溶接トーチ及びプラズマ溶接方法
【課題】本発明は、プラズマ溶接に要するコストを低減可能であると共に、容易にプラズマ溶接を行うことの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法を提供することを課題とする。
【解決手段】パイロットガスが供給される先端部２４Ａを含む電極２４、及び電極２４の先端部２４Ａを露出するように、電極２４の軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制するコレット２２を有するインナー部材１１と、電極２４の先端部２４Ａのうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル２７、センターノズル２７の外側に配置されたアウターノズル３１、及びセンターノズル２７の先端面２７ａに向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路３３を有し、かつインナー部材１１の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材１２と、電極２４の軸方向Ａに対してインナー部材１１及びアウター部材１２を相対的に移動させる駆動部１４と、を含む。
【解決手段】パイロットガスが供給される先端部２４Ａを含む電極２４、及び電極２４の先端部２４Ａを露出するように、電極２４の軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制するコレット２２を有するインナー部材１１と、電極２４の先端部２４Ａのうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル２７、センターノズル２７の外側に配置されたアウターノズル３１、及びセンターノズル２７の先端面２７ａに向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路３３を有し、かつインナー部材１１の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材１２と、電極２４の軸方向Ａに対してインナー部材１１及びアウター部材１２を相対的に移動させる駆動部１４と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイロットアーク発生装置を使用することなく、被溶接物をプラズマ溶接することの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属及び非鉄金属等を母材として用いた構造物（被溶接物）の溶接では、プラズマ溶接法やＴＩＧ溶接法(Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ)等の非消耗式電極を用いた溶接方法が用いられている。
【０００３】
図９は、従来のプラズマ溶接法を説明するための図であり、図１０は、従来のＴＩＧ溶接法を説明するための図である。
図９を参照するに、プラズマ溶接法では、電極１０１とセンターノズル１０２の間にパイロットアークを発生させ、その後、電流の流れを被溶接物１０４に切り替えることで溶接を行う。
【０００４】
ここで、図９を参照して、プラズマ溶接法の原理について説明する。
始めに、高周波発生器（パイロットアーク発生装置１０５に組み込まれている機器）を用いて、電極１０１（タングステン電極）と水冷されたセンターノズル１０２との間に低電流のアーク（「パイロットアーク」という）を発生させる。
【０００５】
センターノズル１０２内にある不活性ガス、或いは不活性ガスに水素を添加したパイロットガスは、このアーク熱によってイオン化し、アーク電流の良導体となり、電流の流れを被溶接物１０４側に切り替えることで、電極１０１と被溶接物１０４間で本溶接用アークを発生させる。
【０００６】
このイオン化したガスはプラズマと呼ばれ、センターノズル１０２に設けられたオリフィス（径が数ミリの穴）を通過する際に、プラズマジェットとなって噴出する。このプラズマジェットに導かれたアークは、緊縮して高密度になっている。このため、通常のＴＩＧ溶接法よりも高温であるため、より被溶接物１０４を溶融させることができる。
【０００７】
ところで、図１０に示すＴＩＧ溶接に使用する溶接トーチ１１０では、電極１１１の先端１１１Ａがセンターノズル１１３の先端から突出している。これにより、電極１１１の先端１１１Ａと被溶接物１１５との距離が近いため、パイロットアークを発生させるためのパイロットアーク発生装置は必要ない。
【０００８】
一方、図９に示すように、プラズマ溶接に使用する溶接トーチ１００では、電極１０１の先端１０１Ａがセンターノズル１０２内に収容されている。これにより、電極１０１の先端１０１Ａと被溶接物１０４との距離が離れてしまうため、被溶接物１０４までアークを到達させることができない。
【０００９】
そこで、プラズマ溶接を行う場合、パイロットアーク電源１０７、及び電源の切り替え装置１０８を含む高価なパイロットアーク発生装置１０５が必要となるため、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１０】
また、特許文献１には、中心に軸方向のガス通路を有し、さらにその外周に２次ガス通路を備えた２重シールド構造のプラズマアークトーチ本体を有し、プラズマアークトーチ本体に着脱自在に取り付けられた取替部品を取り替えることにより、プラズマアークトーチとＴＩＧ溶接トーチとを兼ねるように構成したプラズマアークＴＩＧ溶接兼用トーチが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】実開昭５６−１２６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、特許文献１記載の溶接トーチでは、取替部品を取り替えることで、プラズマ溶接とＴＩＧ溶接とを行う構成とされている。
したがって、特許文献１記載の溶接トーチを用いてプラズマ溶接を行う場合、図９に示す高価なパイロットアーク発生装置１０５が必要となるので、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１３】
つまり、図９に示す構成を用いた従来のプラズマ溶接、及び特許文献１記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接を行う場合、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１４】
また、プラズマ溶接機の値段は、ＴＩＧ溶接機の値段の６〜７倍程度と非常に高価であり、あまり普及していない。つまり、プラズマ溶接法を用いて、手軽に被溶接物を溶接することは困難である。
【００１５】
そこで、本発明は、プラズマ溶接に要するコストを低減可能であると共に、容易にプラズマ溶接を行うことの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び該電極の先端部を露出するように前記電極の外周に配置され、かつ前記電極の軸方向に対する前記電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、前記電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、該センターノズルから離間するように前記センターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及び前記センターノズルと前記アウターノズルとの間に形成され、前記センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、前記インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、前記電極の軸方向に対して、前記インナー部材及び前記アウター部材を相対的に移動させる駆動部と、を含むことを特徴とする溶接トーチが提供される。
【００１７】
また、請求項２に係る発明によれば、前記電極の先端は、前記インナー部材及び前記アウター部材が前記電極の軸方向に対して相対的に移動することで、前記センターノズルの先端面から突出、或いは前記センターノズル内に収容されることを特徴とする請求項１記載の溶接トーチが提供される。
【００１８】
また、請求項３に係る発明によれば、前記駆動部は、前記インナー部材の外周部のうち、前記アウター部材から露出された部分に設けられ、かつ前記電極の軸方向に延在するラックと、前記ラックと係合し、回転することで前記インナー部材を前記電極の軸方向に移動させるピニオンと、を有することを特徴とする請求項１または２記載の溶接トーチが提供される。
【００１９】
また、請求項４に係る発明によれば、前記アウター部材は、溶接トーチ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項３記載の溶接トーチが提供される。
【００２０】
