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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-04
(45)【発行日】2022-02-15
(54)【発明の名称】ＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接装置
(51)【国際特許分類】
B23K 9/067 20060101AFI20220207BHJP
【ＦＩ】
B23K9/067
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2019516885
(86)(22)【出願日】2017-11-29
(86)【国際出願番号】 JP2017042888
(87)【国際公開番号】W WO2018207392
(87)【国際公開日】2018-11-15
【審査請求日】2020-08-26
(31)【優先権主張番号】P 2017094044
(32)【優先日】2017-05-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000161367
【氏名又は名称】株式会社アマダウエルドテック
(73)【特許権者】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(72)【発明者】
【氏名】阿部 正行
(72)【発明者】
【氏名】石川 日吉
【審査官】黒石 孝志
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／１０４７４６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１０４４９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１７２０７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２０２５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１８７６６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ９／００ － ９／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
トーチ電極を支持する直進可動部を下降方向に駆動して、前記トーチ電極を被溶接材に向けて下降移動させる第１の工程と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触した直後に前記直進可動部の駆動を停止する第２の工程と、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で、前記トーチ電極および前記被溶接材を含む閉回路への初期通電のため、オフ状態にある溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流す第３の工程と、
前記トーチ電極を上昇移動させるために前記直進可動部を上昇方向に駆動する第４の工程と、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出する第５の工程と、
前記分離のタイミングを検出するのと同時または即時に前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換える第６の工程と、
を有し、
前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とし、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とする
ＴＩＧ溶接方法。
【請求項2】
前記第２の電流を流す通電時間が前記第４の工程中に終了する請求項１に記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項3】
前記第４の工程において前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から設定離間距離だけ離れた設定離間位置で前記直進可動部を駆動する直進駆動部の駆動を停止する第７の工程と、前記設定離間位置で前記トーチ電極を一時的に静止させる第８の工程と、
をさらに有し、
前記第２の電流を流す通電時間が前記第８の工程中に終了する
請求項１に記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項4】
前記第３の工程を第４の工程の開始の直前に開始する、請求項１に記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項5】
前記第１の電流の立ち上がりのスロープと前記第２の電流の立ち上がりのスロープとを連続させる請求項４に記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項6】
トーチ電極を着脱自在に装着して保持するトーチボディと、前記トーチボディを支持してその軸方向と平行な方向で直進移動可能に設けられる直進可動部と、
被溶接材に対して前記トーチ電極を下降移動または上昇移動させるために前記直進可動部を駆動する直進駆動部と、
前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路に所定の電流を流すための溶接電源と、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出して分離タイミング検出信号を発生する電圧検出回路と、
前記直進駆動部および前記溶接電源を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で前記閉回路への初期通電のため、オフ状態にある前記溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流すように前記溶接電源を制御し、
前記初期通電を開始してから所定時間後に、前記トーチ電極の上昇移動を開始するように前記直進駆動部を制御し、
前記電圧検出回路からの前記分離タイミング検出信号を受け取ると、それと同時または即時に、前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換えるように前記溶接電源を制御し、
前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とするよう前記溶接電源を制御し、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とするよう前記溶接電源を制御する
ＴＩＧ溶接装置。
【請求項7】
前記直進可動部上で前記トーチボディは外力を受けないときは荷重のバランスがとれた状態で軸方向に移動可能に支持され、前記直進可動部に対する前記トーチボディの相対的な動きまたは位置関係を監視し、前記トーチボディの相対的な下降移動に応じて、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングを検出する分離検出部をさらに備える
請求項６に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項8】
前記電圧検出回路は微分回路を有する請求項６または７に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項9】
前記トーチ電極の下降移動において前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触するタッチのタイミングを検出してタッチタイミング検出信号を発生するタッチ検出部をさらに備え、前記制御部は、前記タッチ検出部からの前記タッチタイミング検出信号を受け取ると、直ちにまたは所定時間後に前記初期通電を開始するように前記溶接電源を制御する
請求項６または７に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項10】
前記直進可動部上で前記トーチボディは外力を受けないときは荷重のバランスがとれた状態で軸方向に移動可能に支持され、前記タッチ検出部は、前記直進可動部に対する前記トーチボディの相対的な動きまたは位置関係を監視し、前記トーチボディの相対的な上昇移動に応じて前記タッチのタイミングを検出する
請求項９に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項11】
