溶接トーチおよび溶接トーチを用いた溶接システム
【課題】効率的に溶接部近傍を冷却することができ、溶接する金属材の熱ひずみを抑えることができる溶接トーチを提供する。
【解決手段】金属材９を溶接する溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３とを備えている。冷却ガスノズル５は、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられており、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５を有している。冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する。
【解決手段】金属材９を溶接する溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３とを備えている。冷却ガスノズル５は、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられており、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５を有している。冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に設けられた原子力機器部品の金属材等を溶接する溶接トーチおよび溶接トーチを用いた溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉等に設けられた原子力機器部品の金属材には多数の溶接箇所が存在する。このような原子力機器部品の金属材は、金属材の寸法公差が他の金属製品と比較して厳しく設定されている。したがって、原子力機器部品の金属材を溶接する場合、金属材に発生する熱ひずみを低く抑えることにより、金属材の形状を寸法公差内に収める必要がある。
【０００３】
従来より、原子炉等に設けられた原子力機器部品の金属材を溶接する溶接トーチとして、図８に示すようなＴＩＧ溶接トーチが用いられている。ここで、図８は、従来のＴＩＧ溶接トーチを示す断面図である。
【０００４】
図８に示すように、従来のＴＩＧ溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３とを備えている。また、シールドガスノズル３下方に、溶接ワイヤー供給装置７が設けられ、溶接ワイヤー供給装置７は、電極２の下方に溶接ワイヤー８を供給する。シールドガスノズル３内部からは、金属材９の溶接部１３にシールドガス４が供給されており、このシールドガス４の雰囲気中で、電極２と金属材９間にアークを発生させて金属材９を溶融させ、この溶融部分に溶接ワイヤー８を加えることにより金属材９を溶接する。
【０００５】
また、このような金属材に生じる熱ひずみを抑える方法として、金属材の溶接中に、水やドライアイスを溶接部近傍に噴射し、これにより金属材の溶接部近傍を冷却する方法や、注水冶具を用いて溶接部近傍を冷却する方法などが従来より用いられている。
【特許文献１】特開平８−１５５６５０号公報
【特許文献２】特開平８−３３３６３２号公報
【特許文献３】特開平１０−３４３７４号公報
【特許文献４】特開２００２−２２４８７９号公報
【特許文献５】特開２００４−９００９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した水やドライアイスを噴射する方法を用いる場合、溶接時に金属材の溶接部近傍を効果的に冷却するのが難しく、結果として、溶接した後で金属材の溶接箇所に水素割れ等が生じ、溶接箇所の品質が悪化する。このため、このような水やドライアイスを噴射する方法を、高い寸法制度が要求される原子力機器部品の金属材に対して用いることは困難である。また、上述した注水冶具を用いる方法は、注水冶具を原子力機器の部品形状に合わせて個々に製作する必要があるため、複雑な形状からなる原子力機器や大型の原子力機器には適用できないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、溶接時に溶接トーチの冷却ガスノズルから金属材の溶接部近傍に冷却ガスを噴射して溶接部近傍を冷却し、これにより、効率的に溶接部近傍を冷却することができ、金属材の熱ひずみを抑えることができる溶接トーチおよび溶接トーチを用いた溶接システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、金属材上を移動させて金属材を溶接する溶接トーチにおいて、中心部に設けられた棒状の電極と、電極周囲に設けられ、金属材方向にシールドガスを噴出するシールドガスノズルと、シールドガスノズルを取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出する冷却ガスノズルと、を備え、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍を冷却することを特徴とする溶接トーチである。
【０００９】
本発明は、冷却ガス噴出口の横断面は、閉鎖部を一部に有する帯状の部分開口形状からなるとともに、溶接トーチは閉鎖部を前方に向けて移動し、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍のうち溶接トーチの移動方向と反対側の部分を冷却することを特徴とする溶接トーチである。
【００１０】
本発明は、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられ、フィンは、冷却ガス噴出口からの冷却ガスを冷却ガスノズルの外周方向へ誘導することを特徴とする溶接トーチである。
【００１１】
本発明は、冷却ガスノズルは、内側冷却ガスノズルと内側冷却ガスノズルを取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズルとからなり、内側冷却ガスノズルおよび外側冷却ガスノズルは、それぞれ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする溶接トーチである。
【００１２】
本発明は、冷却ガスは不活性ガスからなることを特徴とする溶接トーチである。
【００１３】
本発明は、溶接トーチと、溶接トーチに接続され、溶接トーチの冷却ガスノズル内部に形成された冷却ガス流路に冷却ガスを供給する冷却装置と、を備えたことを特徴とする溶接システムである。
【００１４】
本発明は、冷却装置に接続された制御装置と、金属材の溶接部近傍に設けられ、金属材の溶接部近傍の温度を測定する温度測定装置と、を更に備え、制御装置は、温度測定装置で測定された金属材の溶接部近傍の温度に基づいて冷却装置から供給される冷却ガスの流量を制御することを特徴とする溶接システムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶接トーチにより金属材を溶接しながら効率的に金属材の溶接部近傍を冷却することができ、金属材の熱ひずみを抑えることができる。
【００１６】
本発明によれば、金属材の溶接部近傍において、金属材の母材と溶接ビードとを同時に冷却することができ、これにより金属材に生じる熱ひずみを低減することができる。
【００１７】
本発明によれば、金属材の溶接部近傍のうち、溶接が完了した側のみを選択的に冷却することができ、溶接品質に影響を与えることなく金属材の熱ひずみを抑えることができる。
【００１８】
本発明によれば、冷却ガスが溶接ビード内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガスにより母材のみが冷却されて溶接金属の溶け込み深さが不足するのを防止することができる。
【００１９】
本発明によれば、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられているため、金属材の溶接部近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明によれば、冷却ガスノズルが内側冷却ガスノズルと外側冷却ガスノズルとからなるため、冷却ガスノズルを交換することなく、金属材の板厚、開先形状に合わせて冷却ガスによる冷却範囲を制御することができる。
【００２１】
本発明によれば、冷却ガスに不活性ガスを用いることにより冷却ガスによる冷却効率および金属材の溶接品質を向上させることができる。
【００２２】
本発明によれば、冷却装置により冷却ガスの温度を低下させることができ、金属材の溶接部近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明によれば、制御装置により、溶接直後の溶接ビードおよび母材の表面温度が所定の温度範囲内となるように冷却ガスの流量を制御することができ、金属材の熱ひずみの量を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１の実施の形態
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
