JP5514711B2

JP5514711B2 - アーク溶接方法及びアーク溶接装置

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Publication number: JP5514711B2
Application number: JP2010292984A
Authority: JP
Inventors: 啓輝藤内; 俊之堀向; 哲也児玉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012139706A

Description

本発明は、アーク溶接方法及びアーク溶接装置に関する。詳しくは、本発明は、プラズマアーク溶接に用いて好適なアーク溶接方法及びアーク溶接装置に関する。

従来から、アーク溶接が知られている。アーク溶接では、アークトーチの送り速度が高速になると、アークトーチの進行方向の後方にアークが流れることによって、ワークに熱が入らない現象が生ずる。
この現象を解消するため、例えば、図１８や図１９に示すように、アークトーチ１００のノズルの先端からワークＷに延びるアークＡに磁場Ｂを作用させることにより、ローレンツ力Ｆを用いてアークＡを前方へ振らせる技術が、特許文献１に開示されている。

特開昭６１−２０６５６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術を適用した場合、図１９に示すように、ローレンツ力ＦがアークＡの上端から下端まで全域に作用するため、アークＡが根元側から進行方向の前方へ曲がる。
すると、この曲がったアークＡがノズルを焼くことなり、ノズルの先端部が消耗していくため、ノズルの先端部のチップの交換頻度が上がる。
また、アークＡが根元側から前方へ曲がることで、アークＡがワークＷから浮いてしまい、入熱領域が浅くなるため、最終的に入熱量が低下する。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、アーク溶接において、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることを目的とする。

本発明のアーク溶接方法は、
アークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０、４０）及び磁場生成機構（例えば、後述の電磁石２０）を有するアーク溶接装置（例えば、アーク溶接装置１、２）が、ワーク（例えば、ワークＷ）に対してアーク溶接を施すアーク溶接方法であって、
前記ワークは非磁性体の治具（例えば、後述のクランプ３１及びベース３２）に固定され、
前記磁場生成機構が、前記アークトーチが進行する接合方向に対して略直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）を前記ワークの内部に生成し、
且つ、Ｓ極とＮ極の磁石が、前記アークトーチの進行方向の前後に設けられて、キュリー点を超えている温度で加工される前記ワークの溶接部の前方に磁束を集中させ、
前記アークトーチからのアーク（例えば、後述のアークＡ）が、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）と、前記磁場とに起因したローレンツ力により、前記接合方向の前方に先端部が曲げられた状態で、前記ワークを溶接する。

この発明によれば、ワークを非磁性体の治具に固定することにより、磁場生成機構により生成される磁場における磁束の流れを、磁性体であるワークに集中させることができる。
これにより、磁場が最も強い箇所はワークの内部であり、ワークから離れるにしたがって磁場は弱くなる。したがって、アークを曲げるローレンツ力は、ワークに近いほど強く、アークトーチに近いほど弱くなる。そのため、アークの先端側のみをアークトーチの進行方向前方へ曲げることができ、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることができる。
また、非磁性体のクランプ３１及びベース３２を採用することによって、磁場生成機構により生成される磁場における磁束が、ワーク以外の場所に逃げていくことを防げるので、ワーク内に流れる磁束の磁束密度を効率よく高めることができる。

また、この発明によれば、Ｓ極とＮ極の磁石が、前記アークトーチの進行方向の前後に設けられて、キュリー点を超えている温度で加工される前記ワークの溶接部の前方に磁束を集中させている。

すなわち、この発明によれば、ワークの溶接部がキュリー点を超えている温度で加工されているので、溶接部分は非磁性体となり磁束が通り難くなっている。溶接部の前後及び両側に配置された磁場生成機構により生成される磁場における磁束が、キュリー点に達していないために磁性体である溶接部前方部分へ回り込み、磁束が集中するので、磁場生成機構により生成される磁場における磁束がさらに少なくてもよい。

本発明のアーク溶接装置は、
ワーク（例えば、後述のワークＷ）に対してアーク溶接を施すアーク溶接装置（例えば、アーク溶接装置１、２）において、
前記ワークを固定する非磁性体の治具（例えば、後述のクランプ３１及びベース３２）と、
前記ワークに対してアーク溶接を施すためのアーク（例えば、後述のアークＡ）を放出するアークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０、４０）と、
前記アークトーチが進行する接合方向に対して略直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）を前記ワークの内部に生成し、Ｓ極とＮ極の磁石が、前記アークトーチの進行方向の前後に設けられて、キュリー点を超えている温度で加工される前記ワークの溶接部の前方に磁束を集中させる磁場生成機構（例えば、後述の電磁石２０）と、
を備え、
当該磁場と、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）とに起因したローレンツ力が、前記アークの先端部を前記接合方向の前方に曲げる。

