(57)【要約】【課題】  薄板の溶接を手動又は自動機によって高効率、高品質、安価に行うことができるプラズマアーク溶接方法を提供すること。【解決手段】  プラズマガス流量Ｆ、プラズマトーチの拘束ノズルの拘束径、拘束ノズルの拘束長の少なくとも１つ以上を調整することによって、プラズマアークによる溶融池への圧力であるプラズマ圧力を２０００〜５０００Ｐａの範囲内に調整して溶接を行う。これによって、薄板の溶け落ちの原因となるキーホールを溶融池に形成することなく安定したプラズマアークを発生させることができるので、薄板溶接が高効率・高品質に行うことができる。また、プラズマアークにパルス状の溶接電流を通電し、このパルス状の溶接電流の周波数を１００Ｈｚ以上に設定する。これによって、プラズマアークの硬直性を微調整することができるので、ワークに適したビード形状を形成することができる。【選択図】図１
2005111539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマガス流量、拘束ノズルの拘束径、拘束ノズルの拘束長の少なくとも１つ以上を調整することによって、プラズマアークによる溶融池への圧力を２０００〜５０００Ｐａの範囲内に調整して溶接を行うことを特徴とするプラズマアーク溶接方法。
【請求項２】
プラズマアークにパルス状の溶接電流を通電し、このパルス状の溶接電流の周波数を１００Ｈｚ以上に設定することを特徴とする請求項１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、主に薄板を高効率に溶接するためのプラズマアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、一般的なプラズマアーク溶接方法を示す模式図である。同図（Ａ）はプラズマアークトーチ及びプラズマアーク発生部の模式図を示し、同図（Ｂ）は表ビードの外観を示す表面図であり、同図（Ｃ）は裏ビードの外観を示す裏面図である。プラズマアーク溶接は、同図（Ａ）に示すように、タングステン電極１の先端から発生したアークを、拘束ノズル５内を流れるプラズマガス６によって強制冷却し、熱的ピンチ作用で細く絞り込んだプラズマアーク３を熱源とする溶接方法である。上記の拘束ノズル５の外周にはシールドノズル７が設けられており、その内面をシールドガス８が流れて溶融池４へ噴出される。上記のプラズマガス６及びシールドガス８としては、一般的にアルゴンガスが使用されている。
【０００３】
このプラズマアーク３によって母材２を溶融して溶融池４が形成される。プラズマアーク３は、上述したように、細く絞り込まれることによって高エネルギー密度の熱源となるために、キーホール９と呼ばれる貫通した小孔が溶融池４内に形成される。これによって、同図（Ｃ）に示すように、裏面まで溶融して良好な裏ビード４２が形成され、いわゆるキーホール溶接が行われる。このために、キーホールの形成を伴うプラズマアーク溶接は、深い溶け込みを得ることができ突き合わせ継手等をティグ溶接よりも高効率に行うことができる。
【０００４】
図１０に示すように、拘束ノズル５の先端部にはアークを細く絞り込むための拘束部が設けられている。この拘束部は、拘束径Ｄ［mm］及び拘束長Ｌ［mm］からなる小孔である。したがって、プラズマアーク３の拘束度合は、プラズマガス６の流量Ｆ［l/分］、拘束径Ｄ［mm］及び拘束長Ｌ［mm］（以下、これらを拘束要因という）によって調整される。すなわち、母材の板厚、材質等に応じて上記の拘束要因を調整することによって、キーホール９が形成するようにしている。上記の拘束要因の調整範囲は、一般的に、０．２≦Ｆ≦２．０及び０．６≦Ｄ≦３．０及び１．０≦Ｌ≦３．０程度である。
【０００５】
ところで、プラズマアーク溶接の特徴であるキーホール溶接は、適用することができる溶接継手の種類がおおむね突き合わせ継手に限られている。また、キーホールを安定して維持するために一定速度でプラズマアーク（トーチ）を移動させる必要がある。このために、手動溶接では安定したキーホール溶接を行うことが難しい。特に、図１１に示すように、板厚が２mmを下回る薄板のＴ字継手をプラズマアーク溶接する場合には、以下のような問題がある。同図（Ａ）はティグ溶接による良好なビード断面部を示しており、垂直板２１と水平板２２とに良好な溶融橋絡部４３が形成されている。他方、同図（Ｂ）はキーホールプラズマアーク溶接の場合のビード断面部を示す。キーホールによって不必要な裏ビード４２が形成される。このために、電気機器の筐体、自動車部品等のように裏ビード部が外観となるような構造物では、外観が悪くなるという問題がある。さらに、キーホールによって溶け落ちが発生しやすくなるという問題も発生する。すなわち、キーホールプラズマアーク溶接は、手動溶接及び薄板溶接には適さない溶接方法である。
