オービタル溶接技術は新しいものではありませんが、特にパイプ溶接においては、進化を続け、より強力で多用途なものとなっています。マサチューセッツ州ミドルトンのAxenics社の熟練溶接工、トム・ハマー氏へのインタビューでは、この技術が溶接の難しい問題を解決するためにどのように活用できるかが明らかになりました。画像提供：Axenics
オービタル溶接は約 60 年前から存在し、GMAW プロセスに自動化をもたらしました。これは、複数の溶接を実行するための信頼性が高く実用的な方法ですが、一部の OEM および製造業者は、金属チューブを接合するために手作業による溶接やその他の戦略に頼っており、オービタル溶接機のパワーをまだ使用していません。
オービタル溶接の原理は数十年前から存在していましたが、新しいオービタル溶接機は、溶接作業者のツールキットにおいてより強力なツールとなっています。多くのオービタル溶接機には、実際の溶接前のプログラミングと処理を容易にする「スマート」機能が搭載されています。迅速かつ正確な調整から始めることで、均一で純度が高く、信頼性の高い溶接部を確保できます。
マサチューセッツ州ミドルトンにある Axenics の溶接チームは契約部品製造業者であり、作業に適した要素がある場合、多くの顧客に軌道溶接の実践を指導しています。
「一般的にオービタル溶接機はより高品質の溶接を行うことができるため、可能な限り溶接における人的要素を排除したいと考えました」と、Axenics の熟練溶接工 Tom Hammer 氏は言います。
最も古い溶接は 2000 年前に行われましたが、現代の溶接は他の現代の技術やプロセスに不可欠な極めて高度なプロセスです。たとえば、軌道溶接は、今日のほぼすべての電子機器に使用されている半導体ウェハーの製造に使用される高純度配管システムを作成するために使用できます。
Axenics の顧客の 1 社は、このサプライ チェーンの一部です。同社は、生産能力の拡大、具体的には、ウェーハ製造プロセスでガスを通過させるクリーンなステンレス鋼チャネルの作成と設置を支援する契約製造業者を探していました。
Axenics では、ほとんどの管状作業にオービタル溶接ユニットとトーチ クランプ付きの回転テーブルが用意されていますが、これらは時折の手作業による溶接を妨げるものではありません。
Hammer と溶接チームは、コストと時間の要素を考慮しながら、顧客の要件を確認し、質問をしました。
Hammer が使用する回転密閉式オービタル溶接機は、Swagelok M200 と Arc Machines Model 207A です。これらは 1/16 ～ 4 インチのチューブを保持できます。
「マイクロヘッドのおかげで、非常に狭い場所にも入り込むことができます」と彼は言いました。「オービタル溶接の限界の一つは、特定の接合部に適合するヘッドがあるかどうかです。しかし、今では溶接するパイプにチェーンを巻き付けることもできます。溶接機はチェーンの上を移動できるので、溶接できるサイズに基本的に制限はありません。…20インチのパイプでも溶接できる設備をいくつか見たことがあります。今日のこれらの機械の能力には驚かされます。」
純度要件、必要な溶接数、および薄い壁の厚さを考慮すると、このタイプのプロジェクトでは軌道溶接が賢明な選択です。空気流プロセス制御配管作業の場合、Hammer は 316L ステンレス鋼を頻繁に溶接します。
「そこが本当に微妙なところです。紙のように薄い金属を溶接するのですから。手溶接では、ほんのわずかな調整で溶接が壊れてしまう可能性があります。だからこそ、私たちはオービタル溶接ヘッドを使うようにしています。これを使えば、チューブの各パーツをダイヤルで調整し、部品を入れる前に完璧な状態に仕上げることができます。出力を特定のレベルまで下げることで、部品を入れた時に完璧な状態になることが分かります。手溶接では、調整は目視で行いますが、ペダルを踏みすぎると材料を貫通してしまう可能性があります。」
この作業には、同一でなければならない溶接が何百箇所もあります。この作業に使用されるオービタル溶接機は、1 回の溶接を 3 分で行います。ハマー氏が最高速度で作業する場合、同じステンレス鋼のチューブを手作業で約 1 分で溶接することができます。
