JP5871675B2 - アーク溶接装置及びアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接装置及びアーク溶接方法に関する。詳しくは、アークをアークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接するアーク溶接装置及びアーク溶接方法に関する。

従来、ワークを溶接する技術として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速くなると、アークトーチの進行方向に対する後方にアークが流れ、溶接が開始されるワークに熱が入らない現象が生じる。この場合には、ワークが十分に予熱されないまま溶接が行われ、溶接不具合の原因となる。

例えば特許文献１には、上記現象を回避するため、図４、図５に示すように、アークトーチとしてのプラズマトーチ１００の先端部からワークＷ（１），（２）に延びるアークＡに対して、進行方向に直交する方向の磁場ＢをワークＷ（１），（２）の内部に生成し、プラズマトーチ１００とワークＷ（１），（２）との間の電流Ｉと上記磁場Ｂとに起因するローレンツ力Ｆを作用させ、アークＡの先端側をプラズマトーチ１００の進行方向に屈曲させる技術が提案されている。これによると、ワークＷ（１），（２）という物質を介して励磁するので、アークＡに対してワークＷ（１），（２）近傍の磁場が強く作用し、アークＡの先端側を屈曲できる。

特開２０１１−２５１３１６号公報

しかしながら特許文献１に開示された技術では、ワークＷ（１），（２）上の空間を通る磁束も存在するため、アークＡに対してワークＷ（１），（２）上の空間を通る磁束が作用し、アークＡが根元側から屈曲するおそれがある。これによりアークＡが根元側から屈曲すると、溶接が開始されるワークＷに熱が入り難くなり、ワークＷ（１），（２）が十分に予熱できず、また十分な溶け込み深さが確保された溶融池Ｐが形成できず、溶接不具合が生じる。
また、根元側から屈曲したアークＡがプラズマトーチ１００自体を焼いてプラズマトーチ１００の先端部が消耗していくので、当該先端部のチップの交換頻度が増加する。
また、プラズマトーチ１００近傍に励磁コイル２００Ｎ，２００Ｓを配置するために励磁コイル２００Ｎ，２００Ｓを避けてクランプ４２０，４３０を配置するので、溶接部近傍をクランプすることが困難になり、ワークＷ（１），（２）はクランプする幅に対応した大きなものとなり、アーク溶接が可能なワーク形状が限定される。
また、溶接部近傍をクランプすることが困難になると、ワークＷ（１），（２）の熱歪みを抑制できない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、アークの根元側は屈曲させずアークの先端側を屈曲させ、良好な溶接を実現するアーク溶接装置及びアーク溶接方法を提供することにある。

（１）アークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０）が進行する進行方向に対して直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）をワーク（例えば、後述のワークＷ（１），（２））の内部に生成し、前記アークトーチと前記ワークとの間を流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）と前記磁場とに起因するローレンツ力（例えば、後述のローレンツ力Ｆ）を作用させ、アーク（例えば、後述のアークＡ）を前記アークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接するアーク溶接装置（例えば、後述のプラズマアーク溶接装置１）であって、上方に配置された前記アークトーチからアークを供給して溶接する前記ワークが載置され、前記磁場を発生させる励磁コイル（例えば、後述の励磁コイル２０）が埋設されたベース（例えば、後述のベース４０）を設け、前記ワークからの漏れ磁束でアークの先端側に前記ローレンツ力を作用させることを特徴とするアーク溶接装置。

（１）の発明によると、励磁コイルがベースに埋設されており、励磁コイルからの磁束はベース及びワークに遮蔽され、ワーク上の空間を通る磁束が減少する。このため、アークに対してワーク上の空間を通る磁束が作用し難くなってアークの根元側は屈曲せず、ワークからの漏れ磁束でアークの先端側にローレンツ力を作用させることができ、アークの先端側がアークトーチの進行方向へ屈曲する。これにより溶接が開始されるワークに熱が入り、ワークが十分に予熱された状態で溶接が行えると共に、十分な溶け込み深さが確保された溶融池が形成でき、良好な溶接を実現できる。
また、先端側から屈曲したアークはアークトーチ自体を焼き難くアークトーチの先端部が消耗し難いので、当該先端部のチップの交換頻度を低減できる。
また、励磁コイルがベースに埋設されており、ベース表面上の励磁コイルを避けてクランプを配置する必要がなくなり、溶接部近傍をクランプでき、ワークはクランプする幅に対応して小型のものでもよく、アーク溶接が可能なワーク形状が限定されない。
また、溶接部近傍をクランプできるので、ワークの熱歪みを抑制できる。

