JP2000237875A - 小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小径鋼管の溶接鋼管において高速かつ溶接ビ
ードにアンダカット、ハンピングビード等の欠陥が発生
しない高速プラズマ溶接造管方法を提供する。 【解決手段】 フープを連続的に管状に成形しエッジ面
をプラズマ溶接により溶接する小径鋼管の高速プラズマ
溶接造管方法は、シールドガス９を主成分の不活性ガス
に空気を５〜４０％混合するガスを使用することで、ア
ンダカット１２、ハンピングビード１３等の溶接ビード
不良の発生を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフープを連続的に管
状に成形し、エッジ面をプラズマ溶接により溶接する小
径鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接鋼管製造のための溶接方法として、
高周波溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接、プラ
ズマ溶接等がある。これらの中で高周波溶接が最も生産
性に優れているが、溶接用フラックス入りワイヤ製造す
るための小径鋼管を溶接する際には、電磁力によりフラ
ックス中の磁性成分が溶接部に入り溶接欠陥となるため
適さない。そこで、主としてＴＩＧ溶接、プラズマ溶接
が用いられるが、溶接速度が遅いため、生産性の低いの
が問題となっている。

【０００３】従来のＴＩＧ、プラズマ溶接では高速化に
ともない、溶接電流の増加から金属の溶融、凝固に関係
のある溶接ビード形成が溶接速度に対応できず、アンダ
カットの発生、ハンピングビードの生成による不連続ビ
ードが形成され、その時点で溶接速度の限界が定まる。
この対策の一つとして溶接トーチに前進角を付与する施
工方法が実施されているがアンダカット、ハンピングビ
ードの十分な解決法とはならない。

【０００４】また、ＴＩＧ溶接において、アンダカッ
ト、ハンピングビードの溶接不良を防止する方法とし
て、特開昭５５−１１７５７６号公報には電極を有する
シールドノズルに電極と母材との間に生成されたアーク
を溶接の進行方向に偏向させるように、アークに偏向ガ
スを吹き付ける偏向ノズルと、棒材状に生成された溶融
池を上部から抑圧する抑圧ガスを溶融池に吹き付ける溶
融池抑圧ノズルを設けた溶接装置を使用して、偏向ガス
および抑圧ガスとしてアルゴン、ヘリウム等の不活性ガ
スを用いる方法がある。しかし、上記の従来技術はＴＩ
Ｇ溶接であり、また、同様の技術をプラズマ溶接に適用
しても溶接の高速化が不十分である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高速でかつ
溶接ビードにアンダカット、ハンピングビード等の欠陥
が発生しない小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法を提
供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、フープを連続
的に管状に成形しエッジ面をプラズマ溶接により溶接す
る小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法において、シー
ルドガスは不活性ガスを主成分とし空気を５〜４０％の
割合で混合するガスとする。

【０００７】不活性ガスに空気を上記の範囲で含ませる
ことにより、空気中の酸素が溶融金属の温度を上げてそ
の流動性を上げるとともに、サーマルピンチ効果により
溶融金属の異常流動を防ぐことができる。また、空気中
の窒素のサーマルピンチ効果により溶融金属の異常流動
を防ぐことができる。これらのことより、溶接ビードの
アンダカット、ハンピングビードの発生を防ぐことがで
きる。不活性ガスとして、アルゴンガスまたはヘリウム
ガスを使用する。また、混合する空気は、ボンベからだ
けでなくコンプレッサを使用しても良い。

【０００８】本発明は、前記シールドガス条件ととも
に、造管速度３m/min 以上の高速プラズマ溶接造管方法
として用いることができる。さらに、プラズマ溶接前の
成形工程でＵ字状体に溶接用フラックスを充填して造管
する溶接用フラックス入りワイヤの製造に利用すること
ができる。なお、本発明の鋼管とは軟鋼、炭素鋼、また
はステンレス鋼からなるものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は溶接トーチの構成な
らびに、パイロットガスおよびシールドガスの流れを示
す模式図で、（ｂ）はアンダカット、ハンピングビード
の模式図である。プラズマ溶接の陰極はタングステンが
主成分の電極棒２にとり、陽極は被溶接管３にとる。

