説明

溶接方法および溶接装置

【課題】溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接すること。
【解決手段】被溶接物2と、被溶接物2の表面側に配設された電極4と、の間にアーク3を発生させることによって、被溶接物2の溶接端部2a同士を溶接する溶接方法であって、不活性ガスからなるシールドガス5を被溶接物2の表面側から電極4を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガス9を被溶接物2の裏面側から供給する溶接方法を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる溶接方法および溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、この種の溶接方法として、例えば下記特許文献1に示されるような、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方法が知られている。この方法では、シールドガスとして、ヘリウムガスに0.2vol.%以上の酸素ガスを添加した構成を採用している。
この方法によれば、シールドガスに適量の酸素ガスを含ませることにより、溶融池の酸素濃度を70〜700ppmとすることが可能になり、溶接金属部の溶け込みを深くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−44741号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、前記従来の溶接方法では、例えば電極としてタングステンを採用した場合など、シールドガスに含まれる酸素ガスによって電極が著しく酸化し、実用上、溶接が困難であった。
【0005】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる溶接方法および溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る溶接方法は、被溶接物と、前記被溶接物の表面側に配設された電極と、の間にアークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接方法であって、不活性ガスからなるシールドガスを前記被溶接物の表面側から前記電極を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給することを特徴とする。
【0007】
また、本発明に係る溶接装置は、被溶接物との間にアークを発生させる電極と、前記電極を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガスが供給されるノズルと、を備え、前記被溶接物の表面側から前記アークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接装置であって、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする。
【0008】
これらの発明によれば、バックシールドガスに酸素ガスが含まれているので、溶融池とバックシールドガスとを接触させ、バックシールドガスから溶融池に酸素を取り込ませることで、溶融池の酸素濃度を上昇させることが可能になり、溶融池を深く形成することができる。これにより、溶接金属部の溶け込みを深くすることができる。
また、不活性ガスからなるシールドガスを電極を囲むように供給しているので、電極が大気中の酸素ガスと接触し難い。さらに、バックシールドガスを被溶接物の裏面側から供給しているので、バックシールドガスに含まれる酸素ガスも電極と接触し難い。したがって、電極の酸化を抑制することが可能になり、被溶接物を確実に溶接することができる。
【0009】
また、本発明に係る溶接方法では、前記被溶接物の溶接端部同士は、互いに当接しているとともに、前記溶接端部同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部が形成され、前記溶接端部同士の溶接を前記連通部から始めても良い。
【0010】
この場合、溶接端部同士の溶接を連通部から始めると、連通部を通して溶融池とバックシールドガスとが接触し、溶融池が深く形成されて溶接端部の裏面側に達する。その後、被溶接物と電極とを相対的に移動させ、溶接端部同士を溶接する溶接方向に沿って電極を移動させ溶接を続けると、溶接端部において溶融池に溶接方向から隣接する部分が溶融され、溶融池の一部となる。ここで、溶融池が溶接端部の裏面側に達していることから、前記隣接する部分は表面側から裏面側に至るまで溶融され、溶融池は溶接端部の裏面側に達した状態で維持される。これにより、溶融池には、バックシールドガスから酸素ガスが供給され続けることとなり、溶融池は、溶接端部の溶接方向に沿った全長にわたって深く形成され続ける。
