(57)【要約】【課題】本発明は、溶接装置への初期投資を抑制した上で、プラズマ溶接を行うことの可能なプラズマ溶接方法を提供することを課題とする。【解決手段】電極４２とインサートチップ４３との間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するとともに、インサートチップ４３とシールドキャップ４７との間にシールドガスを供給することで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、パイロットアーク発生工程後、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に切断し、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給を継続した上で、電気的に接続されたプラス端子１４Ａと被溶接物１１との間に、メインアークを発生させる第１の溶接工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＩＧ溶接装置に使用される１つの溶接電源と、所定方向に延在する電極、電極の周囲を囲むインサートチップ、及び該インサートチップの外側を囲むシールドキャップを含む溶接トーチと、該溶接電源のプラス端子と前記インサートチップとを電気的に接続または電気的に切断する第１の切り替えスイッチと、を有する溶接装置を用いたプラズマ溶接方法であって、
前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に接続し、前記電極と前記インサートチップとの間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するとともに、前記インサートチップと前記シールドキャップとの間にシールドガスを供給することで、前記電極と前記インサートチップとの間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、
前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断し、前記第１のパイロットガス及び前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させて、前記被溶接物の溶接を行う第１の溶接工程と、
を有することを特徴とするプラズマ溶接方法。
【請求項２】
前記第１の溶接工程に替えて、第２の溶接工程を含み、
前記第２の溶接工程では、前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断した段階で、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、前記第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記インサートチップとの間に、前記第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを供給して、前記プラス端子と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させて、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接方法。
【請求項３】
前記プラズマ溶接装置は、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続または電気的に切断する第２の切り替えスイッチを含み、
前記第２の溶接工程では、前記第１の切り替えスイッチを用いて、前記プラス端子と前記インサートチップとが電気的に接続された状態で、前記第２の切り替えスイッチを用いて、一度、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、
その後、前記第１の切り替えスイッチを用いて、瞬時に前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に絶縁することを特徴とする請求項２記載のプラズマ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接装置は、前記プラス端子と前記被溶接物とを常に電気的に接続状態とする配線を有し、
前記第１の溶接工程に替えて、第３の溶接工程を含み、
前記第３の溶接工程は、前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断し、
前記第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記インサートチップとの間に、前記第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを第１の流量で供給し、前記プラス端子と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させる第１の段階と、
前記第３の溶接工程の最後において、前記シールドガスの供給を継続させた上で、前記第２のパイロットガスを前記第１の流量をよりも少ない第２の流量で供給する第２の段階と、
を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接方法。
【請求項５】
前記プラズマ溶接装置は、前記配線に替えて、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続または電気的に切断する第２の切り替えスイッチが設けられた他の配線を含み、
前記第３の溶接工程では、前記第１の切り替えスイッチを用いて、前記プラス端子と前記インサートチップとが電気的に接続された状態で、前記第２の切り替えスイッチを用いて、一度、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、
その後、前記第１の切り替えスイッチを用いて、瞬時に前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に絶縁することを特徴とする請求項４記載のプラズマ溶接方法。
【請求項６】
前記第１のパイロットガスとして、アルゴンガス、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種を用いることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法。
【請求項７】
前記第２のパイロットガスとして、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種のガスであって、かつ第１のパイロットガスよりも電位傾度の比が大きいガスを用いることを特徴とする請求項２ないし６のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法。
【請求項８】
前記メインアークを発生させる際に使用する電源として、ＴＩＧ溶接電源の無負荷電圧を利用することを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法。
【請求項９】
前記メインアークを発生させる際に使用する電源として、ＴＩＧ溶接電源の高周波電圧発生装置を利用することを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法。
【請求項１０】
前記溶接装置には、シールドガス供給源と接続され、前記溶接トーチにシールドガスを供給するシールドガス供給ラインと、
パイロットガス供給源と接続され、前記溶接トーチにパイロットガスを供給するパイロットガス供給ラインと、
を含み、
前記シールドガス供給ライン及び／又は前記パイロットガス供給ラインには、その上流側から下流側に向かう方向に、電磁弁と、逆止弁と、が設けられていることを特徴とする請求項１ないし９のうち、いずれか１項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、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】
