(57)【要約】【課題】ＴＩＧ溶接において、溶接品質を低下させることなく溶接金属部を深くし、かつ容易に溶接施工が可能であり、しかも溶接効率を高めることができるＴＩＧ溶接方法を提供する。【解決手段】電極２と被溶接物１０との間にアークを発生させることによって、被溶接物１０を溶接する方法であって、不活性ガスからなる第１のシールドガス８を、電極２を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガス９を、第１のシールドガスの周辺側に、被溶接物１０に向けて流し、溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とする。【選択図】図１
2007038303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接する方法であって、
不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、第１のシールドガスの周辺側に、被溶接物に向けて流し、
溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とすることを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項２】
電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接する方法であって、
不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、電極に対し少なくとも溶接進行方向両側方において被溶接物に向けて流し、
溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とすることを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の溶接方法で得られ、表面に形成された酸化膜の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする溶接金属部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼系材料等をＴＩＧ溶接するＴＩＧ溶接方法およびこのＴＩＧ溶接方法で得られた溶接金属部に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭素鋼、ステンレス鋼などの鉄鋼系材料を母材として用いた構造物を溶接する方法としては、ＴＩＧ（Ｔａｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接がある。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（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００３−１９５６１号公報
【０００３】
しかしながら、近年用いられているステンレス鋼などでは、材料中の不純物成分であるＳ（硫黄）成分が少ないことが多いため、ＴＩＧ溶接においては、溶接金属部が幅広かつ浅い溶け込み形状となって、溶接が不十分となりやすい。
溶接金属部を深く形成するためにはパス数を多くする必要があるが、パス数を多くすると、溶接効率が低くなってしまう問題がある。
【０００４】
他の溶接方法としては、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接、プラズマ溶接などがある。ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接、プラズマ溶接は、溶接金属部が深く、かつ効率が高い溶接施工が要求される場合に採用されている。
しかしながら、ＭＡＧ溶接やＭＩＧ溶接では、溶接品質が劣化したり、溶接欠陥が発生し易いなどの問題がある。また、プラズマ溶接では、開先精度その他の施工条件の許容範囲が小さく、現場などで利用しにくいという欠点がある。
【０００５】
そこで、ＴＩＧ溶接の大きな欠点である、溶接金属部の浅さを改善する方法として、アルゴンなどの不活性ガスに水素やヘリウムなどを混合した混合ガスからなるシールドガスを利用する方法が提案されている。また、最近では、活性フラックスを用いた溶接方法（Ａ−ＴＩＧ）も提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、水素を含むシールドガスを用いる方法は、気孔発生や溶接金属の脆化などの問題があるためにオーステナイト系ステンレス鋼以外には利用しにくい。また、ヘリウムの利用はコスト面で不利である。
また、活性フラックスを用いた溶接方法は、溶接前に塗布作業が必要であるため作業性が劣る。また、溶接ビード上に著しいスラグが発生するため、ビード外観が悪いばかりでなく、多層溶接の際にはスラグ除去作業が必要となる。さらに、溶接時に多量のヒュームが発生するため、作業環境の点で好ましくない。
【０００７】
