JP4764195B2 - 鋼管の肉盛溶接方法、肉盛溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラの火炉壁を構成する鋼管の肉盛溶接方法およびそれに用いる肉盛溶接装置に関する。

石炭焚きボイラや、ゴミ焼却炉等の産業用ボイラ等においては、ボイラの火炉壁は、複数本の鋼管とフィンから構成されるパネルで構成されている。これらの鋼管には、炭素鋼や低合金鋼が用いられている。そして、このような火炉壁のボイラ内方側の面は、ボイラ内での燃焼時に発生する硫黄分や高温酸化等による腐食に抗するため、溶接による肉盛が行われる。
これには従来、図７に示すように、鋼管１の軸方向に沿って溶接トーチ２を進行させながら、肉盛溶接を行っていき、互いに隣接する溶接ビード３を互いに重ね合わせることで、鋼管１の全体の肉厚を増大させている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特公昭６０−３２５４４号公報 特開２０００−８４６６５号公報

炭素鋼や低合金鋼からなる鋼管１の肉盛には、耐食性に優れたステンレス鋼やインコネル系の溶接材料を用いているが、特にインコネル系の溶接材料の場合、非常に高価であるため、耐久性が得られる最低限の肉厚を確保しつつ、なるべく肉盛厚さを小さくして、材料コストを抑えたい、という要求がある。
肉盛溶接に代えて、溶射を用いて肉盛を行えば、肉盛厚さを小さくすることができるが、その場合、溶融した合金粒子を鋼管１の表面に付着させるため、肉盛した部分がポーラス（多数の空隙が存在する）になり、そのため、肉盛した部分の剥離が生じやすい、という問題がある。

また、インコネル系の溶接材料の場合、Ｎｉが多く含まれているため、炭素鋼や低合金鋼の溶接材料に比べ、図８に示すように溶接ビード３の端部３ａが凸状となる傾向がある。このため、互いに隣接する溶接ビード３をビード幅の１／３〜１／２程度重ね合わせると、肉盛した部分の厚さが、凸状となった部分で顕著に大きくなってしまう。
肉盛に凹凸があると、凹部３ｂの部分に局部的な腐食が発生しやすいため、凹部３ｂの肉厚で最低の肉盛厚さを規定し、肉盛溶接時の管理を行っているが、凹部３ｂの肉厚を計測するには手間が掛かる。また、凹部３ｂで最低の肉盛厚さを確保すると、他の部分は余分な肉盛厚さを有することになり、特に端部３ａの凸部において、余分な溶接材料が必要となり、これは材料コストの上昇に繋がる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、肉盛厚さの均一化を図り、肉盛に必要な材料コストを抑えるとともに、肉盛溶接時の手間を軽減することのできる鋼管の肉盛溶接方法、肉盛溶接装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、鋼管の表面を肉盛溶接する方法であって、溶接トーチを鋼管の周方向に移動させて鋼管の表面を周方向に肉盛溶接する工程と、溶接トーチを、鋼管の軸方向に移動させる工程と、を繰り返すことを特徴とする。ここで、溶接トーチを鋼管の軸方向に移動させるときには、溶接トーチと鋼管との間に生じる溶接アークによって鋼管の表面に形成される溶接ビードの幅寸法より少ない寸法だけ、溶接トーチを軸方向に移動させることで、溶接ビードを重ね合わせる。
鋼管を周方向に肉盛溶接するには、鋼管の軸心に対し略同心状に配置された円弧状のレールに沿って、溶接トーチを保持したトーチ保持部を移動させるのが好ましい。
このような鋼管の肉盛溶接方法は、いかなる目的にも用いることができるが、肉盛溶接対象となる鋼管が、複数本の鋼管が並べて設置されることでボイラの火炉壁を形成するものである場合に特に有効である。また、ボイラの火炉壁が既設のものである場合、火炉壁は略鉛直面内に位置した状態となっている。このように、本発明の鋼管の肉盛溶接方法が、既設の火炉壁を形成する鋼管に適用される場合には、溶接トーチを鋼管の軸方向に移動させる工程では、溶接トーチを下方に向けて移動させるのが好ましい。これにより、鋼管を周方向に肉盛溶接しつつ、順次下方に進んでいくことで、鋼管の全体を肉盛溶接することができる。
このような肉盛溶接に用いる溶接材料には、母材と共金系の材料、ステンレス系材料またはインコネル系材料を用いることができる。特にインコネル系材料の場合、肉盛溶接の溶接ビードを滑らかなものとすることができる。また、腐食減肉がそれほど激しくない場合には、腐食減肉した鋼管に母材と同等の材料を用いて溶接するのが好ましい。
また、鋼管の表面を周方向に肉盛溶接するときには、溶接トーチを周方向に移動させながら、鋼管の軸方向に一定の幅で往復動させるようにしても良い。これは、ウィービングやオシレーションと称される手法であり、これによって溶接ビードの幅を広くすることができ、効率よい肉盛溶接が行える。

