JP2007245166A

JP2007245166A - 溶接装置

Info

Publication number: JP2007245166A
Application number: JP2006068503A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kawakami; 三雄川上
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】本発明の目的は、被溶接材の溶接個所に溶接施工直後に冷却水を給水して冷却する冷却機構を小型かつ軽量化できる溶接装置を提供することにある。
【解決手段】冷却機構７は溶接トーチ１で溶接された被溶接材３の溶接個所６に冷却水を給水する。冷却機構７は、被溶接材３の溶接面と所定のギャップ２０を保持して被溶接材３の溶接個所６を蓋するように移動する底面開口の冷却フード９の上板に霧状冷却水を拡散して噴霧する噴霧ノズル８を取付けて被溶接材３の溶接個所６を霧状冷却水３８で冷却し、冷却フード９に形成した冷却水回収口２１から冷却後の冷却水を吸引回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス鋼などの溶接個所に溶接施工直後に冷却水を給水して急冷する冷却機構を備えた溶接装置に関する。

金属の被溶接材の溶接部表面には、溶接金属の収縮と周囲の部材の拘束によって、一般に高い引張残留応力が存在する。また、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。このような被溶接材を厳しい腐食環境下で使用す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。

このような引張残留応力を改善するために、被溶接材の溶接個所に溶接施工直後に冷却水を給水して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することが知られている。このことは、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１は電動台車により溶接トーチと連動して移動し、溶接トーチで溶接された被溶接材の溶接個所に冷却水を給水するようにしている。冷却機構は噴射ノズルに冷却水を溜める水溜め室を形成し、水溜め室の下部に多数の穴が穿設されている穴あき板を配置して溶接個所に冷却水を給水している。また、噴射ノズルの外周囲に吸引ノズルを配置して溶接個所を冷却した後の冷却水を回収している。

特開２００３−３１１４８１号公報

従来技術は噴射ノズルに冷却水を溜める水溜め室を形成し、水溜め室の下部に配置した穴あき板から冷却水をシャワー状に噴出させて溶接個所を冷却している。噴射ノズルに水溜め室を形成しているので噴射ノズルが大型になり、噴射ノズル内に溜まった冷却水により噴射ノズル全体の重量が大になるという問題点を有する。冷却機構が大型かつ重量大になると、電動台車を大型にせざるを得なくなる。

本発明の目的は、被溶接材の溶接個所に溶接施工直後に冷却水を給水して冷却する冷却機構を小型かつ軽量化できる溶接装置を提供することにある。

本発明の特徴とするところは、溶接トーチで溶接された被溶接材の溶接個所に冷却水を給水する冷却機構は、被溶接材の溶接面と所定のギャップを保持して被溶接材の溶接個所を蓋するように移動する底面開口の冷却フードの上板に霧状冷却水を拡散して噴霧する噴霧ノズルを取付けて被溶接材の溶接個所を霧状冷却水で冷却し、冷却フードに形成した冷却水回収口から冷却後の冷却水を吸引回収するようにしたことにある。

本発明は底面開口の冷却フードの上板に取り付けた噴霧ノズルが噴霧する霧状冷却水によって被溶接材の溶接個所を冷却するようにしている。冷却機構は簡単な構成の冷却フードに霧状冷却水を拡散噴霧する噴霧ノズルを取り付けて構成されるので小型、軽量化することができる。

被溶接材を溶接する溶接トーチは電動台車により移動される。冷却機構は電動台車により溶接トーチと連動して移動し、溶接トーチで溶接された被溶接材の溶接個所に冷却水を給水する。冷却機構を構成する底面開口箱型状の冷却フードは、被溶接材の溶接個所を蓋するように移動し、冷却水回収口が設けられている。冷却フードには冷却フードを被溶接材の溶接面と所定のギャップを保持して移動させる車輪が設けられている。冷却フードの上板には複数個のノズル取付け孔が穿設されている。噴霧ノズルは冷却フードに穿設されているノズル取付け孔に着脱自在に挿着され、被溶接材の溶接個所に霧状冷却水を拡散して噴霧する。噴霧ノズルを取り付けないノズル取付け孔は閉止板により閉止される。冷却水回収手段は冷却フードの冷却水回収口から溶接個所を冷却した冷却水を吸引回収する。

