(57)【要約】【課題】十分な量の溶融スラグを排出することができ、アーク不安定やスラグ跳ねの問題を好適に回避することができるエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金を提供する。【解決手段】母材と対向する面が、湾曲した凹面からなる湾曲凹部２と、その左右両側において所定の幅をもってそれぞれ形成された平坦な垂直面からなる二つの摺動縁部３ａ，３ｂと、母材表面との間に所定幅の間隙を形成するための切欠部４とによって構成され、湾曲凹部２の上端付近には、前方へシールドガスを供給する開口部５が形成され、切欠部４は、二つの摺動縁部３ａ，３ｂのうち、一方の摺動縁部３ａの下方に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と対向する面が、湾曲した凹面からなる湾曲凹部と、当該湾曲凹部の左右両側において所定の幅をもってそれぞれ形成された平坦な垂直面からなる二つの摺動縁部と、母材表面との間に所定幅の間隙を形成するための切欠部とによって構成され、
前記湾曲凹部の上端付近には、前方へシールドガスを供給する開口部が形成され、
前記切欠部は、前記二つの摺動縁部のうち、一方の摺動縁部の下方に形成されていることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金。
【請求項２】
前記一方の摺動縁部と前記切欠部の境界が、前記開口部の下縁の位置から１０〜２０ｍｍ下方の位置に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金。
【請求項３】
前記切欠部のオフセット量が、０．５〜１．５ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金。
【請求項４】
前記切欠部のオフセット量が、上方から下方へ向かって次第に大きくなるように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロガスアーク溶接に用いられる摺動当金（摺動銅板、水冷銅壁）に関し、特に、溶接時において溶融金属上に滞留する溶融スラグを理想的な態様で溶融池から排出することができるエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロガスアーク溶接は、図２（２電極エレクトロガスアーク溶接の説明図であって、母材、摺動当金等の水平断面図）に示すように、母材（ウェブ側母材５１、フランジ側母材５２）の表面側に摺動当金５３を配置して、母材５１，５２の端面、摺動当金５３、及び、裏当金５７によって囲まれた空間（溶融池５４）内に、シールドガス（炭酸ガス等）を供給しつつ、一対の溶接トーチ５５，５５からそれぞれ溶接ワイヤ５６，５６を繰り出してアーク溶接を行う、というものである。
【０００３】
図３は、エレクトロガスアーク溶接において用いられている従来の摺動当金５３の斜視図である。摺動当金５３は、一般に、銅板によって形成されていることが多く、また、冷却水を順次導入（及び排出）できるような構造となっており、母材及び溶接金属を冷却する機能を有している。このため、摺動当金５３は、「摺動銅板」或いは「水冷銅壁」とも呼ばれている。
【０００４】
図３に示されているように、この摺動当金５３は、一方の面（図２において母材５１，５２と対向する面）が、湾曲凹部６１と、二つの摺動縁部６２，６２とによって構成されている。湾曲凹部６１は、垂直軸線周りに湾曲した凹面からなっている。摺動縁部６２，６２は、湾曲凹部６１の左右両側において所定の幅をもって形成されており、凹凸のない平坦な垂直面によってそれぞれ構成されている。尚、摺動縁部６２，６２の構成面は、同一の仮想平面上にある。
【０００５】
湾曲凹部６１の上端付近には、開口部６３が形成されている。この開口部６３は、摺動当金５３の背面側（湾曲凹部６１の反対側）に突出したシールドガス導入口６４と連通しており、シールドガスの供給源とシールドガス導入口６４とを接続することによって、開口部６３から、図２に示す溶融池５４にシールドガスを供給できるように構成されている。また、摺動当金５３の背面側には、図２に示すように、冷却水の導入口６５、及び、排出口６６が形成されている。
【０００６】
