(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材（１１，１２）に形成された横向きの開先（１３）に対して、その幅方向にトーチ本体（２０）の複数の電極（２２，２３）を配置し、母材（１１，１２）と複数の電極（２２，２３）との間にアークを発生させて溶接を行う多電極溶接方法において、
開先（１３）を形成する壁（１３Ａ，１３Ｂ）のうち、一の壁が他の壁より下に位置しているとき、下側の壁に向かってアークが偏向するように、複数の電極（２２，２３）の姿勢を制御することを特徴とする多電極溶接方法。
【請求項２】
トーチ本体（２０）の複数の電極（２２，２３）のうち、下側に位置する電極に大の電流を供給することを特徴とする請求項１に記載の多電極溶接方法。
【請求項３】
母材（１１，１２）に形成された横向きの開先（１３）に対して、その幅方向にトーチ本体（２０）の複数の電極（２２，２３）を配置し、母材（１１，１２）と複数の電極（２２，２３）との間にアークを発生させて溶接を行う多電極溶接装置において、
溶接時、トーチ本体（２０）を軸周りに回動させ、開先（１３）に対して複数の電極（２２，２３）を所望角度に偏位させる回転機構（３０）を備えることを特徴とする多電極溶接装置。
【請求項４】
溶接時、複数の電極（２２，２３）に供給される電流の大きさを電極ごとに個別に制御する電極電流制御部（３４）を備えることを特徴とする請求項３に記載の多電極溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多電極溶接方法と、その方法を実施するための溶接装置とに係り、特に、母材に形成された横向きの開先に対して良好な溶接を行うものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電極を多電極構造とした技術が開発され、実用に供されている。上記多電極構造として、特に狭開先用として開発されたものは、図８に一例を示す如く、細長い平板状の絶縁板１の両側面部に設けた平溝に、それぞれ帯板状に形成されたタングステン製の第１電極３ａ，第２電極３ｂが並列状態で嵌入され、扁平断面形状に構成されている（電極構造体５）。また、絶縁体１には溶接ワイヤ４が挿通されている。
そして、このような電極構造体５が給電コレット６を介してトーチ本体７に支持されるとともに、電極構造体５の先端部がシールドガス８を噴出させるガスカップ９の先端から所望の長さを突出することにより、溶接トーチ１０が構成されている。
【０００３】
また、上記多電極構造体５は、単電極構造のＴＩＧ溶接の場合と同様、ＡＶＣ（ａｒｃ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ）と称するアーク長制御が行われ、設定電圧に応じて母材に対してトーチ（電極）を自動的に近接，離反させることで、電極と母材との間に放つアークの長さを一定に保つようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の多電極構造の溶接トーチ１０を用いて、例えば図９に示すように、母材１１，１２間に形成された横向きの開先１３に対して横向きの姿勢で溶接しようとすると、以下に述べる問題があった。
【０００５】
即ち、第１，第２の両電極３ａ，３ｂが上下に並ぶように溶接トーチ１０全体を横向きに配置し、横向きの開先１３内に電極構造体５の先端部を挿入し、両電極３ａ，３ｂに電圧を印加して開先１３に沿わせて移動させる場合、溶融金属１４に重力が作用することから、開先１３の下壁１３ａ側に溶融金属１４の垂れ下がりによるオーバーラッパ部１５が生じるとともに、そのオーバーラップ部１５によってアークが反射して開先１３の上壁１３ｂが著しく溶融し、図１０に示す如くアンダーカット部１６が生じるなど、溶接部分が不均一になりやすい。
そのため、特に開先の下側が、溶け込み不足となり、溶接欠陥が生じやすいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、横向きの開先に対してもオーバーラップ部やアンダーカット部が生じない、良好な溶接を行うことができる多電極溶接方法を提供するとともに、上記方法を的確に実施し得る多電極溶接装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、以下の手段を採用した。
