JPWO2011055765A1 - 非消耗電極式アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

アークスタート時に高周波ノイズを発生させず、スタート失敗を防止でき、電極先端の消耗を軽減できる非消耗電極式アーク溶接装置を提供する。電極部とノズル１ｂとを備えたトーチ１と、電極部とノズル１ｂとの間隙を流れるシールドガスをトーチ１に供給するガス供給手段８，９と、電極部とノズル１ｂとの間に電圧を印加しパイロットアーク１４を発生させる第１電源７と、電極とワークとの間に電圧を印加しメインアークを発生させる第２電源６と、第１電源７および第２電源６を制御する制御部５とを備えた非消耗電極式アーク溶接装置において、電極部が電極１ａと電極の根本部を把持する電極把持部１３とを備え、電極把持部１３はそのノズル１ｂ側にノズル１ｂに向かって突き出した突起１３ａを備え、突起１３ａとノズル１ｂとを接触および離間させるようにした。

Description

本発明は、金属を接合する非消耗電極式アーク溶接装置に関し、特にパイロットアークを発生させた後にメインアークを発生させて溶接を実施する非消耗電極式アーク溶接装置に関する。

〈パイロットアークを発生させる従来技術〉
非消耗性のタングステンを電極とするＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）アーク溶接やプラズマアーク溶接では、溶接トーチの電極先端と溶接母材（ワーク）の間に数千ボルトの高周波電圧を重畳印加してアークを発生させるのが一般的である。こうしたアーク発生の際、種火に相当するパイロットアークを予めトーチ内で発生させておいてから溶接のためのメインアークを発生させるという方式が従来から用いられてきた。例えば特許文献１ではパイロットアーク発生時にパイロットアーク発生用ガスを一時的に増量して良好なパイロットアークを得た後にメインアークに移行することが開示されている。
また特許文献２では接触していたノズルと電極とをプラズマ用ガスの圧力によって離間させ、その際に発生した接触火花から加工用のアークへ移行することが開示されている。

