JP6584684B2 - 溶接装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示されたシェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部は、多数の真円形プレートが重ね合わされて熱交換部を構成している。
溶接直後に溶接部にアフタシールドガスを噴射し溶接部を大気からシールドして溶接部の冷却を兼ねて溶接部の酸化を防止し、これによって、溶接焼けなどの溶接欠陥を防止することが行われる。特許文献2及び3には、アフタシールドガスを噴射するアフタシールドノズルを備える溶接装置が開示されている。
しかし、回転中心から外周縁までの長さが周方向で異なる異形プレートの外周縁同士を同じ方法で溶接する場合、外周縁の周方向で回転中心と外周縁との距離が異なるので、アフタシールドノズルを溶接された外周縁に対して常に最適な位置に配置することは容易ではない。
重ね合った2枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
前記2枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
前記回転台に固定された前記2枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
前記溶接トーチより前記回転台の回転方向下流側に位置して前記溶接トーチに設けられ、前記回転方向に沿って並設されて前記外周縁に向かってシールドガスを噴射し、前記回転方向上流側に位置する第1ノズル及び前記回転方向下流側に位置する第2ノズルを含む複数のノズルを有するアフタシールド部と、
前記溶接トーチに設けられ前記第2ノズルを前記外周縁の周方向(前記回転方向と同一方向又は逆方向)へ回動させるノズル駆動部と、
前記第2ノズルから噴射される前記シールドガスが前記溶接トーチで溶接された前記外周縁に到達する距離が短くなる方向へ前記ノズルの向きを制御する制御部と、
を備える。
上記(1)の構成において、シールドガスによる酸化防止効果を高めるためには、異形プレートの溶接された外周縁に対してノズルを接近させることが望ましい。
回転方向上流側で溶接トーチの近傍に配置される第1ノズルは、必ずしも向き制御を行わなくても、酸化防止効果を得ることができる。
前記制御部は、前記2枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに前記第2ノズルの向きが座標表記されたノズル姿勢マップを有し、
前記制御部は、前記ノズル姿勢マップに基づいて前記第2ノズルの向きを制御するものである。
上記(2)の構成によれば、ノズル姿勢マップに基づいて第2ノズルの向きが酸化防止効果を高めることができるように予め設定されるため、溶接後の外周縁の酸化防止効果を向上できる。
前記ノズル姿勢マップにおいて、
前記第2ノズルの向きは、前記第2ノズルに相対する前記外周縁の接線に対する前記ノズルの軸線の角度で表される。
上記(3)の構成によれば、ノズル姿勢マップにおいて、第2ノズルの向きを外周縁の接線に対する第2ノズルの軸線の角度で表すことで、上記二次元座標で第2ノズルの向きを設定するのが容易になる。
前記ノズル駆動部は、
前記第2ノズルに回動可能に取り付けられたピストンロッドを有するエアシリンダを含む。
上記(4)の構成によれば、上記ノズル駆動部を上記エアシリンダで構成することで簡素化かつ軽量化できる。そのため、ノズル駆動部を溶接トーチに設けてもトーチユニットの重量化をまねかず、トーチユニットの作動の負担とならない。
前記ノズル駆動部による前記第2ノズルの向き変動動作と共に前記第2ノズルを前記外周縁に向かって接近させるリンク機構を備える。
上記(5)の構成によれば、第2ノズルはノズル駆動部による向き変動動作と共に外周縁に接近できるので、シールドガスによる溶接部の遮蔽効果を高め、溶接部の酸化防止効果をさらに向上できる。
前記第1ノズルは前記リンク機構に取り付けられ、前記第2ノズルの向き変動動作と共に前記リンク機構によって前記第2ノズルと同一方向へ回動可能に構成されている。
上記(6)の構成によれば、第2ノズルの向き変動動作時に第1ノズルを協動させることで、溶接部の酸化防止効果をさらに向上できる。
前記複数のノズルに設けられ、前記ノズルから噴射されるシールドガスを前記異形プレートの表裏面に交差する方向に設けられ、シールドガス噴射空間を両側から覆う一対の耐熱性カバーを備える。
上記(7)の構成によれば、上記耐熱性カバーを備えることで、ノズルから噴き出したシールドガスがノズル及び溶接された外周縁の周囲から拡散するのを抑制できるため、溶接された外周縁の酸化防止効果を向上できる。
