JP2023046497A - 溶接トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】シールドガスの偏流を抑制する。
【解決手段】溶接トーチは、筒状のチップボディ１００と、オリフィス１２０と、ノズル１５０とを備える。筒状のチップボディ１００は、軸方向に延在する。オリフィス１２０は、チップボディ１００の径方向外側に配置され、チップボディ１００との間に環状の第１空間１１が形成されている。ノズル１５０は、オリフィス１２０の径方向外側に配置され、かつオリフィス１２０との間に環状の第２空間１２が形成されている。チップボディ１００には、チップボディ１００の内側空間１０と第１空間１１とを連通させる複数の第１貫通孔１０１が設けられている。オリフィス１２０には、第１空間１１と第２空間１２とを連通させる複数の第２貫通孔１３２がオリフィス１２０の周方向に間隔をあけて並んで設けられている。複数の第２貫通孔１３２は、周方向に沿って延在する長孔形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接トーチに関する。

溶接トーチ用オリフィスを開示した先行技術文献として、実願平０１－１３４９２８号(実開平０３－０７６６６６号)のマイクロフィルム(特許文献１)がある。特許文献１に記載された溶接トーチ用オリフィスにおいては、ガスディフューザからのガスをノズル内に放出する多数の孔が、オリフィスの周面において軸方向に千鳥状に穿設されている。

実願平０１－１３４９２８号(実開平０３－０７６６６６号)のマイクロフィルム

特許文献１に記載された溶接トーチ用オリフィスにおいては、オリフィスの多数の孔のうちノズル先端に近い孔から多くのシールドガスが出るため、オリフィスの周方向におけるシールドガスの流速分布にムラができ、オリフィスからノズルの先端へ通流するシールドガスが偏流した状態になる。また、オリフィスに形成される貫通孔を真円形状にした場合、シールドガスが貫通孔を通過する際の圧力損失が大きくなり、オリフィスによるシールドガスの整流特性が低下し、これによってもシールドガスが偏流した状態になりやすくなる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、シールドガスの偏流を抑制することができる、溶接トーチを提供することを目的とする。

本発明に基づく溶接トーチは、筒状のチップボディと、オリフィスと、ノズルとを備える。チップボディは、軸方向に延在する。オリフィスは、チップボディの径方向外側に配置され、チップボディとの間に環状の第１空間が形成されている。ノズルは、オリフィスの径方向外側に配置され、かつオリフィスとの間に環状の第２空間が形成されている。チップボディには、チップボディの内側空間と第１空間とを連通させる複数の第１貫通孔が設けられている。オリフィスには、第１空間と第２空間とを連通させる複数の第２貫通孔がオリフィスの周方向に間隔をあけて並んで設けられている。複数の第２貫通孔は、上記周方向に沿って延在する長孔形状を有する。

オリフィスに周方向に沿って延在する長孔形状を有する複数の第２貫通孔が設けられていることによって、第２貫通孔を通過する際のシールドガスの圧力損失を低減しつつオリフィスの周方向におけるシールドガスの流速分布のムラを低減し、オリフィスからノズル先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一形態においては、複数の第２貫通孔の開口面積の合計値は、複数の第１貫通孔の開口面積の合計値以上である。

これにより、複数の第２貫通孔から出るシールドガスが過度に高圧になることを抑制し、オリフィスの周方向におけるシールドガスの流速分布のムラを低減できるため、オリフィスからノズル先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一形態においては、複数の第２貫通孔の開口面積の合計値は、複数の第１貫通孔の開口面積の合計値に対して、１．３倍以下である。

これにより、チップボディとオリフィスとの間の第１空間が過度に低圧になることを抑制し、オリフィスによるシールドガスの整流特性を高く維持できるため、オリフィスからノズル先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一形態においては、オリフィスは、樹脂製の第１部材と、金属製の第２部材とを含む。第１部材は、第１空間の外側に位置する。第２部材は、上記軸方向において第１部材に接続され、第１部材よりノズルの先端側に位置する。

