JP5665626B2 - 管継手の開先構造及び管継手 - Google Patents

Description

本発明は、２本の管を突合せ溶接により接合して成形する管継手の開先構造、及びこの開先構造を用いて溶接により成形された管継手に関する。

一般的な管の突合せ溶接は、図８に示すように、管１０１、１０２の中心軸Ｐに対し垂直に切断された端面１０３、１０４に、図９に示すように面取り加工を施すことで開先加工面１０５、１０６をそれぞれ形成し、管１０１の端面１０３と管１０２の端面１０４とを突き合わせることで開先１０７を形成している。この場合、開先１０７は、端面１０３及び１０４に垂直な開先形状および開先面積が、管１０１、１０２の周方向におけるいずれの位置でも一定に保たれている。

溶接においては、このような開先１０７が理想的である。なぜならば、溶接時のパスシーケンスが管１０１及び１０２の周方向において一定になり、更に、単位溶接長当たりの溶着金属量が一定に保たれることで、溶接角変形の発生を抑制できるからである。

ところが、ある特殊な事情によって、特許文献１及び２並びに図１０に示すように、管１０１、１０２の中心軸Ｐに垂直な面１０８に対し傾斜角δだけ傾斜して端面１０９、１１０を形成する場合がある。このような場合にも、端面１０９、１１０の外周縁から管１０１、１０２の中心軸Ｐ方向に一定の距離Ｓだけ、管１０１、１０２の周方向に面取り加工を施して、図１１に示すように開先加工面１１１、１１２を形成し、これらの開先加工面１１１及び１１２により、管１０１の端面１０９と管１０２の端面１１０間に開先１１３を形成している。

特開昭５８−１９２６９３号公報 特開平２−１５５５９１号公報

しかしながら、図１１に示す開先１１３を用いた突合せ溶接では、開先１１３の開先形状や開先面積が管１０１、１０２の周方向において異なるため、パスシーケンスや溶接条件を一定に保持することができない。

即ち、図１１に示す開先１１３のＡ部の開先形状は、図１２（Ａ）に示すように、底辺が管１０１、１０２の肉厚ｄの寸法で、高さが２×Ｓとなる直角三角形である。また、開先１１３のＢ部の開先形状は、図１２（Ｂ）に示すように、Ａ部と同一の開先面積であるが、上下方向（即ち中心軸Ｐ方向）に反転した形状である。

更に、開先１１３のＣ部では、図１２（Ｃ）に拡大して示すように、溶接線となる端面１０９、１１０に垂直な平面１１４に沿う距離Ｓの成分が、Ｓ×ｃｏｓδになる。このため、この平面１１４で開先１１３を切断したときの開先形状は、図１２（Ｄ）に示すように、底辺が２×Ｓ×ｃｏｓδで、高さが端面１０９、１１０の肉厚ｄの寸法になる二等辺三角形である。

また、図１１の開先１１３における開先面積は、Ａ部とＢ部では、Ｓ×ｄの面積になるが、Ｃ部では、ｄ×Ｓ×ｃｏｓδの面積になり、このＣ部の面積は傾斜角δが大きくなるほど小さくなる。

このように、図１１に示す開先１１３では、開先形状及び開先面積が管１０１、１０２の周方向に異なるため、上記開先１１３を用いて管１０１、１０２の周方向に溶接を施す場合に、パスシーケンスや溶接条件（溶接速度や溶加材の送り速度など）を一定に保持することができない。従って、単位溶接長当たりの溶着金属量が、管１０１、１０２の周方向の各部位によって変化するので、管１０１、１０２の中心軸Ｐ方向の収縮（歪み）が管１０１、１０２の周方向において異なり、この収縮によって生ずる残留応力も管１０１、１０２の周方向において異なってしまう。このため、溶接後の管継手の軸がずれてしまうなどの溶接変形が生ずる恐れがある。

また、開先１１３を用いて管１０１、１０２に周方向の溶接を施す際に、溶接条件を一定に保持することができず、変化させる必要があるので、この溶接を自動溶接で実施する場合に溶接条件の設定が煩雑になってしまう。この結果、自動溶接への適用が困難になってしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、管継手の溶接変形を低減できると共に、自動溶接への適用を容易化できる管継手の開先構造及び管継手を提供することにある。

