JP3473709B2 - プラズマ溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表側板材と裏側板材等
の被溶接部材を、溶接ロボット等のプラズマ溶接装置の
移動部材に取付けたプラズマトーチによるプラズマアー
クを用いてスポット溶接するプラズマ溶接装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】アークスポットを用いて重ね合わせた２
枚の板材を溶接する溶接装置として、特開昭５８−１１
６９８１号公報に示されたアークスポット溶接装置があ
る。この従来技術におけるアークスポット溶接装置は図
１に示すようになっていて、図示しない溶接ロボットに
取付けたアークスポット溶接機ａと一体状にしてアーム
ｂを介してエアシリンダ装置ｃが設けてあり、アークス
ポット溶接機ａの溶接トーチｄを表側板材ｅと所定の間
隔をあけて対向する位置にセットしてから、エアシリン
ダ装置ｃを作動してこれの押圧部材ｆにて表側板材ｅを
押圧して表側板材ｅと裏側板材ｇとの間の隙間を排除す
るようにしている。なおｈは裏側板材ｇを受ける台であ
る。

【０００３】またその他の従来の技術として、プラズマ
溶接装置の移動部材の先端に保持装置を介してプラズマ
トーチを保持すると共に、上記保持装置に接触部材を固
設し、スポット溶接時には、溶接ロボットのアームの回
動作用により接触部材を介して溶接点を加圧しながらプ
ラズマトーチにてスポット溶接するようにしたものがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の前者
にあっては、溶接トーチｄを所定の位置にセットしてか
らエアシリンダ装置ｃを作動してこれの押圧部材ｆにて
表側板材ｅを両板材間の隙間分だけ押動するため、溶接
トーチｄの先端と被溶接部材である表側板材ｅ間の間隔
であるスタンドオフがセット時に対してずれてしまう。
また押圧部材ｆの位置が溶接トーチｄの位置から離れて
いたので、上記スタンドオフのずれは大きかった。

【０００５】このため、溶接トーチｄのセットを両板材
間の隙間分だけあらかじめ見込んだ位置にセットしなけ
ればならず、その制御がやっかいであると共に、思惑通
りに表側板材ｅが変形しない場合は不本意な間隔でアー
クスポット溶接が行なわれて所定の強度が得られないと
いう問題があった。上記前者従来技術はアークスポット
溶接技術の場合であるが、プラズマスポット溶接装置で
も同様な問題となる。

【０００６】また従来の技術の後者にあっては、プラズ
マ溶接装置の移動部材自体で溶接点を加圧するようにし
ているので、このプラズマ溶接装置の可動部材の操作
は、プラズマトーチを所定の位置へ移動してから、これ
をワーク側へ押付け動作を必要とするため、プラズマ溶
接装置としてのトータルのサイクルタイムが長くなって
しまうという問題があった。

【０００７】本発明は上記のことにかんがみなされたも
ので、表側板材等の被溶接部材を接触部材を介してプラ
ズマ溶接装置にて押動して裏側板材との間の隙間を排除
したときにおいてもプラズマトーチの先端と被溶接部材
との間隔であるスタンドオフＬが変ることなくこれを一
定にすることができ、また溶接トーチのセットを容易
に、しかも溶接条件にあわせて溶接することができ、ま
たプラズマ溶接装置の移動部材自体では、プラズマトー
チを溶接ポイント上までの移動だけでよく、被溶接部材
の加圧と共に、プラズマトーチのスタンドオフの設定
が、プラズマ溶接装置の移動部材の動作と別に行なうこ
とができることにより、プラズマ溶接装置の移動部材自
体の作動に対するティーチング制御を楽にすることがで
きると共に、サイクルタイムが短く、高速の溶接作業を
可能にし、さらに接触部材の先端とプラズマトーチのノ
ズル先端との軸方向の距離を調節可能にして、上記スタ
ンドオフＬの調節を行うことができるようにしたプラズ
マ溶接装置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマ溶接装置は、プラズマトーチ
のノズル先端側に接触部材を配し、この接触部材を被溶
接部材に接触した状態で溶接加工を行うプラズマ溶接装
置において、接触部材を被溶接部材の溶接箇所に押し付
ける押付手段を設け、溶接加工時の被溶接部材とプラズ
マトーチのノズル先端との軸方向の距離を調節するため
に、接触部材の先端とプラズマトーチのノズル先端との
軸方向の距離を調節可能にした構成となっている。

