シールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物
【課題】 適正な溶接条件を設定することで、溶接品質を低下させることなく溶接金属部の溶け込みを深くするようにした。
【解決手段】 ヘリウムガスに酸素ガスを添加してその濃度を０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）としたシールドガスを使用し、溶接金属中の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍとすることで溶接金属部の溶け込み深さを深くし、溶接金属部の寸法比D／W値を大きくした。また、溶接電流、溶接速度、アーク長の適正な範囲をなす溶接条件のうち少なくとも一つを満たして溶接することで、溶接品質を低下させることなく、さらなる深溶け込みを実現させる。
【解決手段】 ヘリウムガスに酸素ガスを添加してその濃度を０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）としたシールドガスを使用し、溶接金属中の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍとすることで溶接金属部の溶け込み深さを深くし、溶接金属部の寸法比D／W値を大きくした。また、溶接電流、溶接速度、アーク長の適正な範囲をなす溶接条件のうち少なくとも一つを満たして溶接することで、溶接品質を低下させることなく、さらなる深溶け込みを実現させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＴＩＧ溶接などの非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物に関する。
【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、ＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌ−ａｒｃ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＭＩＧ溶接（Ｍｅｔａｌ−ａｒｃ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、プラズマ溶接などがある。これらの溶接は、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欠点がある。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った。
また、上記以外の溶接方法として、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ 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。
しかしながら、ＴＩＧ溶接は、溶接金属への溶け込み深さが浅く、溶接金属部を深くするためにはパス数を多くする必要があり、手間がかかる問題があった。とくに汎用性が高いオーステナイト系ステンレス鋼では、その材質の特性上、過大な入熱は、材料の特徴でもある耐食性を劣化させ、溶接歪も大きくなり、溶接施工上の問題も多い。また、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）成分が少ない場合が多く、ＴＩＧ溶接においては、溶接金属部がさらに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問題がある。
これらの問題に対し、ワンパスあたりの溶け込み深さを深くするため、シールドガスとして使用されている不活性ガスに微量な酸化性ガスを添加した混合ガスを用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、アルゴンガスなどの不活性ガスに微量の酸素ガスを添加したシールドガスであり、そのシールドガス中の酸素ガス濃度を例えば、０．１〜０．４ｖｏｌ．％の範囲とすることで溶け込み深さを深くでき、そのときの溶接金属部の寸法比「溶け込み深さD／ビード幅W」（D／W値）は０．７程度となった。
【特許文献１】特開２００３−１９５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１で開示されているアルゴンガスに０．１〜０．４ｖｏｌ．％の酸素ガスを混入させたシールドガスを使用するといった条件だけでは、必ずしも溶接金属部の溶け込み深さが深くなるとは限らず、また溶接品質を確実に確保できるといったものではないという問題があった。つまり、その他の適正な溶接条件が不明、不十分であることから、上述したＤ／Ｗ値を０．７よりさらに大きな値で深溶け込みとなる溶接を実現することが困難であった。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、適正な溶接条件を設定することで、溶接品質を低下させることなく溶接金属部の溶け込みを深くするようにしたシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るシールドガスでは、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したことを特徴としている。
本発明では、主ガスをヘリウムガスとすることで、プラズマ気流の影響によって溶接金属中の溶融池の対流方向が内側から外側に作用する力（引きずり力）を抑えることが可能となり、これに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加することで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流も内向きの方向に作用する。したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなり、このときの溶接金属部の寸法比Ｄ/Ｗ値を０．８以上（好ましくは１．０以上）にすることができる。
【０００６】
また、本発明に係るシールドガスを用いた溶接方法では、上述したシールドガスを使用し、被溶接物を溶接するようにしたことを特徴としている。
溶接電流は、１００Ａ以上であることが好ましい。
溶接速度は、秒速３．５ｍｍ以下であることが好ましい。
アーク長は、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明では、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを用いて溶接することで、Ｄ／Ｗ値を大きくでき、深溶け込みを大きくすることができる。
【０００７】
また、本発明に係る被溶接物では、上述したシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは０．８以上（好ましくは１．０以上）であることを特徴としている。
本発明では、溶接金属部の溶接形状が深溶け込みとなり、ビード幅に対して溶け込み深さが大きな形状となるため、高い溶接品質を確保することができる。
【０００８】
また、本発明に係る被溶接物では、上述したシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、溶接金属中の酸素濃度は７０〜７００ｐｐｍであることを特徴としている。
本発明では、溶接金属中の酸素濃度が７０〜７００ｐｐｍの範囲となるときに、溶融池の対流の方向が溶接金属の表面中央部から深さ方向となることから、深溶け込みを実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のシールドガスによれば、溶け込み深さが従来改善されたものよりさらに深くすることができ、溶接金属部の寸法比D／W値を大きくすることができる。また、このように深溶け込みとなることで、肉厚の被溶接物であっても、ワンパスでの溶接が可能となり、あるいはパス数を減少できることから、トータルの入熱量を少なくすることができる。
