JP2024010985A - 溶接装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接士の技量に頼らずに、高品質で効率的な自動または半自動で実施できる溶接装置及び方法を提供すること。
【解決手段】本発明の第１の態様に係る溶接装置は、溶接対象部材３１，３２を溶接するための溶接トーチ１５と、前記溶接トーチに対してフラックス入りワイヤ２０及び活性ガスを供給するワイヤ供給装置１２と、前記ワイヤ供給装置及び前記溶接トーチに対して電源を供給する溶接電源１３と、前記溶接トーチと前記溶接対象部材との相対的位置関係を変化させることのできるトーチ／溶接対象相対位置変動機１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば溶接装置及び方法に係り、特に、たとえばマグ（ＭＡＧ：Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）を用い、既存のタンクの補修等に用いることができる、溶接装置及び方法に関する。

従来、原油（常温）貯蔵タンクの多くの溶接接合部には、被覆アーク溶接が適用されている。その主たる理由としては、溶接設備が簡便で安価であること、また、施工準備が容易であり、溶接士の確保ができれば、直ちに溶接が可能となること、が挙げられる。

一方、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接方法（特許文献１）が知られている。

特開２０１２－８１５１４号公報

従来の被覆アーク溶接では、溶接部の品質・性能が、各溶接士の技量に左右されざるを得ない。また、１日で施工できる溶接能力においても限界がある。昨今問題となっている、溶接士の高年齢化および若年層の減少が進行していることも問題を生じさせている。さらに、被覆アーク溶接は母材と溶接棒の間にアークを発生させその熱を利用して溶接を行うという方式ゆえに、運棒方向と溶接棒の溶ける方向とが異なるために、溶接方向だけを意識して溶接を行うと、棒が母材から離れてアークが大きくなってしまい溶接がうまくいかなくなるなど、高い技能を習得するまでの期間が必要であることも問題である。

この発明は、上述した各種問題に鑑みその解決を企図したものであり、溶接士の技量に頼らずに、高品質で効率的な自動で実施できる溶接装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決に当たって、まず、本発明の発明者らは、たとえば原油（常温）貯蔵タンクの溶接接合部に、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接を自動溶接にする施工方法が実現できないかについて検討した。しかし、かかる自動溶接施工方法を適用するにあたり、具体的な好ましい溶接条件を見出すのは容易ではない。本発明者はこの点でさらに考察を深め、結局、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接と走行装置とを組み合わせることにすれば、マグ溶接方法を高品質で効率的な自動または半自動で実施できる点に想到した。ここで、「マグ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）溶接」とは、活性ガス（炭酸ガス、またはアルゴンと炭酸ガスの混合ガス）を使用するアーク溶接の一種で、「炭酸ガスアーク溶接」とも呼ばれる溶接方法である。

フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接と走行装置とを組み合わせる点についてさらに考察する。ただ単にマグ溶接とたとえば自動走行装置とを組み合わせるというだけでは、特に溶接ワイヤのサイズが細径の場合には、溶接施工部位の狙い位置がずれて接合部の溶け込み不足をもたらす可能性がある。また、溶接パスの重ね方が悪いとパス間に谷間ができ、形状不良となってしまい、溶接後の健全性を確認する透探傷試験や磁粉探傷試験といった非破壊検査で不合格の判定となってしまう。特に、溶接不良があると漏洩事故による周辺の環境汚染につながりかねないから、溶接の精密施工性、強度の確保、ひいては安全性の担保は、必須の事項である。

そこで、上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係る溶接装置は、溶接対象部材を溶接するための溶接トーチと、前記溶接トーチに対してフラックス入りワイヤ及び活性ガスを供給するワイヤ供給装置と、前記ワイヤ供給装置及び前記溶接トーチに対して電源を供給する溶接電源と、前記溶接トーチと前記溶接対象部材との相対的位置関係を変化させることのできるトーチ／溶接対象相対位置変動機とを備える。

かかる構成を備えることで、前記溶接トーチと前記溶接対象部材との相対的位置関係を変化させながら、溶接に適切なものを選択することができ、自動走行装置と組み合わせて適切な定常的な溶接速度で運用することができるので、溶接の精密施工性、強度、安全性が担保される。

上記態様に係る一例として、溶接接合部の溶け込み形状確認、非破壊検査（浸透探傷試験、磁粉探傷試験）を行い溶接継手の健全性を確認したうえで、それら溶接施工条件にて施工した試験板を製作し、溶接継手部の機械的性能試験を実施し、母材の５０％以上の強度を満足させ得ることができることを確認したものである。前記複数の板材の強度の５０％以上となることで、溶接接手の強度が実用に耐えるものであることが担保される。

本発明の第２の態様に係る溶接装置として、第１の態様において、前記溶接対象部材は板材であり、前記フラックス入りワイヤの太さは前記板材の厚さよりも細いとしてもよい。かかる条件を満たすことにより、複数の板材を効果的に接合することができる。

