JP6202257B2

JP6202257B2 - 狭開先用溶接装置

Info

Publication number: JP6202257B2
Application number: JP2013136259A
Authority: JP
Inventors: 加藤　明; 加藤　　明; 健太柴本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015009254A

Description

本発明は、一対の厚板鋼板間の上方で開口する狭開先に肉盛溶接を行うのに用いられる狭開先用溶接装置に関するものである。

従来、上記したような狭開先用溶接装置としては、例えば、特許文献１に開示されている狭開先用溶接装置がある。
この狭開先用溶接装置は、造船や橋梁等の分野において一般的に採用されている溶接装置であり、狭開先内に対して、溶接トーチから送出される溶接ワイヤを斜め上方から挿入し、溶接トーチを厚板鋼板に沿って上下方向に揺動させることで、溶接ワイヤの先端を板厚方向に往復動させて、狭開先内に溶接金属を積層するようにしている。

特開2007-069231号公報

上記した狭開先の溶接では、溶接中に溶けた溶接金属が横に広がることができずに溶接方向進行側に流れようとする現象（狭開先内における溶融池の先行）が起こることから、良好な溶接を行うことができる適正条件の範囲が非常に狭く、ほとんどピンポイントの条件に限定されることとなって、安定した施工を行うことが困難である。

また、ピンポイントの条件で溶接施工を行う場合には、溶接速度が速くなる都合上、１パスでの積層高さを高くすることができず、したがって、アークタイム率が低下したり、初層時において、例えば、セラミックス製の裏当てを用いた裏波溶接を行うことができなかったりして、作業時間の効率化を図ることができないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、低速度での溶接が可能となって、１パスでの積層高さを高くすることができると共に、適正条件の範囲が広い安定した溶接を行うことができるのに加えて、初層時において、セラミックス製の裏当てを用いた裏波溶接を行うこともでき、その結果、作業効率の向上を実現することが可能である狭開先用溶接装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、一対の厚板鋼板（板厚２０ｍｍ以上の鋼板）間の上方に向けて開口する狭開先に挿入されて、該狭開先に沿って移動しつつ溶接ワイヤを送給する溶接トーチを備えた狭開先用溶接装置において、前記溶接ワイヤを送出する前記溶接トーチの少なくとも先端部を鉛直方向に対して溶接方向の後方に向けて４５°以上傾斜させて前記厚板鋼板との間にアークを生じさせる後退角付与手段と、前記溶接トーチを駆動して鉛直方向に対して傾斜する前記溶接トーチの先端部を鉛直軸回りに搖動させるオシレート機構を備えた構成としたことを特徴としており、この構成の狭開先用溶接装置を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

このような構成の狭開先用溶接装置において、溶接トーチは、後退角付与手段によって溶接ワイヤの少なくとも先端部に後退角を付けつつ溶接ワイヤを送出するようにしているので、溶けた溶接金属（溶接ビード）がアーク力で溶接方向後方に押圧されて、いわゆる狭開先内における溶融池の先行による溶接欠陥の発生が回避されることとなる。
つまり、低速度、例えば、１０ｃｍ／ｍｉｎ以下の溶接速度での施工を行い得ることとなり、１パスでの積層高さが高い肉盛溶接を行い得ることとなる。

また、溶接中において、オシレート機構が、溶接トーチを駆動して後退角の付いた溶接ワイヤの先端部を鉛直軸回りにオシレートさせるので、一対の厚板鋼板の各端面をダイレクトに狙うことができ、したがって、低入熱でも十分な溶け込み量が得られることとなって、適正条件の範囲が広い（溶接条件の自由度が広い）溶接施工を安定して行い得ることとなる。

そして、一対の厚板鋼板の各端面をダイレクトに狙うことができるうえ、溶けた溶接金属をアーク力で溶接方向後方に押圧するようにしているので、狭開先内の連続肉盛溶接を行い得ることとなり、その結果、初層の溶接時において、例えば、セラミックスから成る裏当てを用いたとしても、良好な裏波を形成し得ることとなる。
したがって、作業効率の向上を実現し得ることとなる。

本発明の請求項２に係る狭開先用溶接装置において、前記溶接トーチは鉛直方向の支持軸に支持され、前記溶接ワイヤは前記支持軸の溶接方向進行側から前記溶接トーチに供給される構成としている。また、本発明の請求項３に係る狭開先用溶接装置は、前記溶接トーチに形成された湾曲部を前記後退角付与手段とした構成としており、この構成を採用すると、溶接方向の進行側に障害物がある場合にも連続肉盛溶接を行い得ることとなる。

