溶接装置及び溶接方法
【課題】溶接速度が速く品質の高い狭開先溶接を可能にする溶接装置及び方法を提供する。
【解決手段】溶接装置は、第１溶接チップと、第１溶接チップに対して所定位置に配置される第２溶接チップと、第１溶接チップを用いて生成される第１アークにアークを凝縮・集中させる性質を有する炭酸ガス等の第１ガスを供給する第１ガス供給部と、第２溶接チップを用いて生成される第２アークにアークを広げる性質を有するアルゴンガス等の第２ガスを供給する第２ガス供給部とを備える。
【解決手段】溶接装置は、第１溶接チップと、第１溶接チップに対して所定位置に配置される第２溶接チップと、第１溶接チップを用いて生成される第１アークにアークを凝縮・集中させる性質を有する炭酸ガス等の第１ガスを供給する第１ガス供給部と、第２溶接チップを用いて生成される第２アークにアークを広げる性質を有するアルゴンガス等の第２ガスを供給する第２ガス供給部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接装置及び方法に関する。本発明は特に、狭開先溶接に適した溶接装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
狭開先を溶接するために様々な技術が開発されている。狭開先溶接は、広い開先を溶接する場合に比べて、（１）開先底部の溶込みの確保と、（２）ビード止端部の溶込み（濡れ性）の確保が難しい。
【０００３】
特許文献１には、被溶接材の開先において、溶接トーチの位置を周期的にアーク軸方向に揺動させることによってアークの入熱密度分布を制御するアーク溶接方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、被溶接材の開先において、ワイヤの送給速度を周期的に変動させることによってアークの入熱密度分布を制御するアーク溶接方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、溶接トーチが備える偏心した給電チップを回転させることによってワイヤ先端を進行方向に対し後方に反転させる狭開先溶接方法が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、溶接トーチの先端部に備えられたメインノズルを用いて、溶融池を大気から保護する炭酸ガスを流すと共に、溶接トーチの外部に設けられた細径の添加ガスノズルを用いて、溶接トーチの先端部に形成されたアークの部分に向けて、少量の不活性ガスを局部噴射することで、溶滴移行形態をスパッタの少ないスプレー移行に制御するガスシールド溶接方法及び装置が開示されている。
【特許文献１】特開２０００‐７９４７０号公報
【特許文献２】特開２０００‐７９４７４号公報
【特許文献３】特開平５‐４２３７０号公報
【特許文献４】特開２００５‐１７７８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アークを機械的にオシレートしたり、アーク形状（長さ、広がり）を周期的に変化させることにより、開先底部の溶込み確保とビード止端部の溶込み確保を図ることができる。しかし、こうした溶接方法においては、機械の駆動速度やアークの応答速度に限界があり、溶接速度の増加とともにビード形状や溶込み形状が不安定になりやすい問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、溶接速度が速く品質の高い狭開先溶接を可能にする溶接装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
本発明による溶接装置は、第１溶接チップ（４）と、第１溶接チップ（４）に対して所定位置に配置される第２溶接チップ（６）と、第１溶接チップ（４）を用いて生成される第１アーク（１２）に第１ガス（２０）を供給する第１ガス供給部と、第２溶接チップ（６）を用いて生成される第２アーク（１４）に第１ガス（２０）と種類の異なる、即ち成分の異なる第２ガス（２２）を供給する第２ガス供給部とを備える。
【００１１】
本発明による溶接装置は、第１アーク（１２）と第２アーク（１４）とが同時に供給されるように第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを制御する制御部を備える。
【００１２】
本発明による溶接装置において、第１アーク（１２）と第２アーク（１４）とは母材（２）に単一の溶融池を形成する。
【００１３】
本発明による溶接装置において、第１溶接チップ（４）に取り付けられるワイヤ（８）と第２溶接チップ（６）に取り付けられるワイヤ（１０）との最短距離は２０ｍｍ以下である。
【００１４】
本発明による溶接装置において、第１溶接チップ（４）は第２溶接チップ（６）に対して第１軸正方向に隣接する。溶接装置は、第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを第１軸方向に移動させる駆動部を備える。
【００１５】
本発明による溶接装置において、駆動部は第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを第１軸正方向に移動する。第２ガス（２２）は、第１ガス（２０）よりもアークを広げる性質を有する。
【００１６】
本発明による溶接装置において、第１ガス（２０）は炭酸ガスである。
【００１７】
本発明による溶接装置において、第２ガス（２２）はアルゴンガスである。
【００１８】
本発明による溶接装置において、第１ガス供給部は第１ガス（２０ａ）を第１アーク（１２ａ）の方向に導く第１ノズル（１６ａ）を備え、第１溶接チップ（４ａ）と第２溶接チップ（６ａ）とは第１ノズル（１６ａ）の内部に配置され、第２ガス供給部は第１ノズル（１６ａ）の側面を貫通する第２ノズル（１８ａ）によって第２ガス（２２ａ）を第２アーク（１４ａ）の方向に導く。
【００１９】
本発明による溶接装置において、第１ガス（２０）の流路と第２ノズル（１８）の先端付近における第２ガス（２２）の流路との相対角度は６０度以下である
【００２０】
本発明による溶接装置において、第２ノズル（１８ａ）の内径は、第１ノズル（１６ａ）によって形成される流れに垂直な方向における第１溶接チップ（４ａ）の中心軸と第２ノズル（１８ａ）の先端との距離の１０分の１よりも大きい。
【００２１】
本発明による溶接装置において、第１ガス供給部は第１ガス（２０ｂ）を第１アーク（１２ｂ）の方向に導く第１ノズル（１６ｂ）を備え、第１溶接チップ（４ｂ）は第１ノズル（１６ｂ）の内部に配置される。第２ガス供給部は第１ノズル（１６ｂ）の内部に配置され第２ガス（２２ｂ）を第２アーク（１４ｂ）の方向に導く第２ノズル（１８ｂ）を備え、第２溶接チップ（６ｂ）は第２ノズル（１８ｂ）の内部に配置される。
【００２２】
本発明による溶接装置は、内部が仕切板によって第１流路（５）と第２流路（７）とに二等分されたノズル（１６ｃ）を備える。第１ガス供給部は第１流路（５）によって第１ガス（２０ｃ）を第１アーク（１２ｃ）の方向に導く。第２ガス供給部は第２流路（７）によって第２ガス（２２ｃ）を第２アーク（１４ｃ）の方向に導く。
【００２３】
本発明による溶接装置は、第１ガス（２０ｃ）の供給先と第２ガス（２２ｃ）の供給先とを反対に切り換える切換部（２６）を備える。
【００２４】
