JPH0292468A - プラズマガス溶接装置、および、溶接用トーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、プラズマ溶接装置、そのプラズマ溶接装置に
よる溶接方法、そのプラズマ溶接装置の制御方法、およ
びプラズマ溶接装置に用いられるプラズマガス流量制御
装置と、そのガス流量制御装置を備えた溶接用トーチに
関する提案である。

〔従来の技術〕

プラズマ溶接で、特に被溶接材の該当部分を貫通溶解し
、キーホールを形成しながら溶接していくキーホール溶
接法は、均一な裏ビート形状が得られることから例えば
パイプの接合作業等において、溶接作業の自動化と合せ
て利用が計られてきている。

この種、プラズマ溶接は高入熱が可能で、かつエネルギ
〒集中度が高い溶接法のため溶接作業時間の短縮化や、
溶接部の仕上りの良さ等の効果が大きい反面、プラズマ
の安定を維持して自動化を計る制御が容易でない面があ
る。従来、この種専門的な熟練を必要とせず自動化した
プラズマ溶接をおこなえることを目的として例えば、出
願人が先に提案した特開昭６２−６１７７７号公報に記
載されているような、溶接電流値、溶接速度及び、ガス
量を調整しながら溶接をおこなう方法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

所で、プラズマ溶接方法はその原理がノズルから噴出す
るガスをアークによってプラズマ化し、そのプラズマを
電気的に被溶接材表面に導き、当該被溶接材を溶解させ
て融着接合するものである。

この様なプラズマ溶接方法において、前記被溶接材を融
着接合するプラズマは、理論的にはそれを発生するため
に供給されるガス量と、印加される電流値にもとづいて
大きさとエネルギー密度が決まる。そこで、前述の如く
溶接電流値、溶接速度、およびガス量の内の少なくても
２項目を調整しながら自動溶接をおこなう制御方法が必
要になる訳だが、このような制御を施してもキーホール
溶接技法を採用しておこなうプラズマ溶接では、被溶接
材の肉厚がある限界以上に大きくなると制御し切れない
部分が生じてくる。

それは、ブローホールの発生である。これは、溶解した
被溶接材の接合部にガスが残ったまま溶着してしまいボ
イドが残ってしまう現象で、特に肉厚が厚い被溶接材の
プラズマ溶接時において発生し易い。この原因を種々検
討した結果水の様な事が解った。

第一に、プラズマによって溶解した母材は、そのプラズ
マ流に沿ってキーホールが生じるが、次の瞬間にはプラ
ズマ発生用゛電流を小さくしてプラズマを縮め、その間
に当該キーホールを閉じる作用をおこなわせようとする
。所が、プラズマ発生用のガス流量が大きくなってくる
と、単に電流値を小さくしただけでは、ガス流量が大き
いままで被溶接材に吹き付けられることになってしまい
、このガス流がキーホールを閉じる作用に影響を与える
ものと考えられる。

第二に、被溶接材の肉厚が大きくなると、母材の溶解量
が増えるため溶解した母材がその自重によって流動性を
増し、前記第一の原因も重なってキーホールを閉塞しな
いで固化してしまうことがあることも考えられる。

本発明は、上記の原因にもとづくと考えられるブローホ
ールの発生を解決する目的をもって、プラズマ発生用の
ガス流量を制御する方法を検討し、発明したものである
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する手段として１本発明のプラズマ溶接
装置は、トーチと一体にプラズマ発生用のガス流量を断
続的にコントロールすることのできるガス流量制御装置
を設けたものである。

さらに、本発明は当該ガス流量制御装置を有するプラズ
マ溶接装置を遠隔な場所に設けた制御装置によって制御
する方法を提案するものである。

さらに、ガス流量制御装置はプラズマを発生するトーチ
のガス噴出口に限りなく近い方が、印加されるパルス電
流と同調してコントロールさせる制御をおこない易いた
め、その構成に有用な構造を提案するものである。

