(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部にシールドガスを供給しながら溶接を行う溶接方法であって、
コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲および当該溶接ワイヤの先端部近傍から、当該溶接ワイヤから放出された水素源が含まれるガスを吸引ノズルを用いて吸引し、吸引したガスを新しいシールドガスと混合して溶接することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記溶接ワイヤは、フッ化物を含むフラックスコアードワイヤであること
を特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
溶接ワイヤを案内するとともに当該溶接ワイヤに溶接電流を供給するコンタクトチップと、
前記コンタクトチップから突き出された前記溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ当該溶接ワイヤの先端部に向けて開口してガスを吸引する吸引部と、
前記吸引部から吸引したガスと新しいシールドガスとを混合する混合部と、
前記混合部にて混合されたガスを溶接部に供給するシールドガス供給ノズルと
を有する溶接装置。
【請求項４】
前記吸引部は、前記コンタクトチップから突き出された前記溶接ワイヤの周囲および当該溶接ワイヤの先端部近傍から、当該溶接ワイヤから放出された水素源を吸引し、溶接金属中の拡散性水素量を低減すること
を特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記吸引部及び前記混合部としてエジェクタが具備され、当該エジェクタは、前記新しいシールドガスの流れを利用してガスを吸引すること
を特徴とする請求項３または４に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記吸引部には、真空ポンプが具備されていること
を特徴とする請求項３または４に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記吸引部には、吸引流量を監視するための流量計が具備されていること
を特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項８】
前記吸引部には、水素源とともに吸引されるヒュームを除去するフィルタが具備されていること
を特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項９】
前記吸引部には、吸引量を一定に制御する吸引量制御装置が具備されていること
を特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１０】
前記吸引部には、吸引量の異常を検出すると、アラームの発生または溶接の停止を行う吸引量異常検出装置が具備されていること
を特徴とする請求項３乃至９のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１１】
前記溶接装置は溶接トーチであり、
前記吸引部は、前記新しいシールドガスが流れる経路であり、当該シールドガスを噴出する駆動ノズルを含み、
前記混合部は、前記吸引部から吸引したガスと前記駆動ノズルから噴出されたシールドガスとを混合する混合管を含み、
前記シールドガス供給ノズルは、前記混合管の出口に接続され、当該混合管にて混合されたガスを溶接部に供給すること
を特徴とする請求項３または４に記載の溶接装置。
【請求項１２】
溶接ワイヤを案内するとともに当該溶接ワイヤに溶接電流を供給するコンタクトチップと、
前記コンタクトチップから突き出された前記溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ当該溶接ワイヤの先端部に向けた開口部を有し、外部から供給される新しいシールドガスの流れを利用してガスを吸引する吸引部と、
前記吸引部から吸引したガスと前記新しいシールドガスとを混合する混合部と、
前記混合部にて混合されたガスを溶接部に供給するシールドガス供給ノズルと
を有する溶接装置。
【請求項１３】
消耗電極式ガスシールドアーク溶接またはセルフシールドアーク溶接によって溶接を行う溶接方法において、
コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲及び当該溶接ワイヤの先端部近傍から、当該溶接ワイヤから放出された水素源を吸引ノズルを用いて吸引し、当該吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流量は、シールドガス供給ノズルから溶接部に供給されるガスの流量の８０％以下であり、吸引した水素源を溶接部外に排出することにより溶接金属中の拡散性水素量を低減する溶接方法。
【請求項１４】
前記溶接ワイヤは、フッ化物を含むフラックスコアードワイヤであること
を特徴とする請求項１３に記載の溶接方法。
【請求項１５】
前記吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流速は、シールドガス供給ノズルから供給されるガスの流速の１倍以上であること
を特徴とする請求項１３または１４に記載の溶接方法。
【請求項１６】
溶接ワイヤを案内するコンタクトチップと、
溶接部にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルと、
前記コンタクトチップから突き出された前記溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ当該溶接ワイヤの先端部に向けて開口して、当該溶接ワイヤから放出された水素源を吸引する吸引ノズルとを有し、
前記吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流量は、前記シールドガス供給ノズルから前記溶接部に供給されるガスの流量の８０％以下であること
を特徴とする溶接装置。
【請求項１７】
前記吸引ノズルから吸引された水素源を含むガスを吸引する吸引手段を更に備えることを特徴とする請求項１６に記載の溶接装置。
【請求項１８】
前記吸引手段には、圧縮ガスの流れを利用してガスを吸引するエジェクタが具備されていること
を特徴とする請求項１７に記載の溶接装置。
【請求項１９】
前記吸引手段には、真空ポンプが具備されていること
を特徴とする請求項１７に記載の溶接装置。
【請求項２０】
前記吸引手段には、吸引流量を監視するための流量計が具備されていること
を特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項２１】
前記吸引手段には、水素源とともに吸引されるヒュームを除去するフィルタが具備されていること
を特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項２２】
前記吸引手段には、吸引量を一定に制御する吸引量制御装置が具備されていること
を特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項２３】
前記吸引手段には、吸引量の異常を検出すると、アラームの発生または溶接の停止を行う吸引量異常検出装置が具備されていること
を特徴とする請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項２４】
前記吸引手段には、溶接の開始を知らせる溶接開始信号を受信し、受信した当該溶接開始信号をもとに当該吸引手段による吸引の起動及び停止を行う吸引手段起動制御装置が具備されていること
を特徴とする請求項１７乃至２３のいずれか１項に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接産業において、溶接金属中の拡散性水素（水素原子Ｈ）による溶接金属の水素脆化及び水素割れが問題となっている。溶接金属中の拡散性水素は、鋼組織の粒界や微小空間に集まり水素分子（Ｈ２）となり、体積が膨張し、この膨張圧力によって割れを生じさせ、構造物の破壊に繋がる。このような水素割れについては、鋼の強度が増すに従って水素割れ感受性が高まるが、近年、溶接において強度の高い高張力鋼が使われる傾向にある。
