(57)【要約】【課題】ジルコニウム等の活性金属のアーク溶接で必要な溶接継手の酸化及び窒化防止，自動溶接の施工及び操作性向上，品質良好な溶接部を得るのに有効な活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車を提供する。【解決手段】ジルコニウム等の活性金属からなる継手部材１ａ，１ｂをアーク溶接する時に使用される活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記シールドボックス２１は、溶接方向の前方から溶接ワイヤ１２を送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラ１４で撮像する開口部２３と、この開口部２３の中にＴＩＧ溶接トーチ１０を配置するトーチ取付け機構１６と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチ１０の周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガス３２を放出させるガス放出機構部と、前記開口部２３の一部を除いた前記シールドボックス２１の側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シート２４とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性金属からなる継手部材をアーク溶接する時に使用される活性金属溶接用シールドボックスにおいて、
前記シールドボックスは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中にＴＩＧ溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備えていることを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項２】
請求項１に記載の活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記シールドボックスの下面形状は、アーク溶接作業で出力される最大の溶接電流又は入熱量で生じる定常温度分布の解析結果又は測定結果に基づいて、約１００℃以上又は約３００℃以上の温度分布領域をガスシールドする大きさの概略楕円形状又はこれと類以形状に製作することを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項３】
請求項２に記載の活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記シールドボックスの下面形状が六角形以上の概略多角形の形状に製作することを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項４】
請求項１に記載の活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記耐熱性シートは、絶縁材の編状耐火繊維又はスパッタ防止耐熱シートであり、アーク溶接中に前記継手部材の表面と接触状態に覆われていることを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項５】
請求項１に記載の活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記ガス放出機構部には、外部から不活性ガスを供給するガス供給管と、このガス供給管に連通して前記不活性ガスをシールドボックス内に分散させる複数のガス分散パイプと、このガス分散パイプの周囲を覆う細いウール材又は編状耐火繊維と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に前記不活性ガスを多数の小径穴から放出させるガス放出板又は編状金網板とを設けることを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項６】
請求項１に記載の活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記シールドボックスは、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備することを特徴とする活性金属溶接用シールドボックス。
【請求項７】
活性金属からなる継手部材を溶接線に沿ってアーク溶接するＴＩＧ溶接トーチと、このＴＩＧ溶接トーチの走行及び上下左右方向の駆動可能なトーチ駆動機構と、アーク溶接部分に溶接ワイヤを送給するワイヤ送り機構と、不活性ガスを放出させるシールドボックスとを搭載した溶接台車において、