なお、プラズマ電源装置に替えて、安価なＴＩＧ用電源装置を用いて、プラズマ溶接を行うことが考えられる。
しかしながら、ＴＩＧ用電源装置の無負荷電圧は、プラズマ電源装置の無負荷電圧の数分の１程度である。このため、単に、プラズマ電源装置に替えて、安価なＴＩＧ用電源装置を用いるだけでは、プラズマ溶接を行うことができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、溶接装置への初期投資を抑制した上で、プラズマ溶接を行うことの可能な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】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、ＴＩＧ溶接装置に使用される１つの溶接電源と、所定方向に延在する電極、電極の周囲を囲むインサートチップ、及び該インサートチップの外側を囲むシールドキャップを含む溶接トーチと、該溶接電源のプラス端子と前記インサートチップとを電気的に接続または電気的に切断する第１の切り替えスイッチと、を有する溶接装置を用いたプラズマ溶接方法であって、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に接続し、前記電極と前記インサートチップとの間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するとともに、前記インサートチップと前記シールドキャップとの間にシールドガスを供給することで、前記電極と前記インサートチップとの間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断し、前記第１のパイロットガス及び前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させて、前記被溶接物の溶接を行う第１の溶接工程と、を有することを特徴とするプラズマ溶接方法が提供される。
【００１１】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１の溶接工程に替えて、第２の溶接工程を含み、前記第２の溶接工程では、前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断した段階で、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、前記第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記インサートチップとの間に、前記第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを供給して、前記プラス端子と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させて、前記被溶接物の溶接を行うことを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１２】
また、請求項３に係る発明によれば、前記プラズマ溶接装置は、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続または電気的に切断する第２の切り替えスイッチを含み、
前記第２の溶接工程では、前記第１の切り替えスイッチを用いて、前記プラス端子と前記インサートチップとが電気的に接続された状態で、前記第２の切り替えスイッチを用いて、一度、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、その後、前記第１の切り替えスイッチを用いて、瞬時に前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に絶縁することを特徴とする請求項２記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１３】
また、請求項４に係る発明によれば、前記溶接装置は、前記プラス端子と前記被溶接物とを常に電気的に接続状態とする配線を有し、前記第１の溶接工程に替えて、第３の溶接工程を含み、前記第３の溶接工程は、前記パイロットアーク発生工程後、前記第１の切り替えスイッチにより、前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に切断し、前記第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、前記シールドガスの供給を継続した上で、前記電極と前記インサートチップとの間に、前記第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを第１の流量で供給し、前記プラス端子と前記被溶接物との間に、メインアークを発生させる第１の段階と、前記第３の溶接工程の最後において、前記シールドガスの供給を継続させた上で、前記第２のパイロットガスを前記第１の流量をよりも少ない第２の流量で供給する第２の段階と、を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１４】
また、請求項５に係る発明によれば、前記プラズマ溶接装置は、前記配線に替えて、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続または電気的に切断する第２の切り替えスイッチが設けられた他の配線を含み、前記第３の溶接工程では、前記第１の切り替えスイッチを用いて、前記プラス端子と前記インサートチップとが電気的に接続された状態で、前記第２の切り替えスイッチを用いて、一度、前記プラス端子と前記被溶接物とを電気的に接続し、その後、前記第１の切り替えスイッチを用いて、瞬時に前記プラス端子と前記インサートチップとを電気的に絶縁することを特徴とする請求項４記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１５】
また、請求項６に係る発明によれば、前記第１のパイロットガスとして、アルゴンガス、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種を用いることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１６】
また、請求項７に係る発明によれば、前記第２のパイロットガスとして、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種のガスであって、かつ第１のパイロットガスよりも電位傾度の比が大きいガスを用いることを特徴とする請求項２ないし６のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１７】
また、請求項８に係る発明によれば、前記メインアークを発生させる際に使用する電源として、ＴＩＧ溶接電源の無負荷電圧を利用することを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１８】
また、請求項９に係る発明によれば、前記メインアークを発生させる際に使用する電源として、ＴＩＧ溶接電源の高周波電圧発生装置を利用することを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【００１９】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記溶接装置には、シールドガス供給源と接続され、前記溶接トーチにシールドガスを供給するシールドガス供給ラインと、パイロットガス供給源と接続され、前記溶接トーチにパイロットガスを供給するパイロットガス供給ラインと、を含み、前記シールドガス供給ライン及び／又は前記パイロットガス供給ラインには、その上流側から下流側に向かう方向に、電磁弁と、逆止弁と、が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接方法が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、溶接装置への初期投資を抑制した上で、プラズマ溶接を行うことがでる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す溶接装置を用いた第１の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例の概略構成を模式的に示す図である。