（２）前記励磁コイルは、前記アークトーチの進行方向に沿って複数点在して設けられ、前記アークトーチの進行に合わせて前記励磁コイルの通電と非通電とが切り替えられることを特徴とする（１）に記載のアーク溶接装置。

（２）の発明によると、通電と非通電とが切り替えられる、複数点在して設けられた励磁コイルから、アークトーチの進行に最適な磁場が発生でき、ワークからの漏れ磁束でアークの先端側にローレンツ力を作用させ、アークの先端側をアークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接できる。

（３）前記励磁コイルは、突き合わせるワークの板厚の差に応じて、磁束密度の調整を行うことを特徴とする（１）又は（２）に記載のアーク溶接装置。

突き合わせるワークの板厚の差が大きい場合には、磁束の漏れが大きくなり、アークに作用するローレンツ力が過度に大きくなり、アークが根元側から屈曲するおそれがある。
これに対して（３）の発明によると、突き合わせるワークの板厚の差が大きい場合に磁束密度を低く調整でき、磁束の漏れが大きくなることを防止できる。これにより突き合わせるワークの板厚の差が大きい場合であっても、磁束の漏れを小さくでき、アークに作用するローレンツ力が過度に大きくならず、アークは根元側から屈曲しない。

（４）アークトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１０）が進行する進行方向に対して直交する方向の磁場（例えば、後述の磁場Ｂ）をワーク（例えば、後述のワークＷ（１），（２））の内部に生成し、前記アークトーチと前記ワークとの間を流れる電流（例えば、後述の電流Ｉ）と前記磁場とに起因するローレンツ力（例えば、後述のローレンツ力Ｆ）を作用させ、アーク（例えば、後述のアークＡ）を前記アークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接するアーク溶接方法であって、上方に配置された前記アークトーチからアークを供給して溶接する前記ワークが載置されるベース（例えば、後述のベース４０）に励磁コイル（例えば、後述の励磁コイル２０）を埋設し、前記ワークからの漏れ磁束でアークの先端側に前記ローレンツ力を作用させることを特徴とするアーク溶接方法。

（４）の発明によると、（１）の発明と同様の作用、効果が得られる。

本発明によれば、アークの根元側は屈曲させずアークの先端側を屈曲させ、良好な溶接を実現できる。

本発明の実施形態に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法を適用したプラズマアーク溶接装置の斜視図である。 上記実施形態に係るプラズマトーチ及びその周辺を概略的に示す正面図である。 図２に示すプラズマトーチの右側面図である。 従来技術のプラズマトーチ及びその周辺を概略的に示す正面図である。 図４に示すプラズマトーチの右側面図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法を適用した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、２つのワークを突き合わせて溶接することで、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。ワークＷ（１）とワークＷ（２）とを突き合わせ溶接する箇所を突き合わせ部という。

図１に示すように、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、ベース４０と、支持フレーム３０と、励磁コイル２０（２０Ｎ，２０Ｓ）と、を備える。
プラズマトーチ１０は、ベース４０上方にて移動可能に配置された支持フレーム３０に支持されている。
ベース４０には、ワークＷ（１），（２）が載置され、励磁コイル２０が埋設されている。

図２は、本実施形態に係るプラズマトーチ１０及びその周辺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、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、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、第１噴出口１３から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、第２噴出口１５からシールドガスが噴出する。
第２ノズル１４の第２噴出口１５は、第１ノズル１２の第１噴出口１３よりも電極１１の軸方向先端側に位置している。

