(57)【要約】【課題】  溶接部の特性をさらに向上させた溶接を行なうことが可能なＧＭＡ溶接方法を提供する。【解決手段】  ＧＭＡ溶接装置１０は、ノズル１１、コンタクトチップ１２、溶接ワイヤ１３、ワイヤ送給ローラ１４、ワイヤ送給制御装置１５、及びアーク溶接電源１７を備えている。ＧＭＡ溶接装置１０では、シールドガス１６に含まれるＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスを従来より少なくすることにより、母材２０の溶融池２１の酸素濃度を従来より低い５０〜３１０重量ｐｐｍに低下させ、溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とする。このため、溶融池２１中の対流の方向を溶融池２１の中心から溶融池２１の底部に向かう方向にすることができ、より深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、
前記被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、前記被溶接物の溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とするＧＭＡ溶接方法。
【請求項２】
溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、
前記被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、前記被溶接物の溶接は、前記消耗式電極を前記溶融池に対して進退動させることにより、前記アークを断続的に発生させるＣＭＴ溶接により行なうＧＭＡ溶接方法。
【請求項３】
溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、
前記被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、前記被溶接物の溶接は、前記消耗式電極を囲むように前記消耗式電極と前記被溶接物との間にプラズマを発生させるプラズマＧＭＡ溶接により行なうＧＭＡ溶接方法。
【請求項４】
溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、
前記被溶接物の溶融池中の酸素濃度を２３０〜３１０重量ｐｐｍとするＧＭＡ溶接方法。
【請求項５】
溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、
前記被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、酸化性ガスを含む不活性ガスからなる第１シールドガスを前記消耗式電極を囲むように前記被溶接物に向けて流すとともに、前記第１シールドガスよりも少量の酸化性ガスを含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかからなる第２シールドガスを前記第１シールドガスの外周側を囲むように前記被溶接物に向けて流すＧＭＡ溶接方法。
【請求項６】
シールドガスを、前記消耗式電極を囲むように前記被溶接物に向けて流し、前記シールドガスは、前記シールドガスのガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記シールドガス中のＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び前記不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項７】
シールドガスを、前記消耗式電極を囲むように前記被溶接物に向けて流し、前記シールドガスは、前記シールドガスのガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記シールドガス中のＣＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＣＯ２を含む不活性ガス及び前記不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項８】
Ｈｅガスを含むシールドガスを、前記消耗式電極を囲むように前記被溶接物に向けて流す、請求項１〜４、６及び７のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項９】
前記第１シールドガスはＯ２を含む不活性ガスとし、前記第２シールドガスは前記不活性ガスのみからなるガスとして、前記第１シールドガスは、前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記第１シールドガス中のＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとする、請求項５に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１０】
前記第１シールドガスはＣＯ２を含む不活性ガスとし、前記第２シールドガスは前記不活性ガスのみからなるガスとして、前記第１シールドガスは、前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記第１シールドガス中のＣＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとする、請求項５に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１１】
前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスはＯ２を含む不活性ガスとして、前記第１シールドガス及び第２シールドガスは、前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記第１シールドガス中及び前記第２シールドガス中の合計のＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとする、請求項５に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１２】
前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスはＣＯ２を含む不活性ガスとして、前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスは、前記第１シールドガス及び前記第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記第１シールドガス中及び前記第２シールドガス中の合計のＣＯ２量ｙ（体積％）、前記消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、前記溶融池中における溶融した前記消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、前記被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとする、請求項５に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１３】
前記第１シールドガスは、Ｈｅガスを含むガスとする、請求項５、９〜１２のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１４】
前記被溶接物の溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とする、請求項２〜１３のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１５】
前記被溶接物の表面からの前記溶融池の深さを前記被溶接物の溶接速度により制御し、前記溶融池の深さを深くするときほど前記溶接速度を遅くする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【請求項１６】
