JP5511462B2 - プラズマミグ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接方法に関するものである。

従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。同時に、プラズマ電極を中空形状とし、上記のプラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを上記の中空形状内を通って送給し、溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。したがって、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態となっている。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。

上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的に直流のパルス波形が使用されることが多い。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。上記のプラズマ溶接電流には、直流又は直流パルス波形が使用される。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。

図１０は、従来技術におけるプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｄ）はプラズマ溶接電圧Ｖwpを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂから成るミグ溶接電流Ｉwmが通電する。このピーク期間Ｔｐとベース期間Ｔｂとを合わせてパルス周期Ｔｆになる。そして、このミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧Ｖｐが溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ中はベース電圧Ｖｂが印加する。

ミグパルス溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、ミグ溶接電圧Ｖwmをローパスフィルタに通すことによって生成される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。

他方、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。また、同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpがプラズマ電極と母材との間に印加する。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。

特開２００８−２２９６４１号公報

プラズマミグ溶接では、１つの溶接トーチと母材との間にミグアークとプラズマアークの２つのアークが同時に発生している。そして、ミグアークは、プラズマアークに包まれた状態で発生している。このために、ミグアークの溶接ワイヤは、プラズマアークから熱を受けることになる。溶接トーチ先端と母材との距離（トーチ高さ）は、母材の厚さ、継手形状、作業性等に応じて適正値に設定される。したがって、トーチ高さは、溶接個所ごとに又は溶接中においても変化する場合がある。このトーチ高さが変化すると、プラズマ電極先端と母材との距離及び給電チップ先端と母材との距離が変化するために、溶接ワイヤがプラズマアークから熱を受ける部分の長さである熱受容長が変化することになる。この熱受容長が変化すると、プラズマアークから溶接ワイヤへの熱量が変化して予熱状態が変化するので、溶接ワイヤの突出し部の温度上昇が変化することになる。この結果、溶滴移行状態が変化することになり、１パルス周期１溶滴移行状態から外れて不安定な状態になる場合も生じることになる。

そこで、本発明では、溶接ワイヤがプラズマアークから熱を受ける部分の長さである熱受容長が変化しても安定した溶滴移行状態を維持することができるプラズマミグ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、
溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加してプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させると共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと母材との間にミグ溶接電圧を印加してピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記溶接ワイヤが前記プラズマアークから熱を受ける部分の長さである熱受容長を検出し、前記ピーク期間及び／又は前記ピーク電流を前記熱受容長に応じて自動的に変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。

請求項２の発明は、前記熱受容長が、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離である、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項３の発明は、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離を、前記プラズマ溶接電流及び前記プラズマ溶接電圧を入力とする予め定めた関数によって算出する、
ことを特徴とする請求項２記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項４の発明は、前記熱受容長が、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離から前記ミグアークのアーク長を減算した値である、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項５の発明は、前記アーク長を、溶接ワイヤの送給速度及び前記ミグ溶接電圧の平均値を入力とする予め定めた関数によって算出する、
ことを特徴とする請求項４記載のプラズマミグ溶接方法である。

本発明によれば、溶接ワイヤの熱受容長に応じてミグ溶接電流におけるピーク期間及び／又はピーク電流を変化させることによって、熱受容長の変化に伴う溶接ワイヤの予熱状態の変化を補償することができる。このために、トーチ高さ等が変化して溶接ワイヤの熱受容長が変化しても、１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるので、溶接状態は常に安定となる。

さらに、請求項４及び請求項５の発明によれば、熱受容長を、プラズマ電極先端と母材との距離からミグアークのアーク長を減算した値として算出する。このために、ミグアークのアーク長が変化しても、熱受容長を正確に算出することができる。この結果、熱受容長の変化に伴う溶接ワイヤの予熱状態の変化をより高精度に補償することができる。

