(57)【要約】ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存することなくスパッタ量を低減させることができるプラズマ−ＭＩＧ溶接方法および溶接トーチを提供する。プラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、プラズマノズルおよびプラズマ電極を含むプラズマトーチ部と、ＭＩＧチップおよび溶接ワイヤ（１０）を含むＭＩＧトーチ（９）とが、互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置されてなるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置を用いた溶接方法であって、溶接ワイヤ（１０）の先端部分に対して局所的にプラズマアーク（２１）をオーバーラップさせて加熱し、溶接ワイヤ（１０）の溶融を促進させた状態で、消耗電極である溶接ワイヤ（１０）の先端（１１）とワーク（Ｗ）との間で短絡させることなくＭＩＧ溶接を行うことを特徴とする。
2013129151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマノズルおよびプラズマ電極を含むプラズマトーチ部と、ＭＩＧチップおよび溶接ワイヤを含むＭＩＧトーチとが、互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置されてなるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置を用いた溶接方法であって、
前記溶接ワイヤの先端部分に対して局所的にプラズマアークをオーバーラップさせて加熱し、前記溶接ワイヤの溶融を促進させた状態で、消耗電極である前記溶接ワイヤの先端と被溶接物との間で短絡させることなくＭＩＧ溶接を行うことを特徴とするプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項２】
前記ＭＩＧトーチに供給されるシールドガスのノズルの先端から前記溶接ワイヤが突き出た突き出し部分のうちの一部である先端部分を加熱することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項３】
前記溶接ワイヤの前記突き出し部分において、当該溶接ワイヤの径の３〜１０倍の長さの先端部分を加熱することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接ワイヤの溶融を促進させることで、当該溶接ワイヤの径の１〜２倍の径の溶滴を発生させるように加熱することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項５】
前記溶接ワイヤの溶融を促進させることで、当該溶接ワイヤの径の１〜２倍の径の溶滴を発生させるように加熱することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項６】
前記溶接ワイヤの溶融を促進させることで、当該溶接ワイヤの径の１〜２倍の径の溶滴を発生させるように加熱することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法で使用されるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置の溶接トーチであって、
プラズマノズルおよびプラズマ電極を含むプラズマトーチ部と、ＭＩＧチップおよび溶接ワイヤを含むＭＩＧトーチとが互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置され、
前記プラズマトーチ部と前記ＭＩＧトーチとは、
前記溶接ワイヤの先端部分に対して局所的にプラズマアークをオーバーラップさせることのできる位置に配設され、前記プラズマトーチ部の中心軸線と、前記ＭＩＧトーチの中心軸線とが鋭角で交差していることを特徴とする溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマにより消耗電極式溶接をアシストする技術に係り、特に、プラズマ−ＭＩＧ溶接方法および溶接トーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＩＧ溶接方法（metal inert gas welding）が知られている。従来の典型的なＭＩＧトーチは、図６に示すように、ＭＩＧチップ１０１と、このチップ内に挿通される溶接ワイヤ１０２と、シールドノズル１０３と、を備える。そして、例えば直流電源である図示しないＭＩＧ用溶接電源から給電用のＭＩＧチップ１０１を介して、消耗電極である溶接ワイヤ１０２に電力を供給してアーク（ＭＩＧアーク）１０４を発生させる。このとき、ＭＩＧチップ１０１とシールドノズル１０３との間には、アルゴン等のシールドガス１０５が供給される。図６に示すように、ＭＩＧチップ１０１と、シールドノズル１０３とは中心軸が一致し（同軸）、先端側がワークＷの表面に対向している。つまり、ＭＩＧチップ１０１は先端側が下を向き、溶接材料となる溶接ワイヤ１０２は溶融すると、先端から溶滴１０６がほぼ真下のワークＷの表面に落下し、ワークＷの表面には溶融池１０７が生成される。【０００３】
