(57)【要約】【課題】管寄と熱交換器チューブに対する機械加工工数が削減できしかも高度な機械加工精度が得られる開先形状を提供する。【解決手段】熱交換器を構成する管寄１と熱交換器チューブ２との溶接部の開先形状において、前記管寄１ならびに熱交換器チューブ２のうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブ２ならびに管寄１のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状になっていることを特徴とするものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接部の開先形状において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状になっていることを特徴とする開先形状。
【請求項２】
請求項１記載の開先形状において、前記管寄の表面と前記開先面Ａのなす角度が３０°〜６０°の範囲内であることを特徴とする開先形状。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の開先形状において、前記開先面Ａと開先面Ｂとのなす角度が４５°より大きく１３５°未満であることを特徴とする開先形状。
【請求項４】
請求項３記載の開先形状において、前記開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差ｄが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする開先形状。
【請求項５】
熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接方法において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状に加工されており、その管寄に熱交換器チューブの端部を嵌め合わせた後、管寄と熱交換器チューブの接合部を高エネルギー密度熱源を用いて完全溶け込み溶接したことを特徴とする溶接方法。
【請求項６】
請求項５記載の溶接方法において、前記管寄の表面と前記開先面Ａのなす角度が３０°〜６０°の範囲内であることを特徴とする溶接方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の溶接方法において、前記開先面Ａと開先面Ｂとのなす角度が４５°より大きく１３５°未満であることを特徴とする溶接形状。
【請求項８】
請求項７記載の溶接方法において、前記開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差ｄが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ等の熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブの開先形状と溶接方法に係り、特に溶接構造物を所定位置、所定寸法に設定する精度を向上しつつ溶接継ぎ手の未溶着部を残さない管寄と熱交換器チューブの開先形状とその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラに用いられる熱交換器は、図２に示すようにボイラ内に一定間隔をあけて並行に配置された複数の小径管からなる熱交換器チューブ６と、それらの上部ならびに下部を連結する管寄５から構成されている。
【０００３】
この管寄と熱交換器チューブは、溶接により接合される。この際、図３に示すようなセットオンタイプの開先形状が採用されるのが一般的であり、開先加工された管寄７と熱交換器チューブ８の２つの部材を所定位置、所定寸法に設定し、手動あるいは自動溶接法により突合せ溶接または隅肉溶接により接合される。
【０００４】
発電用ボイラの管寄と熱交換器チューブの溶接部は、管寄１本当たり３０〜２００箇所程度であり、溶接部の形状が同一あるいはかなり近い形状であるため、開先加工された部材を所定位置、所定寸法に設定する作業（以下、開先合わせという）及び溶接作業の自動化が難しい。
【０００５】
そのため、自動機でも精度良く開先合わせ及び溶接作業が行える開先形状が必要となり、前記図３の開先形状のように、接合される部材が平面で接し、さらに管寄７により熱交換器チューブ８がある程度拘束される形状となっている。
【０００６】
ただし図３の開先形状では、熱交換器チューブ８側の外径が加工されないのが一般的であるため、熱交換器チューブ外径の公差を吸収するため、管寄７側の熱交換器チューブ８を拘束する部分と熱交換器チューブ８の間には若干の隙間が確保される設計となっている。そのため開先合わせ時、前記隙間分のずれが生じることとなる。
【０００７】
ここで前記図３の開先形状は溶接後も開先の一部が溶融されずに残る形状であり、設計上あるいは顧客の要求により当該溶接部の完全溶け込み溶接が要求されることがある。この場合、図４と図５に示すような開先形状が採用される。
【０００８】
