JP2836498B2

JP2836498B2 - レーザ溶接製管方法

Info

Publication number: JP2836498B2
Application number: JP6223676A
Authority: JP
Inventors: 克之松廣; 洋次稲葉
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 1998-12-14
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: JPH0890265A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ溶接にて管を製造
する方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高級な溶接管の製造方法とし
て、高周波加熱（予熱）＋レーザ溶接からなる高周波予
熱レーザ製管法が実施されている。この製管法では、キ
ーホールと呼ばれる溶融池に形成される貫通孔を通して
肉厚内部へ直接レーザを高密度で照射できる。その結
果、内外面均一な溶接が可能となり、高速溶接に適し、
特に肉厚の比較的薄い材料の溶接では欠陥の無い極めて
良好な溶接部が得られる。

【０００３】しかし、肉厚が大きく（鋼種によって異な
るが例えば６ｍｍ超）なると、溶接部にブローホールや
凝固割れなどの欠陥が発生しやすくなる。これらの欠陥
の発生機構を図に基づいて説明する。

【０００４】図１５（ａ）〜（ｃ）は溶接欠陥の発生機
構説明図であり、全てレーザビーム１０１が矢印（図の
右から左）向きに相対移動している際の長手方向切断面
である。母材１０２は例えば肉厚１２ｍｍの鋼板であ
る。（ａ）は溶融金属の落込みを示す図であり、レーザ
ビーム１０１にて溶融形成された溶融池１０３の先端に
キーホール１０４が貫通形成され、このキーホール１０
４も母材と同等の約１２ｍｍ深さとなり、キーホール１
０４に溶融金属の一部が落込み易くなる。なお、１０５
…（…は複数個を示す。以下、同様。）は気泡、１０６
は凝固部、１０７は凝固時に封じ込められた気泡により
形成されたブローホールである。

【０００５】（ｂ）はキーホール１０４に落込んだ溶融
金属の一部をレーザビーム１０１が直接照射しているこ
とを示す。（ｃ）は上記溶融金属の一部が爆発的に蒸発
し、溶融池１０３に気泡１０５…及び気泡の素となる空
洞１０５ａ…を形成する。以上の（ａ）〜（ｃ）のプロ
セスがこの順又は順不同で繰返されて気泡１０５…が発
生し、これら気泡１０５は溶融金属が凝固する前に金属
外に放出されれば問題無いが、現実には一部が取り残さ
れて上記ブローホール１０７…を形成する。

【０００６】また、このようにキーホールが不安定に変
動するため、溶融池の形状も不安定となり、しばしば凝
固の部分的遅れ部１１０が発生する。これは図１６に示
すような中膨れビード断面の原因となり、強固割れ１０
９が発生する場合がある。図１６は凝固後のビードを示
し、ビードにブローホール１０７…及び凝固割れ１０９
が形成されていることを示す。なお、母材の端部（被溶
接部）を予熱することで上記気泡１０５…の抜けの改善
を試みたが、効果は期待できなかった。また、圧延油等
の付着物もブローホール１０７の発生の原因となる。

