JP2024008692A - シールドガス供給装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シールドガス供給装置および方法において、シールドガスへの周囲の空気の巻き込みを抑制することでシールド性能の向上を図る。【解決手段】シールド面に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスを噴出する第１ノズルと、第１ノズルの外側に配置されて第１シールドガスに沿って第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスを噴出する第２ノズルと、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、シールドガス供給装置および方法に関するものである。

シールドガス供給装置は、金属の加工面に対してレーザビームや電子ビームなどを照射して各種の加工を行うとき、加工面に対してシールドガスを供給することで酸化を防止する。従来のシールドガス供給装置としては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２０１４－１６１９０９号公報

シールドガス供給装置は、加工面に対するシールドガスの噴出量を適切に調整する必要がある。シールドガス供給装置は、シールドガスの噴出量が少ないと、シールドガスによる加工面のシールドが不十分となり、加工面の酸化防止が困難となる。一方、シールドガス供給装置は、シールドガスの噴出量が多いと、加工面の酸化防止に効果的ではあるが、ランニングコストが増加してしまう。また、シールドガス供給装置は、シールドガスの噴出速度が速いと、シールドガスが周囲の空気を巻き込んでしまい、加工面に酸素が接触して酸化防止が困難となる。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、シールドガスへの周囲の空気の巻き込みを抑制することでシールド性能の向上を図るシールドガス供給装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示のシールドガス供給装置は、シールド面に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスを噴出する第１ノズルと、前記第１ノズルの外側に配置されて前記第１シールドガスに沿って前記第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスを噴出する第２ノズルと、を備える。

また、本開示のシールドガス供給方法は、シールド面に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスを噴出する工程と、前記第１シールドガスの外側に前記第１シールドガスに沿って前記第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスを噴出する工程と、有する。

本開示のシールドガス供給装置および方法によれば、シールドガスへの周囲の空気の巻き込みを抑制することでシールド性能の向上を図ることができる。

図１は、本実施形態のシールドガス供給装置を表す斜視図である。 図２は、シールドガス供給装置を表す正面図である。 図３は、シールドガス供給装置を表す側面図である。 図４は、シールドガス供給装置を表す平面図である。 図５は、シールドガス供給装置の内部を表す分解斜視図である。 図６は、シールドガス供給装置のノズル軸方向位置に対するノズル曲面高さ方向の位置およびノズル曲面二次微係数を表すグラフである。 図７は、従来のシールドガス供給装置の作用を説明するための概略図である。 図８は、本実施形態のシールドガス供給装置の作用を説明するための概略図である。 図９は、第１ノズルおよび第２ノズルの第１変形例を表す正面図である。 図１０は、第１ノズルおよび第２ノズルの第２変形例を表す正面図である。 図１１は、第１ノズルおよび第２ノズルの第３変形例を表す正面図である。 図１２は、第１ノズルおよび第２ノズルの第４変形例を表す正面図である。 図１３は、第１ノズルおよび第２ノズルの第５変形例を表す正面図である。 図１４は、第１ノズルおよび第２ノズルの第６変形例を表す正面図である。 図１５は、第１ノズルおよび第２ノズルの第７変形例を表す正面図である。 図１６は、第１ノズルおよび第２ノズルの第８変形例を表す正面図である。 図１７は、第１ノズルおよび第２ノズルの第９変形例を表す側面図である。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

＜シールドガス供給装置の概要＞
本実施形態のシールドガス供給装置は、例えば、金属粉末などの粉末を原料として三次元積層体を成形する三次元積層装置に適用される。三次元積層装置による積層造形法の一つとして、パウダーベッド方式があり、加工対象物における金属粉末の平滑面にレーザビームや電子ビームなどを照射して溶融させる。このとき、シールドガス供給装置は、金属粉末の平滑面に沿って不活性ガスを供給することで、加工面に対する酸素の接触を阻止し、加工面の酸化を防止する。但し、本実施形態のシールドガス供給装置は、三次元積層装置に限らず、レーザビームなどを用いて各種の加工を行う他の加工装置（例えば、アーク溶接装置など）にも適用可能である。

図１は、本実施形態のシールドガス供給装置を表す斜視図である。

図１に示すように、シールドガス供給装置１０は、第１ノズル１１と、第２ノズル１２とを有する。

第１ノズル１１は、シールド面１００に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスＧ１を噴出する。第２ノズル１２は、第１ノズル１１の外側に配置される。第２ノズル１２は、第１シールドガスＧ１の周囲に第１シールドガスＧ１に沿って第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスＧ２を噴出する。この場合、第１ノズル１１からの第１シールドガスＧ１の噴出方向と、第２ノズル１２からの第２シールドガスＧ２の噴出方向は、同じ方向である。

本実施形態にて、シールド面１００は、水平方向に沿った平面であり、シールドガス供給装置１０は、シールド面１００上にシールド面１００に沿ってシールドガスＧ１，Ｇ２を噴出する。つまり、シールドガス供給装置１０によるシールドガスＧ１，Ｇ２の噴出方向は、シールド面１００に平行な方向である。以下の説明にて、シールドガスＧ１，Ｇ２の噴出方向に平行な水平方向をＸ方向とし、シールドガスＧ１，Ｇ２の噴出方向に平行であるＸ方向に対して直交すると共にシールド面１００に平行な水平方向をＹ方向とし、水平方向であるＸ方向およびＹ方向に直交する鉛直方向をＺ方向として説明する。

＜シールドガス供給装置の構成＞
図２は、シールドガス供給装置を表す正面図、図３は、シールドガス供給装置を表す側面図、図４は、シールドガス供給装置を表す平面図、図５は、シールドガス供給装置の内部を表す分解斜視図である。