また、従来、プラズマ−ＭＩＧ溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。従来の典型的なプラズマ−ＭＩＧトーチは、図７に示すように、消耗電極である溶接ワイヤ２１０に給電するためのＭＩＧチップ２０１と、プラズマ電極２０２と、プラズマノズル２０３と、シールドノズル２０４と、を備える。ここで、中空電極であるプラズマ電極２０２は、水冷された導電性部材で構成され、ＭＩＧチップ２０１の外側に配設されている。プラズマノズル２０３はプラズマ電極２０２の外側に配設され、シールドノズル２０４はプラズマノズル２０３の外側に配設されている。ＭＩＧチップ２０１と、プラズマ電極２０２との間には、ＡｒやＡｒ＋ＣＯ2の混合ガスといったセンターガス２０５が供給され、プラズマ電極２０２とプラズマノズル２０３との間には、プラズマガス（動作ガス）２０６が供給され、プラズマノズル２０３とシールドノズル２０４との間には、ＡｒやＡｒ＋ＣＯ2の混合ガスといったシールドガス２０７が供給される。そして、例えば直流電源である図示しないＭＩＧ用溶接電源からＭＩＧチップ２０１を介して溶接ワイヤ２１０に電力を供給してＭＩＧアーク２０８を発生させる。また、図示しないプラズマ用溶接電源からプラズマ電極２０２に電力を供給して、プラズマアーク２０９を発生させる。【０００４】
図７に示すように、ＭＩＧチップ２０１および溶接ワイヤ２１０と、プラズマ電極２０２と、プラズマノズル２０３と、シールドノズル２０４とは中心軸が一致し（同軸）、先端側がワークＷの表面に対向している。つまり、ＭＩＧチップ２０１と、プラズマ電極２０２と、プラズマノズル２０３と、シールドノズル２０４とは先端側が下を向き、溶接材料となる溶接ワイヤ２１０は、溶融すると溶滴がほぼ真下のワークＷの表面に落下する。また、ＭＩＧチップ２０１とプラズマ電極２０２とが同軸であるため、図７に示すように、ＭＩＧチップ２０１を介して供給される溶接ワイヤ２１０およびＭＩＧアーク２０８を包みこむようにプラズマアーク２０９が生じている。また、同軸であるため、アーク反発が起こらないように、図示しないＭＩＧ用溶接電源の正極がＭＩＧチップ２０１に接続されると共に、図示しないプラズマ用溶接電源の正極がプラズマ電極２０２に接続される必要がある。なお、このとき各電源の負極はワークＷに接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２１０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、ＭＩＧでは、溶融したワイヤの周囲へのスパッタが発生する。このときのスパッタ量は、溶滴の移行モデルの種類によって異なっている。溶滴の移行モデルは、例えば溶接電流の大きさに応じて区別され、約３００Ａ以上の大電流域でのスプレー移行、約１５０Ａ以下の小電流域での短絡移行、その中間の中電流域でのグロビュール移行等が知られている。【０００７】
溶接電流の大きさの違いは、例えば溶接対象として想定しているワークの材質の違いや厚さの違いに対応付けられる。ここで、例えば、ワークの材質が同じで、厚さが違う場合を想定する。例えば、船舶、原子力、橋梁、建築物等に用いるワークとしては、例えば板厚がおよそ２０〜３０ｍｍのものが想定されている。これらを厚板領域のワークと呼ぶ。また、例えば、自動車等の車体に用いるワークとしては、例えば板厚がおよそ２ｍｍのもの、あるいは数枚重ねて４ｍｍ程度のものが想定されている。これらを薄板領域のワークと呼ぶ。【０００８】
薄板領域のワークのＭＩＧ溶接に際しては、およそ２００Ａ以下の電流域が想定されている。この電流域での溶滴の移行モデルは、一般に短絡移行である。溶滴の移行モデルが短絡移行であるときに、ＭＩＧ溶接電源の通電波形コントロールによって、例えば短絡する前後のタイミングを溶接電圧により検知して溶接電流を調整する制御を行うことでスパッタ量を低減する工夫等が提案され、行われてきた。しかしながら、ＭＩＧ溶接電源のコントロールによるスパッタ量の低減効果には、限界がある。【０００９】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存することなくスパッタ量を低減させることができるプラズマ−ＭＩＧ溶接方法および溶接トーチを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本願発明者らは、プラズマ−ＭＩＧ溶接において溶滴の移行モデルとスパッタ量との関係について種々検討を行った。その結果、ＭＩＧトーチとプラズマトーチ部とを離間させて別軸とした溶接トーチを用いて、ＭＩＧトーチにおいて給電された溶接ワイヤの溶融をプラズマでアシストして、溶接ワイヤをプラズマで加熱することにより、短絡移行させることなく溶接ワイヤの先端から溶滴を落下させることで、スパッタを低減できることを見出した。【００１１】
前記課題を解決するために、本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、プラズマノズルおよびプラズマ電極を含むプラズマトーチ部と、ＭＩＧチップおよび溶接ワイヤを含むＭＩＧトーチとが、互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置されてなるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置を用いた溶接方法であって、前記溶接ワイヤの先端部分に対して局所的にプラズマアークをオーバーラップさせて加熱し、前記溶接ワイヤの溶融を促進させた状態で、消耗電極である前記溶接ワイヤの先端と被溶接物との間で短絡させることなくＭＩＧ溶接を行うことを特徴とする。【００１２】
