JPH11123561A - プラズマ溶接トーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルを囲繞するシールドガス通路へのスパ
ッタ侵入によるダブルアークの発生を防止できるプラズ
マ溶接トーチを提供する。 【解決手段】 非絶縁体のノズル２１と、ノズル２１の
先端部を囲繞してシールドガス通路１８を形成する非絶
縁体の外側キャップ１２とを備え、あるいは、ノズル２
１を囲繞する非絶縁体の内側キャップ１７と、内側キャ
ップ１７の先端部を囲繞してシールドガス通路１８を形
成する非絶縁体の外側キャップ１２とを備え、外側キャ
ップ１２の先端面をワークＷに接触させてプラズマ溶接
するプラズマ溶接トーチにおいて、前記シールドガス通
路１８を形成する面に電気的な絶縁手段を設けた。絶縁
手段は、外側キャップ１２の内面に当接し、かつ、絶縁
体からなる位置決めリング１６よりも先端側に設けて
も、内側キャップ１７又は前記ノズル２１の外周面に設
けてもよい。また、前記シールドガス通路１８内の先端
側に、スパッタの侵入を防止するスパッタ侵入防止手段
１３を設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノズルを囲繞し、
ノズルとの間にシールドガス通路を形成するキャップを
有する１重キャップ構造、あるいは、ノズルを囲繞する
内側キャップと、この内側キャップを囲繞してシールド
ガス通路を形成するキャップとを有する２重キャップ構
造のプラズマ溶接トーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアークを用いてワークを溶接す
るプラズマアーク溶接装置は従来から広く使用されてお
り、このようなプラズマアーク溶接装置として、例えば
特開平７−１６７５２号公報に開示されたプラズマ溶接
装置がある。同公報に開示されたプラズマ溶接装置に用
いられるプラズマ溶接トーチは図２に示されており、同
図に基づいて従来技術を説明する。

【０００３】第１ノズル３１（本発明に係わる実施形態
におけるノズル２１に対応する）の先端部を囲繞する第
２ノズル３２（本発明に係わる実施形態における内側キ
ャップ１７に対応する）は第１ノズル３１との間に冷却
水通路を形成している。また、第２ノズル３２の先端部
を囲繞する保持キャップ３４ａはプラズマ溶接トーチ３
７のシールド部３４の先端部に取り付けられており、第
２ノズル３２と、シールド部３４及び保持キャップ３４
ａ（本発明に係わる実施形態における外側キャップ１２
に対応する）とはシールドガス通路３８を形成してい
る。なお、シールド部３４及び保持キャップ３４ａは第
２ノズル３２に対して電気的に絶縁されている。また、
第１ノズル３１の内側には電極３０（本発明に係わる実
施形態における電極２９に対応する）が設けられてい
る。そして、電極３０と第１ノズル３１の間にパイロッ
ト電圧を印加してパイロットアークを発生させた後、電
極３０とワークＷの間にプラズマ電圧を印加してプラズ
マアークを発生させ、ワークＷが溶接されるようになっ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記プ
ラズマ溶接トーチを用いてスポットアーク溶接を行う際
には、スタンドオフ（プラズマ溶接トーチ３７の先端の
アーク噴射口とワークＷとの間の距離を示す）が常時一
定になるように、前記保持キャップ３４ａの下端面をワ
ークＷに押し付けて接触させているので、溶接時にワー
クＷからスパッタが飛散してシールドガス通路３８に侵
入する。このスパッタは保持キャップ３４ａの内面及び
第２ノズル３２の外面に付着し、付着したスパッタによ
り保持キャップ３４ａと第２ノズル３２との電気的短絡
が発生する場合がある。このとき、保持キャップ３４ａ
及び第２ノズル３２が金属などの導電性を有した材質で
ある場合には、ワークＷから保持キャップ３４ａ及び第
２ノズル３２を経由して第１ノズル３１へリーク電流が
流れ、電極３０とワークＷの間以外に電極３０と第１ノ
ズル３１の間にもプラズマアーク（いわゆる、ダブルア
ーク）が発生することがある。この結果、プラズマアー
クが安定しないので、良好な溶接品質が得られないと言
う問題が発生している。

