プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法
【課題】アークスタート時のビード表面の黒い煤（スマット）の発生を抑制する。
【解決手段】溶接ワイヤを母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、後退送給を継続してアーク長を長くすることによってプラズマアークを発生させ、それ以降は前進送給に切り換えると共にミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる。アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌｔ１に達するまでの期間（ｔ３〜ｔ３１）中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流Ｉｉ１を通電し、それ以降の期間（ｔ３１〜ｔ４）中は電極プラス極性の第２初期アーク電流Ｉｉ２を通電する。｜Ｉｉ１｜＞Ｉｉ２である。Ｉｉ１が通電するアークによって溶接ワイヤが溶融してアーク長Ｌａは急速に長くなる。このために、ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制できる。
【解決手段】溶接ワイヤを母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、後退送給を継続してアーク長を長くすることによってプラズマアークを発生させ、それ以降は前進送給に切り換えると共にミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる。アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌｔ１に達するまでの期間（ｔ３〜ｔ３１）中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流Ｉｉ１を通電し、それ以降の期間（ｔ３１〜ｔ４）中は電極プラス極性の第２初期アーク電流Ｉｉ２を通電する。｜Ｉｉ１｜＞Ｉｉ２である。Ｉｉ１が通電するアークによって溶接ワイヤが溶融してアーク長Ｌａは急速に長くなる。このために、ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。そして、溶接ワイヤを囲むように中空形状のプラズマ電極が配置されており、アルゴンなどのガスを供給し、このガスを介してプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。ミグアークは、溶接トーチの軸心を送給される溶接ワイヤと母材との間に発生し、このミグアークを囲むようにプラズマアークが発生している。したがって、ミグアークは、プラズマアークに包まれた状態になる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。
【０００３】
上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的にパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。他方、上記のプラズマ溶接電流には、一定値の直流が使用されることが多い。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図５は、従来技術におけるプラズマミグ溶接方法の定常状態での波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpは、電極が陽極となり母材が陰極となる電極プラス極性によって出力されている。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)を示し、時刻ｔ３〜ｔ５の期間が第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)を示す。第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)は、時刻ｔ１〜ｔ２の第ｎ−１回目のピーク期間Ｔｐ(n-1)及び時刻ｔ２〜ｔ３の第ｎ−１回目のベース期間Ｔｂ(n-1)から形成されている。第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)は、時刻ｔ３〜ｔ４の第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)及び時刻ｔ４〜ｔ５の第ｎ回目のベース期間Ｔｂ(n)から形成されている。
【０００６】
同図（Ａ）に示すように、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)においては、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ(n-1)中は予め定めたピーク電流Ｉｐが通電し、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ(n-1)中は予め定めたベース電流Ｉｂが通電する。したがって、ミグ溶接電流Ｉwmはピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成される。そして、同図（Ｂ）に示すように、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)において、ピーク期間Ｔｐ(n-1)中はアーク長に比例したピーク電圧Ｖｐ(n-1)が溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ(n-1)中はアーク長に比例したベース電圧Ｖｂ(n-1)が印加する。したがって、ミグ溶接電圧Ｖwmは、ピーク電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂから形成される。第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)についても同様である。ここで、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂとそれぞれ同一値となる。他方、アーク発生状態が安定している状態においては、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク電圧Ｖｐ(n-1)及びベース電圧Ｖｂ(n-1)は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるピーク電圧Ｖｐ(n)及びベース電圧Ｖｂ(n)とそれぞれ略等しい値となる。
【０００７】
ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期Ｔｆが制御される。ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、ミグ溶接電圧Ｖwmをローパスフィルタ（カットオフ周波数は１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって生成される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。
【０００８】
アーク長制御の方式として周波数変調制御以外にもパルス幅変調制御が使用される場合もある。このパルス幅変調制御では、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが所定値に設定されてパルスパラメータとなる。そして、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定値と等しくなるようにピーク期間Ｔｐ（パルス幅）が制御される。
【０００９】
他方、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。
【００１０】
上述したプラズマミグ溶接方法は高品質溶接に使用されることが多いので、定常状態でのアーク安定性に加えて、アークスタート性能が良好であることも求められる。このために、ミグアークを後述するリトラクトスタート方式によって発生させ、このミグアークによってプラズマアークを誘発する方式を採用している（例えば、特許文献１及び２参照）。以下、この従来技術のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法について説明する。
【００１１】
図６は、従来技術におけるプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｄ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｅ）はプラズマ溶接電圧Ｖwpを示し、同図（Ｆ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。上述したように、ミグ溶接電圧Ｖwm、ミグ溶接電流Ｉwm、プラズマ溶接電圧Ｖwp及びプラズマ溶接電流Ｉwpは、電極プラス極性で出力されているので、正の波形として表している。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、外部からの溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値となり、溶接ワイヤ１ａは１〜２m/min程度の遅いスローダウン送給速度Ｆｉでの前進送給が開始される。ここで、送給速度Ｆｗが正の値であるときは、溶接ワイヤ１ａは母材２に近づく方向へ前進送給され、負の値であるときは、溶接ワイヤ１ａは母材２から離れる方向へ後退送給されることを示している。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも別の無負荷電圧が印加される。
【００１３】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、上記の前進送給によって溶接ワイヤ１ａが母材２と接触（短絡）すると、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、無負荷電圧から数Ｖ程度の短絡電圧値に低下する。この電圧の低下によって短絡を判別すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値の後退送給速度Ｆｂに切り換わり、溶接ワイヤ１ａが母材２から離れる方向へ後退送給される。また、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは溶接ワイヤをジュール熱でほとんど溶融しない程度の２０〜８０Ａ程度の一定値の直流電流である初期短絡電流Ｉｓとなる。
【００１４】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、同図（Ｇ３）に示すように、上記の後退送給によってワイヤ先端が母材２から離れると初期ミグアーク31ａが発生し、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤをアーク熱でほとんど溶融しない程度の２０〜８０Ａ程度の一定値の直流電流である初期アーク電流Ｉｉとなる。ここでは、Ｉｓ＝Ｉｉとした場合である。この初期ミグアーク31ａは、後退送給によって発生し、かつ、アークが発生する直前の電流値（初期短絡電流値Ｉｓ）も小さいので、スパッタはほとんど発生せず確実なアークスタートが実現できる。初期ミグアーク31ａが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、短絡電圧値から数十Ｖ程度のアーク電圧値に急増する。時刻ｔ３移行も上記の後退送給は継続されるので、同図（Ｇ４）に示すように、初期ミグアーク31ａのアーク長は次第に長くなる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間に発生している初期ミグアーク31ａ内はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長が長くなるのに伴い、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間もプラズマ雰囲気が形成されることになる。
【００１５】
（４）時刻ｔ４移行のミグアーク３ａ及びプラズマアーク３ｂ発生期間
