JP2013136085A - 肉盛溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタ、欠陥の少ない、高品質の肉盛溶接を低希釈率で行えるようにする。
【解決手段】配管ｐの腐食減肉箇所及び肉減り箇所の表面を肉盛溶接する方法である。肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、直流の場合は、ベース時間をＴ_B、ピーク時間をＴ_Pとした場合に、Ｔ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）が４０〜８０％で、ベース電流Ｉ_Bが１０〜１００Ａとなるパルス条件とする一方、交流の場合は、ＥＮ比が４０〜８０％で、電極がプラス（ＥＰ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが１０Ａ〜１００Ａ、電極がマイナス（ＥＮ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが−１００Ａ〜−１０Ａとなるパルス条件とする。
【効果】スパッタ、欠陥の少ない、高品質の肉盛溶接が低希釈率で行えるようになり、オーステナイト系ステンレス鋼を直接炭素鋼に肉盛溶接できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばごみ焼却炉におけるボイラ水管のような、並列に配置された多数の配管の表面に肉盛溶接する方法、及びこの肉盛溶接方法を実施する肉盛溶接装置に関するものである。

例えばごみ焼却炉におけるボイラ水管の高温部位には、腐食減肉や、高温酸化による肉減りが発生する。そのため、これら腐食減肉箇所及び肉減り箇所（ボイラ水管１本当たり数十箇所）は、表面側から肉盛溶接による補修が定期的に行なわれている。

このような肉盛溶接に際し、例えば縦ガイド部材に沿う昇降台車に取付けられて水平移動する水平ロッド部材の取付け金具に、進退機構及び傾動機構を介して進退及び傾動可能に溶接トーチを設置して溶接する方法及び装置が特許文献１に開示されている。特許文献１には、この装置を使用すれば、短時間で、均質な肉盛溶接層を形成することができると記載されている。

しかしながら、アーク溶接時にアーク長が変動すると、各溶接部位における溶接条件が変わるので、特許文献１の発明では、肉盛溶接の均質性を維持するために、溶接トーチを溶接開始点に手動で位置決めする必要があり、溶接中は作業者による監視が必要である。

この位置決めは、一本の肉盛溶接毎に必要であるため、多数本の配管を肉盛溶接する場合、非常に煩雑な作業となる。また、数値制御等が必要となるので、全自動による肉盛溶接ができない。さらに、手動による位置決めを行う場合、溶接ビードの重なり代が作業者毎に異なるので、肉盛溶接部にばらつきが発生する。

これらの問題点により、特にオーステナイト系ステンレス鋼を炭素鋼の鋼管に直接肉盛溶接する際には、溶接条件の設定が困難で、多量のスパッタが発生し、溶接効率が悪く、欠陥が発生することになる。

特開２００７−２９０００５号公報

本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１で提案された肉盛溶接装置の場合、特にオーステナイト系ステンレス鋼を炭素鋼の鋼管に直接肉盛溶接する際には、溶接条件の設定が困難で、多量のスパッタが発生し、溶接効率が悪く、欠陥が発生するという点である。

本発明の肉盛溶接方法は、
スパッタ、欠陥の少ない、高品質のアーク長変動に対応した肉盛溶接と低希釈溶接を可能とするために、
配管の腐食減肉箇所及び肉減り箇所の表面を肉盛溶接する際に、
前記肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、
直流の場合は、ベース時間をＴ_B、ピーク時間をＴ_Pとした場合に、Ｔ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）が４０〜８０％で、ベース電流Ｉ_Bが１０〜１００Ａとなるパルス条件とする一方、
交流の場合は、ＥＮ比が４０〜８０％で、電極がプラス（ＥＰ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが１０Ａ〜１００Ａ、電極がマイナス（ＥＮ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが−１００Ａ〜−１０Ａとなるパルス条件とする、
ことを最も主要な特徴としている。

本発明の肉盛溶接方法は、肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、最適のパルス条件とするので、アーク長変動に対応した肉盛溶接と低希釈溶接が可能になる。