本発明による溶接方法は、第１ワイヤ（８）と母材（２）との間に第１アーク（１２）を生成するステップと、第１ワイヤ（８）に対して第１軸正方向に配置された第２ワイヤ（１０）と母材（２）との間に第２アーク（１４）を生成するステップと、第１アーク（１２）に対して第１ガス（２０）を供給するステップと、第２アーク（１４）に対して第１ガス（２０）と種類の異なる第２ガス（２２）を供給するステップと、第１ワイヤ（８）と第２ワイヤ（１０）とを第１軸方向に移動するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、溶接速度が速く品質の高い狭開先溶接を可能にする溶接装置及び方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は実施の第１形態における溶接装置のトーチの構成を示す斜視図、図２は断面図である。母材２の表面はｘｙ平面に水平な方向に延長している。母材２は、表面に開口しｘ軸方向に延長する開先３を有する。開先３を溶接するためのトーチは、第１ノズル１６ａを備える。第１ノズル１６ａは、中心軸を中心として概ね円筒形、あるいは長円筒形（中心軸に垂直な断面が長円形）の中空の筒である。第１ノズル１６ａの、溶接時に母材２に向けられる側の端部は開放端である。以後、この端部を溶接トーチ先端と呼ぶ。
【００２７】
第１ノズル１６ａの内部には、第１溶接チップ４ａが配置される。第１溶接チップ４ａの中心軸と第１ノズル１６ａの中心軸とは平行である。第１ノズル１６ａの内部には更に、第２溶接チップ６ａが配置される。第２溶接チップ６ａの中心軸と第１ノズル１６ａの中心軸とは平行である。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとを結ぶ線は、第１ノズル１６ａが円筒形の場合は中心軸を法線とする断面の直径上に位置し、第１ノズル１６ａが長円筒形の場合は中心軸を法線とする断面の長径上に位置する。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとして形状・材質等が同一の種類の溶接チップを用いることが可能である。
【００２８】
第１ノズル１６ａの側面には、第２ノズル１８ａが設置される。第２ノズル１８ａは、第１ノズル１６ａの外部に設置されるガス貯蔵部と第１ノズル１６ａの内部の空間とを連通する。第２ノズル１８ａの先端部は第１ノズル１６ａの内部に開口している。その開口は、第１ノズル１６ａの中心に対して第２溶接チップ６に近い方向に配置される。第２ノズル１８ａの先端付近の流路を延長した線は、第２溶接チップ６ａを溶接トーチ先端の方向に延長した線と重なる。その重なる点は、溶接時に溶接チップ６ａを用いて生成されるアークの位置である。こうした構成の溶接トーチは、既存のノズルを第１ノズル１６ａとして用い、それに第２ノズル１８ａを取り付ける加工を施すことによって製造することができ、製造の容易さの面で好ましい。
【００２９】
溶接トーチは、溶接トーチ先端に向かって第１ノズル１６ａの内部に第１ガスを流すための第１ガス供給装置に接続される。第１ガスは、アークをあまり広げずにアークを凝縮・集中する性質を有するガスであり、炭酸ガスが例示される。以後、このようなガスを活性ガスと呼ぶ。溶接トーチは更に、第１ノズル１６ａの内部の開口に向かって第２ノズル１８ａの内部に第２ガスを流すための第２ガス供給装置に接続される。第２ガスは、第１ガスよりもアークを広げる性質を有するガスであり、アルゴン、ヘリウムが例示される。以後、このようなガスを不活性ガスと呼ぶ。
【００３０】
溶接トーチは、手動で用いることもできるが、好ましくは溶接トーチを自動的に移動させる駆動部を備えた自動溶接装置に取り付けられて使用される。駆動部は、第１溶接チップ４と第２溶接チップ６とを結ぶ線の方向、図１、２においてはｘ軸方向に、溶接トーチを移動させる。
【００３１】
こうした構成を備えた溶接トーチを用いて溶接が行われる。まず母材２の開先が所定位置に設置される。この開先は例えば狭開先であり、かつより深い（母材２の表面から遠い）場所ほど開先の幅は狭い。溶接トーチが、溶接トーチ先端を開先３の方向に向けてセットされる。その際、第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとを結ぶ線が開先３の延長方向と平行になるようにセットされる。第１溶接チップ４ａから母材２に向かって第１ワイヤ８ａが供給される。第２溶接チップ６ａから母材２に向かって第２ワイヤ１０ａが供給される。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとにそれぞれ電流が供給される。第１ワイヤ８ａと開先３との間に第１アーク１２ａが発生する。第２ワイヤ１０ａと開先３との間に第２アーク１４ａが発生する。
【００３２】
第１ノズル１６ａから母材の方向に活性ガスである第１ガス２０ａが供給される。この第１ガス２０ａによって、第１アーク１２ａが凝縮・集中する。第２ノズル１８ａから第２アーク１４ａの方向に第２ガス２２ａが供給される。第２ガス２２ａは、第１ガス２０ａの流れの中を斜めに横切って第２アーク１４ａの場所に到達する。この第２ガス２２ａによって、第２アーク１４ａが第１アーク１２ａよりも広がる。第２ガス２２ａが第２アーク１４ａにより一様に当たるために、第１ガス２０の流れ方向に対する第２ノズル１８ａの先端付近における第２ガス２２ａの流路の角度θは６０度以下であることが好ましい。
【００３３】
第１アーク１２ａが狭く第２アーク１４ａが広いことにより、溶接トーチと母材２との距離、第１溶接チップ４と第２溶接チップ６に供給される電流などの制御条件を制御することによって、第１アーク１２ａが開先３の底部を、第２アーク１４ａが開先のより表面に近い浅い場所を溶接するように調節することが可能である。
【００３４】
そのような調節がなされた状態で、駆動部は溶接トーチを動かす。動きの方向は、開先３の延長方向に平行、かつ第１溶接チップ４ａが先行し、第２溶接チップ６ａが後続する向きである。図１、２ではｘ軸正方向、すなわち図の右から左へ動く方向である。
【００３５】
図３、４は溶接の動作の説明図である。図３には図２と同じ方向から見た開先３の断面図が描かれている。図４には開先３の延長方向かつ溶接トーチの進行の前方向から見た開先３の断面図が描かれている。第１アーク１２ａは凝縮・集中しており、開先３の底部の近くを溶接する。第２アーク１４ａは広がっており、開先３の浅い部分を溶接する。すなわち溶接トーチの移動に伴って、まず開先３の底部が、次いで開先３のより浅い部分が溶接された溶接部３２となる。
【００３６】
第１アーク１２ａと第２アーク１４ａとは単一の溶接池を形成することが好ましい。そのためには、第１ワイヤ８ａと第２ワイヤ１０ａとの最短距離が２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
こうした溶接によれば、第１アーク１２ａによって開先底部の溶込みが確保される。更に、第１アーク１２ａによって予め加熱された部位が第２アーク１４ａによって広い幅で溶接されることにより、ビード止端部の溶込み（濡れ性）が確保される。
【００３８】
濡れ性を向上させるために、アークの形状を経時的に変化させる溶接方法が知られている。本発明の溶接装置及び溶接方法によれば、アークの形状を経時的に変化させることなく、開先底部の溶込みとビード止端部の溶込みとが確保される。そのため、ビード形状や溶込み形状がより安定し、仕上がり品質の良い溶接が可能である。
【００３９】
溶接トーチの移動方向が上記の反対にｘ軸の負方向、すなわち第２溶接チップ６ａが先行し第１溶接チップ４ａが後続する方向でも溶接することは可能である。その場合、第２アーク１４ａが開先３の浅い部分を先に溶融し、溶融部が開先３の底部に垂れることで、第１アーク１２ａによる底部の母材の溶融が妨げられる可能性がある。その可能性がある場合は、溶接トーチの移動方向はｘ軸の正方向であることが望ましい。
