特許 6804964 溶接トーチ及び全姿勢溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6804964

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】溶接トーチ及び全姿勢溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/29 20060101AFI20201214BHJP

   B23K 9/028 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/29 B

   B23K9/028 D

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-242470(P2016-242470)

(22)【出願日】2016年12月14日

(65)【公開番号】特開2018-94603(P2018-94603A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年12月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤松 政彦

(72)【発明者】

【氏名】米本 臣吾

(72)【発明者】

【氏名】上月 崇功

(72)【発明者】

【氏名】日比野 真也

(72)【発明者】

【氏名】池澤 行雄

(72)【発明者】

【氏名】新見 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】荒尾 秋諭

【審査官】 山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１３９７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５００３１５０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７４１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭６２−０６１３９３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開昭５７−０３９０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０８３１７１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／０２ − ９／０３８

Ｂ２３Ｋ ９／２９、９／１６７、１０１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非消耗電極と、
前記非消耗電極が挿入されるコレットと、
不活性ガスが流入するシールドガス流路、及び、前記シールドガス流路と連通するアウターガス流路を形成する流路形成部と、前記シールドガス流路の前記不活性ガスを整流してシールドガスとして吹き出す第１のガスレンズと、前記アウターガス流路の前記不活性ガスを整流してアウターガスとして吹き出す第２のガスレンズと、前記コレットを保持するスリーブと、前記非消耗電極の前記コレットから延出した先端部の周囲にシールドガス案内空間を形成するシールドガスノズルと、前記シールドガスノズルの周囲にアウターガス案内空間を形成するアウターガスノズルとを有するトーチ本体とを備え、
前記流路形成部は前記スリーブの周囲に前記シールドガス流路を形成しており、前記第１のガスレンズは前記シールドガス流路と前記シールドガス案内空間とを隔てるように配置され、前記第２のガスレンズは前記アウターガス流路と前記アウターガス案内空間とを隔てるように配置されている、
溶接トーチ。

【請求項2】

前記シールドガス流路は環状を呈しており、前記シールドガス流路を、前記不活性ガスの流入部を含む第１部分と、余の第２部分とに周方向に２分割したときに、前記シールドガス流路の前記第２部分に前記アウターガス流路が接続されている、
請求項１に記載の溶接トーチ。

【請求項3】

前記シールドガス流路と前記アウターガス流路とが、前記アウターガス流路の流路面積よりも小さい流路面積を有する連通口を通じて連通されている、
請求項１又は２に記載の溶接トーチ。

【請求項4】

前記シールドガス流路が、前記スリーブの周囲に形成され、前記第１のガスレンズに臨む内周流路と、前記内周流路の周囲に形成され、連通口が設けられた隔壁により隔たれた外周流路とを含み、
前記アウターガス流路が、前記外周流路と連通されている、
請求項１に記載の溶接トーチ。

【請求項5】

チューブ同士の突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接トーチと、
前記溶接トーチを前記チューブの回りに回転させる回転機構とを、備える、
全姿勢溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チューブの突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置に好適な溶接トーチ、及びこの溶接トーチを備えた全姿勢溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、チューブ同士の突合せ溶接を自動的に行う全姿勢溶接装置が知られている。このような全姿勢溶接装置は、例えば、ボイラパネルなどの、複数のチューブが狭いピッチで配列される装置の製造に用いられることがある。特許文献１では、上記のような狭隘な間隙を通過できる溶接トーチとそれを備えた全姿勢溶接装置が開示されている。

【0003】

特許文献１の溶接トーチは、非消耗電極と、非消耗電極が挿入されるコレットと、トーチ本体と、高剛性の多孔質リングとを備えている。トーチ本体は、コレットに貫通される天井壁と、その天井壁及びコレットに面するシールドガス流路を取り囲む胴部とを有している。多孔質リングは、シールドガス流路を閉塞するようにトーチ本体の胴部に接合されており、コレットの先端と当接するテーパ状の内周面を有している。この溶接トーチでは、非消耗電極が挿入されたコレットの先端が多孔質リングの内周面によって縮径されることによって、非消耗電極がコレットに保持されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−１７４１４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、溶接ビード痕を美しく仕上げるために、溶接中に溶融凝固したビードに不活性ガス（アウターガス）を吹き付けることがある。特許文献１に記載の溶接トーチでは、アウターガスを吹き付けるノズルは備えられていない。

