WO2016136663A1 - 貫通溶接方法 - Google Patents

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啓志 瀬戸田
庸介 比留間
祐輔 村松
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本田技研工業株式会社
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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a through welding method. More specifically, the present invention relates to a penetration welding method including a penetration step of forming a through hole in a laminated steel sheet by generating a plasma arc column with a plasma torch.
  • a penetration welding method using plasma-MIG welding has been known as a technique for joining laminated steel plates formed by superposing two or more steel plates (see, for example, Patent Document 1).
  • This through welding method includes a plasma welding process in which a through hole (so-called keyhole) is formed in a laminated steel plate by a plasma arc generated by a plasma torch, and the through hole is filled with a filler using a MIG torch.
  • the MIG welding process for backfilling the holes is included.
  • FIG. 6 is a diagram showing the procedure of the plasma welding process described in Patent Document 1.
  • Patent Document 1 it is sufficient to perform two processes, a digging process for penetrating a hole from the front surface to the back surface of the laminated steel sheet, and a melt diameter expanding process for expanding the diameter of the through hole formed in this process.
  • a through-hole having a large diameter is formed in the laminated steel sheet.
  • the arc current is controlled to be constant, a proportional relationship is established between the length of the plasma arc column generated between the plasma torch and the laminated steel sheet and the arc voltage according to Ohm's law.
  • the voltage changes as shown in the lower part of FIG.
  • An object of the present invention is to provide a through-welding method capable of forming a through-hole having a sufficiently large diameter from the front surface to the back surface of a laminated steel sheet without making a hole in the back part.
  • the present invention generates a plasma arc column from a plasma torch (for example, plasma torch 31 described later) to a workpiece (for example, workpiece W described later) that is a laminated steel plate,
  • a through-welding method including a through-hole forming step for example, S5 to S7 in FIG.
  • the plasma torch is supplied with a plasma gas at such a flow rate that the width of the plasma arc column is maintained substantially constant from the plasma torch side to the workpiece side.
  • a distance between the plasma torch and the position where the through hole of the workpiece is formed is measured using a laser displacement meter (for example, a laser displacement meter 33 described later), and the distance and the workpiece are measured. It is preferable to further include a threshold value determining step (for example, S2 to S4 in FIG. 5) for determining the threshold value using the thickness.
  • the melt diameter on the back surface side of the through hole formed in the workpiece in the through hole forming step is measured, and the measurement is performed. It is preferable to further include a quality determination step (for example, S8 to S11 in FIG. 5) for determining the quality of the through-hole formed in the workpiece based on the melt diameter.
  • a quality determination step for example, S8 to S11 in FIG. 5
  • a plasma gas having a flow rate such that the width of the plasma arc column is maintained substantially constant from the plasma torch side to the workpiece side is ejected from the plasma torch. Then, after generating such a plasma arc column, the arc voltage or the arc length estimated from the arc voltage (hereinafter also referred to as “arc voltage or the like”) exceeds the predetermined threshold value. The process of erasing the arc column and forming the through hole is completed.
  • the energy for melting the workpiece can be concentrated at the center of the plasma arc column.
  • the arc voltage during processing, etc. has an inner diameter corresponding to the width of the plasma arc column from the state at a predetermined initial value to the back surface of the workpiece.
  • the through hole is increased at a substantially constant speed until it can be determined that the processing has been completed.
  • the plasma arc column extends abruptly as before, from the time the plasma arc column is generated until the through-hole having a melt diameter corresponding to the width of the plasma arc column is formed from the front surface to the back surface of the workpiece. There is no.
  • a through-hole having a sufficiently large melt diameter can be formed from the front surface to the back surface of the workpiece without making a hole in the back part.
  • the step of detecting the presence or absence of penetration that has been conventionally required during formation of the through-hole becomes unnecessary, and the step of forming the through-hole can be simplified.
  • the above-described threshold is determined by using the distance between the plasma torch measured using a laser displacement meter and the position where the through hole of the workpiece is formed, and the thickness of the workpiece.
  • the threshold for the arc voltage and the like substantially corresponds to the target value of the arc length at the end of the through hole forming step.
  • the threshold value corresponding to the target value of the arc length is determined using the plasma torch, the workpiece distance, and the workpiece thickness, so that the workpiece is formed with a through hole having an appropriate melt diameter.
  • the plasma arc column can be erased at an appropriate timing before a hole is formed in the back part.
  • the melt diameter on the back surface side of the through hole formed in the work is measured, and the quality of the through hole formed in the work is determined based on the measured melt diameter. judge.
  • the melt diameter on the surface side of the work is first expanded, and the melt diameter on the back surface side of the work is expanded later.
  • it is possible to determine whether or not a through hole having an appropriate melt diameter is formed from the front surface to the back surface by measuring the melt diameter on the back surface side of the through hole using a laser displacement meter.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a welding system 1 to which a penetration welding method according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the welding system 1 uses a laminated steel plate formed by stacking a plurality of steel plates as a workpiece W, and joins the steel plates to the workpiece W by applying a penetration welding method by plasma-MIG welding described later.
  • a penetration welding method by plasma-MIG welding described later.
  • the penetration welding method by plasma-MIG welding is composed of two processes, a plasma welding process and a MIG welding process.
  • a plasma welding process is a preceding process, and is a process of forming a through-hole in a laminated steel plate with a plasma arc column.
  • the MIG welding process is a subsequent process, and is a process of filling the through holes formed by the plasma welding process with filler and refilling the through holes.
  • the contents of the plasma welding process as the preceding process and the apparatus used when performing this plasma welding process will be described in detail, and the contents of the MIG welding process as the subsequent process and the MIG will be described. The description of the apparatus used when performing the welding process is simplified.
  • the welding system 1 includes a robot 2 provided with a welding torch 3, a plasma power source 5, a gas supply device 6, a voltage detector 7, and a control device 8 that controls these to perform a plasma welding process and a MIG welding process. And comprising.
