JP2009195969A - インタ−ナルクランプ装置のクランプヘッド、該クランプヘッドを備えたインターナルクランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】裏当て材側高さとクランプヘッド側高さが一致して、美しい裏波ビードの形成が確実にできるインターナルクランプ装置のクランプヘッドを得る。
【解決手段】溶接対象の配管の管内に配置されて、クランプヘッド１を管径外方向に拡張することによって配管を内面からクランプするインターナルクランプ装置のクランプヘッド１であって、裏当て材３を保持する保持溝１１が形成されたヘッド本体５と、ヘッド本体５の保持溝１１に保持されると共に裏波形成溝２３が形成された裏当て材３と、保持溝１１に保持された裏当て材３を管径外方向に付勢できる付勢手段７とを有し、保持溝１１に裏当て材３を保持した状態では裏波形成溝２３の溝壁２５上端面が保持溝１１の溝壁１７上端面より突出しており、裏当て材３を付勢手段７の付勢力に抗して押圧することで裏波形成溝２３の溝壁２５上端面が保持溝１１の溝壁１７上端面より下方に没入できるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ガス導管や水道管等を溶接して接続するときに使用するインタ−ナルクランプ装置の裏当て材保持機構および該裏当て材保持機構を備えたインターナルクランプ装置のクランプヘッド、該クランプヘッドを備えたインターナルクランプ装置に関するものである。

地下に埋設するガス導管等のパイプラインを形成する際、単管同士を軸方向に突き合わせ、突き合わせた単管を突合せ溶接によって接続することが行われる。このとき、良好な裏ビ−ドを形成するために、接続する管を固定するとともに溶接開先の裏面全体に裏当て銅板を保持するインタ−ナルクランプ装置が使用されている。

インタ−ナルクランプ装置としては、例えば特許文献１に示されたものがある。
図６はこのインタ−ナルクランプ装置の説明図であり、図７は図６における矢視Ａ−Ａ断面図である。
インターナルクランプ装置５１は、図６及び図７に示すように、複数の走行車輪５２を有する円筒状の本体５３の一方の端部に複数の固定用クランプ５４が放射状に設けられている。各固定用クランプ５４はそれぞれ本体５３内部に設けられた油圧シリンダ５５に連結され、油圧シリンダ５５に供給する作動油により伸縮する。
また、本体５３の他方の端部には複数のクランプヘッド５６が放射状に設けられている。クランプヘッド５６には両端面が中心に向かって縮径して全体として扇形状に形成されたＡヘッド５６ａと、両端部が中心に向かって拡径して全体として逆扇形状に形成されたＢヘッド５６ｂとを有し、これらＡヘッド５６ａとＢヘッド５６ｂを交互に配置することで管内面の全周を覆うように構成されている。

これらＡヘッド５６ａとＢヘッド５６ｂを拡張することによって管内面をクランプするのであるが、その機構を以下に説明する。
Ａヘッド５６ａとＢヘッド５６ｂの内面中央部にはプランジャー５７が固定されている。また、本体５３内には１組のヘッド拡張用の油圧シリンダ５８、５９が設けられている。

そして、一方の油圧シリンダ５８と、油圧シリンダ５８のピストン６０と、ピストン６０に連結され外周部に複数の歯を有する支持ブロック６１と、一方の端部が支持ブロック６１に回動自在に取り付けられ他方の端部がＡヘッド５６ａに固定されたプランジャー５７に回動自在に取り付けられたアーム６２と、プランジャー５７とによってＡヘッド５６ａの伸縮機構を構成している。

また、他方の油圧シリンダ５９と、油圧シリンダ５９のピストン６３と、ピストン６３に連結され先端外周部に支持ブロック６１の歯と嵌合する溝を有する爪付き支持ブロック６４と、一方の端部が爪付き支持ブロック６４の先端爪部に回動自在に取り付けられ他方の端部がＢヘッド５６ｂに固定されたプランジャー５７に回動自在に取り付けられたアーム６２と、プランジャー５７とでＢヘッド５６ｂの伸縮機構を構成している。

