JP6009231B2 - プラズマ溶接トーチおよびプラズマ溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、母材に対してプラズマアーク溶接を行うプラズマ溶接トーチおよびプラズマ溶接装置に関する。

従来、アルミニウム等の金属からなる母材をアーク溶接により接合するプラズマ溶接トーチが提案されている（たとえば特許文献１参照）。図４には、特許文献１に記載されるプラズマ溶接トーチの要部を示している。図４に示すプラズマ溶接トーチ９０は、ノズル９１と、非消耗式電極９２と、ノズル９１と非消耗式電極９２との間に形成されるガス流通部９３と、プラズマ貫通孔９４と、シールド貫通孔９５とを備えている。プラズマ貫通孔９４およびシールド貫通孔９５はそれぞれガス流通部９３に連通している。ガス流通部９３にはアルゴンガス等の不活性ガスＧが供給され、ガス流通部９３に供給された不活性ガスＧの一部はプラズマ貫通孔９４へと送られ、プラズマガスＰＧとして用いられる。プラズマガスＰＧが供給されることにより、非消耗式電極９２と母材９６との間にプラズマアークＰＡが発生する。同時に、ガス流通部９３に供給された不活性ガスＧの一部は、シールド貫通孔９５へと送られ、シールド貫通孔９５からシールドガスＳＧとして溶接方向前方の母材９６に対して噴出される。シールドガスＳＧは、プラズマアークＰＡと母材９６の被溶接部とが大気から遮蔽された状態を作り出す。母材９６の被溶接部にはプラズマアークＰＡによって溶融池が形成されている。シールドガスＳＧには、この溶融池の酸化を防止する役割がある。

一方で、プラズマガスＰＧの流量は、プラズマアークＰＡの溶接能力に大きな影響を与える。プラズマガスＰＧの流量が十分ではない場合、溶融池の溶け込み深さを十分に確保することができなくなることがあった。このため、プラズマガスＰＧの流量が十分な値となるように調整することが望ましいが、上記の構成によればプラズマガスＰＧの流量を単独で調整するのが困難であった。

また、プラズマ溶接トーチ９０では、シールド貫通孔９５からシールドガスＳＧを溶接方向前方にのみ噴出している。このため、溶接方向後方に存在する溶融池が完全には遮蔽されない場合があった。このような場合、溶接品質の低下が懸念される。

特開２０１１−１７７７４３号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、非消耗式電極と母材との間に望ましい量のプラズマガスを供給可能であり、かつ、シールドガスを十分に供給可能であるプラズマ溶接トーチおよびプラズマ溶接装置を提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供されるプラズマ溶接トーチは、母材との間にプラズマアークを発生させる非消耗式電極と、上記母材に向けてプラズマガスおよびシールドガスを噴出するノズルと、上記プラズマガスを流通させるプラズマガス流路と、上記プラズマガス流路と隔てられており、かつ、上記シールドガスを流通させるシールドガス流路と、を備えており、上記ノズルは、上記非消耗式電極を収容する軸孔と、上記軸孔を囲むように形成された筒状本体とを有しており、上記プラズマガス流路は、上記筒状本体と上記非消耗式電極との間に設けられており、上記シールドガス流路は、上記筒状本体に形成されているとともに、上記母材に臨む複数の開口部と、各々が上記複数の開口部のいずれかに直接通じる複数の直線部とを有しており、上記直線部は、上記軸孔が延びる方向に沿って延びており、上記複数の直線部は、上記軸孔を囲むように配置されており、上記複数の開口部は、上記筒状本体の上記母材に臨む先端部の開口よりも上記母材から離間した位置に設けられており、上記プラズマガス流路を流通するプラズマガスの量、および、上記シールドガス流路を流通するシールドガスの量が個別に調整されることを特徴とする。