本発明に係る管継手の開先構造は、管の中心軸に垂直な面に対して傾斜して設けられた端面に開先加工面を形成し、２本の前記管のそれぞれの前記端面を突き合せ、これらの端面の前記開先加工面間に形成される開先に溶着金属を埋めて溶接を行ない成形する管継手の開先構造であって、前記開先における開先形状と開先面積の少なくとも1つが、前記管の周方向におけるいずれの位置においても略同一に設定され、前記開先を形成する前記開先加工面は、所定形状のベースフィーチャを前記管の前記端面に垂直に保持した状態で、前記端面に沿って移動させることにより形成され、前記ベースフィーチャは五角形ＧＨＩＪＫにて定義され、辺ＧＨ及び辺ＪＫが前記管の中心軸に平行に設けられ、辺ＧＫ及び辺ＩＪが前記管の前記中心軸に垂直に設けられ、辺ＧＨが前記管の前記端面の外周縁に点Ｌで交わり、点Ｊが前記管の内周面の点として設けられ、辺ＨＩと辺ＧＫとのなす角が前記開先の開先角度の１/２に設定され、辺ＩＪの長さが、前記開先のルートフェイスの長さと同一に設定され、前記端面が前記管の前記中心軸に垂直な面に対し傾斜する傾斜角をθとし、前記管の肉厚をｔとし、前記端面の最下点Ｆと点Ｈとの長さを(ＦＨ)としたとき、辺ＧＨの長さが、２×ｔ×ｔａｎθ＋(ＦＨ)以上に設定されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る管継手は、前記発明に記載の管継手の開先構造を用いて突き合せ溶接により成形されたものである。

本発明に係る管継手の開先構造及び管継手によれば、２本の管の端面間に形成される開先における開先形状と開先面積の少なくとも1つが、管の周方向におけるいずれの位置においても略同一に設定されたので、２本の管が突き合された端面を周方向に溶接する際に、パスシーケンス及び溶接条件を略一定に保持して溶接できる。このため、単位溶接長当たりの溶着金属量が管の周方向において略同一になるので、管継手の溶接変形を低減できる。また、溶接条件が略一定になるので、自動溶接への適用を容易化できる。

本発明に係る管継手の一実施形態を成形する前の２本の管の端面を突き合わせて開先が形成された状態を示す側面図。 図１の管の端面に開先加工面が形成される前の状態を示す斜視図。 図２の管を示す側面図。 図２の管に開先加工面を形成するためのベースフィーチャを管と共に示す側面図。 図４のベースフィーチャのスイープ手順を、管の端面に対応して説明する説明図。 図５のベースフィーチャのスイープ状況を管と共に示す斜視図。 図４のベースフィーチャの変形形態を管と共に示す説明図。 従来の管継手を成形する前の２本の管を示す側面図。 図８の管の端面に開先加工面が加工されて開先が成形された状態を示す２本の管の側面図。 従来の他の管継手を成形する前の２本の管を示す側面図。 図１０の管の端面に開先加工面が加工されて開先が形成された状態を示す２本の管の側面図。 図１１の各部を拡大して示し、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が、図１１のＡ部、Ｂ部、Ｃ部のそれぞれの拡大図、（Ｄ）が図１２（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。但し、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

図１に示すように、２本の管１１、１２のそれぞれの端面１３、１４に、後述の開先加工面１５、１６がそれぞれ形成（加工）され、管１１の端面１３と管１２の端面１４が突き合わされることで、端面１３の開先加工面１５と端面１４の開先加工面１６との間に開先１７が形成される。この開先１７は、例えばルートフェイス１８を有するＹ型開先である。この開先１７に溶着金属（不図示）を埋めて、管１１及び１２の周方向全周を突合せ溶接することにより、溶接による継手、即ち管継手が成形される。

ここで、管１１と管１２は、外径及び内径が同一であり、従って肉厚ｔが同一である。また、管１１の端面１３、及びこの端面１３に形成される開先加工面１５は、管１２の端面１４、及びこの端面１４に形成される開先加工面１６とそれぞれ同一の形状である。このため、以下、図２〜図７に示すように、管１２の端面１４及び開先加工面１６について説明し、管１１の端面１３及び開先加工面１５については説明を省略する。

