JP2003528733A - 粉体プラズマアーク溶接(ppaw)のための溶接ヘッド、ノズルおよび方法 - Google Patents
粉体プラズマアーク溶接(ppaw)のための溶接ヘッド、ノズルおよび方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
- B23K10/02—Plasma welding
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- Plasma Technology (AREA)
Abstract
(57)【要約】
粉体プラズマアーク溶接(PPAW)のための溶接ヘッドは、電極と、この電極の周囲に同軸に配置されて第1供給路を包含する支持ジャケットと、この支持ジャケットの内部に受け入れられた内側ノズルと、前記支持ジャケットの周囲に同軸に配置され、当該支持ジャケットを囲んで第2供給路を包含する外側ノズルとを備えている。前記第1供給路は、前記電極に沿う軸線向きの流れ方向に、前記内側ノズルの孔を通じて、前記内側ノズルの先端面に位置する第1流出口まで延びている。前記第2供給路は、流れ方向に向かって軸線方向に窄まりながら、第2流出口まで延びている。この溶接ヘッドは、前記支持ジャケットが、前記内側ノズルの先端面が当該支持ジャケットの先端面よりも上流側に位置するよう、前記内側ノズルを越えて流れ方向に延びている、という特徴を有している。本発明は又、溶接ヘッドのための内側ノズル、および粉体プラズマアーク溶接のための方法に関する。
Description
【0001】
本発明は、粉体プラズマアーク溶接(PPAW溶接)のための溶接ヘッドであ
って、電極と、この電極の周囲に同軸に配置されて第1供給路を包含する支持ジ
ャケットと、この支持ジャケットの内部に受け入れられた内側ノズルと、前記支
持ジャケットの周囲に同軸に配置され、当該支持ジャケットを囲んで第2供給路
を包含する外側ノズルとを備え、前記第1供給路は、前記電極に沿う軸線向きの
流れ方向に、前記内側ノズルの孔を通じて、前記内側ノズルの先端面に位置する
第1流出口まで延びており、前記第2供給路は、流れ方向に向かって軸線方向に
窄まりながら、第2流出口まで延びているような溶接ヘッドに関する。
って、電極と、この電極の周囲に同軸に配置されて第1供給路を包含する支持ジ
ャケットと、この支持ジャケットの内部に受け入れられた内側ノズルと、前記支
持ジャケットの周囲に同軸に配置され、当該支持ジャケットを囲んで第2供給路
を包含する外側ノズルとを備え、前記第1供給路は、前記電極に沿う軸線向きの
流れ方向に、前記内側ノズルの孔を通じて、前記内側ノズルの先端面に位置する
第1流出口まで延びており、前記第2供給路は、流れ方向に向かって軸線方向に
窄まりながら、第2流出口まで延びているような溶接ヘッドに関する。
【0002】
そのような溶接ヘッドは公知であり、粉体プラズマアーク溶接(PPAW溶接
)のために用いられている。
)のために用いられている。
【0003】
PPAW溶接においては、電極と工作物との間に電位差を生じさせると共に、
電極に沿って不活性ガスの流れを案内し、これにより工作物と電極との間にプラ
ズマアークが伸ばされる。第1のガス流の周囲に、さらに粉体金属を含んだシー
ルド形状の第2のガス流が、第1のガス流と交差するようにして加えられる。こ
うして、プラズマアークを介して粉体金属が工作物上で溶融できるようになる。
電極に沿って不活性ガスの流れを案内し、これにより工作物と電極との間にプラ
ズマアークが伸ばされる。第1のガス流の周囲に、さらに粉体金属を含んだシー
ルド形状の第2のガス流が、第1のガス流と交差するようにして加えられる。こ
うして、プラズマアークを介して粉体金属が工作物上で溶融できるようになる。
【0004】
工作物上にビードを設ける場合や、溶接によって蒸発する工作物材料が埋め合
わされなければならない場合には特に、粉体金属の添加が重要となる。また、粉
体金属の添加は、特定合金の溶接性を向上させるためにも重要となる。さらに、
粉体金属の添加を通じて、所望の幅での溶接が達成される。これは、強度の観点
