アーク狭窄シールドノズル
【課題】 アークのエネルギー密度を高められると共に、アルゴンガス等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図る。
【解決手段】 極薄金属板Ｗの突合せ部へシールドノズル７からシールドガスＧを流し、シールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒５と極薄金属板Ｗとの間にアークＡを発生させ、そのアークＡの熱で極薄金属板Ｗの突合せ部を溶融接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチＴに取り付けられるアーク狭窄シールドノズル１であって、前記アーク狭窄シールドノズル１は、シールドノズル７の先端部に取り付けられ、シールドノズル７よりも小径に形成されて発生したアークＡの周囲にシールドガスＧを集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル２と、アーク狭窄ノズル２に取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流して溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズル３とから成る。
【解決手段】 極薄金属板Ｗの突合せ部へシールドノズル７からシールドガスＧを流し、シールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒５と極薄金属板Ｗとの間にアークＡを発生させ、そのアークＡの熱で極薄金属板Ｗの突合せ部を溶融接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチＴに取り付けられるアーク狭窄シールドノズル１であって、前記アーク狭窄シールドノズル１は、シールドノズル７の先端部に取り付けられ、シールドノズル７よりも小径に形成されて発生したアークＡの周囲にシールドガスＧを集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル２と、アーク狭窄ノズル２に取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流して溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズル３とから成る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に厚みが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼板や電磁鋼板等の極薄金属板の端部同士を突合せ溶接するＧＴＡ溶接法（ＴＩＧ溶接法）に用いるＧＴＡ溶接用トーチ（ＴＩＧ溶接用トーチ）に使用されるものであり、ＧＴＡ溶接用トーチの先端部に取り付けられてアークのエネルギー密度を高められると共に、アルゴンガス等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れるようにしたアーク狭窄シールドノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、厚みの薄い金属板を突合せ溶接する溶接法としては、例えば特開平１１−３４７７９２号公報、特開２００１−４７２８１号公報及び特開２００２−３３６９６４号公報等に開示されたＴＩＧ溶接用トーチを用いるＴＩＧ溶接法や、特開平３−４２１８５号公報及び特開２００５−１１１５３９号公報等に開示されたプラズマ溶接用トーチを用いるプラズマ溶接法が一般的に知られている。
【０００３】
図８はＴＩＧ溶接法に用いる従来のＴＩＧ溶接用トーチの一例を示し、当該ＴＩＧ溶接用トーチは、絶縁材製のトーチボディ（図示省略）内にタングステン電極棒２０を保持固定する銅製のコレット２１を着脱自在に挿着すると共に、トーチボディの先端にアルゴンガス等のシールドガスＧを放出するセラミック製のシールドノズル２２を取り付けた構造になっており、タングステン電極棒２０がその先端をシールドノズル２２から数ｍｍ突出させた状態でコレット２１に保持固定されている。
【０００４】
而して、前記ＴＩＧ溶接用トーチを用いたＴＩＧ溶接法は、金属板Ｍの端部同士を銅製のバックバー２３上で突き合わせ、所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ２４によって前記金属板Ｍの突合せ部の近傍部分を上方よりバックバー２３上に押圧固定した後、シールドノズル２２からアルゴンガス等のシールドガスＧを金属板Ｍの突合せ部へ向って流し、シールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒２０と金属板Ｍとの間にアークＡを発生させ、そのアークＡの熱で金属板Ｍの突合せ部を溶融させて接合するようにした溶接法である。
【０００５】
又、図９はプラズマ溶接法に用いる従来のプラズマ溶接用トーチの一例を示し、当該プラズマ溶接用トーチは、タングステン電極棒２０の先端部の外側に水冷式の銅製のインサートチップノズル２５を配設すると共に、インサートチップノズル２５の外側にシールドノズル２６を配設した二重ノズル構造になっており、インサートチップノズル２５内がアルゴンガス等のプラズマ用ガスＧａ（動作ガス）を流通させるプラズマ用ガス通路２７になっていると共に、インサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間がアルゴンガス等のシールドガスＧを流通させるシールドガス通路２８となっている。
【０００６】
而して、前記プラズマ溶接用トーチを用いたプラズマ溶接法は、金属板Ｍの端部同士を銅製のバックバー２３上で突き合わせ、所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ２４によって前記金属板Ｍの突合せ部の近傍部分を上方よりバックバー２３上に押圧固定した後、タングステン電極棒２０と金属板Ｍ（又はインサートチップノズル２５）との間にアークを飛ばし、このアークの中にアルゴンガス等のプラズマ用ガスＧａを流してプラズマアークＡ′を発生させ、このプラズマアークＡ′を水冷式のインサートチップノズル２５のノズル孔２５ａで絞ることによりサーマルピンチ効果を与えてエネルギー密度を高めたプラズマアークＡ′として金属板Ｍに到達させ、エネルギー密度の高いプラズマアークＡ′の熱で金属板Ｍの突合せ部を溶融させて接合すると共に、インサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間に形成したシールドガス通路２８から溶接部（溶融池）へアルゴンガス等のシールドガスＧを流して溶接部を大気からシールドするようにした溶接法である。
【０００７】
ところで、厚みが０．２ｍｍ以下の極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際には、極薄金属板の突合せ部の近傍部分をバックバー２３上へ押圧固定する左右のクランプ２４の幅を０．５ｍｍ〜１．０ｍｍと極力狭くし、溶接時にアークＡの熱で生じる熱歪を最小限に食い止める必要がある。
又、溶接時に発生するアークＡのエネルギー密度を高めて安定したアークＡを形成し、且つ溶融池の酸化を防止するためにアルゴンガス等のシールドガスＧによるシールド効果を高める必要がある。
【０００８】
上述したＴＩＧ溶接法に於いては、極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際に左右のクランプ２４の幅を狭くしてもタングステン電極棒２０が細いため、アークＡ長が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍになるようにタングステン電極棒２０の先端を極薄金属板に接近させることができる。
しかし、ＴＩＧ溶接法に用いるＴＩＧ溶接用トーチでは、図８に示すように比較的内径の大きいシールドノズル２２の先端からアルゴンガス等のシールドガスＧを拡散放出するだけであるため、アークＡ周辺のシールドガスＧの濃度が低下し、エネルギー密度の高いアークＡが得られず、不安定なアークＡになると云う問題があった。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等を形成した電磁鋼板を突合せ溶接する際には、セラミック被膜や絶縁被膜等によってアークＡがより不安定になり、突合せ溶接を安定して行えないと云う問題があった。
又、ＴＩＧ溶接用トーチでは、シールドノズル２２の先端からアルゴンガス等のシールドガスＧを拡散放出するだけであるため、シールドガスＧにより溶融池への空気の進入を完全に遮断し難く、溶接の仕上がり状態が悪化する等の問題を生じることがあった。
【０００９】
一方、プラズマ溶接法に於いては、図９に示すように水冷式のインサートチップノズル２５のノズル孔２５ａからプラズマガスが噴出するので、サーマルピンチ効果によりプラズマアークＡ′が絞られ、ＴＩＧ溶接よりもエネルギー密度の高いプラズマアークＡ′が得られる。
