JP2016016430A - 二重ノズルを備えた溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】母材とノズルとの距離に関わらず、シールド性能が高く安定した溶接品質を得る。
【解決手段】ＭＡＧ溶接の溶接トーチ１は、溶接用ワイヤ３と、第一シールドガスを整流するセラミック製のオリフィス５と、オリフィス５の周囲に配設して第一シールドガスを噴出するインナーノズル７と、インナーノズル７の外側に配設して第二シールドガスを噴出するアウターノズル８とを備えた。溶接用ワイヤ３を挿通させて通電するコンタクトチップ４をインナーノズル７の開口７ａより突出させた。アウターノズル８の内部に第二シールドガスを整流させるガスレンズ１２を備えた。アウターノズル８の開口８ａをインナーノズル７の開口７ａより基端側に配設し、開口８ａ側を縮径させた縮径部８ｂを形成し、ガスレンズ１２の下流側に溶接時のスパッタを捕捉する通気性の高い耐熱繊維体１３を充填させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＭＡＧ溶接装置においてシールドガスを溶接部へ整流化させて供給するようにした二重ノズルを備えた溶接装置に関するものである。

従来、鋼管等の円管同士を円周溶接する溶接装置としてＭＡＧ溶接装置が一般的に知られており、例えば特許文献１に記載された円周溶接装置が提案されている。ＭＡＧ溶接装置では、シールドガスとしてアルゴン等の不活性ガスと炭酸ガスを混合したものを使用しており、シールドガスを整流する手段として一般的にセラミック製のオリフィスが用いられている。

一方、ＴＩＧ溶接装置では、不活性ガスをシールドガスとして用いてアーク溶接する際、スラグや金属粒等のスパッタが発生しないため、オリフィスとしてガスレンズを用いてシールドガスの整流化を促進させてシールド効果を向上させている。しかしながら、ＭＡＧ溶接装置では、溶接時にスパッタが常時発生するため、オリフィスとしてガスレンズを用いるとスパッタが付着してしまいシールドガスの整流化を妨げるという欠点がある。しかも、ガスレンズに付着したスパッタは取りにくく強引に取り外すとガスレンズが破損することがあった。

そのため、ＭＡＧ溶接装置では、通常はスパッタが付着しにくいセラミック製のオリフィスが用いられている。ＭＡＧ溶接に際し、溶接トーチのガス噴出孔から噴出されるシールドガスをセラミック製のオリフィスによって整流してノズルから溶接部に噴出させてアークを包み込むことで溶接品質を確保している。

特開平７−２９０２３７号公報

しかしながら、セラミック製のオリフィスはガスレンズと比較して整流効果が小さく、シールドガスが比較的拡散しやすかった。そのため、ＭＡＧ溶接では、溶接すべき母材の板厚が大きい場合、開先が深い初層では溶接トーチのノズル先端を開先内に挿入して母材と近い距離で溶接できるが、開先の溶接が最終層に進んでノズル先端と母材との距離が大きくなると、アーク近傍でシールドガスが拡散して乱流が発生するため、アークのシールド性が小さくなり、溶接品質が不安定になったり低下したりするという欠点があった。

また、溶接部のシールド効果はノズル先端から母材までの距離によって決まるため、溶接トーチは母材とノズル先端との距離の変化に応じてノズル長さの異なるものに交換して、シールドガスの乱流発生を防止し整流でアークを包んで溶接を行う必要があった。しかし、溶接トーチの交換は溶接作業が煩雑になり手間がかかるという欠点があった。

また、ＭＡＧ溶接において、シールド性を向上させるために二重ノズルを採用してシールド面積を大きくすることで、ノズル交換頻度を減少させて作業効率を向上させることがあった。しかしながら、このような溶接方法では、多量のシールドガスを消費すると共に、シールドガスが拡散するために溶接品質が安定しないという欠点があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、母材とノズルとの間の距離に関わらず、シールド性能が高く安定した溶接品質を得られるようにした二重ノズルを備えた溶接装置を提供することを目的とする。

