等离子焊炬和等离子弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种等离子焊炬(plasma torch)和等离子弧焊接方法。详 细地，涉及一种等离子弧焊接中所使用的等离子焊炬和等离子弧焊接方 法。

背景技术

根据现有技术，已知等离子弧焊接。在该等离子弧焊接中，使用焊接 用等离子焊炬。该焊接用等离子焊炬例如包括：棒状的电极；包围该电极 而设置并喷出等离子气体的第1喷嘴；和包围该第1喷嘴而设置并喷出保 护气体的第2喷嘴(参考专利文献1)。

根据该焊接用等离子焊炬，从第1喷嘴喷出等离子气体，并且在电极 和非焊接材料之间施加电压，从而产生弧。此时，从第2喷嘴按照包围弧 的周围的方式喷出保护气体，从而防止大气中的氮气和氧气流入到焊接 部。

然而，要进行通过将厚度不同的2种板材对接焊(butt welding)来形 成拼焊板(tailored blank)材料。在该情况下，当使用上述的焊接用等离 子焊炬时，沿着焊接焊道的两端，产生母材凹陷的咬边。在特别薄的板材 中，产生该咬边的部分的板厚变成相当的薄。因此，存在不能够确保拼焊 板材料的强度的担心。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2008-284580号公报。

发明内容

本发明的一个以上的实施方式，提供一种在焊接不同厚度的工件时， 能够确保焊接后的工件的强度的等离子焊炬和等离子弧焊接方法。

根据本发明一个以上的实施方式，等离子弧焊接中所使用的等离子焊 炬(例如，后述的等离子焊炬1)，包括：棒状的电极(例如，后述的电 极10)；包围该电极而设置且喷出等离子气体的圆筒形状的第1喷嘴(例 如，后述的第1喷嘴11)；以及包围该第1喷嘴而设置且喷出保护气体的 圆筒形状的第2喷嘴(例如，后述的第2喷嘴12)。该第2喷嘴的喷出口 (例如，后述的第2喷出口121)，朝向相对于所述电极的轴方向而大致 平行的方向或者离开该电极的方向。在所述第1喷嘴的外周面或者所述第 2喷嘴的内周面上，形成相对于所述电极的轴方向而倾斜的多个沟部(例 如，后述的沟部141)。

根据上述的结构，从第1喷嘴喷出等离子气体，并且使电压施加在电 极和工件之间而产生弧，并且从第2喷嘴按照包围弧的周围的方式喷出保 护气体。在第1喷嘴的外周面或者第2喷嘴的内周面上形成相对于电极的 轴方向而倾斜的多个沟部。因此，从第2喷嘴喷出的保护气体，螺旋状地 流动，在将弧设为旋转中心而进行旋转的方向上对熔池的表面进行喷射 (吹き付け)。

在该状态下，当使等离子弧在焊接方向上移动时，熔池变成在俯视时 向着等离子弧的后方进行延伸。因此，通过喷射的保护气体，等离子弧的 前进方向后侧的熔融金属被挤压而移动。因此，在焊接厚度不同的工件的 情况下，将保护气体喷射到熔池的表面，通过将等离子弧的前进方向后侧 的熔融金属向着薄的工件进行移动，从而能够通过该移动的熔融金属而填 埋薄的工件的母材的凹陷部分。其结果，能够防止薄的工件的板厚由于咬 边而变薄的情况，能够确保焊接后的工件的强度。

此外，第2喷嘴的喷出口朝向相对于电极的轴方向而大致平行的方向 或者离开电极的方向。在使第2喷嘴的喷出口朝向离开电极的方向的情况 下，当从该第2喷嘴喷出保护气体时，喷射的保护气体在离开弧的方向上 扩展。因此，由于保护气体不直接碰撞弧，因此能够防止弧散乱，从而焊 接稳定。此外，在使第2喷嘴的喷出口朝向相对于电极的轴方向而大致平 行的方向的情况下，即使从该第2喷嘴喷出保护气体，由于在该第2喷嘴 的喷出口的外侧产生负压，因此该喷出的保护气体在离开弧的方向上扩 展。因此，由于保护气体不直接碰撞弧，因此能够防止弧散乱，从而焊接 稳定。

这里，在日本国专利第3205540号公报中，示出了切断用等离子焊炬。 但是，在该切断用等离子焊炬中，由于保护气体碰撞弧，因此存在弧散乱、 焊接不稳定的担心。

所述沟部可以延伸到所述第2喷嘴的喷出口为止。

在日本国专利第3205540号公报示出那样的切断用等离子焊炬中，保 护气体的流量变多，熔池飞散。相反，在保护气体的流量少时，此时等离 子气体变成不稳定，而且不能够使熔融金属充分地移动。另一方面，如果 将沟部延长到第2喷嘴的喷出口为止，则即使保护气体的流量少，也能够 使等离子气体稳定，并且使熔融金属可靠地移动。

