JP5364517B2

JP5364517B2 - プラズマトーチおよびプラズマアーク溶接方法

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Publication number: JP5364517B2
Application number: JP2009208980A
Authority: JP
Inventors: 啓輝藤内; 真哉大山; 俊之堀向
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: WO2011030738A1; JP2011056546A; US20120145681A1; CA2773063A1; CN102481657A; US8525068B2; CN102481657B

Description

本発明は、プラズマトーチおよびプラズマアーク溶接方法に関する。詳しくは、プラズマアーク溶接に用いられるプラズマトーチおよびプラズマアーク溶接方法に関する。

従来より、プラズマアーク溶接が知られている。このプラズマアーク溶接では、溶接用プラズマトーチが用いられる。
この溶接用プラズマトーチは、例えば、棒状の電極と、この電極を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する第１ノズルと、この第１ノズルを囲んで設けられてシールドガスを噴出する第２ノズルと、を備える（特許文献１参照）。

この溶接用プラズマトーチによれば、第１ノズルからプラズマガスを噴出させつつ、電極と非溶接材との間に印加してアークを発生させる。このとき、第２ノズルから、アークの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させて、大気中の窒素や酸素が溶接部に流入するのを防止する。

特開２００８−２８４５８０号公報

ところで、厚みの異なる２種類の板材を突き合わせ溶接して、テーラードブランク材を形成することが行われている。この場合、上述の溶接用プラズマトーチを用いると、溶接ビードの両端に沿って母材が凹むアンダカットが発生し、特に薄い方の板材では、このアンダカットが生じた部分の板厚がかなり薄くなってしまう。よって、テーラードブランク材の強度を確保できないおそれがあった。

本発明は、厚みの異なるワークを溶接する場合に、溶接後のワークの強度を確保できるプラズマトーチおよびプラズマアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマトーチ（例えば、後述のプラズマトーチ１）は、プラズマアーク溶接に用いられるプラズマトーチであって、棒状の電極（例えば、後述の電極１０）と、当該電極を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル（例えば、後述の第１ノズル１１）と、当該第１ノズルを囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル（例えば、後述の第２ノズル１２）と、を備え、当該第２ノズルの噴出口（例えば、後述の第２噴出口１２１）は、前記電極の軸方向に対して略平行な方向または当該電極から離れる方向に拡がっており、前記第１ノズルの外周面または前記第２ノズルの内周面には、前記電極の軸方向に対して傾斜し、シールドガスをアーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させる複数の溝部（例えば、後述の溝部１４１）が形成され、前記第２ノズルは、厚みの異なるワークを突き合わせ溶接する場合、アークを回転中心としてシールドガスを前記アーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させて溶融池の表面に吹き付け、当該吹き付けたシールドガスにより前記溶融池内の前記アークの進行方向後側の溶融金属が前記アークの進行方向と直交する方向に移動して薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めるように、前記シールドガスを噴出することを特徴とする。

この発明によれば、第１ノズルからプラズマガスを噴出させつつ、電極とワークとの間に印加してアークを発生させるとともに、第２ノズルから、アークの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。このとき、第１ノズルの外周面または第２ノズルの内周面に、電極の軸方向に対して傾斜した複数の溝部を形成しておく。
よって、第２ノズルから噴出したシールドガスは、螺旋状に流れて、溶融池の表面に対して、アークを回転中心として回転する方向に吹き付けられる。

この状態で、溶接方向にプラズマアークを移動させると、溶融池は、平面視でプラズマアークの後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、プラズマアークの進行方向後側の溶融金属が押されて移動する。
よって、厚みの異なるワークを溶接する場合、シールドガスを溶融池の表面に吹き付けて、プラズマアークの進行方向後側の溶融金属を、薄い方のワークに向かって移動させることで、この移動した溶融金属により薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めることができる。その結果、薄い方のワークの板厚がアンダカットにより薄くなるのを防いで、溶接後のワークの強度を確保できる。

また、第２ノズルの噴出口を、電極の軸方向に対して略平行な方向または電極から離れる方向に向けた。
第２ノズルの噴出口を電極から離れる方向に向けた場合、この第２ノズルからシールドガスを噴出させると、噴射されたシールドガスは、アークから離れる方向に拡がっていく。よって、シールドガスがアークに直接当たらないため、アークが乱れるのを防止でき、溶接が安定する。
また、第２ノズルの噴出口を電極の軸方向に対して略平行な方向に向けた場合、この第２ノズルからシールドガスを噴出させても、この第２ノズルの噴出口の外側に負圧が発生するため、この噴出したシールドガスは、アークから離れる方向に拡がっていく。よって、シールドガスがアークに直接当たらないため、アークが乱れるのを防止でき、溶接が安定する。

