JP6407786B2 - 溶接補助装置および溶接補助方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、溶接ビードの終始端部の欠陥の発生を防止する溶接補助技術に関する。

２枚の金属板を溶接する場合、複数の溶接方法を組み合わせた溶接がなされることがある。
複数の溶接方法を組み合わせた方法として、例えば、レーザまたは電子ビームによるキーホール溶接の後に残層部に肉盛りをする組合わせ溶接がある。付き合わせた厚板材に両側から組合わせ溶接を施す場合、レーザ溶接の溶け込み深さなどを考慮してＵ字型の開先部が設けられることが多い。

ところで、開先部に肉盛りされて形成されたビードは、溶接進行方向の始端部および終端部に欠陥が発生しやすい。
よって、この始端部および終端部の少なくとも一方に（以下、（以下、「終始端部」という））にタブ板と呼ばれる経路延長器具を取り付けて、ビードを延長することがある。この延長されたビードが溶接後にタブ板ごと切断されて、終始端部の欠陥の発生が防止される。

タブ板の表面形状は、厚板材の開先形状をできるだけ厳密に模して成形されるため、加工費および加工時間がかかる。また、タブ板は溶接変形に耐えるうる板厚にされるため、材料費がかかるとともに溶接後の切断労力もかかる。
そこで、アーク溶接のみで溶接される場合においては、タブ板の内部に流水経路を形成して、タブ板を冷却することでタブ板切除の労力を低減する装置が提案されている。

実公平５−２２３９２号公報

しかしながら、上述した従来のアーク溶接用のタブ板は、キーホール溶接によってその一部が溶着してしまうため、組合せ溶接に適用することができないという課題があった。
また、生産コストの高いこのタブ板を一度の溶接により全て廃棄する他の従来技術では、一度の終始端部の欠陥防止処理にかかる総コストが高額となっていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、組合わせ溶接にも適用が可能であるとともに溶接線の終始端部の欠陥防止処理にかかる総コストを低減させた溶接補助装置および溶接補助方法を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる溶接補助装置は、溶接接合される２枚の母材が有する開先部の底部を延長するように母材の溶接線の始端部および終端部の少なくとも一方に接合される底部延長板と、底部延長板を挟み込んで固定されるとともに開先部の開先側面の形状を模した疑似側面を有して開先部の開先側面を延長する２つの側面延長部材と、側面延長部材に経路の一部が内設される通水管と、を備えるものである。

本実施形態にかかる溶接補助方法は、溶接接合される２枚の母材が有する開先部の底部を延長するように母材の溶接線の始端部および終端部の少なくとも一方に底部延長板を接合するステップと、開先部の開先側面の形状を模した疑似側面を有する２つの側面延長部材で底部延長板の溶接線に平行な側面を挟み込むステップと、２つの側面延長部材を底部延長板に押し当てる向きに固定治具で挟み込んで固定するステップと、側面延長部材に形成された通水経路に通水するステップと、底部延長板を含めて開先部を溶接するステップと、側面延長部材を取り外すステップと、開先部から突出したビードを底部延長板ごと切断するステップと、を含むものである。

本発明により、組合わせ溶接にも適用が可能であるとともに溶接線の終始端部の欠陥防止処理にかかる総コストを低減させた溶接補助装置および溶接補助方法が提供される。

第１実施形態にかかる溶接補助装置によって好適に溶接が補助される２つの金属板の溶接箇所の斜視図。 第１実施形態にかかる溶接補助装置によって好適に補助されて溶接された２つの金属板の溶接箇所の斜視図。 第１実施形態にかかる溶接補助装置の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置のルート壁部材の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置の固定台の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置のルート壁部材の位置調整の説明図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置のルート壁部材の変形例の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置の固定台の変形例の斜視図。 第２実施形態にかかる溶接補助装置の変形例にかかるルート壁部材の位置調整の説明図。 第３実施形態にかかる溶接補助装置の斜視図。 第３実施形態にかかる溶接補助装置の下段壁部の斜視図。 第３実施形態にかかる溶接補助装置の上段壁部の斜視図。 第３実施形態にかかる溶接補助装置の上段壁部および下段壁部を係合させたときの正面図。 第１実施形態にかかる溶接補助方法のフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態にかかる溶接補助装置１０（図３）によって好適に溶接が補助される２つの金属板１１（母材１１）の溶接箇所の斜視図である。
上述したように、２枚の金属板１１を溶接する場合、例えばキーホール溶接およびアーク溶接を用いた溶接など、２種類の溶接が組み合わされることがある。

