JP2021062388A - インサートチップ、インサートキャップ、プラズマ溶接トーチ及びプラズマ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接時に金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板をプラズマ溶接した場合でも、金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能なインサートチップを提供すること。【解決手段】プラズマ溶接トーチに装着され、太径部１５ｅを有し、太径部１５ｅから先端面１５ａに向かって細る形状を持つインサートチップ１５である。インサートチップ１５は、プラズマアークを発生する電極が挿入される内空間１５ｃと、先端面１５ａに設けられたチップ穴１５ｂと、インサートチップ１５の外表面１５ｆに、太径部１５ｅから先端面１５ａに至るように設けられ、先端面１５において、チップ穴１５ｂの周囲を囲むように配置された、少なくとも３つ以上の複数の溝１５ｇと、を備える。【選択図】図３

Description

この発明は、インサートチップ、インサートキャップ、プラズマ溶接トーチ及びプラズマ溶接装置に関する。

表面処理鋼板、例えば亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接では、アークの熱によって亜鉛金属を含む蒸気（本明細書では亜鉛ヒュームという）や、鋼板の飛散物（本明細書では鋼板スパッタという）が発生する。

亜鉛ヒュームは、例えばインサートチップの先端面に付着し、やがて堆積物を形成する。堆積物が大きくなると、堆積物が溶融プールに落下して溶接ビードに欠陥を引き起こす。さらに、堆積物は、プラズマガス流やシールドガス流を妨げ、アークを不安定とし、溶接不具合を引き起こす。

鋼板スパッタは、例えば電極棒の先端及びインサートチップのチップ穴の周囲に溶着する。電極棒の先端に溶着した鋼板スパッタは、電極棒（例えばタングステン）と合金化して電極棒の融点を低下させる。融点が低下した電極棒は、短期に消耗変形し、アークを乱し、溶接不具合を引き起こす。

また、チップ穴の周囲に溶着した亜鉛ヒュームや鋼板スパッタは、インサートチップ（例えば銅）と合金化してインサートチップの熱伝導率を低下させる。熱伝導率が低下したインサートチップでは、サーマルピンチ効果が設計値から変わってしまい、アーク狭窄の度合いが変化する。このため、アークと接するチップ穴の先端部が溶損して変形しやすく長時間安定した溶接作業を行うことが難しくなる。

これらの事情から、溶接時に金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させるような鋼板のプラズマ溶接では、溶接の品質及び溶接作業の安定性を保つために、インサートチップや電極棒を頻繁に交換する必要があった。この事情は、表面処理鋼板（例えば亜鉛めっき鋼板）に限らず、合金鋼板（蒸気化温度の低い金属を含む合金鋼板、例えばマンガンを含む合金鋼板）のプラズマ溶接においても同様である。

国際公開第２０１３/１０８７９７号 特開２００９−１７２６４４号公報 特開平７−２５６４６３号公報 特開２００４−２４３３７４号公報

特許文献１〜３には、それぞれ亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接が開示されている。

特許文献１では、ヒュームが第１ノズル（アーク電極１）の先端面（１１ｃ）に付着することを防止するために、ノズル先端面と平行なガス流を形成する第３ノズル（１３）が設けられている。

しかしながら、特許文献１では、先端面（１１ｃ）の全面への亜鉛ヒュームや鋼板スパッタの付着を防止するために、第３ノズル（１３）から大流量のガスを流す必要がある（例えば１０リットル／ｍｉｎ）。これに対して、第１ノズル（１）から噴出されるプラズマガス（ＰＧ）は小流量であり、例えば１リットル／ｍｉｎ以下である。小流量のプラズマガス（アーク）ＰＧに、大流量のガスをほぼ直角に当てると、アークが不安定となり、その結果、溶接が不安定となる。しかも、特許文献１では、第３ノズル（１３）への亜鉛ヒュームの付着や鋼板スパッタの溶着については考慮されていない。このため、
（ａ）堆積物が溶融プールに落下し、溶接ビードに欠陥を引き起こすこと
（ｂ）堆積物がプラズマガス流やシールドガス流を妨げ、アークが不安定になること
これらの事情（ａ）及び（ｂ）については、特許文献１では解消できない。

特許文献２では、亜鉛ヒュームがインサートチップ（１）の先端面に付着することを防止するために、インサートチップ（１）のプラズマガス噴出孔（チップ穴２）の周囲に、サイドプラズマガス流（１３）を形成する複数のサイドプラズマガス噴出孔（１０）が設けられている。

しかしながら、特許文献２では、以下の３つの事情がある。
（ｃ）サイドプラズマガス流（１３）は、メインアーク（１２）を形成するプラズマガス流を分岐することで形成される。このため、亜鉛ヒュームの付着を防止するサイドプラズマガスの流量を多くするためには、プラズマガスの流量を多くしなければならない。プラズマガスの流量を多くすると、メインアーク（１２）の、溶融プールを吹き飛ばす力が強くなる。これは、穴あき不良やビード形状不良の欠陥をもたらす。
（ｄ）インサートチップ（１）の先端のサイドプラズマガス噴出孔（１０）の外周に沿った面では、サイドプラズマガス流（１３）が弱い（ガス流はほとんどない）。このため、サイドプラズマガス噴出孔（１０）の外周に沿った面には、亜鉛ヒュームの付着や鋼板スパッタの溶着が起こる。
（ｅ）サイドプラズマガス噴出孔（１０）の孔径は小さい（約１ｍｍ程度）。このため、亜鉛ヒュームの付着及び鋼板スパッタの溶着により詰まりやすく、長時間安定した溶接には適していない。

特許文献３では、ノズル（１２）の内側から外側に向けて亜鉛ヒュームを排出するために、ノズル（１２）の先端に設けた穴（チップ穴）を大きくし、電極（４）の先端を、ノズル（１２）の先端と平行か又は突き出す位置に設置する。さらに、プラズマガスの流量を、亜鉛めっき鋼板の通常のプラズマ溶接と比較して大きく設定する。

しかしながら、特許文献３では、亜鉛ヒュームは排出できるが、ランダムに発生する鋼板スパッタについては排出できない。しかも、電極（４）の先端が溶融プールに近いところ（約１〜２ｍｍ）にあるために、鋼板スパッタが電極（４）と溶着しやすい。電極（４）に鋼板スパッタが溶着した時点で、上述した通り、健全な溶接はできなくなる。

なお、特許文献１〜３には、亜鉛ヒュームが記載されてはいるが、鋼板スパッタについては記載されていない。このため、特許文献１〜３からは、鋼板スパッタに起因した合金化については改善が難しい。

特許文献４には、プラズマトーチが開示されている。

特許文献４に開示されたプラズマトーチでは、インサートチップ（１０）とシールドキャップ（９）との間に一対のサイドガス噴出口（７）が設けられている。一対のサイドガス噴出口（７）は、溶接方向ｙに沿ってインサートチップ（１０）に設けられる。これにより、溶接方向ｙに縦長の楕円形のプラズマ流束が形成され、溶接方向ｙへの加工スピードが向上する。さらに、溶接方向ｙに直交する方向には、プラズマ流束の幅を狭くでき、溶接精度が向上する。

しかし、特許文献４には、亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接を言及したものではなく、亜鉛めっき鋼板をプラズマ溶接する際の事情も開示されていない。特許文献４に開示されたプラズマトーチを、仮に、亜鉛めっき鋼板のプラズマ溶接に用いたとしても、溶接方向ｙには、サイドガスによる亜鉛ヒューム及び鋼板スパッタを遮断する効果はない。このため、インサートチップ（１０）の先端及びタングステン電極（１）への亜鉛ヒュームの付着及び鋼板スパッタの溶着を抑制することは困難である。

