インサートチップ，プラズマトーチおよびプラズマ加工装置
【課題】 プラズマトーチのプラズマの安定性を高くするインサートチップを提供。プラズマの安定性が高いプラズマトーチおよびプラズマ加工装置を提供。
【解決手段】 通し穴である中央孔５と、該中央孔５と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間１ａ，１ｂと、各電極配置空間に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル４ａ，４ｂと、を備えるインサートチップ１。該インサートチップを用いる各種プラズマトーチおよびプラズマ加工装置。インサートチップは更に、中央口に連続して加工対象材に対向する先端面に開き中央口よりも大径の拡大口１ｄ、を備え、ノズルは、前記先端面よりも内側で拡大口に開いている。
【解決手段】 通し穴である中央孔５と、該中央孔５と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間１ａ，１ｂと、各電極配置空間に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル４ａ，４ｂと、を備えるインサートチップ１。該インサートチップを用いる各種プラズマトーチおよびプラズマ加工装置。インサートチップは更に、中央口に連続して加工対象材に対向する先端面に開き中央口よりも大径の拡大口１ｄ、を備え、ノズルは、前記先端面よりも内側で拡大口に開いている。
【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，該インサートチップを用いるプラズマトーチ、および、該プラズマトーチを用いるプラズマ加工装置、に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトーチには、溶接，肉盛り，切断などの高熱加工の種類に応じて各種形態がある。特許文献１には、電極棒１０の先端直下に側方からワイヤ１６を送り込んで、電極棒先端の下方にある母材（加工対象材）を、プラズマ溶接，ホットワイヤ形態のプラズマ溶接，プラズマＭＩＧ溶接あるいはプラズマワイヤ肉盛をする方法が記載されている。特許文献２には、インサートチップ１１１の中央のワイヤ送通孔から下方の母材に垂直にワイヤ１５３を送り出し、該ワイヤの側方にワイヤと平行に配置された電極棒１２６によって、チップ１１１の下部の、該ワイヤ送通孔が開いたプラズマ孔１１３にプラズマを噴射してワイヤ先端を溶かすプラズマＭＩＧ溶接トーチが記載されている。特許文献３には、中心位置に電極棒を配置したインサートチップ１のプラズマノズルの下方に、側方からワイヤ３を送り込むホットワイヤ形態のプラズマ溶接方法およびプラズマワイヤ肉盛方法が記載されている。特許文献４には、インサートチップ３３の中心位置に電極棒を配置したプラズマトーチのプラズマが形成したプールに向けて、該プラズマトーチの側方から消耗電極であるワイヤ３９を送給するプラズマＭＩＧ溶接が記載されている。特許文献５には、インサートチップ９のプラズマ噴射ノズルの上方かつ中心に配置した有底筒状のプラズマ電極８の、中心穴である底穴と、その下方のノズルプラズマ噴射ノズルを通して下方の母材に垂直にワイヤを送給し、該ワイヤをプラズマ電極８が生成するプラズマで溶かすプラズマＭＩＧ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】特公昭３９− １５２６７号公報
【特許文献２】特開昭５２−１３８０３８号公報
【特許文献３】特開昭５３− ３１５４４号公報
【特許文献４】特表２００６−５１９１０３号公報
【特許文献５】特開２００８−２２９６４１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜４のいずれの溶接方法およびプラズマトーチも、１個の電極棒と一本のワイヤを用いて、該電極棒が母材との間に形成したプラズマ流に、電極棒／母材間の側方からワイヤを送給し、通電するので、ワイヤ電流で発生した磁束とプラズマ電流で発生する磁束との相互作用で磁気的アンバランスが発生する。すなわち、ワイヤよりも上側（インサートチップ側）とワイヤよりも下側（母材側）でプラズマアーク状態が異なり、ワイヤの上側のプラズマはワイヤから離れる方向にアーク力を受け、ワイヤの下側のプラズマはワイヤに近づく方向にアーク力を受ける。ワイヤ先端の溶融の動揺に伴い、母材に対するプラズマの作用位置が動揺するので、プラズマアークが不安定である。特許文献５では、有底筒状のプラズマ電極８の底穴の円周エツジにアークが集中し、集中点が周方向に移動するので、やはりプラズマが動揺し、プラズマ電極８の底穴の円周エツジ及びインサートチップ９のノズル縁の損耗および溶融ワイヤのプラズマ電極８やプラズマノズル９への付着が激しく、長時間安定した溶接作業を維持できない。
【０００５】
本発明は、プラズマアークと同軸中央部へ溶材を供給することで高能率で作業性が良く、ワイヤに通電する方法においても、磁気吹きによるアーク乱れを発生しない安定性が高いインサートチップを提供することを第１の目的とし、プラズマの安定性が高いプラズマトーチおよびプラズマ加工装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）通し穴である中央孔(5)と、該中央孔(5)と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間(1a,1b)と、各電極配置空間(1a,1b)に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル(4a,4b)と、を備えるインサートチップ(1)。
【０００７】
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要素又は相当要素の記号を、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】
【０００８】
これによれば、各ノズル(4a,4b:図５)を通って、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と加工対象材(16)との間を流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂの上部分は互いに打ち消すので、下部分が作用してフレミングの左手の法則で表される上向きの力が作用し、アーク同士が互いに引き合って、上方に多少曲がった形で対称形となる。しかもノズル(4a,4b)の、中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、プラズマの安定性が高い。すなわち、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。加工対象材(16)の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり、合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、加工対象材(16)に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図２】（ａ）は図１のプラズマトーチのみを示す縦断面図、（ｂ）はプラズマ噴射端部側から見た底面図である。
【図３】図１に示すインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の２ｂ−２ｂ線での縦断面図、（ｃ）は底面図である。
【図４】図１に示すプラズマトーチの、冷却水路９ｗ，パイロットガス路９ｐおよびシールドガス路９ｓを示し、（ａ）は冷却水路９ｗを示す縦断面図、（ｂ）はパイロットガス路９ｐを示す縦断面図であって（ｃ）上の４ｂ−４ｂ線の縦断面図、（ｃ）は（ｂ）上の４ｃ−４ｃ線の横断面図、（ｄ）はシールドガス路９ｓを示す縦断面図であって（ｅ）上の４ｄ−４ｄ線の縦断面図、（ｅ）は（ｄ）上の４ｅ−４ｅ線の横断面図である。
【図５】図３の（ｂ）相当の、インサートチップ１の拡大縦断面図であり、第１電極２ａと第２電極２ｂが発生する各アークによって誘起される各磁束ＭａとＭｂ、および、合成磁束Ｍｃを示す。
