JP2012139704A

JP2012139704A - 狭窄ノズル及びこれを用いたｔｉｇ溶接用トーチ

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Publication number: JP2012139704A
Application number: JP2010292803A
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Inventors: Akihisa Murata; 彰久村田
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Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-26
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Abstract

【課題】アーク周囲に高速整流ガスを流してプラズマ気流の流れを速め、アークに作用する電磁力及び磁界を強化してアークのエネルギー密度、アークの指向性及び硬直性を高めて高速溶接を行えるようにし、また、シールド効果を高めて高品質な溶接を行えるようにする。
【解決手段】本発明の狭窄ノズル７は、タングステン電極棒２の先端部周囲にタングステン電極棒２と同心状に配置され、タングステン電極棒２の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路７ｄを形成する筒状のノズル本体７ａと、ノズル本体７ａの内周面に円周方向へ所定の間隔をおいて突出形成され、タングステン電極棒２をノズル本体７ａの中心位置に保持するノズル本体７ａの長手方向に沿う複数の位置決め用突条７ｂと、複数の位置決め用突条７ｂ間に形成され、ノズル本体７ａの長手方向に平行に延びて高速ガス通路７ｄ内を流れるシールドガスＧを整流化する複数のガス整流溝７ｃとから成る。
【選択図】図３

Description

本発明は、主にステンレス鋼板や電磁鋼板等の金属薄板の端部同士を突合せ溶接するＴＩＧ溶接に於いて使用されるＴＩＧ溶接用トーチに取り付けられる狭窄ノズル及びこれを用いたＴＩＧ溶接用トーチに係り、特に、タングステン電極棒の先端部周囲に狭窄ノズルを配設し、当該狭窄ノズルからアークの周囲に高速整流ガスを流すことによって、プラズマ気流の流れを速め、アークに作用する電磁力及び磁界を強化してアークのエネルギー密度、アークの指向性及び硬直性をそれぞれ高めて高速溶接を行えるようにし、また、アルゴンガスやヘリウム等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れて高品質な溶接を行えるようにし、更に、タングステン電極棒の交換時にタングステン電極棒を元の位置に簡単且つ正確に取り付けることができて再現性及び作業性の向上を図れるようにした狭窄ノズル及びこれを用いたＴＩＧ溶接用トーチに関するものである。

一般に、ＴＩＧ溶接法は、タングステン電極棒の周囲にアルゴンガス等のシールドガスを流してタングステン電極棒と被溶接物である母材との間にアーク（アークプラズマ）を発生させ、そのアークの熱で母材を溶融するようにしたものであり、金属材料を用いる製造現場では重要な接合技術として広く利用されている。

しかし、ＴＩＧ溶接法は、他の溶接法（例えば、プラズマ溶接法やレーザー溶接法、電子ビーム溶接法）に比べて下記の（１）〜（５）に示すような問題がある。
（１）ＴＩＧ溶接法は、プラズマ溶接法等の他の溶接法に比べて溶接能力や溶接強度が劣る。
（２）ＴＩＧ溶接法は、タングステン電極棒やシールドガスとして使用するアルゴンガスが比較的高価であり、経費が嵩む。
（３）ＴＩＧ溶接法は、溶接時にシールドガスが風の影響を受け易く、シールド効果が悪い。尚、シールド効果が悪いと、溶接２番部（溶接熱により母材部に生ずる熱影響部のことをいい、溶接熱によって急熱・急冷されて母材の組織が変化した部分）に黒っぽい焼けやビード表面に酸化膜が発生する。
（４）ＴＩＧ溶接法は、小電流で溶接を行う際にアーク長を短くしないと、アークが不安定になる。
（５）ＴＩＧ溶接法は、溶接速度を速くすると、溶接２番部にアンダーカット（へこみ）が発生する。

一方、ＴＩＧ溶接法に用いるＴＩＧ溶接用トーチとしては、例えば、アルゴンガス等のシールドガスを放出するための筒状のシールドノズルを用いたＴＩＧ溶接用トーチ（特許文献１）や、前記シールドノズルとアークのエネルギー密度を高めるための狭窄ノズルとを用いたＴＩＧ溶接用トーチ（特許文献２）が知られている。

図１２はシールドノズルを用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチの一例を示すものであり、当該ＴＩＧ溶接用トーチは、トーチボディ２０内にタングステン電極棒２１を保持固定する電極コレット２２を挿着すると共に、トーチボディ２０の先端にアルゴンガス等のシールドガスＧを放出するセラミック製のシールドノズル２３を取り付けた構造になっており、トーチボディ２０の内部を通して流入して来たシールドガスＧをトーチボディ２０の先端部に設けたフィルター等から成るガスレンズ２４により層流化し、この層流化したシールドガスＧをシールドノズル２３から被溶接物である母材へ向って流し、シールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒２１と母材との間にアーク（アークプラズマ）を発生させ、そのアークの熱で母材を溶融するようにしたものである。

