JP6818069B2 - 溶接面および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種の溶接作業に用いられる溶接面および当該溶接面を用いた溶接方法に関する。

アルミニウム、ステンレス鋼、その他の各種金属の溶接に際して、作業者は、溶融状態等を目視で確認しながら作業を行う。溶接作業の対象である溶接部は、目に有害な紫外放射、赤外放射および強烈な可視光等の有害光線を発する。そこで、溶接作業においては、作業者の目を保護するとともに、アークやスパッタなどによる外傷の危険から作業者の顔面を保護する溶接用保護面（以下、溶接面と呼ぶ）が用いられている。

現状の溶接作業においては、十分な金属の溶融や熱入りの具合を確認することが困難である。したがって、溶接作業は作業者の感覚に依存するところが多く、作業者の熟練度によって仕上がりの質が変わる。

従来、溶接における温度管理を目的とした技術も提案されている。例えば特許文献１には、複数パスにわたる溶接において、パス間温度を管理するための溶接作業用温度計が開示されている。この温度計は、ケースと、当該ケースを溶接部の周辺に着脱するための永久磁石と、溶接部からの赤外線を検知するセンサと、当該センサの出力に基づき算出される温度を表示する表示器と、温度がプリセット温度を下回ったことを知らせるブザーとを備えている。

特開２００１−２０８６１２号公報

上述の溶接作業用温度計は、溶接部の周辺に配置されるものであり、溶接面を装着した作業者から視認しにくい可能性がある。すなわち、溶接面の窓部は所定の遮光性を有したフィルタプレートにて覆われているため、表示器の輝度を十分に高く設定しなければ作業者はフィルタプレートを通じて表示内容を視認できない。また、溶接部は徐々に移動するため、溶接作業用温度計による測定範囲と溶接部とがずれる可能性があるし、溶接部と表示器の距離が大きくなると作業者は双方を確認するために視界を頻繁に動かす必要がある。

これらの他にも、従来の溶接作業には種々の課題が存在する。そこで、本発明は、溶接作業を支援することが可能な溶接面および当該溶接面を用いた溶接方法を提供することを目的の一つとする。

一実施形態に係る溶接面は、溶接作業者の顔面を覆うための面体と、前記面体に設けられ、開口を有する窓部と、前記開口の少なくとも一部を覆い、溶接時に発生する有害光線を遮蔽するフィルタプレートと、溶接部の温度を検知するセンサと、前記窓部に設けられた画面を有し、前記センサの検知結果に基づく温度情報を前記画面に表示する表示装置と、を備えている。また、一実施形態に係る溶接方法は、当該溶接面を用いて、前記画面に表示される温度情報を確認しながら溶接作業を行うことを含む。

前記画面は、前記面体を装着した溶接作業者から見たときに、前記フィルタプレートと重畳しないように配置されてもよい。

前記開口は、前記フィルタプレートを通じて外部を視認可能な視野領域を含んでもよい。この場合において、前記画面と前記視野領域は、互いに隣接してもよい。一例として、前記画面と前記視野領域は、当該溶接面を装着する作業者から見て上下に並んでもよい。また、前記画面は、少なくとも２辺が前記視野領域と接する多角形状であってもよい。

前記センサは、前記溶接部の温度分布を検知可能であってもよい。この場合において、前記画面に表示される前記温度情報は、前記視野領域に対応する温度分布を含んでもよい。

前記窓部は、前記開口を有するとともに、前記フィルタプレートおよび前記表示装置を保持するフレームと、前記面体に設けられた面体開口と、前記面体開口を開閉可能となるように前記フレームを保持する保持機構と、を備えてもよい。

本発明によれば、溶接作業を支援することが可能な溶接面および当該溶接面を用いた溶接方法を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る溶接面の概略的な斜視図であり、窓部のフレームが下げられた状態を示す。 図２は、一実施形態に係る溶接面の概略的な斜視図であり、窓部のフレームが上げられた状態を示す。 図３は、一実施形態に係る溶接面の概略的な断面図である。 図４は、一実施形態に係る溶接面を装着して溶接作業を行う作業者の視界の一例を概略的に示す図である。 図５は、画面および視野領域の他の例を示す図である。 図６は、画面および視野領域のさらに他の例を示す図である。

本発明の一実施形態につき、図面を参照しながら説明する。
図１および図２は、本実施形態に係る溶接面１００の概略的な斜視図である。溶接面１００は、面体１と、ヘッドギア２と、窓部３と、フィルタプレート４と、カバープレート５と、センサ６と、表示装置７とを備えている。フィルタプレート４およびカバープレート５は、互いに重ねられており、カバープレート５が外側（図１に示す側）に位置している。

