プラズマキーホール溶接方法
【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を提供すること。
【解決手段】 プラズマガスを初期流量Ｆｇｓで噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを定常流量Ｆｇｎで噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、を含むプラズマキーホール溶接方法において、初期流量Ｆｇｓの最大値は、定常流量Ｆｇｎよりも大きい。
【解決手段】 プラズマガスを初期流量Ｆｇｓで噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを定常流量Ｆｇｎで噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、を含むプラズマキーホール溶接方法において、初期流量Ｆｇｓの最大値は、定常流量Ｆｇｎよりも大きい。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接は、被溶接物が主に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プラズマアークを、水冷されたプラズマ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、溶接池の先端で被溶接物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】
しかしながら、上記キーホールが貫通するまでに要する時間が長いと、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】特開平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を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接方法は、プラズマガスを第１の流量で噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを第２の流量で噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、を含むプラズマキーホール溶接方法において、上記第１の流量の最大値は、上記第２の流量よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、上記第１の工程において、上記プラズマアークを細く絞りこませることができる。これにより、上記プラズマアークのアーク圧力が増大する。その結果、上記キーホールをより早く貫通させることができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の工程が行われる間の上記第１の流量は常に、上記第２の流量よりも大きい。このような構成によれば、さらに早く上記キーホールを貫通させることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマガスの流量を低下させる。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第１の値であるアーク電流が流れており、上記第２の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第２の値であるアーク電流が流れており、上記第１の値は、上記第２の値よりも大きい。このような構成によれば、上記第１の工程において上記プラズマアークのエネルギを増大させることができる。そのため、より早く上記キーホールを貫通させることができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記アーク電流の絶対値の平均値を低下させる。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマ電極を収容している溶接トーチの上記被溶接物に対する相対的な並進移動を開始させる。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例に用いる溶接システムである。
【図２】図１に示した溶接システムの構成の要部拡大図である。
【図３】本実施形態にかかる各信号等のタイミングチャートを示す図である。
【図４】本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例におけるアーク電流を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例に用いる溶接システムである。同図に示された溶接システムＡは、溶接トーチ１１、マニピュレータ１２、溶接電源２１、電流制御装置２２、キーホール検出回路２３、ガス流量制御装置２４、およびロボット制御装置２５を備える。図２は、図１に示した溶接トーチ１１の要部拡大図を示している。溶接システムＡは、たとえばアルミニウム板が突き合わされた被溶接物３に対して、プラズマキーホール溶接を行うのに用いられる。
【００１７】
溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを備えている。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り、適宜水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は、非消耗電極とされており、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、被溶接物３との間にアーク電圧Ｖａ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とされる。プラズマ電極１１２と被溶接物３との間にアーク電圧Ｖａが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてプラズマアークＰＡが発生する。プラズマアークＰＡが発生している際には、プラズマ電極１１２と被溶接物３との間には交流のアーク電流Ｉａ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とされる。
【００１８】
溶接電源２１は、本発明にかかるプラズマキーホール溶接を実現しうる、たとえば交流のアーク電流Ｉａを発生させるためのものである。電流制御装置２２は、アーク電流Ｉａの値を制御するために用いられる。電流制御装置２２は、溶接電源２１から、アーク電流Ｉａに対応する電流値信号Ｉｂが入力される。この電流値信号Ｉｂや後述のキーホール検出信号Ｄｋに応じて、電流制御装置２２は、アーク電流Ｉａの値が所望の値となるよう、溶接電源２１に電流設定信号Ｉｃを出力する。
【００１９】
キーホール検出回路２３は、プラズマアークＰＡによって被溶接物３にキーホールＫＨ（図２参照）が貫通したことを検出するためのものである。キーホール検出回路２３は、アーク電圧Ｖａの変化によってキーホールＫＨが貫通したことを検出する。キーホール検出回路２３には、溶接電源２１からアーク電圧Ｖａに対応する電圧値信号Ｖｂが入力される。キーホール検出回路２３は、被溶接物３の表面にキーホールＫＨが形成された後にアーク電圧Ｖａの値が急激に上昇した場合、キーホールＫＨが貫通したと判断する。キーホール検出回路２３は、キーホール検出信号Ｄｋを、電流制御装置２２、ガス流量制御装置２４、およびロボット制御装置２５に出力する。ガス流量制御装置２４は、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの単位時間当たりの流量を制御するために用いられる。
【００２０】
ガス流量制御装置２４は、プラズマガスＰＧの単位時間あたりの流量であるプラズマガス流量Ｆｇ（図３参照）に関するプラズマガス流量信号Ｆｇｂを、ロボット制御装置２５に出力する。
【００２１】
ロボット制御装置２５は、マニピュレータ１２の作動状態と、ノズル１１１から噴出するプラズマガスＰＧの流量と、を制御するために用いられる。ロボット制御装置２５は、マニピュレータ１２に配置された図示しない複数のサーボモータを駆動するためのトーチ移動信号Ｔｍとプラズマガス流量信号Ｆｇｂとを出力する。以下、説明を分かりやすくするために、サーボモータが駆動されているときのトーチ移動信号ＴｍをＨｉｇｈレベルで表し、駆動していないときのトーチ移動信号ＴｍをＬｏｗレベルで表すことにする。マニピュレータ１２にＨｉｇｈレベルのトーチ移動信号Ｔｍが入力された場合には、溶接トーチ１１の移動が開始される。また、マニピュレータ１２にプラズマガス流量信号Ｆｇｂが入力されると、たとえばノズル１１１に至るプラズマガスＰＧの流路に配置された図示しない弁によって、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの流量が調整される。
【００２２】
つぎに、図３をさらに用いて本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例について説明する。図３は、本実施形態にかかる各信号等のタイミングチャートを示す図である。
【００２３】
図３（ａ）はアーク電流Ｉａの絶対値の平均値である平均電流Ｉａ’の値の変化状態を示し、（ｂ）はプラズマガス流量Ｆｇの変化状態を示し、（ｃ）はキーホール検出信号Ｄｋの変化状態を示し、（ｄ）はトーチ移動信号Ｔｍの変化状態を示す。
【００２４】
＜時刻ｔ０〜ｔ１＞
まず、溶接トーチ１１を被溶接物３に接近させ、ノズル１１１からプラズマガスＰＧを噴出させる。そして、プラズマ電極１１２と被溶接物３との間に電圧Ｖａを印加し、プラズマアークＰＡを点弧させる。時刻ｔ０においてプラズマアークＰＡが点弧すると、同図（ａ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓとなるように、アーク電流Ｉａを流す。初期平均電流値Ｉａｓは、時刻ｔ２以降における定常平均電流値Ｉａｎの値よりも、大きくなるように設定する。初期平均電流値Ｉａｓは、定常平均電流値Ｉａｎよりも、たとえば３０Ａ〜５０Ａ程度大きい。初期平均電流値Ｉａｓは、たとえば２４０Ａ程度である。
【００２５】
同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、プラズマガス流量Ｆｇを初期流量Ｆｇｓとして、プラズマガスＰＧを噴出させる。初期流量Ｆｇｓは、時刻ｔ２以降における定常流量Ｆｇｎよりも、大きくなるように設定する。初期流量Ｆｇｓは、定常流量Ｆｇｎよりも、たとえば０．３Ｌ／ｍ〜０．５Ｌ／ｍｉｎ大きい。定常流量Ｆｇｎは、たとえば２．０Ｌ／ｍｉｎ程度である。
【００２６】
時刻ｔ０〜ｔ１のいずれかの時点において、プラズマアークＰＡの熱により、被溶接物３の表面にキーホールＫＨの形成が開始される。その後時刻ｔ１に至るまで、キーホールＫＨの形成が促進される。なお、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間は、たとえば５ｓｅｃ程度である。時刻ｔ０〜時刻ｔ１までにおける工程が、本発明にかかる第１の工程の一例に相当する。
【００２７】
