(57)【要約】【課題】  プラズマノズルが溶融し始めたことを即座に検出することができるプラズマアーク溶接システムを提供すること。【解決手段】  非消耗電極１２１と非消耗電極１２１を囲むプラズマノズル１２２とを含むトーチ１２を用いてプラズマアーク溶接を行うプラズマアーク溶接システムＡ１であって、プラズマノズル１２２には、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間に発生するプラズマアークを拘束するノズル開口が形成され、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にプラズマ電圧Ｖｐを印加するプラズマ電源回路４１と、非消耗電極１２１および母材Ｗの間のプラズマ電圧Ｖｐを検出する電圧検出回路４６と、ノズル開口の変形を検出すると、変形検出信号Ｓｆを生成する変形検出回路４７と、を備え、変形検出回路４７は、電圧検出回路４６によって検出されたプラズマ電圧Ｖｐに基づき、ノズル開口の変形を検出する。このような構成によると、プラズマノズル１２２が溶融し始めたことを即座に検出することができる。【選択図】  図１
2014065046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非消耗電極と前記非消耗電極を囲むプラズマノズルとを含むトーチを用いてプラズマアーク溶接を行うプラズマアーク溶接システムであって、
前記プラズマノズルには、前記非消耗電極と母材との間に発生するプラズマアークを拘束するノズル開口が形成され、
前記非消耗電極および前記母材の間にプラズマ電圧を印加するプラズマ電源回路と、
前記非消耗電極および前記母材の間のプラズマ電圧を検出する電圧検出回路と、
前記ノズル開口の変形を検出すると、変形検出信号を生成する変形検出回路と、を備え、
前記変形検出回路は、前記電圧検出回路によって検出されたプラズマ電圧に基づき、前記ノズル開口の変形を検出する、プラズマアーク溶接システム。
【請求項２】
前記変形検出回路は、前記変形検出信号を前記プラズマ電源回路に送り、
前記プラズマ電源回路は、前記変形検出信号を受けると、前記非消耗電極および前記母材の間へのプラズマ電圧の印加を停止する、請求項１に記載のプラズマアーク溶接システム。
【請求項３】
前記プラズマアークが発生している間に定常溶接開始信号を生成する定常溶接開始判断回路を更に備え、
前記変形検出回路は、前記定常溶接開始信号が生成された後に前記ノズル開口が変形した場合に、前記変形検出信号を生成する、請求項１または請求項２に記載のプラズマアーク溶接システム。
【請求項４】
基準値を記憶する基準値記憶部を更に備え、
前記変形検出回路は、比較回路を含み、
前記比較回路は、前記比較回路への入力値を微分した値と前記基準値とを比較することにより、前記変形検出信号を生成する、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
【請求項５】
前記変形検出回路は、ハイパスフィルタを含み、前記ハイパスフィルタは、前記比較回路および前記電圧検出回路の間に電気的に介在している、請求項４に記載のプラズマアーク溶接システム。
【請求項６】
前記トーチを更に備える、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のプラズマアーク溶接システム。
【請求項７】
非消耗電極と前記非消耗電極を囲むプラズマノズルとを含むトーチを用いるプラズマアーク溶接方法であって、
前記プラズマノズルには、前記非消耗電極と母材との間に発生するプラズマアークを拘束するノズル開口が形成され、
前記非消耗電極および前記母材の間のプラズマ電圧を検出する工程と、
前記ノズル開口の変形を検出すると、変形検出信号を生成する工程と、を備え、
前記変形検出信号を生成する工程においては、前記プラズマ電圧を検出する工程において検出されたプラズマ電圧に基づき、前記ノズル開口の変形を検出する、プラズマアーク溶接方法。
【請求項８】
前記変形検出信号が生成されると、前記非消耗電極および前記母材の間へのプラズマ電圧の印加を停止する工程を更に備える、請求項７に記載のプラズマアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアーク溶接システムおよびプラズマアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマアーク溶接方法が知られている（特許文献１参照）。同文献に開示のプラズマアーク溶接方法にて用いるトーチ本体は、タングステン電極（非消耗電極）と、プラズマノズルと、を備える。プラズマノズルは、タングステン電極を囲んでいる。タングステン電極と母材との間にプラズマアークを発生させつつ、母材の溶接を行う。
