JP3352960B2 - チタンまたはチタン合金溶接管の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ溶接と、
ＴＩＧ溶接の如き比較的低エネルギーアーク溶接をうま
く組合わせ、継手欠陥がなく健全な内外面側ビードの形
成されたチタンまたはチタン合金管を高速で効率よく製
造することのできる方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、チタンまたはチタン合金
（以下、まとめてチタン合金ということがある）管の高
速造管技術に関しこれまで次の様な技術を開発・提案
し、その一部は既に実用化している。 特公平６−３５０６４号公報：多電極ＴＩＧ溶接法 特公平１−５４１２２号公報：温間加熱造管法 特公平５−５１３７３号公報：非対称曲げ成形造管法

【０００３】このうちは、溶接速度を向上させるため
に開発された技術であり、チタン帯板を幅方向に湾曲加
工して管状に成形し、その長手方向突き合わせ部を複数
本の消耗電極を用いてＴＩＧ溶接する方法で、複数電極
のうち最終２本の電極先端間距離を適正長さに調整する
と共に、複数電極に与える総溶接電流と最終２本の電極
に与える溶接電流を適正範囲に調整することにより、溶
接ビードの品質向上と造管速度の高速化を実現した点で
極めて有効な技術である。

【０００４】一方、上記、の発明は、高速造管時に
内面ビード中央部に発生するミクロクラックを防止する
ための技術である。即ち、チタンは管状に湾曲加工する
際に生じるスプリングバックが非常に大きな素材であ
り、そのためチタンの造管( シーム溶接) 工程では、溶
接直後の溶湯が固まる前に母材のスプリングバック力が
溶接部に作用すると、溶接ビードの中央部にミクロクラ
ックが発生し易い。そこで前記の方法では、管状に湾
曲加工した後で且つシーム溶接の直前位置において１０
０〜４００℃の温度に加温することによりスプリングバ
ックを低減し、また前記の方法では、管状に湾曲成形
する際に独特の非対称成形法を採用することによってス
プリングバックを低減し、それによりビード中央部のミ
クロクラックを防止しつつ造管速度を高める方法であ
る。

【０００５】即ち、チタン管を製造する際における造管
速度の向上を実現するには、シーム溶接時の溶け込み性
能が高く且つアンダーカットを生じない溶接法の開発
と、スプリングバックを可及的に抑制するための成形技
術の確立が必要であり、前述した従来法では、夫々多電
極ＴＩＧ溶接法を採用し、且つ温間加熱造管法または非
対称曲げ成形造管法を併用している。

【０００６】他方、ＴＩＧ溶接に比べて溶け込み能の高
い溶接法としてプラズマ溶接法やレーザー溶接法などの
高エネルギービーム溶接法が知られており、実際に、肉
厚２ｍｍを超える厚肉のステンレス鋼溶接管の造管にプ
ラズマ溶接を採用した例もみられる。

【０００７】ところがこの方法の適用例は、肉厚が２ｍ
ｍ程度を超える厚肉ステンレス鋼管に限られており、比
較的薄肉であり、且つステンレス鋼とは融点や熱容量
（比熱×質量）が著しく異なるチタンの造管にプラズマ
溶接を適用し、具体的な溶接条件まで追求した実例はな
い。

【０００８】またステンレス鋼を用いた造管工程では、
通常、最終のＴＩＧ溶接後に外面ビードを研磨整形する
ための仕上げ加工が行われるが、チタンでは焼付きや研
磨粉の発火が起こり易く、量産ライン内でビード整形の
ための研磨処理等を行うことは困難であり、ＴＩＧ溶接
のままでも十分に平滑化された表面ビードを確保できる
様な溶接技術の確立が必要となるが、チタン溶接管の製
造を目的とするその様な技術的追求は全くなされていな
い。

【０００９】更に他の有効な方法として、特開昭６２−
３３０８４号公報により本願出願人が開示した方法があ
る。この方法は、スプリングバックの大きい金属材を用
いて造管するに当たり、造管時における最初の溶接に、
溶け込みが深くて単位長さ当たりの入熱量が少なく溶接
金属の冷却速度( 即ち高加速度) を高めることのできる
レーザー溶接法を採用し、その後、プラズマ溶接やＴＩ
Ｇ溶接によりビード表面層のみを再溶融させてビード表
面の整形を行う方法であり、この方法は、チタン帯板を
使用した造管にも有効に活用できる。