ここで、平均電流Ｉａ’と交流であるアーク電流Ｉａとの具体的関係について、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合を用いて図４を参照しつつ説明する。図４は、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合における、アーク電流Ｉａの２周期分を示すグラフである。なお、図４における時間のスケールは、図３における時間のスケールに比べ極めて小さい。図４に示されたアーク電流Ｉａの絶対値の平均である初期平均電流値Ｉａｓが、図３（ａ）に示す初期平均電流値Ｉａｓに一致する。
【００２８】
図４において、アーク電流Ｉａ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、アーク電流Ｉａ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、被溶接物３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、被溶接物３が陽極となった状態で流れる電流である。本実施形態においては、周期Ｔｅは、たとえば１０〜２０ｍｓｅｃ程度とされている。周期Ｔｅは、電極プラス極性電流Ｉｅｐが流れる電極プラス極性期間Ｔｅｐと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とを含む。本実施形態においては、電極プラス極性期間Ｔｅｐが５〜１０ｍｓｅｃ程度、電極マイナス極性期間Ｔｅｎが１０〜１５ｍｓｅｃ程度とされている。また、最大絶対値Ｉｅｐｐが２６０Ａ程度、最大絶対値Ｉｅｎｐが２４０Ａ程度とされている。
【００２９】
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よりも短く、本実施形態においては、５〜１０ｍｓｅｃ程度とされている。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。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とは、ともにマイナスの値をとり、本実施形態においては、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐが２４０Ａ程度、電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂが１６０Ａ程度とされている。電極マイナス極性電流Ｉｅｎが電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐおよび電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂをとる時間は、それぞれ１回あたり２．５〜５ｍｓｅｃ程度である。
【００３０】
図４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、アーク電流Ｉａの初期平均電流値Ｉａｓを示している。上述したように図４の平均電流Ｉａｓが、図３（ａ）の初期平均電流値Ｉａｓに一致する。ここでは、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合を述べたが、以下で述べるような平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓでない場合であっても、アーク電流Ｉａとして同様の交流電流が流れている。
【００３１】
＜時刻ｔ１〜ｔ２＞
時刻ｔ１においてキーホールＫＨが貫通する。上述したように、キーホールＫＨが貫通したことは、アーク電圧Ｖａが急激に上昇したことをもってキーホール検出回路２３が判断する。図１、図３（ｃ）に示すように、キーホール検出回路２３はキーホールＫＨが貫通したことを検出すると、キーホール検出信号ＤｋをＨｉｇｈレベルとして、ガス流量制御装置２４、ロボット制御装置２５、および電流制御装置２２に出力する。図１、図３（ａ）に示すように、電流制御装置２２は、Ｈｉｇｈレベルのキーホール検出信号Ｄｋが入力されると、平均電流Ｉａ’を定常平均電流値Ｉａｎへと変化させるような電流設定信号Ｉｃを、溶接電源２１に出力する。図１、図３（ｂ）に示すように、ガス流量制御装置２４は、Ｈｉｇｈレベルのキーホール検出信号Ｄｋが入力されると、定常流量Ｆｇｎへとプラズマガス流量Ｆｇを低下させるプラズマガス流量信号Ｆｇｂを、ロボット制御装置２５に出力する。このプラズマガス流量信号Ｆｇｂがロボット制御装置２５に入力されると、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの流量は低下していく。図１、図３（ｄ）に示すように、ロボット制御装置２５は、キーホール検出信号Ｄｋが入力されると、トーチ移動信号ＴｍをＨｉｇｈにして、マニピュレータ１２に出力する。これにより、溶接トーチ１１の被溶接物３に対する並進移動が開始する。なお、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間は、たとえば１ｓｅｃ程度である。
【００３２】
＜時刻ｔ２以降＞
図３（ａ）に示すように、時刻ｔ２において、平均電流Ｉａ’が定常平均電流値Ｉａｎで流れ始める。図３（ｂ）に示すように、プラズマガス流量Ｆｇが定常流量Ｆｇｎで、プラズマガスＰＧが流れ始める。また、図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ２の前後において、キーホール検出信号ＤｋをＬｏｗレベルに設定する。図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ２以降もトーチ移動信号ＴｍがＨｉｇｈとなっており、溶接トーチ１１は、被溶接物３に対し並進移動をしている。このようにしてプラズマキーホール溶接が開始され、時刻ｔ２以降、定常溶接が行われる。なお、時刻ｔ２以降における工程が、本発明にかかる第２の工程の一例に相当する。
