JPS6320475Y2 - - 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）が高温で酸素が水素等と親和力の
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ス
ゾンガスを発生して作業を行なう周辺が酸素欠乏
環境となつたりし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、かつ溶接による歪発生を極力少くし冷却時間
を不要として連続溶接が可能となる鋼溶接用冷却
治具を提供することを目的とする。

次に、この目的を達成するためのこの考案の構
成を実施例に対応する図面を参照して説明する。
すなわち、この考案は、冷媒を被突合せ溶接対象
である鋼管の突合せ空間内に導き該冷媒を各先端
の冷媒放出開口４，５より上記突合せ空間内に放
出する複数本の冷却導管２，３と、上記各冷媒放
出開口４，５の前方位置に夫々設けられて上記放
出された冷媒を溶接開先部の裏面に向けて所定の
流速で散布される複数個のバツフル６，７と、上
記バツフルの両側位置に設けられて上記鋼管の内
面とで上記冷媒の対流空間を形成する一方及び他
方の遮蔽パツキン９，１０と、溶接部で熱交換を
行なつた冷媒を上記対流空間から鋼管外に排出す
る排出路１ａと、を備え、上記複数個の各バツフ
ル６，７は、鋼管の軸方向に異なつた位置に設け
られると共に、各バツフルは上記溶部に向けて交
差角をもつて取り付けられていることを特徴とす
る鋼溶接用冷却治具にある。

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、この考案に係る溶接用冷却治具（以
下、冷却治具という）を示し、第２図は、この冷
却治具が被溶接物である鋼管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おり、
上記鋼管Ｔ，Ｔは、たとえばチタンあるいはオー
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で成形されている。

まず上記冷却治具を説明すると、冷却治具は、
第１図に示すように一端側が開口された円筒状の
本体１と、該本体１内に軸方向に沿つて内挿保持
されて溶接部Ｗをシールしかつ冷却する冷媒とし
ての液体、たとえば冷却水を外部供給ホースH₁，
H₂より溶接部Ｗに導く一対の冷却導管２，３と、
上記冷却導管２，３の冷媒放出開口４，５付近に
各々取り付けられて該冷媒放出開口４，５より放
出される冷却水を上記溶接部Ｗに散布するための
扇形のバツフル６，７と、上記冷却導管３の冷媒
放出開口５付近に該冷却導管３の軸方向に沿つて
固着された支持部材８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、上記支持部
材８に直径方向が支持部材８の軸方向と直交する
ようにして着脱自在に取り付けられた一方の遮蔽
パツキン９と、該遮蔽パツキン９と同様に可撓性
材料で円盤状に成形され、上記直径方向が本体１
の軸方向と直交するようにして本体１の外周に着
脱自在に取り付けられた他方の遮蔽パツキン１０
と、本体１に接続開口され、該本体１と冷却導管
２，３の間を流れる冷却水を外部排出ホースH₃
に導くための排出口１１と、を有している。

上記冷却導管２，３は、本実施例においては第
３図と第４図に示すように断面楕円形の流路２
ａ，３ａを有しており、冷媒放出開口４は冷媒放
出開口５より本体１側の後退位置にあり、両冷媒
放出開口４，５の上側内面は、冷却導管２，３の
内方から冷媒放出開口端４ａ，５ａにかけて流路
２ａ，３ａが先広がりとなるテーパ面４ｂ，５ｂ
が各々傾斜角θで形成されている。この傾斜角θ
は15〜45゜に設定するのが好ましい。また、両冷
媒放出開口４，５の下側に冷却導管２，３の軸方
向に沿つて突出して形成された取付舌片４ｃ，５
ｃには、上記バツフル６，７が傾斜して立設され
ている。すなわち、バツフル６はその上端側が冷
却導管２の前方方向に向くように傾斜されている
と共に、バツフル７はその上端側が冷却導管３の
後方方向に向くように傾斜されていて、バツフル
６とバツフル７は第３図に示すように交差角βを
もたせてあり、各冷媒放出開口４，５から放出さ
れた冷却水は第５図と第６図に示すように各々バ
ツフル６，７の中心角αが180゜以上とされる扇状
の散布面６ａ，７ａに当り、該散布面６ａ，７ａ
の中心角αと略同じである180゜以上の扇状の水幕
WC₁，WC₂となつて、かつ交差角βで両水幕
WC₁，W′C₂が頂点を結ぶようになつている。こ
の交差角βは鋼管Ｔのサイズにより異なるが15゜
以内が好ましい。

次に、上記一方の遮蔽パツキン９と他方の遮蔽
パツキン１０は略同一中心軸を有していると共に
遮蔽パツキン９，１０の直径Ｄは鋼管Ｔ，Ｔの内
径ｄより少くとも大とされている。