  • the robot 2 is, for example, a multi-axis multi-joint type welding robot.
  • a welding torch 3 is provided at the arm tip 21 of the robot 2. The position and orientation of the welding torch 3 are controlled by moving each joint of the robot 2 in accordance with a teaching program predetermined by the control device 8.
  • the welding torch 3 includes a plasma torch 31, a MIG torch 32, and a laser displacement meter 33.
  • the plasma torch 31 is a welding torch used when forming a through-hole penetrating from the front surface to the back surface of the workpiece W in the plasma welding process.
  • the plasma torch 31 includes a rod-shaped electrode 31a and a cylindrical nozzle 31b provided around the electrode 31a.
  • a negative electrode of a plasma power source 5 described later is connected to the electrode 31a, and a positive electrode is connected to the workpiece W.
  • the nozzle 31b is connected to a gas supply device 6 described later.
  • illustration and detailed description are abbreviate
  • a plasma arc for welding is generated between the plasma torch 31 and the workpiece W by the following procedure.
  • a pilot arc for inducing a plasma arc for welding is generated between them.
  • a plasma gas is supplied from the gas supply device 6 to the nozzle 31b in a state where such a pilot arc is generated, the plasma gas is ionized in the nozzle 31b and ejected toward the workpiece W.
  • the ionized plasma gas becomes a good conductor of arc current, thereby ensuring electrical continuity between the electrode 31a and the workpiece W, and generating (igniting) a plasma arc for welding.
  • the MIG torch 32 is used when the steel plates constituting the work W are firmly joined by filling the through holes by MIG welding after the through holes are formed in the work W using the plasma torch 31 described above. It is a welding torch.
  • the MIG torch 32 refills the through hole by MIG welding using a filler supplied from a filler supply device (not shown) as a consumable electrode.
  • the laser displacement meter 33 includes a light emitting device that emits laser light toward the work W and a light receiving device that receives the laser light reflected from the work W.
  • the control device 8 uses the distance between the nozzle 31b of the plasma torch 31 and a predetermined processing position on the workpiece W, or the back surface side of the through hole formed at the processing position of the workpiece W. The melt diameter and the like can be measured.
  • the plasma power source 5 converts three-phase AC power into DC power and supplies it to the plasma torch 31.
  • the positive electrode of the plasma power source 5 is connected to the workpiece W, and the negative electrode is connected to the electrode 31 a of the plasma torch 31.
  • the plasma power source 5 controls the arc current between the electrode 31a and the workpiece W after electrical continuity between the electrode 31a and the workpiece W is secured using a pilot arc power source (not shown).
  • the plasma power source 5 has a constant current function for controlling the plasma current flowing between the electrode 31a and the workpiece W to be constant. Therefore, a proportional relationship is established between the arc voltage generated between the plasma torch 31 and the workpiece W and the length of the plasma arc column extending from the plasma torch 31 to the workpiece W (that is, the arc length).
  • the arc length can be estimated based on
  • the control device 8 generates a plasma arc for welding between the plasma torch 31 and the workpiece W by connecting or disconnecting the plasma power source 5 and the electrode 31a during the plasma welding
  • the voltage detector 7 detects the arc voltage between the electrode 31a of the plasma torch 31 and the workpiece W in the plasma welding process, and transmits the detected value to the control device 8.
  • the gas supply device 6 includes a gas cylinder 61 that stores plasma gas and shield gas, a gas flow path 62 that connects the gas cylinder 61 and the nozzle 31 b of the plasma torch 31, and a flow rate control valve 63 that is provided in the gas flow path 62.
  • a gas cylinder 61 that stores plasma gas and shield gas
  • a gas flow path 62 that connects the gas cylinder 61 and the nozzle 31 b of the plasma torch 31
  • a flow rate control valve 63 that is provided in the gas flow path 62.
  • argon gas is used as the plasma gas and the shielding gas.
  • the control device 8 adjusts the flow rate of the plasma gas ejected from the nozzle 31b and the flow rate of the shield gas by adjusting the opening degree of the flow rate control valve 63 during the execution of the plasma welding process.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of the plasma arc column when a part of the workpiece W is melted to form a through hole.
  • the left side of FIG. 2 shows before penetration (before the bottom of the hole formed on the surface of the workpiece W reaches the back surface), and the right side of FIG. 2 shows immediately after penetration (the bottom of the hole formed on the surface of the workpiece W faces the back surface). Immediately after reaching).
  • the plasma arc column extends from the plasma torch 31 to the bottom of the hole formed on the surface of the workpiece W. Therefore, before penetration, the arc length or the arc voltage increases in proportion to the depth of the hole formed on the surface of the workpiece W.
  • the no-load voltage of the plasma power source is determined in consideration of the distance L1 between the plasma torch and the workpiece, the thickness L2 from the front surface to the back surface of the workpiece, and the distance L3 between the workpiece and the back part. That is, in order to guarantee the penetration of the workpiece, the no-load voltage is such that the arc length at the moment when the hole penetrates is longer than the sum of the distance L1 between the plasma torch and the workpiece and the thickness L2 of the workpiece W. Is set to be Further, in order to prevent a part of the back part from melting and forming a hole, the no-load voltage is set such that the distance L1 between the plasma torch and the work surface, the thickness L2 of the work W, and the work-back part.
  • the distance is set to be shorter than the total distance of the distance L3.
  • the distances L1, L2, and L3 vary depending on the machining position where the through-hole is to be formed in the workpiece W, and the no-load voltage is a value specific to the plasma power source and cannot be basically changed. Therefore, the no-load voltage of the plasma power supply uses both the average value, the minimum value, and the maximum value of the assumed distances L1, L2, and L3. To be guaranteed.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the state of the through hole of the workpiece W at the end of machining.
  • the processing end time is after the bottom of the hole formed on the surface of the workpiece W reaches the back surface and penetrates by continuously generating a plasma arc from the plasma torch 31 to the surface of the workpiece W, The time when the melt diameter on the back side of the workpiece W exceeds the target size.
