(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状のロータギアの内側に溶接用電極を備え、このロータギアをその円弧中心の回りに回転させることによって溶接用電極を円周状に移動させパイプの外周を溶接するようにしたパイプの自動溶接機であって、上記パイプの長さ方向における上記ロータギアの両側を、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからなる表面粗さ（Ｒａ）が７μｍ以下のロータカバーで、上記ロータギアが回転自在となるように覆ったことを特徴とするパイプ自動溶接機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイナートガスアーク溶接のＴＩＧ、ＭＩＧ溶接用の自動溶接機に関し、特に金属パイプの外周を自動的に溶接する自動溶接機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材同士の接合手段として溶接が一般的に行われている。このうち、金属パイプの端面同士を溶接して接合する場合は、パイプ自動溶接機が用いられる。
【０００３】
図１（ａ）に示すように、このパイプ自動溶接機１は、ロータアダプタ５の中央に貫通孔５ａを有し、この貫通孔５ａの周囲に、外周にギアを備えた真鍮製の円弧状のロータギア４を備え、このロータギア４の内側に、円弧の中心に向かって突出するタングステン電極からなる溶接用電極６を立設してある。また、このロータギア４の外周のギアと係合してロータギア４を回転させるためのギア７を有している。
【０００４】
そして、図１（ｂ）に示すように、この貫通孔５ａの両側から金属製のパイプ３、３の端面を挿入して当接させた状態で、上記ギア７によってロータギア４を回転させ、溶接電極６の先端がパイプ３の外周を移動しながら端面同士を溶接してゆくようになっている。
【０００５】
このパイプ自動溶接機１の内部構造は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、上記ロータギア４、ギア７をそれぞれ回転自在となるように、両側からロータカバー２、２で挟み込んで保持してある。さらに、その外側を貫通孔５ａを有するロータアダプタ５で覆った構造となっている。
【０００６】
いま、不図示の駆動手段でギア７を回転させればロータギア４を回転させることができ、溶接電極６の先端が貫通孔５ａの内周を回転移動できるようになっている。したがって、貫通孔５ａの両側からパイプ３、３の端面を挿入して当接させ、不図示の通電手段で溶接電極６に電圧を印加し、パイプ３との間の放電で溶接しながら、上記ロータギア４の回転により溶接電極６をパイプ３の外周にそって回転移動させれば、パイプ３の端面同士の外周を完全に溶接することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このパイプ自動溶接機は長期間にわたって連続使用を行うことができないという問題があり、その原因の一つに、溶融金属のスパッタ付着がある。例えば溶接作業においては、高温に加熱された溶融金属がスパッタ現象により周囲に飛び散り、パイプ自動溶接機の各部品や製品等に付着することが避けられない。このとき、特にロータカバー２に溶融金属がスパッタ付着すると、穴があいてしまう等の不良となり、交換を頻繁に行わなければならなくなるとともに、製品をも不良としてしまう等の不都合があった。
【０００８】
そこで、溶融金属のスパッタ付着を防止するために、耐熱性プラスチックを材質としたロータカバー２が用いられていたが、これでも溶融金属のスパッタ付着量を著しく減少させることはできず、溶融金属の付着に伴う急激な温度変化により、表面部変形や肌荒れ、穴空き等を起こし易く、長期間の連続使用に耐えることができなかった。また、耐熱性プラスチックは、温度が上がると熱的破壊やボイド放電破壊により絶縁耐力が急激に低下するという問題もあった。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑み、溶融金属のスパッタ付着を著しく減少させることができるとともに、長期間の連続溶融を可能とする耐久性能に優れたパイプ自動溶接機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、円弧状のロータギアの内側に溶接用電極を備え、このロータギアをその円弧中心の回りに回転させることによって溶接用電極を円周状に移動させパイプの外周を溶接するようにしたパイプ自動溶接機であって、上記パイプの長さ方向における上記ロータギアの両側を、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからなる表面粗さ（Ｒａ）が７μｍ以下のロータカバーで、上記ロータギアが回転自在となるように覆ったことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態について詳述する。
【００１３】
