JP5755942B2 - プラズマミグ溶接制御方法 - Google Patents

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、溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極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。同時に、プラズマ電極を中空形状とし、上記のプラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを上記の中空形状内を通って送給し、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。したがって、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態となっている。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、一般的にパルス波形が使用されることが多い。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。もちろん、ミグ溶接方法に、直流のミグ溶接方法を使用することもできる。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。上記のプラズマ溶接電流には、直流又はパルス波形が使用される。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、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。

図５は、従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｄ）はプラズマ溶接電圧Ｖwp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、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂから成るミグ溶接電流Ｉwmが通電する。このピーク期間Ｔｐとベース期間Ｔｂとを合わせてパルス周期Ｔｆになる。そして、このミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧Ｖｐが溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ中はベース電圧Ｖｂが印加する。

ミグパルス溶接では、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の平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、ミグ溶接電圧Ｖwmをローパスフィルタに通すことによって生成される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上の４００〜５００Ａ程度に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の１００〜１８０Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。ピーク電流Ｉｐの値は一般的な単独のパルスアーク溶接のときに比べて小さくなっており、ベース電流Ｉｂの値は大きくなっている。これは、ミグアークがプラズマアークに包まれており、溶接ワイヤはプラズマアークから熱を受けるために、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの値をこのように設定しないと溶滴移行状態が安定しないためである。

他方、同図（Ｃ）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。また、同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電圧Ｖwpがプラズマ電極と母材との間に印加する。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。プラズマ溶接電流Ｉwpをパルス波形にする場合もある。この場合には、プラズマ溶接電圧Ｖwpもパルス波形となる。

特開２００８−２２９６４１号公報

上述したように、プラズマアークは、プラズマ電極と母材との間に発生する。そして、ミグアークは、中空形状のプラズマ電極内を送給される溶接ワイヤと母材との間に発生する。プラズマ電極と溶接ワイヤとは絶縁される必要があるために、プラズマ電極内に筒状の絶縁物を設けて、その内部に溶接ワイヤを通すようにしている。したがって、プラズマ電極の内側と溶接ワイヤとは絶縁物によって分離されているので、両者が直接接触することはなく、かつ、プラズマ電極内で両者間に異常なアーク放電が発生することもない。

しかしながら、プラズマ電極の貫通孔から送出された溶接ワイヤと、プラズマ電極の先端部（下端部）とは接触はしていないが、非常に接近した距離にある。このために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間の電圧差が大きくなると、溶接ワイヤとプラズマ電極の先端部との間に異常なアーク放電が発生することがある。この異常なアーク放電が発生すると、プラズマアーク及びミグアークの発生状態が不安定になり、溶接品質が悪くなる。さらには、この異常なアーク放電が発生すると、プラズマ電極が部分溶融して溶接トーチが損傷することになり、溶接を継続することができなくなる場合も生じる。

そこで、本発明では、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを防止して、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができるプラズマミグ溶接制御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、溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された値の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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと母材との間にミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接制御方法において、
前記プラズマ溶接電圧の平均値と前記ミグ溶接電圧の平均値との電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きくなったときは前記プラズマ溶接電流を設定値から減少させて前記電圧差を小さくする、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記プラズマ溶接電流を減少させるときに予め定めた下限値を設ける、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記プラズマ溶接電流を減少させるときに傾斜を持たせる、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接制御方法である。

本発明によれば、プラズマ電極に印加されるプラズマ溶接電圧の平均値と、溶接ワイヤに印加されるミグ溶接電圧の平均値との電圧差が基準電圧値よりも大きくなったときは、プラズマ溶接電流を減少させて電圧差が小さくなるようにしている。このために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを防止して、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接制御方法を示す電流・電圧波形図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。 図２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２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。 従来技術におけるプラズマミグ溶接の電流・電圧波形図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマミグ溶接制御方法を示す電流・電圧波形図である。同図（Ａ）はトーチ高さ（プラズマ電極の先端部と母材との距離）Ｌｔ（mm）の時間変化を示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電流の平均値Ｉmaの時間変化を示し、同図（Ｃ）はミグ溶接電圧の平均値Ｖmaの時間変化を示し、同図（Ｄ）はプラズマ溶接電流の平均値Ｉpaの時間変化を示し、同図（Ｅ）はプラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaの時間変化を示す。各平均値は、１〜１０Ｈｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルタに通すことで生成している。同図の時間軸（横軸）は１秒／cm程度であり、上述した図５は１ms／cm程度であるので、同図の方が１０００倍時間が遅くなった（圧縮された）波形となっている。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、トーチ高さＬｔは、時刻ｔ１以前の期間中はＬ１（mm）となり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中はＬ２（mm）に高くなり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中はＬ３（mm）にさらに高くなり、時刻ｔ３以降の期間中はＬ１（mm）に戻る。したがって、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３である。例えば、Ｌ１＝２０mm、Ｌ２＝２５mm、Ｌ３＝３０mmである。全期間を通して溶接ワイヤの送給速度は一定値である。