ここで、特許第３２０５５４０号公報には、本発明と同様な構成を有する切断用プラズマトーチが示されている。しかしながら、この切断用プラズマトーチでは、シールドガスがアークに当たるため、アークが乱れてしまい、溶接が安定しないおそれがある。

この場合、前記溝部は、前記第２ノズルの噴出口まで延びていることが好ましい。

特許第３２０５５４０号公報に示すような切断用プラズマトーチでは、シールドガスの流量が多く、溶融池が飛散してしまう。逆に、シールドガスの流量を少なくすると、今度は、プラズマガスが不安定になるうえに、溶融金属を十分に移動させることができない。
この発明によれば、溝部を第２ノズルの噴出口まで延ばしたので、シールドガスの流量を少なくしても、プラズマガスを安定させつつ、溶融金属を確実に移動させることができる。

この場合、前記第２ノズルの噴出口は、前記第１ノズルの噴出口よりも、前記電極の軸方向の基端側に位置していることが好ましい。

第２ノズルの噴出口が第１ノズルの噴出口に対して電極の軸方向の同位置または先端側に位置している場合、第２ノズルから噴射されたシールドガスが直接アークに当たりやすく、アークが乱れる、という問題がある。
そこで、この発明によれば、第２ノズルの噴出口を、第１ノズルの噴出口よりも、電極の軸方向の基端側に位置させたので、シールドガスが直接アークに当たるのを防いで、アークが乱れるのを防止できる。

本発明のプラズマアーク溶接方法は、厚みの異なるワークを突き合わせ溶接する場合、アークを回転中心としてシールドガスを前記アーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させて溶融池の表面に吹き付け、当該吹き付けたシールドガスにより前記溶融池内の前記アークの進行方向後側の溶融金属が前記アークの進行方向と直交する方向に移動して薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めるように、前記シールドガスを噴出させることを特徴とする。

この発明によれば、吹き付けたシールドガスにより、溶融池内の溶融金属を所定方向に移動させた。よって、厚みの異なるワークを溶接する場合、薄い方のワークに向かって溶融金属を移動させることで、この移動した溶融金属により、薄い方のワークの母材の凹んだ部分が埋められる。その結果、薄い方のワークの板厚がアンダカットにより薄くなるのを防いで、溶接後のワークの強度を確保できる。
また、シールドガスをアークの表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させたので、シールドガスがアークに直接当たらないため、アークが乱れるのを防止して、溶接が安定する。
また、シールドガスを溶融池の表面に吹き付けて、この溶融池内の溶融金属を所定方向に移動させたので、溶融池の盛り上がりを溶融部が凝固する前に均すことができる。
また、ワイヤで溶融池内の溶融金属を移動させる場合に比べて、流量を増大できる。また、磁場により溶融池に内の溶融金属を移動させる場合に比べて、設備を小型化できるうえに、アークに前進角を設定しても、アークが曲がって熱減少するのを防止できる。

この発明によれば、厚みの異なるワークを突き合わせ溶接する場合、溶融池内のアークの進行方向後側の溶融金属が薄い方のワークに向かうように、シールドガスを噴出させた。よって、吹き付けるシールドガスにより、プラズマアークの進行方向後側の溶融金属が押されて、薄い方のワークに向かって移動する。そして、この移動した溶融金属により、薄い方のワークの母材の凹んだ部分が埋められる。その結果、薄い方のワークの板厚がアンダカットにより薄くなるのを防いで、溶接後のワークの強度を確保できる。

本発明によれば、第１ノズルからプラズマガスを噴出させつつ、電極とワークとの間に印加してアークを発生させるとともに、第２ノズルから、アークの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。このとき、第１ノズルの外周面または第２ノズルの内周面に、電極の軸方向に対して傾斜した複数の溝部を形成しておく。よって、第２ノズルから噴出したシールドガスは、螺旋状に流れて、溶融池の表面に対して、アークを回転中心として回転する方向に吹き付けられる。この状態で、溶接方向にプラズマアークを移動させると、溶融池は、平面視でプラズマアークの後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、プラズマアークの進行方向後側の溶融金属が所定方向に押されて移動する。よって、厚みの異なるワークを溶接する場合、シールドガスを溶融池の表面に吹き付けて、プラズマアークの進行方向後側の溶融金属を、薄い方のワークに向かって移動させることで、この移動した溶融金属により薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めることができる。その結果、薄い方のワークの板厚がアンダカットにより薄くなるのを抑制して、溶接後のワークの強度を確保できる。

