JP2021013955A - Ｔｉｇ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことを可能としたＴＩＧ溶接方法ＴＩＧ溶接方法を提供する。【解決手段】被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させると共に、アークＡによって生じた被溶接物Ｓの溶融池Ｐに向かってシールドガスＧを放出しながら溶接を行うＴＩＧ溶接方法であって、アークＡの圧力により溶融池Ｐを凹ませた状態で、溶融池ＰにキーホールＫを形成しながら裏波溶接を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接方法に関する。

金属や非鉄金属などを母材として用いた構造物（被溶接物）の溶接には、従来よりＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas welding）又はプラズマアーク溶接等のＧＴＡＷ（Gas Tungsten Arc welding）と呼ばれる非消耗電極式のガスシールドアーク溶接が用いられている。

ＴＩＧ溶接では、非消耗電極と、トーチノズルと、トーチボディとを備えるＴＩＧ溶接用トーチを使用し、陰極（−）としての非消耗電極と、正極（＋）としての被溶接物との間でアークを発生させて、このアークの熱により被溶接物を溶かして溶融池（プール）を形成しながら溶接が行われる。また、溶接中は電極の周囲を囲むトーチノズルからシールドガスを放出し、このシールドガスで大気（空気）を遮断しながら溶接が行われる。

また、ＴＩＧ溶接では、溶加材（溶加棒）の供給を手動で行いながら、ＴＩＧ溶接用トーチを用いて溶接が行われる。この場合、使用者が左右の手で溶加材の供給とＴＩＧ溶接用トーチの操作を同時に行わなければならず、そのための熟練技術が必要となる。一方、ＴＩＧ溶接用トーチにワイヤー狙いガイド（フィラーガイドとも言う。）を取り付けることによって、溶加材である溶接ワイヤー（フィラーとも言う。）の送給を自動で行いながら、半自動のＴＩＧ溶接を行うことも可能である。

これに対して、プラズマアーク溶接では、非消耗電極と、水冷のインサートチップ（拘束ノズルとも言う。）と、シールドキャップと、トーチボディとを備えるプラズマアーク用トーチを使用し、非消耗電極とインサートチップとの間で電気的にプラズマ化されたプラズマガス（作動ガスとも言う。）を流す。このとき発生するプラズマ流（プラズマジェット）をインサートチップで絞り込み、インサートチップの内壁形状によるウォール効果（プラズマ流の気流の流れを安定させる効果）や、インサートチップを冷却することで得られるサーマルピンチ効果（プラズマ流を周囲から冷却することで緊縮し高温となる効果）を利用して、エネルギー密度が高められたプラズマアークを発生させる。また、プラズマアークは、シールドキャップから放出されるシールドガスによるサーマルピンチ効果を受けて更に絞り込まれる。

プラズマアーク溶接では、このようなエネルギー密度が高く、アーク形状が円柱状に絞り込まれたプラズマアークを熱源として溶接が行われる。また、プラズマアークには、移行型と非移行型とがある。移行型のプラズマアークは、陰極（−）としての非消耗電極と、正極（＋）としての被加工物との間で電流を流す方式であり、導電性の被加工物に対してのみ適用が可能である。一方、非移行型のプラズマアークは、陰極（−）としての非消耗電極と、正極（＋）としてのインサートチップとの間で電流を流す方式であり、非導電性の被加工物に対しても適用が可能である。

特開平７−２５６４５２号公報

ところで、プラズマアーク溶接では、上述したエネルギー密度が高いプラズマアークを利用して、キーホールと呼ばれる貫通孔を形成しながら、被溶接物の表側だけでなく裏側にも溶接ビードを形成する裏波溶接が行われている。

