(57)【要約】【課題】ＭＴ検査における擬似欠陥を低減できるガスシールド溶接トーチを提供する。【解決手段】溶接トーチ１０は、溶接ワイヤ８を保持するとともに溶接電流を供給するチップ２と、チップ２を内部に収容し、チップ２の周囲に形成される流路を通るシールドガスＳＧを溶接部位に向けて前端側１ａより吐出させるシールドノズル１とを備える。溶接トーチ１０は、チップ２及びシールドノズル１がともに湾曲されており、曲率の小さい腹側ＳＳ及び曲率の大きい背側ＢＳが溶接方向に沿って溶接時に移動する。流路は、溶接ワイヤ８よりも腹側においてシールドガスＳＧが流れる腹側流路Ｆ１と、溶接ワイヤ８よりも背側ＢＳにおいてシールドガスが流れる背側流路Ｆ２とからなる。そして、溶接トーチ１０は、少なくともシールドノズル１の前端側１ａにおいて、腹側流路Ｆ１よりも背側流路Ｆ２の開口面積が大きく設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤを保持するとともに前記溶接ワイヤに溶接電流を供給するチップと、
前記チップを内部に収容し、前記チップの周囲に形成される流路を通るシールドガスを溶接部位に向けて前端側より吐出させるシールドノズルと、を備え、
前記チップ及び前記シールドノズルが湾曲され、曲率の小さい腹側及び曲率の大きい背側が溶接方向に沿って溶接時に移動するガスシールド溶接トーチであって、
前記流路は、前記溶接ワイヤを基準として、前記溶接ワイヤよりも腹側において前記シールドガスが流れる腹側流路と、前記溶接ワイヤよりも前記背側において前記シールドガスが流れる背側流路とからなり、
少なくとも前記シールドノズルの前記前端側において、
前記腹側流路よりも前記背側流路の開口面積が大きく設定されている、
ことを特徴とするガスシールド溶接トーチ。
【請求項２】
前記シールドノズルの外方に張り出すフランジを、前記シールドノズルの前記前端側に備える、
請求項１に記載のガスシールド溶接トーチ。
【請求項３】
前記シールドノズルの前記前端側の前記背側にフレアを設ける、
請求項１又は請求項２に記載のガスシールド溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接部分を不活性ガスでシールドしながら狭隘部分に挿入して溶接するのに好適なガスシールド溶接トーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
狭隘部分にガスシールド溶接トーチを挿入して溶接する必要のある部材として、例えば遠心圧縮機のインペラがある。インペラ４０は、図８、９に示すように、遠心圧縮機の回転主軸に固着し回転される片面が先薄に湾曲するディスク４１と、ディスク４１の湾曲面と対峙する形状のカバー４２と、ディスク４１とカバー４２の湾曲面間を渦形に仕切るように設けられた多数のブレード４３とにより構成されている。
このインペラ４０は、ディスク４１と、カバー４２と、ブレード４３とを、別に製作し相互に溶接し組立てる３ピース型と呼ばれるものである。３ピース型のインペラ４０は、比較的大型のものに適用されている。カバー４２とブレード４３は、例えばカバー４２のブレード取付け面を上にして台盤上に固定し、このカバー４２の上向面に下向き溶接でブレード４３を精度良く溶接できる。この溶接としては、例えばメタルイナートガスアーク（ＭＩＧ）溶接が適用され、カバー４２とブレード４３との間に溶接部４４、４６が形成される。また、ディスク４１とブレード４３は、ディスク４１上にブレード４３を所定間隙で配置した状態で、カバー４２とディスク４１の外周開口から長尺のガスシールド溶接トーチ（以下、溶接トーチ）を挿入して行う。なお、３ピース型のインペラ４０の他に、カバー４２とブレード４３を一体に成形し、これとディスク４１を接合する２ピース型のインペラ４０もある。
【０００３】
溶接トーチを挿入する前記外周開口は高さが数１０ｍｍであるがこのような狭隘部をガスシールド溶接するのに適した溶接トーチ５０（図７）が特許文献１に記載されている。
溶接トーチ５０は、溶接装置本体（図示せず）に接続されるトーチケーブル５９の先端に設けられる。
