JP5038278B2 - プラズマキーホール溶接のバックシールド方法及びプラズマキーホール溶接装置 - Google Patents

Description

この発明は金属板を突き合わせて、その開先部分を溶接するプラズマキーホール溶接のバックシールド方法およびプラズマキーホール溶接装置に関するものである。

従来レーザー溶接では特許文献１のようにバックシールド治具を設置し、その中にバックシールドガスとして不活性ガスを噴出して裏波ビードの酸化を防止する技術が用いられている。
また、管材をプラズマキーホール溶接する場合は、特許文献２のように、溶接される管材の両端を塞いで内部に不活性ガスを充填して溶接する方法などが採用されている。

特開平８−２１５８７０号公報（段落０００８） 特開平８−２５０５２号公報（段落０００８）

厚板を突き合わせて裏波溶接するプラズマキーホール溶接において、特許文献１のような治具を用いて、治具内部に不活性ガスを充満すると、治具内に溜まった不活性ガスの逃げ場が無く、トーチからのプラズマの噴射が被溶接ワークの開先部をストレス無く貫通できない、或いはプラズマの一部が治具内に滞留している不活性ガスによって上方に跳ね返され、裏波ビードが適当に形成できない、従って、溶接品質を一定に保てないという問題があった。
また、特許文献２のように管の内部に不活性性ガスを充填するためには大量の不活性ガスを必要として費用がかかる。また、溶接前に不活性ガスを管内全体に充填するのに長時間かかるという経済性及び生産性上の問題があった。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、プラズマキーホール溶接でも治具に不活性ガスを充満させて裏波ビードの酸化を防止し、裏波ビード形状を安定できるプラズマキーホール溶接のバックシールド方法及びプラズマキーホール溶接装置を提供するものである。

この発明に係るプラズマキーホール溶接のバックシールド方法は、トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を溶接するプラズマキーホール溶接において、被溶接ワークの反トーチ側の開先に沿って延在し、開先に正対する面に開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具を、溝部の縁が被溶接ワークに対して所定の隙間を保持するように設置し、バックシールド治具の溝部内に不活性ガスを噴射しながら被溶接ワークを溶接するものである。

また、この発明に係るプラズマキーホール溶接装置は、トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を溶接するプラズマキーホール溶接装置において、
被溶接ワーク間の開先をトーチに正対させながら、被溶接ワークを所定のスピードで移動させるワーク搬送手段と、
被溶接ワークの反トーチ側の開先に沿って延在し、開先に正対する面に開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具と、
このバックシールド治具の溝部に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射手段と、
バックシールド治具を、溝部の縁が被溶接ワークから所定の隙間を保持しながら被溶接ワークの移動に追従するよう搬送するバックシールド治具搬送手段とを備えたものである。

この発明に係るプラズマキーホール溶接のバックシールド方法は、トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を溶接するプラズマキーホール溶接において、被溶接ワークの反トーチ側の開先に沿って延在し、開先に正対する面に開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具を、溝部の縁が被溶接ワークに対して所定の隙間を保持するように設置し、バックシールド治具の溝部内に不活性ガスを噴射しながら被溶接ワークを溶接するものなので、トーチからのプラズマの噴射が、スムーズに被溶接ワークの開先部を貫通し溶接後に良好な裏波ビード形状を得ることができる。
また、溶接中に溶融金属が空気から十分遮断されるので、被溶接ワークの溶接部分に添加金属が酸化して析出することに起因するブローホールやスラグ巻き込み、溶接割れ等の発生を防止できる。
また、不活性ガスの充填時間を短縮し、使用量を削減できるのでプラズマキーホール溶接作業の経済性、生産性を向上できる。

