インサートチップおよびプラズマトーチ
【課題】 複数ノズル部材をチップ基体に着脱可にしたインサートチップの、ノズル部材冷却の向上。ノズルの指向方向の設定，ノズル部材脱着を容易，簡易化。
【解決手段】 ノズル３ａ付き笠部２１ａ，これに一体の幹部２２ａ，雄ねじ部２４ａおよびシール材２３ａがあり、内部に電極空間２ａがある、複数ノズル部材；雄ねじ部から幹部までが挿通するノズル部材挿入穴１８ａ，これらの穴に挿通したノズル部材の笠部が先端平面１ｄに当接することにより閉じられる、ノズル部材挿入穴の一部をなし幹部との間に冷媒空間を形成する冷媒循環穴１ｆ，冷媒受穴１ｈ，冷媒出穴１ｉ，隣り合う冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴１ｊ，冷媒循環穴１ｆを冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴１ｋ、および、冷媒循環穴１ｇを冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴１ｌ、を有するチップ基体１；および、ノズル部材をチップ基体に固定する結合手段２５ａ；を備える。
【解決手段】 ノズル３ａ付き笠部２１ａ，これに一体の幹部２２ａ，雄ねじ部２４ａおよびシール材２３ａがあり、内部に電極空間２ａがある、複数ノズル部材；雄ねじ部から幹部までが挿通するノズル部材挿入穴１８ａ，これらの穴に挿通したノズル部材の笠部が先端平面１ｄに当接することにより閉じられる、ノズル部材挿入穴の一部をなし幹部との間に冷媒空間を形成する冷媒循環穴１ｆ，冷媒受穴１ｈ，冷媒出穴１ｉ，隣り合う冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴１ｊ，冷媒循環穴１ｆを冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴１ｋ、および、冷媒循環穴１ｇを冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴１ｌ、を有するチップ基体１；および、ノズル部材をチップ基体に固定する結合手段２５ａ；を備える。
【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
【特許文献６】特願２０１０−２６４９５５号
【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】
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を提供した（特許文献６）。このインサートチップは、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個のノズルおよび該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型の冷却水流路を備える。これにより、チップ先端面（母材対向面）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。特許文献６にはさらに、チップ基体に１対のノズル部材を着脱可に結合したインサートチップも提示した。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。
【００１１】
本発明は、複数のノズル部材を一つのチップ基体に着脱可に結合するインサートチップの改良に関し、各ノズル部材の冷却能力を上げることを第１の目的とし、ノズルの指向方向を数種に設定可とすることを第２の目的とし、チップ基体に対してノズルの指向方向を所定にしてノズル部材を結合する作業を容易かつ簡易にすることを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）中央にノズル(3a,3b)が開いた笠部(21a,21b)，該笠部に連続する幹部(22a,22b)および該幹部に連続する雄ねじ部(24a,24b)があって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材(23a,23b)があり、内部に前記ノズルに連通する電極配置空間(2a,2b)がある、複数のノズル部材(20a,20b)；
各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴(18a,18b)，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の前記笠部が先端平面(1d,1e)に当接することにより閉じられる、前記ノズル部材挿入穴の一部をなし前記幹部との間に冷媒通流空間を形成する冷媒循環穴(1f,1g)，冷媒受穴(1h)，冷媒出穴(1i)，隣り合う前記冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴(1j)，前記冷媒循環穴の一つ(1f)を前記冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴(1k)、および、前記冷媒循環穴の他の一つ(1g)を前記冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴(1l)、を有するチップ基体(1)；および、
前記ノズル部材挿入穴に挿通した前記ノズル部材を前記チップ基体に固定する結合手段(25a,25b)；
を備えるインサートチップ。
【００１３】
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】
【００１４】
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、複数アークで１つの溶融プールを形成する、ワンプール複数アークの溶接をすることができる。例えば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。
【００１５】
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、２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チップに複数個のノズル部材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複数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。
【００１６】