トーチケーブル５９の先端に装着される中空状のホルダ５５の内部にはワイヤ送りチューブ５７が配置される。溶接装置本体に設けられるワイヤ送り装置（図示せず）から給送される溶接ワイヤ５８はこのワイヤ送りチューブ５７を通り、チップ５２の先端から突出される。
ホルダ５５の内部には、オリフィス５３が設けられている。オリフィス５３はガス吐出孔５４を備え、溶接装置本体のシールドガス供給装置（図示せず）から供給されるＡｒなどのシールドガスＳＧを整流してシールドノズル５１に向けて流す。
シールドノズル５１は、固定具５６を介してホルダ５５に固定されており、オリフィス５３で整流されたシールドガスＳＧを溶接部位に向けて吐出させる。特許文献１は、シールドノズル５１とチップ５２を同心上に配置している。
【０００４】
この溶接トーチ５０は、ガス吐出孔５４の大きさをその円周方向の形成位置によって変えることで、シールドノズル５１の腹側ＳＳ（内側）部分に沿って流れるシールドガスＳＧの流量を背側ＢＳよりも多くしている。具体的には、シールドノズル５１の曲率が大きくシールドガスＳＧが流れやすい背側ＢＳ（外側）に対応するガス吐出孔５４を小さくするとともに、シールドノズル５１の曲率が小さくシールドガスＳＧが流れやすい腹側ＳＳ（内側）に対応するガス吐出孔５４を大きくしている。このようにすることで、特許文献１は、腹側ＳＳ及び背側ＢＳともに良好なガスシールド性が確保できることを述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１６０１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インペラ４０を溶接した後に、溶接部分（溶接ビード）の健全性を例えば磁粉探傷で検査（ＭＴ検査）する。ところが、本発明者らの検討によると、特許文献１に開示されるトーチも含め、従来のトーチを用いて溶接すると、溶接ビード自体には欠陥がなく健全であるにもかかわらず、ＭＴ検査の結果は欠陥（以下、擬似欠陥）を示すことがたびたびあった。ＭＴ検査だけでは本来の溶接欠陥と擬似欠陥を区別することは困難である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ＭＴ検査における擬似欠陥を低減できる溶接トーチ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】
本発明者らは擬似欠陥が生じる原因について検討したところ、溶接ビードの表面が酸化して生じたシワが擬似欠陥になっていることを確認した。上述したインペラ４０（ディスク４１、カバー４２及びブレード４３）が析出硬化型ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０）で構成されている場合、このステンレス鋼は比較的酸化しやすい。したがって、本発明者等は、溶接時のガスシールドが不十分になるとこの材料の溶接ビードには酸化によるシワが生じる可能性があるものと理解し、シールドガスの流れを確認した。その結果、従来の溶接トーチでは溶接ワイヤよりも下流側におけるシールドガスが供給される領域が狭いために溶接ビードに酸化が生じやすいことを確認した。なお、本願明細書において、溶接トーチを基準にして溶接トーチの進行方向（溶接方向）を上流とし、その逆を下流とする。
【０００８】
そこでなされた本発明の溶接トーチは、溶接ワイヤを保持するとともに溶接ワイヤに溶接電流を供給するチップと、チップを内部に収容し、チップの周囲に形成される流路を通るシールドガスを溶接部位に向けて前端側より吐出させるシールドノズルとを備え、チップ及びシールドノズルが湾曲され、曲率の小さい腹側及び曲率の大きい背側が溶接方向に沿って溶接時に移動することを前提とする。そして本発明の溶接トーチは、前記流路が、溶接ワイヤを基準として、溶接ワイヤよりも腹側においてシールドガスが流れる腹側流路と、溶接ワイヤよりも背側においてシールドガスが流れる背側流路とからなり、少なくともシールドノズルの前端側において、腹側流路よりも背側流路の開口面積が大きく設定されていることを特徴とする。
