JP3712322B2 - プラズマアーク溶接方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，アルミニウムおよびその合金のような高い融点をもつ酸化膜の形成される材料をスポット溶接するのに適したプラズマアーク溶接機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電子部品の一般にアルミニウム又はその合金材料からなる容器に電気絶縁油、あるいは所定の薬液を封入孔から注入した後、その封入孔を同質の材料からなる小さい封止部材で封止することが行われている。この場合、封入孔へ封止部材を差し込んだ状態で、従来はレーザ溶接により一方の被溶接物となる封止部材を他方の被溶接物となる容器に溶接してシールを行っている。レーザ溶接は、アルミニウム又はその合金材料からなる容器及び封止部材に形成される酸化膜をその熱により除去しながら溶接することができるので、このような材料を溶接するには好都合の手段である。
【０００３】
しかし，溶接箇所が前記封止部材のような小面積で段差がある場合には、レーザ溶接では完全なシールを得るのが難しく、自動でレーザ溶接を行うと、その歩留りが経済性を損なうほど低下するという大きな問題が生じている。また、レーザ溶接装置は価格が高いという欠点もある。
【０００４】
レーザ溶接に代わるものとしてプラズマアークの熱を利用するプラズマアーク溶接があるが、前述のとおり、アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金などはその表面に高い融点をもつ酸化膜が形成されているので，この酸化膜を除去するクリーニング機能を備える必要があり、このようなクリーニング機能をもつ一般のプラズマアーク溶接機はクリーニング用アークも溶接用アークも電極と被溶接物間に発生させるために電極の消耗が激しく、自動化組み立てラインに組み込むことは不適切であった。
【０００５】
このような問題点を解決したものとして、特許第271196号がある。これを簡単に説明すると、溶接用プラズマアークは従来と同様に電極と被溶接物との間に、その電極を負、被溶接物を正とする極性で発生し、クリーニング用プラズマアークは従来とは全く違って、ノズルと被溶接物との間に、そのノズルを正、被溶接物を負とする極性で発生するところに特徴がある。このプラズマ溶接では、クリーニング用プラズマアークの発生時には電極が消耗しないので、アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金などはその表面に高い融点をもつ酸化膜が形成される金属を自動的に溶接する場合には、大きな威力を発揮することが確認されている。
【０００６】
【発明が解決するための課題】
しかし、このプラズマ溶接にもスポット溶接のような場合には次のような欠点があることがわかった。特許第271196号に記載された交流プラズマアーク溶接方法では、前述のように、クリーニング用プラズマアークはノズルと被溶接物との間に発生し、溶接用プラズマアークは電極と被溶接物との間に発生するために、クリーニング用プラズマと溶接用プラズマアークが被溶接物上に結ぶ点が幾分ずれる。このずれは連続的にプラズマアークを発生させて溶接を行う場合には全く支障がないが、極く短時間に点に近い溶接を行うスポット溶接の場合には、その点状の溶接箇所がクリーニングされないことがあるために酸化膜が良好に除去されないことがあり、溶接がうまく行えないという欠点があった。
【０００７】
したがって、本発明ではこのような欠点を解決することにより、電極の消耗が少ない交流プラズマアーク溶接で、アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金などその表面に高い融点をもつ酸化膜が形成される金属を良好にスポット溶接できるようにすることを主目的としている。
【０００８】
【発明が解決するための課題】
