JP5322859B2

JP5322859B2 - プラズマトーチのインサートチップ，プラズマトーチおよびプラズマ溶接装置

Info

Publication number: JP5322859B2
Application number: JP2009201304A
Authority: JP
Inventors: 藤茂佐; 野忠星
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2011050982A

Description

本発明は、プラズマトーチのインサートチップ，該インサートチップを用いるプラズマトーチ、および、該プラズマトーチを用いるプラズマ溶接装置、に関する。

特許文献１には、プラズマキーホール溶接によるキーホール断面形状を改良するノズル形状が記載されている。特許文献２には、２つのアーク溶接トーチを、１つの溶融プールを形成するように、溶接線方向に対して電極先端の並びが直交するように配置する、各トーチによる同時なめ付け溶接が記載されている。特許文献３には、アーク溶接の狙い位置の前方０〜２ｍｍの溶融プールにレーザを照射してキーホール溶接する複合溶接方法が記載されている（図４，００２４，００２５）。特許文献４には、先行の第１レーザビームで非貫通溶接しそれによって形成されるホール開口に焦点を合わせて第２レーザビームで貫通（キーホール）溶接するレーザ溶接方法が記載されている。

特開平８− １０９５７号公報特開平６−１５５０１８号公報特開２００４−２９８８９６号公報特開２００８−１２６３１５号公報

従来の１トーチによるプラズマアーク溶接のプラズマアークの横断面は、図８の（ａ）に示すように略円形である。板厚３ｍｍ未満ではプラズマアークによるキーホール溶接は不可能なため、なめ付け溶接（熱伝導型溶接）を採用するが、なめ付け溶接でも、高速化すると、
イ）アンダーカット（図８の（ｂ），（ｅ））が発生し、
ロ）広幅ビードによる高温割れ（図８の（ｂ））が発生しやすい。高速溶接では電流が高電流で広幅アークとなるため、広幅浅溶け込みのビード形状となって、凝固時に高温割れが発生しやすい。

従来の１トーチによるプラズマアーク溶接では、３〜１０ｍｍの板厚でキーホール溶接を高速化すると、ビード形状が図８の（ｃ）に示すように、中央部が盛り上がった凸形状で縁部が下がったアンダーカットができるため、高速化が難しい。２本トーチによるワンプール高速化もあるが、ワンプールとするにはトーチ同士を大きく傾けなければならず、引き合うアーク力と傾けたことによる磁気吹きで、アークが乱れやすく、不安定であった。

本発明は、安定したアークで高温割れやアンダーカットのない高速溶接を実現する。具体的には、高温割れやアンダーカットのない高速溶接を実現することができるインサートチップ，これを用いるプラズマトーチおよびプラズマ加工装置を提供する。

（１）２個の電極配置空間(1a,1b)と、同一直径線上に分布し各電極配置空間(1a,1b)にそれぞれが連通し前記直径線と平行な溶接線に対向して開いた、第１のノズル(4a)および第１のノズルから噴射する第１プラズマアークが生成する溶融プールに第２プラズマアークを噴射する第２のノズル(4b)と、を備える、プラズマトーチのインサートチップ(1)。

なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当要素の記号を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。

このインサートチップ(1)を装備したプラズマトーチによれば、第１および第２プラズマアークで１つの溶融プールを形成する、ワンプール２アークの溶接をすることができる。この場合、プラズマアークの横断面は、図８の（ｄ）に示すように、溶接の進行方向ｙに長細い熱源となるため、熱量に対するビード幅（ｘ方向）は狭く抑えられ、高速化しても、高温割れが発生しない。また、ワンプール２アークとすることで、板厚３〜１０ｍｍでは、先行アークでキーホール溶接し（図８の（ｃ）又は（ｅ））、後行アークで広幅なめ付け溶接して表ビードを平らにすることができる（図８の（ｇ））。板厚３ｍｍ未満では、先行アークで掘り下げ溶接をし（図８の（ｅ））、後行アークで表ビードを平らにすることができる（図８の（ｆ））。

ある程度距離を離した２本のプラズマトーチを用いる並行溶接でやや類似の効果を得ることは出来るが、溶接の進行方向ｙのアーク間隔が広くなるため、短い溶接長のワーク（溶接対象材）では、同一パスでの溶接が不可能であり、二パス溶接が必要となり、高速化は難しい。また、アーク間隔が広いため、後行アークは一度凝固したビードを再溶融しなければならず、後行溶接に高入熱が必要である。１チップに２個のノズルを備える本発明のインサートチップを用いるワンプール２アーク溶接によれば、ノズル間隔が短いので、これらの問題が解消する。

