JP2019181541A - プラズマ粉体肉盛のインサートチップ、粉体噴出ガイドおよびプラズマ粉体肉盛トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】 スタンドオフを短くして金属粉体ロスを少なくできしかも肉盛溶融プールの視認が容易になるプラズマ粉体肉盛トーチを提供する。【解決手段】 少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端にプラズマノズルがあり、該先端部分の外表面に、該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝、が設けられたインサートチップ、および、裁頭円錐形であって裁頭部にインサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して複数の溝の蓋をするチップキャップ、を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ。【選択図】 図２

Description

本発明は、粉体を用いて肉盛溶接を行うプラズマ粉体肉盛に関し、特に、トーチ先端部のインサートチップ、粉体噴出ガイドおよびプラズマ粉体肉盛トーチに関する。

プラズマアークを放出するインサートチップと外側チップの間に金属粉体を送給してそこで金属粉体をプラズマアークで溶かし外側チップのノズルを通じてプラズマアークとともに溶接面に噴射し溶融金属を金属表面に肉盛する、２重ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチが特許文献１に記載されている。外側チップのノズル近傍が高温になるので、外側チップのノズル周縁に冷却水を通す空間がある。

特許文献２には、インサートチップのノズルから噴射するプラズマアークに指向する金属粉体放出ノズルをインサートチップに設けてインサートチップ下端直下の外部空間でプラズマアークに金属粉体を注入する単一ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチが記載されている。インサートチップの内部への冷却水の循環と、インサートチップ下端周縁に噴き出すシールドガスによって、インサートチップが冷却される。特許文献３には、シールドガスによるインサートチップの冷却効果を高くするために、シールドキャップの内壁面に螺旋状のフィンを設けた単一ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチが記載されている。

特開昭６０−９２０８０号公報 特開平 １−２１８７７２号公報 特開平０７−２４１６８２号公報

プラズマ粉体肉盛トーチを用いる肉盛溶接では、トーチ先端と溶接対象材表面との距離（スタンドオフ）に制約がある。スタンドオフが短いと、プラズマアークが安定であるが、トーチ先端が邪魔になって溶接対象材表面の肉盛溶融プールの視認が難しい。特に、２重ノズル方式のトーチは外ノズルの水冷構造からトーチ下端幅が広いので溶融プールを視認し難い。粉体をノズル外から供給する単一ノズル方式のトーチでは、スタンドオフが短いと金属紛体流がプラズマアークに突入する前に溶接対象金属表面上の未溶融の金属及び溶融金属（肉盛金属）に当たってはじかれるので、金属粉体ロスが多くなる。視認性を良くするためにスタンドオフが長いと、プラズマアークが不安定になって肉盛品質が低下する。また、プラズマアークによる輻射熱が広範に広がり溶接作業環境が悪化する。

本発明は、スタンドオフを短くしても金属粉体ロスを少なくできしかも肉盛溶融プールの視認が容易になるインサートチップ、粉体噴出ガイドおよびそれを装備するプラズマ粉体肉盛トーチを提供することを目的とする。

（１）プラズマアークを発生する電極の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極が発生するプラズマアークを放出するプラズマノズルを持ち、プラズマ粉体肉盛トーチの先端部に装着されるインサートチップであって、
少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端に前記プラズマノズルがあり、該先端部分の外表面に、該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝、が設けられたことを特徴とするインサートチップ。

（２）前記複数の溝は、横断面がコの字型で溝底が平底である、上記（１）に記載のインサートチップ。

（３）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップと、裁頭円錐形であって裁頭部に前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝の蓋をする、前記プラズマ粉体肉盛トーチの先端部に装着されるチップキャップと、からなる粉体噴出ガイド。