ＭＡＧ溶接などの陽極式アーク溶接法（直流棒プラス）においては、アーク安定性を高めることを目的として、酸化成分として例えば２０％二酸化炭素をアルゴンに混合したシールドガスが利用されるが、酸化性のガスをＴＩＧ溶接用シールドガスとして使用すると、電極が劣化し、長時間の溶接や反復利用ができなくなる。劣化した電極を用いると、溶接品質が安定しないばかりか、溶接欠陥が生ずる可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ＴＩＧ溶接において、溶接品質を低下させることなく溶接金属部を深くし、かつ容易に溶接施工が可能であり、しかも溶接効率を高めることができるＴＩＧ溶接方法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】
【０００９】
本発明者は、鋭意研究の結果、溶接金属部の形状は、溶融池での対流に大きく影響され、溶融池の対流は、溶融池の温度分布によって生じる表面張力分布が大きな因子となることに着目し、この知見に基づいて本発明を完成した。
請求項１にかかる発明は、電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接する方法であって、不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、第１のシールドガスの周辺側に、被溶接物に向けて流し、溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とすることを特徴とするＴＩＧ溶接方法である。
【００１０】
請求項２にかかる発明は、電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、被溶接物を溶接する方法であって、不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を囲むように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、電極に対し少なくとも溶接進行方向両側方において被溶接物に向けて流し、溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とすることを特徴とするＴＩＧ溶接方法である。
請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載の溶接方法で得られ、表面に形成された酸化膜の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする溶接金属部である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にあっては、以下に示す効果を奏する。
（１）不活性ガスからなる第１シールドガスを、電極を囲むように流すことができるため、電極が酸化により劣化するのを防ぎ、溶接品質に優れた溶接構造物を得ることができる。
（２）不活性ガスからなる第１シールドガスを溶融池の中央側領域に供給し、かつ酸化性ガスを含む第２シールドガスを溶融池の周辺側領域に供給することができる。
【００１２】
これによって、溶融池に所定濃度範囲の酸素を供給することができ、かつ溶融池の周辺側領域の酸素濃度を中央側領域の酸素濃度よりも高くすることができる。
このため、溶融池の表面張力を、温度が低くて酸素濃度が高い周辺側領域で小さく、かつ温度が高くて酸素濃度が低い中央側領域で大きくし、溶融池内で内向きの対流を促進し、溶融池を深く形成することができる。
従って、被溶接物の深部に達する溶接金属部を形成することができる。
【００１３】
（３）活性フラックスを用いた従来方法に比べ、スラグが発生しにくく、その除去作業が不要となる。また溶接時にヒュームが発生しにくい。従って、施工を容易にすることができる。
（４）溶接金属部を深く形成することができるため、溶け込み不良の発生や、溶接効率が低くなるのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の溶接方法に用いられるＴＩＧ溶接装置について図面を参照して説明する。
以下に示す各溶接装置は、図示しないが、溶接機、制御装置、ガス供給源、溶接電源を有する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、ＴＩＧ溶接装置の第１の実施形態を示すものである。
ここに示すＴＩＧ溶接装置Ａは、鉄鋼系材料などの母材１０（被溶接物）との間にアーク７を発生させるタングステン電極２と、このタングステン電極２を囲んで設けられた管状のインナーノズル３と、このインナーノズル３を囲んで設けられた管状のアウターノズル４とから構成された多重管構造のトーチ１を備えている。
すなわち、トーチ１は、タングステン電極２の外周側にインナーノズル３が設けられ、その外周側にアウターノズル４が設けられた多重管構造物である。
【００１６】
タングステン電極２は、先端（下端）が、インナーノズル３の先端よりも先端方向（下方）に突出するように形成されている。
インナーノズル３は、タングステン電極２に対し間隔をおいて、タングステン電極２と略同心円状に配置される。
