(57)【要約】消耗電極を使用する電気アーク溶接に適するコンタクトチップは孔を画成している本体を有し、この孔を通じて、電極を通すことができ、溶接電源からの電流をこの本体から電極に移送する。この孔の入口端と出口端との間の孔の長さ、即ち孔の範囲の一部において、この本体の少なくとも一領域に第１接触領域を有し、この領域で、本体は電極との第１の電気的接触が可能である。孔の長さ、即ち孔の範囲の残りの部分に沿って、この本体と、孔の長さの残りの部分に沿う電極との間のいかなる第２の接触も孔の第１接触領域内の第１の電気的接触を実質的に短絡させないように、この本体は構成されている。
2005507783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極を使用するアーク溶接に適するコンタクトチップにおいて、前記コンタクトチップは孔を画成する本体を有し、溶接用電源からの電流を前記本体から電極に移送することができるよう、前記孔を通じて前記電極を通すことができるように構成され、前記本体が前記電極に第１の電気的接触を行うことができるよう、前記本体は前記孔の入口端と出口端との間に前記孔の範囲の一部に少なくとも１個の領域（第１接触領域と称する）を有し、前記本体と、前記孔の範囲の残りの部分に沿う前記電極との間のいかなる第２の接触も前記孔の前記第１接触領域内における前記第１の電気的接触を実質的に短絡させないよう、前記孔の範囲の残りの部分に沿う前記本体を構成したことを特徴とするコンタクトチップ。
【請求項２】
前記第１接触領域は前記孔の範囲のわずかな部分である請求項１によるコンタクトチップ。
【請求項３】
前記第１接触領域は前記孔の範囲の１０％より少ない領域である請求項２によるコンタクトチップ。
【請求項４】
前記第１接触領域は前記孔の範囲の５％より少ない領域である請求項３によるコンタクトチップ。
【請求項５】
前記第１接触領域はその長さが約５ｍｍを越えない請求項１〜４のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項６】
前記第１接触領域はその長さが約３ｍｍより短い請求項５によるコンタクトチップ。
【請求項７】
前記第１接触領域は前記孔の前記入口端にあるか、又はこの入口端に密接している請求項１〜６のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項８】
前記本体は前記孔の前記入口端に達するテーパ案内部を画成している請求項７によるコンタクトチップ。
【請求項９】
前記孔に通過している前記電極が前記第１接触領域を画成している表面に入り込むことができる形態に構成された前記孔によって、前記電極との前記第１の電気的接触が可能なように前記本体の前記第１接触領域を構成した請求項１〜８のいずれか１項のコンタクトチップ。
【請求項１０】
前記第１接触領域の直径がわずかに減少するよう、前記コンタクトチップの前記入口端に一層近い前記第１接触領域の端部において、前記孔に、僅かな段を設ける形態に前記孔を構成した請求項９のコンタクトチップ。
【請求項１１】
通常のコンタクトチップにおけるワイヤ寸法に使用される寸法にほぼ等しい所定のワイヤ寸法に対して、全体の間隙を生ずるように、前記第１接触領域に沿って、前記段が前記孔の直径を減少させている請求項１０によるコンタクトチップ。
【請求項１２】
通常のコンタクトチップにおけるワイヤ寸法に使用される寸法より小さい所定のワイヤ寸法に対して、全体の間隙を生ずるように、前記第１接触領域に沿って、前記段が前記孔の直径を減少させている請求項１０によるコンタクトチップ。
【請求項１３】
前記入口端からの段付き孔によって前記僅かな段を設けた請求項１０〜１２のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項１４】
隣接する部分の直径に比較して、直径が適切に異なる前記孔の一部を画成している少なくとも１個の挿入部を前記コンタクトチップに設けることによって前記僅かな段を設けた請求項１０〜１２のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項１５】
前記チップと電極との間に第１の電気的接触が生ずるよう、前記孔を画成する表面の前記第１接触領域内の１個の位置に、摺動接触するように前記電極を保持し得る接触手段を前記コンタクトチップが有する請求項１〜８のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項１６】
少なくとも２個の前記位置のおのおのにそれぞれの接触手段を設けた請求項１５によるコンタクトチップ。
【請求項１７】
前記接触手段は前記孔の中に突出するよう前記コンタクトチップの前記本体内に取り付けられたねじである請求項１５、又は１６によるコンタクトチップ。
【請求項１８】
前記接触手段は前記コンタクトチップの前記本体内に取り付けられ、前記孔の中に突出するよう弾性的に押圧される部材である請求項１５、又は１６によるコンタクトチップ。
【請求項１９】
前記電極と前記コンタクトチップとの間を比較的軽く摺動接触させることによって、第１の電気的接触を達成するように前記接触手段を作動させるよう構成した請求項１５〜１８のいずれｋ１項によるコンタクトチップ。
【請求項２０】
前記残りの部分にいかなる第２の接触も生じないように、前記残りの部分に沿う孔の直径を前記コンタクトチップが有する請求項１〜１９のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項２１】
前記残りの部分に第２の接触が可能なように、前記残りの部分に沿う孔の直径を前記コンタクトチップが有し、前記第１の電気的接触は摺動する第２の接触に対し相対的に低い接触抵抗のレベルに達するように構成した請求項１〜１９のいずれか１項によるコンタクトチップ。
【請求項２２】
前記孔の前記残りの部分は前記第１接触領域より一層大きな直径を有する請求項２１によるコンタクトチップ。
【請求項２３】
前記孔の前記残りの部分は前記第１接触領域を画成している材料と異なる材料によって画成されている請求項２１、又は２２によるコンタクトチップ。
【請求項２４】
前記孔の前記残りの部分を画成する材料は前記第１接触領域を画成する材料より一層低いレベルの導電率を有している請求項２３によるコンタクトチップ。
【請求項２５】
前記孔の前記残りの部分を画成する材料は電気絶縁性である請求項２３によるコンタクトチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は消耗電極を使用して、作動するアーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極を使用する多くのアーク溶接には、コンタクトチューブ、又は電気コンタクトチューブ、又は電気コンタクトチップと時々称せられるコンタクトチップを有する溶接ガンを使用している。これ等の形式の溶接には、ミグ溶接（ＭＩＧＷ）と時々称するガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、更にサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、及びフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）がある。
【０００３】
消耗電極を使用して、アーク溶接を行うための溶接ガンにおいては、コンタクトチップは重要な要素である。その主要な機能は消耗電極を構成しているワイヤ、又は条片に、電流を溶接用電源から、連続的に送ることである。コンタクトチップは殆ど銅、又は銅合金に限られる金属で造られており、これは、これ等の金属が導電性と、熱伝導性とが高いためである。通常、コンタクトチップは硬引きの高純度の銅、又は銅と、２％のベリリウム、銅と、0.5 ％のベリリウムのような合金、及び適当な銅、クロム及び亜鉛合金で造られる。
【０００４】
コンタクトチップを含むアーク溶接装置に関する広範囲の先行技術がある。その例としては次のような定期刊行物がある。
「Fluctuations of the Wire Feed Rate in Gas Metal Arc Welding 」、by Yamada 等、Welding Journal 、September 1987, 35〜42頁
「Understanding Contact Tips Longevity for Gas Metal Arc Welding」by Villafuerte、 Welding Journal、December 1999 、29〜35頁
「The Physics of Welding」by J. F. Lancaster、第２版、Permagen Press、1986
「Advanced Welding Processes」by J. Norrish 、IOP Publishing Ltd., 1992
「Heat Effects of Welding 」by D. Radaj 、Springer Verlag 、1992
【０００５】
その他の例としては、Folke 等（ESAB Limited) に与えられた英国特許第2074069 号、Cooke (R. E. Cooke & Sons, Burton) Ltd. に与えられた英国特許第2170133 号、Lange によるドイツ特許第4006138 号、Davis によるＷＯ98/12011号の特許文献があり、その他、次のような米国特許明細書がある。
Zuckの米国特許第1233434 号    Bernard 等の米国特許第3597576 号
Smith の米国特許第2289938 号    Fogelstromの米国特許第3617688 号
Baird の米国特許第2379470 号    Bernard 等の米国特許第3676640 号
Kratz 等の米国特許第2428849 号    Robba 等の米国特許第3697721 号
Landis等の米国特許第2666832 号    Pearce等の米国特許第3716902 号
Chappel の米国特許第2679571 号    dal Molin の米国特許第3783233 号
Valliereの米国特許第2735920 号    Jonsson の米国特許第3825719 号
Scheller等の米国特許第2754395 号    Frantzreb Srの米国特許第3878354 号
McElrath等の米国特許第2761049 号    Fujimori等の米国特許第4258242 号
Landis等の米国特許第2778910 号    Stolの米国特許第4309590 号
Brashear Jr.の米国特許第2810063 号    Torrani の米国特許第4361747 号
Morley等の米国特許第2866079 号    Manning の米国特許第4560858 号
Piekarski 等の米国特許第2903567 号    Prunier の米国特許第4575612 号
Barkley の米国特許第2957101 号    Matsui等の米国特許第4672163 号
Cresswell の米国特許第2965746 号    Yoshinaka 等の米国特許第4937428 号
Kinneyの米国特許第3025387 号    Andersonの米国特許第4947024 号
Kinneyの米国特許第3089022 号    Matsui等の米国特許第5101093 号
Millerの米国特許第3103576 号    Pikeの米国特許第5192852 号
Jacobsの米国特許第3309491 号    Takocsの米国特許第5278392 号
Nuss等の米国特許第3366774 号    Wujek の米国特許第5288972 号
Bernard 等の米国特許第3469070 号    Zurecki 等の米国特許第5352523 号
Sievers の米国特許第3470349 号    Sorensonの米国特許第5556562 号
Carbone の米国特許第3488468 号    Kim の米国特許第5618456 号
Bernard 等の米国特許第3514570 号    Hori等の米国特許第5635091 号
Cruz Jr.の米国特許第3529128 号    Craig の米国特許第5721417 号
Bornemanの米国特許第3536888 号    Lajoieの米国特許第5726420 号
Bernard 等の米国特許第3576423 号    Hidakaの米国特許第6093907 号
Zvanutの米国特許第3585352 号    Villafueteの米国特許第6130407 号
Corrigall 等の米国特許第3590212 号    Sattler の米国特許第6429406 号
Ogden の米国特許第3596049 号
【０００６】
ガス金属アーク溶接において生産性に影響する主要な問題点は熱入力、及び被着速度（即ち、ワイヤ融解速度）である。熱入力は溶接電圧、及び電流に比例し、溶接される加工片に対する溶接トーチの移動速度に反比例する。溶接トーチは静止保持され、加工片はトーチに対して移動させるか、加工片を静止保持し、加工片に対してトーチを移動させてもよく、或いはトーチと、加工片とを共に動かして、両者間に相対運動があるようにしてもよい。熱入力は溶着貫入深さ、冷却時間、溶着変形に影響を及ぼし、更に、被着された溶融金属、及び／又は加工片の隣接帯域の冶金学的性質に影響を及ぼす。一般に、所定の被着速度について、熱入力を最小にするのが有利である。
【０００７】
溶接トーチの所定のコンタクトチップに関し、消耗電極として使用するワイヤの融解速度の理論的上限値、及びワイヤの融解速度の理論的下限値を確立することは可能である。この原理はガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）の場合のワイヤ被着速度に関して、確立されている式を参照して詳細に説明することができる。上述のNorrish の文献はワイヤ融解速度の式を与えている。対応する代数の表示は次の式である。
Ｗ＝ａＩ＋ｂＬＩ2
ここに、「Ｗ」はワイヤ送り速度（通常はｍ／分）
「Ｉ」は溶接用電流（アンペア）
「ａ」は溶接アークによるワイヤの加熱を表す係数
「ｂ」はワイヤの抵抗加熱に関する係数
「Ｌ」は抵抗加熱を受けるワイヤの該当する長さ
【０００８】
パラメータ「ａ」、及び「ｂ」はワイヤの直径（ワイヤが円形横断面の場合、又は他の横断面のワイヤの直径に該当する値）と、ワイヤの組成とによって定まる。これ等のパラメータは被着速度、又はワイヤ送り速度に関する測定されたデータ、又は刊行されているデータから各消耗ワイヤについて求めることができる。
【０００９】
上述の式の使用に当たり、簡明のため、しかし、一般性を失うことがないようにするため、ダウンハンド位置における溶接を仮定する。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）において、消耗ワイヤを融解するために、重要な役割がある基本的に２つの機構がある。第１はワイヤの端部と、溶融池の上面との間に生じているアークによるワイヤの加熱である。式の中では、このアークに関連する機構は「ａＩ」の項で表される。第２の機構はワイヤがコンタクトチップに、電気的に接触した後、ワイヤ内に生じている電流によるワイヤの抵抗加熱であり、この抵抗に関する加熱は「ｂＬＩ2 」の項で表される。
【００１０】
上述の式のパラメータ「Ｌ」はコンタクトチップ内のワイヤの有効接触点と溶接アークの頂部との間のワイヤの長さを表している。このワイヤの長さはコンタクトチップの出口端を越え、溶接アークの頂部まで達する露出しているワイヤの長さとして、ワイヤの長さを採用し、パラメータＬに通常使用しているものと相違する。
【００１１】
抵抗加熱に関しては、通常の使用におけるＬの意味、即ち電極の延長、即ち突出の意味に基づくことはできない。ワイヤがコンタクトチップの孔の出口端でコンタクトチップにどこで、電気的に接触するかを感知することができる。この場合、この解釈は上述の式についての解釈に相当しており、少なくともワイヤと、コンタクトチップとの間の単一接触点がある場合である。しかし、単一の接触点がある場合、この接触点は孔の入口端から、出口端まで、コンタクトチップの孔に沿ういかなる点でもあり得る。また、この位置は溶接作業中、これ等の両極端位置の間で、変化することができ、更に、変化は孔の長さに沿い少なくとも２個の接触点が間欠的にあることから生じ得る。孔の長さは電極の延長部、又は電極の突出部より一層長いのが普通であり、その結果、順次の溶接作業の間、及び所定の溶接作業中、抵抗加熱を受けるワイヤの実際の長さは１００％を越えて、変化する可能性がある。即ち、電極の延長、即ち突出を決定しているＬの寸法に比較し、上述の式の目的についてのＬの値は１００％を越える変化があり得る。
【００１２】
