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WO1995012965A1 - Plasma torch - Google Patents

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WO1995012965A1
WO1995012965A1 PCT/JP1994/001854 JP9401854W WO9512965A1 WO 1995012965 A1 WO1995012965 A1 WO 1995012965A1 JP 9401854 W JP9401854 W JP 9401854W WO 9512965 A1 WO9512965 A1 WO 9512965A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrode
substance
plasma torch
tip
electrode body
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP1994/001854
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Masamitsu Kitahashi
Iwao Kurokawa
Mikio Minonishi
Hiroyuki Tokunaga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=17539869&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO1995012965(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
Priority to DE69418894T priority Critical patent/DE69418894T2/de
Priority to EP94931677A priority patent/EP0727922B1/en
Priority to CA002174317A priority patent/CA2174317C/en
Priority to US08/628,666 priority patent/US5726414A/en
Publication of WO1995012965A1 publication Critical patent/WO1995012965A1/ja
Priority to KR1019960702352A priority patent/KR960706283A/ko
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    • H05H1/34Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478Geometrical details

Definitions

  • the present invention relates to a plasma torch used for welding and cutting with a plasma arc.
  • a conventional typical plasma torch used for plasma arc welding is disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 11-135174.
  • this conventional plasma torch is composed of a conductor a having a tubular conductor and an opening b fixed to the tip of the base a and communicating with the internal space of the base a.
  • An electrode positioning member d made of an insulator fixed to the base end of the base a; and an electrode rod positioned at the center of the opening of the chip c by the electrode positioning member d.
  • e and at least part of the space from the internal space of the substrate a to the opening of the chip c is provided with a first gas flow for flowing the plasma gas flow along the electrode rod e.
  • a second gas flow path for flowing the swirling plasma gas flow is formed.
  • the tip of the electrode rod e must always be sharpened in order to stabilize the arc.
  • a cathode point anode point
  • the inventor of the present application performed a durability test on the conventional plasma torch having the above-described configuration under welding conditions shown in Table 1 below, and examined the state of wear of the electrodes and the nozzles and the change with time of the welding quality associated therewith.
  • the present inventors have developed a plasma torch as shown in FIG. This is done by flattening the tip of a copper electrode holder h and burying an electrode i made of a refractory metal such as tungsten in the axial center of the tip, and placing the electrode i at intervals.
  • the configuration is such that a plasma gas swirl flow m flows through a gas flow path k between an electrode i and a nozzle j, surrounded by a nozzle j.
  • the inside of the electrode holder h and the outside of the nozzle j are water-cooled.
  • the present invention has been made to solve these problems, and prevents electrode holders from becoming matte and preventing ignition from being caused by a pledge generated by the accumulation of metal residue on the inner surface of the nozzle. In addition, it is possible to drastically reduce the change over time as compared with the conventional plasma torch electrode with a protruding tip, stabilizing the arc and improving welding quality.
  • the purpose of the present invention is to provide a plasma torch that can perform the following operations. Disclosure of the invention
  • a plasma torch according to the present invention is provided in a plasma gas swirling flow type plasma torch including an electrode body and a nozzle surrounding a distal end of the electrode body with a plasma gas passage therebetween.
  • At least the pilot arc ignition portion of the electrode body is characterized by being composed of a substance having a high melting point or a substance having a low work function or a mixture of an oxide thereof with a substance having a high melting point.
  • a swirling flow is applied to the plasma gas, and at the same time, at least a portion of the electrode body where the pilot arc is ignited, for example, a portion of the tip of the electrode body having the shortest distance from the nozzle is a substance having a high melting point or a material having a high melting point. It is composed of a mixture of a substance with a high melting point and a substance with a low work function or its oxide.
  • a pilot arc is generated between the configured tip and the nozzle, and a main arc is generated between the tip and the workpiece, and a material having a low melting point other than the tip is used. Since the cathode point (or anode point) of the arc does not exist in the portion to be formed, it is possible to prevent a portion other than the tip portion, for example, the electrode holder from becoming matted, and at the same time, to reduce the electrode body. Bridges (short circuits) between the nozzles can prevent ignition failure.
  • the electrode body is composed of an electrode holder composed of a substance having high thermal conductivity and a substance having a high melting point or a substance having a high melting point which is fixed or fitted to the tip of the electrode holder.
  • the electrode body may be composed of a material having a low melting point or a material obtained by mixing an oxide thereof, or the whole of the electrode body may be composed of a substance having a high melting point, a substance having a low work function with respect to the substance having a high melting point, or It may be composed of a material in which the oxide is mixed.
  • the surface of the electrode body is coated by spraying or vapor-depositing a substance having a high melting point or a substance having a low work function or an oxide thereof mixed with the substance having a high melting point.
  • the surface of the electrode holder may be covered with silver plating or the like.
  • the tip (electrode portion) of the electrode body has a flat or spherical shape, the deterioration of the electrode portion due to aging is reduced, and the performance of the electrode portion (melting) is reduced. Over time) can be reduced.
  • the arc cathode is fixed to the center of the electrode body at the cathode point (or anode point), so that the arc is stable.
