JP2009262214A - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

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祥希 石崎
Tomoji Tanabe
友治 田邊
Satoru Asai
知 浅井
Teruhisa Yokoshima
照久 横島
Wataru Kono
渉 河野
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Abstract

【課題】溶接品質に影響を及ぼさないように溶接するとともに溶接残留応力を低減する。
【解決手段】溶接トーチ2を搭載しホイール3を有する溶接ヘッド1により溶接方向に移動させる溶接装置において、溶接トーチ2は、ホイール3の移動方向前方に配置され、ホイール3に冷却キャタピラ4を取り付け、冷却キャタピラ4により溶融直後の母材の溶接熱影響部を間接的に冷却し残留応力を低減する。冷却キャタピラ4は、溶接ヘッド1の移動方向前後に有る2個のホイール3に跨って取り付けられている。ホイール3は、冷却媒体を流せるような中空構造になっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、原子力機器部品などの溶接時に溶接熱影響部を冷却することにより残留応力を低減した溶接装置及び溶接方法に関する。
原子力機器部品には、オーステナイト系ステンレス鋼が多数使用されている。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部近傍では、応力腐食割れが発生する可能性がある。応力腐食割れ原因の一つである溶接残留応力は、溶接による熱膨張と塑性ひずみにより発生する。溶接残留応力を低減するために、溶接直後に、母材の溶接熱影響部及びその近傍に冷却媒体として水、ドライアイスを噴霧して材料に温度差を生じさせる方法又は装置が知られている(特許文献1,2参照)。
特開平8−155650号公報 特開2002−224879号公報
上述した従来の技術は、溶接施工直後の材料の温度が十分高い間に冷却媒体で材料表面を冷却する必要がある。冷却媒体は、吹き付け機によって溶接直後に、母材の溶接熱影響部及びその近傍に直接吹き付けられる。冷却効果を上げるためには溶接トーチと冷却媒体の距離を近づけることが好ましい。しかし、溶接時に冷却媒体の水・ドライアイスが溶接部に混入すると、溶接品質に悪影響を及ぼすため、溶接トーチと冷却媒体の距離を近づけるには、限界がある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、溶接品質に影響を及ぼさないように溶接と同時に溶接残留応力を低減することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明の溶接装置は、溶接トーチを搭載しホイールを有する溶接ヘッドにより溶接方向に移動させる溶接装置において、
前記溶接トーチは、前記ホイールの移動方向前方に配置され、前記ホイールに冷却キャタピラを取り付け、前記冷却キャタピラにより溶融直後の母材の溶接熱影響部を間接的に冷却し残留応力を低減したことを特徴とする。
また、本発明の溶接方法は、溶接トーチを搭載しホイールを有する溶接ヘッドを溶接方向に移動させて溶接する溶接方法において、
前記ホイールの移動方向前方に配置された前記溶接トーチにより溶接を行い、
前記ホイールに取り付けられた冷却キャタピラにより溶融直後の母材の溶接熱影響部を間接的に冷却し、残留応力を低減したことを特徴とする。
本発明は、溶接ヘッドのホイールに冷却キャタピラを取り付け、冷却キャタピラにより溶融直後の母材の溶接熱影響部及びその近傍を間接的に冷却したので、溶接品質に影響を及ぼさないように溶接するとともに溶接残留応力を低減することができる。これにより溶接部の応力腐食割れが発生する可能性が低下する。
以下、本発明の実施形態に係る溶接装置及び溶接方法について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態1に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図である。
図2は、本発明の比較例に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図である。
図1において、溶接装置の溶接ヘッド1は、図示しない駆動機構により溶接方向に移動する。溶接ヘッド1は溶接トーチ2を搭載しホイール3を有する。溶接トーチ2は、ホイール3の移動方向前方に配置されている。より詳しくは、ホイール3は、前方ホイール3aと後方ホイール3bとからなり、溶接トーチ2は前方ホイール3aの車軸3cより前、前方ホイール3aの先端より後に取り付けられている。ホイール3には、冷却キャタピラ4が取り付けられている。溶接ヘッド1は、溶接トーチ2と冷却キャタピラ4を1体化している。TIG溶接用の溶接トーチ2は、先端にタングステン電極8を有する。母材5は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼製の原子力機器部品である。溶接ヘッド1は母材5に対して溶接方向に移動する。溶接トーチ2の溶接方向両側に冷却キャタピラ4を各1体配置している。溶接方向片側で、ホイール3は溶接ヘッドの移動方向前後に2個有り、冷却キャタピラ4は2個のホイールに跨って取り付けられている。
冷却キャタピラ4及びホイール3は、その材質が熱伝導に優れた銅であり、その表面には、回転による摩耗を考慮して硬質クロムメッキを施している。図2に示すように溶接方向片側でホイール3が1個のみでは、母材5と線接触であるため、冷却面積に制限がある。一方、本実施形態では2個のホイール3と冷却キャタピラ4を用いることにより冷却面積を大きくすることができる。
ホイール3は冷却媒体を流せるように中空構造になっている。冷却媒体には水、液体窒素を用いる。冷却キャタピラ4により溶融直後の母材5の溶接熱影響部及びその近傍の母材5を冷却することができる。冷却キャタピラ4では、溶融直後の母材を間接的に冷却することにより、冷却媒体が直接、溶接ビード6内に入り込まないため、溶接品質に影響を及ぼさない。また、間接冷却のため、溶接トーチ2と冷却キャタピラ4の距離を近づけることができ、材料の温度が十分高い間に冷却することができる。冷却効果を均質にするため、ホイール3内の冷却媒体は、循環させている。冷却水は、チラーにより水温、流量を調整している。液体窒素は蒸発するため、圧力で調整している。規定圧力を超えた場合、圧力弁が開き、蒸発分の液体窒素が新たに供給される。
母材5と冷却キャタピラ4の接触を均一にさせるため、ホイール3と溶接ヘッド1の間にダンパー7を設けている。冷却範囲の変更時は、幅、外径が異なるホイール及びその寸法に合わせたキャタピラに交換することにより対応することができる。
このように、冷却媒体が直接、溶接ビード6内に入り込むことがなく、冷却キャタピラ4により溶融直後の母材5の溶接熱影響部を冷却することができる。
これにより、溶接品質に影響を及ぼさず、溶接するとともに溶接残留応力を低減することができる。
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態2に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図である。実施形態1と同じ箇所については説明を省略する。
図3において、実施形態1の構成に加えて、その移動方向後方の溶接ヘッド1に溶接トーチ2に追従する冷却チャンバ9を取り付ける。溶接ヘッド1は、溶接トーチ2、冷却キャタピラ4、及び冷却チャンバ9を1体化している。実施形態1よりも高入熱での溶接時、または更なる冷却効果が必要な場合、本装置を用いる。冷却媒体には熱吸収効果の高いスノー状のドライアイスを用いる。溶融直後、冷却キャタピラ4によって温度が高い母材5の溶接熱影響部及びその近傍の母材5を間接的に冷却する。
次に、ドライアイスを冷却チャンバ9内に充満させ下方から溶接部に吹き付けることによって、母材5の溶接熱影響部及びその近傍を直接冷却させる。ドライアイスは気化するため、水などとは異なり、冷却後、回収する機構などを設ける必要はない。冷却範囲を変更する時は、冷却チャンバ9を交換することにより対応することができる。
冷却キャタピラ4による冷却範囲には制限があるが、冷却チャンバ9を用いて冷却範囲を広くすることできる。
このように、冷却キャタピラ4による間接冷却に加えて、冷却チャンバ9により直接冷却により再度の冷却を行っている。
これにより、溶接品質に影響を及ぼさず、溶接するとともにより確実に溶接残留応力を低減することができる。
(実施形態3)
本発明の実施形態3に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図である。実施形態2と同じ箇所については説明を省略する。
図4において、実施形態2の構成に加えて、溶接トーチ2の移動方向前方の溶接ヘッド1に加熱機10を取り付ける。溶接ヘッド1は、加熱機10、溶接トーチ2、冷却キャタピラ4、及び冷却チャンバ9を1体化している。実施形態2での冷却効果を更に高める場合、本装置を用いる。溶接前の加熱、溶接、溶接直後の急冷をほぼ同時に行う。母材の溶接予定個所の予熱を行うことにより、冷却効果を高めることができる。加熱媒体には、ガスバーナもしくは高周波加熱を用いる。加熱温度は材料鋭敏化、過度の熱が入らないようにするため、200℃〜500℃以下とする。加熱温度は、加熱機10に内蔵されている放射温度計にて制御する。
このように、溶接前に母材を加熱することにより、その後溶接を行い、溶接直後の冷却キャタピラ4と冷却チャンバ9による冷却を行って冷却効果が高められる。なお、冷却チャンバ9のない実施形態1に適用することもできる。
これにより、溶接品質に影響を及ぼさず、溶接するとともにより確実に溶接残留応力を低減することができる。
本発明の実施形態1に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図。 本発明の比較例に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図。 本発明の実施形態2に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図。 本発明の実施形態3に係る溶接装置の概略図であって、(a)は正面図、(b)は上面図。
符号の説明
1…溶接ヘッド、2…溶接トーチ、3…ホイール、4…冷却キャタピラ、5…母材、 6…溶接ビード、7…ダンパー、8…タングステン電極、9…冷却チャンバ、10…加熱機。

