インサートチップ，プラズマトーチおよびプラズマ溶接装置
【課題】 高温割れ，アンダーカットを生じることなく安定したアークでプラズマアーク溶接をより高速化。
【解決手段】 先頭電極空間１ａ，１以上の中間電極空間１ｂおよび後尾電極空間１ｃと、溶接方向ｙの一直線上に分布し各電極空間にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口４ａ，４ｂ，４ｃと、を備えるインサートチップ１。該インサートチップの各電極空間に各先端部を挿入した複数の電極２ａ，２ｂ，２ｃと、を備えるプラズマトーチ。先頭電極２ａに予熱電力を給電する第１電源１８ａｐ，１８ａｗと、中間電極２ｂに裏ビード形成電力を給電する第２電源１８ｂｐ，１８ｂｗと、後尾電極２ｃになめ付け電力を給電する第３電源１８ｃｐ，１８ｃｗと、を備えるプラズマ溶接装置。先頭電極又は中間電極のプラズマアークにより裏ビードを形成し、他の電極のＴＩＧアークで予熱又はなめ付けをするプラズマ溶接装置。
【解決手段】 先頭電極空間１ａ，１以上の中間電極空間１ｂおよび後尾電極空間１ｃと、溶接方向ｙの一直線上に分布し各電極空間にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口４ａ，４ｂ，４ｃと、を備えるインサートチップ１。該インサートチップの各電極空間に各先端部を挿入した複数の電極２ａ，２ｂ，２ｃと、を備えるプラズマトーチ。先頭電極２ａに予熱電力を給電する第１電源１８ａｐ，１８ａｗと、中間電極２ｂに裏ビード形成電力を給電する第２電源１８ｂｐ，１８ｂｗと、後尾電極２ｃになめ付け電力を給電する第３電源１８ｃｐ，１８ｃｗと、を備えるプラズマ溶接装置。先頭電極又は中間電極のプラズマアークにより裏ビードを形成し、他の電極のＴＩＧアークで予熱又はなめ付けをするプラズマ溶接装置。
【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溶接装置、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
【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：溶接対象に対してプラズマが非貫通）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（溶接対象材に対してプラズマが貫通）を高速化すると、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】
本発明者は、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ために、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、ならびに、それを装備するプラズマトーチを提示した（特許文献５）。
【０００７】
この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。
【０００８】
本発明は、高温割れやアンダーカット生じることなく安定したアークで、プラズマアーク溶接をより高速化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）先頭電極配置空間(1a)，１以上の中間電極配置空間(1b)および後尾電極配置空間(1c)と、溶接方向(y)の一直線上に分布し各電極配置空間(1a,1b,1c)にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口(4a,4b,4c)と、を備えるインサートチップ(1：図1)。
【００１０】
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】
【００１１】
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、３以上のアークで１つの溶融プールを形成する、ワンプールマルチ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、ワンプールマルチアークとすることで、板厚３〜１０ｍｍでは、先頭アークで溶接線を予熱し中間アークでキーホールによる裏ビートを形成し、後尾アークで広幅なめ付け溶接して表ビードを平らに形成することができる。板厚３ｍｍ未満では、先頭アークで溶接線を予熱し中間アークによる掘り下げ溶接で裏ビードを形成し、後尾アークで表ビードを平らにすることができる。いずれにしても、先頭アークの予熱により、中間アークによる裏ビード形成が容易になるため、良好な裏ビードを形成しつつ高速溶接をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図２】（ａ）は図１のプラズマトーチの縦断面図、（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に示す第１実施例のプラズマトーチのインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の３Ｂ−３Ｂ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縦断面図であり、（ａ）は、各電極収容空間にプラズマガスを供給する管路の概要を示し、（ｂ）はインサートチップ１を冷却する冷却水の流路の概要を示す。
【図５】本発明のプラズマトーチを用いる溶接での溶接ビード断面を模式的に示す横断面図であり、（ａ）は先頭アークの予熱により形成されるビード形状を、（ｂ）は中間アークによる高速キーホール溶接のビード形状を、（ｃ）は後尾アークによるなめ付け溶接のビード形状を示す。
【図６】図１に示す溶接装置によるワンプール３アーク溶接時の、プラズマアークの挙動を模式的に示す拡大断面図である。
【図７】本発明の第２実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図８】本発明の第３実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図９】本発明の第４実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（２）前記先頭電極配置空間(1a)および前記中間電極配置空間(1b)に連通する前記開口(4a,4b)間の距離より、前記中間電極配置空間(1b)および後尾電極配置空間(1c)に連通する前記開口(4b,4c)間の距離が長い、上記（１）に記載のインサートチップ(1：図7)。
【００１４】
（３）前記開口は、プラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態１)。
【００１５】