  • a shield cap surrounding the nozzle with a shield gas passage therebetween is provided, and a ring for swirling the shield gas in the shield gas passage is provided. Even with a plasma torch that gives a swirling flow, the plasma gas can be effectively applied in the axial flow direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a conventional plasma torch.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of another conventional plasma torch.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a main part of the first embodiment of the plasma torch according to the present invention.
  • 4A to 4C are cross-sectional views showing modified examples of the electrode body of the first embodiment.
  • 5A to 5F are cross-sectional views showing modified examples of the electrode body having a flat end portion.
  • 6A to 6E are cross-sectional views showing modified examples of the electrode body having a spherical tip.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the electrode body covering the entire electrode body.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the electrode body covering the electrode holder.
  • reference numeral 1 denotes an electrode holder having a cooling water passage 2 therein, and an electrode 3 is embedded at the tip of the electrode holder by brazing or press-fitting.
  • a nozzle 4 is provided concentrically with the electrode body 15 so as to surround the tip of the electrode body 15 with the plasma gas passage 5 therebetween and a plasma arc jet port 6 is provided at the tip.
  • a shield cap is provided concentrically so as to surround the outside of the nozzle 4 with a shield gas flow path 8 therebetween.
  • a swirler 9 is provided upstream of the plasma gas passage 5.
  • the swirl passage 9 a of the swirler 9 is formed along a plane perpendicular to the axis of the electrode holder 1 or slightly bent toward the distal end. A strong swirling flow is generated in the gas passing through the spiral passage 9a.
  • a ring 10 is also provided in the shield gas flow path 8.
  • the direction of gas blowing of this ring 10 depends on the workpiece to be welded.
  • the ring 10 generates a swirl flow in the shield gas by the ring 10, for example, when the swirl direction given to the shield gas is the same as the swirl direction of the plasma gas swirler 9 It has the effect of strongly contracting the plasma arc (jet), and is effective in cutting workpieces and welding thick plates that require high energy density. If the swirling flows of both gases are opposite, the swirling flow component of the plasma arc (jet) is reduced, so that the molten pool can be maintained in a stable state during welding. It is effective for spot welding that requires a large nugget and wire welding that requires a large beat width.
  • the electrode holder 1 is made of a material having high thermal conductivity, such as copper, and is cooled by cooling water flowing through the cooling water passage 2.
  • the electrode 3 is made of tungsten having a high melting point.
  • the electrode 3 is large enough to occupy the entire tip of the electrode holder 1, and the distance s ′ between the periphery of the tip of the electrode 3 and the inner surface of the nozzle 4 is the distance between the electrode holder 1 and the electrode 3.
  • the shortest distance is included in the electrode section including the electrode section, so that when a current is supplied to the electrode 3, a pilot arc is generated around the tip of the electrode 3.
  • connection structure between the electrode holder 1 and the electrode 3 may be such that the entire electrode 3 is embedded in the tip of the electrode holder 1 as shown in FIG. 3, but is shown in FIGS. 4A and 4B. As described above, the electrode 3 may be fitted to the front end face of the electrode holder 1.
  • the entire electrode body 15 is made of a substance having a high melting point, such as dandastene, or a substance having a low work function.
  • it may be made of a substance in which the oxide is mixed, and a space for cooling (water cooling) may be provided inside the substance.
  • the tip of the electrode 3 fixed to the tip of the electrode holder 1 was made flat.
  • Electrode holder material Copper
  • Electrode material Tri-containing 2% tungsten
  • Electrode tip flat part diameter 2 mm
  • Nozzle diameter 4 mm
  • the diameter d of the tip flat part of the electrode 3 must be smaller than the diameter D of the nozzle 4 (d ⁇ D). If the diameter d of the flat surface of the tip of the electrode 3 is larger than the nozzle diameter D, a double arc may occur at the time of ignition. In addition, by making the tip of the electrode 3 flat, deformation (deterioration) due to aging of the electrode could be minimized. '
  • Electrode holder material Copper
  • Electrode material Tungsten with 2% tria
  • Electrode tip flat part diameter 2 mm
  • the edge 11 the temperature tends to rise when the arc is discharged, so that the transition from the pilot arc to the main arc can be smoothly performed, and the abnormal arc can be prevented. And the life of the electrode 3 can be prolonged. Furthermore, since the cathode spot of the arc is easily fixed after the transition to the main arc, there are advantages that the arc is easily stabilized, and that the welding quality can be improved and stabilized.
  • An electrode shape having the same effect as the embodiment shown in FIG. 5B is provided, and an arc-shaped hole 11a is provided at the tip of the electrode 3 as shown in FIG. 5C. 5D with multiple stepped holes 1 lb at the tip of electrode 3 as shown in Fig. 5D, or cylindrical projection 11 b at the tip of electrode 3 as shown in Fig. 5E, or 5 may be one which has been provided with conical protrusions 1 1 c in earthenware pots at the tip of the electrode 3 by showing the F c in the embodiment shown in FIG. 5 D, not Etsu di outer holes are depleted When this happens, the cathode point of the arc will adhere to the edge of the inner hole, prolonging the life.