【０００３】
プラズマアーク溶接を行う際、プラズマノズルにはメインアーク（プラズマアーク）にて発生した熱が伝わる。プラズマノズルに伝わった熱は冷媒たる水に伝わり、プラズマノズルが高温となることを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３００２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷媒たる水を循環させるためには冷媒循環装置を用いる。冷媒循環装置の周囲の気温が高い場合や冷媒循環装置の能力が低い場合、プラズマノズルを十分に冷却できない可能性がある。プラズマノズルを十分に冷却できないと、プラズマノズルが溶融してしまい、プラズマノズルが損傷するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、プラズマノズルが溶融し始めたことを即座に検出することができるプラズマアーク溶接システムを提供することをその主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面によると、非消耗電極と前記非消耗電極を囲むプラズマノズルとを含むトーチを用いてプラズマアーク溶接を行うプラズマアーク溶接システムであって、前記プラズマノズルには、前記非消耗電極と母材との間に発生するプラズマアークを拘束するノズル開口が形成され、前記非消耗電極および前記母材の間にプラズマ電圧を印加するプラズマ電源回路と、前記非消耗電極および前記母材の間のプラズマ電圧を検出する電圧検出回路と、前記ノズル開口の変形を検出すると、変形検出信号を生成する変形検出回路と、を備え、前記変形検出回路は、前記電圧検出回路によって検出されたプラズマ電圧に基づき、前記ノズル開口の変形を検出する、プラズマアーク溶接システムが提供される。
【０００８】
好ましくは、前記変形検出回路は、前記変形検出信号を前記プラズマ電源回路に送り、前記プラズマ電源回路は、前記変形検出信号を受けると、前記非消耗電極および前記母材の間へのプラズマ電圧の印加を停止する。
【０００９】
好ましくは、前記プラズマアークが発生している間に定常溶接開始信号を生成する定常溶接開始判断回路を更に備え、前記変形検出回路は、前記定常溶接開始信号が生成された後に前記ノズル開口が変形した場合に、前記変形検出信号を生成する。
【００１０】
好ましくは、基準値を記憶する基準値記憶部を更に備え、前記変形検出回路は、比較回路を含み、前記比較回路は、前記比較回路への入力値を微分した値と前記基準値とを比較することにより、前記変形検出信号を生成する。
【００１１】
好ましくは、前記変形検出回路は、ハイパスフィルタを含み、前記ハイパスフィルタは、前記比較回路および前記電圧検出回路の間に電気的に介在している。
【００１２】
好ましくは、前記トーチを更に備える。
【００１３】
本発明の第２の側面によると、非消耗電極と前記非消耗電極を囲むプラズマノズルとを含むトーチを用いるプラズマアーク溶接方法であって、前記プラズマノズルには、前記非消耗電極と母材との間に発生するプラズマアークを拘束するノズル開口が形成され、前記非消耗電極および前記母材の間のプラズマ電圧を検出する工程と、前記ノズル開口の変形を検出すると、変形検出信号を生成する工程と、を備え、前記変形検出信号を生成する工程においては、前記プラズマ電圧を検出する工程において検出されたプラズマ電圧に基づき、前記ノズル開口の変形を検出する、プラズマアーク溶接方法が提供される。
【００１４】
好ましくは、前記変形検出信号が生成されると、前記非消耗電極および前記母材の間へのプラズマ電圧の印加を停止する工程を更に備える。
【００１５】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムにおけるトーチを主に示す拡大断面図である。
【図３】図１のプラズマアーク溶接システムを用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。
【図４】（ａ）はプラズマアーク電圧および電圧検出信号Ｖｄ１の波形を示し、（ｂ）は電圧絶対値信号Ｖｄ２の波形を示し、（ｃ）は高周波成分信号Ｖｄ３の波形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１〜図４を用いて、本発明の第１実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマアーク溶接システムの構成を示すブロック図である。
【００２０】
同図に示すプラズマアーク溶接システムＡ１は、溶接ロボット１と、動作制御回路２と、パイロットアーク用電源３と、プラズマアーク用電源４と、冷媒循環装置６と、冷媒流路７と、プラズマガス供給装置８１と、シールドガス供給装置８２と、を備える。
