JP5318749B2 - ステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼管の連続溶接装置及び溶接方法に関し、さらに詳細には、鋼管を製造するために鋼板を円状に巻いてそのスキ間を溶接してステンレス鋼管を生成するステンレス鋼管の連続溶接装置及び溶接方法に関する。

一般に、ステンレス鋼管の溶接装置及び方法とは、所定の厚さを有するステンレス鋼板を円状に巻いた後、円状に巻かれた鋼板の終端接合部間に形成される「Ｖ」型スキ間を、溶接材や鋼管の厚さが薄い場合には、母材を溶融させて溶接して、ステンレス鋼管を連続的に生成する装置及び方法のことをいう。

図１は、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置が示された斜視図であり、図２は、図１の断面図である。図１及び図２に示すように、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置は、円状に巻かれた鋼管１の接合部のスキ間１ａに位置した母材又は溶接材３をプラズマ又はＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接機トーチ５の電極棒５ａからアークを発生させて、母材又は溶接材を溶融させることによって、スキ間１ａが母材又は溶接ビード部３ａにより溶着されて管の成形が完成されるようにする。

このとき、溶接時に溶接部位が酸素と接触されて酸化されることを防止するために、図２に示すように、ガス貯蔵用容器（図示せず）に貯蔵された不活性アルゴンガスをＴＩＧ溶接機トーチ５の内部空間部５ｂを介して溶接ビード部の表面に噴射するとともに、鋼管１の内部に位置した溶接ビード部の内面にもガス供給管７を介してアルゴンガスを噴射することによって、鋼管の内、外側の溶接ビード部３ａを空気から遮蔽させて酸素と接触しないようにして、溶接ビード部の酸化が防止される。

そして、溶接機トーチ５及びガス供給管７が固定された状態で鋼管１を移動させるか、又は鋼管１が固定された状態で溶接機トーチ５及びガス供給管７を移動させつつ鋼管１が連続的に溶接される。

ところが、ガス供給管７によって鋼管の内側溶接ビード部３ａ´に不活性アルゴンガスが噴射される地点は、溶接機トーチ５のアークが発生する部位の直下方に位置する。したがって、アルゴンガスの噴射量を増大させて１３５０℃以上である溶融金属状態の溶接ビード部を急冷させると、図３に示すように、アルゴンガスの噴射力によって内側溶接周囲に逆凹溝が発生するとともに、母材が冷却されて溶融金属と溶着力とが低下するという弊害が発生し、溶接ビード部及び溶接熱影響部位に発生する溶接応力が除去されず、かつ溶接ビード部及び熱影響溶接部位に粒間腐食（ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ ｃｏｒｒｏｓｉａｎ）が促進されて炭化物が析出されるという問題点があった。

また、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接方法としては、不活性アルゴンガスが溶接機トーチのアークが発生する部位の前後方にわたって広範囲に噴射される方法があったが、これも、上記の問題点が発生している。

一方、ステンレス鋼管の製造に汎用的に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼（ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）の加工硬化（ｗｏｒｋ−ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）又は溶接応アニーリング（ｗｅｌｄｉｎｇ−ｓｔｒｅｓｓ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）温度は、１，０５０℃程度が適当であり、粒間腐食を促進させる炭化物が析出される鋭敏化（Ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ）の温度範囲は、４２５℃〜８７０℃であるから、鋼管が製造された後にアニーリング処理を行うためには、鋼管を１０５０℃〜１１５０℃まで加熱した後、４２５℃以下になるまで急速に冷却させなければならないが、プラズマ又はＴＩＧ溶接時に溶接材の溶融温度は、通常、１，３５０℃〜１，５００℃であることに対し、溶接後の溶接ビード部及び溶接熱影響部位は、徐々に冷却されるので、溶接応力が除去されなく、かつ炭化物が粒間に析出されるという問題点があった。

実際に、従来の技術によって溶接された鋼管の硬度を測定すれば、鋼管の溶接ビード部及び溶接熱影響部位の硬度は、母材の硬度より５０〜１００％高い。したがって、オーステナイト系組織（ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）とマルテンサイト系組織（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）とに２元化された金属組織のため、必然的に電位差による腐食が激しく発生する。

