(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン電極の周囲に内外側二重のガスシールドを形成しつつ、アーク発生部位に溶加材として複数本のワイヤを連続的に送給して溶接を行う二重ガスシールド・複数ワイヤ供給方式のＴＩＧ溶接方法において、前記ワイヤのうち一本以上を溶着促進用ホットワイヤとして加熱状態で供給する一方、前記ワイヤの他の一本以上を溶融池冷却用コールドワイヤとして非加熱状態で供給するＴＩＧ溶接方法であって、前記ホットワイヤとしてソリッドワイヤを適用し、コールドワイヤとして撚り線ワイヤを適用することを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のＴＩＧ溶接方法において、全溶込みＵ形開先溶接を行う場合、被溶接物のルート平行部の長さＬとルートフェイス厚ｈとの比（Ｌ／ｈ）を２．４以上５．３以下に設定するとともに、前記ルートフェイス平行部の長さＬを６以上８mm以下に設定し、かつ開先角度θを２°以上８°以下に設定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記載の方法を、立向き溶接または上向き溶接に適用することを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
【請求項４】
溶接電流供給部と、シールドガス供給部と、前記溶接電流供給部に接続されたタングステン電極および前記シールドガス供給部に接続され前記タングステン電極の周囲に配置された内外側二重のガス噴出口を有する溶接トーチと、溶加材としての複数本のワイヤと、これらのワイヤをアーク発生部位に同時に送給するワイヤ送給装置とを備えた二重ガスシールド・複数ワイヤ供給方式のＴＩＧ溶接装置において、前記複数のワイヤのうち少なくとも１本を除く他のものに接続され、その接続したワイヤをソリッドワイヤとするとともに、このワイヤをホットワイヤとして加熱する通電加熱装置を設け、かつ前記１本のワイヤを撚り線ワイヤからなるコールドワイヤとしたことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発電プラント等の大型構造物の溶接に好適なＴＩＧ溶接方法および装置に係り、特に立向き溶接および上向き溶接を含む全姿勢溶接を安定かつ高能率で行えるＴＩＧ溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＩＧ溶接方法はよく知られているように、電極周囲に噴出されるシールドガスによって溶接部を周囲の空気から遮断して酸化および窒化等の防止が図れることから、高品質が要求される各種溶接用として広く適用されている。但し、このＴＩＧ溶接は、非溶性のタングステン電極を使用するため、溶融性電極を使用するＭＩＧ溶接等の他の溶接方法に比べて溶接能率が低い。また、溶加材として添加されるワイヤの溶込み深さの限界を超えて、ワイヤ送給速度を過度に高くすると、完全溶融に至らないワイヤが溶融池の底部（被溶接物または先行溶接ビード等の固体部分）に当接し、溶接が不安定となる場合もある。
【０００３】
従来、これらの点を克服するために種々の研究がなされており、例えばタングステン電極の周囲に内外側二重のガスシールドを形成して熱的ピンチ効果を高め、それによりアークを緊縮状態として溶込み深さを大きくする、二重ガスシールド方式が開発されている。この方式のＴＩＧ溶接では、さらにガス供給量制御による溶込み深さの一定化（例：特開平６−７１４４６号）、あるいはガス供給密度の向上による高能率化（例：特開平７−２２７６７３号）等の提案もなされている。
【０００４】
一方、添加するワイヤ供給面からも種々の工夫がなされ、例えば複数本のワイヤ送給を同時に行って高電力のもとで多量の溶込みを行わせる方法、あるいは別案として、添加ワイヤを通電により加熱して溶込み易くし、これにより溶込み量を多くする方法等も考えられている。但し、これら従来のワイヤ供給面の工夫においては、ワイヤの溶込み量を多くする面からの着眼に基づくだけであり、また各方法が個別的に採用されているに過ぎない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発電プラントの建屋建設、あるいはそれに伴う配管接続等のように、被接続物が大型および肉厚の大きいものである場合、ＴＩＧ溶接の適用に際しては可能な限り安定性（溶接欠陥のないこと）、溶接速度、溶着速度（ワイヤ供給速度）等の向上が望まれる。