JP2014000602A

JP2014000602A - プラズマアーク溶接システムおよびプラズマアーク溶接方法

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Publication number: JP2014000602A
Application number: JP2012139505A
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Inventors: Zhongjie Liu; 忠杰劉
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Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-01-09
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Abstract

【課題】メインアークにおける高エネルギ部分の占める領域を調整するのに適するプラズマアーク溶接システムを提供する。
【解決手段】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を流す外側ノズル通電期間を生成し、メインアーク電源回路４１は、外側ノズル通電期間の間に、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にメインアーク電流Ｉｍを流し、非消耗電極１２１は、第１方向Ｘ１側に位置する先端１２１ａを含み、且つ、第１方向Ｘ１に沿って延びる形状であり、非消耗電極１２１の先端１２１ａは、第１位置Ｌ１と、第１位置Ｌ１よりも第１方向Ｘ１側にある第２位置Ｌ２と、に位置し、内側ノズル１２２には、内側ノズル開口１２２ａが形成され、内側ノズル開口１２２ａは、第１方向Ｘ１において、第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２との間に位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマアーク溶接システムおよびプラズマアーク溶接方法に関する。

従来から、プラズマアーク溶接方法が知られている（特許文献１参照）。同文献に開示のトーチ（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。陰極棒と被加工物との間にメインアークを発生させつつ、被加工物の加工を行う。

メインアークには、エネルギの比較的高い高エネルギ部分が存在する。メインアークにおける高エネルギ部分は、被加工物への伝熱に大きく寄与する。また、同文献に開示のトーチでは、陰極棒と第１のノズルと第２のノズルとは、互いに固定されていることが、前提とされている。このようなトーチでは、高エネルギ部分の占める領域を調整するのに適していない。

特許第３０６６９９３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、メインアークにおける高エネルギ部分の占める領域を調整するのに適する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、を含むトーチ、パイロットアーク電源回路、並びに、メインアーク電源回路、を備え、前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す外側ノズル通電期間を生成し、前記メインアーク電源回路は、前記外側ノズル通電期間の間に、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流し、前記非消耗電極は、第１方向側に位置する先端を含み、且つ、前記第１方向に沿って延びる形状であり、前記非消耗電極の前記先端は、第１位置と、前記第１位置よりも前記第１方向側にある第２位置と、に位置し、前記内側ノズルには、内側ノズル開口が形成され、前記内側ノズル開口は、前記第１方向において、前記第１位置と前記第２位置との間に位置する、プラズマアーク溶接システムが提供される。

好ましくは、前記外側ノズルには、外側ノズル開口が形成され、前記第２位置は、前記外側ノズル開口よりも前記第１方向とは反対の第２方向側に位置する。

好ましくは、前記パイロットアーク電源回路は、高周波電圧を発生する高周波発生部を含み、前記パイロットアーク電源回路は、外側ノズル高周波期間を生成し、前記パイロットアーク電源回路は、前記外側ノズル高周波期間にて、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に印加する。

好ましくは、前記メインアーク電源回路は、前記外側ノズル通電期間中に、前記メインアーク電流を流し始める。

好ましくは、前記パイロットアーク電源回路は、内側ノズル高周波期間を生成し、前記パイロットアーク電源回路は、内側ノズル高周波期間にて、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に印加する。

好ましくは、前記パイロットアーク電源回路は、第１モードと、第２モードと、をとり、前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す内側ノズル通電期間を生成し、前記パイロットアーク電源回路は、前記第１モードの場合、前記内側ノズル高周波期間、前記内側ノズル高周波期間の後に前記内側ノズル通電期間、および、前記内側ノズル通電期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成し、前記第２モードの場合、前記外側ノズル高周波期間、および、前記外側ノズル高周波期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成する。

好ましくは、前記非消耗電極の前記先端は、前記パイロットアーク電源回路が前記第１モードの場合、前記第１位置に位置し、前記パイロットアーク電源回路が前記第２モードの場合、前記第２位置に位置する。

本発明の第２の側面によると、パイロットアーク電源回路、並びに、メインアーク電源回路、を備え、前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および外側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す外側ノズル通電期間を生成し、前記メインアーク電源回路は、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流し、前記パイロットアーク電源回路は、高周波電圧を発生する高周波発生部を含み、前記パイロットアーク電源回路は、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に印加する内側ノズル高周波期間と、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に印加する外側ノズル高周波期間と、を生成する、プラズマアークシステムが提供される。