（４）金属粉体とそれを搬送するキャリアガスを含む金属粉体流が送り込まれる粉体供給台、送り込まれた金属粉体流をトーチ下端部に案内する内部ガイドおよび該内部ガイドに固定された２重筒状の水路金具と、
プラズマアークを発生する電極の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極が発生するプラズマアークを放出するプラズマノズルを有し少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端に前記プラズマノズルがあり該先端部分の外表面に該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝、が設けられ前記水路金具の先端にねじ込まれたインサートチップと、
前記水路金具の中心位置に前記電極を位置決めするセンタリングストーンおよび前記電極を水路金具に固定するチャックと、
裁頭円錐形であって前記内部ガイドに固定されて該内部ガイドがトーチ下端部に案内した金属粉体流を前記インサートチップの前記太径部に案内し裁頭部に前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝の蓋をするチップキャップと、
トーチ内部に供給されるシールドガスを前記チップキャップの円錐外面に沿わせて前記インサートチップの前記先端面の下方に噴き出すシールドキャップと、
を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ。

（５）上記（４）のプラズマ粉体肉盛トーチは取手が付いたＴ形トーチである。

上記（１）によれば、インサートチップの先端部分の外表面に該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝を設けてこれらの溝から、プラズマノズルから出るプラズマアークに金属粉体流を当てるので、金属粉体流とノズルとの距離が短く、短い飛翔距離で金属粉体流がプラズマアークに交わる。したがってスタンドオフを短くしても、プラズマアークを外れる金属粉体ロスは多くならない。複数の溝のそれぞれとプラズマノズルとの間の水平距離が短いので、トーチ先端の水平方向の幅を小さく設計して、肉盛溶融プールの視認を容易にすることができる。トーチ先端幅が広いと肉盛溶融プールがトーチ先端で遮られて視認できないので、スタンドオフを長くしたいが、長くするとプラズマアークが長くなって不安定になりやすくまたプラズマアークの熱輻射が広がり作業環境が悪化する。

上記（２）及び（４）によれば、金属粉体流をプラズマノズル直下に案内する前記複数の溝は、横断面がコの字型で溝底が平底であるので、チップ外表面の切削によって丸穴を開ける場合よりも簡易に形成でき、しかも、平底であるので、溝の横断面積が丸穴形状にする場合よりも大きくできる。

上記（３）および（４）によれば、肉盛金属を運ぶガス流量(キャリアガス)の流量を多くすることが可能となる。手動肉盛の場合、トーチと粉体供給器（図示しない）は遠く離れる事が多く、遠くまで粉体を運ぶためにはキャリアガス流量を多くする必要がある。一方、キャリアガス流量を多くすると、プラズマアークと交差する金属粉体流の流速が大きくなり、プラズマアークを不安定にする。前記溝の断面積を大きくできることは、大流量でも粉体噴出部での金属紛体流の流速低下に有効である。前記複数の溝の、インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の太径部に近い元部をチップキャップが蓋をするので、溝の元部は金属粉体流を通すトンネルとなりプラズマアークノズルに近い先端部は金属粉体流を該ノズル直下に噴き出す開口となるので、溝の元部まで絞られた金属粉体流が、溝の先端部から流速の下がった状態でノズル直下のプラズマアークに衝突する。更に、キャリアガスが前記複数の溝内を流通することから、チップはキャリアガスにより、効果的に冷却され、チップの耐高電流性及び寿命は向上する。

チップキャップの裁頭開口の高さ（円錐底面から裁頭位置までの垂直距離）によってインサートチップのノズル直下に対向する金属粉体流吹出し開口の面積が定まるので、前記複数の溝に手を加えなくても、チップキャップの裁頭開口の高さを短く調整することによって、金属粉体流吹出し開口の面積を拡げることができる。

上記（５）によればプラズマ粉体肉盛トーチの取手を手で握って手溶接によって肉盛溶接をすることができる。この場合、スタンドオフが短くても、ノズル直下の肉盛金属プールの視認が容易であるとともに金属粉体流がプラズマアークに十分に当たるので金属粉体ロスが小さい。プラズマアーク長が短いので安定し高い品質の肉盛溶接ができる。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により明らかになろう。

