JP2015062944A - プラズマアーク溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】 メインアークの圧力をなるべく一定に維持することができるプラズマアーク溶接システムを提供すること。【解決手段】 非消耗電極１２１および非消耗電極１２１を囲むプラズマノズル１２２を含むトーチ１２を用いる、プラズマアーク溶接方法のためのプラズマアーク溶接システムＣ１であって、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と、非消耗電極１２１および母材Ｗの間に印加されたメインアーク電圧Ｖｍを検出するメインアーク電圧検出回路４６と、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍの電圧値に基づき、設定電流値Ｉｓを算出する電流値算出回路４７と、を備え、メインアーク電源回路４１は、メインアーク電流Ｉｍを、電流値算出回路４７によって算出された設定電流値Ｉｓで流す。【選択図】 図１

Description

本発明は、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では、電極とプラズマ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、電極と母材との間にメインアークを点弧させる。メインアークは、パイロットアークに誘発されることにより、点弧する。そして、メインアークが発生している状態で母材の定常溶接を行う。プラズマアーク溶接方法は、たとえば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特開昭６３−５８７５号公報 特開２００９−９５８４３号公報

このようなプラズマアーク溶接方法の定常溶接時には、母材の表面におけるメインアークの圧力を一定に維持するべく、電極と母材との距離を一定にする必要がある。しかしながら、実際には、母材の設置時に生じるずれや、薄い母材を用いる場合に生じる変形によって、電極と母材との距離を一定にすることができない。

たとえば電極と母材との距離が長くなると、メインアークの圧力が小さくなる。その結果、母材に形成されるビードの幅が広くなってしまったり、溶け込み深さが浅くなってしまう。一方、電極と母材との距離が短くなると、メインアークの圧力が大きくなる。その結果、母材に形成されるビードの幅が細くなってしまったり、溶け落ちが発生するおそれがある。このように、従来のプラズマアーク溶接方法では、メインアークの圧力が変動し、この変動に伴う不都合が生じている。

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、メインアークの圧力をなるべく一定に維持することができ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、非消耗電極および前記非消耗電極を囲むプラズマノズルを含むトーチを用いる、プラズマアーク溶接方法のための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流すメインアーク電源回路と、前記非消耗電極および前記母材の間に印加されたメインアーク電圧を検出するメインアーク電圧検出回路と、前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧の電圧値に基づき、設定電流値を算出する電流値算出回路と、を備え、前記メインアーク電源回路は、前記メインアーク電流を、前記電流値算出回路によって算出された前記設定電流値で流す、プラズマアーク溶接システムが提供される。

好ましくは、前記電流値算出回路は、前記メインアーク電源回路によって流されているメインアーク電流の電流値と、前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧の電圧値と、に基づき、前記設定電流値を算出する。

好ましくは、前記電流値算出回路は、前記メインアーク電圧の電圧値が増加すると、前記メインアーク電源回路が流しているメインアーク電流の電流値より大きい値を、前記設定電流値として算出し、前記メインアーク電圧の電圧値が減少すると、前記メインアーク電源回路が流しているメインアーク電流の電流値より小さい値を、前記設定電流値として算出する。

好ましくは、前記メインアーク電源回路が流す前記メインアーク電流の電流値を増加させた場合、前記メインアーク電流の電流値の増加とともに、前記メインアーク電圧の電圧値が増加し、前記メインアーク電源回路が流す前記メインアーク電流の電流値を減少させた場合、前記メインアーク電流の電流値の減少とともに、前記メインアーク電圧の電圧値が減少し、前記メインアーク電流の電流値の変化前から変化後までの間、前記非消耗電極の延びる方向における、前記非消耗電極の先端の位置は一定のままである。

好ましくは、前記トーチを含むロボットを更に備え、前記ロボットは、前記非消耗電極の先端と前記母材との距離が変動した場合であっても、前記非消耗電極の先端を仮想直線に沿って前記母材に対し相対移動させる。

