JP2018079500A - プラズマアーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

プラズマアーク溶接のアークスタート制御方法 Download PDF

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【課題】プラズマアーク溶接において、スタンドオフが長いときでも確実にメインアークを発生させ、かつ、溶接開始時の溶接品質を良好にすること。【解決手段】プラズマガスＦｐを流し、パイロットアークを発生させ、起動信号Ｏｍが出力されるとメインアークＣｍを発生させるプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法において、起動信号Ｏｍが出力されるとプラズマガスの流量Ｆｐを傾斜を有して増加させる第１工程と、メインアークＣｍが発生するとプラズマガスの流量Ｆｐを予め定めた定常値に変化させる第２工程と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマガスを流し、パイロットアークを発生させ、起動信号が出力されるとメインアークを発生させるプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
プラズマアーク溶接は、高エネルギー密度のプラズマアークを利用することによって薄板の高速度溶接又は厚板の貫通溶接が可能である。プラズマアーク溶接では、パイロットアークを発生させておき、このパイロットアークによってメインアークを誘発させて溶接を開始する。溶接開始時において、パイロットアークから円滑にメインアークを発生させることは、溶接品質を良好にし、溶接作業を効率化するために重要である。
パイロットアークからメインアークを円滑に誘発するためには、プラズマガスの流量が重要となる。特許文献１の発明では、溶接開始時のプラズマガスの流量を溶接中よりも大にしてパイロットアークのアーク長を伸ばし、メインアークを円滑に発生させるようにしている。
特開昭61-82975号公報
従来技術のように溶接開始時のプラズマガスの流量を溶接中よりも大にすると、メインアークの発生は円滑になる。特に、溶接トーチ先端・母材間距離(以下、スタンドオフという)が長くなると、メインアークが発生しにくくなる。このような状態のときに、従来技術を適用すると、メインアークの発生が円滑になる効果がある。
しかし、溶接開始時のプラズマガスの流量を大にすると、パイロットアークによるアーク圧力が増大することになる。このために、薄板溶接にあっては、パイロットアークのアーク圧力によって溶け落ちが発生するという問題があった。また、厚板溶接においても、パイロットアークのアーク圧力によって母材表面が溶融して、溶接開始時のビード外観が悪くなるという問題があった。
そこで、本発明では、スタンドオフが長い場合でも、メインアークを円滑に発生させることができ、かつ、溶接開始時の溶接品質を良好にすることができるプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
プラズマガスを流し、パイロットアークを発生させ、起動信号が出力されるとメインアークを発生させるプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記起動信号が出力されると前記プラズマガスの流量を傾斜を有して増加させる第１工程と、
前記メインアークが発生すると前記プラズマガスの流量を予め定めた定常値に変化させる第２工程と、
を備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法である。
請求項２の発明は、前記第１工程における前記プラズマガスの増加に予め定めた上限値を設ける、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法である。
請求項３の発明は、前記起動信号が出力された時点から予め定めた基準時間が経過しても前記メインアークが発生しないときは、アークスタート異常を報知する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法である。
