(57)【要約】【課題】ＴＩＧ溶接法に用いられるタングステン電極において、溶接の進行に伴ってアークのふらつきなどの不都合が生じることがなく、長時間安定したアークが得られるタングステン電極を提供する。【解決手段】芯部２とこの芯部２の外側に同軸的に設けられた鞘部３とからなり、芯部２が、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンからなり、鞘部３がタングステンのみまたはこれら酸化物の１種以上を含むタングステンからなり、鞘部３の酸化物含有量が４．２ｗｔ％以下であり、芯部２の酸化物含有量が鞘部３の酸化物含有量よりも２ｗｔ％以上でかつ１０ｗｔ％以下であり、芯部２の直径が、電極の中心から直径比で６０％以下、好ましくは２０％以下であるタングステン電極。【選択図】図１
2006068801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非消耗電極式溶接に用いられる丸棒状の電極であって、
この電極が、芯部とこの芯部の外側に設けられた鞘部とからなり、
芯部が、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンからなり、
鞘部が、タングステンのみ、または酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンからなり、
鞘部の酸化物含有量が４．２ｗｔ％以下であり、
芯部の酸化物含有量が、鞘部における酸化物含有量よりも２ｗｔ％以上高くされ、かつ１０ｗｔ％以下とされ、
芯部の直径が、電極の直径に対して６０％以下であることを特徴とする非消耗電極式溶接用タングステン電極。
【請求項２】
請求項１において、芯部の直径が、電極の直径に対して２０％以下であることを特徴とする非消耗電極式溶接用タングステン電極。
【請求項３】
芯部において、酸化物の濃度勾配が形成され、中心が高濃度とされていることを特徴とする請求項１または２記載の非消耗電極式溶接用タングステン電極。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のタングステン電極を用いて溶接することを特徴とする非消耗電極式溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いられ、高い溶接精度が求められる非消耗電極式溶接方法に好適な非消耗電極式溶接用タングステン電極（以下、タングステン電極と略記することがある。）およびこのタングステン電極を用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造用ガスを半導体製造装置に供給する配管にはステンレス鋼製鋼管が用いられている。
このステンレス鋼管の溶接には、非消耗電極式アーク溶接、例えば溶加材を用いない自動ＴＩＧ溶接法によるＩ型突き合わせ溶接が広く採用されている。
配管の溶接部は、配管の表面に対し凹凸とならないことが好ましい。特に、溶接部の内壁面側においては、溶接部の裏波ビードが内壁面に対し凹凸を形成せず、しかもビード幅が適切な範囲にあることが重要とされている。
【０００３】
例えば、Ｉ型突き合わせ溶接をするに当たり、溶接時の入熱が過剰となると、溶融量が過剰となり、溶接部が大きく広がり、下向き溶接の場合、重力の影響により裏波が管面に対し突出した形状になる。この場合、溶接金属からヒュームと呼ばれる極微粒の金属粉が管内に放出されることになり、配管内を流れるガスがこれにより汚染されることになる。
【０００４】
また、溶接部の入熱量不足、電極の消耗によるアーク安定性の低下、人為的なミスによる溶接のねらいずれなどが生じた場合には、管の突き合わせ部が管内壁面まで完全に溶融されなくなり、管の突き合わせ部に微少な空隙の凹部が形成されることがある。
この場合には、この凹部がデッドスペースとなり、ここにパーティクルが堆積し、堆積したパーティクルが供給ガスに同伴し、汚染の原因になるという問題がある。さらには、この凹部に存在する空気は、ガスと置換されにくく、不純物として供給ガスを汚染する問題もあった。
【０００５】
また、供給ガスが腐食性ガスの場合には、上記凹部における隙間腐食が促進され、この隙間腐食により生じた金属腐食生成物が剥落し、供給ガスが汚染されるという問題もある。さらには、上記凹部に起因して溶接部の機械的強度が低下する問題もある。
【０００６】
ところで、従来このような自動ＴＩＧ溶接法に用いられる電極としては、ＪＩＳ  Ｚ  ３２３３（２００１）「イナートガスアーク溶接並びにプラズマ切断および溶接用タングステン電極」に規定されたタングステン電極が広く使用されている。
このタングステン電極は、タングステンを９９．９ｗｔ％以上含むものあるいは０．５〜４．２ｗｔ％の酸化トリウム、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化ジルコニウムなどの酸化物を含むタングステンからなるものである。これらの酸化物は仕事関数が小さく、電子の放出が容易な性質を有し、これら酸化物を添加することで、放電が安定して容易に行われるようになっている。
【０００７】