前記シールドボックスは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中にＴＩＧ溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備え、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備することを特徴とする溶接台車。
【請求項８】
請求項７に記載の溶接台車において、前記開口部の前方の適正位置にＣＣＤカメラを設置して、前記アーク溶接部分の画像をモニタ画面に表示し、アーク溶接状態を監視すると共に溶接トーチ先端の電極位置及びワイヤ位置を遠隔操作で調整可能にすることを特徴とする溶接台車。
【請求項９】
請求項７に記載の溶接台車において、前記シールドボックス後方の上部の適正位置に別のＣＣＤカメラを設置して、前記シールドボックス後方の溶接ビード部分及びその周辺部の画像をモニタ画面に表示し、前記溶接ビードの表面又はこの溶接ビード近傍の母材表面及び熱影響部の変色状態を監視することを特徴とする溶接台車。
【請求項１０】
請求項８，９に記載の溶接台車において、アーク溶接部に異常が生じた場合又は溶接ビード部分に規定以上の変色が生じた場合には、アーク溶接動作を停止させると共に所定時間以上に到達する又は所定温度以下に低下するまで前記シールドボックス及びトーチノズルから不活性ガスを流し続けることを特徴とする溶接台車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジルコニウム等の活性金属のアーク溶接で使用される活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジルコニウム，チタン等の活性金属は、高温に加熱されると大気中から酸素や窒素を容易に吸収して脆弱な酸化物や窒化物が形成され、金属素材の性能や性質が著しく悪化すると言われている。活性金属をアーク溶接する場合には、少なくとも溶融金属部及び熱影響周辺部の高温領域をアルゴンガス等の不活性ガスで完全にシールドして酸化及び窒化防止する必要がある。このため、従来から溶接トーチに装着する溶接用シールドボックス、大きなシールド容器内で溶接施工するシールド装置等が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１（実用新案第３０６７０３５号公報）に記載の活性金属用溶接補助装置では、被溶接物の溶接箇所及びその周囲を溶接線に沿って囲み、トーチ開口部に連通する切欠き開口部が形成されたシールドボックスと、このシールドボックス内に分散配置され、通気性部材によって支持された整流部材と、この整流部材中に延在し、複数のガス噴出孔から不活性ガスを放出してシールドするガス放出管と、溶接線に沿ってシールドボックスを移動可能な左右対のガイド部材と、溶接トーチを首振り自在にする自在継手とを有することが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２（実用新案第２５１０７９１号公報）に記載のチタン溶接用補助シールドボックスでは、シールドガスをガス溜まり室及び拡散室を介して送給する機構とし、前記シールドボックスには三方を囲むように可撓性耐熱布を取付け、溶接用ガスノズルと溶接トーチの継ぎ目部に挟むように取付ける機構とし、前記補助シールドボックスの長手方向にテーパーを付与する機構とした構造が提案されている。
【０００５】
また、特許文献３（特開平８−２５２６７１号公報）に記載の溶接用シールド装置では、被溶接製品を収納するシールドボックスと、上面開口部に配設されたスライド自在なシール蓋体とを備え、ガス供給手段並びに溶接ワイヤ供給手段と共に、シール蓋体に溶接トーチが配備され、溶接トーチの移動がシール蓋体のスライドによって自在にすることが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】実用新案第３０６７０３５号公報（実願平１１−６６３８号）
【特許文献２】実用新案第２５１０７９１号公報（実開平５−５３７７８号）
