溶接装置
【課題】溶接装置において、非消耗電極の磨耗を抑制すると共に被溶接物の表面に対する酸化皮膜の発生を抑制する。
【解決手段】先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒ）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４とを設けている。
【解決手段】先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒ）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４とを設けている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タングステンなどの非消耗電極からアークを発生させると共に、シールドガスを利用し、発生する熱により被溶接物を溶融して接合を行う溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼などを接合する場合、一般的に、ＴＩＧ（ティグ）溶接と呼ばれるタングステンを電極とする非消耗電極式のガスシールドアーク溶接法が適用される。ＴＩＧ溶接法は、他に用いられる消耗電極式ガスシールドアーク溶接法であるＭＩＧ（ミグ）溶接法やＭＡＧ（マグ）溶接法と比較して、アーク安定性が良く高品質な溶接が可能である。しかし、このＴＩＧ溶接法は、他のアーク溶接法に比べて溶込みが浅い、溶着量が小さい、溶接速度が遅いなど溶接効率が低く、生産性が低いというという問題点がある。
【０００３】
このような問題を解決するものして、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。特許文献１に記載された溶接装置は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスに微量の酸素ガスを添加して均一に混合させた混合ガスをシールドガスとして使用するものであり、シールドガス中に含まれる酸素が表面活性化要素として溶接部表面に作用することにより溶融池での溶湯の対流を変化させ、深い溶け込みを得ることができる。
【０００４】
また、特許文献２に記載された溶接装置は、タングステン電極の周りに内側ノズルを配置すると共に、この内側ノズルの周りに外側ノズルを配置し、タングステン電極の内側ノズルに不活性ガスを流すと共に、内側ノズルと外側ノズルとの間に炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流しながら溶接をするものであり、シールドガスとして比較的安価な炭酸ガスを使用し、タングステン電極の消耗量を増加させず、溶接コストを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０１９５６１号公報
【特許文献２】特開２００６−０２６６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に記載された溶接装置は、不活性ガスに酸素ガスが添加されたシールドガスをタングステン電極に沿って流すことから、酸素ガスがタングステン電極に接触して反応し、このタングステン電極が酸化し、摩耗を促進して寿命を短くしてしまう。また、特許文献２に記載された溶接装置は、タングステン電極の外側に不活性ガスを流し、その外側に炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流すことから、高温となった活性ガス（炭酸ガス）が被溶接物の表面と接触して反応し、被溶接物の表面に酸化皮膜が形成されてしまい、後処理加工が必要となってしまう。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、非消耗電極の磨耗を抑制すると共に被溶接物の表面に対する酸化皮膜の発生を抑制する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】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の溶接装置は、先端部からアークを発生可能な非消耗電極と、該非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルと、該第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを前記非消耗電極の先端部側で且つ前記第１シールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルと、を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
従って、被溶接物に対して、非消耗電極の先端部からアークを発生させ、第１ノズルの先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズルの先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させる。すると、アークにより生成される被溶接物の溶融池の周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池に酸素を供給することができ、溶融池における上下方向の対流を促進し、溶融池を深く形成することができ、被溶接物の深部まで溶接金属部を形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池及びその周辺に適正に供給することができ、非消耗電極の磨耗を抑制することができると共に、被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００１０】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルは、前記非消耗電極の先端と被溶接材との間の領域に向けて前記第２シールドガスを噴出可能であることを特徴としている。
【００１１】
従って、第２シールドガスに含まれる酸素が非消耗電極に接触せずに磨耗を抑制することができると共に、この酸素が外側に広がらずに被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００１２】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルから噴出可能な第２シールドガスは、前記第１ノズルから噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度で交差する方向に噴出可能であることを特徴としている。
【００１３】
従って、第２シールドガスに含まれる酸素が第２シールドガスに適正に合流することで、外部への飛散を防止することができる。
【００１４】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルは、前記第１ノズルの先端部に周方向に均等間隔で複数配置されることを特徴としている。
【００１５】
従って、第２シールドガスを被溶接物に形成される溶融池の中心位置に向けて噴出することで、酸素を適正にこの溶融池に供給することができると共に、外部への飛散を防止することができる。
【００１６】
本発明の溶接装置では、前記第１ノズルの外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第３ノズルを設けることを特徴としている。
【００１７】
従って、第３ノズルから噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素の飛散を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の溶接装置によれば、非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルを設け、この第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを非消耗電極の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルを設けるので、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池及びその周辺に適正に供給することができ、非消耗電極の磨耗を抑制することができると共に、被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【図２】図２は、実施例１の溶接装置の水平断面図である。
【図３】図３は、実施例１の溶接装置による溶接方法を表す概略図である。
【図４】図４は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図である。
【図５】図５は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図である。
【図６】図６は、ガスタービンを表す概略構成図である。
【図７】図７は、ガスタービン燃焼器を表す概略構成図である。
