JP5700997B2

JP5700997B2 - 溶接ヘッドおよびそれを備えた溶接装置

Info

Publication number: JP5700997B2
Application number: JP2010225729A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎深田; 剛一徳田; 武雄瀬戸; 兆史河本; 英朗黒川
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-10-05
Also published as: JP2012076136A

Description

本発明は、アーク溶接が実行されるワークの部分を、例えばレーザなどの加熱源によって予め加熱するハイブリッド溶接のための溶接ヘッドおよびそれを備えた溶接装置に関する。

従来より、例えば、レーザを使用しつつアーク溶接を実行するハイブリッド溶接が知られている。それは、レーザ・アークハイブリッド溶接と呼ばれている。例えば特許文献１に記載するレーザ・アークハイブリッド溶接の場合、パルスレーザによってワークの酸化皮膜を除去し、酸化皮膜が除去されたワークの部分に対してアーク溶接を実行する。

特開２００２−３３１３７３号公報

しかしながら、ハイブリッド溶接を行う場合、以下のような問題が生じることがある。例えば、レーザ・アークハイブリッド溶接の場合、高出力のレーザを使用したり、溶接速度が遅いためにレーザによる加熱が局所的に過剰になり、ワークが溶融して高温のプルーム（金属蒸気）を発生させることがある。この高温のプルームを浴びることにより、アーク溶接を実行するための溶接ワイヤに給電する（溶接電流・電圧を印加する）コンタクトチップが熱損傷することがある。例えば、高温のプルームを浴びたコンタクトチップの先端と溶接ワイヤとが融合し、溶接ワイヤの送り不良やアーク不良が発生する可能性がある。

そこで、本発明は、アーク溶接が実行されるワークの部分をレーザなどの加熱源によって予め加熱するハイブリッド溶接において、加熱源によるワークの加熱によって発生したプルームを原因とするアーク溶接のコンタクトチップの熱損傷を抑制することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
加熱源によって予め加熱されて溶融池が形成されたワークの部分に対してアーク溶接を実行するための溶接ワイヤを先端の開口から送出するコンタクトチップを備える溶接ヘッドにおいて、
コンタクトチップ近傍に設けられ、加熱源がワークを加熱することによって発生するプルームから、コンタクトチップの先端を保護するプルーム遮蔽板を有し、
溶接ワイヤから発生するアークによって溶接されるワークの部分が、加熱源によって予め加熱されるワークの部分に比べて、溶接ヘッドの移動方向に関して後方に位置し、
プルーム遮蔽板が少なくともコンタクトチップの先端近傍であって且つ該先端の溶接ワイヤの移動方向に関して前方側に位置することを特徴とする溶接ヘッドが提供される。

さらに、本発明の第２の態様によれば、
加熱源を一体的に備えた第１の態様に記載の溶接ヘッドが提供される。

さらにまた、本発明の第３の態様によれば、
加熱源がレーザ出力装置であって、
レーザ出力装置のレーザ光の光軸とコンタクトチップの溶接ワイヤ送出方向に延びる直線との間にプルーム遮蔽板が配置されている第１または第２の態様に記載の溶接ヘッドが提供される。

加えて、本発明の第４の態様によれば、
プルーム遮蔽板が銅である第１〜第３の態様のいずれか一に記載の溶接ヘッドが提供さ
れる。

加えてまた、本発明の第５の態様によれば、
プルーム遮蔽板が、湾曲した形状である第１〜第４の態様のいずれか一に記載の溶接ヘッドが提供される。

さらに加えて、本発明の第６の態様によれば、
コンタクトチップがシールドガスをワークの溶接部分に向かってブローするシールドノズル内に配置され、
プルーム遮蔽板がシールドノズルに一体的に固定されている第１〜第５の態様のいずれか一に記載の溶接ヘッドが提供される。

さらに加えて、本発明の第７の態様によれば、
プルーム遮蔽板がシールドノズル内のシールドガスの流れ方向と平行に配置されている第６の態様に記載の溶接ヘッドが提供される。

さらに加えて、本発明の第８の態様によれば、
シールドノズルがその内部に冷却水が循環する冷却水路を備える第６または第７の態様に記載の溶接ヘッドが提供される。

さらに加えて、本発明の第９の態様によれば、
第１〜第８の態様のいずれか一に記載の溶接ヘッドと、
溶接ヘッドを移動させる溶接ヘッド移動手段とを有することを特徴とする溶接装置が提供される。

本発明によれば、アーク溶接を含むハイブリッド溶接中、加熱源によるワークの加熱によって発生したプルームから、少なくともコンタクトチップの先端がプルーム遮蔽板によって保護される。これにより、コンタクトチップの熱損傷が抑制され、溶接ワイヤの送り不良、アーク不良の発生が抑制される。