本発明の第３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、を含むトーチを用いるアーク溶接方法であって、前記非消耗電極は、第１方向側に位置する先端を含み、且つ、前記第１方向に沿って延びる形状であり、前記非消耗電極の前記先端を第１位置に位置させた状態で、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流す工程と、前記非消耗電極の前記先端を第２位置に位置させた状態で、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流す工程と、を備え、前記第２位置は、前記第１位置よりも前記第１方向側にあり、前記内側ノズルには、内側ノズル開口が形成され、前記内側ノズル開口は、前記第１方向において、前記第１位置と前記第２位置との間に位置する、プラズマアーク溶接方法が提供される。

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。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。非消耗電極の先端が第１位置に位置している場合の、メインアークの高エネルギ部分を模式的に示す図である。非消耗電極の先端が第２位置に位置している場合の、メインアークの高エネルギ部分を模式的に示す図である。

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８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、メインアーク電源回路４１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、保持機構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。

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。第１方向Ｘ１は、非消耗電極１２１の延びる方向に一致する。一方、第１方向Ｘ１とは反対方向を、第２方向Ｘ２とする。非消耗電極１２１は、第１方向Ｘ１側に位置する先端１２１ａを含む。

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。センターガスＣＧは、たとえばＡｒである。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には内側ノズル開口１２２ａが形成されている。内側ノズル１２２の内側ノズル開口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の内側ノズル開口１２２ａは下方に開放している。内側ノズル開口１２２ａは、たとえば直径が２．５〜４ｍｍの円形状である。内側ノズル開口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。

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。プラズマガスＰＧは、たとえばＡｒである。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には外側ノズル開口１２３ａが形成されている。外側ノズル開口１２３ａは、内側ノズル開口１２２ａよりも第１方向Ｘ１側に位置している。外側ノズル１２３の外側ノズル開口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の外側ノズル開口１２３ａは下方に開放している。外側ノズル開口１２３ａは、たとえば直径が２．５〜３ｍｍの円形状である。外側ノズル開口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。外側ノズル１２３は、内側ノズル１２２に対し固定されている。

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。シールドガスＳＧは、たとえば、Ａｒ＋Ｈ₂の混合ガス、あるいは、Ａｒ等である。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。シールドガスノズル１２４は、外側ノズル１２３および内側ノズル１２２に対し固定されている。

保持機構１４は、非消耗電極１２１を保持している。具体的には、保持機構１４は、非消耗電極１２１を、内側ノズル１２２および外側ノズル１２３に対し固定している。

トーチ１２において、非消耗電極１２１の先端１２１ａは、第１位置Ｌ１と、第２位置Ｌ２と、に位置する。図２に、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置している状態を示している。図３に、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置している状態を示している。第１位置Ｌ１は、内側ノズル１２２内にある。第２位置Ｌ２は、第１位置Ｌ１よりも第１方向Ｘ１側にある。本実施形態においては、第１方向Ｘ１において、第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２との間に、内側ノズル開口１２２ａが位置している。好ましくは、第２位置Ｌ２は、外側ノズル開口１２３ａよりも、第２方向Ｘ２側に位置している。本実施形態とは異なり、第２位置Ｌ２が外側ノズル開口１２３ａよりも第１方向Ｘ１側に位置していてもよい。本実施形態では、プラズマアーク溶接システムＡ１のユーザが、自身の手によって、非消耗電極１２１の位置を決定する。

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。

図４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４（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、高周波スイッチＳｗ２と、ノズルスイッチＳｗ３と、ノズルスイッチＳｗ４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、１〜１０ｋＶであり、非常に大きい。

高周波スイッチＳｗ２は、電力発生部Ｐｗが高周波発生部ＨＦに接続している状態と、電力発生部Ｐｗが高周波発生部ＨＦに接続していない状態と、を切り替える。

ノズルスイッチＳｗ３は、高周波スイッチＳｗ２が端子３１１に接続している場合において、電力発生部Ｐｗおよび高周波発生部ＨＦのいずれもが内側ノズル１２２に接続している状態と、電力発生部Ｐｗおよび高周波発生部ＨＦのいずれもが外側ノズル１２３に接続している状態と、を切り替える。