さらに、ガス流量制御装置が一体に構成された溶接用ト
ーチを提案するものである。

〔作用〕

上記のようなガス流量の制御をおこなえるプラズマ溶接
は、キーホールの閉塞に影響すると考えられるガス流量
をコントロールすることができるため、被溶接材の厚さ
が大きくなっても、ガスの噴出圧力による溶解部へのブ
ローホールの発生が防止できるようになる。しかも、ガ
ス流量のコントロールを、プラズマ発生用のパルス電流
値に同調しておこなうため、キーホールの溶解貫通時と
閉塞時に悪影響を与えると思われる首記ガス流をきめ細
かく制御することが可能になる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図は、本発明のプラズマ溶接装置の構成を表わした
ものである。

キーホール溶接をおこなう被溶接材１の溶接線上に、プ
ラズマ噴出口（以下ノズルと云う）４ｐを対抗させて、
図示していない移動ベツドに固着されたトーチ４は、そ
の一部に本発明によるガス流量制御装置５が一体に取付
けられている。前記トーチ４には、離れた位置で別に設
けた電源装置２からパルス電流やプラズマ発生用ガス、
シールド用ガスおよび制御信号伝送ケーブルが導がれる
。

３は制御装置で、本溶接装置全体のコントロールを司ど
る。８はガスボンベ、９は電源トランスである。本発明
のプラズマ溶接装置は、さらに電源装置２からトーチ４
に一体に取付けられたガス流量制御装置５の制御を司ど
る信号８１０がある。

この制御が、制御装置３と連動していることは云うまで
もない。

この信号線１０は、後で詳細に説明するトーチ４に取付
けられたガス流量制御装置５のプラズマ発生用としてト
ーチに供給されるガス流量を、プラズマ発生用のパルス
電流値に同調してコントロールする弁機構を動作させる
ためのものである。

この種本発明のプラズマ溶接装置は、被溶接材１にト−
＋４をセットした後、制御装置３がらの操作にもとづい
て、パルス電流値に同調したガス流量コントロールをお
こないながら、キーホール溶接を自動的におこなえる。

次に、本発明の主要な構成であるトーチ４、およびそ九
と一体になったガス流量制御装置５の実施例を説明する
。

第２図（ａ）は、トーチ４を断面して表わした一実施例
で、電極４ａと、それを包むように構成され、ノズル４
ｐを有するノズル筒４ｂ、およびそのノズル筒４ｂの外
周を包囲して、ノズル４ｐの周囲にシールドガスＢを吹
き出せるように設けら九たスカート４ｄを主な構成とし
ている。

なお、電気力な構成は説明を省略する。

ガス流量制御装置５は、電極４ａとノズル筒４ｂ間に送
り込まれるプラズマ発生用ガスＡの供給口４ｅのトーチ
側に直列に挿入される。４ｆはシールドガスＢの供給口
である。溶接作業時はまずガスＡの量を制限した状態で
、電極４ａとノズル４Ｐの端部分でパイロットアークを
発生し、しかる後に電流経路を電極と被溶接材１間に形
成してから、ガスＡを所定の流量に増やすことによって
、ノズル４ｐから被溶接材に至るプラズマｐが発生する
ものである。

本発明構成のトーチ４におけるガス流量制御表Ｅ５は、
電極４ａと被溶接材１間に印加されるパルス電流値に同
調して、その内部でガスＡの分流動作をおこなう。この
分流動作にもとづいて分流させられたガスＡ′は、第２
図（ｂ）に示される導管１５を通して、ノズル４ｐの先
端、すなわちノズル４ｐと被溶接材１の間に設けられた
噴出リング１６に導かれる。第２図（ｂ）に、この噴出
リング１６を下から見た図面を表示しである。噴出リン
グ１６は、その全周に被溶接材１に向けて、ガスＡ′を
吹き出すことのできる小穴１６ａが複数個設けられてい
る。この構成は、分流したガスＡ′をシールドガスＢと
合流させて、キーホールの周囲を、包み込む効果を発揮
させるためのもので、パルス電流値に同調して、分流し
てくるガスＡ′は、断続的に噴出リング１６から被溶接
材１の表面に吹き付けられるものである。

