JP3365720B2 - 揺動式プラズマト−チ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接，切断，穿
孔，加熱等に用いるプラズマトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば隅肉溶接などの角部の溶接を行う
場合に、プラズマアークによる溶接が行われている。こ
れは、プラズマアーク溶接はアークの熱集中性が良く、
尚かつ指向性が良いことから角部の狭あい部迄アークの
ふらつきなくアーク熱を照射，溶融溶接が出来る特性に
よる。しかし、溶接する部材の形状によっては接合部が
密着しておらず、絞られた形状のプラズマアークを用い
て溶接材ギャップの大きな溶接を行う場合がある。図６
には、これらの例を示す。図６の（ａ）は、ベ−ス鋼板
Ｗ２に、隙間（ギャップｄ）を置いて平行な鋼板Ｗ１の
端縁をプラズマト−チＴで重ね隅肉溶接する態様であ
り、（ｂ）は、パイプＷ３，Ｗ４同志を周面で溶接する
態様であり、（ｃ）は、板金ケースＷ６の角部分などの
プレス曲げ加工部に部品Ｗ５の平面を溶接する態様であ
り、（ｄ）は、自動車外板の溶接の際の板継ぎのよう
に、板状の被溶接材Ｗ７の端部を、それを受ける鋼板の
段差部に埋めるように溶接する態様である。これらを行
なうプラズマアーク溶接は、アークの熱集中性が良い反
面、適正脚長が最大３〜４ｍｍと短く、図６の（ａ）〜
（ｄ）に示すような溶接ギャップ又は脚長の大きな溶接
を行うと、溶接ビードがブリッジしないなどの不具合を
生じる可能性がある。また隅肉溶接においても、大脚長
の溶接を行うと、例えば図６の（ｃ）において、垂直に
配置された部品Ｗ５の溶融金属が重力により下方向に落
ちて不均衡なビードとなる上、部品Ｗ５にアンダーカッ
トなどの不具合を生じることもある。さらに、トーチが
狙い位置から少しでもずれると、不均一ビードとなった
り、アンダ−カットを生じたり、ブリッジしない等の不
具合が生じるので高精度な倣いが必要であり、高精度な
倣い機構を用いると溶接装置が複雑で高価となる。作業
者の手作業で倣いを行なう場合は、作業能率が低下す
る。

【０００３】これらの問題点を解決する為に、特開平２
−２１０７９９号公報においては、プズマガスの軸方向
の流速を抑制し、プラズマのキンク（Ｋｉｎｋ）不安定
性による変形力を利用して、アークを高速回転させる方
法が提案されている。また、特開平４−１７８２８２号
公報には、トーチ内に複数個の電極を設けて交流電源よ
り交流電圧を供給し、磁気発生装置によりプラズマアー
クを回転運動させ、母材を広範囲に照射加熱する方法が
示されている。これによれば、幅広な脚長のプラズマ溶
接が実現される。

【０００４】しかし、特開平２−２１０７９９号公報に
示す方法では、キンク不安定性を利用しているため定量
的な回転数，回転角度及び均一性のある熱分布等を得る
ことが難かしい。すなわち、均一なビードが得られにく
い。また、特開平４−１７８２８２号公報に示す方法で
は、電極を複数個必要とする上、回転駆動用の磁気発生
装置が必要となる等、装置としては大型となり広い作業
スペースを必要とする。又装置が複雑で高価である。

【０００５】そこで発明者は、アークの熱集中性が高い
にもかかわらず、ア−クの作用領域を広くすることを目
的として、揺動式プラズマト−チを開発した（特願平７
−３２５４６３号（特開平９−１６４４８６号））。こ
の揺動式プラズマト−チは、放電電極のワ−ク指向線に
対して外開口が偏位したノズルを有するノズル部材を設
け、該ノズル部材を前記ワ−ク指向線を実質上中心にし
て回転駆動しつつプラズマア−ク溶接を行なう。即ち、
該ノズルの中心線が円錐面を描くように回転するので、
該ノズルから出るプラズマも同じく円錐面を描くように
回転する。該円錐の下底側でプラズマが加工対象材に当
るので、時系列平均で見ると、加工対象材に対してプラ
ズマ作用領域が広い。

【０００６】特願平７−３２５４６３号（特開平９−１
６４４８６号）による方法は、放電電極であるタングス
テン棒の消耗を遅らすために、外部より溶接トーチの内
部に送り込むプラズマガスには、不活性ガスを使用して
いた。

【０００７】一方、プラズマト−チのノズル部を２重ノ
ズル方式にしたト−チが提案されている。これは、鉄や
アルミニウム材料の切断を行なう場合に、プラズマガス
に活性ガスを使用することが有効であることから、保護
用ガス（電極ガス）には不活性ガスを使用し、プラズマ
ガスに活性ガスを使用するものである。特公昭３５−８
９２４号公報の発明は、２重ノズル方式の基本的な形式
であり、放電電極であるタングステン棒の消耗を遅らす
ためにタングステン電極の周りに不活性被包ガス（電極
ガス）を吹き出し、電極ガスの外周部分に活性の加工ガ
ス（プラズマガス）を吹き出す。また特開昭５０−３０
７６６号公報に示された方法は、２重ノズル方式のノズ
ル部を使用し、タングステン電極の周りに吹き出す不活
性ガスの流量を調整することにより放電電極の消耗を遅
くしている。これらの方法ではプラズマアーク溶接時に
於けるアークの熱集中性が良い反面、プラズマ作用領域
が狭い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電極の消耗
を低減することを第１の目的とし、アークの熱集中性を
高めることを第２の目的とし、プラズマトーチによる加
工領域を広くすることを第３の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明の揺動式プラズマト−チは、放電電極
(1)；該放電電極(1)の長軸方向を取り囲み、放電電極の
ワ−ク指向線(Lo)と同軸な第１ノズル(2a)を備える第１
ノズル部材(2)；前記放電電極(1)と第１ノズル部材(2)
とが形成する内空間に、電極ガスを供給する第１ガス通
路(GP1)；第１ノズル部材(2)の長軸方向を取り囲み、前
記放電電極(1)のワ−ク指向線(Lo)に対して外開口が偏
位した第２ノズル(3a)を有する第２ノズル部材(3)；第
１ノズル部材(2)と第２ノズル部材(3)が形成する内空間
にプラズマ用ガスを供給する第２ガス流路(GP2)；第２
ノズル部材(3)とその外側のシ−ルドキャップ(6)との間
にシ−ルドガスを供給する第３ガス流路(GP3)；およ
び、第２ノズル部材(3)を前記ワ−ク指向線(Lo)を実質
上中心にして回転駆動する駆動手段(M,mr,32,33,37)；
を備える。

