JPS6328710B2

JPS6328710B2 -

Info

Publication number: JPS6328710B2
Application number: JP54082414A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Hamazaki; Jitsuo Sakakibara
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1988-06-09
Also published as: JPS566782A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は乾式水中溶接において人体に有害な
成分の作業雰囲気内への拡散を防止するための乾
式水中溶接に関する。

一般に高水深での水中溶接にはチヤンバを使つ
た乾式法が採用される。第１図にそのチヤンバの
一例を示す。このチヤンバ１は底にはパンチング
プレートなどの通水板が張られて水中に通じてお
り、チヤンバ内圧力は水深に相応する高圧になつ
ている。そして、溶接工及び溶接母材は完全に水
が排除された作業環境におかれている。チヤンバ
１内へ送り込んだ気体が空気の場合、溶接作業者
がチヤンバ１から陸上へ戻ると、急激な気圧変化
のため、体内の血液等に溶解した窒素が沸とう
し、潜水病を起す危険がある。

そのため水深30ｍ程度まではチヤンバ内へ空気
をそのまゝ送つてよいが、それ以上の水深では人
体に対する吸収排出速度を速く、溶解度を小さく
し、さらに窒素による麻酔作用を防止し、呼吸抵
抗を減少させるためチヤンバ内気体を（ヘリウム
＋酸素）又は（ヘリウム＋窒素＋酸素）の混合ガ
スとする。その酸素量は水深100ｍで2.8％、300
ｍでは１％という低濃度であるから、成分のコン
トロールには万全を期さねばならない。このた
め、溶接はヘリウムガス中で行われることになる
が、ヘリウムガスの多い雰囲気中で溶接すると、
タングステン電極を使用する溶接法では電極が異
常消耗し、さらにアークが不安定で荒れやすくな
る。さらには水中溶接が対象とする水中構造物の
溶接、切断には強力なアーク又はプラズマを必要
とし、それらは多量の排ガスを伴う。無論、地上
でも使われるガス吸引管をアークの近くに開口さ
せれば、汚染を軽減できるが、排ガスを全く外へ
散らさないほど強力に吸引すれば、強風中の溶接
同様、溶接アーク、溶接金属に悪影響を生ずる。
そのため従来は排ガス処理も、作業者が吐出す炭
酸ガス等と共に、チヤンバ内雰囲気制御にゆだね
るのが一般であつた。

しかし、前述のように溶接による汚染がなくて
も、難しいチヤンバ内雰囲気制御に、さらに余分
な負担を加える事は作業者の健康管理上、ゆるが
せにできない問題であつた。この発明はそれを解
決したのである。

以下、この発明を図面を参照しながら説明す
る。

この発明の乾式水中溶接法は、まず水中構造
物、図示例では水中パイプ・ライン４ａの溶接部
分Ｗをチヤンバ１内へ入れねばならないが、これ
は周知技術による。溶接法は有害ガスの多い被覆
アーク溶接棒を用いず、不活性シールド・ガスを
使用するアーク又はプラズマ溶接とする。従来の
溶接設備はそのまゝ利用してよい。一例として
TIG溶接の従来設備を第２図に示し、第３図に同
じ設備のトーチだけ、この発明を適用したものを
示す。

溶接電源２は垂下特性のもので、その（＋）側
端子はアース・ケーブル３を介して溶接母材４に
接続され、（−）側端子はトーチ・ケーブル５を
介して電極６に接続されている。７は電極６と母
材４との間に発生するアーク、８は溶融金属であ
る。シールド・ガスＳは、わが国では一般にアル
ゴンが使用され、入口９から、図では先端部だけ
画いたトーチ１０′のシールド・ガス・ノズル
10a′へ入り、溶接部へ放出されて溶融池を守る。

この発明を適用した第３図のトーチ１０が、第
２図のトーチ１０′と異る点は、電極６外周のシ
ールド・ガス・ノズル１０ａのさらに外周に、柔
軟な弾性と耐熱性をもつ線又は繊維群からなり、
微量のアーク光を透過せしめるスカート形可撓ブ
ラジ（環状ブラシ形ノズル）１４を先端に付した
吸収ノズル１１を加えた事である。吸引部はシー
ルドガスノズル１０ａと可撓壁との中間にあり、
無論、吸引ノズル１１は、その排気口１３を真空
ポンプ１２に接続しており、排気は水中又は水上
へ放出され回収されない。