時刻ｔ４において、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、プラズマアーク３ｂが誘発されて発生する。プラズマアーク３ｂが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpは無負荷電圧からアーク電圧値に低下し、同図（Ｆ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは予め定めた定常プラズマ溶接電流値Ｉwpcとなる。同時に時刻ｔ４にプラズマアーク３ｂが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、負の値の後退送給速度Ｆｂから正の値の定常送給速度Ｆwcへと切り換わり、溶接ワイヤ１ａは再前進送給される。この結果、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図５で上述したようにピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成されるパルス波形となり、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、図５で上述したようにピーク電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂから形成されるパルス波形となる。時刻ｔ４移行のミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、定常送給速度Ｆwcによって略決定される。また、時刻ｔ４移行のミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、図５で上述したように、電圧設定値と略等しくなるように制御され、アーク長が適正値になるようにフィードバック制御される。そして、時刻ｔ４から１００〜７００ms後に、ミグアーク３ａのアーク長は定常値に収束して、定常状態となる。これにより、プラズマミグ溶接のアークスタートは完了する。プラズマアーク３ｂが発生するのは、無負荷電圧が印加された状態で、プラズマ電極１ｂと母材２との空間が初期ミグアーク31ａによってプラズマ雰囲気になってくるためであるので、その発生タイミングはある程度の範囲でばらつきがある。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４の後退アーク期間は、ある程度のバラツキを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１４４５０９号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述した従来技術のように、アークスタートにリトラクトスタート方式を採用することによって、スパッタ発生が非常に少ない確実なアークスタートを行うことができる。しかし、リトラクトスタート方式には、以下のような課題がある。すなわち、アークスタート時にミグアークのみが発生している期間（図６の時刻ｔ３〜ｔ４の期間）中に、ビード表面に黒い煤（スマットと呼ばれる）が付着してビード外観が悪くなるという問題がある。さらには、スマットが発生すると、塗装等の表面処理をする場合において、密着性が悪くなるという問題も生じる。ミグアークがプラズマアークで包まれる状態になると、このスマットは発生しなくなる。
【００１８】
上記の問題を解決するためには、後退送給期間を短くすれば良いので、後退送給速度を高速にする対策が考えられる。しかし、後退送給速度を高速にすると、初期ミグアークのアーク長が急速に長くなるために、プラズマアークが誘発されて発生した時点（図６の時刻ｔ４）でのアーク長が長くなり過ぎて不安定になる場合が生じる。さらには、後退送給から再前進送給に切り換えられるときに、送給方向の反転に時間がかかりアーク長がオーバーシュートして長くなり、不安定になる場合も生じる。
【００１９】
そこで、本発明では、アークスタート時にスマットが発生することを抑制し、かつ、初期ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることを抑制することができるプラズマミグ溶接のアークスタート制御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】
【００２０】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流の初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降から前記プラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、前記第１初期アーク電流の絶対値を前記第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２１】
請求項２の発明は、前記初期ミグアークのアーク長が前記第１基準距離に達したことを、ミグ溶接電圧の絶対値が予め定めた基準電圧値に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２２】
請求項３の発明は、前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２３】
請求項４の発明は、前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第２基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降からプラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する。第１初期アーク電流は電極マイナス極性であり、かつ、その値も大きいので溶接ワイヤの溶融速度が大きくなる。これに溶接ワイヤの後退送給が加算されるので、初期ミグアークのアーク長は急速に長くなり第１基準距離に達する。このために、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制することができる。さらに、初期ミグアークのアーク長が第１基準距離よりも長くなり、プラズマ電極に近づくと、初期アーク電流は電極プラス極性となり、かつ、その値も小さな値に切り換えられるので、溶接ワイヤの溶融はほとんどなくなる。このために、初期ミグアークのアーク長は、比較的低速の後退送給速度で後退送給されるために、緩やかに長くなる。この結果、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図２】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図３】図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図２の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。
【図５】従来技術におけるプラズマミグ溶接方法の定常状態での波形図である。
【図６】従来技術におけるプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る発明は、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定するものである。本明細書等においては、初期アーク電流が正の値であるときは電極プラス極性であることを示し、負の値であるときは電極マイナス極性であることを示している。初期アーク電流の値の大小とは、絶対値の大小を表している。以下、この実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電流Ｉwmの時間変化を示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpの時間変化を示し、同図（Ｄ）はミグアークのアーク長Ｌａの時間変化を示す。ミグ溶接電流Ｉwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpについて、正の値であることは電極プラス極性であることを示し、負の値であることは電極マイナス極性であることを示している。同図は、上述した図６において、溶接ワイヤが後退送給される期間である時刻ｔ２〜ｔ４の期間の各信号の変化を示している。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmの極性切換時（時刻ｔ３及びｔ３１）においては、アーク切れを防止するために、溶接ワイヤと母材との間に数百Ｖの高電圧を瞬間的に印加している。時刻ｔ２までの期間及び時刻ｔ４以降の期間の動作は、図６と同一であるので、本発明の特徴となる期間の動作を詳細に説明するために、これらの期間は省略している。以下、同図を参照して説明する。
【００２９】
（２１）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２においては、溶接ワイヤは母材と短絡状態にあり、ミグアーク及びプラズマアークは共に発生していない状態である。溶接ワイヤは後退送給されているので、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値の後退送給速度Ｆｂとなっている。ここで、符号は送給方向を示しており、負の値は後退送給の状態を示し、正の値は前進送給状態を示している。この後退送給速度Ｆｂは、図６のときの後退送給速度と同様に、プラズマアークが発生したときのアーク長Ｌａが長くなり過ぎないようにし、後退送給から再前進送給に切り換えたときにアーク長Ｌａがオーバーシュートしないようにするために、比較的低速に設定される。後退送給速度Ｆｂは、例えば１〜５ｍ／min程度に設定される。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図６と同様に、電極プラス極性の初期短絡電流Ｉｓとなっている。同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは通電していないので０Ａである。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、ミグアークが発生しておらず溶接ワイヤは母材と短絡しているので、０mmである。ここで、同図（Ｄ）において、横軸と平行に描かれた破線は、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐを示しており、一点鎖線は予め定めた第１基準距離Ｌt1を示している。Ｌｐ＞Ｌt1である。
【００３０】
（３１）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
後退送給によって、時刻ｔ３に溶接ワイヤ先端が母材から離れると、初期ミグアークが発生する。同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の後退送給速度Ｆｂのままである。初期ミグアークが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、極性が切り換えられて負の値である電極マイナス極性の第１初期アーク電流Ｉi1が通電する。この第１初期アーク電流Ｉi1は、アークによってワイヤ先端を溶融することができる値に設定され、図６の初期アーク電流Ｉｉ及び後述する第２初期アーク電流Ｉi2よりも大きな値に設定される。また、第１初期アーク電流Ｉi1は電極マイナス極性であるので、同一電流値であっても電極プラス極性よりも溶接ワイヤの溶融速度は約１．５倍程度速くなる。第１初期アーク電流Ｉi1は、例えば１００〜２００Ａ程度に設定される。この第１初期アーク電流Ｉi1は、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類等が変化すると溶融速度が変化するので、これらのパラメータに応じて実験によって適正値に設定される。同図では、初期ミグアークが発生すると直ぐにミグ溶接電流Ｉwmの極性を切り換える場合を例示しているが、予め定めた遅延時間を設けて、この遅延時間が経過した後に極性を切り換えるようにしても良い。遅延時間は、例えば０．５〜５ms程度である。他方、プラズマアークはまだ発生していないので、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは０Ａのままである。溶接ワイヤは後退送給速度Ｆｂで後退送給されると共に、第１初期アーク電流Ｉi1が通電するアークによってワイヤ先端が溶融するので、同図（Ｄ）に示すように、初期ミグアークのアーク長Ｌａは急速に長くなる。そして、時刻ｔ３１において、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａが一点鎖線で示す第１基準距離Ｌt1に達すると、同図（Ｂ）に示すように、再び極性が切り換えられて、正の値である電極プラス極性の第２初期アーク電流Ｉi2が通電する。ここで、Ｉi2＜｜Ｉi1｜である。この第２初期アーク電流Ｉi2は、図６の初期アーク電流値Ｉｉと同様に、アークによってワイヤ先端がほとんど溶融しないように、２０〜８０Ａ程度の範囲に設定される。同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは後退送給速度Ｆｂのままである。この結果、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは緩やかに長くなる。そして、時刻ｔ４において、プラズマアークが誘発されて発生する。上述したように、極性が電極マイナス極性であり、かつ、電流値の大きな第１初期アーク電流Ｉi1が通電するアークによってワイヤ先端が溶融されて後退送給速度Ｆｂに加算されるので、アーク長Ｌａが急速に長くなるために、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間が短縮される。このために、ミグアークが単独で発生している期間である時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間が、全体として短縮されることになる。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａが第１基準距離に達すると、アーク長Ｌａは緩やかに長くなる。すなわち、アーク長Ｌａがプラズマ電極にある程度近づいたときに、アーク長Ｌａが緩やかに長くなるようにしている。初期ミグアーク中はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長Ｌａが緩やかに長くなるのに伴い、このプラズマ雰囲気も緩やかに上昇してプラズマ電極の下の空間を満たすことになる。この結果、プラズマアークが誘発されて発生したときに、初期ミグアークのアーク長Ｌａが長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることもない。
