JPS6317031B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄型プラズマトーチに係り、特に厚板
狭開先内の溶接に好適であるとともに、すみ肉継
手など狭隘な部分の溶接にも利用できる薄型プラ
ズマトーチに関する。

厚板の製品を取扱う、火力、原子力機器、化学
プラント、ボイラ等の製作工場においては、溶接
作業の省力化、省エネルギー化が進められ、開先
断面積の小さい、いわゆる狭開先を用いた溶接法
が各方面で検討および実施されている。製品の用
途上から溶接継手部は、高性能、高品質を得るた
めに完全溶け込みが要求され、しかもそのワーク
は形状および寸法的に片面からのみ溶接ができな
い場合が多い。

したがつて、その溶接の施工としては、主とし
て最初にタングステンイナートガスアーク（以下
TIGと称する）溶接法で開先の底部に裏波を形成
させた後、この上から開先部をメタルイナートガ
スアーク（以下MIGと称する）溶接法あるいは
サブマージアーク溶接法で溶接するのが一般的で
ある。均一で良質な裏波が形成できる溶接法とし
てはTIG溶接よりもプラズマ溶接の方が優れてい
るが、狭開先内に挿入可能なプラズマトーチが実
用化されていないために、従来からTIG溶接が使
用されていた。

狭開先内に挿入可能なトーチとして、たとえば
実公昭52―50203号公報記載の狭開先TIG溶接ト
ーチがある。一般にTIGトーチはプラズマトーチ
に比べるとトーチ構造がきわめて簡易である。す
なわち、構造的にはタングステン電極棒の保持と
その冷却、そして被溶接材の溶融部を大気から保
護するためのシールドガスの供給ができるように
構成される。

上記の実公昭52―50203号公報では、偏平状に
形成および水冷されたトーチ本体に下端面からタ
ングステン電極棒をチヤツクしており、シールド
ガスはトーチ本体先端からの噴出および上下移動
可能なシールドボツクスから供給するように構成
されている。しかし、アークがノズルで絞られて
電流密度の高いプラズマアークと異なり、TIGア
ークはノズルを使用しないので電流密度が低く、
またプラズマアークのようなキーホール作用もな
いので溶接の溶け込みが浅く、開先継手を溶融し
得る深さはせいぜい２mm前後で、その溶接の能率
も遅い。また、被溶接材の開先が深くなると、開
先の上にあるシールドボツクスからのシールドガ
スは開先底部に十分に到達しにくくなり、シール
ド効果の低下をまねく恐れがある。

一方、プラズマアークは、まずプラズマガス雰
囲気中で高周波電圧の印加により電極とノズルと
の間に数アンペアから十数アンペアのアーク（パ
イロツトアークと呼ぶ）を発生させ、その後にこ
のパイロツトアークを通して電極から被溶接材側
（母材）へ主アークを移行させるものである。電
極と母材との間に生じたこのプラズマアークは、
ノズル孔による狭窄およびシールドガス等による
熱的ピンチ効果によつて絞られるから著しくエネ
ルギー密度が高められている。プラズマアークの
最も大きな特徴であるキーホール作用によれば、
厚さ10mm程度の板厚に対してＩ型突き合わせ単層
溶接によつて均一な裏波を有する溶接が可能であ
り、10mm以上の板厚部材に対しては、溶接継手部
にルートフエイスが５〜８mm程度を有したＶ字形
あるいはＵ字字形の開先を設けて、そのルートフ
エイス部を開先の上からでもプラズマアークによ
りキーホール溶接することができる。しかし、板
厚が25mmを超えるような厚板においては、開先の
上面からの溶接は不可能であり、溶接を良好に行
なうためにはプラズマトーチを開先内へ挿入しな
ければならない。しかし従来のトーチでは先端径
が開先幅よりも大きくて使用できない。開先内へ
挿入できるプラズマトーチを実現するには、電流
容量を変えずにトーチの先端形状を細くしなけれ
ばならず、冷却構造およびガス通路等をどのよう
にするかが大きな課題である。

プラズマトーチからプラズマアークを発生させ
た場合、普通、主としてタングステン材からなる
電極側は随時消耗し続け、しかも電流の増大に伴
つて電極の消耗量は増加する。これに対して銅あ
るいは銅合金からなるノズル側はノズル孔の内壁
がアークにさらされているために、電流を高めて
いくとある限界値に達したとき、前記ノズルは過
熱された先端部から一瞬にして溶損する。またダ
ブルアーク（シリーズアークと呼ぶこともある）
の発生を伴う場合には、さらにノズルが溶損する
のを促進する恐れがある。この他溶接中は溶融プ
ールからの輻射熱もあるので、プラズマトーチで
はノズルを痛め易い。上記のように電極の消耗は
比較的にゆるやかであるのに対して、ノズルは一
瞬に溶損するので、プラズマアークの発生が中断
されるからその影響は多大である。プラズマトー
チはTIGトーチとは原理的にも構造的にもまつた
く異なるものである。