日本国特開昭６３−１９４８６７号公報 日本国特開平３−１０６５７２号公報

〈特許文献１の問題点〉
しかしながら特許文献１の方法では、パイロットアークを発生させる際に、パイロットアーク用の直流電源に加えて高周波電源を用いており、高周波電源から生じる高周波ノイズによって周辺の電子機器に誤動作などの悪影響を与える恐れがあるという問題があった。
また電極とノズルの間に発生するパイロットアークに付随して酸化物による絶縁皮膜が電極表面およびノズル内面に生成される。この酸化皮膜はアークスタートを繰り返すことにより堆積するため、定期的に酸化皮膜を除去したり部品を交換したりしなければパイロットアークが発生しにくくなりアークスタートに失敗するという問題があった。
〈特許文献２の長所〉
これに対し特許文献２の方法ではパイロットアーク発生の際に高電圧高周波の電源を用いないためノイズの問題は発生しない。
またアークスタート時には電極とノズル（あるいは電極と補助電極）とが接触、離反を繰り返すようになっている。
この接触動作は酸化皮膜を除去するのに有利に作用し特許文献１に比べて酸化皮膜は堆積しにくくなっている。
〈特許文献２の問題点〉
しかしながら、この動作はシールドガスにより圧縮されるスプリングによるものである。スプリングによって電極をノズルに押し付ける力（あるいは補助電極を電極に押し付ける力）は弱いため、両者の接触によって酸化皮膜を十分に除去するには至らず、アークスタート特性が徐々に悪化するという問題を解決できていない。
また、電極の先端部をノズルと接触させることにより電極先端の傷みや消耗が進んでしまうといった問題もある。
〈本発明の目的〉
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は非消耗電極式アーク溶接においてアークスタート時に高周波ノイズを発生させず、さらにアークスタートの失敗を防止でき、電極先端の消耗を軽減できる非消耗電極式アーク溶接装置を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
第１発明は、非消耗電極式アーク溶接装置に関するもので、電極部と前記電極部の外周に前記電極部と間隙をあけて配置されたノズルとを備えたトーチと、前記電極部と前記ノズルとの前記間隙を流れるシールドガスを前記トーチに供給するガス供給手段と、前記電極部と前記ノズルとの間に電圧を印加しパイロットアークを発生させる第１の電源と、前記電極とワークとの間に電圧を印加しメインアークを発生させる第２の電源と、前記第１の電源および前記第２の電源を制御する制御部とを備えた非消耗電極式アーク溶接装置において、前記電極部は電極と前記電極の根本部を把持する電極把持部とを備え、前記電極把持部はそのノズル側に前記ノズルに向かって突き出した突起を備え、前記トーチは、前記電極部を前記トーチ内で長軸方向に移動させて前記突起と前記ノズルとを接触および離間させる移動機構を備えたことを特徴としている。
第２発明は、第１発明において、前記移動機構により前記突起と前記ノズルとを接触させた際に、前記突起により確保される前記電極把持部と前記ノズルとの前記間隙にシールドガスを流通させることを特徴としている。
第３発明は、第１発明において、前記移動機構により前記突起と前記ノズルとを接触させた後に離間させることによって前記突起と前記ノズルとの間に前記第１の電源による前記パイロットアークを発生させることを特徴としている。
第４発明は、第３発明において、前記パイロットアークを前記シールドガスによって前記電極の先端部へ移動させ、前記第２の電源によって前記パイロットアークを前記電極とワークとの間のメインアークへと移行させることを特徴としている。
第５発明は、第１発明において、前記移動機構がエアシリンダーであることを特徴としている。
第６発明は、第１発明において、前記電極把持部およびノズルが銅合金からなることを特徴としている。
第７発明は、第１発明において、前記トーチを先端に取り付けた多関節ロボットと、前記ロボットを制御するロボット制御装置とを備え、前記ロボット制御装置が前記制御部として前記第１の電源および前記第２の電源を制御することを特徴としている。
第８発明は、第１発明において、前記ノズルの先端部から前記電極の先端部を露出させＴＩＧアーク溶接を行うことを特徴としている。
第９発明は、第１発明において、前記ノズルによって前記電極全体を覆い、プラズマアーク溶接を行うことを特徴としている。

本発明によれば、トーチの内部にタッチスタート方式のパイロットアーク発生ポイントを設け、まずトーチ内部でパイロット電源によってパイロットアークを発生させ、その直後にガスによってパイロットアークを非消耗電極の先端部まで移動させる。電極先端部まで移動したパイロットアークはパイロット電源で維持する。
アーク溶接開始時には、電極先端部に移動したパイロットアークを種火として、メイン電源によって電極先端とワークとの間にアークを発生させる。
本発明の非消耗電極式アーク溶接装置によれば、パイロットアーク発生時に高周波電源を用いないため高周波ノイズを発生させることがなく、さらにトーチ内部のパイロットアーク発生ポイントである電極把持部の突起とノズルの一部とを強い力で接触させることでパイロットアーク発生に伴って生成された酸化皮膜を除去するようにしているので、次回のパイロットアークのスタートミスを防止して良好なアークスタートが実現できる。
またパイロットアーク発生時にも電極先端とノズルとを接触させることがないので電極先端部の消耗を軽減し、電極先端への酸化皮膜の付着を防止することができ、こうした点においても良好なアークスタートに寄与することができる。

図１は非消耗電極式アーク溶接装置の全体の構成を示す図である。 図２はトーチの側面図である。 図３はトーチの上面図である。 図４はＴＩＧ溶接用のトーチ先端部の側断面の模式図である。 図５は電極部の斜視図である。 図６は電極部の正面図である。 図７は電極部の上下移動、センターガス、シールドガスの流量、パイロット電源による電流、メイン電源による電流の変化を示すタイミングチャートである。 図８は図７のｔ１におけるＴＩＧ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図９は図７のｔ２におけるＴＩＧ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１０はパイロットアークがノズル先端部に移動した状態を示す側断面の模式図である。 図１１は図７のｔ３におけるＴＩＧ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１２は図７のｔ５におけるＴＩＧ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１３はプラズマ溶接用のトーチ先端部の側断面の模式図である。 図１４は図７のｔ１におけるプラズマ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１５は図７のｔ２におけるプラズマ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１６はパイロットアークがノズル先端部に移動した状態を示す側断面の模式図である。 図１７は図７のｔ３におけるプラズマ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。 図１８は図７のｔ５におけるプラズマ溶接用トーチ先端部の側断面の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

