JP2595066B2 - プラズマガス溶接装置、および、溶接用トーチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマガス溶接装置、及び溶接用トーチに
係り、特に、被溶接材を貫通溶解し、キーホールを形成
しながら溶接していくキーホール溶接に好適なプラズマ
ガス溶接装置、及び溶接用トーチに関する。

〔従来の技術〕

プラズマ溶接で、特に被溶接材の該当部分を貫通溶解
し、キーホールを形成しながら溶接していくキーホール
溶接法は、均一な裏ビート形状が得られることから例え
ばパイプの接合作業等において、溶接作業の自動化と合
せて利用が計られてきている。

この種、プラズマ溶接は高入熱が可能で、かつエネル
ギー集中度が高い溶接法のため溶接作業時間の短縮化
や、溶接部の仕上りの良さ等の効果が大きい反面、プラ
ズマの安定を維持して自動化を計る制御が容易でない面
がある。従来、この種専門的な熟練を必要とせず自動化
したプラズマ溶接をおこなえることを目的として例え
ば、出願人が先に提案した特開昭62−61777号公報に記
載されているような、溶接電流値，溶接速度及び、ガス
量を調整しながら溶接をおこなう方法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

所で、プラズマ溶接方法はその原理がノズルから噴出
するガスをアークによつてプラズマ化し、そのプラズマ
を電気的に被溶接材表面に導き、当該被溶接材を溶解さ
せて融着接合するものである。この様なプラズマ溶接方
法において、前記被溶接材を融着接合するプラズマは、
理論的にはそれを発生するために供給されるガス量と、
印加される電流値にもとづいて大きさとエネルギー密度
が決まる。そこで、前述の如く溶接電流値，溶接速度、
およびガス量の内の少なくても２項目を調整しながら自
動溶接をおこなう制御方法が必要になる訳だが、このよ
うな制御を施してもキーホール溶接技法を採用しておこ
なうプラズマ溶接では、被溶接材の肉厚がある限界以上
に大きくなると制御し切れない部分が生じてくる。

それは、ブローホールの発生である。これは、溶解し
た被溶接材の接合部にガスが残つたまま溶着してしまい
ボイドが残つてしまう現象で、特に肉厚が厚い被溶接材
のプラズマ溶接時において発生し易い。この原因を種々
検討した結果次の様な事が解つた。

第一に、プラズマによつて溶解した母材は、そのプラ
ズマ流に沿つてキーホールが生じるが、次の瞬間にはプ
ラズマ発生用電流を小さくしてプラズマを縮め、その間
に当該キーホールを閉じる作用をおこなわせようとす
る。所が、プラズマ発生用のガス流量が大きくなつてく
ると、単に電流値を小さくしただけでは、ガス流量が大
きいままで被溶接材に吹き付けられることになつてしま
い、このガス流がキーホールを閉じる作用に影響を与え
るものと考えられる。

第二に、被溶接材の肉厚が大きくなると、母材の溶解
量が増えるため溶解した母材がその自重によつて流動性
を増し、前記第一の原因も重なつてキーホールを閉塞し
ないで固化してしまうことがあることも考えられる。

本発明は、上記の原因にもとづくと考えられるブロー
ホールの発生を解決する目的をもつて、プラズマ発生用
のガス流量を制御する方法を検討し、発明したものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する手段として、本発明のプラズマ溶
接装置は、トーチと一体にプラズマ発生用のガス流量を
断続的にコントロールすることのできるガス流量制御装
置を設けたものである。

さらに、本発明は当該ガス流量制御装置を有するプラ
ズマ溶接装置を遠隔な場所に設けた制御装置によつて制
御する方法を提案するものである。

さらに、ガス流量制御装置はプラズマを発生するトー
チのガス噴出口に限りなく近い方が、印加されるパルス
電流と同調してコントロールさせる制御をおこない易い
ため、その構成に有用な構造を提案するものである。