また、ガス供給管７から溶接機トーチ５のアーク発生地点の直下方に位置した鋼管の内側溶接ビード部３ａ´に噴射されるアルゴンガスの噴射量を２倍以上増加させれば、液化ガスから気化器を介して気化されて噴射されるアルゴンガスの温度は、１０℃以下の低温であるから、まだ溶融状態にある内側溶接ビード部３ａ´に直接比較的に高圧、低温のアルゴンガスが噴射されることによって、図３に示すように、鋼管の表面側に凹んだデント（ｄｅｎｔ）部Ｂが発生する。また、溶接ビード部が母材部と十分に溶着されない状態で急速冷却されるので、不完全な溶接状態が発生するようになり、激しい場合には、溶接部位に亀裂が発生するという問題点があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、鋼管のＴＩＧ溶接又はプラズマ溶接時に溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接ビード部と溶接熱影響部位に固溶化熱処理効果が同時に達成できるようにして、鋼管の溶接ビード部と溶接熱影響部位の硬度及び耐腐食性などの物理的特性が、鋼管の母材と同様になるようにするステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置は、円状に巻かれた鋼管のスキ間に母材及び溶接材のうちの何れか一つを溶融させつつ酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させる溶接機と、前記鋼管の内部に設置されて、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了した溶接ビード部の内面に向かって、４ｌ／ｍｉｎ〜２０ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを噴射させる噴射ノズルの形成されたガス供給管と、を備える。このとき、前記噴射ノズルは、溶接ビード部から５ｍｍ〜８ｍｍ後方に位置することが好ましい。

一方、本発明によるステンレス鋼管の溶接方法は、溶接機を使用して酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ母材又は溶接材を溶融させて鋼管のスキ間を溶接させ、前記母材及び溶接材のうちの何れか一つが溶融されて、前記鋼管のスキ間に形成される溶接ビード部の内面から、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了して固形化された溶接ビード部の内面に向かって、４ｌ／ｍｉｎ〜２０ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを噴射するステップと、噴射されたアルゴンガスが前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部の内面に向かって拡散されるようにするステップと、を含む。

本発明によれば、アルゴンガスによって溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接が完了した溶接ビード部が急冷されて自動的に固溶化熱処理過程が行われるので、硬度及び耐腐食性などの物理的特性が鋼管の母材と同じステンレス鋼管を連続的に生成できる。

従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置が示された斜視図である。 図１の断面図である。 従来の技術によるステンレス鋼管の溶接方法によって溶接された溶接ビード部の断層を撮影した写真である。 本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法が示された斜視図である。 図４の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

図４は、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法が表現された斜視図であり、図５は、図４の断面図である。図４及び図５に示すように、本ステンレス鋼管の溶接装置は、鋼板が円状に巻かれて形成された鋼管のスキ間を溶接機トーチ５０の電極５０ａの終端に位置したアーク発生部５０ｃ又はプラズマ供給部によって発生する高温の熱を利用して、鋼板の厚さが薄い場合には、母材、鋼板の厚さが厚い場合には、溶接材３０を溶融させて溶接する。このとき、鋼板を容易に円状に巻くために銅棒６０が使用されることができ、円状に巻かれた鋼管のスキ間には、溶融された母材又は溶接材３０によって溶接ビード部３０ａが形成されて溶着される。

一方、溶接機トーチ５０によって現在溶接が進行している溶接ビード部３０ａ´の表面には、酸素遮蔽用アルゴンガスが溶接機トーチ５０の内部空間部５０ｂを介して噴射され、溶接ビード部３０ａの内面にも、ガス供給管７０を介して酸素遮蔽用アルゴンガスが噴射される。

特に、ガス供給管７０からアルゴンガスが噴射される噴射ノズル７０ａは、溶接機トーチ５０によって現在溶接が進行している溶接ビード部３０ａ´から後方にある、既に溶接が完了して固形化された溶接ビード部側に所定距離Ｔが離隔するように位置して、既に溶接が完了した鋼管の内側溶接ビード部３０ａに向かって噴射された後、噴射されたアルゴンガスは、現在溶接が進行している溶接ビード部３０ａ´の内面を触れながら拡散される。