また、本発明のシールドガスを用いた溶接方法によれば、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを用いて溶接することで、Ｄ／Ｗ値を大きくでき、深溶け込みを大きくすることができる。また、シールドガスに含まれる酸化性ガス濃度の適正な条件に加え、例えば、適正な範囲をなす溶接電流値、溶接速度、アーク長のうち少なくとも１つを満たして溶接することで、さらに深溶け込みを大きくすることができる。
また、本発明の被溶接物によれば、溶接金属部の溶接形状が深溶け込みとなり、ビード幅に対して溶け込み深さが大きな形状となるため、高い溶接品質を確保することができる。そして、溶接金属中の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍの範囲で、深溶け込みを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物の実施の形態について、図１乃至図１０に基づいて説明する。
本実施の形態によるシールドガスおよびこれを用いた溶接方法では、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであり、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを使用する。
ここで、酸化性ガスとは、高温のアーク中で解離し酸化性を示すガスであり、人体への影響などを考慮し、酸素ガス、炭酸ガスなどが用いられる。
【００１１】
このように主ガスをヘリウムガスとすることで、プラズマ気流の影響によって溶接金属中の溶融池の対流方向が内側から外側に作用する力（引きずり力）を抑えることが可能となり、これに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加することで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流（マランゴニー対流）も内向きの方向に作用する。
したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなり、このときの溶接金属部の寸法比Ｄ/Ｗ値を従来開示（詳細は実施例で説明する）されている０．７よりさらに改善して０．８以上（好ましくは１．０以上）にすることができる。
また、このように深溶け込みとなることで、肉厚の被溶接物であっても、ワンパスでの溶接が可能となり、あるいはパス数を減少できることから、トータルの入熱量を少なくすることができる。
【００１２】
なお、シールドガス中の酸化性ガス濃度において、０．２ｖｏｌ．％未満の場合は、Ｄ／Ｗ値は０．８未満になる。また、シールドガス中の酸化性ガス濃度は、８〜１０ｖｏｌ．％の間でＤ／Ｗ値が一定する。酸化性ガスが増えると共に酸化の度合いが増加するため、酸化性ガス濃度の上限値については、１０ｖｏｌ．％程度が限度である。
【００１３】
また、上述した適正の酸化性ガス濃度をなすシールドガスに、溶接電流１００Ａ以上（好ましくは１２０Ａ以上）、溶接速度３．５ｍｍ／秒以下（好ましくは２ｍｍ／秒以下）、アーク長２．５ｍｍ以下（好ましくは１ｍｍ以下）の適正な範囲をなす溶接条件のうち少なくとも一つを満たして溶接することで、溶接品質を低下させることなく溶接効率を向上させ、さらに深溶け込みを大きくすることができる。
なお、溶接電流１００Ａ未満、溶接速度３．５ｍｍ／秒超、アーク長２．５ｍｍ超の場合には、Ｄ／Ｗ値は０．８未満になる。
【００１４】
本実施の形態による被溶接物は、上述した適正の酸化性ガス濃度をなすシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であり、ビード幅に対する溶け込み深さが０．８以上（好ましくは１．０以上）である。このときの溶接金属中の酸素濃度は、７０〜７００ｐｐｍの範囲であり、この範囲とすることにより深溶け込みを実現することができ、高い溶接品質を確保することができる。
【００１５】
このように、本実施の形態によるシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物を裏付けるため、実施例（試験１〜４）について以下説明する。
【実施例】
【００１６】
先ず、各試験１〜４における共通条件について説明する。被溶接物は、低硫黄濃度（硫黄分５ｐｐｍ、酸素分１０ｐｐｍ）で板厚１０ｍｍのステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を供試材（母材）として用いた。このステンレス鋼の成分を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
そして、溶接方法は、電極タイプにDCEN、W−２％ＴｈＯ２（２％トリウム入りタングステン電極）、その電極直径２．４mm、電極先端角度６０°を使用したＴＩＧ溶接法とする。シールドガスは、非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、不活性ガスであるヘリウムガス（Ｈｅ）に、酸化性ガスである酸素（Ｏ２）を添加した混合ガスとし、その流量は１０Ｌ／分とした。なお、試験１〜４で使用したノズルは、電極の周りにシールドガスを流すシングルノズルとした。
【００１９】
これらの共通条件を基にして、試験１でシールドガス中の酸素ガス濃度（ｖｏｌ．％）、試験２で溶接電流（Ａ）、試験３で溶接速度（ｍｍ／秒）、試験４でアーク長（ｍｍ）を各試験１〜４毎に変化させ、得られる溶け込み性を表す指標、即ち溶接金属部の寸法比「溶け込み深さＤ／ビード幅Ｗ」（以下、「Ｄ／Ｗ値」と記す。）の値を確認する。なお、本実施例では、試験１〜４により得られるＤ／Ｗ値は、例えば特開２００３−１９５６１号公報に開示され、従来より溶け込み深さを改善したＤ／Ｗ値（ビード幅５ｍｍ、溶け込み深さ３．５ｍｍ）の０．７よりさらに１０％以上の改善値をなす０．８を第１判断基準の指標として、評価する。さらに、同じくＤ／Ｗ値の０．７より４０％以上の改善値をなす１．０を第２判断基準とする。
以下、各試験１〜４の詳細について説明する。
【００２０】
（試験１）
本試験１では、シールドガスとして、ヘリウムガスに酸素ガスを添加し、そのシールドガス中の酸素濃度を０〜１０ｖｏｌ．％までの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を測定し、溶接金属部の断面を観察した。溶接電流１６０Ａ、溶接速度は２ｍｍ／秒、アーク長を１．０ｍｍとし、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図１は試験１の結果によるシールドガス中の酸素濃度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフであって、図２は図１におけるシールドガス中の酸素濃度１．０ｖｏｌ．％までの詳細を示したグラフ、図３は試験１の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。なお、図１および図２には、シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度の関係を併せて示す。表２に試験１の測定結果を示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
これらの図１〜図３および表２に示すように、Ｄ／Ｗ値は、シールドガス中の酸素濃度が約０．１〜０．２ｖｏｌ．％の間で急激に大きくなっている。また、シールドガス中の酸素濃度が０．２ｖｏｌ．％以上である場合には、Ｄ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上を満足することがわかる。とくに、０．４ｖｏｌ．％以上である場合には、Ｄ／Ｗ値が０．４〜１．２ｖｏｌ．％の間で一部第２判断基準の１．０を多少下回っているものの、１．０付近で安定してきており、ほぼ１．０以上を満足しているといえる。
そして、図１に示すように、全般的にシールドガス中の酸素濃度が多いほど、Ｄ／Ｗ値が大きくなり、図３でわかるように溶接金属部はビード幅Ｗが狭く、かつ溶け込み深さＤが深く形成される傾向にあることが確認できる。