【図４】図３に示す溶接装置を用いた第２の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例の概略構成を模式的に示す図である。
【図６】図５に示す溶接装置を用いた第３の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例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、溶接トーチ１２を構成するインサートチップ４３及びシールドキャップ４７と、被溶接物１１と、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。また、図１では、第１の切り替えスイッチ１８が閉じた状態を模式的に図示する。
【００２４】
図１を参照するに、第１の実施の形態の溶接装置１０は、溶接トーチ１２と、溶接電源１４と、配線１５〜１７と、第１の切り替えスイッチ１８と、冷却水循環部１９と、循環ライン２１と、第１のパイロットガス供給源２３と、第１のパイロットガス供給ライン２５と、ニードル弁２７，３６と、流量計２８，３７と、電磁弁２９，３９と、シールドガス供給源３２と、シールドガス供給ライン３４と、制御部（図示せず）と、を有する。
【００２５】
溶接トーチ１２は、プラズマ溶接用トーチであり、トーチスイッチ（図示せず）と、電極４２と、インサートチップ４３と、パイロットガス供給路４５と、シールドキャップ４７と、シールドガス供給路４９と、を有する。
【００２６】
トーチスイッチ（図示せず）は、パイロットアークを発生させる期間中と、後述する第１の溶接工程の最後の期間（具体的には、メインアークが所定の電流値から低下する期間）と、においてオン状態とされる。
そして、トーチスイッチは、上記溶接工程の最後の期間以外の溶接工程の間、オフ状態とされる。
【００２７】
電極４２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４２Ａを有する。先端部４２Ａは、インサートチップ４３内に完全に収容されている。電極４２は、融点の高い金属材料で構成されている。
電極４２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。
【００２８】
インサートチップ４３は、電極４２との間に隙間が介在されるように（言い換えれば、パイロットガス供給路４５が形成可能なように）、電極４２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４３の中心軸は、電極４２の中心軸（電極４２の延在方向に延在する中心軸）と一致している。
インサートチップ４３は、その内部に冷却水を供給可能な冷却水用流路５１を有する。冷却水用流路５１には、インサートチップ４３を冷却する冷却水が供給される。インサートチップ４３の先端部の形状は、インサートチップ４３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。
【００２９】
インサートチップ４３の先端は、インサートチップ４３の外部に電極４２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４３Ａを有する。
電極４２において発生したプラズマアークは、インサートチップ４３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４３Ａから噴出する。
【００３０】
パイロットガス供給路４５は、電極４２の外面とインサートチップ４３の内面とで区画された略筒状の空間である。パイロットガス供給路４５は、第１のパイロットガス供給ライン２５を介して、第１のパイロットガス供給源２３と接続されている。
第１のパイロットガス供給源２３からパイロットガス供給路４５にパイロットガスが供給されると、電極４２の先端部４２Ａにパイロットガスが供給される。
【００３１】
シールドキャップ４７は、インサートチップ４３との間に隙間が介在されるように（言い換えれば、シールドガス供給路４９が形成可能なように）、インサートチップ４３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４７の中心軸は、電極４２の中心軸と一致している。
シールドキャップ４７の先端部の形状は、縮径された形状とされている。
【００３２】
シールドガス供給路４９は、インサートチップ４３の外面とシールドキャップ４７の内面とで区画された略筒状の空間である。シールドガス供給路４９は、シールドガス供給ライン３４を介して、シールドガス供給源３２と接続されている。
シールドガス供給源３２からシールドガス供給路４９にシールドガスが供給されると、溶接トーチ１２の先端側にシールドガスが供給される。
【００３３】
溶接電源１４は、ＴＩＧ溶接装置に使用される１つの溶接電源であり、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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２Ａ〜５００Ａ、初期電流が２Ａ〜５００Ａ、クレータ電流が２Ａ〜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〜９９９Ｈｚ、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。
【００３６】
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１５を構成する第１の配線１５−１の一端と接続されている。第１の切り替えスイッチ１８がオンの場合において、プラス端子１４Ａは、配線１５を介して、インサートチップ４３と電気的に接続される。
マイナス端子１４Ｂは、配線１６の一端と接続されている。マイナス端子１４Ｂは、配線１６を介して、電極４２と電気的に接続されている。
【００３７】
上記構成とされた溶接電源１４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程度の価格である。したがって、このような溶接電源１４を用いることで、溶接装置１０の低コスト化を図ることができる。
【００３８】
配線１５は、第１の配線１５−１と、第２の配線１５−２と、で構成されている。第１の配線１５−１の他端は、第１の切り替えスイッチ１８の一端と接続されている。
第２の配線１５−２は、一端が第１の配線１５−１の他端の近傍に配置されている。第２の配線１５−２の一端は、第１の切り替えスイッチ１８と接続される部分である。第２の配線１５−２の一端に第１の切り替えスイッチ１８が接続されると、第１の配線１５−１と第２の配線１５−２とが電気的に接続される。
第２の配線１５−２の一端に第１の切り替えスイッチ１８が接続されていない状態では、第１の配線１５−１と第２の配線１５−２とが電気的に絶縁される。第２の配線１５−２の他端は、インサートチップ４３と接続されている。
【００３９】
配線１６は、その他端が電極４２と接続されている。配線１６は、マイナス端子１４Ｂと電極４２とを接続している。
配線１７は、第１の配線１５−１から分岐された分岐配線であり、先端が被溶接物１１と接続されている。
【００４０】
第１の切り替えスイッチ１８は、第１の配線１５−１の他端と第２の配線１５−２の一端との間に設けられている。第１の切り替えスイッチ１８の一端は、第１の配線１５−１の他端と接続されている。
第１の切り替えスイッチ１８の他端は、第２の配線１５−２の一端に対して開くことで、第１の配線１５−１と第２の配線１５−２とを電気的に絶縁する（以下、この状態を「オフ状態」という。）。
