JP2000271748A

JP2000271748A - プラズマアーク溶接装置及び方法

Info

Publication number: JP2000271748A
Application number: JP11077173A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Shintani; 俊哉新谷; Iwao Kurokawa; 巌黒川; Yosuke Imai; 陽介今井; Yoshitaka Aragaki; 淑隆新垣; Takeshi Ishii; 健石井; Hiroshi Aoyama; 洋青山; Yoshinori Sunaga; 義徳須長; Toru Shiina; 徹椎名; Yorito Uematsu; 偉人植松; Kengo Kamiya; 賢吾神谷
Original assignee: Komatsu Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマアーク溶接において、溶接時の爆飛
の発生を回避し、良好な溶接が達成できるようにする。【解決手段】（Ａ）に示すように、溶接を行う位置で
プラズマアーク２０を着火し、続いて、（Ｂ）に示すよ
うに、比較的に大きいパワーのプラズマアーク２０を用
いて上板２１に穴３１を穿つ。穴３１が貫通すると、
(Ｃ)に示すように、トーチ１は、穴３１を中心点とし
て、アークを２０を噴出しながら、溶接面に対して平行
な円運動を行う。トーチ１の円運動中に上板２１にアー
ク２０が作用することにより、その作用部分が溶融して
アーク２０の径よりも大きい直径の穴３４が形成され
る。そしてトーチ１は、下板２２を直接プラズマアーク
２０で加熱する。この加熱により、下板２２表面の低沸
点のコート物質の蒸気は上板２１に形成された大きい穴
３４を通じて外へ逃げる。コート物質を蒸発させた後、
プラズマトーチ１は、上板２１と下板２２を適正に溶融
させて溶接する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、プラズマアーク溶接に
関わり、特に、母材の融点より低い沸点をもつ物質で表
面がコーティングされている金属を溶接するのに適した
プラズマアーク溶接技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアーク溶接、例えばプラズマア
ークスポット溶接は、重ね合せた金属ワークの片側から
溶接できることから、複雑な形状のワークや大きなワー
クに対応できるといった利点を有するため、種々の分野
で利用されている。

【０００３】しかし、従来のプラズマ溶接では、母材の
融点より低い融点をもつ物質で表面がコーティングされ
た金属（例えば亜鉛メッキ鋼板等）を溶接すると、表面
のコーティング材が蒸発し、その蒸気が溶接部の溶融プ
ールを突き破って爆飛を生じさせたり、溶接部に穴を残
すなどするため、良質の溶接結果が得られないという問
題がある。

【０００４】この問題を解決するため、本件出願人は特
願平６−０６１１３８号において、プラズマアークのパ
ワーを調節することにより、蒸気抜きと本溶接の２工程
を連続的に行う溶接方法を提案している。すなわち、最
初に、比較的に大きいパワーのプラズマアークを用いて
溶接すべき鋼板の少なくとも一方に貫通穴を穿ち、この
貫通穴を通じてコーティング材の蒸気を逃がす。続い
て、プラズマアークのパワーを適度なレベルまで低下さ
せて、両鋼板を溶接する。しかし、この方法では、溶接
すべき２枚の鋼板間に隙間があると、隙間で溶融金属が
消費されるため、蒸気抜きの穴が後の溶接工程で平らに
埋まらなかったり、高い溶接強度が得られなかったり、
隙間が大きい場合には溶接自体ができなかったりするこ
とがある。

【０００５】そのため、本件出願人は、特願平９-０２
３０３８号において、溶接すべき２枚の鋼板間の隙間量
を検出し、その検出された隙間量に応じて溶接部にフィ
ラーを供給する溶接方法を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特願平６−０６１１３
８号及び特願平９−０２３０３８号の何れの溶接方法
も、本溶接を行う前段階において、表面のコーティング
材を蒸発させることにより除去する工程を有している。
しかし、コーティング材を蒸発させるために金属ワーク
に対して入熱する入熱範囲が限定されているため、コー
ティング材の除去が不十分となることがある。そのた
め、一定の確率で爆飛が発生することがあり、溶接品質
が安定しないという問題がある。

【０００７】従って、本発明の目的は、プラズマアーク
溶接において、溶接時の爆飛の発生を回避し、良好な溶
接が達成できるようにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の側面に従
うプラズマアーク溶接装置は、ワークに、溶接のため用
いるプラズマアークの径より大きな穴を穿つ穴開け工程
を行い、その後にワークを溶接するための本溶接工程を
行うよう、プラズマアークを制御するプラズマ制御手段
を備えた。

【０００９】本発明の第１の側面に係る好適な実施形態
では、プラズマアークを噴出するプラズマトーチと、ワ
ークとを相対的に移動させる手段を更に有し、それによ
り、穴開け工程が実現される。穴開け工程により穿たれ
る穴の径は、プラズマアークの径の１・５〜３倍の範囲
内である。

【００１０】上記実施形態に係る変形例では、プラズマ
トーチをロボットに装備し、そのロボットがプラズマト
ーチとの間に小円コンパス機構を有し、それにより、穴
開け工程が実現される。

【００１１】本発明の第２の側面に従うプラズマアーク
溶接方法は、プラズマアークを用いて、プラズマアーク
の径より大きな直径の穴をワークに穿つ穴開けステップ
と、穴開けステップの後に、プラズマアークを用いてワ
ークを溶接する本溶接ステップとを備えたもので、穴開
けステップでは、プラズマアークを噴出するプラズマト
ーチとワークとを相対的に移動させることにより、穴を
ワークに穿つ。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、ロボットに搭載した本発
明のプラズマアーク溶接装置の一実施形態の全体構成を
示す。

