(57)【要約】【課題】  前進及び停止のみを繰り返して放電及び火花の飛散を繰り返すことにより後退を行わずに溶接部を加熱して接合する。【解決手段】  フラッシュ工程において制御部１７は経過時間に対する移動側溶接部材３の位置を示す目標変位曲線に基づいて、一定周期で移動側溶接部材３の目標位置を算出し（ステップＳ２０）、位置計測部１５で計測された移動側溶接部材３の位置が算出された目標位置に達していないことを検出すると（ステップＳ２１）、移動側溶接部材３を前進させ（ステップＳ２２）、位置計測部１５で計測された移動側溶接部材３の位置が算出された目標位置に達している場合には移動側溶接部材３を停止させる。最終的な目標位置に到達するまでフラッシュ工程を繰り返すことにより移動側溶接部材３の前進及び停止を繰り返す。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された溶接部材と移動可能な溶接部材とに電圧を印加しながら、経過時間に対する移動可能な溶接部材の位置を示す目標変位曲線に追従するように前進及び停止のみを繰り返すことにより放電及び火花の飛散を発生させて溶接部を加熱し、加熱した溶接部を圧接することを特徴とするフラッシュ溶接装置。
【請求項２】
前記目標変位曲線は、前記溶接部において部分的な放電から徐々に均一な放電を発生させ、発生した均一な放電を保つように移動する移動可能な溶接部材の経過時間に対する位置を表す請求項１に記載のフラッシュ溶接装置。
【請求項３】
前記溶接部が均一に放電するまであらかじめ加熱しておく請求項１または請求項２に記載のフラッシュ溶接装置。
【請求項４】
固定された溶接部材と移動可能な溶接部材とに電圧を印加しながら、経過時間に対する移動可能な溶接部材の位置を示す目標変位曲線に追従するように前進及び停止のみを繰り返すことにより放電及び火花の飛散を発生させて溶接部を加熱し、
加熱した溶接部を圧接することを特徴とするフラッシュ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧を印加した２つの溶接部材を接合するフラッシュ溶接装置及びフラッシュ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管杭やＨ形鋼杭等の鋼杭は、打込貫通力が大きく、継手の施工が確実であるとともに水平荷重に対する曲げ抵抗が強いので深い基礎に用いられている。鋼管杭を接合するとき、特許文献１に示すように、接合強度が高い溶接継手を高能率で作成するフラッシュ溶接法が用いられている。特許文献１に示された接合方法は、接合する鋼管杭と地盤に圧入した鋼管杭の内周面をそれぞれクランプ装置で保持し、溶接用電極を、両鋼管杭の溶接部近傍の外周部にそれぞれ取り付け、溶接用トランスから溶接用電極に電力を供給しながら、接合する鋼管杭を上方から前後退させて溶接部の離接を繰り返して溶接部を加熱した後、溶接部を加圧して両鋼管杭を接合している。
【特許文献１】特開２００４−１７６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１のように鋼管杭を重力に逆らって高速に前後退させるためには、高性能な油圧設備や制御装置が必要となる。また、レール材を水平な状態で溶接する場合、レール材を高速に前後退させると振動が発生するため、前後退するレール材を強固に固定する必要があり、固定するための設備及び油圧設備が大掛かりとなる。
【０００４】
本発明は、高速な前後退を不要とし前進及び停止のみで溶接部材を接合するフラッシュ溶接装置及びフラッシュ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】
【０００５】
この発明のフラッシュ溶接装置は、固定された溶接部材と移動可能な溶接部材とに電圧を印加しながら、経過時間に対する移動可能な溶接部材の位置を示す目標変位曲線に追従するように前進及び停止のみを繰り返すことにより放電及び火花の飛散を発生させて溶接部を加熱し、加熱した溶接部を圧接する。目標変位曲線は、溶接部において部分的な放電から徐々に均一な放電を発生させ、発生した均一な放電を保つように移動する移動可能な溶接部材の経過時間に対する位置を表すようにするとよい。溶接部が均一に放電するまであらかじめ加熱しておくとよい。
