溶接方法
【課題】高いアスペクト比の溶接部が形成できるアーク溶接装置を提供する。
【解決手段】本明細書に開示するアーク溶接装置は、一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部１５と、を備える溶接装置。
【解決手段】本明細書に開示するアーク溶接装置は、一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部１５と、を備える溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アーク溶接が、溶接加工において用いられている。
【０００３】
アーク溶接では、一方の電極及び他方の電極に溶接電流を供給すると共に、電極と母材との間にシールドガスを供給することにより、シールドガスを電離させて運動エネルギーを有する電子を形成する。この生成した電子は、一方の電極と母材との間にアーク領域を形成する。アーク領域内の電子は、母材に衝突することにより、運動エネルギーを母材に与えて母材を溶融する。
【０００４】
図１は、従来の例によるアーク溶接装置を示す図である。
【０００５】
アーク溶接装置１００は、図示しない溶接電源と、この電源により溶接電流が供給される一方の電極１０１及び図示しない他方の電極と、一方の電極に沿って母材に向かってシールドガスを供給する円筒状のガスノズル１０２とを備える。
【０００６】
母材を溶接する際には、溶接電源から、一方の電極１０１及び他方の電極に溶接電流を供給すると共に、ガスノズル１０２からシールドガスを供給することにより、一方の電極と母材との間にアーク領域１０３が形成される。アーク領域１０３は、上方から供給されるシールドガスの圧力によって母材側に押しつぶされており、母材との接触部分が大きく拡がるので、溶接幅Ｗが大きくなる。このように、アーク領域１０３は、下ぶくれのベル型の形状を有している。
【０００７】
そのため、アーク溶接では、母材との接触部分におけるアーク領域のエネルギー密度が低いので、溶接部の溶け込み深さが浅くなる。即ち、アーク溶接は、溶接部の溶け込み深さと溶接幅Ｗとの比であるアスペクト比が低い。そのため、アーク溶接は、低歪みが求められる溶接又は高速溶接には適しておらず、主に粗い精度の溶接加工に用いられている。
【０００８】
一方、低歪みが求められる溶接又は高速溶接には、レーザ溶接が用いられている。レーザ溶接は、溶融部のエネルギー密度が高いため、高いアスペクト比の溶接部が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２６７２５０号公報
【特許文献２】特開２００３−５３５４３号公報
【特許文献３】特許第２６７００７６号公報
【特許文献４】特開平１１−２４１１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、レーザ溶接は、溶接装置のコストが高いという問題点がある。
【００１１】
また、アーク溶接には、水冷コンタクトチップを用いて、アーク領域のエネルギー密度を向上させたプラズマ溶接がある。
【００１２】
しかし、プラズマ溶接装置は、通常のアーク溶接装置よりもコストが高いという問題点がある。また、プラズマ溶接は、コンタクトチップが受ける熱の影響により出力制限を有するという問題点もある。
【００１３】
そして、アーク溶接において、コストの高くない溶接装置を用いて、高いアスペクト比の溶接部を形成できる溶接方法は、まだ開示されていない。
【００１４】
本明細書では、上述した問題点を解決するアーク溶接の溶接方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本明細書では、上述した問題点を解決するアーク溶接の溶接装置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】
【００１６】
本明細書に開示する第１発明の溶接方法は、一方の電極（１１）と他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行うことを特徴とする。
【００１７】
これにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が形成される。この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節するまたは、ノズル径、ノズル高さを調節することにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、低いコストで第１発明の溶接方法を実施すること可能である。
【００１８】
上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通る開口部（１４ａ）を有するノズル板１４の母材側から上記開口部（１４ａ）を通って上記一方の電極（１１）側に抜けるように上記第１シールドガスを流し、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行うことが好ましい。
【００１９】
これにより、第１シールドガスが、アーク領域の母材側の部分の周囲から圧力を加えると共に、開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定する。
【００２０】
この際、上述した第１発明は、上記開口部（１４ａ）の中を通るアーク領域（１３）の部分の断面積と、上記開口部（１４ａ）の面積との比は、１以上３５以下であるか、又は、上記開口部（１４ａ）を通る上記第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下であるか、又は、上記開口部（１４ａ）は円形を有し、上記開口部（１４ａ）の直径と、上記ノズル板（１４）及び母材（２０）の間の距離との比は、１以上２０以下であることが好ましい。
【００２１】
これにより、第１シールドガスは、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００２２】
また、上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）側から上記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流すことが好ましい。この際、上記第２シールドガスの電離電圧は、上記第１シールドガスの電離電圧よりも低いか、又は、上記第１シールドガスの密度は、上記第２シールドガスの密度よりも高いことが好ましい。これにより、アーク領域の幅を狭くして電離度を一層高めることができる。
【００２３】
更に、上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大しながら、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に流れる電流が一定になるように、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加することが好ましい。この際、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなると、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大することを停止することが好ましい。これにより、入熱量を増大して、溶融部のエネルギー密度を向上したアーク溶接が行える。
【００２４】
本明細書に開示する第２発明の溶接装置は、一方の電極（１１）と、他方の電極（１２）と、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部（１５）と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
これにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が形成される。この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節することにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、低いコストで第２発明の溶接装置を製造することが可能である。
【００２６】
上述した第２発明の溶接装置は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通るように形成された開口部（１４ａ）を有するノズル板（１４）を備え、上記第１ガス供給部（１５）は、上記ノズル板（１４）の母材側に上記第１シールドガスを流して、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にすることが好ましい。
【００２７】
これにより、第１シールドガスが、アーク領域の母材側の部分の周囲から圧力を加えると共に、開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定する。
【００２８】
また、上述した第２発明は、上記第１ガス供給部（１５）は、上記ノズル板（１４）の母材側に上記第１シールドガスを供給する第１ガス供給管（１５ａ）と、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力を測定する第１圧力センサ（１５ｂ）と、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域外の圧力を測定する第２圧力センサ（１５ｃ）と、上記第１圧力センサ（１５ｂ）の測定値及び上記第２圧力センサ（１５ｃ）の測定値を入力して、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下になるように上記第１シールドガスを上記第１ガス供給管（１５ａ）に供給する量を制御する制御部（１５ｄ）と、を有することが好ましい。
【００２９】
これにより、絶縁板の母材側に第１シールドガスを流して、ノズル板の母材側におけるアーク領域の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にすることが実施される。
【００３０】
また、上述した第２発明は、上記一方の電極（１１）側から上記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流す第２ガス供給部（１７）を備えることが好ましい。
【００３１】
これにより、例えば、第１シールドガス及び第２シールドガスの電離電圧又は密度を適宜選択することにより、アーク領域の幅を狭くして電離度を一層高めることができる。
【００３２】
更に、上述した第２発明は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を変化させるように上記一方の電極（１１）を駆動する駆動部（２１）と、上記駆動部（２１）を制御する駆動制御部（２２）と、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間に一定の電流を供給する電源（１６）と、を備え、上記駆動制御部（２２）は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大するように上記駆動部（２１）を制御し、上記電源（１６）は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間に流れる電流が一定になるように、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加することが好ましい。この際、上記駆動制御部（２２）は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値を超えると、上記一方の電極（１１）の駆動を停止するように上記駆動部（２１）を制御することが好ましい。これにより、入熱量を増大して、溶融部のエネルギー密度を向上したアーク溶接が行える。
【００３３】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の例による溶接装置を示す図である。
【図２】（Ａ）は、本明細書に開示する溶接装置の第１実施形態を示す断面図であり、（Ｂ）は、図２（Ａ）の上面図であり、（Ｃ）は、図２（Ｂ）の鎖線で囲われた要部の拡大図である。
【図３】（Ａ）は、図２（Ａ）の要部の拡大図であり、（Ｂ）は、母材の溶接温度分布を示す図である。
【図４】サハの熱電離の式を示す図である。
【図５】温度と電離度との関係を示す図である。
【図６】アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を示す図である。
【図７】圧力比と電離度との関係を示す図である。
【図８Ａ】圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その１）である。
【図８Ｂ】圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その２）である。
【図９】本明細書に開示する溶接装置の第２実施形態を示す図である。
【図１０】シールドガスの電離電圧及び密度を示す図である。
【図１１】本明細書に開示する溶接装置の第３実施形態を示す図である。
【図１２】一方の電極の変位量と電圧と電流との関係を説明する図である。
【図１３】図１２の時間ｔ１及びｔ３におけるアーク領域を示す図である。
【図１４】本明細書に開示する溶接装置の他の例を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する溶接装置のまた他の例を示す図である。
【図１６】図１５のY-Y線断面図を示す図である。
【図１７】図１５のZ-Z線断面図を示す図である。
【図１８】実施例及び比較例の溶接結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本明細書で開示する溶接装置の好ましい実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３６】
