JP6082276B2

JP6082276B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP6082276B2
Application number: JP2013043056A
Authority: JP
Inventors: 千秋伊藤; 政彦赤松; 臣吾米本; 崇功上月; 篤人青木
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP2014168809A

Description

本発明は、インサートリングを用いてワーク同士を溶接する方法に関する。

従来から、例えば配管同士を突合せ溶接する際には、配管の内側の裏ビードを容易に形成するために、インサートリングが使用されている。このインサートリングは、例えば開先加工が施されたワークのルート部間に配置され、当該インサートリングに向かってタングステン電極からアークが生成されることによって溶融し、ワークのルート部と融合する。

インサートリングとしては、フラットな座金状のものあるし、断面形状が略Ｔ字状のものもある（例えば、特許文献１参照）。Ｔ字型のインサートリングは、ワーク同士の間に挟まれるプレート部と、双方のワークの裏面（ワークが配管の場合は内周面）に宛がわれる半円状の裏当部を有している。

特開平８−１９８３１号公報

インサートリングを用いれば、熟練者でなくても完全溶け込み溶接を実現することが可能である。このような観点から、本発明の発明者らは、Ｔ字型のインサートリングを、配管同士の突合せ溶接だけでなく、ヘッダーやチャンバーなどを構成する大きな母材に配管を垂直に溶接する際にも使用できるのではないかと考えた。そして、貫通穴が設けられた大きな母材を貫通穴が上方に開口するように配置し、その母材に上方からＴ字型のインサートリングを介して配管を溶接することを試みた。しかしながら、そのように溶接した場合には溶接欠陥が生じた。

そこで、本発明は、インサートリングを用いて水平方向に延びる母材に上方から配管を溶接するときの溶接欠陥を抑制することができる溶接方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の発明者は、鋭意研究の結果、Ｔ字型のインサートリングを用いて水平方向に延びる母材に上方から配管を溶接するときに溶接欠陥が生じるのは、溶接トーチが母材に干渉するために溶接トーチの向きを水平にできないことと、Ｔ字型のインサートリングの断面形状が（上下）対称であることに起因することを突き止めた。それ故に、Ｔ字型のインサートリングを水平方向に延びる母材とその上方の配管との間に配置した場合には、裏当部における上側突出部に溶け残り生じることが分かった。一方、上側突出部を完全になくした場合には、アンダーカットの欠陥が新たに生じることも確認された。本発明は、このような観点からなされたものである。

すなわち、本発明の溶接方法は、裏当部における上側突出部のプレート部からの突出高さが下側突出部のプレート部からの突出高さよりも小さく設定されたインサートリングを、水平方向に延びる母材であって上向きに開口する貫通穴が設けられた母材における前記貫通穴を縁取る周壁と、鉛直方向に延びる配管の下端部との間に配置する配置工程と、前記インサートリングを溶融させて前記周壁および前記配管の下端部と融合させる溶接工程と、を含む。

上記の構成によれば、裏当部に上側突出部を残すことにより、アンダーカットを防ぐことができる。また、上側突出部の突出高さを下側突出部の突出高さよりも小さくすることにより、上側突出部の溶け残りを抑制することができる。

前記インサートリングに対して斜め上方から溶接トーチを向けて前記溶接工程を行ってもよい。この構成によれば、水平に延びる母材との干渉を避けつつも、溶接欠陥を抑制することができる。

前記上側突出部の突出高さは、前記下側突出部の突出高さの０．５〜０．８倍であることが望ましい。この構成によれば、上側突出部を配管の位置決めに利用可能としつつ、上側突出部の溶け残りを効果的に抑制することができる。

前記母材の表面には、前記周壁の回りに環状の溝が形成されていてもよい。この構成によれば、母材の形状を問わずに、配管を接合するための薄肉の周壁を安価に形成することができる。

