JP2013146771A - 溶接用バックシールド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置が容易であり、溶接に要する工数が低減される溶接用バックシールド装置を安価にて提供する。
【解決手段】溶接用バックシールド装置１０は、２つの配管１２，１４の溶接開先部１２ａ，１４ａ同士を溶接する際に用いられる。溶接用バックシールド装置１０は、溶接の際に、配管１２，１４の溶接開先部１２ａ，１４ａの径方向中心に配置されるガス噴射ノズル３８と、ガス噴射ノズル３８に接続され、ガス噴射ノズル３８に不活性ガスを供給するガス供給チューブ３２とを備える。ガス噴射ノズル３８は、筒形状の本体部４４と、本体部４４に設けられ、配管１２，１４の溶接開先部１２ａ，１４ａに向け開口したガス噴射孔４８とを有し、不活性ガスが供給されたときに、ガス噴射孔４８から配管１２，１４の溶接開先部１２ａ，１４ａに向けて不活性ガスを噴出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、配管の溶接時に、配管の内側にて溶融金属を覆うシールドガスを供給する溶接用バックシールド装置に関する。

陸用ボイラ、舶用ボイラ及び化学プラント等で用いられる配管同士は、例えばアーク溶接によって接続される。アーク溶接では、通常、アルゴンガス等の不活性ガスが、通電により生じた溶融金属を覆うシールドガスとして用いられる。

そして、配管の内側にて溶融金属を覆うべく、配管の内側に不活性ガスを供給する手段が用いられている。この種の手段として、例えば、特許文献１が開示する内面シールド溶接用シールド治具は風船状隔壁体を有する。風船状隔壁体は、配管内に挿入されてから膨らまされ、溶接される配管の先端から離間した位置で配管内を閉塞する。そして、この閉塞状態下で、配管内に不活性ガスが供給される。これにより、配管内は不活性ガスで満たされ、配管の内側にて、溶融金属が不活性ガスで覆われる。

また、特許文献２が開示する遮蔽材は、配管を閉塞可能な形状に成形された紙からなる。この場合、遮蔽材を配管内に嵌合することによって、配管の内側が閉塞される。この閉塞状態下で、配管内に不活性ガスを供給することによって、配管の内側にて、溶融金属が不活性ガスで覆われる。

特開平１１−３３７８３号公報 特開２００９−１１３１１２号公報

特許文献１が開示する内面シールド溶接用シールド治具では、風船状隔壁体としてゴム風船が用いられる。この場合、溶接される配管の先端から２ｍ以上離れた位置にゴム風船を設置する必要がある。配管の先端近傍は、２００℃の温度まで予備加熱され、更に、溶接時に熱が発生するので、配管の先端近傍の温度が高温になり、ゴム風船が熱によって破裂する虞があるからである。

ところでゴム風船は、当該ゴム風船を覆い万一当該風船が破裂しても破片を残らず回収できる網状包被体と共に、配管の検査孔から挿入される。配管の検査孔の直径は例えば４０ｍｍである。このように小さい直径の検査孔を通じて、約２ｍもの距離に渡り、ゴム風船及び網状網状包被体を挿入するのは時間と労力がかかり、効率的ではないという問題がある。

また、特許文献２が開示する遮蔽材を用いる場合、配管の開口端から遮蔽材を挿入する必要がある。遮蔽材の挿入作業には時間と手間がかかるばかりでなく、配管の端部が開口していない場合には、遮蔽部材を挿入すること自体が不可能であるという問題がある。

更に、特許文献２が開示する遮蔽材を用いる場合、溶接後に遮蔽材を溶かすために、配管内に蒸気を流すフラッシングが行われる。この場合、フラッシングによって全ての遮蔽材を除去する必要があるが、全ての遮蔽材が除去されたかを確認することは困難である。このため、フラッシングに充分に時間をかける必要があり、やはり効率的ではない。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされ、その目的とするところは、設置が容易であり、溶接に要する工数が低減される溶接用バックシールド装置を安価にて提供することにある。

本発明の一態様によれば、２つの配管の先端の溶接開先部同士を溶接する際に用いられる溶接用バックシールド装置において、溶接の際に、前記配管の溶接開先部の径方向中心部に配置されるガス噴射ノズルと、前記ガス噴射ノズルに接続され、前記ガス噴射ノズルに不活性ガスを供給するガス供給チューブとを備え、前記ガス噴射ノズルは、筒形状の本体部と、前記本体部に設けられ、前記配管の溶接開先部に向け開口したガス噴射孔とを有し、前記不活性ガスが供給されたときに、前記ガス噴射孔から前記配管の溶接開先部に向けて前記不活性ガスを噴出させることを特徴とする溶接用バックシールド装置が提供される。

