(57)【要約】 【課題】  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およびこれを用いるプラズマトーチを提供する。【解決手段】  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、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型の冷却水流路と、を備えるインサートチップ。それの各電極配置空間にそれぞれの先端部を挿入した２電極と、を備えるプラズマトーチ。【選択図】  図３
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【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、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型の冷却水流路と、を備えるインサートチップ。
【請求項２】
インサートチップは、１個の電極配置空間および該電極配置空間に連通する１個のノズルを開けたノズル部材１対と、これらのノズル部材が結合したチップ基体でなり、各ノズル部材が前記チップ基体に対して着脱可である、請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
前記チップ基体には、ノズル部材が挿入される穴の基体下端面側に雌ねじ穴があり、前記ノズル部材の下側部分に該雌ねじ穴に螺合する雄ねじがある、請求項２に記載のインサートチップ。
【請求項４】
前記チップ基体には、前記雌ねじ穴と基体上端面側との間に下絞りのテーパ内周面があり、前記ノズル部材の前記雄ねじと上側部分の間に前記テーパ内周面に当接する下絞りのテーパ外周面がある、請求項３に記載のインサートチップ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のインサートチップと、該インサートチップの各電極配置空間にそれぞれの先端部を挿入した２電極と、を備えるプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマトーチのインサートチップおよび該インサートチップを用いるプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、プラズマキーホール溶接によるキーホール断面形状を改良するノズル形状が記載されている。特許文献２には、２つのアーク溶接トーチを、１つの溶融プールを形成するように、溶接線方向に対して電極先端の並びが直交するように配置する、各トーチによる同時なめ付け溶接が記載されている。特許文献３には、アーク溶接の狙い位置の前方０〜２ｍｍの溶融プールにレーザを照射してキーホール溶接する複合溶接方法が記載されている（図４，００２４，００２５）。特許文献４には、先行の第１レーザビームで非貫通溶接しそれによって形成されるホール開口に焦点を合わせて第２レーザビームで貫通（キーホール）溶接するレーザ溶接方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平  ８−  １０９５７号公報
【特許文献２】特開平  ６−１５５０１８号公報
【特許文献３】特開２００４−２９８８９６号公報
【特許文献４】特開２００８−１２６３１５号公報
【特許文献５】特願２００９−２０１３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の１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、図８の（ａ）に示すように略円形である。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、なめ付け溶接でも、高速化すると、
イ）アンダーカットが発生し、
ロ）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。
【０００５】
従来の１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。
【０００６】
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５）。
【０００７】
これらは、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。
【０００８】
このインサートチップを装備した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、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５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。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明は、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およびこれを用いるプラズマトーチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）２個の電極配置空間(2a,2b)と、各電極配置空間(2a,2b)にそれぞれが連通する２個のノズル(3a,3b)と、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（II−II切断面：図２紙面）に対して交差する平面(III−III切断面：図３紙面)にあって冷却水が折り返すＶ型の冷却水流路(4a,4b)と、を備えるインサートチップ(1)。
