JP5950765B2 - プラズマアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ溶接を行うための改良されたプラズマアーク溶接装置に関するものである。

図３は、一般的なプラズマ溶接トーチの断面図である。同図において、プラズマ溶接トーチ１７のトーチ本体１の軸芯部に電極２（通常、タングステンで形成されている）が設けられ、この電極２は電極支持部材３によってトーチ本体１に取付けられている。この電極支持部材３は、絶縁部材４によって取囲まれている。

プラズマノズル５は筒状で導電性があり、プラズマ噴出孔５ａが先端部に形成されている。センタリングストーン６に電極２が挿入され、電極２の先端部がプラズマノズル５内に突き出されている。また、センタリングストーン６がプラズマノズル５に挿入されている。このセンタリングストーン６は、電極２の軸ずれを防ぐ機能が有り、さらに筒状で電気絶縁性があり、電極２とプラズマノズル５との間以外の箇所でパイロットアークが点弧することを防いでいる。また、このセンタリングストーン６には、プラズマガス７が噴出されるプラズマガス用孔６ａが軸方向に形成されている場合がある。

放熱部材８は、例えば、銅又は銅合金等の熱伝導率が高い材質で形成され、トーチ本体１に取付けられている。この放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されているが、プラズマノズル５の放熱部材８への挿入側が、円錐状に形成されている。また、プラズマノズル５が挿入されて内接触する放熱部材８の被挿入部も、円錐状に形成されている。放熱部材８の周囲にはこの放熱部材８を冷却するための冷媒用流路９が設けられていて、図示を省略した冷却水循環装置から供給された冷媒が流れている。冷媒は冷媒用ケース１０内を流れ、トーチ本体１から漏れない構造になっている。また、仕切り部材１１は冷媒用流路の送流側９ａと復流側９ｂとを仕切る機能を持っている。

シールドガスカップ１２は耐熱性が有り、プラズマノズル５の先端部を取囲み、トーチ本体１にねじ止めされている。シールドガスカップ１２からシールドガス１３が噴出される。プラズマノズル５のプラズマ噴出孔５ａ側の外周面には段部５ｂが形成され、シールドガスカップ１２の先端部の内周面に段部１２ａが形成されている。ガスレンズ１４は、シールドガス１３を整流して噴出させる。このガスレンズ１４は熱伝導性が有り、プラズマノズル５の熱が、ガスレンズ１４に伝わり、ガスレンズ１４を透過するシールドガス１３がガスレンズ１４を冷却し、プラズマノズル５の温度を下げる。

放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されて、ガスレンズの上面１４ａにプラズマノズル５の段部５ｂが引っ掛かり、下面１４ｂがシールドガスカップの段部１２ａに引っ掛かる。ガスレンズ１４が、プラズマノズル５を下から放熱部材８に押し付ける構造になっている。（例えば、特許文献１参照。）

以下、動作を説明する。同図において、図示を省略したプラズマ溶接電源に起動信号が入力されると、電極２と母材１５との間に主プラズマアーク１６が発生する。この主プラズマアーク１６を発生させるために、プラズマノズル５内にプラズマガス７を流す。また、主プラズマアーク１６の発生部及び母材１５の溶融部を空気から遮蔽するために、シールドガスカップ１２内にシールドガス１３を流す。電極２を一般的に陰極として放電した際のプラズマを、水冷されたプラズマノズル５とプラズマガス７のガス流によって拘束することで、集中性の良い主プラズマアーク１６を発生させる。上記のプラズマガス７及びシールドガス１３にはアルゴンガスが一般的に使用される。

特開２００５−２２４８３０号公報

プラズマノズル５は銅で形成されていて、銅の融点は１、０８３度であるが、プラズマ溶接中に、プラズマノズル５の温度が上昇して融点近くに達している場合がある。その場合、プラズマノズル５が溶けて、適切な主プラズマアーク１６を発生させることができない。そこで従来、冷媒用流路の復流側９ｂの温度がプラズマノズル５の温度と相関していることから、この冷媒用流路の復流側９ｂの温度をプラズマノズル５の温度の代わりに検出して、この温度が所定値を超えると、プラズマアーク溶接を中断していた。その後、プラズマノズル５の温度が低下してからプラズマアーク溶接を再度やり直していたので、母材が無駄になったり、プラズマアーク溶接を中断するために生産効率が低下したりしていた。