好ましくは、前記電流値算出回路は、前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧に基づき、サンプリングを行うことにより、複数の距離反映サンプル値を生成する距離反映サンプル値生成部と、所定数個の連続する前記距離反映サンプル値を用いて、前記設定電流値を算出する演算部と、を含み、前記距離反映サンプル値は、前記非消耗電極の先端と前記母材との間の距離を反映している。

好ましくは、前記電流値算出回路においてなされるサンプリングのサンプリング周期は、５０〜２００μＳｅｃである。

好ましくは、前記演算部は、前記所定数個の連続する距離反映サンプル値の平均値に基づき、前記設定電流値を算出する。

好ましくは、前記距離反映サンプル値の変化量が所定のしきい値以下である場合、前記所定数は、通常値であり、前記距離反映サンプル値の変化量が前記所定のしきい値を超えた場合、前記所定数は、前記通常値より小さい値である。

好ましくは、前記通常値は、３００〜５００である。

好ましくは、前記非消耗電極および前記プラズマノズルの間にパイロットアーク電流を流すパイロットアーク用回路を更に備える。

好ましくは、前記非消耗電極と前記プラズマノズルとの間にプラズマガスを流すプラズマガス供給装置を更に備える。

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示す拡大断面図である。 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。 非消耗電極と母材との距離の変化を示すための断面図である。 設定電流値を算出する際に用いる、設定電流値とメインアーク電圧との関係を示す図である。 設定電流値を算出する際に用いる、設定電流値とメインアーク電圧との関係を示す図である。

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６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Ｃ１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、プラズマガス流量制御回路４９１と、シールドガス流量制御回路４９２と、プラズマガス供給装置８１と、シールドガス供給装置８２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。溶接ロボット１は、マニピュレータ１１と、トーチ１２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２によく表れているように、トーチ１２は、非消耗電極１２１と、プラズマノズル１２２と、シールドガスノズル１２３とを有する。

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。プラズマノズル１２２は筒状の部材である。プラズマノズル１２２は非消耗電極１２１を囲んでいる。プラズマノズル１２２は、非消耗電極１２１の先端１２１Ａの位置する側とは反対側に開放している。

プラズマノズル１２２内をプラズマガスＰＧが流れる。プラズマガスＰＧを媒体として、プラズマノズル１２２と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａが発生する。パイロットアークＰａが発生している際、プラズマノズル１２２と非消耗電極１２１との間には、パイロットアーク電流Ｉｐが流れ、プラズマノズル１２２と非消耗電極１２１との間にはパイロットアーク電圧Ｖｐが印加される。なお、パイロットアーク電流Ｉｐの電流値とは、特に断りのない限り、パイロットアーク電流Ｉｐの電流値の絶対値の時間平均値のことを意味する。同様に、パイロットアーク電圧Ｖｐの電圧値とは、特に断りのない限り、パイロットアーク電圧Ｖｐの電圧値の絶対値の時間平均値のことを意味する。なお、プラズマノズル１２２は、冷却手段（図示略）によって、適宜冷却される。

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は、プラズマノズル１２２のノズル開口に拘束される。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。なお、メインアーク電流Ｉｍの電流値とは、特に断りのない限り、メインアーク電流Ｉｍの電流値の絶対値の時間平均値のことを意味する。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、メインアーク電圧Ｖｍが印加される。なお、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値とは、特に断りのない限り、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値の絶対値の時間平均値のことを意味する。

シールドガスノズル１２３は筒状の部材である。シールドガスノズル１２３はプラズマノズル１２２を囲んでいる。シールドガスノズル１２３とプラズマノズル１２２との間を、シールドガスＳＧが流れる。本実施形態とは異なり、トーチ１２がシールドガスノズル１２３を含んでいなくてもよい。

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。

パイロットアーク用回路３は、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間にパイロットアーク電流Ｉｐを流す。本実施形態では、パイロットアーク用回路３は、パイロットアーク電流Ｉｐの電流値を、設定された値となるように制御する。すなわち、パイロットアーク用回路３は、定電流制御を行う。本実施形態とは異なり、パイロットアーク用回路３は、定電圧制御を行なってもよい。パイロットアーク用回路３が定電圧制御を行う場合、パイロットアーク用回路３は、パイロットアーク電圧Ｖｐの電圧値を設定された値となるように制御する。