トーチ１０の操作は、図では略した周辺の柄部
を握つて第１図に示すように半自動溶接してもよ
く、またこの場合ならパイプ自動溶接装置に固定
して全自動溶接してもよい。溶接中、スカート形
可撓ブラシ１４がやゝ撓むようにトーチ１０を溶
接部外周の母材４表面へ押付けて、トーチ１０を
持つ手が多少揺れても、また母材表面に高低があ
つても、可撓ブラシ１４の先端が常に母材４に接
して、その隔壁作用を失わないようにする。その
ため、電極６の先端と可撓ブラシ１４先端とを適
当に位置調整し、上の状態で適当なアーク長が保
たれるようにする。

また吸引ノズル１１の排気量を、送給シール
ド・ガスＳ、アーク熱による発生ガス、金属蒸気
の全量を排出し、さらに可撓ブラシ１４自身、及
び可撓ブラシ１４、母材４間間隙から小量のチヤ
ンバ内気体を吸引し、排出するに適した量とする
ようポンプ又はフアン１２、管路、排出口１３等
を設計する。実験では、第６図に示すごとく、一
例として、ノズルと母材との間隔を20mmにとり、
送給シールドガス流量Q₁を30Nl／minの条件を
とると、排気量Q₂と送給シールドガス流量の比
Q₂／Q₁とチヤンバ内に放出されるガス量Q₃との
関係は、Q₂／Q₁を大にとるほどQ₃は少なくなり、
Q₂／Q₁が同一でも可撓壁（環状ブラシ形ノズル）
を使用すると特に少なくなつており、可撓壁の効
果は顕著である。図中Ａは可撓壁なしで電流を
100A流した場合、ａは可撓壁を使用し電流を
100A流した場合、Ｂは可撓壁なしで電流を流さ
ない場合、ｂは可撓壁を使用し電流を流さない場
合である。チヤンバ中に放出されるQ₃の量は送
給シールドガス流量、電流値により変るが、ふつ
うは排気量Q₂を送給シールド・ガスの流量Q₁の
1.5〜３倍程度にすれば、チヤンバ１内へアルゴ
ンガス、オゾン、ヒユーム等、アークにより発生
する有害物質を出す事がなかつたが、実施時、簡
単に試験して適当な排気量に調節すればよい。

実験に用いた可撓ブラシ１４の通気性は、使用
状態により違うが、水頭で20〜150mmの流路抵抗
を生ずる程度である。その気密性と可撓性は相反
する傾向にあり、気密性不足は排気量でカバーで
きる。排気量は有害ガスが外部へ洩出るのを防ぐ
ため、逆に外部のガスＧを吸込むよう可撓ブラシ
１４内を減圧できればよく、余分に吸込む必要は
ない。

シールド・ガスは、大気圧下ではアルゴンで
も、ヘリウムでもあまり変らないが、水中深くな
り気圧が高まるほど、ヘリウムは所要アーク電圧
を高める。チヤンバ内気圧が30bar以上になると
ヘリウムの場合、アーク電圧が60V近くなり、電
源としては普通のアーク溶接機は使用できなくな
る。また気圧が高いほどアークが収縮し、電極先
端に集中する傾向も、アルゴンよりヘリウムの方
が著しい。

実験ではヘリウムを使つた場合、気圧8barで
電極先端が焼損しはじめ、16barではアーク不安
定、32barでは溶接不良となる。

従つて、深い水中での実施時、使用するシール
ド・ガスはヘリウムよりも気圧の影響が少いアル
ゴンが決定的に勝つている。

なお、アルゴンは窒素同様、それ自体の毒性は
ないが、窒素、ヘリウムに比べ水（血液等）への
溶解度が著しく高く、人体からの排出速度が遅い
ので、潜水病を助長するおそれが少くない。従つ
てチヤンバ内でアルゴンを使用する場合、これを
一たんチヤンバ内へ放散し、その後、換気により
排出するのでなく、（チヤンバ内ヘリウムからア
ルゴンを分離すること困難）この発明のようにア
ーク周辺から直ちに捕捉、排出する事が望ましい
のである。

