(57)【要約】      （修正有）【課題】電極とプラズマノズルとの中心軸とがずれることが無く、プラズマノズルの冷却能力が高いプラズマ溶接トーチを提供する。【解決手段】トーチ本体１の軸芯部に設けられて被溶接物との間で主プラズマアークを発生させる電極2と、電極2との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズル5と、トーチ本体内に設けられノズル5が挿入される放熱部材8と、ノズル5の先端部を取囲みトーチ本体1にねじ止めされるシールドガスカップ12と、ノズル5の残部の外周面に形成された段部5ｂとカップ12の先端部の内周面に形成された段部12ａとの間に挟まれるガスレンズ14とを備え、ノズル5の放熱部材8への挿入部とこの挿入部が挿入されて内接触する放熱部材8の被挿入部とが円錐状に形成され、ノズル5が放熱部材8に挿入されて、カップ12がトーチ本体1にねじ止めされることによって、電極2に対するノズル5の位置決めが行われるプラズマ溶接トーチである。【選択図】図１
2005224830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーチ本体と、
前記トーチ本体の軸芯部に設けられて被溶接物との間で主プラズマアークを発生させる電極と、
前記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、
前記トーチ本体内に設けられ前記ノズルが取付けられる放熱部材と、
前記ノズルの先端部を取囲み前記トーチ本体にねじ止めされるシールドガスカップとを備えたプラズマ溶接トーチにおいて、
前記ノズルの前記放熱部材への挿入部とこの挿入部が挿入されて内接触する前記放熱部材の被挿入部とが円錐状に形成され、
前記ノズルの残部の外周面に形成された段部と前記カップの先端部の内周面に形成された段部との間に挟まれるガスレンズを備え、
前記ノズルが前記放熱部材に挿入されて、前記カップがトーチ本体にねじ止めされることによって、前記カップと前記ガスレンズとで前記電極に対する前記ノズルの位置決めが行われることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項２】
請求項１記載の前記ノズルの残部の外周面に段部が形成される代わりに、この外周面とこの外周面が挿入されて内接触する前記ガスレンズの被挿入部とが円錐状に形成されたことを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【請求項３】
前記放熱部材の冷却される面にフィンを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマ溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ溶接を行うための改良されたプラズマ溶接トーチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ溶接は、タングステン電極を一般的に陰極として放電したときの主プラズマアークを、水冷されたプラズマノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束することで、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、その保有エネルギを利用して溶接するものである。従来のプラズマ溶接トーチを図７を参照して説明する。
【０００３】
［従来技術１］
図７は、特許文献１に開示された従来技術１のプラズマ溶接トーチを示す図である。同図において、トーチ本体１５に主プラズマアークを拘束するプラズマノズル１６がねじ止めされ、電極２の先端を取囲んでいる。電極２に絶縁ガイド１７が設けられている。この絶縁ガイド１７には、プラズマガス７を噴出させるプラズマガス流路１７ａが形成されている。このプラズマガス流路１７ａに図示を省略したプラズマガス供給源からプラズマガス７が供給されて、電極２と被加工物との間で主プラズマアークが発生する。
【０００４】
特許文献１には、水冷用の冷媒用流路が記載されていない。しかし、トーチ本体１５の周囲に水冷用の冷媒用流路を設けて、熱伝導によってプラズマノズル１６を冷却しなければ、プラズマノズル１６は溶解するので、冷媒用流路は不可欠である。そして、この集中されたプラズマを熱源として、肉盛りや溶接、切断などの熱加工を行うことができる。
【０００５】
図７に示した従来技術１のブラズマ溶接トーチは、プラズマノズル１６がねじ切りされて、トーチ本体１５にねじ止めされている。プラズマ溶接では、電極２とプラズマノズル１６との中心軸が、精度良く一致していなければ、良好なプラズマが得られず、プラズマノズル１６や電極２の寿命が短くなる。ねじ止めでは、ねじ切り加工の精度が低く、しばしば、電極２とプラズマノズル１６との中心軸がずれることなり、プラズマノズル１６や電極２の焼損を生じることになる。