本発明の第１実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。（ａ）は図１のプラズマトーチの縦断面図、（ｂ）はプラズマ噴射端部側から見た底面図である。図１に示す第１実施例のプラズマトーチのインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の３ｂ−３ｂ線での縦断面図、（ｃ）は底面図である。図１に示す溶接装置によるワンプール２アーク溶接時の、プラズマアークの挙動を模式的に示す拡大断面図である。第２実施例のインサートチップを用いた第２実施例のプラズマトーチの、インサートチップ廻りを示す縦断面図である。図５に示す第２実施例のインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の３ｂ−３ｂ線での縦断面図、（ｃ）は底面図である。（ａ）は、本発明の第３実施例のプラズマトーチの、（ｂ）上の７ａ−７ａ線での縦断面図、（ｂ）は底面図である。従来および本発明のプラズマトーチを用いる溶接でのプラズマアーク断面および溶接ビード断面を模式的に示す断面図であり、（ａ）は従来のプラズマトーチが発生するプラズマアークの横断面を示し、（ｂ）は３ｍｍ板厚未満で従来の高速なめ付け溶接で発生しやすい高温割れを示すビード横断面図、（ｃ）は３〜１０ｍｍ程度で従来の高速キーホール溶接で代表的なビード横断面を示し、（ｄ）は、本発明のプラズマトーチが発生するプラズマアークの横断面を示す。（ｅ）は、本発明のプラズマトーチを用いる３ｍｍ板厚未満の高速溶接で、先行アークの予熱又は掘り下げ効果によって形成されるビード形状を示す横断面図、（ｆ）は該ビードを後行アークでなめ付け溶接したビード形状を示す横断面図である。（ｇ）は、本発明のプラズマトーチを用いる３〜１０ｍｍ板厚の高速溶接で、先行アークのキーホール溶接によって（ｃ）に示すビードを形成し、それを後行アークでなめ付け溶接したビード形状を示す横断面図である。

（２）前記ノズル(4ａ,4b)は、それらが開いた端面(x,y)の垂直線(z)に対して平行である（図３）；上記（１）に記載の、プラズマトーチのインサートチップ(1)。

（３）前記ノズル(4ａ,4b)は、それらが開いた端面(x,y)の垂直線(z)に対して、前記直径線上でノズル開口がチップ中心軸から離れる方向に傾斜した（図６）；上記（１）に記載の、プラズマトーチのインサートチップ(1)。

（４）各電極配置空間(1a,1b)は、前記端面(x,y)の垂直線(z)に対して平行である；上記（２）又は（３）に記載の、プラズマトーチのインサートチップ(1)。

（５）上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)にそれぞれの先端部を挿入した２電極(2a,2b)と、を備えるプラズマトーチ（図２／図５）。

（６）更に、２電極のプラズマアークの電磁力の相互作用によるプラズマアークの曲がりを矯正するための磁界を前記プラズマアークに与える磁界発生器(40a,40b)を備える、上記（５）に記載のプラズマトーチ（図７）。

（７）上記（５）又は（６）に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの第１電極(2a)に溶接又は予熱電力を給電する第１電源(18ap,18aw)と、第２電極(2b)になめ付け溶接又は本溶接電力を給電する第２電源(18bp,18bw)と、を備えるプラズマ溶接装置（図１）。

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。

−第１実施例−
図１に、第１実施例であるプラズマ溶接装置を示し、図２の（ａ）には図１に示すプラズマトーチすなわち第１実施例のプラズマアークトーチのみを示し、図２の（ｂ）にはトーチの先端面を示す。第１実施例のプラズマアークトーチは、プラズマ溶接を行う形態のものである。インサートチップ１は、インサートキャップ７を絶縁台９にねじ締めすることにより、絶縁台９に固定されている。シールドキャップ８はねじ締めにより絶縁台９に固定されている。２つ割でｘ方向に分離した第１電極台１１と第２電極台１２は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。第１電極台１１と第２電極台１２との間の空間を、絶縁本体１４のステムが通っている。

インサートチップ１には、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸から等距離にある２個の電極配置空間１ａ，１ｂがあり、各電極配置空間に、絶縁台９を貫通し各電極台１１，１２にねじ１０ａ，１０ｂで固定された第１電極２ａ，第２電極２ｂの先端部が挿入されて、各電極配置空間１ａ，１ｂの軸心位置に、センタリングストーン３で位置決めされている。インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面には、各電極配置空間１ａ，１ｂにつながったノズル４（４ａ，４ｂ）が開口している。

