真空中のアーク発生装置およびアーク発生方法
【課題】スタート後に比較的少ないガス流量でアークに移行することができるとともに、ガス流量の調整範囲を少なくすることができ、脈動現象やアークの消滅を生じることなく、安定したアークを維持する。
【解決手段】中空電極４のガス通路のうち、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とする。
【解決手段】中空電極４のガス通路のうち、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は宇宙空間等の真空中でアークを発生させ、溶接、表面熱処理または材料分析等を実施することを可能とする真空中のアーク発生装置およびアーク発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に大気中で行っているＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接では、中実棒状の電極を適用し、この電極の周囲に不活性ガス等の溶接ガスを噴射し、電極の周囲を非酸化性雰囲気としてアークを発生させ、溶接を行っている。
【０００３】
ところが、宇宙空間等において大気中の溶接と同様の中実棒状の電極を適用してＧＴＡ溶接等を実施しようとすると、高真空度により圧力が低下しているためアーク柱の電位傾度が低下してアークが不安定となり、溶接が困難となる。このため、宇宙空間では構造物を組立てる場合に溶接以外の機械的連結構造等に依存せざるを得ないと考えられていた。
【０００４】
これに対し、近年では真空中におけるアーク溶接のアーク不安定を解決する手段としてアーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源とを使用して、真空中で溶接を行うアーク溶接方法が提案されている（例えば特許文献１、２等参照）。
【０００５】
この方法によると、中空電極の内部に溶接ガスを通して被溶接物に噴出することから、電極内部でプラズマを発生させて真空中でのアーク溶接を行うことが可能となる。このように、真空中の中空電極により可能となるアーク溶接の場合には、電極と被溶接物との間隔を大気圧中のＧＴＡより遙かに長くしてアーク長を大きくすることが可能であり、これにより、アークの強度が強くなって効率的であるため、略１０ｍｍの長いアーク長を使用することが見込まれている。
【特許文献１】特開平７−１８５８０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
起動時の電流を大きくして強いスパークを発生させると、薄板の場合にはスパークによる溶け落ちが生じてしまう。一方、薄板等を溶接する場合の低い溶接電流値では、真空度の上昇とともに、極めて低い確率でしか溶接アークに移行することができなくなる。
【０００７】
また、使用する溶接ガスの種類による差も大きい。例えばＡｒガスの電離電圧は１５．８ｅＶに対しＨｅガスの電離電圧は２４．６ｅＶと大きな値である。これは溶接アークになるためには、Ｈｅガスでは多量のエネルギを必要とすることを意味する。即ち、Ｈｅガスは溶接アークになり難い。
【０００８】
このような事情に対処する従来方法として、アーク発生時の溶接ガス流量を２００ｃｃ／分程度に多くし、溶接アークが発生した後に目的とする溶接時の流量である１０〜２０ｃｃ／分程度に減少させる方法がある。
【０００９】
しかし、アーク発生時に溶接ガスを多く流してアーク発生を容易にし、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させて本来の溶接時のガス流量に戻すためには、溶接ガス流量調整計に広範囲の調整域が必要となる。
【００１０】
さらに、アークスタートした後、急激に溶接ガス流量の設定を本来の少ない流量に設定すると、過渡的に設定値より少ない流量に脈動する現象が生じる。これを防止するには徐々に流量を下げる等の作業が生じる欠点がある。
【００１１】
発生した溶接アークは中空電極内部の先端側でプラズマ状態になっている。このプラズマにより中空電極は高温に加熱され、溶接電流によるプラズマの状態および電極の加熱状況等により中空電極内でのプラズマ発生範囲が変動する欠点がある。一定の溶接電流でもプラズマ発生範囲が変動するとプラズマの強度に影響し、溶接に適用した場合の溶け込み量が安定しなくなる。
【００１２】
また、プラズマ発生範囲が過度に大きくなると中空電極内のプラズマ圧が上昇し、溶接ガスの供給が困難となって溶接アークが消滅する。特にＨｅガスのような電離電圧の高いガスでは、起動時に大きなエネルギを必要とするため溶接アーク発生後の電極内のプラズマ圧が高くなり溶接アークを維持し難い欠点がある。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、スタート後に比較的少ないガス流量でアークに移行することができるとともに、ガス流量の調整範囲を少なくすることができ、脈動現象やアークの消滅を生じることなく、安定したアークを維持することができる真空中のアーク発生装置および方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また、溶接に適用した場合等においては、溶け込み量が安定し、安定なアークを維持し、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、Ｈｅガスのような電離電圧の高いガスにおいてもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質なアーク溶接を行なうことができるアーク発生装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者の検討によれば、電離電圧の高いＨｅガスなどは起動時に多くのエネルギを要する。具体的には起動時の電流を上げたり、ガス流量を増してガス密度を高くする等が考えられる。しかし、起動してしまうと、電流が高い場合、またはガス密度が高い場合には、中空電極内でガスの膨張による内圧（プラズマ圧）が過度に高まる。この内圧がある限界を超えると、ガスの供給ができなくなり、アーク維持が困難となり、アークが消滅してしまう。
【００１６】
したがって、アークが発生した後では、逆に電流が高かったり、ガス流量が多くなることはアーク維持に不利となる。この相反する現象を解決するための手段、方法が求められていた。
【００１７】
発明者による種々の試験、検討の結果、スタート時は電極先端の孔断面を細くしてガス密度を高めてアーク発生しやすくしておき、アーク発生後はこの内圧が限界を超えないように孔の細断面部の長さを設定し、その上部の孔断面を大きくすると、内圧の制御が可能となり、電離電圧の高いＨｅガスでも容易に微量のガス流量でアーク維持できることが判った。
【００１８】
そこで、上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００１９】
請求項２に係る発明では、前記中空電極の先端部の外寸法を本体部分よりも小さくし、この小外寸法部分の軸方向長さを前記中空電極のプラズマ発生域の長さよりも短く設定した請求項１記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２０】
請求項３に係る発明では、前記中空電極の先端部に筒状のアーク被覆部を設け、このアーク被覆部の内側寸法は、前記プラズマ発生域の内側寸法よりも大きく、かつ前記プラズマ発生域抑制部の内側寸法よりも小さい設定とした請求項１または２記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２１】
請求項４に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記内側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２２】
請求項５に係る発明では、前記内側電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成とした請求項４記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２３】
請求項６に係る発明では、前記内側電極と外側電極との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路を形成するとともに、前記外側電極の先端に第２ガス噴出口を形成し、この第２ガス通路のうち、前記第２ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記第２ガス噴出口部よりも大きく前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした請求項５記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２４】
