真空中のアーク溶接装置および同溶接方法
【課題】高真空中においても１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で、かつ比較的低電圧を利用して円滑なアーク起動および長いアーク長の溶接を行う溶接アークへの移行を円滑に行うことができるようにする。
【解決手段】アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置２と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極４と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源８とを備え、中空電極４の先端部４ａを一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄としてアークから受ける先端部の熱エネルギ密度を本体部よりも高める。
【解決手段】アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置２と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極４と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源８とを備え、中空電極４の先端部４ａを一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄としてアークから受ける先端部の熱エネルギ密度を本体部よりも高める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は宇宙空間等の真空中でアーク溶接、特にＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接を行うためのアーク溶接装置および同溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に大気中で行っているＧＴＡ溶接では、中実棒状の電極を適用し、この電極の周囲に不活性ガス等の溶接ガスを噴射し、電極の周囲を非酸化性雰囲気としてアークを発生させ、溶接を行っている。ところが、宇宙空間等において大気中の溶接と同様の中実棒状の電極を適用してＧＴＡ溶接を実施しようとすると、高真空度により圧力が低下しているためアーク柱の電位傾度が低下してアークが不安定となり、溶接が困難となる。このため、宇宙空間では構造物を組立てる場合に溶接以外の機械的連結構造等に依存せざるを得ないと考えられていた。
【０００３】
これに対し、近年では真空中におけるアーク溶接のアーク不安定を解決する手段としてアーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源とを使用して、真空中で溶接を行うアーク溶接方法が提案されている（例えば特許文献１、２等参照）。
【０００４】
この方法によると、中空電極の内部に溶接ガスを通して被溶接物に噴出することから、電極周囲の真空雰囲気の影響が減少して真空中でのアーク溶接を行うことが可能となる。
【０００５】
このように、真空中の中空電極により可能となるアーク溶接の場合には、電極と被溶接物との間隔を大気圧中のＧＴＡより遙かに長くしてアーク長を大きくすることが可能であり、これによりアークの強度が強くなって効率的であるため、略１０ｍｍの長いアーク長を使用することが見込まれている。
【０００６】
中空電極を用いてアーク溶接を行う手順には、第１例として、予め中空電極と被溶接物との間隔を本来溶接時の状態である１０ｍｍ前後に保持して起動する方法が知られている。この方法では、溶接アークを発生させる溶接ガスを中空電極の内部を通して先端から流出させ、中空電極と被溶接物との間に数千Ｖの高電圧を印加して放電させ、流れてきた溶接ガス中にアークを発生（スタート）させる。アークが発生した後は、溶接電源から供給されている低電圧の溶接電流に切換え、アークの誘導により溶接ガスをプラズマ化させ、溶接アークに移行させる。この方法によれば、高真空下でも中空電極を通ってきた溶接ガス中にアークを発生させ、溶接アークを維持することができる。
【０００７】
また、溶接手順には第２例として、アーク起動をタッチスタートで行う方法も知られている。この方法は高圧電源を用いない方法であり、中空電極を被溶接物に接触させた状態で溶接電源を起動させ、ある電流を流した状態において電極を引き上げてスパークを発生させ、溶接アークへ移行させる方法である。すなわち、スパークのエネルギーを中空電極の先端から流れてくる溶接ガスへ与えてアークを発生させ、その後溶接アークに移行させて溶接する方法である。
【０００８】
なお、以上の中空電極を使用する技術においては、ガス供給装置がシール部によってシールされており、また中空電極と被溶接物には溶接用の電源として、スタート用の高圧電源と本来溶接用の溶接電源とが並列に設けられ、両電源はスイッチを介して切換可能となっている。
【特許文献１】特開平７−１８５８０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、真空中の中空電極によるアーク溶接方法では大気圧中のＧＴＡより遙かに長い１０ｍｍ前後の長いアーク長が使用されることから、アーク起動のために高圧電源が必要となり、アーク起動が難しくなる。特に高真空になるほど、アーク発生が難くなる。
【００１０】
また、真空中のアークを効率よく利用するには、溶接中の溶接ガス量を例えば、１０〜２０（ｃｃ／分）程度の微量とすることが望ましい。しかし、従来技術ではこのような微量の溶接ガス量でアーク起動用の高電圧をかけても、アークが発生しにくい。１０パスカル程度より高真空側の真空度になると、２０００Ｖ程度の電圧では無理な状態となり、印加電圧をかなり高くしなければならない。印加電圧が高くなれば、溶接装置として高電圧に対する対策が重要となり、装置構成が難しくなる。また、アーク起動を容易にするためにアーク起動時だけ多く溶接ガスを流し、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させ、本来の溶接時のガス流量に戻すなどの余分な作業も必要となる。
【００１１】
さらに、真空度が高くなるほどガス密度は下がるため、タッチスタートの場合にはスパーク時のエネルギーで溶接ガスを励起しようとしても、溶接ガスへのエネルギー伝達効率が悪くなり、溶接アークへの移行が極めて難しくなる。しかし、強いスパークを発生させると、薄板の場合にはスパークによる溶け落ちが生じてしまう。一方、薄板等を溶接する場合の低い溶接電流値では、真空度の上昇とともに、極めて低い確率でしか溶接アークに移行することができなくなる。
【００１２】
なお、このような事情に対処する従来方法として、アーク発生時の溶接ガス流量を２００ｃｃ／分程度に多くし、溶接アークが発生した後に目的とする溶接時の流量である１０〜２０ｃｃ／分程度に減少させる方法がある。しかし、アーク発生時に溶接ガスを多く流してアーク発生を容易にし、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させて本来の溶接時のガス流量に戻すためには、溶接ガス流量調整計に広範囲の調整域が必要となる。
【００１３】
さらに、アークスタートした後、急激に溶接ガス流量の設定を本来の少ない流量に設定すると、過渡的に設定値より少ない流量に脈動する現象が生じる。これを防止するには徐々に流量を下げなければならない。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高真空中においても１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で、かつ比較的低電圧を利用して円滑なアーク起動および長いアーク長の溶接を行う溶接アークへの移行を円滑に行うことができる真空中のアーク溶接装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成され前記ガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、前記溶接ガス中にアークを発生させる電源とを備え、真空中で溶接を行うアーク溶接装置において、前記中空電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成としたことを特徴とする真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１６】