抵抗加熱を受けるワイヤの実際の長さが変化する場合には、順次の溶接作業の間、又は単一の溶接作業中に、所定のワイヤ送り速度で、必要な溶接電流が相当に変化することがあり得る。その結果、瞬間熱入力が相当に変化することがあり、溶接性能に悪い結果を生ずる。
【００１３】
基本的に一定電圧状態で、作動する溶接用電源を使用し、実施されるガス金属アーク溶接に、ワイヤ融解速度に関して上に述べた原理を適用する。電子手段により、金属滴移動のモードを制御するため、パルス電源もガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）のために使用される。電流のパルスを加えて、消耗ワイヤを加熱し、金属滴の分離を引き起こす。ワイヤ融解速度と電流との間の関係は前に述べた式に与えられた関係より一層、複雑である。それにも関わらず、ワイヤ融解速度は予熱長さに大きく依存しており、それはチップ内に連続する電流送給区域を維持する性能にとって重要である。
【００１４】
チップの性能に関連する第２の問題点はチップに通るワイヤの送り能力である。金属滴移送過程に関連するプロセスの時間についての再現性は均一なワイヤ送り速度が確立され、維持されることが必要である。本発明の目的の一つは通常のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）で可能なワイヤ送り速度を著しく越えるワイヤ送り速度で、信頼性ある溶融金属を被着し得ることである。従って、チップに加わる機械的な作用を減らすよう、送る力は実際に低くなければならない。機械的な作用は摩耗を引き起こす。摩耗は電気的接触区域に問題を生じ、結局、チップの破損、溶接部の欠陥を生ぜしめる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的はコンタクトチップの消耗電極ワイヤとの電気的接触の制御を改善し、その結果、パルス電源、及び非パルス電源で一層安定した作動条件下で、溶接が可能なコンタクトチップを得るにある。本発明はワイヤ送り能力、及び連続電流送給の基礎的な物理的問題点に取り組み、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）用に設計された広範囲の溶接用電源の性能を改善することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、消耗電極を使用するアーク溶接に適するコンタクトチップを提供し、このコンタクトチップは電極を通し得る孔を画成する本体を有し、溶接用電源からの電流を本体から、電極に移動させることができる。孔の入口端と、出口端との間の孔の長さ、即ち孔の範囲の一部の中に、少なくとも１個の領域（以後第１接触領域と称する）を設け、この領域で、本体は電極と第１の電気的接触を行うことができるようにする。本体と、孔の範囲の残りの部分に沿う電極との間にいかなる第２の接触を生じた場合でも、この第２の接触は孔の第１接触領域での第１の電気的接触を実質的に短絡させないように、孔の範囲の残りの部分に沿って、本体を構成する。
【００１７】
第１の電気的接触は有効な溶接のため電極に十分な溶接電力を供給し得るものであるようにする。本体が第１の電気的接触を行い得る孔の第１接触領域は孔の長さの約１０％より少ないと言うように、孔の長さの僅かな部分であるのが好適である。この僅かな部分は孔の範囲の約５％より少ないかも知れない。いずれの場合でも、第１接触領域は約３ｍｍより少ないと言うように、長さが約５ｍｍより長くないのが好適である。このことは本発明の特に重要な要旨である。第１接触領域は通常のチップ、及び先行技術で述べた装置の場合に比較し小さいから、ワイヤを送る力が小さく、チップに通るワイヤの通路は比較的妨げるものがない。これにより、ワイヤとチップとの連続する電気的接触が確立し、ワイヤを送る速度を早くしても、この連続する電気的接触が維持される。
【００１８】
孔の第１接触領域は孔の入口端であるか、又は入口端に密接するのが最も好適である。これに関連し、孔のことに言及するには、電気的接触が行われる通路を表すように意図するが、これは、通路、即ち孔の入口端まで達していて、電極の先端を通路、即ち孔の中に案内するようにしたテーパ案内部と区別するためである。
【００１９】
第１接触領域は孔の入口端にあるか、入口端に密接しているのが最も好適であるが、この領域は更に、孔に沿っていてもよい。従って、この領域は孔の入口端と出口端との中間であればよく、又は極端な場合には、出口端にあるか、又は出口端に密接していてもよい。
【００２０】
孔の入口端か、又は入口端に密接する第１接触帯域を有する場合の一つの利点は、これにより、電極の適切な予熱長さＬを容易に確立することができることである。しかし、この領域が更に孔に沿っていれば、十分な適切な予熱長さＬが可能であり、少なくとも或る瞬間に達成することが可能である。このことは、特殊なコンタクトチップに使用するように設計された溶接トーチについて最も明らかである。十分に適切な予熱長さは、出口端を越えて、コンタクトチップの延長部になるように、嵌着したコンタクトチップ延長管を設けることによって達成可能である。
【００２１】
第１の電気的接触を行うには多数の異なる方法がある。第１の方法は孔に通す消耗電極ワイヤが孔の第１接触領域を画成する表面に入り込むように、孔の形態を定めることである。コンタクトチップの入口端に一層近い第１接触領域の端部に、この孔に僅かな段を設けた形態の孔にすることができる。適切な段を設けることによって、第１接触領域を画成している表面の中に、電極が確実に入り込み、第１の電気的接触を確立することがわかった。この接触にはアーク放電を生ぜず、溶接を行っている間、この接触を維持することができる。第１接触領域の精密な位置は段の寸法、ワイヤの剛さ、及び曲率によって定まる。
【００２２】
段を設けることにより、孔に特別の形態を与えることによって、達成される第１の電気的接触は通常のコンタクトチップの場合の溶接でも驚くべき特性を発揮する。それぞれの場合、電極ワイヤと、通常のコンタクトチップとの間は比較的軽く摺動接触する。しかし、通常のコンタクトチップの場合、接触の数と位置とが変化してしまい、１個の接触による安定した乗り上げた状態の第１の電気的接触が得られず、アーク放電を免れなかった。これに反し、本発明のチップの孔の形態があれば安定性を達成し、接触位置はほぼ縦方向に一定に留まる。或る状態の時、本発明のコンタクトチップでも、始動の際、摺動接触するかも知れないが、これは第１接触領域を画成している表面に電極が入り込むことによって、迅速に解消される。
【００２３】
特殊な形態の孔を有する本発明コンタクトチップ、及び通常のコンタクトチップの両方について、電極ワイヤの曲率と、弾発性とはワイヤと、コンタクトチップとの間を接触させる主要な因子と考えられる。通常のチップの場合には接触に再現性が無いが、本発明チップの場合には再現性がある。しかし、いずれの場合でも、孔の中のワイヤについて、同様の間隙を使用して、必要な接触を確立することができる。即ち、少なくとも必要な接触が確立可能である場所のワイヤと、孔との間の直径の差はそれぞれのケースで、類似している。従って、本発明コンタクトチップにおいて、チップの入口端に一層近い第１接触領域の端部に設けた段は通常のコンタクトチップにおける所定の電極ワイヤのための標準間隙、又は標準公差の約半分である。この段は第１接触領域に沿って、標準の間隙から、標準の間隙より少ない値になるように、又は標準の間隙より一層大きな値から、標準の間隙になるように孔の直径を減少させる。従って、例えば、0.1 ｍｍの間隙を与えるよう1.3 ｍｍの孔の直径を有する通常のチップ用の1.2 ｍｍの電極の場合、本発明チップは段による特殊な形態を有する孔を有し、この段により孔の直径を1.3 ｍｍから、主要な接触領域に沿う1.25ｍｍの直径まで減少させ、又は1.35ｍｍから、この領域に沿う1.3 ｍｍの直径まで減少させる。これらの形状によって示されるように、孔とワイヤとの間の間隙は直径の差に相当している。
【００２４】
孔のこの形態はコンタクトチップの入口端からの僅かな段付き孔によるものにしてもよい。しかし、これに対する代案として、少なくとも１個の挿入部により、孔の隣接部の直径より適切に直径を異なるようにした部分を画成し、段を設けてもよい。それぞれの場合、この段はほぼ均一な環状であるのが好適である。その形状は入口端に向いていて、孔に対し実質的に垂直な環状肩部を画成するような形状にすることができる。代案として、段を環状面取り部で生ぜしめてもよい。
【００２５】
他の形状では、接触手段を設けることによって、電極に第１の電気的接触が可能なように、コンタクトチップを構成し、孔の長さ、即ち孔の範囲の第１接触領域内の少なくとも１個の位置に孔を画成する表面に、摺動接触するように、接触手段によって、電極を保持する。それぞれこのような位置における接触手段はピン、プランジャ、ボール、ねじ等で構成し、それをコンタクトチップの本体内に取り付け、孔の横方向に突出させる。ピン、プランジャ、ボール等で構成した場合の接触手段は弾性的に押圧され、孔の中に突出する。ねじ等で構成した場合は接触手段を本体に螺着し、接触手段を回転して、接触手段の軸線方向に移動させ、孔の中に突出させる。それぞれの場合、接触手段は支持パッドを設けてもよく、これにより、ピン、プランジャ、ねじ等が電極に接触する。この支持パッドは耐摩耗性材料、又は一層軟らかな低摩擦材料にすることができる。支持パッドはグラファイトのような導電材料、又はテフロン（登録商標）のような電気絶縁材料で造ることができる。
【００２６】
コンタクトチップに接触手段を設けた場合、孔を特殊な形態にすることによって達成された電気的接触に本質的に匹敵する主要な電気的接触を接触手段が達成するのが好適である。即ち、接触手段は孔の第１接触領域を画成する表面と、ワイヤとの間に比較的軽い摺動接触をもたらすことである。この接触手段はワイヤを上記表面に固く接触するようにワイヤをクランプするのを避け、従って、最も細いワイヤでも、過度の摩擦、及び摩耗を生ずることなく、早いワイヤ送り速度が可能である。好ましくないクランプを生ずるのでなく、この接触手段は基本的にワイヤと、チップとの間の接触を設置する。従って、本発明によるコンタクトチップは0.8 ｍｍのワイヤまで、及び若干の困難を伴うが、0.6 ｍｍのワイヤまで、ガス金属アーク溶接のワイヤの直径の全範囲にわたり、適している。
【００２７】
第２の接触がたとえ生じても、第１の電気的接触を短絡させないのを確実にするための、本発明によるコンタクトチップは多数の異なる構成が可能である。第１の構成では第２の接触が実質的に防止するよう、孔の長さ、即ち孔の範囲の残りの部分にわたり、コンタクトチップに段付き孔を形成する。即ち、チップを使用しようとする電極に対し、コンタクトチップの孔は第１接触領域に沿って、小さな間隙のみを生ずる横断面を有し、孔の範囲の残りの部分に沿って、孔は実質的に一層大きな横断面を有する。従って、この電極は第１接触領域において、第１の接触を行うことができ、しかもこの領域の外ではコンタクトチップに第２の接触を行うことができない。必要なら、コンタクトチップに案内部材を設け、これにより第２の接触を防止するのを助ける。従って、孔の入口端で、又は入口端に密接して第１接触領域があり、出口端からこの領域までチップに段付き孔を設けた場合、コンタクトチップの出口端に絶縁端部取付け具を設け、この端部取付け具に電極を通し得るようにする。例えば端部キャップであるこのような端部取付け具には電極を通し得るよう孔と同軸の開口を設ける。この端部取付け具によって、コンタクトチップと電極との間の第２の接触を防止するのを助け、更に、電極の好ましくない横方向の移動を最少にする。
【００２８】
第２の構成においては、電極は第２の接触を行うことができる。即ち、電極は孔の残りの部分において、コンタクトチップに接触するのを妨げられない。しかし、この第２の構成では、このように構成しなければ、チップから、第２の接触の位置の電極までの発生する可能性がある電流路に対し、第１接触領域はコンタクトチップから電極まで好適な電流路を確立する。この好適な電流路によって、短絡の防止を達成することができ、この短絡の防止はほぼ一定の電極予熱長さＬを維持することができる。重要なことは、第１接触領域で開放回路を生ずるかも知れないような恐らく短い間隔に起因するアーク放電を第２の接触は防止することができることである。
【００２９】
コンタクトチップは導電材料で全体を造ることができる。それにも拘らず、第２の構成において、第２の接触の可能性があっても、第１の電気的接触の短絡を避けることができる。これは第２の接触が単なる摺動の性質による結果であることよりも、接触抵抗が低レベルであり、しかも好適な電流路を生ずる第１の接触であることに起因する。即ち、第１接触領域の入口端における孔の形態から生ずるか、又は第１接触領域に設けた接触手段から生ずる第１接触は孔の残りの部分での摺動第２接触から生ずる接触抵抗よりも、低レベルの接触抵抗であることによって特徴付けられる。このため、孔の残りの部分は接触抵抗を減らすようないかなる特別な形態にもせず、比較的平滑にする必要がある。
【００３０】
いかなる第２の接触においても、接触抵抗を更に増大するため、孔は第１接触領域におけるよりも、残りの部分において一層大きな直径を有するようにする。更に、或いは代案として、孔の残りの部分を画成する材料が第１接触帯域を画成する材料よりも導電性が低レベルであるように、即ち電気的に絶縁性が高くなるように、第１接触領域、及び孔の残りの部分をそれぞれの材料によって画成する。
【００３１】
上述の事柄にも拘らず、短絡を避けることは第１の電気接触を維持している間のみ可能である。従って、第１の接触が接触手段による場合に可能であるように、孔の第１接触領域内で、少なくとも２個の隣接位置のおのおのにおいて、第１の電気的接触が可能なように本体を構成するのが好適である。従って、第１の接触が１箇所で失われることは起こりそうもなく、たとえ、あったとしても、同時にそれぞれの位置で接触が失われる。２個、又はそれ以上の接触位置がある場合には、これ等の位置は軸線方向に離れている必要がある。しかし、これ等の位置を互いに隣接させるため、孔の周りに角度的に離間させることも必要である。けれども、これ等の位置を角度的な関係にすることはできるが、縦方向に離間することはできない。
【００３２】
前に述べたように、２個、又はそれ以上の位置は縦方向に隣接していてもよい。接触点の１個が失われると、電極の予熱長さＬは変化するが、それは僅かなものに過ぎず、遠い位置における短絡から生ずる変化に比較すれば、殆ど影響が無い程度である。しかし、重要なことは、２個、又はそれ以上の接触位置の１つで接触が失われた結果としては、開放回路の状態は簡単には生じないと言うことである。
【００３３】
本発明のコンタクトチップの構成では電極の抵抗加熱はほぼ最高であり、ほぼ一定である。これは第１の電気的接触の位置から、電極の先端と加工片との間に発生する溶接アークの頂部までの電極の長さＬにわたるものである。第１の電気的接触の位置と、孔の出口端との間において、電極がコンタクトチップの本体に２番目に接触する少なくとも１個の点があるかも知れない。しかし、コンタクトチップの本体は孔の範囲の残りの部分に沿って、第１の電気的接触をほぼ短絡させないように構成されている。従って、もし仮に第２の接触が生じたとしても、この第２の接触は抵抗加熱を達成する有効長さＬを減少させない。
【００３４】
コンタクトチップの本体は接触手段を設けることによって、電極との第１の電気的接触を行うことができるようにされており、この接触手段によって、孔の範囲の第１接触領域内の少なくとも１個の位置において孔を画成している表面に、摺動接触するように、電極が保持される。このような各位置における接触手段はピン、プランジャ、ボール、又はねじ等から成り、孔の中に横方向に突出するよう、コンタクトチップの本体内に取り付けられている。ピン、プランジャ、又はボール等から成る場合の接触手段は弾性的に押圧されて、孔の中に突出する。ねじ等から成る場合、接触手段は本体内に螺着され、ねじの軸線方向に孔の中に突出するように回転させることができる。それぞれの場合、接触手段は支持パッドを有し、この支持パッドにより、ピン、プランジャ、ねじ等を電極に接触させる。支持パッドは耐摩耗性材料、又は軟らかい低摩擦材料から成る。支持パッドをグラファイトのような導電材料にしてもよく、テフロン（登録商標）のような電気絶縁材料にしてもよい。
【００３５】
第１接触領域を画成している表面内に、電極が入り込むような特殊な孔の形態によって、電極による第１の電気的接触が行われるようにしている場合には、この孔は一層大きな横断面から、第１接触領域の横断面まで減少している。この導電領域では、孔の直径は一層小さいが、チップに通るワイヤの平滑な通過には十分である。この構成はこの領域の僅かな部分において、ワイヤが優先的に孔の中に入り込むようにされている。従って、有効な電流送給区域は第１接触領域の全導電範囲からではなく、ワイヤが入り込んだ領域からである。これは、接触面積が最大のところで、電気的接触の抵抗が減少すること、及び主要な電流供給路は最小全電気抵抗の１つであることのためである。孔のワイヤを案内する部分は銅、又は銅合金、又はシルバースチールのように硬化できる鋼のような単一材料から成る。代案として、好ましい材料から成る２個の材料を使用してもよい。電極を孔の表面に入り込ませる位置においては、孔を画成している材料は比較的高い硬度の一つから、比較的低い硬度の一つまで変化しているのが最も好適である。従って、電極のコイルの曲率、及び電極の剛さにより、電極をこの位置で孔の表面に摺動接触させ、比較的低い硬度の材料内に優先的に電極が入り込むように構成するのが最も好適である。
