(57)【要約】【課題】トーチとワーク（被加工物）との距離を正確に位置決めすることができるプラズマ溶接装置を提供する。【解決手段】位置合わせ機構に支持された被加工物を溶接するプラズマ溶接装置１０において、第一のベース部材１１と、前記第一のベース部材１１に対して水平な一方向への移動が可能な第二のベース部材１２と、前記第二のベース部材１２に対して水平で、かつ、前記一方向とは垂直な方向への移動が可能な第三のベース部材１３と、前記第三のベース部材１３に設けられてトーチ２１を支持するトーチホルダ１５と、前記第三のベース部材１３に設けられて先端にトーチ２１と被加工物２２との距離を正確に設定する接触式スイッチ２０を有するトーチ位置設定用治具１６とを備えるようにしたので、トーチ２１とワーク（被加工物）２２との距離を正確に位置決めすることができ、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置合わせ機構に支持された被加工物を溶接するプラズマ溶接装置において、
第一のベース部材と、
前記第一のベース部材に対して水平な一方向への移動が可能な第二のベース部材と、
前記第二のベース部材に対して水平で、かつ、前記一方向とは垂直な方向への移動が可能な第三のベース部材と、
前記第三のベース部材に設けられてトーチを支持するトーチホルダと、
前記第三のベース部材に設けられて先端にトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構を有するトーチ位置設定用治具と
を備えたことを特徴とするプラズマ溶接装置。
【請求項２】
前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、接触式スイッチであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接装置。
【請求項３】
前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、レーザー変位計による距離測定器であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接装置。
【請求項４】
前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、画像処理による距離測定器であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接装置。
【請求項５】
前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、シム・スペーサーであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接装置。
【請求項６】
前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を設定変更する位置調整器をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のプラズマ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属材料などからなる被加工物を溶接するプラズマ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属材料などからなる被加工物を溶接する装置として、プラズマ溶接装置が知られており、例えば、図１に示すように、トーチ１を用いてワーク（被加工物）２の突き合わせ部分を予熱して溶接するものである。プラズマアーク溶接法の原理は、図１に示すように、まず、高周波発生器を使って、タングステン電極３，４と、水冷された拘束ノズル５との間に定電流のアーク（パイロットアーク）を発生させる。ノズル５内にある不活性ガスは、このアーク熱によってイオン化し、アーク電流の良導体となるため、タングステン電極３，４とワーク２間で溶接用アークを発生させることができる。このイオン化したガスはプラズマと呼ばれ、ノズルに設けられたオリフィス（数ミリ径の穴）を通過する際に、プラズマジェットとなって噴出する。このプラズマジェットに導かれたアークは、緊縮して高密度になっているため、通常のアークよりも高温（１００００〜２００００°Ｃ）で、アーク柱も長い。
【０００３】
このプラズマアーク溶接法は、ティグ溶接法に比べると、エネルギー密度が高いので、高速度、低電流溶接が可能であり、その結果として、溶接歪みが少なく、また、アークの安定性と方向性に優れているという利点があるが、プラズマアーク又はプラズマジェットを溶接点に位置合わせする際に、目視で位置合わせするのは難しく、高い精度で簡単に位置合わせすることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、プラズマトーチを簡単に位置合わせするものとして、例えば特許文献１，２には、プラズマトーチを高い精度で位置合わせするプラズマ溶接装置が開示されている。この特許文献１，２等の従来技術においては、図２に示すように、トーチ１とワーク（被加工物）２の溶接位置（加工点６）との水平方向（図２の左右方向）の位置について、高い精度で位置合わせを行うことは記載されているものの、トーチ１とワーク２の距離（図２の上下方向の距離）については、０．３ｍｍ〜３ｍｍ程度や、１ｍｍ〜数ｍｍ程度という範囲で位置決めしているだけであった。
