WO2023013386A1 - シールド治具及びガスシールドアーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

シールド治具は、溶接トーチの周囲を覆うとともに、溶接トーチとの間に径方向隙間を有して配置され、底部に第１開口を有する第１環状空間を画成する第１外殻部材と、第１外殻部材の内部に溶接トーチを取り囲んで配置され、第１環状空間にシールドガスを供給する第１ガス供給部材と、第１環状空間の第１ガス供給部材よりも下方に配置され、シールドガスを分散する分散部材とを備える。

Description

シールド治具及びガスシールドアーク溶接装置

　本発明は、シールド治具及びガスシールドアーク溶接装置に関する。

　溶接部にシールドガス（不活性ガス）を供給して、溶接部を空気から遮蔽して酸化を防止するガスシールドアーク溶接が知られている。このようなガスシールドアーク溶接に用いる溶接トーチが、例えば特許文献１に記載されている。

　特許文献１の溶接トーチは、溶接トーチに設けるシールドガス通路と、溶接ビードの断面形状を制御する制御ガス通路とを、各々独立した通路とし、溶接アーク部を中心として溶接進行方向に対し前後対称の位置に、上記したそれぞれの通路を縦１列に配列した構成となっている。これによれば、狭開先の溶接において、前方シールドガス流路と後方シールドガス流路を設けてガスの流速をコントロールすることで、溶着ビードの断面形状と溶け込みを改善する、と特許文献１に記載されている。

日本国特開平１－４８６７８号公報

　ところで、活性金属からなる母材又は溶加材（溶接ワイヤ）を用いてガスシールドアーク溶接する場合、活性金属は、大気との親和力が高温時に特に強くなり、空気中の酸素、窒素と反応して酸化物、窒化物を形成しやすくなる。そのため、溶接後の酸化物、窒化物の形成部分の硬化及び脆弱化が顕著となる。そこで、活性金属をガスシールドアーク溶接する場合、一般的には大気と活性金属との接触を避けるために、アフターシールド用の治具を用い、溶接トーチ付近の局部的なガスシールドを実施している。ところが、純チタン又はチタン合金等の溶加材を溶融させて積層造形する際には、アフターシールド用の治具を用いただけでは造形体への酸素及び窒素の侵入を規定値以下に抑えることは依然として困難となる。

　例えば、溶接の進行方向における前方には、空気、母材などの他の部材に付着した酸素、窒素が存在し、これらの巻き込みを防ぐことが困難である。また、現行のシールド治具は、シールドガスで覆われるシールド範囲が狭いため、積層造形の際に、溶接中の溶着ビードに隣接して高温になった周囲の溶着ビードのガスシールド性まで担保することは困難となる。さらに、溶接の進行方向によっては、ガスシールド性が不十分となり、マニピュレータによる積層造形に制限が生じる可能性がある。

　そこで本発明は、ガスシールドアーク溶接時において、常に安定して幅広い範囲のガスシールド性を担保できるシールド治具及びガスシールドアーク溶接装置を提供することを目的とする。

　本発明は下記の構成からなる。
（１）　金属製の溶加材を溶融及び凝固させて溶着ビードを形成するシールド溶接用の溶接トーチに取り付けられるシールド治具であって、
　前記溶接トーチの周囲を覆うとともに、前記溶接トーチとの間に径方向隙間を有して配置され、底部に第１開口を有する第１環状空間を画成する第１外殻部材と、
　前記第１外殻部材の内部に前記溶接トーチを取り囲んで配置され、前記第１環状空間にシールドガスを供給する第１ガス供給部材と、
　前記第１環状空間の前記第１ガス供給部材よりも下方に配置され、前記シールドガスを分散する分散部材と、
を備えるシールド治具。
（２）　（１）に記載のシールド治具を備えたガスシールドアーク溶接装置。

　本発明によれば、ガスシールドアーク溶接時において、常に安定して広い範囲のガスシールド性を担保できる。

図１は、ガスシールドアーク溶接装置の概略構成図である。 図２は、溶接トーチの先端のシールドノズル、シールドノズルの外周に設けられる第１構成例のシールド治具の斜視図である。 図３は、シールドノズルの内部構造を示す概略断面図である。 図４は、第１構成例のシールド治具の内部構造を示す概略断面図である。 図５は、溶接中の溶接トーチと、第１構成例のシールド治具によるシールドガスの流れを模式的に示す説明図である。 図６Ａは、シールド治具を用いて形成した溶着ビードを模式的に示す平面図である。 図６Ｂは、シールド治具を用いて形成した溶着ビードを模式的に示す側面図である。 図７は、図６に示す各試験例の溶着ビードにおける酸素の含有量と窒素の含有量との関係を示すグラフである。 図８は、第２構成例のシールド治具の内部構造を示す概略断面図である。 図９は、溶接中の溶接トーチと、第２構成例のシールド治具によるシールドガスの流れを模式的に示す説明図である。 図１０は、第２構成例のシールド治具において、シールドガスの流れ方向を制御する整流部を設けた変形例のシールド治具の概略構成を示す斜視図である。 図１１Ａは、シールド治具から噴射されるシールドガスの様子を説明するための、シールド治具の底部における一部断面図である。 図１１Ｂは、シールド治具から噴射されるシールドガスの様子を説明するための、形成されるガスカーテンの図１１Ａに示すXI－XI線断面図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　本発明に係るシールド治具は、ここではガスシールドアーク溶接により積層造形物を造形する場合を例に説明するが、本発明はこれに限らない。