しかし、このような発電プラント等の現場溶接作業には、通常の下向き溶接の他、溶接軌跡が上下方向に沿う立向き溶接、あるいは上向き溶接等を含む全姿勢溶接が必要となる。このような立向き溶接や上向き溶接の場合には、ＴＩＧ溶接における溶融池の表面が横向きあるいは下向きとなるため、上述した従来技術のような単に添加ワイヤの溶込み量を多くするだけでは、溶融池に作用する力のバランスが崩れ、溶け落ちが生じる等の問題が生じ、従来の技術をそのまま適用することは困難である。その結果、このような場合に一般的に行われているＴＩＧ溶接方法では、鉄鋼材料に対して溶着速度が高々毎分十数グラム程度しか得られなかった。すなわち、従来のＴＩＧ溶接方法では、高品質の溶接部が得られるものの、溶着能率が低いため、大構造物や厚板構造物に対しては実用上適用限界があった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、立向き溶接あるいは上向き溶接のように溶融池に作用する力のバランスが崩れ易い場合においても、安定性を保持しつつ溶着能率を大幅に向上させることができ、特に大型プラント建設等に対する全姿勢溶接用として能率向上が図れ、実用面から大きい利点が得られるＴＩＧ溶接溶接方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者の検討によれば、従来行われている複数ワイヤの同時送給、あるいはワイヤ加熱等の工夫では、それぞれ溶融池の拡大にのみ着目された結果、立向き溶接や上向き溶接のような溶融池の重量バランスが不安定となる溶接時に溶け落ち等の発生を招いていたのであって、もし溶融池を急速に冷却して表面張力を高めることができれば大きい溶融池が形成されても溶け落ち等を防止できる可能性がある。しかも、溶融池の急速冷却は、使用するワイヤ自体を従来と逆に潜熱を利用して実現することも可能である。さらに、二重シールドＴＩＧ溶接の利点である溶着能力の向上と組み合わせることも可能である。
【０００８】
本発明に係るＴＩＧ溶接方法は、以上の着想に基づいてなされたものであり、タングステン電極の周囲に内外側二重のガスシールドを形成しつつ、アーク発生部位に溶加材として複数本のワイヤを連続的に送給して溶接を行う二重ガスシールド・複数ワイヤ供給方式のＴＩＧ溶接方法において、前記ワイヤのうち一本以上をソリッドワイヤからなる溶着促進用ホットワイヤとして加熱状態で供給する一方、前記ワイヤの他の一本以上を撚り線ワイヤからなる溶融池冷却用コールドワイヤとして非加熱状態で供給することを特徴とするものである。
【０００９】
このような本発明の方法によれば、添加する複数本のワイヤを加熱により高温としたものと、非加熱の低温状態のものとに分け、それらを適宜供給することで、二重ガスシールド方式による熱的ピンチ効果の機能および加熱により溶融速度が増したワイヤの供給によって大きくなろうとする溶融池を、非加熱のワイヤの挿入によって冷却することができ、これにより溶着速度を高めても溶融池の寸法を加熱ワイヤ単独の場合に比べて小さくすることができる。そして、溶融池の寸法を制御することで、立向き姿勢や上向き姿勢の溶接においても、溶着速度を上げたまま小さい溶融池を保持することができ、よって溶け落ちなどの発生しない安定した溶接を行うことが可能となり、高溶着速度、高安定性が実現できる。
【００１０】
なお、本発明のＴＩＧ溶接方法においては、ホットワイヤとしてソリッドワイヤを適用し、コールドワイヤとして撚り線ワイヤを適用する。これは、撚り線ワイヤは、多数の細線の集合であるため全表面積がソリッドワイヤに比べて大きく、それだけ溶融効率も大となって溶融池の冷却効果を促進するためである。また、撚り線ワイヤは送給時に直進性に優れており、より安定したワイヤ挿入が可能となる。なお、ホットワイヤをソリッドワイヤとするのは、加熱手段として例えば通電加熱を利用する場合に撚り線に比して電流密度を高めることができるためである。
【００１１】
