(57)【要約】【課題】従来、ステライトの肉盛りをＴＩＧ溶接でやる場合、酸素アセチレンガス溶接に比べて母材側の溶け込みが最大１５±５％と大きいため母材金属の希釈を受ける１層の肉盛りでは指定硬度が出ず２〜３層肉盛りとなる。又、ガス溶接のように浸炭現象がないため硬度は低くなる。そのため、ＴＩＧ溶接では予熱温度を低く硬度を出すために多層肉盛りにする必要があり割れ防止のためＳＵＳ系金属の下盛りを必要とした。【解決手段】ＴＩＧ溶接において、シールドガスの配合比をＣＯ２：５０〜８０％、Ａｒ＋Ｈｅ：２０〜５０％とすることで炭素消耗を防ぎガス溶接の浸炭と同じ作用効果を発揮させる。又、液体フラックスを母材や溶接棒に塗布し、気化フラックスを吹き付けながら溶接することで溶融金属の表面張力除去、酸化防止を図り、母材の溶け込み率を５％以内に抑え母材金属による肉盛り金属の希釈を防止することにより第１層目で所定の硬度がでるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化肉盛り材をＴＩＧ溶接する方法において、シールドガスはＣＯ２を５０〜８０ｖ％含有し、残りはＡｒ又はＨｅ又はＮ２又はこれらを混合したガスを２０〜５０ｖ％含有した混合シールドガスであり、該混合シールドガスは混合器で混合された後、前記混合シールドガスを気化装置に充填した液体フラックスに吹き込んで、該液体フラックスを気化せしめて気体フラックスとし、該気体フラックスと前記混合シールドガスが混合した気化フラックスを生成し、該気化フラックスをトーチに導いて溶接面に吹き付けながら溶接するとともに、前記溶接面と溶接棒に前記液体フラックスを塗布して溶接することを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項２】
前記トーチ先端の円筒にネオジ磁石を配設するとともに、前記円筒に前記気化フラックスに旋回力を付与するためのひねり羽根を配設していることを特徴とする請求項１記載のＴＩＧ溶接方法。
【請求項３】
前記混合器は前記ＣＯ２の供給口と前記混合シールドガスの排出口及びベンチュリー部を設けた短管からなり、該短管は複数のガス管と連通し、該ガス管にＡｒやＨｅやＮ２を供給して前記ＣＯ２と混合して前記混合シールドガスを生成し、前記短管の出口には混合室を設け、該混合室にはネオジ磁石を配設し、該混合室の出側には前記混合シールドガスに回転を与えるため、フランジに斜めノズル孔を設け、前記排出口にはネオジ磁石を配設していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＴＩＧ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＴＩＧ溶接による硬度低降を防止しかつ溶接作業効率をアップする方法に関するものである。炭酸ガスを含むシールドガスを液体フラックスに吹き込んで気化せしめて気化フラックスを生成し、この気化フラックスを溶接面に吹き付けながら溶接することにより溶融金属の表面張力を除去し酸化防止を図り欠陥のない肉盛りを可能にする。また、ＴＩＧ溶接中に失われる炭素を炭酸ガスから供給し浸炭することで、炭素不足による硬度低降を防止する溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールドガス溶接法としてＣＯ２ガスアーク溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＰＴＡ溶接法（紛体肉盛り溶接法）などがある。これらは大気中の酸素遮断による溶接部の酸化防止とアーク電圧保持が主体の電導体シールドガスとして使われている。例えば、ＭＡＧ溶接ではシールドガス（ＣＯ２＋Ａｒ＋Ｏ２＋Ｈｅ）の分子が原子に解離する際に解離熱を吸収しアーク電圧を３０％近くアップ（熱的ピンチ効果→アーク収縮効果）させるので溶接棒の高能率化が図れる。熱的ピンチ効果とは、アーク中の２原子分子が原子に解離するときに熱を奪うこと、また、アークを覆っているシールドガスによりアークが強制的に冷やされることにより、寒いときに身を縮めるのと同様にアークも熱損失を抑制するためその断面積を収縮しようとする現象である。アーク電圧により窒素や酸素分子は分子解離熱を吸収し原子に分離するがその化学式は例えば、Ｎ２→Ｎ＋Ｎ、Ｏ２→Ｏ＋Ｏとなる。溶接母材近辺で原子が再び分子となる際に解離熱を放出するためアーク電圧を上昇させる効果がある。ＭＡＧ溶接はあまりにも輻射熱が大きく溶接作業者が耐えられないため手動溶接には適さない。主としてロボット自動化による肉盛り溶接法などに使われている。
【０００３】
ＴＩＧ溶接のシールドガスは、アルミニウム合金や銅合金に対してはＡｒ、Ｈｅ、Ａｒ＋Ｈｅである。ステンレスに対してはＡｒ、Ｈｅ、Ａｒ＋Ｈｅである。オーステナイト系ステンレスではＡｒ＋Ｏ２を使用する。炭素鋼や高張力鋼に対してはＡｒ、Ｈｅ、Ａｒ＋Ｏ２、Ａｒ＋Ｈｅである。Ａｒガスは磁気風のアタック性による溶接母材表面の酸化膜を浮かせる働きと比重が重いことから大気風の流れが強いことによる溶接面のシールド性が大きい特長がありＴＩＧ溶接の基本シールドガスとして使用されている。このようにＴＩＧ溶接はＡｒガスを基本にして溶接材の種類に応じてＨｅ、Ｈ２などを混合して使用するがＣＯ２は使用しない溶接方法である。
【０００４】
従来のＴＩＧ溶接の硬化肉盛りではシールドガスはＡｒ、Ｈｅが主であり、ＣＯ２を使用しないためシールドガスによる浸炭効果はない。逆にＴＩＧ溶接でＣＯ２を使用すると、ＣＯ２→ＣＯ＋Ｏ、ＣＯ→Ｃ＋Ｏとなり、溶接棒や母材の炭素を燃焼させてしまうので肉盛り部分の炭素が減少し硬度が落ちてしまう問題がある。しかしながら、ＴＩＧ溶接のシールドガスにＣＯ２を使用できれば、ＣＯ２（炭酸ガス）による浸炭効果で硬度アップするとともに分子解離熱によるアーク電圧上昇効果が期待できるので溶接速度が向上する利点がある。さらに作業性においても、ＴＩＧ溶接によるステライト肉盛りは肉盛り母材を５００±１００℃に予熱し、片手はＴＩＧ溶接トーチを持ち、片手はステライト棒を溶解するために左手で連続的に送り出す作業であり、予熱バーナーの輻射熱による熱疲労の激しい溶接である。その上、足でポジショナーの入り切りをしながら、神経を集中して巣、ピンホールができないように肉盛りするが、巣、ピンホールが発生した場合はその位置を正確に記憶して２層目の溶接時に浮かして消さなければならない。まさに全身を使う溶接である。本発明はこの悪環境を少しでも改善するために生まれた溶接方法である。
【０００５】
ＴＩＧ溶接で硬化肉盛りする場合、第１層目は母材の溶け込み量が多くなり母材成分による希釈を受けるので所定の硬度が出にくいため２〜３層の肉盛りが必要である。ガス溶接では火炎による浸炭効果があり第１層目から所定の硬度を出せることから本来ステライト肉盛りはガス溶接で行うのが普通である。ステライトのガス溶接による肉盛りでは巣、ピンホールなどの欠陥を極端に嫌うためフラックスを使わない。超微粒子のフラックスがないため未反応のフラックスが欠陥の原因となるためである。従来のフラックスは各種無機化合物、例えばホウ酸（Ｈ３ＢＯ３、１８０〜８００℃）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７・１０Ｈ２Ｏ、７４１〜１５７５℃）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ、８７０〜６７６℃）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，５７７〜１５００℃）などの電解質を２〜４種類混合して、水をバインダーとして撹拌し化学反応を完了させて再結晶化させたものを粉砕して使う再結晶フラックスが主である。水をバインダーとする方法では再結晶フラックスの生成はごく一部分であり、水を溶媒として電解質を撹拌しても電解質は完全に溶解しないまま固形分として残る部分が多い。この再結晶フラックスと残存電解質を乾燥させて粉砕したものをペースト状にしてフラックスとして使用しているのである。このようなペースト状フラックスは粉砕粒度が大きい。ステライト溶接する場合、溶接温度は平均で１２６０℃なので温度酸化の始まる２００〜１５００℃間をフラックスで被覆し肉盛り面を無酸化としかつ表面張力を除去しなければならないが、ペースト状フラックス粒度が大きいためフラックス自体の未反応が確実に残る。さらにペースト状フラックスの各成分はそれぞれの溶解温度に達したとき単独溶解し膨張するので、予熱バーナー炎にて予熱される際に３００〜５００℃間で飛び散ってしまう。このためペースト状フラックスは溶接面にガラス状に張り付かずフラックス本来の役目を果たすことができないので局部的な巣、ピンホールの浮かしの際に使われる程度である。このようなことから、ステライトをガス溶接する場合は未反応のフラックスを溶着部に巻き込んでしまう危険性が大きいためフラックスを使わないのであるがフラックスを使う試みは各種提案されている。
