JP2015112636A - 肉盛溶接装置および肉盛溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切なビードを高速に形成する。
【解決手段】母材５の表面にアーク１６を発生させるトーチ２と、トーチ２が溶接方向１４に移動しているときに、溶接方向１４に垂直であるウィービング方向にトーチ２を往復運動させるウィービング装置１２と、アーク１６により溶融された溶融金属から形成される溶融池１７に交番磁界１８を発生させるコイル３とを備えている。このような肉盛溶接装置１は、交番磁界１８とアーク１６により溶融金属に流れる電流とにより発生した電磁力２５により溶融池１７の溶融金属を撹拌し、溶融池１７の径を大きくすることができる。このような肉盛溶接装置１は、溶融池１７の径が大きいことにより、トーチ２を高速に移動させた場合でも、ウィービングすることによりビード２０の縁に形成される凹凸の差を小さくすることができ、適切なビード２０を高速に形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、肉盛溶接装置および肉盛溶接方法に関し、特に、母材を肉盛溶接する肉盛溶接装置および肉盛溶接方法に関する。

ボイラの火炉壁が高温により腐食減肉することが知られている。減肉した火炉壁は、肉盛溶接された新規火炉壁に交換される。より高速に肉盛溶接することが望まれている。

特公昭５９−４０５４９号公報には、非消耗性電極および溶加材を直流電源に接続し、非消耗性電極と溶加材に流れる各電流方向を反対向きに形成することにより、高速溶接が可能である直流ＴＩＧ溶接法が開示されている。
特開昭６０−１２１０７６号公報には、溶融金属を電磁撹拌することにより、母材への溶込みを少なくするとともに、タングステン電極先端の消耗を防止するＴＩＧ溶接装置が開示されている。

特公昭５９−４０５４９号公報 特開昭６０−１２１０７６号公報

ウィービングすることにより幅が広いビードを形成することが知られている。しかしながら、トーチを高速に移動させた場合に、ウィービングすることにより、縁に形成される凹凸の差が大きい蛇行したビードが形成されることがある。蛇行したビードは、溶込み不良等に例示される溶接欠陥が発生しやすくなる。適切なビードを高速に形成することが望まれ、ウィービングすることにより縁に形成される凹凸の差を小さくすることが望まれている。

本発明の課題は、適切なビードを高速に形成する肉盛溶接装置および肉盛溶接方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、ウィービングすることにより縁に形成される凹凸の差が小さいビードを高速に形成する肉盛溶接装置および肉盛溶接方法を提供することにある。

本発明による肉盛溶接装置は、母材の表面にアークを発生させるトーチと、前記トーチが溶接方向に移動しているときに、前記溶接方向に垂直であるウィービング方向に前記トーチを往復運動させるウィービング装置と、前記アークにより溶融された溶融金属から形成される溶融池に交番磁界を発生させるコイルとを備えている。
このような肉盛溶接装置は、交番磁界とアークにより溶融金属に流れる電流とにより発生した電磁力により溶融池の溶融金属を撹拌することにより、溶融池を大きくすることができる。このような肉盛溶接装置は、溶融池が大きいことにより、トーチを高速に移動させた場合でも、ウィービングすることによりビードの縁に形成される凹凸の差を小さくすることができ、適切なビードを高速に形成することができる。

本発明による肉盛溶接装置は、前記溶融池に溶加材を送給する送給装置と、前記母材に対して所定の電圧を前記溶加材に印加する電源とをさらに備えている。
このような肉盛溶接装置は、溶加材を介して溶融金属に流れる電流と交番磁界とにより発生した電磁力により溶融金属をさらに撹拌することにより、溶融池をさらに大きくすることができる。このような肉盛溶接装置は、溶融池が大きいことにより、ウィービングすることによりビードの縁に形成される凹凸の差を小さくすることができ、ビードを適切に形成することができる。

前記交番磁界が交番する周波数は、前記トーチが往復運動する周波数の２倍より大きい。このような肉盛溶接装置は、ウィービングすることによりビードの側面に形成される凹凸の差をより確実に小さくすることができ、ビードを適切に形成することができる。

本発明による肉盛溶接方法は、母材の表面にアークを発生させるトーチを溶接方向に移動させること、前記トーチが前記溶接方向に移動しているときに、前記溶接方向に垂直であるウィービング方向に前記トーチを往復運動させることと、前記アークにより溶融された溶融金属から形成される溶融池に、交番磁界を発生させることを備えている。

