JP7088748B2

JP7088748B2 - 溶接装置及び溶接方法

Info

Publication number: JP7088748B2
Application number: JP2018102528A
Authority: JP
Inventors: 和輝笠野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: JP2019206023A

Description

本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

溶接構造物では、溶接時に加わる熱によって溶接変形が生じる。溶接変形は部材の組み立て精度の悪化につながる。このため、溶接後にバーナー等で炙る、プレス機で圧下するといった変形を矯正する工程が必要となる。こうした溶接変形の矯正工程が、溶接工程全体の施工効率低下の一因となっていた。

特許文献１には、エンドミルにより溶接後の余盛りを削除する溶接装置が開示されている。

特開平１１－２８５８２９号公報

溶接工程の効率化に向けては、溶接時に生じる溶接変形を低減する溶接装置や溶接方法が求められている。

そこで、本発明は、溶接変形を低減する溶接装置及び溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る溶接装置は、溶接対象である溶接ワイヤおよび母材をアークにより溶融させる溶接部と、前記溶接部で溶融された溶融金属から一部を除去する除去機構と、を備え、前記除去機構は、前記溶融金属を掻き出す掻き出し部と、前記掻き出し部により掻き出された該溶融金属を貯留するための溜め部と、を有する。

本発明の実施形態によれば、溶接変形を低減する溶接装置及び溶接方法を提供することができる。

一の実施例に係る溶接装置の使用状態を示す斜視図である。一の実施例に係る溶接装置の使用状態を示す模式断面図である。溶融池の形状を示す上面図である。参考例に係る溶接装置の使用状態を示す模式断面図である。溶接変形のシミュレーション結果を対比して説明する図である。一の実施例と参考例とを対比するビードの結晶構造を比較する断面図である。他の実施例に係る溶接装置の使用状態を示す斜視図である。さらに他の実施例に係る溶接装置の使用状態を示す斜視図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

一の実施例に係る溶接装置１について、図１を用いて説明する。図１は、一の実施例に係る溶接装置１の使用状態を示す斜視図である。

溶接装置１は、溶接ワイヤ２が送給される溶接トーチ３と、余盛り除去機構４と、を備えている。また、図１の例では、２つの母材５を突合せ継手で溶接する例を示している。

また、溶接装置１は、図示しない溶接電源と、図示しないワイヤ送給装置と、を備えている。溶接電源は、溶接ワイヤ２と母材５との間にアーク６（後述する図２参照）を発生させるための電源であり、一方の電極が母材５と接続され、他方の電極が溶接トーチ３の図示しないコンタクトチップに接続される。ワイヤ送給装置は、溶接ワイヤ２を溶接トーチ３に自動的に送給する装置である。

溶接トーチ３は、図示しないコンタクトチップを備えている。コンタクトチップは、ワイヤ送給装置から送給された溶接ワイヤ２を案内するとともに、溶接電源からの溶接電流を溶接ワイヤ２に供給する。

溶接トーチ３の移動方向Ｆ３を矢印で示す。溶接トーチ３は、２つの母材５が突合せた部分の上を移動する。溶接電源から供給される溶接電流により、溶接ワイヤ２と母材５との間にアーク６（後述する図２参照）が発生する。この際、アーク６の発する高熱により、溶接ワイヤ２が溶融し、溶滴となって母材５の側に移行する。また、母材５の一部も溶融する。溶融した溶接ワイヤ２及び母材５は、溶融金属として溶融池７を形成する。そして、溶融池７の溶融金属が冷却され凝固することによりビード８を形成し、２つの母材５が溶接される。

なお、本実施例の溶接装置１は、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ：Gas Metal Arc Welding）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ：Submerged Arc Welding）、フラックス入りワイヤアーク溶接（ＦＣＡＷ：Flux Cored Arc Welding）等のアーク溶接を用いる溶接装置とすることができる。

溶接装置１がガスメタルアーク溶接を行う溶接装置の場合、溶接装置１は図示しないシールドガス供給装置を備えている。シールドガス供給装置は、炭酸ガス、アルゴンガス等のシールドガスを溶接トーチ３に供給する装置である。供給されたシールドガスは、溶接トーチ３の図示しないノズルから噴射され、溶接中にアーク６と溶融金属とを覆い、空気が溶接雰囲気内に侵入することを防ぐ。

