JP2008080355A - プラズマミグ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマミグ溶接においてビード形状を所望形状に自在に調整する。
【解決手段】 本発明は、非消耗のプラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマアーク３ｂを発生させると共に、前記プラズマ電極１ｂを中空形状としその中空内を通って絶縁された消耗電極１ａを送給し、前記消耗電極１ａと母材２との間にミグアーク３ａを発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、前記プラズマアーク３ｂに通電するプラズマ電流Ｉｗｂを予め定めた周波数でパルス状に変化させ、前記プラズマ電流Ｉｗｂの平均値を略一定値に維持したままで、前記周波数を変化させることによってプラズマアーク３ｂの硬直性を変化させてビード形状を所望形状に調整するプラズマミグ溶接方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビード形状を調整することができるプラズマミグ溶接方法に関するものである。

非消耗のプラズマ電極と母材との間にプラズマアークを発生させると共に、プラズマ電極を中空形状としその中空内を通って絶縁された消耗電極（溶接ワイヤ）を送給し、この消耗電極と母材との間にミグアークを発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法が従来から使用されている。このプラズマミグ溶接方法では、プラズマアーク中を溶接ワイヤが送給されてプラズマアーク中にミグアークが発生する。したがって、溶接ワイヤはプラズマアーク及びミグアークの両方から加熱されて溶融し溶滴移行する。このために、ミグアークが適正なアーク長を維持して安定状態になるには、両アークからの加熱による溶融速度と溶接ワイヤの送給速度とがバランスする必要がある。このバランスを取るために、プラズマ電流、ミグアーク電流、ミグアーク電圧、送給速度等を安定する範囲に組み合わせて設定する必要がある。上記のプラズマ電極には、水冷銅電極、タングスレン電極等が使用される。プラズマミグ溶接方法では、同時に２つのアークを発生させながら溶接を行うので、高効率な溶接を行うことができる。

上述したプラズマミグ溶接方法において、溶接品質を向上させることを目的として、プラズマアーク中の溶接ワイヤの位置又は角度を変化させることによって、ビード形状（余盛り高さ、ビード幅、溶け込み深さ等）を制御することができる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６３−１６８２８３号公報 特開平２−１４７１６９号公報

上述したように、高品質な溶接を行うためには、ワークの要求品質に応じて所望のビード形状を形成する必要がある。所望のビード形状とは、余盛り高さ、ビード幅、溶け込み深さ等が所望値であることである。ワークの要求品質によって適正なビード形状が異なるので、ビード形状が適正になるように溶接条件を調整する必要がある。

上述した従来技術のプラズマミグ溶接方法において、ビード形状を所望形状に調整するためには、プラズマ電流、ミグアーク電流、ミグアーク電圧のうち少なくとも一つ以上を調整する必要がある。しかし、これらの設定値を変化させると、プラズマアーク及び／又はミグアークによる溶接ワイヤへの加熱状態が大きく変化することになり、ミグアークはアーク長が変化して安定性が悪くなることが多い。すなわち、ミグアークの安定性はプラズマ電流値、ミグアーク電流値、ミグアーク電圧値、溶接ワイヤの送給速度等が適正な組み合わせ範囲にあるときに確保される。ビード形状を調整するためにこれらの設定値を変化させると、適正な組み合わせ範囲外になり、アーク安定性が悪くなる。したがって、上記の設定値は、ミグアークの安定性を確保できる範囲においてビード形状が所望形状になるように調整する必要がある。このために、溶接条件の設定が難しくなる上に、ビード形状をあまり変化させることができなかった。

また、上述したように、プラズマアーク中における溶接ワイヤの位置又は角度を調整することで、ビード形状を変化させることができる。しかし、この方法は、溶接ワイヤを可動させる機構を必要とするために溶接トーチの大型化を招き、ワークとの干渉が生じやすくなり適用範囲が限定されていた。

そこで、本発明では、ミグアークを安定に維持したままで溶接トーチを大型化することもなくビード形状を所望形状に容易に調整することができるプラズマミグ溶接方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、非消耗のプラズマ電極と母材との間にプラズマアークを発生させると共に、前記プラズマ電極を中空形状としその中空内を通って絶縁された消耗電極を送給し、前記消耗電極と母材との間にミグアークを発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、
前記プラズマアークに通電するプラズマ電流を予め定めた周波数でパルス状に変化させ、前記プラズマ電流の平均値を略一定値に維持したままで、前記周波数を変化させることによってプラズマアークの硬直性を変化させてビード形状を所望形状に調整する、ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。