インナーノズル３は、高純度の不活性ガスからなる第１シールドガス８を供給できるようになっている。この第１シールドガス８としては、アルゴン、ヘリウムを例示できる。
【００１７】
アウターノズル４は、インナーノズル３に対し間隔をおいて、インナーノズル３と略同心円状に配置されている。
アウターノズル４は、インナーノズル３との隙間を通して、酸化性ガスを含む第２シールドガス９を供給できるようになっている。第２シールドガス９としては、酸化性ガスを不活性ガスに添加した混合ガスを使用できる。酸化性ガスとしては、酸素（Ｏ２ ）、二酸化炭素（ＣＯ２）を例示できる。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウムを例示できる。
【００１８】
以下、溶接装置Ａを用いて母材１０の溶接を行う方法を説明する。
図１に示すように、タングステン電極２を負極とし、母材１０を正極として、トーチ１と母材１０の間に電圧をかけて放電させ、アーク７を発生させる。トーチ１を図中左方に移動させつつ、アーク７の熱によって母材１０を溶融させて溶融池５を形成し、母材１０の溶接を行う。なお、図中符号６はビードである。
【００１９】
溶接の際には、第１シールドガス８をインナーノズル３内に供給する。第１シールドガス８はタングステン電極２を囲んでインナーノズル３の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。第１シールドガス８は、溶融池５の中央側領域に吹き付けられる。
【００２０】
同時に、酸化性ガスを含む第２シールドガス９を、インナーノズル３とアウターノズル４との隙間に供給する。
第２シールドガス９はアウターノズル４の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。
この際、第２シールドガス９は、第１シールドガス８を囲むように、第１シールドガス８の周辺側を流れ、溶融池５の周辺側領域（中央側領域よりも周辺側に位置する領域）に吹き付けられる。
【００２１】
第２シールドガス９は、酸素、二酸化炭素などの酸化性ガスの濃度を１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍとするのが好適である。酸化性ガスの濃度は、２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍが好ましく、３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍがさらに好ましい。
酸化性ガスを含む第２シールドガス９の使用によって、溶接金属部５ａに酸素を固溶させることできる。第２シールドガス９の酸化性ガスの濃度は、溶接金属部５ａの酸素濃度が７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍとなるよう設定することが好ましい。
【００２２】
これによって、溶接金属部５ａを有する溶接構造物が得られる。
溶接金属部５ａの表面には、酸化膜が形成される。酸化膜の厚みは２０μｍ以下となるように溶接金属部５ａの酸素濃度を決定する。この酸素濃度の決定は、第２シールドガス９中の酸化性ガスの濃度によって定まる。
酸化膜の厚みがこの範囲を越えると、溶接金属部５ａが浅くなりやすい。
【００２３】
溶融金属の表面張力は、固溶（溶解）している硫黄や酸素などの微量成分の濃度、温度などによって変化する。
図２（ａ）は、溶融金属の表面張力と温度との関係の一例を示すもので、ある濃度範囲の硫黄または酸素が溶接金属に固溶した例である。ここに示す例では、温度の上昇に従って表面張力が大きくなる。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、溶融池５の周辺側領域Ｒ２の温度が中央側領域Ｒ１の温度に比べて低くなると、周辺側領域Ｒ２の表面張力が中央側領域Ｒ１の表面張力より小さくなり、溶融池５において内向きの対流が起きる。
また、一定温度であっても、溶融した金属（鉄など）に固溶した酸素濃度が高いほど表面張力が低下する。
【００２５】
この溶接装置Ａを用いた溶接方法では、以下に示す効果を奏する。
（１）不活性ガスからなる第１シールドガス８をタングステン電極２を囲むように流すことができるため、タングステン電極２を第１シールドガス８によって保護し、タングステン電極２が酸化により劣化するのを防ぐことができる。
従って、溶接品質に優れた溶接構造物を得ることができる。
【００２６】
（２）インナーノズル３とアウターノズル４との隙間に第２シールドガス９を供給することによって、第１シールドガス８を溶融池５の中央側領域Ｒ１に供給し、かつ酸化性ガスを含む第２シールドガス９を溶融池５の周辺側領域Ｒ２に供給することができる。
これによって、溶融池５に、所定の濃度範囲の酸素を供給することができ、かつ周辺側領域Ｒ２の酸素濃度を中央側領域Ｒ１の酸素濃度よりも高くすることができる。
【００２７】
このため、溶融池５の表面張力を、温度が低くて酸素濃度が高い周辺側領域Ｒ２で小さく、かつ温度が高くて酸素濃度が低い中央側領域Ｒ１で大きくし、溶融池５内で内向きの対流を促進し、溶融池５を深く形成することができる。
従って、母材１０の深部に達する溶接金属部５ａを形成することができる。