前記被溶接物の表面からの前記溶融池の深さを前記消耗式電極に流す電流値により制御し、前記溶融池の深さを深くするときほど前記電流値を大きくする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＧＭＡ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ（Gas  Metal  Arc）溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タングステンからなる非消耗式電極と被溶接物（母材）との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＴＩＧ（Tangsten  Inert  Gas）溶接が広く利用されている。特許文献１には、被溶接物の溶融池（溶接金属部）をより深い溶け込み形状とするため、不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、第１のシールドガスの周辺側に、被溶接物に向けて流し、溶接金属部の酸素濃度を７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍとするＴＩＧ溶接方法が開示されている。また、特許文献２には、ヘリウムガスに酸素ガスを添加してその濃度を０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）としたシールドガスを使用し、溶接金属中の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍとすることで溶接金属部の溶け込み深さを深くし、溶接金属部の寸法比D／W値を大きくしたＴＩＧ溶接方法が開示されている。
【０００３】
一方、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって被溶接物を溶接するＭＩＧ（Metal  Inert  Gas）溶接、ＭＡＧ（Metal  Active  Gas）溶接、及び炭酸ガス（ＣＯ２）ガスアーク溶接等のＧＭＡ（Gas  Metal  Arc）溶接は、ＴＩＧ溶接よりも広く利用されている。ＧＭＡ溶接において、上記特許文献１及び２のように、溶融池中の酸素濃度を低濃度とするものとしては、例えば、特許文献３には、ＧＭＡ溶接において、流量５〜６Ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスからなるシールド中に流量０．００１〜０．２Ｌ／ｍｉｎの水素ガス、酸素ガス及び炭酸ガス等を混入させることにより、溶融特性の向上と溶接スピードの増大とを図る構成が開示されている。また、非特許文献１には、溶接金属中の酸素量を１００重量ｐｐｍ以下とすることにより、溶接部の機械的性質、特にじん性の改善を図る構成が開示されている。
【特許文献１】特許第３９３６３４２号明細書
【特許文献２】特開２００７−４４７４１号公報
【特許文献３】特開昭５３−４３６４９号公報
【非特許文献１】高橋誠、他４名，「溶接金属中酸素量を低減するＧＭＡ溶接法の開発」，太陽日酸技報，太陽日酸株式会社，２００５年，Ｎｏ．２４，ｐ．４１−４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、産業界において広く用いられるＧＭＡ溶接には、溶接の品質及び効率の向上に対してさらなる要求があり、溶接部の特性をさらに向上させた溶接を行なうことが可能な技術が望まれている。
【０００５】
本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、その目的は、溶接部の特性をさらに向上させた溶接を行なうことが可能なＧＭＡ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係る発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、被溶接物の溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とするＧＭＡ溶接方法である。
【０００７】
この構成によれば、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍと低酸素濃度とすることにより、溶融池中の対流の方向を溶融池の中心から溶融池の底部に向かう方向にすることができる。そのため、より深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。また、被溶接物の溶接速度を従来より遅い０．４ｍ／ｍｉｎ以下とすることにより、さらに深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、被溶接物の溶接は、消耗式電極を溶融池に対して進退動させることにより、アークを断続的に発生させるＣＭＴ（Cold  Metal  Transfer）溶接により行なうＧＭＡ溶接方法である。
【０００９】
ＣＭＴ溶接は、アークを断続的に発生させることで消費電流を少なくすることができ、一般に薄い被溶接物において、浅い溶け込み形状の溶融池を得るために用いられている手法である。しかしながら、この構成によれば、被溶接物の溶接をＣＭＴ溶接により行なうことにより、消耗式電極が溶融池に対して進退動をして、消耗式電極と溶融池との短絡を強制的に切断することによりアークを断続的に発生させるため、被溶接物の溶融池中の酸素濃度が５０〜３１０重量ｐｐｍと低くなるように、シールドガスに含まれる酸素量を減少させた場合に、シールドガスにより溶融池表面に生成される酸化物による安定な陰極点が減少しても、アークが乱れることが少なくなり、アークが不安定になることを防止することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係る発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、被溶接物の溶接は、消耗式電極を囲むように消耗式電極と被溶接物との間にプラズマを発生させるプラズマＧＭＡ溶接により行なうＧＭＡ溶接方法である。
【００１１】
この構成によれば、被溶接物の溶接をプラズマＧＭＡ溶接により行なうことにより、プラズマにより発生する電磁ピンチ力により、消耗式電極から被溶接物との間に発生するアークが安定するため、被溶接物の溶融池中の酸素濃度が５０〜３１０重量ｐｐｍと低くなるように、シールドガスに含まれる酸化性ガスの量を減少させた場合に、アークが不安定になることを防止することができる。
【００１２】
本発明の請求項４に係る発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を２３０〜３１０重量ｐｐｍとするＧＭＡ溶接方法である。
【００１３】
この構成によれば、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を２３０〜３１０重量ｐｐｍの範囲にすることにより、より深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となり、かつアークが乱れることが少なくなり、アークが不安定になることを防止することができる。
【００１４】
さらに、本発明の請求項５に係る発明は、溶接ワイヤである消耗式電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接するＧＭＡ溶接方法であって、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、酸化性ガスを含む不活性ガスからなる第１シールドガスを消耗式電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、
第１シールドガスよりも少量の酸化性ガスを含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかからなる第２シールドガスを第１シールドガスの外周側を囲むように被溶接物に向けて流すＧＭＡ溶接方法である。
【００１５】
