JP2004243333A

JP2004243333A - 溶接装置および溶接方法

Info

Publication number: JP2004243333A
Application number: JP2003033083A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fukuda; 健福田; Keiichi Urashiro; 慶一浦城; Noritoshi Ishikawa; 文紀石川; Kiyotaka Ogura; 清隆小倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】本発明の目的は、接触式の押さえ付け装置ではなく、非接触の遠隔作用型電磁気発生装置する電磁力によって少なくとも一つの溶接部材を押さえ付けながら溶接を行い、部材の浮き上がりやそり、変形を低減する溶接を行う装置，方法を提供することである。
【解決手段】本発明の溶接装置は、部材を保持する回転治具１２，部材を保持する機構の回転軸と同一方向に移動可能な溶接トーチ９，部材保持機構の回転軸上にある遠隔作用型電磁気発生装置から構成されることを特徴とする。遠隔作用型電磁気発生装置により、オリフィスプレート１５をスワラ１６に挟みこんでノズル１４にある溝３に押し付けながら、回転治具１２，レーザ発振機１０，コイル電源８を同期作動させてレーザ溶接を行い、オリフィスプレート１５の浮き上がりや変形を防止しながら高精度の溶接を施行する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の部材間の溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の装置は、例えば特開２００２−１０３０８８号公報記載に、板状部材に対してローラにより押し付け力、押し付け位置を制御することにより、部材の浮き上がりを抑制しながら溶接を行う溶接装置は記載されている。
【０００３】
従来の溶接部材の固定方法としては、治具によるクランプ，圧入はめあい，ローラにより押し付けが考えられる。治具によるクランプでは、部材が複雑形状の場合に対応ができない、治具の取り外しの工程が必要といった問題がある。圧入はめあいでは、圧入代の寸法管理が難しい問題がある。ローラによる押し付けでは、ローラが部材に接触するため部材にローラの押し付け跡が残る、押し付け力の管理が難しいなどの問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０３０８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、接触式の押さえ付け装置ではなく、電磁力による遠隔作用型外力を用いて、非接触で少なくとも一つの溶接部材を押さえ付けながら溶接を行い、部材の浮き上がりやそり，変形、あるいは残留応力の集中を抑えた溶接を可能にする溶接装置及び溶接方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本溶接装置では、少なくとも一つは磁性材料である複数部材の溶接において、溶接時に少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置によって溶接を施行する。
【０００７】
溶接部材が管状あるいは円盤状構造物の場合には、少なくとも一つの部材を保持しながら回転治具を有し、前記部材を保持する機構の回転軸と同一方向に移動する溶接トーチ、前記の回転軸と同軸方向に溶接時に、少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置によって溶接を施行する。
【０００８】
部材が板状構造の場合には、少なくとも一つの部材を保持し、トーチが溶接線に沿って移動しながら溶接を行う機構を有し、溶接面あるいは部材の突き合わせ面、あるいは部材の端面と垂直な方向に対して、溶接時に少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置によって溶接を施行する。
【０００９】