加えて、チップ基体(1)の冷媒循環穴(1f,1g)において各ノズル部材(20a,20b)の幹部(22a,22b)の外周面に接して冷媒(冷却水)が流れるので、各ノズル部材(20a,20b)の冷却能力が高い。また、チップ基体(1)において、冷媒受穴(1h)，それに冷媒循環穴の一つ(1f)をつなぐ冷媒通し穴(1k)，隣り合う冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴(1j)，他の冷媒循環穴(1g)を冷媒出穴(1i)につなぐ冷媒通し穴(1l)を冷媒が流れるので、チップ基体(1)の冷却能力も高い。
【００１７】
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。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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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）は図２に示すプラズマトーチの先端を、IVａ−IVａ線方向に見上げた底面図、（ｂ）は図３に示すIVｂ−IVｂ線方向に見上げた底面図、（ｃ）は図２に示すIVｃ−IVｃ線方向に見下ろした横断面図である。
【図５】（ａ）は、図２に示すプラズマトーチの先端のインサートチップおよびインナーキャップ６をトーチ本体から取り外して示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すチップ基体１とインナーキャップ６のみを示す縦断面図、（ｃ）は、（ａ）に示すナット２５ａ，２５ｂをノズル部材２０ａ，２０ｂから取り外してノズル部材をチップ基体１から抜き出しナット２５ａ，２５ｂとともに示す正面図（外観図）である。
【図６】（ａ１）は図５の（ｃ）に示すノズル部材２０ａを拡大して示す正面図、（ａ２）は該ノズル部材２０ａの縦断面図、（ａ３）は該ノズル部材２０ａの底面図である。（ｂ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第１変形形態のノズル部材２０ｃを示す正面図、（ｂ２）は該ノズル部材２０ｃの縦断面図、（ｂ３）は該ノズル部材２０ｃの底面図である。（ｃ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第２変形形態のノズル部材２０ｄを示す正面図、（ｃ２）は該ノズル部材２０ｄの縦断面図、（ｃ３）は該ノズル部材２０ｄの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（１ａ）前記結合手段は、前記ノズル部材の前記雄ねじ部、および、前記ノズル部材挿入穴(18a,18b)の一部をなし前記雄ねじ部がねじ結合する雌ねじ穴でなる；上記（１）に記載のインサートチップ。これによれば、チップ基体(1)に、該雄ねじ部がねじ結合する雌ねじ穴を形成しておくことにより、ノズル部材をねじ回しによってチップ基体に変形を与えることなく容易に着，脱できる。
【００２０】
（２）前記結合手段は、前記チップ基体(1)のノズル部材挿入穴(18a,18b)に挿通したノズル部材の前記雄ねじ部に螺合しノズル部材と協働してチップ基体を締め付けるナット(25a,25b)である；上記（１）に記載のインサートチップ。
【００２１】
（３）前記チップ基体(1)に対して前記ノズル部材(20a,20b)の、中心軸を中心とする回転を阻止する係合手段(26a,26b,1c)；を備える上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ。
【００２２】
（４）前記係合手段は、前記ノズル部材(20a,20b)の前記笠部(21a,21b)の側面を一部削除した切欠面(26a,26b)、および、前記チップ基体(1)の、隣り合うノズル部材挿入穴(18a,18b)の中間点にあって前記切欠面(26a,26b)が当接する係止面がある先端突起(1c)、でなる上記（３）に記載のインサートチップ。
【００２３】
（５）前記ノズル部材の少なくとも１つは、ノズル部材の中心軸と同心のノズル(3a,3b)を持つ（図６のａ１〜ａ３）；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。
【００２４】
（６）前記ノズル部材の少なくとも１つ(20c)は、チップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）から離れる方向に傾斜したノズル(3c)を持つ（図６のｂ１〜ｂ３）；上記（３）又は（４）に記載のインサートチップ。
【００２５】
（７）前記ノズル部材の少なくとも一つ(20d)は、チップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）に近づく方向に傾斜したノズル(3d)を持つ（図６のｃ１〜ｃ３）；上記（３）又は（４）に記載のインサートチップ。
【００２６】
（８）上記（１）乃至（７）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電極(12a,12b)と、を備えるプラズマトーチ（図２）。
【００２７】
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】
【００２８】
−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、インサートチップのチップ基体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。
【００２９】
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。
【００３０】
本実施例のインサートチップは、チップ基体１に２個のノズル部材２０ａ，２０ｂを装着したものであり、詳細を示す図５を参照すると、各ノズル部材２０ａ，２０ｂには、中央にノズル３ａ，３ｂが開いた笠部２１ａ，２１ｂ，該笠部に連続する幹部２２ａ，２２ｂおよび該幹部に連続する雄ねじ部２４ａ，２４ｂがあって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材であるＯリング２３ａ，２３ｂがあり、内部に前記ノズル３ａ，３ｂに連通する電極配置空間２ａ，２ｂがある。
【００３１】
チップ基体１には、各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の笠部が先端平面１ｄ，１ｅに当接することにより閉じられる、ノズル部材挿入穴の一部をなし幹部との間に冷却水通流空間を形成する冷却水循環穴１ｆ，１ｇ，水受穴１ｈ，水出穴１ｉ，隣り合う冷却水循環穴をつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｈにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３２】