から所定の幅を有しなければならない隅肉溶接においては、特に重要となる。
わされなければならない場合には特に、粉体金属の添加が重要となる。また、粉
体金属の添加は、特定合金の溶接性を向上させるためにも重要となる。さらに、
粉体金属の添加を通じて、所望の幅での溶接が達成される。これは、強度の観点
から所定の幅を有しなければならない隅肉溶接においては、特に重要となる。
【0005】
例えば溶接ワイヤが付加されるような、より伝統的な溶接工程と比較すると、
PPAW溶接は、ワイヤが全く存在しないことで、工作物に対する溶接ヘッドの
向きが自由であるという利点を有している。その結果、PPAW溶接工程は、工
業用マニピュレータや溶接ロボットによる自動化にかなり向いている。また、手
動で溶接を行う場合には、溶接者の片手を自由にでき、また工作物に対する溶接
者の視界が改善される。さらに、溶接中に、棒材としては利用できない材料を添
加することが可能となる。
PPAW溶接は、ワイヤが全く存在しないことで、工作物に対する溶接ヘッドの
向きが自由であるという利点を有している。その結果、PPAW溶接工程は、工
業用マニピュレータや溶接ロボットによる自動化にかなり向いている。また、手
動で溶接を行う場合には、溶接者の片手を自由にでき、また工作物に対する溶接
者の視界が改善される。さらに、溶接中に、棒材としては利用できない材料を添
加することが可能となる。
【0006】
公知の溶接ヘッドにおいては、第1のガス流は第1供給路を通り、第2のガス
流は、第1のガス流と交差するよう、軸線方向に窄まった第2供給路を通る。第
2のガス流の乱れを防ぐために、公知の溶接ヘッドにおいては、内側ノズルの先
端面が凸形状に形成されると共に、支持ジャケットの先端面を越える位置まで届
いている。そして、この先端面は、支持ジャケットの先端面にある開口を通じて
外部へ延びている。
流は、第1のガス流と交差するよう、軸線方向に窄まった第2供給路を通る。第
2のガス流の乱れを防ぐために、公知の溶接ヘッドにおいては、内側ノズルの先
端面が凸形状に形成されると共に、支持ジャケットの先端面を越える位置まで届
いている。そして、この先端面は、支持ジャケットの先端面にある開口を通じて
外部へ延びている。
【0007】
PPAW溶接自体に存在する問題は、粉体(金属)の粒子が第2のガス流から
、供給中に、内側ノズルの先端面に付着するということである。これは特に、亜
鉛やアルミニウムのような低融点の粉体金属が供給される場合に問題となる。内
側ノズルが(通常そうであるように)金属、例えば銅で出来ているときや、内側
ノズルがプラズマアークの加熱によって昇温するときには、この影響が大きくな
る。粉体粒子の付着を通じて、内側ノズルの先端面上に凹凸が形成され、第2の
ガス流が乱される。また、第1流出口付近に粒子が付着すると、流出する第1の
ガス流も同様に乱されることになる。
、供給中に、内側ノズルの先端面に付着するということである。これは特に、亜
鉛やアルミニウムのような低融点の粉体金属が供給される場合に問題となる。内
側ノズルが(通常そうであるように)金属、例えば銅で出来ているときや、内側
ノズルがプラズマアークの加熱によって昇温するときには、この影響が大きくな
る。粉体粒子の付着を通じて、内側ノズルの先端面上に凹凸が形成され、第2の
ガス流が乱される。また、第1流出口付近に粒子が付着すると、流出する第1の
ガス流も同様に乱されることになる。
【0008】
ガス流の乱れは、プラズマアークの不安定化や短絡にもつながり得る。
【0009】
以上のような欠点により、PPAW溶接工程は、(融点が850℃未満、特に
500〜800℃の)比較的低融点の粉体(金属)にとっては安定性が不十分で
あり、これが予測できない溶接品質と、内側ノズルの比較的短い工具寿命につな
がる。
500〜800℃の)比較的低融点の粉体(金属)にとっては安定性が不十分で
あり、これが予測できない溶接品質と、内側ノズルの比較的短い工具寿命につな
がる。
【0010】
本発明の目的は、冒頭で述べた形式の溶接ヘッドにおいて、上記の問題が回避