【０００３】
図２０は、拡散性水素が溶接金属に吸収されるプロセスを説明するための図である。図２０において、ワイヤは、フラックス入りのワイヤであるフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ（Flux Cored Wire））が用いられるものとして説明する。また、図２１は、フラックスコアードワイヤの断面を示す図である。
【０００４】
フラックスコアードワイヤであるワイヤ２０１は、外周を構成する鋼製フープ２０２と中心部２０３とから構成されている。フラックスコアードワイヤの場合、中心部２０３には、金属または合金などの金属粉、及びフラックスが含まれる。そして、ワイヤ２０１がコンタクトチップ２０８を通して送られると同時に、溶接電流がコンタクトチップ２０８からワイヤ２０１に流れて、ワイヤ２０１先端のアーク２０９によってワイヤ２０１が溶けて溶接金属２１０となる。このとき、コンタクトチップ２０８から突き出されたワイヤ２０１のワイヤ突出し部２１１には溶接電流が流れるため、抵抗発熱が生じ、温度が上昇する。この上昇温度は、例えば、コンタクトチップ２０８の先端から５ｍｍ程度で１００℃に達し、コンタクトチップ２０８の先端から２０ｍｍのワイヤ先端近傍では約６００℃まで上昇する場合がある。
【０００５】
ワイヤ突出し部２１１の温度が１００℃を超えて上昇すると、まずワイヤ２０１表面の水素源２０５が気化しワイヤ２０１から放出される。続いて、加熱された鋼製フープ２０２からの熱伝導により中心部２０３が加熱され、フラックス内および金属粉内の水素源２０５も気化して、継ぎ目であるシーム２０４を通してワイヤ２０１外に放出される。ワイヤ２０１から放出された水素源２０５の一部は、アークプラズマ気流、及びガスシールドアーク溶接の場合にノズル２０６から溶接部に供給されるシールドガスの流れ（矢印２０７に示す方向）によって、矢印２１３に示す方向に流れて、アーク２０９に導かれる。アーク２０９は数千度の高温であるため、水素源２０５、例えばＨ２Ｏは、解離して拡散性水素２１２となり、アーク柱内の溶滴および溶接金属２１０に吸収されて溶接金属２１０内に入り込む。
【０００６】
このようにして、ワイヤ表面に存在する水素源や、ワイヤに使われるフラックス及び金属粉に含まれる水素源が、高温に加熱されたワイヤ突出し部において気化する。そして、気化した水素源は、アークプラズマ気流及びガスシールドアーク溶接の場合に供給されるシールドガスの流れによって、アーク柱内及びその近傍に運ばれ、解離して水素原子（即ち、拡散性水素）となり、溶接金属中に吸収される。
【０００７】
拡散性水素により発生する水素脆化及び水素割れの対策としては、拡散性水素が溶接金属から外部に放出されることを促すために、予熱（溶接前に溶接鋼材を加熱すること）や後熱（溶接後、溶接部を加熱すること）が行われる場合がある。また、溶接においてフラックスコアードワイヤを使う場合には、フラックスにＣａＦ２やＮａ３ＡｌＦ６などのフッ化物を添加することにより、拡散性水素を低減させる方法も用いられている。さらに、ガスシールドアーク溶接において供給されるシールドガスにＣＦ４を微量に混合する手法も提案されている。
【０００８】
また、例えば、特許文献１には、溶接士にとって不都合な物質である溶接ヒュームを取り出すための装置として、電圧源に接続可能な溶接ワイヤを内部において案内できる中心部材と、溶接ヒュームを取り出すため中心部材の外側に配置された取出し部材と、ガスを供給するため取出し部材の外側に配置されたガス供給部材とを備える溶接作業を行うための装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００２−５０６７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶接ワイヤにおける水素源は、溶接ワイヤ表面に付着している油や水分、フラックスコアードワイヤやメタルコアードワイヤ（ＭＣＷ（Metal Cored Wire））に内包されるフラックス及び金属粉に付着している水分である。一般に、溶接ワイヤ表面に付着している水素源よりも、フラックスや金属粉に付着している水素源のほうが比較的多い。そのため、フラックス及び金属粉に付着する水素源を減らすために、ワイヤを製造する前に、フラックス及び金属粒子を高温で乾燥し、水素源を除去する手法が採られる場合がある。また、製造工程の中で吸湿するのを防止することも必要であるが、多大なコストがかかる。更には、製品化された後でも、保管中や湿度の高い溶接現場での作業中にも空気中から水分が吸着するので、水素源を減少させることには様々な障害が存在する。
【００１１】
また、水素脆化及び水素割れの対策として、予熱や後熱を行う場合には、１５０〜２５０℃もの加熱を行うこととなり、多大なエネルギー費用及び労力がかかる。また、高温の作業であり溶接作業者に過酷な負担をかけるという問題がある。フラックスにフッ化物を添加する場合には、添加物の量を増加させるにつれてアークの安定性を劣化させるために、拡散性水素が十分に低減しない場合がある。さらに、シールドガスにＣＦ４を混合する手法においても、安全性の問題やアークの安定性が劣化する問題があり、普及するには障害があるといえる。
本発明は、溶接金属中の拡散性水素の量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的のもと、本発明は、溶接部にシールドガスを供給しながら溶接を行う溶接方法であって、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲および溶接ワイヤの先端部近傍から、溶接ワイヤから放出された水素源が含まれるガスを吸引ノズルを用いて吸引し、吸引したガスを新しいシールドガスと混合して溶接することを特徴とする溶接方法である。
また、溶接ワイヤは、フッ化物を含むフラックスコアードワイヤであることを特徴とすることができる。
【００１３】
さらに、他の観点から捉えると、本発明は、溶接ワイヤを案内するとともに溶接ワイヤに溶接電流を供給するコンタクトチップと、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ溶接ワイヤの先端部に向けて開口してガスを吸引する吸引部と、吸引部から吸引したガスと新しいシールドガスとを混合する混合部と、混合部にて混合されたガスを溶接部に供給するシールドガス供給ノズルとを有する溶接装置である。
また、吸引部は、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲および溶接ワイヤの先端部近傍から、溶接ワイヤから放出された水素源を吸引し、溶接金属中の拡散性水素量を低減することを特徴とすることができる。
さらに、吸引部及び混合部としてエジェクタが具備され、エジェクタは、新しいシールドガスの流れを利用してガスを吸引することを特徴とすることができる。
そして、吸引部には、真空ポンプが具備されていることを特徴とすることができる。
そしてまた、吸引部には、吸引流量を監視するための流量計が具備されていることを特徴とすることができる。
また、吸引部には、水素源とともに吸引されるヒュームを除去するフィルタが具備されていることを特徴とすることができる。
さらに、吸引部には、吸引量を一定に制御する吸引量制御装置が具備されていることを特徴とすることができる。
そして、吸引部には、吸引量の異常を検出すると、アラームの発生または溶接の停止を行う吸引量異常検出装置が具備されていることを特徴とすることができる。
また、この溶接装置は、溶接トーチとして捉えることができる。溶接トーチとして捉えた場合、吸引部は、新しいシールドガスが流れる経路であり、シールドガスを噴出する駆動ノズルを含み、混合部は、吸引部から吸引したガスと駆動ノズルから噴出されたシールドガスとを混合する混合管を含み、シールドガス供給ノズルは、混合管の出口に接続され、混合管にて混合されたガスを溶接部に供給することを特徴とすることができる。
