愛知産業の研究開発

磁気駆動回転アーク現象を利用した高能率配管自動円周溶接技術の紹介と適用事例

1.はじめに

ものづくりの製造プロセスに無数に存在するプロセスパイプは使用する用途によって適用するパイプ材質、形状・寸法等は多種多様である。しかしその接合技術となると一般的にTIG溶接、プラズマ溶接、MAG溶接、サブマージ溶接及び一部でレーザ溶接等が実用的に使用されている。しかしながら日本のもの造りの基盤技術である溶接は作業者の熟練度に左右される極めて信頼性の乏しい技術であり,特に溶接の中でも固定配管の裏波溶接は技術的にも難しく、低生産性に加えて熟練オペレータの養成、高額な設備費等の理由で生産方式の高度化に歯止めがかかっているのが現状であると云っても過言ではない。溶接時間が5〜350秒で終了する磁気駆動回転アークを利用した溶接(MIAB溶接: Magnetically Impelled Arc Butt Welding)はこれら配管溶接作業の高能率化を追求して1980年代前半に日本国内で一時注目されたが、溶接装置が大型化することと溶接品質の再現が困難であることに加え、圧接時に食い違いが発生する傾向にあったことから工場及び現場での適用は中断されている。

当社は近年この磁気駆動回転アーク現象を利用した溶接方法の圧倒的な溶接生産性に着目し、経済産業省が主導する「平成25年度戦略的基盤技術高度化支援事業」を活用し、大阪大学大学院工学研究科の厚意的指導を仰ぎながら2年間にわたりアークの回転原理と現象の把握、アーク回転用永久磁石の配列及び磁力強度がアークの回転速度に与える影響、形成される裏波形状の制御方法等について解析し、その結果を反映した自動溶接装置を開発した。本稿では開発した磁気駆動回転アーク溶接方法を利用した自動溶接装置の特徴とその適用事例を紹介する。

2.溶接原理

第1図は磁気駆動アークの回転原理をイラスト化したものである。パイプ両端部に永久磁石を配置しパイプ端面に磁界を与えることでアークが発生するとアークは高速で回転する。その結果パイプの両端面は加熱され溶融状態に到達する。このタイミングで片方のパイプを高速で圧接すると電磁力で溶融金属はパイプ外周方向に力を受けて盛り上がると同時に金属原子間の拡散が進み完全な接合が得られる溶融圧接方法である。

磁気駆動回転アークの原理
第1図 磁気駆動回転アークの原理

3.溶接法の特徴

磁気駆動回転アーク溶接は第1表に示すように従来の溶接方法で必要とされた熟練技術、開先加工、仮付け溶接等の工程と溶接材料、シールドガス等の副資材を一切必要とせず第2表に示す圧倒的な生産性が期待される溶接法である。一例を挙げればSTPG410、外径60.5mm刀A板厚4.9mmの炭素鋼管をわずか16秒で溶接を完了する能力がある。溶接する配管の外径と板厚にもよるが従来の溶接方法の10〜50倍の生産性が期待される。溶接装置の構成は一般の自動溶接装置によりも比較的単純であるため設備コスト低減とメンテナンス性についても効率的で製造設備に導入し易い。

第1表 溶接方法の相違
溶接方法 磁気駆動回転アーク溶接
【MIAB溶接】
従来溶接方法
【TIG溶接】
熟練技術 不 要 必 要
開先加工 不 要 必 要
溶接材料 不 要 必 要
シールドガス 不 要 必 要
仮付け溶接 不 要 必 要
裏波溶接 比較的簡単 極めて複雑
設備コスト 比較的安価 比較的高価
第2表 溶接生産性比較(STPG410 60.5mm OD 4.9mmT)
溶接方法 磁気駆動回転アーク溶接
【MIAB溶接】
従来溶接方法
【TIG溶接】
開先形状
本溶接時間 0.3分/joint 2.0分/joint
生産量 128ヶ所/時間 1ヶ所/時間
溶接コスト 49円/joint 563円/joint
設備電力量 80KVA 20KVA
溶接生産性 100 1