【０００６】
特開２０１０−００５６９６号広報「鋼用タングステンイナートガスアーク溶接用活性フラックス」において二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と、メタケイ酸鉄（Ｆｅ２ＳｉＯ４）、オルトチタン酸鉄（Ｆｅ２ＴｉＯ４）、メタチタン酸鉄（ＦｅＴｉＯ３）、ディチタン酸鉄（ＦｅＴｉ２Ｏ５）を含む鋼用タングステンイナートガスアーク溶接（ＴＩＧ溶接）用活性フラックスが示されている。該フラックスはフラックス粉末とエチルアルコールのような有機揮発溶液が含まれる懸濁液状で、溶接前に溶接接合部に塗られるが、（１）フラックスが溶液に溶解しているのではないため均一な反応ができずフラックスとしての機能を十分に果たすことができない、（２）未反応フラックスを巻き込んで溶接欠陥になる問題がある。
【０００７】
特開２０１１−１７７７６９号広報「ＴＩＧ溶接方法」において、板厚３mm以上の板厚の溶接対象を固定して周囲を溶接する全姿勢溶接において、開先を取らず突合わせ状態で溶接対象の両端を突合わせ、溶接前に突合わせ外周部にＴＩＧ溶接用深溶け込み活性剤を塗布するＴＩＧ溶接方法が示されている。該溶け込み活性剤は特開２０１０−００５６９６号広報の活性剤の応用でありフラックスとしての均一な反応は困難であり、フラックス自体を巻き込んで欠陥を生じる恐れがある。
【０００８】
特開２００４−２８３８５８号広報「溶け込み特性にすぐれたＴＩＧ溶接用ワイヤ」では、ＴＩＧ溶接ワイヤ表面に酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化ケイ素及び酸化鉄のうちの１種又は２種以上からなる皮膜を液相析出法で被覆したＴＩＧ溶接ワイヤが開示されている。該フラックスは固形フラックスでありそれぞれの化合物が単独に作用することから均一な反応ができないのでフラックスとしての機能を発揮できない問題がある。
【０００９】
本発明者は、特願２０１１−２４６１５１号広報「半自動アーク溶接法」においてＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接、炭酸ガス溶接においてシールドガスに気化フラックスを混合して溶接する方法を発明した。ステライト肉盛りではまず母材を汗かき状態にする必要があるため溶接金属自体でアークを発生させる溶接方法では困難である。そのためステライトの肉盛り溶接はガス溶接もしくはＴＩＧ溶接に限定される。
【００１０】
ステライトの肉盛りは、ガス溶接、自動ＴＩＧ溶接、紛体プラズマ肉盛りなどの方法が使用されているが、高温高圧バルブの弁棒及びバルブシートなどの肉盛りはガス溶接が有利である。特に深い所に位置するバルブシート部などは目で見えないところをガス溶接で長年の勘を頼りに肉盛る作業となっている。水冷式の吹管バーナーを使用するがこのようなバルブシートの肉盛り作業者は極めて不足しており非常に経験を要する技術である。現在ではバルブシート近くを輪切りにしてバルブシートの肉盛りをし、それから中仕上げにて巣、ピンホールのないことを確認し、輪切りバルブシートを溶接で繋いだ後に６５０±５０℃の応力焼鈍し最終仕上げをしている。従来のＴＩＧ溶接では少なくともステライト棒を３層肉盛りしないと所定の硬度が出ないためこのような複雑な作業工程を繰り返さなければならない問題がある。もしＴＩＧ溶接においても、ガス溶接と同じように第１層で所要の硬度を出すことができれば工程の削減につながり大きなコスト削減が可能である。
【００１１】
本発明者は、特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスを溶接部分に塗布して溶接する溶接方法や前記液体フラックスを気化せしめた気化フラックスをシールドガスや複数のシールドガスを混合した混合シールドガスと混合して生成した複合シールドガスを溶接部分に吹き付けながら溶接する方法を発明した。特願２０１０−２００４９４号広報「蝋付け用フラックス及び蝋付け法」で、前記液体フラックスを気化装置に充填し、プロパン（Ｃ３Ｈ６）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの燃焼ガスを吹き込んで気化せしめて前記気化フラックスとして、蝋付け炉のバーナーに導き、前記蝋付け炉を加熱しながら前記気化フラックスを吹き込んで蝋付けする蝋付け方法を発明した。特願２０１０−２０６２７１号広報「フィンチューブの製造方法」で、フィンとチューブを高周波抵抗溶接してフィンチューブを製造する方法において、気化装置に前記液体フラックスを充填し、前記気化装置に気体を吹き込んで前記液体フラックスを気化せしめて生成した気化フラックスを溶接部に吹き付けながら前記フィンと前記チューブを溶接するフィンチューブ製造方法を発明した。特開昭６３−１２３５７号広報「ガスシールドアーク溶接法」でシールドガスとして帯電ガスを用いた溶接方法を発明した。この発明をさらに発展させた溶接方法が特開２０１１−０９８３６７号広報「溶接肉盛り用フラックスと溶接肉盛法」で、液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスを溶接母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定した後に、該固形フラックスの上から前記肉盛り母材に溶接する方法や帯電シールドガス中で溶接する方法を発明した。
【００１２】
本発明者は、特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」で、ロウ付けなどに使用するフラックスを適宜混合して前処理した混合フラックスを、アルコールやアセトンなどの溶媒に８〜２５重量％混合して、超臨界装置内において温度３００〜４００℃、圧力３４．３〜４４．１ＭＰａで溶解し液体フラックスとし、該液体フラックスに気体を吹き込んで気化させるガス切断用気化フラックスを発明した。特開２００９−２９７７８２号広報「液体フラックスの製造方法及びその装置」で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内、少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒中で磁場をかけるとともに、該溶媒を攪拌しながら溶解する液体フラックスの製造方法を発明した。特開２０１０−１００４４１号広報「液体フラックスの製造方法と製造装置及び液体フラックス」で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｚｎなどの原子の内、少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールなどの溶媒を入れた容器中で、磁場をかけるとともに該溶媒を回転しながら溶解する液体フラックスの製造方法において、溶媒中に電極を挿入し電圧を付加するとともにパルス電圧を付加する液体フラックス製造方法を発明した。特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」で、ロウ付け及びガス切断などに使用するフラックスをアルコールやアセトンあるいはこれらを混合した液体に溶解した液体フラックス中に、アセチレンやプロパンなどの燃焼ガスを吹き込んで、前記液体フラックスを気化せしめて、気化フラックスを生成する液体フラックス気化装置において、周りに複数の回転筒用ネオジ磁石が配設してある回転筒を設け、該回転筒を毎分６０〜２００回、回転させながら前記気化フラックスを通過せしめて、該気化フラックスを取り出す液体フラックス気化装置を発明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献０１】特開２０１０−００５６９６号広報「鋼用タングステンイナートガスアーク溶接用活性フラックス」