このような溶接（以下、「組合せ溶接」という）を実施する場合、図１に示されるように、溶材１９の溶け込み深さなどが考慮されて、母材１１の表裏の関係にある２面にＵ字型の開先部１８が設けられることが多い。
例えば、板厚１２０ｍｍの厚板材の表裏両面に３５ｍｍ深さのＵ字型の開先部１８が設けられる。このとき、ルート面１３の長さは５０ｍｍ（１２０ｍｍ−３５×２ｍｍ）である。

図２は、第１実施形態にかかる溶接補助装置１０によって好適に補助されて溶接された２つの金属板１１の溶接箇所の斜視図である。
金属板１１が厚板材であって、この厚板材の表裏両面から組合わせ溶接を施す場合、まず、レーザ等を母材１１に照射して母材１１を融解して溶接するキーホール溶接を施す。キーホール溶接によって２枚の母材１１のルート面１３が溶接される。
キーホール溶接によって、厚さ方向Ａのルート面１３に沿って開先底部１７にビード１６ａ（１６）が形成される。

その後、開先底部１７が溶接された開先部１８を溶融した溶材１９で肉盛りして充填する。キーホールビード１６ａを溶接線１４として、この溶接線１４の始端部２２ａ（２２）から終端部２２ｂ（２２）へ複数回肉盛りして開先部１８を充填する。
このようにして形成されたビード１６は、溶接線１４の終始端部２２に欠陥が発生しやすい。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態にかかる溶接補助装置１０の斜視図である。
第１実施形態にかかる溶接補助装置１０は、図３に示されるように、溶接接合される２枚の母材１１が有する開先底部１７を延長するように母材１１の溶接線１４の終始端部２２に接合される底部延長板２４と、底部延長板２４を挟み込んで固定されるとともに開先部１８の開先側面２６の形状を模した疑似側面２７を有して開先部１８の開先側面２６を延長する２つの側面延長部材２８と、側面延長部材２８に経路の一部が内設される通水管２９と、を備える。

さらに溶接補助装置１０は、２つの側面延長部材２８を底部延長板２４に押し当てる向きに挟み込んで固定をする固定治具３１を備える。

溶接線１４の終始端部２２に接合される底部延長板２４は、例えば図３に示されるように、開先底部１７の銅または銅合金などの直方体である。
この底部延長板２４の一側面は、開先底部１７の高さに揃えられて、延長底部２４ａを形成する。延長底部２４ａの横幅は開先底部１７の幅に、奥行きはビード１６を延長する長さに調整されている。

また、延長底部２４ａの縦幅は、母材１１の表裏に設けられた開先部１８のルート面１３の長さに調整されている。
底部延長板２４は、開先部１８に肉盛りされた溶材１９に溶融した底部延長板２４が混入しても溶接品質を低下させない観点から母材１１と同材質であることが望ましい。この底部延長板２４は、例えば母材１１に接合されて固定される。

底部延長板２４のうちルート面１３に平行な２側面には、この２側面を挟み込むように２つの側面延長部材２８が設けられる。
これら２つの側面延長部材２８は、例えば図３に示されるような固定治具３１によって挟み込まれて、底部延長板２４に押し当てられて底部延長板２４に固定される。この側面延長部材２８には、開先部１８の開先側面２６の形状を模した疑似側面２７が設けられる。