本発明による二重ノズルを備えた溶接装置は、溶接用ワイヤと、第一シールドガスを整流するオリフィスと、オリフィスの周囲に配設して第一シールドガスを噴出するインナーノズルと、インナーノズルの外側に配設して第二シールドガスを噴出するアウターノズルと、アウターノズルの内部に設けられていて通過する第二シールドガスを整流させるガスレンズと、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、溶接用ワイヤによる母材の溶接時にオリフィスを介してインナーノズルから第一シールドガスを噴出させると共に、アウターノズルからガスレンズを通して第二シールドガスを整流化して噴出させることで、第一シールドガスの整流性能に関わらずその外周側を流れる第二シールドガスの整流作用によって第一シールドガスの拡散を規制して二層の層流を形成することができて直線的に噴出させる。そのため、ノズルと母材との距離が長くても第一及び第二シールドガスによってアークを包み込んでシールド性能を高くして安定した溶接品質を得られる。

また、アウターノズルの内部には、ガスレンズの下流側に溶接時のスパッタを捕捉する通気性の捕捉体を備えていることが好ましい。
溶接に際しアークによってスパッタが発生してもアウターノズル内に侵入するスパッタは通気性の捕捉体で捕捉してガスレンズに付着することを防止するから、第二シールドガスの整流化を妨げることがなく、しかも捕捉体の隙間から整流化した第二シールドガスを通過させてアークに噴出させることができる。

また、アウターノズルの開口はインナーノズルの開口よりも後退していることが好ましい。
アウターノズルの開口がインナーノズルの開口よりも基端側に後退していると、開口を通してスパッタがアウターノズル内に侵入することを低減することができる。

また、アウターノズルはガスレンズの開口側が縮径された縮径部を形成していることが好ましい。
アウターノズルにおけるガスレンズの開口側に縮径部を形成したから、スパッタがアウターノズル内に侵入することを低減できると共にガスレンズを通過した第二シールドガスの流速を高めて直進性を向上できる。

また、通気性の捕捉体はメッシュ状の耐熱繊維体であってもよい。
通気性の高い耐熱繊維体をアウターノズル内に設置することで、第二シールドガスの通気を許容してスパッタを捕捉できる。

また、インナーノズル内に設けたオリフィスはセラミック製であってもよい。
インナーノズル内に設けたオリフィスがセラミック製であると、スパッタがインナーノズル内に侵入したとしてもオリフィスに付着し難く、また整流作用は比較的小さいが第二シールドガスの強い整流作用によって第一シールドガスの拡散を抑制して二層の層流を維持できて直進性が高くなるためアークのシールド性能が高い。

本発明による二重ノズルを備えた溶接装置によれば、アウターノズルの内側にガスレンズを配設して第二シールドガスの整流を長く維持することで、インナーノズルから噴出する第一シールドガスの整流が比較的短くて拡散し易くても第一シールドガスと第二シールドガスを二層の層流として直進性を高めることができるので、アークのシールド性が向上して溶接品質を安定させることができる。そのため、溶接に際して母材とノズルとの距離の長さに関わらずノズル交換することなく高品質の溶接が行える。

本発明の実施形態によるＭＡＧ溶接用溶接トーチの要部縦断面図である。 図１に示すＭＡＧ溶接用溶接トーチで母材の初層の開先を溶接する工程を示す図である。 ＭＡＧ溶接用溶接トーチで母材の最終層の開先を溶接する工程を示す図である。

