JP2004322147A

JP2004322147A - プラズマ溶接装置

Info

Publication number: JP2004322147A
Application number: JP2003120012A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ihara; 英樹井原; Satoru Innami; 哲印南; Hiroyuki Kiso; 博之木曽
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】本発明のプラズマ溶接装置は、パイロットアークからメインアークヘの移行をスムーズに行うかつメインアーク点弧時の溶接品質の確保ができるようにする。
【解決手段】パイロットアークからメインアークにスムーズに移行することができ、移行の際のエネルギー密度を抑えることで、ピットや溶け落ちなどの溶接不良の発生を防ぐことができる。
また、チップと母材間の距離の変化に対しても、メインアーク移行時のメインアーク電圧を測定し、メインアーク出力を適切に制御することで、エネルギー密度を抑えることができるので、ピットや溶け落ちなどの溶接不良の発生を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から溶接を含む生産ラインでは、溶接工程の自動化、無人化率を上げることで、生産性の向上ならびにコストの削減等を図ってきた。
【０００３】
このような溶接工程の自動化、無人化を実現するための重要な条件の一つにアークスタート率の向上が挙げられる。
【０００４】
このため、プラズマ溶接装置においては、パイロットアークからメインアークに移行させる際、プラズマガス流量を増加させ、プラズマジェットを伸長させることで、電気的電導路を確保し、メインアークヘの移行をスムーズに行わせ、溶接開始後はプラズマガスを所定の量に減少させていた（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平０３−７４７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では溶接開始後ただちにプラズマガスの減少操作を行ったところで、経路内に残っているガスは依然噴出しているため、プラズマジェットのエネルギー密度が上昇している。このため溶接開始点にピット（微小な穴による欠陥）または溶け落ちが発生してしまい、生産性の低下およびコスト上の問題を発生させてしまうという課題を有していた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、パイロットアークからメインアーク移行直後のメインアーク出力を適正に制御することで、溶接開始点のピットおよび溶け落ちなどの溶接欠陥を低減し、溶接品質の向上を図ることができるように構成したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す図で、図１において電極１とチップ２を設けた溶接トーチ３と、電極１とチップ２に接続されたパイロットアーク用電源４と、前記パイロットアーク用電源４に出力を行うパイロットアーク用電源制御器６と、電極１と電流検出器９を介して母材に接続されたメインアーク用電源５と、前記メインアーク用電源５に出力を行うメインアーク用電源制御器７と、電流検出器９の出力を入力としメインアーク用電源５に出力を行う階段出力調整器８と、溶接トーチ３に接続されたガス調整器１１と、前記ガス調整器１１とガス供給源とに接続されたプラズマガスバルブ１０と、溶接トーチ３に接続されたスタートガス調整器１２と、前記スタートガス調整器１２とガス供給源に接続されガス増加バルブ制御器１４の出力を入力とするガス増加バルブ１３と、電流検出器９の出力を入力としガス増加バルブ１３に出力を行うガス増加バルブ制御器１４とから構成されている。
【０００９】
以下に上記構成のプラズマ溶接装置の溶接シーケンスを示す。
【００１０】
上記構成のプラズマ溶接装置では、電極１とチップ２を設けた溶接トーチ３とパイロットアーク用電源４のＯＮ、ＯＦＦ等の制御を行うパイロットアーク用電源制御器６およびメインアーク用電源５のＯＮ、ＯＦＦ等の制御を行うメインアーク用電源制御器７を有しており、パイロットアーク用電源４によってチップ２と電極１の間に定電流電力を供給し、パイロットアークを発生させる。
【００１１】
パイロツトアーク発生に至らせるプロセスには電極１とチップ２を接触させる方法や高周波を印加する方法がある。
【００１２】
