(57)【要約】【課題】宇宙環境下などの真空雰囲気中で行われるアーク溶接技術に係り、特にＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接でタッチスタート方式により好適にアーク起動を行うアーク溶接装置およびアーク起動方法を提供する。【解決手段】アーク起動時において中空電極先端部５の少なくとも一部と接触する接触部１５と、被溶接物６と電気的に接触し同電位を維持する電気的接触部１７と、中空電極先端部５と接触時に中空電極先端部５から流出した溶接ガスｇを真空雰囲気に案内する開放部１１とを構成するアーク起動部７を備えたアーク溶接装置１によりタッチスタート方式を用いたアーク起動方法である。【選択図】  図１
2009202208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス流路を有するとともに先端部から溶接ガスを流出させる電極を少なくとも備えた溶接トーチと、前記電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起こさせる電源とを備え、真空雰囲気中で前記電極の先端部から流出する溶接ガス中にアークを発生させて前記被溶接物の溶接処理を行うアーク溶接装置において、
アーク起動時において前記電極の先端部の少なくとも一部と接触する接触部と、前記被溶接物と電気的に接触し同電位を維持する電気的接触部とを有するアーク起動部を備え、
前記アーク起動部は、前記電極の先端部と接触時に前記電極の先端部から流出した溶接ガスを真空雰囲気に案内する開放部を構成することを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
前記アーク起動部は、前記被溶接物に固定して設けられ、前記被溶接物と同電位を維持することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記アーク起動部は、前記接触部が前記電極の先端部と接触した場合に前記電極の先端部から流出された溶接ガスを通流させ、前記開放部へと案内するガス通流部をさらに備え、
前記溶接トーチは、前記溶接トーチを前記アーク起動部の接触部と接触および引き離す方向に少なくとも移動させる移動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記溶接トーチは、溶接処理時に用いられる所定のアーク長が得られる前記被溶接物との距離を保持して固定される一方、
前記アーク起動部は、前記接触部を前記電極の先端部と接触および引き離す方向に少なくとも移動させる移動機構と、
前記接触部が前記電極の先端部と接触時に前記電極の先端部から流出された溶接ガスを通流させ、前記開放部へと案内するガス通流部とをさらに備え、
前記電気的接触部は、前記被溶接物との電気的な接触の有無を切替可能に構成されたことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記移動機構は、前記アーク起動部をアーク起動後に溶接処理に支障を与えない位置まで移動させることを特徴とする請求項４記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記アーク起動部は、前記被溶接物の形状を前記電極の先端部の少なくとも一部と接触可能な突起を設けて構成されたことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
前記アーク起動部に構成される前記接触部が、前記電極の先端部のガス流路出口近傍に設けられたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアーク溶接装置。
【請求項８】
内部にガス流路を有するとともに先端部から溶接ガスを流出させる電極を少なくとも備えた溶接トーチと、前記電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起こさせる電源とを備え、真空雰囲気中で前記電極の先端部から流出する溶接ガス中にアークを発生させて前記溶接物の溶接処理を行うアーク溶接装置を用いて、前記電極をアーク起動部に接触させてスパークを発生させるタッチスタート方式によりアークを発生させるアーク起動方法において、
前記電極の先端部から前記溶接ガスを流出するステップと、
前記電極の先端部の少なくとも一部と前記アーク起動部とを接触するステップと、
前記電極の先端部とアーク起動部との接触時に前記電極の先端部から流出した溶接ガスを真空雰囲気に放出するステップと、
前記電極と被溶接物との間に電圧を印加するステップと、
前記被溶接物とアーク起動部とを同電位に維持するステップと、
前記電極の先端部とアーク起動部を引き離しスパークを発生させるステップと、