具体的には、パイロットアーク用回路３は、たとえば２００Ｖ等の商用電源を整流し抵抗器を直列に挿入した回路を含む。これにより、パイロットアーク用回路３は、非消耗電極１２１およびプラズマノズル１２２の間にパイロットアーク電流Ｉｐを流す。パイロットアーク用回路３は、パイロットアーク電流Ｉｐの電流値を、設定された値となるように制御する。

メインアーク用回路４は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間にメインアーク電流Ｉｍを流す。本実施形態では、メインアーク用回路４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。すなわち、メインアーク用回路４は、定電流制御を行う。

メインアーク用回路４は、メインアーク電源回路４１と、メインアーク電圧検出回路４６と、電流値算出回路４７と、電流値記憶部４８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（後述する、電流値算出回路４７で算出された設定電流値Ｉｓ）となるように制御する。

メインアーク電圧検出回路４６は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間に印加されるメインアーク電圧Ｖｍの電圧値を検出するためのものである。メインアーク電圧検出回路４６は、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値に対応するメインアーク電圧検出信号Ｖｄｍを送る。

電流値算出回路４７は、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍに基づき、設定電流値Ｉｓを算出する。具体的には、電流値算出回路４７は、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値と、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍと、に基づき、設定電流値Ｉｓを算出する。電流値算出回路４７は、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が増加すると、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値より大きい値を、設定電流値Ｉｓとして算出し、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が減少すると、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値より小さい値を、設定電流値Ｉｓとして算出する。

電流値算出回路４７は、距離反映サンプル値生成部４７１と、演算部４７４と、を含む。

本実施形態では、距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧Ｖｍをサンプリングするサンプリング回路である。距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍに基づき、サンプリングを行うことにより、複数の距離反映サンプル値を生成する。距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍを、サンプリングすることにより、複数のサンプル電圧値Ｖ（ｋ）を生成する。距離反映サンプル値は、非消耗電極１２１の先端１２１Ａと母材Ｗとの間の距離ＬＬを反映している。サンプル電圧値Ｖ（ｋ）は、距離反映サンプル値の一例である。

演算部４７４は、所定数Ｎ個の連続する距離反映サンプル値を用いて、設定電流値Ｉｓを算出し、メインアーク電源回路４１および電流算出回路４７に出力する。

距離反映サンプル値生成部４７１および演算部４７４におけるプロセスについては、後述する。

電流値記憶部４８は、電流値算出回路４７によって算出された設定電流値Ｉｓを、現状電流値Ｉｃとして記憶する。電流値記憶部４８が記憶している現状電流値Ｉｃは、電流値算出回路４７による設定電流値Ｉｓの算出に用いられる。電流値算出回路４７は、電流値記憶部４８が記憶している現状電流値Ｉｃを、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値として認識する。

プラズマガス流量制御回路４９１は、プラズマガスＰＧの流量を制御するためのものである。プラズマガス流量制御回路４９１は、プラズマガスＰＧの流量を指示するためのプラズマガス流量制御信号Ｓｐｇを送る。

シールドガス流量制御回路４９２は、シールドガスＳＧの流量を制御するためのものである。シールドガス流量制御回路４９２は、シールドガスＳＧの流量を指示するためのシールドガス流量制御信号Ｓｓｇを送る。

プラズマガス供給装置８１は、プラズマガスＰＧをプラズマノズル１２２の内部に供給するためのものである。プラズマガス供給装置８１は、プラズマガス流量制御回路４９１から受けたプラズマガス流量制御信号Ｓｐｇに基づき、プラズマガスＰＧを供給する。

シールドガス供給装置８２は、シールドガスＳＧをプラズマノズル１２２とシールドガスノズル１２３との間に供給するためのものである。シールドガス供給装置８２は、シールドガス流量制御回路４９２から受けたシールドガス流量制御信号Ｓｓｇに基づき、シールドガスＳＧを供給する。