【００３６】
予熱長さＬを安定させ得るためには消耗ワイヤの良好な送り能力は必要な条件である。これにより、ワイヤ送り速度の早い変化に関連する過渡電磁界を減らすことができる。ここに説明するワイヤ送り速度の変化については上述のYamada等の文献に記載されている。
【００３７】
本発明の理解を容易にするため、添付図面を参照して、本発明、及び本発明に基づく原理を説明する。
【実施例】
【００３８】
次の説明は本発明の理解を容易にするためである。この説明は基本的にはガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）に基づいているが、原理、及び結論はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、及びフラックス入りアーク溶接にも適用することができる。
【００３９】
その最も基本的な説明においては、対応する直流電気回路の作動を参照して、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）のための装置の作動を説明する。溶接用電源は基本的に、一定の電圧の電流供給源を供給する。この電圧に対する零基準は加工片の電位である。ワイヤの形状の消耗電極は溶接トーチの内側のライナを通じて、スプールから送られ、トーチの端部のコンタクトチップから出る。コンタクトチップの端部と、加工片の表面との間の空間内において、アークはワイヤの端部を加熱し、それを融解させる。液状の金属滴はワイヤの端部から加工片に移る。
【００４０】
金属の移動には２個の区別できるモードがある。第１のモードは浸漬移動であり、消耗ワイヤが瞬間的に、加工片の表面に接触する。一定電圧状態を維持しようとするに当たり、電源はワイヤの端部と加工片との間の短絡接触抵抗と、チップ内のワイヤとを通じて、短時間に電流の大きなバーストを加える。この電流のバーストはワイヤを融解し、ワイヤの端部と加工片の表面との間の空間内に、アークを生ぜしめる。このプロセスを毎秒、１００回程度の頻度で繰り返す。全体的に、多くのサイクルにわたり、平均化される電流は比較的小さく、この理由のため、浸漬移動は金属シートの溶接のために使用されることが多い。浸漬移動による溶着の一つの重要な欠点は顕著なレベルのスパッタを生ずることである。
【００４１】
電流レベルが高いと、ワイヤの融解速度は十分に高く、そのため、ワイヤの端部と、加工片の表面上の溶解プールとの間に、比較的一定の間隙を維持することができる。金属の移動はワイヤの端部から離れた金属滴がアークを通じて移動し、加工片に達することによって行われる。この形式の移動は噴霧移動と呼ばれ、高速の溶着を達成するのに使用される。
【００４２】
図１は例えば銅ベリリウム合金で造られた円筒形の銅合金チップ１０の一例を示す。チップ１０は直径1.2 ｍｍの密実な消耗鋼ワイヤを使用して、例えば、ロボットによる溶接に適する。このチップ１０は浸漬移動モード、及び噴霧移動モードに適する。この例は代表的な溶接チップの作動原理を示すためと、本発明に関連する性能の改善を強調するために選ばれたものである。
【００４３】
チップ１０はその入力端にねじ部１２を有し、これにより、溶接トーチのコンタクトチップホルダに対し、機械的、電気的、及び熱的に連結することができる。ねじ部１２は截頭円錐案内部１３を有し、電流源となるコンタクトチップホルダにこのねじ部１２をねじ込むことができる。また、このホルダはチップ内の電流によって発生する熱、チップ１０内の消耗ワイヤに沿って伝導する熱、及びアークによって輻射される熱であって、次にチップ１０によって吸収される熱の放熱体として役立つ。コンタクトチップホルダに到達する熱は水冷トーチであれば、トーチ内の水の流れにより除去され、空冷トーチであれば、トーチ内の空気の対流により除去される。
【００４４】
また、コンタクトチップ１０はチップ本体１６に貫通する縦孔１４を有する。孔１４は通常、消耗ワイヤの直径より、約0.1 ｍｍ〜0.2 ｍｍ大きい直径を有する。消耗ワイヤは案内部１３によって、孔１４内に案内される。鋼製フラックス入り消耗ワイヤによる溶接用に設計されたチップでは、0.1 〜0.2 ｍｍの間隙が代表的である。一般に、この間隙が小さい程、ワイヤとチップとの間の電気的接触が一層確実である。アルミニウム合金のような他の消耗材料の場合には、これ等の合金が軟らかで、送るのが比較的困難であるため、間隙を一層大きくする。ワイヤとチップとの間の間隙を増大すれば、チップに通して、ワイヤを機械的に送る能力を助ける。
【００４５】
チップ１０の本体１６は８ｍｍ程度の平均直径を有する。この値はチップ１０を通じて、コンタクトチップホルダに熱を伝導するのに十分であり、チップは銅の軟化を防止するのに十分な低温度で作動することができる。チップの全長は約３５ｍｍであり、案内部１３の内端からの孔１４の長さは約２５ｍｍである。この孔１４の長さは孔１４内で、本体１６にワイヤが電気的に接触するのを連続して達成するのを確実にする。孔１４の内面との消耗ワイヤの接触は孔１４の入口端１７において、又は入口端１７と出口端１８との間において、又は出口端１８において行われる。また、接触はコンタクトチップ１０の孔１４内で１点、又はそれ以上の点で同時に行われる。これ等の接触点の位置はワイヤと孔１４との間の間隙、一般に円形スプールからワイヤが送られる際のワイヤの曲率、及び溶接トーチの頸部のいくらかの湾曲のような因子によって定まる。
【００４６】
図１に示すコンタクトチップ１０の３５ｍｍの全長は銅を使用する経済上から定められたものである。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）では、チップ１０の端部１４ｂから出るワイヤ、溶接アーク、及び溶接プールのための保護ガスカバーを設ける必要がある。円筒状の溶接ノズルはチップを包囲し、チップの端部まで延びる。ガスの流れはチップの外面と、溶接ノズルの内面との間の環状領域内にある。
【００４７】
コンタクトチップの性能に最も関連があるものと言えば、最も重要なのはワイヤを送る能力である。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスの平滑な作業は消耗電極を構成するワイヤ、又は条片のための均一な送り速度を達成することに依存していることは上述の Yamada 等の文献から知られている。そのようにすれば、均一な融解速度を達成でき、同時に、アーク長さのばらつきを減少させることができる。しかし、供給ローラシステムが銅製のコンタクトチップの送りローラ側で期待される一定ワイヤ送り速度を達成したとしても、トーチ側、従って、コンタクトチップから出るワイヤの側では、ワイヤはこれと全く相違していることを Yamada 等は発見している。彼らはむしろ、トーチ側では、ワイヤ速度は相当変動している可能性があり、そして、千分の数秒程度の間隔で、この変動はほぼ零の値から、平均ワイヤ送り速度のほぼ２倍まで変化する可能があることを発見している。
【００４８】
Yamada等によって報告された仕事に使用された銅製コンタクトチップの内面と、このコンタクトチップから出るワイヤの表面とを検査した結果、ワイヤと各コンタクトチップとの間に融解、溶融、及び付着を生じていたことを示した。コンタクトチップを通ずるワイヤの停止、始動はワイヤとチップとの間の相互作用が基本的な原因であった。
【００４９】
トーチ側でのワイヤ速度の変動はアーク長さの変化に本来的に影響を及ぼす。しかし、このワイヤ速度の変動の更なる悪い作用はLancaster による上述の文献によって明らかにされている。この文献において、Lancaster はアーク溶接作業中、コンタクトチップと加工片との間の空間内に、強力な電磁界が存在していることを報告している。電磁界は変化に抵抗しているが、電流を運ぶ移動する電気導線が物理的力、及び誘導される電流の影響を受け易いことが知られている。従って、消耗ワイヤ内、及びアークそれ自身内の電流に関連する電磁界はワイヤの速度の変化に抵抗するように、Yamada等によって報告された変動に応動することが予測される。この形式の電磁界の応動は消耗ワイヤ内に誘導される電流の変化に反映されると思われる。更に、誘導された電流、及び電圧も容認できる溶接条件を維持するための電流を供給する電源の安定した作動を妨げると考えられる。トーチ側でのワイヤ速度の変動から生ずる異常なワイヤ送りに関連する電圧、及び電流の過渡状態は次には消耗ワイヤの瞬間融解速度を変化させ、更にアーク長さの制御を悪化させ、潜在的にアークを不安定にする。
【００５０】
図１に示すコンタクトチップ１０について、ワイヤ融解速度に関する理論的上限値、及びワイヤ融解速度に関する理論的下限値を確立することが可能である。代数式に基づいて、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）におけるワイヤ溶着速度に関して、確立している公式を参照して、この原理をここに概略、説明する。その代数式は次の通りである。
Ｗ＝ａＩ＋ｂＬＩ2
ここに「Ｗ」、「Ｉ」、「ａ」、「ｂ」、及び「Ｌ」は前に詳述したとおりである。簡明のため、しかし、一般性を失うことなく、ここでもダウンハンド状態
で、溶接を行うものとする。
【００５１】
ワイヤ送り速度の上限を確立するため、ワイヤがコンタクトチップ１０に通る際、ワイヤは孔１４の入口端１７のみに接触し、次に再びチップに接触すること無く、チップを通って進行するものと仮定する。また、加工片（図示せず）からコンタクトチップ１０の孔１４の端部１８までの距離がこのような溶接チップの通常の使用における代表的な値として、２０ｍｍであり、アーク長さが８ｍｍであると仮定する。アーク長さは実際には電圧、電流、及び移動モードによって変化するが、説明を簡単化するため、アーク長さは一定と仮定する。孔１４の長さは２５ｍｍであるから、パラメータ「Ｌ」は３７ｍｍ（２５ｍｍ＋２０ｍｍ−８ｍｍ）であり、即ち、ワイヤがアークの領域に入る前に、溶接電流によって３７ｍｍのワイヤが予熱される。これが「Ｌ」に関する上限値であり、従って、「Ｗ」に関する対応する値はワイヤ融解速度、従ってワイヤ送り速度に関する上限値である。
【００５２】
ワイヤ送り速度に関する理論的下限値も確立することができる。ワイヤがコンタクトチップ１０に入る際、ワイヤはチップの孔１４の出口端１８のみで、接触するものと仮定する。これ等の条件下で、約２５ｍｍ（孔の長さ）のワイヤの予熱長さが減少することになり、パラメータ「Ｌ」の有効値は１２ｍｍ（２０ｍｍ−８ｍｍ）になる。従って、「Ｗ」に関する対応する値はワイヤ融解速度の下限値を意味する。
【００５３】
銅をコーティングした1.2 ｍｍ直径の密実鋼ワイヤについてのワイヤ送り速度に関する刊行されたデータを使用し、パラメータ「ａ」、及び「ｂ」を計算し、次に、図１に示す銅製チップについて、コンタクトチップの端部と、加工片との間の距離が代表的な２０ｍｍの距離である場合の、ワイヤ融解速度の上限値、及び下限値の見積り値を計算する。ワイヤ融解速度の上限値、及び下限値は１００〜２７０アンペアの範囲の溶接電流について、図２に示す。図２に示すデータから、上限値と下限値との間には著しい差があることが明らかである。ワイヤ送り速度が約８ｍ／分の場合に、１２ｍｍのＬの値に対応する必要な溶接電流は２７０Ａである。Ｌの値が３７ｍｍに増加すると、８ｍ／分のワイヤ送り速度を維持するのに必要な電流は約１８０Ａに減少する。約３ｍ／分のワイヤ送り速度の場合には、必要な溶接電流は１２ｍｍのＬの値に対応して、１５０Ａである。Ｌの値が３７ｍｍに増加すると、溶接電流は約１００Ａに減少する。
【００５４】
２つのワイヤ融解機構、即ち抵抗加熱法、及びアーク加熱法のうち、抵抗加熱が好適である。それは溶接回路を確立している電流も消耗ワイヤを加熱するから、再現性があり、特に有効である。一方、アークは約２００００Ｋの温度でのイオン化ガスによって特徴付けられている。例えば、消耗鋼ワイヤの融点は約１８００Ｋであるから、アーク長さの精密な制御にはアーク優先プロセスの場合の均一な融解速度を達成することが必要である。１２ｍｍに比較し、３７ｍｍの予熱長さの利点は熱入力が減少するだけでなく、著しく一層有効な溶着プロセスになるからである。例えば８ｍ／分のワイヤ送り速度の場合、Ｌ＝１２であれば、抵抗加熱は約4.5 ｍｍ／分になり、即ち全ワイヤ融解速度の丁度５０％を越える値になる。Ｌ＝３７ｍｍであれば、抵抗加熱は約６ｍ／分となり、即ち全ワイヤ融解速度の７０％になる。ワイヤ速度が増大すると、この割合は増大する。
【００５５】
図１、及び図２を参照してのこの説明から、コンタクトチップの孔の中の接触点の位置、及び数はワイヤ融解速度に大きな影響を及ぼしていることが明らかである。円筒形のコンタクトチップから、このチップ内のワイヤまでの電流の移動の若干の重要な特徴は円筒管の電気抵抗の解析によって確認される。このことは長さ２５ｍｍ、内径1.2 ｍｍ、外径８ｍｍの円筒管を参照することにより示される。このような電気抵抗について、２つの関連する限界値がある。
【００５６】
管の両端間に電圧を加えることによって、縦方向に、管に電流を供給する。対応する抵抗Ｒlongは次のように表される。
Ｒlong＝ｓｘＡ-1
ここに、ｓは管の材料の固有抵抗、ｘは管の長さ、Ａは断面積である。この管に通る電流がＩであれば、電流を駆動する管の両端間の電位差Ｖは電流と抵抗との積によって次のように計算される。
Ｖ＝ＩＲlong
管の孔の内面と、管の外面との間に電圧を加えることによって、電流を供給することができる。この形態において、Ｒrad で表される管の実効抵抗値は次のよ
うに表される。
Ｒrad ＝ｌｎ（ｒO／ｒI）／（２πσｘ）
ここに、σは管の導電率、ｒO 、及びｒI はそれぞれ管の外側の半径、及び孔の半径である。管の壁に通る電流がＩであると、前に述べたように電流と抵抗との積から、電位差は次のように計算される。
Ｖ＝ＩＲrad
【００５７】
表１は銅、及びグラファイトのそれぞれの管について、Ｒrad 、及びＲlongの計算した値を示す。表１における管形状の寸法は溶接コンタクトチップにおける電流の移動の論理を利用している。直径1.2 ｍｍのワイヤは使用の容易さと生産性の面で最も普通の寸法の一つである。表１から、半径方向の抵抗は縦方向の抵抗の対応する値に対し、倍数の関係で小さいことが明らかである。従って、管から、この管内のワイヤへの最も有効な電流の移動は管の全長にわたり、ワイヤと管との間の緊密な接触を確立することによって達成されることが明らかである。これ等の理想化した条件下において、グラファイトの管ですら半径方向の抵抗は2.4 ×１０-4Ωのように小さい。２２０Ａの電流の場合、管の外面と孔の内面との間の対応する電位差は0.05Ｖと小さい。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
縦方向の抵抗は通常、対応する半径方向の抵抗より少なくとも倍数のオーダで大きい。銅については縦方向の抵抗は 3.5×１０-6Ωであり、従って最小である。グラファイトについては縦方向の抵抗は１０ミリΩである。２２０Ａの電流の場合、グラファイト管の両端間の電位差は 2.2Ωであり、これは重要なことであると思われる。
【００６０】
半径方向に管壁に通って運ばれる電流によるチップの抵抗加熱は銅については最小であり、グラファイトの場合でも低い。オームの法則から、管から出るワイヤの電位は実際上、管の電位と同一であると考えられる。従って、管内のワイヤのいかなる予熱も最小であり、対応するワイヤ融解速度は可能な一層低い限界にあると思われる。そこで、代わりに何が考えられるかのこの例として、完全な電流移動の例があり、所定の電流についてのワイヤ融解速度は最小と考えられる。言い換えれば、孔の全長にわたり、ワイヤとチップとの間が完全に接触していれば、又は前に示したように、接触が出口端のみである場合、最小ワイヤ融解速度に達することになる。
【００６１】
実際上、消耗ワイヤとチップの孔との間には若干の間隙がある。多数の別々の位置で、電気的接触が起きる。従って、コンタクトチップ内のワイヤの２箇所、又はそれ以上の箇所の同時の接触点の結果を考えるのが適切である。考えるべき最も簡単な例は中間的な接触が無く、入口端と、出口端とでワイヤがチップに同時に接触することである。室温で、ベリリウム銅の固有抵抗は約７×１０-8Ωｍ（表１参照）である。低炭素鋼の固有抵抗は約１．２×１０-7Ωｍである。銅製チップの横断面対、消耗ワイヤの横断面の比は通常、５０：１〜１００：１のオーダである。低固有抵抗の銅製チップに、比較的横断面が大きいチップを組み合わせることは入口端と、出口端との間のワイヤ内のいかなる電流も銅内の並列の電流路、即ちＲlongによって著しく減少することを意味する。中間での接触が無くて、入口端と、出口端とで同時の接触があると、有効電流供給路はコンタクトチップの本体を通じて、チップの出口端で、ワイヤまで達する。最初に入口端のみで接触し、次に出口端で接触すれば、ワイヤのこの部分の電流が最小値まで減少するので、ワイヤも冷却することになる。