この発明の目的は、溶接時に金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板をプラズマ溶接した場合でも、金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能なインサートチップ、インサートキャップ、プラズマ溶接トーチ及びプラズマ溶接装置を提供することにある。

この発明の第１態様に係るインサートチップは、プラズマ溶接トーチに装着され、太径部を有し、前記太径部から先端面に向かって細る形状を持つインサートチップであって、プラズマアークを発生する電極が挿入される内空間と、前記内空間と連通し、前記電極が発生するプラズマアークを放出する、前記先端面に設けられたチップ穴と、前記インサートチップの外表面に、前記太径部から前記先端面に至るように設けられ、前記先端面において、前記チップ穴の周囲を囲むように配置された、少なくとも３つ以上の複数の溝と、を備えたことを特徴とする。

この発明の第２態様に係るインサートチップは、第１態様に係るインサートチップにおいて、前記複数の溝のそれぞれは、前記先端面の周方向に沿って等間隔に配置されていることを特徴とする。

この発明の第３態様に係るインサートチップは、第１態様又は第２態様に係るインサートチップにおいて、前記先端面は、曲面を含むことを特徴とする。

この発明の第４態様に係るインサートチップは、第１態様〜第３態様のいずれか１つに係るインサートチップにおいて、前記先端面において、前記複数の溝及び前記チップ穴の総開口面積Ｓ_OPENと前記先端面の面積Ｓ_TIPとの割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPは、０．２５以上０．７５以下であることを特徴とする。

この発明の第５態様に係るインサートチップは、第１態様〜第４態様のいずれか１つに係るインサートチップにおいて、前記先端面において、前記複数の溝は互いに連通し、複数の前記チップ穴を囲むように、１つの環状溝になっていることを特徴とする。

この発明の第６態様に係るインサートチップは、第１態様〜第５態様のいずれか１つに係るインサートチップにおいて、前記複数の溝のそれぞれは、不活性ガス又は不活性ガスと活性ガスとを含むバリアガスを放出することを特徴とする。

この発明の第７態様に係るインサートチップは、第６態様に係るインサートチップにおいて、前記複数の溝のそれぞれは、放出された前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとが、溶融プールの表面で重ならない角度で、前記チップ穴に垂直な線から傾いていることを特徴とする。

この発明の第８態様に係るインサートチップは、第７態様に係るインサートチップにおいて、前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとは、実使用時に推奨されるスタンドオフの範囲において、前記溶融プールの表面で重ならないことを特徴とする。

この発明の第９態様に係るインサートチップは、第６態様〜第８態様のいずれか１つに係るインサートチップにおいて、前記複数の溝のそれぞれは、前記バリアガスの流れが、前記プラズマアークの流れを３６０°囲むことが可能な位置に配置されていることを特徴とする。

この発明の第１０態様に係るインサートチップは、第１態様〜第９態様のいずれか１つに係るインサートチップにおいて、前記プラズマ溶接トーチは、溶接時に、金属を含むヒ金属ューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板のプラズマ溶接に使用されるものであることを特徴とする。

この発明の第１１態様に係るインサートキャップは、第１態様〜第１０態様のいずれか１つに係るインサートチップと組み合わせられるインサートキャップであって、先端に開口を有し、前記インサートチップに嵌合する円錐内壁面を有した内空間を備え、前記円錐内壁面が、前記インサートチップの外表面と接することによって、前記インサートチップの外表面に設けられた前記複数の溝のそれぞれをガス流路とすることを特徴とする。

この発明の第１２態様に係るインサートキャップは、第１１態様に係るインサートキャップにおいて、前記インサートキャップの先端面が、前記開口に水平な線から、前記開口の先端に向かって傾いていることを特徴とする。

この発明の第１３態様に係るプラズマ溶接トーチは、トーチ本体と、前記トーチ本体に取り付けられた第１１態様又は第１２態様に係るインサートキャップと、前記インサートキャップの前記内空間内に取り付けられた第１態様〜第１０態様のいずれか１つに係るインサートチップと、を備えたことを特徴とする。

この発明の第１４態様に係るプラズマ溶接トーチは、第１３態様に係るプラズマ溶接トーチにおいて、前記インサートチップの外側に取り付けられ、内空間と、前記内空間に連通した開口を有するシールドキャップを、さらに備え、前記インサートキャップは、前記シールドキャップの内空間内に挿入され、前記シールドキャップは、前記インサートキャップの外表面と前記シールドキャップの内空間の内壁面との間にガス流路を形成し、前記インサートチップの内空間には、パイロットガスが導入され、前記ガス流路には、シールドガスが導入され、前記インサートチップの複数の溝のそれぞれには、バリアガスが導入され、前記バリアガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記シールドガスの供給流量よりも少なく設定され、前記パイロットガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記バリアガスの供給流量よりも少なく設定されることを特徴とする。

この発明の第１５態様に係るプラズマ溶接装置は、高周波を発生させる高周波発生器を有するプラズマ溶接機本体と、第１３態様又は第１４態様に係るプラズマ溶接トーチと、前記プラズマ溶接機本体と接続され、パイロットガスが充填されるパイロットガスボンベと、前記プラズマ溶接機本体と接続され、シールドガスが充填されるシールドガスボンベと、前記プラズマ溶接機本体と接続され、バリアガスが充填されるバリアガスボンベと、冷却流体を前記プラズマ溶接機本体と前記プラズマ溶接トーチとの間で循環させる冷却流体ポンプと、溶接対象材と接続される母材ケーブルと、前記高周波、前記パイロットガス、前記シールドガス及び前記冷却流体を、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するトーチケーブルと、前記バリアガスを、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するバリアガスホースと、を備えたことを特徴とする。

第１態様に係るインサートチップによれば、インサートチップの外表面に、少なくとも３つ以上の複数の溝を備える。複数の溝のそれぞれは、インサートチップの太径部からインサートチップの先端面に至るように設けられており、かつ、インサートチップの先端面において、チップ穴の周囲を囲むように配置されている。複数の溝のそれぞれは、チップ穴の周囲に、ガス流を形成するガス流路として使用することができる。しかも、ガス流は、チップ穴を囲むように形成できる。このように、チップ穴の周囲に、チップ穴を囲むガス流を形成することで、溶接時に金属ヒューム及び金属スパッタを発生させる鋼板をプラズマ溶接した場合でも、先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することができる。

第２態様に係るインサートチップによれば、複数の溝のそれぞれが、先端面の周方向に沿って等間隔に配置されているので、チップ穴の周囲に、チップ穴を囲むガス流をより確実に形成することが可能となる。したがって、複数の溝のそれぞれを等間隔に配置しない場合と比較して、先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を、より確実に抑制することができる。

第３態様に係るインサートチップによれば、先端面が曲面を含む。曲面は、平面と比較して、複数の溝からのガス流が流れやすい。したがって、先端面が平面のみの場合と比較して、金属ヒューム及び金属スパッタのそれぞれが、先端面に、より付着又はより溶着し難くなる。

第４態様に係るインサートチップによれば、先端面において、複数の溝及びチップ穴の総開口面積Ｓ_OPENと先端面の面積Ｓ_TIPとの割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPが、０．２５以上０．７５以下である。割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPを０．２５以上とすることで、割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPが０．２５未満の場合と比較して、先端面への金属ヒュームの付着量及び金属スパッタの溶着量のそれぞれを、減らすことができる。また、割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPを０．７５以下とすることで、割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPが０．７５超の場合と比較して、インサートチップの先端付近の熱体積の極端な減少及び熱伝達率の低下に起因した冷却不足によるインサートチップの短寿命化を抑制することができる。したがって、金属ヒュームの付着量及び金属スパッタの溶着量の低減とともに、長寿命で、精度の高いプラズマ溶接が可能となる。

