JPH11264519A - 水中溶接ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高性能のポンプを使用することなく、溶接開先
の谷底部における水カーテンの流速を、母材上面におけ
る水カーテンの流速並みに保持し得る水中溶接ノズルを
提供すること。 【解決手段】水中溶接ノズル１１のノズル先端部１１Ａ
に、溶接開先５３に対向する突出部２３を設け、且つ、
突出部２３の周縁にノズル先端部の水カーテン出口１８
に連通するスリット状の水カーテン出口１８’を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バリアー（障壁）
を形成している筒状の水カーテンの内側にシールドガス
を流し、水カーテンの内側に局部的な空洞部を形成する
ようにした水中溶接ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に示すように、ノズル先端部１１Ａ
の全周にわたって設けたスリット状の水カーテン出口１
８から噴出したカーテン水によってラッパ管状の水カー
テンＷ’を形成すると共に、水カーテンＷ’の内側にシ
ールドガスを流して水カーテンＷ’の内側に局部的な空
洞部Ｓを形成することにより、アークや溶融池の周辺か
ら水を排除してアーク溶接を行うようにした水中溶接ノ
ズルが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この水中溶
接ノズル１１を用いて溶接開先５３がＶ字形に形成され
ている２枚の母材５１，５２を結合する場合、水カーテ
ン出口１８から噴出した水カーテンＷ’は、水カーテン
出口１８から母材５１，５２の上面５４に到達する距離
より、水カーテン出口１８から溶接開先５３の谷底部５
５に到達する距離の方が長くなる。

【０００４】一般に、ノズルから噴出された水の流速
は、飛距離に反比例して遅くなるため、母材上面５４に
おける水カーテンＷ’の流速より、溶接開先５３の谷底
部５５における水カーテンＷ’の流速の方が遅くなり、
母材上面５４における水カーテンＷ’の勢いより、溶接
開先５３の谷底部５５における水カーテンＷ’の勢いの
方が弱くなる。

【０００５】このため、上述した水中溶接ノズル１１を
水中で使用すると、溶接開先５３の谷底部５５に沿って
周辺の水が水カーテンＷ’の内側に侵入し易くなり、水
カーテンＷ’の内側に安定した空洞部Ｓを形成すること
が困難になる。特に、被溶接材の板厚が２０mmを越える
と、この現象が顕著になる。この場合、ノズルから噴出
するカーテン水の流速を増速することも考えられるが、
従来より高性能のポンプを用いる必要があるため、設備
費の高騰を招く恐れがある。また、カーテン水の流速が
高速になることにより、開先面に衝突した水流が空洞部
に逆流するなどの新たな問題が発生する恐れもある。

【０００６】本発明は、このような問題を解消するため
になされたものであり、高性能のポンプを使用すること
なく、溶接開先の谷底部における水カーテンの流速を、
母材上面における水カーテンの流速並みに保持し得る水
中溶接ノズルを提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の水中溶接ノズルは、ノズル先端部に設けた
スリット状の水カーテン出口から噴出したカーテン水に
よって筒状の水カーテンを形成すると共に、該水カーテ
ンの内側にシールドガスを流して水カーテンの内側に局
部的な空洞部を形成するようにした水中溶接ノズルにお
いて、前記ノズル先端部に、溶接開先に対向する突出部
を設け、且つ、突出部の周縁にノズル先端部の水カーテ
ン出口に連通するスリット状の水カーテン出口を備えた
ことに特徴がある。

【０００８】かかる構成により、突出部の水カーテン出
口から溶接開先の谷底部に至る水カーテンの飛長距離
を、ノズル先端部の水カーテン出口から母材上面に至る
水カーテンの飛長距離とほぼ同等にすることができる。
このため、溶接開先の谷底部における水カーテンの流速
が、母材上面における水カーテンの流速並みになり、ノ
ズルから噴出させたシールドガスによって水カーテンの
内側に安定した空洞部を形成できる。

【０００９】ここで、突出部は、ノズル先端部の水カー
テン出口のスリット間隔と同じスリット間隔で配設した
一組の舌片状の板状物で形成することが望ましい。ま
た、突出部は、自由端に近づくにしたがって次第に幅が
狭くなるような形状に形成することが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態を説明する。図１に示すように、水中溶接ノズル１
１は、ノズル先端部１１Ａが内筒１２と外筒１３との二
重構造になっており、その間に形成されている環状の間
隙１４は、仕切壁１５を持つ環状の整流室１６に連通し
ている。そして、外筒１３に取り付けた給水パイプ１７
から整流室１６に供給されたカーテン水Ｗは、仕切壁１
５を乗り越えて間隙１４に流入する間に整流され、流速
が均一になる。