図２から図５に示すように、第１ノズル１１は、連結部２１と、第１屈曲部２２と、第２屈曲部２３と、ノズル部２４とを有する。

連結部２１は、長方形の中空形状をなし、Ｚ方向に沿った第１流路Ｃ１１が形成される。連結部２１は、Ｚ方向の下端部に供給管２５が連結される。連結部２１は、Ｚ方向の上端部に第１屈曲部２２の一端部が連結される。第１屈曲部２２は、長方形の中空形状をなし、Ｚ方向からＹ方向にほぼ９０度屈曲する第２流路Ｃ１２が形成される。第１屈曲部２２は、他端部に第２屈曲部２３の一端部が連結される。第２屈曲部２３は、長方形の中空形状をなし、Ｙ方向からＸ方向にほぼ９０度屈曲する第３流路Ｃ１３が形成される。第２屈曲部２３は、他端部にノズル部２４の一端部が連結される。ノズル部２４は、長方形の中空形状をなし、Ｘ方向に沿った第４流路Ｃ１４が形成される。ノズル部２４は、他端部がシールド面１００に向けて開口する。

第２ノズル１２は、連結部３１と、第１屈曲部３２と、第２屈曲部３３と、ノズル部３４とを有する。

連結部３１は、長方形の中空形状をなし、Ｚ方向に沿った第１流路Ｃ２１が形成される。連結部３１は、Ｚ方向の下端部に供給管３５が連結される。連結部３１は、Ｚ方向の上端部に第１屈曲部３２の一端部が連結される。第１屈曲部３２は、長方形の中空形状をなし、Ｚ方向からＹ方向にほぼ９０度屈曲する第２流路Ｃ２２が形成される。第１屈曲部３２は、他端部に第２屈曲部３３の一端部が連結される。第２屈曲部３３は、長方形の中空形状をなし、Ｙ方向からＸ方向にほぼ９０度屈曲する第３流路Ｃ２３が形成される。第２屈曲部３３は、他端部にノズル部３４の一端部が連結される。ノズル部３４は、長方形の中空形状をなし、Ｘ方向に沿った第４流路Ｃ２４が形成される。ノズル部３４は、他端部がシールド面１００に向けて開口する。

第１ノズル１１の連結部２１、第１屈曲部２２、第２屈曲部２３と、第２ノズル１２の連結部３１、第１屈曲部３２、第２屈曲部３３とは、Ｘ方向に所定距離だけずれて配置される。第２ノズル１２の第２屈曲部３３およびノズル部３４は、第１ノズル１１の第２屈曲部２３およびノズル部２４の外側に配置される。つまり、第２ノズル１２の第２屈曲部３３およびノズル部３４は、所定隙間を空けて第１ノズル１１の第２屈曲部２３およびノズル部２４の上方および左右方向の側方を覆う。その結果、第２ノズル１２のノズル部３４は、第１ノズル１１の上方の第１噴出口３４ａと、第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の第２噴出口３４ｂ，３４ｃとを有する。

第１ノズル１１は、供給管２５に第１供給流路２６の一端部が連結され、第１供給流路２６に第１流量調整弁２７が設けられる。第２ノズル１２は、供給管３５に第２供給流路３６の一端部が連結され、第２供給流路３６に第２流量調整弁３７が設けられる。第１供給流路２６と第２供給流路３６は、他端部同士が供給流路２８に連結されて合流し、供給流路２８に供給源２９が連結される。供給源２９は、シールドガスＧ１，Ｇ２としての不活性ガスを貯留可能である。ここで、不活性ガスは、例えば、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウムガス（Ｈｅ）などが用いられる。

第１ノズル１１は、第１流量調整弁２７の開度を調整することで第１シールドガスＧ１の供給量を調整し、ノズル部２４から噴出する第１シールドガスＧ１の流速（単位時間当たりの流量）が調整される。また、第２ノズル１２は、第２流量調整弁３７の開度を調整することで第２シールドガスＧ２の供給量を調整し、ノズル部３４から噴出する第２シールドガスＧ２の流速（単位時間当たりの流量）が調整される。シールドガス供給装置１０は、第２ノズル１２から噴出されるシールドガスＧ２の第２速度が、第１ノズル１１から噴出される第１シールドガスＧ１の第１速度より低速である。

そのため、第１ノズル１１は、シールド面１００に沿って第１シールドガスＧ１を高速で噴出し、第２ノズル１２は、シールド面１００側を除く第１シールドガスＧ１の外側に第１シールドガスＧ１に沿って第２シールドガスＧ２を低速で噴出する。すると、第１シールドガスＧ１と第２シールドガスＧ２との界面において、第１シールドガスＧ１は、周囲の第２シールドガスＧ２と混合し、第２シールドガスＧ２の一部を内部に取り込む。また、第２シールドガスＧ２と周囲の空気との界面において、第２シールドガスＧ２は、周囲の空気と混合し、空気の一部を内部に取り込む。

第２シールドガスＧ２の第２速度は、低速であり、且つ、第１シールドガスＧ１の第１速度より低い。すると、低速の第２シールドガスＧ２は、周囲の空気の取り込み量が少ない。高速の第１シールドガスＧ１は、周囲の第２シールドガスＧ２の取り込み量が多いものの、第２シールドガスＧ２が不活性ガスであることから、第１シールドガスＧ１への酸素（空気）の混入が抑制される。