　図１は、ガスシールドアーク溶接装置の概略構成図である。
　積層造形物の製造装置であるガスシールドアーク溶接装置１００は、溶接ロボット１１と、ロボット駆動部１３と、溶加材供給部１５と、シールドガス供給部１７と、溶接電源部１９と、制御部２１と、を備える。

　溶接ロボット１１は、多関節ロボットであり、先端軸に溶接トーチ２３が支持される。溶接トーチ２３の位置及び姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。溶接トーチ２３は、溶加材供給部１５から連続供給される溶加材Ｍを溶接トーチ先端から突出した状態に保持する。

　シールドガス供給部１７は、不活性ガスを溶接部に供給する。ＭＩＧ溶接ではアルゴン、ヘリウム（又はこれらの混合ガス）、あるいは、これに酸素、炭酸ガスのような活性ガスを少量添加したガスをシールドガスとして用いる。一方、ＭＡＧ溶接では炭酸ガス、アルゴンと炭酸ガスの混合ガスをシールドガスとし、ＴＩＧ溶接ではアルゴンガスを用いる。さらに、レーザ溶接では、窒素、アルゴン、ヘリウム等をシールドガスとする。

　溶接トーチ２３は、金属製の溶加材Ｍを溶融及び凝固させて溶着ビードを形成するシールド溶接用の溶接トーチである。具体的に溶接トーチ２３は、シールドガス供給部１７から供給されるシールドガスを受けるシールドノズル２５を有し（図２～図５参照）、シールドノズル２５からシールドガスが溶接部に供給される。アーク溶接法としては、被覆アーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接又はプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、作製する積層造形物に応じて適宜選定される。

　溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビーム又はレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビーム又はレーザにより加熱する場合、加熱量をさらに細かく制御でき、溶着ビードの状態をより適正に維持して、積層造形物の更なる品質向上に寄与できる。

　溶加材は、純チタン又はチタン合金により構成された、例えば、チタン及びチタン合金溶接用の溶接ワイヤが用いられる（例えば、ＪＩＳ　Ｚ　３３３１参照）。溶加材が純チタン又はチタン合金であれば、溶接母材がチタン系材料の場合でも適切な溶接を行うことができる。なお、溶加材は上記材料に限らず、他の材料であってもよい。

　溶接トーチ２３の外周には、シールド治具３１が取り付けられている。シールド治具３１は、シールドガス供給部１７からシールドガスが供給され、溶接部に向けてシールドガスを噴射する。シールド治具３１の詳細は後述する。

　ロボット駆動部１３は、制御部２１からの指示を受けて、溶接ロボット１１の各部を駆動し、必要に応じて溶接電源の出力を制御する。

　制御部２１は、ＣＰＵ、メモリ、ストレージ等を備えるコンピュータ装置により構成され、予め用意された駆動プログラム、又は所望の条件で作成した駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１１等の各部を駆動する。これにより、駆動プログラムに応じて溶接トーチ２３が移動して、ベースプレート２９上に複数層の溶着ビードＢを積層することで、多層構造の積層造形物が造形される。

＜第１構成例＞
　図２は、溶接トーチ２３の先端のシールドノズル２５、シールドノズル２５の外周に設けられる第１構成例のシールド治具３１の斜視図である。
　上述したように、シールドガス供給部１７は、溶接トーチ２３及びシールド治具３１の双方にシールドガスを供給する。溶接トーチ２３のシールドノズル２５は、ノズル先端部で溶加材Ｍを突出させるとともに、シールドガス供給部１７から供給されたシールドガスＧ０を下方の溶接部に向けて噴射する。

　図３は、シールドノズル２５の内部構造を示す概略断面図である。
　ここで示すシールドノズル２５は消耗電極式である。シールドノズル２５の内部には、コンタクトチップ２７が配置され、溶融電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップ２７に保持される。溶接トーチ２３は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。溶加材Ｍは、図１に示す溶接ロボット１１の一部に取り付けた不図示の繰り出し機構により溶接トーチ２３に送給される。溶接トーチ２３が移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させることで、ベースプレート２９上に溶加材Ｍの溶融凝固体である溶着ビードＢが形成される。このとき、溶接トーチ２３からは、シールドガス供給部１７から供給されたシールドガスＧ０が、シールドノズル２５の内部に画成された内部空間Ｓ０を通過して噴射され、溶加材Ｍの周囲をガスシールドする。

　また、図２に示すシールド治具３１には第１ガス供給管３３が接続される。第１ガス供給管３３の先端は、シールド治具３１の上面を貫通して治具内部に挿入され、環状の第１中空パイプ３５に接続されている。第１中空パイプ３５は、治具内部の第１環状空間Ｓ１の上方に配置され、その全周にわたって均等間隔で、複数の噴射口３５ａが形成されている。第１ガス供給管３３から供給されたシールドガスＧ１は、第１中空パイプ３５の噴射口３５ａから上方に向けて噴射されて、その後、第１環状空間Ｓ１の下方に向かうようになる。

