(57)【要約】 【課題】  間接水冷方式ノズルチップの冷却能力を高くし、大電流使用を可能にする。【解決手段】  電極棒１１，それを中心位置に配置した２重筒状ノズル台５，６，電極棒の尖端に対向するノズル１５を持つノズルチップ１４、および、ノズル台の先端側内部に冷却媒体を通流させる冷却媒体流路、を備えるプラズマトーチにおいて、外周面にテーパ雄ねじを持ち、該外周面のテーパ雄ねじがノズル台の先端部の雌ねじへねじ込まれてノズル台に締め付け結合されたノズルチップ１４、を備える。ノズルチップのテーパ雄ねじとノズル台の先端部の雌ねじの少なくとも一方のねじ表面に銀メッキがある。ノズル台の内筒５が、冷却媒体流路１９−ｗ１〜ｗ４−２０の、ノズルチップ結合部のリング状空間ｗ２に至るまでの円筒状の冷却媒体通流用空間を、左右の給水路ｗ１と排水路ｗ３に２区分する半径方向の突条を持つ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極棒，該電極棒を中心位置に配置した２重筒状ノズル台，前記電極棒の尖端に対向するノズルを持つ、前記２重筒状ノズル台の先端に装着されたノズルチップ、および、前記２重筒状ノズル台の先端側内部に冷却媒体を通流させる冷却媒体流路、を備えるプラズマトーチにおいて、
外周面にテーパ雄ねじを持ち、該外周面のテーパ雄ねじが前記２重筒状ノズル台の先端部の雌ねじへねじ込まれて前記２重筒状ノズル台に締め付け結合されたノズルチップ、を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【請求項２】
前記ノズルチップのテーパ雄ねじと前記２重筒状ノズル台の先端部の雌ねじの少なくとも一方のねじ表面に銀メッキがある、請求項１に記載のプラズマトーチ。
【請求項３】
前記２重筒状ノズル台の内筒が、前記冷却媒体流路の、前記ノズルチップ結合部のリング状空間に至るまでの円筒状の冷却媒体通流用空間を、左右の給水路と排水路に２区分する半径方向の突出部を持つ、請求項１又は２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、プラズマトーチに関し、特に、トーチ先端のノズルチップの装着構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】実開昭５７−１７６１８０号公報
【特許文献２】特開平  １−１４３７７６号公報
【特許文献３】実開昭５５−  ２８０３２号公報。
【０００３】
筒状のノズル台に棒状のタングステン電極を通しノズル台の下端にノズルチップを装着したプラズマトーチは、ノズル台の、タングステン電極が通った空間に供給されるプラズマガスをタングステン電極の先端に発生するアークで電離したプラズマをノズルチップのノズル（噴気口）から噴射するとともに、ノズル台の外周面とシールドキャップの間の空間に供給されるシールドガスをノズルチップの外側面に沿って、前方（加工対象材）に噴射する。プラズマアークをノズルチップのノズルで冷却狭搾するため、ノズル台の内部の流路に冷却水を供給してノズル台およびノズルチップを冷却する。
【０００４】
冷却方式には、特許文献１に記載のように、ノズル台のみに冷却水を通流する間接冷却方式と、特許文献２および３に記載のように、ノズル台を通してノズルチップに冷却水を通流する直接冷却方式とがある。さらに、ノズルチップの冷却能力を高くするために特許文献３に記載のプラズマ溶接トーチは、ノズルチップの冷却水流路にそれを左右に２分割する仕切り壁を設けて、冷却水をノズルチップの先端で折り返す構造を採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ノズルチップの冷却効果は、直接冷却方式よりも間接冷却方式の方が劣る。このため間接冷却方式のプラズマトーチを用いるプラズマ溶接では、使用可能な最大電流は通常１５０Ａ程度であり、大電流使用はノズルチップが損傷（ノズル溶損）するので不可能であった。また、ノズルチップの冷却不足から、アークのサーマルピンチ効果も弱く、直接水冷方式に比べてアーク径が広く、熱集中が劣る。一方、直接冷却方式では、ノズル台とノズルチップの間に冷却水流路があるので、ノズルチップをノズル台から外すと、内部の冷却水が外部に流出し、トーチが水濡れする。したがって溶接現場での、ノズルチップを外す交換，点検，清掃などのメンテナンスが難しい。
