JP2011200895A - 溶接トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスシールドアーク溶接において、溶接開始時に発生するシールドガスの突流を低減する溶接トーチを提供する。
【解決手段】チップボディ１１０の周囲に、円筒状の可動オリフィス１４０を軸方向に摺動可能に設けて、チップボディ１１０の外周部に設けたガス穴１１１を覆う。可動オリフィス１４０を基端側方向に押さえるスプリング１５０を設ける。溶接開始のシールドガス突流発生時にチャンバ１７０内のガス圧上昇によって可動オリフィス１４０が先端側へ前進してガス穴１１１の一部をふさいで突流を低減し、その後、シールドガスが定常流れになると可動オリフィス１４０がスプリング１５０のばね力により後退してガス穴１１１を開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接に使用する溶接トーチの改良に関するものである。

ガスシールドアーク溶接装置の従来例を図５に示す。溶接トーチ１がワイヤ送給装置２に接続され、ガス供給源６とワイヤ送給装置２との間は配管４で接続されている。ガス供給源６は一般にガスボンベが使用されるが大きく重いため、溶接作業範囲を広くして作業性をよくするために、配管４を３ｍ〜２０ｍと長くしている。ガス供給源６にはガス圧力調整器及び流量調整器５が直結されており、溶接トーチ１から溶接部に放出するするシールドガスの流量を設定している。ワイヤ送給装置２には、ガスバルブ３が備えられており、溶接トーチ１のトーチスイッチの信号と連動してガスバルブ３が開閉するようになっている。

溶接作業中のガス通路内の圧力は圧力損失を伴うため、下流側の圧力が低くなっており、図５のＡ点、Ｂ点、Ｃ点における圧力をそれぞれＰＡ、ＰＢ、ＰＣとすると、ＰＡ＞ＰＢ＞ＰＣとなっている。溶接作業が終了して、ガスバルブ３が閉じられると、Ｂ点の圧力ＰＢがＰＡまで上昇する。このため、次に溶接作業を開始するためガスバルブ３を開くと、配管４にたまった圧力ＰＡのシールドガスが定常時の圧力ＰＢとなるまで過渡的に突流となって溶接トーチから放出される。図４はノズルから放出されるシールドガス流量の変化をグラフにしたものであり、溶接開始時はＬ１のように設定流量より過大のガスが流れるため、ガスが無駄になるという問題があった。このため、特許文献１のような装置が提案されている。

特開昭５８−２２４０７８号公報

特許文献１では、ガス圧力調整器及び流量調整器５とは別に、図５のＢ点の位置にガス圧力調整器を追加するというものである。この方法では、装置が高価になるという問題があった。

作業性をよくするために溶接作業範囲を広げようとすると、配管４の長さを長くする必要があるが、溶接開始前に配管４に蓄積されるシールドガスの体積が増すため、突流による無駄なガスの消費が増えるという問題があった。

溶接開始時に突流が発生すると、ノズルから放出されるガスの流速が増すため、乱流となって空気の巻き込みが発生して溶接欠陥を発生するという問題も発生する。

本発明は、ガスシールドアーク溶接の溶接開始時におけるシールドガスの突流を低減させる溶接トーチを提供することを目的としている。

第１の発明は、
チップボディと、
チップボディ外周部に取り付けられたインシュレータと、
インシュレータ先端部に取り付けられたノズルと、
を備えて、前記チップボディ外周部に設けたガス穴からノズル内にシールドガスを供給するガスシールドアーク溶接用の溶接トーチにおいて、
前記ガス穴を覆い、前記チップボディの周囲に軸方向に摺動可能に取り付けられた円筒状の可動オリフィスと、
前記可動オリフィスの先端部に設けられたスプリングと、
前記スプリングを保持して前記チップボディ外周部に取り付けられたスプリング保持部材と、
を備え、前記可動オリフィスの先端部に前記ノズル内面に近接するフランジを設けて、前記フランジと前記可動オリフィス外周面と前記インシュレータ先端部と前記ノズル内周面とでチャンバを形成し、前記可動オリフィス内周部に円筒状のガス通路を設け、前記ガス通路から前記チャンバへと連通する第１のガス吹き出し部と、前記フランジ部に前記チャンバから前記ノズル先端側へと連通する第２のガス吹き出し部とを設けて、溶接開始におけるシールドガスの突流発生時に、前記チャンバ内のガス圧上昇によって前記可動オリフィスが先端側へ前進して、前記チップボディのガス穴の一部をふさぎ、その後、シールドガスが定常流れになると前記可動オリフィスが前記スプリングのばね力により後退して前記チップボディのガス穴を開放することを特徴とする溶接トーチである。

