JP5828652B2 - プラズマミグ溶接トーチ - Google Patents

Description

本発明は、１つの溶接トーチでミグアークとプラズマアークとを同時に発生させるプラズマミグ溶接トーチに関するものである。

従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている。このプラズマミグ溶接方法は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。そして、中空形状のプラズマ電極が溶接ワイヤを囲むように配置されており、アルゴンなどのガスを供給し、このガスを介してプラズマ電極と母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。

ミグアークは、溶接トーチの軸心部に送給される溶接ワイヤと母材との間に発生し、このミグアークを囲むようにプラズマアークが発生している。従って、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態になる。溶接ワイヤはミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端部が溶融することによって溶滴となって母材の接合を補助する。従って、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接や薄板の高速溶接等に使用されることが多い。（例えば、特許文献１参照。）。

図３は、従来技術のプラズマミグ溶接装置の構成図であり、図４は、従来技術のプラズマミグ溶接トーチの断面図である。図３及び図４において、プラズマミグ溶接装置２１は、プラズマミグ溶接トーチ２３、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。プラズマミグ溶接トーチ２３は、シールドガスノズル９内に、プラズマノズル８、プラズマ電極７及び給電チップ６が同軸心に配置された構造となっている。シールドガスノズル９とプラズマノズル８との隙間からはシールドガス１２が供給される。プラズマノズル８とプラズマ電極７との間にはプラズマガス１１が供給される。プラズマ電極７と給電チップ６との間にはセンターガス１０が供給される。

給電チップ６に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ４が送給される。給電チップ６は溶接ワイヤ４と接触しており、ミグアークを発生させるための電力を供給している。溶接ワイヤ４は、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール５の回転によって送給される。プラズマ電極７は、たとえば銅又は銅合金からなり、プラズマ電極本体２２にねじ込まれている。プラズマ電極７は消耗部品であって頻繁に交換されるために、内部に冷却水が流れる経路を形成することができない。そのために、プラズマ電極本体２２の内部に冷却水が流れる経路が形成されて冷却され、プラズマ電極７はプラズマ電極本体２２によって間接的に水冷されている。プラズマ電極７と給電チップ６との間でアーキングが発生しないように、プラズマ電極７と給電チップ６との間にセラミックからなる絶縁部材１３を設けている。この絶縁部材１３は加工が困難であることと、消耗部品であるために交換を容易にするために、通常、固定されていない。絶縁部材の先端部１３ｂが重力によってプラズマ電極７のテーパ部の内面に当接して位置決めされている。プラズマノズル８は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されて直接冷却されている。

プラズマミグ溶接トーチ２３は、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材３に対して移動させられる。溶接ワイヤ４の先端と母材３との間には、ミグアーク２が発生する。プラズマ電極７と母材３との間にはプラズマアーク１が発生し、このプラズマアーク１はプラズマノズル８によって熱的に拘束されている。プラズマ電極７はプラズマアーク１を拘束するために、先端部の内面にテーパ部が形成されて、先端部が縮径されていている。また、プラズマガス１１が狭隘なプラズマノズル８を通過することによって動圧が高められ、プラズマアーク１を集中させている。従って、ミグアーク２は、プラズマアーク１に包まれた状態になっている。このために、プラズマアーク１は、ミグアーク２の形状が広がるのを拘束する作用があり、溶接ワイヤ４は、プラズマアーク１からの放熱を受けることになる。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ６を介して溶接ワイヤ４と母材３との間にミグ溶接電圧Ｖwmを印加することによって、ミグ溶接電流Ｉwmを通電する。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ４の送給方向及び送給速度Ｆｗが制御される。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極７と母材３との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによって、プラズマ溶接電流Ｉwpを通電する。