パイロットアークはメインアークを誘起させるためのもので、本溶接期間以外は常時点弧するものである。これをパイロット期間と称する。この期間中および溶接期間中は、プラズマガスバルブ１０が開かれ、ガス調整器１１によって調整されたプラズマガスが供給される。電極１とチップ２間に発生したパイロツトアークに対しプラズマガスを流すことで、イオン化されたプラズマジェットがチップ２先端より噴出する。
【００１３】
その後、溶接を開始する段階になると、メインアーク用電源５によって電極１と母材との間に電力が供給し、本溶接状態になる。この時、ガス増加バルブ制御器１３によってガス増加バルブ１２が開かれ、スタートガス調整器１２によって調整されたガスが、プラズマガスに重畳されることにより、プラズマジェットを伸長させ、パイロットアークからメインアークヘの移行をスムーズする。
【００１４】
メインアーク移行後、電流検出器９の信号を受けたガス増加バルブ制御器によってガス増加バルブが閉じられる。階段出力調整によって階段状にメインアークを出力するように、メインアーク用電源５を制御する。メインアークに移行すれば、パイロツトアーク用電源４を停止し、定電流電力の供給を停止する。
【００１５】
溶接が終了すれば、メインアーク用電源５を停止し、再びパイロツトアーク用電源４によってチップ２と電極１の間に定電流電力を供給し、パイロツトアークを発生させる。以上が本発明でのプラズマ溶接装置の溶接シーケンスである。
【００１６】
上記溶接シーケンスで、メインアーク移行後、電流検出器９の信号を受けたガス増加バルブ制御器１４によってガス増加バルブ１３が閉じられるが、ガス流量がガス調整器１１で設定された値まで減少するには時間がかかる。そのため溶接開始点付近ではメインアークのエネルギー密度が上昇する。このエネルギー密度の上昇は溶接開始点付近でピットや溶け落ちを発生させる。そこで、エネルギー密度の上昇を抑えるため、電流検出器９の信号を受けた階段型出力調整器８はメインアークの出力を階段状に出力するように、メインアーク用電源５を制御する。
【００１７】
図２に階段状に出力されるメインアーク出力とプラズマガス流量の変化について示す。電流検出器９によってメインアーク点弧が検出されると、ガス増加バルブ制御器１３はガス増加バルブ１２を閉じるが、ガスの様な流体はバルブ閉栓後ただちに流量が減らず、図のようなカーブを描きながら設定値に近づく。このカーブにあわせてメインアーク出力を階段状に徐々に設定値に近づけることにより、エネルギー密度の上昇を抑えることができる。これによりパイロットアークからメインアークヘのスムーズな移行を行い、かつ、ピットや溶け落ちの発生を防ぐことができる。
【００１８】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２を示す図で、実施の形態１の階段出力調整器８をスロープ出力調整器９に置き換えることで構成される。なお、電極１、チップ２、溶接トーチ３、パイロットアーク用電源４，メインアーク用電源５、パイロットアーク用電源制御器６、メインアーク用電源制御器７、電流検出器９、プラズマガスバルブ１０、ガス調整器１１、スタートガス調整器１２、ガス増加バルブ１３、ガス増加バルブ制御器１４は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００１９】
また、通常の溶接シーケンスに関しても基本的に実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００２０】
スロープ出力調整器１５は、メインアーク出力をスロープ状に制御する。図４にスロープ状に出力されるメインアーク出力とプラズマガス流量の変化について示す。
【００２１】
実施の形態１と同様にプラズマガス流量は図のようなカーブを描きながら設定値に近づく。そして、この力ーブにあわせてメインアーク出力をスロープ状に徐々に設定値に近づけることにより、エネルギー密度の上昇を抑えることができる。
【００２２】
これによりパイロットアークからメインアークヘのスムーズな移行を行いかつピットや溶け落ちの発生を防ぐことができる。
【００２３】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３を示す図で、実施の形態１にメインアーク用電源５に接続された電圧検出器１７と、電圧検出器１７の出力を入力とする出力時間算出器１８とを加え、階段出力調整器８を出力時間算出器１８と電流検出器９の出力を入力とし、メインアーク用電源５に出力を行う出力時間可変型階段出力調整器１６に置き換えることで構成される。
【００２４】