管１２の端面１４は、図２及び図３に示すように、Ｚ軸に一致する管１２の中心軸Ｏに垂直な面２０（Ｘ−Ｙ平面）に対し、Ｙ軸回りに傾斜角θだけに傾斜して設けられ、楕円のリング形状に形成される。この端面１４では、Ｚ軸方向の最上点をＥ、最下端をＦとする。また、管１２の肉厚はｔであり、この肉厚ｔのＺ軸方向に対応する長さが、ｔ×ｔａｎθである。

管１２の端面１４に形成される開先加工面１６は、図４に示す所定形状のベースフィーチャ２１（後述）を端面１４に垂直に保持した状態で、図５及び図６に示すように管１２の中心軸Ｏ回りに回転させ、端面１４に沿って移動（スイープ）させることにより形成される。これにより、管１２の端面１４に形成された開先加工面１６と、管１１の端面１３に形成された開先加工面１５との間に形成される開先１７（図１）は、突き合わされた端面１３及び１４（つまり図１の溶接線１９）に垂直な開先形状と開先面積の少なくとも１つ、本実施形態では開先形状及び開先面積が、管１１及び１２の周方向におけるいずれの位置においても略同一に設定される。

前記ベースフィーチャ２１は、図４に示すように、五角形ＧＨＩＪＫにて定義される。このベースフィーチャ２１の辺ＧＨ及び辺ＪＫは、管１２の中心軸Ｏに平行に設けられる。また、ベースフィーチャ２１の辺ＧＫ及び辺ＩＪは、管１２の中心軸Ｏに垂直に設けられる。また、ベースフィーチャ２１の辺ＧＨは、管１２の端面１４の外周縁２２（図２）に点Ｌで交わる。更に、ベースフィーチャ２１の点Ｊは、管１２の内周面２３上の点として設けられる。また、ベースフィーチャ２１の辺ＨＩと辺ＧＫ（つまり図４のＸ軸）とのなす角αは、開先１７（図１）の開先角度βの１／２（α＝（１／２）×β）に設定される。

更に、辺ＩＪの長さは、開先１７のルートフェイス１８（図１）の長さと同一に設定される。また、管１２の肉厚ｔ、管１２の端面１４の傾斜角θ、及び管１２の中心軸Ｏ方向（Ｚ軸方向）における端面１４の最下点Ｆと点Ｈとの長さ（ＦＨ）を用いて、辺ＧＨの長さ（ＧＨ）は、
（ＧＨ）≧２×ｔ×ｔａｎθ＋（ＦＨ）
に設定される。

このような五角形ＧＨＩＪＫにて定義されたベースフィーチャ２１を、図５及び図６に示すように管１２の中心軸Ｏ回りに回転させ、管１２の端面１４に沿ってスイープさせる条件は、次の第１〜第５の条件である。つまり、第１条件は、ベースフィーチャ２１の辺ＧＨ及び辺ＪＫが管１２の端面１４に垂直に保持されることである。第２条件は、ベースフィーチャ２１の辺ＩＪ上の少なくとも１点が管１２の端面１４に接触することである。第３条件は、ベースフィーチャ２１の辺ＧＨ上の点Ｌが、管１２の端面１４の外周縁２２に接することである。第４条件は、ベースフィーチャ２１の点Ｊが管１２の内周面２３に接することである。第５条件は、ベースフィーチャ２１の辺ＩＪの延長線が管１２の中心軸Ｏ（Ｚ軸）に直交することである。

これらの第１〜第５の条件を満たす状態で、ベースフィーチャ２１を管１２の中心軸Ｏ回りに、この中心軸Ｏ回りの回転角ξが０°から３６０°になるまで回転させる。このとき、図５において、例えば、ベースフィーチャ２１の点Ｇ、Ｈは、ξ＝９０°のとき点Ｇ’、Ｈ’に移動し、ξ＝１８０°のとき点Ｇ”、Ｈ”にそれぞれ移動する。また、ベースフィーチャ２１の点Ｉ、Ｊ、Ｋは、ξ＝１８０°のとき点Ｉ”、Ｊ”、Ｋ”にそれぞれ移動する。

このように回転するベースフィーチャ２１が管１２と交差する領域、例えば図５の多角形ＦＨＩＪＭ、ＥＨ”Ｉ”Ｊ”の領域が管１２から切除される切削加工をすることで、管１２の端面１４に開先加工面１６が形成される。管１１の端面１３に形成される開先加工面１５についても同様である。尚、上記点Ｍは、ベースフィーチャ２１の辺ＪＫが管１２の端面１４における内周縁２４と交差する点である。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）および（２）を奏する。