請求項２に係る発明では、前記中空電極のガス通路の径を一定とし、かつ前記中空電極の先端部の外径を段差部を介して本体部の外径よりも小径とした請求項１記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１７】
請求項３に係る発明では、前記中空電極の段差部における軸方向断面形状を角形または円弧状とした請求項２記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１８】
請求項４に係る発明では、前記被溶接物の溶接開始端近傍に配置されて前記中空電極との間でアークを発生させるアーク発生板と、このアーク発生板を温度制御する温度制御装置とを備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１９】
請求項５に係る発明では、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極と前記被溶接物との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法を提供する。
【００２０】
請求項６に係る発明では、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極を前記被溶接物に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートによりアークを発生させ、アーク発生後の前記中空電極と前記被溶接物との間隔を一定時間小さく保持してスタート時の溶接ガス密度を高めた後に、前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アークを発生させるための中空電極先端部の肉厚ひいては体積を小さくすることにより、中空電極と被溶接物とを離間して起動する高電圧起動方法、中空電極を被溶接物へ接触させてアークスタートするタッチスタート方法のいずれの方法においても、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、溶接アークへの移行が容易となり、高真空であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質な溶接を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る真空中のアーク溶接装置および方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
［第１実施形態（図１、図２）］
図１は、本発明の第１実施形態による真空中のアーク溶接装置全体を示す構成図であり、図２（ａ），（ｂ）は、図１に示したアーク溶接装置の中空電極の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態のアーク溶接装置１は、アーク発生用の溶接ガスａを供給するガス供給装置２を備えている。このガス供給装置２は、例えば筐体状に構成されており、図示省略のガス供給源から溶接ガスａの供給を受ける横向き開口のガス導入部２ａと、このガス導入部２ａの孔径よりも内部断面が大きくなったガス受け部２ｂとを有している。ガス受け部２ｂは下方に向って一定長さ突出しており、この突出部分２ｃの下端に中空電極支持孔２ｄが下向きに開口している。このガス供給装置２の中空電極支持孔２ｄには、シール部材３を介して中空電極４が気密を保持して移動可能、例えば昇降可能に連結されている。なお、以下の例では中空電極４をタングステン電極とした場合について説明する。
【００２５】
中空電極４は例えば軸方向（図示上下方向）の両端が開口する円管状のものであり、ガス供給装置２に保持された状態で上下一定範囲の昇降移動ができる長さを有している。そして、中空電極４の軸方向に沿って形成されている内部孔が、溶接ガスを流通させるためのガス通路５となっている。このガス通路５に、ガス供給装置２により供給される溶接ガスａが通され、中空電極４の先端（下端）から溶接ガスａが下向きに噴出する構成となっている。また、中空電極４には電極移動機構、例えば昇降機構６が連結されており、この昇降機構６によって中空電極４の先端が被溶接物７に向って昇降移動できるようになっている。さらに、中空電極４と被溶接物との間には、これらに電圧を印加して放電を起させ、溶接ガスａ中にアークを発生させる電源８がそれぞれ配線９を介して接続されている。
【００２６】
本実施形態では、このような構成において、中空電極４の先端部（下端部）４ａが一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄とされ、体積が小さいことによりアークから受ける先端部４ａの熱エネルギ密度を本体部４ｂよりも高める構成となっている。この中空電極４における先端部４ａの肉薄構成例（第１例）を図２（ａ）に拡大して具体的に示している。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、中空電極４のガス通路５の直径（ｄ１）は長さ方向（上下方向）全体で一定であり、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（ｄ２）は、段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ）よりも小径となっている。この中空電極４の本体部４ｂの外周面と、先端部４ａの外周面との段差部４ｃでは、軸方向断面形状が角形、例えば直角な段差形状とされ、先端部４ａは一定の上下方向長さ（ｌ）を有している。これら先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）は、適用する溶接装置に必要な熱エネルギ密度に応じて設定されている。
【００２８】
図２（ｂ）は、中空電極４における先端部４ａの他の肉薄構成例（第２例）を拡大して具体的に示している。この図２（ｂ）の例では、中空電極４の段差部における軸方向断面形状が円弧状（Ｒ形状）となっている。この中空電極４の場合にも、中空電極４のガス通路５の直径（ｄ１）は長さ方向全体で一定であり、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（ｄ２）は、段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ）よりも小径となっている。
【００２９】
次に、以上の構成に基づき、真空中のアーク溶接を実施する方法について説明する。上述したアーク溶接装置１を使用することにより、本実施形態では、中空電極４と被溶接物７との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させる方法、すなわち高電圧スタート方法を適用することができる。
【００３０】
この方法では、まず、ガス供給装置２により溶接ガスを供給する。溶接ガスは中空電極４のガス通路５を通って先端部４ａから流出する。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、被溶接物７に対して１〜２ｍｍ接近させる。
【００３１】
この状態で、中空電極４と被溶接物７との間にアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被溶接物７から近距離に在るため、発生したアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、電極４の温度が高くなるほど、電極からの電子放出が活発となり、アークになり易い。
