(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークを噴出させるノズルの外周面が導電性の外筒体とその外筒体の先端に接続された導電性の先筒体とによって囲われてそのノズルの周囲にシールドガス通路が形成され、溶接時に前記先筒体の先端がワークに接触する構造のプラズマ溶接トーチであって、
前記ノズルと前記外筒体とは電気的に接続されており、前記外筒体と前記先筒体との間には両者を電気的に絶縁する絶縁部材が設けられていることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ溶接トーチであって、
ノズルの外周面に形成された嵌合部と外筒体の内壁面に形成された被嵌合部  とが嵌合することで、前記ノズルに対する前記外筒体の位置決めが行われるとともに、前記外筒体と前記ノズルとが電気的に接続されることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のプラズマ溶接トーチであって、
絶縁部材は筒状に形成されて、外筒体に形成された段部と先筒体に形成された段部とによって軸方向から挟まれており、さらに前記外筒体の先端部が前記絶縁部材の内側に配置されることで、前記絶縁部材はシールドガス通路に面しない位置に配置されることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項４】
請求項３記載のプラズマ溶接トーチであって、
絶縁部材は樹脂により形成されることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項５】
請求項３記載のプラズマ溶接トーチであって、
絶縁部材の内壁面には雌ネジが形成されており、その雌ネジが外筒体の先端部の外周面に形成された雄ネジと螺合することにより、前記絶縁部材は前記外筒体の先端部に取付けられることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のプラズマ溶接トーチであって、
先筒体の内側に絶縁筒が設けられていることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークを噴出させるノズルの外周面が導電性の外筒体とその外筒体の先端に接続された導電性の先筒体とによって囲われてそのノズルの周囲にシールドガス通路が形成され、溶接時に前記先筒体の先端がワークに接触する構造のプラズマ溶接トーチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ溶接機に使用される一般的なプラズマ溶接トーチを図７に示す。プラズマ溶接トーチ５０は、プラズマアークを噴出させるノズル５２を備えている。ノズル５２は金属製であり、そのノズル５２の中央に絶縁ガイド５２ｒを介して電極５１が収納されている。なお、電極５１とノズル５２との間にはプラズマガス通路５２ｔが形成されている。
ノズル５２の外周面は金属製の外筒体５４によって囲われており、その外筒体５４とノズル５２の外周面との間にシールドガス通路５４ｔが形成される。また、外筒体５４とノズル５２の外周面との間には例えばセラミック製の絶縁リング５３がセットされ、外筒体５４に対してノズル５２が同軸に位置決めされるとともに、そのノズル５２と外筒体５４との間が電気的に絶縁される。
【０００３】
外筒体５４の先端には金属製の先筒体５６が同軸に取付けられる。先筒体５６は、外筒体５４と共にノズル５２の周囲にシールドガス通路５４ｔを形成する筒状部材であり、溶接時に板状のワークＷの表面に接触させられる。このため、先筒体５６及び外筒体５４はワークＷと電気的に接続されて同電位に保持される。プラズマ溶接では、先筒体５６がワークＷに接触している状態で、先ずノズル５２と電極５１間でパイロットアークを発生させ、次にこのパイロットアークをワークＷと電極５１間のメインアークに移行させてワークＷの溶接を行う。このため、ノズル５２と電極５１間、ワークＷ（先筒体５６及び外筒体５４）と電極５１間及びノズル５２とワークＷ（先筒体５６及び外筒体５４）間を電気的に絶縁する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したプラズマ溶接トーチでは、絶縁リング５３でノズル５２と外筒体５４、先筒体５６及びワークＷ間を電気的に絶縁している。