JPH031110B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特に深い溝や狭い間隙用の気体タン
グステンアーク溶接アーチおよびその使用方法に
関するものである。

気体タングステンアーク溶接法は、被加工物と
タングステン電極との間に発生するアークで溶接
部を加熱して溶着させる方法である。酸化を保ぐ
ため、加熱された溶接部、溶融金属および溶接電
流の流れる非消耗性電極は、普通溶接トーチと呼
ばれる電極ホルダーから流される不活性ガス流に
よつて周囲雰囲気から遮断される。

市販のトーチはタングステン電極を支持し、タ
ングステン電極に溶接電流を流すためにトーチ本
体内のコレツトを用いている。電極は一般にコレ
ツトから周囲のガスノズルを通つて軸方向に延
び、ノズルオリフイスから短距離だけ突出してい
る。遮蔽気体はノズルを通し、電極に沿つてオリ
フイスから出て溶接部に流される。

遮蔽気体による遮蔽は、気体タングステンアー
ク溶接法で満足すべき溶接を得るために重要な要
素である。遮蔽気体による適切な遮蔽は、蒸気発
生器に用いられるA533等の高張力低合金鋼の溶
接に極めて重要である。この材料は、蒸気発生器
の製造中に用いられる焼入および焼戻しにより高
応力が発生するため気体タングステンアーク溶接
法により溶接するのが極めて困難である。強い応
力を受けている材料は空気に触れると容易に酸化
する。このような炭素鋼および低合金鋼上にタン
グステン不活性気体アーク溶接法により形成され
る過熱された溶融金属は、高合金鋼に於るよりも
酸化し易い。このような場合に適切な遮蔽がされ
ないと、多孔質となり、表面酸化が過多となり、
脆化が起り、割れが生ずることがある。炭素鋼お
よび低合金鋼のこのような性質のため、また遮蔽
気体による適切な遮蔽が困難なため、溶接技術の
分野では気体タングステンアーク溶接法を充分に
応用できなかつた。この種の材料を半自動方法に
より接合する技術では普通にスラグを形成する溶
接法が用いられている。この慣用のスラグ形成溶
接法は多くの半自動化された製造工程には満足す
べきものであるが、その溶接部の品質は、タング
ステン不活性気体アーク溶接法による程には良く
ない。更に、スラグ形成溶接法では溶接作業を平
坦な下向き１Ｇ位置で行わねばならず、実際的で
ない場合がある。例えば、多くの製造工程および
現場作業に於ては、水平２Ｇ位置で溶接を行う必
要がある。

気体タングステンアーク溶接法を用い遮蔽気体
により適切に遮蔽できるようにすることは、この
溶接法を深く狭い溝に対して用いる場合に更に複
雑になる。深く狭い溝は溶着金属の量と溶接時間
を減少させるので望ましいものである。この溝は
７cm以上の深さとなることもあり、底の半径が約
5.6mm以下、そして傾き角度が1゜乃至8゜にしか過ぎ
ない。このような溝の形状および拘束のため、溶
接が完了するまで溶融金属を完全に気体で遮蔽し
て置くことが困難である。更に、このような場合
に望ましい気体である例えばヘリウム75％、アル
ゴン25％という軽い遮蔽気体を用いるために、適
切な遮蔽を形成するのが更に困難となつている。
また２Ｇ位置で溶接していると、溶接溝近傍の高
温金属が周囲空気を加熱して上昇させ、溶接溝内
に遮蔽気体を抜き出させる気流を発生させる（煙
突効果）。

従つて本発明の主目的は、A533等の高張力低
合金鋼に２Ｇ位置で気体タングステンアーク溶接
法を適用する深く狭い溝に適切な遮蔽気体の遮蔽
を形成するよう構成した新規な溶接トーチおよび
その溶接トーチで狭い溝の溶接を行なう方法を得
ることである。

