JP6963699B1 - トーチ及びその走査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中心に位置するフィラーワイヤの周囲で非消耗電極を回転自在に配置するのに好適なトーチを提供する。【解決手段】フィラーワイヤＷを先端に向けて送給するワイヤガイド２と、ワイヤガイド２の周囲を囲んだ状態で、ワイヤガイド２の軸回りに回転自在に取り付けられた回転筒３と、回転筒３を先端側から突出させた状態で、回転筒３を内側に保持するトーチボディ４とを備え、回転筒３の先端側には、フィラーワイヤＷの先端に向かって延在する非消耗電極Ｔが設けられ、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きが回転筒３の回転により変更自在とされている。【選択図】図２

Description

本発明は、トーチ及びその走査方法に関する。

従来より、金属や非鉄金属などを母材として用いた構造物（被溶接物）の溶接には、例えばＴＩＧ溶接(Tungsten Inert Gas welding)又はプラズマアーク溶接等のＧＴＡＷ(Gas Tungsten Arc welding)と呼ばれる非消耗電極式のガスシールドアーク溶接が用いられている。また、ＭＩＧ溶接(Metal Inert Gas welding)、ＭＡＧ溶接(Metal Active Gas welding)又は炭酸ガスアーク溶接等のＧＭＡＷ(Gas Metal Arc welding)と呼ばれる消耗電極式のガスシールドアーク溶接が用いられている。

これらの溶接方法では、一般に溶接トーチを使用し、電極と被溶接物（母材）との間でアークを発生させて、このアークの熱により被溶接物を溶かして溶融池（プール）を形成しながら溶接が行われる。また、溶接中は電極の周囲を囲むトーチノズルからシールドガスを放出し、このシールドガスで大気（空気）を遮断しながら溶接が行われる。

ところで、近年では、アーク溶接を応用した金属積層造形技術（ＷＡＡＭ：Wire and Arc Additive Manufacturing）の開発も進められている。金属積層造形技術では、溶接トーチを面内で走査し、母材と非消耗電極との間で発生するアークの熱により造形用材料となるフィラーワイヤを溶融させながら、この造形用材料を目的の形状に合わせて積層していく。これにより、立体的な金属積層造形物を形成することが可能である。

ＴＩＧ溶接では、トーチの中心に位置する非消耗電極に対してフィラーワイヤを横方向から非消耗電極の先端に向けて挿入するのが一般的である。また、フィラーワイヤは、トーチの走査方向の前方又は後方から挿入される。このため、溶接トーチを面内で走査する際は、この溶接トーチの走査方向に合わせてフィラーワイヤの挿入方向を変更する必要がある。

これに対して、トーチの中心から溶接ワイヤを送給しながら、溶接ワイヤの周囲で電極を回転又はオシレートさせるＴＩＧ溶接方法が提案されている（下記特許文献１を参照。）。また、下記特許文献１には、トーチ本体に回転自在に支持された電極と、当該電極を回転又はオシレートさせる超音波モータと、当該トーチ本体の軸心に配設されて溶接ワイヤの供給に供される絶縁管とを備えた溶接トーチが記載されている。

特開平５−５７４４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の溶接トーチでは、フィラーワイヤの周囲で回転する電極の先端をフィラーワイヤの先端に向かって屈曲させた特殊な電極を用いている。この場合、汎用のタングステン電極棒を用いることは不可能である。また、電極の先端が消耗した場合、このような特殊な電極を丸ごと交換する必要がある。さらに、電極は、この電極を回転させる超音波モータに直接取り付けられた構造を有しており、この電極への給電方法も不明確である。