トーチ電極を着脱自在に装着して保持するトーチボディと、前記トーチボディを支持してその軸方向と平行な方向で直進移動可能に設けられる直進可動部と、
被溶接材に対して前記トーチ電極を下降移動または上昇移動させるために前記直進可動部を駆動する直進駆動部と、
前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路に所定の電流を流すための溶接電源と、
前記トーチ電極の下降移動において前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触するタッチのタイミングを前記トーチ電極の先端から離れた場所で検出してタッチタイミング検出信号を発生するタッチ検出部と、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングを前記トーチ電極の先端から離れた場所で検出して第１の分離タイミング検出信号を発生する分離検出部と、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出して第２の分離タイミング検出信号を発生する電圧検出回路と、
前記直進駆動部および前記溶接電源を制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記タッチ検出部からの前記タッチタイミング検出信号を受け取ると、直ちにまたは所定時間後に初期通電を開始するように前記溶接電源を制御し、
前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で前記閉回路への初期通電のため、オフ状態にある前記溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流すように前記溶接電源を制御し、
前記初期通電を開始してから所定時間後に、前記トーチ電極の上昇移動を開始するように前記直進駆動部を制御し、
前記制御部が、前記分離検出部からの前記第１の分離タイミング検出信号または前記電圧検出回路からの前記第２の分離タイミング検出信号を受け取ると、それと同時または即時に、前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換えるように前記溶接電源を制御し、
前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とするよう前記溶接電源を制御し、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とするよう前記溶接電源を制御する
ＴＩＧ溶接装置。
【請求項12】
前記直進可動部上で前記トーチボディは外力を受けないときは荷重のバランスがとれた状態で軸方向に移動可能に支持され、前記タッチ検出部は、前記直進可動部に対する前記トーチボディの相対的な動きまたは位置関係を監視し、前記トーチボディの相対的な上昇移動に応じて前記タッチのタイミングを検出し、
前記分離検出部は、前記直進可動部に対する前記トーチボディの相対的な動きまたは位置関係を監視し、前記トーチボディの相対的な下降移動に応じて前記分離のタイミングを検出する
請求項１１に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項13】
前記タッチ検出部および前記分離検出部は、前記直進可動部に対する前記トーチボディの相対的な動きまたは位置関係を監視するために共通の光センサを有する、請求項１２に記載のＴＩＧ溶接装置。
【請求項14】
前記トーチ電極は、マイナス（－）形状、長方形状、フラット形状のいずれかの先端面を有する請求項６または請求項１１に記載のＴＩＧ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、タッチスタート方式のＴＩＧ溶接方法およびＴＩＧ溶接装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、小型電気部品の端子部材同士の接合あるいは端子部材と導線との接合には、非消耗型のトーチ電極を使用するＴＩＧ溶接法が多く用いられている。
【0003】
非消耗型のトーチ電極を使用するＴＩＧ溶接法において、アーク放電を開始する手法には、スタート時に高周波放電により絶縁破壊を起こしてアークに移行させる高周波発生方式と、スタート時だけトーチ電極と母材つまり被溶接材との間に通常１０ｋＶ以上の高電圧を印加して絶縁破壊を起こしアークに移行させる直流高電圧印加方式と、高周波を使わずにトーチ電極を被溶接材に接触させて通電を開始した後に引き離してアーク放電を発生させるタッチスタート（またはリフトスタート）方式の３種類がある。高周波発生方式や直流高電圧印加方式は、高周波または高電圧を発生する高圧電源を必要とするために溶接機のコストが高くつくことや、高周波または高電圧のノイズが当該電気回路の電気部品や周囲の電子機器に悪い影響を及ぼすことが、溶接現場で嫌がられる場合がある。この点、タッチスタート方式は、高周波電源や高圧電源を使用しないため、溶接機のコストを下げることができるうえ、高周波ノイズの問題がない。タッチスタート方式は、トーチ電極と被溶接材が離れる際に瞬時にアークが発生する方式で、アークが安定して発生するメリットがあるが、一方ではアークスタートに際してトーチ電極が被溶接材に対して接触することが必須条件となるため、タクトタイムがかかる。タクトタイム短縮のために単純に溶接電流を上げると、アーク発生時にトーチ電極と被溶接材との間で溶着が生じてしまう可能性がある。
【0004】
このため、従来技術のタッチスタート方式は、トーチ電極を被溶接材に接触させて通電を開始した後に、スタート電流または初期電流を流したままトーチ電極の先端を被溶接材から引き離して初期電流の下でアークを生成し、かつ初期電流の下で離間距離を増大させ、設定離間位置で初期電流から本通電に切り換えるように制御している（特許文献１，２）。
【0005】
より詳しくは、従来のタッチスタート方式においては、トーチ電極と被溶接材とが接触した状態の下で、溶接電源をオンにして、トーチ電極および被溶接材を含む閉回路に初期通電の初期電流を流す。この時、トーチ電極が被溶接材に接触しているので、初期電流の大きさに関係なくアークはまだ発生しない。この場合の初期電流は、トーチ電極が被溶接材に接触している短絡状態の間はもちろん、トーチ電極が被溶接材から分離してアークが発生した後もトーチ電極と被溶接材との離間距離が一定値以上に達するまで継続的にアークおよび被溶接材に供給されるもので、通常５～２０Ａ（アンペア）程度に設定されている。
【0006】
上記のようにしてタッチスタートの初期通電を開始して初期電流が安定してから、トーチ電極の先端を被溶接材から設定離間距離だけ引き離す動作を行う。この引き離し動作は、往動（下降移動）時の移動距離から逆算して直進可動部を所定距離（下降移動延長量＋設定離間距離）だけ上昇移動させるか、あるいはプランジャ等からなるロック手段によりトーチボディを直進可動部に固定して設定離間距離に相当する所定距離だけ直進可動部を上昇移動させて完了し、その上昇移動先の停止位置でトーチ電極を静止させる。通常、引き離し動作には１００ｍｓ（ミリ秒）以上の時間を要しており、この引き離し動作が開始された瞬間からトーチ電極と被溶接材のギャップには初期電流に応じた微弱なアークが生成される。
【0007】
こうしてトーチ電極を設定離間位置まで引き上げ、トーチ電極および被溶接材に流す電流をそれまでの初期電流から本通電用の主電流に切り換える。主電流の電流量は、被溶接材を確実に溶かすのに必要十分なパワーないしエネルギーのアークを生成するように、スタート電流の電流量よりも一段と多めに、通常３０Ａ以上に設定されている。
【0008】
このようにトーチ電極を設定離間距離だけ被溶接材から引き離し、最適なアーク長の下で本通電用の主電流に応じたパワーないしエネルギーのアークに所定時間に亘り被溶接材を晒すことにより、所望の溶接品質（接合強度、外観仕上がり）を得るようにしている。
【0009】
また、タッチスタート方式の原理は、トーチ電極の先端部と被溶接材との間での閉回路形成をした上で、トーチ電極の先端部と被溶接材とが離間されることにより発生するアークを溶接に用いるために安定的に形成することを狙ったものであるが、タッチスタート方式の溶接装置において、一般的には、トーチ電極の先端部と被溶接材との閉回路の形成と離間の検出とを、トーチ電極自体に微弱電流をかけておき、トーチ電極と被溶接材が離間する際の電圧値又は電流値の変化によりアークの発生を認識する方法（例えば特許文献３，４）により行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開２０１４－１７２０７１号公報
【文献】特開２０１５－１２８７８７号公報
