(57)【要約】【課題】鋼管等を外面から溶接接続する際に、「裏ガス」を手際よく確実に供給でき、かつ不活性ガスを無用に消費しない鋼管等の溶接治具および溶接方法を提供することを目的とする。【解決手段】軸線を合わせて接続される鋼管１１ａ，１１ｂ等の溶接に際し、溶接開先に裏ガスとして不活性ガス３０を供給する鋼管等の溶接治具であって、鋼管１１ａ，１１ｂ等の各内壁に、溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３の溶接個所を軸方向に沿って外気から遮断する円盤状固定具１４ａ，１４ｂをそれぞれ装着し、これらの円盤状固定具１４ａ，１４ｂにより遮断された空間を介して溶接個所に不活性ガス３０を供給するガス供給部２３を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線を合わせて接続される鋼管等の溶接に際し、溶接開先に裏ガスとして不活性ガスを供給する鋼管等の溶接治具であって、前記鋼管等の各内壁に、溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所を軸方向に沿って外気から遮断する円盤状固定具をそれぞれ装着し、これらの円盤状固定具により遮断された空間を介して前記溶接個所に不活性ガスを供給するガス供給部を設けたことを特徴とする鋼管等の溶接治具。
【請求項２】
請求項１記載の鋼管等の溶接治具において、前記鋼管等を水平軸心まわりで回転させながら頂部回転位置で溶接する設定とし、前記鋼管等の各内壁に装着された円盤状固定具間の空間に液体貯留部を設け、この液体貯留部内の液体にガス供給部から不活性ガスを供給して、前記液体貯留部内の液体の液面を常に上方に位置させることにより、溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所への不活性ガスの供給を可能とした鋼管等の溶接治具。
【請求項３】
請求項２記載の鋼管等の溶接治具において、液体貯留部を、溶接開先により形成される円盤状固定具の間に配置されて液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体を備える構成とし、前記液体を外部に漏らすことなく、不活性ガスのみを溶接個所に供給することを可能とした鋼管等の溶接治具。
【請求項４】
鋼管等の溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所を軸方向に一定範囲に亘って外気と遮断する１対の円盤状固定具と、これら円盤状固定具の対向する側にそれぞれ突設された円筒状キャップと、これら円筒状キャップに両端が接続され、液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体と、この布製円筒体を外周側から補強する円筒状有孔板と、前記液体内に不活性ガスを供給するガス供給部とを備えたことを特徴とする鋼管等の溶接治具。
【請求項５】
請求項１〜４記載の鋼管等の溶接治具を使用して、軸線を合わせて接続される鋼管等を周方向に回転させながら、前記鋼管等相互の溶接開先により形成される環状隙間の内側から裏ガスとして不活性ガスを供給しつつ、前記開先における最上部位置にて溶接を行なうことを特徴とする鋼管等の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えばステンレス鋼管、継手類（以下、「鋼管等」という）の溶接時に裏ガスとして不活性ガスを供給しつつ溶接を行なうための鋼管等の溶接治具および溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にステンレス鋼材を溶接する場合には、溶融部が空気中の酸素と接触することを回避し、ステンレス鋼材に含まれるクロム（Ｃｒ）の酸化により溶接組織の中に酸化物が生成されるのを防止して健全な溶接継手を形成するために、アルゴン等の不活性ガスを用いて溶融部の遮蔽が行われる。
【０００３】
鋼管等に期待される品質によっては、溶接トーチの電極の周りから噴射される不活性ガスにより、溶接トーチ等が接近する側の溶融部だけを遮蔽し、溶融部の背面の遮蔽は省略される場合もある。しかし、確かな溶接品質を確保するには、別途に背面にも不活性ガスを供給し、いわゆる「裏ガスシールド」による空気の遮蔽を行なうことが必要となる。
【０００４】
図５および図６により、従来の鋼管溶接における「裏ガスシールド」を行う場合の作業要領について説明する。溶接すべき１対の鋼管１ａ，１ｂの溶接開先２ａ，２ｂを軸線を合わせて付き合せ状態に配置し、溶接開先２ａ，２ｂにより形成される環状隙間３を外面からテープ４により塞ぐ。
