(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接方法であって、
前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の揺れが、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有の振動数となるように溶接時に出力される溶接電圧の周波数を制御しながら溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマアーク溶接方法において、前記固有の振動数が３０乃至４０Ｈｚであることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項３】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接方法であって、
前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有振動数を取得する固有振動数取得ステップと、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を検出する溶接電圧周波数検出ステップと、前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数を前記溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御する溶接電圧周波数制御ステップとを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマアーク溶接方法において、
前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数は、溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、前記プラズマアークを発生する溶接トーチの前記被溶接物に対する角度、前記溶接トーチチップ穴径、スタンドオフのうち、いずれか１つまたは２つ以上を変化させて制御することを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項５】
プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、
前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有振動数を取得する固有振動数取得手段と、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を検出する溶接電圧周波数検出手段と、前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数を前記溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御する溶接電圧周波数制御手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー密度が高く、高速度、高品質な溶接が可能なプラズマアーク溶接方法及びプラズマアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラズマアーク溶接は、ガスメタルア−ク（ＧＭＡ）溶接、ガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶接などと比べてエネルギー密度が高い。このため、プラズマアークを母材表面側から裏面側へ貫通させながら溶接する、いわゆるキーホール溶接が可能である。キーホール溶接が可能となれば、母材裏面側からの溶接作業が不要となるため、溶接作業効率が大幅に向上する。しかし、このキーホール溶接は、種々の要因、例えば溶接中の母材温度の上昇や大気温度、あるいはアースの取り方による磁気吹きなどにより施工の途中からキーホールの挙動が不安定となり易いため、熟練した作業員でなければ高品質の溶接作業を行うことができず、自動化が難しい。
【０００３】
そのため、例えば以下の特許文献１では、溶接部を覆うように被溶接物の裏側にバックシールド治具をあてがっておき、そのバックシールド治具と被溶接物との間に生じる電圧を検出すると共に、その電圧と基準電圧とを比較し、検出電圧が基準電圧に等しくなるように溶接条件を制御することで、キーホール溶接の自動化を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−９３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この特許文献１に開示されているような溶接方法は、溶接電圧の変動を小さく抑えるだけの方法であるため、例えば、裏波ビードが形成されなかったり、溶融金属が垂れ落ちるなどといった最悪の状況は回避できるものの、安定した一定高さの裏波ビードを得ることは困難である。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、キーホール溶接に際して安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる新規なプラズマアーク溶接方法及びプラズマアーク溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの課題を解決すべく本発明者らは、多くの研究・実験を行った結果、溶接時に母材裏側に形成される溶融池の揺れの挙動（振動数）と溶接時に出力される溶接電圧の挙動（周波数）との関連性を発見し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち、前述したようなプラズマアークによるキーホール溶接を行った場合、図２に示すように母材の裏側であって、キーホール（プラズマアーク）の溶接方向後方には、溶接トーチから発生するプラズマアーク１６の熱によって溶けた母材１５による溶融池Ｐがその長手方向に沿って形成される。