(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個の電極配置空間と各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズルとを有するインサートチップを備えた２電極プラズマトーチを用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極でプラズマアークを発生して溶接線を溶接する、２電極プラズマトーチによる溶接方法において、
前記各電極の一方を、溶接線の延びる方向で先行する電極すなわち先行極として溶接対象材を予熱するプラズマアークに設定し、他方を、後行する電極すなわち後行極として裏波形成溶接のプラズマアークに設定し、
前記先行極が溶接対象材の始端にあるときに、先行極のプラズマアークを起動すると同時に前記走行駆動を低速で開始し、前記後行極が溶接対象材の始端に達すると後行極のプラズマアークを起動し、
前記後行極により裏波形成が形成されるときに、前記走行駆動を高速に、かつ後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を高く切換え、
前記先行極が溶接対象材の後端に達する直前に先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げて後端でプラズマアークを停止し、後行極が該後端に達すると前記走行駆動の速度を下げ、かつ後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する、
ことを特徴とする２電極プラズマトーチによる溶接方法。
【請求項２】
２個の電極配置空間と各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズルとを有するインサートチップを備えた２電極プラズマトーチを用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極でプラズマアークを発生して溶接線を溶接する、２電極プラズマトーチによる溶接方法において、
前記各電極の一方を、溶接線の延びる方向で先行する電極すなわち先行極として裏波形成溶接のプラズマアークに設定し、他方を、後行する電極すなわち後行極として溶接線をなめ付けするプラズマアークに設定し、
前記先行極が溶接対象材の始端にあるときに、先行極のプラズマアークを起動すると同時に前記走行駆動を低速で開始し、前記後行極が溶接対象材の始端に達すると後行極のプラズマアークを起動し、
前記後行極が溶接対象材の先端に達すると前記走行駆動を高速に、かつ先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を高く切換え、
前記先行極が溶接対象材の後端に達する直前に先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ前記走行駆動を低速に切換えて後端で先行極のプラズマアークを停止し、後行極が該後端に達すると前記後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する、
ことを特徴とする２電極プラズマトーチによる溶接方法。
【請求項３】
前記溶接対象材を溶接の始端よりも終端が低くなる姿勢に傾けて、前記走行駆動を溶接線と平行な方向とする、請求項１又は２に記載の２電極プラズマトーチによる溶接方法。
【請求項４】
前記２電極プラズマトーチは、溶接対象材の表面に対して垂直姿勢である、請求項３に記載の２電極プラズマトーチによる溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２個の電極配置空間と各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズルとを有するインサートチップを備えた２電極プラズマトーチを用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極でプラズマアークを発生して溶接する、２電極プラズマトーチによる溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の１電極トーチによるプラズマアーク溶接のプラズマアークの横断面は略円形である。板厚３ｍｍ未満ではプラズマアークによるキーホール溶接は不可能なため、なめ付け溶接（熱伝導型溶接）を採用するが、キーホール溶接及びなめ付け溶接では、高速化すると、
イ）アンダーカットが発生し、
ロ）なめ付け溶接では、広幅ビードによる高温割れが発生しやすい。高速溶接では電流が高電流で広幅アークとなるため、広幅浅溶け込みのビード形状となって、凝固時に高温割れが発生しやすい。
【０００３】
従来の１電極トーチによるプラズマアーク溶接では、３〜１０ｍｍの板厚でキーホール溶接を高速化すると、ビード形状が、中央部が盛り上がった凸形状で縁部が下がったアンダーカットができるため、高速化が難しい。２本トーチによるワンプール高速化もあるが、ワンプールとするにはトーチ同士を大きく傾けなければならず、引き合うアーク力と傾けたことによる磁気吹きで、アークが乱れやすく、不安定であった。
【０００４】
そこで本発明等は、安定したアークで高温割れやアンダーカットのない高速溶接を実現することができるインサートチップおよびこれを用いるプラズマトーチを提供した（特許文献１）。裏波形成しながらの溶接法には、キーホール溶接となめ付け溶接があるが、以後の説明では便宜上、裏波形成はキーホール溶接で表すものとする。
【０００５】