また、溶接装置１がサブマージアーク溶接を行う溶接装置の場合、溶接装置１は図示しないフラックス供給装置を備えている。フラックス供給装置は、移動方向Ｆ３を基準として、溶接トーチ３よりも前側で母材５の表面にフラックスを供給する。

また、溶接装置１がフラックス入りワイヤアーク溶接を行う溶接装置の場合、溶接ワイヤ２は、中空構造を有しており、内部にフラックス等が充填されている。

余盛り除去機構４は、溶融池７から溶融金属の一部（ビード８の余盛り分）を除去する機能を有している。余盛り除去機構４は、移動方向Ｆ３を基準として、溶接トーチ３の後方側に配置されている。余盛り除去機構４の移動方向Ｆ４を矢印で示す。余盛り除去機構４は、溶接トーチ３に追随して、同じ方向に移動する。なお、溶接トーチ３がマニピュレータによって移動する自動溶接装置である場合、余盛り除去機構４も溶接トーチ３と同一のマニピュレータに取り付けられていてもよい。また、溶接トーチ３と余盛り除去機構４とがそれぞれ独立のマニピュレータに取り付けられていてもよい。

次に、余盛り除去機構４について図２を用いてさらに説明する。図２は、一の実施例に係る溶接装置１の使用状態を示す模式断面図である。なお、図２においては、溶接トーチ３は図示を省略している。また、母材５の表面の高さを破線５ａで示している。

一の実施例に係る余盛り除去機構４は、断面視して、略Ｌ字形状のスクレーパとして形成されている。余盛り除去機構４は、母材５の表面を摺動する、または、母材５の表面から僅かに浮き上がって移動することにより、溶融池７から溶融金属の一部を掻き出して、ビード８の余盛りを低減する。

余盛り除去機構４は、掻き出し部４１と、溜め部４２と、を有している。

掻き出し部４１は、溶融池７から溶融金属を掻き出す部位である。掻き出し部４１は、下側（溶融池７の側）が平坦に形成され、上側（溶融池７とは反対側）にテーパを有するくさび形状に形成されている。掻き出し方向Ｆ９に示すように、溶融池７の溶融金属の一部、具体的には、母材５の表面よりも盛り上がっている部分が、掻き出し部４１によって掻き出される。掻き出された溶融金属９は、掻き出し部４１のテーパに沿って余盛り除去機構４の上に乗り上げ、溜め部４２へ移動する。

溜め部４２は、掻き出された溶融金属９が再び溶融池７に戻らないように貯留するための部位である。図２に示す余盛り除去機構４では、移動方向Ｆ４の後方側で部材が立ち上がることにより、掻き出し部４１で掻き出された溶融金属９が再び溶融池７に戻らないように構成されている。

なお、溜め部４２の溶融金属９は、凝固した後に所定のタイミング（例えば、溶接の終了後）で溜め部４２から排出される。なお、排出方法は、これに限られるものではなく、図２において紙面の垂直方向（図１の余盛り除去機構４の長手方向）に、溜め部４２の溶融金属９が排出される構成であってもよい。

また、余盛り除去機構４は、鉄の溶融温度以上での耐熱性を有するとともに、非導電性の材料で構成されることが好ましい。具体的には、余盛り除去機構４の材料として、セラミックを用いることができる。余盛り除去機構４が耐熱性を有することにより、熱による変形を防止することができる。余盛り除去機構４が非導電性の材料で構成されることにより、溶接ワイヤ２と余盛り除去機構４との間で放電することを防止して、溶接ワイヤ２と母材５との間でアーク６を発生させることができる。

なお、余盛り除去機構４はスクレーパとして形成されるものとして説明したが、これに限られるものではなく、溶融池７から溶融金属の一部を掻き出すことができる構成であれば、その他の構造であってもよい。例えば、溶融金属の一部を掻き出す掻き出し部を有するローラとして構成してもよい。