さらに、ガス流量制御装置が一体に構成された溶接用
トーチを提案するものである。

〔作用〕

上記のようなガス流量の制御をおこなえるプラズマ溶
接は、キーホールの閉塞に影響すると考えられるガス流
量をコントロールすることができるため、被溶接材の厚
さが大きくなつても、ガスの噴出圧力による溶解部への
ブローホールの発生が防止できるようになる。しかも、
ガス流量のコントロールを、プラズマ発生用のパルス電
流値に同調しておこなうため、キーホールの溶解貫通時
と閉塞時に悪影響を与えると思わる前記ガス流をきめ細
かく制御することが可能になる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図は、本発明のプラズマ溶接装置の構成を表わし
たものである。

キーホール溶接をおこなう被溶接材１の溶接線上に、
プラズマ噴出口（以下ノズルと云う）4pを対抗させて、
図示していない移動ベツドに固着されたトーチ４は、そ
の一部に本発明によるガス流量制御装置５が一体に取付
けられている。前記トーチ４には、離れた位置で別に設
けた電源装置２からパルス電流やプラズマ発生用ガス，
シール用ガスおよび制御信号伝送ケーブルが導かれる。

３は制御装置で、本溶接装置全体のコントロールを司
どる。８はガスボンベ、９は電源トランスである。本発
明のプラズマ溶接装置は、さらに電源装置２からトーチ
４に一体に取付けられたガス流量制御装置５の制御を司
どる信号線10がある。この制御が、制御装置３と連動し
ていることは云うまでもない。

この信号線10は、後で詳細に説明するトーチ４に取付
けられたガス流量制御装置５のプラズマ発生用としてト
ーチに供給されるガス流量を、プラズマ発生用のパルス
電流値に同調してコントロールする弁機構を動作させる
ためのものである。

この種本発明のプラズマ溶接装置は、被溶接材１にト
ーチ４をセツトした後、制御装置３からの操作にもとづ
いて、パルス電流値に同調したガス流量コントロールを
おこないながら、キーホール溶接を自動的におこなえ
る。

次に、本発明の主要な構成であるトーチ４、およびそ
れと一体になつたガス流量制御装置５の実施例を説明す
る。

第２図（ａ）は、トーチ４を断面して表わした一実施
例で、電極4aと、それを包むように構成され、ノズル4p
を有するノズル筒4b、およびそのノスル筒4bの外周を包
囲して、ノズル4pの周囲にシールドガスＢを吹き出せる
ように設けられたスカート4dを主な構成としている。

なお、電気的な構成は説明を省略する。

ガス流量制御装置５は、電極4aとノズル筒4b間に送り
込まれるプラズマ発生用ガスＡの供給口4eのトーチ側に
直列に挿入される。4fはシールドガスＢの供給口であ
る。溶接作業時はまずガスＡの量を制限した状態で、電
極4aとノズル4pの端部分でパイロツトアークを発生し、
しかる後に電流経路を電極と被溶接材１間に形成してか
ら、ガスＡを所定の流量に増やすことによつて、ノズル
4pから被溶接材に至るプラズマｐが発生するものであ
る。

本発明構成のトーチ４におけるガス流量制御装置５
は、電極4aと被溶接材１間に印加されるパルス電流値に
同調して、その内部でガスＡの分流動作をおこなう。こ
の分流動作にもとづいて分流させられたガスＡ′は、第
２図（ｂ）に示される導管15を通して、ノズル4pの先
端、すなわちノズル4pと被溶接材１の間に設けられた噴
出リング16に導かれる。第２図（ｂ）に、この噴出リン
グ16を下から見た図面を表示してある。噴出リング16
は、その全周に被溶接材１に向けて、ガスＡ′を吹き出
すことのできる小穴16aが複数個設けられている。この
構成は、分流したガスＡ′をシールドガスＢと合流させ
て、キーホールの周囲を、包み込む効果を発揮させるた
めのもので、パルス電流値に同調して、分流してくるガ
スＡ′は、断続的に噴出リング16から被溶接材１の表面
に吹き付けられるものである。