このような構成によれば、上記プラズマガス流路と上記シールドガス流路とが隔てられており、かつ、上記プラズマガス流路を流通するプラズマガスの量と上記シールドガス流路を流通するシールドガスの量とが個別に調整される。このため、たとえば、上記非消耗式電極と上記母材との間に供給するシールドガスの量を増減させた場合に、上記プラズマガスの量が意図せずに変化してしまうということは生じにくくなっている。逆に、プラズマガスの量を増減させた場合にシールドガスの量が変化することも生じにくくなっている。従って、本発明に基づく溶接トーチを用いれば、上記非消耗式電極と上記母材との間に望ましい量のプラズマガスを供給可能であり、かつ、シールドガスを十分に供給可能である。望ましい量のプラズマガスを供給し続けることにより、プラズマアークの制御をより容易とすることができる。

本発明の第２の側面によって提供されるプラズマ溶接装置は、本発明の第１の側面によって提供されるプラズマ溶接トーチと、上記プラズマガス流路および上記シールドガス流路に連結されたガス供給手段と、上記ガス供給手段と上記プラズマガス流路との間に介在し、上記プラズマガス流路を流通するプラズマガスの量を調整するプラズマガス調整手段と、上記ガス供給手段と上記シールドガス流路との間に介在し、上記シールドガス流路を流通するシールドガスの量を調整するシールドガス調整手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に基づくプラズマ溶接装置の一例を示す概略構成図である。 図１に示すプラズマ溶接トーチの要部断面図である。 図２に示すプラズマ溶接トーチの要部平面図である。 従来のプラズマ溶接トーチの一例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１には、本発明に基づくプラズマ溶接装置の一例を示している。図１に示すプラズマ溶接装置Ａは、プラズマ溶接トーチ１００、マニピュレータ２０、電源装置３０、Ａｒガス供給手段４１、Ｈｅガス供給手段４２、プラズマガス調整手段５１、シールドガス調整手段５２、ガス流路６１，６２，６３，６４、および、制御手段７０を備えている。図２および図３には、プラズマ溶接トーチ１００の要部を示している。プラズマ溶接装置Ａは、たとえばＡｌ−Ｍｇ合金の板が突き合わされた母材Ｗに対してプラズマ溶接を行うのに用いられる。図１に示すように、母材Ｗは電源装置３０に接続されている。

図２に示すように、プラズマ溶接トーチ１００は、非消耗式電極１１と、ノズル１２と、プラズマガス流路１３と、シールドガス流路１４とを備えている。非消耗式電極１１は、たとえばタングステンからなる金属棒であり、母材Ｗとの間に交流アーク電圧を印加するための電極である。図１に示すように、非消耗式電極１１は、電源装置３０に接続されており、母材Ｗとの間に交流アーク電圧を印加した際には母材Ｗとの間にプラズマアークＰＡを発生させる。

ノズル１２は、非消耗式電極１１を収容する軸孔１２１と、軸孔１２１を囲むように形成された筒状本体１２２とを有している。軸孔１２１は、図２における上下方向に沿って延びるように形成されている。筒状本体１２２は、たとえば銅などの金属からなり、中空円筒状に形成されている。筒状本体１２２の母材Ｗに臨む先端部１２３には円形の開口１２４が形成されている。先端部１２３は図２中上下方向において母材Ｗに近い位置ほど径が小さくなるように形成されておる。このため、開口１２４の直径は、軸孔１２１の直径よりも小さくなっている。また、必要に応じて筒状本体１２２が水冷構造を有するようにしてもよい。

図３は、ノズル１２の図２に表れている部分の上端を上方から見た図である。図３に示すように、非消耗式電極１１、軸孔１２１、および、筒状本体１２２は、同心円状に形成されている。

プラズマガス流路１３は、筒状本体１２２と非消耗式電極１１との間に設けられている。プラズマガス流路１３にはプラズマガスＰＧが供給される。プラズマガスＰＧは、たとえばＡｒであり、その流量は０．５〜３．０Ｌ／分程度である。より具体的には、プラズマガスＰＧはＡｒ供給手段４１からガス流路６１，６２を介してプラズマガス流路１３に供給され、プラズマガス流路１３を流通する。このプラズマガスＰＧは、非消耗式電極１１を取り囲むように流れた後に開口１２４から噴出する。プラズマアークＰＡは、プラズマガスＰＧを媒体として発生する。