この実施例では、図５の（ａ）に示すように、ノズル部材２０ａ，２０ｂの雄ねじ部２４ａ，２４ｂにナット２５ａ，２５ｂをねじ結合してチップ基体１に締め付けることにより、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に結合している。
【００３３】
図２を再度参照すると、ノズル部材２０ａ，２０ｂの電極配置空間２ａ，２ｂは、チップ基体１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）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。電極配置空間２ａ，２ｂに連続するノズル３ａ，３ｂはこの実施例では、電極配置空間２ａ，２ｂの中心軸と同心であって、図示しない母材に対向する。これらのノズル３ａ，３ｂも、本実施例では、チップ基体（外筒１４）の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）上に分布し、該中心軸に平行かつそれから等距離にある。
【００３４】
各電極配置空間２ａ，２ｂに先端部が挿入された第１電極１２ａ，第２電極１２ｂが、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、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。チップ基体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（ｙ）が延びる方向が溶接方向である。チップ基体１は、該直線（ｙ）が延びる方向（溶接方向）には図２に示すように広幅であるが、該直線（ｙ）と直交する方向（ｘ）すなわち溶接対象の開先の幅方向では楔状であって側面が傾斜面１ａ，１ｂ（図４の（ａ））となっている。
【００３５】
トーチ先端面（図２上ではノズルが開いた下端面）を示す図４の（ａ）も参照すると、
チップ基体１の先端の中心軸位置には先端突起１ｃがあり、溶接方向となるｙ方向で該先端突起１ｃの両側に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの笠２１ａ，２１ｂの裏面をうける先端平面１ｄ，１ｅがある。各先端平面１ｄ，１ｅの中央位置に、ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ（図５の（ｂ））がある。ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂに挿入されたノズル部材２０ａ，２０ｂの笠部２１ａ，２１ｂの、円弧の一部を直線状に削除した切欠面２６ａ，２６ｂが、先端突起１ｃの側面である係止面にぴったり接触する。すなわち係合する。これによりチップ基体１に対するノズル部材２０ａ，２０ｂの、中心軸を中心とする回転が阻止される。この係合は、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に挿入してナット２５ａ，２５ｂでねじ締め付けして固定するときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、および、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１から取り外すためにナット２５ａ，２５ｂを緩め廻しするときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、として機能する。この係合は更に、ノズル軸がチップ基体中心軸（ｚ）に対して傾斜したノズル部材２０ｃ，２０ｄ（図６）の該ノズル軸の傾斜方向を溶接方向（ｙ）に固定（設定）する機能もある。
【００３６】
ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂの、先端平面１ｄ，１ｅ側の部分は大径の冷却水循環穴１ｆ，１ｇとなっており、冷却水循環穴１ｆ，１ｇとその中を貫通した幹部２２ａ，２２ｂの外周面との間に冷却水通流空間（冷媒通流空間）が形成される。
【００３７】
図４の（ｃ）に、チップ基体１の横断面（図２上のIVｃ−IVｃ線断面）を示す。チップ基体１には、水受穴１ｈ，水出穴１ｉ，冷却水循環穴１ｆ，１ｇをつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｊにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３８】
図３に、図１上のIII−III線方向の縦断面を示す。チップ基体１の水受穴１ｈは水流管１６ａに、水出穴１ｉは水流管１６ｂに連通している。図４の（ｃ）も参照すると、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基体１の水受穴１ｈに入って穴底に至り、そこから横通水穴１ｋを通って、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｊを通って、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｌを通って水出穴１ｉに入りそして水流管１６ｂに流れ、そしてトーチ外部に流出する。
【００３９】
冷却水が、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間と、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間を流れている間に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの幹部２２ａ，２２ｂが効果的に冷却され、しかも冷却水が、水受穴１ｈ，横通水穴１ｋ，水循環穴１ｆ，横通水穴１ｊ，水循環穴１ｇ，横通水穴１ｌおよび水出孔１ｉを流れている間に、チップ基体１が効果的に冷却されるので、インサートチップの冷却能力が高い。溶接時にはノズル部材２０ａ，２０ｂが最も加熱されるが、その外周面が直接に冷却水に触れて冷却されるので、ノズル部材２０ａ，２０ｂの使用寿命が長い。
【００４０】
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。
【００４１】
図示しない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、インサートチップ、特に焼損しやすいノズル部材、の冷却能力が高いので、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。