また、この発明に係るプラズマキーホール溶接装置は、トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を溶接するプラズマキーホール溶接装置において、
被溶接ワーク間の開先をトーチに正対させながら、被溶接ワークを所定のスピードで移動させるワーク搬送手段と、
被溶接ワークの反トーチ側の開先に沿って延在し、開先に正対する面に開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具と、
このバックシールド治具の溝部に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射手段と、
バックシールド治具を、溝部の縁が被溶接ワークから所定の隙間を保持しながら被溶接ワークの移動に追従するよう搬送するバックシールド治具搬送手段とを備えたものなので、トーチからのプラズマの噴射が、スムーズに被溶接ワークの開先部を貫通し溶接後に良好な裏波ビード形状を得ることができる。
また、溶接中に溶融金属が空気から十分遮断されるので、被溶接ワークの溶接部分に添加金属が酸化して析出することに起因するブローホールやスラグ巻き込み、溶接割れ等の発生を防止できる。
また、不活性ガスの充填時間を短縮し、使用量を削減できるので経済性、生産性の高いプラズマキーホール溶接装置を提供できる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
まず、この発明によるプラズマキーホール溶接機の機能の概略を説明する。
図１は、本発明を高張力鋼板の管材の溶接に適用したプラズマキーホール溶接装置１（以下、溶接装置１という）の側断面図である。図２はこの溶接装置１を用いて溶接するワーク２の横断面図である。図７は、高張力鋼板からパイプを製造するまでの手順を示すフローチャートである。
図７に示すように、溶接の前工程で長方形の高張力鋼板の厚板（５ｍｍ以上の厚さがあれば良い）をプレス又はロール、あるいはその両方を用いて図２のようなオープンパイプ状に成形した溶接前のワーク２を製造しておき、図１に示す溶接装置１を用いて、ワーク２の外側から、突き合わせた開先部２１をプラズマキーホール溶接し、１本のパイプを製造する。

図１に基づいて、溶接装置１の概略構成を説明する。
溶接装置１は、溶接前のワーク２を載置する投入側ワーク載置台３と、溶接済みのワーク２を載置する排出側ワーク載置台４、実際の溶接工程を司るトンネル溶接機構５と、溶接時にワーク２（パイプ）の内側から溶接中のワーク２の開先部２１をバックシールドするバックシールド機構６、そして、投入側ワーク載置台３上のワーク２をトンネル溶接機構５に挿入し、排出側ワーク載置台４に排出する押し込み機構７から成る。

更に、溶接装置１を構成する主要機構の詳細を各図に基づき工程に沿って説明する。
図１に示すように、まず投入側ワーク載置台３上にパイプ状のワーク２を、溶接する開先部が真上になるように載置する。次に、押し込み機構７の押圧板７１によりトンネル溶接機構５にワーク２を挿入するのであるが、押圧板７１は図示しないサーボモータ等で駆動され、ワーク２を図１の右側から左側に押し進める。

トンネル溶接機構５は、ワーク２をスムーズに同機構内部に挿入するため設けられたテーパ部５１と、ワーク２がテーパ部５１へ挿入される時に、ワーク２の最上部に開いた開先部２１に挿入してワーク２の周方向への回転を防止する回転防止ガイド５２と、溶接時にワーク２の形状を規制し、支持するトンネル金型５３と、ワーク２の真上から高温のプラズマを噴射してワーク２をプラズマキーホール溶接するトーチ５４とからなる。図１は、押圧板７１によって左方向に押されたワーク２の左端が、ワーク２の開先部２１に回転防止ガイド５２を挿入した状態でテーパ部５１に接触した状態を示している。

さて、ワーク２は先述のように、１枚の高張力鋼板をパイプ状に曲げてあるが、図２に示すように、溶接を施す開先部２１は実際の溶接時の間隔より広がっている。従って、トンネル金型５３に挿入する前のワーク２の横断面は真円ではなく、その直径は溶接後のパイプより大きくなっていて、そのままではトンネル金型５３に直接挿入することができない。そこで、トンネル金型５３の直前（図の左側）に隣接して、トンネル金型５３側の内径がトンネル金型５３の内径と等しく、押し込み機構７側に次第に内径が広くなるテーパ部５１を設置してある。

押圧板７１によって押されたワーク２は、テーパ部５１の内側の傾斜に沿って外径を縮められながら整形され、トンネル金型５３内部に押し込まれる。そしてワーク２の先端が溶接用のトーチ５４の真下である溶接開始位置に到達すると、押し込み機構７は一時停止する。図３は、このようにしてトーチ５４の真下でワーク２が停止した状態にある溶接装置１の側断面図である。