ノズルスイッチＳｗ４は、高周波スイッチＳｗ２が端子３１２に接続している場合において、電力発生部Ｐｗが内側ノズル１２２に接続している状態と、電力発生部Ｐｗが外側ノズル１２３に接続している状態と、を切り替える。

パイロットアーク電源回路３１は、高周波スイッチＳｗ２と、ノズルスイッチＳｗ３と、ノズルスイッチＳｗ４と、の切替態様により、以下の４つの期間（内側ノズル高周波期間Ｔ７１、内側ノズル通電期間Ｔ７２、外側ノズル高周波期間Ｔ８１、および外側ノズル通電期間Ｔ８２）を生成する。

図４（ａ）は、パイロットアーク電源回路３１が内側ノズル高周波期間Ｔ７１を生成している状態を示している。パイロットアーク電源回路３１が内側ノズル高周波期間Ｔ７１を生成している状態のとき、高周波スイッチＳｗ２が端子３１１に接続し且つノズルスイッチＳｗ３が端子３１３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４（ｂ）は、パイロットアーク電源回路３１が内側ノズル通電期間Ｔ７２を生成している状態を示している。パイロットアーク電源回路３１が内側ノズル通電期間Ｔ７２を生成している状態のとき、高周波スイッチＳｗ２が端子３１２に接続し且つノズルスイッチＳｗ４が端子３１５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、非消耗電極１２１と内側ノズル１２２との間には、高周波電圧が印加されない。

図４（ｃ）は、パイロットアーク電源回路３１が外側ノズル高周波期間Ｔ８１を生成している状態を示している。パイロットアーク電源回路３１が外側ノズル高周波期間Ｔ８１を生成している状態のとき、高周波スイッチＳｗ２が端子３１１に接続し且つノズルスイッチＳｗ３が端子３１４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、高周波発生部ＨＦによって、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。

図４（ｄ）は、パイロットアーク電源回路３１が外側ノズル通電期間Ｔ８２を生成している状態を示している。パイロットアーク電源回路３１が外側ノズル通電期間Ｔ８２を生成している状態のとき、高周波スイッチＳｗ２が端子３１２に接続し且つノズルスイッチ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との間には、高周波電圧が印加されない。

このようなパイロットアーク電源回路３１は、第１モードと、第２モードと、をとる。パイロットアーク電源回路３１は、第１モードの場合、内側ノズル高周波期間Ｔ７１、内側ノズル高周波期間Ｔ７１の後に内側ノズル通電期間Ｔ７２、および、内側ノズル通電期間Ｔ７２の後に外側ノズル通電期間Ｔ８２を、順番に生成する。一方、パイロットアーク電源回路３１は、第２モードの場合、外側ノズル高周波期間Ｔ８１、および、外側ノズル高周波期間Ｔ８１の後に外側ノズル通電期間Ｔ８２を、順番に生成する。

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。

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、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。

次に、図５、図６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５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）はパイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐ、（ｆ）はロボット移動速度Ｖｒ、（ｇ）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の生成している期間を記載している。

図５を参照しつつ説明する溶接方法では、パイロットアーク電源回路３１が上述の第１モードとなっている。そして、本溶接方法は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第１位置Ｌ１に位置させた状態で行う（図２参照）。図５を参照しつつ説明する溶接方法を開始する前に、プラズマアーク溶接システムＡ１のユーザは、自身の手で、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置するように、非消耗電極１２１を移動させておく。

＜内側ノズル高周波期間Ｔ７１（時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３）＞
時刻ｔ１１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。これにより、パイロットアーク電源回路３１は内側ノズル高周波期間Ｔ７１を開始する。すると、図５（ｇ）に示すように、時刻ｔ１１から、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、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、時刻ｔ１２において、パイロットアーク電流Ｉｐ１の通電が開始する。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。なお、パイロットアーク電流Ｉｐ１が流れている間、センターガスＣＧが内側ノズル１２２内を流れている。

