プラズマキーホール溶接方法、および、プラズマキーホール溶接システム
【課題】より早くキーホールを貫通させることができるプラズマキーホール溶接方法およびプラズマキーホール溶接システムを提供すること。
【解決手段】プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時刻ｔ２から上記キーホールが貫通する時刻ｔ３までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流Ｉｗを、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として流す工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、溶接電流を、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として流す工程を含み、初期周波数ｆｆ１は、定常周波数ｆｆ２よりも小さい。このような構成によると、より早くキーホールを貫通させることができる。
【解決手段】プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時刻ｔ２から上記キーホールが貫通する時刻ｔ３までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流Ｉｗを、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として流す工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、溶接電流を、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として流す工程を含み、初期周波数ｆｆ１は、定常周波数ｆｆ２よりも小さい。このような構成によると、より早くキーホールを貫通させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接方法、および、プラズマキーホール溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接方法は、母材がたとえばＩ形開先の突合せ継手を溶接するときに、タングステン電極を一般的に陰極として放電したときのアークを、水冷されたノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶融池の先端で母材を貫通するキーホールを形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶融も適切に行うことができる。プラズマキーホール溶接方法は、たとえば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された方法においては、トーチを停止させた状態でキーホールを形成し、このキーホールが貫通した後にトーチの移動を開始させる。当該方法では、溶接開始直後から綺麗なビードを形成することが企図されている。
【０００３】
プラズマキーホール溶接方法において上記キーホールが貫通するまでに要する時間が長いと、定常溶接を開始するのが遅くなり、溶接作業の作業効率が低下してしまう。このため、このようなプラズマキーホール溶接方法を行う際には、溶接作業を早期に開始すべくキーホールをより早く貫通させることが、望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平０２−１８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、より早くキーホールを貫通させることができるプラズマキーホール溶接方法およびプラズマキーホール溶接システムを提供することをその主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によると、プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、上記貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時から上記キーホールが貫通する時までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流を、周波数が初期周波数であるパルス電流として流す工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記溶接電流を、周波数が定常周波数であるパルス電流として流す工程を含み、上記初期周波数は、定常周波数より小さい、プラズマキーホール溶接方法が提供される。
【０００７】
好ましくは、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値、および、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値は、互いに同一である。
【０００８】
好ましくは、上記貫通させる工程は、上記キーホール形成期間中に、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスを、初期ガス流量で噴出させる工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記プラズマガスを定常ガス流量で噴出させる工程を含み、上記初期ガス流量は、上記定常ガス流量より大きい。
【０００９】
好ましくは、初期周波数計算回路によって、上記定常周波数の値を減少させることにより、上記初期周波数の値を計算する工程を更に備える。
【００１０】
好ましくは、上記貫通させる工程は、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを初期速さに設定する工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記移動速さを定常速さに設定する工程を含み、上記初期速さは、上記定常速さより小さい。
【００１１】
本発明の第２の側面によると、プラズマ電極と母材との間にパルス電流を流す出力回路と、初期周波数の値を記憶する初期周波数記憶部と、定常周波数の値を記憶する定常周波数記憶部と、上記母材にてキーホールが貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号を生成するキーホール貫通検知回路と、を備え、上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、周波数を上記初期周波数として上記パルス電流を流し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、周波数を上記定常周波数として上記パルス電流を流す、プラズマキーホール溶接システムが提供される。
【００１２】
好ましくは、設定電流値を記憶する設定電流値記憶部を更に備え、上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前および上記キーホール貫通検知信号が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値を上記設定電流値として上記パルス電流を流す。
【００１３】
好ましくは、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスの流量であるガス流量を制御するガス流量制御回路と、初期ガス流量の値を記憶する初期ガス流量記憶部と、定常ガス流量の値を記憶する定常ガス流量記憶部と、を更に備え、上記ガス流量制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記ガス流量を上記初期ガス流量に設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記ガス流量を上記定常ガス流量に設定する。
【００１４】
好ましくは、上記定常周波数記憶部に記憶された定常周波数の値を減少させた値を、上記初期周波数として上記初期周波数記憶部に記憶する初期周波数計算回路を更に備える。
【００１５】
好ましくは、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを制御する動作制御回路と、初期速さの値を記憶する初期速さ記憶部と、定常速さの値を記憶する定常速さ記憶部と、を更に備え、上記動作制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記移動速さを上記初期速さに設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記移動速さを上記定常速さに設定する。
【００１６】
このような構成によると、より早くキーホールを貫通させることができる。
【００１７】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す溶接トーチを示す部分拡大断面図である。
【図３】図１の定常溶接開始判断回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図６】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図７】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態のプラズマキーホール溶接方法における、母材の状態を示す断面図である。
【図９】プラズマキーホール溶接を行う際に望まれる溶接状態を示す図である。
【図１０】プラズマキーホール溶接を行う際に生じうる不具合例を示す図である。
【図１１】プラズマキーホール溶接を行う際に生じうる不具合例を示す図である。
【図１２】キーホール形成期間中の溶融池の表面を示す断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態の第１変形例にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１〜図１２を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【００２２】
同図に示すプラズマキーホール溶接システムＡ１は、溶接ロボット１と、ロボット制御装置２と、溶接電源装置３と、ガス供給装置４と、を備える。
【００２３】
溶接ロボット１は、溶接トーチ１１と、マニピュレータ１２とを含む。
【００２４】
図２に示すように、溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを有する。ノズル１１１は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材である。ノズル１１１は適宜、水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は非消耗電極である。プラズマ電極１１２は、たとえばタングステンからなる金属棒である。プラズマ電極１１２は、母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加するための電極である。ノズル１１１からは、プラズマガスＰＧがプラズマ電極１１２を囲むように噴出される。プラズマガスＰＧはたとえばＡｒである。プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてアークａ１が発生する。アークａ１が発生している際には、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間には溶接電流Ｉｗが流れている。マニピュレータ１２は、溶接トーチ１１を保持している。マニピュレータ１２はたとえば多関節ロボットである。母材Ｗは、たとえば、アルミニウム、アルミニウムの合金、もしくはステンレスよりなる。
【００２５】
ガス供給装置４は、母材Ｗに向かって噴出させるプラズマガスＰＧを供給するためのものである。ガス供給装置４によるプラズマガスＰＧの供給量（すなわちノズル１１１からのプラズマガスＰＧの噴出量）は、後述のガス流量設定信号Ｐｇｓによって決定される。
【００２６】
ロボット制御装置２は、動作制御回路２１と、ティーチペンダント２３と、初期速さ記憶部２５１と、定常速さ記憶部２５２と、を含む。ロボット制御装置２は溶接ロボット１の動作を制御するためのものである。
【００２７】
ティーチペンダント２３は、動作制御回路２１に接続されている。ティーチペンダント２３は、各種動作をプラズマキーホール溶接システムＡ１のユーザが設定するためのものである。ティーチペンダント２３は、プラズマキーホール溶接システムＡ１のユーザから溶接を開始する旨の指示を受けると、溶接開始信号Ｓｔを送る。
【００２８】
初期速さ記憶部２５１は初期速さｖｒ１の値を記憶する。初期速さｖｒ１は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、初期速さ記憶部２５１に記憶される。定常速さ記憶部２５２は定常速さｖｒ２の値を記憶する。定常速さｖｒ２の値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、定常速さ記憶部２５２に記憶される。
【００２９】
動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また、動作制御回路２１は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲを制御する。移動速さＶＲは、母材Ｗに沿った溶接進行方向Ｄｒにおける、母材Ｗに対するプラズマ電極１１２の速さである。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、エンコーダからの座標情報、および移動速さＶＲ等に基づき、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。溶接ロボット１は動作制御信号Ｍｓを受け、モータ（図示略）を回転駆動させる。これにより、溶接トーチ１１が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。
【００３０】
動作制御回路２１は、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、移動速さＶＲを初期速さｖｒ１に設定する。一方、動作制御回路２１は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、移動速さＶＲを定常速さｖｒ２に設定する。本実施形態において動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔをティーチペンダント２３から受け溶接電源装置３に送る。
【００３１】
溶接電源装置３は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し溶接電流Ｉｗを流すための装置である。溶接電源装置３は、出力回路３１と、電圧検出回路３２と、定常溶接開始判断回路３３と、ガス流量制御回路３５と、初期周波数記憶部３６１と、定常周波数記憶部３６２と、設定電流値記憶部３６４と、初期ガス流量記憶部３６５と、定常ガス流量記憶部３６６と、を含む。
【００３２】
