WO2016111232A1 - 薄板部材の溶接継手、その溶接継手を備えた缶体の製造方法、およびその溶接継手を備えた管体の配管方法 - Google Patents

Abstract

第一薄板部材（１）の一端に曲げ角度（θ１）が直角のＬ字型端部（１Ａ）が、第二薄板部材（２）にはひさし部（２Ｂ）を有して曲げ角度（θ２、θ３）が直角のＺ字型端部（２Ａ）が設けられ、Ｌ字型端部（１Ａ）の接触面（１Ｃ）と、Ｚ字型端部（２Ａ）の接触面（２Ｃ）とが密接するとともに、ひさし部（２Ｂ）の下面（２Ｄ）がＬ字型端部（１Ａ）の頂部（１Ｂ）と所定の隙間（Ｇ）を介して係合して、溶接継手（２０）を形成する。

Description

薄板部材の溶接継手、その溶接継手を備えた缶体の製造方法、およびその溶接継手を備えた管体の配管方法

　この発明は、薄板部材の溶接継手、その溶接継手を備えた缶体の製造方法、およびその溶接継手を備えた管体の配管方法に関するものである。

　金属の板同士を溶接する際、溶接部の保持方法や溶接部材同士と加熱トーチの位置関係、溶接部への入熱量等の条件により溶接部の品質が左右される。そして溶接する金属の板厚が薄くなれば、この条件はさらに厳密になる。

　例えば、近年普及している貯湯式給湯器においては、沸き上げた湯を貯えておくために大容量の金属製貯湯タンクを備えているが、その貯湯タンクの缶体の構造は、一般的には、胴体と呼ばれる本体筒状の部品の上下に鏡板と呼ばれるお椀状の部品とが全周にわたり溶接され、缶体が形成されている。この周溶接部分については、これまでにも様々な形状の継手および溶接方法の検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。

　しかし、これらの方法では周溶接部に隙間が生じ、応力集中が発生したり、貯める液体によっては隙間腐食の発生箇所となる。このため缶体の長寿命化には、隙間部を持たない突き合わせ継手とすることが望ましい。一般に薄板の突き合わせ溶接は継手間の隙間（ギャップ）や板厚方向の変位（目違い、すなわち２枚の板の板厚方向の変位のこと）を厳密に管理しなければ良好な突き合わせ継手が得られない。そこで溶接部近傍を両面から治具などで拘束し、突き合わせ継手を実現したり（例えば、特許文献２参照）、継手形状を工夫し、突き合わせ溶接と同等の溶接ビード形状を得ている（例えば、特許文献３、４参照）。

特開２００７－００９２９０号公報 特開２００２－２６３８３５号公報 特許第２５９３２３３号公報 特開２０１２－１４８３０４号公報

　しかしながら上記特許文献１に示された缶体である温水容器は、胴と２つの鏡を備え、両鏡の端部が胴の内部に挿入され外側から溶接される構造を採用しており、その結果全周にわたり溶接隙間が形成されている。この溶接隙間に塩素イオンを含んだ水が入ると局部電池作用が原因となって隙間腐食が発生し、寿命が短くなるという問題点があり、また隙間先端部には応力が集中しやすく、缶体の内圧変動による疲労破壊が生じやすいという問題点もある。

　上記問題点を解決するためには隙間部を持たない突き合わせ継手とすることが望ましい。上記特許文献２には突き合わせ溶接を実施している缶体が示されており、筒状の胴体と鏡板とが全周にわたり内側から突き合わせ溶接されている。

　しかしながらこの構造では溶接作業時において、突き合わせ溶接部分に前述した目違いやギャップを極力少なくする必要があり、筒状の胴体と鏡板の突き合わせ端面の位置関係を一定に保持するために、缶体の内側と外側からの両面からの拘束治具が必要となる。このため缶体には機能上不必要な頂部に大きな開口を設ける必要があり、また内側からの溶接であるため、トーチの保持、回動等に大がかりな専用工具を必要とし、その結果作業性が悪くかつ、製造コスト高となるという問題点がある。

