特開 2024-129997 溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129997

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/29 20060101AFI20240920BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

B23K9/29 L

B23K9/173 D

B23K9/29 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023039452

(22)【出願日】2023-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001542

【氏名又は名称】弁理士法人銀座マロニエ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大久保 浩弥

(72)【発明者】

【氏名】市川 和臣

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB09

4E001CA01

4E001DA01

4E001DB04

4E001DD04

4E001DE01

4E001DF06

4E001EA09

4E001LB07

4E001LF02

4E001LH03

4E001LH06

4E001MB01

4E001NA01

(57)【要約】

【課題】品質の良好な溶接金属を得ることができる溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法を提案する。
【解決手段】溶接ワイヤを保持するコンタクトチップと、該コンタクトチップの周りを隙間を隔てて取り囲み、該隙間を通してシールドガスを供給するノズル本体とを備えた溶接用トーチにおいて、前記ノズル本体を、前記コンタクトチップをその全長にわたって取り囲むかまたは該コンタクトチップの少なくとも先端部分を残して取り囲む周壁と、該コンタクトチップの軸芯を挟む対向位置で該周壁の端部に突出保持される一対の舌片とを有するもので構成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接ワイヤを保持するコンタクトチップと、該コンタクトチップの周りを隙間を隔てて取り囲み、該隙間を通してシールドガスを供給するノズル本体とを備え、
被接合部材の端面相互間に形成された開先部の溶接位置へ向けて該シールドガスを供給するとともに、該溶接ワイヤと溶接部位との間にアークを発生させつつ該ノズル本体を該コンタクトチップとともに該開先部の長手方向に沿い移動させることによって被接合部材を溶接、接合する溶接用トーチであって、
該ノズル本体は、該コンタクトチップをその全長にわたって取り囲むかまたは該コンタクトチップの少なくとも先端部分を残して取り囲む周壁と、該コンタクトチップの軸芯を挟む対向位置で該周壁の端部に突出保持される一対の舌片とを有することを特徴とする溶接用トーチ。

【請求項2】

前記一対の舌片は、前記開先部の面間寸法よりも小さい幅寸法を有することを特徴とする請求項１に記載した溶接用トーチ。

【請求項3】

前記一対の舌片は、その固定位置から先端に至るまでの長さが、最短でも前記コンタクトチップの先端に至るまでの長さよりも短い長さを有し、最長でも前記開先部の深さと同等の長さを有することを特徴とする請求項１または２に記載した溶接用トーチ。

【請求項4】

前記一対の舌片は、前記コンタクトチップの周りに沿う向きで、該コンタクトチップに対して凹となる湾曲板状片からなることを特徴とする請求項１または２に記載した溶接用トーチ。

【請求項5】

前記一対の舌片は、その背面および内面の少なくとも一方に装着され、該一対の舌片と同等、または、該一対の舌片よりも幅広になる耐熱、絶縁性のフレキシブルなシールド材を有することを特徴とする請求項１または２に記載した溶接用トーチ。

【請求項6】

請求項１または２に記載した溶接用トーチを用いて被接合部材を溶接する方法において、
前記一対の舌片の背面側を前記開先部の長手方向へ向けた溶接姿勢に保持して前記ノズル本体の少なくとも該一対の舌片を前記開先部の内側に位置させ、次いで、前記隙間を通して前記シールドガスを前記溶接位置へ向けて供給するとともに、前記溶接ワイヤと溶接部位との間にアークを発生させつつ該ノズル本体を該コンタクトチップとともに該開先部の長手方向に沿い移動させることによって被接合部材を溶接、接合することを特徴とする被接合部材の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被接合部材（鋼板、鋼管等の被溶接物）の端面相互間に形成された開先部が狭開先であり、その狭開先において溶接を実施して被接合部材同士を接合するのに好適な溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法に関するものである。

