JP4386809B2

JP4386809B2 - Ｇｔａ溶接装置および同溶接方法

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Publication number: JP4386809B2
Application number: JP2004234813A
Authority: JP
Inventors: 義夫今島
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: JP2006051521A

Description

本発明は、ガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶接装置（以下、「ＧＴＡ溶接装置」という。）および同装置を使用した溶接方法に係り、特に孔あき電極の構成を改良したＧＴＡ溶接装置および同装置を使用して効率よく溶接を行う溶接方法に関するものである。

ＧＴＡ溶接装置は、例えばアルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽金属合金や鉄鋼材料等の金属材料溶接用として開発され、真空環境下で適用される溶接装置である。このＧＴＡ溶接装置は一般に、中空管状のトーチの内部中心位置にタングステン電極を同軸的に配置し、この電極の外周側にＡｒガス等の溶接ガスを供給しながら、被溶接物との間にアークを発生させて溶接を行う構成とされている。

従来では、タングステン電極を中実棒状に構成していたが、真空中でＧＴＡ溶接を行うと圧力の低下と共にアーク柱の電位傾度が低下し、アークが不安定となり、溶接が困難であった。

そこで、この解決方法が種々検討され、タングステン電極を中空管状に構成し、トーチを介して供給される溶接ガスを電極先端内部から噴出させ、高真空雰囲気下でも中空電極を通ってきた溶接ガス中にてアークを安定的に発生させる溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来例を図５および図６を参照して説明する。

図５に示すように、従来のＧＴＡ溶接装置１では、中空管状のトーチ２の内部中心位置にタングステン製の孔あき電極３を同軸的に配置し、この孔あき電極３の外周面をトーチ２の内周面にシール部４によって気密に支持した構成となっている。

そして、トーチ２の一端側（基端側）には図示省略のホースを介して溶接ガス（矢印ａ）が供給される。トーチ２の他端側（先端側）には、孔あき電極３の先端が突出し、供給された溶接ガスはトーチ２内を経て孔あき電極３内を流通し、孔あき電極３の先端から被溶接物５に向って噴出する（矢印ｂ）。孔あき電極３には、トーチ２内に設けた給電部６から溶接電流が供給され、被溶接物１５との間で電圧印加により、溶接ガス中にてアークを発生させ、これによりアークが安定し、良好な溶接が行われる。

但し、この孔あき電極３を有する従来のＧＴＡ溶接装置１においては、図６に拡大断面として示すように、孔あき電極３がトーチ２と同心円状の円管とされ、溶接ガスの孔３ａの噴出口断面形状が円形となっている。
特開２００３−１７０２７３号公報

上述したように、従来の孔あき電極を有するＧＴＡ溶接装置においては、孔あき電極が円管状で、溶接ガスの孔の断面形状が円形となっている。

このため、溶接ガスがトーチと同心円状の中空電極で励起された状態となってアーク発生が行われるため、アークの中心部の温度が他の部分に比べて非常に高い円柱状のアークとなる。

被溶接物が同一材質で同板厚の溶接においては問題無いが、異材または板厚が異なる場合には、被溶接物への熱の入り方を制御しなければ良質の溶接部が得られない。一般的にはトーチを機械的に揺動させて対応することになり、機械的構造が増えてしまう欠点がある。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、異材または板厚の異なる溶接部においても機械的な揺動を必要とすることなく、良質の溶接部を得ることができる孔あき電極を有するＧＴＡ溶接装置および同装置を使用する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、請求項１に係る発明では、管状のトーチ内に軸方向に沿って電極を配置し、この電極を、前記トーチに設けたガス供給部から供給されたガスを流通させて噴出する孔を有する孔あき電極として構成し、この孔あき電極を前記トーチの内周面にシール部によって気密に支持するとともに、この孔あき電極の先端を前記トーチから突出させ、前記トーチに供給した溶接ガスを前記孔あき電極内を介して被溶接物に噴出させてアークを発生させる構成としたＧＴＡ溶接装置において、前記孔あき電極の孔を長孔とし、この長孔から帯状の溶接ガスが噴出し、溶接ガス中に帯状に励起されたアークが発生する構成としたことを特徴とするＧＴＡ溶接装置を提供する。

請求項２に係る発明では、前記孔あき電極の長孔を第１の長孔と第２の長孔とし、前記第１の長孔と第２の長孔のそれぞれの長さ方向が一致するようにしたことを特徴とする請求項１記載のＧＴＡ溶接装置を提供する。

