JP7491559B2 - ガスシールドアーク溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

この発明は、ガスシールドアーク溶接装置及び溶接方法に関するものである。

ガスシールドアーク溶接法では、溶接トーチのノズル先端部の噴射口からＣＯ_２等のシールドガスを放出して溶接部の周囲を大気から遮蔽し、溶接金属に大気中の酸素や窒素等が取り込まれることによって生じるブローホール等の溶接欠陥の発生を防止している。
しかし、ガスシールドアーク溶接は、屋外で風速が２ｍ/ｓを超える条件では、溶接部の周囲に横風を遮蔽するものがない場合、シールドガスが乱されて、溶接部が横風の影響を受けて、大気を巻き込み易くなり、ブローホールが発生し易くなる。
特に、母材相互の突合せ溶接の最終層では、溶融金属が大気に晒され易い状態となるため、溶接欠陥の発生がより顕著となる。
そこで、シールドガスの流量を増やす方法や、溶接トーチ先端部のシールドノズルの外周部にさらにシールドノズルを追加で配設し、２つのノズルから二重にシールドガスを溶接部に噴射する方法等が採られている。
また、ガスシールドアーク溶接法により屋外溶接を行う場合には、風によってガスシールドが乱されることを防止する対策を講ずる必要があり、溶接施工箇所全体を覆うような大掛かりな防風用の囲いを使用する方法が採られている。さらに、溶接トーチの先端部周囲を覆う小型の防風箱に関する文献も開示されている。

特許文献１「ガスシールドアーク立向自動溶接法」の発明がある。この発明には、ガスシールドアーク溶接時にアーク近傍で発生する上昇気流による下方からの大気の巻込みを防ぐため、シールドノズルの下方に専用のガス導管を設け、この導管に開けられた複数個のガス噴出孔からガスを下方向に流しながら溶接を行うガスシールドアーク立向自動溶接法が開示されている。

特許文献２「鉄骨現場溶接の防風装置」の発明がある。この発明には、溶接部近傍の母材表面に磁着して該母材表面から突出するガスフードと、そのガスフードに設けられて上記溶接部またはその前方に吹き出し口を向ける複数の吹き出し通路と、その吹き出し通路にシールドガスを供給するガス供給装置とを備える鉄骨現場溶接の防風装置が開示されている。

特許文献３「ガスシールドアーク自動溶接装置の防風箱」の発明がある。この発明には、上部と底部とが開口した角形の箱体の周壁に透視窓を設け、かつ底部開口縁に耐熱性および可撓性を有する資材でなる気密材を縁材として取付け、さらに箱体全体を自動溶接装置に連結するとともに、その箱体の上部開口より溶接トーチホルダーを挿入し、このトーチホルダーの適所と箱体の上部開口縁との間に遮風用シートをたるみをもたせて展設し、上部開口を閉塞したガスシ─ルドア─ク自動溶接装置の防風箱が開示されている。

特開平２－６０５７号公報 実登第２５８８４４９号公報 実開昭５３－１３７号公報

ガスシールドアーク溶接において、風によってシールドガスが乱されることを防止する対策として、大掛かりな防風用の囲い等を設けたり、シールドガスの流量を増すために流速を大きくしたり、溶接トーチに内外２つのノズルを設けて二重にシールドガスを溶接部に噴射する方法等が採られているが、以下の課題がある。
例えば、大掛かりな防風用の囲いを使用する防風対策は、溶接施工場所が遠隔地や高所である場合、作業場所までの運搬や高所への設置に労力や時間を要するだけでなく、溶接ヒュームの排出が課題となる。
防風箱は、大掛かりな防風用の囲いと比べて持ち運びや設置が容易であるが、溶接時に発生するヒュームが防風箱の内部に充満し、耐熱ガラス等で形成したのぞき窓を介しては溶接部の様子を十分に確認できず、溶接部のアーク柱や溶融池を視認することが困難になる等の問題がある。
シールドガスの流速の高速化は、溶滴やスパッタの飛散等の恐れがある。また、シールドガスを高速化することで、却って乱流を引き起こして大気を巻き込む恐れがある。
溶接トーチに内外２つのノズルを設けて二重にシールドガスを流す場合、既存の溶接トーチの外周部に新たにシールドノズルを追加する等の改造が必要になる。
特に、広いビード幅を確保するために、溶接進行方向に対して左右交互に溶接トーチ先端を振幅移動させながら溶接を行うウィービング溶接の場合、溶接トーチやその外周に設けたシールドノズルから噴射するシールドガスが振幅移動により乱されてガスシールドの効果が十分に得られない恐れがある。