一方、ＴＩＧ溶接による裏波溶接では、上述したプラズマアーク溶接のようなエネルギー密度が高いプラズマアークを用いることができない。このため、被溶接物の裏側に溶接ビードが形成されなかったり、溶接ビードが蛇行したりすることがあり、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことが困難であった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことを可能としたＴＩＧ溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 被溶接物と非消耗電極との間でアークを発生させると共に、前記アークによって生じた被溶接物の溶融池に向かってシールドガスを放出しながら溶接を行うＴＩＧ溶接方法であって、
前記アークの圧力により前記溶融池を凹ませた状態で、前記溶融池にキーホールを形成しながら裏波溶接を行うことを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
〔２〕 前記被溶接物と前記非消耗電極との間でアークを発生させた後に、前記非消耗電極の先端を前記溶融池に接近する側に移動させるステップと、
前記被溶接物から前記非消耗電極の先端までの距離を保ちながら、前記被溶接物に対して前記非消耗電極を溶接線方向に相対的に走査しながら裏波溶接を行うステップと、
前記非消耗電極の先端を前記溶融池に離間する側に移動させるステップとを、この順で含むことを特徴とする前記〔１〕に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔３〕 前記被溶接物の表面又は開先の底を基準高さとしたときに、この基準高さから前記非消耗電極の先端までの距離を上方に０〜３ｍｍの範囲としながら裏波溶接を行うことを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔４〕 前記被溶接物の表面又は開先の底を基準高さとしたときに、この基準高さから前記非消耗電極の先端までの距離を下方に０〜３ｍｍの範囲としながら裏波溶接を行うことを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔５〕 前記被溶接物を陽極とし、前記非消耗電極を陰極として、少なくとも３００Ａ以上の直流電流を流しながら裏波溶接を行うことを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔６〕 前記非消耗電極の先端を尖形とすることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔７〕 前記溶融池に溶加材を供給しながら裏波溶接を行うことを特徴とする前記〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔８〕 前記被溶接物の裏面側から前記溶融池に向かってシールドガスを放出しながら裏波溶接を行うことを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
〔９〕 前記シールドガスとして、アルゴンに水素又は窒素を添加した混合ガスを用いることを特徴とする前記〔１〕〜〔８〕の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。

以上のように、本発明によれば、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことを可能としたＴＩＧ溶接方法を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係るＴＩＧ溶接方法により裏波溶接を行った状態を示す断面図である。 本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、溶接ワイヤーを供給しながら裏波溶接を行った状態を示す断面図である。 本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物に対するＴＩＧ溶接用トーチの走査方法を説明するための模式図である。 本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物に対するＴＩＧ溶接用トーチの別の走査方法を説明するための模式図である。 本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物に対するＴＩＧ溶接用トーチの別の走査方法を説明するための模式図である。 本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物に対するＴＩＧ溶接用トーチの別の走査方法を説明するための模式図である。 （Ａ）は被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離を示す模式図、（Ｂ）は被溶接物の開先の底から非消耗電極の先端までの距離を示す模式図である。 本実施形態において用いられるＴＩＧ溶接用トーチの構成を示す断面斜視図である。 図８に示すＴＩＧ溶接用トーチの要部を拡大した断面斜視図である。 第１の実施例において、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも上方に位置した状態で裏波溶接を行ったときの写真である。 第２の実施例において、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、溶接ワイヤーを供給しながら裏波溶接を行ったときの写真である。 第３の実施例において、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも下方に位置した状態で裏波溶接を行ったときの写真である。 実施例１において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。 実施例２において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。 実施例３において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。 実施例４において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。 実施例５において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。 実施例６において裏波溶接を行った後の溶接部の外観を示し、（Ａ）は被溶接物の表側に形成された溶接ビードを示す写真、（Ｂ）は被溶接物の裏側に形成された溶接ビードを示す写真である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。

（ＴＩＧ溶接方法）
先ず、本発明の一本実施形態に係るＴＩＧ溶接方法について、図１〜図７を参照しながら説明する。
なお、図１は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法により裏波溶接を行った状態を示す断面図である。図２は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、溶接ワイヤーＷを供給しながら裏波溶接を行った状態を示す断面図である。図３は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物Ｓに対するＴＩＧ溶接用トーチ１０の走査方法を説明するための模式図である。図４は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物Ｓに対するＴＩＧ溶接用トーチ１０の別の走査方法を説明するための模式図である。図５は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物Ｓに対するＴＩＧ溶接用トーチ１０の別の走査方法を説明するための模式図である。図６は、本実施形態のＴＩＧ溶接方法において、被溶接物Ｓに対するＴＩＧ溶接用トーチ１０の別の走査方法を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、被溶接物Ｓの表面Ｆから非消耗電極１の先端までの距離ｈを示す模式図である。図７（Ｂ）は、被溶接物Ｓの開先Ｂの底から非消耗電極１の先端までの距離ｈを示す模式図である。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、図１に示すように、非消耗電極１と、トーチノズル２とを備えるＴＩＧ溶接用トーチ１０を使用する。本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、溶接対象となる被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させて、このアークの熱により被溶接物Ｓを溶かして溶融池（プール）Ｐを形成する。また、非消耗電極１の周囲を囲むトーチノズル２からシールドガスＧを放出し、このシールドガスＧで大気（空気）を遮断する。さらに、バックシールド治具２０を用いて、被溶接物Ｓの裏面側から溶融池Ｐに向かってシールドガスＧを放出し、このシールドガスＧで大気（空気）を遮断する。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、アークＡの圧力により溶融池Ｐを凹ませた状態で、溶融池ＰにキーホールＫを形成しながら裏波溶接を行うことを特徴とする。これにより、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことが可能である。

