JP2004243374A

JP2004243374A - プラズマトーチ

Info

Publication number: JP2004243374A
Application number: JP2003036001A
Authority: JP
Inventors: Takashi Koike; 池孝小; Katsura Kobayashi; 林桂小; Yoshiaki Takeda; 田佳章武
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】溶接能率および溶接位置精度を高くする。
【解決手段】インサートチップ１０の先端にプラズマ噴出口５を、インナーキャップ８とシールドキャップ９との間にシールドガス噴出口６を、しかもインサートチップ１０とインナーキャップ８の間にサイドガス噴出口７／１６を設けたプラズマトーチにおいて、各噴出口５，６，７が、独立したガス供給路２，３，４に接続され、かつ、サイドガス噴出口７／１６が、プラズマ噴出口５の中心軸があって溶接方向ｙに平行な第１平面１３を向き、しかも該中心軸があって溶接方向ｙに対して９０度をなす第２平面１４に対して、該中心軸を中心に前後θ（６０度以下）以内の範囲にある。サイドガス噴出口７をインサートチップ１０の裁頭円錐状の外表面に設けた。または、サイドガス噴出口１６をインサートキャップ８の裁頭円錐状の内面に設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接，切断，溶射，加熱などの高温加工に用いるプラズマトーチに関する。
【０００２】
【従来技術】
プラズマトーチは、図４に示すように、プラズマ噴出口５とその周辺を空気から遮蔽するシールドガス噴出口６からなる２重構造が一般的である。また、図５に示すように、プラズマ噴出口５とシールドガス噴出口６の間に円筒形の第３噴出口７を設けた３重構造のプラズマトーチもある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−５８１４７号公報には、図５に示す３重構造のプラズマトーチが開示されている。このプラズマトーチは、第３噴出口７から多量の不活性ガスを供給してプラズマ噴出口５があるインサートチップ２１の、被溶接材と対向する円錐状の外表面上に高速気流層を形成して、該外表面上の金属蒸気と低濃度のシールドガスの滞留を防止し、これによって該外表面と被溶接材との間にシリーズアークが発生するのを防ぐ。
【０００４】
しかし、第３噴出口７から噴出する高速不活性ガスによってシリーズアークを防止する効果は得られるが、第３噴出口７より放出する高速不活性ガスがプラズマアークにその全周方向より当るためにプラズマアークが、プラズマ噴出口５の中心軸の位置に安定しなくなることがある。その場合は、被溶接材の１点にプラズマアークが集中しないので、加工能率が低下し、また加工精度が低下する。
【０００５】
他の公知例には、図６に示すように、プラズマ噴出口５の両側に対角に、プラズマ噴出口５のガス供給路と同一ガスを供給するサイドガス噴出口７を備えるものがある。しかし、サイドガス噴出口７は、プラズマ噴出口５と平行であるので、それから噴出する高速不活性ガスは被溶接材に対して垂直に当るので、プラズマ噴出口５から噴射するプラズマのサーマルピンチ効果は弱い。また、プラズマ噴出口５と同一経路よりガスを供給しているので、すなわちガス供給路が共通であるので、サイドガス噴出口７が噴射するガスの成分と流量を個別に制御ができず、十分なサーマルピンチ効果が得られない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、加工能率および精度を高くすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）インサートチップ（１０）の先端にプラズマ噴出口（５）を、インナーキャップ（８）とシールドキャップ（９）との間にシールドガス噴出口（６）を、しかもインサートチップ（１０）とインナーキャップ（８）の間にサイドガス噴出口（７／１６）を設けたプラズマトーチにおいて、
