JPWO2013168513A1 - 溶接方法、溶接用ノズル及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

筒状の溶接用ノズルの内部から鉄材の表面に不活性ガスが供給され、溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている鉄材の表面が加熱される溶接方法において、鉄材の表面に生じた溶融池に、不活性ガスの流れに伴って生じた気圧の低下によって吸引された大気中の酸素が導入される。これにより、二重シールドＴＩＧ溶接のように別途の酸素の供給源を用意しなくとも、溶融池に酸素を導入して、溶融池の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることができる。

Description

本発明の一実施形態は、溶接方法、溶接用ノズル及び溶接装置に関し、金属材の表面に不活性ガスを供給する溶接方法、溶接用ノズル及び溶接装置に関する。

ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接は、表面品質が高く、溶接欠陥が少ないため、精密機器や高圧パイプの溶接等に用いられている。しかし、ＴＩＧ溶接には、溶融池の溶込み深さが浅く、溶接効率が低い欠点がある。溶融池に酸素を導入することにより、溶込み深さを深くすることが可能であることが知られている。しかし、溶融池に酸素を導入すると、酸素によりタングステン電極が消耗し易い問題が生じる。そこで、下記の特許文献１では、タングステン電極の側面を囲繞する内側のノズルと、内側のノズルの側面を囲繞する外側のノズルとで二重に囲繞し、それぞれのノズルに別々のガスを流通させる二重シールドＴＩＧ溶接の技術が開示されている。特許文献１の技術では、ＡｒガスとＯ_２ガスとの二系統のガス供給系統が用意される。内側のノズルの内部にはＡｒガスが流通させられ、内側のノズルと外側のノズルとの間にはＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスが流通させられることにより、酸素によるタングステン電極の消耗を防止しつつ、溶融池に酸素を導入し、溶込み深さを深くする。

特開２００４−２９８９６３号公報

しかしながら、上記技術では、ＡｒガスとＯ_２ガスとの二系統のガス供給系統と、二系統のガス供給系統に対応した特製の溶接トーチとが必要となる。そのため、ガス供給系統や溶接トーチが複雑かつ高価なものとなる欠点がある。また、二系統のガス供給系統が必要なため、溶接のためのガスが高価となる欠点がある。

本発明の一実施形態は上記課題に鑑みてなされたものであり、より簡単な手法で溶融池に酸素を導入して、溶融池の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることが可能なアーク溶接方法、アーク溶接用ノズル及びアーク溶接装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程と、不活性ガス供給工程で溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている金属材の表面を加熱する加熱工程と、加熱工程によって金属材の表面に生じた溶融池に、不活性ガス供給工程での不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気中の酸素を導入する酸素導入工程とを含む溶接方法である。

この構成によれば、筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスが供給され、溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている金属材の表面が加熱される溶接方法において、金属材の表面に生じた溶融池に、不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気中の酸素が導入される。これにより、二重シールドＴＩＧ溶接のように別途の酸素の供給源を用意しなくとも、溶融池に酸素を導入して、溶融池の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることができる。

この場合、溶接用ノズルは、内部を不活性ガスが流通するノズル内筒と、ノズル内筒の側面を囲繞しつつノズル内筒との隙間にノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通するノズル外筒とを有し、不活性ガス供給工程では、ノズル内筒の内部から金属材に不活性ガスを供給し、酸素導入工程では、ノズル内筒とノズル外筒との隙間に、ノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気を流通させつつ、溶融池に雰囲気中の酸素を導入することができる。

この構成によれば、溶接用ノズルは、内部を不活性ガスが流通するノズル内筒と、ノズル内筒の側面を囲繞しつつノズル内筒との隙間にノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通するノズル外筒とを有する。また、ノズル内筒の内部から金属材に不活性ガスが供給され、ノズル内筒とノズル外筒との隙間に、ノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通させられつつ、溶融池に雰囲気中の酸素が導入される。このため、ノズル内筒とノズル外筒と有する簡単な構造の溶接用ノズルのみで溶融池に酸素を導入することができる。

この場合、溶接用ノズルは、ノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさを調整自在なギャップ可変ユニットを有し、酸素導入工程では、ギャップ可変ユニットによりノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさを調整することにより、ノズル内筒とノズル外筒との隙間を流通する雰囲気の量を制御し、溶融池に導入する酸素の量を制御することができる。

溶融池を理想的な状態にするために導入すべき酸素の量は溶接の状況によって異なる。しかし、この構成では、溶接用ノズルは、ノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさを調整自在なギャップ可変ユニットを有し、ギャップ可変ユニットによりノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさを調整することにより、ノズル内筒とノズル外筒との隙間を流通する雰囲気の量が制御され、溶融池に導入する酸素の量が制御される。このため、溶接の様々な状況に対応して溶融池に導入する酸素の量を制御することができる。