また、図１３はシールドノズル２３及び狭窄ノズル２５を用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチの一例を示すものであり、当該ＴＩＧ溶接用トーチは、トーチボディ（図示省略）内にタングステン電極棒２１を保持固定する電極コレット（図示省略）を挿着すると共に、トーチボディの先端にアルゴンガス等のシールドガスＧを流すセラミック製のシールドノズル２３を取り付け、更に、シールドノズル２３の先端部にシールドノズル２３よりも小径に形成された先窄まり状の狭窄ノズル２５を取り付けた構造になっており、狭窄ノズル２５からタングステン電極棒２１と母材との間に発生したアーク（アークプラズマ）の周囲にシールドガスＧを集中的に流し、シールドガスＧによるサーマルピンチ効果によりアークのエネルギー密度を高めるようにしたものである。

しかしながら、シールドノズル２３や狭窄ノズル２５を用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチに於いても、ＴＩＧ溶接に於ける上述の如き問題を全て解決することは不可能であり、下記に示すような問題を抱えている。

例えば、シールドノズル２３を用いたＴＩＧ溶接用トーチは、比較的内径の大きいシールドノズル２３の先端からシールドガスＧを拡散放出するだけであるため、アーク周辺のシールドガスＧの濃度が低下し、エネルギー密度の高いアークが得られず、不安定なアークになっていた。そのため、溶接速度を遅くしなければならないうえ、アークの指向性等が悪いという問題があった。

また、シールドノズル２３及び狭窄ノズル２５を用いたＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズル２５からアークの周囲へシールドガスＧを集中的に流すので、アークのエネルギー密度がシールドノズル２３のみを用いたＴＩＧ溶接用トーチに比較して高められるため、溶接速度を速くできてアークの指向性も良くなるが、反対にシールドガスＧの放出範囲が狭められてシールド効果が悪くなり、溶接の品質が低下するという問題があった。
しかも、タングステン電極棒２１を交換したときに、タングステン電極棒２１を元の位置（狭窄ノズル２５の中心位置）にセットし難く、再現性及び作業性に劣るという問題があった。

そのため、ＴＩＧ溶接法に用いるＴＩＧ溶接用トーチに於いては、上述したＴＩＧ溶接法に於ける全ての問題を解決する新しいノズルを用いた溶接用トーチの開発が望まれている。

特許第３１６３５５９号公報特許第４３２７１５３号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、アークの周囲に高速整流ガスを流すことによって、プラズマ気流の流れを速め、アークに作用する電磁力及び磁界を強化してアークのエネルギー密度、アークの指向性及び硬直性をそれぞれ高めて高速溶接を行えるようにし、また、アルゴンガスやヘリウム等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れて高品質な溶接を行えるようにし、更に、タングステン電極棒の交換時にタングステン電極棒を元の位置に簡単且つ正確に取り付けることができて再現性及び作業性の向上を図れるようにした狭窄ノズル及びこれを用いたＩＧ溶接用トーチを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、トーチボディの先端部に配設したガスレンズによりトーチボディの内部を通って流入して来たシールドガスを層流化すると共に、層流化したシールドガスをトーチボディの先端部に配設した筒状のシールドノズルから被溶接物である母材へ向って放出し、シールドガスの雰囲気中でシールドノズルの中心位置に配設したタングステン電極棒と母材との間にアークを発生させ、そのアークの熱で母材を溶融するようにしたＴＩＧ溶接用トーチに取り付けられる狭窄ノズルに於いて、前記狭窄ノズルは、タングステン電極棒の先端部周囲にタングステン電極棒と同心状に配置され、タングステン電極棒の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路を形成する筒状のノズル本体と、ノズル本体の内周面に円周方向へ所定の間隔をおいて突出形成され、タングステン電極棒をノズル本体の中心位置に保持するノズル本体の長手方向に沿う複数の位置決め用突条と、複数の位置決め用突条間に形成され、ノズル本体の長手方向に平行に延びて高速ガス通路内を流れるシールドガスを整流化する複数のガス整流溝とから成り、トーチボディから放出されるシールドガスの一部を前記高速ガス通路に流してシールドノズルから放出される層流化したシールドガスよりも速い高速整流ガスとし、当該高速整流ガスをノズル本体の先端開口からアークの周囲に流す構成としたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、位置決め用突条及びガス整流溝をノズル本体の先端から離れた位置に形成し、また、ノズル本体の先端と位置決め用突条及びガス整流溝との間に位置する高速ガス通路の内径を位置決め用突条及びガス整流溝の上流側の高速ガス通路の内径よりも大きく形成し、ガス整流溝を通過した高速整流ガスの流れを高速ガス通路の下流側部分で安定化するようにしたことに特徴がある。

本発明の請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、各ガス整流溝を、ノズル本体の先端開口から高速整流ガスをアークの周囲に均等に流すべくノズル本体の内周面に配置したことに特徴がある。

本発明の請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、各ガス整流溝を、ノズル本体の先端開口から高速整流ガスをアークの周囲の相対する位置に多く流すべくノズル本体の内周面に配置したことに特徴がある。

本発明の請求項５の発明は、筒状のトーチボディと、トーチボディ内へ上下動自在且つ回転自在にねじ込み挿着され、タングステン電極棒を着脱自在に保持する電極コレットと、電極コレットの上端部に取り付けられ、電極コレットを正逆回転させてトーチボディに対して上下動させるコレットハンドルと、トーチボディの下端部に着脱自在に取り付けられ、トーチボディの内部を通して流入して来たシールドガスを均質拡散させて層流化するガスレンズと、ガスレンズ又はトーチボディにタングステン電極棒の先端部を囲繞する状態で着脱自在に取り付けられ、ガスレンズにより層流化されたシールドガスをアークの周囲に放出する筒状のシールドノズルと、タングステン電極棒の先端部周囲に配設された請求項１〜請求項４に記載の何れかの狭窄ノズルとから構成したことに特徴がある。