　図４は、第１構成例のシールド治具３１の内部構造を示す概略断面図である。
　シールド治具３１は、溶接トーチ２３の先端に設けられたシールドノズル２５の外周に設けられる。シールド治具３１は、第１外殻部材３２Ａと、第１ガス供給部材３８Ａと、分散部材４１とを備える。

　第１外殻部材３２Ａは、溶接トーチ２３の周囲を覆うとともに、溶接トーチ２３の外周面の外側に径方向隙間を有して配置され、底部に第１開口３７Ａを有する第１環状空間Ｓ１を画成する。第１外殻部材３２Ａは、外周面が略円筒状に形成された板金部材により構成される。第１外殻部材３２Ａの上面の中央には孔が設けられ、シールドノズル２５がこの孔を貫通し、第１外殻部材３２Ａとシールドノズル２５とが、溶接、ねじ止め、クランプ機構等の適宜な方法により固定されている。第１外殻部材３２Ａの材料、構造等は特に限定されない。

　第１ガス供給部材３８Ａは、第１ガス供給管３３と、第１中空パイプ３５とを含んで構成される。第１ガス供給管３３は、第１外殻部材３２Ａの上面を貫通する直線状の中空パイプにより構成される。第１中空パイプ３５は、第１環状空間Ｓ１に配置された環状の中空パイプより構成され、シールドガスを供給する複数の噴射口３５ａを上面に有する。つまり、第１ガス供給部材３８Ａは、第１環状空間Ｓ１において、少なくとも溶接トーチ２３の外周面を取り囲むように配置され、シールドガスを供給する複数の噴射口３５ａが噴射方向を上方にして設けられている。第１ガス供給管３３を通過したシールドガスは、第１中空パイプ３５に供給され、第１中空パイプ３５の噴射口３５ａから第１中空パイプ３５の上方に全周にわたって均一に噴射される。その後、噴射されたシールドガスは、第１環状空間Ｓ１の下方に流れ、保持部材４２に支持された分散部材４１を通過した後、第１環状空間Ｓ１の底面に形成された第１開口３７Ａに到達する。

　分散部材４１は、第１環状空間Ｓ１において、第１ガス供給部材３８Ａよりも下方に配置され、第１ガス供給部材３８Ａから供給されたシールドガスを、第１環状空間Ｓ１で分散させる役割を果たす。分散部材４１の中央には孔が設けられ、シールドノズル２５がこの孔を貫通する。分散部材４１の外周は、第１外殻部材３２Ａの内周面に接する円形状を有する。分散部材４１は、例えば、ガラスウール、スチールウールのような繊維状の部材により構成され、シールドガスを、第１環状空間Ｓ１の内部で分散させる。この分散部材４１の材料は、上記以外の材料であってもよく、特に限定されない。

　保持部材４２は、その中央に孔が設けられ、シールドノズル２５がこの孔を貫通する。保持部材４２の外周は、第１外殻部材３２Ａの内周面に接する円形状を有する。保持部材４２は、例えば、シールドガスが通過可能なステンレス製の網状の部材等により構成可能であるが、保持部材４２の材料、形状等は特に限定されない。また、保持部材４２は、例えば網目のサイズを０．１ｍｍ～１．０ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ～０．７ｍｍとして、ガスの整流機能を持たせてもよい。その場合、保持部材４３は分散部材としても機能する。

　保持部材４２の外周は、溶接等により第１外殻部材３２Ａの内周面に固定されており、分散部材４１が保持部材４２の上面に載置又は貼り付けられている。よって、保持部材４２は、分散部材４１を安定的に第１環状空間Ｓ１に保持できる。

　また、図示はしないが、保持部材４２にシールドガスの遮蔽部材（断熱テープ等）を設けることによりシールドガスの流路を制限し、シールドガスの放出面積、流量等を容易に調整することが可能である。なお、保持部材４２は、分散部材４１の外周を第１外殻部材３２Ａの内周面に直接接合してもよく、その場合、保持部材４２を省略できる。

　上記構成のシールド治具３１は、溶接トーチ２３を取り囲む第１中空パイプ３５がシールドガスを噴射し、さらに分散部材４１が、第１環状空間Ｓ１を流れるシールドガスを分散させる。よって、このシールド治具３１によれば、アフターシールド治具のような一般的な溶接で使われる治具に比べて、溶接部の全周を広範囲に且つ均等にガスシールドできる。

　また、第１外殻部材３２Ａの底部は、溶接トーチ２３の軸方向に沿って第１外殻部材３２Ａの半径距離が漸減する窄み部４５が形成されているが、窄み部４５の存在しないストレート形状の円筒体で構成されていてもよい。

　ここで、溶接トーチ２３（シールドノズル２５）の外周径ｄ_０と、第１外殻部材３２Ａの外周径ｄ_１とは、ｄ_１＞ｄ_０の関係を有する。また、第１環状空間Ｓ１の開口である第１開口３７Ａから噴射されるシールドガスの流速をＶout、第１環状空間Ｓ１に供給するシールドガスの元栓流速をＶinとしたときに、第１開口３７Ａからのシールドガスの流速Ｖoutは、式（１）で求められる。