（３）活性フラックスを用いた従来方法に比べ、スラグが発生しにくく、その除去作業が不要となる。また溶接時にヒュームが発生しにくい。従って、施工を容易にすることができる。
（４）溶接金属部５ａを深く形成することができるため、溶け込み不良の発生や、溶接効率が低くなるのを防ぐことができる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図３は、溶接装置の第２の実施形態を示すものである。以下の説明では、図１に示す溶接装置Ａとの共通部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
なお、以下、溶接時にトーチが移動する方向を溶接進行方向ということがある。また、溶接進行方向を前方といい、溶接進行方向に対し逆の方向を後方ということがある。
【００２９】
溶接装置Ｂは、タングステン電極２と、このタングステン電極２を囲んで設けられた管状のセンターノズル１３と、タングステン電極２とセンターノズル１３との間に設けられたサイドノズル１４とから構成されたトーチ１１を備えている。
すなわち、トーチ１１は、タングステン電極２の外周側にセンターノズル１３が設けられ、タングステン電極２とセンターノズル１３との間にサイドノズル１４が設けられた構成を有する。
【００３０】
センターノズル１３は、タングステン電極２に対し間隔をおいて、タングステン電極２と略同心円状に配置される。センターノズル１３は、第１シールドガス８を供給できるようになっている。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、サイドノズル１４は、タングステン電極２の溶接進行方向両側方に１本ずつ設けられている。
サイドノズル１４は、その先端が、センターノズル１３の先端よりも先端方向に突出するように形成するのが好ましい。
サイドノズル１４は、第２シールドガス９を供給できるようになっている。
なお、サイドノズル１４は、少なくともその先端がタングステン電極２の側方であり、ビードに直接第２シールドガスがかからないように設けられていればよい。
【００３２】
図３および図４に示すように、溶接装置Ｂを用いて溶接を行う際には、トーチ１１を移動させつつ、アーク７によって母材１０を溶融させて溶融池１５を形成させ、母材１０の溶接を行う。なお、図中符号１６はビードである。
溶接の際には、第１シールドガス８をセンターノズル１３内に供給する。第１シールドガス８はタングステン電極２を囲んでセンターノズル１３の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。
【００３３】
同時に、第２シールドガス９をサイドノズル１４に供給する。第２シールドガス９はサイドノズル１４の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。
第２シールドガス９は、第１シールドガス８の周辺側を流れ、溶融池１５の周辺側領域のうち側方部分に吹き付けられる。このため、トーチ１１の移動速度が高い場合でも第２シールドガス９が中央側領域に供給されることはない。
これによって、溶接金属部１５ａを有する溶接構造物が得られる。
【００３４】
この溶接装置Ｂによる溶接方法にあっても、図１に示す溶接装置Ａと同様に、タングステン電極２が酸化により劣化するのを防ぎ、溶接品質に優れた溶接構造物を得ることができる。
【００３５】
また、酸化性ガスを含む第２シールドガス９を溶融池１５の周辺側領域に供給することができるため、溶融池１５内で内向きの対流を促進し、溶融池１５を深く形成することができる。従って、母材１０の深部に達する溶接金属部１５ａを形成することができる。
さらには、施工を容易にするとともに、溶接効率を高くすることができる。
【００３６】
図５は、溶接装置の第３の実施形態を示すもので、ここに示す溶接装置Ｂ’は、タングステン電極２とセンターノズル１３との間に、タングステン電極２の前後にも、それぞれ第２シールドガス９を供給するサイドノズル１４ａ、１４ａが設けられている点で、図３に示す溶接装置Ｂと異なる。
【００３７】
図６は、溶接装置の第４の実施形態を示すもので、ここに示す溶接装置Ｃは、サイドノズル２４がセンターノズル２３の外部に設けられている点で図３に示す溶接装置Ｂと異なる。
すなわち、溶接装置Ｃは、タングステン電極２と、このタングステン電極２を囲んで設けられた管状のセンターノズル２３と、センターノズル２３の外部に設けられたサイドノズル２４とから構成されたトーチ２１を備えている。
【００３８】
サイドノズル２４は、タングステン電極２の溶接進行方向両側方に１本ずつ設けられている。
サイドノズル２４は、その先端が、センターノズル２３の先端よりも先端方向に突出するように形成するのが好ましい。
サイドノズル２４は、第２シールドガス９を供給できるようになっている。
【００３９】
なお、サイドノズル２４は、少なくともその先端がタングステン電極２の側方であり、ビードに直接第２シールドガスがかからないように設けられていればよい。また、溶接進行方向は、被溶接部の配置により変わる。例えば溶接進行方向が９０度変わっても、常にサイドノズル２４はタングステン電極２の側方に位置することになる。
