軌道溶接技術自体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、より強力で汎用性の高いものへと進化を続けています。マサチューセッツ州ミドルトンにあるAxenics社の熟練溶接工、トム・ハマー氏へのインタビューでは、この技術が困難な溶接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社
軌道溶接は約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行うための信頼性が高く実用的な方法ですが、一部のOEMやメーカーはまだ軌道溶接機の力を活用しておらず、金属管の接合に手溶接やその他の方法に頼っています。
軌道溶接の原理は何十年も前から存在していますが、最新の軌道溶接機は、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。多くの機種には、実際の溶接前にプログラミングや処理を容易にする「スマート」機能が搭載されているからです。まずは迅速かつ正確な調整を行い、一貫性があり、純度が高く、信頼性の高い溶接部を確保しましょう。
マサチューセッツ州ミドルトンにあるAxenics社の溶接チームは、受託部品製造業者であり、適切な条件が揃っていれば、多くの顧客に対して軌道溶接の手法を指導している。
「可能な限り、溶接における人的要素を排除したかったのです。軌道溶接機は一般的に、より高品質な溶接を実現できるからです」と、Axenics社の熟練溶接工であるトム・ハマーは語る。
溶接は2000年前に初めて行われたが、現代の溶接は非常に高度な技術であり、他の現代的な技術やプロセスに不可欠な要素となっている。例えば、軌道溶接は、今日ほぼすべての電子機器に使用される半導体ウェハーの製造に用いられる高純度配管システムの製造に利用できる。
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を支援するため、受託製造業者を探していました。具体的には、ガスがウェハー製造工程を通過できるようにする、クリーンなステンレス鋼製の流路の製造と設置を依頼しました。
Axenicsでは、ほとんどの管状溶接作業に対応できるよう、軌道溶接装置やトーチクランプ付き回転テーブルを用意していますが、これらによって手溶接が不要になるわけではありません。
ハンマーと溶接チームは、コストと時間といった要素を考慮しながら、顧客の要求事項を確認し、質問をした。
Hammer社が使用している回転式密閉型軌道溶接機は、Swagelok M200とArc Machines Model 207Aです。これらの溶接機は、1/16インチから4インチまでのチューブに対応できます。
「マイクロヘッドを使えば、非常に狭い場所にも溶接できます」と彼は述べた。「軌道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、今日では、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。溶接工はチェーンの上を移動できるので、基本的に溶接できるサイズに制限はありません。20インチのパイプを溶接する装置を見たことがあります。これらの機械が今日できることは、実に素晴らしいものです。」
純度要件、必要な溶接回数、および薄肉であることを考慮すると、軌道溶接はこの種のプロジェクトにとって賢明な選択肢です。エアフロープロセス制御配管工事では、Hammer社は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板を溶接するわけですから。手溶接だと、ほんの少しの調整でも溶接が壊れてしまう可能性があります。だからこそ、オービタル溶接ヘッドを使うんです。オービタル溶接ヘッドなら、チューブの各部分をダイヤルで調整して、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。出力を特定の値まで下げておけば、部品を入れたときに完璧な仕上がりになることが保証されます。手作業だと、調整は目視で行うので、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るんです。」
この仕事は、数百箇所に及ぶ同一の溶接作業から成り立っています。この作業に使用される軌道溶接機は3分で溶接を完了しますが、ハンマー氏が最高速度で作業する場合、同じステンレス鋼管を手動で溶接するのに約1分かかります。
「しかし、機械の速度は落ちません。朝一番に最高速度で動かすと、一日の終わりになってもまだ最高速度で動いています」とハマー氏は語った。「朝一番に最高速度で動かしていますが、結局はそうはなりません。」
ステンレス鋼管への汚染物質の侵入を防ぐことは非常に重要であるため、半導体業界における高純度はんだ付けは、汚染物質がはんだ付け領域に侵入するのを防ぐ制御された環境であるクリーンルームで行われることが多い。
ハンマーは、オービターで使用するのと同じ、あらかじめ研磨さ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の両方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は、密閉された空間で行われることによっても利点があります。タングステンが取り出されると、シェルにガスが満たされ、溶接部が酸化から保護されます。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、ガスが管内をより長く覆うため、一般的に溶接箇所がきれいです。溶接が始まると、溶接工が溶接部が十分に冷えたと確信するまで、アルゴンガスが保護の役割を果たします。
Axenicsは、さまざまな車両の動力源となる水素燃料電池を製造する、多くの代替エネルギー関連企業と提携しています。例えば、屋内使用向けに設計されたフォークリフトの中には、化学副産物が食用作物を汚染するのを防ぐために水素燃料電池を使用しているものがあります。水素燃料電池の唯一の副産物は水です。
顧客の1社は、溶接部の純度や一貫性など、半導体メーカーと同様の要件を多く抱えていました。薄肉溶接には321ステンレス鋼を使用したいと考えていました。しかし、作業内容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、各バルブバンクは異なる方向に突き出ているため、溶接のためのスペースがほとんどありませんでした。
この作業に適した軌道溶接機は約2,000ドルかかり、少量の部品を作るのに使用でき、その費用は推定250ドルです。経済的に見て割に合いません。しかし、Hammer社は手動溶接と軌道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、私は回転テーブルを使います」とハマー氏は言います。「実際には軌道溶接機と同じ動作ですが、タングステン電極をチューブの周りで回転させるのではなく、チューブを回転させます。私はハンドトーチを使いますが、万力でトーチを固定してハンズフリーにすることで、溶接が手の震えや揺れで損傷しないようにします。これにより、人的ミスの要因が大幅に排除されます。密閉された環境で行わないため、軌道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する一方で、ハマー氏と彼の同僚の溶接工たちは、溶接不良によるダウンタイムを防ぐためには溶接の完全性が極めて重要であることを理解している。同社はすべての軌道溶接において、非破壊検査（NDT）と、場合によっては破壊検査を実施している。
「当社で行う溶接はすべて目視で確認します」とハマー氏は言う。「その後、ヘリウム分光計で溶接部の検査を行います。仕様や顧客の要求に応じて、一部の溶接部は放射線検査も実施します。破壊検査も選択肢の一つです。」
破壊試験には、溶接部の極限引張強度を判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する前に耐えられる最大応力を測定するために、試験では金属を破断点まで引き伸ばします。
代替エネルギー関連の顧客による溶接部は、代替エネルギー機器や車両に使用される3チャンネル熱交換器型水素燃料電池の構成部品の溶接部に対して、超音波非破壊検査を受けることがある。
「これは非常に重要な試験です。なぜなら、当社が出荷する部品のほとんどは、潜在的に有害なガスが通過するからです。ステンレス鋼に欠陥がなく、漏れ箇所がゼロであることが、当社にとってもお客様にとっても非常に重要なのです」とハマー氏は述べています。
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