JP2006297402A - ガスシールドアーク造管溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被溶接物に非接触式で、簡便で勝つ良好なシールド状態が得られ、不活性ガス消費量を少なくしてテンパーカラーとアローマークの発生を抑止するＴＩＧアーク造管溶接またはプラズマ造管溶接におけるガスシールド方法を提供する。
【解決手段】 ＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法において、溶接部をガスシールドするに際し、スクイズロールの前後に被溶接物と平行に、スクイズロールを干渉しないようにシールド板を配置することを特徴とするＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＴＩＧアークおよびプラズマアーク造管溶接方法において溶接部のガスシールドを良好に行なう方法に関するものである。

金属材料をＴＩＧアークおよびプラズマアーク溶接するとき、健全な溶接部を得るためには不活性ガスを溶接部近傍に供給して、高温の溶接部を大気から遮蔽することが重要である。しかし、造管溶接では、図６に示すように金属帯を幅方向に円筒状に曲げ加工して被溶接物（オープンパイプ）４とした後、スクイズロール８により拘束されている被溶接物４の接合部（突き合せ部）を、シールドガスをシールドガス供給管１２或いは溶接トーチから供給しながら溶接トーチ１１で溶接することで造管されている。造管溶接方法の場合、図３に示すように、接合部は曲率をもっているため、ただ溶接部にシールドキャップ２内からシールドガスを供給してもシールドガス流９が容易に散逸する。したがってシールドガスが溶接部に滞留せず、多量のシールドガスを供給しても充分なシールド効果が得られないで溶接部にテンパーカラーが発生するという問題があった。

そこで一般的には、造管工程でTIGアーク溶接等により溶接する場合、溶接部を不活性ガスでシールするために、図４に示すように、スクイズロール８、シールドガス用配管、溶接トーチ１１等を収納する形で溶接部の近傍にシールドボックス６を設け、このシールドボックス６の中を不活性ガスで充満させることによりガスシールドを行なっている。しかしながら、上記のような造管におけるガスシールド方法において、溶接部の近傍にシールドボックスを設ける方法では、不活性ガスを満たすべき部分が大きくなるため、不活性ガス消費量が多くなる。さらにはシールドボックスと造管される被溶接材との間隙をシールする問題が生じる。

これを解決するために、造管溶接における溶接部のガスシールド方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。その概略を図５に示す。これは高速移動してくる被溶接材４と高速回転するスクイズロールの一部を包み込むようにシールドカーテン７からなる局所シールド装置を配置するものである。この局所シールド装置は、タングステン電極１とシールドキャップ２を備えた溶接トーチの先端周辺をカバーするとともに、被溶接物４およびスクイズロールの入側上面にステンレス鋼繊維製フェルトを押し当てて、溶接部への入側からの大気の巻き込みを防止するものである。しかし、構造上摺動部が必然的に生じ、管表面に摺動疵が発生する問題が生じる。そこでステンレス鋼繊維のかわりにアスベストを用いることで摺動疵を抑止しても、今度はアスベストの小片が溶融池に混入し、アローマークというビード不良欠陥が発生する場合がある。

また、溶接空間を段階的に外気から遮断し、酸化，窒化等のない健全な溶接部をもつ金属溶接管を製造するための金属溶接管製造用ガスシールド装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。即ち、円筒状に曲げ加工した金属帯を、シール材を備えた予備室に送り込み、更にシール材を備えた主室に送り込む。主室には、成形スタンド，ガイドスタンド，溶接スタンド，サイドロールスタンドが配置されている。溶接スタンドのスクイズロール及びサイドロールスタンドのサイドロールは更に局部シールドボックスで取り囲まれており、酸化領域以下の温度に降温するまで溶接部をガスシールドするものである。この装置は、保護雰囲気を多段に設けることにより溶接空間への外気の侵入を防止しようとするものであるが、不活性ガスを満たすべき部分が大きくなるため、不活性ガス消費量が多くなる。さらにはシールドボックスと造管される被溶接材との間隙をシールする問題が生じる。

特開平９−７６０９４号公報 特開２０００−２１０７９２号公報

そこで本発明は、金属体からなる被溶接物を造管溶接する場合に、被溶接物に非接触式で、簡便でかつ良好なシールド状態が得られ、不活性ガス消費量を少なくしてテンパーカラーとアローマークの発生を抑止するＴＩＧアーク造管溶接またはプラズマアーク造管溶接におけるガスシールド方法を提供することを目的とする。