【０００７】そこで、ブローホールや凝固割れなどの欠
陥対策として、次の方法が提案されている。第１の方法；溶融池に脱酸剤を添加して、気泡の発生を
抑える。第２の方法；特開昭６０−２４０３９５号公報で提案さ
れた方法であり、同公報の第４図に示される通り、第２
のレーザビームで溶融金属の端部の角を落としてキーホ
ールの開口部を拡大し、金属蒸気の排出を促進してブロ
ーホールの発生を防止するものである。第３の方法；特開平１−９９７８９号公報で提案された
方法であり、管外面及び管内面から同時にレーザビーム
を照射するものであり、片面溶接を両面溶接に変更した
のでビード幅を狭めることができるというものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第１の方
法は大気を巻き込んだ場合の酸化に起因するブローホー
ルは防止できるものの、不安定なキーホールによるブロ
ーホールの発生と、凝固割れの発生を防止する効果は期
待できない。上記第２の方法は実施例にみられる通り
に第１のレーザビームでキーホールを形成するにもかか
わらず、第２のレーザビームではキーホールを形成させ
ない。すなわち、第２のレーザビームは低出力であっ
て、管外周面近傍のみを照射対象とするものである。と
すると、６ｍｍ超の厚肉の溶接に対しては第２のレーザ
ビームはキーホールのごく上部のみにしか作用しないこ
とになり、キーホールの大部分は狭いままであり、気泡
の抜けは改善されずにブローホールは発生する。また、
上記第３の方法は管内面側のレーザ照射（レーザの通路
形成、照射位置合せ、スパッタやヒュームの排出）が極
めて難かしく、実施例の様にミラー反射で光路を形成す
る場合には発生したヒューム、水蒸気等が通光を妨げる
こととなり、実用化は難しい。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者等は、実
用上の観点から溶接法を管外面からの片面レーザ溶接と
し、この溶接法で溶接欠陥の無い６ｍｍ超の厚肉を処理
できる技術を見出すべく研究を重ねた。その結果、２本
のレーザビームを溶融池に照射することにより、溶融池
の幅や長さを拡大でき、気泡の抜けを促し、ブローホー
ルや凝固割れの発生を防止できることを確認した。さら
に、上記気泡を上部余盛に介在させ、この余盛部分を後
に切除すれば良好な溶接部が簡単に得られることも見出
した。

【００１０】具体的には、（請求項１）平板状の金属帯
を管状に曲げ成形し、この管状の金属帯の対向両端部を
スクイズロールで加圧突き合せ、この突き合せ部分をレ
ーザビームで溶接するにあたり、次の工程で溶接及び後
処理を実施する。第１工程：前記レーザビームを、管肉厚を貫通するキー
ホールを形成する能力のあるレーザビームと、管肉厚の
少なくとも３０％の深さのキーホールを形成する能力の
あるレーザビームとから構成し、これら２本のレーザビ
ームをこの順若しくは逆順に溶接方向に、且つ互いのキ
ーホールが重ならぬ程度に離間させた位置に並設し、先
行のレーザビームで形成した溶融池内に後行のレーザビ
ームを照射しつつ溶接をなすとともに、溶融池内に介在
する気泡を集めるために上部余盛を溶接部に形成する溶
接工程。第２工程：前記上部余盛を除去する工程。

【００１１】（請求項２）スクイズロールの加圧力を高
めることで、前記上部余盛が少なくとも０．５ｍｍ高さ
となるようにする。

【００１２】（請求項３）第１工程に先立って、前記管
状の金属帯の対向両端部を高周波加熱手段にて少なくと
も７００℃に予熱する。

【００１３】（請求項４）前記上部余盛を、切削工具に
て切除する。

【００１４】

【作用】本発明に係る作用を図に基づいて説明する。図
１（ａ）〜（ｄ）は第１のレーザビーム出力を２０ｋ
Ｗ，第２のレーザビーム出力を２０ｋＷ，予熱温度を１
２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして肉厚１２ｍｍ
のパイプを溶接した時の作用図である。（ａ）では、第
１のレーザビームＢ１が母材７の内面まで貫通した第１
のキーホールＨ１を形成し、このキーホールＨ１は従来
法と同様に不安定であるために後方に多数の気泡３が発
生する。そこで、後方に第２のレーザビームＢ２を照射
して第２のキーホールＨ２を形成することにより気泡３
を良好に排出することができる。この第２のレーザビー
ムＢ２の作用は次に述べる第１作用と第２作用からな
る。

【００１５】第１作用は、第１のキーホールＨ１で発生
した気泡３をトラップ（捕まえること）し、溶融池４の
なかの気泡数を減少させる作用である。この際、キーホ
ールＨ２でも気泡は発生するが、レーザビームＢ２が高
温の溶融池４に照射されているためにエネルギ的に十分
に余裕があり、第２のキーホールＨ２は第１のキーホー
ルＨ１より大きくなる。キーホールＨ２が大きければ、
キーホールＨ２へ落込んだ溶融金属がレーザビームＢ２
で直接照射される率が小さくなり、気泡３の発生は微小
となる。

