(57)【要約】      （修正有）【課題】母材の開先部内の溶融池に磁場を印加しながら母材のエレクトロスラグ溶接を行うことを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法を提供する。【解決手段】エレクトロスラグ溶接方法は、溶接トーチ９０を、開先部の中の表側の位置と裏側の位置との間で往復動させつつ溶接し、溶接トーチ９０の往復動の中で、溶接トーチ９０が、開先部の表側から磁場を印加する表側の磁場印加コイル３０の鉄芯に接近したときに、表側の磁場印加コイル３０の電流値を減少させ、開先部の裏側から磁場を印加する裏側の磁場印加コイル４０の電流値を増大させ、溶接トーチ９０の往復動の中で、溶接トーチ９０が、裏側の磁場印加コイル４０の鉄芯に接近したときに、裏側の磁場印加コイル４０の電流値を減少させ、表側の磁場印加コイル３０の電流値を増大させる。【選択図】図２０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の開先部内の溶融池に磁場を印加しながら当該母材のエレクトロスラグ溶接を行うことを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項２】
前記磁場は、静磁場、又は、周波数が１Ｈｚ以下の回転磁場であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項３】
前記開先部の表側及び裏側から前記磁場を印加することを特徴とする請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項４】
前記表側及び裏側から印加される前記磁場の向きが同じであることを特徴とする請求項３に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項５】
前記表側及び裏側から印加される前記磁場の向きが逆であることを特徴とする請求項３に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項６】
溶接トーチを、前記開先部の中の表側の位置と裏側の位置との間で往復動させつつ溶接し、
前記溶接トーチの往復動の中で、当該溶接トーチが、前記開先部の表側から前記磁場を印加する表側の磁場印加コイルの鉄芯に接近したときに、当該表側の磁場印加コイルの電流値を減少させ、当該開先部の裏側から当該磁場を印加する裏側の磁場印加コイルの電流値を増大させ、
前記溶接トーチの往復動の中で、当該溶接トーチが、前記裏側の磁場印加コイルの鉄芯に接近したときに、当該裏側の磁場印加コイルの電流値を減少させ、前記表側の磁場印加コイルの電流値を増大させることを特徴とする請求項３に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項７】
前記溶接トーチが前記表側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付いたときに、当該表側の磁場印加コイルの電流値を最小とし、前記裏側の磁場印加コイルの電流値を最大とし、
前記溶接トーチが前記裏側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付いたときに、当該裏側の磁場印加コイルの電流値を最小とし、前記表側の磁場印加コイルの電流値を最大とすることを特徴とする請求項６に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項８】
前記表側の磁場印加コイル及び前記裏側の磁場印加コイルに流す電流の向きを、前記溶接トーチの往復動の周期ごとに反転させることを特徴とする請求項６に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項９】
前記溶接トーチが前記表側の磁場印加コイル又は前記裏側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付き、静止しているときに、当該表側の磁場印加コイルの電流と、当該裏側の磁場印加コイルの電流とを、値は同じで向きを逆とすることを特徴とする請求項６に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項１０】
前記表側及び裏側は、前記開先部の表面及び裏面に配置された冷却用銅板の前記母材とは反対側であることを特徴とする請求項３に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項１１】
前記開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板の少なくとも何れか一方は、前記母材に対して固定されており、
前記表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、前記裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の当該基準面からの高さとが一致するように、当該表側の電磁石及び当該裏側の電磁石を移動しながら溶接することを特徴とする請求項１０に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項１２】
前記表側冷却用銅板及び前記裏側冷却用銅板の一方は、前記開先部が延びる方向に移動可能であることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項１３】
前記開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板は何れも、当該開先部が延びる方向に移動可能であり、
前記表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、前記裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の当該基準面からの高さとが一致するように、当該表側冷却用銅板及び当該裏側冷却用銅板を移動しながら溶接することを特徴とする請求項１０に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項１４】
母材の開先部の表面及び裏面に配置された冷却用銅板の当該母材とは反対側に、当該開先部内の溶融池に磁場を印加するための電磁石を配置したことを特徴とするエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置。
【請求項１５】
前記冷却用銅板に穴又は溝が設けられており、前記電磁石の鉄芯が当該穴又は溝に嵌っていることを特徴とする請求項１４に記載のエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置。
【請求項１６】
前記開先部の中の表側の位置と裏側の位置との間で往復動させつつ溶接する溶接トーチを更に配置し、