（１）時刻ｔ１以前の期間（Ｌｔ＝Ｌ１）
同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流の平均値Ｉmaは、図５（Ａ）で上述したパルス波形が平均化されて略直線となり、その値は送給速度とアーク負荷によって定まりＩma1（Ａ）となる。同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧の平均値Ｖmaは、図５（Ｂ）で上述したパルス波形が平均化されて略直線となり、その値は電圧設定値と等しくなり、Ｖma1（Ｖ）となる。同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電流の平均値Ｉpaは、図５（Ｃ）で上述したようにパルス波形ではなく直流波形であるので略直線となり、その値は電流設定値と等しくなり、Ｉpa1（Ａ）となる。同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは、図５（Ｄ）で上述したようにパルス波形ではなく直流波形であるので略直線となり、その値はアーク負荷によって定まりＶpa1（Ｖ）となる。したがって、同図においては、プラズマ溶接電流の平均値Ｉpaは、プラズマ溶接電流Ｉwpと略同一となる。同様に、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは、プラズマ溶接電圧Ｖwpと略同一となる。例えば、Ｉma1＝２００Ａ、Ｖma1＝２８Ｖ、Ｉpa1＝１５０Ａ、Ｖpa1＝４０Ｖである。

（２）時刻ｔ１〜ｔ２の期間（Ｌｔ＝Ｌ２）
同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流の平均値Ｉmaは、トーチ高さＬｔが高くなりアーク負荷が大きくなるので少し減少し、Ｉma2（Ａ）となる。Ｉma2＜Ｉma1である。同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧の平均値Ｖmaは、トーチ高さＬｔが高くなりアーク負荷が大きくなるので増加し、Ｖma2（Ｖ）となる。Ｖma2＞Ｖma1である。同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電流の平均値Ｉpaは、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaとミグ溶接電圧の平均値Ｖmaとの電圧差ΔＶ＝Ｖpa−Ｖmaが予め定めた基準電圧値Ｖth以下であるので、電流設定値と等しいＩpa1（Ａ）のまま変化しない。同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは、トーチ高さＬｔが高くなりアーク負荷が大きくなるので増加し、Ｖpa2（Ｖ）となる。Ｖpa2＞Ｖpa1である。例えば、Ｉma2＝１８０Ａ、Ｖma2＝２９Ｖ、Ｖpa2＝４６Ｖ、基準電圧値Ｖth＝２０Ｖである。したがって、電圧差ΔＶ＝Ｖpa2−Ｖma2＝１７Ｖとなり、基準電圧値Ｖthよりも小さくなっている。

（３）時刻ｔ２〜ｔ３の期間（Ｌｔ＝Ｌ３）
同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流の平均値Ｉmaは、トーチ高さＬｔがさらに高くなりアーク負荷がさらに大きくなるのでさらに減少し、Ｉma3（Ａ）となる。Ｉma3＜Ｉma2＜Ｉma1である。同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧の平均値Ｖmaは、トーチ高さＬｔがさらに高くなりアーク負荷がさらに大きくなるのでさらに増加し、Ｖma3（Ｖ）となる。Ｖma3＞Ｖma2＞Ｖma1である。同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電流の平均値Ｉpaは、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaとミグ溶接電圧の平均値Ｖmaとの電圧差ΔＶ＝Ｖpa−Ｖmaが基準電圧値Ｖth超となるので、後述する電圧差修正制御によって電流設定値よりも減少してＩpa3（Ａ）となる。Ｉpa3＜Ｉpa1である。同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは、トーチ高さＬｔがさらに高くなりアーク負荷がさらに大きくなるので、さらに増加する。しかし、上記の電圧差ΔＶが基準電圧値Ｖth長となると後述する電圧差修正制御によってプラズマ溶接電流の平均値Ｉpaが減少するので、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは電圧差ΔＶが基準電圧値Ｖthと略等しくなる値Ｖpa3（Ｖ）となる。Ｖpa3＞Ｖpa2＞Ｖpa1である。例えば、Ｉma3＝１６０Ａ、Ｖma3＝３０Ｖ、Ｉpa3＝１００Ａ、Ｖpa3＝約５０Ｖ、基準電圧値Ｖth＝２０Ｖである。したがって、電圧差ΔＶ＝Ｖpa3−Ｖma3＝約２０Ｖとなり、基準電圧値Ｖthと略等しくなる。

