JP5472931B2 - プラズマ溶接装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ溶接装置に関する。

プラズマトーチには、溶接，肉盛り，切断などの高熱溶接の種類に応じて各種形態がある。特許文献１には、電極棒１０の先端直下に側方からワイヤ１６を送り込んで、電極棒先端の下方にある母材（溶接対象材）を、プラズマ溶接，ホットワイヤ形態のプラズマ溶接，プラズマＭＩＧ溶接あるいはプラズマワイヤ肉盛をする方法が記載されている。特許文献２には、インサートチップ１１１の中央のワイヤ送通孔から下方の母材に垂直にワイヤ１５３を送り出し、該ワイヤの側方にワイヤと平行に配置された電極棒１２６によって、チップ１１１の下部の、該ワイヤ送通孔が開いたプラズマ孔１１３にプラズマを噴射してワイヤ先端を溶かすプラズマＭＩＧ溶接トーチが記載されている。特許文献３には、中心位置に電極棒を配置したインサートチップ１のプラズマノズルの下方に、側方からワイヤ３を送り込むホットワイヤ形態のプラズマ溶接方法およびプラズマワイヤ肉盛方法が記載されている。特許文献４には、インサートチップ３３の中心位置に電極棒を配置したプラズマトーチのプラズマが形成したプールに向けて、該プラズマトーチの側方から消耗電極であるワイヤ３９を送給するプラズマＭＩＧ溶接が記載されている。特許文献５には、インサートチップ９のプラズマ噴射ノズルの上方かつ中心に配置した有底筒状のプラズマ電極８の、中心穴である底穴と、その下方のノズルプラズマ噴射ノズルを通して下方の母材に垂直にワイヤを送給し、該ワイヤをプラズマ電極８が生成するプラズマで溶かすプラズマＭＩＧ溶接方法が記載されている。

特公昭３９− １５２６７号公報 特開昭５２−１３８０３８号公報 特開昭５３− ３１５４４号公報 特表２００６−５１９１０３号公報 特開２００８−２２９６４１号公報。

特願２００９−１７７３７１号，平成２１年７月３０日出願） 特許文献１〜４のいずれの溶接方法およびプラズマトーチも、１個の電極棒と一本のワイヤを用いて、該電極棒が母材との間に形成したプラズマ流に、電極棒／母材間の側方からワイヤを送給し、通電するので、ワイヤ電流で発生した磁束とプラズマ電流で発生する磁束との相互作用で磁気的アンバランスが発生する。すなわち、ワイヤよりも上側（インサートチップ側）とワイヤよりも下側（母材側）でプラズマアーク状態が異なり、ワイヤの上側のプラズマはワイヤから離れる方向にアーク力を受け、ワイヤの下側のプラズマはワイヤに近づく方向にアーク力を受ける。ワイヤ先端の溶融の動揺に伴い、母材に対するプラズマの作用位置が動揺するので、プラズマアークが不安定である。特許文献５では、有底筒状のプラズマ電極８の底穴の円周エツジにアークが集中し、集中点が周方向に移動するので、やはりプラズマが動揺し、プラズマ電極８の底穴の円周エツジ及びインサートチップ９のノズル縁の損耗および溶融ワイヤのプラズマ電極８やプラズマノズル９への付着が激しく、長時間安定した溶接作業を維持できない。

これらの課題を解決するため、本出願人は、通し穴である中央孔(5)と、該中央孔(5)と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間(1a,1b)と、各電極配置空間(1a,1b)に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル(4a,4b)と、を備えるインサートチップ(1)、を装備した複数ノズルのプラズマトーチを用いるプラズマ溶接装置を提示した（特許文献６）。これによれば、プラズマアークと同軸中央部へワイヤを供給することで高能率で作業性が良く、ワイヤに通電しても磁気吹きによるアーク乱れを発生しない安定性が高い肉盛り溶接が可能である。

上記複数ノズルのプラズマトーチを用いて高能率の肉盛溶接を行う場合、アークに送給するワイヤに通電してワイヤの溶融効率を高くするホットワイヤ方式においては、連続且つ一定のワイヤをバランスよくプールに滴下させるために、ワイヤ送給量を増加させるが、単電極プラズマ溶接では使用しないような太径（約φ2.0 mm以上）のワイヤを使用すると、送給と溶融のバランスをとる安定したワイヤ送給制御が難しくなる。このバランスが崩れたとき、ワイヤ先端に溶滴が留まって肥大化してそれが溶融プールの外側に落下してスパッタが発生するおそれがある。