〈非消耗電極式アーク溶接装置の全体の構成〉
図１は、非消耗電極式アーク溶接装置の全体の構成を示す図である。
本実施例ではＴＩＧ溶接装置を例にとり説明する。
１はトーチ、２は溶接対象となるワークである。トーチ１はロボット３の先端部に取り付け治具４を介して取り付けられている。ロボット３は複数の関節を備えた多関節ロボットであり、各関節の動作を適切に制御することによってワーク２に対するトーチ１の位置や姿勢を自在に変更することができる。ロボット３はコントローラ５によって制御される。
６はトーチ１とワーク２との間に溶接電力を供給するメイン電源で、７はトーチ１内の電極とトーチ１先端部のノズルとの間に電力を供給し、パイロットアークを発生させるパイロット電源である。８、９はトーチ１内にシールドガスとしてアルゴン等の不活性ガスを供給するガスボンベである。詳細は後述するが、本実施例ではシールドガスを二重化しているためガスボンベを２つ備えている。

〈トーチ１の上下移動〉
１０はトーチ１内の電極を上下に移動させるためのエアを供給するエアコンプレッサーである。トーチ１内の構成については後述する。
１１は光センサで、アークが発する光によってアーク発生の有無を検出するためのものである。また図１では省略しているが、トーチ１内に冷却水を循環させ電極を冷却する冷却水循環装置も設けられている。
図１ではトーチ１を多関節ロボットの先端に取り付けて移動させているが、これは本発明の溶接装置の一例に過ぎず、多関節ロボット以外の手段によってトーチ１を移動させるよう構成してもよい。

〈コントローラ５の機能〉
またコントローラ５はロボット３の他、メイン電源６、パイロット電源７によるトーチ１への電力供給のＯＮ／ＯＦＦや、ガスボンベ８、９からトーチ１へ供給されるガスの流量の制御など、溶接装置全体を統括する機能を有する。

〈トーチ１の側面の説明〉
図２はトーチ１の側面図であり、図３は図２の白抜き矢印方向から見たトーチ１の上面図である。図２および図３において同じ部位には同一の符号を付している。
１ａはタングステン電極、１ｂはノズルである。ノズル１ｂは銅合金からなる。１ｃ、１ｄはエア供給口で、各々エアコンプレッサー１０と接続され、エアコンプレッサー１０からの圧縮空気をトーチ１内に供給する。この圧縮空気がトーチ１内の電極の上下移動に利用される。
１ｆ、１ｈはそれぞれガスボンベ８、９から供給されるシールドガスの供給口で、トーチ１内にシールドガスを供給する。シールドガスはトーチ１内を通ってトーチ１の先端部から排出される。
１ｅ、１ｇはそれぞれトーチ１内に循環させる冷却水の排出口、供給口である。

〈トーチ１の先端部の説明〉
図４は、トーチ１の先端部の側断面を模式化した図である。
タングステン電極１ａは電極支持部材１２の先端の電極把持部１３によって把持されており、電極把持部１３はノズル１ｂと同様、銅合金により構成されている。
図４の状態では、タングステン電極１ａおよび電極把持部１３とノズル１ｂとの間には空間が設けられており、この空間には２つのガスボンベのうち一方から供給されたシールドガス（符号Ｇ１で示される黒矢印）が図の上方から下方へ向けて流れるようになっている。以後はこのシールドガスをセンターガスと呼ぶ。
タングステン電極１ａを把持している電極把持部１３と、電極把持部１３を取り囲むように設けられたノズル１ｂとの間にはパイロット電源７により電圧が付加される。