本発明の一実施形態に係るプラズマトーチの断面図である。前記実施形態に係るプラズマトーチの第１ノズルの斜視図である。前記実施形態に係るプラズマトーチの動作を説明するための斜視図である。前記実施形態に係るプラズマトーチの動作を説明するための平面図である。本発明の実施例および比較例の実験結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマトーチ１の断面図である。
プラズマトーチ１は、棒状の電極１０と、この電極１０を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズル１１と、この第１ノズル１１を囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズル１２と、を備える。

第１ノズル１１先端には、円形状の第１噴出口１１１が形成されており、この第１噴出口１１１を通して、プラズマガスが噴出する。
この第１ノズル１１は、筒状の内筒部１３と、この内筒部１３を囲んで設けられた外筒部１４と、を備える。

図２は、第１ノズル１１の外筒部１４の斜視図である。
外筒部１４の先端部分は、先端に向かうに従って細くなる略円錐形状であり、この外筒部１４の先端部分の外周面には、電極１０の軸方向に対して傾斜した複数の溝部１４１が形成される。この溝部１４１は、外筒部１４の先端まで延びている。

図１に戻って、第２ノズル１２の先端には、円環形状の第２噴出口１２１が形成されており、この第２噴出口１２１を通して、シールドガスが噴出する。
第２ノズル１２の噴出口１２１は、電極１０から離れる方向に向いている。また、第２ノズル１２の噴出口１２１は、第１ノズル１１の噴出口１１１よりも、電極１０の軸方向の基端側に位置している。
また、上述の第１ノズル１１の溝部１４１は、第２ノズル１２の噴出口１２１まで延びている。

次に、プラズマトーチ１を用いたプラズマアーク溶接について、図３および図４を参照しながら説明する。
具体的には、厚みが薄い板材であるワークＷ_１と、厚みがワークＷ_１よりも厚い板材であるワークＷ_２を突き合わせ溶接して、テーラードブランク材を形成する。

まず、第１ノズル１１の第１噴出口１１１からプラズマガスを噴出させつつ、電極１０とワークＷ_１、Ｗ_２との間に印加してアークＡを発生させる。また、第２ノズル１２の第２噴出口１２１から、アークＡの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。

すると、シールドガスは、複数の溝部１４１に沿って図３中白抜き矢印の方向に流れて、第２噴出口１２１から噴出する。この噴出したシールドガスは、アークＡから離れる方向に拡がりながら、アークＡの表面に沿って螺旋状に流れて、溶融池Ｐの表面に対して、アークＡを回転中心として回転する方向すなわち図３中黒矢印方向に、吹き付けられる。
具体的には、図４に示すように、ワークＷ_１、Ｗ_２の８箇所にシールドガスが吹き付けられ、各箇所でのシールドガスの流れる方向は、図４中黒矢印で示すようになる。

この状態で、溶接方向にアークＡを移動させると、溶融池Ｐは、図４に示すように、平面視でアークＡの後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、アークＡの進行方向後側の図４中破線で囲まれた領域の溶融金属が、薄い方のワークＷ_１に向かって押されて移動する。そして、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ_１の母材の凹んだ部分が埋められる。

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
比較例１では、厚みの異なる板材Ｗ_１、Ｗ_２を、従来のプラズマトーチを用いて突合せ溶接した。この比較例１では、溶接速度を分速１ｍとした。
比較例２では、厚みの異なる板材Ｗ_１、Ｗ_２を、従来のプラズマトーチを用いて突合せ溶接した。この比較例２では、溶接速度を分速１．５ｍとした。
実施例では、厚みの異なる板材Ｗ_１、Ｗ_２を、本発明のプラズマトーチを用いて突合せ溶接した。この実施例では、溶接速度を分速１．５ｍとした。