なお、電極１、チップ２、溶接トーチ３、パイロツトアーク用電源４、メインアーク用電源５、パイロットアーク用電源制御器６、メインアーク用電源制御器７、電流検出器９、プラズマガスバルブ１０、ガス調整器１１、スタートガス調整器１２、ガス増加バルブ１３、ガス増加バルブ制御器１４は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００２５】
以下に本実施の形態でのプラズマ溶接装置の溶接シーケンスを示す。
【００２６】
実施の形態１と同様なシーケンスを経てメインアーク移行後、電流検出器９の信号を受けたガス増加バルブ制御器１４によってガス増加バルブ１３が閉じられる。時間算出器１８は、電圧検出器１７によって検出されたメインアーク電圧からエネルギー密度を導き出し、メインアークの階段状出力時間を算出する。そして、出力時間可変型階段出力調整器１６によって階段状にメインアークを出力するように、メインアーク用電源５を制御する。
【００２７】
メインアークに移行すれば、パイロツトアーク用電源４を停止し、定電流電力の供給を停止する。
【００２８】
溶接が終了すれば、メインアーク用電源５を停止し、再びパイロツトアーク用電源４によってチップ２と電極１の間に定電流電力を供給し、パイロツトアークを発生させる。
【００２９】
以上が本実施の形態でのプラズマ溶接装置の溶接シーケンスのある。
【００３０】
上記溶接シーケンスで、メインアーク移行後、電流検出器９の信号を受けたガス増加バルブ制御器１４によってガス増加バルブ１３が閉じられるが、ガス流量がガス調整器１１で設定された値にまで減少するには時間がかかる。そのため溶接開始点付近ではメインアークのエネルギー密度が上昇する。このエネルギー密度の上昇は溶接開始点付近でピットや溶け落ちを発生させるので、エネルギー密度の上昇を抑えるため、実施の形態１では電流検出器９の信号を受けた階段型出力調整器８がメインアークの出力を階段状に出力するように、メインアーク用電源５を制御していた。
【００３１】
しかし、この時チップ２底面から母材までの距離が前回溶接時に比べ変化している場合は、エネルギー密度は変化する。エネルギー密度の変化の度合いによっては、ピツトや溶け落ちなどを防ぎきれないこともある。そこで、図６に階段状に出力されるメインアーク出力の時間的変化とプラズマガス流量の変化とエネルギー密度について示す。
【００３２】
電流検出器９によってメインアーク点弧が検出されると、ガス増加バルブ制御器１３はガス増加バルブ１２を閉じるが、ガスの様な流体
はバルブ閉栓後ただちに流量が減らず、図のようなカーブを描きながら設定値に近づく。そして、このカーブにあわせてメインアーク出力を階段状に徐々に設定値に近づけることにより、エネルギー密度の上昇を抑えることができる。しかし、チップ２と母材との距離が変化した場合、エネルギー密度が全体的に上昇することがある。このエネルギー密度が時間的、エネルギー密度的な不良発生限界を超えるとピットや溶け落ちが発生することがある。この時、電流の上がり方の時間を延ばしてやると、ガス流量が多い時のエネルギー密度を低下させることができる。これによりパイロットアークからメインアークヘのスムーズな移行を行いかつチップと母材の距離の変化に対しても効果的にピットや溶け落ちの発生を防ぐことができる。
【００３３】
（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４を示す図で、本実施の形態は、実施の形態３の出力時間可変型出力調整器１６を出力時間可変型スロープ出力調整器１９に置き換えることで構成される。なお、電極１、チップ２、溶接トーチ３、パイロツトアーク用電源４，メインアーク用電源５、パイロツトアーク用電源制御器６、メインアーク用電源制御器７、電流検出器９、プラズマガスバルブ１０、ガス調整器１１、スタートガス調整器１２、ガス増加バルブ１３、ガス増加バルブ制御器１４、電圧検出器１７、出力時間算出器１８は実施の形態３と同様であるため説明を省略する。また、通常の溶接シーケンスに関しても基本的に実施の形態３と同様であるため説明を省略する。
【００３４】
出力時間可変型スロープ出力調整器１９は、メインアーク出力をスロープ状に制御する。図８にスロープ状に出力されるメインアーク出方の時間的変化とプラズマガス流量の変化とエネルギー密度について示す。電流検出器９によってメインアーク点弧が検出されると、ガス増加バルブ制御器１３はガス増加バルブ１２を閉じるが、ガスの様な流体はバルブ閉栓後ただちに流量が減らず、図のようなカーブを描きながら設定値に近づく、このカーブにあわせてメインアーク出力をスロープ状に徐々に設定値に近づけることにより、エネルギー密度の上昇を抑えることができる。しかし、チップ２と母材との距離が変化した場合、エネルギー密度が全体的に上昇することがある。