JP2011110600A - プラズマミグ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接するプラズマミグ溶接方法において、鮮明な輪郭を有するウロコ模様のビード外観を形成すること。
【解決手段】溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にパルス波形のミグ溶接電流Ｉｗｍを通電することによってミグアークを発生させると共に、溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して溶接トーチと母材との間にプラズマ溶接電流Ｉｗｐを通電することによってプラズマアークを発生させる。ミグアークのアーク長Ｌａを予め定めた切換周波数（１／Ｔｃ）で周期的に変化させ、かつ、プラズマ溶接電流Ｉｗｐをミグアークのアーク長Ｌａの変化に同期して変化させる。これにより、アーク長の変化に加えてプラズマ溶接電流Ｉｗｐが変化するので、溶融池サイズの変化が大きくなり、輪郭が鮮明なウロコ模様のビード外観となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させると共に、ミグアークのアーク長を低周波で周期的に変化させて溶接を行うプラズマミグ溶接方法に関するものである。

従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。これと同時に、溶接ワイヤを囲むようにアルゴンなどのガスを供給し、このガスを介して溶接トーチと母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。

上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的に直流のパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。また、従来から、上記のミグアークのアーク長を予め定めた切換周波数で周期的に変化させて溶接を行うミグパルス溶接方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この切換周波数を０．５〜２５Ｈｚ程度の低周波に設定し、アーク長を周期的に変化させることによって、図７に示すようなウロコ状の美しいビード外観を形成することができる。また、アーク長を周期的に変化させることによって、溶融池を攪拌することができ、ブローホールの発生を抑制することができる。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したアーク長を周期的に変化させるプラズマミグ溶接方法について説明する。

図８は、アーク長を周期的に変化させるプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）は切換信号Ｓtcを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｃ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａを示し、同図（Ｅ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、切換信号Ｓtcは、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになり、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになる。この高パルス期間ＨＴと低パルス期間ＬＴとを合わせた期間が、切換周期Ｔｃとなる。切換周波数ｆｃ＝１／Ｔｃである。上述したように、切換周波数ｆｃの設定範囲は０．５〜２５Ｈｚ程度であるので、切換周期Ｔｃの設定範囲は０．０４〜２秒程度である。

高パルス期間ＨＴ中は、同図（Ｂ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中の高ピーク電流ＨＩｐ及び高ベース期間ＨＴｂ中の高ベース電流ＨＩｂから成る高パルス電流群が通電する。この高ピーク期間ＨＴｐと高ベース期間ＨＴｂとを合わせて高パルス周期ＨＴｆになる。そして、この高パルス電流群の通電に対応して、同図（Ｃ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電圧ＨＶｐが溶接ワイヤ・母材間に印加し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電圧ＨＶｂが印加する。

低パルス期間ＬＴ中は、同図（Ｂ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐ及び低ベース期間ＬＴｂ中の低ベース電流ＬＩｂから成る低パルス電流群が通電する。この低ピーク期間ＬＴｐと低ベース期間ＬＴｂとを合わせて低パルス周期ＬＴｆになる。そして、この低パルス電流群の通電に対応して、同図（Ｃ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電圧ＬＶｐが溶接ワイヤ・母材間に印加し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電圧ＬＶｂが印加する。

ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定値に等しくなるように溶接電源の出力を制御する。この場合、フィードバック制御の方法によって、下記の３種類に区別することができる。
（１）周波数変調方式：ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定値と等しくなるようにパルス周期を変化させる。この場合、ピーク期間、ピーク電流値及びベース電流値がパルスパラメータとなり、予め適正値に設定される。
（２）パルス幅変調方式：ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定値と等しくなるようにピーク期間が変化する。この場合、ピーク電流値、パルス周期及びベース電流値がパルスパラメータとなり、予め適正値に設定される。
（３）ピーク電流変調方式：ミグ溶接電圧Ｖwmのピーク電圧値が電圧設定値と等しくなるようにピーク電流が変化する。この場合、ピーク期間、パルス周期及びベース電流値がパルスパラメータとなり、予め適正値に設定される。