【００１３】ロボット１０のアーム先端にプラズマトー
チ１が取り付けられている。ロボットコントローラ４に
よりロボット１０の動きや姿勢が制御されて、ワーク２
のあらゆる方向の溶接が可能であり、また、その溶接面
に対して平行な円運動等を行うことも可能である(この
ロボット１０の円運動については後で詳述する)。溶接
電源３は、プラズマアーク溶接を行うのに必要な電力、
プラズマガス及びシールドガスをプラズマトーチ１に供
給し、かつプラズマガス流量、シールドガス流量、溶接
電流値、溶接時間等を含む溶接条件の制御も行う。高周
波ユニット５はパイロットプラズマアーク発生時、絶縁
破壊を起こすための高周波電力を発生する。プラズマト
ーチ１のガス入口にガス流量切換器６が取付けられてい
る（図２）。ガス流量切換器６は、溶接電源３からの指
令に応答してプラズマ及びシールドガスの流量を大／小
に切換える。プラズマトーチ１の先端近傍にフィラーノ
ズル７が取付けられている。ワイヤ状のフィラー（充填
材）が、フィラー送給装置８から送り出され、フィラー
ノズル７を通じて、プラズマトーチ１の先方に供給され
るようになっている。フィラー送給装置８は、溶接電源
３からの指令に応答して、フィラーを送り出したり、停
止したりする。

【００１４】図２は、溶接電源３の構成を、これに関連
する要素と共に示す。

【００１５】溶接電源３は、制御された圧力のプラズマ
ガス及びシールドガスをプラズマトーチ１に供給するた
めのガス制御器１２を備える。プラズマガス及びシール
ドガスの流量はそれぞれ、ガス流量切換え器６内での開
閉弁の切換えによって大小２段階に切換えることができ
る。ガス流量切換え器６の切換え動作とプラズマトーチ
１からの噴出ガスの実際の流量変化との間に実質的な時
間遅れがないよう、ガス流量切換器６はプラズマトーチ
１に可能な限り近接した位置（例えば、プラズマトーチ
１のガス入口）に取付けられている。

【００１６】溶接電源３は、また、プラズマアーク２０
の発生及び維持に必要な制御された電力（電圧及び電
流）をプラズマトーチ１に供給するためのプラズマ電源
１１と、ワーク２の２枚の鋼板２１、２２間の隙間２３
の大きさ（間隔）を測る隙間判定装置１３とを含む。プ
ラズマ電源１１は、溶接中、供給電流（プラズマアーク
２０の電流）を目標値に一致させるように定電流制御を
行う（後述するように、電流目標値は工程に応じて変更
される）。隙間判定装置１３は、溶接中のプラズマ電源
１１の発生電圧（つまり、プラズマトーチ１とワーク２
間の電圧、つまり、プラズマアーク２０での電圧降下）
をモニタし、後述する方法により鋼板２１、２２間の隙
間２３の大きさを決定する。

【００１７】フィラーノズル７の近傍に、フィラー９を
事前に加熱するためのフィラーヒータ１５が設けられて
おり、このフィラーヒータ１５用の電源１６も溶接電源
３に含まれている。フィラー９を事前に加熱すること
は、フィラー９がプラズマアーク２０内に入ってから溶
融するまでの時間を短縮して溶接速度を高める利点があ
る。

【００１８】溶接電源３には、更に、上述した各種要素
を制御するための溶接コントローラ１４が備えられてい
る。溶接コントローラ１４は後述するような手順で上記
各種要素の制御を行うが、その制御動作には、ガス制御
器１２を駆動及び停止させること、ガス流量切換え器６
に流量切換えの指示を与えること、フィラー送給装置８
を駆動及び停止させること、フィラーヒータ用電源１６
を駆動及び停止させること、プラズマ電源１１を駆動及
び停止させること、プラズマ電源１１に電流目標値を与
えること、プラズマ電源１１の供給電圧をモニタして隙
間判定装置１３から隙間２３の大きさに応じたフィラー
供給量や溶接時間のような溶接条件を取得すること、プ
ラズマ電源１１の供給電圧をモニタして溶接工程の変更
タイミングを決定すること、などが含まれる。

【００１９】図３及び図４は、本発明に従うプラズマア
ーク溶接方法の一実施形態の流れを示す。

【００２０】まず、図３（Ａ）に示すように、溶接を行
う位置でプラズマアーク２０を着火し、続いて、同図
（Ｂ）に示すように、比較的に大きいパワーのプラズマ
アーク２０を用いて、プラズマトーチ１に近い側の鋼板
（以下、上板という）２１に穴３１を穿つ。このとき、
プラズマアーク２０のパワーを大きくするために、プラ
ズマ電流及びプラズマガス流量のうちの一方又は双方が
高い値に制御される。上板２１にプラズマアーク２０が
作用すると、そのスポット部分が溶融して図示のように
吹き飛ぶか又は穴３１の周囲に盛り上がり、そして穴３
１が貫通する。大パワーのプラズマアーク２０を用いる
ので、短時間で穴３１を開けることができる。