【特許文献０２】特開２０１１−１７７７６９号広報「ＴＩＧ溶接方法」
【特許文献０３】特開２００４−２８３８５８号広報「溶け込み特性にすぐれたＴＩＧ溶接用ワイヤ」
【特許文献０４】特願２０１１−２４６１５１号広報「半自動アーク溶接法」
【特許文献０５】特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」
【特許文献０６】特願２０１０−２００４９４号広報「蝋付け用フラックス及び蝋付け法」
【特許文献０７】特願２０１０−２０６２７１号広報「フィンチューブの製造方法」
【特許文献０８】特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」
【特許文献０９】特開２０１０−１００４４１号広報「液体フラックスの製造方法と製造装置及び液体フラックス」
【特許文献１０】特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」
【特許文献１１】特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」
【特許文献１２】特開２０１０−２６９３７０号広報「厚板材の切断方法」
【特許文献１３】特開２０１０−１００４４１号広報「液体フラックスの製造方法とその装置」
【特許文献１４】特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」
【特許文献１５】特開６３−１２３５７号広報「ガスシールドアーク溶接法」
【特許文献１６】特開２０１１−０９８３６７号広報「溶接肉盛り用フラックスと溶接肉盛り方法」
【特許文献１７】特願２０１０−１６５５６５号広報「液体フラックス」
【特許文献１８】特開２００９−１５６５１８号広報「金属体用の溶断ノズル」
【特許文献１９】特開２００９−２９７７８２号広報「液体フラックスの製造方法及びその装置」
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献０１】高温の科学、日刊工業新聞社
【非特許文献０２】高温工学、日刊工業新聞社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＣＯ２溶接法、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接においては、イナートガス中の分子ガス（ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２）が原子に解離する際の解離分解熱にてアーク電圧が上昇することを利用しておりいずれの溶接法も高能率化が図れる。ＴＩＧ溶接は高能率化よりも高品質を要求する所に利用されるが、ロボット化などの自動化が容易であることから高能率と高品質の両方を満足できる。ＴＩＧ溶接を自動化する場合の問題点は以下である。（１）溶接面、母材形状、溶接バーナー、溶接棒自動供給形状にて凹凸周囲に沿って磁気吹きが発生する。（２）アーク近辺に強磁性体があるとアーク柱は強磁性体にひかれ、一種の磁気風によるアーク柱の曲がりは平常肉盛り面の均一化が困難となるためストレートビードの場合トーチ開度の調整が厳しくなる。（３）磁気吹きが発生するとアークが不安定となり片溶け、溶け込み不良、融合不良、ビード形状不良などの溶接欠陥が生じやすい。本発明は上記課題を解決するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、硬化肉盛り材をＴＩＧ溶接する方法において、シールドガスはＣＯ２を５０〜８０ｖ％含有し、残りはＡｒ又はＨｅ又はＮ２又はこれらを混合したガスを２０〜５０ｖ％含有した混合シールドガスであり、該混合シールドガスは混合器で混合された後、前記混合シールドガスを気化装置に充填した液体フラックスに吹き込んで、該液体フラックスを気化せしめて気体フラックスとし、該気体フラックスと前記混合シールドガスが混合した気化フラックスを生成し、該気化フラックスをトーチに導いて溶接面に吹き付けながら溶接するとともに、前記溶接面と溶接棒に前記液体フラックスを塗布して溶接するＴＩＧ溶接方法である。
【００１７】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記トーチ先端の円筒にネオジ磁石を配設するとともに、前記円筒に前記気化フラックスに旋回力を付与するためのひねり羽根を配設しているＴＩＧ溶接方法である。
【００１８】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記混合器は前記ＣＯ２の供給口と前記混合シールドガスの排出口及びベンチュリー部を設け、該ベンチュリー部は複数のガス管と連通し、該ガス管にイナートガスを供給して前記ＣＯ２と混合して前記混合シールドガスを生成し、前記ベンチュリー部の出口には混合室を設け、該混合室にはネオジ磁石を配設し、該混合室の出側には前記混合シールドガスに回転を与えるための斜めノズル孔を設け、前記排出口にはネオジ磁石を配設しているＴＩＧ溶接方法である。
【発明の効果】
【００１９】
通常ＴＩＧ溶接のシールドガスはＡｒ単独かあるいはＡｒを主体としてＨｅやＮ２を混合して使用されているが、本発明ではＣＯ２を主成分としかつアーク電圧安定化のためＡｒガスを２０〜５０ｖ％（体積％）混合することで以下の効果が生まれる。（１）アーク安定化に優れている。（２）溶け込みを深くできる。（３）安価である。（４）ＣＯ２は浸炭ガスとシールドガスとしての機能を有している。（５）分子ガスの解離熱を最大限利用できるため予熱を低く抑えることができる。（６）高価なＡｒをＣＯ２で補助できるのでシールドガスのコスト低減ができる。
【００２０】
シールドガスにＡｒを単独で使用した場合に比べてＣＯ２とＡｒを混合した場合は、アーク電圧を２０〜３０％アップできる分だけ予熱を抑えることが可能になり、表面硬化が主体のステライト肉盛りは溶接施工者の熱疲労を少なくすることができる。気化フラックスは混合シールドガスと液体フラックスが気化した気体フラックスが混合したものであり、気体フラックスは最大５ｗｔ％含有されている。気体フラックスの作用により溶接金属の表面張力除去及び酸化防止ができるので２０〜３０％早く肉盛りが完了し、その分作業者の熱疲労も少なくて済む。また、気体フラックスを最大５ｗｔ％含有しているため、フレミングの法則にて溶接電流に比例してアーク周りには磁場が発生する。帯電ガス中にＮａ、Ｋ、Ｂなどのイオン状態のガスが流れるため磁気リング状にてアークを締め付けるためふらつきが小さくなり溶接面が平滑となりきれいな肉盛りができる。
【００２１】