上記の管状，円盤状、ならびに板状溶接部材において、部材保持機構，電磁気力遠隔作用機構，溶接エネルギーの制御装置，溶接トーチの駆動機構を同期化し、溶接の進行に沿って各条件を経時的に変動せしめる制御機構を有することを特徴とする溶接装置によって溶接を施行する。
【００１０】
上記の管状，円盤状、ならびに板状部材の溶接時の溶接トーチのエネルギー源としてレーザ，アーク，電子ビームなどの熱エネルギー、あるいは摩擦圧接や摩擦攪拌接合などの機械的エネルギー，抵抗溶接などの電気エネルギーのいずれかで溶接を行う。
【００１１】
上記の管状，円盤状、ならびに板状部材の溶接時、少なくとも一つは磁性材料である複数部材の溶接方法において、溶接時に少なくとも一つの部材に対して電磁力による外力を遠隔作用で付与し、前記外力によって当該部材を固定あるいは任意の姿勢に対して保持しつつ溶接を施行する。
【００１２】
管状あるいは円盤状の第一の部材を回転治具に固定し、前記第一の部材に設けられている溝に第二の部材を設置し、電磁力による外力を遠隔作用で付与し、第一に部材に設けられた溝底面に第二の部材を押し付けながら、前記第一の部材，第二の部材，チャックを共に回転させ、第一の部材と第二の部材境界近傍を溶接することを特徴とする溶接方法によって溶接を施行する。
【００１３】
管状あるいは円盤状の第一の部材を回転治具に固定し、前記第一の部材に設けられている溝に複数部材を設置し、設置した最外面の部材に対して電磁力による外力を遠隔作用で付与し、設置したすべての部材に押圧荷重を付与しながら、前記第一の部材と前記最外面の部材を溶接することを特徴とする溶接方法によって溶接を施行する。
【００１４】
板状構造物から成る少なくとも一つの部材に対し、溶接面あるいは部材の突き合わせ面、あるいは部材の端面と垂直な方向に電磁力による外力を遠隔作用で付与して部材を固定、あるいは任意の姿勢に保持しつつ溶接することを特徴とする溶接方法によって溶接を施行する。
【００１５】
上記の管状，円盤状、ならびに板状部材の溶接時、溶接の進行とともに溶接エネルギーおよび溶接位置、および部材に対し遠隔作用で付与する外力を経時的に変化させることで、施行後の溶接構造物のひずみ、あるいは残留応力を低減あるいは均一化することを特徴とする溶接方法によって溶接を施行する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接エネルギー源としては、レーザ，アーク，電子ビームなどの熱エネルギーや摩擦攪拌溶接などの機械的なエネルギー，抵抗溶接などの電気エネルギー、いずれを用いても有効である。ここでは上記エネルギー源のうち、電磁力の影響を受けないレーザ光を用いた溶接施行の実施について説明する。
【００１７】
図１に回転する部材保持機構の回転軸上にある第二の部材２を電磁力によって第一の部材１へ押し付け力を作用させながらレーザ溶接を行った場合の実施例１の断面概略図を示す。
【００１８】
図２には、第一の部材１と第二の部材２の間に、第三の部材４を挟み込み、第二の部材２が直接第一の部材１を押し付けるのではく、第三の部材４を挟みこみながら第一の部材１を押し付ける場合の実施例２の断面概略図を示す。第三の部材４が存在する以外、装置の構成，実施形態は図１に示した実施例１と同様である。
【００１９】
管状の第一の部材１にある溝３に、円盤状の第二の部材２を設置する。第一の部材１の管内部には、円柱状の固定磁心５と管状の電磁コイル６がある。これらは図２では図示しないが支持台により支持していてもよい。電磁コイル６はコイル電源８に接続されている。なお、第一の部材１は回転治具１２に取りつけられる。
【００２０】
溶接トーチ９はレーザ発振機１０，ロボットアーム１３に接続される。レーザ発振機１０，回転治具１２，ロボットアーム１３は制御装置１１に接続され、これらは同期作動が可能である。制御装置１１にはコイル電源８も接続され、コイル電源８，レーザ発振機１０，回転治具１２，ロボットアーム１３は同期作動が可能である。
【００２１】
図１において第一の部材１と第二の部材２の溶接を行う場合、第二の部材２を第一の部材１に圧入後、溶接を行うプロセスが考えられる。しかし、圧入プロセスは圧入代の寸法管理，圧入による残留応力に起因する機械的特性，耐食性の劣化，圧入時のかじりにより異物発生，圧入時の油塗布の影響による溶接欠陥の発生などの問題が生じる懸念がある。本装置では、圧入なしで両部材を固定するため圧入が不要であり、圧入による上記のような懸念が低下する。