与所述第1喷嘴的喷出口相比，所述第2喷嘴的喷出口可以位于所述 电极的轴方向的基端一侧。

在第2喷嘴的喷出口相对第1喷嘴的喷出口位于电极的轴方向的相同 位置或者前端一侧时，存在从第2喷嘴喷射的保护气体容易直接碰撞弧而 使弧散乱之类的问题。另一方面，如果与第1喷嘴的喷出口相比，使第2 喷嘴的喷出口位于电极的轴方向的基端一侧，则能够防止保护气体直接碰 撞弧，能够防止弧散乱。

根据本发明的一个以上的实施方式，等离子弧焊接方法由下述步骤构 成：按照沿着弧表面而螺旋状地流动的方式喷出保护气体，并喷射到熔池 的表面，通过该被喷射的保护气体，使所述熔池内的熔融金属在预定方向 上移动。

根据上述方法，通过喷射的保护气体，使熔池内的熔融金属在预定方 向上移动。因此，在焊接厚度不同的工件时，通过向着薄的工件使熔融金 属移动，由该移动的熔融金属来填埋薄的工件的母材的凹陷部分。其结果， 能够防止薄的工件的板厚通过咬边而变薄的情况，能够确保焊接后的工件 的强度。此外，由于按照沿着工件的表面而螺旋状地进行流动的方式喷出 保护气体，因此保护气体不直接碰撞弧，从而防止弧散乱而使焊接稳定。 此外，由于将保护气体喷射到熔池的表面，使该熔池内的熔融金属在预定 方向上移动，因此能够在熔融部凝固之前压平熔池的凸起。此外，与用金 属线使熔池内的熔融金属移动的情况相比，能够增大流量。此外，与通过 磁场使熔池内的熔融金属移动的情况相比，能够使设备小型化，并且即使 对弧设定前进角，也能够防止弧弯曲并减少热量的情况。

而且，在将厚度不同的工件进行对接焊接的情况下，可以喷出所述保 护气体，使得所述熔池内的所述弧的前进方向后侧的流动向着薄的工件。

如果通过喷出保护气体使得熔池内的弧的前进方向后侧的熔融金属 向着薄的工件来将厚度不同的工件进行对接焊接，则通过喷射的保护气 体，使等离子弧的前进方向后侧的熔融金属被挤压而向着薄的工件进行移 动。然后，通过该移动的熔融金属，填埋薄的工件的母材的凹陷部分。其 结果，能够防止薄的工件的板厚由于咬边而变薄的情况，能够确保焊接后 的工件的强度。

其他的特征和效果根据实施例的记载和所附的权利要求而明确。

附图说明

图1是本发明的典型实施方式涉及的等离子焊炬的剖面图。

图2是所述实施方式涉及的等离子焊炬的第1喷嘴的立体图。

图3是用于说明所述实施方式涉及的等离子焊炬的动作的立体图。

图4是用于说明所述实施方式涉及的等离子焊炬的动作的平面图。

图5(a)和图5(b)是表示比较例的实验结果的示意图，图5(c) 是表示本发明的实施例的实验结果的示意图。

具体实施方式

下面，基于附图，说明本发明的典型实施方式。图1是典型实施方式 涉及的等离子焊炬1的剖面图。等离子焊炬1包括：棒状的电极10、包围 该电极10而设置且喷出等离子气体的圆筒形状的第1喷嘴11、包围该第 1喷嘴11而设置且喷出保护气体的圆筒形状的第2喷嘴12。

在第1喷嘴11前端，形成了圆形状的第1喷出口111，通过该第1 喷出口111，等离子气体喷出。该第1喷嘴11包括：筒状的内筒部13、 包围该内筒部13而设置的外筒部14。

图2是第1喷嘴11的外筒部14的立体图。外筒部14的前端部分是 随着向着前端而变细的大致圆锥形状，在该外筒部14的前端部分的外周 面上，形成了相对于电极10的轴方向而倾斜的多个沟部141。该沟部141 延伸到外筒部14的前端为止。

返回图1，在第2喷嘴12的前端，形成了圆环形状的第2喷出口121， 通过该第2喷出口121，保护气体喷出。第2喷嘴12的喷出口121，越向 着前端就越向着离开电极10的方向。而且，可以将第2喷嘴12的喷出口 121配置成相对电极10的轴方向大致平行。此外，第2喷嘴12的喷出口 121与第1喷嘴11的喷出口111相比，位于电极10的轴方向的基端一侧。 此外，上述的第1喷嘴11的沟部141延伸到第2喷嘴12的喷出口121为 止。

