(57)【要約】【目的】  溶接部に悪影響を及ぼすスパッタｓを溶接点Ｗ直下の位置から出側に移動させることにより、内面ビードの酸化を防止し、健全な溶接部をもつ金属溶接管を製造する。【構成】  幅方向に曲げ加工された金属帯の幅方向両端部を溶接して金属溶接管を製造する際に使用される内面シールド治具１０である。オープンパイプ形状の金属帯Ｓ又は金属溶接管Ｐに挿入されるスパッタ受け具１１に、溶接点Ｗよりも入側の位置でオープンパイプ形状の金属帯Ｓ又は金属溶接管Ｐの内周面に接触する入側シール材１２を装着している。平坦上面１１aを冷却してスパッタｓの溶着を防止するため、溶接点よりも出側の位置で折り返す冷却水循環経路１６がスパッタ受け具１１に内蔵されている。溶接点Ｗ近傍の金属溶接管Ｐの内周面に向けて不活性ガスＧを送り込むガス流路が入側シール材１２を経て金属溶接管Ｐ内に開口し、金属溶接管Ｐの走行方向Ｄに沿って平坦上面１１aを摺動するスパッタ除去工具１５が組み込まれている。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に曲げ加工された金属帯の幅方向両端部を溶接して金属溶接管を製造する際に使用される内面シールド治具であり、金属帯又は金属溶接管に挿入されるスパッタ受け具と、溶接点よりも入側の位置でスパッタ受け具に装着され、金属帯又は金属溶接管の内周面に接触する入側シール材と、溶接点よりも出側の位置で折り返す冷却水循環経路がスパッタ受け具内に形成された水冷機構と、溶接点近傍の金属溶接管の内周面に向けて不活性ガスを送り込むガス流路と、金属溶接管の走行方向に沿ってスパッタ受け具のスパッタ受け面を摺動するスパッタ除去工具とを備えていることを特徴とする金属溶接管製造用内面シールド治具。
【請求項２】
スパッタ受け具が半円柱形状で、平坦上面がスパッタ受け面になっている請求項１記載の金属溶接管製造用内面シールド治具。
【請求項３】
スパッタ除去工具の出側端面がテーパ状に成形されている請求項１又は２記載の金属溶接管製造用内面シールド治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅方向の曲げ加工によりオープンパイプ形状に成形された金属帯の幅方向両端部を溶接して金属溶接管を製造する際に使用される内面シールド治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属帯を連続的に幅方向に曲げ加工してオープンパイプに成形した後、幅方向両端部を溶接して金属溶接管を製造する際、溶接部の内外面が酸化すると金属溶接管の特性が劣化する。溶接部の酸化は、特に耐食性，耐候性，加工性，靭性，意匠性等が要求される用途で問題にされる。
ＴＩＧ溶接，レーザ溶接等の溶融溶接で金属溶接管を製造する場合、トーチ，ノズル等から供給される不活性ガスで溶接部をシールすることにより、溶接部外面の酸化はある程度防止される。また、溶接点よりも出側にアフターシールカバー等を配置し、酸化領域以下の温度に冷却されるまで溶接部を不活性ガスでシールすると、溶接部の酸化が一層効果的に抑制される。
【０００３】
溶接部外面に供給される不活性ガスのシール効果は、溶接部の裏面（管内面）の酸化防止に関してはほとんど期待できない。管内面の酸化防止には、金属帯又は金属溶接管Ｐの走行方向Ｄに関し溶接点Ｗを挟んで一対のシール材１，２を配置した内面専用のシールド治具（図１）が使用されている。シール材１，２はロッド３に連結され、シール材１，２の間にある内部空間に不活性ガスを送り込むことにより、溶接部の内面がシールドされる。溶接点Ｗの入側のみにシール材１を設け、シール材１と溶接点Ｗとの間にガス配管を開口させ、金属溶接管Ｐの断面積×走行速度として概算される体積以上の流量で不活性ガスをガス配管から送り込むことによって溶接部を内面シールすることもある。
【０００４】
レーザ溶接等のキーホール溶接では、高密度のエネルギビームＢで溶接点Ｗが照射されるため、溶接点Ｗから飛散するスパッタが金属溶接管Ｐの内面を直撃する。飛散したスパッタが金属溶接管Ｐの内面に溶着すると、内面の品質が劣化する。スパッタ溶着に起因する内面品質の劣化は、図２に示すように入側シール材１及び出側シール材２を筒状部材４で接続することにより、溶接点Ｗの直下にスパッタ収容用の閉鎖空間を設けた内面シールド治具（特許文献１）により防止できる。当該内面シールド治具では、シール材１，２及び筒状部材４で取り囲まれた閉鎖空間に不活性ガスＧを中空ロッド３から吹き込み、不活性ガスＧで内面ビードをガスシールし、溶接時に発生するスパッタｓを開口部５から筒状部材４内に回収する。