請求項７に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記外側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２５】
請求項８に係る発明では、前記電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた請求項１ないし７のいずれかに記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２６】
請求項９に係る発明では、請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、前記内側電極および外側電極の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することを特徴とする真空中のアーク発生方法を提供する。
【００２７】
請求項１０に係る発明では、請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、溶接、表面熱処理または材料分析を実施することを特徴とする真空中のアーク発生方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、発生したアークがプラズマになる領域を制御することにより安定なアークを維持でき、アークを発生させるための中空電極先端部の肉厚ひいては体積を小さくすることにより、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、アークへの移行が容易となる。高真空であってもＨｅのような電離電圧の高いガスにおいてもアーク起動時のガス流量を溶接時等から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質な溶接等を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る真空中のアーク発生装置およびアーク発生方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
［第１実施形態（図１〜図３）］
本発明の第１実施形態では、真空環境下で中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした真空中のアーク発生装置について説明する。
【００３１】
図１は、本実施形態による真空中のアーク発生装置全体を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態のアーク発生装置１は、アーク発生用のガスａを供給するガス供給装置２を備えている。このガス供給装置２は、例えば筐体状に構成されており、図示省略のガス供給源からガスａの供給を受ける横向き開口のガス導入部２ａと、このガス導入部２ａの孔断面よりも内部断面が大きくなったガス受け部２ｂとを有している。ガス受け部２ｂは下方に向って一定長さ突出しており、この突出部分２ｃの下端に中空電極支持孔２ｄが下向きに開口している。
【００３２】
このガス供給装置２の中空電極支持孔２ｄには、シール部材３を介して中空電極４が気密を保持して連結されている。なお、以下の例では中空電極４をタングステン電極とした場合について説明する。
【００３３】
中空電極４は例えば軸方向（図示上下方向）の両端が開口する円管状のものであり、ガス供給装置２に保持されている。そして、中空電極４の軸方向に沿って形成されている内部孔が、ガスを流通させるためのガス通路５となっている。
【００３４】
このガス通路５に、ガス供給装置２により供給されるガスａが通され、中空電極４の先端（下端）のガス噴出口５ａからガスａが下向きに噴出する構成となっている。また、ガス供給装置２および中空電極４には電極移動機構、例えば昇降機構６が連結されており、この昇降機構６によって中空電極４の先端が被溶接物７に向って昇降移動できるようになっている。
【００３５】
さらに、中空電極４と被処理物７との間には、これらに電圧を印加して放電を起させ、ガスａ中にアークを発生させる電源８がそれぞれ配線９を介して接続されている。
【００３６】
このような構成において、ガス通路５は、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域Ｓ１とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域Ｓ１の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部Ｓ２となっている。
【００３７】
すなわち、中空電極４のガス通路５の直径は長さ方向（上下方向）全体で一定ではなくプラズマ発生域Ｓ１である先端部の直径（ｄ１）が小径となり、プラズマ発生域抑制部Ｓ２であるガス供給側の直径（ｄ２）が大径となっている。
【００３８】
また、中空電極４の外寸法である外径については、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（Ｄ１）は、外側下部の段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ２）よりも小径となっている。この中空電極４の先端部４ａの内外の長さおよび径は、適用する溶接装置等の処理装置および溶接条件等の処理条件に必要な熱エネルギ密度に応じて設定されている。なお、中空電極４が多角形の場合の外寸法は、対向する交点間の距離、対向する面間の距離および対向する交点と面の距離であり、正三角形の場合は底辺からの高さであり、正方形の場合は一辺の長さもしくは対角線の長さとなる。
【００３９】
また、中空電極４の先端部（下端部）４ａがガス通路断面積の小さい部分の長さより短い範囲で一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄とされ、体積が小さいことによりアークから受ける先端部４ａの熱エネルギ密度を本体部４ｂよりも高める構成となっている。
【００４０】
すなわち、中空電極４の先端部の外径Ｄ１を本体部分の外径Ｄ２よりも小径とし、この小径部分の軸方向長さＳ１を中空電極４のプラズマ発生域の長さＳ２よりも短く設定したものである。
【００４１】
次に、以上の構成に基づき、真空中のアーク発生方法について、溶接方法を例として説明する。上述したアーク発生装置１を使用することにより、本実施形態では、微量のガスを流しながら中空電極４と被処理物７とを昇降機構６により接触させ、電源８を起動させた状態で昇降機構６により中空電極４を引上げる。中空電極４が被処理物７から離れる瞬間にスパークが生じ、この時のスパークのエネルギをガスへ伝達させて溶接アークに移行させる方法、すなわちタッチスタート方法を適用することができる。
【００４２】
この方法では、中空電極４を被処理物７に接触した後、電源８を出力させた状態で昇降機構６により１〜２ｍｍ中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４と被処理物７が引き離されるため、これらの中空電極４と被処理物７との間でスパークによるアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被処理物７から近距離に在るため、発生したスパークのアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、中空電極４の温度が高くなるほど、中空電極４からの電子放出が活発となり、アークになり易い。
【００４３】
また、温度上昇により、供給されているガスａは高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、アークに移行する。アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被処理物７との間隔を例えば１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばしてアークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接することができる。
【００４４】