したがって、シールドガス中の酸素濃度を０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）とするのが好適である。
【００２３】
また、シールドガス中の酸素濃度が溶接金属に及ぼす作用については、次の推測が可能である。
通常、溶接金属部における溶け込みを深くするためには、溶融池の対流の向きを内向き（溶接金属部の表面中央部から深度方向に流れ、被溶接金属部に沿って表面へ戻る流れ方向）にする必要がある。
一般的に表面張力は小さな方から大きな方へ流れが生じ、また、物質は温度が上がると表面張力は小さくなる。このため、アーク直下の溶接金属部の表面中央部は高温となり、その外周部の低温部より表面張力が小さくなることから、溶融池の対流は外向きに作用する。そして、本供試材で使用されるステンレス鋼に所定量の酸素ガス（炭酸ガスも同様）を添加させることで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流も内向きの方向に作用することになる。したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなる。
【００２４】
本試験１の結果では、Ｄ／Ｗ値が大きくなって深溶け込みが確認できたシールドガス中の酸素濃度０．２ｖｏｌ．％以上のときの溶接金属中の酸素濃度は７０ｐｐｍ以上となっている。そして、８〜１０ｖｏｌ．％の間でほぼ一定値（約７００ｐｐｍ）となっていることがわかる。このことから、溶接金属中の酸素濃度は、７０〜７００ｐｐｍの範囲で上述した対流の方向が外向きから内向きに逆転したものと推測でき、この範囲とすることにより深溶け込みを実現することができる。
【００２５】
（試験２）
本試験２では、ヘリウムガスに酸素ガスを添加してシールドガス中の酸素濃度を０．４ｖｏｌ．％とし、溶接速度を２mm／秒、アーク長を１．０ｍｍとし、溶接電流を８０〜２５０Ａの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図４は試験２の結果による溶接電流とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図５は試験２の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。なお、図４には、シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度の関係を併せて示す。表３に試験２の測定結果を示す。
【００２６】
【表３】
【００２７】
これらの図４、図５および表３に示すように、溶接電流が約９０Ａを超えたときにＤ／Ｗ値のグラフの傾きが大きくなり、溶接電流が大きくなるに従ってＤ／Ｗ値も大きくなっている。そして、１００Ａ以上にすることによりＤ／Ｗ値は第１判断基準の０．８以上とすることができる。とくに１２０A以上とすることによりＤ／Ｗ値は第２判断基準の１．０以上となる。このため、溶接電流の適正値は、１００Ａ以上であり、好ましくは１２０Ａ以上である。
また、Ｄ／Ｗ値の上昇率が大きくなる溶接電流９０Ａのときに、溶接金属中の酸素濃度は約７５ｐｐｍであることから、このときに溶接金属中の対流方向が外向きから内向きに変わったことが推測できる。
【００２８】
なお、図４にはシールドガスがヘリウムガス単体（pure He）の場合の結果も併せて示しており、これによると、溶接電流が８０〜２５０Aの範囲で溶接金属中の酸素濃度は約２０ｐｐｍで一定しており、さらにＤ／Ｗ値は８０A以上で減少している。つまり、シールドガス中に酸素ガスが添加されないと、試験１で好適とされた溶接金属中の酸素濃度７０〜７００ｐｐｍの範囲とならないため、対流の逆転が起きずに溶け込み深さが浅くなっているものといえる。
【００２９】
（試験３）
本試験３では、シールドガスを試験２と同様とし、溶接電流１６０Ａ、アーク長を１．０ｍｍとし、溶接速度を０．７５〜５．０ｍｍ／秒の範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図６は試験３の結果による溶接速度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図７は試験３の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。表４に試験３の測定結果を示す。
【００３０】
【表４】
【００３１】
これらの図６、図７および表４に示すように、溶接速度は３．５mm／秒以下でＤ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上となり、とくに２．０ｍｍ／秒以下でＤ／Ｗ値が第２判断基準の１．０以上にできることが確認できる。このことから、溶接速度を遅くするほど深溶け込みとなることがわかる。このため、溶接速度を３．５mm／秒以下（好ましくは２．０ｍｍ／秒以下）とすることが好適である。
そして、表４に示すように、このときの溶接金属中の酸素濃度は全て７０ｐｐｍ以上となっていることがわかる。
なお、図６には酸化性ガスに炭酸ガス（混合濃度０．６ｖｏｌ．％）を使用した場合のグラフも示しているが、この詳細については後述の変形例で説明する。
【００３２】
（試験４）
本試験４では、シールドガスを試験２および試験３と同様とし、溶接電流１６０Ａ、溶接速度を２．０ｍｍ／秒とし、アーク長を１〜７ｍｍの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図８は試験４の結果によるアーク長とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図９は試験４の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。表５に試験４の測定結果を示す。
【００３３】
【表５】
【００３４】
これらの図８に示すように、アーク長は２．５ｍｍ以下とすることにより、Ｄ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上にでき、とくに１．０ｍｍ以下とすることにより、Ｄ／Ｗ値が第２判断基準の１．０以上にできることが確認できた（表５参照）。すなわち、図９に示すように、アーク長が２．５ｍｍより長くなると、アークの幅が広がるため、溶込み深さＤは深くなっているもののビード幅Ｗも広がりＤ／Ｗ値が０．８を下回って小さくなっているのがわかる。このため、アーク長を２．５ｍｍ以下（好ましくは１．０ｍｍ以下）とすることが好適である。
【００３５】
次に、上述した試験１〜４においてヘリウムガスを使用したことによる作用について説明する。
ヘリウムガスを添加した場合に、溶接金属の溶融池表面にかかる圧力は、アルゴンガスに比較して低下することが確認されており、このことから、ヘリウムガスのプラズマ気流がアルゴンガスに比較して小さいものと考えられる。すなわち、ヘリウムガスのプラズマ気流の影響による対流が内向きから外向きに作用する力（引きずり力と称する）もアルゴンガスに比較して小さいものと推定でき、内向きとなる対流（深溶け込み作用する向き）を阻害する力を小さくすることができる。また、アークの緊縮により溶融池表面の中央部における温度が上昇し、温度勾配が増加することにより内向きのマランゴニー対流がより強く作用する。
このように、本発明では、主ガスをヘリウムガスとすることで、引きずり力を抑えることを可能とし、さらに、溶接電流値、溶接速度、アーク長を上述した試験１〜４により確認した好適な範囲とすることで深溶け込みを大きくすることができる。
【００３６】
次に、本発明のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物による変形例について図１０に基づいて説明する。
図１０は変形例による０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスの速度変化試験の結果の特徴的な断面および平面を示す写真である。