面体１は、例えば難燃性の材料で形成されており、作業者の顔面を覆うことが可能な大きさを有している。ヘッドギア２は、溶接面１００を作業者の頭部に装着する。ヘッドギア２により溶接面１００が作業者の頭部に装着された状態においては、面体１が作業者の顔面に触れないことが好ましい。

窓部３は、面体１において、溶接面１００を装着した作業者の目に対応する位置に設けられている。窓部３は、面体１に設けられた面体開口１ａ（図２参照）と、面体１の外面に取り付けられたベース１０と、フィルタプレート４およびカバープレート５を保持するフレーム２０と、フレーム２０を保持する保持機構３０とを備えている。例えば、ベース１０、フレーム２０および保持機構３０は、金属材料で形成され、かつ表面が絶縁材で被覆されている。

図２に示すように、ベース１０は、フランジ１１と、フランジ１１から突出する突出部１２とを有している。突出部１２は、面体１の開口１ａと重なるベース開口１２ａを有している。

フレーム２０は、フレーム開口２０ａを有するとともに、フィルタプレート４およびカバープレート５の周縁部を保持している。図１に示すように、フィルタプレート４およびカバープレート５は、フレーム開口２０ａの全体を覆っている。フィルタプレート４およびカバープレート５は、フレーム２０に対して着脱可能であることが好ましい。これにより、フィルタプレート４およびカバープレート５の交換が容易となる。

保持機構３０は、１つまたは複数のヒンジ３１と、弾性体３２とを備えている。ヒンジ３１は、フレーム２０がベース１０に対して回動可能となるように、フレーム２０の上縁部とベース１０とを連結している。弾性体３２は、例えばコイルスプリングであり、一端がフレーム２０の側縁部に接続され、他端がベース１０に接続されている。

このような構成の保持機構３０によれば、フレーム２０により面体開口１ａおよびベース開口１２ａを開閉可能となる。図１のようにフレーム２０を下した状態においては、弾性体３２によりフレーム２０がベース１０に向けて付勢される。また、図２のようにフレーム２０を上げた状態においては、弾性体３２によりフレーム２０の姿勢が当該上げた状態に維持される。

フィルタプレート４は、目に有害な紫外放射、赤外放射および強烈な可視光等の有害光線を遮蔽する。なお、ここでの「遮蔽」は、有害光線を完全に遮る場合だけでなく、目に害が及ばない程度に弱める場合を含む。カバープレート５は、溶接時に発生するスパッタやヒューム等のフィルタプレート４への付着や、フィルタプレート４の損傷を防ぐ役割を担う透明な部材である。

図１および図２の例において、フレーム２０は、センサ６および表示装置７をさらに保持している。センサ６は、フレーム２０の上縁部近傍に設けられた小孔２１を通じて、溶接面１００に対向する検知領域の温度を検知する。小孔２１は、フレーム開口２０ａの水平方向中心Ｃの上方に配置されている。本実施形態においては、センサ６として、赤外線により検知領域の温度分布を検知するサーモグラフィーを用いる場合を想定する。

図２に示すように、表示装置７は、画像が表示される画面７０を有している。画面７０は、フレーム２０を下した状態において作業者の目に対向する。図１および図２の例において、画面７０は、フレーム開口２０ａの上方を覆っている。フレーム開口２０ａにおいて画面７０により覆われていない領域は、作業者がフィルタプレート４を通じて外部を視認可能な視野領域Ａに相当する。視界を広く確保する観点から、画面７０がフレーム開口２０ａを覆う面積は、視野領域Ａよりも小さいことが好ましい。

表示装置７としては、バックライトを有した液晶表示パネルや、有機エレクトロルミネッセンス表示パネルなどのフラットパネル型の表示装置を利用できるが、この例に限定されない。表示装置７は、遮光性を有してもよいし、透光性を有してもよい。表示装置７が透光性を有する場合、すなわち画面７０を通じて背景が視認可能である場合、作業者の視野をより広げることができる。

溶接面１００は、センサ６および表示装置７に電源を供給するバッテリ８と、センサ６および表示装置７を制御する制御装置９とをさらに備えてもよい。これらバッテリ８および制御装置９は、例えば面体１の内面側に配置されてもよいし、外面側に配置されてもよい。他の例として、センサ６および表示装置７は、ケーブルを介して外部の電源および制御装置と接続されてもよい。