【０００６】
この発明のフラッシュ溶接方法は、固定された溶接部材と移動可能な溶接部材とに電圧を印加しながら、経過時間に対する移動可能な溶接部材の位置を示す目標変位曲線に追従するように前進及び停止のみを繰り返すことにより放電及び火花の飛散を発生させて溶接部を加熱し、加熱した溶接部を圧接する。
【発明の効果】
【０００７】
このフラッシュ溶接装置によれば、前進及び停止のみを繰り返すことで後退動作を行わずに溶接部材の放電及び火花の飛散を繰り返すことができ、前後退を高速で行うための高度な油圧設備や制御装置を不要とする。目標変位曲線を、溶接部において部分的な放電から徐々に均一な放電を発生させ、発生した均一な放電を保つように移動する移動可能な溶接部材の位置を表すようにするため、フリーズを防いでスムーズに接合することができる。あらかじめ加熱しておくことで、放電開始当所の不安定な動作を低減して早く接合することができる。このフラッシュ溶接方法によれば、前進及び停止のみを繰り返すことで後退動作を行わずに溶接部材の放電及び火花の飛散を繰り返すことができ、前後退を高速で行う必要が無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
フラッシュ溶接装置１は、２つの溶接部材をフラッシュ溶接により接合して長い溶接部材を製造する。本実施形態では、固定側溶接部材に長手方向を鉛直方向に向けて埋設されたＨ形鋼杭を用い、移動側溶接部材に長手方向を鉛直方向に向けたＨ形鋼杭を用い、固定側溶接部材の後端部に移動側溶接部材の先端部を溶接する。
【０００９】
フラッシュ溶接装置１は、図１（ａ）の正面図及び図１（ｂ）の側面図に示すように、固定側クランプ１０と移動側クランプ１１と移動ユニット１２と固定側電極１３と移動側電極１４と位置計測部１５と電源１６と制御部１７とを備える。
【００１０】
固定側クランプ１０は固定側溶接部材２の後端部を固定し、移動側クランプ１１は移動側溶接部材３の先端部に固定されている。移動ユニット１２は、図２の機能ブロック図に示すように油圧シリンダ１２１と油圧インバータポンプ１２２と方向切替弁１２３とポンプ用インバータ１２４とを有する。移動側クランプ１１と固定側クランプ１０との間に接続された油圧シリンダ１２１に油圧インバータポンプ１２２からオイルを送るとともに、油圧シリンダ１２１と油圧インバータポンプ１２２との間に接続された方向切替弁１２３でオイルの流れを切り替えることにより、油圧シリンダ１２１を伸縮させて、移動側溶接部材３の固定側溶接部材２に対する位置を変動させる。オイル用インバータ１２４は、油圧インバータポンプ１２２にパルスを送ることにより、油圧インバータポンプ１２２の動作タイミングと一回の動作量とを制御し、移動側溶接部材３を移動させる。
【００１１】
固定側溶接部材２の後端部には固定側電極１３が接続され、移動側溶接部材３の先端部には移動側電極１４が接続されている。固定側クランプ１０と移動側クランプ１１とに接続された位置計測部１５は、固定側クランプ１０と移動側クランプ１１との距離に応じて可変するポテンショメータの抵抗値を測定することにより、移動側溶接部材３の位置を計測する。
【００１２】
電源１６は、三相交流発電機１６１と整流器１６２とインバータ駆動回路１６３と電源用インバータ１６４と変圧器１６５とダイオード整流器１６６とを有し、４００Ｖの三相交流発電機１６１からの交流電圧を整流器１６２で整流し、インバータ駆動回路１６３で制御される電源用インバータ１６４により矩形波交流電圧に変換し、変圧器１６５で降圧してダイオード整流器１６６で直流電圧に変換し、直流電圧を固定側電極１３と移動側電極１４とを通じて固定側溶接部材２と移動側溶接部材３との間に印加する。
【００１３】