また、請求項５に係る発明によれば、前記電極は、非消耗型電極であることを特徴とする請求項１なしい４のうち、いずれ１項記載の溶接トーチが提供される。
【００２１】
また、請求項６に係る発明によれば、請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接方法であって、前記センターノズルの先端面から前記電極の先端を突出させ、前記パイロットガスを流すことで、該電極の先端と被溶接物との間にアークを発生させる工程と、前記アークを発生させた後、前記電極の先端を前記センターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、前記被溶接物を溶接する工程と、を含むことを特徴とするプラズマ溶接方法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び電極の先端部を露出するように電極の外周に配置され、かつ電極の軸方向に対する電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、センターノズルから離間するようにセンターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及びセンターノズルとアウターノズルとの間に形成され、センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、電極の軸方向に対してインナー部材及びアウター部材を相対的に移動させる駆動部と、を含むことにより、センターノズルの先端面から電極の先端を突出させてパイロットガスを流すことで、電極の先端と被溶接物との間にアーク（パイロットアーク）を発生させることが可能になると共に、アークを発生させた後、電極の先端をセンターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、被溶接物をプラズマ溶接することが可能となる。
【００２３】
これにより、従来のプラズマ溶接用トーチを用いて、被溶接物をプラズマ溶接する際に必要であった高価なパイロットアーク発生装置（パイロットアークを発生させるための装置）が不要となるので、プラズマ溶接を行う際のコストを低減できる。
【００２４】
また、プラズマ溶接機よりも普及率の高いＴＩＧ溶接機に、インナー部材、アウター部材、及び駆動部を含む溶接トーチを装着して、プラズマ溶接を行うことで、容易にプラズマ溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接トーチの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す状態の溶接トーチのピニオンを左回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す状態の溶接トーチのピニオンを右回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。
【図４】本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図（その１）である。
【図５】本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図（その２）である。
【図６】実施例１の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。
【図７】実施例２の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。
【図８】実施例１及び比較例の溶接後の断面写真及び溶け込み深さを示す図である。
【図９】従来のプラズマ溶接法を説明するための図である。
【図１０】従来のＴＩＧ溶接法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接トーチの概略構成を示す断面図である。
図１を参照するに、本実施の形態の溶接トーチ１０は、インナー部材１１と、アウター部材１２と、固定部１３と、駆動部１４と、を有する。
インナー部材１１は、耐熱絶縁部材１５と、コレットボディ１６と、トーチヘッド１８と、トーチキャップ２１と、コレット２２と、電極２４と、を有する。
【００２７】
耐熱絶縁部材１５は、筒状とされた部材であり、下端側に位置する内壁にはコレットボディ１６と係合する第１の係合部１５Ａを有する。
コレットボディ１６は、筒状とされた部材であり、耐熱絶縁部材１５内に挿入されている。コレットボディ１６は、先端部１６Ａと、第２の係合部１６Ｂと、第３の係合部１６Ｃと、パイロットガス通過用孔１６ａと、を有する。
【００２８】
先端部１６Ａは、コレットボディ１６の下端部（言い換えれば、電極２４の先端部２４Ａ側に位置する部分）に設けられており、電極２４の先端２４ａに向かうにつれて、内径が狭くなるような形状とされている。
【００２９】
第２の係合部１６Ｂは、先端部１６Ａの上方に位置するコレットボディ１６の外壁に設けられており、耐熱絶縁部材１５の第１の係合部１５Ａと係合している。第３の係合部１６Ｃは、コレットボディ１６の上端部の外壁に設けられている。
【００３０】
パイロットガス通過用孔１６ａは、コレットボディ１６のうち、先端部１６Ａと第２の係合部１６Ｂとの間に位置する部分を貫通するように、複数形成されている。インナー部材１１に供給されたパイロットガスは、パイロットガス通過用孔１６ａを介して、電極２４とセンターノズル２７との間に形成された空間に供給される。
上記構成とされたコレットボディ１６は、耐熱絶縁部材１５内において、その位置が規制されている。
【００３１】
トーチヘッド１８は、筒状の部材とされており、その下部が耐熱絶縁部材１５内に挿入されている。トーチヘッド１８は、第４の係合部１８Ａと、パイロットガス導入口１８Ｂと、第５の係合部１８Ｃと、を有する。
第４の係合部１８Ａは、トーチヘッド１８の下端内壁に設けられており、コレットボディ１６の第３の係合部１６Ｃと係合している。
【００３２】
トーチヘッド１８は、耐熱絶縁体１５の上端面と接触している。これにより、トーチヘッド１８の上部は、耐熱絶縁体１５から露出されている。
パイロットガス導入口１８Ｂは、トーチヘッド１８の上部側壁を貫通するように設けられている。パイロットガス導入口１８Ｂは、図示していないパイロットガス供給装置と接続されている。パイロットガス導入口１８Ｂには、該パイロットガス供給装置からパイロットガスが供給される。また、パイロットガス導入口１８Ｂから導入されたパイロットガスは、トーチヘッド１８内に供給される。第５の係合部１８Ｃは、トーチヘッド１８の上端内壁に設けられている。
【００３３】
トーチキャップ２１は、筒状部材３５と、キャップ本体３６とを有する。筒状部材３５は、トーチヘッド１８内に挿入されており、その下端がコレット２２の上端と接触している。筒状部材３５は、コレットボディ１６内にコレット２２を押し込むことで、コレットボディ１６内におけるコレット２２の軸方向Ａに対する位置を調整するための部材である。
【００３４】
筒状部材３５は、第６の係合部３５Ａと、パイロットガス通過用孔３５Ｂと、を有する。第６の係合部３５Ａは、筒状部材３５の上端外壁に設けられている。第６の係合部３５Ａは、トーチヘッド１８の第５の係合部１８Ｃと係合している。これにより、電極２４の軸方向Ａに対するトーチキャップ２１の位置が規制されている。
【００３５】
パイロットガス通過用孔３５Ｂは、パイロットガス導入口１８Ｂの近傍に位置する筒状部材３５の側壁を貫通するように複数設けられている。これにより、パイロットガス通過用孔３５Ｂを介して、筒状部材３５内の空間にパイロットガスが導入されると共に、パイロットガスが筒状部材３５の下方に移動する。
キャップ本体３６は、筒状部材３５の一方の開放端である上端を塞ぐように設けられている。
【００３６】
コレット２２は、筒状とされており、トーチキャップ２１によりコレットボディ１６内に収容されている。コレット２２は、突出部２２Ａと、パイロットガス通過用孔２２ａと、を有する。
【００３７】
突出部２２Ａは、先端部１６Ａ側に位置するコレット２２の端部の内壁に設けられている。突出部２２Ａは、電極２４の中心軸に向かう方向に突出しており、電極２４と接触している。
突出部２２Ａは、トーチキャップ２１の筒状部材３５によりコレット２２が押圧され、先端部１６Ａによりコレット２２の下端が変形した際、コレット２２内に配置された電極２４と接触することで、軸方向Ａにおける電極２４の位置を規制する。
【００３８】
パイロットガス通過用孔２２ａは、パイロットガス通過用孔１６ａと対向する位置に設けられている。パイロットガス通過用孔１６a，２２ａを通過したパイロットガスは、電極２４の先端部２４Ａとセンターノズル２７との間の空間に案内される。
上記構成とされたコレット２２は、電極２４の先端部２４Ａを露出するように、電極２４の外周に配置され、軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制している。
【００３９】