【００４０】
図７に示すように、溶接装置Ｃを用いて溶接を行う際には、アーク７によって母材１０を溶融させて溶融池２５を形成させ、母材１０の溶接を行う。なお、図中符号２６はビードである。
溶接の際には、第１シールドガス８をセンターノズル２３内に供給する。第１シールドガス８はタングステン電極２を囲んでセンターノズル２３の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。
【００４１】
同時に、第２シールドガス９をサイドノズル２４に供給する。第２シールドガス９はサイドノズル２４の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。
第２シールドガス９は、溶融池２５の周辺側領域のうち側方部分に吹き付けられる。これによって、溶接金属部２５ａを有する溶接構造物が得られる。
【００４２】
この溶接装置Ｃによる溶接方法でも、図１に示す溶接装置Ａと同様に、タングステン電極２が酸化により劣化するのを防ぎ、溶接品質に優れた溶接構造物を得ることができる。
また、第２シールドガス９を溶融池２５の周辺側領域に供給することができるため、溶融池２５内において内向きの対流を促進することができ、溶融池２５を深く形成することができる。
【００４３】
従って、母材１０の深部に達する溶接金属部２５ａを形成することができる。
さらには、施工を容易にするとともに、溶接効率を高くすることができる。
また、サイドノズル２４がセンターノズル２３の外部に設けられているので、第２シールドガス９を確実に第１シールドガス８の周辺側に供給することができる。
【００４４】
図８は、溶接装置の第５の実施形態を示すもので、ここに示す溶接装置Ｃ’は、センターノズル２３の外部において、タングステン電極２の前後にも、それぞれ第２シールドガス９を供給するサイドノズル２４ａ、２４ａが設けられている点で、図６に示す溶接装置Ｃと異なる。
【００４５】
なお、上記溶接装置Ｂ，Ｂ’，Ｃ，Ｃ’において、サイドノズル１４、２４は、厳密にタングステン電極２の側方に位置する必要はなく、その位置が前後方向にずれていてもよい。
【００４６】
以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、低硫黄濃度のステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を母材１０として用いた。このステンレス鋼の成分を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2007038303.tif 000003
【００４８】
（試験１）
図１に示す溶接装置Ａを用いて、次に示す溶接試験を行った。
不活性ガスであるアルゴンに、酸化性ガスである酸素（Ｏ２）を添加した混合ガスを第２シールドガス９として母材１０に溶接を行い、溶接金属部５ａの断面を観察した。第１シールドガス８としてはアルゴンを用いた。
【００４９】
この溶接試験において、第２シールドガス９の酸素濃度は１０００〜９０００ｖｏｌ．ｐｐｍの範囲とし、第２シールドガス９の流量は１０Ｌ／分または２０Ｌ／分とした。
図９および図１０に、各試験により得られた溶接金属部５ａの断面図を示す。  図９は溶接金属部５ａの写真であり、図１０は図９に示す写真に基づいて作成された模式図である。
比較のため、第２シールドガス９に純アルゴンガスを用いた場合の試験結果も併せて示す。その他の溶接条件を表２に示す。
【００５０】
【表２】
2007038303.tif 000004
【００５１】
図９および図１０に示すように、第２シールドガス９に純アルゴンガス（酸素濃度０ｖｏｌ．ｐｐｍ）を用いた場合に比べ、酸素を含む第２シールドガス９を用いた場合には、溶接金属部５ａを深く形成することができたことがわかる。
また、第２シールドガス９の酸素濃度が１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（特に２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、さらには３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）の範囲において、溶接金属部５ａが深く形成されていることがわかる。
酸素濃度が１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下である場合には、溶け込みが浅く、しかも溶接金属部５ａの底部が平坦になる傾向が見られた。
【００５２】
また、酸素濃度が７０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以上である場合には、溶接金属部５ａの底部は平坦でなく丸みを帯びているが、酸素濃度が１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下である場合と同様に、溶け込みは浅くなった。
第２シールドガス９の酸素濃度が溶接金属部５ａの形状に及ぼす影響については、次の推測が可能である。