この構成によれば、被溶接物の溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとすることにより、より深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。また、酸化性ガスを含む不活性ガスからなる第１シールドガスを消耗式電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、第１シールドガスよりも少量の酸化性ガスを含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかからなる第２シールドガスを第１シールドガスの外周側を囲むように被溶接物に向けて流すことにより、溶融池表面の中央付近に酸化物を生成させ、溶融池表面の中央付近に生成される酸化物による安定な陰極点により、アークが乱れることが少なくなり、アークが不安定になることを防止することができる。
【００１６】
一方、本発明の請求項１〜４のいずれか１項に係る発明において、シールドガスを、消耗式電極を囲むように被溶接物に向けて流し、シールドガスは、シールドガスのガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス中のＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることが好適である。
【００１７】
シールドガスのガス流量が大きく、消耗式電極及び被溶接物に含まれる酸素量が少ないほど、シールドガスに含まれる酸化性ガスの量が同じでもシールドガス、大気及び消耗式電極から溶融池に巻き込まれる酸素量は低くなるため、シールドガス中の酸化性ガスの量はガス流量に応じて変化させる必要がある。しかし、この構成によれば、シールドガスを、シールドガスのガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス中のＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、いずれのガス流量、消耗式電極内及び被溶接物内の酸素量であっても、溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍの範囲にすることができ、確実により深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。
【００１８】
あるいは、本発明の請求項１〜４のいずれか１項に係る発明において、シールドガスを、消耗式電極を囲むように被溶接物に向けて流し、シールドガスは、シールドガスのガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス中のＣＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＣＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることが好適である。
【００１９】
シールドガスをＣＯ２を含む不活性ガスとする場合には、ＣＯ２はアーク温度である５０００〜１００００Ｋでは、ＣＯとＯとに解離しＣＯはほとんど解離しないと考えられる。一方、Ｏ２は上記アーク温度で２Ｏに解離することから、活性酸素Ｏは、ＣＯ２ガスではＯ２ガスの半分であると仮定できる。そこで、シールドガスをＣＯ２を含む不活性ガスとする場合には、シールドガスを、請求項６の式におけるｙの係数１２５を１／２の６２．５とし、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＣＯ２量ｙ（体積％）を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、いずれのガス流量、消耗式電極内及び被溶接物内の酸素量であっても、溶融池中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍの範囲にすることができ、確実により深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。
【００２０】
また、本発明の請求項１〜４、６及び７のいずれか１項に係る発明において、Ｈｅガスを含むシールドガスを、消耗式電極を囲むように被溶接物に向けて流すことが好適である。
【００２１】
この構成によれば、シールドガスにＨｅガスを用いることにより、さらに深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。また、Ｈｅ、Ａｒ及び必要に応じて酸化性ガスを混合することにより、点弧性も確保することができる。
【００２２】
同様に、本発明の請求項５に係る発明において、第１シールドガスはＯ２を含む不活性ガスとし、第２シールドガスは不活性ガスのみからなるガスとした場合は、第１シールドガスは、第１シールドガス及び第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス中のＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとすることが好適である。
【００２３】
また、本発明の請求項５に係る発明において、第１シールドガスはＣＯ２を含む不活性ガスとし、第２シールドガスは不活性ガスのみからなるガスとして、第１シールドガスは、第１シールドガス及び第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス中のＣＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとすることが好適である。
【００２４】
一方、本発明の請求項５に係る発明において、第１シールドガス及び第２シールドガスはＯ２を含む不活性ガスとして、第１シールドガス及び第２シールドガスは、第１シールドガス及び第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス中及び第２シールドガス中の合計のＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとすることが好適である。
【００２５】
また、本発明の請求項５に係る発明において、第１シールドガス及び第２シールドガスはＣＯ２を含む不活性ガスとして、第１シールドガス及び第２シールドガスは、第１シールドガス及び第２シールドガスの合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス中及び第２シールドガス中の合計のＣＯ２量ｙ（体積％）、消耗式電極中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池中における溶融した消耗式電極の割合β（０＜β＜１）、被溶接物中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすガスとすることが好適である。
【００２６】
また同様に、本発明の請求項５、９〜１２のいずれか１項に係る発明において、第１シールドガスは、Ｈｅガスを含むガスとすることが好適である。
【００２７】
さらに、本発明の請求項２〜１３のいずれか１項に係る発明において、被溶接物の溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とすることが、さらに深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となるため好適である。
【００２８】
また、本発明の請求項１〜１４のいずれか１項に係る発明において、被溶接物の表面からの溶融池の深さを被溶接物の溶接速度により制御し、溶融池の深さを深くするときほど溶接速度を遅くするものとできる。
【００２９】
この構成によれば、溶融池の深さを深くするときほど溶接速度を遅くすることにより、溶融池の深さを制御することが可能となる。
【００３０】
あるいは、本発明の請求項１〜１４のいずれか１項に係る発明において、被溶接物の表面からの溶融池の深さを消耗式電極に流す電流値により制御し、溶融池の深さを深くするときほど電流値を大きくするものとできる。
【００３１】