【００４０】
次に、特許文献４の記載を援用して、第２ノズル１８ａの好適な直径について説明する。噴流理論に基づき、不活性ガスの噴射条件の設定を、図５、図６を用いて以下に説明する。図５（ａ）は、ポテンシャルコアを説明する図であり、図５（ｂ）は、流速比に対するポテンシャルコア長さ／ノズル内径の比を示すグラフである。
【００４１】
外部ノズル方式における不活性ガスの流れは、横風となるメインシールドガス（第１ガス２０ａ）の流れを横切る形で、噴流となる不活性ガス（第２ガス２２ａ）が流れ込む現象と考えることができる。横風Ｕ１の流れ方向をｘ軸とし、噴流Ｕ０の流れ方向をｙ軸とすると、横風Ｕ１を受ける噴流Ｕ０において、噴流ノズル出口（Ａ−Ｂ）からある長さに渡ってポテンシャルコア（Ａ−Ｃ−Ｂ）と呼ばれる領域Ｉがあり、この領域Ｉにおいては、ノズル出口（Ａ−Ｂ）から出たガスは、横風Ｕ１による偏向や濃度拡散の少ない状態で横風Ｕ１を貫通する（図５（ａ）参照）。つまり、第２ノズル１８ａの先端から第２アーク１４ａまでの距離と同等以上のポテンシャルコア長さが得られれば、第２ガス２２ａを第２アーク１４ａに安定して供給できることを意味する。なお、図５（ａ）において、領域ＩＩは、横風Ｕ１による偏向を受ける最大偏向領域であり、領域ＩＩＩは、横風Ｕ１により拡散される渦領域である。これらの領域ＩＩ、ＩＩＩでは、第２ガス２２ａを第２アーク１４ａに安定して供給することが、難しい領域となる。又、線分ＡＤは噴流の外側境界、線分ＢＥは噴流の内側境界、線分ＯＧは噴流の中心線を表し、ポテンシャルコア領域は、噴射条件により噴流軸ＯＦに沿って伸縮する。
【００４２】
ここで、第２ノズル１８ａのノズル内径をｄとし、横風Ｕ１に対する噴流Ｕ０の流速比をαとして、ポテンシャルコアの長さξを内径ｄの比として、図５（ｂ）のグラフに示した。図５（ｂ）のグラフから、ポテンシャルコアの長さξは、「横風Ｕ１と噴流Ｕ０の流速比α」と「ノズル内径ｄ」に依存していることがわかる。ここで、図５（ｂ）中、黒丸のグラフはノズル内径ｄが大きい場合、白丸のグラフはノズル内径ｄが小さい場合、三角のグラフはノズル内径ｄがそれらの中間の場合を示す。図５（ｂ）のグラフ中において、α＝５〜１０の範囲について、これらのパラメータの関係を概略関数近似すると以下の式となる。
ξ＝１．３ｄ・α１／２ （１）
【００４３】
上記式（１）を用いて、横風Ｕ１と噴流Ｕ０の流速比α、ノズル内径ｄをパラメータとして、ポテンシャルコア長さξを計算した結果が図６（ａ）に示すグラフである。ここでは、標準的な第１ノズル１６ａの直径をＤとして、ノズル内径ｄ＝１／１０Ｄ、１／７Ｄ、１／５Ｄの場合について計算を行った。特許文献１におけるメインノズル１６ａの半径１／２Ｄ、つまり、メインノズル１６ａの端からアークまでの距離である１／２Ｄに代えて、本実施の形態においては第２ノズル１８ａの先端の開口端から第２アーク１４ａまでの距離を、必要なポテンシャルコア長さとすると、第２ノズル１８の内径ｄ＝１／７Ｄのノズルで流速比６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さ１／２Ｄが得られることがわかる。
【００４４】
更に、標準的な条件の横風流速、つまり、メインシールドガスの標準的な流速において（例えば、第１ノズル１６の内径＝２０ｍｍ、第１ガス２０の流量＝２０Ｌ／ｍｉｎの場合、第１ガス２０の標準的な流速＝１．１ｍ／ｓ）、不活性ガスの流量（噴流流量）を、流速比αと添加ガスノズル内径ｄをパラメータとして計算した結果が、図６（ｂ）に示すグラフである。内径ｄ＝１／７Ｄの第２ノズル１８ａで流速比５．５以上の場合に、溶滴移行形態に必要なガス流量２．５Ｌ／ｍｉｎ以上を満たすことがわかる。コスト的な側面から考えると、できるだけ少ない不活性ガスの流量で本発明の効果が得られることが望ましい。そのためには、第２ノズル１８ａの内径を小さくして、比較的高い流速比にすればよいが、小さすぎるノズル内径や大きすぎる流速比は、ポテンシャルコア領域が狭かったり、大気を巻き込んだりして、アーク部分のガスシールドが不十分になる可能性がある。従って、第１ノズル１６ａの内径が１１ｍｍ程度の小さい場合も考慮した場合、第２ノズル１８ａの内径ｄの下限としては、少なくとも１／１０Ｄ以上の内径が必要となる。又、第２ノズル１８ａの内径ｄの上限は、より大きい内径のものを用いてもよいが、ポテンシャルコア形成のための下限流速比を５とすると内径が大きいほど不活性ガスの必要流量が増加するため、不活性ガスの消費量を考慮した場合、１／４Ｄ程度までの内径が望ましい。
【００４５】
上記計算より、不活性ガスの噴射条件としては、第２ノズル１８ａの内径ｄ＝１／７Ｄ、ガス流速比α＝６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さと必要な不活性ガスの流量の両方を満足する。このような条件が満たされることが好ましい。
【００４６】
第１ガス２０ａと第２ガス２２ａとの供給方法は反対でもよい。例えば、第１ワイヤ８ａと第２ワイヤ１０ａとを収納する第１ノズル１６ａに不活性ガスが流され、第１アーク１２ａに対して第２ノズル１８ａに類似のノズルによって活性ガスが供給される構成でもよい。使用されるガスのコストの観点からは、図１、２の構成は、コストの大きい不活性ガス（例示：アルゴン）がコストの小さい活性ガス（例示：炭酸ガス）よりも少ない量で済み、好ましい。
【００４７】
図７は、実施の第２形態における溶接トーチの構成を示す。本実施の形態における溶接トーチは、図１、２と比較して、第２ノズル１８ａが設けられていない。代わりに、第１ノズル１６ｂの内部に収納され且つ第２溶接チップ６ｂを収納する中空の円筒である第２ノズル１８ｂが設けられている。第２ノズル１８ｂは、第２溶接チップ６と同軸である。第２ノズル１８ｂの溶接トーチ先端の側の端部は開口している。第２ノズル１８ｂは、溶接トーチ先端の方向に第２ガス２２ｂを流すための第２ガス供給装置に接続される。
【００４８】
こうした溶接トーチを用いた溶接は、実施の第１形態と同様に行われる。本実施の形態においては、第２ノズル１８ｂが第２ワイヤ１０ｂ、第２アーク１４ｂと同軸であるため、第２ガス２２ｂが第２アーク１４ｂの領域に均等に供給され、第２アーク１４ｂの形状を安定させやすい。更に、第２ガス２２ｂと第１ガス２０ｂの流れが平行で流れの領域が分けられていることも、第２ガス２２ｂが第２アーク１４ｂの領域に均等に供給されることに寄与する。
【００４９】
図８は、実施の第３形態における溶接トーチの構成を示す。本実施の形態における溶接トーチは、実施の第１形態と同じ第１ノズル１６ｃ、第１溶接チップ４ｃ及び第２溶接チップ６ｃを備える。本実施の形態において、第１ノズル１６ｃには仕切板２４が設置される。仕切板２４により、第１ノズル１６ｃの内部の円筒形の空間は、第１チップ４ｃが収納される第１領域５と、第２チップ６ｃが収納される第２領域７とに仕切られる。第１ノズル１６ｃの中心軸に垂直な方向の第１領域５の断面積と第２領域７の断面積とは等しい。好ましくは第１領域５と第２領域７とは鏡面対称である。
【００５０】
第１領域５と第２領域７とには、第１ガス貯蔵部２８に貯蔵される活性ガスと第２ガス貯蔵部２９に貯蔵される不活性ガスとが切換部２６を介して供給される。切換部２６は、第１モードと第２モードとの２つのモードを有し、いずれか一方に設定される。
【００５１】
第１モードにおいて、切換部２６は第１ガス貯蔵部２８の活性ガスを第１領域５に供給し、第２ガス貯蔵部２９の不活性ガスを第２領域７に供給する。
