JP3944563B2 - アーク放電誘発方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接におけるアーク放電誘発方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、アーク溶接における安定化の先行技術としては、特開平6−142927号、特開平8−243742号、特開平11−123546号などがある。
【0003】
また、アーク溶接の安定化及びアーク溶接の高速化におけるアーク不安定対策として、レーザ・アーク複合溶接がある。ここでは、レーザビームを母材に照射し、母材を加熱することによりレーザプルームを発生させ、アーク放電を安定させる。しかし、この方法は高速加工には有効であるが、母材の加熱に時間を要するという欠点があった〔文献:レーザ熱加工研究会誌、vol.6,No.1(1999)P.79〜84、P.85〜88〕
ところで、TIG(タングステン・イナートガス)溶接機のアーク起動は、電極と母材が非接触で行われるため、電極と母材との間に高周波あるいは高電圧を印加してアーク放電を誘発している。
【0004】
図7はかかる従来のアーク溶接法の説明図である。
【0005】
この図において、1は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。2はタングステン電極であり、陰極となる。なお、コンピュータによる制御系は省略されている。
【0006】
このようなアーク溶接法における電気アーク放電誘発(引き金)のための技術としては、第1に火花放電発生法があり、電極と母材を接触させることにより、火花放電を発生させる。第2に高周波スタート法があり、高周波を電極と母材との間に印加する。更に、第3に高電圧法があり、高電圧を電極と母材との間に印加する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように、アーク溶接機(コンピューター制御)における電気アークは、以下のような問題点があった。
【0008】
(1)火花放電発生法の場合は、電極と母材を接触させて火花放電を発生させるという動作をコンピューター制御により実行すること自体が難しい。
【0009】
(2)高周波スタート法の場合は、高周波自体がノイズとなるため、コンピューターを含めた周辺機器に悪影響を及ぼす。
【0010】
(3)高電圧法の場合は、高電圧を印加するため危険であるとともに、ノイズがあり、電極と母材表面の汚れに影響を受け易く着火(アーク放電誘発)しない場合もある。
【0011】
加えて、いずれの方法を用いても、アークスタート時は被溶接材や電極の温度、電極と母材の間隔等に放電の立ち上がりが影響を受けるため、種々の異常現象や溶接の不具合の発生がある。このために電極と母材の距離を通常2mm以下とし、厳しい工程管理が必要になる。
【0012】
本発明は、上記問題点を除去し、アーク溶接における放電立ち上がりを容易に、かつ安定化することができるアーク放電誘発方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接方法において、前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させ、アーク放電の立ち上げを行うことを特徴とする。
【0014】
〔2〕上記〔1〕記載のアーク放電誘発方法において、アーク放電開始の制御信号と同期させて1ショットパルス光を発生させることを特徴とする。
【0015】
〔3〕上記〔1〕記載のアーク放電誘発方法において、前記パルスレーザ光はYAGレーザであり、このYAGレーザの4倍高調波である266nmとすることを特徴とする。
【0016】
〔4〕溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接機において、前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させる手段とを具備することを特徴とする。
【0017】
〔5〕上記〔4〕記載のアーク放電誘発装置において、前記荷電粒子チャンネルを形成させる手段が、前記母材と前記電極との間に作用させる電子ビームであることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【0019】
図1は本発明の第1参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【0020】
この図において、10は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。11はトーチ、12はそのトーチ11におけるタングステン電極であり、陰極となる。13はシールドであり、このシールド13とタングステン電極12間にシールドガスを流せるように構成されている。14はパルスレーザ、15は電離気体による導通路(プラズマチャンネル)、16はアーク溶接機の制御装置、17は直流電源を示している。
【0021】
図1において、タングステン電極12から母材10にかけて電流を流すための導通路、つまり電離気体による導通路(プラズマチャンネル)15を形成する。その結果、このプラズマチャンネル15により、タングステン電極12と母材10は導通状態となり、アーク放電が開始される。
【0022】
ここでは、パルスレーザ14をタングステン電極12−母材10間に存在する気体中に集光させることによってプラズマチャンネル15を発生させる。
【0023】
このようにして、プラズマチャンネル15によりアーク溶接機におけるアーク放電の誘発に成功した。
【0024】
図2は本発明の第1参考例のアーク溶接システム(実験システム)の構成図、図3は本発明の第1参考例の溶接機の配置図、図4は本発明の第1参考例のレーザにより生成したプラズマチャンネルを示す図である。
【0025】
これらの図において、20は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。21はトーチ、22はそのトーチ21におけるタングステン電極であり、陰極となる。23はシールド、24はプラズマチャンネル、25はアーク溶接機、30はレーザシステム、31はYAGレーザ、32,35は波長変換素子、33,34,36,37,38はミラー、39は集光用石英レンズ、40はパルスレーザである。図3において、タングステン電極22の傾斜角度θは60°、タングステン電極22と母材20間の間隔Dは3mmである。
【0026】
ここでは、プラズマチャンネル24は、パルスレーザ40をタングステン電極22−母材20間に存在する気体中に集光させることによって発生させる。
【0027】
このようにして、プラズマチャンネル24によりアーク溶接機におけるアーク放電を誘発させることができる。
【0028】
ここで、アーク放電を誘発させた時のレーザエネルギー最小値は20mJであり、実施条件は以下のようである。
【0029】
図3に示すように、母材20−タングステン電極22間の距離Dは3mm、プラズマチャンネル発生用レーザは、図2に示すように、YAGレーザ(HOYA Continuum Power Lite 8000)31、このYAGレーザ31のレーザ波長は266nm(YAGレーザの4倍高調波)、レーザビーム径は8mm、集光用石英レンズ焦点距離は150mmであった。