【図８】図８は、本発明の実施例２に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【図９】図９は、実施例２の溶接装置の水平断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例３に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る溶接装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係る溶接装置を表す概略断面図、図２は、実施例１の溶接装置の水平断面図、図３は、実施例１の溶接装置による溶接方法を表す概略図、図４は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図、図５は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図、図６は、ガスタービンを表す概略構成図、図７は、ガスタービン燃焼器を表す概略構成図である。
【００２２】
実施例１の溶接装置は、タングステンなどの非消耗電極からアークを発生させると共に、シールドガスを利用し、発生する熱により被溶接物を溶融して接合を行う装置である。そして、この溶接装置は、例えば、ガスタービンの燃焼器を製造する過程で、各種部品を接合するために使用されるものである。
【００２３】
ガスタービンは、図６に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。
【００２４】
圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。
【００２５】
また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
【００２６】
そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。
【００２７】
従って、圧縮機１１の空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）が、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。
【００２８】
上述した燃焼器１２において、図７に示すように、燃焼器外筒４１は、内部に所定隙間をあけて燃焼器内筒４２が支持され、この燃焼器内筒４２の先端部にリング形状をなす入口環４３を介して燃焼器尾筒４４が連結されている。燃焼器内筒４２は、内部の中心位置にパイロット燃焼バーナ４５が配置され、内周面の近傍位置に周方向に沿ってパイロット燃焼バーナ４５を取り囲むように複数のメイン燃焼バーナ４６が配置されている。そして、燃焼器尾筒４４は、先端部がタービン１３のタービン車室２６に連結されると共に、中途部バイパス管４７が連結されており、このバイパス管４７にバイパス弁４８が設けられている。
【００２９】
また、燃焼器外筒４１は、基端部にパイロット燃焼バーナ４５用の燃料ポート４９と、メイン燃焼バーナ４６用の燃料ポート５０が設けられており、図示しないパイロット燃料ラインが燃料ポート４９に連結され、図示しないメイン燃料ラインが燃料ポート５０に連結されている。
【００３０】
このように構成された燃焼器１２にて、燃焼器尾筒４４は、半円断面形状をなす上部パネルと下部パネルが接合されることで、略円筒形状に製作されており、基端部に入口環４３が接合されて形成される。実施例１の溶接装置は、燃焼器尾筒４４は、この上部パネルと下部パネルとを接合すると共に、入口環４３を接合する装置として用いられる。
【００３１】
実施例１の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図１及び図２に示すように、溶接トーチ１１１を有しており、この溶接トーチ１１１は、軸心位置に配置されるタングステン電極（非消耗電極）１１２と、このタングステン電極１１２の外周側に設けられる第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外周側に設けられる第２ノズル１１４とを有している。
【００３２】
円筒形状をなすコレット１２１は、その内部の中心位置に支持筒１２２が支持され、この支持筒１２２内に円形断面の棒形状をなすタングステン電極１１２が支持されている。このタングステン電極１１２は、先端部が先細形状をなし、先端部から被溶接物としての母材１００との間にアークＡを発生させることができる。この場合、母材１００は、燃焼器尾筒４４を構成する上部パネルと下部パネルとの突合せ部、または、燃焼器尾筒４４と入口環４３との突合せ部であり、鉄鋼系の材料である。
【００３３】
コレット１２１は、その先端外周部に円筒形状の第１ノズル１１３が装着されている。この第１ノズル１１３は、基端部がコレット１２１の先端外周部に固定され、先端部がタングステン電極１１２に沿って延出され、開口面積が漸次狭くなる先細形状となっている。この場合、タングステン電極１１２の先端（図１にて下端）は、第１ノズル１１３の先端（図１にて下端）よりも若干先端側に突き出た配置となっている。そして、この第１ノズル１１３は、コレット１２１を介して不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第１シールドガスを噴出可能となっている。この場合、タングステン電極１１２及び第１ノズル１１３は、同心円状に配置されている。
【００３４】
また、第１ノズル１１３は、その先端部に複数の第２ノズル１１４が装着されている。この複数の第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置されている。各第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の外側からこの第１ノズル１１３を貫通し、先端部が下方を向くように配置されており、タングステン電極１１２の軸心方向に対して所定の傾斜角度θだけ傾斜した状態で第１ノズル１１３に固定されている。この場合、第２ノズル１１４の傾斜角度θは、４５度以下にすることが望ましい。
【００３５】
即ち、各第２ノズル１１４は、それぞれ基端部に供給ホース１２２が連結され、この供給ホース１２２を介して酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側で、且つ、第１のシールドガスの内側に向けてこの第２シールドガスを噴出可能となっている。この場合、第２ノズル１１４は、タングステン電極１１２の先端と母材１００の表面との間の領域Ｈに向けて第２シールドガスを噴出可能である。また、第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３から噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度（傾斜角度θ）で交差する方向に第２シールドガスを噴出可能である。なお、酸化性ガスは、アルゴンガスに５〜７重量％の酸素ガスを混合させることが望ましいが、この割合に限定されるものではなく、アルゴンガスを用いずに酸素ガスだけとしてもよい。
【００３６】
以下、実施例１の溶接装置を用いて母材１００の溶接を行う方法について説明する。
【００３７】
タングステン電極１１２を負極とし、母材１００を正極として、溶接トーチ１１１と母材１００の間に電圧をかけて放電させると、タングステン電極１１２から母材１００の表面に対してアークＡが発生する。この状態で、溶接トーチ１１１を図１にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。
【００３８】
このとき、第１ノズル１１３から第１シールドガス（Ａｒガス）が、タングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出され、この第１シールドガスは、溶融池１００ａに至る。また、第２ノズル１１４から第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）が、第１シールドガスの外側から交差するように母材１００の表面に向けて噴出され、この第２シールドガスは、溶融池１００ａに至る。
【００３９】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。
【００４０】
なお、溶接条件としては、溶接電流：８０〜１２０Ａ、第１シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎ、第２シールドガスの流量：３〜８Ｌ／ｍｉｎ、また、第２ノズル径：φ１．２〜φ２．４ｍｍが望ましい。
【００４１】
ここで、実施例１の溶接装置による実際の接合方法について説明する。
【００４２】
図３に示すように、母材となる接合部材１３１，１３２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１３１，１３２における各端面の付き合わせ部１３３に対し、溶接トーチ１１１をその上方で付き合わせ部１３３に沿って移動させる。すると、前述したように、この付き合わせ部１３３が溶融して溶接金属１３４となり、接合部材１３１，１３２の各端面が接合される。
【００４３】