特開２０１０−１０４９９６号公報

上述したように、プラズマ電極７は間接水冷されているが、プラズマ電極７の先端部からプラズマアーク１が発生するために、プラズマ電極７自身への入熱は著しく大きい。そのために、溶接中におけるプラズマ電極７の温度上昇は、絶縁部材１３やプラズマノズル８やシールドガスノズル９に比べると大きくなり、溶接中の温度上昇によって銅金属からなるプラズマ電極７は熱膨張して、プラズマ電極７の内径が拡大される。この場合、例えば下向き姿勢で行われる溶接のとき、プラズマ電極７のテーパ部の内面に重力によって当接して位置決めされている絶縁部材１３は、プラズマ電極７の内径が拡大されることによって、さらにプラズマ電極７の先端部の方向（Ｘ１方向）へ降下する。

そして溶接が終了して、プラズマ電極７の熱が冷めると、プラズマ電極７の内径が元の大きさに収縮する。このとき、絶縁部材の先端部１３ｂがプラズマ電極７のテーパ部によって締め付けられることによって、絶縁部材の先端部１３ｂに割れや欠けが発生することがある。この割れや欠けによって給電チップ６の先端部とプラズマ電極７との間に絶縁部材１３が無くなると、この間でアーキングが発生したり、割れや欠けによってセンターガス１０が乱流を巻き起こしたりして、プラズマアーク１が不安定になるという不具合があった。

本発明は、プラズマ電極が熱膨張した後に冷却するときに、絶縁部材がプラズマ電極のテーパ部によって締め付けられて絶縁部材に割れや欠けを生じることのないプラズマミグ溶接トーチを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
軸心部に溶接ワイヤが挿通されて給電される給電チップと、
この給電チップと同軸心に設けられて、円筒状に形成されて、先端部にテーパ部が形成されたプラズマ電極と、
前記給電チップと前記プラズマ電極との間に設けられて、円筒状に形成された絶縁部材と、
前記プラズマ電極を取り囲み、プラズマガスが供給されるプラズマノズルと、
このプラズマノズルを取り囲み、シールドガスが供給されるシールドガスノズルとを備えたプラズマミグ溶接トーチにおいて、
前記プラズマ電極のテーパ部に形成されて、前記絶縁部材の先端部が当接して摺動可能に支持される切り欠き部を備え、
前記切り欠き部は、前記プラズマ電極の軸心部と直角方向に広がる底面と、この底面の最大外周部から前記プラズマ電極の基端部の方向へ伸びる側面とを有し、
前記切り欠き部は、前記給電チップの先端部と前記テーパ部との最短距離を結ぶ直線を前記絶縁部材が交差する位置に設けられるように形成されたことを特徴とするプラズマミグ溶接トーチである。

請求項２の発明は、
前記給電チップの先端部と前記絶縁部材の先端部との間の距離が１ｍｍ乃至３ｍｍで、
前記絶縁部材の先端部と前記プラズマ電極の先端部との間の距離が３ｍｍ乃至７ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接トーチである。

請求項３の発明は、
前記絶縁部材の先端部と前記切り欠き部の底面との重なり代が０．５ｍｍ乃至１．２ｍｍで、
前記切り欠き部の最外径と前記絶縁部材の外径との差である切欠き部の裕度が０．３ｍｍ乃至１．５ｍｍであることを特徴とする請求項２記載のプラズマミグ溶接トーチである。

本発明のプラズマミグ溶接トーチは、プラズマ電極が熱膨張した後に冷却するときに、絶縁部材の先端部がプラズマ電極のテーパ部によって締め付けられることがないために、絶縁部材の先端部に割れや欠けが発生することがない。従って、絶縁部材の寿命を向上させることができ、さらに溶接品質を向上させることができる。

本発明のプラズマミグ溶接トーチの断面図である。 本発明のプラズマミグ溶接トーチの部分断面図である。 従来技術のプラズマミグ溶接装置の構成図である。 従来技術のプラズマミグ溶接トーチの断面図である。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明のプラズマミグ溶接トーチの断面図であり、図２は、本発明のプラズマミグ溶接トーチの部分断面図である。図１及び図２において、プラズマミグ溶接トーチ２４の給電チップ６の軸心部に溶接ワイヤ４の挿通孔が形成されて、溶接ワイヤ４がこの挿通孔に挿通されて給電される。プラズマ電極２５は、給電チップ６と同軸心に設けられ、プラズマ電極本体２２にねじ込まれる。プラズマ電極本体２２は円筒状に形成され、その内部には冷却水が流れる経路が形成され、冷却されている。プラズマ電極２５は、先端部にテーパ部２５ａが形成されて、プラズマ電極本体２２によって間接的に冷却される。絶縁部材１３が円筒状に形成されて、給電チップ６とプラズマ電極２５との間に設けられている。プラズマノズル８が円筒状に形成されて、その先端部にテーパ部が形成され、プラズマ電極２５を取り囲み、プラズマガス１１が供給される。シールドガスノズル９が円筒状に形成されて、その先端部にテーパ部が形成され、プラズマノズル８を取り囲み、シールドガス１２が供給される。