　上記特許文献３には胴体にテーパ部を有する蓋板を押し当て、テーパ部が溶融するように溶接する技術が示されている。しかしながらこの技術では胴体と蓋体との相対位置を保持するのは、テーパ部と胴体の縁部との接触部での摩擦のみであり、溶接部分のギャップを管理する機構と板圧方向の拘束がない。このため胴体や蓋体の局部的な寸法のバラツキや溶接時の熱変形によって、蓋体が径方向外側、あるいは胴体が内側に変形すると、溶接継手部が接触せずにギャップと目違いが生じて、溶接が困難となるという問題点がある。

　これらの問題点を解決することを目的に、本願発明の出願人は特許文献４に、薄板部材の溶接方法およびその溶接方法を用いた缶体の製造方法として、継手先端部に曲げ加工を施し、溶接前の拘束を行うことで専用工具による拘束治具を必要とせずに、溶接部のギャップや目違いの発生を防止し、突き合わせ溶接と同等の応力集中部のない溶接ビード形状を得るものを提案している。

　すなわち第一薄板部材のＬ字型端部を鈍角に立ち上げ、第二薄板部材のＬ字型端部を鋭角に立ち上げた継手の構成とし、この立ち上げ部全体をＴＩＧ溶接などで溶融することで、突き合わせ溶接と同等の応力集中部のない溶接ビード形状を得ている。しかし、この継手の２つの端部は傾斜しており、さらに端部先端の曲げ部の立ち上がり長さは板厚の数倍程度であるため、薄板になるほど立ち上がり長さが短くなる。

　例えば板厚が０．５ｍｍとすると立ち上がり長さは２ｍｍ程度となり、さらに傾斜角度がついているために寸法管理に困難が伴う。特に対象物が大物になると継手部全長にわたっての寸法管理を行うのに、時間がかかり、コスト上昇や生産性低下の要因を引き起こす場合がある。

　この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、溶接すべき継手形状の寸法、形状の精度管理を容易とし、かつ目違いの発生を防止するとともに、溶接作業時における専用工具等の拘束治具を必要とせず、突き合わせ溶接と同等の応力集中部のない溶接ビード形状を得ることができる薄板部材の溶接継手、その溶接継手を備えた缶体の製造方法、およびその溶接継手を備えた管体の配管方法を提供することを目的とする。

　この発明の薄板部材の溶接継手は、
第一薄板部材と第二薄板部材とよりなる薄板部材の溶接継手であって、
前記第一薄板部材の一端には、曲げ角度を直角としてＬ字型をなすＬ字型端部が、
前記第二薄板部材の一端には、ひさし部を有して曲げ角度を直角としてＺ字型をなすＺ字型端部が設けられており、
前記Ｌ字型端部および前記Ｚ字型端部のそれぞれには、前記Ｌ字型端部、前記Ｚ字型端部同士が互いに接する接触面が設けられ、
前記ひさし部は、前記Ｌ字型端部を覆うように延伸して設けられており、
前記第一薄板部材と前記第二薄板部材の前記接触面が密接し、前記ひさし部の下面と前記Ｌ字型端部の頂部とが隙間を有して係合するものである。

　また、この発明の上記に示した溶接継手を備えた缶体の製造方法は、
胴体部と鏡板部の端部同士を溶接して缶体を製造する缶体の製造方法であって、
前記第一薄板部材を前記胴体部または前記鏡板部のいずれかとし、
前記第二薄板部材を前記鏡板部または前記胴体部のいずれかとして、
前記溶接継手が溶接によって溶融される。

　また、この発明の上記に示した溶接継手を備えた管体の配管方法は、
２つの管体の端部同士を溶接して接合する管体の配管方法であって、
前記第一薄板部材を２つの前記管体の一方とし、
前記第二薄板部材を２つの前記管体の他方として、
前記溶接継手が溶接によって溶融される。