【００２１】
溶接ロボット１は、母材Ｗに対してプラズマアーク溶接を自動で行うものである。溶接ロボット１は、マニピュレータ１１と、トーチ１２と、を含む。
【００２２】
マニピュレータ１１は、たとえば多関節ロボットである。トーチ１２は、マニピュレータ１１の駆動により、上下前後左右に自在に移動できる。図２によく表れているように、トーチ１２は、非消耗電極１２１と、プラズマノズル１２２と、シールドガスノズル１２３とを有する。
【００２３】
非消耗電極１２１は、たとえばタングステンからなる金属棒である。プラズマノズル１２２は筒状の部材である。プラズマノズル１２２は非消耗電極１２１を囲んでいる。プラズマノズル１２２はノズル開口１２２ａを有する。ノズル開口１２２ａは、非消耗電極１２１の先端の位置する側とは反対側に開放している。
【００２４】
プラズマノズル１２２内をプラズマガスＰＧが流れる。プラズマガスＰＧを媒体として、プラズマノズル１２２と非消耗電極１２１との間にパイロットアークＰａ１が発生する。パイロットアークＰａ１が発生している際、プラズマノズル１２２と非消耗電極１２１との間には、パイロット電流Ｉｐ１が流れる。
【００２５】
非消耗電極１２１と母材Ｗとの間には、プラズマアークＰａ２が発生する。プラズマアークＰａ２は、ノズル開口１２２ａに拘束される。プラズマアークＰａ２が発生している際、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間には、プラズマ電流Ｉｐ２が流れる。プラズマ電流Ｉｐ２は、母材Ｗの材質に応じて、直流もしくは交流いずれかが選択される。プラズマ電流Ｉｐ２は、直流のパルス電流である場合もあるし、交流のパルス電流である場合もある。プラズマアークＰａ２が発生している際、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間には、プラズマ電圧Ｖｐが印加される。
【００２６】
シールドガスノズル１２３は筒状の部材である。シールドガスノズル１２３はプラズマノズル１２２を囲んでいる。シールドガスノズル１２３とプラズマノズル１２２との間を、シールドガスＳＧが流れる。本実施形態とは異なり、トーチ１２は、シールドガスノズル１２３を含んでいなくてもよい。
【００２７】
動作制御回路２は、マイクロコンピュータおよびメモリ（ともに図示略）を有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。動作制御回路２はロボット移動速度Ｖｒを制御する。ロボット移動速度Ｖｒは、母材Ｗに沿った溶接進行方向Ｄｒにおける、母材Ｗに対する非消耗電極１２１の速度である。動作制御回路２は、上記作業プログラム、溶接ロボット１におけるエンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度Ｖｒ等に基づき、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。溶接ロボット１は動作制御信号Ｍｓを受け、マニピュレータ１１を駆動させ、トーチ１２が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。一方、動作制御回路２は定常溶接開始信号Ｓｓと変形検出信号Ｓｆとを受ける。
【００２８】
パイロットアーク用電源３は、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間にパイロット電流Ｉｐ１を流す。パイロットアーク用電源３は、パイロット電流Ｉｐ１の電流値を、設定された値となるように制御する。
【００２９】
プラズマアーク用電源４は、プラズマ電源回路４１と、電流検出回路４２１と、定常溶接開始判断回路４２２と、電圧検出回路４６と、変形検出回路４７と、基準値記憶部４８と、プラズマガス流量制御回路４９１と、シールドガス流量制御回路４９２と、を含む。
【００３０】
プラズマ電源回路４１は、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、インバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行う。これにより、プラズマ電源回路４１は、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にプラズマ電流Ｉｐ２を流す。プラズマ電源回路４１は、プラズマ電流Ｉｐ２の電流値を、設定された値となるように制御する。すなわち、プラズマ電源回路４１は定電流制御を行う。
【００３１】
プラズマ電源回路４１は、変形検出信号Ｓｆ（後述）を受ける。本実施形態では、プラズマ電源回路４１は、変形検出信号Ｓｆを受けると、非消耗電極１２１および母材Ｗの間のプラズマ電流Ｉｐ２の通電を停止する。
