JP2005296963A

JP2005296963A - スプリングバックの大きい金属の造管溶接方法

Info

Publication number: JP2005296963A
Application number: JP2004112779A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Hayashi; 照彦林; Michihisa Hirota; 道久弘田; Kazuhiro Takahashi; 一浩高橋; Tadayuki Otani; 忠幸大谷; Hiroshige Inoue; 裕滋井上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-07
Also published as: JP4177783B2

Abstract

【課題】スプリングバックの大きい金属の連続溶接造管に際し、管内面溶接ビード表面の微細割れ発生を防止し、高速な溶接造管を可能とする製造方法を提供する。
【解決手段】スプリングバックの大きい金属の帯状フープを、ロール成形により円筒状に丸めながら、スクイズロールを用いてフープの両端面を突き合わせ溶接して連続的に造管する場合において、先ず、スクイズ点の近傍で１本目の溶接トーチを用いて裏ビードを形成しない入熱条件にて連続した仮付け溶接を実施し、続いて、仮付け溶接部の凝固が完了した位置より下流側で、２本目の溶接トーチを用いて仮付け溶接部の上から裏ビードを形成する入熱条件にて本溶接を行う。更に本溶接に続き、３本目の溶接トーチを用いて、或いは更に必要に応じて４本目の溶接トーチを用いて本溶接ビードの上から化粧盛溶接を実施する。
【選択図】図４

Description

本発明は、スプリングバックの大きい金属の帯状フープをロール成形により円筒状に丸めながら、スクイズロールを用いてフープの両端面を突き合わせ溶接して連続的に造管する技術に関する。

図１に、一般的なスクイズ装置を用いて溶接造管する場合に、溶接部に働くスプリングバックの影響を説明する概略図を示す。チタン等、ヤング率が小さく且つ耐力が大きい金属薄板を成形加工する場合、スプリングバックが発生し易い。このような金属薄板の長尺フープをロール成形により円筒状に丸めながら、スクイズロールを用いて板の両端エッヂ面をギャップ０で突き合わせ、その突き合わせ部をアーク溶接して連続造管する場合において、溶融部の凝固が完了する前にスプリングバックが作用して、図２に示したように管内面溶接ビードの幅方向中央部の表面に微細な割れが生じることがある。この現象はスプリングバックの大きい材料ほど発現し易い。また、この現象は、溶融部が最終凝固する位置がスクイズ点に近い場合には、スクイズロールによる押し付けが有効であるために発現しないが、溶融部の最終凝固位置がスクイズ点から離れるに連れてスクイズの作用が弱まり、割れが発生する可能性が高まる。例えば、造管速度が高い場合は必要な溶接入熱も高まるために溶融プールの大きさが拡大し、溶融部の最終凝固位置がスクイズ点から遠ざかる。その結果、上記の微細割れ現象が発現し易くなる。

この問題に対し、従来、拘束治具を用いて小径ロールを造管軸方向に複数配列することにより、材料のスプリングバックを抑制し、突き合わせギャップ量を最小に押さえ込んだ直線領域を確保して溶接する造管方法（特許文献１：小径ロール複数配列スクイズ装置）や、管状体を加熱した状態で溶接することで材料のスプリングバックを軽減する造管方法（特許文献２：温間加熱造管法）、更には、突き合わせ溶接前のロール成形段階で材料の左右の領域を交互に小半径に成形することにより、突き合わせ溶接時でのスプリングバックを軽減する方法（特許文献３：非対称曲げ成形造管法）が提案されてきた。
一方、この問題に対し、溶接方法、溶接条件で対処する方法が考えられる。
その一つは、溶接トーチ位置をスクイズ点より上流側に設定し、溶融部の最終凝固位置をスクイズ点に近づける方法であり、図３に概略図を示す。
もう一つは、プラズマ溶接法を活用する方法であり、集中力の高いプラズマアークにより小さな溶融プールを形成しつつ突き合わせ部の管内面にまで溶融を貫通させて管内面側ビードを形成し、しかる後、後方にて少なくとも１回の化粧盛溶接を行う方法（特許文献４：ステンレス溶接鋼管の製造法、特許文献５：チタンまたはチタン合金溶接管の製法）が提案されている。
特開平０９−２１６０９４号公報特公平０１−０５４１２２号公報特公平０５−０５１３７３号公報特開昭４７−０３３８５５号公報特開２０００−１５８１４１号公報