このような肉盛溶接方法は、交番磁界とアークにより溶融金属に流れる電流とにより発生した電磁力により溶融池の溶融金属を撹拌することにより、溶融池を大きくすることができる。このような肉盛溶接方法は、溶融池が大きいことにより、トーチを高速に移動させた場合でも、ウィービングすることによりビードの縁に形成される凹凸の差を小さくすることができ、適切なビードを高速に形成することができる。

本発明による壁面保護方法は、本発明による肉盛溶接方法を実行することによりボイラの火炉壁の壁面に第１ビードを形成すること、前記肉盛溶接方法をさらに実行することにより前記第１ビードに隣り合う第２ビードを前記壁面に形成することを備えている。

このような壁面保護方法によれば、本発明による肉盛溶接方法により形成されるビードの幅が大きいことにより、ボイラの火炉壁の壁面にビードを形成するパス回数を低減することができ、ボイラの火炉壁を高速に肉盛溶接することができる。

本発明による肉盛溶接装置および肉盛溶接方法は、交番磁界とアークにより溶融金属に流れる電流とにより発生した電磁力により溶融池の溶融金属を撹拌することにより、溶融池を大きし、トーチを高速に移動させた場合でも、適切なビードを高速に形成することができる。

肉盛溶接装置を示す断面図である。 肉盛溶接方法により形成されたビードを示す平面図である。 交番磁界により生成される電磁力を示す平面図である。 交番磁界により生成される他の電磁力を示す平面図である。 ビードの縁を示す平面図である。 比較例の肉盛溶接方法により形成されたビードを示す平面図である。 火炉壁を示す断面図である。

図面を参照して、肉盛溶接装置の実施の形態が以下に記載される。その肉盛溶接装置１は、図１に示されているように、トーチ２とコイル３とを備えている。トーチ２は、溶接される母材５の表面の近傍に配置される。トーチ２は、ノズル６と電極７とを備えている。

ノズル６は、管状に形成され、図示されていないボンベから供給されるシールドガスが流れる流路を形成している。ノズル６は、ボンベからシールドガスが供給されることにより、一端からシールドガスを放出する。シールドガスとしては、アルゴンが例示される。

電極７は、タングステンから形成され、棒状に形成されている。電極７は、ノズル６の内部にノズル６がシールドガスを放出する領域に先端が向くようにノズル６の内部に配置され、ノズル６に固定されている。電極７は、先端が母材５から所定の距離だけ離れるように配置されているときに、図示されていない電源により母材５に対して所定の直流電圧が印加されることにより、母材５と電極７との間にアークを発生させる。

コイル３は、図示されていない電源に電気的に接続されている電線から形成されている。コイル３は、ノズル６の外側に螺旋状に巻かれるように配置され、ノズル６に固定されている。コイル３は、所定の交番電流が印加されることにより、電極７の先端が向けられている領域に交番磁界を生成する。

肉盛溶接装置１は、さらに、送給装置８と電源９とを備えている。送給装置８は、トーチ２の近傍に配置され、電極７の先端が向けられている領域に溶加材１０を供給する。溶加材１０は、母材５が形成される金属に概ね等しい金属から形成され、棒状に形成されている。電源９は、母材５に対して所定の直流電圧を溶加材１０に印加する。

肉盛溶接装置１は、さらに、図示されていない溶接ロボットを備え、ウィービング装置１２を備えている。溶接ロボットは、電極７の先端が母材５から所定の距離だけ離れるように配置されているときに、母材５の溶接される面に平行である溶接方向１４に平行にトーチ２を平行移動させる。ウィービング装置１２は、トーチ２が溶接ロボットにより溶接方向１４に平行移動しているときに、ウィービング方向に平行に往復運動させる。ウィービング方向は、母材５の溶接される面に概ね平行であり、かつ、溶接方向１４に概ね垂直である。

肉盛溶接方法の実施の形態は、肉盛溶接装置１を用いて実行される。肉盛溶接方法では、まず、母材５の溶接される部分にノズル６が向くように、かつ、母材５の溶接される部分から電極７の先端が所定の距離だけ離れるように、トーチ２が配置される。肉盛溶接装置１は、電極７の先端が母材５から所定の距離だけ離れるようにトーチ２が配置されているときに、母材５に対して所定の直流電圧が電極７に印加される。電極７は、母材５に対して所定の直流電圧が電極７に印加されることにより、電極７の先端と母材５との間にアーク１６を発生させる。

