JPS5812108B2 - 熱イオン化ガス内で溶接する方法および溶接ト−チ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱イオン化ガス中で溶接する方法において、ミ
グ−アークが連続供給消耗電極とガスプラズマ内の加工
片の間に維持され、前記ガスプラズマが非消耗プラズマ
電極と第二電極間のガス流中に維持されるプラズマアー
クにより生ぜしめられる如き溶接方法に関するものであ
る。

プラズマ−ミグ−溶接法として知られるこの種の方法は
既に英国特許第１，３３８，８６６号明細書により知ら
れている。

この既知の方法によれば、溶接電流は接触管を経てノズ
ルの上流側で消耗電極に送られ、プラズマ電極のレベル
にある消耗電極部分がそのとき電流を通し、そのため電
磁相互作用がガスプラズマと前記電流を通す消耗電極間
に生ずる如くなしている。

この相互作用はプラズマアークを不安定にする。

この不安定性には２つの特色がある。

すなわち（ａ）ガスプラズマが消耗電極の回りで収縮す
ること、そのためにプラズマアーク間の電圧は増大する
こと。

これは有害な効果である、というのはプラズマ電力源の
垂下電圧特性の勾配の小さな部分が一般にプラズマアー
ク用に使われておりそのためプラズマアークの連続維持
が信頼性において劣るからである。

（ｂ）収縮したガスプラズマが消耗電極に沿って登るこ
と。

これは消耗電極の極性が（加工片に対して）正極の場合
に追加の望ましくない熱の上昇を生ぜしめ、消耗電極に
（プラズマ電極に対して）陰極を形成し始め、そのため
プラズマアークが加工片へは向けられずむしろ近くの消
耗電極へ向けられることになる。

後者は極めて望ましくない現象であり、それは溶接過程
が影響を受け、普通は溶接過程の連続性を乱すことにな
るからである。

既知の方法によれば、特にもし消耗電極上の陰極形
成が若干の酸素またはＣＯ２をプラズマガスに加えて促
進されるならばプラズマアークの安定性を負極性の場合
に維持することは可能であったが、安定性はもし接触管
とプラズマ電極の電位が比較的狭い限界内で相互に与え
られなければ得られない。

加工片への代りに消耗電極へプラズマ電極から完全にま
たは部分的に電流が移行することは容易に起り、このこ
とは望ましくなく、普通は溶接過程を乱すことになる。

というのは電磁力により押しやられるプラズマアークが
プラズマ電極と接触管の間で更に上方へ進み、またはこ
れらの部品が破損して漏れが生ずるという結果さえもた
らすからである。

既知の方法によれば、電流は接触管を経て消耗電極へ送
られるものでは、この管は普通はアークプラズマの作用
範囲外で普通はプラズマ電極の端の上流側でノズルの上
方に位置する。

その際に起る問題は、消耗電極の延長部、すなわち接触
管とその自由端間のその電流通し部分が比較的大きく、
これがある場合には有害になるということである。

本発明の目的はこれらの欠点を少なくとも軽減し、プラ
ズマ−ミグ−溶接法を改良し、その応用範囲を拡大する
ことにある。

この目的は本発明により、溶接電流をプラズマ電極の下
流側で消耗電極に送ることによって達成される。

消耗電極への電流供給がガスプラズマそれ自身の中で起
るという事実は溶接過程に悪い効果を与えないというこ
とを見出したのは驚くべきことである。

これに反して、プラズマ電極と消耗電極が正の極性の場
合もまた負の極性の場合にも利益が得られるのは明らか
である。

本発明による過程がとられたとき、プラズマ電極のレベ
ルにある消耗電極部分は電気を通さず、従ってガスプラ
ズマと消耗電極間の磁気的相互作用に起因するプラズマ
アークの不安定性は防止される。