第２モードにおいて、切換部２６は第１ガス貯蔵部２８の活性ガスを第２領域７に供給し、第２ガス貯蔵部２９の不活性ガスを第１領域５に供給する。
【００５２】
駆動部は、第１溶接チップ４ｃと第２溶接チップ６ｃとを結ぶ線に平行な方向、図８のｘ軸正に溶接トーチを動かす。駆動部は、第１溶接チップ４ｃが先行する向き、すなわちｘ軸正方向に溶接トーチを動かす第１動作モードと、第２溶接チップ６ｃが先行する向き、すなわちｘ軸負方向に溶接トーチを動かす第２動作モードとを取ることができる。駆動部が第１動作モードを取るとき、切換部２６は第１モードを取るように自動制御される。駆動部が第２動作モードを取るとき、切換部２６は第２モードを取るように自動制御される。
【００５３】
駆動部は、第１動作モードに設定された状態において開先３の延長方向に沿って第１端部から第２端部まで往路の溶接を行う。第２動作モードに設定された状態において第２端部から第１端部まで復路の溶接を行う。この往復動作を、溶接が完了するまで行う。こうした動作により、実施の第１形態と同様に凝縮・集中したアークが先行し、広がったアークが後続して溶接が行われる。すなわち開先３の底部から溶融が行われるため、開先３が均質に溶接される。こうした溶接が往路と復路の両方で行われるため、溶接が短時間で行われる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、溶接装置のトーチの構成を説明するための斜視図である。
【図２】図２は、溶接装置のトーチの構成を説明するための断面図である。
【図３】図３は、溶接の動作を説明するための図である。
【図４】図４は、溶接の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、ポテンシャルコアを説明するための図である。
【図６】図６は、ポテンシャルコア長さξを計算した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、溶接装置のトーチの構成を説明するための図である。
【図８】図８は、溶接装置のトーチの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
２…母材
３…開先
４…第１溶接チップ
６…第２溶接チップ
８…第１ワイヤ
１０…第２ワイヤ
１２…第１アーク
１４…第２アーク
１６…第１ノズル
１８…第２ノズル
２０…第１ガス
２２…第２ガス
２４…仕切板
２６…切換部
２８…第１ガス貯蔵部
２９…第２ガス貯蔵部
３０…開先
３２…溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接装置及び方法に関する。本発明は特に、狭開先溶接に適した溶接装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
狭開先を溶接するために様々な技術が開発されている。狭開先溶接は、広い開先を溶接する場合に比べて、（１）開先底部の溶込みの確保と、（２）ビード止端部の溶込み（濡れ性）の確保が難しい。
【０００３】
特許文献１には、被溶接材の開先において、溶接トーチの位置を周期的にアーク軸方向に揺動させることによってアークの入熱密度分布を制御するアーク溶接方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、被溶接材の開先において、ワイヤの送給速度を周期的に変動させることによってアークの入熱密度分布を制御するアーク溶接方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、溶接トーチが備える偏心した給電チップを回転させることによってワイヤ先端を進行方向に対し後方に反転させる狭開先溶接方法が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、溶接トーチの先端部に備えられたメインノズルを用いて、溶融池を大気から保護する炭酸ガスを流すと共に、溶接トーチの外部に設けられた細径の添加ガスノズルを用いて、溶接トーチの先端部に形成されたアークの部分に向けて、少量の不活性ガスを局部噴射することで、溶滴移行形態をスパッタの少ないスプレー移行に制御するガスシールド溶接方法及び装置が開示されている。
【特許文献１】特開２０００‐７９４７０号公報
【特許文献２】特開２０００‐７９４７４号公報
【特許文献３】特開平５‐４２３７０号公報
【特許文献４】特開２００５‐１７７８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アークを機械的にオシレートしたり、アーク形状（長さ、広がり）を周期的に変化させることにより、開先底部の溶込み確保とビード止端部の溶込み確保を図ることができる。しかし、こうした溶接方法においては、機械の駆動速度やアークの応答速度に限界があり、溶接速度の増加とともにビード形状や溶込み形状が不安定になりやすい問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、溶接速度が速く品質の高い狭開先溶接を可能にする溶接装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
本発明による溶接装置は、第１溶接チップ（４）と、第１溶接チップ（４）に対して所定位置に配置される第２溶接チップ（６）と、第１溶接チップ（４）を用いて生成される第１アーク（１２）に第１ガス（２０）を供給する第１ガス供給部と、第２溶接チップ（６）を用いて生成される第２アーク（１４）に第１ガス（２０）と種類の異なる、即ち成分の異なる第２ガス（２２）を供給する第２ガス供給部とを備える。
【００１１】
本発明による溶接装置は、第１アーク（１２）と第２アーク（１４）とが同時に供給されるように第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを制御する制御部を備える。
【００１２】
本発明による溶接装置において、第１アーク（１２）と第２アーク（１４）とは母材（２）に単一の溶融池を形成する。
【００１３】
本発明による溶接装置において、第１溶接チップ（４）に取り付けられるワイヤ（８）と第２溶接チップ（６）に取り付けられるワイヤ（１０）との最短距離は２０ｍｍ以下である。
【００１４】
本発明による溶接装置において、第１溶接チップ（４）は第２溶接チップ（６）に対して第１軸正方向に隣接する。溶接装置は、第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを第１軸方向に移動させる駆動部を備える。
【００１５】
本発明による溶接装置において、駆動部は第１溶接チップ（４）と第２溶接チップ（６）とを第１軸正方向に移動する。第２ガス（２２）は、第１ガス（２０）よりもアークを広げる性質を有する。
【００１６】
本発明による溶接装置において、第１ガス（２０）は炭酸ガスである。
【００１７】
本発明による溶接装置において、第２ガス（２２）はアルゴンガスである。
【００１８】
本発明による溶接装置において、第１ガス供給部は第１ガス（２０ａ）を第１アーク（１２ａ）の方向に導く第１ノズル（１６ａ）を備え、第１溶接チップ（４ａ）と第２溶接チップ（６ａ）とは第１ノズル（１６ａ）の内部に配置され、第２ガス供給部は第１ノズル（１６ａ）の側面を貫通する第２ノズル（１８ａ）によって第２ガス（２２ａ）を第２アーク（１４ａ）の方向に導く。
【００１９】
本発明による溶接装置において、第１ガス（２０）の流路と第２ノズル（１８）の先端付近における第２ガス（２２）の流路との相対角度は６０度以下である
