(57)【要約】【課題】ガスシールドアーク溶接で混合イナートガスを使用する理由は、分子が原子に解離する際の分子解離熱にてアーク電圧を上昇するためであるが、従来のガス混合方式ではがスの比重差のため十分に混合できずアーク電圧上昇効果が低かった。又、銅の溶接では、溶接電流を上げてアーク温度を上げることにより溶接入熱を上げる必要があるが、現状のガスシールドアーク溶接法では溶接電流値のアップは限界であった。【解決手段】シールドガスを帯電装置に通して帯電せしめて生成した帯電シールドガスと、シールドガスを液体フラックスが充填された気化装置に吹き込んで生成した気化フラックスを、混合器で混合して、フラックス含有シールドガスを生成し、該フラックス含有シールドガスを溶接トーチに導いて溶接することにより、シールドガスやＫやＢなどのフラックス成分をプラズマ化してアーク電圧のアップや溶接性状の向上を具現化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスシールドアーク溶接法において、ライン１のシールドガスを帯電装置に通して帯電せしめて生成した帯電シールドガスと、ライン２のシールドガスを液体フラックスが充填された気化装置に吹き込んで生成した気化フラックスを、混合器で混合して、フラックス含有シールドガスを生成し、該フラックス含有シールドガスを溶接トーチに導いて溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
ガスシールドアーク溶接法において、ライン１のシールドガスを帯電装置に通して帯電せしめて生成した帯電シールドガスと、前記ライン２に帯電装置を設け、前記ライン２のシールドガスを該帯電装置に通して帯電せしめて帯電シールドガスを生成し、該帯電シールドガスを前記液体フラックスが充填された前記気化装置に吹き込んで生成した前記気化フラックスを、前記混合器で混合して、フラックス含有シールドガスを生成することを特徴とする請求項１記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項３】
前記ライン１の帯電装置出側配管を気化装置入側配管に分岐し、前記帯電シールドガスを、前記気化装置入側配管を経由して前記液体フラックスが充填された前記気化装置に吹き込んで前記気化フラックスを生成し、該気化フラックスと前記混合器入側配管で前記混合器に送られた帯電シールドガスを、前記混合器で混合して、前記フラックス混合シールドガスを生成し、該フラックス混合シールドガスを前記溶接トーチに導いて溶接することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項４】
前記気化装置入側配管にメイン電磁弁を設け、該メイン電磁弁は、前記溶接トーチにアーク電流が流れているときのみ開になり、前記シールドガスもしくは前記帯電シールドガスを前記気化装置に吹き込んで前記気化フラックスを生成することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載のガスシールドアーク溶接法。
【請求項５】
前記気化装置入側配管に前記メイン電磁弁を設けるとともに、前記気化装置の上部空間にサブ電磁弁を設けたシールドガス配管を取り付けて、前記メイン電磁弁が閉になり前記気化装置へのシールドガスが遮断されると同時に前記サブ電磁弁が開になり、前記気化装置の前記上部空間にパージ用シールドガスを流入せしめ、前記気化装置から前記混合器に至る気化フラックス供給配管内部をパージすることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４記載のガスシールドアーク溶接法。
【請求項６】
前記気化装置にはサイクロンが設けられており、前記気化フラックスは前記サイクロンを経由して気化装置出側配管に排出されることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４又は請求項５記載のガスシールドアーク溶接法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスシールドアーク溶接法において、帯電装置でシールドガスに帯電して、帯電シールドガスを生成するとともに、気化装置に充填した液体フラックスにシールドガスを吹き込んで気化フラックスを生成し、帯電シールドガスと気化フラックスを混合して生成したフラックス混合シールドガスを溶接トーチに導いて溶接するガスシールドアーク溶接法に関するものである。シールドガスや気化フラックスを帯電させることによりアーク電圧やアーク温度が上昇することから、スパッタの発生低減や溶接速度の向上、溶接性状の向上を具現化できる。また従来銅の溶接は５００℃程度の高温予熱が必要であるが本発明により２００℃前後に低減できるので作業者の熱負荷が抑制され作業効率が向上する。
【背景技術】
【０００２】
強磁場の中に溶接シールドガスを強制的に送り出すと電界磁場を作るため電磁誘導起電力を帯びる。つまり多量の静電気を帯びることになる。電流が多く流れると磁気も強くなり、磁気の変化が大きくなると電流も多く流れる。このことを電磁誘導という。発電機やモータやトランスなど様々にこの原理は利用されており、本発明では溶接用シールドガスを帯電させるのに応用したものである。
【０００３】
溶接の難易度は材料の入熱量と放熱量の差に左右される。例えば、銅は放熱量が大きいため５００℃近い予熱を必要とする。銅の溶接は通常ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接で行うことから、シールドガスがＡｒやＨｅのような原子ガスに限定されるため、シールドガスの分子解離熱によるアーク電圧、アーク温度をアップすることができない。従って、銅溶接の場合は放熱量をカバーするため予熱温度を高めることでアーク入熱量不足を補いながら溶接している。このため溶接作業者への熱負荷が大きく作業環境改善が望まれていた。
【０００４】
通常ガスシールドアーク溶接及びレーザ溶接に使用されるシールドガスはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＯ２などである。例えば、ＴＩＧ溶接ではＡｒやＨｅが使用される。炭酸ガスアーク溶接ではＣＯ２が使用される。ＭＡＧ溶接ではＡｒ＋ＣＯ２が使用される。レーザ溶接やレーザ切断では、Ｈ２＋Ｎ２＋ＣＯ２＋Ｈｅの４種又はＨ２＋Ｎ２＋Ａｒ＋ＣＯ２＋Ｏ２＋Ｈｅの６種類の混合ガスが使用される。原子ガスとしてのイナートガスはＡｒやＨｅである。分子ガスのイナートガスとしてはＮ２とＣＯ２であるが主力はＣＯ２溶接である。ＣＯ２溶接は、（１）アーク安定化に優れている、（２）垂降特性が強く出るため溶け込みが深い、（３）安価である、（４）分子ガスの解離を利用できるため予熱を抑えかつ電流電圧を抑えることができる利点がある。しかしながらＣＯ２溶接はスパッタが多く発生する問題があり溶接欠陥や溶接後手入れに多大な労力を要している。
【０００５】
ＣＯ２溶接は自動溶接法としてばかりでなく、半自動アーク溶接としても簡便に適用され、溶接速度が速く、しかも溶接部の諸性質が優れコストが安いので、生産性向上とコスト低減に効果的な溶接法である。しかしながら、裸電極鋼線を用いる方法においては、スパッタの著しいことがその大なる欠点とされている。そのスパッタの発生機構としては、溶滴が非接触移行する場合に、（１）アーク力の押し上げによって溶接棒溶融金属がスパッタとなるもの、（２）溶接棒端から離脱した溶滴が再度アーク中に突入して電極−溶滴−母材間に直列アークを形成してスパッタとなるもの、（３）溶滴が接触移行する場合に、瞬間的短絡が破れる際のフェーズ作用によってスパッタとなるもの、（４）大塊となった溶接棒溶融金属が短絡しアーク再生時の大電流によるアーク力によって移行金属がスパッタとなるもの、（５）いわゆる埋もれアーク状態において短絡してアークが再生し溶融池全体が大きく盛り上がってスパッタとなるものなどがあげられる。
【０００６】