ここで、図１は、本発明の第１の実施の形態を示す正面断面図である。
【００２５】
まず、図１により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図１に示すように、溶接トーチ１は、金属材９上を図１の右方向に移動して金属材９を溶接するものである。この溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられた冷却ガスノズル５とを備えている。このうち冷却ガスノズル５は、内部に形成された冷却ガス流路５ａと、金属材９側に設けられ、金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガス噴出口５ｂとを有している。
【００２６】
また電極２としては、比較的融点の高いタングステン等の金属からなるものが用いられる。また、シールドガス４は、溶接トーチ１による溶接中に金属材９を酸化させない役割を果たすものであり、アルゴン等の不活性ガスからなるものが用いられる。
【００２７】
また、冷却ガス６としては、金属材９にブローホール等が形成されて溶接品質を悪化させないように、不活性ガスを用いることが好ましい。なお、冷却ガス６としては、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスのうち、比較的比熱容量が高いヘリウムを用いるのが最も好ましく、これにより冷却効率を一層向上させることができる。
【００２８】
また、金属材９は、母材１０と、この母材１０を溶接することにより形成された溶接ビード１１とからなっている。この場合、母材１０の材料は、鉄に限られず、アルミ、銅、ニッケル、チタン等の金属であっても良い。とりわけ、母材１０が、炭素鋼と比較して熱膨張計数が高いため溶接による変形が生じやすいステンレス鋼であっても、本実施の形態による溶接トーチ１を用いて溶接することができる。
【００２９】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図１に示すように、溶接トーチ１は、母材１０からなる金属材９上を図１の右方向に移動させて母材１０からなる金属材９を溶接するものである。この際、溶接トーチ１の電極２から放出されるアークにより、金属材９の溶接部１３および溶接ワイヤー供給装置７からの溶接ワイヤー８が溶解され、金属材９が溶接される。同時に、金属材９の溶接部１３近傍には、シールドガスノズル３から噴出されたシールドガス４が充満しており、これにより溶接時における金属材９の酸化が防止される。
【００３０】
このようにして溶接トーチ１により金属材９が溶接される際、冷却ガス６が冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される。この冷却ガス６により、金属材９の溶接部１３近傍において金属材９の母材１０と溶接ビード１１とが同時に冷却される。
【００３１】
このように、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、金属材９の溶接部１３の近傍において、金属材９の母材１０と溶接ビード１１とを同時に冷却することができ、これにより、熱ひずみの少ない金属材９を得ることができる。
【００３３】
さらに、本実施の形態によれば、冷却ガス６として比較的比熱容量が高いヘリウムからなる不活性ガスを用いることにより、冷却ガス６による冷却効率および金属材９の溶接品質を向上させることができる。
【００３４】
第２の実施の形態
次に、本発明による溶接トーチの第２の実施の形態について図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
ここで、図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態を示す正面断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態は、冷却ガスノズルの形状が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態と略同一である。図２（ａ）（ｂ）において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００３５】
まず、図２（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５とを備えている。
【００３６】
このうち、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面は、図２（ｂ）に示すように、閉鎖部５ｃを一部（溶接トーチ１の移動方向側）に有する帯状の部分開口形状、例えばＣ字状の形状からなる。
図２（ｂ）において、Ｃ字状の形状を有する冷却ガス噴出口５ｂの横断面のうち、閉鎖部５ｃの占める部分の角度Ｒは、４５°乃至１８０°が好ましい。
【００３７】
なお、冷却ガス噴出口５ｂの横断面の形状は、溶接トーチ１による金属材９の溶接中、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を選択的に冷却する形状であれば良く、例えばコの字状の形状、くの字状の形状、馬の蹄鉄のような形状等であっても良い。
【００３８】
また、この冷却ガスノズル５を取り外し可能なものとし、金属材９の形状等に応じて、適宜、閉鎖部５ｃの占める部分の角度Ｒや冷却ガス噴出口５ｂの断面積が異なる冷却ガスノズル５に交換するのが好ましい。
【００３９】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、閉鎖部５ｃを前方に向けて移動しながら金属材９を溶接する。この際、冷却ガス噴出口５ｂから冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。上述のように、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面の形状はＣ字形状となっており、これにより、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向側の部分には冷却ガス４が流さないようにすることができ、溶接部１３近傍のうち既に溶接が完了した側にある金属材９の溶接ビード１１および母材１０のみを選択的に冷却することができる。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、金属材９の溶接部１３の近傍のうち、溶接が完了した側のみを選択的に冷却することができ、溶接品質に影響を与えることなく金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００４１】
また、本実施の形態によれば、冷却ガス６が溶接ビード１１内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガス６により金属材９の母材１０のみが冷却されることにより溶接金属に溶け込み深さ不良が生じたりすることを防止することができる。
【００４２】
第３の実施の形態
次に、図３（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの第３の実施の形態について説明する。
ここで、図３（ａ）は、本発明の第３の実施の形態を示す正面断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）に示す第３の実施の形態は、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられている点が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態および第２の実施の形態と略同一である。図３（ａ）（ｂ）において、図１に示す第１の実施の形態および図２に示す第２の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００４３】
まず、図３（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５とを備えている。また、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面は、図３（ｂ）に示すように、閉鎖部５ｃを一部（溶接トーチ１の移動方向側）に有するＣ字状の形状からなる。
【００４４】
また、図３（ｂ）に示すように、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にフィン１２が設けられており、このフィン１２は、冷却ガス噴出口５ｂからの冷却ガス６を冷却ガスノズル５の外周方向へ誘導する。各フィン１２は、それぞれ溶接トーチ１の移動方向を向くとともに移動方向に突出する湾曲端縁１２Ｒを有し、これにより各フィン１２から誘導される冷却ガス６は、溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。すなわち、図３（ｂ）において、上半分のフィン１２は全体として反時計方向に湾曲する形状を有し、下半分のフィン１２は全体として時計方向に湾曲する形状を有している。
