WO2022158584A1 - トーチ及びその走査方法 - Google Patents

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consumable electrode
electrode
tip
scanning
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勝則 和田
祐司 野村
智章 佐々木
周平 金丸
優作 七尾
友裕 須貝
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Nippon Sanso Holdings Corp
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Nippon Sanso Holdings Corp
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    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K9/24—Features related to electrodes
    • B23K9/28—Supporting devices for electrodes
    • B23K9/29—Supporting devices adapted for making use of shielding means

Definitions

  • the present invention relates to a torch and its scanning method.
  • GTAW Gas Tungsten Arc welding
  • TIG welding Tungsten Inert Gas welding
  • plasma arc welding Non-consumable electrode gas shielded arc welding
  • GMAW Gas Metal Arc welding
  • MIG welding Metal Inert Gas welding
  • MAG welding Metal Active Gas welding
  • carbon dioxide gas arc welding is used.
  • These welding methods generally use a welding torch to generate an arc between the electrode and the work piece (base metal), and the heat of this arc melts the work piece to form a molten pool. Welding is performed while During welding, a shielding gas is emitted from a torch nozzle surrounding the electrode, and the atmosphere (air) is blocked by this shielding gas.
  • TIG welding it is common to insert a filler wire laterally into the non-consumable electrode located in the center of the torch toward the tip of the non-consumable electrode. Also, the filler wire is inserted from the front or rear of the torch in the scanning direction. Therefore, when scanning the welding torch in the plane, it is necessary to change the inserting direction of the filler wire according to the scanning direction of the welding torch.
  • Patent Document 1 discloses an electrode rotatably supported by a torch body, an ultrasonic motor for rotating or oscillating the electrode, and a welding wire disposed at the axial center of the torch body for supplying welding wire.
  • a welding torch with an insulating tube is described.
  • the welding torch disclosed in Patent Document 1 mentioned above uses a special electrode in which the tip of the electrode that rotates around the filler wire is bent toward the tip of the filler wire. In this case, it is impossible to use a general-purpose tungsten electrode rod. Moreover, when the tip of the electrode wears out, it is necessary to replace such a special electrode as a whole. Furthermore, the electrode has a structure that is directly attached to the ultrasonic motor that rotates the electrode, and the method of power supply to the electrode is also unclear.
  • the present invention has been proposed in view of such conventional circumstances. It is an object of the present invention to provide a torch scanning method suitable for scanning a
  • the present invention provides the following means.
  • a wire guide that feeds a filler wire toward its tip; a rotating cylinder attached rotatably around the axis of the wire guide while surrounding the wire guide; a torch body that holds the rotating barrel inside while the rotating barrel protrudes from the tip side; a torch nozzle that is attached to the tip side of the rotating cylinder in a state surrounding the periphery of the tip side of the wire guide and that emits a shielding gas from the tip;
  • the torch nozzle is provided with a non-consumable electrode extending toward the tip of the filler wire, A torch, wherein a direction of the non-consumable electrode facing the filler wire can be changed by rotating the rotary cylinder.
  • the electrode mounting portion includes an electrode mounting member detachably attached to the torch nozzle, The torch according to [2] above, wherein the non-consumable electrode is detachably attached to the electrode attachment member.
  • the present invention provides a torch suitable for rotatably disposing a non-consumable electrode about a centrally located filler wire, as well as a torch suitable for scanning such a torch. It is possible to provide a scanning method.
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of a torch according to one embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the torch shown in FIG. 1
  • FIG. 2 is an exploded side view showing the configuration of the torch shown in FIG. 1
  • FIG. 4 is a side view showing a state in which a non-consumable electrode is attached to the torch nozzle through an electrode attachment portion
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a torch scanning method according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a torch scanning method according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a torch scanning method according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship of a non-consumable electrode with respect to a filler wire;
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. 3 is an exploded side view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. 4 is a side view showing a state in which the non-consumable electrode T is attached via the electrode attachment portion 21 to the torch nozzle 7 attached to the tip side of the rotary cylinder 3.
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. 3 is an exploded side view showing the configuration of the torch 1.
