JP2012250268A - 溶接方法及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータディスクを水平に突き合わせて下向き姿勢で溶接する際に、開先を流路とする対流性上昇気流によって溶接シールドガスが乱されることを防止できる溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。
【解決手段】２つの筒状部材１を、筒軸方向を水平として突き合わせ、突き合わせ面８の外周に沿って形成された開先４を向くよう、突き合わせた２つの筒状部材１の上部に溶接トーチ６を下向き姿勢で配置し、突き合わせ面８の周囲をヒータで覆い予熱したうえで、２つの筒状部材１を回転させて溶接接合する溶接方法であって、筒状部材１の筒軸を中心として突き合わせ面８の外周に沿って形成された開先４内の、溶接トーチ６を配置した上部から筒状部材１の回転方向の前方側及び後方側のそれぞれ所定の中心角度離れた位置に、開先４内空間の周方向を分離するよう仕切り部材７を配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水平に突き合わせた２つの筒状部材の継手部分の上部に溶接トーチを下向き姿勢で配置し、継手部分の周囲を予熱しながら筒状部材を回転させて継手部分を溶接する際に適用される溶接方法及び溶接装置に関するものである。

タービン用のロータなどは、分割した筒状部材を突き合わせ、突き合わせ部分の周囲に形成された開先に溶接施工を施して組み立てられる（特許文献１参照）。特許文献１では、軸線を垂直方向として蒸気タービンのロータディスク（筒状部材）を突き合わせ、突き合わせ部分に水平横向き姿勢で溶接トーチを配置してＴＩＧ溶接を行っている。初層溶接にＴＩＧ溶接トーチを用いたガスシールドアーク溶接方法を採用すると、高品質に溶接することができる。

また、初層以降はサブアージアーク溶接を用いると高効率である。サブアージアーク溶接は、方法の制約上、下向き溶接施工のみ実施できる。初層をＴＩＧ溶接で実施し、その後の工程をサブアージアーク溶接で実施するためには、初めはロータを垂直に立てて水平ＴＩＧ溶接を行い、その後、ロータを水平に倒して下向きサブマージアーク溶接を行う必要がある。
巨大なロータを垂直から水平に設置し直す作業は、多くの工数（作業量）がかかる。迅速に製品を作るためには、一度設置したロータを、溶接開始から終了まで移動させないほうが良い。よって、連続的にサブマージアーク溶接に移行するために、軸線を水平方向としてロータディスクを突き合わせ、突き合わせ部分に下向き姿勢で溶接トーチを配置して初層を溶接する方法の確立が望まれている。

特開２０１０−２０１５０７号公報（段落［００３８］、図２）

ロータディスクを突き合わせて溶接する際、突き合わせ部分の周囲をパネルヒータなどで覆い、予熱処理を行う。そうすると、ロータ周辺の空気が、予熱されたロータによって暖められて熱膨張する。熱膨張した空気は体積が大きくなるため、ロータ周辺の空気密度が小さくなる。互いに密度の異なる気体間では、密度の小さい方に浮力が生じる。すなわち、ロータ周辺の空気に浮力が生じ、上方へ立ち上るような気流（対流性上昇気流）となる。

ロータディスクを水平に突き合わせて下向き姿勢で溶接する場合、対流性上昇気流は、突き合わせ部の開先内にも発生する。突き合わせ部分（継手部分）の開先が対流性上昇気流の通路となると、ガスシールドアーク溶接施工中において、溶接シールドガスを乱す原因となる。対流性上昇気流によって溶接シールドガスが乱されると、溶融池周辺のアルゴンガス中の酸素濃度が上昇し、溶融金属中に酸素が混入してしまう。溶融金属中への酸素の混入は、ブローホール等の溶接欠陥が生じる可能性を高くする。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ロータディスクを水平に突き合わせて下向き姿勢で溶接する際に、開先を流路とする対流性上昇気流によって溶接シールドガスが乱されることを防止できる溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、２つの筒状部材を、筒軸方向を水平として突き合わせ、突き合わせ面の外周に沿って形成された開先を向くよう、前記突き合わせた２つの筒状部材の上部に溶接トーチを下向き姿勢で配置し、前記突き合わせ面の周囲を電気またはガスを熱源とするヒータ等で覆い予熱したうえで、前記２つの筒状部材を回転させて溶接接合する溶接方法であって、前記筒状部材の筒軸を中心として前記突き合わせ面の外周に沿って形成された開先内の、前記溶接トーチを配置した前記上部から前記筒状部材の回転方向の前方側及び後方側のそれぞれ所定の中心角度離れた位置に、開先内空間の周方向を分離するよう仕切り部材を配置する溶接方法を提供する。

