JP2010194570A - プラズマキーホール溶接のスタート方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができるプラズマキーホール溶接のスタート方法を提供する。
【解決手段】プラズマ溶接電流の通電を開始して、プラズマアーク電圧が安定してプラズマキーホールの形成が開始されたと判別されたときのプラズマアーク電圧をキーホール開始基準電圧として設定する。その後、プラズマアーク電圧とキーホール開始基準電圧との差が予め定めた基準値以上になったときに、プラズマキーホールが貫通したと判別して、プラズマトーチの移動を開始する。この結果、プラズマ溶接用電源からの出力が、交流電圧、交流パルス電圧又は直流パルス電圧のいずれの場合でも、プラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマキーホール溶接の改善されたスタート方法に関するものである。

プラズマキーホール溶接は、被溶接物がI形開先の突合せ継手を溶接するときに、タングステン電極を一般的に陰極として放電したときのプラズマアークを、水冷されたプラズマノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶融池の先端で被溶接物を貫通する円孔を形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶融も適切に行うことができる。

プラズマキーホール溶接をスタートさせるとき、高温プラズマ流が被溶接物を貫通するが、キーホールが貫通したときに、プラズマアーク電圧が上昇する。この上昇した電圧を検出して、プラズマトーチの移動を開始するスタート方法が従来、提案されている。この従来技術を以下に説明する。

図７は、従来技術のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。同図において、プラズマ電極１と同心円上にプラズマアーク３を拘束するプラズマノズル２が設けられている。プラズマ電極１と被溶接物４との間にプラズマ溶接用電源５から電力が供給されて、プラズマノズル２内にプラズマガス供給源６からプラズマガス１３が供給されて、プラズマアーク３が発生する。高温のプラズマ流が溶接線上に溶融池の先端で被溶接物４を貫通してキーホール７を形成しながら移動し、裏面の溶融も行う。

電圧変動検出装置８は、キーホール７が貫通したときのプラズマアーク電圧の変動（例えば、１〜２Ｖ）を検出して、波形成型器９によって溶接制御シーケンサ１０に適した信号に成形する。溶接制御シーケンサ１０は、この成形された信号を入力して、トーチ走行装置１１へプラズマトーチの走行を開始する信号を入力して、トーチ走行装置１１はプラズマトーチ１２の走行を開始する。（例えば、特許文献１参照。）。

特公平２−１８９５３号公報

上述した従来技術のプラズマキーホール溶接のスタート方法は、プラズマ溶接用電源５から直流電圧が印加される場合において、キーホール７が貫通したときの電圧変化を検出してプラズマトーチ１２の走行を開始する方法である。この電圧変化の検出方法は、電圧の上昇が安定して行われることを前提にしている。しかし、プラズマアークの状態変化によって電圧は変動するために、単に電圧変化を検出するだけでは、プラズマキーホール溶接のキーホールが貫通したことを適切に判別することができない。

さらに、プラズマ溶接用電源５からの出力が、交流電圧、交流パルス電圧又は直流パルス電圧の場合には、プラズマアーク電圧は、例えば２Ｖ以上の偏差で変動している。この場合、キーホール７の形成が終了したとき、電圧変動検出装置８が、プラズマアーク電圧の変動を検出しようとしても、２Ｖ以上のプラズマアーク電圧の変動と、１〜２Ｖのキーホール７が貫通したときの電圧変化とを区別することができない。そのために、プラズマキーホール溶接のキーホールが貫通したことを判別することができない。

本発明は、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができるプラズマキーホール溶接のスタート方法を提供することを目的としている。

第１の発明は、
プラズマキーホール溶接のスタート時に、プラズマ電極と被溶接物との間のプラズマアーク電圧を検出して、この検出電圧に対応してプラズマトーチの移動を開始するプラズマキーホール溶接のスタート方法において、
プラズマ溶接電流の通電を開始して、前記プラズマアーク電圧が安定してプラズマキーホールの形成が開始されたと判別されたときのプラズマアーク電圧をキーホール開始基準電圧として設定するキーホール開始基準電圧設定ステップと、
その後、前記プラズマアーク電圧と前記キーホール開始基準電圧との差が予め定めた基準値以上になったときに、プラズマキーホールが貫通したと判別して、前記プラズマトーチの移動を開始するプラズマトーチ移動開始ステップと、
を備えたことを特徴とするプラズマキーホール溶接のスタート方法である。