されるようなものを提供することである。この目的のために、本発明による溶接
ヘッドは、「前記支持ジャケットは、前記内側ノズルの先端面が当該支持ジャケ
ットの先端面よりも上流側に位置するよう、前記内側ノズルを越えて流れ方向に
延びている」ことを特徴とするものである。
されるようなものを提供することである。この目的のために、本発明による溶接
ヘッドは、「前記支持ジャケットは、前記内側ノズルの先端面が当該支持ジャケ
ットの先端面よりも上流側に位置するよう、前記内側ノズルを越えて流れ方向に
延びている」ことを特徴とするものである。
【0011】
これにより達成されるのは、内側ノズルの先端面が支持ジャケットの先端面よ
りも内側に位置することで、内側ノズルの先端面が遮断(防護)され、当該先端
面への粉体粒子の付着が回避される、ということである。驚くべきことに、その
ように引っ込んだ先端面を有する内側ノズルは、不利な乱流を何ら引き起こさな
いのである。そして、第2のガス流は、内側ノズルの先端面の下流側においての
み第1のガス流と交差するようにして、内側ノズルの先端面から遮断(防護)さ
れる。
りも内側に位置することで、内側ノズルの先端面が遮断(防護)され、当該先端
面への粉体粒子の付着が回避される、ということである。驚くべきことに、その
ように引っ込んだ先端面を有する内側ノズルは、不利な乱流を何ら引き起こさな
いのである。そして、第2のガス流は、内側ノズルの先端面の下流側においての
み第1のガス流と交差するようにして、内側ノズルの先端面から遮断(防護)さ
れる。
【0012】
上記の特徴を適用することにで達成されるのは、亜鉛やアルミニウムのような
比較的低融点の粉体(金属)が溶接ヘッドへ供給される場合に、内側ノズルの先
端面への粉体の付着が防止されるということである。その結果、予測可能な溶接
品質が実現でき、内側ノズルの工具寿命を相当に延長することができる。特に、
低融点の粉体(金属)が供給される場合であっても、PPAW溶接工程をマニピ
ュレータや工業用ロボットによって実行することが可能となる。
比較的低融点の粉体(金属)が溶接ヘッドへ供給される場合に、内側ノズルの先
端面への粉体の付着が防止されるということである。その結果、予測可能な溶接
品質が実現でき、内側ノズルの工具寿命を相当に延長することができる。特に、
低融点の粉体(金属)が供給される場合であっても、PPAW溶接工程をマニピ
ュレータや工業用ロボットによって実行することが可能となる。
【0013】
内側ノズルの先端面への粉体粒子の付着をより一層回避するためには、前記内
側ノズルの先端面は、実質的に平坦であるか、むしろ凹形状に形成され得る。
側ノズルの先端面は、実質的に平坦であるか、むしろ凹形状に形成され得る。
【0014】
本発明の更に有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【0015】
本発明は又、溶接ヘッドのための内側ノズル、および粉体プラズマアーク溶接
のための方法に関する。
のための方法に関する。
【0016】
本発明は、図面に示された例示的な実施形態に基づいて、より明らかなものと
されるであろう。
されるであろう。
【0017】
各図面においては、同一ないし対応する部分が同一符号で示されている。各図
面は、本発明の好適な実施形態の単なる模式的表現である。
面は、本発明の好適な実施形態の単なる模式的表現である。
【0018】
図1は、粉体プラズマアーク溶接(PPAW)のための溶接ヘッド1を示して
いる。この溶接ヘッド1は、電極2と、この電極2の周囲に(溶接ヘッドの中心
線Aに対して同軸に)配置されて第1供給路5を包含する支持ジャケット4とを
備えている。第1供給路5が、電極2に沿う軸線向きの流れ方向Sに、内側ノズ
ル3の孔15を通じて、この内側ノズル3の先端面6に位置する第1流出口7ま
で延びるように、支持ジャケット4内に内側ノズル3が受け入れられている。
いる。この溶接ヘッド1は、電極2と、この電極2の周囲に(溶接ヘッドの中心
線Aに対して同軸に)配置されて第1供給路5を包含する支持ジャケット4とを
備えている。第1供給路5が、電極2に沿う軸線向きの流れ方向Sに、内側ノズ