上記の電圧差修正制御について説明する。電圧差修正制御は、以下の各ステップから成る。
１） 溶接中のプラズマ溶接電圧Ｖwpを検出し、ローパスフィルタに通してプラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaを算出する。同時に、溶接中のミグ溶接電圧Ｖwmを検出し、ローパスフィルタに通してミグ溶接電圧の平均値Ｖmaを算出する。プラズマミグ溶接では、溶接トーチの構造から、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaの方が、ミグ溶接電圧の平均値Ｖmaよりも大きな値となる。ローパスフィルタのカットオフ周波数は１〜１０Ｈｚ程度である。ミグ溶接電圧のカットオフ周波数を、プラズマ溶接電圧よりも低く設定しても良い。これは、ミグ溶接電圧はパルス波形であるので、これを略直流化するためである。ローパスフィルタに通す代わりに、ＲＣ回路によって平滑するようにしても良い。さらには、両電圧値を微小周期（１０〜１００μｓ）ごとにサンプリングしてデジタル値に変換し、この時系列のサンプリング値を移動平均することで平均化しても良い。
２） プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaからミグ溶接電圧の平均値Ｖmaを減算して電圧差ΔＶ＝Ｖpa−Ｖmaを算出する。
３） 電圧差ΔＶが予め定めた基準電圧値Ｖth以下であるときは、プラズマ溶接電流Ｉwpは電流設定値と等しい値に定電流制御される。
４） 電圧差ΔＶが基準電圧値Ｖth超となると、電流修正量ΔＩｒ＝Ｇ・（ΔＶ−Ｖth）を算出する。Ｇは予め定めた増幅率であり、負の値となる。例えば、Ｇ＝−１００である。ここで、ΔＶ−Ｖthは正の値となるので、電流修正量ΔＩｒは負の値となる。そして、プラズマ溶接電流Ｉwpは、電流設定値を電流修正量ΔＩｒだけ修正（減少）された値に定電流制御される。この結果、プラズマ溶接電流Ｉwpが減少して、電圧差ΔＶが基準電圧値Ｖthと略等しくなるようにプラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaが制御される。
５） 上記の１）〜４）が繰り返される。

（４）時刻ｔ３以降の期間（Ｌｔ＝Ｌ１）
トーチ高さＬｔがＬ１に戻り低くなるので、上記（１）項と同様の動作に戻ることになる。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電流の平均値Ｉmaは、トーチ高さＬｔがＬ１に戻るので増加して、Ｉma1（Ａ）となる。同図（Ｃ）に示すように、ミグ溶接電圧の平均値Ｖmaは、トーチ高さＬｔがＬ１に戻るので減少して、Ｖma1（Ｖ）となる。同図（Ｄ）に示すように、プラズマ溶接電流の平均値Ｉpaは、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaとミグ溶接電圧の平均値Ｖmaとの電圧差ΔＶ＝Ｖpa−Ｖmaが基準電圧値Ｖth以下となるので増加して、電流設定値と等しいＩpa1（Ａ）となる。同図（Ｅ）に示すように、プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaは、トーチ高さＬｔがＬ１に戻るので減少して、Ｖpa1（Ｖ）となる。電圧差ΔＶは基準電圧値Ｖth以下となる。