【００１６】第２作用は、（ｂ）に示す通り、第２のキ
ーホールＨ２が第１のキーホールＨ１からの後方流をせ
き止めて、周辺流れを作り、溶融池４を幅、長さともに
拡大する作用である。溶融池４が幅広になると、溶融池
４内の気泡は浮上しやすくなって横の凝固壁面５，５に
トラップされにくくなり、また、溶融池４が長くなるこ
とにより、気泡の排出のための時間が稼げる。

【００１７】上記第１・第２作用により、気泡３は凝固
前に十分に排出されるか、あるいは、（ｃ）に示すよう
に上部余盛６に集中する。凝固割れについては、溶融池
が大きくなったために、キーホールが不安定であって
も、この変動が全て溶融池に吸収されてしまうため、凝
固は安定して行なわれ凝固の局部的遅れは発生せず、凝
固割れの心配はない。（ｄ）に示す通り、気泡（ブロー
ホール）３を含む上部余盛６（（ｃ）参照）を切除すれ
ば、ほぼ同幅で且つ欠陥のない良好な溶接部８が得られ
る。

【００１８】なお、本発明の第２のレーザビームＢ２の
照射位置は、第１のレーザビームＢ１により形成される
溶融池４内であって且つ第１のレーザビームＢ１により
形成されるキーホールＨ１より後方にあることを特徴と
する。第２のレーザビームＢ２の照射位置を上記のよう
に特定する理由は次の通りである。第２のレーザビーム
Ｂ２の照射位置が、第１のレーザビームＢ１により形成
される溶融池４外であると、溶融池４が凝固した後に再
度従来方法の溶接をなすことになり従来の欠陥を解決で
きない。また、第２のレーザビームＢ２の照射位置が、
近過ぎると第１のレーザビームＢ１が形成したキーホー
ルＨ１へ照射することとなり、照射エネルギの大部分が
吹き抜けてしまうこととなり好ましくない。

【００１９】図２（ａ）〜（ｄ）は第１のレーザビーム
出力を２０ｋＷ，第２のレーザビーム出力を１０ｋＷ，
予熱温度を１２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして
肉厚１２ｍｍのパイプを溶接した時の作用図である。
（ａ）では、第１のレーザビームＢ１が内面まで貫通し
た第１のキーホールＨ１を形成し、このキーホールＨ１
の後方に多数の気泡３が発生しているが、これらの気泡
３を後方の第２キーホールＨ２がトラップすることと、
（ｂ）に示すように幅広で長い溶融池４が形成されるた
め気泡は容易に上昇し、完全に排出されるか上部余盛に
集められる。溶融池４が大きいので凝固割れの発生する
心配もない。（ｃ）に示す通り気泡３は上部余盛６に残
存し、この上部余盛６を切除すれば（ｄ）に示す良好な
溶接部８が得られる。なお、（ａ）に示した通りに後方
のレーザビームＢ２は比較的低出力であるために、キー
ホールＨ２は未貫通であり、レーザビームのエネルギー
は肉厚の上方に多く入熱されるため、この場合のビード
の断面は（ｄ）のように上方がやや広がった形状とな
る。

【００２０】キーホールＨ２が未貫通で且つ浅過ぎる
と、気泡３のトラップ作用及び溶融池４の拡大作用が弱
まり、目的の効果が得られなくなる恐れがある。そこ
で、キーホールの適正深さを調査した。図３は本発明に
係る透過Ｘ線写真撮影の説明図であり、溶接部８の一側
にＸ線源１１、他側にＸ線カメラ１２を配置し、凝固前
の溶接部８のＸ線写真を作成しこのＸ線写真からキーホ
ール深さを求めた。

