JP2020032438A - アークスポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマアーク及び消耗電極アークを使用するアークスポット溶接において、プラズマガスノズル内へのスパッタの付着を防止すること。【解決手段】非消耗電極を取り囲むプラズマガスノズルからプラズマガスを流し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は非消耗電極と母材との間にプラズマアークを発生させて母材表面から凹む穴を形成し、プラズマアークを消弧した後に、時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は消耗電極と母材との間に消耗電極アークを発生させて上記の穴に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接方法において、プラズマガス（Ｆｐ）を、プラズマアークが発生しているときは第１流量で流し、消耗電極アークが発生しているときは第２流量で流し、第２流量を第１流量よりも大とする。これにより、消耗電極アークからのスパッタの付着を、プラズマガスの速い流れによって阻止することができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマアーク及び消耗電極アークを使用するアークスポット溶接方法に関するものである。

非消耗電極を取り囲むプラズマガスノズルからプラズマガスを流し、非消耗電極と母材との間にプラズマアークを発生させて母材表面から凹む穴を形成し、消耗電極と母材との間に消耗電極アークを発生させて上記の穴に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１８６８０９号公報

従来技術においては、消耗電極アークからスパッタが発生する。このスパッタがプラズマガスノズル内に飛び込み付着する。スパッタが付着すると、プラズマガスノズルと非消耗電極との間の狭いプラズマガス流路が阻害される。この結果、それ以降のプラズマアークの発生状態が不安定になり、溶接品質が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明では、プラズマアーク及び消耗電極アークを使用するアークスポット溶接において、プラズマガスノズル内へのスパッタの付着を防止し、良好な溶接品質を得ることができるアークスポット溶接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、
非消耗電極を取り囲むプラズマガスノズルからプラズマガスを流し、非消耗電極と母材との間にプラズマアークを発生させて前記母材表面から凹む穴を形成し、
前記プラズマアークを消弧した後に、消耗電極と前記母材との間に消耗電極アークを発生させて前記穴に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接方法において、
前記プラズマガスを、前記プラズマアークが発生しているときは第１流量で流し、前記消耗電極アークが発生しているときは第２流量で流し、前記第２流量を前記第１流量よりも大とする、
ことを特徴とするアークスポット溶接方法である。

請求項２の発明は、前記プラズマアークの消弧と前記消耗電極アークの発生との間に休止期間を設ける、
ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接方法である。

請求項３の発明は、前記プラズマガスの流量を、前記休止期間中に前記第１流量から前記第２流量へと増加させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアークスポット溶接方法である。

本発明によれば、プラズマアーク及び消耗電極アークを使用するアークスポット溶接において、プラズマガスノズル内へのスパッタの付着を防止し、良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るアークスポット溶接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に係るアークスポット溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、プラズマアークを発生させるためのパイロットアーク回路については、記載を簡潔にするために省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

破線で囲まれた溶接トーチＷＴは、非消耗電極１ａと、それを取り囲むプラズマガスノズル４と消耗電極である溶接ワイヤ１ｂに給電する給電チップ１０と、プラズマガスノズル４及び給電チップ１０の両方を取り囲むシールドガスノズル５と、を備えている。非消耗電極１ａには、タングステン電極等が使用される。

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にはアルゴンガスが使用されることが多い。シールドガス９にはアルゴンガス８０体積％＋炭酸ガス２０体積％の混合ガスが使用されることが多い。

プラズマアーク３ａは非消耗電極１ａと母材２との間に発生する。消耗電極アーク３ｂは溶接ワイヤ１ｂと母材２との間に発生する。プラズマアーク３ａは、非消耗電極１ａが負極となり、母材２が正極となって発生する。消耗電極アーク３ｂは、溶接ワイヤ１ｂが正極となり、母材２が負極となって発生する。母材２は、鋼材等を複数枚重ねたものである。

起動回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルとなる起動信号ＯＮを出力する。起動回路ＯＮは、溶接ロボット（図示は省略）を使用する場合には溶接ロボット制御装置（図示は省略）内に設けられる場合もある。

シーケンス制御回路ＳＣは、上記の起動信号Ｏｎを入力として、以下の処理を行い、シーケンス制御信号Ｓｃを出力する。
１）Ｓｃ＝０の初期状態において、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、予め定めたプリフロー期間中はＳｃ＝１を出力する。
２）その後の予め定めたプラズマアーク期間中はＳｃ＝２を出力する。
３）その後の予め定めた休止期間中はＳｃ＝３を出力する。
４）その後の予め定めた消耗電極アーク期間中はＳｃ＝４を出力する。
５）その後の予め定めたアフタフロー期間中はＳｃ＝５を出力する。
６）アフタフロー期間が終了すると、Ｓｃ＝０にリセットされる。

