JP2005169396A - アーク溶接用トーチおよびアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極チップの冷却効果を充分なものとする。
【解決手段】 ガスノズル１内に、電極ワイヤ５を保持する電極チップ３を収容し、電極チップ３の外周側に、シールドガスＧを被溶接物Ｗに向けて放出するガス流路９を備える。電極チップ３は先細となる円錐形状とし、外周面に、ガス流路９を通過するシールドガスＧを案内する螺旋状の溝３ｄを設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電極ワイヤを保持する電極チップの外周側に、シールドガスを被溶接物に向けて放出するガス流路を備えたアーク溶接用トーチおよびアーク溶接方法に関する。

従来のアーク溶接用トーチとしては、例えば下記特許文献１に記載のものがある。
特開平１１−１０３４４号公報

このようなアーク溶接用トーチに用いる電極チップは、先端の形状が一定の平面またはＲ面を有しているため、以下の理由で電極チップ全体が蓄熱され、高温化を余儀なくされている。

（１）先端の平面部またはＲ面部が、被溶接物におけるアーク点からの反射熱を受け止めやすく、この反射熱の電極チップ先端表面への蓄熱作用が大きくなる。

（２）平面またはＲ面の面積に比例してスパッタの付着量や接触量が増大し、このスパッタが有する熱量が電極チップ先端表面へ移動して、電極チップ先端への蓄熱を加速する。

（３）電極ワイヤを消耗式とした場合の電極チップ先端内の電極ワイヤとの接触点は、電極チップから電極ワイヤへの給電子の役割を担っているが、この接触点での摺動運動を介しての連続給電は抵抗発熱を伴って、電極チップ先端内面への蓄熱の熱源となっている。

上記したような電極チップ先端の蓄熱状態は、電極ワイヤへの給電抵抗を変化させるために、アークが不連続なものとなり、アーク切れと呼ぶ溶接異常が発生する。生産中にアーク切れが発生した場合には、溶接装置を途中停止させ新しい電極チップに交換した後、溶接作業を再開することになり、生産性阻害の大きな問題となっている。

このため、例えば下記特許文献２に開示されているように、電極チップに冷却体を設けて冷却を行っているものがある。
特開平７−１０８３７８号公報

しかしながら、上記した特許文献２に記載された冷却方法は、電極チップに単に冷却体を設けるだけであって、シールドガスの流れにつていは特に考慮していないばかりか、被溶接物からの反射熱についても具体的な対策を講じておらず、このため冷却効果が不充分であり、改善が望まれている。

そこで、この発明は、電極チップの冷却効果を充分なものとすることを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、電極ワイヤを保持する電極チップの外周側に、シールドガスを被溶接物に向けて放出するガス流路を備えたアーク溶接用トーチにおいて、前記電極チップの外周面に、前記ガス流路を流れるシールドガスを案内する螺旋状の溝を設けた構成としてある。

この発明によれば、電極チップの外周側のガス流路を流れるシールドガスは、電極チップの外周面に形成した螺旋状の溝に案内されて流れるので、このシールドガスによって電極チップの熱を効果的に吸収し、電極チップの冷却効果が充分なものとなる。

また、螺旋状の溝は、一般のねじ加工と同様の簡易な方法によって加工可能であり、これにより放熱表面積を増大すると同時に、溶接作業中のシールドガスによる放熱速度の向上を図ることができるだけでなく、溶接作業を中断して行う冷却水などの溶剤や圧縮空気などによるガス冷却に対しても、放熱表面積が増えることで冷却効果を高めることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係わるアーク溶接用トーチを示す断面図である。このアーク溶接用トーチは、中空のガスノズル１内に電極チップ３を収容し、電極チップ３内に図１中で上下方向に貫通して設けてあるワイヤ送給孔３ａ内に電極ワイヤ５を移動可能に挿入している。電極チップ３は、その上端をチップボディ７が固定保持しており、図示しない電源装置からチップボディ７および電極チップ３を介して電極ワイヤ５に電力を供給する。