また、一般的に溶接作業における溶接条件としても、（１）溶接電流、（２）アーク電圧、（３）溶接速度、（４）予熱温度、（５）パス間温度、（６）溶接後熱処理条件、（７）裏あての有無、（８）シールドガスの流量、（９）電極数、（１０）電極の極性、（１１）パス数、（１２）層数の１２項目しか、管理すべき溶接条件として挙げられておらず、トーチとワークとの距離について、正確に設定しなければならないという認識はなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７７７４８号公報
【特許文献２】特開２０００−８４６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、プラズマ溶接装置は電極と拘束ノズルとの間にパイロットアークが常に発生しているため、ノズル先端から高温のシールドガスが常に噴出しており、その高温ガスにより、ワーク全体の温度が上昇して予熱されるため、特にワークが小さい場合には、トーチとワークとの距離が予熱温度に大きく影響し、その結果、溶接の品質にも大きく影響を及ぼすという課題があることを発見した。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、トーチとワーク（被加工物）との距離を正確に位置決めすることができるプラズマ溶接装置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】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明は、位置合わせ機構に支持された被加工物を溶接するプラズマ溶接装置において、第一のベース部材と、前記第一のベース部材に対して水平な一方向への移動が可能な第二のベース部材と、前記第二のベース部材に対して水平で、かつ、前記一方向とは垂直な方向への移動が可能な第三のベース部材と、前記第三のベース部材に設けられてトーチを支持するトーチホルダと、前記第三のベース部材に設けられて先端にトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構を有するトーチ位置設定用治具とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、この発明は、前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、接触式スイッチであることを特徴とする。
【００１０】
また、この発明は、前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、レーザー変位計による距離測定器であることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明は、前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、画像処理による距離測定器であることを特徴とする。
【００１２】
また、この発明は、前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を正確に設定する機構は、シム・スペーサーであることを特徴とする。
【００１３】
また、この発明は、前記トーチ位置設定用治具の先端に設けられたトーチと被加工物との距離を設定変更する位置調整器をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明におけるプラズマ溶接装置によれば、トーチとワーク（被加工物）との距離を正確に位置決めすることができるので、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プラズマアーク溶接法の原理を説明する図である。
【図２】従来のプラズマ溶接装置における、トーチとワークとの水平方向の位置合わせについて説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるプラズマ溶接装置の構造を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるプラズマ溶接装置のトーチとトーチ位置設定用治具の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図３は、この発明の実施の形態１におけるプラズマ溶接装置の構造を示す図である。図３に示すプラズマ溶接装置１０は、第一のベース部材１１を備え、この第一のベース部材１１には、可動式の第二のベース部材１２が取り付けられている。この第二のベース部材１２は、ハンドル１４を回転させることにより、第一のベース部材１１に対して水平な一方向（図３の上下（矢印ＡＢ）方向）へ移動させることが可能となっている。また、第二のベース部材１２には、この第二のベース部材に対して水平で、かつ、前述の一方向（図３の上下方向）とは垂直な方向（図３の左右（矢印ＣＤ）方向）へ移動させることが可能な、第三のベース部材１３が取り付けられている。この第三のベース部材１３には、トーチ２１を支持するトーチホルダ１５と、先端にトーチ２１とワーク（被加工物）２２との距離を正確に設定する接触式スイッチ２０を有するトーチ位置設定用治具１６が設けられている。そして、この第三のベース部材１３は、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左右に動かすことにより、レール１９にそって左右に移動させることが可能であり、図３のようにトーチ２１が第二のベース部材１２の中央付近にある第１の状態と、トーチ位置設定用治具１６が第二のベース部材１２の中央付近にある第２の状態とのいずれかでロックがかかって停止するようになっている。
【００１７】
ここで、トーチ２１とワーク２２との距離を正確に位置合わせする手順は、以下のとおりである。