（４）前記先頭電極配置空間(1a)又は前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態２／４)。
【００１６】
（５）前記先頭電極配置空間(1a)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態３)。
【００１７】
（６）前記先頭電極配置空間(1a)に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間(1b)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴である、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態５)。
【００１８】
（７）上記（１）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b,1c)に各先端部を挿入した複数の電極(2a,2b,2c)と、を備えるプラズマトーチ。
【００１９】
（８）上記（７）に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極(2a)に予熱電力を給電する第１電源(18ap,18aw)と、中間電極(2b)に裏ビード形成電力を給電する第２電源(18bp,18bw)と、後尾電極(2c)になめ付け電力を給電する第３電源(18cp,18cw)と、を備えるプラズマ溶接装置。
【００２０】
（９）上記（２）に記載のインサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b,1c)に各先端部を挿入した複数の電極(2a,2b,2c)を備えるプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極(2a)に予熱電力を給電する第１電源(18ap,18aw)と、中間電極(2b)にキーホール溶接電力を給電する第２電源(18bp,18bw)と、後尾電極(2c)になめ付け電力を給電する第３電源(18cp,18cw)と、を備えるプラズマ溶接装置。
【００２１】
（１０）前記インサートチップの開口は、プラズマアークノズルであり、第１，第２および第３電源は、プラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態１)。
【００２２】
（１１）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)又は前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルであり、第１電源又は第３電源はＴＩＧ溶接電源であって他の電源はプラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態２／４)。
【００２３】
（１２）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルであり、第１電源および第３電源はＴＩＧ溶接電源であって第２電源はプラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態３)。
【００２４】
（１３）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間(1b)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴でであって、第１電源はプラズマ溶接電源であって第２および第３電源はＴＩＧ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態５)。
【００２５】
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】
【００２６】
−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実施例のプラズマアークトーチのみを示し、図２の（ｂ）にはトーチの先端面を示す。第１実施例のプラズマアークトーチは、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。３つ割でｘ方向に分離した先頭電極台１１，中間電極台１２および後尾電極台１３は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。中間電極台１２と先頭，後尾電極台１１，１３との間の空間を、絶縁本体１４のステムが通っている。
【００２７】
インサートチップ１には、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸から等距離にある先頭，後尾電極配置空間１ａ，１ｃと、該中心軸位置の中間電極配置空間１ｂがあり、各電極配置空間に、絶縁台９を貫通し各電極台１１〜１３にねじ１０ａ，１０ｂ，１０ｃで固定された、先頭電極２ａ，中間電極２ｂ，後尾電極２ｃの先端部が挿入されて、各電極配置空間１ａ〜１ｃ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（溶接対象材）に対向する先端面には、各電極配置空間１ａ〜１ｃにつながったノズル４（４ａ，４ｂ，４ｃ）が開口している。
【００２８】
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、チップ１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線に分布し、該中心軸の位置にある中間電極配置空間１ｂと該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる先頭，後尾電極配置空間１ａ，１ｃと、各空間１ａ，１ｂ，１ｃに連通し母材１６に対向する先端面に開口した先頭，中間，後尾のノズル４ａ，４ｂ，４ｃと、を備えている。これらのノズル４ａ，４ｂ，４ｃも、本実施例では、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸に平行であって等ピッチで分布している。
【００２９】
トーチの絶縁台９には、図１上では図示を省略したが、図４上に示すパイロットガス流路および冷却水流路がある。また、シールドキャップ８内にシールドガスを導くシールドガス流路（図示略）がある。パイロットガスは、図４の（ａ）に示すように、ガス流路および電極挿入空間を通って電極配置空間１ａ〜１ｃに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ａ〜４ｃを通ってトーチの先端面から噴出する。冷却水は、図４の（ｂ）に示すように、冷却水給水流路を通って、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を通ってトーチ外に出る。シールドガスは、シールドガス流路を通って、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。