また、ノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさは１ｍｍより大きく、５ｍｍ以下であるものとできる。

このようにノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさは１ｍｍより大きくすることにより、ノズル内筒とノズル外筒との隙間を流通する雰囲気が逆流することを防止することができる。また、ノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさは５ｍｍ以下とすることにより、十分な量の雰囲気を流通させることができる。

また、溶接用ノズルは、溶接用ノズルの外部から溶接用ノズルの内部へと通じ、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通する雰囲気導入孔部を有し、酸素導入工程では、雰囲気導入孔部に、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気を流通させつつ、溶融池に雰囲気中の酸素を導入することができる。

この構成によれば、溶接用ノズルは、溶接用ノズルの外部から溶接用ノズルの内部へと通じ、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通する雰囲気導入孔部を有し、雰囲気導入孔部に、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通させられつつ、溶融池に雰囲気中の酸素が導入される。このため、雰囲気導入孔部を有する簡単な構造の溶接用ノズルのみで溶融池に酸素を導入することができる。

この場合、溶接用ノズルは、雰囲気導入孔部の大きさを調整自在な導入孔可変ユニットを有し、酸素導入工程では、導入孔可変ユニットにより雰囲気導入孔部の大きさを調整することにより、雰囲気導入孔部を流通する雰囲気の量を制御し、溶融池に導入する酸素の量を制御することができる。

溶融池を理想的な状態にするために導入すべき酸素の量は溶接の状況によって異なる。しかし、この構成では、溶接用ノズルは、雰囲気導入孔部の大きさを調整自在な導入孔可変ユニットを有し、導入孔可変ユニットにより雰囲気導入孔部の大きさを調整することにより、雰囲気導入孔部を流通する雰囲気の量が制御され、溶融池に導入する酸素の量が制御される。このため、溶接の様々な状況に対応して溶融池に導入する酸素の量を制御することができる。

また、本発明の一実施形態は、筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給し、溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている金属材の表面を加熱する溶接で用いられる溶接用ノズルであって、内部に不活性ガスが流通するノズル内筒と、ノズル内筒の側面を囲繞しつつノズル内筒との隙間にノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通するノズル外筒とを備え、ノズル内筒とノズル外筒との隙間に、ノズル内筒を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通することにより、加熱により金属材の表面に生じた溶融池に雰囲気中の酸素が導入される溶接用ノズルである。

この場合、ノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさを調整自在なギャップ可変ユニットを備え、ギャップ可変ユニットによりノズル内筒とノズル外筒との隙間の大きさが調整されることにより、ノズル内筒とノズル外筒との隙間を流通する雰囲気の量が制御され、溶融池に導入される酸素の量が制御されることができる。

また、酸素導入工程では、溶融池の中の酸素量が７０〜３００ｐｐｍとなるように溶融池に雰囲気中の酸素を導入することができる。

酸素導入工程では、溶融池の中の酸素量が７０〜３００ｐｐｍとなるように溶融池に雰囲気中の酸素を導入することにより、より確実に溶融池の溶込み深さを深くすることができる。

また、不活性ガス供給工程では、不活性ガスの流量を１〜９ＬＭとして不活性ガスを供給することができる。

不活性ガス供給工程では、不活性ガスの流量を１〜９ＬＭとして不活性ガスを供給することにより、より確実に溶融池の溶込み深さを深くすることができる。

また、本発明の一実施形態は、筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給し、溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている金属材の表面を加熱する溶接で用いられる溶接用ノズルであって、溶接用ノズルの外部から溶接用ノズルの内部へと通じ、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通する雰囲気導入孔部を備え、雰囲気導入孔部に、溶接用ノズルの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通することにより、加熱により金属材の表面に生じた溶融池に雰囲気中の酸素が導入される溶接用ノズルである。

この場合、雰囲気導入孔部の大きさを調整自在な導入孔可変ユニットを備え、導入孔可変ユニットにより雰囲気導入孔部の大きさが調整されることにより、雰囲気導入孔部を流通する雰囲気の量が制御され、溶融池に導入する酸素の量が制御されることができる。

また、本発明の一実施形態は、本発明の溶接用ノズルと、本発明の溶接用ノズルにより不活性ガスを供給されている金属材の表面を加熱する熱源と、溶融池を観測する溶融池観測ユニットと、溶融池観測ユニットによって観測された溶融池の状態に基づいて、本発明の溶接用ノズルのギャップ可変ユニット又は本発明の溶接用ノズルの導入孔可変ユニットにより、溶融池に導入する酸素の量を制御する酸素導入量制御ユニットとを備えた溶接装置である。

この構成によれば、溶融池観測ユニットによって観測された溶融池の状態に基づいて、本発明の溶接用ノズルのギャップ可変ユニット又は本発明の溶接用ノズルの導入孔可変ユニットにより、酸素導入量制御ユニットは、溶融池に導入する酸素の量を制御する。このため、溶融池の状態に基づいて溶融池に導入する酸素の量を制御することにより、より良好な溶融池を得ることができる。

