(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン電極の周囲にインサートチップを配し、このインサートチップの周囲にシールドキャップを配し、タングステン電極の先端部がインサートチップの先端部よりも内側に位置し、タングステン電極とインサートチップとの間隙に不活性ガスからなるセンターガスを流し、インサートチップとシールドキャップとの間隙にアウターガスを流すようにしたプラズマ溶接トーチを用い、プラズマ溶接を行う際に用いられるアウターガスであって、
このアウターガスが、炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％、残部不活性ガスの混合ガスであり、前記タングステン電極を負極、被溶接材を正極とすることを特徴とするプラズマ溶接用アウターガス。
【請求項２】
タングステン電極の周囲にインサートチップを配し、このインサートチップの周囲にシールドキャップを配し、タングステン電極の先端部がインサートチップの先端部よりも内側に位置し、タングステン電極とインサートチップとの間隙にセンターガスを流し、インサートチップとシールドキャップとの間隙にアウターガスを流すようにしたプラズマ溶接トーチを用い、
プラズマ溶接を行う際に、センターガスに不活性ガスを用い、アウターガスに炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％、残部不活性ガスの混合ガスを用い、前記タングステン電極を負極、被溶接材を正極とすることを特徴とするプラズマ溶接法。
【請求項３】
プラズマ溶接時に、被溶接材に裏当金を当てないことを特徴とする請求項２記載のプラズマ溶接法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマ溶接法およびこのプラズマ溶接法に用いられるアウターガスに関し、厚肉のステンレス鋼の被溶接材であっても安定な裏ビードが形成できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ溶接法は、ＴＩＧ溶接法とともに非消耗電極式溶接法に分類されるものであるが、ＴＩＧ溶接法に比べ、熱集中性が優れているため、ビード幅を狭く，高速に溶接することができ，しかも歪が少なく溶接することができる。
また、プラズマ溶接法は、エネルギー密度の高いプラズマアークを利用して片面裏波溶接法であるキーホール溶接を行うことができる。
【０００３】
キーホール溶接は、プラズマアークが溶融金属を押し退けて母材を貫通し、キーホールを形成する。このキーホールは溶接が進行するに連れ、溶融金属がその壁面を伝わり後方に移動して溶融池を形成し、溶接ビードとなるものである。
このため、Ｉ型開先の突合せのワンパス片面溶接が可能な板厚は、ステンレス鋼板で約０．１から８ｍｍとなっている。
【０００４】
図１は、このようなプラズマ溶接法に用いられる溶接トーチの一例を模式的に示すものである。
図１中符号１は、タングステン電極を示す。このタングステン電極１は、タングステンあるいは酸化ランタンなどの希土類元素酸化物を少量含むタングステンからなる棒状ものである。
【０００５】
このタングステン電極１はインサートチップ２によって包囲されている。このインサートチップ２はパイプ状のもので、タングステン電極１に対して間隙を配し、かつ同軸に設けられている。また、図示しないが、冷却水がその内部を循環し、インサートチップ２が冷却されるようになっている。
【０００６】
インサートチップ２はさらにシールドキャップ３によって包囲されている。このシールドキャップ３はパイプ状のもので、インサートチップ２に対して間隔を配し、かつ同軸に設けられている。
【０００７】
タングステン電極１とインサートチップ２との間隙にはアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスからなるセンターガスが流れ、インサートチップ２とシールドキャップ３との間隙にはアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスに水素を３〜７ｖｏｌ％を添加した混合ガスからなるアウターガスが流れるように構成されている。
センターガスはプラズマガスとして機能し、アウターガスはシールドガスとして機能する。
【０００８】
また、パイロットアーク電源４からの電流がタングステン電極１とインサートチップ２とに印加されて予備プラズマが点火され、ついでメインアーク電源５からの電流がタングステン電極１と被溶接材６とに印加されて、プラズマアークがタングステン電極１から被溶接材６に流れるように構成されている。
【０００９】
さらに、タングステン電極１の先端部は、インサートチップ２の先端部よりも内側の位置に配され、インサートチップ２の先端部分よりも外側に突出していない状態となっている。
これにより、タングステン電極１は不活性ガスからなるセンターガスに包まれ、酸化性ガスに曝されることがない状態となって、溶接に際しても酸化、消耗することがなく、またスパッタが発生せず、長時間高品質の溶接が可能で、しかもランニングコストを安価にすることができる。
このため、プラズマ溶接法は、主に圧力容器、配管や継手の製作の溶接施工において広く使われている。
【００１０】
しかしながら、従来のプラズマ溶接法にあっては、板厚８ｍｍ以上のステンレス鋼の溶接において、安定的に裏ビードを形成することが難しく、重力の影響により溶融金属の自らの重さに耐えきれなくなることで裏ビードの形状が安定しない問題がある。そのため、溶接部の裏側に裏当金を当てて溶接する事が行われている。