前記の本発明方法を用いて、並列配置された配管の腐食減肉箇所及び肉減り箇所の表面を肉盛溶接する場合は、
前記配管上に取付けられる対をなす２本の横行レールと、
これら対をなす２本の横行レールに案内されて移動する２台の横行台車と、
これら２台の横行台車を連結する走行ガイド部材と、
この走行ガイド部材に案内されて移動する溶接走行台車と、
この溶接走行台車に取付けられたトーチヘッドと、
このトーチヘッドの構成要素である溶接トーチに溶接ワイヤー及び電力を供給する溶接機と、
を有し、
前記トーチヘッドは、
前記横行レールと同じ方向に配置された横行ガイド部材と、
この横行ガイド部材に沿う移動可能に取付けられた上下部材と、
この上下部材に、前記横行ガイド部材と同方向の移動可能に取付けられた円弧移動装置と、
この円弧移動装置に沿う移動可能に取付けられた、前記溶接トーチを備えたウィービング装置とで構成された本発明の肉盛溶接装置を使用して実施できる。

本発明では、肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、最適のパルス条件とするので、スパッタ、欠陥の少ない、高品質のアーク長変動に対応した肉盛溶接と低希釈溶接が可能になる。従って、オーステナイト系ステンレス鋼を直接炭素鋼に肉盛溶接することが可能になり、中間にＳＵＳ３０９ステンレス鋼を溶接することがなくなる。

本発明の肉盛溶接方法に適用する交流の際のパルス条件を説明する図である。 本発明の肉盛溶接方法に適用する直流の際のパルス条件を説明する図である。 （ａ）は交流で本発明の肉盛溶接方法を実施する場合の概略説明図、（ｂ）は溶接順序を説明する図である。 本発明の肉盛溶接装置の一例を示す斜視図である。 図４の正面図である。 図５の拡大下面図である。 図６を右側面から見た図である。 図４のトーチヘッド部の拡大斜視図である。 本発明の肉盛溶接装置におけるウィービング装置の円弧移動装置に沿う移動機構及び本発明による肉盛溶接の順序の説明図である。

本発明では、スパッタ、欠陥の少ない、高品質のアーク長変動に対応した肉盛溶接と低希釈溶接を可能とするという目的を、肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、最適のパルス条件とすることで実現した。

以下、図１〜図９を用いて本発明を詳細に説明する。
本発明は、例えば多数の配管を並列に配置したごみ焼却炉におけるボイラ水管の、腐食減肉及び肉減りした箇所の表面を、最適の条件でパルス溶接して肉盛する方法である。

例えば水平方向に肉盛溶接する際に使用する交流の電流及び電圧波形（パルス波形）の一例を図１に示す。この電流及び電圧波形は、株式会社ダイヘン製のＭＩＧ溶接機（ＤＷ３００＋）を使用した場合の波形であり、太い実線は電流波形、細い破線は電圧波形を示している。

図１におけるａは電極がプラス（ＥＰ）極性の際に、電流が溶接ワイヤーに流れる時間で、長くなるほど母材への入熱量が多くなる。また、ｂは電極がマイナス（ＥＮ）極性の際に、電流が溶接ワイヤーに流れる時間で、長くなるほど母材への入熱量が少なくなる。

また、ｃはＥＰ極性の時の電流がピークの時間で、必要な溶接電流とパルス条件から溶接機によって決まる。ｄはＥＮ極性の時のベース電流が流れる時間で、長くなるほど母材への入熱量が少なくなる。

従って、交流の周期ａ＋ｂの逆数である周波数は１／（ａ＋ｂ）で表すことができ、溶接ワイヤーを溶融させつつ、肉盛溶接時にできるだけ母材への入熱を少なくするためには、３０〜１５０Ｈｚの周波数とすることが望ましい。

また、ｂ／（ａ＋ｂ）で表すＥＮ比は、大きいほど母材への入熱が小さくなり、このＥＮ比によって前記ａ，ｂの適正範囲が決まる。本発明では、このＥＮ比を４０〜８０％となるように制御することを特徴としている。

本発明において、ＥＮ比を４０〜８０％とするのは、４０％未満であれば母材への入熱が大きくなるために希釈率が高くなり、特にオーステナイト系ステンレス鋼を炭素鋼に直接溶接した場合には高温割れ（凝固割れ）の発生が危惧されるからである。また、８０％を超えると溶接ワイヤーを溶融させる熱量を与えるための条件選定が困難となり、開先の溶込み不足が生じたり、スパッタが多量に発生してしまうからである。

また、ＥＰ極性時、ＥＮ極性時におけるピーク電流Ｉ_Pの大きさは溶接機によって決まるが、このうちＥＰ極性時におけるピーク電流Ｉ_Pの大きさによって溶接ワイヤーの溶融状態が決まる。