  • FIG. FIG. 4 is a side view showing a state in which the non-consumable electrode T is attached via the electrode attachment portion 21 to the torch nozzle 7 attached to the tip side of the rotary cylinder 3.
  • the torch 1 of this embodiment has a non-consumable electrode T rotatably arranged around a filler wire W located in the center.
  • this torch 1 includes a wire guide 2 , a rotary cylinder 3 , a torch body 4 , a rotary drive mechanism 5 , a cooling block 6 and a torch nozzle 7 .
  • the wire guide 2 feeds the filler wire W toward the distal end, and consists of a substantially cylindrical long member having a central hole (not shown) penetrating in the axial direction.
  • Examples of the material of the wire guide 2 include metals such as brass, copper, copper alloys, carbon steel, stainless steel, and titanium, and ceramics.
  • the wire guide 2 is held inside the torch body 4 while passing through the center of the torch body 4 .
  • the proximal end of the wire guide 2 is connected to a wire feeder (not shown) that feeds the filler wire W automatically. Thereby, the wire guide 2 feeds the filler wire W to the tip side through the center hole.
  • the filler wire W is not particularly limited, and it is possible to appropriately select and use the filler wire W that matches the application.
  • a plurality of ejection holes 2a for ejecting the shielding gas G are provided side by side in the circumferential direction on the tip side of the wire guide 2 .
  • a connecting portion 2b to which a hose (not shown) for introducing the shielding gas G is connected is provided on the base end side of the wire guide 2. As shown in FIG.
  • the shielding gas G is not particularly limited.
  • a mixed gas to which a gas such as (N 2 ) is added can be used.
  • a mixed gas obtained by adding a gas such as hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) to a mixed gas of argon (Ar) and helium (He) can be used.
  • argon (Ar) or a mixed gas of argon (Ar) and helium (He) may be used, for example, carbon dioxide (CO 2 ) or oxygen (O 2 ). You may use what added oxidizing gas, such as.
  • a contact tip 8 for sending out the filler wire W from the tip is detachably attached to the tip of the wire guide 2 .
  • the contact tip 8 is made of a substantially cylindrical member having a central hole 8a extending therethrough in the axial direction. The contact tip 8 can send out the filler wire W from the tip through the center hole 8a.
  • the contact tip 8 is attached to the tip side of the wire guide 2 by screwing. As a result, when spatter or the like adheres to the contact tip 8 or when the center hole 8a is deformed or worn, the contact tip 8 can be removed and cleaned or replaced.
  • the contact tip 8 a commercially available product (general-purpose product) can be used as well as a custom-made product (dedicated product).
  • Examples of the material of the contact tip 8 include copper, copper alloys, and ceramics.
  • the rotary cylinder 3 is composed of a substantially cylindrical member having a central hole 3a that penetrates in the axial direction.
  • metals such as brass, copper, a copper alloy, carbon steel, stainless steel, and titanium, can be mentioned as the material of the rotary cylinder 3, for example.
  • the rotary cylinder 3 is held inside the torch body 4 with the wire guide 2 arranged inside the center hole 3 a and surrounding the wire guide 2 . Further, the rotating cylinder 3 is rotatably mounted around the axis of the wire guide 2 via a plurality of (two in this embodiment) bearings 9a and 9b arranged in parallel in the axial direction.
  • a gas passage (gap) R is formed through which the shielding gas G ejected from the plurality of ejection holes 2a flows.
  • the shielding gas G can be discharged from the periphery of the wire guide 2 on the distal end side.
  • the torch body 4 has a first ring member 10, a second ring member 11, a third ring member 12 and a sleeve member 13 made of insulating resin.
  • the torch body 4 also has a first frame member 14, a second frame member 15, and a pair of struts 16 made of metal.
  • the torch body 4 holds the bearing 9a inside the second ring member 11 with the first frame member 14 sandwiched between the first ring member 10 and the second ring member 11. . Further, the torch body 4 holds the bearing 9 b inside the third ring member 12 with the second frame member 15 sandwiched between the third ring member 12 and the sleeve member 13 .