本発明の一実施例のプラズマ粉体肉盛トーチの外観を示す側面図。 ２Ａは図１に示すトーチの先端部分の縦断面拡大図、２Ｂは２Ａに示すインサートチップ１の先端部の正面図。 ３Ａは図１に示すトーチの適正スタンドオフＨｓｏでの肉盛溶接を示す縦断面図、３Ｂは特許文献２に開示の単一ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチと同様な従来例（比較例）の適正スタンドオフＨｓｏでの肉盛溶接を示す縦断面図。 ４Ａは図１に示すトーチの下限スタンドオフＨｓｏｓでの肉盛溶接を示す縦断面図、４Ｂは上記従来例（比較例）では上記下限スタンドオフＨｓｏｓでは金属粉体が肉盛溶接対象材上の未溶融の溶接対象材１６及び、肉盛金属Ｍｐに衝突し飛散してロスとなる状態を示す縦断面図。

図１に、本発明の一実施例である単一ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチの外観を示す。この実施例は作業者が手に持って操作するための取手１８が付いたＴ形肉盛トーチである。トーチ本体１１の先端部には粉体供給台８がありそれにシールドキャップ５が挿入されこのキャップ５の内側にチップキャップ４があり、チップキャップ４からインサートチップ１の先端部が突出している。このインサートチップ１の下端面中央部にプラズマアークを噴出するプラズマノズル２（図２上）があり、チップ１の下端部の紡錘形状又は円錐形状の外壁面に下端面に及ぶ平底スリット状の溝３ａ〜３ｆ（３ｂ，３ｃ，３ｅ，３ｆは図２上）がありこれらの溝を通ってトーチ内部から外部に金属粉体がキャリアガスと共に放出される。

図２の２Ａに、図１に示すプラズマ粉体肉盛トーチの、金属粉体流とプラズマアークを放出する先端部分の縦断面を拡大して示し、図２の２Ｂには、２Ａ上のインサートチップ１の先端部の正面を示す。トーチの中央部に、タングステンで構成される棒状の電極１３が配置されており、この電極１３は、センタリングストーン１４でトーチ本体１１の中心軸に位置決めされチャック１５によって固定されている。電極１３の先端は尖鋭な形状になっており、該先端はインサートチップ１の先端面中央部のプラズマノズル２の中心に位置している。

プラズマガスは、外部から電極１３とチャック１５との間の空間に供給され、電極１３とセンタリングストーン１４との間の空間と、センタリングストーン１４の外周の縦溝を通って、インサートチップ１の内部に入りそしてノズル２から外部に噴き出す。

このプラズマガスは、電極１３と溶接対象材１６との間のアーク放電によってイオン化し、高温のプラズマアーク流を形成する。図３上の３Ａには、図２に示す肉盛トーチによる肉盛溶接中のプラズマアーク流１７を示す。

図３上の３Ａを参照すると、金属粉体とそれを搬送するキャリアガスは、外部から粉体供給チューブ１０に供給され、継手９を経て、粉体供給台８および内部ガイド７の粉体ガス流路を通って水冷金具１２の下端とチップキャップ４との間の空隙に入りそして、インサートチップ１の下端部の紡錘形あるいは裁頭円錐形の外錘面に切られた平底溝３ａ〜３ｆを通ってチップ外部に噴出しプラズマアーク流１７に注入される。金属粉体は、プラズマアーク流１７の熱によって溶融し、溶融金属となって溶接対象材１６の表面を覆う。

シールドガスは、整流リング６で整流されてからシールドキャップ５とチップキャップ４との間の空間を通ってプラズマアーク流１７の周囲を覆うように噴射され、溶接面を外気から遮断する。また、インサートチップ１の過熱を防止するため、冷却水が、トーチの外部から２重筒形の水路金具１２の内外筒間の空間を通って水路金具１２の下端に送り込まれ、水路金具１２にねじ込まれて圧着したインサートチップ１を冷却する。

再度図２を参照する。インサートチップ１の下端部の紡錘形あるいは裁頭円錐形の外錘面に切られた平底溝３ａ〜３ｆは、キャリアガスで送給される金属粉体の流れすなわち金属粉体流を、ノズル２から噴射されるプラズマアーク流１７に案内する。すなわちインサートチップ１が、プラズマアーク流１７を噴出する先端部材であるとともに、金属粉体流をプラズマアーク流１７に送給する粉体噴出ガイドである。インサートチップ１の平底溝３ａ〜３ｆは、チップ１の太径部からチップ先端の裁頭面（先端面）に達する。