4.溶接装置構成

開発した自動溶接装置(写真1)は@直流溶接電源Aアーク回転用永久磁石を装着したパイプクランプ機構(写真2)B圧接用サーボシリンダー駆動部(写真3)CPLC及びD制御キャビネットで構成される。

磁気駆動回転アーク自動溶接装置の構成
写真1 磁気駆動回転アーク自動溶接装置の構成

パイプクランプ機構部、シリンダー駆動部
写真2 パイプクランプ機構部              写真3 シリンダー駆動部

溶接ヘッドは適用される配管のアプリケーションに合わせて設計される。写真4はSTPG410、外径60.5mm刀A板厚4.9mmの炭素鋼管を現場サイトで溶接するために設計されたポータブルタイプ溶接ヘッドの一例である。

ポータブル溶接ヘッドの1例
写真4 ポータブル溶接ヘッドの1例

5.アーク回転用永久磁石の最適化

アーク回転用として使用する永久磁石の設計はこの溶接法の最重要課題である。正常な溶接を完成させるためには一定の速度で安定した回転性能を保持する磁石の選定と磁力強度の設計が必要である。この課題に対し(株)東和製作所及び公的試験研究機関大分県産業科学技術センターの協力を仰ぎ、あらゆる角度から磁束等を解析し試作を繰り返しながらアーク回転用永久磁石を最適化した。第2図はSTPG410、外径60.5mm刀A板厚4.9mmの炭素鋼管を対象とした永久磁石の構造の一例をイラスト化したもので数個の磁石チップが1つのケースにちりばめられている。第3図は磁石を上記鋼管に配置したときの鋼管半径方向の断面最下部から最上部に至る磁束密度の推移を示し、最上部に向かって磁束密度が急上昇していることを示す。この時の磁束密度のベクトルを第4図に示す。

永久磁石の構造の1例
第2図 永久磁石の構造の1例

磁束密度の推移
第3図 磁束密度の推移

磁束密度のベクトル図
第4図 磁束密度のベクトル図  磁束密度強度0T(青色)〜0.5T(赤色)

6.シーケンス制御

第5図は溶接シーケンスの一例を示したものである。第1レベルの電流はアークスタートを助長するためパイプ端面同士を接触したままで比較的高い電流を5〜6秒間パイプに通電しパイプ端面の温度を上昇させる。第2レベルは発生したアークの安定性を維持するため2〜3秒間比較的高い電流を投下する。第3〜第5レベルは溶接するパイプの寸法及びパイプ断面積に適応する電流と溶接時間を投下しパイプ端面を均一に溶融させる。第6レベルは1000〜1500Aの電流を0.5秒から1秒間投下し金属間原子を活性化すると同時に1.5から2.0Mpaの圧力でパイプ同士を衝突させてその衝撃で溶融金属の酸化物を外部に押し出し正常な溶融圧接接合を完成させる。

シーケンス制御
第5図 シーケンス制御

7.アーク回転挙動の解析

第6図に示す計測機器と供試体を使用しアークの回転挙動を解析した。供試体はSTPG410、50A(外径60.5mm、板厚4.9mm)の炭素鋼管を使用した。パイプの真上(12時位置)の端面近傍内外面にクロメル熱電対を接地し溶接中のパイプ端面近傍の温度をデータロガーで記録しながら回転中のアークの挙動を高速度カメラで記録し、記録した高速度カメラのコマ数からアークの回転速度を算出した。この解析で適用した溶接条件を第7図に示す。

アークの挙動解析要領
第6図 アークの挙動解析要領

溶接条件(STPG410 60.5mmOD 4.9mmT)
第7図 溶接条件(STPG410 60.5mmOD 4.9mmT)

