JP2006122930A - 鋼板の板継溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スパイラル鋼管の製造等において用いられるコイル継ぎ溶接などのように、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）の生成を可能とし、鋼管成形などの後に裏面側の手直し溶接（補修溶接）が不要となる鋼板の板継溶接方法を提供する。
【解決手段】 鋼板１，１どうしを突合せ、鋼板１，１の突合せ部２における溶接トーチ３と反対側の裏面に裏当て金４を当接させた状態で、溶接トーチ３の進行方向前方に高周波誘導加熱用のコイル５を配置し、突合せ部２が所定の温度になるように予め加熱しつつ、サブマージアーク溶接を行い、板継ぎする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鋼板の板継溶接方法に係り、特にスパイラル鋼管の製管ラインにおける板継に適用して有用な方法である。

スパイラル鋼管におけるコイル継ぎ溶接は、コイルの一方の面からのみのサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）のため、溶接条件（速度、電流、電圧等）を種々変更しても裏面側まで完全な溶接ビード（裏波ビード）が生成しない。そのため、コイル裏面側の未溶接部は、鋼管になってからオフライン作業で手直し溶接（補修溶接）を行わなければならず、工程の無駄とラインの流れを阻害している。

また、裏波ビードが出ていないコイル裏面部をそのままロール成形すると、その部分の成形が不十分になるために丸みのないくり型形状になり、鋼管真円度が悪く、品質上好ましくない。そのため、管端部にコイル継ぎ部がこないように調整する必要があり、コイル継ぎ部が歩留悪化の要因になっている。

一方、鋼板の連続ライン（冷延、焼鈍、酸洗等）における板継溶接において、高生産性、歩留向上を目的としてレーザー、プラズマ等を利用した突合せ溶接が増加する傾向にあるが、特許文献１には、このような溶接において、高炭素鋼の溶接割れを防止する目的で、溶接部を２００〜２５０℃に予熱しながら溶接する方法が提案されている。

特開平６−３１２２８５号公報

しかしながら、特許文献１の鋼板の板継溶接方法は、レーザー（もしくはプラズマ）によるビームを照射する方法であり、溶接の対象となる鋼板は冷延鋼板などの１ｍｍ以下〜数ｍｍ程度の板厚の薄い鋼板であって、本発明が対象とするスパイラル鋼管の素材である板厚が１０〜３０ｍｍの熱延鋼板などに適用できるものではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スパイラル鋼管の製造等において用いられるコイル継ぎ溶接などのように、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）の生成を可能とし、鋼管成形などの後に裏面側の手直し溶接（補修溶接）が不要となる鋼板の板継溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、各種条件で膨大な実験を行った結果、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の突合せ部を予熱して溶接することにより、溶融金属量が増加し、溶け込み幅およびビード幅が広がり、裏波ビードが発生しやすくなることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の鋼板の板継溶接方法は、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、前記突合せ部を予め加熱して溶接することを特徴とする。
請求項１に記載の発明においては、突合せ部を予め加熱してからサブマージアーク溶接を行うので、溶け込み幅およびビード幅が広がり、鋼板の裏面側まで溶接ビードの生成が可能となる。したがって、例えば、スパイラル鋼管の製造ラインにおけるコイル継ぎ溶接において、コイル横継部の完全裏波溶接が実現することができる。その結果、オフラインでのスパイラル鋼管コイル継ぎ部の手直し溶接（補修溶接）やグラインダー手入れを削減あるいは解消（スパイラル鋼管の製造工程の一部省略）することができる。また、スパイラル鋼管の管端部コイル継ぎ部の製品化による歩留向上が期待できる。

請求項２に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１に記載の発明において、前記突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することを特徴とする。
請求項２に記載の発明においては、突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することにより、裏面側まで完全な溶接ビードを形成することが可能となる。

請求項３に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記鋼板の厚さが１０〜３０ｍｍであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、鋼板の厚さが１０〜３０ｍｍの板継ぎ溶接に適用されるが、このような板厚の板継溶接は、裏面側まで溶接ビードを形成可能であり、スパイラル鋼管の製造等の利用に好適である。

請求項４に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに発明において、前記突合せ部の加熱は、高周波誘導加熱またはバーナー加熱によるものであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明においては、加熱装置の自動化等が容易である。加熱は、例えば、サブマージアーク溶接を行う面側と同じ面側から加熱される。