【００１０】なお、理解を容易にするためにカッコ内に
は、図面に示し後述する実施例の対応要素の記号を、参
考までに付記した。

【００１１】この揺動式プラズマト−チによれば、第１
ノズル部材(2)と第２ノズル部材(3)で２重ノズルとなっ
ており、放電電極(1)とその外套である第１ノズル部材
(2)との内空間に、ガス流路(GP1)を介して電極ガスが供
給され、第１ノズル部材(2)とその外套である第２ノズ
ル部材(3)との内空間に、ガス流路(GP2)を介して、プラ
ズマ用ガスが供給され、そしてシ−ルドキャップ(6)か
らシ−ルドガスが吹出される。放電電極(1)は、その外
周を流れる電極ガスにより酸素源と隔離されるので電極
の消耗が少ない。従ってこの電極ガスの更に外周を流れ
るプラズマ用ガスには、不活性ガスのみならず活性ガ
ス、又は活性ガスと不活性ガスの混合ガスを使用するこ
とが出来る。第２ノズル部材(3)のノズル(3a)は、ワ−
ク指向線(Lo)に対して偏位(θ)したものであるので、第
２ノズル部材(3)を駆動手段(M,mr,32,33,37)により回転
駆動すると、ノズル(3a)の中心線が円錐面を描くように
回転して、該ノズル(3a)から出るプラズマも同じく円錐
面を描くように回転する。該円錐の下底側でプラズマが
加工対象材に当るので、時系列平均で見ると、加工対象
材に対してプラズマ作用領域が広い。したがってト−チ
の狙い位置が少々ずれても、意図した箇所にプラズマア
ークが作用する。溶接においては、倣い精度が低くても
よく、また、脚長の長い溶接や合わせ部ギャップ大の溶
接が可能となる。なお、第２ノズル部材(3)のノズル(3
a)の内開口はワーク指向線(Lo)に対して実質上整合する
のが好ましいが、ワーク指向線(Lo)に対して少々偏位し
てもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（２） 放電電極(1)；該放電電極(1)の長軸方向を取り
囲み、放電電極のワ−ク指向線(Lo)に対して外開口が偏
位した第１ノズル(2a)を備える第１ノズル部材(2)；前
記放電電極(1)と第１ノズル部材(2)とが形成する内空間
に、電極ガスを供給する第１ガス通路(GP1)；第１ノズ
ル部材(2)の長軸方向を取り囲み、前記放電電極(1)のワ
−ク指向線(Lo)に対して偏位しかつ第１ノズル(2a)と整
合した第２ノズル(3a)を有する第２ノズル部材(3)；第
１ノズル部材(2)と第２ノズル部材(3)が形成する内空間
にプラズマ用ガスを供給する第２ガス流路(GP2)；第２
ノズル部材(3)とその外側のシ−ルドキャップ(6)との間
にシ−ルドガスを供給する第３ガス流路(GP3)；およ
び、第１ノズル部材(2)および第２ノズル部材(3)を前記
ワ−ク指向線(Lo)を実質上中心にして同方向に同速度で
回転駆動する駆動手段(M,mr,32,33,37)；を備える揺動
式プラズマト−チ。

【００１３】これによれば、第２ノズル部材(3)のみで
なく、第１ノズル部材(2)も同時に駆動手段(M,mr,32,3
3,37)により回転駆動して、それらのノズル(2a,3a)から
出るプラズマを円錐面を描くように回転させる。従って
該円錐の下底側でプラズマが加工対象材に当るので、時
系列平均で見ると、加工対象材に対してプラズマ作用領
域が広い。第１ノズル部材(2)のノズル(2a)が偏位して
おり、この偏位に第２ノズル部材(3)のノズル(3a)が整
合するので、上記（１）の態様の場合よりも、ワ−ク指
向線(Lo)に対する第２ノズル(3a)の偏位量を大きくする
ことができる。つまり、加工対象材に対してプラズマ作
用領域を広くすることができる。

【００１４】（３）第１ノズル部材(2)と第２ノズル部
材(3)を、絶縁材(40)で一体に結合した、請求項２記載
の揺動式プラズマト−チ。これによれば、駆動手段(M,m
r,32,33,37)で第１ノズル部材(2)と第２ノズル部材(3)
の一方を回転駆動すると、他方が同方向に同一速度で回
転する。

【００１５】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より明らかになろう。

【００１６】

【実施例】

−第１実施例− 図１に、本発明の第１実施例の溶接トーチＴを示す。以
下、各図においてｚ方向を上とし、ｙ方向を右とすると
ともにｙｚ平面に垂直な方向ｘ（図１においては紙面の
裏から表へ向う方向）を溶接トーチＴの溶接方向とす
る。図１は隅肉溶接を行う態様を示しており、溶接トー
チＴは、ｘｚ面より約４５度傾いた状態を示している。