しかして、鋼管Ｔ，Ｔの中に上述の冷却治具が
挿入されると、鋼管Ｔ，Ｔの内壁と遮蔽パツキン
９，１０とで上記冷却水の対流空間Ｓが形成さ
れ、外部供給ホースH₁，H₂より供給された冷却
水は冷却導管２，３を経て冷媒放出開口４，５か
らバツフル６，７に激突され、扇状に広がつた水
幕WC₁，WC₂が溶接部Ｗの内面側に一定の流速
で散布されてその後冷却水は本体１の内面と冷却
導管２，３外面との間の排出部１ａを経て外部に
排出される構成となつている。尚、この排出部１
ａと上記排出口１１及び外部排出ホースH₃とで
冷却水の排出路を構成する。また、第７図には、
鋼管Ｔ，Ｔの突合せ溶接部Ｗに溶接時に用いるト
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。また、第８図に
示すように鋼管Ｔ，Ｔは固定台Ｚに載置されてい
る。

次に、以上の構成における作用を説明する。

チタン製の鋼管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７図に示すように、
鋼管Ｔ，Ｔの突き合わせ部分に、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アフター
シールを施すとともに、鋼管Ｔ，Ｔ内にアルゴン
ガスを吹き込みつづけアルゴンガス雰囲気として
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、この状態でトーチTch及び溶加棒Ｂ
を用いてトーチTchを外周に沿つて動かしてゆき
一層溶接を施す。トーチTchにより溶接施工中
は、トーチTchから第７図に示すようにアルゴン
ガスが噴出されている。この際、第８図に示すよ
うに溶接はたとえば鋼管Ｔ，Ｔの1/2円周ずつ分
けて行なわれ、オリエンテーシヨン（第８図の方
位）で説明すれば第１段階とて固定した状態で上
半分の90゜−180゜−270゜の半円周について溶接を行
つたのち、半回転して第２段階として固定した状
態で下半分の270゜−0゜−90゜の半円周に溶接を行
う。

次に、上記第一層溶接において、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鋼管Ｔ，
Ｔ内に挿入する。すなわち、第９図に示すように
遮蔽パツキン９，１０の弾力に抗して鋼管Ｔ，Ｔ
内に冷却治具を挿入することで、遮蔽パツキン
９，１０と鋼管Ｔ，Ｔの間には冷媒としての冷却
水の対流空間Ｓが形成される。そして、バツフル
６，７が上半分の溶接部Ｗに対向するように冷却
治具を位置決めしたのち、外部供給ホースH₁，
H₂より冷却水を冷媒放出開口４，５に導いてバ
ツフル６，７に激突させ、第５図と第６図に示す
ように扇形の水幕WC₁，WC₂を上半分の溶接部
（90゜−180゜−270゜）の内面に散布させながら、ト
ーチTchからアルゴンガスを吹き出させてトーチ
Tchと溶加棒Ｂを用いて鋼管Ｔ，Ｔの上半分の溶
接部Ｗに第二層目の溶接を施す。つづいて上半分
の溶接部Ｗの溶接が終了すると、鋼管Ｔ，Ｔを半
回転して下半分の溶接部Ｗ（270゜−0゜−90゜）の内
面に引きつづいて水幕WC₁，WC₂を散布させな
がら、二層目の溶接を施す。

この際、散布された冷却水は排出部１ａから排
出口１１を介して外部に排水され、冷却水は滞留
することなく所定の流速で対流空間Ｓ内を対流循
環されており、冷却水は水幕WC₁，WC₂が交差
角βで溶接部Ｗに散布されることから溶接部Ｗで
は乱流状態を生じ、かつ水幕WC₁，WC₂は中心
角が180゜以上であることから溶接部Ｗの上半分あ
るいは下半分の高温加熱領域をシール及び冷却で
きる。すなわち、溶接による入熱と溶接部裏面の
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
どの熱交換を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、鋼
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、バツフル６，７が交差角βで傾斜して取
り付けられているので、単に傾斜させずに垂直に
バツフルを取り付けた場合に比べて第９図円形Ｒ
で示す溶接部Ｗの高温加熱領域の裏面部分に冷却
水の厚みが出来て、溶接部Ｗの高温域を効率的に
冷却することができる。さらに、冷却導管２，３
の流路２ａ，３ａは断面楕円形となつており、さ
らに、冷却導管２，３の上側内面の流路２ａ，３
ａが先広がりのテーパ面４ｂ，５ｂとなつている
ので、第１０図Ａに示すように冷媒放出開口４，
５より放出される冷却水は、冷媒放出開口４，５
の両端部側の流速が中央部側の流速より遅くな
り、鋼管Ｔ，Ｔの内周に沿つた、換言すれば溶接
部Ｗの裏面に沿つた扇形の水幕WC₁，WC₂を形
成することができ確実に水幕WC₁，WC₂が扇形
となつて、溶接部Ｗの上半周あるいは下半周に冷
却水を一様に散布することができる。もし、第１
０図Ｂのようにテーパ面を設けないと冷媒放出開
口から放出される冷却水は三角形状となつて溶接
部Ｗの裏面に一様に冷却水を散布できなくなり、
冷却及びシール効率が多少うまく行なわれない場
合があるのでテーパ面を設けるのが好ましい。