金属粉体流のトーチ軸心から外方への拡散を抑制してプラズマアーク流１７に集中させるために、シールドキャップ５の内部に、整流リング６を介して金属粉体流の拡散を防ぐ裁頭円錐形のチップキャップ４が加えられ、その先端部の内壁面が、インサートチップ１の下端部の紡錘形あるいは裁頭円錐形の外錘面にぴったり圧接されている。これにより、チップ１の太径部に近い、平底溝３ａ〜３ｆの比較的に深い溝部分（溝の元部）の外向き開口が、チップキャップ４で閉じられ、平底溝３ａ〜３ｆに入った金属粉体流はチップ先端面の外縁近くに収束してそこからプラズマアーク流１７に突進する。従ってチップキャップ４も粉体噴出ガイドの一部をなす。

図１、図２、図３の３Ａおよび図４の４Ａに示した本発明の一実施例のプラズマ粉体肉盛トーチに用いられるインサートチップ１は、プラズマアークを発生する電極１３の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極が発生するプラズマアークを放出するプラズマノズル２を持ち、プラズマ粉体肉盛トーチの先端部に装着されるものである。インサートチップ１の少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端にプラズマノズル２があり、該先端部分の外表面に、該先端部分の太径部から該プラズマノズル２が開いた先端面に至る複数の溝３ａ〜３ｆが設けられている。前記複数の溝３ａ〜３ｆは、横断面がコの字型で溝底が平底である。

インサートチップ１と、裁頭円錐形であって裁頭部にインサートチップ１の紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出するインサートチップ１の紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝１３ａ〜１３ｆを部分的に蓋をする、トーチの先端部に装着されるチップキャップ４が、粉体噴出ガイドを構成している。

そして上記一実施例のプラズマ粉体肉盛トーチは、金属粉体とそれを搬送するキャリアガスを含む金属粉体流が送り込まれる粉体供給台８、送り込まれた金属粉体流をトーチ下端部に案内する内部ガイド７および該内部ガイド７に固定された２重筒状の水路金具１２と、
プラズマアーク１７を発生する電極１３の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極１３が発生するプラズマアーク１７を放出するプラズマノズル２を有し少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端に前記プラズマノズル２があり該先端部分の外表面に該先端部分の太径部から該プラズマノズル２が開いた先端面に至る複数の溝１３ａ〜１３ｆ、が設けられ前記水路金具１２の先端にねじ込まれたインサートチップ１と、
前記水路金具１２の中心位置に前記電極１３を位置決めするセンタリングストーン１４および前記電極１３を水路金具１２に固定するチャック１５と、
裁頭円錐形であって前記内部ガイド７に固定されて該内部ガイド７がトーチ下端部に案内した金属粉体流を前記インサートチップ１の前記太径部に案内し裁頭部に前記インサートチップ１の紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップ１の紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝１３ａ〜１３ｆを部分的に蓋をするチップキャップ４と、
トーチ内部に供給されるシールドガスを前記チップキャップ４の円錐外面に沿わせて前記インサートチップ１の前記先端面の下方に噴き出すシールドキャップ５と、
を備える。

そして上記一実施例のプラズマ粉体肉盛トーチは、取手１８が付いたＴ形トーチである。

本発明の上述の一実施例のプラズマ粉体肉盛トーチを用いて適切なスタンドオフＨｓｏで肉盛溶接を行うと、トーチ先端が細いために、図３の３Ａに示すように、溶接対象材１６の上表面に対して４５°の角度まで、溶接対象材上の溶融金属Ｍｐを視認可能となる。特許文献２に開示の単一ノズル方式のプラズマ粉体肉盛トーチと同様な従来例（比較例）では、図３の３Ｂに示すように、トーチ先端の横幅が広いため、溶接対象材１６の上表面に対して４５°の視認角度では、溶融金属Ｍｐを見ることができない。溶融金属Ｍｐを見るために頭を下げてトーチ直下を覗き見る無理な姿勢となり、疲労しやすく肉盛精度が下がりやすい。図３の３Ａに示す本発明の実施例では、ノズル２と金属粉体流放出口（１３ａ〜１３ｆ）とが近く金属粉体流がプラズマアーク流１７に当たるまでの距離が短いので、スタンドオフを短くしても、金属粉体流が未溶融の溶接対象材１６及び肉盛金属Ｍｐに当たって飛散してしまう可能性が低い。図４の４Ａに示すＨｓｏｓまでスタンドオフを短くできる。