さらに、本発明の請求項４に係る狭開先用溶接装置において、前記溶接トーチは鉛直方向の支持軸に支持され、前記支持軸の先端に位置して前記溶接トーチを溶接方向の後退側に向けて傾斜させた状態で装着するトーチ連結部を前記後退角付与手段とした構成としており、この場合には、溶接ワイヤの先端部に後退角を付けるための手段を溶接トーチに設置する必要がなく、溶接トーチの構造の簡略化を図りつつ、市販の給電チップを用いることができる分だけ、コストの低減を実現し得ることとなる。

本発明の請求項５に係る狭開先用溶接装置は、前記狭開先に挿入されて、鉛直方向に対して傾斜する前記溶接ワイヤの先端部の直上からシールドガスを供給するシールドガスノズルを備えている構成としている。

この場合、シールドガスとしては、ＣＯ₂ガスを用いることができるほか、ＡｒガスやＣＯ₂とＡｒの混合ガスを用いることができる。

この狭開先用溶接装置では、インナシールドガスノズルから、シールドガスが狭開先内における溶接ワイヤの先端部に向けて噴射されるので、溶接金属に酸化やブローホールなどの欠陥を生じさせることなくアーク溶接を行い得ることとなる。

本発明に係る狭開先用溶接装置では、低速度での溶接が可能であり、したがって、１層の積層高さを高くすることができると共に、適正条件の範囲が広い安定した溶接を行うことができ、加えて、初層時にはセラミックス製の裏当てを用いた裏波溶接を行うことが可能であり、その結果、作業効率の向上を実現可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係る狭開先用溶接装置の溶接動作時における側面説明図（ａ）溶接方向後方からの背面説明図（ｂ）及び溶接トーチ部分の拡大平面説明図（ｃ）である。図１に示した狭開先用溶接装置の溶接動作時における溶接トーチの先端部付近の拡大説明図である。本発明の他の実施例に係る狭開先用溶接装置の溶接トーチの先端部付近における拡大説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係る狭開先用溶接装置の一実施例を示している。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、この狭開先用溶接装置１は、一対の厚板鋼板（造船や橋梁等の大形構造物に採用される鋼板）Ｗ，Ｗの端面Ｗａ，Ｗａ間に形成される開先幅が２０ｍｍ以下の狭開先Ｗｂに肉盛溶接を行うマグ溶接装置であり、上方に向けて開口する狭開先Ｗｂに挿入されて図外のワイヤ送給装置から送給される溶接ワイヤ２を給電チップ３ａを介して狭開先Ｗｂ内で送出する溶接トーチ３を備えている。

この溶接トーチ３は、狭開先Ｗｂに沿って設置したレール４上を、例えば、ラック＆ピニオン方式で移動する本体フレーム５に鉛直方向の支持軸６を介して支持されている。

この実施例において、溶接トーチ３は、本体フレーム５側から鉛直方向に沿って送給される溶接ワイヤ２の先端部２ａを溶接方向の後退側（図示右側）に向けて傾斜させつつ、すなわち、溶接ワイヤ２の先端部２ａに後退角を付けつつ、溶接ワイヤ２を送出する湾曲部（後退角付与手段）３ｂを有しており、この後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａと、厚板鋼板Ｗとの間にアークＡを生じさせるようになっている。

つまり、図２にも示すように、溶接ワイヤ２の先端部２ａに後退角θ（望ましくはθ＝４５°〜７０°）を付けることで、溶けた溶接金属（溶接ビード）ＢをアークＡの力（アーク力）で溶接方向後方に押して、溶接金属Ｂが溶接方向進行側に流れようとする現象（狭開先内における溶融池の先行）を防ぐようにしている。

また、この狭開先用溶接装置１は、オシレート機構としての回動ユニット７（図１（ａ）にのみ示す）を備えている。この回動ユニット７は、本体フレーム５上に配置されて支持軸６を介して溶接トーチ３を回動させて、後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａを鉛直軸回りにオシレート（搖動）させるようになっている。

この実施例において、図１（ｃ）に示すように、後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａのオシレート角αを適宜角度、例えば、４０°程度に設定することで、一対の厚板鋼板Ｗ，Ｗの各端面Ｗａ，Ｗａをダイレクトに狙うことができるようになっている。