本発明は、プラズマノズル５を保護して、プラズマアーク溶接を中断することを減少させることができるプラズマアーク溶接装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
電極と、
冷媒用流路の送流側と復流側とが設けられて、前記電極を取り囲むプラズマノズルと、
前記プラズマノズルを取り囲むシールドガスカップと、
前記電極と前記プラズマノズルとの間に供給されるプラズマガスと、
前記プラズマノズルと前記シールドガスカップとの間に供給されるシールドガスと、
を備えたプラズマアーク溶接装置において、
冷媒用流路の復流側の温度を検出して復流側温度検出信号を出力する復流側温度センサーと、
前記復流側温度検出信号を入力として、この値が予め定めた基準値を超えたときに溶接条件変更指令信号を出力する温度比較回路と、
前記溶接条件変更指令信号が入力されると、前記プラズマガスの流量を増加させるプラズマガス流量制御回路と、
を備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。

請求項２の発明は、
前記溶接条件変更指令信号が入力されると、プラズマアーク電流の設定値を減少させるプラズマアーク電流設定回路を備えたこと特徴とする請求項１記載のプラズマアーク溶接装置である。

本発明のプラズマアーク溶接装置は、プラズマノズルの冷媒用流路の復流側の温度が第1の基準値、例えば５０度を超えても、プラズマガス流量制御回路が、プラズマガスの流量を増加させることによってプラズマノズルの冷却作用を増加させて、プラズマノズルの冷媒用流路の復流側の温度を５０度以下まで減少させることができる。従って、プラズマノズルを保護して、プラズマアーク溶接を中断することを減少させることができる。

本発明のプラズマアーク溶接装置のブロック図である。 本発明のプラズマアーク溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 一般的なプラズマ溶接トーチの断面図である。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明のプラズマアーク溶接装置のブロック図である。同図において、プラズマ溶接電源内の電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力して、後述する誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御の電力制御を行い、プラズマアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電圧Ｖｐ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次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、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、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑する直流リアクトル、上記の誤差増幅信号Ｅｉを入力としてパルス幅変調制御を行い変調信号を出力する変調回路、変調信号を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路を備えている。

電流検出器ＩＤは、プラズマアーク電流Ｉｐを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。プラズマアーク電流設定回路ＩＳは、プラズマアーク電流を設定してプラズマアーク電流設定信号Ｉｓを出力する。誤差増幅回路ＥＩは、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅｉを出力する。従って、上記のプラズマアーク電流設定信号Ｉｓに相当するプラズマアーク電流Ｉｐが通電される。

プラズマ溶接トーチ１７の構成及び動作は、図３に示した一般的なプラズマ溶接トーチ１７と同じであるので説明を省略する。プラズマ溶接トーチ１７は溶接ロボット２１のマニピュレータの先端部に取り付けられていて、溶接ロボット２１の動作はロボット制御装置ＲＣから出力されるロボット制御信号Ｒｃによって制御される。

プラズマガス７は、プラズマガスボンベ２２からプラズマガス流量制御回路２３が設けられたプラズマガス流路２４を経て、プラズマ溶接トーチ１７に供給される。プラズマガス流量制御回路２３は、後述する溶接条件変更指令信号Ｃｍによって、プラズマガス７の流量が制御される。シールドガス１３は、シールドガスボンベ２５からシールドガス流量調整器２６が設けられたシールドガス流路２７を経て、プラズマ溶接トーチ１７に供給される。シールドガス流量調整器２６は溶接作業者によって手動でシールドガス１３の流量が調整される。

プラズマノズル５を冷却するための冷媒用流路の送流側９ａと冷媒用流路の復流側９ｂとがプラズマノズル５と冷却水循環装置２８との間に設けられていている。復流側温度センサＴＳは、冷媒用流路の復流側９ｂの温度を検出して復流側温度検出信号Ｔｓを出力する。

温度比較回路ＣＭは、冷媒用流路の復流側９ｂの温度として、予め定めた第1の基準値Ｂｔｈ１及び予め定めた第２の基準値Ｂｔｈ２が設定されている。温度比較回路ＣＭは、復流側温度検出信号Ｔｓを入力として、復流側温度検出値Ｔｓが第1の基準値Ｂｔｈ１を超えると、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１を溶接条件変更指令信号Ｃｍとして出力し、復流側温度検出値Ｔｓが第２の基準値Ｂｔｈ２を超えると、第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２を溶接条件変更指令信号Ｃｍとして出力する。

上述したプラズマガス流量制御回路２３は、溶接条件変更指令信号Ｃｍが入力されると、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１又は第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２のそれぞれに対応したプラズマガス７の流量を設定する。プラズマアーク電流設定回路ＩＳは、溶接条件変更指令信号Ｃｍが入力されると、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１又は第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２のそれぞれに対応したプラズマアーク電流設定値Ｉｓを設定する。