　すなわち、シールド治具３１は、第１環状空間Ｓ１の下方から噴射されるシールドガスの流速Ｖoutが１１３．１７ｍｍ／秒以上になるように、シールドガスの元栓速度Ｖin、溶接トーチ２３の外周径ｄ_０、第１外殻部材３２Ａの外周径ｄ_１が設定されている。ここで、シールドガスの元栓速度Ｖinとは、シールドガス供給部１７によるガス供給圧力に応じたガス速度に相当する。

　このように、第１環状空間Ｓ１から噴射されるシールドガスの流速Ｖoutが１１３．１７ｍｍ／秒以上に設定されることにより、溶接進行方向の前方においても必要十分な量のシールドガスを流すことが可能となり、溶接部への、空気、各種部材に付着した酸素、窒素等の巻き込みを効果的に抑制できる。また、第１外殻部材３２Ａの外周径ｄ_１が所定の大きさ以上に設定されるため、溶接中の溶着ビードから近い距離にあり、高温になり得る溶着ビードを、シールドガス雰囲気下に収めることが可能となる。よって、確実なガスシールド性を確保できる。さらに、第１外殻部材３２Ａの大きさ（半径距離）を確保することにより、溶接方向に起因するガスシールド性の変動を抑制でき、溶接ロボットによる造形の自由度を向上できる。

　すなわち、このシールド治具３１によれば、使用するシールドガスの流量に応じて、第１外殻部材３２Ａの内周径、外周径を適切に設定することで、高いガスシールド効果を得ることができる。

　シールドガスの噴出口である第１開口３７Ａは、第１環状空間Ｓ１の断面と同様に環状形状を有するため、第１開口３７Ａから噴射されたシールドガスＧ１は、円筒状のカーテンを形成する。第１開口３７Ａは、周方向に連続する環状形状を有するが、これに限らず、多数の開口が周方向に配列された構成にしてもよく、第１開口３７Ａの形状は特に限定されない。

　図５は、溶接中の溶接トーチ２３と、第１構成例のシールド治具３１によるシールドガスの流れを模式的に示す説明図である。
　溶接トーチ２３が移動して、ベースプレート２９上に複数層の溶着ビードＢを積層することで、多層構造の積層造形物Ｗが造形される。その際、溶接トーチ２３の先端のシールドノズル２５からは、シールドガスＧ０が噴射される。また、シールド治具３１は、第１環状空間Ｓ１に供給されたシールドガスＧ１を、第１開口３７Ａの全周からベースプレート２９に向けて環状に噴射する。

　第１開口３７Ａから噴射されたシールドガスＧ１は、円筒状のガスカーテンを形成することになる。シールドガスＧ１は、形成したそのガスカーテンの内部に溶接トーチ２３から噴射されたシールドガスＧ０を閉じ込めるとともに、外部からの空気Ａｉｒの流入を遮断する作用を奏する。これにより、溶接中の溶着ビードＢが、外部の空気、他の部材に付着した酸素、窒素などから効果的に隔離され、積層造形物Ｗへの不純物の侵入を抑制できる。

　また、第１外殻部材３２Ａの底部の窄み部４５によって、シールド治具３１からのシールドガスＧ２の噴射方向が、溶接トーチ２３の側に近づく。その結果、溶接トーチ２３からのシールドガスＧ０が溶接部に当たる位置と、シールド治具３１からのシールドガスＧ１が溶接部に当たる位置とが近づき、シールドガスの滞留効果を高めることが期待できる。

　図６Ａは、シールド治具を用いて形成した溶着ビードを模式的に示す平面図である。図６Ｂは、シールド治具を用いて形成した溶着ビードを模式的に示す側面図である。
　本試験例においては、外周径ｄ_１がφ１００ｍｍ（試験例１）と、φ１５０ｍｍ（試験例２）との２種類のシールド治具を用意して、下記条件の下、ベースプレート２９上に３列×３層の溶着ビードＢを形成した。
　　溶加材：チタンワイヤ（大同特殊鋼社製）
　　溶接速度：２０ｃｐｍ
　　溶加材送給速度：６．２ｍｐｍ
　　シールドガス：アルゴンガス
　　溶接トーチへのシールドガス供給量：２０Ｌ／ｍｉｎ
　　シールド治具へのシールドガス供給量：５０Ｌ／ｍｉｎ
　　シールド治具の軸長：５０ｍｍ
　　溶接トーチの外周径：φ２５ｍｍ
　　第１中空パイプの環状径：φ８０ｍｍ
　　保持部材：見開き０．５ｍｍの網目サイズを有するステンレス製網

　溶着ビードＢの形成順は、図６Ｂに番号で示した。溶着ビードＢの形成は、試験例１，２のそれぞれで２体、合計４体のサンプルを作製することで実施した。

　図７は、図６Ａ、図６Ｂに示す各試験例の溶着ビードＢにおける酸素含有量と窒素含有量との関係を示すグラフである。いずれの試験例においても、酸素及び窒素の侵入が低く抑えられており、特に試験例２では、試験例１の場合よりも酸素含有量、及び窒素含有量が低くなっている。これは、シールド治具へのシールドガスの供給量を一定とした場合、外周径ｄ１が小さいほどシールド治具から噴射されるガス流速が速くなり、ガスシールド性が向上して、アーク熱による空気の巻き込みを抑制できたためと考えられる。