  • the right side of FIG. 3 shows the case where the flow rate of the plasma gas is increased compared to the left side.
  • the workpiece when processing with such a spread plasma arc column, the workpiece is moved from the front surface to the back surface until the melt diameter on the back surface side of the workpiece reaches a preferable size. Immediately after penetrating, the arc length may suddenly extend and a hole may be made in the back part.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in arc voltage or arc length during execution of the plasma welding process when a plasma arc column having a substantially constant width as shown on the right side of FIG. 3 is used.
  • processing is started by generating a plasma arc at time t ⁇ b> 1, and then the plasma arc is erased at time t ⁇ b> 4 when the melt diameter on the back side of the workpiece exceeds the target size.
  • Arc extinction It is a figure which shows the change of the arc voltage until it complete
  • the plasma welding process includes a hole piercing process for piercing from the front surface to the back surface by digging a hole on the surface of the workpiece, and a melt diameter expanding process for expanding the inner diameter of the through hole to a target diameter. , And can be divided into two steps.
  • the arc voltage rapidly increases due to dielectric breakdown of the workpiece, then decreases again, and stabilizes at a predetermined value.
  • the value at which the arc voltage is stabilized after the generation of the plasma arc is referred to as the initial value of the arc voltage.
  • the initial value of the arc voltage corresponds to the distance between the plasma torch and the workpiece.
  • the surface of the workpiece melts and the bottom of the hole starts to decrease, so that the arc voltage also increases from the initial value.
  • the bottom of the hole reaches the back surface of the workpiece, and the process is formally shifted to the melt diameter expansion process.
  • the melt diameter of the through hole is gradually expanded from the front surface side to the back surface side.
  • the plasma arc is erased in response to the melt diameter on the back surface side of the through-hole exceeding the target size, thereby terminating the plasma welding process.
  • the melting diameter on the back surface side of the through hole becomes a target size from the time t2 when the bottom of the hole starts to decrease.
  • the arc voltage increases at a substantially constant rate. That is, the arc voltage does not increase significantly at the timing of switching from the piercing through process to the melt diameter expanding process. For this reason, the process of detecting the presence or absence of penetration of the workpiece as described with reference to FIG. 6 is not necessary.
  • the timing for erasing the plasma arc can be determined only by comparing the measured value of the arc voltage with a predetermined threshold value. This can be simpler than the example shown in FIG.
  • the threshold value used for determining the timing to erase the plasma arc is referred to as an end determination threshold value.
  • the flow rate of the plasma gas used in the plasma welding process of this embodiment is determined so that the above effects can be obtained. More specifically, the flow rate of the plasma gas is determined so that the width of the plasma arc column is maintained substantially constant from the plasma torch side to the workpiece side. In other words, the flow rate of the plasma gas is determined such that the arc voltage or the arc length increases at a substantially constant speed until the arc voltage reaches the end determination threshold value from the initial value. More specifically, when a plasma torch having a nozzle diameter of 2.5 mm is used, the flow rate of the plasma gas is set to 10 [L / min] or more so that the above-described effects can be obtained. A plasma arc column with a width of 5 mm is formed.
  • the flow rate of the plasma gas is preferably 20 [L / min] or less in order to prevent unnecessary gas consumption, but this does not define the upper limit of the flow rate.
  • the flow rate of the plasma gas may be 20 [L / min] or more.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for forming one through hole at a predetermined machining position of the workpiece in the plasma welding process.
  • the control device controls the robot to move the plasma torch and the laser displacement meter near the machining position on the surface side of the workpiece.
  • the control device measures the distance between the position of the nozzle of the plasma torch and the processing position on the surface of the workpiece (hereinafter referred to as “nozzle-processing position distance”) by using a laser displacement meter.
  • the control device acquires the workpiece thickness (the distance between the back surface and the front surface) at the current processing position by reading data relating to the workpiece thickness recorded in a storage device (not shown).
  • the control device determines an end determination threshold value using the nozzle-processing position distance acquired in S2 and the workpiece thickness acquired in S3. More specifically, the control device sets the arc length at the end of machining so that the distance obtained by adding the distance between the nozzle and the machining position, the workpiece thickness, and a predetermined positive margin becomes the arc length at the end of machining.
  • the end determination threshold value is determined by converting the distance obtained by the addition into the arc voltage. In this way, by adding the margin to the distance between the nozzle and the processing position and the workpiece thickness, the plasma arc column extends to the back side of the workpiece at the end of processing, and the melt diameter on the back side of the through hole is reduced. The state of being a predetermined target is guaranteed. In order to prevent the plasma arc column from reaching the back part at the end of processing, the margin is set to a positive value and a sufficiently small value.
  • the control device starts a process of forming a through hole by generating a plasma arc column from the plasma torch to the workpiece using the plasma power source and the gas supply device, and uses the voltage detector to detect the arc voltage. Start monitoring.
  • the flow rate of the plasma gas ejected from the plasma torch is large enough to maintain the width of the plasma arc column from the plasma torch side to the workpiece side as described with reference to FIGS. It will be adjusted.
  • the control device determines whether or not the arc voltage has exceeded the above-described end determination threshold value. If the determination in S6 is NO, the control device returns to S5 and continues to generate a plasma arc. If the determination in S6 is YES, the process proceeds to S7.
  • the control device erases the plasma arc column in response to the arc voltage exceeding the end determination threshold value.
  • the control device measures the melt diameter on the back surface side of the through hole formed in the workpiece by using a laser displacement meter.
  • the control device compares the measured value of the melt diameter on the back surface side acquired in S8 with a predetermined allowable value of the melt diameter, thereby determining whether or not the through hole formed in the workpiece by the above processing is acceptable. judge.
  • the quality of the through hole is “good” (see S10), and when the measured value is less than the allowable value, The quality of the through hole is determined to be “defective” (see S11), and the plasma welding process in FIG. 5 is terminated.