このようにすることで、ＭＩＧトーチにおいてＭＩＧチップを挿通する溶接ワイヤの溶融がプラズマにより促進されて、溶接ワイヤが溶融して発生する溶滴が空中散布され、短絡が生じることなない。このため、溶滴の移行モデルが短絡移行となるような低いＭＩＧ溶接電流が実際には供給されたとしても、溶接ワイヤの先端部分に関しては、溶滴の移行モデルがドロップ移行となるような大きさのＭＩＧ溶接電流があたかも供給されたかのような効果を奏する。そのため、ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存することなく、スパッタ量を低減させることができる。【００１３】
また、本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、前記ＭＩＧトーチに供給されるシールドガスのノズルの先端から前記溶接ワイヤが突き出た突き出し部分のうちの一部である先端部分を加熱することが好ましい。【００１４】
このようにすることで、溶接ワイヤが突き出た突き出し部分を全体的に加熱することはないので、加熱する部分を適宜変更することで、溶接ワイヤが溶融して発生する溶滴のサイズを所望サイズにすることができる。したがって、溶接ワイヤの突き出し部分のうちの加熱する部分の長さを管理することで、溶滴の移行を安定させることができる。【００１５】
また、本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、前記溶接ワイヤの前記突き出し部分において、当該溶接ワイヤの径の３〜１０倍の長さの先端部分を加熱することが好ましい。
このようにすることで、溶接ワイヤが溶融して発生する溶滴のサイズが小さくなるので、溶滴の移行が安定する。したがって、スパッタ量を効果的に低減できる。【００１６】
また、本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、前記溶接ワイヤの溶融を促進させることで、当該溶接ワイヤの径の１〜２倍の径の溶滴を発生させるように加熱することが好ましい。このようにすることで、溶滴のサイズが、グロビュール移行の場合に比べておよそ１／３から１／２に小さくなるので、溶滴の移行が安定して、スパッタ量を効果的に低減できる。【００１７】
また、本発明に係る溶接トーチは、前記いずれかのプラズマ−ＭＩＧ溶接方法で使用されるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置の溶接トーチであって、プラズマノズルおよびプラズマ電極を含むプラズマトーチ部と、ＭＩＧチップおよび溶接ワイヤを含むＭＩＧトーチとが互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置され、前記プラズマトーチ部と前記ＭＩＧトーチとが、前記溶接ワイヤの先端部分に対して局所的にプラズマアークをオーバーラップさせることのできる位置に配設され、前記プラズマトーチ部の中心軸線と、前記ＭＩＧトーチの中心軸線とが鋭角で交差していることを特徴とする。【００１８】
かかる構成によれば、溶接トーチは、溶接ワイヤの先端部分に対して局所的にプラズマアークをオーバーラップさせて加熱できるので、溶接ワイヤの溶融を促進させた状態で、溶接ワイヤの先端と被溶接物との間で短絡させることなくＭＩＧ溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存することなくスパッタ量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法を用いたときのワイヤ先端の模式図であって、（ａ）はＭＩＧ溶接の開始時のワイヤ先端の状態、（ｂ）はプラズマによる加熱開始時のワイヤ先端の状態、（ｃ）はプラズマアーク安定化後のワイヤ先端の状態、（ｄ）はワイヤ先端から溶融金属が分離した状態を示している。
【図２】溶接トーチの模式図であって、（ａ）は溶接トーチに収納されたプラズマトーチ部とＭＩＧトーチ、（ｂ）はＭＩＧトーチに対するプラズマトーチ部の相対位置およびノズルの向きを特定するための配置のパラメータの設計例を示している。
【図３】本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法を実施するための溶接システムの構成を示す模式図である。
【図４】比較例に係る貫通溶接方法の手順の説明図であって、（ａ）は穴掘り工程、（ｂ）は穴掘り完了およびプラズマアークの消弧、（ｃ）は穴埋め工程、（ｄ）は貫通溶接時のＭＩＧ溶接電流およびプラズマ溶接電流の時間変化を示している。
【図５】本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法を貫通溶接に適用したときの手順の説明図であって、（ａ）は穴掘り工程、（ｂ）は穴埋め工程、（ｃ）は貫通溶接時のＭＩＧ溶接電流およびプラズマ溶接電流の時間変化を示している。
【図６】従来技術のＭＩＧトーチの構成の模式図である。
【図７】従来技術のプラズマＭＩＧトーチの構成の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照して本発明を実施するための形態（実施形態という）について詳細に説明する。
【００２２】
［１．プラズマ−ＭＩＧ溶接方法の概要］
ここでは、本発明の実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法の概要について図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）を参照して説明する。