また、本発明は、２つの筒状部材を、筒軸方向を水平として突き合わせ、突き合わせ面の外周に沿って形成された開先を向くよう、前記突き合わせた２つの筒状部材の上部に溶接トーチを下向き姿勢で配置し、前記突き合わせ面の周囲を電気またはガスを熱源とするヒータ等で覆い予熱したうえで、前記２つの筒状部材を回転させて溶接接合するための溶接装置であって、前記筒状部材の筒軸を中心として前記突き合わせ面の外周に沿って形成された開先内の、前記溶接トーチを配置した前記上部から前記筒状部材の回転方向の前方側及び後方側のそれぞれ所定の中心角度離れた位置に、開先内空間の周方向を分離するよう設置される仕切り部材を備えた溶接装置を提供する。

溶接開先内の所定の位置に仕切り部材を設けることで、予熱により生じた対流性上昇気流が溶接部分へ侵入することを防止できるため、溶接シールドガスの乱れを低減することができる。その結果、溶接欠陥の発生を防止することが可能となる。

上記発明の一態様において、前記仕切り部材を板状、くし状、またはブラシ状とすることが好ましい。

板状の仕切り部材を、板面が開先幅方向に向くよう開先内の所定位置に配置することで、対流性上昇気流が溶接部分へ侵入することを防止できる。
くし状の仕切り部材は、各歯がフレキシブルに変形できるため、板状であるより開先底部に沿うように仕切り部材を開先内に設置することができる。それにより、開先底部が凹凸であった場合であっても、仕切り部材と開先との接触面に隙間を生じ難くすることが可能となる。その結果、仕切り部材と開先との密着度が向上する。
ブラシ状の仕切り部材は、くしの歯が奥行き方向に位置をずらして多層並べられたような構造となるため、くし状であるより対流性上昇気流が溶接部分へ侵入することを防止できる。これによって、仕切り部材のシール性能が向上する。

上記発明の一態様において、前記仕切り部材を、金属を主とする材料から形成することが好ましい。

仕切り部材を金属から形成することで、溶接によって高温となった場合でも仕切り部材の材質の変質を抑制することができる。これによって、仕切り部材としての機能の健全性を保つことができる。

上記発明の一態様において、前記仕切り部材を、固定部材を介して前記溶接トーチに固定することが好ましい。

開先内で溶接を進めていくと、開先底部に溶着金属が堆積するため、開先深さが徐々に浅くなる。仕切り部材を溶接トーチに固定することで、仕切り部材は、溶接トーチに追随して移動することができる。それによって、溶接作業者は従来通り溶接トーチの高さ位置を調整するだけで、開先深さの変化に対応することができるため、仕切り部材の高さ位置を制御する必要がない。

上記発明の一態様において、前記溶接トーチに前記固定部材の一端部を固定し、前記仕切り部材に前記固定部材の他端部を回動可能に固定し、且つ、前記他端部を固定した固定部よりも前記溶接トーチ側で、前記仕切り部材及び前記固定部材を弾性部材で接続することが好ましい。

仕切り部材を回動可能に固定し、固定部材と仕切り部材とを溶接トーチ側で弾性部材によって接続することで、仕切り部材を２点で押さえつけることができる。また、弾性部材で接続することで、直径の異なる筒状部材における溶接開先に対しても適切な角度で仕切り部材を沿わせることができる。その結果、溶接作業者は仕切り部材の角度を制御する必要がなくなる。

