(57)【要約】  本発明はＴＩＧ溶接トーチなどの溶接装置に関する。溶接装置は、トーチヘッド（１４）と蓄熱部材（７６）とを具備する。このトーチヘッドは、内部に配設された電極（３２）に電気を伝えるようになっている。蓄熱部材（７６）は、電気絶縁体（７８）によってトーチヘッドから電気的に絶縁されている。溶接装置は、トーチヘッドに結合されトーチヘッドへ電気とガスとを供給するようにした管（７２）を具備することができる。溶接装置は、前記トーチヘッドから前記管への熱輸送を高めるために、トーチヘッドの近傍において前記管の周囲に配設された第２の管（７８）を具備することができる。
2006528555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接装置において、
その内部に配設された溶接電極へ電気を伝えることのできるトーチヘッドと、
前記トーチヘッドから熱を吸収するようにした蓄熱部材とを具備し、
前記蓄熱部材が前記トーチヘッドから電気的に絶縁されている溶接装置。
【請求項２】
前記蓄熱部材は、金属から成る請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記蓄熱部材は、アルミニウムから成る請求項１に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記トーチヘッドへ電気とガスとを伝え、かつ、前記トーチヘッドから前記蓄熱部材へ熱を伝える導電性管を具備し、
前記蓄熱部材が、前記管の少なくとも一部の周囲に配置されている請求項１に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記管と前記蓄熱部材との間に電気絶縁体が配設されており、
該電気絶縁体を介して前記管から前記蓄熱部材へ熱が伝わるようにした請求項４に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記電気絶縁体が、前記蓄熱部材を前記管に沿って軸方向に位置決めするようになっている請求項５に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記管が第１の導電性金属より成り、前記蓄熱部材が第２の導電性金属より成る請求項１に記載の溶接装置。
【請求項８】
前記トーチヘッドは空冷式で、かつ、３０Ｋ未満の温度上昇のもとで、６０％のデューティサイクルで３００アンペアの電流で作動可能である請求項１に記載の溶接装置。
【請求項９】
前記トーチヘッドの近傍において、前記管の一部の周囲に第２の管が配設されている請求項１に記載の溶接装置。
【請求項１０】
前記管および蓄熱部材の上に電気絶縁体が配設されている請求項１に記載の溶接装置。
【請求項１１】
溶接装置において、
トーチヘッドへ電気を伝え、かつ、前記トーチヘッドから熱を伝えることのできる管と、
前記管の周囲に配設された金属部材と、
前記管と金属部材との間に配設された電気絶縁体とを具備する溶接装置。
【請求項１２】
前記管が銅から成る請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１３】
前記金属部材がアルミニウムから成る請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１４】
前記金属部材が、前記管の少なくとも一部の周囲に配置されている請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１５】
前記電気絶縁体は、前記金属管に対する前記金属部材の軸方向の動作を制限するようになっている請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１６】
前記管に連結され、かつ、ガスホースおよび電源ケーブルに連結された第２のコネクタに連結可能な第１のコネクタを具備する請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１７】
トーチヘッドを具備した請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１８】
前記管と前記金属部材との間に配設された絶縁材料を具備する請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項１９】
前記絶縁材料が複数の畝部を有しており、該畝部は、該畝部上に配設されたハンドルに対して摩擦を生成するようになっている請求項１１に記載の溶接装置。
【請求項２０】