プラズマ溶接電圧の平均値Ｖpaとミグ溶接電圧の平均値Ｖmaとの電圧差ΔＶが大きくなうのは、同図のように、トーチ高さＬｔが、継手形状の変化、ウィービング、手振れ等によって高くなる場合である。プラズマ溶接電流Ｉwpは５０〜１５０Ａ程度の範囲で設定されることが多いが、この値が大きくなると電圧差ΔＶが大きくなる。電圧差ΔＶがどのくらいの値になると、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生するかは、溶接トーチの構造、センターガス及びプラズマガスの種類、電圧が印加される時間、送給速度等によって異なるが、２２〜３２Ｖ以上になると確率が高くなる。この値以上の電圧差ΔＶが２〜５秒以上継続して印加されると、異常なアーク放電が発生する場合が多い。したがって、上述した電圧差修正制御によって、電圧差ΔＶが異常なアーク放電を発生するおそれの高い値よりも小さくなるように制御している。このために、本実施の形態では、異常なアーク放電を防止することができる。ここで、基準電圧値Ｖthは、２０〜３０Ｖ程度の範囲で、異常なアーク放電が発生しない値に実験によって設定される。溶接トーチの構造、センターガス及びプラズマガスの種類、送給速度等に応じて基準電圧値Ｖthを適正化することが望ましい。

また、プラズマ溶接電流Ｉwpを上述した電圧差修正制御によって減少させるときに、予め定めた下限値を設けるようにしても良い。これは、プラズマ溶接電流Ｉwpが減少した値があまり小さくなると、プラズマアークの発生状態が不安定になるからである。下限値は、２０〜４０Ａ程度に設定される。

また、同図（Ｄ）の時刻ｔ２に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpを減少させるときに、同図のように急峻に減少させるのではなく、緩やかに傾斜を持たせて減少させるようにしても良い。同様に、同図（Ｄ）の時刻ｔ３に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpを増加させるときに、同図のように急峻に増加させるのではなく、緩やかに傾斜を持たせて増加させるようにしても良い。これらの傾斜は、１〜１０Ａ/ms程度に設定される。このように傾斜を持たせるのは、電流が緩やかに変化した方が、プラズマアークの発生状態をより安定に保つことができるからである。

同図は、上述したように、プラズマ溶接電流Ｉwpがパルス波形ではなく直流波形の場合であるが、パルス波形のときに電圧差修正制御によって減少させるときに以下のようにして行う。プラズマ溶接電流Ｉwpがピーク電流及びベース電流から形成されているときには、ピーク電流だけを減少させるか、ピーク電流及びベース電流を共に減少させるようにすれば良い。

図２は、上述した本発明の実施の形態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。

プラズマ電極１ｂは、中空形状に形成されている。給電チップ４は、このプラズマ電極１ｂの中空形状内に絶縁されて配置されている。そして、この給電チップ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。しかし、溶接ワイヤ１ａは、筒状の絶縁物８を介してプラズマ電極１ｂとは絶縁されている。絶縁物８は、例えばセラミックスから作製される。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。もちろん、溶接作業者が溶接トーチＷＴを手動で操作する場合もある。この場合には、溶接トーチＷＴは通常の溶接トーチに比べて大型で重いので、手振れを生じやすい。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。このために、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。同図に示すように、プラズマ電極１ｂの先端部と母材２との距離がトーチ高さＬｔ（mm）となる。

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からプラズマ溶接電源ＰＳＰに対して、図３で後述するミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaが出力される。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。ミグ溶接電源ＰＳＭからプラズマ溶接電源ＰＳＰに対して、上記のミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaが入力される。プラズマ溶接電源ＰＳＰの内部には、上述した電圧差修正制御を行うための回路（図４で後述する）が設けられている。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。

ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm、プラズマ溶接電流Ｉwp及びプラズマ溶接電圧Ｖwpの波形図は、上述した図５と同一である。

図３は、上述した図２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等の商用電源（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２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。ミグ溶接電圧平均値算出回路ＶＭＡは、この電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタ（カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって平均化（平滑化）して、ミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaを出力する。このミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaは、上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰにも出力される。

送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値によって定まる送給速度Ｆｗ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、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記のミグ溶接電圧平均値信号Ｖma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、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。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。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。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５（Ａ）で上述したミグ溶接電流Ｉwm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２を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。プラズマ溶接電源ＰＳＰには、上述したように、ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaが入力される。このプラズマ溶接電源ＰＳＰによって上述した電圧差修正制御が行われる。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等の商用電源（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を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図２のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。

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。電圧検出回路ＶＤは、プラズマ溶接電圧Ｖwpを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。プラズマ溶接電圧平均値算出回路ＶＰＡは、この電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタ（カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって平均化（平滑化）して、プラズマ溶接電圧平均値信号Ｖpaを出力する。

