JPS64153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、プラズマキーホール溶接方法に関す
るものである。

〔発明の背景〕

従来から板厚が６mm以下のオーステナイト系ス
テンレス鋼製のパイプ等のＩ型突合せ溶接におい
ては、第１図に示すように、母材１ａ及び１ｂを
ギヤツプのない突合せ開先とし、これをワンパ
ス、すなわち１回の溶接ランで溶接施行するプラ
ズマキーホール溶接方法が用いられている。この
方法は溶接熱サイクルが１回で母材に与える影響
が少なく、単一溶接ランで溶接が終了する極めて
能率の良い溶接方法である。

第２図はプラズマキーホール溶接方法の原理の
説明図で、パイプをＩ型突合せ溶接する状態が示
してある。１ａ，１ｂは母材、２は溶接トーチを
示しており、溶接トーチ２は大気を遮断するガス
ノズル３、プラズマをサーマルピンチ効果により
絞りプラズマ密度（電流密度）を高める銅製のノ
ズル４、ノズル４を水冷却しノズル４の熱損傷を
防止する水冷部５、及び電極６よりなつており、
大気と溶接部を隔離し溶接欠陥の発生を防止する
ためにシールドガス（不活性ガス）７をガスノズ
ル３に沿つて供給し、動作ガス８を電極６のまわ
りに流し、動作ガス８がノズル４でサーマルピン
チ効果により高密度なプラズマ電流（プラズマア
ーク）９となり、母材１ａ及び１ｂに高密度な熱
的、電気的エネルギとして供与され母材１ａ及び
１ｂの突合せ部を溶融させ溶融部１０を形成す
る。

このプラズマキーホール溶接方法はサイリスタ
方式等の垂下特性（定電流特性）の電源による一
定電流または第３図に示すような矩形波電流（ロ
ーパルス電流）により行われている。第３図は横
軸及び縦軸にそれぞれ時間及び電流をとつてあ
り、ピーク電流１１とベース電流１２とが周期的
に切り換わり、溶融、凝固のパターンによつて溶
接される。この図で１３，１４はそれぞれピーク
電流時間、ベース電流時間を示している。

プラズマキーホール溶接の際のプラズマ温度は
数万度にも達し、テイグ溶接等の他のアーク温度
の数倍から10倍の高温状態となるので、母材の溶
融板厚もテイク溶接等に較べると約２倍の６mmが
可能である。しかし、従来のプラズマキーホール
溶接方法は良好な溶接結果が得られる溶接条件の
範囲が極めて狭く、また、実用化されている溶接
姿勢も下向き姿勢あるいか横向き姿勢に限定さ
れ、全姿勢溶接や上向き姿勢溶接は実用化されて
いないのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明は、従来技術の問題点を除去し、全姿勢
プラズマキーホール溶接を可能とすることを目的
とするものである。

〔発明の概要〕

本発明は、キーホールを生成するピーク電流部
と前記キーホールを凝固により埋めるべース電流
部とが周期的に切に換わる電流を用いて溶融、凝
固のくり返しにより溶接が行われるブラズマキー
ホール溶接方法において、前記電流が前記ピーク
電流から前記ベース電流に除々に変化するスロー
プ制御電流部を有し、該スロープ制御電流部によ
つて溶接金属内へのガスのトラツプを防止し前記
キーホールの穴埋め凝固を開始し、前記ベース電
流部にて該キーホールを完全に埋めることを特徴
とするものである。

本発明は、従来行われていた第３図に示すよう
な矩形波電流を用いるプラズマキーホール溶接方
法について検討した結果得られたものである。

第４図はプラズマキーホール溶接方法のキーホ
ールの状態を示すもので、母材１ａ及び１ｂの突
合せ面のピーク電流時の断面を示している。ピー
ク電流時には、プラズマ９により母材１ａ及び１
ｂの突合せ部にキーホール（プラズマ貫通孔）１
５とキーホール１５の溶接方向１６と反対側の母
材１ａ，１ｂに溶接プール１７を生じ、ベース電
流時にキーホール１５が閉じるように凝固して、
これに続くピーク電流及びベース電流によつて溶
接方向１６の方向に次々とプラズマキーホール溶
接が行われ、例えば鋼パイプの全周の溶接が行わ
れる。