プラズマ電極のテーパ部２５ａに、階段状の切り欠き部２６が形成されて、絶縁部材の先端部１３ｂがこの切り欠き部２６に当接している。また、プラズマ電極２５が溶接中に熱膨張して拡大したり、溶接終了後に冷却されて縮小したりしたときに、絶縁部材１３が切り欠き部２６で摺動可能に支持される。この切り欠き部２６は、プラズマ電極２５の軸心部と直角方向に広がる底面２６ａと、この底面２６ａの最大外周部からプラズマ電極２５の基端部の方向（Ｘ２方向）へ伸びる側面２６ｂとを有している。この側面２６ｂは、プラズマ電極２５の基端部側（Ｘ２側）から見て、円形に形成されている。また、切り欠き部２６は、プラズマ電極２５の軸心部方向の断面形状がＬ字形状に形成されている。

また、切り欠き部２６は、給電チップの先端部６ｂとプラズマ電極のテーパ部２５ａとの最短距離を結ぶ直線を絶縁部材１３が交差する位置になるように形成されている。即ち、給電チップ６とプラズマ電極２５との間でアーキングが発生しないように絶縁部材１３を設けることができる位置に切り欠き部２６を形成している。

以下、切り欠き部２６が形成される位置やその形状を、給電チップ６の外径Ｄ１が６ｍｍで、プラズマ電極の先端部２５ｂの内径Ｄ５が７ｍｍで、プラズマ電極２５のテーパ部２５ａを除く円筒状の部分の内径Ｄ３（プラズマ電極本体２２の内径と同じ）が１０ｍｍで、絶縁部材１３の外径Ｄ２が９．３ｍｍで、絶縁部材１３の厚みＬ１が１．３ｍｍのときを例として説明する。

まず、切り欠き部２６が形成される位置を説明する。給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離Ｌ１が１ｍｍよりも短い場合、給電チップの先端部６ｂとプラズマ電極のテーパ部２５ａとの間の最短距離を結ぶ線上に絶縁部材１３が存在しなくなるので、給電チップの先端部６ｂとプラズマ電極のテーパ部２５ａとの間でアーキングが発生する。一方、給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離Ｌ１が３ｍｍよりも長い場合、給電チップの先端部６ｂと母材３との間の距離が長くなって、溶接ワイヤ４の突出し長さが長くなる。その場合、鉄系の溶接ワイヤ４を使用すると、溶接ワイヤ４の突出し長さの抵抗発熱が大きくなって、溶接電流が低減する。従って、給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離Ｌ１を１ｍｍ乃至３ｍｍとする。

絶縁部材の先端部１３ｂとプラズマ電極の先端部２５ｂとの間の距離Ｌ２が３ｍｍよりも短い場合、絶縁部材の先端部１３ｂがプラズマアークに近くなりすぎて、プラズマアークの高熱のために絶縁部材１３が破損する場合がある。一方、絶縁部材の先端部１３ｂとプラズマ電極の先端部２５ｂとの間の距離Ｌ２が７ｍｍよりも長い場合、給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離Ｌ１と同様に、溶接ワイヤ４の突出し長さが長くなって溶接電流が低減する。従って、絶縁部材の先端部１３ｂとプラズマ電極の先端部２５ｂとの間の距離Ｌ２を３ｍｍ乃至７ｍｍとする。