溶接機のアーク発生部５０ｃとガス供給管７０の噴射ノズル７０ａとの隔離距離Ｔは、実験結果、鋼板の厚さが０．１５ｍｍ以上０．５ｍｍ未満である場合には、７ｍｍ以上８ｍｍ以下、鋼板の厚さが０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ未満である場合には、５．５ｍｍ以上７ｍｍ未満、及び鋼板の厚さが１．２ｍｍ以上である場合には、５ｍｍ以上５．５ｍｍ以下が好ましい。

このように構成された本発明によるステンレス鋼管の溶接装置の作動を述べると、以下のとおりである。

本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法は、鋼管のスキ間に形成される溶接ビード部３０ａの内面に酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させるガス供給管７０の噴射ノズル７０ａが、溶接機トーチ５０により現在溶接が進行している溶接ビード部３０ａ´から５ｍｍ〜８ｍｍ離隔した後方に位置する。したがって、溶接が完了して固形化された溶接ビード部に比較的に高圧のアルゴンガスが噴射されるので、溶接ビード部の内面に噴射されるアルゴンガスによって、溶接ビード部の内面が表面より凹んだ形状にデント（ｄｅｎｔ）されるおそれがないから、多量のアルゴンガスを噴射させることができる。

溶接ビード部の内面に噴射されるアルゴンガスの噴射量は、実験結果、０．５±０．２ｋｇ／ｃｍ²程度の噴射圧力で、鋼板の厚さが０．１５ｍｍ以上０．５ｍｍ未満である場
合、４ｌ／ｍｉｎ以上６ｌ／ｍｉｎ未満、鋼板の厚さが０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ未満である場合には、６ｌ／ｍｉｎ以上１０ｌ／ｍｉｎ未満、そして鋼板の厚さが１．２ｍｍ以上である場合には、１０ｌ／ｍｉｎ以上２０ｌ／ｍｉｎ以下の噴射量で噴射されることが好ましかった。このとき、噴射ノズル７０ａの直径φは、１．０±０．５ｍｍであることが好ましい。

また、溶接ビード部の内面に噴射された１０℃程度の低温アルゴンガスは、既に溶接が完了して固形化された溶接ビード部の内面に噴射されるため、溶融状態の溶接ビード部３０ａ´が不良溶接される現象が防止される。

また、ＴＩＧ溶接の溶融温度は、１，３５０℃〜１，５００℃であるので、前記溶接ビード部３０ａ´及び鋼管の溶接部位の温度が１，０５０℃程度に低下した地点である溶接機トーチから５ｍｍ〜８ｍｍ程度離隔した部位に位置した噴射ノズル７０ａを介して酸素遮蔽用低温のアルゴンガスが噴射されて、ステンレス鋼の鋭敏化最低温度である４２５℃以下に溶接ビード部及び溶接熱影響部位が急冷される。したがって、酸素遮蔽用アルゴンガスが噴射されることによって、固溶化熱処理過程が自動的に行われて別途の固溶化熱処理過程を行わずに溶接ビード部及び溶接熱影響部の溶接応力が除去されると共に、炭化物の析出が低減される。

次の表１は、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置における溶接条件を表にて整理したものである。

表１にて、試料Ａは、厚さが０．１５ｍ以上０．５ｍｍ未満のステンレス鋼管、試料Ｂは、厚さが０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ未満のステンレス鋼管、そして試料Ｃは、厚さが１．２ｍｍ以上のステンレス鋼管を表す。鋼板の厚さに応じて噴射ノズルを現在溶接が進行している溶接ビード部３０ａ´から５ｍｍ〜８ｍｍ離隔させ、アルゴンガスの噴射量を４〜２０ｌ／ｍｉｎ、アルゴンガスの温度を１０℃、そしてアルゴンガスの噴射圧力を０．５ｋｇ／ｃｍ²として、最適のステンレス鋼管を形成することができる。

