JPH0337834B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は消耗電極と、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〕

従来、交流消耗電極アーク溶接（例えばガスシ
ールドメタルアーク溶接、ノンガスシールドアー
ク溶接、サブマージアーク溶接等）では、アーク
点弧法としてスクラツチ点弧法が用いられてき
た。尚ここでいう消耗電極とはソリツドワイヤお
よびフラツクスコアドワイヤの両方を含むことと
する。第４図に従来の交流消耗電極式アーク溶接
法の一例としてザブマージアーク溶接法の構成例
を示す。これにおいては、垂下特性を有する溶接
用電源１の両端に、溶接される母材３と電極チツ
プ２７を通して溶接ワイヤ２をそれぞれ接続する
ことによつて溶接用電気回路８を形成する。

溶接用電源１をオンにし無負荷電圧が溶接ワイ
ヤ２と母材３間に印加された状態で、溶接ワイヤ
送給制御装置２８により送給ローラ２９を駆動し
て母材３上にあらかじめ散布された粉粒状のフラ
ツクス３３中に溶接ワイヤ２を送り込み、この先
端部が母材３に衝突した際に流れる短絡過度電流
によつて先端部を溶融、飛散させることにより、
アークを点弧する。これがスクラツチ点弧法であ
る。

通常サプマージアーク溶接法では、溶接ワイヤ
２として直径3.2〜6.0mm程度のものを使用する。
細径（直径3.2mm程度）の溶接ワイヤ２を使用し
た場合には、細径ゆえに、先端部が比較的容易に
溶融、飛散するため、安定にアークが点弧する。

ひとたびアークが点弧すれば、溶接電流が
500A程度と高く、溶接ワイヤ送給速度が４ｍ／
分と比較的に遅いので交流半波毎にアークが消失
しても次の半波で容易に再点弧し、アーク溶接が
維持される。

しかし、太径（直径4.0〜6.0mm程度）の溶接ワ
イヤ２を使用した場合には、細径のときほど電流
密度が上げられないので、溶接ワイヤ２が母材３
に密着したままの状態（以後、ステイツク状態と
記す）で保持されアーク点弧に失敗する可能性が
高い。

これを改善するために、第５図に示すような方
法がとられている。これは第４図と装置構成は同
じであるが、アーク点弧性を良好にするために、
電極ワイヤ２と母材３間にスチールウール３４を
配置している点が異る。溶接用電源１をオンにし
溶接ワイヤ２を送り込むと、溶接ワイヤ２、スチ
ールウール３４、母材３および溶接用電源１で溶
接用電気回路８が構成され通電する。そのとき流
れる電流により、スチールウール３４が溶融、飛
散し、溶接ワイヤ２と母材３間にアークが点弧す
る。

また、第６図に示す改善策もある。これも第４
図と装置構成は同じであるがアーク点弧性を良好
にするために、溶接ワイヤ２の先端を尖鋭になる
ようあらかじめ溶接ワイヤカツターなどを用いて
鋭角にカツトし、アーク点弧を行う点が異なる。
溶接ワイヤ２の先端部の断面積が小さくなること
により、電流密度が上昇し、先端部の発熱が促進
され、容易に溶融、飛散して安定にアークが点弧
する。

しかし、両改善方法ともオペレータによる微妙
な技能（スチールウールの量及びかため方、溶接
ワイヤの切断形状等）がアーク点弧性を支配して
いるため、アーク点弧の成功率が必ずしも100％
とは言えなかつた。

さらに、サプマージアーク溶接法を完全自動化
する際には、オペレータの技能に依存する不確定
要素を満足する装置の製作が極めて困難であり、
自動化への大きな障害となつている。

第７図に、従来の交流消耗電極式アーク溶接法
のもう一つの例として、ガスシールド交流消耗電
極式アーク溶接法の構成例を示す。これにおいて
は、垂下特性を有する溶接用電源１の両端に、溶
接される母材３と溶接トーチ７内の電極チツプ２
７を通して溶接ワイヤ２をそれぞれ接続すること
により、溶接用電気回路８を形成する。溶接起動
スイツチを入れると、シールドキヤツプ６を通し
て不活性ガスのシールドガスが流れ（以下の説明
ではシールドガスについての記述を省略する）、
溶接用電源１をオンにし無負荷電圧を溶接ワイヤ
２と母材３の間に印加した状態で溶接ワイヤ送給
制御装置２８により送給ローラ２９を駆動して溶
接ワイヤ２を送給する。溶接ワイヤ２は通常直径
1.6mm程度の細径であるため、溶接ワイヤ２の先
端が母材３に接触した瞬間に、短絡過渡電流が流
れ、溶接ワイヤ２と母材３との接触部近傍が溶断
してアークが点弧する。

しかし、アークが点弧しても溶接ワイヤ送給速
度が十数ｍ／分と比較的高速なため、交流半波毎
にアークが消失した後、次の半波ですみやかにし
かも安定にアークが再点弧しないと溶接ワイヤ２
はとぐろをまいた状態となり、二度とアークは点
弧しない。

そこで、安定にアークの再点弧を実施するため
には、何らかの補助手段が必要となる。

従来は、アーク放電回路に高周波電圧又はイン
パルス電圧を印加することが行われている。

第８図に高周波点弧を行なう従来の構成の一例
を示す。第８図において、垂下特性を有する交流
溶接電源１、高周波電源３０、溶接ワイヤ（消耗
電極）２、溶接される母材３、で溶接用電気回路
８を構成する。高周波電源３０を常時オンあるい
は再点弧タイミングに同期をとつて間欠的にオン
することにより、アーク消失後の溶接ワイヤ２と
母材３間に数千Ｖの高周波電圧を印加させること
により、絶縁破壊を起しアーク再点弧を安定に実
施する。