本発明による酸化性ガスとしては、酸素ガスのほかに炭酸ガスなどを例示することでき、変形例では、実施例で使用したシールドガスの酸化性ガスを酸素ガスから炭酸ガスに代えて試験３と同様に溶接速度を変化させたときのＤ／Ｗ値を確認した（図６参照）。
【００３７】
図１０に示す炭酸ガスの試験条件は、溶接速度２ｍｍ／秒、溶接電流１６０Ａである。このとき、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスの同条件の結果（図７参照）と比較すると、若干、溶け込み深さが浅くなっていることがわかる。
また、図６に示す０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスは、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスよりＤ／Ｗ値が小さくなっている。このため、酸素ガスの方が炭酸ガスより深溶け込みの効果は大きいものといえる。したがって、炭酸ガスは酸素ガスより多めに添加する必要が推測できる。
さらに、図６に示す０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスは、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスとほぼ同じ傾向のグラフで推移している。このことから、炭酸ガスの場合も酸素ガスとほぼ同様の効果が得られるものと考えられるが、炭酸ガスを添加したシールドガスについても、本実施例の試験１、２、４と同様の試験を行って混入濃度、溶接電流、アーク長などの適正な溶接条件を確認することが好ましい。
【００３８】
以上、本発明によるシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物の実施の形態および変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態および変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施の形態および変形例ではＴＩＧ溶接法としているが、これに限定されることはない。試験１〜４による結果によると、深溶け込みの効果はヘリウムガスによる効果であることが確認され、ヘリウムガスに酸化性ガスを添加することによる深溶込みは、溶接金属中の酸素による対流の変化と、溶融池表面の引きずり力の低減による効果であることが確認された。
このことから、溶接方法は、ＴＩＧ溶接に限定されることはなく、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接などの他のガスシールドアーク溶接法であってもかまわない。
【００３９】
また、実施の形態および変形例ではシングルノズルを使用しているが、これに限定されることはない。例えば、上記シールドガスには酸化性ガスが含まれているため、電極が酸化により焼損しやすくなる。これを防止するため、電極を中心に同心円状に二重とし、アークを発生させる電極の周囲からシールドガスを供給するインナーノズルと、このインナーノズルの外側よりシールドガスを供給するアウターノズルとから構成されるダブルノズルを使用することが好ましい。例えば、電極に近いインナーノズルからヘリウムガス単体を流し、その外周となるアウターノズルにはヘリウムガスに酸素ガスまたは炭酸ガスを添加することで電極の劣化を防止できると共にＤ／Ｗ値を高い値とすることが可能である。
これについては、第１追加試験でインナーノズルにヘリウムガス、アウターノズルにヘリウムガスと酸素ガスの組み合わせ、第２追加試験でインナーノズルにヘリウムガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせについて、上述した試験１〜４と同様に適正なシールドガス中の酸化性ガスの濃度、溶接電流、溶接速度、アーク長について確認することが有効である。
【００４０】
また、インナーノズルから供給するシールドガスとしてヘリウムガス単体を用いるとアークのスタート性が悪いため、適当量のアルゴンガスを添加することによりこのスタート性を改善するようにしてもよい。
さらにヘリウムガスに酸化性ガスを混合しているため、高温の溶接部表面が酸化してしまう。そこで、例えば水素ガスを９％以下、好ましくは３〜７％程度入れることにより、酸化を改善することができ、外観を向上できる。このため、アウターノズルは、インナーノズルのガスに酸化性ガスを入れることで同様の効果を得ることができる。
これらについては、上記に続いて第３追加試験でインナーノズルにヘリウムガスと水素ガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせ、第４追加試験でインナーノズルにヘリウムガスとアルゴンガス、アウターノズルにヘリウムガスとアルゴンガスと炭酸ガスの組み合わせ、さらに第５追加試験でインナーノズルにヘリウムガスと水素ガスとアルゴンガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせが考えられ、これらについても試験１〜４と同様に適正なシールドガス中の酸化性ガスの濃度、溶接電流、溶接速度、アーク長について確認することが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】試験１の結果によるシールドガス中の酸素濃度とＤ／Ｗ値、溶接金属中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図２】図１におけるシールドガス中の酸素濃度１．０ｖｏｌ．％までの詳細を示したグラフである。
【図３】試験１の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。
【図４】試験２の結果による溶接電流とＤ／Ｗ値および溶接金属中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】試験２の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。
【図６】試験３の結果による溶接速度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフである。
【図７】試験３の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。
【図８】試験４の結果によるアーク長とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフである。
【図９】試験４の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。
【図１０】変形例による０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスの速度変化試験の結果の特徴的な断面および平面を示す写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＴＩＧ溶接などの非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物に関する。
【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、ＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌ−ａｒｃ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＭＩＧ溶接（Ｍｅｔａｌ−ａｒｃ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、プラズマ溶接などがある。これらの溶接は、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欠点がある。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った。
