JPH0337833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非消耗電極と、溶接対象材である母材
との間に交流アークを形成して該母材を溶接する
交流非消耗電極式アーク溶接法に関し、特に、該
交流アークの点弧方法に関する。

〔従来の技術〕

交流非消耗電極アーク溶接の特徴として、直流
溶接における正極性と逆極性の場合の中間の溶接
現象が生じることが挙げられる。

正極性（非消耗電極がマイナス）では、アーク
の指向性が強く母材の溶融池上に熱を集中的に与
えるので、幅が狭く深い溶け込み形状が得られ
る。これに対し逆極性（非消耗電極がプラス）で
は、母材表面に陰極点が形成され、陽イオン衝撃
を受けるために溶接ビード周辺の酸化膜が破壊、
除去されて美麗な面となるクリーニング作用があ
り、あわせてアークが集中しないので幅が広く浅
い溶込み形状が得られる。

交流アーク溶接においては、交流の半波毎に正
極性と逆極性とが再現されるので、逆極性時にク
リーニング作用が、正極性時に深い溶込みが得ら
れ、しかも逆極性の場合よりも、非消耗電極の損
傷が軽微であるという特徴がある。

更に、不溶性ガスをシールドガスに用いてアー
ク及び溶接金属を大気から遮へいするため、アー
クが極めて安定で平滑なビードが得られ、かつ溶
接金属に不純物が入らないことが挙げられる。

これらの利点があるので、交流非消耗電極式ア
ーク溶接法は、表面酸化物の融点が母材の融点よ
りも高い材料の溶接に、具体的にはアルミニウム
合金、マグネシウム合金等の高品質溶接に、広く
普及している。

さて、交流非消耗電極式アーク溶接法では、ア
ークの点弧時及び交流の半波毎のアーク再点弧時
に、アーク放電を起動させるため何らかの補助手
段を用いる必要がある。

従来は高周波電圧を非消耗電極と母材間に印加
することによりそれらの空間に絶縁破壊を生ぜし
め、アークを点弧（溶接スタート時の初期点弧）、
再点弧（交流の電圧極性切替り毎の点弧）させて
いた。第４図にその構成の一例を示す。

第４図を参照して説明すると従来は、シールド
キヤツプ６を通して不活性ガスをシールドガスと
して供給している状態で（以後の説明ではシール
ドガスについての記述を省略する）、高周波電源
４により、タングステン電極（非消耗電極）２と
母材３との間に数千Ｖ以上の高周波電圧を継続的
に印加し、火花放電を生じさせて絶縁破壊を起こ
した後に、交流溶接用電源１で電流を供給してア
ーク点弧及び再点弧を行つていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがこのような高周波による交流溶接アー
クの点弧及び再点弧では、アーク安定のために溶
接中継続的に高周波の助けを必要とする。これは
交流アーク溶接では、溶接電圧が交番するからで
ある。非消耗電極と母材の間にアークを起動する
ための高周波電圧が大きいので、高パワーの電磁
的なノイズが発生し、溶接自動機器に組み込まれ
たマイクロコンピユータをはじめとする各種周辺
電子機器を誤動作或いは破損することがあり、こ
の種の高周波高パワーノイズに対して特別なノイ
ズフイルタを用いるなどの対策を施す必要があつ
た。更に、高周波点弧時にアーク電源回路に接続
された計測機器を破損してしまうため、計測機器
を溶接用電気回路８に容易に接続できないという
問題がある。

これらの問題により、従来は、交流非消耗電極
式アーク溶接法では、溶接ロボツトに代表される
精密機器による自動化および精密な計測機器によ
る溶接現象の制御等が困難であつた。

本発明は、溶接用交流アーク放電回路に点弧用
高周波電圧を印加することなく交流アークを安定
に点弧させ、あわせて、点弧時の高パワー高周波
ノイズ等による、溶接用交流アーク放電回路にお
ける高周波ノイズおよび周辺への高周波ノイズの
発生を防止することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明においては、非消耗電極および母
材付近に電場を形成し、それらの電場の陰極に向
けてプラズマを注入して溶接用交流アークを点弧
する。

