(57)【要約】【課題】部材の加熱に十分な熱エネルギーを確保し、溶接や切断等の加工の高速化を可能とする。【解決手段】プラズマトーチ２０は、中心電極２１及び第１ノズル２２が溶接進行方向に細長に形成されており、第１ノズル２２から噴出するプラズマ流が溶接の進行方向から見ると比較的幅の狭いプラズマ流ＰＳＭｙとなり、この細長のプラズマ流により中心電極２１と溶接母材３０との間のプラズマアークが溶接進行方向に所定長さで連続したアークとなる。これにより、細長のプラズマアークの溶接進行方向の先頭部分で母材を余熱しながら後続の部分で溶接を行うことができ、従来の棒状の中心電極と円筒形のノズルを有するプラズマトーチによるプラズマアークに比較してより高速に溶接を行うことができる。【選択図】図４
2008284580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク発生用の中心電極と、この中心電極を囲繞してプラズマ形成用の動作ガスを噴出するノズルとを有するプラズマトーチにおいて、
少なくとも上記中心電極の先端部と上記ノズルの噴出口とを、上記中心電極の長手軸方向と略直交する方向で細長形状に構成したことを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
上記細長形状は、長方形状であることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ。
【請求項３】
上記細長形状は、楕円形状或いは長円形状であることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ。
【請求項４】
上記ノズルを囲繞してシールドガスを噴出する環状の噴出口を形成する第２のノズルを更に備え、
上記第２のノズルによる噴出口を、上記ノズルの噴出口を囲繞する細長形状に形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマトーチ。
【請求項５】
上記中心電極を、上記細長形状に沿って配列され、個別に通電電流を制御可能な複数の電極で構成したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ形成用の動作ガスを噴出するプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トーチから噴出させたプラズマガスを用いて部材の溶接や切断等の加工を行う技術が知られている。特に、プラズマアークによる溶接は、レーザ溶接に比較して設備コストが廉価で導入が比較的容易なため、自動車の車体鋼板の溶接等のように大量の部材の溶接加工を必要とする分野において有望視されている。
【０００３】
しかしながら、プラズマガスを用いた溶接や切断は、レーザに比較して単位時間当たりのエネルギーが大きくないため、高速で溶接や切断を行うためには、エネルギー密度を高めることが必要となる。このエネルギー密度の増大は、例えばプラズマアーク溶接では、電流値を上げて投入エネルギーを増加したり、プラズマ形成用のガスを噴出させるプラズマトーチのノズル径を小口径化等して可能となるが、電流値が高くなるとプラズマトーチの温度が高くなり、沸点以上になって金属蒸気を発生したり、中心電極のアークの他に別のアークが発生し、対象部材のエネルギーが低くなるという問題がある。
【０００４】
このため、特許文献１には、プラズマアーク拘束用の第１ノズルと、シールドガス供給用の第２ノズルとの間に、第１ノズルの被溶接材料と対向する表面上に不活性ガスの高速気流層を形成させる第３ノズルを備えることで、第１ノズルと被溶接材料との間の本アークとは別の異常放電によるアークが発生することを防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−５８１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エネルギー密度を高めるため、プラズマトーチのノズル径を小口径化すると、熱ピンチ効果によるアークの圧縮が過剰となり、アークが不安定となって却ってエネルギーが低下するという問題が生じる。特許文献１の技術では、異常放電によるアーク発生は防止することができるものの、このような問題に対処することはできず、高速加工を実現する上での対策が十分とは言えない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、部材の加熱に十分な熱エネルギーを確保し、溶接や切断等の加工の高速化を可能とすることのできるプラズマトーチを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明によるプラズマトーチは、アーク発生用の中心電極と、この中心電極を囲繞してプラズマ形成用の動作ガスを噴出するノズルとを有するプラズマトーチにおいて、少なくとも上記中心電極の先端部と上記ノズルの噴出口とを、上記中心電極の長手軸方向と略直交する方向で細長形状に構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によるプラズマトーチは、部材の加熱に十分な熱エネルギーを確保することができ、溶接や切断等の加工の高速化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の第１形態に係り、図１はプラズマアーク溶接装置の構成図、図２はプラズマトーチを模式的に示す説明図、図３は溶接母材に対するプラズマトーチの配置を示す説明図、図４は溶接の進行方向から見たプラズマトーチを示す説明図、図５は横方向から見たプラズマトーチを示す説明図である。