各噴出口（５，６，７）が、独立したガス供給路（２，３，４）に接続され、かつ、サイドガス噴出口（７／１６）が、プラズマ噴出口（５）の中心軸があって加工の進行方向（ｙ）に平行な第１平面（１３）を向き、しかも該中心軸があって加工の進行方向（ｙ）に対して９０度をなす第２平面（１４）に対して、該中心軸を中心に前後６０度（θ）以内の範囲にある、ことを特徴とするプラズマトーチ。
【０００８】
なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項の符号を、例示として参考までに付記した。
【０００９】
これによれば、サイドガス噴出口（７／１６）からのサイドガスが、プラズマ噴出口（５）の中心軸があって加工の進行方向（ｙ）に平行な第１平面（１３）を向き、しかも該中心軸があって加工の進行方向（ｙ）に対して９０度をなす第２平面（１４）に対して、該中心軸を中心に前後６０度（θ）以内の範囲の方向から、プラズマ噴出口（５）から出るプラズマ流に当り、そのサーマルピンチ効果により、プラズマ噴出口（５）から出るプラズマ流が、加工の進行方向（ｙ）と直交する方向（ｘ）に絞られ、加工の進行方向（ｙ）に縦長の略楕円断面のプラズマ流束になり、加工効率が高く、加工スピードを上げることが出来る。また、プラズマ流束の、加工の進行方向（ｙ）に直交する方向（ｘ）の幅が狭くなるので、加工精度が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（２）サイドガス噴出口（７）は、インサートチップ（１０）の外表面の溝（７）である、上記（１）に記載のプラズマトーチ。これによれば、インサートチップ（１０）の外表面の部分的な研削によって、比較的に簡単に所望のサイドガス噴出口（７）を、インサートチップ（１０）とインナーキャップ（８）との間に形成することが出来る。
【００１１】
（２ａ）サイドガス噴出口（７）は、インサートチップ（１０）の、インナーキャップ（８）の円錐状内面に当接する円錐状外表面を部分的に削った平面と、インナーキャップ（８）の円錐状内面との間の空間（７）である、上記（２）に記載のプラズマトーチ。
【００１２】
（３）サイドガス噴出口（１６）は、インナーキャップ（８）の内面の溝（１６）である、上記（１）に記載のプラズマトーチ。これによれば、インナーキャップ（８）の内面の部分的な研削によって、比較的に簡単に所望のサイドガス噴出口（１６）を、インサートチップ（１０）とインナーキャップ（８）との間に形成することが出来る。
【００１３】
（３ａ）サイドガス噴出口（７／１６）は、インナーキャップ（８）の、インサートチップ（１０）の円錐状外表面に当接する円錐状内面を部分的に削った溝（１６）と、インサートチップ（１０）の円錐状外表面との間の空間（１６）である、上記（３）に記載のプラズマトーチ。
【００１４】
（４）サイドガス噴出口（７）は、プラズマ噴出口（５）に関して対称位置にある１対である、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のプラズマトーチ。これによれば、プラズマ噴出口（５）から出るプラズマ流が、加工の進行方向（ｙ）の左右より実質上対称に絞られ、加工の進行方向（ｙ）に縦長の、実質上正規楕円断面のプラズマ流束になり、加工効率が高く、加工スピードを上げることが出来る。また、プラズマ流束の、加工の進行方向（ｙ）に直交する方向の幅が狭く実質上左右対称になるので、加工精度が向上する。
【００１５】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１６】
【実施例】
−第１実施例−
図１の（ａ）に、第１実施例のプラズマトーチの拡大縦断面を示し、図１の（ｂ）には、そのプラズマ噴出口５の下方から上方（ＩＢ−ＩＢ線方向）に見上げた底面図を示す。図１の（ａ）に示すように、プラズマトーチ中心部にはタングステン電極１があり、その直下に、インサートチップ１０のプラズマ噴出口５がある。トーチの中心軸とタングステン電極１の中心軸とプラズマ噴出口５の中心軸は同一である。
