ロボット溶接の工程と導入効果

ロボット溶接のメリットは、異なるアークにあるわけではありません。同じビードを同じパラメータで繰り返し、1時間あたりのアーク開放時間を大幅に延長することにあります。この特性こそが設計上の要件を決定づけます。ロボットが軌跡を繰り返すため、継ぎ手は常に同一の位置に配置される必要があります。

本ガイドでは、ロボットが実行するプロセス、生産性向上の要因、ワークピースに必要な仕様、そして投資対効果が見込めるケースの見分け方を解説します。「ロボット溶接」と「ロボティクスによる溶接」は同一のテーマです。

ロボット溶接とは

6軸産業用ロボットがトーチまたはスポット溶接ピンチを、プログラムされた軌跡に沿って、一定な送給速度、角度および電気的パラメータで制御して行う溶接です。ロボットは溶接電源、ポジショナー、ワークピース固定治具と統合され、保護区域内で稼働します。

完全なシステムはロボット溶接セルと呼ばれ、これは別の記事で詳述しています。ここではプロセスと自動化導入の意思決定に焦点を当てます。

ロボットが実行するプロセス

ISO 4063では各溶接プロセスに参照番号が付与されています。ロボット化セルで使用される主なプロセスは以下の通りです。

プロセス	ISO 4063番号	ロボットでの典型的用途
ソリッドワイヤMAG	135	炭素鋼・低合金鋼：構造体、作業機械部品、自動車部品
ソリッドワイヤMIG	131	アルミニウムおよびその他の非鉄金属合金
フラックスコアワイヤMAG	136	堆積率や特定の機械的特性が要求される継ぎ手
TIG	141	仕上げ品質が要求される薄板およびステンレス鋼
抵抗スポット溶接	21	ロボットのリスト部に取付けられたピンチを用いた重ね合わせ板金

MIGおよびMAGは、ワイヤが連続的に供給され堆積率が良好であるため、自動化に適しています。スポット溶接ではピンチをリスト部に取り付ける必要があり、一般的に高可搬重量のロボットが求められます。一方、アーク溶接ではツール自体は軽量であり、重要なのは繰返し精度と到達範囲です。

QJARのラインナップには、アーク溶接専用モデルが3機種あり、リーチは1,410.5 mmから2,014 mm、繰返し位置決め精度は±0.03 mmから±0.08 mmです。これらの比較についてはロボット溶接セルの記事で、各数値の詳細な解釈については産業用ロボットガイドをご覧ください。

利益の源泉

アーク開放時間

溶接生産性を最も説明する指標は、シフト内で実際にアークが開放されている時間の割合です。手動溶接では、この数値は低くなります。The Fabricator誌の報道によると、自動化溶接システムメーカーの溶接エンジニアは、アーク開放時間は通常、全体の5%から20%であり、一般的な工場では10%から15%であると述べています。残りの時間は、ワークピースの位置合わせ、姿勢変更、清掃、測定、休憩に費やされます。

完全自動溶接では、Canadian Metalworkingがアーク開放時間を80%から90%の範囲と引用しています。ワークピースの手動投入を行うセルは、交換時間に依存するため、この上限を下回りますが、その差のオーダーはこの通りです。2ステーション構成のレイアウトは、オペレーターが一方のワークピースを投入している間に、ロボットがもう一方を溶接できるようにするために存在します。

一定パラメータ

送り速度、トーチ先端とワークピース間の距離、トーチ角度、電流は、シフトの開始から終了まで変化しません。その結果、最初のワークピースと最後のワークピースで同じビード形状が得られ、過剰溶接、スパッタ、手直し作業が削減されます。

予測可能性

軌跡とパラメータが固定されているため、サイクルタイムは計画データとなります。工場ではセルが1シフトあたり何個のワークピースを納品できるかを把握できるようになり、これは手動溶接では同じ精度で達成することがめったにありません。

ワークピースに必要な要件

ロボットは、同社の溶接ラインモデルにおいて0.03 mm～0.08 mmのばらつき（±0.03 mm a ±0.08 mm）で軌跡を繰り返します。継ぎ手が2 mm位置ずれしている場合、誤っているのはロボットではなくワークピースです。そのため、プロジェクトの評価は溶接工程の前に始まります。

上流工程での再現性。 切断、曲げ、仮付けは、常に同じ位置で同じ開先幅を持つ継ぎ手を提供する必要があります。
アクセス性。 トーチは正しい角度で各ビードに到達できなければなりません。製品へのわずかな変更により、全ビードへのアクセスが可能になる場合があります。
治具固定。 治具はワークピースの位置を決定します。製造公差を既知の位置に変換するのは治具です。
ワークピースファミリー。 類似したワークピースは治具、プログラム、ポジショナーを共有し、投資額を希薄化させます。

継ぎ手の検出や偏差追従のためのセンシング機能があります。これらの機能はロボティクス適用可能な範囲を広げますが、適切に準備されたワークピースを代替するものではありません。どの機能を導入するかは、ケースバイケースの設計判断です。