【００３１】
（４１）時刻ｔ４移行のミグアーク及びプラズマアーク発生期間
時刻ｔ４において、プラズマ電極と母材との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極と母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、プラズマアークが誘発されて発生する。プラズマアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、図６と同様に、予め定めた定常プラズマ溶接電流値Ｉwpcとなる。同時に、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、負の値の後退送給速度Ｆｂから正の値の定常送給速度Ｆwcへと切り換えられて、溶接ワイヤは再前進送給される。この結果、初期ミグアークは定常ミグアークへと移行するので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図５で上述したようにピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成されるパルス波形となる。時刻ｔ４移行の期間中は、上述したように、ミグ溶接電圧の平均値が電圧設定値と等しくなるように周波数変調制御によるアーク長制御が行なわれる。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、時刻ｔ４の送給方向反転時に少しオーバーシュートしたのちに、アーク長制御によって次第に短くなり定常アーク長に収束する。これによりアークスタートは完了する。この送給方向反転時のアーク長Ｌａのオーバーシュートは、後退送給速度Ｆｂが低速であるので、少しだけとなり、アーク状態が不安定になることはない。
【００３２】
上述したように、本実施の形態では、時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間が短縮されるので、ミグアークが単独で発生している期間を短縮してスマットの発生を抑制することができる。さらに、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。
【００３３】
同図において、初期ミグアークのアーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達したことを、以下のようにして判別することができる。すなわち、アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達したことを、ミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値が予め定めた基準電圧値Ｖt1に達したことによって判別する。アーク長Ｌａはミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値に略比例する。基準電圧値Ｖt1を、第１基準距離Ｌt1に相当する値に設定する。そうすると、ミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値が基準電圧値Ｖt1に達する時点は、アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達した時点となる。
【００３４】
次に、上記の第１基準距離Ｌt1の設定方法について説明する。
ａ）第１基準距離Ｌt1を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐに予め定めた基準比率αを乗じた値として設定する。すなわち、Ｌt1＝Ｌｐ×αである。αは、０．６〜０．８程度に設定する。このようにすると、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐが変化しても、適正な第１基準距離Ｌt1に設定することができる。プラズマ電極・母材間距離Ｌｐは、溶接中は一定値であるのが通常であるので、溶接を開始する前に測定すれば良い。２０mm≦Ｌｐ≦３０mm程度で使用されることが多い。ここで、α＝０．７とすると、Ｌｐの変化に対応して、１４mm≦Ｌt1≦２１mmとなる。
ｂ）第１基準距離Ｌt1を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐから予め定めた第２基準距離Ｌt2を減算した値として設定する。すなわち、Ｌt1＝Ｌｐ−Ｌt2である。第２基準距離Ｌt2は、５〜１０mm程度に設定する。第２基準距離Ｌt2を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐが変化しても一定値に設定することによって、アーク長Ｌａが長くなり過ぎることを抑制した上で、上記の後退送給アーク期間を最大限短縮することができる。この第２基準距離Ｌt2は、送給モータの応答性、溶接ワイヤの材質、直径等に応じて適正値に設定する。
【００３５】
図２は、図１で上述した本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。
【００３６】
本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。これらの３系統のガスをまとめて単にガスと表現する場合がある。
【００３７】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａと接触しており、ミグアークを発生させるための電力を供給している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａ及び給電チップ４とは絶縁されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。このために、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。また、溶接ワイヤ１ａは、プラズマアーク３ｂからの放熱を受けることになる。
【００３８】
ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。このミグ溶接電流Ｉwmは、図５（Ａ）に示すように、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成される。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給方向及び送給速度Ｆｗが制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、アークスタート時の一部期間（図１の時刻ｔ３〜ｔ３１の期間）を除き、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、後述するようにアークスタート時の一部期間を除いて定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、溶接ワイヤ１ａの定常送給速度によってその値が定まる。さらに、ミグ溶接電源ＰＳＭには、図３で後述するように、アークスタート時においてプラズマアーク３ｂが発生した時点（図１の時刻ｔ４）でＨｉｇｈレベルになるプラズマアーク発生判別信号Ａｄがプラズマ溶接電源ＰＳＰから入力される。
【００３９】
プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。プラズマ溶接電源ＰＳＰには、図４で後述するように、プラズマアーク３ｂの発生を判別するための回路が設けられており、上記のプラズマアーク発生判別信号Ａｄをミグ溶接電源ＰＳＭに出力する。
【００４０】
両電源の外部に設置された溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。この溶接開始信号Ｓｔが入力されると両溶接電源は起動される。溶接開始回路ＳＴは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【００４１】
図３は、上述した図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００４２】
インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を整流及び平滑した直流電圧を、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、高周波交流を出力する。インバータトランスＩＮＴは、この高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、この降圧された高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性トランジスタＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、そのときは溶接電源の出力は電極プラス極性になる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、そのときは溶接電源の出力は電極マイナス極性になる。リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。これらの回路により、溶接ワイヤ１ａと母材２との間にミグ溶接電圧Ｖwmが印加し、ミグ溶接電流Ｉwmが通電する。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図２のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００４３】
電圧検出回路ＶＤは、上記のミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。平均値の算出は、上述したように、ローパスフィルタを通すことによって行う。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。
【００４４】
ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間信号Ｔｐを出力する。このピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。
【００４５】
ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。パルス電流設定切換回路ＳＷＰは、上記のピーク期間信号ＴｐがＬｏｗレベルのときは上記のベース電流設定信号Ｉbrをパルス電流設定信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記のピーク電流設定信号Ｉprをパルス電流設定信号Ｉrcとして出力する。
【００４６】
短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が短絡基準値以下であるときは短絡状態であると判別してＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。ミグアーク発生判別回路ＭＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が所定範囲にあるときはミグアーク発生状態であると判別してＨｉｇｈレベルになるミグアーク発生判別信号Ｍｄを出力する。初期短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた初期短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。第１初期アーク電流設定回路ＩＩ１Ｒは、予め定めた第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rを出力する。第２初期アーク電流設定回路ＩＩ２Ｒは、予め定めた第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rを出力する。第１基準距離設定回路ＬＴ１Ｒは、ａ）項及びｂ）項で上述した方法によって第１基準距離設定信号Ｌt1rを出力する。すなわち、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐ、基準比率α、第２基準距離Ｌt2を使用して第１基準距離設定信号Ｌt1rの値を設定する。第１基準距離到達判別回路ＬＤは、この第１基準距離設定信号Ｌt1r、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄを入力として、ミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から電圧検出信号Ｖｄの値が第１基準距離設定信号Ｌt1rの値に対応して予め定められた基準電圧値に達した時点でＨｉｇｈレベルに変化する第１基準距離到達判別信号Ｌｄを出力する。初期電流設定切換回路ＳＷＳは、上記の初期短絡電流設定信号Ｉsr、上記の第１初期アーク電流設定信号Ｉi1r、上記の第２初期アーク電流設定信号Ｉi2r、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄ及び上記の第１基準距離到達判別信号Ｌｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると初期短絡電流設定信号Ｉsrを初期電流設定信号Ｉirとして出力し、その後にミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルになると第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rを初期電流設定信号Ｉirとして出力し、その後に第１基準距離到達判別信号ＬｄがＨｉｇｈレベルになると第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rを初期電流設定信号Ｉirとして出力する。したがって、初期電流設定信号Ｉirは、図１（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３以前の期間中は初期短絡電流設定信号Ｉsrとなり、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間中は第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rとなり、時刻ｔ３１以降の期間中は第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rとなる。
