JP2009241142A - プラズマアーク肉盛溶接装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】能率、溶接部の健全性および低希釈率を同時に満足できるプラズマアーク肉盛溶接装置および方法を提供する。
【解決手段】電極５５と母材２との間にプラズマアークＡを発生させると共に、そのプラズマアークＡに溶接ワイヤ２７を供給して、上記母材２の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置１において、上記溶接ワイヤ２７に摺接する一対の加熱電極７４と、それら一対の加熱電極７４に電流を流して上記溶接ワイヤ２７を上記プラズマアークＡに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源７５とを備えたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、電極と母材との間に発生させたプラズマアークに溶接ワイヤを供給して母材の表面に肉盛溶接を施すための装置および方法に関するものである。

従来、鋼材などの母材の耐食性や耐摩耗性を高めるために、母材の表面に合金などを肉盛溶接することが行われている。

例えば、ＰＷＲ型軽水炉の蒸気発生器では、上下逆さのＵ字形に配置された伝熱管の両端が取り付けられる管板（母材）に、耐食性合金が肉盛溶接される（例えば、特許文献１参照）。

肉盛溶接方法としては、エレクトロスラグ溶接（ＥＳＷ）や、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）や、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）などが知られている。

しかし、上述の肉盛溶接方法は、能率（単位時間あたりに溶接される溶接部の重量）、溶接健全性（ＰＴ検査などによる欠陥がないこと）および希釈率（希釈率は低いほどよい）の３つを同時に満足させることが困難であった。

具体的には、エレクトロスラグ溶接は、能率と希釈率とは良好なものの溶接健全性が悪い。ガスメタルアーク溶接は、能率と希釈率とが良好でなく溶接健全性が悪い。ガスタングステンアーク溶接は、溶接健全性は良好なものの、希釈率が良好でなく、能率が悪かった。

ここで、上述の肉盛溶接方法に比べて能率、溶接健全性および希釈率が良好な溶接方法として、プラズマアーク溶接がある。

プラズマアーク肉盛溶接は、作動ガスが流される拘束ノズル内に設けられた電極と、母材との間でプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークに溶接材料である溶接ワイヤを供給して溶融させ、母材の表面に溶け込ませるものである。

特開平１１−１７００８４号公報

しかしながら、プラズマアーク肉盛溶接には、以下のような問題があった。

上述したように、プラズマアーク肉盛溶接では、プラズマアークの熱エネルギーにより、溶接ワイヤおよび母材表面を一部を溶かしているが、プラズマアークのエネルギーが大きいと、母材表面の溶融量が多くなり希釈率が高くなってしまう。

他方、プラズマアークのエネルギーが小さいと、希釈率は小さくなるものの、溶接ワイヤの溶融量が不足して、溶接部の健全性が悪化してしまうという問題があった。

このように従来、プラズマアーク肉盛溶接でも、能率、溶接健全性および低い希釈率を高い次元で満足することは困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、能率、溶接部の健全性および低希釈率を同時に満足できるプラズマアーク肉盛溶接装置および方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源とを備えたものである。

好ましくは、上記プラズマアークに、同時に複数の溶接ワイヤが供給され、各溶接ワイヤごとに上記一対の加熱電極が各々設けられたものである。

上記目的を達成するために本発明は、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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接方法において、上記溶接ワイヤに一対の加熱電極を摺接させると共に、それら一対の加熱電極に電流を流して、上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するものである。

上記目的を達成するために本発明は、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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記溶接ワイヤの先端部を長手方向に摺動可能に保持するワイヤガイドと、そのワイヤガイドを支持すると共に該ワイヤガイドを介して上記溶接ワイヤの先端の狙い位置を調節する調節機構と、その調節機構から離間して配置され該調節機構を駆動するための駆動モータと、その駆動モータから上記調節機構に動力を伝達するための動力伝達機構とを備えたものである。

上記目的を達成するために本発明は、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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記プラズマアークによる溶接部を覆うと共にシールドガスが導入されるシールドボックスと、そのシールドボックスに形成された窓部と、その窓部に対向すると共に該窓部に対し所定の角度で傾斜するミラーと、上記シールドボックスから離間して配置され上記ミラーを介して上記シールドボックス内を撮影する溶接可視化カメラと、その溶接可視化カメラにより撮影された映像を表示するための監視モニタとを備えたものである。

