(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極、該電極の外周を囲むように配置されたインサートチップ、前記電極と該インサートチップとの間に配置され、センターガスが供給されるセンターガス供給用流路、前記インサートチップの外周を囲むように配置されたシールドキャップ、及び該シールドキャップと前記インサートチップとの間に配置され、アウターガスが供給されるアウターガス供給用流路を有するプラズマ溶接用トーチと、
ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が前記インサートチップと電気的に接続され、かつマイナス端子が前記電極と電気的に接続された第１の溶接電源、及びＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が被溶接物と電気的に接続され、かつマイナス端子が前記電極と接続された第２の溶接電源よりなる電源装置と、
を有し、
前記第１の溶接電源は、高周波装置または高電圧装置を有し、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるのに必要な電流を供給し、
前記第２の溶接電源は、高周波装置または高電圧装置を有し、かつ、前記第１の溶接電源から電流が供給されている間のみ、移行式のプラズマアークを発生させるのに必要な電流を供給する電源であることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の溶接電源は、同じ種類の溶接電源であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の溶接電源は、異なる種類の溶接電源であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項４】
前記インサートチップは、前記電極を冷却する冷却水を流すための冷却水用流路を有することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の溶接装置。
【請求項５】
ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子がプラズマ溶接用トーチのインサートチップと電気的に接続され、マイナス端子が前記プラズマ溶接用トーチの電極と電気的に接続された第１の溶接電源から電流を供給することで、前記電極と前記インサートチップとの間に、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるプラズマジェットアーク発生工程と、
ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が被溶接物と電気的に接続され、マイナス端子が前記電極と接続された第２の溶接電源から電流を供給すると共に、該第２の溶接電源を構成する高周波装置による高周波スタート方式、或いは前記高周波装置に替えて該第２の溶接電源を構成する高電圧装置による高電圧スタート方式によって、前記被溶接物と前記電極との間に、移行式のプラズマアークを発生させることで、前記被溶接物の溶接を行う溶接工程と、
を有し、
前記溶接工程では、前記プラズマジェットアークの発生を継続させた状態から前記プラズマアークを発生させる状態へと移行させることで、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴とするプラズマ溶接方法。
【請求項６】
前記プラズマジェットアークは、４Ａ以上５００Ａ以下の電流を前記第１の溶接電源が供給することで発生させることを特徴とする請求項５記載のプラズマ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置及びプラズマ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被溶接物（母材）を溶接する非消耗電極式溶接法として、ＴＩＧ溶接法やプラズマ溶接法が用いられている。プラズマ溶接法は、ＴＩＧ溶接法と比較して、熱集中性が優れているため、ビード幅を狭く、高速に溶接することが可能で、かつ歪の少ない溶接法である。
【０００３】
プラズマ溶接法には、プラズマアーク方式（移行式プラズマ）や、プラズマジェット方式（非移行式プラズマ）等がある。
一般的に、プラズマアーク方式の溶接装置（プラズマアーク方式の溶接機）は、トーチと、マイナス端子がトーチを構成する電極と接続され、かつプラス端子が被溶接物と電気的に接続された主電源と、配線を介して、電源と電気的に接続されたパイロットアーク電源と、パイロットアーク電源とトーチを構成するインサートチップ（「拘束ノズル」ともいう）とを接続する配線に設けられた切替スイッチと、パイロットアークを発生させる高周波装置と、を有する。
プラズマアーク方式のプラズマ溶接装置を用いる場合、比較的溶け込みの大きい溶接を行うことが可能となる。
【０００４】
プラズマジェット方式のプラズマ溶接装置（プラズマジェット方式のプラズマ溶接機）を用いる場合、トーチを構成する電極を主電源のマイナス端子と接続させ、該主電源のプラス端子とトーチを構成するインサートチップとをプラス電極で接続させる。