なお、火炉壁の一面側において、隣接する他の鋼管との干渉等によって鋼管の表面全体を肉盛溶接できない場合には、鋼管の周方向両端部については、溶接トーチを鋼管の軸方向に移動させて肉盛溶接を行い、軸方向に肉盛溶接を行った部分の間の領域で、周方向の肉盛溶接を行うようにしても良い。

本発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の鋼管の肉盛溶接方法に用いる肉盛溶接装置であって、ボイラの火炉壁の内周面に沿うようセットされるフレームと、フレームに対して火炉壁の内周面に沿って移動可能に支持され、火炉壁を構成する鋼管を肉盛溶接するための溶接トーチを保持するトーチ保持部と、を備え、トーチ保持部は、円弧状のレールに沿って移動することで、溶接トーチで鋼管の周方向に沿って鋼管を肉盛溶接可能な構成とされていることを特徴とする肉盛溶接装置とすることもできる。
この場合、フレームは、トーチ保持部を、火炉壁に略平行な面内で少なくとも鋼管の軸方向に移動可能に支持するのが好ましい。
また、トーチ保持部は、レールに沿って移動するときに、溶接トーチの鋼管の表面に対する角度を一定に保つようにするのが好ましい。

本発明によれば、鋼管を周方向に肉盛溶接することで、肉盛厚さを周方向で均一化することができる。このように肉盛厚さの均一化が図れれば、最も薄い部分に合わせて肉盛した場合のように、肉盛の厚い部分の肉盛材料が無駄になることもなく、全体的に肉盛厚さを薄くすることができ、肉盛材料の使用量を抑えてコストを低減することができる。しかも、溶射に比較し、肉盛溶接の場合には、肉盛した部分の剥離も生じにくく、耐久性にも優れる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における火炉壁の肉盛方法を説明するための図である。
この図１に示すように、産業用ボイラや石炭焚きボイラ等の火炉壁１０は、複数本の鋼管１１を並べ、互いに隣接する鋼管１１、１１間をプレート１２によって接合することで、パネル状に形成されている。

このような火炉壁１０を肉盛するには、図２に示すような溶接装置２０を用いる。
溶接装置２０は、火炉壁１０の鋼管１１に磁力によって吸着支持されるか、または火炉壁１０に仮付けされた板にネジ止めされる上下一対のベースフレーム（フレーム）２１と、このベースフレーム２１に沿って横方向に移動可能に設けられた横移動台車２２と、上下の横移動台車２２に取り付けられた縦方向レール（フレーム）２３と、縦方向レール２３に沿って移動可能に設けられた縦移動台車２４と、縦移動台車２４に取り付けられたトーチ保持部２５と、を備える。
トーチ保持部２５は、横移動台車２２、縦移動台車２４の移動により、上下左右方向に移動自在とされている。また、横移動台車２２、縦移動台車２４は、リモートコントロール、あるいは予め入力されたプログラムに基づいて、所定の動作を行えるようになっている。
このような溶接装置２０は、例えば、特公昭６０−３２５４４号に開示された構成のものを用いることができる。

図１（ａ）に示すように、トーチ保持部２５は、略円弧状のレール３０に沿って、トーチホルダー３１が移動可能に設けられ、このトーチホルダー３１に、溶接トーチ４０が保持されるようになっている。
レール３０には、その周面にラックギヤ３２が形成されている。一方、トーチホルダー３１には、ラックギヤ３２に噛み合うピニオンギヤ（図示無し）が内蔵され、このピニオンギヤを図示しないモータで回転駆動させることで、トーチホルダー３１はレール３０に沿って移動可能な構成とされている。

このような溶接装置２０を用い、火炉壁１０を肉盛するには、火炉壁１０の鋼管１１の周方向に沿って溶接トーチ４０を移動させながら、肉盛溶接を行う。これには、略円弧状のレール３０の円弧中心を１本の鋼管１１の軸心に一致させた状態かまたは奥行き方向にずらした状態となるようにトーチ保持部２５を位置させ、この状態で、トーチホルダー３１を、レール３０に沿って所定速度で移動させながら、溶接トーチ４０からアークを発生させる。これにより、溶接トーチ４０からのアーク長、すなわち溶接トーチ４０と鋼管１１との間隔は一定寸法を保ったまま、溶接トーチ４０が鋼管１１の外周面に沿って移動することになるので、鋼管１１は周方向に肉盛溶接され、鋼管１１の周方向において肉盛厚さを一定に保つことができる。
そして、溶接トーチ４０により、火炉壁１０の内面側に露出している鋼管１１の表面において、一方の端部１１ａから他方の端部１１ｂまで肉盛溶接を行ったら、溶接トーチ４０をレール３０に沿って逆方向に移動させる。さらに、トーチ保持部２５を、鋼管１１の軸方向に沿って順次下降させていくことで、溶接トーチ４０を、図１（ｂ）中の矢印に示すようにジグザグ状に運棒することができる。
これにより、鋼管１１の全長を、周方向に肉盛溶接していくことができる。