電極２４は、軸方向Ａに延在した非消耗式電極である。電極２４は、コレット２２から露出され、かつ少なくともその一部がセンターノズル２７に収容される先端部２４Ａを有する。先端部２４Ａは、パイロットガスを流した状態で被溶接物と近接することで、アークを発生させる先端２４ａを有する。
【００４０】
アウター部材１２は、トーチボディ２６と、センターノズル２７と、センターノズル押さえ２９と、アウターノズル３１と、メッシュ３２と、シールドガス流路３３と、を有する。
トーチボディ２６は、インナー部材１１（具体的には、耐熱絶縁部材１５）を収容する筒状空間２６Ａと、冷却水用管路２６Ｂと、シールドガス導入孔２６ａと、を有する。
【００４１】
冷却水用管路２６Ｂは、トーチボディ２６のうち、筒状空間２６Ａよりも外側に位置する部分に形成されている。冷却水用管路２６Ｂの下端部は、センターノズル２７により気密されている。冷却水用管路２６Ｂは、センターノズル２７を冷却する冷却水を流すためのものである。
【００４２】
シールドガス導入孔２６ａは、トーチボディ２６のうち、冷却水用管路２６Ｂとアウターノズル３１との間に位置する部分を貫通するように設けられている。これにより、シールドガス導入孔２６ａは、その下方に配置されたシールドガス流路３３にシールドガスを供給可能な構成とされている。
シールドガス導入孔２６ａは、図示していないシールドガス供給装置と接続されている。シールドガス導入孔２６ａには、該シールドガス供給装置からシールドガスが供給される。
【００４３】
センターノズル２７は、電極２４の先端部２４Ａ側に位置するトーチボディ２６の下端を塞ぐように、トーチボディ２６に設けられている。センターノズル２７は、電極２４の先端部２４Ａの一部を収容する筒状部２７Ａと、被溶接物と対向する平坦な先端面２７ａと、を有する。
筒状部２７Ａの両端（上端及び下端）は、開放端とされている。先端面２７ａ側に位置する筒状部２７Ａの下端は、電極２４の先端２４ａを先端面２７ａから下方に突出させる際に電極２４の先端部２４Ａが通過する部分である。
【００４４】
センターノズル押さえ２９は、トーチボディ２６のうち、シールドガス導入孔２６ａの下方に位置する部分の側壁に設けられている。センターノズル押さえ２９は、トーチボディ２６の下端に対してセンターノズル２７を押さえ付けることで、トーチボディ２６にセンターノズル２７を取り付ける。
【００４５】
アウターノズル３１は、トーチボディ２６のうち、シールドガス導入孔２６ａよりも外側に位置する部分の側壁に設けられている。アウターノズル３１は、センターノズル２７及びセンターノズル押さえ２９を囲むような形状とされている。アウターノズル３１の先端面３１ａは、センターノズル２７の先端面２７ａに対して略面一とされている。
【００４６】
メッシュ３２は、シールドガス導入孔２６ａの下方に位置するセンターノズル押さえ２９とアウターノズル３１との間に配置されている。
シールドガス流路３３は、センターノズル２７及びセンターノズル押さえ２９とアウターノズル３１との間に形成されている。シールドガス流路３３には、シールドガス導入孔２６ａ及びメッシュ３２を通過したシールドガスが供給される。シールドガス流路３３は、電極２４の先端２４ａに供給されるパイロットガスを囲むように、シールドガスを案内する。
【００４７】
固定部１３は、絶縁体４１を介して、トーチボディ２６の上部側壁に設けられている。固定部１３は、ボルト４３により溶接トーチ支持部材（図示せず）に固定されている。これにより、溶接トーチ支持部材（図示せず）に対するアウター部材１２の位置が固定される。固定部１３は、駆動部１４を構成する後述するピニオン４７が設けられるピニオン支持部４４を有する。
【００４８】
駆動部１４は、ラック４６と、ピニオン４７と、を有する。ラック４６は、絶縁体４９を介して、トーチヘッド１８の上部外壁に固定されている。ラック４６は、電極２４の軸方向Ａに延在するように配置されている。
ピニオン４７は、ラック４６と係合すると共に、回転可能な状態で、ピニオン支持部４４に設けられている。
【００４９】
図２は、図１に示す状態の溶接トーチのピニオンを左回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。図３は、図２に示す状態の溶接トーチのピニオンを右回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。図２及び図３において、図１に示す溶接トーチ１０と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５０】
図２に示すように、図１に示す状態からピニオン４７を左回転させると、図１に示す状態からピニオン４７に対してラック４６が下方に移動するため、ラック４６が固定されたインナー部材１１も下方に移動する。これにより、図１に示す状態から電極２４も下方に移動するため、図２に示すように、電極２４の先端２４ａがセンターノズル２７の先端面２７ａの下方に突出する。
【００５１】
また、図３に示す状態からピニオン４７を右回転させると、図２に示す状態からピニオン４７に対してラック４６が上方に移動するため、ラック４６が固定されたインナー部材１１も上方に移動する。これにより、図２に示す状態から電極２４も上方に移動するため、図３に示すように、電極２４の先端２４ａがセンターノズル２７内に収容される。
なお、ピニオン４７は、手動で回転させてもよいし、自動で回転させてもよい。
【００５２】
上記構成とされた溶接トーチ１０を用いて、被溶接物５１をプラズマ溶接する場合、図２に示すように、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、パイロットガスを流すことで、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間にアークを発生させ、その後、図３に示すように、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７内に収容し、シールドガスを流すことで被溶接物５１を溶接する。
【００５３】
本実施の形態の溶接トーチによれば、パイロットガスが供給される先端部２４Ａ（先端２４ａを含む）を含む電極２４、及び電極２４の先端部２４Ａを露出するように電極２４の外周に配置され、かつ電極２４の軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制するコレット２２を有するインナー部材１１と、電極２４の先端部２４Ａのうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル２７、センターノズル２７から離間するようにセンターノズル２７の外側に配置されたアウターノズル３１、及びセンターノズル２７とアウターノズル３１との間に形成され、センターノズル２７の先端面２７ａに向かうようにシールドガスが流れるシールドガス流路３３を有すると共に、インナー部材１１の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材１２と、電極２４の軸方向Ａに対して、インナー部材１１及びアウター部材１２を相対的に移動させる駆動部１４と、を含むことにより、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、パイロットガスを流すことで、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間にアーク（パイロットアーク）を発生させることが可能になると共に、アークを発生させた後、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７内に収容し、シールドガスを流すことで被溶接物５１をプラズマ溶接することが可能となる。
【００５４】
これにより、従来のプラズマ溶接用トーチを用いて、被溶接物をプラズマ溶接する際に必要であった高価なパイロットアーク発生装置（パイロットアークを発生させるための装置）が不要となるので、プラズマ溶接を行う際のコストを低減できる。
【００５５】
また、プラズマ溶接機よりも普及率の高いＴＩＧ溶接機に、インナー部材１１、アウター部材１２、及び駆動部１４を含む溶接トーチ１０を装着して、プラズマ溶接を行うことで、容易にプラズマ溶接を行うことができる。
【００５６】
また、上記構成とされた溶接トーチ１０を用いて、被溶接物５１をプラズマ溶接することで、本実施の形態の溶接トーチ１０と同様な効果を得ることができる。
さらに、従来のＴＩＧ溶接では、深い溶け込みを得るためにシールドガスとしてヘリウム（その他電位傾度の高いガス）を用いることが行われていたが、本発明では、シールドガスとしてアルゴン単体を用いた場合でも、シールドガスとしてヘリウムを用いた従来のＴＩＧ溶接と比較して、同等以上の深い溶け込みを得ることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、一例としてアウター部材１２を固定し、アウター部材１２に対してインナー部材１１を電極２４の軸方向Ａに移動させる場合を例に挙げて説明したが、インナー部材１１を固定し、インナー部材１１に対してアウター部材１２を移動可能な構成とすることで、電極２４を軸方向Ａに移動させてもよい。
