JP2000158129A

JP2000158129A - パイプ自動溶接機

Info

Publication number: JP2000158129A
Application number: JP10083178A
Authority: JP
Inventors: Fumio Matsunaga; 文夫松永; Shigeto Matsumoto; 成人松元
Original assignee: NANKO KK; Kyocera Corp
Current assignee: NANKO KK; Kyocera Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2000-06-13
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JP4044670B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イナートガスアーク溶接のＴＩＧ、ＭＩＧ溶接
用のパイプ自動溶接機において、溶融金属のスパッタ付
着を著しく減少させ、長期間の連続使用を可能とする。【解決手段】ロータカバー２の材質を耐熱衝撃性△Ｔが
２００℃以上、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミッ
クスで形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイナートガスアーク
溶接のＴＩＧ、ＭＩＧ溶接用の自動溶接機に関し、特に
金属パイプの外周を自動的に溶接する自動溶接機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】金属材同士の接合手段として溶接が一般
的に行われている。このうち、金属パイプの端面同士を
溶接して接合する場合は、パイプ自動溶接機が用いられ
る。

【０００３】図１（ａ）に示すように、このパイプ自動
溶接機１は、ロータアダプタ５の中央に貫通孔５ａを有
し、この貫通孔５ａの周囲に、外周にギアを備えた真鍮
製の円弧状のロータギア４を備え、このロータギア４の
内側に、円弧の中心に向かって突出するタングステン電
極からなる溶接用電極６を立設してある。また、このロ
ータギア４の外周のギアと係合してロータギア４を回転
させるためのギア７を有している。

【０００４】そして、図１（ｂ）に示すように、この貫
通孔５ａの両側から金属製のパイプ３、３の端面を挿入
して当接させた状態で、上記ギア７によってロータギア
４を回転させ、溶接電極６の先端がパイプ３の外周を移
動しながら端面同士を溶接してゆくようになっている。

【０００５】この自動溶接機１の内部構造は、図２
（ａ）（ｂ）に示すように、上記ロータギア４、ギア７
をそれぞれ回転自在となるように、両側からロータカバ
ー２、２で挟み込んで保持してある。さらに、その外側
を貫通孔５ａを有するロータアダプタ５で覆った構造と
なっている。

【０００６】いま、不図示の駆動手段でギア７を回転さ
せればロータギア４を回転させることができ、溶接電極
６の先端が貫通孔５ａの内周を回転移動できるようにな
っている。したがって、貫通孔５ａの両側からパイプ
３、３の端面を挿入して当接させ、不図示の通電手段で
溶接電極６に電圧を印加し、パイプ３との間の放電で溶
接しながら、上記ロータギア４の回転により溶接電極６
をパイプ３の外周にそって回転移動させれば、パイプ３
の端面同士の外周を完全に溶接することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このパイプ
自動溶接機は長期間にわたって連続使用を行うことがで
きないという問題があり、その原因の一つに、溶融金属
のスパッタ付着がある。例えば溶接作業においては、高
温に加熱された溶融金属がスパッタ現象により周囲に飛
び散り、パイプ自動溶接機の各部品や製品等に付着する
ことが避けられない。このとき、特にロータカバー２に
溶融金属がスパッタ付着すると、穴があいてしまう等の
不良となり、交換を頻繁に行わなければならなくなると
ともに、製品をも不良としてしまう等の不都合があっ
た。

【０００８】そこで、溶融金属のスパッタ付着を防止す
るために、耐熱性プラスチックを材質としたロータカバ
ー２が用いられていたが、これでも溶融金属のスパッタ
付着量を著しく減少させることはできず、溶融金属の付
着に伴う急激な温度変化により、表面部変形や肌荒れ、
穴空き等を起こし易く、長期間の連続使用に耐えること
ができなかった。また、耐熱性プラスチックは、温度が
上がると熱的破壊やボイド放電破壊により絶縁耐力が急
激に低下するという問題もあった。