上記特許文献１〜３に記載の発明は、何れも材料のスプリングバックを最小に押さえ込むことを狙いとしたものであり、それぞれ効果的な解決方法であるが、何れの発明も、従来型の溶接造管ラインに、特殊な専用治具や成形ロール構造、加熱処理設備を組み込むことが必要であり、これら特別な装備を様々な管寸法へ適用することはエンジニアリング上の困難を伴ったり、多大な設備投資が必要であり、経済的な解決手段とは言えない。また、何れの方法もスプリングバックの作用を完全に０に押さえ込むものでは無い。
また、図３に記載の方法によれば、スプリングバックによる割れの発生は緩和されるものの、スクイズ点より上流側に遡るほど突き合わせ部の両端面のギャップ量は拡大するため、溶接品質を考慮すると溶接トーチ位置の変更にも限度がある。例えば、板厚０．５ｍｍの薄肉チタン管の場合、溶け落ち等の無い健全な溶接品質を維持するためには、溶接トーチ位置の移動可能な距離は数ｍｍからせいぜい１０ｍｍ程度の範囲に制限されるため、この方法による大きな改善は期待できない。

また、特許文献４、５に記載の発明によれば、溶融プールが小さくなることで、その最終凝固位置がスクイズ点近傍に近づき、割れ発生が抑制されることになるが、集中力の高いプラズマアークを用いるため、管材の板厚が厚い場合には適用し易いが、例えば板厚が０．５ｍｍ以下の薄い材料に適用する場合には溶接時の溶け落ちが発生する危険が高い。従って、スプリングバックが大きく板厚が薄い材料では、前述の溶接トーチ位置をスクイズ点より上流側に設定することは危険である。また、高速造管側では入熱の増加に伴い溶融プールの大きさも拡大するため、微細割れが発生し易くなる傾向はＴＩＧ溶接の場合と同様である。
以上の成形と溶接に関する従来技術を組み合わせることにより、管内面溶接ビード表面の微細割れ防止の相乗効果が有る程度期待できるものの、未だスプリングバックによる影響を完全に抑え込むには到っておらず、従って、今後、更なる材料の高強度化、造管速度の高速化が要求される中で、技術的限界が露呈することが予想される。また、今後、管材の薄肉化が望まれた場合には、アークの集中力が高いプラズマ溶接法の適用には限界があり、これに対する解決手段が必要である。

そこで、本発明は、上記スプリングバックの影響を完全に押さえ込んで溶接することにより、管内面溶接ビード表面の微細割れ発生の問題を解決する方法を提案するものであり、その適用範囲としては、管材の鋼種、板厚、管径を特に限定するものではない。本発明は、基本的に従来の溶接造管ラインをそのまま活用するものであり、設備上の対策としては、主に溶接トーチの増設等に関する極めて小規模の改造を施すことによるものである。

本発明は、従来のスクイズ装置を用い、主に溶接技術の活用による解決手段を以下、提案するものである。すなわち、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）スプリングバックの大きい金属の帯状フープを、ロール成形により円筒状に丸めながら、スクイズロールを用いてフープの両端面を突き合わせ溶接して連続的に造管する、スプリングバックの大きい金属の造管溶接方法において、先ず、スクイズ点の近傍で１本目の溶接トーチを用いて裏ビードを形成しない入熱条件にて連続した仮付け溶接を実施し、引き続き、仮付け溶接部の凝固が完了した位置より下流側で、２本目の溶接トーチを用いて仮付け溶接部の上から裏ビードを形成する入熱条件にて本溶接を行うことを特徴とする、スプリングバックの大きい金属の造管溶接方法。
（２）前記本溶接に引き続き、３本目の溶接トーチを用いて、または更に４本目の溶接トーチを用いて、本溶接ビードの上から化粧盛溶接を実施することを特徴とする、上記（１）に記載のスプリングバックの大きい金属の造管溶接方法。

本発明は、スプリングバックの大きい金属の連続溶接造管に際し、管内面溶接ビード表面の微細割れ発生を防止し、高速な溶接造管を可能とする製造方法を提供するものであり、工業上、有益な効果をもたらし得るものである。

以下、本発明を詳細に説明する。図４に本発明の実施例の造管溶接方法を示す。
少なくとも１対以上のスクイズ装置と、溶接トーチとしては２本以上を用いる方法において、先ず、スクイズ６のスクイズ点の近傍で１本目の溶接トーチ１を用いて、裏ビードを形成しない入熱条件にて連続した仮付け溶接を実施し、突き合わせシーム部を一体化する。続いて、２本目の溶接トーチ２を用いて、１本目の溶接トーチ１により仮付けされた溶接部１１の上からビードンプレート溶接を行い、裏ビードを形成する。このとき、２本目の溶接トーチ２による溶接開始位置は、１本目の溶接トーチで溶融した金属が少なくとも完全に凝固した領域以降の川下側に設定する。

