JP6009191B2 - 二重ガスシールドアーク溶接方法、及びこれに用いるトーチ - Google Patents

Description

この発明は、二種類の異なるシールドガスを溶接ワイヤの周りに別々に供給してアーク溶接する二重ガスシールドアーク溶接方法に関し、より詳しくは、コストを抑えながらもスパッタの発生を抑制できるような二重ガスシールドアーク溶接方法に関する。

二重ガスシールドアーク溶接方法は、溶接ワイヤの周りにシールドガスを供給する内側ノズルと、その外側に別のシールドガスを供給する外側ノズルを備えたトーチを用いて溶接する方法である。一般に、内側ノズルから供給するシールドガスには不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）を用い、外側ノズルから供給するシールドガスには活性ガスである炭酸ガス（ＣＯ_２）を用いている。この方法によれば、スパッタの発生を抑制するためにアルゴン８０％と炭酸ガス２０％を混合したシールドガスを用いるよりもガスコストを抑えられる利点がある。

しかし溶接中にスパッタが発生したときに、スパッタが内側ノズルと外側ノズルの先に付着すると、シールドガスのガス流量が変化して、安定した溶接ができなくなって、溶接欠陥が生じる。このため、下記特許文献１に開示の溶接方法が提案されている。

特許文献１の溶接方法では、外側ノズルと、この外側ノズルの内周側に隙間を隔てて備えられ先端が外側ノズルの先端よりも引っ込んだ内側ノズルと、この内側ノズルの内側に隙間を隔てて備えられ先端が内側ノズルの先端よりも若干引っ込んだコンタクトチップを有したトーチを用いる。コンタクトチップは溶接ワイヤを挿通保持する部分である。この方法は、トーチの先端にスパッタが付着するのを抑制するため、内側ノズルと外側ノズルを流れるシールドガスの流動状況が所定の状態になるように流量等の様々な条件の設定をするというものである。

しかし複雑な条件の設定は困難である上に、スパッタの発生を完全に無くすことはできない。スパッタがノズルに付着してしまえば所期の目的を達成できず、所望のガスの流動状況を安定維持させることはできなくなる。

下記特許文献２には、スパッタがノズルに付着するのを抑制するため、溶接ワイヤをガイドするコンタクトチップの先端よりも、コンタクトチップの外周側に位置する内側ノズルの先端位置を所定量突出させて、この内側ノズルの外周側に、基部から真っ直ぐ延びる円筒状の外側ノズルを備えたトーチが開示されている。換言すれば、特許文献１のコンタクトチップを後退させるとともに、外側ノズルの口径を大きくした構造である。

この特許文献２のトーチによれば、トーチの先端には内側ノズルと外側ノズルのみが存在し、溶接ワイヤをガイドするコンタクトチップが後退しているので、トーチ先端の開口部分が広く、スパッタが付着しにくいと記載されている。

しかし、内側ノズルの先端が外側ノズルの先端よりも引っ込んでいるため、外側ノズルの先端から供給されたガス流のうち内側ノズルから供給されたガス流に接する側では、先に速度が変化し層流拡散層となり、乱流が生じる。この乱流によって外側ノズルから供給される炭酸ガスが内側ノズルから供給されるアルゴン側に混入し易くなる。また炭酸ガスとアルゴンとの境界部分で生じた乱流は内外での不均衡も作用して他の部分にも波及し、炭酸ガスはアルゴンに対してさらに混入し易くなる。

炭酸ガスはプラズマ状態になる前に熱によって酸素（Ｏ２）と炭素（ＣＯ）に分解され、この酸素と炭素が電離してプラズマとなる。酸素と炭素に分解されるときに周囲から大量の熱を奪うので、溶融金属の温度が低下し比較的大きな溶滴が生じやすくなる。このため、炭酸ガスが多く混入したシールドガス内では、溶滴の移行形態が良好なスプレー移行になりにくく、スパッタが生じる。

このような不都合を低減するためには、内側ノズルから供給されるガス量を確保しなければならず、やはり多くのアルゴンが必要であり、ガスコストがかかっていた。

特開平５−５０２４７号公報 特開２００７−１６７８７９号公報

そこで、この発明は、コストの低減とスパッタ発生の抑制との両立を図れるようにすることを主な目的とする。

そのための第１の手段は、同心円状に配設された内外二重のノズルを有するトーチを用い、内側ノズルと外側ノズルからそれぞれ異なるシールドガスを供給して行う二重ガスシールドアーク溶接方法であって、前記トーチとして、内側ノズルの先端の開口端が外側ノズルの先端の開口端と面一に形成されたトーチを用い、前記内側ノズルから供給するシールドガスの流量を外側ノズルから供給するシールドガスの流量よりも少なくして溶接する二重ガスシールドアーク溶接方法である。