【０００６】
ところで、特許文献１に記載する従来技術では、キーホールを形成しないプラズマアーク溶接方法が提案されている。この従来技術では、ヘリウムガス又はヘリウムガスを５容積％以上混合したアルゴンガスをプラズマガスに使用し、かつ、アルゴンガス、窒素ガス又はヘリウムガスの一種又は二種以上に酸素ガス又は炭酸ガスを一種又は二種含有させた混合ガスをシールドガスに使用することによって、キーホールを形成させずに深溶け込みの溶接部を得ることができる。すなわち、従来技術では、通常のプラズマアーク溶接におけるキーホールによる深溶け込み作用効果を、キーホールを形成しないで特殊な混合ガスを使用することで同作用効果を奏するようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３１５７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来技術によれば、特殊な混合ガスを使用することで、キーホールを形成しないで深溶け込みを得られるプラズマアーク溶接を行うことができるので、一見上述したキーホール形成による諸問題点が解決されるように思われる。しかし、従来技術では、アルゴンガスよりも電位傾度の高いヘリウムガスをプラズマガスに使用するために、プラズマアークの電圧値が高くなり母材への入熱が大きくなる。この結果、薄板溶接の場合、母材への入熱が過大になり、溶け落ち等の欠陥が発生しやすくなる。さらに、従来技術では、特殊な混合ガスを使用するために、アルゴンガスのみを使用する通常のプラズマアーク溶接に比べてガスコストが非常に高価になるという新たな課題も生じる。
【０００９】
そこで、本発明は、薄板の溶接を手動又は自動機によって高効率、高品質、安価に行うことができるプラズマアーク溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、プラズマガス流量、拘束ノズルの拘束径、拘束ノズルの拘束長の少なくとも１つ以上を調整することによって、プラズマアークによる溶融池への圧力を２０００〜５０００Ｐａの範囲内に調整して溶接を行うことを特徴とするプラズマアーク溶接方法である。
【００１１】
また、第２の発明は、プラズマアークにパルス状の溶接電流を通電し、このパルス状の溶接電流の周波数を１００Ｈｚ以上に設定することを特徴とする第１の発明記載のプラズマアーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１２】
上記第１の発明によれば、プラズマ圧力を適正範囲に調整することによって、キーホールが形成しない安定した薄板のプラズマアーク溶接を行うことができる。このために、手動又は自動機によって高効率で高品質なプラズマアーク溶接を行うことができる。さらに、本発明では、プラズマガス及びシールドガスにアルゴンガスを使用するので、特殊な混合ガスを使用する従来技術よりもガスコストが大幅に安価になる。
【００１３】
上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、プラズマアークを通電する溶接電流の周波数を所定値以上にすることによって、プラズマアークの硬直性を向上させることができ、ビード形状（アスペクト比）の適正化、限界溶接速度の拡大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
［実施の形態１］
図１は、キーホールを形成しないでかつ安定したプラズマアーク溶接が行える範囲をプラズマガス流量と後述するプラズマ圧力との関係によって示す図である。同図は、軟鋼板の突き合わせ溶接の場合である。プラズマガス及びシールドガスにはアルゴンガスを使用し、溶接電流６０Ａ、溶接速度３０cm/分の場合である。同図は以下のような実験によって作成されたものである。
（１）プラズマアークの拘束要因であるプラズマガス流量Ｆを０．２〜１．０l/分の範囲で、拘束径Ｄを０．６〜３．０mmの範囲で変化させて、これらの種々組合せ時のプラズマアークによる溶融池への圧力（プラズマ圧力という）を図２で後述する測定装置を使用して測定する。
（２）種々のプラズマ圧力値に調整してプラズマアーク溶接を行い、キーホールの形成しない安定した溶接が行える範囲を調べる。
【００１６】
同図に示すように、プラズマ圧力が５０００Ｐａを超えると、キーホールが形成されて溶け落ちが発生じやすくなる。他方、プラズマ圧力が２０００Ｐａ未満になると、キーホールは形成されないが溶融池の形成が不安定になりビードが蛇行する。したがって、プラズマ圧力が２０００〜５０００Ｐａの範囲内であれば、キーホールが形成しない安定した薄板のプラズマアーク溶接を行うことができる。このよに、プラズマ圧力という本発明に特注のパラメータを導入することで、上述した安定範囲を明確に確定することができる。
