プラズマミグ溶接の監視方法
【課題】プラズマミグ溶接方法において、プラズマ電極１ｂと溶接ワイヤ１ａとの間に発生する異常なアーク放電を防止する。
【解決手段】プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマアーク３ｂを発生させる。溶接ワイヤ１ａと母材２との間にミグアーク１ａを発生させる。溶接を開始する前に、プラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離であるトーチ高さＬｔを設定し、このトーチ高さＬｔの設定値及びプラズマ溶接電流の設定値Ｉｒを入力としてアーク特性関数によってプラズマ溶接電圧Ｖｗｐを推定し、このプラズマ溶接電圧Ｖｗｐの推定値とミグ溶接電圧の設定値Ｖｒとの設定電圧差が基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する。警報が発せられたときは、溶接条件を見直すことで異常なアーク放電を防止することができる。
【解決手段】プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマアーク３ｂを発生させる。溶接ワイヤ１ａと母材２との間にミグアーク１ａを発生させる。溶接を開始する前に、プラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離であるトーチ高さＬｔを設定し、このトーチ高さＬｔの設定値及びプラズマ溶接電流の設定値Ｉｒを入力としてアーク特性関数によってプラズマ溶接電圧Ｖｗｐを推定し、このプラズマ溶接電圧Ｖｗｐの推定値とミグ溶接電圧の設定値Ｖｒとの設定電圧差が基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する。警報が発せられたときは、溶接条件を見直すことで異常なアーク放電を防止することができる。
【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（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチ内に配置された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。同時に、プラズマ電極を中空形状とし、上記のプラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを上記の中空形状内を通って送給し、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。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となっている。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ことが多い。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。もちろん、ミグ溶接方法に、直流のミグ溶接方法を使用することもできる。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。上記のプラズマ溶接電流には、直流又はパルス波形が使用される。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６は、従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。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を示し、同図（Ｄ）はプラズマ溶接電圧Ｖwpを示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図（Ａ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂから成るミグ溶接電流Ｉwmが通電する。このピーク期間Ｔｐとベース期間Ｔｂとを合わせてパルス周期Ｔｆになる。そして、このミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧Ｖｐが溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ中はベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００６】
ミグパルス溶接では、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は臨界値以上の４００〜５００Ａ程度に設定され、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１００〜１８０Ａ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。ピーク電流Ｉｐの値は一般的な単独のパルスアーク溶接のときに比べて小さくなっており、ベース電流Ｉｂの値は大きくなっている。これは、ミグアークがプラズマアークに包まれており、溶接ワイヤはプラズマアークから熱を受けるために、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの値をこのように設定しないと溶滴移行状態が安定しないためである。
【０００７】
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。また、同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpがプラズマ電極と母材との間に印加する。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。プラズマ溶接電流Ｉwpをパルス波形にする場合もある。この場合には、プラズマ溶接電圧Ｖwpもパルス波形となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２２９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、プラズマアークは、プラズマ電極と母材との間に発生する。そして、ミグアークは、中空形状のプラズマ電極内を送給される溶接ワイヤと母材との間に発生する。プラズマ電極と溶接ワイヤとは絶縁される必要があるために、プラズマ電極内に筒状の絶縁物を設けて、その内部に溶接ワイヤを通すようにしている。したがって、プラズマ電極の内側と溶接ワイヤとは絶縁物によって分離されているので、両者が直接接触することはなく、かつ、プラズマ電極内で両者間に異常なアーク放電が発生することもない。
【００１０】
しかしながら、プラズマ電極の貫通孔から送出された溶接ワイヤと、プラズマ電極の先端部（下端部）とは接触はしていないが、非常に接近した距離にある。このために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間の電圧差が大きくなると、溶接ワイヤとプラズマ電極の先端部との間に異常なアーク放電が発生することがある。この異常なアーク放電が発生すると、プラズマアーク及びミグアークの発生状態が不安定になり、溶接品質が悪くなる。さらには、この異常なアーク放電が発生すると、プラズマ電極が部分溶融して溶接トーチが損傷することになり、溶接を継続することができなくなる場合も生じる。
【００１１】
そこで、本発明では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを防止して、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができるプラズマミグ溶接の監視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】
【００１２】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと前記母材との間に予め設定されたミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接方法において、
