JP2010023050A

JP2010023050A - プラズマ溶接法

Info

Publication number: JP2010023050A
Application number: JP2008184039A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Wada; 勝則和田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】被溶接物の端部にタブ板を取り付けてプラズマ溶接をする際、溶接トーチのインサートチップに溶融金属が付着することがなく、安定なアークが形成でき、良好な溶接ビードができるようにする。
【解決手段】被溶接物３１、３１の溶接線Ｐ上の端部にタブ板３２、３２を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接する際、タブ板として、二つ割り構造のものを用い、このタブ板間の間隙Ｅ１、Ｅ２を１．５〜４．５ｍｍとする。被溶接物間の間隙と前記タブ板間の間隙とを同一とすることが好ましい。また、タブ板として、被溶接物の溶接線上に直径１．５〜４．５ｍｍの貫通孔を形成したものを用いることもでき、被溶接物間の間隙と前記タブ板の貫通孔の直径とを同一とすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、被溶接物の溶接線上の端部にタブ板を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接するプラズマ溶接法に関するものである。

プラズマ溶接法は、ＴＩＧ溶接法とともに非消耗電極式溶接法に分類されるものであるが、ＴＩＧ溶接法に比べ、熱集中性が優れているため、ビード幅を狭く、高速に溶接することができ、しかも歪が少なく溶接することができる。
また、プラズマ溶接法は、エネルギー密度の高いプラズマアークを利用して片面裏波溶接法であるキーホール溶接を行うことができる。

キーホール溶接は、プラズマアークが溶融金属を押し退けて母材を貫通し、キーホールを形成する。このキーホールは溶接が進行するに連れ、溶融金属がその壁面を伝わり後方に移動して溶融池を形成し、溶接ビードとなるものである。
このため、Ｉ型開先の突合せのワンパス片面溶接が可能な板厚は、軟鋼板で約０．６〜６ｍｍ、ステンレス鋼板で約０．１〜８ｍｍとなっている。

図３は、このようなプラズマ溶接法に用いられる溶接トーチの一例を模式的に示すものである。
図３中符号１は、タングステン電極を示す。このタングステン電極１は、タングステンあるいは酸化ランタンなどの希土類元素酸化物を少量含むタングステンからなる棒状ものである。

このタングステン電極１はインサートチップ２によって包囲されている。このインサートチップ２はパイプ状のもので、タングステン電極１に対して間隙を配し、かつ同軸に設けられている。また、図示しないが、冷却水がその内部を循環し、インサートチップ２が冷却されるようになっている。

インサートチップ２はさらにシールドキャップ３によって包囲されている。このシールドキャップ３はパイプ状のもので、インサートチップ２に対して間隔を配し、かつ同軸に設けられている。

タングステン電極１とインサートチップ２との間隙にはアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスからなるセンターガスが流れ、インサートチップ２とシールドキャップ３との間隙にはアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスに水素を３〜７ｖｏｌ％を添加した混合ガスからなるアウターガスが流れるように構成されている。
センターガスはプラズマガスとして機能し、アウターガスはシールドガスとして機能する。

また、パイロットアーク電源４からの電流がタングステン電極１とインサートチップ２とに印加されて予備プラズマが点火され、ついでメインアーク電源５からの電流がタングステン電極１と被溶接材６とに印加されて、プラズマアークがタングステン電極１から被溶接材６に流れるように構成されている。

さらに、タングステン電極１の先端部は、インサートチップ２の先端部よりも内側の位置に配され、インサートチップ２の先端部分よりも外側に突出していない状態となっている。
これにより、タングステン電極１は不活性ガスからなるセンターガスに包まれ、酸化性ガスに曝されることがない状態となって、溶接に際しても酸化、消耗することがなく、またアークスタートの際にキーホールができるまではスパッタが発生するが本溶接中はスパッタが発生せず、長時間高品質の溶接が可能で、しかもランニングコストを安価にすることができる。
このため、プラズマ溶接法は、主に圧力容器、配管や継手の製作の溶接施工において広く使われている。

従来からプラズマ溶接では、被溶接物の溶接線の端部にタブ板を接合して施工する場合がある。
図４は、このようなタブ板を用いてプラズマ溶接を実施する際の状況を示すものである。
被溶接物２１、２１の溶接線２２上の両端部には鋼板からなるタブ板２３Ａ、２３Ｂが仮溶接などにより取り付けられている。
プラズマ溶接の開始時には、溶接トーチを一方のタブ板２３Ａ上に位置せしめて、プラズマアークをタブ板２３Ａの例えば地点Ａに当てるようにする。

