JP3459396B2 - パイプ溶接方法 - Google Patents

パイプ溶接方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパイプ溶接法に関
し、特にパイプ溶接工業において、パイプ端部間のオー
プンルートを溶接するためのＳＴＴ電気アーク溶接機と
して知られる特定の電力供給源をもつ特定の溶接ワイヤ
を用いる方法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】過去１０年以上に亘り、大き
な板どおしの溶接には短回路電気アーク溶接機が用いら
れてきた。オハイオ州クリーブランドのザ・リンカーン
・エレクトリック・カンパニーがＳＴＴなる商標名で販
売しているこの溶接機は特定の壁紙化用途への使用につ
いて米国特許第５，７４２，０２９号に開示されてい
る。この独特な短回路電気アーク溶接機はフィールドに
パイプラインを配するときのパイプセクションの間隔の
あいた端部を電気アーク溶接するための電力供給源とな
っている。この独特の短回路溶接機を用いるパイプ溶接
方法の実施が米国特許第５，６７６，８５７号に開示さ
れている。これら２件の米国特許はザ・リンカーン・エ
レクトリック・カンパニーによるＳＴＴ溶接機とパイプ
等の重い板の溶接への利用を明らかにしており、これら
の内容はここではその内容を繰り返すことなしに本発明
の背景技術をなしている。
【０００３】フィールドでのパイプ溶接時、パイプセク
ションの端部間のジョイントは本質的に２枚の重い板間
のジョイントと同じであるが、溶接されるパイプジョイ
ントはパイプの端部がわずかに空隙となっているオープ
ンルートをもつ点では異なる。このオープンルートは２
つのパイプセクションを隣接関係にし、次いでこのジョ
イント中の最小のオープンルートを定める選択した量を
差し引くことによってつくられるギャップである。この
オープンルートはパイプジョイントの底部面積の全体厚
にわたっていっしょに品質溶接（ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅ
ｌｄ）で溶接されることを本質とするが、オープンルー
トに第１のビードを配する際には溶融した溶接金属がパ
イプセクションの内側方向に実質的な距離はみ出さない
ことも必要である。パイプはピグ及び他の円筒状部材が
オープンルート第１溶接の途中で生ずる溶接金属の内側
へのはみ出しに遭遇せずにパイプセクションを通して移
動できるようにきれいである必要がある。別の配慮とし
て、オープンルート溶接の熱が金属収縮やオープンルー
トを形成するギャップへの金属のもどりを生ずるほど高
くないことがある。溶融金属の内側へのはみ出しや金属
のもどりが実質上ない状態で高品質のパイプオープンル
ート溶接を達成するために、ＳＴＴ電気アーク溶接機の
使用によって可能となったこのタイプの短回路溶接方法
が適用されるようになっている。このパイプ溶接法はオ
ープンルートを充填するパイプ溶接方法の初期溶接パス
を制御する。このタイプの溶接法は極めて有利だが、短
回路溶接法中に用いられる溶接ワイヤの選択には多くの
改良作業が必要とされている。パイプセクション間のジ
ョイントの溶接にＳＴＴ電気アーク溶接機を用いる場合
にはコア付き電極が実質的な利点をもつが、オープンル
ートパス溶接ビードには独特の溶接的課題が存在するこ
とが判った。このルートパス溶接ビードはＡＮＳＩ−Ａ
ＷＳ Ａ５．１８９５固体溶接ワイヤの特性をもつ固体
（中実）ワイヤを用いることによって最も優れた効果が
得られることが判った。このタイプの溶接ワイヤはシー
ルドガスと共に用いられ、次の特性をもっている。
【０００４】 表 １ ％ 炭素 ０．０６−０．１５ マンガン ０．９０−１．４０ ケイ素 ０．４５−０．７５ リン ０−０．０２５ 硫黄 ０−０．０３５ 銅 ０−０．５０ Ｎｉ／Ｃｒ／Ｍｏ／Ｖ ０−０．５０
【０００５】この標準ガスシールド溶接ワイヤは優れた
外観をもつ溶接ワイヤとして選択され、オープンルート
溶接パスの間ＳＴＴ電気アーク溶接の効果を示す。この
溶接ビードの外観は通常、標準固体ワイヤとして受け入
れられるものであり、本発明を用いることによってビー
ド頂部と底部においてビード外観の実質的な改良が得ら
れる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】十分な検討を進めた結
果、リンを微量だけ含有し、硫黄を溶接ワイヤに０．０
１５重量％〜０．０３５重量％の特定範囲で高レベルに
維持する時に、優れた流動特性から優れた外観と高い進
行速度で定常的に高品質溶接が得られることが判明し
た。溶接ワイヤのリン及び硫黄の上記制限を制御し且つ