溶接を開始する前に、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離であるトーチ高さを設定し、このトーチ高さの設定値及び前記プラズマ溶接電流の設定値を入力として予め定めたアーク特性関数によって前記プラズマ溶接電圧を推定し、このプラズマ溶接電圧の推定値と前記ミグ溶接電圧の設定値との設定電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接の監視方法である。
【００１３】
請求項２の発明は、前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記プラズマ溶接電流の設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接の監視方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記トーチ高さの設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接の監視方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶接を開始する前に、異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを判別して、おそれがあるときは警報を発することができる。このために、本発明では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを未然に防止することができ、溶接条件を見直すことによって、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接の監視方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】図１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３】図１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４】図１の溶接装置を構成する監視装置ＡＭのブロック図である。
【図５】図４の異常アーク放電判別回路ＡＲに内蔵されているアーク特性関数を説明するための図である。
【図６】従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は、上述した本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接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。
【００１９】
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、プラズマ溶接電源ＰＳＰ及び監視装置ＡＭ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。
【００２０】
プラズマ電極１ｂは、中空形状に形成されている。給電チップ４は、このプラズマ電極１ｂの中空形状内に絶縁されて配置されている。そして、この給電チップ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に対して導通している。しかし、溶接ワイヤ１ａは、筒状の絶縁物８を介してプラズマ電極１ｂとは絶縁されている。絶縁物８は、例えばセラミックスから作製される。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。もちろん、溶接作業者が溶接トーチＷＴを手動で操作する場合もある。この場合には、溶接トーチＷＴは通常の溶接トーチに比べて大型で重いので、手振れを生じやすい。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。同図に示すように、プラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離がトーチ高さＬｔ（mm）となる。
【００２１】
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。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の送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭから給電チップ４を介してミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電圧Ｖwmは、給電チップ４と母材２との間の電圧であるが、溶接ワイヤ１ａと母材２との間の電圧であると見なすことができる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めたミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるように制御される。このミグ溶接電圧設定信号Ｖｒは、監視装置ＡＭに出力される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。
【００２２】
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が予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒの値と等しくなるように制御される。このプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒは、監視装置ＡＭに出力される。ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm、プラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpの波形図は、上述した図６と同一である。
【００２３】
監視装置ＡＭは、上記のミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ及び上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、図４で後述するように、プラズマ電極１ｂと溶接ワイヤ１ａとの間に異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを溶接を行う前に溶接条件から判別して、発生するおそれがあると判別した場合には警報を発する。また、監視装置ＡＭは、警報が発せられたときは、溶接条件の修正方法を表示器に表示する。
【００２４】
図２は、上述した図１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。
【００２５】
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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。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１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００２６】
電圧検出回路ＶＤは、ミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。ミグ溶接電圧平均値算出回路ＶＭＡは、この電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタ（カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって平均化（平滑化）して、ミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaを出力する。
【００２７】