　第１開口３７Ａから噴射されるシールドガスの流速は、試験例１では４８．０５ｍｍ／秒であり、試験例２では１１３．１７ｍｍ／秒であった。試験例２の流速以上であれば、より確実に不純物の侵入が抑えられ、良好な溶接が行える。

＜第２構成例＞
　図８は、第２構成例のシールド治具３１Ａの内部構造を示す概略断面図である。
　本構成のシールド治具３１Ａは、第１構成例のシールド治具３１の構成に加え、第２外殻部材３２Ｂと、第２ガス供給部材３８Ｂとを備える。

　第２外殻部材３２Ｂは、第１外殻部材３２Ａの外周面の外側に径方向隙間を有して配置され、第１外殻部材３２Ａとの間に第２環状空間Ｓ２を画成する。第２環状空間Ｓ２の上部は蓋部３９で塞がれており、第２環状空間Ｓ２の底部は第２開口３７Ｂを有する。第２外殻部材３２Ｂは、外周面が円筒状を呈し、溶接トーチ２３（シールドノズル２５）の外周径をｄ_０、第１外殻部材３２Ａの外周径をｄ_１、第２外殻部材３２Ｂの内周径をｄ_２としたとき、ｄ_２＞ｄ_１＞ｄ_０が成立する。

　第２外殻部材３２Ｂは、略円筒状に形成された板金部材により構成される。第２外殻部材３２Ｂの上面の中央には孔が設けられ、この孔に第１外殻部材３２Ａが固定されている。第２外殻部材３２Ｂの材料、構造等は特に限定されない。

　第２ガス供給部材３８Ｂは、第２ガス供給管３４と、第２中空パイプ３６とを含んで構成される。第２ガス供給管３４は、第２外殻部材３２Ｂの上面を貫通する直線状の中空パイプにより構成される。第２中空パイプ３６は、第２環状空間Ｓ２に配置された環状の中空パイプより構成され、シールドガスを供給する複数の噴射口３６ａを上面に有する。つまり、第２ガス供給部材３８Ｂは、第２環状空間Ｓ２において、少なくとも第１外殻部材３２Ａの外周面を取り囲むように配置され、複数の噴射口３６ａがシールドガスの噴射方向を上方にして設けられている。第２ガス供給管３４を通過したシールドガスは、第２中空パイプ３６に供給され、第２中空パイプ３６の噴射口３６ａから第２中空パイプ３６の上方に全周にわたって均一に噴射される。その後、噴射されたシールドガスは、第２環状空間Ｓ２の下方に流れ、第２環状空間Ｓ２の底面に形成された第２開口３７Ｂに到達する。

　図９は、溶接中の溶接トーチ２３と、第２構成例のシールド治具３１Ａによるシールドガスの流れを模式的に示す説明図である。
　溶接トーチ２３が移動して、ベースプレート２９上に複数層の溶着ビードＢを積層することで、多層構造の積層造形物Ｗが造形される。この際、溶接トーチ２３の先端のシールドノズル２５は、溶加材ＭとともにシールドガスＧ０を噴射する。また、シールド治具３１Ａは、第１環状空間Ｓ１に供給されたシールドガスＧ１及び第２環状空間Ｓ２に供給されたシールドガスＧ２を、第１開口３７Ａ及び第２開口３７Ｂの全周から溶接トーチ２３の先端側に向けて環状に噴射する。

　第１開口３７Ａから噴射されたシールドガスＧ１は、円筒状のガスカーテンを形成することになる。シールドガスＧ１は、形成したガスカーテンの内部に溶接トーチ２３から噴射されたシールドガスＧ０を閉じ込めるとともに、外部からの空気Ａｉｒの流入を遮断する作用を奏する。これにより、溶接中の溶着ビードＢが、外部の空気、他の部材に付着した酸素、窒素等から効果的に隔離され、積層造形物Ｗへの不純物の侵入を抑制できる。

　また、第２開口３７Ｂから噴射されたシールドガスＧ２も円筒状のガスカーテンを形成することになる。シールドガスＧ２は、形成したガスカーテンの内部に溶接トーチ２３から噴射されたシールドガスＧ０と、第１開口３７Ａから噴射されたシールドガスＧ１を閉じ込めるとともに、外部からの空気Ａｉｒの流入を遮断する作用を奏する。この場合、底部の開口面積の違いにより、シールドガスＧ２の噴射速度はシールドガスＧ１の噴射速度より速く噴射される。これにより、外側のシールドガスＧ２は、内側のシールドガスＧ１を抱え込み、２重のガスカーテンが形成される。よって、シールドガスＧ１，Ｇ２の相乗効果によって、外部から積層造形物Ｗへの不純物の侵入をさらに抑制できる。

