JP6073475B2 - タングステン不活性ガス溶接 - Google Patents

Description

本発明は、タングステン不活性ガス溶接用のトーチに関する。本発明は特に、タングステン不活性ガス挟開先溶接用の挟開先ヘッドに関する。

タングステン不活性ガス溶接トーチでは、アークが、消耗しないタングステン電極とワークとの間において燃える。電極は通常、陰極として接続されている。自由な電荷担体としての電子の放出は、実質的に高い温度によって得られるので、電極において高い出力密度を得ることが望まれている。これは、タングステン電極の円錐形の形状によって得ることはできる。さらに、アークの出発点を可能な限りワークの近くに位置させることが望まれており、これは、電極先端の円錐形状によって促進される。電極において発生する高い温度に対しては、電極の摩耗を阻止するためもしくは僅かに制限するために、冷却が必要である。

通常は、不活性ガスがトーチによってワークに向かって導かれる。そのために不活性ガスノズルが設けられている。この不活性ガスノズルによって不活性ガスを、閉鎖されたベールとして、ワークの周囲に形成することができる。このとき不活性ガスノズルは、電極を取り囲んでいて、電極に隣接して配置されている。

独国特許出願公開第１０２００９００８２５０号明細書に基づいて公知の、タングステン不活性ガス溶接用のトーチでは、金属製のハウジング内に、電極ユニットが電極ホルダを用いて保持される。電極ユニットを冷却するために冷却装置が設けられており、この冷却装置を通して、液状の冷媒が、電極ホルダ内に導入可能及び電極ホルダから再び導出可能である。そのために電極ホルダには中空室が形成されており、この中空室において冷却管を介して、冷媒を供給すること及び中空室から再び排出することができる。冷媒は、冷却管からの流出後に、電極ユニットの端面に直接衝突することができる。これによって電極ユニットの直接的な冷却が達成される。

本発明の課題は、高い電流強さと高い溶接確実性をもって使用可能な、タングステン不活性ガス溶接用のトーチ、特にタングステン不活性ガス挟開先溶接用の挟開先ヘッドを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載のように構成されたトーチ、及び請求項１５の特徴部に記載のように構成された電極ホルダによって解決される。本発明の好適な構成及び態様は、従属請求項に記載されている。

本発明に係る、タングステン不活性ガス溶接用のトーチ、特にタングステン不活性ガス挟開先溶接用の挟開先ヘッドでは、金属製のハウジング内に、電極ユニットが電極ホルダを用いて保持され、かつ電極ユニットを冷却する冷却装置が設けられている。この冷却装置を通して、液状の冷媒が電極ホルダ内に導入可能及び該電極ホルダから再び導出可能である。

冷却装置は、少なくとも１つの導電性の仕切り壁を、電極ホルダの周壁の内部に、冷却通路を形成するために有している。また少なくとも、少なくとも１つの仕切り壁は、場合によっては電極ホルダの周壁も、電極ユニットに電気的に接続されている。同時に電極ホルダの外面が、少なくとも、電極ホルダを取り囲むハウジングの領域に、絶縁層を備えている。

電流伝送は、汎用のトーチにおけるように単に周壁によってだけでなく、追加的に、冷却装置の一部であるコンポーネントを介しても導くことができるので、通電のために高められた効果的な横断面が準備されている。これによって比較的多くの電流を電極ユニットに伝送することができる。同時に、電流を導くすべてのコンポーネントが、冷媒と接触しているので、電極ユニットの直接的な冷却によって効果的な熱放出を行うことができる。

提案された構成は、さらに絶縁層に基づいて、電極ホルダをハウジングから電気的に絶縁することができる。これによって電極ホルダを通る完全な電流の流れが得られる。絶縁層は、もっぱら電極ホルダを介した溶接電流の伝送を可能にするのみならず、トーチを、ハウジングと加工されるワークとの間における間隙が僅かしか存在しないような環境において使用することをも可能にする。これは例えば、トーチが溶接シームを形成するために案内される、いわゆる挟開先（Engspalt）である。ハウジングが無電流状態であることによって、ハウジングと加工されるワークとの間で挟開先においてアークが発生することもなくなるので、ハウジングもしくはワークが破損するおそれが減じられる。

