JP5877391B1 - スパッタ付着防止剤 - Google Patents
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Abstract
Description
金属製構造物の溶接で発生する概ね1.2mm以上の大きさのスパッタ粒が溶着した場合のスパッタ粒を除去するには、タガネで削り落とす以外の除去方法では困難であることは知られているが、スパッタ粒の被溶接金属部材表面上に対する溶着力は被溶接金属部材への溶け込み深さと溶着面積に依存する。溶け込み深さが深ければ完全に溶着してスパッタ粒は除去する時は平タガネを使用して切り落とし、さらに外観を美化する作業が生ずる。工具の選択と力の入れ方により差はあるが、溶け込み深さが浅い場合や溶け込みが深くとも溶着面積が小さければければ、粒の底部を専用の手工具で打撃することにより除去が可能な状態のものも有る。
特許文献3に記載されている、主としてステンレス金属材の構造物の溶接に対する事を目的として開発された洗浄タイプのスパッタ付着防止剤もある。この種の洗浄タイプのスパッタ付着防止剤の塗布膜は、溶接で発生するスパッタ粒らとよごれを含め溶接完了後に水や溶剤による洗浄またはブラスト処理で除去することを前提として作られたものである。塗布膜は乾燥するとスパッタを貫通させない硬さを持つ膜となり、スパッタ粒らを被溶接金属部材の表面から隔離する性能を持つ塗布材である。この塗布膜を除去するために、多大な設備費用の掛かる洗浄及び水洗設備やブラスト設備を設置しなければならないという欠点があり、大型の金属構造物に適用することは少ない。
上記添加材は、熱膨張率が炭酸カルシウム粉体よりも高い被溶接金属部材と同種の金属粉末、またはその金属粉末とその金属の酸化物が混ざり合った混合金属粉末である。
本出願の発明者は上記の課題を解決するために、被溶接金属部材に対しての塗布性と、過酷な溶接条件下であっても耐熱性に優れかつ長時間に渡りスパッタ溶着防止効果が熱により劣化せず持続的に維持すること及び清掃除去時には剥離性の良いスパッタ付着防止剤の探索研究を行った。
(炭酸カルシウム粉体のみを使用する場合の問題点)
炭酸カルシウム粉体に水を加えて塗布材とし被溶接金属部材の表面に適度の厚みで塗布すると、液体の蒸発や環境温度と時間経過等により塗布膜の硬さが次第に増大する性質を持つ物質である。外部からの入熱が増加し被溶接金属部材の温度が上昇すると塗布膜は入熱方向から硬度を増しながら収縮が進み、熱源側の被溶接金属部材への焼き付き(付着力が強まり除去する事が難しい状態)が進行する。
本願の発明者は上記の問題を解決するために、壁面等に塗られるモルタルが塗付性(保水性や展延性及び付着性)に優れ、塗布面の性状や形状また塗布面に対する作業姿勢(塗布面が下向きか、上向かあるいは傾斜しているか等にかかわらず、所望径の骨材が内在することによって水分が表面に噴き出すこと無く所望する均一な厚みの塗布層を形成出来きる事に着目し、使用する添加材(骨材)の選定に入った。
(塗布膜の熱現象)
このスパッタ付着防止用の塗布材は、一度の塗装で好ましい膜の厚さを有する塗布膜を形成することが出来、乾燥後には空隙を含む柔らかな塗布膜になる。柔らかな塗布膜の衝撃緩和力は飛来し着膜するスパッタの衝撃エネルギーを吸収し、添加材の熱吸収力はスパッタ粒らの保有熱を吸収するため、スパッタ粒らが塗布膜を貫通し底面まで到達することを防止する。言い換えれば、飛来したスパッタ粒子の多くは、被溶接金属部材の表面の塗布膜を貫通することなく塗布膜の表面もしくは塗布膜内に止め置かれる。一部のスパッタ粒子が塗布膜を通過したとしても添加材の熱吸収力により温度が降下しているため被溶接金属部材の表面に軟溶着粒の状態で溶着することになる。