【００５３】
酸素濃度が低い場合（１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下）と高い場合（７０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以上）との溶接金属部５ａの形状が異なることは、溶け込みが浅くなることの原因が、酸素濃度が高い場合と低い場合とで異なることを示すものである。
【００５４】
すなわち、酸素濃度が低い場合には、高温の中央側領域で表面張力が小さくなり、溶融池に外向きの対流が生じるため、溶接金属部５ａの底部が平坦になる。
一方、酸素濃度が高い場合には、表面張力が中央側領域で大きくなり、内向きの対流が生じるため、中央部分が比較的深い、すなわち底部が丸みを帯びた溶接金属部５ａが形成される。しかし、表面の酸化膜が厚くなって対流が阻害されるため、溶け込みはそれほど深くならない。
【００５５】
このように、酸素濃度は、高いほど内向きの対流が促進されて溶け込みが深くなる傾向があるが、高すぎる場合には溶け込みが深くなりにくくなる。このため、酸素濃度が上記範囲にある場合に溶接金属部５ａを深く形成することができる。
【００５６】
図１１は、第２シールドガス９の酸素濃度と溶接金属部５ａの寸法との関係を示すグラフである。図１１（ａ）は第２シールドガス９の流量を１０Ｌ／分とした場合を示し、図１１（ｂ）は第２シールドガス９の流量を２０Ｌ／分とした場合を示す。
【００５７】
この図より、第２シールドガス９の酸素濃度を１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下または７０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以上とした場合に比べ、第２シールドガス９の酸素濃度を１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（特に２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、好ましくは３０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、さらに好ましくは３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）とした場合には、ビード６の幅が狭く、かつ溶接金属部５ａが深く形成されたことがわかる。
【００５８】
図１２は、第２シールドガス９の酸素濃度と溶接金属部５ａの寸法比との関係を示すグラフである。図１２には、第２シールドガス９の酸素濃度と溶接金属部５ａの酸素濃度との関係を併せて示す。
図１２（ａ）は第２シールドガス９の流量を１０Ｌ／分とした場合を示し、図１２（ｂ）は第２シールドガス９の流量を２０Ｌ／分とした場合を示す。寸法比とは、溶接金属部５ａの深さ（Ｄ）／幅（Ｗ）を意味する。
【００５９】
この図より、純アルゴンガスを用いた場合に比べ、酸素を含む第２シールドガス９を用いた場合には、溶接金属部５ａの寸法比を大きくすることができたことがわかる。
特に、第２シールドガス９の酸素濃度が１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（特に２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、好ましくは３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）の範囲である場合には、溶接金属部５ａの寸法比を大きくすることができたことがわかる。
【００６０】
図１２に示すように、溶接金属部５ａの酸素濃度は、第２シールドガス９の酸素濃度を高めるに従って高くなり、第２シールドガス９の酸素濃度が約５０００ｖｏｌ．ｐｐｍのときに約２００ｗｔ．ｐｐｍに達し、約６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以上の範囲でほぼ一定値（約２２０ｗｔ．ｐｐｍ）となった。
溶接金属部５ａの酸素濃度が７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍ（特に７０〜２００ｗｔ．ｐｐｍ）である範囲では、溶接金属部５ａの寸法比は高い値を示したが、溶接金属部５ａの酸素濃度がこの範囲を超える場合には、溶接金属部５ａが浅くなった。これは、溶接ビード表面に生ずる酸化膜の厚さが過大となるためであると考えられる。
【００６１】
（試験２）
二酸化炭素（ＣＯ２）とアルゴンとの混合ガスを第２シールドガス９として母材１０を溶接する試験を行い、溶接金属部５ａの断面を観察した。第２シールドガス９の流量は１０Ｌ／分とした。その他の試験条件は試験１に準じた。
図１３および図１４は、溶接金属部５ａの断面図を示すものである。図１３は溶接金属部５ａの写真であり、図１４は図１３に示す写真に基づいて作成された模式図である。
【００６２】