【０００６】
間接水冷方式のプラズマトーチでは、ノズル台とノズルチップとの接触面を介する伝熱により、ノズルチップの熱をノズル台に伝え、そして冷却水で吸熱するが、該接触面の伝熱能力が低い。ノズル台にノズルチップをねじ結合すると、当接の場合よりも接触がよいが、従来は平行ねじでの螺合であるので、微視的には接触が不十分である。すなわち、平行ねじでは、締め込んだ時にはねじ込み側のねじ山片面に面圧がかかり密着するが、ねじ山の反対面は接触しないため、伝熱面積が少ない。ノズルチップを傘型にして傘下面をノズル台の先端面に圧接するようにねじ締め付けする態様（たとえば特許文献１）でも、接触平面の微視的な凹凸（荒れ）やゴミなどを潰すほどの面圧は加わらないので、接触平面部の伝熱効果は低い。ノズル台の先端を円錐穴面としそこにノズルチップの傘下面の円錐面をはめ合わせる斜面接触の場合も、同様でありしかも、両部材の円錐面のテーパ誤差により、接触が不完全となる可能性が高い。
【０００７】
本発明は、間接水冷方式のノズルチップの冷却能力を高くして、大電流使用を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）電極棒(11)，該電極棒(11)を中心位置に配置した２重筒状ノズル台(5,6)，前記電極棒(11)の尖端に対向するノズル(15)を持つ、前記２重筒状ノズル台(5,6)の先端に装着されたノズルチップ(14)、および、前記２重筒状ノズル台(5,6)の先端側内部に冷却媒体を通流させる冷却媒体流路(19-w1〜w4-20)、を備えるプラズマトーチにおいて、
外周面にテーパ雄ねじを持ち、該外周面のテーパ雄ねじが前記２重筒状ノズル台(5,6)の先端部の雌ねじへねじ込まれて前記２重筒状ノズル台(5,6)に締め付け結合されたノズルチップ(14)、を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【０００９】
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要素又は相当要素の記号を、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】
【００１０】
テーパねじは、ねじ山全体（両斜面）が面圧をうけ、微視的な凹凸は潰して接触するので、接触面積が増えしかも接触圧が高い。ノズルチップとノズル台の間の接触面の伝熱能力のばらつきや劣化が少ない。ノズルチップからノズル台への伝熱が向上する。これにより大電流の溶接が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（２）前記ノズルチップ(14)のテーパ雄ねじと前記２重筒状ノズル台(5,6)の先端部の雌ねじの少なくとも一方のねじ表面に銀メッキがある、上記（１）に記載のプラズマトーチ。
【００１２】
銀は熱伝導性が高くやわらかく、微細な凹凸を埋めて密着度を高くするので、ノズルチップとノズル台の間の接触部に銀メッキを施すことで、接触ねじ部の密着性が増し、熱伝導が向上する。銅同士の螺合では、一方が他方をかじりやすく、表面を傷つけたり、外れにくくなったりする。銀は密着接合ししかも銅部分に傷を与えずすべり性を高くするので熱伝導が向上し、しかも外すことも容易になる。
【００１３】
（３）前記２重筒状ノズル台(5,6)の内筒(5)が、前記冷却媒体流路(19-w1〜w4-20)の、前記ノズルチップ(14)結合部のリング状空間(w2)に至るまでの円筒状の冷却媒体通流用空間を、左右の給水路(w1)と排水路(w3)に２区分する半径方向の突出部を持つ、上記（１）又は（２）に記載のプラズマトーチ。給水路(w1)に進入した冷却水は、ノズルチップ(14)結合部のリング状空間(w2)に入ってノズルチップ(14)結合部の外側を半周してから排水路(w3)に入って排水管に向かう。冷却水がノズルチップ(14)結合部の外側を半周するので、ノズル台(5,6)の、ノズルチップ(14)装着部での抜熱効果が高い。すなわちノズルチップ(14)の冷却効果が高い。
【００１４】
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１】
【００１５】