本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。 プラズマ溶接電流Ｉwpが５０Ａであるときの熱受容長Ｌｈとピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。 プラズマ溶接電流Ｉwpが１００Ａであるときの熱受容長Ｌｈとピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。 プラズマ溶接電流Ｉwpが１５０Ａであるときの熱受容長Ｌｈとピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。 プラズマアークのアーク特性を示す図である。 図１の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。 図１の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。 本発明の実施の形態２に係るミグアークのアーク特性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。 従来技術におけるプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。

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に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。

プラズマ電極１ｂは、中空形状に形成されている。給電チップ４は、このプラズマ電極１ｂの中空形状内に絶縁されて配置されている。そして、この給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。しかし、溶接ワイヤ１ａは、プラズマ電極１ｂとは絶縁されている。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。このために、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。

同図に示すように、プラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離がＬｐ（mm）となり、給電チップ４の先端と母材２との距離がＬｗ（mm）となり、ミグアーク３ａのアーク長がＬａ（mm）となる。Ｌｐ＜Ｌｗであり、Ｌａ＜Ｌｐである。したがって、プラズマアーク３ｂのアーク長は上記のＬｐ（mm）となる。また、溶接ワイヤ１ａの突出し長Ｌｘ＝Ｌｗ−Ｌａとなる。同図に示すように、溶接ワイヤ１ａの突出し部の一部はプラズマアーク３ｂに包まれているために、熱を受けて温度が上昇する。この作用を予熱作用と呼ぶことにする。また、溶接ワイヤ１ａがプラズマアーク３ｂから熱を受ける部分の長さを、熱受容長Ｌｈと呼ぶことにする。熱受容長Ｌｈは、正確にはＬｈ＝Ｌｐ−Ｌａ（実施の形態２の場合）となる。簡略化する場合には、熱受容長Ｌｈ＝Ｌｐ（実施の形態１の場合）と見なすことができる。溶接ワイヤ１ａがプラズマアーク３ｂから受ける熱量は、プラズマ溶接電流Ｉwp及び熱受容長Ｌｈによって変化することになる。プラズマ溶接電流Ｉwpが同一値であっても、熱受容長Ｌｈが変化すると熱量は変化することになる。ここで、トーチ高さを上記のプラズマ電極１ｂの先端と母材２との距離Ｌｐと定義すると、トーチ高さが変化すると上記の給電チップ４の先端と母材との距離Ｌｗも変化する。すなわち、トーチ高さが変化すると、熱受容長Ｌｈが変化することになる。この結果、溶接ワイヤ１ａの突出し部の温度が変化することになり、溶滴移行状態が影響を受けて不安定になる場合が生じる。これを防止するために、本実施の形態では、熱受容長Ｌｈの変化に応じて、図２〜図４で後述するように、ユニットパルス条件（ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐ）を適正値に変化させている。このようにすることによって、トーチ高さが変化して熱受容長Ｌｈが変化しても、安定した溶滴移行状態を維持することができる。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。

プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。

プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。このプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを設定するための信号である。プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。

ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm、プラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpの波形図は、上述した図１０と同一である。上述したように、本実施の形態では、ユニットパルス条件であるピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐが溶接ワイヤ１ａの熱受容長Ｌｈによって変化する。この点が従来技術とは異なっている。以下、この点について説明する。

図２は、熱受容長Ｌｈとユニットパルス条件であるピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。同図の横軸は、熱受容長Ｌｈ（mm）を示し、実用上使用されることが多い１５〜２５mmの範囲を示している。縦軸は、ピーク期間Ｔｐ（ms）及びピーク電流Ｉｐ（Ａ）を示している。同図において、実線はピーク期間Ｔｐの変化を示し、破線はピーク電流Ｉｐの変化を示す。同図は、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝５０Ａの場合である。溶接ワイヤには直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用し、送給速度＝９m/minの場合である。ベース電流Ｉｂは３０Ａで一定値となっている。

