(57)【要約】【課題】高いアーク電流を流すことのできるＴＩＧアーク溶接トーチを提供する。【解決手段】電極保持部材３５に形成した電極保持溝４０に非消耗電極３３の一部を嵌挿し、バネ部材４１の弾性により前記非消耗電極３３の一部を電極保持溝４０の内面に押圧保持するＴＩＧアーク溶接トーチにおいて、前記非消耗電極３３とバネ部材４１の間にセラミック部材４８を介在したことを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極保持部材に形成した電極保持溝に非消耗電極の一部を嵌挿し、バネ部材の弾性により前記非消耗電極の一部を電極保持溝の内面に押圧保持するＴＩＧアーク溶接トーチにおいて、前記非消耗電極とバネ部材の間にセラミック部材を介在したことを特徴とするＴＩＧアーク溶接トーチ。
【請求項２】
請求項１記載のＴＩＧアーク溶接トーチにおいて、前記セラミック部材が前記バネ部材に取り付けられていることを特徴とするＴＩＧアーク溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）アーク溶接トーチに係り、特に大アーク電流（例えば４００Ａ以上）で厚板の狭開先溶接を行なうのに好適なＴＩＧアーク溶接トーチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラの主配管、原子力発電のＲＰＶ（Ｒｅａｃｔｏｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ）等の圧力容器は厚さ３０ｍｍ〜１５０ｍｍの厚板構造物であり、多数の溶接箇所がある。例えば発電用ボイラの一部を構成している主配管は、主蒸気管、高温再熱蒸気管、低温再熱蒸気管、主給水管等は高温あるいは高圧のため、大径で厚肉管の構造となっている。
【０００３】
主配管はコイルで加熱された高温、高圧の蒸気をボイラからタービンまで送り、タービンで仕事を終えた蒸気を再びボイラのコイルに還流するといった高温、高圧の配管構造である。
【０００４】
また、配管自身が高温、高圧であるためボイラの起動、停止時における伸縮量が大きく、溶接継手に応力が集中するため、ボイラからタービンまでの主配管には高品質の溶接部が要求される。この溶接には、母材に対する入熱量を抑えて溶接歪みや熱影響を少なくし、また効率的に溶接が行えることから、開先幅５ｍｍ〜１２ｍｍの狭開先アーク溶接法が適用される。溶接法としてはステンレス鋼、高合金鋼の場合は、非消耗電極式ＴＩＧ溶接法が適用される場合が多い。
【０００５】
板厚が例えば２０ｍｍ以上の厚板鋼材に対して開先幅が６ｍｍというような非常に狭い開先内でＴＩＧ溶接すると、溶接変形や残留応力が小さく、しかも溶接作業時間が短くて済むという特長がある。
【０００６】
図７は、二重ガス供給筒構造のＴＩＧアーク溶接トーチを用いた溶接方法を説明するための溶接部の断面図である。母材２の開先１０の上方に配置されたトーチ１は、センターガスノズル８と、その外側を覆うように配置されたシールドガスノズル３を備えた二重ガス供給筒構造になっている。
【０００７】
センターガスノズル８の中心部には丸針状のタングステン電極４が電極保持部材９により上下動可能に保持されている。センターガスノズル８の内部には上方よりタングステン電極４に沿って流下するヘリウムあるいはヘリウムとアルゴンの混合ガスよりなる高速流のプロセスガス６が流され、これによりタングステン電極４の先端に形成されたアーク５を冷却するとともに、母材２の溶融能力の増強を図っている。
【０００８】
シールドガスノズル３の内部には上方よりアルゴンからなるシールドガス７が流下して、溶接部を空気から遮断する効果を有している。溶接作業時には母材２の上方にシールドガスノズル３を配置し、電極保持部材９に保持されたタングステン電極４を垂下させて開先１０の底部まで届くように延ばし、その先端部に発生したアーク５に図示しない添加ワイヤを送給して肉盛溶接する。
【０００９】
ところで母材２の板厚が５０ｍｍにもなると、電極保持部材９の先端からタングステン電極４の先端までの長さ（突出し長さ）が６０ｍｍ以上になるため、例えば３００Ａのアーク電流を流そうとすると、直径が３．２ｍｍのタングステン電極４を使用しても、電極線中の抵抗発熱量が多く、タングステン電極４が過熱溶融する恐れがあるため実用に供することができない。
【００１０】
従って、実際の溶接の場合には、アーク電流は例えば２００Ａ程度の低い電流値に設定せざるを得ず、そのために母材２の溶接能力が下がり、作業効率の低下を招く。
【００１１】
このようなタングステン電極の抵抗発熱の問題を回避するため、タングステン電極として断面形状が溶接線方向に沿って長い長方形の板状電極を用いることが提案されている。
【００１２】
図８は、その板状タングステン電極を用いて溶接する状態を示した斜視図である。同図に示すように、母材１２ａと１２ｂの間に形成された狭い開先１３内に挿入された板状タングステン電極１１の先端部は点状に尖らせてある。図中の１４ａ、１４ｂは添加ワイヤ、１５はワイヤガイドである。
【００１３】