【文献】特開２０００－１７６６４１号公報
【文献】特開平６－５５２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
近年における電子部品の小型化の進展は著しく、それに伴ってＴＩＧ溶接装置においても、熱容量の小さい微小な被溶接材（たとえば断面形状が３ｍｍ×１ｍｍ以下の板材や、線径１ｍｍ以下の線材）を扱う場面が増えてきている。通常、溶接品質の管理は、主電流による溶接（本通電）により被溶接材が受けるエネルギー量をもって行われる。ところが、従来のＴＩＧ溶接装置において、熱容量の小さい微小な被溶接材について上記のようなタッチスタート方式のアーク溶接を行うと、初期通電の初期電流および本通電の主電流を如何様に調整または制御しても、初期電流の影響により被溶接材が不所望に溶けすぎて良好な溶接品質が得られない、あるいは、アークスタート直後の初期電流の影響により被溶接材自体が溶け落ちてしまうため、溶接品質の管理を適切に行うことができなかった。さらには、アークの横飛び（アークが近傍の他のワークに飛び火する現象）、アークの失火（初期電流の下で発生するアークによって微細なワークが溶け落ちる現象を防止するために初期電流の電流値を小さくするとアークが発生しなくなる現象）等も起こりやすい。これらのことが現実の課題となっている。
【0012】
また、従来のタッチスタート方式においては、被溶接材からトーチ電極の先端に向かって形成されるアークがトーチ電極の先端部（テーパ部）を越えてその上方の側面（柱状胴部）まで這い上がる現象が生じることがある。この現象は、被溶接材から生じた溶接ヒュームがトーチ電極の周囲にまとわりついてトーチ電極に溶接ヒュームが付着する一因とも考えられ、すなわち、トーチ電極の寿命を縮める要因であるとも考えられる。このため、這い上がり現象が顕著に観察される場合には、溶接結果が不良になる可能性が高まるため、溶接現場では忌避されている。本発明者らは、タッチスタート方式のアーク溶接においてトーチ電極の胴体側面へのアークの這い上がり現象を抑止する方法を検討してきた。
【0013】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、タッチスタート方式によるＴＩＧ溶接を、溶接不良の原因となる望ましくない現象（トーチ電極へのアークの不所望な這い上がり等）を起こさずに安定確実に行い、特に熱容量の小さな被溶接材に対しても適切なアーク溶接を施し、良好な溶接品質を得ることができるＴＩＧ溶接方法およびＴＩＧ溶接装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明の第１の観点におけるＴＩＧ溶接方法は、トーチ電極を支持する直進可動部を下降方向に駆動して、前記トーチ電極を被溶接材に向けて下降移動させる第１の工程と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触した直後に前記直進可動部の駆動を停止する第２の工程と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で、前記トーチ電極および前記被溶接材を含む閉回路への初期通電のため、オフ状態にある溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流す第３の工程と、前記トーチ電極を上昇移動させるために前記直進可動部を上昇方向に駆動する第４の工程と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出する第５の工程と、前記分離のタイミングを検出するのと同時または即時に前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換える第６の工程とを有し、前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とし、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とする。
【0015】
本発明の第１の観点におけるＴＩＧ溶接装置は、トーチ電極を着脱自在に装着して保持するトーチボディと、前記トーチボディを支持してその軸方向と平行な方向で直進移動可能に設けられる直進可動部と、被溶接材に対して前記トーチ電極を下降移動または上昇移動させるために前記直進可動部を駆動する直進駆動部と、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路に所定の電流を流すための溶接電源と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出して分離タイミング検出信号を発生する電圧検出回路と、前記直進駆動部および前記溶接電源を制御するための制御部とを備え、前記制御部は、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で前記閉回路への初期通電のため、オフ状態にある前記溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流すように前記溶接電源を制御し、前記初期通電を開始してから所定時間後に、前記トーチ電極の上昇移動を開始するように前記直進駆動部を制御し、前記電圧検出回路からの前記分離タイミング検出信号を受け取ると、それと同時または即時に、前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換えるように前記溶接電源を制御し、前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とするよう前記溶接電源を制御し、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とするよう前記溶接電源を制御する。
【0016】
上記第１の観点においては、タッチスタート方式で初期通電を開始してトーチ電極と被溶接材とを含む閉回路に初期通電用の第１の電流を流した後に、直進可動部を上昇移動させるときにトーチ電極が被溶接材から分離したタイミングをアーク溶接の開始のタイミングと擬制したうえで、分離のタイミングを検出するのと同時または即時に第１の電流から本通電用の第２の電流に切り換えるので、被溶接材がアーク発生後に初期通電用の第１の電流に晒される時間を可及的に低減させて、本通電用の第２の電流によるアークに晒されるように制御することができる。
【0017】
本発明の第２の観点におけるＴＩＧ溶接装置は、トーチ電極を着脱自在に装着して保持するトーチボディと、前記トーチボディを支持してその軸方向と平行な方向で直進移動可能に設けられる直進可動部と、被溶接材に対して前記トーチ電極を下降移動または上昇移動させるために前記直進可動部を駆動する直進駆動部と、前記トーチ電極と前記被溶接材とを含む閉回路に所定の電流を流すための溶接電源と、前記トーチ電極の下降移動において前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触するタッチのタイミングを前記トーチ電極の先端から離れた場所で検出してタッチタイミング検出信号を発生するタッチ検出部と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングを前記トーチ電極の先端から離れた場所で検出して第１の分離タイミング検出信号を発生する分離検出部と、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態から前記トーチ電極を上昇移動させたときに、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材から離れる分離のタイミングとして、前記トーチ電極と前記被溶接材との間のギャップに生じる電圧の立ち上がりのエッジを検出して第２の分離タイミング検出信号を発生する電圧検出回路と、前記直進駆動部および前記溶接電源を制御するための制御部とを備え、前記制御部は、前記タッチ検出部からの前記タッチタイミング検出信号を受け取ると、直ちにまたは所定時間後に初期通電を開始するように前記溶接電源を制御し、前記トーチ電極の先端が前記被溶接材に接触している状態で前記閉回路への初期通電のため、オフ状態にある前記溶接電源のスイッチをオン状態に切り換えて、前記トーチ電極と前記被溶接材との間の印加電圧を零ボルトとした状態で第１の電流を流すように前記溶接電源を制御し、前記初期通電を開始してから所定時間後に、前記トーチ電極の上昇移動を開始するように前記直進駆動部を制御し、前記制御部が、前記分離検出部からの前記第１の分離タイミング検出信号または前記電圧検出回路からの前記第２の分離タイミング検出信号を受け取ると、それと同時または即時に、前記閉回路に流す電流を前記第１の電流から本通電のための第２の電流に切り換えるように前記溶接電源を制御し、前記被溶接材の線径が１ｍｍ以下であるとき、前記第１の電流を１．５Ａ以上で５Ａ未満の電流値とするよう前記溶接電源を制御し、前記第２の電流を５Ａを超える電流値とするよう前記溶接電源を制御する。