【0002】

なお、本発明において狭開先とは、開先形状が開先底部においてＵ型あるいはＨ型をなし、ルートギャップが０～５ｍｍ程度、開先角度が５°程度以下になるもの、すなわち、被接合部材の端面相互間の隙間が被接合部材の厚さ方向でほぼ同一になるものをいうこととする。

【背景技術】

【0003】

挟開先において被接合部材を溶接するのに適した溶接用トーチとしては、従来、シールドガスの、溶接位置への安定した供給を図るべく、開先内にガスノズルを挿入することができるように、コンタクトチップの周囲に扁平な断面形状を有するトーチノズルを備えたものが一般的に用いられていた。

【0004】

ところで、挟開先溶接に使用される従来の溶接用トーチは、ガスノズルの短径部とコンタクトチップとの間の隙間が小さいため、ガスノズルの短径方向では、シールドガスが流れ難くなり、コンタクトチップの周囲におけるシールドガスの流れが不均一になって良好な溶接が行えない不具合があった。また、コンタクトチップとガスノズルが短径部において接触、短絡することもあってコンタクトチップ、ガスノズルの損傷を引き起こすという問題もあった。

【0005】

従来の溶接用トーチにおいて生じていた上記の如き問題の解消を図る先行技術として、例えば、特許文献１には、金属製のノズルの先端に、耐熱性及び可撓性を有する絶縁材料からなる円筒状部材を装着した狭開先溶接用トーチが開示されている。また、特許文献２には、コンタクトチップの周囲に断面長円形のトーチノズルを設け、トーチノズル下端の短径部の両側に、下端から切込み部を形成した挟開先トーチノズルが開示されている。

【0006】

そして、上記特許文献１に開示された挟開溶接用トーチによれば、円筒状部材が可撓性を有するものからなっているため、開先に挿入したときはその内壁の形状に沿って圧縮変形され、円筒状部材と内壁との間に隙間が生じ難くなり、溶接位置への空気の流入が防止され、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を防止することができるとされていた。また、上記特許文献２に開示されたトーチノズルによれば、切込み部を通して断面長円形のトーチノズルの短径部とコンタクトチップの間の狭い隙間にもシールドガスが十分に流れるようになるとともに、切込み部によりコンタクトチップとトーチノズルとの接触を防止することができるとされていた。

【0007】

しかしながら、特許文献１に開示のものは、狭開先部に挿入した場合、円筒状部材の短径部とコンタクトチップとの間の間隙が小さいため、円筒状部材の短径部方向ではシールドガスが流れ難いことからコンタクトチップの周囲におけるシールドガスの流れが依然として不均一となるのが避けられない。しかも、耐熱性及び可撓性を有する絶縁材料からなる円筒状部材の材質などに関する記載がなされておらず、部材の選定・入手性に課題が残されていた。

【0008】

また、特許文献２に開示されたものでは、狭開先用の偏平形状のトーチノズル下端に切り込まれた部分が、下端のごく一部に限定されるため、偏平形状のトーチノズルの短径部の大きさは、切り込みのないトーチノズルと同等であり、このトーチノズルを挟開先内に挿入するには、コンタクトチップのサイズが制限される不具合がある。また、コンタクトチップに保持される溶接ワイヤも直径の小さいものにせざるを得ず、溶接の作業効率が低下するのが避けられないばかりか、このようなトーチノズルを入手するにも制約があるのが現状であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平１１－１９７８４１号公報

【特許文献2】実開平０６－４１９７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、挟開先において被接合部材の溶接を行う場合に生じていた従来の問題を解消することができる溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法を提案するところにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、溶接ワイヤを保持するコンタクトチップと、該コンタクトチップの周りを隙間を隔てて取り囲み、該隙間を通してシールドガスを供給するノズル本体とを備え、
被接合部材の端面相互間に形成された開先部の溶接位置へ向けて該シールドガスを供給するとともに、該溶接ワイヤと溶接部位との間にアークを発生させつつ該ノズル本体を該コンタクトチップとともに該開先部の長手方向に沿い移動させることによって被接合部材を溶接、接合する溶接用トーチであって、
該ノズル本体は、該コンタクトチップをその全長にわたって取り囲むかまたは該コンタクトチップの少なくとも先端部分を残して取り囲む周壁と、該コンタクトチップの軸芯を挟む対向位置で該周壁の端部に突出保持される一対の舌片とを有することを特徴とする溶接用トーチである。