本発明では、母材への入熱を少なくするために、ＥＰ極性時におけるベース電流Ｉ_Bを１０Ａ〜１００Ａの範囲となるように制御することとしている。

本発明において、ＥＰ極性時におけるベース電流Ｉ_Bを１０Ａ〜１００Ａとするのは、１０Ａ未満であれば溶接アークが不安定となりスパッタが多量に発生したり、溶込み不足が生じたりするからである。また、１００Ａを超えると母材への入熱が大きく溶込みが深くなり、希釈率が高くなってしまうからである。

また、本発明では、母材への入熱を減らしつつ、アークを安定させるために、ＥＮ極性時におけるベース電流Ｉ_Bを、−１００Ａ〜−１０Ａの範囲となるように制御することとしている。

本発明において、ＥＮ極性時におけるベース電流Ｉ_Bを−１００Ａ〜−１０Ａとするのは、−１００Ａ未満であればＥＰ極性時と同様に溶接アークが不安定となり、スパッタが多量に発生したり、溶込み不足が生じたりするからである。また、−１０Ａを超えると母材への入熱が大きく溶込みが深くなり、希釈率が高くなってしまうからである。

一方、例えば垂直方向に肉盛溶接する際に使用する直流の電流及び電圧波形の一例を図２に示す。この電流及び電圧波形は、株式会社ダイヘン製のＭＩＧ溶接機（ＤＷ３００＋）を使用した場合の波形であり、太い実線は電流波形、細い破線は電圧波形を示している。

このような波形の直流の場合、溶接ワイヤーの溶融状態を決定するピーク電流Ｉ_Pは、溶接機によって決まるが、母材への入熱量に関係するベース電流Ｉ_Bを、本発明では１０〜１００Ａとなるように制御することとしている。

このベース電流Ｉ_Bが溶接ワイヤーに流れるベース時間Ｔ_Bは、長くなるほど母材への入熱量が少なくなる。また、ピーク電流Ｉ_Pが溶接ワイヤーに流れる時間Ｔ_Pは、溶接機によって決まる。

本発明において、ベース電流Ｉ_Bを１０Ａ〜１００Ａとするのは、１０Ａ未満であれば溶接アークが不安定となりスパッタが多量に発生したり、溶込み不足が生じたりするからである。また、１００Ａを超えると母材への入熱が大きく溶込みが深くなり、希釈率が高くなってしまうからである。

また、本発明では、ベース時間をＴ_B、ピーク時間をＴ_Pとした場合に、１周期Ｔ_P＋Ｔ_Bにおけるベース時間Ｔ_Bの割合であるＴ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）が４０〜８０％となるように制御することとしている。本発明では、周期の逆数である周波数は、特に規定しないが、溶接ワイヤーを溶融させつつ、できるだけ母材への入熱量を少なくするために、６０〜１２０Ｈｚとすることが望ましい。

本発明において、Ｔ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）を４０〜８０％とするのは、４０％未満であれば母材への入熱が大きくなるため希釈率が高くなり、特にオーステナイト系ステンレス鋼を炭素鋼に直接溶接した場合には高温割れ（凝固割れ）の発生が危惧されるからである。また、８０％を超えると溶接ワイヤーを溶融させる熱量を与えるための条件選定が困難となり、開先の溶込み不足が生じたり、スパッタが多量に発生してしまうからである。

本発明においては、ピーク電圧Ｅ_Pやベース電圧Ｅ_Bは規定しないが、ピーク電圧Ｅ_Pはスパッタを少なくするために１２〜２５Ｖの範囲内と、ベース電圧Ｅ_Bは安定したアークを維持するために５〜１０Ｖの範囲内とすることが望ましい。

本発明の肉盛溶接方法は、上記した条件でパルス溶接することを特徴とするものであり、交流で行う場合は、例えば図３（ａ）に示すように配管ｐを水平に保持した状態で配管ｐの長手方向に肉盛溶接を行う作業を、図３（ｂ）のイ〜ホに示す順序で鋼管ｐを回転させて行えば良い。

ちなみに、下記のパルス条件で、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０９）の溶接ワイヤー（直径１．２mm）で炭素鋼製の配管（ＳＴＢ３４０）に肉盛溶接を行ったところ、スパッタ、欠陥の少ない、高品質の肉盛溶接が、０〜１％の希釈率で行えた。なお、希釈率は、肉盛溶接部における母材表面より下部の縦断面積をＡ、上部の縦断面積をＢとした場合、｛Ａ／（Ａ＋Ｂ）｝×１００％で表される。