前記スパークの発生時に膨張した前記溶接ガスを前記真空雰囲気に放出するステップとを備えたことを特徴とするアーク起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙環境下などの真空雰囲気中で行われるアーク溶接技術に係り、特にＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接でタッチスタートにより好適にアーク起動を行うアーク溶接装置およびアーク起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、アーク溶接に用いられるＧＴＡ（ガスタングステンアーク）が宇宙環境下などの真空雰囲気中における溶接熱源として注目されている（非特許文献１参照）。宇宙環境下などの真空雰囲気中で行われるＧＴＡ溶接は、大気圧下で行われるＧＴＡ溶接と比較して被溶接物の溶込みが大きくなるという利点がある。
【０００３】
真空雰囲気中で行われるＧＴＡ溶接は中空電極を備えた溶接トーチを用いて行われる。アーク溶接は、この中空電極先端からアーク放電（アーク）の形成に必要な溶接ガスを流出させ、真空雰囲気中におけるアークの形成と維持を行うことで可能となる。
【０００４】
アークの一の起動方法として、中空電極と被溶接物との間隔を設けた状態で起動させる高電圧・高周波方式による方法がある。この方法では、アークを発生させる溶接ガスを中空電極の内部を通して先端から流出させ、中空電極と被溶接物との間に数千Ｖの高電圧または高周波を印加して絶縁破壊を生じさせ、流れてきた溶接ガス中にアークを発生させる。アーク発生後は、溶接電源から供給され電圧を低電圧の溶接電圧に切り替え、アーク自体のエネルギで溶接ガスをプラズマ化してアーク溶接に移行させる。この高電圧・高周波方式を用いた起動方法では数千Ｖの高電圧を使用するため、外部との絶縁設備を設ける必要がある。また、高周波を用いた場合にはノイズの影響を受けやすく、安定したアークの起動を確保することが困難となる。
【０００５】
これに対し、アークの他の起動方法として、中空電極先端を被溶接物に接触させた状態で溶接電源を起動させるタッチスタート方式による方法がある。この方法では、中空電極先端を被溶接物に接触させた状態で電圧を印加し、その後中空電極を引き離してスパークを発生させた後にこのスパークおよび電流から得られたエネルギによって溶接ガスをプラズマ化し、アークを発生させる（非特許文献２参照）。このタッチスタート方式を用いたアークの起動方法は、大気圧下で行われる場合と比較して真空雰囲気中では溶接ガス密度が低下しスパークから得られるエネルギの伝達効率が悪くなるため、溶接ガスをプラズマ化してアーク溶接に移行することが困難となる。
【０００６】
また、溶接ガスにアルゴンガスを用いた場合、電離に必要な最低電圧である電離電圧は１５．８ｅＶである。これに対しヘリウムガスの電離電圧は２４．６ｅＶであり、アルゴンガスに比べて大きな値となっている。このため、ヘリウムガスを溶接ガスとして用いた場合にはよりエネルギ密度の高いプラズマを発生させアーク溶接を行うことができるという利点があるが、一方でアーク起動時においてはアルゴンガスに比べてより大きなエネルギが必要であるという欠点がある。このため、ヘリウムガスを溶接ガスとして用いる場合には、スパークから高いエネルギを得るため、起動電流を高く設定したりガス密度を高くしたりする必要があった。
【０００７】
タッチスタート方式を利用した起動方法の問題点を解決するため、溶接ガス流量を増加させて溶接ガス密度を高くすることが考えられる。しかし、溶接ガス流量の増加に伴いアークは分散した放電となり、エネルギ密度が低くなるという性質があるため溶接ガス流量は少ないことが好ましい。
【０００８】
これらの問題点に対処するため、微量の溶接ガス流量で比較的低電圧を利用して円滑なアーク起動を行うことができるアーク溶接装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
また、中空電極の構造に工夫を行いアーク起動前には溶接ガス密度を高め、かつアーク起動後には中空電極の内圧を好適に制御し、電離電圧の高いヘリウムガスを用いた場合であっても効率よくアーク起動および起動後のアークの維持を行うことも考えられる。
【特許文献１】特開２００７−２２９７８３号公報
【非特許文献１】「月刊  溶接技術」産報出版株式会社、  ２００７年１２月号（１１月２０日発行）、Ｐ８３−８６
【非特許文献２】「溶接学会論文集」第２４巻第１号、平成１８年２月、Ｐ２６−３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
タッチスタート方式によるアーク起動方法を用いた場合に、アーク起動前の中空電極と被溶接物が接触した状態においては、溶接ガスが流出する中空電極先端部の溶接ガス出口が塞がれた状態である。このため、溶接ガス密度を高めることができアークの起動が容易な反面、起動後においては急激な溶接ガス膨張に伴い中空電極と被溶接物との間の圧力が過度に上昇し、被溶接物の溶融部から溶融物が強く飛散する現象が発生する。中空電極は被溶接物に接触した状態から溶接処理位置に移動するが、アーク起動直後は極めて被溶接物と近接した状態であるため、飛散した溶融物が中空電極に付着し中空電極先端の溶接ガス出口の一部または全部を塞いでしまう。これに伴い、溶接ガスが十分に噴出されずにアークの維持を妨げる可能性がある。
【００１１】