【特許文献１】特開平8-238588号公報
【０００５】
しかし、エネルギビームＢ直下の近傍では、筒状部材４が高温に曝され、溶損等のトラブルが発生しやすい。高温の筒状部材４に強固に溶着したスパッタｓの除去作業に手間がかかることも欠点である。スパッタｓの溶着は、溶接点Ｗより出側の位置で折り返す冷却水循環経路６を筒状部材４又はスパッタ受け具７（図３a）に内蔵させ、筒状部材４又はスパッタ受け具７を冷却することにより防止できる（特許文献２）。
【特許文献２】特開2001-129685号公報
【０００６】
スパッタｓは、溶接時間が長くなるに従って筒状部材４又はスパッタ受け具７上での堆積量が多くなり、スパッタ堆積物ｓ'として成長する（図３b）。金属溶接管Ｐの内面にある溶融金属に接触するまでスパッタ堆積物ｓ'が高くなると、溶融金属に接触した部分でスパッタ堆積物ｓ'が溶融し、スパッタ堆積物ｓ'が溶融金属に繋がることが懸念される。スパッタ堆積物ｓ'が溶融金属に繋がると、溶融金属量が急激に増加し、盛上り，溶落ち等の欠陥が溶接部に発生しやすくなる。また、スパッタ堆積物ｓ'に繋がった状態のまま溶融金属が凝固し、スパッタ堆積物ｓ'と共にスパッタ受け具７から剥離すると、内面ビードにスパッタ堆積物ｓ'が付着した溶接欠陥が発生する。更に、スパッタ受け具７の冷却能力を上回る量のスパッタｓが堆積すると、スパッタ堆積物ｓ'がスパッタ受け具７に溶着して剥離せず、造管機が稼動できない状態に至り、エネルギビームＢによる内面シールド治具の溶損等のトラブルを引き起こしかねない。
【０００７】
スパッタの過剰堆積に起因するトラブルは、造管ラインを停止して内面シールド治具に付着したスパッタを除去する清掃作業によって防止できる。しかし、生産性を上げるために造管速度を高めた操業では、スパッタの堆積も多くなり、その分だけ頻繁な清掃作業を余儀なくされる。頻繁な清掃作業は生産性向上のネックであり、より少ない回数の清掃作業が望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、スパッタ受け面に堆積するスパッタを溶接点から出側に移動させるスパッタ除去工具を組み込むことにより、スパッタの過剰堆積を無くし、内面シールド治具の清掃にかかる負担を軽減し、内面ビード又は溶融金属にスパッタ堆積物が接触することを防止し、安定条件下で高品質の金属溶接管を製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、幅方向の曲げ加工によりオープンパイプ形状に成形された金属帯の幅方向両端部を溶接して金属溶接管を製造する際に使用される内面シールド治具を対象とする。金属帯又は金属溶接管に挿入されるスパッタ受け具に、溶接点よりも入側の位置で金属帯又は金属溶接管の内周面に接触する入側シール材を装着している。スパッタ受け面を冷却してスパッタの溶着を防止するため、溶接点よりも出側の位置で折り返す冷却水循環経路がスパッタ受けに内蔵されている。溶接点近傍の金属溶接管の内周面に向けて不活性ガスを送り込むガス流路が入側シール材を経て金属溶接管内に開口し、金属溶接管の走行方向に沿ってスパッタ受け面を摺動するスパッタ除去工具が組み込まれている。
【００１０】
平坦上面がスパッタ受け面になっている半円柱形状のスパッタ受けを使用する場合、平坦上面に対応して底面が平坦になったスパッタ除去工具が使用される。この場合、スパッタ除去工具の出側をテーパ状端面に成形すると、平坦上面に付着しているスパッタを掬い出すことができ、スパッタ堆積物が効率よく除去される。テーパ状端面は、筒状部材等、他の形状をもつスパッタ受け具にも適用できる。
【実施の形態】
【００１１】
本発明に従った内面シールド治具は、エネルギビームＢを溶接部に照射するレーザ溶接や、オープンパイプ形状の金属帯Ｓの幅方向両端を溶接トーチＴで溶接するＴＩＧ溶接等の溶融溶接に適用される。内面シールド治具１０は、オープンパイプ形状の金属帯Ｓ又は金属溶接管Ｐの内部にスパッタ受け具１１を、溶接点Ｗの入側に入側シール材１２を位置させている（図４a，b）。
【００１２】