しかしこのようにして行われたプラズマキーホ
ール溶接方法による溶接部１０は、第５図に示す
ように、母材１ａ及び１ｂの裏波ビード１８が良
好になるような溶接条件の場合には、表ビードに
アンダカツト１９が出来易い。これは裏波ビード
１８を良好となるようにするには、ピーク電流時
間を長くしてキーホールをつくるのに必要なエネ
ルギを大きくするために、母材１ａ及び１ｂの表
面が溶けすぎた結果生ずるものである。また、逆
に表ピードのアンダカツトを防止し、同時に良好
な裏波ピードを得るために、ピーク電流を高くし
てキーホールをつくりピーク電流時間を短かくす
ると、第６図に示すように、母材１ａ及び１ｂの
溶接部１０は凝固が早くなるので、溶接に使われ
るシールドガスやプラズマガス（動作ガス）が溶
融金属から抜け切れず、凝固金属の中心にトラツ
プされ、空洞２０を生じ良好な溶接が得られな
い。

また、配管の全姿勢溶接を試みた場合、上向き
姿勢で空洞を生じない程度のピーク電流時間で溶
接を行うと、第７図に示すように母材１ａ及び１
ｂの溶接部１０には、重力方向に溶接金属がたれ
込み裏波ビードに凹み２１を生じて形状的な欠陥
となる。

本発明は、以上の如く、従来のプラズマキーホ
ール溶接方法では、裏波ビードと表ビードを良好
にし、かつ凝固金属内にガスがトラツプされない
ようにすることが非常に困難で、これらの原因
が、従来の一定電流あるいはローパルス電流波形
に基づく点に着目し、短時間のピーク電流でキー
ホールをつくるようにして表ビードの溶け過ぎを
防いでアンダカツトを防止し、次にベース電流に
移る際の電流傾斜を制御したスロープ制御電流に
よつて、充分シールドガスやプラズマガスが抜け
るようにしてガスが凝固金属にトラツプされない
ようにし、さらに裏波形状が良好となるような電
流波形パターンを用いることにより、全姿勢溶接
の各姿勢で良好なプラズマキーホール溶接を可能
とするものである。

〔発明の実施例〕

第８図は一実施例のプラズマキーホール溶接方
法で用いる電流波形の一例を示すもので、横軸及
び縦軸にはそれぞれ時間及び溶接電流がとつてあ
り、２２はピーク電流、２３はピーク電流時間、
２４はベース電流、２５はベース電流時間、２６
はスロープ制御電流部、２７はピーク電流時間と
スロープ制御電流時間との合計時間、２８はスロ
ープ制御電流部の上端電流、２９はスロープ制御
電流部の下端電流を示している。この電流波形は
従来の矩形波（ローパルス波形）のピーク電流部
の一部を切欠いた形のものである。

このピーク電流時間２３は、キーホールをあけ
るのに用いられる時間で、表ビード側（プラズマ
トーチ側）のアンダカツトを防止するためには、
出来るだけ短時間でキーホールをあけることが望
ましいので、ピーク電流２２、ピーク電流時間２
３ともに任意に設定できるようになつている。ス
ロープ制御電流部２６の上端電流２８、下端電流
２９およびその時間も任意に設定できる制御とな
つており、凝固と溶融金属内のガス残留を防止で
きるよう、被溶接材（母材１ａ及び１ｂ）の材質
条件（物理的特性）やサイズに対応して好ましい
条件が設定される。すなわち、この部分はガス抜
きと凝固のバランスをとつている部分である。ベ
ース電流部（ベース電流２４、ベース電流時間２
５）では、キーホール部分が完全に埋まるよう凝
固する。

