JP2004337964A - プラズマアーク溶接方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマアーク溶接において、シールドガス中に酸素を含ませることで、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果が得られるようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制する。
【解決手段】穴埋め工程及び平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くする。また、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くする。
【選択図】 図１
【解決手段】穴埋め工程及び平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くする。また、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークを用いてワークの溶接を行うプラズマアーク溶接方法及びその装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラズマアーク溶接では、プラズマアークによりワークに穴を開ける穴開け工程と、プラズマアークで溶融させたフィラー（充填材）により上記ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、その穴埋め部分にプラズマアークを吹き付けることで、その表面を平滑化する平滑化工程（この平滑化工程は省略される場合がある）とが順次行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
上記穴開け工程では、酸化熱による穴開け速度の向上、溶融粘度の低下、溶融濡れ性の向上、爆飛発生の抑制等といった理由から、プラズマアークをシールドするシールドガス中に酸素を含ませることが望ましい。例えば特許文献２には、プラズマガス又はシールドガスの少なくとも一方に、ガス流量全体の１０〜１００％（好ましくは約５０％）の酸素ガスを混入することで、爆飛の発生を抑制できることが開示されている。上記爆飛は、亜鉛メッキ鋼板のように、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたワークを溶接する際に、その低沸点の物質（亜鉛等）が蒸発して、その蒸気が溶湯（ワークやフィラー等の溶融金属全般をいう）の一部を吹き飛ばす現象であり、この爆飛の発生を抑制したいというニーズは極めて高い。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７１７４８号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０５１４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにシールドガスに比較的多量の酸素ガスを含ませた状態で穴埋め工程や平滑化工程を行うと、１７００℃という高温の溶湯に、その酸素が固溶限界（約０．３５％）まで固溶され、この溶湯が凝固したときには、酸素固溶率が０．００４％程度と激減するために、その固溶していた酸素が析出して、溶接部（穴埋め部分）内に酸素の気泡であるブローホールが生じてしまう。このようなブローホールが生じると、車体のフレーム部材等のように、比較的大きな応力が加わる場合には、溶接部が応力集中により破断する可能性がある。
【０００６】
さらに、シールドガスに比較的多量の酸素ガスを含ませた状態で穴埋め工程や平滑化工程を行うと、溶接部表面にスラグ（金属酸化物）が生じるという問題もある。すなわち、穴埋め工程では、溶湯に固溶した酸素が、溶湯内に含まれているＳｉやＭｎ等と反応して酸化物を形成し、この酸化物の比重が小さいために溶湯表面に浮き上がり、これが冷却されたときにスラグとなる。また、平滑化工程では、溶湯表面に酸素が吹き付けられることで、その溶湯表面が酸化してスラグとなる。
【０００７】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シールドガス中に酸素を含ませることで、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果が得られるようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制しようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、穴埋め工程及び平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くするようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法を対象とする。
【００１０】
そして、上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするようにする。
【００１１】
このことにより、穴開け工程では、シールドガスに酸素を多量に含ませることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに、亜鉛メッキ鋼板のように、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたワークを溶接する際には、その低融点の物質（亜鉛等）の蒸発による爆飛の発生を抑制することができる。一方、穴埋め工程や平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を低くすることで、溶湯に固溶したり溶湯表面に吹き付けられたりする酸素量を低減することができ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。そして、このように酸素流量を低くしても、穴埋め工程や平滑化工程では、元来、穴開け工程に比べて爆飛が生じ難いので、問題はない。
【００１２】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くするようにする。
【００１３】
こうすることで、平滑化工程では、穴埋め工程に比べて更に爆飛が生じ難くなるので、シールドガス中の酸素流量を穴埋め工程に比べて低くすることで、ブローホールやスラグの発生を効果的に抑制することができる。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にするようにする。
【００１５】
このことで、平滑化工程では、爆飛発生の可能性が極めて低いので、酸素流量を０にすることで、ブローホールやスラグの発生をより一層効果的に抑制することができる。
【００１６】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くするようにする。
【００１７】
こうすることで、シールドガス中の酸素流量を低くしても、その低下分を酸素以外のガス成分で補うことで、シールドガスの総流量の低下を抑制することができ、シールド効果を確保することができる。
【００１８】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くするようにする。
【００１９】
このことにより、シールドガスの総流量を高くすることで、溶湯の冷却速度を向上させることができ、これにより、ワークの溶接部周囲における熱影響を受ける部分の範囲を小さくすることができる。
【００２０】
請求項６の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法を対象とする。
【００２１】
そして、上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするようにする。
【００２２】
このことにより、平滑化工程を省略した場合において、請求項１の発明と同様に、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果を得るようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【００２３】
請求項７の発明では、請求項１〜６のいずれか１つの発明において、ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであるとする。
【００２４】
また、請求項８の発明では、請求項７の発明において、ワークは、亜鉛メッキ鋼板であるものとする。
【００２５】
これら請求項７及び８の発明により、酸素なしでは爆飛が生じるワークに対してプラズマアーク溶接を行っても、爆飛の発生を抑制しつつ、ブローホールやスラグの発生を抑制することができ、請求項１の発明の作用効果を有効に発揮させることができる。
【００２６】
請求項９の発明は、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置の発明であり、この発明では、上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されているものとする。この発明により、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２７】
請求項１０の発明では、請求項９の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くするように構成されているものとする。このことにより、請求項２の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