アーク１６は、母材５を溶融し、母材５のうちの電極７の先端が向けられている領域に、母材５が溶融した溶融金属により形成された溶融池１７を形成する。送給装置８は、アーク１６が発生しているときに、所定の速さで溶加材１０を溶融池１７に供給する。アーク１６は、さらに、送給装置８に供給される溶加材１０を溶融し、溶加材１０が溶融した溶融金属からさらに溶融池１７を形成する。

ノズル６は、アーク１６が生成されているときに、図示されていないボンベからシールドガスが供給されることにより、アーク１６と溶融池１７とに向けてシールドガスを放出する。シールドガスは、溶融池１７に向けて放出されることにより、溶融池１７を形成している溶融金属が大気と接触することを防止している。

溶接ロボットは、電極７の先端と母材５との間にアークが発生しているときに、６０ｃｍ／ｍｉｎ．で溶接方向１４に平行にトーチ２を平行移動させる。ウィービング装置１２は、トーチ２が溶接ロボットにより溶接方向１４に平行移動しているときに、オシレート幅０．５ｍｍ（１．２ｍｍ）、ウィービング周波数２Ｈｚでウィービング方向に平行に往復運動させる。

肉盛溶接装置１は、トーチ２を溶接方向１４に移動させながらウィービング方向に往復運動させることにより、図２に示されるように、溶融池１７が蛇行しながら溶接方向１４に移動し、溶接方向１４に平行である溶接線に沿うビード２０が形成される。

コイル３は、溶融池１７が形成されているときに、図示されていない電源により周波数が６Ｈｚである交番電流が印加され、図１に示されるように、電極７の先端が向けられている領域に周波数が６Ｈｚである交番磁界１８を生成する。このとき、交番磁界１８により溶融池１７に形成される磁力線は、母材５の表面に概ね垂直である。

母材５は、アーク１６により溶融されることにより、図３に示されるように、母材５の外側から電極７の先端が向けられている中心領域２１に向かう電流２２が流れる。

交番磁界１８と電流２２とは、中心領域２１を中心とする円の接線方向に電磁力２５を、溶融池１７を形成する溶融金属に印加する。溶融池１７を形成する溶融金属は、電磁力２５が印加されることにより、中心領域２１を中心に回転され、撹拌される。溶融池１７は、撹拌されることにより径が大きくなる。

電源９は、溶融池１７が形成されているときに、母材５に対して所定の直流電圧を溶加材１０に印加する。母材５に対して所定の直流電圧が溶加材１０に印加されることにより、溶加材１０は、溶融池１７から離れる方向に向かう電流２３が流れ、溶融池１７は、溶加材１０に向かう電流２４が流れる。交番磁界１８と電流２４とは、溶接方向１４に垂直である方向に電磁力２６を溶融池１７に印加する。溶融池１７は、電磁力が印加されることにより、撹拌され、径が大きくなる。

さらに、アーク１６は、交番磁界１８に曝されることにより、中心領域２１を中心に回転する。母材５は、アーク１６が回転することにより、比較的大きい領域がアーク１６により加熱され溶解される。溶融池１７は、母材５の広い領域が溶解されることにより、径が大きくなる。

図４は、ビード２０を示している。このような肉盛溶接方法によれば、ビード２０は、トーチ２がウィービングされていることにより、ビード２０の溶接方向１４に垂直である方向のビード幅３１を比較的大きくすることができる。このような肉盛溶接方法によれば、さらに、溶融池１７が電磁力により撹拌されることにより、母材５の溶込み深さ３２を比較的小さくすることができる。このような肉盛溶接方法によれば、さらに、トーチ２を溶接方向１４に高速に移動させることにより、余盛高さ３３を比較的小さくすることができ、比較的少ない溶加材１０でビード２０を形成することができる。

図５は、ビード２０の縁を示している。このような肉盛溶接方法によれば、ビード２０は、溶融池１７が大きいことにより、ビード２０の縁に形成される凹凸の差３４を比較的小さくすることができる。

図６は、肉盛溶接方法の比較例により形成されたビードを示している。比較例の肉盛溶接方法では、コイル３に交番電流が印加されないで、交番磁界１８が生成されない。比較例の肉盛溶接方法により形成される溶融池は、撹拌されないことにより、溶融池１７に比較して、径がより小さい。このため、比較例の肉盛溶接方法により形成されるビード１００は、蛇行したような形状に形成され、ビード２０に比較して、縁に形成される凹凸の差がより大きい。すなわち、既述の実施の形態における肉盛溶接方法は、交番磁界１８を生成することにより、比較例の肉盛溶接方法に比較して、ビード２０の縁に形成される凹凸の差３４がより小さい適切なビードを高速に形成することができる。

