(57)【要約】【課題】  溶融池に流れる電流を整定することにより溶接ビードの乱れを可及的に低減し得る溶接方法を提供する。【解決手段】  溶接ステージ３１の溶接線２２ａに沿う溝部３１ａを有する高導電率の部材で形成した電流通路部３１ｂを、絶縁部材３１ｄを介して低導電率の部材で形成した本体３１ｃに埋設した溶接ステージ３１を用い、溶接ヘッドIIの電極側をマイナス極する一方、溶接ヘッドIIの走行方向に対して後方をアース３３して溶接ステージ３１と、前記の電極との間に前記被溶接部材２２を介して溶接電流を供給することにより溶接部の溶融池２２ｂにおける湯流れ方向に前記溶接電流による電磁力が作用するようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ヘッドを被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って走行させながら、前記被溶接部材を載置する溶接ステージと、前記溶接ヘッド側の電極との間に前記被溶接部材を介して電流を供給することにより前記溶接線に沿う前記被溶接部材同士の溶接を行う溶接方法において、
溶接部の溶融池における湯流れ方向に前記電流による電磁力が作用するように電流を供給することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載する溶接方法において、
溶接ステージの溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁するとともに、前記他の部分よりも高導電率の部材で形成した電流通路部を有する溶接ステージを用い、電極側がマイナス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し後方をアースするとともに、電極側がプラス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し前方をアースして溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１乃至請求項３に記載する何れか一つの溶接方法において、
溶接ヘッドにプラズマ溶接／レーザ／プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いるハイブリッド溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って溶接ヘッドを走行させながら、前記被溶接部材同士を溶接する溶接の際に、前記被溶接部材を載置する溶接ステージにおいて、
前記溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部を有するとともに、当該溶接ステージ側がプラス極で前記溶接ヘッド側の電極がマイナス極である場合、及び当該溶接ステージ側がマイナス極で前記溶接ヘッド側の電極がプラス極である場合の何れの場合にも、前記溶接ヘッドの走行方向に対し前記電流通路部の後方をアースして、溶接の際に溶融池において湯流れ方向に電磁力を作用させる電流を供給するように構成したことを特徴とする溶接ステージ。
【請求項５】
請求項４に記載する溶接ステージにおいて、
電流通路部は銅材で形成するとともに、この電流通路部を、絶縁部材を介して他の部材に埋設して構成したことを特徴と溶接ステージ。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載する溶接ステージと、溶接ヘッド，その走行系及び装置全体の制御系を有する溶接装置とを組み合わせて構成したことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
請求項６に記載する溶接システムにおいて、
溶接装置は、溶接ヘッドにプラズマ溶接／レーザ／プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いたハイブリッド溶接装置であることを特徴とする溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接方法及び溶接システムに関するもので、特にプラズマ／アークハイブリッド溶接及びレーザ／アークハイブリッド溶接等のハイブリッド溶接により高速で薄板を突き合わせ溶接する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体パネル等の成形用素材として、板厚や材質がともに同じか、あるいはともに異なる鋼板同士を突き合わせて一体化したテーラードブランク材が用いられている。かかるテーラードブランク材を得るための溶接をはじめ、薄板の突き合わせ溶接の溶接速度は、近年益々高速化の傾向をたどっており、この高速化に対応すべく溶接ヘッドとしても、例えばレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッド等を用いるハイブリッド溶接が多用されている。