【００６２】
それ故、チップの出口端に電気的接触点があると、８ｍｍのアーク長さに対し、Ｌの有効値は約１２ｍｍであることは、実際の限度内で不可避である。早くから行われたように、アーク長さは一定にされる。銅製コンタクトチップの摩耗を試験したところ、消耗ワイヤに基本的に連続的に接触していることを示す出口端でのキー保持作用があることを示している。図１に記載された形式のコンタクトチップについて、Ｌに対する有効値は１２ｍｍである。出口端におけるこの電流の移動は溶接電流の最少の生産的な使用を意味している。この電気回路はチップの出口端で完結しているが、溶接電流はチップを経て誘導され、チップ内のワイヤの予熱は最少である。
【００６３】
ワイヤとチップとの接触点の電気的安定性は更に密接な関係がある。ワイヤとチップの出口端との接触が一時的に失われると、ワイヤがアークの領域に入る際、ワイヤの端部の電圧はそうでなければ安定な値であるのに、その安定な値から変化する。アークの長さはアーク電圧に依って定まる。ワイヤの端部における電圧のいかなる変化もアークの長さ、即ちアークの安定性に悪影響を及ぼし、そのため溶接スパッタを生じ、消耗ワイヤの可能性あるバーンバックを生ずる。バーンバックを生ずると、チップにワイヤが溶着し、チップが直ちに損傷する。
【００６４】
所定の電流について、チップから出る消耗ワイヤの電圧の変動はワイヤの固有抵抗に依る。また電気的固有抵抗は温度に依る。従って、チップ内の消耗ワイヤの平均温度を予測することが必要である。Radaj の上述の文献では、自動的に定常状態で送られるワイヤ電極の場合、温度は電流入力点から、ワイヤの端部まで殆ど、直線的に上昇することが注目されている。アークに密接して、ワイヤの温度は急激に上昇する。ワイヤの端部に付着している液状の金属滴の温度は消耗電極の融解点より高いが、消耗ワイヤの沸点よりは低いものと考えられる。
【００６５】
銅製チップ内のワイヤの多数接触点の作用、及び銅製チップによる溶接の経験に基づいて、２２０Ａの作動電流の場合、チップ内のワイヤの平均温度は１００℃のオーダであることが予測される。対応するワイヤ送り速度は６ｍ／分のオーダであり、金属の移動モードは噴霧移動であり、従って、この特定の例では２２０Ａの選択になる。この予想される１００℃の平均温度上昇は約４０％の鋼の固有抵抗の増大を意味する。室温での固有抵抗が 1.2×１０-7Ωｍで、ワイヤ直径が1.2 ｍｍ，チップの孔の長さが２５ｍｍ、平均溶接電流が２２０Ａであれば、チップの孔の中のワイヤ２５ｍｍ長さの両端間の電位差はオームの法則から約 0.8Ｖである。銅製チップ自身の電圧降下は最小であるから、チップから出るワイヤの抵抗加熱に関連する電圧の全体の変動は約0.8 Ｖになる。
【００６６】
製造業者のデータから、２２０Ａでの噴霧移動のための電源電圧は３０Ｖのオーダである。３０Ｖのうちの0.8 Ｖの電圧の変動は多分、重要でないと考えることができる。しかし、チップから出るワイヤと、チップの出口端との間にアーク放電を発生する可能性は電圧の変動に関連する。接触が破れ、その逆に接触が再び確立されれば、ワイヤからチップへの電流の切り換えから、アーク放電が生ずる。また、アーク放電はワイヤの端部に、誘導電圧を発生する。更に、早く援用したYamadaの文献から、アーク放電はワイヤの表面、及びチップの孔を溶融させ、それはワイヤと、チップとの間に付着力を生ぜしめる。ワイヤの送り速度は異状なものになり、それがアークを不安定にし、スパッタを生ぜしめる。
【００６７】
上述の例におけるいわゆる１００℃より著しく高い温度に、コンタクトチップ内でのワイヤの予熱を達成することが可能であることをここに示したい。チップに入る際、ワイヤは入口端で接触し、さらにはチップに接触しないものと仮定する。早く説明したように、Ｌの有効値は３７ｍｍであり、そのうちの２５ｍｍはチップの孔の中の部分である。これ等の状態下で、上述のRadaj の文献から、チップ内のワイヤの平均温度は約５００℃であると考えられる。鋼に対して刊行されているデータから、チップ内のワイヤの固有抵抗は６×１０-7Ωｍに５倍に増大すると考えられる。オームの法則から、チップの孔内のワイヤの電圧降下は２２０Ａの電流の場合、約2.9 Ｖである。チップ内のワイヤに発生する電力に関する対応する値は約６５０Ｗである。これは電流移動の最も生産的なモードを意味する。コンタクトチューブの入口に、電気回路が完成されており、全体の溶接電流は電気アークを維持するためと、消耗ワイヤを予熱するために使用される。入口端における接触が連続的に維持されれば、電圧、及びワイヤ送り速度の変動も最少になり、これにより、液状金属滴の形成、及び移送のプロセスを改善する。
【００６８】
また、チップは市販されているグラファイトで造られており、関連する作動温度で固有抵抗が２×１０-5Ωｍ（表１参照）であると仮定する。表１から、直径８ｍｍのグラファイトチップの縦方向の抵抗は0.01Ωのオーダであり、これはチップ内のワイヤの抵抗に匹敵することが明らかである。入口端、及び出口端での同時の接触があれば溶接電流はワイヤと、チップとの間でほぼ等しく分割される。減少しているとは言え、ワイヤの予熱はなお顕著である。
【００６９】
接触点が入口端と、出口端との間で交互に行われるとすると、電流の配分は消耗ワイヤによって、全体的に運ばれることから、消耗ワイヤと、チップとの間で分割されることまで、交互に生ずる。これ等の接触が行われ、接触が離れると、ワイヤとチップとの間にアーク放電が発生し、接触領域での局部的な加熱の程度は切り替わる電流の大きさによる。金属対、金属接触のため、この形式の電流の切り替わりはワイヤとチップの局部的な溶融を生じ、次にワイヤとチップとの付着を生ずると考えられる。銅製チップの場合には、切り替わる電流がグラファイトの場合より相当大きいから、問題は悪化する。グラファイト製チップの場合には、ワイヤがグラファイトに結合する傾向は殆どないから、従って、ワイヤ送り速度は安定した状態に留まる。チップの縦方向の抵抗がチップ内のワイヤの抵抗にマッチするように、適切な固有抵抗のグラファイト材料を選択することによって、消耗ワイヤに電流を十分に送給することも可能であり、同時に、上述の切り替わる電流を最少化することができる。また、銅の固有抵抗が非常に低いので、切り替わる電流をこの形式で減少させることができることも明らかである。
【００７０】
この説明から２つの結論が得られる。コンタクトチップが銅と同程度に、固有抵抗が小さい材料で造られていれば、電流移動の領域はできるだけコンパクトになり、多数の接触点を生ずる作用を減少させることができる。もしコンタクトチップをグラファイトのような固有抵抗が一層高い材料で造り、チップの縦方向抵抗と、ワイヤの抵抗とがほぼ匹敵するようになれば、この状態は緩和されるであろう。
【００７１】
ワイヤの抵抗にチップの抵抗をマッチさせるこの形式はアークの長さ、及び溶接電流の安定性を向上し、従って、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、フラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）、及びサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）の性能を向上させる。同時に、ワイヤの予熱の効果が実現され、即ち、パラメータＬの有効値が増大する。ワイヤ、及びチップにおける電圧降下はワイヤ、及びチップの固有抵抗だけでなく、その寸法にも依るから、一層有用な結論は作動状態で、チップの抵抗はチップの最初の入口長さを越えるチップ内のワイヤの抵抗にマッチすべきであると提案することである。このようなガイドラインはチップ内のワイヤの多数の電気的接触点のアーク電圧に及ぼす好ましくない作用を減少させるものの、このガイドラインはワイヤと、チップとの最初の接触がチップの入口に残ったままであるとする仮定に暗黙のうちに依存している。例えば出口端に引き延ばされた接触があったとすると、このような延長された接触は、ワイヤ融解速度、及びチップの抵抗加熱の減少に起因し、結局、不安定になる。予熱長さＬの対応する値が減少するため、ワイヤ融解速度が減少する。
【００７２】
従って、コンタクトチップの入口端がワイヤへの電流の主要な供給源であるのが好ましい。これを達成する一つの方法はワイヤとチップの孔との間の間隙を最小にすることである。間隙が小さいことと、スプールから巻きほぐしたワイヤの湾曲が少ないこととの組み合わせによって、入口端における良好な電気的接触を達成することができる。
【００７３】
チップの入口端における孔の方向に僅かな変化を導入することによって、チップの入口端での最初の接触点の安定性を著しく向上させることができる。ワイヤと孔との間の間隙を小さくすることと、孔の方向を僅かに変化させることとの組み合わせによって、常時、良好な接触を達成することを確実にし、孔の中で、更に生ずるいかなる著しい引き延ばされた接触の可能性をも減少させることを確実にする。このような形式の対策は銅製のチップについては一般に使用されていない。製作中に、複雑な機械加工が必要なため、相当なコストの増大になる。それにも関わらず、若干の前例がある。例えば、英国特許第2074069 号は入口端で方向を僅かに変化させた複雑な銅製チップの設計の例を示している。銅製チップの場合、このような形式の対策の利益は非常に制限される。多数の箇所で接触する場合の好ましくない作用は尚、存在しており、特に、チップへのワイヤの付着がある。
【００７４】
チップの材料についての５つの性質はワイヤ、又は線条の均一な送りを達成するために特に望ましいものである。その第１はワイヤ、又は線条と、コンタクトチップの材料との間が低摩擦係数であることである。低摩擦係数であれば、ワイヤがチップに通る際、比較的一定のワイヤ送り速度を達成することができる。チップの材料が自己潤活性であるのが理想的である。
【００７５】
第２の要件は溶接アークに近いこと、及びチップ内で加熱される消耗ワイヤに関連する高い温度に対する抵抗である。従って耐火材料が望ましい。
【００７６】
消耗ワイヤ又は線条と、コンタクトチップの内面との間の電気的接触は例えばワイヤ、又は線条の寸法の不規則性に起因して、連続的でないかも知れない。従って、間欠的な電気アークがチップの内側に生ずる。このようなアークは消耗ワイヤの融解点に接近する温度、又は融解点を超過する温度まで、消耗ワイヤを局部的に加熱することが起こり得る。この場合、消耗ワイヤの表面に生ずるいかなる液状金属も直ちに、濡れ状態にならず、次にコンタクトチップの内面に結合しないのが望ましい。適当な耐火性の非金属材料から成るコンタクトチップがこの要件を満たすものと期待される。
【００７７】
第４の要件は多数の電気的接触の結果についての以前の説明から導き出される。その説明はコンタクトチップの材料の固有抵抗についての設計ガイドラインに到達しており、即ち、チップ内のワイヤの抵抗はチップの縦方向の抵抗にマッチすべきであると言っている。銅チップ内の鉄の消耗ワイヤの場合、抵抗の相違は約２桁である。アーク放電による損傷を実質的に減少させるため、５倍以内に抵抗がマッチしていることが期待される。
【００７８】
第５の要件はチップの材料が良好な熱伝導体であって、チップ内、又はチップ内のワイヤに生ずる熱、又はアークから吸収された熱をコンタクトチップホルダに伝導することによって、除去することである。
【００７９】
これ等の要件に合う材料はグラファイトであり、グラファイト棒から全体のコンタクトチップを機械加工することによって、市販可能なチップを設計することができる。次に、機械加工した本体には取り扱いを容易にするため、全外面に銅、ニッケル、又はクロムの電気めっきを行う。但し、溶接アークに露出する作用端はめっきしない。次に、この作用端には電気絶縁耐火ラッカをコーティングするのが好適であり、このラッカを乾燥した後、孔を穿孔する。でき上がった製品の一例を図３に示す。この形式のチップは浸漬移動に関連して、即ち金属シートの溶接の場合、低電流適用に対して、有効な寿命時間を有する。噴霧移動に対しては寿命は減少する。
【００８０】
図３を特に参照し、このコンタクトチップの全体の形状は図１のチップ１０に類似している。対応する部分にはチップ１０に関して使用した符号に２０をプラスした符号を使用する。従って、図３のチップ３０は入口端にねじ部３２を有し、本体３６は入口端３７から出口端３８まで延びる貫通孔３４を画成している。また、ねじ部３２は案内部３３を画成していて、この案内部３３は孔３４の入口端３７に達する。チップ３０に、本体３６の作用端の周りに、電気絶縁性の耐火性ラッカコーティング（図示せず）を設ける。
【００８１】
前に述べたように、グラファイトから、図３に示すようなチップ３０を造ることができるが、この段階までに説明したように、このチップは満足なものでない。これは、チップの入口端での電極と、チップとの間の接触区域は希望するワイヤ融解速度を達成するために、必要な大量の電流を移送するには不十分なためである。本体３６から電極までの電流の流れは２箇所、又はそれ以上の数の接触点になる傾向がある。グラファイトにおける多数の接触点の作用は銅の場合より厳しくはないが、図３におけるようなグラファイト製コンタクトチップの場合には、孔３４内での端部３７における、又は端部３７に隣接する最初の接触点が更に孔３４に沿う他の接触点におけるよりも少ない接触抵抗を有するように確実になる手段を設けることが必要である。図３においては、これは接触手段４０によって得られる。
【００８２】
手段４０は半径路４２に設けられており、この半径路４２は孔３４の端部３７で、又は端部３７に隣接して、孔３４に連通している。半径路４２内の手段４２はプランジャ部材４３を有し、このプランジャ部材４３は半径路４２の外端に取り付けられたキャップ４５により半径路４２内に保持されたコイルばねのようなばね４４によって、軽く押されている。ばね４４はプランジャ部材４３を孔３４に向け、押圧していて、プランジャ部材４３の先端を孔３４内に突出させる。この構成によって、孔３４に電極が通っている時、プランジャ部材４３の突出端は電極に圧着することができ、手段４０から遠い孔３４の側で、電極を本体３６に摺動接触させる。従って、手段４０は電極と本体３６との間の接触抵抗を最小にするような接触を達成することができ、これにより、孔３４に通る電極の移動に僅かな抵抗が生ずるのみにすると共に、電極の抵抗加熱を維持し得る最初の電気的接触を確立する。
【００８３】
手段４０のプランジャ部材４３は電気絶縁材料、又は導電材料で形成することができる。
【００８４】
図３の説明はグラファイトで造ったコンタクトチップ３０を参照して行ったが、手段４０を設けて示したこの構成は他の材料から成るコンタクトチップにも使用するのに適切である。従って、グラファイト、それ自身に代わり、コンタクトチップ３０をグラファイト／炭化珪素複合体のようなグラファイト複合体で造ることができる。代案として、チップ３０を銅、又は銅合金で造ることもできる。銅の使用よりも費用を節約し得る一層有効な代案では、チップ３０を鉄、又は鋼にすることができる。それぞれの場合、手段４０は必要な最初の接触点を確実にする実際的な方法を提供する。しかし、手段４０を設けても、孔３４の長さが約１２ｍｍになるようにチップ３０を比較的短くするのが好適である。
【００８５】
噴霧移動にも適する一層堅牢な変形は炭化珪素−グラファイト複合材料のような複合材料から造ることができる。炭化珪素とグラファイトとの割合は固有抵抗に対するガイドラインに合うように選択することができる。これ等の形式の複合材料の原材料は一般に粉末の形である。従って、入口端で、方向を僅かに変化させた孔を成型することができる。このようにして、チップの入口における非常に信頼性が高い電流送給点により、性能を向上させることができる。一層性能を高めるためには、組成を機能的に向上させて、孔の入口までのねじ付き端部の導電率、及び熱伝導率を高くし、次にチップの端部に向け、これ等の導電率、及び熱伝導率を徐々に減少させる。炭化珪素とグラファイトとの組み合わせはここでは単に例として示したものである。実際上、グラファイトと金属との複合体、及び金属とセラミックとの複合体（即ちサーメット）もコンタクトチップの製作に使用することができる。
【００８６】
