JP3139345U

JP3139345U - 狭開先ｔｉｇ溶接装置

Info

Publication number: JP3139345U
Application number: JP2007008672U
Authority: JP
Inventors: 啓今泉; 敏夫加藤; 秀秋中島; 教嗣長谷川
Original assignee: 愛晃エンジニアリング株式会社
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2009-02-06

Abstract

【課題】生産能力を高め、生産コストを下げることの出来る狭開先TIG溶接装置を提供する。
【解決手段】狭開先をもつ金属の接合溶接を行う狭開先TIG溶接装置において、狭開先の内で回転させワイヤを溶融させる電極であって、電極は30°〜45°の角度で研磨した偏芯形状の電極であること、又、狭開先TIG溶接装置において、溶接進行方向を基準として偏芯形状の電極の前方及び後方から送給される２つのワイヤを有すること、又、２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤが加熱され、後方から送給されるワイヤは加熱しないで送給されるワイヤであること、さらに、２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤ及び後方から送給されるワイヤの両方のワイヤが加熱して送給されるワイヤである。
【選択図】図２

Description

本考案は非消耗式アーク溶接（TIG溶接）による各種金属材料のパイプ及び大型構造物の狭開先TIG溶接装置に関する。

従来提案されている非消耗式アーク（TIG溶接）溶接法を利用して行う狭開先溶接においては、円錐形状の電極を屈曲させて、その電極を回転させる方法がある（例えば特許文献１，特許文献２），又円錐形状の電極をカムにて偏芯回転させる方法がある（例えば特許文献３）。

特許公開平７−２７６０５１（発明の詳細な説明［０００６］）特許公開平１０−６０１１（発明の詳細な説明［０００６］）特許公開平７−１０８３７９（発明の詳細な説明［０００５］）

しかし、前記従来技術は、生産能力に問題があり、板厚が厚いほど不活性ガスの消費量が膨大となり生産コストの面で高価になるという問題点、さらにワイヤの供給方向が固定されることから溶接方向が決まることにより長手溶接において溶接ヘッドを戻す時間だけ生産性を落としている、という問題点があった。

そこで、本考案は、生産能力を高め、生産コストを下げることの出来る狭開先TIG溶接装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本考案の狭開先TIG溶接装置は、
狭開先をもつ金属の接合溶接を行う狭開先TIG溶接装置において、狭開先の内で回転させワイヤを溶融させる電極であって、当該電極は30°〜45°の角度で研磨した偏芯形状の電極であることを特徴とする。

又、前記狭開先TIG溶接装置において、溶接進行方向を基準として前記偏芯形状の電極の前方及び後方から送給される２つのワイヤを有することが好適である。

又、前記２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤが加熱され、後方から送給されるワイヤは加熱しないで送給されるワイヤであることが好適である。

又、前記２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤ及び後方から送給されるワイヤの両方のワイヤが加熱して送給されるワイヤであることが好適である。

又、前記狭開先TIG溶接装置において、狭開先の巾と偏芯形状の電極径の大きさの組合せによって、偏芯形状の電極の回転角度が開先中心に電極先端が指向している位置を基準として、±45°〜±90°であることが好適である。

又、前記狭開先TIG溶接装置において、偏芯形状の電極を左右に回転させる時に金属側壁の両端において、停止させると同時に流す電流と、溶接進行方向に対して反対方向に移動させる時に流す電流が異なった電流であることが好適である。

さらに、前記狭開先TIG溶接装置において、偏芯形状の電極を保持するTIGトーチが偏芯形状の電極外径に対し同心円の内径が＋1.0〜1.8mm大きく、かつ当該外径角度が18°〜22°の円錐形状のノズルを有し、さらにその外側にもうひとつのガスノズルを持ち、その内側の円錐角度が12°〜16°であるTIGトーチ先端形状を有し、それぞれの空隙に流量の異なる不活性ガスを流す当該空隙を有することが好適である。

本考案は以上の構成を有するので、狭開先TIG溶接において生産能力を高め、生産コストを下げることが出来るものである。

以下本考案の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
図１に示すようにTIG溶接において、アーク１を発生させるタングステン電極２の形状は40°前後の円錐形状である。

しかし、この形状でタングステン電極２をタングステン電極の中心軸４で回転させるとアーク１は同じ位置にとどまる。即ち図１に示す溶融金属池３の位置にとどまるものである。

