特開 2024-15628 ２重シールドＴＩＧ溶接装置

(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】P2024015628

(43)【公開日】2024-02-06

(54)【発明の名称】２重シールドＴＩＧ溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/29 20060101AFI20240130BHJP

【ＦＩ】

B23K9/29 B

B23K9/29 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022117825

(22)【出願日】2022-07-25

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西野 晋太朗

(72)【発明者】

【氏名】中俣 利昭

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001LB02

4E001LH04

4E001LH06

4E001NA01

(57)【要約】

【課題】シールドガスの使用量が削減できる２重シールドＴＩＧ溶接装置を提供する。
【解決手段】制御装置（ＣＰＵ）は、溶接停止指示に応じて、第３時刻ｔ３において溶接電流Ｉｗの非消耗電極への供給及び第２不活性ガス（アウターガス）のガスノズルへの供給を停止し、第３時刻ｔ３から予め定められたアフターフロー期間Ｔａ経過後の第４時刻ｔ４において、第１不活性ガス（インナーガス）のガスノズルへの供給を停止するように電源回路および流量調整装置３を制御する。制御装置（ＣＰＵ）は、第２時刻ｔ２と第３時刻ｔ３との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量よりも第３時刻ｔ３と第４時刻ｔ４との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が少なくなるように流量調整装置を制御する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非消耗電極とガスノズルとを有する溶接トーチと、
前記非消耗電極に溶接電流を供給する電源回路と、
前記ガスノズルに供給するガスの流量を調整する流量調整装置と、
前記電源回路と前記流量調整装置とを制御する制御装置とを備え、
前記ガスノズルは、
前記非消耗電極の径方向外側に配置された筒状の第１ノズルと、
前記第１ノズルの径方向外側に配置された筒状の第２ノズルとを含み、
前記流量調整装置は、第１不活性ガスを前記第１ノズルと前記非消耗電極との間の第１ガス流路に供給し、第２不活性ガスを前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間の第２ガス流路に供給するように構成され、
前記制御装置は、溶接開始指示に応じて、第１時刻において前記第１不活性ガスおよび前記第２不活性ガスの前記ガスノズルへの供給を開始し、前記第１時刻から予め定められたプリフロー期間経過後の第２時刻において、溶接電流の前記非消耗電極への供給を開始するように前記電源回路および前記流量調整装置を制御し、
前記制御装置は、溶接停止指示に応じて、第３時刻において溶接電流の前記非消耗電極への供給及び前記第２不活性ガスの前記ガスノズルへの供給を停止し、前記第３時刻から予め定められたアフターフロー期間経過後の第４時刻において、前記第１不活性ガスの前記ガスノズルへの供給を停止するように前記電源回路および前記流量調整装置を制御し、
前記制御装置は、前記第２時刻と前記第３時刻との間の前記第１不活性ガスの流量よりも前記第３時刻と前記第４時刻との間の前記第１不活性ガスの流量が少なくなるように前記流量調整装置を制御する、２重シールドＴＩＧ溶接装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記第２時刻と前記第３時刻との間の前記第１不活性ガスの流量が第１流量となり、前記第３時刻と前記第４時刻との間の前記第１不活性ガスの流量が前記第１流量よりも少ない第２流量となるように前記流量調整装置を制御する、請求項１に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記第２時刻と前記第３時刻との間の前記第１不活性ガスの流量が第１流量となり、前記第３時刻と前記第４時刻との間の前記第１不活性ガスの流量が前記第１流量から次第に減少して流量ゼロとなるように前記流量調整装置を制御する、請求項１に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記第３時刻以降前記第４時刻より前の時刻において、前記第２不活性ガスの前記ガスノズルへの供給を停止するように前記流量調整装置を制御する、請求項１に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。