しかし、溶接により発生したスパッタＫがシールドガス通路５４ｔに入り込むと、スパッタＫがシールドガス通路５４ｔを跨いで配置された絶縁リング５３の位置に溜まって外筒体５４とノズル５２との間を短絡させることがある。特に、ワークＷの縦壁部分に対して横方向から溶接を行う場合、スパッタＫがシールドガス通路５４ｔの奥に入り込み易いため、絶縁リング５３の位置に多量のスパッタＫが溜まり、外筒体５４とノズル５２間で短絡が発生し易い。外筒体５４とノズル５２との間が短絡されると、メインアーク電流の一部がスパッタＫを通じてワークＷに流れて溶接不良が発生する。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シールドガス通路を構成するノズルと外筒体間等で短絡が生じないようにして、溶接不良の発生を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、プラズマアークを噴出させるノズルの外周面が導電性の外筒体とその外筒体の先端に接続された導電性の先筒体とによって囲われてそのノズルの周囲にシールドガス通路が形成され、溶接時に前記先筒体の先端がワークに接触する構造のプラズマ溶接トーチであって、前記ノズルと前記外筒体とは電気的に接続されており、前記外筒体と前記先筒体との間には両者を電気的に絶縁する絶縁部材が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によると、ノズルと外筒体とは電気的に接続されているため、シールドガス通路に入り込んだスパッタがノズルと外筒体との間に溜まっても、従来のような溶接不良の問題は生じない。また、外筒体と先筒体との間には絶縁部材が設けられているため、外筒体に接続されたノズルと先筒体に接触するワークとの間が電気的に絶縁される。さらに、絶縁部材は、シールドガス通路を遮る位置には配置されていないため、その絶縁部材の位置にスパッタが溜まり難く、外筒体と先筒体との間で短絡が発生しない。
【０００８】
ここで、請求項２の発明に示すように、ノズルに対する外筒体の位置決めに使用されるノズルの嵌合部と外筒体の被嵌合部とを嵌合させることで、外筒体とノズルとを電気的に接続させても良い。
また、請求項３記載の発明のように、絶縁部材をシールドガス通路に面しない位置に配置すれば、スパッタの付着を考慮する必要がなくなり、絶縁部材の材質の選定範囲が広くなる。例えば、絶縁部材の材料として、請求項４に示すように、樹脂等を使用することができる。これによって、絶縁部材の加工が容易になる。
また、請求項５の発明のように、絶縁部材を外筒体の先端部にネジ止めできるようにすれば、絶縁部材の交換が容易になる。
また、請求項５の発明のように、先筒体の内側に絶縁筒を設ければ、外筒体と先筒体との間でさらに短絡が発生し難くなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図６に基づいて本発明の一の実施の形態に係るプラズマ溶接トーチの説明を行う。ここで、図１はプラズマ溶接トーチの先端部分の縦断面図、図２は先筒体を分離した状態におけるプラズマ溶接トーチの先端部分の縦断面図、図３はプラズマ溶接トーチを有するプラズマ溶接機の側面図、図４〜図６はプラズマ溶接機の動作原理を表す模式図である。なお、プラズマ溶接トーチの軸方向をＺ軸方向、前記軸に直交する面の縦方向、横方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向として以下の説明を行う。
【００１０】
プラズマ溶接機１はアーク放電を利用して高温プラズマ流（プラズマアーク）を発生させ、その熱で例えば車両のボディにおける接合部（以下、ワークＷという）を溶接するための溶接機であり、溶接ロボット（図示されていない）のハンドに装着される。プラズマ溶接機１は、図３に示すように、装置架台３を備えており、その装置架台３にプラズマ溶接トーチ２及びその付属ユニット４２，４４が支持されている。装置架台３には基準面３ｓが形成されており、その基準面３ｓの中央にトーチ逃がしシリンダ４と加圧シリンダ５とがＺ軸方向に直列に配置されている。
【００１１】
トーチ逃がしシリンダ４のピストンロッド４ｐにはトーチ架台４ｋが取付けられており、そのトーチ架台４ｋにプラズマ溶接トーチ２のトーチ本体１０が装着されている。また、加圧シリンダ５のピストンロッド５ｐには加圧架台５ｋが取付けられており、その加圧架台５ｋに同じくプラズマ溶接トーチ２の先筒体２０がトーチ本体１０と同軸に固定されている。