さらに、この狭開先用溶接装置１は、インナシールドガスホース１０を介して供給されるシールドガスを狭開先Ｗｂ内に導くインナシールドガスノズル１１及びアウタシールドガスホース１２を介して供給されるシールドガスを狭開先Ｗｂの開口付近に導くアウタシールドガスノズル１３を備えている。

インナシールドガスノズル１１は、狭開先Ｗｂの開先幅に合わせて形成された厚みの薄いダクト状を成していて、ノズル先端部１１ａを狭開先Ｗｂに挿入した状態において、このノズル先端部１１ａが後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａのほぼ真上に位置するようにしてホルダ８を介して本体フレーム５に装着されており、これにより、後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａに対して直接シールドガスＧを吹き付けることができるようになっている。

一方、アウタシールドガスノズル１３はボックス形状を成していて、インナシールドガスノズル１１に対して上下方向にスライド可能に支持されており、溶接中に溶接金属Ｂが順次積層されて嵩が増すのに応じてインナシールドガスノズル１１が上昇した場合でも、狭開先Ｗｂ内における溶接ワイヤ２の先端部２ａのほぼ真上を覆ってシールドガスＧを吹き付けることができるようになっている。

図１における符号１５は、狭開先Ｗｂの溶接ワイヤ２の挿入側と反対側開口に位置するセラミックスから成る裏当てであり、狭開先Ｗｂの裏側開口を塞いで溶接金属Ｂが流出するのを防止している。また、図１における符号１６は、冷却水循環ホースである。

このような構成を成す狭開先用溶接装置１では、まず、端面Ｗａ，Ｗａ間に形成されている狭開先Ｗｂに対して、狭開先用溶接装置１及び裏当て１５を所定部位に配置するのに続いて、溶接トーチ３及びインナシールドガスノズル１１を狭開先Ｗｂ内に挿入すると共に、アウタシールドガスノズル１３を狭開先Ｗｂ上にセットする。

次いで、予め溶接ワイヤ２の径寸法等に応じて設定した電流値及び電圧値に基づいて通電制御を開始すると、溶接ワイヤ２及び一対の厚板鋼板Ｗ，Ｗの各端面Ｗａ，Ｗａの溶融が始まって、狭開先Ｗｂ内において溶接金属（溶接ビード）Ｂの生成が開始される。

このようにしてアーク溶接を開始した段階で、予め設定した速度（所定の溶接速度）で本体フレーム５をレール４に沿って移動させつつ溶接トーチ３からのワイヤ送出量を制御して、狭開先Ｗｂ内に溶接金属Ｂを順次積層させる。

このとき、溶接トーチ３では、その湾曲部３ｂによって溶接ワイヤ２の先端部２ａに後退角を付けつつ溶接ワイヤ２を送出するようにしているので、溶けた溶接金属（溶接ビード）Ｂがアーク力で溶接方向後方に押圧されて、いわゆる狭開先Ｗｂ内における溶融池の先行による溶接欠陥の発生が回避されることとなる。
つまり、溶接速度が１０ｃｍ／ｍｉｎ以下での低速度溶接施工が可能となり、１層の積層高さが最大で１０ｍｍ程度の肉盛溶接が可能となる。

また、溶接中において、回動ユニット７が、支持軸６を介して溶接トーチ３を回動させて、後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａを鉛直軸回りにオシレートさせるので、例えば、開先幅が２０ｍｍ以下の狭開先Ｗｂ内では、オシレート角αが４０°のオシレートで一対の厚板鋼板Ｗ，Ｗの各端面Ｗａ，Ｗａをダイレクトに狙うことができ、したがって、低入熱でも十分な溶け込み量が得られることとなって、適正条件の範囲が広い（溶接条件の自由度が広い）溶接施工を安定して行い得ることとなる。

そして、このように、一対の厚板鋼板Ｗ，Ｗの各端面Ｗａ，Ｗａをダイレクトに狙うことができるのに加えて、溶けた溶接金属（溶接ビード）Ｂをアーク力で溶接方向後方に押圧するようにしているので、開先幅が２０ｍｍ程度の狭開先Ｗｂ内の連続肉盛溶接が可能であり、その結果、初層の溶接時において、上記したように、セラミックスから成る裏当て１５を用いたとしても、良好な裏波を形成し得ることとなる。