図３に、インサートチップ１を拡大して示す。本実施例のインサートチップ１には、チップ１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線に分布し、該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる２個の電極配置空間１ａ，１ｂと、各空間１ａ，１ｂに連通し母材１６に対向する先端面に開口した第１および第２のノズル４ａ，４ｂと、を備えている。これらのノズル４ａ，４ｂも、本実施例では、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸に平行かつそれから等距離にある。

トーチの絶縁台９には、図示を省略した冷却水流路，パイロットガス流路およびシールドガス流路がある。冷却水は、冷却水給水流路を通って、インサートチップ１の外周面とインサートキャップ７の内周面との間の空間に入り、そこから冷却水排水流路を通ってトーチ外に出る。パイロットガスは、ガス流路および電極挿入空間を通って電極配置空間１ａに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ａを通ってトーチの先端面から噴出する。他方のパイロットガスは、別のガス流路および電極挿入空間を通って電極配置空間１ｂに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ｂを通ってトーチの先端面から噴出する。シールドガスは、シールドガス流路を通って、インサートキャップ７とシールドキャップ８との間の円筒状の空間に入り、そしてトーチの先端から噴出する。

図１に示すように、パイロット電源１８ａｐ，１８ｂｐにより電極２ａ，２ｂとチップ１との間にパイロットアークを発生させて、電極２ａ，２ｂと母材１６の間に、電極側が負で母材側が正のプラズマアーク電流を流すプラズマ電源１８ａｗ（溶接又は予熱用），１８ｂｗ（なめ付け溶接又は本溶接用）により、溶接アーク（プラズマアーク）を発生させると、プラズマアーク電流が各電極２ａ，２ｂと母材１６の間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。図１に示す溶接装置では、電極２ａのプラズマアークによる溶接又は予熱と、電極２ｂによるなめ付け溶接又は本溶接とが行われる。なお、溶接の進行方向は矢印ｙ方向である。すなわち、先行する溶接又は予熱で生成した溶融プールに後行するなめ付け溶接又は本溶接のプラズマアークが当たって、例えばキーホール溶接で形成される溶融プールを後方に送り、キーホール溶接で形成される溶融ビード（図８の（ｃ））を後行のなめ付け溶接が均す。これにより図８の（ｇ）に示す、母材表面と滑らかにつながるなめ付け溶接ビードとなる。３ｍｍ未満の薄板の場合は、キーホール溶接が不可能なため、先行の溶接又は予熱により図８の（ｅ）に示すビードが形成され、これが後行のなめ付け溶接により、図８の（ｆ）に示すビードに変わる。従来のように、大電流ワンプール広幅溶接をするのとは違い、先行，後行ともそれぞれの機能に分け、必要最小限の低い電流で、ビード幅の狭い高速溶接ができる。また、先行アークを予熱として使い、後行アークで本溶接を行う方法でも高速化はできる。

ところで、平行に流れる２経路の電流（プラズマアーク）がそれぞれ経路を中心として旋回する磁束を生じ、これらは２経路の間では磁束の流れる方向が逆であるので互いに磁束を相殺し、合成磁束は、２経路の外側を周回するものとなる。この合成磁束の磁界と２経路の電流のそれぞれとの相互作用（フレミングの左手の法則）により、２電流（プラズマアーク）には図４に示す力Ｆが作用して、２電流（プラズマアーク）が、互いに近づく方向に曲がる。仮に、アークが不安定になってこの曲がりが大きくなって２電流が交わると、すなわち合流すると、キーホール溶接となめ付け溶接のいずれも、本来意図した特性を現さなくなる。すなわち溶接不良あるいはビード形状不良を生ずる。この傾向は高電流になる程大きい。

−第２実施例−
第２実施例のインサートチップ１は、２電流が交わる可能性をなくすために、ノズル４ａ，４ｂを、２電流の曲がりの方向（Ｆ）とは逆の方向に傾斜したものとした。すなわち、ノズル４ａ，４ｂを、チップ端面の垂直線（ｚ）に対して、チップの直径線上でノズル開口がチップ中心軸から離れる方向に傾斜したものとした。

