JP2017059445A - プラズマ溶接用トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、容易に製造可能で、かつコストを低減可能な複数の電極位置規制部材を用いて、インサートチップの中心軸と棒状電極の中心軸とが一致するように、棒状電極の位置を規制することの可能なプラズマ溶接用トーチを提供することを課題とする。
【解決手段】インサートチップ３１を構成する第２の中空部４３からインサートチップ３１を構成する第１の中空部４２にパイロットガスを流通可能なように、一部が棒状電極３３と第２の中空部４３を区画するインサートチップ３１の内壁面とに接触するように棒状電極３３の周囲に配置された複数の電極位置規制部材３４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移行型及び非移行型のプラズマ溶接を行う際に使用するプラズマ溶接用トーチに関する。

従来、被溶接物（母材）を溶接する非消耗電極式溶接法として、ＴＩＧ溶接法やプラズマ溶接法が用いられている。プラズマ溶接法は、ＴＩＧ溶接法と比較して、熱集中性が優れているため、ビード幅を狭く、高速に溶接することが可能で、かつ歪の少ない溶接法である。

ＴＩＧ溶接法では、非消耗電極と、トーチノズルと、含むＴＩＧ溶接用トーチを使用して、非消耗電極（−）と被溶接物（＋）との間でアークを発生させ、該アークの熱により被溶接物を溶かして溶融池（プール）を形成しながら溶接を行う。
また、溶接中において、非消耗電極を囲むトーチノズルからシールドガスを放出し、該シールドガスで大気（空気）を遮断しながら溶接を行う。

これに対して、プラズマアーク溶接法では、非消耗電極（以下、「棒状電極」という場合がある）と、水冷のインサートチップ（「拘束ノズル」ともいう）と、シールドキャップと、を含むプラズマ溶接用トーチを使用して、非消耗電極とインサートチップとの間においてプラズマ化されたプラズマガス（「作動ガス」ともいう）を流す。

このときに発生するプラズマ流（プラズマジェット）をインサートチップで絞り込み、インサートチップの内壁形状によるウォール効果（言い換えれば、プラズマの気流の流れを安定させる効果）や、インサートチップを冷却することで得られるサーマルピンチ効果（言い換えれば、プラズマ流を周囲から冷却することで緊縮し高温となる効果）を利用して、エネルギー密度が高められたプラズマアークを発生させる。
そして、プラズマアークは、シールドキャップから放出されるシールドガスによるサーマルピンチ効果を受けて更に絞り込まれる。

このように、プラズマアーク溶接法では、エネルギー密度が高く、アーク形状が円柱状に絞り込まれたプラズマアークを熱源として溶接を行う。また、プラズマアークには、移行型のプラズマアークと非移行型のプラズマアークとがある。
移行型のプラズマアーク溶接法は、非消耗電極（−）と被加工物（＋）との間で電流を流す方式であり、導電性の被加工物に対してのみ適用が可能である。一方、非移行型のプラズマアーク溶接法は、非消耗電極（−）とインサートチップ（＋）との間で電流を流す方式であり、非導電性の被加工物に対しても適用が可能である。
さらに、プラズマアーク溶接法は、上述した溶接の用途に限らず、例えば、被加工物に対するロウ付けや、接合、切断、溶射、溶融炉などにも利用されている。

ところで、インサートチップの先端に形成されたインサートチップ孔からプラズマアークを精度良く真直ぐに発射させるためには、棒状電極の中心軸をインサートチップの中心軸と一致させる必要（言い換えれば、棒状電極の位置を規制する必要）がある。

特許文献１には、インサートチップの中心に棒状電極が配置されるように、棒状電極の位置を規制するセンタリングストーンが開示されている。
特許文献１に開示されたセンタリングストーンは、その中央に棒状電極が挿入される電極挿入穴と、その周囲に配置された複数の貫通穴（ガスの通路）またはリング状貫通部（ガスの通路）と、を有する。
また、特許文献１には、センタリングストーンを多孔セラミックで構成することが開示されている。

特開平４−２４９０９６号公報

しかしながら、上述したように、特許文献１に開示されたセンタリングストーンは、多孔セラミックで構成された１つの部材に、電極挿入穴と、その周囲に配置された複数の貫通穴（ガスの通路）またはリング状貫通部（ガスの通路）と、を設けた構成とされている。
つまり、特許文献１に開示されたセンタリングストーンは、複雑な形状とされている。このため、センタリングストーンの製造工程が複雑となるので、センタリングストーンを容易に製造することやコストを低減させることが困難であった。