7-1 アークの回転挙動

写真5はアークが発生して5秒経過した後(3レベル)と10秒経過した後(4レベル)のパイプ隙間を回転中のアークの回転挙動を高速度カメラ(8,000コマ/秒)で記録したもので10秒後にはパイプ両端面はアーク熱で溶融されている。

アークの回転挙動
A)アークスタート5秒後             B)アークスタート10秒後
写真5 アークの回転挙動

7-2 アークの回転速度とパイプ内外面の温度変化

第8図は記録した上記アーク回転挙動の撮影コマ数から算出した溶接経過時間ごとのアーク回転速度の変化をグラフ化したものであり、第9図はこの時のパイプ端面近傍内外面の温度変化をグラフ化したものである。このことから溶接中、アークは電流の増減(第2レベル270A、第3、第4レベル250A)には大きく関係せず、溶接経過時間に伴うパイプ端面近傍の温度上昇に伴い回転速度も上昇する傾向にある。

アークの回転速度
第8図 アークの回転速度

パイプ内外面の温度変化
第9図 パイプ内外面の温度変化

7-3 アーク発生位置と移行形態

アークの発生位置と移行形態を観察するためアークが発生してから5秒及び10秒経過した直後に意図的にアークを遮断し溶融状況を目視観察したパイプ断面の状況を写真6に示す。

アーク発生後のパイプ断面
A)5秒経過後              B)10秒経過後
写真6 アーク発生後のパイプ断面

磁性体である炭素鋼管の溶接ではアークは磁束密度の小さいパイプ端面の最下部で発生し、パイプ端面近傍の温度上昇に伴って回転速度を上昇させながら一筆書きの如くパイプ端面の外面側に向かって規則正しく上昇していることが推測される。

8.回転挙動の原理

7章の解析結果からアークの回転原理を推測した。

1)初期挙動1(アークスタート)
第10図に示すようにアークは磁束密度の大きいパイプ断面の外面側に放電しようとするが磁力差によって磁束密度の大きい外面側から小さい内面側に押し下られ、パイプ断面の内面側のパイプ隙間に放電される。

アークの初期挙動
第10図 アークの初期挙動

2)初期挙動2(パイプの温度上昇)
第11図に示すように溶接経過時間とともにパイプ端面近傍の温度上昇によりパイプ端面の磁化率が低下し溶融域で磁束が低下する。

パイプの温度上昇による磁化率低下
第11図 パイプの温度上昇による磁化率低下

3)中間挙動1(磁束の消失)
第12図に示すように溶融域の温度が770℃に到達すると溶融部近傍の磁束が消失し、アーク点下部の磁束密度が上昇しパイプ外面側磁束より大きくなる。

磁束の消失
第12図 磁束の消失

4)中間挙動2(アーク点の移動開始)
第13図に示すようにパイプ端面の温度上昇により磁気変態が発生しアーク点は磁束密度の大きいパイプ端面の内面側から磁束密度の小さい外面側に向かって規則正しく移動する。

アーク点の移動開始
第13図 アーク点の移動開始

9.溶接品質

開発した自動配管円周溶接装置で作成した溶接継手について日本工業規格「JIS Z 3143突合せ圧接溶接継手の試験方法」に準拠した溶接部の品質確認試験を実施した。その試験結果の一例を第3表第4表第14図第16図に示す。

評価試験体
STPG410.外径60.5mm刀A板厚4.9mm

・引張試験
(試験片形状JISZ3121-3号試験片)

引張試験結果
第3表 引張試験結果

・曲げ試験
(試験片形状JISZ3122-3号試験片)