【００２１】穴３１が貫通すると、次に、図３(Ｃ)に示
すように、プラズマトーチ１は、穴３１(厳密には穴３
１の中心点)を中心点として、プラズマアーク２０を噴
出しながら、溶接面に対して平行な円運動を行う（この
円運動の直径は、プラズマアーク２０の径よりも大きい
ものとする）。プラズマトーチ１の円運動中に上板２１
にプラズマアーク２０が作用することにより、その作用
部分が溶融してプラズマアーク２０の径よりも大きい直
径の穴３４が形成される。

【００２２】大きい穴３４が形成されると直ちにプラズ
マアーク２０のパワーを溶接に適した値まで低減させて
（つまり、プラズマ電流及びプラズマガス流量を溶接に
適した値に制御して）、図４(Ｄ)に示すように、プラズ
マトーチ１は大きい穴３４の中心点に移動して、プラズ
マトーチ１から遠い側の鋼板（以下、下板という）２２
を直接プラズマアーク２０で加熱する。この加熱によ
り、下板２２表面の低沸点のコーティング材の蒸気は上
板２１に形成された大きい穴３４を通じて外へ逃げる。

【００２３】この蒸発の過程を図５及び図６を用いて説
明する。

【００２４】図５(Ａ)のように、大きい穴３４が形成さ
れた後、穴３４の中心にあたる下板２２の部分がプラズ
マアーク２０によって加熱され、加熱された部分のコー
ティング材(例えば亜鉛メッキ)が蒸発する。そして加熱
時間が長くなるにしたがって、亜鉛メッキの蒸発範囲Ｄ
は、穴３４の径と同等の大きさか若しくはそれ以上の大
きさにまで拡大する(良好な溶接のためには蒸発範囲Ｄ
は穴３４の径以上の大きさが望ましい)。

【００２５】また、図６のように鋼板を３枚重ねて溶接
する場合も上記と同様である。つまり、下板２２(プラ
ズマトーチ１より最も遠い鋼板)以外の鋼板には、大き
い穴３４が形成された後、下板２２への加熱により、加
熱された部分の亜鉛メッキが蒸発する。そして加熱時間
が長くなるにしたがって、亜鉛メッキの蒸発範囲Ｄは拡
大する。

【００２６】なお、この蒸気抜きの穴３４の直径はプラ
ズマアーク２０の径より大きいため、プラズマアーク２
０がコーティング材を蒸発させるために下板２２を加熱
している途中でも、穴３４の上板２１の縁部分はアーク
中による加熱を受けにくい。従って、プラズマアーク２
０は、穴３４を拡大することなく、下板２２のみを効率
よく加熱することが可能である。しかし穴３４があまり
にも大きいと後でフィラーにより穴３４を埋めることが
困難になるので、穴３４の直径はプラズマアーク太さの
径の１．５倍から３倍の範囲内に収まるのが最適であ
る。

【００２７】コーティング材を蒸発させた後、プラズマ
トーチ１は、上板２１と下板２２を適正に溶融させて溶
接する（この動作を以下、「本溶接」という）。このと
き、図４（Ｅ）に示すように、フィラー９がプラズマア
ーク２０内に送り込まれる。すると、プラズマアーク熱
で溶融したフィラー３２が溶接スポットへ供給されて、
鋼板間の隙間２３及び穴３４を埋めていく。最終的に、
図４（Ｆ）に示すように穴３４が埋め戻され、かつ隙間
２３も埋まって鋼板２１、２２間の溶接が確立する。こ
の段階で、フィラー９をプラズマアーク２０外へ引出し
その送給を停止させ、続いて、プラズマアーク２０を消
す。これで、１回の溶接が終了する。

【００２８】穴３４を完全に埋めるために必要なフィラ
ー９の供給量は、上板２１の厚み、穴３４のサイズ、隙
間２３の大きさ等の要因によって決まるが、これらのう
ち、各溶接回毎に変動する要因は通常、隙間２３の大き
さである。溶接終了後に穴３４が凹みとして残らないよ
うにすることが望ましいから、これを達成するために、
一つの方法として、事前に予想される隙間２３の最大値
に合せて、１溶接回でのフィラー供給量を設定しておく
ことができる（この方法を使用する溶接装置では、図２
に示した隙間判定装置１３は不要である）。この方法は
簡単であって、かつ確実に穴３４を埋めることができる
が、隙間２３が予想最大値より小さいときは、必然的に
溶接部に盛り上がりが残るので外観は良くない。そこ
で、別の方法として、各溶接回毎に、（例えば、図２に
示した隙間判定装置１３を用いて）隙間２３の大きさを
測定して、測定値に応じた適量にフィラー供給量を制御
することもできる（この方法の詳細は後述する）。な
お、フィラー供給量を調節する方法としては、例えば、
図４（Ｅ）に示した本溶接工程において、フィラーの送
給速度は一定に維持しておき、その送給時間長を調節す
る方法がある。この調節方法を用いる場合、フィラー送
給時間長に応じて、本溶接工程の時間長も調節する必要
がある場合がある。

【００２９】図７、図８、図９及び図１０に、図３(Ｃ)
の工程で行われるプラズマトーチ１の円運動が可能なロ
ボット３の構造図の例を示す。

【００３０】図７では、ロボット３はその稼動範囲内に
おいてはあらゆる姿勢及び動きが可能であるため、ロボ
ップラズマトーチチングにより、ロボット３の先端にあ
るプラズマトーチ１は上述の円運動を行う。すなわち、
ロボットコントローラ４に、この溶接のために考えられ
得る運動プログラムを組み込むことにより、所期の目的
を達成する。