【０００９】また、プラズマトーチと、このプラズマト
ーチのノズル先端と被溶接部材の間に配置される接触部
材と、加工時にこの接触部材を被溶接部材の溶接箇所に
押し付ける押付手段と、押付手段による押付力を検出す
る押付力検出手段を有し、押付力検出手段が検出する押
付力が所定値を超えたときに溶接を開始する構成になっ
ており、さらに、上記構成において、被溶接面に接触す
る接触部材に対して、プラズマトーチを軸方向に溶接時
間内の任意の時間後に移動可能にした。

【００１０】

【作 用】プラズマトーチのノズルは接触部材を介して
所定のスタンドオフを有して被溶接部材に対向される。
そして押付け手段の作動により接触部材が被接触部材に
押付けられ、この接触部材が被溶接部材に接したままで
溶接点が溶接される。このとき、接触部材の先端とプラ
ズマトーチのノズル先端との軸方向の距離を調節するこ
とにより上記スタンドオフが調整される。

【００１１】また、接触部材が被溶接部材に所定の押圧
力にて接触されることにより溶接が開始される。

【００１２】

【実 施 例】本発明の第１の実施例を図２から図１０
に基づいて説明する。図中１はプラズマ溶接機を示すも
ので、２はその電源部、３は高周波ユニットを内蔵した
制御部であり、電源部２にケーブル４を介して母材クラ
ンプ５が、また制御部３にケーブル６を介してプラズマ
トーチ７がそれぞれ接続されている。また８は制御部３
に接続したガスボンベである。

【００１３】上記プラズマトーチ７は図３に示すよう
に、多関節型の溶接ロボット９のアーム１０の先端部に
固着した保持装置１１に取付けて用いるようになってい
る。上記保持装置１１とプラズマトーチ７との結合は図
４に示すようになっていて、アーム１０の先端に取付け
られるブラケット１２に複数本のエアシリンダ装置１３
を介して保持キャップ１４が取付けてある。そしてこの
保持キャップ１４にプラズマトーチ７が例えば螺合等、
係脱可能に、かつこの保持キャップ１４に対して軸方向
に位置を変えることができるようにして取り付けられて
いる。保持キャップ１４の先端部はプラズマトーチ７の
先端部より突出しており、かつプラズマトーチ７の先端
側を囲繞している。そしてこのプラズマトーチ７の先端
から保持キャップ１４の先端までの距離、すなわちスタ
ンドオフＬは上記したように、保持キャップ１４に対し
てプラズマトーチ７を軸方向に移動することにより調節
できるようになっている。またこの保持キャップ１４の
先端部には図５（ａ），（ｂ）に示すように、ガス抜き
用のスリット１５または穴１６が設けてある。この保持
キャップ１４は電気的に絶縁材料にて構成されている。
なお、これの先端部だけを絶縁材料にて構成してもよ
い。この保持キャップ１４は被溶接部材に接触する接触
部材となるもので電極とはならないようにしている。

【００１４】上記エアシリンダ装置１３は図６に示すよ
うに、切換弁２５を介してエア圧源に接続されている。
そしてこのエアシリンダ装置１３の作動側室（ボトム
側）には圧力センサ２６が設けてあり、保持キャップ１
４をワーク押圧側へ移動するべく、切換弁２５を切換え
て作動側室へエア圧を供給したときの圧力が所定圧力以
上になったときに、これを検知して、コントローラ２７
にその信号を送り、コントローラ２７では、これと同時
に、あるいは若干遅られてプラズマ電源２８に信号を送
ってプラズマトーチ７に溶接電流を所定時間Ｔ₁ にわた
って流すようになっている。上記切換弁２５はコントロ
ーラ２７からの信号で制御されるようになっている。