エレクトロガスアーク溶接においては、溶接ワイヤ５６として、一般にフラックス入りのものが使用され、フラックスに配合されているスラグ形成剤が溶接時に溶融し、ビードの外観を良好に保つ働きをする。この点についてより具体的に説明すると、図４（図２に示したｘ−ｘ線による溶融池５４（開先）及び摺動当金５３等の垂直断面図）に示すように、溶融池５４内に一対の溶接トーチ５５，５５を差し込み、各先端部から繰り出される溶接ワイヤ５６，５６間に電圧を印加すると、アーク放電によって溶接ワイヤ５６，５６が溶融し、溶融池５４内において溶融金属５９の層が形成される。また、溶接ワイヤ５６に配合されているスラグ形成剤が溶融することによって、溶融金属５９の層の上に、溶融スラグ６０ａの層が形成される。
【０００７】
エレクトロガスアーク溶接における溶接作業は、溶接トーチ５５，５５と摺動当金５３の相対位置関係及び姿勢を維持しつつ、それらを一定のスピードで上昇させていくことによって行われる。このとき摺動当金５３は、湾曲凹部６１が常に溶融池５４に面した状態で、また、摺動縁部６２，６２（図３参照）をウェブ側母材５１、及び、フランジ側母材５２に対してそれぞれ当接、摺動させながら上昇させる。溶融金属５９は、摺動当金５３によって冷やされて下層側から順次硬化していき、溶接金属５８の層が下方から上方へ向かって成長していく形となる。
【０００８】
このとき、溶接金属５８の表層側（母材５１，５２の表面側）には、ビード５８ａが形成されることになるが、溶接池５４の最上層を形成する溶融スラグ６０ａが、摺動当金５３の湾曲凹部６１と、溶融金属５９（或いはビード５８ａ）との間隙から下方へ向かって流出し、ビード５８ａの外側に付着し、溶融金属５９に先行して凝固して凝固スラグ６０ｂとなり、溶融金属５９のビード表面を滑らかに覆うことによって、ビード５８ａの外観性が向上する。
【０００９】
尚、摺動当金５３の湾曲凹部６１と、溶融金属５９との間に形成される間隙が大きすぎると、溶融金属５９が下方へ流出してしまうことがあり、この場合、粗度が大きく、醜悪な形状のビード５８ａが形成されてしまう可能性がある。このため、摺動当金５３は、通常、溶融スラグ６０ａのみを選択的に流出させることができるように、適切な大きさの間隙（溶融金属５９よりも流動性が大きい溶融スラグ６０ａは流出するが、溶融スラグ６０ａよりも流動性が小さい溶融金属５９は流出しない、というような大きさの間隙）が、湾曲凹部６１と溶融金属５９の間に、形成されるように設計されている。
【特許文献１】特開昭６２−１３４１８０号公報
【特許文献２】特開２００７−９０３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら従来の摺動当金５３は、溶融スラグ６０ａのみを選択的に流出させることができるように配慮されているものの、溶接ワイヤ５６からの供給量との関係で十分な量の溶融スラグ６０ａを溶融池５４から排出することができないものが多く、溶融池５４からの溶融スラグ６０ａの排出量が供給量を下回ってしまうと、溶融スラグ６０ａの層が厚くなり過ぎて、アーク不安定が生じ、アークが消失してしまう、という問題がある。
【００１１】
また、溶融スラグ６０ａの層が厚過ぎると、アークによって「スラグ跳ね」が生じ、溶融スラグ６０ａの小滴が溶接トーチ５５に付着、堆積し、溶接トーチ５５が肥大化して動作不良（例えば、狭い開先との干渉等）が生じたり、摺動当金５３の開口部６３（溶融池５４へシールドガスを供給する吐出口）の周辺部分に溶融スラグ６０ａの小滴が付着して、開口部６３の開口面積、ひいては、シールドガスの供給量が減じられ、シールド不良が生じるという問題がある。
【００１２】
このため、従来の摺動当金５３を用いたエレクトロガスアーク溶接における最大溶接長は１ｍ程度であり、長尺の部材に適用することは困難であった。また、従来の摺動当金には、適用する母材の板厚に応じて、適切な溝形状のものを選択して用いるべきものなどもあり、このタイプの摺動当金は、選択を誤ると、ビード表面が凸凹になってしまう可能性があるという問題があった。本発明は、上記のような従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、十分な量の溶融スラグを排出することができ、アーク不安定やスラグ跳ねの問題を好適に回避することができるほか、汎用性が高く、どのような板厚の母材に対しても好適に用いることができるエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金は、母材と対向する面が、湾曲した凹面からなる湾曲凹部と、当該湾曲凹部の左右両側において所定の幅をもってそれぞれ形成された平坦な垂直面からなる二つの摺動縁部と、母材表面との間に所定幅の間隙を形成するための切欠部とによって構成され、湾曲凹部の上端付近には、前方へシールドガスを供給する開口部が形成され、切欠部は、二つの摺動縁部のうち、一方の摺動縁部の下方に形成されていることを特徴としている。