しかし、プラズマ溶接法に用いるプラズマ溶接用トーチでは、極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際にインサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間に形成したシールドガス通路２８が溶融池から離れるため、アルゴンガス等のシールドガスＧによる溶融池のシールド効果が低下し、溶融池への空気の進入を遮断し難くなり、ピンホールやブローホール等の溶接欠陥を生じ易いと云う問題があった。
【特許文献１】特開平１１−３４７７９２号公報
【特許文献２】特開２００１−４７２８１号公報
【特許文献３】特開２００２−３３６９６４号公報
【特許文献４】特開平３−４２１８５号公報
【特許文献５】特開２００５−１１１５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、アークのエネルギー密度を高められると共に、アルゴンガス等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れるようにしたアーク狭窄シールドノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、対向せしめたクランプによりバックバー上に押圧固定された極薄金属板の突合せ部へ向って筒状のシールドノズルからシールドガスを流し、シールドガスの雰囲気中でシールドノズルの中心位置に配設したタングステン電極棒と極薄金属板との間にアークを発生させ、そのアークの熱で極薄金属板の突合せ部を溶融させて接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチに取り付けられるアーク狭窄シールドノズルであって、前記アーク狭窄シールドノズルは、シールドノズルの先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズルよりも小径に形成されて発生したアークの周囲にシールドガスを集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズルと、アーク狭窄ノズルに取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズルとから構成したことに特徴がある。
【００１２】
本発明の請求項２の発明は、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部にアーク狭窄ノズルを着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズルにアフターシールドノズルを着脱自在に取り付けたことに特徴がある。
【００１３】
本発明の請求項３の発明は、アフターシールドノズルが、極薄金属板の溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流す下面が開放された細長いボックス部を備えており、ボックス部の内部に極薄金属板の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスを均質拡散させて層流化する金属製フィルターを装着したことに特徴がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズルよりも小径に形成された先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズルと、アーク狭窄ノズルに取り付けられ、アフターシールドガスを流すアフターシールドノズルとから成り、先窄まり状のアーク狭窄ノズルの先端からアークの周囲へシールドガスを集中的に流すと共に、アフターシールドノズルから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしている。その結果、本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、次のような優れた効果を奏することができる。
（１）即ち、本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルの先端からアークの周囲にシールドガスを集中的に流すようにしているため、アーク周辺のシールドガスの濃度が高められ、発生したアークがシールドガスによるサーマルピンチ効果により絞られてエネルギー密度の高い安定したアークとなると共に、溶融池周辺のシールド効果も高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができる。その結果、板厚が０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの極薄金属板の突合せ溶接を安定して行える。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等が形成された電磁鋼板を突合せ溶接する場合であっても、エネルギー密度の高い安定したアークによってセラミック被膜や絶縁被膜等を焼き切ることができるため、電磁鋼板の突合せ溶接を安定して行うことができる。
（２）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルによりアークのエネルギー密度を高められるため、ビード幅が狭くて深い溶け込みの高品質の安定した溶接を行える。
（３）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、エネルギー密度の高い安定したアークが得られるため、従来のＴＩＧ溶接の溶接速度（６００ｍｍ／ｍｉｎ〜１２００ｍｍ／ｍｉｎ）に比較して溶接速度を速くすることができ、溶接速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎ〜６０００ｍｍ／ｍｉｎの高速溶接を行える。
（４）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、タングステン電極棒の周囲のシールドガス（アルゴンガス等の不活性ガス）の濃度が高くなるため、タングステン電極棒の寿命が従来のＴＩＧ溶接の場合に比較して５倍以上長くなり、タングステン電極棒の長命化を図れる。
（５）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルによりシールドガスを絞って放出しているため、シールドガスの使用量が従来のＴＩＧ溶接に使用するシールドガスの使用量の１／２〜１／５以下で良く、シールドガスの使用量が少なくなってコスト低減を図れる。
（６）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、ビード幅が狭い突合せ溶接を行えるため、極薄金属板の熱の影響を受ける部分も狭くなり、溶接部の強度の向上を図れる。
（７）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、アーク狭窄ノズルに取り付けたアフターシールドノズルから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしているため、溶接部の酸化を防止することができる。
【００１５】
本発明の請求項２及び請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、上記効果に加えて更に次のような効果を奏することができる。
即ち、本発明の請求項２のアーク狭窄シールドノズルは、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部にアーク狭窄ノズルを着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズルにアフターシールドノズルを着脱自在に取り付ける構成としているため、既存のＴＩＧ溶接用トーチにもアーク狭窄シールドノズルを取り付けることができ、既存のＴＩＧ溶接用トーチであっても、高速で高品質の突合せ溶接を行える。
又、本発明の請求項２のアーク狭窄シールドノズルは、アーク狭窄ノズルとアフターシールドノズルの二つの部品から成り、アーク狭窄ノズルとアフターシールドノズルを着脱自在としているため、例えば、アーク狭窄ノズルのみが焼損した場合、アーク狭窄ノズルのみを新しいアーク狭窄ノズルに交換するだけで良い。その結果、一部分が焼損した場合でも、全体を交換する必要がなく、全体を交換する場合に比較してコスト低減を図れる。
【００１６】
本発明の請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、アフターシールドノズルが極薄金属板の溶接ビード部分にシールドガスを流す下面が開放された細長いボックス部を備え、当該ボックス部の内部に極薄金属板の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスを均質拡散させて層流化する金属製フィルターを装着する構成としているため、溶接ビード部分をより確実且つ良好にシールドすることができる。
