｗ…ウイービング幅、θ１…開先角度、θ２…トーチ角度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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