本発明は、２以上の母材で形成した開先をアーク溶接して該母材を一体にするためのガスシールドアーク溶接装置であって、
レールをガイドとして移動する台車と、
該台車に支持され、該台車と一体的に移動するガスシールドアーク溶接トーチと、
前記開先の長手方向に平行で、かつ前記開先の両側にあるように前記台車に直接的または間接的に保持されている互いに平行な一対の遮風部材と、
前記遮風部材間にあって、前記溶接トーチから噴射される第１シールドガスとは別の第２シールドガスを溶接部に向けて前記開先の長手方向に沿って噴射するガスノズルとを具備するガスシールドアーク溶接装置を提供する。

また本発明の前記ガスノズルは、矩形状の断面を持ち水平方向の幅が高さよりも大きい噴射口を有するものであって、該噴射口の幅方向が前記母材表面に対して概ね平行になるように直接的または間接的に台車に固定されている、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、前記ガスノズルの噴射口が前記遮風部材間に位置している、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、前記遮風部材が、前記台車と一体的に移動するように前記台車に直接的または間接的に固定されている、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、前記ガスノズルが、前記台車と一体的に移動するように、前記溶接トーチ又は前記遮風部材或いは前記台車に直接的又は間接的に固定されている、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、前記ガスノズルから噴射する前記第２シールドガスがＣＯ_２である、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、前記遮風部材の下部に遮風のための柔軟性部材を有する、前記のガスシールドアーク溶接装置を提供する。

本発明はさらに、２以上の母材で形成した開先をガスシールドアーク溶接トーチを用いてアーク溶接して該母材を一体にするためのガスシールドアーク溶接方法であって、
前記開先の長手方向に平行で、かつ該開先の両側にあって互いに平行な一対の遮風部材の間において前記溶接トーチを用いて前記開先に対してガスシールドアーク溶接を行う際に、前記溶接トーチから噴射される第１シールドガスとは別の第２シールドガスを前記遮風部材間の溶接部に向けて前記第１シールドガスの流れと合流するように噴射しながら溶接を行う、ガスシールドアーク溶接方法を提供する。

この本発明の溶接方法においては、前記第２シールドガスを前記遮風部材の間の幅方向に均一な流量を層流をなすように噴射する。

本発明のガスシールドアーク溶接装置及び溶接方法は、溶接トーチから噴射される第１シールドガスとは別の第２シールドガスを溶接部に向けて開先の長手方向に沿って噴射することにより、横風に対するガスシールド効果を向上することが可能である。

本発明の一実施形態に係るガスシールドアーク溶接装置の全体構造を示す正面図である。 図１のＡ部の拡大斜視図を示す。 図１のＡ部の拡大平面図を示す。

本発明のガスシールドアーク溶接装置及び溶接方法の一実施形態について図１から図３を参照しながら説明する。なお、本発明は、下記の実施形態にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施形態に変更を加えることが可能なことはもちろんである。また、図は概略を示すもので、一部のみを描き詳細構造は省略した。

図１は、本発明の一実施形様に係るガスシールドアーク溶接装置の全体構造を示す正面図である。
本実施態様のガスシールドアーク溶接装置は、図１に示すように、２つの母材６ａ、６ｂの側面を互いに突き合わせて形成した開先３をアーク溶接して母材６を一体にするためのガスシールドアーク溶接装置である。
本実施態様においては、ガスシールドアーク溶接装置は、母材６ａに対して固定されているレール４をガイドとして移動する台車５と、台車５に支持され、台車５と一体的に移動するガスシールドアーク溶接トーチ２と、開先３の長手方向に平行で、かつ開先３の両側にあるように台車５に直接的または間接的に保持されている互いに平行な一対の遮風部材１０、１０と、遮風部材１０、１０間にあって、溶接トーチ２から噴射される第１シールドガス７とは別の第２シールドガス８を溶接部１１に向けて開先３の長手方向に沿って噴射するガスノズル１とを具備する。