初期周波数記憶部３６１は初期周波数ｆｆ１の値を記憶する。定常周波数記憶部３６２は定常周波数ｆｆ２の値を記憶する。設定電流値記憶部３６４は設定電流値ｉｒ１を記憶する。初期ガス流量記憶部３６５は初期ガス流量ｐｇ１の値を記憶する。定常ガス流量記憶部３６６は定常ガス流量ｐｇ２を記憶する。初期周波数ｆｆ１、定常周波数ｆｆ２、設定電流値ｉｒ１、初期ガス流量ｐｇ１、および定常ガス流量ｐｇ２の値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、各記憶部に記憶される。
【００３３】
出力回路３１は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に指示された値で溶接電流Ｉｗを流すためのものである。本実施形態において溶接電流Ｉｗはパルス電流である。出力回路３１は、電源回路３１１と、周波数制御回路３１２と、電流制御回路３１３と、電流検出回路３１４と、電流誤差計算回路３１５と、を有する。
【００３４】
電源回路３１１は、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述の電流誤差信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ｉｗを出力する。電源回路３１１は動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔを受ける。
【００３５】
周波数制御回路３１２は、パルス電流たる溶接電流Ｉｗの周波数Ｆｆを制御する。周波数制御回路３１２は、初期周波数記憶部３６１および定常周波数記憶部３６２に接続している。周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆを制御するための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。具体的には、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１である溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを、電源回路３１１に送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前には、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流を、溶接電流Ｉｗとして流す。一方、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２である溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを、電源回路３１１に送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流を、溶接電流Ｉｗとして流す。なお、周波数制御回路３１２は、動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔを受ける。
【００３６】
電流検出回路３１４は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を検出するためのものである。電流検出回路３１４は、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを送る。電流誤差計算回路３１５は、実際に流れている溶接電流Ｉｗの値と、設定された溶接電流の値との差ΔＩｗを計算するためのものである。具体的には、電流誤差計算回路３１５は、電流検出信号Ｉｄと、設定された溶接電流の値に対応する後述の電流設定信号Ｉｒとを受け、差ΔＩｗに対応する電流誤差信号Ｅｉを送る。なお、電流誤差計算回路３１５は、電流誤差信号Ｅｉとして、差ΔＩｗを増幅した値に対応するものを送ってもよい。
【００３７】
電流制御回路３１３は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａを設定するためのものである。電流制御回路３１３は、設定電流値記憶部３６４に記憶された設定電流値ｉｒ１に基づき、溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａを指示するための電流設定信号Ｉｒを生成する。そして電流制御回路３１３は、生成した電流設定信号Ｉｒを電流誤差計算回路３１５に送る。本実施形態において、電流制御回路３１３は、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前およびキーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値Ｉａが設定電流値ｉｒ１である溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前およびキーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値Ｉａを設定電流値ｉｒ１として、溶接電流Ｉｗを流す。
【００３８】
電圧検出回路３２は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間の溶接電圧Ｖｗの値を検出するためのものである。電圧検出回路３２は、溶接電圧Ｖｗの値に対応する電圧検出信号Ｖｄを送る。
【００３９】
定常溶接開始判断回路３３は、電圧検出回路３２から電圧検出信号Ｖｄを受ける。定常溶接開始判断回路３３は、電圧検出信号Ｖｄに基づき、定常溶接を開始するか否かを判断する。定常溶接開始判断回路３３は、定常溶接を開始すべきと判断すると、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を、周波数制御回路３１２（すなわち出力回路３１）とガス流量制御回路３５と動作制御回路２１とに送る。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態において定常溶接開始判断回路３３は、キーホール貫通検知回路３３１と、比較回路３３２とを有する。キーホール貫通検知回路３３１は母材Ｗにてキーホール８８９が貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を生成し、比較回路３３２に送る。
【００４１】
具体的には、キーホール貫通検知回路３３１は、絶対値演算回路３４１と、ローパスフィルタ３４２と、電圧変動検出回路３４３と、を有する。
【００４２】
絶対値演算回路３４１には、電圧検出信号Ｖｄが入力される。絶対値演算回路３４１は、入力された電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算する。そして絶対値演算回路３４１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖａとして出力する。ローパスフィルタ３４２には、電圧絶対値信号Ｖａが入力される。ローパスフィルタ３４２は、入力された電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、低周波成分のみを通過させる演算を行う。そしてローパスフィルタ３４２は、当該演算の結果を成形電圧信号Ｖｆとして出力する。なお、絶対値演算回路３４１は、電圧絶対値信号Ｖａが交流ではなく直流であった場合は不要である。
【００４３】
電圧変動検出回路３４３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出するための回路である。電圧変動検出回路３４３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出し、キーホール８８９が貫通した時刻を検出するために設けられている。電圧変動検出回路３４３は、微分回路ＢＶ、比較回路ＣＭ１、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳ、および比較回路ＣＭ２を有する。
【００４４】
微分回路ＢＶには、成形電圧信号Ｖｆが入力される。微分回路ＢＶは、入力された成形電圧信号Ｖｆの時間微分値を計算し、電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ１には、電圧微分信号Ｂｖが入力される。比較回路ＣＭ１は、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合に、キーホール８８９の形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。
【００４５】
キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳには、キーホール形成開始信号Ｃｍ１と、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１が入力された時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと設定する。そして、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを出力する。
【００４６】
比較回路ＣＭ２には、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。比較回路ＣＭ２は、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとの差が、プラズマガスＰＧの種類等によって予め定められた基準値Ｂｔｈ２以上になった場合、キーホール８８９が貫通したと判断する。この時、比較回路ＣＭ２は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通検知信号Ｃｍ２を出力する。
【００４７】
比較回路３３２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２および電圧微分信号Ｂｖを受ける。比較回路３３２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を受けた後に電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ３以下に達したときに、溶接裏ビードが適切に形成され且つキーホール８８９が適切な大きさになったと判断する。このとき、比較回路３３２は、定常溶接を開始すべきと判断し、短時間だけＨｉｇｈレベルになる定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を送る。定常溶接開始指示信号Ｃｍ３は、周波数制御回路３１２（すなわち出力回路３１）とガス流量制御回路３５と動作制御回路２１とに送られる。
【００４８】
ガス流量制御回路３５は、母材Ｗに向かって噴出させるプラズマガスＰＧの流量であるガス流量を制御するためのものである。ガス流量制御回路３５は、初期ガス流量記憶部３６５および定常ガス流量記憶部３６６に接続している。ガス流量制御回路３５は、プラズマガスＰＧのガス流量を制御するためのガス流量設定信号Ｐｇｓをガス供給装置４に送る。ガス流量制御回路３５は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、ガス供給装置４は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前には、ガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であるようにプラズマガスＰＧを噴出させる。一方、ガス流量制御回路３５は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、プラズマガスＰＧのガス流量を定常ガス流量ｐｇ２に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、ガス供給装置４は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、ガス流量が定常ガス流量ｐｇ２であるようにプラズマガスＰＧを噴出させる。なお、ガス流量制御回路３５には、動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔが送られる。
【００４９】
次に、図４および図８をさらに用いて、プラズマキーホール溶接システムＡ１を用いたプラズマキーホール溶接方法の一例について説明する。
【００５０】
同図（ａ）は電圧検出信号Ｖｄの時間変化を示し、（ｂ）は電圧絶対値信号Ｖａの時間変化を示し、（ｃ）は成形電圧信号Ｖｆの時間変化を示し、（ｄ）キーホール形成開始信号Ｃｍ１の時間変化を示し、（ｅ）はキーホール貫通検知信号Ｃｍ２の時間変化を示し、（ｆ）は定常溶接開始指示信号Ｃｍ３の時間変化を示し、（ｇ）は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲの時間変化を示し、（ｈ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、（ｉ）は溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａの時間変化を示し、（ｊ）は溶接電流Ｉｗのパルスの周波数Ｆｆの時間変化を示し、（ｋ）はプラズマガスＰＧのガス流量の時間変化を示す。
【００５１】
図８（ｓ−１）、（ｓ−２）、（ｓ−３）はそれぞれ、図４（ｓ−１）、（ｓ−２）、（ｓ−３）のアークａ１および母材Ｗの状態に対応する。
【００５２】
図４（ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形電圧信号を示す。
【００５３】
＜時刻ｔ１〜時刻ｔ２＞
時刻ｔ１において、外部からの溶接開始信号Ｓｔがティーチペンダント２３を経由して動作制御回路２１に入力されると、動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔを、出力回路３１（具体的には、電源回路３１１および周波数制御回路３１２）に送る。すると、電源回路３１１はプラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加し、アークａ１が点弧される。そして溶接電流Ｉｗの通電が開始される。
【００５４】
図４（ｉ）に示すように、時刻ｔ１において、出力回路３１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、絶対値の時間平均値Ｉａが設定電流値ｉｒ１である溶接電流Ｉｗを通電し始める。設定電流値ｉｒ１は、たとえば２４０Ａ程度である。
【００５５】
時刻ｔ１において、周波数制御回路３１２は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。これにより、図４（ｊ）に示すように、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを通電し始める。初期周波数ｆｆ１は、たとえば２〜１０Ｈｚであり、好ましくは、５〜６Ｈｚである。初期周波数ｆｆ１の値は、母材Ｗの種類や母材Ｗの厚さによて異なる場合もある。
【００５６】
ここで、溶接電流Ｉｗの波形ついて、図５を参照しつつ説明する。図５は、溶接電流Ｉｗのほぼパルス２周期分を示すグラフである。なお、図５における時間のスケールは、図４における時間のスケールに比べ極めて小さい。図５に示された溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａが、図４（ｉ）に示す時間平均値Ｉａに一致する。