プラズマジェット方式では、被溶接物に電流が流れないため、溶射の熱源や炉の熱源にも使用されている。
【０００５】
特許文献１に開示された複合方式のプラズマ溶接装置は、トーチと、電源装置（以下、「複合方式用のプラズマ電源装置」という）と、を有する。複合方式用のプラズマ電源装置は、メインアーク電源（「主電源」ともいう）と、パイロットアーク電源と、高周波装置と、を有した構成とされている。
メインアーク電源（主電源）は、マイナス端子がトーチを構成する電極と接続され、プラス端子が被溶接物と電気的に接続されている。パイロットアーク電源は、メインアーク電源及びインサートチップと電気的に接続されている。
上記構成とされた複合方式のプラズマ溶接装置は、非常に低電流でも安定したプラズマを得ることが可能であるため、ＴＩＧ溶接法では難しい極薄板の溶接が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１９４８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＴＩＧ溶接装置（ＴＩＧ溶接機）を構成する電源装置（以下、「ＴＩＧ用電源装置」という）としては、溶接電源及び高周波装置が用いられ、非常に簡便な構成とされている。
このように、ＴＩＧ用電源装置と比較して、プラズマ電源装置が高価であるため、プラズマ溶接装置のコストを高くする要因となっている。
このため、プラズマ溶接装置の溶接性能が良くても、初期投資時のコストが高いというデメリットにより、深い溶け込みを得ることの可能なプラズマ溶接装置を採用しにくいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、溶接装置への初期投資を抑制した上で、深い溶け込みを得ることの可能な溶接装置及びプラズマ溶接方法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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、電極、該電極の外周を囲むように配置されたインサートチップ、前記電極と該インサートチップとの間に配置され、センターガスが供給されるセンターガス供給用流路、前記インサートチップの外周を囲むように配置されたシールドキャップ、及び該シールドキャップと前記インサートチップとの間に配置され、アウターガスが供給されるアウターガス供給用流路を有するプラズマ溶接用トーチと、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が前記インサートチップと電気的に接続され、かつマイナス端子が前記電極と電気的に接続された第１の溶接電源、及びＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が被溶接物と電気的に接続され、かつマイナス端子が前記電極と接続された第２の溶接電源よりなる電源装置と、を有し、前記第１の溶接電源は、高周波装置または高電圧装置を有し、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるのに必要な電流を供給し、前記第２の溶接電源は、高周波装置または高電圧装置を有し、かつ、前記第１の溶接電源から電流が供給されている間のみ、移行式のプラズマアークを発生させるのに必要な電流を供給する電源であることを特徴とする溶接装置が提供される。
【００１１】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１及び第２の溶接電源は、同じ種類の溶接電源であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置が提供される。
【００１２】
また、請求項３に係る発明によれば、前記第１及び第２の溶接電源は、異なる種類の溶接電源であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置が提供される。
【００１３】
また、請求項４に係る発明によれば、前記インサートチップは、前記電極を冷却する冷却水を流すための冷却水用流路を有することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の溶接装置が提供される。
【００１５】
また、請求項５に係る発明によれば、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子がプラズマ溶接用トーチのインサートチップと電気的に接続され、マイナス端子が前記プラズマ溶接用トーチの電極と電気的に接続された第１の溶接電源から電流を供給することで、前記電極と前記インサートチップとの間に、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるプラズマジェットアーク発生工程と、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子が被溶接物と電気的に接続され、マイナス端子が前記電極と接続された第２の溶接電源から電流を供給すると共に、該第２の溶接電源を構成する高周波装置による高周波スタート方式、或いは前記高周波装置に替えて該第２の溶接電源を構成する高電圧装置による高電圧スタート方式によって、前記被溶接物と前記電極との間に、移行式のプラズマアークを発生させることで、前記被溶接物の溶接を行う溶接工程と、を有し、前記溶接工程では、前記プラズマジェットアークの発生を継続させた状態から前記プラズマアークを発生させる状態へと移行させることで、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴とするプラズマ溶接方法が提供される。