また、効率よくアークを起動するためには発生したスパークから高いエネルギを得ることが望ましいため、起動時の起動電流を高く設定することが考えられる。しかし、起動電流を高く設定すると、アーク起動前においてはスパークから高いエネルギを得ることができる反面、アーク起動直後には溶接ガスの膨張をさらに増大させ、上述した問題点をより深刻化させてしまう。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、微量の溶接ガス流量で高い溶接ガス密度を維持し、かつ高い起動電流を用いた場合であっても効率よくアークを起動して溶接処理へ移行するアーク溶接装置およびアーク起動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るアーク溶接装置は、上述した課題を解決するために、アーク起動時において電極の先端部の少なくとも一部と接触する接触部と、被溶接物と電気的に接触し同電位を維持する電気的接触部とを有するアーク起動部を備え、前記アーク起動部は、前記電極の先端部と接触時に前記電極の先端部から流出した溶接ガスを真空雰囲気に案内する開放部を構成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るアーク起動方法は、上述した課題を解決するために、電極の先端部から溶接ガスを流出するステップと、前記電極の先端部の少なくとも一部とアーク起動部とを接触するステップと、前記電極の先端部とアーク起動部との接触時に前記電極の先端部から流出した溶接ガスを真空雰囲気に放出するステップと、前記電極と被溶接物との間に電圧を印加するステップと、前記被溶接物とアーク起動部とを同電位に維持するステップと、前記電極の先端部とアーク起動部を引き離しスパークを発生させるステップと、前記スパークの発生時に膨張した前記溶接ガスを前記真空雰囲気に放出するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るアーク溶接装置およびアーク起動方法は、安定した溶接ガス流量で効率的にアークを起動させて、アーク溶接処理に移行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係るアーク溶接装置およびアーク起動方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
以下の実施形態で説明するアーク溶接装置およびアーク起動方法は、アーク溶接技術のうち特にＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接を中真空から高真空の真空雰囲気中で行われる場合に適用して説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
本発明に係るアーク溶接装置およびアーク起動方法の第１実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本実施形態におけるアーク溶接装置１の全体を概略的に示す構成図である。アーク溶接装置１は、中空電極４を備える溶接トーチ２、溶接電源１３および配線１４を介して中空電極４と接続された被溶接物６、被溶接物６上に固定されたアーク起動部７、溶接トーチ２を移動させる移動機構１２を備える。
【００２０】
内部が中空状に構成された溶接トーチ２は、図示しない溶接ガス供給源から溶接ガスｇの供給を受ける溶接ガス導入部を備えており、溶接トーチ２の内部に溶接ガスｇが供給される。
【００２１】
溶接トーチ２には、シール部材３を介して中空電極４が気密性を保持して連結されている。中空電極４は、例えば軸方向（図１における上下方向）の両端が開口する円管状に構成される。中空電極４の軸方向に沿って形成されている内部孔は、溶接トーチ２に供給された溶接ガスｇを通流させるためのガス流路８となっている。中空電極４の下端側に位置する中空電極先端部５からは、溶接トーチ２により供給される溶接ガスｇが下向きに噴出する構成となっている。中空電極４の内径は、例えば数ｍｍ程度で構成されることで高いガス密度で溶接ガスｇを流出することができる。中空電極４は、例えばタングステンから構成される。
【００２２】
中空電極先端部５と対向する位置には、被溶接物６が配置される。
【００２３】
被溶接物６は、例えばステンレス鋼、アルミ合金などあらゆる金属材料からなり、肉厚を有する平板などが適用される。
【００２４】
中空電極４と被溶接物６との間には、これらに電圧を印加して溶接ガスｇをプラズマ化してアークを起動させる溶接電源１３が配線１４を介して接続されている。
【００２５】
中空電極先端部５と対向する被溶接物６上には、アーク起動部７が固定されて設置される。アーク起動部７は、中空電極先端部５と接触する接触部１５と、この接触部１５を支持する支持部１６と、被溶接物６との接触面である電気的接触部１７とで構成される。
【００２６】
接触部１５は、水平方向に伸びた平板状に構成される。接触部１５には、中空電極４のガス流路８から流出された溶接ガスｇの流路としてのガス通流部１０が設けられる。このガス通流部１０は、接触部１５における中空電極４の軸方向に延びた例えば円孔部で構成される。ガス通流部１０は、中空電極先端部５から流出された溶接ガスｇを拘束し、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下を防止する。
