(57)【要約】【課題】十分なシールド性を確保でき溶接性を向上することが可能な狭開先溶接トーチ及び該溶接トーチを備えたタンデムアーク溶接装置を提供する。【解決手段】溶接ワイヤが挿設されるとともに、該溶接ワイヤの側方にシールドガスが通流するガス通路が設けられたトーチ本体２を有し、狭開先の溶接に用いられる狭開先溶接トーチ１において、前記狭開先の溶接方向に沿って前記溶接ワイヤの前後両側に一対のメインガス通路５、６が設けられるとともに、後側メインガス通路６より後方のトーチ本体先端面が切り欠かれて溶接面より後退しており、該離間したトーチ本体２内部に冷却水が循環する冷却部７が設けられ、好適にはトーチ本体２の両側に、前記シールドガスが通流する補助ガスノズル９、１０を配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤが挿設されるとともに、該溶接ワイヤの側方にシールドガスが通流するガス通路が設けられたトーチ本体を有し、狭開先の溶接に用いられる狭開先溶接トーチにおいて、
前記狭開先の溶接方向に沿って前記溶接ワイヤの前後両側に一対のメインガス通路が設けられるとともに、後側メインガス通路より後方のトーチ本体先端面が切り欠かれて溶接面より後退しており、該離間したトーチ本体内部に冷却水が循環する冷却部が設けられていることを特徴とする狭開先溶接トーチ。
【請求項２】
前記狭開先の溶接方向に対して前記トーチ本体の両側に、前記シールドガスが通流する補助ガスノズルを配置するとともに、前記メインガス通路に供給されるシールドガス流量を前記補助ガスノズルに供給されるシールドガス流量より小としたことを特徴とする請求項１記載の狭開先溶接トーチ。
【請求項３】
前記狭開先を複数有する被溶接部材に対して、前記狭開先溶接トーチのアース線が、前記狭開先の溶接方向に対する始端若しくは終端のうち少なくとも複数に接続されるようにしたことを特徴とする請求項１若しくは２記載の狭開先溶接トーチ。
【請求項４】
前記メインガス通路に供給されるシールドガス流量に対して、前記補助ガスノズルに供給されるシールドガス流量が１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項２記載の狭開先溶接トーチ。
【請求項５】
請求項２記載の狭開先溶接トーチを２つ有するタンデムアーク溶接装置であって、
前記２つの狭開先溶接トーチ間の距離が、前記補助ガスノズルの径の２倍以上であることを特徴とする狭開先溶接トーチを備えたタンデムアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤ送給ノズルとシールドガスノズルが並列に配置された構造を有し、狭開先溶接に適した狭開先溶接トーチ及び該溶接トーチを備えたタンデムアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、厚鋼板の突合せ溶接を行う方法として、アーク点をガスでシールドして溶接を行なうガスシールドアーク溶接が知られている。これは、図７に示すように、ワイヤ送給ノズル５１とシールドガスノズル５２、５３を並列に配置し、ワイヤ送給ノズル５１とシールドガスノズル５３の間に冷却部５４を設けた構造の溶接トーチが多く用いられる。
このような溶接では、ルートギャップを５〜８ｍｍ程度設けて開先角度は約３５度とし、裏板材を当てることが一般的であった。しかし、この方法では作業が煩雑で、また溶接効率が低いこと、溶接変形が大きいことなどから、近年、開先を狭開先化し、開先断面積の極小化による溶接時間の短縮、低入熱化による溶接変形の抑制や溶接性能の改善を目的とした狭開先溶接が研究、実用化され、特に圧力容器、ボイラ、大型産業機械等の厚板構造物に多く用いられている。
【０００３】
しかしながら、狭開先溶接は溶接量が少なく、溶接時間の短縮化が可能であるものの、溶接不良、欠陥が発生しやすく安定して高い溶接性能を得ることは困難であった。
そこで、特許文献１（特開２００１−１７９４５６号公報）では、シールドガスを放出させるためのシールドガスカップを扁平形状としてその中心位置にトーチ本体を通し、且つシールドガスカップ内の長手方向両端部に整流ピースを取り付け、シールドガスカップ内を上方より下方に流れるシールドガスを該両整流ピースにより層流化し電極ワイヤの近傍に集中して流すようにした構成を有する狭開先溶接用ガスシールドアーク溶接トーチを提案している。
【０００４】