【０００３】
図６は従来技術に係るレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッドを示す縦断面図である。同図に示すように、このレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッドＩの上部には光ファイバ１の先端部が接続されている。光ファイバ１の基端部は図示しないＹＡＧレーザ発振器に接続されており、このＹＡＧレーザ発振器から発振されたレーザ光２を、光ファイバ１により伝送して当該溶接ヘッドＩ内へと導入するようになっている。
【０００４】
光ファイバ１の先端から出たレーザ光２は、溶接ヘッドＩ内に設けられたコリメートレンズ群３によって平行光となった後、その半分がレーザ光２の光軸方向に対して４５度に傾斜させた板状の第１反射ミラー４によって横方向に反射され、さらに同方向に第１反射ミラー４に対して所定の間隔で対向配置された板状の第２反射ミラー５により下方に反射される。かくして、横断面が円形のレーザ光２が、横断面が半円形の第１分割レーザ光２ａと第２分割レーザ光２ｂとに２分割され、これらの分割レーザ光２ａ，２ｂの間に空間部６が形成される。
【０００５】
分割レーザ光２ａ，２ｂは、溶接ヘッドＩ内に設けられた集光レンズ群７により集光されて鋼板などの被溶接部材８に照射される。このときのレーザ光照射位置を図中に８ａの符号で示す。また、分割レーザ光２ａ，２ｂの間の空間部６には、タングステンなどからなる棒状のアーク電極（アークロッド）１０が配置されており、このことによってレーザ光２（分割レーザ光２ａ，２ｂ）とアーク電極１０とが同軸状となっている。
【０００６】
そして、このアーク電極１０の配置は、アーク電極位置調整機能とアーク電極傾斜角度調整機能とアーク電極距離調整機能とを兼ね備えたアーク電極調整機構により、適宜調整することができるようになっている。
【０００７】
また、溶接ヘッドＩの下部には円錐台状のノズル１２が取り付けられている。溶接時には、アルゴンガスなどの不活性ガスが、ノズル１２内に導入され、ノズル１２の先端（下端）の開口部１２ａから被溶接材８に向かって噴射されるようになっている。
【０００８】
アーク電極１０は円柱状のアーク電極支持部材１４の中央部に下方へ向けた状態で支持されており、アーク電極部全体はＴ字状となっている。アーク電極支持部材１４は、銅製の導電部材１１と、この導電部材１１の外周を覆う電気的絶縁材としてのセラミックスチューブ１３とを有してなるものであり、ノズル１２を径方向に貫通している。
【０００９】
導電部材１１には図示しない電線が接続され、この導電部材１１を介して図示しない電源からアーク電極１０へ電圧が印加されるようになっている。
【００１０】
上述の如きハイブリッド溶接ヘッドＩを用いる突き合わせ溶接は、図７に示すような溶接ステージ２１上に、図８に示すように鋼板等の被溶接部材２２を載置した状態で実施する。すなわち、両図に示すように、溶接ステージ２１には被溶接部材２２同士の突き合わせ部で形成する溶接線２２ａ（溶接方向（図中の矢印方向））に沿ってその下方に溝部２１ａが形成してあり、この溝部２１ａで溶接に伴うカスを回収するとともに、被溶接部材２２と溶接ステージ２１との溶着を防止して良好な突き合わせ溶接を行い得るように工夫してある。ここで、溶接ステージ２１は通常鋼材で形成してある。
【００１１】
なお、本願発明に関連する公知技術として次の特許文献１を挙げることができる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−１８５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の如き従来技術に係る溶接ステージ２１を用いた突き合わせ溶接では溶接ビードの乱れを生起してしまう。これは溶接部の溶融池（被溶接部材等が溶融して液状化した部分）に作用する電磁力により、この溶融池の溶融金属が攪拌され、特に溶融金属が流れる方向（以下、湯流れ方向という。）、すなわち重力方向と反対方向（上方向）へ溶融金属が引き上げられるためであると考えられる。ちなみに、電流は溶融池の近傍部分では溶接ステージ２１及び被溶接部材２２に拡散されるので、フレミングの左手法則による種種の方向への電磁力が発生して上述の如く、湯流れ方向と逆方向への電磁力となることがあると考えられる。