又、本発明の請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、長さの異なるアフターシールドノズルを複数個用意しておけば、溶接速度が変化した場合には、溶接速度に応じた長さのアフターシールドノズルと交換することによって、溶接ビード部分のシールドを確実且つ良好に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１及び図２は本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズル１を取り付けたＧＴＡ溶接用トーチＴを示し、当該ＧＴＡ溶接用トーチＴは、主にステンレス鋼板や電磁鋼板等の極薄金属板Ｗの端部同士を突合せ溶接するＧＴＡ溶接法（ガスタングステンアーク溶接法：非消耗性のタングステン電極棒５と母材の間にアークＡを発生させ、アルゴンガス等の不活性ガスにより溶融金属を空気から遮断し、母材を溶融接合するアーク溶接法）に用いるものであり、角筒状に形成された絶縁材製のトーチボディ４と、トーチボディ４の内方へ上方側から着脱自在にねじ込み挿着され、タングステン電極棒５を着脱自在に保持する上下動自在な銅製の電極コレット（図示省略）と、電極コレットの上端部に取り付けられ、電極コレットを正逆回転させてトーチボディ４に対して上下動させるコレットハンドル６と、トーチボディ４の下端部にタングステン電極棒５を囲繞する状態で着脱自在に取り付けられ、トーチボディ４の内部を通して流入して来たアルゴンガス等のシールドガスＧを流す下端部（先端部）が少し絞られた筒状のセラミック製のシールドノズル７等から構成されている。
このＧＴＡ溶接用トーチＴを構成する各部材（トーチボディ４、電極コレット、コレットハンドル６及びシールドノズル７等）は、従来公知ものと同様構造に構成されているため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００１８】
尚、図１に於いて、４ａはトーチボディ４の上端部外周面に形成され、電極コレットの昇降量を示すネジ目盛、６ａはコレットハンドル６の下端部外周面に形成され、コレットハンドル６の回転量を示すネジ目盛、８はトーチボディ４に設けられ、電極コレットに適宜の回動抵抗を与えて電極コレットを調整位置に保持する加圧調整ネジ、９はトーチボディ４に固定ネジ１０により固定された電極・メインガス管接続金具、１１は電極・メインガス管接続金具９に接続されたパワーケーブル、１２は電極・メインガス管接続金具９に接続されたメインガス供給管である。
【００１９】
又、タングステン電極棒５には、従来公知の純タングステン電極棒やトリウム入りタングステン電極棒、ランタン入りタングステン電極棒、セリウム入りタングステン電極棒等が使用されており、その先端は溶接する母材の材質、板厚、継手形状及び溶接条件等に応じて適宜の形状（例えば、シャープな円錐形状、裁頭円錐形状或いは表面が鏡面に研磨された半球形状等）に形成されている。
この実施の形態に於いては、タングステン電極棒５には、例えば直径が１．６ｍｍのランタン入りタングステン電極棒が使用されており、その先端はアークＡが集中するようにシャープな円錐状（先端の角度が２０°に設定された円錐状）に形成されている。このランタン入りタングステン電極棒は、各種電極棒の中でも長寿命化を図れる電極棒である。
【００２０】
そして、本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズル１は、図１に示す如く、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７の先端部に同心状で且つ着脱自在に取り付けられ、シールドノズル７よりも小径に形成された先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル２と、アーク狭窄ノズル２に着脱自在に取り付けられたアフターシールドノズル３とから構成されており、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２の先端からタングステン電極棒５の先端部周囲及びアークＡの周囲へシールドガスＧを流して溶融池をシールすると共に、アフターシールドノズル３から溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしたものである。
【００２１】
具体的には、前記アーク狭窄ノズル２は、電導性及び強度性等に優れた銅材（ベリリウム銅）により筒状に形成されており、図６及び図７に示す如く、シールドノズル７の先端部の内径よりも大径に形成され、シールドノズル７の先端部内面に内方側から着脱自在に係止される上方が拡がったラッパ状の係止部２ａと、係止部２ａの下端に連設され、外周面に雄ネジ２ｄを形成した筒部２ｂと、筒部２ｂの下端に連設され、シールドノズル７の先端から外方へ突出してシールドノズル７の先端部の内径よりも小径に形成された先窄まり状の筒状のテーパ部２ｃとから成る。
このアーク狭窄ノズル２は、トーチボディ４の下端部から取り外したシールドノズル７の内方へテーパ部２ｃから挿入し、ラッパ状の係止部２ａをシールドノズル７の先端部内面へ係止させることによって、シールドノズル７の先端部に取り付けられており、アーク狭窄ノズル２を挿着したシールドノズル７をトーチボディ４の下端部に取り付けたときには、筒部２ｂの一部分及びテーパ部２ｃがシールドノズル７の下端から外方へ突出すると共に、タングステン電極棒５の円錐状の先端がテーパ部２ｃの先端に形成したノズル孔２ｅから外方へ１．２ｍｍ〜２．０ｍｍ程度突出するようなっている。
【００２２】
尚、この実施の形態に於いては、アーク狭窄ノズル２の全長は１１ｍｍに、係止部２ａの外径は１０ｍｍに、筒部２ｂの外径は８ｍｍに、筒部２ｂの内径は４ｍｍに、テーパ部２ｃの先端の外径は３ｍｍに、テーパ部２ｃのノズル孔２ｅの内径は２．０ｍｍ〜２．６ｍｍに夫々設定されている。
【００２３】
一方、前記アフターシールドノズル３は、アルミ合金材に形成されており、図３乃至図７に示す如く、下面が開放された細長いボックス状に形成された横長水平姿勢のボックス部３ａと、ボックス部３ａの先端に連設され、アーク狭窄ノズル２の筒部２ｂの外周面に形成した雄ネジ２ｄに着脱自在に螺着される雌ネジ３ｃを形成した板状の取付け部３ｂとから成る。
又、アフターシールドノズル３のボックス部３ａの天井部分には、ボックス部３ａ内へアルゴンガス等のアフターシールドガスＧ′を供給するアフターシールドガス供給管１３が継手１４を介して接続されていると共に、ボックス部３ａと取付け部３ｂの境界部分には、ボックス部３ａ内へ供給されたアフターシールドガスＧ′の一部分をアーク狭窄ノズル２側へ流すための傾斜状のガス通路３ｄが形成されている。
更に、アフターシールドノズル３のボックス部３ａ内には、アフターシールドガス供給管１３及び継手１４によりボックス部３ａ内に供給されたアフターシールドガスＧ′を均質拡散させて層流化してから極薄金属板Ｗの溶接ビード部分に吹き付けるための金属製フィルター１５が積層状態で装着されている。この金属製フィルター１５には、金網フィルターを積層したものが使用されている。
そして、アフターシールドノズル３は、その取付け部３ｂに形成した雌ネジ３ｃをアーク狭窄ノズル２の筒部２ｂに形成した雄ネジ２ｄに螺着することによって、アーク狭窄ノズル２に取り付けられており、アーク狭窄ノズル２をＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７に取り付けたときには、横長水平姿勢のボックス部３ａが極薄金属板Ｗの突合せ部の上方に位置して突合せ部と平行になるようになっている。
【００２４】
次に、上述したアーク狭窄シールドノズル１を取り付けたＧＴＡ溶接用トーチＴを用いて極薄金属板Ｗの端部同士を突合せ溶接により接合する場合について説明する。
【００２５】
尚、極薄金属板Ｗには、厚みが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼板や電磁鋼板等が使用されており、この実施の形態では、厚みが０．２ｍｍのステンレス鋼板等の極薄金属板Ｗが使用されている。又、溶接電流、アークＡの長さ、溶接速度、シールドガスＧ及びアフターシールドガスＧ′の供給量、タングステン電極棒５の先端形状等の溶接条件は、極薄金属板Ｗの材質、板厚等に応じて最適の条件下に設定されていることは勿論である。
【００２６】
先ず、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７にアーク狭窄シールドノズル１を取り付けると共に、タングステン電極棒５を保持固定した電極コレットをトーチボディ４内に挿着し、タングステン電極棒５の円錐状の先端がアーク狭窄ノズル２の先端から突出した状態になるようにタングステン電極棒５の突出長さを設定する。この実施の形態では、タングステン電極棒５の先端は、アーク狭窄ノズル２の先端から１．２ｍｍ突出した状態となっている。
【００２７】
