JP2017030004A - 配管溶接方法および溶接組立て構造 - Google Patents

Abstract

【課題】母管と接続管との接合時において、接続管内面からレーザ溶接した際の接続管外側の溶接接合部の脚長をコントロール可能とする。【解決手段】実施形態によれば、接続対象の開口に接続管の端部開口を接続する溶接方法は、接続対象に第１の開口と第１の開先を形成する接続対象準備ステップＳ１１と、接続管の開口の端部に第２の開先を形成する接続管準備ステップＳ１２と、これらの後に、第２の開先を第１の開先に対向させた状態に固定する開先合わせステップＳ１３と、開先合わせステップＳ１３の後に、接続管の内側から第１の開先および第２の開先をレーザ光によりレーザ溶接を実施するレーザ溶接ステップＳ１５と、レーザ溶接ステップＳ１５の後に、接続管の外側からレーザ溶接の部分にアーク溶接を行う外側アーク溶接ステップＳ１６とを有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、配管溶接方法およびこの方法により溶接した溶接組立て構造に関する。

枝管と比較して外径、肉厚ともに大きい母管に、一定の間隔で複数本の枝管が取り付けられたボイラの分配管や集合管のような構造物において、枝管や管台の接合には、ＴＩＧ溶接やＭＡＧ溶接といった手動溶接が一般に多く用いられている。あるいは、管台を有する容器などにおいて、容器と管台との溶接接合部についても同様である。

作業効率と溶接品質を改善するために、短尺の枝管を母管に事前に据付け、開先部分を自動ＭＡＧで自動溶接するような方法も開発されている。しかし、この方法では、短尺の枝管を延長するための接合が発生することで工数が増加するという問題がある。

また、手動溶接、自動溶接ともに、母管と枝管を外面から溶接するため、内面まで十分に溶融しているかの確認が行えない。さらにボイラのように配管内面にガスや蒸気が通過するような構造物では、配管内面の性状が重要である。しかし、上述の手動溶接や自動溶接は配管外面からの溶接であるため、配管内面の溶接状態を十分にコントロールすることが難しい問題がある。従来の方法で、配管内面まで十分溶融させようとすると裏波が大きくなり、配管内面に飛び出した裏波は圧損を増大させ、構造物の性能低下に繋がる可能性もある。

特開平７−２１４３２０号公報

前述のように、枝管と比較して外径、肉厚ともに大きい母管に一定の間隔で複数本の枝管が取り付けられたボイラのような構造物において、母管と枝管を接合する溶接を配管外面から溶接する場合、枝管が溶接装置と干渉しやすく、また、配管内面となる溶接ビード裏波のコントロールができず、溶接工数が増えるとともに、圧損が生じてボイラの性能が低下する。

また、枝管内面からレーザを照射して溶接する場合、レーザが貫通した枝管外側の溶接接合部が盛り上がった状態となる。このような状態を修正するために、枝管外側から隅肉溶接をしたような滑らかな形状とする必要がある。さらに、枝管外側の溶接接合部に脚長が必要な場合には、枝管内面からのレーザ溶接では枝管外面の溶接ビードの脚長をコントロールできない。

そこで、本発明の実施形態は、母管と接続管との接合時において、接続管内面からレーザ溶接した際の接続管外側の溶接接合部の脚長をコントロール可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、接続対象の開口に、前記開口に接続する接続管の端部開口を接続する溶接方法であって、前記接続対象の開口である第１の開口を形成する穴開け加工および前記第１の開口に第１の開先を形成する開先加工を施す接続対象準備ステップと、前記接続管の開口の端部に第２の開先を形成する開先加工を施す接続管準備ステップと、前記接続対象準備ステップと前記接続管準備ステップの後に、前記第２の開先を前記第１の開先に対向させた状態に固定する開先合わせステップと、前記開先合わせステップの後に、前記接続管の内側から前記第１の開先および前記第２の開先をレーザ光によりレーザ溶接を実施するレーザ溶接ステップと、前記レーザ溶接ステップの後に、前記接続管の外側から、前記レーザ溶接の部分にアーク溶接を行う外側アーク溶接ステップと、を有することを特徴とする。