【００３０】
図１に示すように、パイロット電源１８ａｐ，１８ｂｐ，１８ｃｐにより、電極２ａ，２ｂ，２ｃ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２ａ，２ｂ，２ｃ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１８ａｗ（予熱用），１８ｂｗ（裏ビード形成用），１８ｃｗ（なめ付け溶接用）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２ａ，２ｂ，２ｃと母材１６の間に流れて、１プール３アーク溶接が実現する。図１に示す溶接装置では、電極２ａのプラズマアークによる予熱と、電極２ｂによる裏ビード形成と、電極２ｃによるなめ付けとが行われる。なお、溶接の進行方向は矢印ｙ方向である。すなわち、先頭の予熱で生成した表面部溶融プール（図５の（ａ））を中間のビード形成が、母材裏面（底面）まで溶融又は貫通するもの（図５の（ｂ））とし、３ｍｍ以上の厚板の場合は、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。これにより図５の（ｃ）に示す、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、先頭の予熱と中間の溶接により図５の（ｂ）に示すビードが形成され、これが後尾のなめ付け溶接により、図５の（ｃ）に示すビードに変わる。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、中間，後尾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。先頭の予熱により中間の溶接は容易に母材裏面に達するので、溶接をより高速で行う事ができる。
【００３１】
図１に示す実施例では、先頭電極２ａによる予熱では、パイロットガス流量を０．２〜１．０（リットル／ｍｉｎ）と少なくして浅溶け込みでの予熱をする。中間電極２ｂによる裏ビード形成では溶け込みを深くするためにパイロットガス流量を０．５〜５．０（リットル／ｍｉｎ）と多くし、母材厚が３ｍｍ以上ではキーホール溶接により高流量のパイロットガスで母材を裏面を貫通するまでえぐって裏波を形成する。母材厚が３ｍｍ未満では、比較的に低流量のパイロットガスとして母材裏面までの熱溶融により裏ビード（図５の（ｂ））を形成する。後尾電極２ｃによる表ビード形成では、パイロットガス流量を０．２〜１．０（リットル／ｍｉｎ）と少なくして浅溶け込みで表面を薄く溶かし平滑にする（図５の（ｃ））。
【００３２】
例えば特許文献５に提示した１プール２アーク溶接で、板厚１．６ｍｍの母材を、先行アーク電流２１０Ａ，後行アーク２１０／１６０Ａ：３０Ｈｚ切替え、の条件で２．３ｍ／ｍｉｎの比較的高速で安定した高品質のプラズマアーク溶接をすることができる。これに対し本実施例では、板厚１．６ｍｍの母材を、先頭アーク電流２００Ａ，中間アーク電流２１０Ａ，後尾アーク電流２１０／１６０Ａ（４５Ｈｚ切替え）、の条件で３．０ｍ／ｍｉｎの、より高速で安定した高品質のプラズマアーク溶接をすることができる。
【００３３】
一般に、平行に流れる２経路の電流（プラズマアーク）がそれぞれ経路を中心として旋回する磁束を生じ、これらは２経路の間では磁束の流れる方向が逆であるので互いに磁束を相殺し、合成磁束は、２経路の外側を周回するものとなる。この合成磁束の磁界と２経路の電流のそれぞれとの相互作用により、２電流（プラズマアーク）にはローレンツ力Ｆが作用して、２電流（プラズマアーク）が、互いに近づく方向に曲がる。仮に、アークが不安定になってこの曲がりが大きくなって２電流が交わると、すなわち合流すると、本来意図した溶接特性を現さなくなる。すなわち溶接不良あるいはビード形状不良を生ずる。この傾向は高電流になるほど大きい。
【００３４】
しかし図１に示す実施例では、図６に示すように、先頭電極２ａと中間電極２ｂのアーク間にはＦａなる引き合うローレンツ力が作用するが、中間電極２ｂと後尾電極２ｃのアーク間にもＦｃなる引き合うローレンツ力が作用し、中間電極２ｂのアークにはＦａ，Ｆｃの合成力が作用することになり、この合成力はＦａ，Ｆｃを相殺した余りの、僅かなものとなり、裏ビードを形成する中間電極２ｂのアークが安定し、裏波（裏ビード）形成が安定する。先頭電極２ａの予熱アークに作用するローレンツ力Ｆａは、該アークを溶接進行方向ｙで下流側に振り該アークが溶接進行方向ｙに対し後進角となるが、ビード形成には影響しない。後尾電極２ｃのなめ付けアークに作用するローレンツ力Ｆｃは、該アークを溶接進行方向ｙで上流側に振り該アークが溶接進行方向ｙに対し前進角となり、平滑化に貢献する。すなわち、後尾電極２ｃのなめ付けアークのプラズマが前方に流れ、該アークの後方に形成される溶融プールをアークプラズマが乱さないので、表ビードは平滑できれいなビード表面となる。
【００３５】
−第２実施例−
図７に、厚板の高速溶接に好適な、本発明の第２実施例のプラズマ溶接装置を示す。板厚が３ｍｍ以上の、パイロットガス流量を多くしたキーホール溶接では、溶接速度を速くすると中間電極２ｂによる溶融プールが溶接方向ｙに大きくなって、溶融金属が溶け落ちる可能性が高くなる。そこで第２実施例では、先頭電極２ａと中間電極２ｂとの距離よりも、中間電極２ｂに対する後尾電極２ｃの距離を長くして、中間電極２ｂのキーホール溶接が形成する溶融プールが凝固を始める位置を、後尾電極のプラズマアークでなめ付け溶接する。これによりキーホール溶接速度を高速化しても、溶融金属の溶け落ちを抑止できる。後尾電極２ｃによるなめ付け溶接は、凝固金属を再加熱して溶融させるものとなるが、凝固金属は凝固開始直後の高熱であるので、容易に溶融し、高速化に適合する。
【００３６】
プラズマアーク溶接に限らずＴＩＧ溶接によっても、予熱あるいはなめ付けを行うことができる。ＴＩＧ溶接ではパイロット電源が不要であるので、電源装置を低コストで構成できる。また、シールドガスがトーチ下端を満たすのでの、ＴＩＧ溶接では電極配置空間から母材に噴出すパイロットガスを省略することもできる。そこで本発明のプラズマ溶接装置は、次の表１に示す溶接形態を実施する。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１上の実施形態１は、第１，第２実施例のように、先頭電極２ａ，中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃのいずれも、プラズマアーク溶接を行うものである。
【００３９】
−第３実施例−