図５に、第２実施例のプラズマアークトーチによるワンプール２アーク溶接態様を示す。ノズル４（４ａ，４ｂ）は、アーク間の引き合う力Ｆによりアークが曲がったとき、母材１６に対するアークの衝突位置が、予定のキーホール溶接およびなめ付け溶接の位置（電極２ａ，２ｂの中心軸線が母材表面と交わる位置）に正確に、又はほぼ合致するように、電極２ａ，２ｂの中心軸線に対してθなる角度ぶん、溶接進行方向ｙのアーク間隔を広げる方向に傾斜している。

図６に、図５に示す第２実施例のプラズマアークトーチに備わった第２実施例のインサートチップ１を示す。第２実施例によれば、ノズル４ａ，４ｂが傾斜して溶接進行方向ｙのアーク間隔が広げられるので、アーク電流の磁気作用（Ｆ）によって２アークが交わるという可能性はない。

−第３実施例−
図７に、第３実施例のプラズマアークトーチを示す。この実施例では、アーク電流による磁気作用（Ｆ）を抑制するために、２アーク電流によって生じる磁界の合成磁界を相殺又は抑制もしくは積極的に逆方向とする磁界を発生する磁界発生器４０ａ，４０ｂを付加したものである。磁界発生器４０ａは、磁化コイル４２ａと、それが巻回された水平部（ｘ）の両側がそれぞれ垂下し（ｚ）、そして水平方向ｙにトーチ本体に近づくように延び、そして先端部がトーチ本体に近づくように水平方向ｘに突出するコア４１ａとでなる電磁石に、磁化電源４３ａが、電極２ａが発生するプラズマアークの外側（図７上では左側）の合成磁界を相殺又は抑制する、合成磁界とは逆方向の磁界を発生する電流を、磁化コイル４２ａに通電する。この磁化電流を調整して、電極２ａが発生するプラズマアークの、母材１６に対する溶接方向ｙの衝突位置を、調整することができる。たとえば、電極２ａの中心軸線が母材１６と交わる位置に調整することができる。また、該位置よりもさらに矢印ｙ方向に離れた位置にすることも出来る。

磁界発生器４０ｂは４０ａと同様な構成であって、磁界発生器４０ｂの磁化電源４３ｂが磁化コイル４２ｂに流す電流を調整して、電極２ｂが発生するプラズマアークの、母材１６に対する溶接方向ｙの衝突位置を調整することができる。たとえば、電極２ｂの中心軸線が母材１６と交わる位置に調整することができる。また、該位置よりもさらに矢印ｙ方向とは逆方向に離れた位置にすることも出来る。この実施例の溶接装置は、先行もしくは後行アークにワイヤを入れて使用することも出来る。

１：インサートチップ
１ａ，１ｂ：電極配置空間
２（２ａ，２ｂ）：電極
２ａ：第１電極
２ｂ：第２電極
３：センタリングストーン
４（４ａ，４ｂ）：ノズル
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
１０（１０ａ，１０ｂ）：電極固定ねじ
１１：第１電極台
１２：第２電極台
１４：絶縁本体
１６：母材
１８，４３：電源
１９：プラズマ
２０：プール
３０：外ケース

Claims

２個の電極配置空間と、同一直径線上に分布し各電極配置空間にそれぞれが連通し前記直径線と平行な溶接線に対向して開いた、第１のノズルおよび第１のノズルから噴射する第１プラズマアークが生成する溶融プールに第２プラズマアークを噴射する第２のノズルと、を備える、プラズマトーチのインサートチップ。
前記ノズルは、それらが開いた端面の垂直線に対して平行である；請求項１に記載の、プラズマトーチのインサートチップ。
前記ノズルは、それらが開いた端面の垂直線に対して、前記直径線上でノズル開口がチップ中心軸から離れる方向に傾斜した；請求項１に記載の、プラズマトーチのインサートチップ。
各電極配置空間は、前記端面の垂直線に対して平行である；請求項２又は３に記載の、プラズマトーチのインサートチップ。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のインサートチップと、該インサートチップの各電極配置空間にそれぞれの先端部を挿入した２電極と、を備えるプラズマトーチ。
更に、２電極のプラズマアークの電磁力の相互作用によるプラズマアークの曲がりを矯正するための磁界を前記プラズマアークに与える磁界発生器を備える、請求項５に記載のプラズマトーチ。
請求項５又は６に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの第１電極にキーホール溶接又は予熱電力を給電する第１電源と、第２電極になめ付け溶接又は本溶接電力を給電する第２電源と、を備えるプラズマ溶接装置。