JP2014000587A

JP2014000587A - プラズマアーク溶接方法およびプラズマアーク溶接システム

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Publication number: JP2014000587A
Application number: JP2012137780A
Authority: JP
Inventors: Zhongjie Liu; 忠杰劉; Akira Namita; 暁波多
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-09
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Abstract

【課題】２重構造のトーチを用いた場合であっても、高周波電圧の印加をなるべく回避できるプラズマアーク溶接方法およびプラズマアーク溶接システムを提供する。
【解決手段】非消耗電極１２１および第１母材Ｗ１の間に第１メインアーク電流を通電する工程と、前記第１メインアーク電流を通電する工程の間に、非消耗電極１２１の先端１２１ａから第１母材Ｗ１に向かう第１方向Ｘ１に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる第１移動工程と、前記第１移動工程を開始した後に、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程と、前記中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程の後に、前記第１メインアーク電流の通電を停止する工程と、前記中間パイロットアーク電流が流れている間に、非消耗電極１２１および第２母材Ｗ２の間に第２メインアーク電流の通電を開始する工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマアーク溶接方法およびプラズマアーク溶接システムに関する。

従来から、プラズマアーク溶接方法が知られている。プラズマアーク溶接方法に用いるトーチは用途に合わせて種々の構造ものがある。プラズマアーク溶接方法に用いるトーチとして、１重構造のトーチと、２重構造のトーチとがある。

特許文献１には、１重構造のトーチを用いたプラズマアーク溶接方法が開示されている。同文献１に開示の１重構造のトーチ（プラズマトーチ）は、電極とノズルとを備える。ノズルは電極を囲んでいる。同文献１のプラズマアーク溶接方法では、電極とノズルとの間に、高周波電圧を印加する。これにより、電極とノズルとの間にパイロットアークが発生する。次に、電極とノズルとの間にパイロットアークが発生している状態で、電極と被熱物（被加工物）との間にメインアークを発生させる。メインアークが発生したら、パイロットアークを消弧する。そして、メインアークを消弧する直前に、電極とノズルとの間に電圧（高周波電圧ではない）を印加することにより、パイロットアークを再び発生させる。このような方法では、電極とノズルとの間に、高周波電圧を印加することなく、パイロットアークを再発生できる。

特許文献２には、２重構造のトーチを用いたプラズマアーク溶接方法が開示されている。同文献２に開示の２重構造のトーチ（プラズマアークトーチ）は、陰極棒と、第１のノズルと、第２のノズルと、を備える。第１のノズルは陰極棒を囲んでおり、第２のノズルは第１のノズルを囲んでいる。

特開昭６３−５８７５号公報特許３０６６９３３号公報

同文献２に開示の２重構造のトーチでは、第２のノズルと陰極棒との間に、第１のノズルが介在している。そのため、メインアークが発生している状態で、陰極棒と第２のノズルとの間に電圧（高周波電圧ではない）を印加したとしても、第１のノズルが、陰極棒と第２のノズルとの間に絶縁破壊が生じることを妨げる。よって、同文献２に開示の方法では、高周波電圧を用いることなく、メインアークを消弧する直前に陰極棒と第２のノズルとの間にパイロットアークを再発生させにくい。そうすると、パイロットアークを再発生させる度に、陰極棒と第１のノズルとの間に、高周波電圧を印加することとなる。このような電圧の印加を繰り返すと、プラズマアーク溶接を行う装置の故障や当該装置の周囲の設備の故障を招くおそれがある。

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、２重構造のトーチを用いた場合であっても、高周波電圧の印加をなるべく回避できるプラズマアーク溶接方法およびプラズマアーク溶接システムを提供することをその主たる課題とする。

本発明の第１の側面によると、非消耗電極と、前記非消耗電極を囲む内側ノズルと、前記内側ノズルを囲む外側ノズルと、を備えるトーチを用い、前記非消耗電極および第１母材の間に第１メインアーク電流を通電する工程と、前記第１メインアーク電流を通電する工程の間に、前記非消耗電極の先端から前記第１母材に向かう第１方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる第１移動工程と、前記第１移動工程を開始した後に、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程と、前記中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程の後に、前記第１メインアーク電流の通電を停止する工程と、前記中間パイロットアーク電流が流れている間に、前記非消耗電極および第２母材の間に第２メインアーク電流の通電を開始する工程と、を備える、プラズマアーク溶接方法が提供される。

好ましくは、前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる第２移動工程を更に備え、前記第２移動工程は、前記第２メインアーク電流の通電を開始する工程の後に行う。

好ましくは、前記第１メインアーク電流の通電を停止する工程は、前記第１移動工程の終了後に行う。

好ましくは、前記第１移動工程においては、第１領域から第２領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、前記第２移動工程においては、前記第２領域から前記第１領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、前記第１領域は、前記内側ノズルの開口に対して前記第２方向側に位置する領域であり、前記第２領域は、前記開口に対して前記第１方向側に位置する領域である。

好ましくは、前記第１移動工程の終了時から前記第２移動工程の開始時まで、常に、前記非消耗電極の先端を前記第２領域に位置させた状態を継続させる工程を更に備える。

好ましくは、前記第１移動工程においては、前記非消耗電極の先端を前記第１母材に接近させる。

好ましくは、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に、スタートパイロットアーク電流を通電する工程を更に備え、前記第１メインアーク電流を通電する工程は、前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程の間に、開始する。

好ましくは、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に、初期パイロットアーク電流を通電する工程を更に備え、前記初期パイロットアーク電流を通電する工程は、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に高周波電圧を印加することにより、開始され、前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程は、前記初期パイロットアーク電流を通電する工程から移行される。

好ましくは、前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる初期移動工程を更に備え、前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程は、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に高周波電圧を印加することにより、開始され、前記初期移動工程は、前記第１メインアーク電流を通電する工程の開始後に行われる。

本発明の第２の側面によると、非消耗電極と、前記非消耗電極を囲む内側ノズルと、前記内側ノズルを囲む外側ノズルと、を備えるトーチを用いたプラズマアーク溶接方法を行うプラズマアーク溶接システムであって、前記非消耗電極および前記母材の間にメインアーク電流を通電するメインアーク電源回路と、前記メインアーク電源回路が前記メインアーク電流を流している間に、第１移動指示信号を生成する電極位置制御回路と、前記第１移動指示信号が生成された後に、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に中間パイロットアーク電流の通電を開始するパイロットアーク電源回路と、を備え、前記第１移動指示信号は、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を第１相対移動させるための信号であり、前記第１相対移動は、前記非消耗電極の先端から前記母材に向かう第１方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極が相対移動することである、プラズマアーク溶接システムが提供される。