また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、図２に示すように、ＴＩＧ溶接用トーチ１０にワイヤー狙いガイド（フィラーガイドとも言う。）３０を取り付けて、溶加材である溶接ワイヤー（フィラーとも言う。）Ｗを溶融池Ｐに供給しながら裏波溶接を行ってもよい。これにより、不足する溶接金属を補うことが可能である。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、図３に示すように、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた後に、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近する側に移動させる第１のステップＳ１と、被溶接物Ｓから非消耗電極１の先端までの距離を保ちながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に相対的に走査しながら裏波溶接を行う第２のステップＳ２と、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに離間する側に移動させる第３のステップＳ３とを、この順で含む。

具体的に、この図３に示す走査方法では、先ず、ステップＳ１として、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた後に、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近する側（下方）に移動させながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に走査する。次に、ステップＳ２として、被溶接物Ｓから非消耗電極１の先端までの距離を保ちながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に相対的に走査する。次に、ステップＳ３として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに離間する側（上方）に移動させながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に走査する。非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近させることによって、アークＡを集中させることができるため、溶接部の仕上がりを良好にすることが可能である。

一方、本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、図４に示すような走査方法を用いてもよい。具体的に、この図４に示す走査方法では、先ず、ステップＳ１として、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた後に、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近する側（下方）に移動させる。次に、ステップＳ２として、被溶接物Ｓから非消耗電極１の先端までの距離を保ちながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に相対的に走査する。次に、ステップＳ３として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに離間する側（上方）に移動させる。

一方、本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、図５に示すような走査方法を用いてもよい。先ず、ステップＳ１として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐから離間する側（上方）に移動させながら、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた後に、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近する側（下方）に移動させながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に走査する。次に、ステップＳ２として、被溶接物Ｓから非消耗電極１の先端までの距離を保ちながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に相対的に走査する。次に、ステップＳ３として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに離間する側（上方）に移動させながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に走査する。

一方、本実施形態のＴＩＧ溶接方法は、図６に示すような走査方法を用いてもよい。具体的に、この図６に示す走査方法では、先ず、ステップＳ１として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐから離間する側（上方）に移動させながら、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた後に、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに接近する側（下方）に移動させる。次に、ステップＳ２として、被溶接物Ｓから非消耗電極１の先端までの距離を保ちながら、被溶接物Ｓに対して非消耗電極１を溶接線方向に相対的に走査する。次に、ステップＳ３として、非消耗電極１の先端を溶融池Ｐに離間する側（上方）に移動させる。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、上述した図３〜図６に示す走査方法を用いることによって、ステップＳ１において、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間でアークＡを発生させた直後は、溶融池Ｐが凹んでいないため、この溶融池Ｐと非消耗電極１との接触を防ぐことが可能である。

また、ステップＳ２において、非消耗電極１の先端から放射状に拡がるアークＡのスポットＳｐを被溶接物Ｓに対して絞り込みながら、このアークＡの圧力を集中させることによって、溶融池Ｐをより深くまで凹ませた状態とすることが可能である。

また、ステップＳ３において、溶接の終了時に、溶融池Ｐと非消耗電極１との接触を回避することによって、非消耗電極１の先端が溶接ビードと溶着してしまうことを防ぐことが可能である。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、上述したステップＳ２において、被溶接物Ｓの表面Ｆ又は開先Ｂの底を基準高さ（０ｍｍ）Ｏとしたときに、この基準高さＯから非消耗電極１の先端までの距離ｈを上下方向（鉛直方向）に±３ｍｍの範囲とすることが好ましく、±１ｍｍの範囲とすることがより好ましい。

具体的に、基準高さＯから非消耗電極１の先端までの距離ｈを上方（＋方向）に０〜＋３ｍｍの範囲、より好ましくは０〜＋１ｍｍの範囲とした場合には、アークＡのスポットＳｐが被溶接物Ｓに対して拡がるため、被溶接物Ｓの表側に幅広の溶接ビードを形成することが可能である。

一方、基準高さＯから非消耗電極１の先端までの距離ｈを下方（−方向）に０〜−３ｍｍの範囲、より好ましくは０〜−１ｍｍの範囲とした場合には、アークＡのスポットＳｐが被溶接物Ｓに対して絞り込まれるため、溶融池Ｐに形成されるキーホールＫを拡げながら、被溶接物Ｓの裏側に幅広の溶接ビードを形成することが可能である。

