第２２８回溶接法研究委員会

ＳＷ―３５５６JIW-XII-

半割れ型長寿命給電チップの摩耗特性（株）最新レーザ技術研究センター○沓名 宗春（有）大幸エンジニアリング

村上

２０１４年１１月１９日

社団法人

溶接学会

溶接法研究委員会-0-隆昭― １４- １４

１． はしがき
現在、MAG 溶接、MIG 溶接、CO2 アーク溶接と呼ばれているアーク溶接に使れる溶接機は半自動溶接機、自動溶接機、ロボット溶接機などあり、日本のメーカーの生産高は表１に示す様に約１４０万台（新報㈱ﾃﾞｰﾀ）である。世界的市場で見ると、２００７年のアーク溶接機の年間生産高が 1,438,100 台である。
これらの溶接機には溶接トーチおよび溶接ワイヤに給電するために給電チップが用いられる。半自動溶接機でチップは 1 日 1 本、自動溶接機では重要保安部品の場合 2 時間に 1 本取り替えるようであり、日本で使用する給電チップは自動溶接機および半自動溶接機を合わせて約２,５２２万個／月となり、世界的に見ると約２億８７６０万個/月使われると推測される。
表１

日本国内および世界市場でのアーク溶接機の生産高 （新報㈱ﾃﾞｰﾀ）

世界の 2007 年度

日本の 10 年間

日本の 10 年間標

日本の 10 年間ｱｰ

アーク溶接機生

ｱｰｸ溶接機生産高

準自動ｱｰｸ溶接機

ｸ溶接ロボット出生産高

荷実績輸含

産高
欧州

213,000

98

118,700

98

34,200

98

8,012

中近東

37,00099

103,900

99

27,100

99

7,792

中国

440,000

00

111,400

00

31,700

00

8,539

インド

74,00001

103,300

01

33,40001

7,855

アフリカ 30,500

02899,000230,80002

8,149

アセアン 95,500

03

91,00003

38,000

03

9,672

ロシア

76､50004

108,400

04

47,10004

10,984

韓国

69,50005

124,100

05

58,0000515,180

ｱｾｱﾆｱ

17,00006

124,500

06

59,20006

12,846

日本

124,60007

145,100

07

72,60007

14,214

北米

179,000

08

141,000

08

72,00008

14,500被覆アーク溶接では電極への給電（通電）は電極ホルダーでなされるが、半自動アーク溶接および自動溶接では電極ワイヤへの給電は、通常給電チップが溶接トーチに組み込まれて、給電がなされている。この給電チップの機能は主として次の２つが考えられる。
■溶接ワイヤに給電する機能。
■溶接ワイヤを溶接ケ所に正確に導く機能。
この機能を長時間、安定して保持し、スパッタも少なく発揮できる給電チップが５０年間以上も検討されてきた１）～１１）。
現状の溶接トーチの給電チップは、円筒状一体型で切削加工及び穴あけにより製作している。ロボット溶接などでは給電チップの穴の磨耗が速く、アーク-1-時間２時間毎に、取り換えているのが現状である。 そこで、分割型給電チップが開発され、すでに利用されている１２）。本研究開発では、半割型給電チップの給電性の改善を図るとともに、その製造法の改善を図り、線状ワイヤから直接、圧延ロールで高速に半割れ型チップ形状に成形した後、プレスで切断と仕上げ成形を同時に行う製造方法を製造した１３）１４）。この際、半割れチップの後部にバネを設け、２つの半割れチップを押すこすことにより、チップ先端部が常にワイヤの接するようにして通電することにより、チップの穴内部で通電することがない方にした。この事により、内部通電があく、ジュール熱もなく、安定した良好な通電が可能になった。その結果、従来の１体型チップに比べ、チップ先端でのジュール発熱による加熱もなく、また、円筒状チップを２分割したことにより、チップ内面の給電部にかかる応力も低く、給電性もよく、従来品の約１０～２０倍の寿命を実験で示した。開発した溶接トーチおよび試作給電チップを自動車メーカーの下請け企業のロボット１０台で実際に使用して、従来チップと比較してもらったところ、従来チップより１０倍長い寿命を示したので、ここに、報告する。今後、自動車産業を始め、造船業、橋梁、建築・鉄骨等の産業分野で広く応用されるように、改善をしていきたいと考えている。前報１４）では開発の経緯、チップの特徴について報告したが、本報告では、チップの摩耗特性について報告する。
２． 半割れ型給電チップ及びチップユニットの構造（１）半割れ型給電チップの構造と給電点