図１（ａ）に示すＭＩＧトーチ９には、図示しないＭＩＧ用溶接電源の正極が接続されると共に、電源の負極が母材であるワークＷに接続されている。ＭＩＧ溶接を開始すると、ＭＩＧトーチ９から送出される溶接ワイヤ（以下、単にワイヤ１０と表記する）は、給電により先端１１が発熱し、ワークＷとの間にＭＩＧアーク１２が発生し、ワークＷと電極（ワイヤ１０）間では電子が電荷１３を運ぶ。一般に、電荷を持ったワイヤが溶融池に接触（短絡）する時にスパッタが発生する。
【００２３】
本実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法では、図１（ｂ）に示すように、ＭＩＧトーチ９において給電されたワイヤ１０の溶融を、図示しないプラズマトーチ部からのプラズマ２０でアシストしてワイヤ１０を加熱する。これにより、ワイヤ１０の先端１１の溶融が促進される。
【００２４】
本実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法では、図１（ｃ）に示すように、ワイヤ１０とワークＷとの間にプラズマ２０が入ることにより、ＭＩＧアーク１２はプラズマアーク２１に包まれ、ＭＩＧアーク１２が安定する。
【００２５】
本実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法では、図１（ｄ）に示すように、ワイヤ１０とワークＷとの間において、空中で溶滴１４が分離され（空中散布）、ワークＷに溶け込む。このとき、ワイヤ先端１１から溶滴１４が空中で分離されるので、溶滴１４に電荷を持たせることはない。従来の短絡移行では、電荷を持ったワイヤが溶融池に接触（短絡）するためにスパッタが発生するが、本実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法によれば、プラズマによるワイヤ先端溶融アシスト効果があるので、一般的な短絡移行となるようなＭＩＧ溶接電流が供給されたとしても、溶滴１４の移行モードは、実際には短絡移行とはならず、ドロップ移行となる。よって、スパッタを低減することができる。さらに、電荷を持たない溶滴１４は、ぬれ性が良く、溶融池に良く馴染むことができる。
【００２６】
本実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、ＭＩＧトーチ９と共にプラズマアークを発生させるトーチを備えるプラズマ−ＭＩＧ溶接装置により実現することができる。このプラズマ−ＭＩＧ溶接装置の備える溶接トーチ２の模式図を図２（ａ），（ｂ）に示す。
【００２７】
図２（ａ）に示す溶接トーチ２は、プラズマトーチ部８と、ＭＩＧトーチ９とを収納する機能と、ＭＩＧトーチ９に供給されるシールドガスのためのシールドノズルとしての機能とを兼ねている。この溶接トーチ２には、プラズマトーチ部８と、ＭＩＧトーチ９とが、互いに異なる向きで所定距離だけ離間して、プラズマトーチ部８の中心軸線と、ＭＩＧトーチ９の中心軸線とが鋭角（例えば１５°）で交差するように配置されている。プラズマトーチ部８は図２（ａ）において左下向きであり、ＭＩＧトーチ９の向きおよび挿通されたワイヤ１０の送出方向は図２（ａ）において右下向きである。
【００２８】
プラズマトーチ部８は、プラズマアーク溶接に用いられる一般的なプラズマトーチで構成されており、例えば、プラズマノズルおよびプラズマ電極を含む。ＭＩＧトーチ９は、ＭＩＧ溶接に用いられる一般的なＭＩＧトーチで構成されており、例えば、ＭＩＧチップおよびワイヤ１０を含む。図２（ａ）では、ＭＩＧトーチ９を、チップとチップ内部のワイヤ１０にて簡略化して示した。
【００２９】
例えば、ＭＩＧトーチ９に対するプラズマトーチ部８の相対位置およびノズルの向きを特定するための配置のパラメータの設計例を図２（ｂ）に示す。ここでは、例えば、プラズマトーチ部８のプラズマ電極の先端の中心を座標原点として、紙面上に鉛直面としてのＸＹ平面（Ｚ＝０）をとり、紙面に垂直な奥行き方向にＺ軸をとった座標空間を想定している。ただし、説明を簡単にするために、図２（ｂ）の溶接トーチ２では、例えば、ＸＹ平面（Ｚ＝０）内の相対位置について説明する。なお、図２（ｂ）では、図２（ａ）に示す溶接トーチ２を右回り（時計回り）に所定角度回転させて破線で示す。
【００３０】
図２（ｂ）では、一例として、プラズマトーチ部８のノズルの軸線Ｌ１によって、プラズマトーチ部８の方向を特定する。ＭＩＧトーチ９のＭＩＧチップにおけるワイヤ１０の送出ガイドの軸線Ｌ2によって、ＭＩＧトーチ９の方向を特定する。軸線Ｌ１と軸線Ｌ2とは図２（ｂ）において角度θで交差している。プラズマトーチ部８のプラズマ電極の先端の位置Ｐ１によって、プラズマトーチ部８の位置を特定する。ＭＩＧトーチ９のＭＩＧチップ先端の位置Ｐ2によって、ＭＩＧトーチ９の位置を特定する。軸線Ｌ１において、プラズマトーチ部８の本体から位置Ｐ１への向きが、プラズマトーチ部８のノズルの向きを示す。軸線Ｌ2において、ＭＩＧトーチ９の本体から位置Ｐ2への向きが、ＭＩＧトーチ９のノズルの向きを示す。プラズマトーチ部８のノズルの向きは、ＭＩＧトーチ９のノズルの向きから角度θだけ傾いている。
【００３１】
