(57)【要約】【課題】プラズマキーホール溶接のキーホールが貫通したことを判別することができるプラズマ溶接用電源を提供する。【解決手段】プラズマ電極１と被溶接物４との間のプラズマアーク電圧Ｖｐを検出するプラズマアーク電圧検出器ＶＤと、このプラズマアーク電圧検出器ＶＤの検出電圧Ｖｄを入力して、この検出電圧Ｖｄが予め定めた基準値以上になったときに、キーホールが貫通したと判別するキーホール貫通判別手段とを備えたプラズマ溶接用電源である。カットオフ周波数が０．８Ｈｚ〜１．６Ｈｚの範囲で設定されて、プラズマアーク電圧検出器ＶＤの検出電圧Ｖｄを入力して高周波成分を除去するローパスフィルタＶＦを備えている。このローパスフィルタＶＦの出力電圧が予め定めた基準値以上になったときに、キーホールが貫通したと判別する。この結果、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマキーホール溶接のスタート時に、プラズマ電極と被溶接物との間のプラズマアーク電圧を検出するプラズマアーク電圧検出器と、
前記プラズマアーク電圧検出器の検出電圧を入力して、この検出電圧が予め定めた基準値以上になったときに、キーホールが貫通したと判別するキーホール貫通判別手段と、
を備えたプラズマ溶接用電源において、
前記キーホール貫通判別手段が、前記プラズマアーク電圧検出器の検出電圧を入力して高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、
このローパスフィルタのカットオフ周波数が０．８Ｈｚ〜１．６Ｈｚの範囲に設定され、
前記ローパスフィルタの出力電圧が予め定めた基準値以上になったときに、前記キーホールが貫通したと判別することを特徴とするプラズマ溶接用電源。
【請求項２】
請求項1記載のプラズマ溶接用電源と、
このプラズマ溶接用電源から電力が供給されてプラズマアークを発生させるプラズマトーチと、
前記キーホールが貫通したと判別されたときに前記プラズマ溶接用電源から出力されるキーホール貫通信号によって前記プラズマトーチの移動を開始するプラズマトーチ移動手段と、
を備えたことを特徴とするプラズマ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができるプラズマ溶接用電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接は、被溶接物がI形開先の突合せ継手を溶接するときに、タングステン電極を一般的に陰極として放電したときのプラズマアークを、水冷されたプラズマノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶融池の先端で被溶接物を貫通する円孔を形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶融も適切に行うことができる。
【０００３】
プラズマキーホール溶接をスタートさせるとき、高温プラズマ流が被溶接物を貫通するが、キーホールが貫通したときに、プラズマアーク電圧が上昇する。この上昇した電圧を検出して、プラズマトーチの移動を開始するスタート方法が従来、提案されている。この従来技術を以下に説明する。
【０００４】
図５は、従来技術のプラズマ溶接装置の構成を示す図である。同図において、プラズマ電極１と同心円上にプラズマアーク３を拘束するプラズマノズル２が設けられている。プラズマ電極１と被溶接物４との間にプラズマ溶接用電源５から電力が供給されて、プラズマノズル２内にプラズマガス供給源６からプラズマガス１３が供給されて、プラズマアーク３が発生する。高温のプラズマ流が溶接線上に溶融池の先端で被溶接物４を貫通してキーホール７を形成しながら移動し、裏面の溶融も行う。
【０００５】
電圧変動検出装置８は、キーホール７が貫通したときのプラズマアーク電圧の変動（例えば、１〜２Ｖ）を検出して、波形成型器９によって溶接制御シーケンサ１０に適した信号に成形する。溶接制御シーケンサ１０は、この成形された信号を入力して、トーチ走行装置１１へプラズマトーチ１２の走行を開始する信号を入力して、トーチ走行装置１１はプラズマトーチ１２の走行を開始する。（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平２−１８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来技術のプラズマ溶接用電源５は、プラズマ溶接用電源５から直流電圧が印加される場合において、キーホール７が貫通したときの電圧変化を検出してプラズマトーチ１２の走行を開始するものである。プラズマ溶接用電源の出力は直流電圧以外に、図６（Ａ）に示す直流パルス電圧、同図（Ｂ）に示す交流電圧、又は同図（Ｃ）に示す交流パルス電圧が使用される場合があり、これらの場合には、上記の従来技術を適用すると、定常波形が変動しているために、プラズマキーホール溶接のキーホールが貫通したことを判別することができない。
【０００８】
本発明は、プラズマキーホール溶接のキーホールが貫通したことを判別することができるプラズマ溶接用電源及びプラズマ溶接装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、
プラズマキーホール溶接のスタート時に、プラズマ電極と被溶接物との間のプラズマアーク電圧を検出するプラズマアーク電圧検出器と、
