(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を循環する冷却水により冷却され、タングステン電極を先端部から露出した状態で保持する電極保持部材と、該電極保持部材に嵌入して保持されるタングステン電極と、前記電極保持部材の下端部の前記タングステン電極に対向する位置に設けられた添加ワイヤと、前記タングステン電極と母材の開先底との間に生じたアーク近傍に不活性ガスを吹き出させるガス孔とを有し、母材の開先中に挿入して溶接するティグアークトーチにおいて、
前記タングステン電極は前記電極保持部材の前記開先の側壁側に露出した状態で保持されることを特徴とするティグアークトーチ。
【請求項２】
請求項１に記載のティグアークトーチにおいて、前記電極保持部材の開先幅方向の厚さは前記タングステン電極の露出部分の径以下であることを特徴とするティグアークトーチ。
【請求項３】
請求項１に記載のティグアークトーチにおいて、前記タングステン電極は電極保持部材の下端部に穿設された電極保持溝内に嵌入し、該電極保持溝に対する押圧力により圧接保持されたことを特徴とするティグアークトーチ。
【請求項４】
請求項１に記載のティグアークトーチにおいて、一端が前記電極保持部材の内部で前記タングステン電極の後端部に当接し、該タングステン電極の後端位置を調整すべく、上下動可能に保持された突出し部材を有したことを特徴とするティグアークトーチ。
【請求項５】
請求項１に記載のティグアークトーチにおいて、前記タングステン電極が直接前記開先の側壁に接触するのを防止すると共に、タングステン電極を開先の側壁に倣って移動するための絶縁性の案内ピンを前記電極保持部材に設けたことを特徴とするティグアークトーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は厚板鋼材の溶接に用いられ、特に、狭開先内でのティグ（タングステン・イナート・ガス）溶接に好適に用いられるティグアークトーチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
板厚が例えば、２０mmの厚板鋼材に対して開先幅が６mmというような非常に狭い溶接溝内でティグ（ＴＩＧ）溶接すると、溶接変形や残留応力が小さく、しかも、溶接作業時間も短くて済むことが期待できるので、かかる分野での技術開発がいろいろと進められている。
【０００３】
図７は二重ガス供給筒構造のティグトーチを用いた溶接方法を示す溶接部の断面図である。母材２の開先１０の表面側に配置されたティグトーチ１はセンターノズル８と、その外側を覆うように配設されたシールドノズル３を具えていて、センターノズル８の中心部には丸針状のタングステン電極４が電極保持部材９により上下動可能に保持されている。センターノズル８の内部には上方よりタングステン電極４に沿って流下するヘリウムより成る高速のセンターガスＧc が流されていて、これによりタングステン電極４先端に形成されたアークＡc を冷却する共に、母材２の溶融能力の増強を図っている。また、シールドノズル３の内部には上方よりアルゴンガスより成るアウターガスＧo が流下していて、溶接部を遮蔽する効果を果たしている。溶接作業時には母材２の表面側にシールドノズル３を配置し、電極保持部材９に装着されたタングステン電極４を下方に垂下させて開先１０底まで届くように延ばし、その先端部に発生したアークＡc により母材２を溶融して融着させる。
【０００４】
ところで、母材２の板厚が例えば、５０mm にもなると、電極保持部材９の先端からタングステン電極４の先端までの長さ（突出し長さ）が６０mm以上になるため、例えば、３００Aのアーク電流を流そうとすると、直径が３．２mmのタングステン電極４を使用しても、電極中の抵抗発熱量が多く、過熱溶融の虞があるため実用に供することはできない。従って、実際の溶接作業に用いる場合にはアーク電流は例えば、２００Ａ程度の低い電流値に設定せざるを得ず、その結果、母材溶接能力が低下し、作業効率の低下を招くことになる。
【０００５】
そこで、かかる不具合の発生を回避すべく、タングステン電極４の電極に直径４．０mmのものを用いようとすると、６mmの開先幅に対して両側の間隔は１mmずつしか取ることができない。しかも、上述のように、電極中の抵抗発熱量が多いため、タングステン電極４の突出し長さの１／２位の箇所でも１０００゜Ｃ近い高温になる。そして、当該箇所を電気絶縁材料で被覆することも難しいので、露出したタングステン電極４の側面をアークＡc が這い上がってしまうため、溶接できなくなってしまう。
