溶接技術６月号

長寿命（半割れ型）給電チップの開発
沓名

宗春＊、村上隆昭＊＊＊（株）最新レーザ技術研究センター＊＊（有）大幸エンジニアリング
１． はじめに
１９０７年に被覆アーク溶接棒が開発され、ガスシールドアーク溶接法が１９２０年代に開発され、１９７６年にアーク溶接ロボットが開発され、ものづくりに欠くことができないアーク溶接。この中で、ガスシールアーク溶接やサブマージアーク
溶接には溶接ワイヤに溶接電流を給電するための図１に示すようなコンタクトチップ（ここでは給電チップとよぶ）が必要である。にもかかわらず、ここ４０年間にこれに関する研究論文は１０数件と少ない１）～１２）。著者らは２００９年より、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」に採択され、長寿命の給電チップを開発してきた。今年２月１６日に、この長寿命チップ技術が名古屋市工業

図２ 自動車シャーシーのガスシールドアーク溶接におけるＭＩＧ／ＭＡＧ溶接ワイヤの使用比率１３）

技術グランプリに輝き、自動車やオートバイ部品のアーク溶接
ロボットラインで採択されるに至ったので、本稿で紹介する。

ヘンのシンクロフィードＧＭＡ溶接法１５）、パナソニックのＭ
ＴＳ―ＣＯ２溶接法およびＳＰ－ＭＡＧ溶接法、ＪＦＥスチール社開発のＪ－ＳＴＡＲ溶接法などを採用することで、短絡時の発生スパッタを低減している。ガスシールドアーク溶接では用いるシールドの成分により図３に示すように毎分０．２ｇ以下にすることもできる。溶接電源、溶接ワイヤおよびシールドガスなどの観点からスパッタの低減を図られてきた。

図１

ガスシールドアーク溶接機に用いられる給電チップ

２．開発の背景
自動車産業では図２に示すように１３）、実ラインでのアーク溶接の主流はガスシールドのミグ（ＭＩＧ）/マグ（ＭＡＧ）溶接が主流となっており、ロボット溶接が多く採用されている。

図３ シールドガスのアルゴン比率とスパッタ量の関係１６）

ここ１０数年間でアーク溶接電源の大きな進歩により、インバータ電源、デジタル電源と進歩し、スパッタの発生が著しく低１４）減した。すなわち、フローニアス社のＣＭＴ溶接法、ダイ

しかし、給電チップの開発についてはこの４０年間に、革新的な大きな進歩はなかった。チップ形状も図４-aに示すような銅合金製の一体型のもので、構造のの変化が少なくく、一部コーテ
ティングを改良したもののや、強制加圧圧給電型ノズル
ルに用いるコレレットチップがある程度度である。ロボ
ボット溶接でははその寿命が２２時間～８時間程度のものである。長長時間溶接する
ると、図４-bにに示すように、円形の穴穴が摩耗により楕円形に変形形して、頻繁にに取り換えをする必要ががある。このよようにチップのの摩耗が進むとと溶接ワイヤの狙い位置置が大きくズレレ、溶接欠陥をを生むことにななる。
１．２ｍｍ径のワイイヤに対して、、穴の径が、約約０．２ｍｍととか０．３ｍｍの拡大ががあった場合にに、チップの交交換を余儀なくくされる。
著者らは、まず
著、給電チップのの摩耗現象を考考察した。クロロム
銅が高温の鋼ワイヤヤと接触したときの引っ掻きき摩耗現象であある。
その時の摩擦力、銅銅の温度、引っっ掻き速度、銅銅の硬さなどがが影型給電チップ
プの給電点の変変動
図５ 一体型響するが、この中ででも銅の温度にに注目した。すすなわち、図５５に示すように従来の一一体型チップでではパックワイイヤなどのよううにまたた、給電点の変変動は図６にに示す真のワイ
イヤ突出し長長さ

ワイヤ癖のひねりががあると、チッップ内部で給電電し、その給電電点を変変動させる。すすなわち、図図６の右図の場場合には突出出しがひねりとともに変変動する。図５の左図のよううにチップ中央央で長ささが短くなり、、溶接電流がが増大し、左図図の場合にはは突給電が起こったとす
すると、この点点とワイヤ先端端との間に次式式に出しし長さが長くななり、溶接電電流が低下する。アークがが長示すようなジュール
ル発熱がワイヤヤ内部に発生しし、鋼ワイヤのの温くななったり、短くなったりしして、アークのの安定性が損損な度が約８００℃以上上にもなる。