また、溶接機トーチ５０及びガス供給管７０が固定された状態で鋼管１０を厚さに応じて４ｍ／ｍｉｎ〜８ｍ／ｍｉｎの速度で移動させるか、あるいは鋼管１０が固定された状態で溶接機トーチ５０及びガス供給管７０をこれと同じ速度で移動させつつ鋼管１０が連続的に溶接されて、ステンレス鋼を連続的に生成することができる。

以下の表２は、表１と同じ溶接条件に応じて形成されたステンレス鋼管で各部位のビッカース硬度（Ｖｉｃｋｅｒｓ Ｈａｒｄｎｅｓｓ、ＨＶ）を測定したものである。ビッカース硬度は、ビッカース硬度試験機（Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｔｅｓｔｅｒ）などを利用して測定できる。

表２にて、溶接熱影響部は、溶接ビード部の左右５ｍｍ以内の領域を表す。表２から分かるように、本発明による溶接装置を使用して、表１と同じ溶接条件に応じてステンレス鋼管を形成した場合、溶接ビード部及び溶接熱影響部の硬度が母材の硬度とほぼ同一であることが分かる。したがって、全体ステンレス鋼管の硬度がほぼ均一に形成されることが分かる。

また、以上では、本発明の好ましい実施の形態について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有した者により多様な変形実施が可能であることはもちろんで、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。

以上説明したように、本発明によれば、溶接ビード部に酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ鋼管のスキ間を溶接し、溶接ビード部の内面に噴射されるアルゴンガスを溶接機によって現在溶接が進行中である溶接ビード部から、既に溶接が完了して固形化された溶接ビード部側に所定距離離隔した部位に噴射して、噴射されたアルゴンガスが現在溶接が進行中である溶接ビード部側に拡散されるように構成されるので、アルゴンガスによって溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接ビード部及び溶接熱影響部位が急冷されて、自動的に固溶化熱処理過程が行われるので、溶接応力が除去され酸化物の析出が防止されるという効果がある。また、本発明による溶接条件により、溶接ビード部及び溶接熱影響部の硬度などの物理的特性が鋼管の母材と同じステンレス鋼を連続的に生成することができる。

Claims (2)

1. 円状に巻かれた鋼管のスキ間に母材及び溶接材のうちの何れか一つを溶融させつつ酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させる溶接機と、
   前記鋼管の内部に設置されて、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了した溶接ビード部の内面に向かって、４ｌ／ｍｉｎ〜２０ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを噴射させる噴射ノズルの形成されたガス供給管と、を備え、
   前記噴射ノズルは、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から５ｍｍ〜８ｍｍ後方に位置し、
   前記アルゴンガスの噴射圧力は、０．５±０．２ｋｇ／ｃｍ²であり、
   前記噴射ノズルの直径は、１．０±０．５ｍｍであり、
   前記アルゴンガスの温度は、１０±５℃であり、
   前記鋼管は、４ｍ／ｍｉｎ〜８ｍ／ｍｉｎの速度で移送される、ステンレス鋼管の溶接装置。
2. 溶接機を使用して酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ母材又は溶接材を溶融させて鋼管のスキ間を溶接させるステンレス鋼管の溶接方法であって、
   前記母材及び溶接材のうちの何れか一つが溶融されて、前記鋼管のスキ間に形成される溶接ビード部の内面から、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了して固形化された溶接ビード部の内面に向かって、４ｌ／ｍｉｎ〜２０ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを噴射するステップと、
   噴射されたアルゴンガスが前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部の内面に向かって拡散されるようにするステップと、を含み、
   前記アルゴンガスは、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビード部から５ｍｍ〜８ｍｍ後方に噴射され、
   前記アルゴンガスの噴射圧力は、０．５±０．２ｋｇ／ｃｍ²であり、
   前記噴射ノズルの直径は、１．０±０．５ｍｍであり、
   前記アルゴンガスの温度は、１０±５℃であり、
   前記鋼管は、４ｍ／ｍｉｎ〜８ｍ／ｍｉｎの速度で移送される、ステンレス鋼管の溶接方法。
   
   

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