＜内側ノズル通電期間Ｔ７２（時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４）＞
時刻ｔ１３から、パイロットアーク電源回路３１は、内側ノズル通電期間Ｔ７２を開始する。すると、図５（ｇ）に示すように、時刻ｔ１３において、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ｔ１３以降、パイロットアーク電源回路３１はパイロットアーク電流Ｉｐ１の通電を継続する。時刻ｔ１２〜時刻ｔ１４の長さは、たとえば、４〜５秒である。

＜外側ノズル通電期間Ｔ８２（時刻ｔ１４以降）＞
時刻ｔ１４から、パイロットアーク電源回路３１は、外側ノズル通電期間Ｔ８２を開始する。パイロットアーク電源回路３１が外側ノズル通電期間Ｔ８２を開始すると、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５（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。パイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値は、たとえば、たとえば３〜２０Ａである。パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れている間、プラズマガスＰＧが、内側ノズル１２２と外側ノズル１２３との間を流れている。

図５（ｅ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電が開始すると、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通電検出信号Ｄｉｐを動作制御回路２に送る。

時刻ｔ１４において、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を受けると、図５（ｃ）に示すように、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受けた時刻からある程度の時間が経過した時刻ｔ１５に、溶接開始信号Ｓｔを生成する。そして、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と母材Ｗ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と母材Ｗとの間に発生する。これにより、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１５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。時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５の長さは、たとえば、１〜２秒である。

本実施形態では、時刻ｔ１５以降、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電は継続する。本実施形態とは異なり、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始した後に、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電を停止してもよい。

図５（ｆ）に示すように、時刻ｔ１５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ｔ１５において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動が開始する。このように、時刻ｔ１５から、プラズマアーク溶接システムＡ１は、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にメインアーク電流Ｉｍ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の母材Ｗに対する移動が開始するのは、メインアーク電流Ｉｍの通電の開始と同時である必要はない。たとえば、メインアーク電流Ｉｍの通電後（時刻ｔ１５後）、もしくは通電前（時刻ｔ１５前）に、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を開始してもよい。

メインアーク電流Ｉｍが流れている間、プラズマガスＰＧが内側ノズル１２２と外側ノズル１２３との間を、シールドガスＳＧが、外側ノズル１２３とシールドガスノズル１２４との間を、流れている。一方、メインアーク電流Ｉｍが流れている間、内側ノズル１２２内をセンターガスＣＧは流れていない。そのため、非消耗電極１２１の先端１２１ａの周囲は、無気流状態となっている。非消耗電極１２１の先端１２１ａの周囲が無気流状態となっていることにより、非消耗電極１２１の酸化等による消耗が防止される。これにより、非消耗電極１２１の寿命は長くなる。

図７は、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置している場合の、メインアークＭａの高エネルギ部分を模式的に示す図である。同図では、高エネルギ部分をハッチングを付して示している。同図に示すように、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置している場合、メインアークＭａは内側ノズル１２２および外側ノズル１２３に拘束される（図２参照）。メインアークＭａが内側ノズル１２２および外側ノズル１２３に拘束された状態で行う溶接を、２重ノズル式の溶接と呼ぶ。２重ノズル式の溶接では、メインアークＭａにおける高エネルギ部分の占める領域の、第１方向Ｘ１に垂直な平面による断面は、先端１２１ａからの距離に依らず、ほぼ一定である。そのため、先端１２１ａと母材Ｗとの距離が多少変化（すなわち、外側ノズル開口１２３ａと母材Ｗとの距離が多少変化）したとしても、母材Ｗへの入熱面積はあまり変化しない。よって、先端１２１ａと母材Ｗとの距離が多少変化したとしても、適切な溶接を行うことができる。

図６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。図６（ａ）〜（ｇ）は、図５（ａ）〜（ｇ）とそれぞれ同様の信号等を示す。

図６を参照しつつ説明する溶接方法では、パイロットアーク電源回路３１が上述の第２モードとなっている。そして、本溶接方法は、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２位置Ｌ２に位置させた状態で行う（図３参照）。図６を参照しつつ説明する溶接方法を開始する前に、プラズマアーク溶接システムＡ１のユーザは、自身の手で、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置するように、非消耗電極１２１を移動させておく。