Claims (10)

  1. 溶接トーチを搭載しホイールを有する溶接ヘッドを溶接方向に移動させる溶接装置において、
    前記溶接トーチは、前記ホイールの移動方向前方に配置され、前記ホイールに冷却キャタピラを取り付け、前記冷却キャタピラにより溶融直後の母材の溶接熱影響部を間接的に冷却したことを特徴とする溶接装置。
  2. 前記冷却キャタピラは、前記溶接ヘッドの移動方向前後に有る2個の前記ホイールに跨って取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の溶接装置。
  3. 前記ホイールは、冷却媒体を流せるような中空構造になっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接装置。
  4. 前記冷却キャタピラの移動方向後方の前記溶接ヘッドに冷却チャンバを取り付け、前記冷却チャンバにより冷却媒体を母材の溶接熱影響部に吹き付け冷却することを特徴とする請求項1ないし3に記載の溶接装置。
  5. 前記冷却媒体に、ドライアイスを用いることを特徴とする請求項4に記載の溶接装置。
  6. 前記溶接トーチの移動方向前方の前記溶接ヘッドに加熱機を取り付け、前記加熱機により溶接前の母材の溶接予定個所を加熱することを特徴とする請求項1ないし5に記載の溶接装置。
  7. 前記加熱機は、ガスバーナ又は高周波加熱機であることを特徴とする請求項6に記載の溶接装置。
  8. 被溶接物の母材としてオーステナイト系ステンレス鋼を対象とすることを特徴とする請求項1ないし7に記載の溶接装置。
  9. 前記溶接トーチは、TIG溶接用であることを特徴とする請求項1ないし8に記載の溶接装置。
  10. 溶接トーチを搭載しホイールを有する溶接ヘッドを溶接方向に移動させて溶接する溶接方法において、
    前記ホイールの移動方向前方に配置された前記溶接トーチにより溶接を行い、
    前記ホイールに取り付けられた冷却キャタピラにより溶融直後の母材の溶接熱影響部を間接的に冷却したことを特徴とする溶接方法。
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