JP3812381B2 - 溶接ワイヤ送給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、溶接品質を高く維持するためには溶接ア−クを安定させることが必要であり、溶接ア−ク長が一定となるように溶接ワイヤを溶接部に高精度に送給する必要がある。
【０００３】
そして、ワイヤ送給経路が比較的長い場合や、ワイヤ自体が柔らかく溶接用ワイヤを押し出す形のプッシュ送給のみでは送給が困難なアルミ溶接などでは、ワイヤ送給経路に複数のワイヤ送給装置を設けたプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置が用いられており、それぞれのワイヤ送給装置としては駆動源として設けた電動モータよってワイヤを挟持するロ−ラを回転駆動するものが最も多く用いられている。
【０００４】
この様なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置においては、溶接ワイヤを安定的に送給するためには如何なる場合にもプル送給装置の電気モ−タのワイヤ引き込み速度とプッシュ送給装置の電気モ−タのワイヤ押込み速度とが完全に同一となるのが理想である。
【０００５】
しかし現実には両送給装置の間には微少なワイヤ速度差が存在し、溶接を続けていく間にこの微少な速度差が蓄積されて溶接の継続が困難な状況を生じてしまう。
【０００６】
そこで一般的には、両電気モ−タに主と従を定めて、一方を主として溶接条件に応じたワイヤ送給速度が得られるように定速度電気制御を行い、他方を従として定トルク電気制御する方法が知られている（例えば特公昭５０−２５４２５号公報）。
【０００７】
また、定トルク電気制御を簡略化するために駆動源自体が定トルク特性を持ったエアモータをプッシュ装置に用いる方法も知られている（例えば特開平１１−１５６５４３号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置でも、溶接ワイヤ送給速度が一定の場合は従側のワイヤ送給装置が定トルク制御されているためにワイヤ送給は安定し良好な溶接結果を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合、すなわちワイヤ送給の加減速時には、従側のワイヤ送給装置の遅れにより主側の速度制御された送給装置の負荷が大きく変動し、結果としてワイヤ送給が不安定となって良好な溶接結果が得られない問題が生じる。具体的には、従側の定トルク制御されるワイヤ送給装置が、自身の駆動源である電気モータやエアモータのイナーシャによる加速トルクや摩擦あるいは粘性トルクにより、本来ワイヤに伝えられるべき送給力が不足し、あるいは過大に伝えられる為に生じ、最悪の場合には主従２つのワイヤ送給装置の間でワイヤが座屈し、大きなトラブルとなって復旧に多大の時間と労力を費やす場合がある。
【００１０】
この様なワイヤの座屈トラブルは、溶接ト−チ先端チップのワイヤ詰まり又はワイヤ溶着等によって溶接ワイヤの送給がトーチの先端側で急停止した場合に生じやすく、特に定トルク制御される従側のワイヤ送給装置をプッシュ側に設けた場合に起こりやすくなる。
【００１１】
これはワイヤ自体の座屈強度が引っ張り強度に比して圧倒的に弱いことに加え、従側の送給装置が定トルク制御されている上、自身の駆動源のイナーシャにより急速に停止することが出来ないことに起因している。
【００１２】
本発明は溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合すなわちワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤに座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、前記溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、前記トルクリミッターとして伝達トルクを可変設定できるものを用いた溶接ワイヤ送給装置である。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、トルクリミッターの伝達トルクの調整として、ワイヤ送給経路全体の静的な状態に於ける送給負荷抵抗力をＦｗ、ワイヤの座屈限界をＦｂとした場合、送給装置の送給力Ｆｐが０．８Ｆｗ＜Ｆｐ＜Ｆｂを満足するようにトルクリミッターの伝達トルクを調整したことを特徴とする請求項１に記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、少なくとも一つのワイヤ送給装置の駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設け、駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置の駆動源を、他のワイヤ送給装置がワイヤ送給を開始する前に起動する溶接ワイヤ送給装置である。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、ワイヤの交換時に溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに送り込むための溶接ワイヤ送り込み装置として用いる溶接ワイヤ送給装置である。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、トルクリミッターが、多極磁石板とヒステリシス板の相対的回転運動により発生するヒステリシス損を利用して一定トルクを伝達する磁気継手で構成した請求項１から４のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００１９】