図８に示す本発明の第３実施例のプラズマ溶接装置は、表１上の実施形態２のものである。すなわち、先頭電極２ａは、ＴＩＧ溶接により母材を予熱するものであって、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面を予熱溶融する。中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により裏ビード形成およびなめ付けを行う。
【００４０】
−第４実施例−
図９に示す本発明の第４実施例のプラズマ溶接装置は、表１上の実施形態３のものである。すなわち、先頭電極２ａおよび後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接により母材を予熱およびなめ付けするものであり、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面を予熱溶融およびなめ付け溶接する。中間電極２ｂは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により裏ビード形成を行う。
【００４１】
表１上の実施形態４では、後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接により母材をなめ付けするものであり、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面をなめ付け溶接する。先頭電極２ａおよび中間電極２ｂは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により予熱および裏ビード形成を行う。
【００４２】
表１上の実施形態５では、先頭電極２ａのプラズマアーク溶接によって裏ビードを形成する。中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接によりそれぞれ表ビードを形成する。すなわち、２段階で表ビードを形成する。これは母材の溶融金属の表面張力が大きい母材に適合する。なお、実施形態４でも同様に、先頭電極２ａのプラズマアーク溶接によって裏ビードを形成し、中間電極２ｂによるプラズマアーク溶接と後尾電極２ｃによるＴＩＧ溶接でそれぞれ表ビードを形成することもできる。
【００４３】
なお、上述の実施例および実施形態のいずれも、中間電極２ｂは１本であるが、本発明によれば、２本以上の中間電極を用いる態様もある。ただしこの場合も、すべての電極は溶接方向に延びる一直線上にあるものである。例えば２本の中間電極２ｂ１，２ｂ２を用いる実施形態では、１本の中間電極によるキーホール溶接では母材裏面への貫通が無理な厚い母材を、先行の中間電極２ｂ１によるプラズマアーク溶接でえぐりそして後行の中間電極２ｂ２によるプラズマアーク溶接で母材裏面までキーホール溶接することができる。換言すると、厚板を高速でキーホール溶接することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１：インサートチップ
１ａ，１ｂ，１ｃ：先頭，中間，後尾の電極配置空間
２（２ａ，２ｂ，２ｃ）：電極
２ａ：先頭電極
２ｂ：中間電極
２ｃ：後尾電極
３：センタリングストーン
４（４ａ，４ｂ，４ｃ）：ノズル（先頭，中間，後尾のノズル）
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）：電極固定ねじ
１１：先頭電極台
１２：中間電極台
１３：後尾電極台
１４：絶縁本体
１６：母材
１８，４３：電源
１９：プラズマ
２０：プール
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溶接装置、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
【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：溶接対象に対してプラズマが非貫通）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（溶接対象材に対してプラズマが貫通）を高速化すると、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】
本発明者は、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ために、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、ならびに、それを装備するプラズマトーチを提示した（特許文献５）。
【０００７】
この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。
【０００８】
本発明は、高温割れやアンダーカット生じることなく安定したアークで、プラズマアーク溶接をより高速化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）先頭電極配置空間(1a)，１以上の中間電極配置空間(1b)および後尾電極配置空間(1c)と、溶接方向(y)の一直線上に分布し各電極配置空間(1a,1b,1c)にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口(4a,4b,4c)と、を備えるインサートチップ(1：図1)。
【００１０】
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】
【００１１】
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、３以上のアークで１つの溶融プールを形成する、ワンプールマルチ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、ワンプールマルチアークとすることで、板厚３〜１０ｍｍでは、先頭アークで溶接線を予熱し中間アークでキーホールによる裏ビートを形成し、後尾アークで広幅なめ付け溶接して表ビードを平らに形成することができる。板厚３ｍｍ未満では、先頭アークで溶接線を予熱し中間アークによる掘り下げ溶接で裏ビードを形成し、後尾アークで表ビードを平らにすることができる。いずれにしても、先頭アークの予熱により、中間アークによる裏ビード形成が容易になるため、良好な裏ビードを形成しつつ高速溶接をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図２】（ａ）は図１のプラズマトーチの縦断面図、（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に示す第１実施例のプラズマトーチのインサートチップ１を拡大して示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ｃ）上の３Ｂ−３Ｂ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縦断面図であり、（ａ）は、各電極収容空間にプラズマガスを供給する管路の概要を示し、（ｂ）はインサートチップ１を冷却する冷却水の流路の概要を示す。
