(57)【要約】【課題】トーチ先端がトーチの進行方向（溶接方向）に対して前後関係となるように並置した複数の溶接トーチを同期移動させて行う溶接方法に関し、アーク干渉を生じさせないで溶接電流を増大させることにより、タンデムアーク溶接の溶接効率を向上させる。【解決手段】トーチの進行方向Ｂを含む面内で逆ハ字状に配置された２本のトーチの進行方向前側のトーチ２ｆの少なくとも先端部の軸線がトーチ進行方向Ｂに対して直角となるか、または前トーチ２ｆの先端部軸線が、その先端側（母材側）がトーチ進行方向の前方となる方向に傾斜させてガスシールドアーク溶接、特に好ましくは炭酸ガス溶接を行う。前トーチ２ｆと後トーチ２ｒの少なくとも先端部の軸線が逆ハ字状を呈していることから、後トーチ２ｒの軸線は、その先端側がトーチ進行方向前方となる方向に前トーチ２ｆより更に傾斜する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーチの進行方向に対してトーチ先端が前後関係となるように複数本のトーチをそれらの先端が逆ハ字を形成するように配置し、前記進行方向前側のトーチに後側のトーチより大きい電流を流しながら前後のトーチをその相互位置関係を保持して同期移動するアーク溶接方法において、
前記前側のトーチの少なくとも先端をその先端側がトーチ進行方向に向く方向に傾斜させて前記２本のトーチを同期移動させることを特徴とする、ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
前記傾斜させる角度が５〜２０度である、請求項１記載のアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トーチ先端がトーチの進行方向（溶接方向）に対して前後関係となるように並置した複数の溶接トーチを同期移動させて行う溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接トーチの移動速度を高速化できることによる溶接作業の生産性向上を主眼とし、加えて複数の溶接トーチに与える電流値やワイヤ送り速度を制御することで溶接品質の向上を図るために、複数本のトーチの先端相互の前後関係を一定に保持した状態で同期移動させて行うアーク溶接（以下、「タンデム溶接」と言う。）は、特許文献１〜３に示すように公知である。
【０００３】
タンデム溶接は、同期移動する２本のトーチで溶接を行うので、トーチ１本で溶接を行うシングル溶接に比べて１回のトーチの移動でより多くの溶融金属を母材に溶かし込むことができ、それ自体が比較的高効率のガスシールドアーク溶接にタンデム溶接を採用することにより、効率の良い高速溶接を実現することができる。
【０００４】
タンデム溶接は、２本のトーチの先端から送り出される２本の溶接ワイヤが１個の溶融池を形成するようにトーチ先端を接近させる必要があるが、接近させすぎると前後のアークが干渉してアーク柱が乱れ、溶接品質を低下させる。また、前後のトーチのそれぞれに流す電流を１本トーチで溶接するときの電流と同程度のものとすると、アーク干渉が起りやすくなるほか、熱負荷が過大になって、やはり溶接品質を低下させる。トーチの進行方向の前方に位置する前トーチは、溶融池を形成するトーチとなるので、後トーチよりも電流値を大きくする。すなわち、従来のタンデムアーク溶接では、前トーチに流す電流を１本トーチの場合のそれより低くし、後トーチに流す電流をそれより更に低くして溶接を行っている。そのため、２本トーチを用いても、溶接効率の向上は数割程度に止まるのが普通である。
【０００５】
前述したように、タンデムアーク溶接は、前後のトーチのワイヤ先端が１個の溶融池を形成するように、たとえば間隔２０ｍｍ程度に接近させる必要があるが、トーチボディはそれより太いため、トーチ先端を互いに接近する方向に屈曲させるか（特許文献２参照）、トーチ全体を先端側が接近するように逆ハ字状に配置する必要がある。このときのトーチ先端部、実際には溶接ワイヤの逆ハ字の頂角は、１０〜３０度程度になる。
【０００６】
１本トーチで溶接を行う場合のトーチ進行方向に対するトーチ先端の角度は、通常、直角である。タンデム溶接を行う場合にも、従来は図５に示すように、２本のトーチ２ｆ、２ｒの中心線Ｃがトーチ進行方向Ｂに対して直角となるようにして溶接を行っている。従ってこのときは、前トーチ２ｆは、その進行方向に対してトーチ先端側が後退する方向に傾斜し、後トーチ２ｒは、その進行方向に対してトーチ先端側が前進する方向に傾斜している。２本のトーチ２ｆ、２ｒをその先端部の逆ハ字の中心線Ｃに対称に配置したときは、その中心線Ｃをトーチの進行方向Ｂに対して直角にしたときに、両トーチの先端から母材までの距離ｇが同一になる。すなわち、従来は２本のトーチ２ｆ、２ｒを両者の軸線から等距離にある中心線Ｃに対して対称に配置し、当該中心線Ｃをトーチの進行方向Ｂに対して直角にした状態でタンデム溶接を行っていたのである。