上述したように、第１ノズル１１からの第１シールドガスＧ１における連行流の巻き込み速度と広がり角度から、周囲空間である第２シールドガスＧ２からの誘引流速は、第１ノズル１１の第１シールドガスＧ１の第１速度の１／５～１／６程度となる。すると、第２ノズル１２の第２シールドガスＧ２の第２速度は、第１速度の１／５以下であれば、第１ノズル１１からの第１シールドガスＧ１により巻き込み速度まで加速されることとなり、低速の第２シールドガスＧ２に起因する連行流は発生しにくくなる。そのため、第２シールドガスＧ２の第２速度は、第１シールドガスＧ１の第１速度の１／５以下（１／５～１／６）であることが好ましい。一方、第２シールドガスＧ２の第２速度が第１シールドガスＧ１の第１速度の１／５を超えると、低速の第２シールドガスＧ２自体によって追加の連行流が発生し、周囲の空気がある空間に循環渦が発生してしまう。

＜ノズル部の形状＞
図６は、シールドガス供給装置のノズル軸方向位置に対するノズル曲面高さ方向の位置およびノズル曲面二次微係数を表すグラフである。

図２および図３に示すように、第１ノズル１１にて、ノズル部２４は、下部壁４１と、上部壁４２と、左右の側壁４３，４４とを有する。ノズル部２４は、下部壁４１の内面と上部壁４２の内面とが互いに平行をなし、左右の側壁４３，４４の内面同士が互いに平行をなす。ノズル部２４は、下部壁４１と上部壁４２と左右の側壁４３，４４により矩形の流路が形成される。下部壁４１は、内面がシールド面１００と平行をなし、段差なく連続することが好ましい。

ノズル部２４は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される。図３および図６に示すように、ノズル部２４は、上部壁４２に曲面で形成される曲面部４５が形成される。曲面部４５は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側で外側に凸形状をなす上流側曲面４５ａと、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側で内側に凸形状をなす下流側曲面４５ｂとを有する。曲面部４５は、上流側曲面４５ａと下流側曲面４５ｂとの間に変曲点Ｐ１が設けられる。変曲点Ｐ１は、第１ノズル１１の重心を通る断面におけるものである。なお、上部壁４２は、曲面部４５より第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側に下部壁４１に平行な上流側平行部が設けられ、曲面部４５より第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に下部壁４１に平行な下流側平行部が設けられることが好ましい。

ここで、ノズル部２４における上部壁４２（曲面部４５）の形状を二次微係数で表す。例えば、数直線上の一つの区間で定義された関数ｙ＝ｆ（ｘ）があって、この区間に属するｘに対して有限な極限値が存在するとき、関数ｆはｘにおいて微分可能である。この極限値（増加率）をｘにおける関数ｆの微分係数(微係数)という。すなわち、上流側曲面４５ａにおける二次微係数は、負（マイナス）であり、下流側曲面４５ｂにおける二次微係数は、正（プラス）であり、上流側曲面４５ａと下流側曲面４５ｂとの間に変曲点Ｐ１が位置する。変曲点Ｐ１は、二次微係数が負から正に変更する点である。

本実施形態にて、第１ノズル１１のノズル部２４は、シールド面１００に平行をなすと共に、第１シールドガスＧ１の流れ方向に直交する幅方向（Ｙ方向）に沿って長い矩形状をなし、変曲点Ｐ１を有する曲面部４５は、少なくともシールド面１００に対向する上部壁４２、つまり、第２ノズル１２の第１噴出口３４ａに隣接した面に設けられる。なお、変曲点を有する曲面部を、上部壁４２だけでなく左右の側壁４３，４４つまり、第２ノズル１２の第２噴出口３４ｂ，３４ｃに隣接した面に設けてもよい。

一方、図２および図３に示すように、第２ノズル１２は、第１ノズル１１の外側で、平行をなして配置される。すなわち、第２ノズル１２にて、ノズル部３４は、下部壁５１と、上部壁５２と、左右の側壁５３，５４とを有する。ノズル部３４は、下部壁５１の内面と上部壁５２の内面とが互いに平行をなし、左右の側壁５３，５４の内面同士が互いに平行をなす。ノズル部３４は、下部壁５１と上部壁５２と左右の側壁５３，５４により矩形の流路が形成される。下部壁５１は、内面が第１ノズル１１の下部壁５１の外面に接触する。

ノズル部３４は、内部に第１ノズル１１が配置されていない状態で、第２シールドガスＧ２の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される。ノズル部３４は、上部壁５２に局面で形成される曲面部５５が形成される。曲面部５５は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側で外側に凸形状をなす上流側曲面５５ａと、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側で内側に凸形状をなす下流側曲面５５ｂとを有する。曲面部５５は、上流側曲面５５ａと下流側曲面５５ｂとの間に変曲点Ｐ２が設けられる。なお、上部壁５２は、曲面部５５より第２シールドガスＧ２の流れ方向の上流側に下部壁５１に平行な上流側平行部が設けられ、曲面部５５より第２シールドガスＧ２の流れ方向の下流側に下部壁５１に平行な下流側平行部が設けられることが好ましい。

また、ノズル部３４における上部壁５２（曲面部５５）の形状を二次微係数で表すと、ノズル部２４と同様に、上流側曲面５５ａにおける二次微係数は、負（マイナス）であり、下流側曲面５５ｂにおける二次微係数は、正（プラス）であり、上流側曲面５５ａと下流側曲面５５ｂとの間に変曲点Ｐ２が位置する。変曲点Ｐ２は、二次微係数が負から正に変更する点である。

本実施形態にて、第２ノズル１２のノズル部３４は、シールド面１００に平行をなすと共に、第２シールドガスＧ２の流れ方向に直交する幅方向（Ｙ方向）に沿って長い矩形状をなし、変曲点Ｐ２を有する曲面部５５は、少なくともシールド面１００に対向する上部壁５２に設けられる。ノズル部３４は、実際には、第２シールドガスＧ２が流れる流路がノズル部２４とノズル部３４との間の流路であり、ノズル部２４とノズル部３４との間の流路は、第２シールドガスＧ２の流れ方向の下流側に向けて流路面積がほぼ一定である。なお、変曲点を有する曲面部を、上部壁５２だけでなく左右の側壁５３，５４に設けてもよい。