【００２０】
本発明による溶接装置において、第２ノズル（１８ａ）の内径は、第１ノズル（１６ａ）によって形成される流れに垂直な方向における第１溶接チップ（４ａ）の中心軸と第２ノズル（１８ａ）の先端との距離の１０分の１よりも大きい。
【００２１】
本発明による溶接装置において、第１ガス供給部は第１ガス（２０ｂ）を第１アーク（１２ｂ）の方向に導く第１ノズル（１６ｂ）を備え、第１溶接チップ（４ｂ）は第１ノズル（１６ｂ）の内部に配置される。第２ガス供給部は第１ノズル（１６ｂ）の内部に配置され第２ガス（２２ｂ）を第２アーク（１４ｂ）の方向に導く第２ノズル（１８ｂ）を備え、第２溶接チップ（６ｂ）は第２ノズル（１８ｂ）の内部に配置される。
【００２２】
本発明による溶接装置は、内部が仕切板によって第１流路（５）と第２流路（７）とに二等分されたノズル（１６ｃ）を備える。第１ガス供給部は第１流路（５）によって第１ガス（２０ｃ）を第１アーク（１２ｃ）の方向に導く。第２ガス供給部は第２流路（７）によって第２ガス（２２ｃ）を第２アーク（１４ｃ）の方向に導く。
【００２３】
本発明による溶接装置は、第１ガス（２０ｃ）の供給先と第２ガス（２２ｃ）の供給先とを反対に切り換える切換部（２６）を備える。
【００２４】
本発明による溶接方法は、第１ワイヤ（８）と母材（２）との間に第１アーク（１２）を生成するステップと、第１ワイヤ（８）に対して第１軸正方向に配置された第２ワイヤ（１０）と母材（２）との間に第２アーク（１４）を生成するステップと、第１アーク（１２）に対して第１ガス（２０）を供給するステップと、第２アーク（１４）に対して第１ガス（２０）と種類の異なる第２ガス（２２）を供給するステップと、第１ワイヤ（８）と第２ワイヤ（１０）とを第１軸方向に移動するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、溶接速度が速く品質の高い狭開先溶接を可能にする溶接装置及び方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は実施の第１形態における溶接装置のトーチの構成を示す斜視図、図２は断面図である。母材２の表面はｘｙ平面に水平な方向に延長している。母材２は、表面に開口しｘ軸方向に延長する開先３を有する。開先３を溶接するためのトーチは、第１ノズル１６ａを備える。第１ノズル１６ａは、中心軸を中心として概ね円筒形、あるいは長円筒形（中心軸に垂直な断面が長円形）の中空の筒である。第１ノズル１６ａの、溶接時に母材２に向けられる側の端部は開放端である。以後、この端部を溶接トーチ先端と呼ぶ。
【００２７】
第１ノズル１６ａの内部には、第１溶接チップ４ａが配置される。第１溶接チップ４ａの中心軸と第１ノズル１６ａの中心軸とは平行である。第１ノズル１６ａの内部には更に、第２溶接チップ６ａが配置される。第２溶接チップ６ａの中心軸と第１ノズル１６ａの中心軸とは平行である。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとを結ぶ線は、第１ノズル１６ａが円筒形の場合は中心軸を法線とする断面の直径上に位置し、第１ノズル１６ａが長円筒形の場合は中心軸を法線とする断面の長径上に位置する。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとして形状・材質等が同一の種類の溶接チップを用いることが可能である。
【００２８】
第１ノズル１６ａの側面には、第２ノズル１８ａが設置される。第２ノズル１８ａは、第１ノズル１６ａの外部に設置されるガス貯蔵部と第１ノズル１６ａの内部の空間とを連通する。第２ノズル１８ａの先端部は第１ノズル１６ａの内部に開口している。その開口は、第１ノズル１６ａの中心に対して第２溶接チップ６に近い方向に配置される。第２ノズル１８ａの先端付近の流路を延長した線は、第２溶接チップ６ａを溶接トーチ先端の方向に延長した線と重なる。その重なる点は、溶接時に溶接チップ６ａを用いて生成されるアークの位置である。こうした構成の溶接トーチは、既存のノズルを第１ノズル１６ａとして用い、それに第２ノズル１８ａを取り付ける加工を施すことによって製造することができ、製造の容易さの面で好ましい。
【００２９】
溶接トーチは、溶接トーチ先端に向かって第１ノズル１６ａの内部に第１ガスを流すための第１ガス供給装置に接続される。第１ガスは、アークをあまり広げずにアークを凝縮・集中する性質を有するガスであり、炭酸ガスが例示される。以後、このようなガスを活性ガスと呼ぶ。溶接トーチは更に、第１ノズル１６ａの内部の開口に向かって第２ノズル１８ａの内部に第２ガスを流すための第２ガス供給装置に接続される。第２ガスは、第１ガスよりもアークを広げる性質を有するガスであり、アルゴン、ヘリウムが例示される。以後、このようなガスを不活性ガスと呼ぶ。
【００３０】
溶接トーチは、手動で用いることもできるが、好ましくは溶接トーチを自動的に移動させる駆動部を備えた自動溶接装置に取り付けられて使用される。駆動部は、第１溶接チップ４と第２溶接チップ６とを結ぶ線の方向、図１、２においてはｘ軸方向に、溶接トーチを移動させる。
【００３１】
こうした構成を備えた溶接トーチを用いて溶接が行われる。まず母材２の開先が所定位置に設置される。この開先は例えば狭開先であり、かつより深い（母材２の表面から遠い）場所ほど開先の幅は狭い。溶接トーチが、溶接トーチ先端を開先３の方向に向けてセットされる。その際、第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとを結ぶ線が開先３の延長方向と平行になるようにセットされる。第１溶接チップ４ａから母材２に向かって第１ワイヤ８ａが供給される。第２溶接チップ６ａから母材２に向かって第２ワイヤ１０ａが供給される。第１溶接チップ４ａと第２溶接チップ６ａとにそれぞれ電流が供給される。第１ワイヤ８ａと開先３との間に第１アーク１２ａが発生する。第２ワイヤ１０ａと開先３との間に第２アーク１４ａが発生する。
【００３２】
第１ノズル１６ａから母材の方向に活性ガスである第１ガス２０ａが供給される。この第１ガス２０ａによって、第１アーク１２ａが凝縮・集中する。第２ノズル１８ａから第２アーク１４ａの方向に第２ガス２２ａが供給される。第２ガス２２ａは、第１ガス２０ａの流れの中を斜めに横切って第２アーク１４ａの場所に到達する。この第２ガス２２ａによって、第２アーク１４ａが第１アーク１２ａよりも広がる。第２ガス２２ａが第２アーク１４ａにより一様に当たるために、第１ガス２０の流れ方向に対する第２ノズル１８ａの先端付近における第２ガス２２ａの流路の角度θは６０度以下であることが好ましい。
【００３３】
第１アーク１２ａが狭く第２アーク１４ａが広いことにより、溶接トーチと母材２との距離、第１溶接チップ４と第２溶接チップ６に供給される電流などの制御条件を制御することによって、第１アーク１２ａが開先３の底部を、第２アーク１４ａが開先のより表面に近い浅い場所を溶接するように調節することが可能である。
【００３４】
そのような調節がなされた状態で、駆動部は溶接トーチを動かす。動きの方向は、開先３の延長方向に平行、かつ第１溶接チップ４ａが先行し、第２溶接チップ６ａが後続する向きである。図１、２ではｘ軸正方向、すなわち図の右から左へ動く方向である。
【００３５】
図３、４は溶接の動作の説明図である。図３には図２と同じ方向から見た開先３の断面図が描かれている。図４には開先３の延長方向かつ溶接トーチの進行の前方向から見た開先３の断面図が描かれている。第１アーク１２ａは凝縮・集中しており、開先３の底部の近くを溶接する。第２アーク１４ａは広がっており、開先３の浅い部分を溶接する。すなわち溶接トーチの移動に伴って、まず開先３の底部が、次いで開先３のより浅い部分が溶接された溶接部３２となる。
