JP2017148827A - 溶接治具及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接部材の溶接部が形成されるチャンバにおける不活性ガスによる置換時間の短縮、不活性ガスの使用量の低減、及び溶接焼けの確実な防止のすべてを実現することができる、溶接装置に用いる溶接治具、及び当該溶接治具を用いた溶接方法を提供する。【解決手段】チャンバ６内に不活性ガスを導入し、チャンバ６内で被溶接部材４を溶接する溶接装置２に装着する溶接治具１であって、チャンバ６は、チャンバ６内に形成される被溶接部材４の溶接部１０と、チャンバ６外に位置付けられる被溶接部材４の非溶接部２０とを区画する隔壁６ｂと、隔壁６ｂを貫通する被溶接部材４の挿入孔２２とを具備し、溶接治具１は、炭素繊維からなる本体部２４を有するシール部材１２を備え、本体部２４は、隔壁６ｂにおける挿入孔２２の開口２２ａの周囲に密着されるシール端面２４ａを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接治具及び溶接方法に関し、詳しくは、不活性ガスを導入して被溶接部材を溶接する溶接装置に装着する溶接治具、及び当該溶接治具を用いた溶接方法に関する。

従来、被溶接部材の溶接部が形成されるチャンバ内を不活性ガスで置換することにより、溶接部の周囲に酸素濃度の低い酸欠状態を形成し、溶接部の酸化、すなわち溶接焼けを抑制する溶接方法が知られている。
例えば特許文献１には、被溶接部材の溶接部を囲むチャンバと、このチャンバ内に挿入された溶接トーチと、この溶接トーチの後方に配設されたトレイリングとを備えたガスシールド溶接装置が開示されている。溶接トーチとトレイリングとは、チャンバ内に挿入されており、チャンバが溶接部と被溶接部材の溶接部近傍とを広範囲で覆うことにより、溶接部のみならず、溶接部以外の被溶接部材の外面の溶接焼けを広範囲で抑制可能とされている。

特開２００５−４０８１５号公報

特許文献１の溶接装置では、チャンバは周壁及び上壁から円筒状に形成され、チャンバ内には、溶接部と被溶接部材の一方である配管の外周面とを覆う容積の大きな不活性ガスの置換空間が形成されている。従って、チャンバ内を不活性ガスで置換するには長時間を要し、溶接作業の作業性が著しく低下する。

また、チャンバ内を不活性ガスで置換するには大量の不活性ガスを要する。アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスは一般に高価であるため、溶接作業の経済性が著しく低下する。
また、チャンバ内に大容積の置換空間を形成しただけでは、チャンバ内全体に不活性ガスを行き渡らせて均一に分布させ、且つ不活性ガスを長時間滞留させることができないため、チャンバ内に好適な酸欠状態を維持することができない。従って、被溶接部材の酸化を効果的に防止することができず、被溶接部材の溶接焼けが生じるおそれがある。

また、特許文献１の図１に示されるように、配管の外周面とチャンバの上壁との間には隙間が形成され、また、被溶接部材の他方であるフランジとチャンバの周壁下端との間にも隙間が形成されている。これらの隙間によりチャンバ内からの空気の漏洩を積極的に許容することで、チャンバ内に存在する空気を効率的に不活性ガスに置換可能であるとも思われる。

しかしながら、上記各隙間の形成により、空気とともに不活性ガスもチャンバ内から容易に漏洩するおそれがある。不活性ガスの比重を考慮したとき、例えばアルゴンは空気よりも比重が若干大きい程度であり、ヘリウムは空気よりも比重が極度に小さいため、上記各隙間から不活性ガスの漏洩はより生じ易いと推定される。従って、このような隙間が存在すると、不活性ガスによるチャンバの置換時間の長期化、不活性ガス使用量の増大、被溶接部材の溶接焼けの発生がさらに助長されるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、被溶接部材の溶接部が形成されるチャンバの不活性ガスによる置換時間の短縮化、不活性ガスの使用量の低減、及び被溶接部材の溶接焼け防止のすべてを実現することができる、溶接装置に用いる溶接治具、及び当該溶接治具を用いた溶接方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明の溶接治具は、チャンバ内に不活性ガスを導入し、チャンバ内で被溶接部材を溶接する溶接装置に装着する溶接治具であって、チャンバは、チャンバ内に位置付けられる被溶接部材の溶接部と、チャンバ外に位置付けられる被溶接部材の非溶接部とを区画する隔壁と、隔壁を貫通する被溶接部材の挿入孔とを具備し、溶接治具は、炭素繊維からなる本体部を有するシール部材を備え、本体部は、隔壁における挿入孔の開口の周囲に密着されるシール端面を有する。