以上より、被溶接物の溶接端部同士が互いに当接していたとしても、溶接金属部の溶けみを深くすることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係る溶接方法および溶接装置によれば、溶接金属部の溶け込みを深くして被溶接物を確実に溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第1実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【図2】本発明の第2実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【図3】本発明の第3実施形態に係る溶接装置および溶接方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(第1実施形態)
以下、図面を参照し、本発明の第1実施形態に係る溶接装置を説明する。
図1に示すように、溶接装置1は、母材(被溶接物)2との間にアーク3を発生させる電極4と、電極4を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガス5が供給されるノズル6と、を有するトーチ7を備えている。この溶接装置1は、母材2の表面側からアーク3を発生させることによって、母材2の溶接端部2a同士を溶接する。
【0014】
なおこの溶接装置1は、電極4にタングステンを採用したいわゆるTIG溶接(Tungsten Inert Gas Welding)に好適に用いられる。この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。
また図示の例では、母材2は、例えば鉄鋼系材料(例えば、炭素鋼、ステンレス鋼など)で板状に形成されており、互いの溶接端部2a同士の間に開先8が形成されルートギャップ8aが設けられた状態で配置されている。
【0015】
電極4は棒状に形成されるとともに、電極4およびノズル6は同軸に配設されており、電極4の先端は、ノズル6の先端よりも外側に位置しノズル6から突出している。ノズル6内には、電極4の図示しない基端側から先端側に向けてシールドガス5が供給される。
そして本実施形態では、溶接装置1は、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガス9を母材2の裏面側から供給するガス供給手段10を備えている。
【0016】
ガス供給手段10は、バックシールドガス9における酸素ガスの含有比率を調整可能に構成されている。図示の例では、ガス供給手段10は、不活性ガスが充填された不活性ガスボンベ11と、酸素ガスが充填された酸素ガスボンベ12と、これらの不活性ガスボンベ11および酸素ガスボンベ12が接続された本体部13と、母材2の裏面側に配設された裏当てジグ14と、を備えている。
【0017】
裏当てジグ14は、側面視U字状に形成されており、母材2同士の間を跨るように配設されている。そして、この裏当てジグ14の内面と、母材2の裏面と、によって、本体部13からバックシールドガス9が供給されるガス充填空間15が画成されている。このガス充填空間15に供給されたバックシールドガス9は、溶接端部2aに向けて裏面側から供給される。
【0018】
本体部13は、不活性ガスボンベ11および酸素ガスボンベ12それぞれから不活性ガスと酸素ガスとを導出し、これらのガスを所望の含有比率で混合してバックシールドガス9とし、このバックシールドガス9をガス充填空間15に供給する。
なお、シールドガス5およびバックシールドガス9の不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび窒素ガスのうちの少なくとも1つを含有するもの等が挙げられ、図示の例では、アルゴンガスを採用している。
【0019】
次に、以上のように構成された溶接装置1を用いた溶接方法について説明する。
まず、母材2の表面側において、溶接端部2a間に位置する部分にトーチ7を配置する。そして電極4を負極とし、母材2を正極として、電極4と母材2との間に電圧をかけて放電させ、アーク3を発生させる。このアーク3の熱により母材2の溶接端部2aが溶融されて溶融池16が形成される。
【0020】
このようにアーク3を発生させるときには、シールドガス5をノズル6内に供給し、シールドガス5を溶接端部2aに向けて表面側から供給するとともに、ガス供給手段10によって、バックシールドガス9を前記ガス充填空間15に供給する。
また本実施形態では、母材2の溶接端部2a同士の間にはルートギャップ8aが設けられており、このルートギャップ8aを通して前述のように形成された溶融池16とバックシールドガス9とが接触することとなる。すると、バックシールドガス9から溶融池16に酸素が取り込まれて溶融池16の酸素濃度が上昇し、溶融池16の前記表面側における表面張力が、外周部よりも中央部が大きくなる。これにより、溶融池16の対流が、外周部側から中央部側に向かう内向きの方向に向けて作用した後、溶融池16の深さ方向に向けて作用することとなり、溶融池16を深く形成することができる。
【0021】