【００３６】
第１アーク１２ａと第２アーク１４ａとは単一の溶接池を形成することが好ましい。そのためには、第１ワイヤ８ａと第２ワイヤ１０ａとの最短距離が２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
こうした溶接によれば、第１アーク１２ａによって開先底部の溶込みが確保される。更に、第１アーク１２ａによって予め加熱された部位が第２アーク１４ａによって広い幅で溶接されることにより、ビード止端部の溶込み（濡れ性）が確保される。
【００３８】
濡れ性を向上させるために、アークの形状を経時的に変化させる溶接方法が知られている。本発明の溶接装置及び溶接方法によれば、アークの形状を経時的に変化させることなく、開先底部の溶込みとビード止端部の溶込みとが確保される。そのため、ビード形状や溶込み形状がより安定し、仕上がり品質の良い溶接が可能である。
【００３９】
溶接トーチの移動方向が上記の反対にｘ軸の負方向、すなわち第２溶接チップ６ａが先行し第１溶接チップ４ａが後続する方向でも溶接することは可能である。その場合、第２アーク１４ａが開先３の浅い部分を先に溶融し、溶融部が開先３の底部に垂れることで、第１アーク１２ａによる底部の母材の溶融が妨げられる可能性がある。その可能性がある場合は、溶接トーチの移動方向はｘ軸の正方向であることが望ましい。
【００４０】
次に、特許文献４の記載を援用して、第２ノズル１８ａの好適な直径について説明する。噴流理論に基づき、不活性ガスの噴射条件の設定を、図５、図６を用いて以下に説明する。図５（ａ）は、ポテンシャルコアを説明する図であり、図５（ｂ）は、流速比に対するポテンシャルコア長さ／ノズル内径の比を示すグラフである。
【００４１】
外部ノズル方式における不活性ガスの流れは、横風となるメインシールドガス（第１ガス２０ａ）の流れを横切る形で、噴流となる不活性ガス（第２ガス２２ａ）が流れ込む現象と考えることができる。横風Ｕ１の流れ方向をｘ軸とし、噴流Ｕ０の流れ方向をｙ軸とすると、横風Ｕ１を受ける噴流Ｕ０において、噴流ノズル出口（Ａ−Ｂ）からある長さに渡ってポテンシャルコア（Ａ−Ｃ−Ｂ）と呼ばれる領域Ｉがあり、この領域Ｉにおいては、ノズル出口（Ａ−Ｂ）から出たガスは、横風Ｕ１による偏向や濃度拡散の少ない状態で横風Ｕ１を貫通する（図５（ａ）参照）。つまり、第２ノズル１８ａの先端から第２アーク１４ａまでの距離と同等以上のポテンシャルコア長さが得られれば、第２ガス２２ａを第２アーク１４ａに安定して供給できることを意味する。なお、図５（ａ）において、領域ＩＩは、横風Ｕ１による偏向を受ける最大偏向領域であり、領域ＩＩＩは、横風Ｕ１により拡散される渦領域である。これらの領域ＩＩ、ＩＩＩでは、第２ガス２２ａを第２アーク１４ａに安定して供給することが、難しい領域となる。又、線分ＡＤは噴流の外側境界、線分ＢＥは噴流の内側境界、線分ＯＧは噴流の中心線を表し、ポテンシャルコア領域は、噴射条件により噴流軸ＯＦに沿って伸縮する。
【００４２】
ここで、第２ノズル１８ａのノズル内径をｄとし、横風Ｕ１に対する噴流Ｕ０の流速比をαとして、ポテンシャルコアの長さξを内径ｄの比として、図５（ｂ）のグラフに示した。図５（ｂ）のグラフから、ポテンシャルコアの長さξは、「横風Ｕ１と噴流Ｕ０の流速比α」と「ノズル内径ｄ」に依存していることがわかる。ここで、図５（ｂ）中、黒丸のグラフはノズル内径ｄが大きい場合、白丸のグラフはノズル内径ｄが小さい場合、三角のグラフはノズル内径ｄがそれらの中間の場合を示す。図５（ｂ）のグラフ中において、α＝５〜１０の範囲について、これらのパラメータの関係を概略関数近似すると以下の式となる。
ξ＝１．３ｄ・α１／２ （１）
【００４３】
上記式（１）を用いて、横風Ｕ１と噴流Ｕ０の流速比α、ノズル内径ｄをパラメータとして、ポテンシャルコア長さξを計算した結果が図６（ａ）に示すグラフである。ここでは、標準的な第１ノズル１６ａの直径をＤとして、ノズル内径ｄ＝１／１０Ｄ、１／７Ｄ、１／５Ｄの場合について計算を行った。特許文献１におけるメインノズル１６ａの半径１／２Ｄ、つまり、メインノズル１６ａの端からアークまでの距離である１／２Ｄに代えて、本実施の形態においては第２ノズル１８ａの先端の開口端から第２アーク１４ａまでの距離を、必要なポテンシャルコア長さとすると、第２ノズル１８の内径ｄ＝１／７Ｄのノズルで流速比６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さ１／２Ｄが得られることがわかる。
【００４４】
更に、標準的な条件の横風流速、つまり、メインシールドガスの標準的な流速において（例えば、第１ノズル１６の内径＝２０ｍｍ、第１ガス２０の流量＝２０Ｌ／ｍｉｎの場合、第１ガス２０の標準的な流速＝１．１ｍ／ｓ）、不活性ガスの流量（噴流流量）を、流速比αと添加ガスノズル内径ｄをパラメータとして計算した結果が、図６（ｂ）に示すグラフである。内径ｄ＝１／７Ｄの第２ノズル１８ａで流速比５．５以上の場合に、溶滴移行形態に必要なガス流量２．５Ｌ／ｍｉｎ以上を満たすことがわかる。コスト的な側面から考えると、できるだけ少ない不活性ガスの流量で本発明の効果が得られることが望ましい。そのためには、第２ノズル１８ａの内径を小さくして、比較的高い流速比にすればよいが、小さすぎるノズル内径や大きすぎる流速比は、ポテンシャルコア領域が狭かったり、大気を巻き込んだりして、アーク部分のガスシールドが不十分になる可能性がある。従って、第１ノズル１６ａの内径が１１ｍｍ程度の小さい場合も考慮した場合、第２ノズル１８ａの内径ｄの下限としては、少なくとも１／１０Ｄ以上の内径が必要となる。又、第２ノズル１８ａの内径ｄの上限は、より大きい内径のものを用いてもよいが、ポテンシャルコア形成のための下限流速比を５とすると内径が大きいほど不活性ガスの必要流量が増加するため、不活性ガスの消費量を考慮した場合、１／４Ｄ程度までの内径が望ましい。
【００４５】
上記計算より、不活性ガスの噴射条件としては、第２ノズル１８ａの内径ｄ＝１／７Ｄ、ガス流速比α＝６．５以上の場合に、必要なポテンシャルコア長さと必要な不活性ガスの流量の両方を満足する。このような条件が満たされることが好ましい。
【００４６】
第１ガス２０ａと第２ガス２２ａとの供給方法は反対でもよい。例えば、第１ワイヤ８ａと第２ワイヤ１０ａとを収納する第１ノズル１６ａに不活性ガスが流され、第１アーク１２ａに対して第２ノズル１８ａに類似のノズルによって活性ガスが供給される構成でもよい。使用されるガスのコストの観点からは、図１、２の構成は、コストの大きい不活性ガス（例示：アルゴン）がコストの小さい活性ガス（例示：炭酸ガス）よりも少ない量で済み、好ましい。
【００４７】
図７は、実施の第２形態における溶接トーチの構成を示す。本実施の形態における溶接トーチは、図１、２と比較して、第２ノズル１８ａが設けられていない。代わりに、第１ノズル１６ｂの内部に収納され且つ第２溶接チップ６ｂを収納する中空の円筒である第２ノズル１８ｂが設けられている。第２ノズル１８ｂは、第２溶接チップ６と同軸である。第２ノズル１８ｂの溶接トーチ先端の側の端部は開口している。第２ノズル１８ｂは、溶接トーチ先端の方向に第２ガス２２ｂを流すための第２ガス供給装置に接続される。
【００４８】