好適な態様では、電極ホルダの周壁は、金属製、特に銅又は特殊鋼又はそれらの合金製の円筒体から形成されている。電流の大部分を、冷却装置の仕切り壁を介して電極ユニットに案内することができるので、同様に冷却装置の一部である、電極ホルダの周壁が、可能な限り高い導電性を有する材料、例えば銅から形成されている必要はない。そしてこのような材料の代わりに、比較的安価でかつより加工しやすい材料、特殊鋼又はその合金を使用することができる。

周壁と、電極ホルダの少なくとも１つの仕切り壁とが、形状結合式に互いに結合されていると、冷却通路を形成するのに好適である。

トーチもしくは電極ホルダの高い通電容量を可能にするために、少なくとも１つの仕切り壁は、好ましくは銅から形成されている。さらに、仕切り壁の数によって、冷媒を案内する通路の数を決定することができるのみならず、導電のために利用できる横断面をも適宜に変化させることができる。

別の態様では、少なくとも１つの仕切り壁は、周壁の、加工されるワークに向いた端部において、閉鎖エレメントに移行していて、該閉鎖エレメントは、周壁に液密に結合されている。液密な結合は、例えば溶接によって形成することができる。同様に閉鎖エレメントは周壁に螺合又はプレス嵌めによって結合されていてよい。必要な場合には、シール性を得るために、追加的なシール剤又はろう材を使用することも可能である。

さらに別の好適な態様では、少なくとも１つの仕切り壁は、閉鎖エレメントの領域に少なくとも１つの切欠きもしくは凹部を有していて、該凹部を通して冷却通路は互いに接続されていて、これによって液状の冷媒は、少なくとも１つの冷却通路を通って電極ホルダ内にかつ閉鎖エレメントに向かって流入することができ、かつ少なくとも１つの別の冷却通路を通って閉鎖エレメントから離反して電極ホルダから流出することができる。仕切り壁の凹部の領域において、冷媒の「変向」が行われる。

仕切り壁は、選択的に平らなウェブによって又は一条又は多条の螺旋体もしくはウォームによって形成することができる。平らなウェブは、簡単な製造可能性という利点を有している。平らなウェブは、周壁を例えば２つの等しい大きさの半部に分割し、このとき変向は、閉鎖エレメントの領域における凹部の領域において行われる。また、螺旋体もしくはウォーム形状の仕切り壁によって、均一な冷却を行うことができる。それというのは、閉鎖エレメントに向かって流れる「冷たい」冷媒は、螺旋形の冷却通路を通って、電極ホルダ、特に電極ホルダの周壁の全面的な冷却を可能にするからである。

絶縁層は、選択的に、耐熱性プラスチック又はセラミックスから成っていてよい。セラミックスから成る絶縁層は、約０.１〜０.３ｍｍの厚さを有すれば十分である。

別の好適な態様では、電極ユニットは少なくとも２つの部分を備えて形成されており、ワークに向かって円錐形に先細になる、タングステン又はタングステン合金製の電極が、５０Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有する金属製の電極担体内に、摩擦力結合及び／又は材料結合及び／又は形状結合によって固定されている。鋼は、５２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、アルミニウムは、２７０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。電極担体における電極の、摩擦力結合式及び／又は材料結合式の固定によって、低い接触抵抗を実現することができるので、当該領域における局部的な加熱のおそれは僅かである。

別の態様におけるように、電極ユニットが、電極ホルダに解離可能に螺合されていると、電極ユニットを必要に応じて問題なく電極ホルダから解離して、他の電極ユニットと交換することができる。このことは例えば、別の直径又は別の構成を有する電極を使用したい場合に意味がある。同様に、摩耗時における電極ユニットの交換も、電極ユニットを回して電極ホルダから取り外し、新しい電極ユニットを挿入することによって簡単に行うことができる。