本発明によれば、スタンドオフが長い場合でも、メインアークを円滑に発生させることができ、かつ、溶接開始時の溶接品質を良好にすることができる。
本発明の実施の形態１に係るプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 図１で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
溶接トーチは、主に電極１、それを取り囲むプラズマガスノズル４及びそれを取り囲むシールドガスノズル５から成る。電極１には、タングステン電極等が使用される。
パイロットアーク開始回路ＯＰは、パイロットアーク３ｐを発生させるときにＨｉｇｈレベルとなるパイロットアーク開始信号Ｏｐを出力する。このパイロットアーク開始回路ＯＰは、例えば溶接装置のフロントパネルに設けられたスイッチである。このスイッチがオンされると、パイロットアーク開始信号ＯｐがＨｉｇｈレベルとなって出力される。
起動回路ＯＭは、メインアーク３ｍを発生させるときにＨｉｇｈレベルとなる起動信号Ｏｍを出力する。この起動回路ＯＭは、溶接トーチに設けられたトーチスイッチである。また、起動回路ＯＭは、ロボット制御装置内に設けられる場合もある。
プラズマガス流量設定回路ＦＲは、上記の起動信号Ｏｍ及び後述するメインアーク電流通電判別信号Ｃｍを入力として、図２で後述するプラズマガス流量Ｆｐを設定するためのプラズマガス流量設定信号Ｆｒを出力する。
プラズマガス電磁弁ＧＰは、上記のパイロットアーク開始信号Ｏｐによって開閉状態が制御される。パイロットアーク開始信号ＯｐがＨｉｇｈレベルになると、プラズマガス電磁弁ＧＰが開状態となり、プラズマガスボンベ６からのプラズマガス７が流れる。
プラズマガス流量調整器ＦＰは、上記のプラズマガス流量設定信号Ｆｒによって定まる値にプラズマガス７の流量を調整する。
シールドガス流量調整器ＦＳは、シールドガスボンベ８からのシールドガス９の流量を調整する。流量の調整は、シールドガス流量調整器ＦＳの本体の回転ツマミを手動で操作することによって行う。シールドガス９の流量は、例えば１０リットル／分に調整される。
シールドガス電磁弁ＧＳは、上記の起動信号Ｏｍによって開閉状態が制御される。起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベルになると、シールドガス電磁弁Ｇｓが開状態となりシールドガス９が流れる。
プラズマガスノズル４内をプラズマガス７が流れる。また、シールドガスノズル５内をシールドガス９が流れる。プラズマガス７及びシールドガス９にはアルゴンが使用されることが多い。パイロットアーク３ｐは電極１とプラズマガスノズル４との間に発生し、メインアーク３ｍは電極１と母材２との間に発生する。パイロットアーク３ｐによって誘発されてメインアーク３ｍが発生する。パイロットアーク３ｐは、電極１が負極となり、プラズマガスノズル４が正極となって発生する。メインアーク３ｍは、電極１が負極となり、母材２が正極となって発生する。
パイロットアーク用電源ＰＰＳは、定電流特性又は垂下特性を有する電源であり、この電源によってパイロットアーク３Ｐを発生させる。パイロットアーク用スイッチＳＰは、上記のパイロットアーク開始信号Ｏｐに従って上記のパイロットアーク用電源ＰＰＳのオン／オフを行う。このパイロットアーク用スイッチＳＰとしては、リレー、半導体スイッチング素子等を使用する。
メインアーク電流設定回路ＩＲは、予め定めたメインアーク電流設定信号Ｉｒを出力する。メインアーク用電源ＭＰＳは、このメインアーク電流設定信号Ｉｒを入力として、定電流特性又は垂下特性を有する電源であり、メインアーク電流設定信号Ｉｒによって定まるメインアーク電流Ｉｍを通電して、メインアーク３Ｍを発生させる。メインアーク用スイッチＳＭは、上記の起動信号Ｏｍに従って上記のメインアーク用電源ＭＰＳのオン／オフを行う。このメインアーク用スイッチＳＭとしては、リレー、半導体スイッチング素子等を使用する。
メインアーク電流通電判別回路ＣＭは、メインアーク電流Ｉｍが通電しているときはＨｉｇｈレベルになるメインアーク電流判別信号Ｃｍを出力する。
