JPH0337837B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク放電により加工対象材を、加
熱、溶接、切断、溶射等の加工処理する非消耗電
極式アーク加工方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

非消耗電極式アーク放電加工、例えば、非消耗
電極式アーク溶接法の特徴として、不活性ガスを
シールドガスに用いてアーク及び溶接金属を大気
から遮へいするため、アークが極めて安定で平滑
なビードが得られ、かつ溶接金属に不純物が入ら
ないことが挙げられる。即ち、高品質できれいな
ビートが得られるため、中・薄板の高品質溶接や
厚板多層盛り溶接のルートパス溶接等に広く普及
している。

さて従来の非消耗電極式アーク溶接法における
アーク点弧方法として一般に高周波点弧法と呼ば
れる方法が用いられてきた。第５図にその構成を
示す。

第５図において、直流垂下特性を有するアーク
電源１の陽極側は溶接される母材（加工対象材）
３に接続され、陰極側は高周波電源４を介して溶
接トーチ７内のタングステン電極２に接続されて
いる。なお５は高周波バイパスコンデンサーであ
る。シールドキヤツプ６を通して不活性ガスをシ
ールドガスとして電極２直下に供給している状態
で（以後の説明ではシールドガスについての記述
を省略する）、高周波電源４により、タングスタ
ン電極２と母材３との間に数千Ｖ以上の高周波電
圧を印加し、火花放電を生じさせて絶縁破壊を起
こした後に、アーク電源１で電流を供給してアー
ク点弧を行う。

〔発明が解決しようとしている問題点〕

ところがこのような高周波点弧法では、高周波
に起因して電磁的なノイズが発生し、溶接自動機
器に組み込まれたマイクロコンピユータをはじめ
とする各種周辺電子機器を誤動作或いは破損する
ことがあるので、高周波ノイズに対してノイズフ
イルターを用いるなど、特別な対策を施こす必要
があつた。

さらに、高周波点弧法においては高周波電圧印
加時に、アーク電源に接続された計測機器を破損
してしまうため、これを容易に接続できないとい
う欠点があつた。

これらの要因により、これまで非消耗電極式ア
ーク溶接法では溶接ロボツトに代表される精密機
器による自動化および精密な計測機器による溶接
現象の制御が困難とされていた。

この改善方法としてタツチ点弧法が開発され
た。第６図にその構成を示す。これにおいては、
直流垂下特性を有するアーク電源１の陽極側に溶
接される母材３が接続され、陰極側に溶接トーチ
７内のタングステン電極２が接続される。

このタツチ点弧法は、タングステン電極２と母
材３との間にアーク電源１の無負荷電圧を印加し
た状態で、タングステン電極２を母材３に接触さ
せて両者を短絡し、短絡過渡電流を流した後にタ
ングステン電極２を母材３から引き離し、短絡火
花をアーク放電に移行させるものである。

しかしながらこの方法では、短絡時に生じる過
大な電流により、タングステン電極２が溶融・変
形するなどの損耗を受け、電極寿命を著しく短く
し、時として溶接実行が困難になる場合がある。

これを改善するために、特開昭59−50970号公
報、特開昭59−76675号公報で、タングステン電
極２と母材３との接触を電気的に検出し、これを
もとにしてタングステン電極２を母材３から引き
離すタイミングをコントロールし、更に短絡時に
流れる電流を小さく抑えることにより、接触・短
絡時にタングステン電極２が受ける損耗を抑制す
る方法が提案されている。

しかしながら、これとても電極損耗を皆無にで
きるわけではなく、若干の電極損耗を受け、電極
寿命を短くしている。

アークの安定した高品質溶接を特徴とする非消
耗電極式アーク溶接法にとつて、アーク不安定を
まねく電極損耗は致命的な欠点である。

同様の問題が、切断用非消耗電極式アーク、溶
射用非消耗電極式アーク及び熱処理用非消耗電極
式アークの点弧においても指摘されている。

本発明は、加工用非消耗電極式アーク放電にお
いて、点弧に起因する電極損耗がなく、且つ高周
波ノイズの影響を排除することにより、周辺計測
機器の誤動作或いは破損を防止できるアーク加工
方法およびそれを実施する装置の提供を目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の要旨は、加工用非消耗電極式アーク放
電において少なくとも二端子を有する非消耗電極
に該端子を通じて通電することにより、該非消耗
電極を自己発熱させ、アーク点弧させることを特
徴とするアーク点弧方法及び装置にある。