好ましくは、前記メインアーク電流の通電を検出すると、メインアーク電流通電検出信号を生成するメインアーク電流通電検出回路を更に備え、前記電極位置制御回路は、前記メインアーク電流通電検出信号が生成された後に、第２移動指示信号を生成し、前記第２移動指示信号は、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を第２相対移動させるための信号であり、前記第２相対移動は、前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極が相対移動することである。

好ましくは、前記メインアーク電源回路は、前記第１相対移動の終了後に、前記メインアーク電流の通電を停止する。

好ましくは、前記トーチと、前記非消耗電極の前記内側ノズルに対する位置を規定する位置規定機構と、を更に備え、前記位置規定機構は、前記電極位置制御回路から、前記第１移動指示信号を受けると、前記非消耗電極を前記第１相対移動させる。

好ましくは、前記位置規定機構は、前記第１相対移動においては、第２領域から第１領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、前記第２相対移動においては、前記第１領域から前記第２領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、前記第１領域は、前記内側ノズルの開口に対して前記第２方向側に位置する領域であり、前記第２領域は、前記開口に対して前記第１方向側に位置する領域である。

好ましくは、前記位置規定機構は、前記第１相対移動の終了時から前記第２相対移動の開始時まで、常に、前記非消耗電極の先端を前記第２領域に位置させた状態を継続させる。

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。

本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムにおけるトーチを主に示す拡大断面図である。図１に示したプラズマアーク溶接システムにおけるパイロットアーク電源回路の内部構成を示すブロック図である。図１のプラズマアーク溶接システムを用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。図４に示した工程に続く工程における各信号等のタイミングチャートである。本発明の第２実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。図６に示したプラズマアーク溶接システムにおけるパイロットアーク電源回路の内部構成を示すブロック図である。図６のプラズマアーク溶接システムを用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。図８に示した工程に続く工程における各信号等のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１〜図５を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。

同図に示すプラズマアーク溶接システムＡ１は、溶接ロボット１と、動作制御回路２と、パイロットアーク用回路３と、メインアーク用回路４と、を備える。

溶接ロボット１は、母材Ｗに対してプラズマアーク溶接を自動で行うものである。本実施形態の母材Ｗは薄板であり、母材Ｗの厚さは、たとえば、０．１〜０．５ｍｍである。溶接ロボット１は、マニピュレータ１１と、トーチ１２と、位置規定機構１４と、を含む。

マニピュレータ１１は、たとえば多関節ロボットである。トーチ１２は、マニピュレータ１１の駆動により、上下前後左右に自在に移動できる。図１、図２に示すように、トーチ１２は、非消耗電極１２１と、内側ノズル１２２と、外側ノズル１２３と、シールドガスノズル１２４とを有する。本実施形態のトーチ１２は、内側ノズル１２２および外側ノズル１２３とを有する２重構造のものである。トーチ１２にシールドガスノズル１２４は必須の構成ではない。２重構造のトーチでは、非消耗電極１２１の消耗が小さく非消耗電極１２１の寿命を大幅に長くすることができる。

非消耗電極１２１は、たとえばタングステンからなる金属棒である。この金属棒は、たとえば、直径２．４〜３．２ｍｍ程度の円柱状である。図２に示すように、非消耗電極１２１の先端１２１ａから母材Ｗに向かう方向を、第１方向Ｘ１とする。一方、第１方向Ｘ１とは反対方向を、第２方向Ｘ２とする。なお、第１方向Ｘ１および第２方向Ｘ２は、非消耗電極１２１を構成する金属棒の延びる方向に一致する。

内側ノズル１２２は筒状の部材である。内側ノズル１２２は非消耗電極１２１を囲んでいる。内側ノズル１２２内をセンターガスＣＧが流れる。センターガスＣＧを媒体として、内側ノズル１２２と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａ１が発生する。内側ノズル１２２と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａ１が発生している際、内側ノズル１２２と非消耗電極１２１との間には、パイロットアーク電流Ｉｐ１が流れる。内側ノズル１２２には開口１２２ａが形成されている。内側ノズル１２２の開口１２２ａは、第１方向Ｘ１に開放している。すなわち、図２では、内側ノズル１２２の開口１２２ａは下方に開放している。開口１２２ａは、たとえば直径が２．５〜４ｍｍの円形状である。開口１２２ａの形状は円形に限定されず、矩形等の他の形状であってもよい。内側ノズル１２２の開口１２２ａに対して第２方向Ｘ２側に位置する領域を、第１領域１９１とする。一方、内側ノズル１２２の開口１２２ａに対して第１方向Ｘ１側に位置する領域を、第２領域１９２とする。

外側ノズル１２３は筒状の部材である。外側ノズル１２３は内側ノズル１２２を囲んでいる。外側ノズル１２３と内側ノズル１２２との間をプラズマガスＰＧが流れる。プラズマガスＰＧを媒体として、外側ノズル１２３と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａ２が発生する。外側ノズル１２３と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａ２が発生している際、外側ノズル１２３と非消耗電極１２１との間には、パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れる。外側ノズル１２３には開口１２３ａが形成されている。外側ノズル１２３の開口１２３ａは、第１方向Ｘ１に開放している。すなわち、図２では、外側ノズル１２３の開口１２３ａは下方に開放している。開口１２３ａは、たとえば直径が２．５〜３ｍｍの円形状である。開口１２３ａの形状は円形に限定されず、矩形等の他の形状であってもよい。

シールドガスノズル１２４は筒状の部材である。シールドガスノズル１２４は外側ノズル１２３を囲んでいる。シールドガスノズル１２４と外側ノズル１２３との間をシールドガスＳＧが流れる。非消耗電極１２１と母材Ｗとの間には、メインアークＭａが発生する。メインアークＭａが発生している際、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間には、メインアーク電流Ｉｍが流れる。メインアーク電流Ｉｍは、母材Ｗの材質に応じて、直流もしくは交流いずれかが選択される。メインアーク電流Ｉｍは、直流のパルス電流である場合もあるし、交流のパルス電流である場合もある。

位置規定機構１４は、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の第２方向Ｘ２における位置を規定する。位置規定機構１４は、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１領域１９１から第２領域１９２へと移動するように、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し移動させることができる。また、位置規定機構１４は、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２領域１９２から第１領域１９１へと移動するように、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し移動させることができる。位置規定機構１４は、たとえば、ソレノイドやモータを駆動源とするとよい。

動作制御回路２は、マイクロコンピュータおよびメモリ（ともに図示略）を有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。動作制御回路２はロボット移動速度Ｖｒを制御する。ロボット移動速度Ｖｒは、母材Ｗに沿った溶接進行方向Ｄｒにおける、母材Ｗに対する非消耗電極１２１の速度である。動作制御回路２は、上記作業プログラム、溶接ロボット１におけるエンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度Ｖｒ等に基づき、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。溶接ロボット１は動作制御信号Ｍｓを受け、マニピュレータ１１を駆動させ、トーチ１２が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。動作制御回路２は、溶接開始信号Ｓｔと溶接終了信号Ｅｎとを送る。一方、動作制御回路２はパイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受ける。