本発明の請求項６の発明は、請求項５の発明に於いて、狭窄ノズルをガスレンズの先端面中央位置に着脱自在に取り付ける構成としたことに特徴がある。

本発明の請求項１の狭窄ノズルは、タングステン電極棒の先端部周囲にタングステン電極棒と同心状に配置され、タングステン電極棒の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路を形成する筒状のノズル本体と、ノズル本体の内周面に円周方向へ所定の間隔をおいて突出形成され、タングステン電極棒をノズル本体の中心位置に保持するノズル本体の長手方向に沿う複数の位置決め用突条と、複数の位置決め用突条間に形成され、ノズル本体の長手方向に平行に延びて高速ガス通路内を流れるシールドガスを整流化する複数のガス整流溝とから成り、トーチボディから放出されるシールドガスの一部を前記高速ガス通路に流してシールドノズルから放出される層流化したシールドガスよりも速い高速整流ガスとし、当該高速整流ガスをノズル本体の先端開口からアークの周囲に流す構成としているため、次のような優れた効果を奏することができる。
（１）即ち、本発明の請求項1の狭窄ノズルは、シールドガスの一部をシールドノズルから放出される層流化したシールドガスよりも速い高速整流ガスとし、この高速整流ガスをアークの周囲に流す構成としているため、タングステン電極棒側から被溶接物である母材側へ向って流れるプラズマ気流の速さが従来の速さ（約１００ｍ／ｓｅｃ）の２倍〜３倍の速さ（約２００〜３００ｍ／ｓｅｃ）に達し、アークに作用する電磁力及び磁界が強化され、アークのエネルギー密度、アークの指向性及び硬直性がそれぞれ高められて安定したアークが得られる。
その結果、本発明の請求項1の狭窄ノズルは、溶接速度を従来の溶接速度に比較して５倍〜２０倍速い溶接速度（１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜７０００ｍｍ／ｍｉｎ）とすることができて高速溶接を行えるうえ、ビード幅が裏表とも均一で且つビードの波形の間隔が等間隔に形成されて高品質の安定した溶接を行える。
（２）本発明の請求項1の狭窄ノズルは、シールドガスを高速整流ガスにして流すと共に、高速溶接が可能となるため、溶接時にシールドガスが風の影響を受けることがなく、また、熱影響部の急熱・急冷によって結晶の粗大化を抑止し、溶接金属の曲げ延性も向上する。
（３）本発明の請求項1の狭窄ノズルは、高速のプラズマ気流により溶融金属内に発生する金属蒸気（不純物）の溶融金属への再付着・混入を防止でき、高品質な溶接を行える。
（４）本発明の請求項1の狭窄ノズルは、ノズル本体によりシールドガスを絞って高速整流ガスとして放出しているため、シールドガスの使用量が少なくて済み、コストの低減を図れる。
（５）本発明の請求項１の狭窄ノズルは、ノズル本体の内周面にタングステン電極棒をノズル本体の中心位置に保持する複数の位置決め用突条を突出形成しているため、タングステン電極棒の交換時にタングステン電極棒を元の位置（狭窄ノズルの中心位置）に正確且つ確実にセットすることができ、タングステン電極棒の取り付け位置の再現性を向上できて作業性も良くなる。

本発明の請求項２〜請求項４の狭窄ノズルは、上記効果に加えて更に次のような効果を奏することができる。
即ち、本発明の請求項２の狭窄ノズルは、位置決め用突条及びガス整流溝をノズル本体の先端から離れた位置に形成し、また、ノズル本体の先端と位置決め用突条及びガス整流溝との間に位置する高速ガス通路の内径を位置決め用突条及びガス整流溝の上流側の高速ガス通路の内径よりも大きく形成しているため、ガス整流溝を通過した高速整流ガスの流れが高速ガス通路の下流側部分で安定化し、乱流の発生が防止される。
その結果、高品質の安定した溶接を確実且つ良好に行える。

また、本発明の請求項３の発明は、各ガス整流溝を、ノズル本体の先端開口から高速整流ガスをアークの周囲に均等に流すべくノズル本体の内周面に配置する構成としているため、タングステン電極棒側から母材側へ向って流れるプラズマ気流が均等に流れることになり、真円度の高い横断面形状が円形のアークを形成することができ、溶接中のアークが安定することになる。

更に、本発明の請求項４の発明は、各ガス整流溝を、ノズル本体の先端開口から高速整流ガスをアークの周囲の相対する位置に多く流すべくノズル本体の内周面に配置する構成としているため、横断面形状が楕円形状で且つエネルギー密度の高いアークを形成することができる。
このように、横断面形状が楕円形状のアークを形成した場合、予熱効果が上がって溶け込みが大きくなると共に、裏波も出易くなる。