【０００６】
また、ねじ切りによるねじ止めにおいては、トーチ本体１５とプラズマノズル１６との間の接触面積が必ずしも大きくはない。その理由は、雄ねじ側の谷と雌ねじ側の山との間と、雄ねじ側の山と雌ねじ側の谷との間とには隙間が存在するからである。さらに、この隙間には熱抵抗が大きい空気が存在しているために、プラズマノズル１６の熱伝導が悪く、温度が上昇しやすくなり、プラズマノズル１６の焼損が生じる。
【０００７】
［従来技術２］
一方、特許文献２には、プラズマノズルの焼損を防ぐために、プラズマノズルを直接水冷する構造のプラズマ溶接トーチが開示されている。このプラズマ溶接トーチのプラズマノズルは、キャップに固着されていて、このキャップはねじ切りされている。このキャップがトーチ本体にねじ止めされることによって、プラズマノズルがトーチ本体に取付けられる。
従って、上述した従来技術１と同様に、ねじ止めでは、ねじ切り加工の精度が低く、しばしば、電極とプラズマノズルとの中心軸がずれることなり、プラズマノズルや電極の焼損を生じることになる。
【０００８】
また、プラズマノズルが直接水冷される構造のために、プラズマノズルとキャップとの間等にＯリングが取付けられている。このＯリングは、ゴム製品であり、一般的に熱に弱い。プラズマノズルは直接水冷されているとはいえ、高温にさらされるので、そこに熱に弱い部材を用いることは、避けるべきである。また、Ｏリングの劣化やねじ止めの不具合で漏水を起こす場合がある。漏水は、例えば、ＬＮＧを貯蔵するメンブレンの溶接では許されないことであり、漏水しやすい構造を持ったトーチの使用は避けなければならない。
【０００９】
さらに、プラズマノズルを直接水冷するためには、プラズマノズル内部に冷媒用流路を設ける必要があり、プラズマノズルの形状が大きくなる。その結果、トーチ本体も大型化し、狭隘部の溶接において、トーチ本体が構造物に干渉するなどの問題が生じる。
【特許文献１】実開昭５６−１２６９８０号公報
【特許文献２】実開平２−８７５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来技術１のプラズマ溶接トーチは、プラズマノズルがねじ切りされて、トーチ本体にねじ止めされている。従って、ねじ止めでは、ねじ切り加工の精度が低く、しばしば、電極とプラズマノズルとの中心軸がずれることなり、プラズマノズルや電極の焼損を生じることになる。
また、ねじ切りによるねじ止めにおいては、トーチ本体とプラズマノズルとの間の接触面積が必ずしも大きくはない。さらに、この隙間には熱抵抗が大きい空気が存在しているために、プラズマノズルの熱伝導が悪く、温度が上昇しやすくなり、プラズマノズルの焼損が生じる。
【００１１】
また、従来技術２のプラズマノズルを直接水冷する構造のプラズマ溶接トーチは、プラズマノズルが、ねじ切りされたキャップを介してトーチ本体に取付けられる。従って、ねじ止めでは、ねじ切り加工の精度が低く、しばしば、電極とプラズマノズルとの中心軸がずれることなり、プラズマノズルや電極の焼損を生じることになる。
【００１２】
また、プラズマノズルが直接水冷される構造のために、プラズマノズルとキャップとの間等にＯリングが取付けられている。従って、このＯリングの劣化やねじ止めの不具合で、漏水を起こす場合がある。さらに、プラズマノズル内部に冷媒用流路を設ける必要があり、トーチ本体も大型化し、狭隘部の溶接において、トーチ本体が構造物に干渉するなどの問題を生じる。
【００１３】
本発明は、電極とプラズマノズルとの中心軸とがずれることが無く、プラズマノズルの冷却能力が高いプラズマ溶接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】
【００１４】
上記目的を達成するために、第１の発明は、
トーチ本体と、
前記トーチ本体の軸芯部に設けられて被溶接物との間で主プラズマアークを発生させる電極と、
前記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、
前記トーチ本体内に設けられ前記ノズルが取付けられる放熱部材と、
前記ノズルの先端部を取囲み前記トーチ本体にねじ止めされるシールドガスカップとを備えたプラズマ溶接トーチにおいて、
前記ノズルの前記放熱部材への挿入部とこの挿入部が挿入されて内接触する前記放熱部材の被挿入部とが円錐状に形成され、
前記ノズルの残部の外周面に形成された段部と前記カップの先端部の内周面に形成された段部との間に挟まれるガスレンズを備え、
