プラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法
【課題】プラズマＧＭＡ溶接をスムーズに開始するとともに、良好な溶接ビードを形成することが可能なプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法を提供すること。
【解決手段】ワイヤ供給手段７によって中心軸に沿って送り出されるワイヤＷを支持するコンタクトチップ１と、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極２と、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズル４と、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチＡ１であって、プラズマ電極２の先端は、コンタクトチップ１の先端よりもワイヤＷの送給方向前方に位置しており、かつプラズマ電極２の先端とコンタクトチップ１の先端との距離ｈは、ワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍である。このような構成により、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接ビードの乱れを解消するとともに、プラズマアークの点弧確率をきわめて高いものとすることができる。
【解決手段】ワイヤ供給手段７によって中心軸に沿って送り出されるワイヤＷを支持するコンタクトチップ１と、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極２と、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズル４と、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチＡ１であって、プラズマ電極２の先端は、コンタクトチップ１の先端よりもワイヤＷの送給方向前方に位置しており、かつプラズマ電極２の先端とコンタクトチップ１の先端との距離ｈは、ワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍である。このような構成により、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接ビードの乱れを解消するとともに、プラズマアークの点弧確率をきわめて高いものとすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のプラズマＧＭＡ溶接に用いられる溶接装置の一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示す溶接装置Ｙは、溶接トーチＸ、プラズマ電源９４、ＧＭＡ電源９５、ワイヤ供給手段９６、およびガスボンベ９７を備えている。ワイヤ供給手段９６からは、ワイヤＷが供給される。ワイヤＷは、溶接トーチＸの中心軸に沿って送り出される。溶接トーチＸは、コンタクトチップ９１、プラズマ電極９２、およびシールドノズル９３を有している。
【０００３】
コンタクトチップ９１は、ワイヤＷを支持している。プラズマ電極９２は、コンタクトチップ９１を囲っており、コンタクトチップ９１と同心軸上に配置されている。コンタクトチップ９１とプラズマ電極９２との隙間には、ガスボンベ９７から不活性ガスがプラズマガスとして供給されている。シールドノズル９３は、プラズマ電極９２を囲っており、プラズマ電極９２と同心軸上に配置されている。プラズマ電極９２とシールドノズル９３との隙間には、ガスボンベ９７から不活性ガスがシールドガスとして供給されている。
【０００４】
プラズマ電源９４は、プラズマ電極９２と溶接対象材Ｐとの間に電圧を印加することにより、プラズマアークを発生させるための電源である。ＧＭＡ電源９５は、ワイヤＷからアークを発生させるための電圧を印加することによりＧＭＡアークを発生させるためのものである。
【０００５】
溶接装置Ｙによる溶接の利点は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことにある。すなわち、プラズマガスをプラズマ化することにより生じさせたプラズマアークを噴出することにより、溶接対象材Ｐの一部が溶融状態となる。この溶融状態となった部分に、ワイヤＷの溶滴が供給される。これにより、溶接対象材ＰをたとえばＧＭＡ溶接のみによって溶接する場合と比べてより確実に溶接することができる。また、ＧＭＡ電源９５からの電圧印加によって生じたＧＭＡアークは、プラズマ化されたプラズマガスに内包されることとなる。これにより、ＧＭＡアークの挙動を安定させるのに有利である。この他にも、溶接装置Ｙによる溶接の利点として、以下の事項が挙げられる。プラズマアークの存在により、ワイヤＷ先端の溶滴の表面張力が低下する。このため、ワイヤＷからの溶滴切れがよくなる。また、プラズマアークによってワイヤＷの溶融が促進される。これにより、ＧＭＡ電源９５からの電流を大きくすること無く、より多くのワイヤＷを溶融させることが可能であり、高能率溶接に適している。また、シールドガスＧｓに加えて、プラズマアークによってＧＭＡアークおよび溶接箇所をシールドする格好となる。これにより、溶接部に不純物が取り込まれることを防止することができる。さらに、プラズマアークによってＧＭＡアークを拘束する効果が期待できる。
【０００６】
しかしながら、溶接装置Ｙによる溶接には、以下のような問題があった。
【０００７】
まず、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接不良が発生する点である。すなわち、ワイヤＷは一般的に巻き取られた状態から伸ばされて溶接トーチＸに送給される。このワイヤＷに残存する曲がりの程度によっては、プラズマ電極９２やシールドノズル９３の中心軸からワイヤＷが大きくずれてしまう。このため、プラズマアークの中心からＧＭＡアークが外れてしまうこととなる。この結果、溶接ビードの最深部がビード中央に対して片寄ってしまったり、アンダカットが生じたりするなど、溶接不良となるおそれがあった。
【０００８】
一方、ワイヤＷからＧＭＡアークが発生するＧＭＡアーク発生箇所は、ワイヤＷの送給速度やＧＭＡ電源９５からの電流値が釣り合うように位置する。このため、これらの条件が一定であれば、ＧＭＡアーク発生箇所とコンタクトチップ９１の先端との距離は、大きく変化することはない。ここで、溶接対象材Ｐおよびプラズマ電極９２の位置関係が一定である場合に、コンタクトチップ９１のみが溶接対象材Ｐに近づけられた構成を考える。コンタクトチップ９１が近づけられる分だけ、ＧＭＡアーク発生箇所が溶接対象材Ｐ側に移動する。このため、プラズマ電極９２とＧＭＡアーク発生箇所との距離が相対的に大きくなってしまう。ＧＭＡアークはプラズマアークを誘発するものであるため、このような構成では、プラズマアークを確実に点弧させることができないという不具合があった。
【０００９】