上述したように、ミグ溶接のアーク長制御では、ミグ溶接電圧Ｖwmをフィードバック制御してパルスパラメータの１つを操作量として変化させて溶接電源の出力を制御し、他のパルスパラメータは所定値に設定する。同図においては、上記（１）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が変化する。したがって、この場合、ピーク期間、ピーク電流及びベース電流が所定値のパルスパラメータとなる。同図に示すミグ溶接では、高パルス期間ＨＴと低パルス期間ＬＴとで、図示していないが電圧設定値を変化（高電圧設定値と低電圧設定値）させている。さらに、高パルス期間ＨＴ中は高ピーク期間ＨＴｐ、高ピーク電流ＨＩｐ及び高ベース電流ＨＩｂに設定し、低パルス期間ＬＴ中は低ピーク期間ＬＴｐ、低ピーク電流ＬＩｐ及び低ベース電流ＬＩｂに設定して、パルスパラメータを変化させている。この結果、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、高アーク長ＨＬａと低アーク長ＬＬａとで周期的に変化する。

他方、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。

特開２００８−２２９６４１号公報 特開２００９−７２８２６号公報

上述したアーク長を周期的に変化させるプラズマミグ溶接方法において、ウロコ模様の輪郭をより鮮明にして美しいビード外観を得るためには、高アーク長ＨＬａと低アーク長ＬＬａとの差である変化長を大きくする必要がある。しかし、高アーク長ＨＬａが長くなると、ミグアークは大きく広がった形状となるために、ガスによる空気からの遮蔽状態が不完全になり、アーク発生状態が不安定になる場合が生じる。それに加えて、プラズマ溶接電流が一定値であるためにプラズマアークから常に一定の入熱が供給されるので、ウロコ模様の輪郭が不鮮明になりやすい。また、上述した溶融池の撹拌作用は、ミグアークのアーク長が周期的に変化し溶融池へのアーク力が変化することによって生じる。しかし、プラズマ溶接電流が一定値であるために、プラズマアークからのアーク力は一定値となり、溶融池の撹拌作用を減ずることになる。

そこで、本発明では、ウロコ模様の輪郭が鮮明なビード外観を得ることができ、溶融池の撹拌作用を強化してブローホールの発生を抑制することができるプラズマミグ溶接方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にパルス波形のミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記ミグアークのアーク長を予め定めた切換周波数で周期的に変化させ、かつ、前記プラズマ溶接電流を前記ミグアークのアーク長の変化に同期して変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。

請求項２の発明は、前記プラズマ溶接電流の変化幅を前記切換周波数に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項３の発明は、前記ミグ溶接電流の前記パルス波形のパラメータを前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項４の発明は、前記ミグアークのミグ溶接電圧の平均値を前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項５の発明は、前記溶接ワイヤの送給速度を前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法である。

本発明によれば、ミグアークのアーク長を周期的に変化させると共に、これに同期してプラズマ溶接電流を変化させることによって、ウロコ模様の輪郭をより鮮明にしたビードを形成することができる。また、溶融池の撹拌作用を強化することができるので、ブローホールの発生をより一層抑制することができる。さらに、アーク長が周期的に変化しているときの高アーク長時において、プラズマ溶接電流値が大きいためにプラズマアークの拘束作用が強まるので、ミグアークへの空気の巻き込みを防止することができ、アーク状態が不安定になるのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。 図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 図１の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。 図１の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る切換周波数ｆｃに対する高プラズマ溶接電流値ＨＩwp及び低プラズマ溶接電流値ＬＩwpの変化を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法を実施するためのプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。 従来技術によって形勢されたウロコ状ビード外観を示す図である。 従来技術のプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。

給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。したがって、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。

プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。

切換信号生成回路ＳＴＣは、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになり、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになる切換信号Ｓtcをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。切換信号生成回路ＳＴＣは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。

図２は、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は切換信号Ｓtcを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｃ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａを示し、同図（Ｅ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｆ）は電圧設定信号Ｖｒを示し、同図（Ｇ）は送給制御信号Ｆｃを示す。同図は、上述した図８と対応しており、同図（Ａ）〜（Ｄ）の各信号の波形は同一である。同図（Ｅ）に示すプラズマ溶接電流Ｉwpの波形は図８とは異なっており、同図（Ｆ）に示す電圧設定信号Ｖｒ及び同図（Ｇ）に示す送給制御信号Ｆｃが図８に追加されている。同図におけるアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値と電圧設定信号Ｖｒの値とが等しくなるようにパルス周期Ｔｆが制御される場合である。したがって、ピーク期間、ピーク電流及びベース電流は所定値に設定されている。以下、同図を参照して、図８とは異なる点を中心にして説明する。