そこで、本発明は、容易に製造可能で、かつコストを低減可能な複数の電極位置規制部材を用いて、インサートチップの中心軸と棒状電極の中心軸とが一致するように、棒状電極の位置を規制することの可能なプラズマ溶接用トーチを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、先端部を含み、所定の方向に延在する棒状電極と、前記棒状電極の先端部が収容される第１の中空部と、前記第１の中空部よりも拡径されており、中心軸が前記第１の中空部の中心軸と一致し、前記棒状電極のうち、前記先端部から離間した部分を収容する第２の中空部と、を含むインサートチップと、前記インサートチップの中心軸と前記棒状電極の中心軸とが一致するように、前記棒状電極の周囲を囲むように、前記第２の中空部に配置された複数の電極位置規制部材と、を有し、前記複数の電極位置規制部材は、前記第２の中空部から前記第１の中空部にパイロットガスを流通可能なように、一部が前記棒状電極と前記第２の中空部を区画する前記インサートチップの内壁面とに接触することを特徴とするプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記複数の電極位置規制部材は、同じ形状で、かつ同じ大きさとされた部材であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記複数の電極位置規制部材の外形は、球形状または円筒形状であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記インサートチップの中心軸に対して直交する方向における前記複数の電極位置規制部材の径Ｄは、下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。
Ｄ＝（ｄ１−ｄ２）／２ ・・・（１）
但し、上記（１）式において、ｄ１は前記第２の中空部の直径、ｄ２は前記第２の中空部に配置された前記棒状電極の直径を示す。

また、請求項５に係る発明によれば、前記複数の電極位置規制部材の材料は、前記インサートチップの材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数の材料であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記第２の中空部のうち、前記第１の中空部側に位置する部分は、前記第１の中空部から前記第２の中空部に向かう方向に対して、幅広形状とされたテーパ面で区画されていることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項７に係る発明によれば、前記第１及び第２の中空部の径の大きさの差により、前記第１の中空部と前記第２の中空部との間には、前記複数の電極位置規制部材が接触する段差部が形成されており、前記第２の中空部に配置され、前記複数の電極位置規制部材に当接される押さえ部材を有し、前記段差部と前記押さえ部材との間に、前記複数の電極位置規制部材を配置することを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項８に係る発明によれば、前記位置規制部材は、一部が分断されたリング状の部材であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項９に係る発明によれば、前記複数の電極位置規制部材は、前記棒状電極の延在方向に対して、多段で配置することを特徴とする請求項１ないし８のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

また、請求項１０に係る発明によれば、前記多段で配置された前記複数の電極位置規制部材を押さえる押さえ部材を有することを特徴とする請求項９記載のプラズマ溶接用トーチが提供される。

本発明によれば、容易に製造可能で、かつコストを低減可能な複数の電極位置規制部材を用いて、インサートチップの中心軸と棒状電極の中心軸とが一致するように、棒状電極の位置を規制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチを含んだプラズマ溶接装置の概略構成を示す部分断面図である。 図１に示すインサートチップ及び複数の電極位置規制部材をＡ視した平面図である。 図１に示す押さえ部材をＡ視した平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。 図４に示すインサートチップ及び複数の電極位置規制部材をＢ視した平面図である。 図４に示すプラズマ溶接用トーチに適用可能な電極位置規制部材の他の例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のプラズマ溶接装置及びプラズマ溶接用トーチの寸法関係とは異なる場合がある。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチを含んだプラズマ溶接装置の概略構成を示す部分断面図である。なお、図１では、母材１１及びプラズマ溶接用トーチ１２を断面で図示する。また、図１では、スイッチ部２３が開いた状態を模式的に図示する。
図１において、Ｅ方向はパイロットガスが流れる方向、Ｆ方向はシールドガスが流れる方向、中心軸Ｃはインサートチップ３１の中心軸、Ｚ方向は鉛直方向、をそれぞれ示している。

図１を参照するに、プラズマ溶接装置１０は、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１２と、メインアーク電源１３と、配線１５，１６，１８，２１と、パイロットアーク電源１７と、スイッチ部２３と、冷却水循環部２４と、冷却水供給ライン２５と、冷却水循環ライン２６と、パイロットガス供給源（図示せず）と、パイロットガス供給ライン（図示せず）と、シールドガス供給源（図示せず）と、シールドガス供給ライン（図示せず）と、を有する。