第８図の左側には具体的な電流波形の実施例が
示してあり、第１０図にはこのような電流波形を
用いたプラズマキーホール溶接方法におけるキー
ホール形成範囲を、短形波パルスを用いた従来の
プラズマキーホール溶接方法と比較した実験結果
が示してある。第１０図では、横軸及び縦軸にそ
れぞれプラズマガス流量（１／min）及び平均ピ
ーク電流Ａがとつてあり、溶接姿勢は下向きで、
Ａはピーク電流時間＋スロープ制御電流時間＝
0.1sec＋0.3sec、ベース電流時間＝0.6secの本発
明の電流波形を用いた場合を示し、Ｂはピーク電
流時間＝0.4sec、ベース電流時間＝0.6secの従来
の短形波パルスを用いた場合を示している。

全姿勢キーホール溶接においては、溶融池の保
持をいかにするかが技術的ポイントで、前述の如
く、キーホールが大きすぎると、溶融池凝固後に
表面にアンダカツトを生じたり、凝固中にシール
ドガス等が抜け切れず、金属中にトラツプされ欠
陥を生じたりする。従つて、それらの欠点を解消
するためにはキーホールをできるだけ小さくする
ことおよびプラズマガス量が少ないことが望まし
く、そのためには溶接入熱が小さい方が望まし
い。

これに対して、本発明の電流波形を用いた場合
のキーホール形成範囲は、第１０図より明らかな
如く、従来の短形波パルス電流波形のキーホール
形成条件に較べると低電流側、低プラズマガス量
側にシフトしていることから、小入熱および小プ
ラズマガス量でキーホール形成が可能なこと、す
なわち、小さなキーホール形成が可能なることを
示しており、本発明の有効なことを示している。
さらに、低入熱化は母材への熱影響を少なくする
効果もあわせ持つことから、従来の短形波パルス
電流波形を用いるプラズマキーホール溶接方法を
大幅に改善可能なことを示している。

以上の如く、実施例のプラズマキーホール溶接
方法を用いる場合はには、キーホール生成（溶融
貫通）、ガス抜き、凝固のパターンで溶接が進行
し、表ビード、裏ビードの良好な、溶接金属内に
ガスの残留した空洞部のない健全な溶接部が得ら
れる。

このスロープ制御電流部は従来のテイグ溶接等
で用いているアツプスロープやダウンスロープの
電流制御同様に積分回路を用いれば容易につくる
ことができる。

第９図は他の実施例で用いる電流波形で、横軸
及び縦軸にはそれぞれ時間及び溶接電流がとつて
あるが、この電流波形が第８図の電流波形と異な
る点は階段状のスロープ制御電流部３０を有して
いる点である。この場合も第８図のスロープ制御
電流部が直線の場合と同等の溶接効果が得られる
が、階段状に電流を降下させるので、より細かい
溶接ビード形状の生成が可能となる。

第１１図は、第８図、第９図に示すような電流
波形を付与する方法の概略説明図である。この図
で第２図と同一部分には同一符号が付してあり、
３１はプラズマ電流制御トランジスタ回路、３２
はパターンジエネレータを示し、３３はピーク電
流設定器、３４はピーク電流時間設定器、３５は
スロープ制御電流部上端電流設定器、３６はスロ
ープ制御電流部下端電流設定器、３７はピーク電
流時間とスロープ制御電流時間の合計時間の設定
器、３８はベース電流設定器、３９はベース電流
時間設定器で、これら各設定器はデイジタル設定
あるいはアナログ設定となつており、設定条件は
パターンジエネレータ３２に入る。パターンジエ
ネレータ３２にはあらかじめ第８図又は第９図に
示すような電流波形がシーケンシヤルに生成され
るような回路が組まれており、設定条件に従つて
所定の電流波形で溶接できるように制御する部分
である。パターンジエネレータ３２から出た信号
がプラズマ電流制御トランジスタ回路３１に入る
とパターンジエネレータ３２で組まれた波形に従
つて設定条件の電流が出力され第８図又は第９図
に示すような電流波形でキーホール溶接が行われ
る。すなわち、キーホール生成、ガス抜き、凝固
の繰り返しのそれぞれの段階の目的にのみ合致す
る電流波形を用いられるようになつているので、
従来の矩形波を用いた場合に生ずる、例えば凝固
時にガスが金属にトラツプされ抜けきれないよう
な組み合せによる悪影響をなくすことができる。
なお、プラズマ電流制御トランジスタ回路３１と
しては、シリーズレギユレータ方式又はチヨツパ
ー方式を用いることができる。