【０００５】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、ノズルを囲繞するシールドガス通路への
スパッタ侵入によるダブルアークの発生を防止できるプ
ラズマ溶接トーチを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非絶縁
体のノズル２１と、ノズル２１の先端部を囲繞してシー
ルドガス通路１８を形成する非絶縁体の外側キャップ１
２とを備え、あるいは、ノズル２１を囲繞する非絶縁体
の内側キャップ１７と、内側キャップ１７の先端部を囲
繞してシールドガス通路１８を形成する非絶縁体の外側
キャップ１２とを備え、前記外側キャップ１２の先端面
をワークＷに接触させてプラズマ溶接するプラズマ溶接
トーチにおいて、前記シールドガス通路１８を形成する
面に、電気的な絶縁手段を設けた構成としている。

【０００７】請求項１に記載の発明によると、シールド
ガス通路を形成する面に電気的な絶縁手段を設けるの
で、ワークに外側キャップを接触させてプラズマ溶接し
ているときに、スパッタがシールドガス通路内に侵入し
て外側キャップとノズルの間、あるいは外側キャップと
内側キャップの間にスパッタのブリッジが出来ても、ノ
ズルとワークの間のリークが無くなる。これにより、ダ
ブルアークが発生しなくなり、電極とワーク間の正常な
プラズマアークのみが発生するので、安定して良好な溶
接品質を得ることができる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
プラズマ溶接トーチにおいて、前記外側キャップ１２の
内面に当接し、かつ、絶縁体からなる位置決めリング１
６が設けられると共に、前記絶縁手段は、この位置決め
リング１６よりも先端側に設けられている。

【０００９】請求項２に記載の発明によると、絶縁体か
らなる位置決めリングを外側キャップの内面に当接させ
て設けると共に、前記電気的な絶縁手段をこの位置決め
リングよりも先端側（すなわち、シールドガスの下流
側）に設けているので、溶融池からシールドガス通路内
に飛散してくるスパッタはこの位置決めリングにより進
路を阻まれ、位置決めリングより上流側に侵入すること
はなく、また位置決めリングよりも先端側に前記絶縁手
段を設けたことによりノズルとワークの間のリークを防
止することができる。この結果、請求項１記載の作用及
び効果に加えて、電気的な絶縁手段を設ける範囲を最小
限にしているので、部品コストを安くでき、かつ、安定
して良好な溶接品質を得ることができる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
記載のプラズマ溶接トーチにおいて、前記絶縁手段が、
前記内側キャップ１７又は前記ノズル２１の外周面に設
けられている。

【００１１】請求項３に記載の発明によると、ノズルと
ワークの間のリークを安定して防止するための前記絶縁
手段を内側キャップ又はノズルの外周面に設けるので、
請求項１に記載の作用及び効果と同様に、ダブルアーク
が発生しなくなり、安定して良好な溶接品質が得られ
る。さらに、スパッタはワークの溶融池から放射状に飛
散するので、外側キャップの内周面に付着しやすく、内
側キャップ又はノズルの外周面に設けた前記絶縁手段に
はスパッタの直接飛来する頻度及び量が少ない。この結
果、この絶縁手段の磨耗が少なくなり、長期間絶縁効果
を維持することができ、内側キャップ又はノズルの交換
寿命の向上が図れる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１記載の
プラズマ溶接トーチにおいて、前記シールドガス通路１
８内の先端側に、スパッタの侵入を防止するスパッタ侵
入防止手段１３が設けられている。