プラズマ溶接用トーチ１２は、トーチボディ３０と、インサートチップ３１と、アウターノズル３２と、棒状電極３３と、複数の電極位置規制部材３４と、押さえ部材３６と、を有する。
トーチボディ３０の下端には、インサートチップ３１が取り付けられている。また、トーチボディ３０のうち、インサートチップ３１と対向する部分には、冷却水用流路４５となる凹部が設けられている。この凹部とインサートチップ３１との間に、冷却水用流路４５が区画されている。
冷却水用流路４５には、冷却水循環部２４から供給された冷却水が供給される。また、冷却水用流路４５に供給されて、冷却に寄与して温度が上昇した冷却水は、冷却水循環部２４により回収される。

インサートチップ３１は、インサートチップ本体４１と、第１の中空部４２と、第２の中空部４３と、段差部４４と、を有する。
インサートチップ本体４１は、棒状電極３３を収容する筒状部材であり、その先端部が縮径された構成とされている。インサートチップ本体４１は、その先端にインサートチップ孔４１Ａを有する。
インサートチップ孔４１Ａは、棒状電極３３から発生したプラズマアークを母材１１に移行させる際に、プラズマアークを通過させる孔である。
棒状電極３３から発生したプラズマアークは、水冷式のインサートチップ３１によってウォール効果及びサーマルピンチ効果を受けることで絞られ、エネルギー密度の高いアークとなって、インサートチップ孔４１Ａから噴出する。

第１の中空部４２は、インサートチップ本体４１の内壁面（インサートチップ３１の内壁面）で区画された略円柱形状とされた空間である。第１の中空部４２の先端部は、縮径された形状とされている。第１の中空部４２の先端部は、インサートチップ孔４１Ａと一体に構成されている。
第１の中空部４２は、棒状電極３３の先端部３３Ａが収容される空間であるとともに、パイロットガスを棒状電極３３の先端部３３Ａ側に供給するパイロットガス供給用の流路として機能する。

第１の中空部４２の中心軸は、インサートチップ本体４１の中心軸（言い換えれば、インサートチップ３１の中心軸）と一致している。
第１の中空部４２の直径Ｒは、第１の中空部４２に棒状電極３３を挿入させた状態で、棒状電極３３と第１の中空部４２を区画するインサートチップ本体４１の内壁面との間から電極位置規制部材３４が落下しない大きさに設定されている。

第２の中空部４３は、インサートチップ本体４１の内壁面で区画された円柱形状の空間である。第２の中空部４３は、第１の中空部４２よりも拡径された空間である。このため、第１の中空部４２と第２の中空部４３との境界部分には、複数の電極位置規制部材３４が載置される段差部４４が形成されている。
第２の中空部４３は、第１の中空部４２の直上に配置されており、第１の中空部４２の後端部と一体に構成されている。

第２の中空部４３は、棒状電極３３のうち、先端部３３Ａから離間した部分を収容している。第２の中空部４３は、その中心軸が第１の中空部４２の中心軸と一致するように構成されている。
第１の中空部４２の直径Ｒが８ｍｍの場合、第２の中空部４３の直径ｄ１は、例えば、９〜２０ｍｍの範囲内で適宜選択することができる。

上記説明したインサートチップ３１の材料としては、例えば、金属（例えば、銅、銅合金等）を用いることができる。

アウターノズル３２は、インサートチップ本体４１との間にシールドガスの流路３２Ａを形成可能なように、インサートチップ本体４１の外側に固定されている。アウターノズル３２は、インサートチップ本体４１の先端部を囲むように配置されている。

棒状電極３３は、第１及び第２の中空部４３，４３に配置されており、所定の方向（第１の実施の形態の場合、Ｚ方向）に延在している。棒状電極３３の材料としては、例えば、タングステンを用いることができる。
棒状電極３３の直径ｄ２は、棒状電極３３と第１の中空部４２との間にパイロットガスが流れる経路を形成可能なように、直径Ｒよりも小さくなるように構成されている。

図２は、図１に示すインサートチップ及び複数の電極位置規制部材をＡ視した平面図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図１及び図２を参照するに、複数の電極位置規制部材３４（図２の場合、一例として５つの電極位置規制部材３４を図示している）は、同じ形状で、かつ同じ大きさとされた部材である。
複数の電極位置規制部材３４は、その外形が球形状とされており、各電極位置規制部材３４の一部が棒状電極３３と、第２の中空部４３を区画するインサートチップ本体４１の内壁面と、に接触した状態で、棒状電極３３の周囲を囲むように段差部４４に配置されている。