【００１４】
そして、他の観点から捉えると、本発明は、溶接ワイヤを案内するとともに溶接ワイヤに溶接電流を供給するコンタクトチップと、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ溶接ワイヤの先端部に向けた開口部を有し、外部から供給される新しいシールドガスの流れを利用してガスを吸引する吸引部と、吸引部から吸引したガスと新しいシールドガスとを混合する混合部と、混合部にて混合されたガスを溶接部に供給するシールドガス供給ノズルとを有する溶接装置である。
【００１５】
また、他の観点から捉えると、本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接またはセルフシールドアーク溶接によって溶接を行う溶接方法において、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲及び溶接ワイヤの先端部近傍から、溶接ワイヤから放出された水素源を吸引ノズルを用いて吸引し、吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流量は、シールドガス供給ノズルから溶接部に供給されるガスの流量の８０％以下であり、吸引した水素源を溶接部外に排出することにより溶接金属中の拡散性水素量を低減する溶接方法である。
また、溶接ワイヤは、フッ化物を含むフラックスコアードワイヤであることを特徴とすることができる。
そして、吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流速は、シールドガス供給ノズルから供給されるガスの流速の１倍以上であることを特徴とすることができる。
【００１６】
さらに、他の観点から捉えると、本発明は、溶接ワイヤを案内するコンタクトチップと、溶接部にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルと、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲を囲み、かつ溶接ワイヤの先端部に向けて開口して、溶接ワイヤから放出された水素源を吸引する吸引ノズルとを有し、吸引ノズルから吸引される水素源を含むガスの流量は、シールドガス供給ノズルから溶接部に供給されるガスの流量の８０％以下であることを特徴とする溶接装置である。
この溶接装置は、吸引ノズルから吸引された水素源を含むガスを吸引する吸引手段を更に備えることを特徴とすることができる。
また、吸引手段には、圧縮ガスの流れを利用してガスを吸引するエジェクタが具備されていることを特徴とすることができる。
さらに、吸引手段には、真空ポンプが具備されていることを特徴とすることができる。
そして、吸引手段には、吸引流量を監視するための流量計が具備されていることを特徴とすることができる。
そしてまた、吸引手段には、水素源とともに吸引されるヒュームを除去するフィルタが具備されていることを特徴とすることができる。
また、吸引手段には、吸引量を一定に制御する吸引量制御装置が具備されていることを特徴とすることができる。
さらに、吸引手段には、吸引量の異常を検出すると、アラームの発生または溶接の停止を行う吸引量異常検出装置が具備されていることを特徴とすることができる。
そして、吸引手段には、溶接の開始を知らせる溶接開始信号を受信し、受信した溶接開始信号をもとに吸引手段による吸引の起動及び停止を行う吸引手段起動制御装置が具備されていることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶接金属中の拡散性水素の量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態に係る溶接システムの概略構成の一例を示す図である。
【図２】溶接システムにおける図１のＡ−Ａ部の断面図である。
【図３】吸引装置の他の構成例を示す図である。
【図４】吸引装置の他の構成例を示す図である。
【図５】吸引装置の他の構成例を示す図である。
【図６】吸引装置の他の構成例を示す図である。
【図７】吸引装置の他の構成例を示す図である。
【図８】エジェクタの機能を備えた溶接トーチの構成例を示す図である。
【図９】溶接システムにおける図８のＢ−Ｂ部の断面図である。
【図１０】溶接システムが吸引したシールドガスを排出する場合の構成例を示した図である。
【図１１】吸引装置が吸引装置起動制御装置を備えた構成の一例を示す図である。
【図１２】溶接トーチのノズル部分の他の構成例を示す図である。
【図１３】溶接トーチのノズル部分の他の構成例を示す図である。
【図１４】溶接トーチのノズル部分の他の構成例を示す図である。
【図１５】溶接トーチのノズル部分の他の構成例を示す図である。
【図１６】吸引量を変化させた場合の測定結果の一例を示す図である。
【図１７】吸引ノズルの開口部の断面積、吸引流量を変化させた場合の吸引流速を示す図である。
【図１８】吸引ノズルの開口部の断面積、吸引流量を変化させた場合に測定された拡散性水素量を示す図である。
【図１９】セルフシールドアーク溶接を行う溶接システムの構成例を示した図である。
【図２０】拡散性水素が溶接金属に吸収されるプロセスを説明するための図である。
【図２１】フラックスコアードワイヤの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜溶接システムの構成＞
本実施の形態に係る溶接システム１００は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接によって溶接を行う装置である。消耗電極とは、アーク溶接において、アーク熱により溶融する電極を表す。また、ガスシールドアーク溶接とは、噴射したシールドガスにより溶接部を外気から遮断して溶接を行う溶接法である。そして、溶接システム１００は、溶接部に噴射したシールドガスのうちワイヤ突き出し長近傍の水素源を含むシールドガスを吸引し、吸引したシールドガスと新しいシールドガスとを混合して、混合したシールドガス（以下、混合シールドガスと称する）をさらに溶接部に噴射して溶接を行う。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る溶接システム１００の概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る溶接システム１００は、ワイヤ（溶接ワイヤ）１を用いてワークＷを溶接する溶接トーチ１０と、シールドガスを吸引し、吸引したシールドガスを新しいシールドガスと混合する吸引装置３０と、吸引したシールドガスが流れる吸引シールドガス供給経路６０と、混合シールドガスが流れる混合シールドガス供給経路７０とを備える。
【００２２】
溶接トーチ１０は、溶接電源（不図示）から供給される溶接電流によりワイヤ１を給電してワークＷを溶接する。ワイヤ１としては、例えば、中心部に金属粉及びフラックスが添加されたフラックスコアードワイヤ、中心部に主として金属粉が添加されたメタルコアードワイヤ、鋼などの合金で構成されるソリッドワイヤが用いられる。溶接トーチ１０は、シールドガス供給ノズル１１と、吸引ノズル１２と、コンタクトチップ１４と、吸引経路１５と、チップボディ１７とを備えている。
【００２３】
吸引装置３０は、溶接トーチ１０の吸引ノズル１２からシールドガスを吸引し、吸引したシールドガスと新しいシールドガスとを混合する。ここで、新しいシールドガスは、シールドガスボンベ等の、図示していない外部のシールドガス供給装置から供給される。吸引装置３０としては、例えば２５リットル／ｍｉｎ程度の吸引能力があれば良く、小型で大きなエネルギーを必要とするものではなく安価に供給されているものを採用することが可能である。吸引装置３０は、流量制御バルブ３１と、エジェクタ３２とを備える。
【００２４】
吸引シールドガス供給経路６０は、例えばゴムチューブであり、溶接トーチ１０の吸引経路１５と吸引装置３０とを接続し、吸引したシールドガスが流れる経路となる。
【００２５】
混合シールドガス供給経路７０は、後述する吸引装置３０の排気ポート３７と溶接トーチ１０のチップボディ１７とを接続し、混合シールドガスが流れる経路となる。