第２の発明は、
前記第２のガス吹き出し部の面積は、前記第１のガス吹き出し部の面積より小さく形成されたことを特徴とする第１の発明に記載の溶接トーチである。

第３の発明は、
前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部に取り付けられた円筒状部材であり、外周面は内周面と同軸に形成されて前記ノズル内面に接しており、前記スプリング側から前記ノズル先端側へと連通するガス整流通路を設けたことを特徴とする第１の発明または第２の発明のいずれか１項に記載の溶接トーチである。

第４の発明は、
前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部に取り付けられた円筒状部材であり、外周面は内周面と同軸に形成されて前記ノズル内面に接しており、多孔質部材により形成されたものであることを特徴とする第１の発明または第２の発明のいずれか１項に記載の溶接トーチである。

第５の発明は、
前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部にねじ込まれた円筒状部材であり、ねじ込み量により前記スプリングのばね力を調整できるものであることを特徴とする第１の発明から第４発明のいずれか１項に記載の溶接トーチである。

第６の発明は、
前記第２のガス吹き出し部は、ノズルの内面及び／又はチップボディの外周にガスを吹き付ける方向に設けたものであることを特徴とする第１の発明から第５発明のいずれか１項に記載の溶接トーチである。

本発明の溶接トーチは、ガスシールドアーク溶接の溶接開始時におけるシールドガスの突流を低減させることができる。

本発明の実施の形態１の溶接トーチの部分断面図である。 本発明の実施の形態１の溶接トーチの作動状態を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態２の溶接トーチの部分断面図である。 シールドガス流量の変化を示すグラフである。 従来のシールドガスアーク溶接装置の全体図である。

［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１の溶接トーチの部分断面図である。図２（ａ）は定常シールドガス流における本発明の実施の形態１の溶接トーチの作動状態を示す部分拡大断面図であり、図２（ｂ）は突流発生時における本発明の実施の形態１の溶接トーチの作動状態を示す部分拡大断面図である。

チップボディ１１０は中空形状をしており、中空部に溶接ワイヤ通路部材１９０を備えており、チップボディ１１０の先端部には図示を省略した溶接ワイヤに溶接電流を給電するチップ１９５が取り付けられている。チップボディ１１０の内面と溶接ワイヤ通路部材１９０との隙間はガス通路１１２となっている。

チップボディ１１０の外周部にインシュレータ１２０がねじ込まれている。チップボディ１１０の先端部はインシュレータ１２０の先端部より突出しており、チップボディ１１０の先端外周部にガス通路１１２と連通するガス穴１１１が設けられている。インシュレータ１２０の先端部に、チップボディ１１０の先端部及びチップ１９５を覆ってシールドガスを溶接部に放出するノズル１３０がねじ込まれている。ノズル１３０のねじ端部にパッキン１８０を設けてシールドガスの漏れを防止してもよい。

チップボディ１１０の周囲にガス穴１１１を覆う円筒状の可動オリフィス１４０が、チップボディ１１０の軸方向に摺動可能に取り付けられている。可動オリフィス１４０の先端部にスプリング１５０が取り付けられ、スプリング１５０を保持するスプリング保持部材１６０がチップボディ１１０の外周部に取り付けられている。スプリング１５０のばね力により可動オリフィス１４０の基端部はインシュレータ１２０の先端部に押し当てられている。スプリング保持部材１６０は止め輪状のものであってもよいが、内周面にねじを形成しチップボディ１１０の外周部にねじ込む形態とすれば、スプリング保持部材１６０のねじ込み量によりスプリング１５０のばね力を調整することができる。可動オリフィス１４０の先端部にはフランジ１４１が設けられて、フランジ１４１の外周部はノズル１３０の内周面と摺接可能となっている。フランジ１４１の基端側面と可動オリフィス１４０の外周面とインシュレータ１２０先端部とノズル１３０の内周面とで円筒状の空間（チャンバ１７０と呼ぶ）が形成されている。

可動オリフィス１４０の内周部には円筒状のガス通路１４４が設けられて、ガス通路１４４の基端側でガス穴１１１と連通している。可動オリフィス１４０の外周部にガス通路１４４の先端側と連通する第１のガス吹き出し部１４２が設けられている。フランジ１４１に第２のガス吹き出し部１４３が設けられて、チャンバ１７０とノズル１３０の先端側とが連通している。第１のガス吹き出し部１４２及び第２のガス吹き出し部１４３は、それぞれ複数箇所設けることができるが、円周均等に設けるとノズル１３０から噴出するシールドガス流れが偏流を起こしにくい。第２のガス吹き出し部１４３の面積は第１のガス吹き出し部１４２の面積より小さくなっている。