【００１７】
インナーキャップ８とシールドキャップ９との間には、シールドガス噴出口６があり、インサートチップ１０とインナーキャップ８との間には、サイドガス噴出口７がある。サイドガス噴出口７は、この第１実施例では、インサートチップ１０の、インナーキャップ８の裁頭円錐状内面に当接する裁頭円錐状外表面を部分的に削った平面と、インナーキャップ８の円錐状内面との間の溝空間であり、インサートチップ１０の外表面の部分的な研削によって、比較的に簡単に形成したものである。切削平面が溝底である。
【００１８】
インサートチップ１０の基部（幹部）は、冷却水路１１を設けた主筒部１２に結合している。プラズマ噴出口５、シールドガス噴出口６およびサイドガス噴出口７は、それぞれが個々の、互いに分離したガス供給路２，３および４に連通している。
【００１９】
プラズマガスは主筒部１２のガス供給路２に供給されて、タングステン電極１の先端に発生するアークで電離されてプラズマとなって、プラズマ噴出口５から噴射する。
【００２０】
シールドガスは、インナーキャップ８の外側にシールドキャップ９を装着することによって設けられた第２ガス供給路３に供給されて、円筒状もしくはリング状のシールドガス噴出口６から、プラズマ噴出口５の中心軸に向けて噴射する。
【００２１】
サイドガス噴出口７には、独立したガス供給路４からサイドガスが供給される。インサートチップ１０の頭部の、裁頭円錐状の外表面にインナーキャップ８の裁頭円錐状の内面が密着しており、主筒部１２とインナーキャップ８との間に供給されたサイドガスは、サイドガス噴出口７から、プラズマ噴出口５の中心軸を含み溶接方向（加工の進行方向）ｙに平行な第１仮想平面１３に向って噴射する。
【００２２】
サイドガス噴出口７は、プラズマアークに対して斜め方向から当るようにインサートチップ１０の裁頭円錐状の外表面（テーパ面）に平行に延びる。サイドガス噴出口７の、インサートチップ１０の円錐状外表面の円周上の位置は、図１の（ｂ）に示すように、プラズマ噴出口５の中心軸を含み溶接方向ｙに直交する第２仮想平面１４に対する前後の角度θが、６０度以下の範囲内である。サイドガス噴出口７は、プラズマ噴出口５の中心軸に関して対称に１対を設けている。
【００２３】
サイドガス噴出口７の上記位置への設定は、本実施例では、第２ガス供給路３である口金に各サイドガス噴出口７の円周方向中点をあわせてインサートチップ１０を固定し、プラズマトーチを、その第２ガス供給路３である口金を第２仮想平面１４上に置くように設定することによって行っているが、インサートチップ１０とインサートキャップ８とのネジ嵌合の終点設定，ロック式あるいは溝キー方式等によって、自動的に位置が定まるようにすることもできる。
【００２４】
上記一対の、プラズマ噴出口５の中心軸に関して対称に位置するサイドガス噴出口７から噴出するサイドガスが、垂直面である第１仮想平面１３に対して斜め方向に、かつ垂直面である第２仮想平面の表裏の両側から、プラズマ噴出口５から噴出するプラズマ流束にあたり、プラズマ流束の水平断面形状を円形から楕円形状に変形する強いサーマルピンチ効果が得られ、溶接方向ｙに縦長で楕円形の良好なプラズマ流束を形成することができる。
【００２５】
図２の（ａ）には溶接方向ｙの後方から見たプラズマ流束１５の形状を示し、図２の（ｂ）には側方から見たプラズマ流束１５の形状を示す。プラズマトーチから被溶接材２２に向けて噴出したプラズマ流束１５の幅は、図２の（ａ）に示すように溶接方向ｙに直交する方向ｘで狭く絞られ、図２の（ｂ）に示すように溶接線方向ｙには幅広になり、水平断面形状は溶接線方向に細長い楕円形となっている。このような楕円形状のプラズマ１５を形成することにより、溶接効率が上がり、大幅な速度アップが図れる。また、溶接位置精度が高くなる。
【００２６】
