２電極アーク溶接のアークスタート制御方法
【課題】 消耗電極１ａ及び非消耗電極１ｂを溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル５内に設け、消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接において、高周波放電高電圧を印加しないでスパッタのないアークスタートを実現する。
【解決手段】 本発明は、消耗電極を母材へ前進送給し、母材と接触すると後退送給し、消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら後退送給を所定期間Ｔｄ継続してアーク長を高くし、期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給して大電流値の定常アークに移行させ、この定常アークによって非消耗電極と母材との空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【解決手段】 本発明は、消耗電極を母材へ前進送給し、母材と接触すると後退送給し、消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら後退送給を所定期間Ｔｄ継続してアーク長を高くし、期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給して大電流値の定常アークに移行させ、この定常アークによって非消耗電極と母材との空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け、消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接においてアークスタート性を向上させるための２電極アーク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】
［従来技術１］
図７は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて行う２電極アーク溶接のための溶接装置の構成図である。溶接トーチの先端に取り付けられた１つのシールドガスノズル５内に、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａ及び非消耗電極（タングステン電極等）１ｂが互いに絶縁されて設けられている。この消耗電極１ａと母材２との間にはミグ溶接等の消耗電極アーク３ａが発生し、非消耗電極１ｂと母材２との間にはティグ溶接等の非消耗電極アーク３ｂが発生して溶接が行われる。
【０００３】
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。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、この電圧設定信号Ｖｒに基づいて定電圧制御を行い給電チップ４ａと母材２との間に消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを出力し消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電すると共に、ワイヤ送給モータＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。消耗電極１ａは、ワイヤ送給モータＭに結合された送給ロール６の回転によって予め定めた送給速度Ｆｗで送給されると共に、上記の給電チップ４ａから給電される。上記の消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、消耗電極１ａがプラス極性ＥＰとなる。
【０００４】
非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＴは、コレット４ｂと母材２との間に非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを印加し非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。非消耗電極１ｂは、上記のコレット４ｂから給電される。上記の非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、非消耗電極１ｂがマイナス極性ＥＮとなる。
【０００５】
溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルに変化する溶接開始信号Ｓｔを出力する。上記の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＴは、この溶接開始信号Ｓｔを入力として出力を開始する。同図は、２台の溶接電源を使用する場合であるが、１台の溶接電源のみで行うこともできる。この場合は、溶接電源から交流電圧を出力し、交流電圧がプラス出力のときは消耗電極１ａに印加し、マイナス出力のときは非消耗電極１ｂに印加するようにする。（上述した従来技術１については特許文献１〜３を参照）
【０００６】
［従来技術２］
図８は、プラズマアーク溶接用の非消耗電極を中空にして消耗電極を通して消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させるプラズマミグ溶接を行うための溶接装置の構成図である。一般的なプラズマアーク溶接トーチと同様に、プラズマノズル７内に非消耗電極（タングステン電極）１ｂが設けられて、母材２との間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）３ｂが発生する。上記のプラズマノズル７の外側にシールドガスノズル５が設けられている。上記の非消耗電極１ｂは軸方向に中空になっており、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａが絶縁されてこの中空内を送給されて、母材２との間に消耗電極アーク３ａが発生する。
【０００７】
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。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、この電圧設定信号Ｖｒに基づいて定電圧制御を行い消耗電極１ａと母材２との間に消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを印加し消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電すると共に、ワイヤ送給モータＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。消耗電極１ａは、ワイヤ送給モータＭに結合された送給ロール６の回転によって予め定めた送給速度Ｆｗで送給される。上記の消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、消耗電極１ａがプラス極性ＥＰとなる。
【０００８】
プラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電源ＰＳＰは、コレット４ｂと母材２との間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電圧Ｖwbを印加しプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電流Ｉwbが通電する。非消耗電極１ｂは、上記のコレット４ｂから給電される。上記のプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電圧Ｖwbは、非消耗電極１ｂがマイナス極性ＥＮとなる。
【０００９】
溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルに変化する溶接開始信号Ｓｔを出力する。上記の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及びプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電源ＰＳＰは、この溶接開始信号Ｓｔを入力として出力を開始する。（上述した従来技術２については特許文献４を参照）
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−１０１０８２号公報
【特許文献２】特開昭５７−２２８７７号公報
【特許文献３】特開昭５６−１０５８７０号公報