【特許文献３】特開平８−２５２６７１号公報（特許３５６２０１４号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の場合には、溶接作業者による管部材の手動溶接が可能であり、溶接ビード及びその熱影響周辺部の酸化防止に有効であると考えられる。しかしながら、溶接トーチの動作，溶接ワイヤの送り及びシールドボックスの移動が全て手作業であり、溶接作業者の技能によって溶接状態の良し悪しが生じる結果になり、再現性のある良好な溶接品質を常に得ることが困難である。シールドすべき溶接部及びこの周囲の定常温度分布は、出力する溶接電流や入熱量の大きさによって変化するが、不活性ガスを放出するシールドボックスの長さ（Ｌｐ＋ＬＡ）を被溶接物（パイプ径）の外周長さで決定しているため、合理的でなく、過大な範囲をガスシールドする大きさに成り易く、さらに、手動溶接に合わせて前記シールドボックスを常時引き回す必要がある。高温領域に係わる溶接電流等の溶接条件については全く記載されていない。カメラ等の観察機器が全くなく、作業者の目視観察で溶接作業が行われている。また、溶接台車等に搭載できない構造、円弧形状になっているため、自動溶接が実施できないばかりでなく、管部材と異なる平板部材の溶接にも適用することができない。
【０００８】
また、上記特許文献２の場合には、溶接作業者による手動溶接が可能であり、軽量化や操作性を良くするための工夫がされている。しかしながら、上記特許文献１と同様に、溶接トーチの動作，溶接ワイヤの送り及びシールドボックスの移動が全て手作業であり、溶接作業者の技能によって溶接状態の良し悪しが生じる結果になり、再現性のある良好な溶接品質を常に得ることが困難である。また、カメラ等の観察機器がないばかりでなく、溶接トーチを傾斜（約１５度の前進角度）させて手動溶接する構造になっているため、溶接台車を走行させる自動溶接や開先の深い継手の多層盛溶接に適用することができない。
【０００９】
また、上記特許文献３の場合には、ゴルフヘッド（チタン合金部品）のような小物製品の溶接及び酸化防止に有効と考えられる。しかしながら、シールドボックス（真空チャンバ）の中に収納できない大物製品の溶接や現地で組立てる構造物の溶接に適用することができない。
【００１０】
また、上記以外にも活性金属の溶接方法やシールドボックスに関する公知例が幾つかあるが、本発明の内容及び構成と異なるものである。
【００１１】
本発明の目的は、ジルコニウム等の活性金属のアーク溶接で必要な溶接継手の酸化及び窒化防止，自動溶接の施工及び操作性向上，品質良好な溶接部を得るのに有効な活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために、ジルコニウム等の活性金属からなる継手部材をアーク溶接する時に使用される活性金属溶接用シールドボックスにおいて、前記シールドボックスは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中にＴＩＧ溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備えていることを特徴とする活性金属溶接用シールドボックスを提案する。
【００１３】
特に、前記シールドボックスの下面形状は、アーク溶接作業で出力される最大の溶接電流又は入熱量で生じる定常温度分布の解析結果又は測定結果に基づいて、約１００℃以上又は約３００℃以上の温度分布領域をガスシールド可能な大きさの概略楕円形状又はこれと類似形状に製作するとよい。また、前記シールドボックスの下面形状が六角形以上の概略多角形の形状に製作することもできる。
【００１４】
また、前記耐熱性シートは、絶縁材の編状耐火繊維又はスパッタ防止耐熱シートであり、アーク溶接中に前記継手部材の表面と接触状態に覆われているとよい。
【００１５】
さらに、前記ガス放出機構部には、外部から不活性ガスを供給するガス供給管と、このガス供給管に連通して前記不活性ガスをシールドボックス内に分散させる複数のガス分散パイプと、このガス分散パイプの周囲を覆う細いウール材又は編状耐火繊維と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に前記不活性ガスを多数の小径穴から放出させるガス放出板又は編状金網板とを設けるとすることもできる。また、前記シールドボックスは、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備するとよい。
【００１６】
また、本発明は、上記目的を達成するために、ジルコニウム等の活性金属からなる継手部材を溶接線に沿ってアーク溶接するＴＩＧ溶接トーチと、このＴＩＧ溶接トーチの走行及び上下左右方向の駆動可能なトーチ駆動機構と、アーク溶接部分に溶接ワイヤを送給するワイヤ送り機構と、不活性ガスを放出させるシールドボックスとを搭載した溶接台車において、前記シールドボックスは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中にＴＩＧ溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備え、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備することを特徴とする溶接台車を提案する。
