JP2006007301A - 冷却機構付溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
溶接直後の溶接部を冷却水で冷却する機構を備えた溶接装置において、複雑な被溶接物表面形状に適応し、冷却水を周囲に飛散させる事無く効率良く回収すること。
【解決手段】
溶接トーチ１と、該溶接トーチ１で溶接した溶接部に水を供給する噴射ノズル８と、該噴射ノズル８を内蔵した吸引フード９とを有する冷却機構７を備えた溶接装置において、前記吸引フード９の外周囲に、複数のギャップ調整体２０を、被溶接物３の表面の凹凸に追従して被溶接物３に向けて進退自在に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接後に発生する溶接部の引張残留応力を改善できる溶接装置に関するもので、特に溶接施工直後に冷却水を溶接跡の高温部に供給して急冷する冷却機構を備えた溶接装置に係る。

溶接後の溶接部の表面には、溶接金属の収縮と周囲の部材の拘束によって、一般に高い引張り残留応力が存在する。加えてステンレス鋼やニッケル基合金では、溶接熱などによって結晶粒界にクロム炭化物が析出しやすくなる。このような状態で厳しい腐食環境下で使用されると応力腐食割れが発生し、溶接構造物としての機能を果たせなくなる可能性が高まる。

この引張残留応力を改善する公知例として、以下のものがある。例えばオーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、溶接金属が凝固した後該溶接金属部及び該金属部の近傍が８５０℃〜１２００℃の温度範囲に加熱されるとき、該溶接部および該金属部近傍を流水により冷却するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、例えばオーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、短時間に効率良く冷却して、熱ひずみや残留応力の発生をなくし、耐食性，耐久性に優れた品質の良い溶接部を得る技術について開示しているが、この技術は、溶接直後の溶接部の表裏面のうち、少なくとも一方の面に、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却するものである（例えば、特許文献２参照）。

また、溶接直後に噴射した冷却水を、吸引ノズルで回収し、さらに吸引ノズルの周囲に沿って被溶接部側に突き出したパッキンを備えた溶接装置が公知である（例えば、特許文献３参照）。

特開昭５８−２０５６８７号公報 特開平８−１５５６５０号公報 特開２００３−３１１４８１号公報

溶接によって出来た溶接金属が凝固したのち、該溶接金属部および該溶接金属部の近傍が８５０℃〜１２００℃の温度範囲に加熱されるとき該金属部および該金属部の近傍を流水により急冷する従来技術では、急冷のために使われた水に対する回収機構がないために、該冷却水が溶接の作業現場に飛散し、作業性が悪くなること、或いは溶接トーチと冷却水の遮蔽はワイヤブラシであるため、冷却水がトーチ側に流出し、溶接姿勢によっては溶接不能に陥る可能性があるなどの問題がある。

次に、溶接直後の溶接部表裏面のうち少なくとも一方の面に、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却する技術では、二酸化炭素の凝結固体を製造又は保存するための設備が必要となり、このため、水による冷却と比較して装置が複雑になり、かつコスト的に不利になる問題点がある。

また、発明者らの、溶接直後に噴射した冷却水を、吸引ノズルで回収し、さらに吸引ノズルの周囲に沿って被溶接部側に突き出したパッキンを備えた溶接装置では、被溶接物表面と吸引ノズル下端の間隙は、吸引ノズルに設けられた車輪により設定されるため、該間隙設定の大小により冷却水の吸引回収能力が左右されること、あるいは、被溶接物の構造が溶接過程で変化した場合、ギャップが広くなりすぎて、冷却水の吸引能力が無くなり、その都度、被溶接部側に突き出したパッキンを交換する必要があるなど、冷却不足及び汎用性などの問題がある。

従って、前記従来技術では、冷却媒体として冷却水を用いると経済的であるが、急冷のために使われた冷却水に対する回収が確実になされないために、該冷却水が溶接の作業現場に飛散し、作業性が悪くなること、或いは回収機構があっても定形のパッキンであり、被溶接物と冷却水の吸引機構とのギャップの変化に対応できず、冷却水がトーチ側に流出したり、或いは周囲に流出し、溶接不能に陥る可能性があるなどの問題がある。

よって本発明の目的は、溶接部表面の引張残留応力を低減あるいは圧縮残留応力に転換するに必要な溶接装置の冷却機構に関して、該冷却機構と被溶接物とのギャップが、被溶接物の構造などによって変化した場合にも、前記冷却機構の冷却水回収能力を低下させず、安定した溶接性を有する溶接装置を提供することにある。