したがって、上述した特許文献１に記載のＴＩＧ溶接方法を金属積層造形技術に適用することは困難であり、コスト面から見ても実施は困難である。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、中心に位置するフィラーワイヤの周囲で非消耗電極を回転自在に配置するのに好適なトーチ、並びに、そのようなトーチを走査するのに好適なトーチの走査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 フィラーワイヤを先端に向けて送給するワイヤガイドと、
前記ワイヤガイドの周囲を囲んだ状態で、前記ワイヤガイドの軸回りに回転自在に取り付けられた回転筒と、
前記回転筒を先端側から突出させた状態で、前記回転筒を内側に保持するトーチボディとを備え、
前記回転筒の先端側には、前記フィラーワイヤの先端に向かって延在する非消耗電極が設けられ、
前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きが前記回転筒の回転により変更自在とされ、
前記回転筒の先端側には、前記非消耗電極を着脱自在に取り付ける電極取付部が設けられていることを特徴とするトーチ。
〔２〕 前記電極取付部は、前記回転筒の先端側に着脱自在に取り付けられた電極取付部材を含み、
前記非消耗電極は、前記電極取付部材に対して着脱自在に取り付けられていることを特徴とする前記〔１〕に記載のトーチ。
〔３〕 前記電極取付部において、前記非消耗電極の長さが調節自在とされていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載のトーチ。
〔４〕 前記電極取付部において、前記非消耗電極の傾きが調節自在とされていることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔５〕 前記ワイヤガイドと前記回転筒との間が電気的に絶縁されると共に、前記回転筒と前記トーチボディとの間が電気的に接続されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔６〕 前記回転筒と前記トーチボディとの間には、互いに摺接しながら給電される給電部が設けられていることを特徴とする前記〔５〕に記載のトーチ。
〔７〕 前記回転筒の先端側の周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディの先端側に取り付けられると共に、シールドガスを先端から放出するトーチノズルを備えることを特徴とする前記〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔８〕 前記ワイヤガイドと前記回転筒との間で流通されるシールドガスを先端から放出することを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔９〕 前記トーチボディには、冷却液が循環される流路が設けられていることを特徴とする前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１０〕 前記トーチボディの周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディと熱的に接続されると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備えることを特徴とする前記〔１〕〜〔９〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１１〕 前記回転筒の周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディに取り付けられると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備え、
前記回転筒は、前記冷却ブロックと熱的に接続されると共に、前記冷却ブロックと電気的に接続されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔１０〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１２〕 前記ワイヤガイドの先端側には、前記フィラーワイヤを先端から送り出すコンタクトチップが着脱自在に取り付けられていることを特徴とする前記〔１〕〜〔１１〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１３〕 前記回転筒を回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする前記〔１〕〜〔１２〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１４〕 フィラーワイヤを先端に向けて送給するワイヤガイドと、
前記ワイヤガイドの周囲を囲んだ状態で、前記ワイヤガイドの軸回りに回転自在に取り付けられた回転筒と、
前記回転筒を先端側から突出させた状態で、前記回転筒を内側に保持するトーチボディとを備え、
前記回転筒の先端側には、前記フィラーワイヤの先端に向かって延在する非消耗電極が前記回転筒に直接取り付けられ、
前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きが前記回転筒の回転により変更自在とされ、
前記ワイヤガイドと前記回転筒との間で流通されるシールドガスを先端から放出することを特徴とするトーチ。
〔１５〕 前記トーチボディの周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディと熱的に接続されると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備えることを特徴とする前記〔１４〕に記載のトーチ。
〔１６〕 前記〔１〕〜〔１５〕の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きを変更した後に、前記トーチを走査することを特徴とするトーチの走査方法。
〔１７〕 前記〔１〕〜〔１５〕の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
前記トーチを走査している間に、前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きを変更することを特徴とするトーチの走査方法。
〔１８〕 前記〔１〕〜〔１５〕の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
前記フィラーワイヤの周囲で前記非消耗電極を回転させながら、前記トーチを走査することを特徴とするトーチの走査方法。

以上のように、本発明によれば、中心に位置するフィラーワイヤの周囲で非消耗電極を回転自在に配置するのに好適なトーチ、並びに、そのようなトーチを走査するのに好適なトーチの走査方法を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係るトーチの構成を示す斜視図である。 図１に示すトーチの構成を示す断面斜視図である。 図２示すトーチの先端側を拡大した断面斜視図である。 回転筒の構成を示す分解斜視図である。 回転筒の先端側に電極取付部材が取り付けられた状態を示す斜視図である。 ウォータージャケットの構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るトーチの走査方法を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るトーチの走査方法を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るトーチの走査方法を説明するための模式図である。 フィラーワイヤに対する非消耗電極の位置関係を示す模式図である。 電極取付部材に２つの非消耗電極が取り付けられた状態を示す斜視図である。 電極取付部材の別の構成例を示す斜視図である。 電極取付部の別の構成例を示す斜視図である。 電極取付部の別の構成例を示す斜視図である。 トーチの別の構成例を示す側面図である。 図１５に示すトーチの構成を示す分解側面図である。 図１５に示すトーチの構成を示す断面図である。 回転筒に電極取付部を介して非消耗電極が取り付けられた状態を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（トーチ）
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１〜図６に示すトーチ１の構成について説明する。
なお、図１は、トーチ１の構成を示す斜視図である。図２は、トーチ１の構成を示す断面斜視図である。図３は、トーチ１の先端側を拡大した断面斜視図である。図４は、回転筒３の構成を示す分解斜視図である。図５は、回転筒３の先端側に電極取付部材１１が取り付けられた状態を示す斜視図である。図６は、ウォータージャケット１３の構成を示す分解斜視図である。

本実施形態のトーチ１は、図１、図２及び図３に示すように、中心に位置するフィラーワイヤＷの周囲で非消耗電極Ｔを回転自在に配置したものである。具体的に、このトーチ１は、ワイヤガイド２と、回転筒３と、トーチボディ４と、冷却ブロック５と、トーチノズル６と、回転駆動機構７とを備えている。

ワイヤガイド２は、先端に向けてフィラーワイヤＷを送給するものであり、軸線方向に貫通する中心孔（図示せず。）を有した略円筒状の長尺部材からなる。なお、ワイヤガイド２の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属や、セラミックスなどを挙げることができる。

ワイヤガイド２は、トーチボディ４の中心部を貫通した状態で、トーチボディ４の内側に保持されている。また、ワイヤガイド２の基端側は、フィラーワイヤＷを自動で送給するワイヤ送給装置（図示せず。）と接続されている。これにより、ワイヤガイド２は、フィラーワイヤＷを中心孔を通して先端側へと送給する。

