(57)【要約】【課題】  溶接電流の増加を伴わないでアーク圧力を増大させる。【解決手段】  所定厚の絶縁板を挟んで略並行配置された第１及び第２の溶接電極１ａ，１ｂを有する２電極式溶接トーチ１と、第１の溶接電極１ａに第１の周期Ｆで変動する第１の溶接電流を供給し、第２の溶接電極１ｂには第１の周期Ｆかつ第１の溶接電流の変動に対して逆位相で変動する第２の溶接電流を供給する本体２とを備えたＴＩＧ溶接装置であって、上記本体２は、上記第１の周期Ｆよりも短い第２の周期ｆmの変動を第１及び第２の溶接電流に重畳する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚の絶縁板を挟んで略並行配置された第１及び第２の溶接電極を有する２電極式溶接トーチと、第１の溶接電極に第１の周期で変動する第１の溶接電流を供給し、第２の溶接電極には第１の周期かつ第１の溶接電流の変動に対して逆位相で変動する第２の溶接電流を供給する本体とを備えたＴＩＧ溶接装置であって、
前記本体は、第１の周期よりも短い第２の周期の変動を第１及び第２の溶接電流に重畳する、ことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【請求項２】
本体は、第１及び第２の溶接電流における第２の周期の変動属性を調節する、ことを特徴とする請求項１記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項３】
本体は、第２の周期の変動属性の１つとして、第１の溶接電流における第２の周期の変動と第２の溶接電流における第２の周期の変動との位相差を調節する、ことを特徴とする請求項２記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項４】
本体は、第２の周期の変動属性の１つとして、第１の溶接電流における第２の周期の変動幅と第２の溶接電流における第２の周期の変動幅との大小関係を調節する、ことを特徴とする請求項２または３記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項５】
本体は、第２の周期の変動属性の１つとして、第２の周期の値を調節する、ことを特徴とする請求項２〜４いずれかに記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項６】
第１及び第２の溶接電極は、絶縁板を挟んで略並行配置された板状電極であり、絶縁板との対向面（内側面）に対して外側面が傾斜することによって各々に所定の先端角を形成する、ことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項７】
２電極式溶接トーチの移動方向あるいは２電極式溶接トーチの移動反対方向から溶接ワイヤを繰り出すワイヤ供給装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項８】
第１の周期における変動が高電流レベルと低電流レベルとを交互に繰り返す変動であり、本体は、高電流レベルにおける第２の周期の変動幅と低電流レベルにおける第２の周期の変動幅とを独立して設定する、ことを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項９】
第１及び第２の溶接電流が直流電流である、ことを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項１０】
２電極式溶接トーチの第１及び第２の溶接電極に互いに異なる位相かつ第１の周期で変動する第１及び第２の溶接電流を各々供給して溶接を行う方法であって、
第１及び第２の溶接電流に第１の周期よりも短い第２の周期の変動を重畳する、ことを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項１１】
第１及び第２の溶接電流における第２の周期の変動属性を調節して溶接を行う、ことを特徴とする請求項１０記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１２】
第２の周期の変動属性の１つとして、第１の溶接電流における第２の周期の変動と第２の溶接電流における第２の周期の変動との位相差を調節する、ことを特徴とする請求項１１記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１３】
第２の周期の変動属性の１つとして、第１の溶接電流における第２の周期の変動幅と第２の溶接電流における第２の周期の変動幅との大小関係を調節する、ことを特徴とする請求項１１または１２記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１４】