本発明は、筒状部材を水平に突き合わせて下向き姿勢で溶接する際に、開先を流路とする対流性上昇気流によって溶接シールドガスが乱されることを防止することができる。

組立後のタービン用ロータの側面図である。 溶接施工前のロータディスクを突き合わせた状態の突き合わせ部の拡大図である。 本実施形態に係る溶接装置が配置された突き合わせ部の断面図である。 酸素濃度解析の結果を示すグラフである。 対流性上昇気流の速度ベクトルのコンター図である。 開先と仕切り部材との間に生じる隙間のイメージ図である。 開先に押し付けたくし状の仕切り部材のイメージ図である。 仕切り部材が開先に挟まれているイメージ図である。 仕切り部材の固定例を示す図である。 弾性部材の設置例を示す図である。

以下に、本発明に係る溶接方法及び溶接装置の一実施形態について、ガスタービンや蒸気タービンなどのタービン用ロータの組み立てを例として説明する。図１に、組立後のタービン用ロータの側面図を示す。図１では、説明の簡略化のため、ロータ表面の翼などの記載は省略する。タービン用ロータは、複数のロータディスク（筒状部材）１が同軸に突き合わせて並べられており、突き合わせ部２が溶接施工されてロータディスク同士が接合された構成とされる。

本実施形態に係る溶接方法では、まず、溶接する２つのロータディスク１を、筒軸３を水平として突き合わせて配置する。図２に、溶接施工前のロータディスクを突き合わせた状態の突き合わせ部２の拡大図を示す。ロータディスク１の突き合わせ部２には、突き合わせ面の外周に沿って開先４が形成されている。次に、突き合わせ部２の周囲を電気またはガスを熱源とするヒータ等の予熱ヒータ５で覆い、１５０℃〜３００℃で予熱処理を行う。

続いて、開先内に溶接できるよう、溶接トーチをロータディスクの上部に下向き姿勢で配置する。図３に、本実施形態に係る溶接装置が配置された突き合わせ部の断面（図３のＡ−Ａ断面）図を示す。本実施形態では、水平にしたロータディスク１の重力方向側（ｇ）を下、重力方向の逆側を上と定義する。溶接トーチ６は固定された状態で、ロータディスク１を回転させ、突き合わせ部２の開先４にガスシールドアーク溶接を施す。

開先４内には、溶接トーチ６を挟んで所定の位置に、開先内空間の周方向を分離するよう仕切り部材７を配置する。仕切り部材７は、ロータディスク１の回転方向の前方側及び後方側にそれぞれ設ける。所定の位置は、溶接トーチ６を配置したロータディスク１の上部を基準として、突き合わせ面８の中心９から所定の中心角度離れた位置とする。突き合わせ面８が円状である場合、所定の位置は、中心角２０°〜３０°離れた位置の円弧上とする。

ここで、仕切り部材を設けることによる効果を示す。数値流体力学解析（ＣＦＤ解析）を用いて、仕切り部材を設けた場合のタングステン電極周辺（溶接方向前方１０ｍｍ、後方２０ｍｍ、高さ１０ｍｍ）の酸素濃度解析を実施した。結果を図４に示す。同図において、横軸がワイヤ部からの距離、縦軸が酸素濃度である。図４によれば、仕切り部材を設けることでタングステン電極周辺の酸素濃度を抑制することができた。

次に、仕切り部材を配置する所定の位置の設定根拠を説明する。ＣＦＤ解析を用いて、突き合わせた２つのロータディスクの予熱処理のシミュレーションを実施した。ＣＦＤ解析条件は、壁面温度：１８０℃、周囲環境温度：２０℃、ロータ回転速度：２．５８ｒｐｍとした。図５に、対流性上昇気流の速度ベクトルのコンター図を示す。図５によれば、開先上部において対流性上昇気流の速度が大きくなった。また、図５によれば、流体の粘性により、対流性上昇気流は、上昇の過程で開先から剥離せず、突き合わせ部の上部付近まで回り込むような挙動を示すことが明らかとなった。図５によれば、速度の大きな対流性上昇気流は、上部を基準として中心角が２０°〜３０°離れた円弧上まで回り込んでいた。上記結果から、突き合わせ面が円状である場合、円の頂点（上部）から２０°〜３０°の位置に仕切り部材を配置することで、対流性上昇気流を最も効果的に遮蔽することができる。