プラズマガス流量設定回路ＦＲは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝０〜３（プリフロー期間、プラズマアーク期間）のときは予め定めた第１流量となり、シーケンス制御信号Ｓｃ＝３（休止期間）のときに第１流量から予め定めた第２流量へと増加し、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは第２流量となり、シーケンス制御信号Ｓｃ＝５（アフタフロー期間）のときは第１流量となるプラズマガス流量設定信号Ｆｒを出力する。ここで、第２流量は第１流量よりも大である。

プラズマガス電磁弁ＧＰは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝１〜５のときに開状態となり、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、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝１〜５のときは開状態となり、シールドガスボンベ８からのシールドガス９が流れる。

プラズマアーク用電源ＰＳＡは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝２（プラズマアーク期間）のときは出力状態となり、プラズマアーク電流Ｉａを通電してプラズマアーク３ａを発生させる。プラズマアーク用電源ＰＳＡは、定電流特性又は垂下特性を有する電源である。

消耗電極アーク用電源ＰＳＢは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは出力状態となり、消耗電極アーク電流Ｉｂを通電して消耗電極アーク３ｂを発生させる。消耗電極アーク用電源ＰＳＢは、定電圧特性を有する電源である。

送給機ＷＭは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは溶接ワイヤ１ｂを送給する。

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）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図(Ｂ)はシーケンス制御信号Ｓｃ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)はプラズマアーク電流Ｉａの時間変化を示し、同図（Ｆ）は消耗電極アーク電流Ｉｂの時間変化を示す。以下、同図及び図１を参照して動作について説明する。

溶接トーチＷＴのシールドガスノズル５の先端を母材２の表面に押し付けた状態にし、時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、アークスポット溶接が開始される。母材２としては、複数枚の鋼材を重ねたものである。起動信号Ｏｎは時刻ｔ７においてＬｏｗレベルに戻る。

時刻ｔ１において、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｂ）に示すように、シーケンス制御信号Ｓｃの値が０から５まで自動的に変化する。ここでは、シーケンス制御信号Ｓｃの変化を数値として表示している。シーケンス制御信号Ｓｃは、時刻ｔ１以前は０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めたプリーフロー期間中は１となり、時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めたプラズマアーク期間中は２となり、時刻ｔ３〜ｔ４の予め定めた休止期間中は３となり、時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めた消耗電極アーク期間中は４となり、時刻ｔ５〜ｔ６の予め定めたアフターフロー期間中は５となり、時刻ｔ６において０に戻る。例えば、プリフロー期間は０．５秒に設定され、アフターフロー期間は１秒に設定される。その他の期間は母材２の重ね枚数、各板厚、材質等に応じて適正値に設定される。例えば、母材２が、０．８mm、１．２mm及び１．６mmの３枚の鋼材を重ねたものであるときは、プラズマアーク期間は０．５秒に設定され、休止期間は１秒に設定され、消耗電極アーク期間は３秒に設定される。また、プラズマアーク電流Ｉａは２２０Ａに設定され、消耗電極アーク電流Ｉｂは１５０Ａに設定される。

同図（Ｄ）に示すように、シールドガス流量Ｆｓは、時刻ｔ１においてシーケンス制御信号Ｓｃが１に変化すると、予め定めた流量での放流を開始し、時刻ｔ６においてシーケンス制御信号Ｓｃが０になると放流を停止する。例えば、流量は１０リットル／分に設定される。

同図（Ｃ）に示すように、プラズマガス流量Ｆｐは、時刻ｔ１においてシーケンス制御信号Ｓｃが１に変化すると、予め定めた第１流量での放流を開始する。シーケンス制御信号Ｓｃ＝３（休止期間）になると、プラズマガス流量Ｆｐは、第１流量から予め定めた第２流量へと増加する。その後に、シーケンス制御信号Ｓｃ＝５（アフターフロー期間）になると、プラズマガス流量Ｆｐは第１流量に減少する。時刻ｔ６においてシーケンス制御信号Ｓｃが０になると、プラズマガス流量Ｆｐは０となり放流を停止する。第２流量は第１流量よりも大である。例えば、第１流量は１．５リットル／分に設定され、第２流量は４リットル／分に設定される。

時刻ｔ２においてシーケンス制御信号Ｓｃが２に変化すると、プラズマアーク用電源ＰＳＡが出力を開始しプラズマアーク３ａが発生して、同図（Ｅ）に示すように、プラズマアーク電流Ｉａが通電する。時刻ｔ３においてシーケンス制御信号Ｓｃが３に変化すると、プラズマアーク用電源ＰＳＡが出力を停止しプラズマアーク３ａが消弧して、プラズマアーク電流Ｉａの通電が停止する。プラズマアーク３ａを点弧するためにパイロットアークが先に発生するが、パイロットアークについては、本発明の記載を簡潔にするために省略している。したがって、プラズマアーク３ａは、時刻ｔ２〜ｔ３のプラズマアーク期間中のみ発生している。

