JP2009208137A - プラズマミグ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマミグ溶接を、溶け落ちが発生しやすいアーク又はスパッタ付着のない高品質なビード外観が要求されるワークにも適用することができるようにする。
【解決手段】シールドガスノズル４３内に配置された溶接ワイヤ１１及びプラズマ電極１２を備えた溶接トーチを用い、溶接ワイヤ１１によるミグアーク３１及びプラズマ電極１２によるプラズマアーク３２を同時に発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、溶接モード選択信号を設け、溶接モード選択信号がプラズマミブ溶接モードであるときはプラズマアーク３２及びミグアーク３１を同時に発生させる上記のプラズマミグ溶接を行い、溶接モード選択信号がプラズマ溶接モードであるときはプラズマアーク３２を発生させると共にミグアーク３１は発生させないで溶接ワイヤ１１のみを送給し、溶接ワイヤ１１をプラズマアーク３２によって溶融しながら溶接を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、 シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された溶接ワイヤ及びプラズマ電極を備えた溶接トーチを用い、溶接ワイヤによるミグアーク及びプラズマ電極によるプラズマアークを同時に発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法に関するものである。

消耗電極として溶接ワイヤを送給しながらミグアークを発生させることと、アルゴンガス等をプラズマガスとして用いて上記のミグアークを包含するプラズマアークを発生させることと、を同時に行う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）。図４は、このプラズマミグ溶接方法における溶接トーチ４の構造及びアーク発生部を示す模式図である。消耗電極（以下、溶接ワイヤ１１という）は、溶接トーチ４の中心部に設けられた給電チップ４１から給電されると共に、中心軸線に沿って送給されて、母材２との間にミグアーク３１が発生する。非消耗電極（以下、プラズマ電極１２という）は中空状の略円筒形状をなし、母材２との間にプラズマアーク３２が発生する。上記の溶接ワイヤ１１はプラズマ電極１２の絶縁された中空内を送給されるので、ミグアーク３１はプラズマアーク３２によって囲まれた状態になる。プラズマアーク３２の外側にはアークを熱的拘束してプラズマアーク化するためのプラズマガス（図示せず）が流れており、さらにその外側にシールドガス（図示せず）が流れている。これらプラズマガス及びシールドガスにはアルゴンガスが使用されることが多い。

同図に示すようなプラズマミグ溶接では、プラズマアーク３２がプラズマガス等によって熱的拘束されているために、溶融池２１がプラズマアーク３２及びミグアーク３１から受けるアーク力はティグ溶接、ミグ溶接、マグ溶接等に比べて大きい。すなわち、プラズマミグ溶接では、プラズマガスの動圧並びにプラズマアーク３２及びミグアーク３１からのアーク力によって、溶融池２１の表面は高い動圧を受けていることになる。このような、高いアーク圧力下での溶接においては、同図に示すように、溶融池２１の表面の形状が凹状になる。

ミグアーク３１及びプラズマアーク３２の双方から母材２に対して熱を与えると共に、溶融した溶接ワイヤ１１を供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。

特開昭６３−１６８２８３号公報

上述したプラズマミグ溶接方法は、プラズマアーク３２及びミグアーク３１の２つの熱源をゆし、かつ、溶接ワイヤ１１が溶滴となって溶融池２１に供給されるために、高速溶接性に優れており高効率溶接が可能である。

ところで、１つのワークに複数の溶接個所が存在し、各々の溶接個所における板厚及び継手形状が異なる場合がある。板厚が比較的厚い場合又は継手形状上アークによる溶け落ちが発生しにくい場合には、上述したプラズマミグ溶接方法を使用することで高効率溶接を行うことができる。しかし、板厚が薄い場合又は継手形状上溶け落ちが発生しやすい場合にはプラズマミグ溶接方法を使用すると母材への入熱が大きいために溶け落ちが発生することになり、使用することができない。このような複合した溶接個所を有するワークを溶接する場合には、プラズマミグ溶接方法は適用することができず、溶接工程の効率化を図ることもできなかった。このようなケースは、複合された溶接個所を有するワークに限られたことではなく、１つの溶接ライン上を種々のワークが搬送されてきて溶接を行う場合にも生じることである。

また、溶接個所によっては、効率化よりも、スパッタの付着がなくビード外観が高品質であることが要求される場合もある。このような高品質を重視する溶接個所にプラズマミグ溶接方法を使用すると、スパッタの付着が見られるために要求レベルを充足しない場合も生じる。

そこで、本発明は、効率化を求められる溶接個所、溶け落ちが発生しやすい溶接個所又は高品質なビード外観が要求される溶接個所を１つの溶接装置によって溶接することができるプラズマミグ溶接方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、
シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された溶接ワイヤ及びプラズマ電極を備えた溶接トーチを用い、前記溶接ワイヤによるミグアーク及び前記プラズマ電極によるプラズマアークを同時に発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、
溶接モード選択信号を設け、
この溶接モード選択信号がプラズマミブ溶接モードであるときは前記プラズマアーク及び前記ミグアークを同時に発生させる前記プラズマミグ溶接を行い、
前記溶接モード選択信号がプラズマ溶接モードであるときは前記プラズマアークを発生させると共に前記ミグアークは発生させないで前記溶接ワイヤのみを送給し、この溶接ワイヤを前記プラズマアークによって溶融しながら溶接を行う、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。