ここで、ガス通路５が一定の断面積で電極軸方向に構成されていると、中空電極４の先端部でプラズマ化した熱により中空電極４の上側を徐々に温度上昇させ、プラズマ化する領域を広げてくる。このプラズマ発生領域は中空電極４の状態および外乱状況により、その時々でエネルギバランスの取れた範囲に変動する。すなわち、プラズマの強度が変動し、結果的に熱源が変動する溶接となり、溶接品質に問題が生じる。さらにＨｅガスのような電離電圧の高いガスを使用する場合、アーク起動時に多くのエネルギを必要とするので、Ａｒガスの場合より起動電流を高くする必要がある。高い電流で起動し、プラズマが発生すると、中空電極４内のプラズマによる圧力が高くなり、この圧力がある値を超えるとガスａの供給が困難となり、プラズマが消滅する。
【００４５】
これに対し、本実施形態によれば、中空電極４のガス通路断面積が先端のみ小さくなっているので、プラズマ発生領域が広がろうとしても、ガス通路断面積の広い部分に達するとガス密度が低下し、これ以上のプラズマ発生域を抑えることができる。
【００４６】
すなわち、プラズマ発生域Ｓ１を中空電極４先端のガス通路５ａが小さい範囲に固定することができる。これにより、発生したプラズマの強度変動を抑え、またＨｅガスのような電離電圧の高いガスにおいても，微量のガス流量であっても容易にアークを発生することができ、安定した溶接等が可能となり、簡単な装置で良質な溶接等の処理が行なえる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の溶接装置および溶接方法によれば、ガスａの供給量を途中で調整する必要がなく、一定量で供給されるので、従来のような流量調整計の広範囲の調整域は不要であり、また途中の流量調整も不要による流量の脈動も除去することができる。
【００４８】
さらに、Ｈｅガスのような電離電圧が高くアーク発生が難しいガスにおいても、低電流で容易に溶接等が行なえるようになる。
【００４９】
本実施形態によれば、各種方法を組合わせることにより、アーク発生時のガス密度が高まるとともに、中空電極４の先端部４ａおよび中空電極４内のガスａの温度上昇により、アーク発生時のエネルギレベル上昇が顕著となり、微弱なスパークエネルギのガスａへの伝達効率を高めることができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、高真空下であってもアーク起動時のガス流量を溶接時と変えることなく、微量のガス流量でも溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接等を得ることができる。
【００５１】
なお、図２は、本実施形態の変形例１として、図１に示したアーク発生装置１における中空電極４の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００５２】
この例では、中空電極４の先端部に段差が設けられず、肉厚が大きい構成となっている。この中空電極４の構成では図１に示した中空電極４に比して体積が大きいため、アークから受ける熱エネルギ密度が低いが、電離電圧の低いガスを使用したり、ガス流量を多くして起動する場合のように、必要なエネルギが低くてよい場合にはアーク発生用として適用することが可能である。
【００５３】
また、図３は、本実施形態の変形例２として、図１に示したアーク発生装置１における中空電極４の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００５４】
この例では、中空電極４の先端部に筒状のアーク被覆部１０が一体に設けられている。すなわち、このアーク被覆部１０の内径ｄ３は、プラズマ発生域の内径ｄ１よりも大径、かつプラズマ発生域抑制部の内径ｄ２よりも小径な設定とされている。
【００５５】
このような構成によると、中空電極４の先端で生じたプラズマ領域を、よりガス通路断面積の小さい上部へ誘導し、ガス密度をさらに高めて強いプラズマを得ることができる。
【００５６】
［第２実施形態（図４、図５（ａ），（ｂ））］
図４は本発明の第２実施形態による真空中のアーク発生装置１の全体を示す構成図であり、図５（ａ），（ｂ）は作用説明図である。なお、装置全体の基本構成は第１実施形態と略同様であるから、共通な構成部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本実施形態が第１実施形態と異なる点は、中空電極４が軸方向に相対移動可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部（下端部）が少なくとも外側電極１２の先端部（下端部）から軸方向に突出および退入可能とした点にある。
【００５８】
内側電極１１は、図２に示した中空電極４と同様に、中空電極４の先端部に段差が設けられず、肉厚が大きい構成となっている。外側電極１２は円筒状に構成され、ガス供給装置２にシール部材３を介して支持されている。
【００５９】
そして、内側電極１１のガス通路５のうち、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が大きく、ガス噴出口５ａ部よりも大きくプラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００６０】
この構成において、アーク発生時には図５（ａ）に示すように、内側電極１１を外側電極１２の先端部から下方に突出させておき、低い電流でアーク起動させ、プラズマが安定した時点で相対的に内側電極１１を引き上げ、図５（ｂ）に示すように、外側電極１２にプラズマ発生点を移す。この場合、内側電極１１は外側電極１２のプラズマが移行できない程度に引上げる。
【００６１】
本実施形態によれば、低電流で起動して高電流で使用する場合、またはプラズマ密度が低く大きなプラズマ柱が必要な場合等に好適である。
【００６２】
［第３実施形態（図６、図７（ａ），（ｂ））］
図６は本発明の第３実施形態による真空中のアーク発生装置１の全体を示す構成図であり、図７（ａ），（ｂ）は作用説明図である。
【００６３】
本実施形態は、図６に示すように、中空電極４が軸方向に相対移動可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部（下端部）が少なくとも外側電極１２の先端部（下端部）から軸方向に突出および退入可能とした点において、第２実施形態と略同様である。
【００６４】
本実施形態が第２実施形態と異なる点は、内側電極１１の構成にある。本実施形態では、内側電極１１の先端部（下端部）を一定長さに亘って本体部よりも肉薄とし、アークから受ける先端部の熱エネルギ密度を本体部よりも高める構成としたことにある。
【００６５】
具体的には、内側電極１１が第１実施形態の図１に示した中空電極４と略同様の構成であり、内側電極１１が外側下部の段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径よりも小径となっている。
【００６６】
アーク発生時には図７（ａ）に示すように、内側電極１１を外側電極１２の先端部から下方に突出させておき、低い電流でアーク起動させ、プラズマが安定した時点で相対的に内側電極１１を引き上げ、図７（ｂ）に示すように、外側電極１２にプラズマ発生点を移す。この場合、内側電極１１は外側電極１２のプラズマが移行できない程度に引上げる。
【００６７】
このような構成によれば、内側電極１１のガス通路断面積が先端のみ小さくなっているので、第１実施形態と同様に、プラズマ発生域を電極先端のガス通路５ａを小さい範囲に固定することができ、発生したプラズマの強度変動を抑え、またＨｅガスのような電離電圧の高いガスにおいても微量のガス流量で容易にアークを発生することができるとともに、内側電極１１が外側電極１２で放電領域を囲まれているので安定した溶接等が可能となり、簡単な装置で良質な溶接等の処理が行なえる。
【００６８】
［第４実施形態（図８（ａ），（ｂ））］
図８（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００６９】
これらの図に示すように、本実施形態では、内側電極１１と外側電極１２との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路１３が形成されるとともに、外側電極１２の先端に第２ガス噴出口１１ａが形成されている。
【００７０】
第２ガス通路１３のうち、第２ガス噴出口１１ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域が断面積の小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が大きく、第２ガス噴出口１１ａよりも大きくプラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００７１】
本実施形態の構成を適用して、例えば内側電極１１および外側電極１２の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整して真空中のアーク発生方法を実施する。