曲げ試験結果
第4表 曲げ試験結果

・マクロ試験

マクロ試験結果
第14図 マクロ試験結果

・ミクロ試験

ミクロ試験結果
第15図 ミクロ試験結果

・硬さ試験

硬さ試験結果
第16図 硬さ試験結果

前記各試験において溶接継手部の品質に異常な欠陥はなく極めて良好な溶接継手が得られた。

10.適用事例

近年海外ではパイプライン敷設等にかかわる現地溶接工事及びボイラー関連分野等で磁気駆動回転アーク溶接が適用し始めている。日本国内においても自動車関連部品、スプリンクラー等の屋外溶接作業等に検討され始めてきている。以下に海外における磁気駆動回転アーク溶接の適用事例を写真7写真8に紹介する。

10-1 小径パイプラインの屋外溶接

溶接電源、溶接ヘッド等システム1式を移動式ビークルに搭載し屋外で複雑な形状で組まれた外径57mm、板厚3mmの炭素鋼パイプを4人のクルーで400ジョイント(総延長1,400km)溶接し7時間で終了した。

移動式溶接装置を使用した屋外溶接移動式溶接装置を使用した屋外溶接
写真7 移動式溶接装置を使用した屋外溶接

10-2 ガス貯蔵タンクソケット溶接

ガス貯蔵タンクのインレット部T−バット溶接はロシア、ウクライナ、アフリカ等の市場で多く使用されており溶接を3秒で終了する。

ガス貯槽タンクTバット溶接
写真8 ガス貯槽タンクTバット溶接

10-3 ピストンロットの溶接

外径22mm、板厚2.2mmのピストンロッドの溶接を4秒で完了する。

ピストンロッド溶接
写真9 ピストンロッド溶接

11.おわりに

固定管溶接方法はTIG、MAG、フラッシュバット、摩擦接溶接等の方法があるが、磁気駆動回転アークの特徴はその生産性がずば抜けていることにあり要求される品質にもよるがやはり大量生産を求める用途に向いていると考えており自動車の駆動シャフト、建設機械の油圧配管、空調・下水配管、亜鉛メッキ鋼管を使用する融雪管等の業界を調査している。油圧配管は現在開先加工を行いTIG溶接で1〜4パスで溶接しているが生産性が低く、裏波の高さについは0.8mm以下を要求する。今後の研究でこの要求を満足させられるかがキーポイントになる。そのためには引き続き研究を進めていく必要があると考えている。

本稿はいささか専門的な記述になってしまったが業界関係各社の参考となれば幸いである。

謝 辞

本研究開発は平成25年度「戦略的基盤技術高度化支援事業」の一環として実施したものであり協賛協力各社にこの紙面を借りて厚く御礼申し上げる。

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磁気駆動回転アーク現象を利用した高能率自動円周溶接装置の開発

研究開発期間:平成25年度〜平成26年 分野:溶接

川下の抱えるニーズ
 川下分野横断的な共通の事項
 革新的製造プロセスの開発、生産方式の高度化等のプロセスイノベーション

高度化目標
 新しい溶接・接合プロセスの実現と応用

研究開発の背景及び経緯

2011年に発生した東日本大震災により我が国は大幅な電力不足と電力コストの上昇に曝され、もの造りの空洞化は想像以上に進んでいる。日本のもの造り産業のこれまでも、これからも喫緊の課題は高品質で安価な製品をこれまで以上に短納期で安定して供給することができる生産方式を構築することで国際競争力を強化することにある。しかしながら日本のもの造りの基盤技術である溶接は作業者の熟練度に左右される極めて信頼性の乏しい技術であり、特に溶接の中でも固定配管の裏波溶接は技術的にも難しく、低生産性に加えて熟練オペレータの養成、高額な設備費等の理由で生産方式の高度化に歯止めがかかっている現状である。これらの背景から、製品製造ラインに導入を可能とし溶接工程を短時間で然も高品質で連続溶接を可能とする溶接装置の開発要請が強い。

本研究開発は前述した日本のもの造り産業のニーズに基づき、溶接生産性を従来比10〜50倍に飛躍的に向上させることにより圧倒的な製造コストダウンと生産工程の高度化に寄与することを可能とする、革新的溶接技術である磁気駆動回転アーク現象を利用した高能率自動円周溶接装置を開発することを目的とした。