【００１７】
また、請求項６に係る発明によれば、前記プラズマジェットアークは、４Ａ以上５００Ａ以下の電流を前記第１の溶接電源が供給することで発生させることを特徴とする請求項５記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶接装置への初期投資を抑制した上で、溶接する際に深い溶け込みを得ることがでる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】実験例、及び実施例１，２の条件でＳＵＳ３０４の板材を溶接したときの板材の表面及び裏面の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の溶接装置の寸法関係とは異なる場合がある。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接装置の概略構成を模式的に示す図である。図１では、説明の便宜上、プラズマ溶接用トーチ１２を構成するインサートチップ２２及びシールドキャップ２４を断面で図示する。また、図１では、溶接装置１０の構成要素以外の構成を点線で図示する。
【００２２】
図１を参照するに、本実施の形態の溶接装置１０は、プラズマ溶接用トーチ１２と、電源装置１３と、配線１６〜１９と、を有する。
プラズマ溶接用トーチ１２は、電極２１と、インサートチップ２２と、センターガス供給用流路２３と、シールドキャップ２４と、アウターガス供給用流路２５と、を有する。
【００２３】
電極２１は、一方向に延在した非消耗電極であり、先鋭形状とされた先端部２１Ａを有する。先端部２１Ａは、インサートチップ２２内に完全に収容されている。電極２１は、融点の高い金属材料で構成されている。
電極２１の材料としては、例えば、タングステンや、タングステンに酸化物（例えば、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム等）を添加した材料を用いることができる。
【００２４】
インサートチップ２２は、電極２１との間に隙間が介在されるように（言い換えれば、センターガス供給用流路２３が形成可能なように）、電極２１の外周を囲むように配置された筒状の部材である。
インサートチップ２２は、その内部に冷却水を供給可能な冷却水用流路２２Ａを有する。冷却水用流路２２Ａは、冷却水用流路２２Ａ内に電極２１を冷却する冷却水を供給するとともに、電極２１の冷却に寄与した冷却水を回収する冷却水循環部３１と接続されている。
インサートチップ２２の先端部の形状は、インサートチップ２２の基端から先端に向かう方向に対して縮径された形状とされている。
【００２５】
インサートチップ２２の先端は、インサートチップ２２の外部に電極２１から発生したプラズマアークを噴出させるインサートチップ孔２２Ｂを有する。
電極２１において発生したプラズマアークは、インサートチップ２２によってウォール効果及びサーマルピンチ効果を受けるため、絞られてエネルギー密度の高いアークとなり、インサートチップ孔２２Ｂから噴出する。
【００２６】
センターガス供給用流路２３は、電極２１の外面とインサートチップ２２の内面とで区画された略筒状の空間である。センターガス供給用流路２３は、センターガス供給ライン３３を介して、センターガス供給源３２と接続されている。
センターガス供給源３２からセンターガス供給用流路２３にセンターガスが供給されると、電極２１の先端部２１Ａにセンターガスが供給される。該センターガスとしては、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
なお、図１には図示していないが、センターガス供給ライン３３には、センターガスの流量を測定する流量計やセンターガスの流量を調整する流量調整用バルブが設けられている。
【００２７】
シールドキャップ２４は、インサートチップ２２との間に隙間が介在されるように（言い換えれば、アウターガス供給用流路２５が形成可能なように）、インサートチップ２２の外周を囲むように配置された筒状の部材である。シールドキャップ２４の先端部の形状は、縮径された形状とされている。
【００２８】
アウターガス供給用流路２５は、インサートチップ２２の外面とシールドキャップ２４の内面とで区画された略筒状の空間である。アウターガス供給用流路２５は、アウターガス供給ライン３６を介して、アウターガス供給源３５と接続されている。
アウターガス供給源３５からアウターガス供給用流路２５にアウターガスが供給されると、プラズマ溶接用トーチ１２の先端側にアウターガスが供給される。
【００２９】
該アウターガスとしては、例えば、アルゴンガスやヘリウムガス等の不活性ガス単体、アルゴンガスと水素ガスとを混合させた混合ガス、アルゴンガスとヘリウムガスとを混合させた混合ガス、アルゴンガスとヘリウムガスと水素ガスとを混合させた混合ガス、アルゴンと酸素や二酸化炭素からなる酸化性ガスを混合させた混合ガス、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスに窒素を混合させた混合ガス等を用いることができる。