【００１４】
尚、一方の摺動縁部と切欠部の境界は、開口部の下縁の位置から１０〜２０ｍｍ下方の位置に設定されていることが好ましく、また、切欠部のオフセット量は、０．５〜１．５ｍｍの範囲内に設定されていることが好ましい。更に、切欠部のオフセット量は、上方から下方へ向かって次第に大きくなるように設定することもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金によれば、溶融池の溶融金属の層の上に滞留する溶融スラグが、湾曲凹部と、溶融金属（或いはビード）との間隙から下方へ向かって流出するとともに、切欠部と母材表面との間に形成される間隙から摺動当金の軌道の側方へも流出することになり、従来の摺動当金と比べ、溶融スラグの排出量を増加させることができる。その結果、溶融スラグの排出量が供給量を下回ってしまうというような問題や、それに起因して派生し得る様々な問題（アーク不安定、アーク消失、スラグ跳ね、溶接トーチの動作不良、シールド不良等の問題）を好適に回避することができる。
【００１６】
尚、切欠部のオフセット量が、上方から下方へ向かって次第に大きくなるように構成した場合、切欠部と母材表面との間に形成される間隙の容量が大きくなることで、排出された溶融スラグがスムーズに下方へ流れ落ちやすくなり、溶融スラグの排出性そのものが向上するという効果を期待することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面に沿って本発明に係る「エレクトロガスアーク溶接用の摺動当金」の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金１の斜視図である。図示されているように、この摺動当金１は、一方の面（母材と対向する面）が、湾曲凹部２と、二つの摺動縁部３ａ，３ｂと、切欠部４とによって構成されている。湾曲凹部２は、垂直軸線周りに湾曲した凹面からなっている。摺動縁部３ａ，３ｂは、湾曲凹部２の左右両側において所定の幅をもって形成された平坦な垂直面によってそれぞれ構成されている。尚、摺動縁部３ａ，３ｂの構成面は、同一の仮想平面上にある。
【００１８】
湾曲凹部２の上端付近には、開口部５が形成されている。この開口部５は、摺動当金１の背面側（湾曲凹部２の反対側）に突出したシールドガス導入口６と連通しており、シールドガスの供給源とシールドガス導入口６とを接続することによって、開口部５から、前方へシールドガスを供給できるように構成されている。また、摺動当金１の背面側には、冷却水の導入口、及び、排出口が形成されている。
【００１９】
本発明に係る摺動当金１において、図３に示した従来の摺動当金５３と異なっている点は、湾曲凹部２の左右両側に一つずつ形成されている摺動縁部３ａ，３ｂのうち、一方の摺動縁部３ａ（図１において左側の方）が摺動当金１の下端まで達しておらず、切欠部４が形成されている、という点である。より具体的には、従来の摺動当金５３では、左右両側の摺動縁部６２，６２はいずれも摺動当金５３の上端から下端まで連続した状態となっているが、本発明の摺動当金１においては、一方の摺動縁部３ａが、摺動当金１の上端部付近に限定され、摺動縁部３ａの下側部分は、表面から一定の厚さ分が除去されて、切り欠かれた状態（切欠部４）となっている。
【００２０】
摺動縁部３ａと切欠部４の境界Ｂは、本実施形態においては、開口部５の下縁５ａの位置（図１において一点鎖線で示す位置）から１５ｍｍ下方の位置（図１において二点鎖線で示す位置）に設定されている。尚、切欠部４は、境界Ｂから摺動当金１の下端まで連続した状態で延在している。
【００２１】
切欠部４の構成面は、摺動縁部３ａ，３ｂの構成面（図１において破線で示す位置）から、摺動当金１の背面側へ１ｍｍずれた位置にある。つまり、摺動縁部３ａの構成面から厚さ１ｍｍ分の肉を削り取った状態となっている。
【００２２】