【００３２】
また、温度上昇により供給されている溶接ガスａは、高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、溶接アークに移行する。溶接アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被溶接物７との間隔を１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばして溶接アークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接する。
【００３３】
このように、本実施形態の装置を用いて高電圧スタートによる方法を実施することにより、電極４の先端部４ａの体積が小さいために短時間（例えば５秒）で先端部４ａの温度を上昇させることができる。したがって、溶接アークへの移行が容易となり、高真空環境であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく溶接することができ、簡単な装置で良質な溶接が得られる。
【００３４】
このような方法に適用する中空電極４の先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）の各寸法は、溶接ガスの流量を１０〜２０ｃｃとした場合、種々の実験の結果、以下の（例１〜例４）に示す値が好適であることが認められた。
（例１）スタート時の電流（Ｉ）が３０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝２ｍｍ、長さ（ｌ）＝１〜３ｍｍ。
（例２）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝１ｍｍ。
（例３）スタート時の電流（Ｉ）が４０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜６ｍｍ。
（例４）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝４ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜８ｍｍ。
【００３５】
なお、中空電極４のガス通路５の径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけ段部４ｃを介して小径とすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。また、中空電極４のガス通路径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけを段付きとして小径にすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。
【００３６】
次に、本実施形態のアーク溶接装置１を使用することにより、中空電極４を被溶接物７に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートにより、アークを発生させ、アーク発生後の中空電極４と被溶接物７との間隔を一定時間、例えば５秒程度の間、１〜２ｍｍ程度に小さく保持して、スタート時の溶接ガス密度を高めた後に、中空電極４と被溶接物７との間隔を拡大して、溶接アークに移行させることができる。
【００３７】
この方法の場合には、まずガス供給装置２により溶接ガスを供給する。溶接ガスは中空電極４のガス通路５を通って先端部４ａから流出する。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、被溶接物７に接触させる。接触の確認には数種の方法がある。例えば溶接電源８の無負荷電圧を監視して電圧が零ボルトになることで接触を判定する方法がある。また、溶接電源８と並列に１０ボルト程度の小容量電源を付加し、この電圧を監視して零ボルトで接触を判断する等電気的な方法がある。なお、機械的に押さえつける力を監視して判断してもよく、また光学的な方法を適用することもできる。
【００３８】
中空電極４を被溶接物７に接触した後、溶接電源８を出力させた状態で昇降機構６により１〜２ｍｍ中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４と被溶接物７が引き離されるため、これらの中空電極と被溶接物７との間でスパークによるアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被溶接物７から近距離に在るため、発生したスパークのアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、電極４の温度が高くなるほど、電極からの電子放出が活発となり、アークになりやすい。
【００３９】
また、温度上昇により供給されている溶接ガスａは、高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、溶接アークに移行する。溶接アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被溶接物７との間隔を例えば１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばして溶接アークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接することにより良質な品質の溶接部が得られる。
【００４０】
この方法の場合にも、適用する中空電極４の先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）の各寸法は、溶接ガスの流量を１０〜２０ｃｃとした場合、種々の実験の結果、以下の（例５〜例８）に示す値が好適であることが認められた。
（例５）スタート時の電流（Ｉ）が３０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝２ｍｍ、長さ（ｌ）＝１〜３ｍｍ。
（例６）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝１ｍｍ。
（例７）スタート時の電流（Ｉ）が４０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜６ｍｍ。
（例８）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝４ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜８ｍｍ。
【００４１】
本実施形態によれば、中空電極４を被溶接物７に接触させてアークスタートするタッチスタート方法および高電圧起動方法のいずれの方法においても、電極４の先端部４ａの体積が小さいため短時間で先端部４ａの温度が上昇し、溶接アークへの移行が容易となり、高真空環境であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく溶接することができ、簡単な装置で良質な溶接が得られる。
【００４２】
また、中空電極４のガス通路５の径は、溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけ段部４ｃを介して小径とすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。また、中空電極４のガス通路径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけを段付として小径にすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。
【００４３】
［第２実施形態（図３）］