溶接装置の冷却方法において、
トーチヘッドから電気的に絶縁された蓄熱部材に該トーチヘッドから熱を蓄えることと、
溶接装置への電力が遮断されたときに、前記蓄熱部材内に蓄えられた熱を空気へ輸送することを含む溶接装置の冷却方法。
【請求項２１】
前記トーチヘッドからの蓄熱は、電気とガスとを前記トーチヘッドへ導くようにした管へ、前記トーチヘッドから熱を輸送することを含む請求項２０に記載の冷却方法。
【請求項２２】
前記トーチヘッドからの蓄熱は、電気絶縁体を通して前記蓄熱部材から前記管へ熱を輸送することを含む請求項２１に記載の冷却方法。
【請求項２３】
前記蓄熱部材からの熱輸送は、該蓄熱部材から前記管へ熱を輸送することを含む請求項２０に記載の冷却方法。
【請求項２４】
前記蓄熱部材からの熱輸送は、前記溶接装置に接続された電源ケーブルへ前記管から熱を輸送することを含む請求項２３に記載の冷却方法。
【請求項２５】
前記蓄熱部材からの熱輸送は、前記管から前記トーチヘッドへ熱を輸送することを含む請求項２３に記載の冷却方法。
【請求項２６】
溶接装置において、
トーチヘッドから電気的に絶縁されている蓄熱部材へ前記トーチヘッドから熱を蓄える手段と、
溶接装置への電力が遮断されたときに、前記蓄熱部材内に蓄えられた熱を空気へ輸送する手段とを具備する溶接装置。
【請求項２７】
溶接装置において、
トーチヘッドと、
前記トーチヘッドへガスを供給する通路を有した第１の管部材と、
前記トーチヘッドの近傍において、前記第１の管部材上に配設された第２の管部材とを具備する溶接装置。
【請求項２８】
前記第１と第２の管部材は銅より成る請求項２７に記載の溶接装置。
【請求項２９】
ＴＩＧ溶接システムにおいて、
電源と、
前記電源に電気的に接続された空冷式ＴＩＧ溶接トーチと、
内部に配設された電極に電気を伝えるようにしたトーチヘッドと、
前記トーチヘッドから電気的に絶縁され、かつ、前記トーチヘッドへ電力が供給されている間、前記トーチヘッドから熱を蓄えるようにした蓄熱部材と、
前記トーチヘッドおよび前記蓄熱部材上に配設された第１の電気絶縁体とを具備するＴＩＧ溶接システム。
【請求項３０】
前記トーチヘッドへ電気とガスとを供給するようにした導電性管と、
前記導電管と前記蓄熱部材との間に配設された第２の電気絶縁体とを具備する請求項２９に記載のＴＩＧ溶接システム。
【請求項３１】
前記空冷式ＴＩＧ溶接トーチは、３０Ｋ未満の温度上昇のもとで、６０％のデューティサイクルで３００アンペアの電流で作動可能である請求項２９に記載のＴＩＧ溶接システム。
【請求項３２】
前記空冷式ＴＩＧ溶接トーチは、２７°Ｆ未満の温度上昇のもとで、６０％のデューティサイクルで３００アンペアの電流で作動可能である請求項２９に記載のＴＩＧ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にアーク溶接に関し、特に空冷アーク溶接トーチの分野に関連する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接は、電流を用いてワークに局所的な溶融部分を生成する溶接方法である。アーク溶接方法には多くの異なるタイプがある。アーク溶接方法の１つの例は、（ガスタングステンアーク溶接、ＧＴＡＷまたはＨＥＬＩＡＲＣとしても知られている）ＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接である。ＴＩＧ溶接は、溶接装置、例えば手持式溶接トーチと、金属ワークとの間に電気アークを維持するタイプのアーク溶接方法である。典型的に、溶接装置は、トーチヘッドに結合された円筒電極を有する。アークは、電極とワークとの間を流れる電気により生成される。典型的に、電極はタングステンより成る。アーク溶接方法のための電気は、電源ケーブルにより溶接装置のトーチヘッドに接続された電源により供給される。
【０００３】
トーチヘッドを流れる電気により相当量の熱が発生する。更に、電極およびワークを流れる電気によりトーチヘッドへ熱が伝わることがある。トーチヘッドへ伝わった熱により該トーチの構成要素が損傷することがある。更に、熱によりトーチを握ることが難しくなることがある。生成熱量はトーチを流れる電流の関数である。低電流レベルでは、トーチを空冷化することがある。然しながら、トーチを流れる電流が増加するにつれ、トーチを十分に空冷する能力が低下する。トーチを作動させる電流は、トーチを流れる電流によって引き起こされるトーチの温度上昇によって制限されよう。トーチヘッドから一層多くの熱を除去して、一層高い電流レベルでトーチを操作可能とするために、液冷式溶接トーチが開発されている。