JPS5916549B2 - プラズマミグ溶接方法及び溶接ト−チ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマミグ溶接方法と溶接トーチに関するも
のである。

本発明のアーク溶接方法にお【【−いてはミグ（ＭＩＧ
）アークを消耗電極と工作片間でガスプラズマ内に維持
し、前記ガスプラズマは遮へいガスにより包囲して｝わ
、前記ガスプラズマは非消粍電極と工作片間にプラズマ
アークにより発生せしめられ、同じ組成のガスをプラズ
マガスと遮へいガスとして用いそして１つの共通のガス
流として供給し、前記ガス流は非消粍電極の領域でプラ
ズマガスの中心柱と遮へいガスのジヤケツトに分割する
ようになつている。

この種の方法については既に本出願人の特開昭５３−９
５８５１号に示す如く提案されているが、先行技術の方
法は英国特許第１４５３４９４号により既知の溶接方法
を改善することを目的としたものである。

しかし、本発明は消耗電極の溶着速度を増すこと、工作
片の溶融と消耗電極からの材料の移転を改善することそ
して溶接プロセスの応用の範囲を拡大させることを目的
とするものである。

上記目的は本発明により主として達成することができる
。

この本発明法では、ガスプラズマの流速は遮へいガス、
それ故ガスプラズマを非消耗電極の下流側で絞ることに
よつて増大せしめる。遮へいガスジャケットの絞如によ
つて、比較的冷たい遮へいガスの一部分がプラズマ柱内
に進入し、そこで加熱？れ、膨張することは明らかであ
る。この結果、ガスプラズマの流速は極めて増大する。
ガスプラズマの流速の増大は２つの効果をもつ即ち消耗
電極からの材料移転を強く刺激し、工作片への熱伝達を
増す効果をもつ。この方法により得られる利益は後で詳
述する。消耗電極を通る溶接電流の移転電流強度は実質
的に減少し、例えば１．２１１の直径をもつアルミニウ
ムの消耗電極では１６０Ａから１００Ａへ減少する。

前記消耗電極を越えて材料移転は粒滴移転から噴霧移転
に移行する。前記移転電流強度の減少は消耗電極を通る
低電流強度での材料移転を実質的に改善する。即ちよジ
微細な粒滴の強力な噴射をもたらす結果となる。即ちこ
のことは”定位置（ＩｎｐＯｓｉｔｉＯｎ）゛での溶接
にとつては重要なことである。例えば垂直配列の板の溶
接の場合には、消粍電極を通る溶接電流は高過ぎてはい
けない。その理由は、もしそうでなければ溶融プールが
熱過ぎ、そして大き過ぎるようにな如それ故したたり落
ちることになるからである。粒滴は短期間加熱されそし
て消耗電極により速く溶着する。

その理由はもしそうでなければ過熱を起すエネルギーの
一部がこの場合は消耗電極を溶融するために使われるか
らである。例えば前記既知の方法によつてアルミニウム
ワイヤを溶接するとき、過熱が非常に強くなる。即ち消
耗電極を通る電流強度が１６０Ａでは、１７００℃の低
下温度を測定した。これは過熱が１０００℃より大きい
ことを意味する。本発明法の実験から、既知の方法に比
べて、消耗電極用の電流源によつて供給されるアンペア
当Ｖ）４０％の消耗電極の溶着速度の増大があることが
判つた。アルミニウム工作片の溶接については、比較的
低温のしたたわ落ちが特に有益である。その理由はその
とき水素が溶接アークを囲んでいる大気から僅かしか吸
収されないので、前記既知の方法に比べて溶接部には僅
かな気孔しかできないからである。以上の説明より、本
発明の方法が既知の方法に関して、実際上の要件に応じ
て下記のことを可能とするものであることが明らかであ
る。