請求項６記載の本発明は、複数のワイヤ送給装置間に配した溶接ワイヤを通すワイヤガイド管の内径が溶接ワイヤ径の３倍以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態例の概要を示した模式図である。
【００２１】
図１において、溶接ワイヤ１を巻回した状態で収容・保持する溶接ワイヤ容器２からワイヤガイド管３を経て溶接トーチ４に至るワイヤ送給経路の途中に、溶接トーチ４に近い位置に配したプル送給装置５と、溶接ワイヤ容器２に近い位置に配したプッシュ送給装置６を備えた、いわゆるプッシュ−プル溶接ワイヤ送給系となっている。
【００２２】
アーク溶接電源７はガスボンベ８内のシールドガスを溶接トーチ４の先端部から被溶接体９に向かって噴出させ、溶接部を不活性ガスでシールドするとともに、溶接トーチ４先端部に設けたコンタクトチップ１０を介して消耗電極である溶接ワイヤ１と被溶接体９との間に指示された電圧を印加して、溶接ワイヤ１の先端と被溶接体９との間にアーク放電を生じさせ溶接を行う。
【００２３】
本実施の形態例に於いては、プル送給装置５は溶接条件で決定される所定のワイヤ送給速度で溶接ワイヤ１を溶接トーチ４に送出するように送給制御装置１１よって速度制御され、プッシュ送給装置８はトルクリミッター（図示せず）の作用によって一定の送給力で溶接ワイヤ１をプル送給装置５に向かって送出する。
【００２４】
したがって、本実施の形態例の構成においてはプッシュ装置６は溶接ワイヤ容器２から溶接ワイヤ１を引き出す為に生じる送給抵抗力やワイヤガイド管３の内面と溶接ワイヤ１の摩擦によって生じる送給抵抗力を減殺し、プル送給装置５が高精度にワイヤ速度の制御が可能となるようにプル送給装置５を補助するように作用する。
【００２５】
図２は、図１に示したプッシュ送給装置６の内部構造の詳細を示した断面図である。
【００２６】
図２を用いて、磁気継手構造を備えたトルクリミッターを動力伝達経路に配したプッシュ送給装置の構造を説明する。
【００２７】
プッシュ送給装置６の駆動源となる電気モータ１２のシャフト１３にはトルクリミッター１４の入力側ケース１５がジョイント１６を介して取り付けられている。
【００２８】
入力側ケース１５は非磁性材料で作られた有蓋円筒状の形状となっており、円筒内周面には雌ネジ１７が設けられている。また、蓋部の内側中心部には出力シャフト１８を回転支持するベアリング１９が収納されており、その外輪が軸方向に固定されるとともに内輪は出力シャフト１８に止めネジ２０によって固定されいるため出力シャフト１８の軸方向の移動を規制している。
【００２９】
出力側ケース２１も入力側ケース１５と同様に非磁性材料で作られた有蓋円筒状の形状となっており、円筒外周面には雄ネジ２２が設けられ、入力側ケーシング１５の雌ネジ１７にねじ込まれている。
【００３０】
さらに出力側ケース２１蓋部の内面側には円盤状のヒステリシス材２３が固定されており、中心部にはベアリング２４が収納され、入力側ケース１５のベアリング１９と対となって出力シャフト１８を回転支持している。
【００３１】
出力シャフト１８には放射状に着磁された円盤状の多極永久磁石板２５が固定されており、入力側ケース１５に固定された円盤状のヒステリシス材２３と平行な磁界空隙を介して対向している。
出力シャフト１８に取り付けられた送給ローラ２６には溝部２７が設けられており、加圧ローラ２８との間に溶接ワイヤ１を挟み込んで溶接ワイヤ１を紙面の放線方向に送給駆動する。
【００３２】
ここで、送給ローラ２６はベアリング２９によって回転支持されており、加圧ローラ２８はバネ（図示せず）によって送給ローラ２６の方向に付勢されている。
【００３３】
次に図１および図２を用いて本実施の形態のプッシュ装置６が電気制御法によらず一定トルクで溶接ワイヤ１を送給する作用を説明する。
【００３４】
溶接の開始に際し、プル送給装置５が溶接ワイヤ１を送給し始める前にプッシュ送給装置６の駆動源である電気モータ１２を起動する。
電気モータ１２で発生した駆動力はシャフト１３、ジョイント１６を介して入力側ケース１５および出力側ケース２１に伝達され２つのケースは電動モータ１２と共に回転を始める。
【００３５】
同時に出力側ケース２１の蓋部内面に固定された円盤状のヒステリシス材２３も回転を始め、出力シャフト１８に固定され放射状に着磁された円盤状の多極永久磁石板２５との間に相対回転運動が生じる。
この時ヒステリシス材２３は対向する多極永久磁石板２５により磁気誘導されており、ヒステリシストルクによって多極永久磁石板２５を介して出力シャフト１８に回転方向や回転速度に依存しない一定のトルクを伝達する。
【００３６】
出力シャフト１８には送給ローラ２６が取り付けられており、溝部２７と加圧ローラ２８との間に溶接ワイヤ１を挟み込んで溶接ワイヤ１を一定の送給力でプル送給装置５に向かって送給駆動する。
以上のように、本発明に於いては電気的な定トルク制御によらず磁気継ぎ手構造を備えたトルクリミッター１４によって一定の送給力を得る構成となっているために、電気モータ１２の速度は、溶接ワイヤ１の最高送給速度に相当するモータ回転速度を上回る速度であれば任意に決めることができ、トルクも必要となる最大送給力を賄えるトルクであれば問題ないため特別な制御装置を設ける必要はなく簡単な定電圧電源のＯＮ−ＯＦＦにより電気モータの起動と停止を制御するだけですむのでエアーモータのように駆動源自体に定トルク特性を持たせた場合と同様に制御系を簡略化することができる。