前記プラズマアーク電圧検出器の検出電圧を入力して、この検出電圧が予め定めた基準値以上になったときに、キーホールが貫通したと判別するキーホール貫通判別手段と、
を備えたプラズマ溶接用電源において、
前記キーホール貫通判別手段が、前記プラズマアーク電圧検出器の検出電圧を入力して高周波成分を除去するローパスフィルタを備え、
このローパスフィルタのカットオフ周波数が０．８Ｈｚ〜１．６Ｈｚの範囲に設定され、
前記ローパスフィルタの出力電圧が予め定めた基準値以上になったときに、前記キーホールが貫通したと判別することを特徴とするプラズマ溶接用電源である。
【００１０】
第２の発明は、
第１の発明に記載のプラズマ溶接用電源と、
このプラズマ溶接用電源から電力が供給されてプラズマアークを発生させるプラズマトーチと、
前記キーホールが貫通したと判別されたときに前記プラズマ溶接用電源から出力されるキーホール貫通信号によって前記プラズマトーチの移動を開始するプラズマトーチ移動手段と、
を備えたことを特徴とするプラズマ溶接装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のプラズマ溶接用電源及びプラズマ溶接装置は、直流電圧以外に、直流パルス電圧、交流電圧及び交流パルス電圧を出力する場合においてもプラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができ、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のプラズマ溶接装置の構成を示す図である。
【図２】本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳの電圧検出信号Ｖｄ、電圧絶対値信号Ｖａ及びローパス信号Ｖｆの時間経過を示す図である。
【図３】本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳのローパスフィルタＶＦのカットオフ周波数（横軸）とキーホール貫通の判定の状態（縦軸）との関係を示す図である。
【図４】本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳのローパス信号Ｖｆ、キーホール形成開始信号Ｃｍ1及びキーホール貫通信号Ｃｍ2の時間経過を示す図である。
【図５】従来技術のプラズマ溶接装置の構成を示す図である。
【図６】直流パルス電圧、交流電圧及び交流パルス電圧の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明のプラズマ溶接装置の構成を示す図である。同図において、プラズマ溶接用電源ＰＳ内の電源主回路ＰＭは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）を入力して、後述する誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御の電力制御を行い、プラズマキーホール溶接に適したプラズマアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電圧Ｖｐを出力する。プラズマトーチ２２は、プラズマ溶接用電源ＰＳから電力が供給され、また、図示を省略したプラズマガス供給源からプラズマガスが供給されて、プラズマトーチ２２内の電極と被溶接物４との間にプラズマアーク３を発生させる。電流検出器ＩＤは、プラズマアーク電流Ｉｐを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。電流絶対値回路ＩＡは、電流検出信号Ｉｄの絶対値を演算して電流絶対値信号Ｉａを出力する。電流設定器ＩＳはプラズマアーク電流を設定して電流設定信号Ｉｓを出力する。誤差増幅回路ＥＩは、電流設定信号Ｉｓと電流絶対値信号Ｉａとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅｉを出力する。従って、上記の電流設定信号Ｉｓに相当するプラズマアーク電流Ｉｐが通電される。
【００１４】
電圧検出回路ＶＤは、プラズマトーチ２２内のプラズマ電極と被溶接物４との間のプラズマアーク電圧Ｖｐを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧絶対値回路ＶＡは、例えばダイオード４個をブリッジ形に接続したブリッジ形全波整流回路であって、電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算して電圧絶対値信号Ｖａを出力する。ローパスフィルタＶＦは、電圧絶対値信号Ｖａを入力して高周波成分を除去して、ローパス信号Ｖｆを出力する。このローパスフィルタＶＦは、例えば抵抗Ｒ（Ω）とコンデンサＣ（Ｆ）からなるローパスフィルタであって、時定数τ＝Ｒ×Ｃ（秒）に基づき、カットオフ周波数Ｆｃ＝１／２πτ（Ｈｚ）で定まる。このカットオフ周波数については後述する。電圧微分回路ＢＶは、ローパス信号Ｖｆを微分して電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ1は、電圧微分信号Ｂｖを入力して、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂth1以下に達したときに、キーホールの形成が開始されたと判別して、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ1を出力する。