図１に戻り、支持フレーム３０は、ベース４０上方にて移動可能に配置されている。
支持フレーム３０は、プラズマトーチ１０の上方の基部側を支持しており、プラズマトーチ１０の下方の先端側から下方に延びるアークＡを、ワークＷ（１），（２）の突き合わせ部を溶接可能とする所定の高さに位置させる。
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昇降機構と、プラズマトーチ１０を水平移動させる移動機構と、を備える。

ベース４０は、ワークＷ（１），（２）を載置する台座である。
ベース４０は、ワークＷ（１），（２）の突き合わせ部の下方の領域に、熱引きをよくするための銅製の溶接場４１を備える。
溶接場４１は、突き合わせ部の直下にプラズマトーチの進行方向に沿った一直線状の溝部４１ａを有する。

ベース４０は、ワークＷ（１），（２）の上面をワークＷ（１），（２）を突き合わせた状態で固定する一対のクランプ４２，４３を備える。
一対のクランプ４２，４３は、ワークＷ（１），（２）の突き合わせ部を挟んで向かい合っており、一対のクランプ４２，４３間は、プラズマアーク溶接に影響を受けない程度で接近している。このため、一対のクランプ４２，４３は、溶接部近傍をクランプする。

ベース４０は、内部に励磁コイル２０が埋設されている。
励磁コイル２０は、プラズマトーチ１０の進行方向に沿ってプラズマトーチ１０の進行する軌跡に対して線対称にＮ極とＳ極のものが一対ずつ複数点在して設けられている。
言い換えると、複数の励磁コイル２０の一部として、プラズマトーチ１０の進行方向に沿って突き合わせ部の一方側（図示左側）にＮ極の励磁コイル２０Ｎが複数一列に点在する。また複数の励磁コイル２０の残りの一部として、プラズマトーチ１０の進行方向に沿って突き合わせ部の他方側（図示右側）にＳ極の励磁コイル２０Ｓが、Ｎ極の励磁コイル２０Ｎとプラズマトーチ１０の進行方向に対し直交方向で位置を合わせて（線対称に）複数一列に点在する。
このように、Ｎ極の励磁コイル２０ＮとＳ極の励磁コイル２０Ｓは、プラズマトーチ１０の進行方向（突き合わせ部の延びる方向（接合線））と直交する方向で対向配置され１セットを構成する。そのため、１セットのＮ極の励磁コイル２０Ｎ及びＳ極の励磁コイル２０Ｓにおいては、Ｎ極の励磁コイル２０ＮからＳ極の励磁コイル２０Ｓへ向かう磁場Ｂの方向がプラズマトーチ１０の進行方向（接合線）と直交する。

励磁コイル２０とプラズマトーチ１０との距離、及び励磁コイル２０とワークＷ（１），（２）との間隔は、アークＡの根元側にまで磁場Ｂが作用してアークＡが根元側から進行方向に屈曲することを回避しつつ、ワークＷ（１），（２）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Ｂが生成するように、それぞれ設定される。

励磁コイル２０は、溶接時のプラズマトーチ１０の進行に合わせて励磁コイル２０の通電と非通電とが切り替えられていく。
言い換えると、１セットのＮ極の励磁コイル２０Ｎ及びＳ極の励磁コイル２０Ｓは、同時に、非通電の状態からプラズマトーチ１０が進行してプラズマトーチ１０がある程度近づくと通電状態となり、プラズマトーチ１０が進行して追い抜かれプラズマトーチ１０がある程度離れると非通電状態となる。
励磁コイル２０の通電と非通電との切り替えは、例えば、２セットのＮ極の励磁コイル２０Ｎ及びＳ極の励磁コイル２０Ｓの中心にプラズマトーチ１０が配置されて形成される突き合わせ部の磁場強度を維持するようなタイミングで切り替えられていく。

励磁コイル２０は、突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差に応じて、磁束密度の調整を行う。
すなわち、プラズマアーク溶接の開始前に、ワークＷ（１），（２）の板厚の差の情報を図示しない制御部に入力し、ワークＷ（１），（２）の板厚の差に応じて励磁コイル２０に供給する電流量を変更する。
例えば、突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差が大きい場合には、励磁コイル２０に供給する電流量を小さくして磁束密度を低く調整し、磁束の漏れが大きくなることを防止する。
一方、突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差が小さい場合には、励磁コイル２０に供給する電流量を大きくして磁束密度を高く調整し、磁束の漏れが小さくなり過ぎることを防止する。