なお、被溶接物Ｓの厚みについては、上述した裏波溶接をＴＩＧ溶接により行うことが可能な厚みであればよく、具体的には３〜１０ｍｍ程度の厚みであるが、開先を取る場合は３〜１６ｍｍ程度の厚みである。

また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、被溶接物Ｓを陽極（＋）とし、非消耗電極１を陰極（−）として、これら被溶接物Ｓと非消耗電極１との間で、少なくとも３００Ａ以上の直流電流を流しながら裏波溶接を行うことが好ましく、４００Ａ以上とすることがより好ましく、５００Ａ以上とすることが更に好ましい。

裏波溶接をＴＩＧ溶接により行う場合には、被溶接物Ｓと非消耗電極１との間で流れる直流電流の電流値が大きくなるほど、アークＡの圧力を高めることができ、裏波溶接を安定して行うことが可能である。

一方、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、上述した被溶接物Ｓの表面Ｆ又は開先Ｂの底から非消耗電極１の先端までの距離ｈを近づけることによって、アークＡの圧力を集中させながら、溶融池Ｐを凹ませた状態で裏波溶接を安定して行うことが可能である。

また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、非消耗電極１の先端を尖形とすることが好ましい。具体的には、この非消耗電極１の先端を尖形としたときのテーパー角θを３０〜６０°とすることが好ましく、３５〜５０°とすることがより好ましく、４０〜４５°とすることが更に好ましい。また、非消耗電極の外径は、３．２〜６．４ｍｍとすることが好ましく、４．０〜４．８ｍｍとすることがより好ましい。

これにより、非消耗電極１の先端から放射状に拡がるアークＡのスポットＳｐを絞り込むことができ、このアークＡの圧力を集中させながら、溶融池Ｐを凹ませた状態で裏波溶接を安定して行うことが可能である。

本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、シールドガスＧとして、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスや、アルゴン（Ａｒ）に水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。また、アルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスに水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。

特に、被溶接物Ｓがステンレス鋼からなる場合には、シールドガスＧとして、アルゴン（Ａｒ）に水素（Ｈ_２）又は窒素（Ｎ_２）を添加した混合ガスを用いることで、溶接ビードを安定して形成することが可能である。

以上のようにして、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、被溶接物Ｓの裏側に溶接ビードが形成されなかったり、溶接ビードが蛇行したりすることを防ぎつつ、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことが可能である。

（ＴＩＧ溶接用トーチ）
次に、上記ＴＩＧ溶接方法において好適に用いられるＴＩＧ溶接用トーチ５０について、図８及び図９を参照しながら説明する。
なお、図８は、ＴＩＧ溶接用トーチ５０の構成を示す断面斜視図である。図９は、図８に示すＴＩＧ溶接用トーチ５０の要部を拡大した断面斜視図である。

本実施形態のＴＩＧ溶接用トーチ５０は、図８及び図９に示すように、被溶接物（図示せず。）との間でアークを発生させる非消耗電極５１と、非消耗電極５１を内側に挿入した状態で支持するコレット５２と、非消耗電極５１を先端側から突出させた状態でコレット５２を内側に保持すると共に、冷却液（水）Ｌが循環されるウォータージャケット（流路）５３が設けられたコレットボディ５４と、コレットボディ５４が取り付けられるトーチボディ５５と、非消耗電極５１の周囲を囲んだ状態でトーチボディ５５に取り付けられると共に、アークによって生じた被溶接物の溶融池に向かって第１のシールドガスＧ１及び第２のシールドガスＧ２を放出するトーチノズル５６と、コレットボディ５４と熱的に接続された状態で取り付けられると共に、その先端から非消耗電極５１を突出させる中心孔５７ａが設けられた冷却チップ５７とを概略備えている。

非消耗電極５１は、例えばタングステンなどの融点の高い金属材料を用いて形成された長尺状の電極棒からなる。また、非消耗電極５１には、タングステンの他に、例えば酸化トリウムや酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物を添加したものを用いることができる。

コレット５２は、例えば銅又は銅合金などの電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属材料を用いて形成された概略円筒状の部材からなる。コレット５２は、軸線方向に貫通する貫通孔５２ａを有し、この貫通孔５２ａの内側に挿入された非消耗電極５１を軸線方向にスライド可能に支持する。コレット５２の先端側には、複数のスリット５２ｂが周方向に並んで設けられている。複数のスリット５２ｂは、コレット５２の先端から軸線方向の中途部に亘って直線状に切り欠かれている。これにより、各スリット５２ｂの間の先端部分５２ｃが縮径方向に弾性変形可能となっている。また、コレット５２の先端部には、漸次縮径されたテーパー部５２ｄが設けられている。

