(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接方法において、
前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させ、アーク放電の立ち上げを行うことを特徴とするアーク放電誘発方法。
【請求項２】
請求項１記載のアーク放電誘発方法において、アーク放電開始の制御信号と同期させて１ショットパルス光を発生させることを特徴とするアーク放電誘発方法。
【請求項３】
請求項１記載のアーク放電誘発方法において、前記パルスレーザ光はＹＡＧレーザであり、該ＹＡＧレーザの４倍高調波である２６６ｎｍとすることを特徴とするアーク放電誘発方法。
【請求項４】
溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接機において、
前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させる手段とを具備することを特徴とするアーク放電誘発装置。
【請求項５】
請求項４記載のアーク放電誘発装置において、前記荷電粒子チャンネルを形成させる手段が、前記母材と前記電極との間に作用させる電子ビームであることを特徴とするアーク放電誘発装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接におけるアーク放電誘発方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アーク溶接における安定化の先行技術としては、特開平６−１４２９２７号、特開平８−２４３７４２号、特開平１１−１２３５４６号などがある。
【０００３】
また、アーク溶接の安定化及びアーク溶接の高速化におけるアーク不安定対策として、レーザ・アーク複合溶接がある。ここでは、レーザビームを母材に照射し、母材を加熱することによりレーザプルームを発生させ、アーク放電を安定させる。しかし、この方法は高速加工には有効であるが、母材の加熱に時間を要するという欠点があった〔文献：レーザ熱加工研究会誌、ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１（１９９９）Ｐ．７９〜８４、Ｐ．８５〜８８〕
ところで、ＴＩＧ（タングステン・イナートガス）溶接機のアーク起動は、電極と母材が非接触で行われるため、電極と母材との間に高周波あるいは高電圧を印加してアーク放電を誘発している。
【０００４】
図７はかかる従来のアーク溶接法の説明図である。
【０００５】
この図において、１は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。２はタングステン電極であり、陰極となる。なお、コンピュータによる制御系は省略されている。
【０００６】
このようなアーク溶接法における電気アーク放電誘発（引き金）のための技術としては、第１に火花放電発生法があり、電極と母材を接触させることにより、火花放電を発生させる。第２に高周波スタート法があり、高周波を電極と母材との間に印加する。更に、第３に高電圧法があり、高電圧を電極と母材との間に印加する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように、アーク溶接機（コンピューター制御）における電気アークは、以下のような問題点があった。
【０００８】
（１）火花放電発生法の場合は、電極と母材を接触させて火花放電を発生させるという動作をコンピューター制御により実行すること自体が難しい。
【０００９】
（２）高周波スタート法の場合は、高周波自体がノイズとなるため、コンピューターを含めた周辺機器に悪影響を及ぼす。
【００１０】
（３）高電圧法の場合は、高電圧を印加するため危険であるとともに、ノイズがあり、電極と母材表面の汚れに影響を受け易く着火（アーク放電誘発）しない場合もある。
【００１１】
加えて、いずれの方法を用いても、アークスタート時は被溶接材や電極の温度、電極と母材の間隔等に放電の立ち上がりが影響を受けるため、種々の異常現象や溶接の不具合の発生がある。このために電極と母材の距離を通常２ｍｍ以下とし、厳しい工程管理が必要になる。
【００１２】
本発明は、上記問題点を除去し、アーク溶接における放電立ち上がりを容易に、かつ安定化することができるアーク放電誘発方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接方法において、前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させ、アーク放電の立ち上げを行うことを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載のアーク放電誘発方法において、アーク放電開始の制御信号と同期させて１ショットパルス光を発生させることを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕記載のアーク放電誘発方法において、前記パルスレーザ光はＹＡＧレーザであり、このＹＡＧレーザの４倍高調波である２６６ｎｍとすることを特徴とする。