また、図４に示すように、母材となる接合部材１４１，１４２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１４１，１４２における各端面の付き合わせ部に対し、上方から開先加工を行ない、開先部１４３を形成する。そして、この開先部１４３に対し、溶接トーチ（図示略）をその上方で開先部１４３に沿って移動させる。すると、この開先部１４３が溶融して溶接金属１４４となり、その上に溶接材料を供給しながら溶接を行うことで、肉盛溶接部１４５が形成され、接合部材１４１，１４２の各端面が接合される。ＡＡ−ＴＩＧ溶接では、板厚１０ｍｍ程度までは裏波溶接が可能であることが一般的に知られているが、溶接入熱が高い条件を選択する必要がある。例えば、電流１５０Ａ以上、速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。板厚１０ｍｍでも裏波溶接は可能であるが、溶接入熱が高いため、変形や裏波溶接の難易度が高くなる傾向がある。上述した溶接方法では、ルートフェースを最大６ｍｍとなる開先形状とすることで、安定した裏波ビード形状を確保でき、溶接品質の向上に寄与できる。
【００４４】
また、図５に示すように、母材となる接合部材１５１，１５２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１５１，１５２における各端面の付き合わせ部に対し、その下方に裏当て材１５４を配置した状態で、溶接トーチ（図示略）をその上方で付き合わせ部に沿って移動させる。すると、この付き合わせ部が溶融して溶接金属１５３となり、接合部材１５１，１５２の各端面が接合される。一般的な裏波溶接では、バックシールド（裏面にガスを流す方法）により裏波ビードの酸化を防いている。この裏波ビードの酸化を防止して裏波ビードを容易に形成できる手法として裏当て材１５４を用いている。この裏当て材１５４を用いる効果は、溶接金属１５３が裏当て材１５４で抑えられるため、アークにより溶融池を攪拌する効果が増加し、溶接欠陥の発生が少なくなる。また、裏当て材１５４により裏波高さを制御できるため、均一な高さ及び幅の裏波が得られる。
【００４５】
裏当て材１５４は，ガラス繊維状としてもよいが、より良好な裏波ビード形状を付与するためには、例えば、下記条件を満たしたセラミックス製の裏当て材１５４にすることが望ましい。溶接金属１５３の下端が接合部材１５１，１５２の下面から突出する裏波ビード高さをＢＨ、幅をＢＷ、一方、裏当て材１５４の溝１５４ａの深さ（高さ）をＨ、幅をＷとする。
ＢＨ≦Ｈ≦ＢＨ＋０．５ｍｍ
ＢＷ≦Ｗ≦ＢＷ＋５ｍｍ
即ち、裏当て材１５４の溝１５４ａの深さＨが大きいと、裏波ビード形状が大きくなる傾向があって酸化しやすい。裏当て材１５４の溝１５４ａの幅Ｗが大きいと、裏波ビード形状が小さくなって完全溶融できない。また、裏当て材１５４の材質は、セラミックスが最適であり、銅では熱伝導が良いために冷却速度が速くなり過ぎて裏波ビードが発生しない。他の金属では、溶接金属中に裏当て材の成分が混ざり、化学成分が規格を満足しなくなる可能性がある。適切な裏当て材を用いることにより良好な裏波ビードが形成され、溶接品質が向上する。
【００４６】
このように実施例１の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４とを設けている。
【００４７】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１１２の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１１３の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズル１１４の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１１２の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００４８】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４は、タングステン電極１１２の先端と母材１００との間の領域に向けて第２シールドガス噴出可能としている。従って、第２シールドガスに含まれる酸素がタングステン電極１１２に接触せずに磨耗を抑制することができると共に、この酸素が外側に広がらずに母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００４９】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４から噴出可能な第２シールドガスは、第１ノズル１１３から噴出される第１シールドガスに対して、所定の傾斜角度θで交差する方向に噴出可能としている。従って、第２シールドガスに含まれる酸素が第２シールドガスに適正に合流することで、外部への飛散を防止することができる。
【００５０】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置されている。従って、第２シールドガスを母材１００に形成される溶融池１００ａの中心位置に向けて噴出することで、酸素を適正にこの溶融池１００ａに供給することができると共に、外部への飛散を防止することができる。
【実施例２】
【００５１】
図８は、本発明の実施例２に係る溶接装置を表す概略断面図、図９は、実施例２の溶接装置の水平断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
実施例２の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図８及び図９に示すように、溶接トーチ１１１を有しており、この溶接トーチ１１１は、軸心位置に配置されるタングステン電極（非消耗電極）１１２と、このタングステン電極１１２の外周側に設けられる第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外周側に設けられる第２ノズル１１４と、第１ノズル１１３の外周側に設けられる第３ノズル１６１とを有している。
【００５３】
コレット１２１は、その内部の中心位置に支持筒１２２が支持され、この支持筒１２２内にタングステン電極１１２が支持されている。コレット１２１は、その先端外周部に円筒形状の第１ノズル１１３が装着されている。この第１ノズル１１３は、コレット１２１を介して不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第１シールドガスを噴出可能となっている。
【００５４】
また、第１ノズル１１３は、その先端部に複数の第２ノズル１１４が装着されている。この複数の第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置され、先端部が下方を向くように所定の傾斜角度θをもっと配置されている。即ち、各第２ノズル１１４は、基端部に供給ホース１２２が連結され、この供給ホース１２２を介して酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側で、且つ、第１のシールドガスの内側に向けてこの第２シールドガスを噴出可能となっている。
【００５５】
また、第３ノズル１６１は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第３シールドガスを供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第３シールドガスを噴出可能となっている。この場合、第３シールドガスは、第１シールドガスと同じ成分ガスである。
【００５６】
従って、タングステン電極１１２から母材１００の表面に対してアークＡを発生させ、この状態で、溶接トーチ１１１を図８にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。このとき、第１ノズル１１３により第１シールドガス（Ａｒガス）をタングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出し、第２ノズル１１４により第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）を第１シールドガスの外側から交差するように母材１００の表面に向けて噴出する。また、第３ノズル１６１により第３シールドガス（Ａｒガス）を第１ノズル１１３の周囲から母材１００の表面に向けて噴出する。
【００５７】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。また、第１シールドガス及び第２シールドガスの外側に第３シールドガス（Ａｒガス）を噴射することで、第２シールドガスに含まれる酸素ガスの拡散を防止でき、母材１００の表面の酸化が抑制される。
【００５８】
なお、溶接条件としては、溶接電流：８０〜１２０Ａ、第１シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎ、第２シールドガスの流量：３〜８Ｌ／ｍｉｎ、第３シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎが望ましい。
【００５９】