即ち、所定の溶接電流に対して消耗電極の溶着速度を増
大させて溶接間隙を同じ熱入力で一層速やかに充填せし
めること：または特に”定位置１の溶接に卦いて、消耗
電極を通る低電流強度で、それ故溶融プールの低温度で
溶接金属の所定量を溶着させること：または溶着速度に
関しては明らかに中間値を適用できる上記両者の組合せ
、すなわち電流強度と溶融プールの温度を組合せること
が可能である。高速で流れるガスプラズマの増大した推
力によつて、熱いガスプラズマから工作片の溶融域への
熱伝達は増大する。

熱伝達のこの増大の理由の一部は液状金属がガスプラズ
マによつて吹き飛ば？れて、前記プールの固状の底が露
出するからである。他の理由としては速やかに流れるガ
スプラズマからの熱伝達がゆつくり流れるガスからのも
のよりも大きいからである。この結果、工作片の溶け込
みがより良くなる。このことはなめらかな変り目を得る
のに有益である。また、遮へいガスジャケットの絞ｖに
も拘わらず、遮へいガスによるプラズマ柱の遮へいは十
分に維持される。

このことは極めて有益な側面効果（Ｓｉｄｅ−Ｅｆｆｅ
ｃｔ）となる。これは実際上十分であることが証されて
いる空気の進入を阻止する溶融プールの遮へいが得られ
るアルミニウムの溶接の場合には極めて重要である。他
の材料の溶接のためにはもし必要であれば追加のガス遮
へいを用いることができる。低温度の溶着金属の所定量
が消耗電極を通る低電流強度で溶着するので、溶融プー
ルの大きさは小さいにも拘わらず、工作片の溶け込みは
増す。

更に粒滴移転の好適な方法が得られる。゛定位置”の溶
接が実質的に改善されることは明らかである。即ち消耗
電極を通る必然的に低い電流強度が原因となつて、既知
の溶接プロセスによる工作片の溶融はしばしば最低限度
となり、゛結合”の欠陥が生ずることもある。ガスプラ
ズマの絞り自体は英国特許８４５４１０号から既知であ
る。

しかしガスプラズマはこの場合は縮小したプラズマオリ
フイスによつて直接に絞られる。遮へいガスは個別に供
給され、プラズマガスと異なつた組成をもつているが、
絞られない。また消耗電極は横からガスプラズマに導入
するので、消耗電極に関して前述した利益と効果は得ら
れないかまたは部分的に得られるに過ぎない。本発明に
よる方法によつて溶接した工作片は比較的狭いビード、
比較的深い溶け込み、溶接個所に気孔が生じない等の点
に特徴を有する。本発明はまた本発明の前記方法を実施
するための溶接トーチにも関するものである。

この溶接トーチはプラズマオリフイスを有するノズルを
もつハウジングと、ガス入口と、ハウジング沖の接触管
と、出口孔をもつガス誘導管を含み、また前記ノズルは
中心電極リングからな楓前記リングは半径方向に延びる
リブによりハウジングに連結してふ一り、前記リブはリ
ブ間にガス通過管路を形成している。この種のトーチ構
造は前記本出願人の特開昭５３−９５８５１号に示す如
く提案されているが、本発明の溶接トーチは前記出口孔
の横断面積がガス通過管路とノズル中のプラズマオリフ
イスの横断面積の組合せより小さい点に特徴を有する。
この溶接トーチは遮へいガスジャケットとプラズマ柱を
強く絞りそのためのガスプラズマは出口孔を通る間に加
速される。本発明による溶接トーチは非常に簡単で、小
さく頑丈であり１全自動または半自動の溶接用に適して
訃沙また手動トーチとしても適している。上述の溶接ト
ーチは絞ジ効果を得るため、それ故ガスプラズマの加速
のために適しているが、しかしそれはガスの所定の最少
量を溶接トーチに供給する場合のみである。