本発明の目的を達成するために本発明の実施例に解説された手段では、溶接装置の溶接トーチと、該溶接トーチで溶接した溶接部に水を供給する噴射ノズルと、該噴射ノズルを内蔵する状態で設けられた吸引フードとからなる冷却機構を備えた溶接装置において、前記吸引フードの外周囲に、被溶接物の表面の凹凸に追従し、かつ被溶接部に接触するように設けた複数のギャップ調整体を備えていることを特徴とした冷却機構付溶接装置であって、冷却機構と被溶接物との間隙が、被溶接物の構造などによって変化した場合に、前記吸引フードの領域からはみ出そうとする使用済の冷却水を、周囲に漏らさず回収することが達成される。

このような手段において、前記ギャップ調整体は、冷却機構の外周面に設けたギャップ調整体支持枠に保持され、押しバネによって被溶接物側に押し当てていることが望ましい。

また、ギャップ調整体は円柱状構造とし、被溶接物に接触する端部を半球構造とし、隣接するギャップ調整体同士が接触しない状態の間隙をもって個々に独立して被溶接物の表面の凹凸に追従出来るように配備することが望ましい。

本発明によれば、溶接部に冷却水を供給する冷却機構を備えた溶接装置において、被溶接物の表面形状が溶接時に刻々変化するにも係らず、冷却後の余分な残留水分を周囲に飛散，流出させることなく、効率の良い回収が可能となり、溶接作業性及び溶接品質の安定に寄与できる効果がある。

本発明による溶接装置について、第１の実施例を図１，図２及び図３を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態で、この実施形態は平板の突き合わせ継手の最終層を施工するようにした装置である。溶接トーチとしてＴＩＧ溶接トーチ１を用いて、前記溶接トーチ１の先端のタングステン電極２と、被溶接物３の間でアークを発生させ、ワイヤチップ支持機構４を介して溶接金属ワイヤ５が供給されＴＩＧ溶接が行われ、溶接金属６が形成される。ここで、ＴＩＧ溶接及び溶接トーチ１は公知のものである。

一方、冷却機構７は噴射ノズル８と、噴射ノズル８を内蔵する状態で設けた吸引フード９を有している。その噴射ノズル８と吸引フード９の間には冷却水供給管１１周りに配置したスペーサ１０を挿入し、供給管１１に螺合させたナット１２により冷却水供給管１１へ噴射ノズル８と吸引フード９を固定する。このようにして、噴射ノズル８と吸引フード９との間に噴射ノズルの周囲を囲うように吸引フード９の吸込口が設けられることになる。

その噴射ノズル８の被溶接物３側には、冷却水噴射孔１３を複数設けた噴射板１４が設けられており、また、吸引フード９の肩部には吸引フード９内と通じる吸引口１５を備えている。このとき、吸引フード９の下端と被溶接物３の上面との間はギャップ１６をもって設置する。

また、前記冷却機構７は、冷却水供給管１１部分がＴＩＧ溶接トーチ１とともに連結治具１７に固定され、その連結治具１７が駆動装置１８に接続されている。そのため、駆動装置１８が移動することによって、前記冷却機構７とＴＩＧ溶接トーチ１とが一体になって溶接しようとする個所に沿って移動することが出来る。前記ギャップ１６はこの連結治具１７の長さを調整することによって適切に設定される。

前記冷却機構７を構成している吸引フード９の外周囲には、ギャップ調整体支持枠１９を固定して設け、該ギャップ調整体支持枠１９には複数のギャップ調整体２０が取りつけられている。前記ギャップ調整体２０は段付きの円柱構造とし、その円柱構造の下段の一端は先端を半球状として、その半球状部分を前記被溶接物３の表面に接触させ、その円柱構造の上段の上端部は前期ギャップ調整体支持枠１９に設けたガイド穴２１に挿入されている。該ガイド穴２１は、前記ギャップ調整体２０の円柱構造の上段の軸径よりも大径化した、すきま嵌めとし、該ギャップ調整体２０が個々に独立して自由に軸方向に滑るようにしてある。

また、前記ギャップ調整体２０には押しバネ２２としてコイルバネを、ギャップ調整体支持枠１９とギャップ調整体２０の間に設け、前記ギャップ調整体２０を前記被溶接部３の表面に押しつけている。これによって、例えば溶接面が水平ではなくある角度を持っていても、あるいは上向き溶接になっても、あるいは被溶接物３の表面形状が溶接線に沿って変化しても、ギャップ調整体２０の半球形状部分が常に被溶接物３と接触している事が可能となる。

図２は、本発明の実施形態の全体構成を示す図である。ＴＩＧ溶接電源２３には溶接電源２４，不活性ガス２５及び水冷循環装置２６が接続され、トーチケーブル２７により溶接に必要な電源，冷却水及び不活性ガスがＴＩＧ溶接トーチ１に供給される。このＴＩＧ溶接トーチ１と冷却機構７は駆動装置１８に固定され、両者が連動する。一方、ワイヤ供給装置２８からはワイヤチップ支持機構４に溶接金属ワイヤ５が供給され、被溶接物３とタングステン電極２の間でＴＩＧ溶接が行われることによって、溶接金属６が形成され、ＴＩＧ溶接が施工される。なお、このＴＩＧ溶接は公知である。