本発明において、サイドガス噴出口７の、インサートチップ１０の円錐状外表面の円周上の位置を、図１の（ｂ）に示すように、プラズマ噴出口５の中心軸を含み溶接方向ｙに直交する第２仮想平面１４に対する前後の角度θが６０度以下の範囲内に限定した根拠は、第１案としてθ＝１５°で設置したもの、さらに第２案としてθ＝４５゜で設置したもの、第３案としてθ＝６０°で設置したもの、第４案としてθ＝９０°（全周方向）で設置したものの４条件について溶接実験を行った。図１は第２案のθ＝４５゜のものである。
【００２７】
その結果は、プラズマ噴出口５の中心軸を含み溶接方向ｙに直交する第２仮想平面１４に対する前後の角度θがθ＝６０°を越える条件は、サイドガスの当てられる円周角が増え、プラズマ流束１５は溶接方向ｙにおいて縦長の楕円のプラズマアークになりにくく、サイドガスがプラズマ流束１５の溶接方向ｙの先端および後端に干渉しやすくなることからアークが不安定で、尚かつ少量のサイドガス流量ではサーマルピンチ効果が得られず、結果的に、角度θを６０度より広げることは、多量のサイドガスを消費しプラズマ流束が乱れることになり、したがって第１案，第２案および第３案が良好な結果が得られ、好ましい条件であることを究明した。よって、サイドガス噴出口７の広がり角度θは、プラズマ噴出口５の中心軸を含み溶接方向ｙに直交する第２仮想平面１４に対して前後６０°以下とする。
【００２８】
−実験例−
板厚が１ｍｍと５ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３０４材と軟鋼ＳＳ材で本発明プラズマトーチ（図１）と従来技術プラズマトーチ（図５，図６）を用いて溶接を行った。図１に示す本発明のプラズマトーチおよび図５に示す従来技術には、プラズマ噴出口５にＡｒを流し、シールドガス噴出口６にＡｒ＋Ｈ_２（７％）を流し、サイドガス噴出口７にはＡｒを流した。一方、図６に示す従来技術は、プラズマ噴出口５にＡｒを流し、シールドガス噴出口６にＡｒ＋Ｈ_２（７％）を流し、サイドガス噴出口７はプラズマ噴出口５と同一経路のガスのＡｒを流した。
【００２９】
スタンドオフ（インサートチップ／被溶接材間距離）はいずれの条件も３ｍｍ一定とし、板厚１ｍｍの試験体は、なめ付け溶接で行い、板厚５ｍｍの試験体はキーホール溶接で行った。実験結果を表１に示す。
【００３０】
表１上のＮｏ．１〜１２が本発明（図１）のプラズマトーチを用いた実験例（実施例）、Ｎｏ．１３，１５，１７および１９が図５に示すプラズマトーチを用いた実験例（比較例）、および、Ｎｏ．１４，１６，１８および２０が図６に示すプラズマトーチを用いた実験例（比較例）である。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１において、本発明の実施例であるＮｏ．１〜１２では、サイドガス噴出口７の分布角度θが６０度以下の４５度であってサイドガス噴出口７には、プラズマガスおよびシールドガスとは独立したガス供給路からサイドガスが供給されているから、比較的低い溶接電流であっても高速で良好な溶接結果が得られた。これは、個々に独立したガス経路を持ち、第２仮想平面１４に対して所定角度範囲内で、第１仮想平面１３に対して斜めからサイドガスを噴出する本発明のプラズマトーチは、サイドガスによるサーマルピンチ効果を少量のガス量で得られたためである。さらに溶接速度を上げることができ、良好な溶接結果が得られた。
【００３３】
一方、表１に示す比較例Ｎｏ．１３〜２０の中のＮｏ１３，１４は、アークが絞られないために被溶接材へ十分な熱量が加わらなかったために裏ビードの不形成が生じた。Ｎｏ．１５，１７，１９，２０は、溶接方向に対して縦長の溶接効率の良いアークが形成できないために溶融プールがついていかずに融合不良が生じた。Ｎｏ．１６，１８はサイドガスが被溶接材料面に対して垂直に当る構造ためにアークが絞られずアンダーカットが生じた。
【００３４】
−第２実施例−