パイロットアーク用回路３は、パイロットアーク電源回路３１と、パイロットアーク電流検出回路３３と、パイロットアーク電流通電検出回路３５と、電極位置制御回路３８と、を含む。

パイロットアーク電源回路３１は、非消耗電極１２１および内側ノズル１２２の間に、パイロットアーク電流Ｉｐ１を流す。また、パイロットアーク電源回路３１は、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２を流す。パイロットアーク電源回路３１は、メインアーク電流通電検出回路４５（後述）からメインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを、受ける。

図３は、図１に示したプラズマアーク溶接システムＡ１におけるパイロットアーク電源回路３１の内部構成を示すブロック図である。

図３（ａ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１は、電力発生部Ｐｗと、高周波発生部ＨＦと、パイロットアークスイッチＳｗ１と、ノズルスイッチＳｗ２と、高周波スイッチＳｗ３と、を有する。

電力発生部Ｐｗは、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、インバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行う。

高周波発生部ＨＦは、高周波電圧を発生させるためのものである。高周波発生部ＨＦによって発生される電圧の周波数は、たとえば、１〜１０ＭＨｚである。また、高周波発生部ＨＦによって発生される電圧の電圧値は、たとえば、１〜１０ｋＶであり、非常に大きい。

パイロットアークスイッチＳｗ１を介して、電力発生部Ｐｗと非消耗電極１２１とが接続している。パイロットアークスイッチＳｗ１は、電力発生部Ｐｗと非消耗電極１２１とが接続している状態と、電力発生部Ｐｗと非消耗電極１２１とが接続していない状態とを、切り替える。パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態である場合、電力発生部Ｐｗと非消耗電極１２１とが接続している状態である。一方、パイロットアークスイッチＳｗ１がオフ状態である場合、電力発生部Ｐｗと非消耗電極１２１とが接続していない状態である。

ノズルスイッチＳｗ２は、電力発生部Ｐｗと内側ノズル１２２とが接続している状態、および、電力発生部Ｐｗと外側ノズル１２３とが接続している状態を切り替える。ノズルスイッチＳｗ２が端子３１１に接続している場合、電力発生部Ｐｗと内側ノズル１２２とが接続している状態である。一方、ノズルスイッチＳｗ２が端子３１２に接続している場合、電力発生部Ｐｗと外側ノズル１２３とが接続している状態である。

高周波スイッチＳｗ３は、高周波発生部ＨＦと内側ノズル１２２とが接続している状態、および、高周波発生部ＨＦと内側ノズル１２２とが接続していない状態と、を切り替える。高周波スイッチＳｗ３が端子３１６に接続している場合、高周波発生部ＨＦと内側ノズル１２２とが接続している状態である。一方、高周波スイッチＳｗ３が端子３１７に接続している場合、高周波発生部ＨＦと内側ノズル１２２とが接続していない状態である。

パイロットアーク電源回路３１は、パイロットアークスイッチＳｗ１と、ノズルスイッチＳｗ２と、高周波スイッチＳｗ３と、の切替態様により、以下の４つのモード（モードＡ、モードＢ、モードＣ、モードＨ）をとる。

図３（ａ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＡである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＡである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態であり、ノズルスイッチＳｗ２が端子３１１に接続しており、高周波スイッチＳｗ３が端子３１７に接続している。この場合、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ１が流れる。

図３（ｂ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＢである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＢである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態であり、ノズルスイッチＳｗ２が端子３１２に接続している。この場合、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れる。

図３（ｃ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＣである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＣである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオフ状態であり、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間、並びに、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のいずれにも、電流が流れない。

図３（ｄ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＨである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＨである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態であり、ノズルスイッチＳｗ２が端子３１１に接続しており、高周波スイッチＳｗ３が端子３１６に接続している。この場合、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ１が流れる。また、高周波発生部ＨＦによって、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間に、高周波電圧が印加される。

図１に示すパイロットアーク電流検出回路３３は、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に流れるパイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値を検出するためのものである。パイロットアーク電流検出回路３３は、パイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値に対応するパイロットアーク電流検出信号Ｉｄｐを送る。

パイロットアーク電流通電検出回路３５は、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電の開始を検出するためのものである。パイロットアーク電流通電検出回路３５は、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電を検出すると、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを送る。パイロットアーク電流通電検出回路３５は、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電の開始を、たとえば、パイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値とあるしきい値とを比較することにより、検出する。

電極位置制御回路３８は、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の第２方向Ｘ２における位置を制御するためのものである。電極位置制御回路３８は、動作制御回路２から溶接終了信号Ｅｎを、メインアーク電流通電検出回路４５からメインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受ける。電極位置制御回路３８は、位置規定信号Ｓｐを生成する。そして、電極位置制御回路３８は、生成した位置規定信号Ｓｐを位置規定機構１４に送る。位置規定信号Ｓｐは、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の第２方向Ｘ２における位置に対応する。本実施形態においては、位置規定信号ＳｐがＨｉｇｈレベルである場合、非消耗電極１２１の先端１２１ａは、第１領域１９１に位置している。一方、位置規定信号ＳｐがＬｏｗレベルである場合、非消耗電極１２１の先端１２１ａは、第２領域１９２に位置している。

メインアーク用回路４は、メインアーク電源回路４１と、メインアーク電流検出回路４３と、メインアーク電流通電検出回路４５と、を含む。

メインアーク電源回路４１は、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、インバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行う。これにより、メインアーク電源回路４１は、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にメインアーク電流Ｉｍを流す。メインアーク電源回路４１は、メインアーク電流Ｉｍの電流値を、設定された値となるように制御する。

メインアーク電源回路４１は、動作制御回路２から溶接開始信号Ｓｔを、パイロットアーク電流通電検出回路３５からパイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを、受ける。メインアーク電源回路４１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、メインアーク電流Ｉｍの通電を開始する。一方、メインアーク電源回路４１は、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受けると、メインアーク電流Ｉｍの通電を停止する。

メインアーク電流検出回路４３は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間に流れるメインアーク電流Ｉｍの電流値を検出するためのものである。メインアーク電流検出回路４３は、メインアーク電流Ｉｍの電流値に対応するメインアーク電流検出信号Ｉｄｍを送る。

メインアーク電流通電検出回路４５はメインアーク電流検出信号Ｉｄｍを受ける。メインアーク電流通電検出回路４５は、メインアーク電流Ｉｍの通電の開始を検出するためのものである。メインアーク電流通電検出回路４５は、メインアーク電流Ｉｍの通電の開始を検出すると、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍをパイロットアーク電源回路３１と電極位置制御回路３８とに送る。メインアーク電流通電検出回路４５は、メインアーク電流Ｉｍの通電の開始を、たとえば、メインアーク電流Ｉｍの電流値とあるしきい値とを比較することにより、検出する。