請求項３に係る発明では、管状のトーチ内に軸方向に沿って電極を配置し、この電極を、前記トーチに設けたガス供給部から供給されたガスを流通させて噴出する長孔を有する孔あき電極として構成し、この孔あき電極を前記トーチの内周面にシール部によって気密に支持するとともに、この孔あき電極の先端を前記トーチから突出させ、前記トーチに供給した溶接ガスを前記孔あき電極内を介して被溶接物に噴出させてアークを発生させ、前記長孔から帯状の溶接ガスを噴出し、溶接ガス中に帯状に励起されたアークを発生させて溶接することを特徴とするＧＴＡ溶接方法を提供する。

請求項４に係る発明では、前記長孔を第１の長孔と第２の長孔とし、前記第１の長孔と第２の長孔のそれぞれの長さ方向を一致するようにしたことを特徴とする請求項３記載のＧＴＡ溶接方法を提供する。

本発明に係るＧＴＡ溶接装置によれば、孔あき電極の少なくとも先端部のガス噴出口の断面形状を、溶接進行方向とこれに直交する方向とで異なる構成としたことにより、ガス噴出口の形状の差を溶接種類に基づいて予め設定することにより、異材または板厚が異なる場合等において、被溶接物への熱の入り方を制御することができる。したがって、トーチを機械的に揺動させて対応する必要がなく、従来のような機械的構造を増大することなく、良質の溶接部が得られるようになる。

また、本発明に係るＧＴＡ溶接方法においては、請求項３の発明では、孔あき電極から流れてくる溶接ガスが帯状になり、ここに発生するアークも帯状に幅を持った状態となる。溶接部で帯状アークの位置をずらして溶接すると各被溶接材への入熱量を変えることができ、機械的な揺動をしなくても良質の溶接部が得られる。すなわち、電極の孔が長孔になっているので発生するアークが帯状の扁平なアークとなり、狙い位置をずらすことによって被溶接物の両者に与える熱量に違いを与えることができる。また、熱源が幅広いので溶接部のギャップが多少大きくても良好な溶接が行える。

以下、本発明に係るＧＴＡアーク溶接装置および同溶接方法の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１、図２）
図１は本発明の第１実施形態によるＧＴＡ溶接装置の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１に示したＧＴＡ溶接装置の電極のガス噴出口の形状を示す拡大横断面図（図１のＢ−Ｂ線拡大断面図）である。

図１に示すように、本実施形態のＧＴＡ溶接装置１１は、管状のトーチ１２の内部中心位置に、軸方向に貫通した孔１３ａを有する孔あき電極１３を同軸的に配置し、この孔あき電極１３の外周面をトーチ１２の内周面にシール部１４によって気密に支持した構成となっている。すなわち、シール部１４は孔あき電極１３とトーチ１２とをシールして溶接ガスが孔あき電極１３の内部以外から流出するのを防ぐようになっている。

トーチ１２の一端側（基端側：図示上端側）には、溶接ガスとしてのＡｒガス等を供給するためのガス供給部１６が設けられ、このガス供給部１６に図示省略のホースを介して溶接ガス（矢印ｃ）が供給できるようになっている。

トーチ１２の他端側（先端側：図示下端側）には、孔あき電極１３の先端が突出し、ガス供給部１６からトーチ１２内に供給された溶接ガスがトーチ１２内を経て孔あき電極１３内を流通し、孔あき電極１３の先端から被溶接物１５に向って噴出するようになっている（矢印ｄ）。

孔あき電極１３には、トーチ１２内に設けた給電部１７から溶接電流が供給され、被溶接物１５との間における電圧印加により、溶接ガス中にてアークを発生させ、これにより溶接が行われる構成となっている。

このような構成において、本実施形態では、孔あき電極１３の孔１３ａの少なくとも先端部のガス噴出口１３ｂの断面形状が長孔形状となっていて、溶接進行方向（例えば図１の紙面に垂直な方向）と、これに直交する方向（例えば図１の紙面横方向）とで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、長さを異ならせた構成となっている。

図２（ａ）、（ｂ）は、電極１３を例えばガス噴出口１３ｂ部分で切断した横断面形状（例えば、図１におけるＢ−Ｂ断面）を、異なる二つの構成例について示したものである。これらの例では、孔あき電極１３のガス噴出口１３ｂが単数の長孔として形成されている。そして、トーチ１２から流れる溶接ガスが孔あき電極１３の孔１３ａを通過し、帯状になってガス噴出口１３ｂから噴出する。そして、給電部１６からの給電により孔あき電極１３と被溶接物１５との聞に電圧をかけてアークを発生させると、電極１３のガス噴出口１３ｂである長孔によって帯状に励起されたアークが発生する。