そして、この溶融池Ｐが、溶接方向前後に揺れることで安定した一定高さの裏波ビードが形成されることが分かった。このとき溶融池Ｐの揺れ（挙動）が大きすぎると溶融金属が垂れ落ちてしまうことから溶融池Ｐの揺れ（挙動）には、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有の振動数（例えば、３０乃至４０Ｈｚ）が存在することが分かった。また、この固有振動数は、母材１５の材質や溶融池Ｐの大きさ（質量）、粘度などによっても異なる。そして、これらの知見に基づき本発明者らがこの溶融池Ｐの揺れ（挙動）をさらに詳しく調べたところ、この溶融池の揺れ（挙動）の振動数は、キーホール溶接時に出力される溶接電圧の周波数とほぼ一致することが分かった。
【０００９】
そこで、前記の目的を達成するために第１の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接方法であって、前記溶接時に母材裏側に形成される溶融池の揺れが固有の振動数となるように溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接方法である。このような溶接方法によれば、安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【００１０】
また、第２の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接方法であって、前記溶接時に母材裏側に形成される溶融池の揺れが固有の振動数となるように溶接時に出力される溶接電圧の周波数を制御しながら溶接することを特徴とするプラズマアーク溶接方法である。
【００１１】
このような溶接方法によれば、キーホール溶接時に出力される溶接電圧の周波数を制御することで溶融池の揺れをその溶融池の固有振動数に容易に制御できるため、安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【００１２】
第３の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接方法であって、前記溶接時に母材裏側に形成される溶融池の固有振動数を取得する固有振動数取得ステップと、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を検出する溶接電圧周波数検出ステップと、前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数を前記溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御する溶接電圧周波数制御ステップとを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接方法である。
【００１３】
このような溶接方法によれば、溶接時に出力される溶接電圧の周波数がその溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御したため、その溶融池の揺れを固有振動数に容易に制御することが可能となり、安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【００１４】
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明において、前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数は、溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、スタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、前記溶接トーチチップ穴径、前記プラズマアークを発生する溶接トーチの前記被溶接物に対する角度のうち、いずれか１つまたは２つ以上を変化させて制御することを特徴とするプラズマアーク溶接方法である。
【００１５】
このような方法によれば、溶接状況に応じて溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量パイロットガス組成、シールドガス組成、スタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、前記溶接トーチチップ穴径、前記プラズマアークを発生する溶接トーチの前記被溶接物に対する角度のいずれか１つまたは２つ以上を変化させることで溶接時に出力される溶接電圧の周波数を容易に制御することができる。
【００１６】
第５の発明は、プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、前記溶接時に母材裏側に形成される溶融池の固有振動数を取得する固有振動数取得手段と、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を検出する溶接電圧周波数検出手段と、前記溶接時に出力される溶接電圧の周波数を前記溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御する溶接電圧周波数制御手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。