同図（Ａ）に示すように、切換信号Ｓtcは、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの外部から入力される信号であり、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになり、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになる。この高パルス期間ＨＴと低パルス期間ＬＴとの合算期間が切換周期Ｔｃとなり、その逆数が切換周波数ｆｃとなる。同図（Ｂ）に示すように、高パルス期間ＨＴの間は、高ピーク期間ＨＴｐ中の高ピーク電流ＨＩｐの通電と高ベース期間ＨＴｂ中の高ベース電流ＨＩｂの通電とが高パルス周期ＨＴｆごとに繰り返され、低パルス期間ＬＴの間は、低ピーク機関ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐの通電と低ベース期間ＬＴｂ中の低ベース電流ＬＩｂの通電とを低パルス周期ＬＴｆごとに繰り返す。同図（Ｆ）に示すように、電圧設定信号Ｖｒは、高パルス期間ＨＴ中は高電圧設定値ＨＶｒとなり、低パルス期間ＬＴ中は低電圧設定値ＬＶｒとなる。高パルス期間ＨＴ中は、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値（平滑値）が上記の高電圧設定値ＨＶｒと等しくなるように高ベース期間ＨＴｂがフィードバック制御される。このことは、高パルス周期ＨＴｆがフィードバック制御されることと同等である。低パルス期間ＬＴ中は、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が上記の低電圧設定値ＬＶｒと等しくなるように低ベース期間ＬＴｂがフィードバック制御される。このことは、低パルス周期ＬＴｆがフィードバック制御されることと同等である。したがって、高パルス期間ＨＴ中は、高ピーク期間ＨＴｐ、高ピーク電流ＨＩｐ及び高ベース電流ＨＩｂがパルスパラメータとなり、アーク長が高くなるように設定される。低パルス期間ＬＴ中は、低ピーク期間ＬＴｐ、低ピーク電流ＬＩｐ及び低ベース電流ＬＩｂがパルスパラメータとなり、アーク長が低くなるように設定される。また、高パルス期間ＨＴ中は、アーク長が高くなるように高電圧設定値ＨＶｒが設定され、低パルス期間ＬＴ中は、アーク長が低くなるように低電圧設定値ＬＶｒが設定される。上述したように、パルスパラメータ及び電圧設定信号Ｖｒを高パルス期間ＨＴと低パルス期間ＬＴとで切り換えることによって、同図（Ｄ）に示すように、ミグアークのアーク長Ｌａを高アーク長ＨＬａと低アーク長ＬＬａとで周期的に変化させることができる。

同図（Ｇ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは、高パルス期間ＨＴ中は予め定めた高送給速度設定値ＨＦｒに対応した信号となり、低パルス期間ＬＴ中は予め定めた低送給速度設定値ＬＦｒに対応した信号となる。ここで、ＨＦｒ＞ＬＦｒに設定される。この結果、高パルス期間ＨＴ中の送給速度の方が低パルス期間ＬＴ中の送給速度よりも速くなる。

同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、高パルス期間ＨＴ中は予め定めた高プラズマ溶接電流値ＨＩwpとなり、低パルス期間ＬＴ中は予め定めた低プラズマ溶接電流値ＬＩwpとなる。ＨＩwp＞ＬＩwpに設定される。

上述したように、高パルス期間ＨＴ中と低パルス期間ＬＴ中とで、パルスパラメータ及び電圧設定信号Ｖｒを切り換えることによって、ミグアークのアーク長Ｌａを高アーク長ＨＬａと低アーク長ＬＬａとで周期的に変化させることができる。このアーク長Ｌａの変化に同期して、高アーク長ＨＬａのときは高プラズマ溶接電流ＨＩwpが通電し、低アーク長ＬＬａのときは低プラズマ溶接電流ＬＩwpが通電する。このようにすると、高パルス期間ＨＴ中は、アーク長Ｌａが高いためにミグアークが広がった形状になるので、溶融池のサイズが大きくなる。それに加えて、高プラズマ溶接電流値ＨＩwpが通電するプラズマアークからの大きな入熱によって、溶融池のサイズはより大きくなる。他方、低パルス期間ＬＴ中は、アーク長Ｌａが低いためにミグアークはスリムな形状となるので、溶融池のサイズは小さくなる。また、このときは、低プラズマ溶接電流ＬＩwpが通電するプラズマアークからの入熱も小さいので、溶融池のサイズは小さいままである。したがって、アーク長Ｌａの変化に加えてプラズマ溶接電流Ｉwpを変化させることで、溶融池のサイズの変化を大きくすることができるので、ウロコ模様の輪郭をより鮮明にすることができる。さらには、送給速度の変化を加えることによって、より一層溶融池のサイズの変化を大きくすることができるので、ウロコ模様の輪郭をさらに鮮明にすることができる。また、上述したように、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態にある。プラズマ溶接電流Ｉwpが大きくなるのに伴い、ミグアークを拘束する作用が強くなる。したがって、高パルス期間ＨＴ中において、ミグアークのアーク長が高くなっても、高プラズマ溶接電流ＨＩwpの通電するプラズマアークの拘束作用によって、ミグアークが空気を巻き込んでアーク状態が不安定になることを防止することができる。