この発明によれば、前記のアーク溶接方法の場合と同様の効果が得られる。

本発明によれば、より少ない磁束で、アークの先端側のみを進行方向前方へ曲げることができ、ノズル先端部の消耗を低減しながらワークへの必要な入熱量を確保して、溶接速度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るアーク溶接装置としてのプラズマアーク溶接装置の斜視図である。図１のプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。図２に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。磁性体の治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。ワークＷを平面視した図である。磁性体治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行う前後の、ワークＷを通過する磁束密度を示す図である。磁性体治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行っているときの、アークの状態を示す図である。非磁性体治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。非磁性体治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行う前後の、ワークを通過する磁束密度を示す。非磁性体治具を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行っているときの、アークの状態を示す図である。本発明の第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置の斜視図である。第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの断面図である。第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの第１ノズルの斜視図である。第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの動作を説明するための斜視図である。第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの動作を説明するための平面図である。第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。図１６に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。従来のプラズマアーク溶接装置の概略的正面図である。図１８に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るアーク溶接装置としてのプラズマアーク溶接装置１の斜視図である。
プラズマアーク溶接装置１は、ワークＷを突き合わせ溶接することで、テーラードブランク材を形成する。図１では、板厚が比較的薄いワークＷ（１）と、ワークＷ（１）よりも板厚が厚いワークＷ（２）との突き合わせ溶接を示している。
即ち、ワークＷ（１）とのワークＷ（２）との突き合わせ部が、プラズマアーク溶接装置１により溶接される。そこで、以下、当該突き合わせ部のうち溶接される部位を、「溶接部」と適宜呼ぶ。

プラズマアーク溶接装置１は、アークトーチとしてのプラズマトーチ１０と、磁場生成機構としての４つの電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ１，２０Ｓ１，２０Ｓ２と、支持フレーム３０と、クランプ３１と、ベース３２と、を備える。
電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０Ｎ」と呼ぶ。同様に、電磁石２０Ｓ１，２０Ｓ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０Ｓ」と呼ぶ。さらに、電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ１，２０Ｓ１，２０Ｓ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０」と呼ぶ。

図２は、プラズマアーク溶接装置１を概略的に示す正面図である。
図２に示すように、プラズマトーチ１０は、棒状の電極１１と、この電極１１を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル１２と、この第１ノズル１２を囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル１４と、を備える。

第１ノズル１２の先端には、円形状の第１噴出口１３が形成されており、この第１噴出口１３を通して、プラズマガスが噴出する。
第２ノズル１４の先端には、円環形状の第２噴出口１５が形成されており、この第２噴出口１５を通して、シールドガスが噴出する。
第２ノズル１４の噴出口１５は、第１ノズル１２の噴出口１３よりも、電極１１の軸方向の先端側に位置している。

図３は、図２に示すプラズマアーク溶接装置の右側面図である。
電磁石２０Ｎ，２０Ｓは、図３に示すように、プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に対して略直交する方向の磁場Ｂを、ワークＷの内部に生成する。
すると、図３に示すように、この磁場Ｂと、プラズマトーチ１０とワークＷとの間に流れる電流Ｉとにより生ずるローレンツ力Ｆにより、アークＡの先端側はプラズマトーチ１０の進行方向前方へ曲げられる。

図１に戻り、４つの電磁石２０は、溶接部の上方に位置するプラズマトーチ１０を中心にして、当該プラズマトーチ１０を囲むように、平面視で前後左右にそれぞれ配置される。
即ち、プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に向かって突き合わせ部の一側（本例では左側）には、下端がＮ極になる電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ２が、接合方向の前後にそれぞれ配置される。
プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）に向かって突き合わせ部の他側（本例では右側）には、下端がＳ極になる電磁石２０Ｓ１，２０Ｓ２が、接合方向の前後にそれぞれ配置される。

接合方向前方の電磁石２０Ｎと電磁石２０Ｓは、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する平面内で互いに対向して配置される。そのため、接合方向前方の電磁石２０Ｎ１から電磁石２０Ｓ１へ向かう磁場の方向Ｂは、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する。
同様に、接合方向後方の電磁石２０Ｎ２と電磁石２０Ｓ２は、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する平面内で互いに対向して配置される。そのため、接合方向後方の電磁石２０Ｎ２から電磁石２０Ｓ２へ向かう磁場の方向Ｂは、突き合わせ部の延びる方向（接合線）と直交する。