次にこの発明の溶接装置について説明する。溶
接装置はアーク、プラズマいずれにおいても、従
来の溶接装置をそのまゝ使い、トーチのガス・ノ
ズルの外周にスカート形可撓ブラシつき吸引ノズ
ルを加え、これに接続する排気装置を揃えるだけ
でよい。第３図のTIG溶接トーチ１０はMIG用、
プラズマ溶接用トーチと考えてもよく、要はその
シールド・ガス・ノズル１０ａの外周に、可撓ブ
ラシ１４つき吸引ノズル１１を上部は気密に取付
け、ポンプ又はフアン１２によつて排気できるよ
うにするのである。排気装置は周知技術によるの
で、この発明の溶接装置としての特徴は、可撓ブ
ラシ１４つき吸引ノズル１１に絞られてくる。

溶接時にシールドガスとして使用する有害ガス
及び溶接時発生する有害ガス、金属蒸気を従来の
吸引、排出装置により完全に排出しようとすれ
ば、吸引による風がアークを不安定ならしめる事
は前述した。この発明の吸引ノズル１１は、トー
チのシールド・ガス・ノズル１０ａの外周を取巻
き、スカート形可撓ブラシ１４により母材表面と
接触を保つて、アーク付近を外気から一応遮断し
てしまう。そのため、アーク付近に発生する有害
ガス、金属蒸気は静に放射状に外周へ吸引され、
中央のアーク（プラズマ状ガス体ゆえ風に敏感）
に影響を与えないで排出される。

そして、そのスカート形可撓ブラシ１４は、柔
軟な弾性をもつているので、これを軽く母材側へ
押付けながら移動すれば、母材表面の起伏やトー
チを握る手の揺れに順応して屈伸し、発生ガス、
蒸気を閉じ込める隔壁作用を維持する。また可撓
ブラシ１４として、金属細線、非金属繊維の一方
又は双方を環状ブラシ形に結束したものは、微量
のアーク光を透過せしめる性質があるので、強烈
なアーク、プラズマ光を安全ガラスなしで監視し
つゝ溶接を進められる大きな利点がある。上記金
属細線としては耐熱性ステンレス鋼の0.1〜0.2mm
径のもの、非金属繊維としては炭素繊維を使い、
好結果を得ているが、他にも好適なものは少くな
いはずである。

環状ブラシ形に揃えた細線又は繊維の上部を結
束する手段は溶接、ろう接、編組、挾持等、いず
れでもよく、吸引ノズル１１端への接続法も、図
示例はろう接であるが、ネジ止等により着脱可能
にするのも良い。第４図のように深い溶接開先１
５がある場合、その形に合わせた可撓ブラシ１４
を使い、隅肉溶接をする場合、角形の隅肉用可撓
ブラシを使うというように交換可能にしておくと
便利である。もつても、第５図に示すように、比
較的、浅い開発１５に対しては、可撓ブラシ１４
のスカートをやゝ長くしておく事により、開先形
状がＶ形でもＵ形でも、ブラシを溝へ押付けたよ
うに、なじむ。そして後方にできる溶接ビード１
６の突起にも当然なじむので、可撓ブラシ１４の
隔壁効果は維持される。

可撓ブラシ１４の細線の一部が開先１５内へ入
込むため細線間隙が一部で増大し、遮断効果が弱
まることもあるが、吸引ノズル１１の排気量にあ
る程度、余裕をみておけば、一時的に排出ガス量
がふえるだけで、発生ガスが外部へ出るおそれは
ない。可撓ブラシ１４自身にある程度、気体を透
過させる機能があるため常時、外部気体が小量、
吸引排出されており、一時的に母材、可撓ブラシ
間間隙が増大しても、排気量が急変しない。これ
は可撓ブラシ１４内雰囲気の安定、ひいてはアー
クの安定に貢献する。

