JP2012130933A

JP2012130933A - Ｔｉｇ溶接装置

Info

Publication number: JP2012130933A
Application number: JP2010284334A
Authority: JP
Inventors: Takashi Koike; 池孝小; Tadashi Hoshino; 野忠星; Masaki Togashi; 樫政樹富
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】ＴＩＧ溶接装置の小型化。ＴＩＧ溶接アーク起動用カップリングコイルをアーク起動の信頼性を向上しかつ小型化する。
【解決手段】外シールドキャップ１２，内シールドキャップ１０、および、電極棒４、を備える２重シールドＴＩＧ溶接トーチ；電極棒４と溶接対象材１７との間に溶接電力を供給する溶接電源２０；一端が内シールドキャップ１０に接続された２次コイル、を持つカップリングコイル２２；一端が電極棒４に、他端が前記２次コイルの他端に接続された第１カップリングコンデンサ２３；および、カップリングコイル２２の１次コイルに高周波電流を給電するための高周波発生器２１；を備える。さらに、一端が溶接対象材１７に、他端が前記２次コイルの他端に接続される第２カップリングコンデンサ２４；を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接装置に関し、特に、ＴＩＧ溶接アークの起動回路に関する。

特許文献１に記載のＴＩＧ溶接装置は、電極棒／母材（溶接対象材）間に溶接電力を給電する溶接電源と該電極棒との間に、カップリングコイルの２次コイルを介挿し、該カップリングコイルの１次コイルに高周波発生器から高周波電流を流す。これにより２次コイルに発生する高電圧高周波が、電極棒／母材間に高電圧放電を生じ、この放電が溶接アークを起動する。このＴＩＧ溶接装置の給電系統の概要を図４の（ａ）に示す。高周波発生器２１がカップリングコイルＣＣｐの１次コイルに高周波電流を通電すると、カップリングコイルＣＣｐの２次コイルに発生する高周波高電圧が、バイパスコンデンサＣｐを介して電極棒４／母材１７間に印加されて電極棒４／母材１７間に放電を生ずる。この放電により電極棒４／母材１７間空間が絶縁破壊し、すなわち導通状態となり、溶接電源２０から電極棒４／母材１７間に溶接電流（ＴＩＧアーク）が流れる。すなわち、カップリングコイルＣＣｐの２次コイルに発生する高周波高電圧が、ＴＩＧ溶接アークを起動する。カップリングコイルＣＣｐの２次コイルが溶接電源と電極棒との間に介挿されているので、該２次コイルには、大電流である溶接アーク電流（例えば３００Ａ，５００Ａ）が流れる。

亜鉛メッキ鋼板の溶接では、亜鉛が蒸発してノズルの先端に付着するので、これを防止するために、ＴＩＧトーチを２重シールド構造にして内シールドキャップ内に吹き込む内シールドガスをＨ_２を５〜１０パーセント含むものとすることが行われている。この２重シールドＴＩＧ溶接の、給電系統の概要を図４の（ｂ）に示す。１０ｐが内シールドキャップ、１２ｐが外シールドキャップであって、ＳＨ２がノズル先端への亜鉛蒸気の付着を防止する内シールドガス流、ＳＨ１が外シールドガス流である。これにおいても、カップリングコイルＣＣｐの２次コイルに発生する高周波高電圧が、バイパスコンデンサＣｐを介して電極棒４／母材１７間に印加されて電極棒４／母材１７間に放電を生ずる。この放電により、溶接アークが起動する。カップリングコイルＣＣｐの２次コイルにはやはり、大電流の溶接アーク電流（例えば３００Ａ，５００Ａ）が流れる。

特許文献２には、２重シールド構造のＴＩＧ溶接装置の外側シールドキャップを電離用の導電体とするか、絶縁体の外側シールドキャップの外周に電離用電極板を固着して、該電離用導電体又は電離用電極板と電極棒との間に高周波高電圧を印加して電界電離により溶接アークを起動するとの提案が記載されている（第６頁左下欄）。しかし、電極棒／外側シールドキャップ間の間隙が広いので、電界電離による溶接アークの起動は難しくアーク起動の信頼性が低いと考えられる。