尚、ＧＴＡ溶接用トーチＴは、水平方向へ往復移動自在に配設されたトーチ用走行台（図示省略）に昇降自在に支持されており、サーボモータ等から成るトーチ上下動駆動装置（図示省略）により作業用テーブル（図示省略）の上面に載せた極薄金属板Ｗに対して高さ調整されるようになっている。
【００２８】
次に、極薄金属板Ｗの端部同士を作業用テーブルの上面側に配設した銅製のバックバー１６上で突き合わせると共に、作業用テーブルの上方位置に所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ１７により極薄金属板Ｗの突合せ部近傍部分を上方からバックバー１６上に押圧固定する。
【００２９】
尚、バックバー１６は、極薄金属板Ｗを突合せ溶接する際に余分な熱を吸収してビードの溶け落ちや穴あき等を防止すると共に、極薄金属板Ｗの突合せ部の裏側にアルゴンガス等のシールドガスＧを流して溶接部の酸化を防止するものである。このバックバー１６は、左右に二分割されており、左右に分割されたバックバー１６間にシールドガスＧが流れるスリット状のガス通路１６ａが形成されている。この実施の形態では、ガス通路１６ａの間隔は、１．０ｍｍに設定されている。
又、左右のクランプ１７は、主にアークＡの拡がりを遮断して極薄金属板Ｗの突合せ部にアークエネルギーを集中的に与えるためのものであり、作業用テーブルの上方位置に昇降自在に配設されている。この左右のクランプ１７間の間隔は、突合せ溶接する金属板の厚みに応じて調整されており、この実施の形態では、１．０ｍｍに設定されている。
更に、極薄金属板Ｗの端部同士は、バックバー１６のガス通路１６ａ上で突き合わされ、左右のクランプ１７とバックバー１６とにより挾持固定されている。
【００３０】
極薄金属板Ｗの突合せ部近傍部分を左右のクランプ１７によりバックバー１６上に押圧固定したら、ＧＴＡ溶接用トーチＴを極薄金属板Ｗの突合せ部の一端部上方位置に位置させると共に、ＧＴＡ溶接用トーチＴに保持されたタングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗの距離を設定値に調整する。例えば、厚さが０．２ｍｍの極薄金属板Ｗを突合せ溶接する場合には、タングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの距離を０．５ｍｍに設定する。このとき、アフターシールドノズル３は、極薄金属板Ｗの突合せ部の斜め上方位置に突合せ部と平行になるように配置される。
【００３１】
その後、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７に挿着したアーク狭窄ノズル２からアルゴンガス等のシールドガスＧを流しつつ、電源（図示省略）を操作してタングステン電極棒５と極薄金属板Ｗとの間に電圧を印加してシールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの間にアークＡを発生させる。又、アーク狭窄ノズル２に取り付けたアフターシールドノズル３のボックス部３ａ内へアフターシールドガス供給管１３からアルゴンガス等のアフターシールドガスＧ′を供給し、アフターシールドノズル３のボックス部３ａから極薄金属板Ｗへ向ってシールドガスＧを流す。更に、バックバー１６のガス通路１６ａから極薄金属板Ｗの突合せ部の裏面側へ向ってアルゴンガス等のシールドガスＧを流す。
このとき、アーク狭窄ノズル２から放出するシールドガスＧの量とアフターシールドノズル３から放出するアフターシールドガスＧ′の量の比率は、１：３〜１：５としている。
【００３２】
そして、上述した状態でトーチ用走行台及びこれに支持されたＧＴＡ溶接用トーチＴを所定の速度で極薄金属板Ｗの突合せ部に沿って走行移動させる。そうすると、タングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの間に発生したアークＡの熱によって極薄金属板Ｗの突合せ部が溶融して接合され、極薄金属板Ｗが突合せ溶接されることになる。
【００３３】
このとき、先窄まり状に形成したアーク狭窄ノズル２の先端のノズル孔２ｅからアークＡの周囲にシールドガスＧを集中的に流しているため、アークＡ周辺のシールドガスＧの濃度が高められ、発生したアークＡがシールドガスＧによるサーマルピンチ効果により絞られてエネルギー密度の高い安定したアークＡとなると共に、溶融池周辺のシールド効果も高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができる。又、アーク狭窄ノズル２に取り付けたアフターシールドノズル３のボックス部３ａから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流し、余熱のある溶接ビード部分をシールドガスＧによりシールドするようにしているため、溶接部の酸化を防止することができる。その結果、極薄金属板Ｗであっても、高品質な突合せ溶接を安定して行える。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等が形成された電磁鋼板を突合せ溶接する場合であっても、エネルギー密度の高い安定したアークＡによってセラミック被膜や絶縁被膜等を焼き切ることができるため、電磁鋼板の突合せ溶接を安定して行うことができる。
更に、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２によりエネルギー密度の高い安定したアークＡが得られるため、ビード幅が狭くて深い溶け込みの高品質の安定した溶接を行えると共に、溶接速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎ〜６０００ｍｍ／ｍｉｎの高速溶接を行える。特に、ビード幅が狭い突合せ溶接を行えるため、極薄金属板Ｗの熱の影響を受ける部分が狭くなり、溶接部分の強度の向上を図れる。
そのうえ、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２によりシールドガスＧを絞って放出しているため、タングステン電極棒５周囲のシールドガスＧの濃度が高くなってタングステン電極棒５の寿命が従来のＴＩＧ溶接に比べて５倍以上に延びると共に、シールドガスＧの使用量が従来のＴＩＧ溶接に使用するシールドガスＧの使用量の１／２〜１／５以下で良く、シールドガスＧの使用量が少なくなってコスト低減を図れる。
加えて、アフターシールドノズル３のボックス部３ａの内部に極薄金属板Ｗの溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスＧ′を均質拡散させて層流化する金属製フィルター１５を装着しているため、極薄金属板Ｗの溶接ビード部分をより確実且つ良好にシールドすることができ、溶接部の酸化をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズルを取り付けたＧＴＡ溶接用トーチの一部切欠正面図である。
【図２】同じくアーク狭窄シールドノズルを取り付けたＧＴＡ溶接用トーチの一部切欠側面図である。
【図３】アーク狭窄シールドノズルの拡大縦断面図である。
【図４】アーク狭窄シールドノズルを分解した状態の拡大正面図である。
【図５】アーク狭窄シールドノズルを分解した状態の拡大底面図である。
【図６】アーク狭窄シールドノズルの使用状態を示す拡大縦断面図である。
【図７】アーク狭窄シールドノズルの使用状態を示し、アーク狭窄ノズル部分の拡大縦断面図である。
【図８】従来のＴＩＧ溶接用トーチを用いたＴＩＧ溶接法の概略説明図である。
【図９】従来のプラズマ溶接用トーチを用いたプラズマ溶接法の概略説明図ある。
【符号の説明】
【００３５】
１はアーク狭窄シールドノズル、２はアーク狭窄ノズル、３はアフターシールドノズル、５はタングステン電極棒、７はシールドノズル、１５は金属製フィルター、１６はバックバー、１７はクランプ、Ａはアーク、Ｇはシールドガス、Ｇ′はアフターシールドガス、ＴはＧＴＡ溶接用トーチ、Ｗは極薄金属板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に厚みが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼板や電磁鋼板等の極薄金属板の端部同士を突合せ溶接するＧＴＡ溶接法（ＴＩＧ溶接法）に用いるＧＴＡ溶接用トーチ（ＴＩＧ溶接用トーチ）に使用されるものであり、ＧＴＡ溶接用トーチの先端部に取り付けられてアークのエネルギー密度を高められると共に、アルゴンガス等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れるようにしたアーク狭窄シールドノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、厚みの薄い金属板を突合せ溶接する溶接法としては、例えば特開平１１−３４７７９２号公報、特開２００１−４７２８１号公報及び特開２００２−３３６９６４号公報等に開示されたＴＩＧ溶接用トーチを用いるＴＩＧ溶接法や、特開平３−４２１８５号公報及び特開２００５−１１１５３９号公報等に開示されたプラズマ溶接用トーチを用いるプラズマ溶接法が一般的に知られている。