また、本発明のＴＩＧ溶接方法においては、全溶込みＵ形開先溶接を行う場合、被溶接物のルート平行部の長さＬとルートフェイス厚ｈとの比（Ｌ／ｈ）を２．４以上５．３以下に設定するとともに、前記ルートフェイス平行部の長さＬを６以上８mm以下に設定し、かつ開先角度θを２°以上８°以下に設定することが望ましい。ルート平行部とはＵ形開先を形成する１対の被溶接物の突合せ部分をいい、この長さＬが大きいと開先の幅が広くなり、初層溶接時の肉盛量を多く必要とし、溶接パス数が多くなる。逆にＬが小さいと開先の幅が狭くなり、十分な溶融池が形成できずに開先裏面側が凹状となったりして溶接不安定となる。また、ルートフェイス厚ｈが大き過ぎると溶融不十分となって裏面側が垂れ状態となり、逆にｈが小さ過ぎると溶け落ちる。本発明で想定する望ましい初層溶接の入熱範囲である２，２５０〜２，７００J/cmに対応させた場合、Ｌ／ｈを２．４以上５．３以下に設定するとともに、Ｌを６以上８mm以下に設定すると、前記の不具合が発生せず、安定な初層溶接が行える。また、Ｕ形開先は少ないパス数で溶接を効率的に行う目的で形成するものであり、開先角度θがが大きいと上層のパス数が増え、小さいと各パス毎に隅部に溶接欠陥が生じ易い。上記の溶接入熱範囲ではθが２〜８°であることが望ましい。
【００１２】
さらに、本発明では上記の各方法を、立向き溶接または上向き溶接に適用する場合に、溶融池の適正保持、溶け落ち防止等による溶接安定性かつ高溶着速度による効果が、より有効に発揮される。
【００１３】
また、本発明に係るＴＩＧ溶接装置は、溶接電流供給部と、シールドガス供給部と、前記溶接電流供給部に接続されたタングステン電極および前記シールドガス供給部に接続され前記タングステン電極の周囲に配置された内外側二重のガス噴出口を有する溶接トーチと、溶加材としての複数本のワイヤと、これらのワイヤをアーク発生部位に同時に送給するワイヤ送給装置とを備えた二重ガスシールド・複数ワイヤ供給方式のＴＩＧ溶接装置において、前記複数のワイヤのうち少なくとも１本を除く他のものに接続され、その接続したワイヤをソリッドワイヤとするとともに、このワイヤをホットワイヤとして加熱する通電加熱装置を設け、かつ前記１本のワイヤを撚り線ワイヤからなるコールドワイヤとしたことを特徴とする。このような装置を使用することにより、前記の方法がより効果的に実施できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１はＴＩＧ溶接装置の要部構成を示す図であり、図２は同装置の全体構成を示す図である。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態のＴＩＧ溶接装置は、被溶接物１の溶接ルートに沿って設けられたレール２と、このレール２に図示しない車輪を介して搭載された走行台車３とを有する。この走行台車３に、二重ガスシールド構造のＴＩＧ溶接用の溶接トーチ４が設けられるとともに、走行台車３の走行方向ａに沿う溶接トーチ４の前後位置（図２の左右位置）に、溶加材として添加するワイヤ５，６を送給する１対のワイヤ送給装置７，８が設けられている。この溶接トーチ４の進行方向前側位置に設けられたワイヤ送給装置５によって送給される一方のワイヤ７が、通電加熱装置９によって加熱されるようになっている。通電加熱装置９は、ワイヤ加熱電源１０および接続部材１１によって構成されている。また、溶接電流供給部としての溶接電源１２、シールドガス供給部としての１対のガスボンベ１３，１４が備えられている。そして、走行台車３の走行、溶接トーチ４の操作、ワイヤ５，６の送給ならびに溶接電源１２およびワイヤ加熱電源１０の制御等は、溶接制御装置１５によって行われ、また二重シールドを行うためのガスは各ガスボンベ１３，１４から供給されるようになっている。これら制御通信、電源およびガスなどの供給は、ホースおよび配線を含むケーブル１６によって行われる。
【００１７】
溶接トーチ４は図１に示すように、タングステン電極１７と、その周囲に同軸的に配置された内側シールドカップ１８および外側シールドカップ１９とを有し、これにより二重のガス噴出口２０，２１を有する二重ガスシールド構成とされている。そして、タングステン電極１７を中心として、内側シールドカップ１８内に例えばアルゴンガス、ヘリウムガスもしくは水素ガス、またはこれらの混ガスからなるセンターガス２２を供給し、また内側シールドカップ１８と外側シールドカップ１９との間にはアルゴンガスなどのアウターシールドガス２３を供給し、各ガス２２，２３をそれぞれガス噴出口２０，２１から噴出させることにより、集束したＴＩＧアーク２４を形成させるようになっている。このアーク２４部位に、溶接トーチ４の前方からワイヤ送給装置７によって挿入されるワイヤ５はソリッドワイヤであり、このワイヤはワイヤ加熱装置９によって加熱されてホットワイヤとなる。また、溶接トーチ４の後方からワイヤ送給装置８によって挿入される別のワイヤ６は撚り線ワイヤであり、非加熱状態のコールドワイヤとされる。そして、溶接時には図２に示した走行台車３とともに走行方向ａに沿って溶接トーチ４が送られ、被溶接部材１に対する溶接が行われ、図１に示すように溶接ビード２５が形成される。