この様にガスＡが、ガス流量制御装置５によつて分流
させられる時間的な経過は、第３図に示したグラフのよ
うにコントロールされる。すなわち、パルス電流のピー
ク値（T_p）の時は、ガス流量制御装置５が、本実施例で
示すような分流動作をおこなわず、ガスＡは供給口4eか
ら導入された全量が、電極4aのノズル4p側に導かれ、プ
ラズマのエネルギーに変換される。この状態は、被溶接
材１を溶解し、キーホールを穿けるに十分な入熱エネル
ギーと噴出エネルギーを持つたプラズマが発生するもの
である。次に、キーホールの穿設を終了し、次の工程と
して当該キーホールの閉塞がおこなわれる時は、パルス
電流がベース値（T_B）になる。ガス流量制御装置５は、
このパルス電流値の変化を信号として受けて、ガスＡの
一部を分流し、噴出リング16側に流すようになる。この
状態は、グラフで示したように、常時供給して流されて
いるシールドガスＢに前記の分流したガスＡ′が相乗し
た形のシールドガス流が生ずる。これは、パルス電流値
の変化によつて、プラズマのエネルギーが小さくなり、
キーホールの閉塞工程になつた時、当該キーホールに吹
き付けられるガスＡの強さを弱め、逆にキーホールを囲
りから押し包むように作用するシールドガスが強められ
た状態になつたものである。

このように、プラズマ発生用のガスＡの量をノズル4p
の近傍で、コントロールするガス流量制御装置は、例え
ば第４図の如き構造にすることが一実施例として考えら
れる。

図は、トーチ４にプラズマ発生用ガスＡを供給する供
給口4eがあり、その供給口4eに直接取付けられるもの
で、ガスＡの流れる主流路5aに直角に分岐口5bを形成
し、当該分岐口5bには常時は閉じていて、パルス電流値
に同調して発せられる制御信号にもとづいて、開閉され
る弁機構5cが構成されている。5dは、ガスＡの供給用可
撓パイプである。この種構造のガス流量制御装置５は、
トーチ４の本体に直接取付けられているため、制御信号
にもとづいて、弁機構5cが開閉動作をおこない、ノズル
に流れるガスＡの流量をコントロールした時、そのガス
Ａが前述のノズル4p部に達するまでの時間的な遅れを非
常に小さくする事ができ、しかもガス流が、ノズルに至
る間が短いため、流路中で圧力が減すいしてしまう現象
もなくなるため、パルス電流値との同調を容易に取り得
るものである。図では、バネと電磁石を用いた電磁弁構
成にしたが、ガスＡを分流させる目的をもつて構成され
るこの種ガス流量制御装置は、その目的が達成できるな
らば、これに限られるものではない。電磁弁機構の場
合、どうしても音を発する点で、改善の余地があるとす
るならば、弁を有しない流路切換方式や、絞り弁方式等
を採用することは容易に改善し得る内容である。

さらに、プラズマ発生用のガスＡを、ノズル4pに導く
経路が単流路で構成されるか、複数の流路で構成される
かの選択は、ガスＡの分流割合を決定したり、プラズマ
の安定性を維持する上で、非常に重要な選択である。

第５図は、ガス流量制御装置５の他の実施例を示すも
ので、ガスＡが装置内で二つの流路に分流され、ノズル
4pに供給されるように構成し、しかも、その二経路のガ
ス流路の一方に弁機構5cを構成したものである。図にお
いて、すでに説明してきたものと同一の部分には同一符
号を付けてある。この種構造のガス流量制御装置は、ガ
スＡが、導入口5eから入ると、流路5kと、流路5lに分流
する。それぞれの流路には、ガス流量調整機能5mが設け
られ、各々の流路に流れるガスＡの流量を決められるよ
うになつている。

このガス流量調整機能5mの制御は、制御装置の指令に
もとづいて調整する事ができるようにする事も可能であ
る。さらに一方の流路5lには弁機構5cが設けられる。流
路5kと5lは、前記の弁機構5cを構成した後、改めて一つ
にまとめられ、トーチ４のノズル4pに接続される。