このような種々の発生機構を有するスパッタを抑止するため、従来方法としては、適当な動的特性の溶接機を用い、細径電極鋼線（直径０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ）でアーク電圧（１７〜２０Ｖ）を著しく下げてアーク長を精密にコントロールして溶接するものがある。この溶接は、電極鋼線の溶融金属滴が溶融池に接触して重力と表面張力で適当にくびれた時に短絡電流が流れ、溶融金属滴が溶融池に移行し、アークが再点弧するという短絡移行のサイクルをスムースに繰り返しスパッタを抑止しているものである。しかし、この方法は細径電極鋼線を用いた低電圧の条件のもとでのみスパッタ抑止が達せられるものでその適用範囲は極めて制限されていた。
【０００７】
分子ガス配合比８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ２のアタールガスは、ＡｒとＣＯ２の比重が比較的近似しているため一緒にボンベ充填しても分離しにくいので多用されている。アタールガスはある程度の溶け込みも確保でき、スパッタが少なく溶接後の手入れの時間が省けるメリットがある。ＨｅやＨ２を混合した複合シールドガスは比重差が大きすぎるためボンベ内分離が発生しそれぞれのガス特性を生かせない問題がある。Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２の３種混合ガスはアーク電圧を高くできるが、Ｈｅを１とした場合の比重差は、Ａｒが１０、Ｎ２が７となり、従来市場に出回っているガス混合器ではこれらのガスを完全に混合するのは困難である。この大きな比重差のあるガスを均一に混合して、分子状態からプラズマ状態にするのは１００％無理である。そのため銅のＴＩＧ溶接では、１００％Ｈｅ又は１００％Ａｒを使って、５００℃近傍まで予熱温度を高めて溶接していた。
【０００８】
表１にシールドガスごとの比重、密度、２０℃における熱伝導率を示す。
表１  シールドガスの物性値
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【０００９】
分子イナートガスのＮ２は銅の溶接に使用されるが、銅の場合は含有炭素があっても焼きが入らないためである。Ｎ２→Ｎ＋Ｎと分離する際、解離エネルギは１５ｅＶから３０ｅＶとなり２倍となる。一方原子イナートガスのＨｅの解離エネルギは２５ｅＶである。Ｎ２はＨｅと比較すると安価であるも１００％電離は困難なためＨｅとＮ２は５０：５０の割合で混合して使用する場合がある。この混合割合でようやくＨｅの電離エネルギ２５ｅＶが２０％アップして３０ｅＶとなる。逆に、Ｎ２を単独でシールドガスとして使用する場合は、Ｎ２の電離エネルギを２０％アップするのに、９９．９９９％の高純度のＮ２が必要となり、高価なシールドガスとなる。分子ガスは原子ガスとなる際の分子解離エネルギを放出するためアーク電圧がアップすることは明白であるが、分子ガスを１００％分離することは不可能であり、アーク温度を５０００℃から７０００℃に高めるのは容易ではない。このように、従来の溶接法では分子イナートガス、原子イナートガスによる解離エネルギでアーク電圧やアーク温度をアップするのは限界があった。
【００１０】
アーク電圧を高めアーク温度を高めるためにはアークプラズマの活性化が必要である。プラズマとは正電気を帯びた粒子と負電気を帯びた電子とがほぼ同じ密度で、ほぼ電気的中性を保って分布している粒子集団のことである。プラズマは荷電粒子と中性粒子とにより構成され、集団的ふるまいをする。気体エネルギを加えて気体中の分子を原子に解離し、原子をさらに陽イオンと電子に電離することによってプラズマをつくることができる。そのため、プラズマを活性化するにはイオン化しやすい元素をアーク柱に注入する必要がある。ＮａやＫのようなアルカリ金属は最外殻の電子が不安定のため電離が起こりやすいが気体として取り扱うのは困難である。また、フッ素（Ｆ）のようなハロゲンガスは単体ではイオン化しやすいガスであるが、簡単に他の電子と結合し化合物体の中に組み込まれてしまうので陰イオンとして取り扱うことは困難である。また、ホウ素（Ｂ）のような半金属は単体で使用されることは少なく、化合物や合金の形で使用される。このようなアルカリ金属、半金属、ハロゲンなどの元素を混合してガス体として溶接フラックスに使用する技術はなかった。不活性ガスの元素Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅなどは常温でも単原子として電子が安定のため高温でも電離は起こりにくいが、ＮａやＫなどのアルカリ金属やハロゲンや半金属などの元素をシールドガスと混合して使用できれば溶接特性の向上だけでなくアーク電圧アップとなり、銅溶接においては予熱温度を低減できることになる。
【００１１】
原子間結合はイオン結合と共有結合と金属結合に種別される。これらの原子間結合における原子解離エネルギは、イオン結合で１４０〜２５０ｋｃａｌ／ｍｏｌ、共有結合で１５〜１７０ｋｃａｌ／ｍｏｌ、金属結合で２７〜８３ｋｃａｌ／ｍｏｌである。従来のＨｅ、Ａｒ、Ｎｅなどは不活性ガスであるため分子間エネルギは変化しない。分子ガス（ＣＯ２とＮ２）を混入したシールドガス中に、化学結合したフラックスをイオン結合の形で入れることで、アーク電圧はガスの熱解離エネルギを与えられる。アーク電圧（２０〜３０ｅＶ）で加速されたシールドガスの平均エネルギは１５〜２５ｅＶであり、このエネルギはアーク中で分子ガスを解離する際熱エネルギとして吸収され、溶接面で再び分子ガスにもどる際に熱解離エネルギとして一瞬にして吐出されるためアーク電圧はアップする。ＭＡＧ溶接でＡｒやＨｅなどの原子イナートガスにＣＯ２を混合する理由は熱解離エネルギを増大させるためである。
【００１２】
同様な原理で、シールドガスアーク溶接においても熱解離エネルギを増大するために、ＡｒやＨｅなどの原子イナートガスにＮ２、ＣＯ２、Ｏ２などの分子イナートガスを入れているのである。熱解離エネルギを増大するために、シールドガス中にフッ化水素やフッ化ナトリウムのようにイオン結合したフラックス成分を混入できれば、アーク電圧やアーク温度をアップすることができることから、スパッタの減少、予熱温度の低減、溶接性状の向上など多くの効果を享受できる。
【００１３】
本発明者は、特開６３−１２３５７１号広報「ガスシールドアーク溶接法」において、シールドガスとして帯電ガスを用いたガスシールドアーク溶接法を提案している。この方法においては、Ｋ、Ｎａ、Ｂなどの金属原子を含有した気化フラックスを使用していないので、アーク電圧アップ、アーク温度アップの効果は小さく、又、清浄作用、表面張力除去作用、酸化防止作用などのフラックス機能がなくスパッタ低減、溶接性状の向上はできなかった。
【００１４】
本発明者は、特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」において、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。
【００１５】
本発明者は、特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」において、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。
【００１６】
本発明者は、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」において、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を発明した。
【００１７】
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製造装置及び液体フラックス」において、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を発明した。
【００１８】
本発明者は、特開２０１０−２６９３７０号広報「厚板材の切断方法」において、中継器を発明した。中継器には少なくとも３０ｋガウス以上の磁力を有するように複数のネオジ磁石を配置し、気化装置から切断トーチまでの配管中に気化フラックスが析出しないようにしたものである。
【００１９】