本発明の一実施形態のアーク溶接方法、アーク溶接用ノズル及びアーク溶接装置によれば、より簡単な手法で溶融池に酸素を導入して、溶融池の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることが可能となる。

第１実施形態のトーチを示す斜視図である。 図１のトーチの側面図である。 第１実施形態のノズルを示す斜視図である。 図３のIV線による断面図である。 第１実施形態のノズルに不活性ガスを導入した際のノズル周囲の気流を示す図である。 不活性ガス雰囲気下での溶融池の温度と表面張力との関係を示すグラフ図である。 不活性ガス雰囲気下での溶融池の形状と溶融金属の流動とを示す図である。 酸素を含む雰囲気下での溶融池の温度と表面張力との関係を示すグラフ図である。 酸素を含む雰囲気下での溶融池の形状と溶融金属の流動とを示す図である。 第２実施形態のノズルを示す斜視図である。 図１０のXI線による断面図である。 第３実施形態のノズルを示す斜視図である。 図１２のXIII線による断面図である。 第４実施形態のノズルを示す斜視図である。 図１４のXV線による断面図である。 第５実施形態の溶接装置を示す斜視図である。 実験例におけるノズルのギャップ距離とノズル出口の流れ速度との関係を示すグラフ図である。 実験例におけるガス流量と溶融池の幅Ｗに対する溶融池の深さＤの比であるＤ／Ｗとの関係を示すグラフ図である。 実験例におけるガス流量と溶融池内の酸素濃度との関係を示すグラフ図である。 実験例におけるガス流量１ＬＭのときの溶融池を示す図である。 実験例におけるガス流量４ＬＭのときの溶融池を示す図である。 実験例におけるガス流量９ＬＭのときの溶融池を示す図である。 実験例におけるガス流量１０ＬＭのときの溶融池を示す図である。 実験例におけるガス流量２０ＬＭのときの溶融池を示す図である。 実験例における溶接部の強度を示す表である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る溶接方法、溶接用ノズル及び溶接装置について詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、一般的なＴＩＧ溶接に用いられるトーチに対して、本実施形態に係る溶接用ノズルが取り付けられる。これにより溶融池に表面活性元素である酸素を導入することにより、溶融池の溶込み深さが増大する。表面活性元素としては、酸素以外にも、硫黄、セレン及びテルルが挙げられる。溶融池に表面活性元素を導入することにより溶融池の溶込み深さが増大する金属材としては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＦｅとＮｉとの合金、及びステンレス鋼のいずれかを含む金属材が挙げられる。

まず、ＴＩＧ溶接用のトーチについて簡単に説明する。図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態で用いられるトーチ１０は、ハンドル１２、連結部１４、トーチボディ１６、ガス導入口部１８及びスリーブ２０を備えている。本実施形態で用いられるトーチ１０は、一般的なＴＩＧ溶接に用いられる物と同様の構造を有する。ハンドル１２は、作業者が把持し易いような円柱形状を有する。ハンドル１２は、外部からアークを発生させるための電力が供給される。ハンドル１２内部の送電線を介してスリーブ２０内部のタングステン電極と外部の電力源とは電気的に接続される。円筒形状を有するトーチボディ１６は、連結部１４を介してハンドル１２と例えば６０°の角度をなして連結されている。トーチボディ１６の一端には、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガスが導入されるガス導入口部１８が備えられる。なお、使用される不活性ガスとしては、１００％のＡｒガス、１００％のＨｅガスでなくとも良く、多少のＨ_２等の他の成分のガスを含んでいても良い。トーチボディ１６の他端には、棒状のタングステン電極を囲繞し、後述する溶接用ノズルが取り付けられるスリーブ２０が備えられている。

以下、本実施形態の溶接用ノズルについて説明する。図３及び図４に示すように、本実施形態の溶接用ノズル１００ａは、ノズル内筒１０２、ノズル外筒１０４及び連結翼１０６を備える。ノズル内筒１０２は、タングステン電極２２の側面をその内壁面で囲繞しつつ内部に不活性ガスを流通させる。ノズル外筒１０４は、ノズル内筒１０２の側面を囲繞しつつノズル内筒１０２との隙間にノズル内筒１０２を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された大気を流通させる。連結翼１０６は、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４とを所定の間隔ｇをおいて連結する。