【００５８】
さらに、本実施の形態では、駆動部１４の一例としてラック４６及びピニオン４７よりなるラック・アンド・ピニオンを用いて、電極２４を移動させる場合を例に挙げて説明したが、駆動部１４はこれに限定されない。例えば、機械式、電磁式、空圧式、油圧式、スプリング式等の機構を設け、該機構により電極２４を移動させてもよい。
【００５９】
図４及び図５は、本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図である。図４及び図５において、図２に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００６０】
ここで、図４及び図５を参照して、本実施の形態の溶接トーチ１０の他の適用例について説明する。
図４に示すように、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、ＧＭＡ溶接（ガスメタルアーク溶接）と組み合わせることで、ＴＩＧ・ＭＩＧ溶接を行うことができる。
また、図５に示すように、センターノズル２７内に電極２４の先端２４ａを収容させ、ＧＭＡ溶接と組み合わせることで、プラズマＭＩＧ溶接を行うことができる。
【００６１】
さらに図２に示すように、電極２４をセンターノズル２７の先端面２７ａから突出させ、パイロットガスの流路とシールドガスの流路とに同種のガスあるいは異なるガスをシールドガスとして流し、二重シールド用を用いたＴＩＧ溶接のトーチとして使用することも可能である。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６３】
（実験例１）
図６は、実施例１の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。図６では、図１に示す溶接トーチ１０の構成要素のうち、電極２４及びセンターノズル２７のみを図示する。
【００６４】
図１に示す溶接トーチ１０を用いて、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを３ｍｍ突出させると共に、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１である厚さの薄い板（例えば５ｍｍ以下）との距離を２ｍｍとして、高周波スタート方式により電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間でアークを発生させ、その後、電極２４を上方に６ｍｍ移動させて、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７の先端面２７ａから３ｍｍ奥の位置で固定させて、本溶接を行った。また、センターノズル２７の先端面２７ａと被溶接物５１の上面５１ａとの距離を５ｍｍとした。
【００６５】
このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、パイロットガスとして１００％アルゴン（流量が３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガスとして１００％アルゴン（流量が１５Ｌ／ｍｉｎ）、センターノズル２７の内径を５ｍｍ、電極２４の外径を４ｍｍとして、板厚が５ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。実施例１の溶接後の被溶接物５１の断面写真、及び溶け込み深さを図８に示す。
【００６６】
（実験例２）
図７は、実施例２の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。図７では、図１に示す溶接トーチ１０の構成要素のうち、電極２４及びセンターノズル２７のみを図示する。
【００６７】
図１に示す溶接トーチ１０を用いて、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを１０ｍｍ突出させると共に、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１（具体的には、厚さが厚く（例えば、５ｍｍよりも厚い厚さ）、かつ開先を有した板材）との距離を３ｍｍとして、高周波スタート方式により電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間でアークを発生させ、その後、電極２４を上方に１３ｍｍ移動させて、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７の先端面２７ａから３ｍｍ奥の位置で固定させて、本溶接を行った。また、センターノズル２７の先端面２７ａと被溶接物５１の上面５１ａとの距離を５ｍｍとした。
【００６８】
このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、パイロットガスとして１００％アルゴン（流量が３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガスとして１００％アルゴン（流量が１５Ｌ／ｍｉｎ）、センターノズル２７の内径を５ｍｍ、電極２４の外径を４ｍｍとして、板厚が１２ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。
【００６９】
（比較例）
従来のＴＩＧ溶接用トーチを用いて、被溶接物（具体的には、厚さの薄い板材）の本溶接を行った。このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、１００％アルゴン（流量が１０Ｌ／ｍｉｎ）として、板厚が５ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。
比較例の溶接後の被溶接物の断面写真、及び溶け込み深さを図８に示す。
【００７０】
（実施例１及び比較例の溶け込み深さについて）
図８を参照するに、溶接ガスとして１００％アルゴンガスを用い、かつ同一の電流で溶接を行った場合、実施例１の方が、比較例よりも１．４ｍｍ程度溶け込み深さが深いことが確認できた。
【００７１】
つまり、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、シールドガスとして１００％アルゴンを用いた場合でも、従来のＴＩＧ溶接よりも溶け込み深さを深くできること（入熱を増加できること）が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、プラズマ溶接に要するコストを低減可能であると共に、容易にプラズマ溶接を行うことの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…溶接トーチ、１１…インナー部材、１２…アウター部材、１３…固定部、１４…駆動部、１５…耐熱絶縁部材、１５Ａ…第１の係合部、１６…コレットボディ、１６Ａ，２４Ａ…先端部、１６ａ，２２ａ，３５Ｂ…パイロットガス通過用孔、１６Ｂ…第２の係合部、１６Ｃ…第３の係合部、１８…トーチヘッド、１８Ａ…第４の係合部、１８Ｂ…パイロットガス導入口、１８Ｃ…第５の係合部、２１…トーチキャップ、２２…コレット、２２Ａ…突出部、２４…電極、２４ａ…先端、２６…トーチボディ、２６Ａ…筒状空間、２６Ｂ…冷却水用管路、２６ａ…シールドガス導入孔、２７…センターノズル、２７Ａ…筒状部、２７ａ，３１ａ…先端面、２９…センターノズル押さえ、３１…アウターノズル、３２…メッシュ、３３…シールドガス流路、３５…筒状部材、３５Ａ…第６の係合部、３６…キャップ本体、４１，４９…絶縁体、４３…ボルト、４４…ピニオン支持部、４６…ラック、４７…ピニオン、５１…被溶接物、５１ａ…上面、Ａ…軸方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイロットアーク発生装置を使用することなく、被溶接物をプラズマ溶接することの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属及び非鉄金属等を母材として用いた構造物（被溶接物）の溶接では、プラズマ溶接法やＴＩＧ溶接法(Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ)等の非消耗式電極を用いた溶接方法が用いられている。
【０００３】
図９は、従来のプラズマ溶接法を説明するための図であり、図１０は、従来のＴＩＧ溶接法を説明するための図である。
図９を参照するに、プラズマ溶接法では、電極１０１とセンターノズル１０２の間にパイロットアークを発生させ、その後、電流の流れを被溶接物１０４に切り替えることで溶接を行う。
【０００４】
ここで、図９を参照して、プラズマ溶接法の原理について説明する。
始めに、高周波発生器（パイロットアーク発生装置１０５に組み込まれている機器）を用いて、電極１０１（タングステン電極）と水冷されたセンターノズル１０２との間に低電流のアーク（「パイロットアーク」という）を発生させる。