前記溶接トーチの往復動の中で、当該溶接トーチが、前記開先部の表側から前記磁場を印加する表側の電磁石の鉄芯に接近したときに、当該表側の電磁石の電流値を減少させ、当該開先部の裏側から当該磁場を印加する裏側の電磁石の電流値を増大させ、
前記溶接トーチの往復動の中で、当該溶接トーチが、前記裏側の電磁石の鉄芯に接近したときに、当該裏側の電磁石の電流値を減少させ、前記表側の電磁石の電流値を増大させることを特徴とする請求項１４に記載のエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置。
【請求項１７】
前記開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板の少なくとも何れか一方は、前記母材に対して固定されており、
前記表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、前記裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の当該基準面からの高さとが一致するように、当該表側の電磁石及び当該裏側の電磁石が移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置。
【請求項１８】
前記開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板は何れも、当該開先部が延びる方向に移動可能な構造を持ち、
前記表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、前記裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の当該基準面からの高さとが一致するように、当該表側冷却用銅板及び当該裏側冷却用銅板が移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロスラグ溶接方法及びエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接において溶融池に磁界を作用させて、該磁界と溶接電流とによる回転方向の磁力で溶融金属を攪拌しながら溶接を行う磁気攪拌溶接法は、知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１、２では、溶接トーチの回りを囲むように磁気コイルが配されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１９０９７６号公報
【特許文献２】特開平８−３１８３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エレクトロスラグ溶接は、アーク溶接と異なり、数百アンペアの電流を通電している溶接ワイヤを、溶融した電解質である溶融スラグに供給し、溶融スラグ内のジュール発熱によって、母材と溶接ワイヤを溶かしながら溶接する方法である。溶接方向は垂直であり、下から上に溶接が進む。また、溶融スラグや溶融金属がこぼれないように、母材の開先部は水冷銅板で覆われる。エレクトロスラグ溶接では、溶融池の前後左右は母材や水冷銅板に覆われ、溶融池の上下は既に溶接した溶接部分と溶融スラグとに覆われている。従って、アーク溶接のように溶接ワイヤを供給するトーチ部分にコイルを配置しても、溶融スラグが存在するので、溶融池に有効な磁場を印加できないばかりでなく、そもそも開先部の空間は狭く、コイルを配置することもできない。
【０００５】
本発明の目的は、エレクトロスラグ溶接において溶融池に磁場を印加することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもと、本発明は、母材の開先部内の溶融池に磁場を印加しながら母材のエレクトロスラグ溶接を行うことを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法を提供する。
【０００７】
磁場は、静磁場、又は、周波数が１Ｈｚ以下の回転磁場であってよい。
【０００８】
エレクトロスラグ溶接方法は、開先部の表側及び裏側から磁場を印加する、ものであってよい。その場合、表側及び裏側から印加される磁場の向きは同じであっても逆であってもよい。
【０００９】
エレクトロスラグ溶接方法は、溶接トーチを、開先部の中の表側の位置と裏側の位置との間で往復動させつつ溶接し、溶接トーチの往復動の中で、溶接トーチが、開先部の表側から磁場を印加する表側の磁場印加コイルの鉄芯に接近したときに、表側の磁場印加コイルの電流値を減少させ、開先部の裏側から磁場を印加する裏側の磁場印加コイルの電流値を増大させ、溶接トーチの往復動の中で、溶接トーチが、裏側の磁場印加コイルの鉄芯に接近したときに、裏側の磁場印加コイルの電流値を減少させ、表側の磁場印加コイルの電流値を増大させる、ものであってよい。その場合、溶接トーチが表側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付いたときに、表側の磁場印加コイルの電流値を最小とし、裏側の磁場印加コイルの電流値を最大とし、溶接トーチが裏側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付いたときに、裏側の磁場印加コイルの電流値を最小とし、表側の磁場印加コイルの電流値を最大とする、ものであってもよい。また、表側の磁場印加コイル及び裏側の磁場印加コイルに流す電流の向きを、溶接トーチの往復動の周期ごとに反転させる、ものであってもよい。更に、溶接トーチが表側の磁場印加コイル又は裏側の磁場印加コイルの鉄芯に最も近付き、静止しているときに、表側の磁場印加コイルの電流と、裏側の磁場印加コイルの電流とを、値は同じで向きを逆とする、ものであってもよい。
【００１０】
開先部の表側及び裏側は、開先部の表面及び裏面に配置された冷却用銅板の母材とは反対側であってよい。
【００１１】
エレクトロスラグ溶接方法は、開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板の少なくとも何れか一方が、母材に対して固定されており、表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の基準面からの高さとが一致するように、表側の電磁石及び裏側の電磁石を移動しながら溶接する、ものであってよい。その場合、表側冷却用銅板及び裏側冷却用銅板の一方は、開先部が延びる方向に移動可能であってもよい。
【００１２】
エレクトロスラグ溶接方法は、開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板が何れも、開先部が延びる方向に移動可能であり、表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の基準面からの高さとが一致するように、表側冷却用銅板及び裏側冷却用銅板を移動しながら溶接する、ものであってよい。
【００１３】
また、本発明は、母材の開先部の表面及び裏面に配置された冷却用銅板の母材とは反対側に、開先部内の溶融池に磁場を印加するための電磁石を配置したことを特徴とするエレクトロスラグ溶接における磁場印加装置も提供する。