特許文献１のプラズマトーチは、２個の電極配置空間と、同一直径線上に分布し各電極配置空間にそれぞれが連通し前記直径線と平行な溶接線に対向して開いた２個のノズルと、を備えるインサートチップおよび該チップを装備し各電極配置空間に各電極を挿入したプラズマトーチである。このプラズマトーチによれば、２つのアークで１つの溶融プールを形成する、ワンプール２アークの溶接をすることができる。プラズマアークの横断面は、溶接の進行方向（ｙ）に長細い熱源となるため、熱量に対するビード幅（ｘ方向）は狭く抑えられ、高速化しても、高温割れが発生しない。また、ワンプール２アークとすることで、後行プラズマアークによる再溶融により表ビードを平らにすることができる。ある程度距離を離した２本のプラズマトーチを用いる並行溶接でやや類似の効果を得ることは出来るが、溶接の進行方向のアーク間隔が広くなるため、短い溶接長のワーク（母材：溶接対象材）では、同一パスでの溶接が不可能であり、二パス溶接が必要となり、高速化は難しい。また、アーク間隔が広いため、後行アークは一度凝固したビードを再溶融しなければならず、後行溶接に高入熱が必要である。特許文献１に提示した、１チップに２個のノズルを備えるインサートチップを用いるワンプール２アーク溶接によれば、ノズル間隔が短いので、これらの問題が解消する。
【０００６】
ところで１個のインサートチップで２アークのプラズマアーク溶接ではインサートチップに加わる熱負荷が大きくなる。より高速化するためには、インサートチップの冷却能力を向上する必要がある。
【０００７】
そこで本発明等は、安定したアークで高温割れやアンダーカットのない溶接をより高速で行うことができる、冷却能力が高いインサートチップを提供した（特許文献２）。このインサートチップは、２個の電極配置空間と、各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズルおよび該２個のノズルの中間点で該２個のノズルが分布する平面に対して交差する平面にあって冷却水が折り返すＶ型の冷却水流路を備える。これにより、チップ先端面（母材対向面）近くで冷却水が円滑に折返し、局所的に水あるいは泡が滞留することはなく、チップの冷却能力が高い。チップ端面に対して斜めにしかも先端部で交わるように穴開けすることでＶ型の冷却水流路を安価に形成できる。よって、溶接電流を大きくしてより高速に溶接を行うことができる。特許文献２にはさらに、チップ基体に１対のノズル部材を着脱可に結合したインサートチップも提示した。これによれば、高熱によりノズル部材の下端のノズル部分が変形又は熔損したとき、該ノズル部材を新品と取り替えて、チップ基体はそのまま使用して、メンテナンスコストを安くすることができる。
【０００８】
また、インサートチップの損耗交換コストを低減するため、本発明等は、中央にノズルが開いた笠部，該笠部に連続する幹部および該幹部に連続する雄ねじ部があって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材があり、内部に前記ノズルに連通する電極配置空間がある、２個のノズル部材を、インサートチップ基体に対して着脱可としたインサートチップを提供した（特許文献３）。高熱によりノズル部材の下端のノズル部分が変形又は熔損したとき、該ノズル部材を新品と取り替えて、チップ基体はそのまま使用して、メンテナンスコストを安くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−  ５０９８２号
【特許文献２】特願２０１０−２６４９５５号
【特許文献３】特願２０１１−  １７３４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、２電極プラズマトーチの２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動する２電極プラズマ溶接では例えば、図１６の（ａ）に示すように、溶接方向ｙ（溶接線が延びる方向）で先行して溶接線に作用する先行極（ノズル部材２０ｂの内部の電極棒１２ｂ：図２）が発生するプラズマアーク１９ｂで溶接対象材である溶接片３１ａ，３１ｂ間の突き当て端面（溶接線）の上側の表面を予熱し、後行極（ノズル部材２０ａの内部の電極棒１２ａ：図２）が発生するプラズマアーク１９ａで溶接線をキーホール溶接する態様では、先行ノズル部材２０ｂと後行ノズル部材２０ａとの距離と溶接方向ｙのノズル角度に対応する予熱タイムラグにより、溶接線の始端部で入熱不足による裏波形成不足（残し）を生じやすい。この入熱不足（裏波形成不足：残し）は、図１６の（ｂ）に示すように、溶接速度が高いほど大きい。
【００１１】
また例えば、図１５の（ａ）に示すように、溶接方向ｙ（溶接線が延びる方向）で先行して溶接線に作用する先行極が発生するプラズマアークで溶接線をキーホール溶接し、後行極が発生するプラズマアークで溶接線を加熱（なめ付け）する態様では、先行のキーホール溶接で生成した溶融プールの溶融金属が後行のなめ付けプラズマアークのプールに吸い込まれて、キーホール溶接部となめ付け溶接部との間Ａで先行極側から後行極側への溶融金属の流動があり、溶接線の終端部では減肉状態で溶接が終わる。
【００１２】
すなわち、２電極プラズマトーチによる溶接では、溶接片の始端（溶接開始端部），終端（溶接終了端部）で溶接不良を生じ易い。溶接による連続造管では、溶接始端および終端は切除するので、始端，終端の溶接不良は格別な問題とはならないが、短尺材の場合は、始端，終端の切除は、素材の歩留りを悪くするばかりでなく、切除作業が加わる分、コスト高になる。
【００１３】
本発明は、２電極プラズマトーチによる溶接において、溶接対象材の端部における溶接不良を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）２個の電極配置空間(2a,2b)と各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズル(3a,3b)とを有するインサートチップ(1)を備えた２電極プラズマトーチ(30)を用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材(31a,31b)の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極(12a,12b)でプラズマアークを発生して溶接線を溶接する、２電極プラズマトーチによる溶接方法において、