  • the tip of the electrode 3 ′ was spherical.
  • Electrode holder material Copper
  • Electrode material Ceria 2% tungsten
  • Nozzle diameter 4 mm
  • Electrode tip spherical radius 3.5 mm
  • an edge 11 ′ was provided at the center of the tip of the electrode 3 ′ having a spherical tip.
  • Electrode holder material Copper
  • Electrode material tungsten with ceria 2%
  • Edge diameter (drilled hole) 1.5 mm
  • Nozzle diameter 4 mm
  • Electrode tip radius 3.5 mm
  • the pilot arc generated on the electrode spherical surface moves smoothly to the electrode tip, so that the transition to the main arc is performed quickly. Since this phenomenon occurs without any problem even when the swirling flow of the plasma gas is relatively weak, it is effective when welding to a workpiece that requires welding by reducing the plasma gas flow rate.
  • the stability of the arc after the main movement can be increased.
  • An electrode having the same effect as the embodiment shown in FIG.6B was provided with an arc-shaped hole 11a 'at the tip of the electrode 3' as shown in Fig.6C.
  • the electrode 3 ′ may be provided with a cylindrical projection lib ′ at the tip of the electrode 3 ′ as shown in FIG. 6D, or the electrode 3 ′ may be provided with a conical projection 11 c ′ as shown in FIG. 6E. .
  • tungsten containing 2% of lantana may be used in addition to the material used in each of the above embodiments.
  • the entire surface of the electrode holder 1 in which the electrode 12 is embedded, that is, the electrode body 15, is filled with a substance having a high melting point or a substance having a high work function or an oxide thereof mixed with this substance.
  • the coating layer 13 is provided by spraying or vapor-depositing a metal having a melting point.
  • Electrode holder material Copper
  • Electrode material tungsten with 2% tria
  • Electrode coating material tungsten with 2% tria
  • Nozzle diameter 4 mm
  • the tip of the electrode holder 1 including the surface of the electrode 12 A high melting point material (tungsten with 2% tria) similar to that used for electrode 12 is coated on the entire surface.
  • the electrode holder 1 is not adversely affected by evaporation or the like, the surface of the electrode holder 1 is matted, and a bridge between the electrode 12 and the nozzle 4 is formed. It is possible to prevent poor ignition due to the occurrence of fire.
  • silver plating 14 may be applied to the surface of the electrode holder 1.
  • the matte finish is applied only to the tip of electrode 1 2 Can be limited.
  • the arc has the property of being stable when the cathode spot is on the oxide, but the silver is reduced in oxide at high temperatures, so the silver is placed on the electrode holder 1 with silver plating. This is because the cathode spot becomes difficult to exist, the cathode spot moves to the electrode 12 side, and the arc concentrates on the tip of the electrode 12, so that the electrode holder 1 does not become satin.
  • tantalum, molybdenum, osmium, rhenium, norethethium, iridium, or an alloy thereof is used as a substance having a high melting point used for the electrode, in addition to dandasten.
  • the low work function substance used in addition to the above high melting point substance there are tritium, barium, cesium, cerium, lanthanum, yttrium, and zirconium.
  • the electrode shape was improved to prevent the arc from being unable to start due to the occurrence of a bridge between the electrode and the nozzle. Good results were obtained by changing the shape of the electrode as follows.
  • the part with the shortest distance between the electrode and the nozzle is designated as tungsten.
  • Target value 500 000 times (number of arc starts).
  • the electrode life was 50,000 times. Since the electrode life of the conventional configuration shown in FIG. 2 was 360,000 times, the life was more than 10 times longer than this. In addition, there were no problems with the stability of the welding result or the insulation between the electrode and the nozzle.