【００１６】
〔４〕溶接すべき母材と電極とがギャップを有し、前記母材と前記電極との間にアーク放電を生じさせて前記母材を溶接するアーク溶接機において、前記電極と同軸的に配置される穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）を配置し、前記レンズによって前記ギャップに沿って長細い領域であって、かつ前記電極と同軸上にパルスレーザ光を集光させて、前記母材と前記電極との間に荷電粒子チャンネルを形成させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔４〕記載のアーク放電誘発装置において、前記荷電粒子チャンネルを形成させる手段が、前記母材と前記電極との間に作用させる電子ビームであることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【００２０】
この図において、１０は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。１１はトーチ、１２はそのトーチ１１におけるタングステン電極であり、陰極となる。１３はシールドであり、このシールド１３とタングステン電極１２間にシールドガスを流せるように構成されている。１４はパルスレーザ、１５は電離気体による導通路（プラズマチャンネル）、１６はアーク溶接機の制御装置、１７は直流電源を示している。
【００２１】
図１において、タングステン電極１２から母材１０にかけて電流を流すための導通路、つまり電離気体による導通路（プラズマチャンネル）１５を形成する。その結果、このプラズマチャンネル１５により、タングステン電極１２と母材１０は導通状態となり、アーク放電が開始される。
【００２２】
ここでは、パルスレーザ１４をタングステン電極１２−母材１０間に存在する気体中に集光させることによってプラズマチャンネル１５を発生させる。
【００２３】
このようにして、プラズマチャンネル１５によりアーク溶接機におけるアーク放電の誘発に成功した。
【００２４】
図２は本発明の第１参考例のアーク溶接システム（実験システム）の構成図、図３は本発明の第１参考例の溶接機の配置図、図４は本発明の第１参考例のレーザにより生成したプラズマチャンネルを示す図である。
【００２５】
これらの図において、２０は溶接したい金属板としての母材であり、陽極となる。２１はトーチ、２２はそのトーチ２１におけるタングステン電極であり、陰極となる。２３はシールド、２４はプラズマチャンネル、２５はアーク溶接機、３０はレーザシステム、３１はＹＡＧレーザ、３２，３５は波長変換素子、３３，３４，３６，３７，３８はミラー、３９は集光用石英レンズ、４０はパルスレーザである。図３において、タングステン電極２２の傾斜角度θは６０°、タングステン電極２２と母材２０間の間隔Ｄは３ｍｍである。
【００２６】
ここでは、プラズマチャンネル２４は、パルスレーザ４０をタングステン電極２２−母材２０間に存在する気体中に集光させることによって発生させる。
【００２７】
このようにして、プラズマチャンネル２４によりアーク溶接機におけるアーク放電を誘発させることができる。
【００２８】
ここで、アーク放電を誘発させた時のレーザエネルギー最小値は２０ｍＪであり、実施条件は以下のようである。
【００２９】
図３に示すように、母材２０−タングステン電極２２間の距離Ｄは３ｍｍ、プラズマチャンネル発生用レーザは、図２に示すように、ＹＡＧレーザ（ＨＯＹＡ  Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｌｉｔｅ  ８０００）３１、このＹＡＧレーザ３１のレーザ波長は２６６ｎｍ（ＹＡＧレーザの４倍高調波）、レーザビーム径は８ｍｍ、集光用石英レンズ焦点距離は１５０ｍｍであった。
【００３０】
アーク溶接機２５としては、ＴＩＧアーク溶接機であり、インバータ制御・直流ＴＩＧ溶接機（日立インバータＴＩＧ，ＤＴ−ＮＰ  ３００Ａ）を用い、高周波スタート回路はＯＦＦ、最高無負荷電圧は約６１Ｖ、シールドガスはアルゴンガスを用いた。
【００３１】
更に、トーチ２１は、日立用ＴＩＧ自動溶接トーチ（ＴＥＣ  ＷＰ−２７Ａ）を用い、コレットはサイズ３．２ｍｍφ、ガスレンズ・コレットボディはサイズ３．２ｍｍφ、ガスレンズ・ノズルはＮｏ．８、内径は１２．７ｍｍを用いた。
【００３２】
次に、本発明の第２参考例について説明する。
【００３３】