【００１５】次に上記構成のプラズマ溶接装置によるプ
ラズマ溶接作動を図７から図９を用いて説明する。図７
はその制御フローを示し、図８の各図はこの制御フロー
に従って作動するプラズマ溶接装置の溶接態様を示し、
さらに図９は各動作時におけるシリンダストローク、加
圧力、プラズマアーク起動信号、溶接電流のシーケンス
例を示す。

【００１６】図４に示すように、隙間Ｓだけ離間して対
向する表側板材１７と裏側板材１８をスポット溶接する
場合において、まず溶接ロボット９のアーム１０を作動
して、図８（ａ）に示すように、保持装置１１を溶接点
の上方へ移動する（ステップ１）。このときの上下位置
の設定はラフでよい。

【００１７】次に切換弁２５をコントローラ２７にて作
動してエアシリンダ装置１３の作動側室にエアを供給し
て、このエアシリンダ装置１３を伸長動させ、図８
（ｂ）に示すように、保持キャップ１４の先端を表側板
材１７に接触してこれを押圧する（ステップ２）。この
動作により、表側板材１７は隙間Ｓだけ押動され両板１
７，１８は密着され、エアシリンダ装置１３の伸長動作
は停止し（図９（ａ））、そのときの加圧力は一定とな
る（図９（ｂ））。

【００１８】このとき、保持キャップ１４と共にプラズ
マトーチ７もこれと一体状に移動されてスタンドオフＬ
は変化しない。従って両板材１７，１８間の隙間Ｓの大
きさに関係なく、溶接時におけるスタンドオフＬは常に
一定になる。

【００１９】上記エアシリンダ装置１３の伸長動作時に
おいて、保持キャップ１４の先端が表側板材１７に接触
してこれを押動し、この押動力が一定圧Ｐ。以上になっ
たときに、押動作動の完了となり、このときのエアの作
動圧力が圧力センサ２５にて検出され、この検出信号に
より、プラズマアークの起動信号がコントローラ９によ
り出力され（図９（ｃ））、アーク着弧となり、プラズ
マ溶接が開始される（ステップ３、図８（ｃ））。

【００２０】これと同時に図９（ｄ）に示すように、溶
接電流がＴ_１時間にわたって流れ、溶接が続行される
（ステップ４）。このときの溶接電流が流れる時間Ｔ_１
は板厚によって適宜設定される。そして上記エアシリン
ダ装置１３による開始時間ｔ_２はこの溶接電流の流れ始
める時刻ｔ_１と略同一である。また、エアシリンダ装置
による押圧時間Ｔ_２は溶接電流の流れる時間Ｔ_１と関係
する。図９の（ｂ），（ｄ）において、Ｔ_２＞Ｔ_１とな
っているが、Ｔ_２−Ｔ_１の差の時間は溶接電流の入力が
終了した後の保持（押圧継続）時間となる。

【００２１】上記溶接電流の通電時間Ｔ_１及びエアシリ
ンダ装置１３による押圧時間Ｔ_２はタイマ等で設定され
る。そしてタイマアップによる溶接終了により切換弁２
５が切換って保持装置１１が板材１７から離間する（ス
テップ５、図８（ｄ））。その後、アームを移動して次
の溶接点へ移動する（ステップ６）。上記動作の終了
後、次の溶接点へ移動して、繰り返し溶接が行なわれる
（ステップ６）。