制御部１７は、電源１６のインバータ駆動回路１６３を制御することにより、固定側電極１３と移動側電極１４とを通じた固定側溶接部材２と移動側溶接部材３との間の電圧の印加及び停止を制御するとともに、移動ユニット１２のポンプ用インバータ１２４及び方向切替弁１２３を制御することにより、移動側溶接部材３を前進させて固定側溶接部材２に近づけたり、移動側溶接部材３を固定側溶接部材２に対して停止させることにより、図３のフロー図に示すように、溶接部となる固定側溶接部材２の後端部と移動側溶接部材２の先端部とを適温まで加熱するフラッシュ工程（ステップＳ１０）と、加熱された溶接部を急激に圧接するアップセット工程（ステップＳ１１）とを含むフラッシュ溶接方法を実行する。
【００１４】
フラッシュ工程では、固定側溶接部材２の後端部と移動側溶接部材３の先端部との間に放電を起こして短絡することにより大電流を流し、放電した部分を集中的に加熱して溶融させる。加熱溶融した短絡した部分の部材が火花となって飛び散る（フラッシュする）と放電が弱まり、あるいは絶たれるため、さらに移動側溶接部材３を固定側溶接部材２に近づけて放電と火花の飛散とを繰り返す必要がある。制御部１７は、経過時間に対する移動側溶接部材３の位置を表す目標変位曲線に追従するように、移動側溶接部材３を前進させる。
【００１５】
フラッシュ工程では、移動側溶接部材３が固定側溶接部材２に近づくと、放電が発生し、短絡した溶接部が集中的に加熱、溶融される。加熱溶融した接合点の部材が火花となって飛び散ると放電が絶たれるが、移動側溶接部材３をさらに固定側溶接部材２に近づけることにより再度放電し、放電と火花飛散とが繰り返されて溶接部が加熱される。移動側溶接部材３と固定側溶接部材２との間を流れる電流は、例えば図４に示すように、フラッシュ工程の初期には、溶接部の粗さにより局部的に電流が流れて全体的にはあまり流れず、放電により火花の飛散を繰り返すことにより放電する部分が多くなり、徐々に電流が増加して最終的には溶接部の全面がほぼ均一に放電するようになる。
【００１６】
経過時間に対する移動側溶接部材３の位置を表す目標変位曲線はあらかじめ実験により計測して求められる。フラッシュ工程の初期の段階では、移動側溶接部材３をわずかに前進させながら局部的な放電と火花の飛散とを連続的に発生させるように制御し、時間の経過に従って一回の動作で移動側溶接部材３が前進する距離を段階的に増加させ、溶接部の粗さがとれて放電が均一に発生するようになると、均一さを保ったままほぼ一定の速さで前進するように制御する。目標変位曲線は、移動側溶接部材３を移動させて計測された、経過時間t(秒)に対する移動側溶接部材３の位置y(mm)を１次式や２次式で近似して求められる。例えば、断面積約8000mm2の鋼材を、平均電力60kW、溶接時間170秒で溶接する場合、計測結果を最小二乗法で近似すると目標変位曲線は、図５（ａ）に示すように式１ａ〜式１ｄの４つの２次式の組み合わせ、図５（ｂ）に示すように式２ａ〜式２ｅの５つの１次式の組み合わせ、あるいは、式３ａの２次式と式３ｂの１次式との組み合わせ等により表される。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
フラッシュ溶接方法を実行する制御部１７は、インバータ駆動回路１６３を制御して固定側溶接部材２と移動側溶接部材３との間に電圧を印加し、目標変位曲線の初期位置に移動側溶接部材３を配置し、方向切替弁１２３を前進に切り替え、まずフラッシュ工程を実行する。
【００１９】
フラッシュ工程において制御部１７は図６のフロー図に示すように、経過時間に対する移動側溶接部材３の位置を示す目標変位曲線に基づいて、一定の微小な時間周期、例えば0.1秒周期で経過時間に応じた移動側溶接部材３の目標位置を算出する（ステップＳ２０）。目標変位曲線が図５（ａ）のような２次式の組み合わせで表される場合、約0秒以上約90秒未満では式１ａに基づき、約90秒以上約115秒未満では式１ｂに基づき、約115秒以上約134秒未満では式１ｃに基づき、約134秒以上約170秒未満では式１ｄに基づいて目標位置を算出する。目標変位曲線が図５（ｂ）のような１次式の組み合わせで表される場合、約0秒以上約43秒未満では式２ａに基づき、約43秒以上約87秒未満では式２ｂに基づき、約87秒以上約125秒未満では式２ｃに基づき、約125秒以上約143秒未満では式２ｄに基づき、約143秒以上約170秒未満では式２ｅに基づいて目標位置を算出する。目標変位曲線が式３ａ及び式３ｂのように２次式と１次式との組み合わせで表される場合、約0秒以上約140秒未満では式３ａに基づき、約140秒以上約170秒未満では式３ｂに基づいて目標位置を算出する。
