JP6542628B2 - プラズマ溶接用トーチ - Google Patents
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Description
また、溶接中において、非消耗電極を囲むトーチノズルからシールドガスを放出し、該シールドガスで大気(空気)を遮断しながら溶接を行う。
そして、プラズマアークは、シールドキャップから放出されるシールドガスによるサーマルピンチ効果を受けて更に絞り込まれる。
移行型のプラズマアーク溶接法は、非消耗電極(−)と被加工物(+)との間で電流を流す方式であり、導電性の被加工物に対してのみ適用が可能である。一方、非移行型のプラズマアーク溶接法は、非消耗電極(−)とインサートチップ(+)との間で電流を流す方式であり、非導電性の被加工物に対しても適用が可能である。
さらに、プラズマアーク溶接法は、上述した溶接の用途に限らず、例えば、被加工物に対するロウ付けや、接合、切断、溶射、溶融炉などにも利用されている。
特許文献1に開示されたセンタリングストーンは、その中央に棒状電極が挿入される電極挿入穴と、その周囲に配置された複数の貫通穴(ガスの通路)またはリング状貫通部(ガスの通路)と、を有する。
また、特許文献1には、センタリングストーンを多孔セラミックで構成することが開示されている。
つまり、特許文献1に開示されたセンタリングストーンは、複雑な形状とされている。このため、センタリングストーンの製造工程が複雑となるので、センタリングストーンを容易に製造することやコストを低減させることが困難であった。
D=(d1−d2)/2 ・・・(1)
但し、上記(1)式において、d1は前記第2の中空部の直径、d2は前記第2の中空部に配置された前記棒状電極の直径を示す。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチを含んだプラズマ溶接装置の概略構成を示す部分断面図である。なお、図1では、母材11及びプラズマ溶接用トーチ12を断面で図示する。また、図1では、スイッチ部23が開いた状態を模式的に図示する。
図1において、E方向はパイロットガスが流れる方向、F方向はシールドガスが流れる方向、中心軸Cはインサートチップ31の中心軸、Z方向は鉛直方向、をそれぞれ示している。
トーチボディ30の下端には、インサートチップ31が取り付けられている。また、トーチボディ30のうち、インサートチップ31と対向する部分には、冷却水用流路45となる凹部が設けられている。この凹部とインサートチップ31との間に、冷却水用流路45が区画されている。
冷却水用流路45には、冷却水循環部24から供給された冷却水が供給される。また、冷却水用流路45に供給されて、冷却に寄与して温度が上昇した冷却水は、冷却水循環部24により回収される。
インサートチップ本体41は、棒状電極33を収容する筒状部材であり、その先端部が縮径された構成とされている。インサートチップ本体41は、その先端にインサートチップ孔41Aを有する。
インサートチップ孔41Aは、棒状電極33から発生したプラズマアークを母材11に移行させる際に、プラズマアークを通過させる孔である。
棒状電極33から発生したプラズマアークは、水冷式のインサートチップ31によってウォール効果及びサーマルピンチ効果を受けることで絞られ、エネルギー密度の高いアークとなって、インサートチップ孔41Aから噴出する。
第1の中空部42は、棒状電極33の先端部33Aが収容される空間であるとともに、パイロットガスを棒状電極33の先端部33A側に供給するパイロットガス供給用の流路として機能する。
第1の中空部42の直径Rは、第1の中空部42に棒状電極33を挿入させた状態で、棒状電極33と第1の中空部42を区画するインサートチップ本体41の内壁面との間から電極位置規制部材34が落下しない大きさに設定されている。
第2の中空部43は、第1の中空部42の直上に配置されており、第1の中空部42の後端部と一体に構成されている。
第1の中空部42の直径Rが8mmの場合、第2の中空部43の直径d1は、例えば、9〜20mmの範囲内で適宜選択することができる。
棒状電極33の直径d2は、棒状電極33と第1の中空部42との間にパイロットガスが流れる経路を形成可能なように、直径Rよりも小さくなるように構成されている。
複数の電極位置規制部材34は、その外形が球形状とされており、各電極位置規制部材34の一部が棒状電極33と、第2の中空部43を区画するインサートチップ本体41の内壁面と、に接触した状態で、棒状電極33の周囲を囲むように段差部44に配置されている。
これにより、パイロットガスを流通させるための流路として、上記複数の隙間を利用することが可能となるので、特許文献1に開示されたセンタリングストーンに設けられたパイロットガスを流通させるためのガス貫通穴を、複数の電極位置規制部材34に設ける必要がない。
また、上記複数の隙間は、同じ大きさで、かつ同じ形状とされた複数の電極位置規制部材34を用いることで、棒状電極33の周方向に対して、均等に配置される。このため、上記複数の隙間を用いて、パイロットガスを精度良く分散させることができる。
D1=(d1−d2)/2 ・・・(2)
但し、上記(2)式において、d1は第2の中空部43の直径、d2は第2の中空部43に配置された棒状電極33の直径を示している。