そのため、第１ノズル１１は、ノズル部２４からシールド面１００に沿って第１シールドガスＧ１を噴出する。このとき、ノズル部２４は、流路面積が漸次小さくなると共に、上流側曲面４５ａと下流側曲面４５ｂとを有すると共にその間に変曲点Ｐ１が位置することで、第１シールドガスＧ１がノズル部２４の上部壁４２の内面から剥離することなく、第１速度が上昇する。そして、第１シールドガスＧ１は、ノズル部２４の下流端部から噴出されるときの速度分布が一様化され、第１シールドガスＧ１の流れの乱れが低減される。また、第２ノズル１２は、ノズル部３４から第１シールドガスＧ１の周囲に第２シールドガスＧ２を噴出する。このとき、ノズル部３４は、上流側曲面５５ａと下流側曲面５５ｂとを有すると共にその間に変曲点Ｐ２が位置することで、第２シールドガスＧ２がノズル部３４の上部壁５２の内面から剥離することがない。

＜整流機構＞
図２から図５に示すように、第１ノズル１１は、整流機構として、第１ガイドベーン６１と、多孔板６２と、第２ガイドベーン６３と、第１メッシュ（金網）６４と、ハニカムコア６５と、第２メッシュ（金網）６６と、第３メッシュ（金網）６７とを有する。第１ガイドベーン６１と多孔板６２と第２ガイドベーン６３と第１メッシュ６４とハニカムコア６５と第２メッシュ６６と第３メッシュ６７は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側から下流側に向けて順に設けられる。

第１ガイドベーン６１は、第１屈曲部２２の第２流路Ｃ１２に間隔を空けて複数配置される。多孔板６２は、第１屈曲部２２と第２屈曲部２３との間に配置される。第２ガイドベーン６３は、第２屈曲部２３の第３流路Ｃ１３に間隔を空けて複数配置される。第１メッシュ６４とハニカムコア６５と第２メッシュ６６は、第２屈曲部２３とノズル部２４との間に配置される。第３メッシュ６７は、ノズル部２４における第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側端部に設けられる。

ここで、第１メッシュ６４とハニカムコア６５と第２メッシュ６６は、曲面部４５より第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側に配置される上流側整流機構として機能し、第３メッシュ６７は、曲面部４５より第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に配置される下流側整流機構として機能する。上流側整流機構としての第１メッシュ６４とハニカムコア６５と第２メッシュ６６と、下流側整流機構としての第３メッシュ６７は、第１シールドガスＧ１の流れ方向に沿う仕切部を有する。ここで、仕切部とは、メッシュ６４，６６，６７であれば、金網を構成する材料は、例えば、金属材料や樹脂材料などであり、ハニカムコア６５であれば、空洞を形成する壁である。そして、上流側整流機構としての第１メッシュ６４とハニカムコア６５と第２メッシュ６６の仕切部より、下流側整流機構としての第３メッシュ６７の仕切部の厚さが薄い。ここで、仕切部の厚さとは、仕切部における第１シールドガスＧ１の流れ方向に直交する方向の長さである。仕切部の厚さが薄い方ほど整流性能が高い。すなわち、仕切部の厚さが薄い方が第１シールドガスＧ１の流れの乱れが少ない。

一方、第２ノズル１２は、整流機構として、ガイドベーン７１と、第１メッシュ（金網）７２と、第２メッシュ（金網）７３とを有する。ガイドベーン７１と第１メッシュ７２と第２メッシュ７３は、第２シールドガスＧ２の流れ方向の上流側から下流側に向けて順に設けられる。

ガイドベーン７１は、第１屈曲部３２の第２流路Ｃ２２に間隔を空けて複数配置される。第１メッシュ７２は、第２屈曲部３３とノズル部３４との間に配置される。第２メッシュ７３は、ノズル部３４における第２シールドガスＧ２の流れ方向の下流側端部に設けられる。なお、第１メッシュ７２と第２メッシュ７３は、第１ノズル１１における第２メッシュ６６と第３メッシュ６７と同じ位置に設けられており、一体に形成してもよい。

なお、第１ノズル１１に整流機構としての第１ガイドベーン６１、多孔板６２、第２ガイドベーン６３、第１メッシュ６４、ハニカムコア６５、第２メッシュ６６、第３メッシュ６７を設けたが、この構成に限定されるものではない。また、第２ノズル１２に整流機構としてのガイドベーン７１、第１メッシュ７２、第２メッシュ７３を設けたが、この構成に限定されるものではない。

そのため、第１シールドガスＧ１は、まず、供給管２５から連結部２１に供給されて第１流路Ｃ１１を流れ、第１屈曲部２２の第２流路Ｃ１２を通って第２屈曲部２３に至る。このとき、第１シールドガスＧ１は、第１ガイドベーン６１に案内され、多孔板６２に整流される。第１シールドガスＧ１は、次に、第２屈曲部２３の第３流路Ｃ１３を通ってノズル部２４に至る。このとき、第１シールドガスＧ１は、第２ガイドベーン６３に案内され、第１メッシュ６４、ハニカムコア６５、第２メッシュ（金網）６６に整流される。第１シールドガスＧ１は、その後、第３メッシュ６７に整流されて外部に噴出される。

一方、第２シールドガスＧ２は、まず、供給管３５から連結部３１に供給されて第１流路Ｃ２１を流れ、第１屈曲部３２の第２流路Ｃ２２を通って第２屈曲部３３に至る。このとき、第２シールドガスＧ２は、ガイドベーン７１に案内される。第２シールドガスＧ２は、次に、第２屈曲部３３の第３流路Ｃ２３を通ってノズル部３４に至る。このとき、第２シールドガスＧ２は、第１メッシュ７２に整流される。第２シールドガスＧ２は、その後、第２メッシュ７３に整流されて外部に噴出される。