次に、図４、図５を更に用いて、プラズマアーク溶接システムＡ１を用いたアーク溶接方法について説明する。

図４は、図１のプラズマアーク溶接システムＡ１を用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。同図では、（ａ）はパイロットアーク電流Ｉｐ１の電流値、（ｂ）はパイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値、（ｃ）は溶接開始信号Ｓｔ、（ｄ）はメインアーク電流Ｉｍ、（ｅ）は位置規定信号Ｓｐ、（ｆ）はメインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍ、（ｇ）は溶接終了信号Ｅｎ、（ｈ）はパイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐ、（ｉ）はロボット移動速度Ｖｒ、（ｊ）は高周波電圧の印加の有無、のそれぞれの変化状態を示す。同図の最下部に、パイロットアーク電源回路３１のモードを記載している。

なお、時刻ｔ１〜時刻ｔ９の間（厳密には、時刻ｔ５〜時刻ｔ９の間）は、プラズマアーク溶接システムＡ１によって、母材Ｗとして第１母材Ｗ１に対し、溶接を行う。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＨである期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ３）＞
時刻ｔ１において、パイロットアーク電源回路３１にパイロットアーク電流通電開始信号（図示略）が送られることにより、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＨになる。図４（ｊ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＨになると、パイロットアーク電源回路３１は、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間に、高周波電圧を印加する。これにより、時刻ｔ２において、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間にパイロットアークＰａ１が発生する。パイロットアークＰａ１が発生すると、同図（ａ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐ１の通電が開始する。すなわち、パイロットアーク電流Ｉｐ１として、非消耗電極１２１および内側ノズル１２２の間に初期パイロットアーク電流ｉｐ１の通電が開始する。初期パイロットアーク電流ｉｐ１の電流値は、たとえば、たとえば３〜２０Ａである。

図４（ｅ）に示すように、時刻ｔ１から、電極位置制御回路３８は、Ｈｉｇｈレベルの位置規定信号Ｓｐを位置規定機構１４に送っている。すなわち、時刻ｔ１から、電極位置制御回路３８は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第１領域１９１に位置させるための位置規定信号Ｓｐを、位置規定機構１４に送っている。そのため、時刻ｔ１から、非消耗電極１２１の先端１２１ａは第１領域１９１に位置している。時刻ｔ１〜時刻ｔ３の長さは、たとえば、１〜３秒である。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＡである期間（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）＞
時刻ｔ３において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＡになる。図４（ｊ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＡになると、パイロットアーク電源回路３１は、高周波電圧の印加を停止する。同図（ａ）に示すように、時刻ｔ３以降、パイロットアーク電源回路３１は初期パイロットアーク電流ｉｐ１の通電を継続する。時刻ｔ２〜時刻ｔ４の長さは、たとえば、４〜５秒である。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＢである期間（時刻ｔ４〜時刻ｔ６）＞
時刻ｔ４において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＢになる。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＢになると、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間に発生しているパイロットアークＰａ１が、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のパイロットアークＰａ２へと移行する。これにより、図４（ａ）に示すように、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間のパイロットアーク電流Ｉｐ１の通電が停止する。そして、同図（ｂ）に示すように、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電が開始する。すなわち、時刻ｔ４において、パイロットアーク電流Ｉｐ２として、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間にスタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電が開始する。スタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の電流値は、たとえば、たとえば３〜２０Ａである。

図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ５において、動作制御回路２からメインアーク電源回路４１に溶接開始信号Ｓｔが送られる。メインアーク電源回路４１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に電圧を印加する。非消耗電極１２１の先端１２１ａ近傍の空間には、パイロットアークＰａ２によってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、パイロットアークＰａ２に誘発されて、メインアークＭａが非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に発生する。これにより、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ５において、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始する。以下では、非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に流れるメインアーク電流Ｉｍを、第１メインアーク電流ｉｍ１と呼ぶ。第１メインアーク電流ｉｍ１の電流値は、たとえば、５〜７Ａである。

図４（ｆ）に示すように、時刻ｔ５において、メインアーク電流通電検出回路４５が、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電の開始を検出し、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍをパイロットアーク電源回路３１に送る。これにより、パイロットアーク電源回路３１は、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電が開始したと認識する。

図４（ｉ）に示すように、時刻ｔ５において、動作制御回路２は、ロボット移動速度Ｖｒを予め定められた速度とするための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、時刻ｔ５において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が開始する。このように、時刻ｔ５から、プラズマアーク溶接システムＡ１は、非消耗電極１２１および第１母材Ｗ１の間に第１メインアーク電流ｉｍ１を通電させつつ、定常溶接を行う。なお、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が開始するのは、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電の開始と同時である必要はない。たとえば、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電後（時刻ｔ５後）、もしくは通電前（時刻ｔ５前）に、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動を開始してもよい。時刻ｔ４〜時刻ｔ６の長さは、たとえば、１〜２秒である。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＣである期間（時刻ｔ６〜時刻ｔ８）＞
パイロットアーク電源回路３１が、時刻ｔ５において、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受けると、時刻ｔ６において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＣになる。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＣになると、図４（ｂ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１はスタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電を停止する。これにより、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のパイロットアークＰａ２が消弧する。時刻ｔ６以降、プラズマアーク溶接システムＡ１は、第１母材Ｗ１の定常溶接を行う。時刻ｔ６〜時刻ｔ７の長さは、たとえば、数分〜数時間である。

図４（ｅ）に示すように、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のパイロットアークＰａ２が消弧した時刻（時刻ｔ６）以降、電極位置制御回路３８は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第１領域１９１に位置させるための位置規定信号Ｓｐを、位置規定機構１４に送っている。そのため、時刻ｔ６以降、非消耗電極１２１の先端１２１ａは第１領域１９１に位置している。

図４（ｇ）に示すように、時刻ｔ７において、動作制御回路２は定常溶接を終了するための溶接終了信号Ｅｎを、電極位置制御回路３８に送る。図４（ｅ）に示すように、電極位置制御回路３８は、溶接終了信号Ｅｎを受けると、第１移動指示信号ｓｐ１を生成し、生成した第１移動指示信号ｓｐ１を、位置規定機構１４に送る。本実施形態では、電極位置制御回路３８は、位置規定信号ＳｐをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化している位置規定信号Ｓｐが、第１移動指示信号ｓｐ１に相当する。第１移動指示信号ｓｐ１は、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を第１相対移動（後述）させるための信号である。