【００１０】ところがこの方法で最初のシーム溶接に採
用されるレーザー溶接では、次の様な難点が指摘され
る。

【００１１】ＴＩＧアークやプラズマアークに比べて
レーザービームは極端に細いため、素材突合せ部にビー
ムを合わせるのに極めて高い精度が要求される。具体的
には、突合せた両エッジの隙間間隔が僅かに変動して
も、また突合わせ位置が僅かに左右にずれても溶接着金
属の形成状況が極端に変わり、長手方向に均一なビード
を形成できなくなる。

【００１２】突合わされる造管素材の表面状況によっ
てレーザーの吸収率が大幅に変動し、その結果として裏
ビードの形成が不均一になり易い。

【００１３】こうした理由もあって、上記方法を工業的
規模で実用化するには今後更なる研究が必要となる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】チタン溶接管の製造に
現在最も汎用されているのは、単電極を用いたＴＩＧ溶
接法である。しかしこの方法で高速溶接を行うと、溶接
電流に応じてアーク圧力が高くなるため、外面ビードの
母材近傍が凹状に窪んだ所謂アンダーカットが発生し易
く、これが溶接速度を高める上で最大の隘路となってい
る。

【００１５】本発明者らの経験によれば、溶接電流が２
００Ａを超えるとアンダーカットが激しくなり、例え
ば、肉厚０．８ｍｍのチタン溶接管を得るための実現可
能な造管速度（溶接速度）は３ｍ／ｍｉｎ程度が限界と
なっている。このとき、多電極ＴＩＧ溶接法を採用し、
溶接入熱を複数の電極に分散させることによって１電極
当たりの溶接電流を低下させれば、アンダーカットを抑
制しつつ高速造管が可能となる。

【００１６】例えば図４は、２電極ＴＩＧ溶接法を採用
して造管する場合の溶接トーチの配置と各トーチによっ
て形成される溶融プールＰの断面形状を模式的に示した
ものである。この方法では、ビード全体の形状は第２ト
ーチ（多電極では最終トーチ）Ｔ₂ によって整え、第１
トーチ（多電極の場合は最終トーチよりも前方に配置さ
れた全てのトーチ）Ｔ₁ は予熱乃至部分溶接用として使
用される。従って最終トーチの電流を２００Ａ程度以下
に抑えれば、最終ビードへのアンダーカットの発生は防
止される。よってこの観点だけに絞れば、ｎ電極溶接法
を採用すると、単電極溶接を採用した場合に比べて造管
速度をｎ倍程度にまで高めることが可能になると思われ
る。

【００１７】チタン溶接管を製造する際の造管速度を律
するもう一つの要因は、ビード中央部に発生するミクロ
クラックの問題である。該ミクロクラックとは、図４の
横断面図に示した様な溶接ビードの中央部で、管内面側
に発生する小さな欠陥であり、造管速度が速くなる程、
また溶接前のオープン管のスプリングバック量（スプリ
ングバック量とは、湾曲加工された管状体を無拘束状態
にしたとき、管状体の弾性回復によって生じる長手方向
接合縁の開き量）が大きい程生じ易くなる。

【００１８】ＴＩＧ溶接では溶接時に生成する溶湯量が
比較的多いため、最終トーチによって生じる溶湯が凝固
するまで、該溶融池はトーチの後方数十ｍｍまで伸びて
いる。その結果、該溶湯の凝固位置がスクイズロール中
央から後方側へ離れてくるため、スクイズロールによる
スプリングバックの抑えが効かなくなり、ミクロクラッ
クが発生してくる。

【００１９】特に、耐力が大きく且つヤング率の小さい
チタンではスプリングバック量が大きいため、造管速度
が高くなると、スプリングバックによる引張り力が半凝
固状態の溶接金属部にかかってビードにミクロクラック
が生じ易い。

【００２０】他方ビード表面側に形成されるアンダーカ
ットについては、多電極ＴＩＧ溶接法を採用することに
よって抑制できるが、造管速度を上げると、溶湯の凝固
位置はスクイズロールの後方側へますます離れてくるた
め、ミクロクラックの問題は更に顕在化してくる。

【００２１】こうしたスプリングバックによるミクロク
ラックの発生は、前述した，に示した様な方法を採
用することによって抑制できるが、これらの方法でもス
プリングバックに起因するミクロクラックを完全に無く
すことができるわけではなく、造管速度にはやはり限界
がある。特に厚肉管では、シーム溶接線方向の溶融池が
長くなり、また高強度チタン管ではスプリングバック量
も大きいためミクロクラックが発生し易く、ミクロクラ
ックの問題を回避するには造管速度を大幅に犠牲にせざ
るを得ない。