第２の周期の変動属性の１つとして、第２の周期の値を調節する、ことを特徴とする請求項１１〜１３いずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１５】
絶縁板を挟んで略並行配置された板状電極であり、絶縁板との対向面（内側面）に対して外側面が傾斜することによって各々に所定の先端角を形成する第１及び第２の溶接電極を用いる、ことを特徴とする請求項１０〜１４いずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１６】
２電極式溶接トーチの移動方向あるいは２電極式溶接トーチの移動反対方向から溶接ワイヤを繰り出す、ことを特徴とする請求項１０〜１５いずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１７】
第１の周期における変動が高電流レベルと低電流レベルとを交互に繰り返す変動であり、高電流レベルにおける第２の周期の変動幅と低電流レベルにおける第２の周期の変動幅とを独立して設定する、ことを特徴とする請求項１０〜１６いずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項１８】
第１及び第２の溶接電流が直流電流である、ことを特徴とする請求項１０〜１７いずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＩＧ溶接装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のようにＴＩＧ溶接は、溶接対象物と溶接トーチのタングステン電極との間に発生するアーク放電によって溶接対象物及び溶接ワイヤを溶融させると共に、アルゴンガス等の不活性ガスを溶融池に吹き付けることにより溶融池の周囲を不活性ガス雰囲気とする溶接方法である。このようなＴＩＧ溶接に用いられる溶接トーチには、１つの電極を有する単一電極式と２つの電極を有する２電極式とがある。例えば特開２０００−０７９４７７号公報には、２電極式溶接トーチを用いた溶接方法の一例が開示されている。この溶接方法は、２電極式溶接トーチの各電極のうち、一方の電極には所定の周期でパルス状に変動する溶接電流を印加し、また他方の電極には上記一方の電極における溶接電流の変動に対して逆位相でパルス状に変動する溶接電流を印加するものである。
【０００３】
ここで、２電極式溶接トーチを用いたＴＩＧ溶接では、各電極で発生するアークが電磁的に引き合って溶接開先内で集中する現象が発生するために溶接開先の溶け込み範囲が狭くなるが、これを是正するために溶接トーチを溶接線に直行する方向に変位させることが行われる。これに対して、上記特開２０００−０７９４７７号公報の溶接方法によれば、各電極に供給される溶接電流が交互に変動するので、各電極で発生するアークの電磁的な引き合いが弱く、よって各電極のアークの溶接開先内での集中が緩和される。この結果、溶接開先の溶け込み範囲が広くなり、溶接開先の溶け込みを安定化させることができる。
【特許文献１】特開２０００−０７９４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、下向き以外の姿勢で溶接する場合、重力に抗して溶融池を支える力（保持力）は主に溶融池の表面張力とアーク圧力であり、これらのバランスで溶融池が開先内に保持される。溶接姿勢を下向きから立て向き等下向き以外に変化させてくると、重力と保持力とのバランスが崩れて溶融池から溶融金属が垂れ落ちる現象が発生してくるため、溶接能率を低く抑え、溶融池を小さくしてやる必要がある。これに対して、溶接電流を増すこと等によってアーク圧力を増大させて溶融金属の垂れ落ちを抑える方法が考えられるが、溶融池の特定部位にアーク圧力が集中した場合には、溶融池の表面を局部的に掘り下げてしまうことになるので、上記垂れ落ち現象を効果的に抑えることができない。したがって、アーク圧力を増すことによって垂れ落ち現象を効果的に抑えるためには、アーク圧力を溶融池のより広い範囲に分散させて作用させる必要がある。
【０００５】
また、アーク圧力を増すことによって垂れ落ち現象を抑制する場合には、アーク電流の増大を招くことは好ましくない。アーク圧力は溶融池に向かうアークプラズマの流れに主として起因するものであり、溶接電流の増加とともに増大するが、溶接電流を増すと溶接入熱が増大するため溶接対象物の溶融が促進されて溶融池が大きくなるので、その分溶接ワイヤの供給量を減じて溶接能率を低下させなければならない。したがって、溶接作業の能率を向上させるには、溶接電流の増加を伴わないでアーク圧力を増大できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とする。