プラズマトーチにおいては、アーク熱で加熱さ
れやすいノズルを冷却して溶損しないようにする
ことが最も重要であり、しかもこのノズルは主ア
ークであるプラズマアークの狭窄の他に、パイロ
ツトアークの印加をするので極性の異なる電極側
と電気的に絶縁をしなければならない。また、被
溶接材の溶融部を大気から保護するために供給す
るシールドガスの他に、プラズマトーチではノズ
ル孔よりプラズマガスを流出させる必要もある。

これまでにも、たとえば特開昭52―68838号公
報記載のように開先内へトーチを挿入して溶接す
る試みはあつたものの、シールド効果が良好で、
しかも開先が深い狭開先内のルートフエイス部を
十分にキーホール溶接するだけのアーク電流が流
せる実用的なプラズマトーチは未だ実現されてい
なかつた。

本発明は上記に鑑みてなしたもので、電極およ
びその電極と極性の異なるノズルを備えるととも
に両者を冷却して、溶接に必要な電流容量を確保
したままトーチを開先内へ挿入できるようにし、
シールド効果が良好で、溶接部も健全な溶接が効
率良く行なえる薄型のプラズマトーチを提供する
ことを目的とする。

本発明の薄型プラズマトーチは、厚板部材を突
き合わせた狭開先内へトーチを挿入して溶接す
る、あるいは特異形状の部品を狭隘部で加熱及び
接合するためのものである。電極側トーチボデイ
の中央部にはコレツトを介して非消耗性の棒状の
電極を挿入し保持している。この電極側トーチボ
デイの体内にはコレクタ及び電極の間接冷却用の
冷却水の流水通路となる孔をコレツトの締結部近
傍周囲に設けている。電極側トーチボデイの下部
には絶縁スペーサを介して電気的に絶縁および開
先の幅よりも狭い偏平状に形成したある長さを有
するノズル側トーチボデイを備え、このノズル側
トーチボデイにはノズル孔でプラズマアークを狭
窄するためのノズルチツプを装着すると共に、こ
のノズル孔に連絡するプラズマガス通路を設けて
いる。ノズルチツプ内にはプラズマガス通路のみ
を開口させ、ノズル側トーチボデイの長手方向の
両側にノズルチツプを間接的に冷却する冷却水通
路を設けている。さらにその冷却水通路の出入り
口の一方は、電極棒が保持されている電極側トー
チボデイ体内の前記の流水通路にも連絡し、冷却
水を循環させる構成となつている。またノズル側
トーチボデイの外周部にはシールドガスがトーチ
先端まで流れるシールドガス通路が形成されてい
る。