また、第２の発明は、前記プラズマ電流の周波数を、継手部のギャップの大きさに応じて変化させる、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、プラズマ電流をパルス状とし平均値を略一定値に維持した上でその周波数を変化させることによって、ミグアークを安定に維持したままでビード形状を所望形状に調整することができる。プラズマ電流の周波数を変化させるだけなので、溶接トーチは通常のままであり、溶接条件の設定も容易である。

さらに、上記第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、ギャップのある継手に対するプラズマミグ溶接において、ギャップの大きさに応じてプラズマ電流の周波数を適正値に変化させることによって、適正なビード形状を得ることができる。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。

プラズマ電極１ｂはプラズマノズル４に囲まれており、プラズマノズル４内をアルゴンガス等のプラズマガスが高速に流れ、母材２との間にプラズマアーク３ｂが発生する。プラズマノズル４はさらにシールドノズル５に囲まれており、アルゴンガス等のシールドガスが流れる。プラズマアーク３ｂ中をプラズマ溶接電源ＰＳＰから供給されたプラズマ電流Ｉwbが通電する。プラズマ電極１ｂには、水冷銅電極、タングステン電極等が使用され、内部が中空構造になっている。同図では、プラズマアーク３ｂは電極プラス極性で発生している。プラズマアーク３ｂが電極マイナス極性でも良い。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、送給モータＭの回転を制御する送給制御信号Ｆｃを出力すると共に、ミグアーク電流Ｉwa及びミグアーク電圧Ｖwaを出力する。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＭに結合された送給ロール６によって送給される。溶接ワイヤ１ａは、上記のプラズマ電極１ｂの中空内を絶縁されて送給されて、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。このミグアーク３ａはプラズマアーク３ｂに内包されて発生する。したがって、溶接ワイヤ１ａはプラズマアーク３ｂ及びミグアーク３ａから加熱されて溶滴移行する。ミグアーク３ａは電極プラス極性で発生している。溶接ワイヤ１ａの送給速度がＦｗ［m/分］となる。

上記のプラズマ電流Ｉwbとして、図２に示すように、パルス状の電流を通電する。予め定めたピーク期間Ｔｐ中は予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、予め定めたベース期間Ｔｂ中は予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を１周期１／ｆとして繰り返し行う。プラズマ電流Ｉwbの平均値をＩavとすると、この平均値Ｉavを所定値に維持したままでパルス波形の周波数ｆ［Ｈｚ］を変化させる。ここでｆ＝０も含むので、そのときは値がＩavの直流電流となる。Ｔｐ／（Ｔｐ＋Ｔｂ）で示すデューティは、０．５に限らず任意の値に設定する。一般的に、アークからの入熱はアークを通電する電流の平均値に略比例する。したがって、プラズマ電流Ｉwbの平均値Ｉavが一定であれば、溶接ワイヤへの加熱も略一定となる。このために、ミグアークが安定した状態にあつときに、平均値Ｉavを一定に維持したままでプラズマ電流Ｉwbの周波数ｆを変化させても安定状態には影響を与えない。プラズマ電流Ｉwbの周波数ｆが変化すると、プラズマアークの硬直性（集中性）が変化する。この結果、溶融池へのアーク圧力の分布が変化するために、ビード形状が変化する。

図３は、プラズマ電流の周波数ｆを変化させたときのビード形状の変化を示すビード断面図である。同図は、溶接ワイヤにＡｌ−Ｍｇ合金ワイヤ（Ａ５３５６、１．２mm径）を使用し、母材に板厚６mmのＡｌ−Ｍｇ合金板（Ａ５０５２）を使用した場合である。また、同図は、プラズマ電流Ｉwbの平均値Ｉav＝１５０Ａ、溶接ワイヤの送給速度Ｆw＝１０ｍ／分、ミグアーク電流Ｉwa＝１００Ａ、ミグアーク電圧Ｖwa＝１９Ｖ、溶接速度５０cm／分で溶接したときのビード形状である。プラズマ電流Ｉwbの波形パラメータを、Ｉｐ＝２００Ａ、Ｉｂ＝１００Ａ、Ｔｐ＝Ｔｂとした場合である。同図（Ａ）は周波数ｆ＝０Ｈｚ（直流）のときであり、同図（Ｂ）は周波数ｆ＝５Ｈｚのときであり、同図（Ｃ）は周波数ｆ＝５０Ｈｚのときであり、同図（Ｄ）は周波数ｆ＝５００Ｈｚのときである。

