(57)【要約】【課題】  溶接コストを低減することができる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供すること。【解決手段】  タングステン電極（または酸化物入りタングステン電極）１の軸線周りに内側ノズル２を配置すると共にこの内側ノズル２の周りに外側ノズル３を配置しておき、タングステン電極１の内側ノズル２先端からの電極突き出し長さＬを０〜４ｍｍとして、内側ノズル２に有効単位断面積当りの流量が０.２ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２以上の不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするプラズマガス６を流すとともに、内側ノズル２と外側ノズル３との間に炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする活性ガス７を流しながら、溶接をする【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質がタングステンまたは酸化物入りタングステンである電極の軸線周りに内側ノズルを配置すると共にこの内側ノズルの周りに外側ノズルを配置しておき、
前記電極の前記内側ノズル先端からの突き出し長さを０〜４ｍｍとして、前記内側ノズルと前記電極との間に形成される空間に、単位断面積当りの流量が０.２ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２以上の不活性ガスを流すとともに、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に形成される空間に炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流しながら、溶接をすることを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
前記不活性ガスに代えて不活性ガスを主成分としたことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項３】
前記不活性ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項１記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項４】
前記アルゴンガスに代えてアルゴンと水素の混合ガスとしたことを特徴とする請求項３記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材質がタングステンまたは酸化物入りタングステンである電極（以下、両者をまとめて「タングステン電極」という。）を用いて溶接をする非消耗式ガスシールドアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非消耗式ガスシールドアーク溶接の代表例であるティグ溶接の場合、通常、シールドガスとして不活性ガス（アルゴンまたはヘリウム）が使用されているが、例えば、溶込み深さを増大させるため、活性ガスである酸素あるいは炭酸ガスを不活性ガス中に微量添加する場合もある（特許文献１、特許文献２および非特許文献１）。
【０００３】
また、タングステン電極の周囲に二重構造のガス流路を設け、それぞれの流路に組成が異なる２種類の不活性ガスを流出させることにより、アークの集中性向と、亜鉛めっき鋼板溶接時におけるタングステン電極の異常消耗の抑制を図っている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−１９５６１号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００３−３１１４１４号公報（第２図および第３図）
【特許文献３】特許第３４３７６３０号公報（第１図）
【非特許文献１】ｏＳｈａｎｐｉｎｇ  Ｌｕ他著「Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ＧＴＡ  Ｗｅｌｄ  Ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  Ｏ２  Ｃｏｎｔｅｎｔ  ｉｎ  Ａｒｇｏｎ  Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ  Ｇａｓ」溶接学会全国大会講演概要・第７２集、２００３年４月、ｐ．９６−９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、消耗電極式ガスシールドアーク溶接の場合、比較的安価な炭酸ガスをシールドガスとして採用することにより溶接コストを低減するようにしているが、タングステン電極を用いる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接の場合、炭酸ガスをシールドガスとして採用することは大幅に制限されている。