本発明の一実施形態に係る、ハイブリッド溶接中の溶接ヘッドを示す図図１に示す溶接ヘッドの一部の断面図図２に示す溶接ヘッドを中心軸方向から見た図プルーム遮蔽板の効果を示すコンタクトチップの温度変化を示す図コンタクトチップの温度計測方法を説明するための図

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶接ヘッドがハイブリッド溶接を実行している様子を示している。

図１に一部を示す溶接ヘッド１０は、レーザ光Ｌを出力するレーザ出力装置（図示せず）と、溶接ワイヤ１２を送出するコンタクトチップ１４と、シールドガスをワークＷの溶接部分にブローするシールドノズル１６と、プルームＰからコンタクトチップ１４の先端１４ａを保護するプルーム遮蔽板１８とを有する。

この溶接ヘッド１０は、例えば、多関節ロボットのアーム先端に取り付けられて使用されるように構成されている（すなわち、溶接装置の一部として構成されている）。多関節ロボットによって移動されることにより、溶接ヘッド１０は、溶接部分、例えば２つのワークの合わせ目に沿って移動し、その合わせ目を溶接することができる。

また、溶接ヘッド１０は、レーザ光Ｌによって加熱された部分（例えば溶融池）２０を溶接ワイヤ１２によってアーク溶接するように構成されている。具体的に言えば、図２を用いて説明すると、レーザ光Ｌの光軸Ｃ２とワークＷとの交点が、溶接ワイヤ１２の送出方向に延びる直線（コンタクトチップ１４の中心軸Ｃ１）とワークＷとの交点に比べて、溶接ヘッド１０の進行方向Ｄ（図１参照）に関して前方の位置または同一位置に位置する。これにより溶接ヘッド１０による深溶け込みの高速溶接が可能になる。

コンタクトチップ１４は、ワイヤ送出装置（図示せず）によって送られた溶接ワイヤ１２に溶接電流・電圧を印加するとともに、溶接ワイヤ１２を中心軸Ｃ１方向にワークＷに向かって送出する（ガイドする）ためのものであって、図２に示すように、先端１４ａに溶接ワイヤ１２を送出する開口１４ｂが形成されている。また、コンタクトチップ１４は、シールドノズル１６の中央に配置されている。さらに、コンタクトチップ１４は、溶接ワイヤ１２との接触により磨耗したり、ヒューム・スパッタの付着により劣化するので、交換可能にされている、すなわち溶接ヘッド１０から取り外し可能にされている。

シールドノズル１６は、銅から作製され、ワークＷの溶接部分にシールドガスをブローするノズルであって、コンタクトチップ１４の溶接ワイヤ１２の送出方向にシールドガスをブローするように構成されている。そのために、例えば、シールドノズル１６の内周面１６ａが、コンタクトチップ１４の中心軸Ｃ１と平行になるように形成されている。また、シールドノズル１６は、耐熱性を高めるために、冷却水が流れる冷却水路１６ｂを内部に備えている。

プルーム遮蔽板１８は、例えば銅などから作製され、また薄板形状の部材であって、図２に示すように、レーザ光Ｌの光軸Ｃ２とコンタクトチップ１４の中心軸Ｃ１との間に、且つコンタクトチップ１４に沿って配置されている。言い換えると、コンタクトチップ１４の前方側（溶接ヘッド１０の移動方向に関して）に沿ってプルーム遮蔽板１８は配置されている。これにより、レーザ光ＬがワークＷを加熱することによって発生するプルームＰを、少なくともコンタクトチップ１４の先端１４ａが大量に浴びないようにしている（コンタクトチップ１４のプルームＰの被ばく量を低減している）。

また、コンタクトチップ１４をその中心軸方向Ｃ１から見た図３にも示すように、プルーム遮蔽板１８は、シールドノズル１６内に配置されている。プルーム遮蔽板１８は、コンタクトチップ１４を覆うように湾曲し、具体的には中心軸Ｃ１まわりに湾曲し、両端がシールドノズル１６にロウ付けされることにより該シールドノズル１６に一体的に固定されている。好ましくは、プルーム遮蔽板１８は、シールドノズル１６内のシールドガスの流れ方向と平行に配置され、例えば、シールドガスの流れ方向を定義づけるシールドノズル１６の内周面１６ａと平行になるような形状や配置にされている。

さらに、プルーム遮蔽板１８は、図２に示すように、その先端がコンタクトチップ１４の先端１４ａを越えてシールドノズル１６の外部に突出し、中心軸Ｃ１方向に関してコンタクトチップ１４のほぼ全体を覆っている。