この場合、軸線Ｌ1の方向において、ＭＩＧトーチ９に対するプラズマトーチ部８の相対距離はＲ2であり、軸線Ｌ1に直交する方向において、ＭＩＧトーチ９に対するプラズマトーチ部８の相対距離はＲ1である。したがって、例えば、軸線Ｌ1の方向をＸ方向、軸線Ｌ1に直交する方向をＹ方向とすれば、Ｘ方向およびＹ方向のシフト量（Ｒ1，Ｒ2）により、ＭＩＧトーチ９に対するプラズマトーチ部８の相対位置を決定することができる。プラズマトーチ部８からのプラズマ２０がワイヤ１０の先端部分を加熱して溶滴を短絡させないように移行できるように、ＭＩＧトーチ９に対してプラズマトーチ部８が配置されれば、これらのパラメータの値は特に限定されるものではない。
【００３２】
ＭＩＧトーチ９に供給されるシールドガスのノズルの先端からワイヤ１０が突き出た突き出し部分の長さを図２（ｂ）に示すようにＴで表す。また、このうち突き出し部分の一部である先端部分の長さを図２（ｂ）に示すようにＤで表す。長さＤの先端部分を狙ってプラズマ２０がワイヤ１０を加熱する。溶滴を短絡させないように移行させるときに、ワイヤ１０の突き出し部分の一部である先端部分の長さＤは、ワイヤの径の３〜１０倍の長さであることが好ましい。このようにすることで、ワイヤ１０が溶融して発生する溶滴のサイズが小さくなるので、溶滴の移行が安定する。例えばワイヤ直径が１ｍｍの場合、Ｄ＝３〜１０ｍｍの範囲とすればよい。
【００３３】
また、溶滴を短絡させないように移行させるときに、給電されたワイヤ１０の溶融をプラズマにより促進させることで発生する溶滴の直径が、ワイヤの直径の１〜２倍となるように加熱すると、スパッタ量が少なくなるので好適である。例えばワイヤ直径が１ｍｍの場合、溶滴のサイズが１〜２ｍｍの範囲とすればよい。なお、グロビュール移行の場合、ワイヤ直径が１ｍｍのとき、溶滴のサイズが３〜４ｍｍ又はこれ以上の大きさとなって、スパッタ量が多くなる。
【００３４】
［２．溶接システムの構成］
ここでは、本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法を実施するための溶接システムの構成について図３を参照して説明する。溶接システム１は、重ね合わせた複数のワークＷを貫通溶接するためのロボットアーク溶接システムである。貫通溶接方法は、貫通孔を形成するための段階（以下、穴掘り工程Ｐ１と称する）と、穴掘り工程Ｐ１の後であって貫通孔にワイヤを充填する段階（以下、穴埋め工程Ｐ２と称する）とを有する。本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法を、穴埋め工程Ｐ２にて、実施することとする。
【００３５】
貫通溶接方法は、ワークに穴を掘り、貫通させて孔を形成し、即座に埋めることが前提なので、埋め始めると、孔がすぐに穴に変わる。よって、以下では次のように孔と穴とを区別した。貫通後、埋める前の状態を貫通孔と呼ぶ。貫通前にワークを掘っているときの状態や、貫通後に貫通孔を埋めているときの状態を穴と呼ぶ。貫通溶接によってワークに形成される貫通孔は、通常、孔の上端の口の径、下端の口の径、および両端の途中の径が異なっている。そこで、孔の上口の径を上孔径、孔の下口の径を下孔径と呼ぶ。
【００３６】
溶接システム１は、図３に示すように、主として、溶接トーチ２と、ロボット３と、ロボット制御装置４と、溶接電源５と、ワイヤ供給装置６と、溶接制御装置７と、を備えている。また、図示を省略するが、溶接システム１は、動作ガスボンベ、シールドガスボンベ、ガス流量調整器、遠隔制御器などを備えている。図３では、一例として３枚の板状のワークＷを重ね合わせた場合のワーク断面を図示した。また、ここでは、ワーク間に隙間はないものとして説明する。
【００３７】
なお、ロボット制御装置４および溶接制御装置７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力インタフェース等を備えている。
【００３８】
溶接トーチ２は、プラズマトーチ部８と、ＭＩＧトーチ９とを備える。
プラズマトーチ部８は、穴埋め工程Ｐ２にてＭＩＧ溶接をアシストするために用いられるトーチである。また、プラズマトーチ部８は、穴掘り工程Ｐ１にて複数のワークＷを貫通する貫通孔を形成するために用いられる。プラズマトーチ部８には、プラズマアーク溶接を行うためのプラズマ電極やプラズマノズルが形成されており、アルゴン等の動作ガス及びシールドガスが供給される。プラズマトーチ部８は、プラズマ電極としてのタングステン電極と、水冷された拘束ノズル（プラズマノズル）との間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークの熱により動作ガスをプラズマ化して噴出させ、ワークＷとの間にプラズマアークを発生させる。シールドガスとしては、一般的に用いられるＭＡＧガス（Ａｒ＋ＣＯ2混合ガス）などが供給される。
【００３９】
ＭＩＧトーチ９は、ＭＩＧ溶接を行うためのトーチである。ＭＩＧトーチ９は、消耗電極としてのワイヤ１０への給電のためにＭＩＧトーチ９内に収納されているチップ（ＭＩＧチップ）と、このチップの中心に挿通されたワイヤ１０とを備える。このＭＩＧトーチ９は、穴埋め工程Ｐ２にて使用され、貫通孔を埋めて重ね合わされた複数のワークＷを融合する。ＭＩＧトーチ９には、チップの中心に消耗電極としてのワイヤ１０がワイヤ供給装置６から送り込まれ、ワイヤ１０の周囲にはシールドガス（Ａｒ＋ＣＯ2）が供給される。
【００４０】
ロボット３は、例えば、多軸多関節型の溶接ロボットであり、先端側のアーム３ａには溶接トーチ２が取り付けられている。ロボット３は、モータで各関節を動かすことにより溶接トーチ２を移動させることができる。
ロボット制御装置４は、ロボット３に接続されており、溶接経路等の入力コマンドまたは予め記憶されたコマンドに基づいてロボット３の動作や姿勢を制御するものである。