なお、図１には図示していないが、アウターガス供給ライン３６には、アウターガスの流量を測定する流量計やアウターガスの流量を調整する流量調整用バルブが設けられている。
【００３０】
電源装置１３は、第１の溶接電源１４と、第１の溶接電源１４から溶接電流が供給されている間のみ、溶接電流を供給する電源である第２の溶接電源１５と、で構成されている。
第１の溶接電源１４は、高周波装置または高電圧装置を有した構成とされている。第２の溶接電源１５は、高周波装置または高電圧装置を有した構成とされている。
【００３１】
電源装置１３は、高周波装置を有する第１の溶接電源１４と、高周波装置を有する第２の溶接電源１５と、で構成してもよい。つまり、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、同じ種類の溶接電源を用いてもよい。
この場合、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、同じ種類の溶接電源を用いることが可能となる。これにより、共通の部品を用いることが可能となり、第１及び第２の溶接電源１４，１５が故障した際の予備電源の管理を容易に行うことができる。
また、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、同じ種類の溶接電源を用いることで、溶接電源の操作方法が同じになるため、第１及び第２の溶接電源１４，１５の誤操作を抑制することができる。
【００３２】
電源装置１３は、高電圧装置を有する第１の溶接電源１４と、高電圧装置を有する第２の溶接電源１５と、で構成してもよい。つまり、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、同じ種類の溶接電源を用いてもよい。
この場合、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、同じ高周波装置を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
【００３３】
また、電源装置１３は、高周波装置を有する第１の溶接電源１４と、高電圧装置を有する第２の溶接電源１５と、で構成してもよいし、或いは、高電圧装置を有する第１の溶接電源１４と、高周波装置を有する第２の溶接電源１５と、で構成してもよい。つまり、第１及び第２の溶接電源１４，１５として、異なる種類の溶接電源を用いてもよい。
【００３４】
上記説明したように、電源装置１３は第１の溶接電源１４と、第１の溶接電源１４から溶接電流が供給されている間のみ、溶接電流を供給する電源である第２の溶接電源１５と、で構成されている。
一方、従来のプラズマ電源装置を構成する高周波装置は、パイロットアーク発生させるためだけに使用される高周波装置または高電圧装置を有した構成とされている。
つまり、従来のプラズマ溶接電源では、パイロットアーク電源及び高周波装置によって、パイロットアークを発生させ、該パイロットアークに導かれてメインアークが電極と母材と間に移行する。
【００３５】
したがって、従来のプラズマ電源装置では、メインアーク発生の為に、高周波装置を使用しない。一方、本願発明において、例えば、第１及び第２の溶接電源１４，１５が高周波装置を有する場合、第１の溶接電源を構成する高周波装置によりパイロットアークを発生させ、その後、第１及び第２の溶接電源を構成する高周波装置（２つの高周波装置）により、パイロットアークをメインアークとして、より確実に電極から母材へ移行させる（移行式）ことができる。
つまり、本願発明では、第１及び第２の溶接電源１４，１５に設けられた高周波装置を使用することによって、パイロットアークをメインアークにスムーズに移行させることができる。
【００３６】
第１の溶接電源１４は、一般的な従来のプラズマ電源装置（具体的には、プラズマアーク電源、パイロットアーク電源、及び高周波装置よりなる電源装置）ではなく、一般的なＴＩＧ溶接装置で使用される安価な溶接電源である。
第１の溶接電源１４としては、例えば、アーク形成用の高周波装置や、アーク形成用の高電圧装置、或いは、直流出力電流、初期電流、クレータ電流、ガスプリフロー時間、ガスアフター時間、電流アップスロープ時間、電流ダウンスロープ時間、パルス周波数、及びパルス幅等の調整可能な溶接電源を用いることができる。
第１の溶接電源１４の仕様としては、例えば、直流出力電流が４Ａ〜５００Ａ、初期電流が１０Ａ〜５００Ａ、クレータ電流が１０Ａ〜５００Ａ、ガスプリフロー時間が０秒〜３０秒、ガスアフター時間が０秒〜３０秒、アップスロープ時間が０秒〜１０秒、電流出力が０秒〜１０秒、ダウンスロープ時間が０秒〜１０秒、電流出力が０秒〜１０秒、パルス周波数が０．１Ｈｚ〜５００Ｈｚ、パルス幅が５％〜９５％を用いることができる。
なお、第１の溶接電源１４として、例えば、交流と直流との併用が可能な交直両用の溶接電源を用いてもよい。この場合には、交直両用の溶接電源の直流の機能のみを用いる。
【００３７】