このように、同じ大きさとされた複数の電極位置規制部材３４の外形を球形状にすることで、複数の電極位置規制部材３４間には、第２の中空部４３に供給されたパイロットガスを第１の中空部４２に供給するための複数の隙間を形成することが可能となる。
これにより、パイロットガスを流通させるための流路として、上記複数の隙間を利用することが可能となるので、特許文献１に開示されたセンタリングストーンに設けられたパイロットガスを流通させるためのガス貫通穴を、複数の電極位置規制部材３４に設ける必要がない。
また、上記複数の隙間は、同じ大きさで、かつ同じ形状とされた複数の電極位置規制部材３４を用いることで、棒状電極３３の周方向に対して、均等に配置される。このため、上記複数の隙間を用いて、パイロットガスを精度良く分散させることができる。

また、棒状電極３３を囲むように、同じ大きさで、かつ球形状とされた複数の電極位置規制部材３４を配置させ、各電極位置規制部材３４の一部と棒状電極３３及び第２の中空部４３を区画するインサートチップ本体４１の内壁面とを接触させることで、特許文献１に開示されたセンタリングストーンに設けられた電極挿入穴を形成することなく、インサートチップ３１の中心軸Ｃと棒状電極３３の中心軸とが一致するように、インサートチップ３１に対する棒状電極３３の位置を規制することができる。

上述したように、複数の電極位置規制部材３４は、簡単な構成とされているため、特許文献１に開示されたセンタリングストーンと比較して、製造工程がかなり簡略化することが可能となるので、複数の電極位置規制部材３４のコストを低減することができる。

複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１（直径）は、下記（２）式から求めることができる。
Ｄ１＝（ｄ１−ｄ２）／２ ・・・（２）
但し、上記（２）式において、ｄ１は第２の中空部４３の直径、ｄ２は第２の中空部４３に配置された棒状電極３３の直径を示している。

上記（２）式を用いて、複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１を求めることで、複数の電極位置規制部材３４の一部と、棒状電極３３及び第２の中空部４３を区画するインサートチップ本体４１の内壁面と、を確実に接触させることができる。

例えば、第２の中空部４３の直径ｄ１が９．５ｍｍ、棒状電極３３の直径ｄ２が２．４ｍｍの場合、上記（２）式から、複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１は、３．５５ｍｍとなる。この場合、複数の電極位置規制部材３４の数は、５つとなる。
また、例えば、第２の中空部４３の直径ｄ１が１９ｍｍ、棒状電極３３の直径ｄ２が４．８ｍｍの場合、上記（２）式から、複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１は、７．１ｍｍとなる。この場合、複数の電極位置規制部材３４の数は、５つとなる。
また、例えば、第２の中空部４３の直径ｄ１が１２ｍｍ、棒状電極３３の直径ｄ２が４．０ｍｍの場合、上記（２）式から、複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１は、４．０ｍｍとなる。この場合、複数の電極位置規制部材３４の数は、６つとなる。

複数の電極位置規制部材３４の材料としては、例えば、絶縁性、耐熱性、及び剛性に優れ、かつインサートチップ３１の材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数の材料であることが好ましい。
インサートチップ３１の材料がクロム銅の場合、複数の電極位置規制部材３４の材料としては、セラミックスを用いることができる。
クロム銅（組成が、Ｃｒ０．７〜１．４％含有し、残部が銅）の熱膨張係数は、１７．７×１０^−６／℃であり、セラミックスである窒化珪素の熱膨張係数は、３．４×１０^−６／℃である。

図３は、図１に示す押さえ部材をＡ視した平面図である。図３において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。図３に示す矢印は、分断部３６Ａの周囲に位置する押さえ部材３６が、該矢印方向に変形可能なことを示している。

図１及び図３を参照するに、押さえ部材３６は、Ｚ方向に複数の電極位置規制部材３４が移動することを抑制するための位置規制用部材である。押さえ部材３６は、複数の電極位置規制部材３４の上部に当接された状態で、第２の中空部４３内に配置されている。
これにより、複数の電極位置規制部材３４は、段差部４４と押さえ部材３６との間に配置されることになる。
押さえ部材３６は、一部が分断されたリング状の部材である。押さえ部材３６は、厚さの薄い金属で構成されているため、作業者が指で押圧することで、分断部３６Ａの幅が狭くなる方向、言い換えれば、押さえ部材３６の外径が小さくなる方向に変形する。

このような構成とされた押さえ部材３６を用いることで、第２の中空部４３を区画するインサートチップ本体４１の内壁面に対して、押さえ部材３６を容易に着脱させることができる。
押さえ部材３６の材料としては、例えば、金属を用いることができる。押さえ部材３６の材料となる金属としては、例えば、銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼等を用いることができる。