図３は、本発明の第２実施形態による真空中のアーク溶接装置全体を示す構成図である。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、被溶接物７の溶接開始端近傍にアーク発生板１０を配置し、中空電極４との間でアーク発生板１０にアークを発生させる構成とした点にある。また、アーク発生板１０には、これを温度制御するための温度制御装置１１が設けられている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるから、図３に図１と同符号を付して、構成説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、タッチスタート方法を適用する実施形態について説明する。アーク発生板１０は、アークを発生させた後にアーク長および溶接電流等を調整し、安定な溶接条件へ設定するためのものである。このアーク発生板１０は溶接のための走行が停止された状態で調整される。アーク発生板１０でのアーク時間は比較的長くなるので、損傷を防ぐために例えば銅板またはカーボン板等を用いると溶融池が発生し難くなり、溶接条件の調整がし易くなる。
【００４５】
アーク発生板１０は温度制御装置１１でアーク発生前の温度が調整される。被溶接物７はアーク発生板１０の温度の影響を受けずに安定な溶け込みを得るため、１ｍｍ前後距離を離して熱的に絶縁するように設置する。電源８は、中空電極４、アーク発生板１０および被溶接物７に接続される。アーク発生板１０と被溶接物７との極性は同極として結線する。
【００４６】
このように構成された本実施形態において、真空中のアーク溶接を行う場合には、まずガス供給装置２を介して中空電極４に溶接ガスａを供給する。溶接ガスａは中空電極４のガス通路５を通って中空電極４の先端部４ａから放出される。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、中空電極４の先端部４ａをアーク発生板１０に接触させる。この接触の確認には第１実施形態と同様に、数種の方法が適用できる。
【００４７】
中空電極４がアーク発生板１０に接触した後は、溶接電源８の出力電流をスパークさせる電流で出力させた状態において、昇降機構２により中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４とアーク発生板１０が引き離されるため、この間にスパークが発生する。スパーク時のエネルギーにより、中空電極４の先端部４ａが加熱され、また流れてくる溶接ガスａが加熱励起され、溶接アークへ移行するが、中空電極４の対極であるアーク発生板１０の温度が低い場合には、中空電極４から放出された電子を受けるアーク発生板１０のエネルギーレベルが低く、この間でのアーク維持が難しくなる。すなわち、瞬間的なスパーク時のエネルギーだけでは密度の低い溶接ガスａへエネルギーを十分に伝えることができず、アーク維持が困難となり消滅する。
【００４８】
これに対し、本実施形態では、アーク発生板１０の温度を温度制御装置１１により、例えば２０〜１５０℃に高く保持する。これにより、アーク発生板１０のエネルギーレベルが上昇し、瞬間的なスパーク時の小エネルギーでもアークが維持され、溶接アークへ移行することができる。溶接アークへ移行した後は、被溶接物７を図示省略の移動機構によって移動させ、溶接を行うことができる。
【００４９】
また、中空電極４がアーク発生板１０に接触している間に、アーク発生板１０の温度が伝導して中空電極４の先端部４ａが加熱され、さらに中空電極４の先端部４ａに留まっている溶接ガスａの温度も上昇することにより、スパーク時の電子放出がし易くなり、アーク発生が容易となる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の真空中のアーク溶接装置および方法においては、アーク発生板１０の温度を制御することにより中空電極４から放出される電子を受け止めるアーク発生板１０の温度上昇によるエネルギーレベル上昇により、アーク起動時の弱い瞬間的なスパークエネルギーから溶接アークへの移行が容易となる効果がある。また、アーク発生板１０に接触している間に中空電極４先端部４ａおよび中空電極４の先端部４ａに留まっている溶接ガスａの温度も上昇し、電子放出し易くなり、アークの発生を容易にすることによって高真空であっても、アーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく微量の溶接ガスａで溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接が得られる。
【００５１】
また、タッチスタート時の電極接触確認後の接触を保持する時間を設けることにより、アーク発生時の溶接ガス密度を高めることができ、アーク起動時の弱い瞬間的なスパークエネルギーを溶接ガスａへ伝達する効率が上がり、溶接アークへの移行が容易となる効果がある。
【００５２】
さらにまた、溶接ガスａの供給量は途中で調整する必要がなく、一定量で供給されるので、従来のような流量調整計の広範囲の調整域は不要であり、また途中の流量調整も不要になり、流量の脈動も除去することができる。
【００５３】
なお、本実施形態ではタッチスタート方法について説明したが、第１実施形態と同様に、温度制御装置１１の温度を適正に設定することにより、非タッチのスタート方法を適用することも可能である。
【００５４】
本実施形態によれば、各種方法を組合わせることにより、アーク発生時の溶接ガス密度が高まるとともに中空電極４の先端部４ａおよび中空電極４内の溶接ガスａの温度上昇により、アーク発生時のエネルギーレベル上昇が顕著となり、微弱なスパークエネルギーの溶接ガスａへの伝達効率を高めることができる。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、高真空下であってもアーク起動時の溶接ガス流量を溶接時と変えることなく、微量の溶接ガス流量でも溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態による真空中のアーク溶接装置の構成を示す全体図。
【図２】（ａ）、（ｂ）は図１に示した中空電極の第１、第２構成例をそれぞれ示す部分拡大図。
【図３】本発明の第２実施形態による真空中のアーク溶接装置の構成を示す全体図。
【符号の説明】
【００５７】
１ アーク溶接装置
２ ガス供給装置
２ａ ガス導入部
２ｂ ガス受け部
２ｃ 突出部分
２ｄ 中空電極支持孔
３ シール部材
４ 中空電極
４ａ 先端部（下端部）
４ｂ 本体部
４ｃ 段差部
５ ガス通路
６ 昇降機構
７ 被溶接物
８ 電源
９ 配線
１０ アーク発生板
１１ 温度制御装置
ａ 溶接ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は宇宙空間等の真空中でアーク溶接、特にＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接を行うためのアーク溶接装置および同溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に大気中で行っているＧＴＡ溶接では、中実棒状の電極を適用し、この電極の周囲に不活性ガス等の溶接ガスを噴射し、電極の周囲を非酸化性雰囲気としてアークを発生させ、溶接を行っている。ところが、宇宙空間等において大気中の溶接と同様の中実棒状の電極を適用してＧＴＡ溶接を実施しようとすると、高真空度により圧力が低下しているためアーク柱の電位傾度が低下してアークが不安定となり、溶接が困難となる。このため、宇宙空間では構造物を組立てる場合に溶接以外の機械的連結構造等に依存せざるを得ないと考えられていた。
【０００３】
これに対し、近年では真空中におけるアーク溶接のアーク不安定を解決する手段としてアーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源とを使用して、真空中で溶接を行うアーク溶接方法が提案されている（例えば特許文献１、２等参照）。
【０００４】
この方法によると、中空電極の内部に溶接ガスを通して被溶接物に噴出することから、電極周囲の真空雰囲気の影響が減少して真空中でのアーク溶接を行うことが可能となる。