さらに、溶接トーチＸにおいては、シールドノズル９３がプラズマアークを絞る役割を果たす。シールドノズル９３は、一般的に水冷構造とはされていないため、高温となることがある。このようなシールドノズル９３によっては、プラズマアークを十分に絞ることができず、溶け込み深さが不足する原因となっていた。また、シールドノズル９３によってプラズマアークを絞るためには、シールドノズル９３の先端開口の直径を小さくすることが有利である。しかし、先端開口を小さくし過ぎると、プラズマガスの動圧が不当に高くなる。これは、ＧＭＡアークを点弧させるのに不利である。さらに、プラズマガスおよびシールドガスの流量が十分でないと溶け込み深さ不足の原因となる。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−１６８２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズに開始するとともに、良好な溶接ビードを形成することが可能なプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の側面によって提供される溶接トーチは、ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチであって、上記プラズマ電極の先端は、上記コンタクトチップの先端よりも上記ワイヤの送給方向前方に位置しており、かつ上記プラズマ電極の先端と上記コンタクトチップの先端との距離は、上記ワイヤの直径の４．１〜７．５倍であることを特徴としている。
【００１３】
このような構成によれば、上記距離が上記ワイヤの直径の７．５倍以下であることにより、上記ワイヤを上記溶接トーチの中心軸上に適切に配置することができる。これにより、最深部が中央に位置する良好な溶接ビードを形成することができる。また、上記距離が上記ワイヤの直径の４．１倍以上であることにより、プラズマアークの点弧確率をほぼ１００％とすることが可能であり、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズにスタートすることができる。
【００１４】
本発明の第２の側面によって提供されるプラズマＧＭＡ溶接方法は、ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチと、上記プラズマＧＭＡ溶接トーチにガスを供給するガス供給手段と、上記コンタクトチップと溶接対象材との間に電圧を印加するＧＭＡ電源と、上記プラズマ電極と溶接対象材との間に電圧を印加するプラズマ電源と、を用いるプラズマＧＭＡ溶接方法であって、上記プラズマ電極と上記シールドノズルとの間に同心軸上に配置されたプラズマノズルをさらに備えており、上記プラズマ電極の先端開口は、直径が上記ワイヤの直径の３．３〜５．９倍とされており、上記プラズマノズルの先端開口は、直径が上記プラズマ電極の先端開口の直径以上であり、かつ上記ワイヤの直径の５．８〜７．５倍とされており、上記ガス供給手段は、上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にセンターガスとして、上記プラズマ電極および上記プラズマノズルの隙間にプラズマガスとして、上記プラズマノズルと上記シールドノズルの隙間にシールドガスとして、それぞれ不活性ガスを供給し、かつ、上記センターガスおよび上記プラズマガスを合計した流量を上記プラズマノズルの先端開口面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることを特徴としている。
【００１５】
このような構成によれば、上記プラズマ電極と上記プラズマノズルにより、上記センターガスおよび上記プラズマガスを不当に広がらせることなく、十分に絞った状態で吐出させることができる。また、上記プラズマノズルにより、プラズマアークを適切に緊縮させることが可能である。さらに、上記センターガスおよび上記プラズマガスの流量密度を上記範囲とすることにより、上記センターガスおよび上記プラズマガスが吐出されるときの動圧を高めることが可能であり、溶け込み深さを深くするのに好適である。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の側面に係るＧＭＡ溶接トーチが用いられた溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ｂ１は、溶接トーチＡ１、プラズマ電源５、ＧＭＡ電源６、ワイヤ供給手段７、およびガスボンベ８を備えている。溶接装置Ｂ１は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことが可能に構成されている。
【００１９】
溶接トーチＡ１は、コンタクトチップ１、プラズマ電極２、およびシールドノズル４を備えており、その中心軸に沿ってワイヤＷを送り出すように構成されている。
【００２０】
コンタクトチップ１は、ワイヤＷを支持するとともに、ワイヤＷとＧＭＡ電源６とを導通させるためのものである。コンタクトチップ１は、ＣｕまたはＣｕ合金などからなり、溶接トーチＡ１の中心軸を規定する略円筒形状とされている。コンタクトチップ１の内径は、ワイヤＷを挿通可能としつつ、十分に導通させることが可能なサイズとされている。本実施形態においては、ワイヤＷの直径は、１．２ｍｍとされている。
【００２１】
プラズマ電極２は、プラズマ電源５からの電圧を印加するためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマ電極２は、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、隙間が設けられている。また、プラズマ電極２は、図外に設けられた冷却水を通すためのチャネルにより、間接的に水冷されている。
【００２２】
コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間には、ガスボンベ８からプラズマガスＧｐが供給される。プラズマガスＧｐは、たとえばＡｒガスなどの不活性ガスである。コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間に供給されたプラズマガスＧｐは、溶接トーチＡ１の先端から噴出される。
【００２３】
シールドノズル４は、シールドガスＧｓの噴出方向を規定するためのものである。シールドノズル４は、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。シールドノズル４とプラズマ電極２との間には、隙間が設けられている。
【００２４】
プラズマ電極２とシールドノズル４との隙間には、ガスボンベ８からシールドガスＧｓとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このシールドガスＧｓは、溶接箇所が酸化されることを防止するためのものである。プラズマ電極２とシールドノズル４との隙間に供給されたシールドガスＧｓは、シールドノズル４によって、溶接トーチＡ１の中心軸から大きく広がらないように噴出される。
【００２５】
本実施形態においては、コンタクトチップ１の先端とプラズマ電極２の先端との距離ｈが、５〜９ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、距離ｈをワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍とすることに意義がある。
【００２６】
プラズマ電源５は、プラズマガスＧｐをプラズマ化することによりプラズマアークを生じさせるために必要な電力を供給するための電源である。プラズマ電源５は直流電源であり、たとえばその陽極がプラズマ電極２に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００２７】