【０００６】
このようなタングステン電極内部での抵抗発熱の問題を回避するための工夫として、例えば、特開平１０−７６３６７号公報にはタングステン電極として、断面形状が溶接線方向に長い長方形の板状電極を用いた発明が開示されている。図８は当該発明に係る溶接部の要部をその一部を切り欠いて示す斜視図である。同図に示すように、母材２a、２ｂの間に形成された狭い開先１０中に図示しない電極保持部材により保持されて挿入された板状のタングステン電極４の先端部は点状に尖らせてあり、添加ワイヤ１４ａ，１４ｂがワイヤガイド１５により案内されて送出され、タングステン電極と母材の開先底との間に生じたアークにより溶接が行われる。しかしながら、このような工夫を施してもタングステン電極４の突出し長さの１／２位の箇所はやはり１０００℃近い高温になり、アークがしばしばタングステン電極４の側面を這い上がってしまう。
【０００７】
また、このようなアークの這い上がりを防止した技術としては特開平１０−２８６６７号公報に、図９および図１０にそれぞれ正面図および側面図として示したタングステン電極４を薄い平板状にすると共に、その先端部を残して外表面に絶縁性セラミックを溶射して被覆したティグトーチの発明が開示されている。しかし、このような特殊な電極は非常に高価であるばかりでなく、被覆したセラミックが熱履歴により剥がれ易く耐久性に乏しいという欠点がある。このように、母材の間に形成された開先間に長く延ばしたタングステン電極を挿入して母材を溶接する溶接方式は開先幅が例えば、６mm以下のように狭く、母材の板厚が例えば、１００mmを越えるような、従って、開先底が深い鋼材の溶接を行う場合には上述のように、タングステン電極内部での抵抗発熱量が多過ぎて適用することができない。
【０００８】
そこで、本発明者等は母材の板厚が１００mmを越すような鋼材の溶接に適した狭開先ティグ溶接方法を開発し、特公平３−６９６２９号公報に開示した。図１１および図１２はそれぞれ同公報に開示された発明に係るティグトーチ１の正面図および側面図である。電極保持部材９により終端が締着されたタングステン電極４はティグトーチ１の先端に取り付けられ、水冷された銅製の通電チップ１９に穿設された丸孔１９１内に挿通され、これに平行に設けられた板ばね２０に突設された突起２０１が押圧接触して通電するような構造になっている。なお、電極保持部材９は上下動可能に支持されていて、溶接作業中にも タングステン電極４の突出し長さを調整できるようになっている。そして、タングステン電極４の先端と添加ワイヤ１４の先端付近には遮蔽ガスノズル２３ａ，２３ｂから遮蔽ガスが吹き付けるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術では、図１２に示すティグトーチ１の厚さは通電チップ１９の厚さと同じであり、通電チップ１９はタングステン電極４の周囲を囲むような構造になっているので、通電チップ１９の厚さはタングステン電極４の直径よりも片側で１mm 、両側で２mm 位厚くなる。例えば、直径２．４mmのタングステン電極４を用いた時は、通電チップ１９の厚さは約４mmになり、直径３．２mmのタングステン電極４を用いた時は、通電チップ１９の厚さは約５mmになる。従って、これらのティグトーチ１は開先幅が７mm〜１４mm程の開先の溶接には適しているが、開先幅が６mm以下の開先の溶接には適しておらず、敢えてこのような狭い開先幅の開先の溶接に用いる場合は、アーク電流を２５０Ａ以下の低電流としなければならなかった。
【００１０】
このように、従来技術は開先内に長いタングステン電極４を挿入して溶接することを基本にしているため、大きなアーク電流で開先幅が６mm以下の開先の溶接を行うことは困難であり、長いタングステン電極４の側面を絶縁被覆することも難しかった。また、狭い開先幅の開先の溶接を行うための工夫として提案された板状電極やセラミック被覆したタングステン電極は非常に高価であるため、実用的ではなかった。
【００１１】