このように実施例２の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４と、第１ノズル１１３の外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能な第３ノズル１６１を設けている。
【００６０】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１１２の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１１３の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズル１１４の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させ、第３ノズル１６１の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１１２の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。また、第３ノズル１６１から噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素ガスの飛散を確実に防止することができる。この場合、第２ノズルから噴出された第２シールドガスのうち、溶接に使用されない酸素ガスの濃度が低下することで、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００６１】
図１０は、本発明の実施例３に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【００６２】
実施例３の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図１０に示すように、タングステン電極（非消耗電極）１７１と、このタングステン電極１７１の外周側に設けられる第１ノズル１７２と、この第１ノズル１７２の外周側に設けられる第２ノズル１７３と、第２ノズル１７３の外周側に設けられる第３ノズル１７４とを有している。各ノズル１７２，１７３，１７４は、同心円状配置された円筒形状をなしている。
【００６３】
タングステン電極１７１は、先端部が先細形状をなし、先端部から母材１００との間にアークＡを発生させることができる。第１ノズル１７２は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスをタングステン電極１７１の先端部側から噴出可能となっている。第２ノズル１７３は、酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能となっている。第３ノズル１７４は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第３シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能となっている。この場合、第１シールドガスと第３シールドガスとは同じ成分ガスである。
【００６４】
従って、タングステン電極１７１から母材１００の表面に対してアークＡを発生させ、この状態で、図８にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。このとき、第１ノズル１７２により第１シールドガス（Ａｒガス）をタングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出し、第２ノズル１７３により第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）を第１シールドガスの外側から母材１００の表面に向けて噴出し、第３ノズル１７４により第３シールドガス（Ａｒガス）を第２ノズル１７３の周囲から母材１００の表面に向けて噴出する。
【００６５】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。また、第１シールドガス及び第２シールドガスの外側に第３シールドガス（Ａｒガス）を噴射することで、第２シールドガスに含まれる酸素ガスの拡散を防止でき、母材１００の表面の酸化が抑制される。
【００６６】
このように実施例３の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１７１と、このタングステン電極１７１の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１７２と、この第１ノズル１７２の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第２ノズル１７３と、第２ノズル１７３の外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流してタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第３ノズル１７４を設けている。
【００６７】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１７１の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１７２の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させ、第２ノズル１７３の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を噴出させ、第３ノズル１７４の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１７１の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。また、第３ノズル１７４から噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素ガスの飛散を確実に防止することができる。この場合、第２ノズルから噴出された第２シールドガスのうち、溶接に使用されない酸素ガスの濃度が低下することで、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係る溶接装置は、非消耗電極の外側に不活性ガスを噴出可能とすると共に、第１シールドガスの内側に向けて酸化性ガスからなる第２シールドガスを噴出可能とすることで、非消耗電極の磨耗を抑制すると共に被溶接物の表面に対する酸化皮膜の発生を抑制するものであり、いずれの種類の溶接装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１００ 母材（被溶接物）
１１１ 溶接トーチ
１１２，１７１ タングステン電極（非消耗電極）
１１３，１７２ 第１ノズル
１１４，１７３ 第２ノズル
１６１，１７４ 第３ノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タングステンなどの非消耗電極からアークを発生させると共に、シールドガスを利用し、発生する熱により被溶接物を溶融して接合を行う溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼などを接合する場合、一般的に、ＴＩＧ（ティグ）溶接と呼ばれるタングステンを電極とする非消耗電極式のガスシールドアーク溶接法が適用される。ＴＩＧ溶接法は、他に用いられる消耗電極式ガスシールドアーク溶接法であるＭＩＧ（ミグ）溶接法やＭＡＧ（マグ）溶接法と比較して、アーク安定性が良く高品質な溶接が可能である。しかし、このＴＩＧ溶接法は、他のアーク溶接法に比べて溶込みが浅い、溶着量が小さい、溶接速度が遅いなど溶接効率が低く、生産性が低いというという問題点がある。
【０００３】
このような問題を解決するものして、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。特許文献１に記載された溶接装置は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスに微量の酸素ガスを添加して均一に混合させた混合ガスをシールドガスとして使用するものであり、シールドガス中に含まれる酸素が表面活性化要素として溶接部表面に作用することにより溶融池での溶湯の対流を変化させ、深い溶け込みを得ることができる。
【０００４】
また、特許文献２に記載された溶接装置は、タングステン電極の周りに内側ノズルを配置すると共に、この内側ノズルの周りに外側ノズルを配置し、タングステン電極の内側ノズルに不活性ガスを流すと共に、内側ノズルと外側ノズルとの間に炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流しながら溶接をするものであり、シールドガスとして比較的安価な炭酸ガスを使用し、タングステン電極の消耗量を増加させず、溶接コストを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０１９５６１号公報