この目的に鑑み、本発明はトーチ本体と、上記
トーチ本体により支持され上記トーチ本体から突
出した端を有する非消耗性溶接電極と、一端で上
記トーチ本体に結合され上記溶接電極の主部分を
囲み、上記トーチ本体内で気体孔に連通し、上記
溶接電極に沿つた気体通路を形成する長いノズル
とを備え、深く狭い溝継ぎ手を溶接するための気
体タングステンアーク溶接トーチに於いて、上記
ノズルの気体通路内で上記ノズルの自由端に近接
して気体レンズが設けられて、レンズの下流側に
上記溶接電極に平行な気体の層流を発生させるよ
うにされ、上記レンズは上記ノズルにより支持さ
れ容易に交換できるように上記ノズルから取外せ
るものであり、また上記溶接電極は、中実の中心
タングステンロツドと、このタングステンロツド
よりも電気抵抗が低く、タングステンロツドに粘
着的かつ結合的に接着された同心の外スリーブと
を備え、上記外スリーブが、上記トーチ本体内の
電気的接続点から上記レンズの下流の上記溶接電
極上の点にまで延びてなり、上記レンズを含む上
記ノズルの自由端が長い断面形を有し、上記ノズ
ルが封止可能かつ着脱式に上記トーチ本体に取付
けられてなることを特徴とする気体タングステン
アーク溶接トーチに在る。

また本発明によれば、トーチ本体と、上記トー
チ本体により支持され上記トーチ本体から突出し
た端を有する非消耗性溶接電極と、一端で上記ト
ーチ本体に結合され上記溶接電極の主部分を囲
み、上記トーチ本体内で気体孔に連通し、上記溶
接電極に沿つた気体通路を形成する長いノズルと
を備え、深く狭い溝継ぎ手を溶接するための気体
タングステンアーク溶接トーチであつて、上記ノ
ズルの気体通路内で上記ノズルの自由端に近接し
て気体レンズが設けられて、レンズの下流側に上
記溶接電極に平行な気体の層流を発生させるよう
にされ、上記レンズは上記ノズルにより支持され
容易に交換できるように上記ノズルから取外せる
ものであり、上記レンズを含む上記ノズルの自由
端が長い断面形を有し、上記ノズルが封止可能か
つ着脱式に上記トーチ本体に取付られてなる気体
タングステンアーク溶接トーチを用いて、深く狭
い溝継手を溶接する方法であつて、上記ノズルを
狭い溝継手内に挿入できる寸法とし、上記溝継手
に対する１つの溶接パスから次の溶接パスに移る
際に、上記ノズルを上記溝継手から抜出して上記
ノズルを交換し、上記ノズルの幅を溝継手の所定
幅寸法値での溝の幅の増大分に相当して段階的に
増大させる溶接方法も得られる。

望ましくは、ノズルは長い断面形とし、電極の
軸心回りに回転可能にトーチ本体に滑動可能かつ
着脱式に取付られる。

溶接トーチの使用中には、溶接パス毎に溶接す
べき間隙が広くなるにつれて段々と幅広のノズル
に交換する。

次に添附図面に示す実施例に沿つて本発明を説
明する。

本発明によれば、第１図に示す如く、気体タン
グステンアーク溶接トーチは深く狭い溝に用いる
ように構成されている。トーチの主部分は、トー
チ本体１６、ノズル１８および電極１０である。
望ましい実施例に於ては、トーチ本体１６は銅製
であり、冷却水を直接適用される大型ヒートシン
クの作用をし、冷却水は入口２４から入り環状導
管２２を通つてハウジング内を循環し出口孔２０
から排出される。遮蔽気体は入口２６から入り、
中央の電極１０に沿つて流され出口２８からノズ
ル室３６の内側周辺に流れる。トーチ本体のノズ
ル１８に接触している部分は断面が円形で、ガス
の出口２８はノズル室３６の内壁の周方向に配置
されている。

ノズルは電気絶縁体（例えばセラミツク）で形
成され、電極が溶接溝の側壁に接触せぬようにし
てある。ノズルは又、遮蔽ガスをトーチ本体から
溶融金属にまで、層流を形成して溶接部を充分に
遮蔽するように案内して流す作用をもする。ノズ
ル１８の拡大端部は、Ｏリング３８によりトーチ
本体１６に気密に接続され、望ましくは、電極１
０の長軸回りに回転可能に取付られている。ノズ
ルはノズル室３６の下流側にテーパーして深く狭
い溝内に完全に挿入できるようにしてある。ノズ
ルのテーパー付内側幅３９は電極１０に対して適
切な間隙を形成し、遮蔽気体をオリフイス４０に
供給する環状の気体通路を形成するような寸法で
ある。次第に細かくなるスクリーンの複数の層か
らなる拡散レンズ装置即ちレンズ３０が気体通路
のテーパー部分内のオリフイス４０の近くの上流
側に設けられている。ノズルのテーパー部分は第
２図に示す如く長い断面形を有して、溶接溝の狭
く深い溝の形状内での遮蔽気体による遮蔽を最少
限にしている。