図１のガスシールドアーク溶接装置は、母材６ａの表面にレール４を固定する事例を示しているが、レール４を母材６ｂ或いは、母材６ａ、６ｂを支持する他の部材に固定しても良い。
なおガスノズル１は、ガスホース２０を介して、シールドガスを封入したボンベやポンプ等からなるガス供給装置（図示しない）に接続されている。

本実施態様においては、ガスシールドアーク溶接装置のガスノズル１の噴射口１２が遮風部材１０、１０間に位置するように、母材６ａ、６ｂ上に載置する。
例えば、ガスノズル１の噴射口１２の幅が５ｃｍ程度の場合は、一対の遮風部材１０、１０相互の間隔は、５ｃｍと略同等か若干大きい程度（例えば６ｃｍ程度）とする。
一対の遮風部材１０、１０間に間隔を設け、高さ方向頂部を開放することにより、溶接部１１の視認性を損なうことがない。また、溶接ヒュームが溶接部１１周囲に滞留することがなく、溶接ヒュームを大気中に直ぐに逃がすことができる。

本実施態様のガスシールドアーク溶接装置は、図１に示すように、一対の遮風部材１０、１０を台車５と一体的に移動するように、連結アーム１８を介して台車５に間接的に連結している。各々の遮風部材１０、１０の一部にアーム固定具１９、１９を設け、各々の該アーム固定具１９、１９に連結アーム１８を連結する。
なお、遮風部材１０、１０を台車５に直接固定する構造としても良い。
また、各々の母材６ａ、６ｂの上面に各々の遮風部材１０、１０を溶接等で予め固定する構造としても良い。この場合、連結アーム１８とアーム固定具１９、１９は不要である。

本実施態様のガスシールドアーク溶接装置は、ガスノズル１又はガスノズル１が連結されたホース２０を台車５に連結アーム１７を介して間接的に固定している。
なお、溶接トーチ２とガスノズル１双方を固定具（図示しない）で間接的に固定する構造としても良い。
また、遮風部材１０、１０にガスノズル１を直接固定する構造としても良い。この場合、連結アーム１７或いは連結アーム１８は不要である。
さらにまた、ガスノズル１を台車５に直接固定する構造としても良い。

本実施態様において、ガスシールドアーク溶接装置を溶接トーチ２から噴射する第１シールドガス７として炭酸ガス（以下、「ＣＯ_２」と称する）を使用する炭酸ガスシールドアーク溶接（ＭＡＧ溶接）に使用する場合は、ガスノズル１から噴射する第２シールドガス８をＣＯ_２とする。
一方、溶接トーチ２から噴射する第１シールドガス７としてアルゴンを使用する溶接（ＭＩＧ溶接）の場合は、ガスノズル１から噴射する第２シールドガス８をアルゴンとする。

図２は、図１のＡ部の拡大斜視図を示す。
図１と同じ構造の説明は省略する。
本実施態様のガスシールドアーク溶接装置のガスノズル１は、図２に示すように、矩形状の断面を持ち水平方向の幅が高さよりも大きい噴射口１２を有するものであって、噴射口１２の幅方向が母材６表面に対して概ね平行になるように連結アーム１７を介して間接的に台車５に固定されているものとする。
ガスノズル１は、遮風部材１０、１０の間の幅方向に均一な流量の第２シールドガス８を層流をなすように噴射する。

遮風部材１０は、下部に遮風のための柔軟性部材１４を有する。
本実施態様においては、遮風部材１０、１０を平らな鋼板等で形成し、該鋼板の下部に耐熱ガラスクロス等で形成された柔軟性部材１４を設けている。
被溶接材の母材６表面と当接する部分に耐熱ガラスクロス等で形成された柔軟性部材１４を設けることにより、遮風部材１０を母材６表面上でスムーズに移動させることができる。
なお、ガスノズル１の高さは、図２に示すように、遮風部材１０と柔軟性部材１４を合わせた高さよりも低い高さとする。

図３は、図１のＡ部の拡大平面図を示す。
図１、図２と同じ構造の説明は省略する。
本実施態様においては、被溶接材の母材６ａと母材６ｂ相互で突合せ継手のＶ形の開先３を形成し、開先３の底部の裏側に、十分な溶け込みを確保することを目的として裏当材１５を設けている。
裏当材１５の材質は、母材６と同材質の鋼板或いはセラミック等とする。