【００１７】ｘｙ平面に水平な地上基礎（図示せず）上
に水平に水平金属平板Ｗｙが置かれ、水平金属平板Ｗｙ
には垂直にしかもｘ軸に対して平行となるように垂直金
属平板Ｗｚが立てられている。この２枚の金属平板Ｗ
ｙ，Ｗｚは、溶接トーチＴを支持する作業者又は溶接ロ
ボットにより双方の接触点（交接線）Ｏをｘ方向に溶接
される。

【００１８】この実施例では、タングステン棒（溶接電
極）１は直線状の棒体であり、その先端が加工対象材
（ワ−ク）を狙う線すなわちワ−ク指向線Ｌｏは、タン
グステン棒１の中心線と合致する。作業者又は溶接ロボ
ットは、タングステン棒１の中心線でもあるワ−ク指向
線Ｌｏが交接線Ｏに交わるように狙い、溶接トーチＴを
傾けて支持する。

【００１９】以下、水平金属平板Ｗｙは水平板Ｗｙと称
し、垂直金属平板Ｗｚは垂直板Ｗｚと称するとともに、
交接線Ｏを狙い位置とも称す。なお、水平板Ｗｙおよび
垂直板Ｗｚは本実施例においては、同じ材料のSM400Aで
ある。

【００２０】溶接トーチＴの基体Ｂは、中空の略円筒状
の部材の外周面にアームを装着したものである。基体Ｂ
のアーム部分の内部には冷却水（入水，戻水），電極ガ
ス，プラズマガス，シールドガスの流路が形成されてお
り、基体Ｂの内周面に連通する。水路は水を外部より基
体Ｂの内部に送り込み、溶接トーチＴの内部に絶縁水路
２０ａ，２０ｂを介して循環させて再び外部に放出する
（図１に実線矢印で示す）。電極ガス流路は、外部より
不活性ガスを溶接トーチＴの内部，即ち放電電極１の周
辺に送り込む（図１に点線矢印で示す）。プラズマガス
流路は、外部よりプラズマガスを溶接トーチＴの内部に
送り込む（図１に１点鎖線矢印で示す）。また、シール
ドガス流路は、外部よりシールドガスを溶接トーチＴの
内部に送り込む（図１に２点鎖線矢印で示す）。

【００２１】以下、溶接トーチＴの狙い位置Ｏに向う方
向を先端方向とし、その反対方向を尾端方向とすれば、
基体Ｂの尾端部には基体Ｂより直径の小さい略円筒形の
電極台８の先端部が挿入されており、基体Ｂの内周面に
一体固着されている。電極台８の先端部の周面には軸中
心を同一にしたリング状の溝が刻まれており、基体Ｂの
内周面の壁との間に水路を形成する。該水路には、絶縁
水路２０ａを介して冷却水が流入し、基体Ｂのアーム部
分の内部の戻水路にこれを放出している。

【００２２】基体Ｂより突出した電極台８の円筒状の尾
端部の内部には、先端部をスリットの切込みにより周方
向に４分割したチャック９が挿入され、締込まれてい
る。

【００２３】チャック９は、中心線Ｌｏに沿って延びる
先端が円錐形に突出したタングステン棒１を挾持する。
電極台８の後端部は案内リング１０内に進入してネジ結
合しており、案内リング１０はカバーＣで覆われてい
る。カバーＣの案内リング１０を電極台８に対してねじ
込むことによりチャック９の尾端部が電極台８の尾端部
の内部の円錐内壁面（テーパ面）に押し付けられて、タ
ングステン棒１の軸心に向かう方向に曲がろうとしてタ
ングステン棒１を強圧する。これによりタングステン棒
１は電極台８に対して一体に固着されている。すなわ
ち、電極台８は基体Ｂに対して一体であるので、タング
ステン棒１は基体Ｂに対して一体である。

【００２４】一方、基体Ｂの円柱形内空間には略円筒形
である第１ノズル座２ｂの尾端に固着された絶縁スペー
サ７があり、絶縁スペーサ７の尾端は電極台８の先端に
固着された状態で受けられる。第１ノズル座２ｂ内壁及
び絶縁スペ−サ７内壁に支持されて、第１ノズル部材２
が装着されている。すなわち円錐形に突出したタングス
テン棒１の先端を囲むように、中空の略円錐形である第
１ノズル部材２の先端が位置している。第１ノズル部材
２先端の、タングステン棒１先端の円錐形にならうよう
な開口がノズル２ａである。ノズル２ａの内開口中心は
中心線（中心線＝ワ−ク指向線Ｌｏの位置）にある。

【００２５】第１ノズル部材２には軸中心を同一にした
リング状の水路が刻まれており、その一部はシ−ル２s
1,２s2を介して第１ノズル座２ｂ内壁との間に入出水路
を形成している。第１ノズル部材２を冷却する為の冷却
水は、基体Ｂのアーム部分内部の入水路より流入し、第
１ノズル部材２を冷却後、絶縁水路２０ｂに流出する。
基体Ｂの先端寄り内側には、略円筒形である第２ノズ
ル座３ｂが絶縁座３ｉを介して固定されている。第２ノ
ズル座３ｂの内壁にはベアリング３b1,３b2を介して中
空筒状の第２ノズル部材３が支持され、軸心すなわち中
心線Ｌｏを中心とする回転が自在である。第２ノズル部
材３の先端部にあるノズル３ａは、第２ノズル部材３の
中心線Ｌｏ（中心線＝ワ−ク指向線Ｌｏの位置）に対し
てθの角度をなしている。第２ノズル部材３の尾端には
歯車３７が嵌合してあり、この歯車３７にタイミングベ
ルト３３が結合されている。タイミングベルト３３には
もう１つの歯車３２が結合しており、この歯車３２は電
気モ−タＭの回転軸ｍａに固着されている。したがっ
て、電気モ−タＭが回転すると、第２ノズル部材３が回
転する。第２ノズル部材３が回転すれば、ノズル３ａの
外開口は、第２ノズル部材３の中心線Ｌｏ（中心線＝ワ
−ク指向線Ｌｏの位置）に対してθの角度を持って回転
する。