【０００３】
図８はＴＩＧ溶接法に用いる従来のＴＩＧ溶接用トーチの一例を示し、当該ＴＩＧ溶接用トーチは、絶縁材製のトーチボディ（図示省略）内にタングステン電極棒２０を保持固定する銅製のコレット２１を着脱自在に挿着すると共に、トーチボディの先端にアルゴンガス等のシールドガスＧを放出するセラミック製のシールドノズル２２を取り付けた構造になっており、タングステン電極棒２０がその先端をシールドノズル２２から数ｍｍ突出させた状態でコレット２１に保持固定されている。
【０００４】
而して、前記ＴＩＧ溶接用トーチを用いたＴＩＧ溶接法は、金属板Ｍの端部同士を銅製のバックバー２３上で突き合わせ、所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ２４によって前記金属板Ｍの突合せ部の近傍部分を上方よりバックバー２３上に押圧固定した後、シールドノズル２２からアルゴンガス等のシールドガスＧを金属板Ｍの突合せ部へ向って流し、シールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒２０と金属板Ｍとの間にアークＡを発生させ、そのアークＡの熱で金属板Ｍの突合せ部を溶融させて接合するようにした溶接法である。
【０００５】
又、図９はプラズマ溶接法に用いる従来のプラズマ溶接用トーチの一例を示し、当該プラズマ溶接用トーチは、タングステン電極棒２０の先端部の外側に水冷式の銅製のインサートチップノズル２５を配設すると共に、インサートチップノズル２５の外側にシールドノズル２６を配設した二重ノズル構造になっており、インサートチップノズル２５内がアルゴンガス等のプラズマ用ガスＧａ（動作ガス）を流通させるプラズマ用ガス通路２７になっていると共に、インサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間がアルゴンガス等のシールドガスＧを流通させるシールドガス通路２８となっている。
【０００６】
而して、前記プラズマ溶接用トーチを用いたプラズマ溶接法は、金属板Ｍの端部同士を銅製のバックバー２３上で突き合わせ、所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ２４によって前記金属板Ｍの突合せ部の近傍部分を上方よりバックバー２３上に押圧固定した後、タングステン電極棒２０と金属板Ｍ（又はインサートチップノズル２５）との間にアークを飛ばし、このアークの中にアルゴンガス等のプラズマ用ガスＧａを流してプラズマアークＡ′を発生させ、このプラズマアークＡ′を水冷式のインサートチップノズル２５のノズル孔２５ａで絞ることによりサーマルピンチ効果を与えてエネルギー密度を高めたプラズマアークＡ′として金属板Ｍに到達させ、エネルギー密度の高いプラズマアークＡ′の熱で金属板Ｍの突合せ部を溶融させて接合すると共に、インサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間に形成したシールドガス通路２８から溶接部（溶融池）へアルゴンガス等のシールドガスＧを流して溶接部を大気からシールドするようにした溶接法である。
【０００７】
ところで、厚みが０．２ｍｍ以下の極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際には、極薄金属板の突合せ部の近傍部分をバックバー２３上へ押圧固定する左右のクランプ２４の幅を０．５ｍｍ〜１．０ｍｍと極力狭くし、溶接時にアークＡの熱で生じる熱歪を最小限に食い止める必要がある。
又、溶接時に発生するアークＡのエネルギー密度を高めて安定したアークＡを形成し、且つ溶融池の酸化を防止するためにアルゴンガス等のシールドガスＧによるシールド効果を高める必要がある。
【０００８】
上述したＴＩＧ溶接法に於いては、極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際に左右のクランプ２４の幅を狭くしてもタングステン電極棒２０が細いため、アークＡ長が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍになるようにタングステン電極棒２０の先端を極薄金属板に接近させることができる。
しかし、ＴＩＧ溶接法に用いるＴＩＧ溶接用トーチでは、図８に示すように比較的内径の大きいシールドノズル２２の先端からアルゴンガス等のシールドガスＧを拡散放出するだけであるため、アークＡ周辺のシールドガスＧの濃度が低下し、エネルギー密度の高いアークＡが得られず、不安定なアークＡになると云う問題があった。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等を形成した電磁鋼板を突合せ溶接する際には、セラミック被膜や絶縁被膜等によってアークＡがより不安定になり、突合せ溶接を安定して行えないと云う問題があった。
又、ＴＩＧ溶接用トーチでは、シールドノズル２２の先端からアルゴンガス等のシールドガスＧを拡散放出するだけであるため、シールドガスＧにより溶融池への空気の進入を完全に遮断し難く、溶接の仕上がり状態が悪化する等の問題を生じることがあった。
【０００９】
一方、プラズマ溶接法に於いては、図９に示すように水冷式のインサートチップノズル２５のノズル孔２５ａからプラズマガスが噴出するので、サーマルピンチ効果によりプラズマアークＡ′が絞られ、ＴＩＧ溶接よりもエネルギー密度の高いプラズマアークＡ′が得られる。
しかし、プラズマ溶接法に用いるプラズマ溶接用トーチでは、極薄金属板の端部同士を突合せ溶接する際にインサートチップノズル２５とシールドノズル２６との間に形成したシールドガス通路２８が溶融池から離れるため、アルゴンガス等のシールドガスＧによる溶融池のシールド効果が低下し、溶融池への空気の進入を遮断し難くなり、ピンホールやブローホール等の溶接欠陥を生じ易いと云う問題があった。
【特許文献１】特開平１１−３４７７９２号公報
【特許文献２】特開２００１−４７２８１号公報
【特許文献３】特開２００２−３３６９６４号公報
【特許文献４】特開平３−４２１８５号公報
【特許文献５】特開２００５−１１１５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、アークのエネルギー密度を高められると共に、アルゴンガス等のシールドガスによる溶接部のシールド効果の向上を図れるようにしたアーク狭窄シールドノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、対向せしめたクランプによりバックバー上に押圧固定された極薄金属板の突合せ部へ向って筒状のシールドノズルからシールドガスを流し、シールドガスの雰囲気中でシールドノズルの中心位置に配設したタングステン電極棒と極薄金属板との間にアークを発生させ、そのアークの熱で極薄金属板の突合せ部を溶融させて接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチに取り付けられるアーク狭窄シールドノズルであって、前記アーク狭窄シールドノズルは、シールドノズルの先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズルよりも小径に形成されて発生したアークの周囲にシールドガスを集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズルと、アーク狭窄ノズルに取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズルとから構成したことに特徴がある。
【００１２】
本発明の請求項２の発明は、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部にアーク狭窄ノズルを着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズルにアフターシールドノズルを着脱自在に取り付けたことに特徴がある。
【００１３】
本発明の請求項３の発明は、アフターシールドノズルが、極薄金属板の溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流す下面が開放された細長いボックス部を備えており、ボックス部の内部に極薄金属板の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスを均質拡散させて層流化する金属製フィルターを装着したことに特徴がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズルよりも小径に形成された先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズルと、アーク狭窄ノズルに取り付けられ、アフターシールドガスを流すアフターシールドノズルとから成り、先窄まり状のアーク狭窄ノズルの先端からアークの周囲へシールドガスを集中的に流すと共に、アフターシールドノズルから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしている。その結果、本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、次のような優れた効果を奏することができる。