【００１４】
冷却用銅板に穴又は溝が設けられており、電磁石の鉄芯が穴又は溝に嵌っている、ものであってよい。
【００１５】
エレクトロスラグ溶接における磁場印加装置は、開先部の中の表側の位置と裏側の位置との間で往復動させつつ溶接する溶接トーチを更に配置し、溶接トーチの往復動の中で、溶接トーチが、開先部の表側から磁場を印加する表側の電磁石の鉄芯に接近したときに、表側の電磁石の電流値を減少させ、開先部の裏側から磁場を印加する裏側の電磁石の電流値を増大させ、溶接トーチの往復動の中で、溶接トーチが、裏側の電磁石の鉄芯に接近したときに、裏側の電磁石の電流値を減少させ、表側の電磁石の電流値を増大させる、ものであってよい。
【００１６】
エレクトロスラグ溶接における磁場印加装置は、開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板の少なくとも何れか一方が、母材に対して固定されており、表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の基準面からの高さとが一致するように、表側の電磁石及び裏側の電磁石が移動可能に構成されている、ものであってよい。
【００１７】
エレクトロスラグ溶接における磁場印加装置は、開先部の表面に配置された表側冷却用銅板及び裏面に配置された裏側冷却用銅板が何れも、開先部が延びる方向に移動可能な構造を持ち、表側冷却用銅板に配置された表側の電磁石の中心軸の基準面からの高さと、裏側冷却用銅板に配置された裏側の電磁石の中心軸の基準面からの高さとが一致するように、表側冷却用銅板及び裏側冷却用銅板が移動可能に構成されている、ものであってよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、エレクトロスラグ溶接において溶融池に磁場を印加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態における磁場印加装置を前側から見たときの斜視図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態における磁場印加装置を後側から見たときの斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の磁場印加装置における前側コイル及び後側コイルの位置を示した図である。
【図４】溶接個所における磁場の分布を示した図である。
【図５】水冷銅板にコイルを嵌めた状態での磁場分布と水冷銅板にコイルを嵌めていない状態での磁場分布とを比較したグラフである。
【図６】溶融池における溶接電流密度の分布を示した図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、溶融池の上面における溶融金属の流速ベクトル分布を示した図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、溶融池の内部における溶融金属の流速分布を示した図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は、溶接部の断面写真である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の磁場印加装置における前側コイル及び後側コイルの位置を示した図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、溶接トーチが最も前側及び最も後側にあるときの溶接電流密度の高さ方向の分布を示したグラフである。
【図１２】表２の構成での磁束密度の高さ方向の分布を示したグラフである。
【図１３】表２の構成でのローレンツ力の高さ方向の分布を示したグラフである。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、表２の構成でローレンツ力の平均値を溶融池と溶融スラグとで比較した棒グラフである。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、溶融スラグ及び溶融池について溶接トーチの位置に対する溶接電流密度の分布を示したグラフである。
【図１６】（ａ），（ｂ）は、溶接トーチが前側及び後側に位置するときの前側及び後側のローレンツ力の高さ方向の分布を示したグラフである。
【図１７】（ａ），（ｂ）は、溶接トーチが前側及び後側に位置するときの前側及び後側のローレンツ力の平均値を溶融池と溶融スラグとで比較した棒グラフである。
【図１８】（ａ），（ｂ）は、前側コイル及び後側コイルの磁極の向きを変えない場合に生じる問題について示した図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は、電磁攪拌用の印加磁界の反転方法について説明するためのタイムチャートである。
【図２０】本発明の第３の実施の形態の第１の実施例における磁場印加装置の構成を横から見た図である。
【図２１】（ａ），（ｂ）は、前側コイル及び後側コイルの上下昇降の様子を示した図である。
【図２２】（ａ），（ｂ）は、前側コイル及び後側コイルの上下昇降の様子を示した図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態の第２の実施例における磁場印加装置の構造を示した図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態の第２の実施例における磁場印加装置の構成を横から見た図である。
【図２５】（ａ），（ｂ）は、前側水冷銅板及び後側水冷銅板の上下昇降の様子を示した図である。
【図２６】（ａ），（ｂ）は、前側水冷銅板及び後側水冷銅板の上下昇降の様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態における磁場印加装置１の構成について説明する。図１（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態における磁場印加装置１を前側（表側ともいう）から見たときの斜視図であり、図２（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態における磁場印加装置１を後側（裏側ともいう）から見たときの斜視図である。
【００２２】
第１の実施の形態における磁場印加装置１は、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、溶接ワイヤ５と、前側水冷銅板１０と、後側水冷銅板２０と、前側コイル３０と、後側コイル４０とを含む。
【００２３】
溶接ワイヤ５は、母材２，３の突き合わせ部に形成された開先部４に挿入される。そして、溶接電源（図示せず）により通電された状態で開先部４内の溶融スラグ６（図３参照）に供給され、溶融スラグ６内のジュール発熱によって溶融され、溶融金属を溶融池７（図３参照）に落とし込むことで下から上に向かって順次溶接して行くためのものである。
