JP2011206813A - 電縫鋼管のシールボックス溶接装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、シールボックス内でガスシールド溶接することにより、ペネトレータ割れを零とし、さらに、異なる管寸法に対応できることである。
【解決手段】本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、シールボックス(5)の入側から出側に向けて、シールボックス入口ガス供給管(30)、高周波加熱コイル(22)、スクイズロール(23)、溶接点ガス供給管(31)、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)及び酸素濃度計(33)を有し、電縫鋼管(6)内にインピーダ(8)を有し、このシールボックス(5)内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下で、シールボックス雰囲気調整ガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上とすると共に溶接点ガス供給管(31)からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上とした構成である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、シールボックス(5)の入側から出側に向けて、シールボックス入口ガス供給管(30)、高周波加熱コイル(22)、スクイズロール(23)、溶接点ガス供給管(31)、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)及び酸素濃度計(33)を有し、電縫鋼管(6)内にインピーダ(8)を有し、このシールボックス(5)内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下で、シールボックス雰囲気調整ガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上とすると共に溶接点ガス供給管(31)からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上とした構成である。
【選択図】図１
Description
本発明は、電縫鋼管のシールボックス溶接装置に関し、特に、シールボックス内でガスシールド溶接することにより、ペネトレータ割れを零とし、さらに、異なる管寸法に対応できるようにするための新規な改良に関する。
従来、電縫鋼管は、一般に、帯鋼をフォーミングスタンドのフォーミングロールによって円筒状に連続成形したのち、そのエッジ部を高周波電流にて加熱し、スクイズロールで横方向から加圧・接合して製造される。この加圧・接合された電縫鋼管の内面には、溶接後の電縫鋼管内面に形成されるビードを切削するための内面ビード切削装置や、溶接時の加熱効率向上の機能を有する磁性酸化物（フェライトコア）からなるインピーダを内蔵するインピーダケースや、切削装置の支持体であるマンドレルが挿入されている。
通常、マンドレルには、インピーダの性能が悪化しないよう、インピーダを冷却するための冷却配管が配設されており、インピーダを連続的に冷却することができる。このインピーダの冷却水は、溶接点付近に位置するインピーダケース先端部から噴出され、内面ビード切削装置の切削バイトを冷却する役目も果たしている。
しかし、ペネトレータが発生し易い帯鋼を用いて電縫鋼管を製造する場合は、このインピーダの冷却水が溶接点付近で噴出する構造のマンドレルを使用すると、溶接欠陥が数多く発生する。
そのため、このペネトレータの発生を極力抑えるために、溶接部を周知の非酸化性ガスでシールドするガスシールド溶接法が採用されている。
通常、マンドレルには、インピーダの性能が悪化しないよう、インピーダを冷却するための冷却配管が配設されており、インピーダを連続的に冷却することができる。このインピーダの冷却水は、溶接点付近に位置するインピーダケース先端部から噴出され、内面ビード切削装置の切削バイトを冷却する役目も果たしている。
しかし、ペネトレータが発生し易い帯鋼を用いて電縫鋼管を製造する場合は、このインピーダの冷却水が溶接点付近で噴出する構造のマンドレルを使用すると、溶接欠陥が数多く発生する。
そのため、このペネトレータの発生を極力抑えるために、溶接部を周知の非酸化性ガスでシールドするガスシールド溶接法が採用されている。
前述のガスシールド溶接方法及び装置としては、多くの提案が行われ、例えば、代表的な例として、特許文献１の構成を挙げることができ、その概略的な構成は、図４に示される通りである。