【００７２】
上述のように、電離電圧の高いガスではアーク起動が難しくなる。これを解決する方法の一つとして、起動時にタッチスタートする内側電極１１からは、アーク起動し易いＡｒガス等の電離電圧の低いガスを用いて起動をかける。
【００７３】
この場合、一旦プラズマになるとアークが安定するので、内側電極１１を引き上げ、外側電極１２から電離電圧の高いＨｅガス等を流して両方のガスが混在した状態でのプラズマとすることができる。
【００７４】
この後、内側電極１１からの電離電圧の低いガスの供給を止めると、アーク起動し難いＨｅガス等のアークを容易に得ることができる。また、内側電極１１に供給するガスを止めずに混合ガス状態にすると、流量比に応じた特性を得ることが容易に行なえる。
【００７５】
［第５実施形態（図９（ａ），（ｂ））］
図９（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００７６】
これらの図に示すように、本実施形態では、内部にガス通路５を有するとともに、先端部にガス供給装置２から供給されたガスを噴出するガス噴出口５ａを有する中空電極４としての内側電極１１を備えている。そして、真空環境下で中空電極４のガス噴出口１１ａから噴出するガス中にアークを発生させて、被処理物の加熱処理を行なうようになっている。
【００７７】
この構成において、中空電極４は軸方向に相対移動が可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部は少なくとも外側電極１２の先端部から突出および退入可能とされ、かつ外側電極１２の第２ガス通路１３のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲は断面積が小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域の流路断面積がガス噴出口５ａよりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００７８】
本実施形態によれば、例えば上記各実施形態の構成により、内側電極１１および外側電極１２の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することができる。
【００７９】
［第６実施形態（図１０（ａ），（ｂ））］
図１０（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００８０】
本実施形態では、電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた真空中のアーク発生装置１について説明する。すなわち、本実施形態のアーク発生装置１は、中空電極４の外側に冷却装置１４を設け、この冷却装置１４は中空電極４の長軸に沿って上下に移動できる構成になっている。
【００８１】
そして、アーク起動時には図１０（ａ）に示すように、冷却装置１４を引上げて電極先端の温度上昇に支障を無くすることができる。
【００８２】
そして、プラズマが安定した後には、図１０（ｂ）に示すように、中空電極４の先端側へ移動する。
【００８３】
これにより、プラズマの発生している中空電極４の外側が冷却され、プラズマは消滅しないように自己収縮して密度を上げる。したがって、結果的に溶接電流が同じでも、強いアークを得ることができる。また、このとき冷却装置１４を上下に遥動させると、プラズマにパルス的な強度変化を与えることができ、パルス溶接が可能となる。
【００８４】
本実施形態によれば、温度調整によりアークを調整することができる。
【００８５】
［他の実施形態］
本発明では、上記実施形態の他に種々の態様で実施することができる。例えば、溶接のほか、表面熱処理または材料分析を実施する真空中のアーク発生等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図２】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の第１変形例を示す部分断面図。
【図３】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の第２変形例を示す部分断面図。
【図４】本発明の第２実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態の作用説明図。
【図６】本発明の第３実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の第３実施形態の作用説明図。
【図８】（ａ），（ｂ）は本発明の第４実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【図９】（ａ），（ｂ）は本発明の第５実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【図１０】（ａ），（ｂ）は本発明の第６実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００８７】
１ アーク発生装置
２ ガス供給装置
２ａ ガス導入部
２ｂ ガス受け部
２ｃ 突出部分
２ｄ 中空電極支持孔
３ シール部材
４ 中空電極
４ａ 先端部（下端部）
４ｂ 本体部
４ｃ 外径段差部
４ｄ ガス通路段差部
５ ガス通路
５ａ ガス噴出口
６ 昇降機構
７ 被処理物
８ 電源
１０ アーク被覆部
１１ 内側電極
１１ａ ガス噴出口
１２ 外側電極
１３ 第２ガス通路
ａ ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は宇宙空間等の真空中でアークを発生させ、溶接、表面熱処理または材料分析等を実施することを可能とする真空中のアーク発生装置およびアーク発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に大気中で行っているＧＴＡ（ガスタングステンアーク）溶接では、中実棒状の電極を適用し、この電極の周囲に不活性ガス等の溶接ガスを噴射し、電極の周囲を非酸化性雰囲気としてアークを発生させ、溶接を行っている。
【０００３】
ところが、宇宙空間等において大気中の溶接と同様の中実棒状の電極を適用してＧＴＡ溶接等を実施しようとすると、高真空度により圧力が低下しているためアーク柱の電位傾度が低下してアークが不安定となり、溶接が困難となる。このため、宇宙空間では構造物を組立てる場合に溶接以外の機械的連結構造等に依存せざるを得ないと考えられていた。
【０００４】
これに対し、近年では真空中におけるアーク溶接のアーク不安定を解決する手段としてアーク発生用の溶接ガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路が形成されガス供給装置により供給される溶接ガスを先端から噴出する中空電極と、この中空電極と被溶接物との間に電圧を印加して放電を起させ、溶接ガス中にアークを発生させる電源とを使用して、真空中で溶接を行うアーク溶接方法が提案されている（例えば特許文献１、２等参照）。
【０００５】
この方法によると、中空電極の内部に溶接ガスを通して被溶接物に噴出することから、電極内部でプラズマを発生させて真空中でのアーク溶接を行うことが可能となる。このように、真空中の中空電極により可能となるアーク溶接の場合には、電極と被溶接物との間隔を大気圧中のＧＴＡより遙かに長くしてアーク長を大きくすることが可能であり、これにより、アークの強度が強くなって効率的であるため、略１０ｍｍの長いアーク長を使用することが見込まれている。
【特許文献１】特開平７−１８５８０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
起動時の電流を大きくして強いスパークを発生させると、薄板の場合にはスパークによる溶け落ちが生じてしまう。一方、薄板等を溶接する場合の低い溶接電流値では、真空度の上昇とともに、極めて低い確率でしか溶接アークに移行することができなくなる。
【０００７】
また、使用する溶接ガスの種類による差も大きい。例えばＡｒガスの電離電圧は１５．８ｅＶに対しＨｅガスの電離電圧は２４．６ｅＶと大きな値である。これは溶接アークになるためには、Ｈｅガスでは多量のエネルギを必要とすることを意味する。即ち、Ｈｅガスは溶接アークになり難い。
【０００８】
このような事情に対処する従来方法として、アーク発生時の溶接ガス流量を２００ｃｃ／分程度に多くし、溶接アークが発生した後に目的とする溶接時の流量である１０〜２０ｃｃ／分程度に減少させる方法がある。
【０００９】