ＧＭＡ電源６は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの間にＧＭＡアークを発生させるために必要な電力を供給するための電源である。ＧＭＡ電源６は直流電源であり、たとえばその陽極がコンタクトチップ１に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００２８】
ワイヤ供給手段７は、溶接トーチＡ１に向けてワイヤＷを供給するためのものである。本実施形態においては、ワイヤ供給手段７は、モータ（図示略）と、このモータによって駆動される１対のローラとによって構成されている。ワイヤ供給手段７によるワイヤＷの供給速度は、プラズマ電源５およびＧＭＡ電源６による投入電力に応じて制御可能とされている。ワイヤＷの材質としては、たとえばＦｅ、Ａｌなどを用いればよい。
【００２９】
次に、溶接トーチＡ１の作用について説明する。
【００３０】
本実施形態によれば、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接不良の発生を防止することができる。溶接トーチＡ１においては、コンタクトチップ１の先端とプラズマ電極２の先端との距離ｈが、５〜９ｍｍとされている。図２に示すように、距離ｈが９ｍｍを越える範囲においては、ワイヤＷの曲がりによるワイヤＷの芯ずれが顕著となる。このため、溶接ビードの最深部が溶接ビードの中央から外れてしまう。これに対し、距離ｈが９ｍｍ以下であれば、ワイヤＷを溶接トーチＡ１の中心軸上に適切に配置することができる。これにより、最深部が中央に位置する良好な溶接ビードを形成することができる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、プラズマアークを確実に点弧させることができる。図２に示すように、距離ｈが５ｍｍ未満の範囲においては、プラズマアークの点弧確率Ｐｒが、おおむね５０％未満となっている。これは、従来技術の説明で述べたように、コンタクトチップ１の先端が溶接対象材Ｐに相対的に近づけられると、プラズマ電極２の先端とワイヤＷのＧＭＡアーク発生箇所との距離が相対的に大きくなりすぎてしまうことに起因すると考えられる。プラズマアークの点弧を失敗すると、プラズマＧＭＡ溶接を適切に開始することができない。これに対し、距離ｈが５ｍｍ以上の範囲においては、コンタクトチップ１がプラズマ電極２に対して溶接対象材Ｐから遠ざけられた位置とされる。このため、ワイヤＷのＧＭＡアーク発生箇所がプラズマ電極２に対して適切な位置となるように近づけられる。この結果、点弧確率Ｐｒがほぼ１００％となっている。したがって、プラズマアークの点弧を確実に行うことが可能であり、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズにスタートすることができる。
【００３２】
以上述べたように、距離ｈを５〜９ｍｍとすることにより、良好な溶接ビードを形成しつつ、プラズマアークの点弧を確実に行うことができる。このような作用を奏するための条件としては、ワイヤＷの直径に対して距離ｈを適切な範囲に設定することが有効であるという知見が、発明者らの実験によって得られた。具体的には、距離ｈをワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍とすれば、上述した作用を奏することができる。
【００３３】
図３は、本発明の第２の側面に係るＧＭＡ溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
【００３４】
本実施形態の溶接装置Ｂ２は、溶接トーチＡ２、プラズマ電源５、ＧＭＡ電源６、ワイヤ供給手段７、およびガスボンベ８を備えている。溶接装置Ｂ２は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことが可能に構成されている。後述するように、ガスボンベ８からＡｒガスなどの不活性ガスを供給する構成とすることにより、本実施形態のプラズマＧＭＡ溶接方法は、プラズマＭＩＧ溶接方法に分類されるものとなっている。
【００３５】
溶接トーチＡ２は、コンタクトチップ１、プラズマ電極２、プラズマノズル３、およびシールドノズル４を備えており、その中心軸に沿ってワイヤＷを送り出すように構成されている。
【００３６】
コンタクトチップ１は、ワイヤＷを支持するとともに、ワイヤＷとＧＭＡ電源６とを導通させるためのものである。コンタクトチップ１は、ＣｕまたはＣｕ合金などからなり、溶接トーチＡの中心軸を規定する略円筒形状とされている。コンタクトチップ１の内径は、ワイヤＷを挿通可能としつつ、十分に導通させることが可能なサイズとされている。本実施形態においては、ワイヤＷの直径は、１．２ｍｍとされている。
【００３７】
プラズマ電極２は、プラズマ電源５からの電圧を印加するためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマ電極２は、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、隙間が設けられている。また、プラズマ電極２は、図外に設けられた冷却水を通すためのチャネルにより、間接的に水冷されている。本実施形態においては、プラズマ電極２の先端開口２ａの直径ｄ１が、４〜７ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、直径ｄ１をワイヤＷの直径の３．３〜５．９倍とすることに意義がある。
【００３８】
コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間には、ガスボンベ８からセンターガスＧｃが供給される。センターガスＧｃは、たとえばＡｒガスなどの不活性ガスである。コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間に供給されたセンターガスＧｃは、先端開口２ａを経て、溶接トーチＡの先端から噴出される。
【００３９】
プラズマノズル３は、ＧＭＡアークおよびプラズマアークを絞るためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマノズル３は、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマノズル３には、冷却水を通すためのチャネルが形成されており、直接水冷される構造となっている。プラズマノズル３の先端は、プラズマ電極２の先端に対してワイヤＷの送給方向前方に位置している。本実施形態においては、プラズマノズル３の先端開口３ａの直径ｄ２が、７〜９ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、直径ｄ２をワイヤＷの直径の５．８〜７．５倍とすることに意義がある。
【００４０】
プラズマ電極２とプラズマノズル３との隙間には、ガスボンベ８からプラズマガスＧｐとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このプラズマガスＧｐは、プラズマアークを絞るためのものである。プラズマ電極２とプラズマノズル３との隙間に供給されたプラズマガスＧｐは、先端開口３ａを経て、溶接トーチＡ２の先端から噴出される。
【００４１】
