GTAWが熱くなれるかも

GTAW ホットワイヤ (GTAW-HW) では、加熱されたワイヤ (右側) が、タングステン電極 (左側) からのアークによって生成された溶融池の背面に向かって送られます。

自動パイプ溶接アプリケーションを考えてみましょう。おそらく、ルートパスにはワイヤ給電ガスタングステンアーク溶接 (GTAW) プロセスを使用し、その後停止して、充填とキャップのフラックス入りアーク溶接 (FCAW) またはサブマージアーク溶接 (SAW) プロセスに切り替えることになるでしょう。通ります。これを行うには、パイプを別の溶接ステーションに移動するか、電源とトーチのセットアップを交換します。

確かに一般的な手順ですが、時間がかかります。問題は、ルートパスとフィルパスに別個のプロセスを使用する代わりに、自動化された GTAW 電源、ワイヤフィード、トーチを維持し、ワイヤを加熱するだけではどうでしょうかということです。 GTAW ホットワイヤ (GTAW-HW) プロセスを使用しないのはなぜでしょうか? 石油・ガス業界、特に被覆材における GTAW-HW の歴史的な成功を考慮すると、これは突飛な概念ではありません。

もちろん、これは特定のパイプ溶接用途には当てはまらず、GTAW-HW は、たとえばツインまたはタンデム SAW の溶着速度を上回ることはできません。しかし、実際には、ある溶接プロセスが他の溶接プロセスを上回るという単純な問題ではありません。パイプ溶接のすべての溶接パスに対して同じ機器を維持することで、切り替えが不要になり、オペレータのトレーニングが簡素化され、占有床面積が少なくなります。

低い堆積率と遅い移動速度が GTAW のアキレス腱となっています。製造全体にわたって、工場がロボット工学などによって GTAW を自動化している場合、それはおそらく、厳しい溶接品質要件がそれを要求しており、スループット要件が手動プロセスには大きすぎるためであると考えられます。しかし、GTAW は遅い必要はなく、そこに GTAW-HW の真の可能性があります。

GTAW-HWは2つの独立した電源を使用します。 1 つはタングステン電極に通電して溶接アークを生成します。もう 1 つはアークをまったく発生させず、代わりに電気抵抗を使用して、コンタクトチューブ (ガスメタルアーク溶接のコンタクトチップと同様) を通って溶接池に送られるワイヤを加熱します。

タングステン電極からのアークは単純に母材金属を溶かして溶接池を作成します。別の機構がワイヤを接触チューブを通して溶接池に送り込みます。コンタクトチューブは熱線電源によって通電され、タングステン電極の後ろ（場合によっては横）の溶接池に入るときに、電気抵抗によってワイヤを融点のレベルまで予熱します。ワイヤは融点まで加熱されるため、溶接池が冷えることはなく、ワイヤが溶けて溶融池を横切って溶接の端まで流れるときに良好な濡れが促進されます。

ワイヤの加熱は接触管と溶接池の間で発生することに注意してください。また、延長ワイヤがトーチのシールドガスカップの下にある限り、ホットワイヤトーチに別のガスシールドは必要ありません。

ワイヤを加熱すると、堆積速度が高まります。また、溶接金属と母材間の希釈も低減できます。このような設定では、平らな位置で溶接する場合は 1 時間あたり 12 ポンド以上、2 ～ 8 ポンドの溶接金属が堆積することが知られています。 2G（水平）位置で1時間あたり。場合によっては、GTAW-HW は従来の GTAW の 4 倍の速度で溶接できます。

GTAW-HW プロセスは機械溶接用に設計されており、手動操作には実用的ではありません。これは、ワイヤを一定の速度で規定の領域 (通常は溶融池の後方部分) に供給する必要があるためです。そこが溶接池が最大になる場所であり、ワイヤが最大のターゲットとなります。これはワイヤ衝突点と呼ばれ、ワークピースに合わせて設定することは、熱線セットアップの重要な部分です。また、トーチの高さとワイヤ上のチップからワークまでの距離を一定に維持する必要もあります。手動操作では制御するには変数が多すぎます。

GTAW トーチに隣接して配置されたコンタクトチューブは、GMAW トーチの端に非常によく似ていますが、同じように動作することは望ましくありません。つまり、別のアークが発生するほどエネルギーが高まることは望ましくありません。このアークにより、タングステン電極からわずか 0.125 インチ離れたところでスパッタが発生し、電極が汚染されます。

ツイントーチ GTAW-HW がパイプの内径を被覆します。

このため、熱線電源 (この場合も、タングステン電極に通電する電源とは別のもの) は、アークの発生を防ぐように設計されています。アーク放電には最低電圧が必要であり、初期開回路電圧 (OCV) と動作電圧の両方でシステムがそのしきい値を下回っている場合、アーク放電は発生しません。

これほど低い OCV を必要とする電気溶接電源は他にはほとんどありません。シールド金属アーク溶接 (SMAW)、GMAW、SAW などの他のプロセスでは、アークの開始を助けるために高い OCV が必要です。 GTAW-HW のホットワイヤ電源は、OCV が動作電圧とほぼ同じになるように低いことを目指しています。

