(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン電極を先端に取り付けたトーチの一部を支点としてタングステン電極を揺動させて溶接するＴＩＧ溶接装置であって、
前記トーチを電磁アクチュエータに結合するとともにバネで前記トーチを拘束し、１０Ｈｚ以上の周波数の共振状態で、溶接線に対して略直角方向に前記タングステン電極を揺動させる
ことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＴＩＧ溶接装置において、
前記タングステン電極の揺動できる加振状態で、前記トーチの揺動振幅を片側から機械的に制限することにより、前記揺動振幅を調整する
ことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＴＩＧ溶接装置において、
前記揺動するトーチの揺動中心位置を検出するセンサを設け、前記センサから得られた揺動周期信号に基づいてトーチの揺動位相を求め、
前記トーチの揺動位相と関連付けてアーク電流を制御するようにした
ことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のＴＩＧ溶接装置において、
前記揺動するトーチの揺動中心位置を検出するセンサを設け、前記センサから得られた揺動周期に基づいてトーチの揺動位相を求め、
前記トーチの揺動位相と関連付けてアーク電圧をサンプリングして前記トーチの位置を制御するようにした
ことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【請求項５】
請求項１、２、３または４に記載のＴＩＧ溶接装置において、
前記バネは、バネ定数３０Ｎ／ｍｍ以上のバネを前記電磁アクチュエータの回転軸芯から２０ｍｍ以上離して設置することにより、前記トーチを拘束することを特徴とするＴＩＧ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、例えばホットワイヤＴＩＧアーク溶接装置などのＴＩＧアーク溶接装置に係わり、特に多関節ロボットに搭載し隅肉溶接やあまり厚くない板部材の突き合わせ溶接するに適したＴＩＧアーク溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
隅肉溶接またはあまり板厚が大きくない板部材の突き合わせ溶接を高能率にＴＩＧ溶接する場合、通常のＴＩＧトーチでアークを発生し、横から添加ワイヤに通常加熱しながら溶着金属を高能率に形成する、ホットワイヤＴＩＧ溶接がしばしば用いられる。しかし、ホットワイヤ法にするとワイヤ電流を高めることによって溶着速度は半ば無制限に高められるが、高溶接速度で溶接するにはアークで母材を高速に溶融していくことが必要になる。
【０００３】
母材溶融能力を高めるためにはアーク電流を高くすることが必要になるが、単にアーク電流を高くして溶接速度を増すと、アーク力が強くなるので図５に示すように母材１を局所的に深く掘り込み、その後を溶融金属で埋めることができず、ビード２の下に長い連続した空洞３を形成する、いわゆるトンネルビードになりやすくなる。このトンネルビードの防止対策としては、タングステン電極を溶接進行方向に対して直角方向に高速に揺動することが有効であることが知られている。
【０００４】
その具体的な装置としては、例えば、図６に示す本出願人による特開平７−２７６０５０号公報の揺動式ＴＩＧ溶接装置がある。タングステン電極４をトーチ５の軸に対して傾け、トーチ５を捻転しながら溶接することにより狭開先溶接での開先両隅部の溶け込みを安定させようとするもので、駆動モータ６にトーチ５を直結することにより、従来１〜２Ｈｚどまりであった揺動周波数を１０Ｈｚ〜３０Ｈｚに揺動できるようにしている。
【０００５】