シールドノズル４は、シールドガスＧｓの噴出方向を規定するためのものである。シールドノズル４は、プラズマノズル３を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。シールドノズル４とプラズマノズル３との間には、隙間が設けられている。
【００４２】
プラズマノズル３とシールドノズル４との隙間には、ガスボンベ８からシールドガスＧｓとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このシールドガスＧｓは、溶接箇所が酸化されることを防止するためのものである。プラズマノズル３とシールドノズル４との隙間に供給されたシールドガスＧｓは、シールドノズル４によって、溶接トーチＡ２の中心軸から大きく広がらないように噴出される。
【００４３】
プラズマ電源５は、センターガスＧｃをプラズマ化することによりプラズマアークを生じさせるために必要な電力を供給するための電源である。プラズマ電源５は直流電源であり、たとえばその陽極がプラズマ電極２に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００４４】
ＧＭＡ電源６は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの間にＧＭＡアークを発生させるために必要な電力を供給するための電源である。ＧＭＡ電源６は直流電源であり、たとえばその陽極がコンタクトチップ１に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００４５】
ワイヤ供給手段７は、溶接トーチＡ２に向けてワイヤＷを供給するためのものである。本実施形態においては、ワイヤ供給手段７は、モータ（図示略）と、このモータによって駆動される１対のローラとによって構成されている。ワイヤ供給手段７によるワイヤＷの供給速度は、プラズマ電源５およびＧＭＡ電源６による投入電力に応じて制御可能とされている。ワイヤＷの材質としては、たとえばＦｅ、Ａｌなどを用いればよい。
【００４６】
溶接装置Ｂ２を用いたＧＭＡ溶接方法においては、センターガスＧｃとプラズマガスＧｐとを合計した流量が２５L/min以上とされる。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、プラズマノズル３の先端開口３ａの面積で上記流量を除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることに意義がある。このような流量密度とするために、ガスボンベ８からＡｒガスなどの不活性ガスを供給する経路には、流量調整手段ＦＣとして、たとえばニードル弁付きのフロート式流量計やマスフローコントローラが設けられている。
【００４７】
次に、本発明の第２の側面に係るＧＭＡ溶接方法の作用について説明する。
【００４８】
図４は、プラズマ電源５からのプラズマ電流を１５０Ａとし、ＧＭＡ電源６からの消耗電極電流を平均２５０Ａ程度となるパルス電流として、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎの条件で、センターガスＧｃとプラズマガスＧｐとを合計した流量Ｑを変えた場合の溶け込み深さｄｐを示している。同図から理解されるように、流量Ｑが２５L/min未満の範囲においては、溶け込み深さｄｐが５ｍｍを大きく下回っている。これに対し、流量Ｑが２５L/min以上の範囲においては、溶け込み深さｄｐが５ｍｍ以上となっており、流量Ｑの増加に伴い溶け込み深さｄｐが深くなる傾向を示している。
【００４９】
この理由として、発明者らは、流量Ｑの大きさと、プラズマ電極２の先端開口２ａおよびプラズマノズル３の先端開口３ａの直径との関連を見出した。まず、プラズマ電極２の先端開口２ａの直径ｄ１を、４〜７ｍｍとすることにより、センターガスＧｃをワイヤＷを囲いつつ、ワイヤＷから大きく広がらないように吐出することができる。次にプラズマノズル３の先端開口３ａの直径ｄ２を７〜９ｍｍとすることにより、プラズマガスＧｐが、ワイヤＷに沿って吐出されるセンターガスＧｃを不当に乱すことなく、センターガスＧｃを適度に絞るように吐出される。さらに、チャネル内の冷却水によって直接水冷されたプラズマノズル３は、溶接中において顕著に低い温度で保たれるため、プラズマアークを適切に緊縮させることができる。このような効果を奏するには、直径ｄ１をワイヤＷの直径の３．３〜５．９倍とし、直径ｄ２をワイヤＷの直径の５．８〜７．５倍とすることが好適である。
【００５０】
これに加えてセンターガスＧｃとプラズマガスＧｐとの動圧を高めることにより、適切な溶け込み深さが得られる。この動圧を高めるためには、流量Ｑをプラズマノズル３の先端開口３ａの面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることが好適であることが発明者らの研究によって判明した。
【００５１】
本発明に係るプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の側面に係る溶接トーチが用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図２】ＧＭＡ溶接におけるプラズマアーク点弧確率、および溶接ビード断面を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の側面に係る溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図４】ＧＭＡ溶接における流量密度と溶け込み深さとの関係を示すグラフである。
【図５】従来のＧＭＡ溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ１，Ａ２ （ＧＭＡ）溶接トーチ
Ｂ１，Ｂ２ 溶接装置
ｄ２，ｄ３ 開口径
Ｇｃ センターガス
Ｇｐ プラズマガス
Ｇｓ シールドガス
ｈ 先端間距離
Ｐ 溶接対象材
Ｗ ワイヤ
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極
２ａ 先端開口
３ プラズマノズル
３ａ 先端開口
４ シールドノズル
５ プラズマ電源
６ ＭＧＡ電源
７ ワイヤ供給手段
８ ガスボンベ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のプラズマＧＭＡ溶接に用いられる溶接装置の一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示す溶接装置Ｙは、溶接トーチＸ、プラズマ電源９４、ＧＭＡ電源９５、ワイヤ供給手段９６、およびガスボンベ９７を備えている。ワイヤ供給手段９６からは、ワイヤＷが供給される。ワイヤＷは、溶接トーチＸの中心軸に沿って送り出される。溶接トーチＸは、コンタクトチップ９１、プラズマ電極９２、およびシールドノズル９３を有している。
【０００３】
コンタクトチップ９１は、ワイヤＷを支持している。プラズマ電極９２は、コンタクトチップ９１を囲っており、コンタクトチップ９１と同心軸上に配置されている。コンタクトチップ９１とプラズマ電極９２との隙間には、ガスボンベ９７から不活性ガスがプラズマガスとして供給されている。シールドノズル９３は、プラズマ電極９２を囲っており、プラズマ電極９２と同心軸上に配置されている。プラズマ電極９２とシールドノズル９３との隙間には、ガスボンベ９７から不活性ガスがシールドガスとして供給されている。
【０００４】