【図６】本発明の第２実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図７】本発明の第３実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図８】本発明の第４実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図９】本発明の第５実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図１１】本発明の第７実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（２）インサートチップ(1)は更に、前記中央口(5)に連続して加工対象材(16)に対向する先端面に開き前記中央口(5)よりも大径の拡大口(1d)、を備え、前記ノズル(4a,4b)は、前記先端面よりも内側で前記拡大口(1d)に開いた、上記（１）に記載のインサートチップ(1)。これによれば、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と加工対象材(16)との間を流れる各アーク電流が、インサートチップの先端面（拡大口１ｄの母材対向開口）の前後で合流するので、プラズマアーク同士は最短に近い距離で合流できるため、互いの磁気干渉によるアーク曲がり変化を小さくでき、安定したアークで、加工精度が向上する。
【００１１】
（３）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)にワイヤ(15)を案内するワイヤガイド(13,6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマトーチ（図２）。
【００１２】
（４）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマ溶接装置（図１）。
【００１３】
（５）更に、前記ワイヤ(15)と加工対象材(16)との間に、ワイヤ側が負で加工対象材側が正の電流を流すホットワイヤ電源(21)を備える、上記（４）に記載の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置（図６）。
【００１４】
（６）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が正で加工対象材側が負のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記ワイヤ(15)と加工対象材(16)との間に、ワイヤ側が正で加工対象材側が負の電流を流すＭＩＧ溶接電源(22)を備える、プラズマＭＩＧ溶接装置（図７）。
【００１５】
（７）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記ワイヤ(15)と各電極(2a,2b)との間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源(21a,21b)を備える、プラズマワイヤ肉盛装置（図８）。
【００１６】
（８）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)に粉体(23)を案内する粉体ガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ（図９）。
【００１７】
（９）上記（８）に記載のプラズマ粉体肉盛トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記粉体ガイド(6)に粉体を送給する手段(24,25)と、を備えるプラズマ粉体肉盛装置（図９）。
【００１８】
（１０）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)にキーホールガス(26)を案内するガスガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマキーホール溶接トーチ（図１０）。
【００１９】
（１１）上記（１０）に記載のプラズマキーホール溶接トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマキーホール溶接装置（図１０）。
【００２０】
（１２）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)に切断ガス(27)を案内するガスガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマ切断トーチ（図１１）。
【００２１】
（１３）上記（１２）に記載のプラズマ切断トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマ切断装置（図１１）。
【００２２】
上記（３）〜（１３）のいずれの態様においても、上記（１）の効果、すなわち上記「発明の効果」が得られる。
【００２３】
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】
【００２４】
−第１実施例−
図１に、第１実施例であるプラズマ溶接装置を示し、図２の（ａ）には図１に示すプラズマトーチすなわち第１実施例のプラズマ溶接トーチのみを示し、図２の（ｂ）にはトーチの先端面を示す。第１実施例のプラズマ溶接トーチは、プラズマ溶接を行う形態のものである。インサートチップ１は、インサートキャップ７を絶縁台９にねじ締めすることにより、絶縁台９に固定されている。シールドキャップ８はねじ締めにより絶縁台９に固定されている。２つ割でｘ方向に分離した第１電極１１と第２電極１２（図４の（ｃ），（ｅ））は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。第１電極１１と第２電極１２との間の空間を、絶縁本体１４の中空円筒状のステムが通って、該ステムの先端部の、図示を省略した雄ねじが、絶縁台９の中心の、図示を省略した雌ねじ穴にねじこまれ、これにより、電極台１１，１２が縦方向に圧縮するように締め付けられて、絶縁台９，電極台１１，１２および絶縁本体１４が一体に結合している。
【００２５】
インサートチップ１の軸心に中央孔５があり、絶縁台９および絶縁本体１４の軸心には、中央孔５と同軸のガイド穴（本実施例ではワイヤガイド穴）がある。インサートチップ１の中央孔５にはワイヤガイド６が挿入されており、絶縁本体１４の軸心のガイド穴にもワイヤガイド１３が挿入されている。絶縁本体１４の頭部に挿入された溶接ワイヤ１５は、ワイヤガイド１３および６を通してインサートチップ１に送り込まれる。
【００２６】
インサートチップ１には、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチである１８０度で分布し中央孔５と平行に位置する２個の電極配置空間１ａ，１ｂがあり、各電極配置空間に、絶縁台９を貫通し各電極台１１，１２にねじ１０ａ，１０ｂで固定された第１電極２ａ，第２電極２ｂの先端部が挿入されて、各電極配置空間の軸心位置に、センタリングストーン３で位置決めされている。インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面には、中央孔５と同心であるが、中央孔５よりも大径の拡大口１ｄがあり、各電極配置空間１ａ，１ｂにつながったノズル４（４ａ，４ｂ）が、大径口１ｄに開いている。
【００２７】
図３に、インサートチップ１を拡大して示す。本実施例のインサートチップ１には、通し穴である中央孔５と、該中央孔５に連続して母材１６に対向する先端面に開いた中央孔５よりも大径の拡大口１ｄと、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する２個の電極配置空間１ａ，１ｂと、各電極配置空間１ａ，１ｂに連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する２個のノズル４ａ，４ｂと、を備え、しかも、ノズル４ａ，４ｂは、インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面よりも内側で、拡大口１ｄに開いている。
【００２８】