【０００５】
センターノズル１０２内にある不活性ガス、或いは不活性ガスに水素を添加したパイロットガスは、このアーク熱によってイオン化し、アーク電流の良導体となり、電流の流れを被溶接物１０４側に切り替えることで、電極１０１と被溶接物１０４間で本溶接用アークを発生させる。
【０００６】
このイオン化したガスはプラズマと呼ばれ、センターノズル１０２に設けられたオリフィス（径が数ミリの穴）を通過する際に、プラズマジェットとなって噴出する。このプラズマジェットに導かれたアークは、緊縮して高密度になっている。このため、通常のＴＩＧ溶接法よりも高温であるため、より被溶接物１０４を溶融させることができる。
【０００７】
ところで、図１０に示すＴＩＧ溶接に使用する溶接トーチ１１０では、電極１１１の先端１１１Ａがセンターノズル１１３の先端から突出している。これにより、電極１１１の先端１１１Ａと被溶接物１１５との距離が近いため、パイロットアークを発生させるためのパイロットアーク発生装置は必要ない。
【０００８】
一方、図９に示すように、プラズマ溶接に使用する溶接トーチ１００では、電極１０１の先端１０１Ａがセンターノズル１０２内に収容されている。これにより、電極１０１の先端１０１Ａと被溶接物１０４との距離が離れてしまうため、被溶接物１０４までアークを到達させることができない。
【０００９】
そこで、プラズマ溶接を行う場合、パイロットアーク電源１０７、及び電源の切り替え装置１０８を含む高価なパイロットアーク発生装置１０５が必要となるため、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１０】
また、特許文献１には、中心に軸方向のガス通路を有し、さらにその外周に２次ガス通路を備えた２重シールド構造のプラズマアークトーチ本体を有し、プラズマアークトーチ本体に着脱自在に取り付けられた取替部品を取り替えることにより、プラズマアークトーチとＴＩＧ溶接トーチとを兼ねるように構成したプラズマアークＴＩＧ溶接兼用トーチが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】実開昭５６−１２６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、特許文献１記載の溶接トーチでは、取替部品を取り替えることで、プラズマ溶接とＴＩＧ溶接とを行う構成とされている。
したがって、特許文献１記載の溶接トーチを用いてプラズマ溶接を行う場合、図９に示す高価なパイロットアーク発生装置１０５が必要となるので、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１３】
つまり、図９に示す構成を用いた従来のプラズマ溶接、及び特許文献１記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接を行う場合、プラズマ溶接に要するコストが増加してしまうという問題があった。
【００１４】
また、プラズマ溶接機の値段は、ＴＩＧ溶接機の値段の６〜７倍程度と非常に高価であり、あまり普及していない。つまり、プラズマ溶接法を用いて、手軽に被溶接物を溶接することは困難である。
【００１５】
そこで、本発明は、プラズマ溶接に要するコストを低減可能であると共に、容易にプラズマ溶接を行うことの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び該電極の先端部を露出するように前記電極の外周に配置され、かつ前記電極の軸方向に対する前記電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、前記電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、該センターノズルから離間するように前記センターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及び前記センターノズルと前記アウターノズルとの間に形成され、前記センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、前記インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、前記電極の軸方向に対して、前記インナー部材及び前記アウター部材を相対的に移動させる駆動部と、を含むことを特徴とする溶接トーチが提供される。
【００１７】
また、請求項２に係る発明によれば、前記電極の先端は、前記インナー部材及び前記アウター部材が前記電極の軸方向に対して相対的に移動することで、前記センターノズルの先端面から突出、或いは前記センターノズル内に収容されることを特徴とする請求項１記載の溶接トーチが提供される。
【００１８】
また、請求項３に係る発明によれば、前記駆動部は、前記インナー部材の外周部のうち、前記アウター部材から露出された部分に設けられ、かつ前記電極の軸方向に延在するラックと、前記ラックと係合し、回転することで前記インナー部材を前記電極の軸方向に移動させるピニオンと、を有することを特徴とする請求項１または２記載の溶接トーチが提供される。
【００１９】
また、請求項４に係る発明によれば、前記アウター部材は、溶接トーチ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項３記載の溶接トーチが提供される。
【００２０】
また、請求項５に係る発明によれば、前記電極は、非消耗型電極であることを特徴とする請求項１なしい４のうち、いずれ１項記載の溶接トーチが提供される。
【００２１】
また、請求項６に係る発明によれば、請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接方法であって、前記センターノズルの先端面から前記電極の先端を突出させ、前記パイロットガスを流すことで、該電極の先端と被溶接物との間にアークを発生させる工程と、前記アークを発生させた後、前記電極の先端を前記センターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、前記被溶接物を溶接する工程と、を含むことを特徴とするプラズマ溶接方法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び電極の先端部を露出するように電極の外周に配置され、かつ電極の軸方向に対する電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、センターノズルから離間するようにセンターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及びセンターノズルとアウターノズルとの間に形成され、センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、電極の軸方向に対してインナー部材及びアウター部材を相対的に移動させる駆動部と、を含むことにより、センターノズルの先端面から電極の先端を突出させてパイロットガスを流すことで、電極の先端と被溶接物との間にアーク（パイロットアーク）を発生させることが可能になると共に、アークを発生させた後、電極の先端をセンターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、被溶接物をプラズマ溶接することが可能となる。
【００２３】
これにより、従来のプラズマ溶接用トーチを用いて、被溶接物をプラズマ溶接する際に必要であった高価なパイロットアーク発生装置（パイロットアークを発生させるための装置）が不要となるので、プラズマ溶接を行う際のコストを低減できる。
【００２４】
また、プラズマ溶接機よりも普及率の高いＴＩＧ溶接機に、インナー部材、アウター部材、及び駆動部を含む溶接トーチを装着して、プラズマ溶接を行うことで、容易にプラズマ溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接トーチの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す状態の溶接トーチのピニオンを左回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す状態の溶接トーチのピニオンを右回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。
【図４】本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図（その１）である。
【図５】本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図（その２）である。
【図６】実施例１の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。
【図７】実施例２の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。