請求項１１の発明では、請求項９又は１０の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にするように構成されているものとする。このことで、請求項３の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
請求項１２の発明では、請求項９〜１１のいずれか１つの発明において、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くするように構成されているものとする。こうすることで、請求項４の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００３０】
請求項１３の発明では、請求項９〜１２のいずれか１つの発明において、平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くするように構成されているものとする。このことにより、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３１】
請求項１４の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置を対象とする。
【００３２】
そして、上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されているものとする。このことで、請求項６の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３３】
請求項１５の発明では、請求項９〜１４のいずれか１つの発明において、ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであるとする。また、請求項１６の発明では、請求項１５の発明において、ワークは、亜鉛メッキ鋼板であるものとする。これら請求項１５及び１６の発明により、それぞれ請求項７及び８の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るプラズマアーク溶接装置を示す。このプラズマアーク溶接装置は、多関節ロボットのアーム先端等に取り付けられたプラズマトーチ１を備えていて、このプラズマトーチ１の先端から噴出されるプラズマアークにより、ワークとしての、互いに重ね合わされた２枚の金属板２０をスポット溶接するものである。これら２枚の金属板２０の表面には、母材の融点よりも低い物質がコーティングされている。このような金属板２０としては、亜鉛メッキ鋼板等が挙げられる。
【００３６】
図１中、２は、プラズマアークの発生及び維持に必要な電流（電力）を上記プラズマトーチに供給するためのプラズマ電源であり、３は、ワイヤ状のフィラー４（充填材）をフィラーノズル５を介して上記プラズマトーチ１の先方（下方）に送給するためのフィラー送給装置である。また、６は、後述の如く、プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量等を変化させるための切替装置であり、電磁弁等からなる第１及び第２バルブ７，８を有している。これらプラズマ電源２、フィラー送給装置３及び切替装置６における第１及び第２バルブ７，８の各作動は、溶接コントローラ１０によってそれぞれ制御される。
【００３７】
上記切替装置６の第１バルブ７は、アルゴンと酸素とを混合した第１混合ガス（酸素濃度５０％）が充填された第１ガスボンベ１５に接続され、上記第２バルブ８は、アルゴンのみが充填された第２ガスボンベ１６に接続されており、切替装置６は、上記第１バルブ７を通過した第１混合ガスと、上記第２バルブ８を通過したアルゴンとを混合して、該混合ガス（第２混合ガスという）を上記プラズマトーチ１に供給するようになっている。そして、上記溶接コントローラ１０によって第１及び第２バルブ７，８の開度が制御されて、この第１及び第２バルブ７，８の開度により、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量が決まることになる。
【００３８】
上記プラズマアーク溶接装置は、図２に示すように、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程、平滑化工程及びポストフロー工程を順次行うことで、上記２枚の金属板２０を溶接するように構成されている。尚、この溶接は、実質的には、穴開け工程、穴埋め工程及び平滑化工程により行われる。
【００３９】
具体的には、先ず、図２（ａ）に示すように、上下方向に重ね合わせた２枚の金属板２０における溶接を行う部分の上側にプラズマトーチ１を位置させて、該プラズマトーチ１から上側（プラズマトーチ１に近い側）の金属板２０表面に向けてシールドガスを流出させる。この工程は、プラズマアークを発生させる前にシールドガスを流出させておくだけの工程であり、プリフロー工程と呼ばれている。このプリフロー工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度をＡ１とし、第２バルブ８の開度を０とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度はＣ１（５０％）となり、酸素流量はＤ１となり、シールドガスの総流量はＥ１となる。
【００４０】
続いて、図２（ｂ）に示すように、プラズマ電源２によるプラズマトーチ１への電流供給を開始して、プラズマアークを発生させ、このプラズマアークをプラズマトーチ１から上側の金属板２０表面に向けて噴出させる。このとき、上記シールドガスは、プラズマアークの外周を取り囲むことになる。このプラズマアークにより、２枚の金属板２０を溶融して穴２０ａ（ここでは、２枚の金属板２０を連続して貫通する穴であるが、上側の金属板２０のみを貫通する穴であってもよい）を開ける。つまり、穴開け工程を行う。この穴開け工程においても、図３に示すように、プリフロー工程と同様に、第１バルブ７の開度をＡ１とし、第２バルブ８の開度を０とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量は、それぞれ上記プリフロー工程と同じになる。
【００４１】
上記穴開け工程終了後に、図２（ｃ）に示すように、上記プラズマアークを維持した状態で、フィラー送給装置３により、フィラーノズル５を介してフィラー４をプラズマトーチ１の先方（下方）に送給する。これにより、その送給されたフィラー４をアーク熱により溶融させて、この溶融したフィラー４や金属板２０の母材等からなる溶湯２１により上記２枚の金属板２０に開けた穴２０ａを埋める（溶湯２１は表面張力により落下することはない）。つまり、穴埋め工程を行う。この穴埋め工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を、Ａ１から０まで時間経過に比例して低下させる一方、第２バルブ８の開度を、シールドガスの総流量が一定になるように、上記第１バルブ７の開度の低下に対応させて、０からＢ１まで時間経過に比例して増大させる。つまり、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするとともに、シールドガス中の酸素以外のガス成分（アルゴン）の流量を穴開け工程に比べて高くする。これにより、シールドガス中の酸素濃度は、Ｃ１から０まで時間経過に比例して低下し、酸素流量も、Ｄ１から０まで時間経過に比例して低下する。また、シールドガスの総流量は穴開け工程と同じになる。上記穴埋めが完了すると、フィラー送給装置３によるフィラー４の送給を停止する。
【００４２】
上記穴埋め工程終了後に、図２（ｄ）に示すように、上記プラズマアークを維持したまま、上記穴埋め部分（溶湯２１）にプラズマアークを吹き付けることで、その表面を平滑化する。つまり、平滑化工程を行う。これにより、穴埋め部分の表面がその周囲の金属板表面と略面一となるとともに、穴埋め部分にある溶湯２１が冷却される。この平滑化工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を０とし、第２バルブ８の開度を、Ｂ１からＢ２（Ｂ２＞Ｂ１）まで時間経過に比例して増大させる。つまり、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて低くするとともに、シールドガス中の酸素以外のガス成分（アルゴン）の流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量は０となる。また、シールドガスの総流量は穴開け工程及び穴埋め工程よりも高くなるとともに、第２バルブ８の開度の増大に対応して、Ｅ１からＥ２（Ｅ２＞Ｅ１）まで時間経過に比例して増大する。尚、この平滑化工程が終了した段階で、上記溶湯２１は完全に固化しており（溶湯２１が固化した部分を溶接部２２とする）、基本的に２枚の金属板２０の溶接は完了する。
【００４３】
次いで、図２（ｅ）に示すように、プラズマ電源による電流供給を停止して、プラズマアークを消滅させ、上記プリフロー工程と同様に、シールドガスのみを流出させる。この工程は、ポストフロー工程と呼ばれている。このポストフロー工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を０とし、第２バルブ８の開度をＢ２とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量は０となり、シールドガスの総流量はＥ２となる。このポストフロー工程は、その開始から所定時間経過した段階で、第１及び第２バルブ７，８の開度を０とすることで終了し、これにより、溶接作業が完全に終了する。
【００４４】