ミグアークのアーク長Ｌａの変化に伴うアーク力の変化に加えて、プラズマ溶接電流Ｉwpの変化に伴うプラズマアークからのアーク力の変化によって、溶融池への撹拌作用が増大する。このために、ブローホールの低減作用を増大させることができる。

低アーク長ＬＬａは、適正アーク長よりも少し低い２〜３mm程度のアーク長に設定されることが多い。アーク長Ｌａがあまり低くなると、短絡が多く発生する状態になり、スパッタの発生が多くなるのでビード外観が悪くなる。高アーク長ＨＬａは、低アーク長ＬＬａよりも２mm以上高くなるように設定される。低アーク長ＬＬａ及び高アーク長ＨＬａは、パルスパラメータ及び電圧設定信号Ｖｒによって設定される。すなわち、低アーク長ＬＬａは、低ピーク期間ＬＴｐ、低ピーク電流ＬＩｐ及び低ベース電流ＬＩｂからなるパルスパラメータと、低電圧設定値ＬＶｒとによって設定される。高アーク長ＨＬａは、高ピーク期間ＨＴｐ、高ピーク電流ＨＩｐ及び高ベース電流ＨＩｂからなるパルスパラメータと、高電圧設定値ＨＶｒとによって設定される。このときに、パルスパラメータの３つの中の少なくとも１つ以上を変化させるようにしても良い。また、パルスパラメータは、溶接ワイヤからの溶滴移行状態が安定な範囲内で設定される。溶接ワイヤの送給速度の平均値及びプラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は、ワークの板厚、溶接継手形状、溶接速度等によって健全なビードが形成されるように設定される。そして、高プラズマ溶接電流値ＨＩwp及び低プラズマ溶接電流値ＬＩwpは、両値の平均値が上記の健全なビードを形成する値であり、かつ、ウロコ模様の輪郭が鮮明になるように設定される。または、高プラズマ溶接電流値ＨＩwp及び低プラズマ溶接電流値ＬＩwpは、両値の平均値が上記の健全なビードを形成する値であり、かつ、溶融池の撹拌作用が強化されるように設定される。高送給速度設定値ＨＦｒ及び低送給速度設定値ＬＦｒは、両値の平均値が上記の健全なビードを形成する値であり、かつ、ウロコ模様の輪郭が鮮明になるように設定される。上記のパルスパラメータ、電圧設定信号Ｖｒ、プラズマ溶接電流Ｉwp及び送給速度は、実験によって適正値を求めることになる。

上記は、アーク長制御が周波数変調方式の場合について説明したが、上述したパルス幅変調方式又はピーク電流変調方式の場合も同様である。但し、変調方式に応じて、上述したように、パルスパラメータが異なる。すなわち、パルス幅変調方式にあっては、パルスパラメータは、ピーク電流、パルス周期及びベース電流となる。ピーク電流変調方式にあっては、パルスパラメータは、ピーク期間、パルス周期及びベース電流となる。ミグアークのアーク長を周期的に変化させるためには、パルスパラメータ、電圧設定信号Ｖｒ又は溶接ワイヤの送給速度の少なくとも１つ以上を周期的に変化させる必要がある。

各設定値の一例を挙げると、以下のようになる。溶接ワイヤ：直径１．２mmのＡ５１８３ＷＹ、高ピーク期間ＨＴｐ＝０．８ms、高ピーク電流ＨＩｐ＝３００Ａ、高ベース電流ＨＩｂ＝３０Ａ、低ピーク期間ＬＴｐ＝０．８ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝２５０Ａ、低ベース電流ＬＩｂ＝２５Ａ、高電圧設定値ＨＶｒ＝１８Ｖ、低電圧設定値ＬＶｒ＝１６Ｖ、高送給速度設定値ＨＦｒ＝１０m/min、低送給速度設定値ＬＦｒ＝８m/min、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値＝８０Ａ、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値＝１７Ｖ、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値＝１００Ａ、高プラズマ溶接電流値ＨＩwp＝１２０Ａ、低プラズマ溶接電流ＬＩwp＝８０Ａ、切換周波数ｆｃ＝１５Ｈｚ、高パルス期間ＨＴ＝１/３０秒、低パルス期間ＬＴ＝１/３０秒