一方、図７に示すような、トーチ軸芯７だけが図示されている真っ直ぐなトーチ先端にタングステン電極８を取り付け、トーチをすりこ木状に回転して、アーク９を高速に回転する方法も知られている（ＮＫＫ技報、Ｎｏ．１５２  ｐｐ７０−７５，１９９５）。図７にて、１０は回転モータでギア１１を介してトーチの後端を保持している偏芯リング１２を回転し、自動調芯ボールベアリング１３を支点にして、トーチにすりこぎ運動させている。そこでの回転周波数は３０Ｈｚも可能としている。
【０００６】
また、ＭＡＧ溶接など消耗電極式トーチで同様な技術が開発されている。図８は、その一例として、ワイヤ先端即ちアークを高速に振動する方法（特開平８−１３２２４０号公報）を説明する図である。
【０００７】
トーチ基部１４の先端に可動部材としてのスプリング１５を介してワイヤ供給ノズル１６が取り付けられている。そのノズル先端にはワイヤ１７を保持したチップ１８が取り付けられている。このワイヤ供給ノズル１６の対抗側面にはノズル１６に固定された一対の永久磁石１９ａ，１９ｂと、前記永久磁石の外側に近接し、中心軸線が互いに一致すると共に前記永久磁石の極性面と垂直となるように対抗配置された一対の電磁コイル２０ａ，２０ｂが配置されている。それらの電磁コイル２０ａ，２０ｂに交番電圧を印加した時に各電磁コイル２０ａ，２０ｂと前記ノルズ１６に固定された各永久磁石１９ａ，１９ｂとの間には一方は引力、他方は反力が同時に発生し、それにより前記可動部材（スプリング）１５を中心に前記ワイヤ供給ノルズ１６がオッシレイト（振動）し、したがってノズル先端のチップ１８が保持しているワイヤ１７もオッシレイトし、オッシレイトアークを形成できるようにしている。
【０００８】
このトーチには、ノズルの対抗側面に近接して弾性変形可能なヒンジ機構２１ａ，２１ｂを設けており、各ヒンジ機構にはそれぞれ固定した一対の圧電素子２２ａ，２２ｂとを具備してなり、この圧電素子２２ａ，２２ｂに印加する電圧によってヒンジ機構２１ａ，２１ｂを弾性変形させ、機械的に両側からワイヤ供給ノズルの振幅を制限することにより、ワイヤ先端のオッシレイト幅を調整するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ホットワイヤ法を用いて任意の溶着速度を得ながら、１．５ｍ／ｍｉｎなどの高溶接速度を達成するためには、溶接線長さ１ｍｍ当たり２回程度のアーク電極の揺動、換算すると５０Ｈｚ以上で揺動することが望まれる。一方、大きな脚長を要求され溶接速度０．３ｍ／ｍｉｎ程度で溶接する場合には１０Ｈｚ以上で揺動することが望まれる。溶接速度に対して電極揺動周波数が余り低いと、ジクザグ状に溶融が進み、ビード側面が波打ちアンダカットを形成するなど溶接欠陥を発生するためである。
【００１０】
図６の装置では、モータの駆動部分の慣性が大きいために３０Ｈｚ以上の揺動は望まれず、また、もともと駆動部分が大きくて、多関節溶接ロボットに搭載するには適していないという問題点があった。
【００１１】
図７の装置では３０Ｈｚで回転する例が示されており、それ以上の回転数も可能ではあろうが、この装置では駆動機構部が大きく、また電極が回転しているために、回転幅を増すと溶接進行方向に対して溶融池が前後方向に長くなりすぎる傾向があり、また回転方向と溶接進行方向との関係から、ビード形状及び母材溶融形状が左右非対称になり易い問題もある。装置自体も機構的に大掛かりとなっている。
【００１２】
図８の装置では、消耗電極アーク溶接を対象にしており、ワイヤがトーチ中心から入ってくる構造にしている。そうすると、ワイヤとノズル間に隙間が存在しているために振動に対して不安定な慣性力と摩擦力が作用し、安定した振動状態を得るには強い力で強制的に振動させることが必要になる。また、安定した振幅を得るために、ノズルの両側から機械的に振幅を制限するストッパ機構を必要としている。これらのために、強い力で振動させることが必要となり、多関節溶接ロボットに搭載するとロボットのアームが振動するので、より可搬重量が大きい重いアームのロボットでないと搭載できないという問題も推察される。
【００１３】