また、この実施例のプラズマキーホール溶接方
法はピーク電流をキーホールをあける目的だけに
使えるので、ピーク電流を高めて、ワンパス溶接
の板厚を高めることが出来る。これに対して、従
来のローパルス電流波形を用いる場合には、ピー
ク電流を高めることにより、キーホール板厚は厚
くなるが、表ビードのアンダカツトが電流に比例
して悪くなること及びベース電流時の凝固中にガ
スが溶接金属内にトラツプされるため実質的に溶
接不可となり、限界があつた。すなわち、従来の
プラズマキーホール溶接のノンフイラワンパス溶
接板厚の限界はオーステナイト系のステンレス鋼
の場合６mm程度であつたのに対して、この実施例
の場合には６mmよりも厚い板厚のノンフイラワン
パス溶接が可能となつた。

以上の如く、この実施例のプラズマキーホール
溶接方法は、配管の全姿勢各位置で最適な溶接条
件を設定することができ、表ビード、裏ビードの
各形状が良好な溶接ができる。

さらに、実施例の電流波形を用いる場合は、キ
ーホール生成、ガス抜き及び凝固のパターンを必
要とされる最低のエネルギーで行えるので、省エ
ネルギ形の溶接方法であり、また省エネルギ形の
溶接であることから母材に与える熱影響も最小と
なり、熱影響による靫性の劣化や鋭敏化が懸念さ
れるオーステナイト系ステンレス鋼の溶接にも好
結果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明のプラズマキーホール溶接方法は、従来
技術の問題点を除去し、全姿勢プラズマキーホー
ル溶接を可能とするもので、産業上の効果の大な
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマキーホール溶接方法で配管を
Ｉ型突合せ溶接する場合の開先形状を示す説明
図、第２図はプラズマキーホール溶接方法の原理
の説明図、第３図は従来のプラズマキーホール溶
接方法で用いられた電流波形の説明図、第４図は
プラズマキーホール溶接方法の一工程の説明図、
第５図、第６図及び第７図は従来のプラズマキー
ホール溶接方法によつて得られた種々異なる溶接
部の状態の説明図、第８図及び第９図は本発明の
プラズマキーホール溶接方法のそれぞれ異なる実
施例で用いられる電流波形の説明図、第１０図は
同じくキーホール形成範囲を従来方法を用いた場
合と比較して示す線図、第１１図は同じく電流波
形の付与方法の説明図である。 ２２……ピーク電流、２３……ピーク電流時
間、２４……ベース電流、２５……ベース電流時
間、２６……スロープ制御電流部、２７……ピー
ク電流時間とスロープ制御電流時間との合計時
間、２８……スロープ制御電流部の上端電流、２
９……スロープ制御電流部の下端電流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ キーホールを生成するピーク電流部と前記キ
   ーホールを凝固により埋めるべース電流部とが周
   期的に切り換わる電流を用いて溶融、凝固のくり
   返しにより溶接が行われるプラズマキーホール溶
   接方法において、前記電流が前記ピーク電流から
   前記ベース電流に除々に変化するスロープ制御電
   流部を有し、該スロープ制御電流部によつて溶接
   金属内へのガスのトラツプを防止し、前記キーホ
   ールの穴埋め凝固を開始し、前記ベース電流部に
   て該キーホールを完全に埋めることを特徴とする
   プラズマキーホール溶接方法。 ２ 前記電流が、ピーク電流、ピーク電流時間、
   スロープ制御電流、スロープ制御電流時間、ベー
   ス電流及びベース電流時間を任意に設定できるパ
   ターンジエネレータに設定されたシーケンスによ
   つて制御される特許請求の範囲第１項記載のプラ
   ズマキーホール溶接方法。