（１）アーク圧力を溶融池のより広い範囲に分散して作用させる。
（２）溶接電流を増加させることなくアーク圧力を増大させる。
（３）溶融池からの溶融金属の垂れ落ちを防止する。
（４）溶接品質を向上させる。
（５）溶接作業の作業能率を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、２電極式溶接トーチの第１及び第２の溶接電極に互いに異なる位相かつ第１の周期で変動する第１及び第２の溶接電流を各々供給し、かつ、第１及び第２の溶接電流に第１の周期よりも短い第２の周期の変動を重畳する、という解決手段を採用する。
【発明の効果】
【０００８】
このような解決手段によれば、溶接電流を増加することなく大きなアーク圧力を溶融池のより広い範囲に分散して作用させることが可能であり、この結果として溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質の向上や溶接作業能率の向上を図ることが可能である。
また、このような解決手段において、第１及び第２の溶接電流における第２の周期の変動属性を調節することによりアーク圧力の大小を種々設定することが可能であり、したがって溶融金属の垂れ落ち現象をより効果的に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係わるＴＩＧ溶接装置の要部構成を示すブロック図である。この図に示すように、本ＴＩＧ溶接装置は溶接トーチ１と本体２とから構成されており、溶接トーチ１は、第１溶接電極１ａと第２溶接電極１ｂとからなる２電極方溶接トーチである。これら第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂは、絶縁板１ｃを挟むことによって所定寸法を隔てて並行配置された板状電極である。また、これら第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂの先端部ａ0，ｂ0は、互いに並行関係にある絶縁板１ｃとの対向面（内側面ａ1，ｂ1）に対して外側面ａ2，ｂ2が傾斜することによって各々に所定の先端角を形成している。この先端角は、第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂ共に同一角に設定されており，例えば６０度以下が好ましい。
【００１０】
次に、本体２について説明する。本体２は、図に示すように、中周波パルス発生部２ａ、周波数設定部２ｂ、位相差設定部２ｃ、第１変動幅設定部２ｄ、第２変動幅設定部２ｅ、低周波パルス発生部２ｆ、加算器２ｇ、第１溶接電源２ｈ、第２溶接電源２ｉ及びワイヤ供給装置２ｊを備えている。このような複数の構成要素から構成される本体２は、上述した溶接トーチ１の第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂに溶接電流を各々供給するためのものである。以下の説明では、第１溶接電極１ａに供給する溶接電流ｉ1を第１溶接電流、第２溶接電極１ｂに供給する溶接電流ｉ2を第２溶接電流という。
【００１１】
詳細は後述するが、上記第１及び第２溶接電流ｉ1，ｉ2は、１〜１０Ｈｚ程度の周波数（第１の周期）を有する低周波パルスに、３０〜２００Ｈｚ程度の周波数（第２の周期）を有する中周波パルス（第２の周期の変動）を重畳させた波形に設定される。中周波パルス発生部２ａは、第１及び第２溶接電流用の中周波パルスを生成して加算器２ｇに出力する。この中周波パルスの繰り返し周波数は、溶融池の溶融金属に対してアーク圧力を効果的に作用させ得るように３０〜２００Ｈｚ程度の周波数に設定されている。周波数設定部２ｂは、上記中周波パルスの周波数設定値を中周波パルス発生部２ａに指示するものである。位相差設定部２ｃは、第１溶接電流用の中周波パルスと第２溶接電流用の中周波パルスとの位相差を中周波パルス発生部２ａに指示するものである。
【００１２】
第１変動幅設定部２ｄは、第１溶接電流用の中周波パルスの変動幅を中周波パルス発生部２ａに指示するものである。第２変動幅設定部２ｅは、第２溶接電流用の中周波パルスの変動幅を中周波パルス発生部２ａに指示するものである。低周波パルス発生部２ｆは、互いの位相が逆相関係となる第１溶接電流用の低周波パルスと第２溶接電流用の低周波パルスとを生成して加算器２ｇにそれぞれ出力する。この低周波パルスは、高電流レベルと低電流レベルとがデューティ比＝５０％で交互に繰り返すものであり、その繰り返し周波数は、上記第１溶接電極１ａと溶接開先との間及び第２溶接電極１ｂと溶接開先との間に各々発生するアークを効果的に走査させ得るように１〜１０Ｈｚ程度の低周波に設定されている。これら第１溶接電流用の低周波パルス及び第２溶接電流用の低周波パルスの属性は、上記位相を除いて全く同一である。