前記ノズルが前記放熱部材に挿入されて、前記カップがトーチ本体にねじ止めされることによって、前記カップと前記ガスレンズとで前記電極に対する前記ノズルの位置決めが行われることを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
【００１５】
第２の発明は、
第１の発明に記載の前記ノズルの残部の外周面に段部が形成される代わりに、この外周面とこの外周面が挿入されて内接触する前記ガスレンズの被挿入部とが円錐状に形成されたことを特徴とするプラズマ溶接トーチである。
【００１６】
第３の発明は、
前記放熱部材の冷却される面にフィンを設けたことを特徴とする第１の発明又は第２の発明に記載のプラズマ溶接トーチである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のプラズマ溶接トーチは、プラズマノズルの放熱部材への挿入側が円錐状に形成されて、また、プラズマノズルが挿入されて内接触する放熱部材の被挿入部も円錐状に形成されている。そして、円錐状に部材を加工する精度は、ねじ止めする構造に比べ機械加工精度が高い。従って、円錐面同士を接触させる構造になるので、プラズマノズルをトーチ本体に装着した際に電極の中心軸とプラズマノズルの中心軸とがずれることが無い。よって、良好なプラズマを発生させることができる。
【００１８】
また、プラズマノズルの挿入面と放熱部材の被挿入面とが円錐状に加工されているために、ねじ止めの場合に比べ、接触面積が拡大され、密着性も良好である。従って、熱抵抗が小さく冷却能力が大きくなるため、プラズマノズルが焼損されにくい。また、プラズマノズルが接触する放熱部材は、冷媒と接触しているために、プラズマノズルと冷媒とが近接しており、プラズマノズルの冷却能力が高い。また、プラズマノズルを間接水冷しているために、漏水の恐れが無い。
【００１９】
また、熱伝導性のあるガスレンズが、直接、プラズマノズルと接触し、プラズマノズルの熱がガスレンズに伝わり、ガスレンズを透過するシールドガスがこの熱を吸収するため、プラズマノズルの冷却を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態１のプラズマ溶接トーチの断面図である。同図において、トーチ本体１の軸芯部に電極２（通常、タングステンで形成されている）が設けられ、この電極２は電極支持部材３によってトーチ本体１に取付けられている。この電極支持部材３は、絶縁部材４によって取囲まれている。
【００２１】
プラズマノズル５は筒状で導電性があり、プラズマ噴出孔５ａが先端部に形成されている。センタリングストーン６に、先端がプラズマノズル５内に突き出されるように電極２が挿入されている。また、センタリングストーン６がプラズマノズル５に挿入されている。このセンタリングストーン６は、電極２の軸ずれを防ぐ機能が有り、さらに筒状で電気絶縁性があり、電極２とプラズマノズル５との間以外の箇所でパイロットアークが点弧することを防いでいる。また、このセンタリングストーン６には、プラズマガス７が噴出されるプラズマガス用孔６ａが軸方向に形成されている場合がある。
【００２２】
放熱部材８は、例えば、銅又は銅合金等の熱伝導率が高い材質で形成され、トーチ本体１に取付けられている。この放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されているが、プラズマノズル５の放熱部材８への挿入側が、円錐状に形成されている。また、プラズマノズル５が挿入されて内接触する放熱部材８の被挿入部も、円錐状に形成されている。
放熱部材８の周囲にはこの放熱部材８を冷却するための冷媒用流路９が設けられていて、冷媒が流れている。冷媒は冷媒用ケース１０内を流れ、トーチ本体１から漏れない構造になっている。また、仕切り部材１１は冷媒の送流側９ａと復流側９ｂとを仕切る機能を持っている。
【００２３】
シールドガスカップ１２は耐熱性が有り、プラズマノズル５の先端部を取囲み、トーチ本体１にねじ止めされて、シールドガス１３が噴出される。プラズマノズル５のプラズマ噴出孔５ａ側の外周面には段部５ｂが形成され、また、シールドガスカップ１２の先端部の内周面に段部１２ａが形成されている。
ガスレンズ１４は、シールドガス１３を整流して噴出させる。また、このガスレンズ１４は熱伝導性が有り、プラズマノズル５の熱が、ガスレンズ１４に伝わり、ガスレンズ１４を透過するシールドガス１３がガスレンズ１４を冷却し、プラズマノズル５の温度を下げる。
放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されて、ガスレンズの上面１４ａにプラズマノズル５の段部５ｂが引っ掛かり、下面１４ｂがシールドガスカップの段部１２ａに引っ掛かる。ガスレンズ１４が、プラズマノズル５を下から放熱部材８に押し付ける構造になっている。
【００２４】