本発明者は、特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接法」において、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に溶解して生成した液体フラックスを発明した。
【００２０】
本発明者は、特開２０１１−０９８３６７号広報「溶接肉盛り用フラックスと溶接肉盛り法」において、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の溶媒に溶解して生成した液体フラックスを発明するとともに、該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肉盛する溶接肉盛方法を発明した。
【００２１】
本発明者は、特開２０１２−０２４８０４号広報「液体フラックス」において、フッ素化合物を溶解せしめた液体フラックスを生成し、この液体フラックス中にシールドガスを通すことでシールドガス中にフッ素成分を含有させることに成功した。フッ素化合物は固形フラックスとして被覆溶接棒や複合ワイヤやロウ付け用に応用されているがＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ２溶接などのシールドガス中に混合する技術はなかった。
【００２２】
本発明者は、特開２０１３−２５５８９５号広報「帯電装置」を発明した。この帯電装置はガス帯電を効率化するためのものであり、ネオジ磁石を回転円板と固定円板に取り付け、お互いに相対運動させることにより磁力線の交差回数を増加させたり、ガスを強力に撹拌したりしてガスの帯電効率を向上させるものである。この帯電装置でシールドガスや気化フラックスに帯電させることによりアーク電圧やアーク温度をアップできることから銅の溶接においても予熱温度を低減できるようになった。
【００２３】
本発明者は、特開２０１３−１０３２２４号広報「半自動アーク溶接」において、磁石を配設した容器からなる液体フラックスの製造装置でアルコールやアセトンの溶媒を回転しながら電解質を溶解させて生成した液体フラックスを、溶接ワイヤに塗布機にて塗布したり、液体フラックスを気化装置に充填し、該気化装置にシールドガスを吹き込んで気化せしめた気化フラックスを溶接部分に吹き付けたりしながら溶接する半自動アーク溶接法を発明した。
【００２４】
本発明者は、特開２０１３−１５０９９２号広報「ＴＩＧ溶接による肉盛り方法」において、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又はこれらを混合器で混合したガスを２０〜５０ｖ％含有した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、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ＴＩＧ溶接方法を発明した。気化装置から溶接トーチまで気化フラックスを気送する間に、気化フラックスが配管内に析出しないようにネオジ磁石を組み込んだ中継器を配設している。
【００２５】
本発明者は、特開２０１４−００４６２１号広報「銅の溶接肉盛り方法」において、複数のシールドガスを混合器で混合し、混合シールドガスを生成し、該混合シールドガスを、液体フラックスを充填した気化装置に吹き込んで、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混合シールドガスが混合した気化フラックスを、帯電装置に通し帯電せしめた後に、溶接トーチに導いて溶接する銅の溶接肉盛り方法を発明した。本発明は、上記の特開６３−１２３５７１号広報、特開２００９−０９０３６８号広報、特開２００９−２３３７４１号広報、特開２００９−２９７７８２号広報特開２０１０−１００４４１号広報特開２０１０−２６９３７０号広報、特開２０１１−０８８１８０号広報、特開２０１１−０９８３６７号広報特開２０１２−０２４８０４号広報、特開２０１２−１５０９９２号広報、特開２０１３−１０３２２４号広報に示した発明をもとにさらに新規に発展させた技術である。しかしながら、この方法においては、混合シールドガスの全量を気化装置に吹き込むので、気化フラックスとシールドガスの流量調整ができない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献０１】特開６３−１２３５７１号広報「ガスシールドアーク溶接法」
【特許文献０２】特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」
【特許文献０３】特開２００９−２３３７４１号広報「液体フラックス気化装置」
【特許文献０４】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」
【特許文献０５】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０６】特開２０１０−２６９３７０号広報「厚板材の切断方法」
【特許文献０７】特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接法」
【特許文献０８】特開２０１１−０９８３６７号広報「溶接肉盛り用フラックスと溶接肉盛り法」
【特許文献０９】特開２０１２−０２４８０４号広報「液体フラックス」
【特許文献１０】特開２０１２−１５０９９２号広報「ＴＩＧ溶接による肉盛り方法」
【特許文献１１】特開２０１３−１０３２２４号広報「半自動アーク溶接」
【特許文献１２】特開２０１３−２５５８９５号広報「帯電装置」
【特許文献１３】特開２０１４−００４６２１号広報「銅の溶接肉盛り方法」
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献０１】分子の世界、（株）化学同人
【非特許文献０２】先端溶接工学、共立出版（株）
【非特許文献０３】触媒の働き、（株）化学同人
【非特許文献０４】電波読本、（株）クリエイト・クルーズ
【非特許文献０５】アーク溶接の物理、（株）アグネ
【非特許文献０６】溶接接合技術入門、産報出版（株）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
ＣＯ２溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ切断などはＡｒやＨｅのような原子イナートガス、もしくはＮ２、Ｈ２、Ｏ２、ＣＯ２のような分子イナートガス、もしくはこれらの混合ガスを使用する。イナートガスは溶滴を大気から遮断し酸化を防止することで溶接強度や外観を向上するものであるが、混合イナートガスを使用する理由は、分子が原子に解離する際の分子解離熱にてアーク電圧を上昇できるからである。通常数種のシールドガスを同じボンベに入れて貯蔵すると比重の差にて分離する欠点がある。また、従来のガス混合方式ではがスの比重差のため十分に混合できずアーク電圧上昇効果が低かった。又、銅の溶接においては、５００℃以上の予熱温度が必要であり、輻射熱が大きく溶接作業者が耐熱服を着ていても２０〜３０分間が限界であり、作業者は高温にひたすら耐えて溶接するしかなかった。銅の予熱温度を低減して溶接するには、溶接電流を上げてアーク温度を上げることにより溶接入熱を多くする必要があるが、現状のガスシールドアーク溶接法では溶接電流値は４００Ａが限界であった。又、イナートガスはフラックスを含有していないので、溶融金属の表面張力除去、清浄性向上、発生酸素の除去などの機能はなかった。
【００２９】