【００４５】
なお、本実施の形態において、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内に設けられたフィン１２の枚数は１０枚であるが、フィン１２の枚数は１０枚に限られない。すなわち、冷却ガスノズル５を取り外し可能なものとし、金属材９の形状等に応じて、適宜フィン１２の枚数やフィン１２の形状が異なる冷却ガスノズル５に交換できるようにするのが好ましい。
【００４６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、冷却ガスノズル５の閉鎖部５ｃを前方に向けて移動しながら金属材９を溶接する。この際、冷却ガス噴出口５ｂから冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。
【００４７】
本実施の形態において、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にはフィン１２が設けられており、これにより、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内に供給された冷却ガス６は、フィン１２により冷却ガスノズル５の外周方向に流されて渦巻き状となる。この場合、冷却ガス６はフィン１２により溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。これにより、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向側の部分には冷却ガス６が流れ込むことはない。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、冷却ガス６が溶接ビード１１内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガス６により金属材９の母材１０のみが冷却されることにより溶接金属に溶け込み深さ不良が生じたりすることを、より確実に防止することができる。
【００４９】
また、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にフィン１２が設けられているため、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００５１】
さらにまた、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される冷却ガス６が、金属材９を酸化させないために用いられるシールドガスとしての役割も果たし、これにより、金属材９の溶接部１３における酸素等の巻き込み量を減少させることができ、溶接品質を向上させることができる。
【００５２】
第４の実施の形態
次に、図４（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの第４の実施の形態について説明する。
ここで、図４（ａ）は、本発明の第４の実施の形態を示す正面断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図４（ａ）（ｂ）に示す第４の実施の形態は、冷却ガスノズルが内側冷却ガスノズルと外側冷却ガスノズルとからなる点が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態と略同一である。図４（ａ）（ｂ）において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態乃至第３の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
まず、図４（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられた冷却ガスノズル５とを備えている。
【００５４】
このうち、冷却ガスノズル５は、内側冷却ガスノズル５１と、内側冷却ガスノズル５１を取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズル５２とを有している。また、内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２は、それぞれ内部に冷却ガス流路５１ａ、５２ａが形成されている。これら内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２は、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出するものである。
【００５５】
図４（ｂ）に示すように、冷却ガスノズル５の内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂの横断面はそれぞれＣ字状の形状からなる。また、図４（ｂ）に示すように、内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス流路５１ａ、５２ａ内にそれぞれフィン１２ａ、１２ｂが設けられており、これらフィン１２ａ、１２ｂは、それぞれ溶接トーチ１の移動方向を向くとともに移動方向に突出する湾曲端縁１２Ｒを有し、これにより各フィン１２ａ、１２ｂから誘導される冷却ガス６は、溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。すなわち、図４（ｂ）において、上半分のフィン１２ａ、１２ｂは全体として反時計方向に湾曲する形状を有し、下半分のフィン１２ａ、１２ｂは全体として時計方向に湾曲する形状を有している。
【００５６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、図４（ａ）（ｂ）の矢印方向に移動しながら金属材９を溶接する。この際、内側冷却ガスノズル５１、外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂからそれぞれ冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。
【００５７】
ここで、例えば、金属材９の溶接部１３近傍の冷却速度を高めたい場合、内側冷却ガスノズル５１、外側冷却ガスノズル５２のいずれも開として溶接する。また例えば、金属材９の板厚が薄く、かつ狭開先の箇所を溶接する場合は、溶接部１３の最近傍のみを冷却するように、内側冷却ガスノズル５１のみを開として溶接する。一方、金属材９の開先幅が大きい場合は、溶接部１３の最近傍が冷却されることによる金属材９に対する悪影響を防ぐように、外側冷却ガスノズル５２のみを開として溶接する。
【００５８】
このように、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５が内側冷却ガスノズル５１と外側冷却ガスノズル５２とからなり、このため、冷却ガスノズル５を交換することなく、金属材９の板厚、開先形状に合わせて冷却ガス６による冷却範囲を制御することができる。
【００６０】
第５の実施の形態
次に、図５乃至図７により本発明の第５の実施の形態における溶接システムについて説明する。
ここで、図５は、本発明の第５の実施の形態を示す概略図であり、図６は、溶接システムの冷却装置を示す概略図であり、図７は、図５の溶接トーチ付近における拡大図である。図５乃至図７に示す第５の実施の形態において、溶接トーチの構成は上述した第１の実施の形態乃至第４の実施の形態のいずれかの実施の形態で説明した溶接トーチの構成と同一である。図５乃至図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態乃至第４の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
まず、図５乃至図７により本発明による溶接システムの概略について説明する。
図５に示すように、溶接システム２０は、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態のいずれかの実施の形態で説明した溶接トーチ１と、冷却装置２１とを備えている。このうち、冷却装置２１は、出側ガスホース２７を介して溶接トーチ１と接続され、冷却ガス６を溶接トーチ１の冷却ガスノズル５内部に形成された冷却ガス流路５ａに供給する。
【００６２】
冷却装置２１は後述のように流量制御機構２３を有しており、この流量制御機構２３には、制御装置２８が接続されている。また、金属材９の溶接部１３近傍に、金属材９の溶接部１３近傍の温度を測定する温度測定装置２９が設けられており、この温度測定装置２９は制御装置２８と接続されている。
【００６３】
さらに、冷却装置２１は、入側ガスホース２６を介してガスボンベ２５と接続されており、ガスボンベ２５にはヘリウム等の不活性ガスが充填されている。