ここで、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔ｇは、不活性ガスの流量が４〜９ＬＭであり、タングステン電極２２と溶接される金属材との間に形成されるアークの長さであるアーク長が３ｍｍの場合は、例えば１〜５ｍｍ、３ｍｍとすることができる。アーク長が長くなると不活性ガスの溶融池２１０をシールドする効果が低下し、溶融池２１０に導入される酸素の量が増加する。そのため、最適な間隔ｇは不活性ガスの流量及びアーク長に基づいて変動する。また、タングステン電極２２の先端に対するノズル外筒１０４の先端の位置関係は、図４の例では、ノズル外筒１０４の先端の方がタングステン電極２２の先端よりも溶接される金属材の方向に突出し、タングステン電極２２の全体がノズル外筒１０４で囲繞される位置関係である。しかし、ノズル外筒１０４の先端はノズル内筒１０２の先端よりも溶接される金属材から後退した位置に配置することができる。このような位置関係でも、大気中を吸引する効果が発揮される。また、タングステン電極２２の位置は溶接用ノズル１００ａの内側に溶接される金属材から後退した位置に配置することができるが、その上限は、ノズル内筒１０２及びノズル外筒１０４の先端のいずれかで溶接される金属材の側にあるものよりもアーク長だけ内側に後退した位置とする。溶接の作業上は、タングステン電極２２の先端が目視できた方が望ましいが、アーク長の範囲内でノズル１００ａの先端よりもタングステン電極２２が内側に後退しているのであれば、接合は可能である。

以下、本実施形態の溶接用ノズル１００ａの作用効果について説明する。アーク溶接時には、ノズル内筒１０２の内部を不活性ガスが流通し、溶接される金属材の表面に不活性ガスが供給され、タングステン電極２２がシールドされる。また、タングステン電極２２と金属材との間に電圧が印加され、アークが発生する。アークにより金属材の表面は加熱され、溶融池が形成される。このとき、ベルヌーイの定理として知られているように、ノズル内筒１０２の内部は不活性ガスの流通に伴い、圧力が低下する。ノズル内筒１０２の内部の圧力の低下に伴い、図５の矢印に示すように、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との隙間に吸引された大気が流通する。吸引された大気中の酸素は、溶融池に導入される。なお、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との隙間を介した溶融池への大気の導入は、ノズル内筒１０２内を流通する不活性ガス以外にも、タングステン電極２２と溶融池との間に生じるプラズマ気流による圧力の低下によっても、生じると考えられる。

図６に示すように、鉄族金属は、温度Ｔの上昇に伴って、表面張力σが低下する。したがって、図７に示すように、鉄材２００の溶融池２１０では、より高温の溶融池中心部２１０ｃよりも、より低温の溶融池端部２１０ｅの方が表面張力は大きくなる。そのため、図７に示すように、溶融池２１０の表面では、溶融池中心部２１０ｃから溶融池端部２１０ｅへの流動が生じる。このため、一般に、ＴＩＧ溶接では、溶融池２１０の溶込み深さが浅くなる。

一方、界面活性元素である酸素が溶融池２１０に導入された場合、図８に示すように、温度Ｔの上昇に伴って、表面張力σが増加する。したがって、図９に示すように、鉄材２００の溶融池２１０では、より高温の溶融池中心部２１０ｃの方が、より低温の溶融池端部２１０ｅよりも表面張力は大きくなる。そのため、図９に示すように、溶融池２１０の表面では、溶融池端部２１０ｅから溶融池中心部２１０ｃへの流動が生じる。したがって、本実施形態の溶接用ノズル１００ａにより、ＴＩＧ溶接において、溶融池２１０の溶込み深さを深くすることが可能となる。なお、ＦｅあるいはＦｅを主成分として含むステンレス等の合金において、溶融池２１０の溶込み深さが深くなる酸素量は、溶融池２１０中の酸素量が７０〜３００ｐｐｍである場合であり、溶融池２１０中の酸素量が７０〜１６０ｐｐｍである場合である。なお、大気中の酸素を溶融池２１０中に導入する際には、同時に大気中の窒素も導入される。大気中の窒素の導入を抑制したい場合には、通常の大気よりも酸素の割合を高く、窒素の割合を低く設定した雰囲気中で上記本実施形態の溶接方法を実施すること等が考えられる。このように、本実施形態では、雰囲気の組成そのものを調節することでも、溶融池２１０に導入される酸素量を制御可能である。

本実施形態では、筒状の溶接用ノズル１００ａの内部から鉄材２００の表面に不活性ガスが供給され、溶接用ノズル１００ａにより不活性ガスを供給されている鉄材２００の表面が加熱される溶接方法において、鉄材２００の表面に生じた溶融池２１０に、不活性ガスの流れに伴って生じた気圧の低下によって吸引された大気中の酸素が導入される。これにより、二重シールドＴＩＧ溶接のように別途の酸素の供給源を用意しなくとも、溶融池２１０に酸素を導入して、溶融池２１０の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることができる。