われれる。

ジュール発
発熱＝a x Ｉ２x Ｒ
ここで aは係数数、Ｉは溶接電電流、Ｒはワイヤの電気抵抗
抗その結果、高温度のの鋼ワイヤが給給電チップに接接触するため、チップの穴内面の温度度が５００℃以以上の高温にななり、銅製のチチップが軟化して、引っっ掻き摩耗に対対して弱くなるる。これが従来
来チ

図６ 真のワイヤ
ヤ突出し長さップの欠点である。
。

１：コンタクトチップ、２： ノズル、３：ノズル高さ
５：真のワイヤ突出し長さ、 ６：通称のワイイヤ突出し長ささ

２． ３．半割れ型給電チップ技術
術の概要
給電チップに給求められる機
機能とはなににか考えてみると、次の３点があげられる：：１）
１ 溶接ワイヤに溶接電流流を給電するる機能
２）
２ 溶接ワイヤを溶接ケ所所に正確に導導く機能
３）３ ノズルと組みになりシシールドガスを送給する機能
これれらの機能を考考慮して、溶溶接法、溶接電電流、溶接カ所所、
観(a) チップの外観(b)チ
チップ先端の穴穴の変更状況

図４ 従
従来の一体型給給電チップ

ワーークの材質などを考慮してて、各種の給電電チップが製製造されれている。

３．１ 半割れ型チップの給電機構と構造

チップカバーは１月に１，２本取り換えるものである。

従来チップの問題点を解決する方法として、図７に示すようなバネによる強制加圧給電方式の半割れ型給電チ

３．２ 半割れ型給電チップの特性（１）チップ給電位置とワイヤのジュール加熱
半割れ型給電チップの給電位置はチップ先端のみであり、その点からジュール発熱が生じる。チップ内部では溶接ワイヤの加熱は少ない。図９はこの状況を実際の溶接ワイヤの銅メッキの色の変化で示す。給電点はチップ先端であり、この点より右のチップ内部では銅メッキは変色していない。すなわち、５００℃以上の高温にさらされていない。これに対して、チップ先端より左では給電しているのでジュール発熱が起こり、８００℃以上に加熱され、銅メッキが黒色に変色している。

図７ 半割れ型給電チップの構造
ップを開発した。チップ台の中にあるチップ受台をバネで押すと、点Ａで半割れチップの根本を下方に押すことになり、結果として、点Ｂを支点として回転モーメンが働いて、チップ先端の点Ｃでワイヤ中心方向に強制的にチップが押さえられ、ワイヤへの給電がスムーズに起こる。チップの溝内面が両チップで０．４ｍｍまですり減

図９ 溶接後の溶接ワイヤの色の変化領域っても給電が可能である。具体的には図８に示すように、チップ先端の温度を５００℃以下に保持できている。

現在利用されている溶接トーチに装着できるようにＭ６のネジを持つチップユニット（＝チップ台＋チップカバ（２）チップ寿命
では、実際にチップの摩耗量は低減できるのか、実証実験で確認を行った。
１）実験方法
ロボットおよびマグガス（80Ａｒ＋20ＣＯ２）を用いてＭＡＧ溶接を行った。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、ＳＳ４００鋼板（寸法：板厚9mm、200mmｘ600mm）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分間で溶接した。溶接条件は溶接電流を290Ａ～310Ａ、アーク電圧を約32.8Ｖ、溶接速度６００ｍｍ/minとした。36分毎にスパッタを除去した。その都度、ノズル内面にスパッタ防止剤を塗布した。

図８ 半割れチップとそれを装着したチップユニットの外観（上）および従来チップ（下）の外観
ー＋半割れチップ）として、製品化されている。
ここで、チップ台はほぼ１年間以上利用できるもので、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、チップの溝の深さをレーザ顕微鏡で計測した。図１０はその溶接定化する。そ定
こで、半割れれ型チップを用用いた場合とと従来チチップを用いたた場合の溶接接電流の変動を計測し、図図１２にに示す。このよように、溶接電電流の変動範範囲が狭くなりり、アーークが安定してていることががわかる。

（４）スパッタ
タの付着チップ摩耗量のチの確証実験ををアークタイムで１２時間間実施ししたときのノズズルへのスパパッタ付着量を計測した。そ図
図１０ 溶接接ビード外観観の結結果、ＣＯ２アーク溶接でアで０．１３７ｇｇ/min、ＭＡＡＧ
溶接
接では０．０１８７ｇ/minnと微量であった。アーク
クがビーード外観を示すす。スパッタ
タの付着は少少なかった。