【００１０】電極棒２から発生したプラズマアーク４
（以後アーク）は、銅製で内部が水冷されたノズル５に
よるサーマルピンチ効果で絞られ、集中的に被溶接管３
のシーム部６を加熱させる。アーク４および溶鋼７はノ
ズル５とシールドキャップ８内に送り込まれたシールド
ガス９により大気からシールドされ、酸化、窒化等が防
止される。なお、パイロットガス１４は、アルゴンガス
で、ガス中の不純物の燃焼効果とアークのサーマルピン
チ効果を向上させるため水素ガスを３〜１５％混合する
場合もある。

【００１１】プラズマ溶接の場合、アーク直下はアーク
力により溶鋼が主に下流側に排出され、穴（キーホー
ル）１０ができる。この穴１０はアークの下流側で上流
側から排出された溶鋼７で次々に充満されることにより
良好な形状の溶接ビード１１が形成される。溶接ビード
１１の形成時に溶鋼が極端に凸ビードになったため、溶
鋼と熱影響部間にくぼみができたのがアンダカット１２
である。アンダカットには、局部的な点状アンダカット
と連続的な線状アンダカットがある。被溶接管３のシー
ム部が均一に溶けない場合、あるいは溶鋼が極端に不十
分な場合は、左右のエッジ部の溶鋼が合流しなかった
り、合流してもこぶ状になるハンピングビード１３とい
うビード不良が発生する。

【００１２】小径鋼管の高速プラズマ溶接方法において
は、高速化になるにつれ母材部への熱伝導時間が短くな
るため、溶鋼部の温度勾配が大きくなり、溶鋼の冷却速
度が大きくなるので溶鋼の流動性が悪くなる。特に、溶
接速度が３m/mim 以上になると、溶鋼がアークより発生
した穴をきれいに埋めきらなくなる。また、溶接電流が
高くなると、それに伴い水冷ノズルの孔径が大きくなる
こと、および水冷ノズルによるサーマルピンチ効果が減
少することにより、アークの放射角および放射角のばら
つきが大きくなる。この結果、エッジ間隔、傾き、オフ
セット等の被溶接管のエッジ形状の影響を受けやすく、
アークが不安定になる。小径鋼管の生産性向上を目的に
溶接電流が２００Ａ以上になると、この傾向が強くな
り、溶鋼がこぶ状になりやすくなる。以上のことから、
溶鋼の異常流動が発生し、アンダカット、ハンピングビ
ードが発生する。したがって、本発明では、高速または
大電流溶接において、溶鋼の流動性を保ち、アークの放
射角を小さく保てるよう工夫している。

【００１３】アンダカット、ハンピングビードの発生を
防ぐために、アルゴンまたはヘリウムを主成分とするシ
ールドガスに、さらに空気を５〜４０％混合する理由
は、以下のとおりである。空気には、窒素、酸素、二酸
化炭素、水素等が含まれている。その窒素、酸素、二酸
化炭素、水素によりサーマルピンチ効果が発生し、アー
クを集中させてる効果がある。また、酸素は、溶融金属
の温度を上げてその流動性を上げる効果がある。これら
の作用が溶融金属に働き、溶融金属の異常流動を防ぎ、
溶接ビードのアンダカット、ハンピングビードの発生を
防止する。

【００１４】空気が５％未満であると、前述の効果が得
られず、また、４０％を超えると溶融金属の酸化反応が
促進し、溶接ビードにブローホール、ピットが発生、さ
らに、窒化により溶接部の硬化が著しくなり造管後の縮
径および後工程の伸線加工時に溶接部の割れが発生しや
すい問題が生ずる。