【図５】本発明のプラズマトーチを用いる溶接での溶接ビード断面を模式的に示す横断面図であり、（ａ）は先頭アークの予熱により形成されるビード形状を、（ｂ）は中間アークによる高速キーホール溶接のビード形状を、（ｃ）は後尾アークによるなめ付け溶接のビード形状を示す。
【図６】図１に示す溶接装置によるワンプール３アーク溶接時の、プラズマアークの挙動を模式的に示す拡大断面図である。
【図７】本発明の第２実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図８】本発明の第３実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【図９】本発明の第４実施例のプラズマトーチを用いる溶接装置の、縦断面図およびブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（２）前記先頭電極配置空間(1a)および前記中間電極配置空間(1b)に連通する前記開口(4a,4b)間の距離より、前記中間電極配置空間(1b)および後尾電極配置空間(1c)に連通する前記開口(4b,4c)間の距離が長い、上記（１）に記載のインサートチップ(1：図7)。
【００１４】
（３）前記開口は、プラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態１)。
【００１５】
（４）前記先頭電極配置空間(1a)又は前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態２／４)。
【００１６】
（５）前記先頭電極配置空間(1a)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルである、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態３)。
【００１７】
（６）前記先頭電極配置空間(1a)に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間(1b)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴である、上記（１）又は（２）に記載のインサートチップ(1：形態５)。
【００１８】
（７）上記（１）に記載のインサートチップ(1)と、該インサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b,1c)に各先端部を挿入した複数の電極(2a,2b,2c)と、を備えるプラズマトーチ。
【００１９】
（８）上記（７）に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極(2a)に予熱電力を給電する第１電源(18ap,18aw)と、中間電極(2b)に裏ビード形成電力を給電する第２電源(18bp,18bw)と、後尾電極(2c)になめ付け電力を給電する第３電源(18cp,18cw)と、を備えるプラズマ溶接装置。
【００２０】
（９）上記（２）に記載のインサートチップ(1)の各電極配置空間(1a,1b,1c)に各先端部を挿入した複数の電極(2a,2b,2c)を備えるプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極(2a)に予熱電力を給電する第１電源(18ap,18aw)と、中間電極(2b)にキーホール溶接電力を給電する第２電源(18bp,18bw)と、後尾電極(2c)になめ付け電力を給電する第３電源(18cp,18cw)と、を備えるプラズマ溶接装置。
【００２１】
（１０）前記インサートチップの開口は、プラズマアークノズルであり、第１，第２および第３電源は、プラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態１)。
【００２２】
（１１）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)又は前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルであり、第１電源又は第３電源はＴＩＧ溶接電源であって他の電源はプラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態２／４)。
【００２３】
（１２）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルであり、第１電源および第３電源はＴＩＧ溶接電源であって第２電源はプラズマ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態３)。
【００２４】
（１３）前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間(1a)に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間(1b)および前記後尾電極配置空間(1c)に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴でであって、第１電源はプラズマ溶接電源であって第２および第３電源はＴＩＧ溶接電源である、上記（８）又は（９）に記載のプラズマ溶接装置(形態５)。
【００２５】
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】
【００２６】
−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実施例のプラズマアークトーチのみを示し、図２の（ｂ）にはトーチの先端面を示す。第１実施例のプラズマアークトーチは、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。３つ割でｘ方向に分離した先頭電極台１１，中間電極台１２および後尾電極台１３は、絶縁体の外ケース３０の内部にある。中間電極台１２と先頭，後尾電極台１１，１３との間の空間を、絶縁本体１４のステムが通っている。
【００２７】
インサートチップ１には、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸から等距離にある先頭，後尾電極配置空間１ａ，１ｃと、該中心軸位置の中間電極配置空間１ｂがあり、各電極配置空間に、絶縁台９を貫通し各電極台１１〜１３にねじ１０ａ，１０ｂ，１０ｃで固定された、先頭電極２ａ，中間電極２ｂ，後尾電極２ｃの先端部が挿入されて、各電極配置空間１ａ〜１ｃ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（溶接対象材）に対向する先端面には、各電極配置空間１ａ〜１ｃにつながったノズル４（４ａ，４ｂ，４ｃ）が開口している。