前記母材は、前記配管よりも大径の配管であり、前記母材には、複数の前記貫通穴が当該母材の軸方向に並んで設けられており、前記複数の貫通穴のそれぞれに対し、前記配置工程および前記溶接工程を行ってもよい。この構成では、配管同士の間の隙間によっては配管の全周に亘って溶接トーチの向きを配管の中心に向けることができない場合もあるが、この場合でも溶接欠陥を抑制することができる。

前記複数の貫通穴のピッチは、当該貫通穴の直径の２倍以下であってもよい。この構成のように貫通穴のピッチが小さく、配管同士の間の隙間が狭くても、溶接欠陥を抑制することができる。

前記溶接工程を、前記母材を挟んで設置された一対のロボットであって各々が溶接トーチを保持するロボットを用いて行ってもよい。この構成によれば、配管同士の間の隙間が狭くても母材への複数の配管の溶接を自動的に行うことができる。

例えば、前記溶接工程では、まず前記一対のロボットの一方である第１ロボットを用いて前記インサートリングの半分を溶融させ、ついで前記一対のロボットの他方である第２ロボットを用いて前記インサートリングの残りの半分を溶融させてもよい。

前記第１ロボットが保持する溶接トーチからのアークが前記第２ロボットが保持する溶接トーチからのアークに連続的に引き継がれるように、前記ロボットを動作させてもよい。この構成によれば、一対のロボットを用いて配管の全周に亘って連続的な溶接を行うことができる。

本発明によれば、インサートリングを用いて水平方向に延びる母材に上方から配管を溶接するときの溶接欠陥を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接方法で用いられるロボットの配置を示す平面図である。図１のII−II線に沿った母材および配管の断面図である。図２の要部拡大図である。片方の溶接トーチの軌跡を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る溶接方法で用いられるインサートリングの断面形状を示す図である。変形例のインサートリングの断面形状を示す図である。

本発明の一実施形態に係る溶接方法は、図１に示すような水平方向に延びる母材１に上方から複数の配管２を溶接する方法である。ただし、本発明の溶接方法は、母材１に１つの配管２を溶接する場合にも適用可能である。すなわち、本発明の溶接方法は、種々の用途の製品を製造する際に使用可能である。

本実施形態では、母材１が配管２よりも大径の配管である。例えば、母材１の外径は、配管２の外径の５〜１０倍である。ただし、母材１は、例えば直方体状のヘッダーやチャンバーなどを構成する６つの壁のうちの天井壁であってもよい。

母材１には、上向きに開口する複数の円形の貫通穴１５（図２参照）が当該母材１の軸方向に並んで設けられている。貫通穴１５の直径は、配管２の内径とほぼ等しい。貫通穴１５は等ピッチＰで並んでいる。例えば、貫通穴１５のピッチＰは、当該貫通穴１５の直径の２倍以下である。このように小さいピッチＰであれば、母材１および配管２を含むシステム（図１に示す例ではボイラ）の高性能化を実現することができる。

母材１の表面１ａには、図２に示すように、各貫通穴１５を縁取る周壁１１が形成されているとともに、この周壁１１の回りに環状の溝１２が形成されている。換言すれば、環状の溝１２が薄肉の周壁１１を規定している。周壁１１の上端面は、水平方向にフラットに加工されている。

一方、鉛直方向に延びる配管２のそれぞれの下端部２１は、外周面２ａに開先加工によって傾斜面２２が形成されることにより、薄肉となっている。なお、開先形状がＪ形開先などの場合は、傾斜面２２は曲面となる。換言すれば、下端部２１は開先のルート部である。下端部２１のルートフェイス厚は、周壁１１の肉厚とほぼ等しい。ただし、配管２の肉厚が薄いときは、外周面２ａへの開先加工は不要である。すなわち、外周面２ａは、配管２の全長に亘って内周面２ｂと平行であってもよい。

配管２の下端部２１は、インサートリング３を用いたＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接により周壁１１に接合される。溝１２と傾斜面２２とで囲まれる空間は、ＴＩＧ溶接の後に、図２に二点鎖線で示すように、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接またはＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接などにより溶接材で埋められる。