本実施形態では、溶接用ノズル１００ａは、内部を不活性ガスが流通するノズル内筒１０２と、ノズル内筒１０２の側面を囲繞しつつノズル内筒１０２との隙間にノズル内筒１０２を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された大気が流通するノズル外筒１０４とを有する。また、ノズル内筒１０２の内部から鉄材２００に不活性ガスが供給され、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との隙間に、ノズル内筒１０２を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された大気が流通させられつつ、溶融池２１０に大気中の酸素が導入される。このため、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４と有する簡単な構造の溶接用ノズル１００ａのみで溶融池２１０に酸素を導入することができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、上記第１実施形態とは異なる形状の溶接用ノズルを用いて、溶融池２１０に大気中の酸素を導入する。図１０及び図１１に示すように、本実施形態の溶接用ノズル１００ｂは、ノズル内筒１０２の側面にノズル内筒１０２の外部からノズル内筒１０２の内部へと通じる複数の雰囲気導入孔部１０８を備える。図１１に示すように、雰囲気導入孔部１０８それぞれの孔の向きは、ノズル内筒１０２の外部から溶接する金属材の方に向かいつつノズル内筒１０２の内部に通じる向きにすることができる。

ノズル内筒１０２の内部に不活性ガスが流通すると、上記第１実施形態と同様に、不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって、雰囲気導入孔部１０８にノズル内筒１０２の外部から吸引された大気が流通する。雰囲気導入孔部１０８から導入された大気中に含まれる酸素は、溶融池２１０に導入される。

本実施形態では、溶接用ノズル１００ｂは、溶接用ノズル１００ｂの外部から溶接用ノズル１００ｂの内部へと通じ、溶接用ノズル１００ｂの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された大気が流通する雰囲気導入孔部１０８を有し、雰囲気導入孔部１０８に、溶接用ノズル１００ｂの内部を流通する不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された大気が流通させられつつ、溶融池２１０に大気中の酸素が導入される。このため、雰囲気導入孔部１０８を有する簡単な構造の溶接用ノズル１００ｂのみで溶融池２１０に酸素を導入することができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、上記第１実施形態のノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔を制御することにより、溶融池２１０に導入される酸素の量を制御する。図１２及び図１３に示すように、本実施形態の溶接用ノズル１００ｃは、上記第１実施形態と同様のノズル内筒１０２、ノズル外筒１０４及び連結翼１０６に加えて、可変ノズル１１０とナット１１４とを備える。

可変ノズル１１０は、複数の細長いノズル片１１２それぞれが端部同士を互い違いに重ね合わされることで構成されている。ノズル片１１２それぞれの末端は、ヒンジ１１３でノズル外筒１０４の端部に屈曲自在とされつつ連結されている。ノズル片１１２それぞれの内側の面とノズル内筒の外側の面との間にはコイルばね１１７が挿入されている。コイルばね１１７は、ヒンジ１１３でノズル外筒１０４と連結されたノズル片１１２それぞれに対し、溶接用ノズル１００ｃの外側に開くような力を与える。なお、コイルばね１１７は、ヒンジ１１３においてノズル片１１２に対して溶接用ノズル１００ｃの外側に開くような力を与える軸ばねとしても良い。ノズル片１１２それぞれのヒンジ１１２付近の外側の面には、溶接用ノズル１００ｃの外側に突出したノズル片凸部１１９が設けられている。

ナット１１４の外周には、作業者が把持し易いように、複数のナット凹部１１６が設けられている。ナット１１４の内周面には、ノズル外筒１０４の外周面に設けられたねじ山１０５と係合するねじ山１１５が設けられている。ねじ山１０５，１１５により、ナット１１４が溶接用ノズル１００ｃの周方向に回転させられると、ナット１１４はノズル外筒１０４上を溶接する金属材に近接する方向あるいは遠ざかる方向に摺動する。ナット１１４の内周面の溶接する金属材側の端部には、溶接用ノズル１００ｃの外側に傾斜したスロープ１１８が設けられている。

ナット１１４が溶接用ノズル１００ｃの周方向に回転させられ、ナット１１４がノズル外筒１０４上を溶接する金属材に近接する方向に摺動させられると、スロープ１１８は、ノズル片１１２のノズル片凸部１１９上をノズル片凸部１１９を内側に押し込みつつ摺動する。そのため、端部同士が重なり合ったノズル片１１２からなる可変ノズル１１０はすぼめられ、間隔ｇは小さくなる。一方、ナット１１４が反対方向に回転させられ、ナット１１４がノズル外筒１０４上を溶接する金属材から遠ざかる方向に摺動させられると、スロープ１１８がノズル片凸部１１９を内側に押し込む距離が短くなる。そのため、コイルばね１１７のばね力により、可変ノズル１１０は拡げられ、間隔ｇは大きくなる。

溶融池２１０を理想的な状態にするために導入すべき酸素の量は溶接の状況によって異なる。しかし、本実施形態では、溶接用ノズル１００ｃは、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔ｇの大きさを調整自在であり、ノズル内筒１０３とノズル外筒１０４との間隔ｇの大きさを調整することにより、ノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔ｇを流通する大気の量が制御され、溶融池２１０に導入する酸素の量が制御される。このため、溶接の様々な状況に対応して溶融池２１０に導入する酸素の量を制御することができる。

