JP7037717B2

JP7037717B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP7037717B2
Application number: JP2017131594A
Authority: JP
Inventors: 修史松岡; 友洋杉野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: JP2019013939A

Description

本発明は、溶接方法に関し、特に、溶接部をシールドガスで封止するための溶接方法に関する。

例えば、金属同士を溶接する際、溶接部の酸化や窒化を抑制するため、溶接部をシールドガスで封止した状態を保持することが一般的に行われている（特許文献１、特許文献２等参照）。

例えば、特許文献１には、レーザ照射ヘッドとともに溶接部に沿ってシールドトレーラを移動させることにより、溶接部にシールドガスを充填させた状態で溶接を行う溶接装置が開示されている。また、特許文献２には、溶接部の全体を覆う溶接チャンバーを移動可能に配置し、溶接チャンバー内を減圧環境状態にして溶接を行う溶接装置が開示されている。

特開２０１０－２３０９６号公報特開２０１４－２０５１４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたシールドトレーラは、溶接部を有するワークが平面形状である場合には使用できるものの、ワークが曲面形状である場合には、シールドトレーラとワークとの間に隙間ができてしまい、溶接部をシールドガスで封止することが困難であるという問題があった。

また、特許文献２に記載された溶接チャンバーは、溶接部を有するワークが曲面形状である場合にも使用することができるものの、溶接する範囲が大きい場合には溶接チャンバーが大型化してしまい、溶接部を有するワークが小型の場合には溶接チャンバーを設置することが困難であるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、溶接部を有するワークが曲面形状である場合であっても、溶接する範囲やワークの大きさに拘わらず、溶接部をシールドガスで容易に封止することができる、溶接方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、中空部を有する本体と、前記中空部の開口部に装着されて前記中空部を密閉する蓋部材と、を備え、溶接部が前記本体と前記蓋部材との境界線により構成されたワークの溶接方法であって、前記溶接部の外周を囲うように前記本体上に配置され、前記本体の表面に密着する設置面を備えた環状又は筒状の壁部材を含む溶接治具を用意する第一ステップと、前記溶接治具を前記本体上に配置する第二ステップと、前記壁部材によって囲まれた空間にシールドガスを供給する第三ステップと、前記溶接部を前記シールドガスで封止した状態を保持しながら溶接する第四ステップと、を含むことを特徴とする溶接方法が提供される。

上述した本発明に係る溶接方法によれば、壁部材を有する溶接治具によって溶接部の外周のみを囲い、該壁部材の設置面をワークの表面に密着させたことにより、ワークと壁部材との間の隙間を低減することができ、壁部材によって囲まれた空間にシールドガスを供給することによって、溶接部をシールドガスで封止することができる。

また、本発明に係る溶接方法によれば、ワークや溶接部の形状に応じて溶接治具を容易に設計することができ、溶接部を有するワークが曲面形状である場合であっても、溶接する範囲やワークの大きさに拘わらず、溶接部をシールドガスで容易に封止することができる。

溶接部を有するワークの一例を示す斜視図であり、（ａ）は溶接する部品を分離した状態、（ｂ）は溶接する部品を組み合わせた状態、を示している。本発明の第一実施形態に係る溶接治具を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ－Ｂ線矢視断面図、を示している。本発明の一実施形態に係る溶接方法を示す図である。本発明の第二実施形態に係る溶接治具を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図１（ａ）～図４を用いて説明する。ここで、図１は、溶接部を有するワークの一例を示す斜視図であり、（ａ）は溶接する部品を分離した状態、（ｂ）は溶接する部品を組み合わせた状態、を示している。図２は、本発明の第一実施形態に係る溶接治具を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ－Ｂ線矢視断面図、を示している。

本発明の一実施形態に係る溶接方法は、例えば、図１（ａ）～図３に示したように、溶接部Ｗの外周のみを囲うようにワーク１上に配置され、ワーク１の表面に密着する設置面２１ａを備えた壁部材２１を含む溶接治具２を用意する第一ステップと、溶接治具２をワーク１上に配置する第二ステップと、壁部材２１によって囲まれた空間にシールドガスＧを供給する第三ステップと、溶接部ＷをシールドガスＧで封止した状態を保持しながら溶接する第四ステップと、を含んでいる。

ワーク１は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したように、中空部１１ａを有する本体１１と、中空部１１ａの開口部に装着されて中空部１１ａを密閉する蓋部材１２と、を備えている。溶接部Ｗは、本体１１と蓋部材１２との境界線によって構成される。なお、ここでは、ワーク１が半球体形状を有する場合を図示しているが、ワーク１の形状はかかる形状に限定されるものではない。例えば、ワーク１は、凹面、凸面又は凹凸面によって形成される曲面形状を有する板材等であってもよい。

溶接治具２は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したように、溶接部Ｗの外周のみを囲うようにワーク１上に配置される壁部材２１と、壁部材２１によって囲まれた空間にシールドガスＧを供給するシールドガス供給手段２２と、を備え、壁部材２１は、ワーク１の表面の面形状に沿った設置面２１ａを備えている。