この様にガスＡが、ガス流量制御装置５によって分流さ
せられる時間的な経過は、第３図に示したグラフのよう
にコントロールされる。すなわち。

パルス電流のピーク値（’ｒｐ）の時は、ガス流量制御
装置５が１本実施例で示すような分流動作をおこなわず
、ガスＡは供給口４ｅから導入された全量が、電極４ａ
のノズル４ｐ側に導かれ、プラズマのエネルギーに変換
される。この状態は、被溶接材１を溶解し、キーホール
を穿けるに十分な入熱エネルギーと噴出エネルギーを持
ったプラズマが発生するものである。次に、キーホール
の穿設を終了し１次の工程として当該キーホールの閉塞
がおこなわれる時は、パルス電流がベース値（ＴＢ）に
なる、ガス流量制御装置５は、このパルス電流値の変化
を信号として受けて、ガスＡの一部を分流し、噴出リン
グ１６側に流すようになる。この状態は、グラフで示し
たように、常時供給して流されているシールドガスＢに
前記の分流したガスＡ′が相乗した形のシールドガス流
が生ずる。これは、パルス電流値の変化によって、プラ
ズマのエネルギーが小さくなり、キーホールの閉塞工程
になった時、当該キーホールに吹き付けられるガスＡの
強さを弱め、逆にキーホールを囲りから押し包むように
作用するシールドガスが強められた状態になったもので
ある。

このように、プラズマ発生用のガスＡの量をノズル４ｐ
の近傍で、コントロールするガス流量制御装置は１例え
ば第４図の如き構造にすることが一実施例として考えら
れる。

図は、トーチ４にプラズマ発生用ガスＡを供給する供給
口４ｅがあり、その供給口４ｅに直接取付けられるもの
で、ガスＡの流れる主流路５ａに直角に分岐口５ｂを形
成し、当該分岐口５ｂには常時は閉じていて、パルス電
流値に同調して発せられる制御信号にもとづいて、開閉
される弁Ｉａ構５ｃが構成されている。５ｄは、ガスＡ
の供給用可撓バイブである。この種構造のガス流量制御
装置５は、トーチ４の本体に直接取付けられているため
、制御信号にもとづいて、弁機構５ｃが開閉動作をおこ
ない、ノズルに流れるガスＡの流量をコントロールした
時、そのガスＡが前述のノズル４ｐ部に達するまでの時
間的な遅れを非常に小さくする事ができ、しかもガス流
が、ノズルに至る間が短いため、流路中で圧力が減すい
してしまう現象もなくなるため、パルス電流値との同調
を容易に取り得るものである０図では、バネと電磁石を
用いた電磁弁構成にしたが、ガスＡを分流させる目的を
もって構成されるこの種ガス流量制御装置は、その目的
が達成できるならば、これに限られるものではない、ｔ
ａｍ弁機構の場合、どうしても音を発する点で、改善の
余地があるとするならば、弁を有しない流路切換方式や
、絞り弁方式等を採用することは容易に改善し得る内容
である。

さらに、プラズマ発生用のガスＡを、ノズル４ｐに導く
経路が単流路で構成されるか、複数の流路で構成される
かの選択は、ガスＡの分流割合を決定したり、プラズマ
の安定性を維持する上で。

非常に重要な選択である。

第５図は、ガス流量制御装置５の他の実施例を示すもの
で、ガスＡが装置内で二つの流路に分流され、ノズル４
Ｐに供給されるように構成し、しかも、その二経路のガ
ス流路の一方に弁機構５Ｃを構成したものである０図に
おいて、すでに説明してきたものと同一の部分には同一
符号を付けである。この種構造のガス流量制御装置は、
ガスＡが、導入口５ｅから入ると、流路５にと、流路５
Ｑに分流する。それぞれの流路には、ガス流量調整機能
５ｍが設けられ、各々の流路に流れるガスＡの流量を決
められるようになっている。

このガス流量調整機能５　ｒｎの制御は、制御装置の指
令にもとづいて調整する事ができるようにする事も可能
である。さらに一方の流路５Ｑには弁機構５ｃが設けら
れる。流路５にと５Ｑは、前記の弁機構５ｃを構成した
後、改めて一つにまとめられ、トーチ４のノズル４ｐに
接続される。

この様にガスＡの流路を分けた構成を取る目的は、第一
にプラズマの安定性を維持するためにガス流量制御装置
の動作によるガスへの流量変化にともなう圧力振れを小
さくすることが必要な場合に効果がある。第二に従来、
電源装置側でおこなっていた溶接条件設定時のガス流量
制御を、トーチでおこなうようにして、即応性を高める
場合に効果があるものである。