本発明者は、ＴＩＧアークおよびプラズマアーク造管溶接における溶接部をガスシールドする方法について種々の実験を行なった結果、溶接部近傍にシールド板を非接触式で配置することにより、溶接部のシールド効果が飛躍的に向上することを新たに見出し、本発明を完成した。

本発明の要旨は以下の通りである。

（１）ＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法において、溶接部をガスシールドするに際し、スクイズロールの前後に被溶接物と平行に、スクイズロールと干渉しないようにシールド板を配置することを特徴とするＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。

（２）前記シールド板が、被溶接物の外周囲を取り囲むように断面円形状のシールド板部分を有することを特徴とする上記（１）記載のＴＩＧアークまたはブラズマアーク造管溶接方法。

（３）被溶接物とシールド板の高度差（ａ）が０〜１．０ｍｍであり、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）が０．０１〜１．０ｍｍであることを特徴とする上記（１）または（２）記載のＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。

（４）被溶接物としてチタンを用いることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のＴＩＧアークおよびプラズマアーク造管溶接方法。

本発明にかかわるＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接におけるシールド板を用いた溶接部のガスシールド方法を実施すれば、供給するシールドガスの溶接部での滞留効果が高まり、シールド不良により発生するテンパーカラーの発生を抑止できる。しかも、非接触式ゆえにアローマーク等溶接欠陥の発生も抑止できる。したがって、ステンレス鋼やチタン等の造管において極めて優れた外観のパイプを安定して製造することが可能である。

以下図面により本発明にかかわるＴＩＧアークおよびプラズマアーク造管溶接における溶接部のガスシールド方法について詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接部のガスシールド方法を実施している状態の一実施例を示す説明図である。図１（ｂ）は、本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接方法を上面から観察した説明図である。図２は本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接のガスシールド方法を実施している状態のもう一つの実施例を示す説明図である。図３は通常のガスシールド方法によるＴＩＧアーク造管溶接の態様を示す説明図である。図４はシールドボックスを用いたときのＴＩＧアーク造管溶接の態様を示す説明図である。図５は、従来の造管溶接におけるシールド方法の概略を示す説明図である。

図３に示すように、ＴＩＧアーク造管溶接においては、被溶接物であるパイプに曲率があり、シールドガスをいくら供給してもほとんど散逸し、シールド効果があがらないという欠点があった。これを改善するため図４に示すように、被溶接物４と溶接トーチ１１系をシールドボックス６の中に納める態様が考案されたが、多量のシールドガスを必要としかつシールドボックスへの被溶接物の出入り口でシールする必要が生じる。これを改善するため図５に示すようにシールドカーテン７による局所シールド方法が提案された。しかしこの方法においてもシールドカーテン７と被溶接物４が接触式であるため必然的に摺動部が派生し、シールドカーテンの材質によっては被溶接物表面に摺動疵が形成される。ここでアスベスト等を用いた場合にはシールドカーテンの破片が溶融池に混入し欠陥（アローマーク）が発生するといった問題があった。

そこで、本発明者は、造管溶接を行う際に被溶接物と非接触で、不活性ガスであるシールドガスの消費量が少なく、かつ簡便な設備で溶接部をガスシールドする方法について鋭意研究を行った。その結果、ＴＩＧアークまたはプラズマアーク溶接でスクイズロールにより拘束されている被接触物（オープンパイプ）の接合部を溶接する際に、スクイズロールの前後に被溶接部と平行にスクイズロールと干渉しないようにシールド板を配置することで、効果的にガスシールドが達成できることを見出した。

以下、図を参酌して本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接部のガスシールド方法を実施している状態の一実施例を示す説明図で、図１（b）は、本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接部のガスシールド方法を実施している状態を上面から観察した説明図である。

図１（ａ）、（b）に示すように、帯鋼から円筒状に成形された被溶接物（オープンパイプ）４は、スクイズロール８で突合わせ形状に拘束され、突会わせ部（接続部）の造管溶接を施される。造管溶接は、この例ではＴＩＧアーク溶接を行っている。被溶接物４の接合部を溶接するＴＩＧアーク溶接は、タングステン電極１と被溶接物４間にアーク３を発生させて溶接を行う。溶接中には、溶接トーチを構成するタングステン電極１の周囲に設置されているシールドキャップ２内からシールドガスを溶接部を包囲するように噴出して溶接部を酸化や窒化から保護するようにガスシールドする。