以下に、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明
する。

〔作用〕

第１ａ図に本発明を実施する装置の一例の構成
概略を示す。これにおいて、少なくとも二端子を
有する非消耗電極（ここでは、その一例として二
端子を有する非消耗電極を用いることにし、以後
これをフイラメントと記す）１０の両端に、フイ
ラメント加熱電源９が接続されている。フイラメ
ント加熱電源９は直流でも交流でもよく、極性を
問わない。

フイラメント１０の一端に直流垂下特性を有す
るアーク電源１の陰極側が接続され、アーク電源
１の陽極側には母材３が接続されている。フイラ
メント加熱電源９とフイラメント１０とでフイラ
メント加熱電気回路１１が構成され、アーク電源
１とフイラメント１０と母材３とでアーク電気回
路８が構成されている。

シールドキヤツプ６を通して不活性ガスをシー
ルドガスとしてフイラメント１０の先端（図示で
は下端）直下に供給している状態で、アーク電源
１をオンにし、フイラメント１０と母材３との間
に無負荷電圧を印加し、母材３からフイラメント
１０に向かう電場を生成する。これと前後してフ
イラメント加熱電源９をオンにし、フイラメント
１０に通電することにより、フイラメント１０が
ジユール発熱で自己発熱する。フイラメント１０
の温度が上昇するに伴い、フイラメント１０内の
電子の保有するエネルギーが高まり、これと電場
から受けるエネルギーとの総和が、フイラメント
１０から熱電子が放出されるエネルギーレベルま
で励起されたとき、フイラメント１０と母材３と
の間にアークが点弧する。

第１ｂ図に本発明を実施する別の装置の一例の
概略を示す。第１ａ図の装置と異なる点は、フイ
ラメント１０を、フイラメント１０とは電気的に
絶縁されたプラズマノズル１４で取り囲み、アー
ク電源１のかわりに直流垂下特性を有する非移行
型プラズマ電源１３が用いられていることであ
る。フイラメント１０の両端にフイラメント加熱
電源９が接続され、フイラメント加熱電気回路１
１を形成している。更に、非移行型プラズマ電源
１３の陰極側がフイラメント１０の一端に接続さ
れ、陽極側がプラズマノズル１４に接続され、非
移行型プラズマ電源１３、フイラメント１０、プ
ラズマノズル１４とで非移行型プラズマ電気回路
１２を形成している。

また、シールドガスがシールドキヤツプ６を通
してプラズマノズル１４の外周を流れ、不活性ガ
スのプラズマガスがプラズマノズル１４内に供給
され、先端の穴から噴出する点も異なる。

プラズマガスおよびシールドガスを供給してい
る状態で、非移行型プラズマ電源１３をオンに
し、フイラメント１０とプラズマノズル１４との
間にプラズマノズル１４からフイラメント１０に
向かう電場を生成する。

これと前後してフイラメント加熱電源９をオン
にし、フイラメント１０に通電することにより、
フイラメント１０をジユール発熱で自己発熱させ
る。フイラメント１０の温度が上昇するに伴い、
フイラメント１０内の電子の保有するエネルギー
が高まり、これと電場から受けるエネルギーとの
総和が、フイラメント１０から熱電子が放出され
るエネルギーレベルまで励起されたとき、フイラ
メント１０とプラズマノズル１４との間にアーク
が点弧する。

フイラメント１０とプラズマノズル１４との間
に発生したアークプラズマの一部は、プラズマガ
ス噴流に押されて、プラズマノズル１４の先端
（図示では下端）部の穴から非移行型プラズマと
して噴出する。

第１ｃ図に本発明を実施する装置のさらに別の
一例の概略を示す。これは、第１ｂ図の装置とほ
ぼ同じ構成であるが異なるのは、直流垂下特性を
有する移行型プラズマ電源１５があり、その陰極
側が非移行型プラズマ電源１３の陰極側に接続さ
れ、陽極側が母材３に接続され、移行型プラズマ
電源１５、フイラメント１０、母材３とで移行型
プラズマ電気回路１６が構成されている点であ
る。

非移行型プラズマを発生させるまでのプロセス
は前述の場合と同様であるが、非移行型プラズマ
発生と前後して、移行型プラズマ電源１５をオン
にし、フイラメント１０と母材３との間に、母材
３からフイラメント１０に向かう電場を生成し、
これをもとにフイラメント１０と母材３との間に
移行型プラズマを発生させる。

