JP2001096363A

JP2001096363A - 溶接方法および溶接装置

Info

Publication number: JP2001096363A
Application number: JP27607099A
Authority: JP
Inventors: Mitsuho Kuroda; 満穂黒田; Yukiomi Nishigami; 幸臣西上; Yasuyuki Nojiri; 泰行野尻
Original assignee: Sakai Iron Works Co Ltd
Current assignee: Sakai Iron Works Co Ltd
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接作業を効率良く行うことができる溶接方
法を提供する。【解決手段】互いに接合する鋼板１０，１２を突合わ
せて開先部１６を形成し、溶接装置２０を開先部１６に
沿って移動させながら、該装置２０に搭載された溶接ト
ーチ２４により開先部１６に溶接を施すようにした。溶
接装置２０には、進行方向における溶接トーチ２４の前
方に加熱コイル３６を設け、これを開先部１６に介入さ
せるようにした。そして、この加熱コイル３６に高周波
電流を通電することにより、溶接トーチ２４による溶接
に先立って鋼板１０，１２の端面（開先面）を誘導加熱
するようにした。加熱温度は、溶接トーチ２４による溶
接時に、開先面の溶融が促進される温度（４００℃以
上）とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、橋梁、水圧鉄管等
に使用される比較的板厚の大きい部材を突合わせて溶接
する溶接方法およびこの方法の実施に適した溶接装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、橋梁、水圧鉄管等の比較的板
厚の大きな部材（母材）同士を突合わせて溶接する方法
としてアーク溶接等の溶融溶接が一般に知られている。
この溶接方法は、図７に示すように母材５０ａ，５０ｂ
を突合わせて開先部５２を形成し、この開先部５２に溶
加材（溶接棒）を配置してアークを発生させることによ
り母材５０ａ，５０ｂと溶加材（溶接棒）とを融合させ
て溶融金属５６（溶接ビード５６という）を形成し、こ
れを凝固させることにより両母材５０ａ，５０ｂを接合
する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の溶接方法では、
溶接パス（溶接ビード５６を形成する作業）を繰り返す
ことにより図７に示すように開先部５２のルート面５４
側から順に溶接ビード５６を積層形成するが、従来で
は、アークを発生させることにより母材５０ａ，５０ｂ
を常温から加熱、溶融させて溶加材と融合させるため一
溶接パスに時間がかかる。そのため、一溶接パスの時間
を短縮して溶接作業を効率良く行えるようにすることが
望まれている。

【０００４】なお、溶接作業を効率良く行うべく、開先
角度θを小さく設定して総溶接パス数を減らすことも考
えられている。しかし、単に開先角度θを小さくするだ
けでは、図８に示すように溶接ビード５６の中央部分が
盛り上がって母材端面（開先面）との間に楔状の隙間５
８が生じ易くなる。このような隙間は、後に溶接ビード
５６が積層形成されても十分に埋まらず中空部として残
存し、例えば、亀裂等の原因となる。そのため、開先角
度θを小さくするのにも自ずと限界があり、作業時間を
有効に短縮することが出来なかった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであって、本発明の第１の目的は溶接作業をよ
り効率良く行うことができる溶接方法を提供することに
あり、第２の目的は、その溶接方法の実施に適した溶接
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の溶接方法は、母材を突合わせて開先部を形
成し、上記開先部に溶接を施すことにより母材同士を接
合する溶接方法において、溶接時に開先面の溶融を促進
するのに適した所定温度まで該開先面を加熱した後に溶
接を施すようにしたものである（請求項１）。

【０００７】この方法によると、溶接時には、開先面の
溶融が速やかに行われて溶融金属（溶接ビード）が速や
かに、かつ良好に形成される。なお、「溶接時における
開先面の溶融を促進するのに適した所定温度」とは、溶
接開始後、直ちに開先面の溶融が始まるような温度を意
味し、溶接割れを防止する目的で開先部を加熱するとき
のような極低い温度は排除する意味である。

【０００８】具体的には、母材として鋼材を用いる場合
には、開先面を４００℃以上に加熱する（請求項２）。

【０００９】なお、加熱は、開先面に加熱コイルを介入
させ、これに高周波電流を通電して母材に誘導電流を誘
導することにより開先面を誘導加熱するか（請求項
３）、あるいは母材に高周波電流を通電してその抵抗熱
で開先面を加熱する（請求項４）のが好ましい。

【００１０】このようにすれば、高周波の特徴である表
皮効果および近接効果により溶接箇所に電流を集中させ
て開先面の近傍のみが良好に加熱される。そのため、加
熱に起因した母材の劣化を最小限に抑えることが可能と
なる。