【００１５】
キーホール開始基準電圧信号設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ1とローパス信号Ｖｆとを入力して、キーホール形成開始信号Ｃｍ1を入力したときのローパス信号Ｖｆをキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとして設定して出力する。
【００１６】
比較回路ＣＭ2は、ローパス信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとを入力して、ローパス信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとの差が、プラズマ溶接用電源の出力波形やプラズマガスの種類等によって予め定められた基準値Ｂth2以上になったときに、キーホールが貫通したと判別して、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通信号Ｃｍ2を出力する。ロボット制御回路ＲＣは、キーホール貫通信号Ｃｍ2を入力して、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチ２２の移動が開始される。
【００１７】
次に、図２及び図３を参照してローパスフィルタＶＦのカットオフ周波数について説明する。図２は、本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳの電圧検出信号Ｖｄ、電圧絶対値信号Ｖａ及びローパス信号Ｖｆの時間経過を示す図である。また図３は、本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳのローパスフィルタＶＦのカットオフ周波数（横軸）とキーホール貫通の判定の状態（縦軸）との関係を示す図である。
【００１８】
図２（Ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形の電圧信号を示している。図２（Ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａは、図２（Ａ）に示した電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算した電圧信号である。図２（Ｃ）において、ローパス信号Ｖｆaは図３に示すＡの範囲のカットオフ周波数が０．８Ｈｚ未満であり、変動が極めて少ないために、キーホールが貫通する時刻の前後のわずかな電圧変化を読み取ることができない。ローパス信号Ｖｆcは図３に示すＣの範囲のカットオフ周波数が１．６Ｈｚ超過であり、溶接ノイズ等の影響を大きく受けるために変動が多く、わずかな変化を正確に判定することができず、誤判定を行うことがある。ローパス信号Ｖｆbは図３に示すＢの範囲のカットオフ周波数が０．８Ｈｚ〜１．６Ｈｚの範囲であり、溶接ノイズ等の影響が小さく、キーホールが貫通する時刻の前後のわずかな電圧変化を読み取ることができ、キーホール貫通の判定を正確に行うことができる。従って、ローパスフィルタＶＦのカットオフ周波数は、０．８Ｈｚ〜１．６Ｈｚの範囲が適切である。
【００１９】
以下、図４を参照して動作を説明する。同図（Ａ）は、本発明のプラズマ溶接用電源ＰＳのローパス信号Ｖｆの時間経過を示す図であり、同図（Ｂ）は、キーホール形成開始信号Ｃｍ1の時間経過を示す図であり、同図（Ｃ）は、キーホール貫通信号Ｃｍ2の時間経過を示す図である。
【００２０】
図４（Ａ）に示す時刻ｔ１において、プラズマアーク電流Ｉｐの通電が開始されると、電圧絶対値回路ＶＡによって、電圧検出信号Ｖｄの絶対値が演算されて電圧絶対値信号Ｖａが出力され、この電圧絶対値信号Ｖａは、ローパスフィルタＶＦによって高周波成分が除去されて、ローパス信号Ｖｆが出力される。そして、プラズマアーク３が被溶接物４の表面に溶融池を形成し、形成し始めはプラズマアーク３も不安定で電圧変動し易い。
【００２１】
このローパス信号Ｖｆが上昇して、時刻ｔ２になると、プラズマアーク３が安定し、その後、プラズマアーク３の電圧変動範囲は小さくなり、上昇率が小さくなる。そのとき比較回路ＣＭ1は、電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂth1以下に達したときに、プラズマアーク３が被溶接物４にキーホールを掘り始め、キーホールの形成が開始されたと判別して、図４（Ｂ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ1を出力する。キーホール開始基準電圧信号設定回路ＶＳは、このキーホール形成開始信号Ｃｍ1を入力したときのローパス信号Ｖｆをキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとして設定する。
【００２２】