【0030】
アーク溶接機25としては、TIGアーク溶接機であり、インバータ制御・直流TIG溶接機(日立インバータTIG,DT−NP 300A)を用い、高周波スタート回路はOFF、最高無負荷電圧は約61V、シールドガスはアルゴンガスを用いた。
【0031】
更に、トーチ21は、日立用TIG自動溶接トーチ(TEC WP−27A)を用い、コレットはサイズ3.2mmφ、ガスレンズ・コレットボディはサイズ3.2mmφ、ガスレンズ・ノズルはNo.8、内径は12.7mmを用いた。
【0032】
次に、本発明の第2参考例について説明する。
【0033】
図5は本発明の第2参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【0034】
この図において、50は母材、51はタングステン電極、52はタングステン電極51と同軸的に配置される穴開き凸レンズ、53はパルスレーザ、54はプラズマチャンネルである。
【0035】
この参考例では、パルスレーザ53は穴開き凸レンズ52によってタングステン電極51の先端部に集光されている。
【0036】
このように、パルスレーザ53はタングステン電極51と同軸的に配置される穴開き凸レンズ52によって、タングステン電極51と同軸上に集光することができる。
【0037】
次に、本発明の実施例について説明する。
【0038】
図6は本発明の実施例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【0039】
この図において、60は母材、61はタングステン電極、62はタングステン電極61と同軸的に配置される穴開きの円筒部62Aと下方円錐部62Bとからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)、63はパルスレーザ、64はプラズマチャンネルである。
【0040】
この実施例では、パルスレーザ63は穴開きの円筒部62Aと下方円錐部62Bとからなるレンズ62によってプラズマチャンネル64に沿って長細い領域にタングステン電極61と同軸上に集光することができる。
【0041】
この実施例によれば、タングステン電極61と母材60間のタングステン電極61の同軸上にパルスレーザ63を集光させることができ、アーク溶接における放電立ち上がりを容易に、かつ、安定化することができる。
【0042】
なお、上記実施例では、プラズマチャンネルの形成にはレーザを用いたが、真空中における電子ビームを用いるようにしてもよい。要するに、荷電粒子チャンネルを形成することができるのであれば、如何なる手段でも差し支えない。
【0043】
また、本発明は、高出力半導体レーザ等のノイズによって故障しやすいレーザを用いたレーザアーク複合溶接におけるアーク放電誘発法としても有効である。
【0044】
更に、プラズマ溶接機におけるスタート法としても考えられる。従来のプラズマ溶接機は、高周波スタート法を使用しており、アーク溶接機に比べプラズマ溶接機は、若干構造が複雑ではあるが、工夫をすれば、荷電粒子チャンネルによるアーク放電誘発は可能である。
【0045】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0046】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0047】
(A)アーク溶接機のアーク放電立ち上がり不具合に起因する不良ワークの発生を防止することができる。
【0048】
(B)母材と電極との距離を大きくすることができ、工程管理が大幅に楽になる。
【0049】
(C)従来の溶接機ではアーク放電開始にはばらつきがあったが、それを解消することができ、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図2】 本発明の第1参考例のアーク溶接システム(実験システム)の構成図である。
【図3】 本発明の第1参考例の溶接機の配置図である。
【図4】 本発明の第1参考例のレーザにより生成したプラズマチャンネルを示す図である。
【図5】 本発明の第2参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図6】 本発明の実施例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図7】 従来のアーク溶接法の説明図である。
【符号の説明】
10,20,50,60 母材(陽極)
11,21 トーチ
12,22,51,61 タングステン電極(陰極)
13,23 シールド
14,40,53,63 パルスレーザ
15,24,54,64 電離気体による導通路(プラズマチャンネル)
16 アーク溶接機の制御装置
17 直流電源
25 アーク溶接機
30 レーザシステム
31 YAGレーザ
32,35 波長変換素子
33,34,36,37,38 ミラー
39 集光用石英レンズ
52 穴開き凸レンズ
62 穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)
62A 円筒部
62B 下方円錐部
Claims (5)
- 溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接方法において、
前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させ、アーク放電の立ち上げを行うことを特徴とするアーク放電誘発方法。 - 請求項1記載のアーク放電誘発方法において、アーク放電開始の制御信号と同期させて1ショットパルス光を発生させることを特徴とするアーク放電誘発方法。
- 請求項1記載のアーク放電誘発方法において、前記パルスレーザ光はYAGレーザであり、該YAGレーザの4倍高調波である266nmとすることを特徴とするアーク放電誘発方法。
- 溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接機において、
前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ(穴開きアキシコンレンズ)を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させる手段とを具備することを特徴とするアーク放電誘発装置。 - 請求項4記載のアーク放電誘発装置において、前記荷電粒子チャンネルを形成させる手段が、前記母材と前記電極との間に作用させる電子ビームであることを特徴とするアーク放電誘発装置。
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- 2000-10-19 JP JP2000318815A patent/JP3944563B2/ja not_active Expired - Lifetime
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