（１）即ち、本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルの先端からアークの周囲にシールドガスを集中的に流すようにしているため、アーク周辺のシールドガスの濃度が高められ、発生したアークがシールドガスによるサーマルピンチ効果により絞られてエネルギー密度の高い安定したアークとなると共に、溶融池周辺のシールド効果も高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができる。その結果、板厚が０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの極薄金属板の突合せ溶接を安定して行える。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等が形成された電磁鋼板を突合せ溶接する場合であっても、エネルギー密度の高い安定したアークによってセラミック被膜や絶縁被膜等を焼き切ることができるため、電磁鋼板の突合せ溶接を安定して行うことができる。
（２）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルによりアークのエネルギー密度を高められるため、ビード幅が狭くて深い溶け込みの高品質の安定した溶接を行える。
（３）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、エネルギー密度の高い安定したアークが得られるため、従来のＴＩＧ溶接の溶接速度（６００ｍｍ／ｍｉｎ〜１２００ｍｍ／ｍｉｎ）に比較して溶接速度を速くすることができ、溶接速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎ〜６０００ｍｍ／ｍｉｎの高速溶接を行える。
（４）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、タングステン電極棒の周囲のシールドガス（アルゴンガス等の不活性ガス）の濃度が高くなるため、タングステン電極棒の寿命が従来のＴＩＧ溶接の場合に比較して５倍以上長くなり、タングステン電極棒の長命化を図れる。
（５）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、先窄まり状のアーク狭窄ノズルによりシールドガスを絞って放出しているため、シールドガスの使用量が従来のＴＩＧ溶接に使用するシールドガスの使用量の１／２〜１／５以下で良く、シールドガスの使用量が少なくなってコスト低減を図れる。
（６）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、ビード幅が狭い突合せ溶接を行えるため、極薄金属板の熱の影響を受ける部分も狭くなり、溶接部の強度の向上を図れる。
（７）本発明の請求項１のアーク狭窄シールドノズルは、アーク狭窄ノズルに取り付けたアフターシールドノズルから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスを流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしているため、溶接部の酸化を防止することができる。
【００１５】
本発明の請求項２及び請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、上記効果に加えて更に次のような効果を奏することができる。
即ち、本発明の請求項２のアーク狭窄シールドノズルは、ＧＴＡ溶接用トーチのシールドノズルの先端部にアーク狭窄ノズルを着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズルにアフターシールドノズルを着脱自在に取り付ける構成としているため、既存のＴＩＧ溶接用トーチにもアーク狭窄シールドノズルを取り付けることができ、既存のＴＩＧ溶接用トーチであっても、高速で高品質の突合せ溶接を行える。
又、本発明の請求項２のアーク狭窄シールドノズルは、アーク狭窄ノズルとアフターシールドノズルの二つの部品から成り、アーク狭窄ノズルとアフターシールドノズルを着脱自在としているため、例えば、アーク狭窄ノズルのみが焼損した場合、アーク狭窄ノズルのみを新しいアーク狭窄ノズルに交換するだけで良い。その結果、一部分が焼損した場合でも、全体を交換する必要がなく、全体を交換する場合に比較してコスト低減を図れる。
【００１６】
本発明の請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、アフターシールドノズルが極薄金属板の溶接ビード部分にシールドガスを流す下面が開放された細長いボックス部を備え、当該ボックス部の内部に極薄金属板の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスを均質拡散させて層流化する金属製フィルターを装着する構成としているため、溶接ビード部分をより確実且つ良好にシールドすることができる。
又、本発明の請求項３のアーク狭窄シールドノズルは、長さの異なるアフターシールドノズルを複数個用意しておけば、溶接速度が変化した場合には、溶接速度に応じた長さのアフターシールドノズルと交換することによって、溶接ビード部分のシールドを確実且つ良好に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１及び図２は本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズル１を取り付けたＧＴＡ溶接用トーチＴを示し、当該ＧＴＡ溶接用トーチＴは、主にステンレス鋼板や電磁鋼板等の極薄金属板Ｗの端部同士を突合せ溶接するＧＴＡ溶接法（ガスタングステンアーク溶接法：非消耗性のタングステン電極棒５と母材の間にアークＡを発生させ、アルゴンガス等の不活性ガスにより溶融金属を空気から遮断し、母材を溶融接合するアーク溶接法）に用いるものであり、角筒状に形成された絶縁材製のトーチボディ４と、トーチボディ４の内方へ上方側から着脱自在にねじ込み挿着され、タングステン電極棒５を着脱自在に保持する上下動自在な銅製の電極コレット（図示省略）と、電極コレットの上端部に取り付けられ、電極コレットを正逆回転させてトーチボディ４に対して上下動させるコレットハンドル６と、トーチボディ４の下端部にタングステン電極棒５を囲繞する状態で着脱自在に取り付けられ、トーチボディ４の内部を通して流入して来たアルゴンガス等のシールドガスＧを流す下端部（先端部）が少し絞られた筒状のセラミック製のシールドノズル７等から構成されている。
このＧＴＡ溶接用トーチＴを構成する各部材（トーチボディ４、電極コレット、コレットハンドル６及びシールドノズル７等）は、従来公知ものと同様構造に構成されているため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００１８】
尚、図１に於いて、４ａはトーチボディ４の上端部外周面に形成され、電極コレットの昇降量を示すネジ目盛、６ａはコレットハンドル６の下端部外周面に形成され、コレットハンドル６の回転量を示すネジ目盛、８はトーチボディ４に設けられ、電極コレットに適宜の回動抵抗を与えて電極コレットを調整位置に保持する加圧調整ネジ、９はトーチボディ４に固定ネジ１０により固定された電極・メインガス管接続金具、１１は電極・メインガス管接続金具９に接続されたパワーケーブル、１２は電極・メインガス管接続金具９に接続されたメインガス供給管である。
【００１９】
又、タングステン電極棒５には、従来公知の純タングステン電極棒やトリウム入りタングステン電極棒、ランタン入りタングステン電極棒、セリウム入りタングステン電極棒等が使用されており、その先端は溶接する母材の材質、板厚、継手形状及び溶接条件等に応じて適宜の形状（例えば、シャープな円錐形状、裁頭円錐形状或いは表面が鏡面に研磨された半球形状等）に形成されている。
この実施の形態に於いては、タングステン電極棒５には、例えば直径が１．６ｍｍのランタン入りタングステン電極棒が使用されており、その先端はアークＡが集中するようにシャープな円錐状（先端の角度が２０°に設定された円錐状）に形成されている。このランタン入りタングステン電極棒は、各種電極棒の中でも長寿命化を図れる電極棒である。
【００２０】