  • the first frame member 14 and the second frame member 15 are connected via a pair of struts 16 .
  • the torch body 4 holds the wire guide 2 inside the sleeve member 13 . Therefore, the wire guide 2 and the rotating cylinder 3 are electrically insulated via the sleeve member 13 .
  • the rotary drive mechanism 5 rotates the rotary cylinder 3.
  • a drive gear 18 attached to a rotary shaft 17 of a drive motor (not shown) and a driven gear 19 attached to the rotary cylinder 3 are connected to each other. It has a mated configuration.
  • the rotating shaft 17 is rotatably supported between the first frame member 14 and the second frame member 15 .
  • the rotation of the rotary shaft 17 by the drive motor is transmitted from the drive gear 18 to the driven gear 19 , thereby rotating the rotary barrel 3 around the wire guide 2 . .
  • the cooling block 6 cools the rotating barrel 3, and is attached to the tip side (first ring member 10) of the torch body 4 while surrounding the periphery of the tip side of the rotating barrel 3.
  • the cooling block 6 includes a liquid flow path 6a through which the cooling water L is circulated, an inlet connection portion 6b through which the cooling water L is supplied to the liquid flow path 6a, and an outlet through which the cooling water L is discharged from the liquid flow path 6a. side connections (not shown) are provided.
  • a cooling device (chiller) is connected to these connecting portions 6b, so that the cooling water L in the liquid flow path 6a is circulated.
  • the material of the cooling block 6 include conductive metals such as brass, copper, copper alloys, carbon steel, stainless steel, and titanium.
  • the torch nozzle 7 consists of a substantially cylindrical member.
  • Examples of the material of the torch nozzle 7 include conductive metals such as copper, copper alloys, carbon steel, and stainless steel.
  • the torch nozzle 7 is attached to the distal end side of the rotating cylinder 3 while surrounding the periphery of the filler wire W on the distal end side. Thereby, the torch nozzle 7 is rotatable about the axis of the wire guide 2 together with the rotary cylinder 3 . Shielding gas G ejected from the plurality of ejection holes 2 a of the wire guide 2 is emitted from the tip of the torch nozzle 7 .
  • the torch nozzle 7 is thermally connected to the cooling block 6 and electrically connected to the cooling block 6 . Between the cooling block 6 and the torch nozzle 7, there is provided a power supply section 20 to which power is supplied while being in sliding contact with each other. That is, between the cooling block 6 and the torch nozzle 7, the surfaces facing each other are in sliding contact, and power is supplied through the power supply portion 20 that is in sliding contact with each other.
  • the power supply unit 20 may be configured such that a groove is provided in either one of the sliding contact surfaces. Also, other than the grooves, shapes that reduce the mutual sliding contact area may be used.
  • the torch nozzle 7 is provided with an electrode mounting portion 21 for detachably mounting the non-consumable electrode T.
  • the electrode mounting portion 21 has an electrode mounting member 22 detachably mounted on the distal end side of the rotary cylinder 3, and has a structure in which the non-consumable electrode T is detachably mounted on the electrode mounting member 22. ing.
  • the electrode mounting member 22 is arranged inside a notch portion 7a that partially cuts out the torch nozzle 7, and is detachably attached to the torch nozzle 7 by screwing.
  • Examples of the material of the electrode mounting member 22 include conductive metals such as brass, copper, copper alloys, carbon steel, stainless steel, and titanium.
  • the non-consumable electrode T is detachably attached to the electrode attachment member 22 by screwing.
  • a commercially available product general-purpose product
  • the non-consumable electrode T is an elongated electrode rod made of a metal material with a high melting point such as tungsten.
  • the non-consumable electrode T can be made by adding an oxide such as thorium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide.
  • the length of the non-consumable electrode T can be adjusted by changing the mounting position of the non-consumable electrode T with respect to the electrode mounting member 22. Further, in the electrode mounting portion 21 , the tilt of the non-consumable electrode T can be adjusted by changing the mounting angle of the electrode mounting member 22 with respect to the torch nozzle 7 .