側面延長部材２８が固定される位置は、疑似側面２７が延長底部２４ａに連続的に接続される位置である。この疑似側面２７によって、開先部１８の開先側面２６は溶接線１４の方向Ａ（厚さ方向Ａ）に延長される。

側面延長部材２８の内部には通水管２９が通されて、外部から供給される水などの冷却液で側面延長部材２８が冷却される。通水管２９のうち側面延長部材２８の外部に露出した部分は、着脱可能になっていてもよい。
側面延長部材２８は、例えば上述した銅または銅合金に代表されるように、母材１１と比較して熱伝導率が高い金属で組成される。側面延長部材２８に熱伝導率が高い金属を用いることで、溶接により加熱された溶材１９との接触部を即時に冷却して側面延長部材２８と溶材１９とが結合することを防止する。

また、側面延長部材２８の母材１１との接触面には、側面延長部材２８と母材１１とを密着させるシール材３２が設けられる。このシール材３２によって、側面延長部材２８と母材１１との接続部の間隙から入り込む空気がこの接続部における溶融金属に混入してビード１６の品質を劣化させることを防止する。
また、シール材３２によるシール性を発揮させるため、例えば、図３に示されるように、底部延長板２４に固定される第１支持部材３３と、この第１支持部材３３に支持されて側面延長部材２８を母材１１へ押し付ける第１押しねじ３４と、を備えているのが望ましい。

次に、第１実施形態にかかる溶接補助方法を図１５のフローチャートを用いて説明する（適宜図１および図２を参照）。

まず、母材１１の溶接線１４の終始端部２２に底部延長板２４を接合する（Ｓ１１）。底部延長板２４の上面である延長底部２４ａは、開先底部１７の高さに揃えられる。
この延長底部２４ａの形状は必要に応じて開先底部１７の形状に合わせて湾曲していてもよい。そして、側面延長部材２８で底部延長板２４の溶接線１４に平行な側面を挟み込む（Ｓ１２）。

次に、２つの側面延長部材２８を底部延長板２４に押し当てる向きに固定治具３１で挟み込んで固定する（Ｓ１３）。側面延長部材２８の位置は、開先側面２６に疑似側面２７が滑らかに接続されるとともに、この疑似側面２７が延長底部２４ａにも滑らかに接続される位置に決定される。
また、第１押しねじ３４によって側面延長部材２８は、母材１１に押し付けられ、母材１１との接触面における密着性が高められる。

そして、側面延長部材２８の内部に通水管２９によって形成された通水経路に通水する（Ｓ１４）。通水に用いられる液体は、水が好適であるが、あれば他の液体でもよい。
次に、底部延長板２４を含めて開先部１８を溶接する（Ｓ１５）。
まず、キーホール溶接によって母材１１を溶融させて開先底部１７を溶接する。このとき、終始端部２２に設けられた延長底部２４ａをも母材１１と同様に溶融してキーホールビード１６ａを形成させる。次に、例えば肉盛溶接を繰り返す多層盛り溶接によって、開先部１８に溶材１９を充填する。

この場合も、延長底部２４ａおよび疑似側面２７で形成された開先部１８に連続する延長経路にも、開先部１８と同様に溶材１９を充填する。溶接が終了したら、側面延長部材２８を取り外す（Ｓ１６）。
側面延長部材２８への通水によって側面延長部材２８への溶材１９の結合は防止されているので、固定治具３１を取外すことで側面延長部材２８は容易に底部延長板２４から取り外される。
そして、開先部１８から突出したビード１６を底部延長板２４ごと切断して動作を終了する（Ｓ１７）。

以上のように、第１実施形態にかかる溶接補助装置１０および溶接補助方法によれば、底部延長板２４以外の溶接補助装置１０を溶接後に取り外して繰り返し使用することができる。よって、溶接線１４の終始端部２２の欠陥防止処理をした溶接後の廃棄量を大幅に削減することができる。