図８はＡヘッド５６ａとＢヘッド５６ｂの管内面に当接する面を平面視した平面図であり、図９は図８の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。
図８、図９に示すように、Ａヘッド５６ａとＢヘッド５６ｂの外周部の中央には、裏当て材保持溝６５が設けられ、裏当て材保持溝６５に裏波形成用の裏波形成溝６６ａが形成された裏当て銅板６６が挿入され、固定ねじ６７によって固定されている。

上記のように構成されたインターナルクランプ装置５１の動作を説明する。
図６に示すように、接合する一方の管６８ａの内部にインターナルクランプ装置５１を挿入し、クランプヘッド５６に取り付けてある裏当て銅板６６の中央が管６８ａの開先線と一致するようにインターナルクランプ装置５１の位置を調整してから固定用クランプ５４を張り出してインターナルクランプ装置５１を管６８ａに固定する。

その後、他方の管６８ｂを、インターナルクランプ装置５１を固定した管６８ａの方に引き寄せて、クランプヘッド５６を軽く張り出して引き寄せた管６８ｂにクランプヘッド５６を仮にセットする。そしてル−トギャップが規定範囲になるように管６８ｂの位置を調節してからクランプヘッド５６を強く張り出して双方の管６８ａ，６８ｂの円周継手部の内側にクランプヘッド５６を固定する。

このようにクランプヘッド５６を拡張するときに、まず一方の油圧シリンダ５８を作動させて扇形状に形成されたＡヘッド５６ａを張り出し、その後、他方の油圧シリンダ５９を作動させて両端部が逆扇形状に形成されたＢヘッド５６ｂを張り出しことにより、Ａヘッド５６ａの端部とＢヘッド５６ｂの端部を密着することができ、円周継手部の内側全体を裏当て銅板６６で覆うことができる。
この状態において、管６８ａ，６８ｂの外周面から全周に亘って溶接を行なう。
特開平８-２５０９１号公報

上記のように各クランプヘッド５６においては、クランプへッド５６の裏当て材保持溝６５に裏当て銅板６６を挿入し、これらを固定ねじ６７で固定している。固定ねじ６７を挿入するねじ孔の上部には座ぐり加工が行なわれており、固定ねじ６７をねじ込んだ状態において、図９に示すように、固定ねじ６７の頭部は座ぐり穴に没入される。

固定ねじ６７によって裏当て銅板６６を固定した状態において、裏当て銅板６６における裏波形成溝６６ａの溝壁６６ｂの高さと、クランプヘッド５６における裏当て材保持溝６５の溝壁６７ｂの高さが一致して、これらが面一になっていることが必要である。
仮に、裏波形成溝６６ａの溝壁６６ｂの高さ（以下、「裏当て材側高さ」という）と、裏当て材保持溝６５の溝壁６７ｂの高さ（以下、「クランプヘッド側高さ」という）が一致していない場合には不具合が生ずる。この不具合は、「裏当て材側高さ」と「クランプヘッド側高さ」のいずれが高い場合にも生ずるので、それぞれの場合について以下説明する。

（１）裏当て材側高さが高い場合
クランプヘッド５６を張り出して管をクランプする場合、管内径によっても異なるが、例えば全周において２４０トンの荷重がクランプヘッド５６に作用する。この場合、例えばクランプヘッド５６が８個の分割の場合には全荷重の８分の一である３０トンの荷重が一つのクランプヘッド５６に作用することになる。
裏当て材側高さが高い場合、その高い部分に集中的に大きな荷重が作用すると、銅で形成されている裏当て銅板６６の溝壁６６ｂが潰される。溝壁６６ｂが潰されると、溝壁６６ｂを形成していた銅が裏波形成溝６６ａを埋めることになる。裏波形成溝６６ａの深さは、例えば０．５ｍｍ程度の浅いものであるため、これが埋まると溶接時において、裏波ビードがうまく形成できず、溶接品質が悪化する。
溶接品質が悪化した場合には、溶接のやり直しになるが、この場合には手間と時間とコストがかかるという問題がある。
また、溝壁６６ｂが潰された裏当て銅板６６は交換する必要があり、その交換に手間や時間やコストがかかるという問題がある。
さらに、本来、裏当て銅板６６は繰り返し使用できるものであるが、溝壁６６ｂが潰された裏当て銅板６６は再使用ができないか、できるとしても再使用するための加工に手間とコストがかかるという問題がある。