【００４１】
溶接電源５は、アーク溶接のための電力を溶接トーチ２に供給するものである。ここでは、溶接電源５は、図３に示すように、主として、プラズマ電源５１と、ＭＩＧ電源５２と、ガス供給装置５３とを備える。なお、図示を省略するが、溶接電源５は、電圧・電流検出器やＭＩＧ溶接に必要な制御回路などを備えている。
【００４２】
プラズマ電源５１は、穴掘り工程Ｐ１および穴埋め工程Ｐ２にてプラズマトーチ部８に電力を供給する。このプラズマ電源５１の負極は、プラズマトーチ部８のタングステン電極に電気的に接続され、プラズマ電源５１の陽極は、ワークＷに電気的に接続される。プラズマ電源５１の出力特性は、一般的に定電流特性であり、これによりアーク安定後のアーク電流を一定値に保持する。この定電流制御により、測定されたアーク電圧からアーク長を推定することができる。
【００４３】
ＭＩＧ電源５２は、穴埋め工程Ｐ２（ＭＩＧ溶接中）にてＭＩＧトーチ９に電力を供給する。このＭＩＧ電源５２の陽極は、ＭＩＧトーチ９のＭＩＧチップを介してワイヤ１０（消耗電極）に電気的に接続され、ＭＩＧ電源５２の負極は、ワークＷに電気的に接続される。ＭＩＧ電源５２の出力特性は、定電圧特性であり、これにより、アーク安定後のアーク長を一定値に保持する。
【００４４】
ガス供給装置５３は、図示しないガスボンベから溶接トーチ２に溶接用のシールドガスを供給する。また、ガス供給装置５３は、図示しないガスボンベから、プラズマを形成するための動作ガスを溶接トーチ２に供給する。ガス供給装置５３は、溶接制御装置７からの指令信号により、所定圧力で流入する動作ガスやシールドガスの流量を図示しない開閉弁により調節する。プラズマアークが不安定にならないように、穴埋め工程Ｐ２（ＭＩＧ溶接中）では、プラズマガスのガス量を例えば３Ｌ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【００４５】
ワイヤ供給装置６は、ＭＩＧ電源５２と接続されている。ワイヤ供給装置６は、穴埋め工程Ｐ２（ＭＩＧ溶接中）において、図示しないワイヤ収納器から送出路を介して送出されるワイヤを、ＭＩＧトーチ９に送り出す。
【００４６】
溶接制御装置７は、穴掘り工程Ｐ１における処理と穴埋め工程Ｐ２の処理とを実行することで溶接電源５を制御する。
溶接制御装置７は、穴掘り工程Ｐ１にて溶接電源５を駆動することで、プラズマアーク溶接により、重ね合わされた複数のワークＷを貫通する貫通孔を形成する。すなわち、溶接制御装置７は、プラズマ電源５１、ガス供給装置５３およびプラズマトーチ部８を駆動する。
【００４７】
溶接制御装置７は、穴埋め工程Ｐ２にて溶接電源５を駆動することで、ＭＩＧ溶接により、貫通孔にワイヤを充填する。すなわち、溶接制御装置７は、ＭＩＧ電源５２、ガス供給装置５３およびＭＩＧトーチ９を駆動する。このとき、溶接制御装置７は、穴掘り工程Ｐ１にて穴掘りのために用いていたプラズマ電源５１およびプラズマトーチ部８をそのまま駆動し続ける。これにより、溶接制御装置７は、ＭＩＧトーチ９から送出されるワイヤ１０の先端に、プラズマトーチ部８からのプラズマアークを照射して、ワイヤ１０の先端の溶融を促進する。
【００４８】
[３．プラズマＭＩＧ方法を貫通溶接に適用したときの効果の具体例]
ここでは、本発明のプラズマＭＩＧ方法と比較するために、溶接システム１の前記した穴掘り工程Ｐ１における処理と穴埋め工程Ｐ２の処理とは異なる手順で貫通溶接を行う溶接システムを比較例として想定する。この比較例の溶接システムにおける貫通溶接方法の手順について図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）を参照して説明する。なお、図３に示した溶接システム１と同様の構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【００４９】
＜３−１．貫通溶接方法の比較例＞
比較例の溶接システムは、穴掘り工程Ｐ１において、図４（ａ）に示すように、溶接トーチ２内のプラズマトーチ部８によって、プラズマアーク溶接により、ワークＷに穴を掘る。そして、図４（ｂ）に示すように所望サイズの貫通孔が形成されて穴掘りが完了すると、プラズマアークを消弧する。そして、図４（ｃ）に示すように、ＭＩＧ溶接により穴埋めを行う。このときのＭＩＧ溶接電流およびプラズマ溶接電流の時間変化の一例を図４（ｄ）に示す。
【００５０】
図４（ｄ）のグラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流を示す。また、グラフにおいて実線はプラズマ溶接電流、破線はＭＩＧ溶接電流を示す。比較例の溶接システムは、時刻ｔ1に、プラズマ溶接電流の所定電流値Ｉ1（例えば１００Ａ）にて、穴掘り工程Ｐ１を開始する。比較例の溶接システムは、時刻ｔ2に穴掘り工程Ｐ１を完了すると、プラズマ溶接電流を０Ａにしてプラズマアークを消弧する。一方、この時刻ｔ2に、ＭＩＧ溶接電流の所定電流値Ｉ2（例えば１５０Ａ）にて、穴埋め工程Ｐ２を開始する。そして、比較例の溶接システムは、時刻ｔ3に穴埋め工程Ｐ２を完了すると、ＭＩＧ溶接電流を０ＡにしてＭＩＧアークを消弧する。
【００５１】
＜３−２．貫通溶接方法の実施例＞
次に、本発明のプラズマＭＩＧ方法を実現する溶接システム１における貫通溶接方法の手順について図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。
【００５２】