【００３１】図８では、ロボット３のロボットハンド２
５とプラズマトーチ１との間に小円コンパス２７が設け
られている。ロボットコントローラ４には小円コンパス
２７を制御する運動プログラムも組み込まれており、最
初の小さい穴３１が貫通した後、ロボットハンド２５は
固定されたまま、小円コンパス２７の動きだけで、プラ
ズマトーチ１は上述の円運動を行い、蒸気抜き用の大き
い穴３４を形成する。

【００３２】図９では、プラズマトーチ１は多段式の構
造であり、その内の一部の段構造内部に偏心運動可能な
機構を内蔵して、その偏心運動により上述の円運動を行
う（図中では、プラズマトーチ１は２段式の構造で、プ
ラズマトーチ１上部の段構造内に、プラズマトーチ１下
部(プラズマアーク噴出側)を円運動させる機構を有して
いる）。従って、最初の小さい穴３１が貫通した後、ロ
ボット３は固定されたまま、上述の偏心運動によりプラ
ズマトーチ１下部は円運動を行い、蒸気抜き用の大きい
穴３４を形成する。

【００３３】或いは、図１０に示すように、最初の小さ
い穴３１を貫通後、プラズマトーチ１下部のみが、プラ
ズマトーチ中心軸と溶接面法線がある角度をなすように
動き、そのまま固定され、そしてプラズマトーチ１が回
転することにより、プラズマアーク２０の先端部が上板
２１上で円運動を行うようにしてもよい（従って、蒸気
抜き用の大きい穴３４の形成に関しては、プラズマトー
チ中心軸と溶接面法線が平行である必要はない）。

【００３４】図１１は、図３に示した溶接方法を行うと
きの、プラズマ電流、プラズマガス流量、シールドガス
流量、フィラ一送給の制御方法の一実施形態を示す。

【００３５】１回の溶接は、プラズマアーク点火前から
ガスを流して適正な雰囲気を調整しておくプリフロー工
程、大パワーのプラズマアークで蒸気抜き用穴を貫通さ
せる穴開け工程、フィラーで隙間と穴を埋めつつ適正パ
ワーのプラズマアークで溶接を行う本溶接工程、及びプ
ラズマアーク消火後もガスを流して溶接部の酸化を防ぐ
アフターフロー工程の４工程から構成される。

【００３６】図１１に示す制御方法では、プラズマガス
流量及びシールドガス流量は、上記４工程を通じて、そ
れぞれ所定の一定値に維持される。プラズマ電流（ここ
の説明では、パイロットプラズマアークを除いた、鋼板
に実質的に作用するメインプラズマアークの電流を指
す）は、穴開け工程では比較的高い値に制御され、その
後の本溶接工程ではより低い溶接適正値に制御される。
フィラー送給は、本溶接工程中にだけ、設定されたフィ
ラー供給量に応じた時間長だけ行われる。前述したよう
に、穴開け工程でメインプラズマアーク電流を高くする
ことにより、プラズマアークのパワーが大きくなり、高
速に蒸気抜き用穴を開けることができる。

【００３７】図１２は、プラズマ電流、プラズマガス流
量、シールドガス流量、フィラ一送給の制御方法の別の
実施形態を示す。

【００３８】この制御方法では、メインプラズマアーク
電流は一定値に維持しておき、代りにプラズマガス流量
を大きくすることにより、穴開け工程で大きいプラズマ
アークパワーを得るようにしている。穴開け工程前のプ
リフロー工程からプラズマガス流量を大きくしておけ
ば、穴開け工程の開始がスムーズである。穴開け工程で
のプラズマアークパワーを大きくするために、図１１の
方法のようにプラズマ電流を高めることと、図１２の方
法のようにプラズマガス流量を多くすることとを併用す
ることも可能である。

【００３９】図１１又は図１２に示した制御方法を図２
に示した溶接装置で実行する場合、プラズマ電流の制御
はプラズマ電源１１に対する目標電流値を調節すること
により行え、プラズマガス及びシールドガスの流量制御
はガス制御器１２の圧力調節とガス流量切換え器６の切
換えにより行え、また、フィラ一送給の制御はフィラー
送給装置８の駆動／停止により行える。これらの動作
は、溶接コントローラ１９内のコンピュータ（図示せ
ず）がプログラムに従って、プラズマ電源１１、ガス制
御器１２、ガス流量切換え器６、及びフィラー送給装置
８に指令を与えることによって実施される。

【００４０】図１３、図１４及び図１５は、従来の溶接
方法と本発明に従う２種類の溶接方法とをテストして得
られた、「亜鉛メッキ除去範囲の比較」、「爆飛発生頻
度の比較」及び「溶接強度の比較」を示す。

【００４１】ここで、従来の溶接方法とは、特願平９−
０２３０３８号の方法、つまり、プラズマトーチを固定
して穴を開け、その後、本溶接工程を行なう方法であ
り、そのテスト結果は図中「プラズマトーチ固定方式」
のグラフで示し、本発明に従う溶接方法のテスト結果は
「プラズマトーチ回転方式」のグラフで示す。また、図
１３の縦軸の亜鉛メッキ除去範囲とは、下板２２の表面
にメッキされた亜鉛がプラズマアーク２０に加熱される
ことにより蒸発（除去）した円形部分の直径である。図
１４及び１５の横軸の「隙間」とは、上板２１と下板２
２との間の隙間の大きさであり、図１４の縦軸の「爆飛
発生頻度」とは、本溶接工程における爆飛の発生割合で
あり、図１５の縦軸の「溶接強度」とは、スポット溶接
で１個の溶接部を形成した上板２１と下板２２との間で
引っ張り試験を行って得られた引っ張り強度である。テ
ストで用いた具体的な条件は以下の通りである。