バックシールド機構６は、ワーク２の内側の開先部を溶接時に空気からシールするバックシールド治具９（以後、単に治具９という）と、この治具９を上に載せて、図１左右方向にスライドするスライド機構６２と、このスライド機構６２と共に治具９の高さを調整する高さ調整機構６１とからなる。

ワーク２の左端がトーチ５４の真下に達したところで押し込み機構７が一時停止すると、図４に示すように、スライド機構６２のスライドテーブル６３がワーク２内部に向かって伸長し、スライドテーブル６３の右端が押圧板７１に突き当って停止する。
スライドテーブル６３の駆動は図示しないが、圧搾空気やサーボモータによっておこなわれる。

スライドテーブル６３が押圧板７１に突き当たって停止すると、スライド機構６２の下面を支え、当該機構の高さを調節する高さ調整機構６１が作動する。高さ調整機構６１は治具９とワーク２の間の隙間が所定の値になるようにスライド機構６２を上昇させる。この隙間の機能の詳細については後述する。

図４は、ワーク２が溶接開始位置にあり、治具９が所定の位置にセットされた状態を示している。この位置から、治具９内にバックシールドガスを噴射充満し、押し込み機構７でワーク２を順次左方向へ押し込みながら開先部２１を連続して溶接する。この時、スライド機構６２の動力は切断されており、押圧板７１による押圧を受けて、治具９もワーク２と共に図４左方向に移動する。ワーク２の右端まで溶接を終えると、スライド機構６２によりスライドテーブル６３とその上に載置された治具９をワーク２内から抜き出し、押し込み機構７でワーク２を完全に排出側ワーク載置台４に払い出す。

以上、各機構の動作を、ワーク２と各機構との位置関係を中心に説明した。次に、本発明によるプラズマキーホール溶接について図５、図６に基づいて説明する。図５は溶接中の溶接装置１をトーチ５４の位置でワーク２長手方向垂直に切断した断面図である。治具９は、開口部を上に向けて溝型形状をしており、両側壁の中には、治具９の長手方向に伸びるガス管９４が形成されている。また、このガス管９４は、所定の間隔をあけて複数のガス噴射口９５に接続されている。ガス噴射口９５は治具９の内壁面から水平方向に向けて開口していて、溶接時に治具９内に不活性ガス、例えばアルゴンガスを噴射する。治具９とワーク２の間には先述のように所定の隙間を設けてある。また、治具９の左端部は溝側壁と同じ高さまで閉じている。端部からのガスの大量流出を防止するためである。

次に、この隙間の効果を、隙間の有無の各場合に言及しながら説明する。
図６はレーザ溶接装置などの従来例における、図５と同じ部分の断面を示す図である。バックシールド治具１０９（以下治具１０９と言う）はワーク１０２に密着している。これをプラズマキーホール溶接に適用すると、トーチ１５４から噴射されるプラズマの流れ（以下、プラズマ流２ａという）は、次の２点においてバックシールドガスの影響を受ける。

まず、治具１０９内に形成されたバックシールドガス用のガス噴射口１９５がトーチ１５４の真下となるような場所にある場合は、下方からのバックシールドガス流２ｂが、トーチ１５４から噴射されるプラズマ流２ａと衝突し、その流れに沿って発生するプラズマアークの形状を不安定にする。次に、例え噴射口１９５からのバックシールドガスが直接トーチ１５４からのプラズマ流２ａと衝突しなくとも、バックシールドガスの逃げ場は未だ溶接されていない開先部１２１しかなく、そこから上方へ抜けようとするバックシールドガスが上方からのプラズマ流２ａと開先部１２１近傍で衝突し、プラズマ流２ａの一部は上方に跳ね返される。そしてプラズマアークの形状が不安定となり、結果的に安定した裏波ビード形状を得ることができない。そこで本発明ではバックシールド治具９とワーク２の間に所定の隙間を開けるようにした。