また、溶接後に側面延長部材２８も含めて切断した場合と比較して終始端部２２の切断処理にかかる労力も低減される。
さらに、単純形状の底部延長板２４のみを量産して使い捨てればよいので、従来と比較して製造コストも抑制される。

すなわち、溶接線１４の終始端部２２の欠陥防止処理にかかる総コストを低減させることができる。この溶接補助方法は、溶接後に突出したビード１６とともに、底部延長板２４も切断して廃棄するので、組合わせ溶接にも適用が可能である。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０の斜視図である。
なお、図４以降では、簡単のため、図３で示した第１押しねじ３４、第１支持部材３３および固定治具３１の表示を省略している。

第２実施形態にかかる溶接補助装置１０は、側面延長部材２８が、図４に示されるように、疑似側面２７を有するルート壁部材３６と、底部延長板２４に直接接合される固定台３７と、に分離可能である。ルート壁部材３６および固定棒３８の両方に通水管２９が設けられる。

ここで、図５は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０のルート壁部材３６の斜視図である。
図５は、ルート壁部材３６を疑似側面２７の反対側の背面から見た図である。
なお、図５以降の各図では、簡単のため、図３などで示したシール材３２は省略している。例えば、ルート壁部材３６および固定台３７は、それぞれの接触面に互いに嵌め合されるように成形された凹凸部３９を備える。

このそれぞれの凹凸部３９には、嵌め合わせたときに位置が重複して厚さ方向Ａに貫通する孔穴４１が設けられている。この孔穴４１に固定棒３８を貫通させてルート壁部材３６を固定台３７にピン留めする。
また、この孔穴４１は、例えば接触面に沿った長穴４１ａである。この場合、ルート壁部材３６は、固定台３７に嵌め合された後も、この孔穴４１の範囲内で接触面に沿ってスライドさせることができる。
よって、固定台３７を底部延長板２４に固定した後も、ルート壁部材３６の位置を調節して開先側面２６（図４）の形状に合わせて調整することができる。

固定棒３８が、蝶ねじ４４でルート壁部材３６に固定されることで、ルート壁部材３６が調整された位置に固定される。
また、図６は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０の固定台３７の斜視図である。
図６は、固定台３７を図５のルート壁部材３６と同一の視角から見た図である。
また、図７は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０のルート壁部材３６の位置調整の説明図である。

固定台３７は、ルート壁部材３６の疑似側面２７と反対側の背面からルート壁部材３６を開先の開先幅ｄ（図４）を狭める向きに押し込む第２押しねじ４６と、第２押しねじ４６を支持する第２ねじ孔４７が設けられて固定台３７に固定される第２支持部材４９と、を備える。
図７に示されるように第２押しねじ４６でルート壁部材３６を押し込むことで、直接手でルート壁部材３６の位置を調整するよりも、より容易に正確に調整することができる。

また、図８は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０のルート壁部材３６の変形例の斜視図である。さらに、図９は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０の固定台３７の変形例の斜視図である。
図８および図９に示されるように、凹凸部３９に設けられる孔穴４１は、接触面に沿って複数設けられていてもよい。

ここで、図１０は、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０の変形例にかかるルート壁部材３６の位置調整の説明図である。
例えば、ルート壁部材３６の孔穴４１の個数は、固定台３７の孔穴４１の個数よりも多く設けられ、孔穴４１のうちの１つは図６と同様に固定棒３８で貫通される長穴４１ａ（４１）である。ルート壁部材３６の位置が調整された場合に、長穴４１ａに並置された他の孔穴４１に第２固定棒３８ａ（３８）を貫通させて位置を固定する。
このように、第２実施形態にかかる溶接補助方法によれば、第１実施形態の効果に加え、固定台３７に対するルート壁部材３６の位置を調整ことができる。

なお、第１実施形態でも説明したように、特にルート壁部材３６は、溶材１９への空気の混入を防止する観点から母材１１に密着しているのが望ましい。
そこで、固定台３７に第１支持部材３３を固定して、第１押しねじ３４でルート壁部材３６を押し込んでシール材３２によるシール性を高めてもよい。当然、第１支持部材３３が固定される部材は、第１実施形態と同様に底部延長板２４であってもよい。