上記目的を達成するために本発明は、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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記母材の上方に設けられ該母材との距離を測定するための高さ測定手段と、その高さ測定手段および上記電極を、上記母材に対して上下方向に移動させる移動手段と、その移動手段を上記高さ測定手段の検出値に基づき制御する高さ倣い制御手段とを備えたものである。

好ましくは、上記高さ倣い制御手段は、上記高さ測定手段により検出された上記高さ測定手段と上記母材との間の距離、および上記高さ測定手段と上記電極との間の距離から上記プラズマアークのアーク長を求め、該アーク長を目標アーク長に保つべく、上記移動手段を制御するものである。

本発明によれば、能率、溶接部の健全性および低希釈率を同時に満足するプラズマアーク肉盛溶接を施工できるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のプラズマアーク肉盛溶接装置は、例えば、ＰＷＲ型軽水炉の蒸気発生器の管板（チューブシート）を対象とし、伝熱管取付穴を形成前の管板に、耐食性合金をプラズマアーク溶接により耐食性肉盛溶接するために適用される。

例えば、管板（以下、母材という）は、鋼材（低合金鋼）からなり、肉盛溶接される耐食性合金は、高ニッケル基合金（インコネル（登録商標）など）からなる。

本実施形態では、母材は、直径が数ｍ程度の表面がフラットな円板であり、その円板の端面に、周方向に沿って肉盛溶接を行う。

以下の説明において、上下方向とは、肉盛溶接をする母材の表面に垂直な方向をいい、図例では、鉛直方向である。前後方向とは、溶接進行方向および逆方向であり、図例では、母材の周方向である。左右方向とは、溶接進行方向に向かっての左右方向をいう。

図１に基づき、プラズマアーク肉盛溶接装置の概略構造を説明する。

プラズマアーク肉盛溶接装置１は、母材２が載置されるターンテーブル３と、そのターンテーブル３の上方に配置され母材２の上面に肉盛溶接を施すための溶接ヘッド４と、その溶接ヘッド４を移動、位置決めするためのマニプレータ５と、それらターンテーブル３およびマニプレータ５（溶接ヘッド４）から離れた位置に設けられ、溶接ヘッド４に各種ケーブル類（電力ケーブル、制御ケーブルなど）およびホース類（水冷ホース、ガスホースなど）で接続された遠隔操作設備７とを備える。

ターンテーブル３は、鉛直軸回りに回転可能なテーブル本体１１と、そのテーブル本体１１を回転駆動するテーブル駆動手段１２とを備え、テーブル駆動手段１２によりテーブル本体１１とそのテーブル本体１１上の母材２とが溶接ヘッド４に対して周方向に相対移動する。

マニプレータ５は、ターンテーブル３の側方に設けられ上下に延びる支柱１５と、その支柱１５に水平方向および上下方向に移動可能に設けられると共に、支柱１５からターンテーブル３の上方まで延びて先端に溶接ヘッド４が取り付けられたブーム１６とを備える。図例では、ターンテーブル３の側方にブーム１６の長手方向とほぼ直交してレール１７が敷設され、そのレール１７上に配置された台車１８の上に支柱１５が設けられる。

支柱１５には、ブーム１６（および溶接ヘッド４）を上下方向に移動させ、かつ長手方向に沿って移動させるブーム昇降送出し手段２０とが設けられる。そのブーム昇降送出し手段２０により、溶接ヘッド４がターンテーブル３本体および母材２に対して、母材２の径方向（溶接の左右方向）に相対移動する。

図２に示すように、溶接ヘッド４は、プラズマアーク溶接トーチ２５と、そのプラズマアーク溶接トーチ２５に溶接ワイヤ（溶材）２７を供給するためのワイヤフィーダ２６と、そのワイヤフィーダ２６からの溶接ワイヤ２７を予熱するためのホットワイヤ機構２８（図３参照）の後述する溶接用ワイヤ給電加熱部７４と、プラズマアークに対する溶接ワイヤ２７の先端の狙い位置を調節するためのワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９と、溶接部の状態を監視するため溶接モニタリング装置３０（図４参照）の後述する溶接可視化カメラ９１と、プラズマアーク溶接トーチ２５を上下方向に移動させてアーク長を一定に保つための高さ倣い機構（図５参照）の後述するＣＣＤレーザー変位計４０および上下スライド装置４１と、プラズマアーク溶接トーチ２５を左右方向に往復動（移動）させるための左右オシレート機構３２と、これらの各種装置類を保持するための複数のフレーム３５−３８とで構成される。