なお、本実施例では、１対（２個）の電極２ａ，２ｂを装備するプラズマトーチのインサートチップであるが、３本又は４本など、複数の電極を用いるプラズマトーチのインサートチップでは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する複数の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズルを備える。例えば３本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する３個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する３個のノズルを備える。また、４本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する４個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する４個のノズルを備える。
【００２９】
また、拡大口１ｄは省略し、中央孔５およびノズルノズル４ａ，４ｂの下端開口をチップ１のフラットな下端面とすることができる。また、電極配置空間１ａ，１ｂ（およびそこに装備する電極２ａ，２ｂ）は、中央孔５と平行のみならず、中央孔５に対してある傾斜角を持つ斜め姿勢にすることも出来る。
【００３０】
図４に、図２に示すプラズマトーチの、冷却水流路９ｗ，パイロットガス流路９ｐおよびシールドガス流路９ｓを示す。冷却水は、図４の（ａ）に示す冷却水給水流路９ｗｉを通って、インサートチップ１の外周面とインサートキャップ７の内周面との間の空間に入り、そこから冷却水排水流路９ｗｏを通ってトーチ外に出る。一方のパイロットガスは、図４の（ｂ）および（ｃ）に示すガス流路９ｐａおよび電極挿入空間を通って電極配置空間１ａに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ａを通りそして拡大口１ｄを通ってトーチの先端面から噴出する。他方のパイロットガスは、ガス流路９ｐｂおよび電極挿入空間を通って電極配置空間１ｂに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ｂを通りそして拡大口１ｄを通ってトーチの先端面から噴出する。シールドガスは、図４の（ｄ）および（ｅ）に示すシールドガス流路９ｓを通って、インサートキャップ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噴出する。
【００３１】
図１に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８により、電極２ａ，２ｂにアークを発生すると、プラズマアーク電流が各電極２ａ，２ｂと母材１６の間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。プラズマアーク１９にワイヤ１５が送給され、ワイヤ１５に対して各電極２ａ，２ｂおよびノズル４（４ａ，４ｂ）が対称に位置するので、ワイヤ１５に対してプラズマが安定する。すなわち、図５を参照すると、電極配置空間１ａ，１ｂに挿入された各電極２ａ，２ｂと母材１６との間を、各ノズル４ａ，４ｂを通って流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂとの間に、フレミングの左手の法則で表される上向き（又は下向き：ｚ）の力が作用し、同一方向であり、しかもノズル４ａ，４ｂの、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、磁気的にバランスがとれ、プラズマの安定性が高い。つまり、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。母材１６の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、母材１６に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。尚かつ、ワイヤ１５は、プラズマアーク１９の上端部より入り、溶融プール２０に至る迄の間アークより熱を受けることになり、有効な予熱効果として働き、ワイヤの溶着効率がアップし、高速溶接や高能率溶接ができる。従来の、側方からのワイヤ送給の場合は、ワイヤはプラズマアークに対してほぼ直角に入るため、プラズマアークに入った僅かな距離で溶融プールに熔け落ちるようにしなければならず、ほとんどワイヤの予熱効果は無い。このため溶着効率は低く、溶接速度も遅い。
【００３２】
また第１実施例によれば、ワイヤが中央より挿入されるため、ワイヤの挿入方向性が無く、曲線溶接でもトーチを回転させる制御が不要である。従来は、ワイヤはトーチ進行方向より挿入することから、曲線溶接時には、トーチ又はワイヤを曲線に相対して回転制御する装置が必要であった。
【００３３】
−第２実施例−
図６に、第２実施例である、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接トーチであり、インサートチップ１は、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図６に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８を備える。この点は第１実施例と同様であるが、更には、ワイヤ１５と母材１６との間に、ワイヤ側が負で母材側が正の電流を流すホットワイヤ電源２１を備える。ホットワイヤ電源２１からの電流は、トーチ内ガイド１３をとおり、ガイド１３先端部近傍よりワイヤに通電し、絶縁ガイド６内ではワイヤをジュール熱で加熱し、プラズマ１９で、電極２ａ，２ｂよりのプラズマアークと合流し、母材１６に流入する。このとき、ホットワイヤ電流のジュール熱がプラズマ領域内で最大になる（集中する）ので、溶接入熱量が多く、高溶着量，高能率溶接となり、高速溶接が可能である。しかも、ホットワイヤ電流と電極２ａ，２ｂよりのプラズマアーク電流とは対称および同軸であることから、磁気的バランスがとれ、磁気吹きによるアークのふらつきが発生しない。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３４】
−第３実施例−
図７に、第３実施例である、プラズマＭＩＧ溶接装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造のプラズマＭＩＧ溶接トーチであり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図７に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６の間に、第１実施例の場合とは逆に、電極側が正で母材側が負のプラズマアーク電流を流すプラズマ電源１７，１８を備える。更には、ワイヤ１５と母材１６との間に、ワイヤ側が正で母材側が負の溶接電流を流すＭＩＧ溶接電源（定電圧溶接電源）２２を備える。シールドガスは、Ａｒ又はＡｒ＋ＣＯ２又はＣＯ２又はＡｒ＋Ｈ２である。このプラズマＭＩＧ溶接装置は、ＭＩＧの特徴である高能率，深溶込みの特性を持ち尚かつ、スパッタ無し溶接が可能である。さらにＡｒ雰囲気で溶接が可能で、溶接金属中の酸化物の生成も極めて少なく、高重量高張力材に適する。また、アルミ溶接でのスタート部の溶着不良防止又は溶着不良の修復が可能である。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３５】
−第４実施例−
図８に、第４実施例である、プラズマワイヤ肉盛装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造のプラズマワイヤ肉盛りトーチであり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図８に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８と、ワイヤ１５と各電極２ａ，２ｂとの間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源２１ａ，２１ｂを備える。ワイヤ１５はホットワイヤ電源２１ａ，２１ｂからの電流のジュール熱で加熱されるが、母材１６にはワイヤ電流が流れないので、母材１６が溶ける量が少なく、低希釈の肉盛溶接ができる。母材１６に垂直にワイヤ１５が送り込まれるので、オシレート運動しながらの肉盛溶接でも方向性なく肉盛量が安定する。また、垂直面あるいは傾斜面に対する肉盛溶接も可能である。太径ワイヤを用いる高溶着を安定した肉盛量で行うこともできる。ホットワイヤ電流は、電極２ａ，２ｂよりノズル４ａ，４ｂを通り、ワイヤ１５に流入するので、プラズマ電流と同様、トーチ軸心に対して対称となり、磁気的にバランスすることから、アークのふらつきや磁気吹き現象が発生しない安定した肉盛り溶接ができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３６】