【００３２】
電流検出回路４２１は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間に流れるプラズマ電流Ｉｐ２の電流値を検出するためのものである。電流検出回路４２１は、プラズマ電流Ｉｐ２の電流値に対応する電流検出信号Ｉｄを送る。
【００３３】
定常溶接開始判断回路４２２は、定常溶接を開始すべきか否かを判断する。本実施形態においては、定常溶接開始判断回路４２２は、電流検出信号Ｉｄを受ける。そして、定常溶接開始判断回路４２２は、電流検出信号Ｉｄに基づき（すなわちプラズマ電流Ｉｐ２の電流値に基づき）、定常溶接を開始すべきか否かを判断する。本実施形態とは異なり、定常溶接開始判断回路４２２は、プラズマ電圧Ｖｐの印加がされたことに基づき、定常溶接を開始すべきか否かを判断してもよい。定常溶接開始判断回路４２２は、定常溶接を開始すべきと判断すると、定常溶接開始信号Ｓｓを生成する。定常溶接開始判断回路４２２は、生成した定常溶接開始信号Ｓｓを、動作制御回路２に送る。
【００３４】
電圧検出回路４６は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間のプラズマ電圧Ｖｐを検出するためのものである。電圧検出回路４６は、プラズマ電圧Ｖｐに対応する電圧検出信号Ｖｄ１を送る。
【００３５】
基準値記憶部４８は、基準値Ｖｔｈを記憶している。基準値Ｖｔｈは、基準値記憶部４８に予め記憶されていてもよいし、あるいは、プラズマアーク溶接システムＡ１の使用者が設定してもよい。
【００３６】
変形検出回路４７は、プラズマノズル１２２におけるノズル開口１２２ａの変形を検出するためのものである。変形検出回路４７は、ノズル開口１２２ａの変形を検出すると、変形検出信号Ｓｆを生成する。変形検出回路４７は、電圧検出回路４６によって検出されたプラズマ電圧Ｖｐに基づき、ノズル開口１２２ａの変形を検出する。本実施形態では、変形検出回路４７は、ノズル開口１２２ａの変形を検出するために、基準値記憶部４８に記憶された基準値Ｖｔｈを用いる。変形検出回路４７は、生成した変形検出信号Ｓｆをプラズマ電源回路４１に送る。
【００３７】
本実施形態では、変形検出回路４７は、絶対値回路４７１と、ハイパスフィルタ４７２と、比較回路４７３と、を含む。
【００３８】
絶対値回路４７１は、電圧検出回路４６から電圧検出信号Ｖｄ１を受ける。絶対値回路４７１は、電圧検出信号Ｖｄ１の絶対値を演算する。そして、絶対値回路４７１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖｄ２として送る。
【００３９】
ハイパスフィルタ４７２は、比較回路４７３および電圧検出回路４６の間に電気的に介在している。ハイパスフィルタ４７２は、絶対値回路４７１から電圧絶対値信号Ｖｄ２を受ける。ハイパスフィルタ４７２は、電圧絶対値信号Ｖｄ２の高周波成分のみを通過させる演算を行う。そして、ハイパスフィルタ４７２は、当該演算の結果を高周波成分信号Ｖｄ３として送る。
【００４０】
比較回路４７３は、ハイパスフィルタ４７２から高周波成分信号Ｖｄ３を受ける。比較回路４７３は、高周波成分信号Ｖｄ３と、基準値Ｖｔｈとを比較することにより、変形検出信号Ｓｆを生成する。本実施形態では、比較回路４７３は、比較回路４７３への入力値を微分した値と、基準値Ｖｔｈとを比較することにより、変形検出信号Ｓｆを生成する。本実施形態では、比較回路４７３は、高周波成分信号Ｖｄ３の傾きが、基準値Ｖｔｈを超えたときに、変形検出信号Ｓｆを生成する。具体的には後述する。そして、比較回路４７３は、生成した変形検出信号Ｓｆをプラズマ電源回路４１に送る。
【００４１】
プラズマガス流量制御回路４９１は、プラズマガスＰＧの流量を制御するためのものである。プラズマガス流量制御回路４９１は、プラズマガスＰＧの流量を指示するためのプラズマガス流量制御信号Ｓｐｇを送る。
【００４２】
シールドガス流量制御回路４９２は、シールドガスＳＧの流量を制御するためのものである。シールドガス流量制御回路４９２は、シールドガスＳＧの流量を指示するためのシールドガス流量制御信号Ｓｓｇを送る。
【００４３】
プラズマガス供給装置８１は、プラズマガスＰＧをプラズマノズル１２２の内部に供給するためのものである。プラズマガス供給装置８１は、プラズマガス流量制御回路４９１から受けたプラズマガス流量制御信号Ｓｐｇに基づき、プラズマガスＰＧを供給する。
【００４４】
シールドガス供給装置８２は、シールドガスＳＧをプラズマノズル１２２とシールドガスノズル１２３との間に供給するためのものである。シールドガス供給装置８２は、シールドガス流量制御回路４９２から受けたシールドガス流量制御信号Ｓｓｇに基づき、シールドガスＳＧを供給する。
【００４５】