なお、プルーム遮蔽板１８は、コンタクトチップ１４と当接していない。理由は、コンタクトチップ１４からプルーム遮蔽板１８への漏電を防ぐためである。

このようなプルーム遮蔽板１８により、図１に示すように、少なくともコンタクトチップ１４の先端１４ａが高温のプルームＰを大量に浴びることが抑制される。これにより、コンタクトチップ１４が高温になって溶解することが抑制され、その結果、コンタクトチップ１４と溶接ワイヤ１２との融合が抑制される。

また、プルーム遮蔽板１８は、熱容量が大きく且つ熱伝達率および熱伝導率が高い銅製であるため、またシールドノズル１６に一体的に固定されているため、高温のプルームＰを浴びても、熱がプルーム遮蔽板１８からシールドノズル１６にすぐに移動する。さらに、プルーム遮蔽板１８は、冷却水によって冷却されるシールドノズル１６に一体的に固定されているため、シールドノズル１６を介して間接的に冷却水によって冷却されている。これにより、プルーム遮蔽板１８は、高温のプルームＰに対して高い耐性（耐熱性）を備える。この耐熱性に加えて、プルーム遮蔽板１８は、銅製であるために、高い耐スパッタ性を備える。さらに、プルーム遮蔽板１８がコンタクトチップ１４ではなくシールドノズル１６に固定されているため、コンタクトチップ１４は溶接ヘッド１０から取り外し可能である。

このようなプルーム遮蔽板１８を溶接ヘッド１０に取り付けたことによる効果を、以下に示す。

図４は、溶接時における溶接ヘッド１０のコンタクトチップ１４の温度変化を示している。横軸は溶接時間（秒）を示し、縦軸はコンタクトチップ１４の温度を示している。また、実線はプルーム遮蔽板１８がない場合のコンタクトチップ１４の温度変化を示し、一方、点線および一点鎖線はプルーム遮蔽板１８がある場合の温度変化を示している。点線はシールドノズル１６の先端からのプルーム遮蔽板１８の突き出し量が４ｍｍであるときのコンタクトチップ１４の温度変化を示し、これに対して、一点鎖線は突き出し量が０ｍｍであるときを示している。なお、プルーム遮蔽板１８は２ｍｍの厚さの銅板から作製した。また、この温度変化は、軟鋼のワークを溶接したときのものである。

また、図４に示すコンタクトチップ１４の温度変化は、レーザ出力が５ｋＷであって、溶接電流が２８０Ａのときのものである。コンタクトチップ１４の温度は、図５に示すように、コンタクトチップ１４の根元に取り付けた熱電対５０によって測定した。

図４に実線で示すように、プルーム遮蔽板１８がない場合、溶接を開始してから約４０秒経過後、コンタクトチップ温度が５００度を越え、コンタクトチップ１４の先端が熱損傷した。

これに対して、図４に点線で示すように、突き出し量が４ｍｍのプルーム遮蔽板１８の場合、溶接を開始してから約８０秒経過してもコンタクトチップ温度は約４００度であり、コンタクトチップ１４の先端は熱損傷しなかった。なお、突き出し量が４ｍｍのプルーム遮蔽板１８がある場合、総溶接時間が４時間（総溶接長１２０ｍ）を越えても、コンタクトチップ１４の先端の熱損傷は発生しなかった。

また、図４に一点鎖線に示すように、突き出し量が０ｍｍのプルーム遮蔽板１８の場合、溶接を開始してから約６０秒経過してもコンタクトチップ温度は５００度を越えることがなく、コンタクトチップ１４の先端は熱損傷しなかった。

この図４に示す結果から、プルーム遮蔽板１８を溶接ヘッド１０に設ければ、コンタクトチップ１４の熱損傷を抑制できることが分かる。また、突き出し量を大きくすればするほど、コンタクトチップ１４の温度上昇を抑制できることが分かる。

本実施形態によれば、アーク溶接を含むハイブリッド溶接中、レーザ光ＬによるワークＷの加熱によって発生したプルームＰから、コンタクトチップ１４の先端１４ａがプルーム遮蔽板１８によって保護される。これにより、コンタクトチップ１４の熱損傷が抑制され、溶接ワイヤ１２の送り不良やアーク不良の発生が抑制される。

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されない。

例えば、プルーム遮蔽板１８は、銅製でなくてもよい。プルーム遮蔽板１８は、熱伝達率や熱伝導率が高く、また熱容量が高い材料であればよい。なお、プルーム遮蔽板１８は、上述の実施形態と同様にシールドノズル１６に一体的に固定されるのであれば、シールドノズル１６と同一の材料で作製されるのが好ましい。理由として、シールドノズル１６とプルーム遮蔽板１８との間の熱の伝わりが良くなること、また両者を一体部品として作製できること、若しくは両者が別体であっても溶接が容易であることが挙げられる。