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Description

明細書 プラズマ トーチ 技術分野
この発明は、 プラズマアークにて溶接及び切断を行なう際に用 いるプラズマ トーチに関するものである。 背景技術
プラズマアーク溶接は、 それによ り点溶接を行う場合、 ワーク の片側より作業できるこ とから複雑な形状のワークや大きなヮー クに対応でき、 また線溶接を行う場合、 T I G溶接と比較して数 倍の生産性を有するといった利点があるため、 種々の分野で研究 開発が行なわれてきた。
プラズマアーク溶接に用いる従来の代表的なプラズマ トーチが 実開平 1 一 . 1 3 5 1 7 4号公報に示されている。
この従来のプラズマ トーチは、 図 1 に示したよう に、 管状の導 電体からなる基体 a と、 こ の基体 aの先端に固着されて基体 a の 内部空間と連通する開口 b を有する導電体からなるチ ッ プ c と . 基体 aの基端側に固着された絶縁体からなる電極位置決め部材 d と、 この電極位置決め部材 dにて上記チップ c の開口中心部に位 置決めされた電極棒 e とから構成され、 基体 a の内部空間から チップ cの開口部に至るまでの空間の少な く と も一部には、 電極 棒 e に沿ってプラズマガス流を流通させるための第 1 ガス流路 f と、 この第 1 ガス流路 f から分岐して電極棒 e の先端部の周囲に 旋回流となったプラズマガス流を流通させるための第 2 ガス流路 とが形成されている。
ところが、 上記従来のプラズマ トーチでは、 旋回流が生成され たばかりの部位では旋回流が十分に強いので、 電極棒 e よ りの高 周波リ ークを防ぐこ とができるが、 電極棒 e の先端部では軸方向 のガス流の影響を受ける こ とによ り旋回気流が弱く なるので、 電 極棒 e よ りの高周波リークが生じ易 く 、 そのためアークの安定性 が悪く なる。
そこで、 このようなプラズマ トーチでは、 アークを安定させる ために、 電極棒 eの先端を常に尖らせておく 必要があるが、 これ では、 電極棒 eの先端に常に陰極点 (陽極点) が存在する こ とに なるので、 経時変化によ り電極先端が丸く なり易 く 、 そのため溶 接品質が安定せず、 また電極の寿命が短いという問題がある。 本願発明者は、 上記構成の従来のプラズマ トーチを下記表 1 に 示す溶接条件にて耐久試験し、 電極及びノ ズルの消耗状況及びそ れに伴う溶接品質の経時変化を調べた。
表 1 ノズル径 2. 4 m m 溶接電流 9 0 A 溶接時間 7 s e c プラズマガス A r ; 1 . 8 £/ m i n シ一ルドガス A r + 7 % H2 ; 7 ^/m i n スタ ン ドオフ 4 . 5 m m ク レー夕処理 (後熱処理) 無し その結果、 最初の 1 0 0 スポッ ト終了の時点で電極先端形状が 劣化しはじめるため、 点溶接において重要な溶接品質である溶融 プールのサイズが変化するよう になった。 また、 さ らに耐久試験 を継続して 1 0 0 0スポッ ト終了後では、 入熱過大の為ワークに 貫通穴が残ってしま った。 これは、 消耗によって電極形状が変化 して (丸く なって) アークが安定しなく なる こ とと、 ならびに電 極の長さが短く なつて電極一被溶接部材間距離が長く なり、 これ によ りアーク電圧が上がって人熱過多になって しま う こ とによる と考えられる。
そこで、 本願発明者らは、 図 2 に示すようなプラズマ トーチを 開発した。 これは、 銅製の電極ホルダ hの先端を平らにする と共 に、 この先端の軸心部にタ ングステン等の高融点金属からなる電 極 i を埋設し、 この電極 i を間隔をおいてノ ズル j で囲繞し、 電 極 i とノズル j の間のガス流路 kにプラズマガスの旋回流 mを流 すようにした構成となっている。 なお、 上記電極ホルダ hの内側 とノズル j の外側は水冷されている。
ところが、 この構成では、 電極ホルダ hの基部外面とノ ズル j との間隔がもっとも短いため、 パイ ロ ッ トアーク nが電極ホルダ hの基部外面とノズル j との間で発生し、 その後プラズマガスの 旋回流 mによつて電極 i 部に移動してメ ィ ンアークへと移行する が、 このとき電極ホルダ hは銅という低融点材料にて構成されて いるため、 パイロ ッ トアーク nの発生点部分が溶けたり、 蒸発し たり してこの部分が梨地状になって しま う という問題が発生した ( また、 電極 i から発生した金属蒸気が水冷されているノ ズル j に て冷却されて該ノズル j の内面に金属カス 0 と して堆積され、 こ の堆積が進行する と電極 i と ノ ズル j がブ リ ッ ジ (短絡) して 着火不能となってしまう ことがあった。
本発明は、 これらの問題点を解決するためになされたもので 電極ホルダが梨地状になったりする こ とや、 ノ ズル内面への金属 カスの堆積で発生するプリ ッ ジによる着火不能を防止する こ とや さ らに先端を突らせた従来のプラズマ トーチの電極に比較して経 時変化を飛躍的に小さ く する こ とができて、 アークを安定化して 溶接品質を向上させるこ とができるプラズマ トーチを提供する こ とを目的とするものである。 発明の開示
上記の目的を達成するために、 本発明によるプラズマ トーチは. 電極体と、 該電極体の先端部をプラズマガス通路を隔てて囲繞す るノズルを備えたプラスマガス旋回流式のプラズマ トーチにおい て、 —
上記電極体の少なく ともパイロ ッ トアーク着火部位が融点の高い 物質またはこの融点の高い物質に仕事関数の低い物質またはその 酸化物を混合させた物質で構成されていることを特徴と している。 上記構成によれば、 プラズマガスに旋回流を与える と同時に、 電極体の少なく ともパイ ロ ッ トアーク着火部位例えば電極体先端 部の上記ノ ズルとの距離が最も短い部位が融点の高い物質または この融点の高い物質に仕事関数の低い物質またはその酸化物を混 合させた物質で構成されているので、 電極体の融点の高い物質で 構成された先端部とノズルとの間でパイ ロ ッ トアークが発生する と共に、 該先端部と被加工物との間でメ イ ンアークが発生し、 該 先端部以外であって融点の低い材料で構成される部分にアークの 陰極点 (または陽極点) が存在する こ とがな く なるので、 該先端 部以外の部分例えば電極ホルダが梨地状になる こ とを防止できる と同時に、 電極体一ノズル間がブリ ッ ジ (短絡) して着火不能に なることを防止できる。