まず初めに、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を右に動かすことにより、第三のベース部材を、トーチ位置設定用治具１６が第二のベース部材の中央付近にくる第２の状態に移動させ、トーチ位置設定用治具１６の先端に設けられた接触式スイッチ２０の先を、ワーク２２の溶接位置に合わせる。この位置合わせを、左右にずれることなく正確に行う方法については、例えば、特許文献１，２等に記載されているように周知の方法のため、ここでは説明を省略する。
【００１８】
次に、接触式スイッチ２０がワーク２２によって押下されるように、ハンドル１４及びトーチ位置設定用治具１６に設けられたダイヤル２３（図４参照）を操作することによって位置合わせを行う。このダイヤル２３は、トーチ位置設定用治具１６の上下方向の位置を調整するものであり、これにより、トーチ位置設定用治具１６の先端に設けられた接触式スイッチ２０の上下方向の位置が調整される。そして、接触式スイッチ２０が押し込まれて接点がＯＮしたところで、トーチ位置設定用治具１６の位置合わせ調整を止める。
【００１９】
図４は、トーチ２１とトーチ位置設定用治具１６（及び接触式スイッチ２０）の部分拡大図である。この図４において、ワーク２２は図示していないが、接触式スイッチ２０はワーク２２によって押し込まれて接点がＯＮした状態を示しており、ここで、トーチ位置設定用治具１６の位置合わせ調整を止める。その結果、接触式スイッチ２０のワーク２２との接触ラインと、トーチ２１の先端との距離を、正確に一定に保つことができる。
【００２０】
このように、接触式スイッチ２０を用いることにより、接触状態を正確に検知することができるため、目視等の感覚による場合と比較して、トーチ位置設定用治具１６とワーク２２との距離を正確に設定することができる。
接触式スイッチ２０は、接点がＯＮした際のワーク２２との距離を１μｍや０．５μｍという精度で設定することができるので、接触式スイッチ２０が設けられたトーチ位置設定用治具１６の先端とワーク２２との距離についても、１μｍや０．５μｍという精度で設定することができる。
【００２１】
そして、上記のように接触式スイッチ２０の接点がＯＮしたことによりトーチ位置設定用治具１６の位置合わせを止めた状態で、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことにより、第三のベース部材を、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１が第二のベース部材の中央付近にくる第１の状態に移動させる。この際、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１の先端と、トーチ位置設定用治具１６に設けられた接触式スイッチ２０の先端の左右方向の長さ分だけ、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことによって移動させることができ、第１の状態でロックがかかって停止するため、目視等による位置合わせを行う必要はなく、正確にワーク２２の溶接位置にトーチ２１の先端を合わせることができる。
この際、先に接触式スイッチ２０により接触式スイッチ２０とワーク２２との距離が正確に設定されているため、トーチ２１とワーク２２との距離についても、正確に合わせることができる。
なお、図示はしていないが、第三のベース部材の上面部等に表示部を設け、トーチ位置設定用治具１６の位置調整具合を数値で表示するようにしてもよい。
【００２２】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、トーチ２１とワーク２２との距離を１μｍや０．５μｍという精度で正確に位置決めすることができるので、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。
【００２３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２におけるプラズマ溶接装置は、実施の形態１のプラズマ溶接装置１０とほぼ同じ構成であり、トーチ位置設定用治具１６の先端に取り付けられた接触式スイッチ２０の代わりに、レーザー変位計（図示せず）を設けた点でのみ、実施の形態１と異なる。
レーザー変位計は、対象物であるワーク２２からどれだけ離れているかという距離を、０．０１μｍ程度の精度で検知することができる。
【００２４】
そして、希望する距離のところで、レーザー変位計が先端に設けられたトーチ位置設定用治具１６の位置合わせを止めて、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことにより、第三のベース部材を、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１が第二のベース部材の中央付近にくる第１の状態に移動させる。この際、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１の先端と、トーチ位置設定用治具１６に設けられたレーザー変位計の左右方向の長さ分だけ、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことによって移動させることができ、第１の状態でロックがかかって停止するため、目視等による位置合わせを行う必要はなく、正確にワーク２２の溶接位置にトーチ２１の先端を合わせることができる。
この際、先にレーザー変位計により当該レーザー変位計とワーク２２との距離が正確に設定されているため、トーチ２１とワーク２２との距離についても、正確に合わせることができる。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態２によれば、トーチ２１とワーク２２との距離を０．０１μｍ程度の精度で正確に位置決めすることができるので、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。