【００２４】
前側水冷銅板１０は、母材２，３の開先部４の前側を覆う水冷のための銅板である。前側水冷銅板１０には、水冷のための冷却水を流入させる流入口（図示せず）と、水冷のための冷却水を流出させる流出口（図示せず）が設けられる。また、後側水冷銅板２０は、母材２，３の開先部４の後側を覆う水冷のための銅板である。後側水冷銅板２０にも、水冷のための冷却水を流入させる流入口（図示せず）と、水冷のための冷却水を流出させる流出口（図示せず）が設けられる。
【００２５】
前側コイル３０は、前側水冷銅板１０に配置される磁気コイルである。前側コイル３０は、コイル用電源（図示せず）により通電されることにより、磁場を発生させて、その磁場を溶融池７（図３参照）に印加する。また、後側コイル４０は、後側水冷銅板２０に配置される磁気コイルである。後側コイル４０も、コイル用電源（図示せず）により通電されることにより、磁場を発生させて、その磁場を溶融池７（図３参照）に印加する。
【００２６】
ここで、図１（ａ）は、前側コイル３０を嵌める前の磁場印加装置１の斜視図であり、図１（ｂ）は、前側コイル３０を嵌めた後の磁場印加装置１の斜視図である。前側水冷銅板１０が溶接の進行に応じて上側に移動した場合、前側コイル３０も同じく上側に移動する必要があるので、図示するように、前側水冷銅板１０には穴１１が設けられ、その穴１１に前側コイル３０の鉄芯３１が嵌っている。
【００２７】
また、図２（ａ）は、後側コイル４０を嵌める前の磁場印加装置１の斜視図であり、図２（ｂ）は、後側コイル４０を嵌めた後の磁場印加装置１の斜視図である。後側水冷銅板２０は母材２，３に固定されているので、図示するように、後側水冷銅板２０には鉛直方向に溝２１が設けられ、後側コイル４０の鉄芯４１はその溝２１に嵌ったまま、溶接の進行に応じて上側に移動するようになっている。
【００２８】
尚、本実施の形態では、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、前側コイル３０が開先部４の表側に配置されており、後側コイル４０が開先部４の裏側に配置されている。また、前側水冷銅板１０が、開先部４の表側の面、即ち、表面に配置されており、後側水冷銅板２０が、開先部４の裏側の面、即ち、裏面に配置されている。この状態で、前側コイル３０の配置位置は、前側水冷銅板１０の母材２，３とは反対側であり、後側コイル４０の配置位置は、後側水冷銅板２０の母材２，３とは反対側であると言える。
【００２９】
また、本実施の形態では、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、母材２，３の中心を通り母材２，３に平行な平面上で溶接の進行方向に垂直な方向で母材２，３の前側から見て右側に向かう方向をＸ軸の正の方向とする。また、母材２，３の中心を通り母材２，３に平行な平面に垂直な方向で母材２，３の後側に向かう方向をＹ軸の正の方向とする。更に、母材２，３の中心を通り母材２，３に平行な平面上の溶接の進行方向をＺ軸の正の方向とする。
【００３０】
次に、第１の実施の形態の磁場印加装置１における前側コイル３０及び後側コイル４０の諸元について説明する。下記表は、前側コイル３０及び後側コイル４０の諸元を示したものである。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表に示す通り、前側コイル３０のアンペアターンは６０００ＡＴとし、後側コイル４０のアンペアターンは９０００ＡＴとしている。また、前側コイル３０の鉄芯３１及び後側コイル４０の鉄芯４１のサイズは何れも、直径２０ｍｍ、長さ６０ｍｍとしている。
【００３３】
次に、第１の実施の形態の磁場印加装置１における前側コイル３０及び後側コイル４０の配置について説明する。図３は、磁場印加装置１における前側コイル３０及び後側コイル４０の位置を示した図である。本実施の形態では、図示するように、前側コイル３０の鉄芯３１及び後側コイル４０の鉄芯４１を、その軸心の位置が、溶接ワイヤ５の先端から２０ｍｍ〜２５ｍｍ下の位置になるように配置している。溶接ワイヤ５の先端から溶融池７までの距離は１０ｍｍ〜１５ｍｍなので、このような配置とすることで、鉄芯３１及び鉄芯４１の上端が溶融スラグ６と溶融池７との界面８と比較して、略同じ高さとなるか又は低くなる。
【００３４】
次に、本実施の形態の磁場印加装置１により溶接個所に印加される磁場の分布について説明する。図４は、溶接個所における磁場の分布を示した図である。具体的には、溶接個所における磁場の分布のシミュレーション結果である。図３に示した前側コイル３０及び後側コイル４０の配置により、同じく溶接電流が流れている溶融スラグ６に印加される磁場の強度を低く保ちながら、溶融池７に磁場を印加できていることが分かる。
【００３５】
次に、本実施の形態の磁場印加装置１において水冷銅板にコイルが嵌っている場合と嵌っていない場合とを比較して説明する。図５は、水冷銅板にコイルを嵌めた状態での磁場分布と水冷銅板にコイルを嵌めていない状態での磁場分布とを比較したグラフである。具体的には、前者の磁場分布は、前側水冷銅板１０の穴１１に前側コイル３０の鉄芯３１を嵌め、後側水冷銅板２０の溝２１に後側コイル４０の鉄芯４１を嵌めた状態での溶融池７の磁場分布のシミュレーション結果である。一方、後者の磁場分布は、前側水冷銅板１０の穴１１に前側コイル３０の鉄芯３１を嵌めず、後側水冷銅板２０の溝２１に後側コイル４０の鉄芯４１を嵌めない状態、言い換えると鉄芯４１の先端が溶融池７から離れている状態での溶融池７の磁場分布のシミュレーション結果である。尚、グラフにおいて、前後方向位置の正方向は、磁場印加装置１の前側の方向を示している。グラフから、水冷銅板にコイルを嵌めた状態の方が、水冷銅板にコイルを嵌めていない状態よりも、磁場の強度が増加することが分かる。磁場の強度の増加は、特に、溶融池７の前後の界面８で著しく、約２倍に増加させることができる。
【００３６】
次に、本実施の形態の磁場印加装置１における溶融池７の溶接電流密度の分布について説明する。図６は、溶融池７における溶接電流密度の分布を示した図である。具体的には、溶融池７に磁場を印加しながら溶接ワイヤ５に３０Ｖの直流電圧を印加して後側から観察した溶接電流密度の分布のシミュレーション結果である。図５から、溶融池７における溶接電流密度は約１．０×１０５［Ａ／ｍ２］〜３．２×１０５［Ａ／ｍ２］となっており、溶融池７にも溶接電流が流れていることが分かる。従って、この溶融池７の溶接電流に静磁場を印加することで電磁攪拌を起こすことができる。
【００３７】