【００１７】
また、前記開口部の前方の適正位置にＣＣＤカメラを設置して、前記アーク溶接部分の画像をモニタ画面に表示し、アーク溶接状態を監視すると共に溶接トーチ先端の電極位置及びワイヤ位置を遠隔操作で調整可能にするとよい。
【００１８】
また、前記シールドボックス後方の上部の適正位置に別のＣＣＤカメラを設置して、前記シールドボックス後方の溶接ビード部分及びその周辺部の画像をモニタ画面に表示し、前記溶接ビードの表面又はこの溶接ビード近傍の母材表面及び熱影響部の変色状態を監視することもできる。
【００１９】
さらに、アーク溶接部に異常が生じた場合又は溶接ビード部分に規定以上の変色が生じた場合には、アーク溶接動作を停止させると共に所定時間以上に到達する又は所定温度以下に低下するまで前記シールドボックス及びトーチノズルから不活性ガスを流し続けるとよい。
【００２０】
すなわち、本発明の活性金属溶接用シールドボックスでは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中に
ＴＩＧ溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備えていることにより、多パス溶接が必要な継手部材であっても、溶接パス毎のトーチ高さ変化に対応可能となり、トーチノズルとシールドボックスの両方から不活性ガスを放出して、アーク溶接部とその周囲及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。
【００２１】
特に、前記シールドボックスの下面形状は、アーク溶接作業で出力される最大の溶接電流又は入熱量で生じる定常温度分布の解析結果又は測定結果に基づいて、約１００℃以上又は約３００℃以上の温度分布領域をガスシールド可能な大きさの概略楕円形状又はこれと類似形状に製作することにより、シールドボックスをコンパクトに小型化することができる。また、前記シールドボックスの下面形状が六角形以上の概略多角形の形状に製作しても、上記と同様に、前記シールドボックスをコンパクトに小型化することができる。
【００２２】
また、前記耐熱性シートは、絶縁材の編状耐火繊維又はスパッタ防止耐熱シートであり、アーク溶接中に前記継手部材の表面と接触状態に覆われていることにより、大気の浸入を防止し、シールド効果を高め、所定部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。
【００２３】
さらに、前記ガス放出機構部には、外部から不活性ガスを供給するガス供給管と、このガス供給管に連通して前記不活性ガスをシールドボックス内に分散させる複数のガス分散パイプと、このガス分散パイプの周囲を覆う細いウール材又は編状耐火繊維と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に前記不活性ガスを多数の小径穴から放出させるガス放出板又は編状金網板とを設けることにより、シールドボックスの下面全体からほぼ均等に放出する不活性ガスとトーチノズルから放出する不活性ガスによって、アーク溶接部とその周辺及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができる。また、前記シールドボックスは、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備することにより、自動溶接及び操作を容易に実施することができる。
【００２４】
また、本発明の溶接台車では、前記シールドボックスは、溶接方向の前方から溶接ワイヤを送給及びアーク溶接部分をＣＣＤカメラで撮像する開口部と、この開口部の中にTIG溶接トーチを配置するトーチ取付け部と、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチの周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出させるガス放出機構部と、前記開口部の一部を除いた前記シールドボックスの側面外周囲に設ける軟質変形自在な耐熱性シートとを備え、前記継手部材の上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチに配備又はこのＴＩＧ溶接トーチを含む溶接台車に配備することにより、多パス溶接が必要な長尺の継手部材であっても、自動溶接及び操作が容易に実施でき、また、上述したように、溶接パス毎のトーチ高さ変化に対応可能となり、トーチノズルとシールドボックスの両方から不活性ガスを放出して、アーク溶接部とその周囲及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。
【００２５】