【００１４】
かかる溶融池の乱れは溶接速度が速くなればその分顕著な現象として顕在化する。溶接速度が速くなれば、速くなる程溶融池は溶接方向に沿って細長くなり、その分溶融池の溶融金属がこの部分に作用する電磁力の影響を受け易くなるからである。
【００１５】
そこで、溶接速度のさらなる高速化を図るためにも上述の如き溶接ビードの乱れを低減する対策が待望されている。
【００１６】
本発明は、上記従来技術に鑑み、溶融池に流れる電流を整定することにより溶接ビードの乱れを可及的に低減し得る溶接方法及び溶接システム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】
【００１７】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【００１８】
１）  溶接ヘッドを被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って走行させながら、前記被溶接部材を載置する溶接ステージと、前記溶接ヘッド側の電極との間に前記被溶接部材を介して電流を供給することにより前記溶接線に沿う前記被溶接部材同士の溶接を行う溶接方法において、
溶接部の溶融池における湯流れ方向に前記電流による電磁力が作用するように電流を供給すること。
【００１９】
２）  上記１）に記載する溶接方法において、
溶接ステージの溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁するとともに、前記他の部分よりも高導電率の部材で形成した電流通路部を有する溶接ステージを用い、電極側がマイナス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し後方をアースするとともに、電極側がプラス極の場合は、溶接ヘッドの走行方向に対し前方をアースして溶接を行うこと。
【００２０】
３）  上記１）乃至３）に記載する何れか一つの溶接方法において、
溶接ヘッドにプラスマ溶接／レーザ／プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いるハイブリッド溶接を行うこと。
【００２１】
４）  被溶接部材同士の当接部である溶接線に沿って溶接ヘッドを走行させながら、前記被溶接部材同士を溶接する溶接の際に、前記被溶接部材を載置する溶接ステージにおいて、
前記溶接線に沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部を有するとともに、当該溶接ステージ側がプラス極で前記溶接ヘッド側の電極がマイナス極である場合、及び当該溶接ステージ側がマイナス極で前記溶接ヘッド側の電極がプラス極である場合の何れの場合にも、前記溶接ヘッドの走行方向に対し前記電流通路部の後方をアースして、溶接の際に溶融池において湯流れ方向に電磁力を作用させる電流を供給するように構成したこと。
【００２２】
５）  上記４）に記載する溶接ステージにおいて、
電流通路部は銅材で形成するとともに、この電流通路部を、絶縁部材を介して他の部材に埋設して構成したこと。
【００２３】
６）  上記４）又は５）に記載する溶接ステージと、溶接ヘッド，その走行系及び装置全体の制御系を有する溶接装置とを組み合わせて構成したこと。
【００２４】
７）  ６）に記載する溶接システムにおいて、
溶接装置は、溶接ヘッドにプラズマ溶接／レーザ／プラズマハイブリッド溶接ヘッド又はレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッド等のハイブリッド溶接ヘッドを用いたハイブリッド溶接装置であること。
【発明の効果】
【００２５】
上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
【００２６】
請求項１に記載する発明は、上記１）に記載するような構成を有するので、
溶融池における溶融金属に湯流れ方向の電磁力が作用し、この溶融金属を湯流れ方向に引っ張り込む。したがって、溶融池における溶融金属の攪拌が抑制され綺麗な仕上がりの
溶接ビードとして良質の溶接部を形成することができる。
【００２７】