このエネルギー密度が時間的、エネルギー密度的な不良発生限界を超えるとピットや溶け落ちが発生することがある。この時、スロープ時間を延ばしてやると、ガス流量が多い時のエネルギー密度を低下させることができる。これによりパイロットアークからメインアークヘのスムーズな移行を行い、かつ、チップと母材の距離の変化に対しても効果的にピットや溶け落ちの発生を防ぐことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によるプラズマ溶接装置は、パイロットアークからメインアークにスムーズに移行することができ、移行の際のエネルギー密度を抑えることで、ピットや溶け落ちなどの溶接不良の発生を防ぐことができる。
【００３６】
また、チップと母材間の距離の変化に対しても、メインアーク移行時のメインアーク電圧を測定し、メインアーク出力を適切に制御することで、エネルギー密度を抑えることができるので、ピットや溶け落ちなどの溶接不良の発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるプラズマ溶接装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１によるプラズマガス流量とメインアーク出力との関係を示したグラフ
【図３】本発明の実施の形態２によるプラズマ溶接装置の構成図
【図４】本発明の実施の形態２によるプラズマガス流量とメインアーク出力との関係を示したグラフ
【図５】本発明の実施の形態３によるプラズマ溶接装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態３によるプラズマガス流量とメインアーク出力とエネルギー密度との関係を示したグラフ
【図７】本発明の実施の形態４によるプラズマ溶接装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態４によるプラズマガス流量とメインアーク出力とエネルギー密度との関係を示したグラフ
【符号の説明】
１電極
２チップ
３溶接トーチ
４パイロツトアーク用電源
５メインアーク用電源
６パイロツトアーク用電源制御器
７メインアーク用電源制御器
８階段出力調整器
９電流検出器
１０プラズマガスバルブ
１１ガス調整器
１２スタートガス調整器
１３ガス増加バルブ
１４ガス増加バルブ制御器
１５スロープ出力調整器
１６出力時間可変型階段出力調整器
１７電圧検出器
１８出力時間算出器
１９出力時間可変型スロープ出力調整器

Claims

電極とチップを設けた溶接トーチと、チップと電極の間に定電流電力を供給するパイロットアーク用電源と、電極と母材との間に電力を供給するメインアーク用電源と、パイロットアーク用電源を起動するパイロット期間を設けたパイロットアーク用電源制御器と、メインアーク用電源を起動するメインアーク用電源制御器と、メインアーク用電源の出力調整を階段状に行う階段出力調整器と、メインアークを検出する電流検出器と、パイロットアークよりプラズマジェットを発生させるためのプラズマガスの経路開閉を行うプラズマガスバルブと、プラズマガスの流量を調整するガス調整器と、パイロットアークからメインアークヘの移行を補助するためのガス増加バルブと、ガス増加バルブから流れるガス流量を調整するスタートガス調整器と、ガス増加バルブを制御するガス増加バルブ制御器とを設けたプラズマ溶接装置。
階段出力調整器をスロープ出力調整器に換えた請求項１に記載のプラズマ溶接装置。
電極とチップを設けた溶接トーチと、チップと電極の間に定電流電力を供給するパイロットアーク用電源と、電極と母材との間に電力を供給するメインアーク用電源と、パイロットアーク用電源を起動するパイロット期間を設けたパイロットアーク用電源制御器と、メインアーク用電源を起動するメインアーク用電源制御器と、メインアーク用電源の出力調整を階段状に行い、出力時間を変更することができる出力時間可変型階段出力調整器と、メインアークを検出する電流検出器と、メインアーク電圧を検出する電圧検出器と、検出されたメインアーク電圧から出力時間可変型階段出力調整器が出力すべき時間を算出する出力時間算出器と、パイロットアークよりプラズマジェットを発生させるためのプラズマガスの経路開閉を行うプラズマガスバルブと、プラズマガスの流量を調整するガス調整器と、パイロットアークからメインアークヘの移行を補助するためのガス増加バルブと、ガス増加バルブから流れるガス流量を調整するスタートガス調整器と、ガス増加バルブを制御するガス増加バルブ制御器とを設けたプラズマ溶接装置。
出力時間可変型階段出力調整器を出力時間可変型スロープ出力調整器に換えた請求項３に記載のプラズマ溶接装置。