また、前記開口部の前方の適正位置にＣＣＤカメラを設置して、前記アーク溶接部分の画像をモニタ画面に表示し、アーク溶接状態を監視すると共に溶接トーチ先端の電極位置及びワイヤ位置を遠隔操作で調整可能にすることにより、溶接線のずれがある継手部材であっても、溶接中に電極位置ずれやワイヤ位置ずれを修正できると共に突発的なアーク溶接の乱れもなくし、常に安定な溶接状態を継続することができる。また、前記シールドボックス後方の上部の適正位置に別のＣＣＤカメラを設置して、前記シールドボックス後方の溶接ビード部分及びその周辺部の画像をモニタ画面に表示し、前記溶接ビードの表面又はこの溶接ビード近傍の母材表面及び熱影響部の変色状態を監視することにより、ガスシールド効果の良し悪し、溶接品質の良し悪しなどを容易に判定でき、酸化変色のない良好な金属光沢のシールド状態を保持することが可能となる。
【００２６】
さらに、アーク溶接部に異常が生じた場合又は溶接ビード部分に規定以上の変色が生じた場合には、アーク溶接動作を停止させると共に所定時間以上に到達する又は所定温度以下に低下するまで前記シールドボックス及びトーチノズルから不活性ガスを流し続けることにより、溶接不良部や溶接品質の悪化部を最小限に留めることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
以上述べたように、本発明の活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車によれば、多パス溶接及び酸化防止が必要な活性金属の継手部材であっても、溶接パス毎のトーチ高さ変化に対応可能となり、トーチノズルとシールドボックスの両方から不活性ガスを放出して、アーク溶接部とその周囲及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。また、シールドボックスをコンパクトに小型化でき、自動溶接及び操作を容易に実施することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の内容について、図１〜図７の実施例に用いて具体的に説明する。図１は、本発明の活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車の概略構成を示す一実施例である。また、図２は、本発明の活性金属溶接用シールドボックスの概略形状を示す側面図であり、図３は、前記シールドボックスの下部形状を示す下面図である。さらに、図４は、前記シールドボックスの上部形状を示す上面図である。本シールドボックスは、図５〜図７で後述する温度分布の解析結果に基づいて、ガスシールドすべき温度分布領域を事前に決定して確実にシールド可能な大きさ及び形状に製作している。
【００２９】
図１に示すように、継手部材１ａ，１ｂは、多層盛溶接が必要なジルコニウム等の活性金属であり、図示していない拘束冶具に固定され、前記継手部材１ａ，１ｂの裏面側には不活性ガス３３（バックガス）を流すための裏当て冶具を設けている。シールドボックス２１は、アーク溶接するＴＩＧ溶接トーチ１０の周辺及び溶接後方の熱影響部分に不活性ガスを放出するものであり、トーチ取付け機構１６によってＴＩＧ溶接トーチ１０の先端部に取付けられている。トーチ取付け機構１６は、シールドボックス２１の開口部２３近傍にあり、前記開口部２３へのＴＩＧ溶接トーチ１０の脱着自在な取付けと高さ調整及び角度調整を可能にしている。シールドボックス２１の開口部２３に配備したＴＩＧ溶接トーチ１０は、遠隔操作による自動溶接が可能な溶接台車３に搭載され、トーチケーブル７を介してＴＩＧ溶接電源５に接続されている。また、ＴＩＧ溶接トーチを配備したシールドボックス２１の開口部２３の前方には、アーク溶接部分へ送給する溶接ワイヤ１２、このアーク溶接部分を撮像する小形のＣＣＤカメラ１４を配置して、アーク溶接状態をモニタ画面に表示及び監視できるようにしている。また、省略してある別のＣＣＤカメラ１５をシールドボックス２１の後方上部の適正位置に設置して、溶接中に形成される溶接ビード部分及びその周辺部の画像をモニタ画面に表示及び監視することも可能にしている。
【００３０】
溶接制御装置４ａは、操作ペンダント４ｂによる操作指令によってアーク溶接時のTIG溶接電源５の出力電流電圧等を制御し、溶接台車３の走行，溶接ワイヤ１２の送給を制御し、さらに、ＴＩＧ溶接トーチ１０及び溶接ワイヤ１２の上下左右を駆動制御するものである。水冷循環装置６は、ＴＩＧ溶接電源５に接続され、トーチケーブル７を介してTIG溶接トーチ１０を水冷するものである。不活性ガス供給器３０は、アルゴンガス等の不活性ガスを供給するものであり、ＴＩＧ溶接電源５及びトーチケーブル７の内部を経由してＴＩＧ溶接トーチ１０の先端部へ不活性ガス３１（トーチ用ガス）を供給し、また、ガス供給管２６を介してシールドボックス２１の内部へ不活性ガス３２（ボックス用ガス）を供給し、さらに、裏ガス供給管３４を介して継手部材１ａ，１ｂの裏側にも同様の不活性ガス３３（裏側用ガス）を供給するようにしている。
