JPH0227992Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、たとえばチタン及び高合金鋼等の
突合せ溶接部の高温域加熱部分を冷却するのに用
いられる管溶接用冷却治具に関する。

チタンや高合金鋼（オーステナイトステンレス
スチールなど）が高温で酸素や水素等と親和力の
強いのは言うまでもなく、従つて溶接で加熱され
た部分は、チタンや高合金鋼の空気による酸化
等、すなわちガスコンタミネーシヨンが起こらな
いように温度がある温度に下がるまでシールして
空気から遮断し、かつ冷却しなければならない。
ところで、従来鋼管などを回転しながらその全周
にわたつて溶接する場合、一層溶接のみならず二
層以降の溶接作業においても溶接トーチによるア
ルゴンガスシールを加熱部分に施すほかに、溶接
後のアフターシールをもアルゴンガスで行ない、
かつ溶接する面の裏面（管内）にはアルゴンガス
を大量に流してアルゴンガス雰囲気にしてバツク
シールを行なうことで鋼管の内外の空気遮断及び
冷却を図つている。

ところが、上記従来の溶接手法では、アルゴン
ガスなどの不活性ガスを長時間流して加熱部のシ
ール及び冷却を行うために、高価な不活性ガスを
大量に必要とし、しかも高温のアルゴンガスやオ
ゾンガスを発生して作業を行なう周辺が酸素欠乏
環境となつて息苦しくなり作業衛生上問題がある
ばかりか、不活性ガスの冷却能が低いことから溶
接による歪発生の原因となりかつ冷却時間を多く
要し、したがつて連続溶接が不可能であつた。

尚、溶接施工中の溶接部分に流体を冷媒として
接した状態で滞留させて溶接部分のシール及び冷
却を図ることも考えられるが、流体を滞留させる
だけでは冷却機能を発揮できず溶接特性が実際に
確保できないことが実証されている。

この考案は以上の点に鑑み成されたものであつ
て、すなわちこの考案は、不活性ガスの代わり
に、冷却能の大きい冷媒としての流体をある流速
を与えて溶接施工中回転される管の溶接部分に散
布して溶接部の高温域加熱部を空気からシールす
ると同時に冷却することで、高価な不活性ガスの
使用量を大幅に減らして高温不活性ガスの発生を
防ぐことができ、かつ冷却時間を不要として連続
溶接が可能となる管溶接用冷却治具を提供するこ
とを目的とする。

したがつて、この目的を達成するためにこの考
案の管溶接用冷却治具は、冷媒を被溶接管内に導
く冷却導管と、該冷却導管に設けられて冷却導管
により導かれた冷媒を溶接部の裏面に向けて所定
の流速で散布するための吹出しノズルと、該吹出
しノズルの両側位置に設けられて上記被溶接管の
内面と共に上記冷媒の滞留空間を形成する一方及
び他方の遮蔽部材と、溶接部で熱交換を行なつた
冷媒を上記滞留空間から排出する排出路とを具備
する管溶接用治具において、上記吹出しノズル
は、上記被溶接管における周方向の溶接部の一部
に向くように設けられ、上記遮蔽部材は、溶接施
工における上記被溶接管の回転に伴い上記吹出し
ノズルに対して回転するように構成されているこ
とを特徴とする。

以下、図示の一実施例によりこの考案を説明す
る。

第１図は、この考案に係る管溶接用冷却治具
（以下、冷却治具という）を示し、第２図と第３
図は、この冷却治具が被溶接管としての管Ｔ，Ｔ
の突合せられた溶接部Ｗ付近に挿入された状態を
示している。