図１〜６に本発明の一実施例を示し、平板の突合せ継手を溶接する例を示している。図１は本発明の要部構成図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は本発明の全体構成図、図４は本発明による冷却フードの底面観の斜視図、図５は本発明に用いる噴射ノズルの一例構成図、図６は本発明による冷却機構の説明図である。

図１〜５において、溶接トーチ１は先端に電極２が設けられており被溶接材３の間でアークを発生させる。また、ワイヤホルダー４から溶接ワイヤ５を供給されＴＩＧ溶接が行なわれる。被溶接材３は溶接個所としての溶接金属６が形成される。

冷却機構７は底面開口箱型状の冷却フード９の上板に噴霧ノズル８が取付けられている。噴霧ノズル８は円筒形状である。冷却フード９の上板には複数個のノズル取付け孔１４が穿設されている。図１〜５の実施例では図４に示すように５個の円形のノズル取付け孔１４を穿設して、１個のノズル取付け孔１４に噴霧ノズル８を１個だけ取付けた例を示している。

噴霧ノズル８はボルト１５によりノズル取付け孔１４に取付けられる。なお、噴霧ノズル８はボルト１５を用いることなく、ノズル取付け孔１４に挿着し着脱自在に取付けることもできる。また、噴霧ノズル８を取付けるノズル取付け孔１４を選択することにより溶接個所６に任意に対応できる。

噴霧ノズル８を設置しないノズル取付け孔１４は、図２に示すように着脱可能な閉止板１６で閉止されている。冷却フード９の内部は後述するように大気圧より負圧になるため、閉止板１６は冷却フード９に吸着される。したがって、機械的に強固に固定することなく、図２のようにバネ特性を有するＳ字型ツメ１７で保持するようにして軽量化と着脱を容易にしている。

噴霧ノズル８は、一端に噴射口１０を有し、他端には継手１１を介して冷却水供給ホース１２が接続されている。また、噴霧ノズル８の筒内部には中子１３が嵌挿されている。中子１３には図５に示すように２条のスパイラル溝３９が形成されている。

冷却フード９は箱型構造で、下面を開口したことによって形成される吸引口１８を被溶接材３に対向して配置し、冷却フード９の側板に取付けた車輪１９により被溶接材３の溶接面と所定のギャップ２０を保持して配置されている。つまり、冷却フード９の底面開口端面は車輪１９により被溶接材３の溶接面と所定のギャップ２０を保持して移動する。冷却フード９の移動方向後側の側板には冷却水回収口２１を設けてある。

溶接トーチ１はトーチ支持治具２２によりトーチ位置調整器２３を介して移動台車としての電動台車２４に連結される。電動台車２４は被溶接材３の溶接線方向に沿って敷設されたガイドレール２５上を走行し、溶接作業が行われる。冷却機構７は冷却機構支持治具２６によって電動台車２４に連結され、溶接トーチ１と一定の間隔を保ち連動して移動する。

溶接機２７には図３に示すように不活性ガスタンク２８とトーチ水冷循環装置２９が接続され、トーチケーブル３０により溶接に必要な電源、冷却水及び不活性ガスが溶接トーチ１に供給される。溶接トーチ１と冷却機構７は電動台車２４で連動して移動するが、溶接トーチ１は、溶接作業時に被溶接材３に対する高さおよび溶接位置を適正に保つために、トーチ位置調整機２３からトーチ支持治具２２を介して随時調整される。そのため、冷却機構７は電動台車２４に冷却機構支持治具２６により直接連結し、トーチ位置調整器２３の動きの影響を受けないようにしている。

一方、ワイヤ供給装置３１からはワイヤホルダー４を通って溶接ワイヤ５が供給され、被溶接材３と電極２の間に発生するアークによって溶接金属６が形成される。

水槽３２に溜められた冷却水３３は、ポンプ３４によって圧力を持って吐出され、冷却水供給ホース１２から冷却機構７の噴霧ノズル８に供給される。噴霧ノズル８は液状冷却水を拡散する霧状冷却水に変化させ被溶接材３の溶接個所６に噴霧する。噴霧ノズル８から噴射された霧状冷却水は、一部は蒸発、一部は再度液化する。

