JP2011251316A - アーク溶接方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アークの先端側のみを進行方向前方へ曲げることで、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることのできるアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供すること。
【解決手段】プラズマトーチ１０を用いてワークＷにアーク溶接を施すアーク溶接方法であって、プラズマトーチが進行する接合方向に対して直交する方向の磁場Ｂをワークの内部に生成し、プラズマトーチと前記ワークとの間に流れる電流Ｉと、磁場とに起因したローレンツ力Ｆにより、アークＡの先端側をプラズマトーチの進行方向前方へ曲げて溶接する。この場合、ワークの接合線の両側に、磁力がアークに及ぼす影響に比べてワークの内部に及ぼす影響がより大きくなる位置に電磁石２１を配置することによって、磁場を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク溶接方法およびアーク溶接装置に関する。詳しくは、プラズマアーク溶接方法およびプラズマアーク溶接装置に関する。

従来から、アーク溶接が知られている。アーク溶接では、アークトーチの送り速度が速くなると、アークが進行方向後方へ流れてワークに熱が入らない現象が発生する。
この現象を解消するため、例えば、図１１、図１２に示すように、アークトーチ１００のノズルの先端からワークＷに延びるアークＡに磁場（図１２にＢで示す）を作用させることにより、ローレンツ力Ｆ（図１２にＦで示す）を用いてアークＡを前方へ振らせる技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開昭６１−２０６５６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、図１２に示すように、ローレンツ力ＦがアークＡの上端から下端まで全域に作用するため、アークＡが根元側から進行方向前方へ曲がる。
すると、この曲がったアークＡがノズル自体を焼くことなり、ノズルの先端部が消耗していくため、先端部チップの交換頻度が上がる。
また、アークＡが根元側から前方へ曲がることで、アークＡがワークＷから浮いてしまい、入熱領域が浅くなるため、最終的に入熱量が低下する。

本発明は、アークの先端側のみを進行方向前方へ曲げることで、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることのできるアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供することを目的とする。

本発明のアーク溶接方法は、アークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０）を用いてワーク（例えば、後述のワークＷ）にアーク溶接を施すアーク溶接方法であって、前記アークトーチが進行する接合方向に対して直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）を前記ワークの内部に生成し、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）と、前記磁場とに起因したローレンツ力（例えば、後述のローレンツ力Ｆ）により、アーク（例えば、後述のアークＡ）の先端側を前記アークトーチの進行方向前方へ曲げて溶接する。

この発明によれば、ワークの内部に磁場を生成することにより、磁場が最も強い箇所はワークの内部であり、ワークから離れるにしたがって磁場は弱くなる。したがって、アークを曲げるローレンツ力は、ワークに近いほど強く、アークトーチに近いほど弱くなる。そのため、アークの先端側のみをアークトーチの進行方向前方へ曲げることができ、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることができる。

この場合、前記ワークの接合線の両側に、磁力がアークに及ぼす影響に比べて前記ワークの内部に及ぼす影響がより大きくなる位置に磁石（例えば、後述の電磁石２１）を配置することによって、前記磁場を生成することが好ましい。

この発明によれば、磁場をワークの内部に効果的に生成することができる。

本発明のアーク溶接装置は、ワーク（例えば、後述のワークＷ）にアーク溶接を施すアークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０）と、前記アークトーチが進行する接合方向に対して直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）であって、当該磁場と、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）とに起因したローレンツ力（例えば、後述のローレンツ力Ｆ）により、アーク（例えば、後述のアークＡ）の先端側を前記アークトーチの進行方向前方へ曲げる磁場を、前記ワークの内部に生成する磁場生成機構（例えば、後述の磁場生成部材２０）と、を備える。