第２の手段は、同心円状に配設された内側ノズルと外側ノズルを有し、内側ノズルと外側ノズルからそれぞれ異なるシールドガスを供給する二重ガスシールドアーク溶接用のトーチであって、前記内側ノズルの先端の開口端が前記外側ノズルの先端の開口端と面一に形成されたトーチである。

これらの構成では、内側ノズルから供給されるシールドガスがアークの材料となり、アークを維持し持続させる。外側ノズルから供給されるシールドガスはアークや溶融金属、溶融ワイヤを大気から遮断し、保護する。このとき、内側ノズルの先端の開口端が外側ノズルの先端の開口端と面一であり、外側のシールドガスと内側のシールドガスの互いに接する部分は同時に開口端から出る。

この発明によれば、内側ノズルから供給されるシールドガスと外側ノズルから供給されるシールドガスは、面一になった開口端から供給されるので、外側のシールドガスが内側のシールドガスに混入し易くなることを抑制でき、内外のシールドガスの明確な役割分担ができる。つまり外側のシールドガスが内側のシールドガスに過剰に混入して、イオン化してアークとなることを抑制できるので、溶融金属等の温度低下を招来させずにすみ、良好なスプレー移行を実現して、スパッタの発生を極力抑えることができる。

しかも２種類のガスの役割分担ができるので、内側ノズルから供給するシールドガスの流量はアークを生成し維持する量だけあれば足りる。このため高価なアルゴンの使用量の抑制が可能で、ガスコストを低減することもできる。

トーチの要部の一部破断側正面図。 トーチの作用状態を示す断面図。 トーチの要部の断面図。 内側ノズルの突き出し長さとスパッタ発生量の関係を示すグラフ。 ガス量とスパッタ発生量の関係を示すグラフ。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。
図１は二重ガスシールドアーク溶接方法に用いるトーチ１１の要部の一部破断側正面図である。このトーチ１１は、同心円状に配設された内側ノズル２１と外側ノズル３１を有し、内側ノズル２１と外側ノズル３１からそれぞれ異なるシールドガス（インナーガスとアウターガス）を別々に供給しながら溶接を行うものである。

具体的に説明すると、前記内側ノズル２１は、カーボンやセラミックスのように高温に耐えられるとともに金属が付着しにくい材料で形成され、トーチ１１の軸心上に設けられたチップホルダ１２の先端側部分に保持されている。チップホルダ１２は段階的に小径となる貫通縦穴１３を有する略円筒状に形成されている。前記貫通縦穴１３は、内側ノズル２１から供給する前記シールドガスとしてのインナーガスの流路の一部を構成する。

前記チップホルダ１２の外周面における長手方向の中間部より先端側部分には、それより後端側部分よりも小径の保持段部１４が形成され、この保持段部１４に前記内側ノズル２１が保持されている。

前記内側ノズル２１は全体として略円筒状で、後端部に、前記保持段部１４に嵌めた状態で固定される円筒形の固定筒部２２が形成されている。この固定筒部２２の先は真っ直ぐに延設されて、円筒形の円筒部２３が設けられ、この円筒部２３の先には、先細りとなる筒状の先細り筒部２４が設けられている。この先細り筒部２４の外周面２４ａは長手方向全体にわたって同じ傾斜の傾斜面で形成され、先細り状になっている。一方、先細り筒部２４の内周面２４ｂも同様に傾斜面で形成されるが、その先端部には、外周面とは異なり軸方向と平行に延びる垂直面部２４ｃを有する。

このような内側ノズル２１の内周側にはインナーガス流路のための隙間を隔ててコンタクトチップ１５が備えられる。コンタクトチップ１５は中心に溶接ワイヤ４１を通す挿通穴１５ａを有し、前記チップホルダ１２の先端部に嵌入するようにして保持される。コンタクトチップ１５を保持するチップホルダ１２は、前記内側ノズル２１を保持する保持段部１４よりも先端側の部分を、保持段部１４よりも小径にするとともに、この部分に内外に貫通する複数の貫通横穴１６を備えており、このチップホルダ１２の先端を閉塞するように前記コンタクトチップ１５が保持される。インナーガスはチップホルダ１２の貫通縦穴１３から先端部の貫通横穴１６を通って内側ノズル２１の内周面に沿って流れる。

コンタクトチップ１５は先端側ほど先細りとなる形状に形成され、外周面１５ｂは傾斜面で形成されている。この外周面１５ｂの傾斜は前記内側ノズル２１の内周面２４ｂの傾斜と同じ傾斜角で、これら外周面１５ｂと内周面２４ｂの間が前記インナーガス流路となる。