尚、上記穴開け工程、穴埋め工程及び平滑化工程において、プラズマ電源２による供給電流と、フィラー送給装置３によるフィラー送給量とは、時間経過に伴って図４の如く変化する。
【００４５】
図５は、プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板２０の第１の具体例を示し、１つは、自動車車体のフロアパネル３１であり、もう１つは、このフロアパネル３１に取り付けられるフレーム３２である（図５中、Ｘ印箇所が溶接部２２となる部分である）。この場合、溶接部２２となる部分の上側にプラズマトーチ１を配設するだけであり、通常のスポット溶接装置のように溶接部２２となる部分の上下両側に配設する必要がないので、プラズマアーク溶接装置が大型化することがなく、しかも溶接を容易に行うことができる。
【００４６】
図６は、プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板２０の第２の具体例を示し、１つは、上記フロアパネル３１とフレーム３２との間の空間内に設ける補強構造体３３であり、もう１つは、上記フロアパネル３１又はフレーム３２である（図６中、Ｘ印箇所が溶接部２２となる部分である）。この場合、補強構造体３３の上部は、上記空間の奥側に折れ曲がっているので、通常のスポット溶接装置では、この補強構造体３３の上部とフロアパネル３１との溶接は不可能である。しかし、プラズマアーク溶接装置を用いれば、このような溶接も容易に行うことができる。
【００４７】
したがって、上記実施形態１では、穴埋め工程及び平滑化工程において、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするようにしたので、穴開け工程では、シールドガスに酸素を多量に含ませることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに、金属板２０表面にコーティングされた低融点の物質（亜鉛等）の蒸発による爆飛の発生を抑制することができる。一方、穴埋め工程や平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を低くすることで、溶湯に固溶したり溶湯表面に吹き付けられたりする酸素量を低減することができ、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。そして、このように酸素流量を低くしても、穴埋め工程や平滑化工程では、元来、穴開け工程に比べて爆飛が生じ難いので、問題はなく、特に平滑化工程では、爆飛発生の可能性が極めて低いので、酸素流量を穴埋め工程に比べて低くしかつ０にしても、爆飛は殆ど生じない。この結果、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを効果的に抑制することができ、上記フレーム３２や補強構造体３３等のように、比較的大きな応力が加わるものであっても、溶接部２２で破断するようなことはない。尚、上記金属板２０が、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものでなくても、穴埋め工程及び平滑化工程において、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くすることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができるという効果が得られ、このことから、溶接するワークはどのようなものであってもよい。
【００４８】
また、穴埋め工程において、シールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を穴開け工程に比べて高くして、シールドガスの総流量を穴開け工程と同じになるようにしたので、シールドガス中の酸素流量を低くしても、シールドガスの総流量の低下を防止して、シールド効果を確保することができる。
【００４９】
さらに、平滑化工程において、シールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くして、シールドガスの総流量を穴開け工程及び穴埋め工程よりも高くするようにしたので、溶湯２１の冷却速度を向上させることができ、これにより、金属板２０の溶接部２２周囲における熱影響を受ける部分の範囲を小さくすることができる。
【００５０】
図７は、切替装置６における第１及び第２バルブ７，８の開度の他の制御例を示す。この制御例では、第１バルブ７の開度については、穴埋め工程中の所定タイミングまではＡ１とし、その所定タイミングで急激に０まで低下させて、それ以降は０とする。一方、第２バルブ８の開度については、上記第１バルブ７の開度を低下させる所定タイミングまでは０とし、その所定タイミングで急激にＢ１まで増大させ、該所定タイミングから穴埋め工程完了までの間は、Ｂ１からＢ３（Ｂ３＞Ｂ２）まで時間経過に比例して増大させ、平滑化工程からはＢ３とする。
【００５１】
上記第１及び第２バルブ７，８の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度は、上記所定タイミングまではＣ１を維持し、所定タイミングでＣ１から０に急激に低下し、それ以降は０を維持する。また、酸素流量は、上記所定タイミングまではＤ１を維持し、所定タイミングでＤ１から０に急激に低下し、それ以降は０を維持する。さらに、シールドガスの総流量は、上記所定タイミングから穴埋め工程完了までの間は、Ｅ１からＥ３（Ｅ３＞Ｅ２）まで時間経過に比例して増大し、それ以降はＥ３を維持する。
【００５２】
このような制御においては、特に爆飛発生の可能性が比較的高い穴埋め工程前半で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程と同じにする一方、爆飛発生の可能性が殆どない穴埋め工程後半及び平滑化工程で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くしかつ０にするので、爆飛の発生をより確実に抑制しつつ、ブローホールやスラグの発生をより効果的に抑制することができる。
【００５３】
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２を示し（尚、図１と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、切替装置６の構成を上記実施形態１とは異ならせたものである。
【００５４】
すなわち、この実施形態２では、切替装置６は、上記実施形態１と同様の第１及び第２バルブ７，８の他に、第１バルブ７を通過した第１混合ガスと第２バルブ８を通過したアルゴンとを混合した第２混合ガスの流量を決める第３バルブ９を有し、これら第１〜第３バルブ７〜９の開度が溶接コントローラ１０によって図９の如く制御される。
【００５５】
具体的には、第１及び第２バルブ７，８の開度については、穴埋め工程完了までは上記実施形態１と同様であるが、プリフロー工程及び穴開け工程における第１バルブ７の開度は、Ａ２（Ａ１＞Ａ２）とし、穴埋め工程完了時における第２バルブ８の開度は、Ｂ４（Ｂ４＞Ｂ１）とする。これは、第３バルブ９によってガスの流れが制限されても、シールドガスの総流量を上記実施形態１と同じＥ１にするためである。また、平滑化工程以降では、上記実施形態１と同様に、第１バルブ７の開度を０とするが、第２バルブ８の開度を変化させずにＢ４とする点が上記実施形態１とは異なる。
【００５６】
そして、上記第３バルブ９の開度については、穴埋め工程完了までは、Ｆ１とし、平滑化工程で、Ｆ１からＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）まで時間経過に比例して増大させ、ポストフロー工程でＦ２とする。
【００５７】
上記第１〜第３バルブ７〜９の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量の変化は、基本的に上記実施形態１と同様となる。但し、シールドガスの総流量は、平滑化工程において、Ｅ２よりも大きいＥ３（上記実施形態１の他の制御例において増大したときの値と同じ）まで増大し、ポストフロー工程でその値Ｅ３を維持する。
【００５８】
したがって、この実施形態２においても、上記実施形態１と同様の作用効果が得られ、酸化熱による穴開け速度を向上させたり爆飛発生を抑制したりしつつ、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【００５９】
図１０は、上記切替装置６における第１〜第３バルブ７〜９の開度の他の制御例を示す。この制御例では、第１バルブ７の開度については、穴開け工程完了までは、上記実施形態２と同じＡ２とし、穴埋め工程では、Ａ２からＡ３（Ａ３＜Ａ２）まで時間経過に比例して低下させ、平滑化工程の開始から所定タイミングまでの間は、Ａ３から０まで時間経過に比例して低下させ、それ以降は０とする。また、第２バルブ８の開度については、上記実施形態２と同様である。さらに、第３バルブ９については、穴埋め工程完了まではＦ１とし、平滑化工程の開始と同時にＦ１からＦ２に急激に増大させ、それ以降はＦ２とする。
【００６０】