前記各電極(12a,12b)の一方を、溶接線の延びる方向で先行する電極すなわち先行極として溶接対象材を予熱するプラズマアーク発生に設定し、他方を、後行する電極すなわち後行極として裏波形成溶接のプラズマアークに設定し、
前記先行極が溶接対象材の始端にあるときに、先行極のプラズマアーク（予熱）を起動すると同時に前記走行駆動を低速で開始し、前記後行極が溶接対象材の始端に達すると後行極のプラズマアークを起動し（図７，図８，表１）、
前記後行極によりキーホールが形成されるときに、前記走行駆動を高速に、かつ後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を高く切換え、
前記先行極が溶接対象材の後端に達する直前に先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げて後端でプラズマアークを停止し、後行極が該後端に達すると前記走行駆動の速度を下げ、かつ後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する、
ことを特徴とする２電極プラズマトーチによる溶接方法（図７，図８）。
【００１５】
（２）２個の電極配置空間(2a,2b)と各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズル(3a,3b)とを有するインサートチップ(1)を備えた２電極プラズマトーチ(30)を用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチと溶接対象材(31a,31b)の少なくとも一方を溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極(12a,12b)でプラズマアークを発生して溶接線を溶接する、２電極プラズマトーチによる溶接方法において、
前記各電極(12a,12b)の一方を、溶接線の延びる方向で先行する電極すなわち先行極として裏波形成溶接のプラズマアークに設定し、他方を、後行する電極すなわち後行極として溶接線をなめ付けするプラズマアークに設定し、
前記先行極が溶接対象材の始端にあるときに、先行極のプラズマアーク（裏波形成溶接）を起動すると同時に前記走行駆動を低速で開始し、前記後行極が溶接対象材の始端に達すると後行極のプラズマアーク（なめ付け）を起動し（図９，図１０）、
前記後行極が溶接対象材の先端に達すると前記走行駆動を高速に、かつ先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を高く切換え、
前記先行極が溶接対象材の後端に達する直前に先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ前記走行駆動を低速に切換えて後端で先行極のプラズマアークを停止し、後行極が該後端に達すると前記後行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量の両方又は片方を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する、
ことを特徴とする２電極プラズマトーチによる溶接方法（図９，図１０）。
【００１６】
なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応又は相当要素の記号もしくは対応事項を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。
【発明の効果】
【００１７】
上記（１）によれば、先行極（予熱用）が溶接対象材の先端にあるときに先行極（予熱用）がプラズマアーク（予熱）を起動するので、先行極／後行極間距離相当の予熱タイムラグ（図１４の（ｂ））による溶接対象材先端での裏波形成不良を生じない。後行極により裏波（例えばキーホール）が形成されると走行駆動速度を上げるので、溶接の生産性は高い。溶接対象材の後端は低速、ならびに、低電流又は低プラズマガス流量、のクレータ処理により、後端表面の窪みが平坦に修正され、後端不良が少ない。これらにより、溶接対象材の先端，後端の素材の歩留りがよくなる。
【００１８】
上記（２）によれば、溶接対象材の先端から後端に渡って、後行極のブラズマによって溶接表面がなめ付けされて、高速溶接でも、アンダーカットの少ない表面ビードが得られる。溶接の生産性が高い。後行極が溶接対象材の先端に達すると先行極のプラズマアーク電流を高く切換え同時に走行駆動速度を上げるので、溶接の生産性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は、本発明の２電極プラズマトーチによる溶接方法を実施する溶接装置のシステム構成の一例を示すブロック図であり、溶接片３１ａ，３１ｂに対して２電極プラズマトーチ３０を走行駆動する態様を示す。（ｂ）は、２電極プラズマトーチ３０に対して溶接片３１ａ，３１ｂを走行駆動する態様のブロック図である。
【図２】図１に示す２電極プラズマトーチ３０の縦断面ｙ−ｚの拡大図である。
【図３】図１に示す２電極プラズマトーチ３０の縦断面ｘ−ｚの拡大図である。
【図４】（ａ）は図２に示す２電極プラズマトーチ３０の先端を、IVａ−IVａ線方向に見上げた底面図、（ｂ）は図３に示すIVｂ−IVｂ線方向に見上げた底面図、（ｃ）は図２に示すIVｃ−IVｃ線方向に見下ろした横断面図である。
【図５】（ａ）は、図２に示すプラズマトーチの先端のインサートチップおよびインナーキャップ６をトーチ本体から取り外して示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すチップ基体１とインナーキャップ６のみを示す縦断面図、（ｃ）は、（ａ）に示すナット２５ａ，２５ｂをノズル部材２０ａ，２０ｂから取り外してノズル部材をチップ基体１から抜き出しナット２５ａ，２５ｂとともに示す正面図（外観図）である。