特許第３６１８４３４号明細書特開昭５９−１２５２７１号公報

ＴＩＧ溶接アークを起動するためにＴＩＧ溶接装置に備える従来のカップリングコイルＣＣｐは、高周波発生器２１が与える高周波電流を高周波放電を起こすに十分な高電圧に昇圧するだけでなく、大電流のＴＩＧ溶接アーク電流が流れても十分に耐えられる高電流容量が必要であるので、太径のコイルを用いており、大型で高価である。また、近年は電源のインバータ化が進み小形化されてきたが、直流溶接電流が流れるカップリングコイルは小形化ができず、溶接電源全体の小形化の弊害になっていた。更に、着火用高周波放電を電極棒４と溶接対象材１７との間で直接放電させることから、電極棒先端の消耗変形や溶接対象材表面の汚れ等の影響で、高周波放電の飛び付きが悪くなり、アーク起動の失敗（着火ミス）で自動溶接ラインの生産性低下の要因となっている。

本発明はＴＩＧ溶接装置の小型化を目的とする。具体的には、ＴＩＧ溶接アークを起動する為に備えるカップリングコイルを、アーク起動の信頼性を損なうことなく小型化可能にすることを目的とする。

（１）外シールドガスが通流する内空間が中心部にある外シールドキャップ(12)，該外シールドキャップの内空間に、該外シールドキャップとの間に外シールドガスが通流する間隙を置いて配置された、内シールドガスが通流する電極挿通空間が中心部にある、導電性の内シールドキャップ(10)、および、該電極挿通空間の中心部を、該内シールドキャップとの間に内シールドガスが通流する間隙を置いて配置された電極棒(4)、を備える２重シールドＴＩＧ溶接トーチ；
前記電極棒(4)と溶接対象材(17)との間に溶接電力を供給するための溶接電源(20)；
一端が前記内シールドキャップ(10)に接続された２次コイル、を持つカップリングコイル(22)；
一端が前記電極棒(4)に、他端が前記２次コイルの他端に接続された第１カップリングコンデンサ(23)；および、
前記カップリングコイル(22)の１次コイルに高周波電流を給電するための高周波発生器(21)；
を備える２重シールドＴＩＧ溶接装置。

なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当要素の記号を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。

上記（１）によれば、高周波発生器(21)がカップリングコイル(22)の１次コイルに高周波電流を通電すると、カップリングコイル(22)の２次コイルに発生する高周波高電圧が、第１バイパスコンデンサ(23)を介して電極棒(4)／内シールドキャップ(10)間に印加されて両者間に放電を生ずる。この放電により両者間の空間が絶縁破壊し、図３の（ａ）に示すごとく最初に発生した高周波放電アーク３０は、それによって電離した内シールドガスの流れにしたがって３１〜３４と電極棒４の先端に運ばれ、また、図３の（ｂ），（ｃ）に示すごとく、高周波放電電流によって誘起される磁束φ１，φ２およびφ３の相対的な影響によって生ずる、トーチ先端側に向かうローレンツ力Ｆにより高周波放電アークがトーチ先端に移動する、という２つの効果によって高周波放電アークが溶接対象材(17)に接触し、電極棒先端と溶接対象材(17)との間の電離を介して、溶接電源(20)から電極棒(4)／溶接対象材(17)間に溶接電流（ＴＩＧアーク）が流れる。すなわち、カップリングコイル(22)の２次コイルに発生する高周波高電圧が、ＴＩＧ溶接アークを起動する。カップリングコイル(22)にはＴＩＧ溶接アーク電流は流れず、カップリングコイル(22)は、ＴＩＧ溶接アークを起動する高周波高電流は数百ｍＡしか流れず、２次コイルの導体は極細い電線でよいので小型にすることができる。また、導電体の内シールドキャップ(10)と電極棒(4)との間の間隙は狭く該間隙での対抗面の状態は長時間の高周波放電アークでも変化せず一定で、ＴＩＧ溶接アークを起動するときは、内シールドキャップ／電極棒(4)間に容易に高周波高電圧による放電を起こして該放電を長時間継続することができ、ＴＩＧ溶接アーク起動の信頼性が高い。

