JP2008149363A - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接速度の増加と溶接ビードの外観向上とを図ることが可能である溶接装置を提供する。
【解決手段】ワイヤＷを支持するコンタクトチップ２と、プラズマ電極３と、シールドノズル４と、プラズマガスを供給するプラズマガスボンベ８１と、シールドガスを供給するシールドガスボンベ８２と、ＭＩＧ電源６と、プラズマ電源５と、を備えている。ＭＩＧ電源６は、陽極がコンタクトチップ２に導通し、陰極が溶接対象材Ｐに導通しており、プラズマ電源５は、陽極がプラズマ電極３に導通し、陰極がコンタクトチップ２に導通している。このような構成とすることにより、プラズマ電極３の電位が最も高くなり、ワイヤＷ、溶接対象材Ｐの順に電位が低くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ溶接とＭＩＧ溶接とを行う溶接装置に関する。

図２は、従来の溶接装置の一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示す溶接装置Ｘは、溶接トーチ９１、ワイヤ供給手段９２、プラズマ電源９３、ＭＩＧ電源９４、プラズマガスボンベ９５、およびシールドガスボンベ９６を備えている。ワイヤ供給手段９２からは、ワイヤＷが供給される。ワイヤＷは、溶接トーチ９１の中心軸に沿って送り出される。溶接トーチ９１は、コンタクトチップ９１ａ、プラズマ電極９１ｂ、およびシールドノズル９１ｃを有している。

コンタクトチップ９１ａは、ワイヤＷを支持している。プラズマ電極９１ｂは、コンタクトチップ９１ａを囲っており、コンタクトチップ９１ａと同心軸上に配置されている。コンタクトチップ９１ａとプラズマ電極９１ｂとの隙間には、プラズマガスボンベ９５からプラズマガスが供給されている。シールドノズル９１ｃは、プラズマ電極９１ｂを囲っており、プラズマ電極９１ｂと同心軸上に配置されている。プラズマ電極９１ｂとシールドノズル９１ｃとの隙間には、シールドガスボンベ９６からシールドガスが供給されている。

プラズマ電源９３は、プラズマ電極９１ｂと溶接対象材Ｐとの間に電圧を印加することにより、プラズマガスをプラズマ状態とするための電源である。プラズマ電源９３の一方の電極がプラズマ電極９１ｂに接続されており、プラズマ電源９３の他方の電極が溶接対象材Ｐに接続されている（なお、特許文献１には、プラズマ電源９３の接続における極性は言及されていない）。ＭＩＧ電源９４は、ワイヤＷからアークを発生させるための電圧を印加するためのものである。ＭＩＧ電源９４の陽極がコンタクトチップ９１ａに接続されており、ＭＩＧ電源９４の陰極が溶接対象材Ｐに接続されている。

溶接装置Ｘによる溶接の利点は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＭＩＧ溶接とを同時に行うことにある。すなわち、プラズマガスをプラズマ化することにより生じさせたプラズマアークを噴出することにより、溶接対象材Ｐの一部が溶融状態となる。この溶融状態となった部分に、ワイヤＷの溶滴が供給される。これにより、溶接対象材ＰをたとえばＭＩＧ溶接のみによって溶接する場合と比べてより確実に溶接することができる。また、ＭＩＧ電源９４からの電圧印加によって生じたＭＩＧアークは、プラズマ化されたプラズマガスに内包されることとなる。これにより、ＭＩＧアークの挙動を安定させるのに有利である。

しかしながら、溶接速度の増加や溶接ビードの外観向上を図るには、未だ以下のような問題があった。まず、溶接速度を増加させるには、溶接の溶け込み深さをより深くする必要がある。この溶け込み深さは、ＭＩＧアークの挙動が安定するほど深いものとなる。溶接装置Ｘによる溶接においては、ＭＩＧアークをプラズマガス中に内包しているものの、ＭＩＧアークの挙動が不安定となる場合がある。これに加えて、ワイヤＷが溶滴となって溶接対象材Ｐの溶接箇所に供給される供給量を増やすことも求められる。次に、溶接ビードの外観を向上させるためには、溶接中のスパッタ飛散を抑制することが有効である。ワイヤＷからの溶滴供給量を増加させつつ、周辺へのスパッタ飛散を抑制することは困難であった。