【００１７】
図２は、上述したプラズマ圧力の測定装置図である。内部空洞に水を流して冷却する水冷銅ブロック１０の中央部に貫通した小孔を設けてシリコンオイル１１を充填し、底部に圧力センサ１２を配設する。上部からプラズマアーク３を発生させて、このプラズマアーク３が溶融池を想定したシリコンオイル１１に加える圧力（プラズマ圧力）を圧力センサ１２で検出する。圧力センサ１２の出力はアンプ１３によって増幅されて、記録計１４に記録される。上述したように、プラズマアーク３の拘束要因であるプラズマガス流量Ｆ、拘束径Ｄ及び拘束長Ｌを種々に変化させたときのプラズマ圧力値を、本装置によって測定することができる。
【００１８】
図３は、上述したキーホールが形成しない安定したプラズマアーク溶接を行うことができる範囲に及ぼす溶接電流値の影響を示す図である。同図は、直流の溶接電流値を変化させて上述した図１と同様の実験を行って作成したものである。同図から分かるように、溶接電流値に関わりなく、プラズマ圧力が２０００〜５０００Ｐａの範囲内にあれば、キーホールが形成しない安定した溶接を行うことができる。
【００１９】
上述したように、プラズマアークの拘束要因であるプラズマガス流量Ｆ、拘束径Ｄ又は拘束長Ｌを変化させてプラズマ圧力が２０００〜５０００Ｐａの範囲内になるように調整することによって、キーホールが形成しない安定した薄板の溶接を行うことができる。これにより、手動又は自動機による高効率で高品質の薄板のプラズマアーク溶接を行うことができる。さらに、本発明では、プラズマガス及びシールドガスにアルゴンガスを使用するので、特殊な混合ガスを使用する従来技術に比べてガスコストが安価になる。
【００２０】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、上述した実施の形態１においてプラズマアークを通電する溶接電流をパルス状とし、そのパルス電流の周波数ｆを１００Ｈｚ以上とするものである。図４は、このパルス電流を示す波形図である。予め定めたピーク期間Ｔｐ中は予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、続く予め定めたベース期間Ｔｂ中は予め定めたベース電流Ｉｂを通電する。上記のピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂを１周期Ｔとして繰り返して行う。したがって、周波数ｆ［Ｈｚ］は１／Ｔとなる。
【００２１】
図５は、溶接電流の周波数ｆとプラズマ圧力との関係図である。同図は、溶接電流の周波数ｆ＝０すなわち一定値のときのプラズマ圧力が４０００Ｐａになるように初期設定し、周波数ｆを変化させてプラズマ圧力の変化を測定したものである。溶接電流は、ピーク電流Ｉｐ＝１００Ａ、ベース電流Ｉｂ＝２０Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝ベース期間Ｔｂの場合であり、したがって平均値は６０Ａになる。他の溶接条件は、上述した図１と同一である。同図に示すように、周波数ｆが１００Ｈｚ未満ではプラズマ圧力が変化してキーホール形成境界値５０００Ｐａを超える場合もある。このために、キーホールを形成しないためには周波数ｆは１００Ｈｚ以上である必要がある。このようになる理由は、溶接電流の周波数ｆが１００Ｈｚ未満のときは溶融池の固有周波数と共振して、プラズマ圧力が変化するためである。
【００２２】
図６は、溶接電流の周波数ｆとビード形状（アスペクト比）との関係を示す図である。アスペクト比は、ビード断面部の（溶け込み深さ／ビード幅）によって算出される。同図は、板厚３．２mmの軟鋼板を使用し，プラズマガス及びシールドガスにはアルゴンガスを使用し、溶接速度３０cm/分の場合である。溶接電流は、周波数ｆ＝０の直流のときは８０Ａである。パルス電流のときは、ピーク電流Ｉｐ＝１２０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝４０Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝ベース期間Ｔｂの場合であり、平均値は８０Ａになる。プラズマ圧力は４０００Ｐａになるように、拘束要因を調整している。同図から明らかなように、周波数ｆが高くなるほどアスペクト比が大きくなる。すなわち、細いビードで溶け込みの十分なビード形状を得ることができる。このために、溶接電流の周波数ｆを変化させることによって、母材の板厚、継手、溶融品質等に応じた最適なビード形状を形成することができる。このように周波数ｆによってビード形状を変化させることができる理由は、周波数ｆが高くなるに伴いプラズマアークの硬直性（指向性）が向上するからである。細く絞り込まれたプラズマアークの拘束度合い（硬直性）を、溶接電流の周波数ｆによって所定度合いに微調整するものである。
