JP2001179441A - 鋼管自動溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接の品質が高く、溶接装置の制御も容易な
鋼管自動溶接方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 被溶接鋼管１，１の端面を突き合わせ、
テープ５の一面に多数のタイル状固形剤６が長手方向に
隙間７を開けて設けてある長尺の裏当材２を、前記鋼管
の突き合わせ溶接線の外面に沿って巻き付け、裏当材２
はタイル状固形剤６の隙間７の内周側が狭まり連続した
環状面となって突き合わせ溶接線の外面全周を覆い、被
溶接鋼管１，１の内面側の低部に設置したガスシールド
アーク自動溶接装置４を用いて、下向きから立向き上向
きへと変化する突き合わせ片面溶接することを特徴とす
る鋼管自動溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人間が入れる程度
の大口径の鋼管を水平または傾斜した状態で自動溶接す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の大径厚肉鋼管（外形：約１ｍ〜３
ｍ、肉厚：８ｍｍ〜２５ｍｍ）の溶接方法としては、鋼
管の突き合わせ箇所である溶接線の外面に沿って裏当金
を当て、その裏当金の縁部を鋼管外面に手溶接で一体化
した後に、鋼管の内部に配置した溶接装置を突き合わせ
溶接線に沿って走行させて一回転させる自動溶接方法が
知られている。

【０００３】しかし、この方法は、第１層の溶接時に裏
当金の一部を溶かして鋼管と一体にするものであって、
突き合わせ溶接線の外面部のみが裏当金によって極端に
太くなり、構造的に応力が一部に集中するという問題が
ある。また、鋼管の外面に長尺の裏当金を当て仮溶接し
た部には、裏当金の内周面と鋼管の外周面との間には僅
かな隙間が開くことがあり、この状態で溶接を行うと隙
間の全域のうちに溶融金属が入り込む箇所と入り込まな
い箇所ができ、溶接ビードの不均一さが生じる問題もあ
った。さらに、突き合わせ箇所に沿って溶接装置を一回
転させるので、溶接姿勢が順次下向き、立向き（上
進）、上向き、立向き（下進）、下向きと変化すること
になり、これら溶接姿勢の変化に対応させて溶接条件を
順次変化させて制御しなければならないことから溶接装
置の制御が大変難しかった。

【０００４】また、良好な溶接結果を得るには、被溶接
鋼管の突き合わせ溶接線の開先状態を所定の形状に全周
維持することが要求されるが、溶接した箇所の溶接金属
の凝固によって開先幅が狭まる力が働き、その反作用と
して未だ溶接されてない先の箇所、すなわち溶接線の反
対側にはルートギャップが広がる力が働くため、鋼管の
突き合わせ溶接線の開先状態を所定の幅に維持する装置
が必要である。また、できるだけ短時間で溶接を完了さ
せることによって、大径鋼管を保持する装置を小型化す
ることが必要である。

【０００５】傾斜に設置された鋼管の自動アーク溶接方
法については、例えば、特公昭５４−３９１８８「傾斜
鋼管の突き合わせ自動溶接方法」がある。この溶接方法
は傾斜鋼管を外面から円周溶接する方法であり、電流変
化溶接方法の諸条件については開示されているが、大径
鋼管を裏波ビードを形成させて効率よく片面溶接する方
法に関するものではなく、構造的に問題のない鋼管の継
ぎ手部をうることはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記実状を考慮して本
発明は、水平または傾斜位置に置かれた大口径鋼管の溶
接部の品質が高く、溶接装置の制御も容易な鋼管自動溶
接方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被溶
接鋼管の端面を突き合わせ、テープの一面に多数のタイ
ル状固形剤が長手方向に隙間を開けて設けてある長尺の
裏当材を、前記鋼管の突き合わせ溶接線の外面に沿って
巻き付け、裏当材はタイル状固形剤の隙間の内周側が狭
まり連続した環状 面となって突き合わせ溶接線の外面
全周を覆い、被溶接鋼管の内面側の低部に設置したガス
シールドアーク自動溶接装置を用いて、下向きから立向
き上向きへと変化する突き合わせ片面溶接することを特
徴とする鋼管自動溶接方法。