プラズマアークが安定しキーホールが形成されたのち、溶接トーチを被溶接物２１、２１側に移動し、これを溶接する。ついで、溶接トーチを被溶接物２１、２１から他方のタブ板２３Ｂに移動し、タブ板２３Ｂの地点Ｂでプラズマアークを停止し、溶接を終了する。その後、被溶接物２１、２１に接合されているタブ板２３Ａ、２３Ｂを切り落とす。

このようにタブ板は捨て材として用いられるもので、これを用いることで、溶接始端部分でのスパッタによる汚染を防止し、溶接開始部分の割れ防止が行え、溶接開始時の予熱が不十分なため均一な溶け込みが良くない部分はタブ板に残ることになり、溶接終端部分においても固まる溶融池（クレータ）を溶接母材から逃がすことができ、また溶接割れを防止できる。このため、溶接後の溶接物には均一な溶接ビードを形成することができる。

しかしながら、このタブ板を用いる場合にあっても、アークスタート時においてタブ板にキーホールができるまでに時間がかかり、キーホールが出来るまで、センターガスの逃げ場がないため、スパッタが飛散し、溶融金属が飛散してノズルに付着してしまう。
特にプラズマアーク噴出口のインサートチップに付着することで、アークが不安定となり、良好な溶接ビードが形成できないことがある。
特開２００６−２９７４３５号公報

よって、本発明における課題は、被溶接物の端部にタブ板を取り付けてプラズマ溶接をする際、溶接トーチのインサートチップに溶融金属が付着することがなく、安定なアークが形成でき、良好な溶接ビードができるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、被溶接物の溶接線上の端部にタブ板を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接する方法であって、
前記タブ板として、二つ割り構造のものを用い、このタブ板間の間隙を１．５〜４．５ｍｍとすることを特徴とするプラズマ溶接法である。
請求項２にかかる発明は、被溶接物間の間隙と前記タブ板間の間隙とを同一とすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接法である。

請求項３にかかる発明は、被溶接物の溶接線上の端部にタブ板を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接する方法であって、
前記タブ板として、それの溶接線上に直径１．５〜４．５ｍｍの貫通孔を形成したものを用いることを特徴とするプラズマ溶接法である。
請求項４にかかる発明は、被溶接物間の間隙と前記タブ板の貫通孔の直径とを同一とすることを特徴とする請求項３記載のプラズマ溶接法である。

本発明によれば、タブ板の間隙あるいは貫通孔からセンターガスが逃げるため、アークスタート時にキーホールが形成されるまでに溶融池から飛散した溶融金属（スパッタ）が、プラズマアーク噴出口であるインサートチップやシールドキャップに付着してしまうことが防止され、この付着金属によるアークのふらつきやノズルへの損傷を防止することができ、良好な溶接ビードを形成できる。

図１は、この発明のプラズマ溶接法の第１の例を示すもので、被溶接物をその上方から眺めた平面図である。
図１において、符号３１、３１は、被溶接物を示す。この被溶接物３１は、直方体状のものであって、その溶接面が対峙し、かつ一方の被溶接物３１と他方の被溶接物３１との間には幅１．５〜４．５ｍｍの隙間Ｄ１が生じるように配置されている。

それぞれの被溶接物３１の両端には鋼板からなるタブ板３２、３２が仮溶接により取り付けられている。タブ板は合計４枚である。タブ板３２、３２は、相手側の被溶接物３１の両端に取り付けられたタブ板３２、３２とそれぞれ対峙し、かつ向かい合うタブ板３２、３２の間には幅１．５〜４．５ｍｍの隙間Ｅ１、Ｅ２が生じるように取り付けられている。
この実施形態にあっては、従来の図４に示したタブ板２３Ａ、２３Ｂを被溶接物の溶接線に沿って二つに切断して、換言すれば二つ割り構造として、隙間Ｅ１、Ｅ２を形成したものと見ることもできる。

隙間Ｅ１、Ｅ２の幅が１．５ｍｍ未満では溶接時でのセンターガスの逃げが不十分となって溶融金属の飛散を抑えることができず、４．５ｍｍを越えると被溶接物３１の溶け落ちが生じて不都合となる。
この例では、被溶接物３１の溶接面とタブ板３２、３２の対峙面は同一平面をなしている。

被溶接物３１、３１のプラズマ溶接の開始時、溶接トーチからのアークを初めに前記隙間Ｅ１に当てる。
これにより、隙間Ｅ１からセンターガスが逃げることができ、溶融金属の飛散が減少して溶融金属が溶接トーチのインサートチップの先端部に付着することがなくなる。
次いで、アークを移動させて被溶接物３１、３１を溶接し、さらにアークを前記間隔Ｅ２まで移動してアークを停止する。

アークが隙間Ｅ２に移動した場合でも、隙間Ｅ２からセンターガスが逃げることができ、溶融金属の飛散が減少して溶融金属が溶接トーチのインサートチップの先端部に付着することがなくなる。