【図８】実施例１及び比較例の溶接後の断面写真及び溶け込み深さを示す図である。
【図９】従来のプラズマ溶接法を説明するための図である。
【図１０】従来のＴＩＧ溶接法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接トーチの概略構成を示す断面図である。
図１を参照するに、本実施の形態の溶接トーチ１０は、インナー部材１１と、アウター部材１２と、固定部１３と、駆動部１４と、を有する。
インナー部材１１は、耐熱絶縁部材１５と、コレットボディ１６と、トーチヘッド１８と、トーチキャップ２１と、コレット２２と、電極２４と、を有する。
【００２７】
耐熱絶縁部材１５は、筒状とされた部材であり、下端側に位置する内壁にはコレットボディ１６と係合する第１の係合部１５Ａを有する。
コレットボディ１６は、筒状とされた部材であり、耐熱絶縁部材１５内に挿入されている。コレットボディ１６は、先端部１６Ａと、第２の係合部１６Ｂと、第３の係合部１６Ｃと、パイロットガス通過用孔１６ａと、を有する。
【００２８】
先端部１６Ａは、コレットボディ１６の下端部（言い換えれば、電極２４の先端部２４Ａ側に位置する部分）に設けられており、電極２４の先端２４ａに向かうにつれて、内径が狭くなるような形状とされている。
【００２９】
第２の係合部１６Ｂは、先端部１６Ａの上方に位置するコレットボディ１６の外壁に設けられており、耐熱絶縁部材１５の第１の係合部１５Ａと係合している。第３の係合部１６Ｃは、コレットボディ１６の上端部の外壁に設けられている。
【００３０】
パイロットガス通過用孔１６ａは、コレットボディ１６のうち、先端部１６Ａと第２の係合部１６Ｂとの間に位置する部分を貫通するように、複数形成されている。インナー部材１１に供給されたパイロットガスは、パイロットガス通過用孔１６ａを介して、電極２４とセンターノズル２７との間に形成された空間に供給される。
上記構成とされたコレットボディ１６は、耐熱絶縁部材１５内において、その位置が規制されている。
【００３１】
トーチヘッド１８は、筒状の部材とされており、その下部が耐熱絶縁部材１５内に挿入されている。トーチヘッド１８は、第４の係合部１８Ａと、パイロットガス導入口１８Ｂと、第５の係合部１８Ｃと、を有する。
第４の係合部１８Ａは、トーチヘッド１８の下端内壁に設けられており、コレットボディ１６の第３の係合部１６Ｃと係合している。
【００３２】
トーチヘッド１８は、耐熱絶縁体１５の上端面と接触している。これにより、トーチヘッド１８の上部は、耐熱絶縁体１５から露出されている。
パイロットガス導入口１８Ｂは、トーチヘッド１８の上部側壁を貫通するように設けられている。パイロットガス導入口１８Ｂは、図示していないパイロットガス供給装置と接続されている。パイロットガス導入口１８Ｂには、該パイロットガス供給装置からパイロットガスが供給される。また、パイロットガス導入口１８Ｂから導入されたパイロットガスは、トーチヘッド１８内に供給される。第５の係合部１８Ｃは、トーチヘッド１８の上端内壁に設けられている。
【００３３】
トーチキャップ２１は、筒状部材３５と、キャップ本体３６とを有する。筒状部材３５は、トーチヘッド１８内に挿入されており、その下端がコレット２２の上端と接触している。筒状部材３５は、コレットボディ１６内にコレット２２を押し込むことで、コレットボディ１６内におけるコレット２２の軸方向Ａに対する位置を調整するための部材である。
【００３４】
筒状部材３５は、第６の係合部３５Ａと、パイロットガス通過用孔３５Ｂと、を有する。第６の係合部３５Ａは、筒状部材３５の上端外壁に設けられている。第６の係合部３５Ａは、トーチヘッド１８の第５の係合部１８Ｃと係合している。これにより、電極２４の軸方向Ａに対するトーチキャップ２１の位置が規制されている。
【００３５】
パイロットガス通過用孔３５Ｂは、パイロットガス導入口１８Ｂの近傍に位置する筒状部材３５の側壁を貫通するように複数設けられている。これにより、パイロットガス通過用孔３５Ｂを介して、筒状部材３５内の空間にパイロットガスが導入されると共に、パイロットガスが筒状部材３５の下方に移動する。
キャップ本体３６は、筒状部材３５の一方の開放端である上端を塞ぐように設けられている。
【００３６】
コレット２２は、筒状とされており、トーチキャップ２１によりコレットボディ１６内に収容されている。コレット２２は、突出部２２Ａと、パイロットガス通過用孔２２ａと、を有する。
【００３７】
突出部２２Ａは、先端部１６Ａ側に位置するコレット２２の端部の内壁に設けられている。突出部２２Ａは、電極２４の中心軸に向かう方向に突出しており、電極２４と接触している。
突出部２２Ａは、トーチキャップ２１の筒状部材３５によりコレット２２が押圧され、先端部１６Ａによりコレット２２の下端が変形した際、コレット２２内に配置された電極２４と接触することで、軸方向Ａにおける電極２４の位置を規制する。
【００３８】
パイロットガス通過用孔２２ａは、パイロットガス通過用孔１６ａと対向する位置に設けられている。パイロットガス通過用孔１６a，２２ａを通過したパイロットガスは、電極２４の先端部２４Ａとセンターノズル２７との間の空間に案内される。
上記構成とされたコレット２２は、電極２４の先端部２４Ａを露出するように、電極２４の外周に配置され、軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制している。
【００３９】
電極２４は、軸方向Ａに延在した非消耗式電極である。電極２４は、コレット２２から露出され、かつ少なくともその一部がセンターノズル２７に収容される先端部２４Ａを有する。先端部２４Ａは、パイロットガスを流した状態で被溶接物と近接することで、アークを発生させる先端２４ａを有する。
【００４０】
アウター部材１２は、トーチボディ２６と、センターノズル２７と、センターノズル押さえ２９と、アウターノズル３１と、メッシュ３２と、シールドガス流路３３と、を有する。
トーチボディ２６は、インナー部材１１（具体的には、耐熱絶縁部材１５）を収容する筒状空間２６Ａと、冷却水用管路２６Ｂと、シールドガス導入孔２６ａと、を有する。
【００４１】
冷却水用管路２６Ｂは、トーチボディ２６のうち、筒状空間２６Ａよりも外側に位置する部分に形成されている。冷却水用管路２６Ｂの下端部は、センターノズル２７により気密されている。冷却水用管路２６Ｂは、センターノズル２７を冷却する冷却水を流すためのものである。
【００４２】
シールドガス導入孔２６ａは、トーチボディ２６のうち、冷却水用管路２６Ｂとアウターノズル３１との間に位置する部分を貫通するように設けられている。これにより、シールドガス導入孔２６ａは、その下方に配置されたシールドガス流路３３にシールドガスを供給可能な構成とされている。
シールドガス導入孔２６ａは、図示していないシールドガス供給装置と接続されている。シールドガス導入孔２６ａには、該シールドガス供給装置からシールドガスが供給される。
【００４３】
センターノズル２７は、電極２４の先端部２４Ａ側に位置するトーチボディ２６の下端を塞ぐように、トーチボディ２６に設けられている。センターノズル２７は、電極２４の先端部２４Ａの一部を収容する筒状部２７Ａと、被溶接物と対向する平坦な先端面２７ａと、を有する。
筒状部２７Ａの両端（上端及び下端）は、開放端とされている。先端面２７ａ側に位置する筒状部２７Ａの下端は、電極２４の先端２４ａを先端面２７ａから下方に突出させる際に電極２４の先端部２４Ａが通過する部分である。
【００４４】
センターノズル押さえ２９は、トーチボディ２６のうち、シールドガス導入孔２６ａの下方に位置する部分の側壁に設けられている。センターノズル押さえ２９は、トーチボディ２６の下端に対してセンターノズル２７を押さえ付けることで、トーチボディ２６にセンターノズル２７を取り付ける。
【００４５】
アウターノズル３１は、トーチボディ２６のうち、シールドガス導入孔２６ａよりも外側に位置する部分の側壁に設けられている。アウターノズル３１は、センターノズル２７及びセンターノズル押さえ２９を囲むような形状とされている。アウターノズル３１の先端面３１ａは、センターノズル２７の先端面２７ａに対して略面一とされている。
【００４６】
メッシュ３２は、シールドガス導入孔２６ａの下方に位置するセンターノズル押さえ２９とアウターノズル３１との間に配置されている。
シールドガス流路３３は、センターノズル２７及びセンターノズル押さえ２９とアウターノズル３１との間に形成されている。シールドガス流路３３には、シールドガス導入孔２６ａ及びメッシュ３２を通過したシールドガスが供給される。シールドガス流路３３は、電極２４の先端２４ａに供給されるパイロットガスを囲むように、シールドガスを案内する。
【００４７】
固定部１３は、絶縁体４１を介して、トーチボディ２６の上部側壁に設けられている。固定部１３は、ボルト４３により溶接トーチ支持部材（図示せず）に固定されている。これにより、溶接トーチ支持部材（図示せず）に対するアウター部材１２の位置が固定される。固定部１３は、駆動部１４を構成する後述するピニオン４７が設けられるピニオン支持部４４を有する。
【００４８】