【００３１】
シールドボックス２１の下面形状は、図３に示すように概略楕円形状又はこれと類似形状に製作しており、多数の小径穴を有するガス放出板２２又は編状金網板からほぼ均等に不活性ガス３２を放出するようにしている。このシールドボックス２１の下面形状を六角形以上の概略多角形の形状に製作することもできる。さらに、本シールドボックス２１には、図２，図４に示すように外部のガス供給管２６に連通して不活性ガス３２をシールドボックス内に分散させる複数のガス分散パイプ２７，２８と、このガス分散パイプの周囲を覆う細いウール材又は編状耐火繊維を内蔵しており、シールドボックス２１下面側のガス放出板２２からほぼ均等に不活性ガス３２を放出する構造にしている。また、ＴＩＧ溶接トーチ１０先端のトーチノズル１１からも不活性ガス３１を放出してアーク溶接部分及びその周辺をガスシールドするようにしている。また、大気の浸入防止及びシールド効果の向上を得るように、開口部２３の一部（例えば、ＴＩＧ溶接トーチ１０の設置部分，溶接ワイヤ１２の送給部分，ＣＣＤカメラ１４による撮像部分）を除いたシールドボックス
２１の側面外周囲に軟質変形自在な耐熱性シート２４，２５を設けている。
【００３２】
このように構成することにより、多パス溶接及び酸化防止が必要な活性金属の継手部材１ａ，１ｂであっても、溶接パス毎のトーチ高さ変化に対応可能となり、シールドボックス２１の下面全体からほぼ均等に放出する不活性ガス３２とトーチノズル１１から放出する不活性ガス３１によって、アーク溶接部とその周辺及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができる。また、前記シールドボックス２１は、前記継手部材１ａ，１ｂの上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチ１０に配備又はこのＴＩＧ溶接トーチ１０を含む溶接台車３に配備することにより、自動溶接及び操作を容易に実施することができる。特に、前記シールドボックス２１の下面形状は、アーク溶接作業で出力される最大の溶接電流又は入熱量で生じる定常温度分布の解析結果又は測定結果に基づいて、約１００℃以上又は約３００℃以上の温度分布領域をガスシールド可能な大きさの概略楕円形状又はこれと類似形状に製作することにより、シールドボックス２１をコンパクトに小型化することができる。また、前記シールドボックス２１の下面形状が六角形以上の概略多角形の形状に製作しても、上記と同様に、前記シールドボックス２１をコンパクトに小型化することができる。また、図２〜図４に示したように、シールドボックス２１の側面外周囲には、軟質変形自在な耐熱性シート２４，２５を設けており、この耐熱性シート２４，２５は、例えば、絶縁材の編状耐火繊維又はスパッタ防止耐熱シートであり、アーク溶接中に継手部材１ａ，１ｂの表面と接触状態に覆われていることにより、大気の浸入を防止し、シールド効果を高め、所定部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。
【００３３】
また、溶接方向の前方上部の適正位置に設置したＣＣＤカメラ１４で撮像されるアーク溶接部分の画像をモニタ画面３６に表示し、アーク溶接状態を監視すると共に溶接トーチ先端の電極位置及びワイヤ位置を遠隔操作で調整可能にすることにより、溶接線のずれがある継手部材１ａ，１ｂであっても、溶接中に電極位置ずれやワイヤ位置ずれを修正できると共に突発的なアーク溶接の乱れもなくし、常に安定な溶接状態を継続することができる。また、前記シールドボックス２１の後方上部の適正位置に設置する別のＣＣＤカメラ１５（省略）で撮像される溶接ビード部分及びその周辺部の画像をモニタ画面に表示し、前記溶接ビードの表面又はこの溶接ビード近傍の母材表面及び熱影響部の変色状態を監視することにより、ガスシールド効果の良し悪し，溶接品質の良し悪しなどを容易に判定でき、酸化変色のない良好な金属光沢のシールド状態を保持することが可能となる。さらに、アーク溶接部に異常が生じた場合又は溶接ビード部分に規定以上の変色が生じた場合には、アーク溶接動作を停止させると共に所定時間以上（例えば２〜３分間経過）に到達する又は所定温度以下（例えば約１００℃以下）に低下するまで前記シールドボックス２１及びトーチノズル１１から不活性ガス３２，３１を流し続けることにより、溶接不良部や溶接品質の悪化部を最小限に留めることが可能となる。前記良好な金属光沢は、銀色や金色の状態であり、また、前記規定以上の変色は、青色や紫色や灰色状態への酸化変色である。