しかし、アーク発生時に溶接ガスを多く流してアーク発生を容易にし、溶接アークへ移行してからガス流量を減少させて本来の溶接時のガス流量に戻すためには、溶接ガス流量調整計に広範囲の調整域が必要となる。
【００１０】
さらに、アークスタートした後、急激に溶接ガス流量の設定を本来の少ない流量に設定すると、過渡的に設定値より少ない流量に脈動する現象が生じる。これを防止するには徐々に流量を下げる等の作業が生じる欠点がある。
【００１１】
発生した溶接アークは中空電極内部の先端側でプラズマ状態になっている。このプラズマにより中空電極は高温に加熱され、溶接電流によるプラズマの状態および電極の加熱状況等により中空電極内でのプラズマ発生範囲が変動する欠点がある。一定の溶接電流でもプラズマ発生範囲が変動するとプラズマの強度に影響し、溶接に適用した場合の溶け込み量が安定しなくなる。
【００１２】
また、プラズマ発生範囲が過度に大きくなると中空電極内のプラズマ圧が上昇し、溶接ガスの供給が困難となって溶接アークが消滅する。特にＨｅガスのような電離電圧の高いガスでは、起動時に大きなエネルギを必要とするため溶接アーク発生後の電極内のプラズマ圧が高くなり溶接アークを維持し難い欠点がある。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、スタート後に比較的少ないガス流量でアークに移行することができるとともに、ガス流量の調整範囲を少なくすることができ、脈動現象やアークの消滅を生じることなく、安定したアークを維持することができる真空中のアーク発生装置および方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また、溶接に適用した場合等においては、溶け込み量が安定し、安定なアークを維持し、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、Ｈｅガスのような電離電圧の高いガスにおいてもアーク起動時のガス流量を溶接時から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質なアーク溶接を行なうことができるアーク発生装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者の検討によれば、電離電圧の高いＨｅガスなどは起動時に多くのエネルギを要する。具体的には起動時の電流を上げたり、ガス流量を増してガス密度を高くする等が考えられる。しかし、起動してしまうと、電流が高い場合、またはガス密度が高い場合には、中空電極内でガスの膨張による内圧（プラズマ圧）が過度に高まる。この内圧がある限界を超えると、ガスの供給ができなくなり、アーク維持が困難となり、アークが消滅してしまう。
【００１６】
したがって、アークが発生した後では、逆に電流が高かったり、ガス流量が多くなることはアーク維持に不利となる。この相反する現象を解決するための手段、方法が求められていた。
【００１７】
発明者による種々の試験、検討の結果、スタート時は電極先端の孔断面を細くしてガス密度を高めてアーク発生しやすくしておき、アーク発生後はこの内圧が限界を超えないように孔の細断面部の長さを設定し、その上部の孔断面を大きくすると、内圧の制御が可能となり、電離電圧の高いＨｅガスでも容易に微量のガス流量でアーク維持できることが判った。
【００１８】
そこで、上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００１９】
請求項２に係る発明では、前記中空電極の先端部の外寸法を本体部分よりも小さくし、この小外寸法部分の軸方向長さを前記中空電極のプラズマ発生域の長さよりも短く設定した請求項１記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２０】
請求項３に係る発明では、前記中空電極の先端部に筒状のアーク被覆部を設け、このアーク被覆部の内側寸法は、前記プラズマ発生域の内側寸法よりも大きく、かつ前記プラズマ発生域抑制部の内側寸法よりも小さい設定とした請求項１または２記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２１】
請求項４に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記内側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２２】
請求項５に係る発明では、前記内側電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成とした請求項４記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２３】
請求項６に係る発明では、前記内側電極と外側電極との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路を形成するとともに、前記外側電極の先端に第２ガス噴出口を形成し、この第２ガス通路のうち、前記第２ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記第２ガス噴出口部よりも大きく前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした請求項５記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２４】
請求項７に係る発明では、アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記外側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２５】
請求項８に係る発明では、前記電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた請求項１ないし７のいずれかに記載の真空中のアーク発生装置を提供する。
【００２６】
請求項９に係る発明では、請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、前記内側電極および外側電極の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することを特徴とする真空中のアーク発生方法を提供する。
【００２７】
請求項１０に係る発明では、請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、溶接、表面熱処理または材料分析を実施することを特徴とする真空中のアーク発生方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、発生したアークがプラズマになる領域を制御することにより安定なアークを維持でき、アークを発生させるための中空電極先端部の肉厚ひいては体積を小さくすることにより、短時間で電極先端の温度を上昇させ、アーク起動を行うことができるとともに、アークへの移行が容易となる。高真空であってもＨｅのような電離電圧の高いガスにおいてもアーク起動時のガス流量を溶接時等から変える必要なく、余分な操作を省略して、簡単な装置で能率よく、かつ余分な操作も必要とすることなく、良質な溶接等を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る真空中のアーク発生装置およびアーク発生方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
［第１実施形態（図１〜図３）］
本発明の第１実施形態では、真空環境下で中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした真空中のアーク発生装置について説明する。
【００３１】
図１は、本実施形態による真空中のアーク発生装置全体を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態のアーク発生装置１は、アーク発生用のガスａを供給するガス供給装置２を備えている。このガス供給装置２は、例えば筐体状に構成されており、図示省略のガス供給源からガスａの供給を受ける横向き開口のガス導入部２ａと、このガス導入部２ａの孔断面よりも内部断面が大きくなったガス受け部２ｂとを有している。ガス受け部２ｂは下方に向って一定長さ突出しており、この突出部分２ｃの下端に中空電極支持孔２ｄが下向きに開口している。
【００３２】
このガス供給装置２の中空電極支持孔２ｄには、シール部材３を介して中空電極４が気密を保持して連結されている。なお、以下の例では中空電極４をタングステン電極とした場合について説明する。
【００３３】