第１の溶接電源１４は、プラス端子１４Ａと、マイナス端子１４Ｂと、を有する。プラス端子１４Ａは、配線１６の一端と接続されている。プラス端子１４Ａは、配線１６を介して、インサートチップ２２と電気的に接続されている。
マイナス端子１４Ｂは、配線１７の一端と接続されている。マイナス端子１４Ｂは、配線１７を介して、電極２１と電気的に接続されている。
上記構成とされた第１の溶接電源１４は、非移行式のプラズマ溶接を行う際の溶接電源として機能する。
【００３８】
第２の溶接電源１５は、一般的な従来のプラズマ電源装置（具体的には、プラズマアーク電源、パイロットアーク電源、及び高周波装置よりなる電源装置）ではなく、一般的なＴＩＧ溶接装置で使用される安価な溶接電源である。
第２の溶接電源１５としては、先に説明した第１の溶接電源１４と同様なもの（具体的には、アーク形成用の高周波装置や、アーク形成用の高電圧装置、或いは、直流出力電流、初期電流、クレータ電流、ガスプリフロー時間、ガスアフター時間、電流アップスロープ時間、電流ダウンスロープ時間、パルス周波数、及びパルス幅等の調整が可能で、かつこれらの範囲が上述した範囲内とされた溶接電源）を用いることができる。
なお、第２の溶接電源１５として、例えば、交流と直流との併用が可能な交直両用の溶接電源を用いてもよい。この場合、被溶接物１１の材料としてステンレスや鉄等を用いる際には、交直両用の溶接電源の直流の機能のみを用いて溶接を行う。また、アルミや銅合金などの溶接は交流の機能を用いる。
【００３９】
第２の溶接電源１５は、プラス端子１５Ａと、マイナス端子１５Ｂと、を有する。プラス端子１５Ａは、配線１８の一端と接続されている。プラス端子１５Ａは、配線１８を介して、被溶接物１１と電気的に接続されている。
マイナス端子１５Ｂは、配線１９の一端と接続されている。マイナス端子１５Ｂは、配線１９を介して、電極２１と電気的に接続されている。
上記構成とされた第２の溶接電源１５は、移行式のプラズマ溶接を行う際の溶接電源として機能する。
【００４０】
上記構成とされた電源装置１３（第１及び第２の溶接電源１４，１５よりなる溶接電源）は、例えば、一般的な従来のプラズマ電源装置の価格の１／１０〜１／３程度のものを用いることができる。これにより、溶接装置１０の低コスト化を図ることができる。
【００４１】
このように、一般的な従来のプラズマ電源装置（具体的には、プラズマアーク電源、パイロットアーク電源、及び高周波装置よりなる電源装置）よりも安価な電源装置１３を有することで、第１の溶接電源１４から供給される電流により発生させられるプラズマジェットアークと、第２の溶接電源１５から供給される電流により発生させられるプラズマアークと、の相乗効果により、被溶接物１１の溶け込みを増大させることが可能となる。これにより、従来のプラズマ溶接装置と同等以上の溶け込みを得ることができるとともに、溶接速度を向上させることができる。
【００４２】
本実施の形態の溶接装置１０では、第１の溶接電源１４と第２の溶接電源１５とが設置され、第１及び第２の溶接電源１４，１５から供給される電気エネルギーが合わさって、母材の溶接が行われる。
また、溶接する母材や溶接条件によって、より多くの溶接電流の供給が必要な場合があるが、本発明では、このような場合でも、汎用のＴＩＧ溶接電源の自由な組み合わせによって対応することができる。
【００４３】
しかも、汎用のＴＩＧ溶接電源に標準的に設置される高周波装置を常時使用することで、メインアークを安定して維持することが可能となる。
つまり、本発明では、非移行式と移行式との相乗効果により、必要な溶け込み深さを確保することができる。また、溶接電流を高めに設定することにより、従来のプラズマ溶接よりも深い溶け込みを得ることができ、かつ溶接作業の高速化を実現できる。
【００４４】
一方、従来のプラズマアーク式溶接装置では、主電源からの電気エネルギーのみが母材の溶接に用いられので、溶接母材や溶接条件によって、より多くの溶接電流の供給が必要な場合、溶接電源の追加等が必要となる。
【００４５】
本実施の形態の溶接装置は、プラズマ溶接用トーチ１２と、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１４Ａがインサートチップ２２と電気的に接続され、マイナス端子１４Ｂが電極２１と電気的に接続された第１の溶接電源１４、及びＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１５Ａが被溶接物１１と電気的に接続され、マイナス端子１５Ｂが電極２１と接続された第２の溶接電源１５よりなる電源装置１３と、を有する。
【００４６】
これにより、従来のプラズマ溶接装置の高価な電源装置よりも安価な電源装置１３を用いて、第１の溶接電源１４から供給される電流により発生させられるプラズマジェットアークと、第２の溶接電源１５から供給される電流により発生させられるプラズマアークと、の相乗効果により、被溶接物１１の溶け込みを増大させることが可能となる。
つまり、溶接装置１０への初期投資を抑制した上で、従来のプラズマ溶接装置と同等以上の溶け込み深さを得ることができる。
【００４７】
なお、上記構成とされた溶接装置１０は、非キーホール溶接やキーホール溶接等に用いることができる。
【００４８】
次いで、図１を参照して、本実施の形態の溶接装置１０を用いた第１のプラズマ溶接方法について説明する。