【００２７】
支持部１６は、例えば平板状の接触部１５の一端を支持して被溶接物６上に接触部１５を固定する。支持部１６における被溶接物６との接触面は、電気的接触部１７を構成する。電気的接触部１７は、被溶接物６と電気的に接触し同電位を維持する。
【００２８】
被溶接物６と、これに対向する接触部１５と、被溶接物６上に垂直方向に設けられた支持部１６とで構成された空間部は、ガス通流部１０の下流側において開放部１１を構成する。この開放部１１は、中空電極４、ガス通流部１０を順次通流した溶接ガスｇが真空雰囲気へと案内されるようになっている。
【００２９】
アーク起動部７は、例えば被溶接物６と同材質またはタングステンやタングステン合金などの溶融点が高く耐熱性を有する材質によって形成される。アーク起動部７は、溶接処理中に水冷するなどして消耗を低減することで長期間使用することができる。
【００３０】
溶接トーチ２には移動機構１２が連結されており、溶接トーチ２とこれに連結された中空電極４は、移動機構１２の駆動により中空電極先端部５がアーク起動部７の接触部１５と接触および引き離される方向である上下方向に移動可能なようになっている。溶接トーチ２は移動機構１２によって、例えば中空電極先端部５とアーク起動部７の接触部１５とが接触する高さからアーク起動後に行われる溶接処理で用いられる所定のアーク長が得られる高さの範囲を上下方向に移動する。
【００３１】
アーク起動部７の接触部１５と中空電極先端部５とは、接触した後に引き離されることでスパークを発生させ、このスパークから得られるエネルギにより中空電極４のガス流路８から流出された溶接ガスｇをプラズマ化するタッチスタート方式を適用してアークを起動させる。
【００３２】
従来のタッチスタート方式を利用したアーク起動時においては、中空電極と被溶接物との接触に伴い溶接ガスの流出路が塞がれることにより、溶接ガスが流出されず溶接トーチ内のガス圧が急激に上昇していた。これに対し本実施形態におけるアーク溶接装置１はアーク起動部７の開放部１１から真空雰囲気へと溶接ガスｇが案内されるようになっているので、溶接ガスｇの流量を調整することなく安定した定常的な流量で供給することができる。
【００３３】
また、アーク起動後においては、溶接ガスのプラズマ化に伴い溶接ガスが急激に膨張して高い圧力が発生し、被溶接物の溶融物の飛散がしばしば生じる。この飛散した溶融物は、中空電極のガス流路出口を塞ぎ、溶接ガスがガス流路から流出されないという問題点があった。また、ガス流路出口の一部が塞がれるように溶融物が付着した場合であっても、溶接ガスが理想的に流出されない可能性がある。さらに、溶融物の飛散に伴い、中空電極が損傷する可能性もある。
【００３４】
これに対し、本実施形態におけるアーク溶接装置１は、溶接ガスｇの膨張に伴う圧力が開放部１１を介して真空雰囲気へと案内されるため、被溶接物６の溶融物の飛散を低減させることができ、その後の溶接処理へとスムーズに移行することができる。
【００３５】
プラズマ化されアークを形成する溶接ガスｇには、例えばヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスや、二酸化炭素、水素、酸素、またはこれらを混合したガスが用いられる。例えば電離に必要な最低電圧である電離電圧が２４．６ｅＶと比較的高いヘリウムガスは、よりエネルギ密度の高いアークを発生させ効率的にアーク溶接を行うことができるが、アーク起動時においてはプラズマ化を行うために大きなエネルギが必要であり、アーク溶接装置１の起動電流を高く設定する必要がある。
【００３６】
また、真空雰囲気中においては、溶接ガス流量の増加に伴いアークは分散した放電となりエネルギ密度が低くなるという性質があるため、溶接ガス流量は少ないことが好ましい。このため溶接ガスｇは、例えばアルゴンガスを適用した場合、１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で供給されるのが好適である。
【００３７】
次に、本実施形態におけるアーク溶接装置１を用いたアーク起動方法について説明する。
【００３８】
図２は、アーク溶接装置１を用いたアーク起動方法の手順を説明するフローチャートである。
【００３９】
ステップＳ１において、溶接トーチ２は、図示しない溶接ガス供給源から溶接ガスｇの供給を受ける。供給された溶接ガスｇは、溶接トーチ２に連結された中空電極４のガス流路８を流通し、中空電極先端部５から真空雰囲気へと流出する。溶接ガスｇは、例えばアルゴンガスが用いられ、１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で供給される。
【００４０】
ステップＳ２において、中空電極４は、移動機構１２の駆動に伴いアーク起動部７と接触する位置まで下降移動される。図３は、溶接トーチ２に連結された移動機構１２によって、中空電極先端部５がアーク起動部７の接触部１５と接触した場合の説明図である。
【００４１】