【００３４】
図５は、所定入熱量の熱源（アーク点）がジルコニウム平板上を移動する時の定常温度分布解析の一実施例を示す説明図である。所定入熱量は、例えば１１.４ｋＪ／cm（電流／電圧：１５０Ａ／９.５Ｖ，速度：７５mm／min）であり、図中には１００℃ライン及び３００℃ラインを記号で記している。移動熱源の定常温度分布は、アーク点を最高点とする等高線を描き、溶接後方に長く伸びた楕円形状のような曲線を呈している。ジルコニウム等の活性金属は、高温（例えば４００〜５００℃以上）に加熱されると大気中の酸素や窒素と反応して脆弱な酸化物や窒化物が形成され、金属素材の性能や性質が著しく悪化すると言われている。ジルコニウムが酸化変色し始める境界温度は上記温度より低い３００〜３５０℃辺りかと考えられる。したがって、アーク溶接する場合には、図６に示すように約３００℃以上の温度分布領域を不活性ガスでシールドすれば、溶接部及び熱影響部の酸化を防止することができる。また、より安全サイドで約１００℃以上の温度分布領域をガスシールドすることにより、上記熱影響部の周囲を包囲して確実に酸化防止することができる。
【００３５】
次に、入熱量に関係する電流や速度を変化させると、１００℃及び３００℃の温度分布がどのように変化するかを検討した。図６は溶接電流と入熱量及び温度分布の関係を示す解析例である。また、図７は溶接速度と入熱量及び温度分布の関係を示す解析例である。１００℃，３００℃ラインの後方長さＬ１，Ｌ３、前方長さＬ２、最大広がり幅ｗ１，
ｗ３を各々検討した結果であり、各々の温度Ｔは、下記の計算式（１）を用いて計算（解析）されている。ただし、ηは入熱（ｑ＝０.２４＊Ｉａ＊Ｅａ（cal））の熱効率であり、ｋはＺｒ材の熱拡散率（cm２／ｓ）、λはＺｒ材の熱伝導（cal／cm ｓ℃）である。また、ｒは熱源（アーク点）からの距離（ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２））、Ｘは溶接方向の距離（cm）、Ｖは溶接速度（cm／ｓ）である。
【００３６】
温度：Ｔ＝(ηｑ／２πλ)＊(１／ｒ)＊(Ｅxp(−(Ｖ＊(Ｘ＋ｒ)／２ｋ)))（℃）
…（１）
図６に示すように、溶接電流Ｉａの増加（Ｉａ＝１００〜３００Ａ）に伴って、熱源後方（−Ｘ方向）の１００℃，３００℃ラインの長さＬ１，Ｌ３及び幅（最大広がり幅）
ｗ１，ｗ３の両方が大きく増加する結果になっている。例えば、２００Ａ（入熱量：Ｑ＝１６ｋＪ／cm，発熱量：ｑ＝４８０cal ）の場合、１００℃ラインの後方長さＬ１が約
１２２mm，幅ｗ１が約７４mmであり、３００℃ラインの後方長さＬ３が約４１mm，幅ｗ３が約４０mmである。一方、溶接電流Ｉａが２００Ａ一定で溶接速度を増加（Ｖ＝２５〜
１５０mm／min ）させた場合には、図７に示すように、熱源後方の１００℃，３００℃ラインの後方長さＬ１，Ｌ３は変化せずに、直角方向の広がり幅ｗ１，ｗ３が減少し、同時に、熱源前方の長さＬ２が減少する結果になっている。この主な理由は、温度Ｔの計算式(１)で発熱量ｑが使用されているため、溶接速度Ｖが変化しても、ｑの値(ｑ＝０.２４＊Ｉａ＊Ｅａ(cal))は一定だからである。なお、溶接速度Ｖを遅くすると、熱源からの後方長さＬ１，Ｌ３は一定でも、熱源前方の長さＬ２が幾分増加するため、合計長さ（Ｌ１＋Ｌ２）は幾分長くなる。また、実際板厚の開先継手を溶接する場合には、上記（１）式より複雑な計算式で解析することになり、１００℃，３００℃ラインの温度分布が非線形で楕円形状も大きくなる。
【００３７】
したがって、前記シールドボックス２１の下面形状は、アーク溶接で出力すべき最大の溶接電流又は入熱量で生じる定常温度分布の解析結果又は測定結果に基づいて、約１００℃以上又は約３００℃以上の温度分布領域をガスシールド可能な大きさの概略楕円形状又はこれと類似形状に製作することにより、前記シールドボックス２１をコンパクトに小型化することができる。また、このシールドボックス２１の下面形状が六角形以上の概略多角形の形状に製作しても、上記と同様に、前記シールドボックスをコンパクトに小型化することができる。
【００３８】
このような形状のシールドボックス２１を継手部材１ａ，１ｂの上部及び溶接線に沿って前記ＴＩＧ溶接トーチ１０に配備又はこのＴＩＧ溶接トーチ１０を含む溶接台車３に配備することにより、多パス溶接が必要な長尺の継手部材１ａ，１ｂであっても、自動溶接及び操作を容易に実施することができる。そして、溶接時に前記温度分布領域をガスシールドするようにトーチノズル１１とシールドボックス２１の両方から不活性ガス３１，