【特許文献４】特開昭６３−１６８２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図９は、上述した従来技術１及び２の２電極アーク溶接におけるアークスタート時のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの、同図（Ｂ）は消耗電極の送給速度Ｆｗの、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaの、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaの、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbの、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbの時間変化を示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ３）はアーク発生部の模式図である。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）に示すように、消耗電極１ａが非常に遅い速度のスローダウン速度で送給されると共に、同図（Ｃ）に示すように、無負荷電圧が印加する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加すると共に、非消耗電極・母材間にアークを発生させるための高周波放電高電圧（数ＭＨｚ数ｋＶ）が印加される。
【００１３】
時刻ｔ２において、消耗電極１ａがスローダウン送給によって母材２と接触すると、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは数Ｖの短絡電圧値に変化し、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度へと速くなる。時刻ｔ３において、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中の通電によるジュール熱によって消耗電極１ａが加熱されて折れ曲がり溶断して大量のスパッタ８を飛散しつつアークが発生する。アークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、短絡電圧から上記の電圧設定信号Ｖｒの値に定電圧制御されたアーク電圧に上昇する。その後時刻ｔ４において、同図（Ｇ２）に示すように、上記の高周波放電高電圧の印加によって非消耗電極アークが発生し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電し、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下する。この時刻ｔ４の時点では、消耗電極アークのアーク長はまだ短い状態であり、スパッタ８の発生も継続している過渡状態である。時刻ｔ４から少し時間が経過すると、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極アークのアーク長も長くなり安定した定常状態となる。
【００１４】
上述した２電極アーク溶接のアークスタートにおいて、下記２つの問題があった。まず第１の問題は、非消耗電極アークを発生させるために高周波放電高電圧を使用していることである。この高周波放電高電圧が印加されると、非常に強い電磁波ノイズが発生する。このために、溶接電源、溶接ロボット、ワーク搬送機器、各種センサ等の電子機器に対して厳重なノイズ対策を施す必要がある。この結果、設備を構築するのに時間がかかり、かつ、コスト高となるという問題があった。この高周波放電高電圧を印加する代わりにパルス状直流高電圧（数ｋＶ）を印加する方法もあるが、溶接条件によってはアークスタート性が悪くなるという問題があった．
【００１５】
第２の問題は、消耗電極アークの発生時に大量のスパッタが飛散するために溶接品質が悪くなることであった。これは、消耗電極を母材と短絡させて大電流を通電しジュール熱で溶断させてアークスタートさせるために、原理上避けがたい問題であった。さらに、消耗電極アークが非消耗電極アークよりも先に発生すると、上述したスパッタの発生によって非消耗電極が汚染され、非消耗電極のアークスタート性及び溶接品質が悪くなる場合もあった。
【００１６】
そこで、本発明では、上述した問題を解決することができる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
溶接開始に際し、消耗電極・母材間及び非消耗電極・母材間に電圧を印加し、消耗電極を母材へ前進送給し母材と接触すると母材から後退送給し、この後退送給によって消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら前記後退送給を所定期間だけ継続してアーク長を高くし、この所定期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給すると共に定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御して前記初期アークから大電流値の定常アークに移行させ、この消耗電極アークによって非消耗電極と母材との間の空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させ、消耗電極アーク及び非消耗電極アークをアークスタートさせることを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１８】
また、第２の発明は、前記再前進送給開始時点から非消耗電極アーク発生時点までの初期期間中は、前記定常送給速度よりも遅い初期送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１９】
また、第３の発明は、前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常送給速度よりも速い初期送給速度で消耗電極を送給し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００２０】
また、第４の発明は、前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常電圧設定値よりも小さな初期電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
上記第１の発明によれば、消耗電極を一旦母材に接触させてから後退送給によって引き上げて小電流値の初期アークを発させた後に、定常アークへと移行させてアークスタートさせる。このために、初期アーク発生時に溶断を伴わないので、スパッタはほとんど発生しない。さらに、消耗電極アークによってプラズマ雰囲気空間が非消耗電極直下に形成されるために、高周波放電高電圧又はパルス状直流高電圧を印加することなく、通常の無負荷電圧（１００Ｖ程度）の印加によって非消耗電極アークを発生させることができる。このために、強い電磁波ノイズは発生せず、かつ、溶接条件によってアークスタート性が悪くなることもなく常に良好なアークスタート性を得ることができる。
【００２２】
上記第２の発明によれば、上述した第１の発明の効果に加えて、消耗電極を再前進送給するときに初期期間を設け、この期間中は送給速度を定常送給速度よりも遅くすることによってアーク長をさらに高くし、非消耗電極と母材との間のプラズマ雰囲気空間を非消耗電極先端近傍まで分布させることができる。このために、非消耗電極アークのアークスタート性をさらに向上させることができる。
【００２３】
上記第３の発明によれば、再前進送給開始時点から消耗電極の送給速度を定常送給速度よりも速くすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、第１の発明の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００２４】
上記第４の発明によれば、再前進送給開始時点から消耗電極アークの電圧設定値を定常値よりも小さくすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の電圧設定値を定常値よりも小さくすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、第１の発明の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク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の、同図（Ｂ）は消耗電極の送給速度Ｆｗの、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaの、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaの、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbの、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbの時間変化を示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）はアーク発生部の模式図である。同図は、図７及び図８で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。したがって、本実施の形態の溶接装置の構成は図７と同一であるが、各信号に対するシーケンス制御が異なっている。以下、同図を参照して説明する。
【００２７】
（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、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、消耗電極１ａはスローダウン速度で前進送給され、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極１ａと母材２との間に無負荷電圧が印加する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極１ｂと母材２との間に高周波放電高電圧を印加することなく通常の無負荷電圧が印加する。