本発明の目的は、従来装置の有するこれらの問題点を解決することにあり、具体的には、溶接線に対して略直角方向に高い周波数でタングステン電極が静かに揺動する小型軽量で、安価なＴＩＧ溶接用ヘッドを提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１５】
タングステン電極を先端に取り付けたトーチの一部を支点としてタングステン電極を揺動させて溶接するＴＩＧ溶接装置であって、
前記トーチを電磁アクチュエータに結合するとともにバネで前記トーチを拘束し、１０Ｈｚ以上の周波数の共振状態で、溶接線に対して略直角方向に前記タングステン電極を揺動させるＴＩＧ溶接装置。
【００１６】
また、前記ＴＩＧ溶接装置において、
前記タングステン電極の揺動できる加振状態で、前記トーチの揺動振幅を片側から機械的に制限することにより、前記揺動振幅を調整するＴＩＧ溶接装置。
【００１７】
また、前記ＴＩＧ溶接装置において、
前記揺動するトーチの揺動中心位置を検出するセンサを設け、前記センサから得られた揺動周期に基づいてトーチの揺動位相を求め、
前記トーチの揺動位相と関連付けてアーク電流を制御するようにしたＴＩＧ溶接装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態に係る溶接ヘッド２３の主要構成部示す平面図であり、図２はその側面図である。ここにおいて、２３は溶接ヘッド、２４はヘッド基板、２５はアクチュエータ、２６は制御器、２７は駆動配線、２８は回転軸、２９は絶縁部材、３０はトーチ部材、３１は脚部、３２は管継手、３３はトーチ、３４は電極保持部、３５はタングステン電極、３６は止め捩子、３７はバネ押え、３８はバネ、３９はストッパ、４０は遮光板、４１はホトインタラプタ、４２は信号配線、４３は電流ケーブル、４４は冷却水入口管、４５は冷却水出口管、をそれぞれ表す。
【００１９】
図１および図２において、２４はヘッド基板で、図示していない多関節溶接ロボットのアームに結合されており、また、前記溶接ヘッド２３の図示していない保護カバーが取り付けられるようになっている。基板２４には電磁アークチュエータであるロータリソレノイド２５が図示していない捩子で固定されている。ロータリソレノイド２５は制御器２６からの駆動配線２７を介して交番電流で往復回転状に駆動され、その回転軸２８には絶縁部材２９を介してトーチ本体部３０が一体になって動くように締結されている。トーチ本体部３０の脚部３１の先端では管継手３２でトーチ３３が水漏れないように締結されている。トーチ先端部の電極保持部３４にて、タングステン電極３５が止め捩子３６で固定されている。
【００２０】
トーチ本体部３０の脚部３１と基板２４との間に捩子構造のバネ押さえ３７ａ，３７ｂを介して２個の強いバネ３８ａ，３８ｂが脚部３１を挟むように設置している。そしてその下方には振幅を調整するストッパ３９が基板２４に捩子構造で取り付けられている。
【００２１】
ロータリソレノイド２５の回転軸２８には遮光板４０が固定されていて、丁度、振動中心にトーチ３３があるときに遮光板４０のエッジが基板２４に半固定状に取り付けられているホトインタラプタ４１を通過するように設定する。ホトインタラプタ４１のオンオフ信号は信号配線４２を介して制御器２６に入力される。
【００２２】
また、アーク電流はアーク電流ケーブル４３からトーチ本体部３０に供給され、その脚部３１と管継手３２によって結合されたトーチ３３、その先端にある電極保持部材３４を介してタングステン電極３５に至ってアークを発生し、母材１側に流れる。トーチ３３は外筒側が銅管からなる２重管構造になっていて冷却水入り口管４４から入ってきた冷却水はトーチ本体部の中で先端が電極保持部３４に至る図示していない細管からなる内筒を通過し、電極保持部３４で折り返してトーチ３３を構成している外筒と内筒の間を通過して再びトーチ本体部３０に戻り、冷却水出口管４５から排出される。この様にして電極保持部３４は水冷され、タングステン電極３５は間接的に冷却されている。
【００２３】