以下、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、上記第２実施形態の雰囲気導入孔部１０８の大きさを制御することにより、溶融池２１０に導入される酸素の量を制御する。図１４及び図１５に示すように、本実施形態の溶接用ノズル１００ｄは、上記第２実施形態のノズル内筒１０２に加えて、ノズル内筒１０２の外周面にその内周面を密接させているノズル外筒１２０を備えている。ノズル外筒１２０は、その側面に溶接用ノズル１００ｄの周方向に長い複数の雰囲気導入孔部１２８を備えている。また、ノズル内筒１０２の側面のノズル外筒１２０の雰囲気導入孔部１２８それぞれに対応する部位には、雰囲気導入孔部１２８の形状に対応した溶接用ノズル１００ｄの周方向に長い複数の雰囲気導入孔部１０８が設けられている。

ノズル内筒１０２の外周面にはノズル内筒凸部１３０が設けられている。ノズル外筒１２０の内周面にはノズル外筒凹部１３１が設けられている。ノズル内筒凸部１３０とノズル外筒凹部１３１とが互いに嵌合することにより、ノズル内筒１０２とノズル外筒１２０とは密着しつつ、溶接用ノズル１００ｄの周方向に互いに回転動が可能なようにされている。ノズル内筒１０２とノズル外筒１２０とが互いに回転動することにより、ノズル内筒１０２の雰囲気導入孔部１０８とノズル外筒１２０の雰囲気導入孔部１２８とが一致する部位の面積が変化する。これにより、実質的な雰囲気導入孔部１０８の大きさを調整自在であり、雰囲気導入孔部１０８の大きさを調整することにより、雰囲気導入孔部１０８を流通する大気の量が制御され、溶融池２１０に導入する酸素の量が制御される。このため、溶接の様々な状況に対応して溶融池２１０に導入する酸素の量を制御することができる。

以下、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、溶融池２１０の状態を観測し、観測された溶融池２１０の状態に応じて溶融池に導入する酸素の量を制御する。図１６に示すように、本実施形態の溶接装置は、トーチボディ１６に取り付けられた上記第３実施形態の溶接用ノズル１００ｃと、サーボ機構５０、光電センサ６２、温度センサ６４、制御部７０及び溶接用ノズル１００ｃに不活性ガスを供給する不図示のガス供給源を備えている。なお、本実施形態においては、上記第４実施形態の溶接用ノズル１００ｄを適用することもできる。サーボ機構５０は、溶接用ノズル１００ｃのナット１１４を駆動し、溶接用ノズル１００ｃのノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔ｇを制御する。光電センサ６２は、半導体レーザやキセノンランプ等を用いて溶融池２１０の幅及び溶融池２１０における湯流れの方向を観測する。温度センサ６４は、溶融池２１０の裏面の温度を計測する。

制御部７０は、Ｄ／Ｗ検出部７１及びギャップ制御部７２を有する。Ｄ／Ｗ検出部７１は、光電センサ６２及び温度センサ６４の検出結果に基づいて、溶融池２１０の幅Ｗに対する溶込み深さＤの割合であるＤ／Ｗを検出する。Ｄ／Ｗ検出部７１は、例えば、光電センサ６２により検出された溶融池２１０の幅Ｗが最小となったときに、溶込み深さＤが最大となったと推定することができる。あるいは、Ｄ／Ｗ検出部７１は、例えば、光電センサ６２により検出された溶融池２１０の湯流れが、図９に示すようになっており、その流動が最大の場合に溶込み深さＤが最大となったと推定することができる。あるいは、Ｄ／Ｗ検出部７１は、例えば、温度センサ６４により検出された溶融池２１０の裏面の温度が最大となったときに、溶込み深さＤが最大となったと推定することができる。ギャップ制御部７２は、Ｄ／Ｗ検出部７１により検出されたＤ／Ｗに基づいてサーボ機構５０を駆動して溶接用ノズル１００ｃの間隔ｇをフィードバック制御する。ギャップ制御部７２は、フィードバック制御により、Ｄ／Ｗを最大値に保つように溶接用ノズル１００ｃの間隔ｇを制御する。

本実施形態によれば、光電センサ６２及び温度センサ６４によって観測された溶融池２１０の状態に基づいて、制御部７０のギャップ制御部７２は、溶融池２１０に導入する酸素の量を制御する。このため、溶融池２１０の状態に基づいて溶融池２１０に導入する酸素の量を制御することにより、より良好な溶融池２１０を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上記実施形態においては、本発明の溶接方法、溶接用ノズル及び溶接装置をＴＩＧ溶接に適用した態様を中心に説明したが、本発明はこれに限定されることがなく、ＭＩＧ（Metal Inert Gas welding）溶接、レーザ溶接及びプラズマ溶接においても適用可能である。