小径管の溶接では、円柱の上半分を切り欠いて平坦上面１１aを形成した半円柱形状のスパッタ受け具１１が好ましい。平坦上面１１aは、溶接時にスパッタｓが堆積するスパッタ受け面として使用される。以下では平坦上面１１aをもつスパッタ受け具１１を備えた内面シールド治具１０を説明するが、半円柱形状に拘束されることなく、金属帯Ｓ又は金属溶接管Ｐの溶接点Ｗとは反対側に位置する管内面に対するスパッタｓの直撃及び付着を防止できる限り、筒状部材４（図２）を始めとして各種形状のスパッタ受け具１１の使用も可能である。
【００１３】
スパッタ受け具１１の入側は、周方向に沿った溝又は段１１bが付けられた小径円柱部１１cになっている。小径円柱部１１cに、金属溶接管Ｐの内周面に接触する入側シール材１２が装着される。入側シール材１２は、好ましくは金属フェルト，セラミックウール等の耐熱性、耐摩耗性に優れた軟質材で作られており、金属溶接管Ｐの内周面との隙間から不活性ガスＧ（シールドガス）の漏れを少なくするため金属溶接管Ｐの内周面に軽く接触するサイズに設計されている。
【００１４】
内面シールド治具１０は、支持ロッド１３を介して固定用ブラケット（図示せず）で支持される。管軸方向に延びる貫通孔が形成されている管材が支持ロッド１３に使用され、支持ロッド１３の貫通孔に押込みロッド１４が挿入される。押込みロッド１４は、小径円柱部１１c，入側シール材１２を貫通し、スパッタ受け具１１から突出した先端にスパッタ除去工具１５を装着している。平坦上面１１aをもつスパッタ受け具１１に対しては、平坦上面１１aに対応して底面が平坦になったスパッタ除去工具１５が使用される。
【００１５】
スパッタ除去工具１５の出側は、平坦上面１１aに付着しているスパッタ堆積物ｓ'を掬い取るため好ましくはテーパ状端面１５bに成形されている。筒状部材４（図２）のようなスパッタ受け具１１に対しては、スパッタ受け具１１の内断面形状に対応した輪郭のスパッタ除去工具１５が使用されるが、この場合にもスパッタ除去工具１５の出側端面をテーパ状に成形することが好ましい。
【００１６】
押込みロッド１４を図４で左方向に前進させると、スパッタ除去工具１５がスパッタ受け具１１の平坦上面１１ａ上を摺動し、平坦上面１１aからスパッタｓ，スパッタ堆積物ｓ'が金属溶接管Ｐの出側方向に押し出される。スパッタ除去工具１５の前進位置は、テーパ状端面１５bが溶接点Ｗの直下を超え、本体が溶接点Ｗを超えない位置に設定することが好ましい。押込みロッド１４にストッパ１４aを固着し、支持ロッド１３の基端側に設けたフランジ１３aとの間にスプリング１４bを介在させると、押込み力から解放された押込みロッド１４がスプリング１４bの反力で前進位置から後退位置に戻る。
【００１７】
押込みロッド１４を管材で作製し、不活性ガスＧを金属溶接管Ｐの内部に送り込む機構を組み込むこともできる。不活性ガス供給機構を備えた押込みロッド１４では、押込みロッド１４の基端を不活性ガス供給源から延びるガス管（図示せず）に接続し、押込みロッド１４の先端をスパッタ除去工具１５に穿設したガス流路１５aに接続する。ガス流路１５aは、入側シール材１１と溶接点Ｗとの間で金属溶接管Ｐの内部に開口する。不活性ガスＧは、ガス流路１５aから溶接点Ｗの近傍に送り込まれ、溶接点Ｗの近傍にある金属溶接管Ｐを内側からガスシールする。
【００１８】
不活性ガスＧは、金属溶接管Ｐの内部に閉鎖空間が形成される溶接では、一定流量で金属溶接管Ｐの内部に送り込まれる。金属溶接管Ｐの内部に閉鎖空間が形成されない半円柱形状のスパッタ受け具１１をもつ内面シールド治具１０を使用する場合には、金属溶接管Ｐ内部の気体体積（金属溶接管Ｐの内部断面積×走行速度）以上の不活性ガスＧを送り込み、金属溶接管Ｐの走行と共に排出される不活性ガスＧを補償する。これにより、十分なガスシール効果が得られる。
【００１９】
スパッタ受け具１１には、金属帯Ｓ又は金属溶接管Ｐの走行方向Ｄに延びる冷却水循環経路１６をもつ水冷機構が内蔵されている。冷却水循環経路１６は、スパッタ受け具１１の入側から溶接点Ｗを超えて出側に延び、先端を折り返して溶接点Ｗの近傍を再度通過する形状に設計されている。冷却水循環経路１６は、一端が給水管１７に、他端が排水管１８に接続されている。給水管１７から送り込まれた冷却水ｗを冷却水循環経路１６を巡回して排水管１８から送り出すことにより，スパッタ受け具１１を冷却し、スパッタｓの焼付きを防止する。冷却水循環経路１６の給水側１６a，排水側１６bをスパッタ受け具１１の平坦上面１１aに関して平行配置（図４c）するとき、水冷機構の冷却能力が高くなる。