また、上記以外の溶接方法として、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ 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。
しかしながら、ＴＩＧ溶接は、溶接金属への溶け込み深さが浅く、溶接金属部を深くするためにはパス数を多くする必要があり、手間がかかる問題があった。とくに汎用性が高いオーステナイト系ステンレス鋼では、その材質の特性上、過大な入熱は、材料の特徴でもある耐食性を劣化させ、溶接歪も大きくなり、溶接施工上の問題も多い。また、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）成分が少ない場合が多く、ＴＩＧ溶接においては、溶接金属部がさらに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問題がある。
これらの問題に対し、ワンパスあたりの溶け込み深さを深くするため、シールドガスとして使用されている不活性ガスに微量な酸化性ガスを添加した混合ガスを用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、アルゴンガスなどの不活性ガスに微量の酸素ガスを添加したシールドガスであり、そのシールドガス中の酸素ガス濃度を例えば、０．１〜０．４ｖｏｌ．％の範囲とすることで溶け込み深さを深くでき、そのときの溶接金属部の寸法比「溶け込み深さD／ビード幅W」（D／W値）は０．７程度となった。
【特許文献１】特開２００３−１９５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１で開示されているアルゴンガスに０．１〜０．４ｖｏｌ．％の酸素ガスを混入させたシールドガスを使用するといった条件だけでは、必ずしも溶接金属部の溶け込み深さが深くなるとは限らず、また溶接品質を確実に確保できるといったものではないという問題があった。つまり、その他の適正な溶接条件が不明、不十分であることから、上述したＤ／Ｗ値を０．７よりさらに大きな値で深溶け込みとなる溶接を実現することが困難であった。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、適正な溶接条件を設定することで、溶接品質を低下させることなく溶接金属部の溶け込みを深くするようにしたシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るシールドガスでは、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したことを特徴としている。
本発明では、主ガスをヘリウムガスとすることで、プラズマ気流の影響によって溶接金属中の溶融池の対流方向が内側から外側に作用する力（引きずり力）を抑えることが可能となり、これに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加することで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流も内向きの方向に作用する。したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなり、このときの溶接金属部の寸法比Ｄ/Ｗ値を０．８以上（好ましくは１．０以上）にすることができる。
【０００６】
また、本発明に係るシールドガスを用いた溶接方法では、上述したシールドガスを使用し、被溶接物を溶接するようにしたことを特徴としている。
溶接電流は、１００Ａ以上であることが好ましい。
溶接速度は、秒速３．５ｍｍ以下であることが好ましい。
アーク長は、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明では、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを用いて溶接することで、Ｄ／Ｗ値を大きくでき、深溶け込みを大きくすることができる。
【０００７】
また、本発明に係る被溶接物では、上述したシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは０．８以上（好ましくは１．０以上）であることを特徴としている。
本発明では、溶接金属部の溶接形状が深溶け込みとなり、ビード幅に対して溶け込み深さが大きな形状となるため、高い溶接品質を確保することができる。
【０００８】
また、本発明に係る被溶接物では、上述したシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、溶接金属中の酸素濃度は７０〜７００ｐｐｍであることを特徴としている。
本発明では、溶接金属中の酸素濃度が７０〜７００ｐｐｍの範囲となるときに、溶融池の対流の方向が溶接金属の表面中央部から深さ方向となることから、深溶け込みを実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のシールドガスによれば、溶け込み深さが従来改善されたものよりさらに深くすることができ、溶接金属部の寸法比D／W値を大きくすることができる。また、このように深溶け込みとなることで、肉厚の被溶接物であっても、ワンパスでの溶接が可能となり、あるいはパス数を減少できることから、トータルの入熱量を少なくすることができる。
また、本発明のシールドガスを用いた溶接方法によれば、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを用いて溶接することで、Ｄ／Ｗ値を大きくでき、深溶け込みを大きくすることができる。また、シールドガスに含まれる酸化性ガス濃度の適正な条件に加え、例えば、適正な範囲をなす溶接電流値、溶接速度、アーク長のうち少なくとも１つを満たして溶接することで、さらに深溶け込みを大きくすることができる。
また、本発明の被溶接物によれば、溶接金属部の溶接形状が深溶け込みとなり、ビード幅に対して溶け込み深さが大きな形状となるため、高い溶接品質を確保することができる。そして、溶接金属中の酸素濃度を７０〜７００ｐｐｍの範囲で、深溶け込みを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物の実施の形態について、図１乃至図１０に基づいて説明する。
本実施の形態によるシールドガスおよびこれを用いた溶接方法では、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであり、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加したシールドガスを使用する。
ここで、酸化性ガスとは、高温のアーク中で解離し酸化性を示すガスであり、人体への影響などを考慮し、酸素ガス、炭酸ガスなどが用いられる。
【００１１】
このように主ガスをヘリウムガスとすることで、プラズマ気流の影響によって溶接金属中の溶融池の対流方向が内側から外側に作用する力（引きずり力）を抑えることが可能となり、これに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加することで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流（マランゴニー対流）も内向きの方向に作用する。
したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなり、このときの溶接金属部の寸法比Ｄ/Ｗ値を従来開示（詳細は実施例で説明する）されている０．７よりさらに改善して０．８以上（好ましくは１．０以上）にすることができる。
また、このように深溶け込みとなることで、肉厚の被溶接物であっても、ワンパスでの溶接が可能となり、あるいはパス数を減少できることから、トータルの入熱量を少なくすることができる。
【００１２】
なお、シールドガス中の酸化性ガス濃度において、０．２ｖｏｌ．％未満の場合は、Ｄ／Ｗ値は０．８未満になる。また、シールドガス中の酸化性ガス濃度は、８〜１０ｖｏｌ．％の間でＤ／Ｗ値が一定する。酸化性ガスが増えると共に酸化の度合いが増加するため、酸化性ガス濃度の上限値については、１０ｖｏｌ．％程度が限度である。