【０００５】
このように、真空中の中空電極により可能となるアーク溶接の場合には、電極と被溶接物との間隔を大気圧中のＧＴＡより遙かに長くしてアーク長を大きくすることが可能であり、これによりアークの強度が強くなって効率的であるため、略１０ｍｍの長いアーク長を使用することが見込まれている。
【０００６】
中空電極を用いてアーク溶接を行う手順には、第１例として、予め中空電極と被溶接物との間隔を本来溶接時の状態である１０ｍｍ前後に保持して起動する方法が知られている。この方法では、溶接アークを発生させる溶接ガスを中空電極の内部を通して先端から流出させ、中空電極と被溶接物との間に数千Ｖの高電圧を印加して放電させ、流れてきた溶接ガス中にアークを発生（スタート）させる。アークが発生した後は、溶接電源から供給されている低電圧の溶接電流に切換え、アークの誘導により溶接ガスをプラズマ化させ、溶接アークに移行させる。この方法によれば、高真空下でも中空電極を通ってきた溶接ガス中にアークを発生させ、溶接アークを維持することができる。
【０００７】
また、溶接手順には第２例として、アーク起動をタッチスタートで行う方法も知られている。この方法は高圧電源を用いない方法であり、中空電極を被溶接物に接触させた状態で溶接電源を起動させ、ある電流を流した状態において電極を引き上げてスパークを発生させ、溶接アークへ移行させる方法である。すなわち、スパークのエネルギーを中空電極の先端から流れてくる溶接ガスへ与えてアークを発生させ、その後溶接アークに移行させて溶接する方法である。
【０００８】
なお、以上の中空電極を使用する技術においては、ガス供給装置がシール部によってシールされており、また中空電極と被溶接物には溶接用の電源として、スタート用の高圧電源と本来溶接用の溶接電源とが並列に設けられ、両電源はスイッチを介して切換可能となっている。
【特許文献１】特開平７−１８５８０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、真空中の中空電極によるアーク溶接方法では大気圧中のＧＴＡより遙かに長い１０ｍｍ前後の長いアーク長が使用されることから、アーク起動のために高圧電源が必要となり、アーク起動が難しくなる。特に高真空になるほど、アーク発生が難くなる。
【００１０】
また、真空中のアークを効率よく利用するには、溶接中の溶接ガス量を例えば、１０〜２０（ｃｃ／分）程度の微量とすることが望ましい。しかし、従来技術ではこのような微量の溶接ガス量でアーク起動用の高電圧をかけても、アークが発生しにくい。１０パスカル程度より高真空側の真空度になると、２０００Ｖ程度の電圧では無理な状態となり、印加電圧をかなり高くしなければならない。印加電圧が高くなれば、溶接装置として高電圧に対する対策が重要となり、装置構成が難しくなる。また、アーク起動を容易にするためにアーク起動時だけ多く溶接ガスを流し、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させ、本来の溶接時のガス流量に戻すなどの余分な作業も必要となる。
【００１１】
さらに、真空度が高くなるほどガス密度は下がるため、タッチスタートの場合にはスパーク時のエネルギーで溶接ガスを励起しようとしても、溶接ガスへのエネルギー伝達効率が悪くなり、溶接アークへの移行が極めて難しくなる。しかし、強いスパークを発生させると、薄板の場合にはスパークによる溶け落ちが生じてしまう。一方、薄板等を溶接する場合の低い溶接電流値では、真空度の上昇とともに、極めて低い確率でしか溶接アークに移行することができなくなる。
【００１２】
なお、このような事情に対処する従来方法として、アーク発生時の溶接ガス流量を２００ｃｃ／分程度に多くし、溶接アークが発生した後に目的とする溶接時の流量である１０〜２０ｃｃ／分程度に減少させる方法がある。しかし、アーク発生時に溶接ガスを多く流してアーク発生を容易にし、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させて本来の溶接時のガス流量に戻すためには、溶接ガス流量調整計に広範囲の調整域が必要となる。
【００１３】
さらに、アークスタートした後、急激に溶接ガス流量の設定を本来の少ない流量に設定すると、過渡的に設定値より少ない流量に脈動する現象が生じる。これを防止するには徐々に流量を下げなければならない。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高真空中においても１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で、かつ比較的低電圧を利用して円滑なアーク起動および長いアーク長の溶接を行う溶接アークへの移行を円滑に行うことができる真空中のアーク溶接装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成され前記ガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、前記溶接ガス中にアークを発生させる電源とを備え、真空中で溶接を行うアーク溶接装置において、前記中空電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成としたことを特徴とする真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１６】
請求項２に係る発明では、前記中空電極のガス通路の径を一定とし、かつ前記中空電極の先端部の外径を段差部を介して本体部の外径よりも小径とした請求項１記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１７】
請求項３に係る発明では、前記中空電極の段差部における軸方向断面形状を角形または円弧状とした請求項２記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１８】
請求項４に係る発明では、前記被溶接物の溶接開始端近傍に配置されて前記中空電極との間でアークを発生させるアーク発生板と、このアーク発生板を温度制御する温度制御装置とを備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の真空中のアーク溶接装置を提供する。
【００１９】
請求項５に係る発明では、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極と前記被溶接物との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法を提供する。
【００２０】
請求項６に係る発明では、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極を前記被溶接物に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートによりアークを発生させ、アーク発生後の前記中空電極と前記被溶接物との間隔を一定時間小さく保持してスタート時の溶接ガス密度を高めた後に、前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アークを発生させるための中空電極先端部の肉厚ひいては体積を小さくすることにより、中空電極と被溶接物とを離間して起動する高電圧起動方法、中空電極を被溶接物へ接触させてアークスタートするタッチスタート方法のいずれの方法においても、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、溶接アークへの移行が容易となり、高真空であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質な溶接を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る真空中のアーク溶接装置および方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