図２に示す位置規定機構１４は、第１移動指示信号ｓｐ１を受けると、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を第１相対移動させる。内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の第１相対移動とは、第１方向Ｘ１に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１が相対移動することである。位置規定機構１４は、第１相対移動においては、第１領域１９１から第２領域１９２へと非消耗電極１２１の先端１２１ａが移動するように、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し相対移動させる。本実施形態では、第１相対移動においては、内側ノズル１２２と外側ノズル１２３とが互いに固定されたまま、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１が相対移動する。更に、本実施形態では、第１相対移動においては、非消耗電極１２１を第１母材Ｗ１に接近させる。第１相対移動によって、非消耗電極１２１の先端１２１ａが、外側ノズル１２３の開口１２３ａ近傍まで移動することが、好ましい。以上のように、第１メインアーク電流ｉｍ１を通電させつつ、定常溶接を行う工程の間に、第１方向Ｘ１に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる工程（第１移動工程）を行う。図４（ｅ）に示すように、時刻ｔ８において、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の相対移動（第１相対移動）が終了する。

図５は、図４に示した工程に続く工程における各信号等のタイミングチャートである。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＢである期間（時刻ｔ８〜ｔ１１）＞
図４、図５に示すように、時刻ｔ８において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＢになる。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＢになると、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に電圧（高周波電圧ではない）を印加する。このとき印加する電圧の値は、たとえば、７０〜８０Ｖである。非消耗電極１２１の先端１２１ａ近傍は、メインアークＭａによってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、メインアークＭａに誘発されて、パイロットアークＰａ２が非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に発生する。これにより、時刻ｔ８において、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間にパイロットアーク電流Ｉｐ２の通電が開始する。すなわち、時刻ｔ８において、パイロットアーク電流Ｉｐ２として、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電が開始する。このようにして、パイロットアーク電源回路３１は、上述の第１移動工程を開始した後に、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電を開始する。

非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電を開始するのは、時刻ｔ８であることに限られない。たとえば、上述の第１移動工程を行なっている途中（時刻ｔ７〜時刻ｔ８）の間に、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２を流し始めてもよい。もしくは、時刻ｔ８からある程度の期間の経過後、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２を流し始めてもよい。

図４（ｈ）、図５（ｈ）に示すように、時刻ｔ８において、パイロットアーク電流通電検出回路３５は、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電の開始を検出し、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを、動作制御回路２とメインアーク電源回路４１とに送る。これにより、動作制御回路２とメインアーク電源回路４１は、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電が開始したと認識する。

メインアーク電源回路４１は、時刻ｔ８において、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受けると、時刻ｔ９において、非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に流れる第１メインアーク電流ｉｍ１の通電を停止する。これにより、非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間のメインアークＭａが消弧する。なお、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電を停止するのは、第１移動工程の終了後である。

動作制御回路２は、時刻ｔ９において、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受けると、ロボット移動速度Ｖｒを０とするための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、時刻ｔ８において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が停止する。なお、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が停止するのは、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電を停止するタイミングと同一である必要はない。たとえば、上述の第１移動工程を開始する時刻（時刻ｔ７）において、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１への移動を停止してもよい。もしくは、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電を停止した時刻（時刻ｔ９）の後に、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１への移動を停止してもよい。

時刻ｔ９にてプラズマアーク溶接システムＡ１による第１母材Ｗ１の溶接を終了する。時刻ｔ１０からは、プラズマアーク溶接システムＡ１によって、母材Ｗとして第２母材Ｗ２への溶接を行う。時刻ｔ９〜時刻ｔ１０の期間は、第２母材Ｗ２への溶接を行うための待機期間である。時刻ｔ９〜時刻ｔ１０の長さは、たとえば、数分〜数十分である。

図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ１０において、動作制御回路２からメインアーク電源回路４１に溶接開始信号Ｓｔが送られる。メインアーク電源回路４１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、非消耗電極１２１と第２母材Ｗ２との間に電圧を印加する。非消耗電極１２１の先端１２１ａ近傍の空間には、パイロットアークＰａ２によってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、パイロットアークＰａ２に誘発されて、メインアークＭａが非消耗電極１２１と第２母材Ｗ２との間に発生する。これにより、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１０において、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始する。メインアーク電流Ｉｍの電流値は、たとえば、５〜７Ａである。以下では、非消耗電極１２１と第２母材Ｗ２との間に流れるメインアーク電流Ｉｍを、第２メインアーク電流ｉｍ２と呼ぶ。第２メインアーク電流ｉｍ２の電流値は、たとえば、５〜７Ａである。

図５（ｆ）に示すように、時刻ｔ１０において、メインアーク電流通電検出回路４５が、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電の開始を検出し、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍをパイロットアーク電源回路３１に送る。これにより、パイロットアーク電源回路３１は、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電が開始したと認識する。

図５（ｉ）に示すように、時刻ｔ１０において、動作制御回路２は、ロボット移動速度Ｖｒを予め定められた速度とするための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、時刻ｔ１０において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第２母材Ｗ２に対する移動が開始する。このように、時刻ｔ１０から、プラズマアーク溶接システムＡ１は、非消耗電極１２１および第２母材Ｗ２の間に第２メインアーク電流ｉｍ２を通電させつつ、定常溶接を行う。なお、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第２母材Ｗ２に対する移動が開始するのは、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電の開始と同時である必要はない。たとえば、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電後（時刻ｔ１０後）に、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第２母材Ｗ２に対する移動を開始してもよい。

図５（ｅ）に示すように、時刻ｔ８〜時刻ｔ１１の間、常に、位置規定信号Ｓｐは、Ｌｏｗレベルのままである。そのため、時刻ｔ８〜時刻ｔ１１の間、位置規定機構１４は、第２方向Ｘ２において、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し移動させない。このようにして、時刻ｔ８〜時刻ｔ１１の間、位置規定機構１４は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２領域１９２に位置させた状態を継続させる。位置規定機構１４は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２領域１９２に位置させた状態を継続させるには、ある位置に非消耗電極１２１を固定しておく必要は必ずしもない。たとえば、位置規定機構１４の駆動源にモータを用いている場合、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２領域１９２に位置する範囲内で、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し移動させてもよい。

また、本実施形態とは異なり、時刻ｔ８〜時刻ｔ１１の間、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１領域１９１に位置するように、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を移動させてもよい。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＣである期間（時刻ｔ１１〜ｔ１４）＞
パイロットアーク電源回路３１が、時刻ｔ１０において、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受けると、時刻ｔ１１において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＣになる。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＣになると、図５（ｂ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１は、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電を停止する。これにより、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のパイロットアークＰａ２が消弧する。

時刻ｔ１１において、電極位置制御回路３８は、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受けると、第２移動指示信号ｓｐ２を生成する。電極位置制御回路３８は、生成した第２移動指示信号ｓｐ２を、位置規定機構１４に送る。本実施形態では、電極位置制御回路３８は、位置規定信号ＳｐをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。そして、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化している位置規定信号Ｓｐが、第２移動指示信号ｓｐ２に相当する。第２移動指示信号ｓｐ２は、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を第２相対移動（後述）させるための信号である。