ル3の孔15を通じて、この内側ノズル3の先端面6に位置する第1流出口7ま
で延びるように、支持ジャケット4内に内側ノズル3が受け入れられている。
【0019】
溶接ヘッド1は更に、支持ジャケット4の周囲に同軸に配置され、当該支持ジ
ャケット4を囲んで第2供給路10を包含する外側ノズル9を備えている。第2
供給路10は、流れ方向に向かって軸線方向に窄まりながら、支持ジャケット4
の先端面14を越えた位置にある第2流出口11まで延びている。外側ノズル9
は、先細の円筒形シェルとして形成されている。
ャケット4を囲んで第2供給路10を包含する外側ノズル9を備えている。第2
供給路10は、流れ方向に向かって軸線方向に窄まりながら、支持ジャケット4
の先端面14を越えた位置にある第2流出口11まで延びている。外側ノズル9
は、先細の円筒形シェルとして形成されている。
【0020】
内側ノズル3は、先細の円筒体として形成されている。この内側ノズル3は、
支持ジャケット4に対して、例えばクランプによって、取り外し可能に接続され
ている。支持ジャケット4および内側ノズル3は、銅から製造されている。支持
ジャケット4および外側ノズル9は熱交換器、例えば水冷コイルに接続されてい
る。これは、熱伝導を通じて内側ノズル3から熱を除去し、プラズマアーク13
による内側ノズル3のオーバーヒートを防止するためである。
支持ジャケット4に対して、例えばクランプによって、取り外し可能に接続され
ている。支持ジャケット4および内側ノズル3は、銅から製造されている。支持
ジャケット4および外側ノズル9は熱交換器、例えば水冷コイルに接続されてい
る。これは、熱伝導を通じて内側ノズル3から熱を除去し、プラズマアーク13
による内側ノズル3のオーバーヒートを防止するためである。
【0021】
電極2、支持ジャケット4および外側ノズル9は、図示しない中央支持ヘッド
に取り付けられている。内側ノズル3だけでなく電極2および外側ノズル9も交
換可能にできるよう、外側ノズル9および電極2は、支持ジャケット4に対して
取り外し可能に接続されていることが好ましい。
に取り付けられている。内側ノズル3だけでなく電極2および外側ノズル9も交
換可能にできるよう、外側ノズル9および電極2は、支持ジャケット4に対して
取り外し可能に接続されていることが好ましい。
【0022】
支持ジャケット4は、内側ノズル3の先端面6が当該支持ジャケット4の先端
面14よりも上流側に位置するよう、内側ノズル3を越えて流れ方向Sに延びて
いる。図1においては、これが、支持ジャケット4の先端面14を通る平面Vか
ら距離dだけ上流側に位置するような、内側ノズル3の先端面6を通る平面V’
によって示されている。
面14よりも上流側に位置するよう、内側ノズル3を越えて流れ方向Sに延びて
いる。図1においては、これが、支持ジャケット4の先端面14を通る平面Vか
ら距離dだけ上流側に位置するような、内側ノズル3の先端面6を通る平面V’
によって示されている。
【0023】
図2には、溶接ヘッド1の第2実施形態が示されている。この溶接ヘッド1に
おいては、内側ノズル3の先端面6が実質的に凹形状であって、上流側に第1流
出口まで7引っ込んでいる。なお、支持ジャケット4の先端面14も凹形状にす
ることができる。
おいては、内側ノズル3の先端面6が実質的に凹形状であって、上流側に第1流
出口まで7引っ込んでいる。なお、支持ジャケット4の先端面14も凹形状にす
ることができる。
【0024】
PPAW溶接のための溶接ヘッドの全体構成については、当業者に知られてい
るので、ここで更に議論することはしない。PPAW溶接のための適当な溶接ヘ
ッドは、フィンランドのプラズマモジュール(Plasma Modules)OY社によって
市販されているPPAWトーチである。
るので、ここで更に議論することはしない。PPAW溶接のための適当な溶接ヘ
ッドは、フィンランドのプラズマモジュール(Plasma Modules)OY社によって
市販されているPPAWトーチである。
【0025】
溶接ヘッド1の使用中、電極2と工作物12との間に電位差が加えられる。第