冷媒循環装置６は、冷媒流路７内にて冷媒Ｒｆを循環させるためのものである。冷媒循環装置６は、たとえば、冷媒Ｒｆを流すためのポンプ（図示略）を含む。冷媒Ｒｆは、液体であり、たとえば水である。
【００４６】
冷媒流路７は、プラズマノズル１２２を冷却する冷媒Ｒｆを流すためのものである。プラズマアークＰａ２からプラズマノズル１２２に伝わった熱は、冷媒Ｒｆに伝わる。冷媒Ｒｆに伝わった熱は、主に、冷媒循環装置６にて冷媒Ｒｆの外部に放出される。冷媒流路７の一部は、パイプによって構成される。図２に示すように、本実施形態において、冷媒流路７の一部は、プラズマノズル１２２によって構成されている。
【００４７】
次に、図３を更に用いて、プラズマアーク溶接システムＡ１を用いたアーク溶接方法について説明する。
【００４８】
図３は、プラズマアーク溶接システムＡ１を用いたプラズマアーク溶接方法における各信号等のタイミングチャートである。同図では、（ａ）はパイロット電流Ｉｐ１の絶対値の平均値、（ｂ）はプラズマ電流Ｉｐ２の絶対値の平均値、（ｃ）は定常溶接開始信号Ｓｓ、（ｄ）はロボット移動速度Ｖｒ、（ｅ）はプラズマ電圧Ｖｐの絶対値の平均値、（ｆ）は変形検出信号Ｓｆ、（ｇ）はプラズマガスＰＧの流量のそれぞれの変化状態を示す。
【００４９】
時刻ｔ１１において、パイロットアーク用電源３にパイロットアーク電流通電開始信号（図示略）が送られることにより、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間に、パイロットアークＰａ１が発生する。これにより、同図（ａ）に示すように、パイロット電流Ｉｐ１の通電が開始する。時刻ｔ１１から流れるパイロット電流Ｉｐ１の電流値は、たとえば１〜２０Ａであり、好ましくは５〜２０Ａである。なお、パイロットアークＰａ１の発生（すなわちパイロット電流Ｉｐ１の通電の開始）は、非消耗電極１２１とプラズマノズル１２２との間に、高周波であり且つ非常に高い電圧を印加することにより行う。パイロットアークＰａ１を発生させるための当該電圧の周波数は、数ＭＨｚである。パイロットアークＰａ１を発生させるための当該電圧の電圧値は、数ｋＶである。また、同図（ｇ）に示すように、時刻ｔ１１において、プラズマガスＰＧが流れ始める。本実施形態とは異なり、時刻ｔ１１以前に、プラズマガスＰＧが流れ始めてもよい。
【００５０】
同図（ｅ）に示すように、時刻ｔ１２において、プラズマ電源回路４１は、非消耗電極１２１と母材Ｗとの間にプラズマ電圧Ｖｐを印加する。プラズマ電圧Ｖｐの絶対値の時間平均値（以下、プラズマ電圧Ｖｐの絶対値の時間平均値を、適宜、プラズマ電圧Ｖｐの電圧値と呼ぶ）は、たとえば、２０〜４０Ｖである。非消耗電極１２１の先端近傍の空間には、パイロットアークＰａ１によってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、パイロットアークＰａ１に誘発されて、プラズマアークＰａ２が非消耗電極１２１と母材Ｗとの間に発生する。これにより、同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ１２において、プラズマ電流Ｉｐ２の通電が開始する。プラズマ電流Ｉｐ２の絶対値の時間平均値は、たとえば、５〜７Ａである。
【００５１】
同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ１３において、定常溶接開始判断回路４２２は、プラズマ電流Ｉｐ２の通電が開始した後に、定常溶接を開始すべきと判断し、定常溶接開始信号Ｓｓを生成する。このように定常溶接開始判断回路４２２は、プラズマ電流Ｉｐ２が流れている間（プラズマアークＰａ２が発生している間）に定常溶接開始信号Ｓｓを生成する。定常溶接開始判断回路４２２は、生成した定常溶接開始信号Ｓｓを動作制御回路２に送る。
【００５２】
同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１３において、動作制御回路２は、定常溶接開始信号Ｓｓを受けると、ロボット移動速度Ｖｒを予め定められた速度とするための動作制御信号Ｍｓを溶接ロボット１に送る。これにより、時刻ｔ１３において、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動が開始する。すなわち、動作制御回路２は、定常溶接開始信号Ｓｓを受けると、溶接進行方向Ｄｒにおける、非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を開始させる。このようにして、時刻ｔ１３から定常溶接が開始する。
【００５３】