【００３７】
また、磁気継ぎ手構造を備えたトルクリミッター１４は単純な構造で回転方向や回転速度に依存せず常に一定の伝達トルクを得ることができるうえ、摺動部が無いので信頼性が高く、本発明の目的とする溶接ワイヤ送給装置に好適な構造といえる。
【００３８】
次にプッシュ装置６の最適なワイヤ送給力とその調整方法について説明する。
【００３９】
送給負荷抵抗力は、溶接ワイヤ容器２から溶接ワイヤ１を引き出す為に生じる送給抵抗力やワイヤガイド管３の内面と溶接ワイヤ１の摩擦によって生じる送給抵抗力により変化するため、ワイヤガイド管３の長さや屈曲の度合い、あるいは溶接ワイヤ容器２の種類によって個々に異なる。
【００４０】
本実施の形態に於いて伝達トルクの調整すなわちプッシュ装置６のワイヤ送給力の調整は、入力側ケース１５と出力側ケース２３の回転方向の相対位置すなわち位相を調整する事により、ネジ部１７および２２によって軸方向の位置関係が変化し、ヒステリシス材２３と対向する多極永久磁石板２５の間の磁界空隙が変化することによって行われる。
発明者らの実験結果によれば、ワイヤ送給経路全体の静的な状態に於ける送給負荷抵抗力をＦｗ、溶接ワイヤ１の座屈限界をＦｂとした場合、プッシュ装置の送給力Ｆｐを０．８Ｆｗ＜Ｆｐ＜Ｆｂを満足する範囲内に調整すれば良好な結果が得られる事が判明している。
【００４１】
実際の調整作業では、プル送給装置５のワイヤ加圧をフリーにしてプッシュ送給装置６のみでワイヤ送給を行い、徐々に送給力を低下させていって溶接ワイヤ１の送給がほぼ停止する送給力すなわちＦｗ≒Ｆｐとすれば一般的には安定したワイヤ送給が行え、調整も現場で簡単に行うことができる。
【００４２】
なお、上記条件が満足できない場合、例えば溶接ワイヤ１の座屈強度に対して送給負荷抵抗が大きい場合には送給系全体の見直しが必要となる。
【００４３】
次にワイヤ送給の加減速時の状態について、溶接の開始、終了時を例に図１および図２を参照しながら説明する。
【００４４】
溶接の開始時にはプル送給装置５が溶接ワイヤ１の送給を開始し、溶接条件で決まる所定のワイヤ送給速度までワイヤ送給速度を加速していく。
【００４５】
従来のプッシュ送給装置６、すなわち駆動源自体の定トルク特性を利用するエアモータによる方法や電気的制御により定トルクを実現する方法では、最もイナーシャの大きな駆動源自身を溶接ワイヤ１と共に加速する必要があるため、駆動源自身の加速にトルクが消費されてプル送給装置５による溶接ワイヤ１の加速に対してプッシュ送給装置６の加速が遅れ、プッシュ送給装置６がプル送給装置５を補助するどころか逆に負荷となってしまう場合が生じていた。
【００４６】
本発明によれば、溶接の開始時に於いてプッシュ送給装置６の駆動源であるモータ１２はプル送給装置５が送給を開始する前に既に起動されているため、モータ１２のみならずジョイント１６やトルクリミッター１４の入力側ケース１５、出力側ケース２３、ヒステリシス材２３などプッシュ送給装置の回転駆動系の大部分が既に回転を始めている。
【００４７】
よって、溶接ワイヤ１と共に加速していくプッシュ送給装置６の部品は、出力シャフト１８と出力シャフト１８に取り付けられた多極永久磁石板２５や送給ローラ２６のみとなり、これらのイナーシャは従来方法によるモータをはじめとする回転駆動系のイナーシャよりも極端に小さくすることができ、プッシュ送給装置６の応答性を高めて加速時にも安定した送給を実現する事ができる。
【００４８】
また、溶接終了時や特に溶接ト−チ先端チップのワイヤ詰まり又はワイヤ溶着等によって溶接ワイヤ１の送給がトーチの先端側で急停止した場合にも回転駆動系のイナーシャが小さいためにプッシュ送給装置６の送給が急速に停止できるとともに送給力自体が溶接ワイヤ１の座屈強度以下に設定されているので、溶接ワイヤ１をワイヤガイド管３に無理に押し込んで溶接ワイヤ１を座屈さることが無い。
これらのことは、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤ１の送給速度を周期的に変動させる場合も同様であり、本発明によればワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤ１に座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を実現することができる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態では更に高精度のワイヤ送給を実現すると共にワイヤガイド管３の寿命を大幅に延ばすために、溶接ワイヤ１のワイヤ径の３倍の内径を持ったワイヤガイド管３を配している。
以下、ワイヤガイド管３の内径を大きくすることによる効果を図３を用いて説明する。
【００５０】
図３はワイヤガイド管３内の溶接ワイヤ１の挙動を示す模式断面図である。
【００５１】
図３においては、右側がプッシュ送給装置６（図示せず）で左側がプル送給装置５（図示せず）となっており、溶接ワイヤ１は図の右から左へと送給される。
【００５２】
図３（ａ）はワイヤガイド管３内で溶接ワイヤ１の経路長が最も長くなった状態を示し、溶接の開始に際してプル送給装置５が溶接ワイヤ１を送給する前にプッシュ送給装置６が起動され、一定の送給力で溶接ワイヤ１をプル送給装置側に押し出している状態である。
【００５３】