【０００５】
このテープ４は、ガラスクロスに粘着性物質が塗布されたものを使用するのが熱的にも品質的にも理想であるが、ガラスクロスが高価であるにもかかわらず、粘着力が低下して再利用が困難となり、また梱包等に使用されている粘着テープは、テープ材質に塩素が多く含まれ、溶接品質を低下させる原因となる。このため、再利用に適し、塩素含有量が少ない耐候性テープを使用するのが一般的である。
【０００６】
鋼管１ａ，１ｂの非接続側の管端はキャップ５ａ，５ｂによりそれぞれ閉塞され、これらのキャップ５ａ，５ｂは配管輸送時に配管内部への異物混入を防止する目的で使用される樹脂製キャップを再利用することが多い。
【０００７】
これらの処置をすることにより、溶接しようとしている鋼管１ａ，１ｂを閉塞した後、一方の鋼管１ａのキャップ５ａに不活性ガス供給用のホース６を接続して不活性ガス７を供給し、他方の鋼管１ａのキャップ５ｂに設けた空気排出口８から鋼管１ａ，１ｂ内部の空気を排出して、鋼管１ａ，１ｂ内部に不活性ガスを充満させる。この場合、鋼管１ａ，１ｂ内部の酸素濃度が例えば０．３％以下（品質によって数値は異なる）になるまで、不活性ガスを供給しつづける。
【０００８】
溶接作業の際には、この状態で溶接しようとしている溶接開先２ａ，２ｂの一部分だけテープ４を剥がして溶接を開始し、その後、順次テープ４を剥しながら溶接を進め、溶接部９を形成していく。
【０００９】
なお、このような裏ガスを供給する方法としては、上記キャップ５ａ，５ｂに代え、例えば管路のバルブを活用したり、管路に詰め物や風船を設置する等、鋼管１ａ，１ｂの太さや管端の状況に応じて様々な方法が採用されることもある。
【００１０】
しかし、上記いずれの場合においても、裏ガスを手際よく、かつ空気と確実に置き換えて供給する手段としては難点があり、例えば溶接準備に多大の時間を要するとともに、多量の不活性ガスを消費する等の課題があった。
【００１１】
なお、従来ではタンク円周溶接用裏ガス供給装置として、溶接開先のタンク内面側にガスカップをアーム等によって配置固定し、裏ガス供給手段からガスカップに裏ガスを供給する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平０８−１９７２４７号公報（図１等）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鋼管や継手等の溶接接合については、内部が広いタンクの場合と異なり、円形断面の細長い管状空間内に構造物を組立てる必要があるため、上記公知技術のようなガスカップをアーム等によって支持させる構成は採用困難である。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、鋼管等を外面から溶接接続する際に、「裏ガス」を手際よく確実に供給でき、かつ不活性ガスを無用に消費しない鋼管等の溶接治具および溶接方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、軸線を合わせて接続される鋼管等の溶接に際し、溶接開先に裏ガスとして不活性ガスを供給する鋼管等の溶接治具であって、前記鋼管等の各内壁に、溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所を軸方向に沿って外気から遮断する円盤状固定具をそれぞれ装着し、これらの円盤状固定具により遮断された空間を介して前記溶接個所に不活性ガスを供給するガス供給部を設けたことを特徴とする鋼管等の溶接治具を提供する。
【００１６】
請求項２に係る発明では、請求項１記載の鋼管等の溶接治具において、液体貯留部は、溶接開先により形成される円盤状固定具の間に配置されて液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体を備え、前記液体を外部に漏らすことなく、不活性ガスのみを溶接個所に供給することを可能とした鋼管等の溶接治具を提供する。
【００１７】
請求項３に係る発明では、請求項２記載の鋼管等の溶接治具において、液体貯留部を、溶接開先により形成される円盤状固定具の間に配置されて液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体を備える構成とし、前記液体を外部に漏らすことなく、不活性ガスのみを溶接個所に供給することを可能とした鋼管等の溶接治具を提供する。
