JP6327534B2 - 溶接トーチ - Google Patents

Description

本発明は、シールドガスで溶接部を保護しつつ母材を溶接するガスシールドアーク溶接装置に関し、特に先端からシールドガスが流出する溶接トーチに関する。

従来から、溶接部を大気から保護するシールドガスとしてアルゴン等の不活性ガスや、不活性ガスと炭酸ガスの混合ガスを用いてアーク溶接を行うガスシールドアーク溶接装置が広く使用されている。このガスシールドアーク溶接装置の溶接トーチは、例えば特許文献１に開示されているように、溶接トーチの先端側に円筒状のノズルと、そのノズルの先端側の開口部から突出した棒状体の電極を備え、ノズルの開口部からシールドガスを流出させながら母材の溶接を行う。

特許文献１の溶接トーチは、電極に対してシールドガス流に偏りを発生させ、溶接トーチを水平にした状態で母材の溶融池が重力により下方に下がらないようにガス流で支えながら溶接可能なように構成されている。

ところで、ガスシールドアーク溶接装置を用いて、例えば不活性ガスと炭酸ガスの混合ガスをシールドガスとしてＭＡＧ溶接によりすみ肉溶接を行う場合、母材の溶接部に対して溶接トーチを傾けて所定のトーチ角度及びアーク長を維持しながら溶接部に沿って溶接トーチを移動させて溶接する。このとき溶接材に含まれるＳｉやＭｎ等が、シールドガスに引き込まれた大気中の酸素と溶融池内で反応することにより溶接部に析出してスラグを生成する。

溶接が行われた母材の表面は、防錆を目的とした電着塗膜により被覆される。このとき、スラグの上には電着塗膜が堆積し難いため、スラグが生成されると母材を完全に覆うことができない。このスラグに起因した電着塗膜の欠陥が、発錆の原因の１つとなっているが、例えば先端の内径が１９ｍｍ程度の太いノズルを有する溶接トーチを使用することによりスラグの発生を抑えられることが分かっている。

特開２０１４−２０５１７７号公報

しかし、車両部材等、複雑な形状の母材を溶接する場合には、良好な作業性を確保するため、例えばノズル先端の内径が１３ｍｍ程度の細いノズルを有する溶接トーチが用いられる。このような細いノズルの溶接トーチは、シールドガスにより溶接部を大気から十分に保護することができず、大気中の酸素が溶接部に届き易いため、溶接部にスラグが生成され易く、電着塗膜の欠陥が増加し、発錆が増えるという問題がある。

本発明の目的は、良好な作業性の確保のために溶接トーチのノズルを細くしても、スラグの発生を抑制可能な溶接トーチを提供することである。

請求項１の発明の溶接トーチは、トーチ本体と、このトーチ本体に基端側が支持された円筒状のノズルと、このノズルの内部に配置され且つ前記トーチ本体に基端側が支持されたコンタクトチップと、前記ノズルと前記コンタクトチップの間にシールドガスを流す為のガス通路を備えた溶接トーチであって、前記ノズルの先端部は先端に近づくほど内径が拡大する内径拡大部を備え、前記コンタクトチップは、溶接材であるワイヤを摺動可能に支持するワイヤ通路と、コンタクトチップの先端部に形成され且つ先端に近づくほど外径が拡大する外径拡大部とを備え、前記内径拡大部は、前記ガス通路の径方向幅を一定に維持するように形成されたことを特徴としている。

この構成により、ノズル内周面とコンタクトチップ外周面で形成されるガス通路の先端部分が溶接トーチの径方向外方に向かうように形成され、シールドガス流が径方向外方に向かって広がるので、溶接部に届く大気中の酸素を低限してスラグの生成を抑制することができる。
そして、ガス通路の径方向幅が変化しないので、溶接トーチの先端から流出するまでシールドガスの流速の変化を抑えることができ、従来の溶接条件を変更することなくシールドガス流が溶接トーチの径方向外方へ広がるようにして、溶接部に届く大気中の酸素を低減することができる。