第１図および第３図から判る如く、ノズルのテ
ーパー部分は２つの部分に分かれている。即ち止
め環４６によりフランジ４８で結合された下部ノ
ズル部分４２と上部ノズル部分４４とである。フ
ランジには内側溝４５が設けられ、着脱式の交換
可能なレンズ３０をそこに受入れて保持するよう
にしてある。

溶接電極はトーチ本体内の中央環状空間内を通
つて延びてコレツト３２に係合して部分的に支持
され、溶接電流はこのコレツト３２により電極に
与えられる。トーチ本体の上端のきざみ付ナツト
３４は電極を中央環状空間に捕捉する作用をす
る。電極１０は、低抵抗導電材料１４をタングス
テン心棒１２上に溶射して作つた複合構造のもの
である。溶接電流が電極を通つてアークに流れる
際の抵抗加熱の量は銅の被覆を用いることにより
最小限にできる。

実験の結果、レンズ３０をノズルのオリフイス
４０から1.2cm乃至3.8cmに設けると層流が改善さ
れ、レンズ３０をオリフイスから2.2cmから2.5cm
の所に設けると良い結果が得られることが判つ
た。銅の被覆は電極の長さに沿つてレンズの下流
の位置まで延びてレンズ材料の局部的加熱を減少
させており、オリフイスの所あるいはその手前で
終つている。銅の被覆の無いタングステン電極は
望ましくはオリフイス先端から3.2cmまで先に延
びている。

このように本発明によれば以下の利点が得られ
る。電気的接触は、電極の銅の導電性被覆により
トーチ本体との間に形成され大型の銅のヒートシ
ンクと直接的水冷とが得られる。トーチのこの部
分の作業環境が調整されているので、コレツトが
電極と良好な電気的接触を維持し、溶接電流の通
流効率を高め、さもなければトーチの種々の部分
の消耗を早めるような局部的抵抗加熱を減少させ
る。出口２８から径方向に出てノズル室３６の側
壁に当る気体は、大きな圧力降下を受け良く混合
されて、さもなければ気体通路に沿つた壁の抵抗
により起こるような、テーパー部分３９を通る気
体が優先的に流れることを減少させる。縦に組合
わされた種々の寸法の細かい網目のスクリーンか
らなる気体拡散用レンズ３０は、更に背圧を与え
圧力降下を与え、不活性遮蔽気体を拡散させ、ノ
ズルの他部分の気体流れを層流状とし、更にオリ
フイス４０を越えて溶接アークおよび溶融金属に
まで柱状にされた層流気体流れを吹き出すように
する。銅被覆されたタングステン電極は、タング
ステン電極の被覆してない先端から発する熱輻射
の大きさに対するメツシユ拡散スクリーンの弱点
を減少する。銅被覆はスクリーンに形成された気
体の漏れの無いような寸法にした小さな密接に嵌
合する開口を通つて延びている。実験の結果、被
覆はタングステンをスクリーンの酸化および劣化
を防ぐのに充分に低い温度に維持することが判つ
た。着脱式ノズル部分は、ノズルを取外ずに拡散
スクリーンに作業できるようにするだけでなく、
オリフイス部分だけを交換できるようにもするも
のである。狭い溝内でノズルオリフイスを動かし
ているときに損傷することは珍しくはない。ま
た、ノズルとトーチ本体との間のＯリングを圧入
した封止装置が、様々な大きさのノズルを受入れ
るようにノズル全体を交換するのを容易にする。
更に、ノズルをトーチ本体に結合する構成により
ノズルを電極の回りに回転でき、トーチ本体の向
きを変えずに狭い溝の中のノズルの長い断面形の
テーパー部分の向きを変えることができる。

第５図にはトーチを深く狭い溝継手５に用いる
場合を示し、溝継手５は開先角度が6゜乃至8゜で、
タングステン不活性気体溶接トーチ１はそのノズ
ル１８が被加工物２の溝内に完全に挿入され、溶
接電極１０はノズル１８のオリフイスから僅かに
突出している。溶接は溶接電極１０と被加工物２
との間に発生するアークにより行なわれる。行な
われる溶接の品質はノズルオリフイスに於る遮蔽
気体により遮蔽の適切さに依存するものである。
遮蔽気体による遮蔽、従つて溶接品質の改善は、
継手幅の増大分に応じて次々の溶接パス中にノズ
ルを溝から引出すにつれ溶接溝の深さ方向の所定
高さでノズルの幅を段階的に増大させることによ
り実現できる。