コレットボディ５４は、例えば銅又は銅合金などの電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料を用いて形成された概略円筒状の部材からなる。コレットボディ５４は、軸線方向に貫通する貫通孔５４ａを有し、この貫通孔５４ａの基端側から挿入されたコレット５２を内側に保持する。

コレットボディ５４の先端側には、貫通孔５４ａを介して供給された第１のシールドガスＧ１を放出するセンターノズル５４ｂが設けられている。また、コレットボディ５４の側面には、貫通孔５４ａに向けて第１のシールドガスＧ１を供給するガス供給口（図示せず。）が設けられている。一方、コレットボディ５４の後端側には、貫通孔５４ａの後端側を閉塞するトーチキャップ５８が螺合により着脱自在に取り付けられている。トーチキャップ５８には、第１のシールドガスＧ１を貫通孔５４ａに向けて供給するガス供給口５８ａが設けられている。

トーチボディ５５は、例えば軟鋼やステンレス鋼などの鋼材又は真鍮等を用いて概略円筒状に形成された外筒部材５９と、絶縁樹脂を用いて概略円筒状に形成された絶縁部材６０とを有している。

外筒部材５９は、非消耗電極５１に電力を供給する給電部を形成している。また、外筒部材５９の内側に形成された貫通孔５９ａは、その中心に非消耗電極５１を配置すると共に、非消耗電極５１の周囲からコレットボディ５４の貫通孔５４ａに向けて第１のシールドガスＧ１を供給する流路を形成している。

一方、コレットボディ５４は、貫通孔５９ａの内側に挿入された状態で、外筒部材５９に対して螺合により着脱自在に取り付けられている。また、外筒部材５９は、コレットボディ５４の外周面との間で第２のシールドガスＧ２が流れる流路を形成している。

絶縁部材６０は、コレットボディ５４の外周部を覆うと共に、貫通孔５９ａの内側に挿入された状態で、外筒部材５９に対して螺合により着脱自在に取り付けられている。

コレットボディ５４と外筒部材６０との間には、冷却液Ｌが循環されるウォータージャケット（流路）６１が設けられている。ウォータージャケット６１は、外筒部材５９の内周面を周方向に切り欠くリング状の溝部５９ｂと、コレットボディ５４の外周面とによって構成されている。また、ウォータージャケット６１を構成するコレットボディ５４と外筒部材５９との間は、Ｏリング６２によって液密に封止（シール）されている。Ｏリング６２は、ウォータージャケット６１を挟んだ軸線方向の両側にそれぞれ配置されている。

ウォータージャケット５３，６１は、冷却液Ｌの循環によりコレットボディ５４を冷却する冷却機構（チラー）（図示せず。）と接続されている。これにより、コレットボディ５４は、ウォータージャケット５３，６１を流れる冷却液Ｌにより冷却されることになる。

トーチノズル５６は、例えば耐熱性に優れたセラミックなどを用いて概略円筒状に形成されたノズル形状を有している。トーチノズル５６は、コレットボディ５４の外周面との間で第２のシールドガスＧ２が流れる流路を形成すると共に、外筒部材５９の外周面に螺合により着脱自在に取り付けられている。また、トーチノズル５６は、その先端側が漸次縮径されたノズル形状を有している。

冷却チップ５７は、概略円筒状に形成されて、コレットボディ５４の先端側からコレットボディ５４の内側に挿入された状態で、コレットボディ５４に対して螺合により着脱自在に取り付けられている。また、冷却チップ５７は、その先端側が絞り込まれたテーパー形状を有している。

冷却チップ５７の中心孔５７ａは、非消耗電極５１と接触した状態で、その先端から非消耗電極５１を突出させている。また、冷却チップ５７の先端には、拡径方向に突出したフランジ部５７ｂが設けられている。冷却チップ５７は、このフランジ部５７ｂがコレットボディ５４の先端に当接した状態で取り付けられている。

冷却チップ５７は、コレット５２と接触している。具体的に、中心孔５７ａの内側には、コレット５２のテーパー部５２ｄが当接される縮径部５７ｃが設けられている。縮径部５７ｃは、非消耗電極５１を貫通させる程度に縮径されている。これにより、冷却チップ５７の先端部からは、中心孔５７ａを貫通した非消耗電極５１のみを突出させることが可能となっている。

また、冷却チップ５７は、コレットボディ５４と共に、ウォータージャケット５３の一部を構成している。このため、ウォータージャケット５３を構成するコレットボディ５４と冷却チップ５７との間は、Ｏリング６３によって液密に封止（シール）されている。これにより、冷却チップ５７は、コレットボディ５４と共に、ウォータージャケット５３を流れる冷却液Ｌにより冷却されることになる。