請求項１に記載の発明は、上記課題を解決するために、電極と、該電極を囲みその電極との間に不活性ガスを流すガス流路を形成する第１のノズルと、その外側に位置する第２のノズルと、さらにその外側に位置するシールド用ノズルとからなるプラズマアークトーチを備え、前記電極と溶接物間にその電極を負、被溶接物を正とする電圧を印加して溶接用プラズマアークを発生させ、また前記第２のノズルと前記被溶接物間に該第２のノズルを正、被加工物を負とする電圧を印加してクリーニング用プラズマアークを発生して、前記被溶接物をクリーニングしながら溶接を行うプラズマ溶接方法において、前記クリーニング用プラズマアークが前記溶接用プラズマアークとほぼ同じ溶接箇所に結ばれるように被溶接物の溶接箇所の周辺を機械的に覆って、電気的に絶縁することを特徴とするプラズマアーク溶接方法を提供するものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、上記課題を解決するために、電極と、該電極を囲みその電極との間に不活性ガスを流すガス流路を形成する第１のノズルと、その外側に位置する第２のノズルと、さらにその外側に位置するシールド用ノズルとからなるプラズマアークトーチを備え、前記電極と溶接物間にその電極を負、被溶接物を正とする電圧を印加して溶接用プラズマアークを発生させ、また前記第２のノズルと前記被溶接物間に該第２のノズルを正、被加工物を負とする電圧を印加してクリーニング用プラズマアークを発生して、前記被溶接物をクリーニングしながら溶接を行うプラズマ溶接方法において、前記第２のノズルの狭窄孔の径と同程度又はそれよりも大きく、該第２のノズル先端の外径と同程度又はそれよりも小さい径の窓をもつ電気的に絶縁された電気絶縁マスク部材を前記被溶接物上に配置し、前記窓を通して溶接箇所をクリーニングすると共に、溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接装置を提供するものである。
【００１０】
請求３に記載の発明は、上記問題を解決するために、請求項２において、前記マスク部材の窓は表面側の径が小さく、被溶接物側の径が大きいことを特徴とするプラズマアーク溶接機を提供するものである。
【００１１】
請求４に記載の発明は、上記問題を解決するために、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記マスク部材は複数の金属板とそれらの間に挟まれて電気的に絶縁する電気絶縁材料とからなることを特徴とするプラズマアーク溶接装置を提供するものである。
【００１２】
【発明を実施するための形態及び実施例】
図１ないし図３に従って本発明の実施例について説明するが、本発明は、特許第271196号で開示された交流プラズマ溶接機を利用するので、先ずその溶接方法について簡単に説明する。
【００１３】
図２において、プラズマアークトーチ１は周知のものであり、中央に位置する電極２、それを囲む第１のノズル３、その外側に位置する第２のノズル４、及びその外側に位置するシールド用ノズル５を備える。６は被溶接物である。それら各部材間はガス通路となっており、不活性ガスが外部より供給される。電源１０は電極２と第２のノズル４間に、電極２を負、ノズル４を正とする極性の電圧を供給し、電源１１はスイッチ１２が閉じられるとき電極２と被溶接物６との間に、電極２を負、被溶接物６を正とする極性の電圧を印加する。また、電源１３スイッチ１４が閉じられるとき第２のノズル４と被溶接物６との間にノズル４を正、被溶接物６を負とする電圧を供給する。ここで、スイッチ１２と１４は交互に開閉する。
【００１４】
スイッチ１２が閉じているとき，電源１１により被溶接物６を陽極として被溶接物６から電極２に電流が流れ，電極２と被溶接物６間に正極性の溶接用のプラズマアーク柱Ａが形成される。次にスイッチ１２を開き，スイッチ１４を閉じると，電源１３により第２のノズル４を陽極として第２のノズル４から被溶接物６に電流が流れ，第２のノズル４と被溶接物６間にクリーニング用の負極性のプラズマアークＢが形成される。したがって，スイッチ１２と１４を交互にスイッチングさせることにより，電極２を正極性にすることなくプラズマアークトーチ１と被溶接物６間に正極性，負極性のプラズマアークを交互に発生させることができる。ここでノズル３、４は従来と同様，あるいはそれ以上に水冷された液冷ノズルであるので、ノズルの損耗は他の従来装置よりも大きくなるが、比較的小さく抑えることができる。なお、ガスなどの供給方法については、上記特許に記載した方法と同じなので、省略する。