以下、添付の図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態によるＭＡＧ溶接装置の溶接トーチ１について説明する。なお、本明細書において、溶接トーチ１からシールドガスを噴出する開口の側を先端側、下流側または開口側といい、その反対側を基端側または上流側というものと規定する。
図１に示すＭＡＧ溶接用溶接トーチ１は、例えば母材としての鋼管同士を円周溶接するための溶接トーチであり、溶接トーチ本体２内の中央孔部を溶接ワイヤ３が挿通され、先端に溶接ワイヤ３を挿通させて通電するためのコンタクトチップ４が設けられている。溶接ワイヤ３の基端側部分はドラムに巻回されて繰り出し可能とされている。
コンタクトチップ４の基端側にはシールドガスを整流化させるためのオリフィス５が配設されており、ＭＡＧ溶接では、溶接時にスパッタが常時発生するためにスパッタが付着しにくいセラミック製のオリフィス５が用いられる。ＭＡＧ溶接で用いるシールドガスは、通常、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスと炭酸ガス（ＣＯ_２）との混合ガスである。

オリフィス５の外周側にはオリフィス５から噴出される整流化されたシールドガスを一次シールドガスとしてアークに噴出するための筒状のインナーノズル７が配設され、インナーノズル７の基端側はリング状に形成された段部７ｂを介して縮径されて溶接トーチ本体２の先端側外周に取り付けられている。また、インナーノズル７の外周側には筒状のアウターノズル８が取り付けられている。そのため、インナーノズル７とアウターノズル８は所定間隔を開けた例えば同心の二重筒からなる二重ノズルを構成するが、同心に配設されていなくてもよい。

また、溶接トーチ本体２の基端側には、オリフィス５にシールドガスを供給する溶接トーチ本体２内に設けたインナー通路に接続されたインナーガス供給管９が接続されている。インナーガス供給管９とは別にアウターノズル８にシールドガスを供給するアウターガス供給管１０が接続されている。なお、アウターガス供給管１０は溶接トーチ本体２内に形成してアウターノズル８に連通させてもよい。
ここで、便宜的にインナーノズル７から噴出されるシールドガスを第一シールドガスといい、アウターノズル８から噴出されるシールドガスを第二シールドガスというものとする。

また、インナーノズル７はその開口７ａの中央からコンタクトチップ４が外側に突出して配設されている。アウターノズル８は開口８ａがインナーノズル７の開口７ａよりも基端側に後退して位置しており、しかもアウターノズル８の長手方向途中部分には開口８ａに向けて径を絞った縮径部８ｂが形成されている。アウターノズル８は縮径部８ｂの基端側が比較的大径で開口８ａ側が比較的小径となる二段の筒状を形成している。
アウターノズル８は、縮径部８ｂを形成すると共に開口８ａをインナーノズル７の開口７ａより後退させたことで溶接時に発生するスパッタが内部に侵入しにくい。しかも、アウターノズル８に縮径部８ｂを設けることで第二シールドガスの流速と直進性を高めている。

しかも、アウターノズル８内において、インナーノズル７の段部７ｂに第二シールドガスを整流化するためのガスレンズ１２が設置され、ガスレンズ１２の設置位置は縮径部８ｂよりも上流側に位置している。ガスレンズ１２は、例えばメッシュ状のリングシートを複数枚重ねて構成され、アウターノズル８内を通って開口８ａから噴出される第二シールドガスを長い距離に亘って整流するため、高いシールド効果を得られる。

そして、アウターノズル８内において、ガスレンズ１２の下流側で縮径部８ｂの上流側には開口８ａから侵入するスパッタを付着させて捕捉するメッシュ状の耐熱繊維体１３が全周に充填されている。耐熱繊維体１３は例えばメッシュ状のガラス繊維からなり、基端側からガスレンズ１２を通過して整流化された二次シールドガスの整流作用を妨げることなく通過させると共に開口８ａを通して内部に侵入するスパッタを捕捉してガスレンズ１２に付着することを防止できる。