【００２８】
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、チップ１の中心軸（ｚ）と直交する同一直径線に分布し、該中心軸の位置にある中間電極配置空間１ｂと該中心軸から等距離にあって中心軸（ｚ）に平行に延びる先頭，後尾電極配置空間１ａ，１ｃと、各空間１ａ，１ｂ，１ｃに連通し母材１６に対向する先端面に開口した先頭，中間，後尾のノズル４ａ，４ｂ，４ｃと、を備えている。これらのノズル４ａ，４ｂ，４ｃも、本実施例では、チップの中心軸（ｚ）と直交する同一直径線上に分布し、該中心軸に平行であって等ピッチで分布している。
【００２９】
トーチの絶縁台９には、図１上では図示を省略したが、図４上に示すパイロットガス流路および冷却水流路がある。また、シールドキャップ８内にシールドガスを導くシールドガス流路（図示略）がある。パイロットガスは、図４の（ａ）に示すように、ガス流路および電極挿入空間を通って電極配置空間１ａ〜１ｃに入り、電極先端部でプラズマとなってノズル４ａ〜４ｃを通ってトーチの先端面から噴出する。冷却水は、図４の（ｂ）に示すように、冷却水給水流路を通って、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を通ってトーチ外に出る。シールドガスは、シールドガス流路を通って、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。
【００３０】
図１に示すように、パイロット電源１８ａｐ，１８ｂｐ，１８ｃｐにより、電極２ａ，２ｂ，２ｃ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２ａ，２ｂ，２ｃ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１８ａｗ（予熱用），１８ｂｗ（裏ビード形成用），１８ｃｗ（なめ付け溶接用）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２ａ，２ｂ，２ｃと母材１６の間に流れて、１プール３アーク溶接が実現する。図１に示す溶接装置では、電極２ａのプラズマアークによる予熱と、電極２ｂによる裏ビード形成と、電極２ｃによるなめ付けとが行われる。なお、溶接の進行方向は矢印ｙ方向である。すなわち、先頭の予熱で生成した表面部溶融プール（図５の（ａ））を中間のビード形成が、母材裏面（底面）まで溶融又は貫通するもの（図５の（ｂ））とし、３ｍｍ以上の厚板の場合は、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。これにより図５の（ｃ）に示す、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、先頭の予熱と中間の溶接により図５の（ｂ）に示すビードが形成され、これが後尾のなめ付け溶接により、図５の（ｃ）に示すビードに変わる。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、中間，後尾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。先頭の予熱により中間の溶接は容易に母材裏面に達するので、溶接をより高速で行う事ができる。
【００３１】
図１に示す実施例では、先頭電極２ａによる予熱では、パイロットガス流量を０．２〜１．０（リットル／ｍｉｎ）と少なくして浅溶け込みでの予熱をする。中間電極２ｂによる裏ビード形成では溶け込みを深くするためにパイロットガス流量を０．５〜５．０（リットル／ｍｉｎ）と多くし、母材厚が３ｍｍ以上ではキーホール溶接により高流量のパイロットガスで母材を裏面を貫通するまでえぐって裏波を形成する。母材厚が３ｍｍ未満では、比較的に低流量のパイロットガスとして母材裏面までの熱溶融により裏ビード（図５の（ｂ））を形成する。後尾電極２ｃによる表ビード形成では、パイロットガス流量を０．２〜１．０（リットル／ｍｉｎ）と少なくして浅溶け込みで表面を薄く溶かし平滑にする（図５の（ｃ））。
【００３２】
例えば特許文献５に提示した１プール２アーク溶接で、板厚１．６ｍｍの母材を、先行アーク電流２１０Ａ，後行アーク２１０／１６０Ａ：３０Ｈｚ切替え、の条件で２．３ｍ／ｍｉｎの比較的高速で安定した高品質のプラズマアーク溶接をすることができる。これに対し本実施例では、板厚１．６ｍｍの母材を、先頭アーク電流２００Ａ，中間アーク電流２１０Ａ，後尾アーク電流２１０／１６０Ａ（４５Ｈｚ切替え）、の条件で３．０ｍ／ｍｉｎの、より高速で安定した高品質のプラズマアーク溶接をすることができる。
【００３３】
一般に、平行に流れる２経路の電流（プラズマアーク）がそれぞれ経路を中心として旋回する磁束を生じ、これらは２経路の間では磁束の流れる方向が逆であるので互いに磁束を相殺し、合成磁束は、２経路の外側を周回するものとなる。この合成磁束の磁界と２経路の電流のそれぞれとの相互作用により、２電流（プラズマアーク）にはローレンツ力Ｆが作用して、２電流（プラズマアーク）が、互いに近づく方向に曲がる。仮に、アークが不安定になってこの曲がりが大きくなって２電流が交わると、すなわち合流すると、本来意図した溶接特性を現さなくなる。すなわち溶接不良あるいはビード形状不良を生ずる。この傾向は高電流になるほど大きい。
【００３４】
しかし図１に示す実施例では、図６に示すように、先頭電極２ａと中間電極２ｂのアーク間にはＦａなる引き合うローレンツ力が作用するが、中間電極２ｂと後尾電極２ｃのアーク間にもＦｃなる引き合うローレンツ力が作用し、中間電極２ｂのアークにはＦａ，Ｆｃの合成力が作用することになり、この合成力はＦａ，Ｆｃを相殺した余りの、僅かなものとなり、裏ビードを形成する中間電極２ｂのアークが安定し、裏波（裏ビード）形成が安定する。先頭電極２ａの予熱アークに作用するローレンツ力Ｆａは、該アークを溶接進行方向ｙで下流側に振り該アークが溶接進行方向ｙに対し後進角となるが、ビード形成には影響しない。後尾電極２ｃのなめ付けアークに作用するローレンツ力Ｆｃは、該アークを溶接進行方向ｙで上流側に振り該アークが溶接進行方向ｙに対し前進角となり、平滑化に貢献する。すなわち、後尾電極２ｃのなめ付けアークのプラズマが前方に流れ、該アークの後方に形成される溶融プールをアークプラズマが乱さないので、表ビードは平滑できれいなビード表面となる。
【００３５】
−第２実施例−