【００１２】
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】
【００１３】
このインサートチップ(1)を装備した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。この場合、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、板厚３〜１０ｍｍでは、先行アークでキーホール溶接し、後行アークで広幅なめ付け溶接して表ビードを平らにすることができる。板厚３ｍｍ未満では、先行アークで掘り下げ溶接をし、後行アークで表ビードを平らにすることができる。
【００１４】
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（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。１チップに２個のノズルを備える本発明の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。
【００１５】
加えて、インサートチップ(1)には、２個のノズル(3a,3b)の中間点で該２個のノズルが分布する平面（図２紙面）に対して交差する平面(図３紙面)にＶ型の冷却水流路(4a,4b)を備えるので、チップ(1)の先端面（母材対抗面）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(4a,4b)を安価に形成できる。よって、溶接電力を大きくしてより高速に溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例のプラズマトーチの外筒の内部を見下ろした平面図である。
【図２】図１に示すプラズマトーチのII−II線断面図である。
【図３】図１に示すプラズマトーチのIII−III線断面図である。
【図４】（ａ）は、第２実施例のインサートチップの拡大断面図、（ｂ）は（ａ）に示すインサートチップの基体１ａのみを示す拡大断面図、（ｃ）は基体に装着するノズル部材２０ａ，２０ｂの拡大断面図である。
【図５】（ａ）は、第３実施例のインサートチップの拡大断面図、（ｂ）は（ａ）に示すインサートチップの基体１ｂのみを示す拡大断面図、（ｃ）は基体に装着するノズル部材２０ｃ，２０ｄの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（２）インサートチップは、１個の電極配置空間(2a/2b)および該電極配置空間に連通する１個のノズル(3a/3b)を開けたノズル部材１対(20a,20b/20c,20d)と、これらのノズル部材が結合したチップ基体(1a/1b)でなり、各ノズル部材が前記チップ基体(1a)に対して着脱可である、上記（１）に記載のインサートチップ（図４/図５）。
【００１８】
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。
【００１９】
（３）前記チップ基体(1a/1b)には、ノズル部材が挿入される穴(18a,18b/18c,18d)の基体下端面側に雌ねじ穴(19a,19b)があり、前記ノズル部材の下側部分に該雌ねじ穴に螺合する雄ねじがある、上記（２）に記載のインサートチップ（図４/図５）。
【００２０】
これによれば、ねじ回しによってチップ基体に変形を与えることなくノズル部材を容易に着，脱できる。
【００２１】
（４）前記チップ基体(1b)には、前記雌ねじ穴(19a,19b)と基体上端面側との間に下絞りのテーパ内周面(18c,18d)があり、前記ノズル部材の前記雄ねじと上側部分の間に前記テーパ内周面に当接する下絞りのテーパ外周面(23a,23b)がある、上記（３）に記載のインサートチップ。
【００２２】
これによれば、チップ基体(1b)にノズル部材(20c,20d)をねじ込むことによりノズル部材のテーパ外周面(23a,23b)がチップ基体(1b)のテーパ内周面(18c,18d)に面接触で圧接し、ノズル部材(20c,20d)からチップ基体(1b)への伝熱抵抗が低く、ノズル部材(20c,20d)の冷却能力が高い。
【００２３】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１つに記載のインサートチップと、該インサートチップの各電極配置空間(2a,2b)にそれぞれの先端部を挿入した２電極(12a,12b)と、を備えるプラズマトーチ（図２）。
【００２４】
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】
【００２５】
−第１実施例−