この様にガスＡの流路を分けた構成を取る目的は、第
一にプラズマの安定性を維持するためにガス流量制御装
置の動作によるガスＡの流量変化にともなう圧力振れを
小さくすることが必要な場合に効果がある。第二に従
来、電源装置側でおこなつていた溶接条件設定時のガス
流量制御を、トーチでおこなうようにして、即応性を高
める場合に効果があるものである。

第５図は、ガス流量制御装置の実施例として、説明し
たが、弁機構を有し、ガス流量調整装置と分流路が形成
できるのであれば、トーチ自身を、この種構造にする事
ができることは云うまでもない。

第６図，第７図は、本発明のガス流量制御装置５を一
体に設けたトーチの他の実施例を示した断面図である。

第６図は、第２図で説明したパルス電流のベース値の
時に、分流したガスＡ′をシールドガスＢが流れている
スカート4d部分に合流させるように構成したものであ
る。

第７図は、第６図の他の例で分流したガスＡ′を外部
に放出するように構成したものである。

上記、各々のトーチは、プラズマ溶接装置の適用範囲
の選択にあたつて、構造的に取り得る実施例である。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下に記述するような効果を奏する。

プラズマ発生用のガス流量をコントロールする制御手
段を、トーチに設けたことにより、プラズマガス流量の
制御の速応性が向上し、キーホール溶接をおこなう場合
のパルス電流値に同調したプラズマガス流量コントロー
ルが可能になる。

そして、この種ガス流量制御装置を設けた溶接装置
は、今まで不可能だつた肉厚を有する被溶接材でも、ブ
ローホール等の発生のない溶接を可能にするため、プラ
ズマキーホール溶接の適用範囲が大巾に拡大し、自動化
と合せて、産業の発展に寄与する効果が多大な装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のプラズマ溶接装置の構成を表わす図
面、第２図（ａ）（ｂ）は、本発明のトーチの一実施例
を表わした断面図、及び下方視図、第３図は、本発明の
プラズマ溶接装置のパルス電流と、プラズマ発生用ガス
流量の関係を表わしたグラフ、第４図は本発明のガス流
量制御装置の一実施例を表わした断面図、第５図は、ガ
ス流量制御装置の他の実施例を表わした概念図、第６
図，第７図は、本発明のトーチの他の実施例を表わした
断面図である。 １……被溶接材、２……電源装置、３……制御装置、４
……トーチ、５……ガス流量制御装置、Ａ……プラズマ
発生用ガス、Ｂ……シールドガス、4a……電極、4p……
ノズル、5a……流路、5b……分岐口、5c……弁機構、5m
……ガス流量調整機能、16……噴出リング。

フロントページの続き (72)発明者 栗田 真一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭62−176685（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−20777（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ発生電極と、該プラズマ発生電極
   を包囲してプラズマ発生用ガスを放出するノズルを有す
   るプラズマガス溶接用トーチにおいて、 前記ノズルからのプラズマ発生用ガスの放出量をコント
   ロールできる弁機構を備え、該弁機構が、前記ノズルに
   印加されるパルス電流値に連動して動作することを特徴
   とするプラズマガス溶接用トーチ。
2. 【請求項２】プラズマガス溶接用トーチが、複数のプラ
   ズマ発生用ガスの流路を有し、それらの各流路にガス流
   量調整機能を設けると共に、少なくとも一個の流路に
   は、プラズマ発生用ガスの流量をプラズマ発生用パルス
   電流に同調してコントロールできるガス流量制御手段を
   備えていることを特徴とするプラズマガス溶接用トー
   チ。
3. 【請求項３】トーチにプラズマを発生させるパルス電流
   を給電する手段と、トーチにプラズマ発生用のガスを供
   給する手段と、トーチに供給されるプラズマ発生用ガス
   の流量を前記パルス電流に同調するようにコントロール
   する流量制御手段と、前記各手段を制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とするプラズマガス溶接装置。