【００１１】一方、本発明の溶接装置は、母材の突合わ
せ部分に形成された開先部に溶接を施す溶接装置であっ
て、開先部に沿って移動可能に構成され、該移動中に開
先部に溶接を施す装置本体と、この装置本体と共に移動
し、該装置本体による溶接に先立って、溶接時における
開先面の溶融を促進するのに適した所定温度まで上記開
先面を加熱する加熱装置とを備えているものである（請
求項５）。

【００１２】この装置によると、装置本体の移動に伴い
開先面の加熱と溶接とを効率的に行うことが可能とな
る。

【００１３】なお、加熱装置は、装置本体に固定されて
開先部に介入される加熱コイルと、この加熱コイルに高
周波電流を供給する高周波電源とを有した構成とされる
（請求項６）。この装置によると、加熱コイルにより開
先面に誘導電流が誘導されることにより開先面が誘導加
熱される。

【００１４】また、加熱装置は、開先部において母材の
表裏面又は表裏面のうち一方側の面に配置され、それぞ
れ母材に摺動可能な陽極接触子および陰極接触子と、上
記陽極接触子に高周波電流を供給する高周波電源とを有
した構成とすることもできる（請求項７）。この装置に
よると、母材に高周波電流による抵抗熱が発生し、これ
により開先面が加熱される。

【００１５】なお、請求項６および請求項７の装置にお
いては、電源として高周波電源を用いているため、表皮
効果および近接効果により開先面のみが良好に加熱され
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を用いて説明する。

【００１７】図１は、本発明に係る溶接方法を実施する
溶接装置を概略的に示している。この図において、符号
１０，１２は母材である鋼板を示しており、各鋼板１
０，１２はそれぞれ端面を突合わせた状態で配置されて
いる。より詳しくは、図２に示すように、各鋼板１０，
１２にはテーパ状の端面１０ａ，１２ａ（開先面）がそ
れぞれ形成されており、所定の間隔（ルートギャップ）
を隔てこれら鋼板１０，１２が突き合わされることによ
り、両鋼板１０，１２の間に、それらの裏面側から表面
側（同図では下側から上側）に向かって先広がりとなる
Ｖ字形の開先部１６を形成している。

【００１８】そして、これら各鋼板１０，１２の表面
に、図１に示すように開先部１６を跨いだ状態で溶接装
置２０が載置されている。

【００１９】溶接装置２０は、例えば炭酸ガスアーク溶
接を行う装置で、車輪２２ａを有した移動可能な台車２
２を有している。この台車２２には、その前方（図１で
は左側）にフレーム２６を介して溶接トーチ２４が支持
されるとともに、この溶接トーチ２４の後方に溶接ワイ
ヤ３０を巻回したリール２８が回転可能に支持されてい
る。そして、このリール２８から上記溶接ワイヤ３０が
導出されて溶接トーチ２４の先端（下端）に導かれてい
る。

【００２０】上記溶接トーチ２４は、炭酸ガスアーク溶
接に用いられる一般的な溶接トーチであって、図外の溶
接電源から上記溶接ワイヤ３０に電流を通電することに
より鋼板１０，１２と溶接ワイヤ３０との間にアークを
発生させるように構成されている。また、溶接トーチ２
４に一体に組み込まれた図外のノズルからＣＯ₂ガス又
はＣＯ₂ガスを主体とする混合ガスを噴射することによ
り溶融金属（溶接ビード）を大気から遮蔽するように構
成されている。

【００２１】上記溶接トーチ２４には、さらにその前方
にアーム３２を介して加熱ヘッド３４が固定されてい
る。

【００２２】この加熱ヘッド３４には、先端にコロ３８
が回転可能に取付けられており、このコロ３８が鋼板１
０，１２の表面に当接することにより加熱ヘッド３４を
支えている。また、加熱ヘッド３４の下面には案内用の
ガイド板４０が突設され、このガイド板４０が上記開先
部１６のルート面１４（図２参照）の間に介入すること
により台車２２を開先部１６に沿って案内するように構
成されている。

【００２３】加熱ヘッド３４には、さらに鋼板１０，１
２の端面１０ａ，１２ａを加熱するための加熱コイル３
６が取付けられている。

【００２４】加熱コイル３６は、加熱ヘッド３４から下
方に向かって延びるＵ字形に形成され、ガイド板４０に
より台車２２が開先部１６に沿って案内される際に、図
２に示すように開先部１６内に介入されて鋼板１０，１
２の端面１０ａ，１２ａに対して非接触な状態で配置さ
れるように構成されている。