【００３３】
次に、本実施形態にかかるプラズマキーホール溶接方法の作用について説明する。
【００３４】
本実施形態によれば、時刻ｔ０から、キーホールＫＨが貫通する時刻ｔ１に至るまで常に、プラズマガスＰＧが、定常流量Ｆｇｎより大きい初期流量Ｆｇｓで流れている。そのため、キーホールＫＨが貫通するまで常に、プラズマアークＰＡを細く絞りこませることができる。これにより、プラズマアークＰＡのアーク圧力が増大する。その結果、キーホールＫＨをより早く貫通させることができる。また、プラズマアークＰＡを細く絞りこませることにより、被溶接物３における熱影響部を小さくすることができる。そのため、キーホールＫＨ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、被溶接物３の表面および裏面において、綺麗な溶接ビードを得ることが可能となる。
【００３５】
さらに、時刻ｔ０から、キーホールＫＨが貫通する時刻ｔ１まで常に、平均電流Ｉａ’が、定常平均電流値Ｉａｎより大きな初期平均電流値Ｉａｓで流れている。そのため、時刻ｔ０〜時刻ｔ１に至るまで、プラズマアークＰＡのエネルギ密度が大きくなる。そのため、キーホールＫＨをより早く貫通させることができる。
【００３６】
さらに、時刻ｔ１においてキーホールＫＨが貫通したことが検出されると、即座にアーク電流Ｉａ、およびプラズマガス流量Ｆｇを低下させている。これにより、キーホールＫＨが貫通した後、スムーズに定常溶接を開始することが可能となる。
【００３７】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマキーホール溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００３８】
上記実施形態では、キーホールＫＨが貫通したことを検出した後、プラズマガス流量Ｆｇや平均電流Ｉａ’を低下させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホールＫＨが貫通することと無関係に、時刻ｔ０から所定時間経過すると自動的に、プラズマガス流量Ｆｇ、および／または平均電流Ｉａ’を低下させるようにしてもよい。
【００３９】
同様に、上記実施形態では、キーホールＫＨが貫通したことを検出した後、即座に溶接トーチ１１の並進移動を開始しているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホールＫＨが貫通したことを検出した時から所定時間経過後に、溶接トーチ１１の並進移動を開始させてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、アーク電流として交流電流を用いた例を示したが、アーク電流として直流の電流を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ 溶接システム
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
２１ 溶接電源
２２ 電流制御装置
２３ キーホール検出回路
２４ ガス流量制御装置
２５ ロボット制御装置
３ 被溶接物
ＰＧ プラズマガス
ＰＡ プラズマアーク
ＫＨ キーホール
Ｉａ アーク電流
Ｉａ’ 平均電流
Ｉａｓ 初期平均電流値（第１の値）
Ｉａｎ 定常平均電流値（第２の値）
Ｉｂ 電流値信号
Ｉｃ 電流設定信号
Ｖａ アーク電圧
Ｖｂ 電圧値信号
Ｄｋ キーホール検出信号
Ｆｇ プラズマガス流量
Ｆｇｂ プラズマガス流量信号
Ｆｇｓ 初期流量（第１の流量）
Ｆｇｎ 定常流量（第２の流量）
Ｔｍ トーチ移動信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接は、被溶接物が主に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プラズマアークを、水冷されたプラズマ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、溶接池の先端で被溶接物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】
しかしながら、上記キーホールが貫通するまでに要する時間が長いと、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】特開平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を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接方法は、プラズマガスを第１の流量で噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを第２の流量で噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、を含むプラズマキーホール溶接方法において、上記第１の流量の最大値は、上記第２の流量よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、上記第１の工程において、上記プラズマアークを細く絞りこませることができる。これにより、上記プラズマアークのアーク圧力が増大する。その結果、上記キーホールをより早く貫通させることができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の工程が行われる間の上記第１の流量は常に、上記第２の流量よりも大きい。