（実験例１）
以下、本発明の実験例について説明する。図１及び図２に示したトーチ１０のスリーブ２０に、図３及び図４に示した溶接用ノズル１００ａを取り付けて鉄材２００の溶接を行った。不活性ガスとしてＡｒガスを用い、流量を１〜２０ＬＭの範囲で変化させた。タングステン電極２２と鉄材２００とに印加する溶接電流は１８０Ａと、溶接速度は２ｍｍ／ｓとし、タングステン電極２２先端と鉄材２００との距離であるアーク長は３ｍｍとした。溶融池の酸素量を酸素窒素分析装置（株式会社堀場製作所製、製品名ＥＭＧＡ−５２０）を用いて非分散赤外線吸収法にて測定した。酸素量測定用の試料は、溶融池から１ｍｍ×１ｍｍ×３ｍｍ程度のブロックを切り出し、表面の酸化膜を研磨して除去した後、アセトンで１０分間超音波洗浄し、表面の酸化を防ぐため、装置に投入する直前までアセトン中で保存した。

まず、溶接用ノズル１００ａのノズル内筒１０２とノズル外筒１０４との間隔ｇ（ギャップ距離）を１ｍｍ、３ｍｍ及び５ｍｍと変化させたときの溶接用ノズル１００ａのノズル外筒１０４の出口の流速を図１７に示す。図１７に示すように、ギャップ距離が短いほど、大気を吸入する能力は強くなるが、ギャップ距離が１ｍｍ以下となると、空気の流れの方向が逆転する。以下の実験では、ギャップ距離を３ｍｍとした。

図１８に各ガス流量における溶融池２１０の幅Ｗ、溶込み深さＤ及びＤ／Ｗを示し、図１９に各ガス流量における溶融池２１０内の酸素濃度を示し、図２０〜２４にそれぞれガス流量が１、４、９、１０及び２０ＬＭのときの溶融池２１０を示す。図１８及び図２０〜図２４に示すように、Ａｒガスの流量が１〜９ＬＭであり、４〜９ＬＭの範囲で溶融池２１０の溶込み深さＤを深くすることが可能であることが判る。図１９より、溶融池２１０中の酸素濃度は、ガス流量が増加するとともに減少することが判る。溶融池２１０の溶込み深さＤを深くすることが可能な溶融池２１０の酸素濃度は７０〜３００ｐｐｍであり、７０〜１６０ｐｐｍであることが判る。また、ビード長８０ｍｍの溶接後のタングステン電極２２は、溶接前と溶接後とで顕著な消耗は見られなかった。

図１及び図２に示したトーチ１０のスリーブ２０に、図３及び図４に示した溶接用ノズル１００ａを取り付けて鉄材２００の溶接を行った。溶接電流１８０Ａ、アーク長３ｍｍ、Ａｒガスの流量８ＬＭ、溶接速度１ｍｍ／ｓ、ギャップ距離３ｍｍの条件で両側からの各１パス溶接の２層でＴＩＧ溶接を行い、溶接部を引張試験片に切断し、引張試験を行った。図２５に示すように、母材の引張強度の７８７ＭＰａに対して溶接部の引張強度は７４２ＭＰａであり、規格値の５２０ＭＰａを超える良好な引張強度が得られることが判る。

本発明の一実施形態のアーク溶接方法、アーク溶接用ノズル及びアーク溶接装置によれば、より簡単な手法で溶融池に酸素を導入して、溶融池の溶込み深さをより深くし、溶接効率を高めることが可能となる。

１０ トーチ
１２ ハンドル
１４ 連結部
１６ トーチボディ
１８ ガス導入口部
２０ スリーブ
２２ タングステン電極
５０ サーボ機構
６２ 光電センサ
６４ 温度センサ
７０ 制御部
７１ Ｄ／Ｗ検出部
７２ ギャップ制御部
１００ａ〜１００ｄ 溶接用ノズル
１０２ ノズル内筒
１０４ ノズル外筒
１０５ ねじ山
１０６ 連結翼
１０８ 雰囲気導入孔部
１１０ 可変ノズル
１１２ ノズル片
１１３ ヒンジ
１１４ ナット
１１５ ねじ山
１１６ ナット凹部
１１７ コイルばね
１１８ スロープ
１１９ ノズル片凸部
１２０ ノズル外筒
１２８ 雰囲気導入孔部
１３０ ノズル内筒凸部
１３１ ノズル外筒凹部
２００ 鉄材
２１０ 溶融池
２１０ｃ 溶融池中心部
２１０ｅ 溶融池端部

Claims (13)