また、例えば、第2の中空部43の直径d1が19mm、棒状電極33の直径d2が4.8mmの場合、上記(2)式から、複数の電極位置規制部材34の径D1は、7.1mmとなる。この場合、複数の電極位置規制部材34の数は、5つとなる。
また、例えば、第2の中空部43の直径d1が12mm、棒状電極33の直径d2が4.0mmの場合、上記(2)式から、複数の電極位置規制部材34の径D1は、4.0mmとなる。この場合、複数の電極位置規制部材34の数は、6つとなる。
インサートチップ31の材料がクロム銅の場合、複数の電極位置規制部材34の材料としては、セラミックスを用いることができる。
クロム銅(組成が、Cr0.7〜1.4%含有し、残部が銅)の熱膨張係数は、17.7×10−6/℃であり、セラミックスである窒化珪素の熱膨張係数は、3.4×10−6/℃である。
これにより、複数の電極位置規制部材34は、段差部44と押さえ部材36との間に配置されることになる。
押さえ部材36は、一部が分断されたリング状の部材である。押さえ部材36は、厚さの薄い金属で構成されているため、作業者が指で押圧することで、分断部36Aの幅が狭くなる方向、言い換えれば、押さえ部材36の外径が小さくなる方向に変形する。
押さえ部材36の材料としては、例えば、金属を用いることができる。押さえ部材36の材料となる金属としては、例えば、銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼等を用いることができる。
配線15は、その一端がプラス端子13Aと接続されており、他端が棒状電極33と接続されている。配線16は、その一端がマイナス端子13Bと接続されており、他端が母材11と接続されている。
配線21は、第1の配線部21−1と、第1の配線部21−1から分離された第2の配線部21−2と、を有する。第1の配線部21−1は、その一端がパイロットアーク電源17と接続されており、他端が第2の配線部21−2の一端の近傍に配置されている。
第2の配線部21−2は、その他端がインサートチップ31と接続されている。
スイッチ部23が開く(図1に示す状態になる)と、パイロットアーク電源17とインサートチップ31とが電気的に絶縁され、スイッチ部23が閉じると、パイロットアーク電源17とインサートチップ31とが電気的に接続される。
冷却水供給ライン25は、その一端が冷却水循環部24と接続されており、他端が冷却水用流路45と接続されている。冷却水供給ライン25は、冷却水用流路45に冷却水を供給するためのラインである。
冷却水循環ライン26は、その一端が冷却水循環部24と接続されており、他端が冷却水用流路45と接続されている。冷却水循環ライン26は、冷却水用流路45において、冷却に寄与することで温度が上昇した冷却水を回収するためのラインである。
パイロットガスとしては、例えば、不活性ガス(例えば、アルゴンガス)を用いることができる。
シールドガス供給ライン(図示せず)は、その一端がシールドガス供給源(図示せず)と接続されており、他端が流路32Aにシールドガスを供給可能な状態で、インサートチップ31と接続されている。
これにより、特許文献1に開示されたセンタリングストーンと比較して、製造工程を簡略化することが可能となるので、複数の電極位置規制部材34のコストを低減することができる。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図5は、図4に示すインサートチップ及び複数の電極位置規制部材をB視した平面図である。図4及び図5において、図1〜図3に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
複数の電極位置規制部材51は、一部が、棒状電極33、第2の中空部43を区画するインサートチップ31の内壁面、及び段差部44に接触するように、棒状電極33の周囲に位置する第2の中空部43に配置されている。
複数の電極位置規制部材51は、棒状電極33の延在方向と同じ方向に延在している。複数の電極位置規制部材51間には、第2の中空部43に導入されたパイロットガスを第1の中空部42に流通させるための複数の隙間が形成されている。複数の電極位置規制部材51の上端には、押さえ部材36が当接されている。
なお、第2の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ50は、第1の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ10と同様な効果を得ることができる。
電極位置規制部材55は、円柱形状とされた電極位置規制部材本体56と、電極位置規制部材本体56の中央部を電極位置規制部材本体56の延在方向に貫通する貫通穴56と、で構成されている。
貫通穴56は、第2の中空部43から第1の中空部42にパイロットガスを流通させるための経路として機能する。
なお、同じ大きさの径D1とされた電極位置規制部材34,56を組み合わせて、棒状電極33の位置を規制してもよい。この場合も、第2の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ50と同様な効果を得ることができる。
図7は、本発明の第3の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図7において、図1に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