【００２０】
スパッタ受け具１１の平坦上面１１aに所定量のスパッタｓが溜まったとき、押込みロッド１４を図５で左方向に移動させると、スパッタ除去工具１５が平坦上面１１ａ上を摺動し、スパッタ堆積物ｓ'を掬い上げ溶接点Ｗよりも出側に押しやる。このとき、冷却水循環経路１６を流れる冷却水ｗで平坦上面１１aが冷却されているので、スパッタｓ又はスパッタ堆積物ｓ'は、平坦上面１１aに対する凝着力が弱く、スパッタ除去工具１５の前進によって溶接点Ｗ直下の位置から出側に容易に移動する。押込みロッド１４の移動は手動でも可能であるが、適宜の駆動装置に押込みロッド１４を連結し、所定プログラムに従った自動操作で押込みロッド１４を前後進させることもできる。
【００２１】
スパッタ除去工具１５の前進によりスパッタ堆積物ｓ'が溶接点Ｗ直下の位置から出側方向に移動するため、溶接点Ｗの直下でスパッタ堆積物ｓ'が金属溶接管Ｐの内周面に接触するまで成長することがなくなる。その結果、金属溶接管Ｐの内面ビードや溶融金属にスパッタ堆積物ｓ'が繋がらず、安定条件下で金属溶接管Ｐが製造される。しかも、スパッタ除去工具１５を前後進させるだけの操作で溶接点Ｗ直下からスパッタ堆積物ｓ'が取り除かれるため、造管ラインを停止する必要もない。
【００２２】
内面シールド治具１０は、外面シールド治具と併用しても良い。内面，外面シールド治具の併用により、ガスシールド効果が一層向上する。外面シールド治具としては、たとえば入側シール材１２の位置に配置される外側シール材を備え、溶接点Ｗよりも出側までをカバーする外面シールドボックスが使用される。内面シールド治具１０及び外面シールドボックスの併用により、溶接点Ｗ周辺への大気の侵入がなくなり、溶接ビードの酸化が防止されるため、健全な溶接部をもつ金属溶接管Ｐが製造される。なお、出側シール材２（図２）を省略した内面シールド治具１０と外面シールドボックスとを組み合わせて使用する場合、金属溶接管Ｐの内面側から外面シールドボックスへの大気侵入を抑制するため、外面シールドボックス内の溶接点Ｗよりも入側にあるオープンパイプの開口部を可能な限り小さくすることが好ましい。
【００２３】
以上に説明したように、本発明の内面シールド治具によるとき、水冷機構を内蔵したスパッタ受け具１１にスパッタｓを落下させているので、スパッタ受け具１１に対するスパッタｓの溶着が防止される。凝着力の弱いスパッタｓ，スパッタ堆積物ｓ'は、スパッタ除去工具１５の前進によって出側に押しやられ、溶接点Ｗの直下で厚く成長することがない。そのため、酸化物のない健全な内面ビードをもち、流体用配管を始めとして各種分野で使用される金属溶接管が得られる。しかも、造管ラインの停止を要せずにスパッタ堆積物ｓ'が溶接点Ｗの直下から取り除かれるため、生産性の低下もきたさない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の内面シールド治具の概略断面図
【図２】本発明者等が先に提案した内面シールド治具の概略断面図
【図３】同じく水冷機構を内蔵した内面シールド治具を用いて金属溶接管を製造している場合の平面図（a），側断面図（b）
【図４】本発明に従った内面シールド治具を用いて金属溶接管を製造している場合の平面図（a），側断面図（b）及びＣ−Ｃ断面図（c）
【図５】スパッタ除去工具の前進でスパッタ堆積物を除去している状態の説明図
【符号の説明】
【００２５】
１０：内面シールド治具    １１：スパッタ受け    １１a：平坦上面（スパッタ受け面）    １１b：溝又は段    １１c：小径円柱部    １２：入側シール材    １３：支持ロッド    １３a：フランジ    １４：押込みロッド    １４a：ストッパ    １４b：スプリング    １５：スパッタ除去工具    １５a：ガス流路    １５b：テーパ状端面    １６：冷却水循環経路    １７：給水管    １８：排水管
Ｓ：金属帯    Ｐ：金属溶接管    Ｄ：走行方向    Ｗ：溶接点    Ｇ：不活性ガス    Ｔ：溶接トーチ    ｓ：スパッタ    ｓ'：スパッタ堆積物    ｗ：冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005186123.tif 000006
【図５】
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