請求項２の発明の溶接トーチは、請求項１の発明において、前記外径拡大部の基端から先端までの長さが１．０ｍｍ〜２．６ｍｍであって、前記外径拡大部の先端の外径と前記外径拡大部が無い場合のコンタクトチップの先端の外径の差に相当する外径拡大長が０．６ｍｍ〜１．２ｍｍであることを特徴としている。

この構成により、シールドガス流が溶接トーチの径方向外方に適正に広がるようにすることができ、溶接部に届く大気中の酸素を低減することができる。

本発明の溶接トーチによれば、良好な作業性の確保のために溶接トーチのノズルを細くした場合でも、溶接部に至る大気中の酸素を低減してスラグの発生を抑制することができる。

本発明の溶接トーチの部分側断面図である。 従来の溶接トーチの部分側断面図である。 従来の溶接トーチのシールドガス流を説明する要部断面図である。 本発明の溶接トーチのシールドガス流を説明する要部断面図である。 従来の溶接トーチと本発明の溶接トーチにおいて、シールドガス流量と溶接部近傍の酸素濃度の関係を示す図である。 外径拡大長と溶接部近傍の酸素濃度との関係を示す図である。 外径拡大部の先端と基端との距離と溶接部近傍の酸素濃度との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、本発明の溶接トーチ１について図１に基づいて説明する。
図１に示すように、溶接トーチ１は、トーチ本体２と、基端部がトーチ本体２に支持された円筒状のノズル３と、基端部がトーチ本体２に支持されノズル３の内部に配置された棒状体のコンタクトチップ４を備え、ノズル３の内周面とコンタクトチップ４の外周面の間にトーチ本体２側から供給されるシールドガスをノズル３の先端から流出させることができるガス通路が形成されている。シールドガスは図示しないガス供給装置から流量を調節して供給される。溶接トーチ本体２は、ロボットアームに装着可能に構成されていてもよく、作業者が手に持って溶接可能なように構成されていてもよい。

次に、コンタクトチップ４について説明する。
コンタクトチップ４は棒状体であり、図示は省略するが、その基端側がトーチ本体２に例えば螺合により着脱可能なように形成されている。コンタクトチップ４の内部には、電極と溶接材を兼ねるワイヤを挿通させ摺動可能に支持するワイヤ通路５が設けられている。溶接時には、図示しないワイヤ送給装置から送られるワイヤがトーチ本体側からワイヤ通路５に挿通され、図示しない電源から供給される電流がコンタクトチップ４を介してワイヤ通路５に支持したワイヤに伝導可能に構成されている。

コンタクトチップ４は、基端と先端の間の途中位置から先端に近づくほど外径が縮小するように形成されている。コンタクトチップ４の先端部分には、所定の外径拡大長だけ先端の外径が大きい外径拡大部６が形成されている。この外径拡大長は、外径拡大部６の先端の外径と外径拡大部６が無い場合のコンタクトチップ４の先端の外径の差に相当し、その差は０．６ｍｍ〜１．２ｍｍである。また、外径拡大部６の基端は先端から１．０ｍｍ〜２．６ｍｍの距離に位置する。尚、前記途中位置と外径拡大部６の基端の間の一部が一定の外径を有するように形成されてもよく、コンタクトチップ４の基端から外径拡大部６の基端まで一定の外径を有するように形成されていてもよい。

次に、ノズル３について説明する。
ノズル３は円筒状であり、図示は省略するが、その基端側がトーチ本体２に例えば螺合により着脱可能なように形成されている。ノズル３の先端部分には、先端に近づくほど内径が拡大する内径拡大部７が形成されている。内径拡大部７の先端の内径は、内径拡大部７が無い場合のノズル３の先端の内径より例えば０．６ｍｍ〜１．２ｍｍ大きく、内径拡大部７の基端は先端から１．０ｍｍ〜２．６ｍｍの距離に位置し、コンタクトチップ４の外径拡大部６に対応してこれらの寸法が決定される。