【００２６】
そして、本実施の形態において、溶接システム１００は、溶接装置の一例として用いられる。また、コンタクトチップ１４、シールドガス供給ノズル１１、吸引ノズル１２を備える溶接トーチ１０についても、溶接装置の一例として用いられる。
また、本実施の形態において、溶接システム１００を溶接装置の一例として用いた場合、吸引手段の一例として、吸引装置３０、及び吸引シールドガス供給経路６０が用いられる。また、吸引部の一例として、吸引装置３０、吸引シールドガス供給経路６０、吸引ノズル１２、及び吸引経路１５が用いられる。さらに、混合部の一例として、吸引装置３０が用いられる。
【００２７】
次に、溶接トーチ１０の構成について説明する。
【００２８】
シールドガス供給ノズル１１は、筒状の形状を有しており、筒状に形成されたチップボディ１７のうち図１の下側となる開口側にはめ込まれることで固定されている。このシールドガス供給ノズル１１は、溶接部に対して混合シールドガスを供給する。また、シールドガス供給ノズル１１は筒状に形成されているため、混合シールドガスは、溶接部を包囲して外気から遮断するように供給される。また、シールドガス供給ノズル１１は、チップボディ１７、混合シールドガス供給経路７０を介して吸引装置３０と接続される。
【００２９】
吸引ノズル１２は、シールドガス供給ノズル１１の内部に配設され、筒状の形状を有しており、チップボディ１７のうち図１の下側となる開口側にはめ込まれることで固定されている。また、吸引ノズル１２は、コンタクトチップ１４から突き出されたワイヤ１のワイヤ突出し部２の周囲３を囲む構造をもち、かつワイヤ１の先端部に向けて開口部１３を有する。図２は、溶接システム１００における図１のＡ−Ａ部の断面図である。図２に示すように、ワイヤ突出し部２の周囲３を囲むように、吸引ノズル１２が存在している。
【００３０】
ここで、吸引ノズル１２は、ワイヤ１の先端方向、即ち、アーク６がある方向に向けて開口しており、ワイヤ先端部の近傍で放出された水素源４を含むシールドガスを吸引するように構成されている。吸引ノズル１２が吸引することにより、水素源４を含むシールドガスは、溶接部外に向かう方向である矢印５の方向に流れて吸引され、溶接部外に排出されることとなる。
【００３１】
ワイヤ先端部の近傍で放出された水素源４を吸引するには、吸引ノズル１２を長くしてワイヤ先端部まで囲むように構成すれば良いが、アーク熱により吸引ノズル１２が溶融する可能性がある。そのため、吸引ノズル１２は、アーク熱の影響を考慮した長さで、ワイヤ先端部に向けて開口して構成される。吸引ノズル１２としては、例えば、熱伝導に優れた銅合金や、耐熱に優れたセラミックスが用いられる。さらに、スパッタの付着を防止するためにクロムメッキ等が施されたものを用いても良い。
【００３２】
コンタクトチップ１４は、吸引ノズル１２の内部に配設され、筒状の形状を有しており、チップボディ１７のうち図１の下側となる開口側にはめ込まれることで固定されている。このコンタクトチップ１４は、ワイヤ１を案内するとともにワイヤ１に溶接電流を供給する。コンタクトチップ１４内部には、ワイヤ１に接触可能な径のワイヤ送給路が形成されており、ワイヤ１に給電される。また、コンタクトチップ１４は、着脱自在に取り付けられており、長時間の使用で消耗した場合は交換される。
【００３３】
吸引経路１５は、吸引ノズル１２により吸引されたシールドガスを吸引装置３０に導く。この吸引経路１５は、チップボディ１７に、例えば直径１．５ｍｍ程の穴を４箇所ドリルで穿孔して形成された通路であり、４箇所の穴による通路を円周方向の合流溝１６で合流させ、その後、吸引シールドガス供給経路６０を介して吸引装置３０に接続されている。ただし、吸引経路１５としてはこのような構成に限られるものではなく、吸引ノズル１２から吸引装置３０にシールドガスや水素源４を導く経路を構成するものであれば、どのようなものでも良い。
【００３４】
チップボディ１７は、溶接トーチ１０の本体部となるものであり、筒状の形状を有し、シールドガス供給ノズル１１、吸引ノズル１２、コンタクトチップ１４を支持する。
【００３５】
次に、吸引装置３０の構成について説明する。
【００３６】
流量制御バルブ３１は、例えばニードル弁により構成されており、モータ等のアクチュエータを備え、吸引流量を制御する。流量制御バルブ３１は、後述するエジェクタ３２の吸引ポート３５と吸引シールドガス供給経路６０との間に設けられる。
【００３７】
エジェクタ３２は、Ｔ字管になっており、一般的なエジェクタの機能を有する。即ち、外部のシールドガス供給装置から水平方向にシールドガスを流すことにより管内の細くなった部分で流速が増し、Ｔ字の垂直線にあたる管が吸い込み口となり、吸引ノズル１２を介してシールドガスの吸引が行われる。エジェクタ３２は、駆動ノズル３３、ガス供給ポート３４、吸引ポート３５、混合管３６、排気ポート３７を備えている。
【００３８】
このエジェクタ３２において、ガス供給ポート３４は、外部のシールドガス供給装置に接続されており、シールドガス供給装置から新しいシールドガスが供給される。また、ガス供給ポート３４から駆動ノズル３３に導かれた新しいシールドガスは、混合管３６に向けて噴出される。また、吸引ポート３５は、吸引シールドガス供給経路６０、吸引経路１５を介して最終的に吸引ノズル１２に接続される。即ち、吸引ノズル１２から吸引された水素源４を含むシールドガスは、吸引ポート３５に導かれる。
【００３９】
そして、新しいシールドガスが混合管３６に向けて噴出されることにより、吸引ポート３５の水素源４を含むシールドガスと新しいシールドガスとが混合管３６にて混合される。混合シールドガスは、排気ポート３７に送られ、矢印８に示す方向に流れて、排気ポート３７と接続された混合シールドガス供給経路７０を介してシールドガス供給ノズル１１に導かれる。そして、混合シールドガスが溶接部に供給されて、溶接が行われる。
【００４０】
このように、エジェクタ３２は、水素源４を含んだシールドガスを吸引する機能を持ち、かつ吸引したシールドガスと新しいシールドガスとを混合する機能を兼ね備えている。また、エジェクタ３２は、従来より用いている、外部のシールドガス供給装置から供給される新しいシールドガスを駆動源として用いることができるため、駆動源となる圧縮ガス等を別系統から引き込まなくてもよいこと、構造がシンプルで故障が少ないこと、真空ポンプとは異なり電気的な駆動源を必要としないことなどの特徴も有する。このように、エジェクタ３２は、設備が安価でかつメンテナンス性も良好な構成といえる。
【００４１】
また、一般的に新しいシールドガスを供給する際の供給圧力は、約０．１〜０．３メガパスカル（圧力の単位：ＭＰａ）であり、通常使用する新しいシールドガスの流量は約２０〜２５リットル／ｍｉｎである。このような条件において、駆動ノズル３３や混合管３６のサイズを適正に選択すれば、シールドガスの吸引流量を２０リットル／ｍｉｎ程度確保することは容易である。さらに、流量制御バルブ３１を用いることで、溶接作業者が所望の吸引流量に調整することができる。
【００４２】
さらに、新しいシールドガスの供給は、溶接電源にて溶接開始時にシールドガス電磁弁（不図示）をオンして供給が開始され、溶接停止時にシールドガス電磁弁をオフして供給が停止する。そのため、エジェクタ３２の駆動は溶接に同期して行われ、水素源４を含むシールドガスの吸引も、溶接に同期して、溶接作業者が操作を行うことなく自動的に行われる。そのため、エジェクタ３２を用いることにより、吸引装置３０に対して、吸引開始及び吸引停止の機能を新たに具備させなくて済む。
【００４３】
また、エジェクタ３２を用いる場合、排気ポート３７の圧力は、ガス供給ポート３４の圧力より低いことが求められる。そのため、排気ポート３７に接続される混合シールドガス供給経路７０の断面積を小さくし過ぎたり、あるいは経路長を長くし過ぎたりすると、吸引流量の確保が難しくなる。実験により、混合シールドガス供給経路７０の断面積が２８ｍｍ２で経路長が６ｍの場合に十分な吸引量が確保可能であることが確認されており、実用的には問題がないといえる。
【００４４】