以上のような構成を有するＴＩＧ溶接用トーチ５０は、電源装置（図示せず。）と接続されている。電源装置は、ＴＩＧ溶接用トーチ５０と溶接ケーブル（図示せず。）を介して接続されて、ＴＩＧ溶接用トーチ５０への電力並びに第１及び第２のシールドガスＧ１，Ｇ２の供給を行う。

電源装置では、図示を省略するものの、マイナス(−)端子側にトーチ側ケーブルを介して非消耗電極５１が電気的に接続され、且つ、プラス(＋)端子側に母材側ケーブルを介して被溶接物Ｓが電気的に接続されている。

これにより、非消耗電極５１と被溶接物との間でアークを発生させて、このアークの熱により被溶接物を溶かして溶融池（プール）を形成しながら溶接が行われる。また、溶接中は非消耗電極５１の周囲を囲むトーチノズル５６から第１及び第２のシールドガスＧ１，Ｇ２を放出し、これらのシールドガスＧ１，Ｇ２により大気（空気）を遮断しながら溶接が行われる。

なお、第１及び第２のシールドガスＧ１，Ｇ２については、特に限定されるものではなく、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスや、アルゴン（Ａｒ）に水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。また、アルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスに水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）等のガスを添加した混合ガスを用いることができる。

また、第２のシールドガスＧ２については、上述した組成のガスの他に、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスに、例えば炭酸ガス（ＣＯ_２）や酸素（Ｏ_２）等の酸化性ガスを添加したものを用いてもよい。

本実施形態のＴＩＧ溶接用トーチ５０では、上述した冷却チップ５７がコレットボディ５４及びコレット５２と熱的に接続された状態で取り付けられると共に、冷却液Ｌの循環によりコレットボディ５４及び冷却チップ５７を冷却している。また、冷却チップ５７の中心孔５７ａから非消耗電極５１の先端を突出させた状態で、この非消耗電極５１が冷却チップ５７と接触している。

すなわち、本実施形態のＴＩＧ溶接用トーチ５０では、冷却液Ｌの循環により冷却される冷却チップ５７と非消耗電極５１が熱的に接続された状態となっている。これにより、非消耗電極５１の冷却効果を上げることができ、この非消耗電極５１のアークの熱による消耗を抑制することが可能である。また、冷却チップ５７の交換も容易である。

特に、本実施形態のＴＩＧ溶接方法では、上述した被溶接物Ｓの表面Ｆ又は開先Ｂの底から非消耗電極１の先端までの距離ｈを近づけることによって、アークＡの圧力を集中させることから、アークＡの熱による影響を受け易い。これに対して、本実施形態のＴＩＧ溶接用トーチ５０を用いることによって、このようなアークＡの熱による影響を受け易い非消耗電極５１を効率良く且つ十分に冷却することが可能である。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（第１の実施例）
先ず、第１の実施例では、実際に本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、以下の溶接条件により非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも上方に位置した状態で裏波溶接を行った。また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも上方に位置した状態で裏波溶接を行ったときの写真を図１０に示す。

＜溶接条件＞
・溶接機：ＷＰ−Ｔ５００Ｐ（ダイヘン株式会社製）
・センターガス：アルゴンと水素の混合ガス(組成：水素７％、残部アルゴン、流量：２．５Ｌ／ｍｉｎ）
・アウターガス：アルゴンガス(組成：アルゴン１００％、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）
・非消耗電極径：φ４ｍｍ、テーパー角θ：４５°
・インサートチップ径：φ８ｍｍ
・インサートチップからの非消耗電極の突き出し長さ：８ｍｍ
・溶接電流：４００Ａ
・溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接物：材質：ＳＵＳ３０４、厚み５ｍｍ（ビードオン）
・被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈ：＋３ｍｍ

図１０に示すように、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いることによって、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも上方に位置した状態で、アークの圧力により溶融池を凹ませながら裏波溶接を安定して行うことが可能である。

（第２の実施例）
次に、第２の実施例では、実際に本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、以下の溶接条件により溶接ワイヤーを供給しながら裏波溶接を行った。また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、溶接ワイヤーを供給しながら裏波溶接を行ったときの写真を図１１に示す。