溶接システム１は、穴掘り工程Ｐ１において、図５（ａ）に示すように、溶接トーチ２内のプラズマトーチ部８によって、プラズマアーク溶接により、ワークＷに穴を掘る。そして、所望サイズの貫通孔が形成されて穴掘りが完了すると、プラズマアークを消弧することなく、図５（ｂ）に示すように、穴埋めを行う。その際に、図１（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、プラズマ２０によってワイヤ１０の先端１１を選択的に温めて溶融する。このときのＭＩＧ溶接電流およびプラズマ溶接電流の時間変化の一例を図５（ｃ）に示す。
【００５３】
図５（ｃ）のグラフの横軸、縦軸、グラフの実線および破線はそれぞれ図４（ｄ）のグラフと同じものを示している。なお、図５（ｃ）の所定電流値Ｉ1は図４（ｄ）の所定電流値Ｉ1とは異なり、図５（ｃ）の時刻ｔ4，ｔ5，ｔ6は図４（ｄ）の時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3とは異なる。
【００５４】
溶接システム１は、時刻ｔ4に、プラズマ溶接電流の所定電流値Ｉ1（例えば１００Ａ）にて、穴掘り工程Ｐ１を開始する。溶接システム１は、時刻ｔ5に穴掘り工程Ｐ１を完了しても、プラズマ溶接電流を所定電流値Ｉ1に維持しておく。さらに、この時刻ｔ5に、ＭＩＧ溶接電流の所定電流値Ｉ1（例えば１００Ａ）にて、穴埋め工程Ｐ２を開始する。そして、溶接システム１は、時刻ｔ6に穴埋め工程Ｐ２を完了すると、プラズマ溶接電流およびＭＩＧ溶接電流を０ＡにしてプラズマアークおよびＭＩＧアークをそれぞれ消弧する。
【００５５】
なお、図５（ｃ）の所定電流値Ｉ1は図４（ｄ）の所定電流値Ｉ1と同じものである場合（例えば１００Ａ）、図５（ｃ）の時刻ｔ4〜ｔ5の期間（例えば２秒）および時刻ｔ5〜ｔ6の期間（例えば０．６秒）と、図４（ｄ）の時刻ｔ1〜ｔ2の期間（例えば２秒）および時刻ｔ2〜ｔ3の期間（例えば０．６秒）とは、それぞれ一致する。
貫通溶接方法を行う実施例の溶接システム１によれば、穴埋め工程Ｐ２においてＭＩＧ溶接にプラズマのアシストが付加されるので、ＭＩＧ溶接電流を比較例よりも低減でき、スパッタ低減効果を奏する。
【００５６】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、ＭＩＧトーチ９のワイヤ１０の溶融がプラズマにより促進されて、ワイヤ１０が溶融して発生する溶滴を短絡させることなく空中散布する。このため、溶滴の移行モデルが通常ならば短絡移行となるような低いＭＩＧ溶接電流が実際には供給されたとしても、溶滴の移行モデルをドロップ移行とすることができる。そのため、ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存することなく、スパッタ量を低減させることができる。
【００５７】
以上、本発明のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、プラズマＭＩＧ方法を貫通溶接方法に適用するものとしたが、ワークに孔が開いていることは必須ではない。つまり、本発明のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、貫通溶接への適用に限らずに、単純に盛っていく場合であっても、ＭＩＧ溶接をするときにプラズマでアシストすることでスパッタを低減させることができる。
【００５８】
本発明のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法は、ＭＩＧ溶接電源のコントロールに依存せずにスパッタを低減させることができるので、ＭＩＧ溶接電源は、直流電源でもパルス電源でもよい。また、本発明のプラズマ−ＭＩＧ溶接方法をＭＡＧ溶接に適用してもよい。
【実施例】
【００５９】
本発明に係るプラズマ−ＭＩＧ溶接方法の効果として、ＭＩＧ溶接ワイヤをプラズマで加熱することで溶滴を短絡移行させることなく空中散布してドロップ移行できることを確かめるために、プラズマトーチ部８と、ＭＩＧトーチ９とを互いに異なる向きで所定距離だけ離間して配置して以下の実験１および実験２を行った。
各実験に共通の条件は以下の通りである。ＭＩＧ溶接電流（単にＭＩＧ電流ともいう）は、一定値（１５０Ａ）とした。ワイヤの径は１ｍｍとした。【００６０】
＜実験１＞
ＭＩＧ溶接電流を一定値として、プラズマ溶接電流を増減させて、他の条件を変化させることなくスパッタ量を測定した。このときの測定条件および測定結果の一覧を表１に示す。なお、詳細については後記する。【００６１】
＜実験２＞
ＭＩＧ溶接電流を一定値として、ワイヤ１０の突き出し長さＴ（図２（ｂ）参照）を増減させて、他の条件を変化させることなくスパッタ量を測定した。このときの測定条件および測定結果の一覧を表１に示す。なお、詳細については後記する。【００６２】
【表１】
2013129151.tif 000003
【００６３】
表１において、プラズマ電流は、プラズマ溶接電流を示す。また、突き出し長さＴは、図２（ｂ）に示す長さＴを表す。【００６４】
表１において、短絡回数とは、溶滴移行モードにおける短絡移行を行った回数を示し、ドロップ回数とはドロップ移行を行った回数を示す。この溶滴移行を行った回数は、高速度カメラで観測してカウントした。ここで、ドロップ移行とは、溶融したワイヤがワークに接触したり短絡したりすることなく、ワークから離間している上部位置から、溶滴がワークに向かって飛来してワークに着地する、溶融ワイヤの移行形態のことをいう。【００６５】