壁部材２１は、溶接部Ｗの外周を囲い得る環状又は筒状に形成される。ここでは、溶接部Ｗが円形状であることから、壁部材２１をリング形状に形成しているが、かかる形状に限定されるものではない。例えば、壁部材２１は、矩形形状や楕円形状等あってもよい。

また、壁部材２１は、金属製であってもよいし、耐熱性のある樹脂製であってもよい。また、壁部材２１は、一体成形品であってもよいし、複数の部品を組み付けて形成するモジュール品であってもよい。

また、壁部材２１の形状を設計する際には、図３に示したように、溶接部Ｗとの水平距離Ｄ及び高さＨに留意する必要がある。具体的には、高さＨは、ワーク１に溶接治具２を配置した状態で、壁部材２１の上端が溶接部Ｗの位置よりも高い位置となるように設計する必要がある。また、水平距離Ｄは、溶接時における溶接トーチ３の稼働領域と壁部材２１とが干渉しないように設計する必要がある。

壁部材２１の設置面２１ａは、図３に示したように、ワーク１上の所定の位置に溶接治具２を配置したときに、壁部材２１とワーク１との間における隙間を低減することができように設計される。具体的には、設置面２１ａは、ワーク１を設置する場所におけるワーク１の面形状と一致する形状に形成される。なお、壁部材２１とワーク１との隙間は、シールドガスＧの供給量よりもシールドガスＧの漏れ量が十分に少なくなる範囲内において許容することができる。

また、壁部材２１の上端面２１ｂは、例えば、図２（ｂ）に示したように、同一の高さを有する水平面によって構成される。なお、図示しないが、上端面２１ｂは、設置面２１ａに対して高さＨを有する設置面２１ａと同一の面形状によって構成されていてもよい。要するに、壁部材２１は、ワーク１に密着する設置面２１ａ及び所定の高さＨ以上の高さを有していれば、上端面２１ｂの形状は任意である。

シールドガス供給手段２２は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したように、壁部材２１の側面から空間にシールドガスＧを供給するガス噴出孔２２ａと、壁部材２１の内部に形成されたマニホールド２２ｂと、マニホールド２２ｂにシールドガスＧを供給するガス供給口２２ｃと、ガス供給口２２ｃに接続されるガス供給源２２ｄと、を備えている。

ガス噴出孔２２ａは、壁部材２１の内側面２１ｃに形成されている。また、壁部材２１の内部には環状の空間を形成するマニホールド２２ｂが形成されており、ガス噴出孔２２ａはマニホールド２２ｂと連通するように形成されている。また、ガス供給口２２ｃは、壁部材２１の外側面２１ｄにマニホールド２２ｂと連通するように形成されている。ガス供給口２２ｃは、配管又はホースを介してガス供給源２２ｄに接続されている。

ガス供給源２２ｄは、例えば、シールドガスＧが封入されたガスボンベである。シールドガスＧは、溶接時に溶融金属と空気との接触を遮断する不活性ガスであり、溶接部Ｗの酸化や窒化を抑制する気体である。本実施形態では、溶接部Ｗは外周のみが溶接治具２によって囲まれており、上方が開放されていることから、シールドガスＧは、アルゴンガスや炭酸ガス等のように、空気よりも比重が大きい不活性ガスであることが好ましい。

なお、シールドガス供給手段２２は、上述した構成に限定されるものではなく、例えば、ガス噴出孔２２ａ、マニホールド２２ｂ及びガス供給口２２ｃを省略し、壁部材２１によって囲まれた空間にガス供給源２２ｄから配管やホース等を介して直接的にシールドガスＧを供給するようにしてもよい。

ここで、上述した溶接治具２を用いて溶接する場合について、図３を参照しつつ説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る溶接方法を示す図である。溶接治具２は、対象の溶接部Ｗを有するワーク１の表面の形状に合わせて設計され、製作される（第一ステップ）。

次に、ワーク１の表面に溶接治具２を配置し、溶接部Ｗの外周を囲う（第二ステップ）。このとき、溶接治具２の設置面がワーク１の表面に密着する形状を有していることから、所定の位置に溶接治具２に配置するだけでワーク１と溶接治具２との隙間を低減することができる。また、溶接治具２を固定するために、設置面２１ａに接着剤を塗布又は貼付するようにしてもよい。また、溶接後にワーク１の表面を機械加工するような場合には、溶接治具２をワーク１にスポット溶接等により固定してもよい。

次に、ガス供給源２２ｄの栓を開封し、壁部材２１にシールドガスＧを供給する。壁部材２１に供給されたシールドガスＧは、マニホールド２２ｂを経由してガス噴出孔２２ａから壁部材２１によって囲まれた空間に供給される（第三ステップ）。シールドガスＧは、空気よりも比重が大きいことから、壁部材２１によって囲まれた空間に滞留し充填される。なお、図３において、シールドガスＧが充填された状態を灰色に塗り潰して表示している。