次に、図３を更に用いて、プラズマアーク溶接システムＣ１を用いたアーク溶接方法について説明する。

図３は、プラズマアーク溶接システムＣ１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Ｉｐの電流値、（ｂ）はメインアーク電流Ｉｍの電流値、（ｃ）はロボット移動速度Ｖｒ、（ｄ）はメインアーク電圧Ｖｍの電圧値、（ｅ）はプラズマガスＰＧの流量、（ｆ）は母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬ、（ｇ）は非消耗電極１２１の延びる方向ｘにおける、非消耗電極１２１の先端１２１Ａの位置、のそれぞれの変化状態を示す。なお、図３の下方に示す（Ｓ−１）、（Ｓ−２）、（Ｓ−３）は、図４の（Ｓ−１）、（Ｓ−２）、（Ｓ−３）に対応する。

＜時刻ｔ１０〜時刻ｔ１３＞
時刻ｔ１０において、パイロットアーク用回路３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、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間に、パイロットアークＰａが発生する。これにより、同図（ａ）に示すように、パイロットアーク電流Ｉｐの通電が開始する。時刻ｔ１０から流れるパイロットアーク電流Ｉｐの電流値は、たとえば１〜２０Ａであり、好ましくは５〜２０Ａである。なお、パイロットアークＰａの発生（すなわちパイロットアーク電流Ｉｐの通電の開始）は、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間に、高周波であり且つ非常に高い電圧を印加することにより行う。パイロットアークＰａを発生させるための当該電圧の周波数は、数ＭＨｚである。パイロットアークＰａを発生させるための当該電圧の電圧値は、数ｋＶである。また、同図（ｅ）に示すように、時刻ｔ１０以前に、プラズマガスＰＧが流れ始めている。

時刻ｔ１１において、メインアーク電源回路４１は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間にメインアーク電圧Ｖｍを印加する。この時点ではメインアークＭａはまだ発生していないために、メインアーク電圧Ｖｍは１００〜１２０Ｖ程度の無負荷電圧値となる。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Ｐａ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Ｐａ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（ｂ）に示すように、時刻ｔ１２において、メインアーク電流Ｉｍの通電が開始する。時刻ｔ１２以降のメインアーク電圧Ｖｍの電圧値は、たとえば、１０〜３０Ｖである。また、メインアーク電流Ｉｍの電流値は、たとえば、２０〜３５０Ａである。

＜時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４＞
メインアーク電流Ｉｍの通電が開始すると、動作制御回路２は、時刻ｔ１３において、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、同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ１３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に対する相対移動が開始する。このようにして、時刻ｔ１３から定常溶接が開始する。

図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４の間のメインアーク電流Ｉｍの電流値は、電流値ｉｍ３である。同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４の間のメインアーク電圧Ｖｍの値は、電圧値ｖｍ３であり、同図（ｆ）、図４（Ｓ−１）に示すように、時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４の間の、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬは、距離Ｌ３である。

＜時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５＞
定常溶接時において、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬは常に一定、ではない。定常溶接時には距離ＬＬに変動が生じる。これは、母材Ｗの設置時に生じるずれや、薄い母材Ｗを用いる場合に生じる変形等が原因として考えられる。そして、図３（ｆ）に示すように、時刻ｔ１４から、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが、距離Ｌ３から増大する。すなわち、時刻ｔ１４から、スタンドオフが増大する。なお、スタンドオフとは、トーチ１２と母材Ｗとの距離を意味する。メインアーク電流Ｉｍの電流値と、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬと、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値とは、以下の関係を満たす。

（メインアーク電圧Ｖｍ）∝（距離ＬＬ）×（メインアーク電流Ｉｍ）・・・（式１）

すなわち、（式１）から理解できるように、同一電流値である場合、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬと、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値とは、比例関係にある。時刻ｔ１４前後において、メインアーク電流Ｉｍは、電流値ｉｍ３のままであるから、図３（ｄ）、（ｆ）に示すように、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬの変化に比例して、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が変化する。そして、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが距離Ｌ４となったとき（図４（Ｓ−２））、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値は、電圧値ｖｍ４１となる。