第５態様に係るインサートチップによれば、複数の溝が、先端面において互いに連通し、かつ、チップ穴を囲むように１つの環状溝になっている。複数の溝を、先端面において１つの環状溝とすることで、環状溝としない場合と比較して、チップ穴を囲むガス流を、チップ穴の周囲に、より確実に形成することができる。したがって、先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を、更に確実に抑制することができる。

第６態様に係るインサートチップによれば、複数の溝のそれぞれから放出されるガスを、不活性ガス又は不活性ガスと活性ガスとを含むバリアガスとする。複数の溝のそれぞれから、不活性ガス又は不活性ガスと活性ガスとを含むバリアガスを流すようにすることで、チップ穴を囲むガス流が、溶接対象材を変質させ難くなる。したがって、チップ穴を囲むガス流を、新たに放出させるようにした場合であっても、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができる又はほぼ無くすことができる。また、不活性なバリアガス中に、活性ガスを含ませて流すことで、金属ヒュームを、インサートチップに付着し難い物質に変換することができる。例えば、溶接対象材が亜鉛めっき鋼板であった場合に、バリアガスに含ませる活性ガスとして酸素ガスを選ぶと、例えば亜鉛ヒューム中の亜鉛は、酸素ガスと反応して酸化亜鉛となる。これにより、亜鉛ヒュームは、インサートチップに付着し難くなる。さらに、インサートチップが銅である場合には、亜鉛が酸化亜鉛となることから、銅と亜鉛との反応が抑制され、インサートチップの合金化によるチップ穴の変形を軽減できる効果が得られる。さらに、溶接対象材の表面の亜鉛めっきがアーク熱で蒸気化し難くなり、亜鉛ヒュームの発生量を抑える効果も得ることができる。

第７態様に係るインサートチップによれば、複数の溝のそれぞれが、チップ穴に垂直な線から傾いている。その角度は、放出されたバリアガスの流れと放出されたプラズマアークの流れとが、溶融プールの表面で重ならない角度とする。これにより、チップ穴を囲むバリアガスの流れが、溶融プールに達する前に、プラズマアークの流れと接触することを抑制でき、溶融プール上において、プラズマアークを、より確実に乱し難くすることができる。バリアガスの流れは、金属、例えば亜鉛が蒸気化する際の膨張エネルギーやスパッタの高速運動エネルギーをはね返すだけの流速（流量）が必要である。しかし、バリアガスが、流量が低いプラズマアークと接触（交差）するとプラズマアークが乱れる。バリアガスの流し方には、十分な配慮が必要である。例えば、インサートチップを、第７態様に係るインサートチップのような構成とすることで、チップ穴を囲むガス流を、新たに放出させるようにした場合であっても、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができるか又はほぼ無くすことができる。

第８態様に係るインサートチップによれば、バリアガスの流れと放出されたプラズマアークの流れとは、実使用時に推奨されるスタンドオフの範囲において、溶融プールの表面で重ならない。これにより、実際の溶接時において、プラズマ溶接トーチの使用者に対して、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができるか又はほぼ無くすことができる範囲を、確実に提供できる。

第９態様に係るインサートチップによれば、複数の溝のそれぞれを、バリアガスの流れが、プラズマアークの流れを３６０°囲むことが可能な位置に配置する。これにより、チップ穴を囲むガス流が、プラズマアークの流れを３６０°囲むことができる。したがって、したがって、先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を、更に確実に抑制することができる。

第１０態様に係るインサートチップによれば、プラズマ溶接トーチは、溶接時に、金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板のプラズマ溶接に使用されるものとする。これにより、この発明の第１態様〜第９態様に係るインサートチップを、より効果的に使用できる鋼板の具体的な例が提供される。

第１１態様に係るインサートキャップによれば、円錐内壁面が、第１態様〜第１０態様のいずれか１つに係るインサートチップの外表面と接する。これにより、上記インサートチップの外表面に設けられた複数の溝のそれぞれを、ガス流路とすることが可能なインサートキャップを提供できる。

第１２態様に係るインサートキャップによれば、インサートキャップの先端面が、開口の先端に向かって、開口に水平な線から傾いている。これにより、インサートキャップの先端面においても、先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することができる。

第１３態様に係るプラズマ溶接トーチによれば、インサートチップの先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能な溶接トーチを提供できる。

第１４態様に係るプラズマ溶接トーチによれば、インサートチップの先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能なプラズマ溶接トーチの具体的な例を提供できる。

第１５態様に係るプラズマ溶接装置によれば、インサートチップの先端面への金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能なプラズマ溶接トーチを備えたプラズマ溶接装置を提供できる。

図１は、この発明の第１実施形態に係るプラズマ溶接トーチの一例を示す側面図である。 図２（ａ）は、トーチ本体の先端部分の一例を示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。 図３（ａ）は、インサートチップの一例を示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。 図４（ａ）は、インサートキャップの一例を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。 図５は、インサートチップをインサートキャップに挿入した状態を示す断面図である。 図６は、シールドキャップの一例及びバリアガス導入部材の一例を示す断面図である。 図７は、プラズマ溶接トーチからのガスの流れの一例を模式的に示す断面図である。 図８は、ガスの流れを模式的に示す平面図である。 図９は、プラズマ溶接装置の一例を模式的に示す模式図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、インサートチップの第１変形例を示す断面図である。図１０（ｃ）は、インサートチップの第１変形例を示す平面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、インサートチップの先端面に曲面を含ませた一例を示す断面図である。図１１（ｃ）は、インサートチップの先端面に曲面を含ませた一例を示す平面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、インサートチップの第３変形例を示す断面図である。図１２（ｃ）は、インサートチップの第３変形例を示す平面図である。

以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照しながら説明する。各図において、共通する部分については、共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。

第１実施形態
（プラズマ溶接トーチ）
図１は、この発明の第１実施形態に係るプラズマ溶接トーチの一例を示す側面図である。図１には、プラズマ溶接トーチの外観が示されている。図２（ａ）は、図１に示すトーチ本体１１の先端部分１３の一例を示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。図２（ａ）に示す断面は、図２（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿う。

図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、プラズマ溶接トーチ１０の一例は、トーチ本体１１に、作業者が手に持って操作するための取手１２が取り付けられたＴ形トーチ（手動用トーチ）である。また、プラズマ溶接トーチ１０は、溶接時に、金属を含むヒューム及び金属を含むスパッタを発生させる鋼板のプラズマ溶接に使用される。そのような鋼板の一例は、表面処理鋼板や合金鋼板である。表面処理鋼板の例は、亜鉛めっき鋼板である。合金鋼板の一例は、マンガンオーステナイト系ステンレス鋼である。

トーチ本体１１の先端部分１３には、シールドキャップ１４が取り付けられている。シールドキャップ１４の内側空間内には、インサートチップ１５と、インサートチップ１５に被せられるインサートキャップ１６とが取り付けられる。インサートチップ１５及びインサートキャップ１６のそれぞれは、例えば、シールドキャップ１４の先端から外に向かって突出している。

トーチ本体１１の内部には、例えば取手１２を介して、パイロットガスＰＧ、シールドガスＳＧ及び冷却流体ＣＬのそれぞれが導入される。プラズマ溶接時において、パイロットガスＰＧは、プラズマアークＡＲＣを放電させるガスとして利用される。シールドガスＳＧは、プラズマアークＡＲＣ及び溶融プールを空気より遮断するガスとして利用される。冷却流体ＣＬは、インサートチップ１５を冷却する。パイロットガスＰＧ、シールドガスＳＧ及び冷却流体ＣＬのそれぞれは、例えば、トーチホースを介して、トーチ本体１１の内部に導入される。トーチホースの図示せぬ冷却流体ホース内には、トーチ本体１１に高周波、パイロットアーク及びプラズマアークの電力を供給するケーブルが配置されている。