電極ワイヤ５は、図示しないワイヤリールに巻かれたものを、ワイヤ送給機構によって被溶接物Ｗに向けて順次送給する。また、電極チップ３およびチップボディ７の外周側に形成してあるガスノズル１内のガス流路９を、アルゴンガスなどのシールドガスＧが被溶接物Ｗに向けて流れる。

上記した電極チップ３は、被溶接物Ｗに近い先端部３ｂに比べて基端部３ｃほど外径を大きくし、これにより全体として先細となる円錐形状を呈している。そして、この電極チップ３の外周面には、螺旋状の溝３ｄを形成している。

螺旋状の溝３ｄは、電極チップ３の先端部３ｂと基端部３ｃを除く中央部分に形成してあり、溝３ｄを形成していない先端部３ｂの一部をガスノズル１の先端に対して前方へ突出させている。また、この溝３ｄは、図２に拡大してその一部を示すように、電極チップ３の先端部３ｂに比べて基端部３ｃほど大きくしている。すなわち溝３ｄは、基端部３ｃ側を先端部３ｂ側に比べ、深さＤを深くし、これに伴い外周面側の幅Ｗを大きくしている。

そして、アーク溶接時には、ガス流路９をシールドガスＧが被溶接物Ｗに向けて流れる状態で、図示しない電源装置により被溶接物Ｗと電極ワイヤ５との間に所定の電圧を印加してアークＡを発生させる。

このような溶接作業時には、電極チップ３が、被溶接物Ｗの被加工部Ｋからの反射熱Ｈ、スパッタＳによる熱、被加工部Ｋにおける溶融池からの輻射熱Ｊなどにより加熱されるが、シールドガスＧがガス流路９を流れる際に、その一部が螺旋状の溝３ｄに案内されて流れ、このとき互いに隣接する溝３ｄ相互間の螺旋状の突条３ｅが放熱フィンとなって電極チップ３を冷却する。シールドガスＧが螺旋状の溝３ｄに沿って流れることで、単に放熱フィンを設けた場合に比べて放熱速度が高まり、電極チップ３を効果的に冷却することができる。

また、溝３ｄは、電極チップ３の先端部３ｂに比べて基端部３ｃほど大きくしているので、シールドガスＧが、基端部３ｃ側にて溝３ｄ内にスムーズに流入し、溝３ｄ内を流れやすくなって流速を高めることができ、冷却効果がさらに高まる。

さらに、電極チップ３の全体の形状を先細の円錐形状としたので、図１に示すように、反射熱Ｈを直接受けにくくなるとともに、飛散するスパッタＳも直接接触にくくなるのでスパッタＳによる熱も受けにくくなり、電極チップ３の蓄熱をさらに抑制することができる。

この結果、電極チップ３の蓄熱範囲としては、先端部３ｂにおける先端面から寸法ｔで示す範囲程度に留まり、蓄熱抑制効果が極めて高いものとなる。これにより、電極チップ３と電極ワイヤ５との間の給電抵抗が安定し、アークＡも連続したものとなり、アーク切れと呼ばれる溶接異常発生を防止することができ、溶接作業を途中で停止して電極チップを交換するなどの生産性阻害を回避することができる。

また、螺旋状の溝３ｄは、一般のねじ加工と同様の簡易な方法によって加工可能であり、これにより電極チップ３の放熱表面積を増大すると同時に、溶接作業中のシールドガスＧによる放熱速度の向上を図ることができるだけでなく、溶接作業を中断して行う冷却水などの溶剤や圧縮空気などによるガス冷却に対しても、放熱表面積が増えることで冷却効果を高めることができる。

図３は、電極チップの他の例を示している。このうち図３（ａ）の電極チップ３Ａは、全体として円柱形状とし、かつ螺旋状の溝３Ａｄの大きさについては、先端部３Ａｂ側と基端部３Ａｃ側とで変化させず、全体として一定の形状としている。３Ａｅは、互いに隣接する溝３Ａｄ相互間の螺旋状の突条である。

なお、この円柱形状の電極チップ３Ａにおいても、溝３Ａｄの大きさ（溝深さや溝幅）を、図２の電極チップ３と同様に、先端部３Ａｂに比べて基端部３Ａｃほど大きくしてもよい。