同図に示すように、熱受容長Ｌｈ＝１５mmのとき、ピーク期間Ｔｐ＝１．０ms及びピーク電流Ｉｐ＝３４０Ａに設定されている。熱受容長Ｌｈが長くなるのに伴い、ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは共に小さくなる。これは、熱受容長Ｌｈが長くなるほど、溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が大きくなるので、ユニットパルス条件を小さくすることによって、１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるためである。そして、熱受容長Ｌｈ＝２０mmとなると、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms及びピーク電流Ｉｐ＝３３０Ａに設定される。熱受容長Ｌｈ＝２５mmになると、ピーク期間Ｔｐ＝０．６ms及びピーク電流Ｉｐ＝３２０Ａとなる。

図３は、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝１００Ａであるときの熱受容長Ｌｈとユニットパルス条件であるピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。同図の横軸は、熱受容長Ｌｈ（mm）を示し、実用上使用されることが多い１５〜２５mmの範囲を示している。縦軸は、ピーク期間Ｔｐ（ms）及びピーク電流Ｉｐ（Ａ）を示している。同図において、実線はピーク期間Ｔｐの変化を示し、破線はピーク電流Ｉｐの変化を示す。同図は、上述した図２に対応しており、プラズマ溶接電流値Ｉwp以外の溶接条件は同一である。

同図に示すように、熱受容長Ｌｈ＝１５mmのとき、ピーク期間Ｔｐ＝１．０ms及びピーク電流Ｉｐ＝３１０Ａに設定されている。熱受容長Ｌｈが長くなるのに伴い、ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは共に小さくなる。これは、熱受容長Ｌｈが長くなるほど、溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が大きくなるので、ユニットパルス条件を小さくすることによって、１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるためである。そして、熱受容長Ｌｈ＝２０mmとなると、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms及びピーク電流Ｉｐ＝３００Ａに設定される。熱受容長Ｌｈ＝２５mmになると、ピーク期間Ｔｐ＝０．６ms及びピーク電流Ｉｐ＝２９０Ａとなる。また、同図と上述した図２とを比較すると、熱受容長Ｌｈが同一値であるときのピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは、同図の方が図２よりも相対的に小さな値になっている。これは、同図の方がプラズマ溶接電流値Ｉwpが大きくなっているために、溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が大きくなっているので、１パルス周期１溶滴移行状態を維持するために、ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐを小さくしているためである。

図４は、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝１５０Ａであるときの熱受容長Ｌｈとユニットパルス条件であるピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す図である。同図の横軸は、熱受容長Ｌｈ（mm）を示し、実用上使用されることが多い１５〜２５mmの範囲を示している。縦軸は、ピーク期間Ｔｐ（ms）及びピーク電流Ｉｐ（Ａ）を示している。同図において、実線はピーク期間Ｔｐの変化を示し、破線はピーク電流Ｉｐの変化を示す。同図は、上述した図２及び図３に対応しており、プラズマ溶接電流値Ｉwp以外の溶接条件は同一である。

同図に示すように、熱受容長Ｌｈ＝１５mmのとき、ピーク期間Ｔｐ＝１．０ms及びピーク電流Ｉｐ＝２９０Ａに設定されている。熱受容長Ｌｈが長くなるのに伴い、ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは共に小さくなる。これは、熱受容長Ｌｈが長くなるほど、溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が大きくなるので、ユニットパルス条件を小さくすることによって、１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるためである。そして、熱受容長Ｌｈ＝２０mmとなると、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms及びピーク電流Ｉｐ＝２８０Ａに設定される。熱受容長Ｌｈ＝２５mmになると、ピーク期間Ｔｐ＝０．６ms及びピーク電流Ｉｐ＝２７０Ａとなる。また、同図と上述した図２及び図３とを比較すると、熱受容長Ｌｈが同一値であるときのピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは、同図の方が相対的に小さな値になっている。これは、同図の方がプラズマ溶接電流値Ｉwpが大きくなっているために、溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が大きくなっているので、１パルス周期１溶滴移行状態を維持するために、ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐを小さくしているためである。