(塗布膜の性能)
乾燥した軟らかい塗布膜は、熱よる物理的変動の影響で粒子間の空間の変動させることにより、スパッタ粒らの溶着防止や軟溶着の効果を作り出し、塗布膜の断熱力や衝撃吸収力及び吸熱力を塗布時の状態で維持もしくは増大させる方向に向かわせることになる。もしスパッタ粒が塗布膜を貫通しても、これらの熱よる物理的変動が創出する力が溶着状態を大きく変化させる能力源になり、開発者が所望していたスパッタ粒らの溶着防止や軟溶着化の性能を作り出した。
(実証試験方法)
以下、本発明のスパッタ付着防止剤の実証試験を実施する形態を説明するが、これらの実施形態は本発明の内容を限定することを意図するものではない。
体は平均粒径が略2.7μm及び最大粒径55μmで平均かさ密度略0.6g/cm 3 の炭酸カルシウム(CaCO 3 )粉体(丸尾カルシュウム社)を用いた。(図-7の炭酸カルシュウム拡大写真) 炭酸カルシュウム拡大写真添加材は建築用金属材料の粉体とその酸化物の粉体の混合粉体を略40乃至250μmの範囲に分別した混合粉体(平均かさ密度2.01g/cm)を用い、基材粉体と本発明品の混合粉体で有る添加材を表1に示す混合比率(基材粉体:添加材)で準備し、混合液を加え混合攪拌し試験体番号02〜13の11種類の塗布材を製作し試験体に塗布した。
清掃レベル2の清掃では、清掃レベル1の清掃で除去されなかった軟溶着のスパッタに対して実施され、毛先長さ28mmのアイロン形ナイロンブラシ(150x75mm 株式会社カインズ販売・中国製)を使用して上記と同様の方法で3往復し、清掃レベル1の清掃実施後に残留している塗布膜と軟溶着スパッタを清掃除去する。
(各清掃レベルが目標とする除去程度)
清掃レベル1では単純に塗布膜の上に残置されているや塗布膜内に残留している未溶着のスパッタ粒らの除去、レベル2では手で擦れば除去出来る程度の塗布膜に食い込んで残置されている未溶着のスパッタ粒らや微溶着粒らの除去を目標とする。
(低入熱溶接に対する適用)
表3は溶接パス数の少ない低入熱溶接の隅肉溶接における、スパッタ付着防止性能と軟溶着化の程度を評価するためのものである。本案のスパッタ付着防止剤が、低入熱溶接の隅肉溶接で発生する大粒のスパッタ粒に対して溶着防止もしくは軟溶着化する性能がある事を確認するために実施する。
× 在来の専用工具で打撃しても除去出来ないスパッタが残留した。
□ 打撃なしで使用する軽量工具(例えば皮すき等の軽いヘラ様のもの)や金属製ブラシの清掃では取れない溶着粒が散見され、除去のため在来平タガネを手で握り軽く突く様な感じでスパッタ粒の底部を軽く打撃する軽作業にて清掃除去できた。(実用的には、良好の範囲)
△ 軽量工具で軽く擦るかまたは金属製ぶらし清掃で全てのスパッタと塗布材が除去された。(開発者の所望する性能の範囲内)
○ 清掃レベル1ないし3で全てのスパッタと塗布材が除去された
清掃力の差が少ないレベル2とレベル3の数値差はF14を除き大きく出なかった。F14におけるレベル3の結果を見ると、レベル1とレベル2の微妙な除去力の差がレベル2の数値に影響したものであり、レベル3の数値は他と比較すると概ね妥当な数字となっている。
清掃前の粒数は、塗布膜の表面に突入すら出来ず軟らかい塗布膜の表面上に残置された相当量の微細なスパッタ粒が清掃レベル1の前処理のエアーブローで吹飛ばされた後の数値である事は、清掃前の試験体番号01乃至14の数値により明らかである。本考案の要領で塗布材を塗布された試験体番号09乃至12の範囲を見ると、清掃レベル1の清掃前における溶着状態の粒数は多いが、清掃レベル3の結果より軟溶着したスパッタ粒らの粒数である事が分かる。