【００１８】
請求項４に係る発明では、鋼管等相互の溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所を軸方向に一定範囲に亘って外気と遮断する１対の円盤状固定具と、これら円盤状固定具の対向する側にそれぞれ突設された円筒状キャップと、これら円筒状キャップに両端が接続され、液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体と、この布製円筒体を外周側から補強する円筒状有孔板と、前記液体内に不活性ガスを供給するガス供給部とを備えたことを特徴とする鋼管等の溶接治具を提供する。
【００１９】
請求項５に係る発明では、請求項１〜４記載の鋼管等の溶接治具を使用して、軸線を合わせて接続される鋼管等を周方向に回転させながら、前記鋼管等相互の溶接開先により形成される環状隙間の内側から裏ガスとして不活性ガスを供給しつつ、前記開先における最上部位置にて溶接を行なうことを特徴とする鋼管等の溶接方法を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鋼管等の溶接治具および溶接方法の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態では鋼管同士の接続に適用する場合について説明するが、継手類の接続に適用する場合についても同様である。
【００２１】
図１は鋼管に溶接治具を取付けた状態を示す部分断面図であり、図２は図１のＡ方向から見た矢視図である。図３は図２のＢ−Ｂ線断面図であり、図４は図３のＣ−Ｃ線断面図である。
【００２２】
図１および図３に示すように、本実施形態の溶接治具１０は、軸線を合わせて接続される１対の鋼管１１ａ，１１ｂの内壁に挿入され、溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３の溶接個所を軸方向に沿う一定範囲に亘って外気と遮断するための１対の円盤状固定具１４ａ，１４ｂを備える。
【００２３】
各円盤状固定具１４ａ，１４ｂは、取付けようとする鋼管１１ａ，１１ｂの内径よりもわずかに大きい径（径差：１〜２ｍｍ程度）を有し、鋼管１１ａ，１１ｂの内壁に圧接固定されている。これらの円盤状固定具１４ａ，１４ｂは、溶接熱によって高温となる鋼管１１ａ，１１ｂの内面に直接接し、かつ円盤状固定具１４ａ，１４ｂ自身が変形して鋼管１１ａ，１１ｂの内面に密着する必要があるため耐熱性が必要であり、好ましくはガラス繊維を織りあわせたクロス材により構成される。
【００２４】
各円盤状固定具１４ａ，１４ｂの対向面と反対側の面（外側面）には、これらの円盤状固定具１４ａ，１４ｂよりも小径（径差：５〜１０ｍｍ）な取付円板１５ａ，１５ｂがそれぞれ中心線を一致させて接合されるとともに、各円盤状固定具１４ａ，１４ｂの対向面側（内側面）には、取付円板１５ａ，１５ｂとほぼ同径の円筒状キャップ１６ａ，１６ｂがそれぞれ中心線を一致させて接合されている。
【００２５】
各円筒状キャップ１６ａ，１６ｂは図３に示すように、互いに対向する面が開口する一端開口状のものであり、これらの円筒状キャップ１６ａ，１６ｂ間には所定の隙間があけられ、この隙間が、溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３に臨む配置となっている。円盤状固定具１４ａ，１４ｂ、取付円板１５ａ，１５ｂおよび円筒状キャップ１６ａ，１６ｂは、取付円板１５ａ，１５ｂの外側面から円盤状固定具１４ａ，１４ｂを貫通する複数本の取付ネジ２２ａにより、三者一体的に固定されている。
【００２６】
対向する円筒状キャップ１６ａ，１６ｂの外周面部間には、液体を通過させず気体のみを通過させる布製円筒体１７の両端が嵌着され、これら円筒状キャップ１６ａ，１６ｂおよび布製円筒体１７により、円盤状固定具１４ａ，１４ｂ間に、鋼管１１ａ，１１ｂの内径よりも小径で内部に液体２７を収容保持することができる閉空間、すなわち液体貯留部１８が形成されている。
【００２７】
布製円筒体１７は、各円筒状キャップ１６ａ，１６ｂの外周面への嵌着部分を鋼製バンド１９により外周面側から拘束されている。布製円筒体１７の素材としては、例えば延伸加工された連続多孔質ポリテトラフルオロエチレン（商品名：ゴアテックス）が適用されている。この素材は温度２６０℃以下での常時使用が可能であり、短時間では３００℃まで使用することができ、表面張力の大きい液体は全く浸透せず、気体の透過性がある。
【００２８】