【００４２】
−第２実施例−
図６の（ｂ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第１変形形態のノズル部材２０ｃの正面外観を、図６の（ｂ２）には該ノズル部材２０ｃの縦断面を、図６の（ｂ３）には該ノズル部材２０ｃの底面（先端面）を示す。図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂのノズル３ａ，３ｂの中心軸は、ノズル部材の中心軸と同心である。しかし、ノズル部材２０ｃのノズル３ｃは、ノズル部材２０ｃの中心軸に対して傾斜しているので、このノズル部材２０ｃをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｃがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｃの中心軸はチップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）から離れる方向に傾斜したものとなる。すなわち、チップ基体１の中心軸に対して溶接方向（ｙ）の前方側（先行ノズルとなる場合）又は後方側（後行ノズルとなる場合）に傾斜したものとなり、極間（前後溶接点間の距離）を広げた溶接が可能となる。
【００４３】
−第３実施例−
図６の（ｃ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第２変形形態のノズル部材２０ｄの正面外観を、図６の（ｃ２）には、該ノズル部材２０ｄの縦断面を、図６の（ｃ３）には該ノズル部材２０ｄの底面（先端面）を示す。ノズル部材２０ｄのノズル３ｄは、ノズル部材２０ｄの中心軸に対してノズル３ｃとは逆方向に傾斜しているので、このノズル部材２０ｄをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｄがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｄの中心軸はチップ基体１の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）に近づく方向に傾斜したものとなる。すなわち、溶接方向（ｙ）でチップ基体１の中心軸に近づくように傾斜したものとなり、極間（前後溶接点間の距離）を狭める溶接が可能となる。
【００４４】
なお、ノズル部材をチップ基体１に装着したインサートチップとしては、
（１）図２に示す実施例の態様，
（２）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを溶接方向（ｙ）で先行ノズルとする態様，
（３）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを後行ノズルとする態様，
（４）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｃの形態とする態様，
（５）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様，
（６）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを後行ノズルとする態様，
（７）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｄの形態とする態様，
（８）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｃを先行ノズルとする態様、および、
（９）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様、
がある。溶接対象板厚ならびに所望の溶接電流，溶接速度および溶接品質（例えば所望ビード形状）に対応して、上記（１）〜（９）の態様のいずれかを選択することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：チップ基体
１ａ，１ｂ：傾斜面
１ｃ：先端突起
１ｄ，１ｅ：先端平面
１ｆ，１ｇ：水循環穴
１ｈ：水受穴
１ｉ：水出穴
１ｊ，１ｋ，１ｌ：横通水穴
２ａ〜２ｄ：電極配置空間
３ａ〜３ｄ：ノズル
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
２０ａ〜２０ｄ：ノズル部材
２１ａ〜２１ｄ：笠部
２２ａ〜２２ｄ：幹部
２３ａ〜２３ｄ：Ｏリング
２４ａ〜２４ｄ：雄ねじ部
２５ａ，２５ｂ：ナット
２６ａ〜２６ｄ：切欠面
【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
【特許文献６】特願２０１０−２６４９５５号
【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】
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を提供した（特許文献６）。このインサートチップは、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個のノズルおよび該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型の冷却水流路を備える。これにより、チップ先端面（母材対向面）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。特許文献６にはさらに、チップ基体に１対のノズル部材を着脱可に結合したインサートチップも提示した。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。
【００１１】
本発明は、複数のノズル部材を一つのチップ基体に着脱可に結合するインサートチップの改良に関し、各ノズル部材の冷却能力を上げることを第１の目的とし、ノズルの指向方向を数種に設定可とすることを第２の目的とし、チップ基体に対してノズルの指向方向を所定にしてノズル部材を結合する作業を容易かつ簡易にすることを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）中央にノズル(3a,3b)が開いた笠部(21a,21b)，該笠部に連続する幹部(22a,22b)および該幹部に連続する雄ねじ部(24a,24b)があって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材(23a,23b)があり、内部に前記ノズルに連通する電極配置空間(2a,2b)がある、複数のノズル部材(20a,20b)；