従って、この摺動当金１を用いてエレクトロガスアーク溶接を行うべく、母材の表面側に摺動当金１を配置した場合、摺動縁部３ａ，３ｂは、母材の表面に接触した状態となるが、切欠部４は母材表面から１ｍｍ離間した状態となり、母材表面と摺動当金１の間には、幅１ｍｍの間隙が形成されることになる。
【００２３】
この摺動当金１を用いてエレクトロガスアーク溶接を実施すると、溶融池の溶融金属の層の上に滞留する溶融スラグが、摺動当金１の湾曲凹部２と、溶融金属（或いはビード）との間隙から下方へ向かって流出するとともに、切欠部４と母材表面との間に形成される間隙から摺動当金１の軌道の側方へも流出することになり、従来の摺動当金５３（図３参照）と比べ、溶融スラグの排出量を増加させることができる。その結果、溶融スラグの排出量が供給量を下回ってしまうというような問題や、それに起因して派生し得る様々な問題（アーク不安定、アーク消失、スラグ跳ね、溶接トーチの動作不良、シールド不良等の問題）を好適に回避することができる。
【００２４】
尚、本実施形態においては、摺動縁部３ａと切欠部４の境界Ｂは、開口部５の下縁５ａの位置から１５ｍｍ下方の位置に設定されているが、この境界Ｂと開口部５の下縁５ａとの離間寸法Ｈ（図１参照）は、必ずしも１５ｍｍに限定されるものではない。しかしながら、この離間寸法Ｈを１０ｍｍよりも小さく設定すると、溶融金属の漏れが生じるという問題があるため、最低でも１０ｍｍは確保すべきである。また、この離間寸法Ｈを２０ｍｍよりも大きく設定した場合、溶融スラグの円滑な排出効果を期待できないということ、及び、２０ｍｍ以内であれば、概ね良好な排出効果を期待できるということが、発明者らが行った実験により確認されている。従って、境界Ｂと開口部５の下縁５ａとの離間寸法Ｈは、１０〜２０ｍｍの範囲内で適宜設定することが好ましい。
【００２５】
また、切欠部４の構成面のオフセット量Ｄ（摺動縁部３ａ，３ｂの構成面から背面側へのずれ量、即ち、切欠部４において母材表面と摺動当金１の間に形成される間隙の大きさ）は、本実施形態においては１ｍｍに設定されているが、必ずしもこの大きさに限定されるものではない。但し、このオフセット量Ｄを０．５ｍｍよりも小さく設定した場合、溶融スラグの十分な排出効果を期待できないということ、及び、０．５以上とすれば、概ね良好な排出効果を期待できるということが、発明者らが行った実験により確認されており、また、このオフセット量Ｄを１．５ｍｍよりも大きく設定した場合、溶融金属が溶融スラグと一緒に漏れやすくなるという問題がある。従って、切欠部４の構成面のオフセット量Ｄは、０．５〜１．５ｍｍの範囲内で適宜設定することが好ましい。
【００２６】
尚、本実施形態においては、図１において左側の摺動縁部３ａの下方に切欠部４が形成されているが、左右を入れ替えて、切欠部４を右側の摺動縁部３ｂの下方に形成することもできる。この場合、右側の摺動縁部３ａは、摺動当金１の上端から下端まで連続した状態とする。
【００２７】
また、本実施形態においては、オフセット量Ｄは、境界Ｂから下端まで一定（１ｍｍ）であるが、上方から下方へ向かってオフセット量Ｄが次第に大きくなるように設定することもできる。但しこの場合も、溶融金属の漏れを回避する必要があり、かかる観点からは、境界Ｂから少なくとも３０ｍｍの範囲内においては、オフセット量Ｄは０．５〜１．５ｍｍに設定されるべきである。それよりも下方の部位においては、溶融金属の漏れが生じるおそれは殆どなくなるため、オフセット量Ｄを１．５ｍｍ以下に限定する必要はなく、例えば、最大３．０ｍｍまでの範囲内で適宜設定することができる。このように、上方から下方へ向かってオフセット量Ｄが次第に大きくなるように設定した場合、切欠部４と母材表面との間に形成される間隙の容量が大きくなることで、排出された溶融スラグがスムーズに下方へ流れ落ちやすくなり、溶融スラグの排出性そのものが向上するという効果を期待することができる。
【実施例】
【００２８】
ここで、本発明の発明者らが行った実験の内容と結果を、本発明の実施例として説明する。図２に示したようなウェブ側母材５１、フランジ側母材５２、裏当金５７からなる同一条件の試験体ア〜エを用意するとともに、本発明に係る摺動当金（実施例）と、そのほかに２種類の摺動当金（比較例１、２）を用意して、それぞれ試験体ア〜エに適用してエレクトロガスアーク溶接を実施した。尚、本発明の実施例としては、図１に示した摺動当金１（但し、離間寸法Ｈを１０ｍｍ、オフセット量Ｄを１ｍｍに設定）を用いた。また、比較例１として、図３に示した従来の摺動当金５３（摺動縁部において切欠部が形成されていない）を使用し、比較例２としては、一方の摺動縁部において切欠部が形成されているが、開口部の下縁との離間寸法Ｈが５ｍｍに設定され、オフセット量Ｄが１ｍｍに設定された摺動当金を用いた。