被溶接管としての管Ｔ，Ｔは、オーステナイト
ステンレスステイール、ハイニツケルステイール
などの高合金鋼のほか、たとえばチタンで成形さ
れたものでもよい。

まず、上記冷却治具を説明すると、第１図に示
すように一端側が開口された円筒状を成し、溶接
部Ｗをシールしかつ冷却する冷媒としての液体、
例えば冷却水を排出する冷媒排出管としての排出
管１と、該排出管１内に軸方向に沿つて内挿保持
され、上記冷却水を外部より溶接部Ｗ付近まで導
く冷却導管２と、排出管１の閉鎖された他端側に
回転自在に取り付けられ該排出管１内の冷却水を
外部に排出する回転排出ジヨイント管３と、上記
冷却導管２の冷却水入口２ａと反対側の冷却水放
出口２ｂ側に固設されて冷却導管２と接続開口さ
れた円筒形のタンク４と、該タンク４の外周に突
出して設けられてタンク４内の冷却水を鉛直上方
の溶接部Ｗ内面に導く吹出しノズル５と、可撓性
材料、たとえばシリコン材などで円盤状に成形さ
れ、直径方向が排出管１の軸方向と直交するよう
にして、タンク４に回転及び着脱自在に取り付け
られた一方の遮蔽部材としての遮蔽パツキン６
と、該遮蔽パツキン６と同様に可撓性材料で円盤
状に成形され、上記一方の遮蔽パツキン６と対向
するように排出管１の外周に着脱自在に固定され
た他方の遮蔽部材としての遮蔽パツキン７と、を
有しており、上記遮蔽パツキン６，７の直径Ｄ
は、管Ｔ，Ｔの内径ｄより大とされている。

上記冷却導管２は、第４図と第５図に示すよう
に排出管１に対して回転可能とされていて排出管
１の閉鎖面１ａとこれを貫く冷却導管２との間に
は液密シールS₁が介在されている。また、上記回
転排出ジヨイント管３のジヨイント部３ａは、液
密シールS₂を介して排出管１の外周に摺動自在に
取り付けられており、このジヨイント部３ａ内に
位置され排出管１の全周にわたつて等間隔に形成
された排出孔１ｂを介して回転排出ジヨイント管
３と排出管１とが連通されている。

上記吹出しノズル５は、第６図と第７図に示す
ようにタンク４の外周面の任意の個所より導出さ
れた多数のノズル管８を有する。各ノズル管８の
噴出開口部８ａは楕円形状に広げられて、該噴出
開口部８ａの開口面積が途中管路断面積より大き
くとられていて、各噴出開口部８ａはタンク４の
軸方向と直交する方向、すなわち管Ｔ，Ｔの溶接
部Ｗに沿う方向に一列に集合されて一つの吹出し
ノズル５を形成している。尚、この噴出開口部８
ａの開口端は、第６図に示すようにタンク４の軸
中心と同心の半径Ｒの円周上に配列されている。

次に上記一方の遮蔽パツキン６が着脱自在に取
り付けられた回転ジヨイント９は、第３図と第８
図に示すようにタンク４に固設された取付部材１
０に回転自在に係合されている。すなわち、取付
部材１０の挿入穴１０ａには回転ジヨイント９が
挿入され、回転ジヨイント９の全周に沿つて形成
された係合溝９ａには、取付部材１０側に固着さ
れた半割状の係合部材１１が係合されており、し
かして回転ジヨイント９と一体の遮蔽パツキン６
はタンク４に対して回転自在とされている。

尚、上記排出管１と冷却導管２の間の排出部１
ｃと回転排出ジヨイント管３とで冷却水の排出路
を構成する。また、第１０図には、管Ｔ，Ｔの溶
接部Ｗに溶接するためのトーチTch、溶加棒Ｂ及
び溶接部Ｗをアフターシールするためにアルゴン
ガスを吹き込んで封入する円筒形のカバーＣを示
している。さらに第９図に示すように、管Ｔ，Ｔ
は、固定台Ｚ上の回転支持部材Ｒ，Ｒに載置され
ており、被溶接管である管Ｔ，Ｔを回転させなが
ら鉛直上方に固定されたトーチTchで溶接操作を
行ういわゆる回転管である。

次に、以上の構成における作用を説明する。

回転自在に配置された管Ｔ，Ｔを突き合わせて
溶接する場合について説明すると、第１０図に示
すように管Ｔ，Ｔの突き合せ部分にカバーＣを取
り付けてアルゴンガスを連続して吹き込み溶接部
Ｗのアフターシールを施すとともに、管Ｔ，Ｔ内
にアルゴンガスを吹き込みつづけてアルゴンガス
雰囲気として溶接部Ｗのバツクシールを施す。す
なわち、溶接部Ｗは上記アフターシールとバツク
シールより完全にシールされており、この状態で
管Ｔ，Ｔを回転させながら鉛直上方よりトーチ
Tch及び溶加棒Ｂを用いて管Ｔ，Ｔの溶接部Ｗの
全周にわたり一層溶接を施す。尚、この溶接施工
中にはトーチTchからアルゴンガスが噴出されて
いる。