【0012】

前記一対の舌片は、前記開先部の面間寸法よりも小さい幅寸法を有すること、前記一対の舌片は、その固定位置から先端に至るまでの長さが、最短でも前記コンタクトチップの先端に至るまでの長さよりも短い長さを有し、最長でも前記開先部の深さと同等の長さを有すること、前記一対の舌片は、前記コンタクトチップの周りに沿う向きで、該コンタクトチップに対して凹となる湾曲板状片からなること、さらに、前記一対の舌片は、その背面および内面の少なくとも一方に装着され、該一対の舌片と同等、または、該一対の舌片よりも幅広になる耐熱、絶縁性のフレキシブルなシールド材を有すること、が望ましい。

【0013】

また、本発明は、上記の構成からなる溶接用トーチを用いて被接合部材を溶接する方法において、前記一対の舌片の背面側を前記開先部の長手方向へ向けた溶接姿勢に保持して前記ノズル本体の少なくとも該一対の舌片を前記開先部の内側に位置させ、次いで、前記隙間を通して前記シールドガスを前記溶接位置へ向けて供給するとともに、前記溶接ワイヤと溶接部位との間にアークを発生させつつ該ノズル本体を該コンタクトチップとともに該開先部の長手方向に沿い移動させることによって被接合部材を溶接、接合することを特徴とする被接合部材の溶接方法である。

【0014】

本発明において、開先部の長手方向とは、被接合部材が矩形形状をなす板材であり、その長手方向の端面同士を向かい合わせに保持してその相互間に開先部が形成される場合にあっては、該板材の幅方向に沿う向きをいうものとし、被接合部材が、鋼管等の円筒状部材からなるものであり、その端面同士を向かい合わせに保持してその相互間に開先部が形成される場合にあっては、該円筒状部材の周りに沿う向きをいうものとする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、溶接位置への空気の侵入を極力遮断することが可能となり、品質の良好な溶接金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明にしたがう溶接用トーチの実施の形態をその先端部分について模式的に示した外観斜視図である。

【図2】（ａ）～（ｃ）は、図１に示した溶接用トーチの平面（Ｂ－Ｂ断面）、側面（Ａ－Ａ断面）および底面をそれぞれ示した図である。

【図3】図２（ｂ）のＣ－Ｃ断面を示した図である。

【図4】開先部（挟開先）の断面を示した図である。

【図5】（ａ）～（ｃ）は、本発明にしたがう溶接用トーチの他の実施の形態の平面（Ｅ－Ｅ断面）、側面（Ｄ－Ｄ断面）および底面をそれぞれ示した図である。

【図6】図５（ｂ）のＦ－Ｆ断面を示した図である。

【図7】（ａ）～（ｃ）は、本発明にしたがう溶接用トーチのさらに他の実施の形態の平面（Ｈ－Ｈ断面）、側面（Ｇ－Ｇ断面）および底面をそれぞれ示した図である。

【図8】図７（ｂ）のＩ－Ｉ断面を示した図である。

【図9】本発明にしたがう溶接用トーチを開先部に配置した状態を示した外観斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は、本発明にしたがう溶接用トーチの実施の形態をその先端部分について模式的に示した外観斜視図であり、図２（ａ）～（ｃ）は、図１に示した溶接用トーチの平面（Ｂ－Ｂ断面）、側面（Ａ－Ａ断面）および底面をそれぞれ示した図であり、図３は、図２（ｂ）のＣ－Ｃ断面を示した図である。

【0018】

図１～３における符号１は、溶接ワイヤＷを保持するコンタクトチップである。コンタクトチップ１は、図示しない繰り出し機構により溶接ワイヤＷを溶接の進行に合わせて所定の速度で溶接位置に向けて繰り出すことができるようになっている。