以上、図示した実施例によつて、この発明の説
明をしたが、発明の要旨を変えることなく、技術
者が、その公知技術により、多様に変化、応用し
得るものである。例えば内圧を大気圧に維持する
チヤンバや、宇宙船、その他の密閉容器内の溶接
に、この発明方法を利用するとか、この発明を一
般溶接部に使用して、空気汚染とアーク光による
危害を完全防止し、あわせて強風下のアーク溶接
も可能ならしめるとか、溶接トーチを、加熱、切
断トーチに変える等、容易に考えられる。

この発明は、深海等におけるチヤンバ内溶接で
問題になる発生ガス、金属蒸気の処理を、溶接ト
ーチに特殊吸引、排気装置を加えるだけで、溶接
品質、作業性を落とすことなく、達成した。即
ち、トーチのガス・ノズル外周にスカート形可撓
ブラシつき吸引ノズルを加え排気装置につなぐだ
けであるから、設備は簡素で、トーチの軽快性を
損わない。スカート形可撓ブラシは柔軟で、しか
も弾性に富むから、これを溶接線上に押付けなが
らトーチを進めれば手先の動揺や、母材の起状に
影響されず非熟練者でも溶接できる。可撓ブラシ
は内部のアーク光を肉眼で見れる程度に弱めて透
過させるから、暗い安全ガラスを通さなくても溶
接状態を察知できる。

また、このスカート形可撓ブラシはアーク外周
に出たシールド・ガス、発生ガス、金属蒸気を放
射状に外側へ吸引する事、常時、全周の細隙から
外気を吸入していて、一時的に外気侵入口が拡大
しても吸引ガス流の変動が少く、敏感なアークへ
の影響が最も少い吸引方式である。そして、アー
ク外周を外気から一応、遮断しているので、高価
なアルゴン等、シールドガスの使用量は従来に較
べ著減し、排気装置も小容量のものですむ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による水中溶接実施状況説
明図、第２図は従来のTIG溶接装置説明図、第３
図はこの発明の溶接装置におけるトーチの要部説
明図、第４図は同じく深いＶ形開先の溶接状況、
第５図は同じく浅いＶ形開先の溶接状況説明図で
ある。第６図はチヤンバ中への放出量Q₃とQ₂／
Q₁（Q₂：排気量、Q₁：送給シールドガス流量）の
関係を示すもので、図中Ａ，ａ，Ｂ，ｂはそれぞ
れ（可撓壁なし、電流100A）、（可撓壁あり、電
流100A）、（可撓壁なし、電流０）、（可撓壁あり、
電流０）の曲線である。１０，１０′…溶接トーチ、１１…吸引ノズル、
１４…スカート形可撓ブラシ。

Claims

【特許請求の範囲】１水中構造物の溶接部分をチヤンバ内に入れて
溶接する乾式水中溶接において、用いる溶接法は
シールドガスを使用するアーク又はプラズマ溶接
法とし、その溶接トーチは、電極外周のシール
ド・ガス・ノズルのさらに外周に、柔軟な弾性と
耐熱性を有する金属細線又は非金属繊維の一方又
は双方を環状ブラシ形に結束し、微量のアーク光
の透光性を具備したスカート形可撓ブラシを先端
に付した吸引ノズルを付加した構造とし、溶接
中、上記可撓ブラシがやや撓むように溶接部外周
の母材表面にトーチを押付け、可撓ブラシを常に
母材と接触させて駆動することにより、シールド
ガス及び溶接により発生したガス、金属蒸気など
の有害成分の全量を上記吸引ノズルより排出し、
さらに可撓性ブラシの隙間及び可撓ブラシと母材
との間隙から吸引した少量のチヤンバ内気体を排
出することによつて、上記チヤンバ内の環境汚染
を防止することを特徴とする乾式水中溶接方法。２特許請求範囲１記載の乾式水中溶接法におい
て、チヤンバ内気体は（ヘリウム＋酸素）又は
（ヘリウム＋窒素＋酸素）であり、トーチ用シー
ルド・ガスはアルゴンを主体とする乾式水中溶接
方法。