[发明专利]等离子弧焊方法以及等离子弧焊装置

说明书

技术领域

本发明涉及能够实现高能量密度、高速度且高品质的焊接的等离子弧焊方法以及等离子弧焊装置。

背景技术

一般来说，等离子弧焊与熔化极气体保护电弧(GMA)焊接、钨极气体保护电弧(GTA)焊接等相比，其能量密度高。因此，能够实现一边使等离子弧从母材表面侧向里面侧贯通一边焊接的、所谓小孔焊接(keyhole welding)。如果能够实现小孔焊接，则无需进行从母材里面侧开始的焊接作业，所以焊接作业效率大幅提高。但是，该小孔焊接中，由于例如焊接过程中母材温度升高、大气温度、或者由接地方式所致的磁吹等各种各样的原因，在施工过程中小孔的变动容易变得不稳定，所以只有熟练的操作工才能进行高品质的焊接作业，难以自动化。

为此，例如在下面的专利文献1中，提出了如下方法：使用脉冲电流作为焊接电流，使等离子射流脉动而将熔融金属做成小粒熔滴将其吹掉，由此形成无垂落的焊道。另外，在下面的专利文献2中提出了下述小孔焊接：通过使等离子气体流量以脉冲状变化，从而避免了熔池的熔穿等问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开昭62-27473号公报

专利文献2:日本特开平8-39259号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，关于上述专利文献1所公开的那样的方法，因为是使等离子射流脉动而将熔融金属做成小粒熔滴将其吹掉的方法，因此需要有所吹掉的熔融金属的小粒熔滴的后处理。此外，在被焊接物位钢管的对接焊等的情况下，有时难以进行所吹掉的熔融金属的小粒熔滴的除去处理。另一方面，关于上述专利文献2所公开的那样的方法，可以通过使等离子气体流量交替地以脉冲状变化来避免熔池的熔穿等问题，但难以得到稳定的恒定高度的熔透焊道(penetration bead)。

因此，本发明是为了解决这些问题而提出的，其目的是提供在进行小孔焊接时能够得到稳定的恒定高度的熔透焊道的新式等离子弧焊的监视方法以及等离子弧焊装置。

用于解决问题的手段

为了解决这些问题，本发明人们进了大量的研究和实验，结果发现了焊接时在母材里侧所形成的熔池的摆动变动(振动数)与熔透焊道的形状之间的关联性，最终得到了本发明。

即，在如上所述利用等离子弧进行小孔焊接的情况下，如图2所示，在母材15的里侧且在小孔(等离子弧)的焊接方向后方，沿其长度方向形成了熔池P，该熔池P由因从焊炬10发出的等离子弧16的热而熔融了的母材15形成。而且，明确了：该熔池P在焊接方向上前后摆动，从而形成了稳定的恒定高度的熔透焊道。如果此时熔池P的摆动(变动)过大则熔融金属会垂落，因此明确了熔池P的摆动(变动)具有用于形成稳定的恒定高度的熔透焊道的固有频率(例如30～40Hz)。另外，该固有频率也因母材15的材质和/或、熔池P的大小(质量)、粘度等而不同。而且，本发明人们基于这些认知进一步详细研究该熔池P的摆动(变动)，结果明确了：在使用脉冲电流作为小孔焊接时的焊接电流的情况下，该熔池P的摆动(变动)受到其脉冲电流的脉冲频率的很大影响。

因此，为了达成上述目的，第1方案是一种等离子弧焊方法，一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接，使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制成与在所述焊接时形成于母材里侧的熔池同步的频率地进行焊接。

根据这样的焊接方法，由于能够将小孔焊接中的熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。

第2方案是一种等离子弧焊方法，是一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接的方法，包括：脉冲电流供给步骤，供给脉冲电流作为所述焊接电流；脉冲频率控制步骤，将该脉冲电流的脉冲频率控制成与所述熔池同步的频率。

根据这样的焊接方法，由于能够将焊接时形成于母材里侧的熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。

第3方案是一种等离子弧焊方法，在第1或第2方案中，将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍。若这样控制，则能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。此处，将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍是因为，如后所述，若超出该范围，则等离子弧与熔池之间的干涉变大，招致不规整焊道、垂落现象的可能性变高。