【００２２】チタン溶接管としては通常ＪＩＳ２種の純
チタンが用いられているが、最近ではＪＩＳ３種、ＪＩ
Ｓ4 種の純チタン、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、各種
β型チタン合金の如き高強度チタンを用いて造管する機
会が増えており、これら高強度チタン管であってもミク
ロクラックなどの欠陥を生じることなく高速で造管する
ことのできる技術の確立が望まれる。

【００２３】従って本発明の目的は、チタン帯板を管状
に湾曲加工し、その突き合わせ縁をシーム溶接してチタ
ン溶接管を製造する際において、前述した様なミクロク
ラックを生じることなく高速で造管し得る様な技術を提
供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明にかかるチタンまたはチタン合金溶接管
の製法とは、チタンまたはチタン合金からなる帯板を板
幅方向に湾曲して管状体とし、該管状体の長手方向突き
合わせ部を複数本の電極により溶接して管を製造する方
法において、最先の電極では、プラズマアークにより管
内面まで溶融を貫通させて内面ビードを形成し、後続の
少なくとも1つの電極では、ＴＩＧ溶接電極を用いた低
エネルギーアークにより管内面まで至らない溶融池を形
成して表面ビードの整形を行うところに要旨がある。

【００２５】この方法を実施する際に用いられる最先の
電極（先行電極）としては、プラズマアークにより小さ
な溶融池を形成しつつ突合わせ部の管内面にまで溶融を
貫通させて内面ビードを形成する。

【００２６】一方、先行する上記プラズマ電極に続く少
なくとも1つの後行電極は、プラズマ電極によって形成
される先行ビードの表面側に形成されるアンダーカット
をなくして表面側ビードを整える機能を果たすものであ
り、この電極では、比較的低エネルギーアークを形成す
るＴＩＧ溶接電極を使用し、先行電極で形成されるビー
ドの内面側にまで至らない溶融池を形成しつつ表面側ビ
ードの整形を行い、アンダーカットのない美麗な表面ビ
ードを形成する。従って後行電極としては、比較的低エ
ネルギーアークを形成し得る電極として、経済性や溶接
作業性の観点からＴＩＧ電極が使用される。またこの後
行電極は１個だけでもよいが、後行電極を２個以上配置
して個々の電極による溶接入熱量を小さく抑えれば、表
面ビードのアンダーカットを一段と少なくすることがで
きるので好ましい。

【００２７】このとき、プラズマ電極を用いた先行ビー
ドの形成に当たっては、下記要件を満たす溶接条件を採
用すれば、溶融池の貫通による内面ビードの形成をより
確実に効率良く行うことができる。 Ｘ＝ｖ・ｔ^1.3， Ｙ＝Ｉ_p・ρ／ｔ と定め、 1)１．８≦Ｘのときは下記式(1) ０．２Ｘ＋１．２９≦ｌｏｇＹ≦２．０８……(1) 2)１．８＞Ｘのときは下記式(2) ０．２Ｘ＋１．２９≦ｌｏｇＹ≦０．２Ｘ＋１．７３……(2) （但し、 ｖ：造管速度（ｍ／ｍｉｎ）、 ｔ：管肉厚（ｍｍ）、 Ｉ_p：プラズマ溶接電流（Ａ）、 ρ：パイロットガス流量（ｌ／ｍｉｎ）を表わす)

【００２８】一方、後続ビードの形成にはＴＩＧ溶接電
極を使用し、アンダーカットのない美麗な表面ビードを
確保するため、下記式(3)を満たすトータル溶接電流で
表面ビードの整形を行う。 ５０・ｖ・ｔ^1.5≦Ｉ_t≦７５・ｖ・ｔ^1.5＋４０……(3) （但し、ｖ：造管速度（ｍ／ｍｉｎ）、 ｔ：管肉厚（ｍｍ） Ｉ_t：トータルＴＩＧ電流（Ａ）を表わす)

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明における最も代表的
な構成であるプラズマ電極とＴＩＧ電極を用いて溶接す
る場合につき、その模式図を示す図３に基づいて本発明
の基本的な構成と作用効果を説明する。