次に、上記一層溶接において、アフターシール
により溶接部Ｗが冷却したのち、カバーＣを取り
はずすと共に、この考案の冷却治具を管Ｔ，Ｔ内
に挿入する。

すなわち、第１１図に示すように、遮蔽パツキ
ン６，７の弾力に抗して管Ｔ，Ｔ内に冷却治具を
挿入することで、遮蔽パツキン６，７と管Ｔ，Ｔ
の間には冷却水の滞留空間Ｓが形成される。そし
て吹出しノズル５が鉛直上方に向けられて溶接部
Ｗの上側に対向するように冷却治具を位置決めし
たあと、第１２図に示すように冷却水を水圧４〜
4.5Kg／cm²で冷却導管２よりタンク４内に導き各
ノズル管８より放出させると共に、管Ｔ，Ｔを一
体に回転させながら、アルゴンガスが放出された
トーチTchと溶加棒Ｂを用いて管Ｔ，Ｔの上方か
ら下向きに溶接部Ｗに二層目の溶接を管Ｔ，Ｔの
全周にわたつて施す。この際に、遮蔽パツキン
６，７は管Ｔ，Ｔの回転に伴い同方向に回転され
るが、冷却導管２、排出ジヨイント管３、タンク
４を固定して常に吹出しノズル５を溶接施工中の
溶接部が位置している鉛直方向に向けておくこと
ができる。

また、常にトーチTchと吹出しノズル５とは溶
接部Ｗをはさんで対向されており、放出された冷
却水は溶接施工中の溶接部Ｗの高温加熱領域を冷
却し、その後冷却水は滞留空間Ｓで対流したのち
排出部１ｃ、排出孔１ｂ及び回転排出ジヨイント
管３を経て外部に排水される。すなわち、溶接に
よる入熱と溶接部Ｗ裏面の加熱域にある冷却水と
が熱交換する時に、ある量の冷却水は所定の流速
で対流されて効率的に溶接部Ｗの高温加熱領域を
冷却することができることになる。この場合、溶
接の入熱はバーナ加熱などと異なり、スポツト的
な加熱となり熱交や加熱炉などの熱交換の考え方
とは異種のものと考える。例として、ナベに湯を
沸かす時にガスバーナで１分間加熱したものと、
溶接の様に局部的に１分間加熱したものでは湯の
温度はガスバーナの方が高くなるのは当然であ
る。しかし、後者の方は、局部的にはおそらく
100℃を超える温度となり局部的に沸騰する事に
なろう。そして、これを防ぐにはある量の水の対
流が必要となり、流速、流量、管Ｔ，Ｔの材質、
肉厚、冷却水の温度などがこれに大きな影響を与
えるものである。

そこで、上述のようにある量の冷却水を所定の
流速で対流させながら溶接部Ｗの熱交換を行なう
ことにより、冷却水が100℃を超えることがなく、
溶接部Ｗの裏面にガスコンタミネーシヨンを生ず
るおそれは全くなくなる。

また、吹出しノズル５の各ノズル管８は、噴出
開口部８ａが楕円形状に広げられて開口面積が大
きいことから、冷却治具を管Ｔ，Ｔに挿入して位
置決めする際にその位置決めが管Ｔ，Ｔの軸方向
にたとえば10mm〜40mm程度ずれても、冷却水を溶
接部Ｗに向けて確実に散布することができる。

尚、吹出しノズルの形状として複数のノズル管
８に代えて単一の扇形のノズルも考えられるが、
この種のノズルでは冷却水の流速が高くなると、
水幕がうすくなつてノズルの一部にかたよつて噴
出することがあるためノズル噴出口全体に均一に
噴出せず、溶接部Ｗに確実に冷却水を散布するこ
とができない場合があるので、吹出しノズルは複
数のノズル管８で構成した方が好ましい。