【００１５】また、シールドガスに水素ガスを１５％以
下、好ましくは３〜１５％を混合することでサーマルピ
ンチ効果によるアークの絞り込みおよびシールドガス中
の不純物を燃焼する作用から電極棒および水冷ノズルの
寿命を長くする効果がある。しかし、本発明による空気
中の酸素、水素のサーマルピンチ効果が十分なため必ず
しも必要ではない。

【００１６】溶接速度は小径管の生産性を上げるために
は３m/min 以上が必要である。高速溶接におけるアンダ
カット等の欠陥を防止するためには、前述のシールドガ
スの成分条件とともにプラズマ溶接の適切な電流条件が
望ましい。

【００１７】図２は、本発明を実施する溶接用フラック
ス入りワイヤの製造装置構成の概略図であり、図３は、
図２に示す製造工程のフープの成形状態からフラックス
充填そしてフラックス入りワイヤまでの過程を示す概略
図である。図２および図３を用いて詳細に説明する。板
状のＡのフープ２１は、アンコイラ２２で巻き戻し、成
形工程２３でＵ字状体Ｂに成形し、サイドロール２４間
でフラックス供給装置２５により溶接用フラックスＦを
充填する。ついで、フィンパスロール、シームガイドロ
ール群２６によりオープンシーム管Ｃとし、プラズマ溶
接装置２７でオープンシーム管のシーム部を溶接、溶接
管Ｄにする。その後、水冷装置２８で水冷、縮径工程２
９で管内フラックスが移動しなくなる所定の外径の小径
鋼管Ｅに縮径し、コイラ３０で巻き取る。この後は、約
１mm外径まで１パス当り１０％の減面率で伸線する。ま
た、必要に応じて伸線の途中で熱処理、酸洗、めっきを
行う。溶接工程３１はＮｏ．１スクイズロール３２でエ
ッジ間隔をプラズマ溶接に適した０．１mm程度とし、プ
ラズマ溶接装置２７でエッジを溶解させ、Ｎｏ．２スク
イズロール３３で押圧して溶接する。

【００１８】図２に示す製造装置において、フラックス
供給装置２５によるＵ字状体Ｂへ溶接用フラックスＦの
充填工程を外すことで小径鋼管を製造することができ
る。

【００１９】本発明のシールドガスは、アルゴンと空気
とを任意の混合割合に合わせて供給量を制御して溶接装
置２７に供給する。その概略図を図４に示す。シールド
ガスの主成分であるアルゴンガスはボンベ４０から、空
気はコンプレッサ４１またはボンベ４２からそれぞれ供
給される。アルゴンガスおよび空気は、圧力計付きの圧
力調整器４３〜４５で等圧に設定し、流量計付き流量調
整器４６〜４８で供給量を制御してガス混合器４９に供
給する。ガス混合器４９で混合されたガスは、シールド
ガス９としてプラズマ溶接装置２７に送られる。

【００２０】

【実施例】次に、小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法
に本発明を適用した実施例を説明する。小径鋼管の製造
条件は以下の通りである。 ＜製造条件＞ 使用製造装置 図２に示す。 溶接方法 プラズマ溶接機（定格電流５５０Ａ） フープ鋼種 表１および表２に記載 溶接外径 表１および表２に記載 溶接肉厚 表１および表２に記載 溶接速度 表１および表２に記載 溶接電流 表１および表２に記載 シームギャップ 約０．１mm パイロットガス成分 Ａｒ＋水素７％ シールドガス成分 Ａｒ＋水素７％＋表１および表２の成分 充填フラックス：溶接外径８mmは鋼管径６mm、 溶接外径１３．５mmは鋼管径１０mm 溶接外径２５．０mmは鋼管径２２mmをそれぞれ２００kg製造し た。 後工程 縮径工程２９にて所定径まで縮径してその後工程は省略した。 製品管外径が外径６mmおよび１０mmはコイル鋼管とし、外径２ ２mmは直管とした。 フラックス有り： フラックス組成 表１はルチール系フラックス（鉄粉率３０％） 表２はルチール系フラックス（金属粉率６３％） フラックス充填率 表１は１４％、表２は２５％ フラックス入りワイヤの製造量 各約３０kgとする。 後工程 外径１．２mmまで約１０％／１パスの減面率でダイス伸線、最 後に渦流探傷器とＣ断面マクロ調査で長さ４０mm以下の溶接部 割れの有無を検査した。 また、上記の条件での製造結果を表１および表２に示
す。