一対のクランプ３１はそれぞれ、突き合わせ部側に、接合方向に沿って延設された貫通溝３３を備える。貫通溝３３は、円柱状の電磁石２０Ｎ，２０Ｓの径よりも大きい幅で形成されている。
支持フレーム３０は、クランプ３１との間で、４つの電磁石２０及びプラズマトーチ１０を支持する。
一対のクランプ３１は、ワークＷ（ワークＷ（１）及びワークＷ（２））の上面を保持する。即ち、４つの電磁石２０はそれぞれ、貫通溝３３を通って、それらの下端面とワークＷの上面との間に微小な間隙が形成されるように、支持フレーム３０に支持される。
プラズマトーチ１０は、その下端から延びるアークＡが、ワークＷの突き合わせ部を溶接可能な所定の高さに位置するように、支持フレーム３０に支持される。
ベース３２は、ワークＷの下面を保持する。即ち、ベース３２は、クランプ３１と共にワークＷを挟み込むように固定する治具として機能する。

４つの電磁石２０とプラズマトーチ１０との距離、及び４つの電磁石２０とワークＷとの間隔は、アークＡの基端側にまで磁場が作用してアークＡが基端から進行方向前方に曲がるのを回避しつつ、ワークＷを十分に磁化して突き合わせ部の表面に大きな漏れ磁場が生成するように、それぞれ設定される。

なお、支持フレーム３０は、プラズマトーチ１０を上昇又は下降させる図示しない第１昇降機構と、プラズマトーチ１０を接合方向に水平移動させる図示しない第１移動機構と、を備える。
また、支持フレーム３０は、４つの電磁石２０を上昇又は下降させる図示しない第２昇降機構と、４つの電磁石２０を接合方向に水平移動させる図示しない第２移動機構と、を備える。第２移動機構により、４つの電磁石２０は貫通溝３３に沿って移動する。
さらにまた、支持フレーム３０は、クランプ３１をワークＷの上面に配置させるクランプ駆動機構を備える。

次に、プラズマアーク溶接装置１がプラズマアーク溶接をする場合の動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。
具体的には、プラズマアーク溶接装置１が、厚みが薄い板材であるワークＷ（１）と、ワークＷ（１）よりも厚みが厚い板材であるワークＷ（２）を突き合わせ溶接して、テーラードブランク材を形成するまでの動作を説明する。

まず、ワークＷの下面がベース３２に保持されている状態で、第２移動機構及び第２昇降機構が、４つの電磁石２０を溶接始端に対応した位置に配置する。このとき、４つの電磁石２０は、貫通溝３３を通って、それらの下端面とワークＷの上面との間に微小な間隙が形成されるようにして配置される。
この状態で、図示せぬ電磁石制御部が、電磁石２０Ｎに対しては下端がＮ極となるように、電磁石２０Ｓに対しては下端がＳ極となるように、それぞれ電流を流す。すると、電磁石２０Ｎから電磁石２０Ｓへ向かう磁場Ｂが生ずる。

また、第１移動機構及び第１昇降機構が、突き合わせ部の溶接始端上の所定の高さ位置に、プラズマトーチ１０を配置すると共に、クランプ駆動機構が、クランプ３１をワークＷの上面に配置する。これにより、ワークＷが、クランプ３１とベース３２とにより固定される。
この状態で、図示せぬガス噴出部が、第１ノズル１２の第１噴出口１３からプラズマガスを噴出させつつ、図示せぬ電源部が、電極１１とワークＷとの間に電圧を印加することによって、アークＡを発生させる。また、図示せぬガス噴出部が、第２ノズル１４の第２噴出口１５から、アークＡの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。第１移動機構及び第１昇降機構により、突き合わせ部の溶接始端上の所定の高さ位置に、プラズマトーチ１０を配置する。

すると、アークＡを流れる電流の方向Ｉ（図１参照）と、ワークＷの突き合わせ部から漏れる磁場の方向Ｂ（図１参照）とに起因したローレンツ力Ｆ（図１参照）により、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向前方へ曲げられる。

この状態で、第１移動機構により、プラズマトーチ１０を接合方向に水平移動させるとともに、第２移動機構により、４つの電磁石２０を貫通溝に沿って接合方向に水平移動させる。これにより、十分な溶け込み深さが確保された溶融池Ｐが形成されて、良好な溶接が行われる。