中空電極４は例えば軸方向（図示上下方向）の両端が開口する円管状のものであり、ガス供給装置２に保持されている。そして、中空電極４の軸方向に沿って形成されている内部孔が、ガスを流通させるためのガス通路５となっている。
【００３４】
このガス通路５に、ガス供給装置２により供給されるガスａが通され、中空電極４の先端（下端）のガス噴出口５ａからガスａが下向きに噴出する構成となっている。また、ガス供給装置２および中空電極４には電極移動機構、例えば昇降機構６が連結されており、この昇降機構６によって中空電極４の先端が被溶接物７に向って昇降移動できるようになっている。
【００３５】
さらに、中空電極４と被処理物７との間には、これらに電圧を印加して放電を起させ、ガスａ中にアークを発生させる電源８がそれぞれ配線９を介して接続されている。
【００３６】
このような構成において、ガス通路５は、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域Ｓ１とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積がガス噴出口部よりも大きく、プラズマ発生域Ｓ１の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部Ｓ２となっている。
【００３７】
すなわち、中空電極４のガス通路５の直径は長さ方向（上下方向）全体で一定ではなくプラズマ発生域Ｓ１である先端部の直径（ｄ１）が小径となり、プラズマ発生域抑制部Ｓ２であるガス供給側の直径（ｄ２）が大径となっている。
【００３８】
また、中空電極４の外寸法である外径については、中空電極４の先端部（下端部）４ａの外径（Ｄ１）は、外側下部の段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径（Ｄ２）よりも小径となっている。この中空電極４の先端部４ａの内外の長さおよび径は、適用する溶接装置等の処理装置および溶接条件等の処理条件に必要な熱エネルギ密度に応じて設定されている。なお、中空電極４が多角形の場合の外寸法は、対向する交点間の距離、対向する面間の距離および対向する交点と面の距離であり、正三角形の場合は底辺からの高さであり、正方形の場合は一辺の長さもしくは対角線の長さとなる。
【００３９】
また、中空電極４の先端部（下端部）４ａがガス通路断面積の小さい部分の長さより短い範囲で一定長さに亘って本体部４ｂよりも肉薄とされ、体積が小さいことによりアークから受ける先端部４ａの熱エネルギ密度を本体部４ｂよりも高める構成となっている。
【００４０】
すなわち、中空電極４の先端部の外径Ｄ１を本体部分の外径Ｄ２よりも小径とし、この小径部分の軸方向長さＳ１を中空電極４のプラズマ発生域の長さＳ２よりも短く設定したものである。
【００４１】
次に、以上の構成に基づき、真空中のアーク発生方法について、溶接方法を例として説明する。上述したアーク発生装置１を使用することにより、本実施形態では、微量のガスを流しながら中空電極４と被処理物７とを昇降機構６により接触させ、電源８を起動させた状態で昇降機構６により中空電極４を引上げる。中空電極４が被処理物７から離れる瞬間にスパークが生じ、この時のスパークのエネルギをガスへ伝達させて溶接アークに移行させる方法、すなわちタッチスタート方法を適用することができる。
【００４２】
この方法では、中空電極４を被処理物７に接触した後、電源８を出力させた状態で昇降機構６により１〜２ｍｍ中空電極４を引き上げる。通電状態で中空電極４と被処理物７が引き離されるため、これらの中空電極４と被処理物７との間でスパークによるアークが発生する。中空電極４の先端部４ａは肉厚の薄い構造で被処理物７から近距離に在るため、発生したスパークのアークおよび電流によるジュール熱で加熱され、中空電極４の小径な先端部４ａの温度は瞬時に上昇する。これにより、中空電極４の温度が高くなるほど、中空電極４からの電子放出が活発となり、アークになり易い。
【００４３】
また、温度上昇により、供給されているガスａは高温部となる電極４の先端部４ａにより加熱されてプラズマ化し、アークに移行する。アークへ移行した後は、昇降機構６により中空電極４と被処理物７との間隔を例えば１０ｍｍ前後の溶接条件の間隔まで引き上げ、アーク長を伸ばしてアークが効率的に使用できる強い領域へ移動して溶接することができる。
【００４４】
ここで、ガス通路５が一定の断面積で電極軸方向に構成されていると、中空電極４の先端部でプラズマ化した熱により中空電極４の上側を徐々に温度上昇させ、プラズマ化する領域を広げてくる。このプラズマ発生領域は中空電極４の状態および外乱状況により、その時々でエネルギバランスの取れた範囲に変動する。すなわち、プラズマの強度が変動し、結果的に熱源が変動する溶接となり、溶接品質に問題が生じる。さらにＨｅガスのような電離電圧の高いガスを使用する場合、アーク起動時に多くのエネルギを必要とするので、Ａｒガスの場合より起動電流を高くする必要がある。高い電流で起動し、プラズマが発生すると、中空電極４内のプラズマによる圧力が高くなり、この圧力がある値を超えるとガスａの供給が困難となり、プラズマが消滅する。
【００４５】
これに対し、本実施形態によれば、中空電極４のガス通路断面積が先端のみ小さくなっているので、プラズマ発生領域が広がろうとしても、ガス通路断面積の広い部分に達するとガス密度が低下し、これ以上のプラズマ発生域を抑えることができる。
【００４６】
すなわち、プラズマ発生域Ｓ１を中空電極４先端のガス通路５ａが小さい範囲に固定することができる。これにより、発生したプラズマの強度変動を抑え、またＨｅガスのような電離電圧の高いガスにおいても，微量のガス流量であっても容易にアークを発生することができ、安定した溶接等が可能となり、簡単な装置で良質な溶接等の処理が行なえる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の溶接装置および溶接方法によれば、ガスａの供給量を途中で調整する必要がなく、一定量で供給されるので、従来のような流量調整計の広範囲の調整域は不要であり、また途中の流量調整も不要による流量の脈動も除去することができる。
【００４８】
さらに、Ｈｅガスのような電離電圧が高くアーク発生が難しいガスにおいても、低電流で容易に溶接等が行なえるようになる。
【００４９】
本実施形態によれば、各種方法を組合わせることにより、アーク発生時のガス密度が高まるとともに、中空電極４の先端部４ａおよび中空電極４内のガスａの温度上昇により、アーク発生時のエネルギレベル上昇が顕著となり、微弱なスパークエネルギのガスａへの伝達効率を高めることができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、高真空下であってもアーク起動時のガス流量を溶接時と変えることなく、微量のガス流量でも溶接アークへ容易に移行することができ、良質な溶接等を得ることができる。
【００５１】
なお、図２は、本実施形態の変形例１として、図１に示したアーク発生装置１における中空電極４の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００５２】
この例では、中空電極４の先端部に段差が設けられず、肉厚が大きい構成となっている。この中空電極４の構成では図１に示した中空電極４に比して体積が大きいため、アークから受ける熱エネルギ密度が低いが、電離電圧の低いガスを使用したり、ガス流量を多くして起動する場合のように、必要なエネルギが低くてよい場合にはアーク発生用として適用することが可能である。
【００５３】
また、図３は、本実施形態の変形例２として、図１に示したアーク発生装置１における中空電極４の異なる先端部構成を示す拡大断面図である。
【００５４】
この例では、中空電極４の先端部に筒状のアーク被覆部１０が一体に設けられている。すなわち、このアーク被覆部１０の内径ｄ３は、プラズマ発生域の内径ｄ１よりも大径、かつプラズマ発生域抑制部の内径ｄ２よりも小径な設定とされている。
【００５５】
このような構成によると、中空電極４の先端で生じたプラズマ領域を、よりガス通路断面積の小さい上部へ誘導し、ガス密度をさらに高めて強いプラズマを得ることができる。
【００５６】
［第２実施形態（図４、図５（ａ），（ｂ））］
図４は本発明の第２実施形態による真空中のアーク発生装置１の全体を示す構成図であり、図５（ａ），（ｂ）は作用説明図である。なお、装置全体の基本構成は第１実施形態と略同様であるから、共通な構成部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本実施形態が第１実施形態と異なる点は、中空電極４が軸方向に相対移動可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部（下端部）が少なくとも外側電極１２の先端部（下端部）から軸方向に突出および退入可能とした点にある。