第２の発明は、
前記プラズマトーチ移動開始ステップが、前記プラズマキーホールが貫通したと判別された後に、前記プラズマアーク電圧が安定したときに前記プラズマトーチの移動を開始するステップであることを特徴とする第１の発明に記載のプラズマキーホール溶接のスタート方法である。

本発明のプラズマキーホール溶接のスタート方法は、プラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができるので、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができる。また、キーホールが貫通しても十分な広がりのある貫通でないときにプラズマトーチの移動を開始したり、キーホールが完全に貫通した後でも、プラズマトーチの移動の開始が遅れることがある。その場合、プラズマキーホールが貫通したと判別された後に、プラズマアーク電圧が安定したときにプラズマトーチの移動を開始することによって、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができる。

本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成の各信号の時間経過を示す図である。 被溶接物の表面から見たときの本発明の溶接ビードを示す図である。 キーホールが完全に貫通する前にプラズマトーチの移動を開始したり、キーホールが完全に貫通した場合でても、プラズマトーチの移動開始が遅れたときの溶接ビードを示す図である。 本発明の実施の形態２のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成の各信号の時間経過を示す図である。 従来技術のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。

［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。同図において、プラズマ溶接用電源内の電源主回路ＰＭは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）を入力して、後述する誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御の電力制御を行い、プラズマキーホール溶接に適したプラズマアーク電流Ｉｐ及びプラズマアーク電圧Ｖｐを出力する。電流検出器ＩＤは、プラズマアーク電流Ｉｐを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。電流絶対値回路ＩＡは、電流検出信号Ｉｄの絶対値を演算して電流絶対値信号Ｉａを出力する。電流設定器ＩＳはプラズマアーク電流を設定して電流設定信号Ｉｓを出力する。誤差増幅回路ＥＩは、電流設定信号Ｉｓと電流絶対値信号Ｉａとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅｉを出力する。従って、上記の電流設定信号Ｉｓに相当するプラズマアーク電流Ｉｐが通電される。

電圧検出回路ＶＤは、プラズマトーチ内のプラズマ電極１と被溶接物４との間のプラズマアーク電圧Ｖｐを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧絶対値回路ＶＡは、電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算して電圧絶対値信号Ｖａを出力する。ローパスフィルタＶＦは、電圧絶対値信号Ｖａを入力して高周波成分を除去して、成形電圧信号Ｖｆを出力する。電圧微分回路ＢＶは、成形電圧信号Ｖｆを微分して電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ1は、電圧微分信号Ｂｖを入力して、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂth1以下に達したときに、キーホールの形成が開始されたと判別して、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ1を出力する。

キーホール開始基準電圧信号設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ1と成形電圧信号Ｖｆとを入力して、キーホール形成開始信号Ｃｍ1を入力したときの成形電圧信号Ｖｆをキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとして設定して出力する。

比較回路ＣＭ２は、成形電圧信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとを入力して、成形電圧信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとの差が、プラズマガスの種類等によって予め定められた基準値Ｂth2以上になったときに、キーホールが貫通したと判別して、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通信号Ｃｍ2を出力する。ロボット制御回路ＲＣは、キーホール貫通信号Ｃｍ2を入力して、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチの移動が開始される。

以下、図２を参照して動作を説明する。同図（Ａ）は、電圧検出信号Ｖｄの時間経過を示す図であり、同図（Ｂ）は、電圧絶対値信号Ｖａの時間経過を示す図であり、同図（Ｃ）は、成形電圧信号Ｖｆの時間経過を示す図であり、同図（Ｄ）は、キーホール形成開始信号Ｃｍ1の時間経過を示す図であり、同図（Ｅ）は、キーホール貫通信号Ｃｍ2の時間経過を示す図である。

図２（Ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形電圧信号を示している。同図（Ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａは、同図（Ａ）に示した電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算した波形電圧信号である。

図２（Ｃ）に示す時刻ｔ１において、プラズマアーク電流Ｉｐの通電が開始されると、電圧絶対値回路ＶＡによって、電圧検出信号Ｖｄの絶対値が演算されて電圧絶対値信号Ｖａが出力され、この電圧絶対値信号Ｖａが、ローパスフィルタＶＦによって高周波成分が除去されて、成形電圧信号Ｖｆが出力される。そして、プラズマアーク３が被溶接物４の表面に溶融池を形成し、形成し始めはプラズマアーク３も不安定で電圧変動し易い。

