JP4528313B2 - 鋼管の突合せ溶接方法および溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高能率で溶接が可能で、かつ高温割れ等の無い健全な溶接部が得られる鋼管の突合せ溶接方法および溶接鋼管の製造方法に関する。

特許文献１に開示されているように、本出願人は、大掛かりな設備改造を行うことなく、スパイラル鋼管の製造に簡単に適用でき、その能率を大幅に向上させることができる溶接鋼管の製造方法を提案した。

この特許文献１に記載の溶接鋼管の製造方法は、スパイラル状に曲げられた熱延鋼帯の幅方向突合せ部を、まず、内面溶接機により内面溶接位置において内面側でサブマージアーク溶接（ＳＡＷ溶接）を実施した後、鋼管を溶接線に沿って約１周半した下流側に位置する高周波誘導加熱コイル（高周波加熱コイル）に通電して外面溶接前の鋼帯突合せ部の表面温度で約４００℃以上の予熱を行い、しかる後、外面溶接機により外面溶接位置で外面側のサブマージアーク溶接を実施するものである。

特開昭２００６−２８１３１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の溶接鋼管の製造方法を、例えば鋼管の軸方向端面の突合せ溶接に適用しようとすると、高周波誘導加熱コイル（以下、単に加熱コイルともいう。）の位置が固定されていると、鋼管突合せ部の内面または外面を加熱コイルにより加熱する際に、鋼管の表面（内面または外面）と加熱コイルとの間隔が一定せず、このため以下のような問題がある。
（１）鋼管突合せ部の予熱温度ムラが発生し、溶接ビード部の品質（ビード形状、高温割れ有無、機械的性質）が安定しない。

（２）鋼管突合せ部に溶接ビード部等の凸部がある場合に、高周波誘導加熱（高周波加熱）用の加熱コイルと当該凸部が接触し、鋼管の突合せ部を適切に加熱が出来ない事態が発生する虞がある。すなわち、高周波誘導加熱コイルは、効率的な加熱をするためには加熱面である鋼管内面または外面に極力接近させる必要があるが、その一方で、スパイラル鋼管やストレートシーム鋼管等の溶接鋼管製造工程で生じる溶接ビード部、あるいは鋼管の突合せ溶接におけるビード部は、鋼管表面よりも盛り上がっているのが一般的であり、加熱コイルと溶接ビード部が相互に干渉し、加熱コイルあるいは加熱コイルを支える装置本体が損傷するトラブルが発生する可能性がある。

図６（ａ）は、上記の鋼管突合せ溶接の開始部の溶接ビード部ＢD１と加熱コイル２との干渉を示しており、図６（ｂ）は、上記の溶接鋼管の溶接ビード部ＢD２と加熱コイル２との干渉を示している。なお、これらの図において、符号１は鋼管、１１はサブマージアーク溶接機３のＳＡＷワイヤ供給ノズル、１２はＳＡＷフラックス供給管、１３はフラックスを示している。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、高周波誘導加熱を行いながら鋼管の突合せ溶接等をする際に、溶接ビード部の品質の安定化や加熱コイルと溶接ビード部との干渉による作業トラブルの防止を図ることができる鋼管の突合せ溶接方法および溶接鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の鋼管の突合せ溶接方法は、鋼鋼管の軸方向端面どうしを突合せた後、前記鋼管を周方向に回転させつつサブマージアーク溶接を行い接合する方法であって、高周波誘導加熱コイルを用いて前記鋼管突合せ部のその表面から突出している溶接ビード部を含む内面および外面の少なくとも一方を予め加熱した後、前記サブマージアーク溶接を行うとともに、前記鋼管の回転中に、前記高周波誘導加熱コイルと前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面との間隔がほぼ一定になって、前記高周波誘導加熱コイルと前記溶接ビード部との干渉が防止されるように、前記高周波誘導加熱コイルを前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面に対する垂直方向の位置を移動自在に設けるとともに、この高周波誘導加熱コイルに車輪を設け、この車輪を前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面を転動させることによって、前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面に対する前記高周波誘導加熱コイルの垂直方向の相対位置を制御することを特徴とする。

請求項１に記載の鋼管の突合せ溶接方法によれば、高周波誘導加熱コイルと鋼管の溶接ビード部を含む内面または外面との間隔をほぼ一定に保持しながら鋼管突合せ部の加熱が可能となるので、高周波誘導加熱コイルと溶接ビード部の干渉によるトラブルを防止できるとともに、溶接作業能率の向上と溶接品質の安定化を図ることができる。