【特許文献１】特開２００４‐３１４１０４号公報
【特許文献２】特開２００５‐８１３７６号公報
【特許文献３】特開２００５‐２１９０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、タンデム溶接では、前後のトーチの電流値を大きくするとアーク干渉が起るために、シングル溶接の場合よりも低い電流値で溶接を行わなければならず、そのため２本のトーチを用いるにもかかわらず、溶接速度の向上が数割程度に制限されるという問題があった。
【０００８】
アーク干渉を避ける手段として、前後のトーチの溶接点Ｐ１、Ｐ２の間隔（極間）ｄを大きくする方法や、前後のアーク柱が離れる方向の磁界をトーチ先端部にかけるという方法が考えられる。しかし、前者の方法は、前後のアークによって一つの溶融池を形成することが困難になると共に、溶接可能な最小半径が大きくなり、タンデム溶接が可能な製品ないし溶接箇所が少なくなって、溶接全体として見たときの溶接効率がかえって低下するという問題がある。また後者の方法は、トーチ先端部に電磁石を設けて、その通電を制御しなければならないため、溶接装置の設備コストや運転コストを増大させるという問題がある。
【０００９】
この発明は、複数本のトーチを同期移動させるタンデムアーク溶接において、上記のような不利益を生ずることなく、アーク干渉を生じさせないで溶接電流を増大させることにより、タンデムアーク溶接の溶接効率を向上させることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、トーチの進行方向Ｂを含む面内で逆ハ字状（下端が離れたＶ字形）に配置された２本のトーチの進行方向前側のトーチ（前トーチ）２ｆの少なくとも先端部の軸線がトーチ進行方向Ｂに対して直角となるか、または前トーチ２ｆの先端部軸線が、その先端側（母材側）がトーチ進行方向の前方となる方向に傾斜させてガスシールドアーク溶接、特に好ましくは炭酸ガス溶接を行うことにより、上記課題を解決したものである。
【００１１】
前トーチ２ｆと後トーチ２ｒの少なくとも先端部の軸線が逆ハ字状を呈していることから、後トーチ２ｒの軸線は、その先端側がトーチ進行方向前方となる方向に前トーチ２ｆより更に傾斜することとなる。トーチの進行方向に直角の軸に対するこれらの軸線の好ましい傾斜角（前進角）は、前トーチの前進角θｆが５〜２０度、後トーチの前進角θｒが１５〜５０度である。
【００１２】
また、この発明の方法では、前後のトーチの溶接ギャップｇを同一にするため、後トーチ２ｒは前後のトーチの中心線Ｃに対する前トーチ２ｆの対称位置から若干後退した位置とする。従って、前後のトーチの中心線Ｃに対して後トーチ２ｒを前トーチ２ｆの対称位置に設けた従来配置の溶接ヘッド（図６参照）を単に全体として傾斜させただけでは、この発明の方法による溶接を行うことはできない。
【００１３】
この出願の請求項１の発明に係るアーク溶接方法は、トーチの進行方向に対してトーチ先端が前後関係となるように複数本のトーチをそれらの先端が逆ハ字を形成するように配置し、前記進行方向前側のトーチに後側のトーチより大きい電流を流しながら前後のトーチをその相互位置関係を保持して同期移動するアーク溶接方法において、前記前側のトーチの少なくとも先端をその先端側がトーチ進行方向に向く方向に傾斜させて前記２本のトーチを同期移動させることを特徴とするガスシールドアーク溶接方法である。
【００１４】
また、本願の請求項２の発明は、上記手段を備えたガスシールドアーク溶接方法において、前記前側のトーチの少なくとも先端における前記の方向に傾斜させる角度が５〜２０度であることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、２本設けた溶接トーチの１本を進退させることによって、狭い溶接箇所を１本トーチで溶接できるようにすることは、前記特許文献１〜３に示されており、これらの特許文献に示された方法でシングル溶接とタンデム溶接を切換え可能にすることは、この発明のアーク溶接方法においても可能である。この場合、特許文献１〜３に示した従来構造と異なることは、両トーチの先端を揃えたタンデム溶接状態にしたとき、従来方法では前後のトーチの先端が同一位置（中心線Ｃに対して対称な位置）となるようにそれぞれのトーチ進出端が設定されるのに対し、この発明の方法では、後トーチの先端が両トーチの中心線Ｃに対する前トーチの対称位置より後退した位置に設定される。