【0018】
上記第２の観点においては、タッチスタート方式で初期通電を開始してトーチ電極と被溶接材とを含む閉回路に初期通電用の第１の電流を流した後に、直進可動部を上昇移動させるときにトーチ電極が被溶接材から分離したタイミングをアーク溶接の開始のタイミングとして擬制した上で、同時又は即時に本通電に切り換えるので、被溶接材がアーク発生後に初期通電用の第１の電流に晒される時間を可及的に低減して、本通電用の第２の電流によるアークに晒されるように制御することができる。さらに、トーチ電極と被溶接材との間のタッチおよび分離の検出をトーチ電極の先端から離れて位置するタッチ検出部および分離検出部でそれぞれ行うので、溶接箇所で生じる熱からトーチ電極と被溶接材とのタッチおよび分離の検出系並びにこれらを伴う制御系を保護して精緻に制御することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明のＴＩＧ溶接方法またはＴＩＧ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、タッチスタート方式によるＴＩＧ溶接を安定確実に行い、特に熱容量の小さな被溶接材（たとえば断面形状が３ｍｍ×１ｍｍ以下の板材や線径２ｍｍ以下の線材）については、初期通電によるアークの発生を可及的に低減ないし無効にするので、初期通電によるアークによる不所望の被溶接材の溶け込みおよびトーチ電極側面へのアークの這い上がり現象が排除された適切なアーク溶接が施され、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態におけるＴＩＧ溶接装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2A】上記ＴＩＧ溶接装置における溶接ヘッド部の構成およびＴＩＧ溶接動作における一段階（トーチが待機位置にある時）の各部の状態を示す部分断面図である。
【図2B】上記ＴＩＧ溶接動作における一段階（トーチ電極の先端が被溶接材に接触する直前）の状態を示す一部断面側面図である。
【図2C】上記ＴＩＧ溶接動作における一段階（トーチ電極の先端が被溶接材に接触している時）の各部の状態を示す一部断面側面図である。
【図2D】上記ＴＩＧ溶接動作における一段階（トーチ電極の先端が被溶接材から分離した直後）の各部の状態を示す一部断面側面図である。
【図2E】上記ＴＩＧ溶接動作における一段階（終了間際）の各部の状態を示す一部断面側面図である。
【図2F】上記ＴＩＧ溶接動作における一段階（終了直後）の各部の状態を示す一部断面側面図である。
【図3】実施形態における各制御方式のシーケンスを示すタイミング図である。
【図4A】実施形態の第１の制御方式における制御手順を示すフローチャート図である。
【図4B】実施形態の第２の制御方式における制御手順を示すフローチャート図である。
【図4C】実施形態の第３の制御方式における制御手順を示すフローチャート図である。
【図5】比較例の制御方式のシーケンスを示すタイミング図である。
【図6】トーチ電極の一例を示す部分斜視図である。
【図7】別の一実施例におけるタッチ／分離検出部の構成を示す一部断面正面図である。
【図8】更に別の実施例におけるタッチ／分離検出部の構成を示す一部断面正面図である。
【図9A】比較例の制御方式におけるアーク発生状態（アーク這い上がり現象あり）を示す図である。
【図9B】実施形態の制御方式におけるアーク発生状態（アーク這い上がり現象なし）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体及び各部の構成］
［装置全体及び各部の構成］
【0022】
図１に、本発明の一実施形態におけるＴＩＧ溶接装置の全体構成をブロック図で示す。このＴＩＧ溶接装置は、システム的には、トーチ電極１０を保持するトーチボディ１２と、トーチ電極１０ないしトーチボディ１２に所要の用力を供給する用力供給系１４と、トーチボディ１２の直下で被溶接材Ｗの位置合わせを行う位置合わせ機構１６と、トーチ電極１０ないしトーチボディ１２をその軸方向（一般的には鉛直または縦方向）で直進移動させる直進移動機構１８と、タッチタート方式においてトーチ電極１０が被溶接材Ｗにタッチしたタイミングおよびトーチ電極１０が被溶接材Ｗから分離したタイミングを検出するタッチ・分離検出部１５と、システム全体および各部（特に用力供給系１４、位置合わせ機構１６および直進移動機構１８）を制御する制御部２０とを有している。
【0023】
トーチボディ１２は、たとえば銅または真鍮等の導体または樹脂等の絶縁体からなる筒状体として構成され、たとえば棒状のタングステン電極からなるトーチ電極１０を着脱自在に挿入し、そのトーチノズル１２ａよりトーチ電極１０の先端部を突出させてトーチ電極１０を保持する。
【0024】
用力供給系１４は、トーチ電極１０と被溶接材Ｗとの間にアークＡＣを生成するための電流を供給する溶接電源２２と、アークＡＣの生成中に被溶接材Ｗ付近にシールドガスまたはアシストガスを供給するガス供給部２４とを含んでいる。
【0025】
溶接電源２２は、直流の定電流源、好ましくは高速の電流切り替え機能を有するインバータ制御の定電流源を有している。溶接電源２２の正極の出力端子（＋）は電気ケーブル２６および接触子２７を介してステージ２８上の被溶接材Ｗに電気的に接続され、負極の出力端子（－）は電気ケーブル３０を介してトーチボディ１２内のトーチ電極１０に電気的に接続される。トーチ電極１０と被溶接材Ｗとが物理的に接触している時、あるいはトーチ電極１０と被溶接材Ｗとの間でアーク放電が生じている時は、溶接電源２２、トーチ電極１０および被溶接材Ｗの間に閉回路が形成される。
【0026】
ガス供給部２４は、窒素ガス、酸素ガス等のシールドガスまたはアシストガスを可撓ホース等のガス管３３を介して一定の流量でトーチボディ１２に供給するように構成されている。トーチボディ１２に供給されたシールドガスは、トーチボディ１２のトーチノズル１２ａより被溶接材Ｗに向けて噴出するようになっている。
【0027】
位置合わせ機構１６は、被溶接材Ｗを載置するステージ２８の内部または周囲に設けられ、ステージ２８を水平方向（Ｘ方向，Ｙ方向）、鉛直方向および回転方向の４軸方向で移動させることができるステージ移動機構（図示せず）を有している。また、位置合わせ機構１６またはステージ２８は、ステージ２８上で被溶接材Ｗをメカニカルにあるいはバキューム吸引力によって固定するための固定手段や、被溶接材Ｗをクランプする場合は、クランプ電極（図示せず）のクランプ動作に追従して被溶接材Ｗをステージ２８上で摺動させるためのコンプライアンス・デバイス等を備えることもできる。
【0028】
直進移動機構１８は、トーチボディ１２を支持してその軸方向と平行な方向（縦方向）で昇降移動（直進移動）可能に設けられる溶接ヘッドとしての直進可動部３２と、被溶接材Ｗに対してトーチ電極１０を下降（前進）移動または上昇（後退）移動させるために直進可動部３２を同方向に直進駆動する直進駆動部３４とを含んでいる。直進駆動部３４は、図示省略するが、駆動源たとえば電気モータと、この電気モータの回転駆動力を直線的な昇降移動の駆動力に変換する運動変換機構と、その昇降移動の駆動力を直進可動部３２に伝える伝動機構とを備えている。
【0029】
タッチ・分離検出部１５は、後述するように好ましくは直進駆動部３４に搭載され、トーチ電極１０の先端から離れた（または隔離された）場所に位置して、タッチスタート方式におけるトーチ電極１０と被溶接材Ｗとの間のタッチおよび分離のタイミングを検出するように構成されている。タッチ・分離検出部１５の具体的な構成および作用は、後に詳しく説明する。
【0030】
図２Ａに、この実施形態における直進可動部３２の構成を示す。この直進可動部３２は、たとえば樹脂または金属からなる剛性の断面Ｌ形の板体またはベース部材４０を有しており、このベース部材４０の垂直平板部４０ａの背後で直進駆動部３４（図１）の伝動機構に連結部材４２を介して結合されている。
【0031】
ベース部材４０上で、垂直平板部４０ａの前面（トーチボディ１２と対向する面）には、たとえば樹脂等の絶縁体からなる略直方体形状の多用途支持部４４が固着されている。多用途支持部４４の上面には、たとえば銅等の導体からなる中空ブロック構造の用力中継部４６が取り付けられている。多用途支持部４４の両側面には、支点の軸４８を介して左右一対のバランスアーム５０が鉛直面内で回転可能に取り付けられている。用力中継部４６およびバランスアーム５０回りの構成については、後に詳しく説明する。