【0006】

そこで、本発明は、アウターガスノズルを備える溶接トーチであって、更なる小型化を実現しうるものを提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る溶接トーチは、
非消耗電極と、
前記非消耗電極が挿入されるコレットと、
不活性ガスが流入するシールドガス流路、及び、前記シールドガス流路と連通するアウターガス流路を形成する流路形成部と、前記シールドガス流路の前記不活性ガスを整流して吹き出す第１のガスレンズと、前記アウターガス流路の前記不活性ガスを整流して吹き出す第２のガスレンズと、前記コレットを保持するスリーブと、前記非消耗電極の前記コレットから延出した先端部の周囲にシールドガス案内空間を形成するシールドガスノズルと、前記シールドガスノズルの周囲にアウターガス案内空間を形成するアウターガスノズルとを有するトーチ本体とを備え、
前記流路形成部は前記スリーブの周囲に前記シールドガス流路を形成しており、前記第１のガスレンズは前記シールドガス流路と前記シールドガス案内空間とを隔てるように配置され、前記第２のガスレンズは前記アウターガス流路と前記アウターガス案内空間とを隔てるように配置されていることを特徴としている。

【0008】

また、本発明の一態様に係る全姿勢溶接装置は、チューブ同士の突合せ溶接を行う全姿勢溶接装置であって、前記溶接トーチと、前記溶接トーチを前記チューブの回りに回転させる回転機構とを、備えることを特徴としている。

【0009】

上記溶接トーチ及び全姿勢溶接装置では、シールドガス流路とアウターガス流路とが連通されており、溶接トーチにシールドガスとして供給された不活性ガスの一部をアウターガスとして利用している。つまり、溶接トーチに供給された不活性ガスは、シールドガス流路の一部又は全部を利用して、アウターガス流路まで運ばれる。このように、シールドガス流路とアウターガス流路とが独立していないので、流路を共用する分、ガス流路を短縮し、更に、アウターガスのためにホースと接続される継手部を省略することができる。よって、アウターガスノズルを備えた溶接トーチの小型化を図ることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、アウターガスノズルを備え、更なる小型化を実現しうる溶接トーチ及び全姿勢溶接装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る溶接トーチが装備された全姿勢溶接装置の正面図である。

【図2】図２は、図１に示す全姿勢溶接装置の側面図である。

【図3】図３は、溶接トーチの平面図である。

【図4】図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。

【図5】図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

【図6】図６は、図４のVI−VI線に沿った断面図である。

【図7】図７は、ガスレンズの平面図である。

【図8】図８は、ガスレンズの部分的な拡大平面図である。

【図9】図９は、図８のIX−IX線に沿った断面図である。

【図10】図１０は、ガスレンズの斜視図である。

【図11】図１１は、変形例１に係る溶接トーチの平面図である。

【図12】図１２は、図１１のXII−XII線に沿った断面図である。

【図13】図１３は、図１２のXIII−XIII線に沿った断面図である。

【図14】図１４は、図１２のXIV−XIV線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。先ず、本発明の一実施形態に係る全姿勢溶接装置１の概略構成から説明する。

【0013】

〔全姿勢溶接装置１〕
図１及び図２に示された全姿勢溶接装置１は、チューブ１０同士の突合せ溶接を自動的に行うものである。溶接方法は、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接であってよい。

【0014】

溶接装置１は、溶接トーチ３と、溶接トーチ３をチューブ１０の回りに回転させる回転機構２と、溶接トーチ３を三次元的に移動させる３つの直動機構（第一直動機構１２、第二直動機構１４、及び第三直動機構１６）とを備えている。

【0015】

第一直動機構１２は溶接トーチ３をチューブ１０の軸方向（例えば、水平方向）に移動し、第二直動機構１４及び第三直動機構１６は溶接トーチ３をチューブ１０の軸方向と直交する面上の互いに直交する方向（例えば、水平方向及び鉛直方向）に移動する。但し、溶接トーチ３を三次元的に移動させるには、必ずしも３つの直動機構を用いる必要はない。例えば、第二直動機構１４及び第三直動機構１６に代えて、後述する回転部材２１に対して溶接トーチ３をチューブ１０の半径方向に移動する半径方向移動機構が採用されてもよい。あるいは、溶接トーチ３は、必ずしも三次元的に移動させられる必要はなく、チューブ１０の軸方向と直交する面上で二次元的に移動させられてもよい。

【0016】

第一直動機構１２は、チューブ１０の軸方向と平行なベースプレート１１に取り付けられている。ベースプレート１１には、チューブ１０をクランプするクランプ機構１８が設けられている。第二直動機構１４は、取付座１３を介して第一直動機構１２の可動部に固定され、第三直動機構１６は、取付座１５を介して第二直動機構１４の可動部に固定されている。なお、第一乃至第三直動機構１２，１４，１６の位置が相互に入れ替え可能であることは言うまでもない。

【0017】

回転機構２は、チューブ１０の軸方向と直交する板状のテーブル２０を含む。テーブル２０は、取付座１７を介して第三直動機構１６の可動部に固定されている。テーブル２０には、チューブ１０が嵌まり込み可能な略Ｕ字状の回転部材２１が回転可能に支持されている。また、テーブル２０にも、チューブ１０が嵌まり込み可能な切欠き２０ａが形成されている。