図２（Ａ）は、本明細書に開示する溶接装置の第１実施形態の平面図を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の上面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の鎖線で囲われた要部の拡大図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）の要部の拡大図であり、図３（Ｂ）は、母材の溶接温度分布を示す図である。
【００３７】
本実施形態の溶接装置１０は、アーク領域の母材側の部分の周囲からアーク領域の中心部に向かって、シールドガスを流すことにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域を形成し、この幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域によって母材を溶融することにより、高いアスペクト比の溶接部を形成する。
【００３８】
溶接装置１０は、棒状の一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３が中を通るように形成された円形の開口部１４ａを有するノズル板１４と、ノズル板１４の母材側に第１シールドガスを流して、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力と、アーク領域外の位置の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部１５と、を備える。
【００３９】
また、溶接装置１０は、円筒状の母材２０を支持する筐体１８を有する。筐体は、円筒状の母材２０を回転可能に支持する。母材２０は、図示しない駆動装置により回転させられる。ノズル板１４は、図２（Ａ）に示すように、筐体１８の中央部に配置される。ノズル板１４は、筐体１８の一部分として形成されていても良い。
【００４０】
筐体１８と母材２０との間には、電気絶縁材１９が配置されており、筐体１８と母材２０とは電気的に絶縁されている。電気絶縁材１９は、筐体１８と母材２０との間を、円筒状の母材２０を回転可能にシールして、シールドガスが隙間から流出することを防止する。図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。また、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、後述する第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは記載されていない。
【００４１】
図３（Ａ）に示すように、第１ガス供給部１５は、ノズル板１４の母材側に第１シールドガスを供給する第１ガス供給管１５ａと、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力を測定する第１圧力センサ１５ｂと、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域外の位置の圧力を測定する第２圧力センサ１５ｃと、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の位置の圧力との比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御する制御部１５ｄと、を有する。以下、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の位置の圧力との比を、単に圧力比ともいう。
【００４２】
図２（Ａ）に示すように、第１ガス供給部１５は、４本の第１ガス供給管１５ａを有している。第１ガス供給管１５ａそれぞれは、筐体１８に配管されている。第１シールドガスは、４本の第１ガス供給管１５ａを通った後筐体１８と母材２０との間を通って、ノズル板１４の母材側に供給される。第１シールドガスは、電離してアーク領域１３を形成する。また、第１シールドガスは、溶融した溶接部を大気から遮蔽する。
【００４３】
開口部１４ａは、電気絶縁性のノズル板１４の中央に形成される。一方の電極１１は、開口部１４ａの中央部に位置するように配置される。一方の電極１１と母材２０との間に形成されるアーク領域１３は、開口部１４ａの中央部に位置する。
【００４４】
第１ガス供給管１５ａを通って筐体１８内に供給された第１シールドガスは、電気絶縁材１９によって筐体１８の外側に流れることが防止される。そのため、筐体１８内に供給された第１シールドガスは、ノズル板１４の母材側から開口部１４ａを通って一方の電極１１側に抜ける。ノズル板１４の一方の電極１１側に抜けた第１シールドガスは、図示しない排気部によって、排気されても良い。
【００４５】
図２（Ｃ）中の矢印で示すように、第１ガス供給管１５ａを通ってノズル板１４の母材側に供給された第１シールドガスは、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって流れる。このように、周囲から第１シールドガスの圧力を受けたアーク領域１３は中心部の方向に押し縮められるので、電離度の高い幅の狭いアーク領域１３が形成される。
【００４６】
本明細書において、アーク領域１３の母材側の部分は、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の長さの半分よりも母材側の部分であることが好ましく、特に、アーク領域１３の長さの３分の１よりも母材側の部分であることが好ましい。
【００４７】
また、アーク領域１３には、アーク領域１３の母材側の部分と共に、アーク領域１３の一方の電極側の部分を含めて、第１シールドガスを流しても良い。アーク領域１３に対して、第１シールドガスを流す高さは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈを調整することにより変更できる。
【００４８】
第１圧力センサ１５ｂは、公知の方法によって、アーク領域１３の中心部の位置に固定され得る。第２圧力センサ１５ｃは、ノズル板１４の母材側の面に、公知の方法によって固定され得る。
【００４９】
制御部１５ｄは、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、圧力比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御する。
【００５０】
制御部１５ｄが圧力比を制御する方法としては、公知の制御方法を用いることができる。制御方法としては、例えば、フィードバック制御を用いることができる。このフィードバック制御では、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値との比を現在の圧力比とし、この現在の圧力比と目標とする圧力比との差がゼロになるように、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量が制御される。
【００５１】
第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは、アーク領域１３の温度に対する耐熱性を有していることが好ましい。
【００５２】
制御部１５ｄは、連続して又は所定の間隔で、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、圧力比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御するようにしても良い。
【００５３】
また、制御部１５ｄは、溶接条件が変更された時にだけ、第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃを用いて、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を決定し、その後、溶接条件が変更されない限りは第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃを用いることなく、決定された第１シールドガスの供給量を用いて、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給しても良い。このようにすれば、第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは、圧力を測定する時にだけアーク領域１３内又はノズル板１４の母材側の位置に配置し、圧力を測定しない場合には、アーク領域１３内又はノズル板１４の母材側の位置に配置しなくても良い。
【００５４】
また、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量は、アーク放電をしない状態で圧力比が７０以上５０００以下になるように決定しても良い。また、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量は、熱伝導解析シミュレーション等の計算を用いて決定しても良い。
【００５５】
また、溶接装置１０は、一方の電極１１及び他方の電極１２に溶接電流を供給する溶接電源１６を有する。溶接電源１６は、直流電流又は交流電流を各電極に供給し得る。また、溶接電源１６は、連続電流又はパルス電流を各電極に供給し得る。溶接電源１６は、直流電流を各電極に供給する場合には、一方の電極１１を陰極として、他方の電極１２を陽極とするように、溶接電流を供給する。
【００５６】
一方の電極１１及びノズル板１４は、図示しない支持部によって、母材２０と接触しないように支持されている。
【００５７】
なお、図２では、図３に示す制御部１５ｄ、溶接電源１６及び母材２０は示していない。
【００５８】
母材２０は、接合される形態により、各種の継ぎ手の形態を有し得る。母材２０の形成材料としては、例えば、ステンレス鋼や合金鋼等の金属や銅、アルミなどの非鉄金属を用いることができる。溶接継ぎ手については、例えば、突き合わせ継ぎ手、開先継ぎ手、重ね継ぎ手又は隅肉継ぎ手の形態を有し得る。また、溶接装置１０は、図示しない溶接ワイヤ又は溶接棒及びこれらのワイヤ又は棒を溶接部に供給する手段を有し得る。電極１１の形成材料としは、例えば、セリウム入りタングステン及びトリウム入りタングステン、ランタナ入りタングステンなどを用いることができる。
【００５９】
従来のアーク溶接装置により形成されるアーク領域の形状を、図３（Ａ）中に鎖線で示す。従来の溶接装置により形成されるアーク領域の形状は、下ぶくれのベル型の形状を有している。
【００６０】
一方、溶接装置１０により形成されるアーク領域１３の形状（実線）は、図３（Ａ）に示すように、アーク領域の幅が狭まっている。アーク領域１３の形状は、従来の形状と比べて、特に母材側の部分の幅が狭まっており、全体として円柱状の縦長の形状を有している。
【００６１】
このように、溶接装置１０により形成されるアーク領域１３の形状は、母材との接触部分の幅が小さいので、溶接幅Ｗも小さくなる。従って、溶接装置１０では、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域１３が形成される。
【００６２】
図３（Ｂ）には、溶接装置１０により溶接される母材上の位置と母材の温度との関係（実線）が示されている。また、図３（Ｂ）には、従来のアーク溶接装置により溶接される母材上の位置と母材の温度との関係（鎖線）が示されている。溶接装置１０によりアーク溶接される母材上の溶接温度の分布は、従来の温度分布に対して、幅が狭く且つ温度が高くなる。
【００６３】
次に、溶接装置１０が、アーク領域の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う理由を以下に説明する。
【００６４】
アーク領域１３は、シールドガスを形成するガス分子が電離し、電子と、イオン化したガス分子と、イオン化していない中性のガス分子とが混在したプラズマ状態となっている。このような電離したプラズマ状態の電離度と、圧力と、温度との関係は、サハの熱電離の式によって表され得る。
【００６５】
図４は、サハの熱電離の式を示す図である。
【００６６】
ここで、ｘは電離したガス分子の比率である電離度を示し、Ｐは圧力を示し、Ａは定数を示し、Ｔは絶対温度を示し、ｅは電気素量を示し、Ｖｉはガス分子の電離電圧を示し、ｋはボルツマン定数を示す。
【００６７】
図５は、温度と電離度との関係を示す図である。
【００６８】
図５に示すように、プラズマ状態では、ガス分子の電離度ｘは、温度の増加と共に、増加し、電離度が１に近づくにつれて温度の増加率が低減する。
【００６９】
図６は、アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を示す図である。図６に示すアーク領域内のシールドガスの電離度の分布は、次のようにして得られた。まず、熱電等解析の計算によりアーク領域内の温度分布を求め、次に、求めたアーク領域内の温度をサハの熱電離の式に代入して、アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を得た。
【００７０】
図６に示すように、アーク領域の中心部に近い程、ガス分子の電離度が高くなっている。一方、アーク領域の中心部から外側に離れる程、ガス分子の電離度が低くなっている。
【００７１】
一方、図５に示す電離度と温度との関係から、母材の溶融に必要な溶接温度が得られる電離度が０．０１６以上であることが分かる。そこで、図６に示すアーク領域の電離度分布において、電離度が０．０１６以上である幅を、電離領域幅Ｌとして示す。
【００７２】
また、図５に示す温度と電離度との関係から、１１０００Ｋあたりから、温度の増加と共に、電離度が急激に増加することが分かる。そこで、１１０００Ｋにおける圧力比と電離度との関係をまとめた結果を図７に示す。
【００７３】
図７は、圧力比と電離度との関係を示す図である。
【００７４】
従来のアーク溶接では、電離度が０．０１６以上で行われていた。図７から、電離度が０．０１６となる圧力比は１である。
【００７５】