本実施態様のガスシールドアーク溶接トーチ２は、溶接ワイヤ９を軸心に有し、溶接ワイヤ９がモータ（図示しない）により定速度で送られ、溶接ワイヤ９の先端と母材６間でアーク１３を発生し、アーク溶接するものである。
アーク溶接時に母材６ａ、６ｂ相互の溶接部１１を大気から遮蔽するため、溶接トーチ２のシールドノズル２２先端部の噴射口２３からＣＯ_２等の第１シールドガス７を放出すると共に、ガスノズル１の噴射口１２から層流の第２シールドガス８を放出し、横風に対するシールド効果を向上する。
なお溶接トーチ２は、台車５と一体的に移動するように、トーチホルダ１６を介して台車５に間接的に連結している。

次に、本発明のガスシールドアーク溶接方法の実施態様について説明する。
以下、タンクの側板等の縦継手の突合せ溶接を立向きで下方から上方に向かって立向上進溶接する方法の実施態様について説明する。
本実施態様のガスシールドアーク溶接方法は、２以上の母材６ａ、６ｂの側面を互いに突き合わせて形成した開先３をガスシールドアーク溶接トーチ２を用いてアーク溶接して該母材６を一体にするためのガスシールドアーク溶接方法である。
本溶接方法は、開先３の長手方向に平行で、かつ開先３の両側にあって互いに平行な一対の遮風部材１０、１０の間において溶接トーチ２を用いて開先３に対してガスシールドアーク溶接を行う際に、溶接トーチ２から噴射される第１シールドガス７とは別の第２シールドガス８を遮風部材１０、１０間の溶接部１１に向けて第１シールドガス７の流れと合流するように噴射しながら溶接を行う。

第２シールドガス８は、遮風部材１０、１０の間の幅方向に均一な流量を層流をなすように噴射する。

本実施態様のガスシールドアーク溶接方法においては、図１に示す通り、下方から上方に向かって溶接する立向上進溶接を採用しており、台車５と連結アーム１７を介して連結したガスノズル１の噴射口１２から上方向に向けて第２シールドガス８を噴射する。
台車５と連結アーム１７を介してガスノズル１又はガスノズル１が連結されたホース２０を間接的に連結すると共に、台車５と連結アーム１８を介して遮風部材１０、１０を間接的に連結することにより、台車５とガスノズル１及び遮風部材１０、１０を一体的に移動させることができる。
なお、ガスノズル１が常に溶接トーチ２近傍に位置するように、ガスノズル１やホース２０を手で持って追随して移動させることも可能である。この場合、連結アーム１７は不要である。
また、ガスノズル１以外の第２シールドガス８を供給する手段を採用しても良い。

以上、本発明の一実施態様につき述べたが、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、本発明に係る溶接装置及び溶接方法は、下方から上方に向かって溶接する立向上進溶接に限らず、上方から下方に向かって溶接する立向下進溶接に適用することも可能である。立向下進溶接に適用する場合は、遮風部材１０、１０間の上方から下方に向けて層流の第２シールドガス８を噴射する。

また、本発明に係る溶接装置及び溶接方法は、２つの母材６ａ、６ｂの側面を互いに突き合わせて開先３を形成して行う突合せ溶接に限らず、水平の母材６ａ表面に対して垂直方向に母材６ｂを設けて開先３を形成する角継手やＴ継手の隅肉溶接等にも適用することが可能である。さらに、開先３の形状もＶ形に限らず、Ｉ形やレ形等の開先形状においても適用することが可能である。
なお、立向溶接に限らず、本溶接装置及び被溶接材を地面に対して水平となるように載置し、下向等の溶接姿勢にも適用することができる。