この様な新溶接技術を採用した自動溶接装置が開発されると従来の裏波溶接技術の弱点である低生産性が飛躍的に改善され、また熟練溶接技術者を必要とせず誰でも安定した裏波溶接が溶接材料、溶接ガスを必要としなくても簡単に短時間で完成させることが可能となり、圧倒的な生産方式の高度化が期待できる。

しかしながら、事業化に向けて磁気を利用したアークの回転現象を理論的に解析し、形成される裏波形状の制御方法及び溶接品質等について明確化することが必要となる。そこで本研究開発では日本製永久磁石を利用したアークが回転する現象の把握と適用する磁石の特性と配列及び磁力強度がアークに回転速度に与える影響等について研究を開始し、その結果が反映された自動円周溶接装置を開発した後に最終的に溶接継手品質の健全性を確認することで革新的な溶接生産プロセスを確立するべく研究開発に取り組んだ。


表1 圧倒的生産性の相違

研究開発の概要及び成果

研究初年度は本溶接プロセスに必要とするアーク回転速度を満たす永久磁石の特性を磁場解析結果からシミュレーション化し、この結果に基づいて製作した永久磁石を組み込んだ高能率自動円周溶接装置を完成させた。

高能率自動円周溶接装置の外観
写真1  高能率自動円周溶接装置の外観

研究2年目に入り、初年度に完成させた自動円周溶接装置を利用して磁気駆動アーク現象について解析した結果、アークの回転挙動が理論的に明確化され、溶接条件を最適化することができた。

磁気駆動アーク現象の一例
写真2 磁気駆動アーク現象の一例

溶接サンプルの一例
写真3 溶接サンプルの一例

最終的に溶接されたサンプルはJIS規格「圧接溶接継手溶接品質評価試験」に準拠して評価試験を実施した結果、継手性能の健全性が証明された。

マクロ試験の一例
写真4  マクロ試験の一例

ミクロ試験の一例
溶接部      熱影響部       母材
写真5 ミクロ試験の一例

引張試験の一例
写真6  引張試験の一例

曲げ試験の一例(表曲げ&裏曲げ)
写真7  曲げ試験の一例(表曲げ&裏曲げ)

開発された製品・技術のスペック

本研究開発で溶接条件が最適化された鋼管は炭素鋼管20A(外径27.2mm、板厚2.9mm)〜50A(外径60.5mm、板厚4.9mm)までの鋼管の溶接であるが、適用する永久磁石の磁気回路を、より高い磁束密度で設計・製作することで100A(外径114.3mm、板厚6.0mm)までの溶接条件の最適化は可能である。

ステンレス鋼管の溶接については未だ完成はされていないが、非磁性材料に特化した永久磁石が設計できれば可能性があることまでは突き止めた。引き続き補完研究として継続して研究を推進していく予定にしている。

また、開発された磁気駆動回転アーク現象を利用した高能率自動円周溶接装置は、顧客の要求仕様に合わせて溶接ヘッドの寸法、形状を自由に設計・製作することができるフレキシビリティを持っている。

適用事例1(ショックアブソーバー)
写真8 適用事例1(ショックアブソーバー)

適用事例2(空圧スプリング)
写真9  適用事例2(空圧スプリング)

開発された技術は自動車、建設機械、都市ガス、造船、火力発電設備等適用用途は広いが、現在調査している用途は自動車の駆動シャフト、建設機械に油圧配管空調、下水配管、融雪配管で使用されている亜鉛メッキ配管の用途に向いていると考える。建設機械の油圧配管の溶接では裏波の高さが0.8mm以下に規定されており、この要求が満足されられるかがキーポイントになる。その為には引き続いて装置の改善を進めていく必要がある。

引用 経済産業省 中小企業庁 
関東経済産業局管内成果事例集 26年度 (PDF:26MB)
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