図３は、水平方向中心Ｃに沿う溶接面１００の概略的な断面図である。この図に示すようにフレーム２０を下した状態においては、面体開口１ａ，ベース開口１２ａおよびフレーム開口２０ａが重なる。

センサ６は、例えばフレーム２０の内面に固定されている。表示装置７は、図３には示されていない位置、例えば水平方向の両端において、フレーム２０に固定されている。表示装置７は、フィルタプレート４よりも、溶接面１００を装着した作業者Ｗ側に位置している。表示装置７においては、画面７０の反対側の裏面の少なくとも一部がフィルタプレート４およびカバープレート５によって覆われている。これにより、表示装置７がアーク、スパッタあるいはヒューム等から保護される。他の例として、フィルタプレート４およびカバープレート５の少なくとも一方は、表示装置７と重ならない領域にのみ設けられてもよい。

本実施形態においては、窓部３のベース１０が突出部１２を備えるため、作業者Ｗの目と画面７０との間に十分な距離を確保できる。これにより、作業者Ｗの目の焦点が画面７０に合いやすくなる。さらに、視野領域Ａを通じて視認される外部の様子と画面７０とが同時に作業者Ｗの視野に入りやすくなる。

図４は、溶接面１００を装着して溶接作業を行う作業者の視界の一例を概略的に示す図である。ここでは、溶接作業の一例として、溶接トーチＴと溶接棒Ｒを作業者が手で持って行うＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を想定する。ただし、溶接面１００は、被覆アーク溶接、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接、ＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接、あるいは炭酸ガスアーク溶接等の他種の溶接作業にも利用できる。また、溶接面１００は、半自動溶接やセルフシールド溶接に利用されてもよい。

フレーム２０を下した状態において、作業者は、視野領域Ａを通じて溶融池Ｐを含む溶接部を見ることができる。なお、視野領域Ａはフィルタプレート４により覆われているため、溶融池Ｐ近傍の有害光線は遮蔽されている。

さらに、溶接作業においては、センサ６が視野領域Ａに対応する部分の温度分布を検知する。検知された温度分布は、画面７０に表示される。この温度分布は、例えば赤が高温で青が低温を示すグラデーションにより表される。図４の例においては、高温である溶融池Ｐ近傍に対応する高温分布Ｄが画面７０に表示されている。

例えば、画面７０に表示される温度分布は、視野領域Ａを通じて視認される領域に対応している。すなわち、画面７０に表示される温度分布の垂直方向（図４における上下方向）における座標が視野領域Ａの鉛直方向における位置に対応し、温度分布の水平方向（図４における左右方向）における座標が視野領域Ａの水平方向における位置に対応する。この場合、溶融池Ｐの直上に高温分布Ｄが表示される。

作業者は、画面７０に表示された温度分布を確認することで、金属の溶融や熱入りの具合などを容易に把握できる。したがって、熟練度の低い作業者であっても、精度よく作業を進行し、溶接の仕上がりの質を高めることができる。

仮にフィルタプレート４を通じて画面７０を見る場合、画像の輝度が低下して温度分布の確認が困難となる可能性がある。これに対し、本実施形態においては画面７０が作業者から見てフィルタプレート４と重畳しないため、作業者は高品位の画像を視認することが可能である。

画面７０は視野領域Ａに隣接しているため、作業者は目線を大きく動かすことなく画面７０に表示される温度分布と実際の作業状況とを確認することができる。上述のように画面７０に表示される温度分布が視野領域Ａを通じて視認される部分に対応していれば、温度分布と作業領域近傍との対応関係の把握も容易である。

さらに、本実施形態においては溶接面１００がセンサ６を備えるため、センサ６による検知領域と視野領域Ａとの関係が固定的となる。したがって、溶接面１００を装着した作業者が頭を動かすと顔面に正対する方向にセンサ６の検知領域も移動するため、特段の操作を要することなく視野領域Ａの温度分布を画面７０に表示させることが可能である。

また、表示装置７は窓部３のフレーム２０に設けられているので、フレーム２０を図２に示すように上げた場合には作業者の視界が表示装置７で遮られない。そのため、作業者は、フレーム２０を上げて溶接の準備等を行うときには広範囲を視認することができる。

このように、本実施形態によれば、溶接作業を好適に支援することが可能な溶接面１００を実現できる。さらに、この溶接面１００を用いることで、効率的かつ高精度な溶接方法を実現できる。溶接面１００を用いた溶接は、例えば航空宇宙、自動車、鉄道、船舶、あるいは建築などの種々の分野における手動または半手動の溶接作業に適用し得る。