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。

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〔ca〕＝１／4.186ηρt η：熱変換係数 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、また熱変換係数として0.6をとる。
ηの意味は、下述の通り第１１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〔ca〕 … (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〔cm²／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1ca
／℃） Ｑ＝Ｖ×（100−20）＝80V ＝80×1.38×ｕ … ∴式より Ｑ＝2386〔ca〕＝80×1.38×ｕ ∴ｕ＝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７図の第一層
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７図の一層目溶
接法で第二層目の溶接も行なつて、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
の鋼管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鋼管を溶接する場合には、第
７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の油などを用いて
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が拡径
の状態に出来る様にすれば互いに異なる径の鋼管
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、複数個
の各バツフル６，７は、夫々が溶接部の内外に向
けて交差角βをもつて取り付けられているので、
単に傾斜させずに垂直にバツフルを取り付けた場
合に比べて溶接部Ｗの高温加熱領域の裏面部分に
冷却水の厚みが出来て、溶接部Ｗの高温域を効率
的に冷却することが出来る。しかも、溶接部を指
向する冷媒は溶接部の裏面で噴出角度の相異に起
因して乱流状態となり、熱交換効率が向上する。
このように、この種冷却治具を用いる冷却効率を
大幅に向上させることが出来る効果がある。

さらにこの考案において、冷媒放出開口の上側
内面をテーパ状にすれば、冷媒を扇状の幕状に形
成して溶接部の内面に一様に散布することができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案に係る溶接用冷却治具を示
す斜視図、第２図は、同冷却治具が鋼管に内挿さ
れた状態を示す側断面図、第３図は、冷却導管と
バツフルを示す要部拡大図、第４図Ａは、第３図
の−線における正面図、第４図Ｂは、第３図
の−線における断面図、第４図Ｃは、第３図
の−線における断面図、第５図及び第６図
は、冷却水の散布状態を示す説明図、第７図は、
一層溶接を示す側断面図、第８図は、溶接作業の
説明図、第９図は、二層以降の溶接を示す側断面
図、第１０図Ａ，Ｂは、水幕の形成を説明する説
明図、第１１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……鋼管、２，３……冷却導管、４，５
……冷媒放出開口、６，７……バツフル、９，１
０……一方及び他方の遮蔽パツキン、１ａ，１１
……排出路を構成する排出部及び排出口。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 冷媒を被突合せ溶接対象である鋼管の突合せ
   空間内に導き該冷媒を各先端の冷媒放出開口
   ４，５より上記突合せ空間内に放出する複数本
   の冷却導管２，３と、上記各冷媒放出開口４，
   ５の前方位置に夫々設けられて上記放出された
   冷媒を溶接開先部の裏面に向けて所定の流速で
   散布させる複数個のバツフル６，７と、上記バ
   ツフルの両側位置に設けられて上記鋼管の内面
   とで上記冷媒の対流空間を形成する一方及び他
   方の遮蔽パツキン９，１０と、溶接部で熱交換
   を行なつた冷媒を上記対流空間から鋼管外に排
   出する排出路１ａと、を備え、上記複数個の各
   バツフル６，７は、鋼管の軸方向に異なつた位
   置に設けられると共に、各バツフルは上記溶接
   部に向けて交差角をもつて取り付けられている
   ことを特徴とする鋼溶接用冷却治具。 (2) 上記バツフルは、扇形状に形成されている実
   用新案登録請求の範囲の第１項記載による鋼溶
   接用冷却治具。 (3) 上記冷却導管の冷媒放出開口の上側内面は、
   流路内部が冷媒放出開口にかけて流路が先広が
   りのテーパ面とされている実用新案登録請求の
   範囲第１項記載による鋼溶接用冷却治具。 (4) 上記冷却動管の流路は、断面楕円形状に形成
   されている実用新案登録請求の範囲第１項記載
   による鋼溶接用冷却治具。 (5) 上記冷媒として冷却水が用いられる実用新案
   登録請求の範囲第１項記載による鋼溶接用冷却
   治具。