これにより、スパッタの付着による熱影響に起因するオリフィスにおける第１部材の溶融を防止して、チップボディと第１部材との間に隙間が生じることにより発生するガス漏れを抑制しつつ、第２部材によってチップボディとノズルとを電気的に絶縁することができる。

本発明の一形態においては、第１部材と第２部材とは、上記周方向に沿って嵌合することにより互いに接続されている。

これにより、オリフィスの径方向の厚みを薄くすることができるため、オリフィスを小型化することができる。

本発明によれば、シールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチの構成を示す断面図である。 図１の溶接トーチをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図１の溶接トーチをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の一実施の形態に係る溶接トーチが備えるオリフィスにおける第１部材の構成を示す斜視図である。 図１におけるＶ部を拡大して溶接トーチにおけるシールドガスの流れを示す断面図である。 比較例に係る溶接トーチの先端部の内部におけるシールドガスの流速の分布を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る溶接トーチの先端部の内部におけるシールドガスの流速の分布を示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチについて図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチの構成を示す断面図である。図２は、図１の溶接トーチをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図１の溶接トーチをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチが備えるオリフィスにおける第１部材の構成を示す斜視図である。

図１～図４に示すように、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１は、チップボディ１００と、オリフィス１２０と、ノズル１５０とを備える。本実施の形態における溶接トーチ１は、ライナ部材１１０と、絶縁部材１６０と、チップ１７０とをさらに備える。溶接トーチ１は、たとえば、レーザ・アークハイブリッド溶接などの高速の溶接に適用される。

図１～図３に示すように、チップボディ１００は、筒状である。チップボディ１００は、軸方向(ＤＲ１方向)に延在している。チップボディ１００は、溶接トーチ１における後端においてライナ部材１１０に接続されている。

チップボディ１００は、金属製である。チップボディ１００は、たとえば、銅によって構成されている。なお、チップボディ１００は、金属材料から構成されていればよく、銅に限定されない。チップボディ１００は、図示しないトーチボディから給電される。

図１および図２に示すように、チップボディ１００には、複数の第１貫通孔１０１が設けられている。本実施の形態における複数の第１貫通孔１０１の各々は、軸方向の周方向において等間隔に並んで配置されている。なお、複数の第１貫通孔１０１の各々は、軸方向の位置が互いにずれていてもよい。

ライナ部材１１０は、図示しないワイヤをチップ１７０へ供給する通路を形成する部材である。ライナ部材１１０は、ライナ１１１と、接続部材１１２とを含む。

ライナ１１１は、チップボディ１００を軸方向に挿通している。これにより、チップボディ１００には、ライナ１１１との間に環状の内側空間１０が形成されている。

接続部材１１２は、ライナ１１１の後端側に接続されている。接続部材１１２は、ライナ１１１とは反対側の端部において、図示しないトーチボディと接続されている。

図１～図３に示すように、オリフィス１２０は、筒状である。オリフィス１２０は、チップボディ１００の径方向外側に配置されている。オリフィス１２０とチップボディ１００との間に、環状の第１空間１１が形成されている。

チップボディ１００における複数の第１貫通孔１０１の各々は、チップボディ１００の内側空間１０と第１空間１１とを連通させている。

オリフィス１２０は、第１部材１３０と、第２部材１４０とを含む。本実施の形態においては、オリフィス１２０は、二部材で構成されているが、これに限られず、一部材で構成されていてもよい。第１部材１３０は、第１空間１１の外側に位置している。

第１部材１３０は、樹脂製である。第１部材１３０は、たとえば、フェノール樹脂である。なお、第１部材１３０は、フェノール樹脂に限定されず、ポリアセタールなどの樹脂またはセラミックであってもよい。チップボディ１００とノズル１５０との間に第１部材１３０が配置されることによって、チップボディ１００とノズル１５０とが電気的に絶縁されている。