〈センターガスＧ１とシールドガスＧ２〉
ノズル１ｂの外周囲とトーチの外壁との間にはさらに空間が設けられており、センターガスＧ１を供給するガスボンベと異なる、もう一方のガスボンベから供給されたシールドガス（符号Ｇ２で示される白抜き矢印）が図の上方から下方へ向けて流れる。以後はこちらの方のガスを単にシールドガスと呼ぶ。
電極把持部１３とワーク２との間には、メイン電源６によって溶接電力が供給される。

〈電極部の上下移動〉
前述のように、タングステン電極１a、電極支持部材１２、電極把持部１３は一体となってエアコンプレッサー１０からの圧縮空気によってトーチ内を上下方向に移動することができるよう構成されている。図示は省略するが、本実施例では上下移動機構として一般的なエアシリンダーを適用している。以後はタングステン電極１a、電極支持部材１２、電極把持部１３をまとめて単に電極部と呼ぶ。
エア供給口１ｃにエアが供給されると電極部は押し出され、電極把持部１３がノズル１ｂの内壁に接触するまで下方に移動する。エア供給口１ｄにエアが供給されると電極部が上方に引き込まれて元の位置に戻る。図４は電極部が上方に引き込まれた状態を示している。
〈電極部の構成〉
図５および図６は電極部の模式図である。
図５は電極部を斜め下方向から見た斜視図で、図６は図５の白抜き矢印の方向から電極部を見た正面図である。電極把持部１３には複数の突起１３ａが設けられており、電極部が下方に移動する際には突起１３ａがノズル１ｂと接触して止まる。本実施例においては各突起の高さ（図５において下方向への張り出し）は０．５ｍｍ程度、長さ（図６において電極部の中心軸から放射状に伸びる方向）は１ｍｍ程度である。図５、図６ではこのような突起１３ａが３箇所、正面から見て各々１２０°間隔で設けられているが、突起１３ａの数、配置はこれに限定されるものではない。
ただし突起１３ａとノズル１ｂとの接触面積が大きくなりすぎると後述するパイロットアークの発生に伴う酸化皮膜の付着量も多くなってしまうので、接触面積については必要最低限に留めるのが望ましい。

〈アークスタートから溶接に至るまでの手順〉
続いて図７〜図１２を用いて本実施例における非消耗電極式アーク溶接装置でのアークスタートから溶接に至るまでの手順を説明する。
図７はアークスタートから溶接終了に至るまでの電極部の上下移動、センターガス、シールドガスの流量、パイロット電源による電流、メイン電源による電流の変化を示すタイミングチャートであり、図８〜図１２は同時期におけるトーチ先端部の様子を模式的に示す側断面図である。

《手順１：トーチ１をワーク２へアプローチ》
まずコントローラ５からの指令によってロボット３を動作させ、トーチ１をワーク２へとアプローチさせ図８のような適切な位置へ移動させる。この時点では電極部は上下移動機構により下方へ押し出された状態となっている。
トーチを適切な位置へ移動させたら、コントローラ５はセンターガスおよびシールドガスをトーチ１内へ供給するよう指令を出力する。この際のガスの流量はトーチ内部のガス経路の形状に依存するが、センターガスＧ１の流量は５〜２０Ｌ／分程度、シールドガスＧ２の流量は５〜１０Ｌ／分程度である。また接触している電極把持部１３とノズル１ｂとの間にパイロット電源７により電圧を印加して電流を電極把持部１３とノズル１ｂとの間に導通させる。パイロット電源７による電流値はノズルの形状などに依存するが３〜１５Ａ程度である。図７のｔ１がこの状態にあたる。
図８では電極把持部１３の突起１３ａとノズル１ｂとの接触によってセンターガスＧ１の経路が遮断されているように見えるが、突起１３ａは図５、図６にて示したような形状であるので、突起１３ａがノズル１ｂと接触した状態であっても電極把持部１３とノズル１ｂの間には隙間ができる。センターガスＧ１はこの隙間を通ってタングステン電極１ａの周囲から流出するようになっている。