【００２５】この加熱コイル３６は、図外の高周波電源
に接続され、後述する溶接作業時には、加熱ヘッド３４
に高周波電流が通電されることにより鋼板１０，１２の
端面１０ａ，１２ａを加熱するように構成されている。
すなわち、加熱コイル３６に電流が通電されると鋼板１
０，１２に誘導電流が流れ（誘導され）、これにより鋼
板１０，１２の端面１０ａ，１２ａのうち加熱コイル３
６に近接する部分が誘導加熱されるようになっている。
なお、加熱コイル３６による端面１０ａ，１２ａの加熱
温度は、溶接時に端面１０ａ，１２ａの溶融が良好に促
進される温度、例えば溶接トーチ２４による溶接時にア
ークが発生すると端面１０ａ，１２ａが直ちに溶融し始
めて溶接ワイヤ３０と融合し得るような温度であって、
当実施の形態では、端面１０ａ，１２ａを４００℃以上
に加熱するようになっている。

【００２６】次に、上記のように構成された溶接装置２
０による鋼板１０，１２の接合作業について作用効果と
ともに説明する。

【００２７】上記溶接装置２０を用いて鋼板１０，１２
を接合するには、まず、鋼板１０，１２を上述のように
突合わせ、この状態で開先部１６を跨ぐように溶接装置
２０を鋼板１０，１２の表面にセットする。この際、ガ
イド板４０及び加熱コイル３６を開先部１６に介入さ
せ、開先部１６の長手方向における溶接開始位置に加熱
コイル３６を配置する。

【００２８】次いで、溶接装置２０を起動して加熱コイ
ル３６に高周波電流を通電するとともに溶接トーチ２４
を溶接可能な待機状態とする。

【００２９】こうして溶接作業の準備が完了したら、開
先部１６に沿って溶接装置２０を前方（図１では左方）
に所定速度で移動させながら、その最中に溶接トーチ２
４を操作して溶接パスを繰り返して開先部１６に溶接を
施す。具体的には、図３に示すように、開先部１６のル
ート面１４に初層溶融金属（溶接ビード）を形成し、こ
の初層溶接ビードに順次溶接ビードを積層形成するとい
う作業を繰り返して、開先部１６の長手方向全体にわた
って順次溶接を施す。

【００３０】このような溶接作業中、溶接装置２０の進
行方向前方に設けられた加熱コイル３６には、上記のよ
うに高周波電流が通電されており、これにより溶接トー
チ２４による溶接に先立って鋼板１０，１２の端面１０
ａ，１２ａが加熱される。そして、このように端面１０
ａ，１２ａが加熱されることにより溶接トーチ２４によ
る溶接が効率良く行われる。すなわち、鋼板１０，１２
の端面１０ａ，１２ａが上述したような温度まで加熱さ
れていることにより、溶接トーチ２４による溶接時に
は、端面１０ａ，１２ａと溶接ワイヤ３０との融合が速
やかに、かつ良好に行われる。そのため、未加熱の状態
で溶接を施す場合に比べると一溶接パスに要する時間が
短縮され、溶接トーチ２４による溶接が効率的に行われ
る。

【００３１】このように上記溶接装置２０によれば溶接
作業を効率良く、かつ良好に行うことができるという効
果がある。

【００３２】また、上記のように端面１０ａ，１２ａと
溶接ワイヤ３０との融合を速やかに、かつ良好に行わせ
ることができるため、開先部１６の開先角度を小さく設
定することが可能であり、このように開先角度を小さく
設定することにより、より一層溶接作業を効率的に行う
こともできる。すなわち、予め端面１０ａ，１２ａを加
熱しておけば、端面１０ａ，１２ａと溶接ワイヤ３０と
の融合が速やかに行われるため、例えば開先角度を小さ
く設定した場合でも、図３に示すように溶接ビード１８
が端面１０ａ，１２ａ間に平坦に形成されることとな
り、未加熱で溶接を施す場合のように溶接ビードの中央
が盛り上がって両脇に楔状の隙間が生じる（図８参照）
ようなことがない。従って、開先角度を十分に小さく設
定することができ、このように開先角度を小さくできる
結果、開先部１６に溶接を施す際の溶接パス数が少なく
なり作業効率がアップする。この場合、例えば端面１０
ａ，１２ａの材質、厚み、あるいは加熱温度によって
は、図４に示すように、開先角度θを０°（つまり端面
１０ａ，１２ａが平行となる状態）として一溶接パスで
開先部１６に溶接ビード１８を形成することも可能とな
る。この場合には、端面１０ａ，１２ａをテーパ状とす
るための鋼板１０，１２の端面加工が不要となるという
効果もある。