【００２９】
まず、試験体アに対して、比較例１として準備した図３の摺動当金５３を、試験体アの母材表面に接触させるのではなく、母材表面から１ｍｍ離間した位置に配置し、その間隔がなるべく維持されるようにしながらエレクトロガスアーク溶接を行った。母材の下端から溶接を開始し、その後、溶接が進むにつれて摺動当金５３と母材表面との間隔が拡がっていった。そこで、摺動当金５３を母材表面に押し付ける力を強くしてみたが、拡がった間隔を狭めることはできなかった。摺動当金５３を押し付ける力を弱めると、母材表面との間隔が一気に拡がり、溶融金属の漏れが生じた。このため、実験を中止した。
【００３０】
次に、試験体イに対して比較例１として準備した図３の摺動当金５３を、全体的に試験体イの母材表面に接触させるのではなく、上端のみを接触させ、下端は母材表面から２ｍｍ離間した位置となるように、僅かに傾斜させて配置し、その姿勢が維持されるようにしながらエレクトロガスアーク溶接を行った。溶接開始直後は、溶融スラグは溶融池から排出されなかったが、溶融金属の湯面高さを、摺動当金５３の開口部６３の下縁から５ｍｍ下方の位置まで下げたところ、溶融池からの溶融スラグの排出が始まった。その後は、溶接が終了するまで、スラグ溜まり（溶融金属５９上に溶融スラグ６０ａが堆積するという現象）は生じなかった。但し、通常よりも、ビード表面にスラグが厚く付着した（通常は１〜１．５ｍｍほどのところ、２ｍｍの厚さで付着した）。また、若干溶融金属の漏れが生じた。
【００３１】
次に、試験体ウに対して比較例２として準備した摺動当金を、いずれの摺動縁部も母材表面に接触するように配置して、その姿勢が維持されるようにしながらエレクトロガスアーク溶接を行った。溶接開始直後から、溶融スラグは、摺動当金の湾曲凹部と、溶融金属との間隙から下方へ向かって流出するとともに、切欠部と母材表面との間に形成された間隙から摺動当金の軌道の側方へも流出し、良好に排出された。但し、溶融金属の漏れが一箇所発生した。
【００３２】
最後に、試験体エに対して本発明の実施例として準備した図１の摺動当金１を、いずれの摺動縁部３ａ，３ｂも母材表面に接触するように配置して、その姿勢が維持されるようにしながらエレクトロガスアーク溶接を行った。溶接開始直後は、溶融スラグは溶融池から排出されなかったが、溶融金属の湯面高さを、摺動当金の開口部の下縁から５ｍｍ下方の位置まで下げたところ、溶融池からの溶融スラグの排出が始まった。その後、溶融スラグは順調に排出された。また、溶融金属の漏れは生じなかった。但し、辛うじて漏れがくい止められているような状態であった。
【００３３】
以上に説明した実験結果から、本発明の実施例として準備した図１の摺動当金１は、溶融金属の漏れを生じさせることなく、十分な量の溶融スラグを排出することができる、ということが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るエレクトロガスアーク溶接用の摺動当金１の斜視図。
【図２】エレクトロガスアーク溶接の説明図であって、母材５１，５２、摺動当金５３等の水平断面図。
【図３】エレクトロガスアーク溶接において用いられている従来の摺動当金５３の斜視図。
【図４】図２に示したｘ−ｘ線による溶融池５４（開先）及び摺動当金５３等の垂直断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１：摺動当金、
２：湾曲凹部、
３ａ，３ｂ：摺動縁部、
４：切欠部、
５：開口部、
５ａ：下縁、
６：シールドガス導入口、
５１：ウェブ側母材、
５２：フランジ側母材、
５３：摺動当金、
５４：溶融池、
５５：溶接トーチ、
５６：溶接ワイヤ、
５７：裏当金、
５８：溶接金属、
５８ａ：ビード、
５９：溶融金属、
６０：スラグ、
６０ａ：溶融スラグ、
６０ｂ：凝固スラグ、
６１：湾曲凹部、
６２：摺動縁部、
６３：開口部、
６４：シールドガス導入口、
６５：冷却水導入口、
６６：冷却水排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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