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

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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