＜外側ノズル高周波期間Ｔ８１（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。これにより、パイロットアーク電源回路３１は外側ノズル高周波期間Ｔ８１を開始する。すると、図６（ｇ）に示すように、時刻ｔ２１から、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。パイロットアーク電流Ｉｐ２の電流値は、たとえば、たとえば３〜２０Ａである。なお、パイロットアーク電流Ｉｐ２が流れている間、内側ノズル１２２と外側ノズル１２３との間には、プラズマガスＰＧが流れている。

図６（ｅ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電が開始すると、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通電検出信号Ｄｉｐを動作制御回路２に送る。

＜外側ノズル通電期間Ｔ８２（時刻ｔ２３以降）＞
時刻ｔ２３から、パイロットアーク電源回路３１は、外側ノズル通電期間Ｔ８２を開始する。すると、図６（ｇ）に示すように、時刻ｔ２３において、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ｔ２３以降、パイロットアーク電源回路３１はパイロットアーク電流Ｉｐ２の通電を継続する。

時刻ｔ２２において、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を受けると、図６（ｃ）に示すように、パイロットアーク電流通電検出信号Ｄｉｐを受けた時刻からある程度の時間が経過した時刻ｔ２４に、溶接開始信号Ｓｔを生成する。そして、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と母材Ｗ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と母材Ｗ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。メインアーク電流Ｉｍの電流値は、たとえば、５〜７Ａである。

本実施形態では、時刻ｔ２４以降、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電は継続する。本実施形態とは異なり、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始した後に、パイロットアーク電流Ｉｐ２の通電を停止してもよい。

図６（ｆ）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の母材Ｗ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Ａ１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の母材Ｗに対する移動が開始するのは、メインアーク電流Ｉｍの通電の開始と同時である必要はない。たとえば、メインアーク電流Ｉｍの通電後（時刻ｔ２４後）、もしくは通電前（時刻ｔ２４前）に、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を開始してもよい。

メインアーク電流Ｉｍが流れている間、プラズマガスＰＧが内側ノズル１２２と外側ノズル１２３との間を、シールドガスＳＧが、外側ノズル１２３とシールドガスノズル１２４との間を、流れている。一方、図６を参照しつつ説明するアーク溶接方法においては、常に、内側ノズル１２２内をセンターガスＣＧが流れない。

図８は、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置している場合の、メインアークＭａの高エネルギ部分を模式的に示す図である。同図では、高エネルギ部分をハッチングを付して示している。同図に示すように、非消耗電極１２１の先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置している場合、メインアークＭａは、内側ノズル１２２には拘束されず、外側ノズル１２３には拘束される（図３参照）。メインアークＭａが内側ノズル１２２に拘束されず、外側ノズル１２３に拘束された状態で行う溶接を、１重ノズル式の溶接と呼ぶ。１重ノズル式の溶接では、メインアークＭａにおける高エネルギ部分の占める領域の、第１方向Ｘ１に垂直な平面による断面は、先端１２１ａからの距離に大きく依存する。特に、図８の部分８９１では、エネルギが集中している。部分８９１が母材Ｗに重なった状態で溶接を行うことにより、母材Ｗにおけるより狭い領域に、集中して熱を与えることができる。このような１重ノズル式の溶接は、たとえば、Ｔ隅肉溶接に適する。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態においては、非消耗電極１２１の先端１２１ａは、第１位置Ｌ１と、第１位置Ｌ１よりも第１方向Ｘ１側にある第２位置Ｌ２と、に位置する。内側ノズル１２２には、内側ノズル開口１２２ａが形成され、内側ノズル開口１２２ａは、第１方向Ｘ１において、第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２との間に位置する。このような構成によると、先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置する場合、メインアークＭａは、内側ノズル１２２に拘束される。一方、先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置する場合、メインアークＭａは、内側ノズル１２２に拘束されない。このように、本実施形態によると、内側ノズル１２２によるメインアークＭａの拘束状態を異ならせることができる。したがって、プラズマアーク溶接システムＡ１は、メインアークＭａにおける高エネルギ部分の占める領域を調整するのに適する。