【０００９】本発明は、かかる事情に鑑み、溶融金属の
スパッタ付着を著しく減少させることができるととも
に、長期間の連続溶融を可能とする耐久性能に優れたパ
イプ自動溶接機を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、円弧状のロー
タギアの内側に溶接用電極を備え、このロータギアをそ
の円弧中心の回りに回転させることによって溶接用電極
を円周状に移動させパイプの外周を溶接するようにした
パイプ自動溶接機であって、上記ロータギアの両側を、
耐熱衝撃性△Ｔが２００℃以上、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・
Ｋ以上のセラミックスからなるロータカバーで覆ったこ
とを特徴とする。

【００１１】また本発明は、上記ロータカバーの表面粗
さ（Ｒａ）を７μｍ以下としたことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態について詳
述する。

【００１３】図１、２に示すように、本発明のパイプ自
動溶接機１は、外周にギアを備えた真鍮製の円弧状のロ
ータギア４の内側に、円弧の中心に向かってタングステ
ン等のワイヤからなる放電電極６を立設し、このロータ
ギア４の外周のギアと係合してロータギア４を回転させ
るためのギア７を備えている。そして、図３に示すよう
に、これらのロータギア４、ギア７をそれぞれ回転自在
となるように、両側から上記ロータカバー２、２で挟み
込んで保持し、さらにその外側を、図１、２に示すよう
な貫通孔５ａを有するロータアダプタ５で覆うことによ
って、パイプ自動溶接機１を構成してある。

【００１４】いま、不図示の駆動手段でギア７を回転さ
せればロータギア４を回転させることができ、溶接電極
６の先端が貫通孔５ａの内周を回転移動できるようにな
っている。したがって、図１（ｂ）に示すように、貫通
孔５ａの両側からパイプ３、３の端面を挿入して当接さ
せ、不図示の通電手段で溶接電極６に電圧を印加し、パ
イプ３との間の放電で溶接しながら、上記ロータギア４
の回転により溶接電極６をパイプ３の外周にそって回転
移動させれば、パイプ３の端面同士の外周を完全に溶接
することができる。

【００１５】なお、ロータアダプタ５は上下に２分割で
きる構造であり、その貫通孔５ａは溶接するパイプ３と
同じ径としておくことによって、この貫通孔５ａに挿入
したパイプ３を確実に保持することができる。

【００１６】また、図４に示すように、ロータカバー２
は、パイプを挿入するための貫通孔２ａと、ロータギア
４を覆う円弧部２ｂを有しており、全体が耐熱衝撃性△
Ｔが２００℃以上、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラ
ミックスにより形成されている。

【００１７】上記溶接作業の際に、ロータギア４の両側
をロータカバー２で覆っているため、溶融金属によるス
パッタが主にロータカバー２に飛散することになるが、
ロータカバー２を上述したようなセラミックスで形成し
てあるため、溶融金属の付着を防止し、耐久性に優れ、
長期間使用することが可能となる。

【００１８】ここで、上述した効果を奏するためには、
ロータカバー２を成すセラミックスとして、耐熱衝撃性
ΔＴが２００℃以上、好ましくは５５０℃以上のものを
用いる。なお、耐熱衝撃性ΔＴとは、セラミックスの試
料をある温度に加熱した後、室温まで急冷した場合に、
急激な強度変化が生じない最高温度のことを言う。

【００１９】そして、本発明では、耐熱衝撃性△Ｔが２
００℃以上であるような耐熱衝撃性に優れたセラミック
スでロータカバー２を形成することにより、従来の耐熱
性プラスチック製のものに比べて溶融金属のスパッタ付
着が飛躍的に減少するのである。この耐スパッタ付着性
の飛躍的な向上は、ローターカバー２の高い耐熱衝撃性
により、ロータカバー２表面での急激な温度変化に対す
る抵抗力が増した為と考えられる。

【００２０】つまり、耐熱衝撃性の低いローターカバー
２表面では溶融金属のスパッタ付着に伴う急激な温度変
化により表面部に微細な亀裂や肌荒れが生じ、このため
に溶融金属が付着しやすくなり、長期間の使用による耐
スパッタ性能の維持が困難であったと考えられる。これ
に対して本発明の耐熱衝撃性の高いセラミックスからな
るローターカバー２では、表面の微細な亀裂や肌荒れが
抑制され、この高い耐スパッタ性能により長期間の連続
溶接が可能となったものと考えられる。