第１の切り替えスイッチ１８は、パイロットアーク発生工程において、パイロットアークを発生させるときにオフ状態にする。オフ状態とすることで、被溶接物１１と電極４２との間に電流が流れる。
【００４１】
また、第１の切り替えスイッチ１８の他端は、第２の配線１５−２の一端に対して閉じることで、第１の配線１５−１と第２の配線１５−２とを電気的に接続する（以下、この状態を「オン状態」という。）。
第１の切り替えスイッチ１８は、溶接工程（第１の溶接工程）において、メインアークを発生させるときにオン状態にする。オン状態とすることで、電極４２とインサートチップ４３との間に電流が流れる。
第１の切り替えスイッチ１８は、制御部（図示せず）と電気的に接続されており、該制御部により開閉動作が制御される。
第１の切り替えスイッチ１８としては、例えば、電磁開閉器や電磁接触器等を用いることができる。
【００４２】
冷却水循環部１９は、冷却水用流路５１と接続された循環ライン２１と接続されている。冷却水循環部１９は、循環ライン２１を介して、冷却水用流路５１にインサートチップ４３を冷却する冷却水を供給するとともに、インサートチップ４３の冷却に寄与することで、温度が上昇した冷却水を回収し、再度、冷却水を冷却した後、冷却した冷却水を冷却水用流路５１に供給する。
【００４３】
第１のパイロットガス供給源２３は、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するガス供給源である。プラズマ化しやすい第１のパイロットガスとしては、例えば、アルゴンガス、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種を例示することができる。
第１のパイロットガス供給源２３は、第１のパイロットガス供給ライン２５の一端と接続されている。
パイロットアーク発生工程、及び溶接工程（第１の溶接工程）において、第１のパイロットガス供給源２３は、第１のパイロットガス供給ライン２５を介して、パイロットガス供給路４５に第１のパイロットガスを供給する。
【００４４】
第１のパイロットガス供給ライン２５は、その他端がパイロットガス供給路４５と接続されている。
ニードル弁２７は、電磁弁２９の後段に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５に設けられている。このように、電磁弁２９の後段に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５にニードル弁２７を設けることで、第１のパイロットガスの供給開始初期に発生する突流を防止することができる。
【００４５】
流量計２８は、ニードル弁２７の前段に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５に設けられている。流量計２８は、第１のパイロットガス供給ライン２５内を流れる第１のパイロットガスの流量を測定する。
流量計２８としては、例えば、デジタル式（熱線式流量計）やアナログ式（フロート型流量計）を用いることができる。
【００４６】
電磁弁２９は、流量計２８の前段に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５に設けられている。電磁弁２９が開くと、電磁弁２９の下流側に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５に第１のパイロットガスが供給され、電磁弁２９が閉じると、電磁弁２９の下流側に位置する第１のパイロットガス供給ライン２５への第１のパイロットガスの供給が停止される。
上記説明したニードル弁２７、流量計２８、及び電磁弁２９は、制御部（図示せず）と電気的に接続されており、該制御部により制御される。
【００４７】
シールドガス供給源３２は、シールドガス供給ライン３４の一端と接続されている。シールドガス供給源３２は、シールドガス供給ライン３４を介して、シールドガス供給路４９にシールドガスを供給する。
シールドガスとしては、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（アルゴン水素ガス）、アルゴンガスとヘリウムガスとを混合させた混合ガス（アルゴンヘリウムガス）、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、酸素若しくは二酸化炭素からなる酸化性ガスとアルゴンの混合ガス、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、アルゴンヘリウムに窒素を混合させた混合ガス等を用いることができる。
【００４８】
シールドガス供給ライン３４は、その他端がシールドガス供給路４９と接続されている。シールドガス供給ライン３４は、シールドガス供給路４９内にシールドガスを供給するためのラインである。
【００４９】
ニードル弁３６は、電磁弁３９の後段に位置するシールドガス供給ライン２５に設けられている。このように、電磁弁３９の後段に位置するシールドガス供給ライン２５にニードル弁３６を設けることで、シールドガスの供給開始初期に発生する突流を防止することができる。
【００５０】
流量計３７は、ニードル弁３６の前段に位置するシールドガス供給ライン２５に設けられている。流量計３７は、シールドガス供給ライン２５内を流れるシールドガスの流量を測定する。
【００５１】
電磁弁３９は、流量計３７の前段に位置するシールドガス供給ライン２５に設けられている。電磁弁３９が開くと、電磁弁３９の下流側に位置するシールドガス供給ライン２５にシールドガスが供給され、電磁弁３９が閉じると、電磁弁３９の下流側に位置するシールドガス供給ライン２５へのシールドガスの供給が停止される。
上記説明したニードル弁３６、流量計３７、及び電磁弁３９は、制御部（図示せず）と電気的に接続されており、該制御部により制御される。
【００５２】
上記構成とされた溶接装置１０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）よりも安価な汎用のＴＩＧ溶接電源を溶接電源１４として用いるため、溶接装置１０への初期投資を抑制することができる。
【００５３】
図２は、図１に示す溶接装置を用いた第１の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
図２の各タイミングチャートの縦軸に示す括弧内の数値は、図１に示す溶接装置１０の構成要素の符号に対応している。
例えば、図２の上から２番目のタイミングチャートの縦軸において、「第１の切り替えスイッチ（１８）」とは、図１に示す第１の切り替えスイッチ１８を示す。
また、図２の上から３番目のタイミングチャートの縦軸において、「メインアーク（４２〜１１間）」とは、図１に示す電極４２と被溶接物１１との間ということを意味する。
そして、このタイミングチャートは、電極４２と被溶接物１１との間に発生するメインアークの発生状態をその間を流れる電流値の変化によって表している。
図２の上から４番目のタイミングチャートの縦軸において、「第１のパイロットガス（２８）」とは、図１に示す流量計２８が表示する第１のパイロットガスの流量を示している。
【００５４】
次いで、図１及び図２を参照して、図１に示す溶接装置１０を用いた場合を例に挙げて、第１の実施の形態のプラズマ溶接方法について説明する。
第１の実施の形態のプラズマ溶接方法は、溶け込み深さが浅い（例えば、６ｍｍ以下）溶接を行う場合の溶接方法である。
【００５５】
第１の実施の形態のプラズマ溶接方法は、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に接続し、電極４２とインサートチップ４３との間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するとともに、インサートチップ４３とシールドキャップ４７との間にシールドガスを供給することで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、パイロットアーク発生工程後、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に切断し、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給を継続した上で、電気的に接続されたプラス端子１４Ａと被溶接物１１との間に、メインアークを発生させることで、被溶接物１１の溶接を行う第１の溶接工程と、を含む。