炭酸カルシュウムの配合率10%の場合のレベル3のスパッタ粒らの溶着数量は多いが軟溶着化されているため、清掃除去作業の実務から見るとスパッタ粒らの溶着状況が大きく改善され、レベル3以降を実証試験の最終工程と称しているが、実務上では清掃除去作業前の状態評価は良好と称されることになる。
上記の炭酸カルシュウムの配合率が5%の場合の結果においては、炭酸カルシュウムの配合率を一定以上に低下させると加熱で保たれていた塗布膜の硬度は配合率が一定の範囲を超えると減少傾向に転ずることが判明した。添加材の金属粉で塗布膜を作成しても鉄粉の粒子間にほとんど付着力が無いので、炭酸カルシュウム粉体の配合率が少ないと塗布膜の結合力が低いため抵抗が少なくなりスパッタ粒の通過速度の減少量は少ない。速度と付着力の影響で早い速度で通過するためスパッタ粒が金属の粉体に熱を奪われる熱量は少なくなり、軟溶着化が進まない状態で被溶接金属部材表面に到達し溶着したと推定できる。上記の溶着したスパッタ粒らの一部には平タガネをハンマーで強打して削り落す除去作業が必要であった、理由は炭酸カルシュウムの配合率を一定以上低下させた事を起因とし、軟溶着化されずに被溶接金属部材表面に到達するスパッタ粒が増えた結果と言える。
(実証実験の考察)
実証結果から、本発明のスパッタ付着防止剤のスパッタ付着防止効果について以下のことが明らかになった。
よって、本発明のスパッタ付着防止剤を塗布する事により、高入熱や低入熱溶接に関わらず添加材金属の混合比率は5%〜90%の範囲とし、望ましくは範囲を10%〜80%に限定すれば極めて高い良好なスパッタ付着防止剤となり、スパッタ粒らの溶着力を減少させる高い能力を保持される事を実証試験により確認できた。
(温度変化による塗布膜の剥離性確認試験)
本発明のスパッタ付着防止剤の重要な性能は、塗布膜が目的のスパッタ溶着防止や軟溶着化の性能を如何にして長時間に渡り保持するかある。これらは前項の実証試験により、塗布膜がスパッタ粒らの溶着防止や軟溶着化の性能を溶接作業の全工程に渡って適性に維持することが検証された。しかし基材と混合粉体を混合液で混合攪拌して作られ塗布された塗布膜について、加熱温度による粉体の結合と分離に関する裏付文献を検索したが不明に付、温度変化による剥離性の推移を検証するために本確認試験を実施した。
塵したうえで、小判型ブラシ(48x95mm・毛先長さ30mm・植毛材質PP・コー
ワ社製)を速度が調整できるガス切断用自動走行台車(MAX−1型・小池酸素工業社製
)に固定し、この台車を一定の速度(650mm/min)で水平に設置した定盤(金属板)の上を往復走行させ、試験体の塗布膜をブラシで清掃した。(図11に試験片の配置と自動走行台車に取付けたブラシの準備作業状態を示す。)検査レベルを上げるに従ってブラシの累積往復回数を増やして金属板上の塗布膜を清掃した。
× 塗布膜が除去出来ない。
△ 表面に付着が認められた。
○ 除去された
市販品(スパコート)は、200,300℃の加熱では乾燥時に硬化する結合剤が含まれているために塗布膜の表面が硬いため塗布膜の除去はできなく、清掃レベル1,2,3では試験体の表面に塗布膜が付着したままで有った。加熱温度400℃近辺から皮膜の硬化度が徐々に消滅し、400と500℃では指で擦ると剥離できる膜に変化するため清掃4レベルで除去は出来きたが、表面に若干の白さが残る状態であった。図12の(1)乃至(3)は前記の状況を示す写真である。
炭酸カルシュウムの混合比が100%の試験体は200から300℃の加熱で硬化現象があり、200から300℃の清掃レベル1,2,3では塗布膜の表層の一部しか除去できなく、表面に塗布膜が付着したままであるため剥離性は良好でない。500℃では市販品と同じ様に硬化現象が緩和される傾向を示したが、500℃と400℃の清掃レベル3では塗布膜が透明に近い薄い白色で残り、500℃と400℃の清掃レベル3の外観差は殆んど無かった。(図13の(1)乃至(3)は前記の状況を示す写真である。)