【００１７】
このような構成によれば、第３の発明と同様に溶接時に出力される溶接電圧の周波数がその溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御したため、その溶融池の揺れを固有振動数に容易に制御することが可能となり、安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶接時に出力される溶接電圧を検出し、その溶接電圧がその溶融池の固有振動数とほぼ一致するようにその溶接電圧の周波数を制御したため、その溶融池の振動数をその固有振動数に容易に制御することが可能となる。これによって、キーホール溶接に際して安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】溶接時に母材１５の裏側に形成される溶融池Ｐの挙動を示す概念図である。
【図３】本発明に係るプラズマアーク溶接方法の処理の流れを示すフローチャート図である。
【図４】被溶接物１４に関する溶接条件の一例を示す部分拡大図である。
【図５】被溶接物１４に対して溶接トーチ１０を所定の角度θを傾斜させて溶接している状態を示す概念図である。
【図６】本発明によるキーホール溶接後の溶接部の状態を示す溶接方向断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明に係るプラズマアーク溶接方法および溶接装置の実施の一形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の構成を示したブロック図である。図示するようにこのプラズマアーク溶接装置１００は、溶接トーチ１０と、この溶接トーチ１０を駆動する駆動部２０と、溶接電源を供給する電源部３０と、溶接トーチ１０に溶接ガスを供給するガス供給部４０と、これら各部１０乃至４０を制御する溶接制御部５０とから主に構成されている。
【００２１】
溶接トーチ１０は、図２に示すように、タングステン電極１１を溶接トーチチップ１２で覆うと共にその溶接トーチチップ１２をシールドキャップ１３で覆った構造をしている。そして、図示しない高周波発生器を使ってこのタングステン電極１１と溶接トーチチップ１２との間にパイロットアークを発生させると共に、その溶接トーチチップ１２内にアルゴン（Ａｒ）などの動作ガス（プラズマガスＰＧ）を流すと、このプラズマガスＰＧがアーク熱によってイオン化してアーク電流の良導体となってタングステン電極１１と母材１５間で超高温（10000〜20000℃）のプラズマアーク１６が発生するようになっている。そして、このプラズマアーク１６を母材１５の表面側から裏面側に貫通させることでキーホール溶接が可能となっている。また、この溶接トーチチップ１２とシールドキャップ１３間にはアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）、アルゴン（Ａｒ）と炭酸ガス（ＣＯ２）などからなるシールドガスＳＧが供給されており、このシールドガスＳＧによって溶接部を大気から保護して溶接品質を維持するようになっている。
【００２２】
駆動部２０は、この溶接トーチ１０を被溶接物１４に対して所定の距離および角度となるように維持・固定すると共に、溶接制御部５０からの制御信号によってその溶接トーチ１０を被溶接物１４の溶接線に沿って任意の速度で移動（走行）させるようになっている。なお、この駆動部２０は、被溶接物１４側を固定し、この被溶接物１４に対して溶接トーチ１０側を移動させる他、溶接トーチ１０側を固定し、被溶接物１４側を移動させたり、両方をそれぞれ同時に移動（走行）させることも可能となっている。
【００２３】
電源部３０は、溶接トーチ１０と母材１５との間にプラズマアーク１６を発生させるために必要な電流を所定の電圧で供給するものであり、その電流値および電圧値は溶接制御部５０によって細かく制御されるようになっている。また、ガス供給部４０は、溶接トーチ１０に対して前述したプラズマガスやシールドガスなどの溶接ガスを供給するものであり、同じく溶接制御部５０によってそのガス流量やタイミングなどが適宜制御されるようになっている。
【００２４】
溶接制御部５０は、中央制御部５１と、記憶部（データベース）５２と、出力電圧計測部５３と、溶接電圧周波数解析部５６と、入力部５４と、出力部５５とから構成されている。そして先ず中央制御部５１は、コンピュータシステムなどの情報処理装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースなど）から構成されており、入力部５４から入力される操作指令や所定の制御用プログラムに基づいて前記各部１０乃至４０などを制御するようになっている。
【００２５】
記憶部（データベース）５２は、ＨＤＤや半導体メモリなどのデータの書き込み・読み出し自在の記憶装置から構成されており、各種制御用プログラムなどの他に、少なくとも各種溶接条件とその溶接条件毎に異なる母材裏側の溶融池Ｐの固有振動数に関するデータが書き込み・読み出し自在に記録されている。。
【００２６】
すなわち、この記憶部（データベース）５２には、少なくとも様々な溶接条件とそれら各溶接条件下で一意に決まる溶融池Ｐの固有振動数に関する情報とがデータベースとして記録されている。ここで、様々な溶接条件としては、例えば被溶接物１４に関する条件と溶接施工条件とが挙げられる。そして、被溶接物１４に関する条件としては、材料（母材の種類）の他に、例えば図４に示すように板厚ｔ、開先角度θ、ルート長さｒなどがある。一方、溶接施工条件としては、溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、図２に示すスタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、溶接トーチチップ穴径、図５に示すように被溶接物１４に対する溶接トーチ１０の角度などがある。
