JPH0810957A - プラズマキーホール溶接装置用のトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 略水平に延びる鋼管等の端部を全周に渡って
周回しつつ突合せ溶接する際の溶接欠陥の発生を低減で
き、かつ装置の使用電流も低減できるプラズマキーホー
ル溶接装置用のトーチを提供する。 【構成】 ノズル４のプラズマアーク噴出孔８を、所定
径のチョーク孔８ａと、このチョーク孔８ａに小径部が
連続して先端側が大径部をなすテーパ孔８ｂとの組合せ
構造としたプラズマキーホール溶接装置用のトーチ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼管等の端部を相互に
突合せ溶接するプラズマキーホール溶接装置用のトーチ
に関し、詳しくは、溶接箇所を全周に渡って周回しつつ
突合せ溶接するのに好適なプラズマキーホール溶接装置
用のトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼管等の端部を相互に突合せ溶接するも
のとして、プラズマキーホール溶接装置が従来一般に知
られている（特開平５−１１１７７４号公報参照）。こ
のプラズマキーホール溶接装置は、熱的，電磁気的に収
束したエネルギ密度の高いプラズマアークと共にプラズ
マガスをトーチのノズルからジェット状に噴出すること
で、鋼管等の突合せ端部を溶融貫通するキーホールを順
次形成しつつ、溶融金属の冷却により溶接箇所内面に裏
波ビードを順次形成して鋼管等を突合せ溶接するもので
ある。

【０００３】このようなプラズマキーホール溶接装置
は、肉厚９ｍｍ程度までの鋼管等を開先加工なしで突合
せ溶接可能であり、また固定された鋼管等に対してもそ
の突合せ端部の全周に渡って周回しつつ突合せ溶接でき
ることから、既設のガス導管である鋼管の突合せ溶接に
も多用されている。

【０００４】ところで、プラズマキーホール溶接装置を
使用した突合せ溶接においては、キーホールの形成に伴
い溶融した金属は、重力の作用を受けて流動しつつ冷却
固化して裏波ビードを形成するのであり、前記ガス導管
のように略水平に延びる鋼管等を突合せ溶接する際に
は、鋼管の下側部分で裏波ビードが鋼管内周面より凹ん
で強度不足の溶接欠陥を発生し易い。そこで、このよう
な裏波ビードの凹みの発生を未然に防止する技術が、前
記特開平５−１１１７７４号公報などにより提案されて
いる。

【０００５】ここで、前述のプラズマキーホール溶接装
置に使用される従来一般のトーチは、図４に示すよう
に、セラミックキャップａで覆われたトーチ本体ｂの先
端にノズルｃがねじ込み装着され、このノズルｃの中心
にタングステン陰極ｄが配置されたものであり、セラミ
ックキャップａとトーチ本体ｂとの間にはシールド用の
不活性ガス（アルゴンガスなど）が流通するシールドガ
ス通路ｅが形成され、またノズルｃ内にはアルゴンガス
及び酸素ガスが流通するガス通路ｆ及びこのガス通路ｆ
の先端に連続するストレート孔からなるプラズマアーク
噴出孔ｇとが形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、プラズマキ
ーホール溶接装置に使用される従来一般のトーチは、ノ
ズルｃのプラズマアーク噴出孔ｇが図５（ａ）にも示す
ようにストレート孔で構成されているため、プラズマア
ークＰＡの電流密度は図５（ｂ）に示すようにあまり上
昇せず、プラズマガスＰＧの流速も図５（ｃ）に示すよ
うにあまり上昇せず、プラズマガスＰＧは広がりの小さ
い略円柱状に噴出するものの、キーホール貫通力は図５
（ｄ）に示すようにあまり大きくない。このため、相互
に突合せ溶接される鋼管等ｈ，ｈの溶接箇所には、図５
（ｅ）にも示すように、緩いテーパ孔状のキーホールＫ
Ｈが形成される。

【０００７】即ち、従来のトーチを使用した場合、溶接
箇所に形成されるキーホールＫＨは内周側の開口が比較
的に大きいのであり、それに応じて鋼管等ｈの内周側の
温度上昇も大きく、その内周側の溶融金属は冷却固化速
度の遅い流動性の大きいものとなる。このため、図６に
示すように、トーチが上向き姿勢となる鋼管ｈ等の下側
部分の溶接箇所においては、流動性の高い内周側の溶融
金属が重力によりキーホールＫＨ内に流動し易く、その
冷却固化により形成される裏波ビードｉが内周面より凹
んで溶接欠陥を生じ易いという問題があった。