図３（ｂ）はワイヤガイド管３内で溶接ワイヤ１の経路長が最も短くなった状態を示し、例えば従来の方法により加速時にプッシュ送給装置６に大きな遅れが生じ、プッシュ送給装置６の送給量がプル送給装置５の送給量に追いつけなくなった状態である。この様な状態ではプル送給装置５の送給負荷抵抗はワイヤガイド管３内の摩擦抵抗やプッシュ送給装置６自体によって急激に上昇しワイヤ送給が不安定になって良好な溶接結果が得られなくなってしまう。
【００５４】
本発明によれば、溶接ワイヤ１と共に加減速する回転駆動系のイナーシャが従来の方法に比べ非常に小さいため、一般的な使用状況に於いてはプッシュ送給装置６の加減速時の遅れは通常無視できる。しかしながら、厳密にはプッシュ送給装置６の回転駆動系のイナーシャによる遅れは存在し、急激な加減速が必要となる場合には無視できなくなる。
【００５５】
図３（ｃ）はプル送給装置５が溶接ワイヤ１の送給を開始し、実際に溶接が開始された直後の状態を示し、特に急激な加速が行われた場合を示している。
【００５６】
この状態では、プッシュ送給装置６側の加速が遅れてはいるが、溶接ワイヤ１はワイヤガイド管３の中でフリーな状態にあり送給負荷抵抗およびその変化は非常に小さく安定に溶接ワイヤ１の送給が実現できるうえにワイヤガイド管３内面の摩耗を大幅に低減し長寿命かを実現することができる。すなわち、例えプッシュ送給装置６に加速遅れが生じても、図３（ａ）のワイヤ経路長が最長の状態と図３（ｂ）のワイヤ経路長が最短の状態の間にあれば良好なワイヤ送給を実現できることになり、この時の最長経路長と最短経路長の差はプッシュ送給装置６の加速遅れを補うバッファの役割を果たすことになる。
【００５７】
バッファとなるワイヤガイド管内の最長経路長と最短経路長の差は、全体の送給経路長やワイヤガイド管の内径や曲率によって変化するが、発明者らによる実使用現場の状況調査の結果によれば本発明のプッシュ送給装置を備えた溶接ワイヤ送給装置に於いては、概ね溶接ワイヤ径の３倍以上とすれば現実的に必要となる溶接ワイヤ１の加減速度に対して十分にバッファとしての役割を果たすことができる。
【００５８】
なお、回転駆動系のイナーシャが大きく加減速時に大きな遅れが生じてしまう従来の方法でも、ワイヤガイド管３の内径を大きくしてバッファを大きくとれば、加減速時の遅れを補うことができそうであるが、ワイヤガイド管３の内径を大きくしすぎると溶接ワイヤ１の座屈強度が低下し、送給負荷抵抗よりも溶接ワイヤ１の座屈強度が小さくなってしまうため、回転駆動系のイナーシャを非常に小さくできる本発明によるプッシュ送給装置ほどの効果を得ることはできない。
【００５９】
また、本実施の形態の構成では、プッシュ送給装置６を溶接ワイヤ１の交換時に溶接ワイヤ容器２からワイヤガイド管３を経て溶接トーチ４に送り込むための溶接ワイヤ送り込み装置として利用することができ、本来の溶接作業の中断時間が短縮され、作業効率を向上できるばかりでなく、プッシュ送給装置６の送給力Ｆｐが溶接ワイヤ１の座屈強度Ｆｂよりも小さく調整されているため、例えばワイヤガイド管３の内部に段差が生じていた場合や異物によって溶接ワイヤ１が途中で詰まった場合にも溶接ワイヤ１の座屈事故を生じさせずに安全に溶接ワイヤ１を溶接トーチ４に送り込むことができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合すなわちワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤに座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の概要を示した模式図
【図２】本発明の一実施の形態のプッシュ送給装置の内部構造の詳細を示した断面図
【図３】本発明の一実施の形態のワイヤガイド管内の溶接ワイヤ１の挙動を示す模式断面図
【符号の説明】
１：溶接ワイヤ
２：溶接ワイヤ容器
３：ワイヤガイド管
４：トーチ
５：プル送給装置
６：プッシュ送給装置
７：アーク溶接電源
８：ガスボンベ
９：被溶接体
１０：コンタクトチップ
１１：送給制御装置
１２：電気モータ
１３：シャフト
１４：トルクリミッター
１５：入力側ケース
１６：ジョイント
１７：雌ネジ
１８：出力シャフト
１９：ベアリング
２０：止めネジ
２１：出力側ケース
２２雄ネジ
２３：ヒステリシス材
２４：ベアリング
２５：多極永久磁石板
２６：送給ローラ
２７：溝部
２８：加圧ローラ
２９：ベアリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、溶接品質を高く維持するためには溶接ア−クを安定させることが必要であり、溶接ア−ク長が一定となるように溶接ワイヤを溶接部に高精度に送給する必要がある。
【０００３】
そして、ワイヤ送給経路が比較的長い場合や、ワイヤ自体が柔らかく溶接用ワイヤを押し出す形のプッシュ送給のみでは送給が困難なアルミ溶接などでは、ワイヤ送給経路に複数のワイヤ送給装置を設けたプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置が用いられており、それぞれのワイヤ送給装置としては駆動源として設けた電動モータよってワイヤを挟持するロ−ラを回転駆動するものが最も多く用いられている。
【０００４】
この様なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置においては、溶接ワイヤを安定的に送給するためには如何なる場合にもプル送給装置の電気モ−タのワイヤ引き込み速度とプッシュ送給装置の電気モ−タのワイヤ押込み速度とが完全に同一となるのが理想である。
【０００５】
しかし現実には両送給装置の間には微少なワイヤ速度差が存在し、溶接を続けていく間にこの微少な速度差が蓄積されて溶接の継続が困難な状況を生じてしまう。