この構成によれば、溶融池の深さを深くするときほど消耗式電極に流す電流値を大きくすることにより、溶融池の深さを制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のＧＭＡ溶接方法によれば、より深い溶け込み形状の溶融池を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＧＭＡ溶接の概要を示す図である。図１に示すように、本実施形態のＧＭＡ溶接装置１０は、ノズル１１、コンタクトチップ１２、溶接ワイヤ１３、ワイヤ送給ローラ１４、ワイヤ送給制御装置１５、及びアーク溶接電源１７を備えている。本実施形態におけるＧＭＡ溶接では、シールドガス１６に含まれるＯ２およびＣＯ２のいずれかの酸化性ガスを従来より少なくすることにより、母材２０の溶融池２１の酸素濃度を従来より低い５０〜３１０重量ｐｐｍ、より好ましくは５０〜２００重量ｐｐｍに低下させて、さらに溶接速度を従来より遅い０．４ｍ／ｍｉｎ以下とすることによって、従来より深い溶け込み形状の溶融池２１を得る。
【００３５】
ノズル１１内には、コンタクトチップ１２が内蔵されている。コンタクトチップ１２は、ワイヤ送給ローラ１４及びワイヤ送給制御装置１５が溶接速度に応じて送給する溶接ワイヤ１３を、コンタクトチップ１２中心に設けられた貫通孔を介して母材２０の溶融池２１に向けて導出する。コンタクトチップ１２は、溶接ワイヤ１３と電気的に導通し、アーク溶接電源１７から電流を供給される。アーク溶接電源１７は、消耗式電極となる溶接ワイヤ１３と母材２０の溶融池２１との間に電圧を印加し、溶接ワイヤ１３と溶融池２１との間にアーク１８を発生させることにより、母材２０を溶接する。
【００３６】
なお、図中では、溶接ワイヤ１３側を正極、溶融池２１側を負極としているが、逆に溶接ワイヤ１３側を負極、溶融池２１側を正極とするか、あるいは溶接ワイヤ１３と溶融池２１との間に交流電圧を印加することにより、溶接ワイヤ１３の溶解速度及び溶融池２１の深さを適宜調節することが可能である。一般に溶接ワイヤ１３側を負極、溶融池２１側を正極とすることにより、溶接ワイヤ１３側を正極、溶融池２１側を負極とした場合より、溶融池２１の深さを１．５倍とすることができる。
【００３７】
ノズル１１の内側とコンタクトチップの外側との間には、シールドガス１６が所定のガス流量で供給され、シールドガス１６は溶接ワイヤ１３を囲むように母材２０に向けて流される。シールドガス１６は、主にＡｒガス、Ｈｅガスからなり、後述するように、シールドガス１６のガス流量に応じた体積％のＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスを含んでいる。シールドガス１６の主成分は、Ａｒガスとすることにより安価とすることが可能であるが、Ｈｅガスとすることにより、より深い溶融池２１を形成することが可能となる。
【００３８】
ＧＭＡ溶接において、シールドガス１６に含まれるＯ２，ＣＯ２等の酸化性ガスを少なくした場合でも、アーク１８を安定させるためには、溶接ワイヤ１３を溶融池２１に対して進退動させることにより、アーク１８を断続的に発生させるＣＭＴ溶接が有効である。
【００３９】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係るＣＭＴ溶接の概要を示す図である。図２（ａ）に示すように、ＣＭＴ溶接においては、アーク１８の発生時に溶接ワイヤ１３は溶融池２１に向かって前進させられる。図２（ｂ）に示すように、溶接ワイヤ１３が溶融池２１に浸かると、アーク１８は消滅し、溶接ワイヤ１３を流れる電流は瞬時に低下する。図２（ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１３が溶融池２１から後退させられ、短絡中の溶融池２１との短絡の切断を支援される。このときは、短絡電流は低いままである。図２（ｄ）に示すように、溶接ワイヤ１３が溶融池２１から離されると、アーク１８が再度発生し、図２（ａ）からの手順が繰り返される。
【００４０】
なお、本実施形態では、溶接ワイヤ１３と溶融池２１との短絡を切断するのに、溶接ワイヤ１３を進退動させず、溶接ワイヤ１３にパルス状の電流を断続的に印加することによって溶接ワイヤ１３と溶融池２１との短絡を切断するパルス溶接によっても良い。また、上記ＣＭＴ溶接や後述のパルスＧＭＡ溶接によらない場合でも、溶融池２１の酸素濃度を１５０〜３１０重量ｐｐｍの範囲、より好ましくは２３０〜３１０重量ｐｐｍの範囲、さらに好ましくは２４０〜３１０重量ｐｐｍとすることにより、アーク１８を安定させることが可能となる。
【００４１】
以下、本実施形態のＧＭＡ溶接の作用について説明する。図３は、溶融池における温度と表面張力との関係を示す図である。図３に破線のグラフで示すように、溶融池２１の酸素濃度が通常である場合は、溶融池２１の温度が高温になるほど、表面張力が低下する。一方、溶融池２１の酸素濃度が通常より低い５０〜３１０重量ｐｐｍである場合は、図３に実線のグラフで示すように、溶融池２１の温度が高温になるほど、表面張力が上昇する。なお、本願明細書で示す溶融池２１内の酸素含有量は、酸素／窒素同時測定装置（株式会社堀場製作所、商品名：ＥＭＧＡ−５２０）を用いて測定を行なったものである。試料は、溶接後に、溶接金属から直接切断し、採取したものである。
【００４２】
図４は、本実施形態における溶融池２１の状態を示す図である。一般に図中に示す溶融池２１の中央側領域Ｒ１の方が、周辺側領域Ｒ２よりも高温となる。本実施形態では、溶融池２１の酸素濃度を通常より低い５０〜３１０重量ｐｐｍとするため、中央側領域Ｒ１の表面張力の方が、周辺側領域Ｒ２の表面張力よりも大きくなる。そのため、図４に示すように、溶融池２１では図中矢印に示すような溶融池の中央側領域Ｒ１から溶融池２１の底部に向かう対流が促進され、溶融池２１の溶け込み形状をより深くすることができる。この場合、溶融池２１の酸素濃度は５０〜２００重量ｐｐｍとすることにより、溶融池２１の溶け込み形状をさらに深くすることができる。
【００４３】
溶融池２１の酸素濃度は、シールドガス１６に含まれるＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスの量、ガス流量及び溶接の種類によって異なる。図５は、シールドガス１６を純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図であり、図６は、シールドガス１６を純粋なＡｒガスとしたパルス溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。図５及び６に示すように、一般にシールドガス１６のガス流量が大きいほど溶融池２１の酸素濃度は低下することが判る。また、同じガス流量では、ＣＭＴ溶接の方が溶融池２１の酸素濃度が大きいことが判る。これは、ＣＭＴ溶接の方が、大気から溶融池２１に対して酸素を巻き込む割合が大きいためであると考えられる。
【００４４】
図７は、ＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図であり、図８は、ＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。図７に示すように、ＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合に溶融池２１の酸素濃度をより好ましい２００重量ｐｐｍ以下とするためには、シールドガス１６に含まれるＯ２ガスの量を０．６体積％以下とするべきであることが判る。
【００４５】
また、図８に示すように、ＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎである場合に溶融池２１の酸素濃度をより好ましい２００重量ｐｐｍ以下とするためには、シールドガス１６に含まれるＯ２ガスの量を０．９体積％以下とするべきであることが判る。
【００４６】
一方、図５の結果から、シールドガス１６を純粋なＡｒガス場合において、ガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎした場合、溶融池２１の酸素濃度は５０重量ｐｐｍ以上となっているが、溶融池２１の酸素濃度を好ましい５０〜２００重量ｐｐｍとするためには、シールドガス１６に含まれるＯ２ガスの量を０．２〜１．４体積％とすることが好ましいことが判明した。
【００４７】
以上の結果から、ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎのときにＯ２ガスの量は０〜０．６重量％が好ましく、ガス流量２５Ｌ／ｍｉｎのときにＯ２ガスの量は０〜０．９重量％が好ましく、ガス流量５０Ｌ／ｍｉｎのときにＯ２ガスの量は０．２〜１．４重量％以上が好ましい。