  • the inclination of the non-consumable electrode T is about 10° to 45° with respect to the filler wire W.
  • the non-consumable electrode T may be directly attached to the torch nozzle 7 .
  • the non-consumable electrode T extending from the electrode mounting portion 21 toward the tip of the filler wire W is changed in the direction facing the filler wire W by the rotation of the rotating barrel 3. It is assumed to be changeable.
  • the non-consumable electrode T is detachably attached to the electrode attachment member 22 attached to the torch nozzle 7 in the electrode attachment portion 21 described above. Further, in the power supply unit 20 described above, power is supplied while the cooling block 6 and the torch nozzle 7 are in sliding contact with each other.
  • the non-consumable electrode T can be easily attached to the torch nozzle 7, and power can be reliably supplied to the non-consumable electrode T.
  • the non-consumable electrode T is changed.
  • the length and inclination of the consumable electrode T can be adjusted.
  • a commercially available non-consumable electrode T (general-purpose product) can be used instead of a custom-made non-consumable electrode T (dedicated product), and the non-consumable electrode T can be easily replaced. is.
  • the torch 1 of the present embodiment is suitable for rotatably arranging the non-consumable electrode T around the filler wire W located in the center, not only for general TIG welding, but also for metal lamination welding, for example. It can be suitably used for modeling technology (WAAM), build-up welding, and the like. It can also be used for all joint shapes such as butt welds, lap welds and fillet welds.
  • WAAM modeling technology
  • build-up welding and the like.
  • all joint shapes such as butt welds, lap welds and fillet welds.
  • the torch 1 is scanned in the plane, and the heat of the arc generated between the base material and the non-consumable electrode T melts the filler wire W, which is the material for modeling.
  • This modeling material is layered according to the desired shape.
  • the non-consumable electrode T is inserted laterally toward the tip of the filler wire W located in the center. At this time, the non-consumable electrode T is inserted from the front or rear of the torch 1 in the scanning direction.
  • the torch 1 of the present embodiment since the orientation of the non-consumable electrode T facing the filler wire W can be changed according to the scanning direction of the torch 1, it is possible to accurately form a three-dimensional metal additive manufacturing object. is.
  • a grip or the like for holding the torch 1 may be attached to a position control robot (not shown) for the torch 1.
  • FIGS. 5 to 7 are schematic diagrams for explaining the scanning method of the torch 1.
  • the scanning method of the torch 1 according to the first embodiment of the present invention is characterized in that the torch 1 is scanned after changing the orientation of the non-consumable electrode T facing the filler wire W, as shown in FIG. do.
  • the non-consumable electrode T is oriented so as to face the filler wire W so that the non-consumable electrode T is inserted from the front or rear of the torch 1 in the scanning direction. to change Accordingly, it is possible to reliably change the orientation of the non-consumable electrode T facing the filler wire W in accordance with the scanning direction of the torch 1 .
  • the scanning method of the torch 1 according to the second embodiment of the present invention is to change the orientation of the non-consumable electrode T facing the filler wire W while scanning the torch 1, as shown in FIG. characterized by
  • the non-consumable electrode T is inserted from the front or the rear in the scanning direction of the torch 1 according to the change in the scanning direction of the torch 1 during scanning of the torch 1. facing the filler wire W. Accordingly, it is possible to quickly change the orientation of the non-consumable electrode T facing the filler wire W in accordance with the scanning direction of the torch 1 .
  • a method of scanning the torch 1 according to the third embodiment of the present invention is characterized by scanning the torch while rotating the non-consumable electrode T around the filler wire W, as shown in FIG.
  • the rotation of the non-consumable electrode T is not limited to rotating the non-consumable electrode T in one direction, and it is also possible to alternately rotate the non-consumable electrode T in both directions (reciprocating rotation).
  • the tip of the non-consumable electrode T may be displaced from the tip of the filler wire W, for example, as shown in FIG.
  • the rotation drive mechanism 5 is not limited to the configuration described above, and may have a configuration using a pulley mechanism or a configuration in which the drive motor 23 directly drives the rotary cylinder 3 .