また、高周波誘導加熱コイルを鋼管の溶接ビード部を含む内面または外面に対する垂直方向の位置を移動自在に設けるとともに、この高周波誘導加熱コイルに車輪を設けるという簡単な構成により、加熱コイルと溶接ビード部の干渉によるトラブルを防止できるとともに、溶接作業能率の向上と溶接品質の安定化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る鋼管の突合せ溶接方法の概略説明図である。
この鋼管の突合せ溶接方法は、鋼管１，１の軸方向端面どうしを突合せた後、ターニングロール（回転手段）４により鋼管１，１を周方向に回転させつつ、鋼管１，１の内面および外面の鋼管突合せ部をそれぞれ、サブマージアーク溶接機３によりサブマージアーク溶接して、鋼管１，１を接合する。
なお、通常は、鋼管の内面側の鋼管突合せ部を溶接した後、外面側の鋼管突合せ部を溶接する。図１は、外面側の鋼管の突合せ溶接方法の例を示すが、内面側でも同様の溶接方法を用いてもよい。

そして、この鋼管の突合せ溶接方法では、溶接点（溶接位置）Pの前方に設置された高周波誘導加熱コイル２を用いて、鋼管突合せ部の内面および外面の少なくとも一方を予め加熱した後、サブマージアーク溶接を行う。また、鋼管１，１の回転中に（サブマージアーク溶接中に）、高周波誘導加熱コイル２の位置制御手段により、高周波誘導加熱コイル２と鋼管突合せ部の内面または外面との間隔がほぼ一定になるように、鋼管１，１の内面または外面に対する高周波誘導加熱コイル２の垂直方向の相対位置を制御する。

高周波誘導加熱コイル２の位置制御手段としては、例えば、図２に示すように、高周波誘導加熱コイル２が鋼管１，１の外面（内面溶接の場合には内面）に対する垂直方向の位置を移動自在に設けられるとともに、この高周波誘導加熱コイル２に車輪５が設けられ、この車輪５が鋼管１，１の外面（内面溶接の場合には内面）上を転動するようにして構成される。この場合、車輪５は高周波誘導加熱コイル２にボルト６により固定された車輪支持部材７に回転自在に取り付けられている。なお、図６と同様に、図２において、符号１１および１２はサブマージアーク溶接機３のＳＡＷワイヤ供給ノズルおよびＳＡＷフラックス供給管、１３はフラックスを示している。サブマージアーク溶接機３のＳＡＷワイヤ供給ノズル１１およびＳＡＷフラックス供給管１２は位置を固定されている。
なお、図２は、サブマージアーク溶接機３のＳＡＷワイヤ供給ノズル１１が１本の場合の例を示しているが、２本以上用いてもよい。

この車輪５付き高周波誘導加熱コイル２を用いて、鋼管１，１を回転させつつ、サブマージアーク溶接機３によりサブマージアーク溶接を行うと、図３に示すように、溶接ビード部ＢＤがあっても、この溶接ビード部ＢＤを車輪５が円滑に乗り越えるとともに、車輪５と一体的な加熱コイル２が鋼管１の外面から離れる方向に移動して、加熱コイル２と溶接ビード部ＢＤとの間隔ｔを一定に保つので、加熱コイル２と溶接ビード部ＢＤとの干渉（衝突）が防止される。

車輪５の幅は、鋼管１の突合せ部に開先を設けた場合には、当該開先による溝に脱輪しないような適切な幅にする必要があるが、当該溝を挟むように車輪５を２個以上の複数個にし、開先を跨いで設けるようにしてもよい。また、車輪５は鋼管の回転中に鋼管１の内面上または外面上を円滑に転動するように常時鋼管表面に押し付ける必要があるが、自重のみでは押し付け力が不足する場合には、バネや空気圧シリンダー等の押圧手段を用いて押し付けるようにしても良い。

また、車輪５の回転中心軸と高周波誘導加熱コイル２との距離Ｌ（図３参照）は、鋼管１表面の溶接ビード部（凸部）ＢＤに追随して加熱コイル２の位置をタイムリーに制御するためには、極力短くすることが望ましい。すなわち、上記距離Ｌが大きいと鋼管表面の溶接ビード部ＢＤに加熱コイル２が到達するかなり前から鋼管１表面から遠ざかることになるため、鋼管１表面の加熱温度が低下し、望ましくない。

なお、車輪５および軸受その他の周辺の取り付け部は、高周波誘導加熱コイル２から発生する高周波磁束による自己発熱および短絡を避けるため、耐熱性のある絶縁体（例えばセラミックスなど）で構成されている。