本発明の一実施例のＴＩＧ溶接装置の、縦断面図である。図１に示すＴＩＧ溶接装置の給電系統の概要を示す電気回路図である。（ａ）は図１に示す内シールドキャップ１０／電極棒４間に高周波高電圧が加わると発生する高周波放電アーク推移３０〜３４を示す拡大断面図、（ｂ）は内シールドキャップ１０／電極棒４間の高周波高電圧が電極棒４がプラスの期間のローレンツ力Ｆの方向を、（ｃ）はマイナスの期間の方向を、それぞれ示す。（ａ）は従来の代表的なＴＩＧ溶接装置の給電系統の概要を示す電気回路図、（ｂ）は従来の２重シールドＴＩＧ溶接装置の給電系統の概要を示す電気回路図である。

（２）前記第１カップリングコンデンサ(23)の前記他端と前記溶接対象材(17)との間に介挿される第２カップリングコンデンサ(24)；をさらに備える上記（１）に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。高周波放電アークが溶接対象材(17)に到達し接触した時に、第２カップリングコンデンサ(24)を介して内シールドキャップ(10)／溶接対象材(17)間に加わっている高周波高電圧が両者間放電を起こすので、ＴＩＧ溶接アーク起動がより確実になりＴＩＧ溶接アーク起動の信頼性がさらに向上する。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

図１に、本発明の一実施例のＴＩＧ溶接装置を示し、図２には、該ＴＩＧ溶接装置の給電系統の概要を示す。ＴＩＧ溶接トーチの本体ケース１には電極台２が固定されており、該電極台２に挿入された導電性チャック３が、電極棒４の上端部分を保持し固定している。該電極台２との間に絶縁ブッシュ５を挟んで、水路金具受け台６が、本体ケース１内に固定されている。水路金具受け台６には導電性の水路金具７が挿入され、受け台６にねじ込まれた袋ナット８で、受け台６に対して締付けて固定されている。

水路金具７には、センタリングストーン９を装着した導電性の内シールドキャップ１０が、センタリングストーン９の中心部貫通穴に電極棒４を通してから、ねじ込まれている。袋ナット８には外周面に雄ねじがあり、外シールドキャップ１２には該雄ねじに螺合する雌ねじがある。外シールドキャップ１２は、袋ナット８にねじ締めで固定され、シールドパッキング１１を締付けている。外シールドキャップ１２は導電体でも絶縁体でも良い。

上記構造において、外シールドキャップ１２の中心部の内空間に導電性の内シールドキャップ１０があり、該内シールドキャップ１０の中心部に電極挿通空間がありそこを電極棒４が貫通して電極棒４の先端が内シールドキャップ１０から突出して母材１７（溶接対象材）に対向する。

水路金具７は２重円筒形状であって、その中心部内空間を電極棒４が縦に貫通している。この空間には、内シールドガスパイプ１３から、内シールドガスが送り込まれる。この実施例では、ＴＩＧ溶接中の亜鉛蒸気のノズル（キャップ１０下端）への付着を防止するために、ＡｒにＨ_２を５〜１０パーセント加えた内シールドガスが、パイプ１３に供給される。この内シールドガスは内シールドキャップ１０とその中心位置にある電極棒４の間の空隙を通って、母材１７に向けて噴出する。

水路金具７の２重筒内の筒状空間は縦割りで２区分されており、一方の区画に、冷却水注入パイプ１４から冷却水が注入される。この冷却水は該一方の区画から他方の区画に流入し、該他方の区画から冷却水排水パイプ１５に流出する。

外シールドキャップ１２と、その中心の内シールドキャップ１０との間の間隙には、外シールドガスパイプ１６から外シールドガス（Ａｒ）が送り込まれ、この外シールドガスは、外シールドキャップ１２と内シールドキャップ１０との間の筒状空間（空隙）から母材１７に向けて噴出する。

カップリングコイル２２の２次コイルの一端に、導電性の水路金具７を通して導電性の内シールドキャップ１０が接続され、第１カップリングコンデンサ２３の一端が電極台２およびチャック３を通して電極棒４に接続され、第１カップリングコンデンサ２３の他端は、前記２次コイルの他端に接続されている。第２カップリングコンデンサ２４の一端は溶接対象材に接続される。第２カップリングコンデンサ２４の他端は、カップリングコイル２２の２次コイルの他端に接続されている。溶接電源２０のプラス出力端は母材１７に接続される。溶接電源２０のマイナス出力端は電極台２およびチャック３を通して電極棒４に接続されている。このような接続が、図２に示す給電回路を構成している。