溶接電流値を上げることなくアーク温度をアップするための課題は以下である。（１）帯電性がよくプラズマになりやすい液体フラックスにイナートガスを吹き込んで気化フラックスを生成し、イナートガスと均一に混合してフラックス含有シールドガスとして使用する。（２）イナートガスに帯電せしめアーク電圧をアップする。（３）帯電せしめたイナートガスを液体フラックスに吹き込むことにより気化フラックス生成効率を高める。（４）気化装置出側での液体フラックスの液切れを向上し、液体フラックスの液滴が下流に流入しないようにする。（５）気化装置からトーチまでの配管内に気化フラックスが析出しないようにする。本発明は以上の課題を解決し、アーク電圧、アーク温度を上昇させることにより、スパッタの低減、溶接速度の向上、銅の予熱温度低減などを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、ガスシールドアーク溶接法において、ライン１のシールドガスを帯電装置に通して帯電せしめて生成した帯電シールドガスと、ライン２のシールドガスを液体フラックスが充填された気化装置に吹き込んで生成した気化フラックスを、混合器で混合して、フラックス含有シールドガスを生成し、該フラックス含有シールドガスを溶接トーチに導いて溶接するガスシールドアーク溶接方法である。
【００３１】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記ライン２のシールドガスを前記帯電装置に通して帯電せしめて前記帯電シールドガスを生成し、該帯電シールドガスを液体フラックスが充填された気化装置に吹き込んで前記気化フラックスを生成するガスシールドアーク溶接方法である。
【００３２】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記ライン１の帯電装置出側配管を気化装置入側配管に分岐し、前記帯電シールドガスを、前記気化装置入側配管を経由して前記液体フラックスが充填された前記気化装置に吹き込んで前記気化フラックスを生成し、該気化フラックスと前記混合器入側配管で前記混合器に送られた帯電シールドガスを、前記混合器で混合して、前記フラックス混合シールドガスを生成し、該フラックス混合シールドガスを前記溶接トーチに導いて溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法である。
【００３３】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記気化装置の入側配管にメイン電磁弁を設け、該メイン電磁弁は、前記溶接トーチにアーク電流が流れているときのみ開になり、前記シールドガスもしくは前記帯電シールドガスを前記気化装置に吹き込んで前記気化フラックスを生成するガスシールドアーク溶接法である。
【００３４】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記気化装置の入側配管に前記メイン電磁弁を設けるとともに、前記気化装置の上部空間にサブ電磁弁を設けたシールドガス配管を取り付けて、前記メイン電磁弁が閉になり前記気化装置へのシールドガスが遮断されると同時に前記サブ電磁弁が開になり、前記気化装置の前記上部空間にパージ用シールドガスを流入せしめ、前記気化装置から前記混合器に至る気化フラックス供給配管内部をパージするガスシールドアーク溶接法である。
【００３５】
第６の解決手段は特許請求項６に示すように、前記気化装置にはサイクロンが設けられており、気化フラックスは前記サイクロンを経由して排出されるガスシールドアーク溶接法である。
【発明の効果】
【００３６】
第１の解決手段による効果は以下である。（１）シールドガスと気化フラックスの流量をそれぞれ単独に調整できるので、最適な溶接条件を設定できる。従来は、全シールドガスを気化装置に吹き込んで気化フラックスを生成していたので、シールドガスと気化フラックスの流量調整が不可能であった。（２）混合器内で乾燥したシールドガスと気化フラックスを混合するので、気化フラックスの再結晶化が発生しない。（３）シールドガスに静電気を帯電せしめることによりアーク電圧をアップできるので溶接速度が向上する、（４）シールドガスが静電気を帯電しているのでアーク柱のピンチ力がアップしスパッタが減少する。
【００３７】
第２の解決手段による効果は以下である。（１）液体フラックスに帯電シールドガスを吹き込むことにより、液体フラックスを帯電させることができる。（２）液体フラックスの気化を促進するので気体フラックスの生成効率が向上する。（３）液体フラックスが気化した気体フラックスと帯電シールドガスの混合が促進され均一な気化フラックスを生成できる。（４）帯電シールドガスと気化フラックスの流量をそれぞれ単独に調整して混合器で混合できるので、最適な溶接条件を設定できる。
【００３８】
第３の解決手段による効果は以下である。（１）シールドガスを帯電させた後に分岐しているので帯電装置を兼用できることから配管系統を簡素化できる。（２）帯電シールドガスを気化装置に吹き込むので、液体フラックスの気化を効率化できる。（３）シールドガスが帯電しているので気化フラックスの帯電が効率化できる。
【００３９】
第４の解決手段による効果は以下である。（１）アーク電流が流れているときだけ気化フラックスが出るので、液体フラックスの原単位を節減できる。（２）電磁弁が気化装置の上流側に設けてあるので、気化フラックス中のフラックス成分が電磁弁に析出しないので、電磁弁の円滑な作動を持続できる。
【００４０】
第５の解決手段による効果は、気化装置からトーチまでの配管中をシールドガスでパージできるので、配管中に気化フラックス中に含まれるフラックスが析出しないことである。
【００４１】
第６の解決手段による効果は以下である。（１）サイクロンを経由して気化フラックスが排出されるので、気化フラックス中に含有される液滴をサイクロン内部で分離できる。（２）サイクロン中にパージ用シールドガスを吹き込めるのでサイクロン内部にフラックス成分が析出しない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】は第１の手段による溶接系統図である。
【図２】は第２の手段による溶接系統図である。
【図３】は第３の手段による溶接系統図である。
【図４】は第４の手段による溶接系統図である。
【図５】は第５の手段による溶接系統図である。
【図６】は帯電装置の断面図である。
【図７】は気化装置の断面図である。
【図８】は混合器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の実施形態を、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図８に基づいて説明する。
【００４４】
第１の解決手段は特許請求項１に示すように、ガスシールドアーク溶接法において、ライン１のシールドガスを帯電装置１０に通して帯電せしめて生成した帯電シールドガスと、ライン２のシールドガスを液体フラックスが充填された気化装置２０に吹き込んで生成した気化フラックスを、混合器３０で混合して、フラックス含有シールドガスを生成し、該フラックス含有シールドガスを溶接トーチ４０に導いて溶接するガスシールドアーク溶接方法である。
【００４５】
図１は第１の手段による溶接系統図である。図１において、シールドガスはガスタンク１００やガス基地（図示せず）からライン１に供給される。ライン１のシールドガスにはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＯ２などを使用できる。ライン１のシールドガスは１種類でもよいし、例えば、ガスタンク１０２などを増設して、複数のシールドガスを混合した混合シールドガスを使用してもよい。ライン１のシールドガスは帯電装置入側配管２００を通って帯電装置１０に送られ、帯電シールドガスは帯電装置出側配管２０１を通って混合器３０に送られる。ライン１のシールドガスの流量はバルブ１０３で調整できる。
【００４６】