第２の発明は、前記プラズマ溶接モードのときは前記溶接ワイヤを溶融池に接触させて加熱電流を通電する、
ことを特徴とする第１の発明記載のプラズマミグ溶接方法である。

上記第１の発明によれば、効率化を要求される溶接個所を溶接するときはプラズマミグ溶接モードを使用し、溶け落ちが発生しやすい溶接個所を溶接するとき及び高品質なビード外観が要求される溶接個所を溶接するときはプラズマ溶接モードを使用することができる。このように、第１の発明では、溶接個所の要求品質に応じた溶接方法を１つの溶接装置で行うことができる。プラズマ溶接モードでは、熱源が１つになり、溶接ワイヤがプラズマアークによって溶融されるために、溶け落ちがしにくくなり、スパッタ発生も少量になる。このために、プラズマ溶接モードは、溶け落ちが発生しやすい溶接個所及び高品質なビード外観が要求される溶接個所に使用することができる。

上記第２の発明によれば、プラズマ溶接モードが選択されているときに、溶接ワイヤに加熱電流を通電することによって溶接ワイヤの溶融が円滑になり、スパッタ発生がより少なくなると共に、さらにビード外観が高品質になる。

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。

図１は、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について説明する。

シーケンス制御装置ＰＬＣは、溶接モード選択信号Ｍｓ、溶接開始信号Ｓｔ、ミグ溶接電圧設定信号、ミグ溶接電流設定信号及びプラズマ電流設定信号を含むインターフェース信号Ｉｆを送信する。このシーケンス制御装置ＰＬＣは、プログラマブル・ロジック・コントローラ、ロボット溶接にあってはロボット制御装置等が相当する。ミグ溶接電源ＰＳＭは、上記のインターフェース信号Ｉｆを受信して、上記の溶接モード選択信号Ｍｓが「プラズマミグ溶接モード」であるときに上記の溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmを出力すると共に、上記のミグ溶接電流設定信号に対応したワイヤ送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１１を送給するための送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給モータＷＭに出力する。他方、上記の溶接モード選択信号Ｍｓが「プラズマ溶接モード」であるときに上記の溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、ミグ溶接電源ＰＳＭはミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmは出力しないで、溶接ワイヤ１１を送給するための送給制御信号Ｆｃのみを出力する。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性を有するので、ミグ溶接電圧Ｖwmは上記のミグ溶接電圧設定信号によって設定される。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、上記のインターフェース信号Ｉｆを受信して、上記の溶接モード選択信号Ｍｓのモードに関わらず溶接開始信号がＨｉｇｈレベルになると、プラズマ電流設定信号に対応したプラズマ電流Ｉwp及びプラズマ電圧Ｖwpを出力する。このプラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性を有する。

溶接トーチの構造は以下のようになっている。同軸中心部に給電チップ４１が設けられており、ワイヤ送給モータＷＭに結合された送給ロール５によって送給される溶接ワイヤ１１はこの給電チップ内を通って送給される際に給電される。溶接ワイヤ１１はワイヤ送給速度Ｆｗで送給される。プラズマ電極１２は略円筒形状をなし、中空構造になっている。この絶縁された中空内を上記の溶接ワイヤ１１が送給されて、母材２との間にミグアーク３１が発生する。上記のプラズマ電極１２の内側をミグガス６１が流れている。上記のプラズマ電極１２の外側にプラズマノズル４２が設けられており、その内側をプラズマガス６２が流れている。さらに、その外側にシールドガスノズル４３が設けられており、その内側をシールドガス６３が流れている。上記のプラズマ電極１２と母材２との間には熱的拘束されたプラズマアーク３２が発生する。

図２は、本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接モード選択信号Ｍｓを示し、同図（Ｂ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｃ）はワイヤ送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｄ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｅ）はプラズマ電流Ｉwpを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示す溶接モード選択信号Ｍｓは、２つのモードがあり、Ｈｉｇｈレベルのときは「プラズマミグ溶接モード」になり、Ｌｏｗレベルのときは「プラズマ溶接モード」になる。時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接モード選択信号はＨｉｇｈレベルであるので「プラズマミグ溶接モード」になる。この期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになるので、同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１１はワイヤ送給速度Ｆｗで送給されると共に、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmが通電し、ミグアーク３１が発生する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電流Ｉwpが通電するので、プラズマアーク３２も発生する。この期間中の溶接状態は、上述した図１のようになる。