次に、本実施形態に係る溶接装置について説明する。
溶接装置は、仕切り部材７を備えている。仕切り部材７は、板状、くし状、またはブラシ状のいずれかの形状とされると良い。例えば、仕切り部材７ａは、基部１０に、開先幅及び開先深さに対応する面を有する板状の遮蔽部１１が取り付けられた構造とされる。板状の遮蔽部材を備えた仕切り部材（以下板状の仕切り部材と称す）７ａは、板面が開先幅ｗ方向に沿うよう開先４内の所定位置に配置されることで、対流性上昇気流が溶接トーチ６側へと流れることを防止できる。

例えば、仕切り部材７は、上記遮蔽部１１が開先の深さ方向ｄに沿って複数の歯に分割されたくし状構造とされても良い。遮蔽部１１をくし状とした仕切り部材（以下、くし状の仕切り部材と称す）７ｂは、開先底部１２に接触する仕切り部材７ｂの端部がフレキシブルとなる。開先４内で溶接を進めると、開先底部１２に溶接されたビードが波目模様となり、図６に示すように仕切り部材７ａと開先底部１２との間に隙間が生じる恐れがある。これに対し、くし状の仕切り部材７ｂを押し付けて開先４内に挿入することで、図７に示すように仕切り部材７ｂの端部が変形するため、仕切り部材７と開先４との密着性を高めることができる。仕切り部材７と開先４との間に隙間が生じた場合には、そこを通過する対流性上昇気流の速度が大きくなり、シールドガスを乱す恐れがあるが、仕切り部材７をくし状とすることで、隙間を極力低減することが可能となる。

例えば、仕切り部材７は、上記遮蔽部１１が分割された歯が、開先幅方向ｗ及び開先周方向ｘに位置をずらしながら多層に並べられたブラシ状構造とされても良い。遮蔽部１１がブラシ状の仕切り部材（以下、ブラシ状の仕切り部材と称す）は、開先４に押し付けたときのシール性が向上する。また、開先４内に溶接を進めると、ロータディスク１の母材が溶接熱により変形し、開先幅が徐々に狭くなり、開先４に仕切り部材７が挟まれてしまい、溶接施工自体が不可能な事態に陥る恐れがある（図８参照）。これに対し、仕切り部材７をブラシ状とすることで、開先幅の変化に対応しつつ、より確実に対流性上昇気流を遮断することが可能となる。

仕切り部材７は、金属を主とする材料から形成することが好ましい。金属は、高温耐性があるものから選定すると良い。開先４に溶接を進めた場合、開先４が高温状態となる。これに対し、仕切り部材７を高温耐性の金属から形成することで、溶接熱により仕切り部材７が変質するのを防止することができる。高温耐性の金属材料は、ＳＵＳ３０４などとされる。

仕切り部材７は、固定部材１３を介して溶接トーチ６に固定されていることが好ましい。固定例を図９に示す。図９（ａ）では、固定部材はＬ字型の固定棒とされる。固定棒の一端部は溶接トーチに固定されている。固定棒の他端部は仕切り部材の基部１０に固定されている。溶接トーチ６に固定された仕切り部材７は、溶接トーチ６に追随して移動することができる（図９（ｂ）参照）。

開先４に溶接を進めると、開先底部１２に溶着金属が堆積されるため、開先深さが徐々に浅くなる。よって、溶接トーチ及び仕切り部材の設置高さを、開先の深さの変化ｙに対応させて都度調整する必要がある。溶接トーチ６と仕切り部材７とが独立している場合、溶接作業者はそれぞれに対して高さを調整しなくてはならず、作業性が損なわれる。これに対し、仕切り部材７を溶接トーチ６に固定することで、溶接作業者は通常通り溶接トーチ６の高さを調整しさえすれば、仕切り部材７も付随的に高さ調整することができる。よって、仕切り部材７を溶接装置に追加することによって作業性の低下は生じない。