プラズマ電源９４は、プラズマ電極９２と溶接対象材Ｐとの間に電圧を印加することにより、プラズマアークを発生させるための電源である。ＧＭＡ電源９５は、ワイヤＷからアークを発生させるための電圧を印加することによりＧＭＡアークを発生させるためのものである。
【０００５】
溶接装置Ｙによる溶接の利点は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことにある。すなわち、プラズマガスをプラズマ化することにより生じさせたプラズマアークを噴出することにより、溶接対象材Ｐの一部が溶融状態となる。この溶融状態となった部分に、ワイヤＷの溶滴が供給される。これにより、溶接対象材ＰをたとえばＧＭＡ溶接のみによって溶接する場合と比べてより確実に溶接することができる。また、ＧＭＡ電源９５からの電圧印加によって生じたＧＭＡアークは、プラズマ化されたプラズマガスに内包されることとなる。これにより、ＧＭＡアークの挙動を安定させるのに有利である。この他にも、溶接装置Ｙによる溶接の利点として、以下の事項が挙げられる。プラズマアークの存在により、ワイヤＷ先端の溶滴の表面張力が低下する。このため、ワイヤＷからの溶滴切れがよくなる。また、プラズマアークによってワイヤＷの溶融が促進される。これにより、ＧＭＡ電源９５からの電流を大きくすること無く、より多くのワイヤＷを溶融させることが可能であり、高能率溶接に適している。また、シールドガスＧｓに加えて、プラズマアークによってＧＭＡアークおよび溶接箇所をシールドする格好となる。これにより、溶接部に不純物が取り込まれることを防止することができる。さらに、プラズマアークによってＧＭＡアークを拘束する効果が期待できる。
【０００６】
しかしながら、溶接装置Ｙによる溶接には、以下のような問題があった。
【０００７】
まず、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接不良が発生する点である。すなわち、ワイヤＷは一般的に巻き取られた状態から伸ばされて溶接トーチＸに送給される。このワイヤＷに残存する曲がりの程度によっては、プラズマ電極９２やシールドノズル９３の中心軸からワイヤＷが大きくずれてしまう。このため、プラズマアークの中心からＧＭＡアークが外れてしまうこととなる。この結果、溶接ビードの最深部がビード中央に対して片寄ってしまったり、アンダカットが生じたりするなど、溶接不良となるおそれがあった。
【０００８】
一方、ワイヤＷからＧＭＡアークが発生するＧＭＡアーク発生箇所は、ワイヤＷの送給速度やＧＭＡ電源９５からの電流値が釣り合うように位置する。このため、これらの条件が一定であれば、ＧＭＡアーク発生箇所とコンタクトチップ９１の先端との距離は、大きく変化することはない。ここで、溶接対象材Ｐおよびプラズマ電極９２の位置関係が一定である場合に、コンタクトチップ９１のみが溶接対象材Ｐに近づけられた構成を考える。コンタクトチップ９１が近づけられる分だけ、ＧＭＡアーク発生箇所が溶接対象材Ｐ側に移動する。このため、プラズマ電極９２とＧＭＡアーク発生箇所との距離が相対的に大きくなってしまう。ＧＭＡアークはプラズマアークを誘発するものであるため、このような構成では、プラズマアークを確実に点弧させることができないという不具合があった。
【０００９】
さらに、溶接トーチＸにおいては、シールドノズル９３がプラズマアークを絞る役割を果たす。シールドノズル９３は、一般的に水冷構造とはされていないため、高温となることがある。このようなシールドノズル９３によっては、プラズマアークを十分に絞ることができず、溶け込み深さが不足する原因となっていた。また、シールドノズル９３によってプラズマアークを絞るためには、シールドノズル９３の先端開口の直径を小さくすることが有利である。しかし、先端開口を小さくし過ぎると、プラズマガスの動圧が不当に高くなる。これは、ＧＭＡアークを点弧させるのに不利である。さらに、プラズマガスおよびシールドガスの流量が十分でないと溶け込み深さ不足の原因となる。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−１６８２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズに開始するとともに、良好な溶接ビードを形成することが可能なプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の側面によって提供される溶接トーチは、ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチであって、上記プラズマ電極の先端は、上記コンタクトチップの先端よりも上記ワイヤの送給方向前方に位置しており、かつ上記プラズマ電極の先端と上記コンタクトチップの先端との距離は、上記ワイヤの直径の４．１〜７．５倍であることを特徴としている。
【００１３】
このような構成によれば、上記距離が上記ワイヤの直径の７．５倍以下であることにより、上記ワイヤを上記溶接トーチの中心軸上に適切に配置することができる。これにより、最深部が中央に位置する良好な溶接ビードを形成することができる。また、上記距離が上記ワイヤの直径の４．１倍以上であることにより、プラズマアークの点弧確率をほぼ１００％とすることが可能であり、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズにスタートすることができる。
【００１４】
本発明の第２の側面によって提供されるプラズマＧＭＡ溶接方法は、ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチと、上記プラズマＧＭＡ溶接トーチにガスを供給するガス供給手段と、上記コンタクトチップと溶接対象材との間に電圧を印加するＧＭＡ電源と、上記プラズマ電極と溶接対象材との間に電圧を印加するプラズマ電源と、を用いるプラズマＧＭＡ溶接方法であって、上記プラズマ電極と上記シールドノズルとの間に同心軸上に配置されたプラズマノズルをさらに備えており、上記プラズマ電極の先端開口は、直径が上記ワイヤの直径の３．３〜５．９倍とされており、上記プラズマノズルの先端開口は、直径が上記プラズマ電極の先端開口の直径以上であり、かつ上記ワイヤの直径の５．８〜７．５倍とされており、上記ガス供給手段は、上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にセンターガスとして、上記プラズマ電極および上記プラズマノズルの隙間にプラズマガスとして、上記プラズマノズルと上記シールドノズルの隙間にシールドガスとして、それぞれ不活性ガスを供給し、かつ、上記センターガスおよび上記プラズマガスを合計した流量を上記プラズマノズルの先端開口面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることを特徴としている。
【００１５】