本発明では、スクイズロール８の前後に被溶接物４と平行に、スクイズロール８と干渉しないように平面略扇形（ヘラ形状）のシールド板５を配置している。ＴＩＧアーク溶接方法を上面から観察した図１（ｂ）に示すようにスクイズロールの間隙をぬうように平面略扇形（ヘラ形状）をしたシールド板５が４箇所配置されている。特殊シールド板５を配置したことで、電極トーチのシールドキャップ２内から噴出されたシールドガス流９は散逸することなくシールド板で反射し、溶接部に滞留して溶接部を効果的にガスシールドすることができる。このため、溶接によって発生するテンパーカラー等の溶接欠陥を抑止することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すようにシールド板を配置することで充分なシールドガス滞留効果が得られるが、他の例としては、シールド板で被溶接物背面を包み込む図２の態様で更に良好なシールドガス滞留効果が得られる。

即ち、図２に示すように、シールド板５で被溶接物４の外周囲を所定の間隔をあけて包み込むように、シールド板５の溶接部近傍端部から、被溶接物４と同心円状のシールド板部分１０を設けることで、シールドガス流の滞留効果が一層向上する。このように溶接部の近傍にシールド板を配置することにより、シールドガス流が散逸することなくシールド板で反射し、シールドガスの滞留効果を高める効果がある。
シールド板の材質は、耐熱性の素材であれば何でも良く、加工性の見地からステンレス鋼板が最も適している。

つぎに、シールド板の配置位置を被溶接物とシールド板の高度差（ａ）が０〜１．０ｍｍであり、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）が０．０１〜１．０ｍｍと限定した理由について説明する。

被溶接物とシールド板の高度差（ａ）の下限：０ｍｍより小さい（被接合物より上側にある状態）と、充分なシールド効果が得られない。また、被溶接物とシールド板の高度差（ａ）の上限：１．０ｍｍより大きくても充分なシールド効果が得られないためテンパーカラーが発生する。したがって、被溶接物とシールド板の高度差（ａ）を０〜１．０ｍｍに規定する。

被溶接物とシールド板の間隔（ｄ）の下限：０．１ｍｍより小さくすると床面から立てた支持柱が振動し、シールド板が被溶接物に接触する事態が多発する。被溶接物とシールド板の間隔（ｄ）の上限：１．０ｍｍより大きいと、シールドガスが間隙から散逸し、充分なシールド効果が得られない。したがって、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）を０．０１〜１．０ｍｍと限定する。

また、被溶接物としてチタンを用いた場合について説明する。

本件は普通鋼管の溶接、ステンレス鋼管の溶接、チタン管の溶接等々広範囲な素材の管の溶接に適用できる。その中で、大気中の酸素、窒素と結合し易く、最もシールド性能が要求されるのがチタンであり、チタン管において本発明は最も効果を発揮する。

本発明の図１（ａ）、図１（ｂ）、図２において良好なシールド効果が得られる理由として以下のことが挙げられる。図３に示すように曲率を持った被溶接物にシールドガスを供給しても、その曲面に沿ってシールドガスが散逸し、溶接部に滞留せず充分なシールド効果が得られない。それに対して本発明においては、溶接部近傍に配置されたシールド板にシールドガスが衝突し跳ね返ることでシールドガスの散逸を防ぎ、シールドガスの滞留効果を高めている。

なお、上記説明ではＴＩＧアーク造管溶接について説明したが、プラズマアーク造管溶接でも同様の効果が得られる。

（本発明例１）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍの主成分１８％Ｃｒ−８％Ｎｉのステンレス鋼帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、アーク長２ｍｍ、溶接電流２００Ａ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、図１（ａ）、図２に示す本発明を実施した。なお、被溶接物とシールド板の高低差（ａ）をａ＝０．５ｍｍ、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）をｄ＝０．５ｍｍとしたところ、テンパーカラーとアローマークの発生しない極めて流麗な溶接部が得られた。

（比較例１）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍの主成分１８％Ｃｒ−８％Ｎｉのステンレス鋼帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、アーク長２ｍｍ、溶接電流２００Ａ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、図３に示す従来方法を実施したところ、充分なシールド効果が得られず、テンパーカラーが発生した。

（比較例２）
また図５に示すもう一つの従来方法を同じ溶接条件で実施したところ、テンパーカラーの発生は抑制できたもののアローマークが発生した。
以上の結果を表１にまとめて記す。