１本の鋼管１１の肉盛溶接が完了した時点で、トーチ保持部２５を隣接する他の鋼管１１に対応した位置に移動させ、上記と同様にして肉盛溶接を行う。これを繰り返すことで、火炉壁１０の内周面側において、火炉壁１０を構成する鋼管１１を肉盛溶接していくことができる。

上述したように、略円弧状のレール３０に沿って溶接トーチ４０が移動する溶接装置２０により、火炉壁１０の鋼管１１を周方向に肉盛溶接することで、肉盛厚さを鋼管１１の周方向で均一化することができる。このように肉盛厚さの均一化が図れれば、最も薄い部分に合わせて肉盛した場合のように、肉盛の厚い部分の肉盛材料が無駄になることもなく、全体的に肉盛厚さを薄くすることができ、肉盛材料の使用量を抑えてコストを低減することができる。しかも、溶射に比較し、肉盛溶接の場合には、肉盛した部分の剥離も生じにくく、耐久性にも優れる。
また、前述したように、インコネル系の溶接材料の場合、Ｎｉが多く含まれているため、炭素鋼や低合金鋼の溶接ワイヤに比べ、図８に示したように溶接ビード３の端部３ａが凸状となる傾向があるが、上記のように鋼管１１の周方向に肉盛溶接した場合には、肉盛溶接時に溶融した溶接材料が重力によって垂れるため、互いに上下に位置する溶接ビードは、鋼管１１の軸方向に溶接した場合と同じ運棒ピッチ（互いに隣接する溶接ビード間のピッチ）であっても、溶接ビードの重ね合わせ部分の溶接材料の量が多くなる。これにより、Ｎｉの量が多くなり、粘度が低下して、溶接ビードが凹凸の少ない滑らかなものとなると思われる。これも、肉盛厚さの均一化につながる。
図３は、鋼管１１を周方向に肉盛溶接した場合（図３（ａ））と、従来のように軸方向に肉盛溶接した場合（図３（ｂ））における、鋼管１１の断面写真を示すものである。この図３からも明らかなように、鋼管１１を周方向に肉盛溶接した場合の方が、肉盛溶接厚さが均一になる。
このようにして、肉盛溶接の厚さの均一化を図ることによって、肉盛溶接時の肉盛厚さの計測管理も容易となり、溶接材料の使用量を抑えて材料コストを低減する効果が得られる。

ところで、上記において、鋼管１１の周方向に肉盛溶接を行うようにしたが、溶接トーチ４０や略円弧状のレール３０が、隣接する他の鋼管１１に干渉するために溶接アークが鋼管１１とプレート１２の継ぎ目の部分まで届かず、火炉壁１０の内方側に面する鋼管１１の表面の全範囲を肉盛溶接することができない場合がある。
そのような場合、図４に示すように、鋼管１１とプレート１２の継ぎ目の部分Ａ等については、従来と同様に鋼管１１の軸方向に肉盛溶接を行い、鋼管１１の残る部分Ｂを上記と同様にして周方向に肉盛溶接するようにしても良い。その場合であっても、周方向に肉盛溶接した部分については上記と同様の効果を得ることができる。

また、溶接トーチ４０を、所定の方向（図１の場合は周方向、図４の場合は、鋼管１１とプレート１２の継ぎ目の部分Ａのみ鋼管１１の軸方向、残る部分Ｂは周方向）に運棒するときに、運棒方向と略直交する方向（溶接ビードの幅方向）に溶接トーチ４０を細かく振りながら肉盛溶接を行う、いわゆるウィービングあるいはオシレーションを行うこともできる。これには、溶接トーチ４０をレール３０に沿って移動させながら、トーチ保持部２５を鋼管１１の軸方向に沿って一定幅で上下動させても良いが、図５に示すような構成を用い、永久磁石４１と電磁石４２で溶接トーチ４０の先端部４０ａのみを振動させるのが有効である。このような溶接トーチ４０としては、特開平６−１５４４９号に記載の構成を用いることができる。
このようにすると、溶接ビードの幅が広くなり、溶接を効率よく行える。このように、鋼管１１の周方向に溶接トーチ４０を移動させて肉盛溶接を行いながら、これと略直交する方向（鋼管１１の軸方向）にウィービングを行う場合、図６（ａ）に示すように、溶接トーチ４０の鋼管１１の表面に対するトーチ角は常に一定となる。これに対し、従来のように溶接トーチ４０を鋼管１１の軸方向に移動させながら、これと略直交する方向に溶接トーチ４０の先端部を振動させてウィービングを行った場合、図６（ｂ）に示すように、鋼管１１は円形であるために、溶接トーチ４０の鋼管１１の表面に対するトーチ角、さらには溶接トーチ４０と鋼管１１の表面との距離も、位置によって変動することになる。これも、肉盛厚さの不均一に繋がるわけであるが、上記本実施の形態のような構成であれば、そのような問題は生じない。すなわち、ウィービングを行う場合、本実施の形態のように、周方向に肉盛溶接を行うのは特に有効となるのである。