その結果、プラズマ電極と消耗電極用の案内はノズルお
よび延長部、すなわち消耗電極の電気を通す部分に一層
近く配置することができる。

プラズマ電極と消耗電極の極性を負にして溶接する場合
に他の利益が存することは極めて明らかである。

たとえ放電がプラズマ電極と消耗電極の間に生じても、
この放電は上方へ進む傾向をもたない。

それに反して、この放電はむしろ加工片の方向に移動す
る。

プラズマ電極と消耗電極間の部分的または完全な放電は
もし溶接条件が偶発的にまたは故意に変化すれば、安定
な状態で生じプラズマ電極と加工片間のプラズマアーク
は維持され得ずまたはその維持が極めて困難になり、一
方消耗電極と加工片間の放電が維持されることになる。

このことは例えばもし溶接トーチと加工片間の動作距離
が所定の限界を越えて増大すれば起ることになる。

再び正規の動作距離が回復すると、プラズマアークは加
工片に向って再び自然に打ち当てられることになる。

このことはもし溶接トーチが手に持たれるならば本質的
に重要な利点である。

このことは可能であるが、それは消耗電極または加工片
上のプラズマアークの陽極形成が非常に円滑であるから
である。

本発明法を使用すればこの点についての完全な利益を得
ることができる。

というのはプラズマ電極と消耗電極間の放電がそのとき
安定となるからである。

主な利益はプラズマアークが既知の方法を使用したとき
時おり生ずる如きある種の乱れにより溶接中に消失する
ことは起らないという事実にある。

更に本発明法を使用すると、乱れを防止するためまたは
満足すべき溶接過程を得るために消耗電極とプラズマ電
極の電位を相互に正確に調節する必要はもはやないこと
が見出された。

満足すべき材料の移転が起る範囲はずっと大きくなる。

このことは多分消耗電極の延長部が短いことにより、消
耗電極をはさむ電圧勾配が小さな度合になることに起因
する。

プラズマ電極と消耗電極の極性が正である場合消耗電極
延長部が長いことが重要であり、それはこれにより消耗
電極の延長部が大きい場合よりも加工片の溶は込みが大
きくなり得るからである。

既知の方法を使ったときに生ずるミグ−アークの回転は
溶接電流の転移電流強度が高いときに起りそして消耗電
極の抵抗加熱が減少しそしてガスプラズマの加熱が減少
する結果として、電極材料の同じ溶着金属量についてこ
の転移電流強度以下での比較的大きな溶接電流強度の使
用が可能となる負の極性をもってするかかるプラズマア
ークの安定化は正の極性をもっては達成されない。

しかしプラズマ孔に対して一層好適なプラズマ電極の位
置を選択することはしばしば可能であり、それはプラズ
マ電極と消耗電極間の距離が小さいため乱れが起らない
からである。

本発明の好適な実施例によれば、溶接電流は熱イオン化
ガス雰囲気内に位置した接触区域を経て消耗電極に送ら
れる。

ガスプラズマにさらされる“開放”された接触区域は接
触管または接触リングの場合における閉鎖した接触区域
よりも一層好適な電流供給性をもつ。

ガス流がノズルのプラズマ孔を通して案内される好適な
方法によれば、消耗電極はノズルと接触させられ、溶接
電流はノズルを経て消耗電極に供給される。

本発明はまた上記方法を実施するための溶接トーチにも
関する。

この溶接トーチは非消耗プラズマ電極をもつハウジング
と、ワイヤ案内と、プラズマガス供給用の連結部をもつ
ものにおいて、プラズマ電極の下流側に配置した接触面
をもつ接触部材を備え、接触面の少なくとも一部はワイ
ヤ案内の中心線と実質的に整列している点に特徴を有す
る。

接触部材にはもしそれが適当に冷却されて電流転移によ
りそしてガスプラズマからの熱移転により起る熱の高ま
りに耐えられるようにされるものであれば如何なる部材
を使用してもかまわない。