図１および図４に示すように、第１部材１３０は、鍔部１３１を有している。鍔部１３１は、溶接トーチ１の後端側に配置されている。鍔部１３１は、ノズル１５０の内周面に接触している。

図１、図３および図４に示すように、オリフィス１２０における第１部材１３０には、第１空間１１と第２空間１２とを連通させる複数の第２貫通孔１３２がオリフィス１２０の周方向に間隔をあけて並んで設けられている。複数の第２貫通孔１３２は、複数の第１貫通孔１０１に対して、溶接トーチ１の後端側に位置している。本実施の形態における複数の第２貫通孔１３２の各々は、第１部材１３０において、鍔部１３１側に設けられている。

図３および図４に示すように、複数の第２貫通孔１３２は、オリフィス１２０の周方向に沿って延在する長孔形状を有している。本実施の形態における複数の第２貫通孔１３２は、オリフィス１２０の周方向に６個設けられている。複数の第２貫通孔１３２の長孔形状における軸方向(ＤＲ１方向)の孔径は、たとえば、１．５ｍｍである。

オリフィス１２０の周方向における、第１部材１３０の全長に対する、複数の第２貫通孔１３２の合計長さの割合は、たとえば、６０～８０％である。これにより、シールドガスが複数の第２貫通孔１３２から過度に高圧で噴出されることが抑制されている。

複数の第２貫通孔１３２の各々を長孔形状にすることにより、複数の第２貫通孔の各々が当該長孔形状の短径と同一寸法の直径を有する真円形状である場合と比較して、複数の第２貫通孔１３２を通過する際のシールドガスの圧力損失を低減することができる。また、複数の第２貫通孔１３２の各々を長孔形状にすることによって、開口面積を確保するのに必要な貫通孔の数量を減らすことができるため、穿設に要する製造コストを削減することができる。

図１に示すように、第２部材１４０は、軸方向(ＤＲ１方向)において第１部材１３０に接続され、第１部材１３０よりノズル１５０の先端側に位置している。

第２部材１４０は、金属製である。第２部材１４０は、たとえば、銅によって構成されている。なお、第２部材１４０は、比較的融点の高い金属材料から構成されていればよく、銅に限定されない。

第１部材１３０と第２部材１４０とは、オリフィス１２０の周方向に沿って嵌合することにより互いに接続されている。本実施の形態においては、第１部材１３０の内周部と第２部材１４０の外周部とが嵌合部１２１において嵌合されることによって、互いに接続されている。これにより、オリフィス１２０の径方向における厚みを、第１部材１３０と第２部材１４０とに形成された雌ねじと雄ねじとを螺合させて締結する場合などと比較して薄くすることができる。

図１～図３に示すように、ノズル１５０は、筒状である。ノズル１５０は、オリフィス１２０の径方向外側に配置されている。ノズル１５０とオリフィス１２０との間に、環状の第２空間１２が形成されている。ノズル１５０の先端側は、外部に開放されている。ノズル１５０は、金属材料から構成されている。

絶縁部材１６０は、第１部材１３０とともにチップボディ１００とノズル１５０とを絶縁する部材である。絶縁部材１６０は、第１絶縁部材１６１と、第２絶縁部材１６２とを含む。

第１絶縁部材１６１は、チップボディ１００の径方向外側に設けられている。第２絶縁部材１６２は、第１絶縁部材１６１に一部が嵌合されて接続されている。第２絶縁部材１６２の径方向外側には、ノズル１５０が嵌合されている。

チップ１７０は、チップボディ１００の先端に接続されている。チップ１７０には、軸方向(ＤＲ１方向)に延在する貫通孔が設けられている。貫通孔には、図示しないワイヤが挿通可能である。チップ１７０にワイヤを挿通させつつ、チップボディ１００を通じてチップ１７０が給電されることによって、ワイヤと図示しない被溶接部材との間でアーク放電が発生する。