【0018】

回転部材２１は、チューブ１０の軸方向から見たときに円弧状の外周面を有しており、この外周面には外歯が形成されている。テーブル２０には、モータ２６が取り付けられているとともに、ギア列が支持されている。ギア列は、モータ２６の出力軸に固定された駆動ギア２５から回転部材２１へトルクを伝達する。なお、図２では、図面の簡略化のためにギア列及びモータ２６が省略されている。

【0019】

上記のギア列は、駆動ギア２５と噛み合う大径の第一従動ギア２４と、第一従動ギア２４と噛み合う一対の第二従動ギア２３と、第二従動ギア２３及び回転部材２１と噛み合う一対の第三従動ギア２２とを含む。このような構成により、回転部材２１の開口部が一方の第三従動ギア２２に差し掛かったとしても、他方の第三従動ギア２２により回転部材２１にトルクが伝達される。

【0020】

溶接トーチ３は、例えば、回転部材２１の中央に、チューブ１０の軸方向に突出するように固定される。溶接トーチ３は、チューブ１０の半径方向と直交する板状のトーチ本体４と、コレット７を介してトーチ本体４に支持された非消耗電極５とを含む。

【0021】

非消耗電極５は、チューブ１０における溶接部位との間にアークを発生させるためのものである。ここで、溶接部位とは、例えば、チューブ１０同士の接合部に開先が取られていて何層も溶接層を形成する場合には、一層目では開先の底部であり、二層目以降では、前回の層のことである。そして、非消耗電極５と溶接部位との間には、図略のワイヤ供給装置から溶接ワイヤ（図示略）が供給される。

【0022】

以上の構成の溶接装置１では、溶接トーチ３が、回転機構２によりチューブ１０の回りに回転させられながら、第一乃至第三直動機構１２，１４，１６により所定の軌道に沿って移動させられる。このとき、溶接トーチ３の位置は、非消耗電極５から溶接部位までの距離が所定値となるように第一乃至第三直動機構１２，１４，１６により微調整される。

【0023】

回転部材２１は導電性を有し、トーチ本体４及びそれに保持された非消耗電極５を備える溶接トーチ３は導電性を有し、その溶接トーチ３を支持している回転部材２１も導電性を有する。回転部材２１を回転可能にしているテーブル２０には、適宜位置にチューブ挿入用の切欠きが形成されている。そして、回転部材２１とテーブル２０との間には、回転部材２１が１回転する間に、当該回転部材の裏面と接続し続ける給電ブラシ（図示略）が設けられている。このようにして、溶接トーチ３へは、給電ブラシから回転部材２１を介して電力が供給される。そのため、溶接トーチ３に接続されるライン類を削減することができ、トーチ周辺構成の総厚を薄くすることができる。

【0024】

〔溶接トーチ３の構成〕
ここで、溶接トーチ３の構成を詳細に説明する。図３は溶接トーチ３の平面図、図４は図３のIV−IV線に沿った断面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図、図６は図４のVI−VI線に沿った断面図である。

【0025】

図３〜図６に示すように、溶接トーチ３は、非消耗電極５と、コレット７と、トーチ本体４とを備えている。非消耗電極５の軸方向は、チューブ１０の半径方向と平行である。非消耗電極５はコレット７に挿入され、コレット７はトーチ本体４に形成されたスリーブ４４に挿入されている。以下、説明の便宜上、図３及び図４に示すように、非消耗電極５の軸方向を上（Ｕ）下（Ｄ）方向（先端側を下方、その反対側を上方）、チューブ１０の軸方向を前（Ｆ）後（Ｂ）方向、それらの二方向と直交する方向を左（Ｌ）右（Ｒ）方向ということがある。

【0026】

コレット７は、非消耗電極５の軸方向と直交する六角形板状の頭部７１と、頭部７１から下向きに延びる筒状部７２とを含み、絶縁体で形成されている。筒状部７２内には、非消耗電極５が挿入される。コレット７に挿入された非消耗電極５は、その先端部がコレット７から延出している。筒状部７２の外周面には、ネジ山７３が形成されている。また、筒状部７２の先端部には、縮径を許容するためのスリット（図示略）が形成されている。

【0027】

トーチ本体４は、チューブ１０の半径方向から見たときに概ね矩形状を呈している基部４０と、基部４０の右側部から右側方へ向けて突出する継手部４８とを一体的に有している。継手部４８には図略のホースが接続され、このホースを通じて基部４０内に形成された不活性ガス流路（シールドガス流路５１，５２とアウターガス流路６１）へ不活性ガスが供給される。

【0028】

基部４０には、コレット７を保持するスリーブ４４、スリーブ４４の周囲にシールドガス流路５１，５２を形成するとともに、シールドガス流路５１，５２と連通するアウターガス流路６１を形成する流路形成部４１、非消耗電極５のコレット７から延出した先端部の周囲にシールドガス案内空間５３を形成するシールドガスノズル４２、シールドガス流路５１とシールドガス案内空間５３とを隔てる第１のガスレンズ９、アウターガス案内空間６２を形成するアウターガスノズル６３、及び、アウターガス流路６１とアウターガス案内空間６２とを隔てる第２のガスレンズ６４とが、一体的に形成されている。