１本目の溶接トーチ１で実施する仮付け溶接方法は、ＴＩＧ溶接が最適と考えられる。その第一の理由は、２本目の溶接トーチ２で実施する本溶接を安定して行うためには、仮付け溶接部の表面ビード形状１１が平滑であることが望ましく、そのためにはＴＩＧ溶接が最適である。第二の理由としては、裏ビードを形成する必要が無いため、プラズマ溶接やレーザ溶接のような深い溶け込みが必要無いことである。
２本目の溶接トーチ２で実施する本溶接方法としては、ＴＩＧ溶接の他、プラズマ溶接、レーザ溶接等が選択肢として考えられる。選択の考え方としては、例えば管材の板厚が１．０ｍｍ以上の厚肉管の場合で高速造管のために深い溶け込み性能が必要な場合には、アークの集中力が高い溶接法が有効でありプラズマ溶接やレーザ溶接の適用が考えられる。反対に、例えば管材の板厚が０．５ｍｍ以下の薄肉管の場合には、アークの集中力が高いと溶け落ち現象が発生し易いため、プラズマ溶接やレーザ溶接は危険であり、ＴＩＧ溶接の選択が無難である。

本発明によれば、１本目の溶接トーチ１により仮付け溶接を施されて一体化された管体は、２本目の溶接トーチ２による裏波溶接に際しては、もはやスクイズロールを用いてスプリングバックを押さえ込み、突き合わせギャップを０に制御する必要は無い。また、２本目の溶接トーチ２により形成された溶融プールは、凝固完了した仮付け溶接部１１と同じく凝固が完了した本溶接部１３による前後の強い拘束が働いているために、スプリングバックによる割れが容易に発生することは無く健全な裏波溶接が可能であるが、高速造管時に溶融プールのサイズが拡大した場合等において、念のためにスクイズ７を用いてバックアップしても良い。スクイズ７を用いる場合の２本目の溶接トーチ２の位置としては、従来のように突き合わせ部のギャップを配慮する必要が無いため、管軸方向の位置を自由に選べる長所を活かし、最終凝固位置がスクイズ点に一致するように設定すれば良い。以上の技術を適用することにより、ビード表面微細割れの問題が解決される。
高速溶接条件下において、２本目の溶接トーチ２で実施した本溶接ビード１３の表面形状にアンダーカットが発生する場合には、３本目の溶接トーチ３としてＴＩＧ溶接を用いて小入熱条件で表面部分のみを再溶融してビード形状を平滑化する化粧盛溶接を行うことでアンダーカットの修復が可能である。３本目のＴＩＧ溶接だけでは、溶融幅が足りず、２本目の本溶接ビード全幅を十分に平滑化できない場合には、さらに４本目のＴＩＧ溶接トーチ４を導入し、残された部分を平滑化すれば良い。

表１に従来法と本発明法について、それぞれ溶接造管した実施例の溶接条件を示す。純チタンを用いて、速度５ｍ／分、６ｍ／分、７ｍ／分の３水準で外径２５．４ｍｍ、板厚０．５ｍｍの管のＴＩＧ溶接造管を行った。表２に管内面溶接ビード部表面の微細割れ発生の有無と表ビード形状を比較した結果を示す。本発明例のＴＩＧ溶接トーチ２本を用いる場合は、図４の１本目の溶接トーチ１としてＴＩＧ溶接トーチを用い、スクイズ６のスクイズ点に配置し、溶接電流１００〜１２０Ａを投入して、裏ビードを形成せずに連続した仮付け溶接を実施した。２本目の溶接トーチ２もＴＩＧ溶接トーチであり、１本目のＴＩＧ溶接トーチ１から１００ｍｍ後方の位置に配置し、凝固が完了した仮付け溶接部の上から溶接電流１４０Ａ〜１７０Ａを投入して裏ビードを形成する本溶接を実施した。本発明例のＴＩＧ溶接トーチを４本用いた場合は、上記の２本目までの条件は同じである。３本目のＴＩＧ溶接トーチ３は２本目の１００ｍｍ後方に配置し、４本目のＴＩＧ溶接トーチ４は３本目の１００ｍｍ後方に配置した。３本目と４本目のＴＩＧ溶接電流は２本目の溶接電流値以下の１１０〜１３０Ａに抑え、２本目のＴＩＧ溶接で形成された表ビード部１３を再溶融して平滑化し、アンダーカット形状を修復する化粧盛溶接を実施した。３本目と４本目の管周方向のＴＩＧトーチ位置は、それぞれの再溶融域がビード中央部で僅かに重ねる程度にずらして配置し、２本目のＴＩＧ溶接ビード１３の全幅領域をカバーした。
比較例は、図１に示した従来から実施されている方法であり、スクイズ装置は本発明例と同じ仕様である。溶接トーチはＴＩＧ溶接トーチ１本のみを使用し、スクイズ６のスクイズ点に配置し、溶接電流１４０〜１７０Ａを投入して裏ビードを形成する本溶接を実施した。
比較例では、造管速度６ｍ／分で管内面溶接ビード表面の微細割れが発生し、造管速度７ｍ／分でアンダーカットによる表ビード形状不良が発生した。本発明例では、造管速度７ｍ／分でも管内面溶接ビード表面の微細割れの発生は無い。表ビード形状に関しては、ＴＩＧ溶接トーチ２本の場合は比較例と同様に造管速度７ｍ／分でアンダーカットによる形状不良が発生するが、ＴＩＧ溶接トーチ４本を使用した場合は、ビード形状が改善されて造管速度７ｍ／分でも平滑な表ビード形状が得られた。