【００５６】
以下、図２に示すタイミングチャートを参照しながら、第１の実施の形態のプラズマ溶接方法を構成する「パイロットアーク発生工程」及び「第１の溶接工程」（メインアーク発生工程）について説明する。
パイロットアーク発生工程は、プリフローの期間（パージ期間）と、プリフローの期間の後の期間であり、非移行式のパイロットアークを初期電流に維持する期間と、で構成されている。
プリフローの開始とともに、トーチスイッチをオンにし、パイロットガス供給路４５に第１のパイロットガスを供給するとともに、シールドガス供給路４９にシールドガスを供給する。プリフローでは、第１の切り替えスイッチ１８が閉じた状態であり、移行式のメインアークを発生させる。
【００５７】
第１のパイロットガス及びシールドガスとしては、例えば、上述したガスを用いることができる。また、パイロットガス供給路４５への第１のパイロットガスの供給量は、例えば、０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲内で適宜設定することができる。
シールドガスの供給量は、例えば、１Ｌ／ｍｉｎ〜５０Ｌ／ｍｉｎの範囲内で適宜設定することができる。
具体的には、第１のパイロットガスとしてアルゴンガスを用い、シールドガスとしてアルゴンガスやアルゴンガスに３〜１０％の水素を混合したガスを用いる場合、第１のパイロットガスの供給量は、例えば、３Ｌ／ｍｉｎとすることができる。この場合、シールドガスの供給量は、例えば、２０Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
プリフローの時間は、例えば、０〜６０秒の範囲内とすることができる。プリフローは、第１のパイロットガスの経路、及びシールドガスの経路をパージするための処理である。
【００５８】
パイロットアーク発生工程では、プリフローが終了後、パイロットアークが初期電流（例えば、２〜５００Ａの範囲内の所定の電流値）を維持するようにすることで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させる。これ以外は、プリフローの条件を維持する。
このとき、配線１７を介して、プラス端子１４Ａと被溶接物１１とが接続されているが、電極４２と被溶接物１１との距離は、電極４２とインサートチップ４３との間の距離よりも長いため、電極４２と被溶接物１１との間に、メインアークは発生しない。
【００５９】
このとき、第１のパイロットガスとして、アルゴンガス、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種のガスを用いることで、上述した溶接電源１４を用いた場合でも、パイロットアークを容易に発生させることができる。
また、第１のパイロットガスには、溶接条件の改善の為に、最大３％程度の水素、最大１０％程度のヘリウム又は最大５％程度の窒素の少なくとも１種類のガスを混合させてもよい。第１のパイロットガスの目的は、安定したパイロットアーク発生とメインアークへのスムーズな移行である。従って、その為に、ガス流量、パイロットアーク発生の為の電流値、パイロットガスの電位傾度の比が適宜選択される。
なお、本発明において、プラズマ化しやすいとは、電位傾度の比（表１参照）が小さいガスのことをいう。表１は、各種ガス気中の電位傾度の比較を示している。
【００６０】
【表１】
2017064738.tif 000003
【００６１】
続く、第１の溶接工程では、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給量を維持し、かつトーチスイッチをオフにした上で、メインアークの所定の電流値は、溶接機の電流範囲内で変化する。メインアークが所定の電流値（例えば、１０〜３００、２〜５００Ａの範囲内の所定の電流値）となるように、徐々に電流値を上昇させ、その後、所定の電流値を一定期間維持させることで、電極４２と被溶接物１１との間に、メインアークを発生させて、被溶接物１１の溶接を行う。
【００６２】
通常、ＴＩＧ用の溶接電源の無負荷電圧は、従来のプラズマ電源装置の無負荷電圧よりも小さきため、パイロットアークからメインアークに移行しにくいが、第１のパイロットガスとして、上述したプラズマ化しやすいガスを用いているため、メインアークへの移行が容易となる。
【００６３】
被溶接物１１が完了した段階で、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給量を維持した上で、トーチスイッチをオンにするとともに、メインアークを所定の電流値からクレータ電流値まで徐々に低下させ、その後、一定時間（例えば、０〜１０秒）クレータ電流を維持させる。
クレータ電流としては、例えば、２〜５００Ａの範囲内の所定の電流値を用いることができる。
【００６４】
上記第１の溶接工程が終了後、アフターフロー処理を行う。
アフターフローでは、トーチスイッチをオフ状態とし、メインアークを０Ａとし、さらに、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給量を維持する。
アフターフローの処理時間は、例えば、０〜６０秒の範囲内で適宜選択することができる。
このように、第１の溶接工程後に、アフターフローを行うことで、電極４２及び溶接ビードの酸化（焼け）を防止することができる。
上記アフターフロー処理後、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給を停止させる。
【００６５】
第１の実施の形態のプラズマ溶接方法によれば、一般的な従来のプラズマ電源装置と比較して、低コストで、かつ無負荷電圧の小さいＴＩＧ溶接装置用の１つの溶接電源を溶接電源１４として用い、パイロットアーク発生工程において、アルゴン水素ガスやアルゴンヘリウム等のガスを用いても電極とインサートチップの間が近いため、パイロットアークを容易に発生させることが可能となる。また、ＴＩＧ溶接装置に設置されている高周波電源発生装置を利用することもできる。
【００６６】
また、パイロットガスにプラズマ化しやすいガス（アルゴンなど）を用いることで、第１の溶接工程において、パイロットアークからメインアークに容易に移行することが可能となるので、溶接装置１０への初期投資を抑制した上で、溶け込み深さが６ｍｍ程度のプラズマ溶接を行うことができる。
【００６７】
なお、第１の溶接工程において、シールドガスは、溶接装置１０の起動時から供給してもよいし、溶接装置１０の起動から第１の切り替えスイッチ１８を閉状態にするタイミングで供給してもよい。
【００６８】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例の概略構成を模式的に示す図である。図２において、図１に示す第１の実施の形態の溶接装置１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２では、説明の便宜上、溶接トーチ１２を構成するインサートチップ４３及びシールドキャップ４７と、被溶接物１１と、を断面で図示する。また、図２では、第１の切り替えスイッチ１８が閉じ、第２の切り替えスイッチ７３が開いた状態を模式的に図示する。
【００６９】
図２を参照するに、第２の実施の形態の溶接装置６０は、第１の実施の形態の溶接装置１０を構成する第１のパイロットガス供給ライン２５、ニードル弁２７、流量計２８、及び電磁弁２９に替えて、第１及び第２のニードル弁２７−１，２７−２、第１及び第２の流量計２８−１，２８−２、第１及び第２の電磁弁２９−１，２９−２、第２のパイロットガス供給源６２、第１のパイロットガス供給ライン６４、第１の逆止弁６５、第２のパイロットガス供給ライン６７、第２の逆止弁６８、及びパイロットガス供給ライン７１を有するとともに、第１及び第２の配線１７−１，１７−２を有する配線１７を含み、第２の切り替えスイッチ７３をさらに有すること以外は、溶接装置１０と同様に構成される。