図１

従来型チップの構造と給電点

図２ 半割れ型チップの構造と給電点（Ｃ）-2-現在、各種産業で採用されているアーク溶接の給電チップは給電性などの品質向上、チップの寿命向上、コストダウン等の課題がある。図１に示す従来型のチップは円筒状一体構造のチップに穴を開け、この穴とワイヤの接触により給電する方式であるために、ワイヤの曲がり等により穴内面に圧力がかかり、穴もワイヤに強く引掻かれ、磨耗し、楕円状の穴になりやすい。このことがワイヤ先端と溶接線の位置ズレを起し、溶接欠陥を引起す原因ともなる。また、溶接品質のバラツキを発生させる。 アークが不安定になるなどの給電性に問題がある。また、チップ内部で接触するとそこからチップ先端までの鋼ワイヤ中にジュール発熱が生じ、チップ先端では非常に高温になり、チップ磨耗が加速され、短命となる。そこで、これらの問題を解決する方法として、図２に示す半割れ型給電チップﾟを考案した１３）。すなわち、半割れ型構造とすることにより送給されるワイヤに対して、チップがフレキシブルに相互の間隔を変えることができるために、強い引掻きの力が給電チップに掛からず、損傷が少なく、給電性も改善できる。
また、微細なバネでチップの根元（Ｂ点）を押さえてＡ点を支点として回転させることにより、強制通電を試み、給電点をチップ先端（Ｃ点）に集中することにより、チップ内部でのジュール発熱を抑えている。その証左として、
アークタイム２時間後の溶接ワイヤの加熱による着色領域を観察すると図３に示すように、チップ先端のＣ点から黒褐色に変色しており、チップ内部にあったワイヤは着色していない。給電がチップ先端で生じている証しである。

図３

溶接ワイヤの加熱着色領域（チップ先端より左側）

図４に両チップの外観および構造を示す。 材質は３％クロム銅であり、従来チップと同種材料である。チップ重量も従来型が約１７ｇに対して、開発したチップは３．２ｇと約５分の１の重量で、用いる素材である銅の使用量を削減でき、資源の節約も可能となる。

-3-

重量３．２ｇ
図４

従来型チップ（左）と半割れ型チッップ（右）の構造と外観（中央）（２）チップユニットの開発開発した給電チップを有効に活用するためには、現状の溶接トーチに簡単に装着できることが重要である。そこで、図５に示すようなチップを入れるバネ付きのチップユニットを開発した。

図５

開発したチップユニットの構成（チップカバー（左側）とチップベース（右側）試作したチップユニットは送給される溶接ワイヤのワイヤ挿通孔がその円筒状軸芯に設けられたチップカバーと、このチップを被覆して内蔵する絶縁ホルダーを備えたチップベースからなる。この半割れ給電チップの先端間距離を拡大収縮できるような状態で絶縁ホルダ内に配置されており、給電チップの先端間距離を狭めるように圧入して溶接ワイヤへの給電点を先端に保持させるような手段をバネにより講じている。すなわち、給電チップにはバネの力で、一定の力がかかるように工夫している。