また、電離度が０．００１９程度では、アーク溶接に必要なプラズマ温度が得られないことが分かっている。図７から、電離度が０．００１９となる圧力比は７０である。
【００７６】
従って、図６に示すアーク領域における電離度が０．０１６の部分の圧力比を７０倍以上にすることにより、圧力比が７０以上となり、電離度を０．００１９以下にできることが分かる。その結果、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が得られることになる。
【００７７】
ここで、アーク領域の中心部の圧力を測定する位置は、一方の電極の中心の鉛直下方であることが好ましい。また、アーク領域の中心部の圧力を測定する位置は、アーク領域の母材側の部分であることが好ましい。
【００７８】
また、アーク領域外の圧力を測定する位置は、ノズル板１４の母材側の領域であれば、アーク領域の近傍の位置でも良いし、アーク領域から離れていても良い。更に、アーク領域外の圧力を測定する位置は、ノズル板１４の一方の電極１１側の領域であっても良い。
【００７９】
また、アーク領域外は、アーク領域１３から、アーク領域１３の電離領域幅Ｌの１／２、特に１／３以下の距離の部分であることが好ましい。
【００８０】
図８Ａは、圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その１）である。
【００８１】
図８Ａは、図２及び図３に示すに示す溶接装置を用いて母材をアーク溶接した溶接部の溶け込み深さと溶接幅との比であるアスペクト比と圧力比との関係を実験及び計算により求めたものである。
【００８２】
アーク溶接の実験では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、５〜２５リットル/分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。図８Ａでは、圧力比が１００以下のデータが実験により求められた。また、アスペクト比の計算は、アーク溶接した溶け込み深さと溶接部の幅とを測定し、溶け込み深さと幅との比として求めた。図８Ａでは、圧力比が５００以上のデータが計算により求められた。計算では、シミュレーションによりガスの流れを解析して、アーク領域の形状に影響を与えるガスの分布を求めた。計算条件は、上述したアーク溶接の実験と同じ条件を用いた。図８Ａでは、一部のプロットには、その圧力比の値が示されている。
【００８３】
図８Ａでは、圧力比の範囲が３つに大別されて示している。領域Ｒ１では、圧力比が小さいので、アーク領域の幅が広くなるため、アスペクト比が小さくなる。領域Ｒ３では、圧力比が大きいので、シールドガスの流れが乱れて放電が不安定となり、場合によっては放電が停止するため、アスペクト比が小さくなる。領域Ｒ２では、安定したアーク放電が形成され且つ幅の狭いアーク領域が形成されるので、高いアスペクト比が得られる。このように、領域Ｒ２の圧力比の範囲において、アーク溶接が行われることが好ましいことが分かる。具体的には、領域Ｒ２の圧力比として、以下の知見が得られた。
【００８４】
この圧力比は７０以上であることにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が安定して形成される。上述した圧力比は、更に、１００以上、特に２００以上であることが、幅がより狭く且つ電離度のより高いアーク領域を得る観点から好ましい。
【００８５】
また、この圧力比が５０００以下であることにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が安定して形成される。更に、この圧力比は、３０００以下、特に１０００以下であることが、幅がより狭く且つ電離度のより高いアーク領域を得る観点から好ましい。
【００８６】
次に、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状を形成するための溶接装置１０の好ましい構成について、更に以下に説明する。
【００８７】
まず、開口部１４ａの中を通るアーク領域１３の部分の断面積と、開口部１４ａの面積との比は、１以上３５以下であることが好ましい。面積の比をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００８８】
また、開口部１４ａを通る第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下であることが好ましい。第１シールドガスの流量をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００８９】
更に、開口部１４ａの中を通るアーク領域１３の部分の断面積と、開口部１４ａの面積との比は、１以上３５以下であることが好ましい。距離の比をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。具体的には、開口部１４ａの直径ｄを５ｍｍ以下とし、ノズル板１４及び母材２０の間の距離を２ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００９０】
図８Ｂは、圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その２）である。図８Ｂ中の○印のプロットは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが０．３ｍｍであり、□印のプロットは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが０．６ｍｍである。
【００９１】
図８Ｂに示すアスペクト比は、図２及び図３に示す溶接装置を用いて母材をアーク溶接した溶け込み深さと溶接部の幅とを測定し、溶け込み深さと幅との比として求めた。また、このアーク溶接では、溶接電流は、４０Ａであり、シールドガスの流量は、１０〜２０リットル/分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【００９２】
図８Ｂに示すように、開口部１４ａの直径ｄが一定の場合には、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが短い方が、高いアスペクト比が得られることが分かる。これは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが短い方が、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定して形成されるためと考えられる。また、アスペクト比は、圧力比が高い程、増加することが分かる。
【００９３】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が形成される。そして、この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節することやノズル径、ノズル高さの設計をすることにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、溶接装置を低いコストで製造することが可能である。
【００９４】
次に、上述した溶接装置の第２〜第３実施形態を、図９〜図１４を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００９５】
図９は、本明細書に開示する溶接装置の第２実施形態を示す図である。
【００９６】
本実施形態の溶接装置１０は、一方の電極１１側から開口部１３に向かって、第２シールドガスを流す第２ガス供給部１７を備える。第２ガス供給部１７は、一方の電極１１に沿って、第２シールドガスを供給する第２ガス供給管１７ａを備える。
【００９７】
第２ガス供給管１７ａは、内部に棒状の一方の電極１１が配置されており、一方の電極１１の外周に沿って、第２シールドガスを開口部１４ａに供給する。
【００９８】
また、一方の電極１１の中心部には、第２シールドガスを流す流路が形成されている。第２ガス供給部１７は、一方の電極１１の中を通して、第２シールドガスを供給する。
【００９９】
次に、幅をより狭くし且つ電離度をより高くするための第１シールドガスと第２シールドガスとの関係について、以下に説明する。
【０１００】
一つ目の考え方として、第２シールドガスの電離電圧は、第１シールドガスの電離電圧よりも低いことが好ましい。第２ガス供給管１７ａから、電離し易い第２シールドガスを供給することにより、アーク領域１３で第２シールドガスの電離状態を速やかに形成できる。一方、第１ガス供給管１５ａから、電離し難い第１シールドガスを供給することにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域１３が周囲から押し縮める。しかし、第１シールドガスの電離電圧は高いので、第１シールドガスは電離され難いため、アーク領域１３の幅が拡がることが抑制される。
【０１０１】
図９中には、第１実施形態の溶接装置により形成されるアーク領域が鎖線で示されており、第２実施形態の溶接装置により形成されるアーク領域が実線で示されている。
【０１０２】
図１０は、溶接装置１０により使用され得るシールドガスの電離電圧及び密度を示す図である。なお、図１０に示す密度は、温度が３００（常温）Ｋのものである。
【０１０３】
上述した一つ目の考え方を適用する場合には、例えば、第２シールドガスとして、電離電圧の低いＡｒを用い、第１シールドガスとして電離電圧の高いＨｅを用いることができる。
【０１０４】
次に、２つ目の考え方として、第１シールドガスの密度は、第２シールドガスの密度よりも高いことが好ましい。第１ガス供給管１５ａから、密度の高い第１シールドガスを供給することにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域１３の母材側の部分を周囲から押し縮めることが十分にできる。一方、第２ガス供給管１７ａの中心から、密度の低い第２シールドガスを供給することにより、アーク領域１３の幅を拡げることなく、シールドガスを供給することができる。２つ目の考え方の場合には、第２シールドガスを、第２ガス供給管１７ａの中心からのみ供給することが好ましい。使用するガスは、ＣＯ２ガス、Ｎ２、Ａｒ、混合ガスＡｒ+Ｈ２、Ａｒ+Ｈｅ等を用いても良い。
【０１０５】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、アーク領域の幅をより狭くして電離度を一層高めることができる。
【０１０６】
図１１は、本明細書に開示する溶接装置の第３実施形態を示す図である。
【０１０７】
本実施形態の溶接装置１０は、溶融部のエネルギー密度を更に高める。
【０１０８】
溶融部に与えられるエネルギー密度は、下記の式により求められる。
エネルギー密度＝入熱量（電流×電圧）／入熱面積
ここで、電流は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流であり、電圧は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧である。また、入熱面積は、アーク領域が形成される母材２０の部分の面積である。
【０１０９】
上述した各実施形態では、この入熱面積を低減することにより、溶融部に与えられるエネルギー密度の向上を図っていた。
【０１１０】
本実施形態では、この入熱面積の低減と共に、電圧を増加して入熱量を増大することにより、溶融部のエネルギー密度を更に高める。
【０１１１】
図１１に示すように、溶接装置１０は、一方の電極１１と母材２０との間の距離を変化させるように一方の電極１１を駆動する駆動部２１と、駆動部２１を制御する駆動制御部２２と、を備える。駆動部２１は、一方の電極１１を上下に駆動して、一方の電極１１と母材２０との間の距離を変化させる。また、駆動制御部２２は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を測定しており、測定した電圧に基づいて、駆動部２１を制御する。
【０１１２】
一方の電極１１と母材２０との間の距離が変化すると、アーク領域１３のアーク長が変化する。このアーク長が変化すると、アーク領域１３の抵抗が変化する。具体的には、アーク領域１３の抵抗は、アーク長が長くなると増加し、アーク長が短くなると低減する。
【０１１３】
一方、安定したアーク溶接を行うには、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流が一定であることが好ましい。
【０１１４】
溶接電源１６は、アーク長が変化してアーク領域１３の抵抗が変化した時に、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を変化させて、一方の電極１１と他方の電極１２との間に一定の電流を供給する。
【０１１５】
溶接装置１０は、まずアーク領域１３を形成した後、アーク長を拡大しながら、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流が一定になるように、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を増加する。そして、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなるまで、アーク長を拡大する。そして、所定のエネルギー密度が得られる入熱量となる電圧に到達した後、母材２０を回転しながら、母材２０の溶接を更に続ける。次に、溶接装置１０の動作を、図１２を参照して、以下に説明する。
【０１１６】
図１２は、一方の電極の変位量と電圧と電流との関係を説明する図である。図１３は、図１２の時間ｔ１及びｔ３におけるアーク領域を示す図である。
【０１１７】
図１２には、一方の電極１１の上方への変位量、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧、及び一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流と、時間との関係が示されている。
【０１１８】