【０００６】
そこで一般的には、両電気モ−タに主と従を定めて、一方を主として溶接条件に応じたワイヤ送給速度が得られるように定速度電気制御を行い、他方を従として定トルク電気制御する方法が知られている（例えば特公昭５０−２５４２５号公報）。
【０００７】
また、定トルク電気制御を簡略化するために駆動源自体が定トルク特性を持ったエアモータをプッシュ装置に用いる方法も知られている（例えば特開平１１−１５６５４３号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置でも、溶接ワイヤ送給速度が一定の場合は従側のワイヤ送給装置が定トルク制御されているためにワイヤ送給は安定し良好な溶接結果を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合、すなわちワイヤ送給の加減速時には、従側のワイヤ送給装置の遅れにより主側の速度制御された送給装置の負荷が大きく変動し、結果としてワイヤ送給が不安定となって良好な溶接結果が得られない問題が生じる。具体的には、従側の定トルク制御されるワイヤ送給装置が、自身の駆動源である電気モータやエアモータのイナーシャによる加速トルクや摩擦あるいは粘性トルクにより、本来ワイヤに伝えられるべき送給力が不足し、あるいは過大に伝えられる為に生じ、最悪の場合には主従２つのワイヤ送給装置の間でワイヤが座屈し、大きなトラブルとなって復旧に多大の時間と労力を費やす場合がある。
【００１０】
この様なワイヤの座屈トラブルは、溶接ト−チ先端チップのワイヤ詰まり又はワイヤ溶着等によって溶接ワイヤの送給がトーチの先端側で急停止した場合に生じやすく、特に定トルク制御される従側のワイヤ送給装置をプッシュ側に設けた場合に起こりやすくなる。
【００１１】
これはワイヤ自体の座屈強度が引っ張り強度に比して圧倒的に弱いことに加え、従側の送給装置が定トルク制御されている上、自身の駆動源のイナーシャにより急速に停止することが出来ないことに起因している。
【００１２】
本発明は溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合すなわちワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤに座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、前記溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、前記トルクリミッターとして伝達トルクを可変設定できるものを用いた溶接ワイヤ送給装置である。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、トルクリミッターの伝達トルクの調整として、ワイヤ送給経路全体の静的な状態に於ける送給負荷抵抗力をＦｗ、ワイヤの座屈限界をＦｂとした場合、送給装置の送給力Ｆｐが０．８Ｆｗ＜Ｆｐ＜Ｆｂを満足するようにトルクリミッターの伝達トルクを調整したことを特徴とする請求項１に記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、少なくとも一つのワイヤ送給装置の駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設け、駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置の駆動源を、他のワイヤ送給装置がワイヤ送給を開始する前に起動する溶接ワイヤ送給装置である。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、ワイヤの交換時に溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに送り込むための溶接ワイヤ送り込み装置として用いる溶接ワイヤ送給装置である。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、トルクリミッターが、多極磁石板とヒステリシス板の相対的回転運動により発生するヒステリシス損を利用して一定トルクを伝達する磁気継手で構成した請求項１から４のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００１９】
請求項６記載の本発明は、複数のワイヤ送給装置間に配した溶接ワイヤを通すワイヤガイド管の内径が溶接ワイヤ径の３倍以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態例の概要を示した模式図である。
【００２１】
図１において、溶接ワイヤ１を巻回した状態で収容・保持する溶接ワイヤ容器２からワイヤガイド管３を経て溶接トーチ４に至るワイヤ送給経路の途中に、溶接トーチ４に近い位置に配したプル送給装置５と、溶接ワイヤ容器２に近い位置に配したプッシュ送給装置６を備えた、いわゆるプッシュ−プル溶接ワイヤ送給系となっている。
【００２２】
アーク溶接電源７はガスボンベ８内のシールドガスを溶接トーチ４の先端部から被溶接体９に向かって噴出させ、溶接部を不活性ガスでシールドするとともに、溶接トーチ４先端部に設けたコンタクトチップ１０を介して消耗電極である溶接ワイヤ１と被溶接体９との間に指示された電圧を印加して、溶接ワイヤ１の先端と被溶接体９との間にアーク放電を生じさせ溶接を行う。
【００２３】