本実施形態の溶接方法では、各貫通穴１５に対し配置工程、第１溶接工程（初層工程、本発明の溶接工程に相当）および第２溶接工程（肉盛り工程）を行う。以下、各工程ごとに詳細に説明する。なお、配置工程、第１溶接工程および第２溶接工程は、各貫通穴１５ごとに繰り返し行われてもよい。あるいは、全ての貫通穴１５に対して配置工程を行った後に、まず全ての貫通穴１５に対して第１溶接工程を行い、ついで全ての貫通穴１５に対し第２溶接工程を行ってもよい。

（１）配置工程
配置工程では、図３に示すような断面略Ｔ字状のインサートリング３を母材１の周壁１１と配管２の下端部２１との間に配置する。具体的には、まずインサートリング３を周壁１１にセットし、ついでインサートリング３上に配管２を載置する。

インサートリング３は、周壁１１と配管２の下端部２１との間に挟まれるプレート部３１と、プレート部３１から上下に張り出す裏当部３２とを含む。裏当部３２は、母材１の貫通穴１５の内面（周壁１１の内周面）に宛がわれる下側突出部３４と、配管２の内周面２ｂに宛がわれる上側突出部３３を有している。

インサートリング３の径方向におけるプレート部３１の幅は、周壁１１および配管２の下端部２１の厚さと等しくてもよいが、表ビードを良好に形成するために、それらの厚さよりも若干大きいことが望ましい。

図５に示すように、プレート部３１は、水平方向にフラットな上面３１ａおよび下面３１ｂ、ならびに先端面３１ｃを有している。先端面３１ｃの断面形状は、裏当部３２と反対側に凸となる円弧状であってもよいし、直線であってもよい。

上側突出部３３は、プレート部３１の上面３１ａから略垂直に立ち上がる上側垂直面３３ａを有し、下側突出部３４は、プレート部３３の下面３１ｂから略垂直に垂れ下がる下側垂直面３４ａを有している。

プレート部３１の上面３１ａから略垂直に立ち上がる上側垂直面３３ａは、テーパ加工等の傾斜加工が施されている場合は、傾斜面であってもよい。プレート部３３の下面３１ｂから略垂直に垂れ下がる下側垂直面３４ａについても同様である。

上側突出部３３のプレート部３１からの突出高さ（上側垂直面３３ａの高さ）Ｈ１は、下側突出部３４のプレート部３１からの突出高さ（下側垂直面３４ａの高さ）Ｈ２よりも小さく設定されている。上側突出部３３の突出高さＨ１は、下側突出部３４の突出高さＨ２の０．５〜０．８倍であることが望ましい。Ｈ１＜０．５Ｈ２であれば、インサートリング３上に配管２を載置するときに上側突出部３３を利用して配管２を位置決めすることが難しくなり、Ｈ１＞０．８Ｈ２であれば、上側突出部３３の溶け残りが起き易くなるからである。すなわち、上側突出部３３の突出高さＨ１を０．５Ｈ２以上０．８Ｈ２以下とすることにより、上側突出部３３を配管２の位置決めに利用可能としつつ、上側突出部３３の溶け残りを効果的に抑制することができる。

裏当部３２のプレート部３１と反対側の表面３２ａは、プレート部３１を厚さ方向に二等分する平面４上に、プレート部３１と反対側に最も突出する頂点３５を有する滑らかな凸面である。この凸面は、上側垂直面３４ａの上端から下側垂直面３４ｂの下端まで連続している。

本実施形態では、凸面である表面３２ａの断面形状は、頂点３５から下側垂直面３４ａの下端までは円弧状であり、頂点３５から上側垂直面３３ａの上端までは曲線状である。

（２）第１溶接工程
第１溶接工程では、図３に示すように、インサートリング３に対して斜め上方から溶接トーチ５を向け、溶接トーチ５のタングステン電極５１からアークを発生させることにより、インサートリング３を溶融させて周壁１１および配管２の下端部２１と融合させる。溶接トーチ５を上述のように配置するのは、母材１との干渉をさけるためである。つまり、母材１が水平方向に延びているために、溶接トーチ５をインサートリング３に対して水平に向けることができない場合があるからである。