シールドガス流路１４は、プラズマガス流路１３と隔てられており、かつ、シールドガスＳＧを流通させるように筒状本体１２２に形成されている。図２に示すように、シールドガス流路１４は、母材Ｗに臨む開口部１４１と、開口部１４１に直接通じる直線部１４２とを有している。直線部１４２は、軸孔１２１が延びる方向（図２中上下方向）に沿って延びている。

本実施形態では、開口部１４１は１２個設けられており、直線部１４２は、各々が複数の開口部１４１のいずれかに直接通じるように複数設けられている。図３に示すように、複数の直線部１４２は、軸孔１２１を囲むように配置されている。具体的には、１２個の直線部１４２は、軸孔１２１の同心円の円Ｃの周方向に沿って３０°ごとに配列されている。

シールドガスＳＧは、たとえば３０％Ａｒ−７０％Ｈｅの混合ガスであり、その流量は１５Ｌ／分程度である。シールドガスＳＧのうちＡｒガスはＡｒガス供給手段４１からガス流路６１，６４を介してシールドガス流路１４に供給される。また、シールドガスＳＧのうちＨｅガスは、Ｈｅガス供給手段４２からガス流路６３，６４を介してシールドガス流路１４に供給される。このシールドガスＳＧは、シールドガス流路１４の直線部１４２を流通し、開口部１４１から噴出し、プラズマガスＰＧおよびプラズマアークＰＡを緊縮させる機能を果たす。

マニピュレータ２０は、プラズマ溶接トーチ１００を母材Ｗに対して移動させるためのものである。

Ａｒガス供給手段４１は、たとえばＡｒガスが封入されたガスボンベであり、図１に示すように、ガス流路６１に連結されている。ガス流路６１は二手に分かれており、一方はプラズマガス調整手段５１、もう一方はシールドガス調整手段５２に連結されている。

Ｈｅガス供給手段４２は、たとえばＨｅガスが封入されたガスボンベであり、ガス流路６３に連結されている。ガス流路６３は、シールドガス調整手段５２に連結されている。Ａｒガス供給手段４１およびＨｅガス供給手段４２は本発明の請求項で言うガス供給手段に相当する。

プラズマガス調整手段５１は、たとえば電動弁であり、Ａｒガス供給手段４１とプラズマガス流路１３との間に介在し、プラズマガス流路１３を流通するプラズマガスＰＧの量を調整するものである。具体的には、プラズマガス調整手段５１は、ガス流路６１とガス流路６２との間に設けられており、ガス流路６２はプラズマガス流路１３に連結されている。

シールドガス調整手段５２は、たとえば電動弁であり、Ａｒガス供給手段４１およびＨｅガス供給手段４２と、シールドガス流路１４との間に介在し、シールドガス流路１４を流通するシールドガスＳＧの量を調整するものである。具体的には、シールドガス調整手段５２は、ガス流路６１，６３，６４に連結されており、ガス流路６１およびガス流路６３から流れてきたＡｒガスおよびＨｅガスの流量を調整し、シールドガスＳＧとしてガス流路６４へ送り出す。ガス流路６４は、シールドガス流路１４に連結されている。

制御手段７０は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。制御手段７０は、非消耗式電極１１と母材Ｗとの間の電圧の制御や、プラズマガス調整手段５１およびシールドガス調整手段５２の弁の開閉の制御を行う。制御手段７０は、プラズマガス調整手段５１の弁の開閉と、シールドガス調整手段５２の弁の開閉とを別々に制御する。このため、プラズマ溶接トーチ１００においては、プラズマガス流路１３を流通するプラズマガスＰＧの量、および、シールドガス流路１４を流通するシールドガスＳＧの量が個別に調整される。