すなわち、オープンパイプ１の外径より大径の内径を有する内筒２と、高周波ワークコイル３に内接する外筒４とから主としてなるシールボックス５が用いられ、電縫鋼管６内に挿入する内面ビード切削装置７、インピーダ８を内蔵するインピーダケース９、切削装置７に接続されたマンドレル１０、マンドレル１０に設けられ溶接点１１付近に位置するシールドガスを噴出するためのシールドガス配管１２等が配設されている。
すなわち、オープンパイプ１の外径より大径の内径を有する内筒２と、高周波ワークコイル３に内接する外筒４とから主としてなるシールボックス５が用いられ、電縫鋼管６内に挿入する内面ビード切削装置７、インピーダ８を内蔵するインピーダケース９、切削装置７に接続されたマンドレル１０、マンドレル１０に設けられ溶接点１１付近に位置するシールドガスを噴出するためのシールドガス配管１２等が配設されている。
前記インピーダ８を冷却する冷却水の噴出口位置１３を前記溶接点１１から４００ｍｍ以上離間させ、かつ、内面ビード切削装置７の手前側としている。
従来のガスシールド溶接方法及び装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の装置においては、鋼板を円筒状に成形するフォーミングロールから溶接装置への冷却水の流入の防止が困難であり、流入した冷却水が溶接点付近で蒸発すると、その蒸気によってシール性が悪化し、ペネトレータすなわち酸化物欠陥を抑制できないことがあった。
また、シールドボックスの管入側及び管出側の部分が固定の内径となっているため、種々の鋼管寸法に対応するためには、鋼管寸法毎にガスシールド装置を準備しなければならず、取替えが必要なため生産性を悪化させる。また、シールドボックスの取替えの場合には、シールドボックス自体が内筒と外筒の二重筒状であるため、あらゆる鋼管寸法に合わせて種々のシールドボックスを用意し、かつ、交換することは、経費上及び労力上からも極めて困難なことであった。
すなわち、前述の装置においては、鋼板を円筒状に成形するフォーミングロールから溶接装置への冷却水の流入の防止が困難であり、流入した冷却水が溶接点付近で蒸発すると、その蒸気によってシール性が悪化し、ペネトレータすなわち酸化物欠陥を抑制できないことがあった。
また、シールドボックスの管入側及び管出側の部分が固定の内径となっているため、種々の鋼管寸法に対応するためには、鋼管寸法毎にガスシールド装置を準備しなければならず、取替えが必要なため生産性を悪化させる。また、シールドボックスの取替えの場合には、シールドボックス自体が内筒と外筒の二重筒状であるため、あらゆる鋼管寸法に合わせて種々のシールドボックスを用意し、かつ、交換することは、経費上及び労力上からも極めて困難なことであった。
本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、シールボックスの内部に、高周波加熱コイルと、スクイズロールと、シールボックス入口ガス供給管及びその第１噴出口と、溶接点ガス供給管及びその第２噴出口と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管及びその第３噴出口と、酸素濃度計と、電縫鋼管内面に挿入される内面ビード切削装置と、前記内面ビード切削装置にマンドレルを介して接続されたインピーダと、前記インピーダと内面ビード切削装置を連続して冷却するための冷却水供給管とその冷却水を前記内面ビード切削装置の手前の位置で噴出する第４噴出口と、を備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管を介してシールボックスに導入する雰囲気調整ガスの流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、かつ、シールボックス入口ガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共にシールボックス内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下となるように制御した構成である。