前記ノズルのノズル口は矩形断面を有し、
前記耐熱性カバーは、前記矩形断面を構成し前記外周縁に沿う方向に配置された隔壁の外面に取り付けられる。
上記(8)の構成によれば、耐熱性カバーを平坦な隔壁外面に取り付けるため、耐熱性カバーの取り付けが容易になる。また、耐熱性カバーによってノズル及び溶接された外周縁の周囲を、外周縁の表裏面と交差する方向両側から挟むように覆うので、シールドガスの拡散防止効果を向上でき、溶接された外周縁の酸化防止効果を向上できる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
回転台12a及び12bに固定された2枚の異形プレートP1及びP2の外周縁e1及びe2に対向する外側位置に溶接トーチ14が配置される。溶接トーチ14はトーチユニット16に取り付けられる。
また、アフタシールド部20は溶接トーチ14に設けられるため、独自の駆動部を必要とせず、低コスト化できる。また、溶接トーチ14に対する複数のノズル22a及び22bの相対位置を溶接部wに対するシールドガスの噴射タイミングが最適となるように予め正確に位置決めできる。
第1ノズル22aより回転方向下流側に配置される第2ノズル22bは、図6(B)に示すように、溶接部wの外周縁の曲率が大きい場合、外周縁から離れてしまうおそれがある。そこで、第1制御部28によってノズル駆動部26を制御し、第2ノズル22bを外周縁の周方向(通常第1ノズル22a側)へ回動させることで、第2ノズルから噴射されるシールドガスが溶接トーチ14で溶接された外周縁に到達する距離を短くする。これによって、第2ノズルから噴射されるシールドガスによる酸化防止効果を向上できる。
回転方向上流側で溶接トーチの近傍に配置される第1ノズル22aは、必ずしも向き可変動作を行わなくても、酸化防止効果を得ることができる。
一実施形態では、異形プレートP1及びP2は、特許文献1に開示される真円形プレートと同様に、シェルアンドプレート式熱交換器の熱交換部を形成する。異形プレートP1及びP2は、上記真円形プレートと同様に、図1に示すように、内側に冷媒が流通する内円の孔h1及びh2が形成される。内円の孔h1及びh2の内縁を3本の固定つめ(不図示)で合わせることにより、溶接対象となる2枚の異形プレートP1及びP2が重ね合わされた状態となる。
このように、ノズル姿勢マップ30に基づいて第2ノズル22bの向きが酸化防止効果を高めるように予め設定されるので、溶接部wの酸化防止効果を向上できる。
このように、第2ノズル22bの向きを二次元座標上で接線Ltに対する第2ノズル22bの軸線iの角度αで表すことで、第1制御部28による第2ノズル22bの向きを設定するのが容易になる。
上記構成によれば、ノズル駆動部26をエアシリンダ34で構成することで簡素化かつ軽量化できる。そのため、ノズル駆動部26を溶接トーチ14に設けてもトーチユニット16の重量化をまねかず、トーチユニット16の作動の負担とならない。
一実施形態では、図1に示すように、溶接トーチ14に固定板36が取り付けられ、第1ノズル22a及び第2ノズル22bは固定板36に取り付けられる。第2ノズル22bは軸38を介して固定板36に回動可能に取り付けられる。
上記構成によれば、第2ノズル22bをノズル駆動部26による向き変動動作と共に外周縁e1及びe2に接近させることができるので、シールドガスによる溶接部wの遮蔽効果をさらに向上できる。これによって、シールドガスによる溶接部wの酸化防止効果をさらに向上できる。
22bは、ノズル駆動部26によって第2ノズル22bを第1ノズル22a側へ回動させる実施形態のときの第2ノズル22bの位置を示す。22b’は、図8に示すリンク機構40をさらに備え、第2ノズル22bの回動と同時にリンク機構40によって第2ノズル22bを溶接部w側へ接近したときの第2ノズルの位置を示す。
上記構成によれば、第2ノズル22bの回動動作時に第1ノズル22aを溶接トーチ14側へ回動させることで、シールドガスによる溶接部wの遮蔽効果をさらに向上でき、これによって、溶接部wの酸化防止効果をさらに向上できる。
ピストンロッド32が伸びると、第2ノズル22bは第1ノズル22a側へ傾くと共に、外周縁e1及びe2へ接近する。同時に第1ノズル22aも溶接トーチ14側(矢印方向)へ傾く。
これによって、溶接部wの溶接直後に溶接部wを第1ノズル22a及び第2ノズル22bから噴射されるシールドガスによる遮蔽効果をさらに向上でき、溶接部wの酸化防止効果をさらに向上できる。
上記構成によれば、耐熱性カバー46a及び46bを備えることで、第1ノズル22a及び第2ノズル22bから噴き出したシールドガスが溶接部付近から拡散するのを抑制できるため、溶接部wの酸化防止効果を向上できる。