加圧シリンダ５がピストンロッド５ｐを延出する方向に作動すると、加圧架台５ｋがＺ軸方向に前進してプラズマ溶接トーチ２の先筒体２０の先端面２２がワークＷの表面に押付けられる。
【００１２】
トーチ逃がしシリンダ４がピストンロッド４ｐを収納する方向に作動すると、トーチ架台４ｋがＺ軸方向に前進してプラズマ溶接トーチ２のトーチ本体１０が先筒体２０と嵌合する（図１参照）。ここで、トーチ逃がしシリンダ４の駆動力は加圧シリンダ５の駆動力よりも十分小さく設定されているため、トーチ本体１０が前進して先筒体２０と嵌合しても、その先筒体２０が変位することはない。また、トーチ逃がしシリンダ４はトーチ本体１０が先筒体２０に接続された状態でストロークに余裕があるため、先筒体２０が加圧シリンダ５の力で前進しても、トーチ本体１０はその先筒体２０に追従して前進できる。
トーチ逃がしシリンダ４がピストンロッド４ｐを延出する方向に作動すると、トーチ架台４ｋが後退してそのトーチ本体１０が先筒体２０から分離される（図２参照）。
【００１３】
プラズマ溶接トーチ２は、プラズマ溶接機１において実際にプラズマアークを発生させる部分であり、前述のように、トーチ本体１０と先筒体２０とから構成されている。
トーチ本体１０は、図２に示すように、プラズマアークを噴出させるノズル１２を備えている。ノズル１２は金属製であり、そのノズル１２の中央に絶縁ガイド１２ｒを介して電極１１が収納されている。電極１１とノズル１２との間にはプラズマガス通路１２ｔが形成されており、そのノズル１２の先端に高温プラズマ流とプラズマガスとを放出させる開口１２ｋが形成されている。
【００１４】
ノズル１２の外周面１２ｓは先細状の外筒体１４によって囲われており、その外筒体１４とノズル１２の外周面１２ｓとの間にシールドガス通路１４ｔが形成されている。外筒体１４は金属製であり、その外筒体１４の内壁面にリング状の凸段差１４ｄがその外筒体１４の円周方向に形成されている。また、ノズル１２の外周面１２ｓには、外筒体１４の凸段差１４ｄが嵌合するリング状の凹段差１２ｄが円周方向に形成されている。そして、ノズル１２の凹段差１２ｄと外筒体１４の凸段差１４ｄとが嵌合することで、そのノズル１２と外筒体１４とが同軸に保持されるとともに、両者１２，１４が電気的に接続される。即ち、凸段差１４ｄ及び凹段差１２ｄが本発明の嵌合部及び被嵌合部に相当する。
なお、凸段差１４ｄと凹段差１２ｄとの嵌合部分には円周方向に間隔をおいて複数のシールドガス通路１４ｔ（点線参照）が形成されている。
【００１５】
外筒体１４の先端部外側には後記する絶縁部材１６が嵌め込まれるリング状の凹部１４ａが形成されている。凹部１４ａには、外筒体１４が段階的に先細となるように二個所にリング状段差１４ｃ，１４ｅが形成されており、それらのリング状段差１４ｃ，１４ｅの間に中径円柱面１４ｂが形成されている。中径円柱面１４ｂの中央には周方向にリング状溝１４ｍが形成されており、そのリング状溝１４ｍに耐熱ゴム製のＯリング１５が嵌め込まれている。また、凹部１４ａには、先端寄りのリング状段差１４ｅと外筒体１４の先端面１４ｆとの間に小径円柱面１４ｈが形成されており、その小径円柱面１４ｈに雄ネジが形成されている。
【００１６】
絶縁部材１６は外筒体１４と後記する先筒体２０との間を電気的に絶縁するリング状部材であり、例えばポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））樹脂により形成される。絶縁部材１６は、外筒体１４の凹部１４ａの形状にほぼ等しい内周面形状を有しており、その凹部１４ａに嵌め込まれることで、外筒体１４の先端部外側に装着される。即ち、絶縁部材１６の内周壁面には、外筒体１４の中径円柱面１４ｂを覆う大径円筒面１６ｔと、外筒体１４の小径円柱面１４ｈを覆う小径円筒面１６ｈとが形成されており、大径円筒面１６ｔと小径円筒面１６ｈとの間に外筒体１４のリング状段差１４ｅに当接するリング状の受け段差１６ｄが形成されている。
【００１７】
また、絶縁部材１６の小径円筒面１６ｈには、外筒体１４の小径円柱面１４ｈに設けられた雄ネジと螺合する雌ネジが形成されている。このため、絶縁部材１６の雌ネジが外筒体１４の雄ネジに螺合されると、その螺合作用により絶縁部材１６と外筒体１４とが軸方向に相対移動してその外筒体１４の中径円柱面１４ｂ、小径円柱面１４ｈはそれぞれ絶縁部材１６の大径円筒面１６ｔ、小径円筒面１６ｈに収納される。
【００１８】