図３は本実施形態に用いているアークチュエータ２５の動作原理を示す図である。回転子側には円筒状の永久磁石４６が回転軸２８に固定されている。固定側には電磁石を構成するための１対の磁極４７ａ，４７ｂが設けられていてそれぞれコイル４８ａ，４８ｂが巻かれ、駆動電源４９に接続されている。本実施形態においては、磁極４７ａ，４７ｂが励磁されていないときに、バネ３８ａ，３８ｂの保持作用で永久磁石４６が丁度中立の状態になって磁極４７ａ，４７ｂの中間位置にあるように、回転軸２８とトーチ本体部３０の締結状態を設定する。
【００２４】
そして、制御器２６内に置かれた駆動電源４９から十分高い周波数の交番電流をコイル４８ａ，４８ｂに流すと、アークチュエータ２５の磁極４７ａ，４７ｂはそれに対応してそれぞれ交互にＮ極、Ｓ極となり、永久磁石４６は交互に右左に吸引されて、回転的に往復動、即ち揺動する。前記アークチュエータ２５の回転軸２８にはトーチ本体部３０が結合されているので、その結果トーチ３３が振り子状に揺動する。駆動電源４９の出力電流の周波数を変化させていくと、あるところで共振を発生し、振動エネルギを蓄える作用を果たすバネ３８ａ，３８ｂの効果により、少ない駆動電流で大きな振幅を形成するようになる。
【００２５】
この共振周波数は、バネ３８ａ，３８ｂ、アークチュエータ２５の回転子の慣性モーメントのほか、トーチ本体部３０やトーチ３３の質量、さらにはトーチ本体部３０に繋がっているアーク電流ケーブル４３、冷却水が入出する水冷管４４、４５、またしばしば消耗して交換するタングステン電極３５など、様々な因子が影響する。中でも、バネ３８ａ，３８ｂの影響は大きく、回転の中心軸から約２５ｍｍ離れたところに、９０Ｎ／ｍｍなど大きいバネ定数のバネを挿入すると、共振周波数を容易に５０Ｈｚ以上にできた。
【００２６】
共振状態にある時は少しの駆動電流変化でも大きく振幅が変化する。振幅安定のために、大振幅で振動するように駆動電流を設定しておき、片側からストッパ３９で振幅を制限すると、駆動電流が多少変化しても、また共振周波数が多少変化しても、常に、安定した振幅が得られる。なお、共振とは、物理系が外部からの刺激で固有振動を始めることで、特に刺激が固有振動数に近い振動数を持つ場合を指す。
【００２７】
図４はその原理を片持ち梁５０の振動状態から説明するものである。共振状態にある片持ち梁５０は１往復中に図示していない駆動源から僅かな駆動エネルギーを得て、１往復中のエネルギー損失を賄う事でバランスを保っている。このような状態のとき、細い実線で示した共振状態にある片持ち梁の片側の振幅をストッパ５１で太い実線のところまで制限すると、反対側の振幅も細い波線の状態から太い波線の状態、すなわち振動中心からほぼ左右対称の距離まで振幅が減少する。
【００２８】
ストッパ５１に当たってから反対側に行き着くまでに振幅を増やそうとしても、その間に与えられる駆動エネルギーが少ないので、ほんの少ししか振幅が増えない。この原理により、共振状態におくとき、振幅は機械的に片側で制限するだけでほぼ対称的に他の側の振幅も制限できる。ストッパ５１と片持ち梁５０との衝突時にストッパ５１に吸収されるエネルギは、１往復中に印加されるエネルギ以上にはなり得ず、微弱である。
【００２９】
この原理を用い、本実施形態の溶接ヘッド２３では、共振周波数でトーチ３３を揺動させ、その振幅を一定値に安定して保つために１個のストッパ３９でトーチ本体部３０の脚部３１で振幅を制限するようにしている。より具体的にはヘッド基板２４に雌ねじを設け、ストッパ３９に雄ねじを設けて、ねじ機構でストッパ３９先端と脚部３１間の距離を微調整できるようにした。このストッパ３９を手動あるいは電動で調整することにより、溶接中でも振幅を調整することができる。
【００３０】