【０００８】また、請求項２の発明は、前記した被溶接
鋼管が傾斜鋼管であり、ガスシールドアーク自動溶接装
置の溶接トーチが水平方向に揺動することを特徴とす
る。

【０００９】請求項３の発明は、前記ガスシールドアー
ク自動溶接装置が２台であり、一方の自動溶接装置を溶
接線に沿って右回りさせつつ突き合わせ片面溶接し、他
方の自動溶接装置で溶接線に沿って左回りさせつつ突き
合わせ片面溶接することを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、外径が約１３００〜３
０００ｍｍ、肉厚が８〜２５ｍｍの大口径鋼管の突き合
わせ片面溶接の鋼管自動溶接方法にある。鋼管は、通常
の長さが５ｍ〜１５ｍであり、高圧大量の水流を通すペ
ンストック等のパイプは、その長さが２００ｍ以上の長
さに及ぶ場合がある。このような長尺鋼管は鋼管どうし
を突き合わせ溶接して使用されている。鋼管の溶接によ
る長尺化は、工場内または工事現場での水平設置の溶
接、または工事現場での傾斜設置の溶接が行われてい
る。なお、本発明において、被溶接鋼管の低部とは鋼管
内面の円周突き合わせ溶接線の最下方の位置のことであ
る。

【００１１】本発明の大径鋼管突き合わせ溶接は、溶接
線である開先の断面形状がＩ形、Ｙ形またはＶ形になる
ように鋼管端部面を加工した後、所定の開先底部の間隔
であるルートギャップを設けて２本の鋼管の軸心を合わ
せて設置する。２本の設置された被溶接鋼管は、開先ル
ートギャップが変化しないように開先内面に仮付け溶接
するか外部に設けられた保持装置、または固定部材溶接
して強固にセットされる。

【００１２】被溶接鋼管を所定の開先ギャップを設けて
セットした後、溶接線に沿った鋼管外面には、溶接線に
合わせて裏当材が当接セットされる。裏当材の鋼管外面
に接するタイル状固形剤は、予め所定の間隔を設けてア
ルミ箔のテープに貼り付けられていて、鋼管外面に沿う
ように曲げてセットするとタイル状固形剤面が接触繋が
って連続状になって一つの面となる。この裏当材が、内
面からの溶接時の溶融金属を支持すると共に表面的に溶
けて裏ビード形成の働きをする。

【００１３】一方、被溶接鋼管の内面には、溶接線の片
側または両側に、かつ溶接線に平行して自動溶接用のレ
ールが全周に取り付けられている。このレールにはガス
シールド自動溶接装置が１台、または両側のレールに１
台づつ搭載される。溶接装置が１台のみの場合は、ま
ず、鋼管の低部から半周を溶接し、終了後溶接装置を外
し、他方の半周側に溶接装置をセットして下向きから立
向きの上進溶接を行う。１台づつ、つまり２台の場合
は、溶接装置が鋼管の円周方向の左右別々に、逆方向に
向かって半周づつを交互に上進溶接する。左右交互の溶
接において、低部の溶接スタート部および天井部の溶接
終了のクレータ部におけるビード継ぎを調整して全周に
わたって良好な溶接をする。

【００１４】自動溶接は、ガスシールドアーク溶接法に
より、円周の溶接位置により姿勢が下向き、立向き、上
向きと変化することから各位置に適した溶接条件で溶接
する。また、鋼管が厚肉であることから多層盛り溶接で
あって、初層から最終層までにシングル溶接、揺動溶
接、さらには電流変化溶接法を組み合わせて片面溶接を
行う。なお、溶接ビードの継ぎ部は前ビードのクレータ
部をグラインダー等を用いて凹状に研磨形成し、５０〜
１００ｍｍ程度のビード重なり部を設けることにより全
周に亘って欠陥のない良好な溶け込みおよびビード外観
が得られる。本発明は、鋼管の外面が曲がっているにも
かかわらず裏当材のタイル状固形剤を連続的に密接して
セットできるので、良好な裏ビードを持った片面溶接
が、溶接欠陥がなく、かつ溶接速度が速くより効率的な
溶接ができる。