溶接用の電力を供給する際の最適な性能を達成するために、２つの重要な電気的要件がある。第１に、溶接回路での一時的な電流、及び電圧の変動を最小にするため、非常に低い電気抵抗の連続する安定な回路を経て、電源から消耗ワイヤまで電流を供給することである。第２の要件はパラメータＬの有効値が時間に関し、安定していて、１つの溶接操作から、他の溶接操作へ再現性があるように明確に画成された接触区域を確立することである。チップの本体が銅、又はその他の固有抵抗が非常に低い材料で造られている場合には、最初の接触区域はできるだけ短くすべきである。
【００８７】
図４はこれ等の要件に、基本的に適合するコンタクトチップ５０の一例を示す。この特定のチップ５０はガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）のために設計されたものである。チップ５０に使用する消耗ワイヤは直径0.9 ｍｍである。チップ５０の全長はほぼ３８ｍｍであり、この全長は0.9 ｍｍのワイヤ用に設計された市販のコンタクトチップの全長である３５〜４０ｍｍの範囲内にある。しかし、チップ５０の形状は0.9 ｍｍ以外の直径のワイヤにも適する。チップ５０は通常のチップに直接交換できるように設計されている。
【００８８】
コンタクトチップ５０は円形横断面を有し、電極を通し得る孔５２を画成している。チップ５０は孔５２のそれぞれの部分を画成している各３つの部分を有する。第１部分５４はチップ５０の入口端５６から、その全長の小部分にわたって延在している。この第１部分５４はチップ５０の残りの部分より径が小さく、おねじ５７を有し、溶接トーチ（図示せず）のコンタクトチップホルダ（図示せず）内にチップ５０を螺着することができるようにしている。第１部分５４内では、孔５２は段付き孔になっていて、大径の入口端５８を設けており、この入口端から孔５２は截頭円錐テーパ部５９を有し、第１部分５４を越えると、小径の形状になっている。
【００８９】
チップ５０の第２部分６０は第１部分５４と一体に形成されている。例えば、約５ｍｍのテーパ部５９から短い距離にわたり、孔５２は第２部分６０によって画成された長さ、即ち範囲６１を有し、最小の直径を有する。範囲６１から、孔５２はチップ５０の第３部分６４によって画成された残りの長さ、即ち範囲６２を有する。第３部分６４は第２部分６０内の環状挿入部である。第２部分６０はチップ５０の端部６５から段付き孔が形成されており、第３部分６４を収容する。第２部分６０内に、第３部分６４は堅く嵌着されているか、又はセラミックペーストによって保持されている。
【００９０】
上述したように、チップ５０は全長約３８ｍｍで、直径0.9 ｍｍの消耗電極ワイヤに使用するように設計されている。そのような背景において、部分５４、及び６０はそれぞれ約１０ｍｍ、及び２８ｍｍの長さを有する。入口端５８に沿って、孔５２は約４ｍｍの直径を有し、長さ６１にわたり、1.0 ｍｍまで直径を減少し、0.9 ｍｍの消耗ワイヤに対し、0.1 ｍｍの間隙を生じている。長さ６２にわたり、孔５２は消耗ワイヤに対して、0.5 〜1.0 ｍｍの間隙を生ずる直径を有する。
【００９１】
コンタクトチップ５０の第１部分５４、及び第２部分６０は比較的導電率が高い金属から成る。第３部分６４は非金属の電気絶縁材料で造られる。第１部分５４、及び第２部分６０は硬引き銅、又は銅合金のような銅で造るのが好適である。第３部分６４はアルミナ、又は機械加工可能なセラミック材料のような耐火性電気絶縁性材料で造られる。しかし、他の導電性材料、及び絶縁材料も使用することができる。
【００９２】
孔５２の長さ６２の部分の直径は消耗ワイヤの直径より約0.5 〜1.0 ｍｍ大きい。間隙は厳密ではないが、溶接中に、ワイヤが動揺するのを避けるため、第３部分６４では、過大な間隙は推奨できない。嵌合があまりに密であると、消耗ワイヤとセラミックとの間に摩擦を生じ、消耗ワイヤの送り能力に悪影響を生ずる。また、第３部分６４は無孔性セラミックであるのが最も好適である。多孔性セラミックであると、化学的に結合して水を含み、及び／又は第３部分６４を保持するセラミックペーストから水を送出することがあり得ることがわかった。代案として、この銅製の管の端部を叩いて、即ち、かしめることによりセラミック挿入部を保持してもよい。
【００９３】
孔５２の入口端５８と、テーパ部５９とは孔５２の長さ６１、６２に通す消耗電極を案内する役割を果たす。チップ５０の第１部分５４は消耗電極に電気的に接触することでなく、案内の役割を果たすと共に、トーチのホルダ内にチップ５０を取り付けることができるようにすることである。このような接触は部分５４を越えてから、孔５２内で行われるのであり、電気的接触を行う目的のためには、孔５２の有効な入口端はテーパ部５９と、長さ、即ち範囲６１との間の接合部にある。
【００９４】
コンタクトチップ５０の重要な要旨は加圧点６６であり、これによりチップに入るワイヤは孔５２を画成している表面に押圧される。加圧点６６によって、チップの孔から、チップの良好に画成された区域内にあるワイヤまで電流を送ることができる。従って、前に述べたパラメータＬの値も明瞭である。この場合、パラメータＬの値はこの加圧点から、ワイヤの端部の溶接アークまでの距離である。
【００９５】
全てのコンタクトチップは溶接トーチ内のコンタクトチップホルダに組み合わせて使用するように設計されている。使用に当たり、チップはコンタクトチップホイルにねじ込まれ、チップの本体の後面がコンタクトチップホルダの相手面にしっかりと接触する。これにより、機械的な安定性が得られ、しかもコンタクトチップに発生する熱をコンタクトチップホルダに伝える通路を生ぜしめ、従って、空冷、又は水冷によって、トーチの本体からこの熱を次に除去する。ここに示すチップの大部分の設計に共通な一つの重要な特徴はチップ内の電流送給区域の位置である。予熱長さを最大にするため、電流送給区域は孔の有効入口端の付近に位置しているべきである。接触区域内に発生する熱、及びチップ内のワイヤに沿って伝導する熱を除去するのを助けるため、ここに示すチップ内の電流送給区域はねじ付き入口端におけるよりも、チップの本体内に位置しているのが好適である。これにより予熱長さは減少するが、その欠点は作動温度が低いこと、及びそれにより全体的に一層信頼性がある性能を発揮し得ることによって相殺される。
【００９６】
チップ内の加圧点は多数の方法で行うことができる。図４に示す加圧点６６はチップ５０の第２部分６０に孔５２の長さ６１まで半径方向の孔６７を穿孔することによって造られる。以前に詳細に説明したチップ５０の寸法について、半径方向の孔６７の適切な直径は約３ｍｍである。次にこの孔６７をねじ孔にし、止めねじ６８を挿入し得るようにする。止めねじ６８の目的はチップに入っているワイヤに当たっているねじ６８の先端にある少量の軟らかい耐火材料の圧縮プラグ６９に対するものであり、これによりワイヤを孔の長さ、即ち範囲６１の一側に押し付ける。プラグ６９の適切な材料の例はテフロン（登録商標）、グラファイトを付加したテフロン（登録商標）、及びグラファイトテープである。これ等の材料は高い温度で安定しており、十分に軟らかく、孔内のワイヤの形状に合致し、これにより、ワイヤとの軟らかい、低摩擦の、一般に連続する機械的な摺動接触を達成する。従って、加圧点に摩擦力を導入するにも拘らず、チップにワイヤを押すのに必要な送り力は過大なものにならず、即ちワイヤの送り能力に有害でない。
【００９７】
図４に説明した形状のチップが造られ、その性能は実験室のテストで評価された。基本的に同一の溶接条件（即ち電圧、ワイヤ送り速度）で作動する全体的に類似の寸法の通常の銅製チップに比較して、いかなる所定のワイヤ融解速度についても、電流、従って熱入力が減少することがわかった。図４に示すチップ５０のＬの値は通常の銅製チップの対応するＬの値よりも、相当大きな値である。ワイヤ内の電流は通常の銅製チップの電流よりも、一層長いワイヤを予熱する。ワイヤ融解速度の式を参照すれば、Ｌの有効値を増大することができれば、Ｗの所定の値について、このＷの値を維持するのに必要な電流が減少することは明らかである。更に、溶接ヒュームも相当減少する。ヒュームの減少はワイヤの送り能力の改善、及び電気アークの影響が減少したことによると思われる。Ｌの値が大きい程、ワイヤ内の電流による抵抗加熱の融解速度Ｗへの貢献度が大きくなる。極端に高い温度であることによって、特徴がある電気アークの役割は減少する。従って、ワイヤの端部から加工片に移動する金属滴の温度は同一のワイヤ融解速度で作動している通常の銅製チップの場合の対応する温度より低くなるものと期待される。従って、アークに露出しているワイヤの端部からの金属の蒸発は減少する。ワイヤの端部からの金属の蒸発がヒュームの顕著な原因であるから、所定のワイヤ融解速度Ｗについて、発生するヒュームの全量は減少する。ワイヤ送り能力の改善によって、発生するヒュームの更なる主要な減少がある。溶接スパッタも著しく減少する。スパッタのこの減少は一部は金属滴の温度の低下に起因しており、従って、消耗ワイヤの端部における溶解金属の流動性の減少に起因していると信じられている。更に、発生するいかなるスパッタも加工片に付着する傾向が少なくなるが、これはスパッタの金属滴の温度が低下するにつれて、液状金属滴と比較的低温の加工片との間の結合の可能性が減少するためである。
【００９８】
図４に示したチップの作動に関し注目される特性がある。これはトーチ内のワイヤの次の試験によって確認された。溶接パス、即ち溶接の進行方向に行う１回の溶接操作の終点で、溶接電流を切り、或る長さのワイヤ（通常１ｍ）をトーチの端部でトーチに通して送る。送られるワイヤの長さに沿って、任意の位置で、ワイヤの表面に変色を生じているのが観察されており、これは送りロールと、コンタクトチップとの間のトーチの領域で、即ちワイヤがチップに入る前に生じたアーク放電により変色したものである。このアーク放電は検査に先行する直前の溶接作業中、生じていた。ここで、トーチ内のワイヤは密接する巻回が螺旋状に巻かれている通常、鋼のライナによって案内される。このライナは溶接機内の送りロールから、コンタクトチップまで延びており、一般にチップに接触している。
【００９９】
コンタクトチップ内のワイヤがチップの孔に接触していない時、短い瞬時（恐らく、数千分の１秒、又はそれ以下）の間の先行する溶接作業中に、アーク放電が発生していたと結論付けられた。このような接触の不具合はワイヤの直径が局部的に変化していること、ワイヤの表面に酸化物が付着していること、及びチップ内で、ワイヤが側方に移動することに起因する可能性がある。これ等の短い瞬時の間に、チップ内の電気回路が開くことがあった時、チップの外側で、他の高い抵抗の回路を生じる可能性があり、この回路に、これ等の回路を完成させる一時的な電気アークを形成すると考えられる。これ等の好ましくない電流路の一例は電源の出力端から、コンタクトチップへ、コンタクトチップの先のワイヤライナへ、次にチップ内のワイヤを経て、チップを越えて出て、チップの先方に進んでいるワイヤの部分へ、更に、溶接アークに達し、加工片で終わる。結局、このような間欠的なアーク放電はライナを破壊する。また、トーチ内のワイヤ自身がライナに溶着すると、溶接が不完全に行われる。鋼のライナの代わりに、一種類のテフロン（登録商標）のような絶縁物で置き替えれば有利である。アーク放電は溶接回路内のどこかで発生し易いが、予測することができず、好ましくない結果を招く。図４のチップ５０を向上させる一層良好な対策は回路を開く状態を無くすることである。
【０１００】
図４に記載された形状のチップにより溶接を行っている間、金属移動は明らかに満足に行われるから、大部分の溶接時間にわたり、電流の移動はそれぞれのチップ内の加圧点で発生していたと結論することもできる。回路が開く状態を避ける一つの方法は第１加圧点に密接して、第２加圧点を設定することである。実際上、両方の接触点は大部分の時間、閉じられていると考えられる。これ等の接触点の一方が開いていると、電流の移動は他の接触点を通じて行われる。これ等の加圧点が隣接しているから、これ等の加圧点は基本的に同一の電位で作動しており、溶接アークは安定している。従って、電流の移動は連続的であり、ワイヤへの電流の供給に関連する過渡電圧、及び過渡電流が無くて、スパッタが実質的に減少する。既に述べた理由により、ヒュームの発生が減少する。要するに、両方の接触点が同時に開く可能性は省略できる程小さい。
【０１０１】
従って、２個の加圧点を有するチップ５０ａを構成し、図５に示す。これは図４のチップ５０とほぼ同一であるが、相違するのは２個の加圧点があることであり、対応する部分には同一の符号に「ａ」を付して示す。２個のねじ孔６７ａがあり、それぞれプラグ６９を有するねじ６８ａを螺着する。図５に示すチップ５０ａの作動は通常の銅製チップより優れていることがわかった。チップに入る前のトーチ内のワイヤに、アーク放電を生ずる徴候はない。溶接中、アークの長さは安定していた。図５に示す本発明を開発中に、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）に関する新たな原理が確立された。摺動する電気接触に関し、基本的に同一の電位で作動する２個（又はそれ以上の個数）の電流送給点で、電流を供給することにより、最適な電流の移送を達成することができる。これ等の電流送給点を電気スイッチに相当するものと考えれば、両方が同時に開く可能性を無視してもよいように、常時閉じた状態、即ち常閉状態で機能するよう、これ等のスイッチを設計すれば、最適の性能を達成することができる。これ等のスイッチを同一の電位で作動するように設計すれば、両方のスイッチが閉じた状態で、これ等スイッチに依存する外部回路の性能はこの対をなすスイッチの一方のみが閉じている状態での性能と区別することができない。従って、この外部回路は接触部の一つにおける電流の移送での短い時間での変化に関連する一時的な変化を受けにくい。観察される他の過渡的現象はプロセスに対する固有のものである。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）の場合には、金属滴の移動は逃れられない過渡的現象を起こすが、金属滴の移動は基本的に理想的な状態下でも発生し、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）の真の能力を実現することができる。
【０１０２】
有効に同一の電位で作動する２つの電流送給点を使用することに関連する付加的な顕著な利点がある。この利点は電極のバーンバック現象、即ちワイヤがコンタクトチップに焼き付く現象に関係がある。安定した作動条件下では、アークの長さは通常、コンタクトチップの端部と、加工片との間の距離の半分以下である。例えば、ワイヤの直径の局部的な変化に起因して、ワイヤとチップとの間の電気的接触抵抗が増大すると、一定の電圧の条件の許でも、ワイヤの電流は減少する。このことはワイヤの融解速度の急激な減少を招き、対応してアーク長さが増大する。或る条件下では、アーク長さはコンタクトチップの端部と、加工片との間の解離距離を越えることが起こり得る。電極はチップの内側で、バーンバックを起こすと言われており、電極がチップに溶着し、又はチップの孔に楔着するかも知れない。通常、チップの損傷は修理不可能である。２個、又はそれ以上の個数の加圧点を使用すればワイヤと、チップとの間の間欠的な高い電気的接触抵抗から生ずるバーンバックの可能性を減らす。これは両方の接触点が同時に、高い抵抗を有することは起こりにくいからである。
【０１０３】
図４に示すチップと、図５に示すチップとの間には他の重要な相違がある。図４では、電流は約５ｍｍの銅の孔の長さ、即ちチップ５０の孔５２の長さ、即ち範囲６１にわたり、消耗ワイヤに電流を移送する。セラミック挿入部の長さは約２３ｍｍであり、それ故、チップの内側のワイヤ予熱長さの下限は２３ｍｍである。図５においては、挿入部６４ａは図４の挿入部６４より約５ｍｍ短い。従って、電流は銅の大きな割合を占める孔の長さ、即ち範囲６１ａである１０ｍｍの部分にわたり、消耗ワイヤに移送される。それ故、チップの内側で予熱されるワイヤの長さについての下限は１８ｍｍである。電流が送給される孔の長さが長くなればなる程、全体のチップの長さが一方に保たれていれば、チップ内でのワイヤ予熱長さは一層短くなることは明らかである。電流送給区域は摩耗し易く、狭い電流接触区域は広い電流接触区域より一層早い速度で摩耗すると仮定することには理由がある。従って、所定のワイヤ融解速度での電流の減少によって評価される性能と、チップの寿命との間にバランスがある。一般的なガイドラインとして、電流の接触長さをチップの全長のかなりの部分にすることは望ましくないと考えられる。これに関して、更に重要な考慮が存在する。生産性の最も重要な対策の一つはワイヤ送り速度である。接触面積はチップに通るワイヤの平滑な通過に対する障害を意味している。接触面積が一層狭ければ、この障害は一層小さくなり、従って、最大作動ワイヤ送り速度は一層高くなる。図５に示すチップは図１に示すチップに比較し、比較的小さい接触面積を有する。図５に示すチップは２０ｍ／分のワイヤ送り速度で確実に作動させることができる。これは直径0.9 ｍｍの消耗ワイヤについて、製造業者の推薦以上に好調である。
【０１０４】
