JP7260451B2 - インサートチップ、インサートキャップ、プラズマ溶接トーチ及びプラズマ溶接装置 - Google Patents
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Description
(a)堆積物が溶融プールに落下し、溶接ビードに欠陥を引き起こすこと
(b)堆積物がプラズマガス流やシールドガス流を妨げ、アークが不安定になること
これらの事情(a)及び(b)については、特許文献1では解消できない。
(c)サイドプラズマガス流(13)は、メインアーク(12)を形成するプラズマガス流を分岐することで形成される。このため、亜鉛ヒュームの付着を防止するサイドプラズマガスの流量を多くするためには、プラズマガスの流量を多くしなければならない。プラズマガスの流量を多くすると、メインアーク(12)の、溶融プールを吹き飛ばす力が強くなる。これは、穴あき不良やビード形状不良の欠陥をもたらす。
(d)インサートチップ(1)の先端のサイドプラズマガス噴出孔(10)の外周に沿った面では、サイドプラズマガス流(13)が弱い(ガス流はほとんどない)。このため、サイドプラズマガス噴出孔(10)の外周に沿った面には、亜鉛ヒュームの付着や鋼板スパッタの溶着が起こる。
(e)サイドプラズマガス噴出孔(10)の孔径は小さい(約1mm程度)。このため、亜鉛ヒュームの付着及び鋼板スパッタの溶着により詰まりやすく、長時間安定した溶接には適していない。
(プラズマ溶接トーチ)
図1は、この発明の第1実施形態に係るプラズマ溶接トーチの一例を示す側面図である。図1には、プラズマ溶接トーチの外観が示されている。図2(a)は、図1に示すトーチ本体11の先端部分13の一例を示す断面図である。図2(b)は、図2(a)中の矢印Bの方向から見た平面図である。図2(a)に示す断面は、図2(b)中に示すA-A線に沿う。
インサートチップ15の先端面15aには、チップ穴15bが設けられている。チップ穴15bは、インサートチップ15の内空間15cと連通する。トーチ本体11の内部において、インサートチップ15は、基部18に取り付けられている。本例では、インサートチップ15に「雄ねじ加工」が施され、基部18に「雌ねじ加工」が施されている。インサートチップ15は、基部18にねじ止めによって取り付けられる。さらに、インサートチップ15には、流路形成部材19が嵌め合わせられている。流路形成部材19は、インサートチップ15及び基部18それぞれとの間に、冷却流体が通流する冷却流体流路19aを形成する。冷却流体の一例は、液体の水である。基部18の内空間18aは、インサートチップ15の内空間15cと連通している。これら内空間18a及び15cには、電極(例えばタングステン電極)20が挿入される。電極20の形状は、例えば棒状である。電極20は、内空間15c内において、センタリングストーン21によって、内空間15cのほぼ中心にセンタリングされる。センタリングストーン21には、貫通孔21aが形成されており、センタリングストーン21は、貫通孔21aを介してパイロットガスPGの通過が可能となっている。
図4(a)は、インサートキャップ16の一例を示す断面図である。図4(b)は、図4(a)中の矢印Bの方向から見た平面図である。図4(a)に示す断面は、図4(b)中に示すA-A線に沿う。図5は、インサートチップ15をインサートキャップ16に挿入した状態を示す断面図である。なお、図5に示す状態では、インサートチップ15は、基部18に取り付けられていない。
図6は、シールドキャップ14の一例及びバリアガス導入部材17の一例を示す断面図である。
<パイロットガス>
パイロットガスPGは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手12の内部を介して基部18の内空間18aに導入される。内空間18aに導入されたパイロットガスPGは、センタリングストーン21の貫通孔21aを通過してインサートチップ15の内空間15cに導入され、そして、チップ穴15bからプラズマアークARCとともに放出される。
冷却流体CLは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手12の内部を介して基部18と流路形成部材19との間の冷却流体流路19aに導入され、インサートチップ15の周囲を巡って、再び取手12の内部を介してトーチケーブルへ導出される。冷却流体CLは、図示せぬ冷却機構とトーチ本体11の内部との間を、トーチケーブルを介して循環する。
シールドガスSGは、プラズマ溶接時、図示せぬトーチケーブルから、取手12の内部を介してバリアガス導入部材17のシールドガス流路17eに導入され、さらにインサートキャップ16とシールドキャップ14との間のシールドガス流路14cを通り、開口14aから放出される。
バリアガスBGは、プラズマ溶接時、バリアガスホース17dから、バリアガス導入部材17のバリアガス空間17aに導入される。バリアガスBGは、バリアガス空間17aから、流路形成部材19とインサートキャップ16との間のガス流路16fに導かれ、さらに溝15gとインサートキャップ16とによって規定されたガス流路15hに至り、そして、開口16bから放出される。
図7は、プラズマ溶接トーチ10からのガスの流れの一例を模式的に示す断面図である。図8は、ガスの流れを模式的に示す平面図である。