以下、本発明の詳細な内容を実施例によつて説
明する。第１図は本発明の薄型プラズマトーチの
縦断面図、第２図は第１図のＡ―A′線に沿つた
横断面図で、狭開先内へこのトーチを挿入するこ
とができるようになつている。第３図および第４
図は第１図の上面図および局部を切開した下面図
であり、また第５図および第６図はさらに第１図
のＢ―B′線およびＣ―C′線に沿つた横断面図であ
る。図において、１は電極側トーチボデイ２の中
央部に挿入された電極棒で、この電極棒１はコレ
ツト３にチヤツクされ、電極キヤツプ４によつて
電極側トーチボデイ２に締結して保持されてい
る。５は絶縁スペーサ６を介して前記電極側トー
チボデイ２と電気的に絶縁して配置したノズル側
トーチボデイで、狭開先内へ挿入できるように篇
平状に形成されている。７および８は電極側トー
チボデイ２と絶縁スペーサ６とノズル側トーチボ
デイ５をそれぞれ固定するためのネジおよびネジ
穴である。９は電極棒１とノズル側トーチボデイ
２を絶縁および芯ずれの防止をはかるために備え
た絶縁リング、１０はノズル側トーチボデイ５の
先端部に取り付けられたノズルチツプで、このノ
ズルチツプ１０は電極棒１と対向するようにして
ノズル孔１１が形成されており、装着および脱着
が容易に行なえる。ノズル側トーチボデイ５には
ノズル孔１１と連絡するプラズマガス通路１２
ａ，１２ｂが設けられ、ガスケーブル（図示せ
ず）を経てプラズマガス管１３から供給したプラ
ズマガス１４が流れる。この場合プラズマガス通
路１２ｂは第１図および第６図のように電極棒１
の貫通孔１５を中心にしてノズル側トーチボデイ
５の長手方向の内側面に形成しているのでトーチ
幅を縮めることができる。１６ａ，１６ｂはシー
ルドガス１８をノズル側トーチボデイ５の先端部
へ供給するシールドガス通路で、ノズル側トーチ
ボデイ５の外周部に設けた溝とその外周を包囲す
るように設けたシールドキヤツプ２０ａ，２０ｂ
によつて形成されている。第４図のようにシール
ドガス管１７ａより供給されたシールドガス１８
はシールドガス連絡通路１９ａおよび１９ｂを経
て上記のシールドガス通路１６ａ，１６ｂへ送ら
れるが、これらのガス通路にたとえばスチールウ
ールなどを入れれば、シールドガスの流れが均一
な層流になるのでシールド効果もよりいつそう良
好になる。シールドキヤツプなどトーチの外周に
は絶縁テープを巻いて（図示せず）おり、被溶接
材と電気的に絶縁をはかつている。２１ａ，２１
ｂはノズルチツプ１０を冷却するためにノズル側
トーチボデイ５の長手方向の両側に設けた冷却水
通路、２３はコレツト３によつてチヤツクされた
電極棒１を冷却するために電極側トーチボデイ２
の体内に設けた流水通路で、コレツトの締結近傍
の周囲に形成しており、この流水通路２３は連絡
路２２によつて前記冷却水通路２１ｂと連絡され
ている。したがつて電極棒１の熱はコレツト３を
介して電極側トーチボデイ２へと熱引き冷却され
る（間接水冷方式）。この為にトーチ幅を薄くす
ることができる。２４および２５は給水ジヨイン
トおよび排水ジヨイントで、それぞれ極性の異な
る給電が可能な水冷・給電兼用ケーブルが接続さ
れる（図示せず）。給水ジヨイント２３から供給
された冷却水２６は第１図に示す矢印のようにノ
ズル側トーチボデイ体内を上下左右方向に流れた
後、さらに電極側トーチボデイ２の体内を循環し
て排水ジヨイント２４より排水される。このよう
にすることによつて、トーチをコンパクトにまと
めることができるとともにガスや水および給電の
ケーブルの本数も少なくてすむ。２７ａ，２７ｂ
および２８はＯリングで、ガス漏れおよび水漏れ
を防止している。

このような構成により、トーチを狭開先へ挿入
可能な薄型にすることができ、電極側とノズル側
は電気的に絶縁および水冷され、特にノズルチツ
プが装着されているトーチ先端部まで給水されて
いるので、パイロツトアークの印加およびプラズ
マアークの発生が行なえるとともに、これらのア
ークに直接さらされて加熱されやすいノズルチツ
プも高電流の負荷に耐えることができる。また、
シールドガス通路をトーチ先端部まで形成したこ
とによつて、開先深さに関係なくシールドガスが
開先先底部まで流れるので開先内の溶接部は大気
から保護できる。

また、本実施例に代表されるように本発明のト
ーチにおけるノズルチツプには、プラズマガス及
びプラズマアークが噴出するノズル孔があるのみ
であり、トーチ先端（ノズル孔近傍）には冷却水
連絡通路相当のものは存在しない。小型のノズル
チツプを冷却（間接水冷方式）するための冷却水
通路は、ノズル側トーチボデイ内部に設けられて
おり、この水冷されたノズル側トーチボデイの先
端部にノズルチツプが設置されている。このよう
にノズルチツプを小型化、単純形状化したので、
トーチ先端部の細形化がはかれる。また電極棒と
同様にして、ノズルチツプの交換作業が容易にな
る。

更に、本実施例に代表されるように本発明では
冷却水の流れる通路はノズル側トーチボデイ内と
電極側トーチボデイ内に夫々形成されており、ノ
ズルチツプ内や電極棒内に冷却水通路が形成され
ているわけでない。それ故に、ノズルチツプや電
極棒を交換する際に冷却水が外へ流出するような
心配はない。