【００７０】
第１及び第２のニードル弁２７−１，２７−２は、第１の実施の形態で説明したニードル弁２７と同様な構成とされている。第１のニードル弁２７−１は、第１のパイロットガス供給ライン６４に設けられている。第２のニードル弁２７−２は、第２のパイロットガス供給ライン６７に設けられている。
第１の流量計２８−１，２８−２は、第１の実施の形態で説明した流量計２８と同様な構成とされている。第１の流量計２８−１は、第１のパイロットガス供給源２３と第１のニードル弁２７−１との間に位置する第１のパイロットガス供給ライン６４に設けられている。
第２の流量計２８−２は、第２のパイロットガス供給源６２と第２のニードル弁２７−２との間に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７に設けられている。
【００７１】
第１及び第２の電磁弁２９−１，２９−２は、第１の実施の形態で説明した電磁弁２９と同様な構成とされている。第１の電磁弁２９−１は、第１のパイロットガス供給源２３と第１の流量計２８−１との間に位置する第１のパイロットガス供給ライン６４に設けられている。第２の電磁弁２９−２は、第２のパイロットガス供給源６２と第２の流量計２８−２との間に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７に設けられている。
【００７２】
第２のパイロットガス供給源６２は、第１のパイロットガス供給源２３が供給する第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを供給する。第２のパイロットガスとしては、例えば、アルゴン水素ガスやアルゴンヘリウムガス等を用いることができる。
アルゴン水素ガスは、溶け込み深さが深くする必要がある場合に好適なパイロットガスである。また、アルゴンヘリウムガスは、二層ステンレス鋼をプラズマ溶接する際に好適なパイロットガスである。
【００７３】
第１のパイロットガス供給ライン６４は、一端が第１のパイロットガス供給源２３と接続されており、他端がパイロットガス供給ライン７１の一端と接続されている。
第１の逆止弁６５は、第１のニードル弁２７−１と第１のパイロットガス供給ライン６４の他端との間に位置する第１のパイロットガス供給ライン６４に設けられている。
第２のパイロットガス供給ライン６７は、その一端が第２のパイロットガス供給源６２と接続されており、他端がパイロットガス供給ライン７１と接続されている。
【００７４】
第２の逆止弁６８は、第２のニードル弁２７−２と第２のパイロットガス供給ライン６７の他端との間に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７に設けられている。
パイロットガス供給ライン７１は、その一端が第１及び第２のパイロットガス供給ライン６４，６７と接続されており、他端がパイロットガス供給路４５と接続されている。
【００７５】
第２の切り替えスイッチ７３は、その一端が第１の配線１５から分岐した第１の配線１７−１の先端と接続されており、他端が第２の配線１７−２の一端に対して開閉可能な構成とされている。
第２の切り替えスイッチ７３が閉じて、第２の配線１７−２の一端と接続されると、第１の配線１７−１と第２の配線１７−２とが電気的に接続される。
第２の切り替えスイッチ７３が開くと、第１の配線１７−１と第２の配線１７−２とが電気的に絶縁される。
第２の切り替えスイッチ７３としては、第１の切り替えスイッチ１８と同様なものをっ用いることができる。
【００７６】
上記構成とされた第２の実施の形態の溶接装置は、電磁弁２９−２の後段に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７にもニードル弁２７−２が設けられているので、第２のパイロットガスの供給開始初期に発生する突流を防止することができる。
また、パイロットガス供給ライン７１の一端の近傍に位置する第１のパイロットガス供給ライン６４に第１の逆止弁６５を設けるとともに、パイロットガス供給ライン７１の一端の近傍に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７に第２の逆止弁６８を設けることで、第１の逆止弁６５の前段に位置する第１のパイロットガス供給ライン６４に第２のパイロットガスが流入することや、第２の逆止弁６８の前段に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７に第１のパイロットガスが流入することを防止できる。
【００７７】
図４は、図３に示す溶接装置を用いた第２の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
図４の各タイミングチャートの縦軸に示す括弧内の数値は、図３に示す溶接装置６０の構成要素の符号に対応している。
【００７８】
次いで、図３及び図４を参照して、図３に示す溶接装置６０を用いた場合を例に挙げて、第２の実施の形態のプラズマ溶接方法について説明する。
第２の実施の形態のプラズマ溶接方法は、溶け込み深さが深い溶接を行う場合の溶接方法である。
【００７９】
第２の実施の形態のプラズマ溶接方法は、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に接続し、電極４２とインサートチップ４３との間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガス１８を供給するとともに、インサートチップ４３とシールドキャップ４７との間にシールドガスを供給することで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、パイロットアーク発生工程後、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に切断した段階で、プラス端子１４Ａと被溶接物１１とを電気的に接続し、第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、シールドガスの供給を継続した上で、電極４２とインサートチップ４３との間に、第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを供給して、プラス端子１４Ａと被溶接物１１との間に、メインアークを発生させて、被溶接物１１の溶接を行う第２の溶接工程と、を含む。
【００８０】
以下、図４に示すタイミングチャートを参照しながら、第２の実施の形態のプラズマ溶接方法を構成する「パイロットアーク発生工程」及び「第１の溶接工程」について説明する。
第２の実施の形態のプラズマ溶接方法を構成するパイロットアーク発生工程では、第１の実施の形態で説明したパイロットアーク発生工程と同様な処理を行う。パイロットアーク発生工程では、第２の切り替えスイッチ７３は、開いた状態にする。
第１のパイロットガス及びシールドガスとしては、例えば、第１の実施の形態で説明した第１のパイロットガス及びシールドガスと同様なものを用いることができる。
また、第１のパイロットガスの供給量及びシールドガスの供給量は、第１の実施の形態の第１のパイロットガスの供給量及びシールドガスの供給量と同様な値にすることができる。
【００８１】
続く、第２の溶接工程では、第１のパイロットガスの供給を停止し、トーチスイッチをオフにし、シールドガスの供給量を維持した上で、一度、第１及び第２の切り替えスイッチ１８，７３が閉じた状態にした後、瞬時に第１の切り替えスイッチ１８を開き、第２の切り替えスイッチ７３を閉じたまま、パイロットガス供給路４５内に、第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガス（例えば、アルゴン水素ガスやアルゴンヘリウムガスやアルゴン窒素ガス等）を所定の流量（例えば、０．１〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲内の所定の流量値）供給する。