そして、キーホールの形成が継続されて、時刻ｔ３になると、ローパス信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとの差が定めた基準値Ｂth2以上になったときに、キーホールが貫通したと判別されて、図４（Ｃ）に示すように、比較回路ＣＭ2からキーホール貫通信号Ｃｍ2が出力される。ロボット制御回路ＲＣは、このキーホール貫通信号Ｃｍ2が入力されて、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチ２２の移動が開始される。
【００２３】
この結果、本発明のプラズマ溶接用電源及びプラズマ溶接装置は、直流電圧以外に、直流パルス電圧、交流電圧及び交流パルス電圧を出力する場合においてもプラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができ、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができる。
【００２４】
発明者らは本発明のプラズマ溶接用電源を使用して、被溶接物がアルミニウムマグネシウム合金Ａ５０５２、交流パルスの逆極性プラズマアーク電流のベース電流をＩＢ 、期間をＴＢ 、パルス電流をＩＰ 、パルス幅をＴＰ 、正極性プラズマアーク電流をＩEN 、期間をＴEN としたときのＥＮ比率＝（ＩEN ×ＴEN ）／（ＩＰ ×ＴＰ ＋ＩEN ×ＴEN ）が７５％、プラズマアークの平均電圧が３０Ｖ、プラズマアークの平均電流が２５０Ａ、プラズマガスがアルゴン７０％とヘリウム３０％の混合ガス、キーホールが貫通したと判別されるときの基準値Ｂth2が５Ｖ、ローパスフィルタのカットオフ周波数が１．２８Ｈｚでプラズマキーホール溶接を行った。この結果、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができた。
【００２５】
なお、基準値Ｂth1〜2は、プラズマ溶接用電源の出力波形やプラズマガスの種類等によって異なるために、各溶接条件等に対応する基準値Ｂth1〜2を予めデータベースに保存しておき、使用する溶接条件等に対応して基準値Ｂth1〜2を設定しても良い。
【００２６】
また、上述した本発明のプラズマ溶接用電源において、出力が交流パルス電圧の場合について説明したが、本発明は、交流パルス電圧以外に、直流電圧、直流パルス電圧、交流電圧にも適用することができる。直流電圧の場合は、上述した電圧絶対値回路ＶＡは不要である。
【符号の説明】
【００２７】
１            プラズマ電極
２            プラズマノズル
３            プラズマアーク
４            被溶接物
５            プラズマ溶接用電源
６            プラズマガス供給源
７            キーホール
８            電圧変動検出装置
９            波形成型器
１０            溶接制御シーケンサ
１１            トーチ走行装置
１２            プラズマトーチ
１３            プラズマガス
２１            マニピュレータ
２２            プラズマトーチ
Ｂth1          基準値
Ｂth2          基準値
ＢＶ            電圧微分回路
Ｂｖ            電圧微分信号
Ｃ            コンデンサ
Ｃｍ1            キーホール形成開始信号
ＣＭ1            比較回路
Ｃｍ2            キーホール貫通信号
ＣＭ2            比較回路
ＥＩ            誤差増幅回路
Ｅｉ            誤差増幅信号
ＩＡ            電流絶対値回路
Ｉａ            電流絶対値信号
ＩＤ            電流検出器
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉｐ            プラズマアーク電流
ＩＳ            電流設定器
Ｉｓ            電流設定信号
ＰＭ            電源主回路
ＰＳ            プラズマ溶接用電源
Ｒ            抵抗
ＲＣ            ロボット制御回路
Ｓｔ            プラズマトーチ移動開始信号
ｔ１            時刻
ｔ２            時刻
ｔ３            時刻
ＶＡ            電圧絶対値回路
Ｖａ            電圧絶対値信号
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
ＶＦ            ローパスフィルタ
Ｖｆ            ローパス信号
Ｖｆa            ローパス信号
Ｖｆb            ローパス信号
Ｖｆc            ローパス信号
Ｖｐ            プラズマアーク電圧
Ｖｓ            キーホール開始基準電圧信号
ＶＳ            キーホール開始基準電圧信号設定回路
τ            時定数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010221239.tif 000006
【図５】
2010221239.tif 000007
【図６】
2010221239.tif 000008