送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値によって定まる送給速度Ｆｗ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。
【００２８】
ミグ溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めたミグ溶接電圧設定信号Ｖｒを電圧誤差増幅回路ＥＶ及び監視装置ＡＭに出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、このミグ溶接電圧設定信号Ｖｒと上記のミグ溶接電圧平均値信号Ｖma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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。電流設定制御回路ＩＲＣ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を電流設定制御信号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を電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。
【００３１】
電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwm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、上記の電流設定制御信号Ｉrc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。この電流誤差増幅信号Ｅｉ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６（Ａ）で上述したミグ溶接電流Ｉwmが通電する。上述したミグ溶接電源ＰＳＭは、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値がミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期が変化して出力制御されるので、定電圧特性の電源となる。
【００３２】
図３は、上述した図１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。
【００３３】
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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉ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１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００３４】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒを電流誤差増幅回路ＥＩ及び監視装置ＡＭに出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwp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、上記のプラズマ溶接電流設定信号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。この電流誤差増幅信号Ｅｉ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６（Ｃ）で上述した直流のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ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。
【００３５】
図４は、上述した図１の溶接装置を構成する監視装置ＡＭ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。
【００３６】
監視装置ＡＭは、破線で囲まれており、トーチ高さ設定回路ＬＴＲ、基準電圧値設定回路ＶＴＨ、異常アーク放電判別回路ＡＲ、報知回路ＨＴ及び表示器ＤＰを含んでいる。
【００３７】
トーチ高さ設定回路ＬＴＲは、予め定めたトーチ高さ設定信号Ｌtrを出力する。このトーチ高さ設定信号Ｌtrは、プラズマ電極先端と母材との間の距離を測定して予め設定する。また、溶接ロボットを使用した溶接においては、このトーチ高さのデータがロボット制御装置に記憶されているので、ロボット制御装置から送信するようにしても良い。トーチ高さ設定信号Ｌtrは、１５〜３０mm程度の範囲で設定される。
【００３８】
基準電圧値設定回路ＶＴＨは、予め定めた基準電圧値信号Ｖthを出力する。この値をどのように設定するかを説明するために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生する要因について説明する。トーチ高さが、継手形状の変化、ウィービング、手振れ等によって高くなると、プラズマ溶接電圧とミグ溶接電圧との電圧差が大きくなる。この電圧差は、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間の電圧となる。また、プラズマ溶接電流Ｉwpは５０〜２００Ａ程度の範囲で設定されることが多いが、この値が大きくなると電圧差が大きくなる。電圧差がどのくらいの値になると、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生するかは、溶接トーチの構造、センターガス及びプラズマガスの種類、電圧が印加される時間、送給速度等によって異なるが、２２〜３２Ｖ以上になると確率が高くなる。この値以上の電圧差が２〜５秒以上継続して印加されると、異常なアーク放電が発生する場合が多い。したがって、基準電圧値信号Ｖthの値は、溶接条件に応じて異常なアーク放電が発生しない値に設定される。具体的には、２０〜３０Ｖ程度に設定される。
【００３９】
異常アーク放電判別回路ＡＲは、プラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ、ミグ溶接電源ＰＳＭからのミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ、上記のトーチ高さ設定信号Ｌtr及び上記の基準電圧値信号Ｖthを入力として、図５を参照して説明する以下の処理を行い、警報信号Ａｒ、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを出力する。後述するが、警報信号ＡｒがＨｉｇｈレベルのときは、異常なアーク放電が発生するおそれがあるとして警報を発していることになる。
【００４０】
１） プラズマ溶接電圧の推定
図５は、横軸に示すプラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）と縦軸に示すプラズマ溶接電圧Ｖwp（Ｖ）との関係を示すアーク特性図である。同図中の特性Ｌ１はトーチ高さＬｔ＝２０mmのときであり、特性Ｌ２はトーチ高さＬｔ＝２５mmのときであり、特性Ｌ３はトーチ高さＬｔ＝３０mmのときである。プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ及びトーチ高さ設定信号Ｌtrが入力されると、これらのアーク特性を関数として、プラズマ溶接電圧Ｖwpを推定することができる。図５において数値例を示す。プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ＝１５０Ａであり、トーチ高さ設定信号Ｌtr＝３０mmであるとすると、特性Ｌ３上でプラズマ溶接電流Ｉwp＝１５０Ａとなる点が動作点Ｐａとなる。この動作点Ｐａの縦軸の数値５２Ｖがプラズマ溶接電圧Ｖwpの推定値となる。
【００４１】
２） 設定電圧差の算出
ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒは、図２で上述したように、パルス波形であるミグ溶接電圧Ｖwmの平均値を設定する信号である。設定電圧差＝（プラズマ溶接電圧の推定値）−（ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ）を算出する。溶接トーチの構造から、プラズマ溶接電圧値の方がミグ溶接電圧値よりも大きな値となる。したがって、この設定電圧差は正の値となる。数値例では、ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ＝２８Ｖとすると、設定電圧差＝５２−２８＝２４Ｖとなる。
【００４２】
３） 異常アーク放電が発生するおそれがあることの判別
設定電圧差が基準電圧値信号Ｖthの値よりも大きいときは、異常アーク放電が発生するおそれがあると判別して、警報信号ＡｒをＨｉｇｈレベルにして出力する。設定電圧差が基準電圧値信号Ｖth以下のときは、警報信号ＡｒをＬｏｗレベルにして出力する。数値例では、設定電圧差＝２４Ｖであり、基準電圧値信号Ｖth＝２０Ｖとすると、この場合には、Ｈｉｇｈレベルの警報信号Ａｒが出力されることになる。
【００４３】
４） プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsの算出
警報信号ＡｒがＨｉｇｈレベルのときは、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを算出する。警報信号ＡｒがＬｏｗレベルのときは算出は行わない。プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉpsの算出方法は、上述した図５を参照して以下のようにして行う。まず、ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と基準電圧値信号Ｖthの値との加算値を目標電圧値として算出する。この目標電圧値は、異常アーク放電が発生しないプラズマ溶接電圧の最大値となる。次に、図５の動作点Ｐａを始点として、特性Ｌ３上を左下方向に移動して、縦軸の値が目標電圧値となる動作点をＰｂとする。この動作点Ｐｂの横軸の値がプラズマ溶接電流推奨値信号Ｉpsとなる。同様に、図５の動作点Ｐａを始点として横軸の値が同一値になるように真下に移動して、縦軸の値が目標電圧値となる動作点をＰｃとする。この動作点Ｐｃのトーチ高さがトーチ高さ推奨値信号Ｌtsとなる。数値例では、動作点Ｐｂの横軸の値は５０Ａとなるので、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps＝５０Ａとなる。また、動作点Ｐｃは特性Ｌ２上にあるので、トーチ高さ推奨値信号Ｌts＝２５mmとなる。動作点Ｐｃが特性Ｌ１〜Ｌ３の中間に位置している場合には、特性Ｌ１〜Ｌ３のトーチ高さを保管して算出する。
【００４４】
報知回路ＨＴは、上記の警報信号Ａｒを入力として、この信号がＨｉｇｈレベルのときは、表示灯の点灯、ブザーによる警報音等によって異常を報知する。また、この報知回路ＨＴを解して、警報信号Ａｒを溶接装置外部に出力するようにしても良い。ロボット溶接にあっては、ロボット制御装置に送信しても良い。
【００４５】
表示器ＤＰは、上記のプラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及び上記のトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを入力として、これらのデータを表示する。この表示器ＤＰは、例えば液晶ディスプレイである。これらの表示は、警報が発せられたときに、異常アーク放電を発生しないようにするためには、プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ又はトーチ高さ設定信号Ｌtrをどのような値にしたら良いかを表示している。このために、警報が発せられて、溶接条件を見直す必要が生じたときに、迅速に的確に解決方法を提示することができる。上述した異常アーク放電が発生するおそれがあるかの判別と警報、それに基づいた報知、警報が発せられたときの溶接条件の推奨値の表示は、全て溶接開始前に行われる。したがって、溶接中に異常アーク放電が発生して、溶接品質が悪くなったり、溶接トーチが損傷したりする前に、溶接条件を見直すことができる。
【００４６】
v
図４で上述したアーク特性図に基づいたアーク特性関数は、溶接トーチの種類、センターガス及びプラズマガスの種類、流量等に応じて実験によって予め設定する。これまでの説明は、プラズマ溶接電流が直流波形である場合である。プラズマ電流がパルス波形である場合には、その平均値を代わりの値として処理すれば良い。
【００４７】
上述した実施の形態によれば、溶接を開始する前に、異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを判別して、おそれがあるときは警報を発することができる。このために、本実施の形態では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを未然に防止することができ、溶接条件を見直すことによって、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ 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
８ 絶縁物
ＡＭ 監視装置
ＡＲ 異常アーク放電判別回路
Ａｒ 警報信号
ＤＰ 表示器
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
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 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
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
Ｉps プラズマ溶接電流推奨値信号
ＩＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉｒ プラズマ溶接電流設定信号
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＨＴ 報知回路
Ｌ１〜Ｌ３ アーク特性
ＬＴＲ トーチ高さ設定回路
Ｌtr トーチ高さ設定信号
Ｌts トーチ高さ推奨値信号
Ｐａ〜Ｐｃ 動作点
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
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
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
ＶＭＡ ミグ溶接電圧平均値算出回路
Ｖma ミグ溶接電圧平均値信号
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ ミグ溶接電圧設定回路
Ｖｒ ミグ溶接電圧設定信号
ＶＴＨ 基準電圧値設定回路
Ｖth 基準電圧値信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