メインアーク電圧Ｖｍが変化すると、メインアーク電流Ｉｍも変化させる。具体的には、次のとおり、電流値算出回路４７が、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値に基づき設定電流値Ｉｓを算出することにより、メインアーク電流Ｉｍを増大させる。

まず、距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出信号Ｖｄｍを受けている。距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出信号Ｖｄｍを、デジタル信号に変換する。すなわち、距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍをサンプリングすることにより、距離反映サンプル値として、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）に変換する。サンプリング周期は、５０〜２００μＳｅｃである。

次に、演算部４７４は、所定数Ｎ個の連続するサンプル電圧値Ｖ（ｋ）の平均値ＶＡを算出する。本実施形態では、演算部４７４は、平均値ＶＡが電圧値ｖｍ４１と算出する。

なお、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈ以下である場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１であり、通常値ｎ１はたとえば、３００〜５００である。一方、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈを超えた場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１より小さい値ｎ２である。値ｎ２は、たとえば、通常値ｎ１の半分以下の値である。

次に、演算部４７４は、平均値ＶＡに基づいて設定電流値Ｉｓを算出する。本実施形態では、演算部４７４は、設定電流値Ｉｓの算出に際して、電流値記憶部４８に記憶された現状電流値Ｉｃも用いる。演算部４７４は、現状電流値Ｉｃにより、メインアーク電流Ｉｍの電流値を認識する。そして、本実施形態では、演算部４７４は、図５のグラフＧ１を用いて設定電流値Ｉｓを算出する。図５のグラフＧ１は、メインアーク電流Ｉｍの電流値が電流値ｉｍ３である場合の、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値と設定電流値Ｉｓとの関係を示している。なお、演算部４７４には、図５と同様の、メインアーク電流Ｉｍの各電流値におけるグラフが格納されている。図５に示すように、本実施形態では、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値（平均値ＶＡ）が電圧値ｖｍ４１であるから、望ましい設定電流値Ｉｓは電流値ｉｍ４であると、演算部４７４にて算出される。演算部４７４によって算出された設定電流値Ｉｓ（すなわち電流値ｉｍ４）は、電流値記憶部４８にて現状電流値Ｉｃとして記憶される。

＜時刻ｔ１５〜時刻ｔ１７＞
このように、電流値算出回路４７が設定電流値Ｉｓを算出すると、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１６において、メインアーク電源回路４１がメインアーク電流Ｉｍの電流値を電流値ｉｍ４に変化（増加）させる。メインアーク電流Ｉｍの電流値の変化前から変化後までの間、非消耗電極１２１の延びる方向ｘにおける非消耗電極１２１の先端１２１Ａの位置は、一定のままである。そして、時刻ｔ１６にてメインアーク電流Ｉｍの電流値を変化させる前後において、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬは距離Ｌ４のまま一定である。そのため、（式１）から理解できるように、図３（ｄ）に示すように、メインアーク電流Ｉｍの電流値の増加とともに、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が電圧値ｖｍ４１から電圧値ｖｍ４２に上昇する。

＜時刻ｔ１７〜時刻ｔ１８＞
図３（ｆ）に示すように、時刻ｔ１７から、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが、距離Ｌ４から減少する。すなわち、時刻ｔ１７から、スタンドオフが減少する。時刻ｔ１７前後において、メインアーク電流Ｉｍは、電流値ｉｍ４のままであるから、図３（ｄ）、（ｆ）に示すように、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬの変化に比例して、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が変化する。そして、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが距離Ｌ２となったとき（図４（Ｓ−３））、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値は、電圧値ｖｍ２１となる。

上述したのと同様に、電流値算出回路４７は、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値に基づき、設定電流値Ｉｓを算出する。具体的には、以下の通りである。

上記したのと同様に、距離反映サンプル値生成部４７１は、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍをサンプリングすることにより、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）に変換する。なお、サンプリング周期は、５０〜２００μＳｅｃである。

次に、演算部４７４は、所定数Ｎ個の連続するサンプル電圧値Ｖ（ｋ）の平均値ＶＡを算出する。本実施形態では、演算部４７４は、平均値ＶＡが電圧値ｖｍ２１と算出する。

なお、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈ以下である場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１であり、通常値ｎ１はたとえば、３００〜５００である。一方、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈを超えた場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１より小さい値ｎ２である。値ｎ２は、たとえば、通常値ｎ１の半分以下の値である。