本発明の鋼板の板継溶接方法によれば、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）を形成することが可能となり、したがって溶接後に裏面側の手直し溶接（補修溶接）を不要にすることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る鋼板の板継溶接方法を説明するための斜視図である。
同図に示すように、本実施の形態の鋼板の板継溶接方法においては、鋼板１，１どうしを突合せ、鋼板１，１の突合せ部２における溶接トーチ（サブマージアーク溶接用トーチ）３と反対側の裏面に裏当て金（バッキングプレート）４を当接させた状態で、溶接トーチ３の進行方向前方に高周波誘導加熱用のコイル５を配置し、突合せ部２が所定の温度になるように予め加熱しつつ、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を行い、板継ぎする。溶接トーチ３とコイル５との距離は、例えば、およそ１００ｍｍ程度とし、溶接トーチ３の進行に合わせてコイル５も溶接トーチ３と同じ速度で同じ方向に移動させる。図２に示すように、鋼板１には必要に応じて所定の開先角度α（°）の開先を形成し、また鋼板１，１間には必要に応じて所定のルートギャップｒ（ｍｍ）を設ける。

なお、このとき、鋼板１，１の突合せ部２の表面側（溶接トーチ３側）には、通常のサブマージアーク溶接と同様、溶接トーチ３の移動方向前方に近接して配置されたフラックス供給ホース６からフラックスを散布する一方で、突合せ部２の裏面側には裏当て金４の上面にフラックスを溶接開始前に供給しておく。裏当て金４上面へのフラックス供給方法としては、手作業でもあるいは供給装置を用いても良い。また、裏当て金４に貫通孔をあけて当該貫通孔を通じてフラックスを裏当て金４の上面に供給することも可能である。このフラックスの種類としては、鋼板１，１の表面側および裏面側の両方に比較的融点の高い焼結型のフラックスを用いることが裏波ビード形状の安定化の点で望ましい。

また、図１には図示しないが、鋼板１，１の突合せ部２の幅方向両端部のサブマージアーク溶接を安定させるために、当該両端部にタブと呼ばれる切板をあらかじめ仮付け溶接しておき、当該切板の突合せ部の溶接から開始し当該切板の突合せ部の溶接で一連のサブマージアーク溶接工程を終了する方法をとることが望ましい。

高周波誘導加熱用コイル５に通電する電力量や鋼板１，１の厚さによって鋼板１，１の突合せ部２の加熱状況（温度分布）は異なる。
図３に示すように、鋼板１，１を突合せて、鋼板１，１の突合せ部２の一方側の面（表面）に高周波誘導加熱用コイル５を配置し、高周波出力（電力量）および鋼板１の厚さを変えて、突合せ部２の高周波誘導加熱を行い、突合せ部２の裏面の温度を測定する加熱試験を行った。高周波電源の出力周波数は５０ｋＨｚである。高周波誘導加熱用コイル５は、鋼板１，１の突合せ部２に沿って速度５００ｍｍ／ｍｉｎで移動させた。試験材である鋼板１としては一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００を用いた。その試験結果を図４に示す。

図４から、高周波出力（電力量）が３６〜４８ｋＷの範囲内で、厚さが３０ｍｍ以下の鋼板１，１の突合せ部２の裏面（高周波誘導加熱用コイル５と反対側の面）の温度が３００℃以上になるように加熱できることが分かる。また、高周波出力（電力量）が２２ｋＷでは、厚さが１４ｍｍ以下の鋼板１，１の突合せ部２の裏面の温度が３００℃以上になることが分かる。なお、図２に示す鋼板１，１の突合せ部２の開先形状やルートギャップｒの加熱温度への影響は殆ど認められなかった。

図５および図６は、上述の図１の鋼板の板継溶接方法により、鋼板１，１の突合せ部２を高周波誘導加熱用のコイル５で予め加熱（予熱）してからサブマージアーク溶接をして鋼板の板継ぎを行った場合と、予熱しないでサブマージアーク溶接を行った場合の溶接部裏側のビード幅を調査したものである。鋼板１には幅が４００ｍｍの一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００を用い、種々の厚さの鋼板１について板継ぎ溶接を行い、溶接部の裏ビード幅を調査した。予熱は、２２〜４８ｋＷの電力量で鋼板１，１の突合せ部２の高周波誘導加熱を行い、突合せ部２の裏面（溶接トーチ３およびコイル５と反対側の面）の温度が３００℃以上になるようにした。図５は、鋼板１，１の突合せ部２に開先を取らずに、ルートギャップｒを２ｍｍとった場合の結果を示し、図６は、鋼板１，１の突合せ部２に開先角度αが７°（片側）の開先を取り、ルートギャップｒを０ｍｍとした場合の結果を示す。