本発明の溶接トーチは、腹側流路よりも背側流路の開口面積が大きく設定されているので、溶接トーチより下流側のより広い領域にシールドガスを供給できる。したがって、本発明の溶接トーチを用いることで、溶接ワイヤよりも下流側のシールドガスが供給される領域が広くなり、溶接ビードの酸化を低減できる。
【０００９】
本発明の溶接トーチにおいて、シールドノズルの外方に張り出すフランジを、シールドノズルの前端側に備えることが好ましい。このフランジは、シールドガスに大気が巻き込まれるのを抑制し、溶接ビードの酸化低減に寄与する。
また、本発明の溶接トーチにおいて、シールドノズルの前端側の背側にフレアを設けることが好ましい。フレアに沿って流れるシールドガスは、シールドノズルを出ると溶接方向の下流側に向けて流れるので、下流側のより広い範囲をシールドすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接ワイヤよりも下流側のシールドガスが供給される領域が広くなり、溶接ビードの酸化を低減できる。したがって本発明によれば、ＳＵＳ６３０のように酸化されやすい材料を溶接したときに生じるＭＴ検査における擬似欠陥を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態における溶接トーチの要部縦断面である。
【図２】（ａ）は図１の２ａ−２ａ断面図、（ｂ）は図１の２ｂ−２ｂ断面図。
【図３】溶接トーチの他の形態を示し、（ａ）は要部縦断面、（ｂ）は（ａ）の３ｂの向きから観た平面図である。
【図４】溶接トーチのさらに他の形態を示す要部縦断面である。
【図５】オリフィスの他の形態を示す断面図である。
【図６】ガスシールド溶接の際のトーチと溶融池の関係を示す図である。
【図７】特許文献１に記載されているシールドノズルを示す断面図である。
【図８】遠心圧縮機のインペラの正面図である。
【図９】図８に示すインペラのブレード沿いの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
溶接トーチ１０は、ホルダ５の前端に固定具６によりシールドノズル１が固定されている。なお、ホルダ５及び固定具６はセラミックスなどの絶縁材料から構成され、シールドノズル１は銅合金などの金属材料から構成されている。なお、溶接トーチ１０において、溶接ワイヤ８が設けられる側を前、その逆側を後と定義する。
【００１３】
中空円筒状のホルダ５の内部には、ワイヤ送りチューブ７がホルダ５と同心上に配置されており、ワイヤ送り装置（図示せず）から給送される溶接ワイヤ８はこのワイヤ送りチューブ７を通って溶接に供される。このワイヤ送りチューブ７は、図示しない電源からの溶接電流をチップ２に供給できるように、通常、銅合金で構成される。
【００１４】
中空円筒状のホルダ５の内部には、オリフィス３が設けられている。絶縁材料で構成され、リング状の外観を有するオリフィス３は、ホルダ５の前端部に嵌合される。
オリフィス３は、図示しないシールドガス供給装置から供給され、ワイヤ送りチューブ７の外周とホルダ５の内周の間のシールドガス供給路ＳＧＬまで達したシールドガスＳＧを、整流してシールドノズル１に向けて吐出させる。オリフィス３は、シールドガスＳＧを整流するために、軸方向の表裏面を貫通するガス吐出孔４を備えている。図１、図２に示すオリフィス３は、開口径の同じ６つのガス吐出孔４を円周方向に均等間隔で備えている。
オリフィス３は、その中空部をワイヤ送りチューブ７が貫通することで、ワイヤ送りチューブ７をホルダ５内の所定位置に保持する機能をも備えている。
【００１５】
中空円筒状の外観を有するシールドノズル１は、ホルダ５の前端に配置される。シールドノズル１は、オリフィス３から吐出されるシールドガスＳＧを溶接ワイヤ８の周囲に向けて供給することで、大気を遮断してアークを安定させるとともに、溶接金属の酸化を防止するのに寄与する。
【００１６】
＜シールドノズル１＞
シールドノズル１は、図１に示すように、後端側１ｂから前端側１ａに向けて湾曲されている。湾曲した部分は、内側の曲率が小さく、外側の曲率が大きい。溶接時に溶接トーチ１０が移動する方向を溶接方向（図１、２参照）とすると、シールドノズル１は、曲率の小さい腹側ＳＳ及び曲率の大きい背側ＢＳが溶接方向に沿って配置され、溶接を行う。加えて、シールドノズル１は、曲率の小さい腹側ＳＳが曲率の大きい背側ＢＳよりも先行して溶接方向に移動する。