【００３０】本発明では、前述した従来技術と同様にし
てチタン帯板を幅方向に湾曲加工して管状に成形するこ
とによって形成される両側縁突合わせ部をシーム溶接す
る際に、該シーム溶接線の長手方向に沿って先行電極と
少なくとも１つの後行電極を用いてシーム溶接を行う
が、先行電極としてプラズマ電極が使用される。

【００３１】即ち先行電極としてプラズマ電極を使用す
ると、該プラズマ電極によって形成される集中力の高い
アークにより小さなビード幅で高速の溶融貫通が可能と
なり、先行溶接時に形成される溶接ビードの冷却時間も
著しく短縮され、造管中の溶融プールの長さも非常に短
くなるので、前記従来技術に開示し様なスプリングバッ
ク抑制のための温間成形や非対称成形法等を採用せずと
も、管内面側ビードにミクロクラック等を生じることな
く高速の溶接・造管が可能となる。

【００３２】このとき、先行電極としてアーク集中力の
高い他の溶接法であるレーザー溶接を採用するとも有効
と考えられるが、この方法では先に、として指摘し
た様な問題を生じるため、現実的でない。これに対しプ
ラズマ溶接法ではこうした問題を生じることもなく先行
溶接ビードの形成を極めて効率よく遂行できる。

【００３３】但し、先行電極として溶け込み能の高いプ
ラズマ電極を使用した場合、先行ビード表面に形成され
るアンダーカットＡが著しくなるという問題は回避でき
ず、例えば図３に示した様に断面形状が‘王冠状' の溶
融プール（溶接金属）Ｐが形成され、該アンダーカット
Ａの程度は、溶接管の肉厚が大きくなる程顕著になる。

【００３４】そこで本発明では後行電極としてＴＩＧ電
極を配置し、アークをビード内面側にまで貫通させるこ
となくビード外面側のみを溶融させることにより、先行
ビードに形成されたアンダーカットＡを補修して外面ビ
ードを滑らかにし、その後の補修溶接や研削などの後処
理を全く要することなく健全且つ美麗な表面ビードを形
成するものである。

【００３５】従って本発明を実施する際には、先行のプ
ラズマ電極で貫通溶接により健全な内面ビードを形成す
るための溶接条件と、後行電極で表面ビードを平滑化す
るための溶接条件が極めて重要となる。

【００３６】そこで発明者らは、先行溶接にプラズマ溶
接を採用したときの適正条件を把握するため、表１，２
に示す様な広い条件でプラズマ溶接のみによるチタン管
の造管試験を行った。

【００３７】その結果、プラズマ溶接によって形成され
るビードの形状や溶接安定性については、溶接電流Ｉ
_p 、パイロットガス流量ρの影響が特に大きく（図５の
プラズマ溶接の原理図参照、図中、１は電極、２は水冷
ノズル、３はプラズマアーク、４は電源、５は被溶接材
を夫々示す）、それぞれ対象とするチタン管肉厚ｔ及び
造管速度ｖに対して適正な値に設定することが重要にな
ることが確認された。そして、先行ビードによって形成
される内面ビードの状態と溶接条件についてデータ処理
した結果、健全な内面ビードが得られる条件とそうでな
い条件は図１に示す様に分類・整理できることが判明し
た。

【００３８】即ち図１において、●は健全な内面ビード
が得られた場合、△は内面ビードが出ていないか極めて
細い場合、また×は溶接時に溶け落ちが発生し安定した
溶接ができなかった場合を示しており、健全な溶接状態
が得られる条件と健全な溶接状態を確保できない条件の
境界線として、前記式(1) および(2) が導かれた。

【００３９】図１において、横軸（Ｖ・ｔ^1.3 ）が小さ
い側と大きい側とで●／×の境界線が異なっているの
は、肉厚ｔが薄く且つ造管速度ｖが遅くなると、溶接電
流Ｉ_pもパイロットガス流量ρも小さい条件設定となっ
てアーク圧力が小さくなるため、プラズマ溶接といえど
も溶湯の断面形状がＴＩＧ溶接のそれと類似（内面ビー
ドが広くなる）したものとなり、溶け落ちが発生し難く
なることが原因している。