図２〜図４で上述した熱受容長Ｌｈに対するピーク期間Ｔｐの変化をピーク期間算出関数と呼ぶことにする。また、熱受容長Ｌｈに対するピーク電流Ｉｐの変化をピーク電流算出関数と呼ぶことにする。これらの関数は、プラズマ溶接電流値Ｉwp、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。この設定は、実験によって行われる。また、図２〜図４においては、熱受容長Ｌｈが変化したときにユニットパルス条件の２つのパラメータ（ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐ）が共に予め定めた関数に従って変化する場合を説明した。しかし、ユニットパルス条件の内のどちらか一方だけを変化させるようにしても良い。これは、熱受容長Ｌｈが変化したときに溶接ワイヤがプラズマアークから受ける熱量が変化するので、ユニットパルス条件を変化させて溶接ワイヤへの熱量の変化を補償するものである。したがって、この補償のためには、ユニットパルス条件の両方を変化させる必要はなく、どちらか一方でも良いからである。すなわち、熱受容長Ｌｈの変化に応じて、ピーク期間Ｔｐ及び／又はピーク電流Ｉｐを変化させれば良い。

次に、熱受容長Ｌｈの検出方法について説明する。本実施の形態では、上述したように、熱受容長Ｌｈをプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐと見なす場合であるので、熱受容長Ｌｈの検出とはプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐを検出することに相当する。この検出方法としては、以下に示す２つの方法がある。

（１）ロボット制御装置から送信する方法
ロボットを使用した溶接においては、溶接線を教示するときにトーチ高さが適正値になるように行う。上述したように、トーチ高さはプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐであるので、教示の際に、作業プログラムにその値を書き込むようにする。そして、溶接を行う際には、ロボット制御装置からミグ溶接電源ＰＳＭに、そのデータ（プラズマ電極先端と母材との距離）を送信するようにすれば良い。
（２）プラズマ溶接電圧Ｖwp及びプラズマ溶接電流Ｉwpから算出する方法
プラズマアークは非消耗電極式アークであるので、プラズマアークのアーク長Ｌpaはプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐと一致する。アーク長Ｌpaは、プラズマ溶接電流値Ｉwpが設定されると、プラズマ溶接電圧値Ｖwpと比例関係になる。この比例関係はアーク特性と呼ばれる。したがって、溶接中にプラズマ溶接電圧Ｖwpを検出し、アーク特性からそれに対応するアーク長Ｌpaを算出することができる。この方法では、プラズマ溶接電流値Ｉwp及びプラズマ溶接電圧値Ｖwpからプラズマアークのアーク長Ｌpaが算出され、アーク長Ｌpaはプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐと等しく、さらには、プラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐは熱受容長Ｌｈと等しい。したがって、熱受容長Ｌｈをアーク特性から算出することができる。図１において、この算出はプラズマ溶接電源ＰＳＰ内で行われるので、プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcがミグ溶接電源ＰＳＭに出力されることになる。

図５は、上述したプラズマアークのアーク特性を示す図である。同図の横軸はプラズマ溶接電圧Ｖwp（Ｖ）を示し、縦軸はプラズマアークのアーク長Ｌpa（mm）を示す。同図において、実線はプラズマ溶接電流値Ｉwp＝５０Ａのときを示し、破線はＩwp＝１００Ａのときを示し、一点鎖線はＩwp＝１５０Ａのときを示している。