またコンタクトチップ１５の先端面１５ｃは平坦に形成され、このコンタクトチップの先端面１５ｃの位置は、内側ノズル２１の先端２１ａよりも所定長さ後退させた位置に設定される。

前記外側ノズル３１は、前記チップホルダ１２の外周側に備えられるガスノズル１７の外周面に固定されている。ガスノズル１７は、外側ノズル３１を通して供給するシールドガスとしてのアウターガスを前記チップホルダ１２との間からトーチ１１の軸方向に沿って流す部分である。

この外側ノズル３１は全体として略円筒状で、前記ガスノズル１７に保持される円筒形の大径部３２と、この大径部３２の先端から連設され先端側ほど小径となる縮径筒部３３と、この縮径筒部３３の先端から連設されて前記内側ノズル２１の外周を、隙間を隔てて囲繞する円筒形の小径部３４を有する。

この小径部３４の先端である外側ノズル３１の先端３１ａの開口端と、前記内側ノズル２１の先端２１ａの開口端は、仮想線で示すように面一である。

また前記小径部３４の長さは、前記内側ノズル２１の先細り筒部２４の、トーチ１１の軸方向での長さよりも長く形成され、小径部３４の後端部と内側ノズル２１の円筒部２３との間、換言すれば外側ノズル３１内における内側ノズル２１の円筒部２３の先端部に対応する部位に、その前後部分よりも幅狭となる隘路１８が形成されている。そして小径部３４の内周面の径は長手方向において同一に設定されている。

このように構成されたトーチを用いて二重ガスシールドアーク溶接を行うには、前記内側ノズル２１から供給するインナーガスを外側ノズルから供給するアウターガスの流量よりも少なくして溶接する。具体的にはインナーガスの流量がアウターガスの流量の３分の１以下、より好ましくは４分の１に設定して行う。インナーガスにはアルゴンを用い、アウターガスには炭酸ガスを用いて、インナーガスの流量を５Ｌ／分、アウターガスの流量を２０Ｌ／分とする。

この点以外の条件は通常通りに適宜設定して溶接を行うと、アウターガスとインナーガスは面一になった外側ノズル３１の先端３１ａと内側ノズル２１の先端２１ａからそれぞれ流れ、アウターガスとインナーガスの互いに接する部分は同時に開口端から出る。インナーガスは内側ノズル２１の先端部の垂直面部２４ｃで層流に規制されて供給される。このため、図２に示したように、一方のガス流が他方のガス流に寄って徒に乱流を生じさせることがなく、アウターガスは不必要にインナーガスに混入せず、互いのガスの流れが安定することに寄与する。

また内側ノズル２１と外側ノズル３１との間には隘路１８が形成されており、この隘路の先が広がっているので、アウターガスは隘路１８で速度を上げたのちその先で拡散し、インナーガスを包むように供給される。

これらの結果、アウターガスはアーク４２を維持し持続させているインナーガスの作用を阻害せずに、アーク４２や溶融金属、溶融ワイヤ４１を確実に大気から遮断して保護する。しかもアウターガスのインナーガスへの混入が抑制されるので、アウターガスである炭酸ガスが熱で分解されてプラズマを生成しアークを形成するという現象の発生を抑制できる。

したがって、溶融金属等の温度低下を引き起こさず、溶滴を小さく維持し、良好なスプレー移行を促すことができ、スパッタの発生を極力抑えることができる。

しかも前述のようにインナーガスとアウターガスは主としてそれぞれ別の役割を担うので、内側ノズル２１から供給するシールドガスの流量はアーク４２を生成し維持する量だけあれば足りる。このためインナーガスとしてのアルゴンの使用量を従来よりも抑制でき、ガスコストを低減することもできる。

またスパッタの発生を抑えられるので、スパッタを落とす作業の省略または簡略化ができ、この点からもコストの低減を図れる。

インナーガスとしてアルゴンを、アウターガスとして炭酸ガスを用い、それぞれのガスの流量を一定にして隅肉溶接を行い、内側ノズル２１と外側ノズル３１の先端２１ａ，３１ａの位置関係を変化させたときのスパッタの発生量を測定した。

溶接に用いたトーチ１１の各部の寸法（図３参照）は次のとおりである。
外側ノズル３１の大径部３２の内径Ｄ１が２３ｍｍで、小径部３４の内径Ｄ２が１６ｍｍで、小径部３４の長さＬ１が２０ｍｍである。内側ノズル２１の円筒部２３の外径Ｄ３が１２ｍｍで、先細り筒部２４の先端の外径Ｄ４が７ｍｍ、先細り筒部２４の先端の内径Ｄ５が５．５ｍｍで、先細り筒部２４の長さＬ２が１８ｍｍで、垂直面部２４ｃの長さＬ３が３ｍｍである。またコンタクトチップ１５の内側ノズル２１の先端２１ａからの引っ込み量Ｌ４が１０ｍｍである。