【００２１】表１は鋼種が炭素鋼（ＳＰＣＣ）であり、
鋼管および炭素鋼用フラックス入りワイヤ製造の実施例
および比較例を示す。

【表１】

【００２２】表１においてＮｏ．１〜９は本発明であ
る。Ｎｏ．１は溶接時の鋼管寸法が外径８．０mm×肉厚
１．２mm（以下同様に表示する）、造管速度が３m/min
および溶接電流が２００Ａであるとき、シールドガスの
アルゴンに空気を０．５lpm（約５％）混合した場合、
アンダカット、ハンピングビードのビード不良および伸
管後の溶接部割れは無い。Ｎｏ．２は、溶接速度および
溶接電流を上げ、シールドガスのアルゴンにエアーを
６．５lpm （約４０％）混合した場合、Ｎｏ．１と同様
に、アンダカット、ハンピングビードのビード不良、酸
化によるピットの発生、および伸管後の溶接部割れはな
い。Ｎｏ．３、Ｎｏ．４は、さらに造管速度を５m/min
、８m/min 、溶接電流を３００Ａ、４５０Ａに増加し
た場合、シールドガスのアルゴンに空気を３lpm （約２
５％）混合すれば良好な溶接結果を得る。Ｎｏ．５はＮ
ｏ．４と同条件でシールドガスのアルゴンに空気を６．
５lpm（約４０％）混合した場合も良好な溶接結果を得
る。

【００２３】Ｎｏ．６、Ｎｏ．７は鋼管寸法が外径１
３．５mm×肉厚２．０mmの場合、およびＮｏ．８、Ｎ
ｏ．９は鋼管寸法が外径２５．０mm×肉厚２．２mmの場
合と外径および肉厚の鋼管寸法が大きくなった場合でＮ
ｏ．１〜Ｎｏ．５と同様にシールドガスのアルゴンに空
気を３lpm （約２５％）および６．５lpm （約４０％）
混合した場合も同様に良好な溶接結果を得る。

【００２４】Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、およびＮｏ．８は、
溶接用フラックスを充填した場合であるが、同様に良好
な溶接結果を得て、さらに溶接用フラックス入りワイヤ
として製品径１．２mmまで伸線加工しても割れ、断線す
ること無く問題は発生しなかった。

【００２５】比較例のＮｏ．１０は鋼管寸法が外径８．
０mm×肉厚１．２mm、溶接速度２m/min 、溶接電流１２
０Ａであるとき、シールドガスのアルゴンに空気を混合
しなくても良好な溶接結果を得られるが速度が遅く生産
性が悪い（表１の判定欄で△で示す）。Ｎｏ．１１は外
径８．０mm×肉厚１．２mm、溶接速度３．５m/min 、溶
接電流２５０Ａであるとき、シールドガスに空気を混合
しなければアンダカット、ハンピングビードが発生し、
良好な溶接結果を得ることができなかった。Ｎｏ．１
２、Ｎｏ．１３は造管速度、溶接電流がＮｏ．１１と同
じであり、シールドガスに空気を８lpm （約４５％）混
合した場合、アンダカット、ハンピングビードは発生し
ないが、溶融金属の酸化によるピット発生、さらに、溶
融金属の窒化による硬化で縮径および伸線工程で溶接部
割れが発生する。