上記溶接の間、溶接トーチ３に隣接して配置したインナシールドガスノズル１１及びアウタシールドガスノズル１３から、シールドガスＧが狭開先Ｗｂ内に向けて噴射されるので、溶接金属Ｂに酸化やブローホールなどの欠陥を生じさせることなくアーク溶接を行い得ることとなる。

この実施例では、インナシールドガスノズル１１のノズル先端部１１ａを狭開先Ｗｂに挿入した状態において、このノズル先端部１１ａが後退角の付いた溶接ワイヤ２の先端部２ａのほぼ真上に位置するようにしているうえ、アウタシールドガスノズル１３が溶接金属Ｂの積層数の多少にかかわらず、常に狭開先Ｗｂ内における溶接ワイヤ２の先端部２ａのほぼ真上を覆うようにしているので、初層から最終の余盛層に至るまで、十分且つ確実なシールドが成されることとなる。

この実施例の狭開先用溶接装置１では、溶接トーチ３に後退角付与手段である湾曲部３ｂを配置して、本体フレーム５側から鉛直方向に沿って送給される溶接ワイヤ２の先端部２ａに後退角を付けるようにすることで、溶接方向の進行側に障害物がある場合にも対応することができるようにしているが、この構成に限定されるものではない。

図３は本発明に係る狭開先用溶接装置の他の実施例を示している。図３に示すように、この実施例では、溶接トーチ２３を支持する鉛直方向の支持軸２６の先端部を後退角付与手段としてのトーチ連結部２６ａとし、このトーチ連結部２６ａに、直線状のコンジットライナ２２に接続する溶接トーチ２３を溶接方向の後退側に向けて傾斜させた状態で装着する構成としている。この構成を採用した場合には、溶接ワイヤ２の先端部２ａに後退角を付けるための湾曲部を溶接トーチ２３に設置する必要がなく、その結果、溶接トーチ２３の構造の簡略化が図られると共に、市販の給電チップ２３ａを用いることができ、コストの低減を実現し得ることとなる。

本発明に係る狭開先用溶接装置の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではなく、例えば、溶接トーチの溶接方向の進行側に小型カメラを設けてアークＡを監視するようにしてもよく、この場合には、溶接トーチの溶接方向の進行側に視界を遮る物がない分だけアークＡの監視を容易に行い得ることとなり、狙い位置等のリアルタイムの調整を行い得ることとなる。

１狭開先用溶接装置
２溶接ワイヤ
３，２３溶接トーチ
３ｂ湾曲部（後退角付与手段）
６，２６支持軸（鉛直軸）
７回動ユニット（オシレート機構）
１１インナシールドガスノズル
１３アウタシールドガスノズル
２６ａトーチ連結部（後退角付与手段）
Ａアーク
Ｂ溶接金属（溶接ビード）
Ｗ厚板鋼板
Ｗａ厚板鋼板の端面
Ｗｂ狭開先
α オシレート角
θ 後退角

Claims

一対の厚板鋼板間の上方に向けて開口する狭開先に挿入されて、該狭開先に沿って移動しつつ溶接ワイヤを送給する溶接トーチを備えた狭開先用溶接装置において、
前記溶接ワイヤを送出する前記溶接トーチの少なくとも先端部を鉛直方向に対して溶接方向の後方に向けて４５°以上傾斜させて前記厚板鋼板との間にアークを生じさせる後退角付与手段と、
前記溶接トーチを駆動して鉛直方向に対して傾斜する前記溶接トーチの先端部を鉛直軸回りに搖動させるオシレート機構を備えた
ことを特徴とする狭開先用溶接装置。
前記溶接トーチは鉛直方向の支持軸に支持され、前記溶接ワイヤは前記支持軸の溶接方向進行側から前記溶接トーチに供給される請求項１に記載の狭開先用溶接装置。
前記溶接トーチに形成された湾曲部を前記後退角付与手段とした請求項１又は２に記載の狭開先用溶接装置。
前記溶接トーチは鉛直方向の支持軸に支持され、前記支持軸の先端に位置して前記溶接トーチを溶接方向の後退側に向けて傾斜させた状態で装着するトーチ連結部を前記後退角付与手段とした請求項１又は２に記載の狭開先用溶接装置。
前記狭開先に挿入されて、鉛直方向に対して傾斜する前記溶接ワイヤの先端部の直上からシールドガスを供給するシールドガスノズルを備えている請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の狭開先用溶接装置。