（２）クランプヘッド側高さが高い場合
この場合には、裏波形成溝６６ａの溝壁６６ｂと管内面との間に隙間が生ずるので、やはり裏波形成が不良になる。また、裏波形成溝６６ａの溝壁６６ｂと管内面との間の隙間から溶融金属が流れ出し、クランプヘッド５６側の溝壁６７ｂに溶着してしまうという不具合が発生することも考えられる。

以上のように、「裏当て材側高さ」と「クランプヘッド側高さ」を一致させることは重要なことであるが、従来のクランプヘッド５６においてはクランプヘッド５６の裏当て材保持溝６５に、裏当て銅板６６を嵌め込むだけであるため、この嵌め込みの精度が不十分になる場合も考えられ、この場合には上記のような問題が生ずる危険性があった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、クランプヘッドの使用状態において裏当て材側高さとクランプヘッド側高さが一致して、美しい裏波ビードの形成が確実にできるインターナルクランプ装置のクランプヘッド、該クランプヘッドを備えたインターナルクランプ装置を得ることを目的としている。

（１）本発明のインターナルクランプ装置のクランプヘッドは、溶接対象の配管の管内に配置されて、クランプヘッドを管径外方向に拡張することによって前記配管を内面からクランプするものであって、裏当て材を保持する保持溝が形成されたヘッド本体と、該ヘッド本体の前記保持溝に保持されると共に裏波形成溝が形成された裏当て材と、前記保持溝に保持された前記裏当て材を管径外方向に付勢できる付勢手段とを有し、前記保持溝に前記裏当て材を保持した状態では前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より突出しており、前記裏当て材を前記付勢手段の付勢力に抗して押圧することで前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より下方に没入できるように構成されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、付勢手段は弦巻ばねからなり、該弦巻バネが裏当て材保持部の保持溝に設けた孔に挿入されて保持されることを特徴とするものである。

（３）また、本発明に係るインタ−ナルクランプ装置は、上記（１）または（２）に記載のクランプヘッドを備えてなることを特徴とするものである。

本発明のインターナルクランプ装置のクランプヘッドにおいて、保持溝に前記裏当て材を保持した状態では前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より突出しており、前記裏当て材を前記付勢手段の付勢力に抗して押圧することで前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より下方に没入できるように構成したので、クランプヘッドを管内面に圧接したときに、まず裏波形成溝の溝壁上端面が管内面に当接し、管内面によって押圧されることで裏当て材が保持溝内を下方に移動し、裏波形成溝の溝壁上端面と保持溝の溝壁上端面が面一になった状態で管内面をクランプできる。
したがって、クランプヘッドの使用状態つまり管内面をクランプしている状態において裏波形成溝の溝壁を潰すことなく裏当て材側高さとクランプヘッド側高さを確実に一致させることができ、それ故に溶接時には裏波形成が確実にでき、溶接品質を安定化できる。

図１は本発明の一実施形態に係るインタ−ナルクランプ装置のクランプヘッドの構造を説明する斜視図である。なお、インタ−ナルクランプ装置におけるクランプヘッド以外の構造は図６と図７に示した装置と同じ構造であるので、その説明は省略する。図１に示すクランプヘッドは、背景技術で説明した２種類のクランプヘッドのうち、両端部が中心に向かって拡径して全体として逆扇形状に形成されたＢヘッドに相当するものである。なお、両端面が中心に向かって縮径して全体として扇形状に形成されたＡヘッドについても本発明の特徴である裏当て銅板の保持機構については同様の構造であるので、以下においてはＢヘッドについて説明する。

本実施の形態に係るクランプヘッド１は、図１に示すように、裏当て銅板３を保持すると共に管内面に当接して溶接対象管（以下、単に「管」という）をクランプするヘッド本体５と、該ヘッド本体５に取り付けられる裏当て銅板３と、裏当て銅板３を管径外方向に付勢する弦巻ばね７と、裏当て銅板３をヘッド本体５に固定する固定ねじ９を備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜ヘッド本体＞
ヘッド本体５には、裏当て銅板３を挿入して保持する裏当て材保持溝１１が形成されている。裏当て材保持溝１１の底部の両端近傍には、弦巻ばね７を保持するためのばね保持穴１３が２個設けられている。
また、裏当て材保持溝１１の底部の中央部にはプランジャー取付孔１５が設けられている。さらに、裏当て材保持溝１１の両側の溝壁１７の上端面には、裏当て銅板３を固定する固定ねじ９を取り付けるための座ぐり穴１９とねじ孔２１が設けられている。