【0032】
ベース部材４０上で、その水平平板部４０ｂの先端部（垂直平板部４０ａと反対側の端部）には、トーチボディ１２を鉛直方向で案内するための円筒状のトーチガイド５２が設けられている。このトーチガイド５２の内側には、上下方向に一定のスペースまたは中間部を挟んで２つのリニアブッシュ５４Ｈ，５４Ｌが設けられている。トーチボディ１２は、両リニアブッシュ５４Ｈ，５４Ｌの案内により正確に鉛直方向で直進移動することができる。
【0033】
トーチガイド５２の中間部には、多用途支持部４４と対向する位置に開口部５６が形成されている。そして、トーチボディ１２の中間部の側面には、開口部５６を介して外に露出するように、たとえば銅等の導体からなる中空ブロック構造の用力導入部５８が取り付けられている。この用力導入部５８は、トーチボディ１２内の導電路を介してトーチ電極１０に電気的に接続されている。
【0034】
用力導入部５８の上面には一対の上流側ガス導入ポート６０が設けられている。さらに、用力導入部５８の背面（トーチボディ１２と向き合う面）には、トーチボディ１２内のガス流路に接続する下流側ガス導入ポート（図示せず）が設けられている。用力導入部５８の内部は中空のガス室またはガス通路になっており、上流側ガス導入ポート６０と下流側ガス導入ポートとは連通している。
【0035】
一方、多用途支持部４４上の用力中継部４６には、その両側面に一対の下流側ガス中継ポート６２が設けられている。この下流側ガス中継ポート６２と用力導入部５８のガス導入ポート６０との間には、空中でアーチ形に延びる変位または変形可能な樹脂製の架橋型チューブ６４が架けられている。さらに、用力中継部４６および用力導入部５８の互いに向き合う面（正面）の間に、空中でアーチ形に延びる変位または変形可能な帯状シートの架橋型導体６６が架けられている。この帯状シートの架橋型導体６６は、たとえば厚さ０．０５ｍｍの極薄の銅シートを複数枚（たとえば９枚）重ねて構成されている。
【0036】
用力中継部４６の上面には、導電性の上流側ガス中継ポート６８が設けられている。このポート６８には、溶接電源２２（図１）からの電気ケーブル３０およびガス供給部２４（図１）からのガス管３３を収容する用力供給ケーブル７０の終端コネクタ７２が着脱可能に接続される。この場合、用力供給ケーブル７０内のガス供給ライン（ガス管）３３が上流側ガス中継ポート６８のガス通路に接続されるだけでなく、用力供給ケーブル７０内の溶接電流供給ライン（電気ケーブル）３０が用力中継部４６の本体に電気的に接続される。用力中継部４６の内部は中空のガス室またはガス通路になっており、上流側ガス中継ポート６８と下流側ガス中継ポート６２とは連通している。
【0037】
用力供給ケーブル７０は比較的重いケーブルであるが、上記のように用力中継部４６で終端するので、その重量はベース部材４０にかかり、トーチ電極１０およびトーチボディ１２を合わせたトーチ１３には全くかからない。トーチ１３には架橋型チューブ６４および架橋型導体６６の重量がかかる。これら架橋型チューブ６４および架橋型導体６６は、用力供給ケーブル７０に比して格段に軽量であり、しかもそれぞれの空中姿勢がアーチ形で一定なので、トーチ荷重に変動を来たすことは殆どない。
【0038】
上記のような多用途支持部４４上の用力中継部４６およびトーチボディ１２側の用力導入部５８回りの用力供給系統において、ガス供給部２４（図１）より送出されるシールドガスは、用力供給ケーブル７０（ガス管３３）→用力中継部４６（上流側ガス中継ポート６８→下流側ガス中継ポート６２）→架橋型チューブ６４→用力導入部５８（上流側ガス導入ポート６０→下流側ガス導入ポート）→トーチボディ１２→トーチノズル１２ａと繋がるガス流路を上記の順に流れるようになっている。また、溶接電源２２より送出される溶接電流は、用力供給ケーブル７０（電気ケーブル３０）→用力中継部４６（導電性ブロック）→架橋型導体６６→用力導入部５８（導電性ブロック）→トーチボディ１２→トーチ電極１０と繋がる電流経路を上記の順または逆の順（逆方向）に流れるようになっている。
【0039】
バランスアーム５０は、剛体たとえばステンレス鋼からなり、屈曲部５０ａ、第１アーム部５０ｂおよび第２アーム部５０ｃを有し、全体が“ヘ”字状に形成されている。屈曲部５０ａは、支点の軸４８により多用途支持部４４の両側面の前部に回転可能に取り付けられる。第１アーム部５０ｂの先端部には、トーチボディ１２の側面に固着されているピン７４と嵌合する横長の軸受７６が設けられている。トーチガイド５２の側面には、上下方向に移動可能なピン７４を通すための縦長の開口部（図示せず）が形成されている。
【0040】
一方、第２アーム部５０ｃの先端部には、たとえばステンレス鋼からなる直方体形状のバランスウエイト８０がボルト８２によって取り付けられている。このバランスウエイト８０の重量を調整するために、たとえば板片状の重量加算用ウエイト８４をボルト８６によってバランスウエイト８０に着脱可能に取り付けてもよい。ベース部材４０の水平平板部４０ｂには、バランスウエイト８０が通れる大きさの開口部８８が形成されている。
【0041】
バランスアーム５０においては、第１アーム部５０ｂの先端部に取り付けられているトーチ１３回りの総重量つまりトーチ荷重により図２Ａにおいて反時計方向の重量モーメントが作用する一方で、第２アーム部５０ｃの先端部に取り付けられているバランスウエイト８０の重量により図２Ａにおいて時計方向の重量モーメントが作用する。
【0042】
ここで、トーチ側の重量モーメントがバランスウエイト８０側の重量モーメントを少し（たとえばトーチ荷重に換算して１０～３０ｇ重）だけ上回るように、バランスウエイト８０の重量が設定ないし調整される。このようにトーチ側の重量モーメントをバランスウエイト８０側の重量モーメントより大きく設定することで、トーチ１３に外力が加わらないときは、図２Ａに示すようにバランスウエイト８０の上面が多用途支持部４４の下面（ストッパ）に当接する。この状態で、バランスアーム５０は静止し、溶接ヘッド上でトーチ１３が一定（基準）の高さ位置に保持される。
【0043】
なお、トーチ１３のピン７４とこれに嵌合している第１アーム部５０ｂの軸受７６は、トーチ１３の鉛直方向の直進移動とバランスアーム５０の回転移動とを相互に変換するためのクランク機構を構成している。
【0044】
多用途支持部４４は中空の筐体またはブロックとして構成され、その中に開口（図示せず）を介してトーチ１３の用力導入部５８と対向する電磁ソレノイドたとえばプランジャソレノイド９０が固定して取り付けられている。このプランジャソレノイド９０のプランジャ９２が前進移動すると、その先端が用力導入部５８の側面（対向面）に大きな押圧力で当接して、プランジャソレノイド９０と用力導入部５８が物理的に一体化（結合）し、ひいてはトーチ１３とベース部材４０とが物理的に一体化（結合）するようになっている。この一体化の状態で、直進駆動部３４が直進可動部３２を昇降移動させると、トーチボディ１２も直進可動部３２と一体に昇降移動するようになっている。
【0045】
上記のように、この実施形態のＴＩＧ溶接装置においては、溶接ヘッドを構成する直進可動部３２に支点の軸４８を介してバランスアーム５０を鉛直な面内で回転可能に取り付け、バランスアーム５０の第１アーム部５０ｂの先端部にトーチボディ１２を結合し、第２アーム部５０ｃの先端部にバランスウエイト８０を取り付ける構成により、トーチ１３側の重量モーメントとバランスウエイト８０側の重量モーメントとのバランスを調整するだけで、トーチ荷重を非常に小さい荷重（たとえば３０ｇ重以下）に軽減することができる。
【0046】
さらに、このＴＩＧ溶接装置においては、直進可動部（溶接ヘッド）３２上に、タッチスタート方式においてトーチ電極１０の先端と被溶接材Ｗとの間のタッチのタイミングおよび分離のタイミングを検出するためのタッチ・分離検出部１５を設けている。このタッチ・分離検出部１５は、図２Ａに示すように、バランスアーム５０の適当な箇所（たとえば下端部）に一体に取り付けられた板片状の遮光部材Ｆと、この遮光部材Ｆを挟むように対向して同一の高さ位置に配置される発光素子ＥＤおよび受光素子ＰＤとを有している。発光素子ＥＤおよび受光素子ＰＤは協働して光センサを構成し、発光素子ＥＤが受光素子ＰＤに向けて光ビームＰを射出し、受光素子ＰＤが光ビームＰを受光するか否かに応じて値の異なるたとえばＨレベル／Ｌレベルの２値信号を出力するようになっている。発光素子ＥＤおよび受光素子ＰＤの高さ位置は調整可能に構成されている。
【0047】