【００５７】
図５において、溶接電流Ｉｗを示す縦軸は、プラズマ電極１１２が陽極となったときに流れる電流をプラスとしている。本図から理解されるように、溶接電流Ｉｗは、周期Ｔｅにおいて電極プラス極性電流Ｉｅｐと電極マイナス極性電流Ｉｅｎとを１回ずつとる、交流電流である。電極プラス極性電流Ｉｅｐは、プラズマ電極１１２が陽極、母材Ｗが陰極となった状態で流れる電流である。電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、プラズマ電極１１２が陰極、母材Ｗが陽極となった状態で流れる電流である。
【００５８】
電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、周期Ｔｅ２を有するパルス電流となっている。周期Ｔｅ２は、電極マイナス極性期間Ｔｅｎよりも短い。この周期Ｔｅ２の間に、電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐと電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂとを１回ずつとる。
【００５９】
図５において、電極マイナス極性電流Ｉｅｎの絶対値を破線で示している。さらに同図には、溶接電流Ｉｗの時間平均値Ｉａを示している。上述したように図５の時間平均値Ｉａが、図４（ｉ）の時間平均値Ｉａに一致する。
【００６０】
そして、周波数Ｆｆと周期Ｔｅとの関係は以下のとおりである。
Ｆｆ＝１／Ｔｅ
【００６１】
また、ＥＮ比率が、周期Ｔｅ、電極マイナス極性期間Ｔｅｎ、ないし電極プラス極性期間Ｔｅｐを用いて、以下の式によって規定される。
ＥＮ比率（％）＝Ｔｅｎ／Ｔｅ×１００
＝Ｔｅｎ／（Ｔｅｎ＋Ｔｅｐ）×１００
【００６２】
周波数Ｆｆを変化させるには、たとえば、ＥＮ比率および時間平均値Ｉａをいずれも変化させずに、電極マイナス極性期間Ｔｅｎおよび電極プラス極性期間Ｔｅｐのいずれをも変化させる。ただし、周波数Ｆｆを変化させるのはこれに限られず、ＥＮ比率を変化させつつ周波数Ｆｆを調整してもよい。また、時間平均値Ｉａを変化させるには、たとえば、ＥＮ比率を変化させずに、最大絶対値Ｉｅｐｐの値や、最大絶対値Ｉｅｎｐなどを変化させる。
【００６３】
溶接電流Ｉｗの波形は、図５に示すものに限られず、図６や図７に示すものであってもよい。
【００６４】
時刻ｔ１において、ガス流量制御回路３５は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、図４（ｋ）に示すように、ガス供給装置４は、ガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であるようにプラズマガスＰＧを噴出させ始める。初期ガス流量ｐｇ１は、たとえば２．３〜２．５Ｌ／ｍｉｎである。
【００６５】
時刻ｔ１において、動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、図４（ｇ）に示すように、移動速さＶＲを初期速さｖｒ１に設定するための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、初期速さｖｒ１となる。本実施形態においては、初期速さｖｒ１は０であり、時刻ｔ１から時刻ｔ４の間は、溶接進行方向Ｄｒにおいてプラズマ電極１１２は母材Ｗに対し停止している。本実施形態と異なり、移動速さＶＲは０でなくてもよい。たとえば、時刻ｔ１から時刻ｔ４の間に、溶接進行方向Ｄｒにおいて、プラズマ電極１１２を母材Ｗに対しわずかに移動させてもよい。
【００６６】
図３の絶対値演算回路３４１は、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算し、図４（ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａを送る。ローパスフィルタ３４２は、電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、同図（ｃ）に示す成形電圧信号Ｖｆを出力する。図８（ｓ−１）に示すように、時刻ｔ１以降、アークａ１は、母材Ｗの表面に溶融池８８１を形成する。溶融池８８１が形成され始めた時はアークａ１は不安定である。そのため成形電圧信号Ｖｆは変動しやすい。
【００６７】
＜時刻ｔ２〜時刻ｔ３（キーホール形成期間）＞
図４（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆが上昇して時刻ｔ２になると、アークａ１は安定する。そのため時刻ｔ２以降、成形電圧信号Ｖｆの上昇率が小さくなる。図３の比較回路ＣＭ１は、成形電圧信号Ｖｆを時間微分した電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合、アークａ１が母材Ｗにキーホール８８９を掘り始め、キーホール８８９の形成が開始されたと判断する。キーホール８８９の形成が開始されたと判断すると、比較回路ＣＭ１は、同図（ｄ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１を受けると、このキーホール形成開始信号Ｃｍ１を入力した時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓ（同図（ｃ）参照）として設定する。図８（ｓ−２）に示すように、時刻ｔ２以降、キーホール８８９の形成が継続され、溶融池８８１の表面８８２が徐々に低下してゆく。なお、キーホール８８９の形成が開始した時（時刻ｔ２）から、キーホール８８９が貫通する時（後述の時刻ｔ３）までの期間は、キーホール形成期間である。
【００６８】
図４（ｇ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、初期速さｖｒ１である。本実施形態では上述のように初期速さｖｒ１は０であり、プラズマ電極１１２は母材Ｗに対し停止している。図４（ｉ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａは、設定電流値ｉｒ１である。図４（ｊ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗが流れる。図４（ｋ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、プラズマガスＰＧは初期ガス流量ｐｇ１で噴出させられる。
【００６９】
＜時刻ｔ３〜時刻ｔ４＞
時刻ｔ３において、図８（ｓ−３）に示すように、母材Ｗにてキーホール８８９が貫通する。キーホール８８９が貫通したとき、時刻ｔ３において、図４（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２より大きくなる。この場合、比較回路ＣＭ２は、キーホール８８９が貫通したと判断する。すると同図（ｅ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を、比較回路３３２に送る。キーホール８８９が貫通した直後は、成形電圧信号Ｖｆはキーホール８８９の貫通の影響で不安定である。キーホール８８９が貫通した時刻ｔ３からしばらくすると、成形電圧信号Ｖｆが減少したのちに溶接電圧Ｖｗが安定し、成形電圧信号Ｖｆの減少率が小さくなる。
【００７０】
＜時刻ｔ４以降＞
時刻ｔ４において、図３の比較回路３３２は、電圧微分信号Ｂｖが予め定めた基準値Ｂｔｈ３以下に達すると、溶接裏ビードが適切に形成され且つキーホール８８９が適切な大きさになったと判断する。このとき、図４（ｆ）に示すように、比較回路３３２は、定常溶接を開始すべきと判断し、短時間だけＨｉｇｈレベルになる定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を送る。
【００７１】
時刻ｔ４において、周波数制御回路３１２は定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。これにより、図４（ｊ）に示すように、時刻ｔ４から、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを通電し始める。定常周波数ｆｆ２よりも初期周波数ｆｆ１は小さい。定常周波数ｆｆ２は、たとえば、１０〜２０Ｈｚである。
【００７２】
時刻ｔ４において、ガス流量制御回路３５は、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、プラズマガスＰＧのガス流量を定常ガス流量ｐｇ２に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、図４（ｋ）に示すように、時刻ｔ４から、ガス供給装置４は、ガス流量が定常ガス流量ｐｇ２であるようにプラズマガスＰＧを噴出させ始める。定常ガス流量ｐｇ２よりも初期ガス流量ｐｇ１が大きい。定常ガス流量ｐｇ２は、たとえば、２．０Ｌ／ｍｉｎである。
【００７３】
時刻ｔ４において、動作制御回路２１は、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、図４（ｇ）に示すように、移動速さＶＲを定常速さｖｒ２に設定するための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、定常速さｖｒ２となる。定常速さｖｒ２よりも初期速さｖｒ１が小さい。本実施形態では、時刻ｔ４から、溶接進行方向Ｄｒにおける、プラズマ電極１１２の母材Ｗに対する移動が開始される。
【００７４】
時刻ｔ４以降においても、図（ｉ）に示すように、絶対値の時間平均値Ｉａは、設定電流値ｉｒ１のままである。すなわち、時刻ｔ２〜時刻ｔ３（キーホール形成期間）中の溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａと、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う工程における溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａとは、互いに同一である。
【００７５】
以上のように時刻ｔ４から、定常溶接を行う工程が開始され、母材Ｗに対する溶接が行われる。これにより、図９に示すように、母材Ｗの表面に溶接進行方向Ｄｒに沿って溶接表ビードが、母材Ｗの裏面には溶接進行方向Ｄｒに沿って溶接裏ビードが形成される。時刻ｔ１〜時刻ｔ２および時刻ｔ３〜時刻ｔ４の各長さは、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の長さに比べ非常に短い。時刻ｔ２〜時刻ｔ３の長さは、たとえば１０秒程度である。
【００７６】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００７７】
本実施形態によると、より早くキーホール８８９を貫通させることができる。その理由は次のとおりである。
【００７８】
まず、従来から溶接に要する時間の短縮が求められている。定常速さｖｒ２を遅くすると溶接に要する時間が増加し、溶接に要する時間の短縮を図ることができない。そのため、少なくとも時刻ｔ４以降の定常溶接を行う工程においては、定常速さｖｒ２をあまり遅くできない。
【００７９】
本実施形態において溶接電流Ｉｗはパルス電流である。よって、母材Ｗに入熱しやすい期間と母材Ｗに入熱しにくい期間とが、周期的に繰り返される。たとえば、図５の電極プラス極性電流Ｉｅｐや電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐが流れる期間は、母材Ｗに入熱しやすい期間である。一方、電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂが流れる期間は、母材Ｗに入熱しにくい期間である。また、たとえば、図６や図７の電極マイナス極性電流Ｉｅｎが流れる電極マイナス極性期間Ｔｅｎは、母材Ｗに入熱しやすい期間である。一方、電極プラス極性電流Ｉｅｐが流れる電極プラス極性期間Ｔｅｐは、母材Ｗに入熱しにくい期間である。よって、定常速さｖｒ２をあまり遅くせずに溶接を行う場合に定常周波数ｆｆ２を小さくしすぎると、入熱しにくい期間しかアークａ１が照射されない部位が、母材Ｗに生じる可能性がある。すると、ほとんど入熱されない部位が母材Ｗに生じる可能性がある。母材Ｗに入熱されない部位が生じると、溶接表ビードや溶接裏ビードの幅が細くなったり、もしくは、図１０に示すようにキーホール８８９が生成されないなどの不都合が生じうる。以上より、定常周波数ｆｆ２をあまり小さくすることは出来ず、ある程度の以上の大きさにする必要がある。
【００８０】
図１２は、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中の溶融池８８１の状態を示している。同図に示すように、少なくとも時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、溶融池８８１の表面８８２は上下に振動する。同図の左側に示すように、表面８８２が下がっている場合、アークａ１の先端と母材Ｗのうちの次に溶融すべき部位８８６との距離が小さいため、アークａ１からの熱は部位８８６に伝わりやすい。一方、同図の右側に示すように、表面８８２が上がっている場合、アークａ１の先端と部位８８６との距離は大きいため、アークａ１からの熱は部位８８６に伝わりにくい。そして、発明者は、溶融池８８１の表面８８２の振動数が定常周波数ｆｆ２よりも小さいことにつき、知見を得た。本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中に、溶接電流Ｉｗを、定常周波数ｆｆ２よりも小さい初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として流す。そのため、溶接電流Ｉｗがパルス電流であることに由来する、入熱しやすい期間と入熱しにくい期間との繰り返し周期を、表面８８２の振動の周期に近づけることが可能となる。よって、溶接電流Ｉｗがパルス電流であることに由来する、入熱しやすい期間と入熱しにくい期間との繰り返し周期を、アークａ１からの熱が部位８８６に伝わりやすい状態（図１２の左側）と、アークａ１からの熱が部位８８６に伝わりにくい状態（図１２の右側）との繰り返し周期に、近づけることができる。したがって、本実施形態によると、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、効率的に、母材Ｗのうちの次に溶融すべき部位８８６を溶融させることができる。これにより、より早くキーホール８８９を貫通させることができる。
【００８１】
初期周波数ｆｆ１の値を決定するには、たとえば、溶接を開始する前に、定常周波数ｆｆ２よりも小さい何通りかの周波数Ｆｆで、初期周波数ｆｆ１を決定するためのプラズマキーホール溶接を行う。そして、キーホール８８９を形成する時間が最小となった値を初期周波数ｆｆ１として採用すればよい。
【００８２】
本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、および、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間のいずれにおいても、溶接電流Ｉｗを、絶対値の時間平均値Ｉａを設定電流値ｉｒ１として流す。すなわち、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間中、および、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間における、時間平均値Ｉａは、同一の設定電流値ｉｒ１であり、互いに同一である。このような構成によると、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間中に、母材Ｗへの入熱が過多となることを防止できる。母材Ｗへの入熱が過多となることを防止できると、溶け落ち（図１１参照）が生じることを抑制できる。