維持することによって一貫した優れた外観のオープンル
ート溶接が得られる。従って、本発明によれば２本のパ
イプの端部を間隔のある端部間のギャップ又はオープン
ルートに溶接する方法が提供される。この方法は炭素を
０．０６−０．１５重量％、マンガンを０．９０−１．
４０重量％及びケイ素を０．４５−０．７５重量％もつ
溶接ワイヤを選択することからなる。またこの溶接ワイ
ヤはリン、銅、ステンレススチール合金及び硫黄を含有
する。この方法は０．０１５−０．０３５重量％の特定
範囲内で選択したワイヤの与えられたパーセントレベル
で硫黄を維持しそして０．０１５重量％以下の特定範囲
内で選択したワイヤの与えられたパーセントレベルでリ
ンを維持することを含む。事実、リンは通常溶接ワイヤ
の０．００６−０．００８重量％という微量レベルでで
ある。本発明では選択したワイヤを間隔のあるパイプ端
部間のオープンルートに向けて与えられたワイヤ供給速
度で前進させて第１溶接パスにてオープンルートを充填
して上記セクションどおしを溶接し、制御された波形を
もつ溶接電流を形成し、この波形はそれぞれが短絡部分
とプラズマアーク部分とをもつ連続する溶接サイクルを
もち、プラズマアーク部分はプラズマブーストセグメン
ト、テールアウトセグメント及び背景電流セグメントを
もつ。この溶接ワイヤは溶接電流がワイヤを通過すると
きオープンルートに沿って動きワイヤを溶融し表面張力
移動によってワイヤをパイプ端部に移動してオープンル
ートを充填する。この電流波型は少なくとも１８ｋＨｚ
の速度でオシレータによって発生する速い連続する電流
パルスによって且つパルス幅変調機で制御される幅をも
って形成される。本発明を用いることによって、高品質
の溶接ビードが溶接方法の第１パスを介してオープンル
ートに溶着される。その後に、もう一つの溶接ワイヤ、
例えばフラックス有心ワイヤがこの接合の残余の部分を
充填すために使用できる。従って、ルートパスは最適化
された溶接方法によって充填され、そして残余の部分の
接合が要求度の高い溶着を満たす方法によって充填され
る。
【０００７】本発明の第一の目的は、短絡回路溶接方法
の特別の型そしてリン及び硫黄が一定の量に維持された
固体溶接ワイヤ用いる、パイプ溶接方法におけるオープ
ンルートを充填する方法を提供することである。
【０００８】本発明の他の一つの目的はパイプ溶接方法
で高品質のオープンルート溶接を一貫して作る上記記載
の方法を提供することである。
【０００９】これらのそして他の目的及び利点は添付し
た図と共に下記の記載から明らかになるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明はＳＴＴ溶接方法と合わせ
て特別な溶接ワイヤを用いることによって２つのパイプ
の端部をこれらの端部間のオープンルートにて溶接する
方法に関する。図１及び図２において、パイプ溶接作業
１０は、標準的手法にしたがって端部が離れている先細
りの端部１６、１８によって規定されるギャップ又はオ
ープンルート２０をもつパイプ断面１２、１４を溶接す
るために行われる。本発明は、トーチ３０が底部のルー
トパス２０を含む接合によって決定される通路に従う
間、パイプ断面１２、１４の周囲にトーチ３０を動かす
ことによってオープンルート２０における第１溶接ビー
ドＢの盛り又は溶着に関する。本発明によれば、溶接電
流が溶接ワイヤを通過する間、ワイヤ４０はトーチ３０
を介して選択された速度でルートパス２０へ供給され
る。図１に示されている如く、溶接電流がアーク５０を
発生させ、前進ワイヤ４０の端部を溶融する。ワイヤが
溶融ボールに変わりそしてビードＢへ移動するとき、図
２に示される如く短絡回路状態５２が発生する。この状
態はワイヤ４０からビードＢへ溶融金属の移動を生ず
る。トーチ３０をオープンルート２０の周囲に動かすこ
とによって、アーク状態及び短絡回路の金属移動状態が
交互に連続する。溶接ワイヤ４０は特別な組成をもつ。
本発明によれば、溶接ワイヤは０．０６〜０．１５重量
％の炭素、０．９０〜１．４０重量％のマンガン、及び
０．４５〜０．５７重量％のケイ素を含む。さらに、こ
のワイヤはリン、銅、ステンレススチール合金、例えば
ニッケル、クロム、モリブデン及びバナジウム、及び硫
黄を包含する。本発明によれば、ワイヤ４０は０．０１
５〜０．０３５重量％の特定の範囲内に維持された硫黄
のパーセントレベルをもつ。同様な方法で、痕跡量のリ
ンがアーク溶接棒４０中に維持される。この痕跡量は
０．００６〜０．００８重量％が通常の範囲であり、そ
して本発明によれば０．０１５重量％以下のレベルに常
に維持される。アーク溶接棒４０の組成を選択し且つ維
持することによって、本明細書に記載した本発明の作用