本発明の一態様の溶接用バックシールド装置によれば、溶接に先立つ準備として、風船状隔壁体や遮蔽材を設置する必要が無く、ガス噴射ノズルを、溶接される配管の溶接開先部の径方向中心に配置すればよい。このため、溶接用バックシールド装置の設置は容易であり、溶接にかかる工数が低減される。
また、ガス噴射ノズルは簡単な構成を有するので、溶接用バックシールド装置は安価である。更に、ガス噴射ノズルは再利用可能であるので、この点からも、溶接用バックシールド装置は安価である。

好ましくは、前記本体部に、複数の前記ガス噴射孔が設けられ、前記ガス噴射孔は、前記本体部の周方向にて全域に渡って、相互に間隔を存して分布している。
この構成によれば、ガス噴射ノズルは、特に簡単な構成を有するので、溶接用バックシールド装置は安価である。

好ましくは、前記ガス噴射ノズルは、前記ガス供給チューブに対して相対回転可能に接続され、前記ガス噴射孔は、前記本体部の周方向にて一部の領域に設けられ、溶接用バックシールド装置は、前記ガス噴射ノズルを回転させる回転手段を更に備える。
この構成によれば、シールドガスの噴射方向に指向性があるので、より少ない量のシールドガスで、溶融金属を確実に覆うことができる。

本発明によれば、設置が容易であり、溶接にかかる工数が低減される溶接用バックシールド装置が安価にて提供される。

本発明の第１実施形態に係る溶接用バックシールド装置を、溶接対象の配管及び溶接用トーチとともに概略的に示す図である。 図１中のガス噴射ノズル及びガス供給チューブの一部の断面を概略的に示す図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係る溶接用バックシールド装置を、溶接対象の配管及び溶接用トーチとともに概略的に示す図である。 図４中のガス噴射ノズル、ガス供給チューブ、ギヤボックス及び駆動ワイヤを、一部を除き断面にて概略的に示す図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿う概略的な断面図である。 図５中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う概略的な断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の溶接用バックシールド装置１０とともに、第１の配管１２、配管１４及び溶接用トーチ１６を概略的に示す図である。
第１の配管１２及び第２の配管１４は、例えば、高Ｃｒ綱からなり、陸用ボイラ、舶用ボイラ又は化学プラント等に用いられる。第１の配管１２及び第２の配管１４は同軸上に配置され、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端が相互にアーク溶接される。

アーク溶接の前処理として、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端には、開先加工が施され、Ｖ型の開先（溶接開先部）１２ａ，１４ａが形成されている。なお、開先１２ａ，１４ａは、Ｉ型、Ｕ型、Ｘ型又はＨ型であってもよい。

第１の配管１２及び第２の配管１４の先端は、例えば、最初にＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接され、その後、複数回ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）溶接される。ＴＩＧ溶接及びＭＡＧ溶接の各回において、先端の全周に渡る溶接ビードが形成され、溶接ビードが径方向に数層重ねられる。
なお、溶接の種類は、ＴＩＧ溶接及びＭＡＧ溶接に限定されることはなく、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接であってもよい。そして、溶接の種類の組み合わせ及び順序も特に限定されることはない。

＜溶接用トーチ＞
溶接用トーチ１６は、本体１８を有し、本体１８の先端にはノズル２０が設けられている。ノズル２０からは、シールドガスが噴射される。シールドガスは、例えば、アルゴンガスやヘリウムガス等の不活性ガスからなり、更に二酸化炭素ガスを含んでいても良い。
また、ノズル２０の先端からは、電極２２が突出している。ＴＩＧ溶接の場合には、電極２２はタングステン系合金からなり、溶接の際に、図示しない溶加材が併用される。一方、ＭＡＧ溶接及びＭＩＧ溶接の場合には、電極２２は鉄系材料からなる溶接ワイヤであり、自身が溶加材としても機能する。

電極２２と第１の配管１２及び第２の配管１４の先端の間で電流が流れると、溶加材及び第１の配管１２及び第２の配管１４の先端が溶融して溶融金属の池を形成し、溶融金属が冷却されて溶接ビードを形成する。このとき、第１の配管１２及び第２の配管１４の外側では、溶融金属は、ノズル２０から噴射されるシールドガスによって覆われ、大気成分が溶接ビードに溶け込むことが防止される。