【0029】

スリーブ４４は、チューブ１０の半径方向（即ち、非消耗電極５の軸方向）と平行に延びている。スリーブ４４の内周面には、ネジ溝４６が形成されている。このネジ溝４６は、スリーブ４４に螺入されるコレット７のネジ山７３と螺合する。スリーブ４４の先端部（下端部）は、下方へ向かって窄まるテーパ形状を有している。このスリーブ４４のテーパ形状により、コレット７に非消耗電極５が挿入された状態でコレット７がスリーブ４４の内周のネジ溝４６にねじ込まれると、コレット７はスリーブ４４の先端部から縮径する方向に加圧され、非消耗電極５がコレット７に保持される。

【0030】

流路形成部４１は、スリーブ４４の周囲にシールドガス流路５１，５２を形成している。本実施形態に係るシールドガス流路５１，５２は、内周流路５１と外周流路５２とを含んでいる。内周流路５１は、スリーブ４４の周囲に形成された環状の流路であって、第１のガスレンズ９に臨んでいる。外周流路５２は、内周流路５１の周囲に形成された環状の通路である。外周流路５２は継手部４８の流路５５と接続流路５６によって接続されている。

【0031】

内周流路５１と外周流路５２との間は、隔壁４７によって隔たれている。隔壁４７には、内周流路５１と外周流路５２とを連通し、外周流路５２から内周流路５１への不活性ガスの流入を許容する連通口５０が形成されている。本実施形態では、複数の連通口５０が隔壁４７に周方向に分散して設けられており、内周流路５１の全周囲からその内部へ不活性ガスが流入する。

【0032】

各連通口５０は、隔壁４７の上部であって、より内周流路５１の天井により近い位置、換言すれば、第１のガスレンズ９からより離れた位置に設けられている。なお、接続流路５６は、連通口５０よりも下方において、外周流路５２と接続されている。よって、接続流路５６より外周流路５２へ流入する不活性ガスの流れは、隔壁４７に当接する。これにより、不活性ガスが連通口５０を通じて直接に内周流路５１へ流入することが防がれている。

【0033】

内周流路５１の天井は、スリーブ４４の基端部と滑らかに連続しており、スリーブ４４の基端部と内周流路５１の天井との境界部分は曲面で接続されている。このように内周流路５１を形成している壁に形成された曲面部分は、外周流路５２から内周流路５１へ流入した不活性ガスの流れを第１のガスレンズ９へ向けて偏向させる案内部５４として機能する。

【0034】

外周流路５２を、不活性ガスの流入部を含む第１部分と、余の第２部分とに周方向に２分割したときに、第１部分の隔壁４７の開口率よりも、第２部分の隔壁４７の開口率が大きい。なお、外周流路５２における不活性ガスの流入部とは、外周流路５２と接続流路５６との接続部のことである。

【0035】

本実施形態に係る溶接トーチ３では、第１部分の隔壁４７に設けられた連通口５０の開口面積（流路面積）の合計よりも、第２部分の隔壁４７に設けられた連通口５０の開口面積（流路面積）の合計を大きくすることで、第１部分の隔壁４７の開口率よりも、第２部分の隔壁４７の開口率を大きくしている。但し、各連通口５０の開口面積（流路面積）が同じであって、第１部分の隔壁４７に設けられた連通口５０の数よりも、第２部分の隔壁４７に設けられた連通口５０の数が多くなるようにしてもよい。

【0036】

シールドガスノズル４２は、流路形成部４１の下方に設けられている。本実施形態においては、シールドガスノズル４２の内周壁と、隔壁４７とが、非消耗電極５の軸方向に連続している。シールドガスノズル４２の先端部（下端部）は、非消耗電極５の先端部よりも上方、且つ、スリーブ４４の先端部よりも下方に位置している。シールドガスノズル４２の先端部は、対向するチューブ１０の外周面に沿うように、湾曲している。

【0037】

シールドガスノズル４２によって、その内周側にシールドガス案内空間５３が形成されている。シールドガス案内空間５３では、第１のガスレンズ９から流出したシールドガスとしての不活性ガスが、拡散しないで、シールドガスノズル４２の延伸方向、即ち、非消耗電極５の軸方向と平行な層流状に流れるように整流される。

【0038】

第１のガスレンズ９は、不活性ガスを層流に整流するものであって、内周流路５１とシールドガス案内空間５３との間を隔てている。第１のガスレンズ９は非消耗電極５を中心とする中空円盤形状を呈している。第１のガスレンズ９の内周部は、スリーブ４４の先端部の外周面と接続され、第１のガスレンズ９の外周部はシールドガスノズル４２の内周面（又は、隔壁４７の内周面）と接続されている。