プラズマ溶接トーチ１０は、バリアガス導入部材１７を有する。バリアガス導入部材１７は、例えば、シールドキャップ１４と取手１２との間に設けられ、バリアガスＢＧをトーチ本体１１の内部に導入する。

（インサートチップ）
インサートチップ１５の先端面１５ａには、チップ穴１５ｂが設けられている。チップ穴１５ｂは、インサートチップ１５の内空間１５ｃと連通する。トーチ本体１１の内部において、インサートチップ１５は、基部１８に取り付けられている。本例では、インサートチップ１５に「雄ねじ加工」が施され、基部１８に「雌ねじ加工」が施されている。インサートチップ１５は、基部１８にねじ止めによって取り付けられる。さらに、インサートチップ１５には、流路形成部材１９が嵌め合わせられている。流路形成部材１９は、インサートチップ１５及び基部１８それぞれとの間に、冷却流体が通流する冷却流体流路１９ａを形成する。冷却流体の一例は、液体の水である。基部１８の内空間１８ａは、インサートチップ１５の内空間１５ｃと連通している。これら内空間１８ａ及び１５ｃには、電極（例えばタングステン電極）２０が挿入される。電極２０の形状は、例えば棒状である。電極２０は、内空間１５ｃ内において、センタリングストーン２１によって、内空間１５ｃのほぼ中心にセンタリングされる。センタリングストーン２１には、貫通孔２１ａが形成されており、センタリングストーン２１は、貫通孔２１ａを介してパイロットガスＰＧの通過が可能となっている。

図３（ａ）は、インサートチップ１５の一例を示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。図３（ａ）に示す断面は、図３（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿う。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、インサートチップ１５は、その先端部分１５ｄに、太径部１５ｅを有し、太径部１５ｅから先端面１５ａに向かって細る形状を持つ。具体的には、インサートチップ１５の形状は、例えば、その先端部分が裁頭円錐形又は紡錘形であり、ゆえに、インサートチップ１５では、その外表面に傾斜した外表面１５ｆを持つ。傾斜した外表面１５ｆには、６つの溝１５ｇが設けられている。溝１５ｇのそれぞれは、太径部１５ｅから先端面１５ａに至るように、傾斜した外表面１５ｆに設けられる。溝１５ｇのそれぞれは、先端面１５ａにおいて、平面から見てチップ穴１５ｂの周囲を囲むように配置されている。さらに、インサートチップ１５では、溝１５ｇのそれぞれは、先端面１５ａの周方向ＣＤに沿って間隔Ｐで等間隔に配置されている。溝１５ｇは、太径部１５ｅを起点とするだけでなく、外表面１５ｆのどこを起点としても良い。その場合、太径部１５ｅから外表面１５ｆの起点まで、バリアガスＢＧが流れるための空間が設けられる。

（インサートキャップ）
図４（ａ）は、インサートキャップ１６の一例を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中の矢印Ｂの方向から見た平面図である。図４（ａ）に示す断面は、図４（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿う。図５は、インサートチップ１５をインサートキャップ１６に挿入した状態を示す断面図である。なお、図５に示す状態では、インサートチップ１５は、基部１８に取り付けられていない。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、インサートキャップ１６は、内空間１６ａと、内空間１６ａに連通した開口１６ｂとを有する。開口１６ｂは、インサートキャップ１６の先端に設けられている。内空間１６ａ内には、インサートチップ１５が挿入される。内空間１６ａは、円錐内壁面１６ｃを有する。円錐内壁面１６ｃは、インサートチップ１５の傾斜した外表面１５ｆに接し、嵌合する。円錐内壁面１６ｃがインサートチップ１５の傾斜した外表面１５ｆと接することによって、インサートキャップ１６は、複数の溝１５ｇのそれぞれにキャップをし、複数の溝１５ｇのそれぞれをガス流路１５ｈとする（図５）。

また、インサートキャップ１６では、その先端面１６ｇが、開口１６ｂに水平ではなく、開口１６ｂに水平な線４０から、開口１６ｂに向かって角度θ_16g傾いている。

（シールドキャップ及びバリアガス導入部材）
図６は、シールドキャップ１４の一例及びバリアガス導入部材１７の一例を示す断面図である。

図６には、シールドキャップ１４がバリアガス導入部材１７に取り付けられた状態を示す。さらに、図６においては、インサートチップ１５及び流路形成部材１９のそれぞれが基部１８に取り付けられている。このようなインサートチップ１５及び流路形成部材１９が、インサートキャップ１６の内空間１６ａに挿入されている。また、このようなインサートキャップ１６が、シールドキャップ１４の内空間内に挿入されている。

図６に示すように、シールドキャップ１４は、内空間と、内空間に連通した開口１４ａを有する。開口１４ａは、シールドキャップ１４の先端に設けられる。シールドキャップ１４の内空間内には、インサートキャップ１６が挿入される。インサートキャップ１６の外表面１６ｄと、シールドキャップ１４の内空間の内壁面１４ｂとの間には隙間があり、この隙間がシールドガスＳＧのシールドガス流路１４ｃとなる。即ち、シールドキャップ１４は、内壁面１４ｂとインサートキャップ１６の外表面１６ｄとの間に、シールドガス流路１４ｃを形成する。シールドキャップ１４の後端には、「雌ねじ加工」が施されている。

バリアガス導入部材１７は、その内部にバリアガス空間１７ａを有する。バリアガス空間１７ａには、バリアガス導入口１７ｂと、挿入口１７ｃとが連通されている。バリアガス導入口１７ｂはバリアガス導入部材１７の側面に設けられ、挿入口１７ｃはバリアガス導入部材の後端に設けられる。バリアガス導入部材１７の先端からは、バリアガス空間１７ａが開放されている。バリアガス導入部材１７の先端の外側側面には、「雄ねじ加工」が施されている。バリアガス導入部材１７は、トーチ本体１１に図示されていないねじ止めにより取り付けられている。バリアガス導入口１７ｂには、バリアガスホース１７ｄが取り付けられる（図１参照）。バリアガス空間１７ａには、バリアガスホース１７ｄ及びバリアガス導入口１７ｂを介してバリアガスＢＧが導入される。挿入口１７ｃには、インサートチップ１５、基部１８及び流路形成部材１９が挿入される。インサートチップ１５、基部１８及び流路形成部材１９のそれぞれは、挿入口１７ｃ及びバリアガス空間１７ａを介して、インサートチップ１５の傾斜した外表面１５ｆが、インサートキャップ１６の円錐内壁面１６ｃと接するまで、インサートキャップ１６の内空間１６ａ内に挿入される。これにより、流路形成部材１９の外表面１９ｂとインサートキャップ１６の内壁面１６ｅとの間には、バリアガスＢＧのガス流路１６ｆが形成される。ガス流路１６ｆは、バリアガス空間１７ａ及びガス流路１５ｈのそれぞれと連通している。これにより、バリアガスＢＧは、バリアガス空間１７ａから、ガス流路１６ｆを介してガス流路１５ｈへと導かれる。

さらに、バリアガス導入部材１７は、その内部にシールドガス流路１７ｅを有する。シールドガス流路１７ｅは、バリアガス導入部材１７の後端から先端まで形成される。インサートキャップ１６の後端は、シールドキャップ１４とバリアガス導入部材１７との間に係止されている。インサートキャップ１６は、バリアガス導入部材１７にねじ止めされたシールドキャップ１４によって固定される。