効果が実現される。さらに、特別の目的で作られたアー
ク溶接棒又は溶接ワイヤと共同して用いれるＳＴＴ溶接
方法は臨界的である。本発明に従って使用されるこの溶
接方法は図３及び図４に図説されている。
【００１１】ここで図３及び図４について記載する。図
４で示す波形ＷはＳＴＴ溶接器１００によって発生した
ＳＴＴ波形である。この溶接器はダウンチョッパか又は
図説した高速度のいずれかを用い、正端子１１０及び負
端子１１２をもつＤＣ入力リンクを備えるインバータ１
０２をスイッチする。この分野では、ＳＴＴ溶接器又電
源装置は常態ではモータ発電機によって駆動される。し
かし、簡素化のために、入力を三相入力電源装置１２２
を備える整流器１２０として図示する。ＳＴＴ溶接器の
出力１３０は、ワイヤ速度を制御するために選択した速
度で駆動される電気モータ１３４によって、パイプ断面
１２、１４の間のオープンルート２０に向かって前進す
る、供給リール１３２からのアーク溶接棒又は溶接ワイ
ヤ４０を溶融及び溶着させるために使用される。標準Ｓ
ＴＴ操作に従って、比較的小さいインダクタ１４０は、
出力溶接方法を安定化させて波形を追跡する目的のため
に、出力１３０にフリーホイーリング ダイオード１４
２を備える。図４に示す如く、波形Ｗはインバーター１
０２の制御ライン１５０の電圧によって制御される。こ
の入力又は制御ラインは、発振器１６０によって１８ｋ
Ｈｚを越える速度で操作されるパルス幅変調器１５２の
出力によって決定される電圧をもつ。好ましくは、ライ
ン１５０のパルス速度は２０ｋＨｚより実質的に大き
い。従って、インバーター１０２は発振器１６０によっ
て発生される電流パルスの高速連続を極めて速い速度で
出力する。パルス幅変調器１５２はインバーター１０２
から出力１３０への各電流パルスの幅を決定する。標準
ＳＴＴ操作によれば、波形Ｗは制御回路２００によって
決定される。この標準ＳＴＴ操作は米国特許第５，７４
２，０２９号明細書の図１０に概略的に示されている。
波形制御回路２００はライン２０２の電圧と比較される
電圧の出力をもつ。このフィードバック電圧はワイヤ４
０を通るアーク電流を表す。アーク電圧を表す電圧は分
流器２０６からの電流情報を受ける電流センサー２０４
によって生ずる。本発明で使用する波形Ｗは、ワイヤ４
０がパイプ断面１２、１４の間で溶融且つ溶着するとき
に連続的に繰り返される単一溶接サイクルである。ＳＴ
Ｔ技術によれば、波形Ｗは、移動される金属が電気的に
直径を短縮されそして次いで破断されるとき電流が降下
する、金属移動短絡回路パルス２１０を包含する短絡回
路部分を含む。破断又は「溶融」の後、波形Ｗはアーク
又はプラズマ部分に移り、制御された最大電流２２０
ａ、テールアウト部分２２２及びバックグランド部分２
２４をもつプラズマブーストを含む。バックグランド電
流は、ワイヤ４０上の溶融金属ボールがパイプ断面１
２、１４の対して又はルートパス２０満たすビードＢに
対して短絡するとき、次の短絡回路までポイント２２６
にアークを維持する。
【００１２】本発明の限定された態様によれば、溶接ワ
イヤ４０は０．５０重量％以下の銅及び０．５０重量％
以下のステンレススチール合金を含む。オープンルート
がビードＢによって溶着される後に、溶接方法は接合の
残余を迅速な充填する。これはガスと共に固体ワイヤを
用いることによって又は好ましくは、シールドガスを必
要としないように、フラックスと共に有心溶接ワイヤを
を用いることによって達成される。好ましくは、ＳＴＴ
溶接器又は電源装置は多数の高度の溶着パスがパイプの
周囲に作られる接合充填操作においてもまた使用され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は２つのパイプ断面の間のオープンルート
に沿って移動するトーチを通り抜ける溶接ワイヤを示す
部分拡大図である。
【図２】図２は短絡回路、金属移動状態の溶接ワイヤを
示す、図１に類似する図である。
【図３】図３は本発明で使用するＳＴＴ溶接器の単純化
した図である。
【図４】図４は本発明を実施する際に使用される型の電
流波形である。
【符号の説明】
