(57)【要約】【課題】溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接すること。【解決手段】被溶接物２と、被溶接物２の表面側に配設された電極４と、の間にアーク３を発生させることによって、被溶接物２の溶接端部２ａ同士を溶接する溶接方法であって、不活性ガスからなるシールドガス５を被溶接物２の表面側から電極４を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガス９を被溶接物２の裏面側から供給する溶接方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物と、前記被溶接物の表面側に配設された電極と、の間にアークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接方法であって、
不活性ガスからなるシールドガスを前記被溶接物の表面側から前記電極を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の溶接方法であって、
前記被溶接物の溶接端部同士は、互いに当接しているとともに、前記溶接端部同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部が形成され、
前記溶接端部同士の溶接を前記連通部から始めることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
被溶接物との間にアークを発生させる電極と、
前記電極を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガスが供給されるノズルと、を備え、
前記被溶接物の表面側から前記アークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接装置であって、
不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる溶接方法および溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の溶接方法として、例えば下記特許文献１に示されるような、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する方法が知られている。この方法では、シールドガスとして、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上の酸素ガスを添加した構成を採用している。
この方法によれば、シールドガスに適量の酸素ガスを含ませることにより、溶融池の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍとすることが可能になり、溶接金属部の溶け込みを深くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４４７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の溶接方法では、例えば電極としてタングステンを採用した場合など、シールドガスに含まれる酸素ガスによって電極が著しく酸化し、実用上、溶接が困難であった。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる溶接方法および溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る溶接方法は、被溶接物と、前記被溶接物の表面側に配設された電極と、の間にアークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接方法であって、不活性ガスからなるシールドガスを前記被溶接物の表面側から前記電極を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る溶接装置は、被溶接物との間にアークを発生させる電極と、前記電極を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガスが供給されるノズルと、を備え、前記被溶接物の表面側から前記アークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接装置であって、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする。
【０００８】
これらの発明によれば、バックシールドガスに酸素ガスが含まれているので、溶融池とバックシールドガスとを接触させ、バックシールドガスから溶融池に酸素を取り込ませることで、溶融池の酸素濃度を上昇させることが可能になり、溶融池を深く形成することができる。これにより、溶接金属部の溶け込みを深くすることができる。
また、不活性ガスからなるシールドガスを電極を囲むように供給しているので、電極が大気中の酸素ガスと接触し難い。さらに、バックシールドガスを被溶接物の裏面側から供給しているので、バックシールドガスに含まれる酸素ガスも電極と接触し難い。したがって、電極の酸化を抑制することが可能になり、被溶接物を確実に溶接することができる。
【０００９】
また、本発明に係る溶接方法では、前記被溶接物の溶接端部同士は、互いに当接しているとともに、前記溶接端部同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部が形成され、前記溶接端部同士の溶接を前記連通部から始めても良い。
【００１０】
この場合、溶接端部同士の溶接を連通部から始めると、連通部を通して溶融池とバックシールドガスとが接触し、溶融池が深く形成されて溶接端部の裏面側に達する。その後、被溶接物と電極とを相対的に移動させ、溶接端部同士を溶接する溶接方向に沿って電極を移動させ溶接を続けると、溶接端部において溶融池に溶接方向から隣接する部分が溶融され、溶融池の一部となる。ここで、溶融池が溶接端部の裏面側に達していることから、前記隣接する部分は表面側から裏面側に至るまで溶融され、溶融池は溶接端部の裏面側に達した状態で維持される。これにより、溶融池には、バックシールドガスから酸素ガスが供給され続けることとなり、溶融池は、溶接端部の溶接方向に沿った全長にわたって深く形成され続ける。
以上より、被溶接物の溶接端部同士が互いに当接していたとしても、溶接金属部の溶けみを深くすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る溶接方法および溶接装置によれば、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、図面を参照し、本発明の第１実施形態に係る溶接装置を説明する。