また、裏ビードが安定しないことで、表ビードの仕上がりに影響し、手直しが必要になるなどの不都合がある。
【特許文献１】特開２００３−３１１４１４号公報
【特許文献２】特開２００６−２６６４４号公報
【特許文献３】特開２００４−２９８９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、この発明における課題は、プラズマ溶接法により、板厚８ｍｍ以上のステンレス鋼材を安定に良好な裏ビードが形成されるように溶接することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、タングステン電極の周囲にインサートチップを配し、このインサートチップの周囲にシールドキャップを配し、タングステン電極の先端部がインサートチップの先端部よりも内側に位置し、タングステン電極とインサートチップとの間隙に不活性ガスからなるセンターガスを流し、インサートチップとシールドキャップとの間隙にアウターガスを流すようにしたプラズマ溶接トーチを用い、プラズマ溶接を行う際に用いられるアウターガスであって、
このアウターガスが、炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％、残部不活性ガスの混合ガスであり、前記タングステン電極を負極、被溶接材を正極とすることを特徴とするプラズマ溶接用アウターガスである。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、タングステン電極の周囲にインサートチップを配し、このインサートチップの周囲にシールドキャップを配し、タングステン電極の先端部がインサートチップの先端部よりも内側に位置し、タングステン電極とインサートチップとの間隙にセンターガスを流し、インサートチップとシールドキャップとの間隙にアウターガスを流すようにしたプラズマ溶接トーチを用い、
プラズマ溶接を行う際に、センターガスに不活性ガスを用い、アウターガスに炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％、残部不活性ガスの混合ガスを用い、前記タングステン電極を負極、被溶接材を正極とすることを特徴とするプラズマ溶接法である。
【００１４】
請求項３にかかる発明は、プラズマ溶接時に、被溶接材に裏当金を当てないことを特徴とする請求項２記載のプラズマ溶接法である。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、溶接トーチに不活性ガスからなるセンターガスを流し、かつ不活性ガスに炭酸ガスを０．５〜２ｖｏｌ％混合した混合ガスをアウターガスとして流してステンレス鋼のプラズマ溶接することで、深い溶け込みが得られ、裏ビードを安定させることができる。
このため、裏当金を当てる必要なく、板厚８ｍｍ〜１２ｍｍのステンレス鋼材を溶接加工できるため、裏当金（銅製）の製作や設置にコストを要しない。また、配管や容器など、裏当金を用いることができない被溶接物においても容易に良好な溶接を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明では、例えば図１に示したプラズマ溶接トーチを用いてプラズマ溶接する際、タングステン電極１とインサートチップ２との間隙にアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスまたはこれらの混合ガスからなるセンターガスを流し、インサートチップ２とシールドキャップ３との間隙に炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％、好ましくは０．６〜２ｖｏｌ％と、アルゴン、ヘリウムまたはアルゴンとヘリウムの混合ガスなどの不活性ガス９８〜９９．５ｖｏｌ％、好ましくは９８〜９９．４ｖｏｌ％との混合ガスからなるアウターガスを流すものである。
【００１７】
本発明では、このようなセンターガスとアウターガスとの組み合わせにより、深い溶け込みが得られ、裏ビードを安定させることができる効果が得られるものである。アウターガス中の炭酸ガス濃度が０．５ｖｏｌ％未満の場合および２ｖｏｌ％を越える場合には、ともに裏ビードの幅が不揃いで、ビードの蛇行、凹凸が生じ、ビードが不安定になる。
また、アウターガスとして、不活性ガスと酸素との混合ガスを用いた場合、あるいは不活性ガスと水素との混合ガスを用いた場合においても、裏ビードの幅が不揃いで、ビードの蛇行、凹凸が生じ、ビードが不安定になる。
【００１８】
プラズマ溶接におけるセンターガスに不活性ガスを用いる点は公知であるが、アウターガスに炭酸ガス０．５〜２ｖｏｌ％と不活性ガス９８〜９９．５ｖｏｌ％との混合ガスを用いる点は知られていない。
ＴＩＧ溶接では、このような混合ガスをシールドガスに用いることが提案されているが、溶接原理が相違し、溶接トーチの構造も異なるので、作用効果も相違するものである。
【００１９】
ＴＩＧ溶接において、シールドガスとしてアルゴンに０．５ｖｏｌ％以下の炭酸ガスを混合した混合ガスを用いることがあるが、この場合の炭酸ガスの機能は、溶融池の対流を内向対流とし、溶け込みを深くするものである。
一方、本発明において、アウターガスとして前記混合ガスを用いる場合の炭酸ガスの機能は十分解明されていないが、溶融池の表面張力を低下させ、これにより溶融池全体の溶融金属の粘性が低下し、キーホールがスムースに形成され、裏ビードに良好に影響するのではないかと推察される。