本実施の形態例に於いては、プル送給装置５は溶接条件で決定される所定のワイヤ送給速度で溶接ワイヤ１を溶接トーチ４に送出するように送給制御装置１１よって速度制御され、プッシュ送給装置８はトルクリミッター（図示せず）の作用によって一定の送給力で溶接ワイヤ１をプル送給装置５に向かって送出する。
【００２４】
したがって、本実施の形態例の構成においてはプッシュ装置６は溶接ワイヤ容器２から溶接ワイヤ１を引き出す為に生じる送給抵抗力やワイヤガイド管３の内面と溶接ワイヤ１の摩擦によって生じる送給抵抗力を減殺し、プル送給装置５が高精度にワイヤ速度の制御が可能となるようにプル送給装置５を補助するように作用する。
【００２５】
図２は、図１に示したプッシュ送給装置６の内部構造の詳細を示した断面図である。
【００２６】
図２を用いて、磁気継手構造を備えたトルクリミッターを動力伝達経路に配したプッシュ送給装置の構造を説明する。
【００２７】
プッシュ送給装置６の駆動源となる電気モータ１２のシャフト１３にはトルクリミッター１４の入力側ケース１５がジョイント１６を介して取り付けられている。
【００２８】
入力側ケース１５は非磁性材料で作られた有蓋円筒状の形状となっており、円筒内周面には雌ネジ１７が設けられている。また、蓋部の内側中心部には出力シャフト１８を回転支持するベアリング１９が収納されており、その外輪が軸方向に固定されるとともに内輪は出力シャフト１８に止めネジ２０によって固定されいるため出力シャフト１８の軸方向の移動を規制している。
【００２９】
出力側ケース２１も入力側ケース１５と同様に非磁性材料で作られた有蓋円筒状の形状となっており、円筒外周面には雄ネジ２２が設けられ、入力側ケーシング１５の雌ネジ１７にねじ込まれている。
【００３０】
さらに出力側ケース２１蓋部の内面側には円盤状のヒステリシス材２３が固定されており、中心部にはベアリング２４が収納され、入力側ケース１５のベアリング１９と対となって出力シャフト１８を回転支持している。
【００３１】
出力シャフト１８には放射状に着磁された円盤状の多極永久磁石板２５が固定されており、入力側ケース１５に固定された円盤状のヒステリシス材２３と平行な磁界空隙を介して対向している。
出力シャフト１８に取り付けられた送給ローラ２６には溝部２７が設けられており、加圧ローラ２８との間に溶接ワイヤ１を挟み込んで溶接ワイヤ１を紙面の放線方向に送給駆動する。
【００３２】
ここで、送給ローラ２６はベアリング２９によって回転支持されており、加圧ローラ２８はバネ（図示せず）によって送給ローラ２６の方向に付勢されている。
【００３３】
次に図１および図２を用いて本実施の形態のプッシュ装置６が電気制御法によらず一定トルクで溶接ワイヤ１を送給する作用を説明する。
【００３４】
溶接の開始に際し、プル送給装置５が溶接ワイヤ１を送給し始める前にプッシュ送給装置６の駆動源である電気モータ１２を起動する。
電気モータ１２で発生した駆動力はシャフト１３、ジョイント１６を介して入力側ケース１５および出力側ケース２１に伝達され２つのケースは電動モータ１２と共に回転を始める。
【００３５】
同時に出力側ケース２１の蓋部内面に固定された円盤状のヒステリシス材２３も回転を始め、出力シャフト１８に固定され放射状に着磁された円盤状の多極永久磁石板２５との間に相対回転運動が生じる。
この時ヒステリシス材２３は対向する多極永久磁石板２５により磁気誘導されており、ヒステリシストルクによって多極永久磁石板２５を介して出力シャフト１８に回転方向や回転速度に依存しない一定のトルクを伝達する。
【００３６】
出力シャフト１８には送給ローラ２６が取り付けられており、溝部２７と加圧ローラ２８との間に溶接ワイヤ１を挟み込んで溶接ワイヤ１を一定の送給力でプル送給装置５に向かって送給駆動する。
以上のように、本発明に於いては電気的な定トルク制御によらず磁気継ぎ手構造を備えたトルクリミッター１４によって一定の送給力を得る構成となっているために、電気モータ１２の速度は、溶接ワイヤ１の最高送給速度に相当するモータ回転速度を上回る速度であれば任意に決めることができ、トルクも必要となる最大送給力を賄えるトルクであれば問題ないため特別な制御装置を設ける必要はなく簡単な定電圧電源のＯＮ−ＯＦＦにより電気モータの起動と停止を制御するだけですむのでエアーモータのように駆動源自体に定トルク特性を持たせた場合と同様に制御系を簡略化することができる。
【００３７】
また、磁気継ぎ手構造を備えたトルクリミッター１４は単純な構造で回転方向や回転速度に依存せず常に一定の伝達トルクを得ることができるうえ、摺動部が無いので信頼性が高く、本発明の目的とする溶接ワイヤ送給装置に好適な構造といえる。
【００３８】
次にプッシュ装置６の最適なワイヤ送給力とその調整方法について説明する。
【００３９】
送給負荷抵抗力は、溶接ワイヤ容器２から溶接ワイヤ１を引き出す為に生じる送給抵抗力やワイヤガイド管３の内面と溶接ワイヤ１の摩擦によって生じる送給抵抗力により変化するため、ワイヤガイド管３の長さや屈曲の度合い、あるいは溶接ワイヤ容器２の種類によって個々に異なる。
【００４０】
本実施の形態に於いて伝達トルクの調整すなわちプッシュ装置６のワイヤ送給力の調整は、入力側ケース１５と出力側ケース２３の回転方向の相対位置すなわち位相を調整する事により、ネジ部１７および２２によって軸方向の位置関係が変化し、ヒステリシス材２３と対向する多極永久磁石板２５の間の磁界空隙が変化することによって行われる。
発明者らの実験結果によれば、ワイヤ送給経路全体の静的な状態に於ける送給負荷抵抗力をＦｗ、溶接ワイヤ１の座屈限界をＦｂとした場合、プッシュ装置の送給力Ｆｐを０．８Ｆｗ＜Ｆｐ＜Ｆｂを満足する範囲内に調整すれば良好な結果が得られる事が判明している。