図７に、厚板の高速溶接に好適な、本発明の第２実施例のプラズマ溶接装置を示す。板厚が３ｍｍ以上の、パイロットガス流量を多くしたキーホール溶接では、溶接速度を速くすると中間電極２ｂによる溶融プールが溶接方向ｙに大きくなって、溶融金属が溶け落ちる可能性が高くなる。そこで第２実施例では、先頭電極２ａと中間電極２ｂとの距離よりも、中間電極２ｂに対する後尾電極２ｃの距離を長くして、中間電極２ｂのキーホール溶接が形成する溶融プールが凝固を始める位置を、後尾電極のプラズマアークでなめ付け溶接する。これによりキーホール溶接速度を高速化しても、溶融金属の溶け落ちを抑止できる。後尾電極２ｃによるなめ付け溶接は、凝固金属を再加熱して溶融させるものとなるが、凝固金属は凝固開始直後の高熱であるので、容易に溶融し、高速化に適合する。
【００３６】
プラズマアーク溶接に限らずＴＩＧ溶接によっても、予熱あるいはなめ付けを行うことができる。ＴＩＧ溶接ではパイロット電源が不要であるので、電源装置を低コストで構成できる。また、シールドガスがトーチ下端を満たすのでの、ＴＩＧ溶接では電極配置空間から母材に噴出すパイロットガスを省略することもできる。そこで本発明のプラズマ溶接装置は、次の表１に示す溶接形態を実施する。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１上の実施形態１は、第１，第２実施例のように、先頭電極２ａ，中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃのいずれも、プラズマアーク溶接を行うものである。
【００３９】
−第３実施例−
図８に示す本発明の第３実施例のプラズマ溶接装置は、表１上の実施形態２のものである。すなわち、先頭電極２ａは、ＴＩＧ溶接により母材を予熱するものであって、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面を予熱溶融する。中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により裏ビード形成およびなめ付けを行う。
【００４０】
−第４実施例−
図９に示す本発明の第４実施例のプラズマ溶接装置は、表１上の実施形態３のものである。すなわち、先頭電極２ａおよび後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接により母材を予熱およびなめ付けするものであり、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面を予熱溶融およびなめ付け溶接する。中間電極２ｂは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により裏ビード形成を行う。
【００４１】
表１上の実施形態４では、後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接により母材をなめ付けするものであり、インサートチップ１の、その下端面に開いた電極配置空間の開口から更に下方に突出して、ＴＩＧアークにより母材の表面をなめ付け溶接する。先頭電極２ａおよび中間電極２ｂは、第１，第２実施例と同様に、プラズマアーク溶接により予熱および裏ビード形成を行う。
【００４２】
表１上の実施形態５では、先頭電極２ａのプラズマアーク溶接によって裏ビードを形成する。中間電極２ｂおよび後尾電極２ｃは、ＴＩＧ溶接によりそれぞれ表ビードを形成する。すなわち、２段階で表ビードを形成する。これは母材の溶融金属の表面張力が大きい母材に適合する。なお、実施形態４でも同様に、先頭電極２ａのプラズマアーク溶接によって裏ビードを形成し、中間電極２ｂによるプラズマアーク溶接と後尾電極２ｃによるＴＩＧ溶接でそれぞれ表ビードを形成することもできる。
【００４３】
なお、上述の実施例および実施形態のいずれも、中間電極２ｂは１本であるが、本発明によれば、２本以上の中間電極を用いる態様もある。ただしこの場合も、すべての電極は溶接方向に延びる一直線上にあるものである。例えば２本の中間電極２ｂ１，２ｂ２を用いる実施形態では、１本の中間電極によるキーホール溶接では母材裏面への貫通が無理な厚い母材を、先行の中間電極２ｂ１によるプラズマアーク溶接でえぐりそして後行の中間電極２ｂ２によるプラズマアーク溶接で母材裏面までキーホール溶接することができる。換言すると、厚板を高速でキーホール溶接することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１：インサートチップ
１ａ，１ｂ，１ｃ：先頭，中間，後尾の電極配置空間
２（２ａ，２ｂ，２ｃ）：電極
２ａ：先頭電極
２ｂ：中間電極
２ｃ：後尾電極
３：センタリングストーン
４（４ａ，４ｂ，４ｃ）：ノズル（先頭，中間，後尾のノズル）
７：インサートキャップ
８：シールドキャップ
９：絶縁台
１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）：電極固定ねじ
１１：先頭電極台
１２：中間電極台
１３：後尾電極台
１４：絶縁本体
１６：母材
１８，４３：電源
１９：プラズマ
２０：プール
３０：外ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先頭電極配置空間，１以上の中間電極配置空間および後尾電極配置空間と、溶接方向の一直線上に分布し各電極配置空間にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口と、を備えるインサートチップ。
【請求項２】
前記先頭電極配置空間および前記中間電極配置空間に連通する前記開口間の距離より、前記中間電極配置空間および後尾電極配置空間に連通する前記開口間の距離が長い、請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
前記開口は、プラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項４】
前記先頭電極配置空間又は前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項５】
前記先頭電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項６】
前記先頭電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴である、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項７】
請求項１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各先端部を挿入した複数の電極と、を備えるプラズマトーチ。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極に予熱電力を給電する第１電源と、中間電極に裏ビード形成電力を給電する第２電源と、後尾電極になめ付け電力を給電する第３電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項９】