図１を参照するに、メインアーク電源１３は、プラス端子１３Ａと、マイナス端子１３Ｂと、を有する。プラス端子１３Ａは、棒状電極３３と電気的に接続されている。マイナス端子１３Ｂは、母材１１と電気的に接続されている。
配線１５は、その一端がプラス端子１３Ａと接続されており、他端が棒状電極３３と接続されている。配線１６は、その一端がマイナス端子１３Ｂと接続されており、他端が母材１１と接続されている。

パイロットアーク電源１７は、配線１５及びインサートチップ３１と電気的に接続されている。配線１８は、配線１５から分岐した分岐配線である。配線１８は、パイロットアーク電源１７と接続されている。
配線２１は、第１の配線部２１−１と、第１の配線部２１−１から分離された第２の配線部２１−２と、を有する。第１の配線部２１−１は、その一端がパイロットアーク電源１７と接続されており、他端が第２の配線部２１−２の一端の近傍に配置されている。
第２の配線部２１−２は、その他端がインサートチップ３１と接続されている。

スイッチ部２３は、第１の配線部２１−１の他端と第２の配線部２１−２の一端とを電気的に接続可能な状態で、第１の配線部２１−１の他端、及び第２の配線部２１−２の一端に設けられている。
スイッチ部２３が開く（図１に示す状態になる）と、パイロットアーク電源１７とインサートチップ３１とが電気的に絶縁され、スイッチ部２３が閉じると、パイロットアーク電源１７とインサートチップ３１とが電気的に接続される。

冷却水循環部２４は、冷却水用流路４５に冷却水を供給するための冷却水供給源であるとともに、冷却に寄与して、温度が上昇した冷却水を冷却する機能を有する。
冷却水供給ライン２５は、その一端が冷却水循環部２４と接続されており、他端が冷却水用流路４５と接続されている。冷却水供給ライン２５は、冷却水用流路４５に冷却水を供給するためのラインである。
冷却水循環ライン２６は、その一端が冷却水循環部２４と接続されており、他端が冷却水用流路４５と接続されている。冷却水循環ライン２６は、冷却水用流路４５において、冷却に寄与することで温度が上昇した冷却水を回収するためのラインである。

パイロットガス供給源（図示せず）は、パイロットガス供給ライン（図示せず）を介して、パイロットガスを第２の中空部４３に供給する。第２の中空部４３に供給されたパイロットガスは、複数の電極位置規制部材３４間に形成される隙間を介して、第２の中空部４３の下方に位置する第１の中空部４２に供給される。
パイロットガスとしては、例えば、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）を用いることができる。

パイロットガス供給ライン（図示せず）は、その一端がパイロットガス供給源（図示せず）と接続されている。パイロットガス供給ラインの他端は、第２の中空部４３にパイロットガスを供給可能な状態で、インサートチップ３１と接続されている。

シールドガス供給源（図示せず）は、シールドガス供給ライン（図示せず）を介して、流路３２Ａにシールドガスを供給する。シールドガスは、大気中の窒素や酸素の悪影響から母材１１を保護する機能を有する。シールドガスは、母材１１の材料によって適宜選択することができる。シールドガスとしては、例えば、アルゴンヘリウムガス、アルゴンガス、炭酸ガス、酸素ガスを含んだアルゴンガス等を用いることができる。
シールドガス供給ライン（図示せず）は、その一端がシールドガス供給源（図示せず）と接続されており、他端が流路３２Ａにシールドガスを供給可能な状態で、インサートチップ３１と接続されている。

第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチによれば、第２の中空部４３から第１の中空部４２にパイロットガスを流通可能なように（言い換えれば、複数の電極位置規制部材３４間にパイロットガスを流通させる複数の隙間が形成されるように）、一部が棒状電極３３と第２の中空部４３を区画する内壁面とに接触させることで、第２の中空部４３に供給されたパイロットガスを第１の中空部４２に供給するための複数の隙間を形成することが可能となる。

これにより、特許文献１に開示されたセンタリングストーンに設けられたパイロットガスを流通させるためのガス貫通穴を、複数の電極位置規制部材３４に設ける必要がなくなる。したがって、棒状電極３３の位置を規制する複数の電極位置規制部材３４を簡単な構成にすることが可能となる。
これにより、特許文献１に開示されたセンタリングストーンと比較して、製造工程を簡略化することが可能となるので、複数の電極位置規制部材３４のコストを低減することができる。