【００６４】
（冷却装置）
次に、図５および図６により冷却装置２１について詳述する。
図５および図６に示すように、冷却装置２１は、内部に液体窒素等からなる冷却液２２ａが内部に充填されている円柱状の冷却容器２２と、冷却容器２２に充填された冷却液２２ａ内を通過する冷却ガス配管２４と、冷却容器２２に設けられた流量制御機構２３とを有している。冷却ガス配管２４の両端には、入側ガスホース２６と高い耐放熱性を有する出側ガスホース２７とがそれぞれ接続されている。また、出側ガスホース２７と流量制御機構２３とが連結され、流量制御機構２３は、出側ガスホース２７内部を流れる冷却ガス６の流量を制御する。なお、冷却容器２２は、耐食性に優れるステンレスからなるのが好ましく、冷却ガス配管２４は、熱伝導性が高い銅からなるのが好ましい。また、流量制御機構２３は、直接冷却容器２２に取り付けられていても良い。
【００６５】
（温度測定装置）
次に、温度測定装置２９について詳述する。
図７に示すように、温度測定装置２９は、溶接トーチ１の移動方向と反対側に設けられており、３つの放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃを有している。このうち、放射温度計２９ｂは、溶接ビード１１上方に設置されており、放射温度計２９ａ、２９ｃは、溶接ビード１１から若干離れた母材１０の上方において、互いに溶接ビード１１に対して略対称となるように設置されている。これら放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、金属材９の溶接部１３近傍において、溶接ビード１１の表面温度および母材１０の表面温度をそれぞれ測定する。
【００６６】
（制御装置）
次に、制御装置２８について詳述する。
図５に示すように、制御装置２８は、温度測定装置２９および冷却装置２１の流量制御機構２３と接続されている。この制御装置２８は、温度測定装置２９の放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃにより測定された温度データに基づき、流量制御機構２３を介して出側ガスホース２７内部を流れる冷却ガス６の流量を制御するものである。
【００６７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図５に示すように、ガスボンベ２５から供給された不活性ガスは入側ガスホース２６を通過して、冷却ガス配管２４内に達する。冷却ガス配管２４内に達した不活性ガスは、冷却容器２２の冷却ガス配管２４周囲に充填された冷却液２２ａにより冷却され、室温以下に温度を下げられた冷却ガス６となる。冷却ガス配管２４からの冷却ガス６は、出側ガスホース２７内を通過し、この間流量制御機構２３において流量を制御された後、溶接トーチ１の冷却ガスノズル５内に適切な流量で供給される。
【００６８】
一方、図７に示すように、温度測定装置２９の放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、金属材９の溶接部１３近傍において、それぞれ金属材９に形成された溶接ビード１１の表面温度と、金属材９の母材１０の表面温度とを測定する。次に、温度測定装置２９は、この測定結果を制御装置２８に送信する。その後、制御装置２８は、温度測定装置２９から送信された測定結果に基づき、流量制御機構２３に制御信号を送信し、上述のように冷却ガス６の流量を制御する。
【００６９】
次に、制御装置２８が冷却ガス６の流量を制御する方法を詳述する。
制御装置２８は、溶接直後の溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲内に収まるように流量制御機構２３を制御して、出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を変化させるものである。
【００７０】
すなわち、制御装置２８は、溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲を上回る場合には出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を増加させ、逆に、溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲を下回る場合には出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を減少させる。この温度範囲は、金属材９の許容ひずみ量（図面公差）、金属材９の材質、金属材９の板厚、溶接トーチ１と金属材９との間の溶接距離等を勘案して決定される。
【００７１】
このように、本実施の形態によれば、冷却装置２１により冷却ガス６の温度を低下させることができ、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、制御装置２８が溶接直後の溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲内となるように冷却ガス６の流量を制御することができ、金属材９の熱ひずみの量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による溶接トーチの第１の実施の形態を示す図。
【図２】本発明による溶接トーチの第２の実施の形態を示す図。
【図３】本発明による溶接トーチの第３の実施の形態を示す図。
【図４】本発明による溶接トーチの第４の実施の形態を示す図。
【図５】本発明による溶接システムの第５の実施の形態を示す図。
【図６】本発明による溶接システムの冷却装置を示す図。
【図７】図５の溶接トーチ付近における拡大図。
【図８】従来のＴＩＧ溶接トーチを示す図。
【符号の説明】
【００７４】
１ 溶接トーチ
２ 電極
３ シールドガスノズル
４ シールドガス
５ 冷却ガスノズル
５ａ 冷却ガス流路
５ｂ 冷却ガス噴出口
５ｃ 閉鎖部
６ 冷却ガス
７ 溶接ワイヤー供給装置
８ 溶接ワイヤー
９ 金属材
１０ 母材
１１ 溶接ビード
１２、１２ａ、１２ｂ フィン
１３ 溶接部
２０ 溶接システム
２１ 冷却装置
２２ 冷却容器
２２ａ 冷却液
２３ 流量制御機構
２５ ガスボンベ
２８ 制御装置
２９ 温度測定装置
５１ 内側冷却ガスノズル
５１ａ 内側冷却ガス流路
５１ｂ 内側冷却ガス噴出口
５２ 外側冷却ガスノズル
５２ａ 外側冷却ガス流路
５２ｂ 外側冷却ガス噴出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に設けられた原子力機器部品の金属材等を溶接する溶接トーチおよび溶接トーチを用いた溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉等に設けられた原子力機器部品の金属材には多数の溶接箇所が存在する。このような原子力機器部品の金属材は、金属材の寸法公差が他の金属製品と比較して厳しく設定されている。したがって、原子力機器部品の金属材を溶接する場合、金属材に発生する熱ひずみを低く抑えることにより、金属材の形状を寸法公差内に収める必要がある。
【０００３】
従来より、原子炉等に設けられた原子力機器部品の金属材を溶接する溶接トーチとして、図８に示すようなＴＩＧ溶接トーチが用いられている。ここで、図８は、従来のＴＩＧ溶接トーチを示す断面図である。
【０００４】
図８に示すように、従来のＴＩＧ溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３とを備えている。また、シールドガスノズル３下方に、溶接ワイヤー供給装置７が設けられ、溶接ワイヤー供給装置７は、電極２の下方に溶接ワイヤー８を供給する。シールドガスノズル３内部からは、金属材９の溶接部１３にシールドガス４が供給されており、このシールドガス４の雰囲気中で、電極２と金属材９間にアークを発生させて金属材９を溶融させ、この溶融部分に溶接ワイヤー８を加えることにより金属材９を溶接する。
【０００５】
また、このような金属材に生じる熱ひずみを抑える方法として、金属材の溶接中に、水やドライアイスを溶接部近傍に噴射し、これにより金属材の溶接部近傍を冷却する方法や、注水冶具を用いて溶接部近傍を冷却する方法などが従来より用いられている。
【特許文献１】特開平８−１５５６５０号公報
【特許文献２】特開平８−３３３６３２号公報
【特許文献３】特開平１０−３４３７４号公報
【特許文献４】特開２００２−２２４８７９号公報