本実施の形態の第１のプラズマ溶接方法は、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１４Ｂがプラズマ溶接用トーチ１２のインサートチップ２２と電気的に接続され、マイナス端子１４Ｂがプラズマ溶接用トーチ１２の電極２１と電気的に接続された第１の溶接電源１４から電流を供給することで、電極２１とインサートチップ２２との間に、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるプラズマジェットアーク発生工程と、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１５Ａが被溶接物１１と電気的に接続され、マイナス端子１５Ｂが電極２１と接続された第２の溶接電源１５から電流を供給すると共に、被溶接物１１と電極２１との間に、移行式のプラズマアークを発生させることで、被溶接物１１の溶接を行う溶接工程と、を有する。
【００４９】
上記プラズマジェットアーク発生工程では、始めに、センターガス供給用流路２３にセンターガスを供給する。センターガスとしては、上述したガスを用いることができる。
センターガスの流量は、目的に応じて適宜選択することが可能であるが、例えば、０．１〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲内で設定することができる。
このとき、アウターガス供給用流路２５には、アウターガスを供給してもよいし、アウターガスを供給しなくてもよい。
【００５０】
次いで、第１の溶接電源１４を用いて、電極２１とインサートチップ２２との間に電流を供給することで、電極２１の先端部２１Ａの下方に非移行式のプラズマジェットアークを発生させる。
このとき、第１の溶接電源１４が、電極２１とインサートチップ２２との間に供給する電流の大きさは、例えば、溶接電源の性能範囲から４Ａ以上５００Ａ以下の範囲内で適宜選択することができる。
【００５１】
第１の溶接電源１４が、電極２１とインサートチップ２２との間に供給する電流の大きさが４Ａよりも小さいと、パイロットアークが不安定となる恐れがある。一方、第１の溶接電源１４が、電極２１とインサートチップ２２との間に供給する電流の大きさが５００Ａよりも大きいと、安価に販売されているＴＩＧ溶接電源では対応できなくなりコストアップになってしまう。
したがって、第１の溶接電源１４が、電極２１とインサートチップ２２との間に供給する電流の大きさを４Ａ以上５００Ａ以下とすることで、溶接電源の導入コストを抑制することができる。
また、第１の溶接電源１４が供給する電流は、例えば、２０Ａ以上５００Ａ以下とすることが好ましい。
このように、第１の溶接電源１４が供給する電流を２０Ａ以上５００Ａ以下とすることで、プラズマジェットアークが安定するとともに、より深い溶け込みを得ることができる。
【００５２】
上記溶接工程では、プラズマジェットアーク発生工程においてアウターガス供給用流路２５にアウターガスを供給しなかった場合には、アウターガス供給用流路２５にアウターガスを供給する。
なお、プラズマジェットアーク発生工程において、アウターガス供給用流路２５にアウターガスを供給した場合には、アウターガスの供給を継続させる。アウターガスは、溶融部を大気から遮断する機能を有する。
【００５３】
次いで、溶接工程において、プラズマジェットアーク及びプラズマアークを用いて被溶接物１１を溶接する場合を例に挙げて、その手法について説明する。
この場合、アウターガスの供給を維持し、プラズマジェットアークの発生を継続（第１の溶接電源１４からの電流の供給を継続）させた状態で、第２の溶接電源１５から電極２１と被溶接物１１との間に電流を供給することで、プラズマジェットアーク及びプラズマアークを発生させて被溶接物１１の溶接を行う。
【００５４】
このとき、第２の溶接電源１５が供給する電流は、第１の溶接電源１４が供給する電流よりも小さくても、大きくてもよい。
溶接工程において、第２の溶接電源１５が供給する電流は、例えば、４Ａ以上５００Ａ以下の範囲内で適宜選択することができる。
【００５５】
なお、溶接工程において、プラズマアークのみを用いて被溶接物１１を溶接することも可能である。
この場合、この場合、アウターガスの供給を維持し、第２の溶接電源１５から電極２１と被溶接物１１との間に電流を供給してから、プラズマジェットアークの発生を停止（第１の溶接電源１４からの電流の供給を停止）させた状態で、プラズマアークのみで被溶接物１１の溶接を行う。
この溶接工程において、第２の溶接電源１５が供給する電流は、例えば、４Ａ以上５００Ａ以下の範囲内で適宜選択することができる。
【００５６】
なお、被溶接物１１の材料がアルミニウム合金やＣｕ合金等の場合、クリーニング処理が必要となるため、第２の溶接電源１５が供給する電流としては、交流のアーク波形のものを用いるとよい。
ここでの「クリーニング処理」とは、プラスイオンが衝突することで母材の表面の酸化膜を除去する処理のことをいう。クリーニング処理では、電極側をプラスにすると、電極が消耗するので、第２の溶接電源１５として直流電源（電極が正極）を利用することができない。そこで、第２の溶接電源１５が供給する電流として、交流のアーク波形を用いることで、電極の消耗を抑制した上で、酸化膜を除去することができる。
【００５７】