【００２１】また、この高い耐熱衝撃性は、特にロータ
ーカバー２の加熱冷却の繰り返し使用に対しても有効で
あり、加熱冷却を繰り返したローターカバー２表面でも
微細な亀裂の発生及びその進展を抑制することができ、
肌荒れも押さえられる。一方、セラミックスは摺動性、
耐摩耗性にも優れている為、昇温と降温、ローター回転
を繰り返す溶接での連続使用においても、溶接金属のス
パッタ付着を抑制出来、長期間の使用に対する耐久性は
従来材に比べて一層優れている。

【００２２】さらに、この高いスパッタ性能により、ロ
ーターカバー２とパイプ３間の距離を大きくする必要が
なくなり、パイプ３直径に対しローターカバー２のコン
パクト化が図れることとなる。

【００２３】また、従来のローターカバー２を用いた自
動溶接機１では、溶接電流を上げて溶接するとローター
カバー２にスパークして穴が空いたり、絶縁破壊を生じ
て、製品を不良としてしまう等の不都合があるためにワ
ークとなるパイプ３の肉厚に限界があり、自動溶接機の
能力を十分に発揮できなかった。これに対して、本発明
のローターカバー２を用いた自動溶接機１では、溶接電
流を高くすることが可能で、十分にその能力を発揮する
ことができる。

【００２４】さらに、ロータカバー２を成すセラミック
スとしては、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは
１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いる。これは、熱伝導率
が上記範囲よりも小さいと、パイプ自動溶接機１を使用
した時に、ロータカバー２の温度上昇が遅くなり、スパ
ッタにより飛散した溶融金属との温度差が大きくなっ
て、この溶融金属がロータカバー２表面で急激に冷却さ
れ、固化し易くなるためである。

【００２５】また、ローターカバー２の耐スパッタ性を
更に向上させる為には、上記セラミックスの比熱が８０
０Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下であることが好ましい。これは、ロ
ータカバー２の温度上昇を速くして、飛散した溶融金属
との温度差を小さくするためである。

【００２６】さらに、ロータアダプタ４の内側に配置さ
れるロータカバー２の円弧部２ｂの肉厚を薄く形成する
ことによって耐スパッタ付着性をより一層向上させるこ
とができる。これは溶接の初期において、ロータカバー
２の円弧部２ｂが加熱されやすくなり、ローターカバ２
に飛散してくる溶融金属と上記円弧部２ｂの温度差が常
に小さくなる為、溶融金属のスパッタ付着が抑制され、
表面の肌荒れや熱衝撃による亀裂の発生が抑制される為
と考えられる。上記の効果を奏するためには、円弧部２
ｂの肉厚を３ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００２７】又、ローターカバー２のうち、最もスパッ
タ付着が起きやすい円弧部２ｂの表面粗さは中心線平均
粗さ（Ｒａ）で７μｍ以下とし、好ましくは２μｍ以下
とする。円弧部２ｂの表面粗さをこのように平滑にする
ことによって、スパッタにより飛散してくる溶融金属が
表面に付着しにくく、付着しても自重により表面から脱
落しやすくなると共に、溶融金属が表面に付着して固化
したとしてもその除去作業が容易であり短時間ですます
ことができる。

【００２８】さらに、ロータカバー２を成すセラミック
スとしては、室温から１０００℃までの抗折強度が、Ｊ
ＩＳＲ１６０１に準拠する３点曲げ強度で２０ｋｇ／ｍ
ｍ²以上のものを用いることによって、ローターカバー
２の耐久性を一層向上させることができる。これは、高
温強度の高いセラミックスを使用することにより、高温
時における表面粗さの低下や表面での欠陥発生が少なく
なり、高温使用環境下から室温まで冷却されても使用前
と同等の表面状体が保持され、繰り返し使用時に溶融金
属が一層付着しにくくなるためである。