この発明によれば、前記のアーク溶接方法の場合と同様の効果が得られる。

本発明によれば、アークの先端側のみを進行方向前方へ曲げることで、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置の斜視図である。 第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。 図２に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置の斜視図である。 第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの断面図である。 第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの第１ノズルの斜視図である。 第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの動作を説明するための斜視図である。 第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの動作を説明するための平面図である。 第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。 図９に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。 従来のプラズマアーク溶接装置の概略的正面図である。 図１１に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るアーク溶接装置としてのプラズマアーク溶接装置１の斜視図である。
プラズマアーク溶接装置１は、アークトーチとしてのプラズマトーチ１０と、磁場生成機構としての磁場生成部材２０と、支持フレーム３０と、を備える。

図２に示すように、プラズマトーチ１０は、棒状の電極１１と、この電極１１を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル１２と、この第１ノズル１２を囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル１４と、を備える。

第１ノズル１２の先端には、円形状の第１噴出口１３が形成されており、この第１噴出口１３を通して、プラズマガスが噴出する。
第２ノズル１４の先端には、円環形状の第２噴出口１５が形成されており、この第２噴出口１５を通して、シールドガスが噴出する。
第２ノズル１４の噴出口１５は、第１ノズル１２の噴出口１３よりも、電極１０の軸方向の先端側に位置している。

磁場生成部材２０は、アークＡの先端側をプラズマトーチ１０の進行方向前方へ曲げる磁場を、ワークの内部に生成する。
磁場生成部材２０がワークの内部に生成する磁場Ｂは、プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に対して直交する方向の磁場である。この磁場Ｂと、プラズマトーチ１０とワークＷとの間に流れる電流Ｉとに起因したローレンツ力Ｆにより、アークＡの先端側はプラズマトーチ１０の進行方向前方へ曲げられる。

磁場生成部材２０は、下端部に、磁石としての４つの電磁石２１を備える。これらの電磁石２１は、ワークＷ（１）とワークＷ（２）とを突き合わせ溶接する突き合わせ部の真上に位置するプラズマトーチ１０を中心にして、プラズマトーチ１０を囲むように、平面視で前後、左右に配置される。
すなわち、プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に向かって突き合わせ部の一側（例えば左側）には、Ｎ極の電磁石２１（Ｎ）が、接合方向の前後に２つ配置される。
プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に向かって突き合わせ部の他側（例えば右側）には、Ｓ極の電磁石２１（Ｓ）が、接合方向の前後に２つ配置される。

接合方向前方の電磁石２１（Ｎ）と電磁石２１（Ｓ）は、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する平面内で互いに対向して配置される。そのため、接合方向前方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場の方向Ｂは、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する。
同様に、接合方向後方の電磁石２１（Ｎ）と電磁石２１（Ｓ）は、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する平面内で互いに対向して配置される。そのため、接合方向後方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場の方向Ｂは、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する。

支持フレーム３０は、ワークＷの上面を保持するクランプ３１を備える。支持フレーム３０は、クランプ３１との間で、磁場生成部材２０の４つの電磁石２１、およびそれらの中心に位置するプラズマトーチ１０を支持する。
すなわち、支持フレーム３０によって、４つの電磁石２１は、その下端面が、クランプ３１の上面との間に微小な間隙を隔てる高さに支持される。
支持フレーム３０によって、プラズマトーチ１０は、その下端から延びるアークＡが、ワークＷの突き合わせ部を溶接する所定の高さに支持される。

各電磁石２１とプラズマトーチ１０との距離、および、各電磁石２１とクランプ３１との間隔は、各電磁石２１から発生される磁力が、プラズマトーチ１０のアークＡに実質的に影響を及ぼすことなく、クランプ３１を介してワークＷを励磁するように設定される。

次に、プラズマアーク溶接装置１を用いたプラズマアーク溶接について、図２および図３を参照しながら説明する。
具体的には、厚みが薄い板材であるワークＷ（１）と、ワークＷ（１）よりも厚みが厚い板材であるワークＷ（２）を突き合わせ溶接して、テーラードブランク材を形成する。