このタングステン電極１１の突出し長さの半分位の箇所はやはり１０００℃近い高温になり、アークがしばしば板状タングステン電極１１の側面に這い上がってしまう。
【００１４】
このアークの這い上がりを防止するため、特開平１０−２８６６７号公報には図９と図１０に示すようなタングステン電極が記載されている。図９はタングステン電極の正面図、図１０はタングステン電極の側面図である。タングステン電極２１を薄い平板状にするとともに、タングステン電極２１の先端部を残して外表面にセラミック２２を溶射により被覆したものである。
【００１５】
しかし、このような特殊なタングステン電極２１は非常に高価であるばかりでなく、被覆したセラミック２２が熱履歴により剥がれ易く耐久性に乏しいという欠点がある。
【００１６】
このように母材の間に形成された開先内に長く延ばしたタングステン電極を挿入して母材を溶接する方式は、開先幅が例えば６ｍｍ以下のように狭く、母材の板厚が例えば１００ｍｍを超えるような、従って開先底が深い鋼材の溶接を行なう場合は、前述のようなタングステン電極内部での抵抗発熱量が多過ぎて適用することができない。
【００１７】
図６は、本発明者らが先に特開２００２−１４４０４３号で提案したＴＩＧアーク溶接トーチの正面図である。板状をした電極保持部材３５が支柱３７を介して中継ブロック３４に取り付けられ、電極保持部材３５は冷却水路４５中を流れる冷却水により冷却される。この電極保持部材３５に形成された電極保持溝４０にタングステン電極３３を嵌挿し、金属板バネ４１で押圧保持している。
【００１８】
このＴＩＧアーク溶接トーチ３０を母材の開先内に導き、シールドボックス４７の内側からワーキングガス管３９ならびにガス孔４６を通して流下させたワーキングガスをアーク発生部に向けて流出させつつ、タングステン電極３３の先端と開先底部との間にアーク放電を発生させてＴＩＧアーク溶接を行なう。図中の３６ａ，３６ｂは冷却水管、３８はガイド管、４２は止めピン、４４は調整つまみである。
【００１９】
ＴＩＧアーク溶接トーチをこのよう構造にすることにより、狭くて底の深い開先であってもアーク電流を３５０Ａ程度まで増やしてもＴＩＧアーク溶接が可能となった。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
狭開先溶接での溶接能率を高めるためには、ＴＩＧアークによる母材溶融能力を更に増すことが重要で、それにはアーク電流を更に増加させる必要があり、例えばアーク電流を４５０Ａ程度に増やと良いことが分かっている。
【００２１】
しかし図６に示すＴＩＧアーク溶接トーチ３０でアーク電流を４５０Ａにすると、タングステン電極３３ならびにそれと接触している金属板バネ４１の温度が高くなり、金属板バネ４１の降伏応力が低下して塑性変形を起こす。その状態でアークを切ってタングステン電極３３を室温まで下げると、金属板バネ４１のタングステン電極３３を押圧する能力が減退し、再使用に耐えなくなるという難点がある。
【００２２】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、さらに高いアーク電流を流すことのできるＴＩＧアーク溶接トーチを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、電極保持部材に形成した電極保持溝にタングステン電極などの非消耗電極の一部を嵌挿し、金属板バネなどのバネ部材の弾性により前記非消耗電極の一部を電極保持溝の内面に押圧保持するＴＩＧアーク溶接トーチにおいて、前記非消耗電極とバネ部材の間に窒化珪素などからなるセラミック部材を介在したことを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記セラミック部材が前記バネ部材に脱落しないように取り付けられていることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は実施形態に係るＴＩＧアーク溶接トーチの正面図、図２はそのＴＩＧアーク溶接トーチの開先内に挿入した状態での側面図、図３は図１Ａ−Ａ線上の拡大断面図、図４はセラミック部材を備えた金属板バネの拡大断面図、図５はそのセラミック部材の拡大斜視図である。
【００２６】
これらの図において、３０はＴＩＧアーク溶接トーチ、３１ａ，３１ｂは母材、３２は狭くて深い開先、３３は針金状のタングステン電極、３４はトーチスタンド（図示せず）に支持された中継ブロック、３５は板状の電極保持部材、３６ａ，３６ｂは冷却水管、３７は支柱、３８はタングステン電極３３の上端まで延びた突出し線（図示せず）を内挿したガイド管、３９はヘリウムからなるワーキングガスを供給するワーキングガス管、４０は電極保持溝、４１は金属板バネ、４２は金属板バネ４１を電極保持部材３５に支持するための止めピンである。
【００２７】
４４は突出し線（図示せず）を通してタングステン電極３３の突出長さを調整する回転可能な調整つまみ、４５は電極保持部材３５の内部に形成された冷却水路、４６は電極保持部材３５の内部に形成されてワーキングガスを噴出するガス孔、４７はアルゴンガスからなるシールドガスを流下するシールドボックス、４８は金属板バネ４１に取付けられた板状のセラミック部材である。