このような手段による揺動及び振幅制御は、周波数が高い程安定で、１０Ｈｚ以下になるとバネ定数３０Ｎ／ｍｍ以下の弱いバネ３８ａ，３８ｂを使うことになるため電流ケーブル等の外部からの拘束状態の影響を受けやすくなるなど不安定になる傾向があり、実用環境も配慮すると十分安定させるには１０Ｈｚ以上とすることが必要であった。バネ定数３０Ｎ／ｍｍ以上のバネを用いて、このバネを電磁アクチュエータの回転軸芯から２０ｍｍ以上離して設置して、トーチを拘束すると揺動が安定することが分かった。
【００３１】
また、トーチ３３が振動中心位置にあるとき、遮光板４０のエッジが丁度ヘッド基板２４上に取り付けたホトインタラプタ４１を横切るように、回転軸２８に遮光板４０を取り付けている。したがってホトインタラプタ４１の出力変化とその周期から、揺動しているトーチ３３の揺動の位相を時間的に求めることができる。詳しく説明すると、タングステン電極先端が揺動の右端側から揺動中心位置を通過するときホトインタラプタがオフからオンするように、また、揺動の左端側から揺動中心位置を通過するときホトインタラプタはオンからオフとなるようにホトインタラプタ位置を設定している。共振状態にある揺動ではトーチが正弦波的にまた周期的に動いているので、１ケのホトインタラプタで中心位置通過時点と駆動方向および揺動周期が求まり、それらの信号からタングステン電極が左端に到達する時点や右端に到達する時点など、即ちタングステン電極（およびトーチ）の揺動位相を容易に求めることができる。
【００３２】
このようにして、揺動位相と関連づけてアーク電流の制御ができるので、例えばトーチ３３が両端側にあるときにはアーク電流を低くし、中央近くにあるときはアーク電流を高くすると、隅肉溶接での隅部の溶け込みをより深くすることができる。
【００３３】
また、揺動の右端にあるときと左端にある時のアーク電圧を区別してサンプリングできるので、その値が等しくなるように、ヘッド２３位置を溶接線に対し横方向に移動することにより、隅肉溶接でのアーク電圧を利用した開先倣いができる。詳しく説明すると、アーク長即ちタングステン電極先端と母材間距離に対応してアーク電圧が変化することを利用して、アーク長を一定に保つ制御が通常行われている。本発明の実施形態を用いると、揺動位相と関連付けて、即ち揺動の右端にある時のアーク電圧、左端にある時のアーク電圧、中央にある時のアーク電圧などを区別してサンプリングし検知できるので、この電圧信号をもとにトーチ位置制御、即ち開先倣いを行うことができる。例えば、Ｖ開先内でタングステン電極を揺動しながら溶接するとき、揺動の中心位置が開先の中央より右側にずれたときには、タングステン電極の先端が右端側の開先面により接近するので右端側でサンプリングしたアーク電圧は低くなり、逆に左端側ではタングステン電極の先端が左端側の開先面から遠ざかるのでサンプリングしたアーク電圧は高くなる。この検知したアーク電圧の差が無くなるように、この場合はトーチを左側に移動するようにして、常にトーチを開先中心に位置するように制御できる。
【００３４】
振幅を制限するストッパ３９としては、図１の実施形態ではねじ構造を採用したが、ねじ構造に限られることはなく、ヒンジ構造の１個のストッパなどでも代替できることは言うまでもない。
【００３５】
電磁アクチュエータとしては、図１の実施形態ではロータリソレノイドを利用したが、通常の直流モータに交流を通電して往復回転させることなどでも代替できる。また、小さく構成できるなら、図８にあるようなプランジャであっても良い。
【００３６】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成上の特徴、作用乃至機能を有するものである。
【００３７】
交番電圧を印加して往復回転動する電磁アクチュエータの回転軸に、タングステン電極を先端に取り付けたトーチの一端を機械的に結合して、振り子状にタングステン電極が揺動するようにしておき、そのトーチの付け根近傍でトーチを両側からバネ定数３０Ｎ／ｍｍ以上の強いバネで拘束し、電磁アクチュエータに１０Ｈｚ以上の周波数の電流を通電して共振状態で揺動することによって達成される。共振状態はバネ定数の変更によって選択し、最終的には駆動電源周波数の手動調整あるいは自動調整によって探索し設定する。