各円筒状キャップ１６ａ，１６ｂの外周面には、鋼製バンド１９で拘束した時に、布製円筒体１７が円筒状キャップ１６ａ，１６ｂから位置ずれしたり、脱落することを防ぐため、鋼製バンド１９の装着位置に鋼製バンド１９が位置決めできる程度の深さの取付溝２０が形成されている。円筒状キャップ１６ａ，１６ｂと取付円板１５ａ，１５ｂと鋼製バンド１９とは、ステンレス鋼管に接触することを想定して、ステンレス製とされている。
【００２９】
また、図１に示すように、布製円筒体１７の外周側には、内部に液体２７を収容した場合にその布製円筒体１７が液体２７の自重によって撓むことを防止するため、円筒状キャップ１６ａ，１６ｂと布製円筒体１７と鋼製バンド１９とを包む形で、多数の孔２９が穿設された金属製の円筒体、すなわち円筒状有孔板２１が取付けられている。この円筒状有孔板２１の両端部は、円筒状キャップ１６ａ，１６ｂの外周面側に取付けネジ２２ｂによりそれぞれ固定されている。円筒状有孔板２１の孔は、下記のガス供給部から液体貯留部１８内の液体２７に供給される不活性ガス３０を通過させる。また、円筒状有孔板２１の軸方向ほぼ中央位置の外周面には、溶接治具１０の使用時における目視による水平方向の位置決め用として、上下方向に沿ってケガキ線２８が付されている。
【００３０】
円筒状有孔板２１は、布製円筒体１７の撓み防止のための機械的強度を必要とし、かつ溶接治具１０を継手（例えばエルボ）側から鋼管１１ａ，１１ｂ内に挿入する時に変形させることが必要な場合もある。そこで、本実施形態では円筒状有孔板２１を、例えば板厚０．５ｍｍ以下のパンチングメタルやエキスパンドメタル等の可撓性のある高強度金属材料によって構成している。
【００３１】
そして、液体貯留部１８を介して溶接個所に不活性ガス３０を供給するため、ガス供給部２３が設けられている。本実施形態では、このガス供給部２３が液体貯留部１８への液体供給をも兼用できる構成とされている。すなわち、ガス供給部２３は、接合される一方の鋼管１１ａに取付けられる円筒状キャップ１６ａ、円盤状固定具１４ａおよび取付円盤１５ａの中心部を貫通して液体貯留部１８とその外部とを連通する一定長さのガス供給管２４と、このガス供給管２４の外方への突出部に設けられた弁、例えば外方から液体貯留部１８に向う流れのみを許容する逆止弁２５とを備えている。ガス供給管２４には、図示省略のガス供給源から導かれるガス供給用のホース２６が接続されている。
【００３２】
次に、以上のように構成された溶接治具１０を使用して鋼管１１ａ，１１ｂの溶接を行なう方法について説明する。
【００３３】
まず、溶接治具１０を例えば予め鋼管１１ａ，１１ｂの外部において組立てておき、組立てた溶接治具を図示省略の導入装置により、溶接しようとする鋼管１１ａ，１１ｂまたは継手の端から鋼管１１ａ，１１ｂの溶接位置まで導入する。
【００３４】
この場合、各円盤状固定具１４ａ，１４ｂは円筒状キャップ１６ａ，１６ｂを介してパンチングメタル、エキスパンドメタル等の可撓性のある高強度金属材料によって構成された円筒状有孔板２１により接続されているため、鋼管１１ａ，１１ｂ内を安定状態で移動させることができる。そして、導入した溶接治具の位置決めについては、円筒状有孔板２１の外周面に付した位置決め用のケガキ線２８を溶接開先１２ａ，１２ｂ部分の隙間を介して外部から目視することにより、ケガキ線２８を開先１２ａ，１２ｂ部分の隙間の中央位置に容易に位置決めすることができる。
【００３５】
溶接治具を鋼管１１ａ，１１ｂ内の溶接位置に位置決めした後は、ガス供給部２３のガス供給管２４を介して液体貯留部１８に液体２７を供給して収容する。
この溶接治具１０の内部に収容する液体２７は、布製円筒体１７を通過または浸透しない性質を有することが必要であり、また表面張力が大きいものであることが望ましい。
【００３６】
そこで、本実施形態では液体２７として、例えばグリセリンのように表面張力が大きい液体を適用する。なお、表面張力だけに着目すると水も適用可能であるが、水は沸点（常圧）が１００℃であるため、溶接熱で気化した時に布製円筒体１７を通過して溶接部に到達する可能性があり、水に含まれる酸素が溶接に悪影響を及ぼすため不適当である。一方、グリセリンは、沸点（常圧）が２９０℃であり、毒性も無く、融点が２０℃であるため使用環境温度では充分な流動性が期待できるため好都合である。
【００３７】
以上の溶接治具１０の取付けおよび液体収容が終了した後は、ガス供給管２４に図示省略のガス供給源をガス供給用のホース２６を介して接続し、液体貯留部１８への不活性ガス３０の供給を開始する。そして、絶えず環状隙間１３の頂部で溶接作業が行える様に鋼管１１ａ，１１ｂを水平軸心まわりで回転させながら、不活性ガス３０による裏ガス供給を継続しながら、溶接を行なう。