【００２２】
本装置では、電磁コイル６に電流を流して電磁力を発生させ、その電磁力によって第二の部材２を第一の部材１に押しつけながら周溶接を行うので、溶接時の凝固収縮，冷却時の第二の部材２の浮き上がり，溶接変形が押さえられ、第一の部材１と第二の部材２を高い同軸度で高精度の溶接が可能である。また、対角線上に溶接ヘッドを追加して２ヘッド溶接を行うことで、さらに変形の少ない高精度の溶接が可能になる。
【００２３】
レーザ発振機１０，ロボットアーム１３，回転治具１２，コイル電源８を制御装置１１によって同期作動させることにより、レーザ発振出力，溶接速度，電磁力を制御し、部材形状や要求品質に応じて最適な溶接条件，部材押しつけ条件を制御することができる。
【００２４】
電磁力を遠隔作用型電磁気発生装置によって溶接中に電磁力を変動させることで第二の部材２への押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の部材の変形を最小に抑えることができる。
【００２５】
電磁力を遠隔作用型電磁気発生装置によって溶接中に電磁力を変動させることで第二の部材への押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の残留応力を低減しながら溶接を行うことができる。
【００２６】
図３に産業製品の適用例として、自動車に搭載される燃料噴射弁の部材接合に関する実施例３の断面概略図を示す。ノズル１４とオリフィスプレート１５の間に、スワラ１６を挟み込み、オリフィスプレート１５が直接ノズル１４を押し付けるのではく、スワラ１６が直接ノズル１４を押し付ける構造となっている。
【００２７】
管状のノズル１４にある溝３に、円盤状のスワラ１６とオリフィスプレート
１５をはめこむ。ノズル１４の管内部には、円柱状の固定磁心５と管状の電磁コイル６があり、これらは支持台７により支持されている。電磁コイル６はコイル電源８に接続されている。なお、ノズル１４は回転治具１２に取りつけられる。
【００２８】
溶接トーチ９はレーザ発振機１０，ロボットアーム１３に接続される。レーザ発振機１０，回転（クランプ）治具１２，ロボットアーム１３は制御装置１１に接続され、これらは同期作動が可能である。制御装置１１にはコイル電源８も接続され、コイル電源８，レーザ発振機１０，回転治具１２，ロボットアーム１３は同期作動が可能である。
【００２９】
図３のようなノズル１４とオリフィスプレート１５の溶接を行う場合、オリフィスプレート１５をノズル１４に圧入後、溶接を行うプロセスも考えられる。しかし、圧入プロセスは圧入代の寸法管理，圧入による残留応力に起因する機械的特性，耐食性の劣化，圧入時のかじりにより異物発生，圧入時の油塗布の影響による溶接欠陥の発生などの問題が生じる懸念がある。本装置では、圧入なしで両部材を固定するため圧入が不要であり、圧入による上記のような懸念が低下する。
【００３０】
本装置では、電磁コイル６に電流を流して電磁力を発生させ、その電磁力によってオリフィスプレート１５をスワラ１６に挟みこんでノズル１４に押しつけながら周溶接を行うので、溶接時の凝固収縮，冷却時のオリフィスプレート１５の浮き上がり，溶接変形が押さえられ、ノズル１４とオリフィスプレート１５を高い同軸度で高精度の溶接が可能である。また、対角線上に溶接ヘッドを追加して２ヘッド溶接を行うことで、さらに変形の少ない高精度の溶接が可能になる。
【００３１】
レーザ発振機１０，ロボットアーム１３，回転治具１２，コイル電源８を制御装置１１によって同期作動させることによりレーザ発振出力，溶接速度，電磁力を制御し、部材形状や要求品質に応じて最適な溶接条件，部材押しつけ条件を制御することができる。
【００３２】
電磁力を遠隔作用型電磁気発生装置によって溶接中に電磁力を変動させることでオリフィスプレート１５への押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の部材の変形を最小に抑えることができる。