好ましくは、本体部は、非溶接部の外面の少なくとも一部を覆って該外面に密着されるシール内面を有する。
好ましくは、シール部材は、本体部のシール端面以外の外面を覆うカバーを有する。
好ましくは、シール部材は、本体部に不活性ガスを導入するガス導入継手を有する。

好ましくは、被溶接部材は、端面同士が互いに突き合わされて溶接される一対の配管であり、シール部材は、一対の配管にそれぞれチャンバを挟んで対向して装着される。
また、本発明の溶接方法は、チャンバ内に不活性ガスを導入し、チャンバ内で被溶接部材を溶接する溶接装置に溶接治具を装着して用いる溶接方法であって、チャンバは、チャンバ内に位置付けられる被溶接部材の溶接部と、チャンバ外に位置付けられる被溶接部材の非溶接部とを区画する隔壁と、隔壁を貫通する被溶接部材の挿入孔とを具備し、溶接治具は、炭素繊維からなる本体部を有するシール部材を備え、本体部を隔壁における挿入孔の開口の周囲に密着させながら溶接部を形成する。

従って、本発明の溶接治具及び溶接方法によれば、被溶接部材の溶接部が形成されるチャンバにおける不活性ガスによる置換時間の短縮、不活性ガスの使用量の低減、及び溶接焼けの確実な防止のすべてを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接治具を溶接装置に装着した状態を示した斜視図である。 溶接治具及び溶接装置の要部の縦断面図である。 溶接治具及び溶接装置の分解斜視図である。 シール部材の各分割部を開いた状態で示した斜視図である。 配管が挿入された側壁の挿入孔の開口の周囲を拡大した一部断面を有する側面図である。 チャンバからシール部材への不活性ガスの流れを示した溶接治具及び溶接装置の要部の縦断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶接治具１を溶接装置２に装着した状態を示した斜視図である。溶接装置２は、一対の配管（被溶接部材）４の溶接が行われるチャンバ６と、チャンバ６の下側に連結される装置本体８とを備えている。溶接装置２は、例えばティグ溶接により母材である配管４を直接に溶融させて後述の溶接部１０を形成する溶接方式（非消耗電極式）を採用している。

具体的には、チャンバ６内には、図示しないガスノズルが設けられ、ガスノズル内にはアークを発生する図示しないタングステン電極が設けられている。ガスノズルには、アークのシールドガスとしての不活性ガスが装置本体８から供給され、ガスノズルを介してチャンバ６内に不活性ガスが導入される。

溶接治具１は、一対の配管４それぞれに装着されチャンバ６を挟み対向する一対のシール部材１２と、一対のシール部材１２をそれぞれ配管４の径方向に押圧して締め付ける一対の第１締付部材１４と、一対のシール部材１２を配管４の軸方向のチャンバ６側に押圧して締め付ける第２締付部材１６とから構成されている。

図２は、溶接治具１及び溶接装置２の要部の縦断面図である。本図は一対の配管４の端面４ａ同士を突き合わせて溶接した上述の溶接部１０が形成された状態を示している。チャンバ６は、例えば矩形状に形成され、上壁６ａと、配管４の軸方向に対向する一対の側壁（隔壁）６ｂとを有している。チャンバ６の下側には装置本体８が連結され、チャンバ６には上壁６ａ、各側壁６ｂ、装置本体８で区画された不活性ガスの置換空間１８が形成されている。

一対の側壁６ｂは、チャンバ６内に形成される一対の配管４の溶接部１０と、チャンバ６外に位置付けられる一対の配管４の非溶接部２０の一部とを区画している。また、各側壁６ｂには配管４の挿入孔２２が貫通されている。