なお、図２（ａ）の例では、円管状の電極１３の外側肉部を、例えばガス噴出口１３ｂ部分で長孔輪郭に沿って削除した形状を示している。また、図２（ｂ）の例は、円管状の電極１３の外側肉部を削除せず、ガス噴出口１３ｂ部分も円管状とした形状を示している。

このような構成の本実施形態において、例えば孔あき電極１３の先端が、図２（ａ）に示したように、先端付近の電極板厚がほぼ均一な場合、溶接ガスが励起される程度は、長孔方向に広がり、中央部が少し強くなる。従って、帯状中央部が少し強い幅広いアークとなる。

また、図２（ｂ）に示したように、孔あき電極１３の先端付近の電極板厚が長孔状のガス噴出口１３ｂの中央部で増大する形状の場合には、電極板厚が大きい長孔中央部分で電極１３の温度が少し下がる。従って、長孔両端位置にピークを持つような帯状のアークが得られる。

したがって、このような熱源が得られれば、板厚の異なる被溶接物１５、あるいは熱伝導度の異なる異材継手の溶接において、狙い位置をずらすことにより、各被溶接部へ異なった入熱を与えることが容易に行え、トーチ１２を機械的に揺動させて対応する必要がない。

以上のように、本実施形態のＧＴＡ溶接装置１１によれば、孔あき電極１３の少なくとも先端部のガス噴出口１３ｂの断面形状を、溶接進行方向とこれに直交する方向とで長さが異なる長孔としたことにより、ガス噴出口１３ｂの開口長の差を溶接種類に基づいて予め設定することで、異材または板厚が異なる場合、その他の溶接において、被溶接物１５への熱の入り方を制御することができる。よって、トーチ１２を機械的に揺動させて対応する必要がなく、従来のような機械的構造を増大することなく、良質の溶接部が得られる。

また、本実施形態によれば、孔あき電極１３から流れてくる溶接ガスが帯状になり、ここに発生するアークも帯状に幅を持った状態となる。これにより、溶接部で帯状アークの位置をずらして溶接することにより、被溶接物１５への入熱量を変えることができ、機械的な揺動をしなくても良質の溶接部が得られる。すなわち、孔あき電極１３の孔が長孔になっているので、発生するアークが帯状の扁平なアークとなり、狙い位置をずらすことによって被溶接物の両者に与える熱量に違いを与えることができる。また、熱源が幅広いので溶接部のギャップが多少大きくても良好な溶接が行える。

［第２実施形態］（図３）
本発明の第２実施形態では、孔あき電極１３のガス噴出口１３ｂの断面形状が長孔形状で、長さ方向を一致もしくは異ならせた複数の孔として開口させたＧＴＡ溶接装置、またはガス噴出口１３ｂの断面形状が円形で、溶接進行方向とこれに直交する方向とで総開口量が異なる配置または大きさをもった複数の孔として開口されているＧＴＡ溶接装置について説明する。

図３（ａ）は、孔あき電極１３の二つのガス噴出口１３ｂ１、１３ｂ２の断面形状が長孔形状で、これらの噴出口１３ｂ１，１３ｂ２が長さ方向を一致させた場合の孔あき電極１３の端面形状を示している。また、図３（ｂ）は、孔あき電極１３の二つのガス噴出口１３ｂ３、１３ｂ４の断面形状が長孔形状で、これらの噴出口１３ｂ３，１３ｂ４が長さ方向を９０°異ならせた場合の孔あき電極１３の端面形状を示している。

図３（ａ）に示した構成においては、電極１３内に二つの噴出口１３ｂ１，１３ｂ２が同一方向に設けられているので、上述した第１実施形態で示した図２（ａ），（ｂ）の場合における帯状アークをより広くし、アーク強度分布を変えることができる。例えば図３（ａ）に示したように、二つの噴出口１３ｂ１，１３ｂ２を仕切っている部分１３ｃを長くすると、各噴出口１３ｂ１，１３ｂ２から生じたアークの間隔が離れてピーク点が二点生じることが可能である。

また、この電極１３を用いた溶接方法においては、各噴出口１３ｂ１，１３ｂ２の間隔を調整することにより、図２（ａ）に示した長孔で生じていた横長方向の中央部でアーク強度が強くなる現象を低減し、横方向強度分布があまり変化しない広い帯状アークが得られる効果がある。