その後、母材2とトーチ7とを相対的に移動させ、溶接端部2a同士を溶接する溶接方向17(溶接端部2aが延在する方向)に沿ってトーチ7を移動させ溶接を続けることで、溶接端部2a同士を溶接方向17の全長にわたって溶接する。この過程で、トーチ7とともにアーク3が移動し、アーク3によって加熱されていた溶融池16が溶接金属部となり、母材2同士が溶接される。ここで、溶接金属部(溶融池16)中の酸素濃度は、例えば、70〜700ppmとなっている。
【0022】
なお例えば、バックシールドガス9は、不活性ガスに0.2vol.%以上(好ましくは0.4vol.%以上)の酸素ガスが添加されてなることが好ましい。また例えば、溶接電流は、100A以上であることが好ましい。さらに例えば、溶接速度は秒速3.5mm以下であることが好ましい。さらにまた、例えば、アーク長は2.5mm以下であることが好ましい。
【0023】
以上説明したように、本実施形態に係る溶接装置1および溶接方法によれば、バックシールドガス9に酸素ガスが含まれているので、溶融池16とバックシールドガス9とを接触させ、バックシールドガス9から溶融池16に酸素を取り込ませることで、溶融池16の酸素濃度を上昇させることが可能になり、溶融池16を深く形成することができる。これにより、溶接金属部の溶け込みを深くすることが可能になり、従来の溶接方法に比べて、溶け込みの深さを例えば約2倍以上とすることができる。
【0024】
またこのように、一度の溶接により溶接金属部の溶け込みを深くすることができるので、少ないパス数で溶接端部2a同士を溶接することができる。これにより、高効率に溶接することができるとともに、母材2への過大な入熱が抑えられ、例えば、母材2の耐食性の劣化や溶接歪などを抑制することができる。
【0025】
また、不活性ガスからなるシールドガス5を電極4を囲むように供給しているので、電極4が大気中の酸素ガスと接触し難い。さらに、バックシールドガス9を母材2の裏面側から供給しているので、バックシールドガス9に含まれる酸素ガスも電極4と接触し難い。したがって、電極4の酸化を抑制することが可能になり、母材2を確実に溶接することができる。
【0026】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る溶接装置を説明する。
なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
また図2では、図面の見易さのため、溶接装置20のトーチ7の図示を省略している。
【0027】
図2に示すように、本実施形態では、母材2は、例えば鉄鋼系材料で管状に形成されている。
また、溶接装置20のガス供給手段10は、裏当てジグ14に代えて、各母材2内に嵌合された一対の遮蔽材21を備えている。そして、これらの遮蔽材21と、母材2の裏面(内周面)と、によって、前記ガス充填空間15が画成されている。
【0028】
図示の例では、遮蔽材21は、例えばスポンジ材料で円盤状に形成されており、母材2内に締り嵌めされている。
本体部13は、一対の遮蔽材21のうちの一方を通してバックシールドガス9をガス充填空間15内に供給する。このようにしてガス充填空間15に供給されたバックシールドガス9は、溶接端部2a同士の間の前記ルートギャップ8a(開先8)を通してガス充填空間15の外部に流出するとともに、各遮蔽材21側からも漸次、ガス充填空間15の外部に流出する。
【0029】
以上説明したように、本実施形態に係る溶接装置20および溶接方法によれば、前記第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【0030】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る溶接方法を説明する。
なお、この第3実施形態においては、第2実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
また図3では、図面の見易さのため、溶接装置20のトーチ7の図示を省略している。
【0031】
図3に示すように、本実施形態では、母材2の溶接端部2a同士は、互いに当接している。図示の例では、母材2の溶接端部2aは互いに全周にわたって当接しており、溶接端部2a同士の間は、表面(外周面)側と裏面(内周面)側とが非連通となっている。
そして本実施形態では、溶接端部2a同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部2bが形成されている。つまり、連通部2bは、両溶接端部2aにおいて互いに当接する当接部分に形成されている。図示の例では、連通部2bは、各母材2の溶接端部2aの当接部分において、母材2の周方向に互いに対応する部分がそれぞれ切りかかれることで、両溶接端部2aを跨るようにして配設されている。
【0032】
次に、本実施形態に係る溶接方法について説明する。この溶接方法では、溶接端部2a同士の溶接を連通部2bから始める。