  • the wire guide 2 may be electrically connected to a welding power source and used as a hot wire.
  • a commercially available consumable electrode type (MIG, MAG) torch may be used as the wire guide 2 .
  • MIG, MAG commercially available consumable electrode type
  • the torch nozzle may be removed before use.
  • the present invention is not limited to the non-consumable electrode type torch described above, and can also be applied to consumable electrode type (MIG, MAG) torches.
  • MIG consumable electrode type

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Abstract

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ことを目的とし、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、ワイヤガイド（２）の先端側の周囲を囲んだ状態で、回転筒（３）の先端側に取り付けられると共に、シールドガス（Ｇ）を先端から放出するトーチノズル（７）とを備え、トーチノズル（７）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トーチを提供する。

Description

トーチ及びその走査方法
　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）を遮断する。
　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が開示する溶接トーチでは、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、
　前記ワイヤガイドの先端側の周囲を囲んだ状態で、前記回転筒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とを備え、
　前記トーチノズルには、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ていることを特徴とするトーチ。
〔２〕　前記トーチノズルには、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前記〔１〕に記載のトーチ。
〔３〕　前記電極取付部は、前記トーチノズル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〔２〕に記載のトーチ。
〔４〕　前記電極取付部において、前記非消耗電極の長さが調節自在とされていることを特徴とする前記〔２〕又は〔３〕に記載のトーチ。
〔５〕　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〔２〕～〔４〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔６〕　前記非消耗電極が前記トーチノズルに直接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。
〔７〕　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〕　前記トーチノズルは、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〔７〕に記載のトーチ。
〔９〕　前記冷却ブロックと前記トーチノズルとの間には、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〔８〕に記載のトーチ。
〔１０〕　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〕～〔９〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１１〕　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〕～〔１０〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１２〕　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〕～〔１１〕の何れか一項に記載のトーチ。
〔１３〕　前記〔１〕～〔１２〕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。
〔１４〕　前記〔１〕～〔１２〕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。
〔１５〕　前記〔１〕～〔１２〕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側面図である。 図１に示すトーチの構成を示す断面図である。 図１に示すトーチの構成を示す分解側面図である。 トーチノズル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。 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。
　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４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の構成を示す側面図である。図２は、トーチ１の構成を示す断面図である。図３は、トーチ１の構成を示す分解側面図である。図４は、回転筒３の先端側に取り付けられたトーチノズル７に電極取付部２１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。
　本実施形態のトーチ１は、図１～図４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、回転駆動機構５と、冷却ブロック６と、トーチノズル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（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）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（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）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（ＣＯ２）や酸素（Ｏ２）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、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。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２つ）のベアリング９ａ，９ｂ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４は、絶縁樹脂からなる第１のリング部材１０、第２のリング部材１１、第３のリング部材１２及びスリーブ部材１３を有している。また、トーチボディ４は、金属からなる第１のフレーム部材１４、第２のフレーム部材１５及び一対の支柱１６を有している。
　トーチボディ４は、第１のリング部材１０と第２のリング部材１１との間に第１のフレーム部材１４を挟み込んだ状態で、第２のリング部材１１の内側にベアリング９ａを保持している。また、トーチボディ４は、第３のリング部材１２とスリーブ部材１３との間に第２のフレーム部材１５を挟み込んだ状態で、第３のリング部材１２の内側にベアリング９ｂを保持している。第１のフレーム部材１４と第２のフレーム部材１５とは、一対の支柱１６を介して連結されている。
　トーチボディ４は、スリーブ部材１３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３との間は、スリーブ部材１３を介して電気的に絶縁されている。
　回転駆動機構５は、回転筒３を回転させるものであり、駆動モータ（図示せず。）の回転軸１７に取り付けられた駆動ギア１８と、回転筒３に取り付けられた被動ギア１９とが互いに噛合された構成を有している。回転軸１７は、第１のフレーム部材１４と第２のフレーム部材１５との間で回転自在に支持されている。