このようにして、本実施の形態に係る溶接システム１００において、吸引装置３０は、吸引ノズル１２によりワイヤ突出し部２の周囲３及びワイヤ１の先端部近傍から吸引を行う。そして、加熱されたワイヤ１から放出された水素源４を含むシールドガスが、溶接部外に向かう方向である矢印５の方向に流れて吸引される。吸引装置３０を用いて吸引を行わない場合には、水素源４は、アーク６の直上にあるので、そのほとんどがアーク６へ導かれて溶接金属中に吸収される。一方、本実施の形態に係る溶接システム１００を用いることにより、水素源４がアーク６へ流れてアーク６内で拡散性水素となり溶接金属中に吸収されることが抑制され、溶接金属中の拡散性水素の量が低減する。そして、溶接金属中の拡散性水素量が低減することで、溶接金属における水素脆化及び水素割れが防止される。
【００４５】
また、本実施の形態に係る溶接システム１００では、吸引装置３０がシールドガスを吸引することにより、水素源４を含むシールドガスが吸引装置３０内で新しいシールドガスと混合される。吸引されたシールドガスでは、水素源４がシールドガスの中心部に集中しているが、新しいシールドガスと混合することにより、中心部の水素源濃度は数分の一になる。さらに、アーク６内へ導かれる混合シールドガスの割合は、シールドガス供給ノズル１１から供給される混合シールドガスのうちの数分の一である。そのため、最終的に水素源４がアーク６内へ導かれる割合は、約１０分の一以下になるといえる。
【００４６】
そのため、吸引したシールドガスを新しいシールドガスと混合することにより、ワイヤ突出し部２から放出される水素源４がシールドガス全体に拡散することとなり、シールドガスを混合させたとしても拡散性水素の低減効果は得られる。また、一度供給したシールドガスを再度利用することにより、溶接部を外気から遮断するために外部から供給するシールドガスの量が少なくて済むこととなる。
【００４７】
また、一般に、溶接金属中の拡散性水素を１ミリリットル／１００ｇ減らすことにより、必要な予熱温度を約２５℃下げることができるとされている。例えば、拡散性水素が４ミリリットル／１００ｇ減った場合、予熱温度が１２５℃必要な溶接において、予熱温度を１００℃下げることができ、予熱温度が２５℃となって結果的に予熱する必要がなくなる。また、例えば予熱温度が２００℃必要な溶接においても、１００℃までの予熱で済む。このような予熱温度の低下は、予備用エネルギーの節約、予熱に必要な労力及び時間削減などの経済効果が得られる。また、２００℃の予熱作業の厳しい労働環境が改善される。
【００４８】
さらに、ワイヤ１は保管環境により吸湿するが、目視では吸湿しているかわからないため、徹底した保管環境の管理が求められる。本実施の形態に係る溶接システム１００を用いることにより、溶接金属中の拡散性水素量が減少するため、保管環境の管理レベルが軽減され、仮に人為的ミスによる吸湿があったとしてもそのようなミスの影響が緩和される。
【００４９】
＜吸引装置の他の構成例＞
次に、吸引装置３０の他の構成例について説明する。図３〜７は、吸引装置３０の他の構成例を示す図である。
【００５０】
まず、図３に示すように、吸引装置３０は、吸引流量を監視するための流量計３８を備えることとしても良い。流量計３８は、吸引ポート３５と吸引シールドガス供給経路６０との間に配置される。この流量計３８は、例えば、フロート式（面積式）のものや、吸引流量に比例したアナログ信号またはデジタル信号を出力するものが用いられ、公知の市販のもので良い。
【００５１】
そして、溶接作業者は、流量計３８の指示値を元に、流量制御バルブ３１等を調整し、所望の流量を確保すれば良い。また、溶接作業者は、流量計３８の指示値を元に、吸引流量が適正であることを監視すれば良い。このように、流量計３８を用いることで、水素源４が吸引されていることを保証することができる。
【００５２】
また、図４に示すように、吸引装置３０は、フィルタ３９を備えることとしても良い。フィルタ３９は、吸引ポート３５と吸引シールドガス供給経路６０との間に配置され、水素源４とともに吸引されるヒューム７を除去するために用いられる。フィルタ３９の素材は、例えば、化学繊維の不織布、多孔質のセラミックス、金属繊維等のものが使用される。また、ヒューム７は１μｍ程度の微粒子であることから、フィルタ３９はメッシュの小さいものが好ましい。
【００５３】
溶接においては、高温のアーク６によって金属及び酸化物が蒸発し、ヒューム７が発生する。発生するヒューム７は微量ではあるが、水素源４とともに吸引装置３０により吸引される。後述するように、吸引されるヒューム７の量は、実験により、吸引装置３０の吸引量５リットル／ｍｉｎの場合でヒューム７の全発生量の３パーセント程度と少ないことが確認されている。
【００５４】
しかし、ヒューム７は、例えば、流量計３８のフロートに付着して動作不良を引き起こしたり、流量制御バルブ３１の狭隘箇所に堆積して調整不良を引き起こしたりする場合がある。また、ヒューム７は、例えば、エジェクタ３２に堆積して吸引力の低下を引き起こしたりする場合もある。このようなヒューム７により引き起こされる事象は、それぞれが水素源４の吸引を阻害する要因となる。これらの問題を解消するためにフィルタ３９は機能し、フィルタ３９を用いることで、エジェクタ３２、流量計３８、流量制御バルブ３１などが保護される。
【００５５】
また、図５に示すように、吸引装置３０は、シールドガスの吸引量を一定に制御するための吸引量制御装置４０を備えることとしても良い。吸引量制御装置４０は、流量制御バルブ３１と、アナログまたはデジタルの信号であって流量に比例した信号を出力できる流量計３８と、流量基準信号を出力する流量設定器４１とを備える。また、吸引量制御装置４０は、流量設定器４１からの流量基準信号と流量計３８からの信号とを比較して、誤差を増幅する誤差増幅器４２と、誤差増幅器４２の信号に基づいて流量制御バルブ３１を駆動するバルブ駆動装置４３とを備える。
【００５６】
この吸引量制御装置４０は、流量設定器４１の指示流量となるように流量制御バルブ３１を制御する。そして、吸引量制御装置４０は、ガス供給ポート３４に供給されるシールドガス圧力の変動、あるいはフィルタ３９の目詰まりによる圧力損失の増加などの、吸引流量の変動をもたらす要因が生じた場合でも、吸引流量を一定にして、水素源４の吸引を保証することができる。
【００５７】
また、図６に示すように、吸引装置３０は、シールドガスの吸引量について異常を検出するための吸引量異常検出装置４４を備えることとしても良い。吸引量異常検出装置４４は、吸引流量に比例したアナログ信号またはデジタル信号を出力する流量計３８と、アナログ信号またはデジタル信号で吸引流量の異常値の基準となる閾値を出力する基準閾値設定器４５と、流量計３８の信号と基準閾値設定器４５の信号とを受けて異常を判定する異常判定器４６とを備える。また、吸引量異常検出装置４４は、異常判定器４６が異常と判断した信号を受けてアラームを発生するブザーあるいはパトランプ等の異常表示器４７を備える。さらに、吸引量異常検出装置４４は、異常判定器４６が異常と判断した信号を受けて、溶接トーチ１０でのアーク出力を指示するトーチスイッチ信号に割り込んで溶接を停止させる機能を持つ溶接停止制御部４８とを備える。
【００５８】
吸引量異常検出装置４４の流量計３８はフロート式のものでも良く、流量計３８がフロート式の場合、基準閾値設定器４５は、フロートの位置の上限及び下限の少なくともいずれか一方に設置されたフォトセンサである。また、異常表示器４７及び溶接停止制御部４８は、いずれか一方だけ設けられた構成としても良い。このような吸引量異常検出装置４４を用いることで、溶接作業者が吸引量の異常に気付かず溶接を続行することが抑制される。なお、図６に示す吸引装置３０は、吸引量制御装置４０を備えていないが、さらに吸引量制御装置４０を備えることとしても良い。
【００５９】
また、図７に示すように、吸引装置３０としては、エジェクタ３２の代わりに機械式の真空ポンプ４９を用いることとしても良い。この場合、真空ポンプ４９により、ワイヤ突出し部２の近傍からのシールドガスの吸引が行われる。真空ポンプ４９は、市販の公知のもので良く、ロータリー式、ピストン式、ダイヤフラム式など様々な方式のものが適用される。また、吸引流量の制御が容易なモータを駆動源としたものが好ましい。このモータの回転速度を制御して吸引流量を調整することができる。