第１シールドガスＧ１および第２シールドガスＧ２は、整流されてからシールド面１００に沿って外部に噴出されることで、ノズル部２４，３４の下流端部から噴出されるときの速度分布が一様化され、第１シールドガスＧ１および第２シールドガスＧ２の流れの乱れが低減される。

＜シールドガス供給方法＞
図７は、従来のシールドガス供給装置の作用を説明するための概略図、図８は、本実施形態のシールドガス供給装置の作用を説明するための概略図である。

シールドガス供給方法は、シールド面１００に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスＧ１を噴出する工程と、シールド面１００側を除く第１シールドガスＧ１の外側に第１シールドガスＧ１に沿って第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスＧ２を噴出する工程と有する。

すなわち、第１ノズル１１は、ノズル部２４からシールド面１００に沿って第１シールドガスＧ１を高速で噴出し、第２ノズル１２は、ノズル部３４から第１シールドガスＧ１の周囲に第２シールドガスＧ２を低速で噴出する。このとき、第２シールドガスＧ２の第２速度が第１シールドガスＧ１の第１速度より低いため、第２シールドガスＧ２は、周囲の空気の取り込み量は少なく、第１シールドガスＧ１は、周囲の第２シールドガスＧ２を取り込むことから、第１シールドガスＧ１への空気（酸素）の混入が抑制される。

図７に示すように、従来のシールドガス供給装置００１にて、ノズル部００２は、シールドガスＧの流れ方向の下流側に向けて流路面積が直線的（または、曲線的に）に小さくなっており、シールドガスＧの速度は、本実施形態の第１シールドガスＧ１の第１速度である。そのため、高速のシールドガスＧと周囲の空気との速度差により界面に大きな渦Ｖが生成されてしまう。すると、シールドガスＧは、周囲の空気を多く取り込んでしまい、取り込んだ空気中の酸素がシールド面１００に流れ、加工面を酸化させてしまうおそれがある。

一方、本実施形態のシールドガス供給装置１０にて、二重の第１ノズル１１及び第２ノズル１２を有し、第２シールドガスＧ２の第２速度が第１シールドガスＧ１の第１速度より低い。また、各ノズル部２４，３４は、シールドガスＧ１，Ｇ２の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次に小さくなっており、上部壁４２，５２に変曲点Ｐ１，Ｐ２を有する曲面部４５，５５が設けられる。そのため、第１シールドガスＧ１は、ノズル部２４，３４の上部壁４２，５２の内面から剥離することなく、シールド面１００に噴出されるときの速度分布が一様化されて流れの乱れが低減される。

そして、低速の第２シールドガスＧ２と周囲の空気との速度差が小さく、界面に形成される渦Ｖ２が小さい。すると、第２シールドガスＧ２は、周囲の空気の取り込み量が少なくなる。また、高速の第１シールドガスＧ１と周囲の第２シールドガスＧ２との速度差も小さく、界面に形成される渦Ｖ１も小さい。そして、第２シールドガスＧ２は、第１シールドガスＧ１と同じ不活性ガスであることから、第２シールドガスＧ２が取り込んだ空気中の酸素が第１シールドガスＧ１を通してシールド面１００に流れることはほとんどなく、加工面の酸化が抑制される。

＜ノズルの変形例＞
図９は、第１ノズルおよび第２ノズルの第１変形例を表す正面図である。

第１変形例において、図９に示すように、シールドガス供給装置１０Ａは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２Ａとを有する。第１ノズル１１は、上述した実施形態と同様である。

第２ノズル１２Ａは、ノズル部３４Ａを有し、ノズル部３４Ａは、第１噴出口３４ａ１，３４ａ２と、第２噴出口３４ｂ，３４ｃとを有する。第１噴出口３４ａ１は、第１ノズル１１におけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置し、第１噴出口３４ａ２は、第１ノズル１１におけるシールド面１００側、つまり、第１ノズル１１の下方に位置する。第２噴出口３４ｂ，３４ｃは、第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の両側に位置する。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

そして、第１ノズル１１は、シールド面１００に沿って第１シールドガスＧ１を高速で噴出し、第２ノズル１２は、第１シールドガスＧ１の周囲に第１シールドガスＧ１に沿って第２シールドガスＧ２を低速で噴出する。

図１０は、第１ノズルおよび第２ノズルの第２変形例を表す正面図である。

第２変形例において、図１０に示すように、シールドガス供給装置１０Ｂは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２Ｂとを有する。第１ノズル１１は、上述した実施形態と同様である。

第２ノズル１２Ｂは、ノズル部３４Ｂを有し、ノズル部３４Ｂは、第１噴出口３４ａと、第２噴出口３４ｂとを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１におけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置し、第２噴出口３４ｂは、第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の一方（左）側に位置する。第２噴出口を第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の他方（右）側に位置させてもよい。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１１は、第１ノズルおよび第２ノズルの第３変形例を表す正面図である。

第３変形例において、図１１に示すように、シールドガス供給装置１０Ｃは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２Ｃとを有する。第１ノズル１１は、上述した実施形態と同様である。

第２ノズル１２Ｃは、ノズル部３４Ｃを有し、ノズル部３４Ｃは、第１噴出口３４ａを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１におけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置する。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１２は、第１ノズルおよび第２ノズルの第４変形例を表す正面図である。

第４変形例において、図１２に示すように、シールドガス供給装置１０Ｄは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２Ｄとを有する。第１ノズル１１は、上述した実施形態と同様である。

第２ノズル１２Ｄは、ノズル部３４Ｄを有し、ノズル部３４Ｄは、第２噴出口３４ｂ，３４ｃを有する。第２噴出口３４ｂ，３４ｃは、第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の両側に位置する。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１３は、第１ノズルおよび第２ノズルの第５変形例を表す正面図である。

