JP2004283883A - 開先形状とその溶接方法 - Google Patents

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    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/04Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/182Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding the heat-exchange conduits having ends with a particular shape, e.g. deformed; the heat-exchange conduits or end plates having supplementary joining means, e.g. abutments

Abstract

【課題】管寄と熱交換器チューブに対する機械加工工数が削減できしかも高度な機械加工精度が得られる開先形状を提供する。
【解決手段】熱交換器を構成する管寄1と熱交換器チューブ2との溶接部の開先形状において、前記管寄1ならびに熱交換器チューブ2のうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブ2ならびに管寄1のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状になっていることを特徴とするものである。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ等の熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブの開先形状と溶接方法に係り、特に溶接構造物を所定位置、所定寸法に設定する精度を向上しつつ溶接継ぎ手の未溶着部を残さない管寄と熱交換器チューブの開先形状とその溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
発電用ボイラに用いられる熱交換器は、図2に示すようにボイラ内に一定間隔をあけて並行に配置された複数の小径管からなる熱交換器チューブ6と、それらの上部ならびに下部を連結する管寄5から構成されている。
【0003】
この管寄と熱交換器チューブは、溶接により接合される。この際、図3に示すようなセットオンタイプの開先形状が採用されるのが一般的であり、開先加工された管寄7と熱交換器チューブ8の2つの部材を所定位置、所定寸法に設定し、手動あるいは自動溶接法により突合せ溶接または隅肉溶接により接合される。
【0004】
発電用ボイラの管寄と熱交換器チューブの溶接部は、管寄1本当たり30〜200箇所程度であり、溶接部の形状が同一あるいはかなり近い形状であるため、開先加工された部材を所定位置、所定寸法に設定する作業(以下、開先合わせという)及び溶接作業の自動化が難しい。
【0005】
そのため、自動機でも精度良く開先合わせ及び溶接作業が行える開先形状が必要となり、前記図3の開先形状のように、接合される部材が平面で接し、さらに管寄7により熱交換器チューブ8がある程度拘束される形状となっている。
【0006】
ただし図3の開先形状では、熱交換器チューブ8側の外径が加工されないのが一般的であるため、熱交換器チューブ外径の公差を吸収するため、管寄7側の熱交換器チューブ8を拘束する部分と熱交換器チューブ8の間には若干の隙間が確保される設計となっている。そのため開先合わせ時、前記隙間分のずれが生じることとなる。
【0007】
ここで前記図3の開先形状は溶接後も開先の一部が溶融されずに残る形状であり、設計上あるいは顧客の要求により当該溶接部の完全溶け込み溶接が要求されることがある。この場合、図4と図5に示すような開先形状が採用される。
【0008】
図4は手動溶接法を採用した場合の開先形状であり、溶接施工にあたっては、管寄9と熱交換器チューブ10の間にギャップG(G>0)を設けて開先合わせを行い、ギャップGを保持するために手動TIG(Tungsten Inert Gas)溶接法で仮付溶接により仮付溶接ビード11を形成する。その後図6に示すように、完全溶け込み溶接を行うために手動TIG溶接法でギャップGを埋め、熱交換器チューブ10の内面に初層溶接ビード14を出すように溶接を行う。
【0009】
しかしながら、図4及び図6に示すような溶接法では、開先合わせ時に熱交換器チューブ10の全周に渡って一定の寸法でギャップGを保持する必要がある。また図7に示すように、管寄9と熱交換器チューブ10の間のルートギャップ寸法G1、G2が不均一のまま仮付溶接されたり、図8に示すように、管寄9と熱交換器チューブ10の間のギャップGの他に、管寄9の開口部端部と熱交換器チューブ10の開先の内壁部端部の間のずれである段差Dが生じた状態で仮付溶接されると、その後の手動TIG溶接法による完全溶け込み溶接の際、溶接部に欠陥(溶け込み不良、開先残りなど)が発生する問題がある。
【0010】
更に図4及び図6に示すような溶接法は、仮付溶接及び初層溶接ともに手動TIG溶接法での施工となるため、非能率的でしかも溶接時間を多大に要する等の問題がある。