【００１３】請求項４に記載の発明によると、シールド
ガス通路内にスパッタの侵入を防止するスパッタ侵入防
止手段を設けるので、スパッタが内側キャップの外周面
及び外側キャップの内周面に付着する頻度及びスパッタ
量が減少する。よって、ノズル及びキャップのスパッタ
除去作業が短時間で可能となり、また、前記絶縁手段の
絶縁を破ってノズルから外側キャップを経由してワーク
にリークするような可能性が非常に減少する。したがっ
て、本プラズマ溶接トーチを適用した溶接装置（例え
ば、溶接ロボット等）の稼働効率が向上し、また、プラ
ズマアークの安定性がさらに向上して良好な溶接品質を
長期間維持できると共に、キャップやノズル等の交換部
品の寿命を長期化することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、実施形態
を説明する。図１は、本発明に係わるプラズマ溶接トー
チの要部側面断面図である。トーチ本体１１の先端部外
周には、略円筒形状の金属材料からなる外側キャップ１
２がトーチ本体１１の下部外周に設けられたねじ１１ａ
により着脱可能に取り付けられており、また外側キャッ
プ１２の内側には、略円筒形状の絶縁体からなる位置決
めリング１６を介して金属材料からなる内側キャップ１
７がトーチ本体１１にねじ１１ｂにより着脱可能に取り
付けられている。この内側キャップ１７と外側キャップ
１２との間には、シールドガスをトーチ先端部へ導くシ
ールドガス通路１８が形成されている。また、外側キャ
ップ１２の下端部には、外側キャップ１２に囲まれた内
側の空間と外部（大気）とを連通させる開口部５５が、
円周方向に沿って少なくとも１箇所以上形成されてお
り、上記シールドガスがこの開口部５５から外部へ流出
されるようになっている。

【００１５】前記位置決めリング１６の外周面及び内周
面は、外側キャップ１２の内面及び内側キャップ１７の
外周面にそれぞれ設けられ、かつ、溶接トーチの軸心Ｏ
に平行な端面に当接している。また、位置決めリング１
６の下端面及び上端面は、外側キャップ１２の内面及び
内側キャップ１７の外周面にそれぞれ設けられ、かつ、
前記軸心Ｏに垂直な端面に当接している。そして、この
位置決めリング１６は外周面に上端面側と下端面側とを
連通させる切り欠き溝１６ａを有し、かつ、下端面に外
周面側と内周面側とを連通させる切り欠き溝１６ｂを有
しており、前記シールドガス通路１８に供給されるシー
ルドガスはこの切り欠き溝１６ａと切り欠き溝１６ｂと
を経由して溶接トーチの先端部に導かれる。

【００１６】また、前記シールドガス通路１８の先端
側、すなわちシールドガスのワークへの流出口の近傍
に、スパッタのシールドガス通路１８への侵入を防止す
るスパッタ侵入防止手段１３が設けられている。このス
パッタ侵入防止手段１３は例えば略リング形状をした絶
縁体から構成されており、本実施形態では外側キャップ
１２の内周面に取り付けられ、かつ、このスパッタ侵入
防止手段１３の内周面と内側キャップ１７の外周面との
間にシールドガス通路が形成されるようになっている。

【００１７】なお、このスパッタ侵入防止手段１３は内
側キャップ１７の内周面に取り付けられ、かつ、このス
パッタ侵入防止手段１３の外周面と外側キャップ１２の
内周面との間にシールドガス通路が形成されるようにし
てもよい。あるいは、スパッタ侵入防止手段１３は外側
キャップ１２及び内側キャップ１７の両方に当接させて
取り付けられ、かつ、基端側端面から先端側端面に貫通
するシールドガス通路孔を円周方向に所定個数形成する
ようにしてもよい。また、このスパッタ侵入防止手段１
３は、ワークＷの溶融池近くに設けられるため、溶融池
の高温に曝されると共に、溶融池から飛散してくるスパ
ッタも高温であるので、高温に対する耐久性が要求され
る。このために、スパッタ侵入防止手段はセラミックで
構成することが好ましいが、樹脂などの安価な材料を使
用する場合には交換可能に取り付けることもできる。さ
らに、金属材料で構成することも可能で、このときは、
外周面に電気的な絶縁手段を設けた内側キャップと組み
合わせることにより、高温に対して耐久性をもたせられ
ると共に、スパッタ付着によるブリッジで発生するノズ
ルからワークＷへの電流リークを防止できる。