上記第１〜第３バルブ７〜９の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度は、穴開け工程完了まではＣ１を維持し、穴埋め工程では、Ｃ１からＣ２（Ｃ２＜Ｃ１）まで時間経過に比例して低下し、平滑化工程の開始から上記所定タイミングまでの間は、Ｃ２から０まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、０を持する。また、酸素流量は、穴開け工程完了まではＤ１を維持し、穴埋め工程では、Ｄ１からＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）まで時間経過に比例して低下し、平滑化工程の開始と同時にＤ２からＤ３（Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ１）に急激に増大し、そこから上記所定タイミングまでの間は、Ｄ３からＤ４（Ｄ２＜Ｄ４＜Ｄ３）まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、Ｄ４を維持する。さらに、シールドガスの総流量は、穴開け工程完了までは、Ｅ１を維持し、穴埋め工程では、Ｅ１からＥ４（Ｅ１＜Ｅ４＜Ｅ３）まで時間経過に比例して増大し、平滑化工程開始と同時にＥ４からＥ５（Ｅ５＞Ｅ３）に急激に増大し、そこから上記所定タイミングまでの間は、Ｅ５からＥ３まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、Ｅ３を維持する。
【００６１】
このような制御においては、平滑化工程初期におけるシールドガスの総流量が比較的高くなるので、溶湯２１の冷却速度をより一層向上させて、金属板２０の溶接部２２周囲における熱影響を受ける部分の範囲をより小さくすることができる。一方、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量は、穴埋め工程後半よりも高くなるが、穴埋め工程と同様に、穴開け工程よりも低くするので、ブローホールやスラグの発生を抑制することは可能である。
【００６２】
尚、切替装置６の構成は、上記実施形態１又は２のものに限らず、シールドガス中の酸素流量及び酸素以外の流量並びにシールドガスの総流量を変更可能なものであればよく、少なくともシールドガス中の酸素流量を変更可能なものであればよい。また、第１及び第２ボンベ１５，１６は、アルゴンと酸素とをそれぞれ単独で充填したものであってもよく、アルゴンと酸素との混合ガス（酸素濃度を５０％としたもの）と、アルゴンと酸素との混合ガス（酸素濃度を５０％よりも低くしたもの）とをそれぞれ充填したものであってもよい。また、アルゴンの代わりに、二酸化炭素、ヘリウム、窒素等のガスを用いてもよく、アルゴンを含めてこれらのガスの内の複数を混合したものを用いてもよい。
【００６３】
さらに、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするのであれば、その酸素流量を溶接時にどのように変化させてもよい。但し、図１１〜図１３に示すように、穴埋め工程の初期ないし前半では、酸素流量を高目にし、穴埋め工程後半及び平滑化工程では、低目にするのがよい。
【００６４】
また、上記実施形態１及び２では、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程、平滑化工程及びポストフロー工程を順次行うことで、２枚の金属板２０を溶接するようにしたが、穴埋め部分の表面をその周囲の金属板表面と略面一にする必要がない場合には、平滑化工程を省略して、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程及びポストフロー工程を順次行うことで、２枚の金属板２０を溶接するようにしてもよい。この場合も、穴埋め工程では、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするようにすればよい。
【００６５】
すなわち、例えば、上記実施形態１と同様の切替装置６を用いて、図１４の如く第１及び第２バルブ７，８の開度を制御する（穴埋め工程までは、上記実施形態１と同じであり、ポストフロー工程開始と同時に、第２バルブ８の開度をＢ１からＢ２に急激に増大させる一方、第１バルブ７の開度は０のままとする）ことで、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量を、同図のように変化させればよい（穴埋め工程までは、上記実施形態１と同じであり、ポストフロー工程開始と同時に、シールドガスの総流量をＥ１からＥ２に急激に増大させる）。また、穴開け工程及び穴埋め工程において、プラズマ電源２による供給電流と、フィラー送給装置３によるフィラー送給量とを、図１５の如く変化させればよい。
【００６６】
このように平滑化工程を省略する場合も、平滑化工程がある場合と同様に、穴埋め工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするのであれば、その酸素流量を溶接時にどのように変化させてもよい。但し、図１６〜図１８に示すように、穴埋め工程の初期ないし前半では、酸素流量を高目にし、穴埋め工程後半では、低目にするのがよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマアーク溶接方法及びその装置によると、穴埋め工程（及び平滑化工程）で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くするようにしたことにより、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果を得るようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るプラズマアーク溶接装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）はプリフロー工程を、（ｂ）は穴開け工程を、（ｃ）は穴埋め工程を、（ｄ）は平滑化工程を、（ｅ）はポストフロー工程をそれぞれ示す概略図である。
【図３】第１及び第２バルブの開度、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量、並びにシールドガスの総流量のタイムチャートである。
【図４】プラズマ電源による供給電流及びフィラー送給装置によるフィラー送給量のタイムチャートである。
【図５】プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板の第１の具体例を示す斜視図である。
【図６】プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板の第２の具体例を示す斜視図である。
【図７】第１及び第２バルブの開度の他の制御例を示す図３相当のタイムチャートである。
【図８】実施形態２を示す図１相当図である。
【図９】実施形態２における、第１〜第３バルブの開度、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量、並びにシールドガスの総流量のタイムチャートである。
【図１０】第１〜第３バルブの開度の他の制御例を示す図９相当のタイムチャートである。
【図１１】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の他の例を示すタイムチャートである。
【図１２】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１３】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１４】平滑化工程を省略する場合における第１及び第２バルブの開度の制御例を示す図３相当のタイムチャートである。
【図１５】平滑化工程を省略する場合における図４相当のタイムチャートである。
【図１６】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の他の例を示すタイムチャートである。
【図１７】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１８】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ プラズマトーチ
２ プラズマ電源
３ フィラー送給装置
４ フィラー
５ フィラーノズル
６ 切替装置
７ 第１バルブ
８ 第２バルブ
９ 第３バルブ
１０ 溶接コントローラ
２０ 金属板（ワーク）
２０ａ 穴
２１ 溶湯
２２ 溶接部
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークを用いてワークの溶接を行うプラズマアーク溶接方法及びその装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラズマアーク溶接では、プラズマアークによりワークに穴を開ける穴開け工程と、プラズマアークで溶融させたフィラー（充填材）により上記ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、その穴埋め部分にプラズマアークを吹き付けることで、その表面を平滑化する平滑化工程（この平滑化工程は省略される場合がある）とが順次行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