【００１５】
図３からも分かるように、電極２と被溶接物６間に形成される正極性の溶接用のプラズマアーク柱Ａと、ノズル４と被溶接物６間に形成されるクリーニング用の負極性のプラズマアークＢは、被溶接物６上で僅かにずれる。このずれの範囲は、種々の実験結果から、ノズル４を拡大した図２に示したように、第２のノズル４の狭窄孔４ｂを中心に有する先端面４ａの外径Ｄのほぼ１／２程度以下で、狭窄孔４ｂの直径ｄのほぼ１／２以上になることが分かった。
【００１６】
このような結果を踏まえて、第２のノズル４の先端面４ａの直径Ｄのほぼ１／２又はそれ以下で、狭窄孔４ｂの直径ｄのほぼ１／２又はそれ以上の溶接穴をもつ電気絶縁マスク部材を用意し、その溶接穴を通してプラズマアークを溶接箇所に発生させることにより、その溶接箇所に溶接用の正極性のプラズマアーク柱Ａとクリーニング用の負極性のプラズマアークＢ双方をむすぶことができ、アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金などその表面に高い融点をもつ酸化膜が形成される金属材料の溶接を良好に行うことができる。
【００１７】
本発明の一実施例を示す図１において、図３と同一の記号は相当する部材を示すものとし、７は電気絶縁マスク部材、８は被溶接物６Ａ，６Ｂの裏当て部材であり、被溶接物６Ａの支持と冷却を行う。電気絶縁マスク部材７は、安価かつ丈夫で被溶接物６Ａの冷却も行える一例であり、熱伝導の良好な２枚の銅板７Ａと７Ｂ，及びこれら間に挟まれて銅板７Ａと７Ｂを電気的に絶縁する電気絶縁部材７Ｃからなる。銅板７Ａは電気絶縁部材７Ｃにより接地電位から浮いている。銅板７Ａと７Ｂ及び気絶縁部材７Ｃは円形の溶接穴を有し、銅板７Ａの溶接穴は７ａは第２のノズル４の先端面４ａの直径Ｄのほぼ１／２程度又はそれ以下で、狭窄孔４ｂの直径ｄのほぼ１／２程度又はそれ以上の径をもつ。銅板７Ｂと気絶縁部材７Ｃは銅板７Ａの溶接穴７ａの径と同等以上の径の溶接穴を有し、それら溶接穴はすべて同心状態に位置する。なお、電力供給装置９は図３に示した各電源とスイッチなどを含むものである。
【００１８】
溶接するに当たって、電気絶縁マスク部材７はその溶接穴のほぼ中心が電極２の先端と被溶接物６Ｂとを結ぶ線上にあるよう配置される。この状態で、電力供給装置９を動作させると、一方の半サイクルでは溶接用の正極性プラズマアーク柱Ａが電極２と被溶接物６Ｂ、６Ａ間に形成され、他方の半サイクルではクリーニング用の負極性プラズマアークＢが、電気絶縁マスク部材７により制限されてその溶接穴を通してノズル４と被溶接物６Ｂ、６Ａ間に形成される。この場合のスポット溶接に要する時間は例えば、０. ８秒から１秒であり、したがって、商用交流周波数の５０Ｈｚで、デューティサイクルを５０％とした場合には、一回のスポット溶接で４０回から５０回交互に溶接用の正極性プラズマアーク柱Ａとクリーニング用の負極性プラズマアークＢが発生することになる。特許第271196号によれば、周波数やデューティサイクルは任意に設定できるので、プラズマアーク柱ＡとプラズマアークＢの発生時間の割合を、例えば２：１というように任意に設定することができる。
【００１９】
ここで電気絶縁マスク部材７の作用について更に述べると、銅板７Ａは電気絶縁部材７Ｃにより接地点から浮いているので、クリーニング用の負極性のプラズマアークＢは第２のノズル４と銅板７Ａとの間には形成されず、電気の特質から第２のノズル４とこれに最も近い接地電位にある箇所、つまり電気絶縁マスク部材７の溶接穴を通して第２のノズル４に対面する被溶接物６Ｂ又はその近傍箇所との間に形成される。したがって、このような電気絶縁マスク部材７を用いることにより、溶接箇所のクリーニングを確実に行うことができ、このことはとりもなおさず良好な溶接結果が得られることにつながる。
【００２０】
なお、電気絶縁マスク部材７はセラミック材料のような高耐熱性材料であるならば、機械的強度が満足されればその高耐熱性材料だけでも良く、金属板をセラミック材料のような高耐熱性材料で被覆したものでも良い。また、金属板を電気絶縁材料からなる枠で支承した構造のものでも良い。さらにまた、電気絶縁マスク部材７をプラズマトーチ１に着脱可能な形で取り付ける構造であっても良い。
【００２１】