本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、シールボックスの内部に、高周波加熱コイルと、スクイズロールと、シールボックス入口ガス供給管及びその第１噴出口と、溶接点ガス供給管及びその第２噴出口と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管及びその第３噴出口と、酸素濃度計と、電縫鋼管内面に挿入される内面ビード切削装置と、前記内面ビード切削装置にマンドレルを介して接続されたインピーダと、前記インピーダと内面ビード切削装置を連続して冷却するための冷却水供給管とその冷却水を前記内面ビード切削装置の手前の位置で噴出する第４噴出口とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管を介してシールボックス雰囲気調整ガスを流量１００ｌ／ｍｉｎ以上導入すると共に、かつ、シールボックス入口ガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共にシールボックス内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下となるように制御した構成したことにより、高周波加熱コイルから溶接点を経てスクイズロール後方までの全体をボックス構造とし、その内部を不活性ガス雰囲気とし、かつ酸素濃度を１００ｐｐｍ以下としつつ溶接を行い、シールボックス入口からの大気侵入防止と溶接点への不活性ガス吹付けにより、ペネトレータ欠陥を皆無にすることができる。
すなわち、シールボックスの内部に、高周波加熱コイルと、スクイズロールと、シールボックス入口ガス供給管及びその第１噴出口と、溶接点ガス供給管及びその第２噴出口と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管及びその第３噴出口と、酸素濃度計と、電縫鋼管内面に挿入される内面ビード切削装置と、前記内面ビード切削装置にマンドレルを介して接続されたインピーダと、前記インピーダと内面ビード切削装置を連続して冷却するための冷却水供給管とその冷却水を前記内面ビード切削装置の手前の位置で噴出する第４噴出口とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管を介してシールボックス雰囲気調整ガスを流量１００ｌ／ｍｉｎ以上導入すると共に、かつ、シールボックス入口ガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共にシールボックス内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下となるように制御した構成したことにより、高周波加熱コイルから溶接点を経てスクイズロール後方までの全体をボックス構造とし、その内部を不活性ガス雰囲気とし、かつ酸素濃度を１００ｐｐｍ以下としつつ溶接を行い、シールボックス入口からの大気侵入防止と溶接点への不活性ガス吹付けにより、ペネトレータ欠陥を皆無にすることができる。
本発明は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下で、かつ、溶接点のガス供給量が１００ｌ／ｍｉｎ以上に制御されたシールボックス内で溶接することによりペネトレータ割れを零とし、異なる管寸法に対応して稼動できるようにした電縫鋼管のシールボックス溶接装置を提供することを目的とする。
以下、図面と共に本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号５で示されるものはフォーミングスタンド出側２０からのオープンパイプ１が挿入される全体形状が箱形のシールボックスであり、このシールボックス５内の両端には、その管入力側可変部２１から下流側にかけて、高周波加熱コイル２２、スクイズロール２３及び管出側可変部２４が設けられている。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号５で示されるものはフォーミングスタンド出側２０からのオープンパイプ１が挿入される全体形状が箱形のシールボックスであり、このシールボックス５内の両端には、その管入力側可変部２１から下流側にかけて、高周波加熱コイル２２、スクイズロール２３及び管出側可変部２４が設けられている。
前記管入側可変部２１及び管出側可変部２４は、ゴム、樹脂、耐熱フェルト等の柔軟材料で形成され、円状の内径が自在に変形できるように構成され、異なる外径寸法の管を通過させることができるように構成されている。
前記シールボックス５の天板部５ａには、その上流（入側）から下流（出側）へ向けて、フォーミングロール冷却水及び大気の流入を防止するための不活性ガスを供給するためのシールボックス入口ガス供給管３０及びその第１噴出口３０ａと、溶接点１１付近に不活性ガスを１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けるための溶接点ガス供給管３１及びその第２噴出口３１ａが設けられている。また、天板部５ａには、シールボックス５内の雰囲気を常に１００ｐｐｍ以下に保つためのシールボックス雰囲気調整用ガス供給管３２及びその第３噴出口３２ａ、シールボックス５内の酸素濃度を検知するための酸素濃度計３３が配設されている。
さらに、シールボックス５内には、ボックス内の雰囲気を排出するための排気口（図示せず）を設けてもよい。