1.不活性ガスの例
(a) Ar又はHe
(b) Ar+He
2.不活性ガスに別の不活性ガス及び/又は水素ガスを混合した混合ガスの場合の例
(c) (a)+N2又はH2
(d) (b)+N2又はH2
(e) (a)+N2+H2
(f) (b)+N2+H2
3.不活性ガス又は混合ガスに、活性ガスを更に混合した活性ガス混合ガスの場合の例
(g) (a)+O2又はCO2
(h) (b)+O2又はCO2
(i) (c)+O2又はCO2
(j) (d)+O2又はCO2
(k) (e)+O2又はCO2
(l) (f)+O2又はCO2
(m) (a)+O2+CO2
(n) (b)+O2+CO2
(o) (c)+O2+CO2
(p) (d)+O2+CO2
(q) (e)+O2+CO2
(r) (f)+O2+CO2
上記は、あくまでもバリアガスBGの例である。バリアガスBGは、上記に記載されるガス又はガスの組合せに限られるものではない。例えば、不活性ガスとしては、Ar又はHeに代えてN2としても良い。不活性ガスに、更に混合される不活性ガスは、N2に代えて、Ar及びHe又はAr及びHe以外の不活性ガスであっても良い。活性ガスは、O2又はCO2以外の活性ガスであっても良い。
図7に示すように、ガスの供給流量の一例は、
パイロットガスPG: 0.5[l/min]
シールドガスSG : 15[l/min]
バリアガスBG : 5[l/min]
である。
PG < BG < SG
のように設定される場合が多い。
図9は、プラズマ溶接装置の一例を模式的に示す模式図である。
次に、インサートチップ15の変形例のいくつかを、第2実施形態として説明する。
(インサートチップの変形例:第1変形例)
<先端面の開口率>
図10(a)~図11(c)には、先端面15aの例を示した。複数の溝15g及びチップ穴15bの総開口面積SOPENと先端面15aの面積STIPとの割合、即ち、先端面15aの開口率SOPEN/STIPは、0.25以上0.75以下とすることが良い。
図12(a)及び図12(b)は、インサートチップの第3変形例を示す断面図である。図12(c)は、インサートチップの第3変形例を示す平面図である。図12(a)に示す断面は、図12(c)中のXII-XIIA線に沿う。図12(b)に示す断面は、図12(c)中のXIIB-XIIB線に沿う。
(インサートキャップの一変形例)
上記第1実施形態及び第2実施形態においては、バリアガスBGの流路を、インサートチップ15の外表面に設けられた少なくとも3つ以上の複数の溝15gとした。バリアガスBGの流路は、特に図示しないが、インサートキャップ16の、例えば円錐内壁面16cに設けた少なくとも3つ以上の複数の溝としても良い。この場合、インサートチップ15の外表面には、溝15gが設けられていても、設けられていなくても良い。
(溶接トーチの一変形例)
プラズマ溶接トーチ10は、手動用溶接トーチの例であった。この発明の実施形態は、手動用溶接トーチに限られるものではなく、自動溶接用溶接トーチにも同様に適応できる。手動用溶接トーチと、自動溶接用溶接トーチとの違いの一例は、例えば、手動用溶接トーチでは、取手12が、トーチ本体11の長軸方向に対して斜めに取り付けられるのに対して、自動溶接トーチでは取手12に対応する部材が、トーチ本体11の長軸方向とほぼ平行に取り付けられることである。
11:トーチ本体
12:取手
13:トーチ本体11の先端部分
14:シールドキャップ
14a:開口
14b:内壁面
14c:シールドガス流路
15:インサートチップ
15a:先端面
15b:チップ穴
15c:内空間
15d:先端部分
15e:太径部
15f:傾斜した外表面
15g:溝
15h:ガス流路
15i:切換箇所
15j:曲面
15k:平面
15l:環状溝
15m:環状溝15lの底
151: 第1変形例に係るインサートチップ
153: 第3変形例に係るインサートチップ
16:インサートキャップ
16a:内空間
16b:開口
16c:円錐内壁面
16d:外表面
16e:内壁面
16f:ガス流路
16g:先端面
17:バリアガス導入部材
17a:バリアガス空間
17b:バリアガス導入口
17c:挿入口
17d:バリアガスホース
17e:シールドガス流路
18:基部
18a:内空間
19:流路形成部材
19a:冷却流体流路
19b:外表面
20:電極
21:センタリングストーン
21a:貫通孔
30:亜鉛めっき鋼板
30a:溶接面
30b:溶融プール
31:鋼板
32:亜鉛めっき層
33:亜鉛ヒューム
34:鋼板スパッタ
40:開口16bに水平な線
41:チップ穴15bに垂直な線
42:溶接方向
100:プラズマ溶接装置
101:プラズマ溶接機本体
102:パイロットガスボンベ
103:シールドガスボンベ
104:バリアガスボンベ
105:冷却流体ポンプ
106:母材ケーブル
107:トーチケーブル
108:バリアガスホース
B:矢印
P:間隔
R:領域
PG:パイロットガス
SG:シールドガス
BG:バリアガス
ARC:プラズマアーク
CL:冷却流体
CD:周方向
PAPS:パイロットアーク電源
MAPS:メインアーク電源
HF:高周波発生器
CP:商用電源
θ15g:角度
θ16g:角度
SOFF:スタンドオフ
SOPEN/STIP:開口率
Claims (15)