なお、フィラーワイヤＷについては、特に限定されるものではなく、その用途に合わせたフィラーワイヤＷを適宜選択して用いることが可能である。

ワイヤガイド２の先端側には、シールドガスＧを噴出する複数の噴出孔２ａが周方向に並んで設けられている。一方、ワイヤガイド２の基端側には、シールドガスＧを導入するホース（図示せず。）が接続される接続部２ｂが設けられている。

なお、シールドガスＧについては、特に限定されるものではなく、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスや、アルゴン（Ａｒ）に水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。また、アルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスに水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。また、シールドガスＧについては、上述した組成のガスの他に、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスに、例えば炭酸ガス（ＣＯ_２）や酸素（Ｏ_２）等の酸化性ガスを添加したものを用いてもよい。

ワイヤガイド２の先端には、フィラーワイヤＷを先端から送り出すコンタクトチップ８が着脱自在に取り付けられている。コンタクトチップ８は、軸線方向に貫通する中心孔８ａを有する略円筒状の部材からなる。コンタクトチップ８は、この中心孔８ａを通してフィラーワイヤＷを先端から送り出すことが可能となっている。

コンタクトチップ８は、ワイヤガイド２の先端側に螺合により取り付けられている。これにより、コンタクトチップ８にスパッタ等が付着した際や、中心孔８ａが変形や摩耗した際に、このコンタクトチップ８を取り外して清掃したり、交換したりすることが可能である。

コンタクトチップ８には、特注品（専用品）に限らず、市販品（汎用品）を用いることができる。なお、コンタクトチップ８の材質には、例えば、銅や銅合金、セラミックスなどを挙げることができる。

回転筒３は、図２〜図５に示すように、軸線方向に貫通する中心孔３ａを有する略円筒状の長尺部材からなる。なお、回転筒３の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属を挙げることができる。

回転筒３は、中心孔３ａの内側にワイヤガイド２を配置し、ワイヤガイド２の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４の内側に保持されている。また、回転筒３は、軸線方向に並んで配置された複数（本実施形態では３つ）のベアリング９ａ，９ｂ，９ｃを介してワイヤガイド２の軸回りに回転自在に取り付けられている。

複数のベアリング９ａ，９ｂ，９ｃのうち、回転筒３とトーチボディ４との間には、金属製のベアリング９ａ，９ｂが配置されている。一方、ワイヤガイド２と回転筒３とトーチボディとの間には、セラミックスなどの絶縁性のベアリング９ｃが配置されている。これにより、ワイヤガイド２と回転筒３との間は、電気的に絶縁されている。

なお、本実施形態のトーチ１では、ワイヤガイド２と回転筒３との間を電気的に絶縁するため、ワイヤガイド２と回転筒３との間に、例えば絶縁樹脂又はセラミックスからなる絶縁筒を配置した構成としてもよい。

ワイヤガイド２と回転筒３との間には、複数の噴出孔２ａから噴出されたシールドガスＧが流通する第１のガス流路（隙間）Ｒ１が形成されている。これにより、ワイヤガイド２の先端側の周囲からシールドガスＧを放出することが可能となっている。なお、第１のガス流路Ｒ１内を流れるシールドガスＧは、ベアリング９ｃの間を通過することが可能である。

回転筒３の先端側には、非消耗電極Ｔを着脱自在に取り付ける電極取付部１０が設けられている。電極取付部１０は、回転筒３の先端側に着脱自在に取り付けられた電極取付部材１１を有し、この電極取付部材１１に対して非消耗電極Ｔが着脱自在に取り付けられた構造を有している。

電極取付部材１１は、軸線方向に貫通する中心孔１１ａを有する略円筒状のリング部材からなる。電極取付部材１１は、中心孔１１ａの内側にコンタクトチップ８を配置した状態で、回転筒３の先端に対してネジ止めにより着脱自在に取り付けられている。なお、電極取付部材１１の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属などを挙げることができる。

非消耗電極Ｔには、特注品（専用品）ではなく、市販品（汎用品）を用いることができる。なお、非消耗電極Ｔは、例えばタングステンなどの融点の高い金属材料を用いて形成された長尺状の電極棒からなる。また、非消耗電極Ｔには、タングステンの他に、例えば酸化トリウムや酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物を添加したものを用いることができる。

非消耗電極Ｔは、電極保持部材１２に対してネジ止めにより着脱自在に取り付けられている。電極保持部材１２は、電極取付部材１１に対してネジ止めにより着脱自在に取り付けられている。

電極取付部１０では、電極保持部材１２に対する非消耗電極Ｔの取付位置を変更することで、この非消耗電極Ｔの長さが調節自在とされている。また、電極取付部１０では、電極取付部材１１に対する電極保持部材１２の取付角度を変更することで、非消耗電極Ｔの傾きが調節自在とされている。なお、非消耗電極Ｔの傾きは、フィラーワイヤＷに対して１０°〜４５°程度である。

トーチボディ４は、冷却水（冷却液）Ｌが循環される第１の液流路１３ａを形成するウォータージャケット１３と、トーチノズル６に向けてシールドガスＧを供給する第２のガス流路Ｒ２を形成するガスディフューザ１４と、絶縁樹脂からなる前側ブロック１５、中間ブロック１６及び後側ブロック１７とを有している。