　また、第２外殻部材３２Ｂの底部に、溶接トーチ２３の軸方向に沿って第２外殻部材３２Ｂの半径距離が漸減する窄み部４５が形成されている。この窄み部４５の形成に伴って、第1外殻部材３２Ａの底部にも、これと対応する窄み部４６が形成されている。窄み部４５と窄み部４６との間の径方向隙間は周方向に沿って一定であり、底部以外の径方向隙間の大きさ（ｄ_２－ｄ_１）／２と略等しく設定されている。これにより、シールドガスＧ０とシールドガスＧ１とシールドガスＧ２との互いに衝突する地点が、溶接トーチ２３の側に近づくことになり、シールドガスの滞留効果をより高めることが期待できる。なお、シールド治具３１Ａは、窄み部４５，４６の存在しないストレート形状の円筒体で構成されていてもよい。

　また、溶接トーチ２３の外周径をｄ_０、第１外殻部材３２Ａの外周径をｄ_１、第２外殻部材３２Ｂの内周径をｄ_２としたときに、ｄ_１－ｄ_０＞ｄ_２－ｄ_１が成立するように、溶接トーチ２３に対し、第１外殻部材３２Ａと第２外殻部材３２Ｂの相対的なサイズが設計されている。これにより、第１環状空間Ｓ１の径方向の幅が、第２環状空間Ｓ２の径方向の幅より大きくなり、シールドガスの量を節約できる。

　すなわち、本構成ではシールドガスの供給源が単一のシールドガス供給部１７であり（図２）、シールドガス供給部１７が、溶接トーチ２３と、第１ガス供給部材３８Ａと、第２ガス供給部材３８Ｂとのそれぞれにシールドガスを供給している。溶接トーチ２３からのシールドガスＧ０の供給を安定的にするため、シールドガス供給部１７はシールドガスの供給を規定の一定量に制御される。そのため、溶接トーチ２３におけるシールドガスの供給圧は一定に制御される。このとき、シールド治具３１Ａは、溶接トーチ２３のガス供給圧と同じガス供給圧を受けてシールドガスＧ１、シールドガスＧ２を噴射するため、第２環状空間Ｓ２の断面積が小さいほど、シールドガスＧ２の流速が速くなる。よって、内周側と外周側とで異なる流速のガスカーテンを容易に生成でき、ガスシールド性を向上できる。また、流速の速い外周側のガスカーテンを流速の遅い内周側のガスカーテンより薄くするため、ガスの消費量が抑えられる。

　さらに、第１環状空間Ｓ１内に存在した空気の排除を完了した後、シールドガスＧ１の供給を停止し、第２環状空間Ｓ２にだけシールドガスの供給を行ってもよい。その場合、十分なガスシールド効果を維持しつつ、シールドガス消費量を節約できる。

＜変形例＞
　図１０は、第２構成例のシールド治具３１Ａにおいて、シールドガスＧ２の流れ方向を制御する整流部４７を設けた変形例のシールド治具３１Ｂの概略構成を示す斜視図である。図１０においては、第２外殻部材３２Ｂにおける第２ガス供給部材３８Ｂの下側部分のみを示している。

　変形例のシールド治具３１Ｂは、第２外殻部材３２Ｂの内側の第２環状空間Ｓ２に整流部４７を設けている。その他の構成は、前述したシールド治具３１Ａと同じである。
　整流部４７は、第２環状空間Ｓ２に設けられ、シールドガスＧ２の流れをらせん状にする。整流部４７は、例えば、第１外殻部材３２Ａの外面と第２外殻部材３２Ｂの内面の間に、板金のフィン４９を配置することにより形成できる。

　フィン４９は、周方向に沿って等間隔に配置され、複数列のらせん状のガス流路５１を画成する。各ガス流路５１を流れるシールドガスＧ２は、フィン４９によって流れ方向が規制されて、第２開口３７Ｂかららせん状の気流となって噴射される。これにより、周方向に回転運動する円環状のガスカーテンが形成される。

　整流部４７は、フィン４９により構成されるが、これに限らない。例えば、第１外殻部材３２Ａの外周面又は第２外殻部材３２Ｂの内周面に、ライフリングのようならせん状の孔又は溝を形成してもよい。また、整流部４７は、シールドガスを噴射する複数の噴射ノズルを、周方向に噴射方向を傾けた状態で第２環状空間Ｓ２の底部に配置した構成にしてもよい。

　図１１Ａは、シールド治具３１Ｂから噴射されるシールドガスＧ２の様子を説明するための、シールド治具３１Ｂの底部における一部断面図である。図１１Ｂは、シールド治具３１Ｂから噴射されるシールドガスＧ２の様子を説明するための、形成されるガスカーテンの図１１Ａに示すXI－XI線断面図である。

　図１１Ａに示すように、第２環状空間Ｓ２の第２開口３７Bから噴射されるシールドガスＧ２は、前述した整流部４７によってらせん状の流れとなったガスカーテンＣＴを形成し、図８Ｂに示すように、断面が連続した円環状となる。
　このらせん状の流れを有するガスカーテンＣＴによれば、シールドガスに回転動作が加わるため、溶接部への空気の流入をより確実に防止でき、溶接部のガスシールド効果を更に向上できる。また、シールドガスが回転しながら噴出するため、シールドガスの配管内における残存空気の巻き込みを防止できる。さらに、この場合にも第１環状空間Ｓ１内に存在した空気の排除を完了した後、シールドガスＧ１の供給を停止し、第２環状空間Ｓ２にだけシールドガスの供給を行うことで、シールドガス消費量を節約できる。