このとき特に、電極ユニットは、直に、電極ホルダの閉鎖エレメントに解離可能に螺合されている。そのために例えば閉鎖エレメントは、雌ねじ山を備えた孔を有していて、この孔に、電極担体の、雄ねじ山を備えた相応の突出部を、ねじ込むことができる。同様に、電極担体が雌ねじ山を備えた孔を有し、閉鎖エレメントが、雄ねじ山を備えた突出部を有する構成も可能である。さらに閉鎖エレメントと電極ユニットとの螺合による結合は、抵抗の少ない結合部を成す。

さらに別の好適な態様では、ハウジングは扁平であり、該ハウジングの幅は、長さよりも大幅に小さく、該ハウジングの長さは、溶接軌道の方向における該ハウジングの延びである。例えばハウジングは扁平部材として形成されていてよい。このようなハウジングは、ブレードとも呼ばれる。このようなブレードの幅は通常、電極ホルダをその中に安定して収容するのにちょうど十分である。不活性ガス供給のための相応の管路は、ブレードにおいて電極ホルダとは反対の側に設けられる。このとき不活性ガスは、互いに向かい合って位置する２つの側から電極に向かって流出させられ、これによって電極とワークとの間においてアークの周囲にベールを形成することができる。

ハウジングは、電極ホルダを収容するための孔を有しており、このとき電極ホルダは、隙間嵌めで収容されている。このように構成されていると、ハウジング内における電極ホルダの容易な伸長可能性を得ることができるので、電極は揺動運動することができ、このような揺動運動は、例えば挟開先溶接時にしばしば使用される。

ハウジングと電極ホルダとの間における電気絶縁が、電極ホルダに被着された絶縁層に基づいて与えられていることによって、ハウジングは、絶縁体、特に外部絶縁体を有する必要がない。金属製のハウジングとワークとの接触時にも、ハウジングが電流を通していないことによって、ハウジングとワークとの間において溶融が生じることはあり得ない。

本発明はさらに、電極ユニットを保持し、かつ該電極ユニットを冷却する冷却装置を有していて、該冷却装置を通して、液状の冷媒が前記電極ホルダ内に導入可能及び該電極ホルダから再び導出可能である、上に述べた形態のトーチ用の電極ホルダに関する。冷却装置は、少なくとも１つの導電性の仕切り壁を、電極ホルダの周壁の内部に、冷却通路を形成するために有しており、少なくとも、少なくとも１つの仕切り壁は、電極ユニットに電気的に接続されている。さらに電極ホルダの外面が、少なくとも、電極ホルダを取り囲む前記ハウジングの領域に、絶縁層を備えている。このように構成された電極ホルダは、同様に、上に述べた利点を有している。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳しく説明する。

タングステン不活性ガス溶接用の本発明に係る電極ホルダを示す断面図である。 タングステン不活性ガス挟開先溶接用の挟開先ヘッドとして形成された、本発明に係るトーチを部分的に断面して示す図である。 電極ユニットを示す断面図である。

図１には、タングステン・不活性ガス・狭間隙溶接用の挟開先ヘッドとして形成されたトーチのための、本発明に係る電極ホルダ２０が断面図で示されている。挟開先ヘッドとして形成されたトーチは、図２に部分断面図として示されている。

電極ホルダ２０は、横断面で見て円筒形の中空の周壁２１から成っていて、この周壁２１は、選択的に銅又は特殊鋼から成っていてよい。特殊鋼の使用は、周壁２１のより簡単かつ安価な製造を可能にする。周壁２１の内部には、好ましくは銅製のウェブ形状の仕切り壁２２が配置されている。この仕切り壁２２は、図面で見てその下端部、つまり図示されていないワークに向いた側の端部において、閉鎖エレメント２３に移行しており、この閉鎖エレメント２３は、周壁２１の中空室を閉鎖している。仕切り壁２２及び閉鎖エレメント２３は、好ましくは一体に形成されている。

閉鎖エレメント２３と周壁２１との間には、液密な、つまり液体に対してシール作用を有する結合部２７が形成されている。このような液密の結合部２７は、溶接、螺合又はシール剤によって形成することができる。場合によっては、これらの処置を組み合わせることも可能である。