一方、溶接の効率化の観点から、２つのトーチを有するタンデムアーク溶接装置が注目されている。タンデムアーク溶接装置は、溶接ワイヤを消耗電極とする先行ワイヤと後続ワイヤを溶接線方向に２本並べて継手部材の溶接を行うものである。この技術は、例えば特許文献２（特開２００３−５３５３５号公報）等に開示されている。特許文献２では、溶接ロボットにトーチを搭載して、２つの電極を溶接線方向に所定の電極間距離を有して配置し、ガスシールド溶接法によりタンデムアーク溶接を行なうようにしたタンデムアーク自動溶接システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１７９４５６号公報
【特許文献２】特開２００３−５３５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の狭開先溶接では、溶接ワイヤの先端に設けられたチップが溶融することを防止するため溶接ワイヤの隣に冷却部を配置していたため、シールドガスの噴出孔が溶接ワイヤから離れてしまい、十分なシールド性を確保することができず、溶接性が不安定となってしまうという問題があった。また、特許文献２等に開示されるタンデムアーク溶接においては、２つのトーチを制御するために溶接が不安定となりやすく、これを狭開先溶接に適用することは困難であった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、十分なシールド性を確保でき溶接性を向上することが可能な狭開先溶接トーチ及び該溶接トーチを備えたタンデムアーク溶接装置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】
【０００７】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、
溶接ワイヤが挿設されるとともに、該溶接ワイヤの側方にシールドガスが通流するガス通路が設けられたトーチ本体を有し、狭開先の溶接に用いられる狭開先溶接トーチにおいて、
前記狭開先の溶接方向に沿って前記溶接ワイヤの前後両側に一対のメインガス通路が設けられるとともに、後側メインガス通路より後方のトーチ本体先端面が切り欠かれて溶接面より後退しており、該離間したトーチ本体内部に冷却水が循環する冷却部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、溶接ワイヤの両側にメインガス通路を設けるようにしたため、溶接部のシールド性を確保でき、溶接性を向上させることが可能となる。また、溶接面から後退したトーチ本体内部に冷却部を設ける構成とし、冷却部を溶接面から離間させたため、溶接面からの熱により冷却能力が低下することを防止し、高い冷却能力によりトーチ本体を冷却することができるため、トーチ本体及びトーチ本体の先端に設けられるチップ等を保護することが可能となる。
【０００９】
また、前記狭開先の溶接方向に対して前記トーチ本体の両側に、前記シールドガスが通流する補助ガスノズルを配置するとともに、前記メインガス通路に供給されるシールドガス流量を前記補助ガスノズルに供給されるシールドガス流量より小としたことを特徴とする。
このように、トーチ本体の両側に補助ガスノズルを配置し、メインガス通路のシールドガス流量を低減したため、メインガス通路から噴出するシールドガスにより溶接が不安定となることを防止するとともに、補助ガスノズルから噴出するシールドガスにより溶接部のシールド性を確保することが可能となる。
【００１０】
さらに、前記狭開先を複数有する被溶接部材に対して、前記狭開先溶接トーチのアース線が、前記狭開先の溶接方向に対する始端若しくは終端のうち少なくとも複数に接続されるようにしたことを特徴とする。
これにより、溶接部の磁気吹き現象を低減し、スパッタの発生やビード形状不良などの溶接欠陥を低減することが可能となる。
【００１１】
さらにまた、前記メインガス通路に供給されるシールドガス流量に対して、前記補助ガスノズルに供給されるシールドガス流量が１．５〜２．５倍であることを特徴とする。
このように夫々のシールドガス流量を設定することにより、溶接部のシールド性を確保した上で溶接を安定して行なうことが可能となる。
【００１２】
また、前記狭開先溶接トーチを２つ有するタンデムアーク溶接装置であって、
前記２つの狭開先溶接トーチ間の距離が、前記補助ガスノズルの径の２倍以上であることを特徴とするタンデムアーク溶接装置を提供する。
このように、本発明の狭開先溶接トーチをタンデムアーク溶接装置に適用することにより、溶接が不安定となりやすい狭開先溶接であっても高い溶接性にて溶接可能で、且つタンデムアーク溶接装置により溶接の効率化が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