【０００５】
すなわち、活性ガスである炭酸ガスは高温下でＣＯとＯに乖離するため、容易にタングステン酸化物が生成される。タングステン電極の融点は４,０００Ｋ程度であるが、タングステン酸化物の融点は２,０００Ｋ程度である。このため、活性ガス中で電極として使用されたタングステン電極は短時間で摩耗し、非消耗電極としての役割を果たせなくなるためである。このため非消耗電極式ガスシールドアーク溶接の場合、シールドガス中に添加される炭酸ガスなどの活性ガスの混合比率はせいぜい数％に制限されている。
【０００６】
また、組成の異なる２種類のガスをシールドガスとする特許文献３の場合も、シールドガスとして採用されているのは、アルゴンやアルゴン／水素混合ガスなどの不活性ガスに限られている。
【０００７】
本発明の目的は、溶接コストを低減することができる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、活性ガスである炭酸ガスがＣＯとＯに乖離する際に乖離熱を必要とすること、換言すると、炭酸ガスがＣＯとＯに乖離する際、周囲は熱を奪われて温度が下がることに着目した。
【０００９】
すなわち、タングステン電極の周囲に不活性ガスを流すと共に不活性ガスの外側を炭酸ガスで覆うようにした場合、炭酸ガスがＣＯとＯに乖離する結果、アークは冷却されて収縮し、入熱密度が増大する。
【００１０】
以上の考察に基づき、上記した課題を解決するため、本発明は、非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法として、材質がタングステンまたは酸化物入りタングステンである電極の軸線周りに内側ノズルを配置すると共にこの内側ノズルの周りに外側ノズルを配置しておき、前記電極の前記内側ノズル先端からの突き出し長さを０〜４ｍｍとして、前記内側ノズルと前記電極との間に形成される空間に、単位断面積当りの流量が０.２ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２以上の不活性ガスまたは不活性ガスを主成分とするガスを流すとともに、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間に形成される空間に炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流しながら、溶接をすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
シールドガスとして比較的安価な炭酸ガスを使用し、かつタングステン電極の消耗量を増加させないので、溶接コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明を適用するのに好適な溶接トーチ先端部の断面図である。
【００１３】
タングステン電極１の外周には、第１のシールドガス（以下、「プラズマガス」という。）６を流すための内側ノズル２が配置されている。内側ノズル２の内径はＤである。内側ノズル２の外周には、第２のシールドガス７（以下、「シールドガス」という。）を流すための外側ノズル３が配置されている。溶接をする際には、タングステン電極１の周りにプラズマガス６を流すと共に、内側ノズル２と外側ノズル３との間にシールドガス７を流し、タングステン電極１と母材５との間にアーク４を発生させる。なお、タングステン電極１の先端と母材５との距離がアーク長になる。
【００１４】
図２は、本発明を適用し、内側ノズルの内径を４ｍｍかつタングステン電極１先端の内側ノズル２先端からの距離（以下、「突出し長さ」という。）Ｌを３ｍｍに設定した場合および内側ノズルの内径を５ｍｍかつ突出し長さＬを１ｍｍに設定した場合の電極消耗量を示す図である。
【００１５】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００１６】
（１）溶接電流：直流１００Ａ
（２）アーク長：５ｍｍ
（３）プラズマガス：アルゴン
（４）シールドガスの種類、流量：炭酸ガス（ＣＯ２ガス）、１０ｌ／分
（５）溶接時間：３０分
なお、この試験条件は、ＪＩＳ  Ｚ  ３２３３に規定する試験条件に準じて定めたものである。
【００１７】
同図に示されているように、プラズマガス流量の増加とともに電極消耗量は減少し、プラズマガス流量を４ｌ／分以上にすると電極消耗量はごく僅かになる。プラズマガス流量２ｌ／分の場合は、電極消耗量がやや増加するが、それでも１０ｍｇ以下であり、実用には十分耐えうる水準である。
【００１８】