ウォータージャケット１３は、図２及び図６に示すように、高温となる回転筒３の先端側を冷却するものであり、第１の液流路１３ａの前側を形成する前側リング部１３ｂと、第１の液流路１３ａの後側を形成する後側リング部１３ｃと、前側リング部１３ｂと後側リング部１３ｃとの間で接続される第１の液流路１３ａを形成する一対の配管部１３ｄとを有している。なお、ウォータージャケット１３の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属などを挙げることができる。

ウォータージャケット１３のうち、前側リング部１３ｂの外周側及び一対の配管部１３ｄが前側ブロック１５の絶縁樹脂により被覆されている。一方、前側リング部１３ｂの内周側は、回転筒３の外周側と接触している。

後側リング部１３ｃの内側には、中間ブロック１６が螺合により取り付けられている。また、中間ブロック１６には、回転筒３を回転自在に支持するベアリング９ｂが配置されている。後側ブロック１７には、ワイヤガイド２の基端側がネジ止めにより取り付けられている。また、後側ブロック１７には、回転筒３を回転自在に支持するベアリング９ｂが配置されている。

また、後側リング部１３ｃには、第１の液流路１３ａに冷却水Ｌを供給する入側の接続部１３ｅと、第１の液流路１３ａから冷却水Ｌを排出する出側の接続部１３ｆとが設けられている。

ウォータージャケット１３では、これらの接続部１３ｅ，１３ｆに冷却装置（チラー）（図示せず。）が接続されることによって、第１の液流路１３ａ内の冷却水Ｌが循環されることになる。また、ウォータージャケット１３は、回転筒３の先端側と熱的に接続されている。これにより、回転筒３の先端側を冷却することが可能である。なお、冷却装置については、特に限定されるものではなく、従来より公知のものを使用することができる。

回転筒３とトーチボディ４（ウォータージャケット１３）との間には、互いに摺接しながら給電される給電部１８が設けられている。給電部１８は、非消耗電極Ｔに電力を供給するため、回転筒３とトーチボディ４（ウォータージャケット１３）との間を電気的に接続する。

具体的に、この給電部１８では、図２〜図６に示すように、ウォータージャケット１３の先端側に取り付けられた給電部材１９と、回転筒３の先端側に取り付けられた電極取付部材１１との間で、互いに摺接しながら給電が行われる。

給電部材１９は、軸線方向に貫通する中心孔１９ａを有する略円筒状のリング部材からなる。なお、給電部材１９の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属などを挙げることができる。給電部材１９は、中心孔１９ａの内側に回転筒３を配置した状態で、ウォータージャケット１３（前側リング部１３ｂ）の先端に対してネジ止めにより取り付けられている。

なお、給電部１８では、上述した電極取付部材１１と給電部材１９との互いに摺接される面での摺接抵抗を低減するため、何れか一方の摺接面に溝部を設けた構成としてもよい。また、溝部以外にも、互いの摺接面積を減らす形状としてもよい。また、電極取付部材１１及び給電部材１９には、耐熱導電性の高い材質のものを適宜選択して用いることが好ましい。

ガスディフューザ１４は、図２及び図３に示すように、略円筒状の部材からなる。なお、ガスディフューザ１４の材質には、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やテフロン（登録商標）などの絶縁樹脂、又はセラミックスなどを挙げることができる。

ガスディフューザ１４は、Ｏリング（パッキン）２０を介して前側ブロック１５の外周部に取り付けられている。また、ガスディフューザ１４は、前側ブロック１５の外周面に全周に亘って設けられた溝部１５ａとの間で第２のガス流路Ｒ２を形成している。ガスディフューザ１４には、第２のガス流路Ｒ２内にシールドガスＧを導入するホース（図示せず。）が接続される接続部１４ａが設けられている。

溝部１５ａには、第２のガス流路Ｒ２内を流れるシールドガスＧを整流するメッシュ２１ａ，２１ｂが軸線方向に並んで配置されている。なお、メッシュ２１ａ，２１ｂの材質には、例えば金属、発泡金属、発泡セラミックスなどを挙げることができる。

冷却ブロック５は、ガスディフューザ１４を含むトーチボディ４を冷却するものであり、トーチボディ４（ガスディフューザ１４）の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４（ガスディフューザ１４）と熱的に接続されると共に、冷却水Ｌが循環される第２の液流路５ａが設けられた構成を有している。

具体的に、この冷却ブロック５は、略方形筒状の部材からなる。なお、冷却ブロック５の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの金属などを挙げることができる。冷却ブロック５は、軸線方向に並ぶＯリング（パッキン）２２ａ，２２ｂを介してガスディフューザ１４の外周部に取り付けられている。

冷却ブロック５は、ガスディフューザ１４の外周面と、Ｏリング（パッキン）２２ａ，２２ｂの間の内周面に全周に亘って設けられた溝部５ｂとの間で第２の液流路５ａを形成している。また、冷却ブロック５には、第２の液流路５ａに冷却水Ｌを供給する入側の接続部５ｃと、第２の液流路５ａから冷却水Ｌを排出する出側の接続部（図示せず。）とが設けられている。

