(57)【要約】【課題】電極の回転角度に対する制約を無くすことで、被溶接部材を広い範囲で適切に溶接する。【解決手段】溶接装置１０は、溶融プールを生成する電極（エネルギー出力部）１２と、電極を長手軸中心に回転させることで溶融プールが生成される位置を変位させる変位機構１６と、電極の軸心との位置関係が固定された軸心を有する回転部１８ａと、回転部の径方向に溶接ワイヤ３０を送出する送出部１８ｂとを含む送出機構１８と、溶融プールに溶接ワイヤが接触するように、電極の回転角度に応じて、回転部の回転角度を制御する制御部２０とを備える。【選択図】図２
2016221531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融プールを生成するエネルギー出力部と、
前記溶融プールが生成される位置を変位させる変位機構と、
溶接ワイヤを送出する送出機構と、
前記溶融プールが生成される位置の変位に応じて、前記送出機構における前記溶接ワイヤの送出態様を変化させる制御部、
を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記エネルギー出力部は、その先端が偏心して形成され、
前記変位機構は、前記エネルギー出力部を長手軸中心に回転させることで前記溶融プールが生成される位置を変位させ、
前記送出機構は、前記エネルギー出力部の軸心との位置関係が固定された軸心を有する回転部と、該回転部の径方向に前記溶接ワイヤを送出する送出部とを含み、
前記制御部は、前記エネルギー出力部の回転角度に応じて、前記送出部の回転角度を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
溶融プールが生成される位置を変位させ、
前記溶融プールが生成される位置の変位に応じて、溶接ワイヤの送出態様を変化させることを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属同士を溶接する溶接装置および溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接装置は、空気中の放電（アーク放電）現象を利用して金属同士を溶接する装置であり、溶接時に、周囲に不活性ガスを吹き付けて被溶接部材上の溶融プールを大気から遮断することで、被溶接部材の酸化を防止している。
【０００３】
このようなＴＩＧ溶接装置において電極の先端を偏心形状に形成し、その電極を開先内で回転させることでアーク放電を偏向する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。また、偏心させた電極を、開先を横切る方向に往復移動させて開先全体を倣い溶接する技術も公開されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３７３２６号公報
【特許文献２】特開２０１５−  ２４４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や特許文献２の技術では、先端を偏心させた電極を長手軸中心に回転させることで、アーク放電を開先に沿わせることができる。しかし、単に電極を回転させるだけでは、溶接ワイヤの送出位置とアーク放電による溶融プールの位置がずれてしまうので、回転角度が過大となると溶接ができなくなっていた。したがって、溶融プールの位置が溶接ワイヤの送出位置から外れない範囲に、溶接可能な範囲が制限されることとなる。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、電極等エネルギー出力部の回転角度に対する制約を無くすことで、被溶接部材を広い範囲で適切に溶接可能な溶接装置および溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の溶接装置は、溶融プールを生成するエネルギー出力部と、溶融プールが生成される位置を変位させる変位機構と、溶接ワイヤを送出する送出機構と、溶融プールが生成される位置の変位に応じて、送出機構における溶接ワイヤの送出態様を変化させる制御部、を備えることを特徴とする。
【０００８】