この成形電圧信号Ｖｆが上昇して、時刻ｔ２になると、プラズマアーク３が安定し、その後、プラズマアーク３の電圧変動範囲は小さくなり、上昇率が小さくなる。そのとき比較回路ＣＭ1は、電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂth1以下に達したときに、プラズマアーク３が被溶接物４にキーホールを掘り始め、キーホールの形成が開始されたと判別して、図２（Ｄ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ1を出力する。キーホール開始基準電圧信号設定回路ＶＳは、このキーホール形成開始信号Ｃｍ1を入力したときの成形電圧信号Ｖｆをキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとして設定する。

そして、キーホールの形成が継続されて、時刻ｔ３になると、成形電圧信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとの差が定めた基準値Ｂth2以上になったときに、キーホールが貫通したと判別されて、図２（Ｅ）に示すように、比較回路ＣＭ２からキーホール貫通信号Ｃｍ2が出力される。ロボット制御回路ＲＣは、このキーホール貫通信号Ｃｍ2が入力されて、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチの移動が開始される。

この結果、プラズマ溶接用電源からの出力が、交流電圧、交流パルス電圧又は直流パルス電圧のいずれの場合でも、プラズマキーホール溶接のキーホールの貫通を判別することができる。従って、図３に示すように、裏波ビードが適切に形成された溶接ビード２２を得ることができる。図３は、被溶接物の表面から見たときの本発明の溶接ビードを示す図である。

［実施の形態２］
上述した本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法において、キーホールが貫通しても十分な広がりのある貫通でないときにプラズマトーチの移動を開始すると、例えば、被溶接物の表面のキーホール周辺の溶融金属が、図４（Ａ）の被溶接物の断面図に示すように、プラズマアークによって吹き飛ばされて、上面に飛び出すことがある。さらにこの場合、同図（Ｂ）の被溶接物の裏面から見た図に示すように、裏波ビードが十分に形成されていないときがある。また、同図（Ａ）の被溶接物の断面図及び（Ｃ）の被溶接物の表面から見た図に示すように、キーホールが完全に貫通した場合でも、プラズマトーチの移動開始が遅れると、溶融金属が溶け落ちて、トーチの移動時にトーチの進行方向反対側に対して流動する溶融金属が不足して、溶接不良となるときがある。

これらの場合に、上述した実施の形態１に裏波ビードが適切に形成されたと判別するステップを追加しても良い。このステップについて下記に説明する。図５は、本発明の実施の形態２のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成を示す図である。同図において、比較回路ＣＭ3は、キーホール貫通信号Ｃｍ2及び電圧微分信号Ｂｖを入力して、キーホール貫通信号Ｃｍ2を入力した後に、電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂth3以下に達したときに、裏波ビードが適切に形成されたと判別して、短時間だけＨｉｇｈレベルになる裏波ビード形成信号Ｃｍ3を出力する。ロボット制御回路ＲＣは、裏波ビード形成信号Ｃｍ3を入力して、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチの移動が開始される。その他の図１に示した本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法の構成と同機能に同符号を付して説明を省略する。

以下、図６を参照して動作を説明する。同図（Ａ）〜（Ｅ）は、図２に示した（Ａ）〜（Ｄ）と同じであるので説明を省略する。同図（Ｆ）は、裏波ビード形成信号Ｃｍ3の時間経過を示す図である。

図６に示す時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作は、図２に示した時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作と同じであるので説明を省略する。図６の時刻ｔ３において、比較回路ＣＭ２は、成形電圧信号Ｖｆとキーホール開始基準電圧信号Ｖｓとの差が定めた基準値Ｂth2以上であるときに、キーホールが貫通したと判別して、キーホール貫通信号Ｃｍ2を出力する。この時のプラズマアーク電圧Ｖｐはキーホールの形成の影響で不安定である。そして、プラズマアーク電圧Ｖｐが減少して、プラズマアーク電圧Ｖｐが安定した状態になると、プラズマアーク電圧Ｖｐの減少率が小さくなる。

時刻ｔ４において、比較回路ＣＭ３は、電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂth3以下に達したときに、裏波ビードが適切に形成されたと判別して、裏波ビード形成信号Ｃｍ3を出力する。ロボット制御回路ＲＣは、裏波ビード形成信号Ｃｍ3を入力して、マニピュレータ２１へプラズマトーチ移動開始信号Ｓｔを出力し、プラズマトーチの移動が開始される。

この結果、本発明の実施の形態１のプラズマキーホール溶接のスタート方法が奏する効果に加えて、キーホールが貫通しても十分な広がりのある貫通でないときにプラズマトーチの移動を開始したり、キーホールが完全に貫通した後でも、プラズマトーチの移動の開始が遅れることがないので、被溶接物の表面のキーホール周辺の溶融金属が上面に飛び出したり、裏波ビードが形成されないことや、溶融金属が溶け落ちて溶融金属が不足して、溶接不良となることがない。