【００１０】
本発明によるプラズマトーチは、プラズマ形成用のガスを噴出するトーチであり、部材の溶接や切断等を行う装置に適用される。本実施の形態においては、プラズマアーク溶接用のトーチとしての適用例について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態のプラズマ溶接装置１は、溶接ロボット２、ロボット制御盤３、プラズマ溶接電源装置４、液体冷却装置５、ガス集合装置６を主として備えている。ガス集合装置６には、溶接部を大気から保護するためのシールドガスとして、例えばアルゴンＡｒを貯留するガスボンベ７が備えられ、また、プラズマ形成用の動作ガスとして、例えばアルゴンＡｒを貯留するガスボンベ８と、アルゴンＡｒ及び水素Ｈの混合ガスを貯留するガスボンベ９とが備えられている。
【００１２】
溶接ロボット２は、多軸（例えば６軸）の関節を有するロボットであり、アーム２ａの先端にプラズマトーチ２０が装着され、ロボット制御盤３により駆動制御される。また、プラズマ溶接電源装置４は、各部の制御用電源やプラズマトーチ２０のアーク発生用電源を供給すると共に、ガス集合装置６からの動作ガス及びシールドガス、液体冷却装置５からの冷却液をプラズマトーチ２０に供給する。
【００１３】
プラズマトーチ２０は、その典型的な形状を強調して模式的に説明すると、図２に示すような形状を有している。すなわち、プラズマトーチ２０は、図２（ａ）に示すように、全体が略直方体的状の外観を有し、長手軸方向と略直交する断面が細長の形状に形成されている。このプラズマトーチ２０を構成する部材としては、アーク発生用の細板状のタングステン等からなる中心電極２１と、この中心電極２１を囲繞してプラズマアークを拘束するための銅材等からなる第１ノズル２２と、この第１ノズル２２を囲繞してシールドガスを供給するための第２ノズル２３とが備えられている。
【００１４】
中心電極２１と第１ノズル２２とは、所定の均一な環状隙間を形成するように配置され、動作ガスの噴出通路が形成されている。また、第１ノズル２２と第２ノズル２３とは、同様に均一な環状隙間を形成するように配置され、シールドガスの噴出通路が形成されている。尚、第１ノズル２２は、液体冷却装置５からの冷却液が循環される内部通路を有している（図示せず）。
【００１５】
また、図２（ｂ）に示すように、中心電極２１の先端側は、先端面の中心部を除く部分が先端側へ向かって漸次縮径した先細り形状に形成され、また、第１ノズル２２の先端側も、ノズル内周面が先端側へ向かって漸次縮径した先細り形状に形成されており、中心電極２１の先端部と第１ノズル２２の噴出口とが中心電極２１の長手軸方向と略直交する方向で細長形状に構成されている。第２ノズル２３の先端側も同様であり、ノズル内周面が先端側へ向かって漸次縮径した先細り形状に形成され、シールドガスの噴出口が中心電極２１の長手軸方向と略直交する方向で細長形状に構成されている。
【００１６】
尚、本実施の形態では、説明を簡単にするため、プラズマトーチ２０は直方体の形状であるものとして説明するが、少なくとも先端部が細長形状であれば良く、細長形状としても特に長方形状には制限はされず、楕円形状或いは長円形状でも良い。中心電極２１や第１ノズル２２の先端部を長方形とする場合には、有害な放電の発生を防止するため、コーナ部は面取り或いは丸め加工を施し、鋭角的な部分を無くすことが望ましい。
【００１７】
以上のプラズマトーチ２０は、従来の円筒状のプラズマトーチと同様に使用することも可能であるが、その性能を最大限に発揮させるためには、中心電極２１を、その断面の長辺が溶接の進行方向を向くように配置して使用する。
【００１８】
例えば、図３に示すように、被溶接母材３０として２枚の細長の板材３０ａ，３０ｂを重ねて、母材３０の長手方向をｙ軸方向、幅方向をｘ軸方向、ｘ，ｙ軸に直交する方向をｚ軸方向として、ｙ軸方向に溶接を行う場合、板材上方のプラズマトーチ２０を、中心電極２１の断面の長辺がｙ軸方向に向くよう配置し、ｙ軸方向に沿って移動させながら溶接を進行させる。
【００１９】
図４は、溶接進行方向（ｙ軸方向）から見たプラズマトーチ２０を示している。中心電極２１と第１ノズル２２との間には、パイロット電源Ｅｐが接続され、中心電極２１と母材３０との間には、主電源Ｅが接続されている。
【００２０】
プラズマアークの発生は、従来と同様であり、パイロット電源Ｅｐにとって中心電極２１と第１ノズル２２との間にパイロットアークを発生させ、このパイロットアークにより、中心電極２１と第１ノズル２２との間に流れる動作ガス（アルゴン或いはアルゴンと水素との混合ガス）をイオン化し、主電源Ｅにより中心電極２１と母材３０との間にプラズマアークを発生させる。このプラズマアークは、第１ノズル２２から噴出されるプラズマ流によって導かれ、第２ノズル２３内から噴出するシールドガスによって大気と遮断されて溶接部が保護される。
【００２１】
本実施の形態のプラズマトーチ２０においては、中心電極２１及び第１ノズル２２の形状がｙ軸方向（溶接進行方向）に細長に形成されている。このため、第１ノズル２２から噴出するプラズマ流は、溶接の進行方向から見ると、比較的幅の狭いプラズマ流ＰＳＭｙとなり、横方向（ｘ軸方向）から見ると、図５に示すように、ＰＳＭｙよりも幅広のプラズマ流ＰＳＭｘとなる。
【００２２】