また、図３（ｂ）に示したように、二つの長孔形状の噴出口１３ｂ３，１３ｂ４を直交配置した場合には、溶接進行方向を例えば図３（ｂ）の上下方向に設定すると、図３（ｂ）の右側の縦状態の噴出口１３ｂ４から生じたアークは、溶接方向と同一方向に分布した帯状アークである為に被溶接物を強く加熱し、また左の横長な噴出口１３ｂからのアークは溶接方向に対して分散したアークとなり、被溶接物への加熱は弱まる。このように、溶接方向と噴出口１３ｂ３，１３ｂ４の位置関係によって、被溶接物へ入る熱分布を変える効果がある。

図３（ｃ）は三つの円形孔からなる噴出口１３ｂを断面円形の電極１３の中心に対して等角度で配置し、例えば左側には一つの噴出口１３ｂ５、右側には二つ噴出口１３ｂ６，１３ｂ７を配置した例を示している。

この場合においても、図３（ｂ）と同様に、溶接進行方向を例えば図３（ｃ）の上下方向に設定すると、図の右側の縦配置の二つの噴出口１３ｂ６，１３ｂ７から生じたアークは溶接方向で多くなるため被溶接物を強く加熱し、また左の一つの噴出口１３ｂ５からのアークでは被溶接物への加熱は弱まる。このように、溶接進行方向と噴出口１３ｂの位置関係によって被溶接物へ入る熱分布を図３（ｂ）の場合と同様に変化させる効果を得ることができる。

なお、本実施形態における噴出口１３ｂの形状、数、配置は例示であり、溶接進行方向とこれに直交する方向の溶接設定に対応して、図示以外の各種形状、数、または配置として種々実施できることは勿論である。

［第３実施形態］（図３，図４）
図４は、本発明の第３実施形態によるＧＴＡ溶接装置１１の構成を示す縦断面図である。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、孔あき電極１３の孔を複数の孔１３ｄ、１３ｅに区分し、この孔１３ｄ、１３ｅの区分数に対応して複数のガス噴出口１３ｂ８，１３ｂ９と、ガス供給部１６ａ，１６ｂとを設けた点にある。

すなわち、図４に示すように、本実施形態では、孔あき電極１３の複数のガス噴出口１３ｂ８，１３ｂ９へ個別に溶接ガスを供給するために、孔あき電極１３に複数の孔１３ｄ、１３ｅが仕切り壁１８により区分して設けられている。なお、孔あき電極１３のガス噴出口１３ｂ８，１３ｂ９と反対側の端部１３ｆは、ロー付けまたは機械的手段によって封止されている。なお、各孔１３ｄ、１３ｅへ溶接ガスを供給するための供給部１６ａ，１６ｂは、トーチ１２の軸方向位置をずらして設けられている。そして、供給部１６ａ，１６ｂの位置に対応して、シール部１４ａ，１４ｂ，１４ｃを設けることにより、ガス供給部１６ａ，１６ｂが独立するようにシールされている。これにより、各ガス供給部１６ａ，１６ｂから溶接ガス矢印ｃ１、ｃ２で示すように、別々に供給することができる。

このような構成によると、被溶接部の中心を狙っても、左右に異なった熱量を与えることが容易に行え、良質な品質の溶接部を得ることができる。

このような構成に対応して、上述した図３（ａ）、図３（ｂ）に示した二つの孔を設けた孔あき電極１３を適用した場合、各孔１３ｄ，１３ｅ毎に供給する溶接ガスおよび電流に差を設けると、各孔１３ｄ，１３ｅのガス噴出口１３ｂ８，１３ｂ９から発生するアークの強度に差が生じる。また、供給する溶接ガスの種類を変えると、ガスの種類による電位傾度が異なるため、アーク電圧の異なった分布のアークを得ることができる。アーク電圧が異なれば、アークエネルギも当然異なり、被溶接物への入熱量にも差異が生じる。