図５および図６において、○印および△印ならびに回帰曲線である実線が予熱を行った場合を示し、×印および回帰曲線である破線が予熱なしの場合を示している。ここで、○印、△印および×印はそれぞれ、溶接部裏面の手入れ（補修溶接を含む）が全く不要なレベル、若干の手入れが必要なレベル、全面手入れが必要なレベルを表している。
図５および図６から、予熱しながらサブマージアーク溶接を行うことにより、鋼板の厚さが１０〜３０ｍｍの範囲では、予熱しない場合に比べ、裏ビード幅で３〜１０ｍｍ程度大きくなることが分かる。また、予熱しない場合には、裏ビードの品質が悪く、溶接部裏面の全面的な手入れが必要なのに比べ、予熱しながらサブマージアーク溶接を行った場合には、溶接部の手入れ（補修溶接を含む）が全く不要若しくは若干の手入れが必要なレベルとなることが分かる。

次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
本実施例では、本発明の鋼板の板継溶接方法をスパイラル鋼管の製管ラインにおける板継に適用した。スパイラル鋼管の素材として用いた鋼板は、鋼板の幅が４００ｍｍの一般構造用圧延鋼板のＳＳ４００である。

鋼板の板継溶接の際には、一時的に製管ラインを停止して鋼板が静止した状態で、まず先行材（製管ホットコイル）の終端部と後行材（先行材に引続き製管するホットコイル）の先端部を平坦にするため、それぞれをシャーで所定長さのクロップを切断した。しかる後、先行材と後行材の突合せ部を、裏当て金、溶接トーチならびに高周波加熱コイルの待機位置まで移動し、その後、上述の図１の鋼板の板継溶接方法により、先行材と後行材とを突合せた状態でサブマージアーク溶接を行った。

鋼板１の厚さは、１４〜３０ｍｍのものを用いた。板継部の開先形状は、開先を取らずに、ルートギャップｒを２ｍｍとった場合と、開先角度αが７°（片側）の開先を取り、ルートギャップｒを０ｍｍとした場合の２種類とした。高周波加熱用コイル５による加熱（予熱）は、２２〜４８ｋＷの電力量で行い、鋼板１，１の突合せ部２の裏面温度は３００〜３５０℃であった。また、鋼板１，１の突合せ部２のサブマージアーク溶接においては、溶接トーチ３側ならびに裏当て金４側から突合せ部２に焼結型のフラックスを供給した。
また、比較例として、高周波加熱コイルによる加熱を行わず、他は実施例と同様に板継溶接を行った。

その結果を表１に示す。なお、表１中の評価の項における○印、△印および×印はそれぞれ、溶接部裏面の手入れ（補修溶接を含む）が全く不要、若干の手入れが必要なレベル、全面手入れが必要を表している。

表１から分かるように、厚い板厚の各鋼板や異なる開先形状において、加熱を行わない比較例では、裏ビードの品質が悪く、溶接部裏面の全面的な手入れが必要なのに比べ、本発明の鋼板の板継溶接方法によれば、表面性状に優れた裏ビードが発生しており、補修溶接や溶接部の手入れが全く不要若しくは若干の手入れが必要なレベルとなった。

本発明の実施の形態に係る鋼板の板継溶接方法を説明するための斜視図である。 鋼板の突合せ部を示す縦断面図である。 鋼板の突合せ部の高周波誘導加熱試験方法を説明するための斜視図である。 高周波誘導加熱による鋼板の厚さと鋼板の突合せ部の裏面の温度との関係を示す図である。 鋼板の厚さと裏ビード幅との関係を示す図である（開先無し、ルートギャップ２ｍｍ時）。 鋼板の厚さと裏ビード幅との関係を示す図である（開先角度７°（片側）、ルートギャップ０ｍｍ時）。

符号の説明

１ 鋼板
２ 突合せ部
３ 溶接トーチ
４ 裏当て板
５ 高周波誘導加熱用コイル
６ フラックス供給ホース
α 開先角度
ｒ ルートギャップ

Claims (4)

1. 鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、前記突合せ部を予め加熱して溶接することを特徴とする鋼板の板継溶接方法。
2. 前記突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することを特徴とする請求項１に記載の鋼板の板継溶接方法。
3. 前記鋼板の厚さが１０〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼板の板継溶接方法。
4. 前記突合せ部の加熱は、高周波誘導加熱またはバーナー加熱によるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに鋼板の板継溶接方法。

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