【００２６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３におけるプラズマ溶接装置は、実施の形態１のプラズマ溶接装置１０とほぼ同じ構成であり、トーチ位置設定用治具１６の先端に取り付けられた接触式スイッチ２０の代わりに、画像処理による距離測定器（図示せず）を設けた点でのみ、実施の形態１と異なる。
画像処理による距離測定器は、対象物であるワーク２２からどれだけ離れているかという距離を０．１μｍ程度の精度で検知することができる。
【００２７】
そして、希望する距離のところで、画像処理による距離測定器が先端に設けられたトーチ位置設定用治具１６の位置合わせを止めて、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことにより、第三のベース部材を、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１が第二のベース部材の中央付近にくる第１の状態に移動させる。この際、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１の先端と、トーチ位置設定用治具１６に設けられたレーザー変位計の左右方向の長さ分だけ、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことによって移動させることができ、第１の状態でロックがかかって停止するため、目視等による位置合わせを行う必要はなく、正確にワーク２２の溶接位置にトーチ２１の先端を合わせることができる。
この際、先に距離測定器により当該距離測定器とワーク２２との距離が正確に設定されているため、トーチ２１とワーク２２との距離についても、正確に合わせることができる。
【００２８】
以上のように、この発明の実施の形態３によれば、トーチ２１とワーク２２との距離を０．１μｍ程度の精度で正確に位置決めすることができるので、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。
【００２９】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４におけるプラズマ溶接装置は、実施の形態１のプラズマ溶接装置１０とほぼ同じ構成であり、トーチ位置設定用治具１６の先端に取り付けられた接触式スイッチ２０の代わりに、シム・スペーサー（図示せず）を設けた点でのみ、実施の形態１と異なる。
シム・スペーサーは１μｍ〜数μｍの薄板からできているので、シム・スペーサーが設けられたトーチ位置設定用治具１６の先端とワーク２２との距離を１μｍ〜数μｍという精度で設定することができる。
【００３０】
そして、シム・スペーサーがワーク２２に接触したところで、トーチ位置設定用治具１６の位置合わせを止めて、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことにより、第三のベース部材を、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１が第二のベース部材の中央付近にくる第１の状態に移動させる。この際、トーチホルダ１５に取り付けられたトーチ２１の先端と、トーチ位置設定用治具１６に設けられたシム・スペーサーの左右方向の長さ分だけ、ロックボタン１７を押しながらレバー１８を左に動かすことによって移動させることができ、第１の状態でロックがかかって停止するため、目視等による位置合わせを行う必要はなく、正確にワーク２２の溶接位置にトーチ２１の先端を合わせることができる。
この際、先にシム・スペーサーによりトーチ位置設定用治具１６とワーク２２との距離が正確に設定されているため、トーチ２１とワーク２２との距離についても、正確に合わせることができる。
【００３１】
以上のように、この発明の実施の形態４によれば、トーチ２１とワーク２２との距離を１μｍ〜数μｍの精度で正確に位置決めすることができるので、適切に予熱を行い、品質の良い溶接を行うことができる。
【００３２】
なお、実施の形態１〜４に記載の発明のように、トーチ２１を水平移動させる代わりに、例えば特許文献２等に記載されている従来技術のように、トーチ２１を回転移動させて位置合わせを行うようにしてもよい。また、トーチ２１側を水平または回転移動させるのではなく、ワーク２２側を水平または回転移動させるようにしてもよい。
【００３３】
以上のように、この発明におけるプラズマ溶接装置によれば、従来では０．３ｍｍ〜数ｍｍ程度の精度でしか合わせることができず、また、目視による位置合わせが困難であったトーチとワークとの距離を、０．０１μｍ〜数μｍという高精度で正確に合わせることができる。
【００３４】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２１  トーチ
２，２２  ワーク（被加工物）
３，４  タングステン電極
５  拘束ノズル
６  加工点（溶接位置）
１０  プラズマ溶接装置
１１  第一のベース部材
１２  第二のベース部材
１３  第三のベース部材
１４  ハンドル
１５  トーチホルダ
１６  トーチ位置設定用治具
１７  ロックボタン
１８  レバー
１９  レール
２０  接触式スイッチ
２１  トーチ
２２  ワーク（被加工物）
２３  ダイヤル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2012213777.tif 000006