すなわち、中心電極２１及び第１ノズル２２の形状を溶接進行方向に細長とすることで、溶接進行方向に細長のプラズマ流を噴出させると共に、この細長のプラズマ流により、中心電極２１と溶接母材３０との間のプラズマアークを、溶接進行方向に所定長さで連続するアークとして拘束する。従って、細長のプラズマアークの溶接進行方向の先頭部分で母材を余熱しながら後続の部分で溶接を行うことができる。
【００２３】
これにより、従来の棒状の中心電極と円筒形のノズルを有するプラズマトーチによるプラズマアークに比較して、単位面積当たりのエネルギー密度が同じであっても、より高速に溶接を行うことができる。しかも、電流値の増加やノズル径の小径化によるエネルギーの過度な集中がないため、金属蒸気の発生や有害なアークの発生を回避することができ、従来のプラズマトーチに比較してより確実に溶接を行うことができ、工程品質の向上に寄与することができる。特に、比較的板厚の薄い鋼板等のように、熱伝導型の溶接を行う場合には、キーホールの形成を避けることができ、有効である。
【００２４】
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図６及び図７は本発明の実施の第２形態に係り、図６は電極構造を示す説明図、図７は複数の電極による溶接を示す説明図である。
【００２５】
第２形態は、前述の第１形態に対してプラズマトーチの電極構造を変更するものである。すなわち、第１形態のプラズマトーチ２０は、単一の中心電極２１を有しているが、第２形態においては、複数の電極からなる電極構造を有している。
【００２６】
すなわち、図６に示すように、第２形態の中心電極４０は、４つの電極４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄによって構成されている。各電極は、ｙ軸方向（溶接の進行方向）に配列されて中心電極２１と同様の細長の形状を形成している。
【００２７】
４つの電極３０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、それぞれ異なる材料で形成しても良く、同じ材料で形成しても良い。各電極を異なる材料で形成する場合には、図６（ａ）に示すように、ｙ軸方向に細長に配列して一体的に結合することも可能である。また、図６（ｂ）に示すように、各電極の間に薄板状の絶縁体４１を配して互いに絶縁した上で一体的に結合する場合や、図６（ｃ）に示すように、各電極の間に若干の空隙を設け、互いに分離する場合には、各電極は、異なる材料、同じ材料の何れで形成しても良い。
【００２８】
この複数の電極からなる中心電極４０を用いる場合、図７に示すように、パイロット電源Ｅｐを共通として、各電極４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄに、個別に主電源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が接続される。主電源Ｅ１〜Ｅ４は、溶接の進行方向に対する各電極４０ａ〜４０ｄの配列順に応じて、各電極の通電電流を個別に制御可能なように設定されている。
【００２９】
この場合、第１ノズル２２から噴出されるプラズマ流は、第１形態と同様、比較的幅の狭いプラズマ流ＰＳＭｙが溶接の進行方向に形成されるが、溶接の進行方向に配列された複数の電極の通電電流を制御することにより、第１形態に比較して、プラズマ流ＰＳＭｘの溶接進行方向のエネルギー分布をより緻密に調整することが可能となる。
【００３０】
すなわち、第２形態では、第１形態と同様、高速に溶接を行うことができるばかりでなく、溶接条件をより緻密に設定することができ、特に、比較的板厚の厚い鋼板等のキーホール溶接に有効である。
【００３１】
この場合、第１ノズル２２の噴出口を複数の区画に区分し、各区画毎に動作ガスの流量や流速を調整するようにしても良く、更には、第２ノズル２３の噴出口を複数の区画に区分し、各区画毎にシールドガスの流量や流速を調整するようにしても良い。
【００３２】
尚、以上の実施に形態においては、溶接用のプラズマトーチについて説明したが、本発明によるプラズマトーチは、溶接用に限定されるものではなく、例えば、部材の切断用にも適用することができる。部材の切断用に使用する場合には、各実施の形態で説明したプラズマトーチ２０のシールドガス用の第２ノズル２３は必ずしも必要なく、また、被切断部材には電流を流さずに切断するプラズマジェット切断用トーチとして適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の第１形態に係り、プラズマアーク溶接装置の構成図
【図２】同上、プラズマトーチを模式的に示す説明図
【図３】同上、溶接母材に対するプラズマトーチの配置を示す説明図
【図４】同上、溶接の進行方向から見たプラズマトーチを示す説明図
【図５】同上、溶接の横方向から見たプラズマトーチを示す説明図
【図６】本発明の実施の第２形態に係り、電極構造を示す説明図
【図７】同上、複数の電極による溶接を示す説明図
【符号の説明】
【００３４】
１  プラズマ溶接装置
２０  プラズマトーチ
２１，４０  中心電極
２２  第１ノズル
２３  第２ノズル
４０ａ〜４０ｄ  電極
【図１】
2008284580.tif 000003
【図２】
2008284580.tif 000004
【図３】
2008284580.tif 000005
【図４】
2008284580.tif 000006
【図５】
2008284580.tif 000007
【図６】
2008284580.tif 000008
【図７】
2008284580.tif 000009