　この発明の薄板部材の溶接継手によれば、
　簡単な構造の溶接継手となり、その結果、低コストで精度の高い寸法、形状で製作可能となる。またＬ字型端部とＺ字型端部とが隙間を介して係合されるので、溶接部材同士の位置関係の固定が確実となりその結果第一薄板部材と第二薄板部材との目違いの発生を防止し安定した溶接を行うことが可能で、突き合わせ溶接と同等の溶接ビード形状を得ることができる。

　また、この発明のその溶接継手を備えた缶体の製造方法、およびその溶接継手を備えた管体の配管方法によれば、特別の専用治具を必要とせずに溶接を行うことができるとともに、応力集中発生の恐れがない溶接ビード形状が得られるという効果がある。

実施の形態１による溶接継手の構造を示す図である。 実施の形態１による溶接ビード形状を示す図である。 実施の形態２による貯湯タンクの缶体の製造方法を示す図である。 実施の形態３による管体の配管方法を示す図である。 図４に示した第一管体の構成を示す図である。 図４に示した第二管体の構成を示す図である。 実施の形態４による管体の配管方法を示す図である。 実施の形態４による溶接ビード形状を示す図である。

実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による薄板部材の溶接継手の構造の断面を示す断面図である。例えば、同一内径の２個の薄肉円筒を溶接によって接合する場合の溶接継手の構造を示す。図１に示すように、板厚Ｔの第一薄板部材１の一方の端部には、円筒の外径側に突出したＬ字型端部１Ａが設けられている。

　ここで板厚Ｔは０．５ｍｍ～２ｍｍである。このＬ字型端部１Ａは、曲げ角度θ１が直角（９０°）である。Ｌ字型端部１Ａの継手高さＨ１は、第一薄板部材１の板厚Ｔの２～５倍に設定されている。また、Ｌ字型端部１Ａは、後述するＺ字型端部２Ａに接する接触面１Ｃを有している。

　板厚Ｔの第二薄板部材２の一方の端部であって、Ｌ字型端部１Ａに対向する側には、円筒の外径側に突出するひさし部２Ｂを有するＺ字型端部２Ａが設けられている。このＺ字型端部２Ａの曲げ角度θ２および曲げ角度θ３はそれぞれ直角（９０°）である。ひさし部２Ｂの下面２Ｄまでは継手高さＨ２を有している。ひさし部２Ｂは長さＨＬでＬ字型端部１Ａを覆うように延伸している。

　Ｚ字型端部２Ａは、Ｌ字型端部１Ａの接触面１Ｃと接する接触面２Ｃが設けられている。このひさし部２Ｂの下面２Ｄと、Ｌ字型端部１Ａの頂部１Ｂとの間には、所定の隙間（ギャップ）Ｇが設けられている。この隙間Ｇの値は０．２ｍｍ以下である。また、ひさし部２Ｂの長さＨＬは、第二薄板部材２の板厚Ｔの２～４倍である。

　第一薄板部材１、第二薄板部材２は図１において図示省略した汎用の加圧装置によって加圧され、Ｌ字型端部１Ａの頂部１Ｂと、Ｚ字型端部２Ａのひさし部２Ｂの下面２Ｄとが所定の隙間Ｇを介するとともに、接触面１Ｃ、接触面２Ｃとが突き合わされて密接されて溶接継手２０が形成される。

　このようにこの溶接継手２０は前述のように所定の隙間Ｇを介して係合されておりかつ、直角に立ち上がった接触面１Ｃと接触面２Ｃとが全面的に接触可能となる構成を備えているので、接触面１Ｃおよび接触面２Ｃ同士の位置関係の固定がより強固となり、溶接継手２０の根元部２０Ａに目違いや隙間の発生を防止した上、トーチ４によって加熱、溶融され、突き合わせ溶接と同等の図２に示す溶接ビード形状３が得られる。

　上記実施の形態１における第一薄板部材１、第二薄板部材２の材質は、フェライト系ステンレスとしているが、オーステナイト系ステンレスや一般の軟鋼、あるいは銅または銅合金であってもよい。この銅または銅合金の場合は溶接に代替してろう付けが好適である。