【0039】

流路形成部４１は、また、シールドガス流路５１，５２と連通するアウターガス流路６１を形成している。本実施形態において、アウターガス流路６１は、内外二重のシールドガス流路５１，５２のうち外周流路５２と接続されている。

【0040】

外周流路５２を、不活性ガスの流入部を含む第１部分と、余の第２部分とに周方向に２分割したときに、外周流路５２の第２部分にアウターガス流路６１が接続されている。なお、外周流路５２における不活性ガスの流入部とは、外周流路５２と接続流路５６との接続部のことである。換言すれば、外周流路５２において、接続流路５６が接続されている部分と、アウターガス流路６１が接続されている部分とが非消耗電極５を介して反対側にある。これにより、外部からシールドガス流路５１，５２へ流入してきた不活性ガスが、直ちにアウターガス案内空間６２へ流れることを防止できる。

【0041】

アウターガス流路６１と外周流路５２とは連通口６５を通じて連通されている。連通口６５の流路面積は、アウターガス流路６１の流路面積よりも小さい。なお、アウターガス流路６１の流路面積は、図３において第２のガスレンズ６４と実質的に等しい前後方向寸法を有し、図４において外周流路５２実質的に等しい上下方向寸法を有する。このように、外周流路５２からアウターガス流路６１へ不活性ガスが流入する入口である連通口６５が絞られていることで、外周流路５２からアウターガス流路６１へ流入しようとする不活性ガスに流動抵抗を与えることができる。これにより、外周流路５２にある不活性ガスは、アウターガス流路６１によりもシールドガス流路５１に優先して流入することとなる。

【0042】

アウターガスノズル６３は、シールドガスノズル４２に対し、溶接トーチ３の進行方向の下流側に設けられている。シールドガスノズル４２は、溶融池に不活性ガスを吹き付けるように非消耗電極５の周囲に設けられているのに対し、アウターガスノズル６３は、溶接中に溶融池が溶融凝固した（又は、凝固している途中の）ビードに不活性ガスを吹き付けるように、シールドガスノズル４２に隣接して設けられている。

【0043】

アウターガスノズル６３はチューブ１０の半径方向に延伸している。アウターガスノズル６３によって、その内周側にアウターガス案内空間６２が形成されている。アウターガス案内空間６２では、第２のガスレンズ６４から流出したアウターガス（アウターシールドガス）としての不活性ガスが、拡散しないで、アウターガス案内空間６２の延伸方向、即ち、チューブ１０の半径方向と平行な層流状に流れるように整流される。なお、本実施形態において、シールドガスノズル４２の吹き出し口は円形であるが、アウターガスノズル６３の吹き出し口は矩形状である。また、シールドガスノズル４２の内径は実質的に一定であるが、アウターガスノズル６３は先端側に向かって拡径している。

【0044】

第２のガスレンズ６４は、不活性ガスを層流に整流するものであって、アウターガス流路６１とアウターガス案内空間６２との間を隔てている。第２のガスレンズ６４は矩形ブロック状を呈している。

【0045】

なお、本実施形態に係るトーチ本体４は、導電性の金属から成り、金属３Ｄプリンタで製作されている。但し、継手部４８は、必ずしもトーチ本体４に一体的に形成されている必要はなく、溶接または螺合構造によりトーチ本体４に接合されていてもよい。金属３Ｄプリンタでトーチ本体４を製作する際には、例えば、原料としての金属粉末に、レーザー光を照射する。レーザー光の照射により、個々の金属粉末が溶融し、溶融した金属粉末同士が融合してソリッド構造が生み出される。金属粉末の材質は、例えば、銅及び銅合金、鋼、ステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル合金などである。

【0046】

上記構成の溶接トーチ３では、継手部４８の流路５５を通じて導入された不活性ガスは、接続流路５６を通じて、先ず、外周流路５２へ流入する。外周流路５２に拡散した不活性ガスは、連通口５０を通じて、内周流路５１へ流入する。内周流路５１へ流入する不活性ガスの流れは、連通口５０からスリーブ４４へ向かい、内周流路５１の天井とスリーブ４４との境界部に位置する案内部５４に当接し、当該案内部５４の曲面に案内されて向きを変え、第１のガスレンズ９へと向かう。不活性ガスは、第１のガスレンズ９を通過するうちに整流されて層流となってシールドガス案内空間５３へ流出し、シールドガスとして、シールドガスノズル４２の先端からチューブ１０の溶融池及びその付近へ向けて噴出する。また、外周流路５２に拡散した不活性ガスは、連通口６５を通じて、アウターガス流路６１へ流入する。アウターガス流路６１へ流入した不活性ガスは、第２のガスレンズ６４を通過するうちに整流されて層流となってアウターガス案内空間６２へ流出し、アウターガスとしてアウターガスノズル６３の先端からチューブ１０のビードに向けて噴出する。