まず、時間ｔ１において、第１シールドガスが流されてアーク領域１３が形成される。時間ｔ１における一方の電極１１の変位量はゼロである。アーク領域１３が形成されると、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧は、Ｖ０からＶｉへ低減して、電流はゼロからＩへと増加する。最初にアーク領域１３が形成される際の一方の電極１１と母材２０との間の距離は、電圧Ｖ０が印加されて、アーク領域１３が形成され得る距離であれば良い。ただし、一方の電極１１と母材２０との間の距離が離れすぎていると、アーク領域１３が形成できない。そして、時間ｔ１から時間ｔ２の間、変位量を一定にして、アーク領域１３を安定させる。
【０１１９】
次に、時間ｔ２において、駆動制御部２２は、一方の電極１１と母材２０との間の距離を拡大するように駆動部２１を制御する。一方の電極１１は、母材２０とは反対側に上方へ向かって移動して、変位量が増加し始める。溶接電源１６は、一方の電極１１と母材２０との間に流れる電流が一定になるように、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加する電圧を増加し始める。図１２に示すように、電圧は増加するが、電流は一定の値Ｉで推移する。
【０１２０】
次に、時間ｔ３において、駆動制御部２２は、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値Ｖｆを超えると、一方の電極１１の駆動を停止するように駆動部２１を制御する。この際、一方の電極１１の変位量はＤとなっており、アーク領域１３は、当初よりもアーク長が変位量Ｄの分だけ長くなっている。
【０１２１】
このようにして、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値Ｖｆに到達することにより、所望の入熱量が得られることになる。そして、溶接装置１０は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に電圧を印加した状態で、母材２０を回転させてアーク溶接Ｖｆを続ける。
【０１２２】
なお、溶接装置１０は、時間ｔ１においてアーク領域１３を形成した後も、時間ｔ１から時間ｔ３の間では、母材２０は停止しているものの、母材２０のアーク溶接は行われている。
【０１２３】
次に、溶接装置１０が、アーク長を拡大する際に、入熱面積の増大を防止して、エネルギー密度の低減を阻止することを、図１３を参照して、以下に説明する。
【０１２４】
まず、時間ｔ１において、一方の電極の変位量がゼロの状態で、アーク領域１３が形成される。
【０１２５】
本実施形態の溶接装置１０は、上述した第１実施形態と同様に、時間ｔ１から時間ｔ２に亘って、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスが流されている。
【０１２６】
もし、第１シールドガスが流されていない場合には、アーク長の増加に伴って、入熱面積が増大する。図１３では、時間ｔ３において、第１シールドガスが流されていない場合のアーク領域の形状が鎖線で示されている。
【０１２７】
溶接装置１０では、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスが流されるので、アーク領域１３の幅が拡がることが防止されるため、入熱面積が増大することが防止される。従って、エネルギー密度の増大が、入熱面積の増大により損なわれることが防止される。
【０１２８】
このような観点から、アーク長の増加に伴って、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を増加させて、アーク領域１３の幅が拡がることを防止することが好ましい。具体的には、アーク長の増加に伴って、第１シールドガスの流量を増加させることが好ましい。
【０１２９】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、入熱面積の低減と共に、電圧を増加し入熱量を増加することにより、溶融部のエネルギー密度が更に高められる。
【０１３０】
本発明では、上述した実施形態の溶接方法及びそのような溶接方法を用いる溶接装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１３１】
例えば、本明細書に開示する溶接装置１０は、図１４に示すように、一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部と、を備えていれば良く、他の構成要素は、上述した実施形態とは異なっていても良い。
【０１３２】
また、本明細書に開示する溶接装置１０は、図１５〜図１７に示すような形状の筐体２８を有していても良い。
【０１３３】
図１５は、本明細書に開示する溶接装置のまた他の例を示す図である。図１６は、図１５のY-Y線断面図を示す図である。図１７は、図１５のZ-Z線断面図を示す図である。
【０１３４】
筐体２８は、一方の電極１１及びノズル板１４が配置される上側筐体２８ａと、下側筐体２８ｂとを有する。上側筐体２８ａと下側筐体２８ｂとにより形成される空間には、母材４０が回転可能に配置される。
【０１３５】
母材は、図２に示すように、単純な円筒形状を有するとは限らない。図１５に示す例では、母材４０は、円筒形状の部分から突出した凸部４０ａを有する。
【０１３６】
上側筐体２８ａは、母材４０の凸部４０ａに対応した形状の凹んだ凹部３２を有している。母材４０の凸部４０ａは、この凹部３２内で回転する。
【０１３７】
一方の電極１１は、電気絶縁材２９を介して、上側筐体２８ａに固定される。
【０１３８】
一方の電極１１と母材４０との間には、ノズル開口部１４ａを有するノズル板１４が配置される。一方の電極１１は、ノズル開口部１４ａの中央の上方に位置する。ノズル板１４は、筐体１８の一部分として形成されていても良い。
【０１３９】
下側筐体２９ｂには、第１ガス供給管１５ａが配管されている。第１ガス供給管１５ａから筐体２８内に供給された第１シールドガスは、筐体２８と母材４０との間を通り、ノズル板１４の母材側に供給される。更に、第１シールドガスは、ノズル板１４の母材側から、ノズル開口部１４ａを通って、一方の電極１１側の空間に流れる。そして、第１シールドガスは、一方の電極１１側の空間から、排出口３０を通って外部へ排出される。
【０１４０】
ここで、母材４０は、母材固定治具３１を用いて、図示しない外部の母材回転装置に接続される。母材回転装置は、母材固定治具３１を回転することにより、母材４０を回転させる。
【０１４１】
母材４０を固定した母材固定治具３１は、筐体２８の開口部３３内に挿入される。そして、母材固定治具３１と筐体２８との間には、空隙３４が存在する。この空隙３４は、回転する母材固定治具３１が、筐体２８と接触することを防止するために設けられる。
【０１４２】
筐体２８における開口部３３以外の部分では、上側筐体２８ａと下側筐体２８ｂとがテーパ状の突き合わせ面同士を突き合わせて、閉じた空間が形成されている。
【０１４３】
第１ガス供給管１５ａから筐体２８内に供給された第１シールドガスは、この空隙３４を通って、外部へ流れる。
【０１４４】
一方、母材固定治具３１の内部には、第３ガスを供給する第３ガス供給管２６が配置されており、第３ガス供給管２６から空隙３４に向けて、第３ガスが供給される。空隙３４に供給された第３ガスは、筐体２８の外側から内側に向かって流れる。
【０１４５】
従って、空隙３４では、筐体２８の内側から外側に向かって流れる第１シールドガスと、筐体２８の外側から内側に向かって流れる第３ガスとがぶつかり合うので、第１シールドガスが、筐体２８の内側から外側に向かって流れることが防止される。
【０１４６】
この第３ガスとしては、第１シールドガスと同じガスを用いることが好ましい。また、第３ガスの流量は、空隙３４を通って筐体２８の内側から外側に向かって流れる第１シールドガスの流量と同じにすることが好ましい。
【０１４７】
なお、図１５〜図１７では、アーク領域、センサ等の一部の構成要素を図示していない。
【０１４８】
このように、筐体２８は、母材４０が回転可能に挿入される開口部３３を有しており、この開口部３３では、筐体２８と母材４０又は母材固定治具３１との間に空隙３４が設けられており、この空隙３４では、筐体２８の内側から外側に向かって第１シールドガスが流されており、筐体２８の外側から内側に向かって第３ガスが流されていることが好ましい。
【０１４９】
上述した図１５〜図１７に示す溶接装置１０では、摺動部分に第３ガスを流すことにより第１シールドガスが筐体２８外に流れることを確実に防止できる。
【実施例】
【０１５０】
次に、本明細書に開示する溶接装置を実施例を用いて以下に説明する。但し、本発明の範囲は、実施例に限定されるものではない。
【０１５１】
[実施例]
図２及び図３に示す溶接装置を用いてアーク溶接を行い実施例とした。アーク溶接では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、２５リットル／分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【０１５２】
実施例の圧力比は１００であった。
【０１５３】
図１に示す従来の溶接装置を用いてアーク溶接を行い比較例とした。アーク溶接では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、２５リットル／分であり、電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【０１５４】
比較例の圧力比は１であった。
【０１５５】
実施例及び比較例それぞれについて、溶接部の寸法及びアスペクト比を測定した結果を図１８に示す。
【０１５６】
実施例の溶接部の幅は、比較例よりも３２％小さく、且つ溶け込み深さは５８％大きかった。また、実施例の溶接部のアスペクト比は、比較例の２．３倍であった。
【０１５７】
また、実施例のエネルギー密度は、１０００Ｗ／ｍｍ２であり、比較例のエネルギー密度は、１００Ｗ／ｍｍ２であった。
【符号の説明】
【０１５８】
１０ 溶接装置
１１ 一方の電極
１２ 他方の電極
１３ アーク領域
１４ ノズル板
１４ａ 開口部
１５ 第１ガス供給部
１５ａ 第１ガス供給管
１５ｂ 第１圧力センサ
１５ｃ 第２圧力センサ
１５ｄ 制御部
１６ 溶接電源
１７ 第２ガス供給部
１７ａ 第２ガス供給管
１８ 筐体
１９ 電気絶縁材
２０ 母材
２１ 駆動部
２２ 駆動制御部
２５ 第１ガス供給管
２６ 第３ガス供給管
２８ 筐体
２８ａ 上側筐体
２８ｂ 下側筐体
２９ 電気絶縁材
３０ 排出口
３１ 母材固定治具
３２ 凹部
３３ 開口部
３４ 空隙
４０ 母材
４０ａ 凸部
１００ 溶接装置
１０１ 電極
１０２ ガスノズル
１０３ アーク領域
１２０ 母材
Ｗ 溶接幅
Ｌ 電離領域幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アーク溶接が、溶接加工において用いられている。
【０００３】
アーク溶接では、一方の電極及び他方の電極に溶接電流を供給すると共に、電極と母材との間にシールドガスを供給することにより、シールドガスを電離させて運動エネルギーを有する電子を形成する。この生成した電子は、一方の電極と母材との間にアーク領域を形成する。アーク領域内の電子は、母材に衝突することにより、運動エネルギーを母材に与えて母材を溶融する。
【０００４】
図１は、従来の例によるアーク溶接装置を示す図である。
【０００５】
アーク溶接装置１００は、図示しない溶接電源と、この電源により溶接電流が供給される一方の電極１０１及び図示しない他方の電極と、一方の電極に沿って母材に向かってシールドガスを供給する円筒状のガスノズル１０２とを備える。
【０００６】
母材を溶接する際には、溶接電源から、一方の電極１０１及び他方の電極に溶接電流を供給すると共に、ガスノズル１０２からシールドガスを供給することにより、一方の電極と母材との間にアーク領域１０３が形成される。アーク領域１０３は、上方から供給されるシールドガスの圧力によって母材側に押しつぶされており、母材との接触部分が大きく拡がるので、溶接幅Ｗが大きくなる。このように、アーク領域１０３は、下ぶくれのベル型の形状を有している。
【０００７】
そのため、アーク溶接では、母材との接触部分におけるアーク領域のエネルギー密度が低いので、溶接部の溶け込み深さが浅くなる。即ち、アーク溶接は、溶接部の溶け込み深さと溶接幅Ｗとの比であるアスペクト比が低い。そのため、アーク溶接は、低歪みが求められる溶接又は高速溶接には適しておらず、主に粗い精度の溶接加工に用いられている。
【０００８】
一方、低歪みが求められる溶接又は高速溶接には、レーザ溶接が用いられている。レーザ溶接は、溶融部のエネルギー密度が高いため、高いアスペクト比の溶接部が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２６７２５０号公報
【特許文献２】特開２００３−５３５４３号公報
【特許文献３】特許第２６７００７６号公報
【特許文献４】特開平１１−２４１１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、レーザ溶接は、溶接装置のコストが高いという問題点がある。
【００１１】
また、アーク溶接には、水冷コンタクトチップを用いて、アーク領域のエネルギー密度を向上させたプラズマ溶接がある。
【００１２】
しかし、プラズマ溶接装置は、通常のアーク溶接装置よりもコストが高いという問題点がある。また、プラズマ溶接は、コンタクトチップが受ける熱の影響により出力制限を有するという問題点もある。
【００１３】
そして、アーク溶接において、コストの高くない溶接装置を用いて、高いアスペクト比の溶接部を形成できる溶接方法は、まだ開示されていない。
【００１４】
本明細書では、上述した問題点を解決するアーク溶接の溶接方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本明細書では、上述した問題点を解決するアーク溶接の溶接装置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】