高周波発生器２１がカップリングコイル２２の１次コイルに高周波電流を通電すると、カップリングコイル２２の２次コイルに発生する高周波高電圧が、第１バイパスコンデンサ２３を介して電極棒４／内シールドキャップ１０間に印加されて両者間に放電を生ずる。この高周波放電アークは、図３に示すように、内シールドガスの流れで電離ガスがトーチ先端に運ばれることと、電極棒４，電極棒４／内シールドキャップ１０間および内シールドキャップ１０を流れる電流に基づく磁束φ１〜φ３の相関干渉により発生するローレンツ力Ｆが高周波放電アークに作用することにより、３０〜３４と推移して電極棒４の先端に運ばれ、電極棒４直下の溶接対象材１７に接触すると、高周波放電アーク３４を介して電極棒４／溶接対象材１７間にＴＩＧ溶接アークが発生する。この時、第２バイパスコンデンサ２４を介して内シールドキャップ１０／溶接対象材１７間に加わる高周波高電圧が両者間に放電を生ずる。この放電により、より確実にＴＩＧ溶接アークが起動する。

カップリングコイル２２にはＴＩＧ溶接アーク電流は流れず、カップリングコイル２２には、ＴＩＧ溶接アークを起動する高周波高電流（数百ｍＡ）しか流れず、カップリングコイル２２の２次コイルの導体は、断面積が０．７５ｍｍ^２と極く細い電線となり、極く小型にすることができる。そのようにしても、導電体の内シールドキャップ１０と電極棒４との間の間隙は狭いので、両者間に容易に高周波高電圧による放電を起こしてＴＩＧ溶接アークを起動することができる。また、たとえば、５ｍｍまでの電極棒４／溶接対象材１７間距離で安定してＴＩＧ溶接アークを起動できるし、板厚１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板の突き合せ溶接で、溶接長が２５０ｍｍ，４００枚の溶接でも、ＴＩＧ溶接アーク起動の失敗（着火ミス）は一度もなかった。従来法では、２００枚を超えると電極先端の消耗変形にともない着火ミスが発生していた。

１：本体ケース
２：電極台
３：電極棒チャック
４：電極棒
５：絶縁ブッシュ
６：水路金具受け台
７：水路金具
８：袋ナット
９：センタリングストーン
１０，１０ｐ：内シールドキャップ
１０ｐｐ：インサートチップ
１１：シールドパッキング
１２，１２ｐ：外シールドキャップ
１３：内シールドガスパイプ
１４：冷却水注入パイプ
１５：冷却水排水パイプ
１６：外シールドガスパイプ
２０：ＴＩＧ溶接電源
２１：高周波発生器
２２：カップリングコイル
２３：第１バイパスコンデンサ
２４：第２バイパスコンデンサ
ＣＣｐ：カップリングコイル
Ｃｐ，Ｃｐ１，Ｃｐ２：バイパスコンデンサ
ＳＨ１：シールドガス
ＳＨ２：内シールドガス
ＰＧ：プラズマガス
ＳＧ：シールドガス
３０〜３４：高周波放電アーク

Claims

外シールドガスが通流する内空間が中心部にある外シールドキャップ，該外シールドキャップの内空間に、該外シールドキャップとの間に外シールドガスが通流する間隙を置いて配置された、内シールドガスが通流する電極挿通空間が中心部にある、導電性の内シールドキャップ、および、該電極挿通空間の中心部を、該内シールドキャップとの間に内シールドガスが通流する間隙を置いて配置された電極棒、を備える２重シールドＴＩＧ溶接トーチ；
前記電極棒と溶接対象材との間に溶接電力を供給するための溶接電源；
一端が前記内シールドキャップに接続された２次コイル、を持つカップリングコイル；
一端が前記電極棒に、他端が前記２次コイルの他端に接続された第１カップリングコンデンサ；および、
前記カップリングコイルの１次コイルに高周波電流を給電するための高周波発生器；
を備える２重シールドＴＩＧ溶接装置。
前記第１カップリングコンデンサの前記他端と前記溶接対象材との間に介挿される第２カップリングコンデンサ；をさらに備える請求項１に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。