以下、動作を説明する。図２は、本発明のプラズマアーク溶接装置における各信号のタイミングチャートであって、同図（Ａ）は、冷媒用流路の復流側９ｂの温度である復流側温度検出信号Ｔｓの時間変化を示し、同図（Ｂ）は、溶接条件変更指令信号Ｃｍの時間変化を示し、同図（Ｃ）は、プラズマガス７の流量の時間変化を示し、同図（Ｄ）は、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの時間変化を示す。

同図の時刻ｔ１において、図示を省略したパイロットアーク起動信号がプラズマ溶接電源に入力されると、同図（Ｃ）に示すように、先ず、プラズマガス７のプリフローが開始される。このプラズマガス７の流量は、例えば０．５リットル／分に設定される。数秒後に電極２とプラズマノズル５との間に高周波が印加されて、電極２とプラズマノズル５との間にパイロットアークが点弧する。

その後、図２の時刻ｔ２において、図示を省略したプラズマ溶接トーチスイッチ起動信号がプラズマ溶接電源に入力されると、シールドガス１３がプラズマ溶接トーチ１７に供給される。このシールドガス１３の流量は、例えば１０リットル／分に設定される。同図（Ｄ）に示すように、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓが出力され、プラズマガス７を用いて電極２と母材１５との間に主プラズマアーク１６が発生する。このプラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値は、例えば平均電流で２００Ａに設定される。そして、プラズマ溶接が開始される。プラズマノズル５の熱が放熱部材８に伝わり、冷媒によって冷却される。また、プラズマノズル５からガスレンズ１４に熱が伝わり、シールドガス１３がこの熱を吸収する。その後、同図（Ａ）に示すように、冷媒用流路の復流側９ｂの温度が緩やかに上昇する。

図２の時刻ｔ３において、同図（Ａ）に示すように、復流側温度検出信号Ｔｓの値が第1の基準値Ｂｔｈ１、例えば５０度を超えると、温度比較回路ＣＭは、同図（Ｂ）に示すように、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１を溶接条件変更指令信号Ｃｍとして出力する。プラズマガス流量制御回路２３は、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１が溶接条件変更指令信号Ｃｍとして入力されると、同図（Ｃ）に示すように、プラズマガス７の流量を例えば０．７リットル／分に増加させる。プラズマガス７を増加させることによってプラズマノズル５の冷却作用を増加させて、復流側温度検出信号Ｔｓの値が５０度以下となるようにして、プラズマノズル５が溶けないようにする。このプラズマガス７の流量の増加量は実験によって求められる。

プラズマガス７を増加させたときに、プラズマガス７の流量の増加量や母材の寸法によって、溶接ビードの外観に変化が無い場合は、プラズマアーク電流を一定にしても良い。逆に、プラズマガス７を増加させたときに、溶接ビードの外観に変化があるときは、プラズマガス７の増加に連動して、プラズマアーク電流を下げた方が良い場合がある。その場合、プラズマアーク電流設定回路ＩＳは、第1の溶接条件変更指令信号Ｃｍ１が溶接条件変更指令信号Ｃｍとして入力されると、同図（Ｄ）に示すように、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を、例えば平均電流で２００Ａから１８０Ａに減少させる。これは、プラズマガス７を増加させると、主プラズマアーク１６の強さが強くなって、均一な溶接ビードが得られなくなる。そこで、プラズマガス７を増加させる前の主プラズマアーク１６の強さを維持するために、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を減少させることによって、主プラズマアーク１６の発熱量を減少させている。これによって、均一な溶接ビードが得られる。このプラズマアーク電流設定信号Ｉｓの減少量は実験によって求められる。

上述したように、図２の時刻ｔ３において、復流側温度検出信号Ｔｓの値が第1の基準値Ｂｔｈ１、例えば５０度を超えたとき、プラズマガス流量制御回路２３がプラズマガス７の流量を増加させて、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を減少させることによって、復流側温度検出信号Ｔｓの値が５０度から減少してそれ以上増加しないときは、増加させたプラズマガス７の流量及び減少させたプラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を維持してプラズマアーク溶接を継続する。

そして、図２の時刻ｔ３以降、復流側温度検出信号Ｔｓの値は一旦減少するが、その後増加して、時刻ｔ４において、第２の基準値Ｂｔｈ２、例えば５５度を超えた場合、温度比較回路ＣＭは、同図（Ｂ）に示すように、第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２を溶接条件変更指令信号Ｃｍとして出力する。プラズマアーク電流設定回路ＩＳは、第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２が溶接条件変更指令信号Ｃｍとして入力されると、同図（Ｄ）に示すように、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を、例えば零に減少させて、プラズマアーク溶接を終了させる。このとき、プラズマガス流量制御回路２３は、第２の溶接条件変更指令信号Ｃｍ２が溶接条件変更指令信号Ｃｍとして入力されると、同図（Ｃ）に示すように、プラズマガスの流量を元の設定値に戻し、パイロットアークが点弧のままの状態になり、次のプラズマアーク点弧の準備をする。