出口開口の横断面積と、プラズマオリフイスとガス通過
管路の組合せ横断面積の比は本発明の好適例では１：１
．３より小さく、１：４より大きいので、絞り効果、そ
れ故ガスプラズマの加速があらゆる場合に得られる。本
発明の溶接トーチの別の好適実施例は出口孔の横断面積
がプラズマオリフイスの横断面積と等しいかまたはそれ
より小さい点に特徴を有する。この事実によつて、出口
孔の絞り効果とガスプラズマの加速は単位時間当りに溶
接トーチに供給されるガス量の変化に影響される。英国
特許第４０１６３９７号から既知の溶接トーチを使用す
ると、１５〜４０リツトル／分のガス量が実際上供給さ
れる。

かかるガス量が供給されると、ガスプラズマの最適の絞
りと加速が本発明の溶接トーチの更に別の好適実施例に
訃いて得られる。この例ではプラズマオリフイスと出口
孔は円形断面をもち、出口孔とプラズマオリフイスの各
々は少なくとも６ｍ７７！のそして高々１２ｍｕの直径
をもつている。以下、本発明の１実施例を添附図面に基
づき詳述する。

第１，２図に示す溶接トーチ１はノズル５とガス入口７
をもつハウジングを含む。

ハウジング３内には接触管９を配置し、これは溶着せし
めるべき溶接ワイヤ１１に電流を伝え、またそれを案内
する働きをする。接触管９は絶縁リンク１３を用いてハ
ウジング３から絶縁する。ノズル５は中心電極リング１
５を有し、この電極リングはプラズマオリフイス１６を
備え、またプラズマアーク用の非消耗電極として働くも
のである。前記ノズルは更にヒートシンクとして働く支
持体１７と、多数の半径方向リブ１９を有している。前
記リブはスパイダ（くも）状に電極リング１５の外周に
規則正しく分散するのが好適でありまた支持体１７に電
極リング１５を連結している。支持体１７はねじ連結部
２１によりハウジング３は機械的に、熱的にかつ電気的
に連結している。

ノズル５は主として円筒形ガス誘導管２３によジ囲まれ
、前記誘導管は合成材料のリング２５を用いてハウジン
グ３から絶縁し、あるすき間をもつて支持体１７を取囲
んでいる。冷却水ジヤケツト２７はガス誘導管２３と支
持体１７の間に形成され、このジヤケツトはシールリン
グ２９を用いてシールし、前記リングはまたガス誘導管
２３をハウジング３から電気絶縁する働きもする。冷却
水ジヤケツト２７は冷却水の入口と出口用連結部（図示
せず）に連通する。ガス誘導管は概して円錐形の端部３
１をもちこの端部は出口孔３２をもちまた軸線方向で見
て、電極リング１５の下流側に延びている。溶接ワイヤ
１１は可変速度モータ３５によ）駆動される移送ローラ
３３により供給する。接触管９は第一電力供給源３９の
１つの極に電気接続するための接続端子３７を有し、前
記供給源の他方の極は工作片Ｗに接続する。電極リング
１５はハウジング３上の接続端子４１、ハウジング３、
支持体１７、リブ１９を経て第二電力供給源４３の１つ
の極に接続し、その他方の極は工作片Ｗに接続する。工
作片Ｗの溶接のために、ガス流Ｇをガス入口７を経て供
給する。

前記ガスはノズル５の方向にハウジング３を通つて流れ
る。続いて、溶接ワイヤ１１を送り、ミグアークＭを溶
接ワイヤ１１と工作片Ｗの間に、例えば溶接ワイヤを工
作片に接触させることによつて発生させる。電極リング
１５と工作片Ｗ間のプラズマアークはミグアークによつ
て自発的に発生する。ノズル５内でガス流Ｇは電極リン
グ１５とリブ１９により２つの副流に分割され、即ちプ
ラズマオリフイスを通つて流れる中心ガス柱が生じ、こ
れは電極リング１５と工作片Ｗ間のプラズマアークの発
生後ガスプラズマＰを形成すべくイオン化され、また比
較的冷たい非イオン化遮へいガスのジヤケツトＳが生じ
、この遮へいガスはリブ１９間にあるガス通過導管２０
を通つて流れそしてガスプラズマＰを包囲する。電流を
通して電極リング１５へ送るリブ１９はまた電極リング
１５からヒートシンクとして働く支持体１７へ熱を放散
せしめる。本発明によれば、出口孔３２の自由横断面積
はガス通過導管２０とブラズマオリフイス１６の横断面
積の組合せより小さい。