内側ノズル２１と外側ノズル３１の先端２１ａ，３１ａの位置関係は、外側ノズル３１の先端３１ａよりも内側ノズル２１の先端２１ａを突き出したり引っ込めたりして調節した。内側ノズル２１の先端２１ａが突き出る場合をプラスの値とし、面一である場合を「０」とし、引っ込んでいる場合をマイナスの値とし、試験は「５」〜「−４」まで１ｍｍ単位で行った。

また溶接条件はつぎのとおりである。
溶接ワイヤ：ソリッドワイヤ ＪＩＳ ＹＧＷ−１５
母材：ＳＳ４００
溶接電圧：３０Ｖ
溶接電流：２７０Ａ
溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ
溶接時間：２０秒
チップ−母材間距離：２２ｍｍ
溶接ワイヤ突き出し長さ：１５ｍｍ
スパッタ発生量は消費溶接材料量あたりのスパッタ発生量（ｍｇ／ｍｉｎ）である。

その結果、図４に示したように、内側ノズル突き出し長さが「０」、すなわち内側ノズル２１の先端２１ａと外側ノズル３１の先端３１ａが面一であるときに最もスパッタの発生が抑制できるということが確認できた。スパッタの発生が少ない上に溶け込み幅も十分であった。

つぎに、内側ノズル突き出し長さを「０」とした場合におけるインナーガスとアウターガスの流量を変化させたときのスパッタの発生量を測定した。流量は全体として２５Ｌ／分となるように１Ｌ／分単位で増減させ、アウターガスもインナーガスもそれぞれ２５Ｌ／分〜０Ｌ／分の範囲で試験した。

溶接に用いたトーチ１１と溶接条件は、各ガスの流量を変化させたこと、溶接がビードを置く溶接であることを除いて前記の通りである。

その結果、インナーガスのアルゴンのガス比率が多いほうがスパッタの発生量を抑えられるが、アウターガスである炭酸ガスもある程度はあるほうがスパッタの発生を抑えられ、溶け込み幅も確保できることがわかった。また、スパッタの発生を抑えられ溶け込み幅も満足できるアルゴンと炭酸ガスの比率のうち、最もアルゴンの流量を低減できるのは炭酸ガスのガス比率を８０％、アルゴンのガス比率を２０％とするときであることが確認できた。

この発明の構成と前記一形態の構成との対応において、
この発明の内側ノズルから供給するシールドガスは、前記インナーガスに対応し、
同様に、
外側ノズルから供給するシールドガスは、前記アウターガスに対応するも、
この発明は前記の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することができる。

例えばインナーガスにアルゴン以外のガスや適宜の混合ガスを用いてもよい。

１１…トーチ
１８…隘路
２１…内側ノズル
２１ａ…先端
２３…円筒部
２４…先細り筒部
３１…外側ノズル
３１ａ…先端

Claims (4)

1. 同心円状に配設された内外二重のノズルを有するトーチを用い、内側ノズルと外側ノズルからそれぞれ異なるシールドガスを供給して行う二重ガスシールドアーク溶接方法であって、
   前記トーチとして、内側ノズルの先端の開口端が外側ノズルの先端の開口端と面一に形成されたトーチを用い、
   前記内側ノズルから供給するシールドガスの流量を外側ノズルから供給するシールドガスの流量よりも少なくして溶接する
   二重ガスシールドアーク溶接方法。
2. 前記内側ノズルから供給するシールドガスの流量が、前記外側ノズルから供給するシールドガスの流量の３分の１以下である
   請求項１に記載の二重ガスシールドアーク溶接方法。
3. 同心円状に配設された内側ノズルと外側ノズルを有し、内側ノズルと外側ノズルからそれぞれ異なるシールドガスを供給する二重ガスシールドアーク溶接用のトーチであって、
   前記内側ノズルの先端の開口端が前記外側ノズルの先端の開口端と面一に形成された
   トーチ。
4. 前記内側ノズルが円筒形をなす円筒部の先に外周面が先細りとなる先細り筒部を有し、
   前記外側ノズル内における前記内側ノズルの円筒部の先端部に対応する部位に隘路が形成され、
   前記外側ノズルにおける前記隘路よりも先端側の部分が円筒形に形成された
   請求項３に記載のトーチ。