1) 図３は、上述した図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwmを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。

電圧検出回路ＶＤは、ミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。

図１で上述したように、ミグ溶接電源ＰＳＭの外部に設けられた切換信号生成回路ＳＴＣは、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになり、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになる切換信号Ｓtcを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低送給速度設定値ＬＦｒで溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高送給速度設定値ＨＦｒで溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。

電圧設定回路ＶＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低電圧設定値ＬＶｒを電圧設定信号Ｖｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高電圧設定値ＨＶｒを電圧設定信号Ｖｒとして出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低ピーク期間設定値ＬＴprをピーク期間設定信号Ｔprとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高ピーク期間設定値ＨＴprをピーク期間設定信号Ｔprとして出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間信号Ｔｐを出力する。このピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。上述した図２ではこのベース電流も変化させていたが、同図においては変化させずに一定値の場合を例示する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低ピーク電流設定値ＬＩprをピーク電流設定信号Ｉprとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高ピーク電流設定値ＨＩprをピーク電流設定信号Ｉprとして出力する。電流設定制御回路ＩＲＣは、上記のピーク期間信号ＴｐがＬｏｗレベルのときは上記のベース電流設定信号Ｉbrを電流設定制御信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記のピーク電流設定信号Ｉprを電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。

電流検出回路ＩＤは、ミグ溶接電流Ｉwmを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定制御信号Ｉrcと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって図２（Ｂ）で上述した低パルス電流群及び高パルス電流群が通電する。上述したミグ溶接電源ＰＳＭは、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期が変化して出力制御されるので、定電圧特性の電源となる。

図４は、上述した図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２に通電する。溶接トーチの構造は上述した図１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。

図１で上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰの外部に設けられた切換信号生成回路ＳＴＣは、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになり、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになる切換信号Ｓtcを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低プラズマ溶接電流設定値となり、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高プラズマ溶接電流設定値となるプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、このプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって図２（Ｅ）で上述したパルス状のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。

上述した実施の形態１によれば、ミグアークのアーク長を周期的に変化させると共に、これに同期してプラズマ溶接電流を変化させることによって、ウロコ模様の輪郭をより鮮明にしたビードを形成することができる。また、溶融池の撹拌作用を強化することができるので、ブローホールの発生をより一層抑制することができる。さらに、アーク長が周期的に変化しているときの高アーク長時において、プラズマ溶接電流値が大きいためにプラズマアークの拘束作用が強まるので、ミグアークへの空気の巻き込みを防止することができ、アーク状態が不安定になるのを抑制することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法では、プラズマ溶接電流Ｉwpの変化幅を前記切換周波数ｆｃに応じて変化させる。ここで、プラズマ溶接電流Ｉwpの変化幅とは、図２（Ｅ）に示すように、高プラズマ溶接電流値ＨＩwpと低プラズマ溶接電流値ＬＩwpとの差（ＨＩwp−ＬＩwp）である。すなわち、パルス状に変化するプラズマ溶接電流Ｉwpの振幅のことである。この点以外は、実施の形態１と同一である。

図５は、切換周波数ｆｃに対する高プラズマ溶接電流値ＨＩwp及び低プラズマ溶接電流値ＬＩwpの変化を例示する図である。横軸は切換周波数ｆｃ（Ｈｚ）を示しており、上述したように０．５〜２５Ｈｚの範囲で変化する。縦軸はプラズマ溶接電流値Ｉwp（Ａ）を示している。同図中の実線が高プラズマ溶接電流値ＨＩwpの変化を示し、破線が低プラズマ溶接電流値ＬＩwpの変化を示す。同図は、図１で数値例を挙げたときと同じ溶接条件の場合であり、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が１００Ａのときである。以下、同図を参照して説明する。