本発明は、複数ノズルのプラズマトーチを用いてホットワイヤ方式で高能率の肉盛溶接を行うにおいて、スパッタ発生の可能性を低減することを目的とする。

（１）通し穴である中央孔(5)，該中央孔(5)と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布しプラズマガスが供給される複数の電極配置空間(1a,1b)、および、各電極配置空間(1a,1b)に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル(4a,4b)を有し前記複数のノズル(4a,4b)の各ノズルが、前記中央孔(5)の中心軸に対して、前記電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と加工対象材(16)との間を前記複数のノズル(4a,4b)を通して流れる各プラズマアーク電流が該インサートチップの前記加工対象材(16)に対向する先端面の前後で合流する角度に傾斜した、インサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)にワイヤ(15)を案内するワイヤガイド(13,6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマトーチ；
前記複数の電極(2a,2b)と溶接対象材(16)の間に、電極側が負で溶接対象材側が正のプラズマアーク電流を流す溶接電源(17,18)；および、
前記ワイヤ(15)と溶接対象材(16)との間に、ワイヤ側が正で溶接対象材側が負の電流を流すホットワイヤ電源(21)；
を備えるプラズマ溶接装置。

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。

これによれば、各ノズル(4a,4b:図４)を通って、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と溶接対象材(16)との間を流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂの上部分は互いに打ち消すので、下部分が作用してフレミングの左手の法則で表される上向きの力が作用し、アーク同士が互いに引き合って、上方に多少曲がった形で対称形となる。しかもノズル(4a,4b)の、中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、プラズマの安定性が高い。すなわち、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。溶接対象材(16)の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり、合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、溶接対象材(16)に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。

通常の単電極プラズマ溶接では使用しないような太径（約φ2.0 mm以上）のワイヤを使用すると、太径のワイヤは細い径のワイヤより溶けづらいので、送給速度を遅くする。ワイヤが短絡アーク時は、安定していてスパッタの発生は無いが、バランスが崩れたとき溶滴が大きくなる。このときワイヤが負極だと、陰極点の力で溶滴がふらつき、スパッタが発生しやすくなる。

しかし、本願発明により、ホットワイヤ電源(21)からワイヤ(15)と溶接対象材(16)との間に、ワイヤ側が正で溶接対象材側が負の電流を流すと、ワイヤを太径にしても、陽極点は広範囲な面上で挙動するので、溶滴が円錐状に溶融し、ワイヤ先端から流水状に流れ落ちるため、溶滴のふらつきがないのでスパッタの発生はなく、送給と溶融のバランスをとる安定したワイヤ送給制御を容易に行うことができる。ワイヤの溶融安定性が良好になり、溶融効率も向上するため、１パスで多量の肉盛をすることができる。

太径のワイヤは、細径のワイヤより線引き工定数が少ないので安価である。本願発明によれば、この安価な太径のワイヤをホットワイヤで加熱し、高能率でスパッタの極めて少ない肉盛溶接を行う事ができる。

本発明の一実施例のプラズマ溶接装置を示し、プラズマ溶接トーチは縦断面を示す。 図１に示すインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の２ｂ−２ｂ線での縦断面図、（ｃ）は底面図である。 図１に示すプラズマトーチの、冷却水路９ｗ，パイロットガス路９ｐおよびシールドガス路９ｓを示し、（ａ）は冷却水路９ｗを示す縦断面図、（ｂ）はパイロットガス路９ｐを示す縦断面図であって（ｃ）上の４ｂ−４ｂ線の縦断面図、（ｃ）は（ｂ）上の４ｃ−４ｃ線の横断面図、（ｄ）はシールドガス路９ｓを示す縦断面図であって（ｅ）上の４ｄ−４ｄ線の縦断面図、（ｅ）は（ｄ）上の４ｅ−４ｅ線の横断面図である。 図２の（ｂ）相当の、インサートチップ１の拡大縦断面図であり、第１電極２ａと第２電極２ｂが発生する各アークによって誘起される各磁束ＭａとＭｂ、および、合成磁束Ｍｃを示す。