仕切り壁２２が閉鎖エレメント２３に隣接している領域に、仕切り壁２２は少なくとも１つの切欠きもしくは凹部２４を有している。この凹部２４を通して、仕切り壁２２と周壁２１との間に形成された冷却通路２５，２６は、互いに接続することができる。例えば、冷却通路２５に流入する冷媒は、凹部２４を通って、さらに冷却通路２６を通って再び電極ホルダ２０から流出することができる。冷媒としては、例えば水を使用することができる。

閉鎖エレメント２３には、電極ユニット３２が結合されている。この電極ユニット３２は、電極担体３３と、この電極担体３３に結合された電極３４とから成っている。電極担体３３は、例えばＷＣｕ８０／２０であるタングステン銅合金から成っている。これに対して電極３４は、好ましくは純粋なタングステンから成っているか、又は希土類元素をドーピングされている。電極３４は、図１に示した横断面図から容易に分かるように、紙面において上から下に向かって延びる、電極ホルダ２０の長手方向軸線に対して、予め設定された角度だけ傾けられている。電極３４は、電極担体３３に設けられた相応の孔３５に挿入されていて、材料結合式（stoffschluessig）に結合されている。電極３４と電極担体３３との間における材料結合式の結合は、電極担体３３内における電極３４のろう接又は電極担体３３内への電極３４のプレス嵌めによって形成することができる。

電極担体３３と閉鎖エレメント２３との間における結合は、好ましくは螺合によって行われる。そのために閉鎖エレメント２３は、雌ねじ山３１を備えた孔３０を有しており、この雌ねじ山３１には、電極担体３３の雄ねじ山を備えた相応の突出部がねじ込まれている。これによって例えば、電極３４の直径を、溶接プロセスの枠内において変化させることができ、このとき電極ユニット３２は、所望の電極を備えた相応の他の電極ユニットと交換される。

図３には、挿入された電極なしに、電極ユニット３２の電極担体３３が拡大して示されている。この図３から良好に分かるように、電極（図示せず）を収容するための孔３５の軸線３７は、電極ホルダ２０の長手方向軸線３６に対して、予め設定された角度だけ傾けられている。同様に図３には、仕切り壁２２の閉鎖エレメント２３へのねじ込みのための、雄ねじ山を備えた突出部が示されている。

電極担体３３の直径は、図１から分かるように、最大で、周壁２１の外径に相当する。

導電性の周壁２１の外面２８にはさらに、絶縁層２９が装着されている。この絶縁層２９は、プラスチック材料又はセラミックスから形成することができる。この絶縁層２９は、約０.１〜０.３ｍｍの厚さで外側面に被着される。

中空の周壁２１と、該周壁２１内に配置されていて凹部２４を備えた仕切り壁２２とによって、電極ホルダ２０により、電極ユニット３２を冷却する冷却装置が準備される。電極３４をこのようにアクティブに一次冷却することによって、溶接電流を３０％まで上昇させることができ、このことは、溶接速度の上昇という形で表れることができる。さらに、電極ユニット及び特に電極の摩耗が大幅に減じられる。

電極ユニット３２のアクティブな一次冷却は、溶接電流を導くコンポーネント、例えば仕切り壁、閉鎖エレメント２３及びその周壁が直接的に冷却されることによっても、効果的である。幾何学的な寸法、特に周壁２１の壁厚さ及び仕切り壁２２の厚さの幾何学的な寸法の構成によって、通電のために必要な横断面に対して、所望のように影響を与えることができる。

図２には、ハウジング１０内に収容された、図１に示した電極ホルダ２０が示されている。電極ホルダ２０は、ハウジング１０の孔内に隙間嵌めで配置されている。ハウジング１０は、扁平部材の形態を有しており、図２の図示では、ハウジング１０の長手方向の延びを見ることができる。このことは、電極ホルダ２０が内部に配置されたハウジング１０は、左から右又は右から左に向かっての移動において溶接軌道を生ぜしめるために案内されるということを意味する。このときハウジング１０は、接合すべき２つのワークの間の間隙において案内される。図平面に対して垂直に延びる、ハウジング１０の幅は、図２において見える長さよりも大幅に小さい。ハウジング１０の幅は、トーチ１が溶接工程中に案内される間隙よりも僅かだけ小さい。