- プラズマ溶接トーチに装着され、太径部を有し、前記太径部から先端面に向かって細る形状を持つインサートチップであって、
プラズマアークを発生する電極が挿入される内空間と、
前記内空間と連通し、前記電極が発生するプラズマアークを放出する、前記先端面に設けられたチップ穴と、
前記インサートチップの外表面に、前記太径部から前記先端面に至るように設けられ、前記先端面において、前記チップ穴の周囲を囲むように配置された、少なくとも3つ以上の複数の溝と、
を備えたこと
を特徴とするインサートチップ。 - 前記複数の溝のそれぞれは、前記先端面の周方向に沿って等間隔に配置されていること
を特徴とする請求項1記載のインサートチップ。 - 前記先端面は、曲面を含むこと
を特徴とする請求項1又は2に記載のインサートチップ。 - 前記先端面において、前記複数の溝及び前記チップ穴の総開口面積SOPENと前記先端面の面積STIPとの割合SOPEN/STIPは、0.25以上0.75以下であること
を特徴とする請求項1~3のいずれか1つに記載のインサートチップ。 - 前記先端面において、前記複数の溝は互いに連通し、複数の前記チップ穴を囲むように、1つの環状溝になっていること
を特徴とする請求項1~4のいずれか1つに記載のインサートチップ。 - 前記複数の溝のそれぞれは、不活性ガス又は不活性ガスと活性ガスとを含むバリアガスを放出すること
を特徴とする請求項1~5のいずれか1つに記載のインサートチップ。 - 前記複数の溝のそれぞれは、放出された前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとが、溶融プールの表面で重ならない角度で、前記チップ穴に垂直な線から傾いていること
を特徴とする請求項6記載のインサートチップ。 - 前記バリアガスの流れと放出された前記プラズマアークの流れとは、実使用時に推奨されるスタンドオフの範囲において、前記溶融プールの表面で重ならないこと
を特徴とする請求項7記載のインサートチップ。 - 前記複数の溝のそれぞれは、前記バリアガスの流れが、前記プラズマアークの流れを360°囲むことが可能な位置に配置されていること
を特徴とする請求項6~8のいずれか1つに記載のインサートチップ。 - 前記プラズマ溶接トーチは、溶接時に、金属を含む金属ヒューム及び金属を含む金属スパッタを発生させる鋼板のプラズマ溶接に使用されるものであること
を特徴とする請求項1~9のいずれか1つに記載のインサートチップ。 - 請求項1~10のいずれか1つに記載のインサートチップと組み合わせられるインサートキャップであって、
先端に開口を有し、前記インサートチップに嵌合する円錐内壁面を有した内空間を備え、
前記円錐内壁面が、前記インサートチップの外表面と接することによって、前記インサートチップの外表面に設けられた前記複数の溝のそれぞれをガス流路とすること
を特徴とするインサートキャップ。 - 前記インサートキャップの先端面が、前記開口に水平な線から、前記開口に向かって傾いていること
を特徴とする請求項11記載のインサートキャップ。 - トーチ本体と、
前記トーチ本体に取り付けられた請求項11又は請求項12に記載のインサートキャップと、
前記インサートキャップの前記内空間内に取り付けられた請求項1~請求項10のいずれか1つに記載のインサートチップと、
を備えたこと
を特徴とするプラズマ溶接トーチ。 - 前記インサートチップの外側に取り付けられ、内空間と、前記内空間に連通した開口を有するシールドキャップを、さらに備え、
前記インサートキャップは、前記シールドキャップの内空間内に挿入され、
前記シールドキャップは、前記インサートキャップの外表面と前記シールドキャップの内空間の内壁面との間にガス流路を形成し、
前記インサートチップの内空間には、パイロットガスが導入され、
前記ガス流路には、シールドガスが導入され、
前記インサートチップの複数の溝のそれぞれには、バリアガスが導入され、
前記バリアガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記シールドガスの供給流量よりも少なく設定され、
前記パイロットガスのプラズマ溶接トーチへの供給流量は、前記バリアガスの供給流量よりも少なく設定されること
を特徴とする請求項13記載のプラズマ溶接トーチ。 - 高周波を発生させる高周波発生器を有するプラズマ溶接機本体と、
請求項13又は請求項14に記載のプラズマ溶接トーチと、
前記プラズマ溶接機本体と接続され、パイロットガスが充填されるパイロットガスボンベと、
前記プラズマ溶接機本体と接続され、シールドガスが充填されるシールドガスボンベと、
前記プラズマ溶接機本体と接続され、バリアガスが充填されるバリアガスボンベと、
冷却流体を前記プラズマ溶接機本体と前記プラズマ溶接トーチとの間で循環させる冷却流体ポンプと、
溶接対象材と接続される母材ケーブルと、
前記高周波、前記パイロットガス、前記シールドガス及び前記冷却流体を、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するトーチケーブルと、
前記バリアガスを、前記プラズマ溶接機本体から前記プラズマ溶接トーチに供給するバリアガスホースと、
を備えたこと
を特徴とするプラズマ溶接装置。
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