図１、２に示すように、本発明のパイプ自動溶接機１は、外周にギアを備えた真鍮製の円弧状のロータギア４の内側に、円弧の中心に向かってタングステン等のワイヤからなる放電電極６を立設し、このロータギア４の外周のギアと係合してロータギア４を回転させるためのギア７を備えている。そして、図３に示すように、これらのロータギア４、ギア７をそれぞれ回転自在となるように、両側から上記ロータカバー２、２で挟み込んで保持し、さらにその外側を、図１、２に示すような貫通孔５ａを有するロータアダプタ５で覆うことによって、パイプ自動溶接機１を構成してある。
【００１４】
いま、不図示の駆動手段でギア７を回転させればロータギア４を回転させることができ、溶接電極６の先端が貫通孔５ａの内周を回転移動できるようになっている。したがって、図１（ｂ）に示すように、貫通孔５ａの両側からパイプ３、３の端面を挿入して当接させ、不図示の通電手段で溶接電極６に電圧を印加し、パイプ３との間の放電で溶接しながら、上記ロータギア４の回転により溶接電極６をパイプ３の外周にそって回転移動させれば、パイプ３の端面同士の外周を完全に溶接することができる。
【００１５】
なお、ロータアダプタ５は上下に２分割できる構造であり、その貫通孔５ａは溶接するパイプ３と同じ径としておくことによって、この貫通孔５ａに挿入したパイプ３を確実に保持することができる。
【００１６】
また、図４に示すように、ロータカバー２は、パイプを挿入するための貫通孔２ａと、ロータギア４を覆う円弧部２ｂを有しており、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスにより、表面粗さ（Ｒａ）を７μｍ以下として形成されている。
【００１７】
上記溶接作業の際に、ロータギア４の両側をロータカバー２で覆っているため、溶融金属によるスパッタが主にロータカバー２に飛散することになるが、ロータカバー２を上述したようなセラミックスで形成してあるため、溶融金属の付着を防止し、耐久性に優れ、長期間使用することが可能となる。
【００１８】
ここで、上述した効果を奏するためには、ロータカバー２を成すセラミックスとして、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上、好ましくは５５０℃以上のものを用いる。なお、耐熱衝撃性ΔＴとは、セラミックスの試料をある温度に加熱した後、室温まで急冷した場合に、急激な強度変化が生じない最高温度のことを言う。
【００１９】
そして、本発明では、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上であるような耐熱衝撃性に優れたセラミックスでロータカバー２を形成することにより、従来の耐熱性プラスチック製のものに比べて溶融金属のスパッタ付着が飛躍的に減少するのである。この耐スパッタ付着性の飛躍的な向上は、ロータカバー２の高い熱衝撃性により、ロータカバー２表面での急激な温度変化に対する抵抗力が増したためと考えられる。
【００２０】
つまり、耐熱衝撃性の低いロータカバー２表面では溶融金属のスパッタ付着に伴う急激な温度変化により表面部に微細な亀裂や肌荒れが生じ、このために溶融金属が付着しやすくなり、長時間の使用による耐スパッタ性能の維持が困難であったと考えられる。これに対して、本発明の耐熱衝撃性の高いセラミックスからなるロータカバー２では、表面の微細な亀裂や肌荒れが抑制され、この高い耐スパッタ性能により長時間の連続溶接が可能となったものと考えられる。
【００２１】
また、この高い耐熱衝撃性は、特にロータカバー２の加熱冷却の繰り返し使用に対しても有効であり、加熱冷却を繰り返したロータカバー２表面でも微細な亀裂の発生及びその進展を抑制することができ、肌荒れも抑えられる。一方、セラミックスは摺動性、耐摩耗性にも優れているため、昇温と降温、ロータ回転を繰り返す溶接での連続使用においても、溶融金属のスパッタ付着を抑制でき、長時間の使用に対する耐久性は従来材に比べて一層優れている。
【００２２】
さらに、この高いスパッタ性能により、ロータカバー２とパイプ３間の距離を大きくする必要がなくなり、パイプ３の直径に対しロータカバー２のコンパクト化が図れることとなる。
【００２３】
また、従来のロータカバーを用いた自動溶接機では、溶接電流を上げて溶接するとロータカバーにスパークして穴が空いたり、絶縁破壊を生じて、製品を不良としてしまう等の不都合があるためにワークとなるパイプの肉厚に限界があり、自動溶接機の能力を十分に発揮できなかった。これに対して、本発明のロータカバー２を用いたパイプ自動溶接機１では、溶接電流を高くすることが可能で、十分にその能力を発揮することができる。
【００２４】
さらに、ロータカバー２を成すセラミックスとしては、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いる。これは、熱伝導率が上記範囲よりも小さいと、パイプ自動溶接機１を使用した時に、ロータカバー２の温度上昇が遅くなり、スパッタにより飛散した溶融金属との温度差が大きくなって、この溶融金属がロータカバー２表面で急激に冷却され、固化しやすくなるためである。
【００２５】
また、ロータカバー２の耐スパッタ性を更に向上させるためには、上記セラミックスの比熱が８００Ｊ／ｋｇ・Ｋ以下であることが好ましい。これは、ロータカバー２の温度上昇を速くして、飛散した溶融金属との温度差を小さくするためである。
【００２６】