図５は本発明の第２参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【００３４】
この図において、５０は母材、５１はタングステン電極、５２はタングステン電極５１と同軸的に配置される穴開き凸レンズ、５３はパルスレーザ、５４はプラズマチャンネルである。
【００３５】
この参考例では、パルスレーザ５３は穴開き凸レンズ５２によってタングステン電極５１の先端部に集光されている。
【００３６】
このように、パルスレーザ５３はタングステン電極５１と同軸的に配置される穴開き凸レンズ５２によって、タングステン電極５１と同軸上に集光することができる。
【００３７】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００３８】
図６は本発明の実施例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【００３９】
この図において、６０は母材、６１はタングステン電極、６２はタングステン電極６１と同軸的に配置される穴開きの円筒部６２Ａと下方円錐部６２Ｂとからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）、６３はパルスレーザ、６４はプラズマチャンネルである。
【００４０】
この実施例では、パルスレーザ６３は穴開きの円筒部６２Ａと下方円錐部６２Ｂとからなるレンズ６２によってプラズマチャンネル６４に沿って長細い領域にタングステン電極６１と同軸上に集光することができる。
【００４１】
この実施例によれば、タングステン電極６１と母材６０間のタングステン電極６１の同軸上にパルスレーザ６３を集光させることができ、アーク溶接における放電立ち上がりを容易に、かつ、安定化することができる。
【００４２】
なお、上記実施例では、プラズマチャンネルの形成にはレーザを用いたが、真空中における電子ビームを用いるようにしてもよい。要するに、荷電粒子チャンネルを形成することができるのであれば、如何なる手段でも差し支えない。
【００４３】
また、本発明は、高出力半導体レーザ等のノイズによって故障しやすいレーザを用いたレーザアーク複合溶接におけるアーク放電誘発法としても有効である。
【００４４】
更に、プラズマ溶接機におけるスタート法としても考えられる。従来のプラズマ溶接機は、高周波スタート法を使用しており、アーク溶接機に比べプラズマ溶接機は、若干構造が複雑ではあるが、工夫をすれば、荷電粒子チャンネルによるアーク放電誘発は可能である。
【００４５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４７】
（Ａ）アーク溶接機のアーク放電立ち上がり不具合に起因する不良ワークの発生を防止することができる。
【００４８】
（Ｂ）母材と電極との距離を大きくすることができ、工程管理が大幅に楽になる。
【００４９】
（Ｃ）従来の溶接機ではアーク放電開始にはばらつきがあったが、それを解消することができ、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図２】  本発明の第１参考例のアーク溶接システム（実験システム）の構成図である。
【図３】  本発明の第１参考例の溶接機の配置図である。
【図４】  本発明の第１参考例のレーザにより生成したプラズマチャンネルを示す図である。
【図５】  本発明の第２参考例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図６】  本発明の実施例を示すアーク溶接機のアーク放電誘発方法の模式図である。
【図７】  従来のアーク溶接法の説明図である。
【符号の説明】
１０，２０，５０，６０    母材（陽極）
１１，２１    トーチ
１２，２２，５１，６１    タングステン電極（陰極）
１３，２３    シールド
１４，４０，５３，６３    パルスレーザ
１５，２４，５４，６４    電離気体による導通路（プラズマチャンネル）
１６    アーク溶接機の制御装置
１７    直流電源
２５    アーク溶接機
３０    レーザシステム
３１    ＹＡＧレーザ
３２，３５    波長変換素子
３３，３４，３６，３７，３８    ミラー
３９    集光用石英レンズ
５２    穴開き凸レンズ
６２    穴開きの円筒部と下方円錐部とからなるレンズ（穴開きアキシコンレンズ）
６２Ａ    円筒部
６２Ｂ    下方円錐部
【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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【図７】
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