【0047】

〔第１のガスレンズ９及び第２のガスレンズ６４の構成〕
ここで、第１のガスレンズ９及び第２のガスレンズ６４の構成について詳細に説明する。図７は第１のガスレンズ９の平面図、図８は第１のガスレンズ９の部分的な拡大平面図、図９は図８のIX−IX線に沿った断面図、図１０はガスレンズの斜視図である。

【0048】

図７〜図１０に示すように、第１のガスレンズ９はラティス構造を有している。換言すれば、第１のガスレンズ９は、細長い梁９０，９２が三次元状に繋ぎ合わされた立体的網目状格子である。なお、金属３Ｄプリンタで製造可能なように、ラティス構造を形成している細長い梁９０，９２の直径Φは最小で０．２ｍｍ程度である。

【0049】

本実施形態に係る第１のガスレンズ９は、横梁９０を平面状に繋ぎ合わされて成るメッシュシート９１が、位相を違えて、非消耗電極５の軸方向に積み重ねられ、更に、上下に積層されたメッシュシート９１の格子点同士が縦梁９２で繋ぎ合わされた構造を有している。このようなラティス構造を有する第１のガスレンズ９には、梁９０，９２によって規則的な空隙が形成されている。なお、図８では、メッシュシート９１のうち４セルの格子が示されており、複数のメッシュシート９１が位相を違えて厚み方向に積み重ねられた様子が示されている。また、図９では、メッシュシート９１の格子点同士が斜めの縦梁９２で繋ぎ合わされた、立体的網目状格子が明らかとなっている。

【0050】

上記構成の第１のガスレンズ９において、スリーブ４４の先端部と接続されている第１のガスレンズ９の内周部は、スリーブ４４にねじ込まれるコレット７からの圧力に抗するために、第１のガスレンズ９の余の部分と比較して高い剛性が要求される。そこで、第１のガスレンズ９の内周部の、とりわけ、スリーブ４４との結合部の空隙率は、ガスレンズ９の余の部分と比較して低い値（例えば、１０％以下）にとどめられている。空隙率は、見掛け体積及びガスレンズ９の構成材料の真密度から求めることができる。

【0051】

第２のガスレンズ６４は、第１のガスレンズ９と同様のラティス構造を有している。即ち、第２のガスレンズ６４は、細長い梁が三次元状に繋ぎ合わされた立体的網目状格子である。なお、金属３Ｄプリンタで製造可能なように、ラティス構造を形成している細長い梁の直径Φは最小で０．２ｍｍ程度である。

【0052】

また、本実施形態に係る第２のガスレンズ６４は、第１のガスレンズ９と同様に、横梁を平面状に繋ぎ合わされて成るメッシュシートが、位相を違えて、チューブ１０の半径方向に積み重ねられ、更に、上下に積層されたメッシュシートの格子点同士が縦梁で繋ぎ合わされた構造を有している。

【0053】

第２のガスレンズ６４の空隙率は、第１のガスレンズ９の空隙率と同じであるか、第１のガスレンズ９の空隙率よりも低い値である。第２のガスレンズ６４の空隙率が、第１のガスレンズ９の空隙率よりも低いと、第１のガスレンズ９よりも第２のガスレンズ６４の方が不活性ガスの流動抵抗が高く、不活性ガスが第２のガスレンズ６４よりも第１のガスレンズ９へ優先して流れることとなる。

【0054】

以上に説明したように、本実施形態に係る溶接トーチ３は、不活性ガスが流入するシールドガス流路５１，５２、及び、シールドガス流路５１，５２と連通するアウターガス流路６１を形成する流路形成部４１と、シールドガス流路５１の不活性ガスを整流してシールドガスとして吹き出す第１のガスレンズ９と、アウターガス流路６１の不活性ガスを整流してアウターガスとして吹き出す第２のガスレンズ６４とを有する、トーチ本体４を備えていることを特徴としている。

【0055】

また、本実施形態の全姿勢溶接装置１は、溶接トーチ３と、溶接トーチ３をチューブ１０の回りに回転させる回転機構２とを、備えている。

【0056】

上記溶接トーチ３及び全姿勢溶接装置１では、シールドガス流路５１，５２とアウターガス流路６１とが連通されており、溶接トーチ３にシールドガスとして供給された不活性ガスの一部をアウターガスとして利用している。つまり、溶接トーチ３に供給された不活性ガスは、シールドガス流路５１，５２の一部又は全部を利用して、アウターガス流路６１まで運ばれる。このように、シールドガス流路５１，５２とアウターガス流路６１とが独立していないので、流路を共用する分、ガス流路を短縮し、更に、アウターガスのためにホースと接続される継手部を省略することができるので、アウターガスノズル６３を備えた溶接トーチ３の小型化を図ることができる。