【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（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチ内に配置された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。同時に、プラズマ電極を中空形状とし、上記のプラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを上記の中空形状内を通って送給し、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。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となっている。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ことが多い。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。もちろん、ミグ溶接方法に、直流のミグ溶接方法を使用することもできる。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。上記のプラズマ溶接電流には、直流又はパルス波形が使用される。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６は、従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。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を示し、同図（Ｄ）はプラズマ溶接電圧Ｖwpを示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図（Ａ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂから成るミグ溶接電流Ｉwmが通電する。このピーク期間Ｔｐとベース期間Ｔｂとを合わせてパルス周期Ｔｆになる。そして、このミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧Ｖｐが溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ中はベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００６】
ミグパルス溶接では、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は臨界値以上の４００〜５００Ａ程度に設定され、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１００〜１８０Ａ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。ピーク電流Ｉｐの値は一般的な単独のパルスアーク溶接のときに比べて小さくなっており、ベース電流Ｉｂの値は大きくなっている。これは、ミグアークがプラズマアークに包まれており、溶接ワイヤはプラズマアークから熱を受けるために、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの値をこのように設定しないと溶滴移行状態が安定しないためである。
【０００７】
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。また、同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpがプラズマ電極と母材との間に印加する。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。プラズマ溶接電流Ｉwpをパルス波形にする場合もある。この場合には、プラズマ溶接電圧Ｖwpもパルス波形となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２２９６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、プラズマアークは、プラズマ電極と母材との間に発生する。そして、ミグアークは、中空形状のプラズマ電極内を送給される溶接ワイヤと母材との間に発生する。プラズマ電極と溶接ワイヤとは絶縁される必要があるために、プラズマ電極内に筒状の絶縁物を設けて、その内部に溶接ワイヤを通すようにしている。したがって、プラズマ電極の内側と溶接ワイヤとは絶縁物によって分離されているので、両者が直接接触することはなく、かつ、プラズマ電極内で両者間に異常なアーク放電が発生することもない。
【００１０】
しかしながら、プラズマ電極の貫通孔から送出された溶接ワイヤと、プラズマ電極の先端部（下端部）とは接触はしていないが、非常に接近した距離にある。このために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間の電圧差が大きくなると、溶接ワイヤとプラズマ電極の先端部との間に異常なアーク放電が発生することがある。この異常なアーク放電が発生すると、プラズマアーク及びミグアークの発生状態が不安定になり、溶接品質が悪くなる。さらには、この異常なアーク放電が発生すると、プラズマ電極が部分溶融して溶接トーチが損傷することになり、溶接を継続することができなくなる場合も生じる。
【００１１】
そこで、本発明では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを防止して、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができるプラズマミグ溶接の監視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】
【００１２】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと前記母材との間に予め設定されたミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接方法において、
溶接を開始する前に、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離であるトーチ高さを設定し、このトーチ高さの設定値及び前記プラズマ溶接電流の設定値を入力として予め定めたアーク特性関数によって前記プラズマ溶接電圧を推定し、このプラズマ溶接電圧の推定値と前記ミグ溶接電圧の設定値との設定電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接の監視方法である。
【００１３】
請求項２の発明は、前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記プラズマ溶接電流の設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接の監視方法である。
【００１４】
請求項３の発明は、前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記トーチ高さの設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接の監視方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶接を開始する前に、異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを判別して、おそれがあるときは警報を発することができる。このために、本発明では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを未然に防止することができ、溶接条件を見直すことによって、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接の監視方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】図１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３】図１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４】図１の溶接装置を構成する監視装置ＡＭのブロック図である。
【図５】図４の異常アーク放電判別回路ＡＲに内蔵されているアーク特性関数を説明するための図である。
【図６】従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は、上述した本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接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。