上記の本発明の各実施態様のガスシールドアーク溶接装置及び溶接方法は、下記の効果を少なくとも１以上有している。
母材６上面に立設した遮風部材１０、１０をガイドとして、所定の方向（本実施態様では下方向から上方向）に対して、幅方向に均一で層流をなすように流す第２シールドガス８と溶接トーチ２から噴射する第１シールドガス７によって横風に対するガスシールド効果を向上し、空気中の酸素や窒素が溶融金属に侵入する可能性を低くし、ブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。特に、横風を遮るものがない溶接部１１の最終層に対するガスシールド効果を向上することができる。
台車５と溶接トーチ２、ガスノズル１及び遮風部材１０、１０を溶接の進行方向と連動させて移動させ、溶接部１１を常に横風から遮蔽した状態で、溶接部１１に向けて第１シールドガス７及び第２シールドガス８を供給することにより、ガスシールド効果を向上することができる。
既存の溶接装置にガスノズル１、遮風部材１０、１０等の部材を追加で設けることによって簡単に実施することができ、大掛かりな設備投資が不要である。また、既存の溶接装置を使用できるため、溶接方法を変更する必要もない。
第２シールドガス８として安価なＣＯ_２を使用することにより、炭酸ガスシールドアーク溶接において、低コストで実施できる。
従来の溶接トーチ２から噴出するシールドガス流を高速化する方法によって生じる乱流の恐れもない。
大掛かりな防風用の囲いや防風箱を使用する防風対策と比べて、密閉空間を形成せず、溶接時のヒュームの排出対策を講じる必要が無い。
特に、溶接トーチ２から噴射する第１シールドガス７が乱れ易いウィービング溶接において、溶接部１１に向けて開先３の長手方向に沿って層流をなすように第２シールドガス８を噴射することにより、溶接部及びその周囲に安定して第１シールドガス７及び第２シールドガス８が供給され、ガスシールド効果が向上し、溶接品質を向上することができる。

１ ガスノズル
２ 溶接トーチ
３ 開先
４ レール
５ 台車
６ 母材
６ａ 母材
６ｂ 母材
７ 第１シールドガス
８ 第２シールドガス
９ 溶接ワイヤ（電極）
１０ 遮風部材
１１ 溶接部（溶融金属）
１２ 噴射口
１３ 溶接アーク
１４ 柔軟性部材（耐熱ガラスクロス）
１５ 裏当材
１６ トーチホルダ
１７ （ガスノズル１の）連結アーム
１８ （遮風部材１０の）連結アーム
１９ アーム固定具
２０ ホース
２１ 溶接金属
２２ シールドノズル
２３ 噴射口

Ｗ 横風
Ｐ 溶接（台車５）の進行方向

Claims (9)

1. ２以上の母材で形成した開先をアーク溶接して該母材を一体にするためのガスシールドアーク溶接装置であって、
   レールをガイドとして移動する台車と、
   該台車に支持され、該台車と一体的に移動するガスシールドアーク溶接トーチと、
   前記開先の長手方向に平行で、かつ前記開先の両側にあるように前記台車に直接的または間接的に保持されている互いに平行な一対の遮風部材と、
   前記遮風部材間にあって、前記溶接トーチから噴射される第１シールドガスとは別の第２シールドガスを溶接部に向けて前記開先の長手方向に沿って噴射するガスノズルとを具備するガスシールドアーク溶接装置。
2. 前記ガスノズルは、矩形状の断面を持ち水平方向の幅が高さよりも大きい噴射口を有するものであって、該噴射口の幅方向が前記母材表面に対して概ね平行になるように直接的または間接的に台車に固定されている、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接装置。
3. 前記ガスノズルの噴射口が前記遮風部材間に位置している、請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接装置。
4. 前記遮風部材は、前記台車と一体的に移動するように前記台車に直接的または間接的に固定されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接装置。
5. 前記ガスノズルは、前記台車と一体的に移動するように、前記溶接トーチ又は前記遮風部材或いは前記台車に直接的又は間接的に固定されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接装置。
6. 前記ガスノズルから噴射する前記第２シールドガスがＣＯ_２である、請求項１ないし５のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接装置。
7. 前記遮風部材の下部に遮風のための柔軟性部材を有する、請求項１ないし６のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接装置。
8. ２以上の母材で形成した開先をガスシールドアーク溶接トーチを用いてアーク溶接して該母材を一体にするためのガスシールドアーク溶接方法であって、
   前記開先の長手方向に平行で、かつ該開先の両側にあって互いに平行な一対の遮風部材の間において前記溶接トーチを用いて前記開先に対してガスシールドアーク溶接を行う際に、前記溶接トーチから噴射される第１シールドガスとは別の第２シールドガスを前記遮風部材間の溶接部に向けて前記第１シールドガスの流れと合流するように噴射しながら溶接を行う、ガスシールドアーク溶接方法。
9. 前記第２シールドガスは、前記遮風部材の間の幅方向に均一な流量を層流をなすように噴射するものである、請求項８記載のガスシールドアーク溶接方法。
   
   

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