そこで、狭開先溶接で両側金属材の間隔が6〜12mm程度と狭い溶接を行うためには両側金属壁を溶融させる必要がありアーク１を直接側壁に当てることが望まれる。
この問題を解決するために、図２に示すようにタングステン電極２を30°〜45°の角度で研磨し、溶接線に対して、90°の位置に先端を配置して溶接を行うとタングステン電極の中心軸４から８mm外側まで溶込みを得ることが出来る。

本考案において、図２に示すように30°〜45°の角度で研磨したタングステン電極のことを偏芯形状の電極５という。

図３Ａ、図３Ｂは本考案における偏芯形状の電極の溶込み巾を示す図であり、図３Ａは45°の角度で研磨した偏芯形状の電極において±90°、即ち180°回転反復させると16mm巾の溶込みを得ることが出来ることを示しており、図３Ｂは30°の角度で研磨した偏芯形状の電極において±90°、即ち180°回転反復させると14mm巾の溶込みを得ることが出来ることを示している。

図４に示すように、この方式を利用開先巾8mmの狭開先の中で同じ180°回転反復ウィービングを行うと金属の両側側壁６，６’にアーク１を当てることができ十分なる溶込みを得ることができる。

図５は偏芯形状の電極の回転によるウィービングの軌跡を示す図であり、この図５に示すように回転角度を変えることで円弧ウィービング巾の調整を行うこととなり開先巾及び溶接速度に応じて±45°（ウイービング巾90°）から±90°（ウイービング巾180°）にすることが有効である。即ち、開先中心に電極先端が指向している位置を基準、即ち０℃とて両側に±45°〜±90°回転することが有効である。

図６Ａ、図６Ｂは図５をさらに分かりやすく説明した図であり、図６Ａは開先巾が狭い場合（6〜10mm）は±45°（ウイービング巾90°）にすることを示し、図６Ｂは開先巾が広い場合（12〜14mm）は±90°（ウイービング巾180°）にすることを示している。

当然開先内をうめるために溶接ワイヤを供給することが必要であるが高速走行溶接を行うと金属溶融池が長くなり溶接金属冷却が遅れ表面外観がみだれる。そこで、これを補うため、図７に示すように溶接進行方向後部から溶融池を冷却させるため前方のワイヤとは別の冷却ワイヤ８を挿入する方法を採用することで解決することができる。加えて、この冷却ワイヤ８を溶かして溶融金属を冷却させて高速走行溶接を行うだけでなく溶接金属の継手性能を改善することが可能である。
生産性を大幅に改善するために前方から供給されるワイヤ７を加熱することで溶着速度を大幅に改善することが可能である。
加えて両方からワイヤを供給するため溶接方向に関して往復で溶接が可能であり、従来の戻し時間を必要とせず、生産効率を大幅に改善することができる。そこで前後から送球されるワイヤ７，８はいずれも加熱して供給し溶着速度を向上させる方法も採用し生産性を向上させるものである。

本考案では偏芯形状の電極５を回転反復して溶接するが両側で停止させることで両側の金属壁６，６’を溶融させるので溶込みを確保することは問題ないが円弧回転移動中の中央部に溶融金属用ワイヤ７が供給され溶着金属となる。この時溶融金属池３はワイヤ７を溶かすことで冷却され溶融金属池３の深さは浅くなり溶着速度を向上させることが難しい。そこで回転ウィービング両端部で停止している時に流す溶接電流と反復ウィービング移動中の場合は図８に示すような異なった溶接電流を流すことが要求される。
反復ウィービング中により高い電流を流し両端部停止中は若干低い電流を流すことが望まれる。即ち、両側停止時は側壁６，６’に直接アーク１が当たることで金属側壁６，６’を容易に溶かすことが出来るため低エネルギで充分である。

ワイヤ供給量も電流と同じ傾向にあり円弧回転と同期して図７のように制御することが必要である。即ち、高い電流で溶融金属池３を十分溶かしておいて、金属の両側壁６，６’にアーク１が向いたときワイヤー７が十分に溶けるようにするものである。
図９に示すように、従来、狭開先溶接で板厚が厚い初期層の溶接を行う場合大気中から溶融金属を保護するため不活性ガス雰囲気にする必要があり、金属開先表面から多量（80〜100L/分）の不活性ガス（アルゴン又はヘリウム）を流す方法が採用されている。しかし、不活性ガスは大変高価であり溶接コストを上げる要因になっている。