請求項１記載の本発明では、母材に形成された横向きの開先に対して、その幅方向にトーチ本体の複数の電極を配置し、母材と複数の電極との間にアークを発生させて溶接を行う多電極溶接方法において、開先を形成する壁のうち、一の壁が他の壁より下に位置しているとき、下側の壁に向かってアークが偏向するように、複数の電極の姿勢を制御することを特徴とする。
【０００８】
このように、横向きの開先に対し、何れか一方の壁が他方の壁より下方に位置しているとき、複数の電極の姿勢を制御して、下側の壁に向かってアークを偏向させることにより、開先の上側に比べて下側の溶融が促進され、開先の下側が溶け込み不足となるのを回避することができる。
【０００９】
請求項２記載の本発明では、トーチ本体の複数の電極のうち、下側に位置する電極に大の電流を供給することを特徴とする。
【００１０】
このように、トーチ本体の複数の電極のうち、下側に位置する電極に大の電流を供給することにより、開先の下側における溶融がさらに促進される。
【００１１】
請求項３記載の本発明では、溶接時、トーチ本体を軸周りに回動させ、開先に対して複数の電極を所望角度に偏位させる回転機構を備えることを特徴とする。
【００１２】
このように、前記回転機構を備えるので、請求項１の方法を的確に実施することができる。
【００１３】
請求項４記載の本発明では、溶接時、複数の電極に供給される電流の大きさを電極ごとに個別に制御する電極電流制御部を備えることを特徴とする。
【００１４】
このように、トーチ本体の各電極の供給電流を制御する電極電流制御部を備えるので、請求項２の方法を的確に実施することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図７に基づいて説明する。図１は本発明方法を適用する母材を示し、図２は本発明方法を実施する多電極溶接装置の一実施形態を示す回転機構の説明図、図３はトーチ本体の各電極形状をそれぞれ示す説明図、図４は環状の開先とその溶接角度位置との関係を示す説明図、図５は図３（ａ）の電極を用いた場合の図４の開先におけるそれぞれの溶接角度位置と各電極の姿勢との関係を近似的に表した説明図、図６は制御装置による制御内容を示すタイムチャート、図７は溶接された状態を示す説明図である。
【００１６】
本発明方法は、例えば、図１に示すように、厚肉の四角な平板からなる第１母材１１に穴が設けられると共に、その穴内に、ノズル形状をなす第２母材１２が配置され、これら第１，第２の両母材１１，１２間に環状に形成された横向きの開先（狭開先）１３に対し、溶接トーチによって溶接するものである。すなわち、溶接トーチを横向きの姿勢に保持した状態で環状の開先１３に倣って周方向に溶接するものである。
【００１７】
また、本発明方法を実施するための溶接装置は、図２に示すように、トーチ本体２０が回転機構３０を介して軸周りに回転可能に取付けられたものである。
ここで、回転機構３０を説明する前に、トーチ本体２０について説明すると、トーチ本体２０は、図２に示すように、その先端部にシールドガスを噴出させるためのガスカップ２１が設けられ、そのガスカップ２１の先端に第１電極２２，第２電極２３が所望の長さを突出するように配設されている。
【００１８】
第１，第２電極２２，２３のそれぞれは、図３に示すように、タングステン製の帯板状に形成されており、細長い平板状の絶縁板２４の両側面部に、その絶縁板２４を挟み込むように互いに対向して配置されている。そして、溶接装置は、溶接時において、第１電極２２と第２電極２３とが開先１３に対して、図５（ｃ）に示す如くその進行方向と直交するように並列的に位置し、第１，第２電極２２，２３と母材１１，１２との間でアークを発生させると共に、溶接ワイヤ２６を溶融させて開先１３に充填することにより、溶接を実行するようになっている。
【００１９】
なお、第１電極２２，第２電極２３の先端の形状としては、図３（ａ）に示す如く、溶接進行方向に対して後方が尖っている後方尖り型、同図（ｃ）に示す如く前方が尖っている前方尖り型、同図（ｂ）に示す如く中央が尖っている中央尖り型があり、ここでは後方尖り型を採用した場合について説明する。また、本例では、トーチ本体２０は図示しない溶接ロボットのマニピュレータに装着され、溶接時、該溶接ロボットが動作することにより、開先に沿って移動し、かつその進行方向において第１，第２電極２２，２３の前方位置に溶接ワイヤ２６が配置されるようになっている。
【００２０】
一方、トーチ本体２０の回転機構３０は、図２に示すように、駆動源としてのモータ３１と、その出力軸に装着された駆動ギヤ３２と、その駆動ギヤ３２と歯合し、かつトーチ本体２０の外周部に取付けられた回転ギヤ３３とを有し、トーチ本体２０による溶接時、モータ３１によって駆動ギヤ３２が回転すると、それと噛み合っている回転ギヤ３３も回転することにより、トーチ本体２０が所望の角度に回動するようになっている。