このような構成によれば、さらに早く上記キーホールを貫通させることができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマガスの流量を低下させる。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第１の値であるアーク電流が流れており、上記第２の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第２の値であるアーク電流が流れており、上記第１の値は、上記第２の値よりも大きい。このような構成によれば、上記第１の工程において上記プラズマアークのエネルギを増大させることができる。そのため、より早く上記キーホールを貫通させることができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記アーク電流の絶対値の平均値を低下させる。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマ電極を収容している溶接トーチの上記被溶接物に対する相対的な並進移動を開始させる。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例に用いる溶接システムである。
【図２】図１に示した溶接システムの構成の要部拡大図である。
【図３】本実施形態にかかる各信号等のタイミングチャートを示す図である。
【図４】本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例におけるアーク電流を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例に用いる溶接システムである。同図に示された溶接システムＡは、溶接トーチ１１、マニピュレータ１２、溶接電源２１、電流制御装置２２、キーホール検出回路２３、ガス流量制御装置２４、およびロボット制御装置２５を備える。図２は、図１に示した溶接トーチ１１の要部拡大図を示している。溶接システムＡは、たとえばアルミニウム板が突き合わされた被溶接物３に対して、プラズマキーホール溶接を行うのに用いられる。
【００１７】
溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを備えている。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り、適宜水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は、非消耗電極とされており、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、被溶接物３との間にアーク電圧Ｖａ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とされる。プラズマ電極１１２と被溶接物３との間にアーク電圧Ｖａが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてプラズマアークＰＡが発生する。プラズマアークＰＡが発生している際には、プラズマ電極１１２と被溶接物３との間には交流のアーク電流Ｉａ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とされる。
【００１８】
溶接電源２１は、本発明にかかるプラズマキーホール溶接を実現しうる、たとえば交流のアーク電流Ｉａを発生させるためのものである。電流制御装置２２は、アーク電流Ｉａの値を制御するために用いられる。電流制御装置２２は、溶接電源２１から、アーク電流Ｉａに対応する電流値信号Ｉｂが入力される。この電流値信号Ｉｂや後述のキーホール検出信号Ｄｋに応じて、電流制御装置２２は、アーク電流Ｉａの値が所望の値となるよう、溶接電源２１に電流設定信号Ｉｃを出力する。
【００１９】
キーホール検出回路２３は、プラズマアークＰＡによって被溶接物３にキーホールＫＨ（図２参照）が貫通したことを検出するためのものである。キーホール検出回路２３は、アーク電圧Ｖａの変化によってキーホールＫＨが貫通したことを検出する。キーホール検出回路２３には、溶接電源２１からアーク電圧Ｖａに対応する電圧値信号Ｖｂが入力される。キーホール検出回路２３は、被溶接物３の表面にキーホールＫＨが形成された後にアーク電圧Ｖａの値が急激に上昇した場合、キーホールＫＨが貫通したと判断する。キーホール検出回路２３は、キーホール検出信号Ｄｋを、電流制御装置２２、ガス流量制御装置２４、およびロボット制御装置２５に出力する。ガス流量制御装置２４は、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの単位時間当たりの流量を制御するために用いられる。
【００２０】
ガス流量制御装置２４は、プラズマガスＰＧの単位時間あたりの流量であるプラズマガス流量Ｆｇ（図３参照）に関するプラズマガス流量信号Ｆｇｂを、ロボット制御装置２５に出力する。
【００２１】
ロボット制御装置２５は、マニピュレータ１２の作動状態と、ノズル１１１から噴出するプラズマガスＰＧの流量と、を制御するために用いられる。ロボット制御装置２５は、マニピュレータ１２に配置された図示しない複数のサーボモータを駆動するためのトーチ移動信号Ｔｍとプラズマガス流量信号Ｆｇｂとを出力する。以下、説明を分かりやすくするために、サーボモータが駆動されているときのトーチ移動信号ＴｍをＨｉｇｈレベルで表し、駆動していないときのトーチ移動信号ＴｍをＬｏｗレベルで表すことにする。マニピュレータ１２にＨｉｇｈレベルのトーチ移動信号Ｔｍが入力された場合には、溶接トーチ１１の移動が開始される。また、マニピュレータ１２にプラズマガス流量信号Ｆｇｂが入力されると、たとえばノズル１１１に至るプラズマガスＰＧの流路に配置された図示しない弁によって、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの流量が調整される。
