JP4667898B2 - 消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関するものであり、特に溶接速度を大幅に向上することが可能な消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。

従来、石油やガス等のパイプライン（水平固定管）の現地溶接においては、パイプの突き合わせ部である開先部の溶接を、自動溶接機を用いた全姿勢溶接により行なっている。特に、パイプラインのスプレット工法においては、作業の迅速性、効率性の観点から、ルートパス（初層溶接）の溶接速度の向上が望まれている。例えば、ルートパスにおいて一般的に使用されている消耗電極式ガスシールドアーク溶接法では、従来から１．５ｍ／分以下の溶接速度で溶接が行なわれている。しかしこの程度の溶接速度では迅速性、効率性の観点からは十分ではなく、更なる溶接速度の向上が望まれている。しかし、溶接速度の向上は、ビードの高温割れや、ハンピングを発生させるおそれがある。

特許文献１には、３ｍ／分程度の溶接速度を実現したガスシールドアーク片面溶接方法が開示されている。また、特許文献２には、最大で２ｍ／分程度の溶接速度を実現した炭酸ガス溶接方法が開示されている。更に、特許文献３には、ガスシールドアーク溶接方法に使用される電極ワイヤの好適な組成が開示されている。この組成の電極ワイヤを用いることで、良好な溶接作業性および溶接効率を確保しつつ、十分な強度と低温靭性を有する溶接金属が得られると開示されている。
特開２０００−１０２８７１号公報（表１） 特開昭５６−１９９９６号公報（第２頁右下欄） 特開２００４−１４８３８９号公報（表２）

特許文献１に記載のガスシールドアーク片面溶接方法は、消耗電極からなる第１電極と消耗電極または非消耗電極からなる第２電極を溶接線方向に配して行なう溶接法であり、第１電極により形成されたビートを第２電極で再度溶融させることで、仮に第１電極によるビード形成において割れが発生した場合でも第２電極による再溶融によりビートの割れを解消するものである。しかし、必ずしも第２電極によってビードの割れを完全に解消できる保証はなく、溶接不良が発生する可能性がある。またこの特許文献１では、板状体を溶接対象としており、パイプの開先の溶接を対象とするものではない。

また、特許文献２に記載の炭酸ガスアーク溶接法では、溶接電極を高速振動させて溶融池を高速撹拌させることで、溶接欠陥の発生を防止しており、溶接電極の振動機構が必須の構成要素になっている。従って、この特許文献２に記載の方法では、構成が複雑になる問題がある。また、この特許文献２は、いわゆるＵＯ管の製造技術に関するものであり、溶接箇所も管の長手方向に沿って延在する突合わせ部を対象とするもので、管の開先部を溶接する技術に関するものではない。更に、特許文献２に記載の方法では、溶接後に溶接箇所はサブマージアーク溶接により完全に再溶融されるため、溶接条件の決定の際に、溶接後のビードの高温割れを考慮する必要がないという事情がある。

更に、特許文献３では、組成を最適化した電極ワイヤを用いて溶接試験が行われているが、初層の溶接速度が０．０５〜０．２５cm／分と極めて遅く、水平固定管のルートパスとして十分な溶接速度が得られていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、水平固定管のルートパスの溶接速度を大幅に向上することが可能な消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、以下の知見が得られた。
従来、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法による固定管のルートパスにおいては、電極ワイヤの送給速度が低いままで溶接速度を高めると、ビードの高温割れの発生が多くなると考えられていた。一方、電極ワイヤの送給速度を高くしたままで溶接速度を低くすると、電極ワイヤの供給が過剰気味になり、ビード表面にハンピング等が起きやすくなると考えられていた。

しかし、開先形状と、溶接速度および電極ワイヤの送給速度との関係について本発明者らが更に研究を行った結果、開先形状が所定の条件の範囲では、従来から考えられていた上記の現象が起こらないことがわかった。すなわち、開先形状が所定の条件の範囲内において、電極ワイヤ送給速度が低い場合はビードの高温割れの発生が多くなり、電極ワイヤ送給速度が高い場合には裏当金属材の焼き付きが起こる場合があることが判明した。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の手段によって実現される。
すなわち、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、固定管の突き合わせ部に開先を形成して固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なう際に、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させるとともに、電極ワイヤの送給速度をＷＦＳ（ｍ^３／分）とし、溶接速度をＶｓ（ｍ／分）としたときに下記（１）式が成立する条件として式（１）中、ｂは５．６×１０ ^−６ ｍ ^３ ／分≦ｂ≦８．６×１０ ^−６ ｍ ^３ ／分であり、Ｖｓは１．５ｍ／分超としてで溶接を行なうことを特徴とする。
ＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋ｂ （１）
なお、Ｖｓの上限は４．３ｍ／分以下がよい。