尚、 前記電極体が、 熱伝導性の高い物質から構成される電極ホ ルダと、 該電極ホルダの先端に固着または嵌合していて融点の高 い物質またはこの融点の高い物質に仕事関数の低い物質またはそ の酸化物を混合させた物質で構成される電極とからなつていても 良いし、 前記電極体の全体が、 融点の高い物質またはこの融点の 高い物質に仕事関数の低い物質またはその酸化物を混合させた物 質で構成されていても良い。
さ らに、 電極体の表面を、 融点の高い物質またはこ の融点の高 い物質に仕事関数の低い物質またはその酸化物を混合させた物質 を溶射また 蒸着するこ とによ り被覆しても良いし、 電極ホルダ 表面を、 銀メ ツキ等により被覆しても良い。
この構成の場合、 電極体とノ ズルとの間の最短部を電極体の先 端部例えば電極とノズルとの間にする こ とが設計上不可能なとき でも、 電極体の先端部以外の部分例えば電極ホルダの表面の梨地 化や電極とノズルとの間にプリ ッ ジが発生するこ とによる着火不 能が防止される。
また、 電極体の先端部 (電極部) を平面状または球面状にすれ ば、 電極部の経時変化に伴う劣化が低減され、 電極部の性能 (溶 接品質) の経時変化を小さ く できる。
また、 電極体の先端に凹部或いは突起を形成する こ とによ り エッ ジを設ければ、 アークの陰極点 (または陽極点) が電極体先 端中心部に固着されるので、 アークが安定化して溶接品質が向上 する
さ らに、 前記ノズルをシール ドガス通路を隔てて囲繞する シ一 ル ドキャ ップを設け、 該シ一ル ドガス通路内にシ一ル ドガスを旋 回させる リ ングを設ければ、 プラズマガスに旋回流を与える方式 のプラズマ トーチでも軸流方向にプラズマガスを効果的に作用さ せることができる。 図面の簡単な説明
本発明は、 以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図 面によ り、 より良く理解される ものとなろう。 なお、 添付図面に 示す実施例は、 発明を特定する こ とを意図する ものではな く 、 単 に説明及び理解を容易とするものである。
図中、
図 1 は、 従来のプラズマ トーチの要部を示す断面図である。
図 2は、 他の従来のプラズマ トーチの要部を示す断面図である。 図 3 は、 本発明によるプラズマ トーチの第 1実施例の要部を示す 断面図である。
図 4 A乃至図 4 Cは、 上記第 1実施例の電極体の変形例を示す断 面図である。
図 5 A乃至図 5 Fは、 先端部を平面状にした電極体の変形例を示 す断面図である。 図 6 A乃至図 6 Eは、 先端部を球形状にした電極体の変形例を示 す断面図である。
図 7 は、 電極体全体を被覆した電極体の変形例を示す断面図であ る
図 8は、 電極ホルダを被覆した電極体の変形例を示す断面図であ る。
発明を実施するための好適な態様
以下に、 本発明の好適実施例によるプラズマ トーチを添付図面 を参照しながら説明する。
本発明の一実施例を図 3以下に基づいて説明する。
図中、 1 は内部に冷却水通路 2 を有する電極ホルダで、 これの 先端部に電極 3がロウ付けまたは圧入によって埋め込まれており . これらが電極体 1 5を構成している。 4 は電極体 1 5 の先端部を プラズマガス通路 5を隔てて囲繞するよう に して電極体 1 5 と同 心状に設けられ且つ先端にプラズマアーク噴出口 6 を設けられた ノズル、 7はこのノズル 4 の外側をシール ドガス流路 8を隔てて 囲繞するようにして同心状に設けられたシールドキャ ップである。 上記プラズマガス通路 5の上流部にはスワラ 9が設けてあるが. このスワラ 9の渦巻通路 9 aが電極ホルダ 1 の軸心と直角方向の 平面に沿うかまたは少し先端側へかたむけた形状になっていて . 該渦巻通路 9 aを通るガスに強い旋回流が発生するよう になって いる。
また、 上記シールドガス流路 8 内にも リ ング 1 0が介装してあ る。 このリ ング 1 0のガスの吹き出 し方向は、 溶接対象のワーク の材質や板厚によってきめられ、 この リ ング 1 0 によ り シール ド ガスに旋回流を発生させる場合、 例えばシール ドガスに与える旋 回流の方向がプラスマガスのスワラ 9 による旋回方向と同 じ場合 は、 プラズマアーク (ジエ ツ ト) を強 く 緊縮させる効果があ り 高工ネルギ密度が要求されるようなワークの切断及び厚板の溶接 において有効である。 そ して、 両ガスの旋回流が逆である場合に は、 プラズマアーク (ジエ ツ ト) の持つ旋回流成分が緩和される ので、 溶接時に溶融プールを安定した状態に保つこ とができ、 大 きなナゲッ 卜を要求される点溶接や太いビー ト幅が必要な線溶接 に有効である。
上記電極ホルダ 1 は、 銅等熱伝導性の高い材料にて構成されて いて、 冷却水通路 2を流れる冷却水にて冷却されるよう になって いる。 また、 電極 3 は融点が高いタ ングステンにて構成されてい る。
そして、 この電極 3 は電極ホルダ 1 の先端部全体を占める大き さになっていて、 この電極 3 の先端周囲部とノ ズル 4 の内面との 間の距離 s 'が電極ホルダ 1 と電極 3を含む電極部において最短距 離となっており、 電極 3への通電時に、 この電極 3 の先端周囲部 にパイロッ トアークが発生するようになつている。
上記電極ホルダ 1 と電極 3 との結合構造は、 図 3 に示すよう に、 電極 3 の全体を電極ホルダ 1 の先端部内に埋め込むよう に しても よいが、 図 4 A、 図 4 Bに示すよう に電極 3 を電極ホルダ 1 の先 端面に嵌着するようにしてもよい。
また、 図 4 Dに示すよう に、 電極体 1 5全体をダンダステン等 融点の高い物質またはこ の融点の高い物質に仕事関数の低い物質 またはその酸化物を混合させた物質で構成し、 これの内部に冷却 (水冷) 用の空間を設けるようにしてもよい。
以下、 電極体 1 5の各実施例について説明する。
実施例 1.