図４は手動溶接法を採用した場合の開先形状であり、溶接施工にあたっては、管寄９と熱交換器チューブ１０の間にギャップＧ（Ｇ＞０）を設けて開先合わせを行い、ギャップＧを保持するために手動ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ｉｎｅｒｔ  Ｇａｓ）溶接法で仮付溶接により仮付溶接ビード１１を形成する。その後図６に示すように、完全溶け込み溶接を行うために手動ＴＩＧ溶接法でギャップＧを埋め、熱交換器チューブ１０の内面に初層溶接ビード１４を出すように溶接を行う。
【０００９】
しかしながら、図４及び図６に示すような溶接法では、開先合わせ時に熱交換器チューブ１０の全周に渡って一定の寸法でギャップＧを保持する必要がある。また図７に示すように、管寄９と熱交換器チューブ１０の間のルートギャップ寸法Ｇ１、Ｇ２が不均一のまま仮付溶接されたり、図８に示すように、管寄９と熱交換器チューブ１０の間のギャップＧの他に、管寄９の開口部端部と熱交換器チューブ１０の開先の内壁部端部の間のずれである段差Ｄが生じた状態で仮付溶接されると、その後の手動ＴＩＧ溶接法による完全溶け込み溶接の際、溶接部に欠陥（溶け込み不良、開先残りなど）が発生する問題がある。
【００１０】
更に図４及び図６に示すような溶接法は、仮付溶接及び初層溶接ともに手動ＴＩＧ溶接法での施工となるため、非能率的でしかも溶接時間を多大に要する等の問題がある。
【００１１】
図５は、前記図４及び図６における完全溶け込み溶接を自動機により実施することを前提とした開先形状であり、開先合わせ時のずれを生じないような構造となっている。溶接施工にあたっては、自動溶接機を用いて管寄１１と熱交換器チューブ１２の開先合わせを行った後、該自動溶接機で仮付溶接及び初層の溶接を自動ＴＩＧ溶接法により行う。
【００１２】
この開先形状の提案として、例えば下記の特許文献１，２を挙げることができる。
【００１３】
【特許文献１】
特開昭５６−１２２６９５号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開昭６０−１８０６７６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図５の開先形状では、自動機により管寄１１と熱交換器チューブ１２の自動ＴＩＧ溶接は可能であるが、それを達成するために、管寄１１と熱交換器チューブ１２に対する機械加工工数の増加及び高度な機械加工精度が要求されるという問題点がある。
【００１６】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、管寄と熱交換器チューブに対する機械加工工数が削減できしかも高度な機械加工精度が得られる開先形状とその溶接方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接部の開先形状において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状になっていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記管寄の表面と前記開先面Ａのなす角度が３０°〜６０°の範囲内であることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第３の手段は前記第１の手段または第２の手段において、前記開先面Ａと開先面Ｂとのなす角度が４５°より大きく１３５°未満であることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差ｄが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第５の手段は、熱交換器を構成する管寄と熱交換器チューブとの溶接方法において、前記管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状に加工されており、その管寄に熱交換器チューブの端部を嵌め合わせた後、管寄と熱交換器チューブの接合部を高エネルギー密度熱源を用いて完全溶け込み溶接したことを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第６の手段は前記第５の手段において、前記管寄の表面と前記開先面Ａのなす角度が３０°〜６０°の範囲内であることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第７の手段は前記第５の手段または第６の手段において、前記開先面Ａと開先面Ｂとのなす角度が４５°より大きく１３５°未満であることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第８の手段は前記第７の手段において、前記開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差ｄが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図と共に説明する。図１は本発明の実施形態に係る管寄１と熱交換器チューブ２の溶接部の開先形状を示す断面図である。熱交換器チューブ２の外周側から内周側に向けて延びる開先面Ａ３が溶接方向に一致する面であり、反対に熱交換器チューブ２の内周側から外周側に向けて延びる開先面Ｂ４が前記開先面Ａ３と異なる角度を持って鎖交する面である。