【００２８】
（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、消耗電極１ａが母材２と接触すると、同図（Ｂ）に示すように、ワイヤ送給モータを逆回転させて消耗電極１ａを後退送給する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極・母材間は短絡電圧値に低下し、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極をジュール熱でほとんど加熱しない程度の数十Ａの小電流を通電する。
【００２９】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、消耗電極１ａが後退送給によって母材２から離れると、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極・母材間に初期アークが発生する。この初期アークは消耗電極の溶断ではなく後退送給によって発生し、かつ、電流値も小さいので、スパッタはほとんど発生しない。初期アークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、短絡電圧からアーク電圧に変化する。この初期アークが発生した状態で予め定めた後退送給アーク期間Ｔｄの間後退送給を継続する。
【００３０】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５の再前進送給期間
時刻ｔ４において、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、消耗電極１ａを後退送給から定常送給速度での再前進送給に切り換える。これにより、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流が通電し、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極１ａと母材２との間のアークは初期アークから定常アークに移行する。この時刻ｔ４以降、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは上記の電圧設定信号Ｖｒの定常値に定電圧制御される。時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、上記の後退送給によってアーク長が高くなっており、それに加えて大電流値の定常溶接電流が通電しているので、消耗電極１ａと母材２との間に大きく広がった定常アークが発生し、このアーク中はプラズマ雰囲気空間となっている。非消耗電極１ｂは消耗電極１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間は非消耗電極１ｂ直下にも広く分布している。
【００３１】
（５）時刻ｔ５以降の定常送給期間
時刻ｔ５において、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極・母材間に無負荷電圧が印加され、かつ、非消耗電極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、非消耗電極・母材間に非消耗電極アークが誘発されて発生する。アークが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。この時点で、消耗電極アーク及び非消耗電極アークが共に発生している状態になり、良好なアークスタートが完了する。
【００３２】
上記において、非消耗電極アークを高周波放電高電圧又はパルス状直流高電圧を印加することなく発生させることができる。このときに、非消耗電極アークを安定して発生させるためには、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが重要である。この期間終了時点での初期アークのアーク長が非消耗電極１ｂの先端よりも少し高い位置であれば、非消耗電極１ｂの直下の空間にプラズマ雰囲気空間を形成することができ、良好なアークスタートが実現する。したがって、時刻ｔ４〜ｔ５の期間中の消耗電極アークのアーク長を適正化することが、非消耗電極アークのアークスタート性にとって重要である。
【００３３】
上述した実施の形態１によれば、時刻ｔ３において後退送給と小電流の通電によって初期アークを発生させるので、消耗電極アークのアークスタートに伴うスパッタの発生がほとんどない。さらに、時刻ｔ５において、非消耗電極アークが高周波放電高電圧の印加なしにアークスタートするので、強い電磁波ノイズも発生しない。
【００３４】
図２は、実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を図８で上述したプラズマミグ溶接に適用した場合のアーク発生部を示す図である。同図は上述した図１の（Ｇ４）及び（Ｇ５）に対応している。図１（Ａ）〜（Ｆ）のタイミングチャートはプラズマミグ溶接の場合も同様である。
【００３５】
同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極１ａの後退送給アーク期間Ｔｄが終了し、初期アークから定常アークへと移行する。この定常アークによって、シールドガスノズル５の下端と母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。そして、同図（Ｇ５）に示すように、シールドガスノズル５内の非消耗電極と母材との間にプラズマ（非消耗電極）アークが誘発されて発生する。
【００３６】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る２電極アーク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。同図は上述した図１と対応しており、時刻ｔ４〜ｔ５の初期期間Ｔｉのみ異なっている。以下、この異なる初期期間Ｔｉについて説明する。
【００３７】
時刻ｔ４において、後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度よりも遅い速度に予め定めた初期送給速度での再前進送給に切り換わる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流値よちも小さな電流が通電する。時刻ｔ４〜ｔ５の初期期間Ｔｉ中は、消耗電極１ａは定常送給速度よりも遅い初初期送給速度で前進送給されるので、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極アークのアーク長が時刻ｔ４時点よりもさらに高くなる。このために、プラズマ雰囲気空間がさらに広く広がって形成される。この結果、時刻ｔ５において、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アークが確実に誘発されてアークスタートする。非消耗電極アークが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度に変化し、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流が通電する。
【００３８】
図４は、実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を図８で上述したプラズマミグ溶接に適用した場合のアーク発生部を示す図である。同図は上述した図１の（Ｇ４）及び（Ｇ５）に対応している。図１（Ａ）〜（Ｆ）のタイミングチャートはプラズマミグ溶接の場合も同様である。
【００３９】
同図（Ｇ４）に示すように、初期期間Ｔｉ中は、アーク長がさらに高くなった消耗電極アークが発生している。この消耗電極アークによって、シールドガスノズル５の下端と母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。そして、同図（Ｇ５）に示すように、シールドガスノズル５内の非消耗電極と母材との間にプラズマ（非消耗電極）アークが誘発されて発生する。
【００４０】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る２電極アーク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。同図は、図８で上述したプラズマミグ溶接の場合であり、非消耗電極１ｂは軸方向に中空構造になっており、その中空内を消耗電極１ａが貫通して送給される。同図は上述した図１及び図３と対応しており、同図（Ｂ１）に示す電圧設定信号Ｖｒが追加された以外は同じ信号である。また、同図は図１及び図３と時刻ｔ４以降の動作が異なる。以下、この異なる期間について同図を参照して説明する。
【００４１】