この結果、本発明のプラズマアーク溶接装置は、プラズマノズル５の冷媒用流路の復流側９ｂの温度が第1の基準値Ｂｔｈ１、例えば５０度を超えても、プラズマガス流量制御回路２３が、プラズマガス７の流量を増加させることによってプラズマノズル５の冷却作用を増加させて、プラズマノズル５の冷媒用流路の復流側９ｂの温度を５０度以下まで減少させることができる。また、プラズマアーク電流設定回路ＩＳが、プラズマアーク電流設定信号Ｉｓの値を減少させて、プラズマガス７を増加させる前の主プラズマアーク１６の強さを維持することができる。従って、プラズマノズル５が溶けることを防止してプラズマノズル５を保護し、かつ、均一な溶接ビードを得ることができる。よって、プラズマノズル５の冷媒用流路の復流側９ｂの温度が第1の基準値Ｂｔｈ１、例えば５０度を超えても、プラズマノズル５を保護して、プラズマアーク溶接を中断することを減少させることができる。

温度比較回路ＣＭに、冷媒用流路の復流側９ｂの温度として、予め定めた第1の基準値Ｂｔｈ１及び予め定めた第２の基準値Ｂｔｈ２が設定されているが、これらの間にもう一つ基準値を設けて、プラズマガス７の増加量やプラズマアーク電流の減少量を２段階にしても良い。

１ トーチ本体
２ 電極
３ 電極支持部材
４ 絶縁部材
５ プラズマノズル
５ａ プラズマ噴出孔
５ｂ プラズマノズルの段部
６ センタリングストーン
６ａ プラズマガス用孔
７ プラズマガス
８ 放熱部材
９ 冷媒用流路
９ａ 冷媒用流路の送流側
９ｂ 冷媒用流路の復流側
１０ 冷媒用ケース
１１ 仕切り部材
１２ シールドガスカップ
１２ａ シールドガスカップの段部
１３ シールドガス
１４ ガスレンズ
１４ａ ガスレンズの上面
１４ｂ ガスレンズの下面
１５ 母材
１６ 主プラズマアーク
１７ プラズマ溶接トーチ
２１ 溶接ロボット
２２ プラズマガスボンベ
２３ プラズマガス流量制御回路
２４ プラズマガス流路
２５ シールドガスボンベ
２６ シールドガス流量調整器
２７ シールドガス流路
２８ 冷却水循環装置
Ｂｔｈ１ 基準値
Ｂｔｈ２ 基準値
ＣＭ 温度比較回路
Ｃｍ 溶接条件変更指令信号
Ｃｍ１ 第１の溶接条件変更指令信号
Ｃｍ２ 第２の溶接条件変更指令信号
ＥＩ 誤差増幅回路
Ｅｉ 誤差増幅信号
ＩＤ 電流検出器
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ プラズマアーク電流
ＩＳ プラズマアーク電流設定回路
Ｉｓ プラズマアーク電流設定信号（値）
ＰＭ 電源主回路
ＲＣ ロボット制御装置
ｔ１ 時刻
ｔ２ 時刻
ｔ３ 時刻
ｔ４ 時刻
ＴＳ 復流側温度センサ
Ｔｓ 復流側温度検出信号（値）
ＴＳ 復流側温度センサー
Ｖｐ プラズマアーク電圧

Claims (2)

1. 電極と、
   冷媒用流路の送流側と復流側とが設けられて、前記電極を取り囲むプラズマノズルと、
   前記プラズマノズルを取り囲むシールドガスカップと、
   前記電極と前記プラズマノズルとの間に供給されるプラズマガスと、
   前記プラズマノズルと前記シールドガスカップとの間に供給されるシールドガスと、
   を備えたプラズマアーク溶接装置において、
   冷媒用流路の復流側の温度を検出して復流側温度検出信号を出力する復流側温度センサーと、
   前記復流側温度検出信号を入力として、この値が予め定めた基準値を超えたときに溶接条件変更指令信号を出力する温度比較回路と、
   前記溶接条件変更指令信号が入力されると、前記プラズマガスの流量を増加させるプラズマガス流量制御回路と、
   を備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
2. 前記溶接条件変更指令信号が入力されると、プラズマアーク電流の設定値を減少させるプラズマアーク電流設定回路を備えたこと特徴とする請求項１記載のプラズマアーク溶接装置。

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