シール部材１２は、円柱状の炭素繊維からなる本体部２４と、本体部２４の外面の一部を覆うカバー２６とから形成されている。
本体部２４の円柱状の高さ方向は配管４の軸方向と合致している。本体部２４のチャンバ６側には、カバー２６が存在せずに本体部２４が露出されたシール端面２４ａが形成されている。シール端面２４ａは、側壁６ｂの少なくとも挿入孔２２の非溶接部２０側の開口２２ａの周囲を含む領域に密着される。

カバー２６は、本体部２４のシール端面２４ａ以外の外面である本体部２４の外周面２４ｂと、チャンバ６と反対側の外端面２４ｃとを覆う円筒状をなしている。
また、本体部２４は、シール端面２４ａから配管４の軸方向に延び、配管４の非溶接部２０の外周面（外面）２０ａの一部を覆っており、本体部２４の内部には配管４の挿通孔２８が形成されている。この挿通孔２８は配管４の非溶接部２０の外周面２０ａに密着されるシール内面２８ａを形成している。挿通孔２８を挿通された配管４はカバー２６の外端面２６ａを貫通する。

図３は、溶接治具１及び溶接装置２の分解斜視図である。本実施形態の場合、チャンバ６は、配管４の軸芯を通る平面で上下に２分割された分割部６Ａをヒンジ６Ｂで開閉可能にしたクランプ構造をなしている。各分割部６Ａで配管４を上下に挟み込んで保持することにより、各配管４を芯出ししながら、チャンバ６内に各配管４の端面４ａ同士を突き合わせて位置決め固定することができる。

一方、シール部材１２は、チャンバ６と同様に、上下に２分割された分割部１２Ａをヒンジ１２Ｂで開閉可能にしたクランプ構造をなしている。シール部材１２は、各分割部１２Ａで配管４を上下に挟み込んで第１締付部材１４で締結し、第２締付部材１６で一対のシール部材１２をチャンバ６に互いに押圧することにより、配管４ひいては溶接装置２に装着される。

図４は、シール部材１２の各分割部１２Ａを開いた状態で示した斜視図である。各分割部１２Ａはシール部材１２をその円柱状の高さ方向に沿って分割した半円柱状をなしている。本体部２４とともに分割されたカバー２６の各分割部１２Ａにおける側端２６ｃにヒンジ１２Ｂが設けられている。

各分割部１２Ａのシール端面２４ａは、カバー２６の周端２６ｄよりも外方に若干突出して位置付けられている。これにより、上述した第２締付部材１６で一対のシール部材１２をチャンバ６に互いに押圧したとき、この押圧力によってシール端面２４ａがチャンバ６の側壁６ｂに確実に接触し、側壁６ｂに形成された挿入孔２２の開口２２ａの周囲に密着される。

また、シール部材１２の各分割部１２Ａには、本体部２４を分割して形成された分割端面１２Ｃが形成されている。各分割端面１２Ｃは、カバー２６の側端２６ｃよりも外方に突出して位置付けられている。さらに、各分割端面１２Ｃには、分割部１２Ａの半円柱状の高さ方向に亘って挿通溝２８ｂがそれぞれ形成されている。

これら挿通溝２８ｂは、各分割部１２Ａが閉じた状態で、上述したシール内面２８ａひいては挿通孔２８を形成可能な深さ及び凹形状に形成されている。これにより、各分割部１２Ａが閉じた状態で、一対のシール部材１２の分割部１２Ａをそれぞれ配管４の径方向に第１締付部材１４で互いに押圧して締め付けたとき、この締結力によって挿通孔２８のシール内面２８ａがチャンバ６外に位置付けられる配管４の非溶接部２０の外周面２０ａの全周に亘って密着される。

図５は、配管４が挿入された側壁６ｂの挿入孔２２の開口２２ａの周囲を拡大した一部断面を有する側面図である。図５に示すように、チャンバ６で配管４を挟持した際、側壁６ｂの挿入孔２２と配管４との間には隙間３２が生じている。
図６は、チャンバ６内からシール部材１２への不活性ガスの流れを示す溶接治具１及び溶接装置２の要部の縦断面図である。装置本体８からチャンバ６の置換空間１８に導入された不活性ガス（二点鎖線で示す）は、側壁６ｂの挿入孔２２と配管４との間に形成された隙間３２を通じてチャンバ内６からシール部材１２の本体部２４に流入する。そして、不活性ガスがチャンバ６内の全体に行き渡ることにより、チャンバ６内の空気が不活性ガスに置換される。