［第１実施形態（図１、図２）］
図１は、本発明の第１実施形態による真空中のアーク溶接装置全体を示す構成図であり、図２（ａ），（ｂ）は、図１に示したアーク溶接装置の中空電極の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態のアーク溶接装置１は、アーク発生用の溶接ガスａを供給するガス供給装置２を備えている。このガス供給装置２は、例えば筐体状に構成されており、図示省略のガス供給源から溶接ガスａの供給を受ける横向き開口のガス導入部２ａと、このガス導入部２ａの孔径よりも内部断面が大きくなったガス受け部２ｂとを有している。ガス受け部２ｂは下方に向って一定長さ突出しており、この突出部分２ｃの下端に中空電極支持孔２ｄが下向きに開口している。このガス供給装置２の中空電極支持孔２ｄには、シール部材３を介して中空電極４が気密を保持して移動可能、例えば昇降可能に連結されている。なお、以下の例では中空電極４をタングステン電極とした場合について説明する。
【００２５】
中空電極４は例えば軸方向（図示上下方向）の両端が開口する円管状のものであり、ガス供給装置２に保持された状態で上下一定範囲の昇降移動ができる長さを有している。そして、中空電極４の軸方向に沿って形成されている内部孔が、溶接ガスを流通させるためのガス通路５となっている。このガス通路５に、ガス供給装置２により供給される溶接ガスａが通され、中空電極４の先端（下端）から溶接ガスａが下向きに噴出する構成となっている。また、中空電極４には電極移動機構、例えば昇降機構６が連結されており、この昇降機構６によって中空電極４の先端が被溶接物７に向って昇降移動できるようになっている。さらに、中空電極４と被溶接物との間には、これらに電圧を印加して放電を起させ、溶接ガスａ中にアークを発生させる電源８がそれぞれ配線９を介して接続されている。
【００２６】
本実施形態では、このような構成において、中空電極４の先端部（下端部）４ａが一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄とされ、体積が小さいことによりアークから受ける先端部４ａの熱エネルギ密度を本体部４ｂよりも高める構成となっている。この中空電極４における先端部４ａの肉薄構成例（第１例）を図２（ａ）に拡大して具体的に示している。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、中空電極４のガス通路５の直径（ｄ１）は長さ方向（上下方向）全体で一定であり、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（ｄ２）は、段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ）よりも小径となっている。この中空電極４の本体部４ｂの外周面と、先端部４ａの外周面との段差部４ｃでは、軸方向断面形状が角形、例えば直角な段差形状とされ、先端部４ａは一定の上下方向長さ（ｌ）を有している。これら先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）は、適用する溶接装置に必要な熱エネルギ密度に応じて設定されている。
【００２８】
図２（ｂ）は、中空電極４における先端部４ａの他の肉薄構成例（第２例）を拡大して具体的に示している。この図２（ｂ）の例では、中空電極４の段差部における軸方向断面形状が円弧状（Ｒ形状）となっている。この中空電極４の場合にも、中空電極４のガス通路５の直径（ｄ１）は長さ方向全体で一定であり、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（ｄ２）は、段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ）よりも小径となっている。
【００２９】
次に、以上の構成に基づき、真空中のアーク溶接を実施する方法について説明する。上述したアーク溶接装置１を使用することにより、本実施形態では、中空電極４と被溶接物７との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させる方法、すなわち高電圧スタート方法を適用することができる。
【００３０】
この方法では、まず、ガス供給装置２により溶接ガスを供給する。溶接ガスは中空電極４のガス通路５を通って先端部４ａから流出する。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、被溶接物７に対して１〜２ｍｍ接近させる。
【００３１】
この状態で、中空電極４と被溶接物７との間にアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被溶接物７から近距離に在るため、発生したアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、電極４の温度が高くなるほど、電極からの電子放出が活発となり、アークになり易い。
【００３２】
また、温度上昇により供給されている溶接ガスａは、高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、溶接アークに移行する。溶接アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被溶接物７との間隔を１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばして溶接アークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接する。
【００３３】
このように、本実施形態の装置を用いて高電圧スタートによる方法を実施することにより、電極４の先端部４ａの体積が小さいために短時間（例えば５秒）で先端部４ａの温度を上昇させることができる。したがって、溶接アークへの移行が容易となり、高真空環境であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく溶接することができ、簡単な装置で良質な溶接が得られる。
【００３４】
このような方法に適用する中空電極４の先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）の各寸法は、溶接ガスの流量を１０〜２０ｃｃとした場合、種々の実験の結果、以下の（例１〜例４）に示す値が好適であることが認められた。
（例１）スタート時の電流（Ｉ）が３０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝２ｍｍ、長さ（ｌ）＝１〜３ｍｍ。
（例２）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝１ｍｍ。
（例３）スタート時の電流（Ｉ）が４０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜６ｍｍ。
（例４）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝４ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜８ｍｍ。
【００３５】
なお、中空電極４のガス通路５の径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけ段部４ｃを介して小径とすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。また、中空電極４のガス通路径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけを段付きとして小径にすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。
【００３６】