各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴(18a,18b)，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の前記笠部が先端平面(1d,1e)に当接することにより閉じられる、前記ノズル部材挿入穴の一部をなし前記幹部との間に冷媒通流空間を形成する冷媒循環穴(1f,1g)，冷媒受穴(1h)，冷媒出穴(1i)，隣り合う前記冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴(1j)，前記冷媒循環穴の一つ(1f)を前記冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴(1k)、および、前記冷媒循環穴の他の一つ(1g)を前記冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴(1l)、を有するチップ基体(1)；および、
前記ノズル部材挿入穴に挿通した前記ノズル部材を前記チップ基体に固定する結合手段(25a,25b)；
を備えるインサートチップ。
【００１３】
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】
【００１４】
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、複数アークで１つの溶融プールを形成する、ワンプール複数アークの溶接をすることができる。例えば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。
【００１５】
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、２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チップに複数個のノズル部材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複数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。
【００１６】
加えて、チップ基体(1)の冷媒循環穴(1f,1g)において各ノズル部材(20a,20b)の幹部(22a,22b)の外周面に接して冷媒(冷却水)が流れるので、各ノズル部材(20a,20b)の冷却能力が高い。また、チップ基体(1)において、冷媒受穴(1h)，それに冷媒循環穴の一つ(1f)をつなぐ冷媒通し穴(1k)，隣り合う冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴(1j)，他の冷媒循環穴(1g)を冷媒出穴(1i)につなぐ冷媒通し穴(1l)を冷媒が流れるので、チップ基体(1)の冷却能力も高い。
【００１７】
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。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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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）は図２に示すプラズマトーチの先端を、IVａ−IVａ線方向に見上げた底面図、（ｂ）は図３に示すIVｂ−IVｂ線方向に見上げた底面図、（ｃ）は図２に示すIVｃ−IVｃ線方向に見下ろした横断面図である。
【図５】（ａ）は、図２に示すプラズマトーチの先端のインサートチップおよびインナーキャップ６をトーチ本体から取り外して示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示すチップ基体１とインナーキャップ６のみを示す縦断面図、（ｃ）は、（ａ）に示すナット２５ａ，２５ｂをノズル部材２０ａ，２０ｂから取り外してノズル部材をチップ基体１から抜き出しナット２５ａ，２５ｂとともに示す正面図（外観図）である。
【図６】（ａ１）は図５の（ｃ）に示すノズル部材２０ａを拡大して示す正面図、（ａ２）は該ノズル部材２０ａの縦断面図、（ａ３）は該ノズル部材２０ａの底面図である。（ｂ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第１変形形態のノズル部材２０ｃを示す正面図、（ｂ２）は該ノズル部材２０ｃの縦断面図、（ｂ３）は該ノズル部材２０ｃの底面図である。（ｃ１）は図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂの一つ又は両方に取り替えてチップ基体１に装備できる第２変形形態のノズル部材２０ｄを示す正面図、（ｃ２）は該ノズル部材２０ｄの縦断面図、（ｃ３）は該ノズル部材２０ｄの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（１ａ）前記結合手段は、前記ノズル部材の前記雄ねじ部、および、前記ノズル部材挿入穴(18a,18b)の一部をなし前記雄ねじ部がねじ結合する雌ねじ穴でなる；上記（１）に記載のインサートチップ。これによれば、チップ基体(1)に、該雄ねじ部がねじ結合する雌ねじ穴を形成しておくことにより、ノズル部材をねじ回しによってチップ基体に変形を与えることなく容易に着，脱できる。
【００２０】
（２）前記結合手段は、前記チップ基体(1)のノズル部材挿入穴(18a,18b)に挿通したノズル部材の前記雄ねじ部に螺合しノズル部材と協働してチップ基体を締め付けるナット(25a,25b)である；上記（１）に記載のインサートチップ。
【００２１】
（３）前記チップ基体(1)に対して前記ノズル部材(20a,20b)の、中心軸を中心とする回転を阻止する係合手段(26a,26b,1c)；を備える上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ。
【００２２】
（４）前記係合手段は、前記ノズル部材(20a,20b)の前記笠部(21a,21b)の側面を一部削除した切欠面(26a,26b)、および、前記チップ基体(1)の、隣り合うノズル部材挿入穴(18a,18b)の中間点にあって前記切欠面(26a,26b)が当接する係止面がある先端突起(1c)、でなる上記（３）に記載のインサートチップ。
【００２３】
（５）前記ノズル部材の少なくとも１つは、ノズル部材の中心軸と同心のノズル(3a,3b)を持つ（図６のａ１〜ａ３）；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。