【００４７】
極性切換制御回路ＰＣは、上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄ及び上記の第１基準距離到達判別信号Ｌｄを入力として、ミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルであり、かつ、第１基準距離到達判別信号ＬｄがＬｏｗレベルであるときはＨｉｇｈレベルになり、それ以外のときはＬｏｗレベルになる極性切換制御信号Ｐｃを出力する。この極性切換制御信号ＰｃがＨｉｇｈレベルのときは溶接電源の出力極性は電極プラス極性となり、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性となる。したがって、この極性切換制御信号ＰｃがＬｏｗレベル（電極マイナス極性）になるのは、図１において、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間であり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベル（電極プラス極性）となる。電極プラス極性駆動回路ＰＤは、この極性切換制御信号Ｐｃを入力として、極性切換制御信号ＰｃがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力し、Ｌｏｗレベルのときは出力しない。電極マイナス極性駆動回路ＮＤは、この極性切換制御信号Ｐｃを入力として、極性切換制御信号ＰｃがＬｏｗレベルのときは電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは出力しない。また、図示は省略するが、極性が切り換えられるときには（図１の時刻ｔ３及びｔ３１）、上述したように、アーク切れを防止するために瞬間的に数百Ｖの再点弧電圧を溶接ワイヤ１ａと母材２との間に重畳する回路が設けられている。
【００４８】
電流設定切換回路ＳＷＩは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、プラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマアーク発生判別信号Ａｄ、上記のパルス電流設定信号Ｉrc及び上記の初期電流設定信号Ｉirを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると初期電流設定信号Ｉirを電流設定信号Ｉｒとして出力し、プラズマアーク発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク発生）に変化するとパルス電流設定信号Ｉrcを電流設定信号Ｉｒとして出力する。したがって、電流設定信号Ｉｒは、図６及び図１の時刻ｔ１〜ｔ４の期間中は初期電流設定信号Ｉirになり、図６及び図１の時刻ｔ４以降はパルス電流設定信号Ｉrc（ピーク電流設定信号Ｉpr又はベース電流設定信号Ｉbr）となる。
【００４９】
電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwmの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行い駆動信号Ｄｖを出力し、Ｌｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。
【００５０】
送給速度設定回路ＦＲは、上記の外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマアーク発生判別信号Ａｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると予め定めたスローダウン送給速度設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化すると予め定めた後退送給速度設定値となり、プラズマアーク発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク発生）に変化すると予め定めた定常送給速度設定値となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。したがって、送給速度設定信号Ｆｒは、図６の時刻ｔ１〜ｔ２の期間中はスローダウン送給速度設定値となり、図３の時刻ｔ２〜ｔ４の期間中は後退送給速度設定値となり、時刻ｔ４以降の期間中は定常送給速度設定値となる。送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。
【００５１】
上記の回路構成によって、図６及び図１に示すようなミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及び送給速度Ｆｗが制御される。
【００５２】
図４は、上述した図２の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００５３】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図２のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００５４】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、定常プラズマ溶接電流値を設定するためのプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。プラズマ溶接電流検出回路ＩＤＰは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、プラズマ溶接電流検出信号Ｉdpを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdpとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行い駆動信号Ｄｖを出力し、Ｌｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。この駆動信号Ｄｖに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、図１で上述したようなプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。したがって、プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。
【００５５】
プラズマアーク発生判別回路ＡＤは、上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdpを入力として、その値がしきい値以上になったときはプラズマアークが発生したと判別してＨｉｇｈレベルとなるプラズマアーク発生判別信号Ａｄを、ミグ溶接電源ＰＳＭに出力する。しきい値としては、例えば５Ａ程度に設定する。
【００５６】
上述した実施の形態によれば、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する。第１初期アーク電流は電極マイナス極性であり、かつ、その値も大きいので溶接ワイヤの溶融速度が大きくなる。これに溶接ワイヤの後退送給が加算されるので、初期ミグアークのアーク長は急速に長くなり第１基準距離に達する。このために、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制することができる。さらに、初期ミグアークのアーク長が第１基準距離よりも長くなり、プラズマ電極に近づくと、初期アーク電流は電極プラス極性となり、かつ、その値も小さな値に切り換えられるので、溶接ワイヤの溶融はほとんどなくなる。このために、初期ミグアークのアーク長は、比較的低速の後退送給速度で後退送給されるために、緩やかに長くなる。この結果、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。さらには、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、アークスタートに要する時間を短縮することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
31ａ 初期ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＡＤ プラズマアーク発生判別回路
Ａｄ プラズマアーク発生判別信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｆｂ 後退送給速度
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｉ スローダウン送給速度
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｆwc 定常送給速度
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＤＰ プラズマ溶接電流検出回路
Ｉdp プラズマ溶接電流検出信号
Ｉｉ 初期アーク電流
Ｉi1 第１初期アーク電流値
ＩＩ１Ｒ 第１初期アーク電流設定回路
Ｉi1r 第１初期アーク電流設定信号
Ｉi2 第２初期アーク電流値
ＩＩ２Ｒ 第２初期アーク電流設定回路
Ｉi2r 第２初期アーク電流設定信号
Ｉir 初期電流設定信号
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＮＴ インバータトランス
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉrc パルス電流設定信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
Ｉwpc 定常プラズマ溶接電流値
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
Ｌａ （ミグアークの）アーク長
ＬＤ 第１基準距離到達判別回路
Ｌｄ 第１基準距離到達判別信号
Ｌｐ プラズマ電極・母材間距離
Ｌt1 第１基準距離
ＬＴ１Ｒ 第１基準距離設定回路
Ｌt1r 第１基準距離設定信号
Ｌt2 第２基準距離
ＭＤ ミグアーク発生判別回路
Ｍｄ ミグアーク発生判別信号
ＮＤ 電極マイナス極性駆動回路
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
ＰＣ 極性切換制御回路
Ｐｃ 極性切換制御信号
ＰＤ 電極プラス極性駆動回路
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＷＩ 電流設定切換回路
ＳＷＰ パルス電流設定切換回路
ＳＷＳ 初期電流設定切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間（信号）
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖt1 基準電圧値
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
α 基準比率