再度、図５を用いて本発明における隙間の機能を説明する。治具９の両壁面に設けたガス噴射口９５から治具９内部へ向けて、水平方向に噴射されたバックシールドガス流ｂは互いに治具９内で衝突し、直接トーチ５４から噴射されるプラズマの流れ（以下プラズマ流ａという）と正面から衝突しない。また治具９とワーク２の間に隙間があるので、治具９内のバックシールドガス流ｂは、図のようにこの隙間から外部に排出できる。また、開先部２１を通過したプラズマ流ａもバックシールドガス流ｂに沿って、この治具９とワーク２の間の隙間を通って外部に排出されるので、先述したような、プラズマ流ａが下方からのシールドガス流ｂによってワーク２の開先部２１近傍で衝突しワーク２の上方に跳ね返されるような不具合は発生しない。
従って、プラズマ流ａに沿ってトーチ５４とワーク２の開先部２１の間で発生するプラズマアークの形状を良好に保つことができる。

なお、この隙間の高さは、プラズマ流ａとバックシールドガス流ｂが、隙間部分で層流ｃとなって流出する程度が理想である。隙間から流出するガス流は、完全に層流とならなくても、治具９外の空気を治具９内に巻き込まない程度であればよい。治具９内のガスの流れは、隙間の高さだけでなく、プラズマ流ａとバックシールドガス流ｂの流量によっても影響される。高さ調整機構６１によって、ガス流が多い場合は隙間を大きく、少ない場合は隙間を小さくして、隙間からスムーズにガスが外部へ流出するように調整すればよい。

このように、この実施の形態に係る発明によれば、トーチ５４からのプラズマの噴射が、スムーズにワーク２の開先部２１を貫通し、バックシールド治具９内の余剰ガスがスムーズに外部に排出できるので、溶接後に良好な裏波ビード形状を得ることができる。
また、溶接中に溶融金属が空気から十分遮断されるので、ワークの溶接部分に添加金属が酸化して析出することに起因するブローホールやスラグ巻き込み、溶接割れ等の発生を防止できる。
また、ワーク２内部全体に不活性ガスを充填する必要がなく、ガスの充填時間を短縮し、使用量を削減できるのでプラズマキーホール溶接作業の経済性、生産性を向上できる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２を説明する。
図８はこの実施の形態におけるバックシールド治具２０９（以下治具２０９という）の側面図である。図９は、溶接開始時にあるプラズマキーホール溶接装置１０１の側断面図である。
実施の形態１では治具９とワーク２の間の隙間は自由に変更できた。しかしながら、ワークの長さが長くなればなるほど、治具も長いものが必要となり、隙間の高さを全体に渡って均等に保つことは難しくなる。

そこで、本実施の形態では治具２０９の溝部の側壁上面に突起８を設け、これがワーク２の内壁に当たるまで、高さ調整機構６１で治具２０９を上方へ押圧するように構成している。突起８の設置場所と数は、治具２０９とワーク２の内壁間の隙間を均一に保つことができれば特段の制限はない。

これにより治具２０９とワーク２間の隙間は、最低限、突起８の高さ分を確保できるので、スムーズに治具２０９内の余剰なガスを排出でき、実施の形態１の効果に加えて、更に安定した品質の裏波ビード形状を得ることができる。
また隙間を突起８の高さ以上に広げることは実施の形態１と同様に可能なので、プラズマおよび不活性ガスの流量にフレキシブルに対応できる。

実施の形態３．
実施の形態１では、ワーク２、２０９と治具９、２０９が溶接中に移動するように構成していたが、実施の形態３ではトーチを移動するものとする。
具体的には、実施の形態１における、押し込み機構７に代えて、トンネル溶接機構５に移動手段（図示しない）を備えるものとする。ワークが固定され、トーチが移動するものである。
これにより、実施の形態１及び２と同様の効果を得られる。

実施の形態１のプラズマキーホール溶接装置１の側断面図である。 実施の形態１のプラズマキーホール溶接装置を用いて溶接するワーク２の横断面図である。 実施の形態１において、溶接開始位置まで押し込まれたワーク２とプラズマキーホール溶接装置１の側断面図である。 実施の形態１において、ワーク２が溶接開始位置にあり、治具９が所定の位置にセットされた状態のプラズマキーホール溶接装置１の側断面図。 実施の形態１の溶接中のプラズマキーホール溶接装置１の横断面図である。 従来例の治具を使用したプラズマキーホール溶接装置の横断面図である。 高張力鋼板を使用したパイプの製造工程のフローチャートである。 実施の形態２のバックシールド治具２０９の側面図である。 溶接開始時にある実施の形態２のプラズマキーホール溶接装置１０１の側断面図である。