前記実施例ではクリーニング用の負極性プラズマアークＢを第２のノズル４と被溶接物６との間に形成する場合について説明したが、特許第271196号には第１のノズル３と被溶接物６との間に形成する例についても記載されており、種々の実験の結果、これについても前記実施例と同様な電気絶縁マスク部材を用いることにより、同等の結果を得ることができることを確認した。
【００２２】
被溶接物に関しては、被溶接物６Ａ、６Ｂの形状に無関係に良好なプラズマ溶接を行うことができる。本発明はプラズマアークによるスポット溶接の場合に最も威力を発揮するが、直線状又は曲線状に連続して溶接する場合にも、溶接線に沿った溶接スリットをもった電気絶縁マスク部材であれば、適用可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、クリーニング用の負極性プラズマアークＢを第２のノズル４と被溶接物６との間に形成する、電極の消耗が少ない交流プラズマアーク溶接で、アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム合金などその表面に高い融点をもつ酸化膜が形成される被溶接物を良好にスポット溶接できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラズマアーク溶接の一実施例を説明するための図である。
【図２】 本発明を説明するための図面である。
【図３】 本発明に関連するプラズマアーク溶接機の一例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・プラズマアークトーチ ２・・・電極
３，４・・・第１，第２のノズル ５・・・シールドノズル
６・・・被溶接物 ７・・・電気絶縁マスク部材
８・・・裏当て部材 ９・・・電力供給装置

Claims (4)

1. 電極と、該電極を囲みその電極との間に不活性ガスを流すガス流路を形成する第１のノズルと、その外側に位置する第２のノズルと、さらにその外側に位置するシールド用ノズルとからなるプラズマアークトーチを備え、前記電極と溶接物間にその電極を負、被溶接物を正とする電圧を印加して溶接用プラズマアークを発生させ、また前記第２のノズルと前記被溶接物間に該第２のノズルを正、被加工物を負とする電圧を印加してクリーニング用プラズマアークを発生して、前記被溶接物をクリーニングしながら溶接を行うプラズマ溶接方法において、
   前記クリーニング用プラズマアークが前記溶接用プラズマアークとほぼ同じ溶接箇所に結ばれるように被溶接物の溶接箇所の周辺を機械的に覆って、電気的に絶縁することを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
2. 電極と、該電極を囲みその電極との間に不活性ガスを流すガス流路を形成する第１のノズルと、その外側に位置する第２のノズルと、さらにその外側に位置するシールド用ノズルとからなるプラズマアークトーチを備え、前記電極と溶接物間にその電極を負、被溶接物を正とする電圧を印加して溶接用プラズマアークを発生させ、また前記第２のノズルと前記被溶接物間に該第２のノズルを正、被加工物を負とする電圧を印加してクリーニング用プラズマアークを発生して、前記被溶接物をクリーニングしながら溶接を行うプラズマ溶接方法において、
   前記第２のノズルの狭窄孔の径と同程度又はそれよりも大きく、該第２のノズル先端の外径と同程度又はそれよりも小さい径の窓をもつ電気的に絶縁された電気絶縁マスク部材を前記被溶接物上に配置し、前記窓を通して溶接箇所をクリーニングすると共に、溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
3. 請求項２において、前記電気絶縁マスク部材の窓は表面側の径に比べて、被溶接物側の径が大きいことを特徴とするプラズマアーク溶接機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記電気絶縁マスク部材は複数の金属板とそれらの間に挟まれて電気的に絶縁する電気絶縁材料とからなることを特徴とするプラズマアーク溶接装置。

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