これらの図に示すように、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度が１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（特に２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、さらには３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）の範囲において、溶接金属部５ａが深く形成された。
【００６３】
図１５は、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度と溶接金属部５ａの寸法との関係を示すグラフである。この図に示すように、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度を１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（好ましくは２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、さらに好ましくは３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）とした場合には、溶接金属部５ａは、幅が狭く、かつ深く形成された。
【００６４】
図１６は、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度と溶接金属部５ａの寸法比との関係を示すグラフである。
この図には、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度と溶接金属部５ａの酸素濃度との関係を併せて示す。
【００６５】
この図に示すように、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度が１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ（好ましくは２０００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ、さらに好ましくは３０００〜５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）である場合には、溶接金属部５ａの寸法比を大きくすることができた。
【００６６】
また、溶接金属部５ａの酸素濃度が７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍ（特に７０〜２００ｗｔ．ｐｐｍ）である範囲では、溶接金属部５ａの寸法比は高い値を示したが、溶接金属部５ａの酸素濃度がこの範囲を超える場合には、溶接金属部５ａが浅くなった。
【００６７】
（試験３）
溶接金属部５ａの酸素濃度が、溶接金属部５ａの形状に及ぼす影響を確認するため、次の試験を行った。
ＳＵＳ３０４からなる母材１０上に、酸化物（Ｃｕ２Ｏ、ＮｉＯ、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２のうちいずれか）を厚さ０．１ｍｍとなるよう塗布した。
この酸化物塗布部分に対して、第２シールドガスとしてアルゴンガスを用いてビードオン溶接を行い、溶接金属部５ａの断面を観察した。
第２シールドガスの流量は１０Ｌ／分とした。その他の試験条件は試験１に準じた。
【００６８】
図１７は、溶接金属部５ａの酸素濃度と、寸法比（深さ／幅）との関係を示すグラフである。
この図より、酸化物の種類にかかわらず、溶接金属部５ａの酸素濃度を７０ｗｔ．ｐｐｍ以上とすることによって、溶接金属部５ａの寸法比が大きくなる、すなわち溶接金属部５ａが深く形成される傾向があることがわかる。
【００６９】
図１８は、第２シールドガス９の酸化性ガス（酸素または二酸化炭素）濃度と、溶接金属部の酸素濃度との関係を示すグラフである。
この図に示すように、溶接金属部５ａの酸素濃度は、第２シールドガス９の酸化性ガス濃度を高めるに従って高くなり、酸化性ガス濃度が約６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以上の範囲でほぼ一定値（約２２０ｗｔ．ｐｐｍ）となった。
【００７０】
図１２、図１６および図１７に示す結果より、溶接金属部５ａ中の酸素濃度が７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍとなるように第２シールドガス９の組成を設定すると、好ましい形状の溶接金属部５ａが得られると判断できる。
【００７１】
図１８より、溶接金属部５ａの酸素濃度７０ｗｔ．ｐｐｍは、第２シールドガス９の酸化性ガスの濃度１６００ｖｏｌ．ｐｐｍに相当することがわかる。
従って、溶接金属部５ａの酸素濃度を好適な範囲である７０〜２２０ｗｔ．ｐｐｍとするには、第２シールドガス９の酸化性ガスの濃度を１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍとするのが好適である。
【００７２】
（試験４）
第２シールドガス９として、酸素とアルゴンとの混合ガス、または二酸化炭素とアルゴンとの混合ガスを用い、試験１に準じて溶接試験を行った。