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。そして、溶接ワイヤを囲むように中空形状のプラズマ電極が配置されており、アルゴンなどのガスを供給し、このガスを介してプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。ミグアークは、溶接トーチの軸心を送給される溶接ワイヤと母材との間に発生し、このミグアークを囲むようにプラズマアークが発生している。したがって、ミグアークは、プラズマアークに包まれた状態になる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。
【０００３】
上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的にパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。他方、上記のプラズマ溶接電流には、一定値の直流が使用されることが多い。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図５は、従来技術におけるプラズマミグ溶接方法の定常状態での波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpは、電極が陽極となり母材が陰極となる電極プラス極性によって出力されている。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)を示し、時刻ｔ３〜ｔ５の期間が第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)を示す。第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)は、時刻ｔ１〜ｔ２の第ｎ−１回目のピーク期間Ｔｐ(n-1)及び時刻ｔ２〜ｔ３の第ｎ−１回目のベース期間Ｔｂ(n-1)から形成されている。第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)は、時刻ｔ３〜ｔ４の第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)及び時刻ｔ４〜ｔ５の第ｎ回目のベース期間Ｔｂ(n)から形成されている。
【０００６】
同図（Ａ）に示すように、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)においては、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ(n-1)中は予め定めたピーク電流Ｉｐが通電し、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ(n-1)中は予め定めたベース電流Ｉｂが通電する。したがって、ミグ溶接電流Ｉwmはピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成される。そして、同図（Ｂ）に示すように、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)において、ピーク期間Ｔｐ(n-1)中はアーク長に比例したピーク電圧Ｖｐ(n-1)が溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ(n-1)中はアーク長に比例したベース電圧Ｖｂ(n-1)が印加する。したがって、ミグ溶接電圧Ｖwmは、ピーク電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂから形成される。第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)についても同様である。ここで、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂとそれぞれ同一値となる。他方、アーク発生状態が安定している状態においては、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク電圧Ｖｐ(n-1)及びベース電圧Ｖｂ(n-1)は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるピーク電圧Ｖｐ(n)及びベース電圧Ｖｂ(n)とそれぞれ略等しい値となる。
【０００７】
ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期Ｔｆが制御される。ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、ミグ溶接電圧Ｖwmをローパスフィルタ（カットオフ周波数は１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって生成される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。
【０００８】
アーク長制御の方式として周波数変調制御以外にもパルス幅変調制御が使用される場合もある。このパルス幅変調制御では、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが所定値に設定されてパルスパラメータとなる。そして、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定値と等しくなるようにピーク期間Ｔｐ（パルス幅）が制御される。
【０００９】
他方、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。
【００１０】
上述したプラズマミグ溶接方法は高品質溶接に使用されることが多いので、定常状態でのアーク安定性に加えて、アークスタート性能が良好であることも求められる。このために、ミグアークを後述するリトラクトスタート方式によって発生させ、このミグアークによってプラズマアークを誘発する方式を採用している（例えば、特許文献１及び２参照）。以下、この従来技術のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法について説明する。
【００１１】
図６は、従来技術におけるプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｄ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｅ）はプラズマ溶接電圧Ｖwpを示し、同図（Ｆ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。上述したように、ミグ溶接電圧Ｖwm、ミグ溶接電流Ｉwm、プラズマ溶接電圧Ｖwp及びプラズマ溶接電流Ｉwpは、電極プラス極性で出力されているので、正の波形として表している。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、外部からの溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値となり、溶接ワイヤ１ａは１〜２m/min程度の遅いスローダウン送給速度Ｆｉでの前進送給が開始される。ここで、送給速度Ｆｗが正の値であるときは、溶接ワイヤ１ａは母材２に近づく方向へ前進送給され、負の値であるときは、溶接ワイヤ１ａは母材２から離れる方向へ後退送給されることを示している。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも別の無負荷電圧が印加される。
【００１３】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、上記の前進送給によって溶接ワイヤ１ａが母材２と接触（短絡）すると、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、無負荷電圧から数Ｖ程度の短絡電圧値に低下する。この電圧の低下によって短絡を判別すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値の後退送給速度Ｆｂに切り換わり、溶接ワイヤ１ａが母材２から離れる方向へ後退送給される。また、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは溶接ワイヤをジュール熱でほとんど溶融しない程度の２０〜８０Ａ程度の一定値の直流電流である初期短絡電流Ｉｓとなる。
【００１４】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、同図（Ｇ３）に示すように、上記の後退送給によってワイヤ先端が母材２から離れると初期ミグアーク31ａが発生し、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤをアーク熱でほとんど溶融しない程度の２０〜８０Ａ程度の一定値の直流電流である初期アーク電流Ｉｉとなる。ここでは、Ｉｓ＝Ｉｉとした場合である。この初期ミグアーク31ａは、後退送給によって発生し、かつ、アークが発生する直前の電流値（初期短絡電流値Ｉｓ）も小さいので、スパッタはほとんど発生せず確実なアークスタートが実現できる。初期ミグアーク31ａが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、短絡電圧値から数十Ｖ程度のアーク電圧値に急増する。時刻ｔ３移行も上記の後退送給は継続されるので、同図（Ｇ４）に示すように、初期ミグアーク31ａのアーク長は次第に長くなる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間に発生している初期ミグアーク31ａ内はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長が長くなるのに伴い、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間もプラズマ雰囲気が形成されることになる。
【００１５】
（４）時刻ｔ４移行のミグアーク３ａ及びプラズマアーク３ｂ発生期間
時刻ｔ４において、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、プラズマアーク３ｂが誘発されて発生する。プラズマアーク３ｂが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpは無負荷電圧からアーク電圧値に低下し、同図（Ｆ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは予め定めた定常プラズマ溶接電流値Ｉwpcとなる。同時に時刻ｔ４にプラズマアーク３ｂが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、負の値の後退送給速度Ｆｂから正の値の定常送給速度Ｆwcへと切り換わり、溶接ワイヤ１ａは再前進送給される。この結果、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図５で上述したようにピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成されるパルス波形となり、同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは、図５で上述したようにピーク電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂから形成されるパルス波形となる。時刻ｔ４移行のミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、定常送給速度Ｆwcによって略決定される。また、時刻ｔ４移行のミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、図５で上述したように、電圧設定値と略等しくなるように制御され、アーク長が適正値になるようにフィードバック制御される。そして、時刻ｔ４から１００〜７００ms後に、ミグアーク３ａのアーク長は定常値に収束して、定常状態となる。これにより、プラズマミグ溶接のアークスタートは完了する。プラズマアーク３ｂが発生するのは、無負荷電圧が印加された状態で、プラズマ電極１ｂと母材２との空間が初期ミグアーク31ａによってプラズマ雰囲気になってくるためであるので、その発生タイミングはある程度の範囲でばらつきがある。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４の後退アーク期間は、ある程度のバラツキを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１４４５０９号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述した従来技術のように、アークスタートにリトラクトスタート方式を採用することによって、スパッタ発生が非常に少ない確実なアークスタートを行うことができる。しかし、リトラクトスタート方式には、以下のような課題がある。すなわち、アークスタート時にミグアークのみが発生している期間（図６の時刻ｔ３〜ｔ４の期間）中に、ビード表面に黒い煤（スマットと呼ばれる）が付着してビード外観が悪くなるという問題がある。さらには、スマットが発生すると、塗装等の表面処理をする場合において、密着性が悪くなるという問題も生じる。ミグアークがプラズマアークで包まれる状態になると、このスマットは発生しなくなる。
【００１８】