-4-

この半割給電チップは従来のチップに比べ、チップ先端で強制給電するため、アーク電圧や溶接電流の変化が少なく、ワイヤねらい位置が安定し、溶接品質の向上を計っている。

図６ 溶接トーチへの装着状態：従来チップ（左）と新型チップ（右）現在、国内でＭＩＧやＭＡＧ溶接用いられているトーチに簡単に装着できるようにチップユニットは設計されている。
３．半割型給電チップの摩耗特性の評価試験（１）実験方法
ＣＯ２アーク溶接および混合ガス（80Ａｒ＋20ＣＯ２）のＭＡＧ溶接（以下ＭＡＧ溶接と呼ぶ）のロボット溶接において、半割れ型の給電チップを内蔵した給電チップユニットをトーチに取付けて、図７のようにアーク溶接を実施した。用いた鋼板はＳＳ４００鋼で、板厚 9mm、200mmｘ600mm の寸法のものを用い、その上に、溶接ワイヤＭＧ－５０（1.2ｍｍ径）を用いてビードオン溶接した。1.8ｍ長さの溶接ビードを 3 分間溶接した後、約 2 分休み、残り 1.8ｍ長さを 3 分間で Fig.3 に示すように溶接した。
溶接条件は
ＣＯ２アーク溶接では 270Ａ～290Ａ、約32.5Ｖ、溶接速度 600mm/min、ワイヤ突出し長さ 17ｍｍ、シールドガスＡｒ20Ｌ/minの条件で、ＭＡＧ溶接の溶接条件は溶接電流を 290Ａ～310Ａ、アーク電圧約 32.8Ｖ
で、ほかの条件はＣＯ２アーク溶接と同様とした。図８は約６分間溶接した試験片の 図７ ロボット溶接の状況
ビード外観を示す。ＣＯ２アーク溶接ではスパッタが多く発生したので、３分-5-ごとにノズルに付着したスパッタを除去した。ＭＡＧ溶接では 36 分毎にスパッタを除去した。いずれもアークタイム 120 分溶接した（溶接時間：４時間）後は、給電チップユニットを取り外し、給電チップを取り出し通電側（内側）の溝の深さをレーザ顕微鏡で図９に示すように正確に計測した。

図８

溶接試験片とビード外観

図９

チップ内面の形状測定の例（２）実験結果および考察
スパッタの発生：ＣＯ２溶接ではスパッタの付着が多く、6 分も溶接するとリング状にノズル内面に付着したが、これに対して、ＭＡＧ溶接では 36 分でもリング状にならず、スパッタの発生が少なかった。スパッタ除去を行った後、ノズル内面にスパッタ防止剤を塗布した。実験を続けた。
給電チップの内面の摩耗量：用いた給電チップユニットはバネでチップ先端がおじぎをするように工夫されており、通電がチップ先端部でのみ起こるように工夫している。その結果、通電点がチュップ先端部で安定しており、チップ内面の摩耗量も図１０に示すようにチップ先端（a 点）に集中している。チップ中央（点）およびチップ根元（ｃ点）はわずかである。アーク時間 12 時間後においてＣＯ２アーク溶接で 57-6-図１０

ＭＡＧ溶接におけるチップ溝の摩耗量測定結果

図１１

ＣＯ２アーク溶接におけるチップ摩耗量測定結果-7-μｍ、ＭＡＧ溶接で 37μｍと微量であった。これは従来の実験データ（250Ａ，28Ｖ、100cm/min の条件で、3％Cr 銅チップを使用）では 126ｍ溶接長で 263μｍ摩耗した例に比べるとＭＡＧ溶接は 700m 溶接長で、37μｍの摩耗量であるので、39.3 分の 1 の摩耗量になる。
そこで、この半割れ型給電チップを 自動車関係の製品をロボット溶接して大企業で、実際に溶接ラインで１０台の溶接ロボットを用いて評価をして頂いたところ、従来チップより１０倍 寿命が長いことが確認された。現在適用の拡大を進めている。
４． まとめ考案した半割れ型給電チップを用いて、そのチップの摩耗特性などを調査したところ、次の結論を得た。
１） アークタイム１２時間（溶接作業時間２４時間）のマグ溶接で摩耗試
験において、チップ摩耗量は約３７μｍであった。これは通常チップと比較すると、約４０の１の量であった。
２）試作した半割型給電チップは 自動車産業の生産ラインで１０台の溶接路ロボットで実験したところ、従来チップより１０倍 寿命が長いことが確認された。
謝辞
本研究は経済産業省中小企業庁平成２１年度「ものづくり中小企業製品開発等支援補助金（試作開発等支援事業）」を受けて実施したものであることをここに記して、謝意を表します。
参考文 献

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12) 特願２００４－３０６１０５号公報
13) 国内特許；特許第４２６１５１９号：分割型溶接チップ
14) 中国特許：ＺＬ ２０１０ ８ ００００７４１．Ｘ-9-