次に切り欠き部２６の形状を説明する。絶縁部材の先端部１３ｂと切り欠き部の底面２６ａとが接触する面（以下、切り欠き部の重なり代２６ｃという。）の長さＬ３が、プラズマ電極２５が熱膨張していない常温状態において０．５ｍｍよりも短い場合、熱膨張したときに、プラズマ電極２５の線膨張係数が絶縁部材１３の線膨張係数よりも著しく大きいために、重なり代が無くなって、絶縁部材１３が切り欠き部２６よりも下方のテーパ部２５ａに降下して、従来技術と同じ不具合が発生する。一方、切り欠き部の重なり代２６ｃの長さＬ３が１．２ｍｍよりも長い場合、絶縁部材１３の厚さとほぼ同じ長さになって、給電チップ６とプラズマ電極２５とを絶縁する効果が薄れて、これらの間でアーキングが発生する場合がある。従って、切り欠き部の重なり代２６ｃの長さＬ３を０．５ｍｍ乃至１．２ｍｍとする。

切り欠き部２６の最外径Ｄ４と絶縁部材１３の外径Ｄ２との差である切り欠き部２６の裕度（以下、切り欠き部２６の裕度という。）の最小値は、絶縁部材１３とプラズマ電極２５の切り欠き部２６との加工精度によって決定され、０．３ｍｍとする。一方、この裕度が１．５ｍｍよりも大きい場合、切り欠き部の重なり代２６ｃが少なくなり、絶縁部材１３が切り欠き部の底面２６ａで安定して支持できなくなる。従って、切り欠き部２６の裕度を０．３ｍｍ乃至１．５ｍｍとする。

なお、切り欠き部２６の最外径Ｄ４は、（切り欠き部２６の最外径Ｄ４）-＝（切り欠き部２６の裕度）＋（絶縁部材１３の外径Ｄ２）であるから、切り欠き部の最外径Ｄ４は、９．６ｍｍ乃至１０．８ｍｍとなる。また、切り欠き部の底面２６ａの長さＬ４は、（切り欠き部の底面の長さＬ４）＝（切り欠き部の重なり代２６ｃの長さＬ３）＋（切り欠き部２６の裕度／２）であるから、切り欠き部の底面の長さＬ４は、０．６５ｍｍ乃至１．９５ｍｍとなる。

以下、動作を説明する。例えば下向き姿勢で溶接が開始されると、溶接ワイヤ４の先端と母材３との間にミグアーク２が発生し、プラズマ電極の先端部２５ｂと母材３との間にプラズマアーク１が発生して、プラズマ電極２５の温度が著しく上昇する。このとき、銅金属からなるプラズマ電極２５は熱膨張して、プラズマ電極２５の内径が拡大され、切り欠き部２６の最外径Ｄ４が拡大する。一方、セラミックからなる絶縁部材１３は、線膨張係数がプラズマ電極２５よりも小さいために、熱膨張が小さい。このとき、切り欠き部の重なり代２６ｃの長さＬ３が０．５ｍｍ乃至１．２ｍｍに設けられ、切り欠き部２６の裕度が０．３ｍｍ乃至１．５ｍｍに設けられているために、絶縁部材の先端部１３ｂは切り欠き部の底面２６ａを摺動するが、依然として切り欠き部２６によって支持されている。従って、絶縁部材１３が重力によってプラズマ電極の先端部２５ｂの方向（Ｘ１方向）へ降下することがない。

また、給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離Ｌ１が１ｍｍ乃至３ｍｍに設けられ、絶縁部材の先端部１３ｂとプラズマ電極の先端部２５ｂとの間の距離Ｌ２が３ｍｍ乃至７ｍｍに設けられている。このために、給電チップの先端部６ｂとプラズマ電極のテーパ部２５ａとの間でアーキングが発生することがなく、プラズマアーク１の高熱のために絶縁部材１３が破損することもなく、また、溶接ワイヤ４の突出し長さの抵抗発熱が大きくなって、溶接電流が低減することもない。