本発明による溶接トーチの好適実施例はプラズマ孔をも
つノズルを備え、前記ノズルは接触部材として作用し、
ワイヤ案内がプラズマ孔に対して偏心的に配置されてお
り、ワイヤ案内の中心線がプラズマ孔の周辺部の一点と
実質的に整列している点に特徴を有する。

ノズルは接触部材として使用するのに極めて適しており
、それはそれが通常非常によく冷却されるからである。

この実施例のプラズマは円形かまたはだ円形である。

ノズルに対してワイヤ案内を対称的に配置することは溶
接過程に影響がないことが見出されている。

明らかに、ノズル外の溶接ワイヤの電流通し部分の電磁
界はその延長部の回りにガスプラズマを対称的に分散さ
せる。

接触部材としてノズルを使用するその他の利点はノズル
上の接触区域に溶接電流を供給することがトーチのハウ
ジングの壁を経て行なわれる点にある。

その結果、溶接ワイヤへの電流供給はプラズマ電極が位
置するハウジング内部に磁界を生ぜしめないか、または
弱い磁界を生ぜしめるに過ぎず、そのため溶接ワイヤを
通る電流がトーチ内にあるプラズマアーク部分に与える
影響は最少限度にされる。

本発明の溶接トーチの今１つの実施例はプラズマ孔を有
するノズルを備え、前記ノズルがプラズマ電極として作
用し、接触部材がノズルの下流側に配置されている点に
特徴を有する。

その結果、接触部材は比較的加工片の近くに置かれ、そ
のため溶接ワイヤの電流通し部分、それ故その延長部は
極めて短くなる。

本発明はまた本発明法を実施するための装置にも関し、
この装置は非消耗プラズマ電極とワイヤ案内とプラズマ
ガス供給源とをもつ溶接トーチおよびプラズマ電極を接
続する電力供給源とをもちその特徴とするところはプラ
ズマ電極の下流側に配置されかつ第二電力供給源に接続
された接触表面をもつ接触部材を備え、前記接触表面の
少なくとも一部はワイヤ案内の中心線と実質的に整列し
ている点にある。

本発明の装置の好適な実施例においては、トーチがプラ
ズマ孔をもつノズルを有していて、ノズルが第二電力供
給源に接続され、ワイヤ案内の中心線がプラズマ孔の周
辺部上の一点と実質的に整列している。

接触部材としてノズルを使用する結果、別個の接触装置
に省略することができる。

本発明装置は転移プラズマアークを用いての溶接にもま
た非転移プラズマアークを用いての溶接にも適している
。

転移プラズマアークはプラズマ電極と第二電極として作
用する加工片間に維持される。

非転移プラズマアークはプラズマ電極と加工片以外の第
二電極、例えばノズル、ノズルの上流側または下流側に
配置した環状電極または別個の棒状電極間に維持される
。

本発明装置の更に好適な実施例によれば、２つの電力供
給源が直列に接続され、ノズルが第一電力供給源に接続
され、スイッチが第二電力供給源に接続されている。

この装置により溶接過程は先ず非転移プラズマアークを
点火させ、ミグ−アークの点火後に転移プラズマアーク
で溶接することにより簡単な仕方で開始することができ
る。

他の好適実施例は第一電力供給源が変圧器により構成さ
れ、ノズルが補助電極を備えている簡単な、安価な装置
を提供する。

本発明の更に他の好適実施例はトーチがプラズマ孔をも
つノズルをもつもので、その特徴とするところは接触部
材がノズルの下流側に配置されている点に特徴を有する
。

溶接ワイヤの延長部が極めて短い状態での溶接は接触部
材がノズルと加工片間に配置されたときに可能となる。

更に好適な実施例は非常にコンパクトで簡単な装置
を提供し、これはノズルが第一電力供給源に接続されて
おり、かくして非消耗プラズマ電極として作用するもの
である。

別個のプラズマ電極はこうして省略することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面を参
照して説明する。

第１図に示す溶接装置１は溶接トーチ３を備え、これは
非消耗プラズマ電極５と、溶接トーチのハウジング２１
の中心線Ｔの各側に１つ配置されたワイヤ案内１５をも
っている。