第５変形例において、図１３に示すように、シールドガス供給装置１０Ｅは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２Ｅとを有する。第１ノズル１１は、上述した実施形態と同様である。

第２ノズル１２Ｅは、ノズル部３４Ｅを有し、ノズル部３４Ｅは、第１噴出口３４ａと、第２噴出口３４ｂ，３４ｃと、第３噴出口３４ｄ，３４ｅとを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１におけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置し、第２噴出口３４ｂ，３４ｃは、第１ノズル１１の左右方向（幅方向）の両側に位置する。第３噴出口３４ｄ，３４ｅは、湾曲形状（フィレット形状）をなす。第３噴出口３４ｄは、第１噴出口３４ａと第２噴出口３４ｂを連通し、第３噴出口３４ｅは、第１噴出口３４ａと第２噴出口３４ｃを連通する。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１４は、第１ノズルおよび第２ノズルの第６変形例を表す正面図である。

第６変形例において、図１４に示すように、シールドガス供給装置１０Ｆは、第１ノズル１１Ｆと、第２ノズル１２Ｆとを有する。

第１ノズル１１Ｆは、半円形状をなし、ノズル部２４Ｆを有する。第２ノズル１２Ｆは、ノズル部３４Ｆを有し、ノズル部３４Ｆは、第１噴出口３４ａを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１Ｆにおけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置する。第１噴出口３４ａは、半円形状の第１ノズル１１Ｆの周縁に沿った湾曲形状をなす。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１５は、第１ノズルおよび第２ノズルの第７変形例を表す正面図である。

第７変形例において、図１５に示すように、シールドガス供給装置１０Ｇは、第１ノズル１１Ｇと、第２ノズル１２Ｇとを有する。

第１ノズル１１Ｇは、半円形状をなし、ノズル部２４Ｇを有する。第２ノズル１２Ｇは、ノズル部３４Ｇを有し、ノズル部３４Ｇは、第１噴出口３４ａと、第２噴出口３４ｂ，３４ｃとを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１Ｇにおけるシールド面１００と反対側、つまり、第１ノズル１１の上方に位置する。第２噴出口３４ｂ，３４ｃは、第１ノズル１１Ｇの左右方向（幅方向）の両側に位置する。第１噴出口３４ａおよび第２噴出口３４ｂ，３４ｃは、半円形状の第１ノズル１１Ｇの周縁に沿った湾曲形状をなす。第１噴出口３４ａと第２噴出口３４ｂとの間に断続部が設けられると共に、第１噴出口３４ａと第２噴出口３４ｃとの間に断続部が設けられる。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１６は、第１ノズルおよび第２ノズルの第８変形例を表す正面図である。

第８変形例において、図１６に示すように、シールドガス供給装置１０Ｈは、第１ノズル１１Ｈと、第２ノズル１２Ｈとを有する。

第１ノズル１１Ｈは、楕円形状をなし、ノズル部２４Ｈを有する。第２ノズル１２Ｈは、ノズル部３４Ｈを有し、ノズル部３４Ｈは、第１噴出口３４ａを有する。第１噴出口３４ａは、第１ノズル１１Ｈにおけるシールド面１００に隣接する部分を除く第１ノズル１１の外側に位置する。第１噴出口３４ａは、楕円形状の第１ノズル１１Ｈの周縁に沿った湾曲形状をなす。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。

図１７は、第１ノズルおよび第２ノズルの第９変形例を表す側面図である。

第９変形例において、図１７に示すように、シールドガス供給装置１０Ｊは、第１ノズル１１と、第２ノズル１２と、ガイド部８１とを有する。

第１ノズル１１は、ノズル部２４を有し、ノズル部２４は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される。第２ノズル１２は、第１ノズル１１の外側に配置され、ノズル部３４を有し、ノズル部３４は、第２シールドガスＧ２の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される。

ガイド部８１は、第２ノズル１２におけるノズル部３４の先端部に設けられる。そのため、第２ノズル１２からの第２シールドガスＧ２の噴出位置は、第１ノズル１１からの第１シールドガスＧ１の噴出位置よりシールドガスＧ１，Ｇ２の流れ方向の下流側になる。ガイド部８１は、第２ノズル１２からの第２シールドガスＧ２の噴出口の内側フランジと外側フランジを有する。但し、ガイド部８１は、第２ノズル１２からの第２シールドガスＧ２の噴出口の内側フランジだけ、つまり、第１ノズル１１の噴出口と第２ノズル１２の噴出口との間のフランジだけとしてもよい。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係るシールドガス供給装置は、シールド面１００に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスＧ１を噴出する第１ノズル１１と、第１ノズル１１の外側に配置されて第１シールドガスＧ１に沿って第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスＧ２を噴出する第２ノズル１２とを備える。

第１の態様に係るシールドガス供給装置によれば、第１ノズル１１がシールド面１００に沿って第１シールドガスＧ１を噴出し、第２ノズル１２が第１シールドガスＧ１の外側に低速の第２シールドガスＧ２を噴出する。すると、低速の第２シールドガスＧ２は、周囲の空気の取り込み量が少ない。高速の第１シールドガスＧ１は、周囲の第２シールドガスＧ２の取り込み量が多いものの、第２シールドガスＧ２が不活性ガスであることから、第１シールドガスＧ１への酸素（空気）の混入を抑制することができる。

そのため、シールド面１００に沿って流れる第１シールドガスＧ１は、酸素をほとんど含まないガスとなり、加工面に対するシールド性能を確保することができる。その結果、第１シールドガスＧ１への周囲の空気の巻き込みを抑制することでシールド性能の向上を図ることができる。