冷却フード９の冷却水回収口２１は冷却水回収ホース３５を介して吸引機３６に接続されている。吸引機３６が作動すると、冷却フード９の内部が負圧になり、溶接個所６を冷却した後の冷却水３３が水槽３２に回収される。なお、吸引機３６は負圧によって空気と水の混合物を吸引する装置であり、また、冷却水３３の供給はポンプ３４を用いないで水道水を直接供給するようにすることもできる。

次に、この実施形態による溶接作業を図５、図６を参照して説明する。図６は冷却機構７における冷却水の移動経路を示したものである。

図５、図６において、矢印付き太実線は冷却水３３の移動経路、矢印付き太破線は冷却フード９の内部が負圧になることによって吸い込まれる吸引空気３７の移動経路、矢印付破細線は噴霧状冷却水３８を示す。

冷却水供給ホース１２から供給された冷却水３３は冷却機構７の噴霧ノズル８に供給される。噴霧ノズル８は中子１３のスパイラル溝３９の作用によって液状冷却水３３を霧状冷却水３８にして噴射口１０から拡散して噴射する。霧状冷却水３８は被溶接材３上に噴射され、溶接トーチ１で溶接した直後の溶接金属（溶接個所）６に接触し溶接金属６及びその周囲を冷却する。

噴霧ノズル８から噴射された噴霧冷却水３８は、一部は蒸発し、一部は蒸発しきれずに被溶接材３の上面に残留するか、或いは周辺に流出する。冷却水３３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、溶接トーチ１の電極２と被溶接材３の間に流れこみ溶接不能となることもある。

冷却フード９の冷却水回収口２１に冷却水回収引ホース３５を介して接続されている吸引機３６は冷却フード９の内側を負圧にする。被溶接材３の上面（溶接面）に残留した冷却水３３は、冷却フード９の下面を開口した吸引口１８の外周から吸引空気３７と共に吸引される。

冷却フード９の内側に吸引された冷却水３３は冷却フード９の内壁を伝わり、冷却水回収口２１、冷却水回収ホース３５、吸引機３６を経由して水槽３２に流入し貯留される。このとき、被溶接材３の上面と冷却フード９の底面開口端（吸引口１８）とのギャップ２０が適切に保持されない場合、冷却水３３の一部が冷却フード９の内側に吸引されずに周辺に流出することになる。本発明では、冷却フード９に設けた車輪１９により、ギャップ２０を適正に保つようにしている。

このようにして被溶接材の溶接個所を冷却するのであるが、底面開口の冷却フードの上板に取り付けた噴霧ノズルが噴霧する霧状冷却水によって被溶接材の溶接個所を冷却するようにしている。冷却機構は簡単な構成の冷却フードに霧状冷却水を拡散噴霧する噴霧ノズルを取り付けて構成されるので小型、軽量化することができる。

また、上述の実施例は冷却機構を小型、軽量化できるので、冷却機構専用のガイドレールと電動台車を設ける必要がなく溶接トーチの電動台車を併用することが可能になる。

図７に本発明の第２の実施例を示す。図７は平板の被溶接材３を溶接する例を示している。第２の実施例は５個のノズル取付け孔１４のうち溶接トーチ１に近い２個のノズル取付け孔１４にそれぞれ噴霧ノズル８を挿着したものである。冷却水供給ホース１２は２個の噴霧ノズル８に冷却水３３を供給するためにブランチ４０を設けている。

実施例２は電極２に可能な限り近い位置の溶接金属６とその周辺に対し、２個の噴霧ノズル８によって噴霧冷却水３８を集中的に噴射することが可能となる。また、噴霧ノズル８の挿着位置を移動することにより集中的に冷却したい部位に対し容易に対応できる。

図８に本発明の第３の実施例を示す。図８は被溶接配管４１と直交配管４２を溶接する例を示している。第３の実施例は噴霧ノズル８を冷却フード９の直交配管４２側に設けたものである。

実施例３は溶接開先４３が直交配管４２に近い場合に噴霧冷却水３８を溶接金属６上に集中的に噴射することが可能となる。また、噴霧ノズル８の挿着位置を移動することにより集中的に冷却したい部位に対し容易に対応できる。

図９に本発明の第４の実施例を示す。図９は全姿勢配管溶接に本発明を適用した例を示している。配管溶接には、溶接トーチ１を固定し被溶接配管を回転させる下向き溶接と称される溶接方法と、被溶接配管を固定して溶接トーチを溶接方向に移行させる全姿勢溶接と称される溶接方法がある。