【００１３】
加算器２ｇは、中周波パルス発生部２ａから入力された中周波パルスと低周波パルス発生部２ｆから入力された低周波パルスを信号加算するものである。すなわち、加算器２ｇは、第１溶接電流用の低周波パルスに同じく第１溶接電流用の中周波パルスを信号加算した信号を第１電源制御信号として第１溶接電源２ｈに出力する一方、第２溶接電流用の低周波パルスに同じく第２溶接電流用の中周波パルスを加算した信号を第２電源制御信号として第２溶接電源２ｉに出力する。
【００１４】
第１溶接電源２ｈは、上記第１電源制御信号に準じた第１溶接電流ｉ1を生成して第１溶接電極１ａに出力し、一方、第２溶接電源２ｉは、上記第２電源制御信号に準じた第２溶接電流ｉ2を生成して第２溶接電極１ｂに出力する。ワイヤ供給装置２ｊは、溶接ワイヤを溶接開先近傍に供給するものである。本ＴＩＧ溶接装置では、溶接トーチ１を溶接開先に沿って順次移動させることによって当該溶接開先を順次溶接するが、上記ワイヤ供給装置２ｊは、溶接トーチ１の移動方向（溶接トーチ１の前方側）あるいは溶接トーチ１の移動反対方向（溶接トーチ１の後方側）から溶接開先に向けて溶接ワイヤを供給する。
【００１５】
次に、このように構成された本ＴＩＧ溶接装置の動作について、図２に示す波形図をも参照して詳しく説明する。なお、この図２は、上記第１溶接電流ｉ1及び第２溶接電流ｉ2の波形を示している。
【００１６】
この図２に示すように、第１溶接電流ｉ1及び第２溶接電流ｉ2は、周期Ｆの低周波パルスに周期ｆmの中周波パルスを重畳した変動を有する直流電流である。すなわち、第１溶接電流ｉ1及び第２溶接電流ｉ2の瞬時的な電流値は、周期Ｆで低周波パルス状に変動すると共に、周期ｆmの中周波パルス状にも変動する。また、中周波パルスの変動幅Ｂ1及びＢ2は、それぞれの２分の一が重畳前の低周波パルスに加算及び減算されているため、周期Ｆの２分の一の区間における中周波パルスの平均値はゼロであり、すなわち中周波パルスの重畳により電流値が増大することはない。
【００１７】
溶接時における溶接トーチ１の方向は、第１溶接電極１ａと第２溶接電極１ｂとの対向方向が溶接開先方向（すなわち溶接線方向）に直行する。このような向きの溶接トーチ１に対して、図２に示すように低周波パルス状変動が互いに逆相関係に設定されている第１溶接電流ｉ1及び第２溶接電流ｉ2を印加すると、第１溶接電流ｉ1が大の時第２溶接電流ｉ2が小、あるいは第１溶接電流ｉ1が小の時第２溶接電流ｉ2が大となるため、各電極で発生するアークの電磁的な引き合いが弱く、したがって溶接開先内でのアークの集中が緩和され、かつ、第１溶接電極１ａと第２溶接電極１ｂとが相対する間隔で第１溶接電流ｉ1と第２溶接電流ｉ2の強弱を交互に繰り返させることが可能となる。
【００１８】
この結果、熱源となるアークが適度に分散されるため、溶接開先のより広い範囲を溶融させることができ、かつ溶融池の特定部位にアークが集中しないので、アーク圧力による溶融金属の垂れ落ち現象を効果的に抑制することができる。このような効果は、溶接開先方向に直行する方向に溶接トーチ１を変位させることによっても達成されるが、溶接開先内の空間が狭い場合には、このような溶接トーチ１の変位は困難である。
【００１９】
しかし、本ＴＩＧ溶接装置では、第１溶接電流ｉ1の低周波パルス状変動と第２溶接電流ｉ2の低周波パルス状変動とを逆相とすることにより、アーク周囲の磁界を周期的に変動させてアークを走査するので、溶接トーチ１を機械的に変位させることなく上記効果を得ることができる。
【００２０】
また、溶接電流に中周波パルス状変動を付加するとアーク圧力が増大する現象が実験的に確認されており、しかも本ＴＩＧ溶接装置におけるように、中周波パルスの変動幅の２分の一を低周波パルスに加算及び減算するかたちで重畳すれば、中周波パルスを重畳しても電流値が増大することはない。この結果、溶接電流の増加をともなわずにアーク圧力を増大させることができるので、溶接ワイヤを大量に供給して溶接能率を向上させることができる。
【００２１】
ここで、本ＴＩＧ溶接装置は、中周波パルス状変動の変動属性について以下のような調節が可能である。その第１は、周波数設定部２ｂを操作することにより中周波パルス状変動の繰り返し周波数が上記３０〜２００Ｈｚ程度の周波数範囲内の所定値に調節される。これによって、溶融池に作用するアーク圧力を微調整することができる。
【００２２】