【００２４】
（６）前記ノズル部材の少なくとも１つ(20c)は、チップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）から離れる方向に傾斜したノズル(3c)を持つ（図６のｂ１〜ｂ３）；上記（３）又は（４）に記載のインサートチップ。
【００２５】
（７）前記ノズル部材の少なくとも一つ(20d)は、チップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）に近づく方向に傾斜したノズル(3d)を持つ（図６のｃ１〜ｃ３）；上記（３）又は（４）に記載のインサートチップ。
【００２６】
（８）上記（１）乃至（７）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電極(12a,12b)と、を備えるプラズマトーチ（図２）。
【００２７】
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】
【００２８】
−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、インサートチップのチップ基体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。
【００２９】
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。
【００３０】
本実施例のインサートチップは、チップ基体１に２個のノズル部材２０ａ，２０ｂを装着したものであり、詳細を示す図５を参照すると、各ノズル部材２０ａ，２０ｂには、中央にノズル３ａ，３ｂが開いた笠部２１ａ，２１ｂ，該笠部に連続する幹部２２ａ，２２ｂおよび該幹部に連続する雄ねじ部２４ａ，２４ｂがあって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材であるＯリング２３ａ，２３ｂがあり、内部に前記ノズル３ａ，３ｂに連通する電極配置空間２ａ，２ｂがある。
【００３１】
チップ基体１には、各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の笠部が先端平面１ｄ，１ｅに当接することにより閉じられる、ノズル部材挿入穴の一部をなし幹部との間に冷却水通流空間を形成する冷却水循環穴１ｆ，１ｇ，水受穴１ｈ，水出穴１ｉ，隣り合う冷却水循環穴をつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｈにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３２】
この実施例では、図５の（ａ）に示すように、ノズル部材２０ａ，２０ｂの雄ねじ部２４ａ，２４ｂにナット２５ａ，２５ｂをねじ結合してチップ基体１に締め付けることにより、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に結合している。
【００３３】
図２を再度参照すると、ノズル部材２０ａ，２０ｂの電極配置空間２ａ，２ｂは、チップ基体１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）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。電極配置空間２ａ，２ｂに連続するノズル３ａ，３ｂはこの実施例では、電極配置空間２ａ，２ｂの中心軸と同心であって、図示しない母材に対向する。これらのノズル３ａ，３ｂも、本実施例では、チップ基体（外筒１４）の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線（ｙ）上に分布し、該中心軸に平行かつそれから等距離にある。
【００３４】
各電極配置空間２ａ，２ｂに先端部が挿入された第１電極１２ａ，第２電極１２ｂが、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、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。チップ基体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（ｙ）が延びる方向が溶接方向である。チップ基体１は、該直線（ｙ）が延びる方向（溶接方向）には図２に示すように広幅であるが、該直線（ｙ）と直交する方向（ｘ）すなわち溶接対象の開先の幅方向では楔状であって側面が傾斜面１ａ，１ｂ（図４の（ａ））となっている。
【００３５】
トーチ先端面（図２上ではノズルが開いた下端面）を示す図４の（ａ）も参照すると、
チップ基体１の先端の中心軸位置には先端突起１ｃがあり、溶接方向となるｙ方向で該先端突起１ｃの両側に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの笠２１ａ，２１ｂの裏面をうける先端平面１ｄ，１ｅがある。各先端平面１ｄ，１ｅの中央位置に、ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂ（図５の（ｂ））がある。ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂに挿入されたノズル部材２０ａ，２０ｂの笠部２１ａ，２１ｂの、円弧の一部を直線状に削除した切欠面２６ａ，２６ｂが、先端突起１ｃの側面である係止面にぴったり接触する。すなわち係合する。これによりチップ基体１に対するノズル部材２０ａ，２０ｂの、中心軸を中心とする回転が阻止される。この係合は、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１に挿入してナット２５ａ，２５ｂでねじ締め付けして固定するときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、および、ノズル部材２０ａ，２０ｂをチップ基体１から取り外すためにナット２５ａ，２５ｂを緩め廻しするときのノズル部材２０ａ，２０ｂの廻り止め、として機能する。この係合は更に、ノズル軸がチップ基体中心軸（ｚ）に対して傾斜したノズル部材２０ｃ，２０ｄ（図６）の該ノズル軸の傾斜方向を溶接方向（ｙ）に固定（設定）する機能もある。
【００３６】
ノズル部材挿入穴１８ａ，１８ｂの、先端平面１ｄ，１ｅ側の部分は大径の冷却水循環穴１ｆ，１ｇとなっており、冷却水循環穴１ｆ，１ｇとその中を貫通した幹部２２ａ，２２ｂの外周面との間に冷却水通流空間（冷媒通流空間）が形成される。
【００３７】