【0011】
図5は、前記図4及び図6における完全溶け込み溶接を自動機により実施することを前提とした開先形状であり、開先合わせ時のずれを生じないような構造となっている。溶接施工にあたっては、自動溶接機を用いて管寄11と熱交換器チューブ12の開先合わせを行った後、該自動溶接機で仮付溶接及び初層の溶接を自動TIG溶接法により行う。
【0012】
この開先形状の提案として、例えば下記の特許文献1,2を挙げることができる。
【0013】
【特許文献1】
特開昭56−122695号公報
【0014】
【特許文献2】
特開昭60−180676号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
図5の開先形状では、自動機により管寄11と熱交換器チューブ12の自動TIG溶接は可能であるが、それを達成するために、管寄11と熱交換器チューブ12に対する機械加工工数の増加及び高度な機械加工精度が要求されるという問題点がある。
【0016】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、管寄と熱交換器チューブに対する機械加工工数が削減できしかも高度な機械加工精度が得られる開先形状とその溶接方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第1の手段は、熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接部の開先形状において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状になっていることを特徴とするものである。
【0018】
本発明の第2の手段は前記第1の手段において、前記管寄の表面と前記開先面Aのなす角度が30°〜60°の範囲内であることを特徴とするものである。
【0019】
本発明の第3の手段は前記第1の手段または第2の手段において、前記開先面Aと開先面Bとのなす角度が45°より大きく135°未満であることを特徴とするものである。
【0020】
本発明の第4の手段は前記第3の手段において、前記開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差dが0.5mm〜1.5mmの範囲内であることを特徴とするものである。
【0021】
本発明の第5の手段は、熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接方法において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状に加工されており、その管寄に熱交換器チューブの端部を嵌め合わせた後、管寄と熱交換器チューブの接合部を高エネルギー密度熱源を用いて完全溶け込み溶接したことを特徴とするものである。
【0022】
本発明の第6の手段は前記第5の手段において、前記管寄の表面と前記開先面Aのなす角度が30°〜60°の範囲内であることを特徴とするものである。
【0023】
本発明の第7の手段は前記第5の手段または第6の手段において、前記開先面Aと開先面Bとのなす角度が45°より大きく135°未満であることを特徴とするものである。
【0024】
本発明の第8の手段は前記第7の手段において、前記開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差dが0.5mm〜1.5mmの範囲内であることを特徴とするものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図と共に説明する。図1は本発明の実施形態に係る管寄1と熱交換器チューブ2の溶接部の開先形状を示す断面図である。熱交換器チューブ2の外周側から内周側に向けて延びる開先面A3が溶接方向に一致する面であり、反対に熱交換器チューブ2の内周側から外周側に向けて延びる開先面B4が前記開先面A3と異なる角度を持って鎖交する面である。
【0026】
図1に示す開先形状は、管寄1と熱交換器チューブ2の溶接に高エネルギー密度熱源であるレーザ溶接法を用いることを想定した開先形状である。
【0027】
通常、管寄と熱交換器チューブの溶接部周辺には他の熱交換器チューブとの溶接部が密集した状態であるため、溶接部に直接レーザを照射させることは不可能である場合が多い。そのため図9に示すように管寄15上部からレーザ光17を照射し、該レーザ光17をミラー等の光学部品19により反射させて管寄15と熱交換器チューブ16の溶接部に導光する方法が採用される。図中の18は集光レンズである。
【0028】
この場合、レーザ光17を反射させるミラー等の光学部品19は、溶接される管寄15と熱交換器チューブ16の溶接部から数十mm程度離れた位置に設定される。該光学部品19上におけるレーザ光17は十分に集光された状態であるため、該光学部品19のレーザ照射部においては急激な温度上昇が起こり、急激な温度上昇による該光学部品19の性能劣化及び損傷を防止するために、光学部品19とそれを保持している部材(図示せず)を冷却水等の冷却媒体を供給することにより冷却することが必要となってくる。この温度上昇の程度と冷却方法の種類などにより、レーザ光17を反射するための構造物の寸法などが決まる。