以下本発明を、図面を参照して詳細に説明す
る。

まず第１図に本発明を一態様で実施する交流非
消耗電極式アーク溶接トーチの構成を示す。第１
図において、１は垂下特性を有する交流アーク溶
接用電源であり、その交流出力端の１つを溶接ト
ーチ７内のタングステン電極（以下主電極とい
う）２に接続し、もう１つの端子を、溶接される
母材３に接続して、溶接用電源１、タングステン
電極２および母材３からなる溶接用電気回路８を
形成している。主電極２の近傍には、アークトリ
ガー用のプラズマノズル１３とタングステン電極
（以下副電極という）１２を配置し、トリガー用
プラズマ装置１０の陰極側に副電極１２を、また
陽極側にプラズマノズル１３をそれぞれ接続し、
プラズマ装置１０、副電極１２およびプラズマノ
ズル１３からなるプラズマジエツト回路１８を形
成し、プラズマノズル１３を母材３に接続してい
る。

交流溶接用電源１をオンにすると、主電極２と
プラズマノズル１３との間に、電源１出力電圧が
正半波のときにはプラズマノズル１３（陽極）か
ら主電極２（陰極）に向けて電場が形成され、電
源１出力電圧が負半波のときには主電極２（陽
極）からプラズマノズル１３（陰極）に向けて電
場が形成される。

この状態でプラズマガスをプラズマノズル１３
内に供給し（以後の説明ではプラズマガスについ
ての記述を省略する）、プラズマ装置１０をオン
にすると、副電極１２とプラズマノズル１３の間
に放電を生じてプラズマが主電極２に向けて送給
され、電源１出力電圧が正半波のとき、すなわ
ち、プラズマノズル１３（陽極）から主電極２
（陰極）に向けて電場が形成されているときに、
プラズマ中の正イオンが該電場で加速され、主電
極２に衝突し、衝突部の温度を上昇させ主電極２
からプラズマノズル１３に向けてアーク放電を生
じ、このアークが主電極２−母材３間に瞬時に移
行する。すなわち主電極２−母材３に溶接用アー
クが点弧する。

母材３の近傍にもう１つのプラズマノズル２３
とタングステン電極（以後副電極という）２４を
配置し、トリガー用プラズマ装置２１の陰極側に
副電極２４を、陽極側にプラズマノズル２３をそ
れぞれ接続し、プラズマ装置２１、副電極２４お
よびプラズマノズル２３からなるトリガー用プラ
ズマジエツト回路２５を形成している。

トリガープラズマ装置２１をオンにすると、副
電極２４とプラズマノズル２３の間に放電を生じ
てプラズマが母材３に向けて送給され、電源１出
力電圧が負半波のとき、すなわち、主電極２（陽
極）から母材３（陰極）に向けて電場が形成され
ているときに、プラズマ中の正イオンが該電場で
加速され、母材３に衝突し、衝突部の温度を上昇
させ母材３から主電極２に向けてアーク放電を生
じる。すなわち母材３−主電極２間に溶接用アー
クが点弧する。

以上の通り、溶接用電源１出力（交流）の正半
波（主電極：陰極、母材：陽極）ではプラズマジ
エツト回路１８が発生するプラズマにより主電極
２−母材３間に溶接用アークが点弧され、負半波
（主電極：陽極、母材：陰極）ではプラズマジエ
ツト回路２５が発生するプラズマにより主電極２
−母材３間に溶接用アークが点弧される。

したがつて溶接時には、プラズマ装置１１およ
び２５を連続付勢してノズル１３およびノズル２
３よりそれぞれ主電極２および母材３に向けてプ
ラズマを注入することにより、主電極２−母材３
の間に連続して交流アークが発生する。