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の方法で炭酸ガス溶接を行った実験では、前トーチの前進角θｆを７．５〜１７．５度、後トーチの前進角θｒを２７．５〜３７．５度の範囲にある最適傾斜としたとき、従来方法に比べて前トーチの電流値を１割程度、後トーチの電流値を５割程度増加してもアーク干渉が起らず、全体の電流値を２．５割程度大きくすることができた。これにより、タンデムアーク溶接の溶接効率をシングル溶接の１．５倍以上とすることが可能となり、設備コストやランニングコストを増大させないで溶接効率を大幅に向上させることが可能となった。
【００１７】
また、前トーチのアークが安定し、アーク干渉が緩和されることから、前トーチのアークで形成される溶接プールが安定し、それによって後トーチのアークが安定することや、ビート表面が滑らかになる効果が認められた。この結果、従来タンデム溶接で多層盛りを行う溶接では、最後のビートを１本溶接で行っていたのを最後のビートまでタンデム溶接で行うことができ、この点での溶接効率の向上も得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。図１はトーチの装着構造の例を示す側面図、図２はこの発明の方法で隅肉溶接を行っているトーチ先端部の拡大側面図、図３は同拡大正面図である。図１において、１１は溶接ロボットのアーム先端、１２は当該アーム先端に図１の紙面直角方向の軸回りに揺動自在に取り付けられたチルト部、１３はこのチルト部の先端にその中心軸１４回りに回動可能に装着された手首フランジであり、この手首フランジまでが溶接ロボット側の部材である。
【００１９】
１５は手首フランジ１３にボルト１６で固定された取付板、１７はこの取付板の先端にボディ側を固定して装着されたショックセンサ、１８はこのショックセンサのロッド１７ａに固定されたトーチ取付板である。ショックセンサ１７は、溶接ロボットに対するティーチングミスなどにより、トーチがワークなどに衝突したときにそのショックを吸収してトーチの損傷を防止すると共に溶接ロボットを緊急停止させるために設けられているものである。以上の構造は、一般的なものである。
【００２０】
トーチ２は、個別進退装置３、センタリング装置４及び傾動装置５を介して、トーチ取付板１８に取付けられている。トーチ２は、図１には１本のみしか示されていないが、図１の紙面の前後方向に２本のトーチが正面視で逆ハ字状にして装着されている（図３参照）。個別進退装置３は、２本のトーチ２の１本を軸方向に後退させるもので、２本のトーチのそれぞれをその軸方向に進退させるスライドホルダ２２及び進退シリンダ２３を備えている。個別進退装置３は、溶接の開始時や終了時や、狭い場所や屈曲した場所を溶接するときに、１本のトーチのみで溶接を行うこと（シングル溶接）ができるように設けられているものである。
【００２１】
センタリング装置４は、シングル溶接を行う１本のトーチをタンデム溶接のときの２本のトーチの中央位置に移動させるために設けられているものである。タンデム溶接では、図３に示すように、２本のトーチ２ｆ、２ｒの先端相互にアーク干渉を避けるための間隔ｄを開けて配置している。この状態で１本のトーチを後退させてシングル溶接に移行すると、溶接の中心がこの間隔ｄの１／２だだけずれることになる。そこでこの問題を避けるために、１本のトーチを後退させたときに、センタリング装置４で残ったトーチを間隔ｄの１／２だけ後退したトーチ側に移動し、後退したトーチを復帰してタンデム溶接に復帰するときは、反対側に移動して、タンデム溶接とシングル溶接とで溶接中心が変化しないようにしているのである。
【００２２】
センタリング装置４は、図１の紙面直角方向の円弧ガイド１９で案内されているシフトブラケット２０、シフトブラケット２０を円弧ガイド１９に沿って図１の紙面直角方向に往復動させる２本のシフトシリンダ２６を備えている。シフトシリンダ２６が２個設けられているのは、前後のトーチのいずれを後退させたときも、残ったトーチを溶接中心に移動させることができるようにするためである。前述した個別進退装置３は、シフトブラケット２０に装着されている。
【００２３】
傾動装置５は、センタリング装置４を取付けた傾斜板２８をトーチ取付板１８に、２本のトーチ２ｆ、２ｒを配置した面に垂直な傾斜軸２９回りに傾斜させて固定する構造で、最も簡単には、トーチ取付板１８に傾斜板２８を正面視で左右方向（図１の左方向から見た左右方向）に傾けた状態でボルトなどにより固定した構造である。