一方図３（ｂ）の電極チップ３Ｂは、全体として円柱形状を呈しているが、螺旋状の溝３Ｂｄの深さを、図２の電極チップ３とは逆に、基端部３Ｂｃに比べて先端部３Ｂｂほど深くしている。３Ｂｅは、互いに隣接する溝３Ｂｄ相互間の螺旋状の突条である。

上記図３に示した電極チップ３Ａ，３Ｂにおいても、シールドガスＧの一部が外周面に形成した螺旋状の溝３Ａｄ，３Ｂｄに案内されて流れ、このとき突条３Ａｅ，３Ｂｅが放熱フィンの役目を果たして電極チップ３の冷却を行う。

次に、電極チップ３の先端形状について詳細に説明する。

電極チップにおける溶接作業時の溶接点とその周辺の複数の熱源に曝されることによる蓄熱被害を考慮すると、図４に簡略化した電極チップ３に示すように、先端平面外径ψｘが小さいほど連続して安定した溶接品質が得られる。

一方でその外径ψｘが小さすぎると、図５に示すように、ワイヤ送給孔３ａの先端開口部付近と電極ワイヤ５との摺動摩耗が加速度的に進行するので、図６に示すように、外径ψｘが小さい電極チップのほうが、外径ψｘが大きい電極チップに比べ、摺動摩耗量が大きくなり、摩耗許容限界に早く達してしまう。

この摩耗許容限界を超えると、図５に示すように、ワイヤ送給孔３ａの中心位置と、被加工部Ｋとの間の溶接狙い位置ずれＺによる被溶接物Ｗの融合不良が発生する。したがって外径ψｘが小さい場合には、狙い位置ずれ量が短時間で許容範囲を超えて融合不良を生ずることとなる。

また、摺動摩耗量が大きくなると、電極チップ３と被溶接物Ｗとの距離Ｌ１も変化することから、電圧降下も変化しアーク不安定などによる溶接欠陥が発生する。

したがって図７（ａ），（ｂ）に示すように、電極チップ３の先端は、被溶接物Ｗ毎に選択される電極ワイヤ５を円滑に送給できるワイヤ送給孔３ａの初期孔径ψｂを有し、電極ワイヤ５との摺動摩耗によっても、その進行速度を遅らせると同時に電極チップ３と被溶接物Ｗとの距離Ｌ１が変化しないことを狙いとした最小の外径ψｘを有する形状とする。

このとき、電極ワイヤ５の線癖によっては楕円状に摩耗するワイヤ送給孔３ａの最大摩耗点Ｐ１が、電極チップ先端面の外周縁に接したことを、電極チップ３の使用限界とすることで、摩耗の外観限界管理を可能とする。

ただし、この場合初期の孔径ψｂの加工公差は、線径ψａの電極ワイヤ５を円滑に送給するため、電極ワイヤ５の外径の最大加工公差をαとし、微細塵埃による摺動抵抗を軽減するための電極ワイヤ５とワイヤ送給孔３ａとのクリアランスβ、ワイヤ送給孔３ａの孔径最大加工公差をγとし、
ψbmin＝ ψa＋α＋β
ψbmax＝ψbmin＋γ
で求める。

また、図８に示すように、電極チップ３の使用限界となる先端外径ψｘは、被溶接物Ｗおよび溶接継ぎ手形状などによって決定される電極ワイヤ５の狙い位置ずれ許容寸法Ｚとなる電極ワイヤ５の送給経路を求めることで決定する。

この際、図９（ａ）に示す電極ワイヤ５の最大半径を成して送給される２点（Ｐ１，Ｐ２）接触経路と、図９（ｂ）に示す最小半径を成す３点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）接触経路が考えられるが、ここでは、電極ワイヤ５の狙い位置ずれ許容寸法となる最大ずれを求めればよいので後者の経路のみに着目する。

図９（ｂ）に示すように、全長をＬｃとする電極チップ３のワイヤ送給孔３ａを通る電極ワイヤ５の接触点としてＰ３およびＰ２・Ｐ１を通る円弧を描くとき、電極チップ３の初期状態におけるＰ２の位置はＬｃ／２であり、Ｌ２＝Ｌ３であって、ワイヤ送給孔３ａとの間にＣ３およびＣ２・Ｃ１の初期クリアランスをそれぞれ有する。