なお、上記実施の形態では、溶接装置２０についての構成を説明したが、鋼管１１を周方向に肉盛溶接することができるのであれば、その構成については、他のいかなる構成に変更しても良い。また、溶接材料や、肉盛溶接の対象物の材質は、他のいかなるものであっても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における鋼管の肉盛溶接方法を示す図である。 肉盛溶接装置の全体構成を示す図である。 （ａ）は鋼管を周方向に肉盛溶接した場合、（ｂ）は軸方向に肉盛溶接した場合の鋼管の断面写真を示すものである。 鋼管の両端部のみ鋼管の軸方向に肉盛溶接を行う場合の例を示す図である。 オシレーションを行うための溶接トーチの概略構成を示す図である。 （ａ）鋼管の軸方向にオシレーションを行った場合と、（ｂ）鋼管の周方向にオシレーションを行った場合の比較を示す図である。 従来の鋼管の肉盛溶接方法を示す図である。 従来の方法において溶接ビードに凹凸が生じた状態を示す図である。

符号の説明

１０…火炉壁、１１…鋼管、１２…プレート、２０…溶接装置、２１…ベースフレーム（フレーム）、２３…縦方向レール（フレーム）、２５…トーチ保持部、３０…レール、３１…トーチホルダー、４０…溶接トーチ

Claims (10)

1. 鋼管の表面を肉盛溶接する方法であって、
   溶接トーチを前記鋼管の周方向に移動させて前記鋼管の表面を前記周方向に肉盛溶接する工程と、
   前記溶接トーチを、前記鋼管の軸方向に、前記溶接トーチと前記鋼管との間に生じる溶接アークによって前記鋼管の表面に形成される溶接ビードの幅寸法より少ない寸法だけ移動させる工程と、を繰り返すことを特徴とする鋼管の肉盛溶接方法。
2. 前記鋼管の軸心に対し略同心状に配置された円弧状のレールに沿って、前記溶接トーチを保持したトーチ保持部を移動させることで、前記周方向の肉盛溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼管の肉盛溶接方法。
3. 前記鋼管は、複数本の前記鋼管が並べて設置されることでボイラの火炉壁を形成するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の肉盛溶接方法。
4. 既設の前記火炉壁を形成する前記鋼管に適用され、前記溶接トーチを前記軸方向に移動させる工程では、前記溶接トーチを下方に向けて移動させることを特徴とする請求項３に記載の鋼管の肉盛溶接方法。
5. 前記肉盛溶接に用いる溶接材料は、母材と共金系の材料、ステンレス系材料またはインコネル系材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鋼管の肉盛溶接方法。
6. 前記鋼管の表面を前記周方向に肉盛溶接するときに、前記溶接トーチを前記周方向に移動させながら、前記軸方向に一定の幅で往復動させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の鋼管の肉盛溶接方法。
7. 前記鋼管の周方向両端部については、前記溶接トーチを前記軸方向に移動させて肉盛溶接を行い、前記軸方向に肉盛溶接を行った部分の間の領域で、前記周方向の肉盛溶接を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の鋼管の肉盛溶接方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の鋼管の肉盛溶接方法に用いる肉盛溶接装置であって、
   ボイラの火炉壁の内周面に沿うようセットされるフレームと、
   前記フレームに対して前記火炉壁の内周面に沿って移動可能に支持され、前記火炉壁を構成する鋼管を肉盛溶接するための溶接トーチを保持するトーチ保持部と、を備え、
   前記トーチ保持部は、円弧状のレールに沿って移動することで、前記溶接トーチで前記鋼管の周方向に沿って前記鋼管を肉盛溶接可能な構成とされていることを特徴とする肉盛溶接装置。
9. 前記フレームは、前記トーチ保持部を、前記火炉壁に略平行な面内で少なくとも前記鋼管の軸方向に移動可能に支持することを特徴とする請求項８に記載の肉盛溶接装置。
10. 前記トーチ保持部は、前記レールに沿って移動するときに、前記溶接トーチの前記鋼管の表面に対する角度を一定に保つことを特徴とする請求項８または９に記載の肉盛溶接装置。

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