【００２０】
前記センターガスの流量は、溶接条件、被溶接材の種類などによって異なるが、通常０．１〜５リットル／分程度とするのが好ましい。また、アウターガスの流量も溶接条件、被溶接材の種類などによって異なるが、通常５〜２０リットル／分程度とするのが好ましい。
【００２１】
溶接電流には、直流が用いられるが、パルス電流の方が好ましい。パルス電流としては、電流波形が矩形波であって、パルス周波数２０〜１００Ｈｚ、ベース電流３０〜８０Ａ、ピーク電流３０〜２００Ａ、ピーク期間とベース期間との比率（パルス幅）１：０５〜１：５とすることが望ましいが、この範囲に限定されることはない。
ピーク電流を高くすると、発生するプラズマアークの拡がりが絞り込まれ、キーホールが生成しやすくなって、板厚が厚いステンレス鋼材の溶接に好適になる。
【００２２】
溶接速度は、被溶接材の種類、厚さなどのよって好適範囲が異なるが、通常３〜１０ｃｍ／分程度とされる。
溶接姿勢は、下向き、上向き、立向きのいずれでもよい。上向きおよび立向き姿勢ではパルス電流の周波数を低くすると、溶融金属の垂れ防止、裏ビード形成に有利である。
トーチの傾斜角は、０〜３０度程度とすることが望ましい。
【００２３】
溶接トーチのインサートチップ２の先端部の内径は、生成するプラズマアークの拡がりに影響を与えるので重要であり、５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ程度とすることが適切である。
また、被溶接材には、通常のステンレス鋼材が用いられ、キーホールが良好に形成されるので、板厚が厚い、例えば厚さ８〜１２ｍｍまでのものに適用できる。
【００２４】
また、本発明の溶接においては、溶接時に被溶接材の裏側に裏当金を必ずしも当てる必要はない。これは裏ビードが安定して形成されるためのである。このため、配管や容器などの裏当金を当てることのできない被溶接材に対しても良好な溶接を行うことができることになる。
【００２５】
以下、本発明における効果を確認するため、以下の試験例によって特性の確認試験を行った。
（試験例１）
以下の溶接条件にて、ステンレス鋼板の板厚８ｍｍを用いて、ビードオンプレートにてプラズマ溶接を行い裏ビードの安定性を調べた。
【００２６】
＜溶接条件＞
溶接方式：プラズマ溶接（非消耗式電極溶接）
溶接母材：ＳＵＳ３０４・板厚８ｍｍ
溶接方法：プラズマ溶接法（下向姿勢）
電極：２％酸化ランタン入りタングステン  φ４．８ｍｍ
センターノズル母材間距離：３．５ｍｍ
トーチ傾斜角度：前進角２０度
溶接電流：ピーク電流＝１２０Ａ  ベース電流＝５０Ａ
溶接速度：６ｃｍ／ｍｉｎ
パルス幅：５０％
パルス周波数：５０Ｈｚ
ノズル内径：２ｍｍ
裏当金：なし
【００２７】
使用したセンターガスとアウターガスとの組み合わせは、以下の通りである。すべて容積比である。
１）センターガス：１００％Ａｒ    アウターガス：９７〜９９．５％Ａｒと０．５〜３％ＣＯ２との混合ガス
また、比較のため
２）センターガス：１００％Ａｒ    アウターガス：１００％Ａｒ    
３）センターガス：１００％Ａｒ    アウターガス：９９〜９９．５％Ａｒと０．５〜１％Ｏ２との混合ガス
４）センターガス：１００％Ａｒと７％Ｈ２との混合ガス  アウターガス：９３％Ａｒと７％Ｈ２との混合ガス
流量は、すべてセンターガス１．６リットル／分  アウターガス１０リットル／分  とした。
【００２８】
結果を図２に示す。図２には、表ビードと裏ビードとの外観を撮影した写真を示し、その外観から、合否を判断している。
○：合  格：裏ビードの幅が揃っており、蛇行や凹凸がなく安定している。
×：不合格：裏ビードの幅が不揃いであり、蛇行や凹凸があり不安定である。
図２の結果から、アウターガスとして、アルゴン９８〜９９．５％と炭酸ガス０．５〜２％の混合ガスを用いたものが安定した裏ビードの形成ができることがわかる。
【００２９】
(試験例２）
以下の溶接条件にて、ステンレス鋼板の板厚１２ｍｍを用いて、ビードオンプレートにてプラズマ溶接を行い裏ビードの安定性を調べた。その結果、１２ｍｍの板厚のステンレス鋼板でも安定した裏ビードが形成されることが確認された。
【００３０】
＜溶接条件＞
溶接方式：プラズマ溶接（非消耗式電極溶接）
溶接母材：ＳＵＳ３０４・板厚１２ｍｍ
溶接方法：プラズマ溶接法（下向姿勢）
電極：２％酸化ランタン入りタングステン  φ４．８ｍｍ
センターノズル母材間距離：５ｍｍ
トーチ傾斜角度：前進角１０度
溶接電流：ピーク電流＝１５０Ａ  ベース電流＝１００Ａ
溶接速度：６ｃｍ／ｍｉｎ
パルス幅：２０％
パルス周波数：２０Ｈｚ
ノズル内径：２ｍｍ
裏当金：なし
【００３１】
センターガス：１００％Ａｒ
アウターガス：Ａｒ−１％ＣＯ２
センターガス流量：１．７リットル／分
アウターガス流量：１５リットル／分
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明におけるプラズマ溶接用トーチを示す概略構成図である。
【図２】試験例の結果を示す写真である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・タングステン電極、２・・・インサートチップ、３・・・シールドキャップ
【図１】
0005302558.tif 000002
【図２】
0005302558.tif 000003