【0029】
管寄1と熱交換器チューブ2の溶接部設計を行う際、図10に示すようにレーザ照射角度を管寄1表面に近づけることで、溶接部厚さを小さくすることが可能である。しかし図11に示すように、レーザ照射角度を管寄表面に近づける(反射ミラーA21から反射ミラーB22に角度を変化させる)ことにより、前記レーザ光20を反射するための光学部品(反射ミラーB22)上におけるレーザ照射面積が減少(レーザ照射部A23からレーザ照射部B24へ照射面積が変化)する。
【0030】
ところが絶対的なエネルギー量は変動しないため、該光学部品(反射ミラーB22)上のレーザ照射部におけるエネルギー密度が増加し、その結果、光学部品(反射ミラーB22)上における温度上昇の程度が更に急激になり、光学部品及び光学部品を保持する部材の冷却性能の向上が必要となる。
【0031】
該冷却性能を向上させるためには、冷却媒体の供給量を増加させるか、レーザ光を反射するための構造物の体積を増加させる必要がある。この場合、レーザ照射角度を管寄表面に近づけていることにより、レーザ光20を反射させるための構造物と管寄表面との距離が縮まっていることによるレーザ光20を反射させるための構造物と管寄と熱交換器チューブとの干渉が問題となってくる。
【0032】
一方、図12に示すように、レーザ照射角度を管寄表面に対して大きくすることで、レーザ光を反射するための光学部品上におけるエネルギー密度が減少すると共に、レーザ光を反射するための構造物と管寄1と熱交換器チューブ2の干渉を避けることが可能である。しかしながら、機械加工量並びに溶接部厚さが増加するために、機械加工工数が増加し、さらに管寄1と熱交換器チューブ2の溶接部を溶接するためにより出力の大きなレーザ発振器を準備することが必要となる。
【0033】
従って、管寄1と熱交換器チューブ2の溶接部設計においては、レーザ照射角度を管寄1の表面に対して45°を中心として、その前後に15°振った範囲内、すなわち30°〜60°の範囲内を開先角度として設定するのが妥当である。
【0034】
次に図1において、前記開先面A(溶接線方向と一致する面)と角度の異なる面Bに関しては、諸種の実験から、前記開先面Aと開先面Bのなす角度が45°より大きく135°未満であり、且つ開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差dが0.5mm以上あれば、開先合わせ時のずれを防止するのに十分な効果があることが判明した。
【0035】
しかし、前記dを大きくしすぎると、管寄1と熱交換器チューブ2の溶接を行う際に溶接部に溶け込み不良や開先残りなどの溶接欠陥が発生する可能性が高くなるため、dを0.5mm〜1.5mmの範囲内に設定するのがよい。
【0036】
また、一般的に、管寄1よりも熱交換器チューブ2の板厚の方が薄く、熱容量が小さいことより、管寄1と熱交換器チューブ2の溶接においては、熱交換器チューブ2の方が溶融されやすい状態にある。従って、開先面B4を熱交換器チューブ2側に設定することで溶け込み不良や開先残りなどの溶接欠陥を防止することが可能となる。
【0037】
図13は、本発明による管寄25と熱交換器チューブ26を溶接する溶接装置の一例を示す斜視図である。この溶接装置を用いて、管寄25(SA−106Gr.B、外径197.8mm 板厚18.26 mm)と、熱交換器チューブ26(SA−192M、外径38.1板厚4.0 mm)の完全溶け込み溶接を施工した。図中の27は光ファイバー、28はレーザ溶接トーチ、29は溶接ロボット、30は管寄固定用架台である。
【0038】
溶接は、溶接条件の裕度向上及び良好な表裏ビード形状を確保するために、溶加材(溶接ワイヤ)を供給しながら行った。次の表1に溶接条件を、表2に溶接開始位置を0°とした場合の各断面(45°ピッチ)における溶接欠陥発生の有無及び裏ビード幅の測定結果を示す。
【0039】
Figure 2004283883
表2から明らかなようにいずれの断面においても溶接欠陥発生は無く、十分な裏ビード幅と共に良好な溶接部を得ることができた。また、溶接前の開先合わせ作業も容易であり、開先合わせ時のずれの発生もなく、良好な開先形状及び溶接方法であるといえる。
【0040】
前記実施形態では開先面A,Bとも平面状の場合について示したが、前記開先面A,Bが共に曲面であっても構わない。
【0041】
前記実施形態では高エネルギー密度熱源としてレーザを用いたが、レーザの代わりに電子ビームを用いることもできる。
【0042】
【発明の効果】
本発明は前述のように、管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状になっている、熱交換器チューブあるいは管寄の倒れが防止され、開先加工された部材を精度良く所定位置、所定寸法に設定することができる。
【0043】