【００２６】
図１に示す開先形状は、管寄１と熱交換器チューブ２の溶接に高エネルギー密度熱源であるレーザ溶接法を用いることを想定した開先形状である。
【００２７】
通常、管寄と熱交換器チューブの溶接部周辺には他の熱交換器チューブとの溶接部が密集した状態であるため、溶接部に直接レーザを照射させることは不可能である場合が多い。そのため図９に示すように管寄１５上部からレーザ光１７を照射し、該レーザ光１７をミラー等の光学部品１９により反射させて管寄１５と熱交換器チューブ１６の溶接部に導光する方法が採用される。図中の１８は集光レンズである。
【００２８】
この場合、レーザ光１７を反射させるミラー等の光学部品１９は、溶接される管寄１５と熱交換器チューブ１６の溶接部から数十ｍｍ程度離れた位置に設定される。該光学部品１９上におけるレーザ光１７は十分に集光された状態であるため、該光学部品１９のレーザ照射部においては急激な温度上昇が起こり、急激な温度上昇による該光学部品１９の性能劣化及び損傷を防止するために、光学部品１９とそれを保持している部材（図示せず）を冷却水等の冷却媒体を供給することにより冷却することが必要となってくる。この温度上昇の程度と冷却方法の種類などにより、レーザ光１７を反射するための構造物の寸法などが決まる。
【００２９】
管寄１と熱交換器チューブ２の溶接部設計を行う際、図１０に示すようにレーザ照射角度を管寄１表面に近づけることで、溶接部厚さを小さくすることが可能である。しかし図１１に示すように、レーザ照射角度を管寄表面に近づける（反射ミラーＡ２１から反射ミラーＢ２２に角度を変化させる）ことにより、前記レーザ光２０を反射するための光学部品（反射ミラーＢ２２）上におけるレーザ照射面積が減少（レーザ照射部Ａ２３からレーザ照射部Ｂ２４へ照射面積が変化）する。
【００３０】
ところが絶対的なエネルギー量は変動しないため、該光学部品（反射ミラーＢ２２）上のレーザ照射部におけるエネルギー密度が増加し、その結果、光学部品（反射ミラーＢ２２）上における温度上昇の程度が更に急激になり、光学部品及び光学部品を保持する部材の冷却性能の向上が必要となる。
【００３１】
該冷却性能を向上させるためには、冷却媒体の供給量を増加させるか、レーザ光を反射するための構造物の体積を増加させる必要がある。この場合、レーザ照射角度を管寄表面に近づけていることにより、レーザ光２０を反射させるための構造物と管寄表面との距離が縮まっていることによるレーザ光２０を反射させるための構造物と管寄と熱交換器チューブとの干渉が問題となってくる。
【００３２】
一方、図１２に示すように、レーザ照射角度を管寄表面に対して大きくすることで、レーザ光を反射するための光学部品上におけるエネルギー密度が減少すると共に、レーザ光を反射するための構造物と管寄１と熱交換器チューブ２の干渉を避けることが可能である。しかしながら、機械加工量並びに溶接部厚さが増加するために、機械加工工数が増加し、さらに管寄１と熱交換器チューブ２の溶接部を溶接するためにより出力の大きなレーザ発振器を準備することが必要となる。
【００３３】
従って、管寄１と熱交換器チューブ２の溶接部設計においては、レーザ照射角度を管寄１の表面に対して４５°を中心として、その前後に１５°振った範囲内、すなわち３０°〜６０°の範囲内を開先角度として設定するのが妥当である。
【００３４】
次に図１において、前記開先面Ａ（溶接線方向と一致する面）と角度の異なる面Ｂに関しては、諸種の実験から、前記開先面Ａと開先面Ｂのなす角度が４５°より大きく１３５°未満であり、且つ開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との差ｄが０．５ｍｍ以上あれば、開先合わせ時のずれを防止するのに十分な効果があることが判明した。
【００３５】
しかし、前記ｄを大きくしすぎると、管寄１と熱交換器チューブ２の溶接を行う際に溶接部に溶け込み不良や開先残りなどの溶接欠陥が発生する可能性が高くなるため、ｄを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定するのがよい。
【００３６】
また、一般的に、管寄１よりも熱交換器チューブ２の板厚の方が薄く、熱容量が小さいことより、管寄１と熱交換器チューブ２の溶接においては、熱交換器チューブ２の方が溶融されやすい状態にある。従って、開先面Ｂ４を熱交換器チューブ２側に設定することで溶け込み不良や開先残りなどの溶接欠陥を防止することが可能となる。
【００３７】
図１３は、本発明による管寄２５と熱交換器チューブ２６を溶接する溶接装置の一例を示す斜視図である。この溶接装置を用いて、管寄２５（ＳＡ−１０６Ｇｒ．Ｂ、外径１９７．８ｍｍ  板厚１８．２６  ｍｍ）と、熱交換器チューブ２６（ＳＡ−１９２Ｍ、外径３８．１板厚４．０  ｍｍ）の完全溶け込み溶接を施工した。図中の２７は光ファイバー、２８はレーザ溶接トーチ、２９は溶接ロボット、３０は管寄固定用架台である。