次に、以上の動作を実行可能なプラズマアーク溶接装置１のうち、ワークＷを固定する治具たるクランプ３１及びベース３２の材質について説明する。

［磁性体ベース及び磁性体クランプを用いた場合］
先ず、図４乃至図７を参照して、クランプ３１及びベース３２の材質として、鉄等の磁性体を採用した場合について説明する。

ここで、クランプ３１及びベース３２の材質の説明の前提として、キュリー温度の知識が必要になる。そこで、以下、キュリー温度について説明する。
一般に、原子の磁気モーメントは、低温では同一方向に整列しているが、温度が上昇すると熱エネルギーの影響で、その方向が揺らぎ始める。そのため、全体の磁気モーメント（自発磁化）が少しずつ減少する。更に温度が上昇すると自発磁化の減少が急激に進行し、原子の磁気モーメントは、ある温度以上では完全にバラバラな方向になり、自発磁化は０となる。このように、自発磁化が０となる温度がキュリー温度又はキュリー点と呼ばれている。
即ち、キュリー温度未満では磁性体となっている物体でも、キュリー温度以上になると、非磁性体になる。
従って、ワークＷが鉄の場合、そのキュリー温度は約７７０℃であるため、アーク溶接中の溶融部は、キュリー温度（約７７０℃）を超える温度になっているので、非磁性体となる。

図４は、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。
電磁石２０Ｎから２０Ｓに向かう磁束の経路（以下、「磁気経路」と呼ぶ）としては、磁束ＢｍがワークＷ内を通過する磁気経路と、ワークＷから漏れた磁束Ｂｅがクランプ３１やベース３２を通過する磁気経路と、が存在する。
なお、ワークＷからの漏れ磁束Ｂｅは、図４においてはあたかもベース３２のみを通過するように図示されているが、これは説明の便宜上のためであって、実際には、一部クランプ３１も通過する場合がある。
ここで、ワークＷを通る磁気経路には、ワークＷ（１）とワークＷ（２）との突き合わせ部Ｄが存在する。

図５は、ワークＷを平面視した図である。具体的には、図５（Ａ）は、アーク溶接前のワークＷを平面視した図であり、図５（Ｂ）は、アーク溶接中のワークＷを平面視した図である。
アーク溶接前では、ワークＷは何れの場所でもキュリー点未満の温度となっているため、磁束ＢｍがワークＷ内を通過する磁気経路における磁気抵抗は、何れの場所でもほぼ均一である。よって、図５（Ａ）に示すように、磁束Ｂｍは、電磁石２０Ｎから電磁石２０Ｓに向けて、ワークＷ内の何れの場所でも略同一の磁束密度になる。
ところが、アーク溶接中では、突き合わせ部Ｄのうちアーク溶接がなされた溶接部Ｐは、キュリー点を超えた溶融池となっており、非磁性となり磁気抵抗が大きくなる。よって、図５（Ｂ）に示すように、磁束Ｂｍは、電磁石２０Ｎから電磁石２０Ｓに向けて、非磁性体たる溶接部Ｐをほぼ通過せずに、溶接部Ｐからみて、プラズマトーチ１０の進行方向（接合方向）の前方の磁性体の部分（キュリー点未満のため）を通過するか、漏れ磁束Ｂｅとなって磁性体たるベース３２やクランプ３１を通過する。
図４に示すように、この漏れ磁束Ｂｅが大きく、その結果、全体の磁束Ｂｍが低下するため、ローレンツ力Ｆも低下し、アークＡを曲げることができなくなる。この様子が、図６及び図７に示されている。

図６は、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行う前後の、ワークＷを通過する磁束密度Ｂｍを示す。
図６において、横軸は、接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）のプラズマトーチ１０からの距離（ｍｍ）を示している。即ち、横軸において、０ｍｍはプラズマトーチ１０の位置を示し、右側のプラス方向は接合方向を示し、左側のマイナス方向は接合方向の逆方向を示している。
縦軸は、ワークＷを通過する磁束密度Ｂｍのうち、各位置における磁束密度を示している。
また、点線は、アーク溶接前のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布を示しており、実線は、アーク溶接中のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布を示している。

図６の点線に示すように、アーク溶接前のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布はほぼ一律であることがわかる。ここで、アーク溶接前のワークＷの磁束密度Ｂｍが、アークＡを前方に曲げるローレンツ力Ｆを生じさせるために必要な磁束であるものとする。即ち、ここでは、初期状態として、アークＡを前方に曲げるローレンツ力Ｆを生じさせるために必要な磁束が生じているものとする。なお、この場合の４つの電磁石２０のそれぞれの励磁電流の大きさは、約３０Ａであった。