図 5 Aに示すように、 電極ホルダ 1 の先端に固着する電極 3の 先端を平面状にした。
電極ホルダの材質 : 銅
電極の材質 : ト リァ 2 %入りタングステン
ノズルの材質 : 銅
電極先端平面部直径 : 2 mm
ノズル径 : 4 mm
電極 3 の先端平面部の径 d を ノ ズル 4 の径の D よ り 小径 ( d≤ D ) にする必要があるこ とがわかった。 電極 3の先端平面 部の径 dがノズル径 Dよ り大きいと、 着火時にダブルアークが発 生することがある。 また、 電極 3の先端を平面状にする こ とによ り、 電極の経時変化による変形 (劣化) を最小限に抑え込むこ と ができた。 '
実施例 2.
図 5 Bに示すように、 電極 3の先端を平面状にする と共に、 こ の平面状の部分に凹部を形成することによりエッジ 1 1を設けた。 電極ホルダの材質 : 銅
電極の材質 : ト リア 2 %入りタングステン
ノズルの材質 : 銅
電極先端平面部直径 : 2 mm
エッジ径 ( ドリル穴) : 1. 5 mm ノズル径 : 4 m m
電極に ドリルで穴をあけたり、 ミ ラ一で削る等して、 電極先端 部にエッ ジ 1 1 を設ける。 エッ ジ 1 1 を設ける こ とによ り、 ァ一 ク放出時、 温度が上昇しやすいので、 パイ ロ ッ トアークからメ イ ンアークへの移行がスムーズに行なわれるよう にな り、 異常ァ一 クの発生防止と、 電極 3 の寿命向上が可能になる。 さ らに、 メ イ ンアーク移行後はアークの陰極点が固着しやすいので、 アークが 安定しやすく 、 溶接品質の向上と安定化が可能になる、 といった 利点がある。
上記図 5 Bに示す実施例と同様の効果を持った電極形状と して、 図 5 Cに示すように電極 3 の先端に円弧状の穴 1 1 aを設けたも の、 さ らに図 5 D に示すよ う に電極 3 の先端に複数段状の穴 1 l bを設けたもの、 あるいは図 5 Eに示すよう に電極 3 の先端 に円柱状の突起 1 1 bを設けたもの、 あるいは図 5 Fに示すよ う に電極 3 の先端に円錐状の突起 1 1 c を設けてたものでもよい c なお、 上記図 5 Dに示す実施例では、 外側の穴のエツ ジが消耗し なく なると、 内側の穴のエッ ジにアークの陰極点が固着するよ う になるので、 より長寿命化が図れた。
実施例 3 .
図 6 Aに示すように、 電極 3 ' の先端形状を球面状にした。
電極ホルダの材質 : 銅
電極の材質 : セリア 2 %入りタングステン
ノズルの材質 : 銅
ノズル径 : 4 m m
電極先端球面半径 : 3 . 5 m m 電極 3 ' の先端を球面形状とする こ とで、 電極球面で発生した パイロ ッ トアークがスムーズに電極先端に移動するので、 メ イ ン アークへの移行がすばやく 行なわれる。 こ の現象はプラズマガス の旋回流が比較的弱く ても問題なく行なわれるので、 プラズマガ ス流量を減少させて溶接を行なう必要のあるワークの溶接時に有 効である。
実施例 4 .