図３は、溶融池７の形状を示す上面図である。

図３に示すように、アーク６により、母材５の金属が溶融して窪み１０が形成される。そして、溶接トーチ３の進行方向の後方側に溶融池７が形成される。ここで、上面視して、溶接ワイヤ２の中心から溶融池７の後端までの進行方向長さＬは、ＭＡＧ溶接にて溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎとし、種々の溶接条件においても概ね５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。このため、溶接ワイヤ２の中心から水平距離で５ｍｍ以内の位置に余盛り除去機構４の掻き出し部４１の先端を設けることが好ましい。また、余盛り除去機構４の後端は、図２に示すように、溶融池７の範囲で収まることが好ましい。このように構成することにより、余盛り除去機構４が通過して溶融金属の一部を掻き出した時点では溶融金属はまだ凝固しておらず、余盛り除去機構４が通過した後に溶融金属は凝固してビード８を形成することができる。

ここで、参考例に係る溶接装置１Ｘについて図４を用いて説明する。図４は、参考例に係る溶接装置１Ｘの使用状態を示す模式断面図である。参考例に係る溶接装置１Ｘは、図１及び図２に示す溶接装置１と比較して、余盛り除去機構４を備えていない点で異なっている。その他の構成は同様であり、重複する説明を省略する。

アーク６の発する高熱により、溶接ワイヤ２が溶融し、溶滴となって母材５の側に移行する。また、母材５の一部も溶融する。溶融した溶接ワイヤ２及び母材５は、溶融金属として溶融池７Ｘを形成する。溶接ワイヤ２が溶滴移行するため、溶融池７Ｘは母材５の表面よりも盛り上がって形成される。そして、溶融池７Ｘの溶融金属が冷却され凝固することによりビード８Ｘを形成する。ビード８Ｘは、母材５の表面よりも盛り上がった余盛りを形成する。

一の実施例に係る溶接装置１と参考例に係る溶接装置１Ｘとを対比して説明する。図５は、溶接変形のシミュレーション結果を対比して説明する図であり、（ａ）は一の実施例に係る溶接装置１でアーク溶接した際のシミュレーション結果、(ｂ)は参考例に係る溶接装置１Ｘでアーク溶接した際のシミュレーション結果を示す。なお、上段にシミュレーションに用いた母材とビードの断面形状を示し、中段にビードの拡大図を示し、下段に溶接変形のシミュレーション結果を示している。なお、シミュレーション結果は母材５の板厚方向の変形量が大きいほど色が黒くなるように図示されている。

溶接変形は、溶接中に溶融され凝固する溶融金属の膨張・収縮によって生じる。図４に示す溶接装置１Ｘで溶接された場合では、ビード８Ｘの余盛り部分も収縮する。このため、図５（ｂ）に示すように、母材５の溶接変形は、母材５の表面がマイナス方向に変形し、変形量が大きく、ビード８Ｘの周囲から幅方向（ビード８Ｘの短手方向）に亘って広く及んでいる。

これに対し、図２に示す溶接装置１では、溶融池７の溶融金属が凝固する前に、余盛り除去機構４によって、溶融金属の一部（余盛り分）が溶融池７から掻き出される。これにより、一の実施例に係る溶接装置１では、参考例に係る溶接装置１Ｘと比較して、溶接の際に凝固する溶融金属の量を低減することができる。このため、図５（ａ）に示すように、溶接装置１で溶接した際の母材５の溶接変形は、変形量も小さく、範囲も狭くなっている。

このため、図５（ｂ）に示す余盛りありのビード８Ｘにおける溶接変形と比較して、図５（ａ）に示す余盛りが除去されたビード８における溶接変形を低減することができる。

次に、一の実施例におけるビード８の断面形状と、参考例におけるビード８Ｘの余盛り分を切削したビード８Ｘ２の断面形状と、を比較する。図６は、ビードの断面形状を対比して説明する図であり、（ａ）は一の実施例におけるビード８の断面形状の模式図、（ｂ）は一の実施例におけるビード８の表層のミクロ組織を示す断面模式図、（ｃ）は参考例におけるビード８Ｘ２の断面形状の模式図、（ｄ）は参考例におけるビード８Ｘ２の表層のミクロ組織を示す断面模式図である。