【００１６】
本明細書に開示する第１発明の溶接方法は、一方の電極（１１）と他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行うことを特徴とする。
【００１７】
これにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が形成される。この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節するまたは、ノズル径、ノズル高さを調節することにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、低いコストで第１発明の溶接方法を実施すること可能である。
【００１８】
上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通る開口部（１４ａ）を有するノズル板１４の母材側から上記開口部（１４ａ）を通って上記一方の電極（１１）側に抜けるように上記第１シールドガスを流し、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行うことが好ましい。
【００１９】
これにより、第１シールドガスが、アーク領域の母材側の部分の周囲から圧力を加えると共に、開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定する。
【００２０】
この際、上述した第１発明は、上記開口部（１４ａ）の中を通るアーク領域（１３）の部分の断面積と、上記開口部（１４ａ）の面積との比は、１以上３５以下であるか、又は、上記開口部（１４ａ）を通る上記第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下であるか、又は、上記開口部（１４ａ）は円形を有し、上記開口部（１４ａ）の直径と、上記ノズル板（１４）及び母材（２０）の間の距離との比は、１以上２０以下であることが好ましい。
【００２１】
これにより、第１シールドガスは、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００２２】
また、上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）側から上記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流すことが好ましい。この際、上記第２シールドガスの電離電圧は、上記第１シールドガスの電離電圧よりも低いか、又は、上記第１シールドガスの密度は、上記第２シールドガスの密度よりも高いことが好ましい。これにより、アーク領域の幅を狭くして電離度を一層高めることができる。
【００２３】
更に、上述した第１発明は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大しながら、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に流れる電流が一定になるように、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加することが好ましい。この際、上記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなると、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大することを停止することが好ましい。これにより、入熱量を増大して、溶融部のエネルギー密度を向上したアーク溶接が行える。
【００２４】
本明細書に開示する第２発明の溶接装置は、一方の電極（１１）と、他方の電極（１２）と、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部（１５）と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
これにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が形成される。この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節することにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、低いコストで第２発明の溶接装置を製造することが可能である。
【００２６】
上述した第２発明の溶接装置は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通るように形成された開口部（１４ａ）を有するノズル板（１４）を備え、上記第１ガス供給部（１５）は、上記ノズル板（１４）の母材側に上記第１シールドガスを流して、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にすることが好ましい。
【００２７】
これにより、第１シールドガスが、アーク領域の母材側の部分の周囲から圧力を加えると共に、開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定する。
【００２８】
また、上述した第２発明は、上記第１ガス供給部（１５）は、上記ノズル板（１４）の母材側に上記第１シールドガスを供給する第１ガス供給管（１５ａ）と、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力を測定する第１圧力センサ（１５ｂ）と、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域外の圧力を測定する第２圧力センサ（１５ｃ）と、上記第１圧力センサ（１５ｂ）の測定値及び上記第２圧力センサ（１５ｃ）の測定値を入力して、上記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下になるように上記第１シールドガスを上記第１ガス供給管（１５ａ）に供給する量を制御する制御部（１５ｄ）と、を有することが好ましい。
【００２９】
これにより、絶縁板の母材側に第１シールドガスを流して、ノズル板の母材側におけるアーク領域の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にすることが実施される。
【００３０】
また、上述した第２発明は、上記一方の電極（１１）側から上記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流す第２ガス供給部（１７）を備えることが好ましい。
【００３１】
これにより、例えば、第１シールドガス及び第２シールドガスの電離電圧又は密度を適宜選択することにより、アーク領域の幅を狭くして電離度を一層高めることができる。
【００３２】
更に、上述した第２発明は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を変化させるように上記一方の電極（１１）を駆動する駆動部（２１）と、上記駆動部（２１）を制御する駆動制御部（２２）と、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間に一定の電流を供給する電源（１６）と、を備え、上記駆動制御部（２２）は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大するように上記駆動部（２１）を制御し、上記電源（１６）は、上記一方の電極（１１）と母材（２０）との間に流れる電流が一定になるように、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加することが好ましい。この際、上記駆動制御部（２２）は、上記一方の電極（１１）と上記他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値を超えると、上記一方の電極（１１）の駆動を停止するように上記駆動部（２１）を制御することが好ましい。これにより、入熱量を増大して、溶融部のエネルギー密度を向上したアーク溶接が行える。
【００３３】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の例による溶接装置を示す図である。
【図２】（Ａ）は、本明細書に開示する溶接装置の第１実施形態を示す断面図であり、（Ｂ）は、図２（Ａ）の上面図であり、（Ｃ）は、図２（Ｂ）の鎖線で囲われた要部の拡大図である。
【図３】（Ａ）は、図２（Ａ）の要部の拡大図であり、（Ｂ）は、母材の溶接温度分布を示す図である。
【図４】サハの熱電離の式を示す図である。
【図５】温度と電離度との関係を示す図である。
【図６】アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を示す図である。
【図７】圧力比と電離度との関係を示す図である。
【図８Ａ】圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その１）である。
【図８Ｂ】圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その２）である。
【図９】本明細書に開示する溶接装置の第２実施形態を示す図である。
【図１０】シールドガスの電離電圧及び密度を示す図である。
【図１１】本明細書に開示する溶接装置の第３実施形態を示す図である。
【図１２】一方の電極の変位量と電圧と電流との関係を説明する図である。
【図１３】図１２の時間ｔ１及びｔ３におけるアーク領域を示す図である。
【図１４】本明細書に開示する溶接装置の他の例を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する溶接装置のまた他の例を示す図である。
【図１６】図１５のY-Y線断面図を示す図である。
【図１７】図１５のZ-Z線断面図を示す図である。
【図１８】実施例及び比較例の溶接結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本明細書で開示する溶接装置の好ましい実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３６】
図２（Ａ）は、本明細書に開示する溶接装置の第１実施形態の平面図を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の上面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の鎖線で囲われた要部の拡大図である。図３（Ａ）は、図２（Ａ）の要部の拡大図であり、図３（Ｂ）は、母材の溶接温度分布を示す図である。
【００３７】
本実施形態の溶接装置１０は、アーク領域の母材側の部分の周囲からアーク領域の中心部に向かって、シールドガスを流すことにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域を形成し、この幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域によって母材を溶融することにより、高いアスペクト比の溶接部を形成する。
【００３８】
溶接装置１０は、棒状の一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３が中を通るように形成された円形の開口部１４ａを有するノズル板１４と、ノズル板１４の母材側に第１シールドガスを流して、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力と、アーク領域外の位置の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部１５と、を備える。
【００３９】
また、溶接装置１０は、円筒状の母材２０を支持する筐体１８を有する。筐体は、円筒状の母材２０を回転可能に支持する。母材２０は、図示しない駆動装置により回転させられる。ノズル板１４は、図２（Ａ）に示すように、筐体１８の中央部に配置される。ノズル板１４は、筐体１８の一部分として形成されていても良い。
【００４０】
筐体１８と母材２０との間には、電気絶縁材１９が配置されており、筐体１８と母材２０とは電気的に絶縁されている。電気絶縁材１９は、筐体１８と母材２０との間を、円筒状の母材２０を回転可能にシールして、シールドガスが隙間から流出することを防止する。図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。また、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、後述する第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは記載されていない。
【００４１】
図３（Ａ）に示すように、第１ガス供給部１５は、ノズル板１４の母材側に第１シールドガスを供給する第１ガス供給管１５ａと、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力を測定する第１圧力センサ１５ｂと、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域外の位置の圧力を測定する第２圧力センサ１５ｃと、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の位置の圧力との比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御する制御部１５ｄと、を有する。以下、ノズル板１４の母材側におけるアーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の位置の圧力との比を、単に圧力比ともいう。
【００４２】