（２）前記インサートチップ(1)は更に、前記中央孔(5)に連続して溶接対象材(16)に対向する先端面に開き前記中央孔(5)よりも大径の先広がりの円錐形状の拡大口(1d)、を有し、前記ノズル(4a,4b)は、前記先端面よりも内側で前記拡大口(1d)に開いた、上記（１）に記載のプラズマ溶接装置。これによれば、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と溶接対象材(16)との間を流れる各アーク電流が、インサートチップの先端面（拡大口１ｄの母材対向開口）の前後で合流するので、プラズマアーク同士は最短に近い距離で合流できるため、互いの磁気干渉によるアーク曲がり変化を小さくでき、安定したアークで、溶接精度が向上する。

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。

図１に、本発明の一実施例であるプラズマ溶接装置を示す。図１に示すプラズマ溶接トーチのインサートチップ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１１と第２電極１２（図３の（ｃ），（ｅ））は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。第１電極１１と第２電極１２との間の空間を、絶縁本体１４の中空円筒状のステムが通って、該ステムの先端部の、図示を省略した雄ねじが、絶縁台９の中心の、図示を省略した雌ねじ穴にねじこまれ、これにより、電極台１１，１２が縦方向に圧縮するように締め付けられて、絶縁台９，電極台１１，１２および絶縁本体１４が一体に結合している。

インサートチップ１の軸心に中央孔５があり、絶縁台９および絶縁本体１４の軸心には、中央孔５と同軸のガイド穴（本実施例ではワイヤガイド穴）がある。インサートチップ１の中央孔５にはワイヤガイド６が挿入されており、絶縁本体１４の軸心のガイド穴にもワイヤガイド１３が挿入されている。絶縁本体１４の頭部に挿入された溶接ワイヤ１５は、ワイヤガイド１３および６を通してインサートチップ１に送り込まれる。

インサートチップ１には、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチである１８０度で分布し中央孔５と平行に位置する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、中央孔５と同心であるが、中央孔５よりも大径の拡大口１ｄがあり、各電極配置空間１ａ，１ｂにつながったノズル４（４ａ，４ｂ）が、大径口１ｄに開いている。

図２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、通し穴である中央孔５と、該中央孔５に連続して母材１６に対向する先端面に開いた中央孔５よりも大径の拡大口１ｄと、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する２個の電極配置空間１ａ，１ｂと、各電極配置空間１ａ，１ｂに連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する２個のノズル４ａ，４ｂと、を備え、しかも、ノズル４ａ，４ｂは、インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面よりも内側で、拡大口１ｄに開いている。

なお、本実施例では、１対（２個）の電極２ａ，２ｂを装備するプラズマトーチのインサートチップであるが、３本又は４本など、複数の電極を用いるプラズマトーチのインサートチップでは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する複数の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズルを備える。例えば３本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する３個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する３個のノズルを備える。また、４本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する４個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する４個のノズルを備える。

また、拡大口１ｄは省略し、中央孔５およびノズルノズル４ａ，４ｂの下端開口をチップ１のフラットな下端面とすることができる。また、電極配置空間１ａ，１ｂ（およびそこに装備する電極２ａ，２ｂ）は、中央孔５と平行のみならず、中央孔５に対してある傾斜角を持つ斜め姿勢にすることも出来る。

図３に、図１に示すプラズマトーチの、冷却水流路９ｗ，パイロットガス流路９ｐおよびシールドガス流路９ｓを示す。冷却水は、図３の（ａ）に示す冷却水給水流路９ｗｉ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９ｗｏを通ってトーチ外に出る。一方のパイロットガスは、図３の（ｂ）および（ｃ）に示すガス流路９ｐａ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を通りそして拡大口１ｄ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、ガス流路９ｐｂ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を通りそして拡大口１ｄを通ってトーチの先端面から噴出する。シールドガスは、図３の（ｄ）および（ｅ）に示すシールドガス流路９ｓ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、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１７，１８により、電極２ａ，２ｂにアークを発生すると、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。プラズマアーク１９にワイヤ１５が送給され、ワイヤ１５に対して各電極２ａ，２ｂおよびノズル４（４ａ，４ｂ）が対称に位置するので、ワイヤ１５に対してプラズマが安定する。すなわち、図４を参照すると、電極配置空間１ａ，１ｂに挿入された各電極２ａ，２ｂと母材１６との間を、各ノズル４ａ，４ｂを通って流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂとの間に、フレミングの左手の法則で表される上向き（又は下向き：ｚ）の力が作用し、同一方向であり、しかもノズル４ａ，４ｂの、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、磁気的にバランスがとれ、プラズマの安定性が高い。つまり、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。母材１６の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、母材１６に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。尚かつ、ワイヤ１５は、プラズマアーク１９の上端部より入り、溶融プール２０に至る迄の間アークより熱を受けることになり、有効な予熱効果として働き、ワイヤの溶着効率がアップし、高速溶接や高能率溶接ができる。従来の、側方からのワイヤ送給の場合は、ワイヤはプラズマアークに対してほぼ直角に入るため、プラズマアークに入った僅かな距離で溶融プールに熔け落ちるようにしなければならず、ほとんどワイヤの予熱効果は無い。このため溶着効率は低く、溶接速度も遅い。