本実施形態に係るプラズマアーク溶接装置１の動作について説明する。
まず、突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差の情報をプラズマアーク溶接装置１の制御部に入力する。これによりワークＷ（１），（２）の板厚の差に応じて励磁コイル２０に供給する電流量が決定される。

次に、ワークＷ（１），（２）の突き合わせ部を溶接場４１の溝部４１ａ上部に位置合わせし、ワークＷ（１），（２）を一対のクランプ４２，４３でクランプする。

次に、溶接始端の最初に通電可能な励磁コイル２０に電流を供給する。これによりＮ極の励磁コイル２０Ｎから、ベース４０及びワークＷ（１），（２）の内部を通ってＳ極の励磁コイル２０Ｓへ向かう磁場Ｂが形成され、突き合わせ部の磁場強度が所望の強度に設定される。

次に、支持フレーム３０の移動機構及び昇降機構により、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。

次に、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、電極１１とワークＷ（１），（２）との間に電圧を印加し、アークＡを発生させる。アークＡにより電極１１とワークＷ（１），（２）との間に電流Ｉが流れる。
また、第２ノズル１４の第２噴出口１５から、アークの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。

図３は、図２に示すプラズマトーチ１０の右側面図である。
図３に示すように、アークＡを流れる電流Ｉ（図１参照）と、磁場ＢにおけるワークＷ（１），（２）の突き合わせ部においてワーク同士の高さが異なることにより漏れる磁束とに起因してローレンツ力Ｆが働く。このローレンツ力Ｆの作用により、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向へ屈曲する。

すなわち、励磁コイル２０ＮからＳ極の励磁コイル２０Ｓへ向かう磁場Ｂは、主にワークＷ（１），（２）内部を通っており、磁場ＢにおけるワークＷ（１），（２）の突き合わせ部においてワーク同士の高さが異なることにより漏れる磁束は、ベース４０から離れると急激に減衰する。
このため、ローレンツ力Ｆは、ベース４０近傍で大きく、ベース４０から離れるに連れて急激に小さくなる。
したがって、アークＡは、ベース４０近傍の先端側が大きく屈曲するが、ベース４０から離れた根元側は屈曲しない。

この状態で、支持フレーム３０の移動機構により、プラズマトーチ１０を進行方向（接合方向）に水平移動させる。また、プラズマトーチ１０の進行に合わせて励磁コイル２０の通電と非通電とを切り替えていく。
これによりプラズマトーチ１０の進行に合わせて、アークＡを流れる電流Ｉと磁場Ｂにより突き合わせ部から漏れる磁束とに起因したローレンツ力Ｆの作用により、常に、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向へ屈曲する。

このような溶接方法により、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向へ屈曲して溶接が開始されるワークＷ（１），（２）に熱が入る。これによって、ワークＷ（１），（２）が十分に予熱された状態で溶接が行えると共に、十分な溶け込み深さが確保された溶融池Ｐが形成され、良好な溶接が行える。

以上の本実施形態に係るプラズマアーク溶接装置１によれば、以下の効果を奏する。
（１）励磁コイル２０がベース４０に埋設されており、励磁コイル２０からの磁束はベース４０及びワークＷ（１），（２）に遮蔽され、ワークＷ（１），（２）上の空間を通る磁束が減少する。このため、アークＡに対してワークＷ（１），（２）上の空間を通る磁束が作用し難くなってアークＡの根元側は屈曲せず、ワークＷ（１），（２）からの漏れ磁束でアークＡの先端側にローレンツ力Ｆを作用させることができ、アークＡの先端側がプラズマトーチ１０の進行方向へ屈曲する。これにより溶接が開始されるワークＷ（１），（２）に熱が入り、ワークＷ（１），（２）が十分に予熱された状態で溶接が行えると共に、十分な溶け込み深さが確保された溶融池Ｐが形成でき、良好な溶接を実現できる。
また、先端側から屈曲したアークＡはプラズマトーチ１０自体を焼き難くプラズマトーチ１０の先端部が消耗し難いので、当該先端部のチップの交換頻度を低減できる。
また、励磁コイル２０がベース４０に埋設されており、ベース４０表面上の励磁コイルを避けてクランプ４２，４３を配置する必要がなくなり、溶接部近傍をクランプでき、ワークＷ（１），（２）はクランプする幅に対応して小型のものでもよく、プラズマアーク溶接が可能なワーク形状が限定されない。
また、溶接部近傍をクランプできるので、ワークＷ（１），（２）の熱歪みを抑制できる。