図２は、この発明のプラズマ溶接法の第２の例を示すもので、図１と同様に被溶接物をその上方から眺めた平面図である。
この例でも、被溶接物３１、３１は、両者間に幅１．５〜４．５ｍｍの隙間Ｄ１が生じるように配置されている。

この例にあっては、タブ板３２、３２は両方の被溶接物３１、３１の両端部の側方に、両方の被溶接物３１、３１を跨ぐようにして取り付けられた１枚の板体である。
このタブ板３２、３２には、被溶接物３１、３１の溶接線Ｐ上にそれぞれ貫通孔３４、３４が形成されている。
貫通孔３４の直径は１．５〜４．５ｍｍとなっている。この直径が１．５ｍｍ未満ではセンターガスの逃げが不十分となって溶融金属の飛散を抑えることができず、４．５ｍｍを越えると被溶接物３１の溶け落ちが生じて不都合となる。

この例でも、アーク開始時に貫通孔３４、３４からセンターガスが逃げることができ、同様の作用効果を得ることができる。

以下、具体例を示す。
被溶接物として、板厚１５ｍｍのステンレス鋼板を用いた。
実施例１として、図１に示す通り、被溶接物３１、３１、タブ板３２、３２間に隙間Ｅ１、Ｅ２を設け、その隙間の幅を変化させ、プラズマ溶接のアークスタート時の溶融金属の飛散状況を調べた。

実施例２として、図２に示す通り、タブ板３２の貫通孔３４の直径と同じ幅の隙間を被溶接物３１、３１間に設け、その直径を変化させ、プラズマ溶接のアークスタート時の溶融金属の飛散状況を調べた。
本実施例では、終端側のタブ板にも同様の隙間、貫通孔を形成した。

＜実施例の溶接条件＞
溶接方式：プラズマ溶接（非消耗式電極溶接）
溶接母材：鋼種ＳＵＳ３０４、板厚１５ｍｍ
溶接方法：プラズマ溶接法（下向姿勢）
電極：２％酸化ランタン入りタングステン径４．８ｍｍ
センターノズル母材間距離：３．５ｍｍ
トーチ傾斜角度：前進角２０度
溶接電流：ピーク電流＝２００Ａ
溶接速度：１２ｃｍ／ｍｉｎ
ノズル内径：３．２ｍｍ
裏当金：なし
センターガス：１００％アルゴン流量：４リットル／分
アウターガス：アルゴン＋１％二酸化炭素流量：１５リットル／分

結果を表１に示す。表１において、
溶融金属（スパッタ）の飛散がないものを○と表示し、合格とした。
溶融金属（スパッタ）の飛散があるものを×と表示し、不合格とした。
溶け落ちがあるものを××と表示し、不合格とした。

表１の結果から、タブ板の間隔の幅あるいは貫通孔の直径を１．５〜４．５ｍｍとすることで、良好な結果が得られることが確認された。

なお、実施例１において、タブ板のみ隙間を設け、被溶接物の隙間を狭めても被溶接物上での溶接条件を例えば溶接速度を遅くする、センターガス流量を多くする等の設定を変えることにより、被溶接物上での溶融金属の飛散はないことも確認できた。
同様に、実施例２においても、タブ板のみに穴を設け、被溶接物の隙間を０から４．５ｍｍまで変えたとしても、溶接条件を適宜変更することにより、被溶接物上での溶融金属の飛散はないことも確認できた。
このようにタブ板における隙間、穴径が特に重要であり、溶接速度を考慮すると、被溶接物間の隙間はタブ板の隙間、穴径と同じにすることが好ましい。

本発明のプラズマ溶接法の第１の例を示す概略構成図である。本発明のプラズマ溶接法の第２の例を示す概略構成図である。プラズマ溶接トーチを示す概略構成図である。タブ板を用いるプラズマ溶接法を示す概略構成図である

符号の説明

３１・・・被溶接物、３２・・・タブ板、Ｅ１、Ｅ２・・・隙間、３４・・・貫通孔

Claims

被溶接物の溶接線上の端部にタブ板を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接する方法であって、
前記タブ板として、二つ割り構造のものを用い、このタブ板間の間隙を１．５〜４．５ｍｍとすることを特徴とするプラズマ溶接法。
被溶接物間の間隙と前記タブ板間の間隙とを同一とすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ溶接法。
被溶接物の溶接線上の端部にタブ板を取り付けて被溶接物をプラズマ溶接する方法であって、
前記タブ板として、それの溶接線上に直径１．５〜４．５ｍｍの貫通孔を形成したものを用いることを特徴とするプラズマ溶接法。
被溶接物間の間隙と前記タブ板の貫通孔の直径とを同一とすることを特徴とする請求項３記載のプラズマ溶接法。