（パルス条件）
ＥＰ極性時のピーク電流：３５０〜５００Ａ
ＥＰ極性時のベース電流：３０〜６０Ａ
ＥＮ極性時のピーク電流：−５００〜−２５０Ａ
ＥＮ極性時のベース電流：−１０〜６０Ａ
周波数：４０〜８０Ｈｚ
溶接速度：１０〜４０cm／min

一方、直流で行う場合は、例えば配管ｐを垂直に保持した状態で配管ｐの長手方向に肉盛溶接を行う作業を、図４〜図９に示す本発明の肉盛溶接装置を用いて行えば良い。

図４〜図９において、１は多数の配管ｐを並列に配置した例えばごみ焼却炉におけるボイラ水管の、腐食減肉及び肉減りした箇所の表面を肉盛溶接する本発明装置であり、以下に説明するような構成となっている。

２ａ、２ｂは前記配管ｐ上に、支持金具３によって所定の間隔を存して取付けられる対をなす２本の横行レールであり、これら２本の横行レール２ａ、２ｂ上には、各横行レール２ａ、２ｂに案内されて移動する横行台車４ａ、４ｂがそれぞれ設置されている。

なお、横行台車４ａ、４ｂは、横行レール２ａ、２ｂに案内されて移動できるものであれば、特にその構成は問わない。例えば横行レール２ａ、２ｂの両側から例えばローラベアリングで挟持して台車本体４ａａ、４ｂａを移動自在としておく。この台車本体４ａａ、４ｂａに、横行レール２ａ、２ｂの両端部に巻き回したチェーン４ａｂ、４ｂｂの両端を固定し、このチェーン４ａｂ、４ｂｂに噛み合うスプロケット４ａｃ、４ｂｃをモータ４ａｄ、４ｂｄで正逆回転させればよい。

５は前記２台の横行台車４ａ、４ｂを連結する走行ガイド部材であり、この走行ガイド部材５に沿って溶接走行台車６が移動するようになされている。この溶接走行台車６も、走行ガイド部材５に案内されて移動できるものであれば、特にその構成は問わない。例えば前記横行台車４ａ、４ｂと同様、走行ガイド部材５の両側からローラベアリングで挟持して移動自在とした台車本体６ａに、走行ガイド部材５の両端部に巻き回したチェーン６ｂの両端を固定し、このチェーン６ｂに噛み合うスプロケット６ｃをモータ６ｄで正逆回転させればよい。

７は前記溶接走行台車６に取付けられたトーチヘッドである。このトーチヘッド７は、前記横行レール２ａ、２ｂと同じ方向に配置された横行ガイド部材７ａに沿う移動可能に上下部材７ｂが取付けられ、この上下部材７ｂに前記横行ガイド部材７ａと同方向の移動可能に円弧移動装置７ｃを取付けた構成である。そして、この円弧移動装置７ｃに沿う移動が可能なように、溶接トーチ７ｅを備えたウィービング装置７ｄを取付けている。

前記上下部材７ｂの横行ガイド部材７ａに沿う移動機構や、前記円弧移動装置７ｃの前記横行ガイド部材７ａと同方向の移動機構も、前記の移動ができるものであれば特にその構成は問わない。例えば、モータ７ｂａ又は７ｃａによってねじ軸を正逆回転し、このねじ軸に螺合するボールねじに、前記上下部材７ｂ又は前記円弧移動装置７ｃを一体的に取付ければよい。

また、ウィービング装置７ｄの円弧移動装置７ｃに沿う移動機構も、特にその構成は問わない。例えば、モータ７ｄａによってスプロケット７ｄｂを正逆回転し、このスプロケット７ｄｂから、チェーン７ｄｃ、スプロケット７ｄｄ、回転軸７ｄｅを介して、円弧状ラック７ｄｇに噛み合うピニオン７ｄｆを正逆回転させればよい（図９参照）。

なお、８は溶接機（図示省略）から前記トーチヘッド７の構成要素である溶接トーチ７ｅに供給する溶接ワイヤー及び電力を案内する配管、５ａは走行ガイド部材５のたわみを防止するために設置されたテンションロッドである。