【００２２】
つぎに、図３をさらに用いて本発明にかかるプラズマキーホール溶接方法の一例について説明する。図３は、本実施形態にかかる各信号等のタイミングチャートを示す図である。
【００２３】
図３（ａ）はアーク電流Ｉａの絶対値の平均値である平均電流Ｉａ’の値の変化状態を示し、（ｂ）はプラズマガス流量Ｆｇの変化状態を示し、（ｃ）はキーホール検出信号Ｄｋの変化状態を示し、（ｄ）はトーチ移動信号Ｔｍの変化状態を示す。
【００２４】
＜時刻ｔ０〜ｔ１＞
まず、溶接トーチ１１を被溶接物３に接近させ、ノズル１１１からプラズマガスＰＧを噴出させる。そして、プラズマ電極１１２と被溶接物３との間に電圧Ｖａを印加し、プラズマアークＰＡを点弧させる。時刻ｔ０においてプラズマアークＰＡが点弧すると、同図（ａ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓとなるように、アーク電流Ｉａを流す。初期平均電流値Ｉａｓは、時刻ｔ２以降における定常平均電流値Ｉａｎの値よりも、大きくなるように設定する。初期平均電流値Ｉａｓは、定常平均電流値Ｉａｎよりも、たとえば３０Ａ〜５０Ａ程度大きい。初期平均電流値Ｉａｓは、たとえば２４０Ａ程度である。
【００２５】
同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、プラズマガス流量Ｆｇを初期流量Ｆｇｓとして、プラズマガスＰＧを噴出させる。初期流量Ｆｇｓは、時刻ｔ２以降における定常流量Ｆｇｎよりも、大きくなるように設定する。初期流量Ｆｇｓは、定常流量Ｆｇｎよりも、たとえば０．３Ｌ／ｍ〜０．５Ｌ／ｍｉｎ大きい。定常流量Ｆｇｎは、たとえば２．０Ｌ／ｍｉｎ程度である。
【００２６】
時刻ｔ０〜ｔ１のいずれかの時点において、プラズマアークＰＡの熱により、被溶接物３の表面にキーホールＫＨの形成が開始される。その後時刻ｔ１に至るまで、キーホールＫＨの形成が促進される。なお、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間は、たとえば５ｓｅｃ程度である。時刻ｔ０〜時刻ｔ１までにおける工程が、本発明にかかる第１の工程の一例に相当する。
【００２７】
ここで、平均電流Ｉａ’と交流であるアーク電流Ｉａとの具体的関係について、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合を用いて図４を参照しつつ説明する。図４は、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合における、アーク電流Ｉａの２周期分を示すグラフである。なお、図４における時間のスケールは、図３における時間のスケールに比べ極めて小さい。図４に示されたアーク電流Ｉａの絶対値の平均である初期平均電流値Ｉａｓが、図３（ａ）に示す初期平均電流値Ｉａｓに一致する。
【００２８】
図４において、アーク電流Ｉａ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、アーク電流Ｉａ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、被溶接物３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、被溶接物３が陽極となった状態で流れる電流である。本実施形態においては、周期Ｔｅは、たとえば１０〜２０ｍｓｅｃ程度とされている。周期Ｔｅは、電極プラス極性電流Ｉｅｐが流れる電極プラス極性期間Ｔｅｐと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とを含む。本実施形態においては、電極プラス極性期間Ｔｅｐが５〜１０ｍｓｅｃ程度、電極マイナス極性期間Ｔｅｎが１０〜１５ｍｓｅｃ程度とされている。また、最大絶対値Ｉｅｐｐが２６０Ａ程度、最大絶対値Ｉｅｎｐが２４０Ａ程度とされている。
【００２９】
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よりも短く、本実施形態においては、５〜１０ｍｓｅｃ程度とされている。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。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とは、ともにマイナスの値をとり、本実施形態においては、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐが２４０Ａ程度、電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂが１６０Ａ程度とされている。電極マイナス極性電流Ｉｅｎが電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐおよび電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂをとる時間は、それぞれ１回あたり２．５〜５ｍｓｅｃ程度である。
【００３０】
図４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、アーク電流Ｉａの初期平均電流値Ｉａｓを示している。上述したように図４の平均電流Ｉａｓが、図３（ａ）の初期平均電流値Ｉａｓに一致する。ここでは、平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓである場合を述べたが、以下で述べるような平均電流Ｉａ’が初期平均電流値Ｉａｓでない場合であっても、アーク電流Ｉａとして同様の交流電流が流れている。