本発明の第３の態様に係る溶接装置として、第１の態様において、前記溶接対象部材は板材であり、複数の前記板材は部分的に互いに重なり合っていて、前記溶接トーチによる溶接は隅肉溶接であるとしてもよい。かかる条件を満たすことにより、板材の重ね接手溶接を行うことができる。

本発明の第４の態様に係る溶接装置として、第１の態様において、前記溶接対象部材は板材であり、複数の前記板材は鋼材であるとしてもよい。

本発明の第５の態様に係る溶接装置として、第１の態様において、前記活性ガスとして二酸化炭素ガスが用いられるとしてもよい。

上記課題を解決するため、本発明の第６の態様は、第１～第５の態様に係る溶接装置を用いて、複数の板材を接合する溶接方法として実現してもよい。かかるマグ溶接方法によれば、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接に走行装置を組み合わせたマグ溶接方法を実現することができる。

この発明によれば、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接と走行装置とを組み合わせて、溶接士の技量に頼らずに、高品質で効率的なマグ溶接方法を自動で実施できる。

本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法を行う状況を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層２パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層２パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層３パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層３パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層４パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層４パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るマグ溶接装置及びマグ溶接方法について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接装置１１を用いてマグ溶接方法を行う状況を模式的に示す図である。

マグ溶接装置１１は、ワイヤ供給装置１２と、溶接電源１３と、ガスボンベ１４と、溶接トーチ１５と、自動走行装置１６とを有する。ワイヤ供給装置１２は、フラックス入りワイヤ２０を溶接トーチ１５に供給するとともに、ガスボンベ１４から供給される二酸化炭素などのガスを溶接トーチ１５に供給する。さらに、溶接電源１３から供給される電源が、ワイヤ供給装置１２および、フラックス入りワイヤ２０を介して溶接トーチ１５に供給される。マグ溶接とは、溶極式のガスシールドアーク溶接の一種であってシールドガスに酸化性ガスを用いる溶接法のことであり、このマグ溶接であって消耗フラックス入りワイヤを使用するガスシールドアーク溶接が、「ＦＣＡＷ」（フラックス入りワイヤ溶接：Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）と呼ばれる溶接法である。

ここで、自動走行装置１６は、溶接トーチ１５を、溶接の方向（図１の紙面に垂直の方向）に所定の速度で移動させるものである。自動走行装置１６は、溶接トーチ１５と溶接対象部材３１，３２との相対的位置関係を変化させるものでものであればよく、たとえば他の実施の形態として、溶接トーチ１５を固定して、自動走行装置１６が溶接対象部材３１，３２を移動させてもよい。さらに、溶接トーチ１５と溶接対象部材３１，３２との両方が移動する態様であってもよい。つまり、自動走行装置１６は、トーチ／溶接対象相対位置変動機１６と言い換えることもできる。

本願は、マグ溶接と自動走行装置１６とを組み合わせたところに本旨がある。ただし、単にマグ溶接と自動走行装置１６とを組み合わせるというだけでは、特に溶接ワイヤのサイズが細径の場合には、溶接施工部位の狙い位置がずれて接合部の溶け込み不足をもたらす可能性がある。また、溶接パスの重ね方が悪いとパス間に谷間ができ、形状不良となってしまい、溶接後の健全性を確認する浸透探傷試験や磁粉探傷試験といった非破壊検査で不合格の判定となってしまう。溶接不良があると漏洩事故による周辺の環境汚染につながりかねないから、溶接の精密施工性、強度、安全性は、必ず担保されなければならない。

本発明は、上記観点から、上記溶接の精密施工性、強度、安全性が担保されるための条件を見出したものである。換言すれば、本発明は、断面マクロ試験片により、溶接接合部の溶け込み形状確認、非破壊検査（浸透探傷試験、磁粉探傷試験）を行い溶接継手の健全性を確認したものであり、また、そのうえで、それら溶接施工条件にて施工した試験板を製作し、溶接継手部の機械的性能試験を実施し、母材の５０％以上の強度を満足していること等を確認したものである。

以下、これらの溶接装置及び方法の実施形態について説明する。

この実施の形態におけるマグ溶接方法は板重ね接手を形成するものである。溶接対象部材（母材）３１，３２は、たとえば、部分的に重ね合わされた２枚の板材であって、たとえば、厚さが６～１２ｍｍ程度の鋼板であることが好ましい。

かかる構成により、フラックス入りワイヤを用いたマグ溶接と走行装置とを組み合わせて、溶接士の技量に頼らずに、高品質で効率的なマグ溶接方法を自動または半自動で実施できる。また、以下に詳述するとおり、上記溶接施工条件にて施工した試験板を製作し、溶接継手部の機械的性能試験を実施した結果、母材の５０％以上の強度を満足していること等を確認した。