【0019】

また、図１～３における符号２は、コンタクトチップ１の周りを隙間ｄを隔てて取り囲み、該隙間ｄを通してガス供給源（図示せず）からシールドガスを溶接位置へ向けて供給するノズル本体である。ノズル本体２は、コンタクトチップ１を取り囲む周壁２ａと、該コンタクトチップ１の軸芯Ｌを挟む対向位置で該周壁２ａの端部に突出保持された一対の舌片２ｂとを有している。ここで、周壁２ａの端部とは、例えば、溶接用トーチの先端部を下向き姿勢に保持して溶接を行う場合にあっては、周壁２ａの下端部をいうものとする。

【0020】

周壁２ａは、コンタクトチップ１の先端部分を残して取り囲むもの、すなわち、周壁２ａの端部（この例では、周壁２ａの下端）からコンタクトチップ１の先端部分が露出するものを例として示したが、周壁２ａは、コンタクトチップ１の全部を取り囲むものとしてもよく、この点は、図示のものに限定されない。

【0021】

一対の舌片２ｂは、被接合部材を溶接する際に、溶接位置への空気の侵入を抑制してブローホール等の溶接欠陥の発生を阻止して品質の安定した溶接金属を得るための遮蔽壁として機能する。

【0022】

コンタクトチップ１、ノズル本体２は、いずれも金属あるいはその他の部材（剛性、耐熱性を有するもの）で構成され、その形状は、必要に応じて適宜、変更することが可能であり、図示のものに限定されない。

【0023】

図４は、被接合部材３、４の端面相互間に形成された開先部の一例を模式的に示した図である。かかる開先部は、開先底部がＵ型（３Ｒ程度）をなし、ルートギャップｇが０ｍｍ、開先角度θが５°程度以下、ｔ１が７ｍｍ程度、ｔ２が６ｍｍ程度、θ１が９０°程度に設定された挟開先からなるものである。

【0024】

本発明にしたがう溶接用トーチにおいて、一対の舌片２ｂは、被接合部材３、４との接触による短絡を回避する観点から上掲図４に示すような開先部の面間寸法（最も狭いところ）ｅよりも小さい幅寸法を有するものを適用することができる。なお、一対の舌片２ｂの幅寸法は、開先部の面間寸法の０．６～０．９倍程度としておくのが望ましい。

【0025】

一対の舌片２ｂの幅方向の端縁は、被接合部材３、４の端面に沿う端縁とするのが好ましく、これによれば、溶接開始時における隙間をより小さくすることができる。なお、本発明において、一対の舌片２ｂの幅寸法とは、被接合部材３、４の面間寸法ｅと平行な直線寸法ｅ′（図３参照）をいうこととする。

【0026】

また、一対の舌片２ｂは、その固定位置（溶接用トーチの先端部を下向き姿勢に保持して溶接を行う場合においては、周壁２ａの下端またはその近傍域を固定位置とする）から先端に至るまでの長さｆが、最短でもコンタクトチップ１の先端に至るまでの長さｆ′よりも短い長さを有し、最長でも開先部の深さｈと同等の長さを有するものとするのが望ましく、これにより、溶接時に溶接位置への空気の侵入を効果的に抑制することができる。

【0027】

また、一対の舌片２ｂは、ノズル本体２が円筒形状からなるものにあっては、シールドガスの流れの均一化を図るため、コンタクトチップ１の周りに沿う向きで、該コンタクトチップ１に対して凹となる湾曲板状片とするのが望ましい。

【0028】

図５（ａ）～（ｃ）、図６は、本発明にしたがう溶接用トーチの他の実施の形態を示した図である。一対の舌片２ｂは、周壁２ａの端部（下端面）に一体的に設けることもでき、かかる構成によれば、ノズル本体２の周壁２ａと一対の舌片２ｂとを一部材で構成することが可能となり、一対の舌片２ｂをノズル本体２に接続する接続作業が省略され、かつ、部品点数の削減を図り得る利点がある。