金属孔の第１部分で、この孔を画成する材料と電極が軽い摺動接触するように加圧点を構成する手段は種々の形状にすることができる。図３の特定の例では、電極は軽く摺動接触するように弾性的に押圧されている。この構成では、孔の第１部分に対し横方向に延び、この孔の第１部分に連通している通路をコンタクトチップの本体が画成している。この通路は接触部材とばねとを収容しており、このばねは電極に掛合させるため、孔内に接触部材を強制的に押圧するように作用している。このばねは、この通路から遠い孔の側面に電極が軽く摺動接触するように、接触部材を介して、電極を押圧している。このばね負荷接触の利点はワイヤの寸法の広い範囲に応じられるように、１個のチップを設計し得ることである。例えば0.9 ｍｍ〜1.2 ｍｍの範囲の直径のワイヤに機能し得るように１個のチップを設計することができる。
【０１０５】
ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）の消耗ワイヤは２つの形式のパッケージで供給される。最も普通のパッケージは通常、約１５kgの容量のコンパクトスプールである。このワイヤはスプールに巻き付ける際、生ずる変形に関連する固有の曲率を有する。この曲率は２つのパラメータによって特徴付けられる。一つは電極のキャストと称するもので、スプールから巻きほぐされる拘束されていないワイヤの１個のループの直径である。他のパラメータは螺旋と称するもので、ワイヤの単一ループの端部がループの始まりから、上方にある垂直距離である。第２の形式のパッケージは可搬式厚紙ドラムに、コンパクトに巻いて収容されたワイヤの少なくとも３００kgを保持する容量を有する「オートパック」と称するものである。
【０１０６】
いずれの形式のパッケージでも、パッケージから供給されるワイヤの曲率はワイヤをコンタクトチップの材料内に、入り込ませるように作用する。このことはチップ内での確実な電気的接触を生ずるのを助けることができる。しかし、このことはまたコンタクトチップの摩耗を生じ、最終的には性能が低下する。図４、及び図５に示した形状のチップに関し、加圧点（単数、又は複数）の最適な角度的な位置はワイヤがチップに通る際のワイヤの凸状の曲率に合致することである。
【０１０７】
図４、及び図５に示す加圧点を使用することはチップに通るワイヤの移動に対する機械的な制約が導入されることを意味する。しかし、２つの平素閉じている電流接触点を供給する原理の異なる提供によって、チップに通るワイヤの移動を直接制限すること無く、図５に示す形状のチップから得られるような同一の形式の性能を再現することが可能であることを我々は発見した。
【０１０８】
図６はこの例を提供するそのようなコンタクトチップの一例を示す。図４のコンタクトチップ５０の構成部分に対応する構成部分を同一の符号に「ｂ」を付加して示す。チップ５０ｂは直径0.9 ｍｍのワイヤ用に設計されているが、ここで採用される設計原理は直径0.9 ｍｍのワイヤに限定されない。チップ５０ｂは部分５４ｂ、及び６０ｂを画成する本体を有し、この本体はこの特定の例では、クロム、及びジルコニウムを含む銅合金で造られている。部分５４ｂはテーパ円錐案内部５９ｂを画成していて、孔５２ｂ内へのワイヤの平滑な進入を容易にしている。また、本体は孔５２ｂの短い入口の長さ、即ち範囲６１ｂを画成する。部分６４ｂは２個の挿入部を有し、これ等の挿入部は孔５２ｂの長さ、即ち範囲６２ｂを共に画成している。第１挿入部７０は微細な粒子の押し出されたグラファイトが好適なグラファイト製であり、孔５２ｂの第１部分の長さ、即ち範囲６２ｂを画成している。第２挿入部は耐火性接着剤で銅合金本体の内側に接着されたアルミナのような細長いセラミック管７２である。セラミック管７２はチップから出るワイヤのための案内として作用し、コンタクトチップ５０ｂの出口端６５ｂを画成している。
【０１０９】
銅のような金属の膨張係数は一般に、セラミック材料の膨張係数より大きい。一層高いチップの作動温度である用途においては、セラミック管７２から成る挿入部は銅製の本体内で、緩む可能性がある。管７２が移動するのを防止するため、銅製本体の端部６５ｂにおいて、管７２をかしめることにより、挿入部が抜け出すのを防止する。代案として、挿入部におねじを設け、この挿入部を受け入れるように変更した銅製の本体内に挿入部をねじ込む。
【０１１０】
溶接中、円錐入口部５４ｂを通じて、ワイヤをチップ５０ｂに入れ、銅合金本体内の孔５２ｂの入口端部６１ｂで、このワイヤをチップ５０ｂに、第１の抵抗が低い接触を行わせる。孔の部分６１ｂの直径は約1.05 ｍｍであり、従って、ワイヤと孔の部分６１ｂとの間の間隙は約0.15ｍｍである。これはワイヤをチップ５０ｂの孔５２ｂ内に、平滑に通すのに十分である。第２の抵抗が低い接触区域はグラファイト製挿入部７０内の孔の部分６２ｂの始めのところである。グラファイトは銅より軟らかいから、ワイヤ自身がグラファイト製の挿入部の孔の部分６２ｂ内に入り込み、第２電流接触部を生ずるが、この第２電流接触部は平素、閉じた接触部、即ち常閉接点に相当すると考えられる。グラファイト製挿入部７０の孔の部分６２ｂはその直径が約0.95ｍｍ、即ち、銅製の本体内の孔の部分６１ｂより約0.1ｍｍ小さく、プロセスを行っている間、ワイヤがグラファイトに入り込むのを許容する。新たなチップ５０ｂの場合、第１回の溶接が開始された殆ど直後に、この入り込みが発生するが、この入り込みは最初に、即ち、次の使用に当たり、性能をあまり損なうことはない。グラファイト製挿入部７０の孔の部分６２ｂの直径はグラファイト内にワイヤが緊密に嵌合しないよう0.95ｍｍよりあまり小さくしていない。上に詳述したように、図６のチップの構造に使用する形式のグラファイトのような比較的導電性が低い場合でもその半径方向の電気抵抗は極端に小さい。ワイヤと、グラファイト製挿入部７０内の孔５２ｂとの間の緊密な嵌合はグラファイト製の挿入部７０をしてワイヤの電流を短絡させ、グラファイト製の挿入部により、予熱長さＬを減少させ、グラファイト挿入部から出るワイヤの電圧を変化させる。更に、これによりアーク電圧、及びアーク長さを不安定にし、最終的に溶接に欠陥を生ぜしめる。
【０１１１】
挿入部７０と、銅合金の本体の部分６０ｂとの間が締りばめになるように、グラファイト製挿入部７０の外径を定める。組み立て中、挿入部７０の外面に加えた導電性グリースを具えた銅の薄いフィルムを使用することによって、グラファイト製の挿入部７０と、銅合金製本体部６０ｂとの間の電気的接触を更に向上させる。また、このグリースは複合チップ５０ｂの組立てを容易にしている。グラファイト製挿入部７０と、銅合金製本体部６０ｂとの間が良好に、電気的に接触しているから、２つの電流送給点、即ち、孔の部分６１ｂの始めのところの第１の点、及び孔の部分６２ｂの始めのところの第２の点の電位は基本的に同一である。図６のグラファイト製挿入部７０の長さは通常、１１ｍｍ〜１３ｍｍの範囲にあり、グラファイト製挿入部７０の長さは通常、１１ｍｍ〜１３ｍｍであり、グラファイト内の入口点から相当離れた他の位置において、ワイヤがグラファイトに入り込む可能性を減少させている。この長さは実験により決定されており、良好な電気的接触が得られるよう、しかもチップの組立中に、取扱いが容易なように十分長い。挿入部の長さの実際の下限は約５ｍｍである。この対策の組合せによって、基本的に同一の電位で作動する２個の常閉電流接点に相当する接触部を確立することができる。従って、溶接中のチップ５０ｂの性能は図５に示すチップ５０ａの性能に匹敵するものであり、所定のワイヤ融解速度のための電流に関しては通常の銅製チップより優れている。スパッタは最少であり、ヒュームの発生は著しく減少している。
【０１１２】
以前に示したように、チップ５０ｂはグラファイト製挿入部７０の長さを限定していて、１箇所より多い箇所で、ワイヤがグラファイトに入り込むのを防止している。プロセス中、ワイヤがグラファイトに入り込むのはワイヤの剛さによって定まる。剛さを決定する重要な変数の１つはワイヤの直径であり、直径が大きくなれば、剛さも大きくなる。1.6 ｍｍより直径が小さいワイヤの場合には、１箇所より多い箇所ではワイヤはグラファイトに弱く入り込む傾向がある。グラファイト製挿入部内の電流送給点は一位置から他の位置に変化するから、チップから出るワイヤの電流、及び電位は共に変化する。従って、アーク長さは不安定になり、ワイヤ融解速度は変化する。これにより溶着部に欠陥を生ずる。従って、グラファイト挿入部内に多数の電流接触点を生ずる可能性を無くするため、このようなワイヤのためのグラファイト製挿入部の長さを制限することが非常に望ましい。
【０１１３】
溶接用チップの重要な性能を表示するものの一つはチップの寿命である。図６のチップ５０ｂが正しく機能している間、消耗ワイヤはチップ５０ｂの孔の部分６１ｂ内の銅の短い部分（この場合、約４ｍｍ）にわたり摺動し、次にグラファイト製挿入部７０と、銅製の本体の部分５４ｂ内の孔の部分６１ｂの端部との間の接合部に隣接するグラファイトの領域上に摺動する。消耗ワイヤと、銅製の孔の部分６１ｂ、及びグラファイト挿入部７０のそれぞれとの間には摺動摩擦が存在する。グラファイトは銅よりも一層早く摩耗するが、銅とグラファイトとの組合せの全体としての摩耗速度は銅の摩耗速度で制御される。最終的には、チップ５０ｂの孔５２ｂへの入口は楕円形になり、ワイヤとチップの部分５４ｂにおける銅本体との間の電気的接触は機械的、及び電気的に不安定になる。有効電流送給区域はグラファイトと銅との間の接合部から、グラファイト製挿入部７０内の領域まで動くことが起こり得る。実際上、ワイヤ予熱長さは減少し、従って、特定のワイヤ融解速度を維持するのに必要な電流は増大する。従って、このことはチップの性能の劣化のサインである。たとえ、瞬時でも、回路状態が開く可能性が増大するから、スパッタのレベルも増大する。
【０１１４】
図６に示す形式のチップについて、約３時間の寿命が可能である。ここに、寿命の語は「アークオンタイム」、即ちアーク溶接が進行する時間を表すように使用する。寿命試験に適用する溶接条件は銅をコーティングした直径0.9 ｍｍの鋼ワイヤについて、約１４ｍ／分のワイヤ融解速度、電流１６５Ａ、電圧約３０Ｖであった。ロボットトーチに組み合わせて、パルス電源を使用した。これは自動車の用途におけるロボット溶接に該当する条件にシミュレートしたものである。
【０１１５】
寿命試験は0.9 ｍｍの消耗ワイヤの送り速度範囲の上限で実施したが、この複合チップは毎分２ｍ程度の遅いワイヤ送り速度で、異例の安定性を示すことに注目することが重要である。これ等のワイヤ送り速度は浸漬移動に合致しており、特に薄い金属シートの溶接に特に重要である。改善されたワイヤの送り能力、通常の技術におけるよりも減少した作動電流、溶落ちの危険の減少、及びスパッタの減少の組合せはこのチップの作動の重要な特徴である。
【０１１６】
図６のチップ内のグラファイト製挿入部は付加的な目的にも役立つ。電極がチップ内でバーンバックを生じた場合には、セラミック製挿入部内で、そうでなければグラファイト製挿入部内で、ワイヤの端部の液状金属が凝固するかも知れない。凝固した金属はグラファイト製挿入部に結合しそうもなく、チップの機能は復帰し、チップの外に電極を押し出す。通常の銅製チップであると、バーンバックの発生は通常、チップの孔に修復できない損傷を引き起し、電極の端部はチップの孔に恒久的に溶着する。
【０１１７】
コンタクトチップのこれ等の設計原理を検証すれば、噴霧移動において、早い被着速度になるようにチップを特別に設計することが可能である。簡明のため、しかも一般性を失うことなく、非パルス、即ちパルス電流によらないガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）が考えられる。浸漬移動、及び噴霧移動の機構は前に一層詳細に説明している。しかし、簡単に言えば、噴霧移動は液状の金属滴がワイヤの端部からアークを経て、加工片に向け離れることによって特徴付けられる。ワイヤの端部は溶着ビードに接触しない。チップの銅合金製本体内のセラミック案内管の長さを増大することによって、少ない電流で早い被着速度に達する。
【０１１８】
図７、及び図８は予熱長さＬを増大するようにして造ったそれぞれのチップ５０ｃ、及び５０ｄの例を示す。チップ５０ｃ、及び５０ｄにおいては、図４のチップ５０の構成部分に対応する構成部分にそれぞれ「ｃ」、及び「ｄ」を付して示す。これ等のチップについては、３５〜４０ｍｍの全チップ長さの制限は除去している。図７に示すようなチップ５０ｃの性能は実験によって確かめられている。この構造は図６の説明から明らかである。それは材料は同一であり、主要な相違は縦方向の寸法のみであるからである。従って、チップ５０ｃは全長６８ｍｍ、グラファイト製挿入部７０ｃの長さは約１３ｍｍであり、セラミック製挿入部７２ｃの長さは４４ｍｍである。銅合金、グラファイト、及びセラミックによって画成された順次の部分にわたる孔５２の直径は図６のチップ５０ｂに詳細に示した通りである。チップ５０ｃも直径0.9 ｍｍのワイヤに使用するように造られている。
【０１１９】
鋼をコーティングした直径0.9 ｍｍのワイヤに使用するチップ５０ｃの場合、１２０Ａの少ない電流で、約16.5 ｍ／分のワイヤ融解速度に達している。16.5ｍ／分のワイヤ送り速度は大部分の市販されている通常の機械の最高送り速度に既に達している。通常の銅製チップの場合、16.5ｍ／分のワイヤ融解速度は実際的でない。それは、このようなワイヤ融解速度を達成するのに必要な電流はこのような消耗ワイヤでの推薦される最大電流より多いからである。
【０１２０】
この段階で、電極延長を増大するための実際上の上限がどのような値なのか知られていない。この問題は電流源での本来の制約によって、複雑化されている。特に１００ｍｍのオーダの延長されたワイヤ予熱長さには一般に入手できるものよりも、一層高い作動電圧を必要とし、従って、計画された非常に早いワイヤ融解速度を達成するためには、対応する電源を有する新たな高速ワイヤ送りユニットを確保しなければならないことが予測される。それにも拘らず、図８に示すチップ５０ｄが構成された。チップ５０ｄの構造も図６から明らかである。この場合、チップ５０ｄは全長１１２ｍｍ、グラファイト製挿入部７０ｄの長さは１３ｃｍ、セラミック製挿入部７２ｄの長さは８８ｍｍである。ここでも、孔５２ｄの順次の部分の直径は図６のチップ５０ｂについて、詳述した通りである。有効予熱長さは約１００ｍｍであり、ワイヤの端部は非常に軟らかになり、溶接中、均一に送るのが困難である。溶着の質は一貫せず、現存する電源の技術を考慮すれば、１００ｍｍの予熱長さは直径0.9 ｍｍのワイヤの実際の上限であると考えられる。それにも拘らず、図７、及び図８に示すチップについての実験は１００ｍｍのオーダの予熱長さは1.2 ｍｍより太い直径のワイヤについて実行可能であることを示した。
【０１２１】
通常の銅製チップのための電極延長部を増大するため、セラミック製延長片を造ったことは高く評価される。しかし、通常の銅製チップ、及び溶接ワイヤの予熱長さの軟化に関連して、送り能力が比較的悪いことはここで得られた利点を実現することを妨げている。
【０１２２】
図７、及び図８に示すチップ５０ｃ、及び５０ｄは銅合金製本体、グラファイト製挿入部、及びセラミック製案内管から成る複合チップであるが、２個の加圧点に基づく長いチップを製造するのに、図５のチップ５０ａに関し、説明したような設計原理を適用することができる。金属製の本体は銅合金にする必要がないと理解することは重要である。鋼は容認することができる。鋼の使用についての主要な但し書きは耐火性エナメルコーティングをチップの外面に加え、スパッタの付着を最小にすることである。
【０１２３】
２個以上の個数の加圧点を使用することを理解することも重要である。直径３ｍｍ、又はそれ以上の非常に強いワイヤの場合、孔の軸線に沿って、密接離間する３個の加圧点を設け、１２０度の間隔で、半径方向にずらすのが有利である。このようにして、３個の加圧点のうちの２個が常に、消耗ワイヤに接触していることが期待される。
【０１２４】
現在入手できる機械において、ワイヤ送り速度に制限を与え、一層早い被着速度を達成するためには、0.9 ｍｍより直径が大きい消耗ワイヤを使用することが必要である。同一の設計原理を適用し、重要な設計ガイドラインとして、グラファイト製挿入部の長さを制限し、ワイヤが２箇所の区別できる区域でグラファイト内に入り込むのを防止する。ワイヤの強さはその直径によって定まる。直径が増大すれば、強さも増大する。強さが増大した場合、コンタクトチップの摩耗速度が増大する。図６に示す形式のコンタクトチップについて、制御摩耗機構はチップの入口における銅の摩耗速度である。図６に示すような例えば４ｍｍから約１０ｍｍまで、銅入口長さを増大することによって、チップの寿命は増大するかも知れない。銅の長さが一層長いことは消耗ワイヤの曲率によって生ずる負荷を分散させ、従って、銅接触区域の摩耗速度を減少させる。銅接触長さを増大する不利益はワイヤが１点より多い接触点で良好に接触する時はいつでも、銅入口長さにわたるワイヤの摺動における短絡が導入されることである。これにより銅は浸食され、ワイヤと孔の銅の一部との付着に起因して、送り能力が減少する。他の不利益はチップ内の予熱されるワイヤの長さが減少することである。