【００８３】
本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、プラズマガスＰＧを初期ガス流量ｐｇ１で噴出させる。時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間中は、プラズマガスＰＧを定常ガス流量ｐｇ２で噴出させる。初期ガス流量ｐｇ１は定常ガス流量ｐｇ２よりも大きい。このような構成は、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中のアークａ１の圧力を増大させるのに適する。よって、キーホール８８９をより早く貫通させることができる。また、初期ガス流量ｐｇ１が定常ガス流量ｐｇ２よりも大きいと、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中のアークａ１を細く絞りこませることにより、母材Ｗにおける熱影響部を小さくすることができる。そのため、時刻ｔ２〜時刻ｔ３にて形成されるキーホール８８９の穴径が大きくなることを抑制できる。その結果、溶け落ちの発生を抑制することができる。
【００８４】
＜第１実施形態の第１変形例＞
図１３を用いて、本発明の第１実施形態の第１変形例について説明する。
【００８５】
なお、以下の説明では、上記と同一もしくは類似の構成については上記と同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００８６】
同図に示すプラズマキーホール溶接システムＡ１１は、初期周波数計算回路３７を更に備えている点において、上述のプラズマキーホール溶接システムＡ１と異なる。本変形例においては、初期周波数計算回路３７は、溶接電源装置３の構成であるが、これに限定されるものではなく、たとえば、ロボット制御装置２の構成であってもよい。
【００８７】
初期周波数計算回路３７は、定常周波数ｆｆ２の値に基づき、初期周波数ｆｆ１の値を計算する。具体的には、初期周波数計算回路３７は、定常周波数記憶部３６２に記憶された定常周波数ｆｆ２の値を減少させた値を算出する。初期周波数計算回路３７は、たとえば、定常周波数ｆｆ２の値の３０％や５０％の値を算出したり、定常周波数ｆｆ２の値から５〜８Ｈｚだけ減算した値を算出したりする。そして、初期周波数計算回路３７は、算出したこの値を、初期周波数ｆｆ１として初期周波数記憶部３６１に記憶する。
【００８８】
プラズマキーホール溶接システムＡ１１を用いたプラズマキーホール溶接方法は、プラズマキーホール溶接システムＡ１に関して説明したのと同様であるから、説明を省略する。
【００８９】
本変形例によると、プラズマキーホール溶接システムＡ１に関して述べた利点と同様の利点を享受することができる。
【００９０】
本変形例によると、プラズマキーホール溶接システムＡ１１のユーザは定常周波数ｆｆ２を設定するだけで、初期周波数ｆｆ１をわざわざ設定することなく、本実施形態の溶接方法を使用できる。このようなプラズマキーホール溶接システムＡ１１は、ユーザにとって使いやすい。
【００９１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００９２】
図３の定常溶接開始判断回路３３は必ずしも比較回路３３２を含む必要はない。定常溶接開始判断回路３３は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された時から所定の時間が経過したときに、定常溶接を開始すべきと判断してもよい。もしくは、定常溶接開始判断回路３３は、出力回路３１による出力が開始した時から所定の時間が経過したときに、定常溶接を開始すべきと判断するものであってもよい。
【００９３】
上記実施形態とは異なり、比較回路ＣＭ２は、時刻ｔ２ののち成形電圧信号Ｖｆの変化量がある値を超えたときにキーホール８８９が貫通したと判断し、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を出力してもよい。
【００９４】
上記の実施形態では、時刻ｔ４にて周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホール８８９が貫通した時刻から所定の時間が経過したときに、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させてもよい。また、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させるのは時刻ｔ３の後である必要もない。すなわち、キーホール８８９が貫通する時刻ｔ３よりも前に、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させてもよい。
【００９５】
時刻ｔ１〜時刻ｔ３まで周波数Ｆｆは初期周波数ｆｆ１であるが、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間のある期間中、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であればよく、たとえば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２のあいだ、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１とは異なっていてもよい。
【００９６】
上記の実施形態においては、時刻ｔ４において周波数Ｆｆを急に初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させているが、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、周波数Ｆｆを徐々に変化させてもよい。
【００９７】
上記の実施形態では、時刻ｔ４にてプラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホール８８９が貫通した時刻から所定の時間が経過したときに、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させてもよい。また、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させるのは時刻ｔ３の後である必要もない。すなわち、キーホール８８９が貫通する時刻ｔ３よりも前に、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させてもよい。また、時刻ｔ１から常にプラズマガスＰＧのガス流量は一定であってもよい。
【００９８】
時刻ｔ１〜時刻ｔ３までプラズマガスＰＧのガス流量は初期ガス流量ｐｇ１であるが、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間のある期間中プラズマガスＰＧのガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であればよく、たとえば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２のあいだ、プラズマガスＰＧのガス流量が初期ガス流量ｐｇ１と異なっていてもよい。
【００９９】
上記の実施形態においては、時刻ｔ４においてプラズマガスＰＧのガス流量を急に初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させているが、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、プラズマガスＰＧのガス流量を徐々に変化させてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
Ａ１ プラズマキーホール溶接システム
Ａ１１ プラズマキーホール溶接システム
１ 溶接ロボット
１１ 溶接トーチ
１１１ ノズル
１１２ プラズマ電極
１２ マニピュレータ
２ ロボット制御装置
２１ 動作制御回路
２３ ティーチペンダント
２５１ 初期速さ記憶部
２５２ 定常速さ記憶部
３ 溶接電源装置
３１ 出力回路
３１１ 電源回路
３１２ 周波数制御回路
３１３ 電流制御回路
３１４ 電流検出回路
３１５ 電流誤差計算回路
３２ 電圧検出回路
３３ 定常溶接開始判断回路
３３１ キーホール貫通検知回路
３４１ 絶対値演算回路
３４２ ローパスフィルタ
３４３ 電圧変動検出回路
３３２ 比較回路
３５ ガス流量制御回路
３６１ 初期周波数記憶部
３６２ 定常周波数記憶部
３６４ 設定電流値記憶部
３６５ 初期ガス流量記憶部
３６６ 定常ガス流量記憶部
３７ 初期周波数計算回路
４ ガス供給装置
８８１ 溶融池
８８２ 表面
８８６ 部位
８８９ キーホール
ａ１ アーク
Ｂｔｈ１ 基準値
Ｂｔｈ２ 基準値
Ｂｔｈ３ 基準値
ＢＶ 微分回路
Ｂｖ 電圧微分信号
ＣＭ１ 比較回路
Ｃｍ１ キーホール形成開始信号
ＣＭ２ 比較回路
Ｃｍ２ キーホール貫通検知信号
Ｃｍ３ 定常溶接開始指示信号
Ｄｒ 溶接進行方向
Ｅｉ 電流誤差信号
Ｆｆ 周波数
Ｆｆｓ 周波数設定信号
ｆｆ１ 初期周波数
ｆｆ２ 定常周波数
Ｉａ 時間平均値
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｅｐ 電極プラス極性電流
Ｉｅｎ 電極マイナス極性電流
Ｉｅｐｐ 最大絶対値
Ｉｅｎｐ 最大絶対値
Ｉｎｐ 電極マイナス極性ピーク電流
Ｉｎｂ 電極マイナス極性ベース電流
Ｉｒ 電流設定信号
ｉｒ１ 設定電流値
Ｉｗ 溶接電流
Ｍｓ 動作制御信号
ＰＧ プラズマガス
Ｐｇｓ ガス流量設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＶＲ 移動速さ
Ｓｔ 溶接開始信号
ｐｇ１ 初期ガス流量
ｐｇ２ 定常ガス流量
Ｔｅ２ 周期
Ｔｅ 周期
Ｔｅｎ 電極マイナス極性期間
Ｔｅｐ 電極プラス極性期間
ｔ１ 時刻
ｔ２ 時刻
ｔ３ 時刻
ｔ４ 時刻
Ｖａ 電圧絶対値信号
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｆ 成形電圧信号
Ｖｓ キーホール形成開始基準電圧信号
ＶＳ キーホール形成開始基準電圧設定回路
ｖｒ１ 初期速さ
ｖｒ２ 定常速さ
Ｗ 母材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接方法、および、プラズマキーホール溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接方法は、母材がたとえばＩ形開先の突合せ継手を溶接するときに、タングステン電極を一般的に陰極として放電したときのアークを、水冷されたノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶融池の先端で母材を貫通するキーホールを形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶融も適切に行うことができる。プラズマキーホール溶接方法は、たとえば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された方法においては、トーチを停止させた状態でキーホールを形成し、このキーホールが貫通した後にトーチの移動を開始させる。当該方法では、溶接開始直後から綺麗なビードを形成することが企図されている。
【０００３】
プラズマキーホール溶接方法において上記キーホールが貫通するまでに要する時間が長いと、定常溶接を開始するのが遅くなり、溶接作業の作業効率が低下してしまう。このため、このようなプラズマキーホール溶接方法を行う際には、溶接作業を早期に開始すべくキーホールをより早く貫通させることが、望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平０２−１８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、より早くキーホールを貫通させることができるプラズマキーホール溶接方法およびプラズマキーホール溶接システムを提供することをその主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によると、プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、上記貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時から上記キーホールが貫通する時までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流を、周波数が初期周波数であるパルス電流として流す工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記溶接電流を、周波数が定常周波数であるパルス電流として流す工程を含み、上記初期周波数は、定常周波数より小さい、プラズマキーホール溶接方法が提供される。
【０００７】
好ましくは、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値、および、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値は、互いに同一である。
【０００８】
好ましくは、上記貫通させる工程は、上記キーホール形成期間中に、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスを、初期ガス流量で噴出させる工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記プラズマガスを定常ガス流量で噴出させる工程を含み、上記初期ガス流量は、上記定常ガス流量より大きい。
【０００９】
好ましくは、初期周波数計算回路によって、上記定常周波数の値を減少させることにより、上記初期周波数の値を計算する工程を更に備える。
【００１０】
好ましくは、上記貫通させる工程は、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを初期速さに設定する工程を含み、上記定常溶接を行う工程は、上記移動速さを定常速さに設定する工程を含み、上記初期速さは、上記定常速さより小さい。
【００１１】
本発明の第２の側面によると、プラズマ電極と母材との間にパルス電流を流す出力回路と、初期周波数の値を記憶する初期周波数記憶部と、定常周波数の値を記憶する定常周波数記憶部と、上記母材にてキーホールが貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号を生成するキーホール貫通検知回路と、を備え、上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、周波数を上記初期周波数として上記パルス電流を流し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、周波数を上記定常周波数として上記パルス電流を流す、プラズマキーホール溶接システムが提供される。