次に、動作を説明する。
電極２が電極支持部材３によってトーチ本体１に取付けられている。この電極支持部材３は、絶縁部材４によって取囲まれている。センタリングストーン６に、先端がプラズマノズル５内に突き出されるように電極２が挿入されている。また、センタリングストーン６がプラズマノズル５に挿入されている。放熱部材８がトーチ本体１に取付けられ、この放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されている。放熱部材８の周囲には冷媒用流路９が設けられていて、冷媒が流れている。冷媒は冷媒用ケース１０内を流れている。
【００２５】
シールドガスカップ１２が、プラズマノズル５の先端部を取囲み、トーチ本体１にねじ止めされて、シールドガス１３が噴出される。ガスレンズ１４が、シールドガス１３を整流して噴出させる。また、プラズマノズル５の熱がガスレンズ１４に伝わり、ガスレンズ１４を透過するシールドガス１３が、ガスレンズ１４を冷却し、プラズマノズル５の温度を下げる。
放熱部材８にプラズマノズル５が挿入されて、ガスレンズ１４が、プラズマノズルの段部５ａとシールドガスカップの段部１２ａとで挟まれて、シールドガスカップ１２が、トーチ本体１にねじ止めされることによって、電極２に対するプラズマノズル５の位置決めが行われる。
【００２６】
電極２とプラズマノズル５との間でパイロットアークが発生され、電極２と図示を省略した被溶接物との間でプラズマガス７を用いて主プラズマアークが発生される。プラズマノズル５の熱が放熱部材８に伝わり、冷媒によって冷却される。また、プラズマノズル５からガスレンズ１４に熱が伝わり、シールドガス１３がこの熱を吸収する。
【００２７】
この結果、本発明のプラズマ溶接トーチは、下記の効果を有する。
プラズマノズルの放熱部材への挿入側が円錐状に形成されて、また、プラズマノズルが挿入されて内接触する放熱部材の被挿入部も円錐状に形成されている。そして、円錐状に部材を加工する精度は、ねじ止めする構造に比べ機械加工精度が高い。従って、円錐面同士を接触させる構造になるので、プラズマノズルをトーチ本体に装着した際に電極の中心軸とプラズマノズルの中心軸とがずれることが無い。よって、良好なプラズマを発生させることができる。
【００２８】
また、プラズマノズルの挿入面と放熱部材の被挿入面とが円錐状に加工されているために、ねじ止めの場合に比べ、接触面積が拡大され、密着性も良好である。従って、熱抵抗が小さく冷却能力が大きくなるため、プラズマノズルが焼損されにくい。また、プラズマノズルが接触する放熱部材は、冷媒と接触しているために、プラズマノズルと冷媒とが近接しており、プラズマノズルの冷却能力が高い。また、プラズマノズルを間接水冷しているために、漏水の恐れが無い。
【００２９】
また、熱伝導性のあるガスレンズが、直接、プラズマノズルと接触し、プラズマノズルの熱がガスレンズに伝わり、ガスレンズを透過するシールドガスがこの熱を吸収するため、プラズマノズルの冷却を促進することができる。
【００３０】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２のプラズマ溶接トーチの断面図である。同図において、放熱部材８の冷媒用流路９側も円錐状に形成されている。その他の機能は、図１に示した実施の形態１のプラズマ溶接トーチの同一機能に同符号を付して説明を省略する。
この結果、放熱部材８の厚みを薄くすることができるために、熱抵抗が小さくなり、プラズマノズル５の熱を効率的に冷媒に伝えることができ、プラズマノズル５の冷却を促進することができる。
【００３１】
［実施の形態３］
図３は、本発明の実施の形態３のプラズマ溶接トーチの断面図である。同図において、放熱部材８の冷媒用流路９側が、らせん状に冷媒が流れるように溝が掘られている。その他の機能は、図１に示した実施の形態１のプラズマ溶接トーチの同一機能に同符号を付して説明を省略する。
この結果、放熱部材８と冷媒との接触面積が大きくなり、冷媒が満遍なく放熱部材８と接触するため、プラズマノズル５の熱を効率的に冷媒に伝えることができ、プラズマノズル５の冷却を促進することができる。
【００３２】
［実施の形態４］
図４は、本発明の実施の形態４のプラズマ溶接トーチの断面図である。同図において、放熱部材８の冷媒用流路９側は、複数の段階状旋削溝が形成されている。また、図１に示した実施の形態１のプラズマ溶接トーチのプラズマノズル５がガスレンズ１４と接触する面に、段部５ｂが形成される代わりに、この外周面が円錐状に形成されている。また、この外周面が挿入されて内接触するガスレンズ１４の被挿入部も、円錐状に形成されている。その他の機能は、図１に示した実施の形態１のプラズマ溶接トーチの同一機能に同符号を付して説明を省略する。