冷却ブロック５では、これらの接続部５ｃに冷却装置（チラー）が接続されることによって、第２の液流路５ａ内の冷却水Ｌが循環されることになる。これにより、上述したウォータージャケット１３と共に、冷却効果を高めることが可能である。また、前側ブロック１５の熱よる変形を防ぐことが可能である。

なお、前側ブロック１５を安価な絶縁樹脂の代わりに、耐熱性の高いセラミックスで形成した場合は、上記冷却ブロック５を省略することも可能である。

トーチノズル６は、概略円筒状に形成されると共に、その先端側が漸次縮径されたノズル形状を有している。なお、トーチノズル６の材質には、例えば銅や銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼などの金属やセラミックスなどを挙げることができる。

トーチノズル６は、回転筒３の先端側（電極取付部材１１）の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４（前側ブロック１５）の先端側に螺合により取り付けられている。これにより、トーチノズル６の先端からは、ガスディフューザ１４から供給されるシールドガスＧが放出される。

回転駆動機構７は、図１及び図２に示すように、回転筒３を回転させるものであり、駆動モータ２３と、駆動モータの回転軸２３ａに取り付けられた駆動側プーリ２４と、回転筒３の中間ブロック１６と後側ブロック１７との間に取り付けられた被動側プーリ２５と、駆動側プーリ２４と被動側プーリ２５との間に掛け合わされた無端ベルト２６とを有している。

回転駆動機構７では、駆動モータ２３による回転駆動を駆動側プーリ２４から無端ベルト２６を介して被動側プーリ２５に伝達することで、回転筒３を回転させることが可能となっている。

以上のような構成を有する本実施形態のトーチ１では、電極取付部１０からフィラーワイヤＷの先端に向かって延在する非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きが回転筒３の回転により変更自在とされている。

本実施形態のトーチ１では、上述した電極取付部１０において、回転筒３の先端側に取り付けられた電極取付部材１１に対して非消耗電極Ｔ（電極保持部材１２）が着脱自在に取り付けられている。また、上述した給電部１８において、ウォータージャケット１３（トーチボディ４）の先端側に取り付けられた給電部材１９と回転筒３との間で、互いに摺接しながら給電が行われている。

これにより、本実施形態のトーチ１では、回転筒３に対して非消耗電極Ｔを容易に取り付けることができ、なお且つ、この非消耗電極Ｔに対する電力の供給を確実に行うことが可能である。

また、本実施形態のトーチ１では、上述した電極取付部１０において、電極保持部材１２に対する非消耗電極Ｔの取付位置や、電極取付部材１１に対する電極保持部材１２の取付角度を変更することで、この非消耗電極Ｔの長さや傾きを調節することが可能である。

さらに、本実施形態のトーチ１では、非消耗電極Ｔの特注品（専用品）ではなく、非消耗電極Ｔの市販品（汎用品）を用いることができ、この非消耗電極Ｔの交換も容易である。

したがって、本実施形態のトーチ１は、中心に位置するフィラーワイヤＷの周囲で非消耗電極Ｔを回転自在に配置するのに好適なものとして、一般的なＴＩＧ溶接に限らず、例えば、金属積層造形技術（ＷＡＡＭ）や肉盛溶接などに好適に用いることが可能である。また、突合溶接や重ね溶接、隅肉溶接などの全ての継手形状に使用できる。

特に、金属積層造形技術（ＷＡＡＭ）では、トーチ１を面内で走査し、母材と非消耗電極Ｔとの間で発生するアークの熱により造形用材料となるフィラーワイヤＷを溶融させながら、この造形用材料を目的の形状に合わせて積層していく。

本実施形態のトーチ１では、中心に位置するフィラーワイヤＷに対して非消耗電極Ｔを横方向からフィラーワイヤＷの先端に向けて挿入している。このとき、非消耗電極Ｔは、トーチ１の走査方向の前方又は後方から挿入される。

したがって、本実施形態のトーチ１では、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きをトーチ１の走査方向に合わせて変更できるため、立体的な金属積層造形物を精度良く形成することが可能である。

なお、トーチ１を走査する場合は、トーチ１を保持するグリップ１００をトーチ１の位置制御ロボット（図示せず。）に取り付けた構成とすればよい。

（トーチの走査方法）
次に、上記トーチ１の走査方法について、図７〜図９を参照しながら具体的に説明する。
なお、図７〜図９は、トーチ１の走査方法を説明するための模式図である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るトーチ１の走査方法は、図７に示すように、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを変更した後に、トーチ１を走査することを特徴とする。

すなわち、この走査方法では、トーチ１の走査を開始する前に、トーチ１の走査方向の前方又は後方から非消耗電極Ｔが挿入されるように、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを変更する。これにより、トーチ１の走査方向に合わせて、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを確実に変更することが可能である。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るトーチ１の走査方法は、図８に示すように、トーチ１を走査している間に、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを変更することを特徴とする。

すなわち、この走査方法では、トーチ１の走査中に、トーチ１の走査方向の変更に合わせて、トーチ１の走査方向の前方又は後方から非消耗電極Ｔが挿入されるように、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを変更する。これにより、トーチ１の走査方向に合わせて、非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きを速やかに変更することが可能である。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係るトーチ１の走査方法は、図９に示すように、フィラーワイヤＷの周囲で非消耗電極Ｔを回転させながら、トーチを走査することを特徴とする。