同図に示すように、プラズマ溶接電圧値Ｖwpが大きくなるほど、アーク長Ｌpaは長くなる。また、プラズマ溶接電圧値Ｖwpが同一値であるときは、プラズマ溶接電流値Ｉwpが大きいほど、アーク長Ｌpaは短くなる。例えば、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝１００Ａであるときに、プラズマ溶接電圧値Ｖwp＝３１Ｖである場合には、アーク長Ｌpaは２０mmとなる。このようにして、プラズマアークのアーク長Ｌpaを算出することができ、アーク長Ｌpaとプラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐとは等しいので、結果的に、プラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐを算出することができる。以下、同図に示すアーク特性をプラズマアーク長算出関数と呼ぶことにする。このアーク長算出関数は、プラズマ溶接電流値Ｉwp及びプラズマ溶接電圧値Ｖwpを入力として、プラズマアークのアーク長Ｌpaを出力する。このプラズマアーク長算出関数は、プラズマがす６２及びシールドガス６３の種類、プラズマ電極１ｂの形状等に応じて適正値に設定される。この設定は、実験によって行われる。同図において、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝７０Ａであるときには、Ｉwp＝５０Ａのアーク特性とＩwp＝１００ａのアーク特性とから補間してプラズマアーク長Ｌpaを算出する。

図６は、上述した図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。同図は、上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcが入力される場合である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。

電圧検出回路ＶＤは、ミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。

図１で上述したように、ミグ溶接電源ＰＳＭの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値によって定まる送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。

電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及びプラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcを入力として、図２〜図４で上述したような予め定めたピーク期間算出関数に基づいてピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間信号Ｔｐを出力する。このピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及びプラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcを入力として、図２〜図４で上述したようなピーク電流算出関数に基づいてピーク電流設定信号Ｉprを出力する。電流設定制御回路ＩＲＣは、上記のピーク期間信号ＴｐがＬｏｗレベルのときは上記のベース電流設定信号Ｉbrを電流設定制御信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記のピーク電流設定信号Ｉprを電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。

電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwmを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定制御信号Ｉrcと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって図１０（Ａ）で上述したミグ溶接電流Ｉwmが通電する。上述したミグ溶接電源ＰＳＭは、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期が変化して出力制御されるので、定電圧特性の電源となる。

図７は、上述した図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。同図は、熱受容長Ｌｈを、上記（２）の方法であるプラズマ溶接電流値Ｉwp及びプラズマ溶接電圧値Ｖwpを入力とするプラズマアーク長算出関数によって算出する場合である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。

図１で上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、図１０（Ｃ）で上述した直流のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。

電圧検出回路ＶＤは、上記のプラズマ溶接電圧Ｖwpを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。プラズマ電極先端・母材間距離算出回路ＬＰＣは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、図５で上述したような予め定めたプラズマアーク長算出関数によってプラズマアークのアーク長を算出して、プラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcとしてミグ溶接電源ＰＳＭに出力する。

本実施の形態では、プラズマ溶接電流Ｉwpが直流である場合を説明した。プラズマ溶接電流Ｉwpがパルス波形であるときには、上記のピーク期間算出関数、ピーク電流算出関数及びプラズマアーク長算出関数の入力として、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値及びプラズマ溶接電圧Ｖwpの平均値を使用すれば良い。

上述した実施の形態１によれば、溶接ワイヤの熱受容長に応じてミグ溶接電流におけるピーク期間及び／又はピーク電流を変化させることによって、熱受容長の変化に伴う溶接ワイヤの予熱状態の変化を補償することができる。このために、トーチ高さ等が変化して溶接ワイヤの熱受容長が変化しても１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるので、溶接状態は常に安定になる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、熱受容長Ｌｈ＝Ｌｐ−Ｌａである場合である。ここで、上述したように、Ｌｐはプラズマ電極先端と母材との距離であり、Ｌａはミグアークのアーク長である。プラズマ電極先端と母材との距離Ｌｐの検出方法については、実施の形態１と同様である。アーク長Ｌａの設定方法としては、以下に示す３つの方法がある。