時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給によって、同図（Ｃ）に示すように、アーク長は高くなり消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaもアーク長に比例して大きくなる。時刻ｔ４において後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、定常送給速度よりも速い初期送給速度での再前進送給を開始する。時刻ｔ５までに消耗電極アークによってシールドガスノズル５内の非消耗電極１ｂと母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。このために、時刻ｔ５において、同図（Ｅ）に示すように、１００Ｖ程度の通常の無負荷電圧によって、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極１ｂ・母材２間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）が発生し、同図（Ｆ）に示すように、プラズマアーク溶接電流Ｉwbが通電する。このときに、同図（Ｇ５）に示すように、消耗電極１ａはプラズマアークによって包まれるために溶融が促進されて、同図（Ｃ）に示すように、アーク長が燃え上がり急に高くなる。この燃え上がり量が大きいときは、消耗電極１ａがトーチ下端部に溶着するバーンバックと呼ばれる状態が発生し、アークスタート不良となる。このバーンバックは、トーチ高さ、プラズマアーク溶接電流Ｉwb、消耗電極１ａの送給速度等の組み合わせ条件によって発生する。プラズマアーク溶接電流Ｉwbが大きいときは発生しやすくなる。したがって、溶接条件によってはバーンバックが発生しない場合もある。このために、再前進送給を開始する時刻ｔ４からプラズマアークが発生する時刻ｔ５までの期間の初期送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、同図（Ｃ）に示すように、アーク長を低くしておき、時刻ｔ５時点での燃え上がりによっても溶着が発生しないようにする。さらに、プラズマアアークが発生した時刻ｔ５から所定期間Ｔd2が経過する時刻ｔ６までの期間は、上記の初期送給速度から定常送給速度に減少させることによって、同図（Ｃ）に示すように、燃え上がりを抑制してアーク長を速やかに定常アーク長に収束させる。同図において時刻ｔ５〜ｔ６の期間中の送給速度Ｆｗを減少させずにそのまま維持し、時刻ｔ６において定常送給速度に戻すようにしても良い。時刻ｔ５〜ｔ６の期間は、定常アーク長に収束する時間に相当する。
【００４２】
上述した実施の形態３によれば、再前進送給開始時点から消耗電極の送給速度を定常送給速度よりも速くすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、実施の形態１の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００４３】
［実施の形態４］
図６は、実施の形態４に係る２電極アーク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。同図は上述した図５と対応しており、時刻ｔ４〜ｔ６の期間の動作のみが異なる。以下、この期間について同図を参照して説明する。
【００４４】
時刻ｔ５のプラズマアーク発生時の消耗電極のバーンバックを防止するために、図５では送給速度を速くした。これに対して、同図では、同図（Ｂ１）に示すように、電圧設定信号Ｖｒの値を定常値よりも小さくしている。すなわち、同図（Ｂ１）に示すように、再前進送給開始時点からプラズマアーク発生時点までの時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、電圧設定信号Ｖｒの値を定常値よりも小さくして、同図（Ｃ）に示すように、アーク長を低くする。さらに、プラズマアーク発生時点から所定期間Ｔd2の間は、電圧設定信号Ｖｒの値を小さな初期値から定常値へと増加させる。この電圧設定信号Ｖｒの値に基づいて消耗電極溶接電圧Ｖwaは定電圧制御され、アーク長が制御される。この結果、電圧設定信号Ｖｒの値によってアーク長を誘導することができる。時刻ｔ５〜ｔ６の電圧設定信号Ｖｒの値は、時刻ｔ４〜ｔ５の値をそのまま維持しても良い。
【００４５】
上述した実施の形態４によれば、再前進送給開始時点から消耗電極アークの電圧設定値を定常値よりも小さくすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の電圧設定値を定常値よりも小さくすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、実施の形態１の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００４６】
上記において、電圧設定値の代わりに、同図（Ｆ）に示すプラズマアーク溶接電流Ｉwbを小さくしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク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１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法をプラズマミグ溶接に適用したときのアーク発生部の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク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４】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法をプラズマミグ溶接に適用したときのアーク発生部の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る２電極アーク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６】本発明の実施の形態４に係る２電極アーク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７】従来技術１の２電極アーク溶接装置の構成図である。
【図８】従来技術２のプラズマミグ溶接装置の構成図である。
【図９】従来技術における２電極アーク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。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ 消耗電極
１ｂ 非消耗電極
２ 母材
３ａ 消耗電極アーク
３ｂ 非消耗電極アーク
４ａ 給電チップ
４ｂ コレット
５ シールドガスノズル
６ 送給ロール
７ プラズマノズル
８ スパッタ
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉwa 消耗電極アーク溶接電流
Ｉwb 非消耗電極アーク溶接電流
Ｍ ワイヤ送給モータ
ＰＳＭ 消耗電極アーク溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＰＳＴ 非消耗電極アーク溶接電源
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｄ 後退送給アーク期間
Ｔd2 所定期間
Ｔｉ 初期期間
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖwa 消耗電極アーク溶接電圧
Ｖwb 非消耗電極アーク溶接電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け、消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接においてアークスタート性を向上させるための２電極アーク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】
［従来技術１］
図７は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて行う２電極アーク溶接のための溶接装置の構成図である。溶接トーチの先端に取り付けられた１つのシールドガスノズル５内に、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａ及び非消耗電極（タングステン電極等）１ｂが互いに絶縁されて設けられている。この消耗電極１ａと母材２との間にはミグ溶接等の消耗電極アーク３ａが発生し、非消耗電極１ｂと母材２との間にはティグ溶接等の非消耗電極アーク３ｂが発生して溶接が行われる。
【０００３】
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。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、この電圧設定信号Ｖｒに基づいて定電圧制御を行い給電チップ４ａと母材２との間に消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを出力し消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電すると共に、ワイヤ送給モータＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。消耗電極１ａは、ワイヤ送給モータＭに結合された送給ロール６の回転によって予め定めた送給速度Ｆｗで送給されると共に、上記の給電チップ４ａから給電される。上記の消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、消耗電極１ａがプラス極性ＥＰとなる。