詳しくは後述するが、本実施形態では、プラズマアークに対して溶接進行方向の左右両側から溶接ワイヤ２７、２７が各々供給され、それら左右の各溶接ワイヤ２７、２７に対応して、上述のワイヤフィーダ２６、溶接用ワイヤ給電加熱部７４およびワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９とが各々設けられる。

高さ倣い機構３１は、母材２の上方に設けられ母材２との距離を測定するためのＣＣＤレーザー変位計（高さ測定手段）４０と、そのＣＣＤレーザー変位計４０およびプラズマアーク溶接トーチ２５を、母材２に対して上下方向に移動させる上下スライド装置（移動手段）４１と、その上下スライド装置４１をＣＣＤレーザー変位計４０の検出値に基づき制御する高さ倣い制御手段をなす溶接条件制御装置４２（図１参照）とを備える。

上下スライド装置４１は、例えば、電動スライダで構成され、ブーム１６からターンテーブル３側に延びる取付フレーム３５に、その取付フレーム３５のほぼ中央部から下方に延びるスライダ支持フレーム３６を介して取り付けられる。

具体的には、上下スライド装置４１は、スライダ支持フレーム３６に取り付けられ上下方向に延びる縦リニアガイド４３と、その縦リニアガイド４３に案内され上下方向に移動可能な昇降スライダ４４と、その昇降スライダ４４を駆動するための昇降スライダ駆動モータ４５（例えば、電動サーボモータ）とを有する。

昇降スライダ４４には、ＣＣＤレーザー変位計４０と、左右オシレート機構３２とが取り付けられ、左右オシレート機構３２の後述するトーチ支持フレーム３７にプラズマアーク溶接トーチ２５が支持される。

ＣＣＤレーザー変位計４０は、母材２の上面（被肉盛溶接面）にレーザー光を照射する発光部と、母材２で反射したレーザー光を検出する受光部（ＣＣＤ）とを有する（図示せず）。ＣＣＤレーザー変位計４０は、レーザー光が、プラズマアーク溶接トーチ２５、溶接可視化カメラ９１などに遮られることなく、母材２の表面に到達するように、昇降スライダ４４から前方に延出する支持部材（図示せず）により、プラズマアーク溶接トーチ２５（および溶接可視化カメラ９１）よりも溶接進行方向の前方に配置される。

これらＣＣＤレーザー変位計４０および上下スライド装置４１には、図示しない冷却通路が設けられている。

溶接条件制御装置４２（高さ倣い制御手段）は、ＣＣＤレーザー変位計４０により検出された、ＣＣＤレーザー変位計４０（受光部）と母材２間の距離から、ＣＣＤレーザー変位計４０（受光部）とプラズマアーク溶接トーチ２５間の距離を引いて、プラズマアークＡのアーク長を算出し、その算出されたアーク長を目標アーク長に保つべく、上下スライド装置４１を制御して、プラズマアーク溶接トーチ２５（電極）の高さを制御する。

図５に示すように、溶接条件制御装置４２は、ＣＣＤレーザー変位計４０と上下スライド装置４１の昇降スライダ駆動モータ４５とに各々接続され、ＣＣＤレーザー変位計４０から高さ計測値信号（検出値）が入力されると共に、昇降スライダ駆動モータ４５に上下スライド信号（制御信号）を出力する。

左右オシレート機構３２は、プラズマアーク溶接トーチ２５を、溶接進行方向に対して左右方向に、溶接条件に応じて設定されるオシレート幅で往復動するものであり、例えば、電動スライダなどで構成される。

具体的には、左右オシレート機構３２は、昇降スライダ４４に取り付けられ左右方向に延びる横リニアガイド（図示せず）と、その横リニアガイドに案内され左右方向に移動可能な横行スライダ５２と、その横行スライダ５２を駆動するための横行スライダ駆動モータ５３（例えば、電動モータ）とを有する。