図２（Ａ）に示すように、第１ガス供給部１５は、４本の第１ガス供給管１５ａを有している。第１ガス供給管１５ａそれぞれは、筐体１８に配管されている。第１シールドガスは、４本の第１ガス供給管１５ａを通った後筐体１８と母材２０との間を通って、ノズル板１４の母材側に供給される。第１シールドガスは、電離してアーク領域１３を形成する。また、第１シールドガスは、溶融した溶接部を大気から遮蔽する。
【００４３】
開口部１４ａは、電気絶縁性のノズル板１４の中央に形成される。一方の電極１１は、開口部１４ａの中央部に位置するように配置される。一方の電極１１と母材２０との間に形成されるアーク領域１３は、開口部１４ａの中央部に位置する。
【００４４】
第１ガス供給管１５ａを通って筐体１８内に供給された第１シールドガスは、電気絶縁材１９によって筐体１８の外側に流れることが防止される。そのため、筐体１８内に供給された第１シールドガスは、ノズル板１４の母材側から開口部１４ａを通って一方の電極１１側に抜ける。ノズル板１４の一方の電極１１側に抜けた第１シールドガスは、図示しない排気部によって、排気されても良い。
【００４５】
図２（Ｃ）中の矢印で示すように、第１ガス供給管１５ａを通ってノズル板１４の母材側に供給された第１シールドガスは、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって流れる。このように、周囲から第１シールドガスの圧力を受けたアーク領域１３は中心部の方向に押し縮められるので、電離度の高い幅の狭いアーク領域１３が形成される。
【００４６】
本明細書において、アーク領域１３の母材側の部分は、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の長さの半分よりも母材側の部分であることが好ましく、特に、アーク領域１３の長さの３分の１よりも母材側の部分であることが好ましい。
【００４７】
また、アーク領域１３には、アーク領域１３の母材側の部分と共に、アーク領域１３の一方の電極側の部分を含めて、第１シールドガスを流しても良い。アーク領域１３に対して、第１シールドガスを流す高さは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈを調整することにより変更できる。
【００４８】
第１圧力センサ１５ｂは、公知の方法によって、アーク領域１３の中心部の位置に固定され得る。第２圧力センサ１５ｃは、ノズル板１４の母材側の面に、公知の方法によって固定され得る。
【００４９】
制御部１５ｄは、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、圧力比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御する。
【００５０】
制御部１５ｄが圧力比を制御する方法としては、公知の制御方法を用いることができる。制御方法としては、例えば、フィードバック制御を用いることができる。このフィードバック制御では、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値との比を現在の圧力比とし、この現在の圧力比と目標とする圧力比との差がゼロになるように、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量が制御される。
【００５１】
第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは、アーク領域１３の温度に対する耐熱性を有していることが好ましい。
【００５２】
制御部１５ｄは、連続して又は所定の間隔で、第１圧力センサ１５ｂの測定値及び第２圧力センサ１５ｃの測定値を入力して、圧力比を７０以上５０００以下になるように第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を制御するようにしても良い。
【００５３】
また、制御部１５ｄは、溶接条件が変更された時にだけ、第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃを用いて、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量を決定し、その後、溶接条件が変更されない限りは第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃを用いることなく、決定された第１シールドガスの供給量を用いて、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給しても良い。このようにすれば、第１圧力センサ１５ｂ及び第２圧力センサ１５ｃは、圧力を測定する時にだけアーク領域１３内又はノズル板１４の母材側の位置に配置し、圧力を測定しない場合には、アーク領域１３内又はノズル板１４の母材側の位置に配置しなくても良い。
【００５４】
また、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量は、アーク放電をしない状態で圧力比が７０以上５０００以下になるように決定しても良い。また、第１シールドガスを第１ガス供給管１５ａに供給する量は、熱伝導解析シミュレーション等の計算を用いて決定しても良い。
【００５５】
また、溶接装置１０は、一方の電極１１及び他方の電極１２に溶接電流を供給する溶接電源１６を有する。溶接電源１６は、直流電流又は交流電流を各電極に供給し得る。また、溶接電源１６は、連続電流又はパルス電流を各電極に供給し得る。溶接電源１６は、直流電流を各電極に供給する場合には、一方の電極１１を陰極として、他方の電極１２を陽極とするように、溶接電流を供給する。
【００５６】
一方の電極１１及びノズル板１４は、図示しない支持部によって、母材２０と接触しないように支持されている。
【００５７】
なお、図２では、図３に示す制御部１５ｄ、溶接電源１６及び母材２０は示していない。
【００５８】
母材２０は、接合される形態により、各種の継ぎ手の形態を有し得る。母材２０の形成材料としては、例えば、ステンレス鋼や合金鋼等の金属や銅、アルミなどの非鉄金属を用いることができる。溶接継ぎ手については、例えば、突き合わせ継ぎ手、開先継ぎ手、重ね継ぎ手又は隅肉継ぎ手の形態を有し得る。また、溶接装置１０は、図示しない溶接ワイヤ又は溶接棒及びこれらのワイヤ又は棒を溶接部に供給する手段を有し得る。電極１１の形成材料としは、例えば、セリウム入りタングステン及びトリウム入りタングステン、ランタナ入りタングステンなどを用いることができる。
【００５９】
従来のアーク溶接装置により形成されるアーク領域の形状を、図３（Ａ）中に鎖線で示す。従来の溶接装置により形成されるアーク領域の形状は、下ぶくれのベル型の形状を有している。
【００６０】
一方、溶接装置１０により形成されるアーク領域１３の形状（実線）は、図３（Ａ）に示すように、アーク領域の幅が狭まっている。アーク領域１３の形状は、従来の形状と比べて、特に母材側の部分の幅が狭まっており、全体として円柱状の縦長の形状を有している。
【００６１】
このように、溶接装置１０により形成されるアーク領域１３の形状は、母材との接触部分の幅が小さいので、溶接幅Ｗも小さくなる。従って、溶接装置１０では、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域１３が形成される。
【００６２】
図３（Ｂ）には、溶接装置１０により溶接される母材上の位置と母材の温度との関係（実線）が示されている。また、図３（Ｂ）には、従来のアーク溶接装置により溶接される母材上の位置と母材の温度との関係（鎖線）が示されている。溶接装置１０によりアーク溶接される母材上の溶接温度の分布は、従来の温度分布に対して、幅が狭く且つ温度が高くなる。
【００６３】
次に、溶接装置１０が、アーク領域の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う理由を以下に説明する。
【００６４】
アーク領域１３は、シールドガスを形成するガス分子が電離し、電子と、イオン化したガス分子と、イオン化していない中性のガス分子とが混在したプラズマ状態となっている。このような電離したプラズマ状態の電離度と、圧力と、温度との関係は、サハの熱電離の式によって表され得る。
【００６５】
図４は、サハの熱電離の式を示す図である。
【００６６】
ここで、ｘは電離したガス分子の比率である電離度を示し、Ｐは圧力を示し、Ａは定数を示し、Ｔは絶対温度を示し、ｅは電気素量を示し、Ｖｉはガス分子の電離電圧を示し、ｋはボルツマン定数を示す。
【００６７】
図５は、温度と電離度との関係を示す図である。
【００６８】
図５に示すように、プラズマ状態では、ガス分子の電離度ｘは、温度の増加と共に、増加し、電離度が１に近づくにつれて温度の増加率が低減する。
【００６９】
図６は、アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を示す図である。図６に示すアーク領域内のシールドガスの電離度の分布は、次のようにして得られた。まず、熱電等解析の計算によりアーク領域内の温度分布を求め、次に、求めたアーク領域内の温度をサハの熱電離の式に代入して、アーク領域内のシールドガスの電離度の分布を得た。
【００７０】
図６に示すように、アーク領域の中心部に近い程、ガス分子の電離度が高くなっている。一方、アーク領域の中心部から外側に離れる程、ガス分子の電離度が低くなっている。
【００７１】
一方、図５に示す電離度と温度との関係から、母材の溶融に必要な溶接温度が得られる電離度が０．０１６以上であることが分かる。そこで、図６に示すアーク領域の電離度分布において、電離度が０．０１６以上である幅を、電離領域幅Ｌとして示す。
【００７２】
また、図５に示す温度と電離度との関係から、１１０００Ｋあたりから、温度の増加と共に、電離度が急激に増加することが分かる。そこで、１１０００Ｋにおける圧力比と電離度との関係をまとめた結果を図７に示す。
【００７３】
図７は、圧力比と電離度との関係を示す図である。
【００７４】
従来のアーク溶接では、電離度が０．０１６以上で行われていた。図７から、電離度が０．０１６となる圧力比は１である。
【００７５】
また、電離度が０．００１９程度では、アーク溶接に必要なプラズマ温度が得られないことが分かっている。図７から、電離度が０．００１９となる圧力比は７０である。
【００７６】
従って、図６に示すアーク領域における電離度が０．０１６の部分の圧力比を７０倍以上にすることにより、圧力比が７０以上となり、電離度を０．００１９以下にできることが分かる。その結果、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が得られることになる。
【００７７】
ここで、アーク領域の中心部の圧力を測定する位置は、一方の電極の中心の鉛直下方であることが好ましい。また、アーク領域の中心部の圧力を測定する位置は、アーク領域の母材側の部分であることが好ましい。
【００７８】
また、アーク領域外の圧力を測定する位置は、ノズル板１４の母材側の領域であれば、アーク領域の近傍の位置でも良いし、アーク領域から離れていても良い。更に、アーク領域外の圧力を測定する位置は、ノズル板１４の一方の電極１１側の領域であっても良い。
【００７９】
また、アーク領域外は、アーク領域１３から、アーク領域１３の電離領域幅Ｌの１／２、特に１／３以下の距離の部分であることが好ましい。
【００８０】
図８Ａは、圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その１）である。
【００８１】
図８Ａは、図２及び図３に示すに示す溶接装置を用いて母材をアーク溶接した溶接部の溶け込み深さと溶接幅との比であるアスペクト比と圧力比との関係を実験及び計算により求めたものである。
【００８２】
アーク溶接の実験では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、５〜２５リットル/分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。図８Ａでは、圧力比が１００以下のデータが実験により求められた。また、アスペクト比の計算は、アーク溶接した溶け込み深さと溶接部の幅とを測定し、溶け込み深さと幅との比として求めた。図８Ａでは、圧力比が５００以上のデータが計算により求められた。計算では、シミュレーションによりガスの流れを解析して、アーク領域の形状に影響を与えるガスの分布を求めた。計算条件は、上述したアーク溶接の実験と同じ条件を用いた。図８Ａでは、一部のプロットには、その圧力比の値が示されている。
【００８３】
図８Ａでは、圧力比の範囲が３つに大別されて示している。領域Ｒ１では、圧力比が小さいので、アーク領域の幅が広くなるため、アスペクト比が小さくなる。領域Ｒ３では、圧力比が大きいので、シールドガスの流れが乱れて放電が不安定となり、場合によっては放電が停止するため、アスペクト比が小さくなる。領域Ｒ２では、安定したアーク放電が形成され且つ幅の狭いアーク領域が形成されるので、高いアスペクト比が得られる。このように、領域Ｒ２の圧力比の範囲において、アーク溶接が行われることが好ましいことが分かる。具体的には、領域Ｒ２の圧力比として、以下の知見が得られた。
【００８４】
この圧力比は７０以上であることにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が安定して形成される。上述した圧力比は、更に、１００以上、特に２００以上であることが、幅がより狭く且つ電離度のより高いアーク領域を得る観点から好ましい。
【００８５】
また、この圧力比が５０００以下であることにより、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域が安定して形成される。更に、この圧力比は、３０００以下、特に１０００以下であることが、幅がより狭く且つ電離度のより高いアーク領域を得る観点から好ましい。
【００８６】
次に、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状を形成するための溶接装置１０の好ましい構成について、更に以下に説明する。
【００８７】