時刻ｔ１３以降の定常溶接の際、プラズマアークＰａ２の熱が母材Ｗに伝わることにより、母材Ｗの溶接が行われる。一方、プラズマアークＰａ２の熱の一部は、プラズマノズル１２２に伝わる。プラズマノズル１２２に伝わった熱は、冷媒流路７を流れる冷媒Ｒｆに伝わる。これにより、プラズマノズル１２２の温度の上昇が抑制されている。プラズマアーク溶接システムＡ１の周囲の気温が高い場合や、冷媒循環装置６の能力が低い場合には、プラズマノズル１２２を十分に冷却できず、プラズマノズル１２２の温度が上昇することがある。
【００５４】
同図下方に示すように、時刻ｔ１４において、プラズマノズル１２２の温度の上昇に起因して、プラズマノズル１２２が溶融し始める。これにより、プラズマノズル１２２のノズル開口１２２ａの形状が変形し始める。ノズル開口１２２ａの形状が変化すると、プラズマアークＰａ２の形状が変化し、プラズマ電圧Ｖｐが変化する。たとえば、ノズル開口１２２ａの開口面積が大きくなる場合、図３（ｅ）に示すように、プラズマアークＰａ２が太くなり、プラズマ電圧Ｖｐは減少する。本実施形態とは異なり、ノズル開口１２２ａの開口面積が小さくなる場合、プラズマアークＰａ２が細く絞られた形状になり、プラズマ電圧Ｖｐは増加する。時刻ｔ１５において、変形検出回路４７は、電圧検出回路４６によって検出されたプラズマ電圧Ｖｐの変化に基づき、ノズル開口１２２ａの変形を検出する。このようにして、変形検出回路４７は、ノズル開口１２２ａの変形を検出すると、同図（ｆ）に示すように、変形検出信号Ｓｆを生成する。変形検出回路４７は、生成した変形検出信号Ｓｆをプラズマ電源回路４１に送る。なお、時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５の期間は、たとえば、０．５〜１ｍｓｅｃであり、極めて短い。
【００５５】
変形検出回路４７がノズル開口１２２ａの変形を検出する具体的方法の一例を説明する。以下では、プラズマ電圧Ｖｐが交流且つパルス波形である場合について説明する。
【００５６】
図４（ａ）は、プラズマ電圧Ｖｐ（電圧検出信号Ｖｄ１）の波形を示す図である。図３（ｅ）においては、プラズマ電圧Ｖｐの絶対値の時間平均値を示しているが、プラズマ電圧Ｖｐが交流且つパルス波形である場合、プラズマ電圧Ｖｐは図４（ａ）に示すような交流パルス波形を示す。図４（ａ）における絶対値の時間平均値は、図３（ｅ）におけるプラズマ電圧Ｖｐの電圧値に一致する。図４における時間のスケールは、図３（ｅ）における時間のスケールに比べ極めて小さい。
【００５７】
図４（ａ）に示すように、プラズマ電圧Ｖｐは、同一の波形が周期Ｔｅで繰り返される。プラズマ電圧Ｖｐは、周期Ｔｅにおいて電極プラス極性電圧Ｖｅｐと電極マイナス極性電圧Ｖｅｎとを１回ずつとる。周期Ｔｅは、たとえば、１〜５ｍｓｅｃである。すなわち、プラズマ電圧Ｖｐの周波数は、たとえば、２００〜１０００Ｈｚである。プラズマ電圧Ｖｐが電極プラス極性電圧Ｖｅｐである場合、非消耗電極１２１が陽極、母材Ｗが陰極となっている。電極プラス極性電圧Ｖｅｐは、電極プラス極性期間Ｔｅｐの間、印加される。電極プラス極性期間Ｔｅｐは、たとえば、０．５〜２．５ｍｓｅｃである。電極プラス極性電圧Ｖｅｐの絶対値は、電圧値ｖｅｐである。電圧値ｖｅｐは、たとえば、２０〜４０Ｖである。一方、プラズマ電圧Ｖｐが電極マイナス極性電圧Ｖｅｎである場合、非消耗電極１２１が陰極、母材Ｗが陽極となっている。電極マイナス極性電圧Ｖｅｎは、電極マイナス極性期間Ｔｅｎの間、印加される。電極マイナス極性期間Ｔｅｎの長さは、たとえば、０．５〜２．５ｍｓｅｃである。電極マイナス極性電圧Ｖｅｎの絶対値は、電圧値ｖｅｎである。電圧値ｖｅｎは、たとえば、２０〜４０Ｖである。なお、電極プラス極性期間Ｔｅｐ：電極マイナス極性期間Ｔｅｎは、たとえば、１：１〜５である。
【００５８】
まず、図１に示した絶対値回路４７１は、電圧検出回路４６から電圧検出信号Ｖｄ１（図４（ａ）参照）を受けると、電圧検出信号Ｖｄ１の絶対値を演算する。そして、絶対値回路４７１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖｄ２（図４（ｂ）参照）としてハイパスフィルタ４７２に送る。
【００５９】
ハイパスフィルタ４７２は、電圧絶対値信号Ｖｄ２の高周波成分のみを通過させる演算を行う。そして、ハイパスフィルタ４７２は、当該演算の結果を高周波成分信号Ｖｄ３（図４（ｃ）参照）として比較回路４７３に送る。ハイパスフィルタ４７２の遮断周波数は、プラズマ電圧Ｖｐの周波数より大きいことが好ましく、たとえば、１〜５ｋＨｚである。これにより、電圧絶対値信号Ｖｄ２における成分（周期Ｔｅの成分）は、除去される。そして、時刻ｔ１４にて、プラズマノズル１２２のノズル開口１２２ａが変形し始め、高周波成分信号Ｖｄ３が急激に減少する。比較回路４７３は、高周波成分信号Ｖｄ３の傾きＶｄｅが基準値Ｖｔｈを超えた場合に、高周波成分信号Ｖｄ３が急激に減少し始めたことを検出し、ノズル開口１２２ａの変形（が開始したこと）を検出する。傾きＶｄｅは、たとえば、１０００Ｖ／ｓｅｃ以上である場合が多いと考えられる。そこで基準値Ｖｔｈは、たとえば、１０００〜５０００Ｖ／ｓｅｃとすることが好ましい。サンプリング周波数は、たとえば、５０μｓｅｃである。比較回路４７３は、ノズル開口１２２ａの変形（が開始したこと）を検出すると、変形検出信号Ｓｆを生成し、変形検出信号Ｓｆをプラズマ電源回路４１と動作制御回路２とに送る。