  • the through hole formed at this machining position is backfilled by performing a MIG welding process (not shown). It is.
  • the operator may be notified to that effect, and attention may be given to the same machining position. You may make it perform a MIG welding process, after processing.
  • the end determination threshold is set as a threshold for the arc voltage, and the timing for erasing the plasma arc column is determined by comparing the arc voltage with the end determination threshold.
  • the present invention is not limited to this. Since a proportional relationship is established between the arc voltage and the arc length, the end determination threshold value may be set with respect to the arc length instead of being set with respect to the arc voltage. This produces the same effect.

Abstract

裏部品に穴を空けることなく積層鋼板（Ｗ）の表面から裏面まで十分な大きさの径の貫通孔を形成できる貫通溶接方法を提供することを目的とする。貫通溶接方法は、プラズマトーチ（３１）から積層鋼板であるワーク（Ｗ）に対しプラズマアーク柱を発生させることにより、このワーク（Ｗ）に貫通孔を形成するプラズマ溶接工程を含む。このプラズマ溶接工程では、プラズマアーク柱を発生させた後、アーク電圧又はアーク電圧から推定されるアーク長がワーク（Ｗ）の厚さに応じて定められる終了判定閾値を超えたことに応じてプラズマアーク柱を消去する。このプラズマ溶接工程では、アーク電圧が貫通の前後で略一定の速度で増加するように、プラズマアーク柱の幅がプラズマトーチ側からワーク（Ｗ）側まで略一定に維持されるような流量のプラズマガスをプラズマトーチ（３１）から噴出させる。

Description

貫通溶接方法
　本発明は、貫通溶接方法に関する。より詳しくは、プラズマトーチでプラズマアーク柱を発生させることにより積層鋼板に貫通孔を形成する貫通工程を含む貫通溶接方法に関する。
　従来、２枚以上の鋼板を重ね合わせて構成される積層鋼板を接合する技術として、プラズマ－ＭＩＧ溶接による貫通溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この貫通溶接方法は、プラズマトーチで発生させたプラズマアークによって積層鋼板に貫通孔（所謂、キーホール）を形成するプラズマ溶接工程と、ＭＩＧトーチを用いて上記貫通孔にフィラーを充填し、この貫通孔を埋め戻すＭＩＧ溶接工程と、の２つの工程を含む。このような貫通溶接方法では、十分な強度を実現するためには、先行工程であるプラズマ溶接工程において十分な大きさの径の貫通孔を積層鋼板の表面から裏面まで形成することが重要となっている。
　図６は、特許文献１に記載されているプラズマ溶接工程の手順を示す図である。特許文献１の技術では、積層鋼板の表面から裏面まで穴を貫通させる穴掘り工程と、この工程で形成された貫通孔の径を拡げる溶融径拡大工程と、の２つの工程を行うことによって十分な大きさの径の貫通孔を積層鋼板に形成する。この際、アーク電流を一定に制御すると、プラズマトーチと積層鋼板との間に生成されるプラズマアーク柱の長さと、アーク電圧との間にはオームの法則によって比例関係が成立することから、アーク電圧は図６の下段に示すように変化する。特許文献１の技術では、図６において破線で示すようなアーク電圧の急激な増加を検出することによって、積層鋼板の表面から裏面まで穴が貫通したと判断し、穴掘り工程から溶融径拡大工程に移行する。
特開２０１３－１８０３０９号公報
　ところで、上記特許文献１の技術では、穴が貫通したタイミングを精度良く検出できるように、アーク電圧を発生させるためのプラズマ電源として無負荷電圧が高いものを用いることにより、貫通時におけるアーク電圧の増加速度（すなわち、プラズマアーク柱の伸長速度）をできるだけ大きくしている。しかしながら、このように貫通時におけるアーク電圧の増加速度を大きくしようとすると、貫通時に急激に延びたプラズマアーク柱が溶接の対象とする積層鋼板の裏面側に設けられた裏部品まで達してしまい、意図しない穴が空いてしまうおそれがある。
　本発明は、裏部品に穴を空けることなく積層鋼板の表面から裏面まで十分な大きさの径の貫通孔を形成できる貫通溶接方法を提供することを目的とする。
　（１）上記目的を達成するため本発明は、プラズマトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ３１）から積層鋼板であるワーク（例えば、後述のワークＷ）に対しプラズマアーク柱を発生させることにより、当該ワークに貫通孔を形成する貫通孔形成工程（例えば、図５のＳ５～Ｓ７）を含む貫通溶接方法であって、前記貫通孔形成工程では、前記プラズマアーク柱を発生させた後、アーク電圧又は当該アーク電圧から推定されるアーク長が前記ワークの厚さに応じて定められる閾値（例えば、後述の終了判定閾値）を超えたことに応じて前記プラズマアーク柱を消去し、前記貫通孔形成工程では、前記プラズマアーク柱の幅が前記プラズマトーチ側から前記ワーク側まで略一定に維持されるような流量のプラズマガスを前記プラズマトーチから噴出させることを特徴とする貫通溶接方法を提供する。