図１に本発明の１実施例の縦断面を示す。プラズマトーチ基体１の円筒状内空間には、陰極台２，絶縁ブッシュ３および陽極台４が挿入され、これらが基体１に一体に固着されている。陽極台４の内部には、ノズル台内筒５およびノズル台６が挿入されている。ノズル台６の下端（先端）にはノズルチップ１４が装着されている。ノズル台６には連結筒７が固着されており、連結筒７に、その雄ねじを受け入れた雌ねじ付きのシールドキャップ８が螺合しており、シールドキャップ８をねじ込み方向に廻すことによって、シールドキャップ８の端面が基体１の端面に締め付けられている。
【００１６】
ノズル台内筒５の内部には電極ホルダ９があり、その内部に導電チャック１０がある。導電チャック１０をタングステン電極１１が貫通している。導電チャック１０の割り溝が切り込まれた先端がタングステン電極１１の中心に向かう方向に圧搾されてタングステン電極１１を挟持している。これにより、タングステン電極１１が、導電チャック１０および締付けチャック１２を介して電極ホルダ９に固定されている。タングステン電極１１はセンタリングストーン１３を貫通して、ノズルチップ１４のノズル１５に対向している。
【００１７】
陰極台２には電極ホルダ９および導電チャック１０が挿入されており、タングステン電極１１は、導電チャック１０，トーチキャップ１６及び陰極台２を介して、パイロット電源２１およびメイン電源２２に電気的に接続される。
【００１８】
基体１のアームにあるプラズマガス管１７から、電極ホルダ９の内空間にプラズマガスが供給され、センタリングストーン１３の中心穴空間に至り、タングステン電極１１の先端のアークで電離されてプラズマとなって、ノズル１５から噴出する。基体１のアームにあるシールドガス管１８から、ノズル台６と基体１の間に送給されたシールドガスは、連結筒７の通気孔を通って、シールドキャップ８の内空間に至り、キャップ８からトーチ前方に噴出する。
【００１９】
導電性の給水管である陽極パイプ１９は基体１のアームを通して陽極台４に繋がっており、すなわち電気的に接続されており、陽極パイプ１９に供給される冷却水（実線矢印）は、陽極台４に入り、そしてノズル台６とノズル台内筒５との間の給水路ｗ１を通って、ノズルチップ装着部を周回するリング状空間ｗ２を通り、さらに排水路ｗ３を通って絶縁ブッシュ３の内空間であるリング状空間ｗ４を通って、導電性の排水管である陰極パイプ２０に出る。陰極パイプ２０は基体１のアームを通して陰極台２に繋がっている。すなわち電気的に接続されている。
【００２０】
ノズル台内筒５の、半径方向ｘに突出し軸方向ｚに延びる突条（図示せず）によって筒状空間が縦割りに半円筒状空間ｗ１，ｗ３に２区分されており、一方の半円筒状空間が給水路ｗ１、他方の半円筒状空間が排水路ｗ３である。
【００２１】
ノズル台６の先端は裁頭円錐形状であって、しかもフランジ６ｆ付きのスリーブ６ｓがあって２重筒状になっている。該スリーブ６ｓの元部すなわちノズル台６の先端部にはテーパ雌ねじ６ｆｓがあり、そこにノズルチップ１４の外周のテーパ雄ねじ１４ｍｓがねじ込まれている。
【００２２】
図２に、ノズル台６のフランジ６ｆ部の横断面（図１上の２Ａ−２Ａ線断面）を示す。ノズル台６のフランジ６ｆも、前述の給水路ｗ１および排水路ｗ３に連続した給水入り口および排水出口を区画するように、ｘ方向に突出した形状である。前述の、ノズル台内筒５の半径方向ｘに突出し軸方向ｚに延びる突条の横断面形状も、フランジ６ｆの図２に示す横断面形状と同等のものである。フランジ６ｆの下方空間すなわちノズル１５側の空間は、リング状の空間ｗ２であるので、給水路ｗ１の冷却水は空間ｗ２に入ると二手にわかれて、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓの外側をそれぞれ半周回するようにリング状の空間ｗ２を流れて排水路ｗ３に入る。したがってノズル台６の先端すなわちノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓの外側部の冷却効果が高い。
【００２３】