次に、本実施形態のアーク溶接装置１を使用することにより、中空電極４を被溶接物７に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートにより、アークを発生させ、アーク発生後の中空電極４と被溶接物７との間隔を一定時間、例えば５秒程度の間、１〜２ｍｍ程度に小さく保持して、スタート時の溶接ガス密度を高めた後に、中空電極４と被溶接物７との間隔を拡大して、溶接アークに移行させることができる。
【００３７】
この方法の場合には、まずガス供給装置２により溶接ガスを供給する。溶接ガスは中空電極４のガス通路５を通って先端部４ａから流出する。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、被溶接物７に接触させる。接触の確認には数種の方法がある。例えば溶接電源８の無負荷電圧を監視して電圧が零ボルトになることで接触を判定する方法がある。また、溶接電源８と並列に１０ボルト程度の小容量電源を付加し、この電圧を監視して零ボルトで接触を判断する等電気的な方法がある。なお、機械的に押さえつける力を監視して判断してもよく、また光学的な方法を適用することもできる。
【００３８】
中空電極４を被溶接物７に接触した後、溶接電源８を出力させた状態で昇降機構６により１〜２ｍｍ中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４と被溶接物７が引き離されるため、これらの中空電極と被溶接物７との間でスパークによるアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被溶接物７から近距離に在るため、発生したスパークのアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、電極４の温度が高くなるほど、電極からの電子放出が活発となり、アークになりやすい。
【００３９】
また、温度上昇により供給されている溶接ガスａは、高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、溶接アークに移行する。溶接アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被溶接物７との間隔を例えば１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばして溶接アークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接することにより良質な品質の溶接部が得られる。
【００４０】
この方法の場合にも、適用する中空電極４の先端部４ａの肉厚（ｄ２／２−ｄ１／２）および長さ（ｌ）の各寸法は、溶接ガスの流量を１０〜２０ｃｃとした場合、種々の実験の結果、以下の（例５〜例８）に示す値が好適であることが認められた。
（例５）スタート時の電流（Ｉ）が３０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝２ｍｍ、長さ（ｌ）＝１〜３ｍｍ。
（例６）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝１ｍｍ。
（例７）スタート時の電流（Ｉ）が４０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝３ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜６ｍｍ。
（例８）スタート時の電流（Ｉ）が５０アンペア以上の場合、外径（ｄ２）＝４ｍｍ、長さ（ｌ）＝２〜８ｍｍ。
【００４１】
本実施形態によれば、中空電極４を被溶接物７に接触させてアークスタートするタッチスタート方法および高電圧起動方法のいずれの方法においても、電極４の先端部４ａの体積が小さいため短時間で先端部４ａの温度が上昇し、溶接アークへの移行が容易となり、高真空環境であってもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく溶接することができ、簡単な装置で良質な溶接が得られる。
【００４２】
また、中空電極４のガス通路５の径は、溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけ段部４ｃを介して小径とすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく、種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。また、中空電極４のガス通路径は溶接アークの強度に影響することから、被溶接物７の材質・形状等に応じたガス通路径を選択することができる。大径な中空電極４を用いて先端部４ａだけを段付として小径にすることにより、溶接装置を電極径によって交換する必要なく種々のガス通路径の中空電極４に対応することができる。
【００４３】
［第２実施形態（図３）］
図３は、本発明の第２実施形態による真空中のアーク溶接装置全体を示す構成図である。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、被溶接物７の溶接開始端近傍にアーク発生板１０を配置し、中空電極４との間でアーク発生板１０にアークを発生させる構成とした点にある。また、アーク発生板１０には、これを温度制御するための温度制御装置１１が設けられている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるから、図３に図１と同符号を付して、構成説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、タッチスタート方法を適用する実施形態について説明する。アーク発生板１０は、アークを発生させた後にアーク長および溶接電流等を調整し、安定な溶接条件へ設定するためのものである。このアーク発生板１０は溶接のための走行が停止された状態で調整される。アーク発生板１０でのアーク時間は比較的長くなるので、損傷を防ぐために例えば銅板またはカーボン板等を用いると溶融池が発生し難くなり、溶接条件の調整がし易くなる。
【００４５】
アーク発生板１０は温度制御装置１１でアーク発生前の温度が調整される。被溶接物７はアーク発生板１０の温度の影響を受けずに安定な溶け込みを得るため、１ｍｍ前後距離を離して熱的に絶縁するように設置する。電源８は、中空電極４、アーク発生板１０および被溶接物７に接続される。アーク発生板１０と被溶接物７との極性は同極として結線する。
【００４６】
このように構成された本実施形態において、真空中のアーク溶接を行う場合には、まずガス供給装置２を介して中空電極４に溶接ガスａを供給する。溶接ガスａは中空電極４のガス通路５を通って中空電極４の先端部４ａから放出される。この状態で中空電極４を昇降機構６によって下降させ、中空電極４の先端部４ａをアーク発生板１０に接触させる。この接触の確認には第１実施形態と同様に、数種の方法が適用できる。
【００４７】
中空電極４がアーク発生板１０に接触した後は、溶接電源８の出力電流をスパークさせる電流で出力させた状態において、昇降機構２により中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４とアーク発生板１０が引き離されるため、この間にスパークが発生する。スパーク時のエネルギーにより、中空電極４の先端部４ａが加熱され、また流れてくる溶接ガスａが加熱励起され、溶接アークへ移行するが、中空電極４の対極であるアーク発生板１０の温度が低い場合には、中空電極４から放出された電子を受けるアーク発生板１０のエネルギーレベルが低く、この間でのアーク維持が難しくなる。すなわち、瞬間的なスパーク時のエネルギーだけでは密度の低い溶接ガスａへエネルギーを十分に伝えることができず、アーク維持が困難となり消滅する。
【００４８】
これに対し、本実施形態では、アーク発生板１０の温度を温度制御装置１１により、例えば２０〜１５０℃に高く保持する。これにより、アーク発生板１０のエネルギーレベルが上昇し、瞬間的なスパーク時の小エネルギーでもアークが維持され、溶接アークへ移行することができる。溶接アークへ移行した後は、被溶接物７を図示省略の移動機構によって移動させ、溶接を行うことができる。