【００３３】さらに、鋼板１０，１２の端面１０ａ，１
２ａを加熱するに際しては、上記のように開先部１６間
に加熱コイル３６を介入させ、これに高周波電流を通電
することにより鋼板１０，１２を誘導加熱するようにし
ているため、いわゆる近接効果により鋼板１０，１２の
端面１０ａ，１２ａに偏って誘導電流が流れ、これによ
り端面１０ａ，１２ａが良好に加熱される。そのため、
端面１０ａ，１２ａ以外の広い部分を加熱して鋼板１
０，１２を劣化させるという事態を有効に回避すること
ができるという特徴がある。

【００３４】ところで、上記の溶接方法では、加熱コイ
ル３６に高周波電流を通電することによりいわゆる誘導
加熱により鋼板１０，１２を加熱するようにしている
が、開先部１６において直接鋼板１０，１２に高周波電
流を通電することにより抵抗熱で鋼板１０，１２の端面
１０ａ，１２ａを加熱するようにしてもよい。この場合
にも、表皮効果および近接効果により端面１０ａ，１２
ａに偏って電流が流れるため、鋼板１０，１２の端面１
０ａ，１２ａを加熱しながら、それ以外の部分が加熱さ
れるのを防止することができる。

【００３５】なお、抵抗熱により鋼板１０，１２を加熱
する場合には、例えば図５に示すような溶接装置を用い
ることができる。以下、この溶接装置について説明す
る。なお、この装置の基本構成は、図１に示した溶接装
置２０と共通するため、共通する部分には同一の符号を
付して説明を省略し、相違点についてのみ詳しく説明す
ることとする。

【００３６】図５に示す溶接装置２１は、図１に示した
溶接装置２０の加熱ヘッド３４の代えて、台車２２の前
方に一対の陽極接触子４２ａ，４２ｂが取付けられてい
る。これら接触子４２ａ，４２ｂは、図６に示すように
開先部１６の間隔に対応して各鋼板１０，１２の端部上
面（表面）に摺動するように台車２２にアーム４４を介
して取付けられ、さらに図外の高周波電源に接続されて
いる。

【００３７】また、鋼板１０，１２を挟んで陽極接触子
４２ａ，４２ｂの反対側には陰極接触子４６が配設され
ている。この接触子４６は、台車２２の前方に連結され
て開先部１６を介して下方に延びる図外のアームに固定
されており、図６に示すように各鋼板１０，１２の端部
下面（裏面）に跨った状態で摺動するように配置されて
いる。

【００３８】この溶接装置２１により鋼板１０，１２を
接合する場合も、基本的には図１の溶接装置２０と同様
に、開先部１６に沿って溶接装置２１を前方（図５では
左方）に所定速度で移動させながら、その最中に溶接ト
ーチ２４を操作して溶接パスを繰り返して開先部１６に
溶接を施す。この際、高周波電源から陽極接触子４２
ａ，４２ｂに高周波電流を通電すことにより、鋼板１
０，１２の端面１０ａ，１２ａに高周波電流を流し、こ
の電流による抵抗熱によって鋼板１０，１２の端面１０
ａ，１２ａを加熱する。

【００３９】なお、この場合、一旦接初層溶接ビードを
形成すればこの初層溶接ビードを介して両鋼板１０，１
２が導通状態となるので、例えば、図５に示す接触子配
置で初層溶接ビードを形成した後、陰極接触子４６を取
り除き、さらに陽極接触子４２ａ，４２ｂのうち一方を
陰極に切り替えることにより溶接ビードを介して両鋼板
１０，１２に高周波電流を流すようにしてもよい。この
ようにすれば接触子４６を端面１０ａ，１２ａの裏面に
おいて溶接装置２１と一体に移動させる必要がなくなる
という利点がある。

【００４０】なお、以上説明した上記実施の形態の溶接
方法では、誘導加熱や電気抵抗加熱により鋼板１０，１
２の端面１０ａ，１２ａを加熱するようにしているが、
鋼板１０，１２の加熱は、これ以外の方法、例えばガス
炎加熱法や赤外線加熱法により行うようにしてもよい。

【００４１】また、具体的な加熱温度も、溶接トーチ２
４による溶接時に端面１０ａ，１２ａの溶融が良好に促
進される温度であればよく、具体的な温度は、母材の材
質、厚みあるいは具体的な溶接方法により適宜設定すれ
ばよい。但し、母材が鋼板の場合には、温度が４００℃
以上となることにより端面１０ａ，１２ａの溶融が促進
されることが実験的に認められており、従って、鋼板の
場合の加熱温度は４００℃以上であることが好ましい。