熱容量の観点から言えば、プルーム遮蔽板１８は、シールドノズル１６内のシールドガスの流れを制限しないのであれば、可能な限り大きい体積が好ましい。例えばシールドノズル１６内に配置される上述の実施形態のように（図３に示すように）、プルーム遮蔽板１８の配置場所が制限されるのであれば、プルーム遮蔽板１８は、平板形状よりは、体積や表面積が大きくなる湾曲形状の方が好ましい。

形状の観点から言えば、プルーム遮蔽板１８は、コンタクトチップ１４の全周を覆うような形状でもよい。また、ハイブリッド溶接の実行を妨害しないのであれば（例えば、ワークＷと干渉しないのであれば）、コンタクトチップ１４の中心軸Ｃ１方向のプルーム遮蔽板１８の長さは、可能な限り長いものが好ましい。本発明において、プルーム遮蔽板は、広義には、少なくともコンタクトチップの先端が、ワークから発生する高温のプルームを大量に浴びないようにする、言い換えると浴びる量を低減するものである。

また、プルーム遮蔽板１８は、上述の実施形態のようにレーザ光を使用する場合、レーザ反射率が高い、例えば銅などの材料から作製されるのが好ましい。理由は、ワークＷを反射したレーザ光の一部をプルーム遮蔽板自身が反射することにより、該レーザ光の一部によるプルーム遮蔽板の加熱を抑制するためである。

また、アーク溶接が実行されるワークＷの部分を予め加熱する加熱源は、上述の実施形態のようなレーザ光Ｌに限らない。例えば、ワークＷの材料によっては、電子ビームやプラズマによってワークを予め加熱することが考えられる。本発明において、広義には、加熱源は、ワークを加熱してプルームを発生させるような高エネルギー密度のものである。

さらに、本発明は、上述の実施形態のように、アーク溶接が実行されるワークＷの部分を予め加熱する加熱源が一体的に取り付けられている溶接ヘッド１０に限らない。本発明は、原理的に言えば、加熱源によって予め加熱されたワークの部分に対してアーク溶接を実行するハイブリッド溶接に関するものである。したがって、本発明は、加熱源とアーク溶接の必要構成要素（コンタクトチップやシールドノズルなど）とが一体化（ハイブリッド化）されているものに限定されるわけではない。例えば、溶接ヘッドの外部に据え付けられているレーザ出力装置がワークにレーザ光を照射することにより該ワークを加熱し、溶接ヘッドがその加熱部分に対してアーク溶接を実行するような場合も、本発明は含んでいる。

本発明は、加熱源によって予め加熱したワークの部分をアーク溶接するハイブリッド溶接において、加熱源によるワークの加熱によって高温のプルームが発生するのであれば、どのようなハイブリッド溶接にも適用可能である。

１０溶接ヘッド
１２溶接ワイヤ
１４コンタクトチップ
１４ａ先端
１６シールドノズル
１８プルーム遮蔽板
２０溶接部分

Claims

加熱源によって予め加熱されて溶融池が形成されたワークの部分に対してアーク溶接を実行するための溶接ワイヤを先端の開口から送出するコンタクトチップを備える溶接ヘッドにおいて、
コンタクトチップ近傍に設けられ、加熱源がワークを加熱することによって発生するプルームから、コンタクトチップの先端を保護するプルーム遮蔽板を有し、
溶接ワイヤから発生するアークによって溶接されるワークの部分が、加熱源によって予め加熱されるワークの部分に比べて、溶接ヘッドの移動方向に関して後方に位置し、
プルーム遮蔽板が少なくともコンタクトチップの先端近傍であって且つ該先端の溶接ワイヤの移動方向に関して前方側に位置することを特徴とする溶接ヘッド。
加熱源を一体的に備えた請求項１に記載の溶接ヘッド。
加熱源がレーザ出力装置であって、
レーザ出力装置のレーザ光の光軸とコンタクトチップの溶接ワイヤ送出方向に延びる直線との間にプルーム遮蔽板が配置されている請求項１または２に記載の溶接ヘッド。
プルーム遮蔽板が銅である請求項１〜３のいずれか一に記載の溶接ヘッド。
プルーム遮蔽板が、湾曲した形状である請求項１〜４のいずれか一に記載の溶接ヘッド。
コンタクトチップがシールドガスをワークの溶接部分に向かってブローするシールドノズル内に配置され、
プルーム遮蔽板がシールドノズルに一体的に固定されている請求項１〜５のいずれか一に記載の溶接ヘッド。
プルーム遮蔽板がシールドノズル内のシールドガスの流れ方向と平行に配置されている請求項６に記載の溶接ヘッド。
シールドノズルがその内部に冷却水が循環する冷却水路を備える請求項６または７に記載の溶接ヘッド。
請求項１〜８のいずれか一に記載の溶接ヘッドと、
溶接ヘッドを移動させる溶接ヘッド移動手段とを有することを特徴とする溶接装置。