全姿勢溶接においては、一般に、被溶接配管４１の外周全周にガイドレール２５を取付け、電動台車２４を３６０度回転走行させている。この場合、溶接トーチ１は電動台車２４からトーチ支持治具２２で片持ち梁式に支持されている。

溶接トーチ１が被溶接配管４１の下部、特に下頂点側に位置したときは、溶接トーチ１は溶接トーチ１とその付属部品の自重、あるいは電動台車２４とガイドレール２５などの各固定部に存在するガタによって垂れ下がる。そのため、被溶接配管４１と電極２の先端との適正間隙を保持できなくなり、適正アークの発生が阻害され溶接不良となる。このことを防止するために、トーチ位置調整器２３により、溶接トーチ１の高さ或いは左右の位置を随時調整している。

冷却機構７をトーチ位置調整器２３に固定し追従させると、溶接トーチ１の位置調整に伴って冷却機構７の設定高さが変化し、冷却フード９における吸引口１８の開口端と被溶接配管４１との間のギャップ２０が変化し、冷却水３３が周囲に漏洩する原因となる。さらに、冷却機構７の自重が重いと、溶接用の電動台車２４にかかる走行及び位置設定の負荷が大きくなり、そのため冷却機構７のための専用のガイドレールや走行装置などが必要となる。

また、冷却機構７が被溶接配管４１の下頂点に位置したときは、冷却水３３は垂直に吹き上げ、被溶接配管４１の表面及び溶接金属６に当たって跳ね返され、吸引フード９内に落下し回収される。そのため、冷却水３３は被冷却部に対して点でしか当たらず、冷却されない領域が残ることになる。

本発明は冷却機構７を簡単な構成で小型、軽量化している。冷却機構７の重量は、上記の特許文献１に記載されている冷却機構付溶接装置に比し、約１０分の程度まで軽量化できる。また、噴霧ノズル８と吸引フード９は常に冷却水３３或いは吸引空気３７に接触しているため１００℃以上の高温になることがないのでアルミニウムあるいはプラスチックで構成可能であり、より一層、軽量化かつ量産化できる。

冷却機構７は軽量化により専用のガイドレールや走行装置を必要とせず、電動台車２４から冷却機構支持治具２６を介して被溶接配管４１の冷却位置に設置することが可能となる。なお、前記したように、冷却機構７は電動台車２４に直接接続することによって、溶接トーチ１の上下左右の動きに連動することなく、設定位置を保持することができ、周囲への冷却水の漏洩のない安定した冷却機能を発揮することができる。

さらに、本発明による噴霧ノズル８の適用によって、被溶接配管４１の下頂点においては、噴霧冷却水３８が吸引フード９内の全領域を濡らすことにより冷却能力は確保される。なお、図９のように曲率を持った配管の溶接には、吸引フード９の開口端面（吸引口１８）を被溶接配管４１の径に合わせた曲率で形成することにより、冷却水３３の周囲の漏洩を防止することが容易となる。

図１０に本発明の第５の実施例を示す。図１０は被溶接配管４１の溶接開先４３に対して本発明を適用した例を示す。

第５の実施例は吸引フード９の吸引口１８の周囲に、ギャップ補間体４５を支持枠４６により設けたものである。被溶接配管４１は配管径の曲率を有すると共に、溶接開先４３は溶接配管４１の表面から凹部をもって構成される。これら被溶接配管４１と冷却機構７の吸引口１８との間に生じる３次元のギャップ変化に追従させるため、ギャップ補間体４５は可撓性で、かつ、元の形状に戻る弾性体が用いられる。ギャップ補間体４５は金属製のスプリング、或いは金属製の撚り線、金属製の薄板が好ましい。

図１１に本発明の第６の実施例を示す。図１１は噴霧ノズル８の他の設置例を示す。

第６の実施例は、中子１３と噴霧ノズル８は軸あるいは円筒構造であるため単独部品として製作し、別途製作した分配器４７に必要な間隔を持って設置する。分配器４７はボルト１５により吸引フード９に固定する。冷却水供給ホース１２から供給された冷却水３３は、分配器４７により複数の噴霧ノズル８に供給され噴霧冷却水３８となって被溶接物３あるいは溶接直後の溶接金属６を冷却する。