溶接面や溶接棒にあらかじめ液体フラックスを塗布することで、（１）溶接面を空気より遮断し溶接面の酸化を防止する、（２）液体フラックスは従来の個体フラックスと比較すると薄く強力に張り付くため溶融金属の表面張力を除去するため流動性がよくなるため巣、ピンホールのできにくい溶接金属が得られる。
【００２２】
ＣＯ２、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅは比重が異なることから、従来の単独ガス流量メータによって１００％混合して混合シールドガスとして取り出すことは不可能である。そのため新たに混合器を設け、混合器に設けたベンチュリー部にＡｒやＮ２やＨｅを吸い込ませることにより混合するので完全に混合した混合シールドガスにすることが可能である。ベンチュリー部は圧縮性流体の流れを絞ることによって流速を局部的に増加させて低速部に比べて流体圧力を低下させる機構であり他の流体を吸い込む機能があるとともにシールドガスの混合を促進できる。混合室などにネオジ磁石が配設されているので混合シールドガスが帯電し活性化する。そのため気化装置に充填した液体フラックスを効率よく気体フラックスにすることができる。
【００２３】
ＴＩＧ溶接として従来のガスは第１８族のＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎなどの希ガスを使うため高価である。化学的に不活性であるためイナートガスといわれるに対してＣＯ２のような安価な分子ガスと混合することでアーク電圧をアップし、かつ気体フラックスと混合することでＴＩＧ溶接でありながらフラックスを持ったアークブレージングが可能である。従来のアーク炎はブルー及び紫色であり気化フラックスによる緑色が加わることで強烈なアーク色でなくやわらかいアーク色となった。緑色は主としてＢのイオン電離である。
【００２４】
トーチの出側にネオジ磁石を配設しているので気化フラックスを磁化し帯電できるのでアーク電圧が向上する。ひねり羽根で気化フラックスに回転を与えることができるためアークのピンチ効果を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】はＴＩＧ溶接の概要図である。
【図２】はトーチ先端部の断面図である。
【図３】はトーチ先端部の横断面である。
【図４】は混合器の断面図である。
【図５】は斜めノズル孔の配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態を請求項と図１、図２、図３、図４、図５に基づいて説明する。
【００２７】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、硬化肉盛り材をＴＩＧ溶接する方法において、シールドガスはＣＯ２を５０〜８０ｖ％含有し、残りはＡｒ又はＨｅ又はＮ２又はこれらを混合したガスを２０〜５０ｖ％含有した混合シールドガスであり、該混合シールドガスは混合器１０で混合された後、前記混合シールドガスを気化装置２０に充填した液体フラックスに吹き込んで、該液体フラックスを気化せしめて気体フラックスとし、該気体フラックスと前記混合シールドガスが混合した気化フラックスを生成し、該気化フラックスをトーチ３０に導いて溶接面６０ａに吹き付けながら溶接するとともに、前記溶接面６０ａと溶接棒５０に前記液体フラックスを塗布して溶接するＴＩＧ溶接方法である。
【００２８】
本発明のＴＩＧ溶接のメインシールドガスはＣＯ２であり、ＣＯ２にＡｒやＨｅを混合して混合シールドガスとして用いる。溶接棒、母材、硬度などの溶接条件を考慮して、ＣＯ２やＡｒなどの配合を調整する。通常ＣＯ２、Ａｒ、ＨｅはＣＯ２タンク０１、Ａｒタンク０２、Ｈｅタンク０３から供給する。ＣＯ２、Ａｒ、Ｈｅなどのシールドガスは一旦混合器１０に入れて混合する。シールドガスは比重が異なるので混合しにくいことから、混合器１０にはベンチュリー部１１ａを設けシールドガスを吸い込むとともにお互いに撹拌し混合を促進する。混合器１０にはネオジ磁石１６を配設しておりシールドガスが磁界を通過することにより帯電し活性化する。混合器１０を出たシールドガスは混合シールドガスとなり気化装置２０に入る。気化装置２０には液体フラックスを充填しておく。液体フラックスは混合シールドガスにより激しくバブリングされるので気化して気体フラックスとなる。気体フラックスには液体フラックスの溶媒とともに液体フラックスに溶解していた電解質の成分が含有されている。気化フラックスとは混合シールドガスと気体フラックスが混合したものである。気化装置２０にはネオジ磁石１６を配設しており、液体フラックスはネオジ磁石１６によって帯電し活性化する。気化装置２０を出た気化フラックスは中継器３０を経由して配管３１よって気化フラックス供給配管３２を経てトーチ４０に導かれる。トーチ４０には電源７０からケーブル７１を経由して電流が供給される。電源系統には水抵抗器７２を配設して電流の安定を図る。溶接母材６０はエンジンのシリンダバルブ６０を例として示している。シリンダバルブ６０のシート６０ａは通常モーター７４で回転させながら溶接する。回転のオン、オフはポジショナー７３で行う。トーチ４０と気化フラックス３０ｂでアーク３０ａを形成して溶接棒５０をシート６０ａに溶接する。
【００２９】
気化装置２０は、本発明者が発明した特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」や特願２０１１−２４６１５１号広報「半自動アーク溶接法」に示したものを使用できる。気化装置２０は気化容器２１と気化容器２１にシールドガスを供給する給気管２２と生成した気化フラックスを取り出す排気管２３及び複数の磁石１６を配設してなっている。
【００３０】
気化装置２０からトーチ４０まで５ｍ以上の場合は中継器３０を通過させることで再結晶化を防止するのがよい。中継器３０は特開２０１０−２６９３７０号広報「厚板材の切断方法」に示した中継器と同一のものを使用できる。気化装置２０からトーチ４０までの供給管３１の途中に適宜間隔でネオジ磁石を組み込んだ中継器３０を設置する。中継器３０は少なくとも１０ｍ以内に１台設けるようにするのがよい。ネオジ磁石１６は少なくとも３００００ガウス以上の磁力を有するものがよい。ネオジ磁石１６と溶断ガスの接触面積を広げるために、中継器３０の中に多くの折り返しを設けたり螺旋形にしたりして中継器３０の中の気化フラックス流路をできるだけ長くするのがよい。中継器３０の内部構造はネオジ磁石１６の強さや配列の仕方によって各種提案されるが、中継器３０の内部構造の違いによって本発明が限定されるものではない。
【００３１】
本発明者が特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」や特願２０１１−２４６１５１号広報「半自動アーク溶接法」に示しているように、従来のようなＡｒ主体のＴＩＧ溶接でも気化フラックスを使用するのは効果的である。Ａｒを多量に使用する溶接組立工場などでは液体Ａｒを蒸発させ工場配管により各自動溶接機と連結する場合がある。その場合は、それぞれの自動溶接機の近くに個別に気化装置２０を置くことは経済的ではない。Ａｒの主配管に気化装置２０を配置し、Ａｒに液体フラックスを混合して各自動溶接機に送り出す方法が効率的である。従って、気化装置２０から自動溶接機まで１０ｍ以上距離がある場合は気化フラックスが再結晶化する恐れがある。このため気化フラックス中の気体フラックス成分の再結晶を防止するため強磁場による振動を与える必要があるためＴＩＧ溶接機に入る前に中継器３０を通す。気化フラックスの再結晶は完全に防止できないので定期的に気化装置２０から自動溶接機までの配管を洗浄する必要がある。
【００３２】