「しかし、マシンの速度は落ちません。朝一番に最高速度で動かすと、一日の終わりまでまだ最高速度で動いています」とハマー氏は言う。「朝一番に最高速度で動かすのですが、結局そうはなりません。」
ステンレス鋼のチューブに汚染物質が入らないようにすることは非常に重要です。そのため、半導体業界では高純度はんだ付けは、はんだ付け領域に汚染物質が入らないように管理された環境であるクリーンルーム内で行われることが多いのです。
ハンマー氏は、オービターで使用するのと同じ、あらかじめ研がれたタングステンをハンドトーチにも使用しています。純粋なアルゴンは、手動溶接とオービタル溶接で外部と内部のパージを提供しますが、オービタルマシンによる溶接も密閉空間で実行できるという利点があります。タングステンが出てくると、シェルがガスで満たされ、溶接部を酸化から保護します。ハンドトーチを使用する場合、ガスは現在溶接されているチューブの片側にのみ吹き付けられます。
軌道溶接は、ガスがチューブをより長く覆うため、一般的にはよりクリーンです。溶接が始まると、溶接者が溶接部が十分に冷えたことを確認するまで、アルゴンが保護を提供します。
Axenics 社は、さまざまな車両に動力を供給する水素燃料電池を製造する多くの代替エネルギー顧客と協力しています。たとえば、屋内用に製造された一部のフォークリフトは、化学副産物が食用ストックを破壊するのを防ぐために水素燃料電池を利用しています。水素燃料電池の唯一の副産物は水です。
顧客の 1 社は、溶接の純度や一貫性など、半導体メーカーと多くの共通する要件を抱えていました。薄壁溶接には 321 ステンレス鋼を使用したいと考えています。ただし、作業は複数のバルブ バンクを備えたマニホールドの試作であり、それぞれが異なる方向に突出していたため、溶接する余地がほとんどありませんでした。
この作業に適したオービタル溶接機は約 2,000 ドルかかりますが、少量の部品であれば推定 250 ドルで作ることができます。経済的にはあまり意味がありません。しかし、Hammer 社は手動溶接とオービタル溶接の技術を組み合わせたソリューションを提供しています。
「この場合、回転テーブルを使います」とハマー氏は言います。「実際にはオービタル溶接機と同じ動作ですが、チューブを回転させるのであって、チューブの周りのタングステン電極を回転させるのではありません。私はハンドトーチを使いますが、トーチをバイスで固定することもできます。ハンズフリーの位置に設置すれば、人の手が震えたり、動いたりしても溶接部分が損傷することはありません。こうすることで、人為的ミスの要因を大幅に排除できます。密閉された環境ではないためオービタル溶接ほど完璧ではありませんが、このタイプの溶接はクリーンルーム環境で行うことで汚染物質を排除できます。」
軌道溶接技術は純度と再現性を提供しますが、Hammer 氏と彼の溶接仲間は、溶接の完全性が溶接の失敗によるダウンタイムの防止に非常に重要であることを知っています。同社では、すべての軌道溶接に非破壊検査 (NDT) を使用し、場合によっては破壊検査も使用します。
「私たちが行う溶接はすべて目視で確認しています」とハマー氏は言います。「その後、溶接部はヘリウム分光計で検査されます。仕様や顧客の要件に応じて、一部の溶接部は放射線透過試験を実施します。破壊試験もオプションで実施可能です。」
破壊試験には、溶接部の最大引張強度を決定するための引張強度試験が含まれる場合があります。316L ステンレス鋼などの材料の溶接部が破損前に耐えられる最大応力を測定するために、この試験では金属を破断点まで引き伸ばします。
代替エネルギーの顧客は、代替エネルギーの機械や車両に使用される 3 チャネル熱交換器水素燃料電池のコンポーネント溶接部に対して、超音波非破壊検査を実施することがあります。
「当社が出荷する部品のほとんどには、潜在的に危険なガスが通過するため、これは非常に重要な試験です。ステンレス鋼に欠陥がなく、漏れ箇所が全くないことは、当社にとってもお客様にとっても非常に重要です」とハマー氏は語る。
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