溶滴がワークに向かって飛来してワークに着地するときの落ち方は、例えば、ポンポン落ちる、ポタポタ落ちる、ポッタポッタ落ちる、ポッチャンポッチャンと落ちる、といった落ち方を含む。なお、このときの落ち方は、グロビュール移行のような、だまを作ってネッキング力で引きちぎるときのボタッツ、ボタッツという落ち方とは異なる。【００６６】
表１において、ＭＩＧアーク状態が不安定であるとは、アーク長が過大であることに相当する。溶滴サイズは、高速度カメラで観測して複数の溶滴のサイズの平均値を算出したものを示す。ＭＩＧスパッタは、スパッタが発生したときに１打点で発生したスパッタ量の平均値を算出したものを示す。これは、飛び散ったスパッタを回収して総重量を求め、溶接打点総数で除算することで算出した。【００６７】
実験１の結果を、表１においてサンプルNo.1〜サンプルNo.6に示し、実験２の結果を、表１においてサンプルNo.7〜サンプルNo.11に示す。なお、サンプルNo.4とサンプルNo.9とは同じもの（実施例２）を表している。【００６８】
＜実験１＞
実験１において、ＭＩＧ溶接電流を１５０Ａとして、プラズマ溶接電流を０，１００，１２５，１５０，１７５，２００Ａのように変化させて、他の条件を変化させることなくスパッタ量を測定した。このときのサンプルNo.1〜サンプルNo.6を、この順番に、比較例１，比較例２，実施例１，実施例２，実施例３，比較例３とする。【００６９】
比較例１では、プラズマによるワイヤの加熱がないため、ワイヤからの溶滴の移行モードは、短絡移行モードとなる。したがって、短絡前後でスパッタが発生した。
比較例２では、プラズマによるワイヤの加熱が少なく、ワイヤの溶融が不充分なため、ワイヤからの溶滴の移行モードは、短絡移行モードとなる。したがって、短絡前後でスパッタが発生した。【００７０】
実施例１〜３では、プラズマによるワイヤの加熱によってワイヤが溶融し、溶滴の移行モードは、ドロップ移行モードとなる。したがって、スパッタが低減された。
比較例３では、プラズマによるワイヤの過入熱により、ワイヤは上側にせりあがって溶融した。これにより溶滴が過剰に成長し、実施例１〜３と比較して溶滴のサイズが拡大した。そして、アーク長過大によりアークが不安定化した。【００７１】
（実験１のまとめ）
実験１において、ＭＩＧ溶接電流を１５０Ａ、突出し長さを２０ｍｍとした測定条件の場合、プラズマ溶接電流を１２５〜１７５Ａとしたときに、溶滴を短絡移行させることなく空中散布してドロップ移行でき、スパッタ量を低減できることを確かめることができた。特に、プラズマ溶接電流を１５０Ａとしたときに、１打点当たりのスパッタ量を最も低減することができた。【００７２】
＜実験２＞
実験２において、ＭＩＧ溶接電流を１５０Ａとして、突出し長さを１５，１８，２０，２２，２５ｍｍのように変化させて、他の条件を変化させることなくスパッタ量を測定した。このときのサンプルNo.7〜サンプルNo.11を、この順番に、比較例４，実施例４，実施例２，実施例５，比較例５とする。【００７３】
比較例４では、プラズマによるワイヤの加熱が少なく、ワイヤの溶融が不充分なため、ワイヤからの溶滴の移行モードは、短絡移行モードとなる。したがって、短絡前後でスパッタが発生した。
実施例４，２，５では、プラズマによるワイヤの加熱によってワイヤが溶融し、溶滴の移行モードは、ドロップ移行モードとなる。したがって、スパッタが低減された。
比較例５では、プラズマによるワイヤの過入熱により、ワイヤは上側にせりあがって溶融した。これにより溶滴が過剰に成長し、実施例４，２，５と比較して溶滴のサイズが拡大した。そして、アーク長過大によりアークが不安定化した。【００７４】
（実験２のまとめ）
実験２において、ＭＩＧ溶接電流を１５０Ａ、プラズマ溶接電流を１５０Ａとした測定条件の場合、突出し長さを１８〜２２ｍｍとしたときに、溶滴を短絡移行させることなく空中散布してドロップ移行でき、スパッタ量を低減できることを確かめることができた。特に、突出し長さを２０ｍｍとしたときに、１打点当たりのスパッタ量を最も低減することができた。
【符号の説明】
【００７５】
１      溶接システム
２      溶接トーチ
３      ロボット
３ａ    アーム
４      ロボット制御装置
５      溶接電源
６      ワイヤ供給装置
７      溶接制御装置
８      プラズマトーチ部
９      ＭＩＧトーチ
１０    ワイヤ
１１    ワイヤ先端部
１２    ＭＩＧアーク
１３    電荷
１４    溶滴
２０    プラズマ
２１    プラズマアーク
５１    プラズマ電源
５２    ＭＩＧ電源
５３    ガス供給装置
Ｗ      ワーク
【図１】
2013129151.tif 000004
【図２】
2013129151.tif 000005
【図３】
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【図４】
2013129151.tif 000007
【図５】
2013129151.tif 000008
【図６】
2013129151.tif 000009
【図７】
2013129151.tif 000010
【国際調査報告】
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2013129151.tif 000012
2013129151.tif 000013
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