これは回路またはソフトウェアによって実現でき、その詳細は電源設計に深くまで入り込む可能性があります。しかし、特に回路に関しては、その設計は目新しいものではありません。 1960 年代、文字通り電源設計に関する本 (溶接電源ハンドブック) を執筆した溶接エンジニアのガスマンツは、OCV を動作ボルトと同等にする定電圧変圧器を使用しました。

最新のシステムでは電子位相角点弧回路またはインバーター技術が使用されていますが、考え方は基本的に同じで、システムが動作する電圧と同じになるように OCV を抑えるというものです。繰り返しになりますが、OCV 電圧と動作電圧は両方とも非常に低く (場合によっては 3 V 未満であるため)、アーク放電は発生しません。他の電源では、ソフトウェアを使用して同じ結果を達成し、アーク形成の電気的特性を検出し、アークが発生する前に調整します。

GTAW-HW は 2 つの独立した電源を使用するため、多少のアークの偏りは避けられません。熱線電源はアークを生成しませんが、タングステン電極上のアークと相互作用する電磁場を生成します。

どちらの電源も直流 (DC) または交流 (AC) で動作できます。 GTAW トーチの電源としては DC が最も一般的です。熱線電源の場合、AC がプロセスを促進する傾向があります。その電磁場は溶接池内で溶接アークを前後に偏向させ、撹拌効果を生み出します。これにより、エッジの濡れが改善され、溶接池内の表面酸化物が分解され、介在物が最小限に抑えられます。

熱線電源の AC もアークを前後に振動させ、アークを順方向に曲げます。これにより、いわゆる電極追従が促進され、より高速な移動速度が可能になります。従来、トーチはアークが遅れるまでに限られた速さでしか移動できませんでした。電極追従シナリオでは、振動アークは後方よりも前方に掃引し、トーチの移動速度を高速ギアにする電気的特性を生成します。

熱線電源は定電流 (CC) で動作しますが、通常は定電圧 (CV) の方が有利です。 CV の状況では、オペレータはアーク内で「パチン」という音が聞こえるまで熱線電圧を上げ、その後その点 (約 0.1 V) のすぐ下まで電圧を下げます。そこからプロセスは自己調整され、自己適応するようになります。ワイヤの突き出しが増加すると、電流は低下します。ワイヤ送給量が増加すると、電流が増加し、電圧は一定に保たれ、アークが発生するレベルを安全に下回ります。

CV 熱線電源の特性は GMAW の特性と似ています。ワイヤの送り速度が増加すると電流が増加し、ワイヤの突き出しが増加すると電流が減少します。とはいえ、熱線電流の変化は溶接ワイヤを溶かすためにのみ使用されるため、溶接ビードの溶け込みにほとんど影響しません。

GMAW と同様に、GTAW-HW は実用的な最大直径のワイヤを選択することでメリットが得られる傾向があります。直径が大きいワイヤは安価であり、ワイヤが大きいため、より遅いワイヤ送り速度でもより多くの堆積が可能になります。これにより、コンタクトチューブの寿命が向上します。また、ワイヤが大きくなると、溶接全体の体積に関連する表面積が減少するため (表面対溶接体積の比率が低くなり)、溶接部の汚染が最小限に抑えられます。また、ワイヤーが大きいほど剛性が高く、ふらつきにくくなります。また、ワイヤの直径は単に金属を溶融池に析出させるだけなので、溶け込みには影響しません。溶接の溶け込みは、溶接アークに流れる電流の関数です。

GTAW-HW は交差する穴の表面を被覆します。

加熱された溶加材のおかげで、タングステン電極からのアークは、従来の (コールドワイヤ) GTAW よりもはるかに少なくなります。従来のコールドワイヤ GTAW では、アークの熱で母材と追加の溶接ワイヤを溶かす必要がありました。

従来の GTAW では冷気が追加され、ワイヤは通常、アークの前の溶接池の前縁に導入されます。 GTAW-HW では、アークのエネルギーの大部分を溶接池の作成に当て、追加されたワイヤを溶かさないようにできるため、加熱された溶加材によって溶着速度と移動速度が向上します。これにより、従来の GTAW の溶接品質が得られますが、より生産性の高いパッケージになります。

このプロセスが非常に低い希釈率でも優れた溶融を達成できる理由の 1 つは、アークの熱が母材金属を溶かし、熱線が電極の後ろの溶接池の後ろに追加されるという事実です。ワイヤが溶接池に入る前に加熱することも役立ちます。ワイヤが融点まで加熱されると、ワイヤ上の表面不純物、伸線潤滑油、および供給助剤が燃え尽きます。

これらすべてにより、GTAW-HW は石油・ガス業界の注目を集めるようになりました。石油産業が掘削を続けるにつれて、抽出される石油は酸っぱくなる可能性が高くなります。サワーオイルは保護されていない鋼と反応し、水素による亀裂を引き起こします。この問題は、数十億ドル（「b」が付いている十億ドル）の故障を引き起こしています。高コスト、長いリードタイム、複雑な形状の海底油田部品にとって、不合格率が非常に低い高品質の溶接により、GTAW は理想的な製品となっています。しかし、大量の溶接金属が必要となるため、ホットワイヤプロセスによる生産性の向上が不可欠になります。