肉盛溶接方法は、ボイラの火炉壁の保護に利用することができる。その火炉壁４１は、図７に示されるように、複数の火炉壁管４２と複数の平板４３とを備えている。複数の火炉壁管４２は、それぞれ、金属から形成され、内部に流路が形成される管状に形成されている。複数の火炉壁管４２は、等間隔に配置される複数の平行線にそれぞれ沿うように、配置されている。複数の平板４３は、それぞれ、金属から形成され、帯状に形成されている。複数の平板４３は、複数の火炉壁管４２のうちの隣り合う２つの火炉壁管の間に配置され、溶接により２つの火炉壁管に固定されている。

火炉壁４１は、ボイラが長期間運転されることにより、高温により腐食減肉する。火炉壁４１の減肉した壁面は、溶加材１０としてインコネルを利用して、既述の実施の形態における肉盛溶接方法が繰り返し実行されることにより、複数のビード４４により被覆された新たな火炉壁と交換される。すなわち、肉盛溶接方法を実行することにより複数のビード４４のうちの第１ビードを形成した後に、肉盛溶接方法をさらに実行することにより第１ビードに隣り合う第２ビードを壁面に形成する。

このような壁面保護方法は、既述の実施の形態における肉盛溶接方法がビード２０の縁の凹凸の差３４を小さくすることができることにより、溶込み不良等に例示される溶接欠陥が複数のビード４４に発生することが防止され、複数のビード４４で火炉壁４１の壁面を適切に被覆することができる。このような壁面保護方法は、さらに、既述の実施の形態における肉盛溶接方法が少量の溶加材１０でビード２０を形成することができることにより、複数のビード４４で火炉壁４１の壁面を低コストで被覆することができる。

このような壁面保護方法は、火炉壁４１と異なる他の壁面を複数のビード４４で被覆することに利用されることができる。その壁面としては、石炭ガス化炉の周壁管が例示される。この場合も、壁面保護方法は、複数のビード４４で壁面を適切に被覆することができ、壁面を適切に保護することができる。

ビード２０は、コイル３により生成される交番磁界１８の磁気周波数が、トーチ２がウィービング方向に往復運動させるウィービング周波数の２倍以下であるときに、外観が不良になることがある。ビード２０は、交番磁界１８の磁気周波数がウィービング周波数の２倍より大きくなるように、好ましくは、ウィービング周波数がｎ（Ｈｚ）であるときに、交番磁界１８の磁気周波数が次式：
ｆ＝２×ｎ＋１
により表現されるｆを用いてｆ（Ｈｚ）以上になるように、コイル３に交番電流を印加することにより、より確実に適切に形成されることができる。

トーチ２は、溶接ロボットの代わりにユーザが溶接方向１４に移動させることができる。この場合も、既述の実施の形態における肉盛溶接方法と同様にして、適切なビードを高速に形成することができる。

１ ：肉盛溶接装置
２ ：トーチ
３ ：コイル
５ ：母材
７ ：電極
８ ：送給装置
９ ：電源
１０：溶加材
１２：ウィービング装置
１４：溶接方向
１６：アーク
１７：溶融池
１８：交番磁界
２０：ビード
４１：火炉壁

Claims (5)

1. 母材の表面にアークを発生させるトーチと、
   前記トーチが溶接方向に移動しているときに、前記溶接方向に垂直であるウィービング方向に前記トーチを往復運動させるウィービング装置と、
   前記アークにより溶融された溶融金属から形成される溶融池に交番磁界を発生させるコイル
   とを備える肉盛溶接装置。
2. 前記溶融池に溶加材を送給する送給装置と、
   前記母材に対して所定の電圧を前記溶加材に印加する電源
   とをさらに備える請求項１に記載される肉盛溶接装置。
3. 前記交番磁界が交番する周波数は、前記トーチが往復運動する周波数の２倍より大きい請求項１〜請求項２のうちのいずれか一項に記載される肉盛溶接装置。
4. 母材の表面にアークを発生させるトーチを溶接方向に移動させること、
   前記トーチが前記溶接方向に移動しているときに、前記溶接方向に垂直であるに前記トーチを往復運動させることと、
   前記アークにより溶融された溶融金属から形成される溶融池に、交番磁界を発生させること
   とを備える肉盛溶接方法。
5. 請求項４に記載される肉盛溶接方法を実行することにより壁面に第１ビードを形成すること、
   前記肉盛溶接方法をさらに実行することにより前記第１ビードに隣り合う第２ビードを前記壁面に形成すること
   とを備える壁面保護方法。

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