ノズル３の外径は、コンタクトチップ４の途中位置に対応する位置から先端に近づくほど縮小するように形成され、ノズル３の先端側の内径は、上記途中位置に対応する位置から内径拡大部７の基端まで、コンタクトチップ４の外周面と一定の間隔を維持しながら先端に近づくほど縮小するように形成されている。尚、ノズル３は基端から先端まで一定の外径で形成されていてもよく、ノズル３の基端から内径拡大部７の基端まで、一定の外径に沿って一定の内径で形成されていてもよい。

次に、ノズル３の内周面とコンタクトチップ４の外周面の間に形成されるガス通路について説明する。
ガス通路は、トーチ本体２側から供給されるシールドガスがノズル３の先端から流出可能なように形成されている。また、ガス通路の先端部分は、ノズル３の内径拡大部５とコンタクトチップ４の外径拡大部７が径方向幅を一定に維持するように形成され、この先端部分でガスの流速の変動が少なくなるように構成されている。

次に、従来の溶接トーチ１１について図２に基づいて説明する。
図２に示すように、従来の溶接トーチ１１は、トーチ本体１２、ノズル１３、コンタクトチップ１４を備え、本発明の溶接トーチ１の外径拡大部６、及び内径拡大部７を備えていないものに相当する。コンタクトチップ１４の先端の外径は６ｍｍ、基端の外径は９ｍｍ、ノズル１３の先端の内径は１３ｍｍ、基端の内径は１６ｍｍである。コンタクトチップ１４の外周面とノズル１３の内周面の間に径方向幅が一定のガス通路が形成され、コンタクトチップ１４には、ワイヤ通路１５が設けられている。

次に、従来の溶接トーチ１１の溶接時におけるシールドガス流について、図３に基づいて説明する。
図３は、板厚２ｍｍの母材９ａを板厚２ｍｍの母材９ｂに重ねて母材９ａの端部と母材９ｂを溶接する重ね継手のすみ肉溶接において、シールドガス流の解析結果に基づいてシールドガス流を模式的に表した要部断面図である。ワイヤ２１のコンタクトチップ１４先端からの突出長は１０ｍｍ、トーチ角は３０°、シールドガスの流量は２０Ｌ／秒（流速５ｍ／秒に相当する）、アーク長は１０ｍｍである。

図３に示すように、母材９ｂ側の径方向内側のシールドガス流Ｇ１１は、ワイヤ２１に近づいて溶接部１０に向かい、溶接部１０に衝突して方向を変え溶接部１０から遠ざかる。このとき、ワイヤ２１に近づいたシールドガスは、アークに引き込まれて電離すると共に数十倍（流速２００ｍ／秒程度）に加速されて溶接部１０に向かって流れている。一方、径方向外側のシールドガス流Ｇ１５は、母材９ｂに近づくにつれて溶接部１０に向かう方向から徐々に径方向外方に向きを変え、母材９ｂと衝突して溶接部１０から遠ざかる。このとき、シールドガスは大気流Ａ１１，Ａ１２に示すように大気を引き込みながら流れ、この引き込まれた大気の一部、例えば引き込まれた大気に含まれる酸素Ｍ１１，Ｍ１２や図示しない窒素等が、シールドガス流内を径方向内方に拡散していく。尚、シールドガス流と大気が接するところでは大気の一部がシールドガス流内に拡散するものであり、その拡散経路は図示の経路に限られるものではない。

径方向内側のシールドガス流Ｇ１１と径方向外側のシールドガス流Ｇ１５の間のシールドガス流Ｇ１２〜Ｇ１４は、周囲のシールドガス流の方向の変化や流速の差等により、溶接部１０の近傍に局所的な渦流である滞留部１８を形成している。シールドガス流に引き込まれ径方向内側に拡散した大気の一部は、シールドガスと共に滞留部１８や溶接部１０に到達する。従って、シールドガス流に引き込まれた大気に含まれる酸素Ｍ１１，Ｍ１２が滞留部１８や溶接部１０に到達する。