そして、本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズル１は、図１に示す如く、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７の先端部に同心状で且つ着脱自在に取り付けられ、シールドノズル７よりも小径に形成された先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル２と、アーク狭窄ノズル２に着脱自在に取り付けられたアフターシールドノズル３とから構成されており、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２の先端からタングステン電極棒５の先端部周囲及びアークＡの周囲へシールドガスＧを流して溶融池をシールすると共に、アフターシールドノズル３から溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするようにしたものである。
【００２１】
具体的には、前記アーク狭窄ノズル２は、電導性及び強度性等に優れた銅材（ベリリウム銅）により筒状に形成されており、図６及び図７に示す如く、シールドノズル７の先端部の内径よりも大径に形成され、シールドノズル７の先端部内面に内方側から着脱自在に係止される上方が拡がったラッパ状の係止部２ａと、係止部２ａの下端に連設され、外周面に雄ネジ２ｄを形成した筒部２ｂと、筒部２ｂの下端に連設され、シールドノズル７の先端から外方へ突出してシールドノズル７の先端部の内径よりも小径に形成された先窄まり状の筒状のテーパ部２ｃとから成る。
このアーク狭窄ノズル２は、トーチボディ４の下端部から取り外したシールドノズル７の内方へテーパ部２ｃから挿入し、ラッパ状の係止部２ａをシールドノズル７の先端部内面へ係止させることによって、シールドノズル７の先端部に取り付けられており、アーク狭窄ノズル２を挿着したシールドノズル７をトーチボディ４の下端部に取り付けたときには、筒部２ｂの一部分及びテーパ部２ｃがシールドノズル７の下端から外方へ突出すると共に、タングステン電極棒５の円錐状の先端がテーパ部２ｃの先端に形成したノズル孔２ｅから外方へ１．２ｍｍ〜２．０ｍｍ程度突出するようなっている。
【００２２】
尚、この実施の形態に於いては、アーク狭窄ノズル２の全長は１１ｍｍに、係止部２ａの外径は１０ｍｍに、筒部２ｂの外径は８ｍｍに、筒部２ｂの内径は４ｍｍに、テーパ部２ｃの先端の外径は３ｍｍに、テーパ部２ｃのノズル孔２ｅの内径は２．０ｍｍ〜２．６ｍｍに夫々設定されている。
【００２３】
一方、前記アフターシールドノズル３は、アルミ合金材に形成されており、図３乃至図７に示す如く、下面が開放された細長いボックス状に形成された横長水平姿勢のボックス部３ａと、ボックス部３ａの先端に連設され、アーク狭窄ノズル２の筒部２ｂの外周面に形成した雄ネジ２ｄに着脱自在に螺着される雌ネジ３ｃを形成した板状の取付け部３ｂとから成る。
又、アフターシールドノズル３のボックス部３ａの天井部分には、ボックス部３ａ内へアルゴンガス等のアフターシールドガスＧ′を供給するアフターシールドガス供給管１３が継手１４を介して接続されていると共に、ボックス部３ａと取付け部３ｂの境界部分には、ボックス部３ａ内へ供給されたアフターシールドガスＧ′の一部分をアーク狭窄ノズル２側へ流すための傾斜状のガス通路３ｄが形成されている。
更に、アフターシールドノズル３のボックス部３ａ内には、アフターシールドガス供給管１３及び継手１４によりボックス部３ａ内に供給されたアフターシールドガスＧ′を均質拡散させて層流化してから極薄金属板Ｗの溶接ビード部分に吹き付けるための金属製フィルター１５が積層状態で装着されている。この金属製フィルター１５には、金網フィルターを積層したものが使用されている。
そして、アフターシールドノズル３は、その取付け部３ｂに形成した雌ネジ３ｃをアーク狭窄ノズル２の筒部２ｂに形成した雄ネジ２ｄに螺着することによって、アーク狭窄ノズル２に取り付けられており、アーク狭窄ノズル２をＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７に取り付けたときには、横長水平姿勢のボックス部３ａが極薄金属板Ｗの突合せ部の上方に位置して突合せ部と平行になるようになっている。
【００２４】
次に、上述したアーク狭窄シールドノズル１を取り付けたＧＴＡ溶接用トーチＴを用いて極薄金属板Ｗの端部同士を突合せ溶接により接合する場合について説明する。
【００２５】
尚、極薄金属板Ｗには、厚みが０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼板や電磁鋼板等が使用されており、この実施の形態では、厚みが０．２ｍｍのステンレス鋼板等の極薄金属板Ｗが使用されている。又、溶接電流、アークＡの長さ、溶接速度、シールドガスＧ及びアフターシールドガスＧ′の供給量、タングステン電極棒５の先端形状等の溶接条件は、極薄金属板Ｗの材質、板厚等に応じて最適の条件下に設定されていることは勿論である。
【００２６】
先ず、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７にアーク狭窄シールドノズル１を取り付けると共に、タングステン電極棒５を保持固定した電極コレットをトーチボディ４内に挿着し、タングステン電極棒５の円錐状の先端がアーク狭窄ノズル２の先端から突出した状態になるようにタングステン電極棒５の突出長さを設定する。この実施の形態では、タングステン電極棒５の先端は、アーク狭窄ノズル２の先端から１．２ｍｍ突出した状態となっている。
【００２７】
尚、ＧＴＡ溶接用トーチＴは、水平方向へ往復移動自在に配設されたトーチ用走行台（図示省略）に昇降自在に支持されており、サーボモータ等から成るトーチ上下動駆動装置（図示省略）により作業用テーブル（図示省略）の上面に載せた極薄金属板Ｗに対して高さ調整されるようになっている。
【００２８】
次に、極薄金属板Ｗの端部同士を作業用テーブルの上面側に配設した銅製のバックバー１６上で突き合わせると共に、作業用テーブルの上方位置に所定の間隔をもって対向せしめた左右の銅製のクランプ１７により極薄金属板Ｗの突合せ部近傍部分を上方からバックバー１６上に押圧固定する。
【００２９】
尚、バックバー１６は、極薄金属板Ｗを突合せ溶接する際に余分な熱を吸収してビードの溶け落ちや穴あき等を防止すると共に、極薄金属板Ｗの突合せ部の裏側にアルゴンガス等のシールドガスＧを流して溶接部の酸化を防止するものである。このバックバー１６は、左右に二分割されており、左右に分割されたバックバー１６間にシールドガスＧが流れるスリット状のガス通路１６ａが形成されている。この実施の形態では、ガス通路１６ａの間隔は、１．０ｍｍに設定されている。
又、左右のクランプ１７は、主にアークＡの拡がりを遮断して極薄金属板Ｗの突合せ部にアークエネルギーを集中的に与えるためのものであり、作業用テーブルの上方位置に昇降自在に配設されている。この左右のクランプ１７間の間隔は、突合せ溶接する金属板の厚みに応じて調整されており、この実施の形態では、１．０ｍｍに設定されている。
更に、極薄金属板Ｗの端部同士は、バックバー１６のガス通路１６ａ上で突き合わされ、左右のクランプ１７とバックバー１６とにより挾持固定されている。
【００３０】
極薄金属板Ｗの突合せ部近傍部分を左右のクランプ１７によりバックバー１６上に押圧固定したら、ＧＴＡ溶接用トーチＴを極薄金属板Ｗの突合せ部の一端部上方位置に位置させると共に、ＧＴＡ溶接用トーチＴに保持されたタングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗの距離を設定値に調整する。例えば、厚さが０．２ｍｍの極薄金属板Ｗを突合せ溶接する場合には、タングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの距離を０．５ｍｍに設定する。このとき、アフターシールドノズル３は、極薄金属板Ｗの突合せ部の斜め上方位置に突合せ部と平行になるように配置される。
【００３１】
その後、ＧＴＡ溶接用トーチＴのシールドノズル７に挿着したアーク狭窄ノズル２からアルゴンガス等のシールドガスＧを流しつつ、電源（図示省略）を操作してタングステン電極棒５と極薄金属板Ｗとの間に電圧を印加してシールドガスＧの雰囲気中でタングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの間にアークＡを発生させる。又、アーク狭窄ノズル２に取り付けたアフターシールドノズル３のボックス部３ａ内へアフターシールドガス供給管１３からアルゴンガス等のアフターシールドガスＧ′を供給し、アフターシールドノズル３のボックス部３ａから極薄金属板Ｗへ向ってシールドガスＧを流す。更に、バックバー１６のガス通路１６ａから極薄金属板Ｗの突合せ部の裏面側へ向ってアルゴンガス等のシールドガスＧを流す。
このとき、アーク狭窄ノズル２から放出するシールドガスＧの量とアフターシールドノズル３から放出するアフターシールドガスＧ′の量の比率は、１：３〜１：５としている。
【００３２】
そして、上述した状態でトーチ用走行台及びこれに支持されたＧＴＡ溶接用トーチＴを所定の速度で極薄金属板Ｗの突合せ部に沿って走行移動させる。そうすると、タングステン電極棒５の先端と極薄金属板Ｗとの間に発生したアークＡの熱によって極薄金属板Ｗの突合せ部が溶融して接合され、極薄金属板Ｗが突合せ溶接されることになる。
【００３３】