【００２９】しかも、上記の高強度のセラミックスを用
いることにより、ロータカバー２の強度が高まり、付着
物を除去する際においてもロータカバー２の欠損が起こ
りにくくなり、又作業時におけるロータカバー２への衝
撃に対しても破損等を防止することができる。さらに
は、高強度のセラミックスを用いることで肉厚の薄いロ
ータカバー２の作製も容易となる。

【００３０】また、ロータカバー２を構成するセラミッ
クスは気孔率が３％以下であり、かつ最大気孔径が２０
μｍ以下であることが好ましい。気孔率が３％を超える
か又は最大気孔径が２０μｍを超えると、強度の低下を
招くとともに、この気孔が飛散してくる溶融金属をトラ
ップし、これを起点として更に溶融金属の付着が進行す
るからである。

【００３１】これらの特性を満たすセラミックスとして
は、窒化珪素質セラミックス、ジルコニアセラミック
ス、高純度アルミナセラミックス等を用いる。

【００３２】窒化珪素質セラミックスとしては、８５〜
９０重量％の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とし、焼
結助剤としてＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等を５〜９重量％の
範囲で含有するものを用いる。また、このセラミックス
の平均結晶粒径を５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下と
することにより、強度特性が一層向上すると共に優れた
耐摩耗性が得られる。

【００３３】また、この窒化珪素質セラミックスでロー
タカバー２を製造する場合は、上記組成の原料粉末にバ
インダーと溶媒を添加して混合粉砕した後、造粒し、こ
の造粒体を冷間静水圧加圧法により所定の形状に成形し
た後、１７００〜１８５０℃の温度にて焼成し、得られ
た焼結体を研削加工することによって得ることができ
る。

【００３４】さらに、ジルコニアセラミックスとして
は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）を主成分とし、安定化剤と
してＹ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ₂、Ｄｙ₂Ｏ₃
等の一種以上を含有してなり、正方晶の結晶を主体とす
る部分安定化ジルコニアセラミックスを用いる。

【００３５】また、高純度アルミナセラミックスとして
は、９９重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃を主成分として、焼結
助剤としてＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等を含むものを用
いる。

【００３６】以上のセラミックスの中でも、特に窒化珪
素質セラミックスを用いれば、溶融金属が付着しにく
く、機械的特性に優れたロータカバー２を得ることがで
きる。

【００３７】また、本発明のローターカバー２は上記セ
ラミックスによって全体を形成しても良いし、溶融金属
のスパッタ付着が起こりやすい、内周部のみを上記セラ
ミックスで形成し、他材質と接合して構成することもで
きる。さらに、本発明のパイプ自動溶接機１では、ロー
タカバー２を上記セラミックスで形成したことにより、
ロータカバー２の内部にスス等の酸化物がつきにくいた
め、スパークがなく一定のアークを得ることができ、溶
接用電極６として用いるタングステン電極の消耗が少な
く、溶接が安定しているため溶融金属がきれいに溶け込
みパイプ３の内側にきれいな裏波が得られる等の効果が
ある。

【００３８】

【実施例】実験例１本発明の実施例として、図４に示すロータカバー２を窒
化珪素質セラミックスで製造した。

【００３９】まず、９５重量％のＳｉ₃Ｎ₄を主成分と
し、かつ焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物
を２重量％、さらにＡｌ₂Ｏ₃を３重量％含有する原料
を調合し、バインダーと溶媒を添加して回転ミルにて混
合粉砕した後、スプレードライヤーにて造粒する。この
造粒体を冷間静水圧加圧法により成型し、真空脱脂して
１８００℃の焼成温度で焼成した。この焼結体を研削加
工等により図４に示す形状のロータカバー２を作製し
た。

【００４０】また、その他の材質として、安定化剤とし
てＹ₂Ｏ₃を含む部分安定化ジルコニアセラミックス、
Ａｌ₂Ｏ₃含有量が９６重量％、９９重量％のアルミナ
セラミックス、従来の耐熱性プラスチックを用いて、同
じロータカバー２を作製した。なお、いずれも全体を
３．０ｍｍの均一な肉厚とした。

