JP2002219568A - アーク放電誘発方法及びその装置 - Google Patents

アーク放電誘発方法及びその装置

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JP2002219568A
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arc discharge
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arc
plasma jet
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Masahiro Tsukamoto
雅裕 塚本
Manabu Tanaka
学 田中
Kensuke Murai
健介 村井
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Japan Science and Technology Agency
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Japan Science and Technology Corp
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 母材と電極との間にプラズマジェットを形成
させ、電極のアライメントの精度を高めなくとも、アー
ク放電の立ち上げを行うことができるアーク放電誘発方
法及びその装置を提供する。 【解決手段】 溶接すべき母材10と電極12とがギャ
ップを有し、前記母材10と前記電極12との間にアー
ク放電を生じさせて前記母材10を溶接するアーク溶接
方法において、前記母材10と前記電極12との間にプ
ラズマジェット15を形成させてアーク放電の立ち上げ
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アーク溶接におけ
るアーク放電誘発方法及びその装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、アーク溶接における安定化の先行
技術としては、特開平6−142927号、特開平8−
243742号、特開平11−123546号などがあ
る。
【0003】また、アーク溶接の安定化及びアーク溶接
の高速化におけるアーク不安定対策として、レーザ・ア
ーク複合溶接がある。ここでは、レーザビームを母材に
照射し、母材を加熱することによりレーザプルームを発
生させ、アーク放電を安定させる。しかし、この方法は
高速加工には有効であるが、母材の加熱に時間を要する
という欠点があった〔文献:レーザ熱加工研究会誌、v
ol.6,No.1(1999)P.79〜84、P.
85〜88〕 ところで、TIG(タングステン・イナートガス)溶接
機のアーク起動は、電極と母材が非接触で行われるた
め、電極と母材との間に高周波あるいは高電圧を印加し
てアーク放電を誘発している。
【0004】図5はかかる従来のアーク溶接法の説明図
である。
【0005】この図において、1は溶接したい金属板と
しての母材であり、陽極となる。2はタングステン電極
であり、陰極となる。なお、コンピュータによる制御系
は省略されている。
【0006】このようなアーク溶接法における電気アー
ク放電誘発(引き金)のための技術としては、第1に火
花放電発生法があり、電極と母材を接触させることによ
り、火花放電を発生させる。第2に高周波スタート法が
あり、高周波を電極と母材との間に印加する。更に、第
3に高電圧法があり、高電圧を電極と母材との間に印加
する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように、アーク溶接機(コンピューター制御)におけ
る電気アークは、以下のような問題点があった。
【0008】(1)火花放電発生法の場合は、電極と母
材を接触させて火花放電を発生させるという動作をコン
ピューター制御により実行すること自体が難しい。
【0009】(2)高周波スタート法の場合は、母材が
アルミニウムの場合は、その表面に酸化皮膜が形成され
て、アーク放電の点火率にバラッキが生じる。また、高
周波自体がノイズとなるため、コンピューターを含めた
周辺機器に悪影響を及ぼす。
【0010】(3)高電圧法の場合は、高電圧を印加す
るため危険であるとともに、ノイズがあり、電極と母材
表面の汚れに影響を受け易く着火(アーク放電誘発)し
ない場合もある。
【0011】加えて、いずれの方法を用いても、アーク
スタート時は被溶接材や電極の温度、電極と母材の間隔
等に放電の立ち上がりが影響を受けるため、種々の異常
現象や溶接の不具合の発生がある。このために電極と母
材の距離を通常2mm以下とし、厳しい工程管理が必要
になる。
【0012】そこで、本願発明者等は、その点を改良
し、母材と電極との間に荷電粒子チャンネルを形成さ
せ、アーク放電の立ち上げを行うアーク放電誘発方法及
びその装置を提案した(特願2000−318815
号)。
【0013】しかしながら、そのアーク放電の立ち上げ
を行うアーク放電誘発方法及びその装置の場合は、母材
と電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させ、アーク
放電誘発を行うために、細い荷電粒子チャンネルと電極
との位置合わせ、つまり、電極のアライメントの精度を
高める必要があった。
【0014】本発明は、上記状況に鑑みて、母材と電極
との間にプラズマジェットを形成させ、電極のアライメ
ントの精度を高めなくとも、アーク放電の立ち上げを行
うことができるアーク放電誘発方法及びその装置を提供
することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕アーク放電誘発方法において、溶接すべき母材と
電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間に
アーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接