その後、４つの電磁石２０のそれぞれの励磁電流の大きさを約３０Ａに保ったまま、アーク溶接が行われると、ワークＷの磁束密度Ｂｍは、図６の実線に示すようになる。

即ち、図６の実線に示すように、プラズマトーチ１０の後方の位置−２５ｍｍ乃至０ｍｍのワークＷの部分は、図５の溶接部Ｐに相当し、キュリー点を超えて非磁性体となっているために、初期状態（点線）よりも低い磁束密度になっていることがわかる。

一方、図６の実線に示すように、プラズマトーチ１０の前方の０ｍｍ乃至２５ｍｍのワークＷの部分は、アークＡで加熱中ではあるが、キュリー点未満の磁性体であるため、後方の−２５ｍｍ乃至０ｍｍの非磁性体の分よりも磁束は高くなり、初期状態よりも若干低くなっている。
しかしながら、図６の点線と実線とを比較すると容易にわかることであるが、磁性体のクランプ３１やベース３２に漏れ磁束Ｂｅが通過するため、その分だけ、磁束Ｂｍが減少している。
このため、十分なローレンツ力Ｆが生じずに、図７に示すように、アークＡが接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に十分に曲がらない。

図７は、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行っているときの、アークＡの状態を示す図である。
図７の横軸は、図６の横軸と同一、即ち、接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）のプラズマトーチ１０からの距離（ｍｍ）を示している。
縦軸は、プラズマトーチ１０からの先端の距離（ｍｍ）を示している。即ち、縦軸において、０ｍｍはプラズマトーチ１０の先端の位置を示し、下側のプラス方向はワークＷに向けた下方向を示し、上側のマイナス方向は上方向を示している。
図７に示すように、アークＡが接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に十分に曲がっていないことがわかる。

このように、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合には、大量の漏れ磁束Ｂｅが生じて、ワークＷを通過する全体の磁束Ｂｍが低下する。
このため、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合には、次の第１乃至第３の問題点が生じる。
第１の問題点とは、アークＡを接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に曲げるための大きさのローレンツ力Ｆを生じさせるためには、漏れ磁束Ｂｅを考慮して、電磁石２０の励磁電流を大きくしなければならない（本例では３０Ａ以上にしなければならない）、という問題点である。
第２の問題点とは、漏れ磁束Ｂｅを考慮して、アークＡ前方のワークＷ内の磁束Ｂｍを制御することは困難である、という問題点である。
第３の問題点とは、クランプ３１及びベース３２の連続使用に伴う磁化により、ワークＷ内の磁束Ｂｍを制御することがより困難になる、という問題点である。

［非磁性体ベース及び非磁性体クランプを用いた場合］
本発明人らは、これらの第１乃至第３の問題点のうち少なくとも１つを解決したい場合、クランプ３１及びベース３２の素材を、ステンレス等の非磁性体にすると好適であるという知見を得た。
そこで、以下、図８乃至図１０を参照して、クランプ３１及びベース３２の材質として、ステンレス等の非磁性体を採用した場合について説明する。

図８は、クランプ３１及びベース３２の材質としてステンレス等の非磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置を概略的に示す正面図である。
電磁石２０Ｎから２０Ｓに向かう磁気経路としては、磁束ＢｍがワークＷ内を通過する磁気経路と、ワークＷから漏れた磁束Ｂｅがクランプ３１やベース３２を通過する磁気経路と、が存在する。
ただし、図４と図８とを比較して容易にわかるように、クランプ３１やベース３２を通過する漏れ磁束Ｂｍは、磁性体である場合（図４の場合）と比較して、非磁性体である場合（図８の場合）の方が圧倒的に小さくなる。
その結果、ワークＷを通過する全体の磁束Ｂｍはほぼ低下しない。ただし、図５を参照して上述したように、磁束Ｂｍは、キュリー点を超えている溶接部Ｐを通過しにくいため、その前方（アークＡの前方）に集中して高くなる。これにより、十分な大きさのローレンツ力Ｆが生じて、アークＡが接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に十分に曲がるようになる。この様子が、図９及び図１０に示されている。

図９は、クランプ３１及びベース３２の材質としてステンレス等の非磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行う前後の、ワークＷを通過する磁束密度Ｂｍを示す。
図９において、横軸は、図６の横軸と同一、即ち、接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）のプラズマトーチ１０からの距離（ｍｍ）を示している。縦軸も、図６の縦軸と同一、即ちワークＷを通過する磁束密度Ｂｍのうち、各位置における磁束密度を示している。
また、点線は、アーク溶接前のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布を示しており、実線は、アーク溶接中のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布を示している。