＜溶接条件＞
・溶接機：ＷＰ−Ｔ５００Ｐ（ダイヘン株式会社製）
・センターガス：アルゴンと水素の混合ガス(組成：水素７％、残部アルゴン、流量：２．５Ｌ／ｍｉｎ）
・アウターガス：アルゴンガス(組成：アルゴン１００％、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）
・非消耗電極径：φ４ｍｍ、テーパー角θ：４５°
・インサートチップ径：φ８ｍｍ
・インサートチップからの非消耗電極の突き出し長さ：８ｍｍ
・溶接電流：４００Ａ
・溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接物：材質：ＳＵＳ３０４、厚み５ｍｍ（ビードオン）
・被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈ：＋３ｍｍ
・溶接ワイヤー：材質（商品名）WEL MIG 308 LSi、外径０．９ｍｍ
・送給速度：１．７ｍ／ｍｉｎ

図１１に示すように、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いることによって、アークの圧力により溶融池を凹ませた状態で、溶接ワイヤーを供給しながら裏波溶接を安定して行うことが可能である。

（第３の実施例）
次に、第３の実施例では、実際に本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、以下の溶接条件により非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも下方に位置した状態で裏波溶接を行った。また、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも下方に位置した状態で裏波溶接を行ったときの写真を図１２に示す。

＜溶接条件＞
・溶接機：ＷＰ−Ｔ５００Ｐ（ダイヘン株式会社製）
・センターガス：アルゴンと水素の混合ガス(組成：水素７％、残部アルゴン、流量：２．５Ｌ／ｍｉｎ）
・アウターガス：アルゴンガス(組成：アルゴン１００％、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）
・非消耗電極径：φ４ｍｍ、テーパー角θ：４５°
・インサートチップ径：φ８ｍｍ
・インサートチップからの非消耗電極の突き出し長さ：８ｍｍ
・溶接電流：４００Ａ
・溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接物：材質：ＳＵＳ３０４、厚み５ｍｍ（ビードオン）
・被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈ：−１ｍｍ

図１２に示すように、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いることによって、非消耗電極の先端が被溶接物の表面よりも下方に位置した状態で、アークの圧力により溶融池を凹ませながら裏波溶接を安定して行うことが可能である。

（第４の実施例）
次に、第４の実施例では、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、以下の溶接条件により、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを変更しながら、下記実施例１〜６の裏波溶接を行った。

＜溶接条件＞
・溶接機：ＷＰ−Ｔ５００Ｐ（ダイヘン株式会社製）
・センターガス：アルゴンと水素の混合ガス(組成：水素７％、残部アルゴン、流量：２．５Ｌ／ｍｉｎ）
・アウターガス：アルゴンガス(組成：アルゴン１００％、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）
・非消耗電極径：φ４ｍｍ、テーパー角θ：４５°
・インサートチップ径：φ８ｍｍ
・インサートチップからの非消耗電極の突き出し長さ：８ｍｍ
・溶接電流：４００Ａ
・溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接物：材質：ＳＵＳ３０４、厚み５ｍｍ（ビードオン）

＜実施例１＞
実施例１は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを＋３ｍｍとした場合である。この実施例１において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１３（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１３（Ｂ）に示す。

図１３（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約１０ｍｍであった。

＜実施例２＞
実施例２は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを＋２ｍｍとした場合である。この実施例２において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１４（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１４（Ｂ）に示す。

図１４（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約９．５ｍｍであった。

＜実施例３＞
実施例１は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを＋１ｍｍとした場合である。この実施例３において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１５（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１５（Ｂ）に示す。

図１５（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約９．５ｍｍであった。

＜実施例４＞
実施例４は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを０ｍｍとした場合である。この実施例４において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１６（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１６（Ｂ）に示す。

図１６（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約８ｍｍであった。

＜実施例５＞
実施例５は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを−０．５ｍｍとした場合である。この実施例５において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１７（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１７（Ｂ）に示す。

図１７（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約８ｍｍであった。

＜実施例６＞
実施例６は、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを−１ｍｍとした場合である。この実施例６において裏波溶接を行った後の溶接部の外観のうち、被溶接物の表側に形成された溶接ビードの写真を図１８（Ａ）に示し、被溶接物の裏側に形成された溶接ビードの写真図１８（Ｂ）に示す。

図１８（Ａ），（Ｂ）に示すように、溶接部は、溶接欠陥のない美しい仕上がりとなった。また、表側の溶接ビードの幅は、約７ｍｍであった。

以上のように、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いることによって、本発明によれば、良好な裏波溶接をＴＩＧ溶接により安定して行うことが可能となった。また、溶接ビードの幅が狭いほど、ひずみが小さくなることがわかった。

（第５の実施例）
次に、第５の実施例では、本実施形態のＴＩＧ溶接方法を用いて、溶接電流を３００Ａ、４００Ａ、５００Ａとし、それぞれ被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈを＋３．５〜−１．５の範囲で０．５ｍｍ刻みで変更しながら、裏波溶接を行った。