次に、演算部４７４は、図６のグラフＧ２を用いて、平均値ＶＡに基づいて設定電流値Ｉｓを算出する。グラフＧ２は、メインアーク電流Ｉｍの電流値が、電流値ｉｍ４である場合の、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値と設定電流値Ｉｓとの関係を示している。図６に示すように、本実施形態では、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値（平均値ＶＡ）が電圧値ｖｍ２１であるから、望ましい設定電流値Ｉｓは電流値ｉｍ２であると、演算部４７４にて算出される。演算部４７４によって算出された設定電流値Ｉｓ（すなわち電流値ｉｍ２）は、電流値記憶部４８にて現状電流値Ｉｃとして記憶される。

＜時刻ｔ１８以降＞
このように、電流値算出回路４７が設定電流値Ｉｓを算出すると、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１９において、メインアーク電源回路４１がメインアーク電流Ｉｍの電流値を電流値ｉｍ２に変化させる。時刻ｔ１９にてメインアーク電流Ｉｍの電流値を変化させる前後において、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬは距離Ｌ２のまま一定である。そのため、（式１）から理解できるように、図３（ｄ）に示すように、メインアーク電流Ｉｍの電流値の減少とともに、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が電圧値ｖｍ２１から電圧値ｖｍ２２に減少する。

以上のように、距離ＬＬの変動に応じて、メインアーク電流Ｉｍの電流値およびメインアーク電圧Ｖｍの電圧値を調整することにより、母材Ｗへの定常溶接が行われる。

なお、本実施形態では、図４に示すように、定常溶接時において、非消耗電極１２１の先端１２１Ａと母材Ｗとの距離ＬＬが変動した場合であっても、溶接ロボット１は、非消耗電極１２１の先端１２１Ａを仮想直線ＬＩｍに沿って移動させている。すなわち、定常溶接時において、非消耗電極１２１の先端１２１Ａと母材Ｗとの距離ＬＬが変動した場合であっても、溶接ロボット１は非消耗電極１２１を母材Ｗに接近させたり、あるいは、離間させたりしない。

なお、上記の数値の一例を挙げると、電流値ｉｍ３は２００Ａであり、電圧値ｖｍ３は２０Ｖであり、距離Ｌ３は、たとえば、３．０ｍｍである。電流値ｉｍ３と電流値ｉｍ２との差や、電流値ｉｍ４と電流値ｉｍ３との差は、たとえば、５〜２０Ａである。距離ＬＬは、２．０〜４．０ｍｍの範囲内で変動することが多く、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値は、１６Ｖ〜２４Ｖ程度の範囲内で変動することが多い。図５、図６では例示として、設定電流値Ｉｓの電流値が電流値ｉｍ１〜電流値ｉｍ６の６種類である場合を示しているが、これに限定されず、実際の設定電流値Ｉｓの電流値の種類は更に多くてもよい。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態では、メインアーク電圧検出回路４６によって検出されたメインアーク電圧Ｖｍの電圧値に基づき、設定電流値Ｉｓを算出する電流値算出回路４７を備える。メインアーク電源回路４１は、メインアーク電流Ｉｍを、電流値算出回路４７によって算出された設定電流値Ｉｓで流す。（式１）から理解できるように、同一電流値である場合、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬと、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値とは、比例関係にある。よって、本実施形態によると、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬに応じて、メインアーク電流Ｉｍの電流値を調整できる。メインアーク電流Ｉｍの電流値を調整できると、母材Ｗの表面に対する、メインアークＭａの圧力（以下、メインアークＭａの圧力と言う）を、なるべく一定に維持することができる。

メインアークＭａの圧力を一定にできると、母材Ｗに形成されるビードの幅に変動が生じることを抑制できる。また、メインアークＭａの圧力を一定にできると、溶け込み深さが浅くなったり、あるいは溶け落ちが生じたりする不具合を抑制できる。

メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が増加した場合、この増加は、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが増加したことを意味する（たとえば時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５）。母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが増加すると、メインアークＭａの圧力が低下する。本実施形態によると、電流値算出回路４７は、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が増加すると、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値より大きい値を、設定電流値Ｉｓとして算出する。これにより、メインアーク電流Ｉｍの電流値が増加する。メインアーク電流Ｉｍの電流値が増加するとメインアークＭａの圧力が増加する。よって、本実施形態によると、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが増加した場合であっても、低下したメインアークＭａの圧力を元の圧力値に戻すことができる。

一方、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が減少した場合、この減少は、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが減少したことを意味する（たとえば時刻ｔ１７〜ｔ１８）。母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが減少すると、メインアークＭａの圧力が増加する。本実施形態によると、電流値算出回路４７は、メインアーク電圧Ｖｍの電圧値が減少すると、メインアーク電源回路４１が流しているメインアーク電流Ｉｍの電流値より小さい値を、設定電流値Ｉｓとして算出する。これにより、メインアーク電流Ｉｍの電流値が減少する。メインアーク電流Ｉｍの電流値が減少するとメインアークＭａの圧力が減少する。よって、本実施形態によると、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが減少した場合であっても、増加したメインアークＭａの圧力を元の圧力値に戻すことができる。

以上より、定常溶接時に、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが変動したとしても、メインアークＭａの圧力をより一定に維持することができる。

また、メインアーク電圧Ｖｍに基づきメインアーク電流Ｉｍの電流値を調整することにより、定常溶接時に、母材Ｗと非消耗電極１２１の先端１２１Ａとの距離ＬＬが変動した場合に、非常に応答性良く、メインアークＭａの圧力値を元に戻すことができる。

本実施形態では、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈ以下である場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１である。サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が所定のしきい値Ｖｔｈを超えた場合、所定数Ｎは、通常値ｎ１より小さい値ｎ２である。このような構成によると、サンプル電圧値Ｖ（ｋ）の変化量が大きい場合に、より迅速に、メインアーク電流Ｉｍを変化させることができる。このことは、より応答性良くメインアークＭａの圧力値を元に戻すのに好適である。

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。

上記実施形態では、距離反映サンプル値として、メインアーク電圧の電圧値をサンプリングした値を用いたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、（式１）を用いて、実際の距離ＬＬを求めることにより、距離反映サンプル値として、距離ＬＬのサンプル値を用いてもよい。

電流値算出回路４７にて用いる、メインアーク電流Ｉｍの電流値は、電流値記憶部４８に記憶された現状電流値Ｉｃには限られない。実際に流れているメインアーク電流Ｉｍの電流値を検出して、当該電流値をメインアーク電流Ｉｍの電流値として、電流値算出回路４７は用いてもよい。

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 プラズマノズル
１２３ シールドガスノズル
２ 動作制御回路
３ パイロットアーク用回路
４ メインアーク用回路
４１ メインアーク電源回路
４６ メインアーク電圧検出回路
４７ 電流値算出回路
４７１ 距離反映サンプル値生成部
４７４ 演算部
４８ 電流値記憶部
４９１ プラズマガス流量制御回路
４９２ シールドガス流量制御回路
８１ プラズマガス供給装置
８２ シールドガス供給装置
Ｃ１ プラズマアーク溶接システム
Ｄｒ 溶接進行方向
Ｇ１，Ｇ２ グラフ
Ｉｍ メインアーク電流
Ｉｐ パイロットアーク電流
Ｍａ メインアーク
Ｍｓ 動作制御信号
Ｐａ パイロットアーク
ＰＧ プラズマガス
ＳＧ シールドガス
Ｓｐｇ プラズマガス流量制御信号
Ｓｓｇ シールドガス流量制御信号
ｔ１０，ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３，ｔ１４，ｔ１５，ｔ１６，ｔ１７，ｔ１８，ｔ１９ 時刻
ＶＡ 平均値
Ｖｄｍ メインアーク電圧検出信号
Ｖｍ メインアーク電圧
Ｖｐ パイロットアーク電圧
Ｖｒ ロボット移動速度
Ｖｔｈ しきい値
Ｖ（ｋ） サンプル電圧値
Ｗ 母材
Ｉｓ 設定電流値
Ｉｃ 現状電流値
ｉｍ１，ｉｍ２，ｉｍ３，ｉｍ４，ｉｍ５，ｉｍ６ 電流値
ｖｍ２１，ｖｍ２２，ｖｍ３，ｖｍ４１，ｖｍ４２ 電圧値
ＬＬ，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 距離
Ｎ 所定数
ｎ１ 通常値
ｎ２ 値
ＬＩｍ 仮想直線
ｘ 方向