まず、開口部１４ａの中を通るアーク領域１３の部分の断面積と、開口部１４ａの面積との比は、１以上３５以下であることが好ましい。面積の比をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００８８】
また、開口部１４ａを通る第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下であることが好ましい。第１シールドガスの流量をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。
【００８９】
更に、開口部１４ａの中を通るアーク領域１３の部分の断面積と、開口部１４ａの面積との比は、１以上３５以下であることが好ましい。距離の比をこのような範囲にすることにより、第１シールドガスが、アーク領域に周囲から圧力を加えると共に、アーク領域を損なわないように開口部とアーク領域との間から一方の電極側に流れていくことができるので、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状がより安定する。具体的には、開口部１４ａの直径ｄを５ｍｍ以下とし、ノズル板１４及び母材２０の間の距離を２ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００９０】
図８Ｂは、圧力比とアスペクト比との関係を示す図（その２）である。図８Ｂ中の○印のプロットは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが０．３ｍｍであり、□印のプロットは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが０．６ｍｍである。
【００９１】
図８Ｂに示すアスペクト比は、図２及び図３に示す溶接装置を用いて母材をアーク溶接した溶け込み深さと溶接部の幅とを測定し、溶け込み深さと幅との比として求めた。また、このアーク溶接では、溶接電流は、４０Ａであり、シールドガスの流量は、１０〜２０リットル/分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【００９２】
図８Ｂに示すように、開口部１４ａの直径ｄが一定の場合には、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが短い方が、高いアスペクト比が得られることが分かる。これは、ノズル板１４及び母材２０の間の距離ｈが短い方が、幅が狭く且つ電離度の高いアーク領域の形状が安定して形成されるためと考えられる。また、アスペクト比は、圧力比が高い程、増加することが分かる。
【００９３】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域の母材側の部分が周囲から押し縮められるので、電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域が形成される。そして、この電離度が高く且つ幅の狭いアーク領域によって、母材が溶融されるので、高いアスペクト比の溶接部が形成される。また、第１シールドガスの流量を調節することやノズル径、ノズル高さの設計をすることにより、上述した圧力比の範囲を達成できるので、溶接装置を低いコストで製造することが可能である。
【００９４】
次に、上述した溶接装置の第２〜第３実施形態を、図９〜図１４を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００９５】
図９は、本明細書に開示する溶接装置の第２実施形態を示す図である。
【００９６】
本実施形態の溶接装置１０は、一方の電極１１側から開口部１３に向かって、第２シールドガスを流す第２ガス供給部１７を備える。第２ガス供給部１７は、一方の電極１１に沿って、第２シールドガスを供給する第２ガス供給管１７ａを備える。
【００９７】
第２ガス供給管１７ａは、内部に棒状の一方の電極１１が配置されており、一方の電極１１の外周に沿って、第２シールドガスを開口部１４ａに供給する。
【００９８】
また、一方の電極１１の中心部には、第２シールドガスを流す流路が形成されている。第２ガス供給部１７は、一方の電極１１の中を通して、第２シールドガスを供給する。
【００９９】
次に、幅をより狭くし且つ電離度をより高くするための第１シールドガスと第２シールドガスとの関係について、以下に説明する。
【０１００】
一つ目の考え方として、第２シールドガスの電離電圧は、第１シールドガスの電離電圧よりも低いことが好ましい。第２ガス供給管１７ａから、電離し易い第２シールドガスを供給することにより、アーク領域１３で第２シールドガスの電離状態を速やかに形成できる。一方、第１ガス供給管１５ａから、電離し難い第１シールドガスを供給することにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域１３が周囲から押し縮める。しかし、第１シールドガスの電離電圧は高いので、第１シールドガスは電離され難いため、アーク領域１３の幅が拡がることが抑制される。
【０１０１】
図９中には、第１実施形態の溶接装置により形成されるアーク領域が鎖線で示されており、第２実施形態の溶接装置により形成されるアーク領域が実線で示されている。
【０１０２】
図１０は、溶接装置１０により使用され得るシールドガスの電離電圧及び密度を示す図である。なお、図１０に示す密度は、温度が３００（常温）Ｋのものである。
【０１０３】
上述した一つ目の考え方を適用する場合には、例えば、第２シールドガスとして、電離電圧の低いＡｒを用い、第１シールドガスとして電離電圧の高いＨｅを用いることができる。
【０１０４】
次に、２つ目の考え方として、第１シールドガスの密度は、第２シールドガスの密度よりも高いことが好ましい。第１ガス供給管１５ａから、密度の高い第１シールドガスを供給することにより、第１シールドガスの流れの圧力によって、アーク領域１３の母材側の部分を周囲から押し縮めることが十分にできる。一方、第２ガス供給管１７ａの中心から、密度の低い第２シールドガスを供給することにより、アーク領域１３の幅を拡げることなく、シールドガスを供給することができる。２つ目の考え方の場合には、第２シールドガスを、第２ガス供給管１７ａの中心からのみ供給することが好ましい。使用するガスは、ＣＯ２ガス、Ｎ２、Ａｒ、混合ガスＡｒ+Ｈ２、Ａｒ+Ｈｅ等を用いても良い。
【０１０５】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、アーク領域の幅をより狭くして電離度を一層高めることができる。
【０１０６】
図１１は、本明細書に開示する溶接装置の第３実施形態を示す図である。
【０１０７】
本実施形態の溶接装置１０は、溶融部のエネルギー密度を更に高める。
【０１０８】
溶融部に与えられるエネルギー密度は、下記の式により求められる。
エネルギー密度＝入熱量（電流×電圧）／入熱面積
ここで、電流は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流であり、電圧は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧である。また、入熱面積は、アーク領域が形成される母材２０の部分の面積である。
【０１０９】
上述した各実施形態では、この入熱面積を低減することにより、溶融部に与えられるエネルギー密度の向上を図っていた。
【０１１０】
本実施形態では、この入熱面積の低減と共に、電圧を増加して入熱量を増大することにより、溶融部のエネルギー密度を更に高める。
【０１１１】
図１１に示すように、溶接装置１０は、一方の電極１１と母材２０との間の距離を変化させるように一方の電極１１を駆動する駆動部２１と、駆動部２１を制御する駆動制御部２２と、を備える。駆動部２１は、一方の電極１１を上下に駆動して、一方の電極１１と母材２０との間の距離を変化させる。また、駆動制御部２２は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を測定しており、測定した電圧に基づいて、駆動部２１を制御する。
【０１１２】
一方の電極１１と母材２０との間の距離が変化すると、アーク領域１３のアーク長が変化する。このアーク長が変化すると、アーク領域１３の抵抗が変化する。具体的には、アーク領域１３の抵抗は、アーク長が長くなると増加し、アーク長が短くなると低減する。
【０１１３】
一方、安定したアーク溶接を行うには、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流が一定であることが好ましい。
【０１１４】
溶接電源１６は、アーク長が変化してアーク領域１３の抵抗が変化した時に、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を変化させて、一方の電極１１と他方の電極１２との間に一定の電流を供給する。
【０１１５】
溶接装置１０は、まずアーク領域１３を形成した後、アーク長を拡大しながら、一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流が一定になるように、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧を増加する。そして、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなるまで、アーク長を拡大する。そして、所定のエネルギー密度が得られる入熱量となる電圧に到達した後、母材２０を回転しながら、母材２０の溶接を更に続ける。次に、溶接装置１０の動作を、図１２を参照して、以下に説明する。
【０１１６】
図１２は、一方の電極の変位量と電圧と電流との関係を説明する図である。図１３は、図１２の時間ｔ１及びｔ３におけるアーク領域を示す図である。
【０１１７】
図１２には、一方の電極１１の上方への変位量、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧、及び一方の電極１１と他方の電極１２との間に流れる電流と、時間との関係が示されている。
【０１１８】
まず、時間ｔ１において、第１シールドガスが流されてアーク領域１３が形成される。時間ｔ１における一方の電極１１の変位量はゼロである。アーク領域１３が形成されると、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加される電圧は、Ｖ０からＶｉへ低減して、電流はゼロからＩへと増加する。最初にアーク領域１３が形成される際の一方の電極１１と母材２０との間の距離は、電圧Ｖ０が印加されて、アーク領域１３が形成され得る距離であれば良い。ただし、一方の電極１１と母材２０との間の距離が離れすぎていると、アーク領域１３が形成できない。そして、時間ｔ１から時間ｔ２の間、変位量を一定にして、アーク領域１３を安定させる。
【０１１９】
次に、時間ｔ２において、駆動制御部２２は、一方の電極１１と母材２０との間の距離を拡大するように駆動部２１を制御する。一方の電極１１は、母材２０とは反対側に上方へ向かって移動して、変位量が増加し始める。溶接電源１６は、一方の電極１１と母材２０との間に流れる電流が一定になるように、一方の電極１１と他方の電極１２との間に印加する電圧を増加し始める。図１２に示すように、電圧は増加するが、電流は一定の値Ｉで推移する。
【０１２０】
次に、時間ｔ３において、駆動制御部２２は、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値Ｖｆを超えると、一方の電極１１の駆動を停止するように駆動部２１を制御する。この際、一方の電極１１の変位量はＤとなっており、アーク領域１３は、当初よりもアーク長が変位量Ｄの分だけ長くなっている。
【０１２１】
このようにして、一方の電極１１と他方の電極１２との間の電圧が所定の閾値Ｖｆに到達することにより、所望の入熱量が得られることになる。そして、溶接装置１０は、一方の電極１１と他方の電極１２との間に電圧を印加した状態で、母材２０を回転させてアーク溶接Ｖｆを続ける。
【０１２２】
なお、溶接装置１０は、時間ｔ１においてアーク領域１３を形成した後も、時間ｔ１から時間ｔ３の間では、母材２０は停止しているものの、母材２０のアーク溶接は行われている。
【０１２３】
次に、溶接装置１０が、アーク長を拡大する際に、入熱面積の増大を防止して、エネルギー密度の低減を阻止することを、図１３を参照して、以下に説明する。
【０１２４】
まず、時間ｔ１において、一方の電極の変位量がゼロの状態で、アーク領域１３が形成される。
【０１２５】
本実施形態の溶接装置１０は、上述した第１実施形態と同様に、時間ｔ１から時間ｔ２に亘って、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスが流されている。
【０１２６】
もし、第１シールドガスが流されていない場合には、アーク長の増加に伴って、入熱面積が増大する。図１３では、時間ｔ３において、第１シールドガスが流されていない場合のアーク領域の形状が鎖線で示されている。
【０１２７】
溶接装置１０では、アーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心部に向かって第１シールドガスが流されるので、アーク領域１３の幅が拡がることが防止されるため、入熱面積が増大することが防止される。従って、エネルギー密度の増大が、入熱面積の増大により損なわれることが防止される。
【０１２８】
このような観点から、アーク長の増加に伴って、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を増加させて、アーク領域１３の幅が拡がることを防止することが好ましい。具体的には、アーク長の増加に伴って、第１シールドガスの流量を増加させることが好ましい。
【０１２９】
上述した本実施形態の溶接装置１０によれば、入熱面積の低減と共に、電圧を増加し入熱量を増加することにより、溶融部のエネルギー密度が更に高められる。
【０１３０】