エネルギー出力部は、その先端が偏心して形成され、変位機構は、エネルギー出力部を長手軸中心に回転させることで溶融プールが生成される位置を変位させ、送出機構は、エネルギー出力部の軸心との位置関係が固定された軸心を有する回転部と、回転部の径方向に溶接ワイヤを送出する送出部とを含み、制御部は、エネルギー出力部の回転角度に応じて、送出部の回転角度を制御してもよい。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の溶接方法は、溶融プールが生成される位置を変位させ、溶融プールが生成される位置の変位に応じて、溶接ワイヤの送出態様を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、エネルギー出力部の回転角度に対する制約を無くすことで、被溶接部材を広い範囲で適切に溶接可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】溶接ワイヤの送出位置とアーク放電による溶融プールの位置との関係を説明するための説明図である。
【図２】溶接装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図３】開先における電極の位置および回転姿勢を示した説明図である。
【図４】開先における電極の移動軌跡を示した説明図である。
【図５】送出機構による溶接ワイヤの送出態様を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
図１は、溶接ワイヤの送出位置とアーク放電による溶融プールの位置との関係を説明するための説明図である。ここでは、円柱形状の電極１２を長手軸方向から視認している。電極１２は、図１（ａ）で黒丸で示した部位に先端が位置する偏心形状に形成されており、その先端（偏心位置）から点線で示すようなアーク放電が生じる。かかるアーク放電により被溶接部材上に溶融プールが形成される。また、送出機構は、電極１２の長手軸径方向から溶融プールに向かって溶接ワイヤ３０を送出し、溶融プールに溶接ワイヤ３０が接触することで、被溶接部材が溶接される。
【００１４】
このような偏心した電極１２を長手軸中心に回転させることでアーク放電を偏向させ、そのアーク放電を開先に沿わせることで、開先全体を溶接することができる。しかし、単に電極１２を回転させるだけでは、図１（ｂ）のように、溶接ワイヤ３０が電極１２の軸心を狙って送出されるため、溶接ワイヤ３０の送出位置とアーク放電による溶融プールの位置がずれてしまう。そうすると、溶融プールに溶接ワイヤ３０が接触せず、適切な溶接ができなくなるので、溶接可能な範囲（電極１２の回転角度）が制限されることとなる。そこで、本実施形態では、溶接ワイヤ３０の送出態様を工夫することで、被溶接部材の広い範囲で適切に溶接を行う。
【００１５】
（溶接装置１０）
図２は、溶接装置１０の概略的な構成を示す説明図である。溶接装置１０は、電極１２と、ノズル１４と、変位機構１６と、送出機構１８と、制御部２０とを含んで構成される。
【００１６】
電極（エネルギー出力部）１２は、タングステンの電極であり、アーク放電により被溶接部材に溶融プールを生成する。また、電極１２は、拡大図に示すように、円柱を角度α（３０〜６０°）で斜切りした形状に形成され、その先端が偏心して形成されており、アーク放電が生じる位置、すなわち、溶融プールが生じる位置が電極１２の軸心に対して偏向することとなる。
【００１７】
ノズル１４は、電極１２の径外を包囲し、電極１２の長手軸方向に向かって不活性ガスを送出する。かかる構成により、被溶接部材上の溶融プールを大気から遮断することができる。
【００１８】
変位機構１６は、電極１２およびノズル１４を、図示しないガイドに沿って電極１２の長手軸方向に変位させるとともに、電極１２を電極１２の長手軸中心に回転させる。また、上述したように、電極１２はその先端が偏心しているので、溶融プールが生じる位置が軸心に対して偏向しており、変位機構１６によって電極１２が回転することで、溶融プールが生成される位置自体がその回転に応じて変位することとなる。
【００１９】
送出機構１８は、電極１２の軸心との位置関係が固定された（距離、方向、姿勢が変化しない）軸心を有する回転部１８ａ（すなわち、図２において一点鎖線で示した電極１２と回転部１８ａとの両軸心の位置関係は固定されている）と、回転部１８ａの径方向に溶接ワイヤ３０を送出する送出部１８ｂとを含んで構成される。そして、送出機構１８は、電極１２によって生成された溶融プールに溶接ワイヤ３０が接触するように、電極１２の先端に向けて溶接ワイヤ３０を送出する。
【００２０】