【００３１】
＜時刻ｔ１〜ｔ２＞
時刻ｔ１においてキーホールＫＨが貫通する。上述したように、キーホールＫＨが貫通したことは、アーク電圧Ｖａが急激に上昇したことをもってキーホール検出回路２３が判断する。図１、図３（ｃ）に示すように、キーホール検出回路２３はキーホールＫＨが貫通したことを検出すると、キーホール検出信号ＤｋをＨｉｇｈレベルとして、ガス流量制御装置２４、ロボット制御装置２５、および電流制御装置２２に出力する。図１、図３（ａ）に示すように、電流制御装置２２は、Ｈｉｇｈレベルのキーホール検出信号Ｄｋが入力されると、平均電流Ｉａ’を定常平均電流値Ｉａｎへと変化させるような電流設定信号Ｉｃを、溶接電源２１に出力する。図１、図３（ｂ）に示すように、ガス流量制御装置２４は、Ｈｉｇｈレベルのキーホール検出信号Ｄｋが入力されると、定常流量Ｆｇｎへとプラズマガス流量Ｆｇを低下させるプラズマガス流量信号Ｆｇｂを、ロボット制御装置２５に出力する。このプラズマガス流量信号Ｆｇｂがロボット制御装置２５に入力されると、ノズル１１１から噴出されるプラズマガスＰＧの流量は低下していく。図１、図３（ｄ）に示すように、ロボット制御装置２５は、キーホール検出信号Ｄｋが入力されると、トーチ移動信号ＴｍをＨｉｇｈにして、マニピュレータ１２に出力する。これにより、溶接トーチ１１の被溶接物３に対する並進移動が開始する。なお、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間は、たとえば１ｓｅｃ程度である。
【００３２】
＜時刻ｔ２以降＞
図３（ａ）に示すように、時刻ｔ２において、平均電流Ｉａ’が定常平均電流値Ｉａｎで流れ始める。図３（ｂ）に示すように、プラズマガス流量Ｆｇが定常流量Ｆｇｎで、プラズマガスＰＧが流れ始める。また、図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ２の前後において、キーホール検出信号ＤｋをＬｏｗレベルに設定する。図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ２以降もトーチ移動信号ＴｍがＨｉｇｈとなっており、溶接トーチ１１は、被溶接物３に対し並進移動をしている。このようにしてプラズマキーホール溶接が開始され、時刻ｔ２以降、定常溶接が行われる。なお、時刻ｔ２以降における工程が、本発明にかかる第２の工程の一例に相当する。
【００３３】
次に、本実施形態にかかるプラズマキーホール溶接方法の作用について説明する。
【００３４】
本実施形態によれば、時刻ｔ０から、キーホールＫＨが貫通する時刻ｔ１に至るまで常に、プラズマガスＰＧが、定常流量Ｆｇｎより大きい初期流量Ｆｇｓで流れている。そのため、キーホールＫＨが貫通するまで常に、プラズマアークＰＡを細く絞りこませることができる。これにより、プラズマアークＰＡのアーク圧力が増大する。その結果、キーホールＫＨをより早く貫通させることができる。また、プラズマアークＰＡを細く絞りこませることにより、被溶接物３における熱影響部を小さくすることができる。そのため、キーホールＫＨ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、被溶接物３の表面および裏面において、綺麗な溶接ビードを得ることが可能となる。
【００３５】
さらに、時刻ｔ０から、キーホールＫＨが貫通する時刻ｔ１まで常に、平均電流Ｉａ’が、定常平均電流値Ｉａｎより大きな初期平均電流値Ｉａｓで流れている。そのため、時刻ｔ０〜時刻ｔ１に至るまで、プラズマアークＰＡのエネルギ密度が大きくなる。そのため、キーホールＫＨをより早く貫通させることができる。
【００３６】
さらに、時刻ｔ１においてキーホールＫＨが貫通したことが検出されると、即座にアーク電流Ｉａ、およびプラズマガス流量Ｆｇを低下させている。これにより、キーホールＫＨが貫通した後、スムーズに定常溶接を開始することが可能となる。
【００３７】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマキーホール溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００３８】
上記実施形態では、キーホールＫＨが貫通したことを検出した後、プラズマガス流量Ｆｇや平均電流Ｉａ’を低下させているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホールＫＨが貫通することと無関係に、時刻ｔ０から所定時間経過すると自動的に、プラズマガス流量Ｆｇ、および／または平均電流Ｉａ’を低下させるようにしてもよい。
【００３９】
同様に、上記実施形態では、キーホールＫＨが貫通したことを検出した後、即座に溶接トーチ１１の並進移動を開始しているが、本発明はこれに限られない。たとえば、キーホールＫＨが貫通したことを検出した時から所定時間経過後に、溶接トーチ１１の並進移動を開始させてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、アーク電流として交流電流を用いた例を示したが、アーク電流として直流の電流を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ 溶接システム
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
２１ 溶接電源
２２ 電流制御装置
２３ キーホール検出回路
２４ ガス流量制御装置
２５ ロボット制御装置
３ 被溶接物