上記構成によれば、耐熱性カバー46a及び46bを平坦な隔壁外面に取り付けるため、耐熱性カバー46a及び46bの取り付けが容易になる。また、シールドガスGの溶接部wへの噴き付け時に、耐熱性カバー46a及び46bによって溶接部wを外周縁e1及びe2の表裏面と交差する方向両側から挟むように覆うので、溶接部wからのシールドガスGの拡散を効果的に抑制でき、溶接部wの酸化防止効果を向上できる。
耐熱性カバー46a及び46bは、例えば、耐熱ガラス製クロスで構成される。耐熱ガラス製クロスで構成することで軽量化が図られ、ノズルの向き制御が容易になる。
このように、第1制御部28によってノズル姿勢マップ30に基づいて第1ノズル22a及び第2ノズル22bの向きを制御するため、異形プレートP1及びP2の外周縁の形状に即応して外周縁e1及びe2の周方向に沿って第1ノズル22a及び第2ノズル22bから噴射シールドガスの溶接部wへの到達距離を常に短くすることができる。これによって、外周縁e1及びe2の周方向全域で溶接部wの酸化防止効果を向上できる。
これによって、第1ノズル22aの駆動部及び制御部が不要となり、低コスト化できる。
一実施形態では、図2及び図3に示すように、第1トーチ駆動部18は、外周縁e1及びe2の接線に対する溶接トーチ14の向きを可変とする向き可変部18aと、外周縁e1及びe2に対する溶接トーチ14の間隔を可変とする間隔可変部18bとを含む。
一実施形態では、間隔可変部18bは、外周縁e1及びe2に対する溶接トーチ14の先端の間隔を可変とする。
なお、実際の溶接では、溶接トーチ14の先端は、外周縁e1及びe2に対して外側に微小間隔だけずらした位置に配置される。
駆動部62によってボールネジ60が回動し、外周縁e1及びe2に対する溶接トーチ14の先端の間隔を可変とする。
図4に示すように、非接触センサ68の検出値は第2制御部29に入力される。第2制御部29は、異形プレートP1及びP2の表裏面と交差する方向において溶接トーチ14の位置が異形プレートP1及びP2の重ね合わせ位置に一致するように第2トーチ駆動部64を制御する。また、第2制御部29は、溶接トーチ14と外周縁e1及びe2との間隔が設定値となるように第3トーチ駆動部66を制御する。
一実施形態では、図2に示すように、非接触センサ68は固定板88を介して第2ブロック16bに固定される。従って、非接触センサ68は溶接トーチ14と共に矢印b、d及びf方向へ移動するため、独自の移動手段を必要としない。
一実施形態では、各駆動部54、62、74及び82は、正逆回転可能なサーボモータで構成され、第1制御部28又は第2制御部29によって正逆方向へ回転する。
このように、非接触センサとしてレーザ変位センサを用い、溶接光などの外乱によって乱されないレーザ光を用いるので、検出精度を向上できる。
特に、波長が長い青色レーザ光を発振するレーザ変位センサを用いることで、さらに検出精度を向上できる。
トーチ姿勢マップ90は、図6の(A)及び(B)に示すように、x軸及びy軸からなる二次元座標が用いられる。この二次元座標の座標中心(0、0)に回転台12a及び12bの回転中心(即ち、異形プレートP1、P2の回転中心)O1が配置される。
そして、図7に示すように、少なくとも外周縁e1、e2の曲率が異なる領域R(R1、R2、・・・)ごとに外周縁を分割し、分割された領域の各々の設定位置v(v1、v2、・・・)で溶接トーチ14の位置及び向きが座標表記される。溶接トーチ14の向きは、図6に示すように、すべての領域の設定位置で外周縁の接線Ltに対し同一角度となるように設定される。
第1制御部28は、トーチ姿勢マップ90及びトーチ向き変位速度マップ92に基づいて第1トーチ駆動部18を制御する。
トーチ向き変位速度マップ92は、領域R(R1、R2、・・・)の各々の設定位置v(v1、v2、・・・)で溶接トーチによる加熱時間が一定となるように、溶接トーチ14の向き変位速度が設定されるため、外周縁の周方向に沿って溶け込み深さを均一化でき、溶け込み不足による溶接欠陥をなくすことができる。
溶接トーチ14の向き変位速度は、異形プレートP1及びP2の回転方向aに対して、溶接トーチ14の向きを同一方向へ変位させるか、あるいは逆方向へ変位させるかによって容易に変えることができる。
なお、実際の溶接時には、溶接トーチ14の先端は交点Piから微小距離だけ外周縁e1及びe2の外側へずらした位置に配置される。