上述した二層目溶接の要領で以下三層目以降の
溶接を実施すればよいが、二層目以降の溶接では
カバーＣを用いたアフターシールの必要はなく、
トーチTchから出るアルゴンガスによるシールで
十分である。また、この実施例では人手による溶
接作業について述べたが自動溶接作業においても
同様の要領で行なえることはいうまでもない。

次に、この考案に係る第２の実施例を第１３図
により説明する。尚、第１の実施例と同等の箇所
には同様の符号を記し、その説明を省略する。

第２の実施例の冷却治具は、冷却導管１０２の
途中に吹出しノズル１０５を設けると共に、遮蔽
パツキン１０６，１０７が冷却導管１０２に対し
て固定となつている。しかして、溶接施工時に
は、管Ｔ，Ｔが回転されると遮蔽パツキン１０
６，１０７は摺動させられ固定されている冷却導
管１０２より冷却水が吹出しノズル１０５に導か
れて管Ｔ，Ｔの溶接施工中の溶接部Ｗに散布する
と共に、冷却水は遮蔽パツキン１０６，１０７と
管Ｔ，Ｔとで形成される滞留空間Ｓを経て排出管
１０１の排出部１０１ｃ、排出孔１０１ｂ及び固
定排出ジヨイント管１０３より排水される。

ここで、一例としてチタン溶接による基本計算
式をモデル的に策定する。

(1) 溶接による発生熱量として（電気的） Ｑ〔cal〕＝１／4.186ηρt η：熱交換係数 ρ：消費電力（Ｗ） ｔ：時間 4.186：熱の仕事当量 ここで、溶接手法としてMIG法（イナートガ
スメタルアーク法）を採用した場合の最大発生条
件を代入し、また熱交換係数として0.6をとる。
ηの意味は、下述の通り第１４図に示す様にQ゜
の入熱に対して冷却される表面で考慮すべき対象
熱量Q′である。（安全見込みとして60％変換とし
た。） 溶接条件 電 流：370〔Ａ〕 電 圧：45〔Ｖ〕 溶接速度：550mm／min（0.92cm／
ｓ） 溶加棒 ：1.6mmφ Ｑ＝１／4.186×0.6×370×45×１〔Ｓ〕 ＝2386〔cal〕 … (2) 冷却対象面積 溶接ビード中の３倍を範囲とする。ビード幅は
最大５mmと設定すると、必要面積は溶接速度との
積、すなわち ３×0.5〔cm〕×0.92〔cm／ｓ〕＝1.38〔cm／ｓ〕 (3) 水20℃→100℃にするのに必要な容量Ｖ〔cm³〕
として流速ｕ〔cm／ｓ〕とすると、（比熱1cal／
℃］ Ｑ＝Ｖ×（100−20）＝80V ＝80×1.38×ｕ … ∴式より Ｑ＝2386〔cal〕＝80×1.38×ｕ ∴ｓ＝21.6〔cm／ｓ〕 ≒0.2〔ｍ／ｓ〕 となる。

この結果から上述の場合少くとも冷却水の流速
を0.2〔ｍ／ｓ〕以上にしなくてはならない。そし
て水道水は一般に0.6〜1.5〔ｍ／ｓ〕となつてい
るので、冷媒として水道水圧をそのまま利用する
ことができることになる。

ところで、上述の実施例では、第１０図の第１
層目の溶接後本考案の治具を使用した溶接を施し
たがこれに限定されることなく、第１０図の一層
目溶接法で第二層目の溶接を行つて、第三層目以
降本考案の治具を使用した溶接を行なつてもよい
のは無論である。また上述の実施例では、チタン
製の管Ｔ，Ｔの溶接について述べたが、ステンレ
ス系の高合金鋼製の管を溶接する場合には、第１
０図の一層溶接においてカバーＣを用いたアフタ
ーシールを施す必要がなく、トーチTchから出る
アルゴンガスのみでシールすればよい。

また、冷媒として冷却水の他に油などを用いて
もよい。さらに、前記遮蔽パツキンを複数の分割
パツキンで形成し、該遮蔽パツキンが縮径や拡径
の状態に出来る様にすれば、互いに異なる径の管
Ｔ，Ｔの溶接にも本考案の治具が使用出来る。