【００４２】さらに、上記実施の形態では、本発明を溶
融溶接の一種である炭酸ガスアーク溶接に適用した例に
ついて説明しているが、本発明は、溶融溶接であれば炭
酸ガスアーク溶接以外の溶接にも勿論適用することがで
きる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の溶接方法
は、溶接に先立ち、溶接時における開先面の溶融を促進
するのに適した所定温度まで開先面を加熱し、こうする
ことにより未加熱状態で溶接を施す場合に比べて溶融金
属が速やかに、かつ良好に形成されるようにしたので、
一溶接パスに要する時間を効果的に短縮することがで
き、これにより溶接作業を効率よく行うことができる。
また、開先角度を小さく設定することが可能となり、こ
のように開先角度を小さく設定することにより総溶接パ
ス数が減少し、より一層、溶接作業を効率的に行うこと
ができる。

【００４４】特に、開先面の近傍に加熱コイルを配設
し、これに高周波電流を通電して開先面に誘導電流を誘
導することにより開先面を誘導加熱するか、あるいは開
先面に高周波電流を通電してその抵抗熱で開先面を加熱
するようにすれば、高周波電流のいわゆる表皮効果およ
び近接効果により開先面近傍のみを良好に加熱すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る溶接装置を母材（鋼板）上にセッ
トした状態を示す斜視略図である。

【図２】加熱コイルが介入された状態を示す開先部の断
面図である。

【図３】溶融金属（溶接ビード）の形成状態を示す開先
部の断面図である。

【図４】開先部の一例を示す断面図である。

【図５】本発明に係る別の溶接装置を母材（鋼板）上に
セットした状態を示す斜視略図である。

【図６】陽極接触子および陰極接触子の配置を説明する
開先部の断面図である。

【図７】一般的な溶接方法を説明する開先部の断面図で
ある。

【図８】開先角度を小さくした場合の溶接ビードの形成
状態を示す開先部の断面図である。

【符号の説明】

１０，１２鋼板（母材）１０ａ，１２ａ端面（開先面）１４ルート面１６開先部２０溶接装置２２台車２４溶接トーチ３０溶接ワイヤ３４加熱ヘッド３６加熱コイル

フロントページの続きＦターム(参考） 4E001 AA03 BB06 BB09 CA01 CC03 CC04 DA01 DC01 DD01 DD04 DF05 DF06 DG03 EA09 4E081 AA02 AA12 BA02 BA19 BA27 BA40 BB01 BB15 CA07 CA10 DA01 DA02 DA11 DA31 DA68 DA69 EA14 FA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】母材を突合わせて開先部を形成し、上記
開先部に溶接を施すことにより母材同士を接合する溶接
方法において、溶接時に開先面の溶融を促進するのに適
した所定温度まで該開先面を加熱した後に溶接を施すこ
とを特徴とする溶接方法。
【請求項２】上記母材として鋼材を用いる方法であっ
て、上記開先面を４００℃以上に加熱することを特徴と
する請求項１記載の溶接方法。
【請求項３】上記開先部に加熱コイルを介入し、これ
に高周波電流を通電して母材に誘導電流を誘導すること
により上記開先面を誘導加熱することを特徴とする請求
項１又は２記載の溶接方法。
【請求項４】上記母材に高周波電流を通電してその抵
抗熱で上記開先面を加熱することを特徴とする請求項１
又は２記載の溶接方法。
【請求項５】母材の突合わせ部分に形成された開先部
に溶接を施す溶接装置であって、上記開先部に沿って移
動可能に構成され、該移動中に上記開先部に溶接を施す
装置本体と、この装置本体と共に移動し、該装置本体に
よる溶接に先立って、溶接時における開先面の溶融を促
進するのに適した所定温度まで上記開先面を加熱する加
熱装置とを備えていることを特徴とする溶接装置。
【請求項６】上記加熱装置は、上記装置本体に固定さ
れて上記開先部に介入される加熱コイルと、この加熱コ
イルに高周波電流を供給する高周波電源とを有している
ことを特徴とする請求項５記載の溶接装置。
【請求項７】上記加熱装置は、上記開先部において母
材の表裏面又は表裏面のうち一方側の面に配置され、そ
れぞれ母材に摺動可能な陽極接触子および陰極接触子
と、上記陽極接触子に高周波電流を供給する高周波電源
とを有していることを特徴とする請求項５記載の溶接装
置。