【００２２】図１０（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の
各図は上記作用にてスポット溶接する場合の概略的なシ
ーケンスを示すもので、 （１）プラズマトーチ７からのプラズマジェット１９を
噴出してこれのアーク熱によって２枚重ねたプラズマト
ーチ７に近い方である表側板材１７を加熱し、この表側
板材１７に溶融プール２０を形成する（図１０
（ａ））。 （２）この溶融プール２０を表面張力作用にて保持しな
がらプラズマジェット１９の圧力で裏側板材１８に接触
させる（図１０（ｂ））。 （３）熱伝導によって、裏側板材１８を十分に加熱溶融
させて溶け込みをこの裏側板材１８の裏側まで到達させ
る（図１０（ｃ））。 （４）プラズマジェット１９をストップして溶接を終了
させる（図１０（ｄ））。なお上記説明に用いた図
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において両板材１７，
１８間に大きな隙間があるように示したが、保持装置１
１の保持キャップ１３による押し付けにより、この隙間
は十分小さくすることができる。

【００２３】図１２は本発明の第２の実施例を示すもの
で、保持キャップ１４′に対してプラズマトーチ７′を
軸方向に移動自在にし、スタンドオフＬをある範囲内に
おいて自由に変えることができるようにしたものであ
る。すなわち、先端部に保持キャップ１４′を設けた枠
体２１の内側にエアシリンダ装置２２が、これのロッド
部２２ａが枠体２１側に、またシリンダ部２２ｂがプラ
ズマトーチ７′側にそれぞれ固着に内装してあり、この
エアシリンダ装置２２を作動することによりプラズマト
ーチ７′が枠体２１に対して相対的に軸方向に移動して
スタンドオフＬが調節できるようになっている。

【００２４】なおスタンドオフＬは必要に応じて例えば
図１１（ａ），（ｂ）に示すように時間の経過に従って
変えるが、これは、主として溶接ナゲット径を変えた
り、スポット溶接したときの凝固割れを防止するためで
ある。

【００２５】次に本発明の第３の実施例を図１３に基づ
いて説明する。この実施例では、接触部材となる保持キ
ャップ１４はプラズマトーチ７の先端部に、これと一体
構造として取り付けられている。そしてプラズマトーチ
７を保持するブラケット１２はアーム１０の先端に設け
られた保持装置１１に対してレール１１ａを介して上下
動自在に係合されており、このブラケットがエアシリン
ダ装置１３にて移動されることによりプラズマトーチ７
が上記保持装置１１に対して軸方向に移動されるように
なっている。

【００２６】図１４は上記したプラズマトーチ７と保持
キャップ１４とを一体構造とした構成例を示すもので、
プラズマトーチ７は電極部３０と、第１ノズル部３１及
び第２ノズル部３２とからなり、電極３３の材料として
タングステンが使用されている。保持キャップ１４はプ
ラズマトーチ７のシールド部３４の先端に取り付けられ
ており、第２ノズル部３２とシールド部３４はインシュ
レータ３５により電気的に絶縁されている。

【００２７】上記保持キャップ１４は上記したように第
２ノズル部３２に対して電気的に絶縁されていることに
より、これに導電性材料を用いてもよいが、熱影響や押
し付け時の強度を考慮すると、セラミックス材料、例え
ば、ＳｉＣ、ＡｌＯ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等の材料が望まし
い。またこの実施例では、シールド部材３４と保持キャ
ップ１４とは一体構造とした例を示したが、当然のこと
ながら螺合等係脱可能にした構造でもよいことはいうま
でもない。

【００２８】なお上記した各実施例に示した構造以外
に、プラズマ溶接装置のアーム１０の先端に、直接シリ
ンダ装置を介してプラズマトーチを取り付けてもよい。
また上記各実施例ではプラズマトーチを溶接ロボットの
アームの先端に装着するようにした例で示したが、これ
に限るものではなく、例えばテーブル上において上下及
び左右、前後に移動するようにしたブラケットにプラズ
マトーチを保持させて用いるようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、被溶接材である表側部
材１７と裏側部材１８との間に隙間Ｓがある場合に、溶
接ロボット９によるセットが完了してから、これの裏側
板材１７を接触部材の先端側で押動して上記隙間Ｓを排
除したときにおいても、プラズマトーチ７，７′の先端
と表側板材１７間の間隔であるスタンドオフＬが変るこ
とがなく、常時一定のスタンドオフＬにてプラズマジェ
ット１９によるスポット溶接を行なうことができる。そ
して上記したように、スタンドオフＬを一定にすること
ができることにより、溶接ロボット９によるプラズマト
ーチ７，７′の所定位置へのセット動作を容易にするこ
とができる。そして接触部材の先端とプラズマトーチの
ノズル先端との軸方向の距離を調節することにより、上
記スタンドオフＬを溶接条件にあわせて任意に変えるこ
ともできる。そしてこのスタンドオフを管理できること
により、安定した溶接品質を得ることができる。