【特許文献５】特開２００４−９００９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した水やドライアイスを噴射する方法を用いる場合、溶接時に金属材の溶接部近傍を効果的に冷却するのが難しく、結果として、溶接した後で金属材の溶接箇所に水素割れ等が生じ、溶接箇所の品質が悪化する。このため、このような水やドライアイスを噴射する方法を、高い寸法制度が要求される原子力機器部品の金属材に対して用いることは困難である。また、上述した注水冶具を用いる方法は、注水冶具を原子力機器の部品形状に合わせて個々に製作する必要があるため、複雑な形状からなる原子力機器や大型の原子力機器には適用できないという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、溶接時に溶接トーチの冷却ガスノズルから金属材の溶接部近傍に冷却ガスを噴射して溶接部近傍を冷却し、これにより、効率的に溶接部近傍を冷却することができ、金属材の熱ひずみを抑えることができる溶接トーチおよび溶接トーチを用いた溶接システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、金属材上を移動させて金属材を溶接する溶接トーチにおいて、中心部に設けられた棒状の電極と、電極周囲に設けられ、金属材方向にシールドガスを噴出するシールドガスノズルと、シールドガスノズルを取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出する冷却ガスノズルと、を備え、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍を冷却することを特徴とする溶接トーチである。
【０００９】
本発明は、冷却ガス噴出口の横断面は、閉鎖部を一部に有する帯状の部分開口形状からなるとともに、溶接トーチは閉鎖部を前方に向けて移動し、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍のうち溶接トーチの移動方向と反対側の部分を冷却することを特徴とする溶接トーチである。
【００１０】
本発明は、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられ、フィンは、冷却ガス噴出口からの冷却ガスを冷却ガスノズルの外周方向へ誘導することを特徴とする溶接トーチである。
【００１１】
本発明は、冷却ガスノズルは、内側冷却ガスノズルと内側冷却ガスノズルを取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズルとからなり、内側冷却ガスノズルおよび外側冷却ガスノズルは、それぞれ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする溶接トーチである。
【００１２】
本発明は、冷却ガスは不活性ガスからなることを特徴とする溶接トーチである。
【００１３】
本発明は、溶接トーチと、溶接トーチに接続され、溶接トーチの冷却ガスノズル内部に形成された冷却ガス流路に冷却ガスを供給する冷却装置と、を備えたことを特徴とする溶接システムである。
【００１４】
本発明は、冷却装置に接続された制御装置と、金属材の溶接部近傍に設けられ、金属材の溶接部近傍の温度を測定する温度測定装置と、を更に備え、制御装置は、温度測定装置で測定された金属材の溶接部近傍の温度に基づいて冷却装置から供給される冷却ガスの流量を制御することを特徴とする溶接システムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶接トーチにより金属材を溶接しながら効率的に金属材の溶接部近傍を冷却することができ、金属材の熱ひずみを抑えることができる。
【００１６】
本発明によれば、金属材の溶接部近傍において、金属材の母材と溶接ビードとを同時に冷却することができ、これにより金属材に生じる熱ひずみを低減することができる。
【００１７】
本発明によれば、金属材の溶接部近傍のうち、溶接が完了した側のみを選択的に冷却することができ、溶接品質に影響を与えることなく金属材の熱ひずみを抑えることができる。
【００１８】
本発明によれば、冷却ガスが溶接ビード内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガスにより母材のみが冷却されて溶接金属の溶け込み深さが不足するのを防止することができる。
【００１９】
本発明によれば、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられているため、金属材の溶接部近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明によれば、冷却ガスノズルが内側冷却ガスノズルと外側冷却ガスノズルとからなるため、冷却ガスノズルを交換することなく、金属材の板厚、開先形状に合わせて冷却ガスによる冷却範囲を制御することができる。
【００２１】
本発明によれば、冷却ガスに不活性ガスを用いることにより冷却ガスによる冷却効率および金属材の溶接品質を向上させることができる。
【００２２】
本発明によれば、冷却装置により冷却ガスの温度を低下させることができ、金属材の溶接部近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明によれば、制御装置により、溶接直後の溶接ビードおよび母材の表面温度が所定の温度範囲内となるように冷却ガスの流量を制御することができ、金属材の熱ひずみの量を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１の実施の形態
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
ここで、図１は、本発明の第１の実施の形態を示す正面断面図である。
【００２５】
まず、図１により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図１に示すように、溶接トーチ１は、金属材９上を図１の右方向に移動して金属材９を溶接するものである。この溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられた冷却ガスノズル５とを備えている。このうち冷却ガスノズル５は、内部に形成された冷却ガス流路５ａと、金属材９側に設けられ、金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガス噴出口５ｂとを有している。
【００２６】
また電極２としては、比較的融点の高いタングステン等の金属からなるものが用いられる。また、シールドガス４は、溶接トーチ１による溶接中に金属材９を酸化させない役割を果たすものであり、アルゴン等の不活性ガスからなるものが用いられる。
【００２７】
また、冷却ガス６としては、金属材９にブローホール等が形成されて溶接品質を悪化させないように、不活性ガスを用いることが好ましい。なお、冷却ガス６としては、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスのうち、比較的比熱容量が高いヘリウムを用いるのが最も好ましく、これにより冷却効率を一層向上させることができる。
【００２８】
また、金属材９は、母材１０と、この母材１０を溶接することにより形成された溶接ビード１１とからなっている。この場合、母材１０の材料は、鉄に限られず、アルミ、銅、ニッケル、チタン等の金属であっても良い。とりわけ、母材１０が、炭素鋼と比較して熱膨張計数が高いため溶接による変形が生じやすいステンレス鋼であっても、本実施の形態による溶接トーチ１を用いて溶接することができる。
【００２９】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図１に示すように、溶接トーチ１は、母材１０からなる金属材９上を図１の右方向に移動させて母材１０からなる金属材９を溶接するものである。この際、溶接トーチ１の電極２から放出されるアークにより、金属材９の溶接部１３および溶接ワイヤー供給装置７からの溶接ワイヤー８が溶解され、金属材９が溶接される。同時に、金属材９の溶接部１３近傍には、シールドガスノズル３から噴出されたシールドガス４が充満しており、これにより溶接時における金属材９の酸化が防止される。
【００３０】
このようにして溶接トーチ１により金属材９が溶接される際、冷却ガス６が冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される。この冷却ガス６により、金属材９の溶接部１３近傍において金属材９の母材１０と溶接ビード１１とが同時に冷却される。
【００３１】
このように、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、金属材９の溶接部１３の近傍において、金属材９の母材１０と溶接ビード１１とを同時に冷却することができ、これにより、熱ひずみの少ない金属材９を得ることができる。
【００３３】
さらに、本実施の形態によれば、冷却ガス６として比較的比熱容量が高いヘリウムからなる不活性ガスを用いることにより、冷却ガス６による冷却効率および金属材９の溶接品質を向上させることができる。
【００３４】
第２の実施の形態
次に、本発明による溶接トーチの第２の実施の形態について図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。