【００１５】次に本発明について図面を用いて詳細に説
明する。図１は、被溶接鋼管の突き合わせ部断面を示す
模式図であり、図２は被溶接鋼管の溶接部を示す長手方
向の断面図、図３は本発明に用いる裏当材の斜視図であ
る。

【００１６】本発明の鋼管自動溶接方法を図１，図２に
示し、図１は自動溶接装置を２台セットした例を示す。
まず、所定の開先１０を構成するように端面を加工され
た２本の鋼管１，１端面を突き合わせ、鋼管１の突き合
わせ箇所である溶接線に沿って外面全周に裏当材２を巻
き付け、鋼管１の内部に走行レール３を溶接線に沿って
設置すると共に、その走行レール３の低部に２台の自動
溶接装置４，４を隣り合わせて配置する。２台の自動溶
接装置４のうち、１台は走行レール３に沿って右回りさ
せると共に、他方の自動溶接装置４は走行レール３に沿
って左回りさせ、一方の自動溶接装置４で突き合わせ溶
接線の右半分を、他方の自動溶接装置４で左半分を溶接
する方法である。なお、溶接完了後に自動溶接装置４，
走行レール３を撤去し並びに裏当材２を外す。このよう
にすれば、良好な溶接結果が得られる。また、本発明の
鋼管自動溶接方法は大口径鋼管が水平または傾斜状態に
置かれた場合に適用する溶接方法である。

【００１７】次に裏当材２は図３に示すように、アルミ
箔などのテープ５の一面の横幅中央部に多数のタイル状
固形剤６を長手方向に沿って隙間７を設けて貼付し、各
タイル状固形剤６の表面中央部に円弧状の凹溝８を長手
方向に沿って備えるものである。テープ５は貼付された
タイル状固形剤６の両側には糊が付けられてその上に離
けい紙９が貼付されている。タイル状固形剤６の凹溝８
がルートギャップの中央に位置するように鋼管１外面に
添接して巻き付け、裏ビードの盛り上がりが凹溝８の形
状に合わせて良好な裏波ビードが得られるようにする。
裏当材２の凹溝８は、通常スラグポケットといい、第１
層目の溶接時のアーク熱および溶融金属の熱によって一
部が溶けてスラグとなり裏ビード形成の働きをする。特
に、鋼管の曲がり外面に裏ビードを形成するのである
が、タイル状固形剤６が連続的に面で鋼管外面に接して
いることから連続した良好な裏ビードが得られる。良好
な溶接結果を得るためにはタイル状固形剤６は、その融
点、粘性が調整された所定の耐火性を有するセラミック
剤からなるものがよい。

【００１８】本発明は、セラミック剤からなるタイル状
固形剤６を用いて、突き合わせ箇所の外面を取り囲んで
あるので、溶接完了後に裏当材を容易に外すことができ
る。また、図３に示すように多数のタイル状固形剤６で
突き合わせた溶接線の開先ギャップ外面を取り囲むの
で、タイル状固形剤６は、表面がフラットで、たとえば
幅が２６ｍｍ、長さが２６ｍｍ、厚さが８ｍｍと非常に
小さく、複数個のタイル状固形剤間の好ましい隙間７の
範囲は０．３〜１ｍｍである。０．３ｍｍ未満では裏当
材の剛性が強く沿い性が無く、一方、１．０ｍｍを超え
ると柔軟性はあるが鋼管外面に添設しても隙間が解消さ
れずビード形状が不良になる。よって、隙間が０．３〜
１ｍｍであれば、鋼管１の外面に添設されたタイル状固
形剤６と鋼管１との接触形態は面接触となり、溶接結果
として形成される裏ビードは連続した良好な形状が得ら
れる。