1. 筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程と、
   前記不活性ガス供給工程で前記溶接用ノズルにより前記不活性ガスを供給されている前記金属材の表面を加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程によって前記金属材の表面に生じた溶融池に、前記不活性ガス供給工程での前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気中の酸素を導入する酸素導入工程と、を含む溶接方法。
2. 前記溶接用ノズルは、内部を前記不活性ガスが流通するノズル内筒と、前記ノズル内筒の側面を囲繞しつつ前記ノズル内筒との隙間に前記ノズル内筒を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通するノズル外筒とを有し、
   前記不活性ガス供給工程では、前記ノズル内筒の内部から前記金属材に不活性ガスを供給し、
   前記酸素導入工程では、前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間に、前記ノズル内筒を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた気圧の低下によって吸引された雰囲気を流通させつつ、前記溶融池に雰囲気中の酸素を導入する、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記溶接用ノズルは、前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間の大きさを調整自在なギャップ可変ユニットを有し、
   前記酸素導入工程では、前記ギャップ可変ユニットにより前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間の大きさを調整することにより、前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間を流通する雰囲気の量を制御し、前記溶融池に導入する酸素の量を制御する、請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間の大きさは１ｍｍより大きく、５ｍｍ以下である、請求項２又は３に記載の溶接方法。
5. 前記溶接用ノズルは、前記溶接用ノズルの外部から前記溶接用ノズルの内部へと通じ、前記溶接用ノズルの内部を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通する雰囲気導入孔部を有し、
   前記酸素導入工程では、前記雰囲気導入孔部に、前記溶接用ノズルの内部を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気を流通させつつ、前記溶融池に雰囲気中の酸素を導入する、請求項１に記載の溶接方法。
6. 前記溶接用ノズルは、前記雰囲気導入孔部の大きさを調整自在な導入孔可変ユニットを有し、
   前記酸素導入工程では、前記導入孔可変ユニットにより前記雰囲気導入孔部の大きさを調整することにより、前記雰囲気導入孔部を流通する雰囲気の量を制御し、前記溶融池に導入する酸素の量を制御する、請求項５に記載の溶接方法。
7. 前記酸素導入工程では、前記溶融池の中の酸素量が７０〜３００ｐｐｍとなるように前記溶融池に雰囲気中の酸素を導入する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接方法。
8. 前記不活性ガス供給工程では、前記不活性ガスの流量を１〜９ＬＭとして前記不活性ガスを供給する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接方法。
9. 筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給し、前記溶接用ノズルにより前記不活性ガスを供給されている前記金属材の表面を加熱する溶接で用いられる溶接用ノズルであって、
   内部に前記不活性ガスが流通するノズル内筒と、
   前記ノズル内筒の側面を囲繞しつつ前記ノズル内筒との隙間に前記ノズル内筒を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通するノズル外筒と、
   を備え、
   前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間に、前記ノズル内筒を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通することにより、前記加熱により前記金属材の表面に生じた溶融池に雰囲気中の酸素が導入される、溶接用ノズル。
10. 前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間の大きさを調整自在なギャップ可変ユニットを備え、
    前記ギャップ可変ユニットにより前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間の大きさが調整されることにより、前記ノズル内筒と前記ノズル外筒との隙間を流通する雰囲気の量が制御され、前記溶融池に導入される酸素の量が制御される、請求項９に記載の溶接用ノズル。
11. 筒状の溶接用ノズルの内部から金属材の表面に不活性ガスを供給し、前記溶接用ノズルにより前記不活性ガスを供給されている前記金属材の表面を加熱する溶接で用いられる溶接用ノズルであって、
    前記溶接用ノズルの外部から前記溶接用ノズルの内部へと通じ、前記溶接用ノズルの内部を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通する雰囲気導入孔部を備え、
    前記雰囲気導入孔部に、前記溶接用ノズルの内部を流通する前記不活性ガスの流れに伴って生じた圧力の低下によって吸引された雰囲気が流通することにより、前記加熱により前記金属材の表面に生じた溶融池に雰囲気中の酸素が導入される、溶接用ノズル。
12. 前記雰囲気導入孔部の大きさを調整自在な導入孔可変ユニットを備え、
    前記導入孔可変ユニットにより前記雰囲気導入孔部の大きさが調整されることにより、前記雰囲気導入孔部を流通する雰囲気の量が制御され、前記溶融池に導入する酸素の量が制御される、請求項１１に記載の溶接用ノズル。
13. 請求項１０又は１２に記載の溶接用ノズルと、
    前記溶接用ノズルにより前記不活性ガスを供給されている前記金属材の表面を加熱する熱源と、
    前記溶融池を観測する溶融池観測ユニットと、
    前記溶融池観測ユニットによって観測された前記溶融池の状態に基づいて、請求項７に記載の溶接用ノズルの前記ギャップ可変ユニット又は請求項９に記載の溶接用ノズルの前記導入孔可変ユニットにより、前記溶融池に導入する酸素の量を制御する酸素導入量制御ユニットと、を備えた溶接装置。