ここで、図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態を示す正面断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態は、冷却ガスノズルの形状が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態と略同一である。図２（ａ）（ｂ）において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００３５】
まず、図２（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５とを備えている。
【００３６】
このうち、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面は、図２（ｂ）に示すように、閉鎖部５ｃを一部（溶接トーチ１の移動方向側）に有する帯状の部分開口形状、例えばＣ字状の形状からなる。
図２（ｂ）において、Ｃ字状の形状を有する冷却ガス噴出口５ｂの横断面のうち、閉鎖部５ｃの占める部分の角度Ｒは、４５°乃至１８０°が好ましい。
【００３７】
なお、冷却ガス噴出口５ｂの横断面の形状は、溶接トーチ１による金属材９の溶接中、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を選択的に冷却する形状であれば良く、例えばコの字状の形状、くの字状の形状、馬の蹄鉄のような形状等であっても良い。
【００３８】
また、この冷却ガスノズル５を取り外し可能なものとし、金属材９の形状等に応じて、適宜、閉鎖部５ｃの占める部分の角度Ｒや冷却ガス噴出口５ｂの断面積が異なる冷却ガスノズル５に交換するのが好ましい。
【００３９】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、閉鎖部５ｃを前方に向けて移動しながら金属材９を溶接する。この際、冷却ガス噴出口５ｂから冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。上述のように、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面の形状はＣ字形状となっており、これにより、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向側の部分には冷却ガス４が流さないようにすることができ、溶接部１３近傍のうち既に溶接が完了した側にある金属材９の溶接ビード１１および母材１０のみを選択的に冷却することができる。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、金属材９の溶接部１３の近傍のうち、溶接が完了した側のみを選択的に冷却することができ、溶接品質に影響を与えることなく金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００４１】
また、本実施の形態によれば、冷却ガス６が溶接ビード１１内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガス６により金属材９の母材１０のみが冷却されることにより溶接金属に溶け込み深さ不良が生じたりすることを防止することができる。
【００４２】
第３の実施の形態
次に、図３（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの第３の実施の形態について説明する。
ここで、図３（ａ）は、本発明の第３の実施の形態を示す正面断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）に示す第３の実施の形態は、冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられている点が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態および第２の実施の形態と略同一である。図３（ａ）（ｂ）において、図１に示す第１の実施の形態および図２に示す第２の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００４３】
まず、図３（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路５ａが形成されるとともに、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出する冷却ガスノズル５とを備えている。また、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂの横断面は、図３（ｂ）に示すように、閉鎖部５ｃを一部（溶接トーチ１の移動方向側）に有するＣ字状の形状からなる。
【００４４】
また、図３（ｂ）に示すように、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にフィン１２が設けられており、このフィン１２は、冷却ガス噴出口５ｂからの冷却ガス６を冷却ガスノズル５の外周方向へ誘導する。各フィン１２は、それぞれ溶接トーチ１の移動方向を向くとともに移動方向に突出する湾曲端縁１２Ｒを有し、これにより各フィン１２から誘導される冷却ガス６は、溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。すなわち、図３（ｂ）において、上半分のフィン１２は全体として反時計方向に湾曲する形状を有し、下半分のフィン１２は全体として時計方向に湾曲する形状を有している。
【００４５】
なお、本実施の形態において、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内に設けられたフィン１２の枚数は１０枚であるが、フィン１２の枚数は１０枚に限られない。すなわち、冷却ガスノズル５を取り外し可能なものとし、金属材９の形状等に応じて、適宜フィン１２の枚数やフィン１２の形状が異なる冷却ガスノズル５に交換できるようにするのが好ましい。
【００４６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、冷却ガスノズル５の閉鎖部５ｃを前方に向けて移動しながら金属材９を溶接する。この際、冷却ガス噴出口５ｂから冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。
【００４７】
本実施の形態において、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にはフィン１２が設けられており、これにより、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内に供給された冷却ガス６は、フィン１２により冷却ガスノズル５の外周方向に流されて渦巻き状となる。この場合、冷却ガス６はフィン１２により溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。これにより、溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向側の部分には冷却ガス６が流れ込むことはない。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、冷却ガス６が溶接ビード１１内に巻き込まれてブローホールが形成されたり、冷却ガス６により金属材９の母材１０のみが冷却されることにより溶接金属に溶け込み深さ不良が生じたりすることを、より確実に防止することができる。
【００４９】
また、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５の冷却ガス流路５ａ内にフィン１２が設けられているため、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００５１】
さらにまた、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５の冷却ガス噴出口５ｂから噴出される冷却ガス６が、金属材９を酸化させないために用いられるシールドガスとしての役割も果たし、これにより、金属材９の溶接部１３における酸素等の巻き込み量を減少させることができ、溶接品質を向上させることができる。
【００５２】
第４の実施の形態
次に、図４（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの第４の実施の形態について説明する。
ここで、図４（ａ）は、本発明の第４の実施の形態を示す正面断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図４（ａ）（ｂ）に示す第４の実施の形態は、冷却ガスノズルが内側冷却ガスノズルと外側冷却ガスノズルとからなる点が異なるものであり、他の構成は上述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態と略同一である。図４（ａ）（ｂ）において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態乃至第３の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