また、本実施形態は、接続対象と、前記接続対象に接続する接続管と、を有する溶接組立て構造であって、前記接続対象と前記接続管との溶接接合部は、前記接続管の内側空間に対向して設けられ溶接材料を含まない溶け込み部と、前記接続管の外側空間に対向して設けられ溶接材料と母材とから形成される溶接金属を含む溶け込み部と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、母管と接続管との接合時において、接続管内面からレーザ溶接した際の接続管外側の溶接接合部の脚長のコントロールが可能となる。

第１の実施形態に係る溶接組立て構造の斜視図である。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における開先設定のための外面ザグリ加工を説明するための斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ矢視横方向部分断面図である。 図３のＶ−Ｖ矢視長手方向部分断面図である。 第１の実施形態に係る配管溶接方法で用いられるレーザ装置の設定の概念図である。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第１の溶接接合部のレーザ溶接時の状態を示す長手方向部分断面図である。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第１の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第１の溶接接合部の状態を示す横方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第２の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。 第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第３の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。 第２の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はフィラーの使用後、（ｄ）はアーク溶接後の状態を示す。 第３の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。 第３の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る配管溶接方法および溶接組立て構造について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る溶接組立て構造の斜視図である。溶接組立て構造１００は、接続対象１と、接続対象１に接続される接続管２０とを有する。接続対象１と接続管２０との間には、溶接接合部３０が形成されている。本実施形態では、接続対象１としての母管１０の側面に、接続管２０が溶接接合部３０を介して取り付けられている。

図２は、第１の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。

まず、母管１０に穴開け加工、ザグリ加工、および開先加工を施し、開口および開先を形成する（ステップＳ１１）。図３は、開先設定のための外面ザグリ加工を説明するための斜視図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ矢視横方向部分断面図である。また、図５は、図３のＶ−Ｖ矢視長手方向部分断面図である。

今、母管１０の側面に、母管１０の軸中心線Ｃを含む平面Ｓ１から、平面Ｓ１に垂直な方向に垂線Ｌを引く。ここで、垂線Ｌは、接続管２０の軸中心となる直線である。

ここで、垂線Ｌに垂直な破線で示す平面Ｓ２を考え、この平面Ｓ２によって母管１０を切るときに、図４に示すように、母管１０の横断面の外側の円と、平面とが交わる点をＡおよびＡ’とする。ＡおよびＡ’間の長さが、ｄ_１となるような平面の位置は、図４に示すように、平面Ｓ１からＲ_１離れた位置である。

ザグリ加工は、まず、この位置で、直径ｄ_１の円状に行う。母管１０の平面Ｓ１からの距離はＲ_１で直径がｄ_１の円でザグリを行うと、長手方向の断面でみると、図５に示すように、母管１０の表面から中心側に削れて、平坦ザグリ部１３が形成される。

次に、平坦ザグリ部１３から母管１０の表面に向かってテーパ付ザグリ部１４を形成する。次に、垂線Ｌを中心に穴をあけ、母管１０の開口である内径ｄ_０の貫通孔１１を形成する。ここで、内径ｄ_０は、接続管２０の内径に対応する。平坦ザグリ部１３と貫通孔１１が形成された後に、開先１２を形成するように、平坦ザグリ部１３と貫通孔１１の縁部にテーパ加工を施す。

なお、ザグリと穴開けの順序は、以上の順序に限定されず、また、ザグリの各ステップの順序も以上の順序には限定されない。たとえば、貫通孔１１をまず形成し、その後に、ザグリを行う方が適切な場合は、この順序でもよい。

図２に示すように、ステップＳ１１の穴開け加工、ザグリ加工、および開先加工の後に、接続管２０に開先加工を施す（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１２は、ステップＳ１１の後とすることに限定されない。すなわち、ステップＳ１１とステップＳ１２の前後関係は問わない。

ステップＳ１１での穴開け加工、ザグリ加工および開先加工、ならびにステップＳ１２での接続管２０の開先加工の後に、開先合わせを行う（ステップＳ１３）。すなわち、母管１０と接続管２０とが溶接接合された後の位置関係となるように、母管１０の開先１２と接続管２０の開先２１（図８（ａ）、図９（ａ））とを対向させた状態で仮固定する。