【００４１】各ローターカバー２を用いてイナートガス
アーク溶接のＴＩＧ溶接用の自動溶接機１に取付け、ス
テンレス製で直径９．５２ｍｍ、肉厚１ｍｍのパイプ３
の自動溶接を行った。その後、溶融金属のスパッタ付着
量を求めると共に、付着した金属を除去した後のロータ
ーカバー２の表面状態を観察した。また、各材質の耐熱
衝撃性ΔＴ、熱伝導率、曲げ強度を測定した。結果は表
１、２に示す通りである。

【００４２】なお、ここで耐熱衝撃性△Ｔとは、一定温
度に加熱したサンプルを室温まで急冷した時、サンプル
の強度変化が起こらない温度差を言う。但し、耐熱プラ
スチックについては、連続耐熱温度の数値を示した。ま
た、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
さらに、曲げ強度はＪＩＳＲ１６０１に規定する３点曲
げ強度を求めた。また、スパッタ付着量は、耐熱性プラ
スチックを１とした時の相対値を示す。

【００４３】この結果から、耐熱衝撃性△Ｔが２００℃
以上でかつ熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス
からなるロータカバー２を用いることによって、溶融金
属のスパッタ付着量が大幅に抑制され、かつロータカバ
ー２表面の肌荒れや亀裂の発生を防止できることがわか
った。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】実験例２次に、実験１と同様の材質を用いて作ったロータカバー
２をパイプ自動溶接機１に取付け、実験１と同様の条件
で金属製のパイプ３の連続溶接を行い、ロータカバー２
の寿命比較を行った。結果は表３の通りである。

【００４７】この結果から、耐熱プラスチック製ロータ
カバーでは、１００個の連続溶接にも耐えられないのに
対し、本発明の範囲内である99％アルミナ、ジルコニ
ア、窒化珪素質セラミックスからなるロータカバーで
は、溶接個数が飛躍的に伸びていることがわかる。

【００４８】

【表３】

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、円弧状
のロータギアの内側に溶接用電極を備え、このロータギ
アをその円弧中心の回りに回転させることによって溶接
用電極を円周状に移動させパイプの外周を溶接するよう
にしたパイプ自動溶接機であって、上記ロータギアの両
側を、耐熱衝撃性△Ｔが２００℃以上、熱伝導率が５Ｗ
／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからなるロータカバーで覆
ったことによって、溶融金属のスパッタ付着量を飛躍的
に減少させることができ、長期間にわたって良好に使用
可能なパイプ自動溶接機を提供できる。

【００５０】また、本発明のパイプ自動溶接機では、ロ
ータカバーと金属パイプ間の距離を小さくしてコンパク
ト化がはかれるとともに、溶接電流を上げて溶接するこ
とも可能となることから肉厚の厚い金属パイプの溶接も
可能となり、さらにロータ内部にスス等酸化物がつきに
くいためスパークがなく、一定のアークを得ることがで
き、溶接用電極として使用するタングステン電極の消耗
も少なく、溶接が安定している為溶融金属がきれいに溶
け込みパイプ内側にきれいな裏波が得られる等の効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）本発明のパイプ自動溶接機の外形
を示す図である。

【図２】（ａ）は図１（ｂ）中のＹ−Ｙ線断面図、
（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】本発明のパイプ自動溶接機の分解斜視図であ
る。

【図４】本発明のパイプ自動溶接機におけるロータカバ
ーを示す図である。

【符号の説明】

１：パイプ自動溶接機２：ロータカバー３：パイプ４：ロータギア５：ロータアダプタ６：溶接用電極７：ギア

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円弧状のロータギアの内側に溶接用電極を
備え、このロータギアをその円弧中心の回りに回転させ
ることによって溶接用電極を円周状に移動させパイプの
外周を溶接するようにしたパイプ自動溶接機であって、
上記ロータギアの両側を、耐熱衝撃性△Ｔが２００℃以
上、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからな
るロータカバーで覆ったことを特徴とするパイプ自動溶
接機。
【請求項２】上記ロータカバーの表面粗さ（Ｒａ）が７
μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のパイ
プ自動溶接機。