【００２１】また、溶接部８から５０ｍｍピッチでサン
プルを採取し、このサンプルを光学顕微鏡にかけ、直径
１０μｍ以上のブローホールをカウントした。顕微鏡の
対象断面数は２００である。図４は本発明に係る第２の
キーホール深さとブローホール数との相関図であり、横
軸は第２のキーホール深さを母材肉厚で割算したもので
あり、１００％は貫通を示す。また、縦軸は前記２００
断面を平均した、１断面あたりのブローホール数であ
る。図中、●は凝固割れが発生したものであり、○は凝
固割れが発生しなかったものを示す。図から明らかなよ
うに、第２のキーホール深さが３０％以上であればブロ
ーホール数は０「ゼロ」となり、しかも凝固割れの心配
もない。従って、一方のキーホールは肉厚の３０％以上
であれば良いことになる。このことから、第１のキーホ
ールを貫通させ、第２のキーホールを肉厚の３０％以上
とすれば良いことが分かる。または、第２のキーホール
を貫通させ、第１のキーホールを肉厚の３０％以上とし
てもよい可能性はある。この点について次に説明する。

【００２２】図５（ａ）〜（ｄ）は第１のレーザビーム
出力を１０ｋＷ，第２のレーザビーム出力を２０ｋＷ，
予熱温度を１２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして
肉厚１２ｍｍのパイプを溶接した時の作用図である。
（ａ）では、第１のレーザビームＢ１は内面まで貫通し
ておらず比較的浅いため発生する気泡の数は少ない。後
方のキーホールＨ２は内面まで貫通し、先方のキーホー
ルＨ１の発生した気泡３をトラップすることと、（ｂ）
に示すように幅広で長い溶融池４が形成されるため気泡
３は容易に上昇し、完全に排出されるか上部余盛６に集
められる。溶融池４が大きいので凝固割れの発生する心
配もない。（ｃ）に示す通り気泡３は上部余盛６に残存
し、この上部余盛６を切除すれば（ｄ）に示す良好な溶
接部８が得られる。

【００２３】上記のキーホール深さはレーザビーム出力
に依存している。そこで、レーザ出力とキーホール深さ
との関係を調査した。図６は本発明に係るレーザ出力を
パラメータとした溶接速度とキーホール深さの相関図で
あり、横軸は溶接速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）、縦軸はキーホ
ール深さＫｄ（ｍｍ）である。このグラフにレーザ出力
を３，５，１０，２０ｋＷとしたときのデータをプロッ
トしたところ、溶接速度が小さいほど、また、レーザ出
力が大きいほどキーホール深さは大きくなることが確か
められた。そして、データを重回帰計算するとキーホー
ル深さＫｄは溶接速度Ｖの平方根に反比例することが分
かった。この関係を次の式で示す。

【００２４】

【数１】

【００２５】即ち、キーホール深さＫｄはレーザ出力係
数Ｃに正比例する。図７はレーザ出力Ｐとレーザ出力係
数Ｃとの相関図であり、数１中のテーブルを図示したも
のであり、レーザ出力Ｐとレーザ出力係数Ｃとの間に１
次比例関係があることが分かる。この関係を式で示
し、式のＣを式に代入したものを式で示す。式
により、キーホール深さＫｄを容易に演算することがで
きる。

【００２６】

【数２】

【００２７】ところで、本発明者等はかねてより高周波
予熱とレーザビーム溶接とを組合わせた複合技術溶接法
を研究しており、本発明にも予熱が適用できるか否かを
研究し、適用可能であることを見出した。以下、その説
明をする。図８は本発明に係る予熱温度と比キーホール
深さの相関図であり、横軸は被溶接部の予熱温度Ｔ、縦
軸は予熱なしキーホール深さＫｄ0を１．０としたとき
の予熱ありキーホール深さＫｄを示すところの比キーホ
ール深さＫｄ／Ｋｄ0を示す。予熱はレーザ入熱を増加
させたと同じ効果があるので、予熱温度が高いほどキー
ホールを深くすることができる。