　このように、この実施の形態１による溶接継手２０は、簡単な形状であるＬ字型端部１Ａ、Ｚ字型端部２Ａを採用しているので、形状形成が容易でかつその寸法、形状の高精度化が容易に達成され、その結果低コストとなる。また接触面１Ｃ、接触面２Ｃの接触性が向上し、かつ所定の隙間Ｇを介して第一薄板部材１と第二薄板部材２が係合されるので、目違いを防止でき、さらに溶接ビード形状３の形成に悪影響を及ぼす溶接前の隙間の発生を防ぐことで溶接時の入熱効果が向上し、安定した溶接ができる。

　尚、この実施の形態１では同一内径、同一板厚の円筒を第一薄板部材１、第二薄板部材２とした例を示したが、異なる内径や板厚のものであってもよく、また円筒状でなく多角状でもよく、また短尺の平板を溶接することによって長尺の平板とするような場合にも適用することも可能である。また、溶接法としてＴＩＧ溶接を示したが、これに限定されることなく熱溶融法である例えばレーザ溶接や電子ビーム溶接であってもよい。

実施の形態２．
　次に実施の形態２を説明する。この実施の形態２は前述した実施の形態１の溶接継手２０を備えた缶体の製造方法である。
　図３は缶体１０である貯湯式給湯器の金属製貯湯タンクの製造方法を示す断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
胴体部５は、円筒の両端面に前述した実施の形態１の第二薄板部材２と同様なＺ字型端部２Ａが形成されている。この胴体部５の両端に鏡板部６が設けられている。

　鏡板部６は、胴体部５と結合される箇所に、前述した実施の形態１の第一薄板部材１と同様なＬ字型端部１Ａが形成されている。胴体部５と鏡板部６が組み合わされて、実施の形態１と同様に頂部１Ｂと下面２Ｄとが所定の隙間Ｇを介するとともに、接触面１Ｃ、接触面２Ｃとが突き合わされて溶接継手２０を形成し、鏡板部６の外部から加圧装置７を用いて前記接触面１Ｃ、接触面２Ｃとが接触するよう押し付け加圧して密接させ、溶接継手２０の上方からトーチ４によりＴＩＧ溶接を行う。

　上記のように実施の形態２の缶体の製造方法によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、このような方法で缶体１０を製造するので、トーチ４による入熱が行き届き、溶接継手２０の溶融をより完全なものとすることが可能となる。また完成した缶体１０である貯湯タンク全長のバラツキが少なく、寸法精度の高い貯湯タンクを簡単な生産工程を経て安価に製作することができる。さらに溶接が完全溶け込みで形成されるので缶体１０である貯湯タンクの如く、高温度でかつ温度サイクルが印加される、あるいは繰り返し応力の発生する製品において、溶接部の隙間腐食および応力集中のない耐久性が向上した長寿命の缶体１０を製造することができる。

　尚、この実施の形態の缶体１０は内径φが２００ｍｍ～７００ｍｍ、全長が１ｍ～２ｍの大きさであり、板厚が１ｍｍ程度である。また、この缶体１０は貯湯タンクに適用する例を示したが湯水に限定されず、種々の液体であってもよい。また胴体部５の端部をＺ字型端部２Ａを有するものとしたが、鏡板部６と胴体部５の端部構造を互いに入れ替えてもよい。

実施の形態３．
　図４は本発明の実施の形態３における水冷用配管等に代表される管体の配管方法を示している。通常、管体をつなぎあわせるための溶接は、ソケット継手と呼ばれるような２つの管体を互いに重ねるか、突き合わせ継手とするかして全周溶接を行う。重ね合わせると隙間部が残るため、疲労強度、耐食性に問題が生じる。突き合わせ継手とすると、溶接後の疲労強度、耐食性は高いが、全周溶接をするには突き合わせ端面の精度確保が重要で、事前加工や溶接時の端面合わせが非常に難しい。現地での施工となると、その難易度はさらに上がる。