まず、図４（ａ）（ｂ）により本発明による溶接トーチの概略について説明する。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、中心部に設けられた棒状の電極２と、電極２周囲に設けられ、金属材９方向にシールドガス４を噴出するシールドガスノズル３と、シールドガスノズル３を取り囲んで設けられた冷却ガスノズル５とを備えている。
【００５４】
このうち、冷却ガスノズル５は、内側冷却ガスノズル５１と、内側冷却ガスノズル５１を取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズル５２とを有している。また、内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２は、それぞれ内部に冷却ガス流路５１ａ、５２ａが形成されている。これら内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２は、金属材９側に設けられた冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂから金属材９方向に向けて冷却ガス６を噴出するものである。
【００５５】
図４（ｂ）に示すように、冷却ガスノズル５の内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂの横断面はそれぞれＣ字状の形状からなる。また、図４（ｂ）に示すように、内側冷却ガスノズル５１および外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス流路５１ａ、５２ａ内にそれぞれフィン１２ａ、１２ｂが設けられており、これらフィン１２ａ、１２ｂは、それぞれ溶接トーチ１の移動方向を向くとともに移動方向に突出する湾曲端縁１２Ｒを有し、これにより各フィン１２ａ、１２ｂから誘導される冷却ガス６は、溶接トーチ１の移動方向と反対側へ導かれる。すなわち、図４（ｂ）において、上半分のフィン１２ａ、１２ｂは全体として反時計方向に湾曲する形状を有し、下半分のフィン１２ａ、１２ｂは全体として時計方向に湾曲する形状を有している。
【００５６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、溶接トーチ１は、図４（ａ）（ｂ）の矢印方向に移動しながら金属材９を溶接する。この際、内側冷却ガスノズル５１、外側冷却ガスノズル５２の冷却ガス噴出口５１ｂ、５２ｂからそれぞれ冷却ガス６が噴出され、この冷却ガス６は、金属材９の溶接部１３近傍のうち溶接トーチ１の移動方向と反対側の部分を冷却する。
【００５７】
ここで、例えば、金属材９の溶接部１３近傍の冷却速度を高めたい場合、内側冷却ガスノズル５１、外側冷却ガスノズル５２のいずれも開として溶接する。また例えば、金属材９の板厚が薄く、かつ狭開先の箇所を溶接する場合は、溶接部１３の最近傍のみを冷却するように、内側冷却ガスノズル５１のみを開として溶接する。一方、金属材９の開先幅が大きい場合は、溶接部１３の最近傍が冷却されることによる金属材９に対する悪影響を防ぐように、外側冷却ガスノズル５２のみを開として溶接する。
【００５８】
このように、本実施の形態によれば、溶接トーチ１により金属材９を溶接しながら、同時に効率的に金属材９の溶接部１３近傍を冷却することができ、金属材９の熱ひずみを抑えることができる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、冷却ガスノズル５が内側冷却ガスノズル５１と外側冷却ガスノズル５２とからなり、このため、冷却ガスノズル５を交換することなく、金属材９の板厚、開先形状に合わせて冷却ガス６による冷却範囲を制御することができる。
【００６０】
第５の実施の形態
次に、図５乃至図７により本発明の第５の実施の形態における溶接システムについて説明する。
ここで、図５は、本発明の第５の実施の形態を示す概略図であり、図６は、溶接システムの冷却装置を示す概略図であり、図７は、図５の溶接トーチ付近における拡大図である。図５乃至図７に示す第５の実施の形態において、溶接トーチの構成は上述した第１の実施の形態乃至第４の実施の形態のいずれかの実施の形態で説明した溶接トーチの構成と同一である。図５乃至図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態乃至第４の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
まず、図５乃至図７により本発明による溶接システムの概略について説明する。
図５に示すように、溶接システム２０は、第１の実施の形態乃至第４の実施の形態のいずれかの実施の形態で説明した溶接トーチ１と、冷却装置２１とを備えている。このうち、冷却装置２１は、出側ガスホース２７を介して溶接トーチ１と接続され、冷却ガス６を溶接トーチ１の冷却ガスノズル５内部に形成された冷却ガス流路５ａに供給する。
【００６２】
冷却装置２１は後述のように流量制御機構２３を有しており、この流量制御機構２３には、制御装置２８が接続されている。また、金属材９の溶接部１３近傍に、金属材９の溶接部１３近傍の温度を測定する温度測定装置２９が設けられており、この温度測定装置２９は制御装置２８と接続されている。
【００６３】
さらに、冷却装置２１は、入側ガスホース２６を介してガスボンベ２５と接続されており、ガスボンベ２５にはヘリウム等の不活性ガスが充填されている。
【００６４】
（冷却装置）
次に、図５および図６により冷却装置２１について詳述する。
図５および図６に示すように、冷却装置２１は、内部に液体窒素等からなる冷却液２２ａが内部に充填されている円柱状の冷却容器２２と、冷却容器２２に充填された冷却液２２ａ内を通過する冷却ガス配管２４と、冷却容器２２に設けられた流量制御機構２３とを有している。冷却ガス配管２４の両端には、入側ガスホース２６と高い耐放熱性を有する出側ガスホース２７とがそれぞれ接続されている。また、出側ガスホース２７と流量制御機構２３とが連結され、流量制御機構２３は、出側ガスホース２７内部を流れる冷却ガス６の流量を制御する。なお、冷却容器２２は、耐食性に優れるステンレスからなるのが好ましく、冷却ガス配管２４は、熱伝導性が高い銅からなるのが好ましい。また、流量制御機構２３は、直接冷却容器２２に取り付けられていても良い。
【００６５】
（温度測定装置）
次に、温度測定装置２９について詳述する。
図７に示すように、温度測定装置２９は、溶接トーチ１の移動方向と反対側に設けられており、３つの放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃを有している。このうち、放射温度計２９ｂは、溶接ビード１１上方に設置されており、放射温度計２９ａ、２９ｃは、溶接ビード１１から若干離れた母材１０の上方において、互いに溶接ビード１１に対して略対称となるように設置されている。これら放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、金属材９の溶接部１３近傍において、溶接ビード１１の表面温度および母材１０の表面温度をそれぞれ測定する。
【００６６】
（制御装置）
次に、制御装置２８について詳述する。
図５に示すように、制御装置２８は、温度測定装置２９および冷却装置２１の流量制御機構２３と接続されている。この制御装置２８は、温度測定装置２９の放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃにより測定された温度データに基づき、流量制御機構２３を介して出側ガスホース２７内部を流れる冷却ガス６の流量を制御するものである。
【００６７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図５に示すように、ガスボンベ２５から供給された不活性ガスは入側ガスホース２６を通過して、冷却ガス配管２４内に達する。冷却ガス配管２４内に達した不活性ガスは、冷却容器２２の冷却ガス配管２４周囲に充填された冷却液２２ａにより冷却され、室温以下に温度を下げられた冷却ガス６となる。冷却ガス配管２４からの冷却ガス６は、出側ガスホース２７内を通過し、この間流量制御機構２３において流量を制御された後、溶接トーチ１の冷却ガスノズル５内に適切な流量で供給される。
【００６８】
一方、図７に示すように、温度測定装置２９の放射温度計２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、金属材９の溶接部１３近傍において、それぞれ金属材９に形成された溶接ビード１１の表面温度と、金属材９の母材１０の表面温度とを測定する。次に、温度測定装置２９は、この測定結果を制御装置２８に送信する。その後、制御装置２８は、温度測定装置２９から送信された測定結果に基づき、流量制御機構２３に制御信号を送信し、上述のように冷却ガス６の流量を制御する。