【図６】（ａ１）は図５の（ｃ）に示すノズル部材２０ａの縦断面図、（ａ２）は該ノズル部材２０ａの底面図である。（ｂ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第１変形形態のノズル部材２０ｃの縦断面図、（ｂ２）は該ノズル部材２０ｃの底面図である。（ｃ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第２変形形態のノズル部材２０ｄの縦断面図、（ｃ２）は該ノズル部材２０ｄの底面図である。
【図７】図１の（ａ）に示す溶接装置を用いる本発明の第１実施例の溶接方法を実施するときの、溶接条件を切換える主要タイミングでの、溶接片３１ａ，３１ｂに対する２電極プラズマトーチ３０の相対位置を示し、（１）は予熱を行う先行極を溶接片３１ａ，３１ｂの溶接始端において溶接を開始するタイミングを、（２）はキーホール溶接を行う後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの先端に達したタイミングを、（３）は先行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達する直前のタイミングを、そして（４）は後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達したタイミングを示す。
【図８】本発明の第１実施例の溶接方法での、先行極，後行極に対する溶接電流およびプラズマガスの供給，停止タイミングと供給量切換えのタイミングならびに溶接速度の切換えタイミングの概要（基本パターン）を示すタイムチャートであり、タイミング（１）〜（４）は、図７に示すタイミング（１）〜（４）に対応する。
【図９】図１の（ａ）に示す溶接装置を用いる本発明の第２実施例の溶接方法を実施するときの、溶接条件を切換える主要タイミングでの、溶接片３１ａ，３１ｂに対する２電極プラズマトーチ３０の相対位置を示し、（１）はキーホール溶接を行う先行極を溶接片３１ａ，３１ｂの溶接始端において溶接を開始するタイミングを、（２）は予熱を行う後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの先端に達したタイミングを、（３）は先行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達する直前のタイミングを、そして（４）は後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達したタイミングを示す。
【図１０】本発明の第２実施例の溶接方法での、先行極，後行極に対する溶接電流およびプラズマガスの供給，停止タイミングと供給量切換えのタイミングならびに溶接速度の切換えタイミングの概要（基本パターン）を示すタイムチャートであり、タイミング（１）〜（４）は、図７に示すタイミング（１）〜（４）に対応する。
【図１１】（ａ）は、先行極のキーホール溶接のプールの溶融金属が、後行極のなめ付け溶接のプールに吸い込まれる状態を示す、溶接線部位の断面図である。（ｂ）は、吸い込みを防ぐ程度に溶接片３１ａ，３１ｂおよび２電極プラズマトーチ３０を下進方向へ傾けた状態を示す溶接線部位の断面図である。
【図１２】（ａ）は予熱を行う先行極に対してキーホール溶接を行う後行極が離れていることにより、後行極を溶接片３１ａ，３１ｂの先端において先行極と同時に溶接を起動する場合の溶接片先端部の予熱タイムラグ（予熱不足領域）を示す断面図である。（ｂ）は、予熱タイムラグによるキーホール不良領域（残し）を点線で示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（３）前記溶接対象材を溶接の始端よりも終端が低くなる姿勢に傾けて、前記走行駆動を溶接線と平行な方向とする（図１３の（ｂ））、上記（１）又は（２）に記載の２電極プラズマトーチによる溶接方法。溶接対象材を水平とした場合、溶接対象材の後端部で、裏波形成プラズマによって生ずるプールの溶融金属がなめ付け溶接のプールに吸い込まれて後端部のビードが減肉状態となりやすく、これは、厚板であるほどまた粘性が低い金属ほど顕著になる。本実施態様のように溶接対象材を傾けると、重力によりプールの溶融金属に溶接方向に向かう力が加わって上記吸い込みが抑制され、後端部ビードの減肉が低減し後端部のビード表面が平坦になる。
【００２１】
（４）前記２電極プラズマトーチ(30)は、溶接対象材の表面に対して垂直姿勢である、上記（３）に記載の２電極プラズマトーチによる溶接方法。これによれば、２電極プラズマトーチ３０が溶接片３１ａ，３１ｂの表面に対して垂直姿勢であるので、先行極の裏波形成溶接条件および後行極のなめ付け溶接条件の設定又は調整が容易である。
【００２２】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【実施例】
【００２３】
図１の（ａ）に、本発明の２電極プラズマトーチによる溶接方法を実施する溶接装置のシステム構成の一例を示す。この例では、紙面と垂直な水平方向ｘで対向端面が突き当てられて溶接線を形成する溶接片３１ａおよび３１ｂは固定で、２電極プラズマトーチ３０が、図示を省略した走行機構で支持されトーチ走行モータ３６で、該溶接線に対向して溶接線の左始端よりも左側から右終端の右側まで、溶接線と平行な方向ｙに、走行駆動される。なお、本発明を実施する態様には、２電極プラズマトーチ３０を走行駆動するのに代えて、図１の（ｂ）に示すように、２電極プラズマトーチ３０を固定設置して、溶接片３１ａ，３１ｂを走行台で支持し走行台を走行機構を介してワーク走行モータで、溶接線の左始端がトーチ３０よりも右側となる位置から、右始端がトーチ３０よりも左側となる位置まで、溶接線と平行な方向ｙに、走行駆動する態様もある。しかし説明を簡易にするため、以下には、前者すなわち２電極プラズマトーチ３０を走行駆動する態様を示す。
【００２４】