仕切り部材７を固定部材１３に固定する際、回動可能に固定することが好ましい。その場合、固定部材１３よりも溶接トーチ６側で、仕切り部材７の基部１０と固定部材１３とを弾性部材１４で接続すると良い。弾性部材１４は、例えばバネなどとされる。弾性部材の設置例を図１０（ａ）に示す。上述のように、開先４に溶接を進めると開先深さｄが徐々に浅くなる。すなわち、開先４が形成された突き合わせ部２の半径が徐々に大きくなる。これに対し、仕切り部材７を回動可能に溶接トーチに固定することで、半径の変化に対応して仕切り部材７の角度を変えることができる。弾性部材１４は、仕切り部材７の溶接トーチ６側を押さえる役割を果たす（図１０（ｂ）参照）。これによって、溶接作業者は、通常通り溶接トーチ６の高さ位置を調整しさえすれば、仕切り部材７を常に適切な角度に保つことができる。よって、仕切り部材７を溶接装置に追加することによって作業性の低下は生じない。

１ 筒状部材（ロータディスク）
２ 突き合わせ部
３ 筒軸
４ 開先
５ 予熱ヒータ
６ 溶接トーチ
７，７ａ，７ｂ 仕切り部材
８ 突き合わせ面
９ 突き合わせ面の中心
１０ 基部
１１ 遮蔽部
１２ 開先底部
１３ 固定部材
１４ 弾性部材

Claims (10)

1. ２つの筒状部材を、筒軸方向を水平として突き合わせ、
   突き合わせ面の外周に沿って形成された開先を向くよう、前記突き合わせた２つの筒状部材の上部に溶接トーチを下向き姿勢で配置し、
   前記突き合わせ面の周囲を覆い予熱したうえで、
   前記２つの筒状部材を回転させて溶接接合する溶接方法であって、
   前記筒状部材の筒軸を中心として前記突き合わせ面の外周に沿って形成された開先内の、前記溶接トーチを配置した前記上部から前記筒状部材の回転方向の前方側及び後方側のそれぞれ所定の中心角度離れた位置に、開先内空間の周方向を分離するよう仕切り部材を配置する溶接方法。
2. 前記仕切り部材を板状、くし状、またはブラシ状とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記仕切り部材を、金属を主とする材料から形成する請求項１または請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記仕切り部材を、固定部材を介して前記溶接トーチに固定する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の溶接方法。
5. 前記溶接トーチに前記固定部材の一端部を固定し、
   前記仕切り部材に前記固定部材の他端部を回動可能に固定し、且つ、
   前記他端部を固定した固定部よりも前記溶接トーチ側で、前記仕切り部材及び前記固定部材を弾性部材で接続する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の溶接方法。
6. ２つの筒状部材を、筒軸方向を水平として突き合わせ、
   突き合わせ面の外周に沿って形成された開先を向くよう、前記突き合わせた２つの筒状部材の上部に溶接トーチを下向き姿勢で配置し、
   前記突き合わせ面の周囲を覆い予熱したうえで、
   前記２つの筒状部材を回転させて溶接接合するための溶接装置であって、
   前記筒状部材の筒軸を中心として前記突き合わせ面の外周に沿って形成された開先内の、前記溶接トーチを配置した前記上部から前記筒状部材の回転方向の前方側及び後方側のそれぞれ所定の中心角度離れた位置に、開先内空間の周方向を分離するよう設置される仕切り部材を備えた溶接装置。
7. 前記仕切り部材が板状、くし状、またはブラシ状とされる請求項６に記載の溶接装置。
8. 前記仕切り部材が、金属を主とする材料から形成される請求項６または請求項７に記載の溶接装置。
9. 前記仕切り部材が、固定部材を介して前記溶接トーチに固定される請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の溶接装置。
10. 前記溶接トーチに前記固定部材の一端部が固定され、
    前記仕切り部材に前記固定部材の他端部が回動可能に固定され、且つ、
    前記他端部を固定した固定部よりも前記溶接トーチ側で、前記仕切り部材及び前記固定部材が弾性部材で接続される請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の溶接装置。
    

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