【００４０】尚、プラズマ溶接時のビード形状や溶接安
定性については、先行トーチのプラズマガス吹き出しノ
ズル径（図５参照）の影響も無視できないが、このノズ
ル径は溶損などのトラブル回避のため溶接電流に応じて
変化させることが必要とされており、ここでは溶接機メ
ーカーの推薦する表４に示す基準で電流に応じて変化さ
せた。また本実験では、チタン帯板の湾曲成形はごく普
通の方法を採用し、前記先行技術に記載された様な温間
成形法や非対称成形法の如き特別のスプリングバック防
止策は講じなかったが、表１，２で示した全条件につい
てビード内面のミクロクラックは全く発生しなかった。
よって、先行ビードの貫通形成にプラズマ溶接法を採用
する場合は、前記式(1)、(2) に示す条件設定を行うこと
により、内面ビードにミクロクラックを生じることなく
高速溶接を実現し得ることが確認された。

【００４１】次に後行の表面ビード整形溶接でビード表
面を平滑化させるためのＴＩＧ溶接条件については、先
行するプラズマ溶接の後一旦凝固したビードの内面側を
溶融することなく、先行ビードに形成されたアンダーカ
ットを滑らかにできる好ましい溶接条件を明らかにする
必要がある。そこで、この点についても適正な溶接条件
を把握するため、実際のチタン管製造ラインを用いて溶
接・造管試験を行った。

【００４２】代表的な試験条件と結果は表３に示した通
りであるが、その結果は図２に示す様に整理することが
でき、後行溶接にＴＩＧ溶接を採用する場合には、前記
式(3) の関係を満たす溶接条件を設定べきであることが
確認された。ちなみに式(3)で定める溶接条件は、溶融
池を過度に大きくすることなく先行ビードに形成された
アンダーカットを確実に平滑化することのできる条件と
して設定されたものであり、該式(3) の下限値に満たな
い溶接電流では、先行ビードに形成されたアンダーカッ
トが十分に平滑化されず、逆に上限値を超える過度の溶
接電流をかけると、溶融池が内面まで貫通してしまい、
ミクロクラックを防止できない。

【００４３】尚、ビード平滑化のために使用するＴＩＧ
溶接トーチの本数は、通常１本だけでも十分に目的を果
たすことができるが、特に厚肉管の高速溶接に適用する
場合は、１つだけのＴＩＧ溶接電極では電流が３００Ａ
を超えると、該ＴＩＧ溶接ビードにアンダーカットがで
き易くなってビード平滑化効果が不十分になる恐れがあ
る。従ってこの様な場合は複数のＴＩＧ電極を使用し、
個々の電極に与える溶接電流を少なく抑えることによっ
て表面平滑化効果を高めることが望ましい。

【００４４】この場合、前記(3) 式は、複数電極のトー
タル溶接電流の範囲を若干超える（例えば、表３中に※
印で示すの２つの条件）が、１つの後行電極に与える溶
接電流を２００Ａ程度以下に抑えてやれば、ビード表面
を十分に平滑化することができる。

【００４５】この時、先行電極と後行電極との間隔もビ
ード平滑化効果に影響すると考えられ、現に両電極の間
隔をあまり近づけ過ぎると、先・後行アークの干渉が激
しくなり、特に後行電極としてＴＩＧ溶接トーチを使用
するとアークが非常に不安定になる。そこでこうした障
害を避けるには、電極間隔を６０ｍｍ以上離すことが望
ましい。実験で確認したところでは、トーチ間隔を６０
〜１５０ｍｍの範囲で変化させた場合は、前記式(3) に
示した適正溶接条件は殆ど変わらないことが確認され
た。

【００４６】また前記式(1)、(2) は、先行電極としてプ
ラズマ電極を配置した場合の適正溶接条件を示してお
り、表１，２に示す条件範囲では、プラズマ電極を先頭
に配置した場合でも、十分な内面ビードを形成し得る溶
け込み性能を得ることができる。しかし、更に厚肉のチ
タン管や更なる高速造管が求められる場合は、内面ビー
ド形成のためのプラズマ溶接電極に先行して更にその前
に、予熱のためのＴＩＧ電極やプラズマ電極あるいはそ
の他の予熱手段を配置することも有効となる。その場合
は前記式(1)、(2) の適正溶接条件は若干変化すると考え
られるが、本質的には請求項１で定める要件を満たす範
囲で、予熱温度を加味して前記式(1) 〜(3) で設定した
好適溶接条件よりもやや緩め（入熱量が少な目）となる
様に先行電極および後行電極による溶接条件を制御する
のがよい。