制御部２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭを含む半導体集積回路で構成され、溶接装置１０全体を制御する。制御部２０は、アーク電圧制御を行い、電極１２と被溶接部材との距離（アーク距離）を維持する。ここで、アーク電圧制御は、電極１２と被溶接部材との電位差が基準電圧と等しくなるように、変位機構１６を介して電極１２およびノズル１４を長手軸方向に変位させる制御である。また、制御部２０は、送出機構１８を制御して溶接ワイヤ３０の送出を支援する。
【００２１】
以下、このような溶接装置１０を用いて開先、特に、被溶接部材同士の空間距離が短い狭開先を溶接する動作を説明する。
【００２２】
図３は、開先における電極１２の位置および回転姿勢を示した説明図であり、特に、図３（ａ）は、被溶接部材３２の縦断面を水平に見ており、図３（ｂ）は、被溶接部材３２の上面から見ている。ここでは、説明の便宜のため、溶接装置１０のうち電極１２のみを示している。
【００２３】
例えば、被溶接部材３２の開先における進行方向左側の側壁を溶接する場合、制御部２０は、変位機構１６を通じて、図中黒丸で示した電極１２の先端が側壁に対向するように電極１２を回転し、図中点線で示したアーク放電を側壁側に偏向する。同様に、開先における進行方向右側の側壁を溶接する場合、制御部２０は、変位機構１６を通じて、図中黒丸で示した電極１２の先端が側壁に対向するように電極１２をさらに図２（ｂ）中時計回りに１８０°回転し、図中点線で示したアーク放電を側壁側に偏向する。かかる構成により、開先等における電極１２の長手軸に平行した面（側壁）に対しても、その面に電極１２の先端を添わせることで、溶融プールを容易に生成することが可能となる。
【００２４】
図４は、開先における電極１２の移動軌跡を示した説明図である。ここでは、説明の便宜上、電極１２と、開先の側壁および底との距離を維持しつつ、図４において矢印で示したように、開先を横切る方向に電極１２を往復移動させる所謂倣い溶接を例に挙げて説明する。ただし、本実施形態の溶接の手法が倣い溶接に限らないのは言うまでもない。
【００２５】
例えば、図４のＡの位置において、制御部２０は、被溶接部材３２における進行方向左側の側壁に溶融プールを生成すべく、変位機構１６を通じて、電極１２の先端を進行方向左側の側壁に対向させる。進行方向左側の側壁での溶接が完了すると、制御部２０は、電極１２を進行方向右側に移動させつつ、電極１２を長手軸中心に図中時計回りに回転する。そうすると、図４のＢの位置において、進行方向に溶融プールが生成される。こうして、図４のＣの位置に電極１２が到達すると、電極１２の先端が進行方向右側の側壁に対向する姿勢となっており、進行方向右側の側壁に溶融プールが生成されることとなる。
【００２６】
このように電極１２を左右に往復させながら進行方向に溶接を実行することで、開先の間隔の変動に拘らず、電極１２と側壁との距離を適切に維持することができる。さらに、電極１２を側壁に対向するように（最大角度９０°で）首振り回転させることで、アーク放電が開先の側壁に届く距離が大きくなり、その結果、電極１２の先端と側壁との間隔を確保できるので、ノズル１４と側壁との接触確率を低減することができる。
【００２７】
このとき、送出機構１８は、溶融プールに溶接ワイヤ３０が接触するように溶接ワイヤ３０を送出する。ただし、開先はその幅が狭いので、溶接装置１０は、進行方向に延在するものの、幅方向の厚みは制限される。したがって、送出機構１８は、進行方向前方側から、進行方向の逆方向に、水平面と所定の角度を有して溶接ワイヤ３０を送出することとなる。
【００２８】
また、図４を用いて説明したように、電極１２によって生成される溶融プールの位置は、側壁との位置関係に応じて変位する。したがって、送出機構１８は、幅方向にスライドすることなく、溶融プールの位置に応じて、溶融プールに溶接ワイヤ３０が接触するように、溶接ワイヤ３０の送出態様を変化させなければならない。
【００２９】
図５は、送出機構１８による溶接ワイヤの送出態様を説明するための説明図である。図２に示したように、電極１２と送出機構１８との位置関係（特に、電極１２の軸心と回転部１８ａの軸心との位置関係）は固定されている。したがって、溶接装置１０の幅方向の移動に対し、電極１２と送出機構１８とは一体的に変位することとなる。
【００３０】
一方、幅方向の移動に伴って電極１２が回転すると、溶融プールの位置が変わり、送出機構１８と溶融プールの相対位置関係が変化する。そこで、制御部２０は、図５に示すように、電極１２の回転に応じて、送出機構１８の回転部１８ａを通じ、送出部１８ｂを回転する。