時刻ｔ４においてシーケンス制御信号Ｓｃが４に変化すると、消耗電極アーク用電源ＰＳＢが出力を開始し溶接ワイヤ１ｂが送給されて消耗電極アーク３ｂが発生する。消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｆ）に示すように、消耗電極アーク電流Ｉｂが通電する。時刻ｔ５においてシーケンス制御信号Ｓｃが５に変化すると、消耗電極アーク用電源ＰＳＢが出力を停止し消耗電極アーク３ｂが消弧して、消耗電極アーク電流Ｉｂの通電が停止する。したがって、消耗電極アーク３ｂは、時刻ｔ４〜ｔ５の消耗電極アーク期間中のみ発生している。

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。第１の工程は、アーク発生予定空間を大気から遮蔽するためにプラズマガス７及びシールドガス９を流すプリフロー期間である。第２の工程は、プラズマアーク３ａを発生させて母材２の表面から凹む穴を形成するプラズマアーク期間である。第３の工程は、プラズマアーク３ａが消弧してから消耗電極アーク３ｂが発生するまでの休止期間である。この休止期間中に、溶接ワイヤ１ｂの狙い位置がプラズマアーク３ａによって形成された穴の中心になるように溶接トーチＷＴを移動させる場合もある。また、この休止期間中に、プラズマガス７の流量を第１流量から第２流量に増加させる。第４の工程は、消耗電極アーク３ｂを発生させて上記の穴に溶融金属を充填して溶接部を形成する消耗電極アーク期間である。第５の工程は、溶接ビードを大気から遮蔽するためにプラズマガス７及びシールドガス９を流すアフターフロー期間である。これらの工程によって、１回のアークスポット溶接が完了する。

プラズマアーク期間中はスパッタはほとんど発生しない。しかし、消耗電極アーク期間中は、スパッタが多く発生する。プラズマガスノズル４と溶接ワイヤ１ｂとは１０mm程度と近接している。このために、消耗電極アーク３ｂからのスパッタがプラズマガスノズル４内に飛び込み付着する。スパッタが付着すると、プラズマガスノズル４と非消耗電極１ａとの間の狭いプラズマガス流路が阻害される。この結果、それ以降のプラズマアークの発生状態が不安定になり、溶接品質が悪くなるという問題があった。

この問題を解決するために、本実施の形態では、消耗電極アーク期間中のプラズマガス７の第２流量をプラズマアーク期間中の第１流量よりも増加させている。このようにすることによって、プラズマガス７の速い流れによってスパッタが飛び込んでくることを防止している。したがって、第２流量は、スパッタの進入を防止することができる流量に設定される。第２流量は、第１流量の２倍程度に設定されることが望ましい。第２流量が小さいとスパッタの進入を防止することができない。第２流量が大きすぎるとガス消費量が多くなりムダとなる。プラズマアーク期間中から第２流量にしない理由は、プラズマガス７の流量が大きいとプラズマアーク３ａの発生状態が不安定になるからである。このために、プラズマアーク３ａが消弧した後に、プラズマガス７の流量を増加させている。

さらに、休止期間中に第１流量から第２流量に増加させることが望ましい。第１流量から第２流量へはスロープを有して変化する。このために、消耗電極アーク３ｂが発生する時点において第２流量になっているようにするために、休止期間中に前もって増加させることが望ましい。このようにすると、消耗電極アーク３ｂの発生時点からスパッタの進入を確実に防止することができる。

本実施の形態において、休止期間を０としても良い。母材２の条件によって休止期間を０としても良い場合がある。休止期間を０にすることによって、溶接時間を短縮することができる。

１ａ 非消耗電極
１ｂ 溶接ワイヤ（消耗電極）
2 母材
３ａ プラズマアーク
３ｂ 消耗電極アーク
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
10 給電チップ
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
Ｉａ プラズマアーク電流
Ｉｂ 消耗電極アーク電流
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＳＡ プラズマアーク用電源
ＰＳＢ 消耗電極アーク用電源
ＳＣ シーケンス制御回路
Ｓｃ シーケンス制御信号
ＷＭ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (3)

1. 非消耗電極を取り囲むプラズマガスノズルからプラズマガスを流し、非消耗電極と母材との間にプラズマアークを発生させて前記母材表面から凹む穴を形成し、
   前記プラズマアークを消弧した後に、消耗電極と前記母材との間に消耗電極アークを発生させて前記穴に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接方法において、
   前記プラズマガスを、前記プラズマアークが発生しているときは第１流量で流し、前記消耗電極アークが発生しているときは第２流量で流し、前記第２流量を前記第１流量よりも大とする、
   ことを特徴とするアークスポット溶接方法。
2. 前記プラズマアークの消弧と前記消耗電極アークの発生との間に休止期間を設ける、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接方法。
3. 前記プラズマガスの流量を、前記休止期間中に前記第１流量から前記第２流量へと増加させる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアークスポット溶接方法。

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