報知回路ＡＲは、上記の起動信号Ｏｍ及び上記のメインアーク電流通電判別信号Ｃｍを入力として、起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベル(起動)に変化した時点から予め定めた基準時間が経過してもメインアーク電流通電判別信号ＣｍがＨｉｇｈレベル(通電)に変化しないときは、アークスタート異常を報知する。報知手段は、音、異常灯の点燈、アラーム信号の外部への出力等である。また、この報知に連動して、起動信号Ｏｍを強制的にＬｏｗレベルにして、溶接装置からの出力を停止するようにしても良い。
図２は、図１で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はパイロットアーク開始信号Ｏｐの時間変化を示し、同図(Ｂ)は起動信号Ｏｍの時間変化を示し、同図(Ｃ)はプラズマガス流量Ｆｐ［リットル／分］の時間変化を示し、同図(Ｄ)はシールドガス流量Ｆｓ［リットル／分］の時間変化を示し、同図(Ｅ)はメインアーク電流通電判別信号Ｃｍの時間変化を示す。以下、同図及び図１を参照して説明する。
溶接作業者は、溶接作業を開始するときに、溶接装置に商用交流電源を接続し、パイロットアーク開始回路ＯＰのスイッチをオンにする。これに応動して、パイロットアーク開始信号ＯｐがＨｉｇｈレベルに変化して出力されるので、パイロットアーク用スイッチＳＰが閉状態となり、電極１とプラズマガスノズル４との間に電圧が印加される。同時に、プラズマガス電磁弁ＧＰが開状態となり、プラズマガス７が流れる。このときのプラズマガス流量Ｆｐは、プラズマガス流量設定信号Ｆｒによって定まる予め定めた初期値となり、プラズマガス流量調整器ＦＰによって流量が調整される。この結果、電極１とプラズマガスノズル４との間にパイロットアーク３ｐが発生する。上記の初期値は０．２〜０．５リットル／分程度である。パイロットアーク３ｐの電流値は、５〜１５Ａ程度である。複数のワーク(母材２)を溶接する期間中は、パイロットアーク３ｐは発生した状態を維持する。すなわち、パイロットアーク３ｐを発生させるまでが、溶接の前準備となる。
時刻ｔ１から、溶接を開始する工程へと移行する。この時刻ｔ１以前から、上述したように、同図(Ａ)に示すように、パイロットアーク開始信号ＯｐはＨｉｇｈレベルとなっており、同図(Ｃ)に示すように、プラズマガス流量Ｆｐは初期値となっている。
(第１工程)
時刻ｔ１において、溶接作業者によって起動回路ＯＭのスイッチがオンされると、同図(Ｂ)に示すように、起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、メインアーク用スイッチＳＭが閉状態となり、電極１と母材２との間に無負荷電圧が印加する。同時に、シールドガス電磁弁ＧＳが開状態となり、シールドガス９が流れる。同図(Ｄ)に示すように、シールドガス流量Ｆｓは、シールドガス流量調整器ＦＳによって調整された値となる。シールドガス流量Ｆｓは溶接中は一定値であり、１０リットル／分程度となる。
時刻ｔ１において、同図(Ｂ)に示すように、起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベルになると、プラズマガス流量Ｆｐは、初期値から予め定めた増加率で増加する。この増加は、メインアーク３ｍが発生するまで続くことになる。増加率は、１秒間当たり０．２〜１．０リットル／分程度に設定される。プラズマガス流量Ｆｐが増加するのに伴い、パイロットアーク３ｐのアーク長が長くなり、メインアーク３ｍの発生をより強く誘発する。
(第２工程)
時刻ｔ２において、メインアーク３ｍが発生するとメインアーク電流Ｉｍが通電するので、同図(Ｅ)に示すように、メインアーク電流通電判別信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図(Ｃ)に示すように、プラズマガス流量Ｆｐは予め定めた定常値へと変化する。この定常値は、板厚に応じて０．２〜３．５リットル／分程度に設定される。メインアーク電流Ｉｍは、５０〜２５０Ａ程度に設定される。