シール部材１２は、本体部２４の外周面２４ｂ及び外端面２４ｃがカバーで覆われているため、本体部２４に流入した不活性ガスは、本体部２４の全体に行き渡ることにより、本体部２４の空気が不活性ガスに置換される。
ここで、上述したように、シール端面２４ａはカバー２６の周端２６ｄよりも外方に突出して位置付けられているから、第２締付部材１６で一対のシール部材１２を押圧した状態では、側壁６ｂとカバー２６の周端２６ｄとの間に微小隙間３４が形成される。

微小隙間３４からは、チャンバ６の置換空間１８及び本体部２４に存在し、不活性ガスにより追い出される空気と、若干の余剰の不活性ガスとがシール部材１２の外部に排出される。なお、置換空間１８及び本体部２４の容積を考慮して装置本体８から供給する不活性ガスの量を予め調整することにより、余剰の不活性ガスの排出量を最小限に留めることが可能である。

また、必要に応じて、図示しないガス供給源から、ガス導入継手３０を介して本体部２４に不活性ガスを直接導入することも可能である。
以上のように、溶接装置２に溶接治具１を装着することにより、チャンバ６の側壁６ｂに形成された挿入孔２２の開口２２ａの周囲にシール部材１２のシール端面２４ａを密着することができる。これにより、挿入孔２２の開口２２ａと配管４との間に生じる隙間３２をシール端面２４ａで塞ぐことができる。

ここで、炭素繊維は、軽量、高剛性、高硬度、低密度であり、優れた耐熱性、断熱性、耐摩耗性、及び耐酸性、及び導電性を有することが知られている。ここで、ティグ溶接によって母材である配管４を直接に溶融させて溶接部１０を形成した場合、溶接熱が著しく高温（例えば５００℃程度）となる。しかし、溶接治具１にシール部材１２を用いたことにより、高温の溶接熱がチャンバ６の側壁６ｂや配管４を介して本体部２４に伝達されたとしても本体部２４が溶融することはない。また、本体部２４の炭素繊維による断熱効果によって、非溶接部２０へ熱伝達も抑制され、シール部材１２は、優れたシール性のみならず、優れた耐熱性及び断熱性をも有する。

また、シール部材１２の本体部２４には、複雑に絡み合った炭素繊維間に不活性ガスの微小流路が形成される。チャンバ６内から隙間３２を介してシール部材１２に流入した不活性ガスは、微小流路における大きな流路抵抗によって低速となり、本体部２４の全体に行き渡り、本体部２４の空気を置換した後に微小隙間３４から流出する。従って、シール部材１２は、チャンバ６及び本体部２４に不活性ガスを均一に分布させて保持する優れたガス保持性を有する。これにより、チャンバ６内及びシール部材１２に好適な酸欠状態が形成される。

さらに、チャンバ６は溶接部１０を位置付けるだけの小容積で形成可能であるため、上述したシール部材１２のシール性、耐熱性、断熱性、及びガス保持性により、チャンバ６の不活性ガスによる置換時間の短縮化、不活性ガスの使用量の低減、及び配管４の溶接焼け防止のすべてを実現することができる。

また、配管４の非溶接部２０にシール部材１２の本体部２４のシール内面２８ａを密着させることにより、非溶接部２０への熱伝達をより一層効果的に抑制することが可能である。また、本体部２４に不活性ガスが保持され、非溶接部２０の外周面２０ａの周囲に好適な酸欠状態が形成されるため、配管４の溶接焼けをさらに効果的に防止することができる。

また、シール部材１２が本体部２４のシール端面２４ａ以外の外面を覆うカバー２６を有することにより、本体部２４に流入した不活性ガスは、本体部２４の全体に行き渡った後、側壁６ｂとカバー２６の周端２６ｄとの間に形成された微小隙間３４からシール部材１２の外部に流出することとなる。これにより、シール部材１２からの不活性ガスの流出経路をシール端面２４ａ側に一本化することができる。従って、シール部材１２のガス保持性がさらに高まり、さらに好適な酸欠状態の形成が可能となるため、配管４の溶接焼けをさらに効果的に防止することができる。