溶接トーチが溶接溝内の所定高さに達したと
き、トーチ１を引出してノズル１８を接合部３か
ら外し、その溶接深さに於ける溝の幅に対応する
より大きなオリフイス幅４のノズルと交換する。
実験結果により、所定高さを、溶融金属周囲の所
望の気体遮蔽領域がノズル幅の約1.25倍を越えぬ
ように選択すると有利であることが判つた。例え
ば深さ10cm角度6゜乃至8゜の深く狭い溝に対して
は、高品質溶接部を得るためには幅が段階的に大
きくなる５個のノズルを要する。

気体ノズル幅を段階的に次第に増大させること
により、A533等の高張力低合金鋼に於ける溶接
の品質を実質的に高める。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶接トーチの横断面図、第２
図は第１図の線−に沿つた断面図、第３図は
第２図のノズルの一部の頂面図、第４図は第３図
の−線に沿つたノズルの断面図、第５は溶接
トーチ気体ノズルを溶接深さにまで挿入した深い
狭い溝溶接継手を示す図である。 １０……溶接電極、１６……トーチ本体、１８
……ノズル、２８……出口、３０……レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ トーチ本体と、上記トーチ本体により支持さ
   れ上記トーチ本体から突出した端を有する非消耗
   性溶接電極と、一端で上記トーチ本体に結合され
   上記溶接電極の主部分を囲み、上記トーチ本体内
   で気体孔に連通し、上記溶接電極に沿つた気体通
   路を形成する長いノズルとを備え、深く狭い溝継
   ぎ手を溶接するための気体タングステンアーク溶
   接トーチに於いて、上記ノズルの気体通路内で上
   記ノズルの自由端に近接して気体レンズが設けら
   れて、レンズの下流側に上記溶接電極に平行な気
   体の層流を発生させるようにされ、上記レンズは
   上記ノズルにより支持され容易に交換できるよう
   に上記ノズルから取外せるものであり、また上記
   溶接電極は、中実の中心タングステンロツドと、
   このタングステンロツドよりも電気抵抗が低く、
   タングステンロツドに粘着的かつ結合的に接着さ
   れた同心の外スリーブとを備え、上記外スリーブ
   が、上記トーチ本体内の電気的接続点から上記レ
   ンズの下流の上記溶接電極上の点にまで延びてな
   り、上記レンズを含む上記ノズルの自由端が長い
   断面形を有し、上記ノズルが封止可能かつ着脱式
   に上記トーチ本体に取付けられてなることを特徴
   とする気体タングステンアーク溶接トーチ。 ２ 上記レンズが上記ノズルの端の上流側2.3cm
   乃至2.5cmの位置に在る特許請求の範囲第１項記
   載の気体タングステンアーク溶接トーチ。 ３ 上記ノズルが上記トーチ本体に着脱式に封止
   されて接続されてなる特許請求の範囲第１項ある
   いは第２項記載の気体タングステンアーク溶接ト
   ーチ。 ４ トーチ本体と、上記トーチ本体により支持さ
   れ上記トーチ本体から突出した端を有する非消耗
   性溶接電極と、一端で上記トーチ本体に結合され
   上記溶接電極の主部分を囲み、上記トーチ本体内
   で気体孔に連通し、上記溶接電極に沿つた気体通
   路を形成する長いノズルとを備え、深く狭い溝継
   ぎ手を溶接するための気体タングステンアーク溶
   接トーチであつて、上記ノズルの気体通路内で上
   記ノズルの自由端に近接して気体レンズが設けら
   れて、レンズの下流側に上記溶接電極に平行な気
   体の層流を発生させるようにされ、上記レンズは
   上記ノズルにより支持され容易に交換できるよう
   に上記ノズルから取外せるものであり、上記レン
   ズを含む上記ノズルの自由端が長い断面形を有
   し、上記ノズルが封止可能かつ着脱式に上記トー
   チ本体に取付られてなる気体タングステンアーク
   溶接トーチを用いて、深く狭い溝継手を溶接する
   方法であつて、 上記ノズルを狭い溝継手内に挿入できる寸法と
   し、上記溝継手に対する１つの溶接パスから次の
   溶接パスに移る際に、上記ノズルを上記溝継手か
   ら抜出して上記ノズルを交換し、上記ノズルの幅
   を溝継手の所定幅寸法値での溝の幅の増大分に相
   当して段階的に増大させる溶接方法。 ５ 上記所定幅寸法値がノズル幅の1.25倍を越え
   ぬように選択された特許請求の範囲第４項記載の
   溶接方法。