　（２）この場合、レーザ変位計（例えば、後述のレーザ変位計３３）を用いて前記プラズマトーチと前記ワークの貫通孔を形成する位置との間の距離を測定し、当該距離と前記ワークの厚さとを用いて前記閾値を決定する閾値決定工程（例えば、図５のＳ２～Ｓ４）をさらに備えることが好ましい。
　（３）この場合、レーザ変位計（例えば、後述のレーザ変位計３３）を用いることによって、前記貫通孔形成工程において前記ワークに形成された貫通孔の裏面側の溶融径を測定し、当該測定した溶融径に基づいて前記ワークに形成された貫通孔の良否を判定する良否判定工程（例えば、図５のＳ８～Ｓ１１）をさらに備えることが好ましい。
　（１）本発明では、プラズマアーク柱の幅がプラズマトーチ側からワーク側まで略一定に維持されるような流量のプラズマガスをプラズマトーチから噴出させる。そして、このようなプラズマアーク柱を発生させた後、アーク電圧又はアーク電圧から推定されるアーク長（以下、これらを「アーク電圧等」ともいう）が所定の閾値を超えたことに応じてプラズマアーク柱を消去し、貫通孔を形成する工程を終了する。特に本発明では、幅が略一定のプラズマアーク柱を発生させることにより、ワークを溶融させるエネルギーをプラズマアーク柱の中心に集中させることができる。このようなプラズマアーク柱を用いてワークに貫通孔を形成すると、加工中におけるアーク電圧等は、所定の初期値にある状態から、ワークの表面から裏面にわたりプラズマアーク柱の幅に応じた内径の貫通孔が形成され、加工が終了したと判断できるようになるまで、図６に示す例と異なり、略一定の速度で増加する。すなわち、プラズマアーク柱を発生させてからワークの表面から裏面にわたりプラズマアーク柱の幅に応じた溶融径の貫通孔が形成されるまでの間に、従来のようにプラズマアーク柱が急激に延びることも無い。したがって本発明によれば、裏部品に穴を空けることなくワークの表面から裏面まで十分な大きさの溶融径の貫通孔を形成することができる。また、本発明によれば、貫通孔を形成している間に従来では必要であった貫通の有無を検知する工程が不要となり、貫通孔を形成する工程を簡易にできる。
　（２）本発明では、レーザ変位計を用いて測定したプラズマトーチとワークの貫通孔を形成する位置との間の距離と、ワークの厚さとを用いることによって、上述の閾値を決定する。上述のように本発明では、加工中におけるアーク電圧等は略一定の速度で増加することから、このアーク電圧等に対する閾値は、貫通孔形成工程の終了時点におけるアーク長の目標値に概ね相当する。本発明では、このようなアーク長の目標値に相当する閾値をプラズマトーチとワークの距離とワークの厚さとを用いて定めることにより、ワークには適切な溶融径の貫通孔が形成された後であってかつ裏部品に穴が空いてしまう前の適切なタイミングでプラズマアーク柱を消去することができる。
　（３）本発明では、レーザ変位計を用いることによって、ワークに形成された貫通孔の裏面側の溶融径を測定し、当該測定した溶融径に基づいてワークに形成された貫通孔の良否を判定する。上述のように貫通溶接では、ワークの表面から裏面まで適切な大きさの溶融径を有する貫通孔を形成する必要がある。また、貫通孔形成工程では、始めにワークの表面側の溶融径が広がり、後でワークの裏面側の溶融径が広がる。本発明では、レーザ変位計を用いて貫通孔の裏面側の溶融径を測定することにより、適切な溶融径の貫通孔が表面から裏面まで形成されたかどうかを判定できる。
本発明の一実施形態に係る貫通溶接方法が適用された溶接システムの構成を示す図である。 ワークの一部を溶融させて貫通孔を形成しているときにおけるプラズマアーク柱の状態を模式的に示す図である。 加工終了時点におけるワークの貫通孔の状態を模式的に示す図である。 幅が略一定の形状のプラズマアーク柱を用いた場合におけるプラズマ溶接工程の実行中のアーク電圧又はアーク長の変化を示す図である。 プラズマ溶接工程において、ワークの予め定められた加工位置に１つの貫通孔を形成する手順を示すフローチャートである。 従来のプラズマ溶接工程の手順を示す図である。
　図１は、本発明の一実施形態に係る貫通溶接方法が適用された溶接システム１の構成を示す図である。溶接システム１は、複数の鋼板を重ねて構成される積層鋼板をワークＷとし、このワークＷに後述のプラズマ－ＭＩＧ溶接による貫通溶接方法を適用することによって各鋼板を接合する。以下では、ワークＷとして３枚の鋼板から成る積層鋼板を用いた場合について説明するが、本発明はこれに限らない。ワークＷを構成する鋼板は、２枚又は４枚以上であってもよい。また、各鋼板の間には隙間があってもよい。
　図１に模式的に示すように、プラズマ－ＭＩＧ溶接による貫通溶接方法は、プラズマ溶接工程とＭＩＧ溶接工程と、の２つの工程で構成される。プラズマ溶接工程は、先行工程であり、プラズマアーク柱によって積層鋼板に貫通孔を形成する工程である。ＭＩＧ溶接工程は、後行工程であり、プラズマ溶接工程によって形成された貫通孔にフィラーを充填し、この貫通孔を埋め戻す工程である。以下では、これら２つの工程のうち、先行工程であるプラズマ溶接工程の内容とこのプラズマ溶接工程を行う際に用いられる装置について詳細に説明し、後行工程であるＭＩＧ溶接工程の内容とこのＭＩＧ溶接工程を行う際に用いられる装置の説明については簡略化する。
　溶接システム１は、溶接トーチ３が設けられたロボット２と、プラズマ電源５と、ガス供給装置６と、電圧検出器７と、これらを制御しプラズマ溶接工程やＭＩＧ溶接工程を実行する制御装置８と、を含んで構成される。
　ロボット２は、例えば多軸多関節型の溶接ロボットである。ロボット２のアーム先端部２１には溶接トーチ３が設けられている。溶接トーチ３の位置及び姿勢は、制御装置８において予め定められたティーチングプログラムに従ってロボット２の各関節を動かすことによって制御される。