本実施形態においては、外側ノズル１２３には、外側ノズル開口１２３ａが形成され、第２位置Ｌ２は、外側ノズル開口１２３ａよりも第１方向Ｘ１とは反対の第２方向Ｘ２側に位置する。このような構成によると、先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置する場合、メインアークＭａは、内側ノズル１２２および外側ノズル１２３に拘束される。この場合、上述したように、２重ノズル式の溶接を行うことができる。一方、先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置する場合、メインアークＭａは内側ノズル１２２に拘束されないが外側ノズル１２３に拘束される。この場合、上述したように、１重ノズル式の溶接を行うことができる。したがって、本実施形態によると、２重ノズル式の溶接と、１重ノズル式の溶接と、の複数タイプの溶接を行うことができる。これにより、プラズマアーク溶接システムＡ１によって、様々な種類の母材Ｗへの溶接を行うことができる。

本実施形態においては、パイロットアーク電源回路３１は、高周波電圧を発生する高周波発生部ＨＦを含む。パイロットアーク電源回路３１は、外側ノズル高周波期間Ｔ８１を生成する。パイロットアーク電源回路３１は、外側ノズル高周波期間Ｔ８１にて、高周波発生部ＨＦにて発生した高周波電圧を、非消耗電極１２１および外側ノズル１２３の間に印加する。このような構成によると、先端１２１ａが第２位置Ｌ２に位置している場合に、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Ｐａ２を発生させるのに適する。

本実施形態においては、パイロットアーク電源回路３１は、内側ノズル高周波期間Ｔ７１を生成する。パイロットアーク電源回路３１は、内側ノズル高周波期間Ｔ７１にて、高周波発生部ＨＦにて発生した高周波電圧を、非消耗電極１２１および内側ノズル１２２の間に印加する。このような構成によると、先端１２１ａが第１位置Ｌ１に位置している場合に、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Ｐａ１を発生させるのに適する。

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、非消耗電極１２１の先端１２１ａの位置を、プラズマアーク溶接システムＡ１のユーザが、自身の手で移動させる例を示したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、非消耗電極１２１を移動させる移動機構をプラズマアーク溶接システムＡ１が備えていてもよい。そして、自動で、移動機構が非消耗電極１２１を移動させてもよい。また、自動で非消耗電極１２１を移動させる場合、溶接開始前に非消耗電極１２１を移動させておく必要は必ずしもない。溶接途中に、非消耗電極１２１の先端１２１ａを、第１位置Ｌ１から第２位置Ｌ２に移動させてもよい。逆に、溶接途中に非消耗電極１２１の先端１２１ａを、第２位置Ｌ２から第１位置Ｌ１に移動させてもよい。

上述の説明では、高周波発生部ＨＦが内側ノズル１２２および外側ノズル１２３のいずれにも接続している例を示したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、高周波発生部ＨＦが内側ノズル１２２のみに接続していてもよい。このとき、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第２位置Ｌ２に位置させた状態で溶接を行う場合であっても、まず、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を発生させるとよい。もしくは、高周波発生部ＨＦが外側ノズル１２３のみに接続していてもよい。この場合、非消耗電極１２１の先端１２１ａを第１位置Ｌ１に位置させた状態で溶接を行う場合であっても、まず、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を発生させるとよい。