また、管寄の表面と開先面Aのなす角度を30°〜60°の範囲内に設定したり、開先面Aと開先面Bとのなす角度を45°より大きく135°未満に設定したり、あるいは開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差dを0.5mm〜1.5mmの範囲内にすることにより、機械加工量を最小とし、且つ高密度熱源による完全溶け込み溶接を達成すると共に、効率的に開先合わせ時のずれを防止することができるなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状を示す断面図である。
【図2】一般的な管寄と熱交換器チューブの接続状態を示す斜視図である。
【図3】従来の完全溶け込み溶接が要求されない溶接部の開先形状を示す断面図である。
【図4】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の開先形状と仮付溶接を示す断面図である。
【図5】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を自動溶接法により溶接を行なう場合の開先形状を示す断面図である。
【図6】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なった初層溶接ビードを示す断面図である。
【図7】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の問題点を説明するための断面図である。
【図8】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の問題点を説明するための断面図である。
【図9】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状に対して溶接を行なう際のレーザ導光状態を示す断面図である。
【図10】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状において、溶接分厚さを小さくする目的で、開先角度を管寄表面に近づけた状態を示す断面図である。
【図11】本発明の実施形態において、レーザ照射角度を変化させた場合の、レーザ光を反射させる光学部品上のレーザ照射面積の変化を示す図である。
【図12】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状において、開先角度を管寄表面に対して大きくした状態を示す断面図である。
【図13】本発明を実施する溶接装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1,5,15,25:管寄、2,6,16,26:熱交換器チューブ、3:開先面A、4:開先面B、17,20:レーザ光、18:集光レンズ、19:反射ミラー、21:反射ミラーA、22:反射ミラーB、23:レーザ照射部A、24:レーザ照射部B、27:光ファイバー、28:レーザ溶接トーチ、29:溶接ロボット、30:管寄固定用架台、d:開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との寸法差。

Claims (8)

  1. 熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接部の開先形状において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状になっていることを特徴とする開先形状。
  2. 請求項1記載の開先形状において、前記管寄の表面と前記開先面Aのなす角度が30°〜60°の範囲内であることを特徴とする開先形状。
  3. 請求項1または請求項2記載の開先形状において、前記開先面Aと開先面Bとのなす角度が45°より大きく135°未満であることを特徴とする開先形状。
  4. 請求項3記載の開先形状において、前記開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差dが0.5mm〜1.5mmの範囲内であることを特徴とする開先形状。
  5. 熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接方法において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Aと、その開先面Aと鎖交する角度の異なる開先面Bとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面A,Bと嵌まり合う形状に加工されており、その管寄に熱交換器チューブの端部を嵌め合わせた後、管寄と熱交換器チューブの接合部を高エネルギー密度熱源を用いて完全溶け込み溶接したことを特徴とする溶接方法。
  6. 請求項5記載の溶接方法において、前記管寄の表面と前記開先面Aのなす角度が30°〜60°の範囲内であることを特徴とする溶接方法。
  7. 請求項5または請求項6記載の溶接方法において、前記開先面Aと開先面Bとのなす角度が45°より大きく135°未満であることを特徴とする溶接形状。
  8. 請求項7記載の溶接方法において、前記開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差dが0.5mm〜1.5mmの範囲内であることを特徴とする溶接方法。
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