なお、プラズマガスとして流出させるアルゴンが電極消耗の抑制に大きく寄与するため、ノズル先端からの電極の突出し長さが長くなるとその効果が低減され、突出し長さが長くなるにつれて電極消耗量はやや増大する傾向を示す。
【００１９】
以上から、本発明によればシールドガスとして不活性ガスに比べて十分安価な活性ガスである炭酸ガスを用いることができるので、溶接コストを低減することができる。
【００２０】
また、アーク熱による炭酸ガスの乖離に伴って生じる吸熱反応によって、アークは熱的ピンチ作用を受けて緊縮し、母材を溶融する入熱密度を増大させるといつた効果も得ることができる。
【００２１】
以下、さらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図３は、本発明を適用した場合の電極消耗量を段階別に区分して示す図であり、横軸は突出し長さＬ、縦軸は有効断面積（プラズマガス６が実際に流れる断面積、すなわち、内側ノズル２の断面積からタングステン電極の断面積を引いた断面積）に対する単位面積あたりの流量である。
【００２３】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００２４】
（１）タングステン電極１の直径、種類：外径２.４ｍｍ、２％酸化ランタン入り
（２）溶接電流：直流１００Ａ
（３）アーク長：５ｍｍ
（４）プラズマガスの種類：アルゴン
（５）シールドガスの種類、流量：ＣＯ２ガス、１０ｌ／分
（６）溶接時間：３０分
また、図中の評価記号は、それぞれ以下に示す電極消耗量に対応させてある。
【００２５】
評価記号（二重丸）：電極消耗量０.１ｍｇ以下
評価記号（丸）：電極消耗量０.１〜１ｍｇ以下
評価記号（三角）：電極消耗量１〜１０ｍｇ以下
評価記号（黒四角）：電極消耗量１０ｍｇ超
上記したように、評価記号（三角）以上の電極消耗量であれば、実用上問題になることはない。すなわち、評価記号（二重丸、丸）の場合は電極消耗量が極めて少ないことを示している。
【００２６】
同図に示されているように、タングステン電極の突出し長さＬを４ｍｍ以下、プラズマガス流量を０.２ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２以上とすることにより、シールドガスに炭酸ガスを用いても電極の異常消耗が発生せず、良好な溶接が可能である。
【００２７】
図４は溶接終了時のタングステン電極先端の形状を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ上記評価記号二重丸、丸、三角、黒四角に対応している。
【実施例２】
【００２８】
図５は、本発明を適用し、溶接電流を変化させた場合の電極消耗量の測定結果を示す図である。
【００２９】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００３０】
（１）タングステン電極１の直径、種類：外径２.４ｍｍ、２％酸化ランタン入り
（２）電極の突出し長さＬ：３ｍｍ
（３）アーク長：５ｍｍ
（４）プラズマガスの種類、流量：アルゴン、０.６５ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２、
（５）シールドガスの種類、流量：ＣＯ２ガス、１０ｌ／分
（６）溶接時間：３０分
同図に示されているように、溶接電流が増加すると電極消耗量も増加するが、溶接電流１５０Ａにおいても電極消耗量は１ｍｇ以下であり、シールドガスに炭酸ガスを用いても電極の異常消耗が発生せず、良好な溶接が可能である。
【実施例３】
【００３１】
図６は、本発明を適用し、プラズマガスの組成を変えた場合の電極消耗量の測定結果を示す図である。
【００３２】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００３３】
（１）タングステン電極１の直径、種類：外径２.４ｍｍ、２％酸化ランタン入り
（２）溶接電流：直流１００Ａ
（３）電極の突出し長さＬ：３ｍｍ
（４）アーク長：５ｍｍ
（５）プラズマガスの種類、流量：アルゴン＋１０％水素、０.６５ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２
（６）シールドガスの種類、流量：ＣＯ２ガス、１０ｌ／分
（７）溶接時間：３０分
同図に示されているように、電極消耗量は０．０５ｍｇ以下であり、プラズマガスにアルゴンと水素の混合ガスを用いると、電極消耗量が非常に少なく、良好な溶接が可能である。
【００３４】
なお、プラズマガスとしてアルゴン／水素混合ガスを用いると、水素の乖離に伴う吸熱作用によりアークの緊縮度が一段と向上するので、溶け込みが深くなる。また、乖離した水素がシールドガスとして用いるＣＯ２の乖離によって発生する酸素と結合するため、溶接ビード表面の酸化が抑制される結果、美麗なビード外観が得られるという効果もある。