そして溶接が終了して、プラズマ電極２５の熱が冷めると、プラズマ電極２５の内径が元の大きさに収縮する。この場合も、絶縁部材の先端部１３ｂは切り欠き部の底面２６ａを摺動して、切り欠き部２６によって支持されている。このとき、絶縁部材の先端部１３ｂがプラズマ電極のテーパ部２５ａによって締め付けられることがないために、絶縁部材の先端部１３ｂに割れや欠けが発生することがない。従って、従来技術のように絶縁部材の先端部１３ｂに割れや欠けが発生して、この割れや欠けによって給電チップの先端部６ｂとプラズマ電極２５との間に絶縁部材１３が無くなり、これらの間でアーキングが発生したり、割れや欠けによってセンターガス１０が乱流を巻き起こしたりして、プラズマアーク１が不安定になることがない。よって、絶縁部材１３の寿命を向上させることができ、さらに溶接品質を向上させることができる。

１ プラズマアーク
２ ミグアーク
３ 母材
４ 溶接ワイヤ
５ 送給ロール
６ 給電チップ
６ｂ 給電チップの先端部
７ プラズマ電極
８ プラズマノズル
９ シールドガスノズル
１０ センターガス
１１ プラズマガス
１２ シールドガス
１３ 絶縁部材
１３ｂ 絶縁部材の先端部
２１ プラズマミグ溶接装置
２２ プラズマ電極本体
２３ プラズマミグ溶接トーチ
２４ プラズマミグ溶接トーチ
２５ プラズマ電極
２５ａ プラズマ電極のテーパ部
２５ｂ プラズマ電極の先端部
２６ 切り欠き部
２６ａ 切り欠き部の底面
２６ｂ 切り欠き部の側面
２６ｃ 切り欠き部２６の重なり代
Ｄ１ 給電チップ６の外径
Ｄ２ 絶縁部材１３の外径
Ｄ３ プラズマ電極２５のテーパ部２５ａを除く円筒状の部分の内径
Ｄ４ 切り欠き部２６の最外径
Ｄ５ プラズマ電極の先端部２５ｂの内径
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
Ｌ１ 給電チップの先端部６ｂと絶縁部材の先端部１３ｂとの間の距離
Ｌ２ 絶縁部材の先端部１３ｂとプラズマ電極の先端部２５ｂとの間の距離
Ｌ３ 切り欠き部の重なり代２６ｃの長さ
Ｌ４ 切り欠き部の底面の長さ
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ

Claims (3)

1. 軸心部に溶接ワイヤが挿通されて給電される給電チップと、
   この給電チップと同軸心に設けられて、円筒状に形成されて、先端部にテーパ部が形成されたプラズマ電極と、
   前記給電チップと前記プラズマ電極との間に設けられて、円筒状に形成された絶縁部材と、
   前記プラズマ電極を取り囲み、プラズマガスが供給されるプラズマノズルと、
   このプラズマノズルを取り囲み、シールドガスが供給されるシールドガスノズルとを備えたプラズマミグ溶接トーチにおいて、
   前記プラズマ電極のテーパ部に形成されて、前記絶縁部材の先端部が当接して摺動可能に支持される切り欠き部を備え、
   前記切り欠き部は、前記プラズマ電極の軸心部と直角方向に広がる底面と、この底面の最大外周部から前記プラズマ電極の基端部の方向へ伸びる側面とを有し、
   前記切り欠き部は、前記給電チップの先端部と前記テーパ部との最短距離を結ぶ直線を前記絶縁部材が交差する位置に設けられるように形成されたことを特徴とするプラズマミグ溶接トーチ。
2. 前記給電チップの先端部と前記絶縁部材の先端部との間の距離が１ｍｍ乃至３ｍｍで、
   前記絶縁部材の先端部と前記プラズマ電極の先端部との間の距離が３ｍｍ乃至７ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接トーチ。
3. 前記絶縁部材の先端部と前記切り欠き部の底面との重なり代が０．５ｍｍ乃至１．２ｍｍで、
   前記切り欠き部の最外径と前記絶縁部材の外径との差である切欠き部の裕度が０．３ｍｍ乃至１．５ｍｍであることを特徴とする請求項２記載のプラズマミグ溶接トーチ。

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