1の不活性ガス流G(例えばアルゴン)が第1供給路15を通じて流され、これ
により、工作物12と電極2との間に、第1流出口7から出るプラズマアークが
形成される。第1のガス流Gの周囲には、第2供給路10を通じて、シールド形
状の第2の不活性ガス流G’が加えられる。第2のガス流G’は、第2流出口1
1から出ると共に、添加粉体金属が供給されている。第2のガス流G’は、例え
ば、粉体アルミニウムの粒子が添加されたアルゴンで構成される。粉体金属粒子
の寸法は、100〜250μmであることが好ましい。粉体(金属)粒子の融点
は、比較的低く、好ましくは850℃未満、特に500〜800℃の範囲内とす
ることができる。
1の不活性ガス流G(例えばアルゴン)が第1供給路15を通じて流され、これ
により、工作物12と電極2との間に、第1流出口7から出るプラズマアークが
形成される。第1のガス流Gの周囲には、第2供給路10を通じて、シールド形
状の第2の不活性ガス流G’が加えられる。第2のガス流G’は、第2流出口1
1から出ると共に、添加粉体金属が供給されている。第2のガス流G’は、例え
ば、粉体アルミニウムの粒子が添加されたアルゴンで構成される。粉体金属粒子
の寸法は、100〜250μmであることが好ましい。粉体(金属)粒子の融点
は、比較的低く、好ましくは850℃未満、特に500〜800℃の範囲内とす
ることができる。
【0026】
内側ノズル3の先端面6が支持ジャケット4の先端面14よりも軸線方向で上
流側に位置することで、第2のガス流G’は、内側ノズル3の先端面6の下流側
において第1のガス流Gと交差するようにして、内側ノズル3の先端面6から遮
断(防護)されている。これにより、第2のガス流G’が内側ノズル3の先端面
6と接触することを防止することで、内側ノズル3の先端面6への粉体粒子の付
着が回避される。
流側に位置することで、第2のガス流G’は、内側ノズル3の先端面6の下流側
において第1のガス流Gと交差するようにして、内側ノズル3の先端面6から遮
断(防護)されている。これにより、第2のガス流G’が内側ノズル3の先端面
6と接触することを防止することで、内側ノズル3の先端面6への粉体粒子の付
着が回避される。
【0027】
内側ノズル3の先端面6が実質的に溶接ヘッドの中心線と直交するように延び
ていることで達成されるのは、凸形状の先端面6に比べて、内側ノズルの先端面
と支持ジャケットと間の距離dを相対的に大きくできるといういことである。
ていることで達成されるのは、凸形状の先端面6に比べて、内側ノズルの先端面
と支持ジャケットと間の距離dを相対的に大きくできるといういことである。
【0028】
工程パラメータのようなPPAW工程の詳細については、当業者に、特に上記
PPAWトーチに関するフィンランドのプラズマモジュールOY社のマニュアル
によって知られているので、ここで更に議論することはしない。
PPAWトーチに関するフィンランドのプラズマモジュールOY社のマニュアル
によって知られているので、ここで更に議論することはしない。
【0029】
ここで議論した例示的な実施形態に本発明が限定されるものでないことは明ら
かである。特に第1及び第2供給路は別部品を構成していてもよく、また第1供
給路は軸線方向に一定の直径および/または次第に広がる直径を有していてもよ
い。さらに、内側ノズルおよびその先端面の形状は異ならせることができ、内側
ノズルをセラミックスのような非金属で製造することもできる。
かである。特に第1及び第2供給路は別部品を構成していてもよく、また第1供
給路は軸線方向に一定の直径および/または次第に広がる直径を有していてもよ
い。さらに、内側ノズルおよびその先端面の形状は異ならせることができ、内側
ノズルをセラミックスのような非金属で製造することもできる。
【0030】
それらのような変形は当業者に明らかであり、請求の範囲に記載された発明の
範囲内にあることが分かる。
範囲内にあることが分かる。
【図1】
本発明による溶接ヘッドの第1実施形態を示す模式的断面図。
【図2】
本発明による溶接ヘッドの第2実施形態を示す模式的断面図。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