【請求項5】

前記流量調整装置は、
前記第２不活性ガスの流量を設定するガス流量調整器と、
前記制御装置からの制御信号に応じて前記ガス流量調整器から前記第２ガス流路への前記第２不活性ガスの供給と遮断とを切り替える電磁弁と、
前記第１不活性ガスの圧力を設定するガス圧力調整器と、
前記制御装置からの制御信号に応じて前記ガス圧力調整器から前記第１ガス流路への前記第１不活性ガスの流量を増減させるマスフローコントローラとを含む、請求項１に記載の２重シールドＴＩＧ溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、非消耗電極の周囲にシールドガスを供給するガスノズルを有する２重シールドＴＩＧ溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非消耗電極を備えた溶接トーチを用いて行なう溶接では、通常、タングステンで形成された電極と被溶接物との間にアークを発生させ、そのアークの熱で被溶接物を溶融させる。ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接法では、ガスノズルと電極との間にシールドガスを流す。

【0003】

特開２０２０－１５０４８号公報（特許文献１）には、シールドガスをタングステン電極とワークとの間に発生したアークの周囲に放出するシールドノズルと、シールドノズル内に設けられ、シールドガスよりも高速でガスを噴射させる狭窄ノズルとを備えるＴＩＧ溶接用トーチが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１５０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般にＴＩＧ溶接に用いられる不活性ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの比較的高価なガスが用いられる。溶接装置のランニングコストを低減させるため、不活性ガスの使用量はなるべく抑える方が望ましい。

【0006】

一般にＴＩＧ溶接では、タングステン電極と溶融池の酸化を防止するため、溶接終了後に不活性ガスを一定期間流すアフターフローと呼ばれる区間が設けられる。特開２０２０－１５０４８号公報（特許文献１）には、不活性ガスの使用量の削減についてはとくに言及されていないが、狭窄ノズルを備えた溶接装置では、アフターフロー区間におけるガス使用量の改善の余地がある。

【0007】

本開示は、このような課題を解決するものであって、シールドガスの使用量が削減できる２重シールドＴＩＧ溶接装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の２重シールドＴＩＧ溶接装置は、非消耗電極とガスノズルとを有する溶接トーチと、非消耗電極に溶接電流を供給する電源回路と、ガスノズルに供給するガスの流量を調整する流量調整装置と、電源回路と流量調整装置とを制御する制御装置とを備える。ガスノズルは、非消耗電極の径方向外側に配置された筒状の第１ノズルと、第１ノズルの径方向外側に配置された筒状の第２ノズルとを含む。流量調整装置は、第１不活性ガスを第１ノズルと非消耗電極との間の第１ガス流路に供給し、第２不活性ガスを第１ノズルと第２ノズルとの間の第２ガス流路に供給するように構成される。制御装置は、溶接開始指示に応じて、第１時刻において第１不活性ガスおよび第２不活性ガスのガスノズルへの供給を開始し、第１時刻から予め定められたプリフロー期間経過後の第２時刻において、溶接電流の非消耗電極への供給を開始するように電源回路および流量調整装置を制御する。制御装置は、溶接停止指示に応じて、第３時刻において溶接電流の非消耗電極への供給及び前記第２不活性ガスの前記ガスノズルへの供給を停止し、第３時刻から予め定められたアフターフロー期間経過後の第４時刻において、第１不活性ガスのガスノズルへの供給を停止するように電源回路および流量調整装置を制御する。制御装置は、第２時刻と第３時刻との間の第１不活性ガスの流量よりも第３時刻と第４時刻との間の第１不活性ガスの流量が少なくなるように流量調整装置を制御する。

【発明の効果】

【0009】

本開示の２重シールドＴＩＧ溶接装置によれば、非溶接区間中の第２不活性ガス（アウターガス）の供給を停止し、かつ、第１不活性ガス（インナーガス）の流量を本溶接区間中よりも少なくすることで、ガスのランニングコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施の形態の２重シールドＴＩＧ溶接装置の構成図である。

【図2】溶接電流とシールドガスの制御を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0012】

図１は、本実施の形態の２重シールドＴＩＧ溶接装置の構成図である。図１に示す２重シールドＴＩＧ溶接装置１０００は、溶接トーチ１と、電源回路２１と、制御装置（ＣＰＵ２２）とを備える。