すなわち、まず、母材2の表面側において、連通部2bに位置する部分にトーチ7を配置する。そして電極4を負極とし、母材2を正極として、電極4と母材2との間に電圧をかけて放電させ、アーク3を発生させる。このアーク3の熱により母材2の溶接端部2aが溶融されて溶融池16が形成される。このとき、前述のようにシールドガス5およびバックシールドガス9を供給する。
【0033】
このように溶接端部2a同士の溶接を連通部2bから始めると、連通部2bを通して溶融池16とバックシールドガス9とが接触し、溶融池16が深く形成されて溶接端部2aの裏面側に達する。その後、母材2とトーチ7とを相対的に移動させ、溶接方向17に沿ってトーチ7を移動させ溶接を続けると、溶接端部2aにおいて溶融池16に溶接方向17から隣接する部分が溶融され、溶融池16の一部となる。ここで、溶融池16が溶接端部2aの裏面側に達していることから、前記隣接する部分は表面側から裏面側に至るまで溶融され、溶融池16は溶接端部2aの裏面側に達した状態で維持される。これにより、溶融池16には、バックシールドガス9から酸素ガスが供給され続けることとなり、溶融池16は、溶接端部2aの溶接方向17に沿った全長にわたって深く形成され続ける。
以上より、母材2の溶接端部2a同士が互いに当接していたとしても、溶接金属部の溶けみを深くすることができる。
【0034】
なお本実施形態では、連通部2bが、各母材2の溶接端部2aの当接部分において、母材2の周方向に互いに対応する部分がそれぞれ切りかかれることで形成されているものとしたが、これに限られず、両当接部分の少なくとも一方が切りかかれることで形成されていても良い。
【0035】
また、本実施形態では、連通部2bが形成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、連通部2bが形成されていない場合であっても、溶接端部2a同士の溶接を開始する溶接開始位置において、溶融池16が溶接端部2aの裏面側に達するまで深く形成すれば良い。この場合、例えば、溶接開始位置において、他の部分に比べて溶接電流を大きくしたり、溶接速度を遅くしたり、アーク長を長くしたりしても良い。
【0036】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、溶接装置1、20の電極4にタングステンを用いるTIG溶接を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、本発明はいわゆる非消耗電極式のアーク溶接(例えば、プラズマ溶接など)に好適に採用することができる。
【0037】
また前記実施形態では、ガス供給手段10は、バックシールドガス9における酸素ガスの含有比率を調整可能に構成されているものとしたが、調整可能でなくても良い。例えば、ガス供給手段は、不活性ガスおよび酸素ガスが予め混合されてなるバックシールドガスが充填されたバックシールドガスボンベを備えていても良い。
【0038】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0039】
1、20 溶接装置
2 母材(被溶接物)
2a 溶接端部
2b 連通部
3 アーク
4 電極
5 シールドガス
6 ノズル
9 バックシールドガス
10 ガス供給手段
16 溶融池

【特許請求の範囲】
【請求項1】
被溶接物と、前記被溶接物の表面側に配設された電極と、の間にアークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接方法であって、
不活性ガスからなるシールドガスを前記被溶接物の表面側から前記電極を囲むように供給するとともに、不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給することを特徴とする溶接方法。
【請求項2】
請求項1記載の溶接方法であって、
前記被溶接物の溶接端部同士は、互いに当接しているとともに、前記溶接端部同士の間には、表面側と裏面側とを連通する連通部が形成され、
前記溶接端部同士の溶接を前記連通部から始めることを特徴とする溶接方法。
【請求項3】
被溶接物との間にアークを発生させる電極と、
前記電極を囲うとともに、内部に不活性ガスからなるシールドガスが供給されるノズルと、を備え、
前記被溶接物の表面側から前記アークを発生させることによって、前記被溶接物の溶接端部同士を溶接する溶接装置であって、
不活性ガスに酸素ガスが添加されてなるバックシールドガスを前記被溶接物の裏面側から供給するガス供給手段を備えていることを特徴とする溶接装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate


【公開番号】特開2011−255393(P2011−255393A)
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−130408(P2010−130408)
【出願日】平成22年6月7日(2010.6.7)
【出願人】(306022513)新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Fターム(参考)】