【００１９】
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、プラズマ溶接電源ＰＳＰ及び監視装置ＡＭ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。
【００２０】
プラズマ電極１ｂは、中空形状に形成されている。給電チップ４は、このプラズマ電極１ｂの中空形状内に絶縁されて配置されている。そして、この給電チップ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に対して導通している。しかし、溶接ワイヤ１ａは、筒状の絶縁物８を介してプラズマ電極１ｂとは絶縁されている。絶縁物８は、例えばセラミックスから作製される。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。もちろん、溶接作業者が溶接トーチＷＴを手動で操作する場合もある。この場合には、溶接トーチＷＴは通常の溶接トーチに比べて大型で重いので、手振れを生じやすい。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。同図に示すように、プラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離がトーチ高さＬｔ（mm）となる。
【００２１】
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。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の送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭから給電チップ４を介してミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電圧Ｖwmは、給電チップ４と母材２との間の電圧であるが、溶接ワイヤ１ａと母材２との間の電圧であると見なすことができる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めたミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるように制御される。このミグ溶接電圧設定信号Ｖｒは、監視装置ＡＭに出力される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。
【００２２】
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が予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒの値と等しくなるように制御される。このプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒは、監視装置ＡＭに出力される。ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm、プラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpの波形図は、上述した図６と同一である。
【００２３】
監視装置ＡＭは、上記のミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ及び上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、図４で後述するように、プラズマ電極１ｂと溶接ワイヤ１ａとの間に異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを溶接を行う前に溶接条件から判別して、発生するおそれがあると判別した場合には警報を発する。また、監視装置ＡＭは、警報が発せられたときは、溶接条件の修正方法を表示器に表示する。
【００２４】
図２は、上述した図１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。
【００２５】
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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。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１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００２６】
電圧検出回路ＶＤは、ミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。ミグ溶接電圧平均値算出回路ＶＭＡは、この電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタ（カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって平均化（平滑化）して、ミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaを出力する。
【００２７】
送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値によって定まる送給速度Ｆｗ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。
【００２８】
ミグ溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めたミグ溶接電圧設定信号Ｖｒを電圧誤差増幅回路ＥＶ及び監視装置ＡＭに出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、このミグ溶接電圧設定信号Ｖｒと上記のミグ溶接電圧平均値信号Ｖma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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。電流設定制御回路ＩＲＣ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を電流設定制御信号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を電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。
【００３１】
電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwm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、上記の電流設定制御信号Ｉrc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。この電流誤差増幅信号Ｅｉ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６（Ａ）で上述したミグ溶接電流Ｉwmが通電する。上述したミグ溶接電源ＰＳＭは、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値がミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期が変化して出力制御されるので、定電圧特性の電源となる。
【００３２】
図３は、上述した図１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。
【００３３】