【００４２】図１３の「亜鉛メッキ除去範囲の比較」で
は、上板は厚さ０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板、下板は厚
さ０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板である。

【００４３】図１４の「爆飛発生頻度の比較」では、上板
は厚さ０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板、下板は厚さ０．８
ｍｍの亜鉛メッキ鋼板である。

【００４４】図１５の「溶接強度の比較」では、上板は厚
さ０．７ｍｍの亜鉛メッキ鋼板、下板は厚さ０．７ｍｍ
の亜鉛メッキ鋼板である。

【００４５】更に、上記の全てのテストの共通な条件と
して、プラズマトーチのノズル径はφ２．２ｍｍ、「ト
ーチ回転方式」の回転径はφ６ｍｍ、プラズマガス及び
シールドガスはアルゴン＋７％水素、プラズマガス流量
は穴開け工程時が４．２リットル／ｍｉｎ、本溶接工程
時が１．６リットル／ｍｉｎである。フィラー径はφ
０．９ｍｍである。

【００４６】図１３から分るように、従来の「プラズマ
トーチ固定方式」よりも、本発明の「プラズマトーチ回
転方式」の方が、下板２２にメッキされた亜鉛を広範囲
にわたって(「プラズマトーチ固定方式」の約２倍の範
囲にわたって)除去している。

【００４７】図１３の結果から、本発明の「プラズマト
ーチ回転方式」によって亜鉛による爆飛発生頻度が抑制
されることが想定されるが、図１４を参照するとそれが
明らかになっている。特にそれが顕著なのは、隙間が
０.２〜０.５ｍｍの範囲である。従来の「プラズマトー
チ固定方式」では隙間０.２〜０．５ｍｍのときに爆飛発
生頻度が高くなっている(図中では、隙間０．２ｍｍの
ときにピークとなっている)が、本発明の「プラズマトー
チ回転方式」では、隙間が０〜１．２ｍｍの広い範囲に
わたて比較的に低い値で安定している。

【００４８】溶接強度については、図１５から分るよう
に、本発明の「プラズマトーチ回転方式」は、従来の
「プラズマトーチ固定方式」に比較して、隙間の大小に関
わらず引張り強度は比較的に高い値で安定している。

【００４９】本発明の「プラズマトーチ回転方式」で
は、隙間量に応じて溶接条件を変化させることも可能で
ある。この隙間測定のための２種類の方法を以下に説明
する。第１の方法は、穴開け工程終了時点におけるプラ
ズマアーク電圧値から隙間量を決定する方法であり、第
２の方法は、穴開け工程中のプラズマアーク電圧の時間
的な変化の傾きから隙間量を決定する方法である。ま
ず、第１の方法から説明する。

【００５０】図１６は、図１１に示すような制御方法を
行ったときのプラズマアーク電流と電圧の変化を示した
ものである（シールドガス流量が６リットル／ｍｉｎの
条件下で測定）。図１１の制御方法では、既に説明した
ように、プラズマアーク電流は穴開け工程の間比較的高
い値一定に制御され、穴開け工程が終わると比較的に低
い値に落とされ、以後の本溶接工程ではその低い値一定
に制御される。図１６の電流波形はこのようなプラズマ
アーク電流の変化を示しており、電圧波形はそのときの
プラズマアーク電圧の変化を示している。図示のよう
に、穴開け工程が終わると、プラズマアーク電圧は低下
して時点ｔ１（図１６の例では、穴開け工程開始から
０．８〜０．８５秒）でほぼ一定値に静定するが、この
静定したプラズマアーク電圧は隙間量に応じて異なる値
Ｖ１、Ｖ２を示す。すなわち、隙間量が大きいほどより
高い値を示す。その理由は、隙間量が大きいほど下板２
２がプラズマトーチ１から遠くなるので、その分だけプ
ラズマアーク柱が長くなり電圧降下が増すためと推測さ
れる。図１７は、この静定したプラズマアーク電圧と隙
間量との概略的な関係を示しており、プラズマアーク電
圧は、あるオフセット値Ｖ０をもって、隙間量にほぼ比
例する。従って、図１７に示すような隙間量とプラズマ
アーク電圧との関係（実際上は、隙間量に対応したフィ
ラー送給量（送給時間）とプラズマアーク電圧との関
係）を図２に示した溶接コントローラ１４内に例えばル
ックアップテーブルの形式で記憶させておき、各溶接回
において、穴開け工程終了後の時点ｔ１でプラズマアー
ク電圧を測定して（例えば、穴開け工程開始から０．８
〜０．８５秒の時間区間で０．００１秒毎にプラズマア
ーク電圧をサンプリングして平均値を求める）、その測
定値を用いてルックアップテーブルをアドレスすること
により、隙間量（実際上は、隙間量に対応したフィラー
送給量（送給時間））を決定することができる。