また、第２は、位相差設定部２ｃを操作することにより、第１溶接電流ｉ1における中周波パルス状変動と第２溶接電流ｉ2における中周波パルス状変動との位相差を任意に設定することができる。これによって第１溶接電極１ａと溶接開先との間に発生するアークと第２溶接電極１ｂと溶接開先との間に発生するアークとの溶接開先上における集中度合いを微調整することができるので、この結果として溶接開先内における溶融範囲を微調整すると共に各アークによるアーク圧力の分散状態をも微調整することができる。例えば、上記位相差を１８０°に設定した場合には、溶接開先上における上記各アークの集中度合いが最も小さくなるので、溶融範囲を最も広い状態に設定することができると共に、各アークによるアーク圧力の分散状態が最も広い範囲となる。
【００２３】
続いて、第３として、本ＴＩＧ溶接装置では、第１変動幅設定部２ｄによって第１溶接電流ｉ1における中周波パルス状変動の変動幅Ｂ1（図２参照）が、また第２変動幅設定部２ｅによって第２溶接電流ｉ2における中周波パルス状変動の変動幅Ｂ2がそれぞれ独立して設定可能である。すなわち、本ＴＩＧ溶接装置では、第１の溶接電流ｉ1における中周波パルス状変動の変動幅B1と第２の溶接電流ｉ2における中周波パルス状変動の変動幅Ｂ2との大小関係が調節可能である。
【００２４】
これによって、第１溶接電極１ａにおけるアークのアーク圧力及び第２溶接電極１ｂにおけるアークのアーク圧力を各々独立して設定可能となるので、例えば横向き溶接の場合に溶融金属の垂れ落ちを効果的に抑制することができる。横向き溶接の場合には、重力方向つまり下側への溶融金属の垂れ落ちが生じ易いが、下側に位置する溶接電極（例えば第１溶接電極１ａ）の変動幅B1を変動幅B2よりも大きく設定することにより第１溶接電極１ａにおけるアークのアーク圧力を第２溶接電極１ｂにおけるアークのアーク圧力よりも大きく設定し、以って下側への溶融金属の垂れ落ちをより効果的に抑制することができる。
【００２５】
さらに、低周波パルス状変動は、図２に示すように高電流レベルと低電流レベルとがデューティ比＝５０％で交互に繰り返すものであるが、高電流レベルにおける中周波パルス状変動の変動幅B1，B2と低電流レベルにおける中周波パルス状変動の変動幅B1，B2とを個別設定可能としても良い。また、低周波パルス状変動における高電流レベルと低電流レベルとのデューティ比は５０％に限定されるものではなく１０〜９０％の範囲であれば良い。
【００２６】
本ＴＩＧ溶接装置によれば、第１及び第２溶接電流の低周波パルス状変動に中周波パルス状変動を重畳するので、アーク圧力を向上させることが可能であり、以って溶融金属の垂れ落ちを抑制することが可能となる。また、これに加えて、第１及び第２溶接電流における中周波パルス状変動の各種変動属性、つまり周波数、位相差及び／あるいは振幅を調節することにより、溶融金属の垂れ落ちをさらに効果的に抑制することができる。
【００２７】
また、本ＴＩＧ溶接装置における溶接トーチ１は、上述したように第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂの先端部ａ0，ｂ0における外側面ａ2，ｂ2を傾斜させることによって所定の先端角を形成している。先端部ａ0，ｂ0をこのような形状とすることにより、第１溶接電極１ａのアークと第２溶接電極１ｂのアークとは、第１溶接電極１ａ及び第２溶接電極１ｂの対向中心に対して対称的な位置関係となる。したがって、溶接線を中心として左右均等（または上下均等）な溶け込みを実現することができる。
【００２８】
さらに、本ＴＩＧ溶接装置におけるワイヤ供給装置２ｊは溶接トーチ１の前方側または後方側から溶接開先に向けて溶接ワイヤを供給する。このような溶接トーチ１によれば、第１溶接電極１ａと第２溶接電極１ｂとの間から溶接ワイヤを供給する従来技術とは違って、第１溶接電極１ａと第２溶接電極１ｂの間隔を狭めることができ、よって狭い空間における溶接作業を可能にする。
【００２９】
また、図２に示すように第１の溶接電流ｉ1及び第２の溶接電流ｉ2の位相差は１８０°であるが、この位相差を０〜１８０°の範囲で調節することにより、各電極のアークの電磁的な引き合いの量を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係わるＴＩＧ溶接装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わるＴＩＧ溶接装置の各溶接電流の波形図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…… 溶接トーチ
１ａ……第１溶接電極
１ｂ……第２電極
１ｃ……絶縁板
２…… 本体
２ａ……中周波パルス発生部
２ｂ……周波数設定部
２ｃ……位相差設定部
２ｄ……第１変動幅設定部
２ｅ……第２変動幅設定部
２ｆ……低周波パルス発生部
２ｇ……加算器
２ｈ……第１溶接電源
２ｉ……第２溶接電源
２ｊ……ワイヤ供給装置
【図１】
2005081387.tif 000003
【図２】
2005081387.tif 000004