上記穴開け工程では、酸化熱による穴開け速度の向上、溶融粘度の低下、溶融濡れ性の向上、爆飛発生の抑制等といった理由から、プラズマアークをシールドするシールドガス中に酸素を含ませることが望ましい。例えば特許文献２には、プラズマガス又はシールドガスの少なくとも一方に、ガス流量全体の１０〜１００％（好ましくは約５０％）の酸素ガスを混入することで、爆飛の発生を抑制できることが開示されている。上記爆飛は、亜鉛メッキ鋼板のように、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたワークを溶接する際に、その低沸点の物質（亜鉛等）が蒸発して、その蒸気が溶湯（ワークやフィラー等の溶融金属全般をいう）の一部を吹き飛ばす現象であり、この爆飛の発生を抑制したいというニーズは極めて高い。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７１７４８号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０５１４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにシールドガスに比較的多量の酸素ガスを含ませた状態で穴埋め工程や平滑化工程を行うと、１７００℃という高温の溶湯に、その酸素が固溶限界（約０．３５％）まで固溶され、この溶湯が凝固したときには、酸素固溶率が０．００４％程度と激減するために、その固溶していた酸素が析出して、溶接部（穴埋め部分）内に酸素の気泡であるブローホールが生じてしまう。このようなブローホールが生じると、車体のフレーム部材等のように、比較的大きな応力が加わる場合には、溶接部が応力集中により破断する可能性がある。
【０００６】
さらに、シールドガスに比較的多量の酸素ガスを含ませた状態で穴埋め工程や平滑化工程を行うと、溶接部表面にスラグ（金属酸化物）が生じるという問題もある。すなわち、穴埋め工程では、溶湯に固溶した酸素が、溶湯内に含まれているＳｉやＭｎ等と反応して酸化物を形成し、この酸化物の比重が小さいために溶湯表面に浮き上がり、これが冷却されたときにスラグとなる。また、平滑化工程では、溶湯表面に酸素が吹き付けられることで、その溶湯表面が酸化してスラグとなる。
【０００７】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シールドガス中に酸素を含ませることで、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果が得られるようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制しようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、穴埋め工程及び平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くするようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法を対象とする。
【００１０】
そして、上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするようにする。
【００１１】
このことにより、穴開け工程では、シールドガスに酸素を多量に含ませることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに、亜鉛メッキ鋼板のように、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたワークを溶接する際には、その低融点の物質（亜鉛等）の蒸発による爆飛の発生を抑制することができる。一方、穴埋め工程や平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を低くすることで、溶湯に固溶したり溶湯表面に吹き付けられたりする酸素量を低減することができ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。そして、このように酸素流量を低くしても、穴埋め工程や平滑化工程では、元来、穴開け工程に比べて爆飛が生じ難いので、問題はない。
【００１２】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くするようにする。
【００１３】
こうすることで、平滑化工程では、穴埋め工程に比べて更に爆飛が生じ難くなるので、シールドガス中の酸素流量を穴埋め工程に比べて低くすることで、ブローホールやスラグの発生を効果的に抑制することができる。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にするようにする。
【００１５】
このことで、平滑化工程では、爆飛発生の可能性が極めて低いので、酸素流量を０にすることで、ブローホールやスラグの発生をより一層効果的に抑制することができる。
【００１６】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くするようにする。
【００１７】
こうすることで、シールドガス中の酸素流量を低くしても、その低下分を酸素以外のガス成分で補うことで、シールドガスの総流量の低下を抑制することができ、シールド効果を確保することができる。
【００１８】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くするようにする。
【００１９】
このことにより、シールドガスの総流量を高くすることで、溶湯の冷却速度を向上させることができ、これにより、ワークの溶接部周囲における熱影響を受ける部分の範囲を小さくすることができる。
【００２０】
請求項６の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法を対象とする。
【００２１】
そして、上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするようにする。
【００２２】
このことにより、平滑化工程を省略した場合において、請求項１の発明と同様に、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果を得るようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【００２３】
請求項７の発明では、請求項１〜６のいずれか１つの発明において、ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであるとする。
【００２４】
また、請求項８の発明では、請求項７の発明において、ワークは、亜鉛メッキ鋼板であるものとする。
【００２５】
これら請求項７及び８の発明により、酸素なしでは爆飛が生じるワークに対してプラズマアーク溶接を行っても、爆飛の発生を抑制しつつ、ブローホールやスラグの発生を抑制することができ、請求項１の発明の作用効果を有効に発揮させることができる。
【００２６】
請求項９の発明は、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置の発明であり、この発明では、上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されているものとする。この発明により、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２７】
請求項１０の発明では、請求項９の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くするように構成されているものとする。このことにより、請求項２の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
請求項１１の発明では、請求項９又は１０の発明において、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にするように構成されているものとする。このことで、請求項３の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
請求項１２の発明では、請求項９〜１１のいずれか１つの発明において、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くするように構成されているものとする。こうすることで、請求項４の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００３０】
請求項１３の発明では、請求項９〜１２のいずれか１つの発明において、平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くするように構成されているものとする。このことにより、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３１】
請求項１４の発明では、プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置を対象とする。
【００３２】
そして、上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されているものとする。このことで、請求項６の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３３】
請求項１５の発明では、請求項９〜１４のいずれか１つの発明において、ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであるとする。また、請求項１６の発明では、請求項１５の発明において、ワークは、亜鉛メッキ鋼板であるものとする。これら請求項１５及び１６の発明により、それぞれ請求項７及び８の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るプラズマアーク溶接装置を示す。このプラズマアーク溶接装置は、多関節ロボットのアーム先端等に取り付けられたプラズマトーチ１を備えていて、このプラズマトーチ１の先端から噴出されるプラズマアークにより、ワークとしての、互いに重ね合わされた２枚の金属板２０をスポット溶接するものである。これら２枚の金属板２０の表面には、母材の融点よりも低い物質がコーティングされている。このような金属板２０としては、亜鉛メッキ鋼板等が挙げられる。