また、棒状電極３３を囲むように、複数の電極位置規制部材３４を配置させ、各電極位置規制部材３４の一部と棒状電極３３及び第２の中空部４３を区画するインサートチップ本体４１の内壁面とを接触させることで、特許文献１に開示されたセンタリングストーンに設けられた電極挿入穴を形成することなく、インサートチップ３１の中心軸Ｃと棒状電極３３の中心軸とが一致するように、インサートチップ３１に対する棒状電極３３の位置を規制することができる。

つまり、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１２によれば、容易に製造可能で、かつコストを低減可能な複数の電極位置規制部材３４を用いて、インサートチップ３１の中心軸Ｃと棒状電極３３の中心軸とが一致するように、棒状電極３３の位置を規制することができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図５は、図４に示すインサートチップ及び複数の電極位置規制部材をＢ視した平面図である。図４及び図５において、図１〜図３に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図４及び図５を参照するに、第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０は、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１０を構成する複数の電極位置規制部材３４に替えて、複数の電極位置規制部材５１を有すること以外は、プラズマ溶接用トーチ１０と同様に構成される。

複数の電極位置規制部材５１は、外形が円筒形状とされた部材であること以外は、先に説明した複数の電極位置規制部材３４と同様な構成とされている。
複数の電極位置規制部材５１は、一部が、棒状電極３３、第２の中空部４３を区画するインサートチップ３１の内壁面、及び段差部４４に接触するように、棒状電極３３の周囲に位置する第２の中空部４３に配置されている。
複数の電極位置規制部材５１は、棒状電極３３の延在方向と同じ方向に延在している。複数の電極位置規制部材５１間には、第２の中空部４３に導入されたパイロットガスを第１の中空部４２に流通させるための複数の隙間が形成されている。複数の電極位置規制部材５１の上端には、押さえ部材３６が当接されている。

複数の電極位置規制部材５１の径Ｄ１は、上記（２）式を用いて求めることができる。複数の電極位置規制部材５１の高さは、例えば、径Ｄ１の値よりも大きくなるように設定することができる。複数の電極位置規制部材５１の高さは、径Ｄ１が８ｍｍの場合、例えば、９〜２０ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。

第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０によれば、外形が円筒形状とされた複数の電極位置規制部材５１の延在方向を棒状電極３３の延在方向と一致させた状態で、段差部４４及び第２の中空部４３に、各電極位置規制部材５１の一部が、棒状電極３３と第２の中空部４３を区画するインサートチップ３１の内壁面とに接触するように、複数の電極位置規制部材５１を配置させることで、第１の実施の形態で説明した球形状とされた複数の電極位置規制部材３４を用いた場合と比較して、棒状電極３３の延在方向の広い領域において、棒状電極３３の位置を規制することが可能となる。

これにより、棒状電極３３の中心軸が、インサートチップ３１の中心軸Ｃと一致するように、高精度に棒状電極３３の位置を規制することができる。
なお、第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０は、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１０と同様な効果を得ることができる。

図６は、図４に示すプラズマ溶接用トーチに適用可能な電極位置規制部材の他の例を示す斜視図である。図６において、図４及び図５に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

次に、図６を参照して、図４に示すプラズマ溶接用トーチ５０に適用可能な他の電極位置規制部材５５について説明する。
電極位置規制部材５５は、円柱形状とされた電極位置規制部材本体５６と、電極位置規制部材本体５６の中央部を電極位置規制部材本体５６の延在方向に貫通する貫通穴５６と、で構成されている。
貫通穴５６は、第２の中空部４３から第１の中空部４２にパイロットガスを流通させるための経路として機能する。

先に説明した第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０を構成する複数の電極位置規制部材３４に替えて、上述した複数の電極位置規制部材５６を用いてもよい。この場合、第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０と同様な効果を得ることができる。
なお、同じ大きさの径Ｄ１とされた電極位置規制部材３４，５６を組み合わせて、棒状電極３３の位置を規制してもよい。この場合も、第２の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ５０と同様な効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図７において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図７を参照するに、第３の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ６０は、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１０の構成に、さらに、第３の中空部６１と、段差部６２と、複数の電極位置規制部材６３と、押さえ部材６５と、を設けた構成とされている。

第３の中空部６１は、第１の中空部４２と第２の中空部４３との間に位置するインサートチップ３１の内壁面で区画された円筒形状の空間である。
第３の中空部６１の直径Ｓは、第２の中空部４３の直径ｄ１よりも小さく、かつ第１の中空部４２の直径Ｒよりも大きくなるように構成されている。
また、Ｚ方向における第３の中空部６１の長さは、第３の中空部６１に、複数の電極位置規制部材６３及び押さえ部材６５を収容可能な長さにすることができる。