特開昭６３−１６８２８３号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、溶接速度の増加と溶接ビードの外観向上とを図ることが可能である溶接装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される溶接装置は、ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給手段と、上記プラズマ電極および上記シールドノズルの隙間にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、一方の電極が上記コンタクトチップに導通し、他方の電極が溶接対象材に導通するＭＩＧ電源と、少なくとも一方の電極が上記プラズマ電極に導通するプラズマ電源と、を備える溶接装置であって、上記ＭＩＧ電源は、陽極が上記コンタクトチップに導通し、陰極が上記溶接対象材に導通しており、上記プラズマ電源は、陽極が上記プラズマ電極に導通し、陰極が上記コンタクトチップに導通していることを特徴としている。

このような構成によれば、上記プラズマ電極の電位が最も高く、上記コンタクトチップおよび上記ワイヤ、上記溶接対象材の順に電位が低くなっている。このため、上記プラズマ電極からの電流は、上記ワイヤと上記溶接対象材との双方に向かうこととなる。上記プラズマ電極からの電流の一部が上記ワイヤに向かうことにより、プラズマアークを上記ワイヤ側に寄せることが可能である。これは、上記溶接対象材の溶接箇所にプラズマアークをより確実に位置させるのに適している。したがって、溶接における溶け込み深さをさらに深くすることが可能であり、溶接速度の増加を図ることができる。

特に、本発明における上記プラズマ電源の接続形態は、いわゆる非移行型と呼ばれるものであり、一般にプラズマを用いた切断用途に適用されている。この非移行型の接続形態は、上記プラズマ電源によって生じたプラズマアークの広がりを抑えるのに適したものである。したがって、溶接の溶け込み深さを深くするのに好適である。また、上記ＭＩＧ電源によるＭＩＧアークは、広がりを抑えられたプラズマアークによって囲われた格好となる。これは、シールドガスによるシールド効果を高めるのに有利であり、いわゆるブローホールの発生を抑制するのに適している。さらに、非移行型の接続形態とすることにより、上記溶接対象材への入熱量を小さくすることが可能である。したがって、上記溶接対象材の熱変形や熱影響部の発生を抑制することができる。

上記プラズマ電極からの電流のうち上記ワイヤに向かう電流は、上記ワイヤを溶融させるエネルギーとして利用される。これにより、上記ワイヤの溶滴の温度を上昇させることが可能であり、この溶滴の表面張力が小さくなる。このような溶滴は、上記ワイヤから上記溶接対象材に向けて離脱しやすいため、上記溶接対象材の溶接箇所以外の部分にスパッタとなって不当に飛散するおそれが少ない。したがって、上記溶接装置による溶接ビードの外観向上を図ることができる。

以上述べたように、本発明に係る溶接装置によれば、溶接速度の増加と溶接ビードの外観向上とを図ることが可能であり、溶接深さを深くすることも可能である。このような溶接装置は、軟鋼をはじめ、高合金鋼、アルミニウム合金などの溶接に用いることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチ１、プラズマ電源５、ＭＩＧ電源６、ワイヤ供給手段７、プラズマガスボンベ８１、およびシールドガスボンベ８２を備えている。溶接装置Ａは、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＭＩＧ溶接とを同時に行うことが可能に構成されている。

溶接トーチ１は、コンタクトチップ２、プラズマ電極３、およびシールドノズル４を備えており、その中心軸に沿ってワイヤＷを送り出すように構成されている。

コンタクトチップ２は、ワイヤＷを支持するとともに、ワイヤＷとプラズマ電源５およびＭＩＧ電源６とを導通させるためのものである。コンタクトチップ２は、ＣｕまたはＣｕ合金などからなり、溶接トーチ１の中心軸を規定する略円筒形状とされている。コンタクトチップ２の内径は、ワイヤＷを挿通可能としつつ、十分に導通させることが可能なサイズとされている。