タッチ・分離検出部１５（図１）は、受光素子ＰＤの出力信号を信号処理する回路を有し、受光素子ＰＤの出力信号がＨレベルからＬレベルに変化した時に、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗにタッチしたタイミングを示すタッチタイミング検出信号ＭＳＡを出力し、受光素子ＰＤの出力信号がＬレベルからＨレベルに変化した時に、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離したタイミングを示す分離タイミング検出信号ＭＳＢを出力するようになっている。
【0048】
この実施形態では、ステージ２８に対する直進可動部３２またはトーチ１３の相対的な高さ位置および昇降移動距離を測定するための位置センサとして、たとえば図２Ａに示すようなリニアスケール１０１が設けられている。このリニアスケール１０１は、ステージ２８に固定された鉛直方向に延びる目盛部１０３と、この目盛部１０３の目盛を光学的に読み取るためにベース部材４０に取り付けられた目盛読取部１０５とを有している。目盛読取部１０５の出力信号は、制御部２０に与えられる。
【0049】
さらに、このＴＩＧ溶接装置は、トーチ電極１０と被溶接材Ｗとの間の電圧Ｖ（特にその立ち上がり）を検出するための電圧検出回路３８（図１）を備えている。この電圧検出回路３８は、タッチスタートの通電中にトーチ電極１０が被溶接材Ｗから分離した時に両者間のギャップに生じる電圧Ｖの立ち上がりのエッジを検出し、その立ち上がりエッジのタイミング（分離のタイミング）を表す出力信号ＫＳを制御部２０に与えるように構成されている。電圧検出回路３８は、電圧Ｖの立ち上がりのエッジを正確かつ高速に検出するために、好ましくは微分回路を備えている。
【0050】
図１において、制御部２０は、マイクロコンピュータ、メモリおよび各種インタフェース等を含むほか、アナログ式またはディジタル式のタイマを内蔵または外付けで備えており、図示の各部だけでなく不図示の起動スイッチ、入力装置および表示装置等とも接続されており、メモリに蓄積または格納した所定のプログラムにしたがって装置内の各部の動作および全体のシーケンスを制御する。
［装置全体の動作及び作用］
［装置全体の動作及び作用］
【0051】
【0052】
図２Ａ～図２Ｆは、実施形態（第１の制御方式）によるＴＩＧ溶接動作の各段階における溶接ヘッド内の各部の状態を示す。図３は、この実施形態の各制御方式によるＴＩＧ溶接動作のシーケンスを示す。図４Ａ～図４Ｃは、各制御方式における制御部２０の制御手順を示す。
【0053】
なお、図２Ａ～図２Ｆにおいて、一例として示す被溶接材Ｗは、小型精密電子部品パッケージ等のワーク本体１００から突出する短冊状の端子部材１０２に細い被覆線１０４を巻き付けて、この巻き付け部を被溶接部としている。寸法的には、たとえば、端子部材１０２の幅が約１ｍｍ、厚さが約０．２ｍｍであり、被覆線１０４の太さは約０．０５ｍｍである。端子部材１０２の根元付近に着脱可能に装着される接触子２７は、電気ケーブル２６を介して溶接電源２２の正極端子（＋）に接続されている。
【0054】
この実施形態の第１の制御方式（図３、図４Ａ）によれば、制御部２０は、図３の時点ｔ０で起動信号を入力すると、先ず初期化を行い（ステップＳ１０１）、その初期化の中で今回のＴＩＧ溶接に用いる各種条件の設定値をメモリから読み出して所定のレジスタにセットする。これらの条件には、初期電流ＩＯおよび主電流ＩＭの電流値、初期通電時間ＴＯおよび本通電時間ＴＭ等が含まれる。
【0055】
次いで、制御部２０は、直進駆動部３４を制御して、それまで待機位置で静止していた直進可動部３２に下降移動を開始させる（ステップＳ１０２）。この場合、初期状態では、直進可動部３２上でバランスアーム５０は図２Ａに示すような状態で静止しており、バランスアーム５０の下端の遮光部材Ｆは光ビームＰの光路からわずかに上方に退避している。これにより、発光素子ＥＤからの光ビームＰは遮光部材Ｆの下をかすめるように通過して受光素子ＰＤに入射し、受光素子ＰＤの出力信号はＨレベルになっている。図２Ｂに示すように、直進可動部３２上の各部の状態は、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗにタッチする寸前まで維持される。
【0056】
一方、制御部２０の制御の下で、溶接電源２２は出力のスイッチＳＷをオフ状態に維持している。ガス供給部２４は、直進可動部３２およびトーチ１３を下ろす途中で、シールドガスの供給を開始する。上記のように、ガス供給部２４より用力供給ケーブル７０（ガス管３３）を介して溶接ヘッド（直進可動部）３２に送られてきたシールドガスは、用力中継部４６→架橋型チューブ６４→用力導入部５８→トーチボディ１２→トーチノズル１２ａの各ガス流路を通ってトーチノズル１２ａの噴射口より被溶接材Ｗに向けて噴射される。
【0057】
そして、図２Ｃに示すように、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗに当接（タッチ）すると、トーチ電極１０が被溶接材Ｗから反作用を受けることにより、バランスアーム５０が図の時計方向に回動して、遮光部材Ｆが光ビームＰの光路に進入し、発光素子ＥＤからの光ビームＰを遮断する。すると、受光素子ＰＤの出力信号がそれまでのＨレベルからＬレベルに変わって、タッチ・分離検出部１５（図１）がタッチタイミング検出信号ＭＳＡを発生し、この信号ＭＳＡを受けて制御部２０はトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗにタッチしたタイミング（図３の時点ｔ１）を認識または検出する（ステップＳ１０３）。
【0058】
制御部２０は、上記のようにしてタッチのタイミング（時点ｔ１）を検出すると、直進駆動部３４を制御して、即時に直進可動部３２の下降移動を停止させる（ステップＳ１０４）。次いで、溶接電源２２のスイッチＳＷをそれまでのオフ状態からオン状態に切り換え、溶接電源２２に初期通電のための所定の初期電流ＩＯ を出力させる（ステップＳ１０５）。この初期通電では、溶接電源２２の直流電圧源Ｅの正極出力端子→電気ケーブル２６→被溶接材Ｗ→トーチ電極１０→トーチボディ１２→用力導入部５８→架橋型導体６６→用力中継部４６→用力ケーブル７７（電気ケーブル３０）→直流電圧源Ｅの負極出力端子の電流経路（閉回路）で、直流の初期電流Ｉ０が流れる。
【0059】
初期電流Ｉ０の設定電流値は任意の値であり、この実施形態のように被溶接材Ｗが熱容量の小さい微小なワークである場合は、初期電流ＩＯの電流量はかなり少なめに設定される。タッチ状態にある限り、トーチ電極１０と被溶接材Ｗは電気的に短絡しているので、初期電流Ｉ０が流れても、両者間の印加電圧Ｖは零ボルトである。
【0060】
この実施形態におけるタッチスタート方式は、初期電流Ｉ０による被溶接材の不所望な溶け込みを排することを目的とするもので、初期電流Ｉ０の設定値は通常よりも小さい値に設定される。その設定値はトーチ電極と被溶接材との間で微弱なアークが立ち上がらせるものであればよく、通常は５Ａ程度に設定される。５Ａの初期電流Ｉ０は一般的なタッチスタート方式としては小さい値であるが、被溶接材が微小、例えば線径が１ｍｍ以下であって、アークスタート時の微弱な初期電流による被溶接材の溶け込みの影響が大きいと考えられる場合には、初期電流Ｉ０をさらに小さな値、たとえば２Ａに設定してもよい。一方で、初期電流Ｉ０をさらに低い値にしてもよいが、たとえば１Ａ程度に設定した場合には、被溶接材が微小な場合であっても、初期電流Ｉ０が小さすぎて初期の微弱なアークも安定的に発生しない場合が多い。したがって、初期電流Ｉ０は１．５Ａ以上、好ましくは２Ａ以上に設定することが好ましい。
【0061】
この第１の制御方式においては、このような微小な初期電流Ｉ０による場合であっても、アークの立ち上がり時における初期電流Ｉ０の影響により被溶接材Ｗが不所望に溶け過ぎることを回避した上で、瞬時に切り替えられた本通電用の主電流ＩＭによってアークを制御することが可能である。
【0062】
タイマが初期通電の設定時間Ｔ ０ を計時してタイムアップすると（ステップＳ１０６）、制御部２０は、通電状態を維持したまま、直進駆動部３４を介して直進可動部３２に上昇移動を開始させる（ステップＳ１０７）。直進可動部３２が上昇移動を開始すると、トーチ１３も一緒に上昇移動を開始し、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離する。そうすると、図２Ｄに示すように、トーチ電極１０が被溶接材Ｗ側からの反作用を受けなくなり、バランスアーム５０が初期状態に戻る方向すなわち図の反時計方向に回動して、遮光部材Ｆが光ビームＰの光路から上方に退避し、発光素子ＥＤからの光ビームＰが受光素子ＰＤに届くようになる。そうすると、受光素子ＰＤの出力信号がそれまでのＬレベルからＨレベルに変わり、タッチ・分離検出部１５（図１）が分離タイミング検出信号ＭＳＢを発生し、この信号ＭＳＢを受けて制御部２０はトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離したタイミング（図３の時点ｔ２）を認識または検出する（ステップＳ１０８）。