ハウジング１０は、ブレード１１といわゆるバー１２とから成っている。このブレード１１とバー１２とは、電極ホルダ２０の外面２８に被着された絶縁層２９に基づいて、電極ホルダ２０に対して電気的に絶縁されている。

すなわち、汎用の挟開先ヘッド（Engspaltkoepfen）とは異なり、ハウジング１０は、電極３４を通る電流に対して何ら関与しない。従ってブレード１１は、安価な黄銅から形成することができる。バー１２は、銅、黄銅又は、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）又はシリコンナイトライド（ＳｉＮ）のようなセラミックスから成っている。

当業者に公知のように、ブレード１１内にも同様に冷却管路が設けられている。そのために、相応の孔（図示せず）がブレード１１内に設けられている。同様に、不活性ガス供給のための別の孔が設けられており、これらの孔は、さらにバー１２を貫いて延びていて、これによって電極３４に、該電極を取り囲むように、互いに向かい合って位置する側から不活性ガスを供給することができる。このような孔もまた同様に当業者に公知であるので、同様に図示しない。

さらにブレード１１には、当業者に公知の接続ユニット（図示せず）が接続されており、この接続ユニットを介して電極ホルダ２０には、ブレード１１のために必要な電流を供給することができる。同様に接続ユニットは、冷媒供給・排出のための接続部及び不活性ガス供給のための接続部を有している。

図示されていない変化態様では、真っ直ぐな仕切り壁２２の代わりに、冷却通路２５，２６の螺旋形の仕切りが設けられていてよい。そのために、仕切り壁は、一条又は多条の螺旋体もしくはウォームとして形成されている。これによって、電極ホルダ２０の周壁２１の、全周にわたる均一な冷却を可能にすることができる。

従って図面において提案された挟開先ヘッドは、電極の一次冷却装置を有している。このとき電極ホルダ２０は、中空成形体から成っていて、この中空成形体は、周壁に加えて電流伝送のために利用される、導電性の良好な内部構造（平らな又は螺旋形の仕切り壁）を有している。同様に場合によっては、電流伝送を、もっぱら仕切り壁を介して行うことも可能である。電極と電極担体との材料結合式の結合によって、冷却装置からの熱放出のための改善された接触部が与えられている。電極担体は、好ましくは、電極ホルダの閉鎖エレメント内にねじ込まれていて、高いレベルの熱排出を可能にする。さらに、使用される電極に関して高いフレキシビリティがある。

電極ホルダに設けられた電気絶縁体によって、溶接電流はもっぱら電極ホルダを介して導かれる。従って、ブレード及びバーによって形成されたハウジングは、電気的に絶縁されて電極ホルダから切り離されている。電極ホルダの冷却とは無関係に独立して、ハウジング、特にブレードの冷却を行うことが可能である。

電極の一次冷却によって溶接電流が上昇し、このことは、高められた溶接速度として表れる。別の利点としては、ブレードに関連した電極ホルダの大幅に減じられた摩耗と、電極の大幅に減じられた摩耗とが挙げられる。ブレードと電極ホルダとを電気的に絶縁することによって、加工されるワークとブレードとの接触時における、ブレードの破損に関する問題は発生しない。これによってまた同様に、フロントバーの溶解も回避することができる。

さらに、ブレード及びフロントバーを、従来使用されていた高価なタングステン銅合金の代わりに、安価な黄銅からも製造することができるので、部材コストを低減することができる。同様に、セラミックスの使用も可能である。

電極の改善された冷却によって、技術的に、電極先端におけるプラズマ開始点の集中、プラズマの安定化、ドーピングエレメントの減じられた蒸発率、ひいては特により安定したアークが得られ、これによって溶接結果が改善される。

Claims (13)