【００４８】
一方、これらの結果は、溶接ワイヤ１３に含まれる酸素量がおおよそ３０重量ｐｐｍで、母材２０に含まれる酸素量がおおよそ２０重量ｐｐｍで、溶融池２１中に溶融した溶接ワイヤ１３の割合がおおよそ０．５である場合であり、溶接ワイヤ１３及び母材２０に含まれる酸素量が変動するときは、溶接ワイヤ１３及び母材２０中の酸素濃度及び溶融池２１中に溶融した溶接ワイヤ１３の割合を考慮する必要がある。例えば、図９はシールドガス１６をＡｒガスとし、溶接ワイヤ１３の酸素量を２００重量ｐｐｍとしたＣＭＴ溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図であるが、溶接ワイヤ１３から溶融池２１内に酸素が混入するため、図５の値と比べると溶融池２１の酸素濃度が高くなっていることが判る。
【００４９】
そこで、シールドガス１６のガス流量と、シールドガス１６に含まれるＯ２ガスの量とに対する溶融池２１の酸素量とが線形的な関係であると仮定して図５のグラフを直線近似し、図５のシールドガス１６を純粋なＡｒガスとした場合のガス流量０Ｌ／ｍｉｎにおける溶融池２１内の酸素量を１５０重量ｐｐｍと仮定する。この場合、ガス流量が１Ｌ／ｍｉｎ増加する毎に溶融池２１内の酸素量は２．５重量ｐｐｍずつ減少する。また、シールドガス１６中の酸素量が１体積％増加する毎に溶融池２１の酸素量は１２５重量ｐｐｍずつ増加する。さらに、大気から溶融池２１に酸素が巻き込まれるか否かによって溶融池２１内の酸素量は異なり、例えば、シールドガス１６のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ未満の場合は大気から溶融池２１に酸素が巻き込まれる傾向が強く、溶融池２１内の酸素量はシールドガス１６のガス流量に依存すると考えられる。一方、シールドガス１６のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上の場合は大気から溶融池２１に巻き込まれる酸素量が少なく、溶融池２１内の酸素量はシールドガス１６のガス流量に大きく依存しないと考えられる。
【００５０】
一方、図５において、ガス流量０Ｌ／ｍｉｎにおける溶融池２１内の酸素量１５０重量ｐｐｍという値は、溶融池２１に占める溶接ワイヤ１３の割合を５０％とすると、３０重量ｐｐｍの酸素を含む溶接ワイヤ１３から１５重量ｐｐｍの酸素が溶出し、２０重量ｐｐｍの酸素を含む母材２０から１０重量ｐｐｍが溶出することになる。したがって、ガス流量０Ｌ／ｍｉｎにおいて、純粋に大気から巻き込まれて溶融池２１に溶出する酸素量は１２５重量ｐｐｍであると推定できる。
【００５１】
以上より、ＣＭＴ溶接においてシールドガス１６をＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする場合において、大気から溶融池２１に酸素が巻き込まれる傾向が強く、溶融池２１内の酸素量がシールドガス１６のガス流量に依存すると考えられるシールドガス１６のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ未満のときは、シールドガス１６を、シールドガス１６のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス１６中のＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であることが判る。
【００５２】
一方、大気から溶融池２１に巻き込まれる酸素量が少なく、溶融池２１内の酸素量がシールドガス１６のガス流量に大きく依存しない考えられるシールドガス１６のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上のときは、上記式において、大気から溶融池２１に溶出する酸素量の項である“１２５”の項、及び溶融池２１内の酸素量におけるシールドガス１６のガス流量への依存性を示す項である“−２．５ｘ”の項を除いて、シールドガス１６を、シールドガス１６のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス１６中のＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であることが判る。
【００５３】
一方、ＣＭＴ溶接においてシールドガス１６をＣＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする場合は、ＣＯ２はアーク温度である５０００〜１００００Ｋでは、ＣＯとＯとに解離しＣＯはほとんど解離しないと考えられる。一方、Ｏ２は上記アーク温度で２Ｏに解離することから、活性酸素Ｏは、ＣＯ２ガスではＯ２ガスの半分であると仮定できる。そこで、シールドガス１６をＣＯ２を含む不活性ガスとする場合には、シールドガス１６を、上記の式におけるｙの係数１２５を１／２の６２．５とした、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＣＯ２量ｙ（体積％）を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、いずれのガス流量、溶接ワイヤ１３内及び母材２０内の酸素量であっても、溶融池２１中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍの範囲にすることができ、確実により深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。
【００５４】
なお、以上より、シールドガス１６をＣＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする場合は、例えば、ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎのときにＣＯ２ガスの量は０〜１．２重量％が好ましく、ガス流量２５Ｌ／ｍｉｎのときにＯ２ガスの量は０〜１．８重量％が好ましく、ガス流量５０Ｌ／ｍｉｎのときにＯ２ガスの量は０．４〜２．８重量％以上が好ましいこととなる。
【００５５】
図１０は、溶接ワイヤ１３に印加するパルス電流を１８０Ａとしたパルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。上述したように、パルス溶接においてはＣＭＴ溶接に比べて、シールドガス１６に含まれるＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスの量の上限が大きくなり、パルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合に溶融池２１の酸素濃度をより好ましい２００重量ｐｐｍ以下とするためには、シールドガス１６に含まれるＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスの量を０．７体積％以下とするべきであることが判る。
【００５６】
なお、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ、より好ましくは２００重量ｐｐｍ以下とするためには、シールドガス１６に含まれるＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスの量を制御するだけではなく、溶接ワイヤ１３に含まれる酸素量を制御することによっても、溶融池２１の酸素濃度を制御することができる。なおこの場合、溶融池２１の表面に酸化膜が形成されにくくなるため、溶融池２１の酸素濃度を２００〜３１０重量ｐｐｍとした場合においても、２００重量ｐｐｍ以下と同様に溶融池２１の溶け込み深さを深くする効果を奏させることが可能となる。
【００５７】
また、溶融池２１の深さの調整は、溶融池２１を深くするときほど溶接速度を遅くするか、あるいは溶接ワイヤ１３に流す電流値を大きくすることにより、行なうことができる。
【００５８】