第６の実施例によれば、円筒構造の噴霧ノズル８が単品で製作できるため、軽量であるプラスチック材料の採用が可能であり、また、分配器４７により冷却水供給ホース１２の引き回しが簡素化される利点がある。

以上の第１から第６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、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。

本発明の第１実施例における要部構成図である。図１のＡ部拡大図である。本発明の第１実施例の全体構成図である。本発明の第１実施例における冷却フードの底面観の斜視図である。本発明の第１実施例における噴射ノズルの一例構成図である。本発明の第１の実施例における冷却機構の説明図である。本発明の第２実施例を示す要部構成図である。本発明の第３実施例を示す要部構成図である。本発明の第４実施例を示す要部構成図である。本発明の第５実施例を示す要部構成図である。本発明の第６実施例を示す要部構成図である。

符号の説明

１…溶接トーチ、２…電極、３…被溶接材、４…ワイヤホルダー、５…溶接ワイヤ、６…溶接金属、７…冷却機構、８…噴霧ノズル、９…冷却フード、１０…噴射口、１１…継ぎ手、１２…冷却水供給ホース、１３…中子、１４…ノズル取付け孔、１５…ボルト、１６…閉止板、１７…ツメ、１８…吸引口、１９…車輪、２０…ギャップ、２１…冷却水回収口、２２…トーチ支持治具、２３…トーチ位置調整器、２４…電動台車、２５…ガイドレール、２６…冷却機構支持治具、２７…溶接機、２８…不活性ガスタンク、２９…トーチ水冷循環装置、３０…トーチケーブル、３１…ワイヤ供給装置、３２…水槽、３３…冷却水、３４…ポンプ、３５…冷却水回収ホース、３６…吸引機、３７…吸引空気、３８…噴霧冷却水、３９…スパイラル溝、４０…ブランチ、４１…被溶接配管、４２…直交配管、４３…溶接開先、４４…溶接方向、４５…ギャップ補間体、４６…支持枠、４７…分配器。

Claims

被溶接材を溶接する溶接トーチを移動させる移動台車と、前記移動台車により前記溶接トーチと連動して移動し、前記溶接トーチで溶接された前記被溶接材の溶接個所に冷却水を給水する冷却機構とを備えた溶接装置において、前記冷却機構は、前記被溶接材の溶接面と所定のギャップを保持して前記被溶接材の溶接個所を蓋するように移動し、冷却水回収口が設けられている底面開口の冷却フードと、前記冷却フードの上板に取付けられ、前記被溶接材の溶接個所に霧状冷却水を拡散して噴霧する噴霧ノズルと、前記冷却フードの冷却水回収口から前記被溶接材の溶接個所を冷却した冷却水を吸引回収する冷却水回収手段とを具備することを特徴とする溶接装置。
被溶接材を溶接する溶接トーチを移動させる電動台車と、前記電動台車により前記溶接トーチと連動して移動し、前記溶接トーチで溶接された前記被溶接材の溶接個所に冷却水を給水する冷却機構とを備えた溶接装置において、前記冷却機構は、前記被溶接材の溶接個所を蓋するように移動し、冷却水回収口が設けられている底面開口箱型状の冷却フードと、前記冷却フードを前記被溶接材の溶接面と所定のギャップを保持して移動させる前記冷却フードに設けられた車輪と、前記冷却フードの上板に穿設されているノズル取付け孔と、前記冷却フードのノズル取付け孔に着脱自在に挿着され、前記被溶接材の溶接個所に霧状冷却水を拡散して噴霧する噴霧ノズルと、前記冷却フードの冷却水回収口から前記被溶接材の溶接個所を冷却した冷却水を吸引回収する冷却水回収手段とを具備することを特徴とする溶接装置。
請求項１、２のいずれか１項において、前記冷却フードは複数個のノズル取付け孔が穿設されており、前記噴霧ノズルを取り付けない前記ノズル取付け孔を閉止板により閉止されていることを特徴とする溶接装置。
請求項１〜３のいずれか１項において、前記被溶接材が管材の場合、前記冷却フードの底面開口端面は前記被溶接管材の曲率と同じに形成され、溶接面とのギャップが所定値に保持するように構成されていることを特徴とする溶接装置。