【００２７】
出力電圧計測部５３は、溶接電源部３０からの出力電圧を常時あるいは任意の時間計測して溶接電圧周波数解析部５６および中央制御部５１に入力するようになっている。入力部５４は、例えばキーボードやマウスなどの各種入力装置から構成されており、各種の溶接条件や操作指令などを入力するようになっている。出力部はＣＲＴやＬＣＤなどのモニターやスピーカーなどの各種出力装置から構成されており、入力部５４からの溶接条件の入力操作の確認のための表示や各種の溶接状況などの情報を表示するようになっている。なお、この出力部５５はモニターの表面にタッチパネルなどの入力機能を付加することで入力部５４と兼用しても良い。
【００２８】
次に、このような構成をしたプラズマアーク溶接装置１００によるプラズマ溶接方法の一例を主に図３のフローを参照しながら説明する。本発明装置１００の溶接制御部５０（中央制御部５１）は、入力部５４から被溶接物１４に関する条件と溶接開始指令が入力されたならば、その被溶接物１４に関する条件に最適な溶接施工条件を記憶部（データベース）５２から選択してきてその溶接施工条件に従って各部１０乃至４０を制御して溶接を開始する。
【００２９】
そして、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、溶接が始まったならば、図３に示すように先ず入力部５４から入力されたその溶接条件を取得する（ステップＳ１００）と共に、記憶部５２にアクセスしてその溶接条件下で一意に定まる溶融池Ｐの固有振動数を取得する（ステップＳ１０２）。次に、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、溶融池Ｐの固有振動数を取得したならば溶接電圧周波数解析部５６で検出された溶接電圧の周波数を溶融池Ｐの固有振動数と比較する（ステップＳ１０４、Ｓ１０６）。
【００３０】
この結果、溶接電圧の周波数と、記憶部５２から取得された溶融池Ｐの固有振動数とが一致あるいはその差が所定範囲内である（ＹＥＳ）と判断したならば、そのまま次のステップＳ１０８に移行するが、両者が不一致あるいはその差が所定許容範囲を越えている（ＮＯ）と判断したならば、次のステップＳ１０７側に移行する。
【００３１】
ステップＳ１０７では、溶接電圧の周波数と溶融池Ｐの固有振動数とが一致あるいはその差が所定許容範囲内になるように溶接条件を変更してステップＳ１００に戻る。具体的には溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、スタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、溶接トーチチップ穴径、溶接トーチ１０の被溶接物１４に対する角度などのいずれか１つまたは２つ以上の条件を複合して調整する。以後、ステップＳ１０６の条件を満たすまでこのループを繰り返す。
【００３２】
一方、ステップＳ１０８では、溶接作業が終了したか否かを判断し、終了したと判断したとき（ＹＥＳ）は、その処理を終了するが、終了していないと判断したとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ１０４に戻って前記と同様の処理をその溶接作業が終了するまで継続する。
【００３３】
このように本発明は、溶接時に出力される溶接電圧を検出し、その溶接電圧の周波数がその溶融池Ｐの固有振動数とほぼ一致するようにその溶接電圧の周波数を制御（調節）したため、その溶融池Ｐの振動数をその固有振動数に容易に制御（調節）することが可能となる。これによって、図６に示すようにキーホール溶接に際して安定した一定高さの裏波ビードを確実に得ることができる。
【００３４】
なお、前記課題を解決するための手段の欄に記載した本発明を構成する各手段（ステップ）のうち、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の固有振動数を取得する固有振動数取得手段（ステップ）は、例えば図１の記憶部５２や図３のステップ１０２の固有振動数取得ステップなどに対応し、また、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を検出する溶接電圧周波数検出手段（ステップ）は、例えば図１の溶接電圧周波数解析部５６や図３のステップ１０４の溶接電圧周波数解析ステップなどに対応する。また、溶接時に出力される溶接電圧の周波数を前記溶融池の固有振動数とほぼ一致するように制御する溶接電圧周波数制御手段（ステップ）は、例えば図１の中央制御部５１による駆動部２０および溶接ガス供給部４０の制御や図３のステップＳ１０７の溶接条件変更ステップなどに対応するものである。
【符号の説明】
【００３５】
１００…プラズマアーク溶接装置
１１…タングステン電極
１２…溶接トーチチップ
１０…溶接トーチ
１３…シールドキャップ
１４…被溶接物
１５…母材
１６…プラズマアーク
２０…駆動部
３０…溶接電源部
４０…溶接ガス供給部
５０…溶接制御部
５１…中央制御部
５２…記憶部（データベース）
５３…出力電圧計測部
５４…入力部
５５…出力部
５６…溶接電圧周波数解析部
Ｐ…溶融池
ＰＧ…プラズマガス
ＳＧ…シールドガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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