本発明の目的は狭くて底の深い開先であっても大きなアーク電流によるティグ溶接を安価にかつ容易に行うことができ、タングステン電極の側面にアークが発生するのを防止できるティグアークトーチを提供することにある。また、本発明の他の目的は１本のタングステン電極の焼損寿命を延長できると共に、タングステン電極の先端が母材に融着してもタングステン電極を電極保持部材から容易に取り外すことができるティグアークトーチを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の第１の手段は、内部を循環する冷却水により冷却され、タングステン電極を先端部から露出した状態で保持する電極保持部材と、該電極保持部材に嵌入して保持されるタングステン電極と、前記電極保持部材の下端部の前記タングステン電極に対向する位置に設けられた添加ワイヤと、前記タングステン電極と母材の開先底との間に生じたアーク近傍に不活性ガスを吹き出させるガス孔とを有し、母材の開先中に挿入して溶接するティグアークトーチにおいて、前記タングステン電極は前記電極保持部材の前記開先の側壁側に露出した状態で保持されることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記電極保持部材の開先幅方向の厚さは前記タングステン電極の露出部分の径以下であることを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記タングステン電極は電極保持部材の下端部に穿設された電極保持溝内に嵌入し、該電極保持溝に対する押圧力により圧接保持されたことを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は前記第１の手段において、一端が前記電極保持部材の内部で前記タングステン電極の後端部に当接し、該タングステン電極の後端位置を調整すべく、上下動可能に保持された突出し部材を有したことを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、前記タングステン電極が直接前記開先の側壁に接触するのを防止すると共に、タングステン電極を開先の側壁に倣って移動するための絶縁性の案内ピンを前記電極保持部材に設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の実施例に係るティグアーク溶接トーチの正面図、図２は同じく、ティグアーク溶接トーチの開先中に挿入された状態での側面図、図３は図１の切断線Ａ−Ａに沿ったティグトーチ１の断面図である。これらの図において、５は図示しないトーチスタンドに支持され、図示しないアーク電源からのアーク電流が導かれる黄銅製の中継ブロック、６は内部に遮蔽ガスが流出する高さが４０mm程の遮蔽筒、７は一端が中継ブロック５に一体的に支持され、他端がクロム銅から成る電極保持部材９を保持する支柱、１１は中継ブロック５から支柱７に沿って配置されたガイド管、１２はガイド管１１内に挿入され、電極保持部材９内部まで進入して他端がタングステン電極４の上端に当接する硬質ピアノ線から成る突出し線、１３ａ，１３ｂは中継ブロック５に一端がろう付け支持されて他端が電極保持部材９に連結された２本の冷却水管、１６は同様に中継ブロック５に一端がろう付け支持されて他端が電極保持部材９に連結されたワーキングガス管である。
【００１４】
また、２１はタングステン電極４を側面から押し付ける耐熱性の板ばね２０を電極保持部材９に係止する係止ピン、５１は中継ブロック５に螺着されて突出し線１２の一端が固定され、回転操作することによりタングステン電極４の突出し長さを例えば、１５mmに調整するための調整撮み、９０は電極保持部材９の中央部に穿設され、そこに嵌入したタングステン電極４を保持する電極保持溝、９１は電極保持部材９中に穿設され、接続された冷却水管１３ａ，１３ｂを経て供給された電極保持部材９を冷却するための冷却水が通過する冷却水路、９２は電極保持部材９中に穿設され、接続されたワーキングガス管１６から供給されたヘリウムガスから成るワーキングガスをタングステン電極４の横からアーク発生部に向けて流出させるガス孔である。従来例と同一または同一とみなせる箇所には同一の符号を附して重複する説明を省略する。
【００１５】
本実施例では直径が３．２mmのタングステン電極４を使用する時は厚さ３mmの電極保持部材９を用いて、その電極保持溝９０内に保持する。支柱７、ガイド管１１、冷却水管１３ａ，１３ｂ、ワーキングガス管１６および板ばね２０の開先幅方向の各寸法は全て電極保持部材９の厚さ以下に設定されている。また、これらの高さ方向の寸法を設定することにより、ティグトーチ１の長さ寸法を任意の値に選定することができる。中継ブロック５と母材２ａ，２ｂ表面との間に配置される遮蔽筒６の高さを４０mm、中継ブロック５の下端からタングステン電極４の先端までの長さを２００mmとした時には、板厚が１５０mmの母材２ａ，２ｂであっても、その開先底までタングステン電極４の先端を到達させて開先底との間にアークを発生させることができる。