【００６９】
次に、制御装置２８が冷却ガス６の流量を制御する方法を詳述する。
制御装置２８は、溶接直後の溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲内に収まるように流量制御機構２３を制御して、出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を変化させるものである。
【００７０】
すなわち、制御装置２８は、溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲を上回る場合には出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を増加させ、逆に、溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲を下回る場合には出側ガスホース２７内の冷却ガス６の流量を減少させる。この温度範囲は、金属材９の許容ひずみ量（図面公差）、金属材９の材質、金属材９の板厚、溶接トーチ１と金属材９との間の溶接距離等を勘案して決定される。
【００７１】
このように、本実施の形態によれば、冷却装置２１により冷却ガス６の温度を低下させることができ、金属材９の溶接部１３近傍を冷却する冷却効率を向上させることができる。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、制御装置２８が溶接直後の溶接ビード１１および母材１０の表面温度が所定の温度範囲内となるように冷却ガス６の流量を制御することができ、金属材９の熱ひずみの量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による溶接トーチの第１の実施の形態を示す図。
【図２】本発明による溶接トーチの第２の実施の形態を示す図。
【図３】本発明による溶接トーチの第３の実施の形態を示す図。
【図４】本発明による溶接トーチの第４の実施の形態を示す図。
【図５】本発明による溶接システムの第５の実施の形態を示す図。
【図６】本発明による溶接システムの冷却装置を示す図。
【図７】図５の溶接トーチ付近における拡大図。
【図８】従来のＴＩＧ溶接トーチを示す図。
【符号の説明】
【００７４】
１ 溶接トーチ
２ 電極
３ シールドガスノズル
４ シールドガス
５ 冷却ガスノズル
５ａ 冷却ガス流路
５ｂ 冷却ガス噴出口
５ｃ 閉鎖部
６ 冷却ガス
７ 溶接ワイヤー供給装置
８ 溶接ワイヤー
９ 金属材
１０ 母材
１１ 溶接ビード
１２、１２ａ、１２ｂ フィン
１３ 溶接部
２０ 溶接システム
２１ 冷却装置
２２ 冷却容器
２２ａ 冷却液
２３ 流量制御機構
２５ ガスボンベ
２８ 制御装置
２９ 温度測定装置
５１ 内側冷却ガスノズル
５１ａ 内側冷却ガス流路
５１ｂ 内側冷却ガス噴出口
５２ 外側冷却ガスノズル
５２ａ 外側冷却ガス流路
５２ｂ 外側冷却ガス噴出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材上を移動させて金属材を溶接する溶接トーチにおいて、
中心部に設けられた棒状の電極と、
電極周囲に設けられ、金属材方向にシールドガスを噴出するシールドガスノズルと、
シールドガスノズルを取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出する冷却ガスノズルと、を備え、
冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍を冷却することを特徴とする溶接トーチ。
【請求項２】
冷却ガス噴出口の横断面は、閉鎖部を一部に有する帯状の部分開口形状からなるとともに、溶接トーチは閉鎖部を前方に向けて移動し、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍のうち溶接トーチの移動方向と反対側の部分を冷却することを特徴とする請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項３】
冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられ、フィンは、冷却ガス噴出口からの冷却ガスを冷却ガスノズルの外周方向へ誘導することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接トーチ。
【請求項４】
冷却ガスノズルは、内側冷却ガスノズルと内側冷却ガスノズルを取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズルとからなり、
内側冷却ガスノズルおよび外側冷却ガスノズルは、
それぞれ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接トーチ。
【請求項５】
冷却ガスは不活性ガスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶接トーチ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の溶接トーチと、
溶接トーチに接続され、溶接トーチの冷却ガスノズル内部に形成された冷却ガス流路に冷却ガスを供給する冷却装置と、を備えたことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
冷却装置に接続された制御装置と、
金属材の溶接部近傍に設けられ、金属材の溶接部近傍の温度を測定する温度測定装置と、を更に備え、
制御装置は、温度測定装置で測定された金属材の溶接部近傍の温度に基づいて冷却装置から供給される冷却ガスの流量を制御することを特徴とする請求項６に記載の溶接システム。
【請求項１】
金属材上を移動させて金属材を溶接する溶接トーチにおいて、
中心部に設けられた棒状の電極と、
電極周囲に設けられ、金属材方向にシールドガスを噴出するシールドガスノズルと、
シールドガスノズルを取り囲んで設けられ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出する冷却ガスノズルと、を備え、
冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍を冷却することを特徴とする溶接トーチ。
【請求項２】
冷却ガス噴出口の横断面は、閉鎖部を一部に有する帯状の部分開口形状からなるとともに、溶接トーチは閉鎖部を前方に向けて移動し、冷却ガス噴出口から噴出される冷却ガスは、金属材の溶接部近傍のうち溶接トーチの移動方向と反対側の部分を冷却することを特徴とする請求項１に記載の溶接トーチ。
【請求項３】
冷却ガスノズルの冷却ガス流路内にフィンが設けられ、フィンは、冷却ガス噴出口からの冷却ガスを冷却ガスノズルの外周方向へ誘導することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接トーチ。
【請求項４】
冷却ガスノズルは、内側冷却ガスノズルと内側冷却ガスノズルを取り囲んで設けられた外側冷却ガスノズルとからなり、
内側冷却ガスノズルおよび外側冷却ガスノズルは、
それぞれ、内部に冷却ガス流路が形成されるとともに、金属材側に設けられた冷却ガス噴出口から金属材方向に向けて冷却ガスを噴出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接トーチ。
【請求項５】
冷却ガスは不活性ガスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶接トーチ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の溶接トーチと、
溶接トーチに接続され、溶接トーチの冷却ガスノズル内部に形成された冷却ガス流路に冷却ガスを供給する冷却装置と、を備えたことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
冷却装置に接続された制御装置と、
金属材の溶接部近傍に設けられ、金属材の溶接部近傍の温度を測定する温度測定装置と、を更に備え、
制御装置は、温度測定装置で測定された金属材の溶接部近傍の温度に基づいて冷却装置から供給される冷却ガスの流量を制御することを特徴とする請求項６に記載の溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２３７２１３（Ｐ２００７−２３７２１３Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６１５４１（Ｐ２００６−６１５４１）
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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