第７図は本発明のトーチに係わる他の実施例
で、切開したトーチ先端部の縦面図を示す。第８
図は第７図のＤ―D′線に添つた断面図で、第９
図は狭開先内へトーチを挿入した正面図である。
実施例はトーチ先端部の冷却水通路およびシール
ドガス通路を改造してノズルチツプの冷却および
シールド効果を向上させたものである。図におい
て、絶縁リング９を介して電極棒１がノズル側ト
ーチボデイ５の中央部に挿入され、この両側に冷
却水の出入口通路２１ａ，２１ｂを形成してい
る。ノズルチツプ１０が装着されているノズル側
トーチボデイ５の先端部には冷却水２６がわたつ
て通る連絡通路２９を設けて前記冷却水出入口路
２１ａ，２１ｂに連絡されている。シールドガス
通路１６は偏平状のノズル側トーチボデイ５の体
内に設けた貫通孔１５、プラズマガス通路１２お
よび冷却水出入口通路２１ａ，２１ｂを包囲する
ように多数の小孔にて形成されている。ノズル側
トーチボデイの外壁には絶縁テープを巻いて（図
示せず）絶縁している。冷却水２６は第７図に示
す矢印のようにノズル側トーチボデイ５の先端部
を流れて冷却水出口路から出た後、電極棒１が固
定されているトーチ上部の電極側トーチボデイ
（図示せず）の体内を循環して排水ジヨイントよ
り排水される。３０は溶接電源で、電極側とノズ
ル側および被溶接材側にそれぞれ接続され、電極
棒１とノズルチツプ１０との間にパイロツトアー
クを印加し、このパイロツトアークを経て被溶接
材３１との間にプラズマアーク３２を発生させて
溶接するようになつている。プラズマアークの発
生中は、パイロツトアークは点弧したまま、ある
いは消弧してもどちらでもよい。このような構成
により、被溶接材へトーチを挿入して開先底部を
裏面まで溶融しながらキーホール溶接することが
でき、ノズル側トーチボデイの先端部に設けた連
絡通路を冷却水が通るのでノズルチツプの冷却が
良く、高電流のプラズマアークの発生にも耐える
ことができる。また、多数の小孔からなるシール
ドガス通路をノズル側トーチボデイの体内周囲に
設けているので、均一なシールドガスの流出によ
つてシールド効果の向上がはかれるばかりでな
く、シールドキヤツプの削減もはかれトーチ外壁
の耐久性も向上する。

第１０図は本発明のトーチの冷却性能を調べる
ためにノズルの温度測定試験を行なつた一実施例
で、ノズル径（孔）が２mmφ，３mmφ，４mmφ，
５mmφのノズルを用いてノズルにプラズマアーク
を発生させ、そのアーク電流を変化させたときの
ノズルの温度上昇特性の結果である。トーチを冷
却するための冷却水量は２／minであり、ノズ
ルより噴出するプラズマガス流量は２／min一
定である。ノズル径が小さい場合には低電流のア
ークでもノズルに高負荷が加わるので温度の上昇
率が高い。ノズル径を大きくするとノズルの内壁
面の加熱が緩和されるために、同一電流値の下で
は温度が低く、アーク電流の増加とともにノズル
への負荷が増して温度は上昇する。いずれのノズ
ル径においても過大な負荷によつてノズルが過熱
されすぎると、最後はダブルアークの発生を誘発
してノズル内壁が溶融する。このときの温度
（ΔT_nax）を見ると、図中の点線のようにノズル
径が小さいほど低下しているが、これはノズル内
壁面から温度の測定点までの距離の変化（ノズル
径が大きくなると肉厚が薄くなり、測定点までの
距離が短くなる。たとえば２mmφのとき約３mm，
５mmφのとき約1.5mmである。）によるものと考え
られる。上記の実施例ではプラズマガス流量が２
／min一定の結果であるが、プラズマガス流量
の変化はアーク電流と同様にノズルの温度上昇に
影響をおよぼし易く、プラズマガス流量が小さい
ほどノズルへの負荷が増加しノズルの温度上昇が
大きくなる。

第１１図はノズルを経てダブルアークが発生す
るときの電流値からノズル径に対する限界電流を
求めた結果である。ノズル径を大きくすると限界
電流は増加する。プラズマアークを発生させるこ
とのできる各ノズルの限界電流は、ノズル自身の
加工寸法精度の良し悪し、トーチ先端へのノズル
の装着具合、ノズル孔と電極先端との配置および
心ずれ、などによつても影響を受けて若干ばらつ
く恐れもあるが、本発明の薄型プラズマトーチで
は上記の結果から溶接に必要な電流を十分に流さ
れることが明らかになつた。