1. 金属製のハウジング（１０）内に、電極ユニット（３２）が電極ホルダ（２０）を用いて保持され、かつ前記電極ユニット（３２）を冷却する冷却装置が設けられていて、該冷却装置を通して、液状の冷媒が前記電極ホルダ（２０）内に導入可能及び該電極ホルダ（２０）から再び導出可能である、タングステン不活性ガス溶接用のトーチであって、
   前記冷却装置は、少なくとも１つの導電性の仕切り壁（２２）を、前記電極ホルダ（２０）の周壁（２１）の内部に、冷却通路（２５，２６）を形成するために有しており、少なくとも、前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、前記電極ユニット（３２）に電気的に接続されており、
   前記電極ホルダ（２０）の外面（２８）が、少なくとも、前記電極ホルダ（２０）を取り囲む前記ハウジング（１０）の領域に、絶縁層（２９）を備えており、
   前記電極ユニット（３２）は、直に、前記電極ホルダ（２０）の閉鎖エレメント（２３）に解離可能に螺合されていることを特徴とする、タングステン不活性ガス溶接用のトーチ。
2. 前記電極ホルダ（２０）の前記周壁（２１）は、金属製の円筒体から形成されている、請求項１記載のトーチ。
3. 前記周壁（２１）と、前記電極ホルダ（２０）の前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）とは、形状結合式に互いに結合されている、請求項１又は２記載のトーチ。
4. 前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、銅から形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のトーチ。
5. 前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、前記周壁（２１）の、ワークに向いた端部において、閉鎖エレメント（２３）に移行していて、該閉鎖エレメント（２３）は、前記周壁（２１）に液密に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のトーチ。
6. 前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、前記閉鎖エレメント（２３）の領域に少なくとも１つの凹部を有していて、該凹部を通して前記冷却通路（２５，２６）は互いに接続されていて、これによって前記液状の冷媒は、少なくとも１つの冷却通路（２５，２６）を通って前記電極ホルダ（２０）内にかつ前記閉鎖エレメント（２３）に向かって流入することができ、かつ少なくとも１つの別の冷却通路（２５，２６）を通って前記閉鎖エレメント（２３）から離反して前記電極ホルダ（２０）から流出することができる、請求項５記載のトーチ。
7. 前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、平らなウェブによって又は一条又は多条の螺旋体もしくはウォームによって形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のトーチ。
8. 前記絶縁層（２９）は、耐熱性プラスチック又はセラミックスから成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載のトーチ。
9. 前記電極ユニット（３２）は少なくとも２つの部分を備えて形成されており、ワークに向かって円錐形に先細になる、タングステン又はタングステン合金製の電極が、５０Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有する金属製の電極担体（３３）内に、摩擦力結合及び／又は材料結合及び／又は形状結合によって固定されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のトーチ。
10. 前記ハウジング（１０）は扁平であり、該ハウジング（１０）の幅は、長さよりも大幅に小さく、該ハウジング（１０）の長さは、溶接軌道の方向における該ハウジング（１０）の延びである、請求項１から９までのいずれか１項記載のトーチ。
11. 前記ハウジング（１０）は孔を有していて、該孔内に、前記電極ホルダ（２０）が隙間嵌めで収容されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のトーチ。
12. 前記ハウジング（１０）は絶縁体を有していない、請求項１から１１までのいずれか１項記載のトーチ。
13. 電極ユニット（３２）を保持し、かつ該電極ユニット（３２）を冷却する冷却装置を有していて、該冷却装置を通して、液状の冷媒が前記電極ホルダ（２０）内に導入可能及び該電極ホルダ（２０）から再び導出可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載のトーチ用の電極ホルダ（２０）であって、
    前記冷却装置は、少なくとも１つの導電性の仕切り壁（２２）を、前記電極ホルダ（２０）の周壁（２１）の内部に、冷却通路（２５，２６）を形成するために有しており、少なくとも、前記少なくとも１つの仕切り壁（２２）は、前記電極ユニット（３２）に電気的に接続されており、
    前記電極ホルダ（２０）の外面（２８）が、少なくとも、前記電極ホルダ（２０）を取り囲む前記ハウジング（１０）の領域に、絶縁層（２９）を備えていることを特徴とする、トーチ用の電極ホルダ。

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