【0013】

溶接トーチ１は、非消耗電極１１とガスノズル１２とを有する。電源回路２１は、非消耗電極１１に溶接電流を供給する。流量調整装置３は、ガスノズル１２に供給するガスの流量を調整する。制御装置（ＣＰＵ２２）は、電源回路２１と流量調整装置３とを制御する。

【0014】

電源回路２１と、制御装置（ＣＰＵ２２）と、操作パネル２３は、直流溶接電源２に搭載されている。制御装置（ＣＰＵ２２）は、作業者が操作するトーチスイッチ２４からＯＮ／ＯＦＦ信号および操作パネル２３の設定に基づいて電源回路２１と流量調整装置３とを制御する。

【0015】

電源回路２１は、インバータ回路１０１と、整流回路１０２と、平滑コンデンサ１０４と、カップリング１０５と、高周波回路１０３とを含む。直流溶接電源２のマイナス端子１０６は、ケーブルによって非消耗電極１１に接続される。直流溶接電源２のプラス端子１０７は、ケーブルによって母材６に接続される。

【0016】

図１に示す２重シールドＴＩＧ溶接装置１０００は、２重ガスシールドのＴＩＧ溶接装置である。非消耗電極１１は、タングステン電極である。

【0017】

ガスノズル１２は、筒状の第１ノズル１３と、筒状の第２ノズル１４とを含む。第１ノズル１３は、非消耗電極１１の径方向外側に配置される。第２ノズル１４は、第１ノズル１３の径方向外側に配置される。

【0018】

ガスノズル１２は、タングステン電極を中心として同心円上に２つノズルが配置された２重ガスシールドノズルである。溶接期間中は、内側に流れるシールドガス（以下、インナーガスと呼称）は、流速（＝流量／配管内断面積）が速くなるようインナーガス流量が３～６（Ｌ／ｍｉｎ）程度に設定される。通常のＴＩＧ溶接と比較して、配管内断面積が小さいので少ないガス流量でありながら、速いガスの流速が得られる。ガス流速を速くする効果は、ガスの冷却作用によりアークが緊縮することであり、集中したアークが得られる。また、外側のシールドガス（以下、アウターガスと呼称）は、通常のＴＩＧ溶接で用いられるようにアークがシールドガス雰囲気下に入るように５～１０（Ｌ／ｍｉｎ）程度に設定される。

【0019】

ガスノズル１２には、それぞれ独立したガスボンベ４，５およびガス配管からアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性なアウターガスおよびインナーガスが供給される。流量調整装置３は、第１不活性ガス（インナーガス）を第１ノズル１３と非消耗電極１１との間の第１ガス流路Ｇ１に供給し、第２不活性ガス（アウターガス）を第１ノズル１３と第２ノズル１４との間の第２ガス流路Ｇ２に供給するように構成される。

【0020】

第１不活性ガスと第２不活性ガスは同じガスであっても良いし、異なるガスであっても良い。たとえば、図１に示されるように第１不活性ガスと第２不活性ガスをいずれもＡｒガスとしても良い。またたとえば、第１不活性ガス（インナーガス）としてＨｅガスを用い、第２不活性ガス（アウターガス）としてＡｒガスを用いるように、二種類のガスを組み合わせて用いても良い。

【0021】

流量調整装置３は、ガス流量調整器３１と、電磁弁３２と、ガス圧力調整器３３と、マスフローコントローラ３４とを含む。

【0022】

ガス流量調整器３１は、ガスボンベ４から供給される第２不活性ガス（アウターガス）の流量Ｆｏを設定する。たとえば、作業者が操作する流量バルブによって、ガス流量調整器３１はガス流量Ｆｏを増減することができる。電磁弁３２は、制御装置（ＣＰＵ２２）からの制御信号に応じてガス流量調整器３１から第２ガス流路Ｇ２への第２不活性ガス（アウターガス）の供給と遮断とを切り替える。