【００３３】
電磁力を遠隔作用型電磁気発生装置によって溶接中に電磁力を変動させることでオリフィスプレート１５への押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の残留応力を低減しながら溶接を行うことができる。
【００３４】
図４に第一の部材１，第二の部材２を固定し、溶接トーチ９が移動しながら溶接を行う際に、溶接方向と溶接面に垂直な方向へ、部材を押し付けながらレーザ溶接を行った場合の実施例４の断面概略図を示す。
【００３５】
二つの被溶接物の溶接面に押し付け力が作用する力が発生するように、各々の部材に対して溶接トーチ９の方向に電磁コイル６と固定磁心５を置き、電磁コイル６に電流を流すことで電磁力を発生させ、この電磁力よって第一の部材１と第二の部材２を溶接トーチ９と同一方向へ押し付つけながら溶接を行う。
【００３６】
溶接トーチ９はレーザ発振機１０，ロボットアーム１３に接続される。レーザ発振機１０，ロボットアーム１３は制御装置１１に接続され、これらは同期作動が可能である。制御装置１１にはコイル電源８も接続され、コイル電源８，レーザ発振機１０，ロボットアーム１３は同期作動が可能である。
【００３７】
本装置では、クランプ治具なしで電磁力によって部材を固定して突き合わせ溶接行うことで、溶接時の凝固収縮，冷却時の部材の浮き上がり、溶接変形が押さえられ、高精度の溶接が可能である。
【００３８】
レーザ発振機１０，ロボットアーム１３，コイル電源８を制御装置１１によって同期作動させることにより、レーザ発振出力，溶接速度，電磁力を制御し、部材形状や要求品質に応じて最適な溶接条件，部材押しつけ条件を制御することができる。
【００３９】
電磁力を溶接中に変動させることで第二の部材の押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の部材の変形を最小に抑えることができる。
【００４０】
電磁力を溶接中に変動させることで第二の部材の押し付け力を経時的に変化させ、溶接時の残留応力を低減しながら溶接を行うことができる。
【００４１】
図５に第一の部材１を固定し、溶接トーチ９が移動しながらレーザ溶接を行う際に、溶接方向と溶接面に垂直な方向に電磁力によって、部材２が部材１へ押し付け力を作用させながら溶接を行った場合の実施例５の断面概略図を示す。
【００４２】
第一の部材１にある溝３に、板状の第二の部材２をはめこむ。このとき、第二の部材２は第一の部材によって受ける構造になっている。第一の部材１の内部には、円柱状の固定磁心５と管状の電磁コイル６がある。これらは図示していないが支持台により支持されている。電磁コイル６はコイル電源８に接続されている。
【００４３】
溶接トーチ９はレーザ発振機１０，ロボットアーム１３に接続される。レーザ発振機１０，ロボットアーム１３は制御装置１１に接続され、同期作動が可能である。制御装置１１にはコイル電源８も接続され、支持台７，レーザ発振機１０，ロボットアーム１３同期作動が可能である。
【００４４】
図５のような第一の部材１と第二の部材２の溶接を行う場合、第二の部材２を第一の部材１に圧入後、溶接を行うプロセスも考えられる。しかし、圧入プロセスは圧入代の寸法管理，圧入による残留応力に起因する機械的特性，耐食性の劣化，圧入時のかじりにより異物発生，圧入時の油塗布の影響による溶接欠陥の発生などの問題が懸念される。本装置では、圧入なしで両部材を固定するため圧入が不要であり、圧入による上記のような懸念が低下する。
【００４５】
電磁コイル６に電流を流して電磁力を発生させ、その電磁力によって第二の部材２を第一の部材１に押しつけながら溶接を行うので、溶接時の凝固収縮，冷却時の第二の部材２の浮き上がり、溶接変形が押さえられ、第一の部材１と第二の部材２を高い同軸度で高精度の溶接が可能である。また、対角線上に溶接ヘッドを追加して２ヘッド溶接を行うことで、さらに変形の少ない高精度の溶接が可能になる。
【００４６】
レーザ発振機１０，ロボットアーム１３，コイル電源８は制御装置１１によって同期作動させることにより、レーザ発振出力，溶接速度，磁束密度部材形状や要求品質に応じて最適な溶接条件，部材押し付け条件を設定することができる。