図１の（ａ）を再度参照すると、溶接制御を行う並列運転制御盤３５は、ＣＰＵおよびメモリを内蔵するシーケンサ（マイコン），ディスプレイおよび操作ボード（タッチパネルなど）を主要素とするコンピュータ制御回路であり、オペレータがプログラムした２電極プラズマアーク溶接制御シーケンスを実行する。２電極プラズマトーチ３０は２組のプラズマアーク発生機構を内蔵しており、一方の組と他方の組のプラズマアーク起動，停止を、それぞれ溶接電流・ガス供給装置３２ａおよび３２ｂが実行する。
【００２５】
これらの溶接電流・ガス供給装置３２ａ，３２ｂのそれぞれには並列運転制御盤３５が、各プラズマアーク電流，各プラズマガス流量ならびに起動，停止を指令し、溶接電流・ガス供給装置３２ａ，３２ｂは各指令に従って各プラズマアークを起動，プラズマアーク電流切換え，ガス流量切換えおよび停止を行い、また、各組の状態情報を並列運転制御盤３５に与える。並列運転制御盤３５はまた、トーチ走行モータ３６の駆動，停止および速度制御を行うモータドライバ（モータ制御器：図示略）に、起動（走行），停止および速度を指令し、該モータドライバが指令に従ってモータ３６の起動，停止および速度変更を行いしかも、トーチ３０の走行駆動の位置（溶接片に対する溶接方向ｙの位置）を計測して位置データを並列運転制御盤３５に与える。並列運転制御盤３５はこの位置データを参照してシーケンス制御の内容を切換える(図６，表１)。
【００２６】
図２に、図１に示す２電極プラズマトーチ３０の一部の縦断面を拡大して示す。インサートチップのチップ基体１は、インサートキャップ６をチップ台５にねじ締めすることにより、チップ台５に固定されている。チップ台５は絶縁本体７に固定され、絶縁本体７に電極台１０ａ，１０ｂおよび絶縁スペーサ１１が固定されている。
【００２７】
シールドキャップ８は絶縁本体７に固定されている。２つ割で外筒１４の直径方向に分離した第１電極台１０ａと第２電極台１０ｂは、絶縁スペーサ１１で分離されている。
【００２８】
図示のインサートチップは、チップ基体１に２個のノズル部材２０ａ，２０ｂを装着したものであり、詳細を示す図５を参照すると、各ノズル部材２０ａ，２０ｂには、中央にノズル３ａ，３ｂが開いた笠部２１ａ，２１ｂ，該笠部に連続する幹部２２ａ，２２ｂおよび該幹部に連続する雄ねじ部２４ａ，２４ｂがあって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材であるＯリング２３ａ，２３ｂがあり、内部に前記ノズル３ａ，３ｂに連通する電極配置空間２ａ，２ｂがある。
【００２９】
チップ基体１には、各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の笠部が先端平面１ｄ，１ｅに当接することにより閉じられる、ノズル部材挿入穴の一部をなし幹部との間に冷却水通流空間を形成する冷却水循環穴１ｆ，１ｇ，水受穴１ｈ（図４），水出穴１ｉ，隣り合う冷却水循環穴をつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｈにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３０】
図５の（ａ）に示すように、ノズル部材２０ａ，２０ｂの雄ねじ部２４ａ，２４ｂにナット２５ａ，２５ｂをねじ結合してチップ基体１に締め付けることにより、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に結合している。
【００３１】
図２を再度参照すると、ノズル部材２０ａ，２０ｂの電極配置空間２ａ，２ｂは、チップ基体１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）に分布し、該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる。電極配置空間２ａ，２ｂに連続するノズル３ａ，３ｂはこの実施例では、電極配置空間２ａ，２ｂの中心軸と同心であって、図示しない母材に対向する。これらのノズル３ａ，３ｂも、本実施例では、チップ基体（外筒１４）の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）上に分布し、該中心軸に平行かつそれから等距離にある。
【００３２】
各電極配置空間２ａ，２ｂに先端部が挿入された第１電極１２ａ，第２電極１２ｂが、絶縁本体７を貫通し各電極台１０ａ，１０ｂにねじ１３ａ，１３ｂで固定され、各電極配置空間２ａ，２ｂの軸心位置に、センタリングストーン９ａ，９ｂで位置決めされている。チップ基体１の、母材（図示せず）に対向する先端面（下端面）には、各電極配置空間２ａ，２ｂにつながったノズル３ａ，３ｂが開口している。ノズル３ａ，３ｂを結ぶ直線（ｙ）が延びる方向が溶接方向である。チップ基体１は、該直線（ｙ）が延びる方向（溶接方向）には図２に示すように広幅であるが、該直線（ｙ）と直交する方向（ｘ）すなわち溶接対象の開先の幅方向では楔状であって側面が傾斜面１ａ，１ｂ（図４の（ａ））となっている。
【００３３】
トーチ先端面（図２上ではノズルが開いた下端面）を示す図４の（ａ）も参照すると、
チップ基体１の先端の中心軸位置には先端突起１ｃがあり、溶接方向となるｙ方向で該先端突起１ｃの両側に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの笠２１ａ，２１ｂの裏面をうける先端平面１ｄ，１ｅがある。各先端平面１ｄ，１ｅの中央位置に、ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ（図５の（ｂ））がある。ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂに挿入されたノズル部材２０ａ，２０ｂの笠部２１ａ，２１ｂの、円弧の一部を直線状に削除した切欠面２６ａ，２６ｂが、先端突起１ｃの側面である係止面にぴったり接触する。すなわち係合する。これによりチップ基体１に対するノズル部材２０ａ，２０ｂの、中心軸を中心とする回転が阻止される。この係合は、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に挿入してナット２５ａ，２５ｂでねじ締め付けして固定するときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、および、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１から取り外すためにナット２５ａ，２５ｂを緩め廻しするときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、として機能する。この係合は更に、ノズル軸がチップ基体中心軸（ｚ）に対して傾斜したノズル部材２０ｃ，２０ｄ（図６）の該ノズル軸の傾斜方向を溶接方向（ｙ）に固定（設定）する機能もある。