発明者らは本発明のプラズマキーホール溶接のスタート方法を、被溶接物がアルミニウムマグネシウム合金Ａ５０５２、交流パルスの逆極性プラズマアーク電流のベース電流をＩＢ 、期間をＴＢ 、パルス電流をＩＰ 、パルス幅をＴＰ 、正極性プラズマアーク電流をＩEN 、期間をＴEN としたときのＥＮ比率＝（ＩEN ×ＴEN ）／（ＩＰ ×ＴＰ ＋ＩEN ×ＴEN ）が７５％、プラズマアークの平均電圧が３０Ｖ、プラズマアークの平均電流が２５０Ａ、プラズマガスがアルゴン７０％とヘリウム３０％の混合ガス、キーホールが貫通したと判別されるときの基準値Ｂth2が５Ｖ、ローパスフィルタの高周波遮断周波数が１．０Ｈｚで行った。この結果、裏波ビードが適切に形成された溶接ビードを得ることができた。

なお、上述した本発明の実施の形態２のプラズマキーホール溶接のスタート方法において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間及び時刻ｔ３〜ｔ４の期間は短時間であり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は１０数秒程度である。

また、基準値Ｂth1〜3は、プラズマガスの種類によって異なるために、各プラズマガスに対応する基準値Ｂth1〜3を予めデータベースに保存しておき、使用するプラズマガスに対応して基準値Ｂth1〜3を設定しても良い。

また、上述した本発明の実施の形態１及び２のプラズマキーホール溶接のスタート方法において、交流パルス電源について説明したが、本発明は、直流電源にも適用することができる。その場合は、上述した電圧絶対値回路ＶＡは不要である。

１ プラズマ電極
２ プラズマノズル
３ プラズマアーク
４ 被溶接物
５ プラズマ溶接用電源
６ プラズマガス供給源
７ キーホール
８ 電圧変動検出装置
９ 波形成型器
１０ 溶接制御シーケンサ
１１ トーチ走行装置
１２ プラズマトーチ
１３ プラズマガス
２１ マニピュレータ
２２ 溶接ビード
Ｂth1 基準値
Ｂth2 基準値
Ｂth3 基準値
Ｂｖ 電圧微分信号
ＢＶ 電圧微分回路
Ｃｍ1 キーホール形成開始信号
ＣＭ1 比較回路
Ｃｍ2 キーホール貫通信号
ＣＭ2 比較回路
ＣＭ3 比較回路
Ｃｍ3 裏波ビード形成信号
Ｅｉ 誤差増幅信号
ＥＩ 誤差増幅回路
ＩＡ 電流絶対値回路
Ｉａ 電流絶対値信号
ＩＤ 電流検出器
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ プラズマアーク電流
Ｉｓ 電流設定信号
ＩＳ 電流設定器
Ｉｓ 電流設定信号
ＰＭ 電源主回路
ＲＣ ロボット制御回路
Ｓｔ プラズマトーチ移動開始信号
Ｖａ 成形電圧信号
ＶＡ 電圧絶対値回路
Ｖａ 電圧絶対値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ ローパスフィルタ
Ｖｆ 成形電圧信号
Ｖｐ プラズマアーク電圧
Ｖｓ キーホール開始基準電圧信号
ＶＳ キーホール開始基準電圧信号設定回路

Claims (2)

1. プラズマキーホール溶接のスタート時に、プラズマ電極と被溶接物との間のプラズマアーク電圧を検出して、この検出電圧に対応してプラズマトーチの移動を開始するプラズマキーホール溶接のスタート方法において、
   プラズマ溶接電流の通電を開始して、前記プラズマアーク電圧が安定してプラズマキーホールの形成が開始されたと判別されたときのプラズマアーク電圧をキーホール開始基準電圧として設定するキーホール開始基準電圧設定ステップと、
   その後、前記プラズマアーク電圧と前記キーホール開始基準電圧との差が予め定めた基準値以上になったときに、プラズマキーホールが貫通したと判別して、前記プラズマトーチの移動を開始するプラズマトーチ移動開始ステップと、
   を備えたことを特徴とするプラズマキーホール溶接のスタート方法。
2. 前記プラズマトーチ移動開始ステップが、前記プラズマキーホールが貫通したと判別された後に、前記プラズマアーク電圧が安定したときに前記プラズマトーチの移動を開始するステップであることを特徴とする請求項１記載のプラズマキーホール溶接のスタート方法。

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