好適には、出口孔３２の横断面積はプラズマオリフイス
の断面積と等しいかまたはそれよね小さい。出口孔とプ
ラズマオリフイスが円形横断面をもつ溶接トーチを用い
てかつ前記の横断面積の割合を守つて試験を行なつたと
ころ、プラズマオリフイスと出口孔の直径が６１１と１
２１１の間のときに優れた結果が得られた。

この場合アルミニウムとアルミニウム合金の溶接にはア
ルゴンおよびアルゴンとヘリウムの混合物を使用したが
、鋼の溶接にはアルゴンとＣＯ２または酸素の混合物を
使用し、ガスの供給量は１５乃至４０２／分に変化させ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溶接トーチの概略の縦断面図、第
２図は第１図の線−上でとつた溶接トーチの横断面図で
ある。 １・・・・・・溶接トーチ、３・・・・・・ハウジング
、５・・・・・・ノズル、７・・・・・・ガス入口、９
・・・・・・接触管、１１・・・・・・接続ワイヤ、１
５・・・・・・電極リング、１７・・−・・・支持体、
１９・・・・・・半径方向リブ、２１・・・・・・連結
部、２３・・・・・・誘導管、２７・・・・・・冷却水
ジャケット、２９・・・・・・シールリング、３２・・
・・・・出口孔、３７・・・・・・接続端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 遮へいガスにより包囲したガスプラズマ中で工作片
   と消耗電極間にミグアークを維持し、前記ガスプラズマ
   は非消耗プラズマ電極として作用する環状ノズルと工作
   片間にプラズマアークによつて生ぜしめられたものとし
   、組成の同じ１つのガスをプラズマガスおよび遮へいガ
   スとして用いかつ１つの共通ガス流として供給し、この
   ガス流を前記プラズマ電極によつて、前記消耗電極とミ
   グアークを包囲するプラズマ形成ガスの中心柱と遮へい
   ガスのジャケットとに分割するようになしたプラズマミ
   グ溶接方法において、非消耗プラズマ電極の下流側でプ
   ラズマ形成ガスの中心柱と遮へいガスのジャケットを共
   通の出口オリフィスを通過せしめて再び合流したガス流
   を形成するようになし、その際遮へいガスを絞ることに
   よつてプラズマの流速を増大させてガスプラズマを形成
   するようになしたことを特徴とするプラズマミグ溶接方
   法。 ２ プラズマオリフィスをもつノズルを備えたハウジン
   グと、ガス入口と、前記ハウジング内の接触管と、出口
   孔を備えたガス誘導管とを含み、前記ノズルは中心電極
   リングからなり、前記リングは間にガス通過導管を形成
   する半径方向に延びたリブにより前記ハウジングに連結
   している如き溶接トーチにおいて、前記出口孔３２の横
   断面積を前記ガス通過導管２０とノズル５内のプラズマ
   オリフィス１６の組合せた横断面積より小さくしたこと
   を特徴とする溶接トーチ。 ３ 前記出口孔３２の横断面積と、プラズマオリフィス
   １６とガス通過導管２０の組合せ横断面積との比を１：
   １．３より小さくかつ１：４より大きくすることを特徴
   とする特許請求の範囲２記載の溶接トーチ。 ４ 前記出口孔３２の横断面積をプラズマオリフィス１
   ６の横断面積に等しいかまたはそれより小さくすること
   を特徴とする特許請求の範囲２または３記載の溶接トー
   チ。 ５ プラズマオリフィスと出口孔が円形横断面をもつて
   いて、出口孔３２とプラズマオリフィス１６が少なくと
   も６ｍｍで精々１２ｍｍの直径をもつことを特徴とする
   特許請求の範囲４記載の溶接トーチ。