方法において、前記母材と前記電極との間にプラズマジ
ェットを形成させてアーク放電の立ち上げを行うことを
特徴とする。
【0016】〔2〕上記〔1〕記載のアーク放電誘発方
法において、前記プラズマジェットの形成を、パルスレ
ーザ光を前記母材に照射し、レーザ・アブレーションに
より行うことを特徴とする。
【0017】〔3〕上記〔2〕記載のアーク放電誘発方
法において、アーク放電開始の制御信号と同期させて1
ショットパルス光を発生させることを特徴とする。
【0018】〔4〕上記〔2〕記載のアーク放電誘発方
法において、前記パルスレーザ光はYAGレーザであ
り、このYAGレーザの基本波である1064nmとす
ることを特徴とする。
【0019】〔5〕アーク放電誘発装置において、溶接
すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記
電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接す
るアーク溶接機と、前記母材と前記電極との間にプラズ
マジェットを形成させる手段とを具備することを特徴と
する。
【0020】〔6〕上記〔5〕記載のアーク放電誘発装
置において、前記プラズマジェットを形成させる手段
が、前記母材と前記電極との間に集光させるパルスレー
ザ光であることを特徴とする。
【0021】〔7〕上記〔5〕記載のアーク放電誘発装
置において、前記プラズマジェットを形成させる手段
が、パルスレーザ光を前記母材に照射し、レーザ・アブ
レーションを生成させるものであることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら説明する。
【0023】図1は本発明の第1実施例を示すアーク溶
接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【0024】この図において、10は溶接したい金属板
としての母材であり、陽極となる。11はトーチ、12
はそのトーチ11におけるタングステン電極であり、陰
極となる。13はシールドであり、このシールド13と
タングステン電極12間にシールドガスを流せるように
構成されている。14はパルスレーザ、15はプラズマ
ジェット、16はアーク溶接機の制御装置、17は直流
電源を示している。
【0025】図1において、母材10の表面にパルスレ
ーザ14を集光させ、レーザ・アブレーションによる噴
出プラズマ(プラズマジェット)15を母材10とタン
グステン電極12との間に形成することで、タングステ
ン電極12と母材10を導通状態として、アーク放電の
立ち上げを容易にする。母材10として銅を用い、タン
グステン電極12との間隔Dを2mmと離した。パルス
レーザ14は通常のYAGレーザの基本波(1064n
m)を用い、50mJのパワーで照射した。
【0026】このレーザ・アブレーションによるプラズ
マジェット方式では、溶接すべき箇所に広がりを持った
プラズマジェット15が形成されるために、電極のアラ
イメントの精度を高めなくとも、アーク放電の立ち上げ
を行うことができる。換言すれば、電極のアライメント
も容易になり、しかもスムーズなアーク放電立ち上げを
得ている。当然、従来のアーク放電誘発方法では、レー
ザを照射しない状態ではアーク放電開始にばらつきがあ
ったが、これを解消することができる。そして、本願発
明者の先行提案(特願2000−318815号)に示
したレーザ光の高調波をあえて用いる必要もなく、通常
のYAGパルスレーザ、CO2 パルスレーザ、エキシマ
パルスレーザを用いることができる。
【0027】図2は本発明の実施例のアーク溶接システ
ム(実験システム)の構成図、図3は本発明の実施例の
レーザにより生成したプラズマジェットを示す図であ
る。
【0028】これらの図において、20は溶接したい金
属板としての母材であり、陽極となる。21はトーチ、
22はそのトーチ21におけるタングステン電極であ
り、陰極となる。24はプラズマジェット、25はアー
ク溶接機、31はYAGレーザ、34,35,36はミ
ラー、37は集光用レンズ、38はパルスレーザであ
る。
【0029】図3において、タングステン電極22の傾
斜角度θは60°、タングステン電極22と母材20間
の間隔Dは2mmである。
【0030】ここでは、パルスレーザ38を母材20の
表面に集光させ、レーザ・アブレーションによるプラズ
マジェット(噴出プラズマ)24を母材20とタングス
テン電極22との間に形成することができる。
【0031】このようにして、プラズマジェット24に
より、タングステン電極22のアライメント精度を高め
ることなく、容易にアーク溶接機25におけるアーク放
電を誘発させることができる。
【0032】アーク溶接機25としては、TIGアーク
溶接機であり、インバータ制御・直流TIG溶接機(日
立インバータTIG,DT−NP 300A)を用い、
高周波スタート回路はOFF、最高無負荷電圧は約61
V、シールドガスはアルゴンガスを用いた。
【0033】更に、トーチ21は、日立用TIG自動溶
接トーチ(TEC WP−27A)を用い、コレットは
サイズ3.2mmφ、ガスレンズ・コレットボディはサ
イズ3.2mmφ、ガスレンズ・ノズルはNo.8、内
径は12.7mmを用いた。
【0034】次に、本発明の第2実施例について説明す
る。
【0035】図4は本発明の第2実施例を示すアーク溶
接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【0036】この図において、50は母材、51はタン
グステン電極、52はタングステン電極51と同軸的に
配置される穴開き凸レンズ、53はパルスレーザ、54
はプラズマジェットである。
【0037】この実施例では、パルスレーザ53は穴開
き凸レンズ52によって母材50の表面に集光されてい
る。
【0038】このように、パルスレーザ53はタングス
テン電極51と同軸的に配置される穴開き凸レンズ52
によって、タングステン電極51と同軸上に集光するこ
とができる。
【0039】第2実施例によれば、タングステン電極5