−第５実施例−
図９に、第５実施例である、プラズマ粉体肉盛装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えて粉体ガイド６を装備したプラズマ粉体肉盛トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。粉体ガイド６には、粉体送給機２５が、粉体槽２４にある粉体を定速度で送り込む。プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。母材に対して粉体流を垂直に送給するので、側方からプラズマアークに粉体を送給する従来例よりも、粉体の歩留まりがよく、粉体がノズルに付着しにくく、また、トーチ内の粉体通路を太くでき、直線であることから、送給性の悪い切裁粉を使用することも出来る。母材１６の真上で対称なプラズマアークが合流し衝突し合う為、母材１６への下向きプラズマ流が弱くなるので、低希釈の粉体肉盛が可能である。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３７】
−第６実施例−
図１０に、第６実施例である、プラズマキーホール溶接装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えてキーホールガスガイド６を装備したプラズマキーホール溶接トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。第１実施例の場合と同様に、プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。キーホールガスは、Ａｒ又はＨｅ又はＡｒ＋Ｈ２又はＡｒ＋Ｏ２又はＡｒ＋Ｈｅである。キーホールガスガイド６により、キーホール用小径高速ガス流を噴射することにより、厚板のキーホール溶接や低入熱深溶込み溶接をすることができる。キーホール用ガスは、電極２ａ，２ｂを通るパイロットガス（プラズマガス）とは別ルートの為、電極を酸化消耗させることがないので、キーホール用ガスに酸化性ガスを用いることができる。又、キーホール用ガス噴射孔は、プラズマ電流の大小に関係なく小径にできることから、キーホール穴も小さくでき、厚板溶接ができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３８】
−第７実施例−
図１１に、第７実施例であるプラズマ切断装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えて切断ガスガイド６を装備したプラズマ切断トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。第１実施例の場合と同様に、プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。切断ガスは、Ａｒ又はＯ２又はＮ２又はＡｒ＋Ｈ２である。切断ガスガイド６により、切断小径高速ガス流を噴射することにより、細幅切断をすることができる。電極２ａ，２ｂをタングステン電極とすれば、高価なハフニュウム電極を用いずとも、Ｏ２を切断ガスとする強力なプラズマ切断をすることができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【符号の説明】
【００３９】
１：インサートチップ
１ａ，１ｂ：電極配置空間
１ｄ：拡大口
２（２ａ，２ｂ）：電極
２ａ：第１電極
２ｂ：第２電極
３：センタリングストーン
４（４ａ，４ｂ）：ノズル
５：中央孔
６：ガイド
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
９ｗ：冷却水路
９ｐ：パイロットガス路
９ｓ：シールドガス路
１０（１０ａ，１０ｂ）：電極固定ねじ
１１：第１電極台
１２：第２電極台
１３：ガイド
１４：絶縁本体
１５：ワイヤ
１６：母材
１７，１８：電源
１９：プラズマ
２０：プール
Ｍａ：第１アークの誘起磁束
Ｍｂ：第２アークの誘起磁束
Ｍｃ：合成磁束
２１，２１ａ，２１ｂ：ホットワイヤ電源
２２：ＭＩＧ溶接電源
２４：粉体槽
２５：粉体送給機
２６：キーホールガス
２７：切断ガス
３０：外ケース
【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，該インサートチップを用いるプラズマトーチ、および、該プラズマトーチを用いるプラズマ加工装置、に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトーチには、溶接，肉盛り，切断などの高熱加工の種類に応じて各種形態がある。特許文献１には、電極棒１０の先端直下に側方からワイヤ１６を送り込んで、電極棒先端の下方にある母材（加工対象材）を、プラズマ溶接，ホットワイヤ形態のプラズマ溶接，プラズマＭＩＧ溶接あるいはプラズマワイヤ肉盛をする方法が記載されている。特許文献２には、インサートチップ１１１の中央のワイヤ送通孔から下方の母材に垂直にワイヤ１５３を送り出し、該ワイヤの側方にワイヤと平行に配置された電極棒１２６によって、チップ１１１の下部の、該ワイヤ送通孔が開いたプラズマ孔１１３にプラズマを噴射してワイヤ先端を溶かすプラズマＭＩＧ溶接トーチが記載されている。特許文献３には、中心位置に電極棒を配置したインサートチップ１のプラズマノズルの下方に、側方からワイヤ３を送り込むホットワイヤ形態のプラズマ溶接方法およびプラズマワイヤ肉盛方法が記載されている。特許文献４には、インサートチップ３３の中心位置に電極棒を配置したプラズマトーチのプラズマが形成したプールに向けて、該プラズマトーチの側方から消耗電極であるワイヤ３９を送給するプラズマＭＩＧ溶接が記載されている。特許文献５には、インサートチップ９のプラズマ噴射ノズルの上方かつ中心に配置した有底筒状のプラズマ電極８の、中心穴である底穴と、その下方のノズルプラズマ噴射ノズルを通して下方の母材に垂直にワイヤを送給し、該ワイヤをプラズマ電極８が生成するプラズマで溶かすプラズマＭＩＧ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】特公昭３９− １５２６７号公報
【特許文献２】特開昭５２−１３８０３８号公報
【特許文献３】特開昭５３− ３１５４４号公報
【特許文献４】特表２００６−５１９１０３号公報
【特許文献５】特開２００８−２２９６４１号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜４のいずれの溶接方法およびプラズマトーチも、１個の電極棒と一本のワイヤを用いて、該電極棒が母材との間に形成したプラズマ流に、電極棒／母材間の側方からワイヤを送給し、通電するので、ワイヤ電流で発生した磁束とプラズマ電流で発生する磁束との相互作用で磁気的アンバランスが発生する。すなわち、ワイヤよりも上側（インサートチップ側）とワイヤよりも下側（母材側）でプラズマアーク状態が異なり、ワイヤの上側のプラズマはワイヤから離れる方向にアーク力を受け、ワイヤの下側のプラズマはワイヤに近づく方向にアーク力を受ける。ワイヤ先端の溶融の動揺に伴い、母材に対するプラズマの作用位置が動揺するので、プラズマアークが不安定である。特許文献５では、有底筒状のプラズマ電極８の底穴の円周エツジにアークが集中し、集中点が周方向に移動するので、やはりプラズマが動揺し、プラズマ電極８の底穴の円周エツジ及びインサートチップ９のノズル縁の損耗および溶融ワイヤのプラズマ電極８やプラズマノズル９への付着が激しく、長時間安定した溶接作業を維持できない。
【０００５】
本発明は、プラズマアークと同軸中央部へ溶材を供給することで高能率で作業性が良く、ワイヤに通電する方法においても、磁気吹きによるアーク乱れを発生しない安定性が高いインサートチップを提供することを第１の目的とし、プラズマの安定性が高いプラズマトーチおよびプラズマ加工装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）通し穴である中央孔(5)と、該中央孔(5)と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間(1a,1b)と、各電極配置空間(1a,1b)に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズル(4a,4b)と、を備えるインサートチップ(1)。