《手順２：電極部を上方へ引き上げてパイロットアークの発生》
コントローラ５は続いてエアコンプレッサー１０に指令を出力し、上下移動機構により図９に示すように電極部を上方へ引込む。図７のｔ２がこの状態にあたる。この際の電極部の移動量はトーチ内の構造に依存するが、０．３〜２．０ｍｍ程度である。
パイロット電源７により電極把持部１３とノズル１ｂとの間に電流が流れている状態から、電極部が上方へ移動することにより接触していた突起１３ａとノズル１ｂとが離れるが、突起１３ａが上に移動してノズル１ｂとの短絡が開放されると、複数存在する突起１３ａの少なくとも１つから図９に示すようなアーク１４が発生する。以後はこのアーク１４をパイロットアークと呼ぶ。なお、図ではパイロットアークの存在を分かりやすくするために模式的に描いている。
前述のように突起１３ａの形状について、ノズル１ｂとの接触面積を必要最低限に抑えるようにすることにより、パイロットアークが発生しやすくなっている。さらにパイロット電源７は突起１３ａとノズル１ｂとの短絡が開放されるのを検出した後５〜１０ｍｓｅｃの間、通常の電流値に１０〜２０Ａの電流を重畳する。これにより確実にパイロットアークが発生するようになっている。
《パイロットアーク発生の確認法》
パイロット電源７には電流、電圧のフィードバック機能があり、図９のパイロットアークの発生をコントローラ５で確認することは容易である。パイロット電源７が検出した電流値、電圧値が所定の条件（例えば電流が３Ａ以上流れた状態で、電圧が１５Ｖ以上）を満たしたか否かによりパイロットアーク発生を判断できる。
《パイロットアークの長所》
本実施例ではパイロットアーク発生に用いるのは直流電源であるパイロット電源７のみであり、高周波電源を用いないため周囲に高周波ノイズを発して周辺の機器が誤動作を起こすということがない。
また、電極把持部１３の突起１３ａとノズル１ｂの離反によってパイロットアークを発生させ、パイロットアークを発生させる際にタングステン電極１ａの先端部とノズル１ｂとを接触させることがないので電極先端の消耗を抑止することができる。
さらに、タングステン電極１ａの先端部とノズル１ｂとの間でパイロットアークを発生させないためタングステン電極１ａの先端部にはパイロットアーク発生による酸化皮膜が生成されることがなく、酸化皮膜に起因するタングステン電極１ａとワーク２との間のメインアークのスタート特性悪化を抑制することができる。

《手順３：パイロットアークの移動》
電極部が上方へ移動するとパイロットアーク１４はセンターガスＧ１に押されて図１０に示すようにタングステン電極１ａの先端部分に移動する。
パイロットアーク１４は、タングステン電極１ａの先端部分まで移動すると行き場が無くなり、この位置に留まる。この状態でセンターガスＧ１によってアーク切れをおこさないよう、パイロット電源７は電極部とノズル１ｂとの間に十分な電圧を印加してパイロットアーク１４を維持できるようになっている（具体的には３０Ｖ以上程度である）。
なお、コントローラ５に接続された光センサ１１をタングステン電極１ａの先端部に向けて配置しておくことで、図９でトーチ内部に発生したパイロットアーク１４が図１０のようにタングステン電極１ａの先端部まで移動したか否かを判定することができる。アーク光は非常に強い光であり、３〜１５Ａ程度の弱い電流であっても大きな光量となるので、光センサ１１によって容易にパイロットアーク１４の移動を判別することが可能である。

《手順４：メインアークの発生》
図１０のようにタングステン電極１ａの先端部にパイロットアーク１４が位置する状態となると、パイロットアーク１４によりタングステン電極１ａ先端近傍の気体が電離される。さらに、タングステン電極１ａとワーク２との間にはメイン電源６によって電圧が印加されているので、図１１のように容易にタングステン電極１ａとワーク２との間にメインアーク１５が発生して電流が流れる。図７のｔ３がこの状態にあたる。
このように、溶接を行うのに先立ってパイロット電源７によって発生させたパイロットアーク１４をタングステン電極１ａ先端部に持続させておくことにより、メイン電源６によるメインアーク１５の発生を極めて短時間にスムーズに行うことができる。
実際の溶接電流値は溶接条件によって変化するが、メイン電源６は１０〜５００Ａ程度までの電流を流すことができる。