図10(A)は、溶接トーチ14の向きが法線Lnと一致する例を示し(例1)、図11(A)は、溶接トーチ14の向きが法線Lnと一致せず、法線Lnと角度βだけ異なる例を示す(例2)。例1の場合、外周縁の入熱量は最大となるため、図10(B)に示すように、溶接部wの溶け込み深さm1は最大となる。例2では、例1と比べて外周縁の入熱量は低減するため、図11(B)に示すように、溶接部wの溶け込み深さm2は例1より低減する。
また、外周縁の分割領域R(R1、R2、・・・)を細分化するほど、溶接トーチ14の位置及び向きを精密に制御できる。例えば、中心角度θを1°〜2°ごとに外周縁を分割すれば、溶接トーチ14の位置及び向きを更に精密に制御できる。
12a、12b 回転台
14 溶接トーチ
16 トーチユニット
16a 第1ブロック
16b 第2ブロック
18 第1トーチ駆動部
18a 向き可変部
18b 間隔可変部
20 アフタシールド部
22a 第1ノズル
22b、22b’ 第2ノズル
24a、24b ノズル口
26 ノズル駆動部
28 第1制御部
29 第2制御部
30 ノズル姿勢マップ
32 ピストンロッド
34 エアシリンダ
36、88 固定板
40 リンク機構
46a、46b 耐熱性カバー
48 レール
50 ラック
52 ピニオン
54、62、74、82 駆動部
58、59、72 支持台
60、78、80 ボールネジ
63、86 スライドブロック
64 第2駆動部
66 第3トーチ駆動部
68 非接触センサ
76 ネジ軸
84 トーチ本体
90 トーチ姿勢マップ
92 トーチ向き変位速度マップ
C 仮想円
G シールドガス
Lt、Lt’ 接線
Ln 法線
P1、P2 異形プレート
Pi 交点
e1、e2 外周縁
h1、h2 孔
m1、m2 溶け込み深さ
s 合わせ面
w 溶接部
θ 中心角
Claims (8)
- 重ね合った2枚の異形プレートの外周縁同士を溶接する溶接装置であって、
前記2枚の異形プレートが重ね合った状態で固定される回転台と、
前記回転台に固定された前記2枚の異形プレートの外周縁に対向する位置に配置される溶接トーチを有するトーチユニットと、
前記溶接トーチより前記回転台の回転方向下流側に位置して前記溶接トーチに設けられ、前記回転方向に沿って並設されて前記外周縁に向かってシールドガスを噴射し、前記回転方向上流側に位置する第1ノズル及び前記第1ノズルより前記回転方向下流側に位置する第2ノズルを含む複数のノズルを有するアフタシールド部と、
前記溶接トーチに設けられ前記第2ノズルを前記外周縁の周方向へ回動させるノズル駆動部と、
前記第2ノズルから噴射される前記シールドガスが前記溶接トーチで溶接された前記外周縁に到達する距離が短くなる方向へ前記ノズルの向きを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする溶接装置。 - 前記制御部は、前記2枚の異形プレートの回転中心を座標中心とした二次元座標に、少なくとも前記外周縁の曲率が異なる領域ごとに前記第2ノズルの向きが座標表記されたノズル姿勢マップを有し、
前記制御部は、前記ノズル姿勢マップに基づいて前記第2ノズルの向きを制御するものであることを特徴とする請求項1に記載の溶接装置。 - 前記ノズル姿勢マップにおいて、
前記第2ノズルの向きは、前記第2ノズルに相対する前記外周縁の接線に対する前記第2ノズルの軸線の角度で表されることを特徴とする請求項2に記載の溶接装置。 - 前記ノズル駆動部は、
前記第2ノズルに回動可能に取り付けられたピストンロッドを有するエアシリンダを含むことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の溶接装置。 - 前記ノズル駆動部による前記第2ノズルの向き変動動作と共に、前記第2ノズルを前記外周縁に向かって接近させるリンク機構を備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の溶接装置。
- 前記第1ノズルは前記リンク機構に取り付けられ、前記第2ノズルの向き変動動作と共に前記リンク機構によって前記第2ノズルと同一方向へ回動されることを特徴とする請求項5に記載の溶接装置。
- 前記複数のノズルに設けられ、前記ノズルから噴射されるシールドガスを前記異形プレートの表裏面に交差する方向に設けられ、シールドガス噴射空間を両側から覆う一対の耐熱性カバーを備えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の溶接装置。
- 前記ノズルのノズル口は矩形断面を有し、
前記耐熱性カバーは、前記矩形断面を構成し前記外周縁に沿う方向に配置された隔壁の外面に取り付けられることを特徴とする請求項7に記載の溶接装置。
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