【００１１】仕切壁１５の高さは、給水パイプ１７の直
径より３〜５mm高く設定するのが望ましい。間隙１４
は、ノズル先端に近づくにしたがって次第に直径が大き
くなるラッパ管状の噴出部１９に連通している。噴出部
１９は、外筒１３の先端面に設けたスリ鉢状の窪み２０
と、内筒１２のフランジ部２１の背面に設けたテーパー
面２２とから形成されており、その隙間は、噴出部１９
の出口、即ち、水カーテン出口１８に近づくにしたがっ
て次第に狭くなっている。

【００１２】水カーテン出口１８のスリット間隔は、
０．５〜１．０mmが望ましい。また、下向き溶接の場
合、噴出部１９の角度θ１は、５５°〜６５°が望まし
い。水中溶接ノズル１１は、ノズル先端部１１Ａの前後
に溶接開先（図示せず）に対向する舌片状の突出部２３
を備えている。突出部２３は、外筒１３の側面に取り付
けた板状物２４と、内筒１２のフランジ部２１に取り付
けた板状物２５とから形成され、その間にノズル先端の
噴出部１９に連通する間隙２６を有している。この間隙
２６のスリット間隔は、水カーテン出口１８のスリット
間隔と同じ寸法に設定されている。

【００１３】従って、突出部２３の周縁は、スリット状
の水カーテン出口１８’になっている。また、突出部２
３の傾斜角度θ２は、ノズル先端の噴出部１９の傾斜角
度θ１と同角度に設定されている。突出部２３の形状
（平面形状）は、溶接開先の幅や、開先高さ等を勘案し
て決定される。基本的には、二等辺三角形の形状が望ま
しいが、図２に示すように、その尖端部分を切り落とし
た所謂台形状でも良い。

【００１４】ノズル先端部１１Ａは、内筒１２の内側に
銅製のフランジ付き内筒カバー２７を螺着させ、内筒１
２の内壁面とフランジ部２１の端面とを保護するように
なっている。そして、内筒カバー２７にスパッタ等が付
着した時は、新しい内筒カバーと交換し、シールドガス
の乱れを防ぐようになっている。その際、適切な内径Ｄ
の内筒カバー２７を用いると、シールド条件の選定が容
易になる、という利点がある。

【００１５】水中溶接ノズル１１は、溶接トーチ４１に
装着できるように、装着部２８の内径が溶接トーチ４１
の外径に合致するように形成されている。また、溶接ト
ーチ４１の先端部４２に設けられている放射状の複数の
孔４３を通ってシールドガスＧが、溶接トーチ４１の先
端部４２に取り付けられている中空円錐台状のチップ４
４と、内筒カバー２７との間の隙間を通ってノズル先端
部１１Ａから噴出されるようになっている。図中、符号
４５は、溶接ワイヤを示している。

【００１６】しかして、給水パイプ１７からノズル先端
部１１Ａの整流室１６に供給されたカーテン水Ｗは、整
流室１６の仕切壁１５を乗り越える間に整流される。整
流によって流速が均一になったカーテン水Ｗは、ノズル
先端部１１Ａの周囲に開口しているスリット状の水カー
テン出口１８から噴出するが、カーテン水Ｗの一部は、
ノズル先端部１１Ａの前後に取り付けた舌片状の突出部
２３の周縁に開口しているスリット状の水カーテン出口
１８’から噴出し、全体としてほぼラッパ管状の水カー
テンＷ’になる。

【００１７】従って、水中溶接ノズル１１を、図３に示
すように、舌片状の突出部２３が、二つの母材５１，５
２間にあるＶ形の溶接開先５３に対向するように保持す
ると、突出部２３の水カーテン出口１８’から溶接開先
５３の谷底部５５に至る水カーテンＷ’の飛長距離Ａ２
は、ノズル先端部１１Ａの水カーテン出口１８から母材
上面５４に至る水カーテンＷ’の飛長距離Ａ１とほぼ同
じになる。

【００１８】従って、溶接開先５３の谷底５５における
水カーテンＷ’の流速は、母材上面５４における水カー
テンＷ’の流速とほぼ等しくなり、ノズル先端部１１Ａ
の先端から噴出させたシールドガスＧによって水カーテ
ンＷ′の内側に安定した空洞部Ｓを形成することができ
る。

【００１９】

【実施例】（実施例１）開先角度４５°、板厚２５mm、
裏当て金付きの軟鋼材から成るテストピースを、水深２
０cmの水槽中に設置した後、図１の水中溶接ノズルを用
いて水中溶接を行った。

【００２０】なお、開先ギャップは５mm、目違いは０m
m、真鍮製の台形状の突出部は、全長が３７mm、自由端
の横幅が７mm、取付部の横幅が２２mmであった。この時
の安定空洞形成条件の範囲を、カーテン水の水量（Ｌ／
min)、シールドガスのガス量（Ｌ／min)で整理した結果
を図４に示す。図４から母材上面からノズル先端部の先
端面までの間隔（高さ）ｈを７mmに設定した場合に、か
なり広い範囲の空洞形成領域を形成できることが分か
る。