さたに、ロータアダプタ４の内側に配置されるロータカバー２の円弧部２ｂの肉厚を薄く形成することによって耐スパッタ付着性をより一層向上させることができる。これは、溶接の初期において、ロータカバー２の円弧部２ｂが加熱されやすくなり、ロータカバー２に飛散してくる溶融金属と上記円弧部２ｂの温度差が常に小さくなるため、溶融金属のスパッタ付着が抑制され、表面の肌荒れや熱衝撃による亀裂の発生が抑制されるためと考えられる。上記の効果を奏するためには、円弧部２ｂの肉厚を３ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２７】
また、ロータカバー２のうち、最もスパッタ付着が起きやすい円弧部２ｂの表面粗さは中心線平均粗さ（Ｒａ）で７μｍ以下とし、好ましくは、２μｍ以下とする。円弧部２ｂの表面粗さをこのように平滑にすることによって、スパッタにより飛散してくる溶融金属が表面に付着しにくく、付着しても自重により表面から脱落しやすくなるとともに、溶融金属が表面に付着して固化固着したとしてもその除去作業が容易であり短時間ですますことができる。
【００２８】
さらに、ロータカバー２を成すセラミックスとしては、室温から１０００℃までの抗折強度が、ＪＩＳＲ１６０１に準拠する３点曲げ強度で２０ｋｇ／ｍｍ２以上のものを用いることによって、ロータカバー２の耐久性を一層向上させることができる。これは、高温強度の高いセラミックスを使用することにより、高温時における、表面粗さの低下や表面での欠陥発生が少なくなり、高温使用環境下から室温まで冷却されても使用前と同等の表面状態が保持され、繰り返し使用時に溶融金属が一層付着しにくくなるためである。
【００２９】
しかも、上記の高強度のセラミックスを用いることにより、ロータカバー２の強度が高まり、付着物を除去する際においてもロータカバー２の欠損が起こりにくくなり、又作業時におけるロータカバー２への衝撃に対しても破損等を防止することができる。さらには、高強度のセラミックスを用いることで肉厚の薄いロータカバー２の作製も容易となる。
【００３０】
また、ロータカバー２を構成するセラミックスは気孔率が３％以下であり、かつ最大気孔径が２０μｍ以下であることが好ましい。気孔率が３％を超えるか又は最大気孔径が２０μｍを超えると、強度の低下を招くとともに、この気孔が飛散してくる溶融金属をトラップし、これを起点として更に溶融金属の付着が進行するからである。
【００３１】
これらの特性を満たすセラミックスとしては、窒化珪素質セラミックス、ジルコニアセラミックス、高純度アルミナセラミックス等を用いる。
【００３２】
窒化珪素質セラミックスとしては、９１〜９５重量％の窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とし、焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等を５〜９重量％の範囲で含有するものを用いる。また、このセラミックスの平均結晶粒径を５μｍ以下、好ましくは２μｍ以下とすることにより、強度特性が一層向上するとともに優れた耐摩耗性が得られる。
【００３３】
また、この窒化珪素質セラミックスでロータカバー２を製造する場合は、上記組成の原料粉末にバインダーと溶媒を添加して混合粉砕した後、造粒し、この造粒体を冷間静水圧加圧法により所定の形状に成形した後、１７００〜１８５０℃の温度にて焼成し、得られた焼結体を研削加工することによって得ることができる。
【００３４】
さらに、ジルコニアセラミックスとしては、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）を主成分とし、安定化剤としてＹ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ2 、Ｄｙ2 Ｏ3 等の一種以上を含有してなり、正方晶の結晶を主体とする部分安定化ジルコニアセラミックスを用いる。
【００３５】
また、高純度アルミナセラミックスとしては、９９重量％以上のＡｌ2 Ｏ3 を主成分として、焼結助剤としてＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯ等を含むものを用いる。
【００３６】
以上のセラミックスの中でも、特に窒化珪素質セラミックスを用いれば、溶融金属が付着しにくく、機械的特性に優れたロータカバー２を得ることができる。
【００３７】
また、本発明のロータカバー２は上記セラミックスによって全体を形成しても良いし、溶融金属のスパッタ付着が起こりやすい内周部のみを上記セラミックスで形成し、他材質と接合して構成することもできる。さらに、本発明のパイプ自動溶接機１では、ロータカバー２を上記セラミックスで形成したことにより、ロータカバー２の内部にスス等の酸化物が付きにくいため、スパークがなく一定のアークを得ることができ、溶接用電極６として用いるタングステン電極の消耗が少なく、溶接が安定しているため溶融金属がきれいに溶け込み、パイプ３の内側にきれいな裏波が得られる等の効果がある。
【００３８】
【実施例】
実験例１
本発明の実施例として、図４に示すロータカバー２を窒化珪素質セラミックスで製造した。
【００３９】