以上記載のごとく本発明によれば、溶接ワイヤの両側にメインガス通路を設けるようにしたため、溶接部のシールド性を確保でき、溶接性を向上させることが可能となる。また、溶接面から後退したトーチ本体内部に冷却部を設ける構成とし、冷却部を溶接面から離間させたため、溶接面からの熱により冷却能力が低下することを防止し、高い冷却能力によりトーチ本体を冷却することができるため、トーチ本体及びトーチ本体の先端に設けられるチップ等を保護することが可能となる。
また、トーチ本体の両側に補助ガスノズルを配置し、メインガス通路のシールドガス流量を低減したため、メインガス通路から噴出するシールドガスにより溶接が不安定となることを防止するとともに、補助ガスノズルから噴出するシールドガスにより溶接部のシールド性を確保することが可能となる。
【００１４】
さらに、狭開先溶接トーチのアース線を狭開先の溶接方向に対する始端若しくは終端のうち少なくとも複数に接続することにより、溶接部の磁気吹き現象を低減し、スパッタの発生やビード形状不良などの溶接欠陥を低減することが可能となる。
さらにまた、メインガス通路に供給されるシールドガス流量に対して、補助ガスノズルに供給されるシールドガス流量を１．５〜２．５倍とすることにより、溶接部のシールド性を確保した上で溶接を安定して行なうことが可能となる。
また、本発明の狭開先溶接トーチをタンデムアーク溶接装置に適用することにより、溶接が不安定となりやすい狭開先溶接であっても高い溶接性にて溶接可能で、且つタンデムアーク溶接装置により溶接の効率化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る狭開先溶接トーチの側断面図である。
【図２】本発明の狭開先溶接トーチを備えたタンデムアーク溶接装置の概略側面図である。
【図３】図２のタンデムアーク溶接装置を用いた狭開先溶接を説明する図である。
【図４】（Ａ）比較例１の狭開先溶接トーチの側断面図、（Ｂ）比較例２の狭開先溶接トーチの側断面図、（Ｃ）本実施例の狭開先溶接トーチの側断面図である。
【図５】狭開先を説明する断面図である。
【図６】溶接試験の結果を示すグラフで、（ａ）各制御因子に対するＳＮ比を示すグラフ、（ｂ）各制御因子に対する感度を示すグラフである。
【図７】従来の溶接トーチの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本発明の実施形態に係る狭開先溶接トーチ１は、ＭＡＧ溶接法に用いられ、好適には後述するタンデムアーク溶接装置に装備される。この狭開先溶接トーチ１は、厚鋼板を突合せて形成された狭開先を溶接する際に用いられ、特に、圧力容器、ボイラ、蒸気ドラム、大型産業機械等の厚板構造物の溶接に好適に用いられる。
【実施例】
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る狭開先溶接トーチ１は、トーチ本体２と、該トーチ本体２の中心軸より僅かに溶接方向前方側に設けられて溶接ワイヤが挿設されるワイヤ送給管３と、該ワイヤ送給管３の先端に設けられたチップ４と、前記ワイヤ送給管３の溶接方向前後側に設けられてシールドガスが供給されるメインガス通路５、６と、前記メインガス通路のうち後側メインガス通路６より後方に設けられて冷却水が通流する冷却部７と、を備える。また、トーチ本体２の溶接面側端面は、後側メインガス通路６より後方側の部位が切り欠かれて溶接面より退避した切欠部８を有している。該切欠部８は、段差状に形成されることが好ましい。前記冷却部７は、この切欠部８に対応した位置に設けられている。
さらに、前記トーチ本体２の溶接方向両側に、シールドガスが通流する補助ガスノズル９、１０が設けられることが好ましい。
【００１８】
前記メインガス通路５、６、前記補助ガスノズル９、１０に供給されるシールドガスは不活性ガスであり、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、又はこれらの混合ガスが用いられる。
また、補助ガスノズル９、１０に供給されるシールドガス流量は、メインガス通路５、６に供給されるシールドガス流量より小であることが好ましい。さらに好適には、メインガス通路５、６の夫々に供給されるシールドガス流量に対して、補助ガスノズル９、１０に供給されるシールドガス流量が１．５〜２．５倍とする。
【００１９】
具体例として、トーチ本体２の長さＬを３５０ｍｍとした場合、トーチ本体２の溶接方向幅Ｈを４０ｍｍ、段差状に形成した切欠部８の幅Ｈ１を１４ｍｍ、切欠部８を除くトーチ本体２の幅Ｈ２を２６ｍｍ、切欠部８の軸方向長さＬ１を１１ｍｍ、ワイヤ送給管３の径を２ｍｍ、メインガス通路５、６の径を４ｍｍ、ワイヤ送給管３とメインガス通路５、６の距離を夫々６ｍｍ、補助ガスノズル９、１０の径を７ｍｍ、トーチ本体２と補助ガスノズル９、１０の距離を０ｍｍとする。