図１に、第１実施例であるプラズマトーチすなわち第１実施例のプラズマアークトーチの、外筒１４の内部を上方から見下ろして示し、図２には図１上のII−II線方向の縦断面を示す。第１実施例のプラズマアークトーチは、プラズマ溶接を行う形態のものである。図２を参照すると、インサートチップ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。
【００２６】
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。
【００２７】
本実施例のインサートチップ１には、チップ１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線に分布し、該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる２個の電極配置空間２ａ，２ｂと、各空間２ａ，２ｂに連通し図示しない母材に対向する先端面（下端面）に開口した２個のノズル３ａ，３ｂと、を備えている。これらのノズル３ａ，３ｂも、本実施例では、チップ（外筒１４）の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸に平行かつそれから等距離にある。
【００２８】
各電極配置空間２ａ，２ｂに、絶縁本体７を貫通し各電極台１０ａ，１０ｂにねじ１３ａ，１３ｂで固定された第１電極１２ａ，第２電極１２ｂの先端部が挿入されて、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。インサートチップ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を結ぶ直線が延びる方向が溶接方向である。チップ１は、２つの電極配置空間２ａ，２ｂを溶接方向に配置しているので、溶接方向に広幅である。
【００２９】
図３に、図１上のIII−III線方向の縦断面を示す。チップ１は、溶接方向と交差する方向では狭幅であり、この狭幅方向に、Ｖ型の冷却水流路４ａ，４ｂが形成されている。この冷却水流路４ａ，４ｂは、２個のノズル３ａ，３ｂの中間点で該２個のノズルが分布する平面（II−II切断面：図２紙面）に対して交差する平面(III−III切断面：図３紙面)にある。この水流路４ａ，４ｂは、上端から図３に示すように斜めに、下端側同一点に向けて２穴４ａ，４ｂを穴開けして穴底で交わることにより通流させたものである。
【００３０】
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１のＶ型水流路の一方の流路４ａに入って穴底に至り、そこから他方の流路４ｂに入り、そしてチップ台５，絶縁本体７および電極台１０ｂの水流路を通って水流管１６ｂに流れ、そしてトーチ外部に流出する。冷却水が、チップ１のＶ型水流路４ａ，４ｂを流れている間にチップ１から抜熱する。すなわちチップ１を冷却する。一方の流路４ａに入るとき冷却水は流路４ａの斜面に当たるので水流の乱れ（渦等）はなく、同様に、一方の流路４ａから他方の流路４ｂに流れ込む冷却水は流路４ｂの斜面に当たるので水流は乱れず滑らかであって、冷却水や気泡の滞留を生じないので、チップの冷却能力が高い。
【００３１】
再度図１および図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図示しない母材に向けて噴出する。
【００３２】
各パイロット電源により各電極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と母材の間に、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１２ａに給電するプラズマ電源（溶接又は予熱用）および溶接方向で後行の電極１２ｂに給電するプラズマ電源（なめ付け溶接又は本溶接用）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と母材の間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。この溶接態様では、電極１２ａのプラズマアークによる溶接又は予熱と、電極１２ｂによるなめ付け溶接又は本溶接とが行われる。すなわち、先行する電極１２ａで溶接又は予熱で生成した溶融プールに後行する電極１２ｂでなめ付け溶接又は本溶接のプラズマアークが当たって、例えばキーホール溶接で形成される溶融プールを後方に送り、キーホール溶接で形成される溶融ビードを後行のなめ付け溶接が均す。これにより、母材表面と滑らかにつながるなめ付け溶接ビードとなる。３ｍｍ未満の薄板の場合は、キーホール溶接が不可能なため、先行の溶接又は予熱によりビードが形成され、これが後行のなめ付け溶接により、滑らかなビードに変わる。従来のように、大電流ワンプール広幅溶接をするのとは違い、先行，後行ともそれぞれの機能に分け、必要最小限の低い電流で、ビード幅の狭い高速溶接ができる。また、先行アークを予熱として使い、後行アークで本溶接を行う方法でも高速化はできる。いずれの場合も、冷却能力が高いＶ型の冷却水流路４ａ，４ｂを形成したチップ１を用いることにより、溶接電力をアップしてより高速に溶接を行うことができる。
【００３３】
−第２実施例−