上述したような大きさ及び形状とされた第３の中空部６１を、第１の中空部４２と第２の中空部４３との間に設けることで、第２の中空部４３と第３の中空部６１との間に段差部４４を形成することが可能になるとともに、第３の中空部６１と第１の中空部４２との間に段差部６２を形成することが可能となる。
これにより、２つの段差部（段差部４４，６２）のち、一方の段差部６２に複数の電極位置規制部材６３をリング状に配置することができるとともに、他方の段差部４４に複数の電極位置規制部材３４をリング状に配置することができる。

複数の電極位置規制部材６３は、同じ大きさされた球形状の部材である。複数の電極位置規制部材６３は、複数の電極位置規制部材３４の径Ｄ１よりも小さい径Ｄ２（直径）とされていること以外は、電極位置規制部材３４と同様な構成（具体的には、例えば、同様な材料で構成）されている。
複数の電極位置規制部材６３の径Ｄ２は、下記（３）式から求めることができる。
Ｄ２＝（Ｓ−ｄ２）／２ ・・・（３）
但し、上記（３）式において、Ｓは第３の中空部６１の直径、ｄ２は第２の中空部４３に配置された棒状電極３３の直径を示している。
第３の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ６０では、棒状電極３３の延在方向に対して、複数の電極位置規制部材３４，６３が２段で配置されている。

押さえ部材６５は、図３に示す押さえ部材３６を小型化した構成とされている。押さえ部材６５は、第３の中空部６１に配置されており、かつ複数の電極位置規制部材６３の上部に当接されている。

第３の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ６０によれば、棒状電極３３の延在方向（Ｚ方向）に対して、複数の電極位置規制部材３４，６３を２段で配置することで、Ｚ方向において、離間した２つの領域（具体的には、複数の電極位置規制部材３４が棒状電極３３の位置を規制する第１の領域と、複数の電極位置規制部材６３が棒状電極３３の位置を規制する第２の領域）で棒状電極３３の位置を規制することが可能となる。
これにより、棒状電極３３の中心軸が、インサートチップ３１の中心軸Ｃと一致するように、高精度に棒状電極３３の位置を規制することができる。

なお、第３の実施の形態では、２種類の電極位置規制部材の一例として、球形状とされた電極位置規制部材３４，６３を用いた場合を例に挙げて説明したが、球形状とされた電極位置規制部材（具体的には、電極位置規制部材３４または電極位置規制部材６３）と、図４に示す電極位置規制部材５１または図６に示す電極位置規制部材５５とを組み合わせてもよい。

また、図７では、一例として、３つの中空部（第１ないし第３の中空部４２，４３，６１）を設けて、複数の電極位置規制部材３４，６３を２段で配置させる場合を例に挙げて説明したが、４つ以上の中空部を設けて、複数の電極位置規制部材を３段以上で配置させてもよい。

（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図８において、図７に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

図８を参照するに、第４の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ７０は、第４の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ６０を構成する第２及び第３の中空部４３，６１、複数の電極位置規制部材３４、押さえ部材３６，６５に替えて、第２の中空部７１、テーパ面７１ａ、及び押さえ部材７３を有すること以外は、プラズマ溶接用トーチ６０と同様な構成とされている。

第２の中空部７１は、第１の中空部４２側に位置する第１の部分７１Ａと、第１の部分７１Ａと一体とされ、第１の部分７１Ａの直上に配置された第２の部分７１Ｂと、を有する。
第１の部分７１Ａは、第１の中空部４２から第２の中空部７１（第２の部分７１Ｂ）に向かう方向に対して、幅広形状とされたテーパ面７１ａで区画されている。第１の部分７１Ａは、円錐台形状とされた空間である。
第２の部分７１Ｂは、円柱形状とされた空間であり、パイロットガスが供給される。
複数の電極位置規制部材６３は、その一部が、テーパ面７１ａと棒状電極３３と接触するように、第１の部分７１Ａにリング状に配置されている。

押さえ部材７３は、複数の電極位置規制部材６３の上部に当接される突出部７３Ａを有すること以外は、先に説明した押さえ部材３４と同様な構成とされている。
押さえ部材７３は、第１の部分７１Ａを区画するテーパ面７１ａではなく、円柱形状とされた第２の部分７１Ｂを区画するインサートチップ３１の内壁面と接触するように、第２の中空部７１に配置されている。
このように、円柱形状とされた第２の部分７１Ｂを区画するインサートチップ３１の内壁面と接触するように、第２の中空部７１に押さえ部材７３を配置させることで、第２の中空部７１において、押さえ部材７３が複数の電極位置規制部材６３のＺ方向の位置を安定して規制することができる。