まず、４つの電磁石２１に通電して、接合方向前方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場を発生させるとともに、接合方向後方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場を発生させる。この磁場の方向Ｂ（図１参照）は、図２では紙面を左から右へ向かい、図３では紙面と直交して紙面の背後から手前へ向かう。
また、第１ノズル１２の第１噴出口１３からプラズマガスを噴出させつつ、電極１１とワークＷ（１）、Ｗ（２）との間に電圧を印加してアークＡを発生させる。また、第２ノズル１４の第２噴出口１５から、アークＡの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。

すると、アークＡを流れる電流の方向Ｉ（図１参照）と、ワークＷの突き合わせ部から漏れる磁場の方向Ｂ（図１参照）とに起因したローレンツ力Ｆ（図１参照）により、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向前方へ曲げられる。

この状態で、プラズマトーチ１０すなわちアークＡを接合方向に移動させると、十分な溶け込み深さを確保した溶融池Ｐが形成されながら、良好な溶接が行われる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）ワークＷの内部に磁場Ｂを生成することにより、磁場Ｂが最も強い箇所はワークＷの内部であり、ワークＷから離れるにしたがって磁場Ｂは弱くなる。したがって、アークＡを曲げるローレンツ力Ｆは、ワークＷに近いほど強く、プラズマトーチ１０に近いほど弱くなる。そのため、アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができる。
（２）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができるため、例えばアークＡが根元側から曲がる場合のように、アークＡがワークＷから浮いてしまうことがなく、深い入熱領域が得られる。そのため、十分な溶け込み深さを確保することができる。
（３）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げて、しかも十分な溶け込み深さを確保することができるため、アークＡの接合方向前方に十分な入熱量を確保することができる。そのため、溶接速度を向上させることができる。
（４）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができるため、例えばアークＡが根元側から曲がる場合のように、曲がったアークＡがノズル自体を焼いてしまうことがなく、ノズルにダメージを及ぼさない。そのため、ノズル先端部の消耗を低減することができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係るアーク溶接装置としてのプラズマアーク溶接装置２の斜視図である。このプラズマアーク溶接装置２において、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置１と同様の部分には、同一の符号を付けて示し、重複する説明は省略する。
プラズマアーク溶接装置２は、アークトーチとしてのプラズマトーチ４０と、磁場生成機構としての磁場生成部材２０と、支持フレーム３０と、を備える。

図５に示すように、プラズマトーチ４０は、棒状の電極４１と、この電極４１を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル４２と、この第１ノズル４２を囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル４７と、を備える。

第１ノズル４２の先端には、円形状の第１噴出口４３が形成されており、この第１噴出口４３を通して、プラズマガスが噴出する。
この第１ノズル４２は、筒状の内筒部４４と、この内筒部４４を囲んで設けられた外筒部４５と、を備える。

図６は、第１ノズル４２の外筒部４５の斜視図である。
外筒部４５の先端部分は、先端に向かうに従って細くなる略円錐形状であり、この外筒部４５の先端部分の外周面には、電極４１の軸方向に対して傾斜した複数の溝部４６が形成される。この溝部４６は、外筒部４５の先端まで延びている。

図５に戻って、第２ノズル４７の先端には、円環形状の第２噴出口４８が形成されており、この第２噴出口４８を通して、シールドガスが噴出する。
第２ノズル４７の噴出口４８は、電極４１から離れる方向に向いている。また、第２ノズル４７の噴出口４８は、第１ノズル４２の噴出口４３よりも、電極４１の軸方向の基端側に位置している。
また、上述の第１ノズル４２の溝部４６は、第２ノズル４７の噴出口４８まで延びている。

次に、プラズマアーク溶接装置２を用いたプラズマアーク溶接について、図７〜図１０を参照しながら説明する。
具体的には、厚みが薄い板材であるワークＷ（１）と、ワークＷ（１）よりも厚みが厚い板材であるワークＷ（２）を突き合わせ溶接して、テーラードブランク材を形成する。