しかし、この状態で溶接作業を開始して電極ワイヤ５の送給を続けると、理論的にはＰ２およびＰ３においても摺動摩耗を生じることになるが、これらは先端のＰ１における摩耗に比較して極めて微細な摩耗に留まることが確認できているので、計算上はＰ２およびＰ３の溶接作業開始後におけるクリアランスＣ３およびＣ２の拡大はないものとして扱う。

図１０は、それぞれの接触点Ｐ３およびＰ２・Ｐ１の移動状態を示し、電極チップ３先端の最大摩耗許容量ｙが、以下によって簡易的に求めることができることを説明する。

接触点Ｐ３およびＰ２・Ｐｚを通過する円の半径をＲ、線分Ｐｚ・Ｐ３の長さをＡ、線分Ｐ３・Ｐ２をａ、線分Ｏ・Ｐ７の長さをＢとしたとき、すでに与えられている初期のクリアランスＣ１とＢをＲから差し引くことで（次式）、Ｐ１の摺動摩耗後の移動点Ｐ５と、その移動距離である摩耗許容限界ｙを求めることができる。

ｙ＝Ｒ−Ｂ−Ｃ１
このとき図１０中のθ１およびθ２・θ３は、以下によって求めることができる。

θ1＝Tan((Z−C1)/Ｌ)
θ2＝Tan(C1/L4) ［ただし、L4=L3±α］
θ3＝(90°−θ1−2×θ2）
これらを関係式に引用して、
R1=(a/2）/Sinθ2=(a/2)/Sin(Tan(C1/L4))
R2=(A/2)/Cosθ3=(A/2)/Cos(90°−θ1−2×(Tan(C1/L4)))
となり、Ｒ１＝Ｒ２となるＬ４を求め、このときのＲ１＝Ｒ２をＲとすることができる。

また、

によってｙを求めることができる。

したがって、電極チップ３の摺動摩耗限界管理に用いることのできる初期の先端平面最大外径ψx max は、
ψx max = ψb max＋2y=ψb min＋γ＋２ｙ＝ψａ＋α＋β＋γ＋２ｙ
となり、摩耗したワイヤ送給孔３ａの内面が電極チップ３の外周部に達した時点を生産上の管理限界とすることができる。

前述したように、電極チップ３の先端平面外径ψx を最小にすることで、アークの反射熱とスパッタ熱の受け止め面積が減少し蓄熱も減少するが、電極チップ３の外周面の形状によっては、充分な効果が得られないことが考えられる。

図１２（ａ），（ｂ）は、被溶接物Ｗにおける溶融池からの反射熱の状態を示し、図１３（ａ），（ｂ）はスパッタの飛散による熱伝達の状態を示す。

従来のMIGまたはCo2溶接に用いられる普及型電極チップは、図１４（ａ）に示すように、電極ワイヤの直進性能を確保するため、電極チップ３の装着固定先であるチップボディ７に対して電極ワイヤの通路である送給孔３ａの中心との平行度を保証し、さらに図１４（ｂ）に示すように、電極チップ装着用工具のために互いに対向する部位に平面部３ｋを設けることが、電極チップ３の全体形状を設計する際の不可欠の要素となっており、電極チップ３の外側面形状設計についても、前項のチップ先端形状と併せて考慮しなければならない。

以上の要件を満足しながら蓄熱を最小にする電極チップの側面形状は、図１５のようなものが考えられる。

電極チップ５を図１５のような形状とすることで、反射熱とスパッタによる蓄熱を減少させることができるが、このままでは溶融金属からの輻射熱や電極ワイヤへの給電によって発生する通電抵抗熱などに対して充分な対策にはなっていない。

そこで、図１６に示すように、これらの形状に加えて冷却速度を加速することを目的とした放熱フィン３ｆを、電極チップの外周面に設けることとする。放熱フィン３ｆは、電極チップ３の外周面の表面積を増大する加工であるほど冷却効果は大きい。