（ガス及び冷却流体）
＜パイロットガス＞
パイロットガスＰＧは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手１２の内部を介して基部１８の内空間１８ａに導入される。内空間１８ａに導入されたパイロットガスＰＧは、センタリングストーン２１の貫通孔２１ａを通過してインサートチップ１５の内空間１５ｃに導入され、そして、チップ穴１５ｂからプラズマアークＡＲＣとともに放出される。

＜冷却流体＞
冷却流体ＣＬは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手１２の内部を介して基部１８と流路形成部材１９との間の冷却流体流路１９ａに導入され、インサートチップ１５の周囲を巡って、再び取手１２の内部を介してトーチケーブルへ導出される。冷却流体ＣＬは、図示せぬ冷却機構とトーチ本体１１の内部との間を、トーチケーブルを介して循環する。

＜シールドガス＞
シールドガスＳＧは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手１２の内部を介してバリアガス導入部材１７のシールドガス流路１７ｅに導入され、さらにインサートキャップ１６とシールドキャップ１４との間のシールドガス流路１４ｃを通り、開口１４ａから放出される。

＜バリアガス＞
バリアガスＢＧは、プラズマ溶接時、バリアガスホース１７ｄから、バリアガス導入部材１７のバリアガス空間１７ａに導入される。バリアガスＢＧは、バリアガス空間１７ａから、流路形成部材１９とインサートキャップ１６との間のガス流路１６ｆに導かれ、さらに溝１５ｇとインサートキャップ１６とによって規定されたガス流路１５ｈに至り、そして、開口１６ｂから放出される。

＜インサートチップの先端面付近のガスの流れ＞
図７は、プラズマ溶接トーチ１０からのガスの流れの一例を模式的に示す断面図である。図８は、ガスの流れを模式的に示す平面図である。

図７には、溶接対象材として表面処理鋼板、例えば亜鉛めっき鋼板３０が示されている。亜鉛めっき鋼板３０は、鋼板３１の表面に亜鉛めっき層３２を有する。プラズマ溶接時には、亜鉛めっき層３２から、亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４が発生する。亜鉛ヒューム３３は、亜鉛金属を含む蒸気であり、鋼板スパッタ３４は鋼板３１の金属の飛散物である（なお、鋼板スパッタ３４は、亜鉛めっき鋼板３０の表面の亜鉛を含む場合もある）。亜鉛ヒューム３３自体の粒径と鋼板スパッタ３４自体の粒径とを比較すると、鋼板スパッタ３４の方が、亜鉛ヒューム３３よりも粒径が大きい。例えば、亜鉛ヒューム３３は亜鉛金属の粒子であり、鋼板スパッタ３４は鋼板３１の金属の塊と考えても良い。

図７に示すように、プラズマ溶接トーチ１０では、インサートチップ１５のチップ穴１５ｂの周囲に複数の溝１５ｇが設けられており、複数の溝１５ｇのそれぞれを通じてインサートキャップ１６の開口１６ｂからチップ穴１５ｂの周囲近傍に、バリアガスＢＧを流す。複数の溝１５ｇのそれぞれは、インサートチップ１５の先端面１５ａにおいて、チップ穴１５ｂの周囲を囲むように配置されている。したがって、チップ穴１５ｂの周囲に、チップ穴１５ｂを囲むバリアガスＢＧによるガス流を形成することができる。

プラズマ溶接トーチ１０では、チップ穴１５ｂを囲むバリアガスＢＧの流速のあるガス流により、鋼板３１の表面の亜鉛めっき層３２と先端面１５ａとの間にバリアを形成する。これにより、プラズマ溶接時に、亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４の双方が遮断され、これらがインサートチップ１５の先端面１５ａに付着又は溶着してしまうことを抑制できる。プラズマ溶接トーチ１０では、シールドガスＳＧは、空気遮断の目的とともに、バリアガスＢＧが遮断した亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４の双方を、先端面１５ａから、より遠方へ吐き出すガスとなる。

また、開口１６ｂから放出されたバリアガスＢＧの流れは、先端面１５ａと亜鉛めっき鋼板３０の溶接面３０ａとの間において、プラズマアークＡＲＣの流れとほぼ平行となる。このため、バリアガスＢＧの流量を多くしても、プラズマアークＡＲＣを乱すことはない。このことを具現化するために、プラズマ溶接トーチ１０では、例えば、複数の溝１５ｇのそれぞれが、チップ穴１５ｂに垂直な線４１から角度角度θ_15g傾いている。そして、角度θ_15gは、例えば、放出されたバリアガスＢＧの流れと、放出されたプラズマアークＡＲＣの流れとが、溶融プール３０ｂの表面で重ならない角度とする。これにより、チップ穴１５ｂを囲むガス流が、溶融プール３０ｂに達する前に、プラズマアークＡＲＣの流れと接触することを抑制できる。これにより、溶融プール３０ｂ上において、プラズマアークＡＲＣを、より確実に乱し難くすることができる。したがって、チップ穴１５ｂを囲み、亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４の遮断効果が出るバリアガスＢＧによる高速ガス流を、新たに放出させるようにした場合であっても、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができるか又はほぼ無くすことができる。

また、バリアガスの流れと放出されたプラズマアークの流れとは、例えば、実使用時に推奨されるスタンドオフＳ_OFFの範囲において、溶融プール３０ｂの表面で重ならないようにする。これにより、実際の溶接時において、プラズマ溶接トーチ１０の使用者に対して、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができるか又はほぼ無くすことができる範囲を、確実に提供できる。

さらに、図８に示すように、プラズマ溶接トーチ１０では、複数の溝１５ｇのそれぞれが、バリアガスＢＧの流れが、プラズマアークＡＲＣの流れを、平面から見て３６０°囲むことが可能な位置に配置されている。これにより、バリアガスＢＧの流れが、プラズマアークＡＲＣの流れを３６０°囲むことができる。バリアガスＢＧの流れが、プラズマアークＡＲＣの流れを３６０°囲むことによって、溶接方向４２に沿った方向にも、亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４を遮断することができる。したがって、先端面１５ａへの亜鉛ヒューム３３の付着及び鋼板スパッタ３４の溶着を、更に確実に抑制することができる。

バリアガスＢＧは、例えば不活性ガスである。不活性ガスの代表的な例は、アルゴン（Ａｒ）である。バリアガスＢＧを活性ガスとすることで、チップ穴１５ｂを囲むガス流が、亜鉛めっき鋼板３０を変質させに難くなる。したがって、チップ穴１５ｂを囲むガス流を、新たに放出させるようにした場合であっても、溶接に与える影響を最小限度に抑えることができる又はほぼ無くすことができる。

また、バリアガスＢＧは、不活性ガス中に、活性ガスを含ませて流すようにしても良い。活性ガスを不活性ガス中に含ませることで、例えば、金属ヒュームを、インサートチップ１５に付着し難い物質に変換することができる。例えば、溶接対象材が亜鉛めっき鋼板３０であった場合には、バリアガスＢＧに含ませる活性ガスとして酸素ガス（Ｏ₂）を選ぶと、亜鉛ヒューム３３に含まれた亜鉛を酸化亜鉛とすることができる。亜鉛が酸化亜鉛となることで、亜鉛ヒューム３３は、インサートチップ１５に付着し難くなる。

さらに、亜鉛が酸化亜鉛となることで、インサートチップ１５が銅である場合には、銅と亜鉛との反応が抑制され、インサートチップ１５の合金化によるチップ穴１５ｂの変形を軽減できる効果が得られる。さらに、溶接対象材の表面の亜鉛めっき層３２がアーク熱で蒸気化し難くなり、亜鉛ヒューム３３の発生量を抑える効果も得ることができる。

このように、バリアガスＢＧは、例えば、不活性ガスをベースとしつつ、不活性ガスに活性ガスを含ませることで金属ヒューム（例えば亜鉛ヒューム３３）中や金属スパッタ（例えば鋼板スパッタ３４）中の金属を、インサートチップ１５に達する前に不活性化することもできる。