中空電極４から流出した溶接ガスｇは、アーク起動部７のガス通流部１０を通流するため、中空電極４とアーク起動部７との接触点近傍では溶接ガスｇが拘束され、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下を防止することができる。また、ガス通流部１０の下流側には、アーク起動部７で構成された開放部１１が設けられるため、溶接ガスｇが定常的に真空雰囲気へ放出され、アーク起動後におけるガス圧の急激な上昇が回避される。
【００４２】
なお、溶接ガス供給ステップＳ１において供給された溶接ガスｇは、中空電極先端部５がアーク起動部７と接触した後に供給を開始してもよい。
【００４３】
ステップＳ３において、溶接電源１３を起動し電圧が印加される。溶接電源１３は、例えば数Ｖ〜数十Ｖの電圧を印加する。アークの起動に高電圧方式を用いた場合、数千Ｖの高電圧が必要であるのに対し、タッチスタート方式を用いた場合には、例えば数Ｖ〜数十Ｖ程度の低い電圧でアークの起動が行えるため、安全面や設備面においてより効率的に実施できる。
【００４４】
ステップＳ４において、中空電極４は、移動機構１２によりアーク起動部７から引き離される。これに伴い、通電状態である中空電極４とアーク起動部７との間でスパークが発生する。
【００４５】
ステップＳ５において、溶接ガスｇは、中空電極４とアーク起動部７との間で発生したスパークから得られるエネルギが与えられてプラズマ化され、アークが起動する。このとき、溶接ガスｇは急激に膨張して大きな圧力を発生させるが、ガス通流部１０の下流側には真空雰囲気に開放された開放部１１が設けられるため溶接ガスｇは真空雰囲気へと案内され圧力上昇が低減される。アークの起動後は、アーク自体の発熱に伴い溶接ガスｇをプラズマ化し、このアークによって被溶接物６を溶融させてアーク溶接を行う。
【００４６】
アーク溶接装置１は、アーク起動後に移動機構１２を駆動させて溶接トーチ２を所定のアーク長が得られる位置まで引き上げ、被溶接物６と溶接トーチ２とを相対的に移動させながらアーク溶接を行う。図４は、アーク起動後、溶接処理を行う場合の説明図である。溶接トーチ２の移動に伴い、アーク起動時には中空電極４とアーク起動部７との間で発生していたアーク１９は、アーク起動部７と同電位である被溶接物６との間で維持される。
【００４７】
このアーク溶接装置１およびアーク起動方法によれば、アーク起動部７にガス通流部１０を設けることで、真空雰囲気で行われるアーク溶接処理に適したガス流量である微量なガス流量で溶接ガスｇを流出した場合であっても溶接ガスｇが拘束され、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下を防止することができる。
【００４８】
また、アーク起動部７のガス通流部１０下流側に、通流する溶接ガスｇを案内する真空雰囲気に開放された開放部１１を設けたため、中空電極先端部５とアーク起動部７との接触時においても溶接トーチ２内の圧力を一定に維持することができ、安定した定常的なガス流量で溶接ガスｇを流出することができる。
【００４９】
さらに、開放部１１を設けたことにより、溶接ガスｇにヘリウムガスなどのアーク発生に大きなエネルギを必要とするガスを用いたアーク起動時において高い起動電流を用いても、アーク起動後の急激な溶接ガスｇの膨張に伴う過度の圧力上昇が発生せず、被溶接物６における溶融部から溶融物が強く飛散する現象を低減することができる。よって、被溶接物６の溶融物が中空電極４に付着することにより中空電極４からの溶接ガスｇの流出を妨げることなく溶接処理に移行することができる。さらには、溶融物の付着による中空電極４の損傷をも低減することができる。
【００５０】
つまり、本実施形態におけるアーク溶接装置およびアーク起動方法は、アーク起動後の溶接ガスｇの膨張に伴う過度な圧力上昇を防止することができるため、安定した溶接ガス流量で効率的にアークを起動させ、アーク溶接処理へ移行することができる。
【００５１】
なお、アークを発生させる電極は、軸方向（上下方向）の両端が開口する円管状に構成した中空電極４を適用して説明したが、円管状のみならず薄板状に構成してもよい。図５は、アーク溶接装置１の変形例であるアーク溶接装置１ａの外観を示す概略的な構成図である。なお、図５では薄板電極４ａ、アーク起動部７ａおよび被溶接物６のみを示したが、図１に示されたアーク溶接装置１と同様に実際には溶接トーチ、溶接電源、移動機構などを有するが、説明の便宜上図中では省略した。
【００５２】
薄板電極４ａのガス流路８ａから流出される溶接ガスｇを効率よくプラズマ化させるため、アーク起動部７ａと薄板電極４ａとの間で発生するスパークは、ガス流路８ａ出口付近で発生することが望ましい。図５に示すアーク起動部７ａは、薄板電極４ａとガス流路８ａ近傍で接触し、ガス流路８ａ近傍でスパークを発生させることにより効率よく溶接ガスｇにエネルギを与えてプラズマ化を行うことができる。
【００５３】
薄板電極４ａは、水平方向に伸びた肉薄な板状で構成される。薄板電極４ａは、図示しない溶接ガス供給源から供給を受けた溶接ガスｇを真空雰囲気に流出するガス流路８ａを備える。また、薄板電極４ａは、図示しない支持機構により支持されて、被溶接物６に対向する位置で保持される。
【００５４】