そして、絶縁部材１６の受け段差１６ｄが外筒体１４のリング状段差１４ｅに当接し、絶縁部材１６の後端面１６ｕが外筒体１４のリング状段差１４ａに当接した段階で外筒体１４に対する絶縁部材１６の取付けが完了し、この段階で絶縁部材１６の先端面１６ｆは外筒体１４の先端面１４ｆとほぼ連続する位置に保持される。
【００１９】
外筒体１４のリング状溝１４ｍにセットされたＯリング１５は絶縁部材１６によって半径方向外側から押圧力を受けて変形する。このため、そのＯリング１５の弾性力で絶縁部材１６の雌ネジと外筒体１４の雄ネジとの緩みが抑えられる。なお、絶縁部材１６の外周面には、絶縁部材１６の雌ネジを外筒体１４の雄ネジに螺合させる際の作業性を考慮してローレット加工が施されている。
【００２０】
プラズマ溶接トーチ２の先筒体２０は、溶接時にワークＷの表面を押圧する機能と、外筒体１４と共にシールドガス通路１４ｔを形成する機能を有する筒状部材であり、前述のように、Ｚ軸方向に進退する加圧架台５ｋの先端側面に取付けられている。先筒体２０は、金属製の筒本体２１とその筒本体２１の内壁面に固定される絶縁筒２４とから構成されている。筒本体２１は、衝撃に強い例えばＳ４５Ｃ焼入れ材等により形成されており、その筒本体２１の先端面２２がワークＷの溶接点の周囲に当接する。また、筒本体２１の軸方向の長さ寸法は、図１に示すように、溶接時にノズル１２の先端面１２ｆとワークＷとの間の寸法を一定値Ｍに保持できる値に設定されている。
また、筒本体２１の先端には、筒本体２１で囲まれた内側空間と外部とを連通させる開口部２１ａが、円周方向に沿って複数設けられており、上記シールドガスがこの開口部２１ａから外部に流出するようになっている。
【００２１】
絶縁筒２４は、筒本体２１と外筒体１４間及び筒本体２１とノズル１２間を電気的に絶縁する部材であり、筒本体２１の内径にほぼ等しい外径を備えている。絶縁筒２４はセラミック製の筒体であり、その絶縁筒２４の後端に鍔状のフランジ部２４ｆが形成されている。また、絶縁筒２４の長さは筒本体２１の長さのほぼ１／２に設定されている。
【００２２】
筒本体２１の後端面２１ｂにはその中央に外筒体１４の絶縁部材１６が嵌合するリング状凹部２１ｅが形成されている。さらに、そのリング状凹部２１ｅの半径方向内側には絶縁筒２４のフランジ部２４ｆが嵌め込まれるリング状段差２１ｄが形成されている。ここで、絶縁筒２４のフランジ部２４ｆの厚みはリング状段差２１ｄの深さにほぼ等しく設定されている。
このため、絶縁筒２４が筒本体２１の内壁面に固定されて、その絶縁筒２４のフランジ部２４ｆが筒本体２１のリング状段差２１ｄに嵌め込まれると、絶縁筒２４のフランジ部２４ｆの表面（後面）は筒本体２１のリング状凹部２１ｅの底面と連続するようになる。
【００２３】
トーチ逃がしシリンダ４の働きでトーチ本体１０がＺ軸方向に前進すると、図１に示すように、そのトーチ本体１０の外筒体１４の先端部が先筒体２０のリング状凹部２１ｅと嵌合し、ノズル１２の先端部分がその先筒体２０の内部に収納される。これによって、ノズル１２の外周面１２ｓは外筒体１４と先筒体２０とによって被われて、そのノズル１２の周囲にはシールドガス通路１４ｔが形成される。ここで、絶縁部材１６は外筒体１４の先端部外側に装着されるため、その絶縁部材１６がシールドガス通路１４ｔに面することはない。
【００２４】
また、外筒体１４の先端部が先筒体２０のリング状凹部２１ｅと嵌合した状態で、外筒体１４の先端面１４ｆは先筒体２０の絶縁筒２４に当接し、外筒体１４の絶縁部材１６の先端面１６ｆは先筒体２０の絶縁筒２４及び筒本体２１のリング状凹部２１ｅに当接する。このため、外筒体１４と筒本体２１との間が絶縁部材１６及び絶縁筒２４によって電気的に絶縁される。
また、先筒体２０の筒本体２１には、絶縁筒２４よりも先端寄りの位置に溶接ワイヤーＴを導くワイヤーガイド４４ｗが接続されている。
【００２５】
次に、上記した構造を有するプラズマ溶接機１を使用してワークＷを溶接する手順を説明する。
先ず、トーチ逃がしシリンダ４が動作してトーチ架台４ｋが前進し、プラズマ溶接トーチ２のトーチ本体１０の外筒体１４が先筒体２０に接続される（図１参照）。前述のように、トーチ逃がしシリンダ４はトーチ本体１０が先筒体２０に接続された状態でストロークに余裕があるため、先筒体２０が加圧シリンダ５の力で前進しても、トーチ本体１０はその先筒体２０に追従して前進できる。
【００２６】