上記の構成によれば、（１）式が成立する条件の範囲内で固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なうことにより、高温割れや、溶融ビードと裏当金属材との溶着などの不具合が起きることがなく、従来よりも高速な溶接速度を実現することができる。

なお、上記（１）式において、ｂが５．６×１０^−６ｍ^３／分未満になると、ビードの高温割れが発生するので好ましくない。また、ｂが８．６×１０^−６ｍ^３／分を越えると、高温割れは防止できるが溶融ビードと裏当金属材との焼き付きが起きてしまうので好ましくない。

また、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させることにより、溶融状態のビードの落下を防止することができ、かつ、溶接熱を効率よく放熱させることができる。また、裏波ビードをきれいに形成することができる。

また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、前記電極ワイヤの組成が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０４〜０．１０質量％、Ｓを０．００６質量％以下の範囲で含有することを特徴とする。
また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、溶接により形成される溶接金属の組成が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０６〜０．１０質量％、Ｓを０．００４質量％以下の範囲で含有させるようにすることを特徴とする。
また、固定管の好ましい材質としては、低炭素鋼管を例示することができる。

上記構成によれば、電極ワイヤに含まれるＣおよびＳの含有率を上記の範囲とすることにより、ビードの高温割れを防止することができる。
また、溶接後の溶接金属に含まれるＣおよびＳの含有率が上記の範囲となるように溶接することで、ビードの高温割れを防止することができる。

また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、前記開先突き合わせ部の形状が、開先角度：３〜５°、ルートフェイス：１〜２ｍｍ、開先底面幅：４．０〜７．０ｍｍで規定される狭開先形状であることを特徴とする。なお、狭開先形状とは、開先角度が１５°以下の開先形状を指す。

上記の構成によれば、開先形状が上記の数値範囲で規定される狭開先形状であるため、溶接後のビード断面を（１）式が成り立つ溶接条件で溶接した場合に最適な形状にでき、ビードの高温割れの発生を防止することができる。

本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によれば、水平固定管のルートパスの溶接速度を大幅に向上することができる。

本発明の実施形態である消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の一例について図面を参照して説明する。
図１には、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法（以下、溶接方法と表記する場合がある）に適用される水平固定管（固定管）の開先形状を示す。図１に示すように、本発明の溶接方法においては、水平固定管の開先形状として、いわゆるＵ型狭開先形状（狭開先形状）が採用されている。図１において、符号１、２は固定管であり、この固定管１、２の突き合わせ部に開先部３が形成されている。この開先部３には、断面視略Ｕ字状のルート部開先３ａ（開先突き合わせ部）が設けられている。また、ルート部開先３ａの裏側（固定管１、２の内周側）には、裏開先３ｂが設けられている。ルート部開先３ａは、テーパー部３ｃを介して固定管１、２の外周面１ａ，２ａに連結されている。このテーパー部３ｃは、３°〜５°の開先角度αを有している。

また、固定管１、２の長手方向に沿う開先部３の幅が開先底面幅ｗとされ、この幅ｗは４．０〜７．０ｍｍの範囲に設定されている。更に、固定管１、２のルート部開先３ａ，３ａの先端が相互に突き合わされ、この突き合わせ部分がルートフェイスとされている。このルートフェイスｒｆは１〜２ｍｍの範囲に設定されている。

本発明に係る溶接方法においては、開先角度αを３°〜５°の範囲に設定することが好ましい。開先角度αを３°以上にすることにより、高温割れの発生を防止することができる。また、開先角度αを５°以下にすることにより、２層目以降の溶接の効率性を向上することができる。
また、開先底面幅ｗは４．０〜７．０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。開先底面幅ｗを４．０ｍｍ以上に設定することで、初層溶接時の高温割れを防止するとともに、裏波ビードを良好に形成することができ、初層溶接を良好に行うことができる。また、開先底面幅ｗを７．０ｍｍ以下に設定することにより、溶接の効率性を向上することができる。
更に、ルートフェイスｒｆは１〜２ｍｍの範囲に設定することが好ましい。ルートフェイスｒｆを１ｍｍ以上に設定することにより、溶接時の裏当材の焼き付きを防止することができる。また、ルートフェイスｒｆを２ｍｍ以下に設定することにより、良好な裏波ビードを形成することができる。