また、耐熱繊維体１３は、二次シールドガスの整流化を妨げることなく通過させて外部から侵入するスパッタを捕捉できるものであればよく、メッシュ状シートに限定されるものではなく、例えば不織布状に形成されていてもよい。更に、ガラス繊維に限定されることなく、耐熱性の繊維状金属であってもよい。また、アウターノズル８内に設ける耐熱繊維体１３はガスレンズ１２の下流側であれば縮径部８ｂまたはその下流側に設けてもよくよい。

本実施形態によるＭＡＧ溶接用溶接トーチ１は上述の構成を備えており、次にＭＡＧ溶接方法について図２及び図３を中心に説明する。
図２において、被溶接体は互いにつき合わされた一対の母材１６である一対の鋼管の開先１７が例えばＶ字状になっており、この開先１７内に溶接トーチ１を対向させてＭＡＧ溶接によって全姿勢溶接する。図２に示す溶接段階は初層状態であり、つき合わされた母材１６間の開先１７が深い。
初層状態のＭＡＧ溶接において、溶接トーチ１のインナーノズル７は開先１７の外側に位置し、インナーノズル７からコンタクトチップ４を外側に突出させて開先１７内に挿入している。溶接電源から送られてきた電流がコンタクトチップ４を介して突き出された溶接ワイヤ３に供給され、溶接ワイヤ３が母材１６に接触するとアークを発生し、その熱で母材１６の開先１７に溶融池ができる。

また、溶接トーチ１のインナーノズル７は、オリフィス５から第一シールドガスが整流されて噴出され、インナーノズル７から整流された第一シールドガスがアークへ噴出される。この時、アーク溶接時に多数のスパッタが常時飛散し、インナーノズル７の内面に付着するが、オリフィス５はセラミック製であるためスパッタが付着しにくく第一シールドガスの噴出に与える影響が小さい。一方、オリフィス５はセラミック製であるためにガス流れが拡散しやすく整流性能が小さい。

しかしながら、溶接トーチ１のアウターノズル８ではオリフィスとしてガスレンズ１２が配設されているために、第二シールドガスの整流化作用が促進され、耐熱繊維体１３を通過して縮径部８ｂで第二シールドガスの流速が上がる。そして、第二シールドガスは開口８ａを通して第一シールドガスの外周を囲うように直進して噴出される。そのため、インナーノズル７のオリフィス５がセラミック製であっても第一シールドガス流の拡散を規制して二重の層流として直進させてアークに噴出して包み込む。これら第一及び第二シールドガスによって、アークが大気から保護されて溶融池は冷却固化され溶接金属Ｍが形成される。

しかも、アーク溶接時にスパッタが常時発生してもアウターノズル８の開口８ａは縮径され且つ開口７ａより後退しているために侵入するスパッタが比較的少なく、しかもアウターノズル８内のガスレンズ１２の下流側には耐熱繊維体１３が充填されているため、スパッタは耐熱繊維体１３に付着して捕捉され、ガスレンズ１２に到達しない。そのため、第二シールドガスの整流化を妨げることがない。

そして、溶接の初層において、開先１７が深くて溶接トーチ１の二重ノズルの先端と母材１６との距離が近く、インナーノズル７及びアウターノズル８から噴出される第一シールドガスと第二シールドガスが整流化した層流として直進してアークを包み込むことができる。
そして、開先１７の溶接が進んで開先１７に複数段の溶接金属Ｍが形成され、図３に示すように母材１６の表面に至る最終層のＭＡＧ溶接を行う際、コンタクトチップ４から突出する溶接ワイヤ３が母材１６に接触してアークを発生する位置では、溶接トーチ１のインナーノズル７は母材１６から大きく離間した状態になる。この場合でも、アウターノズル８内から噴出する整流化した直線状の第二シールドガスによって第一シールドガスの拡散が規制され、二層の層流として直進するため、この場合でもシールドガスでアークを包み込んでＭＡＧ溶接するためシールド性が高く安定した溶接品質を得られる。