以上説明したようにこの考案によれば、管の周
方向の一部に向けられる吹出しノズルに対して両
遮蔽部材が回転できるように構成されている。従
つて、被溶接管を回転させながら周方向に沿つて
溶接した場合に、該管と共に遮蔽部材が同方向に
回転しても、冷却導管により被溶接管内に導かれ
た冷媒を吹出しノズルによつて常に溶接施工中の
溶接部の裏面に向けて所定の流速で散布し、その
高温域加熱部を空気からシールした状態で効率的
に冷却することができる。また、管が回転した場
合に冷媒を鉛直上方に向けて散布するようにすれ
ば、常に上方より下方に向けて溶接を施すことが
でき、溶接作業が容易となり作業性の向上が図れ
る効果がある。

また、本考案は溶接部で熱交換を行つた冷媒を
排出路より管の外部へ排出させる構成としたの
で、従来少くとも二層目又は三層目溶接以降で溶
接時間及び冷却時間の計一時間程度高価な不活性
ガスをアフターシール及びバツクシールとして流
し続けなければならなかつたので、バツクシール
として不活性ガスを使用する必要がなく、しかも
チタン溶接ではアフタシールが不要になることか
ら、不活性ガスの使用量を大幅に減らすことがで
きると共に、高温不活性ガスの発生も少くでき労
働衛生環境が改善でき、かつ不活性ガスに比べて
冷却能の大きい冷媒を用いるので、冷却効果が大
きく、冷却時間を不要とすることができ、したが
つて、不活性ガス使用時では不可能だつた連続溶
接ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案に係る管溶接用冷却治具を
示す斜視図、第２図は、同冷却治具が管の溶接部
付近に挿入された状態を示す側面図、第３図は、
管に挿入された状態の冷却治具の断面図、第４図
は冷却導管付近の拡大図、第５図は、同断面図、
第６図は、吹出ノズルとタンクを示す断面図、第
７図は同平面図、第８図は、防水パツキンの回転
ジヨイント付近の断面図、第９図は、管を回転さ
せて溶接する作業の説明図、第１０図は、一層溶
接を示す側断面図、第１１図は、二層以降の溶接
を示す側断面図、第１２図は、冷却水の散布状態
を示す説明図、第１３図は、この考案に係る第２
の実施例の冷却治具を示す側断面図、第１４図
は、溶接による発生熱量を説明するための溶接部
の斜視図である。 Ｔ，Ｔ……管、２……冷却導管、５……吹出し
ノズル、６，７……一方及び他方の遮蔽部材とし
ての遮蔽パツキン、１ｃ，３……排出路を構成す
る排出部及び回転排出ジヨイント管。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 冷媒を被溶接管内に導く冷却導管と、該冷却
   導管に設けられて冷却導管により導かれた冷媒
   を溶接部の裏面に向けて所定の流速で散布する
   ための吹出しノズルと、該吹出しノズルの両側
   位置に設けられて上記被溶接管の内面と共に上
   記冷媒の滞留空間を形成する一方及び他方の遮
   蔽部材と、溶接部で熱交換を行なつた冷媒を上
   記滞留空間から排出する排出路とを具備する管
   溶接用治具において、上記吹出しノズルは、上
   記被溶接管における周方向の溶接部の一部に向
   くように設けられ、上記遮蔽部材は、溶接施工
   における上記被溶接管の回転に伴い上記吹出し
   ノズルに対して回転するように構成されている
   ことを特徴とする管溶接用冷却治具。 (2) 上記吹出しノズルは、上記被溶接管を回転し
   て溶接を施すのに伴い常に鉛直上方に向けられ
   るように形成された実用新案登録請求の範囲第
   １項記載による管溶接用冷却治具。 (3) 上記吹出しノズルの噴出開口部は、開口面積
   が途中管路断面積より大とされている実用新案
   登録請求の範囲第１項記載による管溶接用冷却
   治具。 (4) 上記冷媒としての冷却水が用いられる実用新
   案登録請求の範囲第１項記載による管溶接用冷
   却治具。