本発明におけるＴＩＧ溶接による肉盛り溶接ではＣＯ２を使用する。以下にステライト肉盛りを例として説明する。ＣＯ２（ＣＯ２ガス）は、ＣＯ２→ＣＯ＋Ｏ↑、ＣＯ→Ｃ＋Ｏ↑のように２段階に分解してステライト肉盛り部のデポジットメタル（溶着金属）面にＣ（炭素）を入れることでガス溶接の浸炭と同じ作用をする。通常のＴＩＧ溶接では１層で高硬度を出すことは困難であるため、ＴＩＧ溶接のステライト棒に炭素を３３〜３５ｗｔ％余計に添加し、かつ炭化物を多く作らせるためタングステンを加え、靱性アップのためＭｏをアップし、靱性をアップするためＮｉを最大１．５％加える。しかし、ガス溶接と比較するとやはり炭素量は低くなり所要硬度を得るためには２〜３層肉盛りとなることから結果的にステライト棒コストが高くなり肉盛り時間もガス溶接の１層肉盛りと大差なくなっていた。ステライト棒の含有炭素を３３〜３５ｗｔ％アップする理由は、炭素が溶接時の高熱で燃焼するためであるが熱管理が悪いと割れに繋がる危険性が大きい。これに対して本発明のように、ＴＩＧ溶接棒そのものに液体フラックスを塗布し、溶接面や溶接棒に液体フラックスを塗布し、最大５ｗｔ％の気体フラックスを含んだ気化フラックスを溶接面に吹き付けながら溶接することで従来のステライトＮＯ６でも１層目からガス溶接並みの硬度保持が可能である。ステライトの肉盛りはガス溶接が適しているが経験のある溶接作業者が高齢となり年々不足傾向にある。溶接作業者を育てるには長年の経験が必要で今の若者には大変定着の悪い作業である。ＴＩＧ溶接は予熱が５００〜６００℃に対してガス溶接は８００〜９００℃と高いことも技能工不足となる最大の条件である。ガス溶接によるステライト肉盛りでは、１層目肉盛りは母材の酸化防止のため巣やピンホールができてもそのまま１層目を素早く肉盛り、２層目を薄く肉盛る際にこれらの巣やピンホールを中性炎またはアセチレン加熱炎にて浮かして消し去るので欠陥の少ない肉盛りができる。ＴＩＧ溶接でステライト肉盛りする場合は、ガス溶接のようにイナートガスを１００％Ａｒシールにすると、溶融金属は表面張力のため球になろうとするので、ガス溶接のように巣、ピンホールは１回で浮き上がらず結果的に母材まで浮かすこととなる。この時に溶接棒金属が母材金属で薄まるので硬度が低下するとともにバラツキの原因となる。自動化する場合は巣、ピンホールの修正作業が技術的なネックとなっている。熟練した人間が目で確認しながら溶接する場合は、加熱条件を一瞬の判断で見極めて巣、ピンホールを浮かせるが自動溶接でこのような処理をすることは非常に難しい問題である。本発明では気体フラックスを混合シールドガスに混合して気化フラックスとすることで、フラックス成分が溶融金属の表面張力を除去するとともに酸化防止や清浄化作用をするのでの簡単に巣、ピンホールを浮上させて消すことが可能である。そのため１回の肉盛り作業で所定の硬度を得ることができるとともに自動化も容易になる。
【００３３】
一例としてガス溶接やＴＩＧ溶接におけるエンジンバルブシート６０ａの肉盛りを説明する。溶接スタート部位から終了部位まで肉盛りによる応力は残留しているが溶接終了部位（エンド部）には特に大きな集中応力が残留している。このため繋ぎ目の２番割れを防止するため繋ぎ目の少し前を加熱して肉盛る方法がとられている。このように溶接繋ぎ部は２回溶解させるためガス溶接の場合は加熱炎を中性炎とすることで浸炭過剰を防止しつつ前進部より３角形状に隅肉まで応力を逃がす。ＴＩＧ溶接は中性炎のように炎を調整できないためクレータ電流にて３０〜５０アンペアドロップして逃げることでカバーするが、電流を落とすため「なめ溶接ビード」が３角形状に２〜３ｃｍと続きその分炭素が燃焼するため硬度が落ちる。電流をドロップすると溶解部ビードの溶け込みも悪くなるため流れはさらに悪くなる。本発明では、ＴＩＧ溶接のシールドガスとしてＣＯ２を主としてＡｒやＨｅやＮ２を混合して混合シールドガスとして、この混合シールドガスで液体フラックスを気化せしめて気体フラックスとし、混合シールドガスと気体フラックスが混合した気化フラックスを生成する。この気化フラックスには気体フラックスが最大５ｗｔ％混合されており、気化フラックスを溶接部に吹き付けると気化フラックス中の気体フラックスが溶接ビード面にガラス状に張り付く。気体フラックスが溶融金属（デポジット金属）の表面張力を除去するため流動性が向上する。ＴＩＧ溶接の溶接終端部にはクレータという凹みが発生するが、この凹みは溶接割れなどの溶接欠陥の原因となるため極力小さくする必要がある。この凹みを埋める処理をクレータ処理という。本発明によるＴＩＧ溶接法では、溶接面への気化フラックスの吹き付けや溶接面及び溶接棒への液体フラックスの塗布により溶融金属の表面張力が除去され流動性が向上することからクレータが発生しない。従来のクレータ処理と比較すると格段の進歩であり溶接繋ぎ部の２番クレータ割れを１００％防止することが可能となった。
【００３４】
ＴＩＧ溶接とガス溶接におけるステライトの肉盛りは同じであり、シングルビードの肉盛り厚みは棒径Φ６ｍｍまでは１．５〜４．５ｍｍ、棒径Φ８ｍｍでは２．５〜６ｍｍ程度盛る。肉盛り幅は２０〜３０ｍｍとなる。シングルビードにて所定の肉盛り幅がカバーできない場合は１層目に２層目を３〜４ｍｍオーバーラップする。ラップ部分は表面張力と酸化膜のため巣、ピンホールができやすい。ガス溶接では２層目にこれらの巣、ピンホールを浮かすために火炎バーナーを左右に強く振って表面張力を破って浮かす作業をする。目の働きの弱まる４５歳以上は見落とす可能性もありガス溶接によるステライト肉盛りは高齢になると困難になる。
【００３５】
ガス溶接によるステライト肉盛りにおいても気化フラックスを使用することにより従来よりも優れた肉盛り溶接をすることができる。本発明者は特開２０１０−１００４４１号広報「液体フラックスの製造方法とその装置」で液体フラックスの製造方法を発明した。アルコール、アセトン、グリセリン（Ｃ３Ｈ８Ｏ３）、エチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）などの炭化水素の溶媒に数種類の無機質化合物を混合し強磁場中でパルス電流を流しながら溶解する方法である。常温常圧で液体フラックスを生成可能であり安全かつ公害レスである。また、本発明者は特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」で、液体フラックスにアセチレンなどの燃焼ガスを吹き込んで気化せしめて気化フラックスを生成する方法を発明した。この方法をステライトのガス溶接に応用することは可能であり、溶接火炎中に混合されている気化フラックスが金属母材の溶接面に高温で張り付き酸化防止を図り、さらに溶解したステライト溶融金属面をガラス状膜で被覆し酸化防止及び表面張力を除去するので巣、ピンホールのない平滑な溶接面を得ることができる。アセチレンガスと混合している気化フラックスは強磁場の中をランダムに通過する際に帯電するためガス運動エネルギーが１種のオーロラ粒子状態となって燃焼バーナーから噴出する。
【００３６】
本発明のＴＩＧ溶接では、アーク中に気化フラックスが入っているため溶接技能を要することなく容易に表面張力除去と酸化防止が可能になり巣、ピンホールが簡単に浮き上がり自動的に流れる。ガス溶接ではオーバーラップ部を溶接する場合、中性炎に切り替えて炭素過剰による硬度過多を防止しているが技術的にビード幅２０〜３０ｍｍで施工することは困難である。全自動ＴＩＧ溶接の場合はラップ部のみクレータ電流の入り切りをすることで簡単にできる。ラップ部は２回溶解するためガス溶接では中性炎への切り替えで炭素過剰を低減する必要があるが、ＴＩＧ溶接の場合は逆に炭素が減少することになり硬度低降となる。本発明のＴＩＧ溶接では気化フラックスを使用しており、この気化フラックスはＣＯ２を主とする混合シールドガス中に気体フラックスが混合しているので、ＣＯ２から分離した炭素が溶融金属に侵入するため硬度低降はない。また溶接２番近辺の表面張力除去による巣、ピンホールの浮かしが簡単でかつ流れもよくなるためクレータ処理作業も不要となる。