図３の（ａ）に、テーパ雌ねじとテーパ雄ねじとの接触ねじ部の縦断面を示す。テーパねじは、ねじ込むことでねじ山全体（ねじ山の斜面両面およびねじ山の上面Ｒ部，下面Ｒ部）が面圧をうけ、良好な密着（ミクロン台の凹凸も潰して接触）をする。したがってノズル台６のテーパ雌ねじ６ｆｓとノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓの間の接触ねじ部の密着性が高く、熱伝導性が高い。なお、従来の平行ねじを用いる接触ねじ部は、図３の（ｂ）に示すように、締めきったときには、ねじ込み側のねじ山片面のみに面圧がかかり密着するが、ねじ山の反対側の面は接触しないため、伝熱面積は半減し熱伝導性が低い。また、加工具によるミクロン台の凹凸を潰すほどの面圧強度がないので、接触面積が少ない。
【００２４】
図１に示す本実施例では、さらに熱伝導性を高くするために、ノズルチップ１４の外周面部すなわちテーパ雄ねじ１４ｍｓには銀メッキを施している。この銀メッキが、熱伝導性が高くやわらかく、微細な凹凸を埋めて密着度を高くするので、ノズル台６のテーパ雌ねじ６ｆｓとノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓの間の接触ねじ部の密着性が増し、熱伝導が向上する。銅同士の螺合では、一方が他方をかじりやすく、表面を傷つけたり、外れにくくなったりする。銀は密着接合ししかも銅部分に傷を与えずすべり性を高くするので熱伝導が向上し、しかも外すことも容易である。
【００２５】
次に熱伝導性の実験結果を説明する。本発明のサンプル（一実施例）は、図１に示すプラズマトーチではあるが、ノズル台６およびノズルチップ１４のいずれにもメッキは施さないものであり、ノズルチップ周りの寸法（単位はｍｍ）は、図４の（ａ）に示すものである。テーパねじは、ＪＩＳ規格のＲ（ＰＴ）  １／４である。
【００２６】
図４の（ｂ）に示す、水平接触面を持つ傘型ノズルチップ１４ｐ１を平行ねじでノズル台６ｐ１に結合した参考例１および、図４の（ｃ）に示す円錐接触面のノズルチップ１４ｐ２を平行ねじでノズル台６ｐ２に結合した参考例２、を比較例とした。参考例１および２の平行ねじは、ＪＩＳ規格のＭ１０ｘＰ１である。なお、図４に示す本発明のサンプル（ａ）、ならびに、参考例１（ｂ）および参考例２（ｃ）のいずれでも、ノズル台に対するノズルチップの締め込みトルクは同一で、１０  Ｎ・ｍ  である。
【００２７】
図５には、図４の（ａ）に示す本発明のサンプルの、ノズル台６のテーパ雌ねじ６ｆｓおよびノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓの、ＪＩＳ規格  Ｒ（ＰＴ）  １／４  のねじ寸法（単位はｍｍ）を示す。
【００２８】
図６には、熱伝導性の実験結果を示す。図６の（ｄ）に示す参考例４は、特許文献２に記載の直接冷却方式のものである。図６上の温度差Δｔは、プラズマトーチに対して冷却水を給排する冷却水循環装置（図示せず）での、排水（戻水）温度と給水（入水）温度との差（°Ｃ）であり、熱量は、プラズマトーチからの吸熱量でありその大部分が、ノズルチップからの吸熱量である。該熱量は、
熱量（ｋｃａｌ／ｈ）＝温度差Δｔ（°Ｃ）×流量（リットル／min）×６０
で算出したものである。
【００２９】
図７には、図６に示す実験結果の、溶接電流と熱量（冷却量）との関係をグラフにして示す。図７において、参考例１および２を、２００Ａ以降で熱量を下げて示しているのは、溶接電流２００Ａ程度まででノズルチップ１４ｐ１，１４ｐ２のチップ穴が、溶損して使用不可となったため、実験を中止した結果である。本発明のサンプル（一実施例：図４の（ａ））は、図７のグラフから、間接水冷方式ではあるが、直接水冷方式の参考例３の冷却特性に近い冷却特性を示し、高電流の溶接が可能であることがわかる。
【００３０】
図８には、図４の（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示す３タイプのノズルチップ装着構造につき、図８上に示す同一の実験条件でアークを発生したときの評価を示す。本発明のプラズマトーチ（実施例（ａ））の場合は、３００Ａ程度まで、ノズルチップ１４のノズル１５に、溶損による変形は見られなかった。したがって従来間接水冷方式で一般的な１５０Ａ程度よりも高い３００Ａ程度まで溶接電流を高くして使用できる。参考例１および２では、１５０Ａ程度まで、ノズルチップのノズルに溶損による変形は見られなかったが、２００Ａ程度では、ノズルに溶損による変形が起こるので、１５０Ａ程度以下で使用しなければならない。
【００３１】