【００５１】図１８は、この隙間量測定方法を実施する
ための隙間判定装置１３の構成を示す。

【００５２】隙間判定装置１３は、測定部１３２、フィ
ルタ部１３３、演算部１３４、一時記憶部１３５、基準
値記憶部１３６及び比較部１３７を有し、これらの要素
はインタフェース部１３８を介して相互通信可能であ
り、かつ溶接コントローラ１４とも通信可能である。測
定部１３２は、穴開け工程開始から０．８〜０．８５秒
の間、プラズマ電源１１の発生するプラズマアーク電圧
をサンプリングする。フィルタ部１３３は、サンプリン
グされたプラズマアーク電圧サンプル値にフィルタリン
グ処理を施して雑音成分を除去する。演算部１３４は、
測定区間で得られた一連のサンプル値から平均値を演算
する。一時記憶部１３５は、一連のサンプル値や平均値
を一時的に記憶する。基準値記憶部１３６は、上述した
ルックアップテーブルを記憶している。比較部１３７
は、平均値を用いてルックアップテーブルをアドレスす
ることにより、隙間量に対応したフィラー送給時間を決
定し、かつフィラー送給時間に応じて本溶接工程の時間
も決定し、これら決定した溶接条件を溶接コントローラ
１４に通知する。溶接コントローラ１４は、決定された
フィラー送給時間及び本溶接工程時間に従って、本溶接
工程においてフィラー送給装置８やプラズマ電源１１を
制御する。

【００５３】図１９は、図１８の隙間判定装置１３が行
う動作の流れを示す。

【００５４】まず、溶接開始（Ｓ１）と同時にタイマを
起動し（Ｓ２）、タイマが測定区間（穴開け工程開始か
ら０．８〜０．８５秒）を示している間（Ｓ３）、プラ
ズマアーク電圧を０．００１秒間隔でサンプリングし
（Ｓ４）、フィルタリング処理を施し（Ｓ５）、一時記
憶部１３５に記憶する。測定区間が終了したら（Ｓ
６）、全てのサンプル値の平均値を計算し（Ｓ７）、こ
の平均値を用いてルックアップテーブルからフィラー送
給量を読み出す（Ｓ８）。テーブル読み出しの際は、平
均値に最も近いテーブル内のプラズマアーク電圧値に対
応するアドレスからフィラー送給量を読出す。そして、
読み出したフィラー送給量に応じて本溶接工程の溶接条
件を選択し（Ｓ９）、溶接コントローラ１４に通知す
る。

【００５５】この第１の隙間量測定方法は、図１１に示
した制御方法のみに限らず、図１２に示した制御方法で
も採用することができる。図１２の制御方法でも、穴開
け工程が終わってプラズマアーク電圧が静定したばかり
の時間区間でプラズマアーク電圧を測定する。

【００５６】この第１の隙間量測定方法では、溶接回数
が増えるにつれて図１８に示すプラズマトーチ１内の電
極１３１が消耗していくと、最初に設定したルックアッ
プテーブルを修正しなければならならず、また、プラズ
マトーチ１のスタンドオフ（ワークからの距離）がワー
ク毎にまちまちである場合には測定ができないという問
題がある。何故なら、図１７に示したオフセット電圧Ｖ
０は、プラズマトーチ１内の電極１３１の先端とワーク
２の表面との距離によって変化するからである。

【００５７】第２の隙間量測定方法は、この問題を解決
したものである。図２０及び図２１は、この第２の方法
の原理を説明するためのプラズマアーク電流とプラズマ
アーク電圧との関係を示したものである。

【００５８】図２０及び図２１に示すいずれの場合も、
プラズマアーク電流を複数回にわたり大きい電流値と小
さい電流値とに切換えている、つまり、大きい電流値を
もったプラズマアーク電流の矩形パルスを複数個繰り返
して流している。ここで、このプラズマアーク電流パル
スのもつ大きい電流値は、図８に示した穴開け工程時の
プラズマアーク電流値のように鋼板に確実に穴を穿つこ
とができる電流値であり、一方、パルスとパルスの間の
パルス休止時の小さいプラズマアーク電流値は、図１２
の本溶接工程で使用した電流値よりも低い、鋼板に穴を
穿つことはできないようなプラズマアーク電流値であ
る。

【００５９】図２０及び図２１から分かるように、プラ
ズマアーク電流パルスのときのプラズマアーク電圧は、
パルス休止時のプラズマアーク電圧はより低い値を示す
が、この低いプラズマアーク値はプラズマアーク電流パ
ルスの回数が増えるにつれて直線状に上昇していく。そ
こで、隙間量が異なる（例えば、隙間量０ｍｍと隙間量
１．２ｍｍの）場合について、一連のプラズマアーク電
流パルス時のプラズマアーク電圧の上昇直線を図中の点
線のように求めてみると、上昇直線の傾き（つまり、プ
ラズマアーク電圧の上昇率）が隙間量に応じて異なるこ
とが分かる。一般的には、隙間量とプラズマアーク電圧
上昇率との間に図２２に示すような関係が認められる。
すなわち、プラズマアーク電流パルスを流したときのプ
ラズマアーク電圧上昇率は、あるオフセット上昇率Ｒ０
をもって、隙間量に対してほぼ比例的に変化する。この
図２２に示した特性は、電極の消耗やプラズマトーチの
スタンドオフの変化にほとんど影響されず、安定してい
る。

【００６０】また、図２０はシールドガス流量を４リッ
トル／ｍｉｎとした場合を示し、図２１はシールドガス
流量を１０リットル／ｍｉｎとした場合を示すが、両図
を比較して分かるように、シールドガス流量がより小さ
い図２０の場合の方が、隙間量に応じたプラズマアーク
電圧上昇率の相違が、より顕著に現れている。