本発明では、上述した実施形態の溶接方法及びそのような溶接方法を用いる溶接装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１３１】
例えば、本明細書に開示する溶接装置１０は、図１４に示すように、一方の電極１１と、他方の電極１２と、一方の電極１１と他方の電極１２に接続された母材２０との間に形成されるアーク領域１３の母材側の部分の周囲からアーク領域１３の中心に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域１３の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にする第１ガス供給部と、を備えていれば良く、他の構成要素は、上述した実施形態とは異なっていても良い。
【０１３２】
また、本明細書に開示する溶接装置１０は、図１５〜図１７に示すような形状の筐体２８を有していても良い。
【０１３３】
図１５は、本明細書に開示する溶接装置のまた他の例を示す図である。図１６は、図１５のY-Y線断面図を示す図である。図１７は、図１５のZ-Z線断面図を示す図である。
【０１３４】
筐体２８は、一方の電極１１及びノズル板１４が配置される上側筐体２８ａと、下側筐体２８ｂとを有する。上側筐体２８ａと下側筐体２８ｂとにより形成される空間には、母材４０が回転可能に配置される。
【０１３５】
母材は、図２に示すように、単純な円筒形状を有するとは限らない。図１５に示す例では、母材４０は、円筒形状の部分から突出した凸部４０ａを有する。
【０１３６】
上側筐体２８ａは、母材４０の凸部４０ａに対応した形状の凹んだ凹部３２を有している。母材４０の凸部４０ａは、この凹部３２内で回転する。
【０１３７】
一方の電極１１は、電気絶縁材２９を介して、上側筐体２８ａに固定される。
【０１３８】
一方の電極１１と母材４０との間には、ノズル開口部１４ａを有するノズル板１４が配置される。一方の電極１１は、ノズル開口部１４ａの中央の上方に位置する。ノズル板１４は、筐体１８の一部分として形成されていても良い。
【０１３９】
下側筐体２９ｂには、第１ガス供給管１５ａが配管されている。第１ガス供給管１５ａから筐体２８内に供給された第１シールドガスは、筐体２８と母材４０との間を通り、ノズル板１４の母材側に供給される。更に、第１シールドガスは、ノズル板１４の母材側から、ノズル開口部１４ａを通って、一方の電極１１側の空間に流れる。そして、第１シールドガスは、一方の電極１１側の空間から、排出口３０を通って外部へ排出される。
【０１４０】
ここで、母材４０は、母材固定治具３１を用いて、図示しない外部の母材回転装置に接続される。母材回転装置は、母材固定治具３１を回転することにより、母材４０を回転させる。
【０１４１】
母材４０を固定した母材固定治具３１は、筐体２８の開口部３３内に挿入される。そして、母材固定治具３１と筐体２８との間には、空隙３４が存在する。この空隙３４は、回転する母材固定治具３１が、筐体２８と接触することを防止するために設けられる。
【０１４２】
筐体２８における開口部３３以外の部分では、上側筐体２８ａと下側筐体２８ｂとがテーパ状の突き合わせ面同士を突き合わせて、閉じた空間が形成されている。
【０１４３】
第１ガス供給管１５ａから筐体２８内に供給された第１シールドガスは、この空隙３４を通って、外部へ流れる。
【０１４４】
一方、母材固定治具３１の内部には、第３ガスを供給する第３ガス供給管２６が配置されており、第３ガス供給管２６から空隙３４に向けて、第３ガスが供給される。空隙３４に供給された第３ガスは、筐体２８の外側から内側に向かって流れる。
【０１４５】
従って、空隙３４では、筐体２８の内側から外側に向かって流れる第１シールドガスと、筐体２８の外側から内側に向かって流れる第３ガスとがぶつかり合うので、第１シールドガスが、筐体２８の内側から外側に向かって流れることが防止される。
【０１４６】
この第３ガスとしては、第１シールドガスと同じガスを用いることが好ましい。また、第３ガスの流量は、空隙３４を通って筐体２８の内側から外側に向かって流れる第１シールドガスの流量と同じにすることが好ましい。
【０１４７】
なお、図１５〜図１７では、アーク領域、センサ等の一部の構成要素を図示していない。
【０１４８】
このように、筐体２８は、母材４０が回転可能に挿入される開口部３３を有しており、この開口部３３では、筐体２８と母材４０又は母材固定治具３１との間に空隙３４が設けられており、この空隙３４では、筐体２８の内側から外側に向かって第１シールドガスが流されており、筐体２８の外側から内側に向かって第３ガスが流されていることが好ましい。
【０１４９】
上述した図１５〜図１７に示す溶接装置１０では、摺動部分に第３ガスを流すことにより第１シールドガスが筐体２８外に流れることを確実に防止できる。
【実施例】
【０１５０】
次に、本明細書に開示する溶接装置を実施例を用いて以下に説明する。但し、本発明の範囲は、実施例に限定されるものではない。
【０１５１】
[実施例]
図２及び図３に示す溶接装置を用いてアーク溶接を行い実施例とした。アーク溶接では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、２５リットル／分であり、一方の電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、開口部の直径は、３ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【０１５２】
実施例の圧力比は１００であった。
【０１５３】
図１に示す従来の溶接装置を用いてアーク溶接を行い比較例とした。アーク溶接では、溶接電流は、５０Ａであり、シールドガスの流量は、２５リットル／分であり、電極と母材との間の距離は、１ｍｍであり、一方の電極の形成材料はセリウム入りのタングステンであり、母材の形成材料はステンレス鋼であった。
【０１５４】
比較例の圧力比は１であった。
【０１５５】
実施例及び比較例それぞれについて、溶接部の寸法及びアスペクト比を測定した結果を図１８に示す。
【０１５６】
実施例の溶接部の幅は、比較例よりも３２％小さく、且つ溶け込み深さは５８％大きかった。また、実施例の溶接部のアスペクト比は、比較例の２．３倍であった。
【０１５７】
また、実施例のエネルギー密度は、１０００Ｗ／ｍｍ２であり、比較例のエネルギー密度は、１００Ｗ／ｍｍ２であった。
【符号の説明】
【０１５８】
１０ 溶接装置
１１ 一方の電極
１２ 他方の電極
１３ アーク領域
１４ ノズル板
１４ａ 開口部
１５ 第１ガス供給部
１５ａ 第１ガス供給管
１５ｂ 第１圧力センサ
１５ｃ 第２圧力センサ
１５ｄ 制御部
１６ 溶接電源
１７ 第２ガス供給部
１７ａ 第２ガス供給管
１８ 筐体
１９ 電気絶縁材
２０ 母材
２１ 駆動部
２２ 駆動制御部
２５ 第１ガス供給管
２６ 第３ガス供給管
２８ 筐体
２８ａ 上側筐体
２８ｂ 下側筐体
２９ 電気絶縁材
３０ 排出口
３１ 母材固定治具
３２ 凹部
３３ 開口部
３４ 空隙
４０ 母材
４０ａ 凸部
１００ 溶接装置
１０１ 電極
１０２ ガスノズル
１０３ アーク領域
１２０ 母材
Ｗ 溶接幅
Ｌ 電離領域幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の電極（１１）と他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う溶接方法。
【請求項２】
前記一方の電極（１１）と前記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通る開口部（１４ａ）を有するノズル板１４の母材側から前記開口部（１４ａ）を通って前記一方の電極（１１）側に抜けるように前記第１シールドガスを流し、前記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記開口部（１４ａ）の中を通るアーク領域（１３）の部分の断面積と、前記開口部（１４ａ）の面積との比は、１以上３５以下である請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記開口部（１４ａ）を通る前記第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下である請求項２又は３に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記開口部（１４ａ）は円形を有し、
前記開口部（１４ａ）の直径と、前記ノズル板（１４）及び母材（２０）の間の距離との比は、１以上２０以下である請求項２〜４の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記一方の電極（１１）側から前記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流す請求項１〜５の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項７】
前記第２シールドガスの電離電圧は、前記第１シールドガスの電離電圧よりも低い請求項６に記載の溶接方法。
【請求項８】
前記第１シールドガスの密度は、前記第２シールドガスの密度よりも高い請求項６に記載の溶接方法。
【請求項９】
前記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大しながら、前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に流れる電流が一定になるように、前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加する請求項１〜８の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項１０】
前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなると、前記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大することを停止する請求項９に記載の溶接方法。
【請求項１】
一方の電極（１１）と他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）の母材側の部分の周囲からアーク領域（１３）の中心部に向かって第１シールドガスを流し、アーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う溶接方法。
【請求項２】
前記一方の電極（１１）と前記他方の電極（１２）に接続された母材（２０）との間に形成されるアーク領域（１３）が中を通る開口部（１４ａ）を有するノズル板１４の母材側から前記開口部（１４ａ）を通って前記一方の電極（１１）側に抜けるように前記第１シールドガスを流し、前記ノズル板（１４）の母材側におけるアーク領域（１３）の中心部の圧力とアーク領域外の圧力との比を７０以上５０００以下にしてアーク溶接を行う請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記開口部（１４ａ）の中を通るアーク領域（１３）の部分の断面積と、前記開口部（１４ａ）の面積との比は、１以上３５以下である請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記開口部（１４ａ）を通る前記第１シールドガスの流量は、５リットル／分以上３５リットル／分以下である請求項２又は３に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記開口部（１４ａ）は円形を有し、
前記開口部（１４ａ）の直径と、前記ノズル板（１４）及び母材（２０）の間の距離との比は、１以上２０以下である請求項２〜４の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記一方の電極（１１）側から前記開口部（１４ａ）に向かって、第２シールドガスを流す請求項１〜５の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項７】
前記第２シールドガスの電離電圧は、前記第１シールドガスの電離電圧よりも低い請求項６に記載の溶接方法。
【請求項８】
前記第１シールドガスの密度は、前記第２シールドガスの密度よりも高い請求項６に記載の溶接方法。
【請求項９】
前記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大しながら、前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に流れる電流が一定になるように、前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間に印加する電圧を増加する請求項１〜８の何れか一項に記載の溶接方法。
【請求項１０】
前記一方の電極（１１）と他方の電極（１２）との間の電圧が所定の閾値よりも大きくなると、前記一方の電極（１１）と母材（２０）との間の距離を拡大することを停止する請求項９に記載の溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−９９７９３（Ｐ２０１３−９９７９３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−４２２５６（Ｐ２０１３−４２２５６）
【出願日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【分割の表示】特願２０１１−２２００６５（Ｐ２０１１−２２００６５）の分割
【原出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【分割の表示】特願２０１１−２２００６５（Ｐ２０１１−２２００６５）の分割
【原出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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