また、上記溶接装置１０は、第２の溶接電源１５を用いることなく、第１の溶接電源１４のみを用いて、予熱が必要な母材に対し、予熱用として用いても良く、目的の予熱温度に達した後に、第２の溶接電源１５を用いて、メインアークへ移行することもできる。その他に溶接、ろう付け、はんだ付け、溶射等を行ってもよいし、その他の熱源（例えば、炉の熱源・後熱処理の熱源・ガラスの熱加工など、その他多くの熱源）として利用してもよい。
また、汎用のＴＩＧトーチ（例えば、特願２０１４−０５６５２８に開示されたトーチ）を用いた構成のプラズマトーチを用いてもよい。
第２の溶接電源１５のみを用い、プラズマ溶接用トーチ１２のインサートチップ孔２２Ｂを電極２１よりも大きくし、その電極２１をインサートチップ２２Ｂの先端から突出させることで、ＴＩＧ溶接用として用いてもよい。また、プラズマ溶接用トーチ１２に替えて、ＴＩＧ溶接用トーチを用いてもよい。
【００５８】
本実施の形態の第１のプラズマ溶接方法によれば、上記説明したプラズマジェットアーク発生工程、及び被溶接物１１の溶接を行う溶接工程を有することで、従来のプラズマ溶接装置の高価な電源装置よりも安価な電源装置１３を用いて、第１の溶接電源１４から供給される電流により発生させられるプラズマジェットアークと、第２の溶接電源１５から供給される電流により発生させられるプラズマアークと、の相乗効果により、被溶接物１１の溶け込みを増大させることが可能となる。つまり、第１の溶接電源１４から供給される電流（電気エネルギー）を、メインアークの移行を安定させるために利用することが可能となる。
したがって、溶接装置１０への初期投資を抑制した上で、従来のプラズマ溶接装置と同等以上の溶け込み深さを得ることができる。
【００５９】
なお、特許文献１に開示されたパイロットアーク用の直流電源は、アーク発生目的の電流を供給するが、該電流は一般的に低電流であるため、本実施の形態で説明した第１の溶接電源１４のようにメインアークの安定移行に貢献することができない。
【００６０】
次に、図１を参照して、本実施の形態の溶接装置１０を用いた第２のプラズマ溶接方法について説明する。
本実施の形態の第２のプラズマ溶接方法は、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１４Ａがプラズマ溶接用トーチ１２のインサートチップ２２と電気的に接続され、マイナス端子１４Ｂがプラズマ溶接用トーチ１２の電極２１と電気的に接続された第１の溶接電源１４を用いて、電極２１とインサートチップ２２との間に、非移行式のプラズマジェットアークを発生させるプラズマジェットアーク発生工程と、ＴＩＧ溶接装置に使用される溶接電源であり、プラス端子１５Ａが被溶接物１１と電気的に接続され、マイナス端子１５Ｂが電極２１と接続された第２の溶接電源１５から電流を供給すると共に、第２の溶接電源１５を構成する高周波装置による高周波スタート方式、或いは該高周波装置に替えて第２の溶接電源１５を構成する高電圧装置による高電圧スタート方式によって、被溶接物１１と電極２１との間に、移行式のプラズマアークを発生させることで、被溶接物１１の溶接を行う溶接工程と、を有する。
【００６１】
本発明において、「高周波スタート方式」とは、アークスタートの際に高周波を用いたスタート方式のことをいい、「高電圧スタート方式」とは、アークスタートの際に高電圧を用いたスタート方式のことをいう。
【００６２】
本実施の形態の第２のプラズマ溶接方法は、溶接工程において、第２の溶接電源１５を構成する高周波装置による高周波スタート方式、或いは該高周波装置に替えて第２の溶接電源１５を構成する高電圧装置による高電圧スタート方式によって、被溶接物１１と電極２１との間に、移行式のプラズマアークを発生させることで、被溶接物１１の溶接を行うことが異なる以外は、先に説明した第１のプラズマ溶接方法と同様な手法で行うことができ、第１のプラズマ溶接方法と同様な効果を得ることができる。
【００６３】
また、本実施の形態の第２のプラズマ溶接方法は、第１の溶接電源１４から供給される電流の数値が小さくても（例えば、５Ａ程度でも）、第２の溶接電源１５を構成する高周波装置または高電圧装置を利用して、安定したメインアーク移行を実現することができる点が、先に説明した第１のプラズマ溶接方法とは異なる。
第２のプラズマ溶接方法では、第２の溶接電源１５を構成する高周波装置または高電圧装置を利用して、安定したメインアーク移行を行い、第１のプラズマ溶接方法では、メインアーク移行を安定的に行うために第１の溶接電源１４から供給される電流（電気エネルギー）を利用している。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６５】
以下、実施例、及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例に限定されない。
【００６６】
（実験例）
実験例では、図１に示す溶接装置１０を用いて、被溶接物１１として、ＳＵＳ３０４よりなる厚さ３ｍｍの板材に対して、アークを噴出させ、プラズマ溶接用トーチ１２を所定の方向に移動させることで、被溶接物１１の溶接処理を行った。
ことで、
【００６７】