本発明の請求項５のＴＩＧ溶接用トーチは、上記した狭窄ノズルを備えているため、上述した各効果を奏することができる。
しかも、このＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズルからアークの周囲に流す高速整流ガスとその外側にシールドノズルから流す層流化したシールドガスとにより二重にシールするようになっているため、シールド効果が高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができ、表面ビードの酸化皮膜が少なく、ビード表面に光沢のある溶接を行えると共に、タングステン電極棒の寿命が長くなる。

また、本発明の請求項６のＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズルをガスレンズの先端面中央位置に着脱自在に取り付ける構成としているため、狭窄ノズルが焼損したり、或いはタングステン電極棒を直径の異なるタングステン電極棒に交換したりする場合でも、狭窄ノズルを簡単に交換することができ、至極便利である。

本発明の第１の実施形態に係る狭窄ノズルを用いたＴＩＧ溶接用トーチの外観形状を示し、（Ａ）はＴＩＧ溶接用トーチの正面図、（Ｂ）はＴＩＧ溶接用トーチの側面図である。同じくＴＩＧ溶接用トーチの縦断面図である。同じくＴＩＧ溶接用トーチの要部の拡大縦断面図である。図３のイ−イ線断面図である。狭窄ノズルの拡大縦断面図である。図５のロ−ロ線断面図である。アークに作用する力を示す説明図である。従来の狭窄ノズルを用いたＴＩＧ溶接用トーチと本発明の狭窄ノズルを用いたＴＩＧ溶接用トーチを使用して同じ溶接条件下でステンレス鋼板を突合せ溶接し、その溶接部分をエリクセン試験したものであり、（Ａ）は従来の狭窄ノズルを用いて溶接したステンレス鋼板の溶接部分の拡大斜視図、（Ｂ）は本発明の狭窄ノズルを用いて溶接したステンレス鋼板の溶接部分の拡大斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る狭窄ノズルを用いたＴＩＧ溶接用トーチの要部の拡大縦断面図である。図９のハ−ハ線断面図である。図９及び図１０に示す狭窄ノズルの原理を示す説明図であり、（Ａ）は強いプラズマ気流が流れている状態の説明図、（Ｂ）は弱いプラズマ気流が流れている状態の説明図、（Ｃ）は図９及び図１０に示す狭窄ノズルを用いた場合のアークの横断面形状を示す説明図である。シールドノズルのみを用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチの要部の拡大縦断面図である。シールドノズル及び従来の狭窄ノズル用いたＴＩＧ溶接用トーチの要部の拡大縦断面図である。

図１〜図６は本発明の第１の実施形態に係る狭窄ノズル及びこれを用いたＴＩＧ溶接用トーチを示し、当該ＴＩＧ溶接用トーチは、主にステンレス鋼板や電磁鋼板等の金属薄板の端部同士を突合せ溶接する際に用いるものであり、内部にアルゴンガスやヘリウム等のシールドガスＧを通す筒状のトーチボディ１と、トーチボディ１内へ上方側から上下動自在且つ回転自在にねじ込み挿着され、タングステン電極棒２を着脱自在に保持する電極コレット３と、電極コレット３の上端部に取り付けられ、電極コレット３を正逆回転させてトーチボディ１に対して上下動させるコレットハンドル４と、トーチボディ１の下端部に着脱自在に取り付けられ、トーチボディ１の内部を通して流入して来たシールドガスＧを均質拡散させて層流化するガスレンズ５と、ガスレンズ５又はトーチボディ１にタングステン電極棒２の先端部を囲繞する状態で着脱自在に取り付けられ、ガスレンズ５により層流化されたシールドガスＧをアークａの周囲に放出する筒状のシールドノズル６と、タングステン電極棒２の先端部周囲に配設された狭窄ノズル７とから構成されている。

尚、図１及び図２に於いて、８はトーチボディ１の上端部外周面に形成され、電極コレット３の昇降量を示すネジ目盛、９はコレットハンドル４の下端部外周面に形成され、コレットハンドル４の回転量を示すネジ目盛、１０はトーチボディ１に設けられ、電極コレット３に適宜の回動抵抗を与えて電極コレット３を調整位置に保持する加圧調整ネジ、１１はトーチボディ１に固定された電極・メインガス管接続金具、１２はトーチボディ１とコレットハンドル４との間をシールするＯリング、１３はトーチボディ１とガスレンズ５との間に介設したガスシール用のゴムリング、１４はトーチボディ１とシールドノズル６との間に介設したプラスチック製の調整リングである。

前記トーチボディ１は、図１及び図２に示す如く、アルミ合金等の金属材により形成された角筒部及び角筒部の上端に連設された円筒部とから成り、角筒部の周壁には、電極・メインガス管接続金具１１と加圧調整ネジ１０が挿入固定されている。
また、トーチボディ１の上端部開口の内周面には、タングステン電極棒２を保持する電極コレット３が上下動自在に螺挿される雌ネジ１ａが形成され、トーチボディ１の下端部開口の内周面には、シールドガスＧを層流化するガスレンズ５が着脱自在に螺着される雌ネジ１ｂが形成されている。
尚、電極・メインガス管接続金具１１には、図示していないが、メインガス供給管及びパワーケーブルがそれぞれ接続されている。

前記電極コレット３は、図２に示す如く、先端部に半割り状のチャック部を備えた細長い筒状に形成され、外周面の一部にトーチボディ１の上端部側の雌ネジ１ａに上下動自在に螺着される雄ネジ３ａを形成した銅製のコレット本体３′と、コレット本体３′のチャック部に着脱自在に螺着され、チャック部を締め付けてコレット本体３′に挿通されたタングステン電極棒２を固定する銅製の筒状の固定具３″とから構成されている。
この電極コレット３は、トーチボディ１内へ上方側から螺挿されており、コレット本体３′の上端部に固定したコレットハンドル４を回転させることによりトーチボディ１内で上下動するようになっている。

前記ガスレンズ５は、トーチボディ１の下端部に着脱自在に取り付けられる銅材製の筒状構造のホルダー５′と、ホルダー５′に取り付けた金属製のフィルター５″とから成る。

具体的には、ホルダー５′は、図２及び図３に示す如く、中心部にガス通路５ａを形成した筒状体に形成されており、上端部外周面には、トーチボディ１の下端部側の雌ネジ１ｂに着脱自在に螺着される雄ネジ５ｂが形成され、また、下端部には、外周面にシールドノズル６が着脱自在に螺着される雄ネジ５ｃを形成した筒状の保持筒部５ｄと、保持筒部５ｄの中心に位置してその内周面に狭窄ノズル７が着脱自在に螺着される雌ネジ５ｅを形成した支持筒部５ｆとがそれぞれ形成されている。
更に、ホルダー５′の保持筒部５ｄと支持筒部５ｆとの間の空間は、環状のガス室５ｇとなっており、支持筒部５ｆの基端部近傍に形成した複数のガス流通孔５ｈ及びホルダー５′のガス通路５ａを介してトーチボディ１内に連通されている。

一方、フィルター５″は、環状に打ち抜かれた金網を複数枚積層することにより形成されており、その内周縁部をホルダー５′の支持筒部５ｆに、また、その外周縁部をホルダー５′の保持筒部５ｄに嵌め込むことによりホルダー５′に取り付けられている。
このフィルター５″には、６００メッシュのステンレス鋼製の金網３枚と３００メッシュのステンレス鋼製の金網２枚を組み合せたものが使用されている。

前記シールドノズル６は、図２及び図３に示す如く、セラッミク材により先端部が絞られた筒状に形成されており、その内周面の一部には、ガスレンズ５の保持筒部５ｄの雄ネジ５ｃに着脱自在に螺着される雌ネジ６ａが形成されている。
このシールドノズル６は、その雌ネジ６ａをガスレンズ５の保持筒部５ｄの雄ネジ５ｃにねじ込むことによりガスレンズ５の外周面に取り付けられており、ガスレンズ５のフィルター５″を通過して層流化されたシールドガスＧをタングステン電極棒２の先端部周囲に放出するようになっている。

前記狭窄ノズル７は、図２及び図３に示す如く、タングステン電極棒２の先端部周囲に配設されてタングステン電極棒２の先端部との間に環状の高速ガス通路７ｄを形成するものであり、トーチボディ１内からガスレンズ５のホルダー５′のガス通路５ａ内に流れるシールドガスＧの一部を前記高速ガス通路７ｄ内に流してシールドノズル６から狭窄ノズル７の周囲に流れる層流化したシールドガスＧよりも速い高速整流ガスＧ３とし、当該高速整流ガスＧ３をアークａの周囲に流すようにしたものである。

即ち、前記狭窄ノズル７は、電導性及び強度性等に優れた銅材（ベリリウム銅）により筒状体に形成されており、図２〜図６に示す如く、タングステン電極棒２の先端部周囲にタングステン電極棒２と同心状に配置され、タングステン電極棒２の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路７ｄを形成する筒状のノズル本体７ａと、ノズル本体７ａの内周面に円周方向へ所定の間隔をおいて突出形成され、タングステン電極棒２をノズル本体７ａの中心位置に保持するノズル本体７ａの長手方向に沿う複数の位置決め用突条７ｂと、複数の位置決め用突条７ｂ間に形成され、ノズル本体７ａの長手方向に平行に延びて高速ガス通路７ｄ内を流れるシールドガスＧを整流化する複数のガス整流溝７ｃとから成る。

具体的には、ノズル本体７ａは、先端部（下端部）外周面が先細り状に形成されており、その基端部（上端部）外周面には、ガスレンズ５のホルダー５′の支持筒部５ｆに着脱自在に螺着される雄ネジ７ｅが形成されている。
このノズル本体７ａは、その雄ネジ７ｅを支持筒部５ｆにねじ込むことによりガスレンズ５の先端面中央位置に取り付けられる。このとき、ノズル本体７ａは、タングステン電極棒２の先端部周囲にタングステン電極棒２及びシールドノズル６と同心状に配置されてタングステン電極棒２の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路７ｄを形成する。

また、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃは、それぞれノズル本体７ａの内周面の円周方向へ等角度ごとに配置されており、ノズル本体７ａの先端開口から高速整流ガスＧ３をアークａの周囲に均等に流せるようになっている。

更に、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃは、ノズル本体７ａの先端から離れた位置に形成され、また、ノズル本体７ａの先端と位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃとの間に位置する高速ガス通路７ｄの内径は、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃの上流側の高速ガス通路７ｄの内径よりも大きく形成されている。
その結果、高速ガス通路７ｄ内に流入したシールドガスＧは、ガス整流溝７ｃを通過して整流化されて高速整流ガスＧ３となり、高速ガス通路７ｄの下流側部分で安定化してからノズル本体７ａの先端開口から放出されることになる。

尚、この実施の形態に於いては、使用するタングステン電極棒２の直径は、１．６ｍｍに設定されている。
また、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃは、図４及び図６に示す如く、ノズル本体７ａの内周面に６０°ごとに六つずつ形成されており、位置決め用突条７ｂの横断面形状は、位置決め用突条７ｂの頂面が円弧状になったほぼ台形状に形成されていると共に、ガス整流溝７ｃの横断面形状は、Ｕ字状に形成されている。
更に、狭窄ノズル７の全長は１８ｍｍに、直径の最も大きい部分の外径は６ｍｍに、ノズル本体７ａの基端部側の内径は２．７ｍｍに、ノズル本体７ａの先端部側の内径は３．０ｍｍに、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃの長さは約２ｍｍに、ガス整流溝７ｃの幅は０．５ｍｍに、ガス整流溝７ｃの深さは０．７５ｍｍに、対向する二つの位置決め用突条７ｂ間の差し渡し距離は１．７ｍｍに、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃの形成位置はノズル本体７ａの先端から３ｍｍの位置になるようにそれぞれ設定されている。
そして、対向する二つの位置決め用突条７ｂ間の差し渡し距離は、タングステン電極棒２を摺動自在に保持できるようにタングステン電極棒２の外径よりも０．１ｍｍ大きめに設定されている。

次に、上述した狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチの作用について説明する。
先ず、タングステン電極棒２を保持固定した電極コレット３をトーチボディ１内に挿着し、タングステン電極棒２の円錐状の先端が狭窄ノズル７の先端から僅かに突出した状態になるようにタングステン電極棒２の突出長さを設定する。

次に、セッティングされた被溶接物である母材ＷをＴＩＧ溶接用トーチのタングステン電極棒２の下方へ位置させるか、或いはＴＩＧ溶接用トーチを保持する保持装置（図示省略）を調整してタングステン電極棒２の先端を母材Ｗの溶接個所近傍へ位置させた後、コレットハンドル４を回転操作してタングステン電極棒２の先端と母材Ｗとの距離を設定値に調整する。

尚、溶接電流、アークａの長さ、溶接速度、シールドガスＧの供給量、タングステン電極棒２の先端形状等の溶接条件は、母材Ｗの材質、板厚等に応じて最適の条件下に設定されていることは勿論である。

ＴＩＧ溶接用トーチ及び母材Ｗのセッティングが終了すれば、ＴＩＧ溶接用トーチのシールドノズル６及び狭窄ノズル７からアルゴンガス等のシールドガスＧを母材Ｗへ向って流しつつ、電源（図示省略）を操作してタングステン電極棒２と母材Ｗとの間に電圧を印加してシールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒２の先端と母材Ｗとの間にアークａを発生させる。
この実施の形態では、前記溶接は、電源に直流を使用し、タングステン電極棒２を直流溶接機の負極に接続して溶接を行う正極性（棒マイナス）となっている。

トーチボディ１内へ供給されたシールドガスＧは、ガスレンズ５のホルダー５′のガス通路５ａ内を流下し、その一部が複数のガス流通孔５ｈから環状のガス室５ｇ内に流入し、また、残りがガス通路５ａから狭窄ノズル７の高速ガス通路７ｄ内に流入する。

環状のガス室５ｇに流入したシールドガスＧは、フィルター５″を通過して均質拡散され、層流ガスＧ１となってシールドノズル６からアークａの周囲に放出される。
また、高速ガス通路７ｄに流入したシールドガスＧは、その速度を増して高速ガスＧ２となると共に、複数のガス整流溝７ｃを通過することにより整流され、高速整流ガスＧ３となってノズル本体７ａの先端開口からアークａの周囲に放出される。

尚、ガス整流溝７ｃを通過した高速整流ガスＧ３は、位置決め用突条７ｂ及び複数のガス整流溝７ｃがノズル本体７ａの先端から離れた位置に形成されているため、高速ガス通路７ｄの下流側部分で安定化し、安定した状態でノズル本体７ａの先端開口から放出される。

そして、タングステン電極棒２の先端と母材Ｗとの間に発生したアークａは、図７に示す如く、タングステン電極棒２から母材Ｗへ向って広がっているため、アークａの内部圧力はタングステン電極棒２の方が母材Ｗよりも高くなっている。
その結果、シールドガスＧの一部がアークａ内に引き込まれ、プラズマ気流Ｐと呼ばれる高速のガス流が発生する。このプラズマ気流Ｐは、母材Ｗの溶け込み形成に大きく影響し、また、アークａの指向性及び硬直性（アークａがその形状を保持する性質）にも影響を与えるものであり、その速度が速くなればなる程、アークａの指向性及び硬直性を高めることができる。
また、発生したアークａは、狭窄ノズル７から放出される高速整流ガスＧ３によるサーマルピンチ効果により絞られてエネルギー密度の高い安定したアークａとなる。

安定したアークａが発生したら、ＴＩＧ溶接用トーチを所定の速度で母材Ｗの溶接個所に沿って走行移動させる。そうすると、タングステン電極棒２の先端と母材Ｗとの間に発生したアークａの熱によって母材Ｗの溶接個所が溶融して接合される。

上述した狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズル７によりシールドガスＧの一部をシールドノズル６から放出される層流化したシールドガスＧよりも速い高速整流ガスＧ３とし、この高速整流ガスＧ３をアークａの周囲に流す構成としているため、タングステン電極棒２側から被溶接物である母材Ｗ側へ向って流れるプラズマ気流Ｐの速さが従来の速さ（約１００ｍ／ｓｅｃ）の２倍〜３倍の速さ（約２００〜３００ｍ／ｓｅｃ）に達する。また、アークａに作用する磁界及び中心軸方向の電磁力が強化され、アークａのエネルギー密度、アークａの指向性及び硬直性をそれぞれ高めることができ、安定したアークａが得られる。
その結果、前記ＴＩＧ溶接用トーチを使用すれば、溶接速度を従来の溶接速度に比較して５倍〜２０倍速い溶接速度（１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜７０００ｍｍ／ｍｉｎ）とすることができて高速溶接を行えるうえ、ビード幅が裏表とも均一で且つビードの波形の間隔が等間隔で形成されて高品質の安定した溶接を行える。

また、前記ＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズル７からシールドガスＧを高速整流ガスＧ３にして流すと共に、高速溶接が可能となるため、溶接時にシールドガスＧが風の影響を受けることがなく、熱影響部の急熱・急冷によって結晶の粗大化を抑止し、溶接金属の曲げ延性も向上する。
更に、このＴＩＧ溶接用トーチは、高速のプラズマ気流Ｐにより溶融金属内に発生する金属蒸気（不純物）の溶融金属への再付着・混入を防止でき、高品質な溶接を行える。
そのうえ、このＴＩＧ溶接用トーチは、アークａの周囲に流す高速整流ガスＧ３とその外側に流す層流化したシールドガスＧとにより二重にシールするようになっているため、シールド効果が高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができ、表面ビードの酸化皮膜が少なく、ビード表面に光沢のある溶接を行えると共に、タングステン電極棒２の寿命が長くなる。
加えて、このＴＩＧ溶接用トーチは、狭窄ノズル７によりシールドガスＧを絞って高速整流ガスＧ３として放出しているため、シールドガスＧの使用量が少なくて済み、コストの低減を図れる。
また、このＴＩＧ溶接用トーチは、位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃをそれぞれノズル本体７ａの内周面の円周方向へ等角度ごとに配置し、ノズル本体７ａの先端から高速整流ガスＧ３をアークａの周囲に均等に流す構成としているため、タングステン電極棒２から母材Ｗ側へ向って流れるプラズマ気流Ｐが均等に流れることになり、真円度の高い横断面形状が円形のアークａを形成することができ、溶接中のアークａが安定することになる。

下記の表１は冒頭で述べたシールドノズル２３のみを用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチと、シールドノズル２３及び狭窄ノズル２５を用いた従来のＴＩＧ溶接用トーチと、本発明の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチの効果を比較した表である。
表１からも明らかなように、本発明の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチは、アークａの指向性、溶接速度、シールド効果、溶接品質等に於いて何れも従来のシールドノズル２３や狭窄ノズル２５を用いたＴＩＧ溶接用トーチに比較して全ての面で優れた効果を発揮することができる。

また、図８は従来の狭窄ノズル２５を用いたＴＩＧ溶接用トーチと本発明の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチとを使用して同じ溶接条件下でステンレス鋼板を突合せ溶接し、その溶接部分をエリクセン試験したものであり、図８の（Ａ）は従来の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチを使用して突合せ溶接したステンレス鋼板の溶接部を示し、また、（Ｂ）は本発明の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチを使用して突合せ溶接したステンレス鋼板の溶接部を示すものである。
図８の写真から明らかなように、従来の狭窄ノズル２５を用いたＴＩＧ溶接用トーチに於いては、溶接部に亀裂が生じているが、本発明の狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチに於いては、亀裂が生じておらず、従来のものよりも強度的に優れた突合せ溶接を行えることが判る。

更に、図９及び図１０は本発明の第２の実施形態に係る狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチの要部を示し、当該狭窄ノズル７は、各ガス整流溝７ｃを、ノズル本体７ａの先端開口から高速整流ガスＧ３をアークａの周囲の相対する位置に多く流せるようにノズル本体７ａの内周面に配置したものである。

即ち、この狭窄ノズル７は、図１０に示す如く、二つの位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃをそれぞれノズル本体７ａの内周面の円周方向へ１８０°ごとに配置し、ノズル本体７ａの先端から高速整流ガスＧ３をアークａの周囲の相対する位置に多く流し、その他の個所には高速整流ガスＧ３を少なめに流す構成としたものである。

前記狭窄ノズル７を用いたＴＩＧ溶接用トーチは、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示す如く、アークａの円周方向に９０°ごとにプラズマ気流Ｐの強い個所と弱い個所が交互に形成されるため、横断面形状が楕円状で且つエネルギー密度の高いアークａを形成することができる。
このように、横断面形状が楕円状のアークａを形成した場合、予熱効果が上がって溶け込みが大きくなると共に、裏波も出易くなる。然も、電流を上げても良好な溶接を行える。

尚、狭窄ノズル７の位置決め用突条７ｂ及びガス整流溝７ｃの数、横断面形状、大きさ、位置関係等は、上記各実施の形態のものに限定されるものではなく、アークａの周囲に高速整流ガスＧ３を流すことができれば、その数、横断面形状、大きさ、位置関係等は、適宜変更可能であることは勿論である。

１はトーチボディ、２はタングステン電極棒、３は電極コレット、４はコレットハンドル、５はガスレンズ、６はシールドノズル、７は狭窄ノズル、７ａはノズル本体、７ｂは位置決め用突条、７ｃはガス整流溝、７ｄは高速ガス通路、ａはアーク、Ｇはシールドガス、Ｇ１は層流ガス、Ｇ２は高速ガス、Ｇ３は高速整流ガス、Ｗは母材。

Claims

トーチボディ（１）の先端部に配設したガスレンズ（５）によりトーチボディ（１）の内部を通って流入して来たシールドガス（Ｇ）を層流化すると共に、層流化したシールドガス（Ｇ）をトーチボディ（１）の先端部に配設した筒状のシールドノズル（６）から被溶接物である母材Ｗへ向って放出し、シールドガス（Ｇ）の雰囲気中でシールドノズル（６）の中心位置に配設したタングステン電極棒（２）と母材（Ｗ）との間にアーク（ａ）を発生させ、そのアーク（ａ）の熱で母材（Ｗ）を溶融するようにしたＴＩＧ溶接用トーチに取り付けられる狭窄ノズル（７）に於いて、前記狭窄ノズル（７）は、タングステン電極棒（２）の先端部周囲にタングステン電極棒（２）と同心状に配置され、タングステン電極棒（２）の先端部外周面との間に環状の高速ガス通路（７ｄ）を形成する筒状のノズル本体（７ａ）と、ノズル本体（７ａ）の内周面に円周方向へ所定の間隔をおいて突出形成され、タングステン電極棒（２）をノズル本体（７ａ）の中心位置に保持するノズル本体（７ａ）の長手方向に沿う複数の位置決め用突条（７ｂ）と、複数の位置決め用突条（７ｂ）間に形成され、ノズル本体（７ａ）の長手方向に平行に延びて高速ガス通路（７ｄ）内を流れるシールドガス（Ｇ）を整流化する複数のガス整流溝（７ｃ）とから成り、トーチボディ（１）から放出されるシールドガス（Ｇ）の一部を前記高速ガス通路（７ｄ）に流してシールドノズル（６）から放出される層流化したシールドガス（Ｇ）よりも速い高速整流ガス（Ｇ３）とし、当該高速整流ガス（Ｇ３）をノズル本体（７ａ）の先端開口からアーク（ａ）の周囲に流す構成としたことを特徴とする狭窄ノズル。
位置決め用突条（７ｂ）及びガス整流溝（７ｃ）をノズル本体（７ａ）の先端から離れた位置に形成し、また、ノズル本体（７ａ）の先端と位置決め用突条（７ｂ）及びガス整流溝（７ｃ）との間に位置する高速ガス通路（７ｄ）の内径を位置決め用突条（７ｂ）及びガス整流溝（７ｃ）の上流側の高速ガス通路（７ｄ）の内径よりも大きく形成し、ガス整流溝（７ｃ）を通過した高速整流ガス（Ｇ３）の流れを高速ガス通路（７ｄ）の下流側部分で安定化するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の狭窄ノズル。
各ガス整流溝（７ｃ）を、ノズル本体（７ａ）の先端開口から高速整流ガス（Ｇ３）をアーク（ａ）の周囲に均等に流すべくノズル本体（７ａ）の内周面に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の狭窄ノズル。
各ガス整流溝（７ｃ）を、ノズル本体（７ａ）の先端開口から高速整流ガス（Ｇ３）をアーク（ａ）の周囲の相対する位置に多く流すべくノズル本体（７ａ）の内周面に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の狭窄ノズル。
筒状のトーチボディ（１）と、トーチボディ（１）内へ上下動自在且つ回転自在にねじ込み挿着され、タングステン電極棒２を着脱自在に保持する電極コレット（３）と、電極コレット（３）の上端部に取り付けられ、電極コレット（３）を正逆回転させてトーチボディ（１）に対して上下動させるコレットハンドル（４）と、トーチボディ（１）の下端部に着脱自在に取り付けられ、トーチボディ（１）の内部を通して流入して来たシールドガス（Ｇ）を均質拡散させて層流化するガスレンズ５と、ガスレンズ（５）又はトーチボディ（１）にタングステン電極棒（２）の先端部を囲繞する状態で着脱自在に取り付けられ、ガスレンズ５により層流化されたシールドガス（Ｇ）をアーク（ａ）の周囲に放出する筒状のシールドノズル（６）と、タングステン電極棒（２）の先端部周囲に配設された請求項１〜請求項４に記載の何れかの狭窄ノズル（７）とから構成したことを特徴とするＴＩＧ溶接用トーチ。
狭窄ノズル（７）をガスレンズ（５）の先端面中央位置に着脱自在に取り付ける構成としたことを特徴とする請求項５に記載のＴＩＧ溶接用トーチ。