【００１３】
また、上述した適正の酸化性ガス濃度をなすシールドガスに、溶接電流１００Ａ以上（好ましくは１２０Ａ以上）、溶接速度３．５ｍｍ／秒以下（好ましくは２ｍｍ／秒以下）、アーク長２．５ｍｍ以下（好ましくは１ｍｍ以下）の適正な範囲をなす溶接条件のうち少なくとも一つを満たして溶接することで、溶接品質を低下させることなく溶接効率を向上させ、さらに深溶け込みを大きくすることができる。
なお、溶接電流１００Ａ未満、溶接速度３．５ｍｍ／秒超、アーク長２．５ｍｍ超の場合には、Ｄ／Ｗ値は０．８未満になる。
【００１４】
本実施の形態による被溶接物は、上述した適正の酸化性ガス濃度をなすシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であり、ビード幅に対する溶け込み深さが０．８以上（好ましくは１．０以上）である。このときの溶接金属中の酸素濃度は、７０〜７００ｐｐｍの範囲であり、この範囲とすることにより深溶け込みを実現することができ、高い溶接品質を確保することができる。
【００１５】
このように、本実施の形態によるシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物を裏付けるため、実施例（試験１〜４）について以下説明する。
【実施例】
【００１６】
先ず、各試験１〜４における共通条件について説明する。被溶接物は、低硫黄濃度（硫黄分５ｐｐｍ、酸素分１０ｐｐｍ）で板厚１０ｍｍのステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を供試材（母材）として用いた。このステンレス鋼の成分を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
そして、溶接方法は、電極タイプにDCEN、W−２％ＴｈＯ２（２％トリウム入りタングステン電極）、その電極直径２．４mm、電極先端角度６０°を使用したＴＩＧ溶接法とする。シールドガスは、非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、不活性ガスであるヘリウムガス（Ｈｅ）に、酸化性ガスである酸素（Ｏ２）を添加した混合ガスとし、その流量は１０Ｌ／分とした。なお、試験１〜４で使用したノズルは、電極の周りにシールドガスを流すシングルノズルとした。
【００１９】
これらの共通条件を基にして、試験１でシールドガス中の酸素ガス濃度（ｖｏｌ．％）、試験２で溶接電流（Ａ）、試験３で溶接速度（ｍｍ／秒）、試験４でアーク長（ｍｍ）を各試験１〜４毎に変化させ、得られる溶け込み性を表す指標、即ち溶接金属部の寸法比「溶け込み深さＤ／ビード幅Ｗ」（以下、「Ｄ／Ｗ値」と記す。）の値を確認する。なお、本実施例では、試験１〜４により得られるＤ／Ｗ値は、例えば特開２００３−１９５６１号公報に開示され、従来より溶け込み深さを改善したＤ／Ｗ値（ビード幅５ｍｍ、溶け込み深さ３．５ｍｍ）の０．７よりさらに１０％以上の改善値をなす０．８を第１判断基準の指標として、評価する。さらに、同じくＤ／Ｗ値の０．７より４０％以上の改善値をなす１．０を第２判断基準とする。
以下、各試験１〜４の詳細について説明する。
【００２０】
（試験１）
本試験１では、シールドガスとして、ヘリウムガスに酸素ガスを添加し、そのシールドガス中の酸素濃度を０〜１０ｖｏｌ．％までの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を測定し、溶接金属部の断面を観察した。溶接電流１６０Ａ、溶接速度は２ｍｍ／秒、アーク長を１．０ｍｍとし、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図１は試験１の結果によるシールドガス中の酸素濃度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフであって、図２は図１におけるシールドガス中の酸素濃度１．０ｖｏｌ．％までの詳細を示したグラフ、図３は試験１の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。なお、図１および図２には、シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度の関係を併せて示す。表２に試験１の測定結果を示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
これらの図１〜図３および表２に示すように、Ｄ／Ｗ値は、シールドガス中の酸素濃度が約０．１〜０．２ｖｏｌ．％の間で急激に大きくなっている。また、シールドガス中の酸素濃度が０．２ｖｏｌ．％以上である場合には、Ｄ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上を満足することがわかる。とくに、０．４ｖｏｌ．％以上である場合には、Ｄ／Ｗ値が０．４〜１．２ｖｏｌ．％の間で一部第２判断基準の１．０を多少下回っているものの、１．０付近で安定してきており、ほぼ１．０以上を満足しているといえる。
そして、図１に示すように、全般的にシールドガス中の酸素濃度が多いほど、Ｄ／Ｗ値が大きくなり、図３でわかるように溶接金属部はビード幅Ｗが狭く、かつ溶け込み深さＤが深く形成される傾向にあることが確認できる。
したがって、シールドガス中の酸素濃度を０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）とするのが好適である。
【００２３】
また、シールドガス中の酸素濃度が溶接金属に及ぼす作用については、次の推測が可能である。
通常、溶接金属部における溶け込みを深くするためには、溶融池の対流の向きを内向き（溶接金属部の表面中央部から深度方向に流れ、被溶接金属部に沿って表面へ戻る流れ方向）にする必要がある。
一般的に表面張力は小さな方から大きな方へ流れが生じ、また、物質は温度が上がると表面張力は小さくなる。このため、アーク直下の溶接金属部の表面中央部は高温となり、その外周部の低温部より表面張力が小さくなることから、溶融池の対流は外向きに作用する。そして、本供試材で使用されるステンレス鋼に所定量の酸素ガス（炭酸ガスも同様）を添加させることで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流も内向きの方向に作用することになる。したがって、アーク直下の高温の溶湯が深さ方向に流れて深溶け込みとなる。
【００２４】
本試験１の結果では、Ｄ／Ｗ値が大きくなって深溶け込みが確認できたシールドガス中の酸素濃度０．２ｖｏｌ．％以上のときの溶接金属中の酸素濃度は７０ｐｐｍ以上となっている。そして、８〜１０ｖｏｌ．％の間でほぼ一定値（約７００ｐｐｍ）となっていることがわかる。このことから、溶接金属中の酸素濃度は、７０〜７００ｐｐｍの範囲で上述した対流の方向が外向きから内向きに逆転したものと推測でき、この範囲とすることにより深溶け込みを実現することができる。
【００２５】
（試験２）
本試験２では、ヘリウムガスに酸素ガスを添加してシールドガス中の酸素濃度を０．４ｖｏｌ．％とし、溶接速度を２mm／秒、アーク長を１．０ｍｍとし、溶接電流を８０〜２５０Ａの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図４は試験２の結果による溶接電流とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図５は試験２の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。なお、図４には、シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度の関係を併せて示す。表３に試験２の測定結果を示す。
【００２６】
【表３】
【００２７】
これらの図４、図５および表３に示すように、溶接電流が約９０Ａを超えたときにＤ／Ｗ値のグラフの傾きが大きくなり、溶接電流が大きくなるに従ってＤ／Ｗ値も大きくなっている。そして、１００Ａ以上にすることによりＤ／Ｗ値は第１判断基準の０．８以上とすることができる。とくに１２０A以上とすることによりＤ／Ｗ値は第２判断基準の１．０以上となる。このため、溶接電流の適正値は、１００Ａ以上であり、好ましくは１２０Ａ以上である。