上記構成とされた第４の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ７０は、第１の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ１０と同様な効果を得ることができる。

なお、第４の実施の形態において、第２の部分７１Ｂに、図７に示す段差部４４を設け、段差部４４に、複数の電極位置規制部材３４をリング状に配置させ、押さえ部材３６で複数の電極位置規制部材３４のＺ方向の位置を規制してもよい。この場合、複数の電極位置規制部材３４に替えて、図４に示す複数の電極位置規制部材５１または図６に示す複数の電極位置規制部材５５を用いてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明は、インサートチップの中心軸と棒状電極の中心軸とが一致するように、棒状電極の位置を規制するプラズマ溶接用トーチに適用可能である。

１０…プラズマ溶接装置、１１…母材、１２，５０，６０，７０…プラズマ溶接用トーチ、１３…メインアーク電源、１３Ａ…プラス端子、１３Ｂ…マイナス端子、１５，１６，１８，２１…配線、１７…パイロットアーク電源、２１−１…第１の配線部、２１−２…第２の配線部、２３…スイッチ部、２４…冷却水循環部、２５…冷却水供給ライン、２６…冷却水循環ライン、３０…トーチボディ、３１…インサートチップ、３２…アウターノズル、３２Ａ…流路、３３…棒状電極、３３Ａ…先端部、３４，５１，５５，６３…電極位置規制部材、３６，６５，７３…押さえ部材、３６Ａ…分断部、４１…インサートチップ本体、４１Ａ…インサートチップ孔、４２…第１の中空部、４３，７１…第２の中空部、４４，６２…段差部、４５…冷却水用流路、５６…電極位置規制部材本体、５７…貫通穴、６１…第３の中空部、７１ａ…テーパ面、７１Ａ…第１の部分、７１Ｂ…第２の部分、７３Ａ…突出部、Ｃ…中心軸、ｄ１，ｄ２，Ｒ，Ｓ…直径、Ｄ１，Ｄ２…径、Ｅ，Ｆ…方向

Claims (10)

1. 先端部を含み、所定の方向に延在する棒状電極と、
   前記棒状電極の先端部が収容される第１の中空部と、前記第１の中空部よりも拡径されており、中心軸が前記第１の中空部の中心軸と一致し、前記棒状電極のうち、前記先端部から離間した部分を収容する第２の中空部と、を含むインサートチップと、
   前記インサートチップの中心軸と前記棒状電極の中心軸とが一致するように、前記棒状電極の周囲を囲むように、前記第２の中空部に配置された複数の電極位置規制部材と、
   を有し、
   前記複数の電極位置規制部材は、前記第２の中空部から前記第１の中空部にパイロットガスを流通可能なように、一部が前記棒状電極と前記第２の中空部を区画する前記インサートチップの内壁面とに接触することを特徴とするプラズマ溶接用トーチ。
2. 前記複数の電極位置規制部材は、同じ形状で、かつ同じ大きさとされた部材であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接用トーチ。
3. 前記複数の電極位置規制部材の外形は、球形状または円筒形状であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ溶接用トーチ。
4. 前記インサートチップの中心軸に対して直交する方向における前記複数の電極位置規制部材の径Ｄは、下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチ。
   Ｄ＝（ｄ１−ｄ２）／２ ・・・（１）
   但し、上記（１）式において、ｄ１は前記第２の中空部の直径、ｄ２は前記第２の中空部に配置された前記棒状電極の直径を示す。
5. 前記複数の電極位置規制部材の材料は、前記インサートチップの材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数の材料であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチ。
6. 前記第２の中空部のうち、前記第１の中空部側に位置する部分は、前記第１の中空部から前記第２の中空部に向かう方向に対して、幅広形状とされたテーパ面で区画されていることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチ。
7. 前記第１及び第２の中空部の径の大きさの差により、前記第１の中空部と前記第２の中空部との間には、前記複数の電極位置規制部材が接触する段差部が形成されており、
   前記第２の中空部に配置され、前記複数の電極位置規制部材に当接される押さえ部材を有し、
   前記段差部と前記押さえ部材との間に、前記複数の電極位置規制部材を配置することを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチ。
8. 前記位置規制部材は、一部が分断されたリング状の部材であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ溶接用トーチ。
9. 前記複数の電極位置規制部材は、前記棒状電極の延在方向に対して、多段で配置することを特徴とする請求項１ないし８のうち、いずれか１項記載のプラズマ溶接用トーチ。
10. 前記多段で配置された前記複数の電極位置規制部材を押さえる押さえ部材を有することを特徴とする請求項９記載のプラズマ溶接用トーチ。

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