【００２６】第２ノズル部材３には軸中心を同一にした
リング状の水路が刻まれており、その一部はシ−ル３s
1,３s2を介して第２ノズル座３ｂ内壁との間に入出水路
を形成している。第２ノズル部材３を冷却する為の冷却
水は、絶縁水路２０ｂより流入し、第２ノズル部材３を
冷却後、絶縁水路２０ａに流出する。

【００２７】第２ノズル座３ｂの先端部は基体Ｂより突
出しており、この部分の外周には雄ねじが切ってある。
この先端部の外周にシ−ルドキャップ６がねじ結合して
いる。すなわち、第２ノズル座３ｂとシ−ルドキャップ
６は一体である。

【００２８】基体Ｂのシールドガス流路に送り込まれる
シールドガスは、第２ノズル座３ｂに設けられた通気穴
を介して、第２ノズル部材３の外壁とシ−ルドキャップ
６の内壁が形成する空間に送り込まれて、シ−ルドキャ
ップ６先端の第３ノズル６ａから第２ノズル３ａの外空
間に出る。第２ノズル部材３と第２ノズル座３ｂとの接
触面はベアリング３b1,３b2及びシ−ル３s1,３s2を介し
て回転自在な状態を保持しつつ、水及びガスタイトな状
態を保つ。

【００２９】基体Ｂのプラズマガス流路に送り込まれる
プラズマガスは、第１ノズル座２ｂに設けられた通気穴
を介して、第２ノズル部材３尾端より第２ノズル部材３
の内壁と第１ノズル部２の外壁が形成する空間に送り込
まれて、第２ノズル部材３の先端部にある第２ノズル外
開口３ａから外空間に出る。ノズル３ａの外開口は中心
線Ｌｏに対してθの角度をなし、ノズル３ａの外開口
は、中心線すなわちワ−ク指向線Ｌｏより偏位してい
る。

【００３０】また、第１ノズル部材２の内壁にはリング
状のセンタリングストーン４が固着されている。タング
ステン棒１はこのセンタリングストーン４の中心を貫通
し、その軸心は第１ノズル２ａの中心軸すなわち中心線
Ｌｏと実質上一致している。センタリングストーン４に
は、第１ノズル２ａの内開口に対向する先端面からその
裏側の後端面に通じる通気孔が開けられている。基体Ｂ
の電極ガス流路に送り込まれる不活性電極ガスは、第１
ノズル部材２の内壁とタングステン棒１の間の空間に送
り込まれ、センタリングストーン４の通気孔を通って第
２ノズル部材３の内空間に出て、第２ノズル部材３のノ
ズル３ａの外開口から外空間に放出される。

【００３１】ここまでに説明した中で、従来使用されて
いたプラズマ溶接トーチとの構造上の大きな違いは、第
１ノズル部材２と第２ノズル部材３から構成する２重ノ
ズル構造を持つこと、および第２ノズル部材３が第２ノ
ズル座３ｂ，ベアリング３b1,３b2を介して、基体Ｂ，
第１ノズル部材２およびタングステン棒１に回転自在に
支持されている点である。従来のプラズマトーチにおい
て、２重ノズル構造を持つ態様は使用されていたが、そ
のノズル部は基体Ｂに対して固定された状態にあった。
あるいは揺動式プラズマト−チは提案されていたが、２
重ノズル構造を持つものは無かった。

【００３２】２重ノズル構造を持つプラズマ溶接トーチ
の使用態様としては、まずタングステン棒１と先端チッ
プ（第１ノズル部）間に高周波電圧を印加してパイロッ
トアークを発生させる。次にタングステン棒１と被溶接
材との間に主電圧を印加してパイロットアークを被溶接
材に移行させ、主アークを発生させるのが一般的であ
る。

【００３３】本実施例の溶接トーチＴでは、まずタング
ステン棒１と第１ノズル部材２の間に高周波電圧を印加
してパイロットアークを発生させる。この時タングステ
ン棒１と第１ノズル部材２の間に供給される電極ガスは
不活性ガスである。次にタングステン棒１と第２ノズル
部材３の間に電圧を印加してパイロットアークを第２ノ
ズル部材３に移行させる。この時第１ノズル部材２と第
２ノズル部材３の間に供給されるプラズマガスは活性ガ
ス又は混合ガスであってもよい。更にタングステン棒１
と被溶接材との間に主電圧を印加してパイロットアーク
を被溶接材に移行させ、主アークを発生させる。この時
第２ノズル部材３とシ−ルドキャップ６の間に供給され
るシ−ルドガスは不活性ガスであるが、還元用の水素ガ
スを含むものであってもよい。

【００３４】タングステン棒１は電極ガス（不活性ガ
ス）で被包されているのでタングステン棒は酸素と隔離
され、この為タングステン電極１の消耗が少ない。従っ
てプラズマガスに活性ガスを使用することが出来る。ま
た、プラズマガスに不活性ガスを使用する場合、電極ガ
スの流量を半減以下、又は停止しても良く、その分タン
グステン棒の寿命は長くなる。またア−クを第１ノズル
部材２と第２ノズル部材により２段階で絞っているの
で、１段ノズルタイプに比べア−クが硬直しており、す
なわち高指向性であり、ト−チと被溶接材との間隔が離
れていても、深い溶込みが得られる。またア−クのふら
つきが少なく、ア−ク電圧が高くなる為、同一電流でも
高温で熱集中性の高いア−クが得られる。