次に、プラズマ溶接トーチ１００およびプラズマ溶接装置Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、プラズマガスＰＧの量と、シールドガスＳＧの量とが個別に調整され、かつ、別々の経路で供給される。このため、たとえば、シールドガスＳＧの量を増減させる調整を行った場合にも、プラズマガスＰＧの量が意図せずに変化してしまうことはなく、プラズマガスＰＧの量を望ましい値とすることが可能である。逆にプラズマガスＰＧの量を調整した場合でも、シールドガスＳＧの量は変化しない。すなわち、プラズマ溶接トーチ１００およびプラズマ溶接装置Ａによれば、非消耗式電極１１と母材Ｗとの間に望ましい量のプラズマガスＰＧを供給可能であり、かつ、シールドガスＳＧを十分に供給可能である。プラズマガスＰＧの量を意図したように設定することができるため、プラズマアークＰＡの制御がより容易となる。

本実施形態では、図３に示すように、シールドガス流路１４は、プラズマガス流路１３を囲む円Ｃの周方向に沿って均等に配置されている。このため、シールドガスＳＧはプラズマガスＰＧをより確実に封じ込めることが可能であり、プラズマガスＰＧおよびプラズマアークＰＡを緊縮させる機能をより適切に果たすことができる。また、従来のプラズマ溶接トーチ９０（図４参照）では、シールドガスＳＧを前方にしか噴出していなかったために溶融池の遮蔽が不完全であったが、本実施形態の構成であれば、溶融池の遮蔽をより適切に行うことができる。

本発明に係るプラズマ溶接トーチおよびプラズマ溶接装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマ溶接トーチおよびプラズマ溶接装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

シールドガス流路１４の開口部１４１および直線部１４２の個数や配置は上述した実施形態に限定されず、プラズマアークＰＡを緊縮させるとともに、溶融池の遮蔽が可能な構成であればよい。たとえば、開口部１４１の形状は円形に限らず、円Ｃの円周に沿う円弧状に形成されていてもよい。

Ａ プラズマ溶接装置
Ｃ 円
Ｗ 母材
ＰＡ プラズマアーク
ＰＧ プラズマガス
ＳＧ シールドガス
１００ プラズマ溶接トーチ
１１ 非消耗式電極
１２ ノズル
１２１ 軸孔
１２２ 筒状本体
１２３ 先端部
１２４ 開口
１３ プラズマガス流路
１４ シールドガス流路
１４１ 開口部
１４２ 直線部
２０ マニピュレータ
３０ 電源装置
４１ Ａｒガス供給手段
４２ Ｈｅガス供給手段
５１ プラズマガス調整手段
５２ シールドガス調整手段
６１，６２，６３，６４ ガス流路
７０ 制御手段

Claims (2)

1. 母材との間にプラズマアークを発生させる非消耗式電極と、
   上記母材に向けてプラズマガスおよびシールドガスを噴出するノズルと、
   上記プラズマガスを流通させるプラズマガス流路と、
   上記プラズマガス流路と隔てられており、かつ、上記シールドガスを流通させるシールドガス流路と、
   を備えており、
   上記ノズルは、上記非消耗式電極を収容する軸孔と、上記軸孔を囲むように形成された筒状本体とを有しており、
   上記プラズマガス流路は、上記筒状本体と上記非消耗式電極との間に設けられており、
   上記シールドガス流路は、上記筒状本体に形成されているとともに、上記母材に臨む複数の開口部と、各々が上記複数の開口部のいずれかに直接通じる複数の直線部とを有しており、
   上記直線部は、上記軸孔が延びる方向に沿って延びており、
   上記複数の直線部は、上記軸孔を囲むように配置されており、
   上記複数の開口部は、上記筒状本体の上記母材に臨む先端部の開口よりも上記母材から離間した位置に設けられており、
   上記プラズマガス流路を流通するプラズマガスの量、および、上記シールドガス流路を流通するシールドガスの量が個別に調整されることを特徴とする、プラズマ溶接トーチ。
2. 請求項１に記載のプラズマ溶接トーチと、
   上記プラズマガス流路および上記シールドガス流路に連結されたガス供給手段と、
   上記ガス供給手段と上記プラズマガス流路との間に介在し、上記プラズマガス流路を流通するプラズマガスの量を調整するプラズマガス調整手段と、
   上記ガス供給手段と上記シールドガス流路との間に介在し、上記シールドガス流路を流通するシールドガスの量を調整するシールドガス調整手段と、
   を備えていることを特徴とする、プラズマ溶接装置。

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