【0023】

ガス圧力調整器３３は、第１不活性ガス（インナーガス）の圧力を設定する。
マスフローコントローラ３４は、制御装置（ＣＰＵ２２）からの制御信号に応じてガス圧力調整器３３から第１ガス流路Ｇ１への第１不活性ガス（インナーガス）の流量Ｆｉを増減させる。マスフローコントローラ３４は、流体の質量流量を計測し流量制御を行なう機器であり、高精度な流量計測および制御を要求されるプロセスに用いられる。

【0024】

図１に示すようにアウターガスの流量Ｆｏは、ガス流量調整器３１（残量メータ、フローメータを内蔵）で一定となるよう設定されている。電磁弁３２を介してアウターガスの供給のＯＮ／ＯＦＦのみをＣＰＵ２２が制御する。一方、インナーガスについては、ガス圧力調整器３３の後にマスフローコントローラ３４が設けられており、ＣＰＵ２２からの信号により、ガス供給のＯＮ／ＯＦＦ制御とガス流量Ｆｉの調整が可能である。

【0025】

通常のＴＩＧ溶接では、流量を手動で変えるので、流量を溶接終了のタイミングに合わせて変えることは難しい。本実施の形態では、インナーガスに対してマスフローコントローラ３４を導入してガス流量を溶接の終了時に同期させて制御する。これによって、２重シールドＴＩＧ溶接におけるガス流量を効果的に削減し、ガスのランニングコストを低減することができる。

【0026】

図２は、溶接電流とシールドガスの制御を説明する波形図である。作業者が溶接装置のトーチスイッチ２４をオンすると、まず溶接開始前に予め不活性ガスを流すプリフロー期間Ｔｐが設定される（たとえば１秒）。

【0027】

図２に示すように、制御装置（ＣＰＵ２２）は、溶接開始指示に応じて、第１時刻ｔ１において第１不活性ガス（インナーガス）および第２不活性ガス（アウターガス）のガスノズル１２への供給を開始する。

【0028】

その後制御装置（ＣＰＵ２２）は、第１時刻ｔ１から予め定められたプリフロー期間Ｔｐ経過後の第２時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗの非消耗電極１１への供給を開始するように電源回路２１および流量調整装置３を制御する。

【0029】

時刻ｔ２においては、高周波回路１０３から高周波が発生しアークが点弧し、溶接電流Ｉｗが流れる。

【0030】

作業者がトーチスイッチをオフすると、溶接停止指示が入力される。制御装置（ＣＰＵ２２）は、溶接停止指示に応じて、第３時刻ｔ３において溶接電流Ｉｗの非消耗電極１１への供給を停止する。

【0031】

溶接電流Ｉｗが停止し、その後予め設定されたアフターフロー期間Ｔａ（たとえば７秒）中は、アウターガスは停止する一方でインナーガスは流れ続ける。

【0032】

制御装置（ＣＰＵ２２）は、第３時刻ｔ３から予め定められたアフターフロー期間Ｔａ経過後の第４時刻ｔ４において、第１不活性ガス（インナーガス）のガスノズル１２への供給を停止するように電源回路２１および流量調整装置３を制御する。

【0033】

制御装置（ＣＰＵ２２）は、第２時刻ｔ２と第３時刻ｔ３との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量Ｆｉ１よりも第３時刻ｔ３と第４時刻ｔ４との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量Ｆｉ２が少なくなるように流量調整装置３を制御する。

【0034】

従来のＴＩＧ溶接のシールドガスの流量は、たとえば溶接中５～１０（Ｌ／ｍｉｎ）である。

【0035】

これに対し、本実施の形態では、図２に示すように、制御装置（ＣＰＵ２２）は、第２時刻ｔ２と第３時刻ｔ３との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が第１流量Ｆｉ１となり、第３時刻ｔ３と第４時刻ｔ４との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が第１流量Ｆｉ１よりも少ない第２流量Ｆｉ２となるように流量調整装置３を制御する。