《手順５：メインアーク発生後のセンターガスＧ１の流量抑制》
メインアーク１５が発生するまでは、パイロットアーク１４をタングステン電極１ａの先端まで移動させるためセンターガスＧ１の流量を大きく設定しているが、パイロットアーク１４がタングステン電極１ａの先端に移動しメインアーク１５が発生した後は、センターガスＧ１の流量を０．２〜２Ｌ／分程度の溶接に適した値に抑制する（図７のｔ４）。図１２においてセンターガスＧ１を示す黒矢印が細くなっているのは、この流量の変化を表している。
さらにパイロット電源７を遮断する（図７のｔ５）。
《手順６：メインアークによる溶接》
以後はメインアーク１５によってワーク２に対する溶接を行う。この状態を図１２に示す。

《手順７：溶接終了後》
また溶接終了時には、まずメイン電源６を遮断（図７のｔ６）し、センターガスＧ１、シールドガスＧ２を止めた（図７のｔ７）後、次回の溶接に備えて上下移動機構により電極部を押し下げる（図７のｔ８）。
《酸化皮膜の除去》
電極部が上下移動機構によって押し下げられる際には、大きな力で電極把持部１３の突起１３ａをノズル１ｂへと押し付け、パイロットアーク１４によって両者の表面に生じた酸化皮膜を削り取る。この押し付けの際の力は具体的には７５Ｎ程度である。この押し付け動作で酸化皮膜を取り除くことにより次回のパイロットアーク発生をスムーズに行うことができる。
突起１３ａはノズル１ｂとの接触面積を必要最低限に抑えているため、酸化皮膜の付着量が抑えられており、１回の押し付け動作によって酸化皮膜を十分に除去することができる。

〈パイロットアークの発生タイミング１と２〉
なお本実施例ではメイン電源６によって予め電極把持部１３とワーク２との間に溶接電力を供給した状態でトーチ１をワーク２へアプローチさせ、アプローチ完了後にパイロットアークを発生させていたが、トーチ１がワーク２へアプローチしている最中にパイロットアークを発生させてタングステン電極１ａの先端部に維持させ、ワーク２へのアプローチが完了してからメイン電源によりタングステン電極１ａとワーク２との間にメインアークを発生させるようにしてもよい。
この手順によればトーチの移動中にメインアーク発生の準備が完了するため、溶接作業全体に要する時間およびメイン電源が起動している時間を短縮でき、作業効率を向上できる。
また本実施例ではセンターガスＧ１、シールドガスＧ２ともに、純アルゴンガスを使用したが、溶接品質の要求により、アルゴンガスにヘリウム、水素、酸素等を混合する場合もある。

実施例１ではＴＩＧ溶接装置を例にとり説明を行ったが、本実施例では図１３〜図１８を用いてプラズマ溶接装置でのアークスタートから溶接に至るまでの手順を説明する。
〈プラズマ溶接のトーチ先端部の側断面の説明〉
図１３にプラズマ溶接でのトーチ先端部の側断面図の模式図を示す。
図１３では、図４と同じ部位には同一の符号を付している。図１４〜１８についても同様である。
プラズマ溶接の場合は、アークを絞り込むためにノズル１ｂ´の形状がタングステン電極１ａの先端を取り囲みタングステン電極１ａがトーチ先端から露出しないような形状となっている。タングステン電極１ａから発生したメインアークは、ノズル１ｂ´先端の開口部を通過する際に冷却されて収縮し、絞り込まれる。
このようにプラズマ溶接の場合は、ＴＩＧ溶接の場合とはノズルの形状や、タングステン電極１ａ先端とノズルとの位置関係が異なっているが、電極部はＴＩＧ溶接の場合と同じであり、パイロット電源７によって突起１３ａとノズル１ｂ´との間にパイロットアークを発生させた後、パイロットアークをタングステン電極１ａの先端部に移動させ、メイン電源６によるメインアークに移行するという一連の手順もＴＩＧ溶接の場合と同様である。