バリアガスＢＧの例は、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等のベースとなる不活性ガス、ベースとなる不活性ガスに、窒素（Ｎ₂）等の別の不活性ガス及び／又は水素（Ｈ₂）を更に混合した混合ガス、これらの不活性ガス又は混合ガスに、活性ガス、例えば酸素（Ｏ₂）、炭酸ガス（ＣＯ₂）を更に混合した活性ガス混合ガス等である。ガスの組合せの例を例示すれば、以下の通りとなる。
１．不活性ガスの例
（ａ） Ａｒ又はＨｅ
（ｂ） Ａｒ＋Ｈｅ
２．不活性ガスに別の不活性ガス及び／又は水素ガスを混合した混合ガスの場合の例
（ｃ） （ａ）＋Ｎ₂又はＨ₂
（ｄ） （ｂ）＋Ｎ₂又はＨ₂
（ｅ） （ａ）＋Ｎ₂＋Ｈ₂
（ｆ） （ｂ）＋Ｎ₂＋Ｈ₂
３．不活性ガス又は混合ガスに、活性ガスを更に混合した活性ガス混合ガスの場合の例
（ｇ） （ａ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｈ） （ｂ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｉ） （ｃ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｊ） （ｄ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｋ） （ｅ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｌ） （ｆ）＋Ｏ₂又はＣＯ₂
（ｍ） （ａ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
（ｎ） （ｂ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
（ｏ） （ｃ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
（ｐ） （ｄ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
（ｑ） （ｅ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
（ｒ） （ｆ）＋Ｏ₂＋ＣＯ₂
上記は、あくまでもバリアガスＢＧの例である。バリアガスＢＧは、上記に記載されるガス又はガスの組合せに限られるものではない。例えば、不活性ガスとしては、Ａｒ又はＨｅに代えてＮ₂としても良い。不活性ガスに、更に混合される不活性ガスは、Ｎ₂に代えて、Ａｒ及びＨｅ又はＡｒ及びＨｅ以外の不活性ガスであっても良い。活性ガスは、Ｏ₂又はＣＯ₂以外の活性ガスであっても良い。

＜ガスの供給流量＞
図７に示すように、ガスの供給流量の一例は、
パイロットガスＰＧ： ０．５［ｌ／ｍｉｎ］
シールドガスＳＧ ： １５［ｌ／ｍｉｎ］
バリアガスＢＧ ： ５［ｌ／ｍｉｎ］
である。

プラズマ溶接トーチ１０においては、例えば、ガスの供給流量は、
ＰＧ ＜ ＢＧ ＜ ＳＧ
のように設定される場合が多い。

パイロットガスＰＧの供給流量は、プラズマアークＡＲＣを適正に保持できる流量で、なおかつ、なめ付け溶接時には、溶融プール３０ｂを過度に押し下げない流量となるように、比較的少流量に設定される。

これに対し、バリアガスＢＧの供給流量は、例えば亜鉛の蒸気化膨張エネルギーをはね返すだけの流量（流速）が必要である。ただし、溶融プール３０ｂに対しては、押し下げ作用が少ない当たり方となるように設計される。

シールドガスＳＧは、プラズマアークＡＲＣ及び溶融プール３０ｂそれぞれの全体を包むだけの流量が必要である。

このようにプラズマ溶接トーチ１０に対して、パイロットガスＰＧ、バリアガスＢＧ及びシールドガスＳＧの流量を設計することで、図８に示したようなバリアガスＢＧの流れを、インサートチップ１５の先端面１５ａと亜鉛めっき鋼板３０の溶接面３０ａとの間に形成できる。

また、プラズマ溶接トーチ１０では、インサートキャップ１６の先端面１６ｇが、開口１６ｂに水平な線から角度θ_16g傾いている。これにより、先端面１６ｇには、シールドガスＳＧの流れが形成される。先端面１６ｇに、シールドガスＳＧの流れが形成されることで、例えば、先端面１６ｇが開口１６ｂと平行な場合と比較して、先端面１６ｇへの亜鉛ヒューム３３の付着及び鋼板スパッタ３４の溶着を、更に抑制することができる。

（プラズマ溶接装置）
図９は、プラズマ溶接装置の一例を模式的に示す模式図である。

図９に示すように、プラズマ溶接装置１００は、プラズマ溶接機本体１０１と、プラズマ溶接トーチ１０と、パイロットガスボンベ１０２と、シールドガスボンベ１０３と、バリアガスボンベ１０４と、冷却流体ポンプ１０５と、母材ケーブル１０６と、トーチケーブル１０７と、バリアガスホース１０８と、を含む。

プラズマ溶接機本体１０１は、パイロットアーク電源ＰＡＰＳ、メインアーク電源ＭＡＰＳ及び高周波発生器ＨＦを有する。パイロットアーク電源ＰＡＰＳ及びメインアーク電源ＭＡＰＳのそれぞれは、例えば、商用電源ＣＰ等から交流入力の供給を受け、交流入力を直流出力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータである。また、パイロットアーク電源ＰＡＰＳ及びメインアーク電源ＭＡＰＳのそれぞれは、出力電流が可変である。高周波発生器ＨＦは、商用電源ＣＰ等から交流入力の供給を受ける。高周波発生器ＨＦは高周波を発生させ、発生させた高周波を、プラズマ溶接トーチ１０のインサートチップ１５と電極２０とに印加する。プラズマ溶接トーチ１０は、第１実施形態に係るプラズマ溶接トーチである。

パイロットガスボンベ１０２は、プラズマ溶接機本体１０１と接続され、内部にパイロットガスＰＧが充填される。パイロットガスＰＧの例は、例えば、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、不活性ガスに水素又は別の不活性ガスを混合した混合ガス等である。シールドガスボンベ１０３は、プラズマ溶接機本体１０１と接続され、内部にシールドガスＳＧが充填される。シールドガスＳＧの例は、例えば、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス又はこの不活性ガスに水素若しくは別の不活性ガス若しくは酸素や炭酸ガス等の活性ガスを混合した混合ガス等である。バリアガスボンベ１０４は、プラズマ溶接機本体１０１と接続され、内部にバリアガスＢＧが充填される。

冷却流体ポンプ１０５は、冷却流体ＣＬをプラズマ溶接機本体１０１とプラズマ溶接トーチ１０との間で循環させる。母材ケーブル１０６と、溶接対象材、例えば、亜鉛めっき鋼板３０と接続される。トーチケーブル１０７は、パイロットアーク電流、メインアーク電流、高周波、パイロットガスＰＧ、シールドガスＳＧ及び冷却流体ＣＬを、プラズマ溶接機本体１０１からプラズマ溶接トーチ１０に供給する。バリアガスホース１０８は、バリアガスＢＧを、プラズマ溶接機本体１０１からプラズマ溶接トーチ１０に供給する。

第１実施形態に係るプラズマ溶接トーチ１０は、例えば、図９に示すようなプラズマ溶接装置１００の溶接トーチとして用いることができる。

このように、この発明の第１実施形態に係るプラズマ溶接トーチ１０の一例によれば、溶接時に金属を含む金属ヒューム（例えば亜鉛ヒューム３３）及び金属を含む金属スパッタ（例えば鋼板スパッタ３４）を発生させる鋼板（例えば亜鉛めっき鋼板３０）をプラズマ溶接した場合でも、インサートチップ１５の先端面１５ａへの金属ヒュームの付着及び金属スパッタの溶着を抑制することが可能なインサートチップ１５、インサートキャップ１６、プラズマ溶接トーチ１０及びプラズマ溶接装置１００を提供できる。