このようにして、プラズマ溶接トーチ２が組み立てられると、プラズマ溶接トーチ２が図示されていないロボットによりワークＷの溶接点近傍に位置決めされる。次に、加圧シリンダ５が動作してプラズマ溶接トーチ２の先筒体２０がＺ軸方向に前進し、図１に示すように、ワークＷの溶接点の周囲を加圧する。これによって、重ねられた板状のワークＷの隙間はプラズマ溶接が可能な値にまで狭められる。
【００２７】
次に、実際にワークＷの溶接が行われるまでの手順を図４から図６に基づいて簡単に説明する。
先ず、プラズマ溶接トーチ２のプラズマガス通路１２ｔとシールドガス通路１４ｔにそれぞれプラズマガスとシールドガスとが供給される。さらに、プラズマ電源３０によって電極１１とノズル１２との間に直流電圧が印加される（図４参照）。次に、高周波発生回路３２が作動して電極１１とノズル１２との間に高周波高電圧が印加され、電極１１とノズル１２との間にスパークが発生する。
【００２８】
電極１１とノズル１２との間にスパークが発生すると、それを火種にして電極１１とノズル１２との間にパイロットアークが形成される（図５参照）。そして、パイロットアークによって発生した高温のプラズマがノズル１２から噴出して、ワークＷに達すると、ワークＷとノズル１２との間に電圧が発生し、図６に示すように、パイロットアークからメインアークに移行が起こる。そして、メインアークに移行後、スイッチ３３によりパイロットラインが遮断され、この状態で溶接が行われる。
【００２９】
ここで、プラズマ溶接トーチ２のノズル１２と外筒体１４とは、凹段差１２ｄ及び凸段差１４ｄの位置で互いに嵌合して電気的に接続されている。このため、シールドガス通路１４ｔに入り込んだスパッタがノズル１２と外筒体１４との間に溜まっても、溶接不良等の問題が発生しない。また、外筒体１４と先筒体２０との間には絶縁部材１６が設けられているため、外筒体１４に接続されたノズル１２と先筒体２０に接触するワークＷとの間が電気的に絶縁される。さらに、絶縁部材１６は、シールドガス通路１４ｔを遮る位置には配置されていないため、その絶縁部材１６の位置にスパッタが溜らず、外筒体１４と先筒体２０との間で短絡が発生しない。
【００３０】
また、絶縁部材１６はシールドガス通路１４ｔに面しない位置に配置されるため、スパッタの付着を考慮する必要がなく、絶縁部材１６の材質の選定範囲が広くなる。本実施形態のように絶縁部材１６の材料として樹脂を使用すれば、絶縁部材１６の加工が容易になり、絶縁部材１６の製作コストを低減させることができる。また、絶縁部材１６を外筒体１４の先端部にネジ止めできるため、絶縁部材１６の交換が容易になる。
【００３１】
なお、本実施形態では、絶縁部材１６としてテフロン樹脂を使用する例を示したが、テフロン以外の樹脂を使用することも当然可能である。また、樹脂以外にも例えばセラミック等を使用することも可能である。
また、絶縁部材１６をシールドガス通路１４ｔに面しない位置に配置する例を示したが、絶縁部材１６の材質に例えばセラミック等を使用すればシールドガス通路１４ｔに面する位置に配置することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、シールドガス通路に入り込んだスパッタがノズルと外筒体との間に溜まったとしても、ノズルと外筒体との間で短絡が発生しないため、スパッタによる溶接不良の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一の実施形態に係るプラズマ溶接トーチの先端部分の縦断面図である。
【図２】先筒体を分離した状態におけるプラズマ溶接トーチの先端部分の縦断面図である。
【図３】前記プラズマ溶接トーチを備えるプラズマ溶接機の側面図である。
【図４】プラズマ溶接機の動作原理を表す模式図である。
【図５】プラズマ溶接機の動作原理を表す模式図である。
【図６】プラズマ溶接機の動作原理を表す模式図である。
【図７】従来のプラズマ溶接トーチの先端部分の縦断面図である。
【符号の説明】
Ｗ      ワーク
２      プラズマ溶接トーチ
１１    電極
１２    ノズル
１２ｄ  凹段差（嵌合部）
１４    外筒体
１４ｄ  凸段差（被嵌合部）
１６    絶縁部材
２０    先筒体
【図１】
0003606178.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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