こうした溶接トーチを用いた溶接は、実施の第１形態と同様に行われる。本実施の形態においては、第２ノズル１８ｂが第２ワイヤ１０ｂ、第２アーク１４ｂと同軸であるため、第２ガス２２ｂが第２アーク１４ｂの領域に均等に供給され、第２アーク１４ｂの形状を安定させやすい。更に、第２ガス２２ｂと第１ガス２０ｂの流れが平行で流れの領域が分けられていることも、第２ガス２２ｂが第２アーク１４ｂの領域に均等に供給されることに寄与する。
【００４９】
図８は、実施の第３形態における溶接トーチの構成を示す。本実施の形態における溶接トーチは、実施の第１形態と同じ第１ノズル１６ｃ、第１溶接チップ４ｃ及び第２溶接チップ６ｃを備える。本実施の形態において、第１ノズル１６ｃには仕切板２４が設置される。仕切板２４により、第１ノズル１６ｃの内部の円筒形の空間は、第１チップ４ｃが収納される第１領域５と、第２チップ６ｃが収納される第２領域７とに仕切られる。第１ノズル１６ｃの中心軸に垂直な方向の第１領域５の断面積と第２領域７の断面積とは等しい。好ましくは第１領域５と第２領域７とは鏡面対称である。
【００５０】
第１領域５と第２領域７とには、第１ガス貯蔵部２８に貯蔵される活性ガスと第２ガス貯蔵部２９に貯蔵される不活性ガスとが切換部２６を介して供給される。切換部２６は、第１モードと第２モードとの２つのモードを有し、いずれか一方に設定される。
【００５１】
第１モードにおいて、切換部２６は第１ガス貯蔵部２８の活性ガスを第１領域５に供給し、第２ガス貯蔵部２９の不活性ガスを第２領域７に供給する。
第２モードにおいて、切換部２６は第１ガス貯蔵部２８の活性ガスを第２領域７に供給し、第２ガス貯蔵部２９の不活性ガスを第１領域５に供給する。
【００５２】
駆動部は、第１溶接チップ４ｃと第２溶接チップ６ｃとを結ぶ線に平行な方向、図８のｘ軸正に溶接トーチを動かす。駆動部は、第１溶接チップ４ｃが先行する向き、すなわちｘ軸正方向に溶接トーチを動かす第１動作モードと、第２溶接チップ６ｃが先行する向き、すなわちｘ軸負方向に溶接トーチを動かす第２動作モードとを取ることができる。駆動部が第１動作モードを取るとき、切換部２６は第１モードを取るように自動制御される。駆動部が第２動作モードを取るとき、切換部２６は第２モードを取るように自動制御される。
【００５３】
駆動部は、第１動作モードに設定された状態において開先３の延長方向に沿って第１端部から第２端部まで往路の溶接を行う。第２動作モードに設定された状態において第２端部から第１端部まで復路の溶接を行う。この往復動作を、溶接が完了するまで行う。こうした動作により、実施の第１形態と同様に凝縮・集中したアークが先行し、広がったアークが後続して溶接が行われる。すなわち開先３の底部から溶融が行われるため、開先３が均質に溶接される。こうした溶接が往路と復路の両方で行われるため、溶接が短時間で行われる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、溶接装置のトーチの構成を説明するための斜視図である。
【図２】図２は、溶接装置のトーチの構成を説明するための断面図である。
【図３】図３は、溶接の動作を説明するための図である。
【図４】図４は、溶接の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、ポテンシャルコアを説明するための図である。
【図６】図６は、ポテンシャルコア長さξを計算した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、溶接装置のトーチの構成を説明するための図である。
【図８】図８は、溶接装置のトーチの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
２…母材
３…開先
４…第１溶接チップ
６…第２溶接チップ
８…第１ワイヤ
１０…第２ワイヤ
１２…第１アーク
１４…第２アーク
１６…第１ノズル
１８…第２ノズル
２０…第１ガス
２２…第２ガス
２４…仕切板
２６…切換部
２８…第１ガス貯蔵部
２９…第２ガス貯蔵部
３０…開先
３２…溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１溶接チップと、
前記第１溶接チップに対して所定位置に配置される第２溶接チップと、
前記第１溶接チップを用いて生成される第１アークに第１ガスを供給する第１ガス供給部と、
前記第２溶接チップを用いて生成される第２アークに前記第１ガスと種類の異なる第２ガスを供給する第２ガス供給部
とを具備する
溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載された溶接装置であって、
更に、前記第１アークと前記第２アークとが同時に供給されるように前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを制御する制御部
を具備する
溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された溶接装置であって、
前記第１アークと前記第２アークとは母材に単一の溶融池を形成する
溶接装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載された溶接装置であって、
前記第１溶接チップに取り付けられるワイヤと前記第２溶接チップに取り付けられるワイヤとの最短距離は２０ｍｍ以下である
溶接装置。
【請求項５】
請求項４に記載された溶接装置であって、
前記第１溶接チップは前記第２溶接チップに対して第１軸正方向に隣接し、
更に、前記前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを前記第１軸方向に移動させる駆動部
を具備する
溶接装置。
【請求項６】
請求項５に記載された溶接装置であって、
前記駆動部は前記前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを前記第１軸正方向に移動し、
前記第２ガスは、前記第１ガスよりもアークを広げる性質を有する
溶接装置。
【請求項７】
請求項６に記載された溶接装置であって、
前記第１ガスは炭酸ガスである
溶接装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載された溶接装置であって、
前記第２ガスはアルゴンガスである
溶接装置。
【請求項９】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
前記第１ガス供給部は前記第１ガスを前記第１アークの方向に導く第１ノズルを備え、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとは前記第１ノズルの内部に配置され、
前記第２ガス供給部は前記第１ノズルの側面を貫通する第２ノズルによって前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く
溶接装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された溶接装置であって、
前記第１ガスの流路と前記第２ノズルの先端付近における前記第２ガスの流路との相対角度は６０度以下である
溶接装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載された溶接装置であって、
前記第２ノズルの内径は、前記第１ノズルによって形成される流れに垂直な方向における前記第１溶接チップの中心軸と前記第２ノズルの先端との距離の１０分の１よりも大きい
溶接装置。
【請求項１２】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