ライン２のシールドガスはガスタンク１０２やガス基地からライン２に供給される。ライン２のシールドガスにはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＯ２などを使用できる。ライン２のシールドガスは１種類でもよいし、ライン１のようにガスタンク１０２を増設して複数のシールドガスを混合した混合シールドガスを使用してもよい。ライン２のシールドガスは気化装置入側配管２０３を通って液体フラックスを充填した気化装置２０に吹き込まれる。液体フラックスは気化装置２０で気化して気体フラックスとなりシールドガスと混合して気化フラックスとなる。気化フラックスは気化装置出側配管２０４を通って混合器３０に導かれる。ライン２のシールドガス流量はバルブ１０４で調整できる。混合器３０でライン１の帯電シールドガスとライン２の気化フラックスは混合されてフラックス含有シールドガスとなり混合器出側配管２０２により溶接トーチ４０に導かれる。溶接トーチ４０には電源装置６０からケーブル６１を経由して電流が供給される。又、ワイヤドラム７０からワイヤ７１が供給され母材４１にアーク溶接する。帯電シールドガスと気化フラックスの混合割合は、帯電シールドガスが１０〜３０リットル／分、気化フラックスが１〜３リットル／分である。ライン１とライン２のシールドガスは同一種類でもよいし、異なる種類でもよい。
【００４７】
帯電装置１０は、例えば図６に示すように特開２０１３−２５５８９５号広報や特開２０１４−００４６２１号広報に開示された方法で製造されたものを使用できる。帯電装置１０はネオジ磁石5０を例えば１０００個以上配設して強磁場を形成している。ネオジ磁石5０は回転円板１１と固定円板１２に配設されている。モータ１６で回転円板１１が回転することにより、シールドガスが強力に撹拌されると同時に、回転円盤１１と固定円盤１２に向かい合わせに取り付けられたネオジ磁石５０が次々にシールドガスの分子を断ち切りながら荷電するので効率的に帯電できる。シールドガス中の分子ガスを溶接トーチに導く前にあらかじめ原子状態とすることでアーク電圧を強制的にアップさせることができる。ネオジ磁石5０の総数は８００〜１２００個である。ネオジ磁石5０は例えば、３．５ｋガウス／個である。回転円板１１の回転数は１０〜１８００回転である。モータ１６は速度可変モータで変速できるのが望ましいが、減速機とプーリなどの変速機構の組み合わせで変速することができる。いずれにしても、回転円板１１を１０〜１８００ｒｐｍの範囲内で所定の回転数で回転できる方法であればよい。回転円板１１や固定円板１２はＡＬ２０１７−Ｔ４高力アルミニウム板やステンレス、チタン、鋼板などが使用できる。回転円板１１は高速回転するので軽量化してＧＤ２を軽減するのがよい。
【００４８】
アーク溶接は通常交流、直流のいずれかによって行われるがその極性によって溶接に少なからぬ影響を与える。電極（溶接棒）側を−とし母材側を＋とする正極性はアーク集中性がよく溶け込み深さも深いため厚板の溶接に有効である。また陰極から熱電子が放出される時、離脱に必要なエネルギをとるため電極の発熱が少なく消耗しにくい特性があるため一般のＣＯ２溶接やＭＩＧ溶接に適している。対して逆極性は溶接棒が＋で母材が−である。溶け込みが浅いため比較的薄板の溶接に向いている。溶融幅は広く交流の＋、−のサイクル変換は母材表面の酸化膜の浮上作用として働くためアルミニウム合金の溶接に用いられる。電極は陽極となり加熱されやすくホットワイヤになりやすいため消耗が早い。ＴＩＧ溶接のように交流でアルミニウムやアルミニウム合金を溶接する場合は＋、−の反転による磁気風の原因を作るため酸化膜の浮上が簡単となる。交流は直流と比較すると正極性と逆極性が常に反転するためすべて中間程度の溶け込みとビード幅となる。本発明による帯電装置１０は、シールドガスを＋や−に自由に変化できるので、正極性（溶接棒）の場合はシールドガスを−に、逆極性（溶接棒）の場合はシールドガスを＋にしてアーク電圧と溶接速度をアップしスパッタの少ない溶接ができる。シールドガスは帯電装置２０の中に入り、回転円板１１と固定円板１２のネオジ磁石５０が相対運動することによりフレミングの左手の法則で静電気が溜まっていく。帯電装置１０の出口固定円板１５のネオジ磁石５０のＮ−Ｓの向きにて正極、逆極が決まる。固定円板１２の極と出口固定円板１５の極をＮ―Ｎとすることで逆極性となり、溶接棒ワイヤ７１が＋でシールドガスが＋のため反磁場によるピンチ効果にてスパッタ発生が極端に減少し、溶け込みの深い溶接面を得ることができる。また、固定円板１２の極と出口固定円板１５の極をＮ−Ｓとすることで正極性となり、溶接棒ワイヤ７１が−でシールドガスが−となり反磁場のピンチ効果にてスパッタが減少する。出口固定円板１５の表と裏を反転させることで正極性と逆極性に対応可能である。
【００４９】
帯電装置１０の中に、帯電装置入側配管２００からシールドガスが強制的に供給されると、シールドガスがネオジ磁石５０のＳ極、Ｎ極の強磁場を直角に横切り、磁界が分子ガスのＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２の分子間に割って入ることで分子結合力を寸断し、ＣＯ２→ＣＯ＋Ｏ、Ｎ２→Ｎ＋Ｎ、Ｏ２→Ｏ＋Ｏの原子ガスとなる。帯電したシールドガスがアーク柱で再び分子ガスとなる際に分子解離エネルギを放出してアーク電圧を上昇させる。ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２などの分子ガスとＡｒやＨｅの原子ガスと混合をさせることで、比重差による強制対流効果が生まれ、アークを強制的に冷却してアーク柱を絞る作用により熱的ピンチ効果が発生し一段とアーク電圧は上昇する。回転円板１１はシールドガスに回転力を付与するので、シールドガスは遠心力によりケーシング１３側に飛ばされる。さらに、固定円板１２が邪魔板となりケーシング１３側に飛ばされたシールドガスは回転軸１４側に押し戻され次の間隙１０ａに入る。このような運動を繰り返しながらシールドガスは強力に撹拌されながら帯電して帯電装置出側配管２０１から排出される。表２に解離反応と各エネルギ値を示す。
【００５０】
表２  解離反応と各エネルギ値  （ｅＶ）
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【００５１】
静電気を帯電装置１０で帯電した後、導体に接触して静電気が逃げないようにすることにより帯電効果を高めることができる。そのため帯電装置１０の内面や帯電装置１０から混合器３０までの帯電装置出側配管２０１、混合器３０から溶接トーチ４０までの混合器出側配管２０２内面を絶縁体で被覆するのがよい。絶縁体は絶縁性のある塗料でもよい。電気絶縁塗料にはＪＩＳＣ２３５０（１９８３）で規定されているエナメル導線用ワニスＷＳ４０や変性エポキシ樹脂を主成分とするＥＰ−２１などがある。帯電装置出側配管２０１、混合器出側配管２０２はゴムホースや樹脂ホースなどの絶縁体材料を用いることも可能である。帯電装置１０の回転板１１や固定板１２の表面にも絶縁塗料を塗布することでさらにシールドガスの帯電率をアップできる。
【００５２】
ライン１のシールドガスはＡｒ、Ｈｅなどの原子シールドガスもしくはＮ２、ＣＯ２などの分子ガスをそれぞれ単独で使用してもよいし、これらを複数種類混合した混合シールドガスを使用してもよい。一般的なシールドガスの使用法としては、１００％ＣＯ２、８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ２（アタールガス）、Ａｒ＋Ｎ２、Ｈｅ＋Ｎ２、１００％Ａｒ、１００％Ｈｅなどがある。レーザ切断ガスとして、Ｎ２＋ＣＯ２＋Ｎ２＋Ｈｅ＋Ｏ２などがあるが分子ガスを使うのはアーク電圧をアップさせるためである。分子ガスを原子に解離するためには、表３のように大きなエネルギを要する。ＡｒやＨｅは単独で使用する場合でもアーク電離が高いため溶接性はよいが、銅やアルミなどのように比熱の大きい材料の溶接は熱伝導率が高いので溶接時の抜熱を補うためにさらにアーク電圧を上昇させたいニーズがある。そのために混合シールドガスとして、原子ガスに分子ガスを混合してアーク電圧アップを図っている。
【００５３】
例えば、シールドガスの混合比をＮ２：６０％、Ａｒ：２０％、Ｈｅ：２０％とすると、各ガスの粘性率は、Ｎ２→１６６５×０．６＝９９９、Ａｒ→２０８５×０．２＝４１７、Ｈｅ→１８６０×０．２＝３７２であり、シールドガス全体としては、９９９＋４１７＋３７２＝１７８８となり比較的粘性率が高い。そのため高磁場、高速回転中での帯電が比較的簡単である。シールドガスの粘性率を表３に示す。
【００５４】
表３  シールドガスの粘性  Ｐ（ポアズ）＝ｇｃｍ−１ｓ−１
2016083679.tif 000005
【００５５】