【０００４】
非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＴは、コレット４ｂと母材２との間に非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを印加し非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。非消耗電極１ｂは、上記のコレット４ｂから給電される。上記の非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、非消耗電極１ｂがマイナス極性ＥＮとなる。
【０００５】
溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルに変化する溶接開始信号Ｓｔを出力する。上記の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＴは、この溶接開始信号Ｓｔを入力として出力を開始する。同図は、２台の溶接電源を使用する場合であるが、１台の溶接電源のみで行うこともできる。この場合は、溶接電源から交流電圧を出力し、交流電圧がプラス出力のときは消耗電極１ａに印加し、マイナス出力のときは非消耗電極１ｂに印加するようにする。（上述した従来技術１については特許文献１〜３を参照）
【０００６】
［従来技術２］
図８は、プラズマアーク溶接用の非消耗電極を中空にして消耗電極を通して消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させるプラズマミグ溶接を行うための溶接装置の構成図である。一般的なプラズマアーク溶接トーチと同様に、プラズマノズル７内に非消耗電極（タングステン電極）１ｂが設けられて、母材２との間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）３ｂが発生する。上記のプラズマノズル７の外側にシールドガスノズル５が設けられている。上記の非消耗電極１ｂは軸方向に中空になっており、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａが絶縁されてこの中空内を送給されて、母材２との間に消耗電極アーク３ａが発生する。
【０００７】
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。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、この電圧設定信号Ｖｒに基づいて定電圧制御を行い消耗電極１ａと母材２との間に消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを印加し消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電すると共に、ワイヤ送給モータＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。消耗電極１ａは、ワイヤ送給モータＭに結合された送給ロール６の回転によって予め定めた送給速度Ｆｗで送給される。上記の消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、消耗電極１ａがプラス極性ＥＰとなる。
【０００８】
プラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電源ＰＳＰは、コレット４ｂと母材２との間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電圧Ｖwbを印加しプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電流Ｉwbが通電する。非消耗電極１ｂは、上記のコレット４ｂから給電される。上記のプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電圧Ｖwbは、非消耗電極１ｂがマイナス極性ＥＮとなる。
【０００９】
溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルに変化する溶接開始信号Ｓｔを出力する。上記の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及びプラズマアーク（非消耗電極アーク）溶接電源ＰＳＰは、この溶接開始信号Ｓｔを入力として出力を開始する。（上述した従来技術２については特許文献４を参照）
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−１０１０８２号公報
【特許文献２】特開昭５７−２２８７７号公報
【特許文献３】特開昭５６−１０５８７０号公報
【特許文献４】特開昭６３−１６８２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図９は、上述した従来技術１及び２の２電極アーク溶接におけるアークスタート時のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの、同図（Ｂ）は消耗電極の送給速度Ｆｗの、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaの、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaの、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbの、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbの時間変化を示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ３）はアーク発生部の模式図である。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）に示すように、消耗電極１ａが非常に遅い速度のスローダウン速度で送給されると共に、同図（Ｃ）に示すように、無負荷電圧が印加する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加すると共に、非消耗電極・母材間にアークを発生させるための高周波放電高電圧（数ＭＨｚ数ｋＶ）が印加される。
【００１３】
時刻ｔ２において、消耗電極１ａがスローダウン送給によって母材２と接触すると、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは数Ｖの短絡電圧値に変化し、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが通電する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度へと速くなる。時刻ｔ３において、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中の通電によるジュール熱によって消耗電極１ａが加熱されて折れ曲がり溶断して大量のスパッタ８を飛散しつつアークが発生する。アークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、短絡電圧から上記の電圧設定信号Ｖｒの値に定電圧制御されたアーク電圧に上昇する。その後時刻ｔ４において、同図（Ｇ２）に示すように、上記の高周波放電高電圧の印加によって非消耗電極アークが発生し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電し、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下する。この時刻ｔ４の時点では、消耗電極アークのアーク長はまだ短い状態であり、スパッタ８の発生も継続している過渡状態である。時刻ｔ４から少し時間が経過すると、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極アークのアーク長も長くなり安定した定常状態となる。
【００１４】
上述した２電極アーク溶接のアークスタートにおいて、下記２つの問題があった。まず第１の問題は、非消耗電極アークを発生させるために高周波放電高電圧を使用していることである。この高周波放電高電圧が印加されると、非常に強い電磁波ノイズが発生する。このために、溶接電源、溶接ロボット、ワーク搬送機器、各種センサ等の電子機器に対して厳重なノイズ対策を施す必要がある。この結果、設備を構築するのに時間がかかり、かつ、コスト高となるという問題があった。この高周波放電高電圧を印加する代わりにパルス状直流高電圧（数ｋＶ）を印加する方法もあるが、溶接条件によってはアークスタート性が悪くなるという問題があった．
【００１５】
第２の問題は、消耗電極アークの発生時に大量のスパッタが飛散するために溶接品質が悪くなることであった。これは、消耗電極を母材と短絡させて大電流を通電しジュール熱で溶断させてアークスタートさせるために、原理上避けがたい問題であった。さらに、消耗電極アークが非消耗電極アークよりも先に発生すると、上述したスパッタの発生によって非消耗電極が汚染され、非消耗電極のアークスタート性及び溶接品質が悪くなる場合もあった。