アークにより溶融した溶融金属は母材５の側から凝固する。このため、図６（ａ）に示すように、溶融金属の最終凝固部先端８１は、ビード８の表面の略中央に形成される。また、溶融金属が凝固する際、母材５の側から最終凝固部先端８１に向けて凝固するため、凝固溶接金属による線模様８２が形成される。このため、線模様８２は、ビード８の表面の略中央の最終凝固部先端８１まで伸び収束するように形成される。

余盛りありのビード８Ｘにおいても、ビード８Ｘの表面の略中央に最終凝固部先端が形成され、母材５の側から最終凝固部先端に向けて凝固溶接金属による線模様が形成される。そして、余盛り分を切削（または研削）したビード８Ｘ２の断面形状においては、図６（ｃ）に示すように、最終凝固部先端が切削により消失しており、線模様８２は、ビード８Ｘ２の切削後の表面の一点に向けて収束するようには形成されていない。

このように、一の実施例に係る溶接装置１で溶接されたビード８の断面状態と、参考例に係る溶接装置１Ｘで溶接され余盛り分が切削されたビード８Ｘ２の断面状態とは、線模様８２の構成が異なっている。

また、ビード８の表面付近８３のミクロ組織は、図６（ｂ）に示すように、ビード８の表面が切削されておらず凝固した際のままであるため、粒界とビード表面とが一致するように形成されている。

これに対し、ビード８Ｘ２の表面付近８３Ｘのミクロ組織は、図６（ｄ）に示すように、ビード８Ｘ２の表面が切削されているため、粒界とビード表面とが一致していない個所が生じる。

このように、一の実施例に係る溶接装置１で溶接されたビード８の断面状態と、参考例に係る溶接装置１Ｘで溶接され余盛り分が切削されたビード８Ｘ２の断面状態とは、ビードの表面付近のミクロ組織においても構成が異なっている。

また、粒界に沿って浸食する腐食は、図６（ｄ）のミクロ組織と比較して、図６（ｂ）のミクロ組織の方が、腐食に対して強くなる。

以上、一実施例に係る溶接装置１によれば、余盛り除去機構４で溶融池７から溶融金属の一部を除去することにより、凝固前の溶融金属を低減することができる。これにより、溶融金属の膨張・凝固によって生じる溶接変形を低減することができる。

また、従来の溶接変形を低減させる手法として、溶接時の入熱を低減させた溶接方法の開発が行われている。しかし、溶接入熱を低減させた溶接方法では、溶接入熱の低下に伴い、１パスで溶接部に溶着させることができる溶着金属の量が低下し、溶接パス数の増加につながり、施工効率が低下するという課題がある。これに対し、一実施例に係る溶接装置１によれば、入熱を低減させなくても溶接変形を低減させることができるので、施工効率の低下を防止することができる。

また、従来の溶接変形を低減させる手法として、溶接変形を低減させる溶接材料の開発が行われている。しかし、溶接変形を低減させる溶接材料では、特殊な材料が必要となり、コスト増につながるという課題がある。これに対し、一実施例に係る溶接装置１によれば、溶接ワイヤ２、シールドガス、フラックス等の溶接材料は、従来の溶接装置と同様のものを用いることができるので、特殊な材料を必要とせず、コスト増加を防止することができる。

また、一実施例に係る溶接装置１によれば、従来の溶接装置に余盛り除去機構４を追加することで構成することができるので、装置コストを過度に増加させずに装置を構成することができる。

図７は、他の実施例に係る溶接装置１Ａの使用状態を示す斜視図である。溶接装置１Ａは、溶接装置１と比較して、余盛り除去機構４Ａの構成が異なっている。その他の構成は同様であり、重複する説明を省略する。