ガス供給源６から溶接トーチ１内に送られたシールドガスは、ガス通路１１２、ガス穴１１１、ガス通路１４４、第１のガス吹き出し部１４２、チャンバ１７０、第２のガス吹き出し部１４３を通ってノズル１３０から溶接部に放出される。第２のガス吹き出し部１４３の面積が第１のガス吹き出し部１４２の面積より小さいため、チャンバ１７０内のガス圧力Ｐ１は、ノズル１３０内の圧力Ｐ２より高くなっており、このガス圧力差により可動オリフィス１４０はＸ２方向へ力を受けている。

チャンバ１７０内のガス圧力Ｐ１とノズル１３０内の圧力Ｐ２との圧力差は、溶接開始時に過渡的に大きくなり（このときの圧力差をｄＰｘとする）、図５のＢ点の圧力がＰＢまで下がると、定常値（この圧力差をｄＰ０とする）となる。スプリング１５０のばね力は、ｄＰ０によって可動オリフィス１４０をＸ２方向へ動かす力より大きく設定されて、ｄＰｘによって可動オリフィス１４０をＸ２方向へ動かす力より小さく設定されている。

以下、動作を説明する。溶接作業を開始するためガスバルブ３を開くと、配管４にたまった圧力ＰＡのシールドガスが突流となって溶接トーチ１に送られる。このとき、チャンバ１７０内のガス圧力Ｐ１とノズル１３０内の圧力Ｐ２との圧力差はｄＰ０より大きくなるため、図２（ｂ）に示すように、可動オリフィス１４０はスプリング１５０のばね力に抗してＸ２方向へ前進する。この結果、可動オリフィス１４０の基端部がチップボディ１１０のガス穴１１１の一部をふさいでガス流れを制限するので、突流が低減される。

配管４のＢ点の圧力がＰＢまで下がると、定常流れとなり、チャンバ１７０内の圧力Ｐ１とノズル１３０内の圧力Ｐ２との圧力差はｄＰ０となる。可動オリフィス１４０はスプリング１５０のばね力によりＸ１方向へ後退し、図２（ａ）のように、可動オリフィス１４０の基端部がインシュレータ１２０の先端部に押し付けられる。この結果、チップボディ１１０のガス穴１１１は開放されてガス通路１４４と連通して、設定流量のシールドガスがノズル１３０から溶接部へと放出される。

上記のように、溶接開始時にチャンバ１７０内の圧力上昇によって可動オリフィス１４０がＸ２方向へ前進して、可動オリフィス１４０の基端部がチップボディ１１０のガス穴１１１の一部をふさぐので、ガス流量は図４のＬ２のようになり、突流が低減されて、無駄なガスの消費を抑制できるという効果を奏する。

本発明による溶接トーチは、突流を低減するための高価な圧力調整器を備えていない溶接装置にも使用でき、安価に突流を低減することができるという効果を奏する。

溶接開始時の突流を低減するので、ノズル１３０から放出されるシールドガスが乱流となりにくく空気の巻き込みを押さえて、溶接欠陥の発生を防止できるという効果を奏する。

第２のガス吹き出し部１４３は、ノズル１３０の軸方向に対して傾けた穴であってもよい。すなわち、基端部から先端部に向かって外周方向に傾けた穴とすれば、ガスがノズル１３０内面に吹き付けられるので溶接ヒュームがノズル１３０内面に付着しにくくなり、可動オリフィス１４０の動作を妨げない。逆に、基端部から先端部に向かって内周方向に傾けた穴とすれば、ガスがチップボディ１１０の外周面に吹き付けられるので溶接ヒュームがチップボディ１１０の外周面に付着しにくくなり、可動オリフィス１４０の動作を妨げない。基端部から先端部に向かって外周方向に傾けた穴と基端部から先端部に向かって内周方向に傾けた穴とを交互に形成すると、ノズル１３０内面及びチップボディ１１０の外周面の両方に吹き付けられるので、溶接ヒュームがノズル１３０内面及びチップボディ１１０の外周面に付着しにくくなり、可動オリフィス１４０の動作を妨げない。

第２のガス吹き出し部１４３は、フランジ１４１の外周面をやや小さめに成形して、ノズル１３０の内面とフランジ１４１の外周面とで形成される円筒状の隙間としてもよい。ガスがノズル内面に吹き付けられるので溶接ヒュームがノズル内面に付着しにくくなり、可動オリフィス１４０の動作を妨げない。