【００２１】なお、図４（ａ）はｈを１０mmに設定した
場合、図４（ｂ）はｈを７mmに設定した場合、図４
（ｃ）はｈを５mmに設定した場合を示している。また、
図中、○印はルート面から板厚表面まで空洞が形成され
ている場合、△印はルート面から板厚中央付近まで空洞
が形成されている場合、□印はルート面から板厚底部ま
で空洞が形成されている場合、×印は空洞が形成されな
い場合を示している。

【００２２】一方、上記安定空洞形成条件の範囲で溶接
を行った結果、ビード外観、断面マクロ形状、Ｘ線結果
とも良好な結果が得られた。この時の溶接条件は、電流
２００〜３００Ａ、電圧２８〜３２Ｖ、溶接速度２０cm
／min であった。 （比較例１）比較のため、突出部の無い通常の水中溶接
ノズルを用いて実施例１と同じ条件でテストした結果を
図５に示す。

【００２３】図５から突出部が無い通常の水中溶接ノズ
ルの場合は、母材上面から開先底部までの空洞が形成さ
れなかったことが分かる。

【００２４】

【発明の効果】上記のように、本発明は、水中溶接ノズ
ルのノズル先端部に、溶接開先に対向する突出部を設
け、且つ、突出部の周縁にノズル先端部の水カーテン出
口に連通するスリット状の水カーテン出口を備えたた
め、突出部の水カーテン出口から溶接開先の谷底部に至
る水カーテンの飛長距離を、ノズル先端部の水カーテン
出口から母材上面に至る水カーテンの飛長距離とほぼ同
等にすることができる。

【００２５】このため、溶接開先の谷底部における水カ
ーテンの流速が、母材上面における水カーテンの流速並
みになり、ノズルから噴出させたシールドガスによって
水カーテンの内側に安定した空洞部を形成できる。特
に、板厚が２０mmを越える部材の溶接には効果がある。
また、本発明のように、突出部を、ノズル先端部の水カ
ーテン出口のスリット間隔と同じスリット間隔で配設し
た一組の舌片状の板状物で形成すると、突出部を簡単
に、かつ、精度良く形成することができる。

【００２６】更に、本発明のように、突出部を、自由端
に近づくにしたがって次第に幅が狭くなるような形状に
形成すると、横幅の狭い溶接開先にも対応することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水中溶接ノズルの縦断面図であ
る。

【図２】図１の水中溶接ノズルの横断面である。

【図３】本発明に係る水中溶接ノズルの使用状態を示す
説明図である。

【図４】安定空洞形成条件範囲を示す図であり、（ａ）
はノズル高さを１０mmに設定した場合、（ｂ）はノズル
高さを７mmに設定した場合、（ｃ）はノズル高さを５mm
に設定した場合を示す。

【図５】安定空洞形成条件範囲を示す図であり、（ａ）
は母材上面からノズル先端部の先端面までの間隔（高
さ）ｈを１０mmに設定した場合、（ｂ）はｈを７mmに設
定した場合、（ｃ）はｈを５mmに設定した場合を示す。

【図６】従来の水中溶接ノズルの使用状態を示す説明図
である。

【符号の説明】

１１ 水中溶接ノズル １１Ａ ノズル
先端部 １８，１８’ 水カーテン出口 ２３ 突出部 ５３ 溶接開先 Ａ 空洞部 Ｇ シールドガス Ｗ カーテン水 Ｗ’ 水カーテン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 信男 三重県津市雲出鋼管町１番地 日本鋼管株 式会社津研究センター内 (72)発明者 等農 克巳 三重県津市雲出鋼管町１番地 日本鋼管株 式会社津研究センター内 (72)発明者 西田 克己 三重県津市雲出鋼管町１番地 日本鋼管株 式会社津研究センター内 (72)発明者 入江 隆博 千葉県市原市八幡海岸通１番地 三井造船 株式会社千葉事業所内 (72)発明者 大野 豊 千葉県市原市八幡海岸通１番地 三井造船 株式会社千葉事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル先端部に設けたスリット状の水カ
   ーテン出口から噴出したカーテン水によって筒状の水カ
   ーテンを形成すると共に、該水カーテンの内側にシール
   ドガスを流して水カーテンの内側に局部的な空洞部を形
   成するようにした水中溶接ノズルにおいて、前記ノズル
   先端部に、溶接開先に対向する突出部を設け、且つ、突
   出部の周縁にノズル先端部の水カーテン出口に連通する
   スリット状の水カーテン出口を備えたことを特徴とする
   水中溶接ノズル。
2. 【請求項２】 突出部を、ノズル先端部の水カーテン出
   口のスリット間隔と同じスリット間隔で配設した一組の
   舌片状の板状物で形成してなる請求項１記載の水中溶接
   ノズル。
3. 【請求項３】 突出部を、自由端に近づくにしたがって
   次第に幅が狭くなるような形状に形成してなる請求項１
   又は２記載の水中溶接ノズル。