また、メインガス通路５、６に供給されるシールドガス（以下、メインガスと呼称する）の流量を、４ｌ／ｍｉｎとし、補助ガスノズル９、１０に供給されるシールドガス（以下、補助ガスと呼称する）の流量を７ｌ／ｍｉｎとする。
【００２０】
本実施形態によれば、溶接ワイヤの両側にメインガス通路５、６を設けるようにしたため、溶接部のシールド性を確保でき、溶接性を向上させることが可能となる。また、溶接面から後退したトーチ本体２内部に冷却部７を設ける構成とし、冷却部７を溶接面から離間させたため、溶接面からの熱により冷却能力が低下することを防止し、高い冷却能力によりトーチ本体２を冷却することができるため、トーチ本体２及びトーチ本体の先端に設けられるチップ等を保護することが可能となる。
また、トーチ本体２の両側に補助ガスノズル９、１０を配置し、メインガス流量を低減したため、メインガスにより溶接が不安定となることを防止するとともに、補助ガスにより溶接部のシールド性を確保することが可能となる。
【００２１】
さらに、狭開先溶接トーチ１のアース線を狭開先の溶接方向に対する始端若しくは終端のうち少なくとも複数に接続することが好ましく、これにより溶接部の磁気吹き現象を低減し、スパッタの発生やビード形状不良などの溶接欠陥を低減することが可能となる。
さらにまた、メインガス流量に対して、補助ガス流量を１．５〜２．５倍とすることにより、溶接部のシールド性を確保した上で溶接を安定して行なうことが可能となる。
【００２２】
さらに、図２に上記した狭開先溶接トーチ１をタンデムアーク溶接装置２０に適用した図を示す。図２に示すタンデムアーク溶接装置２０は、溶接トーチ１を左右及び上下に動かす２軸のオシレート機能を有しており、溶接トーチ１はＬ字状の支持アーム２４により制御装置２３に固定され、該溶接トーチ１に挿設された溶接ワイヤ１１は、制御装置２３を通ってワイヤリール３１に巻回されるようになっている。制御装置２３には、溶接トーチ１を直線反復動作するオシレート機構が内蔵されており、さらにアークセンサも含まれている。また、支持アーム２４にはシールドボックス２３が固定されており、該シールドボックス２３からは溶接トーチ１に供給するシールドガスが収容されている。また、溶接トーチ１先端の溶接部を監視するＣＣＤカメラ等の監視カメラ２８が設置されている。
【００２３】
これらの装置は溶接方向に対して所定間隔だけ離間させて２台設置されている。このとき、溶接トーチ１間の距離は、２００〜２５０ｍｍとすることが好ましい。
上記したタンデムアーク溶接装置２０により、図３に示すように動作させることにより、溶接が不安定となりやすい狭開先溶接であっても高い溶接性にて溶接可能で、且つタンデムアーク溶接装置２０により溶接の効率化が可能となる。
【００２４】
次いで、各制御因子の適正化を行なうためにタグチメソッドによる溶接試験を行なった結果を以下に示す。図５に示すように実開先形状を模擬した試験片により試験を実施した。試験片は、肉厚が７５ｍｍ、狭開先角度が１．５°、試験片底面から狭開先先端までの肉厚が１０ｍｍである。また、トーチ形状は図４に示す３形状で試験を行った。図４（Ａ）は比較例１で、冷却部７をワイヤ送給管３と後側メインガス通路６の間に設け、ワイヤ送給管３の径を２ｍｍとした場合、（Ｂ）は比較例２で、冷却部７をワイヤ送給管３と後側メインガス通路６の間に設け、ワイヤ送給管３の径を３ｍｍとした場合、（Ｃ）は本実施例で、ワイヤ送給管３の前後にメインガス通路５、６を配置し、後側メインガス通路６の溶接方向後方に冷却部７を配置し、ワイヤ送給管３の径を２ｍｍとした場合である。
【００２５】
そして、タグチメソッド基づき、作成した特性要因図からＬ１８直交表に基づいて制御因子と水準を選定し、各水準において試験を行なった結果、図６のグラフが得られた。図６（ａ）は各制御因子に対するＳＮ比を示すグラフ、（ｂ）は各制御因子に対する感度を示すグラフである。
図６から得られた最適条件を図７の表に示す。この表に示されるように、トーチ形状Ｃ（本実施例）を採用し、補助ガスノズル９、１０を設けるとともに、メインガス流量を４ｌ／ｍｉｎと従来より少なくすることにより安定した溶接性能が得られることがわかる。
【符号の説明】
【００２６】
１    狭開先溶接トーチ
２    トーチ本体
３    ワイヤ送給管
５、６  メインガス通路
７    冷却部
８    切欠部
９、１０  補助ガスノズル
２０  タンデムアーク溶接装置
【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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