【００６０】
なお、図４では、プラズマ電圧Ｖｐが交流であり且つパルス波形である場合の例を示したが、プラズマ電圧Ｖｐは、交流でなく直流であってもよい。プラズマ電圧Ｖｐが直流の場合には、絶対値回路４７１を変形検出回路４７が備えていなくてもよい。プラズマ電圧Ｖｐの波形がパルス波形でなくてもよい。プラズマ電圧Ｖｐの波形がパルス波形でない場合には、変形検出回路４７は、ハイパスフィルタ４７２を備えていなくてもよい。
【００６１】
図３（ｅ）に示すように、時刻ｔ１５においてプラズマ電源回路４１は変形検出信号Ｓｆを受けると、非消耗電極１２１および母材Ｗの間のプラズマ電圧Ｖｐの印加を停止する。すなわち、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１５においてプラズマ電源回路４１は、変形検出信号Ｓｆを受けると、非消耗電極１２１および母材Ｗの間のプラズマ電流Ｉｐ２の通電を停止する。本実施形態では、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１５において動作制御回路２が変形検出信号Ｓｆを受けると、溶接進行方向Ｄｒにおける非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を停止させるための信号（ロボット移動速度Ｖｒを０とするための信号）を、溶接ロボット１に送る。これにより、ロボット移動速度Ｖｒが０となり、溶接進行方向Ｄｒにおける非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動が停止する。
【００６２】
時刻ｔ１５から、プラズマノズル１２２を冷媒Ｒｆによって冷却する。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１５〜時刻ｔ１６の間も、パイロット電流Ｉｐ１の通電を継続する。同様に、同図（ｇ）に示すように、時刻ｔ１５〜時刻ｔ１６の間も、プラズマガス流量制御信号Ｓｐｇを流し続ける。本実施形態とは異なり、時刻ｔ１５〜時刻ｔ１６の間、パイロット電流Ｉｐ１の通電を停止させてもよい。また、時刻ｔ１５〜時刻ｔ１６の間、プラズマガス流量制御信号Ｓｐｇを流さなくてもよい。
【００６３】
時刻ｔ１５からある程度（５分程度）の時間が経過した時刻ｔ１６において、定常溶接を再開する。具体的には、同図（ｅ）に示すように、時刻ｔ１６において、プラズマ電源回路４１は、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にプラズマ電圧Ｖｐの印加を開始する。これにより、同図（ｂ）に示すように、非消耗電極１２１および母材Ｗの間にプラズマ電流Ｉｐ２の通電が開始する。また、同図（ｄ）に示すように、時刻ｔ１６において、動作制御回路２は、溶接進行方向Ｄｒにおける非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を開始させるための信号を、溶接ロボット１に送る。これにより、溶接進行方向Ｄｒにおける非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動が再開する。
【００６４】
本実施形態とは異なり、時刻ｔ１５において溶接進行方向Ｄｒにおける非消耗電極１２１の母材Ｗに対する移動を停止させる必要は、必ずしもない。たとえば、プラズマ電圧Ｖｐおよびプラズマ電流Ｉｐ２が０となった時刻（時刻ｔ１５）の後に、溶接進行方向Ｄｒとは反対側にトーチ１２を移動させてから、定常溶接を開始してもよい。
【００６５】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００６６】
本出願の発明者は、プラズマノズル１２２が溶融する際、ノズル開口１２２ａが変形することを発見した。ノズル開口１２２ａが変形し始めると、プラズマ電圧Ｖｐが変動する。本実施形態においては、変形検出回路４７は、ノズル開口１２２ａの変形を検出すると、変形検出信号Ｓｆを生成する。また、変形検出回路４７は、電圧検出回路４６によって検出されたプラズマ電圧Ｖｐに基づき、ノズル開口１２２ａの変形を検出する。このような構成によると、プラズマノズル１２２が溶融し始めたことを即座に検出することができる。
【００６７】