次に、本実施の形態の磁場印加装置１により生じる溶融池７の上面における溶融金属の流速分布について説明する。図７（ａ），（ｂ）は、溶融池７の上面における溶融金属の流速ベクトル分布を示した図である。具体的には、溶融池７の内部に電磁攪拌によって発生する溶融金属の流れのシミュレーション結果である。図７（ａ）は、前側コイル３０が発生する磁場の方向と後側コイル４０が発生する磁場の方向とが同じ場合を示し、図７（ｂ）は、前側コイル３０が発生する磁場の方向と後側コイル４０が発生する磁場の方向とが反対の場合を示す。溶融池７のうち、鉄芯３１，４１に最も近い部分に最も大きなローレンツ力が働くので、流速は、溶融池７の前側及び後側で最も速く、約０．２ｍ／ｓとなる。図７（ａ）では、前側コイル３０が発生する磁場の方向と後側コイル４０が発生する磁場の方向とが同じなので、溶融池７の前側及び後側で流れの向きも同じになり、溶融池７の水平面内にＳ字状の流れが生じている。また、図７（ａ），（ｂ）から分かるように、流速分布は左右非対称になっている。よって、印加する磁場の方向を１．０Ｈｚ以下の低周波数で反転させることは攪拌効果を平均化させるために効果的である。但し、周波数を１．０Ｈｚ以上にすると、流れが成長する前にローレンツ力が反転し攪拌効果は小さくなるので、１．０Ｈｚ以下が妥当である。
【００３８】
次に、本実施の形態の磁場印加装置１により生じる溶融池７の内部における溶融金属の流速分布について説明する。図８（ａ），（ｂ）は、溶融池７の内部における溶融金属の流速分布を示した図である。図８（ａ）は、静磁場を印加した場合の流速分布を示す。ここでは、前側コイル３０及び後側コイル４０の起磁力は何れも６０００ＡＴとし、前側コイル３０が発生する磁場の方向と後側コイル４０が発生する磁場の方向とは同じとしている。また、図８（ｂ）は、溶融池７の水平面内で回転する１０Ｈｚの回転磁場を印加した場合の流速分布を示す。ここでは、１つの前側コイル３０及び２つの後側コイル４０を用い、各コイルの起磁力は６０００ＡＴとしている。尚、図８（ａ），（ｂ）の各図において、上側の流速分布図は溶融池７の上面の流速分布図を示し、中央の流速分布図は溶融池７の中心面の流速分布図を示し、下側の流速分布図は溶融池７の下面の流速分布図を示している。図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、明らかに１０Ｈｚの回転磁場を印加した場合の流速は１桁以上小さく、攪拌効果が期待できないことが分かる。
【００３９】
次に、溶接部９（図３参照）の断面観測結果について説明する。図９（ａ）〜（ｅ）は、溶接部９の断面写真である。具体的には、図９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ、静磁場を印加した場合、周波数が０．２５Ｈｚの矩形波の磁場を印加した場合（１回目）、周波数が０．２５Ｈｚの矩形波の磁場を印加した場合（２回目）、周波数が１．０Ｈｚの矩形波の磁場を印加した場合、磁場を印加しなかった場合における断面写真である。これらの断面写真を、結晶粒界が小さい順に並べると、写真中に矢印で示すように、（ａ）＜（ｂ），（ｃ）＜（ｄ）＜（ｅ）となる。（ｅ）の磁場を印加しなかった場合と比較して、（ａ）の静磁場を印加した場合の方が、結晶粒界が小さくなり、電磁攪拌による結晶粒界の微細化の効果を得ることができている。また、（ｂ），（ｃ）の低周波数（１．０Ｈｚ未満）で矩形波の磁場を印加した場合も、（ａ）の静磁場を印加した場合には劣るが、同様の効果を得ることができている。
【００４０】
本実施の形態では、開先部４の前側に配置する前側水冷銅板１０の外側に前側コイル３０を配置し、開先部４の後側に配置する後側水冷銅板２０の外側に後側コイル４０を配置した。具体的には、前側水冷銅板１０に穴１１を掘り、その穴１１に前側コイル３０の鉄芯３１を嵌めると共に、後側水冷銅板２０に溝２１を掘り、その溝２１に後側コイル４０の鉄芯４１を嵌めるようにした。これにより、溶融池７に印加できる磁界強度が向上し、溶融池７の磁気攪拌効果も向上した。
【００４１】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における磁場印加装置１’の構成は、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に示したものと同じなので、説明を省略する。
【００４２】
次に、第２の実施の形態の磁場印加装置１’における前側コイル３０及び後側コイル４０の配置について説明する。図１０は、磁場印加装置１’における前側コイル３０及び後側コイル４０の位置を示した図である。本実施の形態では、前側コイル３０及び後側コイル４０の諸元を下記表２のように設定した。
【００４３】
【表２】
2020138237.tif 000004
【００４４】
即ち、図１０に示すように、前側コイル３０の鉄芯３１及び後側コイル４０の鉄芯４１を、その軸心の位置が、溶融スラグ６と溶融池７との界面８から２０ｍｍ下の位置になるように配置している。これは、溶融スラグ６に印加される磁界を小さくしたいからである。また、表２に示すように、前側コイル３０の鉄芯３１及び後側コイル４０の鉄芯４１のサイズは何れも、直径２０ｍｍ、長さ６０ｍｍとしている。この状態で、表２に示すように前側コイル３０及び後側コイル４０に３０００ＡＴ（アンペアターン）の起磁力を印加したときの溶融池７及び溶融スラグ６に働くローレンツ力を見積もった。
【００４５】
また、エレクトラスラグ溶接では、母材２，３の厚さ方向にムラ無く溶接するため、溶接トーチ９０を前後方向に摺動させる。図３では、この溶接トーチ９０の摺動運動については示していなかったが、図１０では、溶接トーチ９０が、厚さ方向に１６ｍｍの幅で摺動運動することを示している。具体的には、厚さ方向の中心から、前側に９ｍｍ、後側に７ｍｍ摺動運動するものとする。
【００４６】
図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、溶接トーチ９０が最も前側にあるとき及び最も後側にあるときの溶接電流密度の高さ方向の分布を示したグラフである。これらのグラフでは、溶融池７及び溶融スラグ６の前側の溶接電流密度を実線で示し、溶融池７及び溶融スラグ６の後側の溶接電流密度を破線で示している。図１１（ａ）から、溶接トーチ９０が前側に来たとき、溶融池７の前側の溶接電流密度と溶融スラグ６の前側の溶接電流密度とを比較すると、溶融池７よりも溶融スラグ６の方が溶接電流密度が大きいことが分かる。但し、後ろ側の溶接電流密度については、溶接トーチ９０が離れることにより、溶融池７よりも溶融スラグ６の方がその絶対値は小さくなっている。一方、図１１（ｂ）から、溶接トーチ９０が後側にある場合はこれとは逆であることが分かる。
【００４７】
図１２は、表２の構成での磁束密度の高さ方向の分布を示したグラフである。このグラフでは、溶融池７及び溶融スラグ６の前側の磁束密度を実線で示し、溶融池７及び溶融スラグ６の後側の磁束密度を破線で示している。図１２から、鉄芯３１及び鉄芯４１の位置を下げた効果として、溶融池７よりも溶融スラグ６の方が磁界強度が低くなっていることが分かる。
【００４８】
図１３は、表２の構成でのローレンツ力の高さ方向の分布を示したグラフである。このグラフでは、溶接トーチ９０が前側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の前側のローレンツ力を実線で示し、溶接トーチ９０が後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の後側のローレンツ力を破線で示している。