【００６０】
また、吸引装置３０に真空ポンプ４９を用いた場合には、吸引されたシールドガスを新しいシールドガスと混合させるための混合器５５が設けられる。混合器５５にて混合された混合シールドガスは、矢印９に示す方向に流れて、混合シールドガス供給経路７０を介してシールドガス供給ノズル１１に導かれる。さらに、エジェクタ３２の代わりに真空ポンプ４９を用いた構成においても、図３〜図６と同様に、吸引装置３０は、流量計３８、フィルタ３９、吸引量制御装置４０、吸引量異常検出装置４４を備えることとしても良い。
【００６１】
＜エジェクタの機能を備えた溶接トーチの構成例＞
次に、溶接システム１００の他の構成例について説明する。溶接システム１００は、エジェクタ３２の機能を、溶接トーチ１０の内部で実現することとしても良い。図８は、エジェクタ３２の機能を備えた溶接トーチ１０の構成例を示す図である。また、図９は、溶接システム１００における図８のＢ−Ｂ部の断面図である。
【００６２】
図８に示す溶接トーチ１０は、溶接電流によりワイヤ１を給電するコンタクトチップ１４と、ワイヤ突出し部２の周囲３を囲む構造をもち、かつワイヤ１の先端部に向けて開口部１３を有する吸引ノズル１２と、溶接トーチ１０の本体部となるチップボディ１７とを備える。
【００６３】
また、図８及び図９に示すように、溶接トーチ１０は、外部のシールドガス供給装置（不図示）から送られる新しいシールドガスを駆動ノズル３３に供給するガス供給ポート３４と、新しいシールドガスが流れる経路でありシールドガスを混合管３６の入り口に向けて噴出する駆動ノズル３３とを備える。そして、駆動ノズル３３にて噴出されるシールドガスの流れを利用して、吸引ノズル１２にて吸引が行われる。
【００６４】
さらに、溶接トーチ１０は、吸引ノズル１２から吸引された水素源４を含むシールドガスを吸引ポート３５に導く吸引経路１５と、吸引ポート３５に導かれた水素源４を含むシールドガスと駆動ノズル３３から噴出された新しいシールドガスとを混合する混合管３６と、混合管３６の出口に接続され、混合シールドガスを溶接部に供給するシールドガス供給ノズル１１とを備えている。
【００６５】
ここで、本実施の形態において、エジェクタ３２の機能を溶接トーチ１０の内部で実現する場合、吸引部の一例として、図８に示す吸引ノズル１２、吸引経路１５、ガス供給ポート３４、駆動ノズル３３、及び吸引ポート３５が用いられる。また、混合部の一例として、図８に示す混合管３６が用いられる。
【００６６】
このように、駆動ノズル３３及び混合管３６を含む吸引混合機能が溶接トーチ１０の中に組み込まれた構成により、溶接金属中の拡散性水素が低減される。また、このような溶接トーチ１０を用いても、通常の溶接に必要なシールドガス流量で十分な吸引が可能であり、エジェクタ３２を溶接トーチ１０の外部に設ける構成と比較して、コンパクトで取り扱いに優れ、コストも安価になるといえる。
【００６７】
なお、図８および図９では、溶接トーチ１０内に吸引混合機能を４個設けている例を示している。吸引混合機能は混合シールドガスがシールドガス供給ノズル１１内で均一な流速となるように設けられていればよく、例えば３個設けてもよいし、８個設けても良い。また、シールドガス供給ノズル１１を長くするなどの対応により混合シールドガスの流速の均一化は可能であり、このような吸引混合機能の数は制限されるものではなく、少なくとも１個以上あれば良い。
【００６８】
さらに、図８に示す溶接トーチ１０を用いた場合、溶接作業者は、溶接中にシールドガスの吸引量の確認ができないが、実験により、シールドガス流量、シールドガス供給圧力の変化があっても大きな吸引量の変動はなく、吸引量が３リットル／ｍｉｎ以上であれば拡散性水素の低減効果が得られることが確認されている。また、吸引量が１０リットル／ｍｉｎ以上になったとしても、吸引されたシールドガスは再利用されることから、シールドガス流量不足になることはなく、実用的な構成であるといえる。また、溶接作業者は、溶接中にシールドガスの吸引量の確認ができなくとも、溶接前にシールドガスを流し、吸引ノズル１２の先端に流量計を接続して吸引流量の確認ができるので、溶接品質の低下は抑制される。
【００６９】
＜シールドガスを混合しない場合の構成例＞
溶接システム１００がシールドガスを吸引して新しいシールドガスと混合する構成について説明したが、吸引したシールドガスを新しいシールドガスと混合せずに、外部に排出することとしても良い。吸引したシールドガスを排出する構成であっても、加熱されたワイヤ１から放出された水素源４を含むシールドガスを吸引することにより、拡散性水素の溶接金属への侵入が抑制されて、溶接金属中の拡散性水素の量が低減する。
【００７０】
図１０は、溶接システム１００が吸引したシールドガスを排出する場合の構成例を示した図である。図１０に示すように、吸引装置３０は、吸引経路１５を介して吸引ノズル１２からシールドガスを吸引し、吸引したシールドガスを外部に排出する。また、図１に示す吸引装置３０は、エジェクタ３２において、新しいシールドガスを駆動源としてシールドガスの吸引を行っていた。一方、図１０に示す吸引装置３０は、吸引において新しいシールドガスを駆動源とするのではなく、圧縮ガスの一例である圧縮エアの流れを利用する。
【００７１】
吸引装置３０のエジェクタ３２は、ガス供給ポート３４、吸引ポート３５、混合管３６、排気ポート３７を備えている。そして、水平方向に圧縮エアを流すことにより管内の細くなった部分で流速が増し、Ｔ字の垂直線にあたる管が吸い込み口となり、吸引ノズル１２を介して吸引ポート３５からシールドガスの吸引が行われる。そして、吸引したシールドガスは、排気ポート３７にて排気される。
【００７２】
また、ガス供給ポート３４は、不図示の工場エア配管あるいはコンプレッサーの出力口に接続されており、圧縮エアが供給される。供給される圧縮エアは、通常工場で用いられている０．５ＭＰａで十分であるが、実験により、この圧力が０．３ＭＰａに変化したとしても、吸引流量が５リットル／ｍｉｎの場合にその９４パーセント程度に低下するだけであり、安定した吸引流量が確保されることが確認されている。また、エジェクタ３２は小型のものを用いれば良く、圧縮エアの消費流量は、例えば３５リットル／ｍｉｎ程度で良い。
【００７３】
また、図１０に示す溶接システム１００は、外部のシールドガス供給装置（不図示）から送られる新しいシールドガスを溶接部に供給し、図１に示す溶接システム１００と異なり、混合シールドガス供給経路７０が設けられていない。さらに、シールドガス供給装置から送られるシールドガスを均一にするための絞りであるオリフィス１８が、溶接トーチ１０内に配置されている。
【００７４】
さらに、吸引したシールドガスを排出する溶接システム１００の構成においても、図３に示す吸引装置３０と同様に、吸引ポート３５と吸引シールドガス供給経路６０との間に流量計３８を設けることとしても良い。また、図４に示す吸引装置３０と同様に、吸引ポート３５と吸引シールドガス供給経路６０との間にフィルタ３９を設けることとしても良い。さらに、図５に示す吸引装置３０と同様に、吸引量制御装置４０を設けることとしても良い。そして、図６に示す吸引装置３０と同様に、吸引量異常検出装置４４を設けることとしても良い。また、図７に示す吸引装置３０と同様に、エジェクタ３２の代わりに真空ポンプ４９を用いることとしても良い。
【００７５】
また、シールドガスを混合しない場合、図１に示す構成とは異なり、シールドガスの吸引が自動的に行われないため、図１１に示すように、吸引装置３０は、吸引装置３０による吸引の起動及び停止を制御する吸引装置起動制御装置５０を備えることとしても良い。図１１は、吸引装置３０が吸引装置起動制御装置５０を備えた構成の一例を示す図である。吸引装置起動制御装置５０は、溶接の開始または停止を知らせる信号を受信する受信器５１と、受信器５１が受信した信号に基づいて吸引装置３０の起動停止信号を生成する判定器５２と、圧縮エアの供給を制御するエア供給電磁弁５３と、判定器５２が生成した起動停止信号に基づいて、エア供給電磁弁５３を駆動する電磁弁駆動装置５４とを備える。エア供給電磁弁５３の上流側は、圧縮エアの供給源に接続される。