【００４７】またこの実験では、表１，２に示した如く
ＪＩＳ１種、ＪＩＳ２種の純チタンおよびβ型チタン合
金のひとつであるＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ
ｌ（１５−３−３−３）合金よりなる合計３種のチタン
材を用いた造管試験例を示したが、図１，２に示した実
験結果では供試チタン材の違いによる特異な関係は殆ど
認められず、いずれの場合も前記共通の関係式として整
理できることが確認された。従って、本発明で好適溶接
条件として設定される前記式(1) 〜(3) の要件は、ＪＩ
Ｓ３種およびＪＩＳ4 種の純チタンの他、Ｔｉ−３Ａｌ
−２．５Ｖ合金やＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ
ｌの如き各種β合金などのチタン合金についても当ては
まるものと判断される。

【００４８】なお上記では、先行電極としてプラズマト
ーチを使用して内面ビードを形成し、後行電極としてＴ
ＩＧトーチを用いて表面ビードの整形を行う方法を採用
し、まず先行のプラズマ電極によって管内面まで溶融を
貫通させて内面ビードを形成し、次いで後続の少なくと
も1つの電極では、ＴＩＧ溶接電極を用いた低エネルギ
ーアークにより管内面まで至らない溶融池を形成して表
面ビードの整形を行うことにより、溶融池を極力小さく
（従って、溶接線状に形成される溶融池を極力短く）抑
えることによって、スプリングバックによるミクロ欠陥
の発生を防止しつつ内面ビードの形成と表面ビードの整
形を確実且つ迅速に遂行可能となる。

【００４９】

【００５０】また本発明の方法を採用すれば、既に明ら
かにした通り湾曲加工された管状体が多少のスプリング
バック力を有している場合でも、溶接継手部にミクロク
ラックなどを生じることなく迅速且つ円滑にシーム溶接
を行うことができるが、より一層の確実性を期して、例
えば前記特公平１−５４１２２号公報に記載された様な
「温間成形法」や同５−５１３７４号公報に記載された
様な「非対称成形法」の如きスプリングバック力低減法
を併用することも勿論可能である。

【００５１】

【実施例】以下、実験例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はもとより下記実験例によって制限
を受けるものはなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲
で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それ
らは何れも本発明の技術的範囲に包含される。

【００５２】(1) 実験１（プラズマ溶接のみの造管試
験） 本発明で採用される最も基本的なプラズマ溶接の機能確
認と適正条件把握のため、まずプラズマ溶接のみの試験
を行った。

【００５３】一連の試験で使用した装置は通常の溶接チ
タン管造管ラインであり、従来の単電極ＴＩＧ溶接に準
じた方法で、ＴＩＧトーチをプラズマトーチに置き換え
て試験を行った。但しこの実験では、ＴＩＧ溶接の際に
適用してきた前述の如き温間成形法や非対称成形法など
のスプリングバック抑制技術は一切採用しなかった。ま
た、プラズマ溶接機としては市販の容量３５０Ａのもの
を使用し、造管試験の対象となるチタン管の寸法、材質
は下記の４種とした。

【００５４】 寸法：外径１９ｍｍ×厚さ０．５ｍ
ｍ、材質：Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ（１
５−３−３−３） 寸法：外径２５．４ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ、材質：
ＪＩＳ２種 寸法：外径２２ｍｍ×厚さ１．２４５ｍｍ、材質：
ＪＩＳ２種 寸法：外径２５．４ｍｍ×厚さ２．３ｍｍ、材質：
ＪＩＳ１種

【００５５】これらの供試材に対し、プラズマ溶接電
流、パイロットガス流量（以上、プラズマ溶接条件）お
よび造管速度を表１，２に示す様に種々変化させて溶接
したときの現象（溶接の安定性、内面ビードの健全性な
ど）を詳細に調査した。また、表１，２に示した以外の
溶接・造管条件は下記の通りとした。 ・プラズマガス吹き出しノズル径：溶接電流値により後
記表４の目安に従って変更 ・トーチ前進角（垂直から造管後方への傾き角）：１５
度 ・アーク長（トーチ先端と素材間の距離）：５ｍｍ ・トーチ設定位置：スクイズロール中央から±１０ｍｍ
以内

【００５６】

【表１】

【００５７】

【表２】

【００５８】上記一連の試験で得られた結果をまとめて
表１，２に示した。表中、○印は健全な内面ビードが形
成された条件を示し、△は入熱不足で内面ビードが形成
されないか細過ぎた条件、×印は入熱過剰で溶け落ちが
発生した条件を夫々示している。