　回転駆動機構５では、駆動モータによる回転軸１７の回転駆動を駆動ギア１８から被動ギア１９へと伝達することで、回転筒３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６は、回転筒３を冷却するものであり、回転筒３の先端側の周囲を囲んだ状態で、トーチボディ４の先端側（第１のリング部材１０）に取り付けられている。
　冷却ブロック６には、冷却水Ｌが循環される液流路６ａと、液流路６ａに冷却水Ｌを供給する入側の接続部６ｂと、液流路６ａ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６では、これらの接続部６ｂに冷却装置（チラー）が接続されることによって、液流路６ａ内の冷却水Ｌが循環されることになる。なお、冷却ブロック６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。
　トーチノズル７は、概略円筒状の部材からなる。なお、トーチノズル７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などを挙げることができる。
　トーチノズル７は、フィラーワイヤＷの先端側の周囲を囲んだ状態で、回転筒３の先端側に取り付けられている。これにより、トーチノズル７は、回転筒３と共にワイヤガイド２の軸回りに回転自在となっている。また、トーチノズル７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。
　トーチノズル７は、冷却ブロック６と熱的に接続されると共に、冷却ブロック６と電気的に接続されている。冷却ブロック６とトーチノズル７との間には、互いに摺接しながら給電される給電部２０が設けられている。すなわち、冷却ブロック６とトーチノズル７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２０を介して給電が行われる。
　なお、給電部２０では、上述した冷却ブロック６とトーチノズル７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。
　トーチノズル７には、非消耗電極Ｔを着脱自在に取り付ける電極取付部２１が設けられている。電極取付部２１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２２を有し、この電極取付部材２２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２２は、トーチノズル７の一部を切り欠く切欠部７ａの内側に配置されて、トーチノズル７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２２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２２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２１では、電極取付部材２２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２１では、トーチノズル７に対する電極取付部材２２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。また、非消耗電極Ｔは、トーチノズル７に直接取り付けられた構成とすることも可能である。
　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２１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２１において、トーチノズル７に取り付けられた電極取付部材２２に対して非消耗電極Ｔが着脱自在に取り付けられている。また、上述した給電部２０において、冷却ブロック６とトーチノズル７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、本実施形態のトーチ１では、トーチノズル７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２１において、電極取付部材２２に対する非消耗電極Ｔの取付位置や、トーチノズル７に対する電極取付部材２２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等をトーチ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５～図７を参照しながら具体的に説明する。
　なお、図５～図７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５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６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７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。
　また、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５～図７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８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、上記回転駆動機構５については、上述した構成に限らず、例えば、プーリ機構を用いた構成や、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。
　また、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…回転筒　４…トーチボディ　５…回転駆動機構　６…冷却ブロック　７…トーチノズル　８…コンタクトチップ　９ａ，９ｂ…ベアリング　１０…第１のリング部材　１１…第２のリング部材　１２…第３のリング部材　１３…スリーブ部材　１４…第１のフレーム部材　１５…第２のフレーム部材　１６…支柱　１７…回転軸　１８…駆動ギア　１９…被動ギア　２０…給電部　２１…電極取付部　２２…電極取付部材　Ｒ…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 (15)

  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、
    　前記ワイヤガイドの先端側の周囲を囲んだ状態で、前記回転筒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とを備え、
    　前記トーチノズルには、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ていることを特徴とするトーチ。
  2. 　前記トーチノズルには、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請求項１に記載のトーチ。
  3. 　前記電極取付部は、前記トーチノズル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、前記非消耗電極の長さが調節自在とされていることを特徴とする請求項２又は３に記載のトーチ。
  5. 　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２～４の何れか一項に記載のトーチ。
  6. 　前記非消耗電極が前記トーチノズルに直接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。
  7. 　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. 　前記トーチノズルは、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７に記載のトーチ。
  9. 　前記冷却ブロックと前記トーチノズルとの間には、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８に記載のトーチ。
  10. 　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１～９の何れか一項に記載のトーチ。
  11. 　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１～１０の何れか一項に記載のトーチ。
  12. 　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１～１１の何れか一項に記載のトーチ。
  13. 　請求項１～１２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。
  14. 　請求項１～１２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。
  15. 　請求項１～１２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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