【００３５】前述の機構に加えてさらに第２ノズル部材
３を回転駆動する機構を備える。これにより、発生した
主アークは、第２ノズル部材３の回転により第２ノズル
３ａの外開口が描く円錐面と同様な円錐面を描くように
回転する。以下に図を参照しながら説明する。

【００３６】図２に、図１の２Ａ−２Ａ線断面を示す。
溶接トーチＴの基体Ｂの外周には、略箱型である支持部
材３０が垂直に固着されており、支持部材３０の外壁に
は電気モータＭが、中心線Ｌｏと平行に支持されてい
る。モータＭの回転軸ｍａが中心線Ｌｏと平行に先端方
向に突出している。回転軸ｍａには歯車３２が固着され
ている。歯車３２にはタイミングベルト３３が装着され
ており、タイミングベルト３３は第２ノズル部材３の尾
端部に固着された歯車３７に掛け渡されている。支持部
材３０の内壁には、タイミングベルト３３の回転方向と
垂直に案内溝３０ａがある。案内溝３０ａには、ベルト
押えロ−ラとしてのベアリング３４が装着されたＵ字型
のスライダ３６が案内されており、ボルト３５の締めつ
けにより案内溝３０ａ内の位置を固定される。タイミン
グベルト３３はベアリング３４により外周を内側に向け
て押圧されており、ボルト３５を緩めて案内溝３０ａに
沿ってスライダ３６の位置を動かすことにより、ベアリ
ング３４のタイミングベルト３３の押圧の度合を変える
ことができる。

【００３７】例えば図１および図２に実線矢印ｍｒで示
す方向にモータＭの回転軸ｍａが回転した場合を考え
る。回転軸ｍａとそれに固着された歯車３２が実線矢印
ｍｒ方向に回転することにより、タイミングベルト３３
を介して歯車３７とそれが固着された第２ノズル部材３
が実線矢印ｍｒで示す方向に回転し、従って第２ノズル
３ａの外開口が同様に回転する。

【００３８】図３の（ａ）は、溶接トーチＴの先端部分
の拡大縦断面図であり、（ｂ）は、第２ノズル部材３の
第２ノズル３ａの外開口をワ−ク側から１点鎖線矢印３
Ｂで示した方向より見た図である。前述のように、第２
ノズル部材３の先端に設けられた第２ノズル３ａは、そ
の中心線（穴中心線）がワ−ク指向線Ｌｏ（＝タングス
テン棒１の中心線Ｌｏ）に対してθだけ傾斜している。
第２ノズル部材３が実線矢印ｍｒで示す方向に回転した
時、第２ノズル部材３が１回転する時間を４分割した時
間を単位時間とすると、ある時点（：実線の丸３ａ）
を基準とし、それから単位時間が経過するごとにその瞬
間のノズル３ａの位置をそれぞれ，，として
（ｂ）に点線の丸で示す。すなわち、ノズル３ａの外開
口は、中心線Ｌｏを中心とする円を画いて回転する。

【００３９】次に本実施例による隅肉溶接の態様を説明
する。図１及び図７を参照されたい。 まず、パイロッ
ト電源Ｖｐの電源スイッチＳ１をオン（図７の（Ａ）。
以下同様）とし、更に第１パイロットア−クスイッチＲ
ｐ１をオン（Ｄ）にする。すると基体Ｂの第１ノズル部
材２に連通する水路（金属製パイプ）にパイロット電源
Ｖｐの正極が接続される。電極台８（タングステン電極
１と同電位）に連通する戻水路（金属製パイプ）にはパ
イロット電源Ｖｐの負極が高周波結合用のトランスを介
して接続されている。同時に第１ガス流路Ｇｐ１を介し
てタングステン電極１と第１ノズル部材２との内空間に
電極ガスを、及び第２ガス流路Ｇｐ２を介して第１ノズ
ル部材２と第２ノズル部材３との内空間にプラズマ用ガ
スを供給（Ｂ）,（Ｃ）する。

【００４０】高周波電源Ｖｈの電源スイッチＳ３をオン
（Ｅ）にすると、パイロット電源電圧に高周波電圧が重
畳して高電圧となり、タングステン棒１と第１ノズル部
材２先端のノズル２ａ間に、第１ノズルパイロットア−
クが発生（Ｆ）する。第１ノズルパイロットアークの発
生後、高周波電源Ｖｈの電源スイッチＳ３をオフ（Ｅ）
にして高周波電圧の印加を停止する。

【００４１】次に第２パイロットア−クスイッチＲｐ２
をオン（Ｇ）にする。すると第２ノズル部材３とシ−ル
ドキャップ６との内空間にシ−ルドガスを通すための第
３ガス流路Ｇｐ３（金属製パイプ）にパイロット電源Ｖ
ｐの正極が接続される。するとタングステン棒１と第１
ノズル部材２先端に発生している第１ノズルパイロット
ア−クが、タングステン棒１と第２ノズル部材３先端ま
で伸長し、第２ノズルパイロットア−ク（Ｈ）となる。
そこで第１パイロットア−クスイッチＲｐ１をオフ
（Ｄ）にする。しかしタングステン棒１と第２ノズル部
材３先端間には、第２ノズルパイロットア−クが継続す
る。