【００２８】図から予熱温度とキーホール深さの関係を
重回帰計算で求めたのが式であり、式のＫｄ0へ式
を代入したものが式である。

【００２９】

【数３】

【００３０】第１・第２のレーザビームの適正条件は式
から導出すればよい。なお、第２レーザビームは常に
溶融金属に溶射されるので、（Ｔ≧Ｔｍ）側の式を使用
する。

【００３１】さて、本発明の特徴は残存気泡を上部余盛
に集めることにある。従って、上部余盛の高さ寸法は重
要である。図９（ａ）〜（ｄ）は上部余盛の概念図であ
り、（ａ）は高さｈ１が比較的小さな余盛６であり、余
盛６が低いため気泡３は十分に収容できず、（ｂ）に示
す通り、余盛切除後に一部の気泡３がブローホールとな
って溶接部８に残ってしまい好ましくない。（ｃ）は十
分な高さｈ２の余盛６であり、余盛６に全ての気泡３が
収容されているため、（ｄ）に示す通り余盛切除後にブ
ローホールが溶接部８に残る心配はない。余盛高さｈ２
を調べ、その高さｈ２が維持できれば、健全な溶接部８
が得られることになる。そして、（ｃ）において上部余
盛６を顕微鏡で詳細に調べたところ、０．４ｍｍ以上の
大径の気泡（ブローホール）３はほとんど上部余盛６の
外表面の下面に当接していることが分かった。

【００３２】図１０はブローホールの度数分布図であ
り、横軸はブローホールの直径、縦軸はブローホールの
個数（千個）である。この度数分布図は次の条件で作成
した。管外径：６０９．６ｍｍ肉厚：９ｍｍ，１２ｍｍ，１５ｍｍ予熱温度：０℃，８００℃，１２００℃ 第１ビーム出力／第２ビーム出力：２０ｋＷ／１０ｋＷ，２０ｋＷ／２０ｋＷ，１０ｋＷ／２０ｋＷ溶接速度：３〜１０ｍ／ｍｉｎアプセット：なしサンプル数：１００００断面を無作為に抽出

【００３３】図からブローホールの実用的最大直径は
０．５ｍｍであることが分かり、上部余盛高さｈ２が
０．５ｍｍ以上であれば良いことが分かる。しかし、実
際の製管ラインでは余盛をサブミリ単位で管理すること
は困難である。そこで、本発明者等はアプセット量で代
替する技術を創案した。

【００３４】アプセット量は溶接前の管の周長と溶接後
の管の周長の差であり、スクイズロールで加圧すること
により発生させる。具体的には、アプセット量を１〜２
ｍｍに設定する。誤差０．５ｍｍを見込んでも０．５ｍ
ｍの余盛を確保できるからである。

【００３５】図１１は本発明に係る予熱温度とスクイズ
ロール加圧力の相関図であり、縦軸は予熱なしスクイズ
ロール加圧力を１．０とした場合の予熱ありスクイズロ
ール加圧力の割合を示し、被溶接部を予熱すると軟化す
るために、少ない加圧力でアプセットを形成できる。予
熱温度を７００℃以上とするとスクイズロール加圧力が
少なくて済むことが分かり、逆に７００℃未満では予熱
の効果は少ない。従って、アプセット成形の観点からは
予熱温度は７００℃以上であることが望ましい。

【００３６】

【実施例】本発明の実施例を添付図に基づいて以下に説
明する。図１２は本発明に係るレーザ溶接製管装置の概
略図であり、レーザ溶接製管装置２０は平板状の金属帯
Ｗを徐々に管状に曲げ成形するロール式管成形装置２１
と、高周波加熱手段２２と、レーザ溶接機２３と、スク
イズロール２４と、切削手段２５とからなる。

【００３７】図１３は本発明に係るレーザ溶接機及び付
帯装置の平面図であり、レーザ溶接機２３は第１の溶接
トーチ２３ａと第２の溶接トーチ２３ｂを溶接方向に並
設したものであり、これら溶接トーチ２３ａ，２３ｂの
上流側に、高周波加熱手段２２のコンタクトチップ２２
ａ，２２ａを配置する。２２ｂは高周波発振器であり、
この高周波発振器２２ｂから給電されたコンタクトチッ
プ２２ａ，２２ａはレーザ溶接前の金属帯Ｗの端部Ｗ
１，Ｗ１に通電する接触子である。なお、コンタクトチ
ップ２２ａは一例であり、例えば誘導加熱用の環状コイ
ルでもよい。