【００３８】
振幅の設定は、共振あるいは共振に近い状態で振動しているトーチの片側からストッパ部材で機械的に振幅を制限すると、ストッパがない他の側もほぼ同じ振幅に制限される現象を利用する。
【００３９】
また、実際に振動中心からタングステン電極がどの様な揺動位相状態にあるかは、電磁気アクチュエータの回転軸に遮光板を固定し、丁度、振動中心にトーチがあるときに遮光板のエッジがホトインタラプタを通過するように設定しておいて、その通過時点からの時間を基に知ることができる。これによって、揺動位相と同期したアーク電圧のサンプリングも可能になり、上下倣い、また隅肉溶接時の開先倣いなどにアーク電圧信号を利用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の装置では、共振状態を利用していることから、小さいエネルギーを用いて高い周波数で安定した振幅が得られる。そして、揺動している周波数が高いことから、溶接ヘッドの支持部の固有振動数とかけ離れているのでそれらと共振することが無く、また支持部材を伝わって外部に逃げ去る振動エネルギーも少ない。
【００４１】
したがって、ヘッドの支持部材が振動して溶接を妨げたり、あるいは大がかりな支持部材にする必要もない。このため３Ｋｇなど、比較的小さな積載容量の多関節ロボットに搭載して、容易に溶接できる。
【００４２】
また、強いバネでトーチを拘束しているので、横向きにするなどヘッドを種々の溶接姿勢にしても、トーチが重力の影響を受けて振動中心がずれるような問題は発生しない。
【００４３】
また、共振状態の性質を利用しているので、片側からの機械的な制限機構を設けて振幅を制限するだけで、多少周波数が変動しても、また駆動電流が変動しても常に安定した振幅を保つことができる。
【００４４】
更に、フォトインタラプタなど簡単なセンサを用いて揺動位相を検出できるので、揺動位相と関連づけたアーク電流制御による溶け込み制御や、アーク電圧を利用した開先倣いができる。
【００４５】
このようにしてＴＩＧ溶接でありながら高溶着速度が得られるホットワイヤを援用することにより、高溶接速度で溶接できるようになり、従来、ＭＡＣ溶接していたラインを変更することがなく、本発明の装置を用いたホットワイヤＴＩＧ溶接装置で代替できるようになり、スパッタが少なく、フュームも少なく、そしてビード形状がきれいな溶接が出来るようになり、ジグや母材にスパッタが付着することもなく、より安定した良好な溶接が出来るようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＴＩＧ溶接装置の溶接ヘッドを示す図である。
【図２】図１の溶接ヘッドの要部の側面図である。
【図３】図１の溶接ヘッドのアクチュエータの原理を説明する図である。
【図４】共振状態にある片持ち梁の性質の説明図である。
【図５】ＴＩＧ溶接での欠陥発生を説明する図である。
【図６】従来の揺動式ＴＩＧ溶接装置の説明図である。
【図７】従来の回転式ＴＩＧ溶接装置の説明図である。
【図８】従来の揺動式消耗電極用トーチの説明図である。
【符号の説明】
２３  溶接ヘッド
２４  ヘッド基板
２５  アクチュエータ
２６  制御器
２７  駆動配線
２８  回転軸
２９  絶縁部材
３０  トーチ部材
３１  脚部
３２  管継手
３３  トーチ
３４  電極保持部
３５  タングステン電極
３６  止め捩子
３７  バネ押え
３８  バネ
３９  ストッパ
４０  遮光板
４１  ホトインタラプタ
４２  信号配線
４３  電流ケーブル
４４  冷却水入口管
４５  冷却水出口管
４６  永久磁石
４７  磁極
４８  コイル
４９  駆動電源
５０  片持ち梁
５１  ストッパ
【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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