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内側ノズル開口
１２３外側ノズル
１２３ａ外側ノズル開口
１２４シールドガスノズル
１４保持機構
２動作制御回路
３１パイロットアーク電源回路
３１１，３１２，３１３，３１４，３１５，３１６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
４１メインアーク電源回路
８９１部分
Ａ１プラズマアーク溶接システム
ＣＧセンターガス
Ｄｉｐパイロットアーク電流通電検出信号
Ｄｒ溶接進行方向
ＨＦ高周波発生部
Ｉｄｐパイロットアーク電流検出信号
Ｉｍメインアーク電流
Ｉｐ１パイロットアーク電流
Ｉｐ２パイロットアーク電流
Ｌ１第１位置
Ｌ２第２位置
Ｍａメインアーク
Ｍｓ動作制御信号
Ｐａ１，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
Ｓｔ溶接開始信号
Ｓｗ２高周波スイッチ
Ｓｗ３，Ｓｗ４ノズルスイッチ
Ｔ７１内側ノズル高周波期間
Ｔ７２内側ノズル通電期間
Ｔ８１外側ノズル高周波期間
Ｔ８２外側ノズル通電期間
Ｖｒロボット移動速度
Ｗ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、を含むトーチ、
パイロットアーク電源回路、並びに、
メインアーク電源回路、を備え、
前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す外側ノズル通電期間を生成し、
前記メインアーク電源回路は、前記外側ノズル通電期間の間に、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流し、
前記非消耗電極は、第１方向側に位置する先端を含み、且つ、前記第１方向に沿って延びる形状であり、
前記非消耗電極の前記先端は、第１位置と、前記第１位置よりも前記第１方向側にある第２位置と、に位置し、
前記内側ノズルには、内側ノズル開口が形成され、前記内側ノズル開口は、前記第１方向において、前記第１位置と前記第２位置との間に位置する、プラズマアーク溶接システム。
前記外側ノズルには、外側ノズル開口が形成され、前記第２位置は、前記外側ノズル開口よりも前記第１方向とは反対の第２方向側に位置する、請求項１に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記パイロットアーク電源回路は、高周波電圧を発生する高周波発生部を含み、
前記パイロットアーク電源回路は、外側ノズル高周波期間を生成し、前記パイロットアーク電源回路は、前記外側ノズル高周波期間にて、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に印加する、請求項１または請求項２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、前記外側ノズル通電期間中に、前記メインアーク電流を流し始める、請求項３に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記パイロットアーク電源回路は、内側ノズル高周波期間を生成し、前記パイロットアーク電源回路は、内側ノズル高周波期間にて、前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間に印加する、請求項３または請求項４に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記パイロットアーク電源回路は、第１モードと、第２モードと、をとり、
前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す内側ノズル通電期間を生成し、
前記パイロットアーク電源回路は、
前記第１モードの場合、前記内側ノズル高周波期間、前記内側ノズル高周波期間の後に前記内側ノズル通電期間、および、前記内側ノズル通電期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成し、
前記第２モードの場合、前記外側ノズル高周波期間、および、前記外側ノズル高周波期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成する、請求項５に記載のプラズマアーク溶接システム。
前記非消耗電極の前記先端は、前記パイロットアーク電源回路が前記第１モードの場合、前記第１位置に位置し、前記パイロットアーク電源回路が前記第２モードの場合、前記第２位置に位置する、請求項６に記載のプラズマアーク溶接システム。
パイロットアーク電源回路、並びに、
メインアーク電源回路、を備え、
前記パイロットアーク電源回路は、非消耗電極および外側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す外側ノズル通電期間を生成し、
前記メインアーク電源回路は、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流し、
前記パイロットアーク電源回路は、高周波電圧を発生する高周波発生部を含み、
前記パイロットアーク電源回路は、
前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および内側ノズルの間に印加する内側ノズル高周波期間と、
前記高周波発生部にて発生した高周波電圧を、前記非消耗電極および前記外側ノズルの間に印加する外側ノズル高周波期間と、を生成する、プラズマアーク溶接システム。
前記パイロットアーク電源回路は、第１モードと、第２モードと、をとり、
前記パイロットアーク電源回路は、前記非消耗電極および前記内側ノズルの間にパイロットアーク電流を流す内側ノズル通電期間を生成し、
前記パイロットアーク電源回路は、
前記第１モードの場合、前記内側ノズル高周波期間、前記内側ノズル高周波期間の後に前記内側ノズル通電期間、および、前記内側ノズル通電期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成し、
前記第２モードの場合、前記外側ノズル高周波期間、および、前記外側ノズル高周波期間の後に前記外側ノズル通電期間を、順番に生成する、請求項８に記載のプラズマアーク溶接システム。
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、を含むトーチを用いるアーク溶接方法であって、
前記非消耗電極は、第１方向側に位置する先端を含み、且つ、前記第１方向に沿って延びる形状であり、
前記非消耗電極の前記先端を第１位置に位置させた状態で、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流す工程と、
前記非消耗電極の前記先端を第２位置に位置させた状態で、前記非消耗電極および母材の間にメインアーク電流を流す工程と、を備え、
前記第２位置は、前記第１位置よりも前記第１方向側にあり、
前記内側ノズルには、内側ノズル開口が形成され、前記内側ノズル開口は、前記第１方向において、前記第１位置と前記第２位置との間に位置する、プラズマアーク溶接方法。