【００３８】図１４は本発明に係るレーザ溶接機及び付
帯装置の側面図であり、前記切削手段２５は例えば切削
工具２５ａ、工具ホルダ２５ｂ、スライダ２５ｃ及び水
平ベッド２５ｄからなり、工具ホルダ２５ｂで保持され
た切削工具２５ａで溶接部の上部余盛６を切削するもの
である。条件によっては溶接部が極めて硬いマルテンサ
イトになる場合がある。このときには、水平ベッド２５
ｄ上のスライダ２５ｃを移動することにより切削工具２
５ａを溶接トーチ２３ａに近づけて、完全に硬化する前
に切削すればよい。そのために、切削工具２５ａが溶接
方向に沿って移動できるようになっている。なお、前記
切削工具２５ａはバイト、フライスカッタ、ミーリング
カッタ等の金属研削可能な工具であればよい。

【００３９】以上に述べた通り本発明に係るレーザ溶接
製管装置２０は、ロール式管成形装置２１にて平板状の
金属帯Ｗを管状に曲げ成形し、高周波加熱手段２２にて
管状の金属帯の対向両端部を加熱し、スクイズロール２
４，２４にて対向両端部を加圧突き合せし、レーザ溶接
機２３にて突き合せ部分をレーザ溶接し、切削工具２５
ａにて溶接部の余盛６を切除することにより品質のよい
溶接管を製造するものである。

【００４０】上記レーザ溶接製管装置２０を用いて本発
明技術と従来技術との比較実験をしたのでその結果、評
価及び考察を次に述べる。供試材（母材）は、表１に示
す低炭素鋼であり、その融点は１５００℃である。

【００４１】

【表１】

【００４２】実施例１〜４及び比較例１〜５：上記組成
で肉厚９ｍｍの母材を前記レーザ溶接製管装置２０にて
外径６０９．６ｍｍに製管し、前記作用の項で述べた手
法によりブローホール数を計測した。また、無作為に抽
出した５００ｍｍ長さの試験部２０箇所（合計１０ｍ）
に超音波探傷試験を施し、１箇所以上に割れが検出され
たものは凝固割れ「有」、全く検出されないものは
「無」とした。この結果を表２に示すが、●を付した箇
所は不合格要因を示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】実施例１〜４は第１ビーム出力２０ｋＷ，
第２ビーム出力２０ｋＷとし、予熱温度を０℃，０℃，
８００℃，１２００℃としたものであり、実施例１に僅
か２（箇所）のブローホール（不合格は５（箇所）以
上）であったものの、凝固割れもなく満足できる溶接部
であった。

【００４５】比較例１〜４は第１ビーム出力２０ｋＷ，
第２ビーム出力０ｋＷとした通常の１ビーム溶接であ
り、凝固割れが認められ不合格であった。比較例５は第
１ビーム出力２０ｋＷ，第２ビーム出力２ｋＷとし、第
２ビームの効果が認められるもブローホール数が７と大
きいために不合格となった。

【００４６】比較例５を前記式を利用して定量的な検
討を試みる。第１のキーホール深さをＫｄ１とし、この
Ｋｄ１をレーザ出力Ｐ＝２０ｋＷ、予熱温度Ｔ＝１２０
０℃、製管速度＝１８ｍ／ｍｉｎから演算し、同様に、
第２のキーホール深さをＫｄ２とし、このＫｄ２をレー
ザ出力Ｐ＝２ｋＷ、予熱温度Ｔｍ＝１５００℃、製管速
度＝１８ｍ／ｍｉｎから演算する。

【００４７】

【数４】

【００４８】母材の厚さが９ｍｍであるから、Ｋｄ１は
貫通を示し、一方、Ｋｄ２は２５．３％（←２．２８÷
９×１００）である。Ｋｄ２が３０％未満であるから、
図４により凝固割れは発生しないもののブローホールが
発生することが分かり、このことは表２の結果と良く合
致している。