さらに、図３（ｃ）に示した三つの孔１３ｂを対応させた場合にも、同様の方法によって更に複雑なアーク分布を得ることができる。

また、図３（ａ）において、片側のガス噴出口（例えば１３ｂ１）へ溶接ガスの供給を止めると、供給されている側の噴出口１３ｂ２からアークが発生する。これに対し、両方の孔１３ｂ１，１３ｂ２から溶接ガスを供給すると、両方の孔１３ｂ１，１３ｂ２からアークが発生する。ここで、両方の孔１３ｂ１，１３ｂ２から溶接ガスを供給して、二つのピーク点を持つ帯状アークを発生させた後、片方の孔１３ｂ１の溶接ガス供給を止め、アークの発生点を片側に寄せ、次に止めていた側の孔１３ｂ２に溶接ガスを再供給して、再度二つのピーク点を持つ帯状アークにする。その後、反対側孔１３ｂ１への溶接ガスの供給を止めると、アーク発生点が前状態から反対側に移動する。この操作を繰り返すと、トーチ１２を固定していても、アーク発生点を孔あき電極１３の両端に振ることができる。即ち、従来の機械的に揺動させ場合と同様の効果が得られる。

また、図３（ｃ）において、上述の溶接ガスを止める作業を三つの孔１３ｂにて順番に繰り返せば、アーク発生点が順番に移動して、回転するアークを得ることができる。溶接ガス供給を止める時間を制御すれば、アークの回転速度を制御することができる。

これらのアーク強度分布の制御およびアーク発生点を移動させてアークを揺動および回転制御により、異材継手および熱容量の異なる板厚を溶接する場合に、極めて良質な溶接部が容易に得られる効果がある。

［他の実施形態］
本発明は、以上の第１〜第３実施形態のほか、種々の態様で実施することが可能である。例えば第２、第３実施形態では図３（ｃ）において円形状の電極の外形を示したが、この電極の外周側の肉部を研削し、外側の肉厚を均一または不均一にし、あるいは孔の数を増加する等の実施が可能である。また、前記実施形態では、ガス噴出口の断面形状を図３（ｃ）において円形状として示したが、ガス噴出口の断面形状は均等な長さの辺で囲まれた多角形状としてもよい。

本発明の第１実施形態によるＧＴＡ溶接装置の構成を示す縦断面図。（ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施形態による孔あき電極のガス噴出口の異なる例を示す拡大断面図（図１のＢ−Ｂ線拡大断面図）。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第２実施形態による孔あき電極のガス噴出口の異なる例を示す拡大断面図。本発明の第２実施形態によるＧＴＡ溶接装置の構成を示す縦断面図。従来例によるＧＴＡ溶接装置の構成を示す縦断面図。従来例における孔あき電極のガス噴出口の異なる例を示す拡大断面図（図５のＡ−Ａ線拡大断面図）。

符号の説明

１１ＧＴＡ溶接装置
１２トーチ
１３ａ孔
１３ｂガス噴出口
１３ｄ孔
１３ｅ孔
１３孔あき電極
１４シール部
１６ガス供給部
１５被溶接物
１７給電部
１８仕切り壁

Claims

管状のトーチ内に軸方向に沿って電極を配置し、この電極を、前記トーチに設けたガス供給部から供給されたガスを流通させて噴出する孔を有する孔あき電極として構成し、この孔あき電極を前記トーチの内周面にシール部によって気密に支持するとともに、この孔あき電極の先端を前記トーチから突出させ、前記トーチに供給した溶接ガスを前記孔あき電極内を介して被溶接物に噴出させてアークを発生させる構成としたＧＴＡ溶接装置において、前記孔あき電極の孔を長孔とし、この長孔から帯状の溶接ガスが噴出し、溶接ガス中に帯状に励起されたアークが発生する構成としたことを特徴とするＧＴＡ溶接装置。
前記孔あき電極の長孔を第１の長孔と第２の長孔とし、前記第１の長孔と第２の長孔のそれぞれの長さ方向が一致するようにしたことを特徴とする請求項１記載のＧＴＡ溶接装置。
管状のトーチ内に軸方向に沿って電極を配置し、この電極を、前記トーチに設けたガス供給部から供給されたガスを流通させて噴出する長孔を有する孔あき電極として構成し、この孔あき電極を前記トーチの内周面にシール部によって気密に支持するとともに、この孔あき電極の先端を前記トーチから突出させ、前記トーチに供給した溶接ガスを前記孔あき電極内を介して被溶接物に噴出させてアークを発生させ、前記長孔から帯状の溶接ガスを噴出し、溶接ガス中に帯状に励起されたアークを発生させて溶接することを特徴とするＧＴＡ溶接方法。
前記長孔を第１の長孔と第２の長孔とし、前記第１の長孔と第２の長孔のそれぞれの長さ方向を一致するようにしたことを特徴とする請求項３記載のＧＴＡ溶接方法。