第２実施形態
次に、インサートチップ１５の変形例のいくつかを、第２実施形態として説明する。
（インサートチップの変形例：第１変形例）

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、インサートチップ１５の第１変形例を示す断面図である。図１０（ｃ）は、インサートチップ１５の第１変形例を示す平面図である。図１０（ａ）に示す断面は、図１０（ｃ）中のＸＡ−ＸＡ線に沿う。図１０（ｂ）に示す断面は、図１０（ｃ）中のＸＢ−ＸＢ線に沿う。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、第１変形例に係るインサートチップ１５１の先端面１５ａは、平面である。インサートチップ１５１のように、先端面１５ａは、平面であってもよい。この場合の先端面１５ａの定義の一例は、傾斜した外表面１５ｆが平面に切り換わる切換箇所１５ｉに囲まれた「面」とする。又はインサートキャップ１６の開口１６ｂから露出した「切換箇所１５ｉを含む面」とする。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）では、前者の場合が示されている。

なお、先端面１５ａを平面とすると、例えば、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示す領域Ｒにおいて、亜鉛ヒューム３３が付着及び鋼板スパッタ３４が溶着することが懸念される。このような懸念を解消したい場合には、例えば、第１実施形態において説明したインサートチップ１５のように、先端面１５ａに、曲面１５ｊを含ませればよい。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、インサートチップ１５の先端面１５ａに曲面を含ませた一例を示す断面図である。図１１（ｃ）は、インサートチップ１５の先端面１５ａに曲面を含ませた一例を示す平面図である。図１１（ａ）に示す断面は、図１１（ｃ）中のＸＩＡ−ＸＩＡ線に沿う。図１１（ｂ）に示す断面は、図１１（ｃ）中のＸＩＢ−ＸＩＢ線に沿う。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、インサートチップ１５では、先端面１５ａは、曲面１５ｊを含む。インサートチップ１５では、曲面１５ｊは、平面１５ｋの外周に設けられている。インサートチップ１５の先端面１５ａは、平面１５ｋと、曲面１５ｊとを持つ。この場合の先端面の定義の一例は、切換箇所１５ｉに囲まれた「曲面を含む面」又はインサートキャップ１６の開口１６ｂから露出した「曲面を含む面」とする。図１１（ａ）〜図１１（ｃ）では、切換箇所１５ｉと開口１６ｂとが一致した場合が示されている。

先端面１５ａが曲面１５ｊを含むことで、バリアガスＢＧは、曲面１５ｊに沿って流れるようになる。これにより、先端面１５ａへの亜鉛ヒューム３３の付着及び鋼板スパッタ３４の溶着を、先端面１５ａが平面のみの場合と比較して、より抑制することができる。

また、先端面１５ａにおいて、曲面１５ｊは、チップ穴１５ｂに達するまで設けられていても良い。この場合、先端面１５ａからは、平面１５ｋが無くなる。

このように、先端面１５ａには、平面１５ｋが無くてもよい。しかし、曲面１５ｊがチップ穴１５ｂに達すると、プラズマアークＡＲＣを乱してしまう可能性もある。このような可能性を低減させたい場合には、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、チップ穴１５ｂの周囲に平面１５ｋを設け、曲面１５ｊを、平面１５ｋの外周に設けるようにすると良い。

（インサートチップの変形例：第２変形例）
＜先端面の開口率＞
図１０（ａ）〜図１１（ｃ）には、先端面１５ａの例を示した。複数の溝１５ｇ及びチップ穴１５ｂの総開口面積Ｓ_OPENと先端面１５ａの面積Ｓ_TIPとの割合、即ち、先端面１５ａの開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPは、０．２５以上０．７５以下とすることが良い。

総開口面積Ｓ_OPENが面積Ｓ_TIPと比較して大き過ぎると、バリアガスＢＧの放出面積が広がることから、亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４をはね返す流速が得られるように、バリアガスＢＧの流量を過大にしなくてはならず、その結果、プラズマアークＡＲＣを乱す可能性がある。さらに、開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPを上げることは、インサートチップ１５の先端付近での熱体積の減少及び熱伝達率の低下を招き、インサートチップ１５の先端付近の温度が上昇してチップ穴１５ｂが短時間で変形し、インサートチップ１５の短寿命化の一因となる。

反対に、総開口面積Ｓ_OPENが面積Ｓ_TIPと比較して小さすぎると、インサートチップ１５の先端面１５ａにおいて、バリアガスＢＧの流れが作用しない部分の面積が増す。先端面１５ａの、バリアガスＢＧの流速が低下した部分では、バリアガスＢＧが亜鉛ヒューム３３及び鋼板スパッタ３４をはね返す力よりも、亜鉛ヒューム３３の蒸気圧及び鋼板スパッタ３４の運動エネルギーが勝るようになり、先端面１５ａへの亜鉛ヒューム３３の付着量や鋼板スパッタ３４の溶着量が増加する。

これらの事情を考慮すると、総開口面積Ｓ_OPENと先端面の面積Ｓ_TIPとの割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPは、０．２５以上０．７５以下とすることが良い。ちなみに、プラズマ溶接トーチ１０の先端面１５ａの開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPは、一例として“０．４５”に設定した。

開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPを０．２５以上とすることで、開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPが０．２５未満の場合と比較して、先端面１５ａへの、例えば亜鉛ヒューム３３の付着量及び鋼板スパッタ３４の溶着量のそれぞれを、減らすことができる。

また、開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPを０．７５以下とすることで、開口率Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPが０．７５超の場合と比較して、複数の溝１５ｇからのガス流が、チップ穴１５ｂから放出されるプラズマアークＡＲＣを乱し難くなる。さらに、インサートチップ１５の冷却能力を損ない難くなる。したがって、例えば、亜鉛ヒューム３３の付着量及び鋼板スパッタ３４の溶着量の低減とともに、精度の高いプラズマ溶接が可能となる。さらに、インサートチップ１５の短寿命化を抑制でき、長時間使用可能なインサートチップ１５を得ることができる。

（インサートチップの変形例：第３変形例）
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、インサートチップの第３変形例を示す断面図である。図１２（ｃ）は、インサートチップの第３変形例を示す平面図である。図１２（ａ）に示す断面は、図１２（ｃ）中のＸＩＩ−ＸＩＩＡ線に沿う。図１２（ｂ）に示す断面は、図１２（ｃ）中のＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線に沿う。

図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、第３変形例に係るインサートチップ１５３では、先端面１５ａにおいて、複数の溝１５ｇが互いに連通している。そして、先端側で、チップ穴１５ｂを囲むように、１つの環状溝１５ｌになっている。

第３変形例に係るインサートチップ１５３のように、先端面１５ａには、環状溝１５ｌを設けるようにしても良い。また、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、環状溝１５ｌの底１５ｍは、インサートキャップ１６の内部に位置されても良い。

第３実施形態
（インサートキャップの一変形例）
上記第１実施形態及び第２実施形態においては、バリアガスＢＧの流路を、インサートチップ１５の外表面に設けられた少なくとも３つ以上の複数の溝１５ｇとした。バリアガスＢＧの流路は、特に図示しないが、インサートキャップ１６の、例えば円錐内壁面１６ｃに設けた少なくとも３つ以上の複数の溝としても良い。この場合、インサートチップ１５の外表面には、溝１５ｇが設けられていても、設けられていなくても良い。

第４実施形態
（溶接トーチの一変形例）
プラズマ溶接トーチ１０は、手動用溶接トーチの例であった。この発明の実施形態は、手動用溶接トーチに限られるものではなく、自動溶接用溶接トーチにも同様に適応できる。手動用溶接トーチと、自動溶接用溶接トーチとの違いの一例は、例えば、手動用溶接トーチでは、取手１２が、トーチ本体１１の長軸方向に対して斜めに取り付けられるのに対して、自動溶接トーチでは取手１２に対応する部材が、トーチ本体１１の長軸方向とほぼ平行に取り付けられることである。