そして、メインアークが所定の電流値（例えば、２〜５００Ａの範囲内の所定の電流値）となるように、徐々に電流値を上昇させ、その後、所定の電流値を一定期間維持させることで、電極４２と被溶接物１１との間に、メインアークを発生させて、被溶接物１１の溶接を行う。
【００８２】
このように、第２の溶接工程において、第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガス（例えば、アルゴン水素ガスやアルゴンヘリウムガスやアルゴン窒素ガス等）を用いることで、第１の実施の形態で説明した第１のパイロットガスを溶接工程で用いた場合と比較して、溶け込み深さを深くすることができる。
また、第２の溶接工程において、一度、第１及び第２の切り替えスイッチ１８，７３が閉じた状態にした後、瞬時に第１の切り替えスイッチ１８を開くことで、電極４２とインサートチップ４３との間に発生していたパイロットアークをメインアークに容易に移行させることができる。
【００８３】
次いで、被溶接物１１が完了した段階で、第２のパイロットガス及びシールドガスの供給量を維持した上で、トーチスイッチをオンにするとともに、メインアークを所定の電流値からクレータ電流値まで徐々に低下させ、その後、クレータ電流を一定時間維持させる。
その後、第１の実施の形態のアフターフロー処理と同様な手法により、アフターフロー処理を行う。
【００８４】
第２の実施の形態のプラズマ溶接方法によれば、溶接装置６０への初期投資を抑制した上で、溶け込み深さの深いプラズマ溶接を行うことができる。
【００８５】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を実施する際に使用する溶接装置の一例の概略構成を模式的に示す図である。
図５において、図３に示す第２の実施の形態の溶接装置６０と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図５では、説明の便宜上、溶接トーチ１２を構成するインサートチップ４３及びシールドキャップ４７と、被溶接物１１と、を断面で図示する。また、図５では、第１の切り替えスイッチ１８が閉じ、第２の切り替えスイッチ７３が開いた状態を模式的に図示する。
【００８６】
図５を参照するに、第３の実施の形態の溶接装置８０は、第２の実施の形態の溶接装置６０の構成に、さらに、分岐ライン８４と、第３のニードル弁２７−３と、第３の流量計２８−３と、第３の電磁弁２９−３と、を有すること以外は、溶接装置６０と同様に構成される。
【００８７】
分岐ライン８４は、第２の電磁弁２９−２と第２のパイロットガス供給源６２との間に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７から分岐されており、第２のニードル弁２７−２と第２の逆止弁６８との間に位置する第２のパイロットガス供給ライン６７と接続されている。
【００８８】
第３のニードル弁２７−３は、第１の実施の形態で説明したニードル弁２７と同様な構成とされている。第３のニードル弁２７−３は、分岐ライン８４に設けられている。
第３の流量計２８−３は、第１の実施の形態で説明した流量計２８と同様な構成とされている。第３の流量計２８−３は、第１のパイロットガス供給源２３と第３のニードル弁２７−３との間に位置する分岐ライン８４に設けられている。
【００８９】
第３の電磁弁２９−３は、第１の実施の形態で説明した電磁弁２９と同様な構成とされている。第３の電磁弁２９−３は、第３の流量計２８−３の前段に位置する分岐ライン８４に設けられている。
【００９０】
上記構成とされた第３の実施の形態の溶接装置８０は、分岐ライン８４、第３のニードル弁２７−３、第３の流量計２８−３、及び第３の電磁弁２９−３を有することで、後述する第３の溶接工程において、第２のパイロットガスの流量を異ならせることができる。
【００９１】
図６は、図５に示す溶接装置を用いた第３の実施の形態に係るプラズマ溶接方法を説明するためのタイミングチャートを示す図である。
図６の各タイミングチャートの縦軸に示す括弧内の数値は、図５に示す溶接装置８０の構成要素の符号に対応している。
【００９２】
次いで、図５及び図６を参照して、図５に示す溶接装置８０を用いた場合を例に挙げて、第３の実施の形態のプラズマ溶接方法について説明する。
第３の実施の形態のプラズマ溶接方法は、溶け込み深さが深い溶接を行う場合の溶接方法である。
【００９３】
第３の実施の形態のプラズマ溶接方法は、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に接続し、電極４２とインサートチップ４３との間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガス１８を供給するとともに、インサートチップ４３とシールドキャップ４７との間にシールドガスを供給することで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させるパイロットアーク発生工程と、パイロットアーク発生工程後に行う第３の溶接工程、と、を含み、第３の溶接工程は、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に切断した段階で、プラス端子１４Ａと被溶接物１１とを電気的に接続し、第１のパイロットガスの供給を停止するとともに、シールドガスの供給を継続した上で、電極４２とインサートチップ４３との間に、第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガスを第１の流量で供給し、プラス端子１４Ａと被溶接物１１との間に、メインアークを発生させる第１の段階と、第３の溶接工程の最後において、シールドガスの供給を継続させた上で、第２のパイロットガスを第１の流量をよりも少ない第２の流量で供給する第２の段階と、を有する。
【００９４】
以下、図６に示すタイミングチャートを参照しながら、第３の実施の形態のプラズマ溶接方法を構成する「パイロットアーク発生工程」及び「第３の溶接工程」について説明する。
第３の実施の形態のプラズマ溶接方法を構成するパイロットアーク発生工程では、第２の実施の形態で説明したパイロットアーク発生工程と同様な処理を行う。このとき、パイロットアーク発生工程では、第２の切り替えスイッチ７３は、開いた状態にする。
第１のパイロットガス及びシールドガスとしては、例えば、第２の実施の形態で説明したガスと同様なものを用いることができる。
また、第１のパイロットガスの供給量及びシールドガスの供給量は、第１の実施の形態の第１のパイロットガスの供給量及びシールドガスの供給量と同様な値にすることができる。
【００９５】
続く、第３の溶接工程では、第１のパイロットガスの供給を停止し、トーチスイッチをオフにし、シールドガスの供給量を維持した上で、一度、第１及び第２の切り替えスイッチ１８，７３が閉じた状態にした後、瞬時に第１の切り替えスイッチ１８を開き、第２の切り替えスイッチ７３を閉じたまま、パイロットガス供給路４５内に、第１のパイロットガスよりもプラズマ溶接に適した第２のパイロットガス（例えば、アルゴン水素ガスやアルゴンヘリウムガスやアルゴン窒素ガス等）を第１の流量（例えば、０．１〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲内の所定の流量値）供給する。
そして、メインアークが所定の電流値（例えば、２〜５００Ａの範囲内の所定の電流値）となるように、徐々に電流値を上昇させ、その後、所定の電流値を一定期間維持させることで、電極４２と被溶接物１１との間に、メインアークを発生させて、被溶接物１１の溶接を行う。
【００９６】
次いで、被溶接物１１が完了した段階で、分岐ライン８４を介さない第２のパイロットガスの供給を停止し、分岐ライン８４を介して、第１の流量よりも少ない第２の流量とされた第２のパイロットガスを供給し、トーチスイッチをオンにするとともに、メインアークを所定の電流値からクレータ電流値まで徐々に低下させ、その後、クレータ電流を一定時間維持させる。
第１の流量が、例えば、３Ｌ／ｍｉｎの場合、第２の流量は、例えば、１Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