【００２４】
図２は、上記構造で装着された２本のトーチを用いて、開先角３５度の開先３４を設けた第１板３１を第２板３２に隅肉溶接している状態を示している。２本のトーチ２（２ｆ、２ｒ）は、第２板３２に対して開先角の１／２の角度で傾斜している。この傾斜は、溶接ロボットの手首を傾斜させることにより行われる。なお、図２の３３は裏当金である。
【００２５】
図３には、図２の矢印Ａ方向（正面）から見たときの２本のトーチ２ｆ、２ｒの配置面内での角度関係が示されている。図の例では、頂角２０度の逆ハ字状に配置された２本のトーチ２ｆ、２ｒが、トーチ先端がトーチの進行方向（図３の左方向である矢印Ｂ方向）を向く方向に、全体として２０度傾斜させて取付けられている。すなわち、トーチの進行方向前側になる前トーチ２ｆは、トーチ先端がトーチの進行方向を向く方向にθｆ＝１０度傾斜しており、トーチの進行方向後側になる後トーチ２ｒは、トーチ先端がトーチの進行方向を向く方向にθｒ＝３０度傾斜している。
【００２６】
逆ハ字状に配置された２本のトーチ２ｆ、２ｒを全体として傾斜させたとき、当該２本のトーチの先端からワークまでの距離ｇを一定にするために、傾斜角が大きい方のトーチ２ｒの先端を他側のトーチ２ｆより若干後退させておく必要がある。図の例では、前トーチ２ｆの溶接点Ｐ１と後トーチ２ｒの溶接点Ｐ２との間隔ｄが１８ｍｍに設定され、それぞれの溶接点からトーチ先端までの距離が共にｇ＝３０ｍｍとなるように、両トーチ２ｆ、２ｒの軸方向位置を前後させている。この軸方向の前後関係は、進退シリンダ２３の１本を軸方向にずらして取付けること、あるいは進退シリンダ２３の１本の進出位置をストッパで規制することによって実現できる。
【００２７】
図４は、上記のこの発明の方法でタンデム溶接を行ったときと、図６に示すように２本のトーチの中心線Ｃをトーチ進行方向Ｂに対して直角にした従来方法で溶接を行ったときとの、前トーチの溶接電圧［Ｖ］及び溶接電流［Ａ］の変化並びに短絡回数［回］を経過時間を横軸にして記録した図で、（ａ）がこの発明の方法のもの、（ｂ）が従来方法のものである。溶接条件は、前トーチの電流３４０Ａ、後トーチの電流２３０Ａ、合計電流５７０Ａである。図より明らかなように、従来方法では前後トーチのアーク干渉によって溶接電流が激しく変動しており、これに伴って溶接電圧も激しく変動している。これに対してこの発明の方法では、アーク干渉が回避されて、安定した溶接が行われていることが分かる。図６に示した従来方法でタンデム溶接をアーク干渉を生じさせることなく行うためには、前トーチ電流３１０Ａ、後トーチ電流１５０Ａ、合計電流４６０Ａ程度が限界であった。これに対してこの発明の方法によれば、合計電流を１．２４倍にすることができ、タンデム溶接の溶接効率をシングル溶接の５割以上の効率にすることが可能となった。
【００２８】
図５は、前トーチと後トーチの逆ハ字状の頂角（θｒ−θｆ）を２０度に維持して、前トーチの前進角を２．５度から２５度まで２．５度ずつ変化させたときの、電流安定度（電流値の変動幅）と、目視によるスパッタ量、ビート外観及び溶け込みの評価の結果を示したもので、スパッタ量、ビート外観及び溶け込みの評価並びに総合判定の欄に記した×は不可、△は可、○は良、◎は特に良いことを示す。トーチの前進角以外の条件は、図４の試験におけるものと同じである。この試験の結果によれば、前トーチの前進角７．５〜１７．５度、後トーチの前進角２７．５〜３７．５度の範囲が好ましく、前トーチの前進角１０〜１２．５度、後トーチの前進角３０〜３２．５度の範囲が特に好ましいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】溶接トーチの装着構造の一例を示す側面図
【図２】隅肉溶接を行っているトーチ先端部の側面図
【図３】図２のトーチの正面図（図２の矢印Ａ方向から見た図）
【図４】この発明の方法と従来方法とのアーク干渉の発生状態を示す線図
【図５】この発明の方法でトーチの前進角を変化させたときの評価試験の結果を示す図
【図６】従来方法におけるトーチの正面図
【符号の説明】
【００３０】
2f   前トーチ
2r   後トーチ
３  個別進退装置
４  センタリング装置
５  傾動装置
13  溶接ロボットの手首フランジ
17  ショックセンサ
18  トーチ取付板
Ｂ  トーチ進行方向
θｆ  前トーチの傾斜角
θｒ  後トーチの傾斜角
【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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