また、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、図１に示すように、ルート部開先３ａの裏面側に裏当金属材４を当接させた状態で溶接を行なうことが望ましい。この裏当金属材４は、固定管１，２の内周面（裏面）１ｂ，２ｂ側においてインターナルクランプ５により支持され、裏波ビード形成用の溝４ａを有している。また、裏当金属材４の材質としては、高融点で熱伝導性の高いものを用いることが好ましく、例えば銅や銅合金を用いることが好ましい。

次に、固定管１、２の材質については特に制限がなく、パイプラインの施工に一般的に用いられる低炭素鋼管であれば良い。具体的には、ＡＰＩ ５Ｌ規格に規定されているGrade Bよりも高強度の固定管を例示できる。またこれらの材質には含有元素としてＣ、Ｍｎ、Ｐ，Ｓ，Ｔｉが規定されており、Ｃは０．２２質量％であり、Ｓは０．０１５質量％以下である。

次に、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において使用される電極ワイヤ（消耗電極）は、その組成が、Ｃ：０．０４〜０．１０質量％、Ｓ：０．００６質量％以下含有し、残部がＦｅおよびその他の添加元素で構成される。このような組成の電極ワイヤ用いて溶接を行なうことにより、開先の初層溶接において、電極ワイヤの一部が固定管の一部によって希釈されてなる溶接金属（ビード）が形成される。このようにして形成された溶接金属の組成は、Ｃ：０．０６〜０．１０質量％、Ｓ：０．００４質量％以下含有し、残部がＦｅおよびその他の添加元素で構成される。電極ワイヤのその他の添加元素としては、Ｍｎ，Ｓｉ、Ｐなどを例示できる。

電極ワイヤに添加されるＣの組成比が上記の範囲であれば、上記組成の溶接金属が形成されて、ビードの高温割れを防止することができる。
また、電極ワイヤに添加されるＳは、溶接時に溶融金属の融点を下げて最終凝固部に濃化して脆い組織となり、ビードの高温割れを起こしやすくする。そこで、Ｓの含有量を０．００６質量％以下の範囲とした。

そして、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、電極ワイヤの送給速度をＷＦＳ（ｍ^３／分）とし、溶接速度をＶｓ（ｍ／分）としたときに、ＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋ｂ（ただし、５．６×１０^−６ｍ^３／分≦ｂ≦８．６×１０^−６ｍ^３／分）の式が成立する条件で溶接を行なうことが望ましい。また、Ｖｓは１〜４．３ｍ／分の範囲に設定することが望ましい。

上記（１）式において、ｂが５．６×１０^−６ｍ^３／分未満では、溶接速度に対して電極ワイヤの送給速度が低下し、ビードの高温割れが起こりやすくなる。またｂが８．６×１０^−６ｍ^３／分をこえると、ビードと裏当て金属材４との焼き付きが起きる。従って、（１）におけるｂを５．６×１０^−６〜８．６×１０^−６ｍ^３／分の範囲とした。

図１に示した開先形状に対して、上記（１）式の条件で消耗電極式ガスシールドアーク溶接を行うことにより、開先部にビードが形成される。この形成されたビードは、高温割れが発生することがなく、ハンピングもみられず、ビードの裏波の形状も乱れのないものとなる。特に、本実施形態の溶接方法では、高い溶接速度でルートパスを行った場合でもビードの高温割れを効果的に防止することができる。

また、本発明の溶接方法においては、シールドガスをアルゴン（Ａｒ）と炭酸ガス（ＣＯ_２）の混合ガスとすることが好ましい。シールドガスの組成は、体積比でＡｒ：ＣＯ_２＝８０：２０〜４０：６０の範囲にすることが好ましい。更に、本発明の溶接方法においては、電極ワイヤを溶接線方向に対して交差する水平方向に揺動させながら溶接しても良い。

以上の構成の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によれば、水平固定管のルートパスの初層溶接の溶接速度を大幅に向上することができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。本実施例では、図１に示す開先形状を有するＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５鋼管の周継手を消耗電極式ガスシールドアーク法で初層溶接した。そして、溶接後のビードの高温割れおよび裏波の形状を観察した。また、ビード（溶接金属）の成分組成を分析した。
表１に開先形状および溶接条件を示し、表２に固定管および電極ワイヤの組成並びに溶接により形成された溶接金属の組成を示す。また表３に、ビードの高温割れおよび裏波の形状の観察結果を示す。
また表１に示した結果のうち、試料１〜１４までの結果について、溶接速度と電極ワイヤ送給量との関係を図２に示す。図２において、○印は、ビードの高温割れが発生せず、且つ裏波形状が良好な結果となったものである。また×印は、ビードの高温割れが発生したか、裏波形状が良好ではないか、またはその両方の結果となったものである。