【００２３】
［効果］
図７は、上述した実施の形態１及び２の効果の一例を示す限界溶接速度図である。同図は、板厚１．２mmのステンレス鋼（ＳＵＳ3０４）のＴ字すみ肉継手に対して、ウエブ材（垂直材）とフランジ材（水平材）との間に溶融橋絡部が形成される限界溶接速度を測定したものである。従来技術及び実施の形態１の溶接電流値は直流（周波数ｆ＝０Ｈｚ）で６０Ａである。実施の形態２の溶接電流はパルス電流であり、ピーク電流Ｉｐ＝１００Ａ、ベース電流Ｉｂ＝２０Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝ベース期間Ｔｂの場合であり、平均値は６０Ａになる。同図から分かるように、従来技術では２０cm/分が限界であるが、実施の形態１では２５cm/分まで可能である。また、実施の形態２の場合は、周波数ｆが高くなるに伴い限界溶接速度が速くなり、ｆ＝５００Ｈｚでは４５cm/分にまで拡大される。これは、上述したように、溶接電流の周波数ｆを高くするとプラズマアークの硬直性が向上するために、溶接速度が速くなってもプラズマアークが安定するからである。
【００２４】
図８は、上述した図７の溶接時におけるガスコストを本発明と従来技術とで比較した図である。同図に示すように、特殊な混合ガスを使用する従来技術に比べて、アルゴンガスのみを使用する本発明（実施の形態１及び２）はガスコストが大幅に安価である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマガス流量Ｆとプラズマ圧力との関係図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るプラズマ圧力の測定装置図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る溶接電流とプラズマ圧力との関係図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係るパルス電流波形図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る溶接電流の周波数ｆとプラズマ圧力との関係図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る溶接電流の周波数ｆとビード形状（アスペクト比）との関係図である。
【図７】本発明の効果の一例を示す限界溶接速度比較図である。
【図８】本発明の効果の一例を示すガスコスト比較図である。
【図９】従来技術のプラズマアーク溶接方法を示す図である。
【図１０】従来技術においてプラズマアークの拘束要因を示す図である。
【図１１】従来技術におけるＴ字すみ肉溶接のビード断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１            電極
２            母材
３            プラズマアーク
４            溶融池
５            拘束ノズル
６            プラズマガス
７            シールドノズル
８            シールドガス
９            キーホール
１０            水冷銅ブロック
１１            シリコンオイル
１２            圧力センサ
１３            アンプ
１４            記録計
２１            垂直板
２２            水平板
４１            表ビード
４２            裏ビード
４３            溶融橋絡部
Ｄ            拘束径
Ｆ            プラズマガス流量
ｆ            周波数
Ｉｂ            ベース電流
Ｉｐ            ピーク電流
Ｌ            拘束長
Ｔ            周期
Ｔｂ            ベース期間
Ｔｐ            ピーク期間
【図１】
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【図２】
2005111539.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005111539.tif 000012
【図１１】
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