具体的には、実験例では、第１の溶接電源１４から２０Ａの電流を供給することで、プラズマジェットアークを発生させた。次いで、第２の溶接電源１５から１００Ａの電流を供給し、１秒経過後、第１の溶接電源１４からの電流の供給を停止させ、第２の溶接電源のプラズマアークをＳＵＳ３０４の板材に噴出させることで、被溶接物１１の溶接処理を行った。しかしながら、溶接の途中からプラズマアークを維持できない場合があった。
【００６８】
このとき、溶接装置１０の構成を下記構成とした。
電源装置１３を構成する第１の溶接電源１４としては、パナソニック製のＴＩＧ用の溶接電源であるＹＣ−３００ＢＰ４（型番）を用いた。電源装置１３を構成する第２の溶接電源１５としては、パナソニック製のＴＩＧ用の溶接電源であるＹＣ−５００ＢＰ４（型番）を用いた。
一般的なプラズマ溶接装置で使用する電源装置（出力電流範囲が１０〜３５０Ａクラス）を３５０万円とすると、実験例で使用した電源装置１３（第１及び第２の溶接電源１４，１５よりなる電源装置）は、プラズマ溶接装置で使用する電源装置の１／２程度であった。
電極２１としては、外径３．２ｍｍとされたタングステン電極を用いた。電極２１の先端は、インサートチップ２２の先端から５ｍｍ内側に配置した。インサートチップ２２のインサートチップ孔２２Ｂの直径は、３．５ｍｍとした。
【００６９】
また、溶接条件は、下記条件を用いた。
センターガス供給用流路２３に供給するセンターガスとしては、流量が３Ｌ／ｍｉｎとされ、７％Ｈ２を含むアルゴンガスを用いた。アウターガスとしては、流量が７Ｌ／ｍｉｎとされ、７％Ｈ２を含むアルゴンガスを用いた。
また、プラズマ溶接用トーチ１２の移動速度は、４５ｃｍ／ｍｉｎとした。溶接処理する区間は、１０ｃｍとした。
【００７０】
その後、溶接処理された被溶接物１１の表面及び裏面の状態を観察するとともに、カメラで撮影した。このとき撮影した写真を図２に示す。
図２は、実験例、及び実施例１，２の条件でＳＵＳ３０４の板材を溶接したときの板材の表面及び裏面の写真である。
【００７１】
表１に、図２に示す写真から判断した溶け込み深さの評価結果を示す。
表１では、溶け込み深さがかなり深く、裏ビードが連続して、かつはっきりと表れたものを◎と評価し、溶け込み深さがやや浅く、裏ビードが一部に表れたものを〇とし、溶接の途中でアークの維持が困難となったものを△と評価した。
【００７２】
【表１】
0006539039.tif 000002
【００７３】
（実施例１）
実施例１では、上述した実験例で使用した溶接装置１０と同じ装置を用いて、第１の溶接電源１４から２０Ａの電流を供給させたまま、第２の溶接電源１５から１００Ａの電流を供給させることで、溶接を行った。実験例１では、第１の溶接電源１４のオン状態を継続させたこと以外は、実験例と同じ溶接条件を用いた。
そして、溶接処理後、溶接処理された被溶接物１１の表面及び裏面の状態を観察した。この結果を表１に示す。実施例１では、最後まで安定したアークが得られた。
【００７４】
（実施例２）
実施例２では、上述した実験例で使用した溶接装置１０と同じ装置を用いて、第１の溶接電源１４から供給する電流を１００Ａに変更し、かつ第１の溶接電源１４から１００Ａの電流を供給させたまま、第２の溶接電源１５から１００Ａの電流を供給させることで、溶接を行った。実施例２では、第１の溶接電源１４から供給する電流を１００Ａに変更させたこと以外は、実施例１と同様な処理を行った。
そして、溶接処理後、溶接処理された被溶接物１１の表面及び裏面の状態を観察した。この結果を表１に示す。実施例２では、実施例１のときと同様に最後まで安定したアークが得られ、さらに深い溶け込みとなり、非常に良好な結果が得られた。
【００７５】
（実験例、及び実施例１，２の結果のまとめ）
汎用的なＴＩＧ溶接電源を用いた場合、第１の溶接電源１４から溶接電流が供給されていない状態で、第２の溶接電源１５から溶接電流が供給されている被溶接物１１の溶接を行う場合において、アークの維持が困難になる場合があることが判った。
【００７６】
第１の溶接電源１４から溶接電流が供給されている状態で、第２の溶接電源１５から溶接電流が供給されている状態にして被溶接物１１の溶接を行うと、アークの維持が可能であることが判った。
そして、第１及び第２の溶接電源１４，１５をオン状態とし、第１及び第２の溶接電源１４，１５から供給する電流を高くすることで、さらに深い溶け込みを得ることができることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、溶接装置への初期投資を抑制した上で、深い溶け込みを得ることの可能な溶接装置及びプラズマ溶接方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１０…溶接装置、１１…被溶接物、１２…プラズマ溶接用トーチ、１３…電源装置、１４…第１の溶接電源、１４Ａ，１５Ａ…プラス端子、１４Ｂ，１５Ｂ…マイナス端子、１５…第２の溶接電源、１６〜１９…配線、２１…電極、２１Ａ…先端部、２２…インサートチップ、２２Ａ…冷却水用流路、２２Ｂ…インサートチップ孔、２３…センターガス供給用流路、２４…シールドキャップ、２５…アウターガス供給用流路、３１…冷却水循環部、３２…センターガス供給源、３３…センターガス供給ライン、３５…アウターガス供給源、３６…アウターガス供給ライン
【図１】
0006539039.tif 000003
【図２】
0006539039.tif 000004