しかしながら、このアーク点弧法では、高周波
電圧に起因して発生する電磁ノイズにより周辺電
子機器が誤動作又は破壊することがある。

第９図にインパルス点弧を行なう従来の構成の
一例を示す。第９図において、垂下特性を有する
交流溶接電源１、溶接ワイヤ２、溶接される母材
３で溶接用電気回路８を構成する。尚、３１は再
点弧用インパルス電圧発生装置である。インパル
ス電圧印加タイミング装置３２がアーク電圧をモ
ニターして、正負半波のそれぞれにおいてインパ
ルス電圧の印加タイミングを検出し、該タイミン
グでインパルス電圧発生装置３１を付勢（導通）
する。インパルス電圧発生装置３１はコンデンサ
の充電電荷を溶接用電気回路８に放電（数百Ｖの
インパルス電圧の印加）し、溶接ワイヤ２と母材
３の間にアーク放電を起動する。

しかしながらこのインパルス点弧では、インパ
ルス電圧のタイミング調整が難かしく、時として
アーク再点弧の安定性に欠ける。また、インパル
ス放電により電磁ノイズが誘起される。従来にお
いてはこのように消耗電極と母材の間に再点弧ア
ークを起動するための高周波電圧又はインパルス
電圧により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るので、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、特別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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、交流消耗電極式アーク溶接法におい
て、溶接用電気回路に高周波電源等の電磁ノイズ
発生源を用いることなく、容易にかつ安定にアー
クを点弧および再点弧することが可能なアーク点
弧方法の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明においては、消耗電極および母材
を１極とする電場を形成し、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。

〔作用〕

まず第１図に本発明を一態様で実施するガスシ
ールド交流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
流溶接電源であり、その交流出力端の１つを溶接
トーチ７の溶接ワイヤ（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、主電極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１
０、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及び母材３（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及び母材３（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）、トリガプラズマ装置１０
をオンにすると、副電極１２とプラズマノズル１
３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間に溶接
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。

トリガプラズマ装置１０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−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母材３−
主電極２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３
２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。

サブマージアーク溶接法においては、第１図に
おけるプラズマジエツト回路１８を配置し、溶接
用電源１出力（交流）の正半波（主電極：陰極、
母材：陽極）にタイミングをとつてプラズマを注
入することにより、或いは、第１図におけるプラ
ズマジエツト回路２５を配置し、溶接用電源１出
力（交流）の負半波（主電極：陽極、母材：陰
極）にタイミングをとつてプラズマを注入するこ
とにより非接触式でアークを点弧することができ
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５〜
30A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る。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、あるいは、交流の零クロス点をカバーす
る十分に広い位相区間に合せて行つてもよい。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、要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１８，２
５、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。従来の非消耗電極式アーク溶
接法におけるタツチ点弧法では、短絡時の過大電
流による非消耗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、溶接用アーク電流への寄
与は不要であつて溶接用電気回路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、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１８，２５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。したがつて、例えば第１図に示すように溶接
用電気回路８に電流検出用の抵抗器（又は変流
器）を接続してこれに電流値検出用の増幅器等を
接続した電流検出回路２６を接続して、その電流
検出信号に応答して溶接ワイヤ送給制御装置２８
による溶接ワイヤ２の送給を開始するなどのフイ
ードバツク制御、状態検出制御等を容易に行い得
るし、またトーチ７の駆動制御等も容易に行い得
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＝15mm、Lb＝４mm、Lc＝５mm、Ld＝５
mm、Dm＝1.2mm、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。注目すべきは、溶接スタ
ート時の初回アーク点弧も、スクラツチ点弧法を
用いなくてもプラズマ注入により達成されること
である。スクラツチ点弧法では、主電極２の先端
形状や母材３の表面状態によつては点弧に失敗す
ることがあるが、前述のプラズマ注入によれば安
定して初回のアーク点弧が実現する。

〔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
流消耗電極式アーク溶接法の再点弧において、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い。また溶接アーク電流回
路に点弧用放電電圧、電流が重畳しないので、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続し得るし、計測機器等に
ノイズ電流を生じないのでその破損のおそれもな
い。更に、従来のスクラツチ点弧法に代えて溶接
スタート時の初回点弧からプラズマ注入で安定し
て非接触式の点弧を行い得るため交流消耗電極式
アーク溶接法の自動化に大きく寄与することから
も工業的価値は大きい。

【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１
８，２５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、
第５図および第６図は、従来のサブマージアーク
溶接トーチの構成を示すプロツク図であり、第７
図、第８図および第９図は従来のガスシールド消
耗電極式アーク溶接トーチの構成を示すプロツク
図である。 １：交流溶接用電源、２：溶接ワイヤ（消耗電
極）、３：母材、４：高周波電源、５，１５：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、１
０，２１：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、１７：
ノイズフイルタ、１８，２５：プラズマジエツト
回路、２６：アーク点弧検出器、２７：電極チツ
プ、２８：溶接ワイヤ送給制御装置、２９：送給
ローラ、３０：高周波電源、３１：再点弧用イン
パルス電圧発生装置、３２：インパルス電圧印加
タイミング装置、３３：フラツクス、３４：スチ
ールウール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流溶接電源に消耗電極と母材と接続し、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、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
   ら消耗電極に向かつて生成された電場に沿つて消
   耗電極に向かつて点弧プラズマを注入し、消耗電
   極がプラス母材がマイナスの負半波のときは、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消
   耗電極式アーク溶接法のアーク点弧方法。