【００３６】
図１中、２は、プラズマアークの発生及び維持に必要な電流（電力）を上記プラズマトーチに供給するためのプラズマ電源であり、３は、ワイヤ状のフィラー４（充填材）をフィラーノズル５を介して上記プラズマトーチ１の先方（下方）に送給するためのフィラー送給装置である。また、６は、後述の如く、プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量等を変化させるための切替装置であり、電磁弁等からなる第１及び第２バルブ７，８を有している。これらプラズマ電源２、フィラー送給装置３及び切替装置６における第１及び第２バルブ７，８の各作動は、溶接コントローラ１０によってそれぞれ制御される。
【００３７】
上記切替装置６の第１バルブ７は、アルゴンと酸素とを混合した第１混合ガス（酸素濃度５０％）が充填された第１ガスボンベ１５に接続され、上記第２バルブ８は、アルゴンのみが充填された第２ガスボンベ１６に接続されており、切替装置６は、上記第１バルブ７を通過した第１混合ガスと、上記第２バルブ８を通過したアルゴンとを混合して、該混合ガス（第２混合ガスという）を上記プラズマトーチ１に供給するようになっている。そして、上記溶接コントローラ１０によって第１及び第２バルブ７，８の開度が制御されて、この第１及び第２バルブ７，８の開度により、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量が決まることになる。
【００３８】
上記プラズマアーク溶接装置は、図２に示すように、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程、平滑化工程及びポストフロー工程を順次行うことで、上記２枚の金属板２０を溶接するように構成されている。尚、この溶接は、実質的には、穴開け工程、穴埋め工程及び平滑化工程により行われる。
【００３９】
具体的には、先ず、図２（ａ）に示すように、上下方向に重ね合わせた２枚の金属板２０における溶接を行う部分の上側にプラズマトーチ１を位置させて、該プラズマトーチ１から上側（プラズマトーチ１に近い側）の金属板２０表面に向けてシールドガスを流出させる。この工程は、プラズマアークを発生させる前にシールドガスを流出させておくだけの工程であり、プリフロー工程と呼ばれている。このプリフロー工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度をＡ１とし、第２バルブ８の開度を０とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度はＣ１（５０％）となり、酸素流量はＤ１となり、シールドガスの総流量はＥ１となる。
【００４０】
続いて、図２（ｂ）に示すように、プラズマ電源２によるプラズマトーチ１への電流供給を開始して、プラズマアークを発生させ、このプラズマアークをプラズマトーチ１から上側の金属板２０表面に向けて噴出させる。このとき、上記シールドガスは、プラズマアークの外周を取り囲むことになる。このプラズマアークにより、２枚の金属板２０を溶融して穴２０ａ（ここでは、２枚の金属板２０を連続して貫通する穴であるが、上側の金属板２０のみを貫通する穴であってもよい）を開ける。つまり、穴開け工程を行う。この穴開け工程においても、図３に示すように、プリフロー工程と同様に、第１バルブ７の開度をＡ１とし、第２バルブ８の開度を０とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量は、それぞれ上記プリフロー工程と同じになる。
【００４１】
上記穴開け工程終了後に、図２（ｃ）に示すように、上記プラズマアークを維持した状態で、フィラー送給装置３により、フィラーノズル５を介してフィラー４をプラズマトーチ１の先方（下方）に送給する。これにより、その送給されたフィラー４をアーク熱により溶融させて、この溶融したフィラー４や金属板２０の母材等からなる溶湯２１により上記２枚の金属板２０に開けた穴２０ａを埋める（溶湯２１は表面張力により落下することはない）。つまり、穴埋め工程を行う。この穴埋め工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を、Ａ１から０まで時間経過に比例して低下させる一方、第２バルブ８の開度を、シールドガスの総流量が一定になるように、上記第１バルブ７の開度の低下に対応させて、０からＢ１まで時間経過に比例して増大させる。つまり、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするとともに、シールドガス中の酸素以外のガス成分（アルゴン）の流量を穴開け工程に比べて高くする。これにより、シールドガス中の酸素濃度は、Ｃ１から０まで時間経過に比例して低下し、酸素流量も、Ｄ１から０まで時間経過に比例して低下する。また、シールドガスの総流量は穴開け工程と同じになる。上記穴埋めが完了すると、フィラー送給装置３によるフィラー４の送給を停止する。
【００４２】
上記穴埋め工程終了後に、図２（ｄ）に示すように、上記プラズマアークを維持したまま、上記穴埋め部分（溶湯２１）にプラズマアークを吹き付けることで、その表面を平滑化する。つまり、平滑化工程を行う。これにより、穴埋め部分の表面がその周囲の金属板表面と略面一となるとともに、穴埋め部分にある溶湯２１が冷却される。この平滑化工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を０とし、第２バルブ８の開度を、Ｂ１からＢ２（Ｂ２＞Ｂ１）まで時間経過に比例して増大させる。つまり、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて低くするとともに、シールドガス中の酸素以外のガス成分（アルゴン）の流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量は０となる。また、シールドガスの総流量は穴開け工程及び穴埋め工程よりも高くなるとともに、第２バルブ８の開度の増大に対応して、Ｅ１からＥ２（Ｅ２＞Ｅ１）まで時間経過に比例して増大する。尚、この平滑化工程が終了した段階で、上記溶湯２１は完全に固化しており（溶湯２１が固化した部分を溶接部２２とする）、基本的に２枚の金属板２０の溶接は完了する。
【００４３】
次いで、図２（ｅ）に示すように、プラズマ電源による電流供給を停止して、プラズマアークを消滅させ、上記プリフロー工程と同様に、シールドガスのみを流出させる。この工程は、ポストフロー工程と呼ばれている。このポストフロー工程では、図３に示すように、第１バルブ７の開度を０とし、第２バルブ８の開度をＢ２とする。これにより、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量は０となり、シールドガスの総流量はＥ２となる。このポストフロー工程は、その開始から所定時間経過した段階で、第１及び第２バルブ７，８の開度を０とすることで終了し、これにより、溶接作業が完全に終了する。
【００４４】
尚、上記穴開け工程、穴埋め工程及び平滑化工程において、プラズマ電源２による供給電流と、フィラー送給装置３によるフィラー送給量とは、時間経過に伴って図４の如く変化する。
【００４５】
図５は、プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板２０の第１の具体例を示し、１つは、自動車車体のフロアパネル３１であり、もう１つは、このフロアパネル３１に取り付けられるフレーム３２である（図５中、Ｘ印箇所が溶接部２２となる部分である）。この場合、溶接部２２となる部分の上側にプラズマトーチ１を配設するだけであり、通常のスポット溶接装置のように溶接部２２となる部分の上下両側に配設する必要がないので、プラズマアーク溶接装置が大型化することがなく、しかも溶接を容易に行うことができる。
【００４６】
図６は、プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板２０の第２の具体例を示し、１つは、上記フロアパネル３１とフレーム３２との間の空間内に設ける補強構造体３３であり、もう１つは、上記フロアパネル３１又はフレーム３２である（図６中、Ｘ印箇所が溶接部２２となる部分である）。この場合、補強構造体３３の上部は、上記空間の奥側に折れ曲がっているので、通常のスポット溶接装置では、この補強構造体３３の上部とフロアパネル３１との溶接は不可能である。しかし、プラズマアーク溶接装置を用いれば、このような溶接も容易に行うことができる。
【００４７】
したがって、上記実施形態１では、穴埋め工程及び平滑化工程において、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするようにしたので、穴開け工程では、シールドガスに酸素を多量に含ませることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに、金属板２０表面にコーティングされた低融点の物質（亜鉛等）の蒸発による爆飛の発生を抑制することができる。一方、穴埋め工程や平滑化工程では、シールドガス中の酸素流量を低くすることで、溶湯に固溶したり溶湯表面に吹き付けられたりする酸素量を低減することができ、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。そして、このように酸素流量を低くしても、穴埋め工程や平滑化工程では、元来、穴開け工程に比べて爆飛が生じ難いので、問題はなく、特に平滑化工程では、爆飛発生の可能性が極めて低いので、酸素流量を穴埋め工程に比べて低くしかつ０にしても、爆飛は殆ど生じない。この結果、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを効果的に抑制することができ、上記フレーム３２や補強構造体３３等のように、比較的大きな応力が加わるものであっても、溶接部２２で破断するようなことはない。尚、上記金属板２０が、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものでなくても、穴埋め工程及び平滑化工程において、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くすることで、酸化熱により穴開けを効率良く行うことができるとともに溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができるという効果が得られ、このことから、溶接するワークはどのようなものであってもよい。