（本発明２）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍのチタン帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、アーク長２ｍｍ、溶接電流２００Ａ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、図１（ａ）、図２に示す本発明を実施した。なお、被溶接物とシールド板の高低差（ａ）をａ＝０．５ｍｍ、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）をｄ＝０．５ｍｍとしたところ、テンパーカラーの発生しない極めて流麗な溶接部が得られた。

（比較例３）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍのチタン帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、アーク長２ｍｍ、溶接電流２００Ａ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、図３に示す従来方法を実施したところ、充分なシールド効果が得られず、テンパーカラーが発生した。

（比較例４）
また図５に示すもう一つの従来方法を同じ溶接条件で実施したところ、テンパーカラーの発生は抑制できたもののアローマークが発生した。
以上の結果を表２にまとめて記す。

（本発明３）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍの主成分１８％Ｃｒ−８％Ｎｉのステンレス鋼帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、スタンドオフ２ｍｍ、プラズマ電流１５０Ａ、センターガス流量１．０Ｌ／分：Ａｒ，シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、本発明を実施した。なお、被溶接物とシールド板の高低差（ａ）をａ＝０．５ｍｍ、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）をｄ＝０．５ｍｍとしたところ、テンパーカラーとアローマークの発生しない極めて流麗な溶接部が得られた。

（比較例５）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍ主成分１８％Ｃｒ−８％Ｎｉのステンレス鋼帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、スタンドオフ２ｍｍ、プラズマ電流１５０Ａ、センターガス流量１．０Ｌ／分：Ａｒ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、従来方法を実施したところ、充分なシールド効果が得られず、テンパーカラーが発生した。

（比較例６）
また局所シールドを実施する従来方法を同じ溶接条件で実施したところ、テンパーカラーの発生は抑制できたもののアローマークが発生した。
以上の結果を表３にまとめて記す。

（本発明４）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍのチタン帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、スタンドオフ２ｍｍ、プラズマ電流１５０Ａ、センターガス流量１．０Ｌ／分：Ａｒ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、本発明を実施した。なお、被溶接物とシールド板の高低差（ａ）をａ＝０．５ｍｍ、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）をｄ＝０．５ｍｍとしたところ、テンパーカラーの発生しない極めて流麗な溶接部が得られた。

（比較例７）
被溶接物として、板厚０．５ｍｍのチタン帯を用い、パイプ直径２５ｍｍのオープンパイプとし、溶接速度５ｍ／分、スタンドオフ２ｍｍ、プラズマ電流１５０Ａ、センターガス流量１．０Ｌ／分：Ａｒ、シールドガス流量２０Ｌ／分：Ａｒで、従来方法を実施したところ、充分なシールド効果が得られず、テンパーカラーが発生した。

（比較例８）
また局所シールドを実施するもう一つの従来方法を同じ溶接条件で実施したところ、テンパーカラーの発生は抑制できたもののアローマークが発生した。
以上の結果を表４にまとめて記す。

（ａ）は本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接部のガスシールド方法を実施している状態の一実施例を示す説明図で、（ｂ）は本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接部のガスシールド方法を実施している状態を上面から観察した説明図である。 本発明にかかわるＴＩＧアーク造管溶接のガスシールド方法を実施している状態のもう一つの実施例を示す説明図である。 通常のガスシールド方法によるＴＩＧアーク造管溶接の態様を示す説明図である。 従来のシールドボックスを用いたときのＴＩＧアーク造管溶接の態様を示す説明図である。 従来の局所シールド装置を用いたときのＴＩＧアーク造管溶接の態様を示す説明図である。 造管溶接における溶接部近傍の概略図である。

符号の説明

１ タングステン電極
２ シールドキャップ
３ アーク
４ 被溶接物
５ シールド板
６ シールドボックス
７ シールドカーテン
８ スクイズロール
９ シールドガス流
１０ 断面円形状シールド板
１１ 溶接トーチ
１２ シールドガス供給管

Claims (4)

1. ＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法において、溶接部をガスシールドするに際し、スクイズロールの前後に被溶接物と平行に、スクイズロールと干渉しないようにシールド板を配置することを特徴とするＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。
2. 前記シールド板が、被溶接物の外周囲を取り囲むように断面円形状のシールド板部分を有することを特徴とする請求項1記載のＴＩＧアークまたはブラズマアーク造管溶接方法。
3. 被溶接物とシールド板の高度差（ａ）が０〜１．０ｍｍであり、被溶接物とシールド板の間隙（ｄ）が０．０１〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。
4. 被溶接物としてチタンを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＴＩＧアークまたはプラズマアーク造管溶接方法。

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