しかしながら、液体によりトーチを冷却する場合には、トーチおよび該トーチを操作するのに用いられる溶接システムのコストと複雑さが増す。例えば、液冷式トーチは、冷却液体の流れを生成すると共に液体から熱を除去するための液体冷却装置を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、空冷式ＴＩＧ溶接トーチの熱を除去する能力を高める技術が必要となっている。より詳細には、空冷アーク溶接トーチから一層多くの熱を除去して一層高い電流レベルでトーチを操作可能とする技術が必要となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１を参照すると、溶接システム１０が図示されている。ＴＩＧ溶接システム１０は、溶接電源１２と溶接トーチ集成体１４とを具備している。電源１２は、定電流ＡＣまたはＤＣ電源、ＡＣ／ＤＣ組合せ電源、または他のタイプの電源とすることができる。システム１０は、また、ホース１８によって溶接電源１２に接続されたガスボンベ１６を具備している。ガスボンベ１６は、溶接電源１２へガスを供給し、次いで、このガスは、第２のガスホース２２を介して溶接電源１２から溶接トーチ集成体１４へ供給される。また、溶接電源１２から溶接トーチ集成体１４へ電源ケーブル２４が接続されている。システム１０は、また、ワーク３０を電源１２に電気的に接続するための戻りケーブル２６と、クランプ２８とを具備している。
【０００６】
溶接トーチ集成体１４は、ワーク３０を電源１２に電気的に接続すると共に、ワーク３０との接点へ向けてガスの流れを供給するようになっている。また、溶接トーチ集成体１４は電極３２を受容するようになっている。すなわち、溶接トーチ集成体１４は、電極３２を保持するトーチ３４を有している。溶接トーチ集成体１４は、また、ワーク３０へ向けて円錐状のガス流れ２０を生成するノズル３６と、トーチ３４の反対側の端部を密閉すると共に電極３２を受容するバックカップ３８とを具備している。ハンドル４０がトーチ３４に結合されており、これにより利用者はトーチ集成体１４の向きを動かすことができるようになっている。電極３２がワーク３０に接近すると、電極３２とワーク３０との間にアークが形成され、電源１２とワーク３０との間に電気回路が形成される。電流４１が、電源１２から溶接トーチ集成体１４を介して電極３２、ワーク３０へ流れ、そして電源１２へ戻る。ワーク３０を流れる電流４１によって局所的な溶融が生じる。ガス２０により、溶融金属の周囲が遮蔽される。
【０００７】
図２を参照すると、溶接トーチ集成体１４は複数の要素を具備している。図示する実施形態では、トーチ集成体１４は、電極３２をトーチ３４に固定するために用いられるコレット４４とコレットボディ４６とを具備している。コレットボディ４６を貫通させて電極３２が挿入される。バックカップ３８をトーチ３４内にネジ締結させることにより、コレット４４およびコレットボディ４６が互いに押圧し合い、コレットボディ４６が電極３２に対して収縮する。更に、インサート４８およびカップガスケット５０がトーチ３４に固定される。
【０００８】
ニップル５２、ナット５４および電流ニップル５６により、ガスホース２２および電源ケーブル２４がトーチ３４のコネクタ４２に接続される。電流ニップル５６はナット５４によりコネクタ４２に固定される。ガス２０および電気４１が電流ニップル５６からニップル５２を通ってトーチ３４へ流れる。ガスホース２２は、フェルール５８、ナット６０およびニップル６２によって電源１２に固定される。電源ケーブル２４は、第１の絶縁ブーツ６６および第２の絶縁ブーツ６８内で継手６４により電源１２に接続される。本実施形態では、電源ケーブル２４、ニップル５２、電流ニップル５６、継手６４は空冷され、３００アンペアの電流をトーチ３４へ伝えるよう適合している。
【０００９】
図３を参照すると、トーチ３４は、スピードチャンネル７２によりコネクタ４２に接続されたトーチヘッド７０を具備している。スピードチャンネル７２は、コネクタ４２からトーチヘッド７０へ電気を流すことのできる導電性金属の管より成る。好ましくは、トーチヘッド７０およびスピードチャンネル７２は銅から成る。トーチヘッド７０およびスピードチャンネル７２を流れる電気により熱が発生する。図示する実施形態では、トーチ３４内の熱の一部が空気へ輸送される。更に、トーチヘッド７０から熱の一部が、熱伝導によってスピードチャンネル７２およびコネクタ４２を介して電源ケーブル２４へ輸送される。更に、トーチ３４内の熱の一部が、トーチヘッド７０およびスピードチャンネル７２内を流れるガス２０に対流により輸送される。図示する実施形態では、トーチヘッド７０から更なる熱を吸収し、該熱をスピードチャンネル７２へ伝えるためにヒートダム７４が設けられている。ヒートダム７４は、好ましくは、スピードチャンネル７２の周囲に配置された銅管を具備する。