アーク起動部７ａは、薄板電極４ａの対向面と接触する接触部１５ａと、この接触部１５ａを支持する支持部１６ａと、被溶接物６との接触面である電気的接触部１７ａとで構成される。
【００５５】
接触部１５ａは、薄板電極４ａ方向に伸びた突起部１８ａを有する平板状に構成される。接触部１５ａには、薄板電極４ａのガス流路８ａから流出された溶接ガスｇの流路としてのガス通流部１０ａが設けられる。このガス通流部１０ａは、接触部１５ａにおける薄板電極４ａの軸方向に延びた例えば円孔部で構成される。ガス通流部１０ａは、ガス流路８ａから流出された溶接ガスｇを拘束し、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下を防止する。
【００５６】
また、接触部１５ａの薄板電極４ａとの接触面には、対向する薄板電極４ａ方向に伸びた突起部１８ａが設けられる。突起部１８ａは、他の接触部１５ａよりも所定量突出しており、接触部１５ａのうち、突起部１８ａのみが薄板電極４ａと接するように構成される。また、ガス通流部１０の開口部は、この突起部１８ａ上に設けられる。
【００５７】
支持部１６ａは、例えば平板状の接触部１５ａの一端を支持して被溶接物６上にアーク起動部７ａを固定する。支持部１６ａにおける被溶接物６との接触面は、電気的接触部１７ａを構成する。電気的接触部１７ａは、被溶接物６と電気的に接触し同電位を維持する。
【００５８】
被溶接物６と、これに対向する接触部１５ａと、被溶接物６上に垂直方向に設けられた支持部１６ａとで構成された空間部は、ガス通流部１０ａの下流側に開放部１１ａを構成する。この開放部１１ａは、薄板電極４ａのガス流路８ａ、ガス通流部１０ａを順次通流した溶接ガスｇが真空雰囲気へと案内されるようになっている。
【００５９】
ここで、アークを効率よく起動させるためには、スパークから得られるエネルギを損失することなく溶接ガスｇに与えることが望ましい。しかし、薄板電極４ａと接触する接触部１５ａを平坦に構成した場合、接触部１５ａと薄板電極４ａとの接触面が広域に渡り、スパークがガス流路８ａと離れた位置で発生する可能性がある。この場合、ガス流路８ａから流出される溶接ガスｇには十分なエネルギが与えられず、アーク起動が効率的に行われない。
【００６０】
そこで、接触部１５ａに突起部１８ａを設け、薄板電極４ａとの接触点をガス流路８出口近傍に限定することで、接触点で発生したスパークから得られるエネルギを溶接ガスｇに対し効率よく与えることができる。
【００６１】
なお、アーク起動部７ａは、アーク溶接装置に設けられた電極の形状が薄板状である場合のみならず、図１に示す円管状の中空電極４である場合であって、特に中空電極４の外径に比してガス流路の径が小さい場合にも溶接ガスｇに対して効率よくエネルギを与えてプラズマ化することができる。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明に係るアーク溶接装置およびアーク起動方法の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００６３】
図６は本実施形態におけるアーク溶接装置１ｂの全体を概略的に示す構成図である。本実施形態におけるアーク溶接装置１ｂが第１実施形態におけるアーク溶接装置１と異なる点は、移動機構１２ｂがアーク起動部７ｂに設けられた点である。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６４】
アーク溶接装置１ｂの溶接トーチ２は、溶接処理時に必要な所定のアーク長が得られる被溶接物６との距離を保持して固定されている。
【００６５】
中空電極先端部５と対向する被溶接物６との間には、移動機構１２ｂが連結されたアーク起動部７ｂが移動可能に設けられる。
【００６６】
アーク起動部７ｂは、中空電極先端部５と接触する接触部１５ｂと、この接触部１５ｂを支持する図示しない支持機構と、被溶接物６との電気的接触部である電気スイッチ機構２１とで構成される。
【００６７】
接触部１５ｂは、水平方向に伸びた平板状に構成される。接触部１５ｂには、中空電極４のガス流路８から流出された溶接ガスｇの流路としてのガス通流部１０ｂが設けられる。このガス通流部１０ｂは、接触部１５ｂにおける中空電極４の軸方向に延びた例えば円孔部で構成される。ガス通流部１０ｂは、中空電極先端部５から流出された溶接ガスｇを拘束し、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下を防止する。
【００６８】
アーク起動部７ｂは、電気スイッチ機構２１を介して被溶接物６に接続される。電気スイッチ機構２１はアーク起動部７ｂと被溶接物６の電気的接触の有無を切り替える。電気スイッチ機構２１が閉状態である場合、被溶接物６とアーク起動部７は電気的に接触しており同電位となる。開状態である場合、溶接電源１３とは通電しておらず電圧は被溶接物６のみに印加される。
【００６９】
被溶接物６と、これに対向する接触部１５ｂとで形成される空間部は、ガス通流部１０ｂを通流する溶接ガスｇの下流側において開放部１１を構成する。この開放部１１は、中空電極４のガス流路８、ガス通流部１０ｂを順次通流した溶接ガスｇが真空雰囲気へと案内されるようになっている。