このような構成によれば、上記プラズマ電極と上記プラズマノズルにより、上記センターガスおよび上記プラズマガスを不当に広がらせることなく、十分に絞った状態で吐出させることができる。また、上記プラズマノズルにより、プラズマアークを適切に緊縮させることが可能である。さらに、上記センターガスおよび上記プラズマガスの流量密度を上記範囲とすることにより、上記センターガスおよび上記プラズマガスが吐出されるときの動圧を高めることが可能であり、溶け込み深さを深くするのに好適である。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の側面に係るＧＭＡ溶接トーチが用いられた溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ｂ１は、溶接トーチＡ１、プラズマ電源５、ＧＭＡ電源６、ワイヤ供給手段７、およびガスボンベ８を備えている。溶接装置Ｂ１は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことが可能に構成されている。
【００１９】
溶接トーチＡ１は、コンタクトチップ１、プラズマ電極２、およびシールドノズル４を備えており、その中心軸に沿ってワイヤＷを送り出すように構成されている。
【００２０】
コンタクトチップ１は、ワイヤＷを支持するとともに、ワイヤＷとＧＭＡ電源６とを導通させるためのものである。コンタクトチップ１は、ＣｕまたはＣｕ合金などからなり、溶接トーチＡ１の中心軸を規定する略円筒形状とされている。コンタクトチップ１の内径は、ワイヤＷを挿通可能としつつ、十分に導通させることが可能なサイズとされている。本実施形態においては、ワイヤＷの直径は、１．２ｍｍとされている。
【００２１】
プラズマ電極２は、プラズマ電源５からの電圧を印加するためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマ電極２は、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、隙間が設けられている。また、プラズマ電極２は、図外に設けられた冷却水を通すためのチャネルにより、間接的に水冷されている。
【００２２】
コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間には、ガスボンベ８からプラズマガスＧｐが供給される。プラズマガスＧｐは、たとえばＡｒガスなどの不活性ガスである。コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間に供給されたプラズマガスＧｐは、溶接トーチＡ１の先端から噴出される。
【００２３】
シールドノズル４は、シールドガスＧｓの噴出方向を規定するためのものである。シールドノズル４は、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。シールドノズル４とプラズマ電極２との間には、隙間が設けられている。
【００２４】
プラズマ電極２とシールドノズル４との隙間には、ガスボンベ８からシールドガスＧｓとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このシールドガスＧｓは、溶接箇所が酸化されることを防止するためのものである。プラズマ電極２とシールドノズル４との隙間に供給されたシールドガスＧｓは、シールドノズル４によって、溶接トーチＡ１の中心軸から大きく広がらないように噴出される。
【００２５】
本実施形態においては、コンタクトチップ１の先端とプラズマ電極２の先端との距離ｈが、５〜９ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、距離ｈをワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍とすることに意義がある。
【００２６】
プラズマ電源５は、プラズマガスＧｐをプラズマ化することによりプラズマアークを生じさせるために必要な電力を供給するための電源である。プラズマ電源５は直流電源であり、たとえばその陽極がプラズマ電極２に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００２７】
ＧＭＡ電源６は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの間にＧＭＡアークを発生させるために必要な電力を供給するための電源である。ＧＭＡ電源６は直流電源であり、たとえばその陽極がコンタクトチップ１に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００２８】
ワイヤ供給手段７は、溶接トーチＡ１に向けてワイヤＷを供給するためのものである。本実施形態においては、ワイヤ供給手段７は、モータ（図示略）と、このモータによって駆動される１対のローラとによって構成されている。ワイヤ供給手段７によるワイヤＷの供給速度は、プラズマ電源５およびＧＭＡ電源６による投入電力に応じて制御可能とされている。ワイヤＷの材質としては、たとえばＦｅ、Ａｌなどを用いればよい。
【００２９】
次に、溶接トーチＡ１の作用について説明する。
【００３０】
本実施形態によれば、ワイヤＷの曲がりに起因する溶接不良の発生を防止することができる。溶接トーチＡ１においては、コンタクトチップ１の先端とプラズマ電極２の先端との距離ｈが、５〜９ｍｍとされている。図２に示すように、距離ｈが９ｍｍを越える範囲においては、ワイヤＷの曲がりによるワイヤＷの芯ずれが顕著となる。このため、溶接ビードの最深部が溶接ビードの中央から外れてしまう。これに対し、距離ｈが９ｍｍ以下であれば、ワイヤＷを溶接トーチＡ１の中心軸上に適切に配置することができる。これにより、最深部が中央に位置する良好な溶接ビードを形成することができる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、プラズマアークを確実に点弧させることができる。図２に示すように、距離ｈが５ｍｍ未満の範囲においては、プラズマアークの点弧確率Ｐｒが、おおむね５０％未満となっている。これは、従来技術の説明で述べたように、コンタクトチップ１の先端が溶接対象材Ｐに相対的に近づけられると、プラズマ電極２の先端とワイヤＷのＧＭＡアーク発生箇所との距離が相対的に大きくなりすぎてしまうことに起因すると考えられる。プラズマアークの点弧を失敗すると、プラズマＧＭＡ溶接を適切に開始することができない。これに対し、距離ｈが５ｍｍ以上の範囲においては、コンタクトチップ１がプラズマ電極２に対して溶接対象材Ｐから遠ざけられた位置とされる。このため、ワイヤＷのＧＭＡアーク発生箇所がプラズマ電極２に対して適切な位置となるように近づけられる。この結果、点弧確率Ｐｒがほぼ１００％となっている。したがって、プラズマアークの点弧を確実に行うことが可能であり、プラズマＧＭＡ溶接をスムーズにスタートすることができる。
【００３２】
以上述べたように、距離ｈを５〜９ｍｍとすることにより、良好な溶接ビードを形成しつつ、プラズマアークの点弧を確実に行うことができる。このような作用を奏するための条件としては、ワイヤＷの直径に対して距離ｈを適切な範囲に設定することが有効であるという知見が、発明者らの実験によって得られた。具体的には、距離ｈをワイヤＷの直径の４．１〜７．５倍とすれば、上述した作用を奏することができる。
【００３３】
図３は、本発明の第２の側面に係るＧＭＡ溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
【００３４】
本実施形態の溶接装置Ｂ２は、溶接トーチＡ２、プラズマ電源５、ＧＭＡ電源６、ワイヤ供給手段７、およびガスボンベ８を備えている。溶接装置Ｂ２は、溶接対象材Ｐの同一箇所に対してプラズマ溶接とＧＭＡ溶接とを同時に行うことが可能に構成されている。後述するように、ガスボンベ８からＡｒガスなどの不活性ガスを供給する構成とすることにより、本実施形態のプラズマＧＭＡ溶接方法は、プラズマＭＩＧ溶接方法に分類されるものとなっている。