【００１６】
次に、本実施例の動作を説明する。始めに、狭い開先１０底で高周波アーク溶接を開始すると、しばしばティグトーチ１の側面からアークが発生することがあるので、タングステン電極４の先端を開先１０底まで下降させて、一旦、母材２ａ，２ｂと接触させてから通電を開始させ、その儘ティグトーチ１を引き上げてアークをタングステン電極４の先端から発生させる、いわゆる、収縮始動法が採用されている。この収縮始動を開始する際に、タングステン電極４は母材２によって押されるが、タングステン電極４の後端が突出し線１２の先端に当接しているだけなので、タングステン電極４の突出し長さが短くなることはない。
【００１７】
本実施例ではタングステン電極４の後端を突出し線１２の先端に単に当接させているだけなので、例えば、収縮始動開始時等の誤操作によりタングステン電極４の先端が母材２に融着した場合に、アーク電流の供給を絶った後でティグトーチ１を引き上げるだけで、タングステン電極４をティグトーチ１から分離させることができる。従って、融着したタングステン電極４の取外し作業をティグトーチ１に損傷を与えることなく行うことができる。
【００１８】
また、タングステン電極４は板ばね２０によって電極保持部材９の電極保持溝９０内に強めに押し付けられているだけなので、その交換を行う場合は、簡単に手で引き抜き、あるいは押し込み挿入するだけで済むから、交換作業に要する労力と時間を省くことができる。タングステン電極４の長さが例えば、１０mm短くなっても、中継ブロック５の調整撮み５１を回して突出し線１２を下降させ、突出し長さを１５mmに調整することができるから、タングステン電極４の繰り返し使用寿命を延ばすことができる。
【００１９】
本実施例のタングステン電極４は通常は１０〜１５mm程の短い突出し長さで使用されるので、大きなアーク電流を流しても、タングステン電極４内部の抵抗発熱量は多くならないから、開先底が深くても、アーク電流はタングステン電極４の直径に見合った常用の値以上に設定することができる。なお、タングステン電極４の突出し長さは３０mm程度までなら、流す最大アーク電流が多少低下するものの、溶接作業に特に支障は生じない。しかし、タングステン電極４の突出し長さが５０mm以上になると、タングステン電極４は過熱されるため、溶接作業に支障が生じる。
【００２０】
中継ブロック５および電極保持部材９は冷却水により冷やされているので、２００°Ｃ程に予熱された母材２の開先１０中にティグトーチ１を挿入した場合でも、ティグトーチ１は中間部を含めて６０°Ｃ以下に保たれているから、例えば、厚さが０．２mm位の安価な薄い耐熱性ガラステープで全体を捲くだけで、簡単かつ安価にティグトーチ１と開先１０との間の電気絶縁を確保できる。従って、誤ってティグトーチ１が開先１０壁面に接触したときでも、ティグトーチ１側面からアークが発生することはない。
【００２１】
開先幅が６mmというような極めて狭い開先中でアーク溶接を行う場合は、従来は開先深さの影響を受けるので、アークの母材溶融能力を高めるために高価なヘリウムあるいはヘリウムを混合したアルゴンガスをワーキングガスとして用いなければならなかったが、本実施例ではタングステン電極４の先端から発生するアークの直近の電極保持部材９の下端からアーク部分に向けて、１：１の比のヘリウム・アルゴン混合ガスが吹き出すと共に、遮蔽筒６からアルゴンガスが流出するようになっているので、溶接作業の施工費用を低減できる。
【００２２】
次に、本実施例のティグトーチ１の構造をより簡素化した変形例について説明する。図４は本実施例の変形例に係るティグアーク溶接トーチの正面図、図５は図４の切断線Ｂ−Ｂに沿ったティグトーチ１の断面図である。これらの図において、１７は一端が中継ブロック５に一体的に固定され、他端に電極保持部材９がろう付けされた厚さ３mmの黄銅から成る中間部材、９３は電極保持部材９の下端部に嵌合する窒化珪素から成る長さ４．５mmの案内ピン、１７１は中間部材１７中に刳り貫き形成された冷水が流れる冷却水路である。
【００２３】