横行スライダ５２には、下方に延びるトーチ支持フレーム３７が設けられ、そのトーチ支持フレーム３７の先端にプラズマアーク溶接トーチ２５が取り付けられる。

図３に示すように、プラズマアーク溶接トーチ２５は、電極（タングステン電極）５５と、その電極５５を囲繞するノズル５６とを備える。ノズル５６は、二重の筒状に形成され、内筒内に電極５５を収容し、内筒と電極５５との間には、作動ガスが供給され、内筒と外筒との間にはシールドガスが供給される。また、ノズル５６には、ノズル５６や電極５５を冷却するための冷却媒体が流通する冷却通路が形成される（図示せず）。

ノズル５６の先端（下端）は、プラズマ（作動ガス）が噴出する噴出口が形成され、その噴出口からのプラズマにより電極５５と母材２との間にプラズマアークＡが形成される。

そのプラズマアークＡによる溶接部が、シールドボックス６０により覆われる。

シールドボックス６０は、プラズマアーク溶接トーチ２５が貫通する上面６１と、その上面６１から下方に母材２の上面近傍まで延びプラズマアーク溶接トーチ２５の先端部を囲繞する側面６２とを有し、下端（下面）が開放される。

このシールドボックス６０内には、プラズマアーク溶接トーチ２５からのシールドガスが導入され、溶接部が外気から遮断される。

図４に示すように、シールドボックス６０の前側の側面６２には、溶接ワイヤ２７の狙い位置や溶接部の状態などを監視、観察するための窓部６４が形成される。窓部６４は、例えば、耐熱性を有する透明な材料（耐熱ガラスなど）で形成される。

図３に戻り、シールドボックス６０の左右の側面６２、６２には、溶接ワイヤ２７が挿通するワイヤ貫通穴（図示せず）が各々形成され、各ワイヤ貫通穴を通りシールドボックス６０内にワイヤフィーダ２６からの溶接ワイヤ２７が送り込まれる。

ワイヤフィーダ２６は、溶接進行方向の左右に各々設けられる。ワイヤフィーダ２６は、溶接ワイヤ２７が巻き付けられたリール７０と、そのリール７０からシールドボックス６０内（プラズマアークＡ）に向けて溶接ワイヤ２７を送り出す溶接用ワイヤ送給装置７１とを有する。

溶接用ワイヤ送給装置７１は、溶接ワイヤ２７を挟み込む一対の送り出しローラ７２、７２を有し、その送り出しローラ７２、７２により溶接ワイヤ２７を矯正しつつ送り出す。

図例では、図２に示すように、取付フレーム３５の両端に上方に延びるワイヤ支持フレーム３８、３８が各々設けられ、各ワイヤ支持フレーム３８の上端にリール７０が回転自在に支持され、下端に溶接用ワイヤ送給装置７１が取り付けられる。

ホットワイヤ機構２８（図３参照）は、溶接ヘッド４側に設けられワイヤフィーダ２６から送られる溶接ワイヤ２７に摺接（接触）する一対の溶接用ワイヤ給電加熱部（加熱電極）７４、７４と、遠隔操作設備７側に設けられ一対の溶接用ワイヤ給電加熱部７４、７４（および溶接用ワイヤ給電加熱部７４の間の溶接ワイヤ２７）に電流を流して溶接ワイヤ２７をプラズマアークＡに供給する前に予め抵抗加熱する溶接用ワイヤ加熱電源７５とを備える。

図例では、プラズマアークＡに、同時に左右から２系統で溶接ワイヤ２７が供給され、各溶接ワイヤ２７の各系統ごとに、一対の溶接用ワイヤ給電加熱部７４、７４および溶接用ワイヤ加熱電源７５が設けられる。

溶接用ワイヤ給電加熱部７４は、溶接ワイヤ２７を囲う筒状に形成され、内周面の一部（もしくは全部）が溶接ワイヤ２７に摺接して溶接ワイヤ２７に給電する。図例の溶接用ワイヤ給電加熱部７４は、トーチ支持フレーム３７の下端に支持された筒状のハウジング７６（図２参照）内に、溶接ワイヤ２７の長手方向に所定の間隔を隔てて収容される。

図１に示すように、溶接用ワイヤ加熱電源７５は、遠隔操作設備７に各々配置される。溶接用ワイヤ加熱電源７５は、溶接用ワイヤ給電加熱部７４に、プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６を介して各々接続され、プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６に組み込まれた溶接条件制御装置４２により、給電のＯＮ・ＯＦＦや電流が制御される。