駆動部１４は、ラック４６と、ピニオン４７と、を有する。ラック４６は、絶縁体４９を介して、トーチヘッド１８の上部外壁に固定されている。ラック４６は、電極２４の軸方向Ａに延在するように配置されている。
ピニオン４７は、ラック４６と係合すると共に、回転可能な状態で、ピニオン支持部４４に設けられている。
【００４９】
図２は、図１に示す状態の溶接トーチのピニオンを左回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。図３は、図２に示す状態の溶接トーチのピニオンを右回転させた際の溶接トーチの状態を模式的に示す断面図である。図２及び図３において、図１に示す溶接トーチ１０と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５０】
図２に示すように、図１に示す状態からピニオン４７を左回転させると、図１に示す状態からピニオン４７に対してラック４６が下方に移動するため、ラック４６が固定されたインナー部材１１も下方に移動する。これにより、図１に示す状態から電極２４も下方に移動するため、図２に示すように、電極２４の先端２４ａがセンターノズル２７の先端面２７ａの下方に突出する。
【００５１】
また、図３に示す状態からピニオン４７を右回転させると、図２に示す状態からピニオン４７に対してラック４６が上方に移動するため、ラック４６が固定されたインナー部材１１も上方に移動する。これにより、図２に示す状態から電極２４も上方に移動するため、図３に示すように、電極２４の先端２４ａがセンターノズル２７内に収容される。
なお、ピニオン４７は、手動で回転させてもよいし、自動で回転させてもよい。
【００５２】
上記構成とされた溶接トーチ１０を用いて、被溶接物５１をプラズマ溶接する場合、図２に示すように、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、パイロットガスを流すことで、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間にアークを発生させ、その後、図３に示すように、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７内に収容し、シールドガスを流すことで被溶接物５１を溶接する。
【００５３】
本実施の形態の溶接トーチによれば、パイロットガスが供給される先端部２４Ａ（先端２４ａを含む）を含む電極２４、及び電極２４の先端部２４Ａを露出するように電極２４の外周に配置され、かつ電極２４の軸方向Ａに対する電極２４の位置を規制するコレット２２を有するインナー部材１１と、電極２４の先端部２４Ａのうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル２７、センターノズル２７から離間するようにセンターノズル２７の外側に配置されたアウターノズル３１、及びセンターノズル２７とアウターノズル３１との間に形成され、センターノズル２７の先端面２７ａに向かうようにシールドガスが流れるシールドガス流路３３を有すると共に、インナー部材１１の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材１２と、電極２４の軸方向Ａに対して、インナー部材１１及びアウター部材１２を相対的に移動させる駆動部１４と、を含むことにより、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、パイロットガスを流すことで、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間にアーク（パイロットアーク）を発生させることが可能になると共に、アークを発生させた後、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７内に収容し、シールドガスを流すことで被溶接物５１をプラズマ溶接することが可能となる。
【００５４】
これにより、従来のプラズマ溶接用トーチを用いて、被溶接物をプラズマ溶接する際に必要であった高価なパイロットアーク発生装置（パイロットアークを発生させるための装置）が不要となるので、プラズマ溶接を行う際のコストを低減できる。
【００５５】
また、プラズマ溶接機よりも普及率の高いＴＩＧ溶接機に、インナー部材１１、アウター部材１２、及び駆動部１４を含む溶接トーチ１０を装着して、プラズマ溶接を行うことで、容易にプラズマ溶接を行うことができる。
【００５６】
また、上記構成とされた溶接トーチ１０を用いて、被溶接物５１をプラズマ溶接することで、本実施の形態の溶接トーチ１０と同様な効果を得ることができる。
さらに、従来のＴＩＧ溶接では、深い溶け込みを得るためにシールドガスとしてヘリウム（その他電位傾度の高いガス）を用いることが行われていたが、本発明では、シールドガスとしてアルゴン単体を用いた場合でも、シールドガスとしてヘリウムを用いた従来のＴＩＧ溶接と比較して、同等以上の深い溶け込みを得ることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態では、一例としてアウター部材１２を固定し、アウター部材１２に対してインナー部材１１を電極２４の軸方向Ａに移動させる場合を例に挙げて説明したが、インナー部材１１を固定し、インナー部材１１に対してアウター部材１２を移動可能な構成とすることで、電極２４を軸方向Ａに移動させてもよい。
【００５８】
さらに、本実施の形態では、駆動部１４の一例としてラック４６及びピニオン４７よりなるラック・アンド・ピニオンを用いて、電極２４を移動させる場合を例に挙げて説明したが、駆動部１４はこれに限定されない。例えば、機械式、電磁式、空圧式、油圧式、スプリング式等の機構を設け、該機構により電極２４を移動させてもよい。
【００５９】
図４及び図５は、本実施の形態の溶接トーチの他の適用例を説明するための図である。図４及び図５において、図２に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００６０】
ここで、図４及び図５を参照して、本実施の形態の溶接トーチ１０の他の適用例について説明する。
図４に示すように、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを突出させ、ＧＭＡ溶接（ガスメタルアーク溶接）と組み合わせることで、ＴＩＧ・ＭＩＧ溶接を行うことができる。
また、図５に示すように、センターノズル２７内に電極２４の先端２４ａを収容させ、ＧＭＡ溶接と組み合わせることで、プラズマＭＩＧ溶接を行うことができる。
【００６１】
さらに図２に示すように、電極２４をセンターノズル２７の先端面２７ａから突出させ、パイロットガスの流路とシールドガスの流路とに同種のガスあるいは異なるガスをシールドガスとして流し、二重シールド用を用いたＴＩＧ溶接のトーチとして使用することも可能である。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６３】
（実験例１）
図６は、実施例１の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。図６では、図１に示す溶接トーチ１０の構成要素のうち、電極２４及びセンターノズル２７のみを図示する。
【００６４】
図１に示す溶接トーチ１０を用いて、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを３ｍｍ突出させると共に、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１である厚さの薄い板（例えば５ｍｍ以下）との距離を２ｍｍとして、高周波スタート方式により電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間でアークを発生させ、その後、電極２４を上方に６ｍｍ移動させて、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７の先端面２７ａから３ｍｍ奥の位置で固定させて、本溶接を行った。また、センターノズル２７の先端面２７ａと被溶接物５１の上面５１ａとの距離を５ｍｍとした。
【００６５】
このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、パイロットガスとして１００％アルゴン（流量が３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガスとして１００％アルゴン（流量が１５Ｌ／ｍｉｎ）、センターノズル２７の内径を５ｍｍ、電極２４の外径を４ｍｍとして、板厚が５ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。実施例１の溶接後の被溶接物５１の断面写真、及び溶け込み深さを図８に示す。
【００６６】
（実験例２）
図７は、実施例２の溶接を行う際のセンターノズルの先端面と電極の先端との位置関係を説明するための図である。図７では、図１に示す溶接トーチ１０の構成要素のうち、電極２４及びセンターノズル２７のみを図示する。