【００１９】なお、図１では、鋼管１の外面に裏当材２
を巻き付けた場合に、隣り合うタイル状固形剤６，６の
隙間７の内周側が狭くなり、かつ、鋼管１を取り囲んで
環状に連続したセラミックブロック群となって密着する
ことを明瞭に示すために、タイル状固形剤６の個数を実
際よりも極端に少なくし、なおかつ、鋼管１に当てる面
を円弧面に形成してある。

【００２０】本発明の実施における溶接トーチの揺動
は、鋼管の設置が水平位置の場合は通常であって溶接線
に対して直角方向の揺動であり、鋼管設置が傾斜位置の
場合は、溶接トーチの揺動方向が水平、すなわち、溶接
トーチが溶接線に対しては斜めに交叉する揺動で溶接す
る。溶接線に対して傾斜していてもトーチが水平方向に
揺動するから傾斜鋼管であっても溶融池は正常に保たれ
て良好な溶接ビードが得られる。

【００２１】自動溶接装置４は、ガスシールドアーク溶
接法を用い、溶接電流を大電流と小電流に周期的に変化
させ、同時にワイヤ送給速度を溶接電流が大きいときに
は高速に、小さいときには低速に変化させることによ
り、アーク長を任意に変化させる。さらに、溶接ワイヤ
先端の揺動（ウィービンク）運動は溶接電流の変化に応
じて停止および移動させるもので、よって、溶接姿勢が
順次変化する溶接方法に対応して溶融金属の垂れ落ちが
なく、良好な片面溶接の裏ビードが得られる。さらに詳
しくは、Ｖ形開先の上層溶接では、揺動を一旦停止して
ワイヤ送給速度を高速にしつつ大電流とし、その後、開
先の端部から他方の端部に向かって揺動を行う際にはワ
イヤ送給速度を低速にしつつ小電流を流しながら、自動
溶接装置４自体を走行レール３に沿って移動させる。自
動溶接装置４を移動させるにつれて、溶接姿勢が徐々に
変化し、なおかつルートギャップが通常微妙に変わるの
で、それに合わせてワイヤ送給速度並びに電流値を変化
させる方法である。

【００２２】本発明は、溶接部である突き合わせ箇所の
アーク現象をＣＣＤカメラで監視し、そこから得られた
信号に基づいて溶接条件を決定しなくとも、予めセット
された溶接条件に基づく全自動溶接、または、オペレー
タが直に溶接進行状況を監視して、リモコンで溶接条件
を変更しながら、溶接を行うこともできる。この結果、
自動溶接装置を小型化することが可能となり、搬入作業
が容易になるだけでなく、より狭い口径の鋼管の溶接も
行える。

【００２３】

【実施例】次に本発明の実施例として、大口径鋼管の突
き合わせ片面溶接の実施例を溶接条件と共に当接結果を
示す。 大口径鋼管のサイズ：外径・２４３０ｍｍ、肉厚・１６ｍｍ 開先形状：Ｙ形、ルートギャップ・７ｍｍ、ルートフェイス高さ・１±０．５ ｍｍ、角度・５０度 鋼管の種類：ＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＭ４９０Ａ 裏当材：コージェライト系耐火材のタイル状固形剤、 サイズｍｍ：２６^W× ２６^L×８^T、固形剤間の隙間・０．８ｍｍ 溶接用ワイヤ：ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１２、ワイヤ径・１．２ｍｍ 自動溶接装置：固定管用自動溶接機（日鐵溶接工業製）２台、 溶接電源・インバータ３５０（日鐵溶接工業製） 溶接方法：電流変化揺動式Ａｒ−ＣＯ₂（２０％）ガスシールドアーク溶接、 ガス流量２５リットル／ｍｉｎ 溶接条件：第１層・高電流２２０Ａ×高電圧・１９Ｖ、小電流・８０Ａ×小電 圧１４Ｖ、溶接速度・９．５〜５．５ｃｍ／ｍｉｎ 第２層・高電流２８０Ａ×高電圧・２７Ｖ、小電流・８０Ａ×小電 圧１４Ｖ、溶接速度・１０．５〜８．０ｃｍ／ｍｉｎ 第３層・高電流２８０Ａ×高電圧・２７Ｖ、小電流・８０Ａ×小電 圧１４Ｖ、溶接速度・８．０〜５．５ｃｍ／ｍｉｎ 溶接速度：揺動幅、揺動周期に連動して変化させた。揺
動：上層になるに従って揺動幅を広く、高電流時の停止
時間を調整した。