【００４１】
実際の調整作業では、プル送給装置５のワイヤ加圧をフリーにしてプッシュ送給装置６のみでワイヤ送給を行い、徐々に送給力を低下させていって溶接ワイヤ１の送給がほぼ停止する送給力すなわちＦｗ≒Ｆｐとすれば一般的には安定したワイヤ送給が行え、調整も現場で簡単に行うことができる。
【００４２】
なお、上記条件が満足できない場合、例えば溶接ワイヤ１の座屈強度に対して送給負荷抵抗が大きい場合には送給系全体の見直しが必要となる。
【００４３】
次にワイヤ送給の加減速時の状態について、溶接の開始、終了時を例に図１および図２を参照しながら説明する。
【００４４】
溶接の開始時にはプル送給装置５が溶接ワイヤ１の送給を開始し、溶接条件で決まる所定のワイヤ送給速度までワイヤ送給速度を加速していく。
【００４５】
従来のプッシュ送給装置６、すなわち駆動源自体の定トルク特性を利用するエアモータによる方法や電気的制御により定トルクを実現する方法では、最もイナーシャの大きな駆動源自身を溶接ワイヤ１と共に加速する必要があるため、駆動源自身の加速にトルクが消費されてプル送給装置５による溶接ワイヤ１の加速に対してプッシュ送給装置６の加速が遅れ、プッシュ送給装置６がプル送給装置５を補助するどころか逆に負荷となってしまう場合が生じていた。
【００４６】
本発明によれば、溶接の開始時に於いてプッシュ送給装置６の駆動源であるモータ１２はプル送給装置５が送給を開始する前に既に起動されているため、モータ１２のみならずジョイント１６やトルクリミッター１４の入力側ケース１５、出力側ケース２３、ヒステリシス材２３などプッシュ送給装置の回転駆動系の大部分が既に回転を始めている。
【００４７】
よって、溶接ワイヤ１と共に加速していくプッシュ送給装置６の部品は、出力シャフト１８と出力シャフト１８に取り付けられた多極永久磁石板２５や送給ローラ２６のみとなり、これらのイナーシャは従来方法によるモータをはじめとする回転駆動系のイナーシャよりも極端に小さくすることができ、プッシュ送給装置６の応答性を高めて加速時にも安定した送給を実現する事ができる。
【００４８】
また、溶接終了時や特に溶接ト−チ先端チップのワイヤ詰まり又はワイヤ溶着等によって溶接ワイヤ１の送給がトーチの先端側で急停止した場合にも回転駆動系のイナーシャが小さいためにプッシュ送給装置６の送給が急速に停止できるとともに送給力自体が溶接ワイヤ１の座屈強度以下に設定されているので、溶接ワイヤ１をワイヤガイド管３に無理に押し込んで溶接ワイヤ１を座屈さることが無い。
これらのことは、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤ１の送給速度を周期的に変動させる場合も同様であり、本発明によればワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤ１に座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を実現することができる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態では更に高精度のワイヤ送給を実現すると共にワイヤガイド管３の寿命を大幅に延ばすために、溶接ワイヤ１のワイヤ径の３倍の内径を持ったワイヤガイド管３を配している。
以下、ワイヤガイド管３の内径を大きくすることによる効果を図３を用いて説明する。
【００５０】
図３はワイヤガイド管３内の溶接ワイヤ１の挙動を示す模式断面図である。
【００５１】
図３においては、右側がプッシュ送給装置６（図示せず）で左側がプル送給装置５（図示せず）となっており、溶接ワイヤ１は図の右から左へと送給される。
【００５２】
図３（ａ）はワイヤガイド管３内で溶接ワイヤ１の経路長が最も長くなった状態を示し、溶接の開始に際してプル送給装置５が溶接ワイヤ１を送給する前にプッシュ送給装置６が起動され、一定の送給力で溶接ワイヤ１をプル送給装置側に押し出している状態である。
【００５３】
図３（ｂ）はワイヤガイド管３内で溶接ワイヤ１の経路長が最も短くなった状態を示し、例えば従来の方法により加速時にプッシュ送給装置６に大きな遅れが生じ、プッシュ送給装置６の送給量がプル送給装置５の送給量に追いつけなくなった状態である。この様な状態ではプル送給装置５の送給負荷抵抗はワイヤガイド管３内の摩擦抵抗やプッシュ送給装置６自体によって急激に上昇しワイヤ送給が不安定になって良好な溶接結果が得られなくなってしまう。
【００５４】
本発明によれば、溶接ワイヤ１と共に加減速する回転駆動系のイナーシャが従来の方法に比べ非常に小さいため、一般的な使用状況に於いてはプッシュ送給装置６の加減速時の遅れは通常無視できる。しかしながら、厳密にはプッシュ送給装置６の回転駆動系のイナーシャによる遅れは存在し、急激な加減速が必要となる場合には無視できなくなる。
【００５５】
図３（ｃ）はプル送給装置５が溶接ワイヤ１の送給を開始し、実際に溶接が開始された直後の状態を示し、特に急激な加速が行われた場合を示している。
【００５６】
この状態では、プッシュ送給装置６側の加速が遅れてはいるが、溶接ワイヤ１はワイヤガイド管３の中でフリーな状態にあり送給負荷抵抗およびその変化は非常に小さく安定に溶接ワイヤ１の送給が実現できるうえにワイヤガイド管３内面の摩耗を大幅に低減し長寿命かを実現することができる。すなわち、例えプッシュ送給装置６に加速遅れが生じても、図３（ａ）のワイヤ経路長が最長の状態と図３（ｂ）のワイヤ経路長が最短の状態の間にあれば良好なワイヤ送給を実現できることになり、この時の最長経路長と最短経路長の差はプッシュ送給装置６の加速遅れを補うバッファの役割を果たすことになる。