【００３７】
ガス溶接のステライト盛りでは、１層目は「汗かき」状態で肉盛るため母材をわずかに５〜６％溶かす溶接であり硬度低降は少ないが、ＴＩＧ溶接の場合は母材を１５〜２０％溶かすため母材金属成分が溶接棒成分を薄める働きをすることから硬度低降する。かつ炭素の燃焼による硬度低降も重なるためＴＩＧ溶接は２層、３層と重ねることで硬度を保持することになる。結果的にＴＩＧ溶接は多量肉盛りでないと硬度保持ができない欠点がある。これは溶接棒のコストアップや作業の非効率につながる。本発明によるＴＩＧ溶接では、シールドガスとしてＣＯ２を主としてＡｒやＨｅやＮ２を混合した混合シールドガスとして、ＣＯ２の分離による炭素を溶融金属に注入することで脱炭を防止し、さらに気化フラックス中の気体フラックスの作用にて溶融金属の表面張力除去と流動性を向上し溶接肉盛り面の酸化防止を図っているため、第２層目以降の肉盛りも薄く良好に流れることから従来のＴＩＧ溶接肉盛り方法と比較すると肉盛り用ステライト棒を４０％近く減らすことが可能である。
【００３８】
ガス溶接もＴＩＧ溶接も溶接エンド部のラップ部を重ねることで集中応力を逃がす作業が必須である。ガス溶接の場合中性炎としてトーチをウイビングしながら次第に絞り２回溶解部の硬度を抑えながら炎を隅に逃がす。ＴＩＧ溶接ではクレータ電流以外使えないため主電流１５０Ａ→５０Ａと急激に落とすと溶接終端部に凹みが生じクレータ割れに繋がる。自動ＴＩＧ溶接の場合はガス溶接と同じ動作を制御機に組み込めるため電流電圧の調整でアークも絞り込むことが可能であり、１回バックして最終ビード上にもう１回肉盛ることで凹み割れが防止できる。これが従来のＡｒ主体のＴＩＧ溶接でありクレータ割れを防止するには熟練の技や自動化による対策が必要であった。これに対して本発明のＴＩＧ溶接では、気化フラックス中の気体フラックス作用により自動的に溶融金属が流れるため、手動ＴＩＧ溶接でも電流調整は不要であり、簡単なトーチギャップの調整でクレータ割れのない溶接が可能である。ＴＩＧ溶接でありながらフラックス中での溶接となるため、表面張力除去肉盛りとなり母材の希釈も５％以下に抑えることができるので１層肉盛りだけでガス溶接並みの硬度と溶接面を得ることができる。
【００３９】
ステライトの肉盛りではステライトと母材の熱膨張係数に差のない処置をすることが重要である。一例としてＳＣＭ−４３５のバルブシートを肉盛る場合は、中間層としてＳＵＳ３０９を肉盛りし、表層を滑らかに加工後、ステライトＮＯ６をＴＩＧ溶接で肉盛りすれば予熱を低くしても割れにくい。このような伸びと収縮に対してストレス吸収用の中間金属を肉盛るのも一つの方法である。クッション肉盛り法は主として耐摩耗肉盛りに応用されるが膨張率が近い金属同士の組み合わせは溶接の基本である。以下に主な金属の熱膨張率を示す。ステライトＮＯ１は１００℃で１２．３×１０Ｅ−６、ステライトＮＯ２は１００℃で１２．３×１０Ｅ−６、ステライトＮＯ６は１００℃で１３．９×１０Ｅ−６、ステライトＮＯ１２は１００℃で１１．９×１０Ｅ−６、ステライトＮＯ３２は１００℃で１１．０×１０Ｅ−６、ステライトＮＯ２１は３００℃で１４．０×１０Ｅ−６である。炭素鋼（０．２Ｃ）は１００℃で１１．７×１０Ｅ−６、炭素鋼（０．３Ｃ）は１００℃で１２．１×１０Ｅ−６、ＳＵＳ３０４（１８−８）は１００℃で１７．３×１０Ｅ−６、ＳＵＳ３１６（１８−１２）は１００℃で１６．０×１０Ｅ−６、ＳＵＳ３０９（２５−１２）は１００℃で１４．９×１０Ｅ−６、ＳＵＳ４１０（ＢＣｒ）は１００℃で９．９×１０Ｅ−６である。
【００４０】
本発明はステライトをＴＩＧ溶接で肉盛る方法であるが、ステライトのＴＩＧ溶接の場合は、液体フラックスをＣＯ２＋Ａｒのイナートガスで気化せしめるが、気化フラックスが帯電状態で溶接トーチより流れるとアークを反磁場ガスによるピンチ効果と分子ガスの解離エネルギーの加算によるアーク電圧が最大３０％上昇する。このことは溶接電流のドロップに繋がるため予熱を抑えることも可能となり溶接母材の熱輻射による作業者の疲労を低減できる。
【００４１】
本発明者は特願２０１１−２４６１５１号広報「半自動アーク溶接法」で、シールドガス中に気化フラックスを混合し、供給ワイヤ側に液体フラックスを塗布して溶接することで溶接ワイヤ金属の溶接後歩留まりを５〜１０％アップさせる方法を発明した。半自動ＴＩＧ溶接による溶接棒に液体フラックスを塗布するために、溶接棒の送りローラに液体フラックスを塗布できるようにすることで可能である。シールドガスがＣＯ２＋Ａｒの２種混合でかつ帯電気化フラックスと送りローラでの液体フラックス塗布効果にて１層目でガス溶接並みの硬度保持が可能である。
【００４２】
本発明者は特開６３−１２３５７号広報「ガスシールドアーク溶接法」でＣＯ２アーク溶接法のシールドガスをフェライト磁石の磁場中を数回往復させることでＣＯ２にオーロラのように帯電させることでピンチ効果によるアークの絞りのため３０％以上のスパッタが減少することを具現化した。ＴＩＧ溶接のイナートガスに気化フラックスを最大５％程度含んだＣＯ２＋Ａｒの２種混合ガスに気化装置の帯電帯を通過することで気化フラックスが帯電する。そのため、ＴＩＧ溶接でもアークの電圧アップになる。
【００４３】
非特許文献０１「高温の科学」によれば、鋼片の表面にアンモニアガスを封入しブロー放電すると化学反応にて炭化と窒化が簡単にできる表面処理硬化法がある。ＣＯ２＋Ａｒ＋２ＮＨ３の３種混合ガスに気化フラックスを混合すれば浸炭と窒化が同時にできる。気化フラックスの主成分は例えばフッ化ナトリウム、フッ化水素ナトリウムを混合すると、２ＮＨ３中のＨ６↑はこれらのガスと反応する。このため爆発の危険性はない。アンモニアガスを使用しない場合はＮ２ガスを混合してもよい。この場合はＮ２が分子解離する際の解離熱はアンモニアが分子解離（２ＮＨ３→２Ｎ＋６Ｈ）する際の解離熱よりも小さくなる。
【００４４】
非特許文献０２「高温工学」によれば、化学反応エネルギーは、変化過程中は活性化エネルギーといわれている。可燃性ガスの燃焼反応式は以下のとおりである。水素はＨ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ、メタンはＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ、アセチレンはＣ２Ｈ２＋５／２Ｏ２→２ＣＯ２＋Ｈ２Ｏである。酸素と反応し燃焼することで発生する熱を溶接や溶断に応用しているのである。金属を瞬間的に溶解するのではなくある程度の予熱と時間をかけて液体金属として酸素の力にて酸化反応熱にて切断するのが溶断である。逆に酸素侵入を防止して液体金属を酸化から守るのが溶接である。液体金属の各原子が熱運動により刻々と位置変化して再原子配列を作るためには、フラックスの機能によって原子と原子を繋ぎやすくする必要がある。本発明で使用する気化フラックスは気体であるため溶解分子間にも入り込むため原子間の繋ぎを容易にする。気化フラックスによって分子間、原子間の再結合する際の引力間に発生する力つまり表面張力を除去することが溶融金属の流れや原子結合を助ける働きをする。
【００４５】
本発明者は特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」でアルカリ金属やアルカリ土類金属やハロゲンなどの元素、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｓ、Ｓｅなどの原子の内２種類以上の原子結合した無機質をアルコール、アセトン、グリセリン（Ｃ３Ｈ８Ｏ３）、エチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）などの数種類の液体を混合した溶媒中で強磁界をかけながら回転し溶解させて液体フラックスを生成した。特願２０１０−２００４９４号広報「ロウ付け用フラックス及びロウ付け法」で液体フラックスを気化装置に充填しプロパンやアセチレンなどの燃焼ガスを吹き込んで気化せしめて気化フラックスを生成し、さらに強磁界中で帯電させることにより運動エネルギーを付加して搬送中に配管やホースに再結晶することを防ぐ技術を発明した。特開昭６３−１２３５７号広報「ガスシールドアーク溶接法」でシールドガスに帯電させることでピンチ効果によりアークを絞る作用でスパッタを減らすことに成功した。