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Z,CA,CH,CN,CO,CR,CU,CZ,DE
,DK,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,
GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,I
S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK
,LR,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,
MK,MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,P
T,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL
,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,US,
UZ,VN,YU,ZA,ZW
(72)発明者 レンゾ、ボウエ、バン、デル、プラス
オランダ国7312、エイエヌ、アーペルドー
ン、シャップベーク、21
Fターム(参考) 4E001 BB11 DC03 DD01 LB02 LB06
LH08 LH10 ME04
Claims (6)
- 【請求項1】 粉体プラズマアーク溶接(PPAW)のための溶接ヘッドであって、 電極と、 この電極の周囲に同軸に配置されて第1供給路を包含する支持ジャケットと、 この支持ジャケットの内部に受け入れられた内側ノズルと、 前記支持ジャケットの周囲に同軸に配置され、当該支持ジャケットを囲んで第
2供給路を包含する外側ノズルと を備え、 前記第1供給路は、前記電極に沿う軸線向きの流れ方向に、前記内側ノズルの
孔を通じて、前記内側ノズルの先端面に位置する第1流出口まで延びており、 前記第2供給路は、流れ方向に向かって軸線方向に窄まりながら、第2流出口
まで延びており、 前記支持ジャケットは、前記内側ノズルの先端面が当該支持ジャケットの先端
面よりも上流側に位置するよう、前記内側ノズルを越えて流れ方向に延びている
、ことを特徴とする溶接ヘッド。 - 【請求項2】 前記内側ノズルの先端面は、実質的に平坦であって、実質的に軸線方向と直交
するように延びている、ことを特徴とする請求項1記載の溶接ヘッド。 - 【請求項3】 前記内側ノズルの先端面は、実質的に凹形状であって、上流側に前記第1流出
口まで引っ込んでいる、ことを特徴とする請求項1記載の溶接ヘッド。 - 【請求項4】 前記内側ノズルは、前記支持ジャケットに対して取り外し可能に接続されてい
る、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の溶接ヘッド。 - 【請求項5】 平坦な、或いは凹形状の先端面まで、好ましくは先細状に延びる円筒体を備え
、この円筒体が、前記先端面に位置する流出口まで中心線に沿って延びる孔を有
する、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の溶接ヘッドのための
内側ノズル。 - 【請求項6】 粉体プラズマアーク溶接(PPAW溶接)のための方法であって、 電極と工作物との間に電位差を発生させると共に、前記電極に沿って不活性ガ
スの流れを案内し、これにより前記工作物と前記電極との間に、内側ノズルの先
端面に位置した流出口から出るプラズマアークが形成され、 その間さらに、第1のガス流の周囲に、粉体を含んだシールド形状の第2の不
活性ガス流が、前記第1のガス流と交差するようにして加えられ、 粉体を含む前記第2のガス流は、前記内側ノズルの先端面の下流側において前
記第1のガス流と交差するようにして、前記内側ノズルから遮断されている、こ
とを特徴とする溶接方法。
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