すなわち、この走査方法では、トーチ１の走査中に、フィラーワイヤＷの周囲で非消耗電極Ｔを回転させることで、トーチ１の走査方向の変更に合わせることなく、トーチ１の走査を行うことが可能である。

なお、非消耗電極Ｔの回転については、非消耗電極Ｔを一方向に回転させる場合に限らず、非消耗電極Ｔを両方向に交互に回転（往復回転）させることも可能である。

なお、フィラーワイヤＷに対する非消耗電極Ｔの位置関係については、フィラーワイヤＷに対する非消耗電極Ｔの位置関係については、上述した図７〜図９に示すように、非消耗電極Ｔの先端がフィラーワイヤＷの先端（中心）に向いている場合に限らず、例えば図１０に示すように、非消耗電極Ｔの先端がフィラーワイヤＷの先端からずれていてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記トーチ１では、図１１に示すように、上記電極保持部材１２が電極取付部材１１に２つ取り付けられた構成としてもよい。２つの電極保持部材１２は、フィラーワイヤＷを挟んで非消耗電極Ｔが互いに向かい合うように、電極取付部材１１に取り付けられている。

また、上記トーチ１では、図１２に示すように、上記電極保持部材１２が非消耗電極Ｔを保持する保持部２７ａと、電極取付部材１１に取り付けられる取付部２７ｂとに分割された構成としてもよい。保持部２７ａは、非消耗電極Ｔの長さを変更しながら、取付部２７ｂに螺合により固定することができる。また、取付部２７ｂは、非消耗電極Ｔの傾きを変更しながら、電極取付部材１１に固定することができる。

また、上記トーチ１では、上述した電極取付部１０において、電極取付部材１１に対して電極保持部材１２が取り付けられた構成に限らず、図１３（Ａ）〜（Ｅ）に例示するように、電極取付部材１１に対して非消耗電極Ｔが直接取り付けられた構成としてもよい。すなわち、電極取付部１０において、電極取付部材１１と電極保持部材１２とを一体化することも可能である。

また、上記トーチ１では、図１４に示すように、非消耗電極Ｔが回転筒３の先端側に直接取り付けられた構成であってもよい。すなわち、上記電極取付部材１１を省略し、回転筒３の先端側に電極保持部材１２Ａが直接取り付けられた構成とすることも可能である。

なお、回転駆動機構７については、上述したプーリ機構を用いた構成に限らず、駆動モータ２３の回転駆動をギア機構を介して回転筒３に伝達する構成や、駆動モータ２３が回転筒３を直接駆動する構成であってもよい。

例えば、図１５〜図１８に示すようなトーチ１Ａの別の構成例について説明する。
なお、図１５は、トーチ１Ａの構成を示す側面図である。図１６は、トーチ１Ａの構成を示す分解側面図である。図１７は、トーチ１Ａの構成を示す断面図である。図１８は、回転筒３Ａに電極取付部４１を介して非消耗電極Ｔが取り付けられた状態を示す側面図である。また、以下の説明では、上記トーチ１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態のトーチ１Ａは、図１５〜図１８に示すように、中心に位置するフィラーワイヤＷの周囲で非消耗電極Ｔを回転自在に配置したものである。具体的に、このトーチ１Ａは、ワイヤガイド２と、回転筒３Ａと、トーチボディ４Ａと、回転駆動機構７Ａと、冷却ブロック５Ａと、トーチノズル６Ａとを備えている。

このうち、回転筒３Ａは、軸線方向に貫通する中心孔３ａを有する略円筒状の部材からなる。回転筒３Ａは、中心孔３ａの内側にワイヤガイド２を配置し、ワイヤガイド２の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４の内側に保持されている。また、回転筒３Ａは、軸線方向に並んで配置された複数（本実施形態では２つ）のベアリング９ｄ，９ｅを介してワイヤガイド２の軸回りに回転自在に取り付けられている。

ワイヤガイド２と回転筒３Ａとの間には、複数の噴出孔２ａから噴出されたシールドガスＧが流通するガス流路（隙間）Ｒが形成されている。これにより、ワイヤガイド２の先端側の周囲からシールドガスＧを放出することが可能となっている。

トーチボディ４Ａは、絶縁樹脂からなる第１のリング部材３０、第２のリング部材３１、第３のリング部材３２及びスリーブ部材３３を有している。また、トーチボディ４Ａは、金属からなる第１のフレーム部材３４、第２のフレーム部材３５及び一対の支柱３６を有している。

トーチボディ４Ａは、第１のリング部材３０と第２のリング部材３１との間に第１のフレーム部材３４を挟み込んだ状態で、第２のリング部材３１の内側にベアリング９ｄを保持している。また、トーチボディ４Ａは、第３のリング部材３２とスリーブ部材３３との間に第２のフレーム部材３５を挟み込んだ状態で、第３のリング部材３２の内側にベアリング９ｅを保持している。第１のフレーム部材３４と第２のフレーム部材３５とは、一対の支柱３６を介して連結されている。