【００４９】
また、中空電極４がアーク発生板１０に接触している間に、アーク発生板１０の温度が伝導して中空電極４の先端部４ａが加熱され、さらに中空電極４の先端部４ａに留まっている溶接ガスａの温度も上昇することにより、スパーク時の電子放出がし易くなり、アーク発生が容易となる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の真空中のアーク溶接装置および方法においては、アーク発生板１０の温度を制御することにより中空電極４から放出される電子を受け止めるアーク発生板１０の温度上昇によるエネルギーレベル上昇により、アーク起動時の弱い瞬間的なスパークエネルギーから溶接アークへの移行が容易となる効果がある。また、アーク発生板１０に接触している間に中空電極４先端部４ａおよび中空電極４の先端部４ａに留まっている溶接ガスａの温度も上昇し、電子放出し易くなり、アークの発生を容易にすることによって高真空であっても、アーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく微量の溶接ガスａで溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接が得られる。
【００５１】
また、タッチスタート時の電極接触確認後の接触を保持する時間を設けることにより、アーク発生時の溶接ガス密度を高めることができ、アーク起動時の弱い瞬間的なスパークエネルギーを溶接ガスａへ伝達する効率が上がり、溶接アークへの移行が容易となる効果がある。
【００５２】
さらにまた、溶接ガスａの供給量は途中で調整する必要がなく、一定量で供給されるので、従来のような流量調整計の広範囲の調整域は不要であり、また途中の流量調整も不要になり、流量の脈動も除去することができる。
【００５３】
なお、本実施形態ではタッチスタート方法について説明したが、第１実施形態と同様に、温度制御装置１１の温度を適正に設定することにより、非タッチのスタート方法を適用することも可能である。
【００５４】
本実施形態によれば、各種方法を組合わせることにより、アーク発生時の溶接ガス密度が高まるとともに中空電極４の先端部４ａおよび中空電極４内の溶接ガスａの温度上昇により、アーク発生時のエネルギーレベル上昇が顕著となり、微弱なスパークエネルギーの溶接ガスａへの伝達効率を高めることができる。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、高真空下であってもアーク起動時の溶接ガス流量を溶接時と変えることなく、微量の溶接ガス流量でも溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態による真空中のアーク溶接装置の構成を示す全体図。
【図２】（ａ）、（ｂ）は図１に示した中空電極の第１、第２構成例をそれぞれ示す部分拡大図。
【図３】本発明の第２実施形態による真空中のアーク溶接装置の構成を示す全体図。
【符号の説明】
【００５７】
１ アーク溶接装置
２ ガス供給装置
２ａ ガス導入部
２ｂ ガス受け部
２ｃ 突出部分
２ｄ 中空電極支持孔
３ シール部材
４ 中空電極
４ａ 先端部（下端部）
４ｂ 本体部
４ｃ 段差部
５ ガス通路
６ 昇降機構
７ 被溶接物
８ 電源
９ 配線
１０ アーク発生板
１１ 温度制御装置
ａ 溶接ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成され前記ガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、前記溶接ガス中にアークを発生させる電源とを備え、真空中で溶接を行うアーク溶接装置において、前記中空電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成としたことを特徴とする真空中のアーク溶接装置。
【請求項２】
前記中空電極のガス通路の径を一定とし、かつ前記中空電極の先端部の外径を段差部を介して本体部の外径よりも小径とした請求項１記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記中空電極の段差部における軸方向断面形状を角形または円弧状とした請求項２記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記被溶接物の溶接開始端近傍に配置されて前記中空電極との間でアークを発生させるアーク発生板と、このアーク発生板を温度制御する温度制御装置とを備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極と前記被溶接物との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極を前記被溶接物に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートによりアークを発生させ、アーク発生後の前記中空電極と前記被溶接物との間隔を一定時間小さく保持してスタート時の溶接ガス密度を高めた後に、前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法。
【請求項１】
アーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成され前記ガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、前記溶接ガス中にアークを発生させる電源とを備え、真空中で溶接を行うアーク溶接装置において、前記中空電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成としたことを特徴とする真空中のアーク溶接装置。
【請求項２】
前記中空電極のガス通路の径を一定とし、かつ前記中空電極の先端部の外径を段差部を介して本体部の外径よりも小径とした請求項１記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記中空電極の段差部における軸方向断面形状を角形または円弧状とした請求項２記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記被溶接物の溶接開始端近傍に配置されて前記中空電極との間でアークを発生させるアーク発生板と、このアーク発生板を温度制御する温度制御装置とを備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の真空中のアーク溶接装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極と前記被溶接物との間隔を１〜２ｍｍに保持してアークを発生させ、その後に前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のアーク溶接装置を使用して、真空中でアーク溶接を行う方法であって、前記中空電極を前記被溶接物に瞬間的に接触させてスパークさせるタッチスタートによりアークを発生させ、アーク発生後の前記中空電極と前記被溶接物との間隔を一定時間小さく保持してスタート時の溶接ガス密度を高めた後に、前記間隔を拡大して溶接アークに移行させることを特徴とする真空中のアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２２９７８３（Ｐ２００７−２２９７８３Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５６６３９（Ｐ２００６−５６６３９）
【出願日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
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