ここで、本発明の一実施の形態における溶接トーチ１におけるシールドガスの流れについて説明する。図５は、図１におけるＶ部を拡大して溶接トーチにおけるシールドガスの流れを示す断面図である。

溶接トーチ１においては、ノズル１５０の先端側から不活性ガスなどにより構成されるシールドガスが噴出する。溶接トーチ１の内部におけるシールドガスの流れとしては、図５に示すように、まず、図示しないトーチボディから接続部材１１２の内部を通流したシールドガスが内側空間１０を通流する。次に、シールドガスは、内側空間１０から複数の第１貫通孔１０１を通過して第１空間１１に流入する。次に、シールドガスは、第１空間１１から複数の第２貫通孔１３２を通過して第２空間１２に流入する。その後、シールドガスは、第２空間１２を通流してノズル１５０の先端から外部へ噴出される。

上述したシールドガスの流れにおいて、複数の第２貫通孔１３２の開口面積の合計値は、複数の第１貫通孔１０１の開口面積の合計値以上である。これにより、複数の第２貫通孔１３２から噴出するシールドガスが過度に高圧になることを抑制し、オリフィス１２０の周方向におけるシールドガスの流速分布のムラを低減することができる。

また、複数の第２貫通孔１３２の開口面積の合計値は、複数の第１貫通孔１０１の開口面積の合計値に対して、１．３倍以下である。これにより、第１空間１１内が過度に低圧になることを抑制し、オリフィス１２０によるシールドガスの整流特性を高く維持できるため、シールドガスの偏流を抑制することができる。

さらに、内側空間１０および第２空間１２の各々におけるシールドガスの通流方向と、第１空間１１におけるシールドガスの通流方向とが、軸方向(ＤＲ１方向)において互いに反対向きであることによって、シールドガスが溶接トーチ１の内部の通流する距離を長くしてシールドガスの整流区間を確保し、シールドガスの偏流を抑制することができる。

ここで、本実施の形態に係る溶接トーチと比較例に係る溶接トーチとにおける、シールドガスの流速分布のシミュレーション解析結果について説明する。比較例に係る溶接トーチは、複数の第２貫通孔の形状のみ、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１と異なる。比較例に係る溶接トーチの複数の第２貫通孔の各々は、真円形状を有している。比較例における複数の第２貫通孔は、オリフィスの周方向に等間隔に８個設けられている。

図６は、比較例に係る溶接トーチの先端部の内部におけるシールドガスの流速の分布を示す断面図である。

図６に示すように、比較例に係る溶接トーチ９においては、溶接トーチ９の先端部における第２空間９２内のチップ９７０の周囲におけるシールドガスの流速分布に大きなムラがある。具体的には、たとえば、図６に示す位置Ｐ９のように、シールドガスの流速が局所的に大きくなっている箇所とシールドガスがほとんど流れていない箇所が発生していた。

この、ノズル９５０の先端部の内部におけるシールドガスの流速分布の大きなムラは、真円形状の複数の第２貫通孔からシールドガスが過度に高圧で噴出されることによって生ずる。真円形状の複数の第２貫通孔から過度に高圧で噴出したシールドガスは、ノズル９５０の周方向において偏流した状態のまま第２空間９２を通流する。その結果、ノズル９５０から外部に噴出されるシールドガスは、ノズル９５０の周方向に偏流しているためガスシールド性を確保することができない。