下面，参考图3和图4，说明使用等离子焊炬1的等离子弧焊接。具 体地，将厚度薄的板材即工件W₁和厚度比工件W₁厚的板材即工件W₂对 接焊接，形成拼焊板材料。

首先，从第1喷嘴11的第1喷出口111喷出等离子气体，并且施加 在电极10和工件W₁，W₂之间而产生弧A。从第2喷嘴12的第2喷出口 121喷出保护气体，使得包围弧A的周围。

于是，保护气体沿着多个沟部141在图3中空心箭头的方向上流动， 从第2喷出口121喷出。该喷出的保护气体在离开弧A的方向上扩展，同 时沿着弧A的表面而螺旋状地流动，对熔池P的表面，在将弧A设为旋 转中心而进行旋转的方向即图3中黑箭头方向上喷射。具体地，如图4所 示，对工件W₁、W₂的8个位置喷射保护气体，各个位置上的保护气体的 流动方向成为图4中由黑箭头所示那样。

在该状态下，当使弧A在焊接方向上移动时，熔池P如图4所示，变 成在俯视看向着弧A的后方进行延伸。因此，通过喷射的保护气体，弧A 的前进方向后侧的由图4中虚线所包围的区域的熔融金属，向着薄的工件 W₁被挤压而移动。然后，通过该移动的熔融金属，埋进薄的工件W₁的母 材的凹陷部分。

以下，说明本发明的实施例和比较例。在比较例1中，使用现有技术 的等离子焊炬来将厚度不同的板材W₁，W₂对接焊接。在该比较例1中， 将焊接速度设为分速1m。在比较例2中，使用现有技术的等离子焊炬来 将厚度不同的板材W₁、W₂对接焊接。在该比较例2中，将焊接速度设为 分速1.5m。在实施例中，使用本发明的等离子焊炬来将厚度不同的板材 W₁、W₂对接焊接。在该实施例中，将焊接速度设为分速1.5m。

图5(a)是比较例1的实验结果，图5(b)是比较例2的实验结果， 图5(c)是实施例的实验结果。根据这些实验结果可以判断，在使用现有 技术的等离子焊炬的情况下，当将焊接速度放慢到分速1m时，薄的工件 W₁的咬边比较小，而当使焊接速度上升并设为分速1.5m时，薄的工件 W₁的咬边变大。与此相对，能够判断，在使用本发明的等离子焊炬的情 况下，即使将焊接速度设为分速1.5m，也能够使薄的工件W₁的咬边变小。

根据上述的典型实施方式，具有以下这样的效果。

(1)从第1喷嘴11喷出等离子气体，并且施加在电极10和工件W₁， W₂之间并产生弧，同时按照包围弧的周围的方式从第2喷嘴12喷出保护 气体。此时，在第1喷嘴11的外周面上预先形成相对于电极10的轴方向 而倾斜的多个沟部141。因此，从第2喷嘴12喷出的保护气体，螺旋状地 流动，对熔池P的表面，在将弧A设为旋转中心而进行旋转的方向上进行 喷射。在该状态下，当使弧A在焊接方向上移动时，熔池P变成在俯视看 向着弧A的后方进行延伸。因此，通过喷射的保护气体，弧A的前进方 向后侧的熔融金属在预定方向上被挤压而移动。因此，在焊接厚度不同的 工件W₁，W₂的情况下，将保护气体喷射到熔池P的表面，通过将弧的前 进方向后侧的熔融金属向着薄的工件W₁进行移动，能够通过该移动的熔 融金属而填埋薄的工件W₁的母材的凹陷部分。其结果，能够抑制薄的工 件的板厚通过咬边而变薄的情况，能够确保焊接后的工件的强度。

(2)由于将第2喷嘴12的喷出口121向着离开电极10的方向，因 此当从该第2喷嘴12喷出保护气体时，喷射的保护气体在离开弧的方向 上扩展。因此，由于保护气体不直接碰撞弧，因此能够防止弧散乱，从而 焊接稳定。

(3)将沟部141延伸到第2喷嘴12的第2喷出口121为止。通过这 样，即使保护气体的流量减少，也能够使等离子气体稳定且使熔融金属可 靠地移动。

(4)由于与第1喷嘴11的第1喷出口111相比，使第2喷嘴12的 第2喷出口121位于电极10的轴方向的基端一侧，因此能够防止保护气 体直接碰撞弧，能够防止弧散乱。

而且，本发明不局限于所述的典型实施方式，本发明还包含在能够实 现本发明的目的的范围内的变形、改良等。

符号说明

1等离子焊炬

10电极

11第1喷嘴

12第2喷嘴

111第1喷出口

121第2喷出口

141沟部

P熔池

W₁、W₂工件