以上、この発明の実施形態のいくつか及び変形例のいくつかを説明したが、これらの実施形態及び変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、この発明は、上述したいつくかの実施形態及びいくつかの変形例のほか、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、いくつかの実施形態及びいくつかの変形例は、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。

１０：プラズマ溶接トーチ
１１：トーチ本体
１２：取手
１３：トーチ本体１１の先端部分
１４：シールドキャップ
１４ａ：開口
１４ｂ：内壁面
１４ｃ：シールドガス流路
１５：インサートチップ
１５ａ：先端面
１５ｂ：チップ穴
１５ｃ：内空間
１５ｄ：先端部分
１５ｅ：太径部
１５ｆ：傾斜した外表面
１５ｇ：溝
１５ｈ：ガス流路
１５ｉ：切換箇所
１５ｊ：曲面
１５ｋ：平面
１５ｌ：環状溝
１５ｍ：環状溝１５ｌの底
１５１： 第１変形例に係るインサートチップ
１５３： 第３変形例に係るインサートチップ
１６：インサートキャップ
１６ａ：内空間
１６ｂ：開口
１６ｃ：円錐内壁面
１６ｄ：外表面
１６ｅ：内壁面
１６ｆ：ガス流路
１６ｇ：先端面
１７：バリアガス導入部材
１７ａ：バリアガス空間
１７ｂ：バリアガス導入口
１７ｃ：挿入口
１７ｄ：バリアガスホース
１７ｅ：シールドガス流路
１８：基部
１８ａ：内空間
１９：流路形成部材
１９ａ：冷却流体流路
１９ｂ：外表面
２０：電極
２１：センタリングストーン
２１ａ：貫通孔
３０：亜鉛めっき鋼板
３０ａ：溶接面
３０ｂ：溶融プール
３１：鋼板
３２：亜鉛めっき層
３３：亜鉛ヒューム
３４：鋼板スパッタ
４０：開口１６ｂに水平な線
４１：チップ穴１５ｂに垂直な線
４２：溶接方向
１００：プラズマ溶接装置
１０１：プラズマ溶接機本体
１０２：パイロットガスボンベ
１０３：シールドガスボンベ
１０４：バリアガスボンベ
１０５：冷却流体ポンプ
１０６：母材ケーブル
１０７：トーチケーブル
１０８：バリアガスホース
Ｂ：矢印
Ｐ：間隔
Ｒ：領域
ＰＧ：パイロットガス
ＳＧ：シールドガス
ＢＧ：バリアガス
ＡＲＣ：プラズマアーク
ＣＬ：冷却流体
ＣＤ：周方向
ＰＡＰＳ：パイロットアーク電源
ＭＡＰＳ：メインアーク電源
ＨＦ：高周波発生器
ＣＰ：商用電源
θ_15g：角度
θ_16g：角度
Ｓ_OFF：スタンドオフ
Ｓ_OPEN／Ｓ_TIP：開口率

Claims (15)

1. プラズマ溶接トーチに装着され、太径部を有し、前記太径部から先端面に向かって細る形状を持つインサートチップであって、
   プラズマアークを発生する電極が挿入される内空間と、
   前記内空間と連通し、前記電極が発生するプラズマアークを放出する、前記先端面に設けられたチップ穴と、
   前記インサートチップの外表面に、前記太径部から前記先端面に至るように設けられ、前記先端面において、前記チップ穴の周囲を囲むように配置された、少なくとも３つ以上の複数の溝と、
   を備えたこと
   を特徴とするインサートチップ。
2. 前記複数の溝のそれぞれは、前記先端面の周方向に沿って等間隔に配置されていること
   を特徴とする請求項１記載のインサートチップ。
3. 前記先端面は、曲面を含むこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載のインサートチップ。
4. 前記先端面において、前記複数の溝及び前記チップ穴の総開口面積Ｓ_OPENと前記先端面の面積Ｓ_TIPとの割合Ｓ_OPEN／Ｓ_TIPは、０．２５以上０．７５以下であること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のインサートチップ。
5. 前記先端面において、前記複数の溝は互いに連通し、複数の前記チップ穴を囲むように、１つの環状溝になっていること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のインサートチップ。
6. 前記複数の溝のそれぞれは、不活性ガス又は不活性ガスと活性ガスとを含むバリアガスを放出すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のインサートチップ。
7. 前記複数の溝のそれぞれは、放出された前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとが、溶融プールの表面で重ならない角度で、前記チップ穴に垂直な線から傾いていること
   を特徴とする請求項６記載のインサートチップ。
8. 前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとは、実使用時に推奨されるスタンドオフの範囲において、前記溶融プールの表面で重ならないこと
   を特徴とする請求項７記載のインサートチップ。
9. 前記複数の溝のそれぞれは、前記バリアガスの流れが、前記プラズマアークの流れを３６０°囲むことが可能な位置に配置されていること
   を特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載のインサートチップ。
10. 前記プラズマ溶接トーチは、溶接時に、金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板のプラズマ溶接に使用されるものであること
    を特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のインサートチップ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載のインサートチップと組み合わせられるインサートキャップであって、
    先端に開口を有し、前記インサートチップに嵌合する円錐内壁面を有した内空間を備え、
    前記円錐内壁面が、前記インサートチップの外表面と接することによって、前記インサートチップの外表面に設けられた前記複数の溝のそれぞれをガス流路とすること
    を特徴とするインサートキャップ。
12. 前記インサートキャップの先端面が、前記開口に水平な線から、前記開口に向かって傾いていること
    を特徴とする請求項１１記載のインサートキャップ。
13. トーチ本体と、
    前記トーチ本体に取り付けられた請求項１１又は請求項１２に記載のインサートキャップと、
    前記インサートキャップの前記内空間内に取り付けられた請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載のインサートチップと、
    を備えたこと
    を特徴とするプラズマ溶接トーチ。
14. 前記インサートチップの外側に取り付けられ、内空間と、前記内空間に連通した開口を有するシールドキャップを、さらに備え、
    前記インサートキャップは、前記シールドキャップの内空間内に挿入され、
    前記シールドキャップは、前記インサートキャップの外表面と前記シールドキャップの内空間の内壁面との間にガス流路を形成し、
    前記インサートチップの内空間には、パイロットガスが導入され、
    前記ガス流路には、シールドガスが導入され、
    前記インサートチップの複数の溝のそれぞれには、バリアガスが導入され、
    前記バリアガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記シールドガスの供給流量よりも少なく設定され、
    前記パイロットガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記バリアガスの供給流量よりも少なく設定されること
    を特徴とする請求項１３記載のプラズマ溶接トーチ。
15. 高周波を発生させる高周波発生器を有するプラズマ溶接機本体と、
    請求項１３又は請求項１４に記載のプラズマ溶接トーチと、
    前記プラズマ溶接機本体と接続され、パイロットガスが充填されるパイロットガスボンベと、
    前記プラズマ溶接機本体と接続され、シールドガスが充填されるシールドガスボンベと、
    前記プラズマ溶接機本体と接続され、バリアガスが充填されるバリアガスボンベと、
    冷却流体を前記プラズマ溶接機本体と前記プラズマ溶接トーチとの間で循環させる冷却流体ポンプと、
    溶接対象材と接続される母材ケーブルと、
    前記高周波、前記パイロットガス、前記シールドガス及び前記冷却流体を、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するトーチケーブルと、
    前記バリアガスを、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するバリアガスホースと、
    を備えたこと
    を特徴とするプラズマ溶接装置。

Images