【０１２５】
接触入口長さを過度に増大することの実際的な代案はチップの入口に材料の異なる組合せを使用することである。図９は早いワイヤ送り速度で直径1.2 ｍｍの消耗ワイヤを使用することを成功裏に試みた一例を示す。図９には、コンタクトチップ５０ｅを示し、図４のチップ５０の構成部分に対応する構成部分には「ｅ」を付して示した。チップ５０ｅの本体は部分５４ｅ、６０ｅを画成しており、主に銅から成る。しかし、部分５４ｅは銅製の本体内に挿入部７４を有する。挿入部７４は環状で、焼結タングステンから成る。挿入部７４はテーパ部５９ｅを画成しており、孔５２ｅの孔の範囲６１ｅの３ｍｍ長さの入口部を画成している。タングステン製挿入部７４の外径は部分５４ｅの銅の部分の凹所よりも約0.05ｍｍ大きく、この挿入部７４はチップの組立中、銅の本体内に圧入される。このタングステン挿入部は消耗電極による摺動摩耗に対するタングステンの抵抗の故に、タングステンが選択され、２つの電流送給構成部分の第１の部分となる。このタングステン製挿入部７４に直ぐ続いて、銅によって画成された８ｍｍの孔の範囲６１ｅがある。タングステンに比較し、銅は摺動摩耗に対する抵抗が低く、この構成では実際上、図６に示す形式のチップに示すグラファイト製挿入部に替えてある。チップの部分６４ｅは長さ１８ｍｍの機械加工可能なセラミック製挿入部である。直径1.2 ｍｍのワイヤについては、タングステン製挿入部７４内の孔の範囲６１ｅの部分の直径は約1.3 ｍｍ、銅の孔の範囲６１ｅの部分の直径は約1.25ｍｍであり、セラミック製挿入部６４ｅの孔の範囲６２ｅの直径は約2.0 ｍｍである。ワイヤがこのチップに入ると、ワイヤはタングステン製挿入部７４を摺動し、ワイヤはそれ自身、銅に入り込み、次にセラミック製部分６４ｅを経て、チップの外に案内される。孔の導入部の段歩的な直径の変化は僅かではあるが、重要である。この段、即ち直径の差は十分大きく、段の部分に、又は段を越えると、銅に、適切に画成された接触区域を確立している。その精密な位置はワイヤと孔との間の間隙、ワイヤの剛さ、及びワイヤの曲率によって定まる。バックアップ電流送給区域はこの段に隣接する領域内のタングステン製挿入部である。両方の電流送給区域は基本的に同一の電位で作動し、回路が開く状態はありそうもない。予熱長さは良好に画成されており、ワイヤ融解速度は均一である。ワイヤの平滑な通過への障害は小さく、従って、早いワイヤ送り速度は達成可能である。この形式のチップの寿命はタングステンの摩耗速度によって制御される。非パルスガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、及び約１５ｍ／分のワイヤ送り速度の場合、上記の融解速度を維持するのに必要な電流は３４Ｖの電圧を加えて、約２９０Ａである。同一のワイヤ送り速度で、通常の銅製チップの場合、必要な電流は約４００Ａである。この高いワイヤ送り速度でも、チップの寿命は約２時間である。タングステンは機械加工が困難であり、比較的高価であり、従って、挿入部７４はできるだけ最終寸法に近くなるように焼結される。他の実行可能な代案は硬化可能な炭素鋼、シルバースチール、白銑、及びニッケル、及びコバルトをベースとする硬化肉盛合金である。一つの工具鋼、即ちシルバースチールは使用して有効であり、便利であることがわかった。これは１％炭素の工具鋼であって、精密許容差になるように、無心研削されて供給される。機械加工が可能であり、機械加工後、熱処理によって、実質的に硬化される。これは本来の供給条件、及び熱処理条件の両方でタングステンに代わるものとして、成功裏に使用されている。
【０１２６】
図９で説明したように、タングステンと銅との組合せへの他の選択肢は軟鋼の本体内に、シルバースチールの挿入部を設けることである。これは本体と挿入部との間の熱膨張係数間が良好に適合する。
【０１２７】
高いワイヤ送り速度の場合、銅コーティング鋼の消耗ワイヤと銅製チップとの間では激しい付着摩耗を生ずる証拠がある。チップ内の環境は基本的に化学的に不活性であるから、酸化被膜を銅の孔、及びワイヤ自身の露出した部分に形成するのは困難である。表面酸化被膜が無いと、銅は銅に結合し、ワイヤがチップを通じて、押されると、早く摩耗する。銅に対する実行可能な代案はねずみ鋳鉄である。ねずみ鋳鉄内のグラファイトはこの合金が自己潤滑性であることを確実にしている。ねずみ鋳鉄の或る等級のものは機械加工性であるが、ねずみ鋳鉄のコンタクトチップ本体は脆性で、例えば、緊密な嵌合（締りばめが好適である）で、タングステン製挿入部を挿入する操作の間、引張り応力を受けるとクラックを発生する傾向がある。それにも拘らず、複合チップ内の銅接触区域に代わり、挿入部として、ねずみ鋳鉄は使用することができる。このような組合せの例としては、熱処理シルバースチールの挿入部を有する銅本体から成るチップがあり、挿入体としては、次にねずみ鋳鉄、更に、機械加工可能なセラミックがある。
【０１２８】
図１０は図９のチップ５０ｅに類似するチップを示し、この場合、図４の符号に「ｆ」を付して示す。図１０のチップ５０ｆでは、挿入部７８は銅の代わりに鋳鉄であり、挿入部７６はシルバースチールであると共に、部分６４ｆは再び機械加工可能なセラミック製の挿入部を有する。機械加工後、挿入部７８を熱処理し、硬さと耐摩耗性を増大する。
【０１２９】
導電挿入部と、チップの金属本体との間の電気的接触抵抗は最小でなければならないことは重要である。例えば１ミリΩの接触抵抗と、３００Ａの電流とに対して、接触区域における抵抗加熱は９０Ｗと高い。この結果、チップの過剰な加熱は性能を低下させ、寿命を減少させる。従って、挿入部とチップの金属本体との間の嵌合はできるだけ緊密（好ましくは締りばめ）であること、及び導電性ペーストを使用して、挿入部の外面と、金属本体の相手内面との間の空隙を充たすことが推奨される。図１０のチップ５０ｆの場合のように、１個の挿入部以上に多い挿入部を使用する場合はこのことは特に厳密である。導電ペーストの代わりになるのは、導電挿入部をチップの金属本体内にろう付け、又ははんだ付けすることであり、これによりチップの本体と、導電挿入部との間のいかなる電気抵抗も非常に低くなる。与えられたこれ等の例は直径1.2 ｍｍの消耗ワイヤに加えられるが、これ等の例は1.2 ｍｍより大きい、又は小さい直径の消耗ワイヤに容易に適用することができる。第１の要件は良好に画成されたコンパクトな電流送給区域を確立することであり、開放回路状態の可能性を最少にするように行うことである。この後者の要件は加圧点を使用することによって達成することができる。また、対をなす導電材料の適切な組合せを選択することによって、そのような対をなす一方の部材が摺動摩耗に対して抵抗が大きく、他方の部材が摺動部材に対して、比較的抵抗が小さいようにしても達成することができる。比較的摩耗し易い材料にワイヤを入り込ませ、全体の摩耗速度、従って、寿命を耐摩耗性材料の性質によって制御することにより、適正な電気的接触を達成し、維持することができる。導電領域が単一の材料から造られている孔の直径に、段歩的変化を使用することによっても、開放回路の可能性を減らすことができる。この場合、ワイヤは段がある材料内に入り込み、それにより、孔の導電部材内の他の可能性ある電流路に対して、相対的に低い抵抗の良好に画成された電流路を達成する。
【０１３０】
例えばトーチの垂直下方の方向に下向きに溶接することが必要な産業上の立場においては、溶接スパッタは避けられない。これは消耗ワイヤから加工片への電流の連続する流れは溶融池の下方への流れによって、一層悪くなる。従って、スパッタが生じ、スパッタはチップの銅本体に付着し、またセラミック製挿入体の露出表面に付着する。最終的に、スパッタの形成はチップから出るワイヤからチップの銅製本体まで連続する電気路を形成する。このことはチップの性能を顕著に悪化させる。従って、高温エンジンエナメルのような耐火性エナメル材料をチップの本体の外面にコーティングすることによって、スパッタの付着を減少させ、チップから出るワイヤをチップの本体に接続する電気路が形成されるのを防止して、チップの性能、及び寿命を向上させる。エンジンエナメルをコーティングすることの代わりに、アルミナのような電気絶縁性耐火材料をチップの本体の外面に噴霧することである。他の代案は溶融スパッタはニッケルコーティングに対して付着するのが弱いから、チップの本体の外面をニッケルめっきすることである。
【０１３１】
スパッタの形成の問題は他の方法でも対処することができる。図１１は図４のチップ５０の構成部分に対応する構成部分を有するチップ５０ｇを示し、同一の符号に「ｇ」を付して示す。チップ５０ｇは図４〜図１０に予め示したチップの設計の変更部を有する。これ等の変更は図４〜図１０に示したチップのそれぞれの変更に匹敵するものである。実際上、セラミック製キャップ８０をこの変更したチップ５０ｇの出口端６５ｇにおいて、銅製本体にねじ込み、孔５２ｇからチップの本体に、スパッタの連続する形成を防止する。この形式のキャップ８０のための好適な材料は丈夫で、蜜実なセラミック材料である。このキャップ８０は部分６４ｇを具えるセラミック製挿入部の端部の浸食摩耗を減らす。この浸食摩耗はアークからの強い輻射に露出されることと、スパッタの粒子からの衝撃とに起因する。図１１に示す変形では、チップ５０ｇの部分６４ｇを具えるセラミック製挿入部は符号８２に示すように、銅製本体の出口端を越えて、僅かに突出している。突出部８２はセラミック製キャップ８０の内面と、コンタクトチップ内の部分６４ｇの端部との間に、浸食プロセスに起因する間隙の形成を防止する。間隙が無いと、孔の中のワイヤから、チップの本体まで延びる凝縮したスパッタ粒子の連続する電気路を生ずることが不可能である。セラミック製キャップ８０内の孔８４の直径は消耗ワイヤの直径より一層大きい0.5 〜1.0 ｍｍの範囲にあり、従って、部分６４ｇから成るセラミック製挿入部内の孔の部分６２ｇの直径より小さいか、又は等しい。
【０１３２】
消耗ワイヤと、セラミックキャップとの間のこの範囲の下限である間隙のため、セラミック製キャップ８０は例えばワイヤ送り速度の不安定から生ずるバーンバックの防止に役立つ。ワイヤ送り速度が瞬間的に減少している間に電極のバーンバックが生ずるから、電極の端部における融解金属はセラミック製キャップ８０内の孔８４の短い長さの中で、凝固すると予想される。チップ５０ｆはも早、機能しないから、溶接は停止してしまう。しかし、キャップ８０を新しいキャップと交換することによって、チップ５０ｆは容易に修理され、溶接作業は再開される。
【０１３３】
比較的短いチップに関して、セラミック製キャップは付加的な変更を行うことができる。これはセラミック製挿入部を省略することであり、スパッタに対して保護を行うためと、チップから出るワイヤの案内として役立たせるため、このキャップを使用することである。
【０１３４】
図３〜図１１のコンタクトチップについての上述の概略を述べた原理は主にガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）のコンタクトチップに関する。しかし、この原理はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）にも適用することができる。図１２はサブマージアーク溶接に適するチップ１５０の一例を示す。チップ１５０は直径3.2 ｍｍのワイヤに使用するように設計されている。ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）のためとして、チップ１５０は熱入力の相当な減少が測定されている。５００Ａで作動する対応する銅製チップについて、チップ１５０に対応する実験用チップによって、同一のワイヤ送り速度のための電流は約３００Ａであった。
【０１３５】
更に、図１２において、図４のチップ５０の部分に対応するチップ１５０の部分には同一の符号に１００をプラスして示す。図面に示すように、チップ１５０は銅合金の本体５１を有し、この本体の入口端のねじ部１５４と、本体部１６０とを有する。ねじ部１５４は符号１５７で示すおねじを有し、案内テーパ部１５９を画成しており、このテーパ部は孔１５２に達している。しかし、この例では孔１５２の入口端部は部分１５４内に画成されている。
【０１３６】
図面に示すように、チップ１５０の本体５１は段付き孔５３を有し、この段付き孔は端部１６５から始まり、部分１６０の全長に沿って延び、部分１５４内に短い距離だけ延びている。また、チップ１５０は管状グラファイト製挿入部５５ａと、管状セラミック製挿入部５５ｂとから成る２個の部分から構成された部分１６４を有する。図面に示すように、挿入部５５ａは挿入部５５ｂより短く、部分１６４の全体は本体５１内の端ぐり孔５３の長さより僅かに短い。部分１６４は段付き孔５３内に完全に収容されており、この段付き孔の端部はその中に設けたセラミックセメント製の円筒スリーブ６３を有する。従って、全体にわたって、テーパ１５９から端部１６５まで、孔１５２は銅合金の部分１５４、グラファイト製挿入部５５ａ、セラミック製挿入部５５ｂ、及びセラミックセメント製挿入部６３によって画成されており、孔１５２から端部１６５まで連続している。また、図面に示すように、本体５１の出口端の周りに、耐火製スリーブ６５を設け、サブマージアーク溶接プロセス中、フラックスを通ずるアークに対して保護を行う。
【０１３７】
図１２において、孔１５２は直径が3.4 ｍｍであり、グラファイト製挿入部５５ａ、及びセラミック製挿入部５５ｂを有し、これ等の挿入部は9.5 ｍｍの直径を有する。このチップは0.3 ｍｍ直径の消耗ワイヤのために計画したものである。
【０１３８】
例えば手段５０を参照して、図３のグラファイト製チップを説明したように、孔１５２内に、第１の接触点を設ける原理は図１２の高電流複合チップにも適用することができる。１個の接触区域は銅製本体５１内の孔１５２の入口端にある。第２の接触区域はグラファイト製挿入部５５ａ内のこの挿入部５５ａの入口端である。銅に比較し一層高いグラファイトの抵抗により、電流の移送の効率は低下するが、ワイヤと、グラファイト製挿入部との間の接触面積が一層広いことにより相殺される。グラファイトと、ワイヤとの間のこの接触は約0.1 ｍｍのグラファイトの孔の直径の減少によって更に改善される。0.1 ｍｍのこの減少は例えば、図９、及び図１０において、使用されたものより一層大きいが、消耗電極の直径にほぼ比例している。２つの電流接触区域は隣接しており、実際上、同一電位で作動し、共に常閉電気接点に相当している。有効電流送給点は孔の銅の部分と、グラファイト製挿入部の入口端との間の接合部の直ぐ近くにある。挿入部５５ａの一層近い端部に、再配置された孔１５２の入口端まで、案内テーパ部１５９を延ばしている図１２の構成の変形においては、図３におけるように、手段５０を孔１５２の入口に隣接して、挿入部５５ａ内に設ける。
【０１３９】
図１３は他のコンタクトチップを示し、後に説明するように、このコンタクトチップは図１９、及び図２１につき説明する溶接手順に使用されたものである。図１３のチップの全体の形状は図９のチップ５０ｅに類似する。図１３のチップの対応する部分は図９の符号と同一の符号に１００を加えた符号で示す。
【０１４０】
図９のチップ５０ｅは直径1.2 ｍｍの消耗ワイヤに使用するためのものであったが、図１３のチップ１５０ｅは直径2.8 ｍｍの硬化肉盛ワイヤに使用するためのもので、これにより図１９の溶融板上に、ビードを生じさせた。チップ１５０ｅの全長は４５ｍｍである。一体に形成された部分１５４ｅ、及び１６０ｅは銅合金であり、部分１６４e から成る挿入部は機械加工可能なセラミックである。挿入部１７４はシルバースチールであり、この場合、機械加工後、熱処理していない。孔部１６１ｅは挿入部１７４内で、3.1 ｍｍの直径を有し、挿入部１７４と挿入部１６４ｅとの間の銅合金によって、画成された部分１６１ｅの範囲内では3.0 ｍｍに減少している。孔１５２ｅの部分１６２ｅは3.8 ｍｍの直径を有する。
【０１４１】
挿入部１７４のテーパ部１５９ｅは電極ワイヤを孔１５２ｅ内に案内する。孔１５２ｅの部分１６１ｅは挿入部１７４ではなく、銅合金よって画成された一層細い直径を有する。また、挿入部１７４は銅合金により導電性が低い。これ等の因子に起因し、電極ワイヤは銅合金と、主要な電気的接触を行う。銅合金と、セラミック製挿入部１６４ｅとの間の接合部では、孔１５２ｅの直径は挿入部内で増大しており、主要な接触の位置を挿入部１６４ｅに隣接させている。挿入部１６４ｅを形成しているセラミックは比較的導電性が低いので、それにより、この主要な接触を短絡させ得るいかなる二次的な接触をも防止している。
【０１４２】