【００１８】
【外１】
0003934251.tif 000002
【００１９】
試験では、各種炭素鋼および各種ステンレス鋼についてのＴＩＧ溶接を試みたが、ここでは被溶接材１としてＳＵＳ３１６（板厚４０mm）を適用し、かつこれと同一材質のワイヤ（直径０．９〜１．２mm）５，６を使用して、全溶込みＵ形開先の突合わせ溶接により、下向き溶接と、立向きおよび上向き溶接とを行った場合について説明する。
【００２０】
この場合の開先は、図３に示すように、ルート平行部２６の長さＬを６mm以上８mm以下とし、ルートフェイス厚さｈを１．５mm以上２．５mm以下とし、これによりＬ／ｈを２．４以上５．３以下に設定した。また、開先角度θを２°以上８°以下に設定した。なお、ルート平行部２６の開先内側半径Ｒは１mm以上３mm以下とした。
【００２１】
そして、図４に示すように、溶接トーチ４のタングステン電極１７を開先の底部付近まで挿入し、各シールドカップ１８，１９のガス噴出口２０，２１を開先開口部に配置して溶接を行った。溶接途中の観察によると、タングステン電極１７を中心に、内シールドカップ１８内で、アルゴン、ヘリウム、水素、またはこれら混合ガスなどのセンターガス２２を流すことで、集束したＴＩＧアーク２４が形成され、この集束したアーク２４により高入熱が得られた。入熱量は、２，２５０〜２，７００J/cmであった。
【００２２】
【外２】
0003934251.tif 000003
【００２３】
この結果、下向き溶接の場合には、溶接電流（平均電流）が３９０〜４００Ａのもとで、溶接速度が１５０〜３５０mm、溶着速度が約６０ｇ／分という高溶着能率が得られた。
【００２４】
また、立向きおよび上向き溶接の場合には、溶接電流（平均電流）が２６０〜３００Ａのもとで、溶接速度が６０〜１６０mm、溶着速度が約４０ｇ／分という高溶着能率が得られた。
【００２５】
比較のために、ワイヤ１本のみを使用した従来のＴＩＧ溶接方法で同様の試験を行った結果では、それぞれ溶着速度が１０〜１５ｇ／分程度の低い溶着速度しか得られず、溶着能率が低いことが認められた。すなわち、本実施形態では、従来方法の２倍以上の溶着速度が得られ、溶着能率が従来に比して著しく向上できることが確認された。
【００２６】
図６は、本実施形態における実証試験として、ホットワイヤ５およびコールドワイヤ６をそれぞれ単独で使用した場合の溶接速度と溶着速度との関係を示す特性図である。なお、溶接姿勢は立向きとした。
【００２７】
この図６に黒丸（●）で示したように、ホットワイヤ５のみを使用したＴＩＧ溶接の場合には、溶接欠陥のない安定した品質の溶接が、溶接速度６０mm／分、溶着速度４０mm／分以上の領域に表れた。このことから、ホットワイヤ５を使用した場合には安定領域が高溶接速度、高溶着速度の領域に存在することが分かる。また、同図に白丸（○）で示したように、コールドワイヤ６のみを使用したＴＩＧ溶接の場合には、品質の安定した溶接が、溶接速度４０〜８０mm／分、溶着速度２５〜３０mm／分程度の領域に表れた。このことから、コールドワイヤ６のみを使用した場合には安定領域が高溶接速度、低溶着速度の領域に存在することが分かる。さらに、同図に三角で示したように、コールドワイヤ６のみを使用して溶着速度を２５〜４０mm／分まで高めた試験を行った結果では、溶接に欠陥のある品質不安定なものとなった。
【００２８】
以上の結果により、本実施形態によれば、本発明による下記の作用効果が実証されたものということができる。
【００２９】
すなわち、二重シールドＴＩＧ溶接では、センターガス２２の流速を高くすることで熱的ピンチ効果によりアーク２４が緊縮し、したがって、高いエネルギ密度の溶接入熱が得られ、結果的に溶け込み深さはアーク電流を同一とした場合の従来のＴＩＧ溶接の溶け込みの深さよりも大きいものとなる。従来のＴＩＧ溶接ではワイヤ送給速度を高くしていくと、溶け込み深さに限界があるために完全溶融していないワイヤが溶融池底部（固体部）に当たってしまい、溶接は不安定となってしまう。これに対し、二重シールドＴＩＧ溶接では溶け込みが深くなることで、ワイヤ送給を高くしても安定した溶接を行うことができる。