【０００７】
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要素又は相当要素の記号を、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】
【０００８】
これによれば、各ノズル(4a,4b:図５)を通って、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と加工対象材(16)との間を流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂの上部分は互いに打ち消すので、下部分が作用してフレミングの左手の法則で表される上向きの力が作用し、アーク同士が互いに引き合って、上方に多少曲がった形で対称形となる。しかもノズル(4a,4b)の、中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔(5)の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、プラズマの安定性が高い。すなわち、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。加工対象材(16)の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり、合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、加工対象材(16)に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図２】（ａ）は図１のプラズマトーチのみを示す縦断面図、（ｂ）はプラズマ噴射端部側から見た底面図である。
【図３】図１に示すインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の２ｂ−２ｂ線での縦断面図、（ｃ）は底面図である。
【図４】図１に示すプラズマトーチの、冷却水路９ｗ，パイロットガス路９ｐおよびシールドガス路９ｓを示し、（ａ）は冷却水路９ｗを示す縦断面図、（ｂ）はパイロットガス路９ｐを示す縦断面図であって（ｃ）上の４ｂ−４ｂ線の縦断面図、（ｃ）は（ｂ）上の４ｃ−４ｃ線の横断面図、（ｄ）はシールドガス路９ｓを示す縦断面図であって（ｅ）上の４ｄ−４ｄ線の縦断面図、（ｅ）は（ｄ）上の４ｅ−４ｅ線の横断面図である。
【図５】図３の（ｂ）相当の、インサートチップ１の拡大縦断面図であり、第１電極２ａと第２電極２ｂが発生する各アークによって誘起される各磁束ＭａとＭｂ、および、合成磁束Ｍｃを示す。
【図６】本発明の第２実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図７】本発明の第３実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図８】本発明の第４実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図９】本発明の第５実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【図１１】本発明の第７実施例のプラズマトーチの、縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（２）インサートチップ(1)は更に、前記中央口(5)に連続して加工対象材(16)に対向する先端面に開き前記中央口(5)よりも大径の拡大口(1d)、を備え、前記ノズル(4a,4b)は、前記先端面よりも内側で前記拡大口(1d)に開いた、上記（１）に記載のインサートチップ(1)。これによれば、電極配置空間(1a,1b)に挿入された各電極(2a,2b)と加工対象材(16)との間を流れる各アーク電流が、インサートチップの先端面（拡大口１ｄの母材対向開口）の前後で合流するので、プラズマアーク同士は最短に近い距離で合流できるため、互いの磁気干渉によるアーク曲がり変化を小さくでき、安定したアークで、加工精度が向上する。
【００１１】
（３）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)にワイヤ(15)を案内するワイヤガイド(13,6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマトーチ（図２）。
【００１２】
（４）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマ溶接装置（図１）。
【００１３】
（５）更に、前記ワイヤ(15)と加工対象材(16)との間に、ワイヤ側が負で加工対象材側が正の電流を流すホットワイヤ電源(21)を備える、上記（４）に記載の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置（図６）。
【００１４】
（６）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が正で加工対象材側が負のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記ワイヤ(15)と加工対象材(16)との間に、ワイヤ側が正で加工対象材側が負の電流を流すＭＩＧ溶接電源(22)を備える、プラズマＭＩＧ溶接装置（図７）。
【００１５】
（７）上記（３）に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記ワイヤ(15)と各電極(2a,2b)との間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源(21a,21b)を備える、プラズマワイヤ肉盛装置（図８）。
【００１６】
（８）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)に粉体(23)を案内する粉体ガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ（図９）。
【００１７】
（９）上記（８）に記載のプラズマ粉体肉盛トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、前記粉体ガイド(6)に粉体を送給する手段(24,25)と、を備えるプラズマ粉体肉盛装置（図９）。
【００１８】
（１０）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)にキーホールガス(26)を案内するガスガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマキーホール溶接トーチ（図１０）。
【００１９】
（１１）上記（１０）に記載のプラズマキーホール溶接トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマキーホール溶接装置（図１０）。
【００２０】
（１２）上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の前記中央孔(5)に切断ガス(27)を案内するガスガイド(6)と、前記インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b)に先端部を挿入した複数の電極(2a,2b)と、前記インサートチップ(1)を冷却するための冷却水流路(9w)と、各電極配置空間(1a,1b)にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路(9p)と、を備えるプラズマ切断トーチ（図１１）。
【００２１】
（１３）上記（１２）に記載のプラズマ切断トーチと、前記複数の電極(2a,2b)と加工対象材(16)の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源(17,18)と、を備えるプラズマ切断装置（図１１）。
【００２２】