図９の点線に示すように、アーク溶接前のワークＷの磁束密度Ｂｍの分布はほぼ一律であることがわかる。
ただし、ここで注目すべき点は、アーク溶接前のワークＷの各位置の磁束を、図６の初期状態（点線）とほぼ同一にするために必要な電磁石２０の励磁電流である。即ち、クランプ３１及びベース３２の材質として磁性体を採用した場合（図６の場合）には３０Ａも必要であったのに対して、クランプ３１及びベース３２の材質として非磁性体を採用した場合（図９の場合）には５Ａで済む点に注目すべきである。

その後、４つの電磁石２０のそれぞれの励磁電流の大きさを約５Ａに保ったまま、アーク溶接が行われると、ワークＷの磁束密度Ｂｍは、図９の実線に示すようになる。

即ち、図９の実線に示すように、プラズマトーチ１０の前方の０ｍｍ乃至２５ｍｍのワークＷの部分は、アークＡで加熱中ではあるが、キュリー点未満の磁性体であるため、後方の−２５ｍｍ乃至０ｍｍの非磁性体の分よりも磁束は高くなり、初期状態（点線）よりも遥かに高くなっている。即ち、クランプ３１及びベース３２の材質として磁性体を採用した場合（図６の場合）における約５．５ｍＴ（図６の実線）と比較して、クランプ３１及びベース３２の材質として非磁性体を採用した場合（図９の場合）にはそれよりも遥かに高くなっている。
このため、十分なローレンツ力Ｆが生じて、図１０に示すように、アークＡが接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に十分に曲がるようになる。

図１０は、クランプ３１及びベース３２の材質としてステンレス等の非磁性体を採用した場合における、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置がアーク溶接を行っているときの、アークＡの状態を示す図である。
図１０の横軸は、図７の横軸と同一、即ち、接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）のプラズマトーチ１０からの距離（ｍｍ）を示している。図１０の縦軸も、図７の横軸と同一、即ち、プラズマトーチ１０からの先端の距離（ｍｍ）を示している。
図７と図１０とを比較するに、クランプ３１及びベース３２の材質として磁性体を採用した場合（図７の場合）よりも遥かに、クランプ３１及びベース３２の材質として非磁性体を採用した場合（図９の場合）の方が、アークＡが接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）に曲がっていることがわかる。

このように、クランプ３１及びベース３２の材質としてステンレス等の非磁性体を採用した場合には、漏れ磁束Ｂｅがほぼ生じなくなるので、電磁石２０の励磁電流を小さくしたままでも、ワークＷを通過する全体の磁束Ｂｍを高く維持することができる。
このため、クランプ３１及びベース３２の材質として鉄等の磁性体を採用した場合に生じる上述した第１乃至第３の問題点を、何れも解決することが可能になる。

換言すると、クランプ３１及びベース３２の材質としてステンレス等の非磁性体を採用した本実施形態のプラズマアーク溶接装置１によれば、以下の（１）乃至（８）に示すような効果を奏することが可能になる。
（１）４つの電磁石２０によりに磁場Ｂを生成することができる。この場合、磁場Ｂが最も強い箇所はワークＷの内部（磁場Ｂｍ）であり、ワークＷから離れるにしたがって磁場Ｂは弱くなる。したがって、アークＡを曲げるローレンツ力Ｆは、ワークＷに近いほど強く、プラズマトーチ１０に近いほど弱くなる。そのため、アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができる。
（２）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができるため、例えばアークＡが根元側から曲がる場合のように、アークＡがワークＷから浮いてしまうことがなく、深い入熱領域が得られる。そのため、十分な溶け込み深さを確保することができる。
（３）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げて、しかも十分な溶け込み深さを確保することができるため、アークＡの接合方向前方に十分な入熱量を確保することができる。そのため、溶接速度を向上させることができる。
（４）アークＡの先端側のみを接合方向前方へ曲げることができるため、例えばアークＡが根元側から曲がる場合のように、曲がったアークＡがノズル自体を焼いてしまうことがなく、ノズルにダメージを及ぼさない。そのため、ノズル先端部の消耗を低減することができる。
（５）非磁性体のクランプ３１及びベース３２を採用することで、磁性体のものを採用した場合と比較して、漏れ磁束Ｂｅを小さくすることができるので、電磁石２０に対する励磁電流を小さくしたままで、ワークＷを流れる磁束密度Ｂｍを大きくすることができる。
（６）非磁性体のクランプ３１及びベース３２を採用することで、磁性体のものを採用した場合と比較して、漏れ磁束Ｂｅを小さくすることができるので、プラズマトーチ１０からみて接合方向（プラズマトーチ１０の進行方向）の前方向へ磁束Ｂｍの集中度が高まるので、磁束Ｂｍの制御が容易となる。
（７）非磁性体のクランプ３１及びベース３２を採用することによって、クランプ３１及びベース３２が磁化されないので、クランプ３１及びベース３２の管理が容易になると共に、磁気Ｂｍの制御がより容易となる。
（８）ワークの溶接部がキュリー点を超えている温度で加工されているので、溶接部分は非磁性体となり磁束が通り難くなっている。磁場生成機構により生成される磁場における磁束が、キュリー点に達していないためにまだ磁性体である溶接部前方部分へ回り込み、その部分に磁束が集中するので、磁場生成機構により生成される磁場における磁束がさらに少なくてもよい。