（２）通電と非通電とが切り替えられる、複数点在して設けられた励磁コイル２０から、プラズマトーチ１０の進行に最適な磁場Ｂが発生でき、ワークＷ（１），（２）からの漏れ磁束でアークＡの先端側にローレンツ力Ｆを作用させ、アークＡの先端側をプラズマトーチ１０の進行方向へ屈曲させて溶接できる。

（３）突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差が大きい場合には、磁場Ｂによる磁束の漏れが大きくなり、アークＡに作用するローレンツ力Ｆが過度に大きくなり、アークＡが根元側から屈曲するおそれがある。
これに対して本実施形態に係るプラズマアーク溶接装置１によると、突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差が大きい場合に磁束密度を低く調整でき、磁束の漏れが大きくなることを防止できる。これにより突き合わせるワークＷ（１），（２）の板厚の差が大きい場合であっても、磁束の漏れを小さくでき、アークＡに作用するローレンツ力Ｆが過度に大きくならず、アークＡは根元側から屈曲しない。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に包含される。

上記実施形態では、ベース４０に埋設された励磁コイル２０はプラズマトーチ１０の進行方向に沿って一対ずつ複数点在して設けられていたが、これに限られない。例えば、２セットのＮ極の励磁コイル及びＳ極の励磁コイルが１つのユニットを構成し、プラズマトーチの進行に合わせて当該ユニットがプラズマトーチを中心に位置させるように移動するものであってもよい。これによると、プラズマトーチに対する磁場Ｂが一定のものとなり、安定したローレンツ力Ｆの作用によりアークＡの先端側がプラズマトーチの進行方向へ変化せずに屈曲する。

また上記実施形態では、本発明のアーク溶接装置及びアーク溶接方法をプラズマアーク溶接に適用したが、これに限られない。例えば、ＴＩＧアーク溶接に適用してもよい。

１…プラズマアーク溶接装置（アーク溶接装置）
１０…プラズマトーチ（アークトーチ）
２０…励磁コイル
４０…ベース
Ｗ（１），（２）…ワーク

Claims (4)

1. アークトーチが進行する進行方向に対して直交する方向の磁場をワークの内部に生成し、前記アークトーチと前記ワークとの間を流れる電流と前記磁場とに起因するローレンツ力を作用させ、アークを前記アークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接するアーク溶接装置であって、
   上方に配置された前記アークトーチからアークを供給して溶接する前記ワークが載置され、前記磁場を発生させる励磁コイルが埋設されたベースを設け、前記ワークからの漏れ磁束でアークの先端側に前記ローレンツ力を作用させることを特徴とするアーク溶接装置。
2. 前記励磁コイルは、前記アークトーチの進行方向に沿って複数点在して設けられ、前記アークトーチの進行に合わせて前記励磁コイルの通電と非通電とが切り替えられることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。
3. 前記励磁コイルは、突き合わせるワークの板厚の差に応じて、磁束密度の調整を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接装置。
4. アークトーチが進行する進行方向に対して直交する方向の磁場をワークの内部に生成し、前記アークトーチと前記ワークとの間を流れる電流と前記磁場とに起因するローレンツ力を作用させ、アークを前記アークトーチの進行方向へ屈曲させて溶接するアーク溶接方法であって、
   上方に配置された前記アークトーチからアークを供給して溶接する前記ワークが載置されるベースに励磁コイルを埋設し、前記ワークからの漏れ磁束でアークの先端側に前記ローレンツ力を作用させることを特徴とするアーク溶接方法。
   

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