図２に戻り、ワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９は、溶接ワイヤ２７の先端部を長手方向に摺動可能に保持するワイヤガイド８０と、そのワイヤガイド８０を支持すると共にワイヤガイド８０を介して溶接ワイヤ２７の先端の狙い位置を調節する調節機構８１と、その調節機構８１から上方に離間して配置され調節機構８１を駆動するための駆動モータ８２と、その駆動モータ８２から調節機構８１に動力を伝達するための動力伝達機構８３とを備える。

ワイヤガイド８０は、溶接ワイヤ２７の先端部を囲繞する筒状に形成され、内周面を溶接ワイヤ２７の先端部に摺接させて案内する。

本実施形態では、筒状のワイヤガイド８０の一端がシールドボックス６０のワイヤ貫通穴に嵌め合わされ、その一端を中心に回動可能に支持される。例えば、シールドボックス６０のワイヤ貫通穴が、ワイヤガイド８０の外径よりも大径に形成されており、そのワイヤ貫通穴内に、ワイヤ貫通穴とワイヤガイド８０との間をシールするパッキン（図示せず）が設けられる。

調節機構８１は、トーチ支持フレーム３７に取り付けられてワイヤガイド８０を支持する。調節機構８１は、ワイヤガイド８０を、シールドボックス６０側の端部を中心に上下方向（図４のＹ方向）および前後方向（溶接進行方向、図４のＸ方向）に回動させる。調節機構８１は、例えば、ギヤ機構やピニオンラック機構で構成される。

駆動モータ８２は、例えば電動サーボモータで構成され、ワイヤ支持フレーム３８に取り付けられる。

駆動モータ８２は、遠隔操作設備７のプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６に接続され、そのプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６から制御信号（駆動モータ制御信号）が入力される。

動力伝達機構８３は、駆動モータ８２から下方に調節機構８１まで延び、それら駆動モータ８２と調節機構８１とに各々連結される。動力伝達機構８３は、駆動モータ８２の回転（トルク）を調節機構（ギヤ機構）８１に伝達するマルチリンクやフレキシブルシャフトなどで構成される。

図４に示すように、溶接モニタリング装置３０は、シールドボックス６０の窓部６４に対向すると共に窓部６４に対し所定の角度で傾斜するミラー９０と、シールドボックス６０から上方に離間して配置されミラー９０を介してシールドボックス６０内を撮影する溶接可視化カメラ９１と、遠隔操作設備７側に設けられ溶接可視化カメラ９１により撮影された映像を表示するための監視モニタ９３と備える。

ミラー９０は、溶接可視化カメラ９１の下方に支持部材９４を介して取り付けられ、シールドボックス６０の窓部６４の前方に配置される。ミラー９０は、窓部６４に臨む鏡面を有し、窓部６４の像（光）を上方に反射するように前後に傾斜する。

溶接可視化カメラ９１は、トーチ支持フレーム３７に取り付けられ、プラズマアークＡの熱影響を受けないように、溶接部（シールドボックス６０）から上方に離間して配置される。溶接可視化カメラ９１には、冷却媒体が供給される図示しない水冷ジャケットが形成される。溶接可視化カメラ９１は監視モニタ９３に接続され、その監視モニタ９３に画像信号を出力する。

監視モニタ９３は、遠隔操作設備７のプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６に組み込まれる。監視モニタ９３は、溶接可視化カメラ９１からの画像信号を表示する液晶ディスプレイなどからなる。ここで、本実施形態では、溶接可視化カメラ９１の画像が鏡像となることから、監視モニタ９３は、溶接可視化カメラ９１により撮影される映像を鏡像反転して表示する。

図１に示すように、遠隔操作設備７において、１０１はプラズマアーク溶接電源、１０２はプラズマアークパイロット電源、７５は溶接用ワイヤ加熱電源、１０３は溶接用ガスボンベ、１０４は冷却装置、１０５はターンテーブル３およびマニプレータ５を制御するためのターンテーブル・マニプレータ操作盤、１０６はプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤、１０７はターンテーブル・マニプレータ操作盤１０５およびプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６が載置された架台である。