【００３５】
溶接トーチＡ２は、コンタクトチップ１、プラズマ電極２、プラズマノズル３、およびシールドノズル４を備えており、その中心軸に沿ってワイヤＷを送り出すように構成されている。
【００３６】
コンタクトチップ１は、ワイヤＷを支持するとともに、ワイヤＷとＧＭＡ電源６とを導通させるためのものである。コンタクトチップ１は、ＣｕまたはＣｕ合金などからなり、溶接トーチＡの中心軸を規定する略円筒形状とされている。コンタクトチップ１の内径は、ワイヤＷを挿通可能としつつ、十分に導通させることが可能なサイズとされている。本実施形態においては、ワイヤＷの直径は、１．２ｍｍとされている。
【００３７】
プラズマ電極２は、プラズマ電源５からの電圧を印加するためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマ電極２は、コンタクトチップ１を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、隙間が設けられている。また、プラズマ電極２は、図外に設けられた冷却水を通すためのチャネルにより、間接的に水冷されている。本実施形態においては、プラズマ電極２の先端開口２ａの直径ｄ１が、４〜７ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、直径ｄ１をワイヤＷの直径の３．３〜５．９倍とすることに意義がある。
【００３８】
コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間には、ガスボンベ８からセンターガスＧｃが供給される。センターガスＧｃは、たとえばＡｒガスなどの不活性ガスである。コンタクトチップ１とプラズマ電極２との隙間に供給されたセンターガスＧｃは、先端開口２ａを経て、溶接トーチＡの先端から噴出される。
【００３９】
プラズマノズル３は、ＧＭＡアークおよびプラズマアークを絞るためのものであり、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。プラズマノズル３は、プラズマ電極２を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。プラズマノズル３には、冷却水を通すためのチャネルが形成されており、直接水冷される構造となっている。プラズマノズル３の先端は、プラズマ電極２の先端に対してワイヤＷの送給方向前方に位置している。本実施形態においては、プラズマノズル３の先端開口３ａの直径ｄ２が、７〜９ｍｍとされている。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、直径ｄ２をワイヤＷの直径の５．８〜７．５倍とすることに意義がある。
【００４０】
プラズマ電極２とプラズマノズル３との隙間には、ガスボンベ８からプラズマガスＧｐとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このプラズマガスＧｐは、プラズマアークを絞るためのものである。プラズマ電極２とプラズマノズル３との隙間に供給されたプラズマガスＧｐは、先端開口３ａを経て、溶接トーチＡ２の先端から噴出される。
【００４１】
シールドノズル４は、シールドガスＧｓの噴出方向を規定するためのものである。シールドノズル４は、プラズマノズル３を囲うように同心軸上に配置されており、略円筒形状とされている。シールドノズル４とプラズマノズル３との間には、隙間が設けられている。
【００４２】
プラズマノズル３とシールドノズル４との隙間には、ガスボンベ８からシールドガスＧｓとしてたとえばＡｒガスなどの不活性ガスが供給される。このシールドガスＧｓは、溶接箇所が酸化されることを防止するためのものである。プラズマノズル３とシールドノズル４との隙間に供給されたシールドガスＧｓは、シールドノズル４によって、溶接トーチＡ２の中心軸から大きく広がらないように噴出される。
【００４３】
プラズマ電源５は、センターガスＧｃをプラズマ化することによりプラズマアークを生じさせるために必要な電力を供給するための電源である。プラズマ電源５は直流電源であり、たとえばその陽極がプラズマ電極２に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００４４】
ＧＭＡ電源６は、ワイヤＷと溶接対象材Ｐとの間にＧＭＡアークを発生させるために必要な電力を供給するための電源である。ＧＭＡ電源６は直流電源であり、たとえばその陽極がコンタクトチップ１に、その陰極が溶接対象材Ｐに、それぞれ接続されている。
【００４５】
ワイヤ供給手段７は、溶接トーチＡ２に向けてワイヤＷを供給するためのものである。本実施形態においては、ワイヤ供給手段７は、モータ（図示略）と、このモータによって駆動される１対のローラとによって構成されている。ワイヤ供給手段７によるワイヤＷの供給速度は、プラズマ電源５およびＧＭＡ電源６による投入電力に応じて制御可能とされている。ワイヤＷの材質としては、たとえばＦｅ、Ａｌなどを用いればよい。
【００４６】
溶接装置Ｂ２を用いたＧＭＡ溶接方法においては、センターガスＧｃとプラズマガスＧｐとを合計した流量が２５L/min以上とされる。これは、後述する本発明の作用を奏することを意図したものであり、プラズマノズル３の先端開口３ａの面積で上記流量を除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることに意義がある。このような流量密度とするために、ガスボンベ８からＡｒガスなどの不活性ガスを供給する経路には、流量調整手段ＦＣとして、たとえばニードル弁付きのフロート式流量計やマスフローコントローラが設けられている。
【００４７】
次に、本発明の第２の側面に係るＧＭＡ溶接方法の作用について説明する。
【００４８】
図４は、プラズマ電源５からのプラズマ電流を１５０Ａとし、ＧＭＡ電源６からの消耗電極電流を平均２５０Ａ程度となるパルス電流として、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎの条件で、センターガスＧｃとプラズマガスＧｐとを合計した流量Ｑを変えた場合の溶け込み深さｄｐを示している。同図から理解されるように、流量Ｑが２５L/min未満の範囲においては、溶け込み深さｄｐが５ｍｍを大きく下回っている。これに対し、流量Ｑが２５L/min以上の範囲においては、溶け込み深さｄｐが５ｍｍ以上となっており、流量Ｑの増加に伴い溶け込み深さｄｐが深くなる傾向を示している。
【００４９】
この理由として、発明者らは、流量Ｑの大きさと、プラズマ電極２の先端開口２ａおよびプラズマノズル３の先端開口３ａの直径との関連を見出した。まず、プラズマ電極２の先端開口２ａの直径ｄ１を、４〜７ｍｍとすることにより、センターガスＧｃをワイヤＷを囲いつつ、ワイヤＷから大きく広がらないように吐出することができる。次にプラズマノズル３の先端開口３ａの直径ｄ２を７〜９ｍｍとすることにより、プラズマガスＧｐが、ワイヤＷに沿って吐出されるセンターガスＧｃを不当に乱すことなく、センターガスＧｃを適度に絞るように吐出される。さらに、チャネル内の冷却水によって直接水冷されたプラズマノズル３は、溶接中において顕著に低い温度で保たれるため、プラズマアークを適切に緊縮させることができる。このような効果を奏するには、直径ｄ１をワイヤＷの直径の３．３〜５．９倍とし、直径ｄ２をワイヤＷの直径の５．８〜７．５倍とすることが好適である。