【００３８】
溶接は、溶接条件の裕度向上及び良好な表裏ビード形状を確保するために、溶加材（溶接ワイヤ）を供給しながら行った。次の表１に溶接条件を、表２に溶接開始位置を０°とした場合の各断面（４５°ピッチ）における溶接欠陥発生の有無及び裏ビード幅の測定結果を示す。
【００３９】
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表２から明らかなようにいずれの断面においても溶接欠陥発生は無く、十分な裏ビード幅と共に良好な溶接部を得ることができた。また、溶接前の開先合わせ作業も容易であり、開先合わせ時のずれの発生もなく、良好な開先形状及び溶接方法であるといえる。
【００４０】
前記実施形態では開先面Ａ，Ｂとも平面状の場合について示したが、前記開先面Ａ，Ｂが共に曲面であっても構わない。
【００４１】
前記実施形態では高エネルギー密度熱源としてレーザを用いたが、レーザの代わりに電子ビームを用いることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は前述のように、管寄ならびに熱交換器チューブのうちの一方の部材の溶接される開先面が、溶接線方向と一致する開先面Ａと、その開先面Ａと鎖交する角度の異なる開先面Ｂとを有し、前記熱交換器チューブならびに管寄のうちの他方の部材の開先面が前記開先面Ａ，Ｂと嵌まり合う形状になっている、熱交換器チューブあるいは管寄の倒れが防止され、開先加工された部材を精度良く所定位置、所定寸法に設定することができる。
【００４３】
また、管寄の表面と開先面Ａのなす角度を３０°〜６０°の範囲内に設定したり、開先面Ａと開先面Ｂとのなす角度を４５°より大きく１３５°未満に設定したり、あるいは開先の最も深い部分と内表面における開先端部との差ｄを０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内にすることにより、機械加工量を最小とし、且つ高密度熱源による完全溶け込み溶接を達成すると共に、効率的に開先合わせ時のずれを防止することができるなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状を示す断面図である。
【図２】一般的な管寄と熱交換器チューブの接続状態を示す斜視図である。
【図３】従来の完全溶け込み溶接が要求されない溶接部の開先形状を示す断面図である。
【図４】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の開先形状と仮付溶接を示す断面図である。
【図５】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を自動溶接法により溶接を行なう場合の開先形状を示す断面図である。
【図６】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なった初層溶接ビードを示す断面図である。
【図７】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の問題点を説明するための断面図である。
【図８】従来の完全溶け込み溶接が要求される溶接部を手動溶接法により溶接を行なう場合の問題点を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状に対して溶接を行なう際のレーザ導光状態を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状において、溶接分厚さを小さくする目的で、開先角度を管寄表面に近づけた状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態において、レーザ照射角度を変化させた場合の、レーザ光を反射させる光学部品上のレーザ照射面積の変化を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る管寄と熱交換器チューブの開先形状において、開先角度を管寄表面に対して大きくした状態を示す断面図である。
【図１３】本発明を実施する溶接装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，５，１５，２５：管寄、２，６，１６，２６：熱交換器チューブ、３：開先面Ａ、４：開先面Ｂ、１７，２０：レーザ光、１８：集光レンズ、１９：反射ミラー、２１：反射ミラーＡ、２２：反射ミラーＢ、２３：レーザ照射部Ａ、２４：レーザ照射部Ｂ、２７：光ファイバー、２８：レーザ溶接トーチ、２９：溶接ロボット、３０：管寄固定用架台、ｄ：開先の最も深くなっている部分と内表面における開先端部との寸法差。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004283883.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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