【００４７】
【発明の効果】
非接触の遠隔作用する力によって少なくとも一つの被溶接部材を押さえ付けながら溶接を行うことで、部材の浮き上がりを防止しながら、溶接時の部材変形や残留応力を低減する溶接行う装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１における、溶接装置の一部の断面概略図。
【図２】この発明の実施形態２における、溶接装置の一部の断面概略図。
【図３】この発明の実施形態３における、溶接装置の一部の断面概略図。
【図４】この発明の実施形態４における、溶接装置の一部の断面概略図。
【図５】この発明の実施形態５における、溶接装置の一部の断面概略図。
【符号の説明】
１…第一の部材、２…第二の部材、３…第一の部材の溝、４…第三の部材、５…固定磁心、６…電磁コイル、７…支持台、８…コイル電源、９…溶接トーチ、１０…レーザ発振機、１１…制御装置、１２…回転治具、１３…ロボットアーム、１４…ノズル、１５…オリフィスプレート、１６…スワラ。

Claims

少なくとも一つは磁性材料である複数部材の溶接において、溶接時に少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置。
請求項１に記載の溶接装置において、部材が管状あるいは円盤状構造物であり、少なくとも一つの部材を保持しながら回転治具を有し、前記部材を保持する機構の回転軸と同一方向に移動する溶接トーチ、前記の回転軸と同軸方向に溶接時に、少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置。
請求項１に記載の溶接装置において、部材が板状構造であり、少なくとも一つの部材を保持し、トーチが溶接線に沿って移動しながら溶接を行う機構を有し、溶接面あるいは部材の突き合わせ面、あるいは部材の端面と垂直な方向に対して、溶接時に少なくとも一つの部材を固定あるいは任意の姿勢に保持するための外力を電磁力によって遠隔作用せしめる機構を有することを特徴とする溶接装置。
請求項１〜３に記載の溶接装置において、部材保持機構，電磁気力遠隔作用機構，溶接エネルギーの制御装置，溶接トーチの駆動機構を同期化し、溶接の進行に沿って各条件を経時的に変動せしめる制御機構を有することを特徴とする溶接装置。
請求項１〜４に記載の溶接装置において、溶接トーチのエネルギー源としてレーザ，アーク，電子ビームなどの熱エネルギー、あるいは摩擦圧接や摩擦攪拌接合などの機械的エネルギー，抵抗溶接などの電気エネルギーのいずれかであることを特徴とする溶接装置。
少なくとも一つは、磁性材料である複数部材の溶接方法において、溶接時に少なくとも一つの部材に対して電磁力による外力を遠隔作用で付与し、前記外力によって当該部材を固定あるいは任意の姿勢に対して保持しつつ施行することを特徴とする溶接方法。
請求項６に記載の溶接方法において、管状あるいは円盤状の第一の部材を回転治具に固定し、前記第一の部材に設けられている溝に第二の部材を設置し、電磁力による外力を遠隔作用で付与し、第一に部材に設けられた溝底面に第二の部材を押し付けながら、前記第一の部材，第二の部材，チャックを共に回転させ、第一の部材と第二の部材境界近傍を溶接することを特徴とする溶接方法。
請求項６に記載の溶接方法において、管状あるいは円盤状の第一の部材を回転治具に固定し、前記第一の部材に設けられている溝に複数部材を設置し、設置した最外面の部材に対して電磁力による外力を遠隔作用で付与し、設置したすべての部材に押圧荷重を付与しながら、前記第一の部材と前記最外面の部材を溶接することを特徴とする溶接方法。
請求項５に記載の溶接装置において、板状構造物から成る少なくとも一つの部材に対し、溶接面あるいは部材の突き合わせ面、あるいは部材の端面と垂直な方向に電磁力による外力を遠隔作用で付与して部材を固定、あるいは任意の姿勢に保持しつつ溶接することを特徴とする溶接方法。
請求項５に記載の溶接方法において、溶接の進行とともに溶接エネルギーおよび溶接位置、および部材に対し遠隔作用で付与する外力を経時的に変化させることで、施行後の溶接構造物のひずみ、あるいは残留応力を低減あるいは均一化することを特徴とする溶接方法。