Claims (12)

1. 非消耗電極および前記非消耗電極を囲むプラズマノズルを含むトーチを用いる、プラズマアーク溶接方法のための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流すメインアーク電源回路と、
   前記非消耗電極および前記母材の間に印加されたメインアーク電圧を検出するメインアーク電圧検出回路と、
   前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧の電圧値に基づき、設定電流値を算出する電流値算出回路と、を備え、
   前記メインアーク電源回路は、前記メインアーク電流を、前記電流値算出回路によって算出された前記設定電流値で流す、プラズマアーク溶接システム。
2. 前記電流値算出回路は、前記メインアーク電源回路によって流されているメインアーク電流の電流値と、前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧の電圧値と、に基づき、前記設定電流値を算出する、請求項１に記載のプラズマアーク溶接システム。
3. 前記電流値算出回路は、
   前記メインアーク電圧の電圧値が増加すると、前記メインアーク電源回路が流しているメインアーク電流の電流値より大きい値を、前記設定電流値として算出し、
   前記メインアーク電圧の電圧値が減少すると、前記メインアーク電源回路が流しているメインアーク電流の電流値より小さい値を、前記設定電流値として算出する、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。
4. 前記メインアーク電源回路が流す前記メインアーク電流の電流値を増加させた場合、前記メインアーク電流の電流値の増加とともに、前記メインアーク電圧の電圧値が増加し、
   前記メインアーク電源回路が流す前記メインアーク電流の電流値を減少させた場合、前記メインアーク電流の電流値の減少とともに、前記メインアーク電圧の電圧値が減少し、
   前記メインアーク電流の電流値の変化前から変化後までの間、前記非消耗電極の延びる方向における、前記非消耗電極の先端の位置は一定のままである、請求項３に記載のプラズマアーク溶接システム。
5. 前記トーチを含むロボットを更に備え、
   前記ロボットは、前記非消耗電極の先端と前記母材との距離が変動した場合であっても、前記非消耗電極の先端を仮想直線に沿って前記母材に対し相対移動させる、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
6. 前記電流値算出回路は、
   前記メインアーク電圧検出回路によって検出されたメインアーク電圧に基づき、サンプリングを行うことにより、複数の距離反映サンプル値を生成する距離反映サンプル値生成部と、
   所定数個の連続する前記距離反映サンプル値を用いて、前記設定電流値を算出する演算部と、を含み、
   前記距離反映サンプル値は、前記非消耗電極の先端と前記母材との間の距離を反映している、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
7. 前記電流値算出回路においてなされるサンプリングのサンプリング周期は、５０〜２００μＳｅｃである、請求項６に記載のプラズマアーク溶接システム。
8. 前記演算部は、前記所定数個の連続する距離反映サンプル値の平均値に基づき、前記設定電流値を算出する、請求項７に記載のプラズマアーク溶接システム。
9. 前記距離反映サンプル値の変化量が所定のしきい値以下である場合、前記所定数は、通常値であり、
   前記距離反映サンプル値の変化量が前記所定のしきい値を超えた場合、前記所定数は、前記通常値より小さい値である、請求項８に記載のプラズマアーク溶接システム。
10. 前記通常値は、３００〜５００である、請求項９に記載のプラズマアーク溶接システム。
11. 前記非消耗電極および前記プラズマノズルの間にパイロットアーク電流を流すパイロットアーク用回路を更に備える、請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
12. 前記非消耗電極と前記プラズマノズルとの間にプラズマガスを流すプラズマガス供給装置を更に備える、請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。

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