【００４６】
本発明のＴＩＧ溶接のポイントは、（１）シールドガスにＣＯ２を使用すること、（２）気化フラックスを溶接面に吹き付けながら溶接すること、（３）溶接面や溶接棒に液体フラックスを塗布して溶接することである。気化フラックスをＴＩＧ溶接に応用するとアークを絞ることができるためアーク熱の予熱上昇及び溶接電流の低降効果により母材希釈を少なくすることができるため肉盛部の硬度低降が低減する。特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接方法」に基づいて液体フラックスを生成することにより、液体状態からゼリー状態までの液体フラックスの作り分けが可能である。液体フラックスはアルコールなどの溶媒に磁界をかけて撹拌することにより電解質を完全に溶解できる。溶接肉盛り面に塗布する液体フラックスは液体状やゼリーを使用できる。ゼリー状フラックスは例えば、液体フラックスにさらにケイフッ化水素（Ｈ２ＳｉＦ６、４０ｗｔ％濃度）５ｗｔ％、ケイ酸エチル（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）１０ｗｔ％を加えて２４時間反応させるとゼリー状となる。また、液体フラックス中にケイフッ化水素（Ｈ２ＳｉＦ６、４０ｗｔ％濃度）を５ｗｔ％、テトラエトキシシラン（（Ｃ２Ｈ５Ｏ）４Ｓｉ、濃度２８ｗｔ％％）を１０ｗｔ％％加えてよく撹拌すると液体フラックスが生成できる。この場合の液体フラックスは粘度が高くゼリー状となる。このように液体フラックスは基本的に液体であるが混合する化合物により粘性は異なり極端な場合はゼリー状になる場合もある。これを総称して液体フラックスと称している。溶接母材、溶接金属、溶接姿勢などの種々の条件を考慮して液体フラックスの粘性を決定するのがよい。液体フラックスは２０００メッシュ以下の粒度フラックスのためステライト面に薄く塗布しても１００％めくれがないため透明なガラス状で無酸化膜となり張り付く。そのため均一に塗布すれば酸化膜防止と表面張力除去の両方を兼ねる。ＴＩＧ溶接においてシールドガス中（ＣＯ２とＡｒ、Ｈｅなどとの混合ガス）に最大５ｗｔ％の気体フラックスを混合した気化フラックスを溶接面に吹き付けることにより、気体フラックスのフラックス機能によりガス溶接に近い肉盛りとなり、ＴＩＧ溶接１層の肉盛りでもステライト本来の硬度保持が可能となる。例えばステライトＮＯ６Ｈを使えばＨｓ６０±３が１層目で可能である。
【００４７】
本発明のＴＩＧ溶接に応用した気化フラックスはＰＴＰにも応用可能である。本発明者は、特開昭６３−１２３５７号広報「ガスシールドアーク溶接法」を応用して、特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」において、強磁場をＮ−Ｎ，Ｓ−Ｓの互いの反磁場の組み合わせにて８〜１０層の多段層にし、かつ互いの反磁場にて磁界が回転する構造の気化装置に液体フラックスを充填し、シールドガス（ＣＯ２＋Ａｒ）を吹き込んで液体フラックスを気化させて、シールドガスと液体フラックスが気化した気体フラックスが混合した気化フラックスを生成する。ＰＴＰ肉盛りにおいてもシールドガス（ＣＯ２＋Ａｒ）が気化装置を通ることで強磁場による帯電効果でアークを絞るピンチ効果が生まれガス溶接と比較するとプラズマアークを５０００℃近くまでアップできるためいかなる金属でも溶解する。このプラズマアークをさらにピンチ効果にて絞り込むため従来のＡｒガスを主体とするＰＴＰ溶接法と比較すると２０〜３０Ａの電流ドロップとなる。この効果により肉盛り母材の過剰な溶融による希釈を抑えることができるため１層目から高硬度を得ることが可能である。
【００４８】
本発明者の特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」は、ガス切断時の溶融金属の表面張力を除去し酸化反応を抑えて切断するため、切断面の溶融金属の流れが速くなり切断スピードがアップすると同時に、同じ溶断装置を使用した場合より厚い板厚の切断能力アップに繋がる。これは１粒１粒の溶解鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３）の表面に気化フラックスをコーティングするため表面張力除去と酸化防止機能が作用しているからである。溶接と切断に共通のフラックス条件は以下である。（１）母材表面の酸化物を除去し清浄化する作用を有すること。（２）目的とする温度範囲において活性を有すること。（３）溶解金属の流動性、拡延性を促進する作用を有すること。（４）目的とする溶解温度まで酸化防止を保持すること。（５）残留ノロ、スラグとなった際に有害物質とならないこと。切断も溶接もフラックスによって、溶融金属の表面張力を除去して湯流れを良くしたり、一旦溶融した金属の酸化防止をしたりすることが切断面や溶接面の品質向上や能率向上に繋がる点においては共通している。
【００４９】
ＴＩＧ溶接によるステライト溶接ではシールドガスとして混合器を通し、２〜３種混合ガスとしてこのガスを気化装置の中に導入し混合シールドガス中に最大５％程度の気化フラックスを含んだシールドガスを使うことで溶接中の母材表面の清浄及び表面張力除去及び帯電ガスによるアーク中のピンチ効果によるアーク電圧の上昇効果のアップを図りかつＣＯ２→ＣＯ＋Ｏ↑→Ｃ＋Ｏ↑による浸炭効果にて脱炭を防止する。ＴＩＧ溶接による燃焼炭素をカバーするため溶接棒の炭素含有量を３０％近くアップしてカバーしているがガス溶接と比較すると、使用後の溶接棒未使用部（末端の残存部）の管理や溶接棒種類別の仕分けが大変である。溶接棒の連続繋ぎ装置によって溶接中に溶接棒を繋ぐことができるので連続棒として１００％使用できる。
【００５０】
第２の解決手段は請求項２及び図１、図２、図３に示すように、前記トーチ３０先端の円筒３５にネオジ磁石１６を配設するとともに、前記円筒３５に前記気化フラックス３０ｂに旋回力を付与するためのひねり羽根３３を配設しているＴＩＧ溶接方法である。
【００５１】
ＴＩＧ溶接のトーチ３０はアークを発生するための電源供給ケーブル７１によってタングステン電極３４に給電される。タングステン電極３４はコレット３１で絶縁されている。タングステン電極３４に通電すると母材６０との間にアーク３０ａが発生する。アーク３０ａは気化フラックスが高温下でプラズマ状態になったものである。この高温のアーク３０ａによって溶接棒５０を溶融して母材６０上に硬化肉盛り３６する。ネオジ磁石１６により気化フラックス３０ｂを帯電せしめて活性化する。気化フラックス３０ｂが帯電することにより気化フラックス３０ｂに電磁力が作用し、気化フラックス３０ｂはアーク３０ａと母材６０に強く引き付けられる。そのためアーク３０ａの電磁的ピンチ力が向上しアーク３０ａの温度が上昇し溶接効率が向上する。フレミングの左手の法則によりアーク３０ａには中心に向かう電磁力が作用している。この電磁力が強いと溶接棒５０の溶滴は細かく引きちぎられてシャワー状となりスパッタの少ない溶接となり欠陥も少なくなる。アーク３０ａのピンチ力向上のため気化フラックス３０ｂがアーク３０ａに集中するように、トーチ円筒３５にひねり羽根３３を設けている。ひねり羽根３３は気化フラックス３０ｂがアーク３０ａを中心に渦巻きを生じてタングステン電極３４に集中するように配設している。
【００５２】