【0029】

図７（ａ）～（ｃ）、図８は、本発明にしたがう溶接用トーチのさらに他の実施の形態を示した図である。一対の舌片２ｂの背面には、耐熱性、絶縁性を有するフレキシブルなシールド材５として、例えば、ガラス繊維を固めたものを装着しておくことができる。シールド材５は、一対の舌片２ｂの幅寸法よりも幅広である場合、その幅端部は、被接合部材３、４の端面に接触することになり、溶接位置への空気の流入を確実に阻止することができる。また、シールド材５が一対の舌片２ｂと同等の幅寸法を有するものにあっては、該一対の舌片２ｂを溶接熱から保護するためにその内周面に装着してもよい。

【0030】

本発明にしたがう溶接用トーチを用い、その先端部を下向き姿勢に保持して被接合部材３、４を溶接するには、図９に示すように、一対の舌片２ｂの背面側が開先部の長手方向（溶接方向）に指向する姿勢に保持して被接合部材３、４の開先部の内側にノズル本体２の少なくとも該一対の舌片２ｂを位置させ、そして、ノズル本体２の隙間ｄを通してシールドガスを溶接位置に向けて供給するとともに、溶接ワイヤＷと溶接部位との間にアークを発生させつつ該ノズル本体２をコンタクトチップ１とともに開先部の長手方向に沿い移動させればよく、本発明にしたがう溶接用トーチによれば、溶接部位においてシールドガスの流れが均一になり品質の高い溶接金属を得ることができる。

【0031】

ノズル本体２の周壁２ａの径が２０ｍｍ、ノズル本体２の周壁２ａの下端からコンタクトチップの先端に至るまでの長さｆ′が約１５ｍｍ、一対の舌片の幅が８ｍｍ、一対の舌片の長さｆが１０ｍｍになる本発明にしたがう溶接用トーチ（適合トーチ）と、一対の舌片を備えない溶接用トーチ（比較トーチ）（その他の仕様は、本発明にしたがう溶接用トーチと同じもの）をそれぞれ用い、厚さ３８ｍｍの鋼板（鋼種：ＳＭ４９０Ａ）を、ルートキャップｇ：０ｍｍ、開先角度θ：５°、底部形状：Ｕ型（３Ｒ）、面間寸法ｅ：１１ｍｍ、深さｈ：２５ｍｍ、ｔ１：７mm、ｔ２：６ｍｍ、θ１：９０°の挟開先で、下記の条件のもとに溶接を行い、得られた接合鋼板の溶接金属の品質についての調査を行った。

【0032】

狭開先側溶接条件：
溶接方法：炭酸ガスシールドアーク溶接
溶接ワイヤ径：１．６ｍｍ
シールドガスの流量：８０ｍｌ／分程度
溶接電流：３４５～４１０Ａ
溶接電圧：３３～３８Ｖ
パス数 ：４
溶接速度：２５～３３ｃｍ／分

【0033】

その結果、適合トーチを用いて溶接を行った場合には、ブローホール等の溶接欠陥は発生せず、溶接部引張試験（引張強度）でも良好な結果であったのに対し、比較トーチを用いて溶接を行った場合にはブローホール等の溶接欠陥が発生したことから、適合トーチを用いた溶接では、溶接金属における品質が良好であることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明によれば、品質の良好な溶接金属を得ることができる溶接用トーチおよびその溶接用トーチを用いた被接合部材の溶接方法の提供が可能となる。

【符号の説明】

【0035】

１ コンタクトチップ
２ ノズル本体
２ａ 周壁
２ｂ 一対の舌片
３ 被接合部材
４ 被接合部材
５ シールド材
Ｗ 溶接ワイヤ
ｄ 隙間
Ｌ 軸芯
ｇ ルートギャップ
θ 開先角度
θ１ 角度
ｅ 面間寸法
ｅ′ 直線寸法
ｆ、ｆ′ 長さ
ｈ 深さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】