各種シールドガスの自己拡散係数は温度が一定ならば密度と圧力に反比例する。シールドガスの混合比をＮ２：６０％、Ａｒ：２０％、Ｈｅ：２０％として、（１）Ｔ／Ｋを計算する。Ｎ２→２９８．２×０．６＝１７８．９、Ａｒ→２９８．２×０．２＝５９．６、Ｈｅ→２９６×０．２＝５９．２であり、Ｔ／Ｋ＝１７８．９＋５９．６＋５９．２＝２９７．７４である。（２）自己拡散係数Ｄ／ｃｍ２ｓ−１を計算する。Ｎ２→０．２１２×０．６＝０．１２７２、Ａｒ→０．１７８×０．２＝０．０３５６、Ｈｅ→１．５６×０．２＝０．３１２であり、自己拡散係数Ｄ／ｃｍ２ｓ−１＝０．１２７２＋０．０３５６＋０．３１２＝０．４７４８となる。表４に気体の自己拡散係数を示す。
【００５６】
表４  気体の自己拡散係数  ７６０ｍｍＨｇ＝１０１３２５Ｐａ
2016083679.tif 000006
【００５７】
溶接シールドガスは溶接アーク柱を周囲の空気からシールドし、かつ熱伝導体となって相手溶接金属の熱保持を図る。水素は熱伝導率が高いことから良好な熱伝導体となるが、溶接金属に侵入すると水素脆性などの水素特有の欠陥を生じるので使用できない。水素を１００％還元反応できないため溶融金属への侵入を遮断するのは極めて困難なことから、Ｈｅがシールドガスの主力として使用される。３種混合のシールドガスの熱伝導率は約６００でありＡｒやＣＯ２の約３倍である。３種混合ガスでは、Ｎ２を６０％、Ｈｅを２０％、Ａｒを２０％混合したものが多用される。従って、３２５．２×０．６（Ｎ２）＋１７９４×０．２＋２２３．３×０．２＝５９８．７８→約６００Ｋ／１０−４Ｗｍ−１Ｋ−１となる。
各種ガス単体の気体の熱伝導率を表５に示す。
【００５８】
表５  各種ガス単体の熱伝導率（Ｋ／１０−４Ｗｍ−１Ｋ−１）
2016083679.tif 000007
【００５９】
液体フラックスは、本発明者が発明した各種液体フラックスを使用することができる。液体フラックスはアルコールやアセトンの溶媒に磁界かけ電流を流しながら電解質を溶解したものであり、溶接母材、溶接棒、溶接方法など様々な溶接条件に応じて作り分けることが可能である。
【００６０】
液体フラックスは、例えば、特開２００９−０９０３６８号広報「ガス切断用気化フラックス」における、「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」を使用できる。切断と溶接は金属を溶融させる点で共通しており、冶金的な表面張力の低減や清浄化作用、酸化防止作用が必要であることから、切断用気化フラックスは溶接用気化フラックスにも応用可能である。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」における、「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」を使用できる。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」における、「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」を使用できる。特開２０１１−０８８１８０号広報「溶接用フラックスと溶接法」における、「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に溶解して生成した液体フラックス」を使用できる。特開２０１１−０９８３６７号広報「溶接肉盛り用フラックスと溶接肉盛り法」における、「前記液体フラックスはアルカリ金属、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の溶媒に溶解して生成した液体フラックス」を使用できる。特開２０１２−０２４８０４号広報「液体フラックス」における、「カリウム（Ｋ）、ホウ素（Ｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）のいずれかを含むフッ化物の中から１種もしくは２種以上の前記フッ化物を選択し、フッ素（Ｆ）含有量が３０〜７０重量％となるように調合した調合フッ化物をアルコールもしくはアセトンの溶媒に溶解した液体フラックス」を使用できる。
【００６１】
帯電シールドガスや気化フラックスがガスシールドアーク溶接において最大の効果を発揮するのはガスアーク電圧をアップすることである。以下に各ガスの電子をはぎ取る際の解離エネルギを示す。ｅＶ１は電子１個をはぎ取る際の必要なエネルギ、ｅＶ２は電子２個をはぎ取る際に必要なエネルギである。Ｈｅ：２５ｅＶ１、５４ｅＶ２、Ａｒ：１６ｅＶ１、２８ｅＶ２、Ｎ：１５ｅＶ１、３０ｅＶ２、Ｃ：１１ｅＶ１、２４ｅＶ２、Ｏ：１４ｅＶ１、３５ｅＶ２、Ｂ：８ｅＶ１、２５ｅＶ２、Ｎａ：５ｅＶ１、４７ｅＶ２、Ｋ：４ｅＶ１、３２ｅＶ２、Ｌｉ：７５ｅＶ２、Ｆ：１７ｅＶ１、３５ｅＶ２である。各種溶接金属毎に最適なフラックスを液体フラックスとして作ることが可能であるが、１種類の液体フラックスですべての溶接に対応するのは不可能であり、金属の主成分や融点を考慮して含有成分を調整する必要がある。液体フラックスの基本的な構成はメタノールやアセトン中にＨ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉなどの入った電解質を最大濃度３５ｗｔ％で溶解したものである。液体フラックスにシールドガスを吹き込んで液体フラックスを気化装置せしめて気体フラックスし、気体フラックスとシールドガスが混合したものが気化フラックスである。
【００６２】
気化装置２０の断面図を図７に示す。気化装置２０は特開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」に開示しているものと同じ原理である。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気化装置入側配管２０３と、生成した気化フラックスを取り出す気化装置出側配管２０４及び複数のネオジ磁石５０を配設した構成である。気化装置出側配管２０４はゴムホースや金属パイプが使用できる。ゴムホースは絶縁体であることから、気化装置２０で帯電した気化フラックスのイオンを保持したまま混合器３０に送ることができる。金属パイプを使用する場合は内面に絶縁塗装するのがよい。気化装置２０に充填したネオジ磁石５０は、気化フラックスの流れに抵抗を付与して帯電効果をアップするためにランダムに配置されている。気化容器２１には複数の貫通孔２２ａが設けられた整流板２２が取り付けられ、気化装置２０に吹き込まれたシールドガスや、液体フラックスが蒸発してシールドガスと混合した気化フラックスを整流する役割を有する。又、整流板２２はネオジ磁石５０を保持する役割もある。下段整流板２２Ａに載置されたネオジ磁石５０は液体フラックスに浸漬され、液体フラックスを磁化して気化促進の機能を有する。上段整流板２２Ｂに載置されたネオジ磁石５０は気化フラックスだけが通過し、気化フラックスを励起し帯電する機能を有する。液体フラックスは補充口２３から充填される。気化容器２１に残留した液体フラックスはドレン抜き管２４から排出する。気化装置２０にはレベル計、温度計、圧力計、ヒーターなどを使用状況に応じて付加してもよい。
【００６３】
気化フラックスはシールドガス中に、液体フラックスが気化した気体フラックスを最大５ｖ％混合している。気体フラックス中のＮａやＫは最外殻に１個の電子を持ち不安定なため、ネオジ磁石５０の中を通ることで簡単に電離が起こり、Ｎａ：５．１ｅＶ、Ｋ：４．３ｅＶのように電離エネルギをシールドガス中に出す。原子イナートガスのＡｒやＨｅは単体のシールドガスとしての電離エネルギは高いが、分子が原子になるときのような電離エネルギはない。そこで、ＡｒやＨｅにＮ２、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２などの分子ガスを入れ混合シールドガスとして気化装置２０に吹き込んで液体フラックスを気化せしめることで、解離誘導起電力を与えられ積乱雲状態の気化フラックスとなる。また、混合シールドガスと気体フラックス（ＮａやＫなどの元素を含有）が混合した気化フラックスがネオジ磁石５０を通過する途中で、解離誘導起電力により気体フラックスの溶媒であるアルコールに含有されているラジカル水酸基ＯＨがＯ＋Ｈに再分離する際、Ｈ→１５．４ｅＶの解離エネルギを放出する。