図３の（ａ）に、第２実施例のプラズマトーチの拡大縦断面を示し、図３の（ｂ）には、そのプラズマ噴出口５の下方から上方（ＩＶＢ−ＩＶＢ線方向）に見上げた底面図を示す。この第２実施例では、インサートチップ１０の裁頭円錐面ではなく、該裁頭円錐面に接するインナーキャップ８の裁頭円錐状の内面に、溝を切削してサイドガス噴出口１６を形成している。この第２実施例でも、第１実施例と同様に、サイドガス噴出口１６を、プラズマ噴出口の中心軸があって加工の進行方向に平行な第１平面を向き、しかも該中心軸があって加工の進行方向に対して９０度をなす第２平面に対して、該中心軸を中心に前後６０度以内の範囲とし、しかも、プラズマ噴出口５，シールドガス噴出口６およびサイドガス噴出口７を、個々に独立分離したガス供給路２，３および４に連通している。
【００３５】
第２実施例のプラズマトーチのその他の構造および使用態様は、上述の第１実施例のものと同様である。第２実施例のプラズマトーチによっても、上述の第１実施例と同様な効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
プラズマ噴出口（５）から出るプラズマ流が、サイドガス噴出口（７／１６）からのサイドガスによって加工の進行方向（ｙ）と直交する方向（ｘ）に絞られるので、加工の進行方向（ｙ）に縦長の略楕円断面のプラズマ流束になり、加工効率が高く、加工スピードを上げることが出来る。また、プラズマ流束の、加工の進行方向（ｙ）に直交する方向の幅が狭くなるので、加工精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施例のプラズマトーチの先端部の拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＢ−ＩＢ線の方向で見た底面図である。
【図２】図１に示すプラズマトーチが噴射するプラズマ流束１５の垂直断面図であり、（ａ）は溶接方向ｙと直交する方向ｘに平行な断面を、（ｂ）は溶接方向ｙに平行な断面を示す。
【図３】（ａ）は本発明の第２実施例のプラズマトーチの先端部の拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線の方向で見た底面図である。
【図４】（ａ）は２重構造からなる公知の、一般的なプラズマトーチの先端部の拡大縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線の方向で見た底面図である。
【図５】（ａ）は３重構造からなる公知のプラズマトーチの先端部の拡大縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＢ−ＶＢ線の方向で見た底面図である。
【図６】（ａ）は２重構造からなる公知のもう１つの態様のプラズマトーチの先端部の拡大縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線の方向で見た底面図である。
【符号の説明】
１：タングステン電極
２：第１ガス供給路
３：第２ガス供給路
４：第３ガス供給路
５：プラズマ噴出口
６：シールドガス噴出口
７：サイドガス噴出口
８：インナーキャップ
９：シールドキャップ
１０：インサートチップ
１１：冷却水路
１２：基部
１３：第１仮想平面
１４：第２仮想平面
１５：プラズマ流束
１６：サイドガス噴出口
１８，１９：水冷管
２０：基部
２１：インサートチップ

Claims

インサートチップの先端にプラズマ噴出口を、インナーキャップとシールドキャップとの間にシールドガス噴出口を、しかもインサートチップとインナーキャップの間にサイドガス噴出口を設けたプラズマトーチにおいて、
各噴出口が、独立したガス供給路に接続され、かつ、サイドガス噴出口が、プラズマ噴出口の中心軸があって加工の進行方向に平行な第１平面を向き、しかも該中心軸があって加工の進行方向に対して９０度をなす第２平面に対して、該中心軸を中心に前後６０度以内の範囲にある、ことを特徴とするプラズマトーチ。
サイドガス噴出口は、インサートチップの外表面の溝である、請求項１に記載のプラズマトーチ。
サイドガス噴出口は、インナーキャップの内面の溝である、請求項１に記載のプラズマトーチ。
サイドガス噴出口は、プラズマ噴出口に関して対称位置にある１対である、請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマトーチ。