JP2015174141A - 溶接トーチおよび全姿勢溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さを薄くすることができる溶接トーチを提供する。【解決手段】溶接トーチ３は、非消耗電極５と、非消耗電極５を保持するコレット７と、コレット７が取り付けられたトーチ本体４を含む。コレット７の先端には、スリットが形成されている。トーチ本体４は、コレット７に貫通される天井壁４２、ならびに天井壁４２およびコレット７に面するシールドガス空間４４を取り囲む胴部４１、を有する。コレットの外周面にはネジ山７３が形成されており、天井壁４２にはネジ山７３と螺合するネジ穴４３が形成されている。胴部４１には、シールドガス空間４４を閉塞するように、単一の金属ブロックからなる多孔質リング６が接合されている。多孔質リング６は、コレット７の先端と当接するテーパー状の内周面を有している。【選択図】図４

Description

本発明は、チューブ同士の突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置に好適な溶接トーチ、およびこの溶接トーチを備えた全姿勢溶接装置に関する。

従来より、チューブ同士の突合せ溶接を自動的に行う全姿勢溶接装置が知られている。このような全姿勢溶接装置は、例えば、ボイラパネルなどの、チューブが狭いピッチで配列される装置の製造に用いられる。

例えば、特許文献１には、図８（ａ）および（ｂ）に示すような、全姿勢溶接装置に用いられる溶接トーチ１００が開示されている。この溶接トーチ１００は、非消耗電極１２０を支持する板状のトーチ本体１１０と、トーチ本体１１０のワーク（チューブ）側の表面に重ね合わされたセラミック板１３０を含む。

具体的に、トーチ本体１１０は、非消耗電極１２０に挿通される筒状の支持部１１１を有しており、この支持部１１１の周囲にシールドガス空間１１２が形成されている。シールドガス空間１１２は非消耗電極１２０の軸方向の一方（先端側）に開口しており、この開口を覆うように金網板１５０が配置されている。金網板１５０の周縁部は、トーチ本体１１０とセラミック板１３０とに挟持されている。

また、トーチ本体１１０には、当該トーチ本体１１０の端面に開口するネジ穴１１３が設けられている。ネジ穴１１３には、非消耗電極１２０を固定するための止めネジ１４０が螺合しており、非消耗電極１２０が止めネジ１４０によって支持部１１１の内周面に押し付けられている。

特開２００６−１３６９３８号公報

しかしながら、図８（ａ）および（ｂ）に示す溶接トーチ１００では、トーチ本体１１０の厚さが、止めネジ１４０と螺合するネジ穴１１３の直径よりも十分に厚い必要がある。従って、溶接トーチ１００の厚さを薄くすることが困難である。

そこで、本発明は、厚さを薄くすることができる溶接トーチ、およびこの溶接トーチを備えた全姿勢溶接装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の溶接トーチは、非消耗電極と、前記非消耗電極が挿入される、先端にスリットが形成されたコレットと、前記コレットに貫通される天井壁、ならびに前記天井壁および前記コレットに面するシールドガス空間を取り囲む胴部、を含むトーチ本体と、前記シールドガス空間を閉塞するように前記トーチ本体の胴部に接合された、単一の金属ブロックからなる多孔質リングであって、前記コレットの先端と当接するテーパー状の内周面を有する多孔質リングと、を備え、前記コレットの外周面にはネジ山が形成されており、前記天井壁には前記ネジ山と螺合するネジ穴が形成されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、コレットに非消耗電極を挿入した状態でコレットをネジ穴にねじ込めば、コレットの先端が多孔質リングの内周面によって縮径されて非消耗電極がコレットに保持される。すなわち、単一の金属ブロックからなる高剛性の多孔質リングを利用してコレットの先端を縮径することができる。しかも、非消耗電極を固定するための螺合構造の軸方向が非消耗電極の軸方向と同じであるため、トーチ本体の厚さはシールドガス空間の形成に必要な程度であればよい。これにより、溶接トーチの厚さを薄くすることができる。さらには、多孔質リングはシールドガス空間から排出されるシールドガスを層流化する作用がある。従って、非消耗電極の軸方向におけるシールドガス空間に必要な高さが小さくなり、溶接トーチの厚さをよりいっそう薄くすることができる。

前記多孔質リングは、３Ｄプリンタにより前記トーチ本体に一体的に形成されていてもよい。この構成によれば、トーチ本体と多孔質リングの間から層流化されていないシールドガスが漏れ出すことがないため、シールドガスの安定した供給が可能になる。

前記多孔質リングは、前記非消耗電極の先端側に曲率中心を有するように二次元的または三次元的に湾曲していてもよい。この構成によれば、多孔質リングを通過した後のシールドガスを非消耗電極の先端に向けて集約することができる。

例えば、前記多孔質リングの空隙率は３０〜６０％であり、厚さは２〜６ｍｍであってもよい。

また、本発明の全姿勢溶接装置は、チューブ同士の突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置であって、上記の溶接トーチと、前記溶接トーチを前記チューブの回りに回転させる回転機構と、を備える、ことを特徴とする。

ここで、「全姿勢」とは、チューブの軸方向が水平方向であって、溶接姿勢が下向き、横向き、上向きと変化しながら溶接位置が周回する場合だけでなく、チューブの軸方向が鉛直方向であって、溶接姿勢が横向きのままで溶接位置が周回する場合を含む概念である。

本発明によれば、溶接トーチの厚さを薄くすることができる。従って、本発明の溶接トーチを用いれば、チューブ同士の隙間がいっそう狭い場合でも全姿勢溶接装置を使用してチューブ同士の突合せ溶接を自動的かつ高品質に行うことができる。

は本発明の一実施形態に係る溶接トーチが装備された全姿勢溶接装置の正面図である。 図１に示す全姿勢溶接装置の側面図である。 前記溶接トーチの平面図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 多孔質リングおよびコレットの分解断面図である。 変形例の溶接トーチの断面図である。 別の変形例の溶接トーチの断面図である。 （ａ）は従来の溶接トーチの平面図、（ｂ）は（ａ）のVIII−VIII線に沿った断面図である。

図１および図２に、本発明の一実施形態に係る溶接トーチ３が装備された全姿勢溶接装置１を示す。この溶接装置１は、チューブ１０同士の突合せ溶接を自動的に行うものである。溶接は、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接である。

具体的に、溶接装置１は、溶接トーチ３と、溶接トーチ３をチューブ１０の回りに回転させる回転機構２を含む。また、溶接装置１は、溶接トーチ３を三次元的に移動させる３つの直動機構（第一直動機構１２、第二直動機構１４および第三直動機構１６）を含む。第一直動機構１２は溶接トーチ３をチューブ１０の軸方向（例えば、水平方向）に移動し、第二直動機構１４および第三直動機構１６は溶接トーチ３をチューブ１０の軸方向と直交する面上の互いに直交する方向（例えば、水平方向および鉛直方向）に移動する。

ただし、溶接トーチ３を三次元的に移動させるには、必ずしも３つの直動機構を用いる必要はない。例えば、第二直動機構１４および第三直動機構１６に代えて、溶接トーチ３と共に回転する後述する回転部材２１に対して溶接トーチ３をチューブ１０の径方向に移動する径方向移動機構が採用されてもよい。あるいは、溶接トーチ３は、必ずしも三次元的に移動させられる必要はなく、チューブ１０の軸方向と直交する面上で二次元的に移動させられてもよい。

第一直動機構１２は、チューブ１０の軸方向と平行なベースプレート１１に取り付けられている。ベースプレート１１には、チューブ１０をクランプするクランプ機構１８が設けられている。第二直動機構１４は、取付座１３を介して第一直動機構１２の可動部に固定され、第三直動機構１６は、取付座１５を介して第二直動機構１４の可動部に固定されている。なお、第一乃至第三直動機構１２，１４，１６の位置が相互に入れ替え可能であることは言うまでもない。

回転機構２は、チューブ１０の軸方向と直交する板状のテーブル２０を含む。テーブル２０は、取付座１７を介して第三直動機構１６の可動部に固定されている。テーブル２０には、チューブ１０が嵌まり込み可能な略Ｕ字状の回転部材２１が回転可能に支持されている。また、テーブル２０にも、チューブ１０が嵌まり込み可能な切欠き２０ａが形成されている。

回転部材２１は、チューブ１０の軸方向から見たときに円弧状の外周面を有しており、この外周面には、外歯が形成されている。テーブル２０には、モータ２６が取り付けられているとともに、ギア列が支持されている。ギア列は、モータ２６の出力軸に固定された駆動ギア２５から回転部材２１へトルクを伝達する。なお、図２では、図面の簡略化のためにギア列およびモータ２６の作図を省略している。

上記のギア列は、駆動ギア２５と噛み合う大径の第一従動ギア２４と、第一従動ギア２４と噛み合う一対の第二従動ギア２３と、第二従動ギア２３および回転部材２１と噛み合う一対の第三従動ギア２２を含む。このような構成により、回転部材２１の開口部が一方の第三従動ギア２２に差し掛かったとしても、他方の第三従動ギア２２により回転部材２１にトルクが伝達される。

溶接トーチ３は、例えば、回転部材２１の中央に、チューブ１０の軸方向に突出するように固定される。溶接トーチ３は、チューブ１０の径方向と直交する板状のトーチ本体４と、コレット７を介してトーチ本体４に支持された非消耗電極５を含む。非消耗電極５は、トーチ本体４からチューブ１０に向かって突出している。

非消耗電極５は、チューブ１０における溶接部位との間にアークを発生させるためのものである。ここで、溶接部位とは、例えば、チューブ１０同士の接合部に開先が取られていて何層も溶接層を形成する場合には、一層目では開先の底部であり、二層目以降では、前回の層のことである。そして、非消耗電極５と溶接部位との間には、図略のワイヤ供給装置から溶接ワイヤ（図示せず）が供給される。

溶接トーチ３は、回転機構２によりチューブ１０の回りに回転させられながら、上述した第一乃至第三直動機構１２，１４，１６により所定の軌道に沿って移動させられる。このとき、溶接トーチ３の位置は、非消耗電極５から溶接部位までの距離が所定値となるように第一乃至第三直動機構１２，１４，１６により微調整される。

次に、図３および図４を参照して、溶接トーチ３の構成を詳細に説明する。

本実施形態では、トーチ本体４が、チューブ１０の径方向から見たときに矩形状をなしており、その中心に非消耗電極５が配置されている。非消耗電極５は、コレット７に保持されており、コレット７は、トーチ本体４に取り付けられている。非消耗電極５は、チューブ１０の径方向に延びており、トーチ本体４は、非消耗電極５の軸方向と直交している。以下、説明の便宜上、図３および図４に示すように、非消耗電極５の軸方向を上下方向（先端側を下方、その反対側を上方）、チューブ１０の軸方向を前後方向、それらの二方向と直交する方向を左右方向という。

トーチ本体４は、チューブ１０に対向する第１主面４ａと、第１主面４ａと反対側を向く第２主面４ｂを有している。本実施形態では、第１主面４ａの全体が、チューブ１０の外周面に沿って湾曲している。一方、第２主面４ｂは、左右方向の中央部がフラットであり、左右方向の両端部のみが第１主面４ａと平行に湾曲している。また、本実施形態では、トーチ本体４の右側端面は下方から上方に向かって右方に傾斜しているが、その他の端面（前側、後側および右側端面）は上下方向に平行である。

より詳しくは、トーチ本体４は、第１主面４ａから上方に窪む円形状の凹部を形成する胴部４１および天井壁４２を含む。胴部４１の上部は天井壁４２の周縁部と連続している。すなわち、トーチ本体４の第２主面４ｂは胴部４２の上面および天井壁４１の上面で構成され、トーチ本体４の第１主面４ａは胴部４２の下面で構成されている。

天井壁４２は、その中心でコレット７に貫通されている。胴部４１は、天井壁４２の下面およびコレット７の外周面に面する環状のシールドガス空間４４を取り囲んでいる。シールドガス空間４４は、下方に開口している。

また、トーチ本体４（正確には、胴部４１）には、シールドガス空間４４から右側端面に延びる流路４５が形成されている。さらに、トーチ本体４の右側端面には、流路４５と連通するように継手８が接合されている。継手８には図略のホースが接続され、このホースを通じてシールドガス空間４４内にシールドガスが供給される。

本実施形態では、継手８が３Ｄプリンタによりトーチ本体４に一体的に形成されている。ただし、継手８が削り出しによりトーチ本体４に一体的に形成されていてもよい。あるいは、継手８は、必ずしもトーチ本体４に一体的に形成されている必要はなく、溶接または螺合構造によりトーチ本体４に接合されていてもよい。

また、本実施形態では、トーチ本体４が導電性の金属からなる。導電性の金属からなるトーチ本体４を３Ｄプリンタにより製作する場合には、原料として金属粉末を使用し、その金属粉末にレーザー光を照射すればよい。レーザー光の照射により、個々の金属粉末が溶融し、溶融した金属粉末同士が融合してソリッド構造が生み出される。金属粉末の材質は、例えば、銅および銅合金、鋼、ステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル合金などである。

コレット７は、非消耗電極５の軸方向と直交する六角形板状の頭部７１と、頭部７１から下向きに延びる筒状部７２を含む。筒状部７２内には、非消耗電極５が挿入される。筒状部７２の外周面には、ネジ山７３が形成されている。一方、トーチ本体４の天井壁４２の中心には、ネジ山７３と螺合するネジ穴４３が形成されている。なお、天井壁４２の中央部は、ネジ穴４３の長さを確保するために、下向きに膨らんでいて周縁部よりも厚くなっている。

また、筒状部７２の先端には、図５に示すように、スリット７５が形成されている。そして、コレット７は、筒状部７２内に非消耗電極５が挿入された状態で筒状部７２の先端が縮径されることによって、非消耗電極５を保持する。

さらに、本実施形態では、コレット７の先端とトーチ本体４の胴部４１の内周面との間に多孔質リング６が配置されている。多孔質リング６は、天井壁４２と対向するフラットな円盤状をなしており、シールドガス貯留室４２を閉塞している。多孔質リング６は、単一の金属ブロックからなり、トーチ本体４の胴部４１に接合されている。

本実施形態では、多孔質リング６が、３Ｄプリンタによりトーチ本体４に一体的に形成されている。ただし、多孔質リング６は、必ずしもトーチ本体４に一体的に形成されている必要はなく、例えば溶接によりトーチ本体４に接合されていてもよい。

多孔質リング６を３Ｄプリンタによりトーチ本体４に一体的に形成するには、例えば、原料として使用する金属粉末へのレーザー光の照射をパルス的に行えばよい。このようにすれば、金属粉末の全てが溶融せずに、個々の粉末が形状を維持したまま隣接する粉末と結合されるため、粉末同士の隙間によって多孔質を実現できる。あるいは、レーザー光の出力を変更して意図的にポロシティを形成してもよいし、成形が可能な最小ピッチのハニカム構造を用いてもよい。

多孔質リング６の空隙率は、３０〜６０％であることが好ましい。多孔質リング６の空隙率が３０％未満だと、シールドガスが多孔質リング６を通過するときの圧力損失が大きくなり過ぎ、６０％を超えると、多孔質リング６を通過した後のシールドガスの流れが層流になり難いからである。なお、空隙率は、見掛け体積および多孔質リング６の構成材料の真密度から求めることができる。多孔質リング６の空隙率は、より好ましくは３６〜４８％であり、さらに好ましくは４０〜４４％である。

また、多孔質リング６の厚さは、２〜６ｍｍであることが望ましい。多孔質リング６の厚さが２ｍｍ未満だと、多孔質リング６の強度が不十分となるおそれがあるとともに、シールドガスが層流になり難いからである。また、６ｍｍを超えると、多孔質リング６を収容するトーチ本体４の厚さが厚くなるとともに、圧力損失によりシールドガスが噴出し難くなる。多孔質リング６の厚さは、より好ましくは２〜４ｍｍであり、さらに好ましくは２〜３ｍｍである。

多孔質リング６は、図５に示すように、上向きに拡径するテーパー状の内周面６１を有している。そして、この内周面６１に、コレット７の筒状部７２の先端が当接している。なお、コレット７の筒状部７２の先端にも、内周面６１に面接触するように、テーパー面７４が形成されている。

以上説明したように、本実施形態の溶接トーチ３では、コレット７に非消耗電極５を挿入した状態でコレット７をネジ穴４３にねじ込めば、コレット７の先端が多孔質リング６の内周面６１によって縮径されて非消耗電極５がコレット７に保持される。すなわち、単一の金属ブロックからなる高剛性の多孔質リング６を利用してコレット７の先端を縮径することができる。しかも、非消耗電極５を固定するための螺合構造の軸方向が非消耗電極５の軸方向と同じであるため、トーチ本体４の厚さはシールドガス空間４４の形成に必要な程度であればよい。これにより、溶接トーチ３の厚さを薄くすることができる。さらには、多孔質リング６はシールドガス空間４４から排出されるシールドガスを層流化する作用がある。従って、非消耗電極５の軸方向におけるシールドガス空間４４に必要な高さが小さくなり、溶接トーチ１の厚さをよりいっそう薄くすることができる。

また、本実施形態では、多孔質リング６が、３Ｄプリンタによりトーチ本体４に一体的に形成されている。このため、トーチ本体４と多孔質リング６の間から層流化されていないシールドガスが漏れ出すことがないため、シールドガスの安定した供給が可能となり、高品質な溶接継手が得られる。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、コレット７は頭部７１を有さず、筒状部７２のみを有していてもよい。この場合、筒状部７２の外周面の上部に、例えば、スパナ係合用の一対の平行面が形成されてもよい。

また、例えば、トーチ本体４の胴部４１の高さが天井壁４２の上面から多孔質リングの上面までと薄く設定せれていてもよい。この場合、多孔質リング６の周囲に、当該多孔質リング６と一体的に枠が形成されており、この枠が胴部４１に皿ビスなどで固定されてもよい。

また、多孔質リング６は、必ずしもフラットな円盤状をなしている必要はなく、非消耗電極５の先端側に曲率中心を有するように湾曲していてもよい。例えば、多孔質リング６は、図６に示すように二次元的に湾曲していてもよいし、図７に示すように三次元的に湾曲していてもよい。これらの構成であれば、多孔質リング６を通過した後のシールドガスを非消耗電極５の先端に向けて集約することができる。多孔質リング６からは、多孔質リング６におけるチューブ１０側の表面の垂線方向にシールドガスが放出されるからである。

具体的に、図６に示す構成では、多孔質リング６が、トーチ本体４の第１主面４ａと連続面を構成するように左右方向に湾曲している。また、図７に示す構成では、多孔質リング６が球面状に湾曲している。

本発明の溶接トーチは、チューブが狭いピッチで配列される装置を製造する際に、特に有用である。

１ 全姿勢溶接装置
２ 回転機構
３ 溶接トーチ
４ トーチ本体
４１ 胴部
４２ 天井壁
４３ ネジ穴
４４ シールドガス空間
５ 非消耗電極
６ 多孔質リング
６１ 内周面
７ コレット
７３ ネジ山
７５ スリット
１０ チューブ

Claims (5)

1. 非消耗電極と、
   前記非消耗電極が挿入される、先端にスリットが形成されたコレットと、
   前記コレットに貫通される天井壁、ならびに前記天井壁および前記コレットに面するシールドガス空間を取り囲む胴部、を含むトーチ本体と、
   前記シールドガス空間を閉塞するように前記トーチ本体の胴部に接合された、単一の金属ブロックからなる多孔質リングであって、前記コレットの先端と当接するテーパー状の内周面を有する多孔質リングと、を備え、
   前記コレットの外周面にはネジ山が形成されており、前記天井壁には前記ネジ山と螺合するネジ穴が形成されている、溶接トーチ。
2. 前記多孔質リングは、３Ｄプリンタにより前記トーチ本体に一体的に形成されている、請求項１に記載の溶接トーチ。
3. 前記多孔質リングは、前記非消耗電極の先端側に曲率中心を有するように二次元的または三次元的に湾曲している、請求項１または２に記載の溶接トーチ。
4. 前記多孔質リングの空隙率は３０〜６０％であり、厚さは２〜６ｍｍである、請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接トーチ。
5. チューブ同士の突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置であって、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の溶接トーチと、
   前記溶接トーチを前記チューブの回りに回転させる回転機構と、を備える、全姿勢溶接装置。

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