請求項２に記載する発明は、上記２）に記載するような構成を有するので、
溶接時の電流は集中的に電流通路部を通り、溶融池の電流が一定方向に整定されるばかりでなく溶融池を流れる電流に作用する電磁力は湯流れ方向となるので、溶融金属が乱されることはなく、溶接線に沿う綺麗な溶接ビードが形成される。
この結果、良質の溶接部を形成することができる。
【００２８】
請求項３に記載する発明は、上記３）に記載するような構成を有するので、
特に溶接速度が速く溶接ビードの乱れを生起し易いハイブリッド溶接においても良好な品質の溶接部を形成することができる。
【００２９】
請求項４に記載する発明は、上記４）に記載するような構成を有するので、
溶接時の電流は集中的に電流通路部を通り、溶融池の電流が一定方向に整定されるばかりでなく溶融池を流れる電流に作用する電磁力は湯流れ方向となるので、溶融金属が乱されることはなく、溶接線に沿う綺麗な溶接ビードが形成される。
この結果、良質の溶接部を形成することができる。
【００３０】
請求項５に記載する発明は、上記５）に記載するような構成を有するので、
溶接電流を集中的に流す高導電体の電流通路を容易に形成することができる。
【００３１】
請求項６に記載する発明は、上記６）に記載するような構成を有するので、
請求項４又は請求項５に記載する作用・効果を有する溶接システムを提供することができる。
【００３２】
請求項７に記載する発明は、上記７）に記載するような構成を有するので、
特に溶接速度が速く溶接ビードの乱れを生起し易いハイブリッド溶接においても良好な品質の溶接部が形成される溶接システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は本発明の実施の形態に係る溶接システムを示す斜視図、図２は図１に示する溶接システムにおける溶接時の態様を示す斜視図である。
【００３４】
両図に示すように、当該溶接システムは被溶接部材２２同士の当接部である溶接線２２ａに沿って溶接ヘッドIIを図中に矢印で示す方向に走行させながら、前記被溶接部材２２同士を突き合わせ溶接するものである。ここで、溶接ヘッドIIを含む溶接装置は、他に溶接ヘッドIIの走行系及び全体の制御系等（何れも図示せず。）を有する。
【００３５】
溶接の際に前記被溶接部材２２を載置する溶接ステージ３１は、前記溶接線２２ａに沿う部分を他の部分から絶縁して高導電率の部材で形成した電流通路部３１ｂを有する。ここで、電流通路部３１ｂには図７及び図8に示す溝２１ａと同様の機能を果たす溝３１ａが形成してあり、相対的な低導電率部材等で形成した本体３１ｃに絶縁部材３１ｄを介して埋設してある。したがって、溶接の際の溶接電流は電流通路部３１ｂを集中的して流れる。この結果、溶接電流を狭い範囲に閉じ込めて集中的に一方向に流すことができ、さらに被溶接部材２２の溶接部である溶融池２２ｂを流れる電流を所定の一方向に整定することができる。
【００３６】
本形態では、溶接ヘッドIIの走行方向に対し電流通路部３１ｂの後方をアース３３している。本形態における溶接ヘッドIIはその電極がマイナス極、溶接ステージ３１がプラス極の場合であるからである。
【００３７】
かかる本形態において溶接時の溶接電流は、溶接ステージ３１の電流通路部３１ｂを集中的に流れる。すなわち、図３に示すように、アース３３から電流通路部３１ｂ、溶融池２２ｂを通りアーク電極３４に至る。したがって、この場合右ネジの法則により電流通路部３１ｂ及びアーク電極３４に至るアーク３５には図にリング状の矢印で示すような磁界Ｂが形成される。この結果、これらを合成した磁束Ｂは被溶接部材２２の表面と平行な方向となる。したがって、この磁界Ｂにより溶融池２２ｂに流れる電流Ｉにはフレミングの左手法則により図中下方向の力Ｆが作用する。この力Ｆは重力方向、すなわち湯流れ方向である。したがって、本形態によれば、溶接速度が高速になり、その分溶融池２２ｂの形状が溶接ヘッドIIの走行方向に細長くなっても溶融金属は被溶接部材２２同士の突き合わせ部分の隙間に良好に入り込み綺麗な溶接ビードが形成される。
【００３８】
図４は本形態に係る溶接システムにより溶接した場合の溶接ビード、図５は従来技術に係る溶接システムシステムにより溶接した場合の溶接ビードの形状を平面的に見た写真で示す説明図である。両図中、２２は被溶接部材、３６及び１６が溶接ビードである。図５に示す溶接ビード１６は溶接ビード１６のハンピング、乱れ等を生起しているのに対し、図４に示す溶接ビード３６はこの様なハンピング、乱れ等を生起することなく綺麗な形状となっていることが明確に理解される。