まず、９５重量％のＳｉ3 Ｎ4 を主成分とし、かつ焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 等の希土類元素酸化物を２重量％、さらにＡｌ2 Ｏ3 を３重量％含有する原料を調合し、バインダーと溶媒を添加して回転ミルにて混合粉砕した後、スプレードライヤーにて造粒する。この造粒体を冷間静水圧加圧法により成型し、真空脱脂して１８００℃の焼成温度で焼成した。この焼結体を研削加工等により図４に示す形状のロータカバー２を作製した。
【００４０】
また、その他の材質として、安定化剤としてＹ2 Ｏ3 を含む部分安定化ジルコニアセラミックス、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が９６重量％、９９重量％のアルミナセラミックス、従来の耐熱性プラスチックを用いて、同じロータカバー２を作製した。なお、いずれも全体を３．０ｍｍの均一な肉厚とした。
【００４１】
各ロータカバー２を用いてイナートガスアーク溶接のＴＩＧ溶接用のパイプ自動溶接機１に取付け、ステンレス製で直径９．５２ｍｍ、肉厚１ｍｍのパイプ３の自動溶接を行った。その後、溶融金属のスパッタ付着量を求めると共に、付着した金属を除去した後のロータカバー２の表面状態を観察した。また、各材質の耐熱衝撃性ΔＴ、熱伝導率、曲げ強度を測定した。結果は表１、２に示す通りである。
【００４２】
なお、ここで耐熱衝撃性△Ｔとは、一定温度に加熱したサンプルを室温まで急冷した時、サンプルの強度変化が起こらない温度差を言う。但し、耐熱プラスチックについては、連続耐熱温度の数値を示した。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。さらに、曲げ強度はＪＩＳＲ１６０１に規定する３点曲げ強度を求めた。また、スパッタ付着量は、耐熱性プラスチックを１とした時の相対値を示す。
【００４３】
この結果から、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上で、かつ熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからなるロータカバー２を用いることによって、溶融金属のスパッタ付着量が大幅に抑制され、かつロータカバー２表面の肌荒れや亀裂の発生を防止できることがわかった。
【００４４】
【表１】
0004044670.tif 000002
【００４５】
【表２】
0004044670.tif 000003
【００４６】
実験例２
次に、実験１と同様の材質を用いて作ったロータカバー２をパイプ自動溶接機１に取付け、実験１と同様の条件で金属製のパイプ３の連続溶接を行い、ロータカバー２の寿命比較を行った。結果は表３の通りである。
【００４７】
この結果から、耐熱プラスチック製ロータカバーでは、１００個の連続溶接にも耐えられないのに対し、本発明の範囲内である99％アルミナ、ジルコニア、窒化珪素質セラミックスからなるロータカバーでは、溶接個数が飛躍的に伸びていることがわかる。
【００４８】
【表３】
0004044670.tif 000004
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、円弧状のロータギアの内側に溶接用電極を備え、このロータギアをその円弧中心の回りに回転させることによって溶接用電極を円周状に移動させパイプの外周を溶接するようにしたパイプ自動溶接機であって、上記パイプの長さ方向における上記ロータギアの両側を、耐熱衝撃性ΔＴが２００℃以上、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックスからなる表面粗さ（Ｒａ）が７μｍ以下のロータカバーで、上記ロータギアが回転自在となるように覆ったことによって、溶融金属のスパッタ付着量を飛躍的に減少させることができ、長時間にわたって良好に使用可能なパイプ自動溶接機を提供できる。
【００５０】
また、本発明のパイプ自動溶接機では、ロータカバーと金属製のパイプ間の距離を小さくしてコンパクト化が図れるとともに、溶接電流を上げて溶接することも可能となることから肉厚の厚い金属製のパイプの溶接も可能となり、さらにロータカバーの内部にスス等の酸化物が付きにくいためスパークがなく、一定のアークを得ることができ、溶接用電極として使用するタングステン電極の消耗も少なく、溶接が安定しているため溶融金属がきれいに溶け込み、パイプの内側にきれいな裏波が得られる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）本発明のパイプ自動溶接機の外形を示す図である。
【図２】（ａ）は図１（ｂ）中のＹ−Ｙ線断面図、（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本発明のパイプ自動溶接機の分解斜視図である。
【図４】本発明のパイプ自動溶接機におけるロータカバーを示す図である。
【符号の説明】
１：パイプ自動溶接機
２：ロータカバー
３：パイプ
４：ロータギア
５：ロータアダプタ
６：溶接用電極
７：ギア
【図１】
0004044670.tif 000005
【図２】
0004044670.tif 000006
【図３】
0004044670.tif 000007
【図４】
0004044670.tif 000008