次に、時刻ｔ３〜ｔ４の期間中は、溶接モード選択信号ＭｓはＬｏｗレベルであるので「プラズマ溶接モード」になる。この期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになるので、同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１１はワイヤ送給速度Ｆｗで送給されるが、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは通電しないのでミグアーク３１は発生しない。他方、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電流Ｉwpは通電するので、プラズマアーク３２は発生する。したがって、溶接ワイヤ１１はプラズマアーク３２によって溶融される。この期間中の溶接状態を図３に示す。溶接ワイヤ１１は送給されて溶融池２１と接触状態にあり、プラズマアーク３２からの熱によって溶融される。溶接ワイヤ１１と溶融池２１との間にはミグアーク３１は発生していない。同図は溶接ワイヤ１１の先端が溶融池２１の表面と接触している場合であるが、非接触状態になる場合もある。接触状態になるか又は非接触状態になるかはワイヤ送給速度Ｆｗの値に依存する。このプラズマ溶接モードの状態では、アークは１つしかないのでアーク力は弱くなり、薄板溶接時に溶け落ちが発生しにくくなる。さらに、溶接ワイヤ１１はミグ溶接のときのように変動しやすい入熱ではなく安定した入熱をプラズマアーク３２から受け手溶融するために、発生するスパッタは非常に少なくなる。この結果、高品質なビード外観を得ることができる。

図２では、時刻ｔ３からｔ４の期間中は溶接ワイヤ１１にミグ溶接電流Ｉwmが通電しない場合を説明した。しかし、溶接ワイヤ１１に加熱電流を通電すると溶融がより円滑になるので、以下のようにしてミグアーク３１を発生させない状態で電流を通電するようにしても良い。すなわち、溶接ワイヤ１１の先端が溶融池２１の表面に接触した常態になるようにワイや送給速度Ｆｗを調整する。さらに、ミグ溶接電圧Ｖwmをアークが発生しない低い値に設定する。その上で、加熱電流としてミグ溶接電流Ｉwmを通電する。このとき、ミグ溶接電源ＰＳＭを定電流特性又は垂下特性に制御することによって、加熱電流を所定値に制御することができ、溶接ワイヤ１１の溶融状態を安定化することができる。

上記において、プラズマ溶接モードの代わりにミグ溶接モードを設けることも考えられる。このミグ溶接モードでは、プラズマアーク３２は発生しないでミグアーク３１のみが発生する。すなわち、通常のミグ溶接と同一となる。しかし、ミグ溶接では、スパッタが発生するために高品質なビード外観を得ることは難しい。したがって、本発明のプラズマ溶接モードの代わりにミグ溶接モードを設けることはできない。

上述した実施の形態によれば、効率化を要求される溶接個所を溶接するときはプラズマミグ溶接モードを使用し、溶け落ちが発生しやすい溶接個所を溶接するとき及び高品質なビード外観が要求される溶接個所を溶接するときはプラズマ溶接モードを使用することができる。このように、本実施の形態では、溶接個所の要求品質に応じた溶接方法を１つの溶接装置で行うことができる。プラズマ溶接モードでは、熱源が１つになり、溶接ワイヤがプラズマアークによって溶融されるために、溶け落ちがしにくくなり、スパッタ発生も少量になる。このために、プラズマ溶接モードは、溶け落ちが発生しやすい溶接個所及び高品質なビード外観が要求される溶接個所に使用することができる。また、プラズマ溶接モードのときに、溶接ワイヤに加熱電流を通電することによって溶接ワイヤの溶融がより円滑になり、スパッタ発生がより少なくなると共に、さらにビード外観が高品質になる。

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。 本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接方法を示すタイミングチャートである。 プラズマ溶接モードを選択したときの溶接状態を示す図である。 従来技術におけるプラズマミグ溶接方法を示す図である。

符号の説明

２ 母材
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
１１ 溶接ワイヤ
１２ プラズマ電極
２１ 溶融池
３１ ミグアーク
３２ プラズマアーク
４１ 給電チップ
４２ プラズマノズル
４３ シールドガスノズル
６１ ミグガス
６２ プラズマガス
６２ シールドガス
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ ワイヤ送給速度
Ｉｆ インターフェース信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ電流
Ｍｓ 溶接モード選択信号
ＰＬＣ シーケンス制御装置
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ

Claims (2)

1. シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された溶接ワイヤ及びプラズマ電極を備えた溶接トーチを用い、前記溶接ワイヤによるミグアーク及び前記プラズマ電極によるプラズマアークを同時に発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、
   溶接モード選択信号を設け、
   この溶接モード選択信号がプラズマミブ溶接モードであるときは前記プラズマアーク及び前記ミグアークを同時に発生させる前記プラズマミグ溶接を行い、
   前記溶接モード選択信号がプラズマ溶接モードであるときは前記プラズマアークを発生させると共に前記ミグアークは発生させないで前記溶接ワイヤのみを送給し、この溶接ワイヤを前記プラズマアークによって溶融しながら溶接を行う、
   ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
2. 前記プラズマ溶接モードのときは前記溶接ワイヤを溶融池に接触させて加熱電流を通電する、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。

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