また本実施例によれば、ワイヤが中央より挿入されるため、ワイヤの挿入方向性が無く、曲線溶接でもトーチを回転させる制御が不要である。従来は、ワイヤはトーチ進行方向より挿入することから、曲線溶接時には、トーチ又はワイヤを曲線に相対して回転制御する装置が必要であった。

図１に示すように、ワイヤ１５と母材１６との間に、ワイヤ側が正で母材側が負の電流を流すホットワイヤ電源２１を備える。ホットワイヤ電源２１からの電流は、トーチ内ガイド１３をとおり、ガイド１３先端部近傍よりワイヤに通電し、絶縁ガイド６内ではワイヤをジュール熱で加熱し、プラズマ１９で、電極２ａ，２ｂよりのプラズマアークと合流し、母材１６に流入する。このとき、ホットワイヤ電流のジュール熱がプラズマ領域内で最大になる（集中する）ので、溶接入熱量が多く、高溶着量，高能率溶接となり、高速溶接が可能である。しかも、ホットワイヤ電流と電極２ａ，２ｂよりのプラズマアーク電流とは対称および同軸であることから、磁気的バランスがとれ、磁気吹きによるアークのふらつきが発生しない。

溶接能率を高くするためにワイヤ１５を太径にしても、ホットワイヤ電源２１からワイヤ１５と溶接対象材との間に、ワイヤ側が正で溶接対象材側が負の電流を流すので、陽極点は広範囲な面上で挙動し溶滴が円錐状に溶融してワイヤ先端から流水状に流れ落ちるため、溶滴のふらつきがないのでスパッタの発生はなく、送給と溶融のバランスをとる安定したワイヤ送給制御を容易に行うことができる。ワイヤの溶融安定性が良好になり、溶融効率も向上するため、１パスで多量の肉盛ができる。

１：インサートチップ
１ａ，１ｂ：電極配置空間
１ｄ：拡大口
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
５：中央孔
６：ガイド
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
９ｗ：冷却水路
９ｐ：パイロットガス路
９ｓ：シールドガス路
１０（１０ａ，１０ｂ）：電極固定ねじ
１１：第１電極台
１２：第２電極台
１３：ガイド
１４：絶縁本体
１５：ワイヤ
１６：母材
１７，１８：電源
１９：プラズマ
２０：プール
Ｍａ：第１アークの誘起磁束
Ｍｂ：第２アークの誘起磁束
Ｍｃ：合成磁束
２１：ホットワイヤ電源
２２：ＭＩＧ溶接電源
２４：粉体槽
２５：粉体送給機
２６：キーホールガス
２７：切断ガス
３０：外ケース

Claims (2)

1. 通し穴である中央孔，該中央孔と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間、および、各電極配置空間に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布しプラズマガスが供給される複数のノズルを有し前記複数のノズルの各ノズルが、前記中央孔の中心軸に対して、前記電極配置空間に挿入された各電極と加工対象材との間を前記複数のノズルを通して流れる各プラズマアーク電流が該インサートチップの前記加工対象材に対向する先端面の前後で合流する角度に傾斜したインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔にワイヤを案内するワイヤガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマトーチ；
   前記複数の電極と溶接対象材の間に、電極側が負で溶接対象材側が正のプラズマアーク電流を流す溶接電源；および、
   前記ワイヤと溶接対象材との間に、ワイヤ側が正で溶接対象材側が負の電流を流すホットワイヤ電源；
   を備えるプラズマ溶接装置。
2. 前記インサートチップは更に、前記中央孔に連続して溶接対象材に対向する先端面に開き前記中央孔よりも大径の先広がりの円錐形状の拡大口、を有し、前記ノズルは、前記先端面よりも内側で前記拡大口に開いた、請求項１に記載のプラズマ溶接装置。
   

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