図４の（ａ）に、本発明のインサートチップの第２実施例を示す。これは、図２，図３に示すプラズマトーチのインサートチップ１に置き換えて使用されるものである。第２実施例のインサートチップは、熱伝導性が高い金属、例えば銅又は銅合金、でできた１対のノズル部材２０ａ，２０ｂを、同様に熱伝導性が高い金属でできたチップ基体１ａの挿入穴１８ａ，１８ｂに挿入し、ノズル部材２０ａ，２０ｂの下端の雄ねじ２２ａ，２２ｂを、挿入穴１８ａ，１８ｂの下端部の雌ねじ穴１９ａ，１９ｂにねじ込むことにより、チップ基体１ａに一体化したものである。インサートチップから１対のノズル部材２０ａ，２０ｂを取り外して、図４の（ｂ）にはチップ基体１ａを、図４の（ｃ）には１対のノズル部材２０ａ，２０ｂを示す。
【００３４】
各ノズル部材２０ａ，２０ｂには、電極配置空間２ａ，２ｂと、各空間２ａ，２ｂに連通する先端面（下端面）に開口した２個のノズル３ａ，３ｂと、を備えている。電極配置空間２ａ，２ｂの上端側の、センタリングストーン９ａ，９ｂ（図２）の下端が挿入される穴２１ａ，２１ｂは、六角ドライバが挿入される六角穴となっており、電極配置空間２ａ，２ｂの下端側の外周面には雄ねじ２２ａ，２２ｂが刻まれている。
【００３５】
このようなノズル部材２０ａ，２０ｂが装着されるチップ基体１ａには、チップ基体１ａの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線に分布し、該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる２個のノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂがある。挿入穴１８ａ，１８ｂの下端側の内周面には雄ねじ１９ａ，１９ｂが刻まれている。また、チップ基体１ａにも、第１実施例のインサートチップ１のＶ型水流路４ａ，４ｂ（図３）と同様な形状のＶ型水流路が同様な位置に形成されているので、第２実施例のインサートチップの冷却能力が高い。
【００３６】
図４の（ｃ）に示す１対のノズル部材２０ａ，２０ｂを、図４の（ｂ）に示すチップ基体１ａの挿入穴１８ａ，１８ｂに挿入し、ノズル部材２０ａ，２０ｂの上端側の六角穴２１ａ，２１ｂに六角ドライバの六角柱状の先端を挿入してねじ締め廻しすることにより、図４の（ａ）に示すインサートチップが完成する。このインサートチップのノズル３ａ，３ｂ周りがプラズマアークにより変形あるいは熔損したときは、六角ドライバを用いてノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１ａから取り外し、新品のノズル部材をチップ基体１ａに装着することにより、ノズル基体１ａを長期に使用できる。
【００３７】
−第３実施例−
図５の（ａ）に、本発明のインサートチップの第３実施例を示す。これも、図２，図３に示すプラズマトーチのインサートチップ１に置き換えて使用されるものである。第３実施例のインサートチップは、第２実施例と同様に、熱伝導性が高い金属でできた１対のノズル部材２０ｃ，２０ｄを、同様に熱伝導性が高い金属でできたチップ基体１ｂの挿入穴１８ｃ，１８ｄに挿入し、ノズル部材２０ｃ，２０ｄの下端の雄ねじ２２ａ，２２ｂを、挿入穴１８ｃ，１８ｄの下端部の雌ねじ穴１９ａ，１９ｂにねじ込むことにより、チップ基体１ｂに一体化したものである。インサートチップから１対のノズル部材２０ｃ，２０ｄを取り外して、図５の（ｂ）にはチップ基体１ｂを、図５の（ｃ）には１対のノズル部材２０ｃ，２０ｄを示す。
【００３８】
第３実施例のノズル部材２０ｃ，２０ｄが第２実施例のものと異なるのは、雄ねじ２２ａ，２２ｂと上側部分の間の外周面が下絞りのテーパ外周面２３ａ，２３ｂとなっている点であり、これに対応して第３実施例のチップ基体１ｂには、雌ねじ穴１９ａ，１９ｂと上端面側との間に、テーパ外周面２３ａ，２３ｂに整合する下絞りのテーパ内周面１８ｃ，１８ｄがある。その他のインサートチップ構造は、この第２実施例と同様である。
【００３９】
第３実施例のインサートチップでは、チップ基体１ｂにノズル部材２０ｃ，２０ｄをねじ込むことによりノズル部材のテーパ外周面２３ａ，２３ｂがチップ基体１ｂのテーパ内周面１８ｃ，１８ｄに面接触で圧接し、ノズル部材２０ｃ，２０ｄ／チップ基体１ｂ間の伝熱抵抗が低く、ノズル部材２０ｃ，２０ｄの冷却能力が更に高い。
【００４０】
なお、第２，第３実施例のノズル部材は、その六角穴２１ａ，２１ｂは丸穴としてノズル部材の先端面にマイナス又はプラスドライバの先端を受け入れる溝を刻んだものとしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１：インサートチップ
１ａ，１ｂ：チップ基体
２ａ，２ｂ：電極配置空間
３ａ，３ｂ：ノズル
４ａ，４ｂ：水流路
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
１８ｃ，１８ｄ：テーパ内周面
１９ａ，１９ｂ：雌ねじ穴
２０ａ，２０ｂ：ノズル部材
２０ｃ，２０ｄ：ノズル部材
２１ａ，２１ｂ：六角穴
２２ａ，２２ｂ：雄ねじ
２３ａ，２３ｂ：テーパ外周面
【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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