以上の実施形態は、本発明の範囲を各実施形態にて開示した構成に限定するものではない。本発明は、上記実施形態に開示した構成を種々の態様に変形して実施することができる。

画面７０と視野領域Ａとの関係は、図４に例示したものに限られない。例えば図５に示すように、画面７０が視野領域Ａの下方に位置してもよい。その他にも、画面７０が視野領域Ａの左方または右方に位置してもよい。

また、図６に示すように、矩形状の画面７０の３辺が視野領域Ａと接してもよい。この場合においては、画面７０の左右に視野領域Ａの拡張部分ＥＸが形成される。したがって、作業者は、フィルタプレート４を通じてより広い範囲を視認することができる。なお、図５の例の他にも、画面７０が矩形以外の多角形状に形成され、そのうちの２辺以上が視野領域Ａと接してもよい。

溶接面１００は、ヘッドギア２に代えて、面体１から例えば下方に延出するグリップを有するものであってもよい。この場合、作業者は、グリップを手で持って溶接面１００を顔面の前方に配置することができる。また、溶接面１００は、作業者が頭部に被るヘルメット状であってもよい。窓部３の構造は、溶接面１００の形状等に応じて種々の態様に変形できる。

センサ６は、溶接面１００とは別途に配置されてもよい。この場合においては、センサ６と溶接面１００とを有線または無線にて通信接続すれば、センサ６にて検知した温度情報を溶接面１００の画面７０に表示させることが可能である。

表示装置７は、フィルタプレート４の外側に配置されてもよい。この場合においても、例えば表示装置７の輝度を十分に高めれば作業者から画面７０の画像を視認することが可能である。

画面７０に表示される温度情報は、温度分布に限られない。例えば、温度情報は、センサ６によって検知される特定位置の温度、特定領域の温度の平均値、あるいは特定領域の温度の最大値などを表す数値であってもよい。また、温度情報は、溶接対象の金属に応じた目標温度や、この目標温度とセンサ６により検知される温度との差分などを含んでもよい。

１００…溶接面、１…面体、２…ヘッドギア、３…窓部、４…フィルタプレート、５…カバープレート、６…センサ、７…表示装置、８…バッテリ、９…制御装置、１０…ベース、２０…フレーム、３０…保持機構、７０…画面、Ａ…視野領域。

Claims (8)

1. 溶接作業者の顔面を覆うための面体と、
   前記面体に設けられ、フレーム開口を有する窓部と、
   前記フレーム開口の少なくとも一部を覆い、溶接時に発生する有害光線を遮蔽するフィルタプレートと、
   溶接部の温度を検知するセンサと、
   前記窓部に設けられた画面を有し、前記センサの検知結果に基づく温度分布を前記画面に表示する表示装置と、
   を備え、
   前記窓部は、
   前記フレーム開口を有するとともに、前記フィルタプレートおよび前記表示装置を保持するフレームと、
   前記面体に設けられた面体開口と、
   前記面体開口を開閉可能となるように前記フレームを保持する保持機構と、
   を備え、
   前記フレーム開口は、前記フィルタプレートを通じて外部を視認可能な視野領域を含み、
   前記画面と前記視野領域は、互いに隣接しており、
   前記表示装置は、前記視野領域を通じて視認される領域に対応する前記温度分布を前記画面に表示する、溶接面。
2. 前記画面は、前記面体を装着した溶接作業者から見たときに、前記フィルタプレートと重畳しない、
   請求項１に記載の溶接面。
3. 前記画面が前記フレーム開口を覆う面積は、前記視野領域よりも小さい、
   請求項１又は２に記載の溶接面。
4. 前記画面と前記視野領域は、当該溶接面を装着する作業者から見て上下に並んでいる、
   請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の溶接面。
5. 前記画面は、少なくとも２辺が前記視野領域と接する多角形状である、
   請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の溶接面。
6. 前記画面に表示される前記温度分布の垂直方向における座標が前記視野領域の垂直方向における位置に対応し、前記温度分布の水平方向における座標が前記視野領域の水平方向における位置に対応する、
   請求項４に記載の溶接面。
7. 前記フィルタプレートに重ねられたカバープレートをさらに備え、
   前記フィルタプレートは、前記表示装置と前記カバープレートの間に位置している、
   請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の溶接面。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の溶接面を用いて、前記画面に表示される温度分布を確認しながら溶接作業を行う溶接方法。

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