【００２０】
位置計測部１５で計測された移動側溶接部材３の位置が算出された目標位置に達していないことを検出すると（ステップＳ２１）、移動側溶接部材３を前進させ（ステップＳ２２）、位置計測部１５で計測された移動側溶接部材３の位置が算出された目標位置に達している場合には移動側溶接部材３を停止させる。最終的な目標位置に到達するまで移動側溶接部材３の前進及び停止のみを繰り返す。
【００２１】
フラッシュ工程を終えると制御部１７はアプセット工程を実行する。アプセット工程を実行する制御部１７は、図７のフロー図に示すように、油圧インバータポンプ１２２を急激に作動させて移動側溶接部材３と固定側溶接部材２とを強い圧力で押し付けてアプセットを開始する（ステップＳ３０）、アプセットの開始から設定時間経過後にインバータ駆動回路１６３を制御して電圧の印加を停止し（ステップＳ３１）、所定の距離まで圧力を加えた後、所定の時間保持する（ステップＳ３２）。電圧をしばらく印加することにより、固定側溶接部材２と移動側溶接部材３との境界面に残留する不純物や加熱金属を押し出して健全な高温金属で溶接することができる。アプセット工程を終えた後、必要に応じて移動側クランプ１１を解放してバリ抜きバイトを前進させることにより、溶接箇所のバリ抜きを実行するとよい。
【００２２】
このフラッシュ溶接装置１によれば、溶接部材の前進と停止のみを繰り返すことで、高速な前後退を行わずに溶接部材の放電及び火花の飛散を繰り返すことができ、高速に前後退を行うための高度な油圧設備を不要とする。特に、垂直に溶接部材を接合する場合には、重力に反して高速な前後退を行わないことにより油圧設備が複雑化することを防止できる。さらに電力制御方式における溶接部材の軌跡に近似した１次式または２次式で表される動作とすることにより、大面積でもフリージングを防止することができる。なお、本発明は、Ｈ形鋼杭に限らずシートパイル、鋼管、レール材等の溶接部材を溶接することができる。
【００２３】
なお、フラッシュ工程の開始からしばらくは固定側溶接部材２及び移動側溶接部材３に十分に熱が入っておらず火花が飛び難いため、例えばフラッシュ工程の前に固定側溶接部材２と移動側溶接部材３とを短絡し、抵抗により溶接部をあらかじめ加熱して火花を飛びやすくしておくことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】フラッシュ溶接装置の正面図及び側面図である。
【図２】電気系統の機能ブロック図である。
【図３】フラッシュ溶接方法のフロー図である。
【図４】電流値と時間との関係を示す図である。
【図５】経過時間に対する移動側溶接部材の位置の軌跡を示す図である。
【図６】フラッシュ工程のフロー図である。
【図７】アプセット工程のフロー図である。
【符号の説明】
【００２５】
１；フラッシュ溶接装置、２；固定側溶接部材、３；移動側溶接部材、
１０；固定側クランプ、１１；移動側クランプ、１２；移動ユニット、
１３；固定側電極、１４；移動側電極、１５；位置計測部、１６；電源、
１７；制御部、１２１；油圧シリンダ、１２２；油圧インバータポンプ、
１２３；方向切替弁、１２４；ポンプ用インバータ、１６１；三相交流発電機、
１６２；整流部、１６３；インバータ駆動回路、１６４；電源用インバータ、
１６５；変圧器、１６６；ダイオード整流器。
【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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