上記図 6 Bに示すよう に、 先端形状を球面状に した電極 3 ' の 先端中心部にエツジ 1 1 ' を設けた。
電極ホルダの材質 : 銅
電極の材質 : セリア 2 %入りタ ングステン
エッジ径 ( ドリル穴) : 1 . 5 m m
ノズルの材質 : 銅
ノ ズル径 : 4 m m
電極先端球面半径 : 3 . 5 m m
電極 3 ' の先端を球面形状とするこ とで、 電極球面で部発生し たパイ ロ ッ トアークがスムーズに電極先端に移動するので、 メ イ ンアークへの移行がすばやく 行なわれる。 この現象はプラズマガ スの旋回流が比較的弱く ても問題なく行なわれるので、 プラズマ ガス流量を減少させて溶接を行なう必要のあるワークへの溶接時 に有効である。
さ らに、 電極先端にエッ ジ部を設ける こ とによってメ イ ンァ一 ク移動後のアークの安定性を増加させることができる。
図 6 Bに示す実施例と同様の効果を持った電極形状と して、 図 6 Cに示すよう に電極 3 ' の先端に円弧状の穴 1 1 a ' を設けた もの、 あるいは図 6 Dに示すよう に電極 3 ' の先端に円柱状の突 起 l i b ' を設けたもの、 あるいは図 6 Eに示すよう に円錐状の 突起 1 1 c ' を設けたものでもよい。
なお、 電極 3 , 3 ' の材質と しては、 上記各実施例に用いた材 質以外にランタナを 2 %入れたタングステンを用いてもよい。
実施例 5 .
図 7に示すように、 電極 1 2 を埋め込んだ電極ホルダ 1 即ち電 極体 1 5 の表面全体に、 融点の高い物質またはこの物質に仕事関 数の高い物質またはその酸化物を混合させた高融点金属を溶射ま たは蒸着することによりコ ーティ ング層 1 3を設ける。
電極ホルダの材質 : 銅
電極の材質 : ト リア 2 %入りタ ングステン
電極コーティ ング材材質 : ト リァ 2 %入りタ ングステン
ノズルの材質 : 銅
ノズル径 : 4 m m
即ち、 電極体 1 5 とノ ズル 4 との最短距離部を電極 1 2 とノ ズ ルとの間にすることが設計上できない場合に、 電極ホルダ 1 の電 極 1 2の表面を含む先端部全面に、 電極 1 2用いられる ものと同 様の融点の高い材質 ( ト リ ァ 2 %入り タ ングステン) をコーティ ングする。 これによ り、 ノ、。イ ロ ッ トアークがどこで発生しても、 電極ホルダ 1 に蒸発等の悪影響を受ける こ とがな く な り、 電極ホ ルダ 1 の表面の梨地化や電極 1 2 とノズル 4 の間にブリ ッ ジが発 生することによる着火不良を防止できる。
また、 図 8 に示すよう に、 電極ホルダ 1 の表面に銀メ ツキ 1 4 を施してもよい。 この場合、 梨地化を電極 1 2 の先端部分のみに 限定する こ とができる。 その理由は、 アークは陰極点が酸化物上 に存在すると安定する性質を持っているが、 銀は高温中では酸化 物が還元されてしま うため、 銀メ ツキされた電極ホルダ 1 上には 陰極点が存在しにく く なり、 陰極点が電極 1 2側へ移動してァー クが電極 1 2の先端部に集中するため、 電極ホルダ 1 が梨地にな らないことによる。
上記各実施例における電極ホルダ及びノ ズルを構成する熱伝導 性の高い物質と しては、 銅以外に、 銀、 金、 アルミ ニウム等及び これらの合金が用いられる。
また、 電極に用いられる融点の高い物質と しては、 ダンダステ ンのほかに、 タンタル、 モ リ ブデン、 ォスニゥム、 レニウム、 ノレ テチウム、 イ リ ジウムがあり、 またはこれらの合金を用いる。
また、 上記融点の高い物質に加えて用いられる仕事関数の低い 物質と しては、 ト リ ウム、 バ リ ウム、 セシウム、 セ リ ウム、 ラ ン タニゥム、 イ ツ ト リ ウム、 ジルコニウムがある。
上記本発明の各実施例のう ち、 図 5 Bに示す実施例 2 の場合に おける耐久実験結果を以下に示す。
実験概要
電極—ノズル間でのブリ ッ ジの発生によるアーク起動不可能状 態を防止するため、 電極形状の改善を行った。 電極の形状を以下 の様にする事で良好な結果が得られた。
①パイロッ トアークがタ ングステン上で発生するよう に、 電 極のノズルとの間隔が最短の部位を夕ングステンとする。
②アークが安定化され易いよう に、 電極先端中央部にエツヂ を設ける。 そ して、 この形状の電極の耐久寿命の調査を行った。
目標値 : 5 0 0 0 0回 (アーク起動回数) …抵抗スポッ ト溶 接機での電極寿命
耐久試験結果 : 寿命 5 0 0 0 0回達成
この時点でメ ィ ンアークへの移行が困難になったため 寿命と した。
5 0 0 0 0スポッ トまで溶接結果の経時変化は認めら れなかつた。
実験内容
以下に示す①②を 5 0 0 0 0スポッ ト相当まで繰り返す。
①水冷 C uターゲッ 卜に下記表 2 の条件でシーケ ンスでアーク を出し、 該シーケ ンスを 1 0 0 0 0 回繰り返して電極の消耗を進 める。