同図（Ａ）〜（Ｄ）では、プラズマ電流Ｉwb及びミグアーク電流Ｉwaの平均値が変化していないので、母材への入熱は略一定になり溶け込み断面積は略一定のままである。他方、余盛り高さ、ビード幅及び溶け込み深さは周波数ｆに応じて大きく変化する。すなわち、周波数ｆが低周波のときはプラズマアークの硬直性が弱くなり、アークの広がりによって溶け込みが浅くビード幅の広いビード形状になる。周波数ｆが高周波のときはプラズマークの硬直性が強くなり、アークは集中してアーク力も増加するために、溶け込みが深くビード幅が狭く余盛りの高いビード形状になる。

上述した実施の形態１によれば、プラズマ電流をパルス状とし平均値を略一定値に維持した上でその周波数を変化させることによって、ミグアークを安定に維持したままでビード形状を所望形状に調整することができる。プラズマ電流の周波数を変化させるだけなので、溶接トーチは通常のままであり、溶接条件の設定も容易である。

［実施の形態２］
図４は、継手部にギャップが存在するワークに対して上述した実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を適用したときのワーク及びビードの外観図である。同図（Ａ）は溶接前のワークの外観を示し、継手部のギャップは溶接方向に対して前半部は０mmであり後半からは次第に大きくなる。同図（Ｂ）は溶接後のビード外観を示し、同図（Ｃ）はギャップ０mm部のビード断面を示す。同図は、溶接ワイヤにＡｌ−Ｍｇ合金ワイヤ（Ａ５３５６、１．２mm径）を使用し、母材に板厚６mmのＡｌ−Ｍｇ合金板（Ａ５０５２）を使用した場合である。図２に示すプラズマ電流の波形パラメータは、Ｉav＝１００Ａ、Ｉｐ＝１５０Ａ、Ｉｂ＝５０Ａ、Ｔｐ＝Ｔｂのときである。ミグアーク電流Ｉwaは１００Ａ（送給速度Ｆｗ＝１０ｍ／分）であり、ミグアーク電圧Ｖwaは１９Ｖであり、溶接速度は３０cm／分のときである。

ギャップが０mmの前半部はプラズマ電流の周波数を５００Ｈｚに設定し、同図（Ｃ）に示すように、十分な溶け込みを確保している。ギャップが大きくなる後半部は周波数を５Ｈｚに設定し、ビード幅を広げてギャップ部における溶着金属の橋絡を確保して溶け落ちを防いでいる。

上述した実施の形態２によれば、ギャップのある継手に対するプラズマミグ溶接において、ギャップの大きさに応じてプラズマ電流の周波数を適正値に変化させることによって、適正なビード形状を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接装置の構成図である。 図１におけるプラズマ電流Ｉwbの波形図である。 実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法において、プラズマ電流Ｉwbの周波数とビード形状との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法を示すワーク及びビードの外観図である。

符号の説明

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ プラズマノズル
５ シールドノズル
６ 送給ロール
ｆ 周波数
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆw 送給速度
Ｉav プラズマ電流の平均値
Ｉｂ ベース電流
Ｉｐ ピーク電流
Ｉwa ミグアーク電流
Ｉwb プラズマ電流
Ｍ 送給モータ
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｔｂ ベース期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｖwa ミグアーク電圧

Claims (2)

1. 非消耗のプラズマ電極と母材との間にプラズマアークを発生させると共に、前記プラズマ電極を中空形状としその中空内を通って絶縁された消耗電極を送給し、前記消耗電極と母材との間にミグアークを発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、
   前記プラズマアークに通電するプラズマ電流を予め定めた周波数でパルス状に変化させ、前記プラズマ電流の平均値を略一定値に維持したままで、前記周波数を変化させることによってプラズマアークの硬直性を変化させてビード形状を所望形状に調整する、ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
2. 前記プラズマ電流の周波数を、継手部のギャップの大きさに応じて変化させる、請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
   
   

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