【００３４】
ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂの、先端平面１ｄ，１ｅ側の部分は大径の冷却水循環穴１ｆ，１ｇとなっており、冷却水循環穴１ｆ，１ｇとその中を貫通した幹部２２ａ，２２ｂの外周面との間に冷却水通流空間（冷媒通流空間）が形成される。
【００３５】
図４の（ｃ）に、チップ基体１の横断面（図２上のIVｃ−IVｃ線断面）を示す。チップ基体１には、水受穴１ｈ，水出穴１ｉ，冷却水循環穴１ｆ，１ｇをつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｊにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３６】
図３に、図２の断面と直交する断面を示す。チップ基体１の水受穴１ｈは水流管１６ａに、水出穴１ｉは水流管１６ｂに連通している。図４の（ｃ）も参照すると、水流管１６ａに注入された冷却水は、電極台１０ａ，絶縁本体７およびチップ台５の水流路を通ってチップ基体１の水受穴１ｈに入って穴底に至り、そこから横通水穴１ｋを通って、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｊを通って、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｌを通って水出穴１ｉに入りそして水流管１６ｂに流れ、そしてトーチ外部に流出する。
【００３７】
冷却水が、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間と、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間を流れている間に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの幹部２２ａ，２２ｂが効果的に冷却され、しかも冷却水が、水受穴１ｈ，横通水穴１ｋ，水循環穴１ｆ，横通水穴１ｊ，水循環穴１ｇ，横通水穴１ｌおよび水出孔１ｉを流れている間に、チップ基体１が効果的に冷却されるので、インサートチップの冷却能力が高い。溶接時にはノズル部材２０ａ，２０ｂが最も加熱されるが、その外周面が直接に冷却水に触れて冷却されるので、ノズル部材２０ａ，２０ｂの使用寿命が長い。
【００３８】
再度図２を参照すると、パイロットガスは、パイロットガス管１５ａ，１５ｂおよび電極挿入空間を通って電極配置空間２ａ，２ｂに入り、電極先端部でプラズマアークとなってノズル３ａ，３ｂを通ってトーチの先端面から噴出する。シールドガスは、シールドガス管１７を通って、インナーキャップ７とシールドキャップ８との間の円筒状の空間に入り、そしてトーチの先端から溶接対象材である溶接片３１ａ，３１ｂに向けて噴出する。
【００３９】
図２に示すように、電極１２ａ，１２ｂとチップ２０との間にパイロットアークを発生させるパイロット電源３４ａ，３４ｂ、および、電極１２ａ，１２ｂと溶接片３１ａ，３１ｂの間に、電極側が負で溶接片側が正のプラズマアーク電流を流すプラズマアーク電源３３ａ，３３ｂがある。パイロット電源３４ａ，３４ｂおよびプラズマアーク電源３３ａ，３３ｂは、溶接電流・ガス供給装置３２ａ，３２ｂにあり、プラズマアーク電源３３ａ，３３ｂはいずれも、予熱，キーホール溶接（本溶接）およびなめ付けの溶接条件を設定できるものであり、２電極１２ａ，１２ｂのいずれを溶接方向で先行する先行極とするか、また、先行極と後行極の何れをキーホール溶接に設定し、他の極が先行極となる場合はそれを予熱に後行極となる場合はそれをなめ付けに設定し各プラズマアーク電流を設定することができる。図２は、先行極１２ｂを予熱に、後行極１２ａをキーホール溶接に設定した溶接態様を示している。プラズマアーク１９ａと１９ｂは、お互いの磁気干渉で引き合う力が働き、アークが図の様に多少曲がったアークとなる。
【００４０】
各パイロット電源３４ａ，３４ｂにより各電極１２ａ，１２ｂとチップ１との間にパイロットアークを発生させて、電極１２ａ，１２ｂと溶接片３１ａ，３１ｂとの間に、電極側が負で母材側が正のプラズマアーク電流を流す、溶接方向で先行の電極１２ｂに給電するプラズマアーク電源３３ｂおよび溶接方向で後行の電極１２ａに給電するプラズマアーク電源３３ａにより、溶接アーク（プラズマアーク）を発生させると、プラズマアーク電流が各電極１２ａ，１２ｂと溶接片３１ａ，３１ｂの間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。図２は、先行極１２ｂで予熱し、後行極１２ａでキーホール溶接（本溶接）する態様を示すが、先行極１２ｂでキーホール溶接し、後行極１２ａでなめ付け溶接（平滑化溶接）する態様も実施できる。すなわち、先行する電極１２ｂのキーホール溶接で生成した溶融プールに後行する電極１２ａのなめ付けのプラズマアークが当たって、例えば高速でのキーホール溶接で発生する表ビードの深いアンダーカットを後行のなめ付け溶接が均す。これにより、高速でも、アンダーカットの少ない溶接ビードが得られる。
【００４１】