　なお、溶接時に発生するヒュームは、別途、ガスカーテン内に吸引経路を設けて吸引してもよい。

　以上説明したシールド治具３１，３１Ａ，３１Ｂによれば、溶接トーチ２３を中心とする円筒形状を有するため、溶接トーチ２３を中心とする環状のガスカーテンが形成される。このため、溶接トーチ２３の任意の移動方向に対するガスシールド効果が得られ、溶接トーチ２３の軌道に制約を及ぼすことがなくなる。例えば、溶接トーチ２３の進行方向に応じて設けられるビフォアーシールド、アフターシールドに比べて、溶接トーチ２３の移動方向の制約を抑制できるため、施工自由度の高い溶接が可能となる。

　このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

　以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）　金属製の溶加材を溶融及び凝固させて溶着ビードを形成するシールド溶接用の溶接トーチに取り付けられるシールド治具であって、
　前記溶接トーチの周囲を覆うとともに、前記溶接トーチとの間に径方向隙間を有して配置され、底部に第１開口を有する第１環状空間を画成する第１外殻部材と、
　前記第１外殻部材の内部に前記溶接トーチを取り囲んで配置され、前記第１環状空間にシールドガスを供給する第１ガス供給部材と、
　前記第１環状空間の前記第１ガス供給部材よりも下方に配置され、前記シールドガスを分散する分散部材と、
を備えるシールド治具。
　このシールド治具によれば、溶接部の全周を広範囲にガスシールドできる。

（２）　前記第１開口から噴射される前記シールドガスの流速をＶout、前記第１環状空間に供給する前記シールドガスの元栓流速をＶin、前記溶接トーチの外周径をｄ_０、前記第１外殻部材の外周径をｄ_１としたときに、前記シールドガスの流速Ｖoutについて式（２）が成立する、（１）に記載のシールド治具。

　このシールド治具によれば、溶接部への不純物の巻き込みを効果的に抑制できる。

（３）　前記第１環状空間において、前記第１外殻部材の内周面に取り付けられ、前記分散部材を保持する保持部材をさらに備える、（１）又は（２）に記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、分散部材を第１環状空間に安定して保持できる。

（４）　前記保持部材には、前記シールドガスの通過を制限する遮蔽部材が設けられている、（３）に記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、保持部材に遮蔽部材を設けることで、シールドガスの流量、保持部材からの噴射させる位置を自在に調整できる。

（５）　前記第１外殻部材の外周面の外側に径方向隙間を有して配置され、前記第１外殻部材との間に、上部に蓋部を有し底部に第２開口を有する第２環状空間を画成する第２外殻部材と、
　前記第２環状空間に前記シールドガスを供給する第２ガス供給部材と、
をさらに備える、（１）～（４）のいずれか１つに記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、溶接部への不純物の侵入を抑制する効果をより高めることができる。

（６）　前記溶接トーチの外周径をｄ_０、前記第１外殻部材の外周径をｄ_１、前記第２外殻部材の内周径をｄ２としたときに、
　ｄ_１－ｄ_０＞ｄ_２－ｄ_１
が成立する、（５）に記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、第１外殻部材の外周と溶接トーチの外周との径方向長さの差が、環状空間の径方向の幅より大きいため、溶接トーチから第１環状空間の径方向の幅より離れた位置にもシールドガスを噴射できる。これにより、溶接トーチを中心とする空間にシールドガスを滞留させることができる。

（７）　ｄ_０＞ｄ_２－ｄ_１
が成立する、（６）に記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、環状空間の径方向の幅が溶接トーチの外周径より小さくなることで、環状空間からシールドガスが噴射する流速を高められ、ガスシールド効果を向上できる。

（８）前記第２環状空間に前記シールドガスの流れ方向をらせん状にする整流部が設けられている、（５）～（７）のいずれか１つに記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、溶接部への空気の流入をより確実に防止でき、溶接部のガスシールド効果を更に向上できる。また、シールドガスが回転しながら噴出するため、シールドガスの配管内における残存空気の巻き込みを防止できる。

（９）　少なくとも前記第２外殻部材の底部に、前記溶接トーチの軸方向に沿って前記第２外殻部材の半径距離が漸減する窄み部が形成されている、（５）～（８）のいずれか１つに記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、溶接トーチから噴射されるシールドガスと、第２環状空間から噴射されるシールドガスが、互いに衝突する地点が、溶接トーチの側に近づくことになり、シールドガスの滞留効果を高めることが期待できる。

（１０）　前記溶加材は純チタン又はチタン合金である、（１）～（９）のいずれか１つに記載のシールド治具。
　このシールド治具によれば、酸素及び窒素の侵入の影響を受けやすい溶接母材であっても、高品位な溶接を行うことができる。

（１１）　（１）～（１０）のいずれか１つに記載のシールド治具を備えたガスシールドアーク溶接装置。
　このガスシールドアーク溶接装置によれば、高いガスシールド性が得られ、安定したガスシールドアーク溶接が可能となる。

　なお、本出願は、２０２１年８月６日出願の日本特許出願（特願２０２１－１２９９７４）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