このようなタングステン電極にあっては、溶接を繰り返して行った場合や長時間持続して行なったりした時に、アークの発生が不安定になり、アークがふらつくという現象が生じる。このようなアークのふらつきが生じると、溶接のねらいとおりにアークを発生させることができなくなり、上述のように、完全な溶接ができなくなる。
【０００８】
このアークのふらつきの原因とされるのは、溶接の進行に伴い、図２に示すように、電極１１の先端部分が溶融し丸みを帯び、電極先端部分に含まれる酸化物が減少し、タングステンのみとなる。電極１１先端部の近傍のテーパー部にタングステンと思われる付着物１３が存在し、さらに付着物１３よりも離れた肩部近傍には溶出物１２が存在することが確認された。この溶出物１２は分析により電子放出能が高い酸化物であることが判った。そして、これらの酸化物は、仕事関数が小さいことから、この溶出物１２が電極１１の先端部分に変わって放電の基点となり、この結果アークがふらつくことになると考えられる。
【０００９】
従来、このようなアークのふらつきが生じた場合には、新しい電極に取り替える、電極の先端を鋭利に研磨することが行われているが、その都度溶接を中止する必要があり、手間がかかる欠点がある。
また、アークのふらつきを防止する技術として、特開平０５−０００３７７号公報には、タングステン電極の放電端の表面をステンレス鋼層でコーティングする方法が開示されている。
【特許文献１】特開平０５−０００３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、溶接の進行に伴ってアークのふらつきなどの不都合が生じることがなく、長時間安定したアークが得られるタングステン電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、非消耗電極式溶接に用いられる丸棒状の電極であって、この電極が、芯部とこの芯部の外側に設けられた鞘部とからなり、
芯部が、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンからなり、
鞘部が、タングステンのみ、または酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンからなり、鞘部の酸化物含有量が４．２ｗｔ％以下であり、芯部の酸化物含有量が、鞘部における酸化物含有量よりも２ｗｔ％以上高くされ、かつ１０ｗｔ％以下とされ、芯部の直径が、電極の直径に対して６０％以下であることを特徴とする非消耗電極式溶接用タングステン電極である。
【００１２】
請求項２にかかる発明は、請求項１において、芯部の直径が、電極の直径に対して２０％以下であることを特徴とする非消耗電極式溶接用タングステン電極である。
請求項３にかかる発明は、芯部において、酸化物の濃度勾配が形成され、中心が高濃度とされていることを特徴とする請求項１または２記載の非消耗電極式溶接用タングステン電極である。
請求項４にかかる発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のタングステン電極を用いて溶接することを特徴とする非消耗電極式溶接方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶接が進行しても、アークのふらつきが生じるのが遅くなり、電極の先端部分からアークが放電する正常な放電状態が維持される時間が長くなり、安定した溶接が可能になる。このため、電極の取り替えや研磨に時間を要することがなくなり、溶接作業の作業性を高めることができる。また、溶接のねらい通りにアークを飛ばせるので、高品質で完全な溶接を行うことができるなどの効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の非消耗電極式溶接用タングステン電極の一例を示すものである。この例のタングステン電極１は、図１（ａ）に示すように、長さが５０〜１７５ｍｍ、外径が０．５〜１０ｍｍの丸棒状のもので、その一端がテーパー状に尖っており、その先端部が放電端となっている。
【００１５】
そして、このタングステン電極１は、芯部２と鞘部３とから構成されている。
芯部２は、電極１の中心部を占める円柱状のものであって、鞘部３は、この芯部２を取り囲む円筒状のものである。
芯部２は、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物が含まれたタングステンから構成されている。
また、鞘部３は、タングステンのみ、または酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物を含むタングステンから構成されている。
この鞘部３に含まれる酸化物の量は最大４．２ｗｔ％となっており、芯部２には、酸化物が鞘部の酸化物含有量よりも２ｗｔ％以上でかつ１０ｗｔ％以下含まれている。なお、これら酸化物以外に、０．２ｗｔ％以下の不可避不純物が含まれていても良い。
【００１６】
これらの酸化物は、いずれも仕事関数がタングステンに比べて小さく、電子の放出が容易な化合物であり、アークの発生を芯部２に集中させることができる。
これら芯部２での酸化物の含有量が鞘部３での酸化物の含有量との差が２ｗｔ％未満であると、アークのふらつきを防止することができず、また１０ｗｔ％を越えて配合しても、もはや上記効果の増加が頭打ちとなって不経済でもある。