図６の（ｂ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第１変形形態のノズル部材２０ｃの縦断面を、図６の（ｂ２）には該ノズル部材２０ｃの底面（先端面）を示す。図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂのノズル３ａ，３ｂの中心軸は、ノズル部材の中心軸と同心である。しかし、ノズル部材２０ｃのノズル３ｃは、ノズル部材２０ｃの中心軸に対して傾斜しているので、このノズル部材２０ｃをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｃがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｃの中心軸はチップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）から離れる方向に傾斜したものとなる。すなわち、チップ基体１の中心軸に対して溶接方向（ｙ）の前方側（先行ノズルとなる場合）又は後方側（後行ノズルとなる場合）に傾斜したものとなり、極間（前後溶接点間の距離）を広げた溶接が可能となる。
【００４２】
図６の（ｃ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第２変形形態のノズル部材２０ｄの縦断面を、図６の（ｃ２）には該ノズル部材２０ｄの底面（先端面）を示す。ノズル部材２０ｄのノズル３ｄは、ノズル部材２０ｄの中心軸に対してノズル３ｃとは逆方向に傾斜しているので、このノズル部材２０ｄをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｄがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｄの中心軸はチップ基体１の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）に近づく方向に傾斜したものとなる。すなわち、溶接方向（ｙ）でチップ基体１の中心軸に近づくように傾斜したものとなり、後行極のプラズマアークは、溶接の進行方向に対して前進角となり、溶接が寄り安定した状態となる。
【００４３】
なお、ノズル部材をチップ基体１に装着したインサートチップとしては、
（１）図２，図５に示す態様，
（２）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを溶接方向（ｙ）で先行ノズルとする態様，
（３）図２に示すノズル部材２０ｂをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを後行ノズルとする態様，
（４）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｃの形態とする態様，
（５）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様，
（６）図２に示すノズル部材２０ｂをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを後行ノズルとする態様，
（７）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｄの形態とする態様，
（８）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｃを先行ノズルとする態様、および、
（９）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様、
がある。溶接対象板厚ならびに所望の溶接電流，溶接速度および溶接品質（例えば所望ビード形状）に対応して、上記（１）〜（９）の態様のいずれかを選択することができる。次に、２電極プラズマトーチを用いる本発明の溶接方法の実施例を示す。
【００４４】
−第１実施例−
１．後行キーホールモード（先行極先行着火）−図７，図８，表１−
２個の電極配置空間２ａ，２ｂと各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズル３ａ，３ｂとを有するインサートチップ１を備えた２電極プラズマトーチ３０を用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチ３０を溶接片３１ａ，３１ｂに対して溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極１２ａ，１２ｂでプラズマアークを発生して溶接線を溶接する。
【００４５】
先行極は予熱プラズマアークに、後行極はキーホールプラズマアークに設定して、図７のタイミング（１）に示すように、先行極（ノズル部材２０ｂ）が溶接片３１ａ，３１ｂの始端にあるときに、先行極のプラズマアークを起動し、この起動と同時に２電極プラズマトーチ３０の走行駆動を低速で開始する。後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの始端に達すると後行極のプラズマアークを起動し、後行極によりキーホールが形成されるときに、走行駆動を高速に、かつ後行極のプラズマアーク電流および後行極のプラズマガス流量を高く切換える。タイミング（３）に示すように先行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達する直前で、先行極のプラズマアーク電流を下げて後端で先行極のプラズマアークを停止し、タイミング（４）に示すように後行極が該後端に達すると走行駆動の速度を下げ、かつ後行極のプラズマアーク電流および後行極のプラズマガス流量を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する。
【００４６】
図８には、各タイミングでの溶接電流，プラズマガス流量および溶接速度の切換えの基本パターンを示し、表１に、第１実施例で採用した溶接条件値を示す。これは、溶接片３１ａ，３１ｂを板厚２．３ｍｍ（薄板），長さ１８２ｍｍの軟鋼として、溶接シーケンスプログラムに、溶接開始（STEP1）から溶接終了（STEP17）まで１７ステップの各ステップにつき溶接条件値を設定したものである。ステップ間では先行ステップの溶接条件値が継続して維持される。