次に本発明のトーチを用いて開先内の初層キー
ホール溶接を行なつた。第１２図Ａ，Ｂは板厚50
mmのステンレス鋼にルートフエイス７mmのＵ型開
先を設けて、その突き合わせ部をプラズマアーク
でキーホール溶接した一施行例の断面組織であ
る。開先幅は20mm(A)のものと14mm(B)まで縮少した
ときの結果である。開先内のキーホール溶接では
開先の両壁によつてシールドガスの拡散が少な
く、シールド効果の良好な溶接結果が得られるこ
とが判つた。開先底部をプラズマキーホール溶接
した後のこの開先部は、MIG溶接法あるいはサ
ブマージドアーク溶接法で溶接するのが通例であ
るが、本発明の薄型プラズマトーチによつて初層
溶接に引き続き、プラズマアーク中に溶加材を送
給しながら溶接することが可能であることは言う
までもない。ここでは溶接の実施例を中心に述べ
たが、この他にも特異形状の部品の狭あい部をプ
ラズマアークで加熱して表面硬化，接合，あるい
は切断する等の用途にも利用することが可能であ
る。なお、プラズマアークの移行方法について
は、第７図に示した移行式アーク（電極と母材と
の間にアークを発生）にするか、あるいは非移行
式アーク（電極とノズルとの間にアークを発生）
にするかはその用途に応じて選択すればよい。

以上説明したように、本発明の薄型プラズマト
ーチによれば、溶接に必要な電流容量を確保した
ままでトーチ幅を狭くしたので、トーチを開先内
へ挿入して効率よく溶接を行なうことができ、し
かもシールド効果が良好で健全な溶接部がえられ
る。また本発明によれば、従来の大径のトーチで
は溶接が不可能であつた厚板の狭開先内の溶接は
もちろんのことすみ肉継手など狭隘部の溶接も行
えるので、溶接能率を著しく向上させることがで
きるばかりでなく、プラズマ溶接法の適用範囲が
大幅に広げることができる。また、この他、特異
形状の部品を狭あい部で加熱，接合するような用
途においても本発明のトーチが適用できることは
言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄型プラズマトーチの縦断面
図、第２図は第１図のＡ―A′線に沿つた横断面
図、第３図および第４図は第１図の上面図および
局部を切開した下面図、また第５図および第６図
は第１図のＢ―B′線およびＣ―C′線に沿う横断面
図、第７図は本発明の薄型プラズマトーチに係わ
る他の実施例でトーチ先端部の縦断面図、第８図
は第７図のＤ―D′線に沿う横断面図、第９図は
狭開先へトーチ先端部を挿入した正面図、第１０
図および第１１図は本発明のトーチの冷却性能を
調べた実施例、第１２図Ａ，Ｂは本発明のトーチ
による溶接の施行例の断面組織である。 １…電極棒、２…電極棒トーチボデイ、３…コ
レツト、５…ノズル側トーチボデイ、６…絶縁ス
ペーサ、９…絶縁リング、１０…ノズルチツプ、
１１…ノズル孔、１２ａ，１２ｂ…プラズマガス
通路、１４…プラズマガス、１５…貫通孔、１６
ａ，１６ｂ…シールドガス通路、１８…シールド
ガス、２０ａ，２０ｂ…シールドキヤツプ、２１
ａ，２１ｂ…水冷却出入口通路、２３…流水通
路、２６…冷却水、２９…冷却水連絡通路、３０
…溶接電源、３１…被溶接材、３２…プラズマア
ーク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 厚板部材を突き合わせた狭開先内へトーチを
   挿入して溶接する、あるいは特異形状の部品を狭
   隘部で加熱及び接合するプラズマトーチにおい
   て、電極側トーチボデイの中央部にコレツトを介
   して非消耗性の棒状の電極を挿入および保持し、
   該電極側トーチボデイの体内に前記コレツト及び
   電極の間接冷却用の冷却水の流水通路となる孔を
   前記コレツトの締結近傍周囲に設け、前記電極側
   トーチボデイの下部には絶縁スペーサを介して電
   気的に絶縁および開先の幅よりも狭い偏平状に形
   成したある長さを有するノズル側トーチボデイを
   備え、このノズル側トーチボデイにはノズル孔で
   プラズマアークを狭窄するためのノズルチツプを
   装着するとともに、前記ノズル孔に連絡するプラ
   ズマガス通路を設け、前記ノズルチツプ内にはプ
   ラズマガス通路のみを開口させ、ノズル側トーチ
   ボデイの長手方向の両側に前記ノズルチツプを間
   接的に冷却する冷却水通路を設け、さらにその冷
   却水通路の出入口の一方を、電極棒が保持されて
   いる電極側トーチボデイ体内の前記流水通路にも
   連絡して冷却水を循環させ、ノズル側トーチボデ
   イの外周部にはシールドガスがトーチ先端まで流
   れるシールドガス通路を形成したことを特徴とす
   る薄型プラズマトーチ。