ビードの高温割れ、裏波形状のいずれかに問題があった試料については、表３の備考欄にその原因と考えられる事項を記載した。たとえば、試験例３については、ワイヤの送給速度が低すぎたためにビードの高温割れが生じたものと考えられる。また、例えば試験例２７については、ルートフェイスが上限値を超えたために裏波不良が発生したと考えられる。

図２に示すように、２本の一点鎖線で示した範囲よりも内側の部分には、ビードの高温割れ、裏波不良若しくは裏金の焼き付きが一切発生しなかった試料が分布していることがわかる。この一点鎖線を一次関数の直線と想定して一次関数式を計算すると、上側の一点鎖線はＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋８．６×１０^−６となり、下側の一点鎖線はＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋５．６×１０^−６になることがわかる。従って、ＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋ｂ（ｂ＝５．６×１０^−６〜８．６×１０^−６）の範囲で、良好なビードが形成されることがわかる。

また図２に示すように、一点鎖線の間の領域では、溶接速度が１．０ｍ／分以上でも良好なビードが得られることがわかる。特に、従来の方法では全く不可能であった４．３ｍ／分の溶接速度でも達成できていることがわかる。

次に試験例１５〜２７について以下に説明する。これらの例はすべて請求項１の条件を満たしている。試験例１５と１６は同一の鋼管と溶接材料を用いて溶接したもので、電極ワイヤ中のＳ量が０．００５質量％であり請求項３の範囲を越えていた。このうち、溶接速度２．５ｍ／ｍｉｎの試験例１５では高温割れが発生したが、溶接速度を１．５ｍ／ｍｉｎに下げた試験例１６では高温割れは発生しなかった。試験例１７と１８はそれぞれ電極ワイヤや溶接金属のＣ量が上限および下限となる組み合わせの例であるが、いずれも高温割れは発生しなかった。試験例１９と２０ではＳ量が多い鋼管と少ない電極ワイヤの組み合わせの例である。溶接金属中のＳ量が適正範囲内の試験例１９では高温割れは発生しなかったが、Ｓ量が上限を超えた試験例２０では高温割れが発生した。試験例２０から２７までは開先底幅をほぼ下限の４．２ｍｍにして溶接した。また、シールドガス中のＡｒガスの比率をこれまでの例の５０％から７０％に増加させた。これらの例うち試験例２１から２４を比較すると、電極ワイヤ中のＳ量が上限を超えた試験例２４のみで高温割れが発生した。試験例２５から２７まではルートフェースを次第に増加させた例である。ルートフェースが２．５ｍｍと上限を超えると高温割れが発生するうえ、裏波ビードの形状も不良となった。

本発明は、水平固定管の突き合わせ部である開先部のルートパスに好適に用いることができる。

本発明の実施形態である固定管の開先突き合わせ部を示す拡大断面図である。 実験例１〜１４について、ワイヤ送給量と溶接速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１、２…固定管、１ａ，２ａ…外周面、１ｂ，２ｂ…内周面（裏面）、３…開先部、３ａ…ルート部開先（開先突き合わせ部）、３ｂ…裏開先、３ｃ…テーパー部、α…開先角度、
ｗ…開先底面幅、ｒｆ…ルートフェイス

Claims (4)

1. 固定管の突き合わせ部に開先を形成して固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なう際に、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させるとともに、電極ワイヤの送給速度をＷＦＳ（ｍ^３／分）とし、溶接速度をＶｓ（ｍ／分）としたときに下記（１）式が成立する条件として式（１）中、ｂは５．６×１０^−６ｍ^３／分≦ｂ≦８．６×１０^−６ｍ^３／分であり、Ｖｓは１．５ｍ／分超としてで溶接を行なうことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
   ＷＦＳ＝３．２×１０^−６Ｖｓ＋ｂ （１）
2. 前記電極ワイヤの組成が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０４〜０．１０質量％、Ｓを０．００６質量％以下の範囲で含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
3. 溶接により形成される溶接金属の組成が、Ｆｅを主成分とし、Ｃを０．０６〜０．１０質量％、Ｓを０．００４質量％以下の範囲で含有するように構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
4. 前記開先突き合わせ部の形状が、開先角度：３〜５°、ルートフェイス：１〜２ｍｍ、開先底面幅：４．０〜７．０ｍｍで規定される狭開先形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
   
   

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