同図に示すように、高プラズマ溶接電流値ＨＩwpは、ｆｃ＝０．５Ｈｚのとき（１００＋５０）Ａとなり、切換周波数ｆｃが高くなるのに伴い右肩下がりの直線状に減少し、ｆｃ＝１５Ｈｚのとき１２０Ａとなり、切換周波数ｆｃがそれ以上高くなっても１２０Ａのままである。他方、低プラズマ溶接電流値ＬＩwpは、ｆｃ＝０．５Ｈｚのとき（１００−５０）Ａとなり、切換周波数ｆｃが高くなるのに伴い右肩上がりの直線状に増加し、ｆｃ＝１５Ｈｚのとき８０Ａとなり、切換周波数ｆｃがそれ以上高くなっても８０Ａのままである。したがって、高プラズマ溶接電流値ＨＩwpと低プラズマ溶接電流値ＬＩwpとの平均値は、１００Ａとなる。

同図に示すように、切換周波数ｆｃに応じてプラズマ溶接電流Ｉwpの変化幅（振幅＝ＨＩwp−ＬＩwp）を変化させる理由は、以下のとおりである。すなわち、切換周波数ｆｃによってウロコ模様の形成状態及び溶融池の撹拌作用が異なるために、各々の作用効果が向上するようにプラズマ溶接電流Ｉwpの変化幅を適正化している。このプラズマ溶接電流Ｉwpの変化幅は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接継手形状、溶接速度、溶接ワイヤの送給速度の平均値等に応じて適正になるように実験によって変化させることが望ましい。

実施の形態２を実施するための溶接装置は、上述した図１と同一である。但し、プラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図が異なっているので、以下に説明する。

図６は、上述した本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法を実施するためのプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。同図は上述した図４と対応しており、同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。同図は、図４のプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲを破線で示す第２プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲ２に置換したものである。以下、同図を参照してこのブロックについて説明する。

第２プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲ２は、切換信号Ｓtcを入力として、この切換信号ＳＴｃから切換周波数を算出し、切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは切換周波数に対応した低プラズマ溶接電流設定値となり、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは切換周波数に対応した高プラズマ溶接電流設定値となるプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。この第２プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲ２には、図５で上述した切換周波数に対する高プラズマ溶接電流値ＨＩwp及び低プラズマ溶接電流値ＬＩwpの設定値が記憶されている。

上述した実施の形態２によれば、プラズマ溶接電流の変化幅を切換周波数に応じて変化させることによって、ウロコ模様の形成状態及び溶融池の撹拌作用を切換周波数に対して最適化することができる。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ｆｃ 切換周波数
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＨＦｒ 高送給速度設定値
ＨＩｂ 高ベース電流
ＨＩｐ 高ピーク電流
ＨＩpr 高ピーク電流設定値
ＨＩwp 高プラズマ溶接電流
ＨＬａ 高アーク長
ＨＴ 高パルス期間
ＨＴｂ 高ベース期間
ＨＴｆ 高パルス周期
ＨＴｐ 高ピーク期間
ＨＴpr 高ピーク期間設定値
ＨＶｂ 高ベース電圧
ＨＶｐ 高ピーク電圧
ＨＶｒ 高電圧設定値
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
ＩＷＰＲ２ 第２プラズマ溶接電流設定回路
Ｌａ アーク長
ＬＦｒ 低送給速度設定値
ＬＩｂ 低ベース電流
ＬＩｐ 低ピーク電流
ＬＩpr 低ピーク電流設定値
ＬＩwp 低プラズマ溶接電流
ＬＬａ 低アーク長
ＬＴ 低パルス期間
ＬＴｂ 低ベース期間
ＬＴｆ 低パルス周期
ＬＴｐ 低ピーク期間
ＬＴpr 低ピーク期間設定値
ＬＶｂ 低ベース電圧
ＬＶｐ 低ピーク電圧
ＬＶｒ 低電圧設定値
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＳＴＣ 切換信号生成回路
ｓtc 切換信号
Ｔｃ 切換周期
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間信号
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (5)

1. 溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にパルス波形のミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
   前記ミグアークのアーク長を予め定めた切換周波数で周期的に変化させ、かつ、前記プラズマ溶接電流を前記ミグアークのアーク長の変化に同期して変化させる、
   ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
2. 前記プラズマ溶接電流の変化幅を前記切換周波数に応じて変化させる、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
3. 前記ミグ溶接電流の前記パルス波形のパラメータを前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法。
4. 前記ミグアークのミグ溶接電圧の平均値を前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法。
5. 前記溶接ワイヤの送給速度を前記切換周波数で変化させることによって前記ミグアークのアーク長を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマミグ溶接方法。

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