【００４７】
【表１】
0005787403.tif 000002
【００４８】
第１実施例によれば、先行極（予熱用）が溶接片３１ａ，３１ｂの先端にあるときに先行極（予熱用）がプラズマアーク（予熱）を起動するので、先行極／後行極間距離相当の予熱タイムラグ（図１４の（ｂ））による溶接片３１ａ，３１ｂの先端での裏波形成不良を生じない。後行極によりキーホールが形成されると走行駆動速度を上げるので、溶接の生産性は高い。の後端は低速，低電流のクレータ処理により、後端表面の窪みが平坦に修正され、後端不良が少ない。これらにより、溶接片３１ａ，３１ｂの先端，後端の素材の歩留りがよくなる。
【００４９】
−第２実施例−
２．先行キーホールモード（先行極先行着火）−図９，図１０−
２個の電極配置空間２ａ，２ｂと各電極配置空間にそれぞれが連通する２個のノズル３ａ，３ｂとを有するインサートチップ１を備えた２電極プラズマトーチ３０を用いて、前記２個のノズルの並び方向を溶接線と平行にして、該トーチ３０を溶接片３１ａ，３１ｂに対して溶接線に沿う方向に走行駆動しつつ、各電極配置空間にある各電極１２ａ，１２ｂでプラズマアークを発生して溶接線を溶接する。
【００５０】
先行極はキーホールプラズマアークに、後行極はなめ付けプラズマアークに設定して、図９のタイミング（１）に示すように、先行極（ノズル部材２０ｂ）が溶接片３１ａ，３１ｂの始端にあるときに、先行極のプラズマアーク（キーホール溶接）を起動すると同時に前記走行駆動を低速で開始し、タイミング（２）に示すように後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの始端に達すると後行極のプラズマアーク（なめ付け）を起動し、走行駆動を高速に、かつ先行極のプラズマアーク電流および先行極のプラズマガス流量を高く切換え、タイミング（３）に示すように先行極が溶接片３１ａ，３１ｂの後端に達する直前に、先行極のプラズマアーク電流およびプラズマガス流量を下げ走行駆動を低速に切換えて後端で先行極のプラズマアークを停止し、タイミング（４）に示すように後行極が該後端に達すると後行極のプラズマアーク電流を下げ、後行極によるクレータ処理期間後に、後行極のプラズマアークを停止する。図１０には、各タイミングでの溶接電流，プラズマガス流量および溶接速度の切換えの基本パターンを示す。
【００５１】
第２実施例によれば、溶接片３１ａ，３１ｂの先端から後端に渡って、後行極のプラズマによって溶接表面がなめ付けされて、高速溶接でも、アンダーカットの少ない表面ビードが得られる。溶接の生産性が高い。後行極が溶接片３１ａ，３１ｂの先端に達すると先行極のプラズマアーク電流を高く切換え同時に走行駆動速度を上げるので、溶接の生産性が高い。
【００５２】
−第２実施例の変形−
２電極プラズマトーチ３０を用いて、溶接方向ｙ（溶接線が延びる方向）で先行して溶接線に作用する先行極が発生するプラズマアークで溶接線をキーホール溶接し、後行極が発生するプラズマアークで溶接線を加熱（なめ付け）する態様、例えば第３実施例では、先行極／後行極間距離が短いので、溶接条件によっては、図１３の（ａ）に示すように、先行のキーホール溶接で生成した溶融プールの溶融金属が後行のなめ付けプラズマアーク直下に吸い込まれて、キーホール溶接部となめ付け溶接部との間Ａで先行極側から後行極側への溶融金属の流動があり、溶接線の終端部では減肉状態で溶接が終わることがある。これは厚板であるほどまた粘性が低い金属ほど顕著になる。
【００５３】
これを回避するために、溶接片３１ａ，３１ｂを溶接の始端よりも終端が低くなる姿勢に傾けて、２電極プラズマトーチ３０を溶接片３１ａ，３１ｂの表面に対して垂直姿勢としてその走行駆動を溶接線と平行な方向とする。この他は上述の第２実施例と同様である。
【００５４】
このように、溶接片を傾けると、重力によりプールの溶融金属に溶接方向に向かう力が加わって上記吸い込みが抑制され、後端部ビードの減肉が低減し後端部のビード表面が平坦になる。２電極プラズマトーチ３０が溶接片３１ａ，３１ｂの表面に対して垂直姿勢であるので、先行極のキーホール溶接条件および後行極のなめ付け溶接条件の設定又は調整が容易である。
【００５５】
以上には、平板同士の溶接を実施態様として示したが、本発明はこれに限らず、筒状に曲げた一枚板の両端部の突合せ溶接やパイプ同士の突合せ溶接，重ね隅肉溶接等の円周溶接にも適応できる。
【符号の説明】
【００５６】
１：チップ基体
１ａ，１ｂ：傾斜面
１ｃ：先端突起
１ｄ，１ｅ：先端平面
１ｆ，１ｇ：水循環穴
１ｈ：水受穴
１ｉ：水出穴
１ｊ，１ｋ，１ｌ：横通水穴
２ａ〜２ｄ：電極配置空間
３ａ〜３ｄ：ノズル
５：チップ台
６：インナーキャップ
７：絶縁本体
８：シールドキャップ
９ａ，９ｂ：センタリングストーン
１０ａ，１０ｂ：電極台
１１：絶縁スペーサ
１２ａ，１２ｂ：電極
１３ａ，１３ｂ：押さえねじ
１４：外筒
１５ａ，１５ｂ：パイロットガス管
１６ａ，１６ｂ：水流管
１７：シールドガス管
１８ａ，１８ｂ：ノズル部材挿入穴
１９ａ，１９ｂ：プラズマアーク
２０ａ〜２０ｄ：ノズル部材
２１ａ〜２１ｄ：笠部
２２ａ〜２２ｄ：幹部
２３ａ〜２３ｄ：Ｏリング
２４ａ〜２４ｄ：雄ねじ部
２５ａ，２５ｂ：ナット
２６ａ〜２６ｄ：切欠面
３０：トーチ
３１ａ，３１ｂ：溶接片
３１ｐ：プール
３２ａ，３２ｂ：溶接電流・ガス供給装置
３３ａ，３３ｂ：溶接電源
３４ａ，３４ｂ：パイロット電源
３５：並行運転制御盤
３６：トーチ走行モータ
３７：ワーク走行モータ
３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ：水冷銅タブ
【図１】
0005787403.tif 000003
【図２】
0005787403.tif 000004
【図３】
0005787403.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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