また、溶接電流が３００Ａのとき、被溶接物の厚みを３ｍｍ、溶接速度を８０ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接電流が４００Ａのとき、被溶接物の厚みを５ｍｍ、溶接速度を５０ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接電流が５００Ａのとき、被溶接物の厚みを７ｍｍ、溶接速度を３５ｃｍ／ｍｉｎとした。それ以外の溶接条件は、以下のとおりである。

＜溶接条件＞
・溶接機：ＷＰ−Ｔ５００Ｐ（ダイヘン株式会社製）
・センターガス：アルゴンと水素の混合ガス(組成：水素７％、残部アルゴン、流量：２．５Ｌ／ｍｉｎ）
・アウターガス：アルゴンガス(組成：アルゴン１００％、流量１５Ｌ／ｍｉｎ）
・非消耗電極径：φ４ｍｍ、テーパー角θ：４５°
・インサートチップ径：φ８ｍｍ
・インサートチップからの非消耗電極の突き出し長さ：８ｍｍ
・被溶接物：材質：ＳＵＳ３０４

そして、これらの裏波溶接について、溶接部の仕上がりが良好な場合を「○」とし、溶接部に欠陥が生じた又は非消耗電極が溶融池と接触した場合を「×」として、評価を行った。その評価結果をまとめたものを下記表１に示す。

表１に示すように、溶接電流が３００Ａの場合、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈが＋０．５〜０ｍｍの範囲で良好な結果が得られた。一方、溶接電流が４００Ａの場合、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈが＋３〜−０．５ｍｍの範囲で良好な結果が得られた。一方、溶接電流が５００Ａの場合、被溶接物の表面から非消耗電極の先端までの距離ｈが＋３〜−１ｍｍの範囲で良好な結果が得られた。

１…非消耗電極 ２…トーチノズル １０…ＴＩＧ溶接用トーチ ２０…バックシールド治具 ３０…ワイヤー狙いガイド Ｓ…被溶接物 Ａ…アーク Ｐ…溶融池 Ｇ…シールドガス Ｋ…キーホール Ｗ…溶接ワイヤー（溶加材） Ｆ…被溶接物の表面 Ｂ…被溶接物の開先 Ｏ…基準高さ
５０…ＴＩＧ溶接用トーチ ５１…非消耗電極 ５２…コレット ５３…ウォータージャケット（流路） ５４…コレットボディ ５５…トーチボディ ５６…トーチノズル ５７…冷却チップ ５８…トーチキャップ ５９…外筒部材 ６０…絶縁部材 ６１…ウォータージャケット ６２，６３…Ｏリング Ｇ１…第１のシールドガス Ｇ２…第２のシールドガス Ｌ…冷却液（水）

Claims (9)

1. 被溶接物と非消耗電極との間でアークを発生させると共に、前記アークによって生じた被溶接物の溶融池に向かってシールドガスを放出しながら溶接を行うＴＩＧ溶接方法であって、
   前記アークの圧力により前記溶融池を凹ませた状態で、前記溶融池にキーホールを形成しながら裏波溶接を行うことを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
2. 前記被溶接物と前記非消耗電極との間でアークを発生させた後に、前記非消耗電極の先端を前記溶融池に接近する側に移動させるステップと、
   前記被溶接物から前記非消耗電極の先端までの距離を保ちながら、前記被溶接物に対して前記非消耗電極を溶接線方向に相対的に走査しながら裏波溶接を行うステップと、
   前記非消耗電極の先端を前記溶融池に離間する側に移動させるステップとを、この順で含むことを特徴とする請求項１に記載のＴＩＧ溶接方法。
3. 前記被溶接物の表面又は開先の底を基準高さとしたときに、この基準高さから前記非消耗電極の先端までの距離を上方に０〜３ｍｍの範囲としながら裏波溶接を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＴＩＧ溶接方法。
4. 前記被溶接物の表面又は開先の底を基準高さとしたときに、この基準高さから前記非消耗電極の先端までの距離を下方に０〜３ｍｍの範囲としながら裏波溶接を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＴＩＧ溶接方法。
5. 前記被溶接物を陽極とし、前記非消耗電極を陰極として、少なくとも３００Ａ以上の直流電流を流しながら裏波溶接を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
6. 前記非消耗電極の先端を尖形とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
7. 前記溶融池に溶加材を供給しながら裏波溶接を行うことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
8. 前記被溶接物の裏面側から前記溶融池に向かってシールドガスを放出しながら裏波溶接を行うことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。
9. 前記シールドガスとして、アルゴンに水素又は窒素を添加した混合ガスを用いることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のＴＩＧ溶接方法。