＜溶接用バックシールド装置＞
第１の配管１２及び第２の配管１４の内側においても、溶融金属は、溶接用バックシールド装置１０が噴射するシールドガスによって覆われる。
具体的には、溶接用バックシールド装置１０は制御装置２６を有し、制御装置２６は、電源スイッチ２８、ガス供給量調整ノブ３０、及び、ガス供給ポートを有する。制御装置２６は、ガス供給ポートからシールドガスを供給することができ、ガス供給量調整ノブ３０を操作することによって、シールドガスの供給量を制御することができる。

制御装置２６のガス供給ポートには、ガス供給チューブ３２の基端に一体的に設けられたジョイント部３４が接続されている。ガス供給チューブ３２は、第２の配管１４に設けられた検査孔１４ｂを通じて、第２の配管１４内に挿入されている。ガス供給チューブ３２は、検査孔１４ｂに嵌合された支持治具３６を介して、第２の配管１４によって支持されている。
なお、第１の配管１２及び第２の配管１４の外径は、例えば１００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、検査孔１４ｂの直径は、例えば４０ｍｍである。検査孔１４ｂから第２の配管１４の先端までの距離は、例えば３００ｍｍ以上５００ｍｍ以下である。

ガス供給チューブ３２の先端には、一体的にガス噴射ノズル３８が設けられている。図２は、ガス供給チューブ３２の先端側及びガス噴射ノズル３８の断面を概略的に示す図である。
ガス供給チューブ３２は、折り曲げ可能なフレキシブルチューブ４０と、フレキシブルチューブ４０の内側に挿通されたガスチューブ４２からなる。フレキシブルチューブ４０は、例えばステンレスからなり、ガスチューブ４２は、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂からなる。シールドガスは、ガスチューブ４２の内部を通じて、制御装置２６からガス噴射ノズル３８に供給される。

ガス噴射ノズル３８は、例えば、ステンレス等の金属やテフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂からなり、有底且つ中空の円筒形状の本体部４４と、本体部４４から同軸にて突出するスリーブ部４６とからなる。本体部４４は、多角形の角筒形状であってもよいが、好ましくは円筒形状を有する。

スリーブ部４６は、例えばかしめ加工によって、ガス供給チューブ３２の先端に固定されている。つまり、スリーブ部４６は、ガス噴射ノズル３８とガス供給チューブ３２の間の接続部を構成している。本体部４４は、ガス供給チューブ３２と同軸上に配置され、スリーブ部４６を介して、ガス供給チューブ３２によって支持されている。
本体部４４は、第１の配管１２及び第２の配管１４の長手方向にて、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端と同じ位置に配置され、且つ、第１の配管１２及び第２の配管１４の径方向にて中心に配置されている。また、本体部４４は、本体部４４の長手方向が、第１の配管１２及び第２の配管１４の長手方向に一致するように配置される。

本体部４４の周壁には、それぞれ周壁を貫通する複数のガス噴射孔４８が形成されている。ガス噴射孔４８は、本体部４４の周方向にて一列に配列されている。ガス噴射孔４８は、それぞれ、本体部４４の周壁の外周面にて開口しており、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端に向けて開口している。

図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う概略的な断面図であり、本体部４４の周壁には、８つのガス噴射孔４８が形成され、ガス噴射孔４８の中心間隔は４５度である。従って本実施形態では、ガス噴射孔４８は、本体部４４の周方向全域に渡って、相互に間隔を存して分布している。
各ガス噴射孔４８は、例えば、円形状の横断面形状を有しながら、直径が径方向外側に向けて徐々に大きくなるテーパ孔である。

以下、上述した溶接用バックシールド装置１０の使用方法について説明する。
溶接用バックシールド装置１０は、第１の配管１２と第２の配管１４を溶接する際に、溶接用トーチ１６とともに使用される。溶接用バックシールド１０を設置する際、ガス噴射ノズル３８が検査孔１４ｂから挿入される。そして、ガス供給チューブ３２を適当に折り曲げながら、第２の配管１４内にガス噴射ノズル３８を送り込み、最終的に、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端の径方向中心に、ガス噴射ノズル３８が配置される。そしてこの配置にて、ガス供給チューブ３２が支持治具３６によって固定される。