【００１６】
そこで、本発明では、上述した問題を解決することができる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
溶接開始に際し、消耗電極・母材間及び非消耗電極・母材間に電圧を印加し、消耗電極を母材へ前進送給し母材と接触すると母材から後退送給し、この後退送給によって消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら前記後退送給を所定期間だけ継続してアーク長を高くし、この所定期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給すると共に定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御して前記初期アークから大電流値の定常アークに移行させ、この消耗電極アークによって非消耗電極と母材との間の空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させ、消耗電極アーク及び非消耗電極アークをアークスタートさせることを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１８】
また、第２の発明は、前記再前進送給開始時点から非消耗電極アーク発生時点までの初期期間中は、前記定常送給速度よりも遅い初期送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１９】
また、第３の発明は、前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常送給速度よりも速い初期送給速度で消耗電極を送給し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００２０】
また、第４の発明は、前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常電圧設定値よりも小さな初期電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御する、ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
上記第１の発明によれば、消耗電極を一旦母材に接触させてから後退送給によって引き上げて小電流値の初期アークを発させた後に、定常アークへと移行させてアークスタートさせる。このために、初期アーク発生時に溶断を伴わないので、スパッタはほとんど発生しない。さらに、消耗電極アークによってプラズマ雰囲気空間が非消耗電極直下に形成されるために、高周波放電高電圧又はパルス状直流高電圧を印加することなく、通常の無負荷電圧（１００Ｖ程度）の印加によって非消耗電極アークを発生させることができる。このために、強い電磁波ノイズは発生せず、かつ、溶接条件によってアークスタート性が悪くなることもなく常に良好なアークスタート性を得ることができる。
【００２２】
上記第２の発明によれば、上述した第１の発明の効果に加えて、消耗電極を再前進送給するときに初期期間を設け、この期間中は送給速度を定常送給速度よりも遅くすることによってアーク長をさらに高くし、非消耗電極と母材との間のプラズマ雰囲気空間を非消耗電極先端近傍まで分布させることができる。このために、非消耗電極アークのアークスタート性をさらに向上させることができる。
【００２３】
上記第３の発明によれば、再前進送給開始時点から消耗電極の送給速度を定常送給速度よりも速くすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、第１の発明の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００２４】
上記第４の発明によれば、再前進送給開始時点から消耗電極アークの電圧設定値を定常値よりも小さくすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の電圧設定値を定常値よりも小さくすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、第１の発明の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク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の、同図（Ｂ）は消耗電極の送給速度Ｆｗの、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaの、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaの、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbの、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbの時間変化を示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）はアーク発生部の模式図である。同図は、図７及び図８で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。したがって、本実施の形態の溶接装置の構成は図７と同一であるが、各信号に対するシーケンス制御が異なっている。以下、同図を参照して説明する。
【００２７】
（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、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、消耗電極１ａはスローダウン速度で前進送給され、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極１ａと母材２との間に無負荷電圧が印加する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極１ｂと母材２との間に高周波放電高電圧を印加することなく通常の無負荷電圧が印加する。
【００２８】
（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、消耗電極１ａが母材２と接触すると、同図（Ｂ）に示すように、ワイヤ送給モータを逆回転させて消耗電極１ａを後退送給する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極・母材間は短絡電圧値に低下し、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極をジュール熱でほとんど加熱しない程度の数十Ａの小電流を通電する。
【００２９】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、消耗電極１ａが後退送給によって母材２から離れると、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極・母材間に初期アークが発生する。この初期アークは消耗電極の溶断ではなく後退送給によって発生し、かつ、電流値も小さいので、スパッタはほとんど発生しない。初期アークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、短絡電圧からアーク電圧に変化する。この初期アークが発生した状態で予め定めた後退送給アーク期間Ｔｄの間後退送給を継続する。
【００３０】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５の再前進送給期間
時刻ｔ４において、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、消耗電極１ａを後退送給から定常送給速度での再前進送給に切り換える。これにより、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流が通電し、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極１ａと母材２との間のアークは初期アークから定常アークに移行する。この時刻ｔ４以降、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは上記の電圧設定信号Ｖｒの定常値に定電圧制御される。時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、上記の後退送給によってアーク長が高くなっており、それに加えて大電流値の定常溶接電流が通電しているので、消耗電極１ａと母材２との間に大きく広がった定常アークが発生し、このアーク中はプラズマ雰囲気空間となっている。非消耗電極１ｂは消耗電極１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間は非消耗電極１ｂ直下にも広く分布している。
【００３１】
（５）時刻ｔ５以降の定常送給期間