このとき、先窄まり状に形成したアーク狭窄ノズル２の先端のノズル孔２ｅからアークＡの周囲にシールドガスＧを集中的に流しているため、アークＡ周辺のシールドガスＧの濃度が高められ、発生したアークＡがシールドガスＧによるサーマルピンチ効果により絞られてエネルギー密度の高い安定したアークＡとなると共に、溶融池周辺のシールド効果も高められて溶融池への空気の進入を確実に遮断することができる。又、アーク狭窄ノズル２に取り付けたアフターシールドノズル３のボックス部３ａから溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガスＧ′を流し、余熱のある溶接ビード部分をシールドガスＧによりシールドするようにしているため、溶接部の酸化を防止することができる。その結果、極薄金属板Ｗであっても、高品質な突合せ溶接を安定して行える。特に、表面にセラミック被膜や絶縁被膜等が形成された電磁鋼板を突合せ溶接する場合であっても、エネルギー密度の高い安定したアークＡによってセラミック被膜や絶縁被膜等を焼き切ることができるため、電磁鋼板の突合せ溶接を安定して行うことができる。
更に、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２によりエネルギー密度の高い安定したアークＡが得られるため、ビード幅が狭くて深い溶け込みの高品質の安定した溶接を行えると共に、溶接速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎ〜６０００ｍｍ／ｍｉｎの高速溶接を行える。特に、ビード幅が狭い突合せ溶接を行えるため、極薄金属板Ｗの熱の影響を受ける部分が狭くなり、溶接部分の強度の向上を図れる。
そのうえ、先窄まり状のアーク狭窄ノズル２によりシールドガスＧを絞って放出しているため、タングステン電極棒５周囲のシールドガスＧの濃度が高くなってタングステン電極棒５の寿命が従来のＴＩＧ溶接に比べて５倍以上に延びると共に、シールドガスＧの使用量が従来のＴＩＧ溶接に使用するシールドガスＧの使用量の１／２〜１／５以下で良く、シールドガスＧの使用量が少なくなってコスト低減を図れる。
加えて、アフターシールドノズル３のボックス部３ａの内部に極薄金属板Ｗの溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガスＧ′を均質拡散させて層流化する金属製フィルター１５を装着しているため、極薄金属板Ｗの溶接ビード部分をより確実且つ良好にシールドすることができ、溶接部の酸化をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係るアーク狭窄シールドノズルを取り付けたＧＴＡ溶接用トーチの一部切欠正面図である。
【図２】同じくアーク狭窄シールドノズルを取り付けたＧＴＡ溶接用トーチの一部切欠側面図である。
【図３】アーク狭窄シールドノズルの拡大縦断面図である。
【図４】アーク狭窄シールドノズルを分解した状態の拡大正面図である。
【図５】アーク狭窄シールドノズルを分解した状態の拡大底面図である。
【図６】アーク狭窄シールドノズルの使用状態を示す拡大縦断面図である。
【図７】アーク狭窄シールドノズルの使用状態を示し、アーク狭窄ノズル部分の拡大縦断面図である。
【図８】従来のＴＩＧ溶接用トーチを用いたＴＩＧ溶接法の概略説明図である。
【図９】従来のプラズマ溶接用トーチを用いたプラズマ溶接法の概略説明図ある。
【符号の説明】
【００３５】
１はアーク狭窄シールドノズル、２はアーク狭窄ノズル、３はアフターシールドノズル、５はタングステン電極棒、７はシールドノズル、１５は金属製フィルター、１６はバックバー、１７はクランプ、Ａはアーク、Ｇはシールドガス、Ｇ′はアフターシールドガス、ＴはＧＴＡ溶接用トーチ、Ｗは極薄金属板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向せしめたクランプ（１７）によりバックバー（１６）上に押圧固定された極薄金属板（Ｗ）の突合せ部へ向って筒状のシールドノズル（７）からシールドガス（Ｇ）を流し、シールドガス（Ｇ）の雰囲気中でシールドノズル（７）の中心位置に配設したタングステン電極棒（５）と極薄金属板（Ｗ）との間にアーク（Ａ）を発生させ、そのアーク（Ａ）の熱で極薄金属板（Ｗ）の突合せ部を溶融させて接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチ（Ｔ）に取り付けられるアーク狭窄シールドノズル（１）であって、前記アーク狭窄シールドノズル（１）は、シールドノズル（７）の先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズル（７）よりも小径に形成されて発生したアーク（Ａ）の周囲にシールドガス（Ｇ）を集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル（２）と、アーク狭窄ノズル（２）に取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガス（Ｇ′）を流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズル（３）とから構成したことを特徴とするアーク狭窄シールドノズル。
【請求項２】
ＧＴＡ溶接用トーチ（Ｔ）のシールドノズル（７）の先端部にアーク狭窄ノズル（２）を着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズル（２）にアフターシールドノズル（３）を着脱自在に取り付けたことを特徴とする請求項1に記載のアーク狭窄シールドノズル。
【請求項３】
アフターシールドノズル（３）は、極薄金属板（Ｗ）の溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガス（Ｇ′）を流す下面が開放された細長いボックス部（３ａ）備えており、ボックス部（３ａ）の内部に極薄金属板（Ｗ）の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガス（Ｇ′）を均質拡散させて層流化する金属製フィルター（１５）を装着したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアーク狭窄シールドノズル。
【請求項１】
対向せしめたクランプ（１７）によりバックバー（１６）上に押圧固定された極薄金属板（Ｗ）の突合せ部へ向って筒状のシールドノズル（７）からシールドガス（Ｇ）を流し、シールドガス（Ｇ）の雰囲気中でシールドノズル（７）の中心位置に配設したタングステン電極棒（５）と極薄金属板（Ｗ）との間にアーク（Ａ）を発生させ、そのアーク（Ａ）の熱で極薄金属板（Ｗ）の突合せ部を溶融させて接合するようにしたＧＴＡ溶接のＧＴＡ溶接用トーチ（Ｔ）に取り付けられるアーク狭窄シールドノズル（１）であって、前記アーク狭窄シールドノズル（１）は、シールドノズル（７）の先端部に同心状に取り付けられ、シールドノズル（７）よりも小径に形成されて発生したアーク（Ａ）の周囲にシールドガス（Ｇ）を集中的に流す先窄まり状の筒状のアーク狭窄ノズル（２）と、アーク狭窄ノズル（２）に取り付けられ、溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガス（Ｇ′）を流して余熱のある溶接ビード部分をシールドするアフターシールドノズル（３）とから構成したことを特徴とするアーク狭窄シールドノズル。
【請求項２】
ＧＴＡ溶接用トーチ（Ｔ）のシールドノズル（７）の先端部にアーク狭窄ノズル（２）を着脱自在に取り付けると共に、当該アーク狭窄ノズル（２）にアフターシールドノズル（３）を着脱自在に取り付けたことを特徴とする請求項1に記載のアーク狭窄シールドノズル。
【請求項３】
アフターシールドノズル（３）は、極薄金属板（Ｗ）の溶接直後の溶接ビード部分にアフターシールドガス（Ｇ′）を流す下面が開放された細長いボックス部（３ａ）備えており、ボックス部（３ａ）の内部に極薄金属板（Ｗ）の溶接ビード部分に吹き付けられるアフターシールドガス（Ｇ′）を均質拡散させて層流化する金属製フィルター（１５）を装着したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアーク狭窄シールドノズル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１４４４２７（Ｐ２００７−１４４４２７Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３７９３６（Ｐ２００５−３３７９３６）
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５９１２８６８２３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５９１２８６８２３）
【Ｆターム（参考）】
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