1の同軸上の母材50の表面上にパルスレーザ53を集
光させることができ、アーク溶接における放電立ち上が
りを容易に、かつ、安定化することができる。 また、
本発明は、高出力半導体レーザ等のノイズによって故障
しやすいレーザを用いたレーザアーク複合溶接における
アーク放電誘発法としても有効である。 更に、プラズ
マ溶接機におけるスタート法としても考えられる。従来
のプラズマ溶接機は、高周波スタート法を使用してお
り、アーク溶接機に比べプラズマ溶接機は、若干構造が
複雑ではあるが、工夫をすれば、プラズマジェットによ
るアーク放電誘発は可能である。
【0040】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0041】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0042】(A)母材と電極との間にプラズマジェッ
トを形成させ、電極のアライメントの精度を高めなくと
も、アーク放電の立ち上げを行うことができる。
【0043】(B)電極のアライメントをあまり気にせ
ずに、母材の表面にレーザパルス光を集光させ、レーザ
・アブレーションによる噴出プラズマ(プラズマジェッ
ト)を生成させ、容易にアーク放電の立ち上げを行うこ
とができる。
【0044】(C)母材の表面にレーザパルス光を集光
させ、レーザ・アブレーションによる噴出プラズマ(プ
ラズマジェット)を生成させるようにしたので、母材が
アルミニウムであってもその表面の酸化膜をアブレーシ
ョンすることにより、アーク放電の点火率を高めること
ができる。
【0045】(D)アーク溶接機のアーク放電立ち上が
り不具合に起因する不良ワークの発生を防止することが
できる。
【0046】(D)従来の溶接機ではアーク放電開始に
はばらつきがあったが、それを解消することができ、信
頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すアーク溶接機のアー
ク放電誘発方法の模式図である。
【図2】本発明の実施例のアーク溶接システム(実験シ
ステム)の構成図である。
【図3】本発明の実施例のレーザにより生成したプラズ
マジェットを示す図である。
【図4】本発明の第2実施例を示すアーク溶接機のアー
ク放電誘発方法の模式図である。
【図5】従来のアーク溶接法の説明図である。
【符号の説明】
10,20,50 母材 11,21 トーチ 12,22,51 タングステン電極 13 シールド 14,38,53 パルスレーザ 15,24,54 プラズマジェット 16 アーク溶接機の制御装置 17 直流電源 25 アーク溶接機 31 YAGレーザ 34,35,36 ミラー 37 集光用レンズ 52 穴開き凸レンズ
フロントページの続き (72)発明者 村井 健介 大阪府池田市五月丘3丁目4番8号 Fターム(参考) 4E068 BC01 CA03 4E082 AA08 BB01 DA01 EA02 ED10

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 溶接すべき母材と電極とがギャップを有
    し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせ
    て前記母材を溶接するアーク溶接方法において、 前記母材と前記電極との間にプラズマジェットを形成さ
    せてアーク放電の立ち上げを行うことを特徴とするアー
    ク放電誘発方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のアーク放電誘発方法にお
    いて、前記プラズマジェットの形成を、パルスレーザ光
    を前記母材に照射し、レーザ・アブレーションにより行
    うことを特徴とするアーク放電誘発方法。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のアーク放電誘発方法にお
    いて、アーク放電開始の制御信号と同期させて1ショッ
    トパルス光を発生させることを特徴とするアーク放電誘
    発方法。
  4. 【請求項4】 請求項2記載のアーク放電誘発方法にお
    いて、前記パルスレーザ光はYAGレーザであり、該Y
    AGレーザの基本波である1064nmとすることを特
    徴とするアーク放電誘発方法。
  5. 【請求項5】(a)溶接すべき母材と電極とがギャップ
    を有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じ
    させて前記母材を溶接するアーク溶接機と、(b)前記
    母材と前記電極との間にプラズマジェットを形成させる
    手段とを具備することを特徴とするアーク放電誘発装
    置。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のアーク放電誘発装置にお
    いて、前記プラズマジェットを形成させる手段が、前記
    母材と前記電極との間に集光させるパルスレーザ光であ
    ることを特徴とするアーク放電誘発装置。
  7. 【請求項7】 請求項5記載のアーク放電誘発装置にお
    いて、前記プラズマジェットを形成させる手段が、パル
    スレーザ光を前記母材に照射し、レーザ・アブレーショ
    ンを生成させるものであることを特徴とするアーク放電
    誘発装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013166160A (ja) * 2012-02-14 2013-08-29 Sankyu Inc レーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法
JP2015074013A (ja) * 2013-10-09 2015-04-20 独立行政法人物質・材料研究機構 Arシールドガスを使用した消耗電極式溶接方法

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