時刻ｔ５において、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極・母材間に無負荷電圧が印加され、かつ、非消耗電極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、非消耗電極・母材間に非消耗電極アークが誘発されて発生する。アークが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。この時点で、消耗電極アーク及び非消耗電極アークが共に発生している状態になり、良好なアークスタートが完了する。
【００３２】
上記において、非消耗電極アークを高周波放電高電圧又はパルス状直流高電圧を印加することなく発生させることができる。このときに、非消耗電極アークを安定して発生させるためには、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが重要である。この期間終了時点での初期アークのアーク長が非消耗電極１ｂの先端よりも少し高い位置であれば、非消耗電極１ｂの直下の空間にプラズマ雰囲気空間を形成することができ、良好なアークスタートが実現する。したがって、時刻ｔ４〜ｔ５の期間中の消耗電極アークのアーク長を適正化することが、非消耗電極アークのアークスタート性にとって重要である。
【００３３】
上述した実施の形態１によれば、時刻ｔ３において後退送給と小電流の通電によって初期アークを発生させるので、消耗電極アークのアークスタートに伴うスパッタの発生がほとんどない。さらに、時刻ｔ５において、非消耗電極アークが高周波放電高電圧の印加なしにアークスタートするので、強い電磁波ノイズも発生しない。
【００３４】
図２は、実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を図８で上述したプラズマミグ溶接に適用した場合のアーク発生部を示す図である。同図は上述した図１の（Ｇ４）及び（Ｇ５）に対応している。図１（Ａ）〜（Ｆ）のタイミングチャートはプラズマミグ溶接の場合も同様である。
【００３５】
同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極１ａの後退送給アーク期間Ｔｄが終了し、初期アークから定常アークへと移行する。この定常アークによって、シールドガスノズル５の下端と母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。そして、同図（Ｇ５）に示すように、シールドガスノズル５内の非消耗電極と母材との間にプラズマ（非消耗電極）アークが誘発されて発生する。
【００３６】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る２電極アーク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。同図は上述した図１と対応しており、時刻ｔ４〜ｔ５の初期期間Ｔｉのみ異なっている。以下、この異なる初期期間Ｔｉについて説明する。
【００３７】
時刻ｔ４において、後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度よりも遅い速度に予め定めた初期送給速度での再前進送給に切り換わる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流値よちも小さな電流が通電する。時刻ｔ４〜ｔ５の初期期間Ｔｉ中は、消耗電極１ａは定常送給速度よりも遅い初初期送給速度で前進送給されるので、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極アークのアーク長が時刻ｔ４時点よりもさらに高くなる。このために、プラズマ雰囲気空間がさらに広く広がって形成される。この結果、時刻ｔ５において、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アークが確実に誘発されてアークスタートする。非消耗電極アークが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、無負荷電圧からアーク電圧に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが通電する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度に変化し、同図（Ｄ）に示すように、定常の溶接電流が通電する。
【００３８】
図４は、実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を図８で上述したプラズマミグ溶接に適用した場合のアーク発生部を示す図である。同図は上述した図１の（Ｇ４）及び（Ｇ５）に対応している。図１（Ａ）〜（Ｆ）のタイミングチャートはプラズマミグ溶接の場合も同様である。
【００３９】
同図（Ｇ４）に示すように、初期期間Ｔｉ中は、アーク長がさらに高くなった消耗電極アークが発生している。この消耗電極アークによって、シールドガスノズル５の下端と母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。そして、同図（Ｇ５）に示すように、シールドガスノズル５内の非消耗電極と母材との間にプラズマ（非消耗電極）アークが誘発されて発生する。
【００４０】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る２電極アーク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。同図は、図８で上述したプラズマミグ溶接の場合であり、非消耗電極１ｂは軸方向に中空構造になっており、その中空内を消耗電極１ａが貫通して送給される。同図は上述した図１及び図３と対応しており、同図（Ｂ１）に示す電圧設定信号Ｖｒが追加された以外は同じ信号である。また、同図は図１及び図３と時刻ｔ４以降の動作が異なる。以下、この異なる期間について同図を参照して説明する。
【００４１】
時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給によって、同図（Ｃ）に示すように、アーク長は高くなり消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaもアーク長に比例して大きくなる。時刻ｔ４において後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｂ）に示すように、定常送給速度よりも速い初期送給速度での再前進送給を開始する。時刻ｔ５までに消耗電極アークによってシールドガスノズル５内の非消耗電極１ｂと母材２との間の空間にプラズマ雰囲気が充満する。このために、時刻ｔ５において、同図（Ｅ）に示すように、１００Ｖ程度の通常の無負荷電圧によって、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極１ｂ・母材２間にプラズマアーク（非消耗電極アーク）が発生し、同図（Ｆ）に示すように、プラズマアーク溶接電流Ｉwbが通電する。このときに、同図（Ｇ５）に示すように、消耗電極１ａはプラズマアークによって包まれるために溶融が促進されて、同図（Ｃ）に示すように、アーク長が燃え上がり急に高くなる。この燃え上がり量が大きいときは、消耗電極１ａがトーチ下端部に溶着するバーンバックと呼ばれる状態が発生し、アークスタート不良となる。このバーンバックは、トーチ高さ、プラズマアーク溶接電流Ｉwb、消耗電極１ａの送給速度等の組み合わせ条件によって発生する。プラズマアーク溶接電流Ｉwbが大きいときは発生しやすくなる。したがって、溶接条件によってはバーンバックが発生しない場合もある。このために、再前進送給を開始する時刻ｔ４からプラズマアークが発生する時刻ｔ５までの期間の初期送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、同図（Ｃ）に示すように、アーク長を低くしておき、時刻ｔ５時点での燃え上がりによっても溶着が発生しないようにする。さらに、プラズマアアークが発生した時刻ｔ５から所定期間Ｔd2が経過する時刻ｔ６までの期間は、上記の初期送給速度から定常送給速度に減少させることによって、同図（Ｃ）に示すように、燃え上がりを抑制してアーク長を速やかに定常アーク長に収束させる。同図において時刻ｔ５〜ｔ６の期間中の送給速度Ｆｗを減少させずにそのまま維持し、時刻ｔ６において定常送給速度に戻すようにしても良い。時刻ｔ５〜ｔ６の期間は、定常アーク長に収束する時間に相当する。
【００４２】
上述した実施の形態３によれば、再前進送給開始時点から消耗電極の送給速度を定常送給速度よりも速くすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の送給速度を定常送給速度よりも速くすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、実施の形態１の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００４３】
［実施の形態４］
図６は、実施の形態４に係る２電極アーク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。同図は上述した図５と対応しており、時刻ｔ４〜ｔ６の期間の動作のみが異なる。以下、この期間について同図を参照して説明する。
【００４４】