【００６４】
混合器３０は例えば、特開２０１４−００４６２１号広報に示した混合器を応用して製造できる。例として、混合器３０の断面図を図８に示す。混合器基部３１にはベンチュリー部３０ａが設けられており、帯電シールドガスはベンチュリー部３０ａで高速となり静圧が低下し気化フラックスを吸引する。帯電シールドガスと気化フラックスは乱流を形成するので激しく撹拌され均一に混合されフラックス含有シールドガスとなる。混合器３０の基部３１には帯電シールドガスが給気される流路３２ａ、フラックス含有シールドガスが排気される流路３３ａ、気化フラックスが給気される流路３４ａが設けられている。流路３２ａは取付け金具３２によって帯電装置出側配管２０１と連結される。流路３３ａは取付け金具３３によって混合器出側配管２０２と連結される。流路３３ａは取付け金具３４によって気化装置出側配管２０４と連結される。
【００６５】
帯電装置２０で帯電させた気化フラックスを吹き付けながら溶接することにより従来の溶接の問題点を解決できる。（１）液体フラックスはＡＬ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂなどの脱酸機能を有する元素を含有するため溶接中の金属酸化と脱炭を低減できる、（２）銅と炭素鋼、ステンレスと炭素鋼などの異種金属の溶接性が向上する。（３）液体フラックスはＰＨ７の中性にすることも可能であり溶接部を酸やアルカリで脆化することを防止できる。（４）フッ化物などの添加により溶融金属の表面張力除去ができるため肉盛り厚みを薄く平滑に出来る効果が生まれる。（５）シールドガスの帯電による磁気力アップによるピンチ効果、気化フラックス吹き付け効果で表面張力除去による円滑なスプレイ移行となるためスパッタが低減するとともに、落降中の溶滴一粒ずつにフラックスコーティングされるため美しくビードが重なり欠陥のない溶接ビードとなる。（６）複合ワイヤには脱酸剤としてＡＬ、Ｓｉ、Ｍｎを含有しているため、通常のＣＯ２溶接では、ＣＯ２が分解して酸素が発生しテルミット反応が促進する。又、溶接ワイヤに電流が流れると中心に向かって電磁力（ピンチ力）が発生し、溶接ワイヤが溶融すると、ピンチ力や内部の圧力差によって、ワイヤ溶滴に変形や流体の移行が起こる。この現象が電磁的ピンチ効果であるが、ＣＯ２溶接ではアーク反力がピンチ力より強いため、溶滴にくびれが生じるまでは引きちぎられず、大粒のグロビュラー移行となりスパッタを生じやすい。即ち、テルミット反応や大きなアーク反力のためスパッタが生じやすくなる。しかしながら、本発明によるＣＯ２溶接では、気化フラックス中のホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）が溶滴を瞬時にガラスコーティングし、酸化防止するとともにテルミット反応を抑えスパッタを低減する。（７）厚板溶接ではフラックス巻き込みによる欠陥が出ないようにするため、第１層〜第３層目までは通常ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接を使用するが、気化フラックスを吹きつけながら炭酸ガス溶接することでフラックスを巻き込まない無欠陥溶接が可能とり、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接の代用が可能である。しかもＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接に比べて溶接速度を数倍に向上させることができる。（８）ＣＯ２溶接でＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接の代用が可能となるので、イナートガスに高価なアルゴンガスを使用する場合に比べて炭酸ガス溶接で代用することにより大幅なコスト削減となる。（９）腐食環境にあるボイラチューブにインコネルやハステロイの肉盛りをすると３〜４年の寿命が１０〜１２年となるように極めて効果が大きいが、このような肉盛り溶接では上り溶接が多いため溶接効率が極めて悪くなる。しかしながら、帯電シールドガスと気化フラックスを混合したフラックス混合シールドガスを溶接面に吹きつけながら溶接することにより作業能率が１５〜２０％向上する。（１０）帯電装置１０でネオジ磁石５０を高速回転させシールドガスを強力に混合、撹拌しながら、電磁誘導起電力を分子や原子ガスに乗せることにより、シールドガスが同極電子を帯びて互いに反発しあい、励起エネルギとなって溶接トーチ４０先端部まで流れる。溶接ワイヤ側マイナス（−）に対して、シールドガスや気化フラックスにプラス（−）の電子を印加するとスプレイ移行溶滴となりかつ溶接電圧をアップさせるため溶接棒７１の溶け込み率や溶接スピードがアップしスパッタの少ない溶接ができる。従来のように高価なＡｒやＨｅのように第１８族のイナートガスを大量に使用する必要はなく、安価なＣＯ２に＋αとしてＨｅやＡｒを加算するだけで溶接効率がアップしスパッタが低減できるので品質向上に繋がり溶接コストを低減できる。多層肉盛りなどの際の酸化スケールの浮き上がりを磁気風で効果的に浮上させることが可能となった。
【００６６】
溶接性指数が最も大きい部類の銅の溶接は従来、予熱５００℃前後、シールドガスはＨｅかＮ２であった。これはアーク電圧を高くできるためであるが、アーク電圧を高くしても、Ｎ２→１５．６ｅＶ→２９．６ｅＶ、Ｈｅ→２４．３ｅＶ→５４．４ｅＶ、Ａｒ→１５．７ｅＶ→２７．６ｅＶとすることは１００％無理である。原子シールドガスに分子シールドガスが入ってもプラズマ状態となるのは１０〜１５％である。アーク温度は５００〜７０００℃の高温中であるが、太陽のように高温、高圧、高磁場でようやく分子は１００％原子となる。通常使用している最大１５％のプラズマ原子ガスではアーク電圧は分子ガスを入れてもＨｅ単独で２４．３×１．１５＝２７．９ｅＶ（約２８ｅＶ）である。予熱温度を５００℃から４２５℃に下げられる程度である。予熱温度を３００℃以下とするためにはＨｅ＋Ｎ２の混合ガスを用いて３４ｅＶまで上昇させる必要がある。３．５ｋＧ／個のネオジ磁石を８００〜１２００個使用して、１８００ｒｐｍの高速回転にて初めて可能になった。市販の静電電位測定器（春日電気、ＫＳＤ−１０００、測定範囲±0.1ｋｖ〜50ｋｖ）で測定した帯電装置１０によるシールドガスへの帯電量は４８ｋＶであった。アーク電圧をアップするにはシールドガスの帯電量は１０ｋＶ以上あれば十分であるが安定的に３０ｋＶ以上の静電気を帯電するのが望ましい。
【００６７】
第２の解決手段は特許請求項２に示すように、前記ライン２のシールドガスを前記帯電装置１０に通して帯電せしめて前記帯電シールドガスを生成し、該帯電シールドガスを液体フラックスが充填された気化装置２０に吹き込んで前記気化フラックスを生成するガスシールドアーク溶接方法である。
【００６８】
図２は第２の手段による溶接系統図である。ライン２に帯電装置１０を設けて、シールドガスを通して帯電せしめた帯電シールドガスを気化装置２０に吹き込んで気化フラックスを生成する方法である。液体フラックスは気化装置２０内で気体フラックスとなりシールドガスと混合され気化フラックスとなる。気化フラックスは気化装置出側配管２０４を経由して混合器３０に送られ、ライン１の帯電シールドガスと混合し、フラックス含有シールドガスとして溶接トーチ４０に送られる。ライン１の帯電装置１０とライン２の帯電装置１０を兼用する方法もあるが、ライン１のシールドガスとライン２のシールドガスの種類が異なる場合は、帯電装置１０はそれぞれのラインに取り付けるのがよい。
【００６９】