【００６７】
図１に示す溶接トーチ１０を用いて、センターノズル２７の先端面２７ａから電極２４の先端２４ａを１０ｍｍ突出させると共に、電極２４の先端２４ａと被溶接物５１（具体的には、厚さが厚く（例えば、５ｍｍよりも厚い厚さ）、かつ開先を有した板材）との距離を３ｍｍとして、高周波スタート方式により電極２４の先端２４ａと被溶接物５１との間でアークを発生させ、その後、電極２４を上方に１３ｍｍ移動させて、電極２４の先端２４ａをセンターノズル２７の先端面２７ａから３ｍｍ奥の位置で固定させて、本溶接を行った。また、センターノズル２７の先端面２７ａと被溶接物５１の上面５１ａとの距離を５ｍｍとした。
【００６８】
このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、パイロットガスとして１００％アルゴン（流量が３Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガスとして１００％アルゴン（流量が１５Ｌ／ｍｉｎ）、センターノズル２７の内径を５ｍｍ、電極２４の外径を４ｍｍとして、板厚が１２ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。
【００６９】
（比較例）
従来のＴＩＧ溶接用トーチを用いて、被溶接物（具体的には、厚さの薄い板材）の本溶接を行った。このとき、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、電流を２００Ａ、溶接速度を３０ｃｍ／ｍｉｎ、１００％アルゴン（流量が１０Ｌ／ｍｉｎ）として、板厚が５ｍｍとされたＳＵＳ３０４板（被溶接物５１）の溶接を行った。
比較例の溶接後の被溶接物の断面写真、及び溶け込み深さを図８に示す。
【００７０】
（実施例１及び比較例の溶け込み深さについて）
図８を参照するに、溶接ガスとして１００％アルゴンガスを用い、かつ同一の電流で溶接を行った場合、実施例１の方が、比較例よりも１．４ｍｍ程度溶け込み深さが深いことが確認できた。
【００７１】
つまり、ＴＩＧ溶接機を用いると共に、シールドガスとして１００％アルゴンを用いた場合でも、従来のＴＩＧ溶接よりも溶け込み深さを深くできること（入熱を増加できること）が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、プラズマ溶接に要するコストを低減可能であると共に、容易にプラズマ溶接を行うことの可能な溶接トーチ及びプラズマ溶接方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…溶接トーチ、１１…インナー部材、１２…アウター部材、１３…固定部、１４…駆動部、１５…耐熱絶縁部材、１５Ａ…第１の係合部、１６…コレットボディ、１６Ａ，２４Ａ…先端部、１６ａ，２２ａ，３５Ｂ…パイロットガス通過用孔、１６Ｂ…第２の係合部、１６Ｃ…第３の係合部、１８…トーチヘッド、１８Ａ…第４の係合部、１８Ｂ…パイロットガス導入口、１８Ｃ…第５の係合部、２１…トーチキャップ、２２…コレット、２２Ａ…突出部、２４…電極、２４ａ…先端、２６…トーチボディ、２６Ａ…筒状空間、２６Ｂ…冷却水用管路、２６ａ…シールドガス導入孔、２７…センターノズル、２７Ａ…筒状部、２７ａ，３１ａ…先端面、２９…センターノズル押さえ、３１…アウターノズル、３２…メッシュ、３３…シールドガス流路、３５…筒状部材、３５Ａ…第６の係合部、３６…キャップ本体、４１，４９…絶縁体、４３…ボルト、４４…ピニオン支持部、４６…ラック、４７…ピニオン、５１…被溶接物、５１ａ…上面、Ａ…軸方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び該電極の先端部を露出するように前記電極の外周に配置され、かつ前記電極の軸方向に対する前記電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、
前記電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、該センターノズルから離間するように前記センターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及び前記センターノズルと前記アウターノズルとの間に形成され、前記センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、前記インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、
前記電極の軸方向に対して、前記インナー部材及び前記アウター部材を相対的に移動させる駆動部と、
を含むことを特徴とする溶接トーチ。
【請求項２】
前記電極の先端は、前記インナー部材及び前記アウター部材が前記電極の軸方向に対して相対的に移動することで、前記センターノズルの先端面から突出、或いは前記センターノズル内に収容されることを特徴とする請求項１記載の溶接トーチ。
【請求項３】
前記駆動部は、前記インナー部材の外周部のうち、前記アウター部材から露出された部分に設けられ、かつ前記電極の軸方向に延在するラックと、
前記ラックと係合し、回転することで前記インナー部材を前記電極の軸方向に移動させるピニオンと、
を有することを特徴とする請求項１または２記載の溶接トーチ。
【請求項４】
前記アウター部材は、溶接トーチ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項３記載の溶接トーチ。
【請求項５】
前記電極は、非消耗型電極であることを特徴とする請求項１なしい４のうち、いずれ１項記載の溶接トーチ。
【請求項６】
請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接方法であって、
前記センターノズルの先端面から前記電極の先端を突出させ、前記パイロットガスを流すことで、該電極の先端と被溶接物との間にアークを発生させる工程と、
前記アークを発生させた後、前記電極の先端を前記センターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、前記被溶接物を溶接する工程と、
を含むことを特徴とするプラズマ溶接方法。
【請求項１】
パイロットガスが供給される先端部を含む電極、及び該電極の先端部を露出するように前記電極の外周に配置され、かつ前記電極の軸方向に対する前記電極の位置を規制するコレットを有するインナー部材と、
前記電極の先端部のうち、少なくとも一部を収容するセンターノズル、該センターノズルから離間するように前記センターノズルの外側に配置されたアウターノズル、及び前記センターノズルと前記アウターノズルとの間に形成され、前記センターノズルの先端に向かうようにシールドガスを案内するシールドガス流路を有すると共に、前記インナー部材の外周部の一部を囲むように配置されたアウター部材と、
前記電極の軸方向に対して、前記インナー部材及び前記アウター部材を相対的に移動させる駆動部と、
を含むことを特徴とする溶接トーチ。
【請求項２】
前記電極の先端は、前記インナー部材及び前記アウター部材が前記電極の軸方向に対して相対的に移動することで、前記センターノズルの先端面から突出、或いは前記センターノズル内に収容されることを特徴とする請求項１記載の溶接トーチ。
【請求項３】
前記駆動部は、前記インナー部材の外周部のうち、前記アウター部材から露出された部分に設けられ、かつ前記電極の軸方向に延在するラックと、
前記ラックと係合し、回転することで前記インナー部材を前記電極の軸方向に移動させるピニオンと、
を有することを特徴とする請求項１または２記載の溶接トーチ。
【請求項４】
前記アウター部材は、溶接トーチ支持部材に固定されていることを特徴とする請求項３記載の溶接トーチ。
【請求項５】
前記電極は、非消耗型電極であることを特徴とする請求項１なしい４のうち、いずれ１項記載の溶接トーチ。
【請求項６】
請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の溶接トーチを用いたプラズマ溶接方法であって、
前記センターノズルの先端面から前記電極の先端を突出させ、前記パイロットガスを流すことで、該電極の先端と被溶接物との間にアークを発生させる工程と、
前記アークを発生させた後、前記電極の先端を前記センターノズル内に収容し、シールドガスを流すことで、前記被溶接物を溶接する工程と、
を含むことを特徴とするプラズマ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４３１８１（Ｐ２０１３−４３１８１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０３１０（Ｐ２０１１−１８０３１０）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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