【００３９】
なお、溶接ヘッドII側の電極がプラス極、溶接ステージ３１側がマイナス極の場合にも溶接ヘッドIIの走行方向に対し電流通路部３１ｂの後方をアースする。この場合、上記実施の形態に対して電流の方向は逆になるが、同時に磁界の方向も逆になるので電磁力の方向は上記実施の形態と同様に湯流れ方向となる。したがって、上記実施の形態と同様に、綺麗な溶接ビードを形成することができる。
【００４０】
また、前記特許文献１には、ハイブリッドアーク／レーザ溶接において、誘導電磁場に基づく力をバランスさせる旨の記載があるが、これはアースコンタクター１０を介して溶接電流を流すように構成したもので、このことにより溶融池に流れる電流を抑制することによりこの溶融池の溶融金属が電磁力の影響を受けないようにしたものである。したがって、前述の如く、誘導電磁場に基づく力を減少、バランスさせるに止まる。
【００４１】
これに対し、本願発明においては、溶融池２２ｂに積極的に所定方向の溶接電流を流し、これによる電磁力を湯流れ方向に作用させて被溶接部材２２の突き合わせ部の隙間に入り込ませている。このことにより、さらにビード形状の安定化を図ることができる。
【実施例１】
【００４２】
本実施例ではステージ３１の電流通路部３１ｂを銅で、本体を鋼材で形成したものである。本実施例によれば、導電率の高い銅で電流通路部３１ｂを形成し、それよりも低い鋼材でその他の部分である本体を３１ｃを形成したので、電流通路部３１ｂに溶接電流を集中させることができる。
【実施例２】
【００４３】
本実施例では、溶接ヘッドIIを図６に示すものと同様のアーク／レーザハイブリッド溶接ヘッドで形成したハイブリッド溶接装置を有するハイブリッド溶接システムを構築した。本実施例によれば、溶接速度が５ｍ／ｍｉｎ程度と高速のハイブリッド溶接において、作業効率が良好な溶接速度の高速化を維持したまま溶接品質も良好なものとすることができる。
【００４４】
なお、溶接ヘッドとしてはハイブリッド形式のものに限る必要は、勿論ない。電流を利用した溶接を行うものであれば、特に限定することなく適用でき、同様の効果を得る。例えばプラズマ溶接等にも同様に適用し得る。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、例えば自動車産業におけるテーラードブランク溶接等に適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例に係る溶接システムの溶接ステージを示す斜視図である。
【図２】図１に示す溶接ステージを有する溶接システムにおける溶接時の態様を示す斜視図である。
【図３】図２に示す溶接時において溶融池に作用する電磁力を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施例に係る溶接システムにより溶接した被溶接部材同士の溶接部の様子を平面的に見て示す説明図である。
【図５】従来技術に係る溶接システムにより溶接した被溶接部材同士の溶接部の様子を平面的に見て示す説明図である。
【図６】ハイブリッド溶接に用いるレーザ／アークハイブリッド溶接ヘッドを示す縦断面図である。
【図７】従来技術に係る溶接システムの溶接ステージを示す斜視図である。
【図８】図７に示す溶接ステージを有する従来技術に係る溶接システムにおける溶接時の態様を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
II        溶接ヘッド
２２        被溶接部材
２２ａ        溶接線
２２ｂ        溶融池
３１        溶接ステージ
３１ａ        溝部
３１ｂ        電流通路部
３１ｃ        本体
３１ｄ        絶縁部材
３３        アース
３４        アーク電極
３５        アーク
３６        溶接ビード
Ｉ        電流
Ｂ        磁束
Ｆ        力
【図１】
2005138151.tif 000003
【図２】
2005138151.tif 000004
【図３】
2005138151.tif 000005
【図４】
2005138151.tif 000006
【図５】
2005138151.tif 000007
【図６】
2005138151.tif 000008
【図７】
2005138151.tif 000009
【図８】
2005138151.tif 000010