本実施形態においては、母材２０の溶融池２１中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとし、溶接速度を０．４ｍ／ｍｉｎ以下とすることで、溶融池２１中の対流の方向を溶融池２１の中心から溶融池２１の底部に向かう方向にすることができ、より深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。従来、ＭＩＧ溶接等のＧＭＡ溶接においては、溶融池２１の酸素濃度を低めるためにシールドガス１６の酸素濃度を低下させた場合は、アーク１８が不安定となることが知られているため、溶融池２１の酸素濃度を低下させることは考えられてはいない。
【００５９】
しかしながら、従来のＧＭＡ溶接においては、図１１（ａ）に示すように、深いＹ型開先２２を母材２０に形成する必要があり、また、母材２０の裏側まで溶融池２１が届くようにするため、ギャップ２３が必要となる。さらに、図１１（ｂ）に示すように、従来のＧＭＡ溶接では溶融池２１の深さが浅いため、複数回の溶接を行い、溶融池２１を多層に形成する必要があり、効率が低い。一方、本実施形態のＧＭＡ溶接においては、図１２（ａ）に示すように、浅いＹ型開先２２を母材２０に形成すれば良く、ギャップ２３を形成する必要はなく作業効率が極めて向上する。さらに、図１２（ｂ）に示すように、Ｙ型開先２２の上部の空間を深い溶融池２１で埋め、例えば、母材２０が２０ｍｍ以上の厚さのステンレス鋼板であっても一度の溶接で母材２０を溶融池２１で貫通して溶接することが可能であるため、効率が良い。
【００６０】
また、本実施形態では、母材２０の溶接をＣＭＴ溶接により行なうことにより、溶接ワイヤ１３が溶融池２１に対して進退動をして、溶接ワイヤ１３と溶融池２１との短絡を強制的に切断することによりアーク１８を断続的に発生させるため、母材２０の溶融池２１中の酸素濃度が低くなるように、シールドガス１６に含まれる酸化性ガスの量を減少させた場合に、シールドガス１６により溶融池２１表面に生成される酸化物による安定な陰極点が減少しても、アーク１８が乱れることが少なくなり、アーク１８が不安定になることを防止することができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、不活性ガスからなるシールドガス１６を、Ｏ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする場合は、シールドガス１６を、シールドガス１６のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、シールドガス１６中のＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとし、シールドガス１６をＣＯ２を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとする場合は、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たすＣＯ２量ｙ（体積％）を含む不活性ガス及び不活性ガスのみからなるガスのいずれかとすることにより、確実により深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。
【００６２】
加えて本実施形態では、シールドガス１６にＨｅガスを用いることにより、さらに深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態では、溶融池２１の深さを深くするときほど溶接速度を遅くするか、溶接ワイヤ１３に流す電流値を大きくすることにより、溶融池２１の深さを制御することが可能となる。
【００６４】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。図１３は、第２実施形態に係るプラズマＧＭＡ溶接の概要を示す図である。図１３に示すように、本実施形態のプラズマＧＭＡ溶接装置１００では、コンタクトチップ１２の周囲に、第１インナーノズル１０１、第２インナーノズル１０２、及びアウターノズル１０３が三重に配置されている。本実施形態におけるＧＭＡ溶接では、溶接ワイヤ１３を囲むように溶接ワイヤ１３と母材２０との間にプラズマを発生させる。
【００６５】
第１インナーノズル１０１は、プラズマ電源１０８からの電圧を印加されプラズマ電極として機能する。第１インナーノズル１０１とコンタクトチップ１２との間には、Ａｒガス等の不活性ガスであるセンターガス１０４が流される。センターガス１０４は、アーク溶接用に用いられる。第１インナーノズル１０１には、冷却水１０５が流される。第２インナーノズル１０２は、水冷されたリング状の銅板であり、電気的には絶縁されている。これによりアーク１８の集中を促すことができる。なお、アーク１８が集中することを必要としない場合には、第２インナーノズル１０２は必要ない。
【００６６】
第１インナーノズル１０１と第２インナーノズル１０２との間には、Ａｒガス等のプラズマガス１０６が流される。プラズマガス１０６は、第１インナーノズル１０１と母材２０との間にプラズマ電源１０８により印加された電圧により、溶接ワイヤ１３が溶融する前にプラズマ化される。アウターノズル１０３と第２インナーノズルとの間には、上記第１実施形態と同様のシールドガス１０７が流される。なお、シールドガス１０７は、第１インナーノズル１０１と第２インナーノズル１０２との間に流しても良い。プラズマガス１０６を、第１インナーノズル１０１と第２インナーノズル１０２との間に流した方が、シールドガス１０７をプラズマ化し易く、溶融池２１内に酸素を供給しやすい。
【００６７】
本実施形態においては、母材２０の溶接をプラズマＧＭＡ溶接により行なうことにより、プラズマにより発生する電磁ピンチ力により、溶接ワイヤ１３から母材２０との間に発生するアークが安定するため、母材２０の溶融池２１中の酸素濃度が低くなるように、シールドガス１０７に含まれる酸化性ガス量を減少させた場合に、アーク１８が不安定になることを防止することができる。
【００６８】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図１４は、第３実施形態に係るＧＭＡ溶接の概要を示す図である。図１４に示すように、本実施形態のＧＭＡ溶接装置２００では、コンタクトチップ１２の周囲に、インナーノズル２０１及びアウターノズル２０２が二重に配置されている。本実施形態におけるＧＭＡ溶接では、インナーノズル２０１から溶接ワイヤ１３を囲むように第１実施形態と同様のＯ２及びＣＯ２のいずれかを含む第１シールドガス２０３が流され、インナーノズル２０１とアウターノズル２０２との間にＡｒあるいはＨｅ等の不活性ガスのみからなる第２シールドガス２０４が流される。溶融池２１の酸素濃度は、第１実施形態と同様に５０〜３１０重量ｐｐｍとされる。なお、第２シールドガスには、第１シールドガス２０３より少量のＯ２及びＣＯ２のいずれかの酸化性ガスを含んでいても良い。
【００６９】
この場合において、第１シールドガス２０３はＯ２を含む不活性ガスとし、第２シールドガス２０４は不活性ガスのみからなるガスとした場合は、第１実施形態と同様に、大気から溶融池２１に酸素が巻き込まれる傾向が強く、溶融池２１内の酸素量が第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４のガス流量に依存すると考えられる第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ未満のときは、第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス２０３中のＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たす第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４とすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であると考えられる。
【００７０】