なお、側面延長部材２８が、固定台３７とルート壁部材３６とに分離可能であることおよびルート壁部材３６の固定台３７に対する位置を調整すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

以上のように、第２実施形態にかかる溶接補助装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、固定台３７に対するルート壁部材３６の位置を調整ことができる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態にかかる溶接補助装置１０の斜視図である。

第３実施形態にかかる溶接補助装置１０は、図１１に示されるように、第２実施形態で示したルート壁部材３６が、さらに固定台３７に直接接触する下段壁部５１と、下段壁部５１に可動に係合される上段壁部５２と、に分解可能である。
上段壁部５２および下段壁部５１の内部には、それぞれ通水管２９が設けられる。また、上段壁部５２は、下段壁部５１との接触面に沿って開先の開先幅ｄを狭める向きに可動に嵌め合わされる。

多くの場合、溶接が進行すると、溶接開始時と比較して母材１１の相対位置が微小に変化する溶接変形が発生する。よって、溶接が進行すると開先側面２６が変形して、疑似側面２７の形状から乖離することがある。

形状が乖離すると、ビード１６の形状が母材１１とルート壁部材３６との接触部で不連続に変化して、ビード１６の質を低下させる。そこで、下段壁部５１が溶材１９で充填される位置まで達した時点で溶接を中断して、上段壁部５２を調整するのが望ましい。

また、図１２は、第３実施形態にかかる溶接補助装置１０の下段壁部５１の斜視図である。図１２は、図５や図６などと同様の視角で、疑似側面２７の背面から下段壁部５１を見た図である。

また、図１３は、第３実施形態にかかる溶接補助装置１０の上段壁部５２の斜視図である。なお、図１３は、図１２とは異なり、下段壁部５１との接触面の形状がわかるように、疑似側面２７の側から見た図である。
さらに、図１４は、上段壁部５２および下段壁部５１を係合させたときの正面図。

上段壁部５２および下段壁部５１も、図１２および図１３に示されるように、第２実施形態で説明したルート壁部材３６および固定台３７のように嵌め合い部５６で互いに係合される。
また、下段壁部５１は、上段壁部５２の疑似側面２７と反対側の背面から上段壁部５２を開先幅ｄを狭める向きに押し込む第３押しねじ５３と、第３押しねじ５３を支持する第３ねじ孔５４が設けられた下段壁部５１に固定される第３支持部材５８と、を備えているのが好ましい。
第２押しねじ４６と同様に、第３押しねじ５３を押し込むことで、下段壁部５１に対する上段壁部５２の位置を調整することができる。

このように、第３実施形態にかかる溶接補助装置１０によれば、第１実施形態の効果に加え、上段壁部５２の位置を調整することができるので、溶接変形による開先部１８の形状変形に合わせて疑似側面２７の形状を調整することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の溶接補助装置１０によれば、溶接線１４の終始端部２２の欠陥防止処理にかかる総コストを低減させた、組合わせ溶接にも適用が可能な溶接補助装置１０および溶接補助方法を提供することを目的とする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…溶接補助装置、１１…金属板（母材）、１３…ルート面、１４…溶接線、１６（１６ａ）…ビード（キーホールビード）、１７…開先底部、１８…開先部、１９…溶材、２２（２２ａ，２２ｂ）…終始端部（始端部，終端部）、２４（２４ａ）…底部延長板（延長底部）、２６…開先側面、２７…疑似側面、２８…側面延長部材、２９…通水管、３１…固定治具、３２…シール材、３３…第１支持部材、３４…第１押しねじ、３６…ルート壁部材、３７…固定台、３８（３８ａ）…固定棒（第２固定棒）、３９…凹凸部、４１（４１ａ）…孔穴（長穴）、４４…蝶ねじ、４６…第２押しねじ、４７…第２ねじ孔、４９…第２支持部材、５１…下段壁部、５２…上段壁部、５３…第３押しねじ、５４…第３ねじ孔、５６…嵌め合い部、５８…第３支持部材、Ａ…厚さ方向、ｄ…開先幅。