中間部材１７は電極保持部材９にアーク電流を導く機能と電極保持部材９を中継ブロック５に対して支持する機能を兼ね具えているので、本実施例のティグトーチ１よりも丈夫な作りになっている。電極保持部材９の構成および機能は本実施例のものと殆ど変わらない。しかし、この変形例では先の実施例の突出し線１２に相当する部材を具えていないので、タングステン電極４の後端が電極保持部材９に直接当接するようになっており、タングステン電極４が消耗すると、その突出し長さが短くなるという欠点がある。
【００２４】
図５に示すように、案内ピン９３は電極保持部材９の幅より長く、主面より突出形成されているので、タングステン電極４や中間部材１７が直接開先１０側壁に接触するのを防止すると共に、開先１０を倣う機能を具えている。なお、アーク電流を例えば、３５０Ａ流す場合は、タングステン電極４は直径が３．２mmのもの、電極保持部材９は厚さが３mmのものを用い、アーク電流が２５０Ａ以下の場合は、タングステン電極４は直径が２．４mmのもので良く、電極保持部材９は厚さが２．５mmのものを用いる。
【００２５】
図６は直径が４mmのタングステン電極４を研削して小径部の幅を２．５mmとしたものの径方向の断面図である。このような扁平形状あるいは板状のタングステン電極４を用いると、電極保持部材９として厚さがタングステン電極４の小径部の厚さと同じ２．５mmのものを用いても、アーク電流を例えば、３５０Ａ流すことができる。この場合はティグトーチ１の厚さを薄くできるので、溶接作業をよりし易くなるという利点がある。なお、電極保持部材９の厚さは４mm以上になると、開先幅が例えば、６mmのように極めて狭い開先１０内では使用できなくなる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、タングステン電極が電極保持部材の開先の側壁側に露出した状態で保持されるようにしたので、狭くて底の深い開先であっても大きなアーク電流によるティグ溶接を安価にかつ容易に行うことができ、タングステン電極の側面にアークが発生するのを防止することができる。
請求項２記載の発明によれば、電極保持部材の開先幅方向の厚さをタングステン電極の露出部分の径以下としたので、狭くて底の深い開先であっても大きなアーク電流を流すことができる。
【００２７】
請求項３記載の発明によれば、タングステン電極は電極保持部材の下端部に穿設された電極保持溝内に嵌入し、該電極保持溝に対する押圧力により圧接保持されるようにしたので、タングステン電極の先端が母材に融着してもタングステン電極を電極保持部材から容易に取り外すことができる。
請求４項記載の発明によれば、一端が電極保持部材の内部でタングステン電極の後端部に当接し、該タングステン電極の後端位置を調整すべく、上下動可能に保持された突出し部材を有したので、タングステン電極の突出し長さを一定に保つことができるから、１本のタングステン電極の焼損寿命を延長できる。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、電極保持部材に絶縁性の案内ピンを設けたので、タングステン電極が開先側壁に接触するのを確実に防止できると共に、タングステン電極を開先壁面に倣って移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るティグアーク溶接トーチの正面図
【図２】同じく、ティグアーク溶接トーチの開先中に挿入された状態での側面図
【図３】図１の切断線Ａ−Ａに沿ったティグトーチの断面図
【図４】本実施例の変形例に係るティグアーク溶接トーチの正面図
【図５】図４の切断線Ｂ−Ｂに沿ったティグトーチの断面図
【図６】研削して小径部を形成したタングステン電極の径方向の断面図
【図７】従来例に係る二重ガス供給筒構造のティグトーチを用いた溶接方法を示す溶接部の断面図
【図８】他の従来例に係る溶接部の要部をその一部を切り欠いて示す斜視図
【図９】薄い平板状にしたタングステン電極を示す正面図
【図１０】同じく、その側面図
【図１１】従来例に係るティグトーチの正面図
【図１２】同じく、ティグトーチの側面図
【符号の説明】
１  ティグトーチ
２（ａ，ｂ）  母材
４    タングステン電極
５  中継ブロック
６  遮蔽筒
７  支柱
９  電極保持部材
１０  開先
１１  ガイド管
１２  突出し線
１７  中間部材
２０  板ばね
５１  調整撮み
９０  電極保持溝
９１  冷却水路
９２  ガス孔
９３  案内ピン
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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