トーチボディ４Ａは、スリーブ部材３３の内側にワイヤガイド２を保持している。したがって、ワイヤガイド２と回転筒３Ａとの間は、スリーブ部材３３を介して電気的に絶縁されている。

回転駆動機構７Ａは、回転筒３Ａを回転させるものであり、駆動モータ（図示せず。）の回転軸３７に取り付けられた駆動ギア３８と、回転筒３Ａに取り付けられた被動ギア３９とが互いに噛合された構成を有している。回転軸３７は、第１のフレーム部材３４と第２のフレーム部材３５との間で回転自在に支持されている。

回転駆動機構７Ａでは、駆動モータによる回転軸３７の回転駆動を駆動ギア３８から被動ギア３９へと伝達することで、回転筒３Ａをワイヤガイド２の軸回りに回転させることが可能となっている。

冷却ブロック５Ａは、回転筒３Ａを冷却するものであり、回転筒３Ａの先端側の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４Ａの先端側（第１のリング部材３０）に取り付けられている。

冷却ブロック５Ａには、冷却水Ｌが循環される液流路５ｄと、液流路５ｄに冷却水Ｌを供給する入側の接続部５ｅと、液流路５ｄから冷却水Ｌを排出する出側の接続部（図示せず。）とが設けられている。冷却ブロック５Ａでは、これらの接続部５ｅに冷却装置（チラー）が接続されることによって、液流路５ｄ内の冷却水Ｌが循環されることになる。

トーチノズル６Ａは、概略円筒状の部材からなる。なお、トーチノズル６Ａの材質には、例えば銅や銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼などの導電性の金属を挙げることができる。

トーチノズル６Ａは、回転筒３の先端側の周囲を囲んだ状態で、冷却ブロック５Ａの先端側に嵌合により取り付けられている。これにより、トーチノズル６Ａの先端からは、ワイヤガイド２の複数の噴出孔２ａから噴出されたシールドガスＧが放出される。

回転筒３Ａは、冷却ブロック５Ａと熱的に接続されると共に、冷却ブロック５Ａと電気的に接続されている。冷却ブロック５Ａと回転筒３Ａとの間には、互いに摺接しながら給電される給電部４０が設けられている。すなわち、冷却ブロック５Ａと回転筒３との間では、互いに対向する面が摺接されると共に、この互いに摺接する給電部４０を介して給電が行われる。

なお、給電部４０では、上述した冷却ブロック５Ａと回転筒３Ａとの互いに摺接される面での摺接抵抗を低減するため、何れか一方の摺接面に溝部を設けた構成としてもよい。また、溝部以外にも、互いの摺接面積を減らす形状としてもよい。

回転筒３Ａには、非消耗電極Ｔを着脱自在に取り付ける電極取付部４１が設けられている。電極取付部４１は、回転筒３Ａの先端側に着脱自在に取り付けられた電極取付部材４２を有し、この電極取付部材４２に対して非消耗電極Ｔが着脱自在に取り付けられた構造を有している。

電極取付部材４２は、回転筒３Ａの先端側の側面に対してネジ止めにより着脱自在に取り付けられている。なお、電極取付部材４２の材質には、例えば、真鍮や銅、銅合金、炭素鋼、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属などを挙げることができる。

非消耗電極Ｔは、電極取付部材４２に対してネジ止めにより着脱自在に取り付けられている。非消耗電極Ｔには、特注品（専用品）ではなく、市販品（汎用品）を用いることができる。なお、非消耗電極Ｔは、例えばタングステンなどの融点の高い金属材料を用いて形成された長尺状の電極棒からなる。また、非消耗電極Ｔには、タングステンの他に、例えば酸化トリウムや酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物を添加したものを用いることができる。

電極取付部４１では、電極取付部材４２に対する非消耗電極Ｔの取付位置を変更することで、この非消耗電極Ｔの長さが調節自在とされている。また、電極取付部４１では、回転筒３Ａに対する電極取付部材４２の取付角度を変更することで、非消耗電極Ｔの傾きが調節自在とされている。なお、非消耗電極Ｔの傾きは、フィラーワイヤＷに対して１０°〜４５°程度である。

以上のような構成を有する本実施形態のトーチ１Ａでは、上述した電極取付部材４２（電極取付部４１）を介して非消耗電極Ｔが回転筒３Ａの先端側に直接取り付けられている。これにより、トーチ１Ａでは、上記トーチ１と同様に、電極取付部４１からフィラーワイヤＷの先端に向かって延在する非消耗電極ＴのフィラーワイヤＷと対向する向きが回転筒３Ａの回転により変更自在とされている。

一方、トーチ１Ａでは、上述した給電部４０において、冷却ブロック５Ａと回転筒３Ａとの間で互いに摺接しながら給電が行われる。これにより、トーチ１Ａでは、回転筒３Ａから電極取付部材４２を介して非消耗電極Ｔに対する電力の供給を確実に行うことが可能である。

なお、本発明では、ワイヤガイド２を溶接用電源と電気的に接続し、ホットワイヤーとしてもよい。さらに、ワイヤガイド２として、市販の消耗電極式（ＭＩＧ、ＭＡＧ）のトーチを用いてもよい。市販の消耗電極式のトーチを用いる場合、そのトーチノズルを外して用いればよい。