［第２実施形態］
図１１は、本発明の第２実施形態に係るアーク溶接装置としてのプラズマアーク溶接装置２の斜視図である。このプラズマアーク溶接装置２において、第１実施形態に係るプラズマアーク溶接装置１と同様の部分には、同一の符号を付けて示し、重複する説明は省略する。
プラズマアーク溶接装置２は、ワークＷを突き合わせ溶接することで、テーラードブランク材を形成する。図１１では、板厚が比較的薄いワークＷ（１）と、ワークＷ（１）よりも板厚が厚いワークＷ（２）との突き合わせ溶接を示している。
プラズマアーク溶接装置２は、アークトーチとしてのプラズマトーチ４０と、磁場生成機構としての４つの電磁石２０Ｎ１、２０Ｎ２、２０Ｓ１、２０Ｓ２と、クランプ３１と、ベース３１と、支持フレーム３０と、を備える。
電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０Ｎ」と呼ぶ。同様に、電磁石２０Ｓ１，２０Ｓ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０Ｓ」と呼ぶ。さらに、電磁石２０Ｎ１，２０Ｎ１，２０Ｓ１，２０Ｓ２を個々に区別する必要がない場合、これらをまとめて「電磁石２０」と呼ぶことは、第１実施形態と同様である。

図１２は、第２実施形態に係るプラズマアーク溶接装置におけるプラズマトーチの断面図である。
図１２に示すように、プラズマトーチ４０は、棒状の電極４１と、この電極４１を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル４２と、この第１ノズル４２を囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル４７と、を備える。

第１ノズル４２の先端には、円形状の第１噴出口４３が形成されており、この第１噴出口４３を通して、プラズマガスが噴出する。
この第１ノズル４２は、筒状の内筒部４４と、この内筒部４４を囲んで設けられた外筒部４５と、を備える。

図１３は、第１ノズル４２の外筒部４５の斜視図である。
外筒部４５の先端部分は、先端に向かうに従って細くなる略円錐形状であり、この外筒部４５の先端部分の外周面には、電極４１の軸方向に対して傾斜した複数の溝部４６が形成される。この溝部４６は、外筒部４５の先端まで延びている。

図１２に戻って、第２ノズル４７の先端には、円環形状の第２噴出口４８が形成されており、この第２噴出口４８を通して、シールドガスが噴出する。
第２ノズル４７の噴出口４８は、電極４１から離れる方向に向いている。また、第２ノズル４７の噴出口４８は、第１ノズル４２の噴出口４３よりも、電極４１の軸方向の基端側に位置している。
また、上述の第１ノズル４２の溝部４６は、第２ノズル４７の噴出口４８まで延びている。

次に、プラズマアーク溶接装置２を用いたプラズマアーク溶接について、図１４〜図１７を参照しながら説明する。

まず、図１１に示される４つの電磁石２０Ｎ１、２０Ｎ２、２０Ｓ１、２０Ｓ２に通電して、接合方向前方の電磁石２０Ｎ１から電磁石２０Ｓ１へ向かう磁場を発生させるとともに、接合方向後方の電磁石２０Ｎ２から電磁石２０Ｓ２へ向かう磁場を発生させる。この磁場の方向Ｂ（図１１参照）は、図１６では紙面を左から右へ向かい、図１７では紙面と直交して紙面の背後から手前へ向かう。
また、第１ノズル４２の第１噴出口４３からプラズマガスを噴出させつつ、電極４１とワークＷ（１）、Ｗ（２）との間に電圧を印加してアークＡを発生させる。また、第２ノズル４７の第２噴出口４８から、アークＡの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。