【００５９】これらの結果をデータ処理してグラフ化し
たのが図１であり、このグラフより前記式(1)、(2) の適
正溶接条件が求められる。

【００６０】(2) 実験２（プラズマ電極＋ＴＩＧ電極併
用による造管試験） 前記実験１に引き続き、プラズマ溶接の後に１本又は２
本のＴＩＧ溶接トーチを配置して造管試験を行い、ＴＩ
Ｇ溶接で外面ビードを平滑化するための適正条件につい
て検討した。

【００６１】用いた装置は前記実験１で用いたのと全く
同じであるが、ここではスクイズロール中央近傍に配置
したプラズマ溶接トーチに加えて、その後方１３０ｍｍ
の位置にＴＩＧ溶接トーチを配置して連続的にシーム溶
接を行った。このとき、トーチ間隔を種々変化させてみ
たが、６０ｍｍ程度以内に近づけるとアークの干渉が激
しくＴＩＧ溶接のアークが非常に不安定となった。

【００６２】この場合、トーチ間はＡｒ等の不活性ガス
で十分にシールドする必要があるが、実験では全トーチ
をひとつの箱の中に納めた所謂ボックスシールドを採用
し、トーチ間の溶接金属の酸化を防止した。またＴＩＧ
トーチの前進角は、プラズマトーチと同様に１５度と
し、ＴＩＧトーチを２本併用する場合、これらを溶接線
方向に３０ｍｍ離して配置した。

【００６３】またこの実験では、前記実験１に示した４
種の供試材のうち〜の３種について行った。得られ
た結果を表３に示す。表中、○印は健全な外表面ビード
が得られた条件を示し、△は前方のプラズマ溶接で発生
したアンダーカットが十分に補修できなかった条件、×
印はＴＩＧ溶接時の入熱が高すぎて先行ビードが内面ま
で溶融してしまった条件を示している。また※印を付け
た条件は、プラズマ溶接に続いて２本のＴＩＧトーチで
溶接したものである。これらの実験結果をデータ処理
し、図２および前記式(3) に示す適正な整形溶接条件が
導かれた。

【００６４】

【表３】

【００６５】

【表４】

【００６６】(3) 実験３（高強度チタンへの適用試験） スプリングバック力の大きい高強度チタンやチタン合金
管を造管する場合は、ミクロクラック発生による造管速
度低下が極めて深刻な問題となる。しかし、溶接時に形
成される溶湯量を少なく抑えることのできるプラズマ溶
接を適用すればミクロクラックの抑制が期待されるの
で、実際にその効果を確認するための造管試験を行っ
た。

【００６７】まず、前記実験１および表１，２に示した
様に、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ（１５−
３−３−３）を使用し、プラズマ溶接法を採用して外径
１９ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの溶接管の造管試験を行っ
た。この実験で用いたチタン合金は極めてスプリングバ
ック力が大きいので、通常のＴＩＧ溶接法で造管を行う
とミクロクラックやビード形状不良が発生するため、高
々３ｍ／ｍｉｎ程度の速度で造管するのがやっとである
が、表１，２からも明らかである様に、プラズマ溶接法
を採用すると造管速度を４ｍ／ｍｉｎ程度に高めた場合
でも健全な溶接、造管が可能であった。

【００６８】次に、高強度純チタン（ＪＩＳ４種）を使
用し、外径３５ｍｍ×厚さ１ｍｍの溶接管を製造する際
に、ＴＩＧ溶接とプラズマ溶接を併用した造管試験を行
った。この実験はミクロクラック発生限界を把握するこ
とを目的とし、ＴＩＧ溶接に単電極ＴＩＧを採用し、プ
ラズマ溶接の際にもプラズマ単独で溶接し、表面ビード
平坦化のためのＴＩＧ溶接は行わなかった。この場合、
湾曲加工条件はすべて同じとし、温間成形等のスプリン
グバック抑制処理は全く行わなかった。

【００６９】また実験に当たっては、一定のスピードで
造管を行った後、各溶接管をサンプリングして内面ビー
ドの表面をカラーチェックし、ミクロクラックの有無を
確認した。徐々に造管速度を高めながらこの操作を繰り
返し、ミクロクラックが発生する限界造管速度を調査し
た。その結果、ＴＩＧ溶接の場合は、造管速度が１．５
ｍ／ｍｉｎ程度からミクロクラックらしき徴候が認めら
れるのに対し、プラズマ溶接の場合は４ｍ／ｍｉｎ程度
までミクロクラックらしき兆候は認められず、プラズマ
溶接により高速造管時のミクロクラック抑制効果が著し
く抑えられることを確認できる。