【００４９】
図１４（ａ），（ｂ）は、表２の構成で、ローレンツ力の平均値を溶融池７と溶融スラグ６とで比較した棒グラフである。具体的には、図１４（ａ）は、図１３に実線で示した、溶接トーチ９０が前側に位置するときに溶融池７及び溶融スラグ６の前側に働くローレンツ力の平均値を示す。また、図１４（ｂ）は、図１３に破線で示した、溶接トーチ９０が後側に位置するときに溶融池７及び溶融スラグ６の後側に働くローレンツ力の平均値を示す。図１４（ａ），（ｂ）から、溶融スラグ６よりも溶融池７の方が大きなローレンツ力が働いていることが分かる。
【００５０】
次に、溶融スラグ６に生じる電磁攪拌効果を更に抑制する方法について述べる。
【００５１】
図１５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、溶融スラグ６及び溶融池７について、溶接トーチ９０の位置に対する溶接電流密度の分布を示したグラフである。各グラフでは、溶融スラグ６又は溶融池７の前側の溶接電流密度を実線で示し、溶融スラグ６又は溶融池７の後側の溶接電流密度を破線で示している。図１５（ａ）の溶融スラグ６中間の溶接電流密度の分布と、図１５（ｂ）の溶融池７中間の溶接電流密度の分布とを比較すると、前者が溶接トーチ９０の位置に対して二次関数に近い形状を有しているのに対し、後者は溶接トーチ９０の位置に対して一次関数に近い形状を有している。即ち、溶融池７の方が、溶融スラグ６よりも、溶接電流密度の溶接トーチ９０の位置に対する依存性が少ない。よって、溶接トーチ９０が前側コイル３０の鉄芯３１に最も近付いたときに、前側コイル３０の電流値を最小にし、後側コイル４０の電流値を最大にするとよい。これにより、溶融スラグ６に働く電磁力を効果的に抑制しながら、有意な大きさの電磁力を溶融池７に働かせることが可能になる。逆に、溶接トーチ９０が後側コイル４０の鉄芯４１に最も近付いたときは、後側コイル４０の電流値を最小にし、前側コイル３０の電流値を最大にすればよい。
【００５２】
このような前側コイル３０及び後側コイル４０の通電方法により、溶融池７に有意な大きさの電磁攪拌ができると共に溶融スラグ６の電磁攪拌が抑制でき、溶融スラグ６が溶融池７に巻き込まれることがなくなる。その結果、溶接部９の機械的強度が向上する。
【００５３】
そこで、以上述べた溶接トーチ９０の位置に同期して前側コイル３０及び後側コイル４０の電流値を変化させる方法を採用し、ローレンツ力の分布を見積もった。そのときの前側コイル３０及び後側コイル４０の諸元を下記表３に示す。
【００５４】
【表３】
2020138237.tif 000005
【００５５】
図１１（ａ），（ｂ）では、溶接トーチ９０が前側又は後側に位置するとき、その反対側の溶接電流密度は、溶接トーチ９０の位置の溶接電流密度の最大値の半分以下に落ちていた。この溶接電流密度が小さくなった分を補うために印加磁界を大きくする必要がある。よって、表３に示すように、前側コイル３０の鉄芯３１及び後側コイル４０の鉄芯４１の位置を１０ｍｍ上げ、通電電流値も前側コイル３０で３倍、後側コイル４０で２倍というように大きくした。
【００５６】
図１６（ａ），（ｂ）は、それぞれ、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の前側のローレンツ力の高さ方向の分布、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の後側のローレンツ力の高さ方向の分布を示したグラフである。このうち、図１６（ａ）は、表３の構成で、溶接トーチ９０が後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の前側のローレンツ力の分布を太線で示す。図１６（ａ）には表２の構成でのローレンツ力の分布も細線で示しているが、太線で示した表３の構成の場合、溶融スラグ６の方がローレンツ力がより抑制できているように見える。尚、図１６（ｂ）に示すように、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの後側のローレンツ力についても同様である。
【００５７】
このことを定量的に分かり易くするために、平均値で評価したグラフを示す。図１７（ａ），（ｂ）は、それぞれ、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の前側のローレンツ力の平均値、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の後側のローレンツ力の平均値を溶融池７と溶融スラグ６とで比較した棒グラフである。このうち、図１７（ａ）は、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの溶融池７及び溶融スラグ６の前側のローレンツ力の平均値を示す。図１７（ａ）から、表３の構成では、表２の構成と比べ、溶融スラグ６のローレンツ力がより抑制できていることが分かる。尚、図１７（ｂ）に示すように、溶接トーチ９０が前側及び後側に位置するときの後側のローレンツ力についても同様である。
【００５８】
以上により、表３の構成でのローレンツ力の分布を見積もり、溶接トーチ９０の位置と前側コイル３０及び後側コイル４０の電流値とを同期して変化させることで溶融スラグ６の電磁攪拌効果を抑制できることが分かったが、前側コイル３０及び後側コイル４０の通電方向、言い換えると磁極の向きを変えない場合は問題が生じる。
【００５９】
図１８（ａ），（ｂ）は、このような問題について示した図である。図１８（ａ）に示すように、溶融スラグ６には電磁攪拌用の磁界を印加していない場合でも溶接電流によりピンチ力が働き、溶接ワイヤ５に沿って上から下に向かう強い流れＳが生じている。この流れＳは、電磁攪拌用の印加磁界が作用することにより、ローレンツ力の向きに応じて左右方向に曲げられることになる。図１８（ｂ）では、紙面奥行き方向の磁界Ｍがかけられているため、右方向にローレンツ力Ｆが働き、これにより、流れＳが右方向にカーブしている。その結果、溶融スラグ６に左右方向の温度ムラが生じ、母材２，３の溶け込み量に差異が生じることになる。
【００６０】
そこで、本実施の形態では、電磁攪拌用の印加磁界の向きを周期的に反転させることで、母材２，３の溶け込み量を左右均等にする。
【００６１】
図１９（ａ）〜（ｄ）は、電磁攪拌用の印加磁界の反転方法について説明するためのタイムチャートである。これらのタイムチャートでは、図１９（ａ）に示すように、溶接トーチ９０が後側に静止している時間を時刻ｔ０〜時刻ｔ１とし、溶接トーチ９０が後側から前側へ移動している時間を時刻ｔ１〜時刻ｔ２とし、溶接トーチ９０が前側に静止している時間を時刻ｔ２〜時刻ｔ３とし、溶接トーチ９０が前側から後側へ移動している時間を時刻ｔ３〜時刻ｔ０とする。
【００６２】