【０００８】また、溶接箇所に形成されるキーホールＫ
Ｈは鋼管等ｈの外周側の開口が充分に大きくないので、
トーチが横向き姿勢で下降する鋼管等ｈの側部の溶接箇
所においては、溶融池の溶融金属ｊが下方に流動してキ
ーホールＫＨを塞ぐことがあり、ブローホールの発生に
よる溶接欠陥が生じ易いという問題があった。

【０００９】さらに、プラズマアークの電流密度があま
り上昇せず、キーホール貫通力があまり大きくないこと
から、キーホールＫＨを確実に形成するにはプラズマキ
ーホール溶接装置の使用電流を大きくする必要もあっ
た。

【００１０】そこで本発明は、略水平に延びる鋼管等の
端部を全周に渡って周回しつつ突合せ溶接する際の溶接
欠陥の発生を低減でき、かつプラズマキーホール溶接装
置の使用電流も低減できるプラズマキーホール溶接装置
用のトーチを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
によるプラズマキーホール溶接装置用のトーチは、ノズ
ルのプラズマアーク噴出孔を、所定径のチョーク孔と、
このチョーク孔に小径部が連続して先端側が大径部をな
すテーパ孔との組合せ構造としたことを手段としてい
る。

【００１２】

【作用】このような手段を採用した本発明によるプラズ
マキーホール溶接装置用のトーチでは、プラズマアーク
はノズルのチョーク孔により所定径のビーム状に絞られ
て電流密度が上昇し、またプラズマガスは中心部がノズ
ルのチョクーク孔に絞られて流速が上昇し、かつ周辺部
がノズルのテーパ孔に沿って円錐状に拡散する。このた
め被溶接部には、内周側の開口（中心孔）が小さく、外
周側の開口が大きいすり鉢状のキーホールが形成され
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付の図面を参照
して具体的に説明する。図１は、従来周知のプラズマキ
ーホール溶接装置のヘッドに装着されてプラズマアーク
と共にプラズマガスをジェット状に噴出しつつ鋼管等の
突合せ端部を全周に渡って周回するトーチ１の断面構造
を示し、筒状のセラミックキャップ２で覆われたトーチ
本体３の先端にはノズル４がねじ込み装着され、このノ
ズル４内の中心には先端５ａが円錐状に尖った棒状のタ
ングステン陰極５が配置されている。

【００１４】前記セラミックキャップ２とトーチ本体３
との間には、シールド用のアルゴンガスなどの不活性ガ
スが流通するシールドガス通路６が環状に形成され、ま
たトーチ本体３及びノズル４内には、タングステン陰極
５の周囲にアルゴンガス及び酸素ガスが流通するガス通
路７が形成されている。

【００１５】ここで、ノズル４内のガス通路７の先端は
テーパ状に絞られ、その先端にプラズマアーク噴出孔８
が連続している。このプラズマアーク噴出孔８は、タン
グステン陰極５の先端５ａの直前方に位置するチョーク
孔８ａと、このチョーク孔８ａに小径部が連続して先端
側が大径部をなすテーパ孔８ｂとの組合せ構造となって
いる。

【００１６】次に、本実施例によるプラズマキーホール
溶接装置用のトーチ１につき、その作用を説明する。こ
のトーチ１は、図示省略した従来周知のプラズマキーホ
ール溶接装置のヘッドに装着されて、例えば略水平に延
びる鋼管９，９の突合せ端部を全周に渡って周回するの
であり、その際、タングステン陰極５から陽極である鋼
管９，９に向かってプラズマアークＰＡがノズル４のプ
ラズマアーク噴出孔８から噴出し、またアルゴンガス及
び酸素ガスがガス通路７を流通することで、プラズマガ
スＰＧがプラズマアーク噴出孔８を介してジェット状に
鋼管９，９側に噴出する。

【００１７】ここでノズル４のプラズマアーク噴出孔８
は、図２（ａ）にも示すようにチョーク孔８ａとその先
端側のテーパ孔８ｂとの組合せ構造からなるので、プラ
ズマアークＰＡはチョーク孔８ａによりビーム状に絞ら
れ、その電流密度は図５（ｂ）に示した従来例に較べて
図２（ｄ）に示すように上昇する。またプラズマガスＰ
Ｇもチョーク孔８ａに絞られることで、その中心流速は
図５（ｃ）に示した従来例に較べて図２（ｃ）に示すよ
うに上昇し、プラズマガスＰＧの周辺部はテーパ孔８ｂ
に沿って円錐状に拡散する。