しかし、MIGやCo2溶接などのシールドガスを用いる溶接法において、放熱フィンはシールドガスに曝される状態に配置し、かつシールドガスの乱流化防止に配慮する必要がある。

以上のことから、前述した図１に示した電極チップのように、外周面に螺旋状の溝を設けた円錐形状とすることが最も有効と考えられ、かつこの形状は低コスト加工が容易でもある。

次に、電極チップにおける各部の具体的寸法を、呼び径ψ1.2 の電極ワイヤを用いるMIGおよびCo2溶接の共用電極チップとして説明する。

前記図７（ｂ）において、初期のワイヤ送給孔３ａの孔径ψbmaxは、電極ワイヤ５の線径バラツキを考慮しつつ最小となるクリアランスを持たせた。また、被溶接物Ｗの溶接継手中心に対して電極ワイヤ５の狙い位置ずれＺが1.6mmまで許容できることが判っているので、Ｚmaxを1.6mmと設定し前述の計算によってｙを0.44mmと求め、したがって電極チップ先端外径ψxをψ2.19mmと決定した。

ただし、電極チップ３と被溶接物Ｗとの距離Ｌ１は、サンプルとしている被溶接物Ｗの常用値である20mmとして一定とし固定した。また、電極チップ３の形状については、前記した図１の通り、円錐形状とし、放熱溝はテーパネジ状の螺旋加工を施し、溝の谷形状は加工を容易にするためＵ字型を採用した。

ψb min＝ ψa max＋α＋β＝1.25
ψb max＝ ψb min＋γ＝1.30
ψx max＝ ψa＋α＋β＋γ＋２ｙ＝2.19

この発明の第１の実施形態を示すアーク溶接用トーチの断面図である。 図１のアーク溶接用トーチにおける電極チップの溝形状を示す説明図である。 電極チップの溝形状の他の例を示す説明図である。 電極チップの先端外径寸法を示した簡略化した断面図である。 電極チップのワイヤ送給孔と電極ワイヤとの摺動摩耗が発生している状態を示す説明図である。 電極チップの摺動作業量に対する摺動摩耗量の変化を、電極チップ先端外径が大のものと小のものとで比較して示した説明図である。 電許チップの先端外径が被溶接物の融合不良が発生しない状態で最小となる形状を示す説明図である。 電極チップの使用限界となる先端外径を決定する際の電極ワイヤの送給経路を示す説明図である。 電極ワイヤが電極チップのワイヤ送給孔内面に接触する形態を示す説明図である。 電極チップ先端の最大摩耗許容量を求めるための説明図である。 図１０の最大摩耗許容量を求める際の電極チップ先端の詳細図である。 溶融池からの反射熱の状態を示す説明図である。 スパッタの飛散による熱伝達の状態を示す説明図である。 （ａ）はMIGまたはCo2に用いられる普及型電極チップの断面図、（ｂ）は同平面図である。 蓄熱を減少させる電極チップの形状図である。 図１５の電極チップに放熱フィンを設けた形状図である。

符号の説明

３ 電極チップ
３ｂ 電極チップの先端部
３ｃ 電極チップの基端部
３ｄ 螺旋状の溝
５ 電極ワイヤ
９ ガス流路
Ｗ 被溶接物
Ｇ シールドガス

Claims (4)

1. 電極ワイヤを保持する電極チップの外周側に、シールドガスを被溶接物に向けて放出するガス流路を備えたアーク溶接用トーチにおいて、前記電極チップの外周面に、前記ガス流路を流れるシールドガスを案内する螺旋状の溝を設けたことを特徴とするアーク溶接用トーチ。
2. 前記電極チップは、先端部に比べて基端部ほど外径が大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接用トーチ。
3. 前記螺旋状の溝は、先端部に比べて基端部ほど大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のアーク溶接用トーチ。
4. 電極ワイヤを保持する電極チップの外周側に、シールドガスを被溶接物に向けて放出するガス流路を設け、前記シールドガスを前記電極チップの外周面に設けた螺旋状の溝に沿って流すことを特徴とするアーク溶接方法。

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