冷却機構７の冷却水供給ホース２９が冷却水供給管１１に連通接続され、および冷却水吸引ホース３０が吸引口１５に連通接続して取付けられている。前記冷却水吸引ホース
３０の他端は密閉構造の水槽３１の気相領域に連通接続されており、該水槽３１の気相領域に一端を接続した空気吸引ホース３２が他端を吸引ポンプ３３の吸込口に接続されている。

次に、この実施形態による溶接作業を図３及び前記図１，図２により以下に説明する。図３は冷却機構７を部分断面し、冷却媒体の移動経路を説明したものである。矢印付き実線は冷却水３４の移動経路、矢印付き破線は吸引空気３５の移動経路を示す。冷却水供給ホース２９から供給された冷却水３４は、冷却機構７に接続された冷却水供給管１１より噴射ノズル８の内部に充填される。充填された水は噴射板１４に設けられた複数の冷却水噴射孔１３から、被溶接物３上に噴射され、ＴＩＧ溶接トーチ１で溶接した直後の溶接金属６に接触し、該溶接金属６及びその周囲を冷却する。

このように噴射された冷却水３４は、一部は蒸発し、一部は蒸発しきれずに被溶接物３の上面に残留するか、或いは周辺に流出することになる。水が周囲に流出すると、周囲の作業環境を悪化させるばかりでなく、ＴＩＧ溶接トーチ１のタングステン電極２部にも入りこみ、溶接不能となる事もあり得る。そこで、吸引フード９に設けた吸引口１５に冷却水吸引ホース３０，水槽３１，空気吸引ホース３２を介して直列に接続した吸引ポンプ
３３により、前記吸引フード９の内側を負圧にし、前記被溶接物３の上面に残留した冷却水３４は、吸引フード９の下端外周からの吸引空気３５と共に吸引され、水槽３１に蓄積される。このとき、冷却水３４の供給量が多すぎたり、被溶接物３上面と吸引フード９の下端のギャップ１６が広すぎたり、或いは、前記被溶接物３が傾斜しているような場合、冷却水３４の一部は吸引フード９に吸引されずに、該吸引フード９の周辺に流出することになる。

そこで、本発明は、吸引フード９の外周囲に、ギャップ調整体２０をギャップ調整体支持枠１９を介して取りつけた。該ギャップ調整体２０は、円柱状で、被溶接物３に接触している先端は半球状とし、吸引フード９の外周囲に、前記ギャップ調整体２０同士が接触しない程度の間隙を持って配備されている。前記したように、被溶接物３の構造や冷却機構７の設定不良などによって、適正なギャップ１６寸法が確保されない場合は、吸引フード９の周辺に冷却水３４が流出してしまうが、該冷却水３４が本発明のギャップ調整体
２０に達したところで、該ギャップ調整体２０の外側から吸引フード９側に入って来る流速の吸引空気３５によって押し戻され、該吸引空気３５と共に冷却機構７に吸引され、冷却水吸引ホース３０から水槽３１に排出される。このとき、前記ギャップ調整体２０の先端が半球構造をしている事によって、隣接するギャップ調整体２０の先端との間で扇形の空間を構成し、これが吸引空気３５のオリフィスとなり、流入速度を高め冷却水３４を吸引する力となる。また、ギャップ調整体２０の先端半球構造は、冷却機構７を傾斜させたときでも前記ギャップ調整体２０の先端が常に点接触のように少ない面積で被溶接物３の表面や溶接金属６の表面に接触している事が可能となり、冷却機構７が被溶接物３の表面を円滑に移動できることになる。

本発明の第２の実施例を図４を用いて説明する。図４（ａ）は直角に突き合わせた異径の主配管３６と枝配管３７とをＴＩＧ溶接トーチ１により溶接している概念図である。図４（ｂ）および図４（ｃ）は、前記主配管３６と枝配管３７の溶接部に本発明の溶接方法を適用した場合の、断面位置の異なる代表２例を示したものである。図４（ｃ）は主配管の頂点部の断面を示したものであり、主配管３６と枝配管３７は直角に交わっており、そのその中央にやや膨らみを有した溶接金属６が形成される。冷却機構７は前記直交断面に対して、約４５°の角度を持って設置し、溶接直後の溶接金属６を冷却する。このとき、ギャップ調整体２０は押しバネ２２によって、主配管３６と枝配管３７の表面に常時押しつけられ、主配管３６の断面と枝配管３７の断面とが成す９０°に交差する断面に倣って、ギャップ調整体支持枠１９に支えられながら高さを自由に変化させる。これによって冷却機構７を斜めに設置しても、或いはギャップ１６が不規則に変化しても、冷却水３４は吸引フード９の外部に漏れることが無く、作業性の良い急冷溶接が可能となる。また、溶接部表面には圧縮残留応力を発生させることが可能となる。同様に、図４（ｂ）は図４
（ｃ）から枝配管３７の周りで９０°移動した主配管３６と枝配管３７の溶接部への適用例である。その他の構成や作用は第１実施例と同様である。