【0057】

また、本実施形態の溶接トーチ３において、シールドガス流路５１，５２は環状を呈しており、シールドガス流路５１，５２を、不活性ガスの流入部を含む第１部分と、余の第２部分とに周方向に２分割したときに、シールドガス流路５１，５２の第２部分にアウターガス流路６１が接続されている。

【0058】

このように、シールドガス流路５１，５２において、不活性ガスの流入部（即ち、接続流路５６が接続されている部分）と、アウターガス流路６１が接続されている部分とが非消耗電極５を介して反対側にある。これにより、外部からシールドガス流路５１，５２へ流入してきた不活性ガスが、直ちにアウターガス案内空間６２へ流れることを防止できる。

【0059】

また、本実施形態の溶接トーチ３は、非消耗電極５と、非消耗電極５が挿入されるコレット７とを、更に備えている。また、トーチ本体４は、コレット７を保持するスリーブ４４と、非消耗電極５のコレット７から延出した先端部の周囲にシールドガス案内空間５３を形成するシールドガスノズル４２と、シールドガスノズル４２の周囲にアウターガス案内空間６２を形成するアウターガスノズル６３とを有している。そして、トーチ本体４の流路形成部４１はスリーブ４４の周囲にシールドガス流路５１，５２を形成しており、第１のガスレンズ９はシールドガス流路５１とシールドガス案内空間５３とを隔てるように配置され、第２のガスレンズ６４はアウターガス流路６１とアウターガス案内空間６２とを隔てるように配置されている。

【0060】

更に、上記溶接トーチ３において、シールドガス流路５１，５２とアウターガス流路６１とが、アウターガス流路６１の流路面積よりも小さい流路面積を有する連通口６５を通じて連通されている。

【0061】

このように、アウターガス流路６１へ不活性ガスが流入する入口である連通口６５が絞られていることで、シールドガス流路５１，５２からアウターガス流路６１へ流入しようとする不活性ガスに流動抵抗を与えることができる。これにより、シールドガス流路５１，５２にある不活性ガスは、アウターガス案内空間６２よりもシールドガス案内空間５３へ優先して流れることとなる。つまり、アウターガスに優先して、シールドガスが噴出する。よって、アウターガスとシールドガスが流路を共用していても、シールドガスの安定的な噴出は妨げられない。

【0062】

また、本実施形態の溶接トーチ３では、シールドガス流路５１，５２が、スリーブ４４の周囲に形成され、第１のガスレンズ９に臨む内周流路５１と、内周流路５１の周囲に形成され、連通口５０が設けられた隔壁４７により隔たれた外周流路５２とを含み、アウターガス流路６１が、外周流路５２と連通されている。

【0063】

このように、シールドガス流路５１，５２を、内周流路５１とその外周側に設けられた外周流路５２との内外二重構造とすることで、トーチ本体４の非消耗電極５の軸方向と平行な方向の寸法（即ち、厚さ）を抑えても、十分に不活性ガスを層流化することができる。この結果、シールドガス流路が一つの空間である場合と比較して、溶接トーチ３を扁平化、即ち、厚さを薄くすることができる。

【0064】

また、本実施形態の溶接トーチ３では、外周流路５２を、不活性ガスの流入部を含む第１部分と、余の第２部分とに周方向に２分割したときに、第１部分の隔壁４７の開口率よりも、第２部分の隔壁４７の開口率が大きい。ここで、外周流路５２における不活性ガスの流入部とは、外周流路５２と接続流路５６との接続部のことである。

【0065】

上記のように、外周流路５２の第１部分の隔壁４７の開口率よりも、第２部分の隔壁４７の開口率を大きくすることで、外周流路５２の第１部分に流入した不活性ガスが第２部分まで回り込みやすくなり、不活性ガスを外周流路５２で拡散させることができる。

【0066】

また、本実施形態の溶接トーチ３において、第２のガスレンズ６４は、ラティス構造を有している。

【0067】

このように、第２のガスレンズ６４をラティス構造とすることにより、３Ｄプリンタを用いて造形された第２のガスレンズ６４には規則的な空隙が形成されている。そのため、第２のガスレンズ６４が多孔質体である場合と比較して、第２のガスレンズ６４の空隙率が安定する。これにより、このような第２のガスレンズ６４を備えた溶接トーチ３の歩留まりの向上が期待される。

【0068】

なお、本実施形態の溶接トーチ３は、複数の梁が平面状に繋ぎ合わされて成るメッシュシートが、位相を違えて重ねられた構造を有している。積層されたメッシュシートの格子点同士が縦梁で繋ぎ合わされている。