【００４８】
また、穴埋め工程において、シールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を穴開け工程に比べて高くして、シールドガスの総流量を穴開け工程と同じになるようにしたので、シールドガス中の酸素流量を低くしても、シールドガスの総流量の低下を防止して、シールド効果を確保することができる。
【００４９】
さらに、平滑化工程において、シールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くして、シールドガスの総流量を穴開け工程及び穴埋め工程よりも高くするようにしたので、溶湯２１の冷却速度を向上させることができ、これにより、金属板２０の溶接部２２周囲における熱影響を受ける部分の範囲を小さくすることができる。
【００５０】
図７は、切替装置６における第１及び第２バルブ７，８の開度の他の制御例を示す。この制御例では、第１バルブ７の開度については、穴埋め工程中の所定タイミングまではＡ１とし、その所定タイミングで急激に０まで低下させて、それ以降は０とする。一方、第２バルブ８の開度については、上記第１バルブ７の開度を低下させる所定タイミングまでは０とし、その所定タイミングで急激にＢ１まで増大させ、該所定タイミングから穴埋め工程完了までの間は、Ｂ１からＢ３（Ｂ３＞Ｂ２）まで時間経過に比例して増大させ、平滑化工程からはＢ３とする。
【００５１】
上記第１及び第２バルブ７，８の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度は、上記所定タイミングまではＣ１を維持し、所定タイミングでＣ１から０に急激に低下し、それ以降は０を維持する。また、酸素流量は、上記所定タイミングまではＤ１を維持し、所定タイミングでＤ１から０に急激に低下し、それ以降は０を維持する。さらに、シールドガスの総流量は、上記所定タイミングから穴埋め工程完了までの間は、Ｅ１からＥ３（Ｅ３＞Ｅ２）まで時間経過に比例して増大し、それ以降はＥ３を維持する。
【００５２】
このような制御においては、特に爆飛発生の可能性が比較的高い穴埋め工程前半で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程と同じにする一方、爆飛発生の可能性が殆どない穴埋め工程後半及び平滑化工程で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くしかつ０にするので、爆飛の発生をより確実に抑制しつつ、ブローホールやスラグの発生をより効果的に抑制することができる。
【００５３】
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２を示し（尚、図１と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、切替装置６の構成を上記実施形態１とは異ならせたものである。
【００５４】
すなわち、この実施形態２では、切替装置６は、上記実施形態１と同様の第１及び第２バルブ７，８の他に、第１バルブ７を通過した第１混合ガスと第２バルブ８を通過したアルゴンとを混合した第２混合ガスの流量を決める第３バルブ９を有し、これら第１〜第３バルブ７〜９の開度が溶接コントローラ１０によって図９の如く制御される。
【００５５】
具体的には、第１及び第２バルブ７，８の開度については、穴埋め工程完了までは上記実施形態１と同様であるが、プリフロー工程及び穴開け工程における第１バルブ７の開度は、Ａ２（Ａ１＞Ａ２）とし、穴埋め工程完了時における第２バルブ８の開度は、Ｂ４（Ｂ４＞Ｂ１）とする。これは、第３バルブ９によってガスの流れが制限されても、シールドガスの総流量を上記実施形態１と同じＥ１にするためである。また、平滑化工程以降では、上記実施形態１と同様に、第１バルブ７の開度を０とするが、第２バルブ８の開度を変化させずにＢ４とする点が上記実施形態１とは異なる。
【００５６】
そして、上記第３バルブ９の開度については、穴埋め工程完了までは、Ｆ１とし、平滑化工程で、Ｆ１からＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）まで時間経過に比例して増大させ、ポストフロー工程でＦ２とする。
【００５７】
上記第１〜第３バルブ７〜９の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量の変化は、基本的に上記実施形態１と同様となる。但し、シールドガスの総流量は、平滑化工程において、Ｅ２よりも大きいＥ３（上記実施形態１の他の制御例において増大したときの値と同じ）まで増大し、ポストフロー工程でその値Ｅ３を維持する。
【００５８】
したがって、この実施形態２においても、上記実施形態１と同様の作用効果が得られ、酸化熱による穴開け速度を向上させたり爆飛発生を抑制したりしつつ、溶接部２２にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【００５９】
図１０は、上記切替装置６における第１〜第３バルブ７〜９の開度の他の制御例を示す。この制御例では、第１バルブ７の開度については、穴開け工程完了までは、上記実施形態２と同じＡ２とし、穴埋め工程では、Ａ２からＡ３（Ａ３＜Ａ２）まで時間経過に比例して低下させ、平滑化工程の開始から所定タイミングまでの間は、Ａ３から０まで時間経過に比例して低下させ、それ以降は０とする。また、第２バルブ８の開度については、上記実施形態２と同様である。さらに、第３バルブ９については、穴埋め工程完了まではＦ１とし、平滑化工程の開始と同時にＦ１からＦ２に急激に増大させ、それ以降はＦ２とする。
【００６０】
上記第１〜第３バルブ７〜９の開度の制御により、シールドガス中の酸素濃度は、穴開け工程完了まではＣ１を維持し、穴埋め工程では、Ｃ１からＣ２（Ｃ２＜Ｃ１）まで時間経過に比例して低下し、平滑化工程の開始から上記所定タイミングまでの間は、Ｃ２から０まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、０を持する。また、酸素流量は、穴開け工程完了まではＤ１を維持し、穴埋め工程では、Ｄ１からＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）まで時間経過に比例して低下し、平滑化工程の開始と同時にＤ２からＤ３（Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ１）に急激に増大し、そこから上記所定タイミングまでの間は、Ｄ３からＤ４（Ｄ２＜Ｄ４＜Ｄ３）まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、Ｄ４を維持する。さらに、シールドガスの総流量は、穴開け工程完了までは、Ｅ１を維持し、穴埋め工程では、Ｅ１からＥ４（Ｅ１＜Ｅ４＜Ｅ３）まで時間経過に比例して増大し、平滑化工程開始と同時にＥ４からＥ５（Ｅ５＞Ｅ３）に急激に増大し、そこから上記所定タイミングまでの間は、Ｅ５からＥ３まで時間経過に比例して低下し、それ以降は、Ｅ３を維持する。
【００６１】
このような制御においては、平滑化工程初期におけるシールドガスの総流量が比較的高くなるので、溶湯２１の冷却速度をより一層向上させて、金属板２０の溶接部２２周囲における熱影響を受ける部分の範囲をより小さくすることができる。一方、平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量は、穴埋め工程後半よりも高くなるが、穴埋め工程と同様に、穴開け工程よりも低くするので、ブローホールやスラグの発生を抑制することは可能である。
【００６２】
尚、切替装置６の構成は、上記実施形態１又は２のものに限らず、シールドガス中の酸素流量及び酸素以外の流量並びにシールドガスの総流量を変更可能なものであればよく、少なくともシールドガス中の酸素流量を変更可能なものであればよい。また、第１及び第２ボンベ１５，１６は、アルゴンと酸素とをそれぞれ単独で充填したものであってもよく、アルゴンと酸素との混合ガス（酸素濃度を５０％としたもの）と、アルゴンと酸素との混合ガス（酸素濃度を５０％よりも低くしたもの）とをそれぞれ充填したものであってもよい。また、アルゴンの代わりに、二酸化炭素、ヘリウム、窒素等のガスを用いてもよく、アルゴンを含めてこれらのガスの内の複数を混合したものを用いてもよい。
【００６３】
さらに、穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするのであれば、その酸素流量を溶接時にどのように変化させてもよい。但し、図１１〜図１３に示すように、穴埋め工程の初期ないし前半では、酸素流量を高目にし、穴埋め工程後半及び平滑化工程では、低目にするのがよい。