第3の中空部61の直径Sは、第2の中空部43の直径d1よりも小さく、かつ第1の中空部42の直径Rよりも大きくなるように構成されている。
また、Z方向における第3の中空部61の長さは、第3の中空部61に、複数の電極位置規制部材63及び押さえ部材65を収容可能な長さにすることができる。
これにより、2つの段差部(段差部44,62)のち、一方の段差部62に複数の電極位置規制部材63をリング状に配置することができるとともに、他方の段差部44に複数の電極位置規制部材34をリング状に配置することができる。
複数の電極位置規制部材63の径D2は、下記(3)式から求めることができる。
D2=(S−d2)/2 ・・・(3)
但し、上記(3)式において、Sは第3の中空部61の直径、d2は第2の中空部43に配置された棒状電極33の直径を示している。
第3の実施の形態のプラズマ溶接用トーチ60では、棒状電極33の延在方向に対して、複数の電極位置規制部材34,63が2段で配置されている。
これにより、棒状電極33の中心軸が、インサートチップ31の中心軸Cと一致するように、高精度に棒状電極33の位置を規制することができる。
図8は、本発明の第4の実施の形態に係るプラズマ溶接用トーチの概略構成を示す断面図である。図8において、図7に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
第1の部分71Aは、第1の中空部42から第2の中空部71(第2の部分71B)に向かう方向に対して、幅広形状とされたテーパ面71aで区画されている。第1の部分71Aは、円錐台形状とされた空間である。
第2の部分71Bは、円柱形状とされた空間であり、パイロットガスが供給される。
複数の電極位置規制部材63は、その一部が、テーパ面71aと棒状電極33と接触するように、第1の部分71Aにリング状に配置されている。
押さえ部材73は、第1の部分71Aを区画するテーパ面71aではなく、円柱形状とされた第2の部分71Bを区画するインサートチップ31の内壁面と接触するように、第2の中空部71に配置されている。
このように、円柱形状とされた第2の部分71Bを区画するインサートチップ31の内壁面と接触するように、第2の中空部71に押さえ部材73を配置させることで、第2の中空部71において、押さえ部材73が複数の電極位置規制部材63のZ方向の位置を安定して規制することができる。
Claims (7)
- 先端部を含み、所定の方向に延在する棒状電極と、
前記棒状電極の先端部が収容される第1の中空部と、前記第1の中空部よりも拡径されており、中心軸が前記第1の中空部の中心軸と一致し、前記棒状電極のうち、前記先端部から離間した部分を収容する第2の中空部と、を含むインサートチップと、
前記インサートチップの中心軸と前記棒状電極の中心軸とが一致するように、前記棒状電極の周囲を囲むように、前記第2の中空部の周方向に並んで配置された複数の電極位置規制部材と、
前記第1の中空部と前記第2の中空部との間に形成されて、前記複数の電極位置規制部材が接触する段差部と、
前記第2の中空部に配置され、前記複数の電極位置規制部材の、前記インサートチップ及び前記棒状電極の中心軸の延在方向への移動を抑制するように、前記複数の電極位置規制部材に当接する押さえ部材と、を有し、
前記複数の電極位置規制部材は、同じ形状で、かつ同じ大きさとされた球形状または円筒形状の部材であり、
前記第2の中空部の周方向において互いに隣り合う前記電極位置規制部材同士が接触した状態で、前記段差部と前記押さえ部材との間に前記複数の電極位置規制部材が配置されており、
前記第2の中空部から前記第1の中空部にパイロットガスを流通可能なように、前記電極位置規制部材の一部が前記棒状電極と前記第2の中空部を区画する前記インサートチップの内壁面とに接触することを特徴とするプラズマ溶接用トーチ。 - 前記インサートチップの中心軸に対して直交する方向における前記複数の電極位置規制部材の径Dは、下記(1)式を満たすことを特徴とする請求項1記載のプラズマ溶接用トーチ。
D=(d1−d2)/2 ・・・(1)
但し、上記(1)式において、d1は前記第2の中空部の直径、d2は前記第2の中空部に配置された前記棒状電極の直径を示す。 - 前記複数の電極位置規制部材の材料は、前記インサートチップの材料の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数の材料であることを特徴とする請求項1または2記載のプラズマ溶接用トーチ。
- 前記第2の中空部のうち、前記第1の中空部側に位置する部分は、前記第1の中空部から前記第2の中空部に向かう方向に対して、幅広形状とされたテーパ面で区画されていることを特徴とする請求項1ないし3のうち、いずれか1項記載のプラズマ溶接用トーチ。
- 前記押さえ部材は、一部が分断されたリング状の部材であることを特徴とする請求項1ないし4のうち、いずれか1項記載のプラズマ溶接用トーチ。
- 前記複数の電極位置規制部材は、前記棒状電極の延在方向に対して、多段で配置することを特徴とする請求項1ないし5のうち、いずれか1項記載のプラズマ溶接用トーチ。
- 前記多段で配置された前記複数の電極位置規制部材を押さえる、複数の押さえ部材を有することを特徴とする請求項6記載のプラズマ溶接用トーチ。
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