【0069】

上記実施形態では、溶接トーチ３の第２のガスレンズ６４は横梁と縦梁とが繋ぎ合わされた三次元立体的網目状格子構造を有しているが、これに限定されず、第２のガスレンズ６４は、３Ｄプリンタを用いて規則的な空隙を造形しうるラティス構造を有していればよい。例えば、第２のガスレンズ６４は、複数の梁が平面状に繋ぎ合わされて成るメッシュシートが、位相を違えて幾重に重ね合わされた構造ものであってもよい。但し、本実施形態のように、メッシュシートの層間に、格子点同士を繋ぐ縦梁が設けられることで、第２のガスレンズ６４を通過する不活性ガスは、ラティス構造の横梁だけでなく、縦梁によっても整流される。これにより、縦梁が設けられない場合と比較して、メッシュシートの積層枚数が減っても、同等の整流効果が得られる。換言すれば、縦梁が設けられない場合と比較して、メッシュシートの積層枚数を減らすことができ、第２のガスレンズ６４の厚さ（即ち、チューブ１０の半径方向と平行な寸法）を抑えることができる。

【0070】

また、本実施形態に係る溶接トーチ３において、第２のガスレンズ６４が、トーチ本体４に一体的に形成されている。本実施形態では、トーチ本体４は、金属３Ｄプリンタで造形されていてよい。

【0071】

このように、金属３Ｄプリンタによる造形技術を用いて、ソリッドなメタル部と、それよりも空隙率の高い第２のガスレンズ６４とを、一つのトーチ本体４に組み合わせた溶接トーチ３を安価に製造することができる。

【0072】

〔変形例〕
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。上記の構成は、例えば、以下のように変更することができる。

【0073】

例えば、上記実施形態において、シールドガス流路５１，５２は内外二重構造を有しているが、一重構造であってもよい。シールドガス流路５１，５２が一重構造の場合は、シールドガス流路５１，５２に流入した不活性ガスが直接的に第１のガスレンズ９（シールドガス案内空間５３）へ流れないように、不活性ガスの流路に障害物を設けることが望ましい。

【0074】

また、例えば、上記実施形態では、連通口６５の流路面積を絞ることにより、アウターガス案内空間６２よりもシールドガス案内空間５３へ優先的に不活性ガスが流れるようにしているが、それとは別の手法でアウターガス案内空間６２へ流れようとする不活性ガスに流動抵抗を与えてもよい。図１１は変形例１に係る溶接トーチ３Ａの平面図、図１２は図１１のXII−XII線に沿った断面図、図１３は図１２のXIII−XIII線に沿った断面図、図１４は図１２のXIV−XIV線に沿った断面図である。

【0075】

図１１〜１４に示す変形例１に係る溶接トーチ３Ａでは、シールドガス流路５１，５２のうち外周流路５２とアウターガス流路６１とが接続流路６６接続されている。接続流路６６の流路面積はアウターガス流路６１の流路面積よりも小さいものの、外周流路５２とアウターガス流路６１との間は絞られてはいない。溶接トーチ３Ａでは、第２のガスレンズ６４の空隙率が、第１のガスレンズ９の空隙率に対し、不活性ガスを通過可能な範囲内（例えば、３０〜６０％）で十分に小さくなるように構成されている。これにより、第２のガスレンズ６４を通過する不活性ガスの流動抵抗は、第１のガスレンズ９を通過する不活性ガスの流動抵抗よりも大きく、溶接トーチ３に供給された不活性ガスは、アウターガス案内空間６２よりもシールドガス案内空間５３へ優先的に流れる。よって、シールドガスの安定的な噴出は妨げられない。

【0076】

また、例えば、上記実施形態において、シールドガス流路５１，５２とアウターガス流路６１とを連通している連通口６５は流路面積が絞られた孔であるが、連通口６５の態様はこれに限定されない。連通口６５は、１又は複数のスリットであってもよい。また、例えば、連通口６５に旋回羽根６７などの障害物が設けられてもよい。

【符号の説明】

【0077】

１ ：全姿勢溶接装置
２ ：回転機構
３，３Ａ ：溶接トーチ
４ ：トーチ本体
５ ：非消耗電極
７ ：コレット
９ ：第１のガスレンズ
１０ ：チューブ
１１ ：ベースプレート
１２，１４，１６ ：直動機構
１８ ：クランプ機構
２０ ：テーブル
２１ ：回転部材
２２〜２４ ：従動ギア
２５ ：駆動ギア
２６ ：モータ
４０ ：基部
４１ ：流路形成部
４２ ：シールドガスノズル
４４ ：スリーブ
４６ ：ネジ溝
４７ ：隔壁
４８ ：継手部
５０ ：連通口
５１ ：内周流路（シールドガス流路）
５２ ：外周流路（シールドガス流路）
５３ ：シールドガス案内空間
５４ ：案内部
５５ ：流路
５６ ：接続流路
６１ ：アウターガス流路
６２ ：アウターガス案内空間
６３ ：アウターガスノズル
６４ ：第２のガスレンズ
６５ ：連通口
６６ ：接続流路
６７ ：旋回羽根
７１ ：頭部
７２ ：筒状部
７３ ：ネジ山
９０，９２ ：梁
９１ ：メッシュシート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】