プラズマアーク溶接電源１０１は、電力ケーブルにより母材２とプラズマアーク溶接トーチ２５の電極５５とに接続されプラズマアークのための電力を供給する。プラズマアークパイロット電源１０２は、電力ケーブルによりプラズマアーク溶接トーチ２５の電極５５およびノズル５６に接続され、それら電極５５およびノズル５６間に発生するパイロットアークのための電力を供給する。

溶接用ガスボンベ１０３は、ガスホースによりプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６を介してプラズマアーク溶接トーチ２５に接続され作動ガスおよびシールドガスを供給する。作動ガスおよびシールドガスの流量は、プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６内の溶接条件制御装置４２により制御、調整される。

冷却装置１０４は、プラズマアークの輻射熱による溶接ヘッド４の機器類の破損を防止すべく、溶接ヘッド４に冷却水を供給、循環させる。具体的には、冷却装置１０４は、プラズマアーク溶接トーチ２５の冷却通路、溶接可視化カメラ９１の水冷ジャケット、シールドボックス６０の冷却通路、高さ倣い機構３１、ホットワイヤ機構２８などに水冷ホースにより接続される。なお、冷却装置１０４が供給する冷却媒体は、冷却水に限定されず、他の液体や気体（空気など）でもよく、機器ごとに異なる冷却媒体を使用してもよい。

プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６は、各種溶接条件（アーク電圧、ガス流量、ワイヤ送給速度など）を制御するための溶接条件制御装置４２（コンピュータ）、ワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９の駆動モータ８２を操作するための操作具（ボタンなど、図示せず）および溶接モニタリング装置３０の監視モニタ９３などで構成される。

次に、本実施形態のプラズマアーク肉盛溶接装置１によるプラズマアーク肉盛溶接方法を説明する。

図３に示すように、本実施形態のプラズマアーク肉盛溶接方法は、電極５５と母材２との間にプラズマアークＡを発生させると共に、そのプラズマアークＡに溶接ワイヤ２７を供給して、母材２の表面に肉盛溶接を施すものであり、溶接ワイヤ２７に一対の溶接用ワイヤ給電加熱部７４を摺接させると共に、それら一対の溶接用ワイヤ給電加熱部７４に電流を流して、溶接ワイヤ２７をプラズマアークＡに供給する前に予め抵抗加熱する。

本実施形態では、円板状の母材２に周方向に沿って肉盛溶接を行うと共に、所望の組成の溶着金属が得られるまで、多層溶接する。

具体的には、まず、プラズマアークパイロット電源１０２によりプラズマアーク溶接トーチ２５の電極５５とノズル５６と間に電気を流す共にノズル５６に作動ガスを流し、さらに、プラズマアーク溶接電源１０１により電極５５と母材２との間に電気を流して、電極５５と母材２間にプラズマアークＡを発生させる。

その発生させたプラズマアークＡに、左右２系統のワイヤフィーダ２６から溶接ワイヤ２７を各々同時に供給し、溶接ワイヤ２７と母材２の表面とを溶融させて溶着金属Ｍを形成する。また、溶接は、プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６の溶接条件制御装置４２にて設定された条件にて施工する。

ここで、本実施形態では、ホットワイヤ機構２８の溶接用ワイヤ加熱電源７５により溶接用ワイヤ給電加熱部７４に電気を流して、プラズマアークＡに供給される左右の溶接ワイヤ２７を各々予め加熱する。

このように、ホットワイヤ機構２８により溶接ワイヤ２７を予め加熱しておくことで、溶接ワイヤ２７は溶融し易くなる。そのため、プラズマアークＡの強さは、ホットワイヤ機構２８の加熱を行わない場合に比べて、弱く設定されることになる。つまり、ホットワイヤ機構２８により、溶接ワイヤ２７を溶融するための補助的な熱エネルギーを付与することで、プラズマアークＡに必要とされる熱エネルギーが小さくなる。

そのため、プラズマアークＡにより溶融する母材２の量が減少し、肉盛溶接の希釈率は、溶接ワイヤ２７を加熱しない場合に比べて低く抑えられる。

このように、本実施形態によれば、ホットワイヤ機構２８により溶接ワイヤ２７を加熱することで、溶接ワイヤ２７を確実に溶融させつつも、低い希釈率で肉盛溶接を行うことができる。その結果、多層溶接における溶接パス数が減少し、肉盛溶接にかかる作業時間、コストの低減を図ることができる。