Claims (14)

1. 溶接接合される２枚の母材が有する開先部の底部を延長するように前記母材の溶接線の始端部および終端部の少なくとも一方に接合される底部延長板と、
   前記底部延長板を挟み込んで固定されるとともに前記開先部の開先側面の形状を模した疑似側面を有して前記開先部の開先側面を延長する２つの側面延長部材と、
   前記側面延長部材に経路の一部が内設される通水管と、を備えることを特徴とする溶接補助装置。
2. 前記２つの前記側面延長部材を前記底部延長板に押し当てる向きに挟み込んで前記固定をする固定治具を備える請求項１に記載の溶接補助装置。
3. 前記側面延長部材は、前記疑似側面が前記底部延長板が形成する前記底部に連続的に接続される位置で固定される請求項１または請求項２に記載の溶接補助装置。
4. 前記側面延長部材は、前記疑似側面を有するルート壁部材と、前記底部延長板に直接接合される固定台と、に分離可能である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接補助装置。
5. 前記ルート壁部材と前記固定台とのそれぞれの接触面に互いに嵌め合されるように成形された凹凸部と、
   互いに嵌め合わされた前記凹凸部を貫通して前記ルート壁部材を前記固定台にピン留めする固定棒と、
   前記凹凸部に設けられて前記固定棒を貫通させる孔穴と、を備える請求項４に記載の溶接補助装置。
6. 前記孔穴は、前記接触面に沿って複数設けられている請求項５に記載の溶接補助装置。
7. 前記孔穴は、前記接触面に沿った長径を有する非真円な円形である請求項５または請求項６に記載の溶接補助装置。
8. 前記ルート壁部材の前記疑似側面と反対側の背面から前記ルート壁部材を前記開先部の開先幅を狭める向きに押し込む第２押しねじと、
   前記第２押しねじを支持する第２ねじ孔が設けられて前記固定台に固定される第２支持部材と、を備える請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の溶接補助装置。
9. 前記側面延長部材の前記母材との接触面に設けられて前記側面延長部材と前記母材とを密着させるシール材を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の溶接補助装置。
10. 前記ルート壁部材は、
    前記固定台に直接接触する下段壁部と、
    前記下段壁部に可動に係合される上段壁部と、を備え、
    前記上段壁部は、前記下段壁部との接触面に沿って前記開先部の開先幅を狭める向きに可動に嵌め合わされる請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の溶接補助装置。
11. 前記上段壁部の前記疑似側面と反対側の背面から前記上段壁部を前記向きに押し込む第３押しねじと、
    前記第３押しねじを支持する第３ねじ孔が設けられた前記下段壁部に固定される第３支持部材と、を備える請求項１０に記載の溶接補助装置。
12. 前記側面延長部材は、前記母材と比較して熱伝導率が高い金属で組成される請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の溶接補助装置。
13. 前記金属は、銅を主成分とする請求項１２に記載の溶接補助装置。
14. 溶接接合される２枚の母材が有する開先部の底部を延長するように前記母材の溶接線の始端部および終端部の少なくとも一方に底部延長板を接合するステップと、
    前記開先部の開先側面の形状を模した疑似側面を有する２つの側面延長部材で前記底部延長板の前記溶接線に平行な側面を挟み込むステップと、
    前記２つの前記側面延長部材を前記底部延長板に押し当てる向きに固定治具で挟み込んで固定するステップと、
    前記側面延長部材に形成された通水経路に通水するステップと、
    前記底部延長板を含めて前記開先部を溶接するステップと、
    前記側面延長部材を取り外すステップと、
    前記開先部から突出したビードを前記底部延長板ごと切断するステップと、を含むことを特徴とする溶接補助方法。

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