【００３０】
しかしながら、二重シールドによって溶け込みが深くなった場合においても、ワイヤ送給速度には限界がある。これに対してワイヤを通電加熱してホットワイヤ５としたことで、そのワイヤ５自体の溶融速度を上げることができ、よってさらにワイヤ送給速度を上げることができる（図４）。
【００３１】
ここで、二重シールドＴＩＧ溶接でワイヤ通電加熱によって溶着速度を向上させる際には溶接姿勢が問題となる。すなわち、下向き姿勢であれば、溶着速度を向上させ溶融池２７を大きくしても安定な溶接が可能であるが、立向き姿勢や上向き姿勢では、溶融池２７に左右する力のバランスが崩れ、適正な溶接は不可能となる。これに対し、本発明によればホットワイヤ５とともにコールドワイヤ６を供給するため、ホットワイヤ５に対する通電加熱で大きくなろうとする溶融池２７をコールドワイヤ６を挿入することで冷却することができ、したがって、溶着速度を高めても、溶融池２７の寸法をホットワイヤ５の単独挿入時に比べて小さくすることができる。
【００３２】
本実施形態によれば、以上の理論が実証され、二重ガスシールド方式のＴＩＧ溶接のもとで、ホットワイヤ５およびコールドワイヤ６を添加する方法により、立向き姿勢や上向き姿勢においても、溶着速度を上げたまま小さい溶融池２７を保持でき、これにより溶け落ちなどの発生しない安定した溶接を高溶着能率のもとで行うことができるものである。
【００３３】
また、コールドワイヤ６を撚り線ワイヤとすることにより、表面積がソリッドワイヤに比べて大きくなるため溶融効率も大となり、また撚り線ワイヤは送給時に直進性が優れており、より安定したワイヤ挿入が可能となる。よって安定化が増し、かつ高い溶着能率が得られる溶接が実現できる。
【００３４】
さらに、全溶込みＵ形開先溶接において、ルート平行部２６の長さＬとルートフェイス厚ｈとの比Ｌ／ｈを２．４以上５．３以下、ルート平行部２の長さを６mm以上８mm以下、そして開先角度を２°以上８°以下としたことにより、２，２５０〜２，７００J/cmの入熱量のもとで安定した溶け込みとビード形状とを得ることができる。
【００３５】
なお、以上の実施形態ではホットワイヤおよびコールドワイヤを各１本使用した場合について説明したが、これらは１本以上の複数本として適宜実施することができるものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明のＴＩＧ溶接方法および装置によれば、立向き溶接あるいは上向き溶接のように溶融池に作用する力のバランスが崩れ易い場合においても、溶着能率を大幅に向上させることができ、特に大型プラント建設等に対する全姿勢溶接用として能率向上が図れ、実用面から大きい利点が得られるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＴＩＧ溶接方法および装置の一実施形態を説明するための要部構成図。
【図２】前記実施形態における装置全体を示す構成図。
【図３】前記実施形態における溶接開先形状を示す図。
【図４】前記実施形態における溶接状態を示す図。
【図５】前記実施形態における溶接パスの状態を示す図。
【図６】前記実施形態における試験結果として溶接速度と溶着速度との関係を示す図。
【符号の説明】
１  被溶接物
２  レール
３  走行台車
４  溶接トーチ
５  ホットワイヤ
６  コールドワイヤ
７，８  ワイヤ送給装置
９  通電加熱装置
１０  ワイヤ加熱電源
１１  接続部材
１２  溶接電源
１３，１４  ガスボンベ
１５  溶接制御装置
１６  ケーブル
１７  タングステン電極
１８  内側シールドカップ
１９  外側シールドカップ
２０，２１  ガス噴出口
２２  センターガス
２３  アウターシールドガス
２４  ＴＩＧアーク
２５  溶接ビード
２６  ルート平行部
２７  溶融池
【図１】
0003934251.tif 000004
【図２】
0003934251.tif 000005
【図３】
0003934251.tif 000006
【図４】
0003934251.tif 000007
【図５】
0003934251.tif 000008
【図６】
0003934251.tif 000009