【００１２】
好ましくは、設定電流値を記憶する設定電流値記憶部を更に備え、上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前および上記キーホール貫通検知信号が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値を上記設定電流値として上記パルス電流を流す。
【００１３】
好ましくは、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスの流量であるガス流量を制御するガス流量制御回路と、初期ガス流量の値を記憶する初期ガス流量記憶部と、定常ガス流量の値を記憶する定常ガス流量記憶部と、を更に備え、上記ガス流量制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記ガス流量を上記初期ガス流量に設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記ガス流量を上記定常ガス流量に設定する。
【００１４】
好ましくは、上記定常周波数記憶部に記憶された定常周波数の値を減少させた値を、上記初期周波数として上記初期周波数記憶部に記憶する初期周波数計算回路を更に備える。
【００１５】
好ましくは、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを制御する動作制御回路と、初期速さの値を記憶する初期速さ記憶部と、定常速さの値を記憶する定常速さ記憶部と、を更に備え、上記動作制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記移動速さを上記初期速さに設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記移動速さを上記定常速さに設定する。
【００１６】
このような構成によると、より早くキーホールを貫通させることができる。
【００１７】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す溶接トーチを示す部分拡大断面図である。
【図３】図１の定常溶接開始判断回路の内部構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図６】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図７】溶接電流の波形の一例を詳細に示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態のプラズマキーホール溶接方法における、母材の状態を示す断面図である。
【図９】プラズマキーホール溶接を行う際に望まれる溶接状態を示す図である。
【図１０】プラズマキーホール溶接を行う際に生じうる不具合例を示す図である。
【図１１】プラズマキーホール溶接を行う際に生じうる不具合例を示す図である。
【図１２】キーホール形成期間中の溶融池の表面を示す断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態の第１変形例にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１〜図１２を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接システムの構成を示す図である。
【００２２】
同図に示すプラズマキーホール溶接システムＡ１は、溶接ロボット１と、ロボット制御装置２と、溶接電源装置３と、ガス供給装置４と、を備える。
【００２３】
溶接ロボット１は、溶接トーチ１１と、マニピュレータ１２とを含む。
【００２４】
図２に示すように、溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを有する。ノズル１１１は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材である。ノズル１１１は適宜、水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は非消耗電極である。プラズマ電極１１２は、たとえばタングステンからなる金属棒である。プラズマ電極１１２は、母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加するための電極である。ノズル１１１からは、プラズマガスＰＧがプラズマ電極１１２を囲むように噴出される。プラズマガスＰＧはたとえばＡｒである。プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてアークａ１が発生する。アークａ１が発生している際には、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間には溶接電流Ｉｗが流れている。マニピュレータ１２は、溶接トーチ１１を保持している。マニピュレータ１２はたとえば多関節ロボットである。母材Ｗは、たとえば、アルミニウム、アルミニウムの合金、もしくはステンレスよりなる。
【００２５】
ガス供給装置４は、母材Ｗに向かって噴出させるプラズマガスＰＧを供給するためのものである。ガス供給装置４によるプラズマガスＰＧの供給量（すなわちノズル１１１からのプラズマガスＰＧの噴出量）は、後述のガス流量設定信号Ｐｇｓによって決定される。
【００２６】
ロボット制御装置２は、動作制御回路２１と、ティーチペンダント２３と、初期速さ記憶部２５１と、定常速さ記憶部２５２と、を含む。ロボット制御装置２は溶接ロボット１の動作を制御するためのものである。
【００２７】
ティーチペンダント２３は、動作制御回路２１に接続されている。ティーチペンダント２３は、各種動作をプラズマキーホール溶接システムＡ１のユーザが設定するためのものである。ティーチペンダント２３は、プラズマキーホール溶接システムＡ１のユーザから溶接を開始する旨の指示を受けると、溶接開始信号Ｓｔを送る。
【００２８】
初期速さ記憶部２５１は初期速さｖｒ１の値を記憶する。初期速さｖｒ１は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、初期速さ記憶部２５１に記憶される。定常速さ記憶部２５２は定常速さｖｒ２の値を記憶する。定常速さｖｒ２の値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、定常速さ記憶部２５２に記憶される。
【００２９】
動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また、動作制御回路２１は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲを制御する。移動速さＶＲは、母材Ｗに沿った溶接進行方向Ｄｒにおける、母材Ｗに対するプラズマ電極１１２の速さである。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、エンコーダからの座標情報、および移動速さＶＲ等に基づき、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。溶接ロボット１は動作制御信号Ｍｓを受け、モータ（図示略）を回転駆動させる。これにより、溶接トーチ１１が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。
【００３０】
動作制御回路２１は、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、移動速さＶＲを初期速さｖｒ１に設定する。一方、動作制御回路２１は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、移動速さＶＲを定常速さｖｒ２に設定する。本実施形態において動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔをティーチペンダント２３から受け溶接電源装置３に送る。
【００３１】
溶接電源装置３は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し溶接電流Ｉｗを流すための装置である。溶接電源装置３は、出力回路３１と、電圧検出回路３２と、定常溶接開始判断回路３３と、ガス流量制御回路３５と、初期周波数記憶部３６１と、定常周波数記憶部３６２と、設定電流値記憶部３６４と、初期ガス流量記憶部３６５と、定常ガス流量記憶部３６６と、を含む。
【００３２】
初期周波数記憶部３６１は初期周波数ｆｆ１の値を記憶する。定常周波数記憶部３６２は定常周波数ｆｆ２の値を記憶する。設定電流値記憶部３６４は設定電流値ｉｒ１を記憶する。初期ガス流量記憶部３６５は初期ガス流量ｐｇ１の値を記憶する。定常ガス流量記憶部３６６は定常ガス流量ｐｇ２を記憶する。初期周波数ｆｆ１、定常周波数ｆｆ２、設定電流値ｉｒ１、初期ガス流量ｐｇ１、および定常ガス流量ｐｇ２の値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、各記憶部に記憶される。
【００３３】
出力回路３１は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に指示された値で溶接電流Ｉｗを流すためのものである。本実施形態において溶接電流Ｉｗはパルス電流である。出力回路３１は、電源回路３１１と、周波数制御回路３１２と、電流制御回路３１３と、電流検出回路３１４と、電流誤差計算回路３１５と、を有する。
【００３４】
電源回路３１１は、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述の電流誤差信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ｉｗを出力する。電源回路３１１は動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔを受ける。
【００３５】
周波数制御回路３１２は、パルス電流たる溶接電流Ｉｗの周波数Ｆｆを制御する。周波数制御回路３１２は、初期周波数記憶部３６１および定常周波数記憶部３６２に接続している。周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆを制御するための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。具体的には、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１である溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを、電源回路３１１に送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前には、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流を、溶接電流Ｉｗとして流す。一方、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、周波数制御回路３１２は、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２である溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを、電源回路３１１に送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流を、溶接電流Ｉｗとして流す。なお、周波数制御回路３１２は、動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔを受ける。
【００３６】
電流検出回路３１４は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を検出するためのものである。電流検出回路３１４は、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを送る。電流誤差計算回路３１５は、実際に流れている溶接電流Ｉｗの値と、設定された溶接電流の値との差ΔＩｗを計算するためのものである。具体的には、電流誤差計算回路３１５は、電流検出信号Ｉｄと、設定された溶接電流の値に対応する後述の電流設定信号Ｉｒとを受け、差ΔＩｗに対応する電流誤差信号Ｅｉを送る。なお、電流誤差計算回路３１５は、電流誤差信号Ｅｉとして、差ΔＩｗを増幅した値に対応するものを送ってもよい。
【００３７】
電流制御回路３１３は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａを設定するためのものである。電流制御回路３１３は、設定電流値記憶部３６４に記憶された設定電流値ｉｒ１に基づき、溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａを指示するための電流設定信号Ｉｒを生成する。そして電流制御回路３１３は、生成した電流設定信号Ｉｒを電流誤差計算回路３１５に送る。本実施形態において、電流制御回路３１３は、後述のキーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前およびキーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値Ｉａが設定電流値ｉｒ１である溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを送る。これにより、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前およびキーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値Ｉａを設定電流値ｉｒ１として、溶接電流Ｉｗを流す。
【００３８】
電圧検出回路３２は、プラズマ電極１１２と母材Ｗとの間の溶接電圧Ｖｗの値を検出するためのものである。電圧検出回路３２は、溶接電圧Ｖｗの値に対応する電圧検出信号Ｖｄを送る。
【００３９】
定常溶接開始判断回路３３は、電圧検出回路３２から電圧検出信号Ｖｄを受ける。定常溶接開始判断回路３３は、電圧検出信号Ｖｄに基づき、定常溶接を開始するか否かを判断する。定常溶接開始判断回路３３は、定常溶接を開始すべきと判断すると、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を、周波数制御回路３１２（すなわち出力回路３１）とガス流量制御回路３５と動作制御回路２１とに送る。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態において定常溶接開始判断回路３３は、キーホール貫通検知回路３３１と、比較回路３３２とを有する。キーホール貫通検知回路３３１は母材Ｗにてキーホール８８９が貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を生成し、比較回路３３２に送る。
【００４１】
具体的には、キーホール貫通検知回路３３１は、絶対値演算回路３４１と、ローパスフィルタ３４２と、電圧変動検出回路３４３と、を有する。
【００４２】