【特許文献２】特開２００６−０２６６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に記載された溶接装置は、不活性ガスに酸素ガスが添加されたシールドガスをタングステン電極に沿って流すことから、酸素ガスがタングステン電極に接触して反応し、このタングステン電極が酸化し、摩耗を促進して寿命を短くしてしまう。また、特許文献２に記載された溶接装置は、タングステン電極の外側に不活性ガスを流し、その外側に炭酸ガスを主成分とする活性ガスを流すことから、高温となった活性ガス（炭酸ガス）が被溶接物の表面と接触して反応し、被溶接物の表面に酸化皮膜が形成されてしまい、後処理加工が必要となってしまう。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、非消耗電極の磨耗を抑制すると共に被溶接物の表面に対する酸化皮膜の発生を抑制する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】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の溶接装置は、先端部からアークを発生可能な非消耗電極と、該非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルと、該第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを前記非消耗電極の先端部側で且つ前記第１シールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルと、を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
従って、被溶接物に対して、非消耗電極の先端部からアークを発生させ、第１ノズルの先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズルの先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させる。すると、アークにより生成される被溶接物の溶融池の周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池に酸素を供給することができ、溶融池における上下方向の対流を促進し、溶融池を深く形成することができ、被溶接物の深部まで溶接金属部を形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池及びその周辺に適正に供給することができ、非消耗電極の磨耗を抑制することができると共に、被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００１０】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルは、前記非消耗電極の先端と被溶接材との間の領域に向けて前記第２シールドガスを噴出可能であることを特徴としている。
【００１１】
従って、第２シールドガスに含まれる酸素が非消耗電極に接触せずに磨耗を抑制することができると共に、この酸素が外側に広がらずに被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００１２】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルから噴出可能な第２シールドガスは、前記第１ノズルから噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度で交差する方向に噴出可能であることを特徴としている。
【００１３】
従って、第２シールドガスに含まれる酸素が第２シールドガスに適正に合流することで、外部への飛散を防止することができる。
【００１４】
本発明の溶接装置では、前記第２ノズルは、前記第１ノズルの先端部に周方向に均等間隔で複数配置されることを特徴としている。
【００１５】
従って、第２シールドガスを被溶接物に形成される溶融池の中心位置に向けて噴出することで、酸素を適正にこの溶融池に供給することができると共に、外部への飛散を防止することができる。
【００１６】
本発明の溶接装置では、前記第１ノズルの外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第３ノズルを設けることを特徴としている。
【００１７】
従って、第３ノズルから噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素の飛散を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の溶接装置によれば、非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルを設け、この第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを非消耗電極の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルを設けるので、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池及びその周辺に適正に供給することができ、非消耗電極の磨耗を抑制することができると共に、被溶接物に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【図２】図２は、実施例１の溶接装置の水平断面図である。
【図３】図３は、実施例１の溶接装置による溶接方法を表す概略図である。
【図４】図４は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図である。
【図５】図５は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図である。
【図６】図６は、ガスタービンを表す概略構成図である。
【図７】図７は、ガスタービン燃焼器を表す概略構成図である。
【図８】図８は、本発明の実施例２に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【図９】図９は、実施例２の溶接装置の水平断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例３に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る溶接装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係る溶接装置を表す概略断面図、図２は、実施例１の溶接装置の水平断面図、図３は、実施例１の溶接装置による溶接方法を表す概略図、図４は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図、図５は、実施例１の溶接装置による別の溶接方法を表す概略図、図６は、ガスタービンを表す概略構成図、図７は、ガスタービン燃焼器を表す概略構成図である。
【００２２】
実施例１の溶接装置は、タングステンなどの非消耗電極からアークを発生させると共に、シールドガスを利用し、発生する熱により被溶接物を溶融して接合を行う装置である。そして、この溶接装置は、例えば、ガスタービンの燃焼器を製造する過程で、各種部品を接合するために使用されるものである。
【００２３】
ガスタービンは、図６に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。
【００２４】
圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。
【００２５】
また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
【００２６】
そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。
【００２７】
従って、圧縮機１１の空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）が、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。
【００２８】
上述した燃焼器１２において、図７に示すように、燃焼器外筒４１は、内部に所定隙間をあけて燃焼器内筒４２が支持され、この燃焼器内筒４２の先端部にリング形状をなす入口環４３を介して燃焼器尾筒４４が連結されている。燃焼器内筒４２は、内部の中心位置にパイロット燃焼バーナ４５が配置され、内周面の近傍位置に周方向に沿ってパイロット燃焼バーナ４５を取り囲むように複数のメイン燃焼バーナ４６が配置されている。そして、燃焼器尾筒４４は、先端部がタービン１３のタービン車室２６に連結されると共に、中途部バイパス管４７が連結されており、このバイパス管４７にバイパス弁４８が設けられている。
【００２９】
また、燃焼器外筒４１は、基端部にパイロット燃焼バーナ４５用の燃料ポート４９と、メイン燃焼バーナ４６用の燃料ポート５０が設けられており、図示しないパイロット燃料ラインが燃料ポート４９に連結され、図示しないメイン燃料ラインが燃料ポート５０に連結されている。
【００３０】