２）実験結果安定定していることからスパッッタも少ないと言える。

（５５）チップの掃掃除による再再利用性
半割
割れ型給電チップは寿命ががながいので、、４０時間あある
いはは５０時間ごとにチップをを清掃すると、、再度利用でできるとという特長があある。清掃の 時間的目安をを図１３に示示す。
用いいる溶接電流ににより大きくく異なる。２００Ａ位ではは６０時
時間間隔で清掃掃をすればよよい。チップ摩摩耗量が０．４

図１１
図
半割れ
れチップを用用いたＭＡＧ溶接におけるる
チップ
プ摩耗量の計
計測結果
給電チップの溝給溝内面の摩耗耗量をレーザザ顕微鏡で計測測したた結果を図１１に示す。
この図より、従こ
従来の一体型型チップの摩摩耗量（250Ａ
Ａ，28Ｖ
Ｖ、100cm/minnの条件で、33％Cr銅チップを使用）がが２時間間で２６３μｍｍであったののに対して、半割れチップ
半プの摩耗
耗量は１２時間間で３７μｍｍとわずかでであった。従来
来のチッップと比較すると約３９分分の１であった。
（３）アーク安（安定性Cleaning time、hourｍｍｍから０．５ｍｍｍまで幾度度も利用できる。

120MAGGweldinng

８８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ
２10080604020002000
Welding Cu
urrent、Ａ400

図１３ チップ清掃まででに時間的間隔隔の目安
こののような再利用用できる給電電チップは世界界初である。

給電点をチップ給プ先端に固定定できれば、ワワイヤ突出しし長さのの変動が少なくくなり、溶接接電流およびアアーク電圧がが安（６）チップカカバーの改良
良スパッタの発生
ス
生が多いＣＯ
Ｏ２アーク溶接
接や亜鉛メッッキ
鋼板板のアーク溶接接などでは小小粒のスパッタがチップ内内部に入入ってくると強強制加圧給電電に支障をきたす場合があある。そこで、このの問題点を回回避するため、図１４に示示す
よううに、溶接ワイ
イヤ径より００．２ｍｍ大きい径の穴をを前面ににもつチップカカバーを開発発した。なお、、チップ先端端とカバ
バー先端とは２ｍｍ差がああるが、従来ののワイヤ突出出し

図１２ 半割れチ
チップ及び従従来チップを用用いた時の溶接電流流の変動範囲
囲長ささを変動したり、ロボットトのプログラミングを修正正するこことなくセットできる。

し、常にチップ管管理者が使用用前にチップにこの治具をを通してて、スムーズにに通り、先端端部のみ加圧のの影響ですここし抵抗抗を感じる程度度であることとを確認したものを現場ののロボッ
ットオペレータ
タに渡すこととがじゅうようである。

図１
１５ チップのの使用前チェ
ェックに利用すするワイヤ治治具

清掃掃して、再利用用する場合もも、このようにチップ管理理者が必必ずチェックしてから現場場に渡すことにより、現場場で
図１４ 改良良したチップ
プカバーの構造造（上）と外観観（下）のトトラブルを回避避できる。。
スパッタの付着ス着に対してもも十分注意してて用いる必要要があるる。できれば、、ノズルやチチップカバーにスパッタ防防止（７）コスト比（比較
表１に樹来チチップを用いいた場合と半割割れチップををもち田田場合のコストを比較してて示す。
表１ チチップ使用コ
コストの比較例
例（年間）剤ををときどき塗布布すると、ス パッタが付着着しにくくななる。
なおお、国内には溶溶接トーチのの種類としてはは主として、図１６６に示すようにに、ダイヘンン型とパナソニニック型がああり、チッップユニットもこれらに対対応したものがが生産されてている。フローニアス
ス型は市販ししていない。

１年
年間 １台の溶溶接ロボット
トあたり、１７、４００円円の差ががでる。さらにに、ロボット
トの年間停止時
時間の約１７７％を占占めるチップ交
交換時間も大大幅に短縮でききるというメメリ

図１
１６ 国内溶接接トーチに適適合するチップ
プユニット

ット
トもある。
４．自動車およびびオートバイ
イ産業での適用
用例
３．３ 半割れチ
チップの使用
用方法と注意点点

このの節では、半割
割れチップをを十分管理することによりり、こののようなメリッットを出すにには、半割れ型型給電チップ
プのロボ
ボット溶接の量量産ラインでで利用されていいる例を２件
件紹使用
用方法をよく理理解して用いいる必要がある
る。

介す
する。

用いいる溶接条件、、ワイヤ突出
出し長さ、シーールドガス、スパッ
ッタ付着量など
どを十分確認認して用いるこことが重要でであ ５ ４．１ 自動車部部品の量産品品への適用例
る。