以上に説明した交流アークの点弧において、プ
ラズマジエツト回路１８，２５の能力として最大
１０Ａ程度の低電流プラズマジエツトを発生させ
るだけでアークの点弧には十分であり、しかもプ
ラズマジエツトを発生させるために必要な使用ガ
スはプラズマガスのみでシールドガスが不要なた
め、プラズマノズル１３，２３の超小型化が可能
である。更に、副電極１２，２４とプラズマノズ
ル１３，２３との放電ギヤツプおよび各々の形
状、材質を放電しやすい状態に任意設定できる。
又、アーク点弧用プラズマジエツトは低電流での
使用しか必要とされないため、副電極１２，２４
およびプラズマノズル１３，２３の損耗は著しく
軽微である。

なお、アーク点弧のためのプラズマ注入、すな
わちプラズマジエツト回路１８および２５による
主電極２および母材３に向けてのプラズマ注入
は、溶接用電源１の出力電圧の交番に同期して、
それぞれ正半波のアークを生じるべきタイミング
および負半波のアークを生じるべきタイミングに
合せてインパルス的に行つてもよいし、点弧をよ
り確実にするため、アークを生じるべきタイミン
グを含む十分に広い位相区間に合わせて行つても
よい。トリガー用プラズマを定常的に維持する電
力が低いので、溶接中常時トリガー用プラズマを
発生させておく態様が、プラズマジエツト回路１
８，２５、特にプラズマ装置１０，２１を簡単な
ものにする観点から好ましい。

以上本発明の概略について説明した。次に第１
図に示したプラズマ装置１０，２１の構成および
プラズマジエツト回路１８，２５の点弧方法につ
いて第２図および第３図を参照して説明する。

第２図は接触点弧方法を用いたトリガープラズ
マ発生用プラズマジエツト回路１８，２５を示す
概略図である。１１は直流垂下特性を有するプラ
ズマ電源で、その陰極側に副電極１２を、陽極側
にプラズマノズル１３をそれぞれ接続し、プラズ
マ電源１１、副電極１２、プラズマノズル１３か
らなるプラズマジエツト回路を構成している。ト
リガー用プラズマ電源１１をオンにし、無負荷電
圧を印加したままの状態で副電極１２を手動、電
動、バイメタル、バネじかけ等の手段を用いてプ
ラズマノズル１３に接触、短絡させ、短絡過渡電
流を流した後に副電極１２をプラズマノズル１３
から引き離し、プラズマジエツトを点弧させよう
とするものである。従来のタツチ点弧法（溶接用
メインアーク点弧法）では、短絡時の過大電流に
よる主電極先端部の損耗が問題とされていたが、
アーク点弧用プラズマジエツトにおいてはもとも
と低電流（５〜30A程度）であるため副電極先端
部の損耗は極めて軽微である。また、たとえ少々
損耗したとしてもプラズマジエツトさえ点弧すれ
ば十分であり、溶接用電気回路８と実質上無関係
であるので、溶接上の問題とはならない。

第３図は高周波点弧方法を用いたアーク点弧用
プラズマジエツト回路１８，２５を示す概略図で
ある。１１は直流垂下特性を有するプラズマ電源
でその陰極側に高周波電源１４を介して副電極１
２を接続し、陽極側にプラズマノズル１３を接続
している。尚、１５は高周波バイパスコンデンサ
である。プラズマ電源１１、副電極１２、プラズ
マノズル１３、高周波電源１４、高周波バイパス
コンデンサ１５でプラズマジエツト回路１８，２
５を形成している。

この回路は、高周波電源１４により副電極１２
とプラズマノズル１３との間に高周波電圧を印加
し、火花放電を生じさせて、絶縁破壊を起こした
後に、プラズマ電源１１で電流を供給してアーク
点弧を行うものである。ただし、プラズマノズル
１３と副電極１２との放電ギヤツプは0.1mm程度
の微小設定も可能であるため、その場合には高周
波電源１４の出力電圧は最大千Ｖ程度もあれば十
分であり、これに起因して発生する高周波ノイズ
のレベルも低いものである。従つて、第３図に示
すプラズマジエツト回路１８（第１図の１８，２
５として使用する）をシールド１６でおおい、ノ
イズフイルタ１７を介して外部電源と接続するこ
とにより、高周波ノイズを容易に且つ完全に抑え
ることができる。