ステップＳ１３の開先合わせの後、母管１０内部にレーザ装置を設定する（ステップＳ１４）。図６は、レーザ装置の設定の概念図である。レーザ装置５０は、図示しないレーザ発振器から発せられたレーザ光を伝送するレーザ光伝送部５２、ミラー５３ａ、５３ｂ、レーザ光集光部５４、およびウィンドウ５５を有する。これらは、ステップＳ１５について説明する位置関係に配される。ミラー５３ｂは、反射方向が搖動可能に構成されている。また、レーザ装置５０は、母管１０の軸方向に移動可能に構成されている。

レーザ装置５０を設定した後に、母管１０の内側からのレーザ光によるレーザ溶接を実施する（ステップＳ１５）。レーザ光伝送部５２により、母管１０内を軸方向に伝送されたレーザ光は、接続管２０との溶接接合部３０の軸方向位置において、軸方向と垂直方向に母管１０内のミラー５３ａ方向に照射される。

レーザ光は、ミラー５３ａおよびミラー５３ｂにより、母管１０の開先１２と接続管２０の開先２１との対向面１８方向に進行する。ここで、対向面１８とは、互いに対向する母管１０の開先１２と接続管２０の開先２１に平行な面であって、開先１２と開先２１の中央に位置する面であるものとする。

対向面１８の方向において、レーザ光は、レーザ光集光部５４により収束し、ウィンドウ５５によって、中心の光束から離れた光束成分が除外されて、対向面１８に到達する。図７は、レーザ溶接時の状態を示す長手方向部分断面図である。母管１０の開先１２と、接続管２０の開先２１が対向している。対向面１８は、開先１２の面と、開先２１の面との間の面である。レーザ光は、対向面１８内の直線Ｌ０に沿って、接続管２０の内側から外側に向かって進行する。

ここで、対向面１８に照射されるレーザ光について、ミラー５３ｂの搖動動作により、対向面に垂直な方向に一定の幅でウィービングがなされる。すなわち、レーザ光をミラー５３ｂ上の反射点Ｍから直線Ｌ０の方向を中心に、一定の幅で往復させながら、図７の開先１２、２１が延びる平面外の周方向に沿って移動する。ウィービングの幅は、開先２１の端点Ｐ１を通る直線Ｌ１と、開先１２の端点Ｐ２を通る直線Ｌ２をカバーするようになされる。この結果、レーザ光は、図７の奥行き方向に移動する際に、開先１２の開先面および開先２１の開先面を全面に順次照射されるように移動する。

なお、ウィービングの方法については、前述のような、ミラー５３ｂの搖動動作による方法に限定はされない。すなわち、たとえば、レーザ装置５０のヘッド部、すなわち通常全体が一体で構成されている、レーザ光伝送部５２の先端近傍部分、ミラー５３ａ、５３ｂ、レーザ光集光部５４、およびウィンドウ５５の全体を、たとえば電動機によって搖動させることによって行ってもよい。この際、レーザ光が直線Ｌ０に平行に移動して、開先２１の端点Ｐ１から開先１２の端点Ｐ２までの範囲をカバーするように搖動させることになる。

このように、開先１２の開先面および開先２１の開先面を全面に順次照射されるように、レーザ光の通路を確保する必要があるため、ステップＳ１３の開先合わせにおいては、開先１２の開先面および開先２１の開先面は互いに密着せず、レーザ光の通路分のギャップを確保する必要がある。

図８は、第１の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。また、図９は、横方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。このケースの溶接接合部３０である第１の溶接接合部３０ａの形成においては、接続管２０の軸方向に対して傾斜している開先を用いている。

レーザ光が、開先１２の開先面および開先２１の開先面を全面カバーするように移動する結果、開先１２の開先面および開先２１の開先面のそれぞれの母材が溶融し互いに溶着して、図８（ｂ）および図９（ｂ）に示すように、溶け込み部３１を形成する。この際、溶接材料を使用しないので、溶け込み部３１は、母管１０の材料の成分と、接続管２０の材料の成分のみを含む。すなわち、母管１０の母材と接続管２０の母材の成分のみを含む。