また、シール部材１２のカバー２６の外周面（外面）２６ｂに、本体部２４に不活性ガスを直接導入するガス導入継手３０を有することにより、必要に応じて本体部２４に不活性ガスを直接導入することが可能である。これにより、シール部材１２における不活性ガス保持及び酸欠状態形成をさらに迅速に行うことができ、配管４の溶接焼けをさらに効果的に防止することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上記実施形態では、被溶接部材は、端面４ａ同士が互いに突き合わされて溶接される一対の配管４であるが、本発明の溶接治具１は他の被溶接部材を溶接する溶接装置２にも装着して適用可能である。具体的には、通常の単管からなる配管４の他に、スリーブ継手、Ｌ型継手、Ｔ型継手等の継手を用いた突き合わせ溶接に本発明の溶接治具１を使用することも可能である。

また、上記実施形態では、シール部材１２は、半円柱状の分割部１２Ａから形成される。しかし、これに限らず、少なくとも炭素繊維が露出したシール端面２４ａを有するのであれば、シール部材１２は分割しなくとも良く、種々の形状が想定可能である。また、カバー２６の形状もシール部材１２の形状に合わせて種々の形状が想定可能である。また、例えば、シール部材１２は、炭素繊維が露出したシール端面２４ａを有するシート状に形成しても良いし、シール部材１２にカバー２６を設けなくても良い。

１ 溶接治具
２ 溶接装置
４ 配管（被溶接部材）
４ａ 端面
６ チャンバ
６ｂ 側壁（隔壁）
１０ 溶接部
１２ シール部材
２０ 非溶接部
２０ａ 外周面（外面）
２２ 挿入孔
２２ａ 開口
２４ 本体部
２４ａ シール端面
２４ｂ 外周面（外面）
２４ｃ 外端面（外面）
２６ カバー
２８ａ シール内面
３０ ガス導入継手

Claims (6)

1. チャンバ内に不活性ガスを導入し、前記チャンバ内で被溶接部材を溶接する溶接装置に装着する溶接治具であって、
   前記チャンバは、
   前記チャンバ内に位置付けられる前記被溶接部材の溶接部と、前記チャンバ外に位置付けられる前記被溶接部材の非溶接部とを区画する隔壁と、
   前記隔壁を貫通する前記被溶接部材の挿入孔と
   を具備し、
   前記溶接治具は、炭素繊維からなる本体部を有するシール部材を備え、
   前記本体部は、前記隔壁における前記挿入孔の開口の周囲に密着されるシール端面を有する、溶接治具。
2. 前記本体部は、前記非溶接部の外面の少なくとも一部を覆って該外面に密着されるシール内面を有する、請求項１に記載の溶接治具。
3. 前記シール部材は、前記本体部の前記シール端面以外の外面を覆うカバーを有する、請求項２に記載の溶接治具。
4. 前記シール部材は、前記本体部に不活性ガスを導入するガス導入継手を有する、請求項３に記載の溶接治具。
5. 前記被溶接部材は、端面同士が互いに突き合わされて溶接される一対の配管であり、
   前記シール部材は、前記一対の配管にそれぞれ前記チャンバを挟んで対向して装着される、請求項１から４の何れか一項に記載の溶接治具。
6. チャンバ内に不活性ガスを導入し、前記チャンバ内で被溶接部材を溶接する溶接装置に溶接治具を装着して用いる溶接方法であって、
   前記チャンバは、
   前記チャンバ内に位置付けられる前記被溶接部材の溶接部と、前記チャンバ外に位置付けられる前記被溶接部材の非溶接部とを区画する隔壁と、
   前記隔壁を貫通する前記被溶接部材の挿入孔と
   を具備し、
   前記溶接治具は、炭素繊維からなる本体部を有するシール部材を備え、
   前記本体部を前記隔壁における前記挿入孔の開口の周囲に密着させながら前記溶接部を形成する、溶接方法。

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