次に、本発明の溶接トーチ１の溶接時におけるシールドガス流について、図４に基づいて説明する。
従来の溶接トーチ１１の場合と同様に、図４は板厚２ｍｍの母材９ａを板厚２ｍｍの母材９ｂに重ねて母材９ａの端部と母材９ｂを溶接する重ね継手のすみ肉溶接において、シールドガス流の解析結果に基づいてシールドガス流を模式的に表した要部断面図である。ワイヤ２１のコンタクトチップ４先端からの突出長は１０ｍｍ、トーチ角は３０°、シールドガスの流量は２０Ｌ／秒（流速５ｍ／秒に相当する）、アーク長は１０ｍｍである。また、外径拡大部６の先端の外径は７ｍｍ（外径拡大長１ｍｍ）、外径拡大部６の先端と基端の距離は２ｍｍ、内径拡大部７の先端の内径は１４ｍｍ、内径拡大部７の先端と基端の距離は２ｍｍ、コンタクトチップ４の基端の外径は９ｍｍ、ノズル基端の内径は１６ｍｍである。即ち、従来の溶接トーチ１１と比べて、コンタクトチップ４の先端の外径が１ｍｍ大きくなるように外径拡大部６が形成され、ノズル３の先端の内径が１ｍｍ大きくなるように内径拡大部７が形成されている。

図４に示すように、母材９ｂ側の径方向内側のシールドガス流Ｇ１は、ワイヤ２１に近づいて溶接部１０に向かい、溶接部１０に衝突して方向を変え溶接部１０から遠ざかる。このとき、ワイヤ２１に近づいたシールドガスは、アークに取り込まれて電離すると共に数十倍（流速２００ｍ／秒程度）に加速されて溶接部１０に向かって流れている。一方、径方向外側のシールドガス流Ｇ５は、母材９ｂに近づくにつれて径方向外方に向かい、溶接部１０から遠ざかる。このときシールドガスは、大気流Ａ１，Ａ２に示すように大気を引き込みながら流れ、この引き込まれた大気の一部、例えば引き込まれた大気に含まれる酸素Ｍ１，Ｍ２や図示しない窒素等がシールドガス流内を径方向内方に拡散していく。尚、シールドガス流と大気が接するところでは大気の一部がシールドガス流内に拡散するものであり、その拡散経路は図示の経路に限られるものではない。

径方向内側のシールドガス流Ｇ１と径方向外側のシールドガス流Ｇ５の間のシールドガス流Ｇ２〜Ｇ４は、周囲のシールドガスの流れる方向の変化や流速の差等により、溶接部１０の近傍に局所的な渦流である滞留部８を形成しているが、従来の溶接トーチ１１の場合（図３参照）と比較してシールドガスが径方向外方に広がって流れている。そのため、従来の溶接トーチ１１と比較して、シールドガス流に引き込まれた大気に含まれる酸素Ｍ１，Ｍ２がシールドガス流を径方向内方に拡散しても、滞留部８や溶接部１０に到達し難くなっている。

次に、シールドガス流内の溶接部１０近傍の酸素濃度について説明する。酸素濃度の解析は、溶接部１０とワイヤ２１の間におけるワイヤ２１と同軸の直径８ｍｍの円柱状領域で実施している。

図５に示すように、○で示す従来の溶接トーチ１１において酸素濃度が最低になるシールドガス流量２０Ｌ／秒で、●で示す本発明の溶接トーチ１における酸素濃度が従来の溶接トーチ１１の約半分に低減されている。溶接部１０近傍の酸素濃度が低減されたことにより溶接部１０に到達する酸素が低減されるので、ワイヤ２１に含まれるＭｎやＳｉ等と反応して生成されるスラグの析出が減少する。