上記（３）〜（１３）のいずれの態様においても、上記（１）の効果、すなわち上記「発明の効果」が得られる。
【００２３】
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】
【００２４】
−第１実施例−
図１に、第１実施例であるプラズマ溶接装置を示し、図２の（ａ）には図１に示すプラズマトーチすなわち第１実施例のプラズマ溶接トーチのみを示し、図２の（ｂ）にはトーチの先端面を示す。第１実施例のプラズマ溶接トーチは、プラズマ溶接を行う形態のものである。インサートチップ１は、インサートキャップ７を絶縁台９にねじ締めすることにより、絶縁台９に固定されている。シールドキャップ８はねじ締めにより絶縁台９に固定されている。２つ割でｘ方向に分離した第１電極１１と第２電極１２（図４の（ｃ），（ｅ））は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。第１電極１１と第２電極１２との間の空間を、絶縁本体１４の中空円筒状のステムが通って、該ステムの先端部の、図示を省略した雄ねじが、絶縁台９の中心の、図示を省略した雌ねじ穴にねじこまれ、これにより、電極台１１，１２が縦方向に圧縮するように締め付けられて、絶縁台９，電極台１１，１２および絶縁本体１４が一体に結合している。
【００２５】
インサートチップ１の軸心に中央孔５があり、絶縁台９および絶縁本体１４の軸心には、中央孔５と同軸のガイド穴（本実施例ではワイヤガイド穴）がある。インサートチップ１の中央孔５にはワイヤガイド６が挿入されており、絶縁本体１４の軸心のガイド穴にもワイヤガイド１３が挿入されている。絶縁本体１４の頭部に挿入された溶接ワイヤ１５は、ワイヤガイド１３および６を通してインサートチップ１に送り込まれる。
【００２６】
インサートチップ１には、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチである１８０度で分布し中央孔５と平行に位置する２個の電極配置空間１ａ，１ｂがあり、各電極配置空間に、絶縁台９を貫通し各電極台１１，１２にねじ１０ａ，１０ｂで固定された第１電極２ａ，第２電極２ｂの先端部が挿入されて、各電極配置空間の軸心位置に、センタリングストーン３で位置決めされている。インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面には、中央孔５と同心であるが、中央孔５よりも大径の拡大口１ｄがあり、各電極配置空間１ａ，１ｂにつながったノズル４（４ａ，４ｂ）が、大径口１ｄに開いている。
【００２７】
図３に、インサートチップ１を拡大して示す。本実施例のインサートチップ１には、通し穴である中央孔５と、該中央孔５に連続して母材１６に対向する先端面に開いた中央孔５よりも大径の拡大口１ｄと、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する２個の電極配置空間１ａ，１ｂと、各電極配置空間１ａ，１ｂに連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１８０度ピッチで分布する２個のノズル４ａ，４ｂと、を備え、しかも、ノズル４ａ，４ｂは、インサートチップ１の、母材１６に対向する先端面よりも内側で、拡大口１ｄに開いている。
【００２８】
なお、本実施例では、１対（２個）の電極２ａ，２ｂを装備するプラズマトーチのインサートチップであるが、３本又は４本など、複数の電極を用いるプラズマトーチのインサートチップでは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する複数の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズルを備える。例えば３本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する３個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に１２０度ピッチで分布する３個のノズルを備える。また、４本の電極を備えるプラズマトーチのインサートチップは、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する、中央孔５と平行に位置する４個の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し拡大口１ｄに開いた、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に９０度ピッチで分布する４個のノズルを備える。
【００２９】
また、拡大口１ｄは省略し、中央孔５およびノズルノズル４ａ，４ｂの下端開口をチップ１のフラットな下端面とすることができる。また、電極配置空間１ａ，１ｂ（およびそこに装備する電極２ａ，２ｂ）は、中央孔５と平行のみならず、中央孔５に対してある傾斜角を持つ斜め姿勢にすることも出来る。
【００３０】
図４に、図２に示すプラズマトーチの、冷却水流路９ｗ，パイロットガス流路９ｐおよびシールドガス流路９ｓを示す。冷却水は、図４の（ａ）に示す冷却水給水流路９ｗｉを通って、インサートチップ１の外周面とインサートキャップ７の内周面との間の空間に入り、そこから冷却水排水流路９ｗｏを通ってトーチ外に出る。一方のパイロットガスは、図４の（ｂ）および（ｃ）に示すガス流路９ｐａおよび電極挿入空間を通って電極配置空間１ａに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ａを通りそして拡大口１ｄを通ってトーチの先端面から噴出する。他方のパイロットガスは、ガス流路９ｐｂおよび電極挿入空間を通って電極配置空間１ｂに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ｂを通りそして拡大口１ｄを通ってトーチの先端面から噴出する。シールドガスは、図４の（ｄ）および（ｅ）に示すシールドガス流路９ｓを通って、インサートキャップ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噴出する。
【００３１】
図１に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８により、電極２ａ，２ｂにアークを発生すると、プラズマアーク電流が各電極２ａ，２ｂと母材１６の間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。プラズマアーク１９にワイヤ１５が送給され、ワイヤ１５に対して各電極２ａ，２ｂおよびノズル４（４ａ，４ｂ）が対称に位置するので、ワイヤ１５に対してプラズマが安定する。すなわち、図５を参照すると、電極配置空間１ａ，１ｂに挿入された各電極２ａ，２ｂと母材１６との間を、各ノズル４ａ，４ｂを通って流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束Ｍａ，Ｍｂとの間に、フレミングの左手の法則で表される上向き（又は下向き：ｚ）の力が作用し、同一方向であり、しかもノズル４ａ，４ｂの、中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチの分布により、各力が同じく中央孔５の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布するので、磁気的にバランスがとれ、プラズマの安定性が高い。つまり、磁気吹きによるアークのふらつきを生じない。母材１６の近傍では、各アーク電流が同一方向の加算となり合成磁束Ｍｃを誘起するので、アークを絞る磁気的ピンチ力が強く、母材１６に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無い。尚かつ、ワイヤ１５は、プラズマアーク１９の上端部より入り、溶融プール２０に至る迄の間アークより熱を受けることになり、有効な予熱効果として働き、ワイヤの溶着効率がアップし、高速溶接や高能率溶接ができる。従来の、側方からのワイヤ送給の場合は、ワイヤはプラズマアークに対してほぼ直角に入るため、プラズマアークに入った僅かな距離で溶融プールに熔け落ちるようにしなければならず、ほとんどワイヤの予熱効果は無い。このため溶着効率は低く、溶接速度も遅い。
【００３２】