このうち、図１９（ｃ）は、溶接トーチ９０の移動の周期ごとに磁極の向きを反転させる場合の通電パターンを示す。また、図１９（ｄ）は、溶接トーチ９０が前側又は後側にあるときに磁極の向きを入れ替える場合の通電パターンを示す。更に、比較のために、溶接トーチ９０の摺動運動に合わせて前側コイル３０及び後側コイル４０の磁極の向きを変更しない場合の通電パターンも図１９（ｂ）に示している。尚、図１９（ｂ）の通電パターンでは、前側コイル３０の電流値の最大値、最小値をそれぞれ「前側コイル最大」、「前側コイル最小」とし、後側コイル４０の電流値の最大値、最小値をそれぞれ「後側コイル最大」、「後側コイル最小」として、図１９（ｃ），（ｄ）の通電パターンでも、磁極の向きを反転させない場合にはこれらの値をそのまま示し、磁極の向きを反転させる場合にはこれらの値にマイナスを付して示している。
【００６３】
尚、本実施の形態では、溶接トーチ９０が前側コイル３０の鉄芯３１に最も近付いたときに、前側コイル３０の電流値を最小にして後側コイル４０の電流値を最大にし、溶接トーチ９０が後側コイル４０の鉄芯４１に最も近付いたときに、後側コイル４０の電流値を最小にして前側コイル３０の電流値を最大にしたが、これには限らない。溶接トーチ９０が前側コイル３０の鉄芯３１に接近したときに前側コイル３０の電流値を減少させて後側コイル４０の電流値を増大させ、溶接トーチ９０が後側コイル４０の鉄芯４１に接近したときに後側コイル４０の電流値を減少させて前側コイル３０の電流値を増大させてもよい。
【００６４】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、前側コイル３０及び後側コイル４０を母材２，３に対して移動させる機構に関する実施の形態である。
【００６５】
第３の実施の形態の第１の実施例では、第１の実施の形態における磁場印加装置１を用いる。即ち、第３の実施の形態の第１の実施例の構造は、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）、図３に示したものとなる。この磁場印加装置１では、前述したように、後側水冷銅板２０は母材２，３に固定して動かさず、前側水冷銅板１０及び前側コイル３０と、後側コイル４０とを母材２，３に対して動かす。
【００６６】
図２０は、第１の実施例における磁場印加装置１の構成を横から見た図である。図示するように、前側水冷銅板１０及び前側コイル３０と、後側コイル４０とはそれぞれ、互いに独立した前側上下昇降機構５０と、後側上下昇降機構６０とに固定されている。具体的には、前側上下昇降機構５０が、前側フレーム５１により前側水冷銅板１０及び前側コイル３０を母材２，３に押え付けており、後側上下昇降機構６０が、後側フレーム６１により後側コイル４０を後側水冷銅板２０に押え付けている。これにより、前側上下昇降機構５０が、前側水冷銅板１０及び前側コイル３０を溶接対象の母材２，３に沿って上下に昇降させ、後側上下昇降機構６０が、後側コイル４０を後側水冷銅板２０に掘られた溝２１に沿って上下に昇降させる。尚、図示するように、前側上下昇降機構５０には、溶接ワイヤ５を送給する溶接トーチ９０も設けられている。
【００６７】
図２１（ａ），（ｂ）及び図２２（ａ），（ｂ）は、前側コイル３０及び後側コイル４０の上下昇降の様子を示した図である。具体的には、図２１（ａ），（ｂ）は、前側コイル３０及び後側コイル４０が初期位置にある状態を示し、図２１（ａ）はそれを前から見た図であり、図２１（ｂ）はそれを後側から見た図である。また、図２２（ａ），（ｂ）は、前側コイル３０及び後側コイル４０が溶接のために移動中である状態を示し、図２２（ａ）はそれを前側から見た図であり、図２２（ｂ）はそれを後側から見た図である。
【００６８】
図２１（ａ）及び図２２（ａ）に示すように、母材３には架台７０が固定されており、前側上下昇降機構５０は、架台７０に沿って移動用歯車５２，５３により上下に昇降する。また、前側上下昇降機構５０は、前側コイル３０の高さを検出する高さセンサ５４を持つ。高さセンサ５４は赤外線等を利用した非接触の距離計等が利用できる。基準面Ｌ１に反射板５５を設け、高さセンサ５４は反射板５５との距離を測定するとよい。尚、基準面Ｌ１はどの高さに設けてもよいが、図では後側水冷銅板２０の上端の高さに設けている。更に、前側上下昇降機構５０には、高さセンサ５４が検出した高さの情報を後側上下昇降機構６０に伝達する制御を行う前側制御器５６も設けられている。
【００６９】
図２１（ｂ）及び図２２（ｂ）に示すように、母材３には架台８０も固定されており、後側上下昇降機構６０は、架台８０に沿って移動用歯車６２，６３により上下に昇降する。また、後側上下昇降機構６０は、後側コイル４０の高さを検出する高さセンサ６４を持つ。高さセンサ６４は赤外線等を利用した非接触の距離計等が利用できる。図２１（ａ）及び図２２（ａ）に示したのと同じ基準面Ｌ１に反射板６５を設け、高さセンサ６４は反射板６５との距離を測定するとよい。更に、後側上下昇降機構６０には、前側上下昇降機構５０から高さの情報が伝達されると、この伝達された高さと高さセンサ６４が検出した高さとが一致するように後側コイル４０を上下昇降させる制御を行う後側制御器６６も設けられている。
【００７０】
まず、溶接開始前には、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、基準面Ｌ１を基準とした前側上下昇降機構５０及び後側上下昇降機構６０の高さ（基準高さ）が一致するように、前側上下昇降機構５０及び後側上下昇降機構６０の位置を調整する。その結果、前側コイル３０の高さと後側コイル４０の高さとは一致する。この状態を初期状態とする。
【００７１】
次に、溶接を開始すると、前側上下昇降機構５０は、図２２（ａ）に示すように、溶接が進むにつれて上に移動し、基準面Ｌ１を基準とした高さＡ１は短くなっていく。前側制御器５６は、前側上下昇降機構５０の初期状態からの高さＡ１の情報を逐次後側制御器６６に伝達する。これにより、後側上下昇降機構６０では、図２２（ｂ）に示すように、高さセンサ６４が、後側上下昇降機構６０の基準面Ｌ１からの高さＢ１を測定する。そして、後側制御器６６が、前側制御器５６から伝達された高さＡ１と、高さセンサ６４により測定された高さＢ１とが一致するように、後側上下昇降機構６０の位置を制御する。
【００７２】
尚、第１の実施例では、前側制御器５６が高さＡ１の情報を後側制御器６６に伝達し、後側制御器６６が高さＡ１と高さＢ１とが一致するように後側上下昇降機構６０の位置を制御するようにしたが、これには限らない。例えば、前側及び後側に共通の制御器を設け、前側制御器５６及び後側制御器６６がそれぞれ高さＡ１及び高さＢ１の情報をこの共通の制御器に伝達し、この共通の制御器が高さＡ１と高さＢ１とが一致するように、前側上下昇降機構５０の位置を制御する信号を前側制御器５６に送ったり、後側上下昇降機構６０の位置を制御する信号を後側制御器６６に送ったりしてもよい。
【００７３】
このように、第３の実施の形態の第１の実施例では、溶融スラグ６及び溶融池７の高さ方向に対して前側コイル３０及び後側コイル４０の位置を一致させるようにした。これにより、励磁による溶融スラグ６の暴れを抑制できるので、ビード形状を安定化させ、介在物等の混入を防ぐことが可能となった。
【００７４】