【００３８】
すなわち、ガス供給部２３から液体貯留部１８内の液体２７を不活性ガス３０を供給して、その液体２７の液面から不活性ガス３０を放出させることにより、溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３の溶接個所に裏ガス供給を行なう。
【００３９】
この場合、液体貯留部１８を構成する布製円筒体１７は、円盤状固定具１４ａ，１４ｂの間に配置されて液体を通過させず気体のみを通過させるため、液体２７を外部に漏らすことなく、不活性ガス３０のみを溶接個所に供給することができる。
【００４０】
そこで、軸線を合わせて接続される鋼管１１ａ，１１ｂまたは継手類を周方向に回転させながら、鋼管１１ａ，１１ｂ相互の溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３の内側から裏ガスとして不活性ガス３０を供給しつつ開先１２ａ，１２ｂにおける最上部位置にて溶接を行なうことができる。
【００４１】
以上の本実施形態によれば、鋼管１１ａ，１１ｂの内壁に装着された溶接治具１０から溶接開先１２ａ，１２ｂにより形成される環状隙間１３の溶接個所に不活性ガス３０を供給することが手軽に、かつ確実に行なえるようになる。
【００４２】
また、溶接しようとする鋼管１１ａ，１１ｂの内部全体に不活性ガス３０を充満させる必要がないため、不活性ガスを無用に消費することなく溶接作業を行なうことができる。
【００４３】
しかも、溶接作業時に鋼管１１ａ，１１ｂを水平軸まわりに回転させながら最上部で溶接する場合、不活性ガスが必ず溶接個所付近のみに供給されるようになるため、裏ガス供給の安定化が図れるようになる。
【００４４】
さらに、溶接治具の中に貯えられる液体２７が溶接治具から外に漏れず、不活性ガスのみを溶接個所付近に確実に供給することができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、鋼管の内壁に装着された溶接治具から溶接開先により形成される環状隙間の溶接個所に不活性ガスを供給することが可能になり、溶接しようとする鋼管等の内部全体に不活性ガスを充満させる必要なく溶接作業が行え、無用な不活性ガスの消費を防止することができる。
【００４６】
請求項２に係る発明によれば、溶接作業時に鋼管を回転させても、不活性ガスが必ず溶接個所付近のみに供給されるので、裏ガスを確実に供給して溶接することができる。
【００４７】
請求項３に係る発明によれば、布製円筒体を用いて液体貯留部を構成することにより、溶接治具の中に貯えられる液体が溶接治具から外に漏れず、不活性ガスを溶接個所付近のみに一層確実に供給することができる。
【００４８】
請求項４に係る発明によれば、簡易な構成部品により鋼管等の内部に溶接治具を手際よく組立て、溶接部への裏ガス供給を確実に供給することができるとともに、円筒状有孔板により布製円筒体を補強して鋼管等の内部に安全に挿入設置することができる。
【００４９】
請求項５に係る発明によれば、溶接作業時に鋼管を回転させつつ、不活性ガスを溶接個所付近に供給しつつ、能率よく溶接を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形による溶接治具を鋼管に取付けた状態を示す部分断面図。
【図２】図１のＡ方向矢視図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】図３のＣ−Ｃ線断面図。
【図５】従来の溶接状態を示す説明図。
【図６】図５のＤ−Ｄ線断面図。
【符号の説明】
１０  溶接治具
１１ａ，１１ｂ  鋼管
１２ａ，１２ｂ  溶接開先
１３  環状隙間
１４ａ，１４ｂ  円盤状固定具
１５ａ，１５ｂ  取付円板
１６ａ，１６ｂ  円筒状キャップ
１７  布製円筒体
１８  液体貯留部
１９  鋼製バンド
２０  取付溝
２１  円筒状有孔板
２２ａ，２２ｂ  取付ネジ
２３  ガス供給部
２４  ガス供給管
２５  逆止弁
２６  ホース
２７  液体
２８  ケガキ線
２９  孔
３０  不活性ガス（裏ガス）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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