【００６４】
また、上記実施形態１及び２では、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程、平滑化工程及びポストフロー工程を順次行うことで、２枚の金属板２０を溶接するようにしたが、穴埋め部分の表面をその周囲の金属板表面と略面一にする必要がない場合には、平滑化工程を省略して、プリフロー工程、穴開け工程、穴埋め工程及びポストフロー工程を順次行うことで、２枚の金属板２０を溶接するようにしてもよい。この場合も、穴埋め工程では、シールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするようにすればよい。
【００６５】
すなわち、例えば、上記実施形態１と同様の切替装置６を用いて、図１４の如く第１及び第２バルブ７，８の開度を制御する（穴埋め工程までは、上記実施形態１と同じであり、ポストフロー工程開始と同時に、第２バルブ８の開度をＢ１からＢ２に急激に増大させる一方、第１バルブ７の開度は０のままとする）ことで、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量並びにシールドガスの総流量を、同図のように変化させればよい（穴埋め工程までは、上記実施形態１と同じであり、ポストフロー工程開始と同時に、シールドガスの総流量をＥ１からＥ２に急激に増大させる）。また、穴開け工程及び穴埋め工程において、プラズマ電源２による供給電流と、フィラー送給装置３によるフィラー送給量とを、図１５の如く変化させればよい。
【００６６】
このように平滑化工程を省略する場合も、平滑化工程がある場合と同様に、穴埋め工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴開け工程に比べて低くするのであれば、その酸素流量を溶接時にどのように変化させてもよい。但し、図１６〜図１８に示すように、穴埋め工程の初期ないし前半では、酸素流量を高目にし、穴埋め工程後半では、低目にするのがよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマアーク溶接方法及びその装置によると、穴埋め工程（及び平滑化工程）で、シールドガス中の酸素流量を穴開け工程に比べて低くするようにしたことにより、酸化熱による穴開け速度の向上や爆飛発生の抑制等といった効果を得るようにしつつ、溶接部にブローホールやスラグが発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るプラズマアーク溶接装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）はプリフロー工程を、（ｂ）は穴開け工程を、（ｃ）は穴埋め工程を、（ｄ）は平滑化工程を、（ｅ）はポストフロー工程をそれぞれ示す概略図である。
【図３】第１及び第２バルブの開度、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量、並びにシールドガスの総流量のタイムチャートである。
【図４】プラズマ電源による供給電流及びフィラー送給装置によるフィラー送給量のタイムチャートである。
【図５】プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板の第１の具体例を示す斜視図である。
【図６】プラズマアーク溶接装置により溶接する２枚の金属板の第２の具体例を示す斜視図である。
【図７】第１及び第２バルブの開度の他の制御例を示す図３相当のタイムチャートである。
【図８】実施形態２を示す図１相当図である。
【図９】実施形態２における、第１〜第３バルブの開度、シールドガス中の酸素濃度及び酸素流量、並びにシールドガスの総流量のタイムチャートである。
【図１０】第１〜第３バルブの開度の他の制御例を示す図９相当のタイムチャートである。
【図１１】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の他の例を示すタイムチャートである。
【図１２】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１３】シールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１４】平滑化工程を省略する場合における第１及び第２バルブの開度の制御例を示す図３相当のタイムチャートである。
【図１５】平滑化工程を省略する場合における図４相当のタイムチャートである。
【図１６】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の他の例を示すタイムチャートである。
【図１７】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【図１８】平滑化工程を省略する場合におけるシールドガス中の酸素流量の変化のさせ方の更に他の例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ プラズマトーチ
２ プラズマ電源
３ フィラー送給装置
４ フィラー
５ フィラーノズル
６ 切替装置
７ 第１バルブ
８ 第２バルブ
９ 第３バルブ
１０ 溶接コントローラ
２０ 金属板（ワーク）
２０ａ 穴
２１ 溶湯
２２ 溶接部
Claims (16)
- プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法であって、
上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項１記載のプラズマアーク溶接方法において、
平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項１又は２記載のプラズマアーク溶接方法において、
平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接方法において、
穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接方法において、
平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するプラズマアーク溶接方法であって、
上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くすることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接方法において、
ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - 請求項７記載のプラズマアーク溶接方法において、
ワークは、亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。 - プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程と、該穴埋め部分を平滑化する平滑化工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置であって、
上記穴埋め工程及び平滑化工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項９記載のプラズマアーク溶接装置において、
平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、穴埋め工程に比べて低くするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項９又は１０記載のプラズマアーク溶接装置において、
平滑化工程におけるシールドガス中の酸素流量を、０にするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項９〜１１のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接装置において、
穴埋め工程及び平滑化工程におけるシールドガス中の酸素以外のガス成分の流量を、穴開け工程に比べて高くするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項９〜１２のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接装置において、
平滑化工程におけるシールドガスの総流量を、穴開け工程及び穴埋め工程に比べて高くするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - プラズマアークを用いて、ワークに穴を開ける穴開け工程と、該ワークに開けた穴を埋める穴埋め工程とを順次行うことで、ワークを溶接するように構成されたプラズマアーク溶接装置であって、
上記穴埋め工程では、上記プラズマアークをシールドするシールドガス中の酸素流量を、上記穴開け工程に比べて低くするように構成されていることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項９〜１４のいずれか１つに記載のプラズマアーク溶接装置において、
ワークは、表面が母材の融点よりも低い物質でコーティングされたものであることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。 - 請求項１５記載のプラズマアーク溶接装置において、
ワークは、亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
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