さらに、シールボックス５内には、ボックス内の雰囲気を排出するための排気口（図示せず）を設けてもよい。
前記シールボックス５内に位置して矢印Ａの方向に連続走行しているオープンパイプ１と電縫鋼管６内には、その上流側から下流側へかけて、溶接時の加熱効率向上の機能を有しインピーダケース９内に設けられたインピーダ８、電縫鋼管６内の内面に生成するビードを切削するための内面ビード切削装置７が配置され、前記インピーダケース９と内面ビード切削装置７を接続するためのマンドレル３６、前記マンドレル３６の外側に配設され冷却水によりインピーダ８と内面ビード切削装置７を連続的に冷却するための冷却水供給管３４及びその第４噴出口３４ａも設置され、前記第４噴出口３４ａの配設位置は、内面ビード切削装置７の手前に位置している。
従って、前述の構成によれば、フォーミングロール及び内面ビード切削装置７の冷却水、大気、水蒸気等の侵入を防止できるため、図３で示されるような酸化物欠陥であるペネトレータ割れ５０の発生を零とすることができる。
また、前記インピーダ８の冷却水の戻り配管がないため、その分、インピーダ８の充填率を向上させ、溶接効率の向上を図ることができる。
従って、前述の構成によれば、フォーミングロール及び内面ビード切削装置７の冷却水、大気、水蒸気等の侵入を防止できるため、図３で示されるような酸化物欠陥であるペネトレータ割れ５０の発生を零とすることができる。
また、前記インピーダ８の冷却水の戻り配管がないため、その分、インピーダ８の充填率を向上させ、溶接効率の向上を図ることができる。
次に、本出願人が実際に図１の電縫鋼管のシールボックス溶接装置４０を用いてガスシールド溶接を行った実施例１について述べる。
Ｓｉ：１．０％、Ｍｎ：１．０％を含む外径３０ｍｍ、肉厚５．０ｍｍの電縫鋼管の製造に際し、図１に示すガスシール溶接装置４０内の酸素濃度、溶接点におけるガス流量、シールボックス入口におけるガス流量、雰囲気調整ガス流量とペネトレータ割れ率の関係を調査した。なお溶接点ガス、シールボックス入口ガス、雰囲気調整ガスにはＮ２ガスを用いた。
酸素濃度は１０ｐｐｍ〜２１％まで変化、溶接点におけるガス流量は１０〜２８０ｌ／ｍｉｎ、シールボックス入口におけるガス流量は１０〜３００ｌ／ｍｉｎ、シールボックス雰囲気調整ガス流量は０〜３００ｌ／ｍｉｎまでそれぞれ変化させ、造管速度２０ｍ／ｍｉｎ、で製造した。酸素濃度２１％とは、シールボックスを開放して大気中での造管を意味する。なお、冷却水供給管に導入した冷却水の流量は、５ｌ／ｍｉｎとした。
評価方法は図２に示すように溶接部分を圧縮方向に対して垂直の方向に置いて、へん平試験を行った。試験片は、それぞれの製造条件において、２０本を採取し、それぞれ１ｍの試験片を採取して、ペネトレータ割れ率を測定した。ペネトレータ割れ率は、１ｍの試験片に占めるペネトレータ割れ長さを言う。図３にへん平試験による代表的なペネトレータ割れの例を示す。
Ｓｉ：１．０％、Ｍｎ：１．０％を含む外径３０ｍｍ、肉厚５．０ｍｍの電縫鋼管の製造に際し、図１に示すガスシール溶接装置４０内の酸素濃度、溶接点におけるガス流量、シールボックス入口におけるガス流量、雰囲気調整ガス流量とペネトレータ割れ率の関係を調査した。なお溶接点ガス、シールボックス入口ガス、雰囲気調整ガスにはＮ２ガスを用いた。
酸素濃度は１０ｐｐｍ〜２１％まで変化、溶接点におけるガス流量は１０〜２８０ｌ／ｍｉｎ、シールボックス入口におけるガス流量は１０〜３００ｌ／ｍｉｎ、シールボックス雰囲気調整ガス流量は０〜３００ｌ／ｍｉｎまでそれぞれ変化させ、造管速度２０ｍ／ｍｉｎ、で製造した。酸素濃度２１％とは、シールボックスを開放して大気中での造管を意味する。なお、冷却水供給管に導入した冷却水の流量は、５ｌ／ｍｉｎとした。
評価方法は図２に示すように溶接部分を圧縮方向に対して垂直の方向に置いて、へん平試験を行った。試験片は、それぞれの製造条件において、２０本を採取し、それぞれ１ｍの試験片を採取して、ペネトレータ割れ率を測定した。ペネトレータ割れ率は、１ｍの試験片に占めるペネトレータ割れ長さを言う。図３にへん平試験による代表的なペネトレータ割れの例を示す。
表１に示すように、シールボックス内の酸素濃度のみを低下させた場合や、溶接点におけるガス流量の増加のみでは、ペネトレータ割れを防止することができない。本発明の条件、すなわちシールボックス入口のガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付け、雰囲気調整ガスの流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上で導入し、かつ、溶接点におけるガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上とし、かつ酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に抑えることにより、ペネトレータ割れを皆無にすることが可能となる。