図１に示す実施例では、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじ部１４ｍｓに銀メッキを施しているが、ノズル台６の雌ねじ穴に銀メッキを施しても良く、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじ部とノズル台６の雌ねじ穴に共に銀メッキを施しても良い。実用的には、図１に示す実施例のごとく、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじ部１４ｍｓに銀メッキを施すのが実益が高く経済的である。しかし、ノズルチップ１４ではなくノズル台６の雌ねじ穴に銀メッキを施すばあいは、ノズルチップの交換を繰り返す間に、銀メッキが磨耗して伝熱寄与が低くなるので、図１に示す実施例のごとく、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじ部１４ｍｓに銀メッキを施すのが良い。
【００３２】
本発明によれば、ノズル台６のテーパ雌ねじ６ｆｓおよびノズルチップ１４のテーパ雄ねじ１４ｍｓを、テーパ角度０．５°〜４５°，ねじ部の長さＬ＝４〜４５ｍｍ，ねじピッチＰ＝０．４〜４ｍｍ、の範囲内とすることにより、平行ねじを採用する場合に対して冷却能力を高くすることができる。また、テーパねじは三角山形状のみならず、台形形状でも、平行ねじを採用する場合に対して冷却能力が高いので、ねじ山形状は三角山形状に限らない。ノズルチップ１４の雄ねじおよび又はノズル台の雌ねじ穴に銀メッキを施す場合は、ねじ山が台形形状でも、ねじ結合部の隙間を銀メッキが埋めるので、冷却能力が高い。
【００３３】
更には、ノズル台６の、ノズルチップ１４のテーパ雄ねじを受ける雌ねじは、テーパねじに限らず平行ねじにしても、両者共に平行ねじの場合よりも冷却能力が高いので、ノズル台６の雌ねじは、テーパ雌のみならず、平行雌ねじを採用することができる。ノズルチップ１４の雄ねじおよび又はノズル台の雌ねじ穴に銀メッキを施す場合は、雌ねじ穴が平行ねじでも、ねじ結合部の隙間を銀メッキが埋めるので、冷却能力が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の１実施例の縦断面図である。
【図２】図１の２Ａ−２Ａ線での横断面図である。
【図３】（ａ）は、図１に示すノズル台６とノズルチップ１４とのテーパねじ結合部を拡大して示す拡大縦断面図である。（ｂ）従来の平行ねじのねじ結合部を拡大して示す拡大縦断面図である。
【図４】（ａ）本発明の実験サンプルの、ノズル台６とノズルチップ１４との結合部の寸法を示す拡大縦断面図である。（ｂ）および（ｃ）は比較例のノズル台６ｐ１，６ｐ２とノズルチップ１４ｐ１，１４ｐ２との結合部の寸法を示す拡大縦断面図である。
【図５】図１に示すノズル台６とノズルチップ１４のテーパねじの寸法を示す拡大縦断面図である。
【図６】図４に示す、ノズル台とノズルチップの各結合構造と、直接水冷方式のノズルチップ冷却構造の、抜熱熱量実験結果を示す図表である。
【図７】図６に示す実験結果をグラフ化したグラフである。
【図８】図４に示す、ノズル台とノズルチップの各結合構造の、耐用アーク電流実験結果の評価を示す図表である。
【符号の説明】
【００３５】
１：基体
２：陰極台
３：絶縁ブッシュ
４：陽極台
５：ノズル台内筒
６：ノズル台
６ｓ：スリーブ
６ｆ：フランジ
６ｆｓ：テーパ雌ねじ
７：連結筒
８：シールドキャップ
９：電極ホルダ
１０：導電チャック
１１：タングステン電極
１３：センタリングストーン
１４：ノズルチップ
１４ｍｓ：テーパ雄ねじ
１５：ノズル
１６：トーチキャップ
１７：プラズマガス管
１８：シールドガス管
１９：陽極パイプ（給水管）
２０：陰極パイプ（排水管）
２１：パイロット電源
２２：メイン電源
２３：溶接材
ｗ１：給水路
ｗ２：リング状空間
ｗ３：排水路
ｗ４：リング状空間
【図１】
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【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】
2008212969.tif 000009
【図８】
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