図２に示す位置規定機構１４は、第２移動指示信号ｓｐ２を受けると、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を第２相対移動させる。内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の第２相対移動とは、第２方向Ｘ２に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１が相対移動することである。位置規定機構１４は、第２相対移動においては、第２領域１９２から第１領域１９１へと非消耗電極１２１の先端１２１ａが移動するように、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し相対移動させる。本実施形態では、第２相対移動においては、内側ノズル１２２と外側ノズル１２３とが互いに固定されたまま、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１が相対移動する。更に、本実施形態では、第２相対移動においては、非消耗電極１２１を第２母材Ｗ２から離間させる。以上のように、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電を開始した後に、第２方向Ｘ２に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる工程（第２移動工程）を行う。図５（ｅ）に示すように、時刻ｔ１２において、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の相対移動（第２相対移動）が終了する。

時刻ｔ１２以降は、時刻ｔ６〜時刻ｔ１２の工程と同様の工程を、１または複数回行う。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態においては、第１メインアーク電流ｉｍ１を通電する工程の間に、非消耗電極１２１の先端１２１ａから第１母材Ｗ１に向かう第１方向Ｘ１に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる第１移動工程を行う。第１移動工程を開始した後（時刻ｔ７の後）に、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電を開始する（図５（ｂ）参照）。このような構成によると、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電している間に（メインアークＭａの発生している間に）、非消耗電極１２１および内側ノズル１２２の間の絶縁破壊しやすい領域から、内側ノズル１２２を、退避させ始めることができる。これにより、高周波電圧の印加を回避しつつ、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間にて絶縁破壊を、より確実に生じさせることが可能となる。その結果、より確実に、中間パイロットアーク電流ｉｐ２２の通電を開始させることができる。すなわち、高周波電圧の印加を回避しつつ、より確実に、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、パイロットアークＰａ２を発生させることができる。したがって、２重構造のトーチ１２を用いた場合であっても、高周波電圧の印加をなるべく回避できる。

本実施形態においては、第１方向Ｘ１とは反対の第２方向Ｘ２に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる第２移動工程を行う。第２移動工程は、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電を開始する工程の後に行う。このような構成によると、非消耗電極１２１の先端１２１ａがより第１方向Ｘ１側に位置している時に、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電を開始することができる。そうすると、非消耗電極１２１および内側ノズル１２２の間の絶縁破壊しやすい領域から内側ノズル１２２がなるべく退避した状態にある時に、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電を開始することができる。これにより、第２メインアーク電流ｉｍ２の通電開始前（すなわち、メインアークＭａの発生前）にパイロットアークＰａ２が消弧してしまうことを、防止できる。

本実施形態においては、第１移動工程の終了時（時刻ｔ８）から第２移動工程の開始時（時刻ｔ１１）まで、常に、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２領域１９２に位置させた状態を継続させる。このような構成によると、第１移動工程の終了時（時刻ｔ８）から第２移動工程の開始時（時刻ｔ１１）までの間にパイロットアークＰａ２が消弧することを、防止できる。

通常、非消耗電極１２１は軽量であり、移動させやすい。本実施形態では、第１移動工程においては、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第１母材Ｗ１に接近させる。このような構成は、実現しやすい。

＜第２実施形態＞
図６〜図９を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。

なお、以下の説明では、上記と同一もしくは類似の構成については上記と同一の符号を付し、説明を適宜省略する。

図６は、本発明の第２実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。

同図に示すプラズマアーク溶接システムＡ２は、溶接ロボット１と、動作制御回路２と、パイロットアーク用回路３と、メインアーク用回路４と、を備える。

溶接ロボット１と、動作制御回路２と、メインアーク用回路４とは、プラズマアーク溶接システムＡ１におけるものと同様であるから、説明を省略する。

パイロットアーク用回路３は、パイロットアーク電源回路３１を除き、プラズマアーク溶接システムＡ１における構成と同様の構成である。よって、パイロットアーク電流検出回路３３と、パイロットアーク電流通電検出回路３５と、電極位置制御回路３８についての説明は、省略する。

パイロットアーク電源回路３１は、内側ノズル１２２に電流を流さず、外側ノズル１２３のみに電流を流す点において、プラズマアーク溶接システムＡ１におけるものと異なる。以下、具体的に説明する。

パイロットアーク電源回路３１は、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２を流す。パイロットアーク電源回路３１は、メインアーク電流通電検出回路４５からメインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを、受ける。

図７は、図６に示したプラズマアーク溶接システムＡ２におけるパイロットアーク電源回路３１の内部構成を示すブロック図である。

図７（ａ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１は、電力発生部Ｐｗと、高周波発生部ＨＦと、パイロットアークスイッチＳｗ１と、高周波スイッチＳｗ４と、を有する。

電力発生部Ｐｗと、高周波発生部ＨＦと、パイロットアークスイッチＳｗ１とは、プラズマアーク溶接システムＡ１におけるものと同様であるから、説明を省略する。

高周波スイッチＳｗ４は、高周波発生部ＨＦと外側ノズル１２３とが接続している状態と、高周波発生部ＨＦと外側ノズル１２３とが接続していない状態と、を切り替える。高周波スイッチＳｗ４が端子３１６に接続している場合、高周波発生部ＨＦと外側ノズル１２３とが接続している状態である。一方、高周波スイッチＳｗ４が端子３１７に接続している場合、高周波発生部ＨＦと外側ノズル１２３とが接続していない状態である。

パイロットアーク電源回路３１は、パイロットアークスイッチＳｗ１と、高周波スイッチＳｗ４と、の切替態様により、以下の３つのモード（モードＢ、モードＣ、モードＨ）をとる。

図７（ａ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＢである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＢである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態であり、高周波スイッチＳｗ４が端子３１７に接続している。この場合、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れる。

図７（ｂ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＣである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＣである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオフ状態であり、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間、並びに、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のいずれにも、電流が流れない。

図７（ｃ）は、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＨである場合を示している。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＨである場合、パイロットアークスイッチＳｗ１がオン状態であり、高周波スイッチＳｗ４が端子３１６に接続している。この場合、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れる。また、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、高周波電圧が印加される。

次に、図８、図９を更に用いて、プラズマアーク溶接システムＡ２を用いたアーク溶接方法について説明する。

図８は、プラズマアーク溶接システムＡ２を用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。図９は、図８に示した工程に続く工程における各信号等のタイミングチャートである。