尚、高周波電源１４はプラズマ電源１１の陰極
側に接続する必要はなく、副電極１２、プラズマ
ノズル１３、高周波電源１４、高周波バイパスコ
ンデンサ１５で回路が形成されるならば、どこに
配置してもよい。また、第３図では、プラズマジ
エツト回路１８，２５の点弧に高周波電源１４に
より発生する高周波電圧を用いたが、同程度の電
圧を供給できる電源であればプラズマジエツト回
路１８，２５に組み込むことが可能である。実際
にコンデンサ電源によるコンデンサ放電電圧或い
は通電遮断時に発生するサージ電圧を利用しても
同様にプラズマジエツトを点弧することが可能で
ある。

次に第３図に示すプラズマジエツト回路１８を
第１図に示すプラズマジエツト回路１８および２
５として用いた実施例を説明する。

溶接トーチ７における各部寸法（第１図参照）
を、La＝３mm、Lb＝４mm、Ld＝５mm、Le＝５
mm、Dm＝1.6mm、θ＝45゜とし、トリガー用プラ
ズマジエツト回路１８，２５の各部寸法（第３図
参照）を、Ｄ＝1.0mm、Ds＝1.0mm、Lt＝1.0mm、
Lp＝2.0mmとし、溶接電源１の無負荷電圧：50V、
シールドガス流量：20／min・Ar、プラズマ
ジエツト電流（連続通電）：10A、プラズマガス
流量：3.0／min Arの条件で溶接アークを点弧
付勢した。これにおいては、アーク点弧（スター
ト）および再点弧（スタート後の交流正、負各半
波における点弧：連続点弧）が共に極めて良好で
あり、また、高周波ノイズレベルが極く低く、溶
接トーチの近くに置いたコンピユータシステムに
誤動作を生じなかつた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、交
流非消耗電極式アーク溶接の点弧において、従来
の、アーク溶接回路に直接に接続する高周波電源
等の、高パワーノイズ発生原因となる手段を用い
る必要がないので、マイクロコンピユータ等の電
子機器を用いた測定、制御装置に格別に負担が高
いノイズ対策を施す必要がなく、しかも非消耗電
極を母材に接触させて点弧する必要がないので非
消耗電極の損耗もない。また溶接アーク電流回路
に点弧用放電電圧が重畳しないので、電圧、電流
検出手段をアーク電源に接続しこの検出手段に計
測機器等を接触し得るし、その破損のおそれもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する交流非消耗
電極式アーク溶接トーチの構成を示すブロツク
図、第２図は第１図に示すプラズマジエツト回路
１８，２５の一例構成を示すブロツク図、第３図
はもう１つの例を示すブロツク図である。第４図
は従来の交流非消耗電極式アーク溶接トーチの構
成を示すブロツク図である。 １：交流溶接用電源、２：タングステン電極
（主電極）、３：母材、４：高周波電源、５，１
５：高周波バイパスコンデンサ、６：シールドキ
ヤツプ、７：溶接トーチ、８：溶接用電気回路、
１０，２１：プラズマ装置、１１：プラズマ電
源、１２，２４：副電極、１３，２３：プラズマ
ノズル、１４：高周波電源、１６：シールド、１
７：ノイズフイルタ、１８，２５：プラズマジエ
ツト回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流溶接電源に非消耗電極と母材を接続し、
   非消耗電極側面に対向するように補助電極を配置
   して補助電極と母材を接続した状態で、非消耗電
   極がマイナス母材がプラスの正半波のときは補助
   電極から非消耗電極に向かつて生成された電場に
   沿つて非消耗電極に向かつて点弧プラズマを注入
   し、非消耗電極がプラス母材がマイナスの負半波
   のときは、非消耗電極から母材に向かつて生成さ
   れた電場に沿つて母材に向かつて点弧プラズマを
   注入することにより、アークを点弧することを特
   徴とする交流非消耗電極式アーク溶接法における
   アーク点弧方法。