【００４２】次に主電源Ｖｓの電源スイッチＳ２をオン
（Ｉ）とする。主電源Ｖｓの正極は垂直板Ｗｚあるいは
水平板Ｗｙ（本実施例においては水平板Ｗｙ）に接続さ
れており、電極台８に連通する戻水路（金属製パイプ）
には主電源Ｖｓの負極が高周波結合用のトランスを介し
て接続されている。ここで第３ガス流路Ｇｐ３を介して
第２ノズル部材３とシ−ルドキャップ６との内空間にシ
−ルドガスを供給（Ｊ）する。

【００４３】第２ノズルパイロットアークが発生した状
態において主電源Ｖｓにより主電圧を印加すると、タン
グステン棒１と主電源Ｖｓの負極が接続された垂直板Ｗ
ｚあるいは水平板Ｗｙ（本実施例においては水平板Ｗ
ｙ）との間に主アークが発生（Ｋ）する。

【００４４】主ア−クを停止する場合には、シ−ルドガ
スの供給を停止し、電源スイッチＳ２をオフにすればよ
く、この場合第２ノズルパイロットア−クは継続した状
態にしておく。

【００４５】溶接再開時にはシ−ルドガスを供給し、主
電源Ｖｓの電源スイッチＳ２をオンにすれば主ア−クが
発生する。全ての溶接作業が終了した時には、電極ガス
及びプラズマ用ガスの供給を停止し、第２パイロットア
−クスイッチＲｐ２をオフとして第２ノズルパイロット
ア−クも停止する。

【００４６】尚、タングステン棒１と、第１ノズル部材
２と、第２ノズル部材３及びシ−ルドキャップ６との相
互間は、絶縁スペ−サ−７，絶縁座３ｉ，絶縁水路２０
ａ／２０ｂにより電気的に絶縁されている。

【００４７】主アークの発生後、必要に応じて作業者又
は溶接ロボットがモータＭ（が接続されたモ−タドライ
バ）に正転あるいは逆転の通電指令を与えると、モータ
Ｍがそれに従い、正転又は逆転する。モータＭの出力軸
ｍａが溶接進行方向ｘに対して図１，図２，図３および
後に提示する図４に、実線矢印ｍｒで示す方向に回転す
るよう通電指令を与えた場合について述べる。

【００４８】図４の（ａ）は、第２ノズル部材３が図３
の（ｂ）にで示される位置にある時の溶接ト−チＴの
先端部分の縦断面を示す斜視図であり、（ｂ）は、第２
ノズル部材３の第２ノズル３ａの外開口から出たプラズ
マがワ−クと当る位置（溶接位置）を示す斜視図であ
る。第２ノズル部材３の回転に伴い、溶接位置が図３の
（ｂ）に示す→→→と変化し、第２ノズル３ａ
の外開口より噴射されるプラズマは、図４の（ｂ）に示
すような交接線Ｏを中心として螺旋を画きながら垂直板
Ｗｚ，水平板Ｗｙ上を移動する。すなわち交接線Ｏに沿
って垂直板Ｗｚと水平板Ｗｙとを溶接してゆく。

【００４９】図５は、第２ノズル３ａの外開口の指向方
向が第２ノズル部材３の回転に伴い変化した場合の、狙
い位置Ｏに対する実際の溶接位置の変化を、図３の
（ｂ）の〜対応で示したものであり、（ａ）はに
対応し、（ｂ）は，に対応するとともに（ｃ）は
に対応している。これによりプラズマが狙い位置Ｏを中
心に幅広に振られているのが分かる。この状態で図４の
（ａ）に示す溶接進行方向から溶接ワイヤを供給して溶
接する。この様にプラズマが位置で先ず隅部を先行加
熱するので、隅部での溶接性が良い。

【００５０】上述の第１実施例によれば、２重ノズルを
使用することにより、タングステン電極１の周囲には不
活性電極ガスを通流し、タングステン電極１に対する酸
素供給を遮断した上で、プラズマ用ガスに活性ガスを使
用することができ、その場合でもタングステン電極１の
消耗が少ない。

【００５１】また、第２ノズル部材３の第２ノズル３ａ
の外開口が中心線Ｌｏを中心として回転するので、放射
されるプラズマアークが狙い位置Ｏを中心とした大脚長
のビードを形成することが出来る。すなわち、プラズマ
トーチを用いて図６に示すような溶接ギャップの大きな
被溶接材をも溶接し得る。そして、溶融した金属にはプ
ラズマアークのアーク力により垂直板Ｗｚ側へ常に押し
上げる力が作用する為、垂直板Ｗｚ側へ常に金属が供給
されてビードは等脚長となる。第２ノズル部材３の回転
速度は電気モータＭの回転と同様に一定であるので一点
にアークが集中することなく、また、アークの回転力に
より溶融プールを撹拌平滑にするので、表面が平坦でム
ラの無いビードが安定して得られる。

【００５２】さらに、回転流とすることによりプラズマ
アークの狙いの範囲が広がるので、狙い位置Ｏよりトー
チＴの狙いが多少ずれてもブリッジするようになり、高
精度の高価な倣いを必要としない上に高速で大脚長のビ
ードが形成できるので、プラズマトーチの被溶接材の種
類に対する応用範囲が広がるとともに、溶接作業効率が
向上する。

【００５３】次に第１実施例の揺動式プラズマト−チを
使用して隅肉溶接を実施した結果について述べる。溶接
条件は次の通りである。 ＊第１ノズル 径φ＝３．２mm ＊第２ノズル 径φ＝２．８mm 角度θ＝１５° ＊溶接材料 ＳＭ４００Ａ 板厚６ｔ ＊溶接ワイヤ ＹＭ−２８Ｓ φ１．２ ＊ト−チ条件 電極ガス ０．１リットル／min（Ａｒ） プラズマガス ０．８リットル／min（Ａｒ） スタンドオフ ８mm シールドガス １０リットル／min（Ａｒ＋７％Ｈ₂） タングステン棒 ２％トリューム入りタングステン φ３．２mm トーチ前進角 ５° トーチ傾斜角 ４５° ＊溶接速度 １５cm／min ＊電流 １５０Ａ ＊溶接ワイヤ速度 １２５cm／min ＊ノズル回転数 １０Ｈｚ。