【００６１】以上の事実を利用して第２の測定方法を行
うために、図２３に示すような制御方法を採用する。

【００６２】図２３の制御方法では、上述したようなプ
ラズマアーク電流パルスを穴開け工程で流し、穴開け工
程が終わると、隙間量（実際的には、隙間量に応じたフ
ィラー供給量）を決定し溶接条件を選択する工程を行
い、その間はプラズマアーク電流を溶接適正値より若干
低くし、その後にプラズマアーク電流を溶接適正値にし
て本溶接工程を行う。また、プラズマガス流量は、図１
２の方法と同様に終始溶接適正値としてもよいが、図２
３示すように（つまり、図１２の制御方法と同様に）穴
開け工程が終わるまでは大きい値に制御し、穴開け工程
の後に溶接適正値に戻すようにした方が、高速に穴開け
ができると共に、隙間量に応じたプラズマアーク電圧上
昇率の相違も顕著になるため、望ましい。また、シール
ドガス流量は、穴開け工程が終わるまでは適正値より若
干少ない値とし、穴開け工程の後に適正値に戻す。穴開
け工程での少ないシールドガス流量は、溶接部の酸化の
問題が生じる程までに少な過ぎないよう、適切に設定す
ることが肝要である。フィラー送給は、溶接条件選択工
程で決定されたフィラー送給量に応じた時間だけ、本溶
接工程で行う。

【００６３】第２の隙間量測定方法は、図１８に示した
構成の隙間判定装置１３によって実施することができ
る。この場合、測定部１３２は、穴開け工程中のプラズ
マアーク電流パルスを流している時にプラズマアーク電
圧をサンプリングする。例えば、図２０に示した波形の
プラズマアーク電流パルスを用いるならば、穴開け工程
開始から例えば０．１秒、０．３秒、０．５秒の３時点
をそれぞれ中心にした例えば０．０４秒幅の３つの時間
区間ア、イ、ウに、例えば０．００１秒間隔でプラズマ
アーク電圧をサンプリングする。また、演算部１３４
は、サンプリングされた１２０個のプラズマアーク電圧
サンプリング値を用いて直線回帰計算を行ない、得られ
た回帰直線（つまり、図２０の点線）からその傾き、つ
まりプラズマアーク電圧上昇率を求める。基準値記憶部
１３６には、プラズマアーク電圧上昇率と隙間量（実際
上は、隙間量に対応するフィラー供給量（供給時間））
との対応を示したルックアップテーブルが記憶されてい
る。比較部は、計算されたプラズマアーク電圧上昇率を
用いてルックアップテーブルをアドレスすることによ
り、隙間量に対応したフィラー供給量（供給時間）を取
得して、これを制御部１３８へ送る。

【００６４】図２４は、第２の隙間量測定方法を行う時
の隙間判定装置１３の動作を示す。

【００６５】まず、溶接の開始（Ｓ１１）と同時にタイ
マを起動し（Ｓ１２）、タイマが測定区間（穴開け工程
開始から０．１秒、０．３秒、０．５秒経過の時点をそ
れぞれ中心にした０．０４秒幅の時間区間）を示してい
る間（Ｓ１３）、プラズマアーク電圧を０．００１秒間
隔でサンプリングし（Ｓ１４）、サンプル値にフィルタ
リング処理を施し（Ｓ１５）、これを一時記憶部１３５
に記憶する。これを３つの測定区間について繰り返し
（Ｓ１６）、全ての測定区間が終了したら（Ｓ１７）、
全てのサンプル値を用いて直線回帰計算を行ってプラズ
マアーク電圧上昇率を求める（Ｓ１８）。そして、この
プラズマアーク電圧上昇率を用いてルックアップテーブ
ルをアドレスすることにより、隙間量に応じたフィラー
送給量を読み出し（Ｓ１９）、読み出したフィラー送給
量に応じて本溶接工程の溶接条件（例えば、フィラー送
給時間、本溶接工程の時間）を選択し（Ｓ２０）、溶接
コントローラ１４に通知する。

【００６６】以上、本発明の好適な実施形態を説明した
が、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるわけで
はなく、他の種々の態様でも実施できることはいうまで
もない。例えば、蒸気抜きの穴３４を形成するために
は、図７、図８、図９及び図１０に示した機構以外のも
のを用いてもよい。例えば、ワーク２が固定されている
ワークテーブルの位置をＸＹ平面上で把握し、その位置
を把握しながらワークテーブルをＸＹ平面上で移動させ
る機構でもよい。すなわち、前述のようにワーク２側を
固定してプラズマトーチ１側を動かすのではなくて、プ
ラズマトーチ１側を固定したままワーク２側を動かせる
ことにより、プラズマトーチ１とワーク２の位置を相対
的に変化させるということである。また大きい穴３４の
形状は真円が望ましいが、必ずしもそうである必要はな
く、例えば、多角形や楕円形、或いはそれらの組合せ等
の種々の図形が採用され得る。このように真円以外の穴
にするメリットは、例えば、楕円状の穴を形成し、溶接
ナゲットも楕円状に形成させることで、細長い部位でも
溶接ナゲット面積を大きくすることが可能であるので、
１つの溶接点で、より大きな溶接強度を得られるという
ことである。