上記の問題を解決するためには、後退送給期間を短くすれば良いので、後退送給速度を高速にする対策が考えられる。しかし、後退送給速度を高速にすると、初期ミグアークのアーク長が急速に長くなるために、プラズマアークが誘発されて発生した時点（図６の時刻ｔ４）でのアーク長が長くなり過ぎて不安定になる場合が生じる。さらには、後退送給から再前進送給に切り換えられるときに、送給方向の反転に時間がかかりアーク長がオーバーシュートして長くなり、不安定になる場合も生じる。
【００１９】
そこで、本発明では、アークスタート時にスマットが発生することを抑制し、かつ、初期ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることを抑制することができるプラズマミグ溶接のアークスタート制御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】
【００２０】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流の初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降から前記プラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、前記第１初期アーク電流の絶対値を前記第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２１】
請求項２の発明は、前記初期ミグアークのアーク長が前記第１基準距離に達したことを、ミグ溶接電圧の絶対値が予め定めた基準電圧値に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２２】
請求項３の発明は、前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００２３】
請求項４の発明は、前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第２基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降からプラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する。第１初期アーク電流は電極マイナス極性であり、かつ、その値も大きいので溶接ワイヤの溶融速度が大きくなる。これに溶接ワイヤの後退送給が加算されるので、初期ミグアークのアーク長は急速に長くなり第１基準距離に達する。このために、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制することができる。さらに、初期ミグアークのアーク長が第１基準距離よりも長くなり、プラズマ電極に近づくと、初期アーク電流は電極プラス極性となり、かつ、その値も小さな値に切り換えられるので、溶接ワイヤの溶融はほとんどなくなる。このために、初期ミグアークのアーク長は、比較的低速の後退送給速度で後退送給されるために、緩やかに長くなる。この結果、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図２】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図３】図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図２の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。
【図５】従来技術におけるプラズマミグ溶接方法の定常状態での波形図である。
【図６】従来技術におけるプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る発明は、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定するものである。本明細書等においては、初期アーク電流が正の値であるときは電極プラス極性であることを示し、負の値であるときは電極マイナス極性であることを示している。初期アーク電流の値の大小とは、絶対値の大小を表している。以下、この実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電流Ｉwmの時間変化を示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpの時間変化を示し、同図（Ｄ）はミグアークのアーク長Ｌａの時間変化を示す。ミグ溶接電流Ｉwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpについて、正の値であることは電極プラス極性であることを示し、負の値であることは電極マイナス極性であることを示している。同図は、上述した図６において、溶接ワイヤが後退送給される期間である時刻ｔ２〜ｔ４の期間の各信号の変化を示している。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmの極性切換時（時刻ｔ３及びｔ３１）においては、アーク切れを防止するために、溶接ワイヤと母材との間に数百Ｖの高電圧を瞬間的に印加している。時刻ｔ２までの期間及び時刻ｔ４以降の期間の動作は、図６と同一であるので、本発明の特徴となる期間の動作を詳細に説明するために、これらの期間は省略している。以下、同図を参照して説明する。
【００２９】
（２１）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２においては、溶接ワイヤは母材と短絡状態にあり、ミグアーク及びプラズマアークは共に発生していない状態である。溶接ワイヤは後退送給されているので、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値の後退送給速度Ｆｂとなっている。ここで、符号は送給方向を示しており、負の値は後退送給の状態を示し、正の値は前進送給状態を示している。この後退送給速度Ｆｂは、図６のときの後退送給速度と同様に、プラズマアークが発生したときのアーク長Ｌａが長くなり過ぎないようにし、後退送給から再前進送給に切り換えたときにアーク長Ｌａがオーバーシュートしないようにするために、比較的低速に設定される。後退送給速度Ｆｂは、例えば１〜５ｍ／min程度に設定される。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図６と同様に、電極プラス極性の初期短絡電流Ｉｓとなっている。同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは通電していないので０Ａである。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、ミグアークが発生しておらず溶接ワイヤは母材と短絡しているので、０mmである。ここで、同図（Ｄ）において、横軸と平行に描かれた破線は、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐを示しており、一点鎖線は予め定めた第１基準距離Ｌt1を示している。Ｌｐ＞Ｌt1である。
【００３０】
（３１）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
後退送給によって、時刻ｔ３に溶接ワイヤ先端が母材から離れると、初期ミグアークが発生する。同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の後退送給速度Ｆｂのままである。初期ミグアークが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、極性が切り換えられて負の値である電極マイナス極性の第１初期アーク電流Ｉi1が通電する。この第１初期アーク電流Ｉi1は、アークによってワイヤ先端を溶融することができる値に設定され、図６の初期アーク電流Ｉｉ及び後述する第２初期アーク電流Ｉi2よりも大きな値に設定される。また、第１初期アーク電流Ｉi1は電極マイナス極性であるので、同一電流値であっても電極プラス極性よりも溶接ワイヤの溶融速度は約１．５倍程度速くなる。第１初期アーク電流Ｉi1は、例えば１００〜２００Ａ程度に設定される。この第１初期アーク電流Ｉi1は、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類等が変化すると溶融速度が変化するので、これらのパラメータに応じて実験によって適正値に設定される。同図では、初期ミグアークが発生すると直ぐにミグ溶接電流Ｉwmの極性を切り換える場合を例示しているが、予め定めた遅延時間を設けて、この遅延時間が経過した後に極性を切り換えるようにしても良い。遅延時間は、例えば０．５〜５ms程度である。他方、プラズマアークはまだ発生していないので、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは０Ａのままである。溶接ワイヤは後退送給速度Ｆｂで後退送給されると共に、第１初期アーク電流Ｉi1が通電するアークによってワイヤ先端が溶融するので、同図（Ｄ）に示すように、初期ミグアークのアーク長Ｌａは急速に長くなる。そして、時刻ｔ３１において、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａが一点鎖線で示す第１基準距離Ｌt1に達すると、同図（Ｂ）に示すように、再び極性が切り換えられて、正の値である電極プラス極性の第２初期アーク電流Ｉi2が通電する。ここで、Ｉi2＜｜Ｉi1｜である。この第２初期アーク電流Ｉi2は、図６の初期アーク電流値Ｉｉと同様に、アークによってワイヤ先端がほとんど溶融しないように、２０〜８０Ａ程度の範囲に設定される。同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは後退送給速度Ｆｂのままである。この結果、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは緩やかに長くなる。そして、時刻ｔ４において、プラズマアークが誘発されて発生する。上述したように、極性が電極マイナス極性であり、かつ、電流値の大きな第１初期アーク電流Ｉi1が通電するアークによってワイヤ先端が溶融されて後退送給速度Ｆｂに加算されるので、アーク長Ｌａが急速に長くなるために、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間が短縮される。このために、ミグアークが単独で発生している期間である時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間が、全体として短縮されることになる。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａが第１基準距離に達すると、アーク長Ｌａは緩やかに長くなる。すなわち、アーク長Ｌａがプラズマ電極にある程度近づいたときに、アーク長Ｌａが緩やかに長くなるようにしている。初期ミグアーク中はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長Ｌａが緩やかに長くなるのに伴い、このプラズマ雰囲気も緩やかに上昇してプラズマ電極の下の空間を満たすことになる。この結果、プラズマアークが誘発されて発生したときに、初期ミグアークのアーク長Ｌａが長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることもない。
【００３１】
（４１）時刻ｔ４移行のミグアーク及びプラズマアーク発生期間
時刻ｔ４において、プラズマ電極と母材との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極と母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、プラズマアークが誘発されて発生する。プラズマアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、図６と同様に、予め定めた定常プラズマ溶接電流値Ｉwpcとなる。同時に、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、負の値の後退送給速度Ｆｂから正の値の定常送給速度Ｆwcへと切り換えられて、溶接ワイヤは再前進送給される。この結果、初期ミグアークは定常ミグアークへと移行するので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、図５で上述したようにピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成されるパルス波形となる。時刻ｔ４移行の期間中は、上述したように、ミグ溶接電圧の平均値が電圧設定値と等しくなるように周波数変調制御によるアーク長制御が行なわれる。同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、時刻ｔ４の送給方向反転時に少しオーバーシュートしたのちに、アーク長制御によって次第に短くなり定常アーク長に収束する。これによりアークスタートは完了する。この送給方向反転時のアーク長Ｌａのオーバーシュートは、後退送給速度Ｆｂが低速であるので、少しだけとなり、アーク状態が不安定になることはない。
【００３２】