ノズル３０の先端に位置している円筒３５に取り付けたネオジ磁石１６によって気化フラックス３０ｂは磁場帯電し、さらにひねり羽根３３により回転を与えられるので、気化フラックス３０ｂはタングステン電極３４に集中する。イオン帯電した気化フラックスは毎分８〜２０リットル噴出する。自動ＴＩＧ溶接のため人間が手動で保持するのでないため重くとも関係ない。アーク３０ａを磁場ピンチ力にて強制的に下向きのアーク３０ａとする。磁気風対策をすることで安定した肉盛り面をえることが可能である。
【００５３】
本発明者はガス切断ノズルとして特開２００９−１５６５１８号広報「金属体用の溶断ノズル」（特許第４７３６１００号）を発明した。ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に助燃ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、助燃ガス流路に固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させた溶断ノズルである。本発明者はさらに特開２００９−２５５１０５号広報「金属体用の溶断ノズル」を発明した。ノズル軸芯部を二次側酸素ガスノズルとし、その周囲に燃料ガスノズルと一次側酸素ガスノズルを形成した三重ノズルの金属体用の溶断ノズルにおいて、燃料ガスノズルの前部には、ガス入り口を円錐状に広くした直進溝の流路を円周に沿って複数配列するとともにこの直進溝に連通し二次側酸素ガスノズル先端の内周に沿って斜めに噴射する旋回流形成穴を所定間隔で設け、直進溝の出口には外周に向けて広がる円錐状空間を形成した先端部円錐ノズルを設け、一次側酸素ガスノズルの前部には、ガス入り口を広角にして出口にかけて漸減して細くした複数のスリット螺旋溝を円周に沿って設けた旋回流形成ノズルを設けたことを溶断ノズルである。これは高圧酸素圧を利用して切断炎に回転を与えることで強制的に炎のピンチ効果にて炎の温度をアップさせている。ピンチ力を与えるとアークは強制的に締め付けられるため一段と温度的に高くなるため磁気風によるアークのふらつきがなくなった。完全自動化の場合はノズルスカート部にある６〜８枚の回転羽根をスカート外部よりエアモータまたはモーターにて回すことで強制的に回転を与えることでガス回転力による直進力がアップするため磁気風対策が可能である。本発明のＴＩＧ溶接のトーチ１０において、気化フラックス３０ｂに旋回力を与えてアーク３０ａのピンチ力を向上させる方法は溶断における燃焼ガスの旋回による炎のピンチ力を応用したものである。
【００５４】
第３の解決手段は請求項３及び図１、図４、図５に示すように、前記混合器１０は前記ＣＯ２の供給口１４と前記混合シールドガスの排出口１８及びベンチュリー部１１ａを設けた短管１１からなり、該短管１１は複数のシールドガス供給口１２、１３と連通し、該シールドガス供給口１２、１３にＡｒやＨｅやＮ２を供給して前記ＣＯ２と混合して前記混合シールドガスを生成し、前記短管１１の出口には混合室１５を設け、該混合室１５にはネオジ磁石１６を配設し、該混合室１５の出側には前記混合シールドガスに回転を与えるため、フランジ１７に斜めノズル孔１７ａを設け、前記排出口１８にはネオジ磁石１６を配設しているＴＩＧ溶接方法である。
【００５５】
ＣＯ２がＣＯ２供給口１４から入り、混合器１０内の短管１１に設けたベンチュリー部１１ａで流速がアップする。そのためベンチュリー部１１ａの圧力が低下するのでシールドガス供給口１２、１３からＡｒ、Ｈｅなどのシールドガスが吸い込まれＣＯ２と混合し混合シールドガスとなる。シールドガス供給口はシールドガスの種類や量に応じて複数設けることができる。混合シールドガスは混合室１５を通過する際に速度が低下し混合が促進され、ネオジ磁石１６によって帯電し活性化する。フランジ１７には斜めノズル孔１７ａが設けられており、混合シールドガスは回転を与えられて完全に混合され、出口管１８のネオジ磁石１６により帯電される。混合シールドガスは混合器１０内で帯電した後に気化装置２０に入り、液体フラックス中に突入し泡となって混合シールドガスが液体フラックスを気化せしめて気化フラックスとなる。従って、気化フラックスは混合シールドガスと液体フラックスが気化して生成した気体フラックスが混合したものである。液体フラックスが気化した気体フラックスには液体フラックスに溶解していた電解質（溶質）成分が一緒に気化して混合されている。混合シールドガスに気体フラックスは約５ｗｔ％程度含有されている。気化フラックスは気化装置２０内のネオジ磁石１６を通過する際帯電してＴＩＧ溶接トーチ４０より吹き出るのでフレミングの左手の法則により磁場が生まれる。この気化フラックス３０ｂの磁場をトーチ先端の円筒３５に配設した４００００ガウスのネオジ磁石１６が締め付けるためアークのふらつきとなる磁気風が止まる。また帯電した気化フラックス３０ｂはトーチ先端の円筒３５に配設したひねり羽根３３にて強制的に旋回させられるので渦巻きを形成しアーク３０ａを渦巻きによるピンチ力にて締め付ける。従来は、溶接棒５０の自動送り装置が磁場の乱れにつながるため肉盛り面６０ａとＴＩＧ溶接トーチのアーク３０ａ保持調整が極めて大変であったが、（１）気化フラックス３０ｂの強制的な旋回と（２）ネオジ磁石１６による強磁場帯によるピンチ力アップと（３）気化フラックス３０ｂ中の混合シールドガスによる磁力線吸収粒子としての働きによるピンチ力アップと（４）気化フラックス３０ｂ中の気体フラックスによる磁力線吸収粒子としての働きによるピンチ効果が重なるため磁気風によるアーク３０ａふらつきの問題が解消した。従来のシールドガスとして１００％Ａｒガスを使用した溶接と比較するとＨｓ硬度で１８±３アップとなる。
【００５６】
従来のＴＩＧ溶接の主力ガスはＡｒやＡｒ＋Ｈｅが主体であり高価であった。ＭＡＧ溶接では分子ガスの組み合わせとしてＡｒにＨｅ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｎ２を混合して使用するが、ＴＩＧ溶接においてもシールドガスにＣＯ２を使用すると、ＣＯ２→ＣＯ＋Ｏによる酸化が問題になる。本発明のＴＩＧ溶接ではシールドガスにＣＯ２を主として使用する。そのため従来のフローメーター分離混合ではガスの比重分離が激しくＨｅのように軽いガスの流量が多くなりトーチ４０先端で対流によるガス分離が発生する。混合器１０のシールドガス供給口１２、１３からベンチュリー部１１ａに２〜４種類のシールドガスを吸入することによりＣＯ２、Ａｒ、Ｈｅなどが混合されるので均一な混合シールドガスを生成することができる。混合室１５にはネオジ磁石１６を組み込んでおり混合シールドガスは一種の磁気風となる。また、斜めノズル孔１７ａにより混合室１５の混合シールドガスは旋回力を付与されるので一層効果的に混合される。
【符号の説明】
【００５７】
０１：ＣＯ２タンク
０２：Ａｒタンク
０３：Ｈｅタンク
１０：混合器
１１：短管
１２：シールドガス供給口
１３：シールドガス供給口
１１ａ：ベンチュリー部
１４：ＣＯ２供給口
１５：混合室
１６：ネオジ磁石
１７：フランジ
１７ａ：斜めノズル孔
１８：混合シールドガスの排出口
２０：気化装置
２１：気化容器
２２：給気管
２３：排気管
３０：中継器
３０ａ：アーク
３０ｂ：気化フラックス
３１：配管
３２：気化フラックス供給管
３３：ひねり羽根
３４：タングステン電極
３５：円筒
３６：硬化肉盛り
４０：トーチ
５０：溶接棒
６０：母材（シリンダバルブ）
６０ａ：溶接面
７０：電源
７１：ケーブル
７２：水抵抗器
７３：ポジショナー
７４：モーター
【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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