【００３２】さらに本発明によれば、スタンドオフＬが
必要に応じて溶接時間の経過に従って変えることによ
り、主として溶接ナゲット径を変えたり、スポット溶接
したときの凝固割れを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術を示す概略的な構成説明図である。

【図２】プラズマ溶接機を示す斜視図である。

【図３】プラズマトーチを溶接ロボットに装着しての作
業状態を示す説明図である。

【図４】保持装置部を示す構成説明図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は保持キャップの実施例を示す
斜視図である。

【図６】保持キャップを作動するエアシリンダ装置の作
動機構を示す回路図である。

【図７】本発明に係るプラズマ溶接方法の制御フロー図
である。

【図８】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はプラズマ溶
接装置の作動状態図である。

【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はプラズマ溶
接装置の作動シーケンス図である。

【図１０】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はスポット
溶接作用の概略的なシーケンス図である。

【図１１】（ａ），（ｂ）は時間の経過に従ってスタン
ドオフを変える例を示す線図である。

【図１２】本発明の第２の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図１３】本発明の第３の実施例を示す構成説明図であ
る。

【図１４】本発明の第３の実施例におけるトーチ先端部
を示す断面図である。

【符号の説明】

１…プラズマ溶接機、２…電源部、３…制御部、４，６
…ケーブル、５…母材クランプ、７，７′…プラズマト
ーチ、８…ガスボンベ、９…溶接ロボット、１０…アー
ム、１１…保持装置、１２…ブラケット、１３，２２…
エアシリンダ装置、１４，１４′…保持キャップ、１５
…スリット、１６…穴、１７，１８…板材、１９…プラ
ズマジェット、２０…溶融プール、２１…枠体、２２ａ
…ロッド部、２２ｂ…シリンダ部、２５…切換弁、２６
…圧力センサ、２７…コントローラ、２８…プラズマ電
源、３０…電極部、３１…第１ノズル部、３２…第２ノ
ズル部、３３…電極、３４…シールド部、３５…インシ
ュレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新垣 淑隆 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松 製作所 研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−177966（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−64974（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−9571（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 B23K 10/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマトーチのノズル先端側に接触部
   材を配し、この接触部材を被溶接部材に接触した状態で
   溶接加工を行うプラズマ溶接装置において、 接触部材を被溶接部材の溶接箇所に押し付ける押付手段
   を設け、 溶接加工時の被溶接部材とプラズマトーチのノズル先端
   との軸方向の距離を調節するために、接触部材の先端と
   プラズマトーチのノズル先端との軸方向の距離を調節可
   能にした ことを特徴とするプラズマ溶接装置。
2. 【請求項２】 プラズマトーチと、 このプラズマトーチのノズル先端と被溶接部材の間に配
   置される接触部材と、加工時に この接触部材を被溶接部材の溶接箇所に押し付
   ける押付手段と、 押付手段による押付力を検出する押付力検出手段を有
   し、 押付力検出手段が検出する押付力が所定値を超えたとき
   に溶接を開始することを特徴とするプラズマ溶接装置。
3. 【請求項３】 被溶接面に接触する接触部材に対して、
   プラズマトーチを軸方向に溶接時間内の任意の時間後に
   移動可能にしたことを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載のプラズマ溶接装置。