【００２６】Ｎｏ．１４は鋼管寸法が外径１３．５mm×
肉厚２．０mm、溶接速度３m/min 、溶接電流４００Ａの
とき、シールドガスに空気を混合しなければ、アンダカ
ット、ハンピングビードの発生を防ぐことができず、良
好な溶接結果を得ることができなかった。Ｎｏ．１５は
鋼管寸法が外径２５．０mm×肉厚２．２mm、溶接速度３
m/min 、溶接電流４５０Ａのとき、シールドガスに空気
を混合しなければ、アンダカット、ハンピングビードの
発生を防ぐことができず、良好な溶接結果を得ることが
できなかった。

【００２７】表２は鋼種がステンレス鋼・ＳＵＳ３０４
であり、ステンレス鋼管およびステンレス鋼溶接用フラ
ックス入りワイヤ製造の実施例および比較例を示す。ス
テンレス鋼においても、３m/min 以上の高速溶接で不活
性のシールドガスに所定量の空気を混合したガスを使用
することによって良好な溶接結果が得られ、小径鋼管お
よびフラックス入りワイヤが製造できた。

【表２】

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、不活性ガ
スに空気を含んだシールドガスを使用することで、空気
中の酸素と窒素によりアークの集中性、溶融金属の流動
性を良くすることから、溶接ビードの異常流動を防ぎ、
アンダカット、ハンピングビードを防止することがで
き、造管速度３m/min 以上、１００Ａ以上のプラズマ電
流を用いることが可能になり、生産性の高い小径鋼管の
高速プラズマ溶接造管方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高速プラズマ溶接造管時のプラズマ溶接の概略
図を示す。

【図２】本発明を実施する装置の構成の概略図である。

【図３】フープの成形、フラックス充填、フラックス入
りワイヤ仕上げまでの過程を示す概略図である。

【図４】プラズマ溶接用シールドガスのアルゴンまたは
水素混合アルゴンに空気を混合供給する装置の概略図で
ある。

【符号の説明】

１ プラズマ溶接機 ２ 電極棒 ３ 被溶接管 ４ プラズマアーク ５ 水冷ノズル ６ シーム部 ７ 溶鋼 ８ シールドキャップ ９ シールドガス １０ 穴（キーホール） １１ 溶接部ビード １２ アンダカット １３ ハンピングビード １４ パイロットガス ２１ フープ ２２ アンコイラ ２３ 成形工程 ２４ サイドロール ２５ フラックス供給装置 ２６ フィンパスロール、シームガイドロール群 ２７ プラズマ溶接装置 ２８ 水冷装置 ２９ 縮径工程 ３０ コイラ ４０ アルゴンガスまたは水素混合アルゴンガスボンベ ４１ エアーコンプレッサ ４２ エアーボンベ ４３〜４５ 圧力計付き圧力調整器 ４６〜４８ 流量計付き流量調整器 ４９ 混合器 Ａ：フープ Ｂ：Ｕ字状体のフープ Ｃ：オープンシーム管 Ｄ：溶接管 Ｅ：小径鋼管 Ｆ：溶接用フラックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栢森 雄己 東京都中央区築地三丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社内 (72)発明者 楠 康樹 東京都中央区築地三丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB11 CA01 CA03 CA07 CC03 DA01 DC05 DD01 DF09 EA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法に
   おいて、プラズマ溶接のシールドガスは不活性ガスを主
   成分とし、さらに、空気を５〜４０％の割合で混合する
   ことを特徴とする小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方
   法。
2. 【請求項２】 造管速度が３m/min 以上であることを特
   徴とする請求項１記載の小径鋼管の高速プラズマ溶接造
   管方法。
3. 【請求項３】 プラズマ溶接前のＵ字状体に溶接用フラ
   ックスを充填することを特徴とする請求項１または２記
   載の小径鋼管の高速プラズマ溶接方法。