また、Ｄ／Ｗ値の上昇率が大きくなる溶接電流９０Ａのときに、溶接金属中の酸素濃度は約７５ｐｐｍであることから、このときに溶接金属中の対流方向が外向きから内向きに変わったことが推測できる。
【００２８】
なお、図４にはシールドガスがヘリウムガス単体（pure He）の場合の結果も併せて示しており、これによると、溶接電流が８０〜２５０Aの範囲で溶接金属中の酸素濃度は約２０ｐｐｍで一定しており、さらにＤ／Ｗ値は８０A以上で減少している。つまり、シールドガス中に酸素ガスが添加されないと、試験１で好適とされた溶接金属中の酸素濃度７０〜７００ｐｐｍの範囲とならないため、対流の逆転が起きずに溶け込み深さが浅くなっているものといえる。
【００２９】
（試験３）
本試験３では、シールドガスを試験２と同様とし、溶接電流１６０Ａ、アーク長を１．０ｍｍとし、溶接速度を０．７５〜５．０ｍｍ／秒の範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図６は試験３の結果による溶接速度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図７は試験３の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。表４に試験３の測定結果を示す。
【００３０】
【表４】
【００３１】
これらの図６、図７および表４に示すように、溶接速度は３．５mm／秒以下でＤ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上となり、とくに２．０ｍｍ／秒以下でＤ／Ｗ値が第２判断基準の１．０以上にできることが確認できる。このことから、溶接速度を遅くするほど深溶け込みとなることがわかる。このため、溶接速度を３．５mm／秒以下（好ましくは２．０ｍｍ／秒以下）とすることが好適である。
そして、表４に示すように、このときの溶接金属中の酸素濃度は全て７０ｐｐｍ以上となっていることがわかる。
なお、図６には酸化性ガスに炭酸ガス（混合濃度０．６ｖｏｌ．％）を使用した場合のグラフも示しているが、この詳細については後述の変形例で説明する。
【００３２】
（試験４）
本試験４では、シールドガスを試験２および試験３と同様とし、溶接電流１６０Ａ、溶接速度を２．０ｍｍ／秒とし、アーク長を１〜７ｍｍの範囲で変化させてＤ／Ｗ値を確認し、溶接金属部の断面を観察した。なお、その他の試験条件は、上述の共通条件に準じた。
図８は試験４の結果によるアーク長とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフ、図９は試験４の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。表５に試験４の測定結果を示す。
【００３３】
【表５】
【００３４】
これらの図８に示すように、アーク長は２．５ｍｍ以下とすることにより、Ｄ／Ｗ値が第１判断基準の０．８以上にでき、とくに１．０ｍｍ以下とすることにより、Ｄ／Ｗ値が第２判断基準の１．０以上にできることが確認できた（表５参照）。すなわち、図９に示すように、アーク長が２．５ｍｍより長くなると、アークの幅が広がるため、溶込み深さＤは深くなっているもののビード幅Ｗも広がりＤ／Ｗ値が０．８を下回って小さくなっているのがわかる。このため、アーク長を２．５ｍｍ以下（好ましくは１．０ｍｍ以下）とすることが好適である。
【００３５】
次に、上述した試験１〜４においてヘリウムガスを使用したことによる作用について説明する。
ヘリウムガスを添加した場合に、溶接金属の溶融池表面にかかる圧力は、アルゴンガスに比較して低下することが確認されており、このことから、ヘリウムガスのプラズマ気流がアルゴンガスに比較して小さいものと考えられる。すなわち、ヘリウムガスのプラズマ気流の影響による対流が内向きから外向きに作用する力（引きずり力と称する）もアルゴンガスに比較して小さいものと推定でき、内向きとなる対流（深溶け込み作用する向き）を阻害する力を小さくすることができる。また、アークの緊縮により溶融池表面の中央部における温度が上昇し、温度勾配が増加することにより内向きのマランゴニー対流がより強く作用する。
このように、本発明では、主ガスをヘリウムガスとすることで、引きずり力を抑えることを可能とし、さらに、溶接電流値、溶接速度、アーク長を上述した試験１〜４により確認した好適な範囲とすることで深溶け込みを大きくすることができる。
【００３６】
次に、本発明のシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物による変形例について図１０に基づいて説明する。
図１０は変形例による０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスの速度変化試験の結果の特徴的な断面および平面を示す写真である。
本発明による酸化性ガスとしては、酸素ガスのほかに炭酸ガスなどを例示することでき、変形例では、実施例で使用したシールドガスの酸化性ガスを酸素ガスから炭酸ガスに代えて試験３と同様に溶接速度を変化させたときのＤ／Ｗ値を確認した（図６参照）。
【００３７】
図１０に示す炭酸ガスの試験条件は、溶接速度２ｍｍ／秒、溶接電流１６０Ａである。このとき、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスの同条件の結果（図７参照）と比較すると、若干、溶け込み深さが浅くなっていることがわかる。
また、図６に示す０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスは、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスよりＤ／Ｗ値が小さくなっている。このため、酸素ガスの方が炭酸ガスより深溶け込みの効果は大きいものといえる。したがって、炭酸ガスは酸素ガスより多めに添加する必要が推測できる。
さらに、図６に示す０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスは、０．４ｖｏｌ．％酸素ガスとほぼ同じ傾向のグラフで推移している。このことから、炭酸ガスの場合も酸素ガスとほぼ同様の効果が得られるものと考えられるが、炭酸ガスを添加したシールドガスについても、本実施例の試験１、２、４と同様の試験を行って混入濃度、溶接電流、アーク長などの適正な溶接条件を確認することが好ましい。
【００３８】
以上、本発明によるシールドガス、これを用いた溶接方法および被溶接物の実施の形態および変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態および変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施の形態および変形例ではＴＩＧ溶接法としているが、これに限定されることはない。試験１〜４による結果によると、深溶け込みの効果はヘリウムガスによる効果であることが確認され、ヘリウムガスに酸化性ガスを添加することによる深溶込みは、溶接金属中の酸素による対流の変化と、溶融池表面の引きずり力の低減による効果であることが確認された。
このことから、溶接方法は、ＴＩＧ溶接に限定されることはなく、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接などの他のガスシールドアーク溶接法であってもかまわない。
【００３９】
また、実施の形態および変形例ではシングルノズルを使用しているが、これに限定されることはない。例えば、上記シールドガスには酸化性ガスが含まれているため、電極が酸化により焼損しやすくなる。これを防止するため、電極を中心に同心円状に二重とし、アークを発生させる電極の周囲からシールドガスを供給するインナーノズルと、このインナーノズルの外側よりシールドガスを供給するアウターノズルとから構成されるダブルノズルを使用することが好ましい。例えば、電極に近いインナーノズルからヘリウムガス単体を流し、その外周となるアウターノズルにはヘリウムガスに酸素ガスまたは炭酸ガスを添加することで電極の劣化を防止できると共にＤ／Ｗ値を高い値とすることが可能である。