【００７６】
ここで、溶接の開始または停止を知らせる信号としては、例えば、トーチスイッチ信号、外部のシールドガス供給装置における電磁弁の開閉を制御するシールドガス電磁弁信号、溶接トーチ１０の内部にシールドガスが流れたことを検出することで生成されるシールドガス検出信号などが該当する。また、吸引装置３０として真空ポンプ４９を用いる場合には、電磁弁駆動装置５４の代わりにモータ駆動装置（不図示）を、エア供給電磁弁５３の代わりにモータ（不図示）を使うことで、吸引装置起動制御装置５０の構成となる。
【００７７】
そして、吸引装置起動制御装置５０は、溶接が開始されたときに圧縮エアを供給してシールドガスの吸引が開始されるように制御する。また、吸引装置起動制御装置５０は、溶接が停止したとき、または停止から少し遅れて、圧縮エアの供給を止めてシールドガスの吸引が停止されるように制御する。そのため、圧縮エアは必要なときだけ消費されることとなり、圧縮エアの消費量が抑制される。
【００７８】
＜溶接トーチのノズル部分の他の構成例＞
次に、溶接トーチ１０のノズル部分の他の構成例について説明する。図１２〜１５は、溶接トーチ１０のノズル部分の他の構成例を示す図である。
【００７９】
図１２に示す吸引ノズル１２は、図１に示す吸引ノズル１２において、ワイヤ突出し部２の周囲３を囲む部分の肉厚を、吸引ノズル１２の他の部分と同じ大きさにしたものである。また、ワイヤ突出し部２の周囲３を囲む部分の肉厚を変えたことにより、開口部１３の断面積も図１の吸引ノズル１２の場合よりも大きく構成されている。
【００８０】
また、図１３に示す例では、図１２に示す例と比較して、シールドガス供給ノズル１１を長くし、吸引ノズル１２を短くして、吸引ノズル先端部１９の高さ（吸引ノズル先端部１９からワークＷまでの距離）を、シールドガス供給ノズル先端部２１の高さ（シールドガス供給ノズル先端部２１からワークＷまでの距離）と同じにしたものである。
さらに、図１４に示す例では、吸引ノズル先端部１９の高さ、シールドガス供給ノズル先端部２１の高さを、コンタクトチップ先端部２０の高さ（コンタクトチップ先端部２０からワークＷまでの距離）と同じにしたものであり、吸引ノズル１２がワイヤ突出し部２の周囲を囲まない構成としたものである。
【００８１】
また、図１などはノズル径が一定であるシールドガス供給ノズル１１が、図１５に示すようにシールドガス供給ノズル先端部２１が先端に行くほど狭まる形状としてもよい。逆に、シールドガス供給ノズル先端部２１が先端に行くほど拡がる形状としてもよい。
【００８２】
一般に、ワイヤ１から放出される水素源４については、コンタクトチップ１４から突き出たワイヤ１の長さである突き出し長が短いと、水素源４が気化しづらくなる。一方で、突き出し長が長いと、アーク６の安定性が失われる。そのため、水素源４を吸引するための突き出し長としては、水素源４が気化するのに足りる長さであり、アーク６の安定性のために長くし過ぎないように調整される。
【００８３】
そして、一般に、シールドガス供給ノズル先端部２１からアーク６までの距離を短くすれば、シールドガスにより溶接部を遮断する効果が高まる。そのため、シールドガス供給ノズル先端部２１の高さは、シールドガスによる遮断効果を考慮して調整される。本実施の形態では、吸引ノズル１２によるシールドガスの吸引ができる構成であれば拡散性水素の低減効果は得られるため、シールドガス供給ノズル先端部２１の高さは限定されるものではない。
【００８４】
また、本実施の形態に係る吸引ノズル１２では、アーク熱による影響を考慮した上で吸引ノズル先端部１９からアーク６までの距離を短くするほど、ワイヤ先端部の近傍で放出された水素源４を吸引し易くなる。さらに、図１、図１２、図１３、図１５に示す吸引ノズル１２のように、ワイヤ突出し部２の周囲３を囲んで吸引することにより、水素濃度が高いシールドガスを吸引し易くなる。ただし、図１４に示すように、吸引ノズル１２がワイヤ突出し部２の周囲を囲まない構成を用いても、シールドガスを吸引することにより拡散性水素の低減効果は得られる。
【００８５】
＜実施例＞
次に、実験結果を示し、本実施の形態における実施例について説明する。
【００８６】
図１に示す溶接システム１００において、シールドガス供給ノズル１１から供給されるシールドガス流量が２５リットル／ｍｉｎ、ワイヤ突き出し長が２５ｍｍ、溶接電流が２７０アンペア（電流の単位：Ａ）という溶接条件のもとで、フッ化物を含まない直径１．２ｍｍのフラックスコアードワイヤを用いて溶接を行った。そして、吸引装置３０により吸引しない場合の溶接金属中の拡散性水素量と、吸引装置３０により吸引した場合の溶接金属中の拡散性水素量とを測定した。また、吸引装置３０により吸引する場合には、吸引ノズル１２にてワイヤ突出し部２の近傍から吸引する吸引流量を５リットル／ｍｉｎとし、新しいシールドガス２５リットル／ｍｉｎとの混合により、合計３０リットル／ｍｉｎの混合シールドガスが溶接部に供給されて溶接が行われた。
なお、溶接金属中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に規定されるガスクロマトグラフ法に基づいて測定した。
【００８７】
その結果、吸引装置３０により吸引しない場合の拡散性水素量は、６ミリリットル／１００ｇ（溶接金属１００ｇに含まれる拡散性水素量が６ミリリットル）であった。一方、吸引装置３０により吸引した場合の拡散性水素量は、３ミリリットル／１００ｇとなり、吸引しない場合に比較して溶接金属中の拡散性水素量が減少した。
【００８８】
溶接金属中の拡散性水素量がゼロにならないのは、ワイヤ１以外から水素源４が供給されていることが原因として考えられるが、ワイヤ１表面並びにフラックス内部の拡散性水素が全て放出されないことも原因の一つとして考えられる。上述したように、ワイヤ突き出し長を長くすればするほど拡散性水素の放出が促進されるが、溶接のアーク安定性が劣化する傾向がある。そのため、ワイヤ突き出し長は、溶接の用途や状況に応じて選択することが好ましい。
【００８９】
次に、同じ溶接条件のもとで、吸引流量を３リットル／ｍｉｎ、１０リットル／ｍｉｎ、即ち、混合シールドガスの流量をそれぞれ２８リットル／ｍｉｎ、３５リットル／ｍｉｎと変化させて、溶接金属中の拡散性水素量を測定した。その結果、吸引流量が３リットル／ｍｉｎ、１０リットル／ｍｉｎの場合の拡散水素量はそれぞれ、３．５ミリリットル／１００ｇ、２．５ミリリットル／１００ｇであった。吸引流量が多い方が拡散性水素量の低減効果は高く、吸引流量が多いためにシールド性能に影響を及ぼすということはなかったため、吸引流量は１０リットル／ｍｉｎ程度が推奨される。ただし、シールド性能の効果を高めるためには吸引流量を減らすことも考えられるため、吸引流量は、溶接の用途や状況に応じて選択することが好ましい。
【００９０】
次に、同じ溶接条件のもとで、ワイヤとして、フラックスコアードワイヤの代わりにソリッドワイヤを用いて溶接金属中の拡散性水素量を測定した。ここで、吸引装置３０により吸引する場合には、吸引流量を１０リットル／ｍｉｎとし、混合シールドガスの流量を３０リットル／ｍｉｎとした。その結果、吸引装置３０により吸引しない場合の拡散性水素量は、２．５ミリリットル／１００ｇであった。一方、吸引装置３０により吸引流量を１０リットル／ｍｉｎとして吸引した場合の拡散性水素量は、１ミリリットル／１００ｇとなり、吸引しない場合に比較して溶接金属中の拡散性水素量が減少した。
【００９１】
ソリッドワイヤはフラックスを含まないため、ワイヤ表面の潤滑剤や付着水分等が水素源となるだけであり、フラックスコアードワイヤを用いる場合よりも発生する拡散性水素は少ない。そして、このようなソリッドワイヤを用いた場合でも、吸引装置３０により吸引することで溶接金属中の拡散性水素量が減少することが確認された。
【００９２】