その後、第１の実施の形態のアフターフロー処理と同様な手法により、アフターフロー処理を行う。
【００９７】
第３の実施の形態のプラズマ溶接方法によれば、溶接装置８０への初期投資を抑制した上で、溶け込み深さが深く、かつ被溶接物１１を貫通する溶接を行うことができる。
【００９８】
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。
【００９９】
例えば、図１に示す溶接装置１０において、配線１７に第２の切り替えスイッチ７３を設け、第２の切り替えスイッチ７３により、被溶接物１１と溶接電源１４のプラス端子１４Ａとを電気的に接続状態又は切断状態に切り替え可能な構成としてもよい。
このような構成とされた溶接装置を用いる場合、パイロットアーク発生工程では、第１の実施の形態で説明したパイロットアーク発生工程とは、以下の点が異なる。
上記構成とされた溶接装置では、パイロットアーク発生工程において、最初、第２の切り替えスイッチ７３は、開いた状態（電気的に接続されていない状態）にする。第１のパイロットガス２３及びシールドガス３２の種類及び供給量としては、例えば、第１の実施の形態で説明した第１のパイロットガス及びシールドガスの種類及び供給量と同様なものを用いることができる。
【０１００】
続く、溶接工程では、トーチスイッチをオフにし、第１のパイロットガスの供給量、及びシールドガスの供給量を維持した上で、一度、第１及び第２の切り替えスイッチ１８，７３が閉じた状態（電気的に接続された状態）にする。その後、瞬時に第１の切り替えスイッチ１８を開き、その後、所定の電流値を一定期間維持させることで、電極４２と被溶接物１１との間に、メインアークを発生させて、被溶接物１１の溶接を行う。
上記構成とされた溶接装置及びプラズマ溶接方法によれば、突流を抑制できるとともに、アークが途切れることなく、安定してメインアークを発生させることができる。その結果、初期の溶接工程においても、安定した溶接が可能となる。
【０１０１】
次に、図５に示す溶接装置８０の変形例について説明する。
該変形例の溶接装置では、第２の切り替えスイッチ７３に替えて、溶接電源１４のプラス端子１４Ａと被溶接物１１と常に電気的に接続する配線を備えてもよい。
この場合のプラズマ溶接方法は、下記パイロットアーク発生工程と、溶接工程と、を含む。
パイロットアーク発生工程では、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に接続し、電極４２とインサートチップ４３との間に、プラズマ化しやすい第１のパイロットガスを供給するとともに、インサートチップ４３とシールドキャップ４７との間にシールドガスを供給することで、電極４２とインサートチップ４３との間に、パイロットアークを発生させる。
【０１０２】
次いで、溶接工程では、パイロットアーク発生工程後、第１の切り替えスイッチ１８により、プラス端子１４Ａとインサートチップ４３とを電気的に切断し、第１のパイロットガス及びシールドガスの供給を継続した上で、電気的に接続されたプラス端子１４Ａと被溶接物１１との間に、メインアークを発生させることで、被溶接物１１の溶接を行う。
その後、被溶接物１１が完了した段階で、分岐ライン８４を介して、所定の流量の第２のパイロットガスを供給し、トーチスイッチをオンにするとともに、メインアークを所定の電流値からクレータ電流値まで徐々に低下させ、その後、クレータ電流を一定時間維持させる。例えば、上記所定の流量は、例えば、１Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
その後、第３の実施の形態のアフターフロー処理と同様な手法により、アフターフロー処理を行う。
つまり、溶接工程の初期において、第１のパイロットガス２３から第２のパイロットガス６２への切り替えをしないが、溶接工程の最後において、前記シールドガスの供給を継続させた上で、分岐ライン８４から第２のパイロットガスを所定流量で供給する。
上記構成とされた溶接装置及びプラズマ溶接方法によれば、突流を抑制できるとともに、溶接部におけるクレータ部の凹みの発生や気孔発生を抑制できる。
【０１０３】
次に、図５に示す溶接装置８０の他の変形例について説明する。
この場合、溶接工程の初期において、第１のパイロットガス２３から第２のパイロットガス６２への切り替えをしないが、溶接工程の最後において、前記シールドガスの供給を継続させた上で、分岐ライン８４から第２のパイロットガスを所定の流量で供給する。
上記構成とされた溶接装置及びプラズマ溶接方法によれば、突流を抑制できるとともに、溶接部におけるクレータ部の凹みの発生や気孔発生を抑制できる。
【０１０４】
上述した３つの変形例においても、第１ないし第３の実施の形態と同様に、第１のパイロットガスとして、アルゴンガス、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガス（アルゴン窒素ガス）のうち、いずれか１種を用いることができる。
また、第２のパイロットガスを用いる場合、アルゴンと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムとの混合ガス、アルゴンと窒素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと水素との混合ガス、アルゴンとヘリウムと窒素との混合ガスのうち、いずれか１種のガスであって、かつ第１のパイロットガスよりも電位傾度の比が大きいガスを用いることができる。
上述した３つの変形例において、メインアークを発生させる際に使用する電源として、ＴＩＧ溶接電源の無負荷電圧又はＴＩＧ溶接電源の高周波電圧発生装置を利用することができる。
【０１０５】
上記３つの変形例の溶接装置には、シールドガス供給源と接続され、溶接トーチにシールドガスを供給するシールドガス供給ラインと、パイロットガス供給源と接続され、溶接トーチにパイロットガスを供給するパイロットガス供給ラインと、を含み、シールドガス供給ライン及び／又はパイロットガス供給ラインには、その上流側から下流側に向かう方向に、電磁弁と、逆止弁と、を設けてもよい。
上述したように、本願発明では、溶接対象、溶接目的に応じて、メインアーク発生工程において使用するスイッチの数、第１のパイロットガスと第２のパイロットガスの切り替えの有無、そのパイロットガス種類と流量及び、溶接工程の最後におけるアフターフロー処理の有無を組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、溶接装置への初期投資を抑制した上で、プラズマ溶接を行うことの可能なプラズマ溶接方法に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０，６０，８０…溶接装置、１１…被溶接物、１２…溶接トーチ、１４…溶接電源、１４Ａ…プラス端子、１４Ｂ…マイナス端子、１５〜１７…配線、１５−１，１７−１…第１の配線、１５−２，１７−２…第２の配線、１８…第１の切り替えスイッチ、１９…冷却水循環部、２１…循環ライン、２３…第１のパイロットガス供給源、２５，６４…第１のパイロットガス供給ライン、２７，３６…ニードル弁、２７−１…第１のニードル弁、２７−２…第２のニードル弁、２７−３…第３のニードル弁、２８，３７…流量計、２８−１…第１の流量計、２８−２…第２の流量計、２８−３…第３の流量計、２９，３９…電磁弁、２９−１…第１の電磁計、２９−２…第２の電磁計、２９−３…第３の電磁計、３２…シールドガス供給源、３４…シールドガス供給ライン、４２…電極、４２Ａ…先端部、４３…インサートチップ、４３Ａ…インサートチップ孔、４５…パイロットガス供給路、４７…シールドキャップ、４９…シールドガス供給路、５１…冷却水用流路、６２…第２のパイロットガス供給源、６５…第１の逆止弁、６７…第２のパイロットガス供給ライン、６８…第２の逆止弁、７１…パイロットガス供給ライン、７３…第２の切り替えスイッチ、８４…分岐ライン
【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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