【００１８】また、内側キャップ１７の先端部（つま
り、下端部）には、溶接トーチの軸心Ｏと同一の軸心を
有し、かつ、この軸心Ｏに平行な側面を有する孔５１が
設けられている。そして、内側キャップ１７の内側には
ノズル２１が取り付けられていて、このノズル２１の先
端部にはノズル２１の基端部より縮径の円筒突出部２１
ａが設けられており、この円筒突出部２１ａが内側キャ
ップ１７の前記孔５１内に嵌合して挿入されている。内
側キャップ１７とノズル２１との間には、ノズル２１の
外周面を冷却するノズル冷却水通路２３が形成されてお
り、前記円筒突出部２１ａの外周面と前記孔５１の内周
面との勘合面により冷却水のシール面が形成されてい
る。また、この円筒突出部２１ａの軸心位置には、前記
軸心Ｏの方向に貫通したノズル孔２２が設けられてい
る。さらに、ノズル２１の内側には、例えばセラミック
ス等の絶縁体からなるガイド２５を介して電極２９が取
り付けられている。

【００１９】電極２９及びノズル２１は、それぞれ、ト
ーチ本体１１内に設けられた導電体（図示せず）を経由
して図示しない電圧印加端子に接続されている。そし
て、図示しない溶接電源により、この電極２９（例えば
−電位とする）とノズル２１（例えば−電位とする）の
間に所定電圧のパイロットアーク電圧が印加され、また
電極２９（例えば−電位とする）とワークＷ（例えばア
ース電位とする）の間に所定電圧のメインプラズマアー
ク電圧が印加されるように配線されている。前述のよう
にプラズマガスがノズル孔２２から噴射されると共に、
前記パイロットアーク電圧がノズル２１に印加された後
メインプラズマアーク電圧が電極２９に印加されると、
電極２９とワークＷの間にプラズマアーク放電が発生す
る。

【００２０】ここで、本発明に係わるプラズマ溶接トー
チは、シールドガス通路１８を形成する面に電気的な絶
縁手段を設けている。この絶縁手段としては、金属材料
で構成された外側キャップ１２、内側キャップ１７及び
ノズル２１の少なくともいずれか１つの部材に例えば絶
縁膜のような絶縁体層を形成するか、あるいは、樹脂や
セラミックからなる部材を表面に接着する手段がある。

【００２１】ところで、上記の方法の他に、外側キャッ
プ１２を電気的絶縁性を有している材質例えばセラミッ
クス材料で製作することが考えられる。しかし、溶接時
には、ワークＷに外側キャップ１２の下端面を接触させ
るので、この接触の繰り返しによる衝撃に対して強い材
質であることが必要である。このため、衝撃で割れや欠
けが発生しやすいセラミックではなく、金属材料で、外
周キャップ１２を構成している。

【００２２】つぎに、上記のような構成による作用を説
明する。外側キャップ１２の内側に設けたシールドガス
通路を形成する面に電気的な絶縁手段を設けているの
で、外側キャップ１２と内側キャップ１７の間にスパッ
タによるブリッジが出来ても、ノズル２１とワークＷ間
に電気的にリークが発生することがない。したがって、
溶接時に電極２９とノズル２１の間でプラズマアークが
発生することがなく、電極２９とワークＷの間でプラズ
マアークが安定的に発生するので、溶接品質を安定させ
ることができる。

【００２３】また、内側キャップ１７の外周面に絶縁体
層を設けた場合には、以下のように、内側キャップ１７
の交換寿命を長期化することができる。すなわち、ワー
クの溶融池から放射状に飛散したスパッタは、直接外側
キャップ１２の内周面に付着することが多く、内キャッ
プの外周面には外側キャップ１２の内周面で反射したス
パッタが到達するだけで、直接的には飛来しないので、
スパッタが付着する頻度及びスパッタ量が小さい。した
がって、内側キャップ１７の外周面に絶縁体層を形成し
た場合、スパッタによる絶縁体層の磨耗が少なくなるの
で、内側キャップ１７の交換寿命が長期化する。この結
果、保守時間及び保守費用の低減が図れる。