② 8 0 m m X 4 0 m mの板に下記表 3 の条件で溶接を行い、 溶 接品質の評価を行う。
試験に用いた電極の形状とノズルとの相対関係は図 5 Bに示し た通りである。
表 2 下向き ノズル径 m m 陽極 水冷 C uター 溶接電流 9 0 A ケッ ト メ ィ ン通電時 0 . 5 s e c 間 休止時間 0 . 5 s e c プラズマガス Ar + 7 % H2(4. スタ ン ドオフ 0. 5 mm 5£/min) アシス トガス A r + 7 % H 2 ノ、0ィ ロ ッ ト 電 1 5 A
(10£/min) 流
下向き ノ ズル径 4 mm 陽極 (溶接材 •SPH(SS400) 溶接電流 9 0 A
) •t2.3 (ト-チ側; メ ィ ン通電時 6. 0 s e c 上側) +t2.3 ( 間 下側) 後熱 休止 2. 5 s e c 通電 9 0 A ;
•すき間 Omm 0. 1 s e c プラズマガス Ar + 7% H2(4. スタ ン ドオフ 6. 5 mm
5£/min) アシス トガス A r + 7 % H 2 ノ、0イ ロ ッ ト 電 1 5 A
(10^/min) 流 実験 ロ 果
電極及びノ ズルの外観の経時変化及び溶接結果は
①電極の梨地状の消耗は軽微であ り 、 電極 - ノ ズル間のブ リ ッ ヂを発生する心配は殆ど無い。
②溶接結果の経時変化は殆ど認められない。
となり、 図 5 Bに示す構成の採用によ り、 電極寿命 5 0 0 0 0 回が達成できた。 これは、 図 2 に示す従来構成の電極寿命が 3 6 0 0 回であったこ とから、 これに比較して 1 0倍以上の長寿 命となった。 さ らに、 溶接結果の安定性、 電極—ノ ズル間の絶縁 ともに問題は起こ らなかった。
なお、 本発明は例示的な実施例について説明 したが、 開示 した 実施例に関 して、 本発明の要旨及び範囲を逸脱する こ とな く 種々の変更、 省略、 追加が可能である こ とは、 当業者において自 明である。 従って、 本発明は、 上記の実施例に限定される もので はなく 、 請求の範囲に記載された要素によって規定される範囲及 びその均等範囲を包含するものと して理解されなければならない。

Claims

- 1フ - 請求の範囲
1 . 電極体と、 該電極体の先端部をプラズマガス通路を隔てて囲 繞するノズルを備えたプラスマガス旋回流式のプラズマ トーチに おいて、
上記電極体の少なく ともパイ ロ ッ トアーク着火部位が融点の高 い物質またはこの融点の高い物質に仕事関数の低い物質またはそ の酸化物を混合させた物質で構成されている こ とを特徴とするプ ラズマ トーチ。
2 . 前記電極体が、 熱伝導性の高い物質から構成される電極ホル ダと、 該電極ホルダの先端に固着または嵌合していて融点の高い 物質またはこの融点の高い物質に仕事関数の低い物質またはその 酸化物を混合させた物質で構成される電極とからなる こ とを特徴 とする、 請求の範囲第 1項に記載のプラズマ トーチ。
3 . 電極体の全体が、 融点の高い物質またはこの融点の高い物質 に仕事関数の低い物質またはその酸化物を混合させた物質で構成 されていることを特徴とする、 請求の範囲第 1項に記載のプラズ マ ト—チ。 -
4 . 電極体の表面を、 融点の高い物質またはこの融点の高い物質 に仕事関数の低い物質またはその酸化物を混合させた物質を溶射 または蒸着することによ り被覆したこ とを特徵とする、 請求の範 囲第 1項または第 2項に記載のプラズマ トーチ。
5 . 電極ホルダ表面を、 銀メ ツキ等によ り被覆したこ とを特徴と する、 請求の範囲第 2項に記載のプラズマ トーチ。
6 . 電極体の先端部を平面状にしたこ とを特徴とする、 請求の範 囲第 1項乃至第 5項のいずれかに記載のプラズマ トーチ。
7 . 電極体の先端部を球面状に したこ とを特徴とする、 請求の範 囲第 1項乃至第 5項のいずれかに記載のプラズマ トーチ。
8 . 電極体の先端に凹部或いは突起を形成する こ とによ りエッ ジ を設けたこ とを特徴とする、 請求の範囲第 1 項乃至第 5項のいず れかに記載のプラズマ トーチ。
9 . 前記ノ ズルをシール ドガス通路を隔てて囲繞する シール ド キャ ップを設け、 該シール ドガス通路内にシール ドガスを旋回さ せる リ ングを設けたことを特徴とする、 請求の範囲第 1 項乃至第 8項に記載のプラズマ トーチ。
1 0 . シール ドガスの旋回方向がプラズマガスの旋回方向と同じ である こ とを特徴とする、 請求の範囲第 9項に記載のプラズマ トーチ。
1 1 . シール ドガスの旋回方向がプラズマガスの旋回方向と反対 である こ とを特徴とする、 請求の範囲第 9項に記載のプラズマ トーチ。
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