実施例 １ 第２ａ図に示す装置を用いた実施例を以下に示
す。

フイラメント加熱電気回路側 フイラメント加熱電源 直流垂下特性、設定電流値（If） 25A フイラメント ２％トリウム入りタングステン 直径（df） 0.5mmφ フイラメント長さ（lf） 50mm アーク電気回路側 アーク電源 直流垂下特性、設定電流値（Ia） 13A 無負荷電圧 100V シールドガス流量 20／min：Ar la＝１mm の条件で母材３からフイラメント１に向かう電場
を生成し、フイラメント１０を自己発熱させてア
ーク点弧を試みた。

第２ｂ図は、フイラメント１０を自己発熱させ
てアーク点弧を試みた場合の電流波形および電圧
波形を示すグラフであり、図中のIfはフイラメン
ト加熱電流であり、Iaはアーク電流であり、Vf
はフイラメント間電圧であり、Vaはフイラメン
ト−母材間電圧（アーク電圧）である。

Ifを通電開始するとフイラメント１０が自己発
熱し、Vfが上昇している。約3.4秒後に、Vaが無
負荷電圧から急激に約7Vまで低下し、これと合
わせて、Iaが設定値13Aまで立ち上がり、フイラ
メント１０と母材３間にアークが点弧したことを
示している。

同じ条件で連続100回アーク点弧を試みたが、
いずれも安定にアーク点弧した。またこのときフ
イラメント１０に損耗は認められなかつた。

またアーク点弧時に、アーク点弧に起因するノ
イズの発生は認められなかつた。このとき使用し
ていた計測機器或いは制御装置はマイクロコンピ
ユータ内蔵型のものであつたが当然のことなが
ら、誤動作は発生しなかつた。

アーク点弧後、フイラメント加熱電源（If）を
オフにしてもアークはそのまま維持された。

このアークを用いて、0.3mm厚の冷延鋼板に速
度15cm／minで溶接加工を試みたが良好な溶接ビ
ードが得られた。

実施例 ２ 第３図に示す装置を用いた実施例を以下に示
す。

フイラメント加熱電気回路側 フイラメント加熱電源 直流垂下特性、設定電流値（If） 25A フイラメント ２％トリウム入りタングステン 直径（df） 0.5mmφ フイラメント長さ（lf） 50mm 非移行型プラズマ電気回路側 非移行型プラズマ電源 直流垂下特性、設定電流値（Ia） 13A 無負荷電圧 100V プラズマガス流量 1.0／min：Ar シールドガス流量 20／min：Ar la＝１mm lt＝１mm lp＝２mm Ｄ＝１mm の条件で、プラズマノズル１４からフイラメント
１０に向かう電場を生成し、フイラメント１０を
自己発熱させて非移行型プラズマの点弧を試み
た。

同じ条件で連続100回非移行型プラズマの点弧
を試みたが、いずれも安定に非移行型プラズマが
点弧した。またこのときフイラメント１０に損耗
は認められなかつた。

また、非移行型プラズマ点弧時に非移行型プラ
ズマ点弧に起因するノズルの発生は認められなか
つた。このとき使用していた計測機器或いは制御
装置はマイクロコンピユータ内蔵型のものであつ
たが当然のことながら誤動作は発生しなかつた。

非移行型プラズマ点弧後、フイラメント加熱電
流（If）をオフにしても、非移行型プラズマはそ
のまま維持された。この非移行型プラズマを用い
て0.5mm厚のアクリル板に速度20cm／minで切断
加工を試みたが良好な切断断面が得られた。

実施例 ３ 第４図に示す装置を用いた実施例を以下に示
す。

フイラメント加熱電気回路側 フイラメント加熱電源 直流垂下特性、設定電流値（If） 25A フイラメント ２％トリウム入りタングステン 直径（df） 0.5mmφ フイラメント長さ（lf） 50mm 非移行型プラズマ電気回路側 非移行型プラズマ電源 直流垂下特性、設定電流値（Ia） 13A 無負荷電圧 100V 移行型プラズマ電気回路側 移行型プラズマ電源 直流垂下特性、設定電流値（Ia） 13A 無負荷電圧 100V プラズマガス流量 0.3／min：Ar シールドガス流量 20／min：Ar la＝１mm lt＝１mm lp＝２mm Ｄ＝１mm の条件で、プラズマノズル１４からフイラメント
１０に向かう電場を生成し、フイラメント１０を
自己発熱させて非移行型プラズマを点弧させ、更
に母材３からフイラメント１０に向かう電場を生
成し移行型プラズマの点弧を試みた。