また、第３の実施の形態の第１の実施例では、後側水冷銅板２０が母材２，３に固定されるようにした。これにより、後側からの溶融スラグ６の漏れを抑制できるので、ビード形状を安定化させることが可能となった。
【００７５】
尚、上記では、前側水冷銅板１０が母材２，３に沿って移動し、後側水冷銅板２０が母材２，３に固定されている構成を採用したが、これには限らない。前側水冷銅板１０が母材２，３に固定され、後側水冷銅板２０が母材２，３に沿って移動する構成や、前側水冷銅板１０及び後側水冷銅板２０の両方が母材２，３に固定されている構成を採用してもよい。つまり、前側水冷銅板１０及び後側水冷銅板２０の少なくとも何れか一方が母材２，３に固定されている構成としてよい。
【００７６】
第３の実施の形態の第２の実施例では、第１の実施の形態における磁場印加装置１の後側水冷銅板２０を前側水冷銅板１０と同タイプのものに置き換えた磁場印加装置１’を用いる。図２３は、磁場印加装置１’の構造を示した図である。この磁場印加装置１’では、磁場印加装置１の前側水冷銅板１０に対応する構成要素を前側水冷銅板１０ａとし、磁場印加装置１の後側水冷銅板２０に対応する構成要素を後側水冷銅板１０ｂとする。そして、この磁場印加装置１’は、前側コイル３０の鉄芯３１が前側水冷銅板１０ａの穴１１ａに嵌って一緒に移動するだけでなく、後側コイル４０の鉄芯４１も後側水冷銅板１０ｂの穴１１ｂに嵌って一緒に移動する機構となっている。
【００７７】
図２４は、第２の実施例における磁場印加装置１’の構成を横から見た図である。図示するように、前側水冷銅板１０ａと、後側水冷銅板１０ｂとはそれぞれ、互いに独立した前側上下昇降機構５０ａと、後側上下昇降機構５０ｂとに固定されている。具体的には、前側上下昇降機構５０ａが、前側フレーム５１ａにより前側水冷銅板１０ａを母材２，３に押え付けており、後側上下昇降機構５０ｂが後側フレーム５１ｂにより後側水冷銅板１０ｂを母材２，３に押え付けている。これにより、前側上下昇降機構５０ａ及び後側上下昇降機構５０ｂが、前側水冷銅板１０ａ及び後側水冷銅板１０ｂを溶接対象の母材２，３に沿って上下に昇降させる。尚、図示するように、前側上下昇降機構５０ａには、溶接ワイヤ５を送給する溶接トーチ９０も設けられている。
【００７８】
図２５（ａ），（ｂ）及び図２６（ａ），（ｂ）は、前側水冷銅板１０ａ及び後側水冷銅板１０ｂの上下昇降の様子を示した図である。具体的には、図２５（ａ），（ｂ）は、前側水冷銅板１０ａ及び後側水冷銅板１０ｂが初期位置にある状態を示し、図２５（ａ）はそれを前側から見た図であり、図２５（ｂ）はそれを後側から見た図である。また、図２６（ａ），（ｂ）は、前側水冷銅板１０ａ及び後側水冷銅板１０ｂが溶接のために移動中である状態を示し、図２６（ａ）はそれを前側から見た図であり、図２６（ｂ）はそれを後側から見た図である。
【００７９】
図２５（ａ）及び図２６（ａ）に示すように、母材３には架台７０が固定されており、前側上下昇降機構５０ａは、架台７０に沿って移動用歯車５２ａ，５３ａにより上下に昇降する。また、前側上下昇降機構５０ａは、前側水冷銅板１０ａ及び前側コイル３０の高さを検出する高さセンサ５４ａを持つ。高さセンサ５４ａは赤外線等を利用した非接触の距離計等が利用できる。基準面Ｌ２に反射板５５ａを設け、高さセンサ５４ａは反射板５５ａとの距離を測定するとよい。尚、基準面Ｌ２はどの高さに設けてもよいが、図では溶接開始位置の高さに設けている。更に、前側上下昇降機構５０ａには、高さセンサ５４ａが検出した高さの情報を後側上下昇降機構５０ｂに伝達する制御を行う前側制御器５６ａも設けられている。
【００８０】
図２５（ｂ）及び図２６（ｂ）に示すように、母材３には架台８０も固定されており、後側上下昇降機構５０ｂは、架台８０に沿って移動用歯車５２ｂ，５３ｂにより上下に昇降する。また、後側上下昇降機構５０ｂは、後側水冷銅板１０ｂ及び後側コイル４０の高さを検出する高さセンサ５４ｂを持つ。高さセンサ５４ｂは赤外線等を利用した非接触の距離計等が利用できる。図２５（ａ）及び図２６（ａ）に示したのと同じ基準面Ｌ２に反射板５５ｂを設け、高さセンサ５４ｂは反射板５５ｂとの距離を測定するとよい。更に、後側上下昇降機構５０ｂには、前側上下昇降機構５０ａから高さの情報が伝達されると、この伝達された高さと高さセンサ５４ｂが検出した高さとが一致するように後側水冷銅板１０ｂを上下昇降させる制御を行う後側制御器５６ｂも設けられている。
【００８１】
まず、溶接開始前には、図２５（ａ），（ｂ）に示すように、基準面Ｌ２を基準とした前側水冷銅板１０ａ及び前側コイル３０の高さと、基準面Ｌ２を基準とした後側水冷銅板１０ｂ及び後側コイル４０の高さとを一致させる。この状態を初期状態とする。
【００８２】
次に、溶接を開始すると、前側上下昇降機構５０ａは、図２６（ａ）に示すように、溶接が進むにつれて上に移動し、基準面Ｌ２を基準とした高さＡ２は長くなっていく。前側制御器５６ａは、前側水冷銅板１０ａの初期状態からの高さＡ２の情報を逐次後側制御器５６ｂに伝達する。これにより、後側上下昇降機構５０ｂでは、図２６（ｂ）に示すように、高さセンサ５４ｂが、後側水冷銅板１０ｂの基準面Ｌ２からの高さＢ２を測定する。そして、後側制御器５６ｂが、前側制御器５６ａから伝達された高さＡ２と、高さセンサ５４ｂにより測定された高さＢ２とが一致するように、後側水冷銅板１０ｂの位置を制御する。
【００８３】
尚、第２の実施例では、前側制御器５６ａが高さＡ２の情報を後側制御器５６ｂに伝達し、後側制御器５６ｂが高さＡ２と高さＢ２とが一致するように後側水冷銅板１０ｂの位置を制御するようにしたが、これには限らない。例えば、前側及び後側に共通の制御器を設け、前側制御器５６ａ及び後側制御器５６ｂがそれぞれ高さＡ２及び高さＢ２の情報をこの共通の制御器に伝達し、この共通の制御器が高さＡ２と高さＢ２とが一致するように、前側水冷銅板１０ａの位置を制御する信号を前側制御器５６ａに送ったり、後側水冷銅板１０ｂの位置を制御する信号を後側制御器５６ｂに送ったりしてもよい。
【００８４】
このように、第３の実施の形態の第２の実施例では、溶融スラグ６及び溶融池７の高さ方向に対して前側コイル３０及び後側コイル４０の位置を一致させるようにした。これにより、励磁による溶融スラグ６の暴れを抑制できるので、ビード形状を安定化させ、介在物等の混入を防ぐことが可能となった。
【符号の説明】
【００８５】
１，１’…磁場印加装置、２、３…母材、４…開先部、５…溶接ワイヤ、６…溶融スラグ、７…溶融池、８…界面、９…溶接部、１０，１０ａ…前側水冷銅板、１１…穴、２０，１０ｂ…後側水冷銅板、２１…溝、３０…前側コイル、３１，４１…鉄芯、４０…後側コイル、５０，５０ａ…前側上下昇降機構、６０，５０ｂ…後側上下昇降機構、５４，６４，５４ａ，５４ｂ…高さセンサ、５５，６５，５５ａ，５５ｂ…反射板、５６，５６ａ…前側制御器、６６，５６ｂ…後側制御器、９０…溶接トーチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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