一方、大気から溶融池２１に巻き込まれる酸素量が少なく、溶融池２１内の酸素量が第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４のガス流量に大きく依存しない考えられる第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上のときは、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たす第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４とすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であると考えられる。
【００７１】
同様に、第１シールドガス２０３はＣＯ２を含む不活性ガスとし、第２シールドガス２０４は不活性ガスのみからなるガスとした場合は、第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス２０３中のＣＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たす第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４とすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であると考えられる。
【００７２】
さらに、第１シールドガス２０３及び第２シールドガスはいずれもＯ２を含む不活性ガスとした場合は、第１シールドガス２０３及び第２シールドガスの両方のシールドガス中の酸素が溶融池に溶出することが考えられるため、第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス２０３中及び第２シールドガス２０４の合計のＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦１２５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たす第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４とすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であると考えられる。
【００７３】
同様に、第１シールドガス２０３及び第２シールドガスはいずれもＣＯ２を含む不活性ガスとした場合は、第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４の合計のガス流量ｘ（Ｌ／ｍｉｎ）、第１シールドガス２０３中及び第２シールドガス２０４の合計のＣＯ２量ｙ（体積％）、溶接ワイヤ１３中の酸素濃度α（重量ｐｐｍ）、溶融池２１中における溶融した溶接ワイヤ１３の割合β（０＜β＜１）、母材２０中の酸素濃度γ（重量ｐｐｍ）に対して、ｘ＜５０で、５０≦１２５−２．５ｘ＋６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たし、５０≦ｘで、５０≦６２．５ｙ＋βα＋（１−β）γ≦３１０を満たす第１シールドガス２０３及び第２シールドガス２０４とすることにより、溶融池２１の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍ以下とすることが可能であると考えられる。
【００７４】
従来は、第１特許文献にあるように不活性ガスのみからなるシールドガスを溶接ワイヤを囲むように流し、その周りに酸化性ガスを含む不活性ガスからなるシールドガスを流すことが一般的である。しかし、本実施形態によれば、溶融池２１中の酸素濃度を５０〜３１０重量ｐｐｍとすることにより、より深い溶け込み形状の溶融池２１を得ることが可能となる。また、酸化性ガスを含む不活性ガスからなる第１シールドガス２０３を溶接ワイヤ１３を囲むように母材２０に向けて流すとともに、不活性ガスのみからなる第２シールドガスを第１シールドガスの外周側を囲むように母材２０に向けて流すことにより、溶融池２１表面中央付近に酸化物を生成させ、溶融池２１表面に生成される酸化物による安定な陰極点により、アーク１８が乱れることが少なくなり、アーク１８が不安定になることを防止することができる。
【００７５】
（実験例）
以下、本発明の実験例について説明する。板厚１０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板である母材２０に対して、図１に示すようなＧＭＡ溶接装置１０により、ビードオンプレートでＣＭＴ溶接及びパルス溶接を行なった。母材２０の酸素濃度は、おおよそ２０重量ｐｐｍである。溶接ワイヤ１３は、１．２ｍｍ径のＹ３０８を用いた。溶接ワイヤ１３の酸素濃度は、おおよそ３０重量ｐｐｍである。溶接条件は、溶接速度０．１２ｍ／ｍｉｎ、溶接ワイヤ１３の供給速度５．５〜６ｍ／ｍｉｎ、トーチ長１５ｍｍで一定とし、シールドガス１６には、Ｏ２濃度を０〜１体積％の範囲で変化させたＡｒあるいはＨｅを用い、ガス流量を１０〜５０Ｌ／ｍｉｎとした。溶接後、ビードの断面形状を光学顕微鏡で観察した。
【００７６】
図１５（ａ）〜（ｋ）は、シールドガス１６をＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池２１を示す図である。図１５（ａ）〜（ｇ）に示すように、ガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとした場合、シールドガス１６中のＯ２量が０．６体積％以下では、溶融池２１の幅が狭くなり、溶け込み深さは深くなることが判る。
【００７７】
図１６（ａ）〜（ｇ）は、シールドガスを純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を変化させた場合の溶融池２１を示す図である。図１６（ａ）〜（ｇ）に示すように、シールドガスを純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においては、いずれのガス流量においても、溶融池２１の溶け込み深さは深くなることが判る。ただし、ガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎでは、溶融池２１の深さを深くする効果は小さくなっている。図５に示すように、ガス流量が５０Ｌ／ｍｉｎの場合の溶融池２１の酸素濃度は５０重量ｐｐｍであるため、溶融池２１の深さを深くする効果を奏する溶融池２１の酸素濃度の下限は、５０重量ｐｐｍであると考えられる。
【００７８】
図１７（ａ）〜（ｋ）は、シールドガスをＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池２１を示す図である。図１７（ａ）〜（ｊ）に示すように、ガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎとした場合、シールドガス１６中のＯ２量が０．９体積％以下では、溶融池２１の幅が狭くなり、溶け込み深さは深くなることが判る。
【００７９】
図１８（ａ），（ｂ）は、ＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎとしてシールドガスを変化させた場合の溶融池２１を示す図である。図１８（ａ）（ｂ）に示すように、シールドガス１６がＡｒであるときよりも、シールドガス１６がＨｅであるときの方が溶融池２１の溶け込み深さは深くなることが判る。
【００８０】
図１９（ａ）〜（ｆ）は、シールドガス１６をＡｒガスとし、電流値を１８０Ａとしたパルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池２１を示す図であり（溶接ワイヤ１３の供給速度４．３ｍ／ｍｉｎ）、図２０（ａ）〜（ｃ）は、シールドガス１６をＡｒガスとし、電流値を１５０Ａとしたパルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池２１を示す図である（溶接ワイヤ１３の供給速度５．５ｍ／ｍｉｎ）。さらに、図２１（ａ）〜（ｄ）は、シールドガス１６をＡｒガスとし、シールドガス１６をＡｒガスとしたパルス溶接において、電流値を１５０Ａ〜１８０Ａと変化させた場合の溶融池２１を示す図である。図１９（ａ）〜（ｆ）、図２０（ａ）〜（ｃ）及び図２１（ａ）〜（ｄ）に示すように、いずれのＯ２量においても、電流値が１８０Ａと大きい方が溶け込み深さは深くなることが判る。したがって、電流値は１５０Ａ以上が好ましく、より好ましくは１７０Ａ以上とするべきであると考えられる。