【0063】
そして、制御部２０は、この分離のタイミング（時点ｔ２）を検出するのと同時または即時に、溶接電源２２を制御して上記閉回路を流れる電流をそれまでの初期電流ＩＯから本通電用の主電流ＩＭに切り換える（ステップＳ１０９）。この本通電では、主電流ＩＭがあらかじめ設定された電流値であらかじめ設定された時間（ＴＭ）だけアークＡＣおよび被溶接材Ｗに供給される。この場合、通電状態でトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離するや否や両者間に生じるギャップに即時にアークＡＣが発生し、このアークＡＣが導電路となって閉回路の一部を形成する。
【0064】
主電流ＩＭの電流値および本通電時間（ＴＭ）は、被溶接材Ｗの熱容量等に依存して設定される。この実施例のように熱容量の小さい微小な被溶接材Ｗに対しては、主電流ＩＭの電流値は、スタート電流ＩＯの電流量（たとえば５Ａ）よりも一段と大き目の値（たとえば１０Ａ）に設定される。また、本通電時間ＴＭはたとえば数１０ｍｓに設定される。
【0065】
この実施形態では、上記のようにして分離のタイミング（時点ｔ２）を検出するのと同時または即時に初期電流ＩＯから主電流ＩＭへの切り換えを行うが（ステップＳ１０８→Ｓ１０９）、溶接電源２２等のハードウェア上の応答速度に応じて切換えに若干（たとえば５ｍｓ）のディレイが生じることもある。しかし、この種のディレイは、ＴＩＧ溶接の作用に特に影響を来すものではなく、ハードウェアの改良によって可及的に零に近づけられる。ソフトウェア的または意図的なディレイを設けないことが非常に重要である。
【0066】
こうしてトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離するや否や両者間に生じるギャップに本通電用の主電流ＩＭによるアークＡＣが発生し、トーチ電極１０の上昇移動している最中に、被溶接材Ｗは主電流ＩＭの電流量に応じたパワーないしエネルギーのアークＡＣに晒されて、期待通りに溶ける。この場合、トーチ電極１０の上昇移動つまり離間距離の増大に伴ってアーク長が変化するが、被溶接材Ｗの熱容量ないしサイズが小さいので、主電流ＩＭの電流量が適切に制御される限り、溶接品質への影響は少ない。
【0067】
制御部２０は、本通電時間ＴＭがタイムアップすると（ステップＳ１１０）、溶接電源２２をオフして通電を止める（ステップＳ１１１）。主電流ＩＭが切られると、その瞬間にアークＡＣは消滅する。アークＡＣが消滅すると、被溶接材Ｗの溶け込み部分が大気中の自然冷却によってすぐに凝固する。
【0068】
この後、制御部２０は、ガス供給部２４をオフし、直進可動部３２が所定位置（たとえば初期位置）に到達したところで直進駆動部３４を制御して直進可動部３２の上昇動作を停止させる（ステップＳ１１2）。
【0069】
上記のように、この第１の制御方式においては、タッチスタート方式で初期通電を開始した後、直進可動部３２を上昇移動させる際にトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離するのと同時（時点ｔ２）に初期通電から本通電への切換えを行い、分離のタイミング（ｔ２）からあらかじめ設定された本通電時間ＴＭが経過した時点でアーク溶接を終了する。かかる技法により、熱容量が小さくて微弱なアークでも溶けやすい被溶接材Ｗに対しても適切なアーク溶接を施し、良好な溶接品質を得ることができる。また、アーク這い上がり、アーク横飛び（アークが近傍の他のワークに飛び火する現象）、アーク失火等の溶接不良を効果的に防止することができる。
【0070】
この点に関して、一般的なタッチスタート方式は、トーチ電極が被溶接材にタッチした後に、（Ａ１）トーチ電極を被溶接材に接触させた状態（短絡状態）で初期通電を開始する→（Ａ２）トーチの上昇移動を開始する→（Ａ３）トーチ電極が被溶接材から分離する→（Ａ４）微弱なアークが発生する→（Ａ５）初期通電および微弱なアークを維持したままトーチの上昇移動を継続する→（Ａ６）一定の離間距離を確立する→（Ａ７）初期電流を本通電の主電流に切り換える、という一連の工程（Ａ１）～（Ａ７）からなっている。上述した第１の制御方式は、工程（Ａ３）から工程（Ａ４）～（Ａ６）をスキップして工程（Ａ７）に移行するところにその特異な制御思想があり、従来一般のタッチスタート方式とは異なる特殊なタッチスタート方式といえる。
【0071】
なお、タッチ状態の下で直進可動部３２においてプランジャソレノイド９０を作動させてトーチボディ１２を直進可動部３２のベース部材４０と一体化し、タッチスタートの後にトーチ電極１０を直進可動部３２と一体に上昇移動させることも可能である。しかし、タッチ状態の下でプランジャソレノイド９０のプランジャ９２を用力導入部５８の側面（対向面）に大きな押圧力で当てると、トーチボディ１２、トーチ電極１０等を介して被溶接材Ｗに余計な圧力が加わり、熱容量の小さい微小な被溶接材Ｗに対して望ましくない損傷、変形を与えるおそれがある。さらに、直進可動部３２を上昇移動させた時にトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから分離したタイミング（ｔ２）を正確に検出することも困難である。
【0072】
この実施形態では、上記のように、タッチ・分離検出部１５が、直進可動部３２に対するトーチ１３の相対的な動きまたは位置関係をバランスアーム５０を介して光学的に監視し、バランスアーム５０が静止状態から時計方向に動き始めて遮光部材Ｆが光学センサ（ＥＤ/ＰＤ）の光ビームＰの光路に入ったタイミングをタッチのタイミング（ｔ１）として検出し、バランスアーム５０が静止状態から反時計方向に動き始めて遮光部材Ｆが光学センサ（ＥＤ/ＰＤ）の光ビームＰの光路から抜けたタイミングを分離のタイミング（ｔ２）として検出するようにしている。つまり、直進可動部３２に対するトーチ１３の相対的位置関係が、タッチのタイミング（ｔ１）が検出されるときと分離のタイミング（ｔ２）が検出されるときとで一致するように設定されている。タッチ・分離検出部１５は、トーチ電極１０の先端から十分離れた（または隔離された）場所に設けられ、アークＡＣの熱をまったく受けずに動作するので、精緻なタイミング検出動作を正確に行うことができる。
【0073】
この実施形態では、制御部２０が、電圧検出回路３８を介して分離のタイミング（ｔ２）を検出することも可能となっている。タッチスタートの通電中にトーチ電極１０が被溶接材Ｗから分離した時に両者の間にギャップが生じることにより、両者間の印加電圧Ｖがそれまでの零ボルトから溶接電源２２の出力に応じたピーク値まで一定または不定のレートで立ち上がる。このため、電圧Ｖが一定の基準値まで立ち上がった時点を検出する方法によれば、実際の分離のタイミング（ｔ２）から相当遅れたタイミングを検出することになる。この実施形態では、電圧検出回路３８が微分回路を有し、電圧Ｖの立ち上がりの変化を微分することにより、実際の分離のタイミング（ｔ２）を遅延なく検出することができる。
【0074】
第２の制御方式（図３、図４Ｂ）は、上述した第１の制御方式の基本的な制御思想を踏襲しつつ（ステップＳ２０１～Ｓ２１２）、タッチスタート後に直進可動部３２を設定距離ＨＳだけ上昇移動させ（ステップＳ２１０）、つまりトーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗから設定離間距離ＨＳだけ離れる位置まで上昇移動させて一時的に停止させ（図３の時点ｔ３）、その停止期間中に本通電時間ＴＭをタイムアップさせる（ステップＳ２１３～Ｓ２１４）。この第２の制御方式は、熱容量の大きい被溶接材に対するＴＩＧ溶接に好適に適用することができる。
【0075】
第３の制御方式（図３、図４Ｃ）も、上記第１の制御方式の基本的な制御思想を踏襲しつつ（ステップＳ３０１～Ｓ３０４，Ｓ３０８～Ｓ３１３）、初期通電をタッチのタイミング（ｔ１）から一定期間ＴＦの経過後に開始して分離のタイミング（ｔ２）の直前に限定し（ステップＳ３０５）、初期通電時間（ＴＯ）を可及的に短い時間に設定する（ステップＳ３０６～Ｓ３０７）点に特徴がある。この場合は、初期電流ＩＯの立ち上がりのスロープと本通電の主電流ＩＭの立ち上がりのスロープとを連続させ、通電電流を零アンペアから主電流ＩＭのピーク値まで最短に立ち上げることができる。この場合、主電流ＩＭの立ち上がりにアップスロープ制御をかけてよく、立ち下がりにダウンスロープ制御も好適に用いてよい。この第２の制御方式は、熱容量のきわめて小さい被溶接材に対するＴＩＧ溶接に好適に適用することができる。