絶対値演算回路３４１には、電圧検出信号Ｖｄが入力される。絶対値演算回路３４１は、入力された電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算する。そして絶対値演算回路３４１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖａとして出力する。ローパスフィルタ３４２には、電圧絶対値信号Ｖａが入力される。ローパスフィルタ３４２は、入力された電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、低周波成分のみを通過させる演算を行う。そしてローパスフィルタ３４２は、当該演算の結果を成形電圧信号Ｖｆとして出力する。なお、絶対値演算回路３４１は、電圧絶対値信号Ｖａが交流ではなく直流であった場合は不要である。
【００４３】
電圧変動検出回路３４３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出するための回路である。電圧変動検出回路３４３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出し、キーホール８８９が貫通した時刻を検出するために設けられている。電圧変動検出回路３４３は、微分回路ＢＶ、比較回路ＣＭ１、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳ、および比較回路ＣＭ２を有する。
【００４４】
微分回路ＢＶには、成形電圧信号Ｖｆが入力される。微分回路ＢＶは、入力された成形電圧信号Ｖｆの時間微分値を計算し、電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ１には、電圧微分信号Ｂｖが入力される。比較回路ＣＭ１は、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合に、キーホール８８９の形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。
【００４５】
キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳには、キーホール形成開始信号Ｃｍ１と、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１が入力された時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと設定する。そして、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを出力する。
【００４６】
比較回路ＣＭ２には、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。比較回路ＣＭ２は、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとの差が、プラズマガスＰＧの種類等によって予め定められた基準値Ｂｔｈ２以上になった場合、キーホール８８９が貫通したと判断する。この時、比較回路ＣＭ２は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通検知信号Ｃｍ２を出力する。
【００４７】
比較回路３３２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２および電圧微分信号Ｂｖを受ける。比較回路３３２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を受けた後に電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ３以下に達したときに、溶接裏ビードが適切に形成され且つキーホール８８９が適切な大きさになったと判断する。このとき、比較回路３３２は、定常溶接を開始すべきと判断し、短時間だけＨｉｇｈレベルになる定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を送る。定常溶接開始指示信号Ｃｍ３は、周波数制御回路３１２（すなわち出力回路３１）とガス流量制御回路３５と動作制御回路２１とに送られる。
【００４８】
ガス流量制御回路３５は、母材Ｗに向かって噴出させるプラズマガスＰＧの流量であるガス流量を制御するためのものである。ガス流量制御回路３５は、初期ガス流量記憶部３６５および定常ガス流量記憶部３６６に接続している。ガス流量制御回路３５は、プラズマガスＰＧのガス流量を制御するためのガス流量設定信号Ｐｇｓをガス供給装置４に送る。ガス流量制御回路３５は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２（図４（ｅ）参照）が生成される前には、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、ガス供給装置４は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成される前には、ガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であるようにプラズマガスＰＧを噴出させる。一方、ガス流量制御回路３５は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、プラズマガスＰＧのガス流量を定常ガス流量ｐｇ２に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、ガス供給装置４は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された後には、ガス流量が定常ガス流量ｐｇ２であるようにプラズマガスＰＧを噴出させる。なお、ガス流量制御回路３５には、動作制御回路２１から溶接開始信号Ｓｔが送られる。
【００４９】
次に、図４および図８をさらに用いて、プラズマキーホール溶接システムＡ１を用いたプラズマキーホール溶接方法の一例について説明する。
【００５０】
同図（ａ）は電圧検出信号Ｖｄの時間変化を示し、（ｂ）は電圧絶対値信号Ｖａの時間変化を示し、（ｃ）は成形電圧信号Ｖｆの時間変化を示し、（ｄ）キーホール形成開始信号Ｃｍ１の時間変化を示し、（ｅ）はキーホール貫通検知信号Ｃｍ２の時間変化を示し、（ｆ）は定常溶接開始指示信号Ｃｍ３の時間変化を示し、（ｇ）は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲの時間変化を示し、（ｈ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、（ｉ）は溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａの時間変化を示し、（ｊ）は溶接電流Ｉｗのパルスの周波数Ｆｆの時間変化を示し、（ｋ）はプラズマガスＰＧのガス流量の時間変化を示す。
【００５１】
図８（ｓ−１）、（ｓ−２）、（ｓ−３）はそれぞれ、図４（ｓ−１）、（ｓ−２）、（ｓ−３）のアークａ１および母材Ｗの状態に対応する。
【００５２】
図４（ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形電圧信号を示す。
【００５３】
＜時刻ｔ１〜時刻ｔ２＞
時刻ｔ１において、外部からの溶接開始信号Ｓｔがティーチペンダント２３を経由して動作制御回路２１に入力されると、動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔを、出力回路３１（具体的には、電源回路３１１および周波数制御回路３１２）に送る。すると、電源回路３１１はプラズマ電極１１２と母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加し、アークａ１が点弧される。そして溶接電流Ｉｗの通電が開始される。
【００５４】
図４（ｉ）に示すように、時刻ｔ１において、出力回路３１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、絶対値の時間平均値Ｉａが設定電流値ｉｒ１である溶接電流Ｉｗを通電し始める。設定電流値ｉｒ１は、たとえば２４０Ａ程度である。
【００５５】
時刻ｔ１において、周波数制御回路３１２は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。これにより、図４（ｊ）に示すように、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを通電し始める。初期周波数ｆｆ１は、たとえば２〜１０Ｈｚであり、好ましくは、５〜６Ｈｚである。初期周波数ｆｆ１の値は、母材Ｗの種類や母材Ｗの厚さによて異なる場合もある。
【００５６】
ここで、溶接電流Ｉｗの波形ついて、図５を参照しつつ説明する。図５は、溶接電流Ｉｗのほぼパルス２周期分を示すグラフである。なお、図５における時間のスケールは、図４における時間のスケールに比べ極めて小さい。図５に示された溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａが、図４（ｉ）に示す時間平均値Ｉａに一致する。
【００５７】
図５において、溶接電流Ｉｗを示す縦軸は、プラズマ電極１１２が陽極となったときに流れる電流をプラスとしている。本図から理解されるように、溶接電流Ｉｗは、周期Ｔｅにおいて電極プラス極性電流Ｉｅｐと電極マイナス極性電流Ｉｅｎとを１回ずつとる、交流電流である。電極プラス極性電流Ｉｅｐは、プラズマ電極１１２が陽極、母材Ｗが陰極となった状態で流れる電流である。電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、プラズマ電極１１２が陰極、母材Ｗが陽極となった状態で流れる電流である。
【００５８】
電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、周期Ｔｅ２を有するパルス電流となっている。周期Ｔｅ２は、電極マイナス極性期間Ｔｅｎよりも短い。この周期Ｔｅ２の間に、電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐと電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂとを１回ずつとる。
【００５９】
図５において、電極マイナス極性電流Ｉｅｎの絶対値を破線で示している。さらに同図には、溶接電流Ｉｗの時間平均値Ｉａを示している。上述したように図５の時間平均値Ｉａが、図４（ｉ）の時間平均値Ｉａに一致する。
【００６０】
そして、周波数Ｆｆと周期Ｔｅとの関係は以下のとおりである。
Ｆｆ＝１／Ｔｅ
【００６１】
また、ＥＮ比率が、周期Ｔｅ、電極マイナス極性期間Ｔｅｎ、ないし電極プラス極性期間Ｔｅｐを用いて、以下の式によって規定される。
ＥＮ比率（％）＝Ｔｅｎ／Ｔｅ×１００
＝Ｔｅｎ／（Ｔｅｎ＋Ｔｅｐ）×１００
【００６２】
周波数Ｆｆを変化させるには、たとえば、ＥＮ比率および時間平均値Ｉａをいずれも変化させずに、電極マイナス極性期間Ｔｅｎおよび電極プラス極性期間Ｔｅｐのいずれをも変化させる。ただし、周波数Ｆｆを変化させるのはこれに限られず、ＥＮ比率を変化させつつ周波数Ｆｆを調整してもよい。また、時間平均値Ｉａを変化させるには、たとえば、ＥＮ比率を変化させずに、最大絶対値Ｉｅｐｐの値や、最大絶対値Ｉｅｎｐなどを変化させる。
【００６３】
溶接電流Ｉｗの波形は、図５に示すものに限られず、図６や図７に示すものであってもよい。
【００６４】
時刻ｔ１において、ガス流量制御回路３５は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、図４（ｋ）に示すように、ガス供給装置４は、ガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であるようにプラズマガスＰＧを噴出させ始める。初期ガス流量ｐｇ１は、たとえば２．３〜２．５Ｌ／ｍｉｎである。
【００６５】
時刻ｔ１において、動作制御回路２１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、図４（ｇ）に示すように、移動速さＶＲを初期速さｖｒ１に設定するための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、初期速さｖｒ１となる。本実施形態においては、初期速さｖｒ１は０であり、時刻ｔ１から時刻ｔ４の間は、溶接進行方向Ｄｒにおいてプラズマ電極１１２は母材Ｗに対し停止している。本実施形態と異なり、移動速さＶＲは０でなくてもよい。たとえば、時刻ｔ１から時刻ｔ４の間に、溶接進行方向Ｄｒにおいて、プラズマ電極１１２を母材Ｗに対しわずかに移動させてもよい。
【００６６】
図３の絶対値演算回路３４１は、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算し、図４（ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａを送る。ローパスフィルタ３４２は、電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、同図（ｃ）に示す成形電圧信号Ｖｆを出力する。図８（ｓ−１）に示すように、時刻ｔ１以降、アークａ１は、母材Ｗの表面に溶融池８８１を形成する。溶融池８８１が形成され始めた時はアークａ１は不安定である。そのため成形電圧信号Ｖｆは変動しやすい。
【００６７】
＜時刻ｔ２〜時刻ｔ３（キーホール形成期間）＞
図４（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆが上昇して時刻ｔ２になると、アークａ１は安定する。そのため時刻ｔ２以降、成形電圧信号Ｖｆの上昇率が小さくなる。図３の比較回路ＣＭ１は、成形電圧信号Ｖｆを時間微分した電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合、アークａ１が母材Ｗにキーホール８８９を掘り始め、キーホール８８９の形成が開始されたと判断する。キーホール８８９の形成が開始されたと判断すると、比較回路ＣＭ１は、同図（ｄ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１を受けると、このキーホール形成開始信号Ｃｍ１を入力した時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓ（同図（ｃ）参照）として設定する。図８（ｓ−２）に示すように、時刻ｔ２以降、キーホール８８９の形成が継続され、溶融池８８１の表面８８２が徐々に低下してゆく。なお、キーホール８８９の形成が開始した時（時刻ｔ２）から、キーホール８８９が貫通する時（後述の時刻ｔ３）までの期間は、キーホール形成期間である。
【００６８】
図４（ｇ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、初期速さｖｒ１である。本実施形態では上述のように初期速さｖｒ１は０であり、プラズマ電極１１２は母材Ｗに対し停止している。図４（ｉ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａは、設定電流値ｉｒ１である。図４（ｊ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗが流れる。図４（ｋ）に示すように、キーホール形成期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）中は、プラズマガスＰＧは初期ガス流量ｐｇ１で噴出させられる。