ハウジング２１はプラズマ孔１３と不活性ガス流Ａの供
給用の連結部２３をもつノズル１１を有する。

遮へいガスＳは遮へい体２５中の連結部２７を経て供給
することができる。

本実施例ではタングステンからなるプラズマ電極５は銅
ホルダー２９上に設けられ、このホルダーは冷却水連結
部３１と３３および冷却ダクト（図示せず）を経て冷却
される。

ノズル１１とハウジング２１は普通の手法により冷却ダ
クト（図示せず）を備える。

電極ホルダー２９はＨＦ−発電機７を経て接続端子３５
を用いて第一電力供給源９の２つの極のうちの一方へ接
続され、その他方の極は加工片Ｗへ接続される。

接続端子３７を用いて、ノズル１１は第二電力供給源１
９の極の１つに接続され、その他方の極は加工片Ｗに接
続される。

ホルダー２９は合成材料の挿入体３９を用いてハウジン
グ２１に対して絶縁する。

溶着させられる溶接ワイヤ１７の運搬はモータ４３によ
り制御できる速度で駆動されるローラ４１を用いて行な
われる。

ワイヤ案内１５はノズル１１に相対的に配置され、ワイ
ヤ案内の中心線Ｙがプラズマ孔１３の境界を付けるノズ
ル１１の内周上の一点と実質的に整列していて、溶接ワ
イヤ１７が溶接電流を溶接ワイヤに送るための接触部材
として働くノズルの内周に接触する。

溶接ワイヤ、ノズルおよびプラズマ電極の極性は正でも
または負でも、これらの極性が同じである限り溶接を行
うことができる。

転移プラズマアークＰはプラズマ電極５と加工片Ｗの間
で高周波放電により点火され、電力供給源９により維持
される。

続いて、溶接ワイヤ１７は溶接ワイヤと加工片間にミグ
アークＭが点火した後に供給され得る。

溶接ワイヤは電力供給源により適当な電位に維持される
。

正の極性は負の極性より優れた利点がある。

すなわち溶接過程が高電流範囲で例えば２２５Ａ以上で
円滑に行なわれる。

負の極性が正極性より優れている利点はプラズマの安定
性が溶接ワイヤから加工片への放電が起る限り保証され
る点にある。

特定の場合における今１つの利点は材料の移転が溶融プ
ールをあまり乱さず、また溶融プール上の組合せアーク
の根元が一層規則正しく分布し、それ故溶着部の表面の
分散効果が小さくなる点にある。

両極性について、プラズマ電極５とノズル１１間に非転
移プラズマアークを用いて溶接することは別法として可
能である。

このためにはプラズマアーク用の電力供給源９を接続端
子４７を用いて加工片Ｗ上の接続部への代りにノズル１
１へ接続することで十分であり、その際２つの電力供給
源９と１９が直列に接続される。

プラズマアークにとっては加工片から完全に無関係とな
すのが有利である。

プラズマ電極とノズル間に非転移プラズマアークを用い
て溶接する後者の実施例では、加工片ＷとミグアークＭ
用の第二電力供給源１９間にスイッチ４９を設けるのが
実質的に有利である。

スイッチ４９が開くと、加工片Ｗに移転しないプラズマ
アークはプラズマ電極５とノズル１１間に点火する。

溶接ワイヤ１７の送りが始まると、スイツチ４９は閉ざ
されて、加工片−電源−ノズル−溶接ワイヤの接続が完
成し、溶接ワイヤを加工片に対して適当な電位になされ
る。

その結果、プラズマ電極は加工片に対してより高い電位
になる。

その結果、プラズマ電極５から出発するプラズマアーク
はノズル１１から加工片Ｗへ飛び、そして溶接ワイヤ１
７から加工片Ｗへの放電が直ちに始まる。

ワイヤ送りが止りそしてスイッチ４９が切られると、プ
ラズマアークはプラズマ電極５とノズル１１から非転移
形へ自動的に戻る。

その際この装置は溶接過程を再開する準備ができ、従つ
て高周波放電によるプラズマの点火がもはや不要となる
。

第１図に示す如く、接続端子４７を介してプラズマ電極
５とノズル１１間に非転移プラズマアークを形成する上
述の実施例のノズルはそれ自体既知の手法によりハウジ
ング２１内の第二のプラズマ電極５１により置き換える
ことができ、その際非転移プラズマアークは２つのプラ
ズマ電極５と５１間に形成されることになる。