以下に、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法を用いて試験を行った具体的な結果について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層２パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。

溶接対象部材３１，３２は、圧延鋼材ＳＳ４００（ＪＩＳ Ｇ ３１０１）であり、それぞれの厚さＴ１，Ｔ２は約６．０ｍｍである。

溶接棒はフラックス入りワイヤであって、たとえばＤＷ－Ｚ１００（ＪＩＳ Ｚ ３３１３ Ｔ ４９Ｊ ０ Ｔ１－１ Ｃ Ａ－Ｕ）で、棒径は１．２ｍｍのものを用いることができるが、他の仕様のものであってもよい。

溶接姿勢は下向きとし、シールドガスとして二酸化炭素ガス（炭酸ガス）を用いる。電極は単極とし、電源は直流逆極性とする。

図２に示すように、パス１でビードＢ１を形成し、その後、ビードＢ１の上からパス２の溶接を行ってビードＢ２を形成する。ビード幅Ｗは８ｍｍとする。

図３は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層２パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。試験片の幅（図２の紙面に垂直な方向の幅）は約７５ｍｍであり、断面積は、おおむね ６☓７５＝４５０（ｍｍ^２）である。引張試験の結果は、いずれも母材で破断し、引張強度は、この材料の引張強度規格値２００Ｎ／ｍｍ^２に比べて十分に大きく、少なくとも母材の強度の５０％以上の強度を有し、破断試験は合格であった。

図４は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層３パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。溶接対象部材３１，３２は、それぞれの厚さＴ１，Ｔ２が約９．０ｍｍである。パス１でビードＢ１を形成し、その後、ビードＢ１の上からパス２の溶接を行ってビードＢ２を形成し、さらにその後、ビードＢ２の上からパス３の溶接を行ってビードＢ３を形成する。ビード幅Ｗは１２ｍｍとする。

図５は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層３パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。引張試験の結果は、いずれも母材で破断し、引張強度は、この材料の引張強度規格値２００Ｎ／ｍｍ^２に比べて十分に大きく、少なくとも母材の強度の５０％以上の強度を有し、破断試験は合格であった。

図６は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層４パス溶接を行った結果の溶接部を含む断面形状を模式的に示す図である。溶接対象部材３１，３２は、それぞれの厚さＴ１，Ｔ２が約１２．０ｍｍである。パス１でビードＢ１を形成し、その後、ビードＢ１の上からパス２の溶接を行ってビードＢ２を形成し、さらにその後、ビードＢ２の上からパス３の溶接を行ってビードＢ３を形成し、さらにその後、ビードＢ３の上からパス４の溶接を行ってビードＢ４を形成する。ビード幅Ｗは１４ｍｍとする。

図７は、本発明の一実施形態に係るマグ溶接方法による２層４パス溶接で得られた試験片を用いた引張試験の結果を示す表である。引張試験の結果は、いずれも母材で破断し、引張強度は、この材料の引張強度規格値２００Ｎ／ｍｍ^２に比べて十分に大きく、少なくとも母材の強度の５０％以上の強度を有し、破断試験は合格であった。

溶け込み形状や溶接ビード外観との関係を断面マクロ試験片により、溶接接合部の溶け込み形状確認、非破壊検査（浸透探傷試験、磁粉探傷試験）を行い、溶接接手の健全性を確認した。

また、それら溶接施工条件にて施工した試験板を製作し、溶接接手部の機械的瀬能試験を実施し、母材の５０％以上の強度を満足していることなどを確認した。

以上説明した実施の形態は単なる例示であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１１…マグ溶接装置
１２…ワイヤ供給装置
１３…溶接電源
１４…ガスボンベ
１５…溶接トーチ
１６…自動走行装置
２０…ワイヤ
３１，３２…溶接対象部材（板材）

Claims (6)

1. 溶接対象部材を溶接するための溶接トーチと、
   前記溶接トーチに対してフラックス入りワイヤ及び活性ガスを供給するワイヤ供給装置と、
   前記ワイヤ供給装置及び前記溶接トーチに対して電源を供給する溶接電源と、
   前記溶接トーチと前記溶接対象部材との相対的位置関係を変化させることのできるトーチ／溶接対象相対位置変動機と
   を備えることを特徴とする溶接装置。
2. 前記溶接対象部材は板材であり、
   前記フラックス入りワイヤの太さは前記板材の厚さよりも細いことを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
3. 前記溶接対象部材は板材であり、
   複数の前記板材は部分的に互いに重なり合っていて、前記溶接トーチによる溶接は隅肉溶接であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
4. 前記溶接対象部材は板材であり、
   複数の前記板材は鋼材であることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
5. 前記活性ガスとして二酸化炭素ガスが用いられることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
6. 請求項１記載の溶接装置を用いて、複数の板材を接合する溶接方法。
   
   

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