図８（ａ）〜（ｊ）は図４（ａ）〜（ｊ）と、図９（ａ）〜（ｊ）は図５（ａ）〜（ｊ）とそれぞれ同様の信号等を示す。

本実施形態のアーク溶接方法は、時刻ｔ２１〜時刻ｔ２６における工程が、第１実施形態のアーク溶接方法と異なる。本実施形態の時刻ｔ２６以降の工程は、第１実施形態の時刻ｔ６以降の工程と同様である。以下、説明する。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＨである期間（時刻ｔ２１〜時刻ｔ２３）＞
時刻ｔ２１において、パイロットアーク電源回路３１にパイロットアーク電流通電開始信号（図示略）が送られることにより、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＨになる。図８（ｊ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＨになると、パイロットアーク電源回路３１は、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、高周波電圧を印加する。これにより、時刻ｔ２２において、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間にパイロットアークＰａ２が発生する。パイロットアークＰａ２が発生すると、同図（ｂ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電が開始する。すなわち、パイロットアーク電流Ｉｐ２として、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間にスタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電が開始する。スタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の電流値は、たとえば、たとえば３〜２０Ａである。

本実施形態では、図８（ｅ）に示すように、時刻ｔ２１から、電極位置制御回路３８は、Ｌｏｗレベルの位置規定信号Ｓｐを位置規定機構１４に送っている。すなわち、時刻ｔ２１から、電極位置制御回路３８は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２領域１９２に位置させるための位置規定信号Ｓｐを、位置規定機構１４に送っている。そのため、時刻ｔ２１から、非消耗電極１２１の先端１２１ａは第２領域１９２に位置している。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＢである期間（時刻ｔ２３〜時刻ｔ２５）＞
時刻ｔ２３において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＢになる。図８（ｊ）に示すように、パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＢになると、パイロットアーク電源回路３１は、高周波電圧の印加を停止する。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ２３以降、パイロットアーク電源回路３１はスタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電を継続する。

図８（ｃ）に示すように、時刻ｔ２４において、動作制御回路２からメインアーク電源回路４１に溶接開始信号Ｓｔが送られる。メインアーク電源回路４１は、溶接開始信号Ｓｔを受けると、非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に電圧を印加する。非消耗電極１２１の先端１２１ａ近傍の空間には、パイロットアークＰａ２によってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、パイロットアークＰａ２に誘発されて、メインアークＭａが非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に発生する。これにより、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ２４において、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始する。非消耗電極１２１と第１母材Ｗ１との間に流れるメインアーク電流Ｉｍを、第１メインアーク電流ｉｍ１と呼ぶ。第１メインアーク電流ｉｍ１の電流値は、たとえば、５〜７Ａである。

図８（ｆ）に示すように、時刻ｔ２４において、メインアーク電流通電検出回路４５が、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電の開始を検出し、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍをパイロットアーク電源回路３１に送る。これにより、パイロットアーク電源回路３１は、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電が開始したと認識する。

図８（ｉ）に示すように、時刻ｔ２４において、動作制御回路２は、ロボット移動速度Ｖｒを予め定められた速度とするための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、時刻ｔ２４において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が開始する。このように、時刻ｔ２４から、プラズマアーク溶接システムＡ２は、非消耗電極１２１および第１母材Ｗ１の間に第１メインアーク電流ｉｍ１を通電させつつ、定常溶接を行う。なお、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動が開始するのは、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電の開始と同時である必要はない。たとえば、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電後（時刻ｔ２４後）に、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の第１母材Ｗ１に対する移動を開始してもよい。

＜パイロットアーク電源回路３１がモードＣである期間（時刻ｔ２５以降）＞
パイロットアーク電源回路３１が、時刻ｔ２４において、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受けると、時刻ｔ２５において、パイロットアーク電源回路３１のモードが、モードＣになる。パイロットアーク電源回路３１のモードがモードＣになると、図８（ｂ）に示すように、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に流れるスタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電を停止する。これにより、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間のパイロットアークＰａ２が消弧する。

本実施形態では、図８（ｅ）に示すように、時刻ｔ２４において、電極位置制御回路３８は、メインアーク電流通電検出信号Ｄｉｍを受けると、時刻ｔ２５において、初期移動指示信号ｓｐ３を生成する。電極位置制御回路３８は、生成した初期移動指示信号ｓｐ３を、位置規定機構１４に送る。本実施形態では、電極位置制御回路３８は、位置規定信号ＳｐをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。そして、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化している位置規定信号Ｓｐが、初期移動指示信号ｓｐ３に相当する。初期移動指示信号ｓｐ３は、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を初期相対移動（後述）させるための信号である。

位置規定機構１４は、初期移動指示信号ｓｐ３を受けると、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を初期相対移動させる。内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の初期相対移動とは、第２方向Ｘ２に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１が相対移動することである。位置規定機構１４は、初期相対移動においては、第２領域１９２から第１領域１９１へと非消耗電極１２１の先端１２１ａが移動するように、非消耗電極１２１を内側ノズル１２２に対し相対移動させる。初期相対移動は、第１実施形態で述べた第２相対移動と同様であるから、説明を省略する。図８（ｅ）に示すように、時刻ｔ２６において、内側ノズル１２２に対する非消耗電極１２１の相対移動を終了する。

図８、図９に示すように、時刻ｔ２６以降は、第１実施形態の時刻ｔ６以降の工程と同様の工程を行うので、説明を省略する。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の作用効果に加え、下記の作用効果を奏する。

本実施形態においては、第１方向Ｘ１とは反対の第２方向Ｘ２に、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させる初期移動工程を行う。スタートパイロットアーク電流ｉｐ２１を流す工程は、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に高周波電圧を印加することにより、開始される。初期移動工程は、第１メインアーク電流ｉｍ１の通電を開始する工程の後に行われる。このような構成によれば、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間にパイロットアークＰａ１を発生させずに、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間にパイロットアークＰａ２を発生させることができる。よって、より早く、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３との間に、スタートパイロットアーク電流ｉｐ２１の通電を開始することができる。

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

上述の説明では、第１相対移動、第２相対移動、および初期相対移動において、非消耗電極１２１を母材Ｗ（第１母材Ｗ１ないし第２母材Ｗ２）に対し移動させる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第１相対移動、第２相対移動、および初期相対移動において、非消耗電極１２１と母材Ｗ（第１母材Ｗ１ないし第２母材Ｗ２）との距離を一定に保ちつつ、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させてもよい。

上述の説明では、第１相対移動、第２相対移動、および初期相対移動において、内側ノズル１２２および外側ノズル１２３を互いに固定した状態で、非消耗電極１２１を移動させる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、非消耗電極１２１と外側ノズル１２３とを互いに固定した状態で、内側ノズル１２２に対し非消耗電極１２１を相対移動させてもよい。