【００５４】上記溶接条件における隅肉溶接の状態を図
１０に示し、図１１には従来の、揺動しない２重ノズル
を使用した隅肉溶接の状態を示す。図１１の（ａ）に示
す様に、ワイヤが溶けた溶融プ−ルの上からア−クで熱
している為、ワ−クの隅部まで熱が伝わり難く、隅部で
の融合が不良となる。図１１の（ｂ）は大脚長溶接を示
し、ワイヤが溶けた溶融プ−ルは重力により水平板Ｗｈ
側に多く付き易く、下凸形の変形ビ−ドになり易い。

【００５５】本実施例の２重ノズルを有する揺動式プラ
ズマト−チを使用した隅肉溶接の状態を図１０に示す。
ア−クを回転させている為に、図４の（ｂ）のの位置
（進行方向中央で隅部）に於いても、ア−クが直接ワ−
ク隅部に当るので隅部での溶融が良い。溶融プ−ルは、
同図，，の位置で形成されており、ワ−ク隅部
に於いても確実に融合し、溶接不良は発生しなかった。

【００５６】また、回転ア−クを使用するので、図４の
（ｂ）の，，の順番にア−クが回転し、ア−ク力
により溶融金属を水平板Ｗｈ側から垂直板Ｗｚ側に持ち
上げる為に垂直板Ｗｚ側へ常にメタルが供給されるの
で、大脚長溶接に於いても下凸の変形ビ−ドになること
は無く、等脚ビ−ドとなった。

【００５７】−第２実施例− 図８に第２実施例の溶接ト−チＴを示す。溶接ト−チＴ
の構造は第１実施例の図１に示したものと類似である
が、第１実施例では固定していた第１ノズル部材２が、
第２実施例に於いては第２ノズル部材３と共に回転する
構造となっている所が相違している。

【００５８】このため、第１ノズル部材２と第２ノズル
部材３との間には、略円筒状の絶縁カラ−４０が挿入さ
れており、第１ノズル部材２と第２ノズル部材３は、こ
の絶縁カラ−４０に固着されている。即ち第２ノズル部
材３は第１ノズル部材２と一体固着である。従って、第
２ノズル部材３が電気モ−タＭ，歯車３２，タイミング
ベルト３３，歯車３７を介して回転駆動されると、第１
ノズル部材２も同時に回転駆動される。

【００５９】図９に、図８の２Ａ−２Ａ線から見た、絶
縁カラ−４０の横断面を示す。絶縁カラ−４０は、絶縁
円筒の外周面を１２０度毎に３個所、軸方向に切除した
形状の空間ｓｐ１，ｓｐ２，ｓｐ３を備えている。絶縁
カラ−４０を第１ノズル部材２と第２ノズル部材３との
間に挿入した時にも、該３個所の切除部分は空間として
確保され、該空間がプラズマガス通路として使用され
る。

【００６０】第１ノズル部材２のノズル２ａは、第２ノ
ズル部材３の第２ノズル３ａと同様に、タングステン棒
１の中心線（＝ワ−ク指向線Ｌｏ）に対してθの角度を
有している。ノズル２ａと３ａの外開口の中心線が同一
になる位置で第１ノズル部材２と第２ノズル部材３を絶
縁カラ−４０を介して連結してある。従ってタングステ
ン棒１先端部からワ−クに向うプラズマアークは、ノズ
ル２ａと第２ノズル３ａを通過し、プラズマアークの中
心線は、タングステン棒１の中心線（＝ワ−ク指向線Ｌ
ｏ）に対してθの角度を持つ。

【００６１】第１ノズル部材２の内壁にはリング状のセ
ンタリングストーン４が固着されている。タングステン
棒１はこのセンタリングストーン４の中心を貫通し、そ
の軸心はト−チの中心線Ｌｏと実質上一致している。セ
ンタリングストーン４には、第１ノズル２ａの内開口に
対向する先端面からその裏側の後端面に通じる通気孔が
開けられている。基体Ｂの電極ガス流路に送り込まれる
不活性電極ガスは、第１ノズル部材２の内壁とタングス
テン棒１の間の空間に送り込まれ、センタリングストー
ン４の通気孔を通って第２ノズル部材３の内空間に出
て、第２ノズル部材３の第２ノズル３ａの外開口から外
空間に放出される。

【００６２】なお、センタリングストーン４は第１ノズ
ル部材２に固着されているので、第１ノズル部材２が回
転すれば、中心線Ｌｏを中心として回転する。それに対
してタングステン棒１はチャック９により電極台８を介
して基体Ｂに対して固定されている。すなわち回転しな
い。しかしセンタリングストーン４はタングステン棒１
に対し回転自在であるので、第１ノズル部材２の回転を
妨げることはない。

【００６３】第２実施例の溶接ト−チＴの他部分は、第
１実施例と同様であるので説明は省略する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の溶接トーチＴの縦断面
図である。

【図２】 図１に示す溶接トーチＴの揺動機構を示す横
断面図（図１の２Ａ線断面図）である。

【図３】 （ａ）は、図１に示す溶接トーチＴの先端部
分の拡大縦断面図であり、（ｂ）は、トーチＴの先端部
を（ａ）の１点鎖線矢印３Ｂで見た平面図である。

【図４】 （ａ）は、図１に示す溶接トーチＴが図３に
で示される位置にある時の溶接トーチＴの先端部分の
縦断面を示す斜視図であり、（ｂ）は、ノズル２ａの回
転による垂直板Ｗｚ，水平板Ｗｙ上の溶接位置を示す斜
視図である。