（１）管１１の端面１３と管１２の端面１４にそれぞれ加工される開先加工面１５と１６間に形成される開先１７は、突き合わされた端面１３及び１４（つまり図１の溶接線１９）に垂直な開先形状および開先面積が、管１１及び１２の周方向におけるいずれの位置においても略同一に設定されている。このため、管１１の端面１３と管１２の端面１４とを突き合わせて、これらの端面１３及び１４を周方向全周に突合せ溶接する際に、パスシーケンス及び溶接条件（溶接速度や溶加材の送り速度など）を略一定に保持できる。

このため、単位溶接長当たりの溶着金属量が管１１、１２の周方向において略同一になるので、溶接部における管１１、１２の中心軸Ｏ方向の収縮（歪み）が、管１１、１２の周方向において略同一になり、溶接部における残留応力も管１１、１２の周方向において略同一になる。この結果、管１１及び１２が溶接されて成形される管継手の中心軸がずれてしまう溶接変形を低減できる。

（２）上述の管１１と管１２の突合せ溶接時において溶接条件が略一定になるので、この突合せ溶接の自動溶接への適用を容易化できる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、管１１の端面１３と管１２の端面１４に形成される開先が、ルートフェイス１８（図１）のないＶ型開先である場合には、管１１の端面１３と管１２の端面１４にそれぞれ形成される開先加工面は、図７に示すように、辺ＩＪが存在しない四角形ＧＨＪＫで定義されるベースフィーチャ３０を用いて形成される。

１１、１２ 管
１３、１４ 端面
１５、１６ 開先加工面
１７ 開先
２０ 面
２１ ベースフィーチャ
２２ 外周縁
２３ 内周面
Ｏ 中心軸
ＧＨ、ＪＫ、ＧＫ、ＩＪ、ＨＩ 辺
Ｌ、Ｊ 点
α なす角
β 開先角度
θ 傾斜角

Claims (3)

1. 管の中心軸に垂直な面に対して傾斜して設けられた端面に開先加工面を形成し、２本の前記管のそれぞれの前記端面を突き合せ、これらの端面の前記開先加工面間に形成される開先に溶着金属を埋めて溶接を行ない成形する管継手の開先構造であって、
   前記開先における開先形状と開先面積の少なくとも1つが、前記管の周方向におけるいずれの位置においても略同一に設定され、
   前記開先を形成する前記開先加工面は、所定形状のベースフィーチャを前記管の前記端面に垂直に保持した状態で、前記端面に沿って移動させることにより形成され、
   前記ベースフィーチャは五角形ＧＨＩＪＫにて定義され、
   辺ＧＨ及び辺ＪＫが前記管の中心軸に平行に設けられ、
   辺ＧＫ及び辺ＩＪが前記管の前記中心軸に垂直に設けられ、
   辺ＧＨが前記管の前記端面の外周縁に点Ｌで交わり、
   点Ｊが前記管の内周面の点として設けられ、
   辺ＨＩと辺ＧＫとのなす角が前記開先の開先角度の１/２に設定され、
   辺ＩＪの長さが、前記開先のルートフェイスの長さと同一に設定され、
   前記端面が前記管の前記中心軸に垂直な面に対し傾斜する傾斜角をθとし、前記管の肉厚をｔとし、前記端面の最下点Ｆと点Ｈとの長さを(ＦＨ)としたとき、辺ＧＨの長さが、２×ｔ×ｔａｎθ＋(ＦＨ)以上に設定されたことを特徴とする管継手の開先構造。
2. 前記ベースフィーチャの辺ＧＨ及び辺ＪＫが管の端面に垂直に保持され、
   前記ベースフィーチャの辺ＩＪ上の少なくとも１点が前記端面に接触し、
   前記ベースフィーチャの辺ＧＨ上の点Ｌが前記端面の外周縁に接し、
   前記ベースフィーチャの点Ｊが前記管の内周面に接し、
   前記ベースフィーチャの辺ＩＪの延長線が管の中心軸に直交する状態で、
   前記ベースフィーチャを前記管の前記中心軸回りに回転させることで、前記管の前記端面に開先加工面が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の管継手の開先構造。
3. 請求項１または２に記載の管継手の開先構造を用いて突き合せ溶接により成形された管継手。

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