【実施例４】
【００３５】
図７は、本発明を適用し、電極の突出し長さＬを１〜３ｍｍの間で変化させた場合の電極消耗量を示す図である。
【００３６】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００３７】
（１）タングステン電極１の直径、種類：外径１．６ｍｍ、２％酸化ランタン入および
外径２．４ｍｍ、２％酸化ランタン入
（２）溶接電流：直流１００Ａ
（３）アーク長：５ｍｍ
（４）プラズマガスの種類、流量：アルゴン、０.６０ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２
（５）シールドガスの種類、流量：ＣＯ２ガス、１０ｌ／分
（６）溶接時間：３０分
同図に示されているように、電極径が１.６ｍｍの場合、電極径が２．４ｍｍの場合に比べて電気抵抗が増加するので、抵抗発熱量が増大し、また体積が小さいことに起因する熱容量の低下により、電極消耗量はかなり増加する。しかし、電極消耗量は１０mgを相当下回っており、実用性は十分である。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、シールドガスとして活性ガスを用いても電極の異常消耗を抑制できるので、溶接コストを低減することができる。
【実施例５】
【００３９】
図８は本発明を適用した溶接結果の断面図を示す図であり、図９は本発明を適用した溶接結果の外観を示す図である。なお、比較のため、ティグ溶接結果を並べて示している。
【００４０】
なお、溶接条件は以下の通りである。
【００４１】
（Ａ）共通条件
（１）タングステン電極１の直径、種類：外径２．４ｍｍ、２％酸化ランタン入
（２）溶接電流：直流１２０Ａ
（３）アーク長：３ｍｍ
（４）溶接速度：９０および２００ｍｍ／ｍｉｎ
（５）母材の材質、板厚：ＳＵＳ３０４（硫黄含有量１０ｐｐｍ）、１０ｍｍ
（６）電極突き出し長さ：３ｍｍ
（Ｂ）個別条件
（７）本発明のシールドガスの種類、流量：ＣＯ２ガス、１０ｌ／分
（８）本発明のプラズマガスの種類、流量：アルゴン、１０ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２
アルゴン＋１０％Ｈ２、１０ｌ／ｍｉｎ・ｍｍ２
なお、内側ノズルの内径は５ｍｍ
（９）ティグ溶接のシールドガスの種類、流量：アルゴン、１０ｌ／分
図８から明らかなように、本発明によれば、いずれの溶接速度においてもティグ溶接よりも相当深いとけ込み形状が得られており、プラズマガスをアルゴン＋１０％Ｈ２とする方がより深い溶け込みになることが分かる。
【００４２】
また、図９から明らかなように、プラズマガスの種類がアルゴンのみの場合には、シールドガスであるＣＯ２ガスの影響でビード表面が酸化されているが、プラズマガスをアルゴン＋１０％Ｈ２とした場合は、ほとんど酸化されないことが分かる。
【００４３】
なお、上記実施例のいずれにおいてもシールドガスの組成を１００％ＣＯ２としたが、ＣＯ２を主成分とし、アルゴンなどを加えた混合ガスを用いても同様の効果が得られる。
【００４４】
また、プラズマガスとしてアルゴンまたはアルゴン＋水素混合ガスとしたが、ヘリウム、アルゴンとヘリウムの混合ガス、あるいはアルゴンとヘリウムと水素の混合ガスなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を適用するのに好適な溶接トーチ先端部の断面図である。
【図２】本発明における電極消耗量を示す図である。
【図３】本発明を適用した場合の電極消耗量を段階別に区分して示す図である。
【図４】図３の場合における溶接終了時のタングステン電極先端の形状を示す図である。
【図５】本発明を適用し、溶接電流を変化させた場合の電極消耗量の測定結果を示す図である。
【図６】本発明を適用し、プラズマガスの組成を変えた場合の電極消耗量の測定結果を示す図である。
【図７】本発明を適用し、突出し長さＬを１〜３ｍｍの間で変化させた場合の電極消耗量を示す図である。
【図８】本発明を適用した溶接結果の断面図を示す図である。
【図９】本発明を適用した溶接結果の外観を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  タングステン電極
２  内側ノズル
３  外側ノズル
６  プラズマガス
７  シールドガス
Ｌ  突き出し長さ
【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】
2006026644.tif 000009
【図８】
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【図９】
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