【００１０】
トーチ３４は、また、システム１０のデューティサイクルを利用してトーチ３４を冷却する蓄熱部材７６を具備している。蓄熱部材７６は、スピードチャンネル７２を介してトーチヘッド７０から輸送される熱を蓄えることにより、トーチ３４が作動する間にトーチヘッド７０を冷却する。次いで、蓄熱部材７６はトーチヘッド７０への電力の供給が停止したときに、該熱をスピードチャンネル７２へ解放する。熱は、スピードチャンネル７２から電源ケーブル２４およびトーチヘッド７０を介して空気へ輸送される。
【００１１】
多くの因子が蓄熱部材７６の構成に関連することは当業者に理解されよう。例えば、蓄熱部材７６の比熱、蓄熱部材７６の質量が、蓄熱部材７６の蓄熱特性の決定に関連する。ある材料について、材料の質量が大きければ大きいほど、この材料に多くの熱を蓄えることができる。更に、蓄熱部材７６の熱伝導率（ｋ）が、蓄熱部材７６へ、また、蓄熱部材７６から如何に速く熱を伝えるかを決定することに関連している。従って、蓄熱部材７６の大きさおよび組成を選択する際に、これら全ての因子および他の因子を勘案することができる。図示する実施形態では、蓄熱部材７６はアルミニウムから成る。
【００１２】
蓄熱部材７６をスピードチャンネル７２から電気的に絶縁するために、蓄熱部材７６とスピードチャンネル７２との間に絶縁体７８が配設されている。従って、蓄熱部材７６へは電流が流れず熱は発生しない。更に、蓄熱部材７６は、絶縁体７８によってスピードチャンネル７２沿いに軸方向に位置決めされる。好ましくは、絶縁体７８はポリテトラフルオロエチレンより成る。
【００１３】
図示する実施形態では、トーチ３４は絶縁材料８０により被覆されている。この絶縁材料は、好ましくは、シリコーンゴムである。更に、絶縁カバー８０は、複数の畝部８２を具備している。畝部８２は、ハンドル４０をトーチ３４に取付けたときに、ハンドル４０をトーチ３４に固定する摩擦を生成する。
【００１４】
欧州（ＣＥ）溶接温度標準によれば、溶接トーチの定格電流は、該トーチを６０％のデューティサイクル（基準時間単位の６０％の間、電流を受ける）で作動させたときに、該定格電流でのハンドルおよびケーブルの温度上昇によって規定されている。所定の定格電流で評価すべき溶接トーチについて、温度上昇は、ハンドルで３０Ｋ未満、かつ、ケーブルで４０Ｋ未満でなければならない。３００アンペアの電流を供給し、６０％のデューティサイクルで、上述した溶接トーチの試作品を試験した。ハンドルの頂部で２７°Ｆ、底部で２１．５°Ｆの温度上昇が測定された。これは、絶対温度で約１５．２Ｋおよび約１２．２Ｋの温度上昇にそれぞれ相当する。
【００１５】
空冷溶接トーチの上述の実施形態によれば、空冷溶接トーチの除熱能力を高める技術が提供される。更に、上述の実施形態による空冷溶接トーチは十分な冷却性能を持って作動し、温度制限内で３００アンペアの電流をトーチに流すことが可能となる。
【００１６】
本発明は、種々の変更、異なる形態とすることができ、特定の実施形態は例示として図面に示され、また、詳細に説明されている。しかしながら、開示した特定の形態に本発明を限定する意図はないことが理解されるべきである。本発明は、特許請求の範囲に規定される発明の精神と範囲内にある全ての変更、均等物、代替物を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態によるＴＩＧ溶接システムの立面図である。
【図２】図１のＴＩＧ溶接トーチ集成体の分解図である。
【図３】図２のトーチの断面図である。
【図４】図２のトーチの内側立面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０    ＴＩＧ溶接システム
１２    溶接電源
１４    溶接トーチ集成体
１６    ガスボンベ
１８    ホース
２２    第２のガスホース
２４    電源ケーブル
２６    戻りケーブル
２８    クランプ
３０    ワーク
７６    蓄熱部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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