この問題を解決するために図１０に示す構造のTIGトーチを採用することで解決した。
即ち、狭開先TIG溶接装置において、偏芯形状の電極５を保持するTIGトーチ９が偏芯形状の電極外径に対し同心円の内径が＋1.0〜1.8mm（図中Ａ）大きく、かつ当該外径角度は18°〜22°、最も好適には20°（図中θ_１）の円錐形状のガスノズルを有し、さらにその外側にもうひとつのガスノズル１１を持ち、その内側の円錐角度が12°〜16°、最も好適には14°（図中θ_２）であるTIGトーチ先端形状を有し、それぞれの空隙に流量の異なる不溶性ガスを流すことからなる構造である。
円錐形状のガスノズル１０にはセンターガスが流れ、もうひとつのガスノズル１１にはシールドガスが流れるようになっている。

円錐形状のガスノズル１０に流量５L/分、センターガスを流し、外側のガスノズル１１に15L/分、シールドガスを流すと、円錐形状のガスノズル１０の外側円錐角度θ_１ともうひとつのガスノズル１１内面角度θ_２の組合せによってシールドガス（アルゴン）の吸引効果が発生し、狭開先溶接による厚板溶接の初期層部分の雰囲気酸素濃度を30PPM以下にすることが図１０に示す測定結果から明確である。即ち、円錐形状のガスノズル１０の巾が狭くなっているのでセンターガスの量が少なくても流速が早く、そのためシールドガスがセンターガスの流速に引っ張られてシールドガスが内側に引き込まれる（入ってくる）ということである。
この結果、従来80〜100L/分供給していた不活性ガスを1/5〜1/6に削減することができコストダウンへの効果は甚大である。

従来のTIG溶接の電極を示す図である。本考案の偏芯形状の電極を示す図である。本考案の45°の角度で研磨した偏芯形状の電極の溶込み巾を示す図である。本考案の30°の角度で研磨した偏芯形状の電極の溶込み巾を示す図である。本考案の狭開先内での偏芯形状の電極の回転を示す図である。本考案の偏芯形状の電極の回転によるウィービングの軌跡を示す図である。本考案の開先巾が狭い場合を示す図である。本考案の開先巾が広い場合を示す図である。本考案の冷却ワイヤを送入することを示す図である。本考案の偏芯形状の電極の回転溶接制御システムを示す図である。従来の狭開先溶接におけるガスシールドを示す図である。本考案の狭開先溶接における２つの種類のガスシールドを示す図である。本考案の酸素濃度測定値を示す図である。

符号の説明

１アーク
２タングステン電極
３溶融金属池
４中心軸
５偏芯形状の電極
６，６’ 金属壁
７前方からのワイヤ
８後方からのワイヤ
９ TIGトーチ
１０円錐形状のガスノズル
１１もうひとつのガスノズル

Claims

狭開先をもつ金属の接合溶接を行う狭開先TIG溶接装置において、狭開先の内で回転させワイヤを溶融させる電極であって、当該電極は30°〜45°の角度で研磨した偏芯形状の電極であることを特徴とする狭開先TIG溶接装置。
前記狭開先TIG溶接装置において、溶接進行方向を基準として前記偏芯形状の電極の前方及び後方から送給される２つのワイヤを有することを特徴とする請求項１記載の狭開先TIG溶接装置。
前記２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤが加熱され、後方から送給されるワイヤは加熱しないで送給されるワイヤであることを特徴とする請求項２記載の狭開先TIG溶接装置。
前記２つのワイヤにおいて、偏芯形状の電極の前方から送給されるワイヤ及び後方から送給されるワイヤの両方のワイヤが加熱して送給されるワイヤであることを特徴とする請求項２記載の狭開先TIG溶接装置。
前記狭開先TIG溶接装置において、狭開先の巾と偏芯形状の電極径の大きさの組合せによって、偏芯形状の電極の回転角度が開先中心に電極先端が指向している位置を基準として、±45°〜±90°であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の狭開先TIG溶接装置。
前記狭開先TIG溶接装置において、偏芯形状の電極を左右に回転させる時に金属側壁の両端において、停止させると同時に流す電流と、溶接進行方向に対して反対方向に移動させる時に流す電流が異なった電流であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の狭開先TIG溶接装置。
前記狭開先TIG溶接装置において、偏芯形状の電極を保持するTIGトーチが偏芯形状の電極外径に対し同心円の内径が＋1.0〜1.8mm大きく、かつ当該外径角度が18°〜22°の円錐形状のノズルを有し、さらにその外側にもうひとつのガスノズルを持ち、その内側の円錐角度が12°〜16°であるTIGトーチ先端形状を有し、それぞれの空隙に流量の異なる不活性ガスを流す当該空隙を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の狭開先TIG溶接装置。