ステップＳ１５のレーザ溶接の後に、図２に示すように、接続管２０の外側から、アーク溶接を実施し、溶け込み部３２を形成させ、必要な脚長を確保する（ステップＳ１６）。また、アーク溶接を実施した後に、外側表面を滑らかに仕上げる（ステップＳ１７）。

なお、アーク溶接に先立って、必要に応じて裏ハツリを行う。ここで、裏ハツリは、レーザ溶接により形成された溶け込み部３１の先端、すなわち、接続管２０の外側の部分とその周辺を削り取り、レーザ溶接を容易にすることをいう。

以上のような方法によって、溶接組立て構造１００を得ることができる。この結果を、図８（ｃ）および図９（ｃ）に示す。この結果形成される溶け込み部３２は、母管１０の母材と接続管２０の母材と溶接材料とが溶け込んで形成された溶接金属を含む。

図１０は、第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第２の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。この場合の溶接接合部３０である第２の溶接接合部３０ｂの形成においては、開先１２および開先２１は、母管１０に形成された平坦ザグリ部１３に平行あるいは平坦ザグリ部１３と同一面である。したがって、対向面も平坦ザグリ部１３に平行となる。

レーザ溶接およびアーク溶接の方法も特に変わりはないが、アーク溶接の際に、接続管２０の内側から外側に照射されるレーザ光が、テーパ付ザグリ部１４に照射されることによりテーパ付ザグリ部１４を溶かす等の事象が発生しないような措置が必要である。

図１１は、第１の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における第３の溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。本ケースの溶接接合部３０である第３の溶接接合部３０ｃの形成においては、開先１２は、母管１０の貫通孔１１の内面であり、開先２１は、接続管２０の外面である。したがって、特に、貫通孔１１については、貫通孔１１の形成のための加工で、開先１２の形成のための加工の条件が満たされる場合は、開先１２の形成のための追加加工を省略できる。

以上のような溶接方法により本発明の実施形態によれば、母管１０と接続管２０との接合時において、接続管２０の内側からレーザ溶接した際の接続管２０の外側の溶接接合部３０の脚長のコントロールが可能となる。

［第２の実施形態］
図１２は、第２の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。また、図１３は、第２の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はフィラーの使用後、（ｄ）はアーク溶接後の状態を示す。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、ステップＳ１５のレーザ溶接の次に、内側溶け込み面にアーク溶接を実施する（ステップＳ２１）。その後に、ステップＳ１６の外側からのアーク溶接を実施する。

図１３（ａ）に示す母管１０の開先１２の開先面と接続管２０の開先２１の開先面との間のギャップ幅が、ある程度以上の幅を有する場合、図１３（ｂ）に示すように、レーザ溶接後の溶け込み部３１には、窪みが生ずる。このような場合に、接続管２０の内側において、この窪みにフィラー６１すなわち溶接材を用いてアーク溶接により溶け込み部３２ａを形成する。このように、溶材を盛ることにより、窪みを解消する。

この後は、アーク溶接による溶け込み部３１の裏側、すなわち接続管２０の外側の部分を、必要に応じて裏ハツリを行い、アーク溶接により溶け込み部３２ｂを形成させ脚長を確保し（ステップＳ１６）、仕上げ加工を行う（ステップＳ１７）。

このように、母管１０の開先１２の開先面と接続管２０の開先２１の開先面とのギャップ幅が、小さくない場合においても、溶接接合部の仕上げおよび脚長の確保が可能である。

［第３の実施形態］
図１４は、第３の実施形態に係る配管溶接方法の手順を示すフロー図である。また、図１５は、第３の実施形態に係る配管溶接方法の各手順における溶接接合部の状態を示す長手方向部分断面図であり、（ａ）は開先設定後、（ｂ）はレーザ溶接後、（ｃ）はアーク溶接後の状態を示す。

本実施形態は、第１の実施形態および第２の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、ステップＳ１３の開先合わせの後に、開先部分に溶接材料部材６２を設ける（ステップＳ３１）。溶接材料部材６２は、一般的にインサートリングと呼ばれるものでよい。あるいは、線材でもよい。この状態に設定して、レーザ溶接を実施する。