【００２４】また、シールドガス通路内の先端側にスパ
ッタ侵入防止手段１３を設けているので、スパッタのシ
ールドガス通路内への侵入頻度が減少し、内側キャップ
１７の外周面及び外側キャップ１２の内周面にスパッタ
が付着する量が大きく減少する。これにより、スパッタ
除去作業を短時間で行うことができ、また、前記絶縁手
段の絶縁を破る可能性が非常に減少する。したがって、
本プラズマ溶接トーチが適用される溶接装置の稼働効率
が向上する。また、プラズマアークの安定性が長期間維
持されると共に、これらの内側キャップ１７及び外側キ
ャップ１２等の交換部品の寿命が長期化して、保守時間
及び保守費用をさらに低減できる。さらに、前述のよう
にスパッタは放射状に飛散して主に外側キャップ１２の
内周面に向かって飛散する。よって、スパッタ侵入防止
手段１３が図のように外側キャップ１２の内周面に取り
付けられているので、スパッタの侵入をより効果的に防
止でき、さらに稼働効率の向上や、保守時間及び保守費
用の低減を図ることができる。

【００２５】なお、上記実施形態では、ノズル２１の外
側に、ノズル２１を囲繞する内側キャップ１７と、この
内側キャップ１７の先端部を囲繞する外側キャップ１２
とを備えた２重キャップ構造のプラズマ溶接トーチの例
を説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。例えば、ノズル２１の外側に、ノズル２１を囲繞し
てシールドガス通路を形成するシールドガスキャップ
（上記外側キャップ１２に相当）を備えた１重キャップ
構造のプラズマ溶接トーチの場合でも、本発明は適用可
能である。この場合の絶縁手段としては、ノズル２１の
外周面、又はシールドガスキャップ（外側キャップ１
２）の内周面に絶縁体層を形成すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係わるプラズマ溶接トーチ
の要部側面断面図を示す。

【図２】従来技術に係わるプラズマ溶接トーチの説明図
である。

【符号の説明】

１１ トーチ本体 １２ 外側キャップ １３ スパッタ侵入防止手段 １６ 位置決めリング １７ 内側キャップ １８ シールドガス通路 ２１ ノズル ２１ａ 円筒突出部 ２２ ノズル孔 ２３ ノズル冷却水通路 ２５ ガイド ２９ 電極 ５１ 孔 ５５ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 陽介 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非絶縁体のノズル(21)と、ノズル(21)の
   先端部を囲繞してシールドガス通路(18)を形成する非絶
   縁体の外側キャップ(12)とを備え、あるいは、ノズル(2
   1)を囲繞する非絶縁体の内側キャップ(17)と、内側キャ
   ップ(17)の先端部を囲繞してシールドガス通路(18)を形
   成する非絶縁体の外側キャップ(12)とを備え、前記外側
   キャップ(12)の先端面をワーク(W) に接触させてプラズ
   マ溶接するプラズマ溶接トーチにおいて、 前記シールドガス通路(18)を形成する面に、電気的な絶
   縁手段を設けたことを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ溶接トーチにお
   いて、 前記外側キャップ(12)の内面に当接し、かつ、絶縁体か
   らなる位置決めリング(16)が設けられると共に、 前記絶縁手段が、この位置決めリング(16)よりも先端側
   に設けられたことを特徴とするプラズマ溶接トーチ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のプラズマ溶接トー
   チにおいて、 前記絶縁手段が、前記内側キャップ(17)又は前記ノズル
   (21)の外周面に設けられたことを特徴とするプラズマ溶
   接トーチ。
4. 【請求項４】 請求項１記載のプラズマ溶接トーチにお
   いて、 前記シールドガス通路(18)内の先端側に、スパッタの侵
   入を防止するスパッタ侵入防止手段(13)が設けられたこ
   とを特徴とするプラズマ溶接トーチ。