（１）アーク長Ｌａを予め設定する場合
良好な溶接を行うためのアーク長Ｌａの適正範囲は、３〜５mm程度である。したがって、アーク長Ｌａを予め定めた定数（例えば４mm）として設定する。このようにすると、実際のアーク長Ｌａとは１mm程度の誤差が生じるが、この程度の誤差であれば熱受容長Ｌｈの算出値に及ぼす影響は小さい。この方法を使用すると、熱受容長Ｌｈの算出方法が簡単になる利点がある。
（２）電圧設定信号Ｖｒに基づいてアーク長Ｌａを設定する場合
図６で上述したミグ溶接電源ＰＳＭ内の電圧設定信号Ｖｒの値は、ミグアークのアーク長制御における目標値となる。すなわち、電圧設定信号Ｖｒの値に対応するアーク長Ｌａになるようにアーク長制御が行われている。したがって、この電圧設定信号Ｖｒを入力とする予め定めた第１ミグアーク長算出関数によってアーク長Ｌａを算出する。例えば、この第１ミグアーク長算出関数をＬａ＝ａ・Ｖｒ＋ｂとする。ここで、ａ及びｂは定数であり、実験によって定める。定数ａ及びｂは、センターガス、プラズマガス及びシールドガスの種類、溶接ワイヤの材質及び直径等に応じて、実験によって適正値に設定する。
（３）ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmから算出する方法
ミグアークは消耗電極式アークであるので、刻々と溶融する溶接ワイヤの先端と母材との距離が、アーク長Ｌａとなる。アーク長Ｌａは、溶接ワイヤの送給速度Ｆｗ（ミグ溶接電流Ｉwmの平均値）が設定されると、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値と比例関係になる。この比例関係はアーク特性と呼ばれる。したがって、溶接中にミグ溶接電圧Ｖwmの平均値を検出し、アーク特性からそれに対応するアーク長Ｌａを算出することができる。この方法では、送給速度Ｆｗ及びミグ溶接電圧Ｖwmの平均値を入力として予め定めた第２ミグアーク長算出関数によってアーク長Ｌａが算出される。図１において、この算出はミグ溶接電源ＰＳＭ内で行われる。

図８は、上述したミグアークのアーク特性を示す図である。同図の横軸はミグ溶接電圧Ｖwmの平均値（Ｖ）を示し、縦軸はミグアークのアーク長Ｌａ（mm）を示す。同図において、実線は送給速度Ｆｗ＝９m/min（ミグ溶接電流Ｉwmの平均値＝７０Ａ）のときを示し、破線はＦｗ＝１２m/min（ミグ溶接電流Ｉwmの平均値＝１０５Ａ）のときを示し、一点鎖線はＦｗ＝１４m/min（ミグ溶接電流Ｉwmの平均値＝１３５Ａ）のときを示している。但し、（）内のミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、プラズマ溶接電流値Ｉwp＝１００Ａの場合である。

同図に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が大きくなるほど、アーク長Ｌａは長くなる。また、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が同一値であるときは、送給速度Ｆｗが大きいほど、アーク長Ｌａは短くなる。例えば、送給速度Ｆｗ＝１２m/minであるときに、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値＝１７Ｖである場合には、アーク長Ｌａは５mmとなる。このようにして、ミグアークのアーク長Ｌａを算出することができる。同図に示すアーク特性が、第２ミグアーク長算出関数となる。この第２ミグアーク長算出関数は、送給速度Ｆｗ及びミグ溶接電圧Ｖwmの平均値を入力として、ミグアークのアーク長Ｌａを出力する。この第２ミグアーク長算出関数は、上記のセンターガス６１、プラズマガス６２及びシールドガス６３の種類、溶接ワイヤ１ａの材質及び直径等に応じて適正値に設定される。この設定は、実験によって行われる。

実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図は、上述した図１と同一である。但し、この溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図（図６）が、後述する図９に変更されている。また、熱受容長Ｌｈとユニットパルス条件であるピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐとの関係を示す上述した図２〜図４についても同一である。これら同一の事項については、説明を省略する。

図９は、本発明の実施の形態２に係る図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。同図は、上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcが入力される場合である。同図は上述した図６と対応しており、同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。同図は、破線で示すミグアーク長設定回路ＬＡＲ及び破線で示す熱受容長算出回路ＬＨＣを図６に追加し、図６のピーク期間設定回路ＴＰＲを破線で示す第２ピーク期間設定回路ＴＰＲ２に置換し、図６のピーク電流設定回路ＩＰＲを破線で示す第２ピーク電流設定回路ＩＰＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