第５図は、ガス流量制御装置の実施例として、説明した
が、弁機構を有し、ガス流量調整機能と分流路が形成で
きるのであれば、トーチ自身を、この種構造にする事が
できることは云うまでもない。

第６図、第７図は、本発明のガス流量制御装置５を一体
に設けたトーチの他の実施例を示した断面図である。

第６図は、第２図で説明したパルス電流のベース値の時
に１分流したガスＡ′をシールドガスＢが流れているス
カート４ｄ部分に合流させるように構成したものである
。

第７図は、第６図の他の例で分流したガスＡ′を外部に
放出するように構成したものである。

上記、各々のトーチは、プラズマ溶接装置の適用範囲の
選択にあたって、構造的に取り得る実施例である。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記述するような効果を奏する。

プラズマ発生用のガス流量をコントロールする制御手段
を、トーチに設けたことにより、プラズマガス流量の制
御の速溶性が向上し、キーホール溶接をおこなう場合の
パルス電流値に同調したプラズマガス流量コントロール
が可能になる。

そして、この種ガス流量制御装置を設けた溶接装置は、
今まで不可能だった肉厚を有する被溶接材でも、ブロー
ホール等の発生のない溶接を可能にするため、プラズマ
キーホール溶接の適用範囲が大巾に拡大し、自動化と合
せて、産業の発展に寄与する効果が多大な装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明のプラズマ溶接装置の構成を表わす図
面、第２図（ａ）（ｂ）は１本発明のトーチの一実施例
を表わした断面図、及び下方視図、第３図は、本発明の
プラズマ溶接装置のパルス電流と、プラズマ発生用ガス
流量の関係を表わしたグラフ、第４図は本発明のガス流
量制御装置の一実施例を表わした断面図、第５図は、ガ
ス流量制御装置の他の実施例を表わした概念図、第６図
。 第７図は、本発明のトーチの他の実施例を表わした断面
図である。 １・・・被溶接材、２・・・電源装置、３・・・制御装
置、４・・・トーチ、５・・・ガス流量制御装置、Ａ・
・・プラズマ発生用ガス、Ｂ・・・シールドガス、４ａ
・・・電極。 ４ｐ・・・ノズル、５ａ・・・流路、５ｂ・・・分岐口
、５Ｃ弁機構、５ｍ・・・ガス流量調整機能、１６・・
・噴出リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トーチにプラズマを発生させるパルス電流を給電す
   る手段と、トーチにプラズマ発生用ガスを供給する手段
   と、前記各手段を制御する制御手段とを有するプラズマ
   ガス溶接装置において、トーチ近傍にガス流量制御手段
   を設けたことを特徴とするプラズマガス溶接装置。 ２、プラズマ発生電極と、当該電極を包囲してプラズマ
   発生用ガスを放出するノズルを有するプラズマガス溶接
   用トーチにおいて、前記ノズルからのプラズマ発生用ガ
   スの放出量をコントロールできる弁機構を備えたことを
   特徴とするプラズマガス溶接用トーチ。 ３、弁機構が、トーチに印加されるパルス電流値に連動
   して動作することを特徴とする請求項２記載のプラズマ
   ガス溶接用トーチ。 ４、プラズマガス溶接用トーチが、複数のプラズマ発生
   用ガスの流路を有し、それらの各流路にガス流量調整機
   能を設けると共に、少なくとも一個の流路には、プラズ
   マ発生用ガスの流量をプラズマ発生用パルス電流に同調
   してコントロールできるガス流量制御手段を構成したこ
   とを特徴とするプラズマガス溶接用トーチ。 ５、あらかじめ設定されたプログラムによつて、自動溶
   接作業をおこなうプラズマガス溶接装置が、請求項２な
   いし請求項４記載のプラズマガス溶接用トーチを有して
   いることを特徴とするプラズマガス溶接装置。 ６、トーチにプラズマを発生させるパルス電流を給電す
   る手段と、トーチにプラズマ発生用のガスを供給する手
   段と、トーチに供給されるプラズマ発生用ガスの流量を
   前記パルス電流に同調するようコントロールする流量制
   御手段と、前記各手段を制御する制御手段とを有するプ
   ラズマ溶接装置。