すると、シールドガスは、複数の溝部４６に沿って図１４中白抜き矢印の方向に流れて、第２噴出口４８から噴出する。この噴出したシールドガスは、アークＡから離れる方向に拡がりながら、アークＡの表面に沿って螺旋状に流れて、溶融池Ｐの表面に対して、アークＡを回転中心として回転する方向、即ち図１４中黒矢印方向に、吹き付けられる。
具体的には、図１５に示すように、ワークＷ（１）、Ｗ（２）の８箇所にシールドガスが吹き付けられ、各箇所でのシールドガスの流れる方向は、図１５中黒矢印で示すようになる。

この状態で、プラズマトーチ４０、即ちアークＡを接合方向に移動させると、溶融池Ｐは、図１５に示すように、平面視でアークＡの前方、及び後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、アークＡの進行方向後側の図１５中破線で囲まれた領域の溶融金属が、薄い方のワークＷ（１）に向かって押されて移動する。そして、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ（１）の母材の凹んだ部分が埋められる。

本実施形態によれば、上記の効果に加えて、以下のような効果がある。
（９）厚みの異なるワークＷ（１）、Ｗ（２）を溶接する場合、螺旋状に流れるシールドガスを溶融池Ｐの表面に吹き付けて、アークＡの進行方向後側の溶融金属を、薄い方のワークＷ（１）に向かって移動させることができる。これにより、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ（１）の母材の凹んだ部分を埋めることができる。その結果、薄い方のワークＷ（１）の板厚がアンダカットにより薄くなるのを抑制して、溶接後のワークＷの強度を確保できる。

（１０）第２ノズル４７の噴出口４８を電極４１から離れる方向に向けたので、この第２ノズル４７からシールドガスを噴出させると、噴射されたシールドガスは、アークＡから離れる方向に拡がっていく。よって、シールドガスがアークＡに直接当たらないため、アークＡが乱れるのを防止でき、溶接が安定する。

（１１）溝部４６を第２ノズル４７の第２噴出口４８まで延ばした。これにより、シールドガスの流量を少なくしても、プラズマガスを安定させつつ、溶融金属を確実に移動させることができる。

（１２）第２ノズル４７の第２噴出口４８を、第１ノズル４２の第１噴出口４３よりも、電極４１の軸方向の基端側に位置させたので、シールドガスが直接アークＡに当たるのを防いで、アークＡが乱れるのを防止できる。

なお、本発明は前記各種実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、ワークＷ内に磁場を生成する磁場生成機構は、電磁石２０である必要は特になく、例えば永久磁石であってもよい。
また例えば、アーク溶接の種類は、プラズマアーク溶接である必要は特になく、例えばＴＩＧアーク溶接であってもよい。

１、２・・・アーク溶接装置
１０、４０・・・プラズマトーチ
２０Ｎ１、２０Ｎ２、２０Ｓ１、２０Ｓ２・・・電磁石
３１・・・クランプ
３２・・・ベース

Claims

アークトーチ及び磁場生成機構を有するアーク溶接装置が、ワークに対してアーク溶接を施すアーク溶接方法であって、
前記ワークは非磁性体の治具に固定され、
前記磁場生成機構は、前記アークトーチが進行する接合方向に対して略直交する方向の磁場を前記ワークの内部に生成し、且つ、Ｓ極とＮ極の磁石が、前記アークトーチの進行方向の前後に設けられて、キュリー点を超えている温度で加工される前記ワークの溶接部の前方に磁束を集中させ、
前記アークトーチからのアークが、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流と、前記磁場とに起因したローレンツ力により、前記接合方向の前方に先端部が曲げられた状態で、前記ワークを溶接する、
ことを特徴とするアーク溶接方法。
ワークに対してアーク溶接を施すアーク溶接装置において、
前記ワークを固定する非磁性体の治具と、
前記ワークに対してアーク溶接を施すためのアークを放出するアークトーチと、
前記アークトーチが進行する接合方向に対して略直交する方向の磁場を前記ワークの内部に生成し、Ｓ極とＮ極の磁石が、前記アークトーチの進行方向の前後に設けられて、キュリー点を超えている温度で加工される前記ワークの溶接部の前方に磁束を集中させる磁場生成機構と、
を備え、
当該磁場と、前記アークトーチと前記ワークとの間に流れる電流とに起因したローレンツ力が、前記アークの先端部を前記接合方向の前方に曲げる、
ことを特徴とするアーク溶接装置。