　１１　溶接ロボット
　１３　ロボット駆動部
　１５　溶加材供給部
　１７　シールドガス供給部
　１９　溶接電源部
　２１　制御部
　２３　溶接トーチ
　２５　シールドノズル
　２７　コンタクトチップ
　２９　ベースプレート
　３１，３１Ａ，３１Ｂ　シールド治具
　３２Ａ　第１外殻部材
　３２Ｂ　第２外殻部材
　３３　第１ガス供給管
　３４　第２ガス供給管
　３５　第１中空パイプ
　３６　第２中空パイプ
　３７Ａ　第１開口
　３７Ｂ　第２開口
　３８Ａ　第１ガス供給部材
　３８Ｂ　第２ガス供給部材
　４１　分散部材
　４２　保持部材
　４５　窄み部
　４７　整流部
　４９　フィン
　５１　ガス流路
１００　ガスシールドアーク溶接装置
　Ｂ　溶着ビード
　Ｇ０，Ｇ１，Ｇ２　シールドガス
　Ｍ　溶加材
　Ｓ０　内部空間
　Ｓ１　第１環状空間
　Ｓ２　第２環状空間
　Ｗ　積層造形物

Claims (19)

1. 　金属製の溶加材を溶融及び凝固させて溶着ビードを形成するシールド溶接用の溶接トーチに取り付けられるシールド治具であって、
   　前記溶接トーチの周囲を覆うとともに、前記溶接トーチとの間に径方向隙間を有して配置され、底部に第１開口を有する第１環状空間を画成する第１外殻部材と、
   　前記第１外殻部材の内部に前記溶接トーチを取り囲んで配置され、前記第１環状空間にシールドガスを供給する第１ガス供給部材と、
   　前記第１環状空間の前記第１ガス供給部材よりも下方に配置され、前記シールドガスを分散する分散部材と、
   を備えるシールド治具。
2. 　前記第１開口から噴射される前記シールドガスの流速をＶout、前記第１環状空間に供給する前記シールドガスの元栓流速をＶin、前記溶接トーチの外周径をｄ_０、前記第１外殻部材の外周径をｄ_１としたときに、前記シールドガスの流速Ｖoutについて式（１）が成立する、請求項１に記載のシールド治具。
   

   
3. 　前記第１環状空間において、前記第１外殻部材の内周面に取り付けられ、前記分散部材を保持する保持部材をさらに備える、請求項１に記載のシールド治具。
4. 　前記第１環状空間において、前記第１外殻部材の内周面に取り付けられ、前記分散部材を保持する保持部材をさらに備える、請求項２に記載のシールド治具。
5. 　前記保持部材には、前記シールドガスの通過を制限する遮蔽部材が設けられている、請求項３に記載のシールド治具。
6. 　前記保持部材には、前記シールドガスの通過を制限する遮蔽部材が設けられている、請求項４に記載のシールド治具。
7. 　前記第１外殻部材の外周面の外側に径方向隙間を有して配置され、前記第１外殻部材との間に、上部に蓋部を有し底部に第２開口を有する第２環状空間を画成する第２外殻部材と、
   　前記第２環状空間に前記シールドガスを供給する第２ガス供給部材と、
   をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のシールド治具。
8. 　前記溶接トーチの外周径をｄ_０、前記第１外殻部材の外周径をｄ_１、前記第２外殻部材の内周径をｄ２としたときに、
   　ｄ_１－ｄ_０＞ｄ_２－ｄ_１
   が成立する、請求項７に記載のシールド治具。
9. 　ｄ_０＞ｄ_２－ｄ_１
   が成立する、請求項８に記載のシールド治具。
10. 　前記第２環状空間に前記シールドガスの流れ方向をらせん状にする整流部が設けられている、請求項７に記載のシールド治具。
11. 　前記第２環状空間に前記シールドガスの流れ方向をらせん状にする整流部が設けられている、請求項８に記載のシールド治具。
12. 　前記第２環状空間に前記シールドガスの流れ方向をらせん状にする整流部が設けられている、請求項９に記載のシールド治具。
13. 　前記第２環状空間に前記シールドガスの流れ方向をらせん状にする整流部が設けられている、請求項１０に記載のシールド治具。
14. 　少なくとも前記第２外殻部材の底部に、前記溶接トーチの軸方向に沿って前記第２外殻部材の半径距離が漸減する窄み部が形成されている、請求項７に記載のシールド治具。
15. 　少なくとも前記第２外殻部材の底部に、前記溶接トーチの軸方向に沿って前記第２外殻部材の半径距離が漸減する窄み部が形成されている、請求項８に記載のシールド治具。
16. 　少なくとも前記第２外殻部材の底部に、前記溶接トーチの軸方向に沿って前記第２外殻部材の半径距離が漸減する窄み部が形成されている、請求項９に記載のシールド治具。
17. 　少なくとも前記第２外殻部材の底部に、前記溶接トーチの軸方向に沿って前記第２外殻部材の半径距離が漸減する窄み部が形成されている、請求項１０に記載のシールド治具。
18. 　前記溶加材は純チタン又はチタン合金である、請求項１～６のいずれか１項に記載のシールド治具。
19. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のシールド治具を備えたガスシールドアーク溶接装置。

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