【００８１】
溶接ワイヤ１３として、１．２ｍｍ径のＹ３０８であって酸素濃度２００重量ｐｐｍの溶接ワイヤ１３を用いて、上記と同様にＣＭＴ溶接によりＳＵＳ３０４鋼板の溶接を行なった。図２２（ａ）〜（ｆ）は、酸素濃度２００重量ｐｐｍの溶接ワイヤ１３を用いシールドガス１６を純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を変化させた場合の溶融池を示す図である。図２２（ａ）〜（ｆ）より、いずれの流量においても、溶接ワイヤ１３から溶融池２１に酸素が溶出するため、深い溶け込み形状の溶融池２１が得られていることが判る。
【００８２】
図２３（ａ）〜（ｃ）は、電流値を２００Ａとし、炭素鋼ＳＭ４９０を母材２０とし、シールドガス１６をＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。図２３（ａ）〜（ｃ）に示すように、溶融池２１の深さがステンレス鋼に比べて浅くなる傾向にある炭素鋼においても、溶融池２１の溶け込み深さが深くなっていることが判る。
【００８３】
再度、上記と同様のＳＵＳ３０４鋼板である母材２０に対して、図１に示すようなＧＭＡ溶接装置１０により、溶接速度を０．１２〜０．６０ｍ／ｍｉｎと変化させてＣＭＴ溶接を行なった。図２４（ａ）〜（ｈ）は、シールドガス１６を０．４体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスとし、溶接速度を０．１２〜０．６０ｍ／ｍｉｎと変化させた場合の溶融池２１を示す図であり、図２５（ａ）〜（ｈ）は、シールドガス１６を１．０体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスとし、溶接速度を０．１２〜０．６０ｍ／ｍｉｎと変化させた場合の溶融池２１を示す図である。いずれも、ガス流量は２５Ｌ／ｍｉｎとした。
【００８４】
図２４（ａ）〜（ｈ）に示すように、シールドガス１６が、溶融池２１の酸素濃度が確実に本発明の範囲である５０〜３１０重量ｐｐｍとなる０．４体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスの場合は、いずれの溶接速度であっても溶け込み深さが深い溶融池２１が得られ、溶接速度０．４ｍ／ｍｉｎ以下では、特に深い溶融池２１が得られることが判る。一方、図２５（ａ）〜（ｈ）に示すように、シールドガス１６が１．０体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスの場合は、いずれの溶接速度であっても、図２４（ａ）〜（ｈ）に比べて深い溶融池が得られていないことが判る。
【００８５】
尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１実施形態に係るＧＭＡ溶接の概要を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態に係るＣＭＴ溶接の概要を示す図である。
【図３】溶融池における温度と表面張力との関係を示す図である。
【図４】第１実施形態における溶融池の状態を示す図である。
【図５】シールドガスをＡｒガスとしたＣＭＴ溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図６】シールドガスをＡｒガスとしたパルス溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図７】ＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図８】ＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図９】シールドガスをＡｒガスとし、溶接ワイヤの酸素量を２００重量ｐｐｍとしたＣＭＴ溶接におけるガス流量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図１０】パルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎである場合のガス中のＯ２量と溶融池の酸素量との関係を示すグラフ図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は、従来のＧＭＡ溶接における母材に形成したＹ型開先及び溶融池の形状を示す断面図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は、実施形態のＧＭＡ溶接における母材に形成したＹ型開先及び溶融池の形状を示す断面図である。
【図１３】第２実施形態に係るプラズマＧＭＡ溶接の概要を示す図である。
【図１４】第３実施形態に係るＧＭＡ溶接の概要を示す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｋ）は、シールドガスをＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図１６】（ａ）〜（ｇ）は、シールドガスを純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｋ）は、シールドガスをＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図１８】（ａ），（ｂ）は、ＣＭＴ溶接においてガス流量を２５Ｌ／ｍｉｎとしてシールドガスを変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｆ）は、シールドガスをＡｒガスとし、電流値を１８０Ａとしたパルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、シールドガスをＡｒガスとし、電流値を１５０Ａとしたパルス溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図２１】（ａ）〜（ｄ）は、シールドガスをＡｒガスとし、ガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしたパルス溶接において、電流値を１５０Ａ〜１８０Ａと変化させた場合の溶融池２１を示す図である。
【図２２】（ａ）〜（ｆ）は、酸素濃度２００重量ｐｐｍの溶接ワイヤを用いシールドガスを純粋なＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図２３】（ａ）〜（ｃ）は、炭素鋼を母材とし、シールドガス１６をＡｒガスとしたＣＭＴ溶接においてガス流量を１０Ｌ／ｍｉｎとしてガス中のＯ２量を変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図２４】（ａ）〜（ｈ）は、シールドガスを０．４体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスとし、溶接速度を０．１２〜０．６０ｍ／ｍｉｎと変化させた場合の溶融池を示す図である。
【図２５】（ａ）〜（ｈ）は、シールドガスを１．０体積％のＯ２ガスを含むＡｒガスとし、溶接速度を０．１２〜０．６０ｍ／ｍｉｎと変化させた場合の溶融池を示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…ＧＭＡ溶接装置、１１…ノズル、１２…コンタクトチップ、１３…溶接ワイヤ、１４…ワイヤ送給ローラ、１５…ワイヤ送給制御装置、１６…シールドガス、１７…アーク溶接電源、１８…アーク、２０…母材、２１…溶融池、２２…Ｙ型開先、２３…ギャップ、１００…プラズマＧＭＡ溶接装置、１０１…第１インナーノズル、１０２…第２インナーノズル、１０３…アウターノズル、１０４…センターガス、１０５…冷却水、１０６…プラズマガス、１０７…シールドガス、１０８…プラズマ電源、２００…ＧＭＡ溶接装置、２０１…インナーノズル、２０２…アウターノズル、２０３…第１シールドガス、２０４…第２シールドガス。
【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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