【0036】

本実施の形態では、図２に示すように、溶接中は、たとえば、アウターガス流量Ｆｏ＝７（Ｌ／ｍｉｎ）、インナ－ガス流量Ｆｉ１＝３（Ｌ／ｍｉｎ）（合計流量１０（Ｌ／ｍｉｎ））である。また、本実施の形態では、溶接後のアフターフロー期間中はアウターガス流量Ｆｏ＝０（Ｌ／ｍｉｎ）インナーガス流量Ｆｉ２＝１～１．５（Ｌ／ｍｉｎ）（合計流量１～１．５（Ｌ／ｍｉｎ））とすることができる。これにより、アフターフロー期間のシールドガス流量を減らすことができる。

【0037】

以上説明したように、本実施の形態の溶接装置は、非溶接区間中のアウターガス流をＯＦＦにし、かつ、インナーガス流量を本溶接中よりも少なくする。２重シールドＴＩＧ溶接は、シールドノズルが一重である通常のＴＩＧ溶接と比較して、インナーガスノズル部の断面積が小さいのでガス流速が速くなるため、通常ＴＩＧ溶接よりもアフターフロー区間中のガス流量を減らすことができる。

【0038】

本実施の形態の溶接装置によれば、２重シールドＴＩＧ溶接における非溶接区間中の総ガス流量を減らすことができるので、ガスランニングコストを低減することができる。特に仮付け工程といった、本溶接の時間よりもアフターフロー時間が長くなるようなケースに対して効果が高い。

【0039】

［変形例１］
インナーガスのＯＦＦは、直ちにゼロにするのではなく、図２の波形Ｍ１に示すように、一定時間かけて徐々に流量を下げるようにしても良い。

【0040】

この場合、制御装置（ＣＰＵ２２）は、第２時刻ｔ２と第３時刻ｔ３との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が第１流量Ｆｉ１となり、第３時刻ｔ３と第４時刻ｔ４との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が第１流量Ｆｉ１から次第に減少して流量ゼロとなるように流量調整装置３を制御する。

【0041】

［変形例２］
本実施の形態では、アフターフロー中のアウターガスは溶接区間終了と同時にＯＦＦするよう記載したが、溶融池保護の観点から、溶接トーチを溶融池から遠ざけるまでに要する時間を図２の波形Ｍ２に示すように、インナーガスとは異なる一定期間独立してアフターフロー区間に別途アウターガスを流すように設定可能としてもよい。

【0042】

この場合、制御装置（ＣＰＵ２２）は、第３時刻ｔ３以降第４時刻ｔ４より前の時刻において、第２不活性ガス（アウターガス）のガスノズル１２への供給を停止するように流量調整装置３を制御する。

【0043】

［変形例３］
本実施の形態では、プリフロー中のインナーガス流量は溶接区間中と同流量としているが、図２の波形Ｍ３に示すように、スタート直後のシールド性が確保できるインナーガス流量まで減らしてもよい。

【0044】

この場合、制御装置（ＣＰＵ２２）は、第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２との間の第１不活性ガス（インナーガス）の流量が第１流量Ｆｉ１よりも少ない第３流量Ｆｉ３となるように流量調整装置３を制御する。

【0045】

なお、本実施の形態では、鉄、ステンレスなどに使用される直流溶接電源２を図１に記載して説明したが、表面に酸化皮膜が形成されるアルミ、マグネシウムなどに使用される交流溶接電源にも同様なガスの流量制御を適用しても良い。なお、アフターフローの流量については、同様で良いが、アルミ等ではプリフロー期間を長め（たとえば、５秒）に流すことがある。

【0046】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0047】

１ 溶接トーチ、２ 直流溶接電源、３ 流量調整装置、３１ ガス流量調整器、１１ 非消耗電極、１２ ガスノズル、１３ 第１ノズル、１４ 第２ノズル、２１ 電源回路、３２ 電磁弁、３３ ガス圧力調整器、３４ マスフローコントローラ、１０００ ２重シールドＴＩＧ溶接装置、Ｇ１，Ｇ２ 流路。

【図1】

【図2】