図１４はＴＩＧ溶接の場合の図８に相当し、トーチ１をワーク２へとアプローチさせ適切な位置へ移動させた状態を示している。図１４では電極把持部１３の突起１３ａとノズル１ｂ´との接触によってセンターガスＧ１の経路が遮断されているように見えるが、ＴＩＧ溶接の場合と同様、突起１３ａは図５、図６にて示したような形状であるので、突起１３ａがノズル１ｂ´と接触した状態であっても電極把持部１３とノズル１ｂ´の間には隙間ができる。センターガスＧ１はこの隙間を通ってタングステン電極１ａの周囲から流出するようになっている。またパイロット電源７によって電極把持部１３とノズル１ｂ´との間には電圧が印加されている。図７のｔ１での状態と同様である。

図１５はＴＩＧ溶接の場合の図９に相当する。
上下移動機構により電極部が上方へ引き込まれ、ＴＩＧ溶接の場合と同様にして複数存在する突起１３ａの少なくとも１つからパイロットアーク１４が発生した状態を示している。図７のｔ２での状態と同様である。なお、図ではパイロットアークの存在を分かりやすくするために模式的に描いている。
前述のように突起１３ａの形状について、ノズル１ｂ´との接触面積を必要最低限に抑えるようにすることにより、パイロットアークが発生しやすくなっている。さらにパイロット電源７は突起１３ａとノズル１ｂ´との短絡が開放されるのを検出した後５〜１０ｍｓｅｃの間、通常の電流値に１０〜２０Ａの電流を重畳する。これにより確実にパイロットアークが発生するようになっている。
図１６はＴＩＧ溶接の場合の図１０に相当し、パイロットアーク１４がセンターガスＧ１によってタングステン電極１ａの先端部に移動した状態を示している。
この際、ＴＩＧ溶接の場合と同様、コントローラ５に接続された光センサ１１をタングステン電極１ａの先端部に向けて配置しておくことで、図１５でトーチ内部に発生したパイロットアーク１４が図１６のようにタングステン電極１ａの先端部まで移動したか否かを判定することができる。プラズマ溶接の場合、パイロットアーク１４はノズル１ｂ´の外部に露出することはないが、アーク光は非常に強い光であるため光センサ１１によってパイロットアーク１４の移動を判別することが可能である。
図１７はＴＩＧ溶接の場合の図１１に相当し、メインアーク１５が発生した状態を示している。図７のｔ３での状態と同様である。
プラズマ溶接の場合においても、溶接を行うのに先立ってパイロット電源７によって発生させたパイロットアーク１４をタングステン電極１ａ先端部に持続させておくことにより、メイン電源６によるメインアーク１５の発生を極めて短時間にスムーズに行うことができるという点はＴＩＧ溶接の場合と同様である。
また本実施例においてもＴＩＧ溶接の場合と同様に、パイロットアーク発生に用いるのは直流電源であるパイロット電源７のみであり、高周波電源を用いないため周囲に高周波ノイズを発して周辺の機器が誤動作を起こすということがない。また電極把持部１３とノズル１ｂの離反によりパイロットアークを発生させるのでパイロットアークを発生させる際にタングステン電極１ａの先端部とノズル１ｂ´とが接触することがないので電極先端の消耗を抑止することができる。
さらにタングステン電極１ａの先端部とノズル１ｂ´との間でパイロットアークを発生させないためタングステン電極１ａの先端部にはパイロットアーク発生による酸化皮膜が生成されることがなく、酸化皮膜に起因するタングステン電極１ａとワーク２との間のメインアークのスタート特性悪化を抑制することができる点もＴＩＧ溶接の場合と同様である。

メインアーク１５が発生するまでは、パイロットアーク１４をタングステン電極１ａの先端まで移動させるためセンターガスＧ１の流量を大きく設定しているが、パイロットアーク１４がタングステン電極１ａの先端に移動しメインアーク１５が発生した後は、センターガスＧ１の流量を０．２〜２Ｌ／分程度の溶接に適した値に抑制する（図７のｔ４）。図１８においてセンターガスＧ１を示す黒矢印が細くなっているのは、この流量の変化を表している。
さらにパイロット電源７を遮断する（図７のｔ５）。
以後はメインアーク１５によってワーク２に対する溶接を行う。この状態を図１８に示す。