【００３１】
例えば、電極１２の先端が進行方向に位置している状態を基準角度とし、図５のＡの位置で、電極１２が図中反時計回りに９０°回転しているとする。このとき、制御部２０は、回転部１８ａを通じて送出部１８ｂを図５のＤに示すように、図中時計回りに所定角度回転させ、溶融プールと溶接ワイヤ３０を接触させる。ここで、所定角度は、電極１２の軸心と回転部１８ａの軸心との距離および電極１２の軸心とアーク放電が生じる位置との距離から求められる。
【００３２】
また、図５のＢの位置で、電極１２が基準角度になっている場合、制御部２０は、回転部１８ａを通じて送出部１８ｂを図５のＥに示すように、回転角度０とし、溶融プールと溶接ワイヤ３０を接触させる。また、図５のＣの位置で、電極１２が図中時計回りに９０°回転していた場合、制御部２０は、回転部１８ａを通じて送出部１８ｂを図５のＦに示すように、図中反時計回りに所定角度回転させ、溶融プールと溶接ワイヤ３０を接触させる。このように、制御部２０は、電極１２の回転角度に応じて、送出部１８ｂの回転角度を制御する。
【００３３】
このように、電極１２の首振り回転に応じて、送出部１８ｂも回転させることで、電極１２の回転角に拘らず、溶融プールに適切に溶接ワイヤ３０を接触させることができるので、電極１２の回転範囲を広く設定することが可能となり、ひいては、電極１２の回転角度に対する制約が無くなり、溶接可能な範囲（施工裕度）を広くとることができる。
【００３４】
また、電極１２を側壁に対向するように、すなわち、電極１２を長手軸中心に±９０°回転させることができるので、電極１２の先端と側壁との間隔を確保し（アーク放電が開先の側壁に届く距離が大きくなり）、ノズル１４と側壁との接触確率を低減することができる。
【００３５】
さらに、溶接ワイヤ３０をアーク放電（溶融プール）の中心位置に送出できるので、溶融効率が高まり、溶接ワイヤ３０の送出（送給）速度の増加を図ることができる。
【００３６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３７】
例えば、上記実施形態において、溶接装置１０としてＴＩＧ溶接を挙げ、エネルギーを発するエネルギー出力部として電極１２を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、インサートチップを通じて被溶接部材にアークを移行させるプラズマ溶接や、光を利用したレーザ溶接（エネルギー出力部としてはレーザ出力部）等、様々な溶接に適用できる。
【００３８】
また、上記実施形態において、変位機構１６として電極１２を長手軸中心に回転する例を挙げて説明したが、直線移動等様々な変位手段を適用でき、また、物理的な変位手段のみならず、磁場を用いた偏向等、様々な変位手段を適用できる。また、上記では、電極１２を長手軸中心に±９０°の範囲で回転する例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、±９０°の間のいずれの角度までの範囲としてもよく、一方で、±９０°より広い範囲としてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態において、送出機構１８の回転部１８ａが送出部１８ｂを回転させることで溶接ワイヤ３０の送出角度を変化させる例を挙げて説明したが、送出位置等、様々な送出態様を変化させることでも、本実施形態を実現することが可能である。
【００４０】
なお、上記溶接装置１０に加え、変位機構１６が、溶融プールが生成される位置を変位させ、制御部２０が、溶融プールが生成される位置の変位に応じて、溶接ワイヤの送出態様を変化させる溶接方法も提供される。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、金属同士を溶接する溶接装置および溶接方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  溶接装置
１２  電極（エネルギー出力部）
１６  変位機構
１８  送出機構
１８ａ  回転部
１８ｂ  送出部
２０  制御部
３０  溶接ワイヤ
【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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