図５（ａ）は、比較例１の実験結果であり、図５（ｂ）は、比較例２の実験結果であり、図５（ｃ）は、実施例の実験結果である。これらの実験結果より、従来のプラズマトーチを用いた場合、溶接速度を分速１ｍと遅くすると、薄い方のワークＷ_１のアンダカットは比較的小さいが、溶接速度を上昇させて分速１．５ｍとすると、薄い方のワークＷ_１のアンダカットが大きくなることが判る。これに対し、本発明のプラズマトーチを用いた場合には、溶接速度を分速１．５ｍとしても、薄い方のワークＷ_１のアンダカットを小さくできることが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）第１ノズル１１からプラズマガスを噴出させつつ、電極１０とワークＷ_１、Ｗ_２との間に印加してアークを発生させるとともに、第２ノズル１２から、アークの周囲を囲むようにシールドガスを噴出させる。このとき、第１ノズル１１の外周面に、電極１０の軸方向に対して傾斜した複数の溝部１４１を形成しておく。よって、第２ノズル１２から噴出したシールドガスは、螺旋状に流れて、溶融池Ｐの表面に対して、アークＡを回転中心として回転する方向に吹き付けられる。この状態で、溶接方向にアークＡを移動させると、溶融池Ｐは、平面視でアークＡの後方に向かって延びることになる。したがって、吹き付けるシールドガスにより、アークＡの進行方向後側の溶融金属が所定方向に押されて移動する。
よって、厚みの異なるワークＷ_１、Ｗ_２を溶接する場合、シールドガスを溶融池Ｐの表面に吹き付けて、アークの進行方向後側の溶融金属を、薄い方のワークＷ_１に向かって移動させることで、この移動した溶融金属により薄い方のワークＷ_１の母材の凹んだ部分を埋めることができる。その結果、薄い方のワークの板厚がアンダカットにより薄くなるのを抑制して、溶接後のワークの強度を確保できる。

（２）第２ノズル１２の噴出口１２１を電極１０から離れる方向に向けたので、この第２ノズル１２からシールドガスを噴出させると、噴射されたシールドガスは、アークから離れる方向に拡がっていく。よって、シールドガスがアークに直接当たらないため、アークが乱れるのを防止でき、溶接が安定する。

（３）溝部１４１を第２ノズル１２の第２噴出口１２１まで延ばした。これにより、シールドガスの流量を少なくしても、プラズマガスを安定させつつ、溶融金属を確実に移動させることができる。

（４）第２ノズル１２の第２噴出口１２１を、第１ノズル１１の第１噴出口１１１よりも、電極１０の軸方向の基端側に位置させたので、シールドガスが直接アークに当たるのを防いで、アークが乱れるのを防止できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１プラズマトーチ
１０電極
１１第１ノズル
１２第２ノズル
１１１第１噴出口
１２１第２噴出口
１４１溝部
Ｐ溶融池
Ｗ_１、Ｗ_２ワーク

Claims

プラズマアーク溶接に用いられるプラズマトーチであって、
棒状の電極と、
当該電極を囲んで設けられてプラズマガスを噴出する円筒形状の第１ノズルと、
当該第１ノズルを囲んで設けられてシールドガスを噴出する円筒形状の第２ノズルと、を備え、
当該第２ノズルの噴出口は、前記電極の軸方向に対して略平行な方向または当該電極から離れる方向に拡がっており、
前記第１ノズルの外周面または前記第２ノズルの内周面には、前記電極の軸方向に対して傾斜し、シールドガスをアーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させる複数の溝部が形成され、
前記第２ノズルは、厚みの異なるワークを突き合わせ溶接する場合、アークを回転中心としてシールドガスを前記アーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させて溶融池の表面に吹き付け、当該吹き付けたシールドガスにより前記溶融池内の前記アークの進行方向後側の溶融金属が前記アークの進行方向と直交する方向に移動して薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めるように、前記シールドガスを噴出することを特徴とするプラズマトーチ。
請求項１に記載のプラズマトーチにおいて、
前記溝部は、前記第２ノズルの噴出口まで延びていることを特徴とするプラズマトーチ。
請求項１または２に記載のプラズマトーチにおいて、
前記第２ノズルの噴出口は、前記第１ノズルの噴出口よりも、前記電極の軸方向の基端側に位置していることを特徴とするプラズマトーチ。
厚みの異なるワークを突き合わせ溶接する場合、アークを回転中心としてシールドガスを前記アーク表面に沿って螺旋状に流れるように噴出させて溶融池の表面に吹き付け、当該吹き付けたシールドガスにより前記溶融池内の前記アークの進行方向後側の溶融金属が前記アークの進行方向と直交する方向に移動して薄い方のワークの母材の凹んだ部分を埋めるように、前記シールドガスを噴出させることを特徴とするプラズマアーク溶接方法。