ガス噴射ノズル３８の設置後、ガス噴射ノズル３８には、制御装置２８からシールドガスが供給される。そして、ガス噴射ノズル３８は、供給されたシールドガスを、ガス噴射孔４８を通じて噴出させる。これにより、ガス噴射ノズル３８は、第１の配管１２及び第２の配管１４の内側から、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端、換言すれば、溶融金属に向けてシールドガスを噴射する。
好ましくは、溶接用バックシールド装置１０は、溶接開始直前から、第１の配管１２及び第２の配管１４の先端同士が３周溶接されるまで、シールドガスを供給する。つまり、溶接用バックシールド装置１０は、溶接ビードが３層にわたって形成されるまで、シールドガスを供給するのが好ましい。

また好ましくは、ガス噴射ノズル３８からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力は、ガス供給量調整ノブ３０を操作することによって、溶接用トーチ１６のノズル２０からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力を超えないように設定される。例えば、ノズル２０からの噴射量が２５ｍ^３／分である場合には、ガス噴射ノズル３８からのシールドガスの噴射量が２０ｍ^３／分に設定される。

上述した第１実施形態の溶接用バックシールド装置１０によれば、溶接に先立つ準備として、風船状隔壁体や遮蔽材を設置する必要が無く、ガス噴射ノズル３８を、溶接される第１の配管１２及び第２の配管１４の先端、即ち開先１２ａ，１４ａの径方向中心に配置すればよい。このため、溶接用バックシールド装置１０の設置は容易であり、溶接にかかる工数が低減される。
また、ガス噴射ノズル３８は簡単な構成を有するので、溶接用バックシールド装置１０は安価である。更に、ガス噴射ノズル３８は再利用可能であるので、この点からも、溶接用バックシールド装置１０は安価である。

更に、上述した第１実施形態の溶接用バックシールド装置１０によれば、ガス噴射ノズル３８からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力が可変であり、溶接用トーチ１６のノズル２０からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力を超えないように設定することができる。これにより、シールドガスの不所望の流れが防止され、結果として、不安定な形状の溶接ビードが形成されることや欠陥の発生が防止される。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と同一又は類似の構成については、同一の符号を付して説明を省略又は簡略化する。
図４は、第２実施形態の溶接用バックシールド装置５０とともに、第１の配管１２、配管１４及び溶接用トーチ１６を概略的に示す図である。溶接用バックシールド装置５０では、ガス噴射ノズル５２が、ガス供給チューブ３２に対して相対回転可能に連結されている。

そして、ガス噴射ノズル５２がギヤボックス５４及び駆動ワイヤ５６を介して、制御装置５８に接続されている。制御装置５８は、ギヤボックス５４及び駆動ワイヤ５６を介して、ガス噴射ノズル５２をその場で回転させることができる。ガス噴射ノズル５２の回転速度は、例えば、制御装置５８に設けられた回転速度調整ノブ６０を操作することによって制御可能である。

図５は、ガス噴射ノズル５２、ガス供給チューブ３２、ギヤボックス５４、及び、駆動ワイヤ５６を、一部を除き断面にて示す図である。ガス噴射ノズル５２のスリーブ部４６の外周面には、全周に渡って歯列６２が形成されており、スリーブ部４６は、歯車としての機能を有する。
一方、ギヤボックス５４は、スリーブ部４６に対し、スリーブ部４６を囲むように、且つ、相対回転可能に取り付けられている。ギヤボックス５４内には、歯車６４が回転可能に配置されている。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿う概略的な断面図であり、歯車６４の歯列６４ａは、スリーブ部４６の歯列６２と噛み合わされている。

再び図５を参照すると、歯車６４には、駆動ワイヤ５６の心線６６が一体的に連結されている。心線６６は、被覆６８によって覆われているが、被覆内６８内で回転可能である。制御装置５８の駆動機構が心線６６を回転させることによって、歯車６４が回転させられ、これにより、ガス噴射ノズル５２が回転させられる。つまり、心線６６、歯車６４、及び、スリーブ部４６の歯列６２が、ガス噴射ノズル５２を回転させる回転手段を構成している。

また、ギヤボックス５４には、スリーブ７０が同軸且つ一体にて設けられ、スリーブ７０が、ガス供給チューブ３２の先端部に嵌合されている。つまり、ガス噴射ノズル５２は、ギヤボックス５４及びスリーブ７０を介して、ガス供給チューブ３２に相対回転可能に連結されている。