また第１実施例によれば、ワイヤが中央より挿入されるため、ワイヤの挿入方向性が無く、曲線溶接でもトーチを回転させる制御が不要である。従来は、ワイヤはトーチ進行方向より挿入することから、曲線溶接時には、トーチ又はワイヤを曲線に相対して回転制御する装置が必要であった。
【００３３】
−第２実施例−
図６に、第２実施例である、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接トーチであり、インサートチップ１は、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図６に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８を備える。この点は第１実施例と同様であるが、更には、ワイヤ１５と母材１６との間に、ワイヤ側が負で母材側が正の電流を流すホットワイヤ電源２１を備える。ホットワイヤ電源２１からの電流は、トーチ内ガイド１３をとおり、ガイド１３先端部近傍よりワイヤに通電し、絶縁ガイド６内ではワイヤをジュール熱で加熱し、プラズマ１９で、電極２ａ，２ｂよりのプラズマアークと合流し、母材１６に流入する。このとき、ホットワイヤ電流のジュール熱がプラズマ領域内で最大になる（集中する）ので、溶接入熱量が多く、高溶着量，高能率溶接となり、高速溶接が可能である。しかも、ホットワイヤ電流と電極２ａ，２ｂよりのプラズマアーク電流とは対称および同軸であることから、磁気的バランスがとれ、磁気吹きによるアークのふらつきが発生しない。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３４】
−第３実施例−
図７に、第３実施例である、プラズマＭＩＧ溶接装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造のプラズマＭＩＧ溶接トーチであり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図７に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６の間に、第１実施例の場合とは逆に、電極側が正で母材側が負のプラズマアーク電流を流すプラズマ電源１７，１８を備える。更には、ワイヤ１５と母材１６との間に、ワイヤ側が正で母材側が負の溶接電流を流すＭＩＧ溶接電源（定電圧溶接電源）２２を備える。シールドガスは、Ａｒ又はＡｒ＋ＣＯ２又はＣＯ２又はＡｒ＋Ｈ２である。このプラズマＭＩＧ溶接装置は、ＭＩＧの特徴である高能率，深溶込みの特性を持ち尚かつ、スパッタ無し溶接が可能である。さらにＡｒ雰囲気で溶接が可能で、溶接金属中の酸化物の生成も極めて少なく、高重量高張力材に適する。また、アルミ溶接でのスタート部の溶着不良防止又は溶着不良の修復が可能である。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３５】
−第４実施例−
図８に、第４実施例である、プラズマワイヤ肉盛装置を示す。プラズマトーチは、第１実施例のものと同様な構造のプラズマワイヤ肉盛りトーチであり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同一構成である。本実施例では図８に示すように、電極２ａ，２ｂと母材１６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プラズマ電源１７，１８と、ワイヤ１５と各電極２ａ，２ｂとの間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源２１ａ，２１ｂを備える。ワイヤ１５はホットワイヤ電源２１ａ，２１ｂからの電流のジュール熱で加熱されるが、母材１６にはワイヤ電流が流れないので、母材１６が溶ける量が少なく、低希釈の肉盛溶接ができる。母材１６に垂直にワイヤ１５が送り込まれるので、オシレート運動しながらの肉盛溶接でも方向性なく肉盛量が安定する。また、垂直面あるいは傾斜面に対する肉盛溶接も可能である。太径ワイヤを用いる高溶着を安定した肉盛量で行うこともできる。ホットワイヤ電流は、電極２ａ，２ｂよりノズル４ａ，４ｂを通り、ワイヤ１５に流入するので、プラズマ電流と同様、トーチ軸心に対して対称となり、磁気的にバランスすることから、アークのふらつきや磁気吹き現象が発生しない安定した肉盛り溶接ができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３６】
−第５実施例−
図９に、第５実施例である、プラズマ粉体肉盛装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えて粉体ガイド６を装備したプラズマ粉体肉盛トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。粉体ガイド６には、粉体送給機２５が、粉体槽２４にある粉体を定速度で送り込む。プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。母材に対して粉体流を垂直に送給するので、側方からプラズマアークに粉体を送給する従来例よりも、粉体の歩留まりがよく、粉体がノズルに付着しにくく、また、トーチ内の粉体通路を太くでき、直線であることから、送給性の悪い切裁粉を使用することも出来る。母材１６の真上で対称なプラズマアークが合流し衝突し合う為、母材１６への下向きプラズマ流が弱くなるので、低希釈の粉体肉盛が可能である。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３７】
−第６実施例−
図１０に、第６実施例である、プラズマキーホール溶接装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えてキーホールガスガイド６を装備したプラズマキーホール溶接トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。第１実施例の場合と同様に、プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。キーホールガスは、Ａｒ又はＨｅ又はＡｒ＋Ｈ２又はＡｒ＋Ｏ２又はＡｒ＋Ｈｅである。キーホールガスガイド６により、キーホール用小径高速ガス流を噴射することにより、厚板のキーホール溶接や低入熱深溶込み溶接をすることができる。キーホール用ガスは、電極２ａ，２ｂを通るパイロットガス（プラズマガス）とは別ルートの為、電極を酸化消耗させることがないので、キーホール用ガスに酸化性ガスを用いることができる。又、キーホール用ガス噴射孔は、プラズマ電流の大小に関係なく小径にできることから、キーホール穴も小さくでき、厚板溶接ができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【００３８】
−第７実施例−
図１１に、第７実施例であるプラズマ切断装置を示す。プラズマトーチは、ワイヤガイドに代えて切断ガスガイド６を装備したプラズマ切断トーチである。その他の構造は、第１実施例のものと同様であり、インサートチップ１も、図３に示す第１実施例のものと同様な構成である。第１実施例の場合と同様に、プラズマ電源１７，１８が、電極２ａ，２ｂと母材１６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。切断ガスは、Ａｒ又はＯ２又はＮ２又はＡｒ＋Ｈ２である。切断ガスガイド６により、切断小径高速ガス流を噴射することにより、細幅切断をすることができる。電極２ａ，２ｂをタングステン電極とすれば、高価なハフニュウム電極を用いずとも、Ｏ２を切断ガスとする強力なプラズマ切断をすることができる。その他の機能および作用効果は、第１実施例と同様である。
【符号の説明】
【００３９】
１：インサートチップ
１ａ，１ｂ：電極配置空間
１ｄ：拡大口
２（２ａ，２ｂ）：電極
２ａ：第１電極
２ｂ：第２電極
３：センタリングストーン
４（４ａ，４ｂ）：ノズル
５：中央孔
６：ガイド
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
９ｗ：冷却水路
９ｐ：パイロットガス路
９ｓ：シールドガス路
１０（１０ａ，１０ｂ）：電極固定ねじ
１１：第１電極台
１２：第２電極台
１３：ガイド
１４：絶縁本体
１５：ワイヤ
１６：母材
１７，１８：電源
１９：プラズマ
２０：プール
Ｍａ：第１アークの誘起磁束
Ｍｂ：第２アークの誘起磁束