同じ条件で連続100回移行型プラズマの点弧を
試みたが、いずれも安定に移行型プラズマが点弧
した。またこのときフイラメント１０に損耗は認
められなかつた。

なおこのとき使用していた計測機器或いは制御
装置はマイクロコンピユータ内蔵型のものであつ
たが当然のことながら誤動作は発生しなかつた。

移行型プラズマ点弧後、フイラメント加熱電流
（If）、非移行型プラズマ（Ip）をオフにしても、
移行型プラズマはそのまま維持された。この移行
型プラズマを用いて0.3mm厚のステンレス鋼板に
速度15cm／minで溶接加工を試みたが良好な溶接
ビードが得られた。

以上述べた３つの実施例では、アーク電流、非
移行型プラズマ電流および移行型プラズマ電流が
いずれも13Aと低電流であるため、0.5mmφの二
端子タングステンフイラメント１０を用いてい
る。すなわち、ヘアピン状のタングステンフイラ
メント１０の先端を、第１ａ図、第１ｂ図および
第１ｃ図に示すように、シールドキヤツプ６の開
口側に位置させ、つまり母材３に対向させ、この
先端と連続する２端子脚をシールドキヤツプ６の
内方の深い位置に配置して、これらの２端子脚に
自己発熱用の通電をするようにした。

更にアーク電流を増加させたい場合には、フイ
ラメント１０の直径を増大させるかフイラメント
１０の端子数を増加させた多端子のフイラメント
を用いて一端子あたりの電流密度を低下させるこ
とによりフイラメントの耐久性をのばすことがで
きる。

また本実施例では、タングステン棒をヘアピン
状におり曲げたフイラメント１０を使用したが、
先端部にネツクイン加工等をほどこすことによ
り、より効率のよいフイラメント発熱を得ること
ができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、加工用ア
ーク放電電気回路に高周波電源等のノイズ発生原
因となる手段を用いる必要がないので、マイクロ
コンピユータ等の電子機器を用いた制御装置にノ
イズ対策を施こす必要がない。

更に計測機器等の破損の恐れもないため、一層
精密な計測が可能となる。

更にフイラメント加熱電流をコントロールする
ことにより極めて応答性のよいアーク点弧を実施
できる。

また、非接触式のアーク点弧であるため、タン
グステン電極の損耗に関する問題もなく工業的価
値が高い。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図、第１ｂ図および第１ｃ図はそれぞ
れ、本発明を実施するアーク加工装置の一例構成
を示す断面図である。第２ａ図は本発明を実施す
る一装置の、寸法、電気値等を示す断面図、第２
ｂ図はその装置の使用時の電流波形および電圧波
形を示すグラフである。第３図および第４図もそ
れぞれ、本発明を実施する装置の具体的配置の寸
法、電気値等を示す断面図である。第５図および
第６図はそれぞれ、従来の非消耗電極式アーク溶
接装置の溶接トーチ部の断面図である。 １：アーク電源（加工用電源）、２：タングス
テン電極（非消耗電極）、３：母材（加工対象
材）、４：高周波電源、５：高周波バイパスコン
デンサー、６：シールドキヤツプ、７：トーチ、
８：アーク電気回路、９：フイラメント加熱電源
（発熱付勢電源）、１０：フイラメント（非消耗電
極；通電発熱電極）、１１：フイラメント加熱電
気回路、１２：非移行型プラズマ電気回路、１
３：非移行型プラズマ電源（加工用電源）、１
４：プラズマノズル、１５：移行型プラズマ電源
（加工用電源）、１６：移行型プラズマ電気回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非消耗電極と加工対象材又はもう１つの電極
   の間にアーク放電を生成して、加工対象材を加
   熱、溶接、切断、溶射等の加工処理をする非消耗
   電極式アーク放電加工において、 非消耗電極を少なくとも二端子を有する通電発
   熱電極として、該端子を通して該電極に通電する
   ことにより、該電極を自己発熱させ、前記アーク
   放電を点弧させることを特徴とするアーク加工方
   法。 ２ 非消耗電極、該非消耗電極の側部を包囲し加
   工対象材に対向する開口を有するシールドキヤツ
   プ、および、非消耗電極と加工対象材又はもう１
   つの電極との間にアーク放電電圧を印加する加工
   用電源を備える非消耗電極式アーク加工装置にお
   いて、 非消耗電極を、前記シールドキヤツプの開口側
   に位置する先端、および、該先端に電気的に連続
   しシールドキヤツプの内方に位置して互に絶縁さ
   れた少くとも２個の端子脚を有するものとし、該
   端子脚を発熱付勢電源に接続し、該端子脚の少く
   とも一方を加工用電源の一端子に接続し、加工用
   電源の他端を加工対象材又はもう１つのアーク放
   電用電極に接続したことを特徴とする非消耗電極
   式アーク加工装置。