上述したように、本実施の形態では、時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間が短縮されるので、ミグアークが単独で発生している期間を短縮してスマットの発生を抑制することができる。さらに、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。
【００３３】
同図において、初期ミグアークのアーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達したことを、以下のようにして判別することができる。すなわち、アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達したことを、ミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値が予め定めた基準電圧値Ｖt1に達したことによって判別する。アーク長Ｌａはミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値に略比例する。基準電圧値Ｖt1を、第１基準距離Ｌt1に相当する値に設定する。そうすると、ミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値が基準電圧値Ｖt1に達する時点は、アーク長Ｌａが第１基準距離Ｌt1に達した時点となる。
【００３４】
次に、上記の第１基準距離Ｌt1の設定方法について説明する。
ａ）第１基準距離Ｌt1を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐに予め定めた基準比率αを乗じた値として設定する。すなわち、Ｌt1＝Ｌｐ×αである。αは、０．６〜０．８程度に設定する。このようにすると、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐが変化しても、適正な第１基準距離Ｌt1に設定することができる。プラズマ電極・母材間距離Ｌｐは、溶接中は一定値であるのが通常であるので、溶接を開始する前に測定すれば良い。２０mm≦Ｌｐ≦３０mm程度で使用されることが多い。ここで、α＝０．７とすると、Ｌｐの変化に対応して、１４mm≦Ｌt1≦２１mmとなる。
ｂ）第１基準距離Ｌt1を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐから予め定めた第２基準距離Ｌt2を減算した値として設定する。すなわち、Ｌt1＝Ｌｐ−Ｌt2である。第２基準距離Ｌt2は、５〜１０mm程度に設定する。第２基準距離Ｌt2を、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐが変化しても一定値に設定することによって、アーク長Ｌａが長くなり過ぎることを抑制した上で、上記の後退送給アーク期間を最大限短縮することができる。この第２基準距離Ｌt2は、送給モータの応答性、溶接ワイヤの材質、直径等に応じて適正値に設定する。
【００３５】
図２は、図１で上述した本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。
【００３６】
本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。これらの３系統のガスをまとめて単にガスと表現する場合がある。
【００３７】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａと接触しており、ミグアークを発生させるための電力を供給している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａ及び給電チップ４とは絶縁されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。このために、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。また、溶接ワイヤ１ａは、プラズマアーク３ｂからの放熱を受けることになる。
【００３８】
ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。このミグ溶接電流Ｉwmは、図５（Ａ）に示すように、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成される。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給方向及び送給速度Ｆｗが制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、アークスタート時の一部期間（図１の時刻ｔ３〜ｔ３１の期間）を除き、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、後述するようにアークスタート時の一部期間を除いて定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、溶接ワイヤ１ａの定常送給速度によってその値が定まる。さらに、ミグ溶接電源ＰＳＭには、図３で後述するように、アークスタート時においてプラズマアーク３ｂが発生した時点（図１の時刻ｔ４）でＨｉｇｈレベルになるプラズマアーク発生判別信号Ａｄがプラズマ溶接電源ＰＳＰから入力される。
【００３９】
プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。プラズマ溶接電源ＰＳＰには、図４で後述するように、プラズマアーク３ｂの発生を判別するための回路が設けられており、上記のプラズマアーク発生判別信号Ａｄをミグ溶接電源ＰＳＭに出力する。
【００４０】
両電源の外部に設置された溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。この溶接開始信号Ｓｔが入力されると両溶接電源は起動される。溶接開始回路ＳＴは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【００４１】
図３は、上述した図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００４２】
インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を整流及び平滑した直流電圧を、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、高周波交流を出力する。インバータトランスＩＮＴは、この高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、この降圧された高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性トランジスタＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、そのときは溶接電源の出力は電極プラス極性になる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、そのときは溶接電源の出力は電極マイナス極性になる。リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。これらの回路により、溶接ワイヤ１ａと母材２との間にミグ溶接電圧Ｖwmが印加し、ミグ溶接電流Ｉwmが通電する。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図２のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００４３】
電圧検出回路ＶＤは、上記のミグ溶接電圧Ｖwmの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。平均値の算出は、上述したように、ローパスフィルタを通すことによって行う。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。
【００４４】
ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間信号Ｔｐを出力する。このピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。
【００４５】
ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。パルス電流設定切換回路ＳＷＰは、上記のピーク期間信号ＴｐがＬｏｗレベルのときは上記のベース電流設定信号Ｉbrをパルス電流設定信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記のピーク電流設定信号Ｉprをパルス電流設定信号Ｉrcとして出力する。
【００４６】
短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が短絡基準値以下であるときは短絡状態であると判別してＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。ミグアーク発生判別回路ＭＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が所定範囲にあるときはミグアーク発生状態であると判別してＨｉｇｈレベルになるミグアーク発生判別信号Ｍｄを出力する。初期短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた初期短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。第１初期アーク電流設定回路ＩＩ１Ｒは、予め定めた第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rを出力する。第２初期アーク電流設定回路ＩＩ２Ｒは、予め定めた第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rを出力する。第１基準距離設定回路ＬＴ１Ｒは、ａ）項及びｂ）項で上述した方法によって第１基準距離設定信号Ｌt1rを出力する。すなわち、プラズマ電極・母材間距離Ｌｐ、基準比率α、第２基準距離Ｌt2を使用して第１基準距離設定信号Ｌt1rの値を設定する。第１基準距離到達判別回路ＬＤは、この第１基準距離設定信号Ｌt1r、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄを入力として、ミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から電圧検出信号Ｖｄの値が第１基準距離設定信号Ｌt1rの値に対応して予め定められた基準電圧値に達した時点でＨｉｇｈレベルに変化する第１基準距離到達判別信号Ｌｄを出力する。初期電流設定切換回路ＳＷＳは、上記の初期短絡電流設定信号Ｉsr、上記の第１初期アーク電流設定信号Ｉi1r、上記の第２初期アーク電流設定信号Ｉi2r、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄ及び上記の第１基準距離到達判別信号Ｌｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると初期短絡電流設定信号Ｉsrを初期電流設定信号Ｉirとして出力し、その後にミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルになると第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rを初期電流設定信号Ｉirとして出力し、その後に第１基準距離到達判別信号ＬｄがＨｉｇｈレベルになると第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rを初期電流設定信号Ｉirとして出力する。したがって、初期電流設定信号Ｉirは、図１（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３以前の期間中は初期短絡電流設定信号Ｉsrとなり、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間中は第１初期アーク電流設定信号Ｉi1rとなり、時刻ｔ３１以降の期間中は第２初期アーク電流設定信号Ｉi2rとなる。
【００４７】
極性切換制御回路ＰＣは、上記のミグアーク発生判別信号Ｍｄ及び上記の第１基準距離到達判別信号Ｌｄを入力として、ミグアーク発生判別信号ＭｄがＨｉｇｈレベルであり、かつ、第１基準距離到達判別信号ＬｄがＬｏｗレベルであるときはＨｉｇｈレベルになり、それ以外のときはＬｏｗレベルになる極性切換制御信号Ｐｃを出力する。この極性切換制御信号ＰｃがＨｉｇｈレベルのときは溶接電源の出力極性は電極プラス極性となり、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性となる。したがって、この極性切換制御信号ＰｃがＬｏｗレベル（電極マイナス極性）になるのは、図１において、時刻ｔ３〜ｔ３１の期間であり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベル（電極プラス極性）となる。電極プラス極性駆動回路ＰＤは、この極性切換制御信号Ｐｃを入力として、極性切換制御信号ＰｃがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力し、Ｌｏｗレベルのときは出力しない。電極マイナス極性駆動回路ＮＤは、この極性切換制御信号Ｐｃを入力として、極性切換制御信号ＰｃがＬｏｗレベルのときは電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは出力しない。また、図示は省略するが、極性が切り換えられるときには（図１の時刻ｔ３及びｔ３１）、上述したように、アーク切れを防止するために瞬間的に数百Ｖの再点弧電圧を溶接ワイヤ１ａと母材２との間に重畳する回路が設けられている。