溶接終了時にもＴＩＧ溶接の場合と同様、まずメイン電源６を遮断（図７のｔ６）し、センターガスＧ１、シールドガスＧ２を止めた（図７のｔ７）後、次回の溶接に備えて上下移動機構により電極部を押し下げる（図７のｔ８）。
電極部が上下移動機構によって押し下げられる際には、大きな力で電極把持部１３をノズル１ｂ´へと押し付け、パイロットアーク１４によって両者の表面に生じた酸化皮膜を削り取る。この押し付けの際の力は具体的には７５Ｎ程度である。この押し付け動作で絶縁皮膜を取り除くことにより次回のパイロットアーク発生をスムーズに行うことができる。
突起１３ａはノズル１ｂ´との接触面積を必要最低限に抑えているため、酸化皮膜の付着量が抑えられており、１回の押し付け動作によって酸化皮膜を十分に除去することができる。

本出願は、２００９年１１月４日出願の日本特許出願（特願２００９−２５３１２５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１ トーチ
１ａ タングステン電極
１ｂ、１ｂ´ ノズル
１ｃ 電極押し出し用エア供給口
１ｄ 電極引き込み用エア供給口
１ｅ 冷却水排出口
１ｆ シールドガス（Ｇ２）供給口
１ｇ 冷却水供給口
１ｈ センターガス（Ｇ１）供給口
２ ワーク
３ ロボット
４ 取り付け治具
５ コントローラ
６ メイン電源
７ パイロット電源
８、９ ガスボンベ
１０ エアコンプレッサー
１１ 光センサ
１２ 電極支持部材
１３ 電極把持部
１３ａ 突起
１４ パイロットアーク
１５ メインアーク
Ｇ１ センターガス
Ｇ２ シールドガス

Claims (9)

1. 電極部と前記電極部の外周に前記電極部と間隙をあけて配置されたノズルとを備えたトーチと、
   前記電極部と前記ノズルとの前記間隙を流れるシールドガスを前記トーチに供給するガス供給手段と、
   前記電極部と前記ノズルとの間に電圧を印加しパイロットアークを発生させる第１の電源と、
   前記電極とワークとの間に電圧を印加しメインアークを発生させる第２の電源と、
   前記第１の電源および前記第２の電源を制御する制御部とを備えた非消耗電極式アーク溶接装置において、
   前記電極部は電極と前記電極の根本部を把持する電極把持部とを備え、
   前記電極把持部はそのノズル側に前記ノズルに向かって突き出した突起を備え、
   前記トーチは、前記電極部を前記トーチ内で長軸方向に移動させて前記突起と前記ノズルとを接触および離間させる移動機構を備えたことを特徴とする非消耗電極式アーク溶接装置。
2. 前記移動機構により前記突起と前記ノズルとを接触させた際に、前記突起により確保される前記電極把持部と前記ノズルとの前記間隙にシールドガスを流通させることを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
3. 前記移動機構により前記突起と前記ノズルとを接触させた後に離間させることによって前記突起と前記ノズルとの間に前記第１の電源による前記パイロットアークを発生させることを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
4. 前記パイロットアークを前記シールドガスによって前記電極の先端部へ移動させ、前記第２の電源によって前記パイロットアークを前記電極とワークとの間のメインアークへと移行させることを特徴とする請求項３記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
5. 前記移動機構はエアシリンダーであることを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
6. 前記電極把持部およびノズルは、銅合金からなることを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
7. 前記トーチを先端に取り付けた多関節ロボットと、前記ロボットを制御するロボット制御装置とを備え、前記ロボット制御装置が前記制御部として前記第１の電源および前記第２の電源を制御することを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
8. 前記ノズルの先端部から前記電極の先端部を露出させＴＩＧアーク溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。
9. 前記ノズルによって前記電極全体を覆い、プラズマアーク溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式アーク溶接装置。

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