本実施形態では、図１に示すように母材１を挟んで設置された一対のロボット６Ａ，６Ｂを用いて第１溶接工程を行う。

一対のロボット６Ａ，６Ｂのそれぞれには、溶接トーチ５が保持されている。貫通穴１５のピッチＰが小さく、配管２同士の間の隙間が狭い場合には、図４に示すように、平面視において配管２の中心から母材１の軸方向と直交する方向を中心とするある角度範囲θでは溶接トーチ５の向きを配管２の中心に向けることができるものの、その角度範囲θと母材１の軸方向の間では溶接トーチ５の向きを配管２の中心に向けることができない。一対のロボット６Ａ，６Ｂは、母材１の軸方向に延びる線に対して対称な溶接を実現するためのものである。

具体的には、まず、一対のロボットの一方である第１ロボット６Ａを用いて、インサートリング３を母材１の軸方向に延びる線で二等分した半分を溶融させる。ついで、一対のロボットの他方である第２ロボット６Ｂを用いて、インサートリング３の残りの半分を溶融させる。このとき、第１ロボット６Ａが保持する溶接トーチ５からのアークが第２ロボット６Ｂが保持する溶接トーチ５からのアークに連続的に引き継がれるように、第１ロボット６Ａおよび第２ロボットを動作させることが望ましい。このようにすれば、一対のロボット６Ａ，６Ｂを用いて配管２の全周に亘って連続的な溶接を行うことができる。

第１ロボット６Ａが保持する溶接トーチ５からのアークが第２ロボット６Ｂが保持する溶接トーチ５からのアークに連続的に引き継がれるようにするには、図４に示すようにインサートリング３の外端面（プレート部３１の先端面３１ｃ）とインサートリング３の中心を通って母材１の軸方向に延びる線との２つの交点を第１基点Ａおよび第２基点Ｂとしたときに、第１ロボット６Ａを溶接トーチ５からのアークが第１基点Ａから第２基点Ｂに至るように動作させ、第２ロボット６Ｂを溶接トーチ５からのアークが第２基点Ｂから第１基点Ａに至るように動作させる。そして、第１ロボット６Ａが保持する溶接トーチ５からのアークが第２基点Ｂに至ると同時に、第２基点Ｂにおいて第２ロボット６Ｂが保持する溶接トーチ５からアークを発生させる。

（３）第２溶接工程
第２溶接工程では、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接などにより、溝１２と傾斜面２２とで囲まれる空間を溶接材で埋める。この第２溶接工程も、一対のロボット６Ａ，６Ｂを用いて行う。ただし、一対のロボット６Ａ，６Ｂは、ＴＩＧ溶接用の溶接トーチ５の代わりに、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接用の、溶接ワイヤを供給可能な溶接トーチ（図示せず）を保持する。そして、第１溶接工程と同様に、第１ロボット６Ａが保持する溶接トーチからのアークが第２ロボット６Ｂが保持する溶接トーチからのアークに連続的に引き継がれるように、第１ロボット６Ａおよび第２ロボット６Ｂを動作させれば、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接においても配管２の全周に亘って連続的な溶接を行うことができる。

なお、第２溶接工程を第１溶接工程に引き続いて行う場合には、第２ロボット６Ｂが第１溶接工程に使用されている間に、第１ロボット６ＡがＴＩＧ溶接用の溶接トーチ５をＭＩＧ溶接用またはＭＡＧ溶接用の溶接トーチに持ち替え、第２ロボット６Ｂが保持するＴＩＧ溶接用の溶接トーチ５からのアークが第１ロボット６Ａが保持するＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接用の溶接トーチからのアークに連続的に引き継がれるように、第１ロボット６Ａおよび第２ロボット６Ｂを動作させてもよい。このようにすれば、ＴＩＧ溶接からＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接に切り替える際にも、連続的な溶接を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態の溶接方法で用いられるインサートリング３では、裏当部３２に上側突出部３３が残されている。これにより、アンダーカットを防ぐことができる。また、上側突出部３３の突出高さＨ１を下側突出部３４の突出高さＨ２よりも小さくすることにより、上側突出部３３の溶け残りを抑制することができる。