【0076】
図５に、従来の制御方式に相当する比較例のシーケンスを示す。図示のように、比較例の制御方式は、タッチスタート方式においてトーチ電極の先端が被溶接材から分離した後しばらくしてから、典型的には図５に示すように設定離間位置まで引き上げてから通電電流を初期電流から本通電の主電流に切り換え、トーチ電極を設定離間位置に静止させた状態での通電時間（本通電時間）を管理するものである。しかしながら、このような制御方式によれば、被溶接材の熱容量が小さい場合には、本通電に移行する前に初期電流のアークによって被溶接材Ｗが不所望かつ不定に溶けてしまい、結果的にも所期の溶接品質が得られない。
【0077】
さらには、この実施形態と比較例とは、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、アーク這い上がり現象の有無に関して作用上の顕著な相違がある。比較例の制御方式によれば、図９Ａに示すように、トーチ電極の先端が被溶接材から分離して離間する際に被溶接材からトーチ電極の先端に向かって形成される初期電流によるアークがトーチ電極の柱状胴部の側面まで這い上がる現象が生じやすい。このようなアーク這い上がり現象は、被溶接材に対するアークの集中性および安定性を大きく低下させる。これに対して、この実施形態（たとえば上記第１の制御方式）によれば、アークが最初から本通電の主電流の下で生成されるため、図９Ｂに示すように、アークの這い上がりが発生せず、トーチ電極の先端と被溶接材の端部との間に集中性のよいアークが安定に生じる。
［他の実施形態又は変形例］
［他の実施形態又は変形例］
【0078】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【0079】
たとえば、微小サイズの被溶接材Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）に対しては、図６の（ａ）に示すようなマイナス（－）形状または長方形状の先端面を有するトーチ電極１０や、図６の（ｂ）に示すようなフラット状の先端面を有するトーチ電極を好適に使用することができる。これらの場合、トーチ電極１０の中心軸が被溶接材Ｗの中心部から少し横にずれても、トーチ電極１０の先端面が被溶接材Ｗの頂面に当接するので、確実に被溶接材Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）の中心部付近にアークを集中させることができる。また、タッチスタート方式において、分離のタイミングを検出するのと同時または即時に電流を本通電に切り替えることでトーチ電極への側面へのアークの這い上がりを防ぎ、確実に被溶接材Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）の中心部付近にアークを集中させることができる。
【0080】
図７に、上記した実施形態において直進可動部（溶接ヘッド）３２上に設けられる荷重バランス機構およびタッチ・分離検出部１５の別の実施例を示す。図中、図２Ａ～図２Ｆのものと同様の構成または機能を有する部分には、同一の参照符号を用いている。なお、溶接電流供給系およびガス供給系は図示省略している。
【0081】
この実施例における荷重バランス機構は、直進可動部３２の本体１１０とトーチボディ１２に固定された水平の連結棒１１２との間に圧縮コイルばね１１４と引張コイルばね１１６とを並列に配置する。ここで、圧縮コイルばね１１４のばね荷重は、棒ねじ１１８およびナット１２０を含む第１のトーチ荷重調整部１２２によって調整可能であり、引張コイルばね１１６のばね荷重は棒ねじ１２４およびナット１２６を含む第２のトーチ荷重調整部１２８によって調整可能である。
【0082】
トーチボディ１２には、連結棒１１２等の付属物も含めたトーチ１３全体の重量（自重）Ｌ１３と、圧縮コイルばね１１４のばね荷重Ｌ１１４とが足し合わさったＺ方向の下向きの荷重が加わる一方で、引張コイルばね１１６のばね荷重Ｌ１１６がＺ方向の上向きに加わる。Ｚ方向の下向きの荷重を正方向とし、トーチボディ１２に加わる全合成荷重をＴＬとすると、ＴＬ＝Ｌ１３＋Ｌ１１４－Ｌ１１６である。ここで、Ｌ１３は略一定であるから、上記のように第１および第２のトーチ荷重調整部１２２，１２８によりＬ１１４，Ｌ１１６を可変調整することにより、被溶接材Ｗの特性に合わせて全合成荷重ＴＬを任意に調整することができる。
【0083】
この実施例におけるタッチ・分離検出部１５は、連結棒１１２と反対側（図の左側）で水平に延びる横棒１３０と本体１１０との間に設けられる。より詳細には、横棒１３０の先端部には、鉛直上方に延びる遮光部材Ｆが取り付けられている。この遮光部材Ｆの周囲には、本体１１０に固定された発光素子ＥＤおよび受光素子ＰＤが同一の高さ位置で対向して配置されている。
【0084】
かかる構成においては、トーチ電極１０の先端が被溶接材（図示せず）にタッチした時に、被溶接材側からの反作用によってトーチ１３（トーチ電極１０およびトーチボディ１２）が直進可動部３２の本体１１０に対して相対的に上方に移動して、図７に示すように遮光部材Ｆが発光素子ＥＤからの光ビームＰを遮断し、受光素子ＰＤの出力信号がそれまでのＨレベルからＬレベルに変わる。その後、トーチ電極１０の先端が被溶接材から分離すると、被溶接材側からの反作用が解除されることによって、トーチ１３が直進可動部３２の本体１１０に対して相対的に下方に移動して、遮光部材Ｆが光ビームＰの光路から下方に退避し、受光素子ＰＤの出力信号がそれまでのＬレベルからＨレベルに変わる。
【0085】
このように、この実施例におけるタッチ・分離検出部１５は、直進可動部３２の本体１１０とこれに圧縮コイルばね１１４および引張コイルばね１１６を介して結合されているトーチ１３との間の相対的な動きまたは位置関係を光学的に監視して、タッチスタート方式におけるタッチのタイミングおよび分離のタイミンングを検出するようにしている。
【0086】
なお、タッチ・分離検出部１５において、タッチのタイミングを検出するための光学センサと分離のタイミングを検出するための光学センサとを別個独立に設ける構成も可能である。
【0087】
図８に、タッチ・分離検出部１５に関する更に別の実施例を示す。この実施例は、荷重バランス機構にバランスアーム５０およびバランスウエイト８０を用いる上述の実施例（図２Ａ～図２Ｆ）において、タッチ・分離検出部１５の遮光部材Ｆをアーム状の支持部材１４０を介してトーチボディ１２に取り付けるとともに、遮光部材Ｆの直下でベース部材４０（水平平板部４０ｂ）上に光学センサ（発光素子ＥＤ／受光素子ＰＤ）を配置する。
【0088】
この場合、タッチスタートにおいて、トーチ電極１０の先端が下降して被溶接材Ｗに当接するまでは、遮光部材Ｆの先端が発光素子ＥＤと受光素子ＰＤと間で水平に伝搬する光ビームＰより高い位置にあり、受光素子ＰＤの出力信号はＨレベルになっている。そして、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗに当接すると、これと略同時に光ビームＰが遮光部材Ｆの先端によって遮断または遮光され、受光素子ＰＤの出力信号がＨレベルからＬレベルに変わる。その後、初期通電が終了して直進可動部３２の上昇によりトーチ電極１０の先端が被溶接材から分離すると、これと略同時に遮光部材Ｆの先端が光ビームＰの光路から上方に退避し、受光素子ＰＤの出力信号がＬレベルからＨレベルに変わる。
【0089】
また、図示省略するが、異なる高さ位置に２組の光センサ（ＥＤ１／ＰＤ１），（ＥＤ２／ＰＤ２）を配置し、配置（検出）位置が高い方の第１の光センサ（ＥＤ１／ＰＤ１）によってタッチと分離のタイミングを検出し、配置（検出）位置が低い方の第２の光センサ（ＥＤ２／ＰＤ２）によって初期通電開始のタイミングを取得する構成とすることも可能である。この方式は、トーチ電極１０の先端が被溶接材Ｗに当接した後もさらにトーチボディ１２を下降させて被溶接材Ｗに十分大きな加圧力を加えて初期通電を行う場合に好適である。
【符号の説明】
【0090】
１０ トーチ電極
１２ トーチボディ
１５ タッチ・分離検出部
２０ 制御部
２２ 溶接電源
１８ 直進移動機構
３２ 直進可動部
３４ 直進駆動部
３８ 電圧検出回路
Ｗ 被溶接材
１２ トーチボディ
１５ タッチ・分離検出部
２０ 制御部
２２ 溶接電源
１８ 直進移動機構
３２ 直進可動部
３４ 直進駆動部
３８ 電圧検出回路
Ｗ 被溶接材
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