［実施の形態２］
図３（ａ）は本発明の実施の形態２の溶接トーチの部分断面図であり、（ｂ）はスプリング保持部材のＣ矢視図である。スプリング保持部材１６０は、外周面と内周面が同軸に形成されており、外周面はノズル１３０の内周面に接している。スプリング保持部材１６０には、ガス整流通路１６１が複数箇所設けられて、スプリング１５０側からノズル１３０側へ連通している。ガス整流通路１６１は円周均等に設けることが望ましい。本発明の実施の形態２の溶接トーチ１は、図１に示した本発明の実施の形態１の溶接トーチ１のスプリング保持部材１６０のみ図３に示したスプリング保持部材１６０に代えた機能と同じであるので、スプリング保持部材１６０以外の機能の説明は省略する。また、本発明の実施の形態２の溶接トーチ１の動作も本発明の実施の形態１の溶接トーチ１と同様であるので説明を省略する。

この結果、本発明の実施の形態２の溶接トーチ１は、スプリング保持部材１６０の外周面と内周面が同軸に形成されて、外周面がノズル１３０の内面に接しているため、ノズル１３０がチップボディ１１０と同軸に保持されて、チップボディ１１０やノズル１３０の形状寸法にばらつきが生じても、可動オリフィス１４０の軸方向の動作を妨げない。また、ガス整流通路１６１により、シールドガスが整流されて溶接品質が向上するという効果を奏する。

スプリング保持部材１６０は、ガス整流通路１６１を設ける代わりに、多孔質部材で形成してもよいし、あるいは、金網状の絶縁部材を重ね合わせて形成したものでもよい。ガス整流通路１６１を設けるときと同様にシールドガスが整流されて溶接品質が向上するという効果を奏する。

本発明の実施の形態１及び実施の形態２では、消耗電極式アーク溶接トーチの例を示したが、ＴＩＧ溶接トーチにも使用することもでき、溶接開始時における突流を低減してアークスタートを円滑にするという効果を奏する。

１ 溶接トーチ
２ ワイヤ送給装置
３ ガスバルブ
４ 配管
５ ガス圧力調整器及び流量調整器
６ ガス供給源
１１０ チップボディ
１１１ ガス穴
１１２ ガス通路
１２０ インシュレータ
１３０ ノズル
１４０ 可動オリフィス
１４１ フランジ
１４２ 第１のガス吹き出し部
１４３ 第２のガス吹き出し部
１４４ ガス通路
１５０ スプリング
１６０ スプリング保持部材
１６１ ガス整流通路
１７０ チャンバ
１９０ 溶接ワイヤ通路部材
１９５ チップ

Claims (6)

1. チップボディと、
   チップボディ外周部に取り付けられたインシュレータと、
   インシュレータ先端部に取り付けられたノズルと、
   を備えて、前記チップボディ外周部に設けたガス穴からノズル内にシールドガスを供給するガスシールドアーク溶接用の溶接トーチにおいて、
   前記ガス穴を覆い、前記チップボディの周囲に軸方向に摺動可能に取り付けられた円筒状の可動オリフィスと、
   前記可動オリフィスの先端部に設けられたスプリングと、
   前記スプリングを保持して前記チップボディ外周部に取り付けられたスプリング保持部材と、
   を備え、前記可動オリフィスの先端部に前記ノズル内面に近接するフランジを設けて、前記フランジと前記可動オリフィス外周面と前記インシュレータ先端部と前記ノズル内周面とでチャンバを形成し、前記可動オリフィス内周部に円筒状のガス通路を設け、前記ガス通路から前記チャンバへと連通する第１のガス吹き出し部と、前記フランジ部に前記チャンバから前記ノズル先端側へと連通する第２のガス吹き出し部とを設けて、溶接開始におけるシールドガスの突流発生時に、前記チャンバ内のガス圧上昇によって前記可動オリフィスが先端側へ前進して、前記チップボディのガス穴の一部をふさぎ、その後、シールドガスが定常流れになると前記可動オリフィスが前記スプリングのばね力により後退して前記チップボディのガス穴を開放することを特徴とする溶接トーチ。
2. 前記第２のガス吹き出し部の面積は、前記第１のガス吹き出し部の面積より小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の溶接トーチ。
3. 前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部に取り付けられた円筒状部材であり、外周面は内周面と同軸に形成されて前記ノズル内面に接しており、前記スプリング側から前記ノズル先端側へと連通するガス整流通路を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の溶接トーチ。
4. 前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部に取り付けられた円筒状部材であり、外周面は内周面と同軸に形成されて前記ノズル内面に接しており、多孔質部材により形成されたものであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の溶接トーチ。
5. 前記スプリング保持部材は、前記チップボディ外周部にねじ込まれた円筒状部材であり、ねじ込み量により前記スプリングのばね力を調整できるものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接トーチ。
6. 前記第２のガス吹き出し部は、ノズルの内面及び／又はチップボディの外周にガスを吹き付ける方向に設けたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶接トーチ。

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