余盛り除去機構４Ａは、移動方向Ｆ３を基準として、溶接トーチ３の後方で、幅方向（上下方向と直交し、かつ、移動方向Ｆ３と直交する方向）にずれた位置に配置されている。これにより、余盛り除去機構４Ａが溶融池７及びビード８を覆わない位置に配置されている。余盛り除去機構４Ａの移動方向Ｆ４Ａを矢印で示す。余盛り除去機構４Ａは、溶接トーチ３に追随して、平行に移動する。

余盛り除去機構４Ａは、幅方向にガスＧを噴射するノズル４５を備えている。ノズル４５からガスＧを噴射することによって、溶融池７から溶融金属の一部（余盛り分）を吹き飛ばして除去する。なお、ガスＧとしては、炭酸ガス、アルゴンガス等のシールドガスを用いることが好ましい。

他の実施例に係る溶接装置１Ａによれば、一実施例に係る溶接装置１と同様に溶接変形を低減することができる。また、施工効率の低下を防止することができる。また、特殊な材料を必要とせず、コスト増加を防止することができる。また、装置コストを過度に増加させずに装置を構成することができる。

また、他の実施例に係る溶接装置１Ａによれば、余盛り除去機構４Ａが溶融池７の上を通ることなく構成することができるので、設置の自由度を向上させることができる。

また、他の実施例に係る溶接装置１Ａの余盛り除去機構４Ａによれば、除去した溶融金属を吹き飛ばすことができるので、溜め部４２から掻き出した金属を取り除く余盛り除去機構４と比較して、連続使用が可能となる。

図８は、さらに他の実施例に係る溶接装置１Ｂの使用状態を示す斜視図である。溶接装置１Ｂは、溶接装置１と比較して、余盛り除去機構４Ｂの構成が異なっている。その他の構成は同様であり、重複する説明を省略する。

余盛り除去機構４Ｂは、溶接トーチ３と一体に形成されている。

他の実施例に係る溶接装置１Ｂによれば、一実施例に係る溶接装置１と同様に溶接変形を低減することができる。また、施工効率の低下を防止することができる。また、特殊な材料を必要とせず、コスト増加を防止することができる。また、装置コストを過度に増加させずに装置を構成することができる。

また、他の実施例に係る溶接装置１Ｂの余盛り除去機構４Ｂによれば、溶接トーチ３とともに余盛り除去機構４Ｂを移動させることができる。これにより、例えば、溶接トーチ３がマニピュレータによって移動する自動溶接装置である場合、マニピュレータを追加することなく、装置を構成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形、置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ溶接装置
２溶接ワイヤ（溶接対象）
３溶接トーチ（溶接部）
４，４Ａ，４Ｂ余盛り除去機構（除去機構）
５母材（溶接対象）
６アーク
７溶融池
８ビード
８１最終凝固部先端
９（掻き出された）溶融金属
１０窪み
４１掻き出し部
４２溜め部
４５ノズル
Ｆ３，Ｆ４移動方向
Ｆ９掻き出し方向
Ｇガス

Claims

溶接対象である溶接ワイヤおよび母材をアークにより溶融させる溶接部と、
前記溶接部で溶融された溶融金属から一部を除去する除去機構と、を備え、
前記除去機構は、
前記溶融金属を掻き出す掻き出し部と、
前記掻き出し部により掻き出された該溶融金属を貯留するための溜め部と、を有する、
溶接装置。
前記除去機構は、
前記溶融金属のうち、該溶融金属が凝固してビードが形成された際、前記母材の表面よりも盛り上がる部分である余盛り部分に相当する分を除去する
請求項１に記載の溶接装置。
前記掻き出し部は、前記溶融金属を掻き出すスクレーパである
請求項１または請求項２に記載の溶接装置。
前記溜め部は、移動方向の後方側で部材が立ち上がるように構成されている
請求項１または請求項２に記載の溶接装置。
溶接ワイヤと母材との間に発生するアークによって前記溶接ワイヤと前記母材を溶融させ、溶融金属の溶融池を形成するステップと、
除去機構により、前記溶融池から溶融金属の一部を掻き出し、掻き出された金属が前記溶融池に戻ることがないよう貯留することで、該溶融金属の一部を除去するステップと、を有する溶接方法。