一方、図７は、図５中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う概略的な断面図である。ガス噴射ノズル５２の本体部４４には、例えば３つのガス噴射孔４８が形成されている。ガス噴射孔４８は、本体部４４の周方向にて一部の領域に、相互に離間して配置されている。つまり、本実施形態では、シールドガスが、ガス噴射ノズル５２から特定の方向に向かってのみ噴射される。好ましくは、ガス噴射孔４８は、本体部４４の周方向にて、３０度以上６０度以下の領域に設けられている。

ここで、シールドガスは、ガス噴射ノズル５２から、溶融金属、則ち、溶接用トーチ１６に向かって噴射される必要がある。そこで、本実施形態では、回転速度調整ノブ６０を操作することによって、溶接用トーチ１６の回転に同期して、ガス噴射ノズル５２が回転させられる。
なお、ガス噴射孔４８の数は、３つに限定されることはなく、１つ以上であればよい。また、各ガス噴射孔４８は、本体部４４の周方向に沿って延びる長孔形状又はスリット形状を有していてもよい。

上述した第２実施形態の溶接用バックシールド装置５０によれば、溶接に先立つ準備として、風船状隔壁体や遮蔽材を設置する必要が無く、ガス噴射ノズル５２を、溶接される第１の配管１２及び第２の配管１４の先端の径方向中心に配置すればよい。このため、溶接用バックシールド装置５０の設置は容易であり、溶接にかかる工数が低減される。
また、ガス噴射ノズル５２は、ガス噴射ノズル３８よりは複雑であるものの、なお簡単な構成を有するので、溶接用バックシールド装置５０は安価である。更に、ガス噴射ノズル３８は再利用可能であるので、この点からも、溶接用バックシールド装置５０は安価である。

更に、上述した第２実施形態の溶接用バックシールド装置５０によれば、ガス噴射ノズル５２からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力が可変であり、溶接用トーチ１６のノズル２０からのシールドガスの噴射量（供給量）又は噴射圧力を超えないように設定することができる。これにより、シールドガスの不所望の流れが防止され、結果として、不安定な形状の溶接ビードが形成されることや欠陥の発生が防止される。

その上、上述した第２実施形態の溶接用バックシールド装置５０によれば、ガス噴射ノズル５２からのシールドガスの噴射方向に指向性があるので、より少量のシールドガスにて、確実に溶融金属を覆うことができる。
特に、３つのガス噴射孔４８のうち、中央のガス噴射孔（主噴射孔）４８の位置を溶接用トーチ１６の位置に同期させれば、両側の２つのガス噴射孔（副噴射孔）４８から噴射されるシールドガスによって、溶融金属全体がシールドガスによって確実に覆われる。

最後に、本発明は、上述した第１実施形態及び第２実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ 溶接用バックシールド装置
１２ 第１の配管
１２ａ 開先（溶接開先部）
１４ 第２の配管
１４ａ 開先（溶接開先部）
１４ｂ 検査孔
１６ 溶接用トーチ
２６ 制御装置
３２ ガス供給チューブ
３６ 支持治具
３８ ガス噴射ノズル
４４ 本体部
４６ スリーブ部
４８ ガス噴射孔

Claims (3)

1. ２つの配管の先端の溶接開先部同士を溶接する際に用いられる溶接用バックシールド装置において、
   溶接の際に、前記配管の溶接開先部の径方向中心に配置されるガス噴射ノズルと、
   前記ガス噴射ノズルに接続され、前記ガス噴射ノズルに不活性ガスを供給するガス供給チューブとを備え、
   前記ガス噴射ノズルは、
   筒形状の本体部と、
   前記本体部に設けられ、前記配管の溶接開部に向け開口したガス噴射孔とを有し、
   前記不活性ガスが供給されたときに、前記ガス噴射孔から前記配管の溶接開先部に向けて前記不活性ガスを噴出させる
   ことを特徴とする溶接用バックシールド装置。
2. 前記本体部に、複数の前記ガス噴射孔が設けられ、
   前記ガス噴射孔は、前記本体部の周方向にて全域に渡って、相互に間隔を存して分布している
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接用バックシールド装置。
3. 前記ガス噴射ノズルは、前記ガス供給チューブに対して相対回転可能に接続され、
   前記ガス噴射孔は、前記本体部の周方向にて一部の領域に設けられ、
   前記ガス噴射ノズルを回転させる回転手段を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接用バックシールド装置。

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