ＰＧ プラズマガス
ＰＡ プラズマアーク
ＫＨ キーホール
Ｉａ アーク電流
Ｉａ’ 平均電流
Ｉａｓ 初期平均電流値（第１の値）
Ｉａｎ 定常平均電流値（第２の値）
Ｉｂ 電流値信号
Ｉｃ 電流設定信号
Ｖａ アーク電圧
Ｖｂ 電圧値信号
Ｄｋ キーホール検出信号
Ｆｇ プラズマガス流量
Ｆｇｂ プラズマガス流量信号
Ｆｇｓ 初期流量（第１の流量）
Ｆｇｎ 定常流量（第２の流量）
Ｔｍ トーチ移動信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマガスを第１の流量で噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、
上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを第２の流量で噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、
を含むプラズマキーホール溶接方法において、
上記第１の流量の最大値は、上記第２の流量よりも大きいことを特徴とする、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項２】
上記第１の工程が行われる間の上記第１の流量は常に、上記第２の流量よりも大きい、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】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマガスの流量を低下させる、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】
上記第１の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第１の値であるアーク電流が流れており、
上記第２の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第２の値であるアーク電流が流れており、
上記第１の値は、上記第２の値よりも大きい、請求項１ないし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】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記アーク電流の絶対値の平均値を低下させる、請求項４に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項６】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマ電極を収容している溶接トーチの上記被溶接物に対する相対的な並進移動を開始させる、請求項１ないし５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１】
プラズマガスを第１の流量で噴出させ、プラズマ電極と被溶接物との間に発生するプラズマアークにより、キーホールを形成、および貫通させる第１の工程と、
上記キーホールが貫通した後に、上記プラズマガスを第２の流量で噴出させ、上記プラズマアークにより、定常溶接を行う第２の工程と、
を含むプラズマキーホール溶接方法において、
上記第１の流量の最大値は、上記第２の流量よりも大きいことを特徴とする、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項２】
上記第１の工程が行われる間の上記第１の流量は常に、上記第２の流量よりも大きい、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】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマガスの流量を低下させる、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】
上記第１の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第１の値であるアーク電流が流れており、
上記第２の工程においては、上記プラズマ電極から上記被溶接物に、絶対値の平均値が第２の値であるアーク電流が流れており、
上記第１の値は、上記第２の値よりも大きい、請求項１ないし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】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記アーク電流の絶対値の平均値を低下させる、請求項４に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項６】
上記キーホールが貫通したことが検出されると、上記プラズマ電極を収容している溶接トーチの上記被溶接物に対する相対的な並進移動を開始させる、請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２８４６６５（Ｐ２０１０−２８４６６５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３８７４４（Ｐ２００９−１３８７４４）
【出願日】平成２１年６月１０日（２００９．６．１０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１０日（２００９．６．１０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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