【００７０】
アーク起動部７ｂには移動機構１２ｂが連結されており、アーク起動部７ｂは移動機構１２ｂの駆動によりアーク起動部の接触部１５ｂと中空電極先端部５とが接触および引き離される方向である上下方向に移動可能なようになっている。アーク起動部７ｂは移動機構１２ｂによって、例えば中空電極先端部５とアーク起動部７ｂの接触部１５ｂとが接触する高さからアーク起動後に行われる溶接処理で用いられる所定のアーク長が得られる高さの範囲を上下方向に移動する。
【００７１】
また、アーク起動部７ｂは、アーク起動後においては、溶接トーチ２および被溶接物６間で行われる溶接処理に支障を与えない位置まで上下方向や水平方向に移動を行う。
【００７２】
次に、本実施形態におけるアーク溶接装置１ｂを用いたアーク起動方法について説明する。
【００７３】
図７は、アーク溶接装置１ｂを用いたアーク起動方法の手順を説明するフローチャートである。
【００７４】
ステップＳ１１において、溶接トーチ２は、図示しない溶接ガス供給源から溶接ガスｇの供給を受ける。供給された溶接ガスｇは、溶接トーチ２に連結された中空電極４のガス流路８を流通し、真空雰囲気へと流出する。溶接ガスｇは、例えばアルゴンガスが用いられ、１０〜２０ｃｃ／分程度の微量の溶接ガス流量で供給される。このとき、電気スイッチ機構２１は、開状態である。
【００７５】
ステップＳ１２において、アーク起動部７ｂは、移動機構１２ｂの駆動に伴い中空電極先端部５と、これに対向する面が接触する方向に移動される。図８は、アーク起動部７ｂに連結された移動機構１２ｂによって、アーク起動部７ｂの接触部１５ｂが中空電極先端部５と接触した場合の説明図である。
【００７６】
中空電極４から流出した溶接ガスｇは、アーク起動部７ｂのガス通流部１０ｂを通流するため、中空電極４とアーク起動部７ｂとの接触点では溶接ガスｇが拘束され、真空中への拡散に伴うプラズマ化の効率低下が防止される。また、ガス通流部１０ｂの下流側には、アーク起動部７ｂで形成された開放部１１ｂが設けられるため、溶接ガスｇが定常的に真空雰囲気へ放出されて圧力の上昇が低減される。
【００７７】
なお溶接ガス供給ステップＳ１１において供給された溶接ガスは、アーク起動部７ｂが中空電極先端部５と接触した後に供給を開始してもよい。
【００７８】
ステップＳ１３において、溶接電源１３が起動される。このとき、電気スイッチ機構２１は、開状態から閉状態に移行される。
【００７９】
ステップＳ１４において、アーク起動部７ｂは、移動機構１２ｂにより中空電極先端部５から引き離される。これに伴い、通電状態である中空電極４とアーク起動部７ｂとの間でスパークが発生する。
【００８０】
ステップＳ１５において、溶接ガスｇは、中空電極４とアーク起動部７ｂとの間で発生したスパークから得られるエネルギが与えられてプラズマ化され、アークが起動する。このとき、溶接ガスｇは急激に膨張して大きな圧力を発生させるが、ガス通流部１０ｂの下流側には真空雰囲気に開放された開放部１１ｂが設けられるため溶接ガスｇは真空雰囲気へと案内され圧力上昇が低減される。アークの起動後は、アーク自体の発熱に伴い溶接ガスｇがプラズマ化される。
【００８１】
アーク溶接装置１ｂは、アーク起動後に移動機構１２ｂを駆動させてアーク起動部７ｂを被溶接物６と接触する位置または被溶接物６の近傍まで下方向に移動する。図９は、アーク１９ｂの起動後、アーク起動部７ｂを被溶接物６近傍まで引き離した場合の説明図である。このとき、電気スイッチ機構２１を開状態に移行させて被溶接物６との電気的接触を断ち、起動時には中空電極４とアーク起動部７ｂとの間で発生していたアーク１９ｂは、被溶接物６との間で維持される。
【００８２】
また、アーク起動部７ｂは、移動機構１２ｂの駆動により溶接処理に支障を与えない位置まで上下移動や水平移動を行い、被溶接物６と溶接トーチ２とを相対的に移動させながら溶接処理を行う。図１０は、アーク起動部７ｂが溶接処理に支障を与えない位置まで移動を行い溶接処理を行う場合を説明する図である。
【００８３】
このアーク溶接装置１ｂおよびアーク起動方法によれば、第１実施形態におけるアーク溶接装置１およびアーク起動方法により生じる効果に加え、アーク起動時において溶接トーチ２の位置を固定的に設定できるため、所望のアーク長を得るための溶接トーチ２および被溶接物６間の精密な距離制御が不要となり、アーク起動後は所望のアーク長を用いて効率的にアーク溶接を行うことができる。
【００８４】
また、アーク１９ｂの起動時にのみ必要なアーク起動部７ｂを昇降および水平移動が可能なように構成したため、溶接処理に支障を与えない位置まで退避させることで作業効率を向上させることができる。なお、昇降方向および水平方向のみならす他の軸方向に移動可能に構成してもよい。
【００８５】
［第３の実施形態］
本発明に係るアーク溶接装置の第３実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００８６】