【００５７】
バッファとなるワイヤガイド管内の最長経路長と最短経路長の差は、全体の送給経路長やワイヤガイド管の内径や曲率によって変化するが、発明者らによる実使用現場の状況調査の結果によれば本発明のプッシュ送給装置を備えた溶接ワイヤ送給装置に於いては、概ね溶接ワイヤ径の３倍以上とすれば現実的に必要となる溶接ワイヤ１の加減速度に対して十分にバッファとしての役割を果たすことができる。
【００５８】
なお、回転駆動系のイナーシャが大きく加減速時に大きな遅れが生じてしまう従来の方法でも、ワイヤガイド管３の内径を大きくしてバッファを大きくとれば、加減速時の遅れを補うことができそうであるが、ワイヤガイド管３の内径を大きくしすぎると溶接ワイヤ１の座屈強度が低下し、送給負荷抵抗よりも溶接ワイヤ１の座屈強度が小さくなってしまうため、回転駆動系のイナーシャを非常に小さくできる本発明によるプッシュ送給装置ほどの効果を得ることはできない。
【００５９】
また、本実施の形態の構成では、プッシュ送給装置６を溶接ワイヤ１の交換時に溶接ワイヤ容器２からワイヤガイド管３を経て溶接トーチ４に送り込むための溶接ワイヤ送り込み装置として利用することができ、本来の溶接作業の中断時間が短縮され、作業効率を向上できるばかりでなく、プッシュ送給装置６の送給力Ｆｐが溶接ワイヤ１の座屈強度Ｆｂよりも小さく調整されているため、例えばワイヤガイド管３の内部に段差が生じていた場合や異物によって溶接ワイヤ１が途中で詰まった場合にも溶接ワイヤ１の座屈事故を生じさせずに安全に溶接ワイヤ１を溶接トーチ４に送り込むことができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、溶接の開始、終了時や、鱗状の溶接ビードを形成するために溶接ワイヤの送給速度を周期的に変動させる必要が生じた場合すなわちワイヤ送給の加減速時にも安定的なワイヤ送給を維持し、良好な溶接結果を得ると共に、いかなる場合にも溶接ワイヤに座屈を生じさせない簡便なプッシュ−プル溶接ワイヤ送給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の概要を示した模式図
【図２】本発明の一実施の形態のプッシュ送給装置の内部構造の詳細を示した断面図
【図３】本発明の一実施の形態のワイヤガイド管内の溶接ワイヤ１の挙動を示す模式断面図
【符号の説明】
１：溶接ワイヤ
２：溶接ワイヤ容器
３：ワイヤガイド管
４：トーチ
５：プル送給装置
６：プッシュ送給装置
７：アーク溶接電源
８：ガスボンベ
９：被溶接体
１０：コンタクトチップ
１１：送給制御装置
１２：電気モータ
１３：シャフト
１４：トルクリミッター
１５：入力側ケース
１６：ジョイント
１７：雌ネジ
１８：出力シャフト
１９：ベアリング
２０：止めネジ
２１：出力側ケース
２２雄ネジ
２３：ヒステリシス材
２４：ベアリング
２５：多極永久磁石板
２６：送給ローラ
２７：溝部
２８：加圧ローラ
２９：ベアリング
Claims (6)
- 溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、前記溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、前記トルクリミッターとして伝達トルクを可変設定できるものを用いた溶接ワイヤ送給装置。
- トルクリミッターの伝達トルクの調整として、ワイヤ送給経路全体の静的な状態に於ける送給負荷抵抗力をＦｗ、ワイヤの座屈限界をＦｂとした場合、送給装置の送給力Ｆｐが０．８Ｆｗ＜Ｆｐ＜Ｆｂを満足するようにトルクリミッターの伝達トルクを調整したことを特徴とする請求項１に記載の溶接ワイヤ送給装置。
- 溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、少なくとも一つのワイヤ送給装置の駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系にトルクリミッターを設け、駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置の駆動源を、他のワイヤ送給装置がワイヤ送給を開始する前に起動する溶接ワイヤ送給装置。
- 溶接ト−チに溶接ワイヤを送給する溶接ワイヤ送給装置であって、溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに至るワイヤ送給経路の途中に複数のワイヤ送給装置を設け、複数のワイヤ送給装置のうち、駆動源で発生した駆動力を溶接ワイヤに伝達する駆動伝達系の一部にトルクリミッターを設けたワイヤ送給装置を、溶接ワイヤの収納容器に近い方に設け、ワイヤの交換時に溶接ワイヤの収納容器から溶接トーチに送り込むための溶接ワイヤ送り込み装置として用いる溶接ワイヤ送給装置。
- トルクリミッターが、多極磁石板とヒステリシス板の相対的回転運動により発生するヒステリシス損を利用して一定トルクを伝達する磁気継手で構成した請求項１から４のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置。
- 複数のワイヤ送給装置間に配した溶接ワイヤを通すワイヤガイド管の内径が溶接ワイヤ径の３倍以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の溶接ワイヤ送給装置。
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