前記の各移動機構は、制御装置（図示省略）からの信号により、配管ｐの腐食減肉箇所及び肉減り箇所に位置するように制御され、所要の肉盛溶接を行うようになっている。その際、本発明では、前記溶接トーチ７ｅへの電力の供給を、先に説明した条件に制御する。

上記構成の本発明の肉盛溶接装置１は、配管ｐの縦方向（図４に白抜き矢印で示す紙面上下方向）に往復しながら配管ｐの表面に肉盛溶接を施す。そして、１本の配管ｐの溶接が終了すると隣の配管ｐに移動し、例えば図９にイ、ロ、ハ、ニで示す順に、同様の溶接を繰返し行う（図４の黒塗り矢印参照）。

ちなみに、本発明の肉盛溶接装置１を使用し、下記のパルス条件で、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０９）の溶接ワイヤー（直径１．２mm）で炭素鋼製の配管（ＳＴＢ３４０）に肉盛溶接を行ったところ、スパッタ、欠陥の少ない、高品質の肉盛溶接が、０〜１％の希釈率で行えた。

（パルス条件）
ピーク電流：３５０〜５００Ａ
ベース電流：３０〜８０Ａ
周波数：１００〜１８０Ｈｚ
溶接速度：１０〜３０cm／min

本発明は、上記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１ 肉盛溶接装置
２ａ、２ｂ 横行レール
４ａ、４ｂ 横行台車
５ 走行ガイド部材
６ 溶接走行台車
７ トーチヘッド
７ａ 横行ガイド部材
７ｂ 上下部材
７ｃ 円弧移動装置
７ｄ ウィービング装置
７ｅ 溶接トーチ

Claims (3)

1. 配管の腐食減肉箇所及び肉減り箇所の表面を肉盛溶接する際に、
   前記肉盛溶接する溶接機の溶接トーチに供給する電力を、
   直流の場合は、ベース時間をＴ_B、ピーク時間をＴ_Pとした場合に、Ｔ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）が４０〜８０％で、ベース電流Ｉ_Bが１０〜１００Ａとなるパルス条件とする一方、
   交流の場合は、交流１周期中における電極がマイナス側の時間の比率であるＥＮ比が４０〜８０％で、電極がプラス（ＥＰ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが１０Ａ〜１００Ａ、電極がマイナス（ＥＮ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが−１００Ａ〜−１０Ａとなるパルス条件とする、
   ことを特徴とする肉盛溶接方法。
2. 前記配管は炭素鋼であり、溶接トーチの供給する溶接ワイヤーはオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の肉盛溶接方法。
3. 並列配置された配管の腐食減肉箇所及び肉減り箇所の表面を肉盛溶接する装置であって、
   前記配管上に取付けられる対をなす２本の横行レールと、
   これら対をなす２本の横行レールに案内されて移動する２台の横行台車と、
   これら２台の横行台車を連結する走行ガイド部材と、
   この走行ガイド部材に案内されて移動する溶接走行台車と、
   この溶接走行台車に取付けられたトーチヘッドと、
   このトーチヘッドの構成要素である溶接トーチに溶接ワイヤー及び電力を供給する溶接機と、
   を有し、
   前記トーチヘッドは、
   前記横行レールと同じ方向に配置された横行ガイド部材と、
   この横行ガイド部材に沿う移動可能に取付けられた上下部材と、
   この上下部材に、前記横行ガイド部材と同方向の移動可能に取付けられた円弧移動装置と、
   この円弧移動装置に沿う移動可能に取付けられた、前記溶接トーチを備えたウィービング装置とで構成され、
   かつ、前記溶接トーチへの電力の供給を、
   直流の場合は、ベース電圧をＴ_B、ピーク電圧をＴ_Pとした場合に、Ｔ_B／（Ｔ_P＋Ｔ_B）が４０〜８０％で、ベース電流Ｉ_Bが１０〜１００Ａとなるパルス条件とすべく、
   一方、交流の場合は、交流１周期中における電極がマイナス側の時間の比率であるＥＮ比が４０〜８０％で、電極がプラス（ＥＰ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが１０Ａ〜１００Ａ、電極がマイナス（ＥＮ）極性の時の溶接ワイヤーに流れるベース電流Ｉ_Bが−１００Ａ〜−１０Ａとなるパルス条件とすべく、
   制御して行うことを特徴とする肉盛溶接装置。

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