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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉ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１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００３４】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒを電流誤差増幅回路ＥＩ及び監視装置ＡＭに出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwp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、上記のプラズマ溶接電流設定信号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。この電流誤差増幅信号Ｅｉ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６（Ｃ）で上述した直流のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ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。
【００３５】
図４は、上述した図１の溶接装置を構成する監視装置ＡＭ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。
【００３６】
監視装置ＡＭは、破線で囲まれており、トーチ高さ設定回路ＬＴＲ、基準電圧値設定回路ＶＴＨ、異常アーク放電判別回路ＡＲ、報知回路ＨＴ及び表示器ＤＰを含んでいる。
【００３７】
トーチ高さ設定回路ＬＴＲは、予め定めたトーチ高さ設定信号Ｌtrを出力する。このトーチ高さ設定信号Ｌtrは、プラズマ電極先端と母材との間の距離を測定して予め設定する。また、溶接ロボットを使用した溶接においては、このトーチ高さのデータがロボット制御装置に記憶されているので、ロボット制御装置から送信するようにしても良い。トーチ高さ設定信号Ｌtrは、１５〜３０mm程度の範囲で設定される。
【００３８】
基準電圧値設定回路ＶＴＨは、予め定めた基準電圧値信号Ｖthを出力する。この値をどのように設定するかを説明するために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生する要因について説明する。トーチ高さが、継手形状の変化、ウィービング、手振れ等によって高くなると、プラズマ溶接電圧とミグ溶接電圧との電圧差が大きくなる。この電圧差は、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間の電圧となる。また、プラズマ溶接電流Ｉwpは５０〜２００Ａ程度の範囲で設定されることが多いが、この値が大きくなると電圧差が大きくなる。電圧差がどのくらいの値になると、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生するかは、溶接トーチの構造、センターガス及びプラズマガスの種類、電圧が印加される時間、送給速度等によって異なるが、２２〜３２Ｖ以上になると確率が高くなる。この値以上の電圧差が２〜５秒以上継続して印加されると、異常なアーク放電が発生する場合が多い。したがって、基準電圧値信号Ｖthの値は、溶接条件に応じて異常なアーク放電が発生しない値に設定される。具体的には、２０〜３０Ｖ程度に設定される。
【００３９】
異常アーク放電判別回路ＡＲは、プラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ、ミグ溶接電源ＰＳＭからのミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ、上記のトーチ高さ設定信号Ｌtr及び上記の基準電圧値信号Ｖthを入力として、図５を参照して説明する以下の処理を行い、警報信号Ａｒ、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを出力する。後述するが、警報信号ＡｒがＨｉｇｈレベルのときは、異常なアーク放電が発生するおそれがあるとして警報を発していることになる。
【００４０】
１） プラズマ溶接電圧の推定
図５は、横軸に示すプラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）と縦軸に示すプラズマ溶接電圧Ｖwp（Ｖ）との関係を示すアーク特性図である。同図中の特性Ｌ１はトーチ高さＬｔ＝２０mmのときであり、特性Ｌ２はトーチ高さＬｔ＝２５mmのときであり、特性Ｌ３はトーチ高さＬｔ＝３０mmのときである。プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ及びトーチ高さ設定信号Ｌtrが入力されると、これらのアーク特性を関数として、プラズマ溶接電圧Ｖwpを推定することができる。図５において数値例を示す。プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ＝１５０Ａであり、トーチ高さ設定信号Ｌtr＝３０mmであるとすると、特性Ｌ３上でプラズマ溶接電流Ｉwp＝１５０Ａとなる点が動作点Ｐａとなる。この動作点Ｐａの縦軸の数値５２Ｖがプラズマ溶接電圧Ｖwpの推定値となる。
【００４１】
２） 設定電圧差の算出
ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒは、図２で上述したように、パルス波形であるミグ溶接電圧Ｖwmの平均値を設定する信号である。設定電圧差＝（プラズマ溶接電圧の推定値）−（ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ）を算出する。溶接トーチの構造から、プラズマ溶接電圧値の方がミグ溶接電圧値よりも大きな値となる。したがって、この設定電圧差は正の値となる。数値例では、ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒ＝２８Ｖとすると、設定電圧差＝５２−２８＝２４Ｖとなる。
【００４２】
３） 異常アーク放電が発生するおそれがあることの判別
設定電圧差が基準電圧値信号Ｖthの値よりも大きいときは、異常アーク放電が発生するおそれがあると判別して、警報信号ＡｒをＨｉｇｈレベルにして出力する。設定電圧差が基準電圧値信号Ｖth以下のときは、警報信号ＡｒをＬｏｗレベルにして出力する。数値例では、設定電圧差＝２４Ｖであり、基準電圧値信号Ｖth＝２０Ｖとすると、この場合には、Ｈｉｇｈレベルの警報信号Ａｒが出力されることになる。
【００４３】
４） プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsの算出
警報信号ＡｒがＨｉｇｈレベルのときは、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及びトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを算出する。警報信号ＡｒがＬｏｗレベルのときは算出は行わない。プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉpsの算出方法は、上述した図５を参照して以下のようにして行う。まず、ミグ溶接電圧設定信号Ｖｒの値と基準電圧値信号Ｖthの値との加算値を目標電圧値として算出する。この目標電圧値は、異常アーク放電が発生しないプラズマ溶接電圧の最大値となる。次に、図５の動作点Ｐａを始点として、特性Ｌ３上を左下方向に移動して、縦軸の値が目標電圧値となる動作点をＰｂとする。この動作点Ｐｂの横軸の値がプラズマ溶接電流推奨値信号Ｉpsとなる。同様に、図５の動作点Ｐａを始点として横軸の値が同一値になるように真下に移動して、縦軸の値が目標電圧値となる動作点をＰｃとする。この動作点Ｐｃのトーチ高さがトーチ高さ推奨値信号Ｌtsとなる。数値例では、動作点Ｐｂの横軸の値は５０Ａとなるので、プラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps＝５０Ａとなる。また、動作点Ｐｃは特性Ｌ２上にあるので、トーチ高さ推奨値信号Ｌts＝２５mmとなる。動作点Ｐｃが特性Ｌ１〜Ｌ３の中間に位置している場合には、特性Ｌ１〜Ｌ３のトーチ高さを保管して算出する。