基準電圧値設定回路ＶＴＨは、予め定めた基準電圧値信号Ｖthを出力する。電圧差算出回路ＤＶは、上記のプラズマ溶接電圧平均値信号Ｖpa及びミグ溶接電源ＰＳＭからのミグ溶接電圧平均値信号Ｖmaを入力として、電圧差信号ΔＶ＝Ｖpa−Ｖmaを算出して出力する。電流修正量算出回路ＤＩＲは、この電圧差信号ΔＶ及び上記の基準電圧値信号Ｖthを入力として、図１で上述した以下の処理を行い、電流修正量信号ΔＩｒを出力する。
１） ΔＶ≦Ｖthのときは、ΔＩｒ＝０を出力する。
２） ΔＶ＞Ｖthのときは、ΔＩｒ＝Ｇ・ΔＶを算出して出力する。但し、Ｇは予め定めた増幅率であり、負の値である。したがって、ΔＩｒ＜０となる。

電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。加算回路ＡＤは、この電流設定信号Ｉｒ及び上記の電流修正量信号ΔＩｒを入力として、両値を加算して、電流加算設定信号Ｉarを出力する。電流制御設定回路ＩＣＲは、この電流加算設定信号Ｉarを入力として、この信号の値が予め定めた下限値以下のときは下限値に設定し、この信号の値が変化するときは予め定めた傾斜を有して変化するようにして、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。この回路によって、電流制御設定信号Ｉcrの値には下限値が設けられることになる。また、この回路によって、上記の電流修正量信号ΔＩｒが０から負の値に、又は負の値から０にステップ状に変化したときに、電流制御設定信号Ｉcrの変化に傾斜を持たせることができる。この傾斜を０にすれば、電流制御設定信号Ｉcrの変化は急峻になる。

電流誤差増幅回路ＥＩは、この電流制御設定信号Ｉcr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５（Ｃ）で上述した直流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が電流制御設定信号Ｉcr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。また、プラズマ溶接電源ＰＳＰでは、図１（Ｄ）及び（Ｅ）で上述したように、電圧差修正制御が行われる。

上述した実施の形態によれば、プラズマ電極に印加されるプラズマ溶接電圧の平均値と、溶接ワイヤに印加されるミグ溶接電圧の平均値との電圧差が基準電圧値よりも大きくなったときは、プラズマ溶接電流を減少させて電圧差が小さくなるようにしている。このために、プラズマ電極と溶接ワイヤとの間に異常なアーク放電が発生することを防止して、溶接トーチの損傷を防止すると共に、溶接品質を良好に維持することができる。

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
８ 絶縁物
ＡＤ 加算回路
ＤＩＲ 電流修正量算出回路
ＤＶ 電圧差算出回路
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 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉar 電流加算設定信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉma ミグ溶接電流の平均値
Ｉｐ ピーク電流
Ｉpa プラズマ溶接電流の平均値
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 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
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｔｂ ベース期間
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
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
ＶＭＡ ミグ溶接電圧平均値算出回路
Ｖma ミグ溶接電圧平均値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＰＡ プラズマ溶接電圧平均値算出回路
Ｖpa プラズマ溶接電圧平均値（信号）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＴＨ 基準電圧値設定回路
Ｖth 基準電圧値（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
ΔＩｒ 電流修正量（信号）
ΔＶ 電圧差（信号）

Claims (3)

1. 溶接トーチ内に配置されたプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電圧を印加して予め設定された値の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と共に、前記プラズマ電極を中空形状とし、前記プラズマ電極内に配置された給電チップを介して給電される溶接ワイヤを前記中空形状内を通って送給し、前記給電チップと母材との間にミグ溶接電圧を印加して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プラズマミグ溶接制御方法において、
   前記プラズマ溶接電圧の平均値と前記ミグ溶接電圧の平均値との電圧差が予め定めた基準電圧値よりも大きくなったときは前記プラズマ溶接電流を設定値から減少させて前記電圧差を小さくする、
   ことを特徴とするプラズマミグ溶接制御方法。
2. 前記プラズマ溶接電流を減少させるときに予め定めた下限値を設ける、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接制御方法。
3. 前記プラズマ溶接電流を減少させるときに傾斜を持たせる、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマミグ溶接制御方法。

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