特開２０１４−００４６２１号広報に開示された発明において、液体フラックスを充填した気化装置にシールドガスを吹き込んで生成した気化フラックスを帯電装置に通して帯電した後、溶接トーチに導いて溶接する方法が開示されている。この方法においては、気化フラックス全量を帯電装置に通すので、配管全体の圧力損失が大きくなる問題があった。又、気化フラックスが帯電装置を経由すると、気化フラックスを生成してから溶接トーチまでの距離が長くなり、気化フラックスが帯電装置や配管内に析出するなどの問題があった。本発明では、気化装置２０の直近もしくは気化装置２０に混合器３０を取り付けることで、気化装置出側配管２０４の長さを短くできるので気化フラックスが析出する問題はない。又、混合器３０と溶接トーチ４０の距離を短くすることで気化フラックスの析出を防止できる。
【００７０】
一般的に液体中に帯電したガスを吹き込むことにより機能水を生成できる。機能水の特長としては、（１）液体の分子集団であるクラスターの大きさや構造を変化させる、（２）ラジカルな（ＯＨ）が生成する、（３）ラジカルと溶解ガス（ＨやＯ）との反応により活性化学種が生成される、（４）酸化還元電位が変化する、（５）液体の解離定数が変化するなどがあげられる。このような機能水としての作用により液体フラックスの気化効率が向上し、シールドガスに大量の気体フラックスを含有させることができる。
【００７１】
第３の解決手段は特許請求項３に示すように、前記ライン１の帯電装置出側配管２０１を気化装置入側配管２０３に分岐し、前記帯電シールドガスを、前記気化装置入側配管２０３を経由して前記液体フラックスが充填された前記気化装置２０に吹き込んで前記気化フラックスを生成し、該気化フラックスと前記混合器入側配管２０１で前記混合器３０に送られた帯電シールドガスを、前記混合器３０で混合して、前記フラックス混合シールドガスを生成し、該フラックス混合シールドガスを前記溶接トーチ４０に導いて溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法である。
【００７２】
図３は第３の手段による溶接系統図である。ライン１の帯電装置出側配管２０１を気化装置入側配管２０３に分岐する。帯電装置出側配管２０１及び気化装置入側配管２０３にはそれぞれバルブ１０４、バルブ１０５を設けて、混合器３０と気化装置２０への帯電シールドガスの流量を調整する。帯電装置出側配管と気化装置入側配管に分岐することにより帯電装置１０が兼用できるのでシステムを簡素化できる。
【００７３】
第４の解決手段は特許請求項４に示すように、前記気化装置入側配管２０３にメイン電磁弁１０６を設け、該メイン電磁弁１０６は、前記溶接トーチ４０にアーク電流が流れているときのみ開になり、前記シールドガスもしくは前記帯電シールドガスを前記気化装置２０に吹き込んで前記気化フラックスを生成するガスシールドアーク溶接法である。
【００７４】
図４は第４の手段による溶接系統図である。図４に示すように気化装置入側配管２０３にメイン電磁弁１０６を設けている。溶接電流が流れていないときには、溶接トーチ４０への気化フラックスの供給を止める必要がある。溶接電源６０でアーク電流のオンオフ信号を検知して、信号線６２によりメイン電磁弁１０６に信号を送り、アーク電流が流れているときだけメイン電磁弁１０６を開にし、アーク電流が遮断されたらメイン電磁弁１０６を閉にする。
【００７５】
メイン電磁弁１０６が気化装置入側配管２０３に設けられているので、気化フラックスに含有されるフラックスがメイン電磁弁１０６内に析出して固着し、メイン電磁弁１０６を作動不良にすることがない。
【００７６】
第５の解決手段は特許請求項５に示すように、前記気化装置入側配管２０３に前記メイン電磁弁１０６を設けるとともに、前記気化装置２０の上部空間２０ａにサブ電磁弁１０７を設けたパージガス配管２０５を取り付けて、前記メイン電磁弁１０６が閉になり前記気化装置２０へのシールドガスが遮断されると同時に前記サブ電磁弁１０７が開になり、前記気化装置２０の前記上部空間２０ａにパージ用シールドガスを流入せしめ、前記気化装置２０から前記混合器３０に至る気化装置出側配管２０４内部をパージするガスシールドアーク溶接法である。
【００７７】
図５は第５の手段による溶接系統図である。図５によりシステムを説明する。ライン１の帯電装置入側配管２００に帯電装置１０が配設されている。帯電装置１０を出た帯電シールドガスは、バルブ１０４を設けた帯電装置出側配管２０１とバルブ１０５を設けた気化装置入側配管２０３に分岐される。気化装置入側配管２０３にはメイン電磁弁１０６が設けられている。帯電装置出側配管２０１から分岐してパージガス配管２０５を取付け、気化装置２０の上部空間２０ａに連通させている。パージガス配管２０５にはサブ電磁弁１０７が設けられている。溶接電源６０でアーク電流のオンオフ信号を検知して、信号線６２によりメイン電磁弁１０６に信号を送り、アーク電流が流れているときだけメイン電磁弁１０６を開にし、アーク電流が遮断されたらメイン電磁弁１０６を閉にする。又、信号線６３によりサブ電磁弁１０７に信号を送り、アーク電流が流れているときはサブ電磁弁１０７を閉にし、アーク電流が遮断されたらサブ電磁弁１０７を開にして、パージガス配管２０５から気化装置２０の上部空間２０ａに帯電シールドガスを吹き込み、気化装置２０内部や気化装置出側配管２０４内の気化フラックスをパージして、気化フラックスに含有されているフラックス成分が析出するのを防止する。
【００７８】
第６の解決手段は特許請求項６に示すように、前記気化装置２０にはサイクロン２１が設けられており、前記気化フラックスは前記サイクロン２１を経由して気化装置出側配管２０４に排出されるガスシールドアーク溶接法である。
【００７９】
図６は気化装置２０の断面図である。サイクロン８０はサポート８５によって気化装置２０の上部空間２０ａに取り付けられている。上部空間２０ａに上昇してきた気化フラックスはパイプ８２を通じてコニカル８１に導かれる。気化フラックスに含まれる液滴は遠心力によりよってコニカル８１に衝突し液体となって排出パイプ８３によって液体フラックス内に回収される。排出パイプ下端８３ａは液体フラックスに浸漬しており、排出パイプ下端８３ａから気化フラックスがコニカル内８１に侵入しないようにしている。排出パイプ８３を気化装置２０に取り付けるさいにネオジ磁石が障害にならないように、排出パイプ８３をガイドするためのガイドパイプ８４を設けている。
【００８０】
電磁弁１０６を閉にして、電磁弁１０７を開にするとパージ配管２０５からパージガスが気化装置２０内に吹き込まれる。パージガスは上部空間２０ａを充満して気化フラックスをパージした後、パイプ８２を通ってコニカル８１内に入り、コニカル８１内の気化フラックスをパージし、気化装置出側配管２０４を通って混合器３０に入り、帯電シールドガスと合流して溶接トーチ４０に導かれる。アーク電流が流れているときは、溶接トーチにはフラックス含有シールドガスが流れているが、アーク電流が遮断されるとフラックス含有シールドガスは遮断され帯電シールドガスだけが供給される。
【００８１】
パージ配管２０５からパージガスを気化装置２０の上部空間２０ａに吹き込み、溶接トーチ４０までの気化フラックスをパージすることにより、気化フラックスのフラックス成分が析出することによる閉塞を防止する。
【符号の説明】
【００８２】
１０：帯電装置
１０ａ：隙間
１１：回転円板
１２：固定円板
１３：ケーシング
１４：回転軸
１５：出口固定円板
１６：モータ
２０：気化装置
２１：気化容器
２２：整流板
２２ａ：貫通孔
２２Ａ：下段整流板
２２Ｂ：上段整流板
２３：補充口
２４：ドレン抜き管
３０：混合器
３０ａ：ベンチュリー部
３１：混合器基部
３２：取付け金具
３２ａ：流路
３３：取付け金具
３３ａ：流路
３４：取付け金具
３４ａ：流路
４０：溶接トーチ
４１：母材 
５０：ネオジ磁石
６０：電源装置
６１：ケーブル
７０：ワイヤドラム
７１：溶接ワイヤ
８０：サイクロン
１００：（ライン１の）ガスタンク
１０１：（ライン２の）ガスタンク
１０２：（ライン１の）ガスタンク
１０３：バルブ
１０４：バルブ
２００：帯電装置入側配管
２０１：帯電装置出側配管
２０２：混合器出側配管
２０３：気化装置入側配管
２０４：気化装置出側配管
２０５：パージ配管
【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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