【００１７】
また、シールドノズル１は、シールドガスＳＧが吐出される前端側１ａと、固定具６を介してホルダ５と接続される後端側１ｂとで、開口の形状が異なる。すなわち、後端側１ｂの開口形状は真円であるのに対して、図２に示すように、前端側１ａの開口形状は楕円をなしている。加えて、後端側１ｂよりも前端側１ａの開口面積が大きくなっている。
【００１８】
＜チップ２＞
チップ２は、内部を溶接ワイヤ８が貫通するワイヤ挿通孔（図示せず）を備えており、溶接ワイヤ８を保持するとともに、ワイヤ送りチューブ７を流れてきた溶接電流を溶接ワイヤ８に供給する。
チップ２は、シールドノズル１と同様に湾曲している。つまり、曲率の小さい側及び曲率の大きい側が溶接方向に沿って配置され、かつ曲率の小さい側が曲率の大きい側よりも先行して溶接方向に移動する。
チップ２は、真円状の外観を有している。
【００１９】
＜シールドノズル１とチップ２の配置＞
溶接トーチ１０は、シールドノズル１とチップ２が以下のように配置されている。
固定具６を介してホルダ５と接続される後端側１ｂにおいては、シールドノズル１及びチップ２は、ともに真円状をなしており、同心上に配置される。しかし、前端側１ａにおいては、チップ２は、腹側ＳＳまでの距離が短くなるように、長径方向に偏心してシールドノズル１内に配置される。つまり、チップ２に保持される溶接ワイヤ８を基準にすると、溶接ワイヤ８から腹側ＳＳの内壁までの距離をｒ１、溶接ワイヤ８から背側ＢＳの内壁までの距離をｒ２とすると、ｒ２＞ｒ１が成り立つ。
【００２０】
前端側１ａにおいてこのようにシールドノズル１とチップ２が配置される結果として、溶接ワイヤ８を基準として、溶接ワイヤ８よりも腹側ＳＳにおけるシールドガスＳＧが流れる腹側流路Ｆ１よりも、溶接ワイヤ８よりも背側ＢＳにおけるシールドガスＳＧが流れる背側流路Ｆ２の開口面積が大きい（図２）。したがって、溶接トーチ１０は、溶接ワイヤ８よりも溶接方向の下流側をシールドする領域が広がる。図６を参照してこのことを説明する。なお、シールドガスＳＧが流れるシールドガス供給路ＳＧＬは、腹側流路Ｆ１と背側流路Ｆ２から構成されることになる。
【００２１】
図６は、被溶接材Ｔを溶接している際の溶融池ＭとシールドガスＳＧの位置関係を示し、（ａ）は従来の溶接トーチ５０を用いた場合を示し、（ｂ）は本実施形態の溶接トーチ１０を用いた場合を示している。
図６（ａ）に示すように、従来の溶接トーチ５０は、前端側５１ａにおいて、シールドノズル５１とチップ５２は同心上に配置される。したがって、シールドノズル５１とチップ５２の間から供給されるシールドガスＳＧは溶接ワイヤ５８を中心にしてリング状に均等に吐出される。図６には被溶接材Ｔに形成される溶融池Ｍをあわせて示しているが、溶融池Ｍの下流側（溶接方向）にシールドガスＳＧでシールできない領域（ＮＡ）が生じる。この未シールド領域ＮＡが溶接ビードに酸化を生じさせる原因である。
これに対して、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の溶接トーチ１０は、背側ＢＳのシールドガスＳＧが流れる背側流路Ｆ２が大きいので、溶融池Ｍの下流端まで漏れなくシールドガスＳＧでシールすることができる。したがって、本実施形態の溶接トーチ１０を用いて溶接を行うと、溶接ビードに酸化が生じにくい。
【００２２】
＜フランジ９＞
溶接ビードの酸化防止効果をより向上できる溶接トーチ２０を図３に示す。なお、溶接トーチ１０と同じ構成部分には、図１と同じ符号を付している。
シールドノズル１から吐出されるシールドガスＳＧの周囲には流速が発生する。したがって、シールドノズル１から吐出されたシールドガスＳＧは、その周囲の大気Ａを少なからずとも巻き込んでしまう。シールドガスＳＧに巻き込まれた大気Ａは、溶接ビードを酸化させる要因となる。
そこで溶接トーチ２０は、シールドノズル１の前端にフランジ９を備えている。このフランジ９は、シールドノズル１の外方に張り出しており、シールドガスＳＧに対する大気Ａの巻き込み防止に寄与する。