このように構成された燃焼器１２にて、燃焼器尾筒４４は、半円断面形状をなす上部パネルと下部パネルが接合されることで、略円筒形状に製作されており、基端部に入口環４３が接合されて形成される。実施例１の溶接装置は、燃焼器尾筒４４は、この上部パネルと下部パネルとを接合すると共に、入口環４３を接合する装置として用いられる。
【００３１】
実施例１の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図１及び図２に示すように、溶接トーチ１１１を有しており、この溶接トーチ１１１は、軸心位置に配置されるタングステン電極（非消耗電極）１１２と、このタングステン電極１１２の外周側に設けられる第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外周側に設けられる第２ノズル１１４とを有している。
【００３２】
円筒形状をなすコレット１２１は、その内部の中心位置に支持筒１２２が支持され、この支持筒１２２内に円形断面の棒形状をなすタングステン電極１１２が支持されている。このタングステン電極１１２は、先端部が先細形状をなし、先端部から被溶接物としての母材１００との間にアークＡを発生させることができる。この場合、母材１００は、燃焼器尾筒４４を構成する上部パネルと下部パネルとの突合せ部、または、燃焼器尾筒４４と入口環４３との突合せ部であり、鉄鋼系の材料である。
【００３３】
コレット１２１は、その先端外周部に円筒形状の第１ノズル１１３が装着されている。この第１ノズル１１３は、基端部がコレット１２１の先端外周部に固定され、先端部がタングステン電極１１２に沿って延出され、開口面積が漸次狭くなる先細形状となっている。この場合、タングステン電極１１２の先端（図１にて下端）は、第１ノズル１１３の先端（図１にて下端）よりも若干先端側に突き出た配置となっている。そして、この第１ノズル１１３は、コレット１２１を介して不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第１シールドガスを噴出可能となっている。この場合、タングステン電極１１２及び第１ノズル１１３は、同心円状に配置されている。
【００３４】
また、第１ノズル１１３は、その先端部に複数の第２ノズル１１４が装着されている。この複数の第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置されている。各第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の外側からこの第１ノズル１１３を貫通し、先端部が下方を向くように配置されており、タングステン電極１１２の軸心方向に対して所定の傾斜角度θだけ傾斜した状態で第１ノズル１１３に固定されている。この場合、第２ノズル１１４の傾斜角度θは、４５度以下にすることが望ましい。
【００３５】
即ち、各第２ノズル１１４は、それぞれ基端部に供給ホース１２２が連結され、この供給ホース１２２を介して酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側で、且つ、第１のシールドガスの内側に向けてこの第２シールドガスを噴出可能となっている。この場合、第２ノズル１１４は、タングステン電極１１２の先端と母材１００の表面との間の領域Ｈに向けて第２シールドガスを噴出可能である。また、第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３から噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度（傾斜角度θ）で交差する方向に第２シールドガスを噴出可能である。なお、酸化性ガスは、アルゴンガスに５〜７重量％の酸素ガスを混合させることが望ましいが、この割合に限定されるものではなく、アルゴンガスを用いずに酸素ガスだけとしてもよい。
【００３６】
以下、実施例１の溶接装置を用いて母材１００の溶接を行う方法について説明する。
【００３７】
タングステン電極１１２を負極とし、母材１００を正極として、溶接トーチ１１１と母材１００の間に電圧をかけて放電させると、タングステン電極１１２から母材１００の表面に対してアークＡが発生する。この状態で、溶接トーチ１１１を図１にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。
【００３８】
このとき、第１ノズル１１３から第１シールドガス（Ａｒガス）が、タングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出され、この第１シールドガスは、溶融池１００ａに至る。また、第２ノズル１１４から第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）が、第１シールドガスの外側から交差するように母材１００の表面に向けて噴出され、この第２シールドガスは、溶融池１００ａに至る。
【００３９】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。
【００４０】
なお、溶接条件としては、溶接電流：８０〜１２０Ａ、第１シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎ、第２シールドガスの流量：３〜８Ｌ／ｍｉｎ、また、第２ノズル径：φ１．２〜φ２．４ｍｍが望ましい。
【００４１】
ここで、実施例１の溶接装置による実際の接合方法について説明する。
【００４２】
図３に示すように、母材となる接合部材１３１，１３２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１３１，１３２における各端面の付き合わせ部１３３に対し、溶接トーチ１１１をその上方で付き合わせ部１３３に沿って移動させる。すると、前述したように、この付き合わせ部１３３が溶融して溶接金属１３４となり、接合部材１３１，１３２の各端面が接合される。
【００４３】
また、図４に示すように、母材となる接合部材１４１，１４２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１４１，１４２における各端面の付き合わせ部に対し、上方から開先加工を行ない、開先部１４３を形成する。そして、この開先部１４３に対し、溶接トーチ（図示略）をその上方で開先部１４３に沿って移動させる。すると、この開先部１４３が溶融して溶接金属１４４となり、その上に溶接材料を供給しながら溶接を行うことで、肉盛溶接部１４５が形成され、接合部材１４１，１４２の各端面が接合される。ＡＡ−ＴＩＧ溶接では、板厚１０ｍｍ程度までは裏波溶接が可能であることが一般的に知られているが、溶接入熱が高い条件を選択する必要がある。例えば、電流１５０Ａ以上、速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。板厚１０ｍｍでも裏波溶接は可能であるが、溶接入熱が高いため、変形や裏波溶接の難易度が高くなる傾向がある。上述した溶接方法では、ルートフェースを最大６ｍｍとなる開先形状とすることで、安定した裏波ビード形状を確保でき、溶接品質の向上に寄与できる。
【００４４】
また、図５に示すように、母材となる接合部材１５１，１５２の各端面を付き合わせ状態で拘束し、この接合部材１５１，１５２における各端面の付き合わせ部に対し、その下方に裏当て材１５４を配置した状態で、溶接トーチ（図示略）をその上方で付き合わせ部に沿って移動させる。すると、この付き合わせ部が溶融して溶接金属１５３となり、接合部材１５１，１５２の各端面が接合される。一般的な裏波溶接では、バックシールド（裏面にガスを流す方法）により裏波ビードの酸化を防いている。この裏波ビードの酸化を防止して裏波ビードを容易に形成できる手法として裏当て材１５４を用いている。この裏当て材１５４を用いる効果は、溶接金属１５３が裏当て材１５４で抑えられるため、アークにより溶融池を攪拌する効果が増加し、溶接欠陥の発生が少なくなる。また、裏当て材１５４により裏波高さを制御できるため、均一な高さ及び幅の裏波が得られる。
【００４５】
裏当て材１５４は，ガラス繊維状としてもよいが、より良好な裏波ビード形状を付与するためには、例えば、下記条件を満たしたセラミックス製の裏当て材１５４にすることが望ましい。溶接金属１５３の下端が接合部材１５１，１５２の下面から突出する裏波ビード高さをＢＨ、幅をＢＷ、一方、裏当て材１５４の溝１５４ａの深さ（高さ）をＨ、幅をＷとする。
ＢＨ≦Ｈ≦ＢＨ＋０．５ｍｍ
ＢＷ≦Ｗ≦ＢＷ＋５ｍｍ
即ち、裏当て材１５４の溝１５４ａの深さＨが大きいと、裏波ビード形状が大きくなる傾向があって酸化しやすい。裏当て材１５４の溝１５４ａの幅Ｗが大きいと、裏波ビード形状が小さくなって完全溶融できない。また、裏当て材１５４の材質は、セラミックスが最適であり、銅では熱伝導が良いために冷却速度が速くなり過ぎて裏波ビードが発生しない。他の金属では、溶接金属中に裏当て材の成分が混ざり、化学成分が規格を満足しなくなる可能性がある。適切な裏当て材を用いることにより良好な裏波ビードが形成され、溶接品質が向上する。
【００４６】
このように実施例１の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４とを設けている。