図１に示すように、溶接装置１は、母材（被溶接物）２との間にアーク３を発生させる電極４と、電極４を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガス５が供給されるノズル６と、を有するトーチ７を備えている。この溶接装置１は、母材２の表面側からアーク３を発生させることによって、母材２の溶接端部２ａ同士を溶接する。
【００１４】
なおこの溶接装置１は、電極４にタングステンを採用したいわゆるＴＩＧ溶接（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ｉｎｅｒｔ  Ｇａｓ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）に好適に用いられる。このＴＩＧ溶接は、比較的容易に溶接施工が可能で、かつ高品質な溶接金属部が得られることから、高い信頼性が要求される構造物の溶接方法として広く利用されている。
また図示の例では、母材２は、例えば鉄鋼系材料（例えば、炭素鋼、ステンレス鋼など）で板状に形成されており、互いの溶接端部２ａ同士の間に開先８が形成されルートギャップ８ａが設けられた状態で配置されている。
【００１５】
電極４は棒状に形成されるとともに、電極４およびノズル６は同軸に配設されており、電極４の先端は、ノズル６の先端よりも外側に位置しノズル６から突出している。ノズル６内には、電極４の図示しない基端側から先端側に向けてシールドガス５が供給される。
そして本実施形態では、溶接装置１は、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガス９を母材２の裏面側から供給するガス供給手段１０を備えている。
【００１６】
ガス供給手段１０は、バックシールドガス９における酸素ガスの含有比率を調整可能に構成されている。図示の例では、ガス供給手段１０は、不活性ガスが充填された不活性ガスボンベ１１と、酸素ガスが充填された酸素ガスボンベ１２と、これらの不活性ガスボンベ１１および酸素ガスボンベ１２が接続された本体部１３と、母材２の裏面側に配設された裏当てジグ１４と、を備えている。
【００１７】
裏当てジグ１４は、側面視Ｕ字状に形成されており、母材２同士の間を跨るように配設されている。そして、この裏当てジグ１４の内面と、母材２の裏面と、によって、本体部１３からバックシールドガス９が供給されるガス充填空間１５が画成されている。このガス充填空間１５に供給されたバックシールドガス９は、溶接端部２ａに向けて裏面側から供給される。
【００１８】
本体部１３は、不活性ガスボンベ１１および酸素ガスボンベ１２それぞれから不活性ガスと酸素ガスとを導出し、これらのガスを所望の含有比率で混合してバックシールドガス９とし、このバックシールドガス９をガス充填空間１５に供給する。
なお、シールドガス５およびバックシールドガス９の不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも１つを含有するもの等が挙げられ、図示の例では、アルゴンガスを採用している。
【００１９】
次に、以上のように構成された溶接装置１を用いた溶接方法について説明する。
まず、母材２の表面側において、溶接端部２ａ間に位置する部分にトーチ７を配置する。そして電極４を負極とし、母材２を正極として、電極４と母材２との間に電圧をかけて放電させ、アーク３を発生させる。このアーク３の熱により母材２の溶接端部２ａが溶融されて溶融池１６が形成される。
【００２０】
このようにアーク３を発生させるときには、シールドガス５をノズル６内に供給し、シールドガス５を溶接端部２ａに向けて表面側から供給するとともに、ガス供給手段１０によって、バックシールドガス９を前記ガス充填空間１５に供給する。
また本実施形態では、母材２の溶接端部２ａ同士の間にはルートギャップ８ａが設けられており、このルートギャップ８ａを通して前述のように形成された溶融池１６とバックシールドガス９とが接触することとなる。すると、バックシールドガス９から溶融池１６に酸素が取り込まれて溶融池１６の酸素濃度が上昇し、溶融池１６の前記表面側における表面張力が、外周部よりも中央部が大きくなる。これにより、溶融池１６の対流が、外周部側から中央部側に向かう内向きの方向に向けて作用した後、溶融池１６の深さ方向に向けて作用することとなり、溶融池１６を深く形成することができる。
【００２１】
その後、母材２とトーチ７とを相対的に移動させ、溶接端部２ａ同士を溶接する溶接方向１７（溶接端部２ａが延在する方向）に沿ってトーチ７を移動させ溶接を続けることで、溶接端部２ａ同士を溶接方向１７の全長にわたって溶接する。この過程で、トーチ７とともにアーク３が移動し、アーク３によって加熱されていた溶融池１６が溶接金属部となり、母材２同士が溶接される。ここで、溶接金属部（溶融池１６）中の酸素濃度は、例えば、７０〜７００ｐｐｍとなっている。
【００２２】
なお例えば、バックシールドガス９は、不活性ガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸素ガスが添加されてなることが好ましい。また例えば、溶接電流は、１００Ａ以上であることが好ましい。さらに例えば、溶接速度は秒速３．５ｍｍ以下であることが好ましい。さらにまた、例えば、アーク長は２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態に係る溶接装置１および溶接方法によれば、バックシールドガス９に酸素ガスが含まれているので、溶融池１６とバックシールドガス９とを接触させ、バックシールドガス９から溶融池１６に酸素を取り込ませることで、溶融池１６の酸素濃度を上昇させることが可能になり、溶融池１６を深く形成することができる。これにより、溶接金属部の溶け込みを深くすることが可能になり、従来の溶接方法に比べて、溶け込みの深さを例えば約２倍以上とすることができる。
【００２４】
またこのように、一度の溶接により溶接金属部の溶け込みを深くすることができるので、少ないパス数で溶接端部２ａ同士を溶接することができる。これにより、高効率に溶接することができるとともに、母材２への過大な入熱が抑えられ、例えば、母材２の耐食性の劣化や溶接歪などを抑制することができる。
【００２５】