前述の表１のシールボックス５内の酸素濃度によれば、酸素濃度１０ｐｐｍ〜８０ｐｐｍの範囲であるが、さらなる実験の結果によれば、酸素濃度１００ｐｐｍから２０ｐｐｍまでは前述と同様の作用効果を得ることができた。
尚、表１において、ガス流量を増加させればペネトレータ割れ抑制が可能であるが、コスト上昇となるため、溶接点におけるガス流量とシールボックス入口ガス流量及びシールボックス雰囲気調整ガス流量の各々のガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上として、これらの合計であるトータルガス流量を６００ｌ／ｍｉｎ以下とすることが最適であった。
前述の表１のシールボックス５内の酸素濃度によれば、酸素濃度１０ｐｐｍ〜８０ｐｐｍの範囲であるが、さらなる実験の結果によれば、酸素濃度１００ｐｐｍから２０ｐｐｍまでは前述と同様の作用効果を得ることができた。
尚、表１において、ガス流量を増加させればペネトレータ割れ抑制が可能であるが、コスト上昇となるため、溶接点におけるガス流量とシールボックス入口ガス流量及びシールボックス雰囲気調整ガス流量の各々のガス流量を１００ｌ／ｍｉｎ以上として、これらの合計であるトータルガス流量を６００ｌ／ｍｉｎ以下とすることが最適であった。
本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、種々の異なる径のオープンパイプの溶接に適用できる。
１ オープンパイプ
５ シールボックス
６ 電縫鋼管
７ 内面ビード切削装置
８ インピーダ
９ インピーダケース
１１ 溶接点
２０ フォーミングスタンド出側
２１ 管入側可変部
２２ 高周波加熱コイル
２３ スクイズロール
２４ 管出側可変部
３０ シールボックス入口ガス供給管
３０ａ 第１噴出口
３１ 溶接点ガス供給管
３１ａ 第２噴出口
３２ シールボックス雰囲気調整用ガス供給管
３２ａ 第３噴出口
３２ｂ 排気口
３３ 酸素濃度計
３４ 冷却水供給管
３４ａ 第４噴出口
３６ マンドレル
４０ シールボックス溶接装置
５ シールボックス
６ 電縫鋼管
７ 内面ビード切削装置
８ インピーダ
９ インピーダケース
１１ 溶接点
２０ フォーミングスタンド出側
２１ 管入側可変部
２２ 高周波加熱コイル
２３ スクイズロール
２４ 管出側可変部
３０ シールボックス入口ガス供給管
３０ａ 第１噴出口
３１ 溶接点ガス供給管
３１ａ 第２噴出口
３２ シールボックス雰囲気調整用ガス供給管
３２ａ 第３噴出口
３２ｂ 排気口
３３ 酸素濃度計
３４ 冷却水供給管
３４ａ 第４噴出口
３６ マンドレル
４０ シールボックス溶接装置
Claims (1)
- シールボックス(5)の内部に、高周波加熱コイル(22)と、スクイズロール(23)と、シールボックス入口ガス供給管(30)及びその第１噴出口(30a)と、溶接点ガス供給管(31)及びその第２噴出口(31a)と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)及びその第３噴出口(32a)と、酸素濃度計(33)と、電縫鋼管(6)内面に挿入される内面ビード切削装置(7)と、前記内面ビード切削装置(7)にマンドレル(36)を介して接続されたインピーダ(8)と、前記インピーダ(8)と内面ビード切削装置(7)を連続して冷却するための冷却水供給管(34)とその冷却水を前記内面ビード切削装置(7)の手前の位置で噴出する第４噴出口(34a)とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)を介してシールボックスに導入する雰囲気調整ガスの流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、かつ、シールボックス入口ガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管(31)からのガス流量が１００ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共にシールボックス(5)内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下となるように制御するように構成したことを特徴とする電縫鋼管のシールボックス溶接装置。
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Cited By (5)
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