また、本発明は、上述した非消耗電極式のトーチに限らず、消耗電極式（ＭＩＧ、ＭＡＧ）のトーチに適用することも可能である。

１…トーチ ２…ワイヤガイド ３，３Ａ…回転筒 ４，４Ａ…トーチボディ ５，５Ａ…冷却ブロック ６，６Ａ…トーチノズル ７，７Ａ…回転駆動機構 ８…コンタクトチップ ９ａ〜９ｅ…ベアリング １０…電極取付部 １１…電極取付部材 １２，１２Ａ…電極保持部材 １３…ウォータージャケット １３ａ…第１の液流路 １４…ガスディフューザ １５…前側ブロック １６…中間ブロック １７…後側ブロック １８…給電部 １９…給電部材 ２１ａ，２１ｂ…メッシュ ２２ａ，２２ｂ…Ｏリング（パッキン） ２３…駆動モータ ２４…駆動側プーリ ２５…被動側プーリ ２６…無端ベルト ３０…第１のリング部材 ３１…第２のリング部材 ３２…第３のリング部材 ３３…スリーブ部材 ３４…第１のフレーム部材 ３５…第２のフレーム部材 ３６…支柱 ３７…回転軸 ３８…駆動ギア ３９…被動ギア ４０…給電部 ４１…電極取付部 ４２…電極取付部材 Ｒ…ガス流路 Ｒ１…第１のガス流路 Ｒ２…第２のガス流路 Ｗ…フィラーワイヤ Ｔ…非消耗電極 Ｇ…シールドガス Ｌ…冷却水（冷却液）

Claims (18)

1. フィラーワイヤを先端に向けて送給するワイヤガイドと、
   前記ワイヤガイドの周囲を囲んだ状態で、前記ワイヤガイドの軸回りに回転自在に取り付けられた回転筒と、
   前記回転筒を先端側から突出させた状態で、前記回転筒を内側に保持するトーチボディとを備え、
   前記回転筒の先端側には、前記フィラーワイヤの先端に向かって延在する非消耗電極が設けられ、
   前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きが前記回転筒の回転により変更自在とされ、
   前記回転筒の先端側には、前記非消耗電極を着脱自在に取り付ける電極取付部が設けられていることを特徴とするトーチ。
2. 前記電極取付部は、前記回転筒の先端側に着脱自在に取り付けられた電極取付部材を含み、
   前記非消耗電極は、前記電極取付部材に対して着脱自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のトーチ。
3. 前記電極取付部において、前記非消耗電極の長さが調節自在とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトーチ。
4. 前記電極取付部において、前記非消耗電極の傾きが調節自在とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のトーチ。
5. 前記ワイヤガイドと前記回転筒との間が電気的に絶縁されると共に、前記回転筒と前記トーチボディとの間が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のトーチ。
6. 前記回転筒と前記トーチボディとの間には、互いに摺接しながら給電される給電部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のトーチ。
7. 前記回転筒の先端側の周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディの先端側に取り付けられると共に、シールドガスを先端から放出するトーチノズルを備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のトーチ。
8. 前記ワイヤガイドと前記回転筒との間で流通されるシールドガスを先端から放出することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のトーチ。
9. 前記トーチボディには、冷却液が循環される流路が設けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のトーチ。
10. 前記トーチボディの周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディと熱的に接続されると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備えることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のトーチ。
11. 前記回転筒の周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディに取り付けられると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備え、
    前記回転筒は、前記冷却ブロックと熱的に接続されると共に、前記冷却ブロックと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のトーチ。
12. 前記ワイヤガイドの先端側には、前記フィラーワイヤを先端から送り出すコンタクトチップが着脱自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載のトーチ。
13. 前記回転筒を回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載のトーチ。
14. フィラーワイヤを先端に向けて送給するワイヤガイドと、
    前記ワイヤガイドの周囲を囲んだ状態で、前記ワイヤガイドの軸回りに回転自在に取り付けられた回転筒と、
    前記回転筒を先端側から突出させた状態で、前記回転筒を内側に保持するトーチボディとを備え、
    前記回転筒の先端側には、前記フィラーワイヤの先端に向かって延在する非消耗電極が前記回転筒に直接取り付けられ、
    前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きが前記回転筒の回転により変更自在とされ、
    前記ワイヤガイドと前記回転筒との間で流通されるシールドガスを先端から放出することを特徴とするトーチ。
15. 前記トーチボディの周囲を囲んだ状態で、前記トーチボディと熱的に接続されると共に、冷却液が循環される流路が設けられた冷却ブロックを備えることを特徴とする請求項１４に記載のトーチ。
16. 請求項１〜１５の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
    前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きを変更した後に、前記トーチを走査することを特徴とするトーチの走査方法。
17. 請求項１〜１５の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
    前記トーチを走査している間に、前記非消耗電極の前記フィラーワイヤと対向する向きを変更することを特徴とするトーチの走査方法。
18. 請求項１〜１５の何れか一項に記載のトーチの走査方法であって、
    前記フィラーワイヤの周囲で前記非消耗電極を回転させながら、前記トーチを走査することを特徴とするトーチの走査方法。

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