次に、図５に基づき高さ倣い機構３１の動作について説明する。

プラズマアーク肉盛溶接を行う際に、母材２の表面の凹凸がある場合には、その凹凸により母材２とプラズマアーク溶接トーチ２５（電極５５）との距離が変化してしまい、プラズマアークＡのアーク長が変化してしまうことになる。

そこで、本実施形態の高さ倣い機構３１は、ＣＣＤレーザー変位計４０（レーザーセンサー）により間接的にアーク長を検出し、予め設定されたアーク長となるようにプラズマアーク溶接トーチ２５を自動的に調整する。

具体的には、図５に示すように、ＣＣＤレーザー変位計４０が、母材２との距離（高さ）を検出し、その検出値を高さ計測値信号として溶接条件制御装置４２に出力する。

溶接条件制御装置４２は、高さ計測値信号と、ＣＣＤレーザー変位計４０およびプラズマアーク溶接トーチ２５の電極５５の先端の相対距離から、プラズマアークＡのアーク長を求め、その求めたアーク長が、溶接条件制御装置４２に予め記憶された目標アーク長に一致するように、上下スライド装置４１に上下スライド信号を出力する。

上下スライド装置４１は、受け取った上下スライド信号を基に、ＣＣＤレーザー変位計４０およびプラズマアーク溶接トーチ２５（電極５５）を一体的に上昇または下降させる。

これにより、プラズマアーク肉盛溶接の施工時に、プラズマアークＡのアーク長を目標アーク長に保つことができ、アーク長のコントロールを自動化することができる。

ここで、従来、アーク長の自動コントロール方法として、ガスタングステンアーク溶接などを行う際にアーク電圧に基づきアーク長を一定に保持するＡＶＣ（アークボルテージコントロール）が知られている。しかし、ＡＶＣは、アーク長の変化に応じてアーク電圧が変化することを前提としているため、アーク長の変化がアーク電圧に反映され難いプラズマアーク溶接では、ＡＶＣを採用できない。そこで、本実施形態では、ＣＣＤレーザー変位計４０によりアーク長を検出するようにした。

また、図例では、ＣＣＤレーザー変位計４０が、プラズマアーク溶接トーチ２５よりも溶接進行方向の前方の計測位置にて、母材２との距離を検出する。つまり、ＣＣＤレーザー変位計４０の計測位置は、プラズマアーク溶接トーチ２５の現在位置よりも前方に位置し、溶接前の母材２の凹凸が予め検出されることになる。なお、溶接条件制御装置４２は、プラズマアーク溶接トーチ２５がＣＣＤレーザー変位計４０の計測位置に到達するのにかかる時間だけ、上下スライド装置４１の昇降を遅らせる。

これによれば、母材２の表面の凹凸によりプラズマアークＡのアーク長が変化する虞がある場合でも、実際に溶接が施される前に予めプラズマアーク溶接トーチ２５の高さを変えるので、アーク長を常に一定に保つことができる。

次に、図６に基づきワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９および溶接モニタリング装置３０の動作について説明する。

本実施形態では、溶接可視化カメラ９１により溶接状況を監視すると共に、ワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９により、左右２系統で供給される溶接ワイヤ２７ーを各々独立して操作し、プラズマアークＡに対するワイヤ供給位置を調節する。

具体的には、図６に示すように、溶接可視化カメラ９１が、ミラー９０およびシールドボックス６０の窓部６４を介して、プラズマアークＡに対する左右の溶接ワイヤ２７の位置を連続的に撮影し、その撮影した映像を画像信号として、監視モニタ９３に出力する。

監視モニタ９３は、受け取った画像信号を表示し、その監視モニタ９３の表示を見つつ溶接士がプラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６の操作具（図示せず）を手動操作する。その手動操作により、プラズマアーク肉盛溶接装置操作盤１０６から、ワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９の駆動モータ８２に駆動モータ制御信号が出力される。

駆動モータ８２は、受け取った駆動モータ制御信号に応じて作動し、その作動による駆動トルクが動力伝達機構８３を介してワイヤガイド８０に伝達される。これにより、ワイヤガイド８０を介して溶接ワイヤ２７の先端の狙い位置が溶接士の操作に基づき調整される。