プラズマ電極３は、プラズマ電源５からの電圧を印加するためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマ電極３は、コンタクトチップ２を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマ電極３とコンタクトチップ２との間には、隙間が設けられている。また、プラズマ電極３は、冷却水を通すためのチャネル（図示略）が設けられていることにより、水冷構造とされている。プラズマ電極３は、電極としての機能以外にも、次のような機能を発揮する。まず、プラズマに対して顕著に低温とされていることにより、プラズマアークを絞り込み、緊縮させるという機能を果たす。また、プラズマガスの通過経路の一部が小断面となるように絞ることにより、プラズマガスの動圧を高める。これにより、ＭＩＧアークを絞り込むという機能を果たす。

コンタクトチップ２とプラズマ電極３との隙間には、プラズマガスボンベ（プラズマガス供給手段）８１からプラズマガスが供給される。このプラズマガスは、たとえばＡｒなどの不活性ガスである。コンタクトチップ２とプラズマ電極３との隙間に供給されたプラズマガスは、溶接トーチ１の先端から噴出される。

シールドノズル４は、シールドガスの噴出方向を規定するためのものである。シールドノズル４は、プラズマ電極３を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。シールドノズル４とプラズマ電極３との間には、隙間が設けられている。

プラズマ電極３とシールドノズル４との隙間には、シールドガスボンベ（シールドガス供給手段）８２からシールドガスが供給される。このシールドガスは、たとえばＡｒ、Ｈｅなどの不活性ガスであり、溶接箇所が酸化されることを防止するためのものである。プラズマ電極３とシールドノズル４との隙間に供給されたシールドガスは、シールドノズル４によって、溶接トーチ１の中心軸から大きく広がらないように噴出される。

プラズマ電源５は、コンタクトチップ２とプラズマ電極３との隙間に供給されたプラズマガスをプラズマ化することによりプラズマアークを生じさせるために必要な電力を供給するための電源である。プラズマ電源５は直流電源であり、その陽極がプラズマ電極３に、その陰極がコンタクトチップ２に、それぞれ接続されている。本実施形態においては、プラズマ電源５の仕様は、出力電圧が７０Ｖ程度、定格電流が３００Ａ程度とされている。

ＭＩＧ電源６は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの間にＭＩＧアークを発生させるために必要な電力を供給するための電源である。ＭＩＧ電源６は直流電源であり、その陽極がコンタクトチップ２に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。本実施形態においては、ＭＩＧ電源６の仕様は、出力電圧が８０Ｖ程度、定格電流が３５０Ａ程度とされている。

ワイヤ供給手段７は、溶接トーチ１に向けてワイヤＷを供給するためのものである。本実施形態においては、ワイヤ供給手段７は、モータ（図示略）と、このモータによって駆動される１対のローラとによって構成されている。ワイヤ供給手段７によるワイヤＷの供給速度は、プラズマ電源５およびＭＩＧ電源６による投入電力に応じて制御可能とされている。ワイヤＷの材質としては、たとえばＦｅ、Ａｌなどを用いればよい。

溶接装置Ａによる溶接は、たとえばワイヤＷを溶接対象材Ｐに接触させた状態においてＭＩＧ電源６からの電力投入により初期ＭＩＧアークを発生させた後に、徐々にワイヤＷを溶接対象材Ｐから離間させるとともにＭＩＧアークを安定させるスタート方式によって開始することができる。

次に、溶接装置Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、プラズマ電源５およびＭＩＧ電源６の双方から電力が供給されている状態においては、プラズマ電極３の電位が最も高く、コンタクトチップ２およびワイヤＷ、溶接対象材Ｐの順に電位が低くなっている。このため、プラズマ電極３からの電流は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの双方に向かうこととなる。たとえば、図２に示した従来技術による構成において、プラズマ電源９３の陽極をプラズマ電極９１ｂに、陰極を溶接対象材Ｐに、それぞれ接続した場合、プラズマ電極９３からの電流はすべて溶接対象材Ｐに向かう。本実施形態においては、プラズマ電極９１ｂからの電流の一部がワイヤＷに向かうことにより、プラズマ電源５によって生じるプラズマアークを従来技術による構成と比べてワイヤＷ側に寄せることが可能である。これは、プラズマアークを溶接トーチ１の中心軸に向けて集中させることを意味し、溶接対象材Ｐの溶接箇所にプラズマアークをより確実に位置させるのに適している。したがって、溶接における溶け込み深さをさらに深くすることが可能であり、溶接速度の増加を図ることができる。