ここで、第２ノズル１２は、連行流相当の流量を噴出することができればよいことから、第１ノズル１１自体を大型化することに比べて、必要な第１シールドガスＧ１の供給量を低減することができ、ランニングコストを低減することができる。また、第２ノズル１２から噴出する第２シールドガスＧ２の第２流速が低速であるため、第２ノズル１２から噴出する第２シールドガスＧ２の噴流に取り込まれる周囲の空気の流量も少なくなり、第１ノズル１１を大型化することに比べて、第２ノズル１２の小型化を図ることができる。

第２の態様に係るシールドガス供給装置は、第１の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、第２速度は、第１速度の１／５以下である。これにより、低速の第２シールドガスＧ２による連行流の発生を抑制し、周囲の空気との界面における渦の発生を抑制することができると共に、第２ノズル１２の小型化を図ることができる。

第３の態様に係るシールドガス供給装置は、第１の態様または第２態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、第１ノズル１１は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される。これにより、ノズル部２４から噴出された第１シールドガスＧ１は、上部壁４２の曲面部４５から剥離することなく、第１速度を上昇させることができる。その結果、第１シールドガスＧ１の流速を一様化することができ、第１シールドガスＧ１自体の流れの乱れ（変動）を低減することができる。

第４の態様に係るシールドガス供給装置は、第３の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、第１ノズル１１は、第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側で外側に凸形状をなす上流側曲面４５ａと、第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側で内側に凸形状をなす下流側曲面４５ｂとを有し、上流側曲面４５ａと下流側曲面４５ｂとの間に第１ノズル１１の重心を通る断面における変曲点Ｐ１が設けられる。これにより、変曲点Ｐ１を有する上流側曲面４５ａと下流側曲面４５ｂを設けることで、ノズル部２４の噴出口における流速分布の一様化を図ることができ、第１シールドガスＧ１の流れの乱れ（変動）を低減することができる。また、第１シールドガスＧ１の流速偏差や乱れを低減することで、周囲の空気との混合を抑制することができ、滑らかな流路形状を形成して第１ノズル１１の小型化を図ることができる。

第５の態様に係るシールドガス供給装置は、第３の態様または第４の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、第２ノズル１２は、矩形状をなす噴出口を有し、変曲点Ｐ１は、第１ノズル１１に対して前記シールド面と反対側に配置される。これにより、第１シールドガスＧ１は、ノズル部２４の噴出口から噴出されるときの速度分布が一様化され、第１シールドガスＧ１の流れの乱れを低減することができると共に、ノズル部２４の簡素化を図ることができる。

第６の態様に係るシールドガス供給装置は、第５の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、第２ノズル１２は、第１ノズル１１に対してシールド面１００と反対側に配置される第１噴出口３４ａと、第１ノズル１１の幅方向の少なくとも一方に配置される第２噴出口３４ｂ，３４ｃとを有する。これにより、シールド面１００側を除く第１ノズル１１の外側から第１シールドガスＧ１を取り囲むように第２シールドガスＧ２を噴出することとなり、第１シールドガスＧ１の供給量を低減することができると共に、第２ノズル１２の小型化に寄与することができる。また、シールド面１００から第１噴出口３４ａまでの距離が一定となることから、第１シールドガスＧ１に対して一様な周囲からの酸素侵入の抑制効果を得ることができる。

第７の態様に係るシールドガス供給装置は、第１噴出口３４ａと第２噴出口３４ｂ，３４ｃとは、湾曲形状をなす第３噴出口３４ｄ，３４ｅにより連通する。これにより、第１噴出口３４ａから第２噴出口３４ｂ，３４ｃに向かう流れの速度せん断層の発達方向が滑らかに変化し、隣接する速度せん断層および底面渦流れ同士の不連続が抑制される。そのため、第１噴出口３４ａからの第２シールドガスＧ２と第２噴出口３４ｂからの第２シールドガスＧ２との速度せん断層および渦流れが干渉することを抑制することができる。

第８の態様に係るシールドガス供給装置は、第６の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、変曲点は、第１噴出口３４ａおよび第２噴出口３４ｂ，３４ｃに対向する位置に設けられる。これにより、第１シールドガスＧ１は、ノズル部２４の噴出口から噴出されるときの第１噴出口３４ａおよび第２噴出口３４ｂ，３４ｃに隣接する位置で、速度分布が一様化され、第１シールドガスＧ１の流れの乱れを低減することができる。

第９の態様に係るシールドガス供給装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つに係るシールドガス供給装置であって、さらに、第２ノズル１２は、第１ノズル１１と平行をなして配置される。これにより、第１ノズル１１と第２ノズル１２とを効率良く配置することで小型化を図ることができると共に、第１シールドガスＧ１の外側に安定した第２シールドガスＧ２の流れを形成することができる。

第１０の態様に係るシールドガス供給装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか一つに係るシールドガス供給装置であって、さらに、第１ノズル１１は、曲面より第１シールドガスＧ１の流れ方向の上流側に上流側整流機構（第１メッシュ６４、ハニカムコア６５、第２メッシュ６６）が配置され、曲面より第１シールドガスＧ１の流れ方向の下流側に下流側整流機構（第３メッシュ６７）が配置される。これにより、第１シールドガスＧ１は、整流されてからシールド面１００に沿って外部に噴出されることとなり、ノズル部２４から噴出されるときの速度分布が一様化され、第１シールドガスＧ１の流れの乱れを低減することができる。

第１１の態様に係るシールドガス供給装置は、第８の態様に係るシールドガス供給装置であって、さらに、上流側整流機構および下流側整流機構は、第１シールドガスＧ１の流れ方向に沿う仕切部を有し、上流側整流機構の仕切部より下流側整流機構の仕切部の厚さが薄い。これにより、ノズル部２４から噴出される第１シールドガスＧ１の流れの乱れを適切に低減することができる。すなわち、仕切部の厚さが薄い方ほど整流性能が高いことから、ノズル部２４からシールド面１００に噴出される第１シールドガスＧ１の乱れを減少することができる。