【００４９】実施例５〜１５及び比較例６〜１３：肉厚
１２ｍｍの母材を前記レーザ溶接製管装置２０にて外径
６０９．６ｍｍに製管し、ブローホール数及び凝固割れ
を計測した。

【００５０】

【表３】

【００５１】実施例５〜１５は第１ビーム出力／第２ビ
ーム出力を２０ｋＷ／２０ｋＷ，２０ｋＷ／１０ｋＷ又
は１０ｋＷ／２０ｋＷに設定したもので、ブローホール
数はゼロ若しくは許容値以内であり、凝固割れもなく良
好である。比較例６〜１２は第１ビーム出力２０ｋＷで
第２ビーム出力０ｋＷであり、従来の１ビーム溶接法で
あるため、凝固割れが認められ不合格である。比較例１
３は第１ビーム出力４ｋＷで第２ビーム出力２０ｋＷで
あり、第１ビーム出力を前記式で計算するとキーホー
ル深さは３０％未満の３．１４ｍｍとなり、ブローホー
ル数が多くなり不合格であった。

【００５２】実施例１６〜２４及び比較例１４〜１９：
肉厚１５ｍｍの母材を前記レーザ溶接製管装置２０にて
外径６０９．６ｍｍに製管し、ブローホール数及び凝固
割れを計測した。

【００５３】

【表４】

【００５４】実施例１６〜２４は第１ビーム出力／第２
ビーム出力を２０ｋＷ／２０ｋＷ，２０ｋＷ／１０ｋＷ
又は１０ｋＷ／２０ｋＷに設定したもので、ブローホー
ル数はゼロ若しくは許容値以内であり、凝固割れもなく
良好である。

【００５５】比較例１４〜１７は第１ビーム出力２０ｋ
Ｗで第２ビーム出力０ｋＷであり、従来の１ビーム溶接
法であるため、凝固割れが認められ不合格である。比較
例１８は第１ビーム出力２０ｋＷで第２ビーム出力３ｋ
Ｗであり、第２ビーム出力を前記式で計算するとキー
ホール深さは３０％未満で、ブローホール数が多いとと
もに凝固割れも認められ不合格であった。比較例１９は
第１ビーム出力４ｋＷで第２ビーム出力２０ｋＷであ
り、第１ビーム出力を前記式で計算するとキーホール
深さは３０％未満となり、ブローホール数が多くなり不
合格であった。

【００５６】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１のレーザ溶接製管方法は、２本のレーザ
ビームを溶接方向に並設し、一方を母材を貫通させ、他
方を肉厚の少なくとも３０％の深さまでキーホールが達
するようにし、両ビームを適度な間隔に配置したので、
先のキーホールで生成した気泡を後のキーホールが減少
させ、加えて先のキーホールが形成した溶融流れを後の
キーホールがせき止めて周辺流れとするために溶融池は
幅、長さともに拡大し、気泡の抜けを促進し、ブローホ
ールや凝固割れのない良好な溶接部を形成する。また、
例え気泡が残留したとしても、この気泡を上部余盛に集
めるようにしたので、溶接部への悪影響は少ない。

【００５７】請求項２のレーザ溶接製管方法は、スクイ
ズロールの加圧力を調整することで上部余盛の高さを
０．５ｍｍ以上に保つものであり、スクイズロールの加
圧力は簡単に制御できるため、上部余盛の管理が極めて
容易となり製管方法が簡便となる。

【００５８】請求項３のレーザ溶接製管方法は、高周波
加熱手段で被溶接部をレーザ溶接前に少なくとも７００
℃に予熱するものであり、予熱することによりスクイズ
ロールの加圧力を低減し、容易にアプセット量を稼げる
ので設備に負担が掛からない。

【００５９】請求項４のレーザ溶接製管方法は、気泡を
内包した上部余盛を切除するので、ブローホールのない
健全な溶接部が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１のレーザビーム出力を２０ｋ
Ｗ，第２のレーザビーム出力を２０ｋＷ，予熱温度を１
２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして肉厚１２ｍｍ
のパイプを溶接した時の作用図