本実施形態においては、変形検出回路４７は、変形検出信号Ｓｆをプラズマ電源回路４１に送る。プラズマ電源回路４１は、変形検出信号Ｓｆを受けると、非消耗電極１２１および母材Ｗの間へのプラズマ電圧Ｖｐの印加を停止する。非消耗電極１２１および母材Ｗの間のプラズマ電圧Ｖｐの印加が停止すると、プラズマアークＰａ２が消弧する。そのため、本実施形態によると、プラズマノズル１２２の過度の溶融を回避できる。
【００６８】
ノズル開口１２２ａの変形に起因するプラズマ電圧Ｖｐの変化は、急激に起こる。一方、母材Ｗの厚さの変化や母材Ｗに対するトーチ１２の離間位置の変動に起因するプラズマ電圧Ｖｐの変化は緩やかである。本実施形態においては、比較回路４７３は、比較回路４７３への入力値を微分した値と基準値Ｖｔｈとを比較することにより、変形検出信号Ｓｆを生成する。よって、比較回路４７３の入力値を微分した値と基準値Ｖｔｈとを比較することにより、比較回路４７３への入力値に、母材Ｗの厚さの変化や母材Ｗに対するトーチ１２の離間位置の変動に起因するプラズマ電圧Ｖｐによる値が含まれていたとしても、適切に、ノズル開口１２２ａの変形に起因するプラズマ電圧Ｖｐの変化を検出できる。したがって、プラズマノズル１２２が溶融し始めたことをより適切に検出することができる。
【００６９】
プラズマ電圧Ｖｐがパルス波形である場合であっても、プラズマ電圧Ｖｐにおける、パルス波形由来の成分を除去することができる。したがって、本実施形態によると、プラズマノズル１２２が溶融し始めたことに起因するプラズマ電圧Ｖｐの変化を、より的確に検出することができる。
【００７０】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００７１】
上述の説明では、パイロットアークを発生させて溶接を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。また、母材にキーホールを形成しつつ溶接を行うプラズマキーホール溶接方法にも本発明は有用である。
【００７２】
上述の説明では、変形検出回路が生成した変形検出信号をプラズマ電源回路に送り、プラズマ電源回路がプラズマ電流の通電を停止させる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、変形検出回路が生成した変形検出信号をプラズマ電源回路に送り、プラズマノズルの変形が開始すると即座に、プラズマ電流の電流値を減少させる構成を採用してもよい。プラズマ電流の電流値が減少すると、プラズマアークからプラズマノズルに伝わる熱が少なくなる。他には、変形検出回路が生成した変形検出信号をプラズマガス流量制御回路に送り、プラズマノズルの変形が開始すると即座に、プラズマガスの流量を増加させる構成を採用してもよい。プラズマガスの流量が増加すると、プラズマアークからプラズマノズルに伝わる熱が少なくなる。
【符号の説明】
【００７３】
１  溶接ロボット
１１  マニピュレータ
１２  トーチ
１２１  非消耗電極
１２２  プラズマノズル
１２２ａ  ノズル開口
１２３  シールドガスノズル
２  動作制御回路
３  パイロットアーク用電源
４  プラズマアーク用電源
４１  プラズマ電源回路
４２１  電流検出回路
４２２  定常溶接開始判断回路
４６  電圧検出回路
４７  変形検出回路
４７１  絶対値回路
４７２  ハイパスフィルタ
４７３  比較回路
４８  基準値記憶部
４９１  プラズマガス流量制御回路
４９２  シールドガス流量制御回路
６  冷媒循環装置
７  冷媒流路
８１  プラズマガス供給装置
８２  シールドガス供給装置
Ａ１  プラズマアーク溶接システム
Ｄｒ  溶接進行方向
Ｉｄ  電流検出信号
Ｉｐ１  パイロット電流
Ｉｐ２  プラズマ電流
Ｍｓ  動作制御信号
Ｐａ１  パイロットアーク
Ｐａ２  プラズマアーク
ＰＧ  プラズマガス
Ｒｆ  冷媒
Ｓｆ  変形検出信号
ＳＧ  シールドガス
Ｓｐｇ  プラズマガス流量制御信号
Ｓｓ  定常溶接開始信号
Ｓｓｇ  シールドガス流量制御信号
ｔ１１  時刻
ｔ１２  時刻
ｔ１３  時刻
ｔ１４  時刻
ｔ１５  時刻
ｔ１６  時刻
Ｔｅ  周期
Ｔｅｎ  電極マイナス極性期間
Ｔｅｐ  電極プラス極性期間
Ｖｄ１  電圧検出信号
Ｖｄ２  電圧絶対値信号
Ｖｄ３  高周波成分信号
Ｖｄｅ  傾き
ｖｅｎ  電圧値
Ｖｅｎ  電極マイナス極性電圧
ｖｅｐ  電圧値
Ｖｅｐ  電極プラス極性電圧
Ｖｐ  プラズマ電圧
Ｖｒ  ロボット移動速度
Ｖｔｈ  基準値
Ｗ  母材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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