【００６９】
＜時刻ｔ３〜時刻ｔ４＞
時刻ｔ３において、図８（ｓ−３）に示すように、母材Ｗにてキーホール８８９が貫通する。キーホール８８９が貫通したとき、時刻ｔ３において、図４（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２より大きくなる。この場合、比較回路ＣＭ２は、キーホール８８９が貫通したと判断する。すると同図（ｅ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を、比較回路３３２に送る。キーホール８８９が貫通した直後は、成形電圧信号Ｖｆはキーホール８８９の貫通の影響で不安定である。キーホール８８９が貫通した時刻ｔ３からしばらくすると、成形電圧信号Ｖｆが減少したのちに溶接電圧Ｖｗが安定し、成形電圧信号Ｖｆの減少率が小さくなる。
【００７０】
＜時刻ｔ４以降＞
時刻ｔ４において、図３の比較回路３３２は、電圧微分信号Ｂｖが予め定めた基準値Ｂｔｈ３以下に達すると、溶接裏ビードが適切に形成され且つキーホール８８９が適切な大きさになったと判断する。このとき、図４（ｆ）に示すように、比較回路３３２は、定常溶接を開始すべきと判断し、短時間だけＨｉｇｈレベルになる定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を送る。
【００７１】
時刻ｔ４において、周波数制御回路３１２は定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを流すための周波数設定信号Ｆｆｓを電源回路３１１に送る。これにより、図４（ｊ）に示すように、時刻ｔ４から、電源回路３１１（すなわち出力回路３１）は、周波数Ｆｆが定常周波数ｆｆ２であるパルス電流として、溶接電流Ｉｗを通電し始める。定常周波数ｆｆ２よりも初期周波数ｆｆ１は小さい。定常周波数ｆｆ２は、たとえば、１０〜２０Ｈｚである。
【００７２】
時刻ｔ４において、ガス流量制御回路３５は、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、プラズマガスＰＧのガス流量を定常ガス流量ｐｇ２に設定するためのガス流量設定信号Ｐｇｓを、ガス供給装置４に送る。これにより、図４（ｋ）に示すように、時刻ｔ４から、ガス供給装置４は、ガス流量が定常ガス流量ｐｇ２であるようにプラズマガスＰＧを噴出させ始める。定常ガス流量ｐｇ２よりも初期ガス流量ｐｇ１が大きい。定常ガス流量ｐｇ２は、たとえば、２．０Ｌ／ｍｉｎである。
【００７３】
時刻ｔ４において、動作制御回路２１は、定常溶接開始指示信号Ｃｍ３を受けると、図４（ｇ）に示すように、移動速さＶＲを定常速さｖｒ２に設定するための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、プラズマ電極１１２の移動速さＶＲは、定常速さｖｒ２となる。定常速さｖｒ２よりも初期速さｖｒ１が小さい。本実施形態では、時刻ｔ４から、溶接進行方向Ｄｒにおける、プラズマ電極１１２の母材Ｗに対する移動が開始される。
【００７４】
時刻ｔ４以降においても、図（ｉ）に示すように、絶対値の時間平均値Ｉａは、設定電流値ｉｒ１のままである。すなわち、時刻ｔ２〜時刻ｔ３（キーホール形成期間）中の溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａと、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う工程における溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値Ｉａとは、互いに同一である。
【００７５】
以上のように時刻ｔ４から、定常溶接を行う工程が開始され、母材Ｗに対する溶接が行われる。これにより、図９に示すように、母材Ｗの表面に溶接進行方向Ｄｒに沿って溶接表ビードが、母材Ｗの裏面には溶接進行方向Ｄｒに沿って溶接裏ビードが形成される。時刻ｔ１〜時刻ｔ２および時刻ｔ３〜時刻ｔ４の各長さは、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の長さに比べ非常に短い。時刻ｔ２〜時刻ｔ３の長さは、たとえば１０秒程度である。
【００７６】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００７７】
本実施形態によると、より早くキーホール８８９を貫通させることができる。その理由は次のとおりである。
【００７８】
まず、従来から溶接に要する時間の短縮が求められている。定常速さｖｒ２を遅くすると溶接に要する時間が増加し、溶接に要する時間の短縮を図ることができない。そのため、少なくとも時刻ｔ４以降の定常溶接を行う工程においては、定常速さｖｒ２をあまり遅くできない。
【００７９】
本実施形態において溶接電流Ｉｗはパルス電流である。よって、母材Ｗに入熱しやすい期間と母材Ｗに入熱しにくい期間とが、周期的に繰り返される。たとえば、図５の電極プラス極性電流Ｉｅｐや電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐが流れる期間は、母材Ｗに入熱しやすい期間である。一方、電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂが流れる期間は、母材Ｗに入熱しにくい期間である。また、たとえば、図６や図７の電極マイナス極性電流Ｉｅｎが流れる電極マイナス極性期間Ｔｅｎは、母材Ｗに入熱しやすい期間である。一方、電極プラス極性電流Ｉｅｐが流れる電極プラス極性期間Ｔｅｐは、母材Ｗに入熱しにくい期間である。よって、定常速さｖｒ２をあまり遅くせずに溶接を行う場合に定常周波数ｆｆ２を小さくしすぎると、入熱しにくい期間しかアークａ１が照射されない部位が、母材Ｗに生じる可能性がある。すると、ほとんど入熱されない部位が母材Ｗに生じる可能性がある。母材Ｗに入熱されない部位が生じると、溶接表ビードや溶接裏ビードの幅が細くなったり、もしくは、図１０に示すようにキーホール８８９が生成されないなどの不都合が生じうる。以上より、定常周波数ｆｆ２をあまり小さくすることは出来ず、ある程度の以上の大きさにする必要がある。
【００８０】
図１２は、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中の溶融池８８１の状態を示している。同図に示すように、少なくとも時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、溶融池８８１の表面８８２は上下に振動する。同図の左側に示すように、表面８８２が下がっている場合、アークａ１の先端と母材Ｗのうちの次に溶融すべき部位８８６との距離が小さいため、アークａ１からの熱は部位８８６に伝わりやすい。一方、同図の右側に示すように、表面８８２が上がっている場合、アークａ１の先端と部位８８６との距離は大きいため、アークａ１からの熱は部位８８６に伝わりにくい。そして、発明者は、溶融池８８１の表面８８２の振動数が定常周波数ｆｆ２よりも小さいことにつき、知見を得た。本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中に、溶接電流Ｉｗを、定常周波数ｆｆ２よりも小さい初期周波数ｆｆ１であるパルス電流として流す。そのため、溶接電流Ｉｗがパルス電流であることに由来する、入熱しやすい期間と入熱しにくい期間との繰り返し周期を、表面８８２の振動の周期に近づけることが可能となる。よって、溶接電流Ｉｗがパルス電流であることに由来する、入熱しやすい期間と入熱しにくい期間との繰り返し周期を、アークａ１からの熱が部位８８６に伝わりやすい状態（図１２の左側）と、アークａ１からの熱が部位８８６に伝わりにくい状態（図１２の右側）との繰り返し周期に、近づけることができる。したがって、本実施形態によると、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、効率的に、母材Ｗのうちの次に溶融すべき部位８８６を溶融させることができる。これにより、より早くキーホール８８９を貫通させることができる。
【００８１】
初期周波数ｆｆ１の値を決定するには、たとえば、溶接を開始する前に、定常周波数ｆｆ２よりも小さい何通りかの周波数Ｆｆで、初期周波数ｆｆ１を決定するためのプラズマキーホール溶接を行う。そして、キーホール８８９を形成する時間が最小となった値を初期周波数ｆｆ１として採用すればよい。
【００８２】
本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、および、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間のいずれにおいても、溶接電流Ｉｗを、絶対値の時間平均値Ｉａを設定電流値ｉｒ１として流す。すなわち、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間中、および、時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間における、時間平均値Ｉａは、同一の設定電流値ｉｒ１であり、互いに同一である。このような構成によると、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間中に、母材Ｗへの入熱が過多となることを防止できる。母材Ｗへの入熱が過多となることを防止できると、溶け落ち（図１１参照）が生じることを抑制できる。
【００８３】
本実施形態においては、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中、プラズマガスＰＧを初期ガス流量ｐｇ１で噴出させる。時刻ｔ４以降の定常溶接を行う期間中は、プラズマガスＰＧを定常ガス流量ｐｇ２で噴出させる。初期ガス流量ｐｇ１は定常ガス流量ｐｇ２よりも大きい。このような構成は、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中のアークａ１の圧力を増大させるのに適する。よって、キーホール８８９をより早く貫通させることができる。また、初期ガス流量ｐｇ１が定常ガス流量ｐｇ２よりも大きいと、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間（キーホール形成期間）中のアークａ１を細く絞りこませることにより、母材Ｗにおける熱影響部を小さくすることができる。そのため、時刻ｔ２〜時刻ｔ３にて形成されるキーホール８８９の穴径が大きくなることを抑制できる。その結果、溶け落ちの発生を抑制することができる。
【００８４】
＜第１実施形態の第１変形例＞
図１３を用いて、本発明の第１実施形態の第１変形例について説明する。
【００８５】
なお、以下の説明では、上記と同一もしくは類似の構成については上記と同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００８６】
同図に示すプラズマキーホール溶接システムＡ１１は、初期周波数計算回路３７を更に備えている点において、上述のプラズマキーホール溶接システムＡ１と異なる。本変形例においては、初期周波数計算回路３７は、溶接電源装置３の構成であるが、これに限定されるものではなく、たとえば、ロボット制御装置２の構成であってもよい。
【００８７】
初期周波数計算回路３７は、定常周波数ｆｆ２の値に基づき、初期周波数ｆｆ１の値を計算する。具体的には、初期周波数計算回路３７は、定常周波数記憶部３６２に記憶された定常周波数ｆｆ２の値を減少させた値を算出する。初期周波数計算回路３７は、たとえば、定常周波数ｆｆ２の値の３０％や５０％の値を算出したり、定常周波数ｆｆ２の値から５〜８Ｈｚだけ減算した値を算出したりする。そして、初期周波数計算回路３７は、算出したこの値を、初期周波数ｆｆ１として初期周波数記憶部３６１に記憶する。
【００８８】
プラズマキーホール溶接システムＡ１１を用いたプラズマキーホール溶接方法は、プラズマキーホール溶接システムＡ１に関して説明したのと同様であるから、説明を省略する。
【００８９】
本変形例によると、プラズマキーホール溶接システムＡ１に関して述べた利点と同様の利点を享受することができる。
【００９０】
本変形例によると、プラズマキーホール溶接システムＡ１１のユーザは定常周波数ｆｆ２を設定するだけで、初期周波数ｆｆ１をわざわざ設定することなく、本実施形態の溶接方法を使用できる。このようなプラズマキーホール溶接システムＡ１１は、ユーザにとって使いやすい。
【００９１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００９２】
図３の定常溶接開始判断回路３３は必ずしも比較回路３３２を含む必要はない。定常溶接開始判断回路３３は、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２が生成された時から所定の時間が経過したときに、定常溶接を開始すべきと判断してもよい。もしくは、定常溶接開始判断回路３３は、出力回路３１による出力が開始した時から所定の時間が経過したときに、定常溶接を開始すべきと判断するものであってもよい。
【００９３】
上記実施形態とは異なり、比較回路ＣＭ２は、時刻ｔ２ののち成形電圧信号Ｖｆの変化量がある値を超えたときにキーホール８８９が貫通したと判断し、キーホール貫通検知信号Ｃｍ２を出力してもよい。
【００９４】
上記の実施形態では、時刻ｔ４にて周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホール８８９が貫通した時刻から所定の時間が経過したときに、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させてもよい。また、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させるのは時刻ｔ３の後である必要もない。すなわち、キーホール８８９が貫通する時刻ｔ３よりも前に、周波数Ｆｆを初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させてもよい。
【００９５】
時刻ｔ１〜時刻ｔ３まで周波数Ｆｆは初期周波数ｆｆ１であるが、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間のある期間中、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１であればよく、たとえば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２のあいだ、周波数Ｆｆが初期周波数ｆｆ１とは異なっていてもよい。
【００９６】
上記の実施形態においては、時刻ｔ４において周波数Ｆｆを急に初期周波数ｆｆ１から定常周波数ｆｆ２に変化させているが、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、周波数Ｆｆを徐々に変化させてもよい。
【００９７】
上記の実施形態では、時刻ｔ４にてプラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホール８８９が貫通した時刻から所定の時間が経過したときに、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させてもよい。また、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させるのは時刻ｔ３の後である必要もない。すなわち、キーホール８８９が貫通する時刻ｔ３よりも前に、プラズマガスＰＧのガス流量を初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させてもよい。また、時刻ｔ１から常にプラズマガスＰＧのガス流量は一定であってもよい。