自動動車の運転席ののシート部品品をロボットででＭＡＧ溶接接す

さららに、チップのの管理方法もも重要で、半割割れチップをを利 るラインンに適用した例
例を示す。従従来は一体型チチップを２００用すするときは、現現場のロボッットオペレータ
タにチップをを渡ＡＡ
Ａの溶接電流でで溶接し、１１直（８時間））でチップ交交換

す前
前に、図１５にに示すようなな使用する溶接接ワイヤ径とと同を余余儀なくされてていた。１日
日２直であるのので、２本ののチじ径径のワイヤ治具具（長さ約１００～１２００ｍｍ）を作作成

ッププが必要であり、年間ではは５６０本必要要であった。半割れ型給電チップをロボット溶接ラインの１０台のロボットにまず適用して、その問題点や注意点を６ケ月以上かけて検討した。特に、寿命のバラツキと製品の形状のバラツキに注目してテストを実施した。

図１９ ５直使用後の半割れチップの評価値
図１７ 使用前のチップクリアランスの測定
４．２ オートバイ部品への適用例
使用前に両チップ間のクリアランスについて図１７に示

現在、フィリピンでオートバイ生産している日本企業のすようにワイヤを刺した状態で測定し、基準の０．２ｍ工場で、半割れ型給電チップをロボットＭＡＧ溶接に用ｍ以上のものを採用している。３直、４直、５直終了後、いている例を紹介する。

このクリアランスを測定し、基準値以下にならないように管理した。また、ワイヤを抜いた状態で両溝の深さを新チップの導入に当たり、生産ラインで実際に使って、次の３点を従来型のチップと比較・評価した。

計測し、１．４ｍｍを超えないようにした。

１） 溶接性テスト

図１８に５直までの溝内径の計測結果を示す。その結果、

２） スパッタ量の評価

５直（４０時間）使用しても基準の１．４ｍｍを超えず、

３） チップの摩耗量の評価

最大摩耗量は０．４１ｍｍであった。

まず、溶接割れ、ブローホールなどの欠陥に対しては、図２０に示すように従来型チップを使用した場合はブローホールが発生し、ハンピングビードが生じているが、半割れ型チップを使用した場合は欠陥もなく、なめらかな溶接ビードが得られた。この原因は、半割れ型チップの外径が１０ｍｍと大きく、ノズルとの隙間が狭くなり、同じシールドガス流量でもシールドガスの流速が速くなり、シールド効果が高まったためと分析している。

図１８ １直（８時間）ごとに計測した溝の内径(a) 従来型チップ使用(b)半割れ型チップ使用

図２０ 溶接ビード外観の比較
図１９に５直使用したチップを清掃し、その形状等を計測した結果を示す。溝の内径（Ａ）の計測値は使用前がまた、スパッタの付着量は従来型チップの場合に、２．

０．８９ｍｍで 使用後は０．９１ｍｍであった。すな

７ｇ/１体であったが、半割れ型チップの場合は１．５ｇ

わち、チップの摩耗量は０．０６ｍｍとわずかであった。

/１体と少なかった。チップの摩耗量は非常に少なく、再利用できる摩耗量である。今までに１０直（８０時間）

従来型チップは１日１本を要したが、半割れ型チップは使用できるものもあった。現在、このチップを全社的に２０日間で１本の摩耗量であった。よって、図２１に示採用する方針で進められている。

すように、年間では従来型チップは２６４本使用したが、、半割れ型チップは年間１３組使用したのみであった。

welding
based on measurement of the contact force, Proc. Of 7th
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9)J.Villafuerte; Understanding Contact Tip longevityforGas

MetalArcWelding,WeldingJ.

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図２１ オートバイ工場の年間チップ使用数の比較

10)W.Moler ら; Contact tubes with improved
４８時間連続使用した後、清掃し、再利用を８回繰り返

characteristics made of extruded composite

した。１つの給電チップを３８４時間使用したという、

materials,驚異的なデータである。

53-9(2001),pp.E214-E216

SchweissenundSchneiden,11) V.T.Fedko and H.-U. Menzel; Welding current su
清掃

５．おわりに
この半割れ型給電チップについては約８年間、研究開

pplies used in automatic and mechanized発を行ってきた。製品の精度もトヨタ車体精工(株)の木

fusion Welding, Welding international, 19-05

全誠氏のご指導で、非常に安定したものとなり、今後、(2005),pp.406-412

高電流にも使用できるチップ開発に取り組んでいる。す12)V.A.Lebedev; Improving the design of、

current-conducting guides in equipment for

国内外で論文発表を行い２０）～２２）、製品の販売へと繋げmechanized arc welding processes, Weldingていきたい。

international, 19-04(2005),pp.321-325１７），１９）

でに、国内および中国の特許を取得しており

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