　この実施の形態３は、上記実施の形態１の溶接継手２０を用いた管体の配管方法である。図４において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。第一管体１１には、上記実施の形態１の第一薄板部材１と同様なＬ字型端部１Ａが形成されている。また、第二管体１２には、上記実施の形態１の第二薄板部材２と同様なＺ字型端部２Ａが形成されている。第一管体１１および第二管体１２の板厚Ｔは、０．５ｍｍから２ｍｍである。

　第一管体１１と第二管体１２とが当接されて、実施の形態１と同様に頂部１Ｂと下面２Ｄとが所定の隙間Ｇを介するとともに、接触面１Ｃ、接触面２Ｃとが突き合わされて溶接継手２０を形成し、接触面１Ｃ、接触面２Ｃとが接触するよう押し付け加圧して密接させ、溶接継手２０の上方からトーチ４によりＴＩＧ溶接を行い、全周にわたってＬ字型端部１ＡおよびＺ字型端部２Ａを溶融させる。

　このとき、トーチ４と、Ｌ字型端部１ＡおよびＺ字型端部２Ａとは相対移動させればよい。よって、熱源であるトーチ４が回転しても、第一管体１１および第二管体１２が回転しても、いずれもが回転してもよい。尚、溶接方法は、ＴＩＧ溶接に限るものではなく、熱溶融法となる溶接方法、例えば、レーザ溶接または電子ビーム溶接等を用いることが可能である。また、第一管体１１および第二管体１２の材質は、ステンレス、軟鋼、銅が一般に用いられる。しかしながら、溶接可能な金属であれば、例えばアルミまたはチタンなどを用いることが可能である。

　このように構成された配管方法においては、上記実施の形態１と同様に、継手寸法および形状を容易に管理できるため、密着性を容易に確保することができ、安定して溶接することができる。また、上記実施の形態１と同様に、２つ管体の押し当て力を十分に加えることで全周にわたってさらに密着性を確保することができる。

　このような管体の配管方法においては、板厚Ｔ方向のズレ量である目違い量の管理が重要である。以下、このことについてさらに説明する。管体の配管方法における、上記に示した円周溶接のような円筒形状における、目違いの抑制には嵌合公差に相当する径差管理が重要である。ここで管理すべき嵌合径差とは、溶接継手２０の嵌め合いとなる部分の嵌合径差である。

　具体的には、図５に示す第一管体１１のＬ字型端部１Ａの先端における径を嵌合径Ｗ１とする。また、図６に示す第二管体１２のＺ字型端部２Ａのひさし部２Ｂの内側における径を嵌合径Ｗ２とする。そして、この嵌合径Ｗ１と嵌合径Ｗ２との差、これが嵌合径差である。この嵌合径差を小さくすることで、目違いを小さくすることができる。

　この嵌合径差を小さくするには、各嵌合径Ｗ１、Ｗ２の精度を高く形成する必要がある。嵌合径Ｗ１、Ｗ２は、（各第一管体１１、第二管体１２の外径である管径Ｗ３、Ｗ４）＋（各継手高さＨ１、Ｈ２）×２である。第一管体１１、第二管体１２は、一般にはプレス加工や引き抜きまたは押し出し加工等で形成されるため、第一管体１１、第二管体１２の管径Ｗ３、Ｗ４の加工精度は高い。

　このため、継手高さＨ１、Ｈ２の高さの精度確保が、嵌合径差の低減には重要である。本実施の形態３の形状であれば、寸法および形状管理が容易であるため、嵌合径Ｗ１、Ｗ２の精度が高く、継手高さＨ１、Ｈ２の精度確保が容易となる。このため嵌合径差を低減でき、その結果目違いを抑制することができる。よって、溶接後は全周にわたって突き合わせ溶接同等の溶接ビード形状３を形成することができる。

　上記のように、実施の形態３の管体の配管方法によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、隙間腐食および応力集中のない長寿命でかつ、高強度な管体の溶接を行うことが可能となる。