【００５８】
内側電極１１は、図２に示した中空電極４と同様に、中空電極４の先端部に段差が設けられず、肉厚が大きい構成となっている。外側電極１２は円筒状に構成され、ガス供給装置２にシール部材３を介して支持されている。
【００５９】
そして、内側電極１１のガス通路５のうち、ガス噴出口５ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が大きく、ガス噴出口５ａ部よりも大きくプラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００６０】
この構成において、アーク発生時には図５（ａ）に示すように、内側電極１１を外側電極１２の先端部から下方に突出させておき、低い電流でアーク起動させ、プラズマが安定した時点で相対的に内側電極１１を引き上げ、図５（ｂ）に示すように、外側電極１２にプラズマ発生点を移す。この場合、内側電極１１は外側電極１２のプラズマが移行できない程度に引上げる。
【００６１】
本実施形態によれば、低電流で起動して高電流で使用する場合、またはプラズマ密度が低く大きなプラズマ柱が必要な場合等に好適である。
【００６２】
［第３実施形態（図６、図７（ａ），（ｂ））］
図６は本発明の第３実施形態による真空中のアーク発生装置１の全体を示す構成図であり、図７（ａ），（ｂ）は作用説明図である。
【００６３】
本実施形態は、図６に示すように、中空電極４が軸方向に相対移動可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部（下端部）が少なくとも外側電極１２の先端部（下端部）から軸方向に突出および退入可能とした点において、第２実施形態と略同様である。
【００６４】
本実施形態が第２実施形態と異なる点は、内側電極１１の構成にある。本実施形態では、内側電極１１の先端部（下端部）を一定長さに亘って本体部よりも肉薄とし、アークから受ける先端部の熱エネルギ密度を本体部よりも高める構成としたことにある。
【００６５】
具体的には、内側電極１１が第１実施形態の図１に示した中空電極４と略同様の構成であり、内側電極１１が外側下部の段差部４ｃを介して本体部４ｂの外径よりも小径となっている。
【００６６】
アーク発生時には図７（ａ）に示すように、内側電極１１を外側電極１２の先端部から下方に突出させておき、低い電流でアーク起動させ、プラズマが安定した時点で相対的に内側電極１１を引き上げ、図７（ｂ）に示すように、外側電極１２にプラズマ発生点を移す。この場合、内側電極１１は外側電極１２のプラズマが移行できない程度に引上げる。
【００６７】
このような構成によれば、内側電極１１のガス通路断面積が先端のみ小さくなっているので、第１実施形態と同様に、プラズマ発生域を電極先端のガス通路５ａを小さい範囲に固定することができ、発生したプラズマの強度変動を抑え、またＨｅガスのような電離電圧の高いガスにおいても微量のガス流量で容易にアークを発生することができるとともに、内側電極１１が外側電極１２で放電領域を囲まれているので安定した溶接等が可能となり、簡単な装置で良質な溶接等の処理が行なえる。
【００６８】
［第４実施形態（図８（ａ），（ｂ））］
図８（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００６９】
これらの図に示すように、本実施形態では、内側電極１１と外側電極１２との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路１３が形成されるとともに、外側電極１２の先端に第２ガス噴出口１１ａが形成されている。
【００７０】
第２ガス通路１３のうち、第２ガス噴出口１１ａの先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域が断面積の小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が大きく、第２ガス噴出口１１ａよりも大きくプラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００７１】
本実施形態の構成を適用して、例えば内側電極１１および外側電極１２の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整して真空中のアーク発生方法を実施する。
【００７２】
上述のように、電離電圧の高いガスではアーク起動が難しくなる。これを解決する方法の一つとして、起動時にタッチスタートする内側電極１１からは、アーク起動し易いＡｒガス等の電離電圧の低いガスを用いて起動をかける。
【００７３】
この場合、一旦プラズマになるとアークが安定するので、内側電極１１を引き上げ、外側電極１２から電離電圧の高いＨｅガス等を流して両方のガスが混在した状態でのプラズマとすることができる。
【００７４】
この後、内側電極１１からの電離電圧の低いガスの供給を止めると、アーク起動し難いＨｅガス等のアークを容易に得ることができる。また、内側電極１１に供給するガスを止めずに混合ガス状態にすると、流量比に応じた特性を得ることが容易に行なえる。
【００７５】
［第５実施形態（図９（ａ），（ｂ））］
図９（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００７６】
これらの図に示すように、本実施形態では、内部にガス通路５を有するとともに、先端部にガス供給装置２から供給されたガスを噴出するガス噴出口５ａを有する中空電極４としての内側電極１１を備えている。そして、真空環境下で中空電極４のガス噴出口１１ａから噴出するガス中にアークを発生させて、被処理物の加熱処理を行なうようになっている。
【００７７】
この構成において、中空電極４は軸方向に相対移動が可能な内側電極１１および外側電極１２を有し、内側電極１１の先端部は少なくとも外側電極１２の先端部から突出および退入可能とされ、かつ外側電極１２の第２ガス通路１３のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲は断面積が小さいプラズマ発生域とされ、さらにそのガス供給側の領域の流路断面積がガス噴出口５ａよりも大きく、プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部となっている。
【００７８】
本実施形態によれば、例えば上記各実施形態の構成により、内側電極１１および外側電極１２の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することができる。
【００７９】
［第６実施形態（図１０（ａ），（ｂ））］
図１０（ａ），（ｂ）は本実施形態による真空中のアーク発生装置１の構成および作用を示す説明図である。
【００８０】
本実施形態では、電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた真空中のアーク発生装置１について説明する。すなわち、本実施形態のアーク発生装置１は、中空電極４の外側に冷却装置１４を設け、この冷却装置１４は中空電極４の長軸に沿って上下に移動できる構成になっている。
【００８１】
そして、アーク起動時には図１０（ａ）に示すように、冷却装置１４を引上げて電極先端の温度上昇に支障を無くすることができる。
【００８２】
そして、プラズマが安定した後には、図１０（ｂ）に示すように、中空電極４の先端側へ移動する。
【００８３】
これにより、プラズマの発生している中空電極４の外側が冷却され、プラズマは消滅しないように自己収縮して密度を上げる。したがって、結果的に溶接電流が同じでも、強いアークを得ることができる。また、このとき冷却装置１４を上下に遥動させると、プラズマにパルス的な強度変化を与えることができ、パルス溶接が可能となる。
【００８４】
本実施形態によれば、温度調整によりアークを調整することができる。
【００８５】
［他の実施形態］
本発明では、上記実施形態の他に種々の態様で実施することができる。例えば、溶接のほか、表面熱処理または材料分析を実施する真空中のアーク発生等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図２】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の第１変形例を示す部分断面図。
【図３】本発明の第１実施形態による真空中のアーク発生装置の第２変形例を示す部分断面図。
【図４】本発明の第２実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態の作用説明図。