【００４７】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１１２の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１１３の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズル１１４の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１１２の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００４８】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４は、タングステン電極１１２の先端と母材１００との間の領域に向けて第２シールドガス噴出可能としている。従って、第２シールドガスに含まれる酸素がタングステン電極１１２に接触せずに磨耗を抑制することができると共に、この酸素が外側に広がらずに母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【００４９】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４から噴出可能な第２シールドガスは、第１ノズル１１３から噴出される第１シールドガスに対して、所定の傾斜角度θで交差する方向に噴出可能としている。従って、第２シールドガスに含まれる酸素が第２シールドガスに適正に合流することで、外部への飛散を防止することができる。
【００５０】
また、実施例１の溶接装置では、第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置されている。従って、第２シールドガスを母材１００に形成される溶融池１００ａの中心位置に向けて噴出することで、酸素を適正にこの溶融池１００ａに供給することができると共に、外部への飛散を防止することができる。
【実施例２】
【００５１】
図８は、本発明の実施例２に係る溶接装置を表す概略断面図、図９は、実施例２の溶接装置の水平断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５２】
実施例２の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図８及び図９に示すように、溶接トーチ１１１を有しており、この溶接トーチ１１１は、軸心位置に配置されるタングステン電極（非消耗電極）１１２と、このタングステン電極１１２の外周側に設けられる第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外周側に設けられる第２ノズル１１４と、第１ノズル１１３の外周側に設けられる第３ノズル１６１とを有している。
【００５３】
コレット１２１は、その内部の中心位置に支持筒１２２が支持され、この支持筒１２２内にタングステン電極１１２が支持されている。コレット１２１は、その先端外周部に円筒形状の第１ノズル１１３が装着されている。この第１ノズル１１３は、コレット１２１を介して不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第１シールドガスを噴出可能となっている。
【００５４】
また、第１ノズル１１３は、その先端部に複数の第２ノズル１１４が装着されている。この複数の第２ノズル１１４は、第１ノズル１１３の先端部に周方向に均等間隔で複数配置され、先端部が下方を向くように所定の傾斜角度θをもっと配置されている。即ち、各第２ノズル１１４は、基端部に供給ホース１２２が連結され、この供給ホース１２２を介して酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスが供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側で、且つ、第１のシールドガスの内側に向けてこの第２シールドガスを噴出可能となっている。
【００５５】
また、第３ノズル１６１は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第３シールドガスを供給可能であり、タングステン電極１１２の先端部側からこの第３シールドガスを噴出可能となっている。この場合、第３シールドガスは、第１シールドガスと同じ成分ガスである。
【００５６】
従って、タングステン電極１１２から母材１００の表面に対してアークＡを発生させ、この状態で、溶接トーチ１１１を図８にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。このとき、第１ノズル１１３により第１シールドガス（Ａｒガス）をタングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出し、第２ノズル１１４により第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）を第１シールドガスの外側から交差するように母材１００の表面に向けて噴出する。また、第３ノズル１６１により第３シールドガス（Ａｒガス）を第１ノズル１１３の周囲から母材１００の表面に向けて噴出する。
【００５７】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。また、第１シールドガス及び第２シールドガスの外側に第３シールドガス（Ａｒガス）を噴射することで、第２シールドガスに含まれる酸素ガスの拡散を防止でき、母材１００の表面の酸化が抑制される。
【００５８】
なお、溶接条件としては、溶接電流：８０〜１２０Ａ、第１シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎ、第２シールドガスの流量：３〜８Ｌ／ｍｉｎ、第３シールドガスの流量：８〜１５Ｌ／ｍｉｎが望ましい。
【００５９】
このように実施例２の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１１２と、このタングステン電極１１２の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１１３と、この第１ノズル１１３の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側で且つ第１のシールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズル１１４と、第１ノズル１１３の外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流してタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能な第３ノズル１６１を設けている。
【００６０】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１１２の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１１３の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させると共に、第２ノズル１１４の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を第１のシールドガスの内側に向けて噴出させ、第３ノズル１６１の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを第１シールドガスの内側に向けて噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１１２の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。また、第３ノズル１６１から噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素ガスの飛散を確実に防止することができる。この場合、第２ノズルから噴出された第２シールドガスのうち、溶接に使用されない酸素ガスの濃度が低下することで、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００６１】
図１０は、本発明の実施例３に係る溶接装置を表す概略断面図である。
【００６２】
実施例３の溶接装置は、ＡＡ−ＴＩＧ溶接装置であって、図１０に示すように、タングステン電極（非消耗電極）１７１と、このタングステン電極１７１の外周側に設けられる第１ノズル１７２と、この第１ノズル１７２の外周側に設けられる第２ノズル１７３と、第２ノズル１７３の外周側に設けられる第３ノズル１７４とを有している。各ノズル１７２，１７３，１７４は、同心円状配置された円筒形状をなしている。
【００６３】
タングステン電極１７１は、先端部が先細形状をなし、先端部から母材１００との間にアークＡを発生させることができる。第１ノズル１７２は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第１シールドガスをタングステン電極１７１の先端部側から噴出可能となっている。第２ノズル１７３は、酸化性ガス（例えば、アルゴンガス＋酸素ガスや二酸化炭素ガスなど）からなる第２シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能となっている。第３ノズル１７４は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスやヘリウムガスなど）からなる第３シールドガスをタングステン電極１１２の先端部側から噴出可能となっている。この場合、第１シールドガスと第３シールドガスとは同じ成分ガスである。