図４の（ｃ）に、チップ基体１の横断面（図２上のIVｃ−IVｃ線断面）を示す。チップ基体１には、水受穴１ｈ，水出穴１ｉ，冷却水循環穴１ｆ，１ｇをつなぐ横通水穴１ｊ，冷却水循環穴１ｆを水受穴１ｊにつなぐ横通水穴１ｋ、および、冷却水循環穴１ｇを水出穴１ｉにつなぐ横通水穴１ｌがある。
【００３８】
図３に、図１上のIII−III線方向の縦断面を示す。チップ基体１の水受穴１ｈは水流管１６ａに、水出穴１ｉは水流管１６ｂに連通している。図４の（ｃ）も参照すると、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基体１の水受穴１ｈに入って穴底に至り、そこから横通水穴１ｋを通って、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｊを通って、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間に入り、つぎに横通水穴１ｌを通って水出穴１ｉに入りそして水流管１６ｂに流れ、そしてトーチ外部に流出する。
【００３９】
冷却水が、水循環穴１ｆと幹部２２ａの外周面との間の冷却水通流空間と、水循環穴１ｇと幹部２２ｂの外周面との間の冷却水通流空間を流れている間に、ノズル部材２０ａ，２０ｂの幹部２２ａ，２２ｂが効果的に冷却され、しかも冷却水が、水受穴１ｈ，横通水穴１ｋ，水循環穴１ｆ，横通水穴１ｊ，水循環穴１ｇ，横通水穴１ｌおよび水出孔１ｉを流れている間に、チップ基体１が効果的に冷却されるので、インサートチップの冷却能力が高い。溶接時にはノズル部材２０ａ，２０ｂが最も加熱されるが、その外周面が直接に冷却水に触れて冷却されるので、ノズル部材２０ａ，２０ｂの使用寿命が長い。
【００４０】
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。
【００４１】
図示しない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、インサートチップ、特に焼損しやすいノズル部材、の冷却能力が高いので、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。
【００４２】
−第２実施例−
図６の（ｂ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第１変形形態のノズル部材２０ｃの正面外観を、図６の（ｂ２）には該ノズル部材２０ｃの縦断面を、図６の（ｂ３）には該ノズル部材２０ｃの底面（先端面）を示す。図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂのノズル３ａ，３ｂの中心軸は、ノズル部材の中心軸と同心である。しかし、ノズル部材２０ｃのノズル３ｃは、ノズル部材２０ｃの中心軸に対して傾斜しているので、このノズル部材２０ｃをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｃがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｃの中心軸はチップ基体の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）から離れる方向に傾斜したものとなる。すなわち、チップ基体１の中心軸に対して溶接方向（ｙ）の前方側（先行ノズルとなる場合）又は後方側（後行ノズルとなる場合）に傾斜したものとなり、極間（前後溶接点間の距離）を広げた溶接が可能となる。
【００４３】
−第３実施例−
図６の（ｃ１）に、図２に示すノズル部材２０ａおよび又は２０ｂに置換して用いる第２変形形態のノズル部材２０ｄの正面外観を、図６の（ｃ２）には、該ノズル部材２０ｄの縦断面を、図６の（ｃ３）には該ノズル部材２０ｄの底面（先端面）を示す。ノズル部材２０ｄのノズル３ｄは、ノズル部材２０ｄの中心軸に対してノズル３ｃとは逆方向に傾斜しているので、このノズル部材２０ｄをチップ基体１に装着すると、その切欠面２６ｄがチップ基体１の先端突起１ｃに係合した状態で、ノズル３ｄの中心軸はチップ基体１の中心軸（ノズル部材挿入穴の中間点）に近づく方向に傾斜したものとなる。すなわち、溶接方向（ｙ）でチップ基体１の中心軸に近づくように傾斜したものとなり、極間（前後溶接点間の距離）を狭める溶接が可能となる。
【００４４】
なお、ノズル部材をチップ基体１に装着したインサートチップとしては、
（１）図２に示す実施例の態様，
（２）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを溶接方向（ｙ）で先行ノズルとする態様，
（３）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｃに置換し、ノズル部材２０ｃを後行ノズルとする態様，
（４）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｃの形態とする態様，
（５）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様，
（６）図２に示すノズル部材２０ａをノズル部材２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを後行ノズルとする態様，
（７）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂを共にノズル部材２０ｄの形態とする態様，
（８）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｃを先行ノズルとする態様、および、
（９）図２に示すノズル部材２０ａ，２０ｂをノズル部材２０ｃ，２０ｄに置換し、ノズル部材２０ｄを先行ノズルとする態様、
がある。溶接対象板厚ならびに所望の溶接電流，溶接速度および溶接品質（例えば所望ビード形状）に対応して、上記（１）〜（９）の態様のいずれかを選択することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：チップ基体
１ａ，１ｂ：傾斜面
１ｃ：先端突起
１ｄ，１ｅ：先端平面
１ｆ，１ｇ：水循環穴
１ｈ：水受穴
１ｉ：水出穴
１ｊ，１ｋ，１ｌ：横通水穴
２ａ〜２ｄ：電極配置空間
３ａ〜３ｄ：ノズル
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
２０ａ〜２０ｄ：ノズル部材
２１ａ〜２１ｄ：笠部
２２ａ〜２２ｄ：幹部
２３ａ〜２３ｄ：Ｏリング
２４ａ〜２４ｄ：雄ねじ部
２５ａ，２５ｂ：ナット