【００１８】このように、プラズマアークＰＡの電流密
度が上昇し、かつプラズマガスＰＧの中心流速が上昇す
ることで、キーホール貫通力は図５（ｄ）に示した従来
例に較べて図２（ｄ）に示すように大きくなる。そして
この大きなキーホール貫通力をもって、鋼管９，９の突
合せ端部である溶接箇所には、図２（ｅ）にも示すよう
に、鋼管９，９の内周側の開口（中心孔）が小さく、外
周側の開口が大きいすり鉢状のキーホールＫＨが形成さ
れる。

【００１９】このように本実施例のトーチ１を使用した
場合には、鋼管９，９の突合せ溶接箇所に形成されるキ
ーホールＫＨは、鋼管９，９の内周側の開口（中心孔）
が小さいすり鉢状となるので、キーホールＫＨの形成に
伴う鋼管９，９の内周側の温度上昇は従来例より低くな
り、溶融金属の冷却固化速度も鋼管９，９の内周側では
速くなる。

【００２０】このため、鋼管９，９の内周側に形成され
る裏波ビード１０は流動の少ない非常に安定したものと
なり、トーチ１が上向き姿勢となる鋼管９，９の下側部
分の溶接箇所においても鋼管９，９の内周面より盛り上
がった欠陥のない裏波ビード１０が形成される（図３参
照）。

【００２１】また、キーホールＫＨが鋼管９，９の外周
側で開口の大きいすり鉢状をなすことで、トーチ１が横
向き姿勢で下降する鋼管９，９の側部の溶接箇所におい
て溶融池の溶融金属１１が下方に流動しても、これがキ
ーホールＫＨを塞いでしまうことはなく、ブローホール
の発生が未然に防止される。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したとおり本発明によれば、プ
ラズマアークはノズルのチョーク孔により所定径のビー
ム状に絞られて電流密度が上昇し、またプラズマガスは
中心部がノズルのチョクーク孔に絞られて流速が上昇
し、かつ周辺部がノズルのテーパ孔に沿って円錐状に拡
散する。このため小電流であっても大きなキーホール貫
通力が得られ、内周側の開口（中心孔）が小さく、外周
側の開口が大きいすり鉢状のキーホールを確実に形成す
るこができ、プラズマキーホール溶接装置の使用電流も
低減することができる。

【００２３】また、形成されるキーホールの内周側の開
口が小さいことから、鋼管等の突合せ端部を全周に渡っ
て周回しつつ突合せ溶接する際、内周側の温度上昇が従
来より低下して溶融金属の冷却固化速度が内周側で速く
なり、このため流動の少ない安定した裏波ビードが得ら
れる。特に、トーチが上向き姿勢となる鋼管等の下側部
分の溶接箇所においても、内周面より盛り上がった欠陥
のない裏波ビードを形成することができる。

【００２４】さらに、形成されるキーホールの外周側の
開口が大きいことから、トーチが横向き姿勢で下降する
鋼管等の側部の溶接箇所において溶融池の溶融金属が下
方に流動しても、これがキーホールを塞ぐことがなく、
ブローホールの発生を未然に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構造を示す断面図である。

【図２】（ａ）ないし（ｅ）は一実施例の作用を示し、
（ａ）はノズルの概略断面図、（ｂ）はプラズマアーク
の電流密度分布の特性図、（ｃ）はプラズマガスの流
速，密度分布の特性図、（ｄ）はキーホール貫通力を示
す特性図、（ｅ）は形成されるキーホールの断面図であ
る。

【図３】一実施例の作用を説明する鋼管の突合せ溶接箇
所の断面図である。

【図４】従来例の構造を示す断面図である。

【図５】図２に対応した従来例の作用説明図である。

【図６】従来例の作用を説明する図３に対応した鋼管の
突合せ溶接箇所の断面図である。

【符号の説明】

１ トーチ ２ セラミックキャップ ３ トーチ本体 ４ ノズル ５ タングステン陰極 ５ａ 先端部 ６ シールドガス通路 ７ ガス通路 ８ プラズマアーク噴出孔 ８ａ チョーク孔 ８ｂ テーパ孔 ９ 鋼管 １０ 裏波ビード １１ 溶融金属

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルのプラズマアーク噴出孔を、所定
   径のチョーク孔と、このチョーク孔に小径部が連続して
   先端側が大径部をなすテーパ孔との組合せ構造としたこ
   とを特徴とするプラズマキーホール溶接装置用のトー
   チ。