本第３の実施形態は、第２の実施形態と同様に、母管１０の開先１２の開先面と接続管２０の開先２１の開先面との間のギャップ幅が、ある程度以上の幅を有する場合の方法である。

本実施形態による溶接組立て構造１００においては、図１５（ｃ）に示すアーク溶接の溶け込み部３２ｂのみでなく、図１５（ｂ）に示すレーザ溶接後の溶け込み部３２ａも、母材の成分のほかに溶接材の成分を含む。

このように、母管１０の開先１２の開先面と接続管２０の開先２１の開先面とのギャップ幅が、小さくない場合においても、溶接接合部の仕上げおよび脚長の確保が可能である。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、接続管を接続する接続対象が母管の場合について示したが、これに限定されない。たとえば、接続管を容器に接続する場合でも本発明は適用できる。この場合、容器は、接続管との溶接接合部において、曲面でもよいし、あるいは平面でもよい。

また、接続管は、短管を接続することでもよい。この場合、短管は、母管あるいは容器のノズルのように接続先と一体に扱われ、このノズルの先端に、配管（短管に対して便宜的に長管と呼ぶ。）を接続することになる。あるいは、接続先に直接に長管を接続することでもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…接続対象、１０…母管、１１…貫通孔、１２…開先（第１の開先）、１３…平坦ザグリ部、１４…テーパ付ザグリ部、１８…対向面、２０…接続管、２１…開先（第２の開先）、３０…溶接接合部、３０ａ…第１の溶接接合部、３０ｂ…第２の溶接接合部、３０ｃ…第３の溶接接合部、３１…溶け込み部、３２、３２ａ、３２ｂ…溶け込み部、５０…レーザ装置、５２…レーザ光伝送部、５３ａ、５３ｂ…ミラー、５４…レーザ光集光部、５５…ウィンドウ、６１…フィラー、６２…溶接材料部材、１００…溶接組立て構造

Claims (8)

1. 接続対象の開口に、前記開口に接続する接続管の端部開口を接続する溶接方法であって、
   前記接続対象の開口である第１の開口を形成する穴開け加工および前記第１の開口に第１の開先を形成する開先加工を施す接続対象準備ステップと、
   前記接続管の開口の端部に第２の開先を形成する開先加工を施す接続管準備ステップと、
   前記接続対象準備ステップと前記接続管準備ステップの後に、前記第２の開先を前記第１の開先に対向させた状態に固定する開先合わせステップと、
   前記開先合わせステップの後に、前記接続管の内側から前記第１の開先および前記第２の開先をレーザ光によりレーザ溶接を実施するレーザ溶接ステップと、
   前記レーザ溶接ステップの後に、前記接続管の外側から、前記レーザ溶接の部分にアーク溶接を行う外側アーク溶接ステップと、
   を有することを特徴とする配管溶接方法。
2. 前記レーザ溶接ステップの後であって、前記外側アーク溶接ステップの前に、前記レーザ溶接の前記接続管および前記接続対象の内側部分に、窪みを埋めるためのアーク溶接を行う補充アーク溶接ステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の配管溶接方法。
3. 前記開先合わせステップにおいて、前記第１の開先と前記第２の開先との間に、溶接材料部材を設置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配管溶接方法。
4. 前記溶接材料部材は、インサートリングであることを特徴とする請求項３に記載の配管溶接方法。
5. 前記溶接材料部材は、線材であることを特徴とする請求項３に記載の配管溶接方法。
6. 前記接続対象準備ステップは、前記接続対象の前記接続管との接続側の表面にザグリ加工を施すステップを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の配管溶接方法。
7. 前記接続管は、両端に開口を有し、
   前記外側アーク溶接ステップの後に、前記接続管より軸方向に長い長管を、前記接続管の前記接続対象との溶接接合部の反対端に接続するステップを有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の配管溶接方法。
8. 接続対象と、
   前記接続対象に接続する接続管と、
   を有する溶接組立て構造であって、
   前記接続対象と前記接続管との溶接接合部は、
   前記接続管の内側空間に対向して設けられ溶接材料を含まない溶け込み部と、
   前記接続管の外側空間に対向して設けられ溶接材料と母材とから形成される溶接金属を含む溶け込み部と、
   を有することを特徴とする溶接組立て構造。

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