【００２４】溶接結果は、裏当材が鋼管外面に面接触し
ていることから良好な裏ビードが得られ、第１層から最
終層まで欠陥のない多層盛り溶接ができ、内面ビード外
観も良好であった。溶接後の裏当材の除去作業も問題な
くできた。

【００２５】

【発明の効果】請求項１の発明は、鋼管の外面に裏当材
を巻き付けるので、従来まで必要であった裏当金とその
取付けに伴う設備と複雑な作業を不要とし、しかも、自
動溶接装置の溶接姿勢が下向きから立向き上向きへと連
続して変化するので、上向きから立向きへの変化がな
く、その結果、自動溶接装置の制御が容易で、溶接能率
を向上できる。また、裏当材を巻き付けることによっ
て、多数のタイル状固形剤で連続した環状面を作り出
し、突き合わせ箇所の外面全周を巧みに覆ってガスシー
ルドアーク自動溶接してあるので、良好な裏ビードが得
られ、その結果、溶接品質が高い。

【００２６】請求項２の発明は、溶接トーチが水平方向
に揺動するので、水平鋼管に比べて技術的に難しい傾斜
鋼管であっても、溶融池が正常に保たれて、良好な裏ビ
ードが得られる。

【００２７】請求項３の発明は、２台の自動溶接装置の
一方を右回りさせつつ突き合わせ片面溶接し、他方を左
回りさせつつ突き合わせ片面溶接するので、１台の自動
溶接装置で右回りと左回りをする方法よりも、溶接時間
の短縮が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動溶接方法を示す断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】裏当材を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 鋼管 ２ 裏当材 ４ 自動溶接装置 ５ テープ ６ タイト状固形剤 ７ 隙間 ８ 凹溝（スラグポケット） ９ 離けい紙 １０ 開先

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 37/06 Ｂ２３Ｋ 37/06 Ｆ (72)発明者 長友 和男 東京都中央区築地３丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E081 BA27 CA07 DA23 DA28 EA12 EA14 EA17 EA32 EA38 YX07 YY01 YY03 YY12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接鋼管（１，１）の端面を突き合わ
   せ、テープ（５）の一面に多数のタイル状固形剤（６）
   が長手方向に隙間（７）を開けて設けてある長尺の裏当
   材（２）を、前記鋼管の突き合わせ溶接線の外面に沿っ
   て巻き付け、裏当材（２）はタイル状固形剤（６）の隙
   間（７）の内周側が狭まり連続した環状面となって突き
   合わせ溶接線の外面全周を覆い、被溶接鋼管（１，１）
   の内面側の低部に設置したガスシールドアーク自動溶接
   装置（４）を用いて、下向きから立向き上向きへと変化
   する突き合わせ片面溶接することを特徴とする鋼管自動
   溶接方法。
2. 【請求項２】 前記した被溶接鋼管（１，１）が傾斜鋼
   管であり、ガスシールドアーク自動溶接装置（４）の溶
   接トーチが水平方向に揺動することを特徴とする請求項
   １記載の鋼管自動溶接方法。
3. 【請求項３】 前記ガスシールドアーク自動溶接装置
   （４）が２台であり、一方の自動溶接装置を溶接線に沿
   って右回りさせつつ突き合わせ片面溶接し、他方の自動
   溶接装置で溶接線に沿って左回りさせつつ突き合わせ片
   面溶接することを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管
   自動溶接方法。