消耗ワイヤの送り能力はチップ孔だけでなく、セラミックの案内の孔に関しても一つの課題である。従って、テーパ入口端を有するセラミック製挿入部を造り、図９に示す形式のチップ内に設置した。但し、相違しているのは、この特殊なケースで、タングステンではなく、金属製挿入部をシルバースチールにしたことである。このチップはミグ溶接用パルス電源を使用して、成功裏にテストされた。このチップの詳細は図１４に示されており、図１４は図９のチップ１５０ｅに類似する他のコンタクトチップを示している。図１４のチップの対応する部分は図９で使用した同一の符号に２００を加えて示している。
【０１４３】
チップ２５０ｅの全長は３６ｍｍであり、挿入部２７４と、部分２６４ｅとの間の間隔は５ｍｍである。挿入部２７４ｅによって、画成された長さ、即ち範囲２６１ｅ内では、孔２５２ｅの直径は1.3 ｍｍであり、銅合金によって、画成された長さ、即ち範囲２６１ｅの広がりにわたり、1.25ｍｍ、部分２６４ｅの挿入によって、画成された広がり２６２ｅでは2.0 ｍｍである。種々の寸法の他に、チップ２５０ｅは図９のチップ１５０ｅとはその他の外観においても相違している。図面に示すように、部分２６４ｅのセラミック製挿入部は挿入部２７４のテーパ２５９ｅに類似する截頭円錐形入口７７を有する。入口７７は部分２６４ｅの孔２５２ｅの2.0 ｍｍの直径までテーパになっている。テーパ入口７７を設けたのはワイヤの送り能力を容易にするためと考えられる。
【０１４４】
本発明の各実施例では、第１の電気的接触の短絡は主要な電流供給路を確立する接触によって防止される。即ち、第２の接触は可能であるが、第１の電気的接触に適用できる低レベルの接触抵抗ではない。接触抵抗のこの相違は孔、及び孔の残りの部分の第１の接触領域を画成する材料を選択することによって、更に孔の領域より僅かに直径が大きい孔の残部によって、或る瞬間に、増大する。図１５はコンタクトチップ１５０ｇの代わりの形状を示す。これは図１１のチップ５０ｇの一部に基づいており、従って、対応する部分は同一符号に１００を加えた符号にて示す。
【０１４５】
コンタクトチップ１５０ｇの詳細は図９のチップ５０ｇの説明から一部、理解することができる。従って、第１の電気的接触はコンタクトチップ５０ｇの場合と同じように、孔の部分１６１ｇに生ずる。しかし、孔の部分１６２ｇでの第２の接触が第１の接触を短絡させないことでなく、第２の接触を防止することである。従って、第２の接触を防止するように、孔の部分１６２ｇは部分１６１ｇの直径を十分に越える直径を有する。どちらかと言えば、チップ１５０ｇに通して送られる電極ワイヤは孔１６２ｇに軸線方向に通り、絶縁端部キャップ１８０の案内孔１８４によって案内される。
【０１４６】
鉄材料の溶接は産業上の溶接の主要な作業を意味するが、非鉄材料、特にアルミニウムの溶接が重要性を増している。アルミニウムは電気固有抵抗が小さく、熱伝導度が高く、鋼や不銹鋼の消耗ワイヤに比較し、非常に軟らかいので送るのが困難である。実際、送るのが非常に困難なので、アルミニウムを溶接するためには、特別なトーチが一般に必要である。このようなトーチはプッシュプルガンと呼ばれており、２つの送り機構によって特徴付けられており、一方はスプール端において、ワイヤをトーチライナに押すものであり、他方はチップの近くにおいて、ライナに通してワイヤを引っ張り、次にチップに通してワイヤを押す。ワイヤとチップの孔との間の間隙は鉄製消耗ワイヤの場合より一層大きく、ワイヤのねじれのような不規則性を受け入れることができる。鉄製消耗ワイヤの場合と同様、アルミニウムのワイヤ融解速度は次のように与えられる。
Ｗ＝ａＩ＋ｂＬＩ2
しかし、アルミニウムの固有電気抵抗は非常に低いから、抵抗加熱の項ｂＬＩ2 は実際上、省略できる程小さい。従って、本発明によるコンタクトチップを使用して、アルミニウムを溶接する際の利益は無いように見える。実験的にはこれは事実と違うことがわかった。改善された送り能力と、対応するアークの安定性との組合せは一定のワイヤ送り速度において、電流を減少させることになる。品質等級４０４３、直径1.2 ｍｍのアルミニウム合金消耗ワイヤの場合、８ｍ／分のワイヤ融解速度を達成するために必要な代表的な電流は伝統的な銅製チップの場合、１８０Ａである。図９に示す形式のチップを使用すれば、この電流は約１０Ａ減少する。
【０１４７】
本発明は消耗電極を使用する電気アーク溶接に適する消耗電極送りシステムを提供すると共に、この送りシステムを有する電気アーク溶接装置、及び電気アーク溶接ガンを提供する。その供給システムは電気アーク溶接のための消耗電極を構成するワイヤ、又は条片の供給を維持する保持手段と、導管の入口端から、出口端にワイヤ、又は条片を通し得る導管と、この導管に通して縦方向に動かすため、保持手段からワイヤ、又は条片を引っ張るように作動し得る送り手段とを有し、この消耗電極送りシステムは本発明によるコンタクトチップを更に有し、このコンタクトチップの孔にワイヤ、又は条片を通し得るように、導管の出口端に対し、コンタクトチップを取り付ける。
【０１４８】
コンタクトチップとは別に、本発明の送りシステムは消耗電極を使用する通常の電気アーク溶接に使用するものに類似している。従って、保持手段は消耗ワイヤ、又は条片のコイルを保持するスプールにすることができ、送り手段はスプールから消耗ワイヤを引っ張って、それを導管、及びコンタクトチップに通して送るよう、制御システムに応動して作動する動力被動ローラシステムすることができる。導管は金属、又は重合体にすることができ、コンタクトチップは導管の出口に、コンタクトチップホルダ内に取り付けられている。
【０１４９】
本発明による送りシステムを有する溶接装置においては、消耗電極送り手段のための制御システムの作動のためと、溶接電流を提供するための電源は消耗電極で溶接するようにした通常の電気アーク溶接装置に使用する電源に類似する。しかし、上述したように、本発明のコンタクトチップは一層平滑な消耗ワイヤ送りプロセスを行い、溶接のために必要な電流を減少させることができる。
【０１５０】
本発明によるチップに於いては、ワイヤはチップに付着しない。電流を入口端に、又は入口の近くに供給し、ワイヤがチップに通って移動する際、この電流はワイヤを予熱する。ワイヤとチップとの間の付着がないから、平列の電流路がチップ内に生ずる可能性を減少させる。このような電流は予熱機構の有効性を減少させる。本明細書に説明しているチップは鉄製消耗ワイヤについて、全部ではないにしろ、大部分、最大の予熱を達成していることが観察された。一層高い電流では、この予熱機構は有力である。抵抗加熱は一層制御され、従って、電気アークによる加熱より安定する。従って、ヒューム、及びスパッタのレベルは減少する。アルミニウムの場合には、消耗ワイヤの固有抵抗は非常に小さいので、どんな予熱も最少である。それにも拘らず、これ等の新たなチップに関連する改良された送り能力は熱入力を僅かではあるが、測定可能なだけ減少させることができる。
【０１５１】
一般に、有効な電極の延長を増大させる形の本発明のコンタクトチップを構成することにより、（所定の電流レベルについて）溶融金属被着速度を向上させることができる。本発明のコンタクトチップによって得られる利点を最大限に発揮するように、計画された種々の方法で、現存する設計を著しく向上させている。例えば、このコンタクトチップは延長された１個の片の形であり、孔の入口端でコンタクトチップと、消耗ワイヤとの間に連続する電気的接触を確実にするように機械加工された孔を有し、この孔はその残りの長さの部分について、横断面を僅かに大きくしている。この残りの長さの部分は消耗ワイヤのための案内として作用し、この消耗ワイヤはコンタクトチップから出てアークに入る前に、実質的に加熱される。所定の電流で、一層早い被着速度を得ることができる。代案として、所定の消耗ワイヤ融解速度に関し、抵抗加熱によって、少ないエネルギー入力を達成することができる。
【０１５２】
図１６において、図９のチップ５０ｅに類似するコンタクトチップを使用して生じた板溶着部上のビードの拡大写真を示す。しかし、タングステン挿入部７４の代わりに、シルバースチールの同様の挿入部を使用した。鋼製挿入部の孔５２ｆの長さは６ｍｍであり、長さ６１ｆの隣接する銅合金部分においては５ｍｍであった。図１５の溶接部を生産する際に、使用される溶接パラメータは表２に示す。図１７は図１６の溶融ビードの頂部に近い領域から撮った拡大写真である。
【０１５３】
【表２】
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【０１５４】
図１６、及び図１７から明らかなように、図示された溶融金属は高品質である。これは非常に早いワイヤ送り速度を使用して、非常に早い被着速度で生じたものであるが、通常の銅合金コンタクトチップを使用する電流の実際に比較し、熱入力が減少している。表２に与えられたワイヤ送り速度について、銅合金チップによる通常のガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）を行っても、高品質の基本的にスパッタの無い溶接は生産することができない。溶融ビードと、基材との間が完全に溶融し、熱作用を受けた帯域は狭く、ミクロ組織はほぼ均質である。溶融ビードのミクロ組織は衝撃に対する強靱性について、有利なとがったフェライトを含むフェライトの種々の形状を示している。マクロ組織、又はミクロ組織のいずれかで多孔性である証拠はない。
【０１５５】
図１８、及び図１９はフラックス入りアーク溶接（ＦＣＡＷ）によって生産された板溶着部上の２つの別のビードの拡大写真である。図１８は通常の銅合金コンタクトチップを使用して、電流の実際によって、被着されたビードを示す。図１９は図１３のチップに従うコンタクトチップを使用して、被着されたビードを示す。作動パラメータは表３に示す通りである。
【０１５６】
【表３】
2005507783.tif 000005
【０１５７】
図２０、及び図２１はそれぞれ、図１８、及び図１９の溶融ビードから撮った拡大写真である。図２０は鋼基材からの材料で希釈された白銑の消耗ワイヤを示す。この希釈はこのミクロ組織を亜共析にするのに十分であり、このミクロ組織の重要な特徴は共晶の素地内のオーステナイトの樹脂状結晶である。これに反し、図２１は白銑の消耗ワイヤが基材の材料によって、希釈されると共に、この希釈は図２０に示すものよりも著しく少ないことを示している。従って、図２１におけるミクロ組織は亜共析ではなく、過共晶への共晶である。図２０、及び図２１の顕微鏡写真は板溶着部上のそれぞれのビードの同様の位置、即ちビードの中心から採取したものである。
【０１５８】
表３、及び図１８、及び図１９に戻り、図１９の被着物の板の表面からの高さは図１８のビードの場合の対応する高さより、約７５％高いことに注目される。図１９のビードの幅は図１８のビードの幅より、約１５％狭いが、同一移動速度での被着速度から明らかなように、コンタクトチップ、及び図１９に関するパラメータは図１８の場合に比較し、被着溶解金属の重量において、約５５％の増大を達成した。これと共に、必要な電流レベル、及び熱入力の両方は小幅ながら減少している。全体として、図１９、及び表２は、電流の実際に比較すると、本発明を使用することによって、硬化肉盛における非常に顕著な実際の利点が際立っている。
【０１５９】
図２２は本発明によって、生産された重ね溶接の拡大写真である。使用された溶接用チップは図９について、説明したものと同一である。溶接パラメータは表４に示す通りである。溶解ビードは両方の鋼板に、完全に溶融しており、その溶融は十分であり、しかも溶融線に沿って、過剰に貫入しておらず、熱の作用を受けた領域は狭い。多孔性は現れていない。
【０１６０】
【表４】
2005507783.tif 000006
【０１６１】
新しい溶接手順が適切であることを評価するための必要条件の一つは溶着テスト板を製造し、その溶着金属の機械的性質を分析することである。従って、本発明を更に評価するため、溶着テスト板を造った。このため、支持棒に支えられた２個の板のそれぞれの面取り端縁の間に、単一のＶ字状溝溶着部、即ち突き合わせ溶接部を造った。各板は２０ｍｍ厚さの低炭素鋼板であり、支持板は１０ｍｍ厚さであり、板の間の谷底の間隙は１２ｍｍであると共に、板の端縁間の内包角は４５°であった。図９によるコンタクトチップを使用し、表５に詳述した溶接パラメータにより、溶着部を製造した。
【０１６２】
【表５】
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【０１６３】
ＡＮＳＩ（米国規格協会）／ＡＷＳ（米国溶接協会）のA5.20-95のガイドラインに従って、完全な溶接被着部から、衝撃試験片、及び引張り試験片を切り出した。機械的性質の試験の結果は表６、及び表７のとおりである。
【０１６４】
【表６】
2005507783.tif 000008
【０１６５】
【表７】
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【０１６６】
表６に詳細に示した性質は最終の優れた引張り強さ、伸び、及び衝撃靱性を溶着金属が有していることを示している。衝撃強さの値はこの溶着部が−４０℃まで低下した温度でも、安定していることを示している。−６０℃で値が広い範囲になっていることはこの温度が遷移温度に近いこと、及び相変態が近いことをほのめかしている。
【０１６７】
図７に関連して、低炭素鋼板状親金属、親金属、及び溶着金属の熱作用帯域（ＨＡＺ）のそれぞれについて、ビッカース硬度（ＨＶ１０）を実測した。硬度値は３個の横方向に沿って得た。熱作用帯域、及び溶着金属の硬度値は表６に示す溶着金属の靱性と一致している。
【０１６８】
溶着金属の化学的分析は表８に示すとおりである。珪素、及びマンガンの濃度は最少の元素の喪失を示している。
【０１６９】
【表８】
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【０１７０】
最後に、本発明は本発明の精神、及び範囲を逸脱することなく、上述した本発明の部分の構成、及び配置に種々の変更、修正、及び／又は追加を導入することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】先行技術のコンタクトチップを線図的側面図に示す。
【図２】図１のコンタクトチップのそれぞれの作動条件下での電極ワイヤ送り速度と電流との関係を示す。
【図３】本発明によるコンタクトチップの第１形状を線図的側面図に示す。
【図４】本発明コンタクトチップの他の形状を線図的側面図に示す。
【図５】消耗ワイヤの予熱長さを図４のものより短くし、加圧点を２個にした本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図６】消耗ワイヤの平滑な進入を容易にした本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図７】消耗ワイヤの予熱長さを長くした本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図８】図７のものより一層予熱長さを長くした本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図９】焼結タングステンから成る挿入部を有する本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１０】鋳鉄の挿入部を有する本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１１】セラミック製挿入部を有し、キャップを有する本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１２】耐火性スリーブを有する本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１３】硬化肉盛ワイヤに使用する本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１４】他の本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１５】挿入部を有しない本発明コンタクトチップの形状を線図的側面図に示す。
【図１６】本発明コンタクトチップを使用して生産された板溶着部上のビードの拡大写真である。
【図１７】図１６のビードの顕微鏡写真である。
【図１８】通常のコンタクトチップを使用して、フラックス入りアーク溶接により、板溶着部に被着したビードを示す拡大写真である。
【図１９】本発明のコンタクトチップを使用して、フラックス入りアーク溶接により、板溶着部に被着したビードを示す拡大写真である。
【図２０】図１８のビードの顕微鏡写真である。
【図２１】図１９のビードの顕微鏡写真である。
【図２２】本発明コンタクトチップを使用して生産された重ね溶接を示す。
【図２】
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【図１７】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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