【００１７】
また、芯部２における酸化物の含有量は、芯部２全体において上記範囲内のある値で均一なものは勿論、この含有量の範囲内で濃度勾配があっても良く、芯部２の中心部において酸化物濃度が高く、外周側に行くにつれて酸化物濃度が低下するようにしてもよい。例えば、芯部２の中心部において酸化物に濃度を１０ｗｔ％とし、芯部２の外周部での濃度を０．５ｗｔ％とするようにしてもよい。
【００１８】
また、この芯部２は、図１（ｂ）に示すように、タングステン電極１全体の直径Ａに対して直径が０．６Ａ以下、好ましくは０．２Ａ以下となっている。この直径比が０．６を越えるとアークのふらつきを防止する効果が得られなくなり、またコストも上昇する。
【００１９】
また、鞘部３は、上記芯部２の外側にこれと一体となって設けられた円筒状のもので、芯部２の中心軸と鞘部３の中心軸とが同軸となっている。
この鞘部３は、上述のように上記酸化物が０％以上、４．２ｗｔ％以下含まれたタングステンからなっており、０．２ｗｔ％未満の不可避不純物が含まれていてもよい。この鞘部３の層の厚さは、芯部２の太さが電極１の全体の６０％以下、好ましくは２０％以下となっているので、電極１全体の太さの２０％以上、好ましくは４０％以上となっている。
【００２０】
このような構成のタングステン電極１にあっては、電極１の中心に存在する芯部２に仕事関数が小さく電子の放出性が良好な酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのいずれか１種以上の酸化物が鞘部３よりも多く含まれているので、溶接の進行に伴い、電極１の先端部分が溶融して徐々に消耗していって、その溶出物が電極の肩部に付着しても、芯部２には元々上記酸化物が多く含まれているので、この部分からの放電が優先して生じ、アークのふらつきが起こるまでの時間を長くすることができる。
【００２１】
このため、電極の交換あるいは研磨の回数を減らすことができ、溶接作業性を向上させることができる。さらに、アークのふらつきが生じにくくなることから、溶接のねらい通りの位置にアークを飛ばせることにできるようになり、突き合わせ部分を完全に溶融することができ、高品位の溶接が可能になる。
【００２２】
本発明の非消耗電極式溶接方法は、上述のタングステン電極を用いるものであり、例えばＴＩＧ溶接法などによって溶接するものである。
【００２３】
以下、具体例を示して本発明の作用効果を明確にする。
（例１）
芯部２が１０ｗｔ％の酸化トリウムを含むタングステンからなり、外径が１．０ｍｍであり、鞘部３がタングステンからなり、外径が１．６ｍｍであるタングステン電極１を焼結法により作製した。この電極１の一端をテーパー状に研削して、先端角度３０度、先端半径０．４ｍｍの放電端とした。
【００２４】
このタングステン電極１を用い、ＴＩＧ溶接法によりステンレス鋼管のＩ型突き合わせ溶接を行った。
溶接条件は以下のようにした。
ステンレス鋼管：材質ＳＵＳ３１６Ｌ、外径８９．１ｍｍ、肉厚２．１ｍｍ
シールドガス：アルゴン、流量２５リットル／分
溶接速度：管の周溶接速度で０．３ｒｐｍ、周速で８４ｍｍ／分
溶接電流：６５〜７１Ａ
アーク長さ：１．８ｍｍ
この溶接条件により、溶接を３０回繰り返し、その際のアークの状況、放電端の形状変化を観察した。
【００２５】
その結果、３０回の溶接終了後、タングステン電極１の放電端は、溶融し、その先端が丸くなっていた。また、電極１の肩部には溶出物が確認されず、３０回の溶接を通してアークのふらつきは認められなかった。
【００２６】
（例２）
芯部２における酸化トリウムの含有量を３ｗｔ％とした以外は例１と同様にしてタングステン電極１を作製し、同様の条件により溶接試験を行い、その際のアークの状況、放電端の形状変化を観察した。
その結果、３０回の溶接終了後、タングステン電極１の放電端は、溶融し、その先端が丸くなっていた。また、電極の肩部には溶出物が確認されず、３０回の溶接を通してアークのふらつきは認められなかった。
【００２７】
（例３）
タングステン電極として、ＪＩＳ  Ｚ  ３２３３  に規定された分類番号ＷＴ２０の電極（酸化トリウム含有量１．７〜２．２ｗｔ％）を用いて、例１と同様の条件により溶接試験を行い、その際のアークの状況、放電端の形状変化を観察した。
その結果、３０回の溶接終了後、タングステン電極１の放電端は、溶融し、その先端が丸くなっていた。また、電極の肩部には溶出物が確認された。そして、２５回目の溶接からアークのふらつく場合があることが認められた。
【００２８】
以上の結果から、本発明のタングステン電極を用いてＴＩＧ溶接を実施することで、アークの安定性が向上し、電極の研磨、取替の手間を軽減することができることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のタングステン電極の例を示すもので、（ａ）は縦断面図で、（ｂ）は横断面図である。
【図２】本発明におけるタングステン電極の溶接後の状態を説明する図面である。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・タングステン電極、２・・・芯部、３・・・鞘部
【図１】
2006068801.tif 000003
【図２】
2006068801.tif 000004