２６ａ〜２６ｄ：切欠面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央にノズルが開いた笠部，該笠部に連続する幹部および該幹部に連続する雄ねじ部があって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材があり、内部に前記ノズルに連通する電極配置空間がある、複数のノズル部材；
各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の前記笠部が先端平面に当接することにより閉じられる、前記ノズル部材挿入穴の一部をなし前記幹部との間に冷媒通流空間を形成する冷媒循環穴，冷媒受穴，冷媒出穴，隣り合う前記冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴，前記冷媒循環穴の一つを前記冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴、および、前記冷媒循環穴の他の一つを前記冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴、を有するチップ基体；および、
前記ノズル部材挿入穴に挿通した前記ノズル部材を前記チップ基体に固定する結合手段；
を備えるインサートチップ。
【請求項２】
前記結合手段は、前記チップ基体のノズル部材挿入穴に挿通したノズル部材の前記雄ねじ部に螺合しノズル部材と協働してチップ基体を締め付けるナットである；請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
前記チップ基体に対して前記ノズル部材の、中心軸を中心とする回転を阻止する係合手段；を備える請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項４】
前記係合手段は、前記ノズル部材の前記笠部の側面を一部削除した切欠面、および、前記チップ基体の、隣り合うノズル部材挿入穴の中間点にあって前記切欠面が当接する係止面がある先端突起、でなる請求項３に記載のインサートチップ。
【請求項５】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、ノズル部材の中心軸と同心のノズルを持つ；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。
【請求項６】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、チップ基体の中心軸から離れる方向に傾斜したノズルを持つ；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。
【請求項７】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、チップ基体の中心軸に近づく方向に傾斜したノズルを持つ；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。
【請求項８】
請求項１乃至７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電極と、を備えるプラズマトーチ。
【請求項１】
中央にノズルが開いた笠部，該笠部に連続する幹部および該幹部に連続する雄ねじ部があって、前記幹部と雄ねじ部の間にシール材があり、内部に前記ノズルに連通する電極配置空間がある、複数のノズル部材；
各ノズル部材の前記雄ねじ部から幹部までが挿通する各ノズル部材挿入穴，各ノズル部材挿入穴に挿通した各ノズル部材の前記笠部が先端平面に当接することにより閉じられる、前記ノズル部材挿入穴の一部をなし前記幹部との間に冷媒通流空間を形成する冷媒循環穴，冷媒受穴，冷媒出穴，隣り合う前記冷媒循環穴をつなぐ冷媒通し穴，前記冷媒循環穴の一つを前記冷媒受穴につなぐ冷媒通し穴、および、前記冷媒循環穴の他の一つを前記冷媒出穴につなぐ冷媒通し穴、を有するチップ基体；および、
前記ノズル部材挿入穴に挿通した前記ノズル部材を前記チップ基体に固定する結合手段；
を備えるインサートチップ。
【請求項２】
前記結合手段は、前記チップ基体のノズル部材挿入穴に挿通したノズル部材の前記雄ねじ部に螺合しノズル部材と協働してチップ基体を締め付けるナットである；請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
前記チップ基体に対して前記ノズル部材の、中心軸を中心とする回転を阻止する係合手段；を備える請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項４】
前記係合手段は、前記ノズル部材の前記笠部の側面を一部削除した切欠面、および、前記チップ基体の、隣り合うノズル部材挿入穴の中間点にあって前記切欠面が当接する係止面がある先端突起、でなる請求項３に記載のインサートチップ。
【請求項５】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、ノズル部材の中心軸と同心のノズルを持つ；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。
【請求項６】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、チップ基体の中心軸から離れる方向に傾斜したノズルを持つ；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。
【請求項７】
前記ノズル部材の少なくとも一つは、チップ基体の中心軸に近づく方向に傾斜したノズルを持つ；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。
【請求項８】
請求項１乃至７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電極と、を備えるプラズマトーチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５７８６８（Ｐ２０１２−１５７８６８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３４２（Ｐ２０１１−１７３４２）
【出願日】平成２３年１月３０日（２０１１．１．３０）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３０日（２０１１．１．３０）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
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