【図６】本発明の第３実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す全体図。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の第３実施形態の作用説明図。
【図８】（ａ），（ｂ）は本発明の第４実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【図９】（ａ），（ｂ）は本発明の第５実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【図１０】（ａ），（ｂ）は本発明の第６実施形態による真空中のアーク発生装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００８７】
１ アーク発生装置
２ ガス供給装置
２ａ ガス導入部
２ｂ ガス受け部
２ｃ 突出部分
２ｄ 中空電極支持孔
３ シール部材
４ 中空電極
４ａ 先端部（下端部）
４ｂ 本体部
４ｃ 外径段差部
４ｄ ガス通路段差部
５ ガス通路
５ａ ガス噴出口
６ 昇降機構
７ 被処理物
８ 電源
１０ アーク被覆部
１１ 内側電極
１１ａ ガス噴出口
１２ 外側電極
１３ 第２ガス通路
ａ ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項２】
前記中空電極の先端部の外寸法を本体部分よりも小さくし、この小外寸法部分の軸方向長さを前記中空電極のプラズマ発生域の長さよりも短く設定した請求項１記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項３】
前記中空電極の先端部に筒状のアーク被覆部を設け、このアーク被覆部の内側寸法は、前記プラズマ発生域の内側寸法よりも大きく、かつ前記プラズマ発生域抑制部の内側寸法よりも小さい設定とした請求項１または２記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項４】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記内側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項５】
前記内側電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成とした請求項４記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項６】
前記内側電極と外側電極との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路を形成するとともに、前記外側電極の先端に第２ガス噴出口を形成し、この第２ガス通路のうち、前記第２ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記第２ガス噴出口部よりも大きく前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした請求項５記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項７】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記外側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項８】
前記電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた請求項１ないし７のいずれかに記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項９】
請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、前記内側電極および外側電極の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することを特徴とする真空中のアーク発生方法。
【請求項１０】
請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、溶接、表面熱処理または材料分析を実施することを特徴とする真空中のアーク発生方法。
【請求項１】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項２】
前記中空電極の先端部の外寸法を本体部分よりも小さくし、この小外寸法部分の軸方向長さを前記中空電極のプラズマ発生域の長さよりも短く設定した請求項１記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項３】
前記中空電極の先端部に筒状のアーク被覆部を設け、このアーク被覆部の内側寸法は、前記プラズマ発生域の内側寸法よりも大きく、かつ前記プラズマ発生域抑制部の内側寸法よりも小さい設定とした請求項１または２記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項４】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記内側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項５】
前記内側電極の先端部を一定長さに亘って本体部よりも肉薄としてアークから受ける前記先端部の熱エネルギ密度を前記本体部よりも高める構成とした請求項４記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項６】
前記内側電極と外側電極との間に筒状隙間をあけて第２ガス通路を形成するとともに、前記外側電極の先端に第２ガス噴出口を形成し、この第２ガス通路のうち、前記第２ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記第２ガス噴出口部よりも大きく前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部とした請求項５記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項７】
アーク発生用のガスを供給するガス供給装置と、内部にガス通路を有するとともに先端部に前記ガス供給装置から供給されたガスを噴出するガス噴出口を有する中空電極と、この中空電極と被処理物との間に電圧を印加して放電を起させる電源とを備え、真空環境下で前記中空電極のガス噴出口から噴出するガス中にアークを発生させて前記被処理物の加熱処理を行なうアーク発生装置であって、前記中空電極は軸方向に相対移動が可能な内側電極および外側電極を有し、前記内側電極の先端部は少なくとも前記外側電極の先端部から突出および退入可能とし、かつ前記外側電極のガス通路のうち、ガス噴出口の先端からガス供給側の一定長さ範囲の領域を断面積が小さいプラズマ発生域とし、さらにそのガス供給側の領域をガス通路断面積が前記ガス噴出口部よりも大きく、前記プラズマ発生域の圧力変動を抑制するプラズマ発生域抑制部としたことを特徴とする真空中のアーク発生装置。
【請求項８】
前記電極の外周面に冷却装置を軸方向に沿って移動可能に設けた請求項１ないし７のいずれかに記載の真空中のアーク発生装置。
【請求項９】
請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、前記内側電極および外側電極の各ガス通路に異なるガスを供給することにより、発生するプラズマを調整することを特徴とする真空中のアーク発生方法。
【請求項１０】
請求項４ないし８のいずれかに記載のアーク発生装置を使用して、溶接、表面熱処理または材料分析を実施することを特徴とする真空中のアーク発生方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１４７０１１（Ｐ２００８−１４７０１１Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３２６９７（Ｐ２００６−３３２６９７）
【出願日】平成１８年１２月９日（２００６．１２．９）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月９日（２００６．１２．９）
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
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