【００２１】
そして、溶接時、図４に示す如く、第１母材１１及び第２母材１２間に設けられた環状の開先１３に倣い、例えば真下の溶接角度位置ａ（０度）から矢印の半時計方向に、位置ｂ（４５度），位置ｃ（９０度），位置ｄ（１３５度）を経て最も上部の位置ｅ（１８０度）まで、トーチ本体２０が移動する際、回転機構３０は、開先１３におけるそれらの溶接角度位置ａ〜ｅに応じ、トーチ本体２０を所望角度に制御するようになっている。
【００２２】
例えば、溶接開始位置である真下の水平溶接角度位置ａでは、開先１３を形成する壁（外周壁１３Ａ及び内周壁１３Ｂ）のうち、外周壁１３Ａが下壁となっており、この場合、回転機構３０は、図５（ａ）に示す如く、第２電極２３の先端部の陰極点が開先１３の外周壁１３Ａ方向を向くように、第１電極２２と第２電極２３とを回動して偏位させる。
【００２３】
このように、回転機構３０は、溶接時、トーチ本体２０を軸回りに回動させることにより、開先１３を形成する壁１３Ａ，１３Ｂのうち、一の壁が他の壁より下に位置しているとき、その下壁寄りの電極の先端部を開先１３の下壁に向かうように偏位させるようになっている。
【００２４】
また、本溶接装置においては回転機構３０に加え、図２に示すように、開先１３における第１電極２２，第２電極２３の回動位置に応じ、第１電極２２と第２電極２３に供給する電流をそれぞれ独立的に制御する電極電流制御部３４を備えている。
【００２５】
この電極電流制御部３４は、図６に示すように、第２電極２３が開先１３の外周壁１３Ａ方向を向くような溶接開始時、第１電極２２に供給する電流に比べ、第２電極２３に供給する電流を大きくし、かつそこから溶接が進行するに伴って開先１３の溶接角度位置が変化するに応じ、次第に供給電流を弱めると共に、第１電極２２の供給電流を次第に高め、第１電極２２が最も上方位置である逆水平溶接角度位置ｅに到達した後で最大電流となり、該第１電極２２の供給電流が第２電極２３の供給電流との差が最も大きくなるように制御する。
【００２６】
従って、この電極電流制御部３４は、開先１３の前記溶接角度位置ａ〜ｅのそれぞれにおける第１，第２電極２２，２３の偏位位置に基づき、双方に供給すべき電流の大きさを変化させるように制御している。
このような回転機構３０及び電極電流制御部３４の駆動は、溶接ロボットを制御する制御装置によって実行され、その制御内容を図６に示している。図６には、第１電極２２へ供給する電流，第２電極２３へ供給する電流，ワイヤ２６を予熱するための電流，トーチ本体の回動角度等を表している。なお、図６におけるトーチ回転角度では、破線が本例の後方尖り型の電極２２，２３の角度を示し、実線が前方尖り型の電極の角度を示している。
【００２７】
次に、本実施形態の溶接装置の動作に関連して、本発明方法の一実施形態について述べる。
図１に示すように、予め、厚肉形状からなる第１母材１１と、ノズル形状からなる第２母材１２との間には、一方の面側に開先１３が形成されており、かつ第１母材１１に対し第２母材１２が複数箇所に亘り仮止めされている。
この状態にあるとき、図４に示す開先１３において、トーチ本体２０が最も下にある水平溶接角度位置（０度）ａから最も上にある逆水平溶接角度位置（１８０度）ｅまで半時計回りに溶接しながら移動する場合、まず、開先１３の水平溶接角度位置ａにてトーチ本体２０の第１電極２２と第２電極２３とを水平な横向きの姿勢とし、溶接を開始する。
【００２８】
この場合、トーチ本体２０は、図２に示す回転機構３０の駆動によって回動され、第１電極２２及び第２電極２３の双方が開先１３に対し、図５（ａ）に示す如く最も大きく偏位し、第２電極２３の先端部（陰極点）が開先１３の外周壁１３Ａ方向を向くようこれに近接した状態で溶接を実行する。従って、開先１３において内周壁１３Ｂの真下に外周壁１３Ａが位置するとき、第２電極２３が外周壁１３Ａ方向を向く電極近接工程をなす。
またこの場合、第２電極２３に供給する電流は、図６に示すように、第１電極２２に供給する電流より大きくなっており、第１電極２２への供給電流が最も少なくなっている。
【００２９】