【００４８】
電流設定切換回路ＳＷＩは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、プラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマアーク発生判別信号Ａｄ、上記のパルス電流設定信号Ｉrc及び上記の初期電流設定信号Ｉirを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると初期電流設定信号Ｉirを電流設定信号Ｉｒとして出力し、プラズマアーク発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク発生）に変化するとパルス電流設定信号Ｉrcを電流設定信号Ｉｒとして出力する。したがって、電流設定信号Ｉｒは、図６及び図１の時刻ｔ１〜ｔ４の期間中は初期電流設定信号Ｉirになり、図６及び図１の時刻ｔ４以降はパルス電流設定信号Ｉrc（ピーク電流設定信号Ｉpr又はベース電流設定信号Ｉbr）となる。
【００４９】
電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwmの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行い駆動信号Ｄｖを出力し、Ｌｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。
【００５０】
送給速度設定回路ＦＲは、上記の外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマアーク発生判別信号Ａｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると予め定めたスローダウン送給速度設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化すると予め定めた後退送給速度設定値となり、プラズマアーク発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク発生）に変化すると予め定めた定常送給速度設定値となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。したがって、送給速度設定信号Ｆｒは、図６の時刻ｔ１〜ｔ２の期間中はスローダウン送給速度設定値となり、図３の時刻ｔ２〜ｔ４の期間中は後退送給速度設定値となり、時刻ｔ４以降の期間中は定常送給速度設定値となる。送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）になると送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。
【００５１】
上記の回路構成によって、図６及び図１に示すようなミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及び送給速度Ｆｗが制御される。
【００５２】
図４は、上述した図２の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００５３】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図２のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００５４】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、定常プラズマ溶接電流値を設定するためのプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。プラズマ溶接電流検出回路ＩＤＰは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、プラズマ溶接電流検出信号Ｉdpを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdpとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、外部の溶接開始回路ＳＴからの溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行い駆動信号Ｄｖを出力し、Ｌｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。この駆動信号Ｄｖに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、図１で上述したようなプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。したがって、プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。
【００５５】
プラズマアーク発生判別回路ＡＤは、上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdpを入力として、その値がしきい値以上になったときはプラズマアークが発生したと判別してＨｉｇｈレベルとなるプラズマアーク発生判別信号Ａｄを、ミグ溶接電源ＰＳＭに出力する。しきい値としては、例えば５Ａ程度に設定する。
【００５６】
上述した実施の形態によれば、初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、第１初期アーク電流の絶対値を第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する。第１初期アーク電流は電極マイナス極性であり、かつ、その値も大きいので溶接ワイヤの溶融速度が大きくなる。これに溶接ワイヤの後退送給が加算されるので、初期ミグアークのアーク長は急速に長くなり第１基準距離に達する。このために、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、スマットの発生を抑制することができる。さらに、初期ミグアークのアーク長が第１基準距離よりも長くなり、プラズマ電極に近づくと、初期アーク電流は電極プラス極性となり、かつ、その値も小さな値に切り換えられるので、溶接ワイヤの溶融はほとんどなくなる。このために、初期ミグアークのアーク長は、比較的低速の後退送給速度で後退送給されるために、緩やかに長くなる。この結果、プラズマアークの発生時及び後退送給から再前進送給への切換時において、ミグアークのアーク長が長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることがない。さらには、初期ミグアークが単独で発生している期間を短縮することができるので、アークスタートに要する時間を短縮することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
31ａ 初期ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＡＤ プラズマアーク発生判別回路
Ａｄ プラズマアーク発生判別信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｆｂ 後退送給速度
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｉ スローダウン送給速度
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｆwc 定常送給速度
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＤＰ プラズマ溶接電流検出回路
Ｉdp プラズマ溶接電流検出信号
Ｉｉ 初期アーク電流
Ｉi1 第１初期アーク電流値
ＩＩ１Ｒ 第１初期アーク電流設定回路
Ｉi1r 第１初期アーク電流設定信号
Ｉi2 第２初期アーク電流値
ＩＩ２Ｒ 第２初期アーク電流設定回路
Ｉi2r 第２初期アーク電流設定信号
Ｉir 初期電流設定信号
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＮＴ インバータトランス
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉrc パルス電流設定信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
Ｉwpc 定常プラズマ溶接電流値
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
Ｌａ （ミグアークの）アーク長
ＬＤ 第１基準距離到達判別回路
Ｌｄ 第１基準距離到達判別信号
Ｌｐ プラズマ電極・母材間距離
Ｌt1 第１基準距離
ＬＴ１Ｒ 第１基準距離設定回路
Ｌt1r 第１基準距離設定信号
Ｌt2 第２基準距離
ＭＤ ミグアーク発生判別回路
Ｍｄ ミグアーク発生判別信号
ＮＤ 電極マイナス極性駆動回路
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
ＰＣ 極性切換制御回路
Ｐｃ 極性切換制御信号
ＰＤ 電極プラス極性駆動回路
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＷＩ 電流設定切換回路
ＳＷＰ パルス電流設定切換回路
ＳＷＳ 初期電流設定切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間（信号）
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖt1 基準電圧値
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
α 基準比率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流の初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降から前記プラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、前記第１初期アーク電流の絶対値を前記第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記初期ミグアークのアーク長が前記第１基準距離に達したことを、ミグ溶接電圧の絶対値が予め定めた基準電圧値に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項３】
前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項４】
前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第２基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項１】
溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流の初期アーク電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記初期ミグアークの発生時点からアーク長が予め定めた第１基準距離に達するまでの期間中は電極マイナス極性の第１初期アーク電流を通電し、それ以降から前記プラズマアークが発生するまでの期間中は電極プラス極性の第２初期アーク電流を通電し、前記第１初期アーク電流の絶対値を前記第２初期アーク電流の絶対値よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記初期ミグアークのアーク長が前記第１基準距離に達したことを、ミグ溶接電圧の絶対値が予め定めた基準電圧値に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項３】
前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項４】
前記第１基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第２基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５２７７２（Ｐ２０１２−１５２７７２Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７５６（Ｐ２０１１−１２７５６）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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