時刻ｔ５のプラズマアーク発生時の消耗電極のバーンバックを防止するために、図５では送給速度を速くした。これに対して、同図では、同図（Ｂ１）に示すように、電圧設定信号Ｖｒの値を定常値よりも小さくしている。すなわち、同図（Ｂ１）に示すように、再前進送給開始時点からプラズマアーク発生時点までの時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、電圧設定信号Ｖｒの値を定常値よりも小さくして、同図（Ｃ）に示すように、アーク長を低くする。さらに、プラズマアーク発生時点から所定期間Ｔd2の間は、電圧設定信号Ｖｒの値を小さな初期値から定常値へと増加させる。この電圧設定信号Ｖｒの値に基づいて消耗電極溶接電圧Ｖwaは定電圧制御され、アーク長が制御される。この結果、電圧設定信号Ｖｒの値によってアーク長を誘導することができる。時刻ｔ５〜ｔ６の電圧設定信号Ｖｒの値は、時刻ｔ４〜ｔ５の値をそのまま維持しても良い。
【００４５】
上述した実施の形態４によれば、再前進送給開始時点から消耗電極アークの電圧設定値を定常値よりも小さくすることによって、プラズマアーク発生時の消耗電極の燃え上がりによるバーンバックを防止することができる。さらに、プラズマアーク発生後の所定期間中の電圧設定値を定常値よりも小さくすることで、燃え上がったアーク長を速やかに定常アーク長に収束させることができる。このために、プラズマミグ溶接において、実施の形態１の効果に加えて、消耗電極のバーンバックを防止して良好なアークスタート性を得ることができる。
【００４６】
上記において、電圧設定値の代わりに、同図（Ｆ）に示すプラズマアーク溶接電流Ｉwbを小さくしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク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１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法をプラズマミグ溶接に適用したときのアーク発生部の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク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４】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法をプラズマミグ溶接に適用したときのアーク発生部の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る２電極アーク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６】本発明の実施の形態４に係る２電極アーク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７】従来技術１の２電極アーク溶接装置の構成図である。
【図８】従来技術２のプラズマミグ溶接装置の構成図である。
【図９】従来技術における２電極アーク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。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ 消耗電極
１ｂ 非消耗電極
２ 母材
３ａ 消耗電極アーク
３ｂ 非消耗電極アーク
４ａ 給電チップ
４ｂ コレット
５ シールドガスノズル
６ 送給ロール
７ プラズマノズル
８ スパッタ
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉwa 消耗電極アーク溶接電流
Ｉwb 非消耗電極アーク溶接電流
Ｍ ワイヤ送給モータ
ＰＳＭ 消耗電極アーク溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＰＳＴ 非消耗電極アーク溶接電源
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｄ 後退送給アーク期間
Ｔd2 所定期間
Ｔｉ 初期期間
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖwa 消耗電極アーク溶接電圧
Ｖwb 非消耗電極アーク溶接電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
溶接開始に際し、消耗電極・母材間及び非消耗電極・母材間に電圧を印加し、消耗電極を母材へ前進送給し母材と接触すると母材から後退送給し、この後退送給によって消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら前記後退送給を所定期間だけ継続してアーク長を高くし、この所定期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給すると共に定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御して前記初期アークから大電流値の定常アークに移行させ、この消耗電極アークによって非消耗電極と母材との間の空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させ、消耗電極アーク及び非消耗電極アークをアークスタートさせることを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記再前進送給開始時点から非消耗電極アーク発生時点までの初期期間中は、前記定常送給速度よりも遅い初期送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項３】
前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常送給速度よりも速い初期送給速度で消耗電極を送給し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項４】
前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常電圧設定値よりも小さな初期電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項１】
消耗電極及び非消耗電極を溶接トーチ先端の１つのシールドガスノズル内に設け消耗電極アーク及び非消耗電極アークを発生させて溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
溶接開始に際し、消耗電極・母材間及び非消耗電極・母材間に電圧を印加し、消耗電極を母材へ前進送給し母材と接触すると母材から後退送給し、この後退送給によって消耗電極が母材から離れると小電流値の初期アークを発生させ、この初期アークを維持しながら前記後退送給を所定期間だけ継続してアーク長を高くし、この所定期間が経過すると消耗電極を定常送給速度で再前進送給すると共に定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御して前記初期アークから大電流値の定常アークに移行させ、この消耗電極アークによって非消耗電極と母材との間の空間にプラズマ雰囲気を充満させて非消耗電極アークを発生させ、消耗電極アーク及び非消耗電極アークをアークスタートさせることを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記再前進送給開始時点から非消耗電極アーク発生時点までの初期期間中は、前記定常送給速度よりも遅い初期送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項３】
前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常送給速度よりも速い初期送給速度で消耗電極を送給し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常送給速度で消耗電極を送給する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項４】
前記非消耗電極は中空構造であり、前記消耗電極はこの中空内を貫通し送給させ、前記消耗電極アークがミグアークであり、前記非消耗電極アークがプラズマアークであり、
前記再前進送給開始時点から前記定常電圧設定値よりも小さな初期電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御し、非消耗電極アーク発生時点から所定期間経過後は前記定常電圧設定値に基づいて消耗電極・母材間の溶接電圧を定電圧制御する、ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク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７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１４４５０９（Ｐ２００７−１４４５０９Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９２８６５（Ｐ２００６−９２８６５）
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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