そして、この状態から環状の開先１３に倣いトーチ本体２０が次第に移動する。その際、開先１３において、開始点である水平溶接角度位置ａからおよそ４５度となる斜め溶接角度位置ｂに移動するに従い、図５（ａ）から（ｂ）に示す如く、第１電極２２と第２電極２３との双方の回動角度が次第に小さくなる。また、そこから９０度の垂直溶接角度位置ｃに移動するに伴いさらに回動角度が小さくなり、垂直溶接角度位置ｃにあっては、図５（ｃ）に示す如く、第１，第２電極２２，２３の双方が溶接の進行方向（溶接方向）に平行になるように次第に元の角度位置に戻される。
【００３０】
従って、水平溶接角度位置ａから垂直溶接角度位置ｃに至るに従い、トーチ本体２０の回動角度を次第に戻し、開先１３の両壁１３Ａ，１３Ｂに倣い双方の電極２２，２３が次第に並列的に位置決めされる電極平行工程をなしている。
この場合、図６に示すように、第２電極２３に供給する電流は、開始点である水平溶接角度位置ａから斜め溶接角度位置ｂまでは第１電極２２に供給する電流に比較して大きく、かつ４５度の斜め溶接角度位置ｂから次第に小さくなる一方、第１電極２２に供給する電流は斜め溶接角度位置ｂを過ぎると次第に大きくなり、双方の電流間の差が縮まる。その後、斜め溶接角度位置ｂから垂直溶接角度位置ｃまで至るに従い、第１電極２２，第２電極２３の角度がさらに次第に戻される。
【００３１】
そして、溶接がさらに進み、９０度の垂直溶接角度位置ｃから１３５度の逆斜め溶接角度位置ｄまで移動するに従い、図５（ｄ）に示す如く、トーチ本体２０が開先１３に対し若干偏位するように次第に逆方向に回動し、その逆斜め溶接角度位置ｄではトーチ本体２０の第１電極２２，第２電極２３が斜め溶接角度位置ｂの場合と対称的な角度に偏位する。即ち、第１電極２２の先端部（陰極点）が下壁となる内周壁１３Ｂ方向を、若干ではあるが向くように偏位する。
【００３２】
次いで、トーチ本体２０が逆斜め溶接角度位置ｄからさらに移動するに従い、トーチ本体２０がさらに回動して第１電極２２，第２電極２３の偏位が次第に大きくなり、１８０度の逆水平溶接角度位置ｅにて図５（ｅ）に示す如く、第１電極２２の先端部（陰極点）が開先１３の最も下に位置する内周壁１３Ｂ方向を向いた状態となる。この偏位角度は、溶接開始時、第２電極２３が水平溶接角度位置ａにて開先１３の外周壁１３Ａ方向を向く角度と対称の角度である。
従って、垂直溶接角度位置ｃから逆水平溶接角度位置ｅに至るに従い、第１電極２２が内周壁１３Ｂ方向に偏位し、近接する電極逆近接工程をなしている。
【００３３】
またこの場合、第１電極２２に供給する電流は、図６に示すように、９０度の垂直溶接角度位置ｃ及び１３５度の逆斜め溶接角度位置ｄを通過する度にその都度より大きくなる。また、第２電極２３に供給する電流は、第１電極２２の供給電流の場合と対称的に次第に小さくなり、１３５度の逆斜め溶接角度位置ｄを通過した時点で第１電極２２への供給電流より小さくなる。
そして、トーチ本体２０が開先１３において最も上にある逆水平溶接角度位置ｅを通過すると、第１電極２２，第２電極２３に供給する電流の大きさが、溶接開始位置からの場合と反対の関係となる。
その後、トーチ本体２０の第１電極２２と第２電極２３とが、開先１３において逆水平溶接角度位置ｅから上述と対称的に偏位動作し、水平溶接角度位置ａまで移動することにより、溶接を終了する。
【００３４】
このように、本発明方法においては、環状をなす横向きの開先１３に対し、トーチ本体２０を横向きの姿勢の状態で溶接する場合、開先１３を形成する両壁１３Ａ，１３Ｂのうち、その何れか一方の壁が他方の壁より下方に位置するとき、トーチ本体２０の第１電極２２，第２電極２３の双方を回動し、下方に位置する壁寄りの電極が、その壁方向を向くように偏位させると共に、その両壁１３Ａ，１３Ｂのなす傾斜角度に応じ電極の偏位角度を制御するので、開先１３を形成する壁１３Ａ，１３Ｂのうち、下側の壁に向かってアークが偏向する。これにより、開先１３の上側に比べて下側の溶融が促進され、開先１３の下側が溶け込み不足となるのを回避することができ、オーバーラップ部が発生するのを防止することができる。
【００３５】
特に、トーチ本体２０が開先１３の水平溶接角度位置ａ及び逆水平溶接角度位置ｅにある（開先の外周壁１３Ａもしくは内周壁１３Ｂが電極の真下にある位置関係）とき、前述の如く、その真下の壁に近い電極がその壁方向を向くように偏位し近接するので、下壁での反応が強くなり、上側から溶融金属が垂れても、下壁を確実に溶融させることができる。
【００３６】
しかも、開先１３の下の壁方向を向く電極の供給電流が、その上の電極の供給電流より大きいので、下壁に比べて上壁での金属の溶融量が少なくなる。したがって、垂れ落ちる溶融金属を可及的に少なくし、溶融金属の垂れを抑制するとともに、上側の壁にアンダーカット部が生じるのも防止することができる。その結果、図７に示す如く、良好な溶接ビードを確実に形成することができる。