【００６４】
従って、タングステン電極１７１から母材１００の表面に対してアークＡを発生させ、この状態で、図８にて左方に移動させると、アークＡの熱により母材１００が溶融して溶融池１００ａが形成され、母材１００の溶接を行うことができる。このとき、第１ノズル１７２により第１シールドガス（Ａｒガス）をタングステン電極１１２の周囲から母材１００の表面に向けて噴出し、第２ノズル１７３により第２シールドガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）を第１シールドガスの外側から母材１００の表面に向けて噴出し、第３ノズル１７４により第３シールドガス（Ａｒガス）を第２ノズル１７３の周囲から母材１００の表面に向けて噴出する。
【００６５】
すると、母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度が高くなると共に、この溶融池１００ａに酸素が供給されることとなり、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができる。そして、この溶融池１００ａは、冷却された後に溶融金属１００ｂとなり、母材１００の深部までこの溶接金属１００ｂを形成することができる。また、第１シールドガス及び第２シールドガスの外側に第３シールドガス（Ａｒガス）を噴射することで、第２シールドガスに含まれる酸素ガスの拡散を防止でき、母材１００の表面の酸化が抑制される。
【００６６】
このように実施例３の溶接装置にあっては、先端部からアークＡを発生可能なタングステン電極１７１と、このタングステン電極１７１の外側にアルゴンガス（Ａｒガス）からなる第１シールドガスを流してタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第１ノズル１７２と、この第１ノズル１７２の外側から酸化性ガス（Ａｒ＋Ｏ２ガス）からなる第２シールドガスをタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第２ノズル１７３と、第２ノズル１７３の外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流してタングステン電極１７１の先端部側から母材１００に向けて噴出可能な第３ノズル１７４を設けている。
【００６７】
従って、母材１００に対して、タングステン電極１７１の先端部からアークＡを発生させ、第１ノズル１７２の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させ、第２ノズル１７３の先端部から第２シールドガス（酸化性ガス）を噴出させ、第３ノズル１７４の先端部から第１シールドガス（不活性ガス）を噴出させる。すると、アークＡにより生成される母材１００の溶融池１００ａの周辺の酸素濃度を高くすることができると共に、この溶融池１００ａに酸素を供給することができ、溶融池１００ａにおける上下方向の対流を促進し、溶融池１００ａを深く形成することができ、母材１００の深部まで溶接金属１００ｂを形成することができる。この場合、第２シールドガスを噴出させることで、第２シールドガスに含まれる酸素を溶融池１００ａ及びその周辺に適正に供給することができ、タングステン電極１７１の磨耗を抑制することができると共に、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。また、第３ノズル１７４から噴出される第３シールドガスにより、第２ノズルから噴出された第２シールドガスに含まれる酸素ガスの飛散を確実に防止することができる。この場合、第２ノズルから噴出された第２シールドガスのうち、溶接に使用されない酸素ガスの濃度が低下することで、母材１００に対する酸化皮膜の発生を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係る溶接装置は、非消耗電極の外側に不活性ガスを噴出可能とすると共に、第１シールドガスの内側に向けて酸化性ガスからなる第２シールドガスを噴出可能とすることで、非消耗電極の磨耗を抑制すると共に被溶接物の表面に対する酸化皮膜の発生を抑制するものであり、いずれの種類の溶接装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１００ 母材（被溶接物）
１１１ 溶接トーチ
１１２，１７１ タングステン電極（非消耗電極）
１１３，１７２ 第１ノズル
１１４，１７３ 第２ノズル
１６１，１７４ 第３ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部からアークを発生可能な非消耗電極と、
該非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルと、
該第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを前記非消耗電極の先端部側で且つ前記第１シールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルと、
を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記第２ノズルは、前記非消耗電極の先端と被溶接材との間の領域に向けて前記第２シールドガスを噴出可能であることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記第２ノズルから噴出可能な第２シールドガスは、前記第１ノズルから噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度で交差する方向に噴出可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記第２ノズルは、前記第１ノズルの先端部に周方向に均等間隔で複数配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の溶接装置。
【請求項５】
前記第１ノズルの外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第３ノズルを設けることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の溶接装置。
【請求項１】
先端部からアークを発生可能な非消耗電極と、
該非消耗電極の外側に不活性ガスからなる第１シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第１ノズルと、
該第１ノズルの外側から酸化性ガスからなる第２シールドガスを前記非消耗電極の先端部側で且つ前記第１シールドガスの内側に向けて噴出可能な第２ノズルと、
を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記第２ノズルは、前記非消耗電極の先端と被溶接材との間の領域に向けて前記第２シールドガスを噴出可能であることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記第２ノズルから噴出可能な第２シールドガスは、前記第１ノズルから噴出される第１シールドガスに対して、所定の角度で交差する方向に噴出可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記第２ノズルは、前記第１ノズルの先端部に周方向に均等間隔で複数配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の溶接装置。
【請求項５】
前記第１ノズルの外側に不活性ガスからなる第３シールドガスを流して前記非消耗電極の先端部側から噴出可能な第３ノズルを設けることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の溶接装置。
【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２０１２−８１５１３（Ｐ２０１２−８１５１３Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３１８６４（Ｐ２０１０−２３１８６４）
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【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２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【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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