本発明の第３の実施例を図５を用いて説明する。図５は被溶接配管３８ａと同じく被溶接配管３８ｂを突き合わせ、該被溶接配管３８の開先３９に対し、本発明の溶接方法を適用した場合である。前記２個の被溶接配管３８ａ及び３８ｂの溶接開先３９の断面は、Ｖ字状或いはＵ字状である。さらに前記被溶接配管の外周は曲率を有しているため、吸引フード９の下端部と被溶接配管３８との間隙は、３次元的な複雑な形状であるが、本発明の適用によって、ギャップ調整体２０が前記被溶接配管３８ａ，３８ｂ或いは開先３９の凹凸に倣って接触するため、これによって冷却機構７が斜めになっても或いは真横になっても冷却水３４は吸引フード９の外部に漏れることが無く、作業性の良い急冷溶接が可能となる。また、溶接部表面には圧縮残留応力を発生させることが可能となる。その他の構成や作用は第１実施例と同様である。

以上の第１から第３までの実施例は、溶接方法としてＴＩＧ溶接を対象としたが、MIG溶接，ＭＡＧ溶接、さらには被覆アーク溶接であっても、本発明の方法を用いることにより、溶接直後の急冷が可能となり、冷却水の冷却機構外への漏洩，溶接品質の低下は発生しない。また、溶接部表面には圧縮残留応力を発生させることが可能となる。

本発明は、溶接部表面の引張残留応力を、溶接直後の溶接金属とその周囲に冷却水を供給して急冷却することで圧縮残留応力に改善する冷却機構を備えた溶接装置に適用される。

本発明の第１実施例による溶接装置の一部を、一部断面表示にて表した立面図である。 本発明の第１実施例による溶接装置の全体図である。 本発明の第１実施例における冷却機構内の流体の流れを示した説明図である。 本発明の第２実施例による溶接装置の溶接作業状態を示す図にして、（ａ）図はトーチの動きを示した説明図、（ｂ）図は（ａ）図の溶接部における冷却機構の配置を示した説明図であり、（ｃ）図は（ａ）図の溶接部における冷却機構の別の溶接位置での配置を示した説明図である。 本発明の第３実施例による溶接装置の溶接作業状態を示す説明図である。

符号の説明

１…溶接トーチ、２…タングステン電極、３…被溶接物、４…ワイヤチップ支持機構、５…溶接金属ワイヤ、６…溶接金属、７…冷却機構、８…噴射ノズル、９…吸引フード、１０…スペーサ、１１…冷却水供給管、１２…ナット、１３…冷却水噴射孔、１４…噴射板、１５…吸引口、１６…ギャップ、１７…連結治具、１８…駆動装置、１９…ギャップ調整体支持枠、２０…ギャップ調整体、２１…ガイド穴、２２…押しバネ、２３…ＴＩＧ溶接電源、２４…溶接電源、２５…不活性ガス、２６…水冷循環装置、２７…トーチケーブル、２８…ワイヤ供給装置、２９…冷却水供給ホース、３０…冷却水吸引ホース、３１…水槽、３２…空気吸引ホース、３３…吸引ポンプ、３４…冷却水、３５…吸引空気、
３６…主配管、３７…枝配管、３８ａ，３８ｂ…被溶接配管、３９…開先。

Claims (3)

1. 溶接トーチを備えた溶接装置と、前記溶接トーチから間隔を開けて配置されて被溶接物の溶接部に冷却水を供給して前記溶接部を水冷する冷却機構とを備えた冷却機構付溶接装置において、
   前記冷却機構は、前記溶接部に水を供給するノズルと、前記ノズルの周囲に前記溶接部に供給した水を吸込むフード入口を有する吸引フードと、前記吸引フードの周囲に前記被溶接物方向へ進退自在にして設けられた複数のギャップ調整体とを備えていることを特徴とする冷却機構付溶接装置。
2. 請求項１において、前記ギャップ調整体は、前記吸引フードの外周面に設けたギャップ調整体支持枠に保持され、押しバネによって前記被溶接物側に押し付け自在としてあることを特徴とする冷却機構付溶接装置。
3. 請求項１又は請求項２において、複数の前記ギャップ調整体は円柱状構造であり、前記被溶接物に接触する前記ギャップ調整体の端部を半球構造とし、隣接する前記ギャップ調整体が個々に前記進退自在の状態であることを特徴とする冷却機構付溶接装置。
   

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