第１および第２実施形態においては、アーク起動時および起動後において溶接トーチから流出される溶接ガスが真空雰囲気へ案内されるため、アーク溶接装置にアーク起動部を設けることで開放部としての空間を構成し、溶接ガスの増加や膨張に伴う圧力の上昇を低減した。これに対し本実施形態においては、アークスタート板を用いずに開放部を構成するアーク溶接装置について説明する。
【００８７】
図１１は本実施形態におけるアーク溶接装置１ｃを概略的に示す構成図である。図１１では中空電極４、アーク起動部７ｃおよび被溶接物６のみを示したが、第１実施形態と同様に実際には溶接トーチ、溶接電源、移動機構などを有するが、説明の便宜上図中では省略した。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００８８】
アーク起動部７ｃは、中空電極先端部５と対向する被溶接物６上に固定されて設置される。アーク起動部７ｃは、中空電極先端部５と接触する接触部としての接触面２２と、被溶接物６との電気的接触部としての電気的接触面２３とで構成される。アーク起動部７ｃは、例えば立方体で構成される。
【００８９】
接触面２２は、例えば立方体で構成されたアーク起動部７ｃのうち、中空電極先端部５と対向する面または点で構成される。
【００９０】
アーク起動部７ｃの被溶接物６との接触面は、電気的接触面２３を構成する。電気的接触面２３は、被溶接物６と電気的に接触し同電位を維持する。
【００９１】
中空電極４とアーク起動部７ｃの接触面２２との接触時、被溶接物６および被溶接物６上に垂直方向に設けられたアーク起動部７ｃで構成された空間部は、中空電極４のガス流路８を通流する溶接ガスｇの下流側において開放部１１ｃを構成する。この開放部１１ｃは、中空電極４から流出された溶接ガスｇが真空雰囲気へと案内されるようになっている。
【００９２】
このアーク起動部７ｃは、例えばタングステンやタングステン合金などの溶融点が高く耐熱性を有する材質によって形成される。また、あらかじめ被溶接物６の形状を中空電極先端部５の少なくとも一部と接触可能な突起を設けるように形成することでアーク起動部７ｃを構成してもよい。
【００９３】
なお、このアーク起動部７ｃは、少なくとも一箇所が中空電極先端部５に接触し、アーク起動時にはこの接触点でスパークを発生させて溶接ガスｇをプラズマ化できる構成であればよい。
【００９４】
本実施形態におけるアーク溶接装置１ｃを用いたアーク起動方法については、上述した他の実施形態とほぼ同様であるため説明は省略する。
【００９５】
このアーク溶接装置１ｃおよびアーク起動方法によれば、図１などに示すアーク起動部７と比較し、簡易な装置構成で効率的なアーク起動を行うことができる点で有効である。
【００９６】
本発明に係るアーク溶接装置およびアーク起動方法は、上述した実施形態の他に、種々の態様で実施することができる。例えば、溶接のほか、表面熱処理または材料分析を実施する真空中のアーク発生などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１実施形態におけるアーク溶接装置の全体を概略的に示す構成図。
【図２】第１実施形態におけるアーク溶接装置を用いたアーク起動方法の手順を説明するフローチャート。
【図３】中空電極先端部がアーク起動部と接触した場合の説明図。
【図４】アーク起動後、アーク溶接処理を行う場合の説明図。
【図５】アーク溶接装置の変形例の外観を示す概略的な構成図。
【図６】第２実施形態におけるアーク溶接装置の全体を概略的に示す構成図。
【図７】第２実施形態におけるアーク溶接装置を用いたアーク起動方法の手順を説明するフローチャート。
【図８】中空電極先端部がアーク起動部と接触した場合の説明図。
【図９】アーク起動後、アーク起動部を被溶接物近傍まで引き下げた場合の説明図。
【図１０】アーク起動部をアーク溶接作業の障害とならない位置まで移動し、アーク溶接処理を行う場合を説明する図。
【図１１】第３実施形態におけるアーク溶接装置を概略的に示す構成図。
【符号の説明】
【００９８】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  アーク溶接装置
２  溶接トーチ
３  シール部材
４  中空電極
４ａ  薄板電極
５  中空電極先端部
６  被溶接物
７、７ａ、７ｂ、７ｃ  アーク起動部
８、８ａ  ガス流路
１０、１０ａ、１０ｂ  ガス通流部
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  開放部
１２、１２ｂ  移動機構
１３  溶接電源
１４  配線
１５、１５ａ、１５ｂ  接触部
１６、１６ａ  支持部
１７、１７ａ  電気的接触部
１８ａ  突起部
１９、１９ｂ  アーク
２１  電気スイッチ機構
２２  接触面
２３  電気的接触面
【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】
2009202208.tif 000009
【図８】
2009202208.tif 000010
【図９】
2009202208.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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