符号の説明

１，１０１ プラズマキーホール溶接装置、２,１０２ ワーク、
２１，１２１ 開先部、３ 投入側ワーク載置台、４ 排出側ワーク載置台、
５ トンネル溶接機構、５１ テーパ部、５２ 回転防止ガイド、５３ トンネル金型、５４，１５４ トーチ、６ バックシールド機構、６１ 高さ調整機構、
６２ スライド機構、６３ スライドテーブル、７ 押し込み機構、７１ 押圧板、
８ 突起、９,１０９，２０９ バックシールド治具、９４，１９４ ガス管、
９５，１９５ ガス噴射口、ａ，２ａ プラズマ流、ｂ，２ｂ バックシールドガス流、ｃ 層流。

Claims (13)

1. トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を互いに溶接するプラズマキーホール溶接において、前記被溶接ワークの反トーチ側の前記開先に沿って延在し、前記開先に正対する面に前記開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具を、前記溝部の縁が前記被溶接ワークに対して所定の隙間を保持するように設置し、前記バックシールド治具の前記溝部内に不活性ガスを噴射しながら前記被溶接ワークを溶接するプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
2. 前記バックシールド治具の前記溝部の縁上に凸部を設け、この凸部を前記被溶接ワークに押圧することにより前記隙間の高さを規制する請求項１に記載のプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
3. 前記不活性ガスは前記バックシールド治具の長手方向に、前記バックシールド治具に内蔵した配管と噴射口から前記溝部内に噴射する請求項１又は請求項２に記載のプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
4. 前記不活性ガスは前記トーチからの前記プラズマの噴射流と正対しないように噴射する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
5. 前記被溶接ワーク間とは、１枚の長方形の鋼板を円筒状に丸めた時に相対する前記鋼板の２辺間である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
6. 前記溝部の、前記バックシールド治具の長手方向の両端の少なくとも一方は、前記溝部の縁と同じ高さまで閉じている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接のバックシールド方法。
7. トーチからプラズマを噴射して、突き合わせた被溶接ワーク間の開先を互いに溶接するプラズマキーホール溶接装置において、
   前記被溶接ワーク間の前記開先を前記トーチに正対させながら、前記被溶接ワークを所定のスピードで移動させるワーク搬送手段と、
   前記被溶接ワークの反トーチ側の開先に沿って延在し、前記開先に正対する面に前記開先の幅より広い溝部を有するバックシールド治具と、
   このバックシールド治具の前記溝部に不活性ガスを噴射する不活性ガス噴射手段と、
   前記バックシールド治具を、前記溝部の縁が前記被溶接ワークから所定の隙間を保持しながら前記被溶接ワークの移動に追従するよう搬送するバックシールド治具搬送手段とを備えたプラズマキーホール溶接装置。
8. 前記バックシールド治具の前記溝部の縁上に凸部を設け、この凸部を前記バックシールド治具搬送手段によって前記被溶接ワークに押圧することにより前記隙間の高さを規制する請求項７に記載のプラズマキーホール溶接装置。
9. 前記不活性ガスは前記バックシールド治具の長手方向に、前記バックシールド治具に内蔵した配管から前記溝部内に噴射する請求項７又は請求項８に記載のプラズマキーホール溶接装置。
10. 前記不活性ガスは前記トーチからの前記プラズマの噴射流と正対しないように噴射する請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接装置。
11. 前記ワーク搬送手段に代えて、前記トーチを前記被溶接ワークの開先に沿って移動しながら前記開先を溶接するトーチ移動手段を備えた請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接装置。
12. 前記被溶接ワーク間とは、１枚の長方形の鋼板を円筒状に丸めた時に相対する前記鋼板の２辺間である請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接装置。
13. 前記溝部の、前記バックシールド治具の長手方向の両端の少なくとも一方は、前記溝部の縁と同じ高さまで閉じている請求項７乃至請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマキーホール溶接装置。

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