Ｍｃ：合成磁束
２１，２１ａ，２１ｂ：ホットワイヤ電源
２２：ＭＩＧ溶接電源
２４：粉体槽
２５：粉体送給機
２６：キーホールガス
２７：切断ガス
３０：外ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通し穴である中央孔と、該中央孔と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズルと、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更に、前記中央口に連続して加工対象材に対向する先端面に開き前記中央口よりも大径の拡大口、を備え、前記ノズルは、前記先端面よりも内側で前記拡大口に開いた、請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔にワイヤを案内するワイヤガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマトーチ。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項５】
更に、前記ワイヤと加工対象材との間に、ワイヤ側が負で加工対象材側が正の電流を流すホットワイヤ電源を備える、請求項４に記載の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置。
【請求項６】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が正で加工対象材側が負のプラズマアーク電流を流す電源と、前記ワイヤと加工対象材との間に、ワイヤ側が正で加工対象材側が負の電流を流すＭＩＧ溶接電源を備える、プラズマＭＩＧ溶接装置。
【請求項７】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、前記ワイヤと各電極との間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源を備える、プラズマワイヤ肉盛装置。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔に粉体を案内する粉体ガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ粉体肉盛トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、前記粉体ガイドに粉体を送給する手段と、を備えるプラズマ粉体肉盛装置。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔にキーホールガスを案内するガスガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマキーホール溶接トーチ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマキーホール溶接トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマキーホール溶接装置。
【請求項１２】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔に切断ガスを案内するガスガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマ切断トーチ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマ切断トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマ切断装置。
【請求項１】
通し穴である中央孔と、該中央孔と平行に又はある傾斜角をもって該中央孔の中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数の電極配置空間と、各電極配置空間に連通し、前記中心軸を中心とする円周上に等角度ピッチで分布する複数のノズルと、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更に、前記中央口に連続して加工対象材に対向する先端面に開き前記中央口よりも大径の拡大口、を備え、前記ノズルは、前記先端面よりも内側で前記拡大口に開いた、請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔にワイヤを案内するワイヤガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマトーチ。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項５】
更に、前記ワイヤと加工対象材との間に、ワイヤ側が負で加工対象材側が正の電流を流すホットワイヤ電源を備える、請求項４に記載の、ホットワイヤ形態のプラズマ溶接装置。
【請求項６】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が正で加工対象材側が負のプラズマアーク電流を流す電源と、前記ワイヤと加工対象材との間に、ワイヤ側が正で加工対象材側が負の電流を流すＭＩＧ溶接電源を備える、プラズマＭＩＧ溶接装置。
【請求項７】
請求項３に記載のプラズマトーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、前記ワイヤと各電極との間に、ワイヤ側が正で電極側が負の電流を流すホットワイヤ電源を備える、プラズマワイヤ肉盛装置。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔に粉体を案内する粉体ガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマ粉体肉盛トーチ。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ粉体肉盛トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、前記粉体ガイドに粉体を送給する手段と、を備えるプラズマ粉体肉盛装置。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔にキーホールガスを案内するガスガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマキーホール溶接トーチ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマキーホール溶接トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマキーホール溶接装置。
【請求項１２】
請求項１又は２に記載のインサートチップと、該インサートチップの前記中央孔に切断ガスを案内するガスガイドと、前記インサートチップの各電極配置空間に先端部を挿入した複数の電極と、前記インサートチップを冷却するための冷却水流路と、各電極配置空間にパイロットガスを供給するためのパイロットガス流路と、を備えるプラズマ切断トーチ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマ切断トーチと、前記複数の電極と加工対象材の間に、電極側が負で加工対象材側が正のプラズマアーク電流を流す電源と、を備えるプラズマ切断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−３１２５２（Ｐ２０１１−３１２５２Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７７３７１（Ｐ２００９−１７７３７１）
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【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２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【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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