　溶接トーチ３は、プラズマトーチ３１と、ＭＩＧトーチ３２と、レーザ変位計３３と、を備える。
　プラズマトーチ３１は、プラズマ溶接工程において、ワークＷの表面から裏面まで貫通する貫通孔を形成する際に用いられる溶接トーチである。なお以下では、板状のワークＷの両面のうち、プラズマトーチ３１側の面を表面とし、その反対側の面を裏面とする。プラズマトーチ３１は、棒状の電極３１ａと、この電極３１ａの周囲に設けられた筒状のノズル３１ｂと、を備える。後述のプラズマ電源５の負極は電極３１ａに接続され、正極はワークＷに接続されている。ノズル３１ｂは、後述のガス供給装置６に接続されている。なお、加工中のワークＷに形成される溶融池の酸化を防止するために用いられるシールドガスを噴出するノズル等の構成については、図示及び詳細な説明を省略する。
　プラズマトーチ３１とワークＷとの間には、以下の手順によって溶接用のプラズマアークが生成される。始めに、図示しないパイロットアーク電源を用いて電極３１ａと水冷されたノズル３１ｂとの間に高周波の電圧を印加すると、これらの間には溶接用のプラズマアークを誘起するためのパイロットアークが生成される。また、このようなパイロットアークが生成された状態でガス供給装置６からノズル３１ｂへプラズマガスを供給すると、プラズマガスはノズル３１ｂ内でイオン化され、ワークＷへ向けて噴出する。イオン化したプラズマガスはアーク電流の良導体となり、これによって電極３１ａとワークＷとの間で電気的導通が確保され、溶接用のプラズマアークが生成（点弧）される。
　ＭＩＧトーチ３２は、上述のプラズマトーチ３１を用いてワークＷに貫通孔が形成された後、ＭＩＧ溶接でこの貫通孔を埋めることによりワークＷを構成する各鋼板を強固に接合する際に用いられる溶接トーチである。ＭＩＧトーチ３２は、図示しないフィラー供給装置から供給されるフィラーを消耗電極として、ＭＩＧ溶接によって貫通孔を埋め戻す。
　レーザ変位計３３は、ワークＷへ向けてレーザ光を照射する発光装置と、ワークＷから反射したレーザ光を受光する受光装置とを備える。制御装置８は、このレーザ変位計３３を用いることによって、プラズマトーチ３１のノズル３１ｂとワークＷにおける所定の加工位置との間の距離や、ワークＷの加工位置に形成された貫通孔の裏面側の溶融径等を測定することができる。
　プラズマ電源５は、三相交流電力を直流電力に変換し、これをプラズマトーチ３１に供給する。プラズマ電源５の正極はワークＷに接続され負極はプラズマトーチ３１の電極３１ａに接続されている。プラズマ電源５は、図示しないパイロットアーク電源を用いて電極３１ａとワークＷとの間の電気的導通が確保された後、これら電極３１ａとワークＷとの間のアーク電流を制御する。このプラズマ電源５は、電極３１ａとワークＷとの間を流れるプラズマ電流を一定に制御する定電流機能を備える。したがって、プラズマトーチ３１及びワークＷ間で発生するアーク電圧と、プラズマトーチ３１からワークＷへ延びるプラズマアーク柱の長さ（すなわち、アーク長）との間には比例関係が成立するので、アーク電圧に基づいてアーク長を推定することができる。制御装置８は、プラズマ溶接工程の実行時において、プラズマ電源５と電極３１ａとを接続したり遮断したりすることによって、プラズマトーチ３１とワークＷとの間で溶接用のプラズマアークを発生したり消去したりする。
　電圧検出器７は、プラズマ溶接工程におけるプラズマトーチ３１の電極３１ａとワークＷとの間のアーク電圧を検出し、検出値を制御装置８に送信する。
　ガス供給装置６は、プラズマガスやシールドガスを貯蔵するガスボンベ６１と、ガスボンベ６１とプラズマトーチ３１のノズル３１ｂとを接続するガス流路６２と、ガス流路６２に設けられた流量制御弁６３と、を備える。プラズマガスやシールドガスとしては、例えばアルゴンガスが用いられる。制御装置８は、プラズマ溶接工程の実行時において、流量制御弁６３の開度を調整することによって、ノズル３１ｂから噴出するプラズマガスの流量やシールドガスの流量を調整する。
　次に、図２を参照してメインアーク電源の無負荷電圧（無負荷時におけるプラズマ電源の端子間電圧）の好ましい設定範囲について説明する。
　図２は、ワークＷの一部を溶融させて貫通孔を形成しているときにおけるプラズマアーク柱の状態を模式的に示す図である。図２の左側は貫通前（ワークＷの表面に形成された穴の底が裏面に達する前）を示し、図２の右側は貫通直後（ワークＷの表面に形成された穴の底が裏面に達した直後）を示す。
　図２の左側に示すように、貫通前においては、プラズマアーク柱はプラズマトーチ３１からワークＷの表面に形成される穴の底まで延びる。従って貫通前においては、アーク長又はアーク電圧は、ワークＷの表面に形成される穴の深さに比例して増加する。
　一方図２の右側に示すように、穴の底がワークＷの裏面に達し貫通すると、遮るものが無くなくなるためプラズマアーク柱は急激に延びる。この際、アーク長及びその伸長速度は、プラズマ電源固有の無負荷電圧に比例して大きくなる。したがって、無負荷電圧が過剰に高いプラズマ電源を用いると、貫通直後にプラズマアーク柱がワークＷの裏面側に設けられた裏部品にまで達してしまい、裏部品に穴を空けてしまう場合がある。
　したがってプラズマ電源の無負荷電圧は、プラズマトーチ－ワーク間の距離Ｌ１、ワークの表面から裏面までの厚さＬ２、及びワーク－裏部品間の距離Ｌ３を考慮して定められる。すなわち、ワークの貫通が保証されるように、無負荷電圧は、穴が貫通した瞬間におけるアーク長が、プラズマトーチ－ワーク間の距離Ｌ１とワークＷの厚さＬ２とを合わせた距離よりも長くなるように設定される。また、裏部品の一部が溶融して穴が空いてしまうのを防止するため、無負荷電圧は、プラズマトーチ－ワーク表面間の距離Ｌ１とワークＷの厚さＬ２とワーク－裏部品間の距離Ｌ３とを合わせた距離よりも短くなるように設定される。なお、これら距離Ｌ１，Ｌ２、Ｌ３は、それぞれワークＷにおいて貫通孔を形成しようとする加工位置によって異なり、また無負荷電圧はプラズマ電源固有の値であり、基本的には変えることができない。したがってプラズマ電源の無負荷電圧は、想定される距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の平均値、最小値、及び最大値等を用いることによって、全ての加工位置において穴の貫通と裏部品の保護の両方が保証されるように定められる。
　次に、図３を参照してプラズマガスの流量が加工終了時における貫通孔の形状及び加工中のアーク電圧の変化に及ぼす影響について検討する。
　図３は、加工終了時点におけるワークＷの貫通孔の状態を模式的に示す図である。図３において、加工終了時点とは、プラズマトーチ３１からワークＷの表面へプラズマアークを生成し続けることにより、ワークＷの表面に形成された穴の底が裏面に達し貫通した後であって、ワークＷの裏面側の溶融径が目標とする大きさを超えた時をいう。図３の右側は、左側よりもプラズマガスの流量を増加させた場合を示す。
　プラズマトーチ３１とワークＷの表面との間でプラズマアークを生成し続けると、ワークＷの表面から裏面へ貫通する貫通孔が形成される。この際、プラズマガスの流量を少なくすると、図３において左側に示すように、プラズマトーチ３１から延びるプラズマアーク柱の幅は、プラズマトーチ３１側からワークＷへ向けて広がる。このため、ワークＷの表面では、プラズマアークのエネルギーは中心から外へ広がったものとなり、ワークＷの表面に近くなるほど広い範囲が溶融する。結果として図３の左側に示すように、加工終了時に形成される貫通孔の溶融径は裏面側から表面側へ広がる。また図６を参照して説明したように、このような広がったプラズマアーク柱で加工すると、ワークの裏面側の溶融径が好ましい大きさになるまでの間であって、ワークが表面から裏面へ貫通した直後に、アーク長が急激に延びてしまい、裏部品に穴を空けてしまう場合がある。
　一方、プラズマガスの流量を所定の量よりも増加させると、プラズマアークの直進性が増し、図３の右側に示すようにプラズマアーク柱の幅はプラズマトーチ３１側からワークＷまで略一定に維持されるようになる。このため、プラズマアークのエネルギーは中心に集中するので、図３の右側に示すように、最終的に形成される貫通孔の裏面側の溶融径と表面側の溶融径の差は小さくなる。すなわち、エネルギーを中心に集中させることにより、加工中に表面側の溶融径が大きく広がるのを防止できる。
　図４は、図３の右側に示すような幅が略一定の形状のプラズマアーク柱を用いた場合におけるプラズマ溶接工程の実行中のアーク電圧又はアーク長の変化を示す図である。図４には、時刻ｔ１においてプラズマアークを生成することによって加工を開始してから、その後時刻ｔ４においてワークの裏面側の溶融径が目標とする大きさを超えたことに応じてプラズマアークを消去（消弧）し、加工を終了するまでの間におけるアーク電圧の変化を示す図である。
　図４に示すように、プラズマ溶接工程は、ワークの表面の穴を掘り下げることにより表面から裏面まで貫通させる穴掘り貫通工程と、貫通した孔の内径を目標とする径まで拡げる溶融径拡大工程と、の２つの工程に形式的に分けられる。
　始めに、時刻ｔ１においてプラズマアークを生成すると、ワークの絶縁破壊によってアーク電圧は急激に上昇した後、再び低下し、所定値で安定する。以下では、プラズマアークの生成後におけるアーク電圧が安定する値を、アーク電圧の初期値という。このアーク電圧の初期値は、プラズマトーチ－ワーク間の距離に相当する。
　時刻ｔ２ではワークの表面が溶融して穴の底が低下し始めることにより、アーク電圧も初期値から上昇する。その後時刻ｔ３では、穴の底がワークの裏面に達し、これにより形式的に溶融径拡大工程に移行する。時刻ｔ３以降では、貫通孔の溶融径が表面側から裏面側へ徐々に広げられる。そして時刻ｔ４では、貫通孔の裏面側の溶融径が目標とする大きさを超えたことに応じてプラズマアークを消去し、これによりプラズマ溶接工程を終了する。
　また図４に示すように、エネルギーをその中心に集中させたプラズマアーク柱を用いると、穴の底が低下し始める時刻ｔ２から貫通孔の裏面側の溶融径が目標とする大きさになる時刻ｔ４まで、アーク電圧は略一定の速度で増加する。すなわち、穴掘り貫通工程から溶融径拡大工程へ切り替わるタイミングでアーク電圧が大きく上昇することがない。このため、図６を参照して説明したようなワークの貫通の有無を検出する工程が必要なくなる。また、このようにアーク電圧の変化速度が略一定になると、アーク電圧の測定値と所定の閾値との比較のみによって、プラズマアークを消去させるタイミングを決定することができるので、プラズマ溶接工程を図６に示す例よりも簡易にすることができる。以下では、プラズマアークを消去させるタイミングを決定するために用いられる閾値を、終了判定閾値という。
　本実施形態のプラズマ溶接工程で用いるプラズマガスの流量は、以上のような効果が得られるように定められる。より具体的には、プラズマガスの流量は、プラズマアーク柱の幅がプラズマトーチ側からワーク側まで略一定に維持されるように定められる。換言すれば、プラズマガスの流量は、アーク電圧が初期値から終了判定閾値に至るまでの間、アーク電圧又はアーク長が略一定の速度で増加するように定められる。より具体的には、直径が２．５ｍｍのノズル径のプラズマトーチを用いる場合、プラズマガスの流量を１０［Ｌ／ｍｉｎ］以上とすることにより、上述のような効果が得られる程度に略一定の幅のプラズマアーク柱が形成される。なお、ガスの無駄な消費を防ぐためプラズマガスの流量は２０［Ｌ／ｍｉｎ］以下とすることが好ましいが、これは流量の上限を定めるものではない。流量を多くするほどプラズマアーク柱の直進性が増加し、上述の効果がより顕著になるので、プラズマガスの流量を２０［Ｌ／ｍｉｎ］以上としてもよい。
　次に、図５を参照して上記溶接システムを用いたプラズマ溶接工程の具体的な手順について説明する。
　図５は、プラズマ溶接工程において、ワークの予め定められた加工位置に１つの貫通孔を形成する手順を示すフローチャートである。
　Ｓ１では、制御装置は、ロボットを制御し、ワークの表面側の加工位置の近傍にプラズマトーチ及びレーザ変位計を移動させる。Ｓ２では、制御装置は、レーザ変位計を用いることによって、プラズマトーチのノズルの位置とワークの表面の加工位置との間の距離（以下、「ノズル－加工位置間距離」という）を測定する。Ｓ３では、制御装置は、図示しない記憶装置に記録されたワークの厚さに関するデータを読み込むことにより、今回対象とする加工位置におけるワークの厚さ（裏面と表面の距離）を取得する。
　Ｓ４では、制御装置は、Ｓ２で取得したノズル－加工位置間距離とＳ３で取得したワークの厚さとを用いて、終了判定閾値を決定する。より具体的には、制御装置は、ノズル－加工位置間距離と、ワークの厚さと、所定の正のマージンと、を合算して得られる距離が加工終了時点におけるアーク長になるように、この合算して得られる距離をアーク電圧に換算することによって終了判定閾値を決定する。このように、ノズル－加工位置間距離とワークの厚さにさらにマージンを合算することにより、加工終了時点ではプラズマアーク柱がワークの裏面側まで延びており、貫通孔の裏面側の溶融径が所定の目標になっている状態が保証される。なお、加工終了時点においてプラズマアーク柱が裏部品に達しないようにするため、上記マージンは正の値であって十分に小さな値に設定される。
　Ｓ５では、制御装置は、プラズマ電源及びガス供給装置を用いてプラズマトーチからワークに対しプラズマアーク柱を発生させることにより、貫通孔を形成する工程を開始するとともに、電圧検出器を用いてアーク電圧の監視を開始する。ここで、プラズマトーチから噴出するプラズマガスの流量は、図３及び図４を参照して説明したように、プラズマアーク柱の幅がプラズマトーチ側からワーク側まで略一定に維持されるような大きさに調整される。Ｓ６では、制御装置は、アーク電圧が上述の終了判定閾値を超えたか否かを判定する。Ｓ６の判定がＮＯである場合には、制御装置は、Ｓ５に戻り、プラズマアークを発生し続ける。またＳ６の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ７に移る。
　Ｓ７では、制御装置は、アーク電圧が終了判定閾値を超えたことに応じてプラズマアーク柱を消去する。Ｓ８では、制御装置は、レーザ変位計を用いることによってワークに形成された貫通孔の裏面側の溶融径を測定する。Ｓ９では、制御装置は、Ｓ８で取得した裏面側の溶融径の測定値と予め定められた溶融径の許容値とを比較することによって、以上の処理によってワークに形成された貫通孔の良否を判定する。より具体的には、溶融径の測定値が許容値より大きい場合には、貫通孔の品質は「良」であると判定し（Ｓ１０参照）、測定値が許容値以下である場合には、貫通孔の品質は「不良」であると判定し（Ｓ１１参照）、図５のプラズマ溶接工程を終了する。
　なお、ワーク中の所定の加工位置について図５の処理が終了し、貫通孔が形成された後は、引き続き図示しないＭＩＧ溶接工程を行うことによって、この加工位置に形成された貫通孔が埋め戻される。なお、Ｓ１１の処理によって貫通孔の品質が「不良」であると判定された場合には、その旨を作業者に報知し注意を促すようにしてもよいし、同じ加工位置について再び図５の処理を行ってからＭＩＧ溶接工程を行うようにしてもよい。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
　上記実施形態では、終了判定閾値をアーク電圧に対する閾値として設定し、アーク電圧と終了判定閾値とを比較することによってプラズマアーク柱を消去するタイミングを決定したが、本発明はこれに限らない。アーク電圧とアーク長との間では比例関係が成立することから、終了判定閾値をアーク電圧に対して設定する代わりにアーク長に対して設定してもよい。これにより同様の効果を奏する。
　１…溶接システム
　３…溶接トーチ
　３１…プラズマトーチ
　３３…レーザ変位計
　５…プラズマ電源
　６…ガス供給装置
　７…電圧検出器
　８…制御装置
　Ｗ…ワーク（積層鋼板）

Claims (3)

  1. 　プラズマトーチから積層鋼板であるワークに対しプラズマアーク柱を発生させることにより、当該ワークに貫通孔を形成する貫通孔形成工程を含む貫通溶接方法であって、
    　前記貫通孔形成工程では、前記プラズマアーク柱を発生させた後、アーク電圧又は当該アーク電圧から推定されるアーク長が前記ワークの厚さに応じて定められる閾値を超えたことに応じて前記プラズマアーク柱を消去し、
    　前記貫通孔形成工程では、前記プラズマアーク柱の幅が前記プラズマトーチ側から前記ワーク側まで略一定に維持されるような流量のプラズマガスを前記プラズマトーチから噴出させることを特徴とする貫通溶接方法。
  2. 　レーザ変位計を用いて前記プラズマトーチと前記ワークの貫通孔を形成する位置との間の距離を測定し、当該距離と前記ワークの厚さとを用いて前記閾値を決定する閾値決定工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の貫通溶接方法。
  3. 　レーザ変位計を用いることによって、前記貫通孔形成工程において前記ワークに形成された貫通孔の裏面側の溶融径を測定し、当該測定した溶融径に基づいて前記ワークに形成された貫通孔の良否を判定する良否判定工程をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の貫通溶接方法。
     
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