【００２３】
図３の例では、フランジ９をシールドノズル１の最前端に設けている。シールドガスＳＧに対する大気Ａの巻き込み防止効果の観点から、この設置位置が最も好ましい。しかし、最前端から後退した位置に設けても大気Ａの巻き込み防止効果を享受できることは言うまでもない。
また、図３の例では、フランジ９の平面形状をシールドノズル１前端の相似形である楕円形としている。しかし、大気Ａの巻き込み防止効果が得られるのであれば、矩形などの他の形状を採用できる。
【００２４】
＜フレア１２＞
シールドガスＳＧを溶接方向の下流側のより広い範囲に供給するのに好適な溶接トーチ３０を図４に示す。なお、溶接トーチ１０と同じ構成部分には、図１と同じ符号を付している。
溶接トーチ３０は、シールドノズル１１の前端の背側ＢＳに裾が広がるフレア１２を設けている。シールドノズル１１内をフレア１２の内壁に沿って流れるシールドガスＳＧは、シールドノズル１１を出ると図４に示すように、溶接方向の下流側に向けて流れるので、下流側のより広い範囲をシールドすることができる。
なお、図４の例では、背側ＢＳにフレア１２を設けているが、腹側ＳＳにフレア１２を設けることもできる。
【００２５】
＜オリフィス３＞
図１、図２に示した溶接トーチ１０は、オリフィス３が開口径の同じ６つのガス吐出孔４を円周方向に均等間隔で備えているが、本発明はこれに限らない。例えば、図５（ａ）に示すように、腹側ＳＳに対応する位置にはガス吐出孔４を設けないようにできる。そうすることで、開口面積の大きい背側流路Ｆ２により多くのシールドガスＳＧを分配できる。同様の観点から、図５（ｂ）に示すように、腹側ＳＳに対応する位置には開口径の小さなガス吐出孔４ａを配置し、背側ＢＳに対応する位置には開口径の大きなガス吐出孔４ｂを配置することもできる。ただし、図５に示す形態にする場合でも、腹側ＳＳへのシールドガスＳＧの供給不足が生じないように配慮する必要がある。
【００２６】
以上説明したように、溶接トーチ１０（２０，３０）は、腹側流路Ｆ１よりも背側流路Ｆ２の開口面積が大きく設定されているので、溶接トーチ１０より下流側のより広い領域にシールドガスＳＧを供給できるので、溶接ビードの酸化を低減できる。その結果、ＳＵＳ６３０のように酸化されやすい材料を溶接したときに生じるＭＴ検査における擬似欠陥を低減できる。ここで、シールドノズル１の開口径を全体的に大きくすることでシールド領域を広げることができる。しかし、狭隘空間での隅肉溶接を目的とする溶接トーチ１０の場合、溶接方向への径拡大の余地はあるが、溶接方向と直交する方向へは径拡大の余地がない場合がある。このような制約がある場合には、本実施形態のように、前端側１ａのシールドノズル１の開口形状を、その長径が溶接方向に沿う楕円形状とすることが有効である。また、このような制約がある場合には、図３に示したフランジ９を、溶接方向にのみ設けることもできる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、後端側１ｂにおいては、シールドノズル１及びチップ２は同心上に配置されているが、本発明はこれを必須とするものではない。後端側１ｂにおいても、前端側１ａと同様に、チップ２を長径方向に偏心させてシールドノズル１内に配置することもできる。
また、上記実施形態では、前端側１ｂのシールドノズル１の開口形状を楕円としているが、これはあくまで本発明の一形態にすぎず、溶接を行う環境が許容するのであれば、真円等の他の形態を採用できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０，２０，３０…溶接トーチ
１，１１…シールドノズル、２…チップ、３…オリフィス
４，４ａ，４ｂ…ガス吐出孔、５…ホルダ、６…固定具
７…ワイヤ送りチューブ、８…溶接ワイヤ、９…フランジ、１２…フレア
ＳＳ…腹側、ＢＳ…背側、Ｆ１…腹側流路、Ｆ２…背側流路
Ｍ…溶融池、Ｔ…被溶接材、ＳＧ…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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