もし両プラズマ電極５と５１がタングステンからなれば
、電力供給源９は変圧器から成る。

もし第三の電力供給源５３が２つのプラズマ電極のうち
の一方に接続されかつスイッチ５５を介して加工片Ｗに
接続されると、プラズマ電極５と加工片Ｗ間のプラズマ
アークの安定性は加工片に移されないハウジング２１内
の２つのプラズマ電極５と５１間のプラズマアークの同
時存在により確実にされる。

この理由は、もし加工片へめプラズマアークが溶接中の
乱れに起因して消えれば、これは加工片と独立している
２つのプラズマ電極間のプラズマアークにより生ずる熱
イオン化ガス流により再び直ちに点火されることになる
。

通常、溶接は溶接ワイヤ用とプラズマアーク用に直流を
用いて行なわれる。

破線で第１図に示しかつ２つの直列接続した電力供給源
９と１９およびスイッチ４９からなる実施例は簡単に安
価に、第一電力供給源９を安価な変圧器５７（第３図）
で置き換えることにより作ることができる。

その際タングステンの補助電極５９がノズル１１の内側
に配置される。

短時間の高周波放電を用いて、非転移交流アークがプラ
ズマアーク５と補助電極５９間に点火される。

２つのタングステン電極を備えるので、交流アークは高
周波放電を起すことなしに変圧器５７により維持され得
る。

ハウジング２１内に導入されたアルゴンガス流はノズル
１１を通るアークプラズマを加工片Ｗへ吹付ける。

装置はこうして高周波放電なしにプラズマニミグ溶接過
程の開始の準備が完了する。

このためには溶接ワイヤ１７の送りを始め、このワイヤ
がノズルに接触し、スイッチ４９が同時に閉ざされる。

溶接ワイヤ１７はその際ノズル１１を経て直流電源１９
の正極に接続され、その負極は加工片Ｗに接続される。

スイッチ４９を閉じたとき転移プラズマアークが電極５
と加工片Ｗ間に形成され、溶接ワイヤ１７の放電が直ち
に点火されて保持されることが見出された。

一旦溶接ワイヤ１７の直流放電が起ると、陰極は加工片
Ｗに永続的に存在し、プラズマ電極５から加工片Ｗへの
放電はその正の期間中宮にしっかりと点火されることに
なる。

プラズマ電極５の負の期間中、プラズマアークはプラズ
マ電極とノズル間に絶えず一定に存在する。

転移プラズマアークの最初の点火が極めて円滑に行なわ
れることは驚くべきことである。

それは陰極点が加工片上に形成されなければならないか
らである。

非転移プラズマアークの熱イオン化ガスの存在と正期間
中のプラズマ電極め電位の増大は直流電源１９の電圧を
もってすればこの目的にとって十分であることは明らか
である。