石油およびガス業界の多くは、溶接被覆材の化学的性質が 5% 未満の鉄であることを要求する基準に基づいて取り組んでいます。このような低希釈レベルを達成するには、業界は GTAW-HW のような低希釈プロセスに依存する必要があります。

石油およびガスの被覆用途の多くは、複雑で困難な形状を必要とし、その合格基準は非常に厳しく、染料浸透試験や超音波試験などの検査技術が必要となります。

いくつかのセットアップを設計することは、ボトルの中で船を造ることに似ています。トーチとワイヤの送りが直径 5 インチの高さ 40 フィートに達することも珍しくありません。パイプ、または 2 つの交差する穴の交差点にあるバルブの内側 3 フィート。これらの重要なアプリケーションには、集中的なアーク監視や、場合によってはビデオカメラが含まれます。アンペア、ボルト、移動速度、その他すべての変数はリアルタイムで追跡され、プロセスを許容範囲内に保ちます。

これらの部品の多くは高強度、低合金 (HSLA) 材料であるため、予熱する必要があります。 CAD モデルから生成されたロボットプログラムでは熱の増加が考慮されていないため、オペレーターは手動でティーチングを実行する必要があります。それでも、教えるのにそれほど時間はかかりません。開始点と終了点を設定すると、そこからソフトウェアがオペレータの介入なしで、その間にある数十、場合によっては数百の溶接開始点と終了点を計算します。溶接後、これらの重要な部品は炉で溶接後熱処理 (PWHT) され、母材の熱影響部の硬度が低下し、硬度が要求仕様内に保たれます。

PWHT は長時間のプロセスになる可能性があり、何度も実行すると部品の品質に影響を与える可能性があります。部品に欠陥があり再溶接が必要な場合は、ある程度のコストがかかりますが、コストはそれだけではありません。高価な部品を廃棄する必要がある前に、PWHT を実行できる回数は限られています。この環境では溶接欠陥が許容されません。これが、これらおよび他の石油およびガス用途が長い間 GTAW-HW に依存してきた理由でもあります。

GTAW-HW には、これらの困難なアプリケーションの信頼性と再現性をさらに高める固有の特性がいくつかあります。これは低煙プロセスであり、狭い空間や閉ざされた空間での煙や微粒子に関連する問題を排除します。ワイヤは、トーチアセンブリの後ろから、ワイヤが確実に溶接池に到達できるように、できるだけ真っ直ぐに設計された導管を通って直接供給されます。また、GMAWのような溶接スパッタもありません。

GTAW-HW は 2 つの電源を使用します。1 つは GTAW トーチに電力を供給し、もう 1 つはワイヤを加熱します。

プールにワイヤを供給する位置、つまりワイヤ衝突点は重要ですが、少なくとも GMAW と比較した場合、供給速度の一貫性はある程度寛容です。 GTAW-HW は本質的に、わずかなフィードの変動に対してより耐性があります。この背後にある理由はプロセスの特性に遡ります。ワイヤの送りが一時的に停止したり、トーチの移動速度が低下したとします。 GMAW では、このような変化によりアークが乱され、溶接スパッタが増加したり、アークが完全に消えたりする可能性があります。 GTAW-HW はワイヤの抵抗加熱に依存しており、このプロセスはワイヤの送りや移動の変動の影響を受けにくいと思われます。

GTAW-HW は非常に安定した低希釈特性で知られていますが、これは必ずしもプロセスを精密被覆に限定するものではありません。従来の溝継手形状を使用する場合でも、GTAW-HW のアークの熱は、ワイヤの送り速度とは無関係に継手の貫通と側壁の融着を制御します。溶着速度は、溶接品質を犠牲にすることなく、1 ～ 12 ポンド/時間の間で変化します。

ホットワイヤアプリケーションは GTAW を超えて拡張されます。実際、プラズマアークやレーザービーム溶接などのプロセスでは、加熱されたワイヤーの恩恵を受けることができます。特にレーザー溶接の場合、熱線フィードを統合することで、レーザー単独で行うよりもはるかに多くの溶接を、コストを削減して行うことができます。それは、(レーザー内の) 1 ワット (W) の光子は、(ワイヤーの抵抗加熱内の) 1 W の電子に比べて非常に高価であるためです。

多くのエンジニアや工場管理者は、重要な溶接作業には時間がかかるだけで、スループットの向上は望めないと考えているかもしれません。しかし、熱線の可能性が状況を変えました。

最も広い意味で、加熱ワイヤには、業界全体の数多くの重要な溶接プロセスの生産性レベルを向上させる可能性があります。熱線装置を導入する溶接電源メーカーが増えているため、溶接部門は別の選択肢を検討する必要があります。

Arc Specialtys の社長は Dan Allford で、テクニカルサービスのマネージャーは Dave Hebble です。

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