図７は、本発明の一実施の形態に係る溶接トーチの先端部の内部におけるシールドガスの流速の分布を示す断面図である。

図７に示すように、本実施の形態に係る溶接トーチ１においては、溶接トーチ１の先端部における第２空間１２内のチップ１７０の周囲におけるシールドガスの流速分布のムラが低減していた。具体的には、たとえば、図７に示す位置Ｐ１のように、シールドガスの流速が平準化され、シールドガスがほとんど流れていない箇所が発生しなかった。このように、第２貫通孔を長孔形状とすることによって、シールドガスの偏流を抑制してガスシールド性を確保できることが確認できた。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１においては、オリフィス１２０における第１部材１３０に周方向に沿って延在する長孔形状を有する複数の第２貫通孔１３２が設けられていることによって、第２貫通孔１３２を通過する際のシールドガスの圧力損失を低減しつつオリフィス１２０の周方向におけるシールドガスの流速分布のムラを低減し、オリフィス１２０からノズル１５０の先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１においては、複数の第２貫通孔１３２の開口面積の合計値が複数の第１貫通孔１０１の開口面積の合計値以上であることにより、複数の第２貫通孔１３２から出るシールドガスが過度に高圧になることを抑制し、オリフィス１２０の周方向におけるシールドガスの流速分布のムラを低減できるため、オリフィス１２０からノズル１５０の先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１においては、複数の第２貫通孔１３２の開口面積の合計値が複数の第１貫通孔１０１の開口面積の合計値に対して１．３倍以下であることによって、複数の第２貫通孔１３２から出るシールドガスが過度に低圧になることを抑制し、オリフィス１２０によるシールドガスの整流特性を高く維持できるため、オリフィス１２０からノズル１５０の先端へ流れるシールドガスの偏流を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１においては、オリフィス１２０が樹脂製の第１部材１３０と第１部材１３０の先端側に位置する金属製の第２部材１４０とを含むことによって、スパッタの付着による熱影響に起因するオリフィス１２０における第１部材１３０の溶融を防止して、チップボディ１００と第１部材１３０との間に隙間が生じることにより発生するガス漏れを抑制しつつ、第２部材１４０によってチップボディ１００とノズル１５０とを電気的に絶縁することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶接トーチ１においては、第１部材１３０と第２部材１４０とがオリフィス１２０の周方向に沿って嵌合することにより互いに接続されていることによって、オリフィス１２０の径方向の厚みを薄くすることができるため、第１部材１３０と第２部材１４０とに形成された雌ねじと雄ねじとを螺合させて締結する場合と比較して、オリフィス１２０を小型化することができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

１，９ 溶接トーチ、１０ 内側空間、１１ 第１空間、１２，９２ 第２空間、１００ チップボディ、１０１ 第１貫通孔、１２０ オリフィス、１３０ 第１部材、１３２ 第２貫通孔、１４０ 第２部材、１５０，９５０ ノズル。

Claims (5)

1. 軸方向に延在する筒状のチップボディと、
   前記チップボディの径方向外側に配置され、前記チップボディとの間に環状の第１空間が形成されたオリフィスと、
   前記オリフィスの径方向外側に配置され、かつ前記オリフィスとの間に環状の第２空間が形成されたノズルとを備え、
   前記チップボディには、該チップボディの内側空間と前記第１空間とを連通させる複数の第１貫通孔が設けられており、
   前記オリフィスには、前記第１空間と前記第２空間とを連通させる複数の第２貫通孔が前記オリフィスの周方向に間隔をあけて並んで設けられており、
   前記複数の第２貫通孔は、前記周方向に沿って延在する長孔形状を有する、溶接トーチ。
2. 前記複数の第２貫通孔の開口面積の合計値は、前記複数の第１貫通孔の開口面積の合計値以上である、請求項１に記載の溶接トーチ。
3. 前記複数の第２貫通孔の開口面積の合計値は、前記複数の第１貫通孔の開口面積の合計値に対して、１．３倍以下である、請求項２に記載の溶接トーチ。
4. 前記オリフィスは、
   前記第１空間の外側に位置する樹脂製の第１部材と、
   前記軸方向において前記第１部材に接続され、前記第１部材より前記ノズルの先端側に位置する金属製の第２部材とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接トーチ。
5. 前記第１部材と前記第２部材とは、前記周方向に沿って嵌合することにより互いに接続されている、請求項４に記載の溶接トーチ。
   

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