この結果、放熱部材８の段階状旋削溝によって表面積が拡大されているため、プラズマノズル５の熱を効率的に冷媒に伝えることができ、プラズマノズル５の冷却を促進することができる。
また、プラズマノズル５の先端側とガスレンズ１４との接触面積が大きくなり、さらに、シールドガスカップ１２をトーチ本体１に締め付けることによって、接触面の密着性が上がるので、熱抵抗を下げる効果が得られる。従って、プラズマノズル５からガスレンズ１４を経てシールドガス流に放出される熱の伝導の効率が上がるため、プラズマノズル５を効率的に冷却することができる。
【００３３】
図５は、上述した実施の形態１のプラズマ溶接トーチのプラズマノズルの寿命の測定試験を実施する方法を説明する図であり、図６は、実施の形態１のプラズマ溶接トーチのプラズマノズルの寿命の測定結果を従来技術１及び従来技術２のプラズマ溶接トーチと比較した図である。
【００３４】
図５において、プラズマノズル５の内径が２．６ｍｍ、プラズマ電流が６０Ａ、プラズマノズル５の先端と水冷銅板１８との距離Ｌ１が３ｍｍの条件で、主プラズマアーク１９を連続点弧し、プラズマノズル５が消耗するまでの時間を計測した。
【００３５】
その結果、最も早くプラズマノズルが消耗したのは、プラズマノズルがトーチ本体にねじ止めされて、間接水冷されている従来技術１のプラズマ溶接トーチであった。
次に消耗が早かったのは、プラズマノズルが直接水冷される従来技術２のプラズマ溶接トーチであった。この原因は、Ｏリングが切れたり、プラズマノズルの熱変形で水漏れを起こしたためである。
そして、最も長時間不具合なく主プラズマアークを点弧できたのは、実施の形態１のプラズマ溶接トーチであり、従来技術２のプラズマ溶接トーチと比較しても、２倍以上、寿命が延び、著しく改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１のプラズマ溶接トーチの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２のプラズマ溶接トーチの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３のプラズマ溶接トーチの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４のプラズマ溶接トーチの断面図である。
【図５】実施の形態１のプラズマ溶接トーチのプラズマノズルの寿命の測定試験を実施する方法を説明する図である。
【図６】実施の形態１のプラズマ溶接トーチのプラズマノズルの寿命の測定結果を従来技術１及び従来技術２のプラズマ溶接トーチと比較した図である。
【図７】従来技術１のプラズマ溶接トーチを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１            （本発明の）トーチ本体
２            電極
３            電極支持部材
４            絶縁部材
５            （本発明の）プラズマノズル
５ａ            プラズマ噴出孔
５ｂ            プラズマノズルの段部
６            センタリングストーン
６ａ            プラズマガス用孔
７            プラズマガス
８            放熱部材
９            冷媒用流路
９ａ            冷媒用流路の送流側
９ｂ            冷媒用流路の復流側
１０            冷媒用ケース
１１            仕切り部材
１２            シールドガスカップ
１２ａ            シールドガスカップの段部
１３            シールドガス
１４            ガスレンズ
１４ａ            ガスレンズの上面
１４ｂ            ガスレンズの下面
１５            （従来技術１の）トーチ本体
１６            （従来技術１の）プラズマノズル
１７ａ            プラズマガス流路
１７            絶縁ガイド
１８            水冷銅板
１９            主プラズマアーク
Ｌ１            プラズマノズル５の先端と水冷銅板１８との距離
【図１】
2005224830.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005224830.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005224830.tif 000007
【図６】
2005224830.tif 000008
【図７】
2005224830.tif 000009