また、母材１の貫通穴１５を縁取る周壁１１の回りには環状の溝１２が形成されているので、母材１の形状を問わずに、配管２を接合するための薄肉の周壁１１を安価に形成することができる。

さらに、本実施形態のように母材１に複数の貫通穴１５が設けられていれば、配管２同士の間の隙間によっては配管２の全周に亘って溶接トーチ５の向きを配管２の中心に向けることができない場合もある。しかし、この場合でも、図５に示すような断面形状のインサートリング３を用いれば、溶接欠陥を抑制することができる。しかも、配管２同士の間の隙間が狭くても、溶接欠陥を抑制することができる。

また、本実施形態では、母材１の両側に設置された一対のロボット６Ａ，６Ｂを用いて第１溶接工程を行っているので、配管２同士の間の隙間が狭くても母材１への配管２の溶接（初層による接合）を自動的に行うことができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、インサートリング３の裏当部３２の凸面である表面３２ａは、必ずしも上側垂直面３３ａの上端から下側垂直面３４ａの下端まで連続している必要はない。例えば、図６に示す変形例のインサートリング３’のように、上側突出部３３が水平方向にフラットな上面３３ｂを有していて、凸面である表面３２ａは、上側突出部３３の上面３３ｂの内側端部から連続していてもよい。この場合、表面３２ａの断面形状は、全域に亘って同一半径の円弧であってもよい。

本発明の溶接方法は、水平方向に延びる母材に上方から配管を溶接する際に特に有用である。

１母材
１１周壁
１５貫通穴
２配管
２１下端部
３インサートリング
３１プレート部
３２裏当部
３３上側突出部
３４下側突出部
５溶接トーチ
６Ａ，６Ｂロボット

Claims

裏当部における上側突出部のプレート部からの突出高さが下側突出部のプレート部からの突出高さよりも小さく設定されたインサートリングを、水平方向に延びる母材であって上向きに開口する貫通穴が設けられた母材における前記貫通穴を縁取る周壁と、鉛直方向に延びる配管の下端部との間に配置する配置工程と、
前記インサートリングを溶融させて前記周壁および前記配管の下端部と融合させる溶接工程と、
を含む、溶接方法。
前記インサートリングに対して斜め上方から溶接トーチを向けて前記溶接工程を行う、請求項１に記載の溶接方法。
前記上側突出部の突出高さは、前記下側突出部の突出高さの０．５〜０．８倍である、請求項１または２に記載の溶接方法。
前記母材の表面には、前記周壁の回りに環状の溝が形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
前記母材は、前記配管よりも大径の配管であり、
前記母材には、複数の前記貫通穴が当該母材の軸方向に並んで設けられており、
前記複数の貫通穴のそれぞれに対し、前記配置工程および前記溶接工程を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接方法。
前記複数の貫通穴のピッチは、当該貫通穴の直径の２倍以下である、請求項５に記載の溶接方法。
前記溶接工程を、前記母材を挟んで設置された一対のロボットであって各々が溶接トーチを保持するロボットを用いて行う、請求項５または６に記載の溶接方法。
前記溶接工程では、まず前記一対のロボットの一方である第１ロボットを用いて前記インサートリングの半分を溶融させ、ついで前記一対のロボットの他方である第２ロボットを用いて前記インサートリングの残りの半分を溶融させる、請求項７に記載の溶接方法。
前記第１ロボットが保持する溶接トーチからのアークが前記第２ロボットが保持する溶接トーチからのアークに連続的に引き継がれるように、前記ロボットを動作させる、請求項８に記載の溶接方法。