３２を放出することにより、アーク溶接部とその周囲及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドでき、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。
【００３９】
図８は、活性金属材のＵ開先継手の形状及び積層溶接の一実施例を示す断面であり、
（１）は溶接前の開先断面、（２）は積層溶接後の溶接断面を示している。多パス溶接及び酸化防止が必要な活性金属（例えばジルコニウム）の溶接継手の一つであり、Ｖ開先継手やＨ開先継手であってもよい。継手部材１ａ，１ｂの裏面側に裏ビードを形成させる１パス目の初層裏波溶接（Ｐ１）から開先上部の最終層溶接（Ｐｎ）まで順番に積層するようにしている。
【００４０】
図９は、溶接前方の適正位置に配置するＣＣＤカメラで撮像されるアーク溶接部分の状態画像の一例を示すモニタ画面である。ＴＩＧ溶接トーチ１０の電極９先端と継手部材
１ａ，１ｂの開先２ａ内との間に形成するアーク１８、アーク１８直下に形成する溶融プール、このアーク溶接部に送給／溶融する溶接ワイヤ１２の状態画像をモニタ画面３６に表示及び監視可能にしている。このようにアーク画像をモニタ画面３６で監視することにより、溶接線のずれがある継手部材であっても、溶接中に電極位置ずれやワイヤ位置ずれを修正できると共に突発的なアーク溶接の乱れもなくし、常に安定な溶接状態を継続することができる。
【００４１】
図１０は、シールドボックスの後方上部位置に配置する別のＣＣＤカメラで撮像される溶接ビード部分及びその周辺部の状態画像の一例を示すモニタ画面である。シールドボックス２１の後方に形成される開先２ａ内の溶接ビード３８の表面又はこの溶接ビード３８近傍の継手部材１ａ，１ｂ及び熱影響部３９の変色状態をモニタ画面４０で監視することにより、上述したように、ガスシールド効果の良し悪し，溶接品質の良し悪しなどを容易に判定でき、酸化変色のない良好な金属光沢のシールド状態を保持することが可能となる。
【００４２】
以上述べたように、本発明の活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車によれば、多パス溶接及び酸化防止が必要な活性金属の継手部材であっても、溶接パス毎のトーチ高さ変化に対応可能となり、トーチノズルとシールドボックスの両方から不活性ガスを放出して、アーク溶接部とその周囲及び溶接後方の熱影響部分を確実にガスシールドすることができ、酸化及び窒化のない品質良好な金属光沢の溶接部を得ることができる。また、シールドボックスをコンパクトに小型化でき、自動溶接及び操作を容易に実施することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ジルコニウム等の活性金属のアーク溶接で使用される活性金属溶接用シールドボックスや溶接台車に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の活性金属溶接用シールドボックス及び溶接台車の概略構成を示す一実施例である。
【図２】本発明の活性金属溶接用シールドボックスの概略形状を示す側面図である。
【図３】図２に示したシールドボックスの下部形状を示す下面図である。
【図４】図２に示したシールドボックスの上部形状を示す上面図である。
【図５】所定入熱量の熱源（アーク点）がジルコニウム平板上を移動する時の定常温度分布解析の一実施例を示す説明図である。
【図６】溶接電流と入熱量及び温度分布の関係を示す解析例である。
【図７】溶接速度と入熱量及び温度分布の関係を示す解析例である。
【図８】活性金属材のＵ開先継手の形状及び積層溶接の一実施例を示す断面である。
【図９】アーク溶接部の状態画像の一例を示すモニタ画面である。
【図１０】溶接ビード部及び熱影響部の状態画像の一例を示すモニタ画面である。
【符号の説明】
【００４５】
１ａ，１ｂ…継手部材、２ａ…開先、３…溶接台車、４ａ…溶接制御装置、５…ＴＩＧ溶接電源、６…水冷循環装置、７…トーチケーブル、８…トーチホルダ、９…電極、１０…ＴＩＧ溶接トーチ、１１…トーチノズル、１２…溶接ワイヤ、１３…ワイヤガイド、
１４，１５…ＣＣＤカメラ、１６…トーチ取付け機構、１７…給電ケーブル、１８…アーク、１９…溶融プール、２１…シールドボックス、２２…ガス放出板、２３…開口部、
２４，２５…耐熱性シート、２６…ガス供給管、２７，２８…ガス分散パイプ、３０…不活性ガス供給器、３１，３２，３３…不活性ガス、３４…裏ガス供給管、３５…裏当て冶具、３６，４０…モニタ画面、３８…溶接ビード、３９…熱影響部。
【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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