時刻ｔ３において、一つ目のワークの溶接が終了すると、溶接作業者は起動回路ＯＭのスイッチをオフするので、同図(Ｂ)に示すように、起動信号ＯｍがＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、メインアーク用スイッチＳＭが開状態となり、メインアーク電流Ｉｍの通電が停止するので、同図(Ｅ)に示すように、メインアーク電流通電判別信号ＣｍはＬｏｗレベルになる。同時に、シールドガス電磁弁ＧＭが閉状態となるので、同図(Ｄ)に示すように、シールドガス流量Ｆｓは０となる。しかし、同図(Ａ)に示すように、パイロットアーク開始回路ＯＰのスイッチはオンのままであるので、パイロットアーク用スイッチＳＰは閉状態のままとなり、パイロットアーク３ｐは発生した状態を維持する。また、プラズマガス電磁弁ＧＰは開状態のままであるので、プラズマガス７は流れを維持する。但し、同図(Ｃ)に示すように、プラズマガス流量ｆｐは定常値から初期値に変化する。同図では、定常値＝初期値の場合であるが、異なる値に設定されることもある。次のワークの溶接を開始するときは、再び時刻ｔ１からの動作を繰り返すことになる。
以下、本実施の形態の作用効果について説明する。時刻ｔ１に起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から、プラズマガス流量Ｆｐは、継時的に予め定めた増加率で増加する。そして、メインアーク３ｍが発生すると、プラズマガス流量Ｆｐを定常値へと変化させる。このようにすると、スタンドオフの長さに応じてメインアーク３ｍを発生させるために必要最小限だけプラズマガス流量Ｆｐが増加するので、溶接開始時の溶接品質はほとんど悪くならない。かつ、確実にメインアーク３ｍを発生させることができる。
同図において、起動信号ＯｍがＨｉｇｈレベルになる時刻ｔ１からの経過時間が予め定めた基準時間になってもメインアーク３ｍが発生しないときは、報知回路ＡＲによって警報が報知される。同時に、起動信号ＯｍがＬｏｗレベルに強制的に変化し、メインアーク用スイッチＳＭは開状態となり、出力が停止する。基準時間は、１．５〜３秒程度に設定される。
同図において、時刻ｔ１からのプラズマガス流量Ｆｐの増加に予め定めた上限値を設けても良い。これにより、プラズマガス流量Ｆｐが過大になることを抑制することができる。
１ 電極
２ 母材
３Ｍ メインアーク
３Ｐ パイロットアーク
４ プラズマガスノズル
５ シールドガスノズル
６ プラズマガスボンベ
７ プラズマガス
８ シールドガスボンベ
９ シールドガス
ＡＲ 報知回路
ＣＭ メインアーク電流通電判別回路
Ｃｍ メインアーク電流通電判別信号
ＦＰ プラズマガス流量調整器
Ｆｐ プラズマガス流量
ＦＲ プラズマガス流量設定回路
Ｆｒ プラズマガス流量設定信号
ＦＳ シールドガス流量調整器
Ｆｓ シールドガス流量
ＧＰ プラズマガス電磁弁
ＧＳ シールドガス電磁弁
Ｉｍ メインアーク電流
ＩＲ メインアーク電流設定回路
Ｉｒ メインアーク電流設定信号
ＭＰＳ メインアーク用電源
ＯＭ 起動回路
Ｏｍ 起動信号
ＯＰ パイロットアーク開始回路
Ｏｐ パイロットアーク開始信号
ＰＰＳ パイロットアーク用電源
ＳＭ メインアーク用スイッチ
ＳＰ パイロットアーク用スイッチ

Claims (3)

  1. プラズマガスを流し、パイロットアークを発生させ、起動信号が出力されるとメインアークを発生させるプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法において、
    前記起動信号が出力されると前記プラズマガスの流量を傾斜を有して増加させる第１工程と、
    前記メインアークが発生すると前記プラズマガスの流量を予め定めた定常値に変化させる第２工程と、
    を備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法。
  2. 前記第１工程における前記プラズマガスの増加に予め定めた上限値を設ける、
    ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法。
  3. 前記起動信号が出力された時点から予め定めた基準時間が経過しても前記メインアークが発生しないときは、アークスタート異常を報知する、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマアーク溶接のアークスタート制御方法。
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