【００４４】
報知回路ＨＴは、上記の警報信号Ａｒを入力として、この信号がＨｉｇｈレベルのときは、表示灯の点灯、ブザーによる警報音等によって異常を報知する。また、この報知回路ＨＴを解して、警報信号Ａｒを溶接装置外部に出力するようにしても良い。ロボット溶接にあっては、ロボット制御装置に送信しても良い。
【００４５】
表示器ＤＰは、上記のプラズマ溶接電流推奨値信号Ｉps及び上記のトーチ高さ推奨値信号Ｌtsを入力として、これらのデータを表示する。この表示器ＤＰは、例えば液晶ディスプレイである。これらの表示は、警報が発せられたときに、異常アーク放電を発生しないようにするためには、プラズマ溶接電流設定信号Ｉｒ又はトーチ高さ設定信号Ｌtrをどのような値にしたら良いかを表示している。このために、警報が発せられて、溶接条件を見直す必要が生じたときに、迅速に的確に解決方法を提示することができる。上述した異常アーク放電が発生するおそれがあるかの判別と警報、それに基づいた報知、警報が発せられたときの溶接条件の推奨値の表示は、全て溶接開始前に行われる。したがって、溶接中に異常アーク放電が発生して、溶接品質が悪くなったり、溶接トーチが損傷したりする前に、溶接条件を見直すことができる。
【００４６】
v
図４で上述したアーク特性図に基づいたアーク特性関数は、溶接トーチの種類、センターガス及びプラズマガスの種類、流量等に応じて実験によって予め設定する。これまでの説明は、プラズマ溶接電流が直流波形である場合である。プラズマ電流がパルス波形である場合には、その平均値を代わりの値として処理すれば良い。
【００４７】
上述した実施の形態によれば、溶接を開始する前に、異常なアーク放電が発生するおそれがあるかを判別して、おそれがあるときは警報を発することができる。このために、本実施の形態では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを未然に防止することができ、溶接条件を見直すことによって、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ 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
８ 絶縁物
ＡＭ 監視装置
ＡＲ 異常アーク放電判別回路
Ａｒ 警報信号
ＤＰ 表示器
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
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 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
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
Ｉps プラズマ溶接電流推奨値信号
ＩＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉｒ プラズマ溶接電流設定信号
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＨＴ 報知回路
Ｌ１〜Ｌ３ アーク特性
ＬＴＲ トーチ高さ設定回路
Ｌtr トーチ高さ設定信号
Ｌts トーチ高さ推奨値信号
Ｐａ〜Ｐｃ 動作点
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
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
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
ＶＭＡ ミグ溶接電圧平均値算出回路
Ｖma ミグ溶接電圧平均値信号
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ ミグ溶接電圧設定回路
Ｖｒ ミグ溶接電圧設定信号
ＶＴＨ 基準電圧値設定回路
Ｖth 基準電圧値信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと前記母材との間に予め設定されたミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接方法において、
溶接を開始する前に、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離であるトーチ高さを設定し、このトーチ高さの設定値及び前記プラズマ溶接電流の設定値を入力として予め定めたアーク特性関数によって前記プラズマ溶接電圧を推定し、このプラズマ溶接電圧の推定値と前記ミグ溶接電圧の設定値との設定電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接の監視方法。
【請求項２】
前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記プラズマ溶接電流の設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接の監視方法。
【請求項３】
前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記トーチ高さの設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接の監視方法。
【請求項１】
溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと前記母材との間に予め設定されたミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接方法において、
溶接を開始する前に、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離であるトーチ高さを設定し、このトーチ高さの設定値及び前記プラズマ溶接電流の設定値を入力として予め定めたアーク特性関数によって前記プラズマ溶接電圧を推定し、このプラズマ溶接電圧の推定値と前記ミグ溶接電圧の設定値との設定電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きいときは異常なアーク放電が発生すると判別して警報を発する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接の監視方法。
【請求項２】
前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記プラズマ溶接電流の設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接の監視方法。
【請求項３】
前記警報が発せられたときは、前記設定電圧差が前記基準電圧値以下になる前記トーチ高さの設定値を算出して表示する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接の監視方法。
【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２０１３−７８３（Ｐ２０１３−７８３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６１４５（Ｐ２０１１−１３６１４５）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【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１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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