＜裏当て銅板＞
裏当て銅板３は、ヘッド本体５の裏当て材保持溝１１に挿入可能な形状に形成されている。そして、上面には深さ約０．５ｍｍの裏波形成溝２３が形成されている。裏波形成溝２３の溝壁２５の両端部には、固定ねじ９の頭部が当接可能な座ぐり２７が設けられている。なお、裏当て銅板３の厚みはヘッド本体５に形成された裏当て材保持溝１１の溝深さよりも薄く設定されている。

＜弦巻ばね＞
弦巻ばね７は、ヘッド本体５の裏当て材保持溝１１に形成されたばね保持穴１３に挿入されて、裏当て材保持溝１１に挿入される裏当て銅板３をその底面側から保持する。そして、保持状態において、裏当て銅板３が押圧されたとき裏当て銅板３を押圧力に抵抗する方向に付勢する機能を有する。
弦巻ばね７は本発明における付勢手段に相当するが、本発明の付勢手段は弦巻ばね７に限定されるものではない。もっとも、弦巻ばね７は円筒状の穴に保持することができ、その保持が容易であるし、また、溶接時には裏当て銅板３から熱が伝達されることになるが、弦巻ばね７はその形状から熱応力が集中する可能性は少ないと考えられるので、この発明においては好適な付勢手段となる。

＜固定ねじ＞
固定ねじ９は裏当て銅板３をヘッド本体５に固定するためのものである。固定に際しては、ヘッド本体５の裏当て保持溝に裏当て銅板３を挿入した状態で固定ねじ９をヘッド本体５のねじ孔２１にねじ込むことにより、固定ねじ９の頭部が裏当て銅板３の座ぐり２７に当接してこれを押圧することで裏当て銅板３をヘッド本体５に固定する。

図２〜図４は図１に示したクランプヘッド１の組立手順を説明する説明図である。以下、図２〜図４に基づいて本実施の形態のクランプヘッド１の組立手順を説明する。
図２に示すように、弦巻ばね７をヘッド本体５のばね保持穴１３に挿入する。挿入状態では弦巻ばね７の上部はヘッド本体５の裏当て材保持溝１１の底部よりも上方に突出した状態にある。
次に、図３に示すように、裏当て銅板３を裏当て材保持溝１１に挿入する。この挿入状態では、図３に示すように、裏当て銅板３は弦巻ばね７によって支持されるので、ヘッド本体５よりもかなり上方に浮き上がった状態となる。

次に、図４に示すように、固定ねじ９をヘッド本体５のねじ孔２１にねじ込む。ねじ込みが深くなるにしたがって、固定ねじ９の頭部が裏当て銅板３の座ぐり２７に当接し、さらにねじ込むことによって固定ねじ９の頭部が弦巻ばね７の付勢力に抗して裏当て銅板３を押圧する。固定ねじ９はヘッド本体５に形成された座ぐり２７の上面にねじ頭部の下面が当接するところまでねじ込まれる。この状態が裏当て銅板３の取り付け完了状態となり、これが図４に示す状態である。図５は図４における矢視Ｃ−Ｃ断面図である。

図５に示すように、裏当て銅板３の取り付け完了状態においては、ヘッド本体５の溝壁１７上端面よりも裏当て銅板３の溝壁２５上端面が上方に突出した状態になっている。また、裏当て銅板３の下面とヘッド本体５における裏当て材保持溝１１の底面との間には隙間が形成されている。この隙間の高さは、溝壁２５上端面がヘッド本体５の溝壁１７上端面よりも上方に突出する突出長さよりも大きくなるようになっている。このようにすることで、裏当て銅板３を押圧したときに、裏当て銅板３の溝壁２５上端面がヘッド本体５の溝壁１７上端面よりも下方に没入できるようになっている。