次に、同じ溶接条件のもとで、フラックスにフッ化物を入れたフラックスコアードワイヤを用いて溶接金属中の拡散性水素量を測定した。ただし、フラックスに入れるフッ化物の量は、アーク安定性を大きく阻害しない程度の量であるものとする。また、吸引装置３０により吸引する場合には、吸引流量を５リットル／ｍｉｎとし、混合シールドガスの流量を３０リットル／ｍｉｎとした。その結果、吸引装置３０により吸引しない場合の拡散性水素量は、３ミリリットル／１００ｇであった。一方、吸引装置３０により吸引流量を５リットル／ｍｉｎとして吸引した場合の拡散性水素量は、１ミリリットル／１００ｇとなり、吸引しない場合に比較して溶接金属中の拡散性水素量が減少した。
【００９３】
フッ化物は、アーク６近傍の水素分圧を下げる効果があるため、吸引しない場合であっても、溶接金属中の拡散性水素量を減少させることができ、フラックスにフッ化物を入れることで、フラックスにフッ化物を入れない場合よりも低い拡散性水素量が期待される。付言すると、同じ溶接条件のもとで、フッ化物を含まないフラックスコアードワイヤを用いて吸引装置３０により吸引しない場合、上述したように、拡散性水素量は６ミリリットル／１００ｇであった。一方、フッ化物を入れることで３ミリリットル／１００ｇに減少した。そして、吸引装置３０により吸引することでさらに拡散性水素量が減少し、上述したソリッドワイヤを用いた場合の拡散性水素量（１ミリリットル／１００ｇ）と同等の量となった。
【００９４】
フラックスコアードワイヤは、フラックスの吸湿のために、ソリッドワイヤと比べて水素源が多い。一方、フラックスコアードワイヤは、アークの安定性・能率に優れ、また、特殊な高合金ワイヤの生産性にも優れており、特殊な小ロット生産にも適している。フッ化物を入れることで、フラックスコアードワイヤを用いた場合の拡散性水素量がソリッドワイヤを用いた場合と同等になれば、水素源が多いという問題点が軽減される。そのため、溶接において、種々の利点を有するフラックスコアードワイヤを使用し易くなる。
【００９５】
次に、同じ溶接条件のもとで、吸引ノズル１２から吸引する吸引量を５リットル／ｍｉｎから２５リットル／ｍｉｎまで変化させて、溶接金属中の拡散性水素量、溶接金属中の窒素量、付随的に吸引されるヒューム量（ヒュームの全発生量に対して吸引されるヒューム量の割合）を測定した。図１６は、吸引量を変化させた場合の測定結果の一例を示す図である。
【００９６】
図１６に示すように、吸引ノズル１２からの吸引量を多くすることにより溶接金属中の拡散性水素量は低下したが、シールド性能が劣化するために溶接金属中の窒素量が増加した。ここで、溶接金属中の窒素量が１００ｐｐｍを超えると、溶接金属の靭性が劣化し、さらに１５０ｐｐｍを超えると、溶接部の欠陥の一種であるブローホールが生じる。また、付随的に吸引されるヒューム量が増加すると、吸引装置３０や流量計３８等の機器を保護するために設けられるフィルタ３９の交換頻度が増加する。また、図１６に示すように、吸引量２０リットル／ｍｉｎを境にして拡散性水素量の低下効果は飽和しており、かつ窒素量が増加し始めている。
【００９７】
そのため、図１６に示す例より、吸引ノズル１２から吸引される吸引量の好ましい上限は、２０リットル／ｍｉｎであるといえる。ここで、シールドガス供給ノズル１１から供給されるシールドガス流量は２５リットル／ｍｉｎであるため、吸引ノズル１２から吸引される吸引量は、シールドガス流量の８０パーセント以下であることが好ましい。吸引量をシールドガス流量の８０パーセント以下とすることにより、溶接金属の劣化を防止し、ヒュームの吸引量を抑制しつつ、溶接金属中の拡散性水素量を減少させることができる。
【００９８】
次に、同じ溶接条件のもとで、シールドガス供給ノズル１１から供給されるシールドガス流速を２．８ｍ／ｓｅｃと固定し、吸引ノズル１２の先端にある開口部１３の開口断面積と吸引流量とを変化させることで吸引流速を変えて、溶接金属中の拡散性水素量を測定した。図１７は、吸引ノズル１２の開口部１３の断面積、吸引流量を変化させた場合の吸引流速を示す図である。吸引流速の単位はｍ／ｓｅｃであり、例えば、開口部１３の断面積が１１．４ｍｍ２、吸引流量が３リットル／ｍｉｎの場合、吸引流速は４．４ｍ／ｓｅｃである。また、図１８は、吸引ノズル１２の開口部１３の断面積、吸引流量を変化させた場合に測定された拡散性水素量を示す図である。拡散性水素量の単位はミリリットル／１００ｇであり、例えば、開口部１３の断面積が１１．４ｍｍ２、吸引流量が３リットル／ｍｉｎの場合、拡散性水素量は３．２ミリリットル／１００ｇである。
【００９９】
ここで、同じ溶接条件のもとでシールドガスを吸引しない場合の溶接金属中の拡散水素量は、上述したように、６ミリリットル／１００ｇであった。そのため、例えば吸引流速が１．８ｍ／ｓｅｃの場合には、拡散性水素量が４．４ミリリットル／１００ｇであり、拡散性水素の低減効果は低い。一方、吸引流速がシールドガス流速と同じである約２．８ｍ／ｓｅｃの付近から拡散性水素の低減効果が大きく現れ始め、吸引流速が５ｍ／ｓｅｃ以上では低減効果が飽和していることが確認された。即ち、供給されるシールドガスの流れとアークプラズマ気流により、水素源４はアーク６に導かれるが、吸引によりこれを防止して溶接部の外部に水素源４を排出するためには、吸引流速が、供給されるシールドガスの流速の１倍以上であることが好ましい。
【０１００】
＜セルフシールドアーク溶接の構成例＞
また、本実施の形態において、溶接システム１００はガスシールドアーク溶接を行うものとして説明したが、シールドガスを供給しないセルフシールドアーク溶接を行うものとして構成することとしても良い。図１９は、セルフシールドアーク溶接を行う溶接システム１００の構成例を示した図である。
【０１０１】
セルフシールドアーク溶接では、ワイヤ１として、セルフシールドワイヤが使用される。セルフシールドワイヤとは、シールドガスを使わずに自身でシールドするためのワイヤであり、シールド補助成分やブローホールとなる窒素を固定してフローホールの発生を防止するアルミニウムなどの粒状物質が添加されたワイヤである。また、溶接システム１００は溶接部にシールドガスを供給しないため、図１及び図１０に示す構成とは異なり、シールドガス供給ノズル１１を備えていない。一方、溶接システム１００は、図１及び図１０に示す構成と同様に、吸引ノズル１２を備えている。また、溶接システム１００は、図１０に示す吸引装置３０を備えており、シールドガスの吸引を行う。このような構成により、拡散性水素が溶接金属中に吸収されることが抑制され、溶接金属中の拡散性水素量が減少する。
【０１０２】
図１９に示す溶接システム１００において、ワイヤ突き出し長が２５ｍｍ、溶接電流が２７０Ａという溶接条件のもとで、フッ化物を含まない直径１．２ｍｍのフラックスコアードワイヤを用いて溶接を行った。その結果、吸引装置３０により吸引しない場合の溶接金属中の拡散性水素量は、７ミリリットル／１００ｇであった。一方、吸引装置３０により吸引流量を５リットル／ｍｉｎとして吸引した場合の溶接金属中の拡散性水素量は、３ミリリットル／１００ｇとなり、セルフシールドアーク溶接においても、溶接金属中の拡散性水素量の低減が図れることが確認された。
【０１０３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態には限定されない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更したり代替態様を採用したりすることが可能なことは、当業者に明らかである。
【符号の説明】
【０１０４】
１…ワイヤ、２…ワイヤ突出し部、３…周囲、４…水素源、６…アーク、７…ヒューム、１０…溶接トーチ、１１…シールドガス供給ノズル、１２…吸引ノズル、１３…開口部、１４…コンタクトチップ、１５…吸引経路、３０…吸引装置、３２…エジェクタ、３３…駆動ノズル、３６…混合管、３８…流量計、３９…フィルタ、４０…吸引量制御装置、４４…吸引量異常検出装置、４９…真空ポンプ、５０…吸引装置起動制御装置、５５…混合器、６０…吸引シールドガス供給経路、７０…混合シールドガス供給経路、１００…溶接システム
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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