上述のように本実施形態によるＭＡＧ溶接用溶接トーチ１によれば、溶接時にスパッタが常時発生するＭＡＧ溶接において、二重ノズルと母材１６との距離が変化してもシールドガスの直進性が高い二重の層流を生成できるためアークのシールド性が向上し溶接品質を安定させることができる。しかも、ＭＡＧ溶接に際し、初層から最終層まで１種の溶接トーチ１で溶接することができるためノズル長さの異なる他の溶接トーチ１に交換する必要がなく溶接作業が簡単で効率が良い。

なお、本発明による二重ノズルを備えた溶接装置は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で上述した実施形態の構成を適宜置換や変更をすることができる。
上述した実施形態では、ＭＡＧ溶接用溶接トーチ１において、アウターノズル８の外径を絞って縮径部８ｂを形成したが、本発明は必ずしもアウターノズル８に縮径部８ｂを形成しなくてもよい。この場合でも、アウターノズル８の内側に耐熱繊維体１３を収納すれば、スパッタがアウターノズル８内に侵入してガスレンズ１２に付着することを防止できる。

また、上述した実施形態のＭＡＧ溶接用溶接トーチ１において、アウターノズル８内のガスレンズ１２の下流側に耐熱繊維体１３を設けなくてもよく、この場合でもアウターノズル８に縮径部８ｂを形成し開口８ａを後退させることでスパッタがガスレンズ１２に付着することを低減できる。
また、上述した実施形態において、インナーノズル７内に設置したオリフィスとしてセラミック製のものを採用したが、これに代えてインナーノズル７内にもガスレンズ１２をオリフィスとして採用し、その開口７ａ側に耐熱繊維体１３を充填してスパッタがガスノズルに付着することを防止するようにしてもよい。この場合には、インナーノズル７内とアウターノズル８内のシールドガスの整流化を一層高めて、シールド性と溶接品質を更に向上させることができる。

なお、上述した実施形態や変形例では、ＭＡＧ溶接用溶接トーチ１としてＭＡＧ溶接用の溶接装置について説明したが、本発明はこのような溶接装置に限定されるものではなく、例えばＭＩＧ溶接用の溶接装置等にも適用できる。また、本発明は円周溶接に限定されることなく各種の溶接を行える。

１ ＭＡＧ溶接用溶接トーチ
２ 溶接トーチ本体
３ 溶接ワイヤ
４ コンタクトチップ
５ オリフィス
７ インナーノズル
７ａ、８ａ 開口
８ アウターノズル
８ｂ 縮径部
９ インナーガス供給管
１０ アウターガス供給管
１２ ガスレンズ
１３ 耐熱繊維体
１６ 母材
１７ 開先

Claims (6)

1. 溶接用ワイヤと、
   第一シールドガスを整流させるオリフィスと、
   前記オリフィスの周囲に配設して第一シールドガスを噴出するインナーノズルと、
   前記インナーノズルの外側に配設して第二シールドガスを噴出するアウターノズルと、
   前記アウターノズルの内部に設けられていて通過する前記第二シールドガスを整流させるガスレンズと、
   を備えたことを特徴とする二重ノズルを備えた溶接装置。
2. 前記アウターノズルの内部には、前記ガスレンズの下流側に溶接時のスパッタを捕捉する通気性の捕捉体を備えている請求項１に記載された二重ノズルを備えた溶接装置。
3. 前記アウターノズルの開口はインナーノズルの開口よりも後退している請求項１または２に記載された二重ノズルを備えた溶接装置。
4. 前記アウターノズルは前記ガスレンズの開口側が縮径された縮径部を形成している請求項１から３のいずれか１項に記載された二重ノズルを備えた溶接装置。
5. 前記捕捉体はメッシュ状の耐熱繊維体である請求項４に二重ノズルを備えた溶接装置。
6. 前記インナーノズル内に設けた前記オリフィスはセラミック製である請求項１から５のいずれか１項に記載された二重ノズルを備えた溶接装置。

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