また、不活性ガスからなるシールドガス５を電極４を囲むように供給しているので、電極４が大気中の酸素ガスと接触し難い。さらに、バックシールドガス９を母材２の裏面側から供給しているので、バックシールドガス９に含まれる酸素ガスも電極４と接触し難い。したがって、電極４の酸化を抑制することが可能になり、母材２を確実に溶接することができる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る溶接装置を説明する。
なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
また図２では、図面の見易さのため、溶接装置２０のトーチ７の図示を省略している。
【００２７】
図２に示すように、本実施形態では、母材２は、例えば鉄鋼系材料で管状に形成されている。
また、溶接装置２０のガス供給手段１０は、裏当てジグ１４に代えて、各母材２内に嵌合された一対の遮蔽材２１を備えている。そして、これらの遮蔽材２１と、母材２の裏面（内周面）と、によって、前記ガス充填空間１５が画成されている。
【００２８】
図示の例では、遮蔽材２１は、例えばスポンジ材料で円盤状に形成されており、母材２内に締り嵌めされている。
本体部１３は、一対の遮蔽材２１のうちの一方を通してバックシールドガス９をガス充填空間１５内に供給する。このようにしてガス充填空間１５に供給されたバックシールドガス９は、溶接端部２ａ同士の間の前記ルートギャップ８ａ（開先８）を通してガス充填空間１５の外部に流出するとともに、各遮蔽材２１側からも漸次、ガス充填空間１５の外部に流出する。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態に係る溶接装置２０および溶接方法によれば、前記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る溶接方法を説明する。
なお、この第３実施形態においては、第２実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
また図３では、図面の見易さのため、溶接装置２０のトーチ７の図示を省略している。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態では、母材２の溶接端部２ａ同士は、互いに当接している。図示の例では、母材２の溶接端部２ａは互いに全周にわたって当接しており、溶接端部２ａ同士の間は、表面（外周面）側と裏面（内周面）側とが非連通となっている。
そして本実施形態では、溶接端部２ａ同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部２ｂが形成されている。つまり、連通部２ｂは、両溶接端部２ａにおいて互いに当接する当接部分に形成されている。図示の例では、連通部２ｂは、各母材２の溶接端部２ａの当接部分において、母材２の周方向に互いに対応する部分がそれぞれ切りかかれることで、両溶接端部２ａを跨るようにして配設されている。
【００３２】
次に、本実施形態に係る溶接方法について説明する。この溶接方法では、溶接端部２ａ同士の溶接を連通部２ｂから始める。
すなわち、まず、母材２の表面側において、連通部２ｂに位置する部分にトーチ７を配置する。そして電極４を負極とし、母材２を正極として、電極４と母材２との間に電圧をかけて放電させ、アーク３を発生させる。このアーク３の熱により母材２の溶接端部２ａが溶融されて溶融池１６が形成される。このとき、前述のようにシールドガス５およびバックシールドガス９を供給する。
【００３３】
このように溶接端部２ａ同士の溶接を連通部２ｂから始めると、連通部２ｂを通して溶融池１６とバックシールドガス９とが接触し、溶融池１６が深く形成されて溶接端部２ａの裏面側に達する。その後、母材２とトーチ７とを相対的に移動させ、溶接方向１７に沿ってトーチ７を移動させ溶接を続けると、溶接端部２ａにおいて溶融池１６に溶接方向１７から隣接する部分が溶融され、溶融池１６の一部となる。ここで、溶融池１６が溶接端部２ａの裏面側に達していることから、前記隣接する部分は表面側から裏面側に至るまで溶融され、溶融池１６は溶接端部２ａの裏面側に達した状態で維持される。これにより、溶融池１６には、バックシールドガス９から酸素ガスが供給され続けることとなり、溶融池１６は、溶接端部２ａの溶接方向１７に沿った全長にわたって深く形成され続ける。
以上より、母材２の溶接端部２ａ同士が互いに当接していたとしても、溶接金属部の溶けみを深くすることができる。
【００３４】
なお本実施形態では、連通部２ｂが、各母材２の溶接端部２ａの当接部分において、母材２の周方向に互いに対応する部分がそれぞれ切りかかれることで形成されているものとしたが、これに限られず、両当接部分の少なくとも一方が切りかかれることで形成されていても良い。
【００３５】
また、本実施形態では、連通部２ｂが形成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、連通部２ｂが形成されていない場合であっても、溶接端部２ａ同士の溶接を開始する溶接開始位置において、溶融池１６が溶接端部２ａの裏面側に達するまで深く形成すれば良い。この場合、例えば、溶接開始位置において、他の部分に比べて溶接電流を大きくしたり、溶接速度を遅くしたり、アーク長を長くしたりしても良い。
【００３６】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、溶接装置１、２０の電極４にタングステンを用いるＴＩＧ溶接を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、本発明はいわゆる非消耗電極式のアーク溶接（例えば、プラズマ溶接など）に好適に採用することができる。
【００３７】
また前記実施形態では、ガス供給手段１０は、バックシールドガス９における酸素ガスの含有比率を調整可能に構成されているものとしたが、調整可能でなくても良い。例えば、ガス供給手段は、不活性ガスおよび酸素ガスが予め混合されてなるバックシールドガスが充填されたバックシールドガスボンベを備えていても良い。
【００３８】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１、２０  溶接装置
２  母材（被溶接物）
２ａ  溶接端部
２ｂ  連通部
３  アーク
４  電極
５  シールドガス
６  ノズル
９  バックシールドガス
１０  ガス供給手段
１６  溶融池
【図１】
2011255393.tif 000003
【図２】
2011255393.tif 000004
【図３】
2011255393.tif 000005