【００９８】
時刻ｔ１〜時刻ｔ３までプラズマガスＰＧのガス流量は初期ガス流量ｐｇ１であるが、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間のある期間中プラズマガスＰＧのガス流量が初期ガス流量ｐｇ１であればよく、たとえば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２のあいだ、プラズマガスＰＧのガス流量が初期ガス流量ｐｇ１と異なっていてもよい。
【００９９】
上記の実施形態においては、時刻ｔ４においてプラズマガスＰＧのガス流量を急に初期ガス流量ｐｇ１から定常ガス流量ｐｇ２に変化させているが、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、プラズマガスＰＧのガス流量を徐々に変化させてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
Ａ１ プラズマキーホール溶接システム
Ａ１１ プラズマキーホール溶接システム
１ 溶接ロボット
１１ 溶接トーチ
１１１ ノズル
１１２ プラズマ電極
１２ マニピュレータ
２ ロボット制御装置
２１ 動作制御回路
２３ ティーチペンダント
２５１ 初期速さ記憶部
２５２ 定常速さ記憶部
３ 溶接電源装置
３１ 出力回路
３１１ 電源回路
３１２ 周波数制御回路
３１３ 電流制御回路
３１４ 電流検出回路
３１５ 電流誤差計算回路
３２ 電圧検出回路
３３ 定常溶接開始判断回路
３３１ キーホール貫通検知回路
３４１ 絶対値演算回路
３４２ ローパスフィルタ
３４３ 電圧変動検出回路
３３２ 比較回路
３５ ガス流量制御回路
３６１ 初期周波数記憶部
３６２ 定常周波数記憶部
３６４ 設定電流値記憶部
３６５ 初期ガス流量記憶部
３６６ 定常ガス流量記憶部
３７ 初期周波数計算回路
４ ガス供給装置
８８１ 溶融池
８８２ 表面
８８６ 部位
８８９ キーホール
ａ１ アーク
Ｂｔｈ１ 基準値
Ｂｔｈ２ 基準値
Ｂｔｈ３ 基準値
ＢＶ 微分回路
Ｂｖ 電圧微分信号
ＣＭ１ 比較回路
Ｃｍ１ キーホール形成開始信号
ＣＭ２ 比較回路
Ｃｍ２ キーホール貫通検知信号
Ｃｍ３ 定常溶接開始指示信号
Ｄｒ 溶接進行方向
Ｅｉ 電流誤差信号
Ｆｆ 周波数
Ｆｆｓ 周波数設定信号
ｆｆ１ 初期周波数
ｆｆ２ 定常周波数
Ｉａ 時間平均値
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｅｐ 電極プラス極性電流
Ｉｅｎ 電極マイナス極性電流
Ｉｅｐｐ 最大絶対値
Ｉｅｎｐ 最大絶対値
Ｉｎｐ 電極マイナス極性ピーク電流
Ｉｎｂ 電極マイナス極性ベース電流
Ｉｒ 電流設定信号
ｉｒ１ 設定電流値
Ｉｗ 溶接電流
Ｍｓ 動作制御信号
ＰＧ プラズマガス
Ｐｇｓ ガス流量設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＶＲ 移動速さ
Ｓｔ 溶接開始信号
ｐｇ１ 初期ガス流量
ｐｇ２ 定常ガス流量
Ｔｅ２ 周期
Ｔｅ 周期
Ｔｅｎ 電極マイナス極性期間
Ｔｅｐ 電極プラス極性期間
ｔ１ 時刻
ｔ２ 時刻
ｔ３ 時刻
ｔ４ 時刻
Ｖａ 電圧絶対値信号
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｆ 成形電圧信号
Ｖｓ キーホール形成開始基準電圧信号
ＶＳ キーホール形成開始基準電圧設定回路
ｖｒ１ 初期速さ
ｖｒ２ 定常速さ
Ｗ 母材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、
上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、
上記貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時から上記キーホールが貫通する時までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流を、周波数が初期周波数であるパルス電流として流す工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記溶接電流を、周波数が定常周波数であるパルス電流として流す工程を含み、
上記初期周波数は、定常周波数より小さい、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項２】
上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値、および、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値は、互いに同一である、請求項１に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項３】
上記貫通させる工程は、上記キーホール形成期間中に、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスを、初期ガス流量で噴出させる工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記プラズマガスを定常ガス流量で噴出させる工程を含み、
上記初期ガス流量は、上記定常ガス流量より大きい、請求項１または請求項２に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項４】
初期周波数計算回路によって、上記定常周波数の値を減少させることにより、上記初期周波数の値を計算する工程を更に備える、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項５】
上記貫通させる工程は、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを初期速さに設定する工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記移動速さを定常速さに設定する工程を含み、
上記初期速さは、上記定常速さより小さい、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項６】
プラズマ電極と母材との間にパルス電流を流す出力回路と、
初期周波数の値を記憶する初期周波数記憶部と、
定常周波数の値を記憶する定常周波数記憶部と、
上記母材にてキーホールが貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号を生成するキーホール貫通検知回路と、を備え、
上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、周波数を上記初期周波数として上記パルス電流を流し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、周波数を上記定常周波数として上記パルス電流を流す、プラズマキーホール溶接システム。
【請求項７】
設定電流値を記憶する設定電流値記憶部を更に備え、
上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前および上記キーホール貫通検知信号が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値を上記設定電流値として上記パルス電流を流す、請求項６に記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項８】
上記母材に向かって噴出させるプラズマガスの流量であるガス流量を制御するガス流量制御回路と、
初期ガス流量の値を記憶する初期ガス流量記憶部と、
定常ガス流量の値を記憶する定常ガス流量記憶部と、を更に備え、
上記ガス流量制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記ガス流量を上記初期ガス流量に設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記ガス流量を上記定常ガス流量に設定する、請求項６または請求項７に記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項９】
上記定常周波数記憶部に記憶された定常周波数の値を減少させた値を、上記初期周波数として上記初期周波数記憶部に記憶する初期周波数計算回路を更に備える、請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項１０】
上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを制御する動作制御回路と、
初期速さの値を記憶する初期速さ記憶部と、
定常速さの値を記憶する定常速さ記憶部と、を更に備え、
上記動作制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記移動速さを上記初期速さに設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記移動速さを上記定常速さに設定する、請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項１】
プラズマ電極と母材との間にアークを点弧し、上記アークによってキーホールを貫通させる工程と、
上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマ電極を上記母材に対して移動させつつ、定常溶接を行う工程と、を備え、
上記貫通させる工程は、上記キーホールの形成が開始した時から上記キーホールが貫通する時までの期間であるキーホール形成期間中に、上記プラズマ電極と上記母材との間に流れる溶接電流を、周波数が初期周波数であるパルス電流として流す工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記溶接電流を、周波数が定常周波数であるパルス電流として流す工程を含み、
上記初期周波数は、定常周波数より小さい、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項２】
上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値、および、上記貫通させる工程における上記溶接電流の絶対値の時間平均値は、互いに同一である、請求項１に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項３】
上記貫通させる工程は、上記キーホール形成期間中に、上記母材に向かって噴出させるプラズマガスを、初期ガス流量で噴出させる工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記プラズマガスを定常ガス流量で噴出させる工程を含み、
上記初期ガス流量は、上記定常ガス流量より大きい、請求項１または請求項２に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項４】
初期周波数計算回路によって、上記定常周波数の値を減少させることにより、上記初期周波数の値を計算する工程を更に備える、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項５】
上記貫通させる工程は、上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを初期速さに設定する工程を含み、
上記定常溶接を行う工程は、上記移動速さを定常速さに設定する工程を含み、
上記初期速さは、上記定常速さより小さい、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項６】
プラズマ電極と母材との間にパルス電流を流す出力回路と、
初期周波数の値を記憶する初期周波数記憶部と、
定常周波数の値を記憶する定常周波数記憶部と、
上記母材にてキーホールが貫通したことを検知すると、キーホール貫通検知信号を生成するキーホール貫通検知回路と、を備え、
上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、周波数を上記初期周波数として上記パルス電流を流し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、周波数を上記定常周波数として上記パルス電流を流す、プラズマキーホール溶接システム。
【請求項７】
設定電流値を記憶する設定電流値記憶部を更に備え、
上記出力回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前および上記キーホール貫通検知信号が生成された後のいずれにおいても、絶対値の時間平均値を上記設定電流値として上記パルス電流を流す、請求項６に記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項８】
上記母材に向かって噴出させるプラズマガスの流量であるガス流量を制御するガス流量制御回路と、
初期ガス流量の値を記憶する初期ガス流量記憶部と、
定常ガス流量の値を記憶する定常ガス流量記憶部と、を更に備え、
上記ガス流量制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記ガス流量を上記初期ガス流量に設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記ガス流量を上記定常ガス流量に設定する、請求項６または請求項７に記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項９】
上記定常周波数記憶部に記憶された定常周波数の値を減少させた値を、上記初期周波数として上記初期周波数記憶部に記憶する初期周波数計算回路を更に備える、請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接システム。
【請求項１０】
上記母材に沿った溶接進行方向における、上記母材に対する上記プラズマ電極の速さである移動速さを制御する動作制御回路と、
初期速さの値を記憶する初期速さ記憶部と、
定常速さの値を記憶する定常速さ記憶部と、を更に備え、
上記動作制御回路は、上記キーホール貫通検知信号が生成される前には、上記移動速さを上記初期速さに設定し、且つ、上記キーホール貫通検知信号が生成された後には、上記移動速さを上記定常速さに設定する、請求項６ないし請求項９のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７１１７７（Ｐ２０１３−７１１７７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４４４５（Ｐ２０１１−２１４４４５）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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