これについては、第１追加試験でインナーノズルにヘリウムガス、アウターノズルにヘリウムガスと酸素ガスの組み合わせ、第２追加試験でインナーノズルにヘリウムガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせについて、上述した試験１〜４と同様に適正なシールドガス中の酸化性ガスの濃度、溶接電流、溶接速度、アーク長について確認することが有効である。
【００４０】
また、インナーノズルから供給するシールドガスとしてヘリウムガス単体を用いるとアークのスタート性が悪いため、適当量のアルゴンガスを添加することによりこのスタート性を改善するようにしてもよい。
さらにヘリウムガスに酸化性ガスを混合しているため、高温の溶接部表面が酸化してしまう。そこで、例えば水素ガスを９％以下、好ましくは３〜７％程度入れることにより、酸化を改善することができ、外観を向上できる。このため、アウターノズルは、インナーノズルのガスに酸化性ガスを入れることで同様の効果を得ることができる。
これらについては、上記に続いて第３追加試験でインナーノズルにヘリウムガスと水素ガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせ、第４追加試験でインナーノズルにヘリウムガスとアルゴンガス、アウターノズルにヘリウムガスとアルゴンガスと炭酸ガスの組み合わせ、さらに第５追加試験でインナーノズルにヘリウムガスと水素ガスとアルゴンガス、アウターノズルにヘリウムガスと炭酸ガスの組み合わせが考えられ、これらについても試験１〜４と同様に適正なシールドガス中の酸化性ガスの濃度、溶接電流、溶接速度、アーク長について確認することが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】試験１の結果によるシールドガス中の酸素濃度とＤ／Ｗ値、溶接金属中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図２】図１におけるシールドガス中の酸素濃度１．０ｖｏｌ．％までの詳細を示したグラフである。
【図３】試験１の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。
【図４】試験２の結果による溶接電流とＤ／Ｗ値および溶接金属中の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】試験２の結果による溶接金属部の断面を示す写真である。
【図６】試験３の結果による溶接速度とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフである。
【図７】試験３の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。
【図８】試験４の結果によるアーク長とＤ／Ｗ値との関係を示すグラフである。
【図９】試験４の結果による溶接金属部の断面および平面を示す写真である。
【図１０】変形例による０．６ｖｏｌ．％炭酸ガスの速度変化試験の結果の特徴的な断面および平面を示す写真である。
【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り溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、
ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上の酸化性ガスを添加したことを特徴とするシールドガス。
【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り溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、
ヘリウムガスに０．４ｖｏｌ．％以上の酸化性ガスを添加したことを特徴とするシールドガス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシールドガスを使用し、前記被溶接物を溶接するようにしたことを特徴とするシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項４】
溶接電流は、１００Ａ以上であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項５】
溶接速度は、秒速３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項６】
アーク長は、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは０．８以上であることを特徴とする被溶接物。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは１．０以上であることを特徴とする被溶接物。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、溶接金属中の酸素濃度は７０〜７００ｐｐｍであることを特徴とする被溶接物。
【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り溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、
ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％以上の酸化性ガスを添加したことを特徴とするシールドガス。
【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り溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、
ヘリウムガスに０．４ｖｏｌ．％以上の酸化性ガスを添加したことを特徴とするシールドガス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシールドガスを使用し、前記被溶接物を溶接するようにしたことを特徴とするシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項４】
溶接電流は、１００Ａ以上であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項５】
溶接速度は、秒速３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項６】
アーク長は、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のシールドガスを用いた溶接方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは０．８以上であることを特徴とする被溶接物。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、ビード幅に対する溶け込み深さは１．０以上であることを特徴とする被溶接物。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載のシールドガスを用いた溶接方法により溶接された被溶接物であって、溶接金属中の酸素濃度は７０〜７００ｐｐｍであることを特徴とする被溶接物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−４４７４１（Ｐ２００７−４４７４１Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３３１６２（Ｐ２００５−２３３１６２）
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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