図１９は、酸素とアルゴンとの混合ガスを第２シールドガス９として用いた場合において、第２シールドガス９の酸素濃度と、溶接金属部５ａの表面に形成された酸化膜の厚みとの関係を示すグラフである。第２シールドガス９の流量は１０Ｌ／分または２０Ｌ／分とした。
【００７３】
図２０は、二酸化炭素とアルゴンとの混合ガスを第２シールドガス９として用いた場合において、第２シールドガス９の二酸化炭素濃度と、溶接金属部５ａの表面の酸化膜の厚みとの関係を示すグラフである。第２シールドガス９の流量は１０Ｌ／分とした。
図１９および図２０に示すように、酸化膜は、酸化性ガスの濃度が６０００ｖｏｌ．ｐｐｍを越えると厚くなり、溶融池５における対流を阻害するため、溶接金属部５ａが深くなりにくくなる。また耐食性が劣化し、外観も悪くなる。
【００７４】
このため、酸化性ガスの濃度は、６０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下であることが好ましく、５０００ｖｏｌ．ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。
酸化性ガスの濃度６０００ｖｏｌ．ｐｐｍは酸化膜の厚み２０μｍに相当することから、酸化膜は厚みは２０μｍ以下とするのが好ましいと判断される。
【００７５】
（試験５）
図６に示す溶接装置Ｃを用い、二酸化炭素とアルゴンとの混合ガスを第２シールドガス９として用いて、トーチを移動させずに溶接試験を行った（溶接速度０ｍｍ／秒）。溶接時間は６０秒とした。第２シールドガス９の二酸化炭素濃度は５０００ｖｏｌ．ｐｐｍとし、第２シールドガス９の流量は１５Ｌ／分とした。その他の試験条件は試験１に準じた。
【００７６】
図２１は、試験終了後の電極２の外観を示すものである。
比較のため、センターノズル２３から供給される第１シールドガス８に代えて、上記二酸化炭素とアルゴンとの混合ガス（第２シールドガス９）を用いて溶接試験を行った。
図２２は、試験終了後の電極２の外観を示すものである。
【００７７】
図２１および図２２より、二酸化炭素とアルゴンとの混合ガスを用いた場合には電極２が劣化したが、第１シールドガス８としてアルゴンを用いた場合には、電極２の劣化がほとんど見られなかったことがわかる。
【００７８】
酸素／アルゴン混合ガスを第２シールドガス９として用いる場合には、例えば溶接電流１６０Ａ、溶接速度２ｍｍ／秒の条件で、酸素濃度を１６００〜６０００ｖｏｌ．ｐｐｍとすることで、溶接金属部５ａの形状が改善され、より効率が高い溶接が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の溶接装置の第１の実施の形態の要部を示す概略構造図である。
【図２】（ａ）溶融池における温度と表面張力との関係を示す図、（ｂ）溶融池の状態を示す模式図である。
【図３】本発明の溶接装置の第２の実施の形態の要部を示す概略構造図であり、（ａ）は一部を断面状態とした正面図であり、（ｂ）は横断面図である。
【図４】図３に示す溶接装置によって得られた被溶接物の平面図である。
【図５】本発明の溶接装置の第３の実施の形態の要部を示す概略構造図であり、（ａ）は一部を断面状態とした正面図であり、（ｂ）は横断面図である。
【図６】本発明の溶接装置の第４の実施の形態の要部を示す概略構造図であり、（ａ）は一部を断面状態とした正面図であり、（ｂ）は横断面図である。
【図７】図６に示す溶接装置によって得られた被溶接物の平面図である。
【図８】本発明の溶接装置の第５の実施の形態の要部を示す概略構造図であり、（ａ）は一部を断面状態とした正面図であり、（ｂ）は横断面図である。
【図９】溶接金属部の断面を示す写真である。
【図１０】図９に示す溶接金属部の断面を示す模式図である。
【図１１】試験の結果を示すグラフである。
【図１２】試験の結果を示すグラフである。
【図１３】溶接金属部の断面を示す写真である。
【図１４】図１３に示す溶接金属部の断面を示す模式図である。
【図１５】試験の結果を示すグラフである。
【図１６】試験の結果を示すグラフである。
【図１７】試験の結果を示すグラフである。
【図１８】試験の結果を示すグラフである。
【図１９】試験の結果を示すグラフである。
【図２０】試験の結果を示すグラフである。
【図２１】試験終了後の電極を示す写真である。
【図２２】試験終了後の電極を示す写真である。
【符号の説明】
【００８０】
Ａ、Ｂ、Ｂ’、Ｃ、Ｃ’・・・溶接装置、１、１１、２１・・・トーチ、２・・・タングステン電極、３・・・インナーノズル、４・・・アウターノズル、５、１５、２５・・・溶融池、７・・・アーク、８・・・第１のシールドガス、９・・・第２のシールドガス、１０・・・母材（被溶接物）、１３、２３・・・センターノズル、１４、１４ａ、２４、２４ａ・・・サイドノズル
【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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【図２２】
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