【図５】 （ａ）は、図１に示すノズル２ａの位置が図
３の（ｂ）に示すの位置にある時の、第１ノズル部材
２のノズルから噴射するプラズマの方向を示す縦断面
図、（ｂ）はノズル２ａの位置が図３の（ｂ）に示す
，の位置にある時の縦断面図、（ｃ）はノズル２ａ
の位置が図３の（ｂ）に示すの位置にある時の縦断面
図である。

【図６】 （ａ）は、上下方向に隙間のある状態で配置
された板状の被溶接材Ｗ１，Ｗ２の溶接部分のギャップ
ｄを表す横断面図であり、（ｂ）は、並行に並べられた
パイプ状の被溶接材の溶接部分のギャップｄを表す横断
面図であり、（ｃ）は、垂直に立てられた被溶接材Ｗ５
の表面と９０度に折り曲げられた被溶接材Ｗ６の角部に
よる溶接部分のギャップｄを表す横断面図であり、
（ｄ）は、板状の被溶接材Ｗ７の端部と、表面に段差の
ある被溶接材の段差部による溶接部分のギャップｄを表
す横断面図である。

【図７】 図１に示す溶接ト−チＴのパイロットア−ク
及びメインア−クの着火順序を示すタイムチャ−トであ
る。

【図８】 本発明の第２実施例の溶接トーチＴの縦断面
図である。

【図９】 図８に示した溶接ト−チＴに使用している絶
縁カラ−４０の断面を示す横断面図である。

【図１０】 図１に示す溶接ト−チＴを隅肉溶接に使用
した時の溶接状態を示す横断面図である。

【図１１】 （ａ）は、従来の揺動しない２重ノズルを
隅肉溶接に使用した時の溶接状態を示す横断面図であ
り、（ｂ）は、これを大脚長溶接に使用した時の溶接状
態を示す横断面図である。

【符号の説明】

１：タングステン棒 ２：第１ノズル部材 ２ａ：第１ノズル ２ｂ：第１ノズル座 ２s1，２s2：シ−ル ３：第２ノズル部材 ３ａ：第２ノズル ３ｂ：第２ノズル座 ３ｉ：絶縁座 ３b1，３b2：ベアリ
ング ３s1，３s2：シ−ル ４：センタリングス
トーン ６：第３ノズル部材 ６ａ：第２ノズル ７：絶縁スペーサ ８：電極台 ９：チャック １０：案内リング ２０ａ，２０ｂ：絶縁水路 ３０ａ：案内溝 ３０，３１：支持部材 ３２，３７：歯車 ３３：タイミングベルト ３４：ベアリング ３５：ボルト ３６：スライダ ４０：絶縁カラ− Ｂ：基体 Ｃ：カバー ＧＰ１：第１ガス通
路 ＧＰ２：第２ガス通路 ＧＰ３：第３ガス通
路 Ｌｏ：ワ−ク指向線 Ｍ：モータ ｍａ：回転軸 Ｏ：接触点（狙い位
置） Ｒp1：第１パイロットア−クスイッチ Ｒp2：第２パイロットア−クスイッチ Ｓ１：パイロット電源スイッチ Ｓ２：主電源スイッ
チ Ｓ３：高周波電源スイッチ ｓｐ１，ｓｐ２，ｓ
ｐ３：空間 Ｔ：溶接トーチ Ｖｈ：高周波電源 Ｖｐ：パイロット電源 Ｖｓ：主電源 Ｗｙ：水平金属平板（水平板） Ｗｚ：垂直金属平板
（垂直板） θ：偏位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−50249（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−236191（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−16344（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−68196（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−196375（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電電極；該放電電極の長軸方向を取り囲
   み、放電電極のワ−ク指向線と同軸な第１ノズルを備え
   る第１ノズル部材；前記放電電極と第１ノズル部材とが
   形成する内空間に、電極ガスを供給する第１ガス通路；
   第１ノズル部材の長軸方向を取り囲み、前記放電電極の
   ワ−ク指向線に対して外開口が偏位した第２ノズルを有
   する第２ノズル部材；第１ノズル部材と第２ノズル部材
   が形成する内空間にプラズマ用ガスを供給する第２ガス
   流路；第２ノズル部材とその外側のシ−ルドキャップと
   の間にシ−ルドガスを供給する第３ガス流路；および、 第２ノズル部材を前記ワ−ク指向線を実質上中心にして
   回転駆動する駆動手段；を備える揺動式プラズマト−
   チ。
2. 【請求項２】放電電極；該放電電極の長軸方向を取り囲
   み、放電電極のワ−ク指向線に対して外開口が偏位した
   第１ノズルを備える第１ノズル部材；前記放電電極と第
   １ノズル部材とが形成する内空間に、電極ガスを供給す
   る第１ガス通路；第１ノズル部材の長軸方向を取り囲
   み、前記放電電極のワ−ク指向線に対して偏位しかつ第
   １ノズルと整合した第２ノズルを有する第２ノズル部
   材；第１ノズル部材と第２ノズル部材が形成する内空間
   にプラズマ用ガスを供給する第２ガス流路；第２ノズル
   部材とその外側のシ−ルドキャップとの間にシ−ルドガ
   スを供給する第３ガス流路；および、 第１ノズル部材および第２ノズル部材を前記ワ−ク指向
   線を実質上中心にして同方向に同速度で回転駆動する駆
   動手段；を備える揺動式プラズマト−チ。
3. 【請求項３】第１ノズル部材と第２ノズル部材を、絶縁
   材で一体に結合した、請求項２記載の揺動式プラズマト
   −チ。