従来例では、図３の３Ｂに示すスタンドオフＨｓｏより短いスタンドオフでは金属粉体流が未溶融の溶接対象材１６及び肉盛金属Ｍｐに当たって飛散してしまう可能性が高くなる。すなわち金属粉体のロスが多くなる。図４の４Ｂに示すスタンドオフＨｓｏｓでは多量の金属粉体流がプラズマアーク流１７ではなく未溶融の溶接対象材１６及び溶融金属Ｍｐに当たり弾かれるので、適正な肉盛は難しい。

更に本発明のトーチでは、先端が細く出来る為、溶接対象材１６が狭あい形状のワークへの対応性が向上している。図３の３Ａ及び３Ｂに見る様に視線角度に対応した狭あい形状対応が可能で、図３の３Ａの本発明の実施例は図３の３この従来よりも狭あい対応性が向上している。

１：インサートチップ
２：プラズマノズル
３ａ〜３ｆ：溝
４：チップキャップ
５：シールドキャップ
６：整流リング
７：内部ガイド
８：粉体供給台
９：継手
１０：粉体送給チューブ
１１：トーチ本体
１２：水路金具
１３：電極
１４：センタリングストーン
１５：チャック
１６：溶接対象材
１７：プラズマアーク流
１８：取手
Ｍｐ：肉盛金属
Ｌ４５：４５°視線
Ｈｓｏ：適正スタンドオフ
Ｈｓｏｓ：下限スタンドオフ

Claims (5)

1. プラズマアークを発生する電極の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極が発生するプラズマアークを放出するプラズマノズルを持ち、プラズマ粉体肉盛トーチの先端部に装着されるインサートチップであって、
   少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端に前記プラズマノズルがあり、該先端部分の外表面に、該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝、が設けられたことを特徴とするインサートチップ。
2. 前記複数の溝は、横断面がコの字型で溝底が平底である、請求項１に記載のインサートチップ。
3. 請求項１又は２に記載のインサートチップと、裁頭円錐形であって裁頭部に前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝を部分的に蓋をする、前記プラズマ粉体肉盛トーチの先端部に装着されるチップキャップと、からなる粉体噴出ガイド。
4. 金属粉体とそれを搬送するキャリアガスを含む金属粉体流が送り込まれる粉体供給台、送り込まれた金属粉体流をトーチ下端部に案内する内部ガイドおよび該内部ガイドに固定された２重筒状の水路金具と、
   プラズマアークを発生する電極の先端部が挿入される内空間および該内空間に連通し該電極が発生するプラズマアークを放出するプラズマノズルを有し少なくとも先端部分の外形が紡錘形又は裁頭円錐形であって先端に前記プラズマノズルがあり該先端部分の外表面に該先端部分の太径部から該プラズマノズルが開いた先端面に至る複数の溝、が設けられ前記水路金具の先端にねじ込まれたインサートチップと、
   前記水路金具の中心位置に前記電極を位置決めするセンタリングストーンおよび前記電極を水路金具に固定するチャックと、
   裁頭円錐形であって前記内部ガイドに固定されて該内部ガイドがトーチ下端部に案内した金属粉体流を前記インサートチップの前記太径部に案内し裁頭部に前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の先端部分の先端が貫通する開口があって該開口の内側の円錐壁面が、該開口に挿入され先端が該開口の外方に突出する前記インサートチップの紡錘形又は裁頭円錐形の外壁面に密着して前記複数の溝の蓋をするチップキャップと、
   トーチ内部に供給されるシールドガスを前記チップキャップの円錐外面に沿わせて前記インサートチップの前記先端面の下方に噴き出すシールドキャップと、
   を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ。
5. 取手が付いたＴ形トーチである請求項４に記載のプラズマ粉体肉盛トーチ。

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