前記第１ガス供給部は前記第１ガスを前記第１アークの方向に導く第１ノズルを備え、前記第１溶接チップは前記第１ノズルの内部に配置され、
前記第２ガス供給部は前記第１ノズルの内部に配置され前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く第２ノズルを備え、前記第２溶接チップは前記第２ノズルの内部に配置される
溶接装置。
【請求項１３】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
更に、内部が仕切板によって第１流路と第２流路とに二等分されたノズルを備え、
前記第１ガス供給部は前記第１流路によって前記第１ガスを前記第１アークの方向に導き、
前記第２ガス供給部は前記第２流路によって前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く
溶接装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載された溶接装置であって、
更に、前記第１ガスの供給先と前記第２ガスの供給先とを反対に切り換える切換部
を具備する
溶接装置。
【請求項１５】
第１ワイヤと母材との間に第１アークを生成するステップと、
前記第１ワイヤに対して第１軸正方向に配置された第２ワイヤと前記母材との間に第２アークを生成するステップと、
前記第１アークに対して第１ガスを供給するステップと、
前記第２アークに対して前記第１ガスと種類の異なる第２ガスを供給するステップと、
前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとを前記第１軸方向に移動するステップ
とを具備する
溶接方法。
【請求項１】
第１溶接チップと、
前記第１溶接チップに対して所定位置に配置される第２溶接チップと、
前記第１溶接チップを用いて生成される第１アークに第１ガスを供給する第１ガス供給部と、
前記第２溶接チップを用いて生成される第２アークに前記第１ガスと種類の異なる第２ガスを供給する第２ガス供給部
とを具備する
溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載された溶接装置であって、
更に、前記第１アークと前記第２アークとが同時に供給されるように前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを制御する制御部
を具備する
溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された溶接装置であって、
前記第１アークと前記第２アークとは母材に単一の溶融池を形成する
溶接装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載された溶接装置であって、
前記第１溶接チップに取り付けられるワイヤと前記第２溶接チップに取り付けられるワイヤとの最短距離は２０ｍｍ以下である
溶接装置。
【請求項５】
請求項４に記載された溶接装置であって、
前記第１溶接チップは前記第２溶接チップに対して第１軸正方向に隣接し、
更に、前記前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを前記第１軸方向に移動させる駆動部
を具備する
溶接装置。
【請求項６】
請求項５に記載された溶接装置であって、
前記駆動部は前記前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとを前記第１軸正方向に移動し、
前記第２ガスは、前記第１ガスよりもアークを広げる性質を有する
溶接装置。
【請求項７】
請求項６に記載された溶接装置であって、
前記第１ガスは炭酸ガスである
溶接装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載された溶接装置であって、
前記第２ガスはアルゴンガスである
溶接装置。
【請求項９】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
前記第１ガス供給部は前記第１ガスを前記第１アークの方向に導く第１ノズルを備え、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップとは前記第１ノズルの内部に配置され、
前記第２ガス供給部は前記第１ノズルの側面を貫通する第２ノズルによって前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く
溶接装置。
【請求項１０】
請求項９に記載された溶接装置であって、
前記第１ガスの流路と前記第２ノズルの先端付近における前記第２ガスの流路との相対角度は６０度以下である
溶接装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載された溶接装置であって、
前記第２ノズルの内径は、前記第１ノズルによって形成される流れに垂直な方向における前記第１溶接チップの中心軸と前記第２ノズルの先端との距離の１０分の１よりも大きい
溶接装置。
【請求項１２】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
前記第１ガス供給部は前記第１ガスを前記第１アークの方向に導く第１ノズルを備え、前記第１溶接チップは前記第１ノズルの内部に配置され、
前記第２ガス供給部は前記第１ノズルの内部に配置され前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く第２ノズルを備え、前記第２溶接チップは前記第２ノズルの内部に配置される
溶接装置。
【請求項１３】
請求項１乃至８に記載された溶接装置であって、
更に、内部が仕切板によって第１流路と第２流路とに二等分されたノズルを備え、
前記第１ガス供給部は前記第１流路によって前記第１ガスを前記第１アークの方向に導き、
前記第２ガス供給部は前記第２流路によって前記第２ガスを前記第２アークの方向に導く
溶接装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載された溶接装置であって、
更に、前記第１ガスの供給先と前記第２ガスの供給先とを反対に切り換える切換部
を具備する
溶接装置。
【請求項１５】
第１ワイヤと母材との間に第１アークを生成するステップと、
前記第１ワイヤに対して第１軸正方向に配置された第２ワイヤと前記母材との間に第２アークを生成するステップと、
前記第１アークに対して第１ガスを供給するステップと、
前記第２アークに対して前記第１ガスと種類の異なる第２ガスを供給するステップと、
前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとを前記第１軸方向に移動するステップ
とを具備する
溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１５２４０４（Ｐ２００７−１５２４０４Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５１９１０（Ｐ２００５−３５１９１０）
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月６日（２００５．１２．６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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