【図２】本発明に係る第１のレーザビーム出力を２０ｋ
Ｗ，第２のレーザビーム出力を１０ｋＷ，予熱温度を１
２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして肉厚１２ｍｍ
のパイプを溶接した時の作用図

【図３】本発明に係る透過Ｘ線写真撮影の説明図

【図４】本発明に係る第２のキーホール深さとブローホ
ール数との相関図

【図５】本発明に係る第１のレーザビーム出力を１０ｋ
Ｗ，第２のレーザビーム出力を２０ｋＷ，予熱温度を１
２００℃，製管速度を７ｍ／ｍｉｎとして肉厚１２ｍｍ
のパイプを溶接した時の作用図

【図６】本発明に係るレーザ出力をパラメータとした溶
接速度とキーホール深さの相関図

【図７】本発明に係るレーザ出力とレーザ出力係数Ｃと
の相関図

【図８】本発明に係る予熱温度と比キーホール深さの相
関図

【図９】本発明に係る上部余盛の概念図

【図１０】本発明に係るブローホールの度数分布図

【図１１】本発明に係る予熱温度とスクイズロール加圧
力の相関図

【図１２】本発明に係るレーザ溶接製管装置の概略図

【図１３】本発明に係るレーザ溶接機及び付帯装置の平
面図

【図１４】本発明に係るレーザ溶接機及び付帯装置の側
面図

【図１５】従来の溶接欠陥の発生機構説明図

【図１６】従来の溶接欠陥を含む溶接ビードの断面図

【符号の説明】

３…気泡、４…溶融池、５…凝固壁面、６…上部余盛、
７…母材、８…溶接部、２０…レーザ溶接製管装置、２
１…ロール式管成形装置、２２…高周波加熱手段、２３
…レーザ溶接機、２３ａ，２３ｂ…溶接トーチ、２４…
スクイズロール、２５…切削手段、Ｂ１…第１のレーザ
ビーム、Ｂ２…第２のレーザビーム、Ｈ１…第１のキー
ホール、Ｈ２…第２のキーホール、Ｗ…金属帯、Ｗ１…
対面両端部。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−46890（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−240395（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−162281（ＪＰ，Ａ) 特開平１−99789（ＪＰ，Ａ) 特開平２−147189（ＪＰ，Ａ) 特開平５−277769（ＪＰ，Ａ) 特開平７−144288（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の金属帯を管状に曲げ成形し、こ
の管状の金属帯の対向両端部をスクイズロールで加圧突
き合せ、この突き合せ部分をレーザビームで溶接するに
あたり、次の工程で溶接及び後処理を実施することを特
徴としたレーザ溶接製管方法。第１工程：前記レーザビームを、管肉厚を貫通するキー
ホールを形成する能力のあるレーザビームと、管肉厚の
少なくとも３０％の深さのキーホールを形成する能力の
あるレーザビームとから構成し、これら２本のレーザビ
ームをこの順若しくは逆順に溶接方向に、且つ互いのキ
ーホールが重ならぬ程度に離間させた位置に並設し、先
行のレーザビームで形成した溶融池内に後行のレーザビ
ームを照射しつつ溶接をなすとともに、溶融池内に介在
する気泡を集めるために上部余盛を溶接部に形成する溶
接工程。第２工程：前記上部余盛を除去する工程。
【請求項２】スクイズロールの加圧力を高めること
で、前記上部余盛が少なくとも０．５ｍｍ高さとなるよ
うにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接製
管方法。
【請求項３】前記第１工程に先立って、前記管状の金
属帯の対向両端部を高周波加熱手段にて少なくとも７０
０℃に予熱することを特徴とした請求項２記載のレーザ
溶接製管方法。
【請求項４】前記上部余盛を、切削工具にて切除する
ことを特徴とした請求項１、請求項２又は請求項３記載
のレーザ溶接製管方法。