炭酸カルシュウムの混合比が95%の場合の試験体では、200,300℃の清掃レベル1,2,3では表面に微な薄白色の付着が見られたが、レベル4の500℃と400℃ではその色は全て除去された。図14の(1)乃至(3)は前記の状況を示す写真である。
(確認試験の考察)
金属溶接の周辺部位は、常温から概1000℃まで広範囲な分布となる。加熱初期の200〜300℃では被溶接母材金属表面の塗布膜の剥離状況は、炭酸カルシュウムの混合比の影響は有るが添加材の粒子らの動き(膨張・収縮)により、添加材が10%以上配合された塗布膜は温度上昇が有っても、塗布膜は塗布した時と同程度に柔らかさに押さえられる。前述の理由により除去作業に必要な力は、温度変化にあまり影響無く保持される。確認試験の結果を示す表9は、炭酸カルシュウムの混合比90乃至25%の広範囲の塗布膜が、溶接終了迄ブラシで除去できる軟らかい塗布膜であることを示している。
(実証試験と確認試験の総括)
実証試験と確認試験により、本発明のスパッタ付着防止剤が創出した弾力性のある軟らかい塗布膜の剥離性は、極めて良好なスパッタ付着防止の性能を有している事が確認できた。本発明のスパッタ付着防止剤は、温度に対する依存性の少ない弾力性のある軟らかい塗布膜でありながら、いかなる溶接入熱条件下においても一度の塗布で付着性と剥離性の性能を溶接作業終了まで保持出来ることがスパッタらの付着防止と清掃及び除去の軽便化を目的として開発した本案の効果であり、この性能は溶接作業における効率性の改善を求める現場の要求と一致するものである。
B 開先付被溶接金属材
C 裏当て金
D 溶接部
E 炭酸ガス溶接に使用するトーチノズル
F 溶着粒(被溶接母材に溶着した溶着粒)
1 塗布膜
2 スパッタ粒
3 塗装用刷毛
4 添加材(鉄粉)
5 炭酸カルシュウム粉体(基材)
6 平タガネ
7 ハンマー
8 ヘラ用の手工具
Claims (7)
- 炭酸カルシウム粉末よりなる基材粉体と、被溶接金属部材と同種の金属粉末またはその金属粉末とその金属の酸化物が混ざり合った混合金属粉末よりなる添加材と、を所望の比率で混合して作られた混合粉体を加え、撹拌混合して混合液とすることを特徴とするスパッタ付着防止剤。
- 前記基材粉体と前記添加材とを混合してなる前記混合粉体は、10〜95重量%の前記基材粉体を含むことを特徴とする請求項1記載のスパッタ付着防止剤。
- 前記基材粉体の最大粒径は75μm以下及び前記添加材の最大粒径は250μm以下であって、前記添加材の熱膨張率は前記基材粉体の熱膨張率より高いことを特徴とする請求項1又は2記載のスパッタ付着防止剤。
- 前記混合液は水に揮発性液体を加えた水溶液であることを特徴とする請求項1記載のスパッタ付着防止剤。
- 前記揮発性液体はアルコール類であることを特徴とする請求項4記載のスパッタ付着防止剤。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載のスパッタ付着防止剤を用いた溶接方法であって、前記混合粉体と前記混合液の攪拌混合を、溶接現場近傍で実施することを特徴とする溶接方法。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載のスパッタ付着防止剤を用いた溶接方法であって、被溶接構造物を溶接する前に、前記被溶接構造物に前記スパッタ付着防止剤を塗布する工程を含むスパッタ付着防止剤を用いたことを特徴とする溶接方法。
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