＜動作説明＞
次に、上記のように構成されたクランプヘッド１（Ａヘッド、Ｂヘッド）を用いたクランプ動作について説明する。
上記のように構成されたクランプヘッド１（Ａヘッド、Ｂヘッド）を背景技術で説明したのと同様のインターナルクランプ装置のプランジャーに取り付け、背景技術で説明したのと同様に溶接対象の管をクランプすべくクランプヘッド１を拡張する。クランプヘッド１が拡張されて管内面に近づくと、まず裏当て銅板３の溝壁２５上端面が管内面に当接する。当接状態でさらにクランプヘッド１が拡張されると、裏当て銅板３は管内面に押圧され、これによって弦巻ばね７が縮み、裏当て銅板３は裏当て材保持溝１１を下方に移動する。そして、裏当て銅板３の溝壁２５上端面とヘッド本体５の溝壁１７上端面が面一になった状態で管内面はクランプされる。

このように、本実施の形態によれば、クランプヘッド１によって管内面をクランプする動作過程において、裏当て銅板３の溝壁２５に過大な力が作用しないので、裏波形成溝２３の溝壁２５を潰すことなく溝壁２５と溝壁１７の高さを確実に一致させることができる。それ故に、溶接時には美しい均一な裏波ビ−ドを得ることができ、溶接品質を高品質な状態に安定化できる。

本実施の形態に使用できるインターナルクランプ装置は、背景技術で説明したものを一例として挙げることができるが、同様の機能を有するものであれば使用することができることは言うまでもない。
なお、背景技術で説明したインターナルクランプ装置５１では、固定用クランプ５４及びクランプヘッド５６の駆動を油圧シリンダ５５、５８、５９によって行なう例を示したが、この油圧シリンダ５５、５８、５９に代えて空圧シリンダを用いてもよい。

また、上記の説明においては付勢手段として弦巻ばね７を示したが、上述したように本発明の付勢手段は弦巻ばね７に限定されるものではない。本発明の付勢手段は、裏当て材保持溝１１に保持された裏当て銅板３がクランプ動作の際に管内面から押圧されたときに裏当て銅板３に対して管径外方向に付勢力を付与できるものであればよい。例えば、板ばねのような他の種類のばねであってもよいし、ばね以外のものであってもよい。

本発明の一実施形態に係るインタ−ナルクランプ装置のクランプヘッドの構造を説明する斜視図である。 図１に示したクランプヘッドの組立手順を説明する説明図である（その１）。 図１に示したクランプヘッドの組立手順を説明する説明図である（その２）。 図１に示したクランプヘッドの組立手順を説明する説明図である（その３）。 図４の矢視Ｃ−Ｃ断面図である。 従来のインターナルクランプ装置の説明図である。 図６における矢視Ａ−Ａ断面図である。 図６に示したインターナルクランプ装置に用いられるクランプヘッドを平面視した平面図である。図８の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。 図８の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ クランプヘッド
３ 裏当て銅板
５ ヘッド本体
７ 弦巻ばね
９ 固定ねじ
１１ 裏当て材保持溝
１３ ばね保持穴
１５ プランジャー取付孔
１７ 溝壁（ヘッド本体側）
１９ 座ぐり穴
２１ ねじ孔
２３ 裏波形成溝
２５ 溝壁（裏当て銅板側）
２７ 座ぐり

Claims (3)

1. 溶接対象の配管の管内に配置されて、クランプヘッドを管径外方向に拡張することによって前記配管を内面からクランプするインタ−ナルクランプ装置のクランプヘッドであって、
   裏当て材を保持する保持溝が形成されたヘッド本体と、該ヘッド本体の前記保持溝に保持されると共に裏波形成溝が形成された裏当て材と、前記保持溝に保持された前記裏当て材を管径外方向に付勢できる付勢手段とを有し、前記保持溝に前記裏当て材を保持した状態では前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より突出しており、前記裏当て材を前記付勢手段の付勢力に抗して押圧することで前記裏波形成溝の溝壁上端面が前記保持溝の溝壁上端面より下方に没入できるように構成されていることを特徴とするインターナルクランプ装置のクランプヘッド。
2. 付勢手段は弦巻ばねからなり、該弦巻バネが裏当て材保持部の保持溝に設けた孔に挿入されて保持されることを特徴とする請求項１に記載のインターナルクランプ装置のクランプヘッド。
3. 請求項１または２に記載のクランプヘッドを備えてなることを特徴とするインタ−ナルクランプ装置。

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