図４は、車輪付き高周波誘導加熱コイルの他の例を示す図である。この例では、方形の高周波誘導加熱コイル２の1辺の中央部に開口部２ａが形成され、この開口部２ａに車輪５の一部が挿入されている。加熱コイル２の開口部２ａの両側には、一対の加熱コイル支持部材２１，２１が固定されており、これらの加熱コイル支持部材２１，２１に軸受２２，２２を介して車輪５が回転自在に取り付けられている。加熱コイル支持部材２１，２１は、鋼管の内面または外面に対する垂直方向の位置を移動自在に設けられている。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
この実施例では、図５に示すように、予め内外面にそれぞれ開先加工を施した鋼管１（外径１６００ｍｍ×厚み４２ｍｍ）を用意した。鋼管１は、ストレートシーム溶接鋼管であり、鋼材規格はＳＫＫ４９０である。開先部の開先形状はＶ形開先形状であり、外面の開先角度（開先両角度）は４０°で深さは１５ｍｍ、内面の開先角度（開先両角度）は角度３０°で深さ１５ｍｍとした。

外面溶接に先立ち、まず内面の軸方向突合せ部（開先部）のサブマージアーク溶接（ＳＡＷ溶接）を1パス実施した。この際の溶接速度（鋼管の回転速度（周速度））は２５０ｍｍ／ｍｉｎで、溶接条件としては、電流（交流）８００Ａで電圧４０Ｖに設定した。

次に、図４に示す車輪５付き車輪付き高周波誘導加熱コイル２を用いて、図１に示すように、鋼管１外面側に位置する高周波誘導加熱コイル２に通電して外面溶接前の突合せ部の予熱を行い、しかる後サブマージアーク溶接機３により外面溶接位置で開先部のサブマージアーク溶接を実施した。
この場合、車輪５の高さ方向の取り付け位置は、高周波誘導加熱コイル２と鋼管１表面の間隔が約５ｍｍになるように調整した。また、高周波誘導加熱コイル２は、溶接点（溶接位置）の前方７５ｍｍの位置に設置した。高周波誘導加熱コイル２の出力は５０ｋＷに設定した。また、溶接速度（鋼管の回転速度（周速度））は２５０ｍｍ／ｍｉｎで、溶接条件としては、電流（直流）１１００Ａで電圧３５Ｖに設定した。なお、サブマージアーク溶接機３は固定式であり、鋼管１はターニングロール（回転手段）４により周方向に回転される。

上記条件にて鋼管１の外面溶接を行った結果、高周波誘導加熱コイル２がストレートシーム溶接鋼管の溶接ビード部（凸部）を通過する際、さらには外面溶接の最終段階で、突合せ溶接開始部の溶接ビード部（凸部）に加熱コイルが到達した際にも、突っ掛けトラブル等が発生することなく、外面溶接作業を終了できた。

なお、前述の実施例では、鋼管１の外面溶接の溶接点（溶接位置）Ｐの直前（距離にしておよそ１００ｍｍ以内、時間でおよそ２０秒以内）に高周波誘導加熱コイル２を設置し、鋼管突合せの加熱（溶接前の予熱）を行う方法について例示しているが、鋼管１の内面溶接前に同様に車輪５付き高周波誘導加熱コイル２による予熱を行っても良い。

本発明は、スパイラル鋼管をはじめとする様々な鋼管の突合せ溶接に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る鋼管の突合せ溶接方法の概略説明図である 高周波誘導加熱コイルの位置制御手段としての車輪付き高周波誘導加熱コイルを示す図である。 車輪付き高周波誘導加熱コイルの作用を示す図である。 車輪付き高周波誘導加熱コイルの他の例を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。 突合せ溶接部の開先形状を示す図である。 従来の鋼管の突合せ溶接方法の不具合を説明する図であって、（ａ）は鋼管突合せ溶接の開始部の溶接ビード部と加熱コイルとの干渉を示す図であり、（ｂ）は溶接鋼管の溶接ビード部と加熱コイルとの干渉を示す図である。

符号の説明

１ 鋼管
２ 高周波誘導加熱コイル
３ サブマージアーク溶接機
４ ターニングロール（回転手段）
５ 車輪
ｔ 高周波誘導加熱コイルと鋼管突合せ部の外面との間隔

Claims (1)

1. 鋼管の軸方向端面どうしを突合せた後、前記鋼管を周方向に回転させつつサブマージアーク溶接を行い接合する方法であって、高周波誘導加熱コイルを用いて前記鋼管突合せ部のその表面から突出している溶接ビード部を含む内面および外面の少なくとも一方を予め加熱した後、前記サブマージアーク溶接を行うとともに、前記鋼管の回転中に、前記高周波誘導加熱コイルと前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面との間隔がほぼ一定になって、前記高周波誘導加熱コイルと前記溶接ビード部との干渉が防止されるように、前記高周波誘導加熱コイルを前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面に対する垂直方向の位置を移動自在に設けるとともに、この高周波誘導加熱コイルに車輪を設け、この車輪を前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面を転動させることによって、前記鋼管突合せ部の前記内面または前記外面に対する前記高周波誘導加熱コイルの垂直方向の相対位置を制御することを特徴とする鋼管の突合せ溶接方法。

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