【００２８】
図１と図４に示すように、金属板バネ４１はタングステン電極３３側に向けてほぼくの字状に折れ曲がっており、その弾性を利用してタングステン電極３３を電極保持溝４０の内面に押圧保持している。金属板バネ４１の前記折り曲げ部には、セラミック部材４８が取り付けられており、金属板バネ４１は直接タングステン電極３３と接触しておらず、セラミック部材４８を介してタングステン電極３３を押圧している。
【００２９】
セラミック部材４８の厚さＴ（図５参照）は、熱を伝え難い点から厚い方が好ましいが、トーチ全体をコンパクトにするため１ｍｍ程度にしている。電極保持部材３５からタングステン電極３３を外したときなどにセラミック部材４８が脱落するのを防止するため、金属板バネ４１の曲げ部に貫通孔５０を形成し、セラミック部材４８のほぼ中央部に設けた突起部４９をタングステン電極３３側から前記貫通孔５０に圧入している。セラミック部材４８は窒化珪素（Ｓｉ３　Ｎ４　）、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（ＡＩ２　Ｏ３　）などのセラミックで形成されている。
【００３０】
ＴＩＧアーク発生時のタングステン電極の先端部は、そのアーク電流に相当した熱電子を電極表面から容易に放出するため、３０００℃近くの温度になっている。これは熱電子放出時の電極への冷却効果と、電流のジュール発熱やアークから電極への輻射熱などの発熱効果とが平衡状態になっているからである。タングステン電極を冷却し過ぎると、熱電子放出が難しくなり、アーク放電の維持が困難となる。
【００３１】
トーチのタングステン電極を保持している部分は、アーク電流をタングステン電極に通電する機能と、タングステン電極からの熱を吸収して電極温度を低下させる機能とを持たせている。
【００３２】
板バネ４１によりタングステン電極３３をチャッキング（保持）している箇所では、電極先端部からの伝熱と通電電流のジュール発熱とで温度が上昇し、しばしば熱電子を放出している電極先端部より温度が高くなり、タングステン電極に含浸させた熱電子放出能の高い酸化物が浸出してきて、タングステン電極を損傷するという問題がある。この問題も本発明のように、タングステン電極３３と金属板バネ４１の間にセラミック部材４８を介在することにより解消することができる。
【００３３】
また本発明では、タングステン電極への通電部をタングステン電極とほぼ同等の厚さで構成して、開先内に挿入できる構造になっているから、開先幅が６〜８ｍｍなど極めて狭い狭開先に対して、開先深さが５０ｍｍを越しても（例えば開先深さが１５０ｍｍであっても）、開先深さの影響なく高電流を用いてＴＩＧアーク溶接ができる。
【００３４】
前記実施形態ではセラミック部材４８の形状を板状としたが、コの字形や台形など他の形状であっても構わない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載した第１の手段によれば、非消耗電極とバネ部材の間にセラミック部材を介在しているため、アーク溶接時にバネ部材の温度が高くなり、バネ部材の降伏応力が低下して塑性変形を起こし、その状態でアークを切って非消耗電極を室温まで下げると、バネ部材の非消耗電極を押圧保持する能力が減退し、再使用に耐えなくなるという問題点を有効に解消することができ、さらに高いアーク電流を流すことのできるＴＩＧアーク溶接トーチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＴＩＧアーク溶接トーチの正面図である。
【図２】そのＴＩＧアーク溶接トーチの開先内に挿入した状態での側面図である。
【図３】図１Ａ−Ａ線上の拡大断面図である。
【図４】セラミック部材を備えた金属板バネの拡大断面図である。
【図５】そのセラミック部材の拡大斜視図である。
【図６】本発明者らが先に提案したＴＩＧアーク溶接トーチの正面図である。
【図７】従来の二重ガス供給筒構造のＴＩＧアーク溶接トーチを用いた溶接方法を説明するための溶接部の断面図である。
【図８】従来の板状タングステン電極を用いて溶接する状態を示した斜視図である。
【図９】従来の他の板状タングステン電極の正面図である。
【図１０】その板状タングステン電極の側面図である。
【符号の説明】
３０：ＴＩＧアーク溶接トーチ、３１ａ，３１ｂ：母材、３２：開先、３３：タングステン電極、３４：中継ブロック、３５：電極保持部材、３６ａ，３６ｂ：冷却水管、３７：支柱、３８：ガイド管、３９：ワーキングガス管、４０：電極保持溝、４１：金属板バネ、４２：止めピン、４４：調整つまみ、４５：冷却水路、４６：ガス孔、４７：シールドボックス、４８：セラミック部材、４９：突起部、５０：貫通孔
【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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