次に、溶接部Ｗを溶接装置で溶接する（第四ステップ）。溶接装置は、例えば、レーザ溶接装置である。レーザ溶接装置は、例えば、レーザビームを生成するレーザ発振器（図示せず）と、レーザビームを集光させて照射する光学系を含む溶接トーチ３（レーザヘッド）と、レーザ発振器からレーザヘッドにレーザビームを搬送する光ファイバ（図示せず）と、を備えている。また、溶接トーチ３（レーザヘッド）は、ロボットアーム等の移動手段（図示せず）に接続されており、任意の位置に移動可能に構成されている。

かかるレーザ溶接装置は、光学系を埃やスパッタ等から保護するために、溶接トーチ３（レーザヘッド）の先端に配置された保護ウインド３１を備えていてもよい。また、レーザ溶接装置は、保護ウインド３１をスパッタ等から保護するエアナイフ４を備えていてもよい。エアナイフ４は、保護ウインド３１の表面に高圧ガスを噴き出す装置である。

なお、レーザ溶接装置及びエアナイフ４は、市販されている装置を任意に選択して利用することができることから、図３では構成を簡略化して図示している。

また、溶接時には、壁部材２１によって囲まれた空間にシールドガス供給手段２２によりシールドガスＧを供給し続けながら溶接することが好ましい。かかる処理によって、溶接部ＷをシールドガスＧで封止した状態を保持することができる。

上述した本実施形態に係る溶接治具２を用いた溶接方法によれば、壁部材２１を有する溶接治具２によって溶接部Ｗの外周のみを囲い、壁部材２１の設置面２１ａをワーク１の表面に密着させたことにより、ワーク１と壁部材２１との間の隙間を低減することができ、壁部材２１によって囲まれた空間にシールドガスＧを供給することによって、溶接部ＷをシールドガスＧで封止することができる。

また、本実施形態に係る溶接治具２によれば、ワーク１や溶接部Ｗの形状に応じて溶接治具２を容易に設計することができ、溶接部Ｗを有するワーク１が曲面形状である場合であっても、溶接する範囲やワーク１の大きさに拘わらず、溶接部ＷをシールドガスＧで容易に封止することができる。なお、本実施形態に係る溶接治具２は、溶接部Ｗを有するワーク１が平面形状である場合にも使用することができる。

次に、本発明の第二実施形態に係る溶接治具について、図４を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の第二実施形態に係る溶接治具を示す図である。なお、上述した第一実施形態に係る溶接治具２と同じ構成部品については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図４に示したように、壁部材２１を有する溶接治具２をワーク１上に配置したときに、壁部材２１によって囲まれた空間におけるワーク１（蓋部材１２）の表面が壁部材２１の高さＨよりも低い場合がある。この場合、シールドガスＧを充填する空間が広くなってしまうことから、壁部材２１によって囲まれた空間に供給するシールドガスＧの使用量が増大したり、シールドガスＧを充填するのに時間を要したりすることとなる。

そこで、第二実施形態に係る溶接治具２では、溶接部Ｗを挟んで壁部材２１と対向するように配置される第二壁部材２３を使用している。第二壁部材２３は、例えば、ワーク１の表面に密着する設置面２３ａと、壁部材２１の上端面２１ｂよりも高い位置に配置される上端面２３ｂと、を備えている。

第二壁部材２３は、例えば、リング状に形成されるが、矩形形状や楕円形状を有する環状又は筒状に形成されていてもよい。また、第二壁部材２３は、中空部を有しないブロック体や板状体であってもよい。また、第二壁部材２３は、接着剤やスポット溶接によりワーク１に固定してもよいし、壁部材２１と連結させて固定するようにしてもよい。

かかる第二壁部材２３を配置することにより、壁部材２１と第二壁部材２３との間に溶接部Ｗの両側を囲う溝形状の空間を形成することができ、シールドガスＧを充填する空間の容量を小さくすることができ、シールドガスＧの使用量を低減し、シールドガスＧの充填時間を短縮することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、例えば、レーザ溶接以外の溶接（例えば、アーク溶接等）にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ワーク
２溶接治具
３溶接トーチ
４エアナイフ
１１本体
１１ａ中空部
１２蓋部材
２１壁部材
２１ａ設置面
２１ｂ上端面
２１ｃ内側面
２１ｄ外側面
２２シールドガス供給手段
２２ａガス噴出孔
２２ｂマニホールド
２２ｃガス供給口
２２ｄガス供給源
２３第二壁部材
２３ａ設置面
２３ｂ上端面
３１保護ウインド
Ｇシールドガス
Ｗ溶接部

Claims

中空部を有する本体と、前記中空部の開口部に装着されて前記中空部を密閉する蓋部材と、を備え、溶接部が前記本体と前記蓋部材との境界線により構成されたワークの溶接方法であって、
前記溶接部の外周を囲うように前記本体上に配置され、前記本体の表面に密着する設置面を備えた環状又は筒状の壁部材を含む溶接治具を用意する第一ステップと、
前記溶接治具を前記本体上に配置する第二ステップと、
前記壁部材によって囲まれた空間にシールドガスを供給する第三ステップと、
前記溶接部を前記シールドガスで封止した状態を保持しながら溶接する第四ステップと、
を含むことを特徴とする溶接方法。