【００５０】
これに加えてセンターガスＧｃとプラズマガスＧｐとの動圧を高めることにより、適切な溶け込み深さが得られる。この動圧を高めるためには、流量Ｑをプラズマノズル３の先端開口３ａの面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることが好適であることが発明者らの研究によって判明した。
【００５１】
本発明に係るプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るプラズマＧＭＡ溶接トーチおよびプラズマＧＭＡ溶接方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の側面に係る溶接トーチが用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図２】ＧＭＡ溶接におけるプラズマアーク点弧確率、および溶接ビード断面を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の側面に係る溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図４】ＧＭＡ溶接における流量密度と溶け込み深さとの関係を示すグラフである。
【図５】従来のＧＭＡ溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ１，Ａ２ （ＧＭＡ）溶接トーチ
Ｂ１，Ｂ２ 溶接装置
ｄ２，ｄ３ 開口径
Ｇｃ センターガス
Ｇｐ プラズマガス
Ｇｓ シールドガス
ｈ 先端間距離
Ｐ 溶接対象材
Ｗ ワイヤ
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極
２ａ 先端開口
３ プラズマノズル
３ａ 先端開口
４ シールドノズル
５ プラズマ電源
６ ＭＧＡ電源
７ ワイヤ供給手段
８ ガスボンベ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、
上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、
上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、
を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチであって、
上記プラズマ電極の先端は、上記コンタクトチップの先端よりも上記ワイヤの送給方向前方に位置しており、かつ上記プラズマ電極の先端と上記コンタクトチップの先端との距離は、上記ワイヤの直径の４．１〜７．５倍であることを特徴とする、溶接装置。
【請求項２】
ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、
上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、
上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、
を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチと、
上記プラズマＧＭＡ溶接トーチにガスを供給するガス供給手段と、
上記コンタクトチップと溶接対象材との間に電圧を印加するＧＭＡ電源と、
上記プラズマ電極と溶接対象材との間に電圧を印加するプラズマ電源と、
を用いるプラズマＧＭＡ溶接方法であって、
上記プラズマ電極と上記シールドノズルとの間に同心軸上に配置されたプラズマノズルをさらに備えており、
上記プラズマ電極の先端開口は、直径が上記ワイヤの直径の３．３〜５．９倍とされており、
上記プラズマノズルの先端開口は、直径が上記プラズマ電極の先端開口の直径以上であり、かつ上記ワイヤの直径の５．８〜７．５倍とされており、
上記ガス供給手段は、上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にセンターガスとして、上記プラズマ電極および上記プラズマノズルの隙間にプラズマガスとして、上記プラズマノズルと上記シールドノズルの隙間にシールドガスとして、それぞれ不活性ガスを供給し、かつ、上記センターガスおよび上記プラズマガスを合計した流量を上記プラズマノズルの先端開口面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることを特徴とする、プラズマＧＭＡ溶接方法。
【請求項１】
ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、
上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、
上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、
を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチであって、
上記プラズマ電極の先端は、上記コンタクトチップの先端よりも上記ワイヤの送給方向前方に位置しており、かつ上記プラズマ電極の先端と上記コンタクトチップの先端との距離は、上記ワイヤの直径の４．１〜７．５倍であることを特徴とする、溶接装置。
【請求項２】
ワイヤ供給手段によって中心軸に沿って送り出されるワイヤを支持するコンタクトチップと、
上記コンタクトチップを囲うように同心軸上に配置されたプラズマ電極と、
上記プラズマ電極を囲うように同心軸上に配置されたシールドノズルと、
を備えるプラズマＧＭＡ溶接トーチと、
上記プラズマＧＭＡ溶接トーチにガスを供給するガス供給手段と、
上記コンタクトチップと溶接対象材との間に電圧を印加するＧＭＡ電源と、
上記プラズマ電極と溶接対象材との間に電圧を印加するプラズマ電源と、
を用いるプラズマＧＭＡ溶接方法であって、
上記プラズマ電極と上記シールドノズルとの間に同心軸上に配置されたプラズマノズルをさらに備えており、
上記プラズマ電極の先端開口は、直径が上記ワイヤの直径の３．３〜５．９倍とされており、
上記プラズマノズルの先端開口は、直径が上記プラズマ電極の先端開口の直径以上であり、かつ上記ワイヤの直径の５．８〜７．５倍とされており、
上記ガス供給手段は、上記コンタクトチップおよび上記プラズマ電極の隙間にセンターガスとして、上記プラズマ電極および上記プラズマノズルの隙間にプラズマガスとして、上記プラズマノズルと上記シールドノズルの隙間にシールドガスとして、それぞれ不活性ガスを供給し、かつ、上記センターガスおよび上記プラズマガスを合計した流量を上記プラズマノズルの先端開口面積で除した流量密度が、０．３９L/(mm2・min)以上であることを特徴とする、プラズマＧＭＡ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２２９７０５（Ｐ２００８−２２９７０５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７６４６２（Ｐ２００７−７６４６２）
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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