１溶接ロボット
１１マニピュレータ
１２トーチ
１２１非消耗電極
１２１ａ先端
１２２内側ノズル
１２２ａ開口
１２３外側ノズル
１２３ａ開口
１２４シールドガスノズル
１４位置規定機構
１９１第１領域
１９２第２領域
２動作制御回路
３パイロットアーク用回路
３１パイロットアーク電源回路
３１１，３１２，３１６，３１７端子
３３パイロットアーク電流検出回路
３５パイロットアーク電流通電検出回路
３８電極位置制御回路
４メインアーク用回路
４１メインアーク電源回路
４３メインアーク電流検出回路
４５メインアーク電流通電検出回路
Ａモード
Ａ１プラズマアーク溶接システム
Ａ２プラズマアーク溶接システム
Ｂモード
Ｃモード
ＣＧセンターガス
Ｄｉｍメインアーク電流通電検出信号
Ｄｉｐパイロットアーク電流通電検出信号
Ｄｒ溶接進行方向
Ｅｎ溶接終了信号
Ｈモード
ＨＦ高周波発生部
Ｉｄｍメインアーク電流検出信号
Ｉｄｐパイロットアーク電流検出信号
Ｉｍメインアーク電流
ｉｍ１第１メインアーク電流
ｉｍ２第２メインアーク電流
Ｉｐ１パイロットアーク電流
ｉｐ１初期パイロットアーク電流
Ｉｐ２パイロットアーク電流
ｉｐ２１スタートパイロットアーク電流
ｉｐ２２中間パイロットアーク電流
Ｍａメインアーク
Ｍｓ動作制御信号
Ｐａ１パイロットアーク
Ｐａ２パイロットアーク
ＰＧプラズマガス
Ｐｗ電力発生部
ＳＧシールドガス
Ｓｐ位置規定信号
ｓｐ１第１移動指示信号
ｓｐ２第２移動指示信号
ｓｐ３初期移動指示信号
Ｓｔ溶接開始信号
Ｓｗ１パイロットアークスイッチ
Ｓｗ２ノズルスイッチ
Ｓｗ３，Ｓｗ４高周波スイッチ
Ｖｒロボット移動速度
Ｗ母材
Ｗ１第１母材
Ｗ２第２母材
Ｘ１第１方向
Ｘ２第２方向

Claims

非消耗電極と、前記非消耗電極を囲む内側ノズルと、前記内側ノズルを囲む外側ノズルと、を備えるトーチを用い、
前記非消耗電極および第１母材の間に第１メインアーク電流を通電する工程と、
前記第１メインアーク電流を通電する工程の間に、前記非消耗電極の先端から前記第１母材に向かう第１方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる第１移動工程と、
前記第１移動工程を開始した後に、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程と、
前記中間パイロットアーク電流の通電を開始する工程の後に、前記第１メインアーク電流の通電を停止する工程と、
前記中間パイロットアーク電流が流れている間に、前記非消耗電極および第２母材の間に第２メインアーク電流の通電を開始する工程と、を備える、プラズマアーク溶接方法。
前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる第２移動工程を更に備え、
前記第２移動工程は、前記第２メインアーク電流の通電を開始する工程の後に行う、請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法。
前記第１メインアーク電流の通電を停止する工程は、前記第１移動工程の終了後に行う、請求項１または請求項２に記載のプラズマアーク溶接方法。
前記第１移動工程においては、第１領域から第２領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、
前記第２移動工程においては、前記第２領域から前記第１領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、
前記第１領域は、前記内側ノズルの開口に対して前記第２方向側に位置する領域であり、
前記第２領域は、前記開口に対して前記第１方向側に位置する領域である、請求項２に記載のプラズマアーク溶接方法。
前記第１移動工程の終了時から前記第２移動工程の開始時まで、常に、前記非消耗電極の先端を前記第２領域に位置させた状態を継続させる工程を更に備える、請求項４に記載のプラズマアーク溶接方法。
前記第１移動工程においては、前記非消耗電極の先端を前記第１母材に接近させる、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマアーク溶接方法。
前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に、スタートパイロットアーク電流を通電する工程を更に備え、
前記第１メインアーク電流を通電する工程は、前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程の間に、開始する、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のプラズマアーク溶接方法。
前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に、初期パイロットアーク電流を通電する工程を更に備え、
前記初期パイロットアーク電流を通電する工程は、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に高周波電圧を印加することにより、開始され、
前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程は、前記初期パイロットアーク電流を通電する工程から移行される、請求項７に記載のプラズマアーク溶接方法。
前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を相対移動させる初期移動工程を更に備え、
前記スタートパイロットアーク電流を通電する工程は、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に高周波電圧を印加することにより、開始され、
前記初期移動工程は、前記第１メインアーク電流を通電する工程の開始後に行われる、請求項７に記載のプラズマアーク溶接方法。
非消耗電極と、前記非消耗電極を囲む内側ノズルと、前記内側ノズルを囲む外側ノズルと、を備えるトーチを用いたプラズマアーク溶接方法を行うプラズマアーク溶接システムであって、
前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を通電するメインアーク電源回路と、
前記メインアーク電源回路が前記メインアーク電流を流している間に、第１移動指示信号を生成する電極位置制御回路と、
前記第１移動指示信号が生成された後に、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に中間パイロットアーク電流の通電を開始するパイロットアーク電源回路と、を備え、
前記第１移動指示信号は、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を第１相対移動させるための信号であり、前記第１相対移動は、前記非消耗電極の先端から前記母材に向かう第１方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極が相対移動することである、プラズマアーク溶接システム。
前記メインアーク電流の通電を検出すると、メインアーク電流通電検出信号を生成するメインアーク電流通電検出回路を更に備え、
前記電極位置制御回路は、前記メインアーク電流通電検出信号が生成された後に、第２移動指示信号を生成し、
前記第２移動指示信号は、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極を第２相対移動させるための信号であり、前記第２相対移動は、前記第１方向とは反対の第２方向に、前記内側ノズルに対し前記非消耗電極が相対移動することである、請求項１０に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記メインアーク電源回路は、前記第１相対移動の終了後に、前記メインアーク電流の通電を停止する、請求項１０に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記トーチと、
前記非消耗電極の前記内側ノズルに対する位置を規定する位置規定機構と、を更に備え、
前記位置規定機構は、前記電極位置制御回路から、前記第１移動指示信号を受けると、前記非消耗電極を前記第１相対移動させる、請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
前記位置規定機構は、
前記第１相対移動においては、第２領域から第１領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、
前記第２相対移動においては、前記第１領域から前記第２領域へと前記非消耗電極の先端が移動するように、前記非消耗電極を前記内側ノズルに対し相対移動させ、
前記第１領域は、前記内側ノズルの開口に対して前記第２方向側に位置する領域であり、
前記第２領域は、前記開口に対して前記第１方向側に位置する領域である、請求項１３に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記位置規定機構は、前記第１相対移動の終了時から前記第２相対移動の開始時まで、常に、前記非消耗電極の先端を前記第２領域に位置させた状態を継続させる、請求項１４に記載のプラズマアーク溶接システム。