請求項２に記載のインサートチップの各電極配置空間に各先端部を挿入した複数の電極を備えるプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極に予熱電力を給電する第１電源と、中間電極にキーホール溶接電力を給電する第２電源と、後尾電極になめ付け電力を給電する第３電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項１０】
前記インサートチップの開口は、プラズマアークノズルであり、第１，第２および第３電源は、プラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１１】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間又は前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルであり、第１電源又は第３電源はＴＩＧ溶接電源であって他の電源はプラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１２】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルであり、第１電源および第３電源はＴＩＧ溶接電源であって第２電源はプラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１３】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴でであって、第１電源はプラズマ溶接電源であって第２および第３電源はＴＩＧ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１】
先頭電極配置空間，１以上の中間電極配置空間および後尾電極配置空間と、溶接方向の一直線上に分布し各電極配置空間にそれぞれが連通し前記一直線と平行な溶接線に対向して開いた３個以上の開口と、を備えるインサートチップ。
【請求項２】
前記先頭電極配置空間および前記中間電極配置空間に連通する前記開口間の距離より、前記中間電極配置空間および後尾電極配置空間に連通する前記開口間の距離が長い、請求項１に記載のインサートチップ。
【請求項３】
前記開口は、プラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項４】
前記先頭電極配置空間又は前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項５】
前記先頭電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間(1b)に連通する開口はプラズマアークノズルである、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項６】
前記先頭電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴である、請求項１又は２に記載のインサートチップ。
【請求項７】
請求項１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各先端部を挿入した複数の電極と、を備えるプラズマトーチ。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極に予熱電力を給電する第１電源と、中間電極に裏ビード形成電力を給電する第２電源と、後尾電極になめ付け電力を給電する第３電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項９】
請求項２に記載のインサートチップの各電極配置空間に各先端部を挿入した複数の電極を備えるプラズマトーチと、該プラズマトーチの先頭電極に予熱電力を給電する第１電源と、中間電極にキーホール溶接電力を給電する第２電源と、後尾電極になめ付け電力を給電する第３電源と、を備えるプラズマ溶接装置。
【請求項１０】
前記インサートチップの開口は、プラズマアークノズルであり、第１，第２および第３電源は、プラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１１】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間又は前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、他の開口はプラズマアークノズルであり、第１電源又は第３電源はＴＩＧ溶接電源であって他の電源はプラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１２】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴で、前記中間電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルであり、第１電源および第３電源はＴＩＧ溶接電源であって第２電源はプラズマ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【請求項１３】
前記インサートチップの、前記先頭電極配置空間に連通する開口はプラズマアークノズルで、前記中間電極配置空間および前記後尾電極配置空間に連通する開口は、ＴＩＧ溶接電極が貫通する穴でであって、第１電源はプラズマ溶接電源であって第２および第３電源はＴＩＧ溶接電源である、請求項８又は９に記載のプラズマ溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２２４５８７（Ｐ２０１１−２２４５８７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９４７２７（Ｐ２０１０−９４７２７）
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【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１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【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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