一般的なスクイズ装置を用いて溶接造管する場合に、溶接部に働くスプリングバックの影響を説明する概略図であり、比較例を説明する図である。（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。管内面溶接ビード表面の微細割れを説明するための溶接管の溶接部断面図である。溶接トーチ位置の変更による管内面ビード表面の微細割れ緩和効果を説明する概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。本発明の原理、および実施例を説明する概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。（ｃ）は（ｂ）のＡ′−Ａ断面、Ｂ′−Ｂ断面、Ｃ′−Ｃ断面の各位置における溶接部の断面形状を説明した概略図である。

符号の説明

１、２、３、４１本目〜４本目の溶接トーチ
５、６、７スクイズ装置
８溶接管材
９溶接前の突き合わせ部がスプリングバックにより開口した状況
１０１本目の溶接トーチで仮付け溶接した時の溶融プール
１１１本目の溶接トーチで仮付け溶接して得られた溶接ビード部
１２２本目の溶接トーチで本溶接した時の溶融プール
１３２本目の溶接トーチで本溶接して得られた溶接ビード部
１４３本目の溶接トーチで化粧盛溶接した時の溶融プール
１５３本目の溶接トーチで化粧盛溶接して得られた溶接ビード部
１６４本目の溶接トーチで化粧盛溶接した時の溶融プール
１７４本目の溶接トーチで化粧盛溶接して得られた溶接ビード部
１８ＴＩＧトーチ１本で、管内面溶接ビードを形成する場合の溶融プール
１９１８の溶融プールが最終凝固する位置に働くスプリングバックの大きさ
２０ＴＩＧトーチ１本で、管内面溶接ビードを形成する場合において、高速造管のため、溶接入熱を増大させた時の拡大した溶融プール
２１２０の溶融プールが最終凝固する位置に働くスプリングバックの大きさ
２２管内面溶接ビードの表面微細割れ
２３突き合わせ部端面のギャップ
２４ＴＩＧトーチ１本で管内面溶接ビードを形成する場合において、ＴＩＧ溶接トーチの位置を前方に移動した場合の溶融プール
２５２４の溶融プールが最終凝固する位置に働くスプリングバックの大きさ

Claims

スプリングバックの大きい金属の帯状フープを、ロール成形により円筒状に丸めながら、スクイズロールを用いてフープの両端面を突き合わせ溶接して連続的に造管する、スプリングバックの大きい金属の造管溶接方法において、先ず、スクイズ点の近傍で１本目の溶接トーチを用いて裏ビードを形成しない入熱条件にて連続した仮付け溶接を実施し、引き続き、仮付け溶接部の凝固が完了した位置より下流側で、２本目の溶接トーチを用いて仮付け溶接部の上から裏ビードを形成する入熱条件にて本溶接を行うことを特徴とするスプリングバックの大きい金属の造管溶接方法。
前記本溶接に引き続き、３本目の溶接トーチを用いて、または更に４本目の溶接トーチを用いて、本溶接ビードの上から化粧盛溶接を実施することを特徴とする請求項１に記載のスプリングバックの大きい金属の造管溶接方法。