実施の形態４．
　図７は本発明の実施の形態４における水冷用配管等に代表される管体の配管方法を示した図である。上記実施の形態３では、疲労強度確保のため、第一管体の管径と第二管体の管径とはほぼ同径で形成する例を示したが、疲労強度を必要としない、配管方法、例えば冷却機等の管体は一定圧がかかるが繰り返しの加圧ではないため、必要とされる疲労強度が低い。この場合、溶接部が水密性を有していればよく、第一管体の管径と第二管体の管径とは異なっていてもよい。

　図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。本実施の形態４においては、第一管体１１の管径Ｗ３が、第二管体１２の管径Ｗ４より短い場合について説明する。第一管体１１の管径Ｗ３が第二管体１２の管径Ｗ４より短いため、接触面１Ｃと接触面２Ｃとの密接している箇所は、上記実施の形態３と比較して少なくなる。

　しかしながら、上記各実施の形態と同様に、継手高さＨ１＜継手高さＨ２にて形成されているため、溶接後は、図８に示すような、溶接ビード形状３が形成され、連続的に径が変化する管体の配管方法を行うことができる。但し、第一管体１１の管径Ｗ３と、第二管体１２の管径Ｗ４との管径差は、管径差＜管径の板厚Ｔ×２程度であることが望ましい。

　上記のように構成された実施の形態４の管体の配管方法によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、隙間腐食が低減され、長寿命な管体の溶接を行うことができる。

　尚、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (9)

1. 第一薄板部材と第二薄板部材とよりなる薄板部材の溶接継手であって、
   前記第一薄板部材の一端には、曲げ角度を直角としてＬ字型をなすＬ字型端部が、
   前記第二薄板部材の一端には、ひさし部を有して曲げ角度を直角としてＺ字型をなすＺ字型端部が設けられており、
   前記Ｌ字型端部および前記Ｚ字型端部のそれぞれには、前記Ｌ字型端部、前記Ｚ字型端部同士が互いに接する接触面が設けられ、
   前記ひさし部は、前記Ｌ字型端部を覆うように延伸して設けられており、
   前記第一薄板部材と前記第二薄板部材の前記接触面が密接し、前記ひさし部の下面と前記Ｌ字型端部の頂部とが隙間を有して係合する薄板部材の溶接継手。
2. 前記第一薄板部材および前記第二薄板部材の板厚は、０．５ｍｍ～２ｍｍである請求項１に記載の薄板部材の溶接継手。
3. 前記Ｌ字型端部の高さは、前記第一薄板部材の板厚の２～５倍であり、
   前記隙間は、０．２ｍｍ以下である請求項１または請求項２に記載の薄板部材の溶接継手。
4. 前記ひさし部の長さは、前記第二薄板部材の板厚の２～４倍である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の薄板部材の溶接継手。
5. 胴体部と鏡板部の端部同士を溶接して缶体を製造する缶体の製造方法であって、
   前記第一薄板部材を前記胴体部または前記鏡板部のいずれかとし、
   前記第二薄板部材を前記鏡板部または前記胴体部のいずれかとして、
   前記溶接継手が溶接によって溶融される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手を備えた缶体の製造方法。
6. 前記胴体部の内径と前記鏡板部の内径とを同一とした請求項５に記載の缶体の製造方法。
7. 前記胴体部および前記鏡板部の材質をステンレス材とし、かつ前記溶接がＴＩＧ溶接あるいはレーザ溶接、または電子ビーム溶接のいずれかである請求項５または請求項６に記載の缶体の製造方法。
8. 二つの管体の端部同士を溶接して接合する管体の配管方法であって、
   前記第一薄板部材を２つの前記管体の一方とし、
   前記第二薄板部材を２つの前記管体の他方として、
   前記溶接継手が溶接によって溶融される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手を備えた管体の配管方法。
9. ２つの前記管体の材質をステンレス材とし、かつ前記溶接がＴＩＧ溶接あるいはレーザ溶接、または電子ビーム溶接のいずれかである請求項８に記載の管体の配管方法。

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