１０・・・パイプ溶接作業 １２、１４・・・パイプ断面 １６、１８・・・端部 ２０・・・ルートパス ３０・・・トーチ ４０・・・ワイヤ ５０・・・アーク ５２・・・短絡回路状態 １００・・・ＳＴＴ溶接器 １０２・・・インバーター １１０・・・正端子 １１２・・・負端子 １２０・・・整流器 １２２・・・三相入力電源装置 １３０・・・出力 １３４・・・電気モータ １４０・・・インダクタ １４２・・・フリーホイーリング ダイオード １５２・・・変調器 １６０・・・発振器 ２００・・・制御回路 ２０４・・・電流センサー ２０６・・・分流器 ２１０・・・短絡回路パルス ２２０・・・プラズマブースト ２２０ａ・・・最大電流 ２２２・・・テールアウト部分 ２２４・・・バックグランド部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリオット ケイ スタバ アメリカ合衆国オハイオ州 44067 サ ガモワ ヒルズ イートン ドライブ 8484 (56)参考文献 特開 平３−297569（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−80678（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−23884（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−254697（ＪＰ，Ａ) 米国特許5676857（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 9/028 B23K 9/073 560 B23K 35/30 320

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２つの金属工作物の端部をこれら間隔の
    ある端部間にあるオープンルートにて溶接するに際し、 （ａ）重量基準で、炭素０．０６−０．１５％、銅０．
    ５％以下、マンガン０．９−１．４％、リン０．００６
    −０．２５％、ケイ素０．４５−０．７５％、ステンレ
    ススチール合金０．５％以下、硫黄０．０１５−０．０
    ３５％をもつ溶接ワイヤを選択し、 （ｂ）該溶接ワイヤを与えられたワイヤ供給速度で該オ
    ープンルートに向けて前進させて第１の溶接パスにて該
    オープンルートを少なくとも部分的に充填することによ
    って該端部どおしを溶接し、 （ｃ）それぞれが短絡部分とプラズマアーク部分とをも
    つ連続する溶接サイクルをもつ制御された波形をもつ溶
    接電流をＳＴＴ電源によってつくり、 （ｄ）該溶接電流が該ワイヤを通るにつれて該溶接ワイ
    ヤを該オープンルートに沿って動かしてワイヤを溶融し
    そして溶融したワイヤを該オープンルートにおける該端
    部に移動させることを特徴とする溶接方法。
  2. 【請求項２】 該ステンレススチール合金がニッケル、
    クロム、モリブデン、バナジウム及びそれらの混合物か
    らなる群から選ばれる金属をもつ請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該２つの金属作業片が２本のパイプであ
    る請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 該選択した溶接ワイヤの前進工程が該第
    １溶接パスでの該オープンルートの充填である請求項１
    −３のいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 該プラズマアーク部分が、プラズマブー
    ストセグメント、テールアウトセグメント及び背景電流
    セグメントを連続してもつ請求項１−４のいずれか１項
    記載の方法。
  6. 【請求項６】 該ワイヤが溶融し、表面張力移動によっ
    て該オープンルートに移動する請求項１−５のいずれか
    １項記載の方法。
  7. 【請求項７】 少なくとも１８ｋＨｚの速度で振動子に
    よってつくられ且つパルス幅モジュレータで制御した幅
    をもつ速やかな連続電流パルスにより該電流 波形を形成
    する工程を含む請求項１−６のいずれか１項記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 フィラー溶接ワイヤにより該第１溶接パ
    スの後に該オープンルート中の該金属上のジョイントを
    充填することを含む請求項１−７のいずれか１項記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 該フィラー溶接ワイヤが該溶接ワイヤと
    は異なる請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 該フィラー溶接ワイヤがコア付き電極
    である請求項８又は９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 該溶接ワイヤがコア付き電極である請
    求項１−１０のいずれか１項記載の方法。
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