【００３７】
また、本発明方法においては、前述の如く、水平溶接角度位置ａにおける電極近接工程と、水平溶接角度位置ａから垂直溶接角度位置ｃに至る間における電極平行工程と、垂直溶接角度位置ｃから逆水平溶接角度位置ｅに至る間における電極逆近接工程とを有しているので、環状をなす横向きの開先１３であっても、確実に良好な溶接を行うことができる。
このように、環状に形成された開先１３を溶接することにより、水平形状，斜め形状，円弧形状の開先を溶接することができるのは勿論の他、それらを組み合わせた複雑な形状の開先であっても確実に溶接を行うことができる。
【００３８】
そして、本実施形態の多電極溶接装置においては、溶接時、トーチ本体２０を軸周りに回動させ、かつ環状の開先１３の周囲におけるトーチ本体２０の位置に応じ第１，第２電極２２，２３を所望角度に偏位させる回転機構３０と、第１，第２電極２２，２３の供給電流を制御する電極電流制御部３４とを備えて構成したので、電極２１，２２の偏位及び供給電流の制御を確実に行うことができ、上記方法を的確に実施することができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、図６に示す如く、第１電極２２に対する供給電流と第２電極２３に対する供給電流を同相にした例を示したが、逆相にしてもよく、さらには何れかのパルスに対し１／２周期内でずらすようにしてもよい。また溶接ワイヤへの電流は第１電極２２の供給電流の大きさに対応させた例を示したが、一定電流を供給させてもよく、図示例に限定されるものではない。また、環状の開先１３を溶接する例を示したが、水平な直線，斜め，円弧などの形状をなす開先にも適用することができ、トーチ本体２０が横向きの姿勢をとる被溶接物に対して特に有効となるものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１によれば、開先を形成する壁のうち、一の壁が他の壁より下に位置しているとき、下側の壁に向かってアークが偏向するように、複数の電極の姿勢を制御することにより、開先の下側の溶融を促進させ、下側が溶け込み不足となるのを回避して、オーバーラップ部が発生するのを防止するとともに、上側の溶融金属が垂れるのも抑えることができる効果がある。
【００４１】
請求項２によれば、開先において下壁方向を向くように偏位した一方の電極への供給電流が、その他方の電極への供給電流より大とするので、垂れ落ちる溶融金属を可及的に少なくし、溶融金属の垂れを回避させるとともに、上側の壁にアンダーカット部が生じるのを防止し、良好な溶接を実現できる効果がある。
【００４２】
請求項３によれば、トーチ本体用の回転機構を備えるので、請求項１の方法を的確に実施することができる。
【００４３】
請求項４によれば、電極電流制御部を備える、請求項２の方法を的確に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法を適用する母材を示す説明図である。
【図２】  本発明方法を実施する多電極溶接装置の一実施形態を示す要部の説明図である。
【図３】  トーチ本体の電極形状を種類別にそれぞれ示す説明図である。
【図４】  環状の開先とその溶接角度位置との関係を示す説明図である。
【図５】  図４の開先におけるそれぞれの溶接角度位置と各電極の姿勢との関係を近似的に表した説明図である。
【図６】  溶接時における制御装置の制御内容をそれぞれ示すタイムチャートである。
【図７】  溶接された状態を示す説明図である。
【図８】  従来の多電極溶接装置の溶接トーチを示す説明図である。
【図９】  横向きの開先を溶接しているときの状態を示す説明図である。
【図１０】  開先に生じた従来の不具合を示す説明図である。
【符号の説明】
２０…トーチ本体
２２…第１電極
２３…第２電極
３０…回転機構
３４…電極電流制御部。
【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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【図９】
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【図１０】
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