特に、本発明におけるプラズマ電源５の接続形態は、いわゆる非移行型と呼ばれるものであり、一般にプラズマを用いた切断用途に適用されている。この非移行型の接続形態は、プラズマ電源５によって生じたプラズマアークの広がりを抑えるのに適したものである。したがって、溶接の溶け込み深さを深くするのに好適である。また、ＭＩＧ電源６によるＭＩＧアークは、広がりを抑えられたプラズマアークによって囲われた格好となる。これにより、ＭＩＧアークによってワークＷの溶滴が溶接対象材Ｐに対して付着させられている部分を、このプラズマアークにより適切にシールドすることが可能である。この結果、いわゆるブローホールの発生を抑制することができる。さらに、非移行型の接続形態とすることにより、溶接対象材Ｐに陰極を接続するいわゆる移行型の接続形態とした場合と比べて、溶接対象材Ｐへの入熱量を小さくすることが可能である。したがって、溶接対象材Ｐの熱変形や熱影響部の発生を抑制することができる。

プラズマ電極３からの電流のうちワイヤＷに向かう電流は、ワイヤＷを溶融させるエネルギーとして利用される。これにより、ＭＩＧ電源６による電力のみが投入された場合と比べて、ワイヤＷ先端の温度を上昇させることができる。ワイヤＷの溶滴の温度が高いほど、この溶滴の表面張力が小さくなる。このような溶滴は、ワイヤＷから溶接対象材Ｐに向けて離脱しやすいため、溶接対象材Ｐの溶接箇所以外の部分にスパッタとなって不当に飛散するおそれが少ない。したがって、溶接装置Ａによる溶接ビードの外観向上を図ることができる。

以上述べたように、本発明に係る溶接装置Ａによれば、溶接速度の増加と溶接ビードの外観向上とを図ることが可能であり、溶接深さを深くすることも可能である。このような溶接装置Ａは、軟鋼をはじめ、高合金鋼、アルミニウム合金などからなる溶接対象材Ｐの溶接に用いることができる。

本発明に係る溶接装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る溶接装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明におけるプラズマ電極は、チャネルを有することにより直接水冷される構造に限定されず、たとえば間接的に水冷される構造としてもよい。ＭＩＧ電源は、たとえばパルス電圧を印加する構成であってもよい。

本発明に係る溶接装置の一例を示す要部断面図である。 従来の溶接装置の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ 溶接装置
Ｐ 溶接対象材
Ｗ ワイヤ
１ 溶接トーチ
２ コンタクトチップ
３ プラズマ電極
４ シールドノズル
５ プラズマ電源
６ ＭＩＧ電源
７ ワイヤ供給手段
８１ プラズマガスボンベ（プラズマガス供給手段）
８２ シールドガスボンベ（シールドガス供給手段）

Claims (1)

1. ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、
   上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、
   上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、
   上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給手段と、
   上記プラズマ電極および上記シールドノズルの隙間にシールドガスを供給するシールドガス供給手段と、
   一方の電極が上記コンタクトチップに導通し、他方の電極が溶接対象材に導通するＭＩＧ電源と、
   少なくとも一方の電極が上記プラズマ電極に導通するプラズマ電源と、
   を備える溶接装置であって、
   上記ＭＩＧ電源は、陽極が上記コンタクトチップに導通し、陰極が上記溶接対象材に導通しており、
   上記プラズマ電源は、陽極が上記プラズマ電極に導通し、陰極が上記コンタクトチップに導通していることを特徴とする、溶接装置。

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