第１２の態様に係るシールドガス供給方法は、シールド面１００に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスＧ１を噴出する工程と、第１シールドガスＧ１の外側に第１シールドガスＧ１に沿って第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスＧ２を噴出する工程とを有する。これにより、第１シールドガスＧ１への周囲の空気の巻き込みを抑制することでシールド性能の向上を図ることができる。

なお、上述した実施形態にて、第１ノズル１１および第２ノズル１２は、連結部２１，３１と、第１屈曲部２２，３２と、第２屈曲部２３，３３と、ノズル部２４，３４とを有するものとしたが、この構成に限定されるものではない。第１ノズル１１および第２ノズル１２は、少なくともノズル部２４，３４を有していればよい。

また、上述した実施形態では、第１ノズル１１および第２ノズル１２の形状を矩形としたが、円形などであってもよい。また、第１ノズル１１および第２ノズル１２によるシールドガスＧ１，Ｇ２の噴出方向を水平方向としたが、水平方向に対して傾斜した方向や鉛直方向であってもよい。また、シールド面１００を平面としたが、曲面であってよく、この場合、第１ノズル１１および第２ノズル１２の形状をシールド面の形状に合わせたものとすればよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｊ シールドガス供給装置
１１，１１Ｆ，１１Ｇ，１１Ｈ 第１ノズル
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇ，１２Ｈ 第２ノズル
２１，３１ 連結部
２２，３２ 第１屈曲部
２３，３３ 第２屈曲部
２４，２４Ｆ，２４Ｇ，２４Ｈ，３４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ，３４Ｇ ノズル部
２５，３５ 供給管
３４ａ，３４ａ１，３４ａ２ 第１噴出口
３４ｂ，３４ｃ 第２噴出口
３４ｄ，３４ｅ 第３噴出口
４１，５１ 下部壁
４２，５２ 上部壁
４３，４４，５３，５４ 側壁
４５，５５ 曲面部
４５ａ，５５ａ 上流側曲面
４５ｂ，５５ｂ 下流側曲面
６１ 第１ガイドベーン
６２ 多孔板
６３ 第２ガイドベーン
６４ 第１メッシュ（上流側整流機構）
６５ ハニカムコア（上流側整流機構）
６６ 第２メッシュ（上流側整流機構）
６７ 第３メッシュ（下流側整流機構）
７１ ガイドベーン
７２ 第１メッシュ
７３ 第２メッシュ
８１ ガイド部
１００ シールド面
Ｃ１１，Ｃ２１ 第１流路
Ｃ１２，Ｃ２２ 第２流路
Ｃ１３，Ｃ２３ 第３流路
Ｃ１４，Ｃ２４ 第４流路
Ｇ１ 第１シールドガス
Ｇ２ 第２シールドガス
Ｐ１，Ｐ２ 変曲点

Claims (12)

1. シールド面に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスを噴出する第１ノズルと、
   前記第１ノズルの外側に配置されて前記第１シールドガスに沿って前記第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスを噴出する第２ノズルと、
   を備えるシールドガス供給装置。
2. 前記第２速度は、前記第１速度の１／５以下である、
   請求項１に記載のシールドガス供給装置。
3. 前記第１ノズルは、前記第１シールドガスの流れ方向の下流側に向けて流路面積が漸次小さくなるような曲面で形成される、
   請求項１または請求項２に記載のシールドガス供給装置。
4. 前記第１ノズルは、前記第１シールドガスの流れ方向の上流側で外側に凸形状をなす上流側曲面と、前記第１シールドガスの流れ方向の下流側で内側に凸形状をなす下流側曲面とを有し、前記上流側曲面と前記下流側曲面との間に前記第１ノズルの重心を通る断面における変曲点が設けられる、
   請求項３に記載のシールドガス供給装置。
5. 前記第２ノズルは、矩形状をなす噴出口を有し、前記変曲点は、前記第１ノズルに対して前記シールド面と反対側に配置される、
   請求項４に記載のシールドガス供給装置。
6. 前記第２ノズルは、前記第１ノズルに対して前記シールド面と反対側に配置される第１噴出口と、前記第１ノズルの幅方向の少なくとも一方に配置される第２噴出口とを有する、
   請求項５に記載のシールドガス供給装置。
7. 前記第１噴出口と前記第２噴出口とは、湾曲形状をなす第３噴出口により連通する、
   請求項６に記載のシールドガス供給装置。
8. 前記変曲点は、前記第１噴出口および前記第２噴出口に対向する位置に設けられる、
   請求項６に記載のシールドガス供給装置。
9. 前記第２ノズルは、前記第１ノズルと平行をなして配置される、
   請求項３に記載のシールドガス供給装置。
10. 前記第１ノズルは、前記曲面より前記第１シールドガスの流れ方向の上流側に上流側整流機構が配置され、前記曲面より前記第１シールドガスの流れ方向の下流側に下流側整流機構が配置される、
    請求項３に記載のシールドガス供給装置。
11. 前記上流側整流機構および前記下流側整流機構は、前記第１シールドガスの流れ方向に沿う仕切部を有し、前記上流側整流機構の仕切部より前記下流側整流機構の仕切部の厚さが薄い、
    請求項１０に記載のシールドガス供給装置。
12. シールド面に沿って予め設定された第１速度で第１シールドガスを噴出する工程と、
    前記第１シールドガスの外側に前記第１シールドガスに沿って前記第１速度より低速の第２速度で第２シールドガスを噴出する工程と、
    を有するシールドガス供給方法。

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