図６は、外径拡大長と、溶接部１０近傍の酸素濃度との関係を示す。シールドガス流量を２０Ｌ／秒、外径拡大部の先端と基端の間の距離を２ｍｍとし、○で示す外径の差０ｍｍが従来の溶接トーチ１１のコンタクトチップ１４に相当する。図６に●で示すように外径拡大長を大きくしていくと、外径拡大長が１ｍｍ近傍で酸素濃度は最小となる。このとき、ノズル３の内径拡大部５はガス通路の径方向幅を一定に保つように形成されている。

図７は、コンタクトチップ４の外径拡大部７の先端と基端の間の距離と、溶接部１０近傍の酸素濃度との関係を示す。シールドガス流量を２０Ｌ／秒、外径拡大長を１ｍｍとするが、○で示す先端と基端の距離が０ｍｍの場合は従来の溶接トーチ１１のコンタクトチップ１４に相当するものとしている。図７に●で示すように先端と基端の距離を大きくしていくと、距離が２ｍｍ近傍で酸素濃度が最小となる。このとき、ノズル３の内径拡大部５はガス通路の径方向幅を一定に保つように形成されている。

図６、図７に示すように、外径拡大部７の寸法により溶接部１０近傍の酸素濃度は変化するが、従来の溶接トーチ１１よりスラグの生成を抑えるためには、酸素濃度を従来の溶接トーチ１１より低くする必要がある。従って、シールドガス流量２０Ｌ／秒の場合に本発明の溶接トーチ１は、外径拡大長を０．６ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲、先端と基端の距離を１．０ｍｍ〜２．６ｍｍの範囲内で形成することにより、従来の溶接トーチと比べて酸素濃度を低減できる。

次に、本発明の溶接トーチ１の作用、効果について説明する。
本発明の溶接トーチ１は、作業性を良好にするためにノズル３を細く形成した場合でも、ノズル３の内径拡大部７及びコンタクトチップ４の外径拡大部６によりシールドガス流が溶接トーチ１の径方向外方に向かって広がるようにすることによって、シールドガスにより大気から取り込まれ溶接部１０に到達する酸素を低減可能であり、溶接部１０に生成するスラグを低減することができる。従って、本発明の溶接トーチ１により溶接した母材を被覆する電着塗膜の欠陥を低減することができ、電着塗膜の欠陥を起点とした発錆を低減することができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ 溶接トーチ
２ トーチ本体
３ ノズル
４ コンタクトチップ
５ ワイヤ通路
６ 外径拡大部
７ 内径拡大部
８ 滞留部
９ａ，９ｂ 母材
１０ 溶接部
１１ 従来の溶接トーチ
１２ トーチ本体
１３ ノズル
１４ コンタクトチップ
１５ ワイヤ通路
２１ ワイヤ
Ｇ１〜Ｇ５，Ｇ１１〜Ｇ１５ シールドガス流
Ａ１，Ａ２，Ａ１１，Ａ１２ 大気流

Claims (2)

1. トーチ本体と、このトーチ本体に基端側が支持された円筒状のノズルと、このノズルの内部に配置され且つ前記トーチ本体に基端側が支持されたコンタクトチップと、前記ノズルと前記コンタクトチップの間にシールドガスを流す為のガス通路を備えた溶接トーチであって、
   前記ノズルの先端部は先端に近づくほど内径が拡大する内径拡大部を備え、
   前記コンタクトチップは、溶接材であるワイヤを摺動可能に支持するワイヤ通路と、コンタクトチップの先端部に形成され且つ先端に近づくほど外径が拡大する外径拡大部とを備え、
   前記内径拡大部は、前記ガス通路の径方向幅を一定に維持するように形成されたことを特徴とする溶接トーチ。
2. 前記外径拡大部の基端から先端までの長さが１．０ｍｍ〜２．６ｍｍであって、前記外径拡大部の先端の外径と前記外径拡大部が無い場合のコンタクトチップの先端の外径の差に相当する外径拡大長が０．６ｍｍ〜１．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の溶接トーチ。