ここで、本実施形態では、溶接可視化カメラ９１および駆動モータ８２を、発熱源であるプラズマアークＡ（シールドボックス６０）から上方に離間させているため、溶接可視化カメラ９１および駆動モータ８２の熱による損傷を防止することができる。その結果、ワイヤ狙い位置の遠隔操作を確実に行うことができる。

以上のように、本実施形態では、プラズマアーク溶接に、ホットワイヤ機構２８によるワイヤ加熱を組み合わせ、かつこれらを十分に活用した溶接施工条件を開発することで、能率、溶接部の健全性および低希釈率を同時に高い次元で満足するプラズマアーク肉盛溶接を施工することができる。

また、ワイヤ狙い位置遠隔操作機構２９、溶接モニタリング装置３０および高さ倣い機構３１を搭載することにより、肉盛溶接の遠隔操作化もしくは自動化が可能となり、作業性を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、プラズマアークに同時に２つの溶接ワイヤを供給したが、同時に供給する溶接ワイヤの数はこれに限定されず、１つでもまたは３つ以上でもよい。

図１は、本発明に係る一実施形態によるプラズマアーク肉盛溶接装置の概略全体構成図である。 図２は、本実施形態の溶接ヘッドの概略構成図である。 図３は、本実施形態のホットワイヤ機構の概略構成図である。 図４は、本実施形態の溶接モニタリング装置の概略構成図である。 図５は、本実施形態の高さ倣い機構の作動を説明するための図である。 図６は、本実施形態のワイヤ狙い位置遠隔操作機構および溶接モニタリング装置による遠隔操作の作動を説明するための図である。

符号の説明

１ プラズマアーク肉盛溶接装置
２ 母材
２７ 溶接ワイヤ
５５ 電極
７４ 溶接用ワイヤ給電加熱部（加熱電極）
７５ ワイヤ加熱電源
Ａ プラズマアーク

Claims (7)

1. 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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、
   上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源とを備えたことを特徴とするプラズマアーク肉盛溶接装置。
2. 上記プラズマアークに、同時に複数の溶接ワイヤが供給され、各溶接ワイヤごとに上記一対の加熱電極が各々設けられた請求項１記載のプラズマアーク肉盛溶接装置。
3. 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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接方法において、
   上記溶接ワイヤに一対の加熱電極を摺接させると共に、それら一対の加熱電極に電流を流して、上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱することを特徴とするプラズマアーク肉盛溶接方法。
4. 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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、
   上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記溶接ワイヤの先端部を長手方向に摺動可能に保持するワイヤガイドと、そのワイヤガイドを支持すると共に該ワイヤガイドを介して上記溶接ワイヤの先端の狙い位置を調節する調節機構と、その調節機構から離間して配置され該調節機構を駆動するための駆動モータと、その駆動モータから上記調節機構に動力を伝達するための動力伝達機構とを備えたことを特徴とするプラズマアーク肉盛溶接装置。
5. 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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、
   上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記プラズマアークによる溶接部を覆うと共にシールドガスが導入されるシールドボックスと、そのシールドボックスに形成された窓部と、その窓部に対向すると共に該窓部に対し所定の角度で傾斜するミラーと、上記シールドボックスから離間して配置され上記ミラーを介して上記シールドボックス内を撮影する溶接可視化カメラと、その溶接可視化カメラにより撮影された映像を表示するための監視モニタとを備えたことを特徴とするプラズマアーク肉盛溶接装置。
6. 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、そのプラズマアークに溶接ワイヤを供給して、上記母材の表面に肉盛溶接を施すプラズマアーク肉盛溶接装置において、
   上記溶接ワイヤに摺接する一対の加熱電極と、それら一対の加熱電極に電流を流して上記溶接ワイヤを上記プラズマアークに供給する前に予め抵抗加熱するワイヤ加熱電源と、上記母材の上方に設けられ該母材との距離を測定するための高さ測定手段と、その高さ測定手段および上記電極を、上記母材に対して上下方向に移動させる移動手段と、その移動手段を上記高さ測定手段の検出値に基づき制御する高さ倣い制御手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク肉盛溶接装置。
7. 上記高さ倣い制御手段は、上記高さ測定手段により検出された上記高さ測定手段と上記母材との間の距離、および上記高さ測定手段と上記電極との間の距離から上記プラズマアークのアーク長を求め、該アーク長を目標アーク長に保つべく、上記移動手段を制御する請求項６記載のプラズマアーク肉盛溶接装置。

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