ミグアーク長設定回路ＬＡＲは、送給速度設定信号Ｆｒ及び電圧平均値信号Ｖavを入力として、図８で上述したような予め定めた第２ミグアーク長算出関数によってミグアークのアーク長を算出して、ミグアーク長設定信号Ｌarとして出力する。熱受容長算出回路ＬＨＣは、このミグアーク長設定信号Ｌar及び図７で上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰからのプラズマ電極先端・母材間距離信号Ｌpcを入力として、熱受容長信号Ｌhc＝Ｌpc−Ｌarを算出して出力する。

第２ピーク期間設定回路ＴＰＲ２は、プラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及び上記の熱受容長信号Ｌhcを入力として、図２〜図４で上述したような予め定めたピーク期間算出関数に基づいてピーク期間設定信号Ｔprを出力する。第２ピーク電流設定回路ＩＰＲ２は、プラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及び上記の熱受容長信号Ｌhcを入力として、図２〜図４で上述したような予め定めたピーク電流算出関数に基づいてピーク期間設定信号Ｔprを出力する。

同図においては、ミグアーク長の設定を、上述した（３）の方法で行う場合であるが、（１）及び（２）の方法で行う場合には、以下のようになる。
（１）アーク長Ｌａを予め設定する場合
ミグアーク長設定回路ＬＡＲは、予め定めたミグアーク長設定信号Ｌarを出力する。
（２）電圧設定信号Ｖｒに基づいてアーク長Ｌａを設定する場合
ミグアーク長設定回路ＬＡＲは、電圧設定信号Ｖｒを入力として、上述したような予め定めた第１ミグアーク長算出関数によってミグアークのアーク長を算出して、ミグアーク長設定信号Ｌarとして出力する。

上述した実施の形態２によれば、熱受容長を、プラズマ電極先端と母材との距離からミグアークのアーク長を減算した値として算出する。このために、ミグアークのアーク長が変化しても、熱受容長を正確に算出することができる。この結果、熱受容長の変化に伴う溶接ワイヤの予熱状態の変化をより高精度に補償することができる。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＰＲ２ 第２ピーク電流設定回路
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
Ｌａ ミグアークのアーク長
ＬＡＲ ミグアーク長設定回路
Ｌar ミグアーク長設定信号
Ｌｈ 熱受容長
ＬＨＣ 熱受容長算出回路
Ｌhc 熱受容長信号
Ｌｐ トーチ高さ、プラズマ電極先端と母材との距離
Ｌpa プラズマアークのアーク長
ＬＰＣ プラズマ電極先端・母材間距離算出回路
Ｌpc プラズマ電極先端・母材間距離信号
Ｌｗ 給電チップ先端と母材との距離
Ｌｘ 突出し長
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間（信号）
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＰＲ２ 第２ピーク期間設定回路
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (5)

1. 溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加してプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させると共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと母材との間にミグ溶接電圧を印加してピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
   前記溶接ワイヤが前記プラズマアークから熱を受ける部分の長さである熱受容長を検出し、前記ピーク期間及び／又は前記ピーク電流を前記熱受容長に応じて自動的に変化させる、
   ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
2. 前記熱受容長が、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離である、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
3. 前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離を、前記プラズマ溶接電流及び前記プラズマ溶接電圧を入力とする予め定めた関数によって算出する、
   ことを特徴とする請求項２記載のプラズマミグ溶接方法。
4. 前記熱受容長が、前記プラズマ電極の先端と前記母材との距離から前記ミグアークのアーク長を減算した値である、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
5. 前記アーク長を、溶接ワイヤの送給速度及び前記ミグ溶接電圧の平均値を入力とする予め定めた関数によって算出する、
   ことを特徴とする請求項４記載のプラズマミグ溶接方法。
   
   

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