まず、４つの電磁石２１に通電して、接合方向前方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場を発生させるとともに、接合方向後方の電磁石２１（Ｎ）から電磁石２１（Ｓ）へ向かう磁場を発生させる。この磁場の方向Ｂ（図４参照）は、図９では紙面を左から右へ向かい、図１０では紙面と直交して紙面の背後から手前へ向かう。
また、第１ノズル４２の第１噴出口４３からプラズマガスを噴出させつつ、電極４１とワークＷ（１）、Ｗ（２）との間に電圧を印加してアークＡを発生させる。また、第２ノズル４７の第２噴出口４８から、アークＡの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。

すると、シールドガスは、複数の溝部４６に沿って図７中白抜き矢印の方向に流れて、第２噴出口４８から噴出する。この噴出したシールドガスは、アークＡから離れる方向に拡がりながら、アークＡの表面に沿って螺旋状に流れて、溶融池Ｐの表面に対して、アークＡを回転中心として回転する方向すなわち図７中黒矢印方向に、吹き付けられる。
具体的には、図８に示すように、ワークＷ（１）、Ｗ（２）の８箇所にシールドガスが吹き付けられ、各箇所でのシールドガスの流れる方向は、図８中黒矢印で示すようになる。

この状態で、プラズマトーチ１０すなわちアークＡを接合方向に移動させると、溶融池Ｐは、図８に示すように、平面視でアークＡの前方および後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、アークＡの進行方向後側の図８中破線で囲まれた領域の溶融金属が、薄い方のワークＷ（１）に向かって押されて移動する。そして、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ（１）の母材の凹んだ部分が埋められる。

本実施形態によれば、上記の効果に加えて、以下のような効果がある。
（５）厚みの異なるワークＷ（１）、Ｗ（２）を溶接する場合、螺旋状に流れるシールドガスを溶融池Ｐの表面に吹き付けて、アークＡの進行方向後側の溶融金属を、薄い方のワークＷ（１）に向かって移動させることができる。これにより、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ（１）の母材の凹んだ部分を埋めることができる。その結果、薄い方のワークＷ（１）の板厚がアンダカットにより薄くなるのを抑制して、溶接後のワークＷの強度を確保できる。

（６）第２ノズル４７の噴出口４８を電極４１から離れる方向に向けたので、この第２ノズル４７からシールドガスを噴出させると、噴射されたシールドガスは、アークＡから離れる方向に拡がっていく。よって、シールドガスがアークＡに直接当たらないため、アークＡが乱れるのを防止でき、溶接が安定する。

（７）溝部４６を第２ノズル４７の第２噴出口４８まで延ばした。これにより、シールドガスの流量を少なくしても、プラズマガスを安定させつつ、溶融金属を確実に移動させることができる。

（８）第２ノズル４７の第２噴出口４８を、第１ノズル４２の第１噴出口４３よりも、電極４１の軸方向の基端側に位置させたので、シールドガスが直接アークＡに当たるのを防いで、アークＡが乱れるのを防止できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１……プラズマアーク溶接装置（アーク溶接装置）
１０…プラズマトーチ（アークトーチ）
２０…磁場生成部材（磁場生成機構）
Ａ…アーク
Ｂ…磁場
Ｉ…電流
Ｆ…ローレンツ力

Claims (3)

1. アークトーチを用いてワークにアーク溶接を施すアーク溶接方法であって、
   前記アークトーチが進行する接合方向に対して直交する方向の磁場を前記ワークの内部に生成し、
   前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流と、前記磁場とに起因したローレンツ力により、アークの先端側を前記アークトーチの進行方向前方へ曲げて溶接するアーク溶接方法。
2. 請求項１に記載のアーク溶接方法において、
   前記ワークの接合線の両側に、磁力がアークに及ぼす影響に比べて前記ワークの内部に及ぼす影響がより大きくなる位置に磁石を配置することによって、前記磁場を生成するアーク溶接方法。
3. ワークにアーク溶接を施すアークトーチと、
   前記アークトーチが進行する接合方向に対して直交する方向の磁場であって、当該磁場と、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流とに起因したローレンツ力により、アークの先端側を前記アークトーチの進行方向前方へ曲げる磁場を、前記ワークの内部に生成する磁場生成機構と、
   を備えるアーク溶接装置。

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