品質と資格

ロボットの導入は、溶接の品質管理システムを免除するものではありません。手順書は引き続き仕様化および資格認定が必要であり、ビードは引き続き検査されます。変わる点は、誰が資格認定を受ける必要があるか、そしてその方法です。

ISO 14732 は、機械化および自動化溶接における溶接オペレーターおよびセットアップ作業者の資格認定を規定しています。
ISO 3834 は、工場内および現場での溶融溶接に対する品質要件を定義しています。
ISO 6947 は、溶接位置を標準化しています。ポジショナーを使用することで、セルは継手を平面位置（PA）に持ち込みます。これは堆積にとって最も有利な位置です。

適切に運用されたセルは、記録も生成できます。部品ごとのパラメータ、アラーム、生産カウントがトレーサビリティのために利用可能になります。

健康と安全

2017年、国際がん研究機関（IARC）は、溶接ヒュームをヒトに対して発がん性のある物質としてグループ1に分類しました。この評価は同機関のモノグラフ第118巻に記載されています。ロボット化されたセルは、作業者をヒュームのプルームやアーク放射線から遠ざけますが、溶接点での捕集および排気の必要性を排除するものではありません。

また、このセルはNR-12の対象となる機械でもあります：ガード、インターロック、非常停止、およびドキュメンテーションが必要です。これらの要件については、ロボット化セルにおけるNR-12に関する記事をご覧ください。

導入が有利になるケース

導入を後押しする指標	事前に準備すべき事項
反復生産される部品、または類似部品のファミリー	ロットごとにばらつく切断・曲げ公差
1部品あたりの溶接長が長い	トーチへのアクセスがない継手
2シフトまたは3シフトでの生産	継手の位置を確実に保持できない治具
溶接作業者の採用と定着が困難	デザイン変更が頻繁に行われている製品
溶接作業者間のばらつきによる手直し作業	チーム内に溶接パラメータに精通した人材がいない

右側の列は、プロジェクトを断念するための理由ではありません。これはプロジェクトのスコープに含めるべき課題のリストです。多くの実現可能なセルは、切断工程の調整や新規治具の開発から始まります。

財務上の計算は、どのロボットセルでも同じロジックに従います。総投資額対年間純利益であり、その中で稼働シフト数は最も影響の大きい変数の一つです。この方法は産業用ロボットの費用に記載されています。

開始方法

厳密な評価は、ロボットのカタログではなく、部品のデータに基づいて行われます。

部品および継手の図面または3Dモデル;
材質と板厚;
1部品あたりの総溶接長;
年間生産量とロットサイズ;
現在の溶接時間と稼働シフト数;
溶接ビードの規格または受入基準。

これらの情報があれば、ロボットインテグレーターは、単純なステーションで対応可能か、ポジショナーが必要か、レール（トラバース）が必要かを判断し、適切なロボットを選定できます。

よくある質問

ロボット溶接とは何ですか？

産業用ロボットがプログラムされた軌跡に沿ってトーチやピンセットを一定の速度とパラメータで制御する溶接です。溶接電源、ポジショナー、治具は保護されたセル内でロボットと同期して動作します。

ロボットはどのような溶接プロセスを実行できますか？

ロボットは炭素鋼、ステンレス、アルミニウムに対して、ISO 4063のプロセス番号131および135に該当するMIGやMAGなどの連続ワイヤアーク溶接を実行します。また、TIG（141）、抵抗スポット溶接（21）、レーザー溶接（52）もそれぞれ専用のツールと電源を用いて実行可能です。

ロボット溶接は溶接工を代替しますか？

役割が変わります。セルにはパラメータ設定、ビード評価、軌跡修正のために溶接知識を持つ人材が必要です。ISO 14732はまさに機械化および自動溶接のオペレーターと調整者の資格認定に関する規格です。

ロボット溶接セルの導入は、どの程度の生産数量であれば採算が合いますか？

明確な基準値はありません。部材ごとの溶接長、稼働シフト数、部品の種類数、そして段取り替え時間が考慮すべき要素です。類似した部品ファミリーであれば、中ロット生産であっても治具やプログラムを共有できるため、プロジェクトの実現可能性が高まる傾向があります。

ロボットで溶接するためには、ワークピース（加工対象物）に変更を加える必要がありますか？

多くの場合、細部にわたって変更が必要になります。ロボットは軌道を反復するだけであり、位置ずれした継ぎ目を自動的に補正することはありません。切断および曲げ工程では、公差内の精度でワークピースを提供する必要があり、トーチへのアクセス性を確保するために設計上の調整が必要となる場合があります。

BR Robotics へのご相談

BR Robotics は、ブラジル国内で QJAR の溶接ロボットを統合しています。同じメーカー製の溶接電源、ポジショナーおよびレールも含まれます。ワークピースと生産量をお送りください。推奨モデルとセルレイアウトをご回答いたします。BR Robotics へお問い合わせまたはロボットおよび周辺機器ラインアップをご覧ください。