【００７０】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、先
行のプラズマ溶接による貫通溶接と、ＴＩＧ溶接電極を
用いた低エネルギーアークによる表面ビード整形溶接を
組合わせることにより、スプリングバック力の大きいチ
タンまたはチタン合金溶接管を製造する場合でも、ミク
ロクラックを生じることなく健全な溶接状態を確保しつ
つ高速造管を実現し得ることになった。

【００７１】即ち従来の単電極ＴＩＧ溶接では、どの様
な成形法を採用したとしても、アンダーカットを生じる
ことなく造管を行うことのできる最高の造管速度は高々
１．５ｍ／ｍｉｎ程度であり、また２電極ＴＩＧ溶接と
温間成形や非対称成形法等のスプリングバック抑制手段
を採用した場合でもせいぜい２．５ｍ／ｍｉｎ程度が限
界であったが、本発明法によれば、４ｍ／ｍｉｎ程度に
まで造管速度を高めた場合でも、ミクロクラックのない
健全な溶接継手を確保できる。そしてこの方法を採用す
れば、ミクロクラックが更に発生し易いＪＩＳ３種以上
の高強度チタンやチタン合金を用いて造管を行う際に
も、顕著な効果を享受できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】最先の電極としてプラズマ電極を使用し、適正
な内面ビードを形成するための適正な溶接条件範囲を示
すグラフである。

【図２】後続電極としてＴＩＧ電極を使用し、表面ビー
ドの整形を行うための適正な溶接条件範囲を示すグラフ
である。

【図３】本発明を採用したときの先・後行溶接トーチの
配置と、夫々の溶接トーチによって形成される溶接金属
の状態を示す概略説明図である。

【図４】２電極ＴＩＧ溶接トーチを用いた従来のシーム
溶接と、夫々の溶接トーチによって形成される溶接金属
の状態を示す概略説明図である。

【図５】プラズマトーチの構造を示す要部断面説明図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 28/02 Ｂ２３Ｋ 28/02 // Ｂ２３Ｋ 103:14 103:14 (56)参考文献 特開 平４−305375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−286074（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−320277（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 B21C 37/08 B23K 9/095 B23K 9/167 B23K 10/02 B23K 28/02 B23K 103:14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタンまたはチタン合金からなる帯板を
   板幅方向に湾曲して管状体とし、該管状体の長手方向突
   き合わせ部を複数本の電極により溶接して管を製造する
   方法において、 最先の電極では、プラズマアークにより管内面まで溶融
   を貫通させて内面ビードを形成し、後続の少なくとも1
   つの電極では、ＴＩＧ溶接電極を用いた低エネルギーア
   ークにより管内面まで至らない溶融池を形成して表面ビ
   ードの整形を行うこととし、前記最先のプラズマ電極で
   は、下記の要件を満たす溶接条件で内面ビードを形成す
   ると共に、 Ｘ＝ｖ・ｔ ^1.3 ， Ｙ＝Ｉ _p ・ρ／ｔ と定め、 1)１．８≦Ｘのときは下記式(1) ０．２Ｘ＋１．２９≦ｌｏｇＹ≦２．０８……(1) 2)１．８＞Ｘのときは下記式(2) ０．２Ｘ＋１．２９≦ｌｏｇＹ≦０．２Ｘ＋１．７３……(2) （但し、 ｖ：造管速度（ｍ／ｍｉｎ）、 ｔ：管肉厚（ｍｍ）、 Ｉ _p ：プラズマ溶接電流（Ａ）、 ρ：パイロットガス流量（ｌ／ｍｉｎ）を表わす)後続
   の少なくとも1つのＴＩＧ溶接電極では、下記式(3)を満
   たすトータル溶接電流で表面ビードの整形を行うことを
   特徴とするチタンまたはチタン合金溶接管の製法。 ５０・ｖ・ｔ ^1.5 ≦Ｉ _t ≦７５・ｖ・ｔ ^1.5 ＋４０……(3) （但し、ｖ：造管速度（ｍ／ｍｉｎ）、 ｔ：管肉厚（ｍｍ） Ｉｔ ：トータルＴＩＧ電流（Ａ）を表わす)