【００６７】また、プラズマアーク電流やシールドガス
流量やフィラー供給の制御パターンは図１１、１２、２
３に例示したもの以外のものも採用できるし、また、隙
間量に応じて、フィラーの供給量だけでなく、他の溶接
条件（例えば、プラズマアーク電流、プラズマアーク電
圧、プラズマガス流量、プラズマガス種類、シールドガ
ス流量、シールドガス種類、スタンドオフなど）も最適
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロボットに搭載した本発明のプラズマアーク溶
接装置の一実施形態の全体構成を示す斜視図。

【図２】溶接電源３の構成を、関連する要素と共に示し
たブロック図。

【図３】本発明に従うプラズマアーク溶接方法の一実施
形態の流れを示す模式図。

【図４】本発明に従うプラズマアーク溶接方法の一実施
形態の流れを示す模式図。

【図５】鋼板２枚を溶接するときの、コーティング材
(亜鉛メッキ)の蒸発する過程を示す模式図。

【図６】鋼板３枚を溶接するときの、コーティング材
(亜鉛メッキ)の蒸発する過程を示す模式図。

【図７】プラズマトーチの動きの一例を示す斜視図。

【図８】プラズマトーチの動きの一例を示す斜視図。

【図９】プラズマトーチの動きの一例を示す斜視図。

【図１０】プラズマトーチの動きの一例を示す斜視図。

【図１１】図３及び図４に示した溶接方法を行うとき
の、プラズマ電流、プラズマガス流量、シールドガス流
量、フィラ一送給の制御方法の一実施形態を示すタイミ
ングチャート。

【図１２】図３及び図４に示した溶接方法を行うとき
の、プラズマ電流、プラズマガス流量、シールドガス流
量、フィラ一送給の制御方法の別の実施形態を示すタイ
ミングチャート。

【図１３】従来の溶接方法と本発明に従う２種類の溶接
方法とをテストして得られた亜鉛メッキ除去範囲の比較
を示す図。

【図１４】従来の溶接方法と本発明に従う２種類の溶接
方法とをテストして得られた爆飛発生頻度の比較を示す
図。

【図１５】従来の溶接方法と本発明に従う２種類の溶接
方法とをテストして得られた溶接強度の比較を示す図。

【図１６】図１１に示す制御方法を行ったときのプラズ
マアーク電流と電圧の変化を示した波形図。

【図１７】隙間量とプラズマアーク電圧との関係を示し
た図。

【図１８】隙間量測定方法を実施するための隙間判定装
置１３の構成を示すブロック図。

【図１９】図１８の隙間判定装置１３が行う動作を示す
フローチャート。

【図２０】第２の隙間量測定方法の原理を説明するため
のプラズマアーク電流とプラズマアーク電圧との関係を
示した波形図。

【図２１】第２の隙間量測定方法の原理を説明するため
のプラズマアーク電流とプラズマアーク電圧との関係を
示した波形図。

【図２２】隙間量とプラズマアーク電圧上昇率との関係
を示す図。

【図２３】第２の隙間量測定方法を行うための制御方法
を示すタイミングチャート。

【図２４】第２の隙間量測定方法を行う時の隙間判定装
置１３の動作を示すフローチャート。

【符号の説明】

１プラズマトーチ２ワーク３プラズマ電源６ガス流量切換え器７フィラーノズル８フィラー供給装置９フィラー１１プラズマ電源１２ガス制御器１３隙間判定装置１４溶接コントローラ１５フィラーヒータ１６フィラーヒータ用電源２０プラズマアーク２１上板２２下板２３隙間２５ロボットハンド２７小円コンパス２９亜鉛メッキ除去範囲３１穴３２溶解したフィラー３４穴１３１電極１３２測定部１３３フィルタ処理部１３４演算部１３５一時記憶部１３６基準値記憶部１３７比較部１３８インターフェース部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒川巌神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者今井陽介神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者新垣淑隆神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者石井健神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者青山洋神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者須長義徳神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者椎名徹神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究所内 (72)発明者植松偉人愛知県刈谷市一里山町金山100番地トヨタ車体株式会社内 (72)発明者神谷賢吾愛知県刈谷市一里山町金山100番地トヨタ車体株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ワークに、溶接のため用いるプラズマア
ークの径より大きな穴を穿つ穴開け工程を行い、その後
に前記ワークを溶接するための本溶接工程を行うよう、
前記プラズマアークを制御するプラズマ制御手段を備え
たプラズマアーク溶接装置。
【請求項２】前記プラズマアークを噴出するプラズマ
トーチと、前記ワークとを相対的に移動させる手段を更
に有し、それにより、前記穴開け工程が実現される請求
項１記載のプラズマアーク溶接装置。
【請求項３】前記穴開け工程により穿たれる穴の径
が、前記プラズマアークの径の１・５〜３倍の範囲内で
ある請求項１記載のプラズマアーク溶接装置。
【請求項４】前記プラズマトーチをロボットに装備
し、該ロボットが前記プラズマトーチとの間に小円コン
パス機構を有し、それにより、前記穴開け工程が実現さ
れる請求項１記載のプラズマアーク溶接装置。
【請求項５】プラズマアークを用いて、前記プラズマ
アークの径より大きな直径の穴をワークに穿つ穴開けス
テップと、前記穴開けステップの後に、プラズマアーク
を用いてワークを溶接する本溶接ステップとを備えたプ
ラズマ溶接方法であり、前記穴開けステップが、前記プ
ラズマアークを噴出するプラズマトーチと前記ワークと
を相対的に移動させることにより、前記穴をワークに穿
つプラズマアーク溶接方法。