プラズマ流の半分だけが加工片に流れ、そのため溶着部
の熱が直流プラズマアークの場合よりも少ないという事
実にも拘らず、溶接結果の差はほんの僅かである。

ワイヤの４送りが終り、スイッチ４９が開くと、非転移
交流プラズマアークは始動を再び容易に行なうことがで
きる状態に留まることになる。

これらの回路のすべては５０Ａと５００Ａの間のワイヤ
電流と、５０Ａと３００Ａの間のプラズマ電流を用いた
溶接試験に使用して成功した。

試験では１．６〜０．９ｍｍの直径の鋼、ステンレス鋼
、銅、アルミニウムの溶接ワイヤが溶着させられた。

第４図は第二電力供給源１９に接続した別個の接触部材
６１をノズル１１と加工片Ｗ間に配置した実施例を示す
。

接触部材はワイヤ案内１５の中心線Ｙに平行な接触面６
３をもつ。

接触部材は接触面６３が中心線Ｙと実質的に一線に整列
するように配置される。

延長部りまたは溶接ワイヤ１７、すなわち接触部材と溶
接ワイヤ自由端間の電流通し部分は本実施例では極めて
短い。

接触部材６１は適切に冷却されるべきであり、この目的
で冷却ダクト（図示せず）を備えることができる。

第５図に示す実施例は水冷銅ホルダー７５と接触面７３
をもつタングステン部分７７からなる接触部材７１を備
える。

ノズル１１は第一電力供給源９に接触され、プラズマ電
極として作用する。

ハウジング２１内の別個のプラズマ電極はこうして除か
れる。

高周波発電機は本実施例ではもはや必要ない。

それはプラズマアークが溶接ワイヤを加工片と接触させ
ることにより点火することのできるミグアークにより任
意に点火させられるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実用実施例を示す図、第２図乃至第５
図は本発明法を実施する装置の他の実施例を夫々示す概
略図で同一部品には同一符号を付したものである。 １・・・・・・溶接装置、３・・・・・・溶接トーチ、
５・・・・・・非消耗プラズマ電極、９・・・・・・第
一電力供給源、１１・・・・・・ノズル、１３・・・・
・・プラズマ孔、１５・・・・・・ワイヤ案内、１７・
・・・・・溶接ワイヤ、１９・・・・・・第二電力供給
源、２１・・・・・・ハウジング、２９・・・・・・ホ
ルダー、３７・・・・・・接続端子、３９・・・・・・
挿入体、４１・・・・・・ローラ、４９，５５・・・・
・・スイッチ、５１・・・・・・第二プラズマ電極、５
３・・・・・・第三電力供給源、６１・・・・・・接触
部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマアークを非消耗プラズマ電極とこれを補足
   する電極との間でガス流中に維持し、プラズマアークに
   より生じたガスプラズマをノズルを通して導き、消耗電
   極をガスプラズマ内へかつノズルを通して加工片に向け
   て連続的に送り、ミグアークを消耗電極と加工片間に維
   持する熱イオン化ガス内で溶接する方法において、ミグ
   アーク電流をガスプラズマ内に置かれる接触区域で消耗
   電極へ供給することを特徴とする溶接方法。 ２、特許請求の範囲１記載の方法において、消耗電極を
   ノズルと接触せしめ、ミグアーク電流をノズルを経て消
   耗電極へ供給することを特徴とする方法。 ３ 孔をもつノズルを有するハウジングと、非消耗プラ
   ズマ電極と、消耗電極をノズル孔に通して導くためのハ
   ウジング中のワイヤ案内と、プラズマガス供給用連結部
   とを備えた溶接トーチにおいて、プラズマ電極５の下流
   側に位置した接触面４５．６３．７３をもつ接触部材１
   １．６１．７１を備え、前記接触面の少なくとも一部が
   ワイヤ案内１５の中心線Ｙと実質的に一線に整列してい
   ることを特徴とする溶接トーチ。 ４ 特許請求の範囲３記載の溶接トーチにおいて、ノズ
   ル１１は接触部材として作用するように適用され、ワイ
   ヤ案内１５はノズル孔１３に対して中心に配置され、ワ
   イヤ案内１５の中心線Ｙはノズル孔１３の内周４５と実
   質的に一線に整列していることを特徴とする溶接トーチ
   。 ５ 特許請求の範囲３記載の溶接トーチにおいて、ノズ
   ル１１は非消耗電極として作用するように適用され、接
   触部材７１はノズル１１の下流側に配置されることを特
   徴とする溶接トーチ。