JP6060816B2 - 電縫鋼管の溶接部シールドシステム - Google Patents

Description

本発明は、電縫鋼管の溶接部シールドシステムに関し、特に、油井ラインパイプ向けや自動車用の部品などの、溶接部に高い機械的特性が要求される電縫鋼管の製造に好適な電縫鋼管の溶接部シールドシステムに関する。

通常、鋼管は溶接鋼管と継目無鋼管に大別される。溶接鋼管は、電縫鋼管を例とするように、板（帯材の意、以下同じ）を丸めて端部を突き合わせて溶接して製造され、継目無鋼管は、材料の塊を高温で穿孔してマンドレルミル等で圧延して製造される。溶接鋼管の場合、一般に溶接部の特性は母材より劣ると云われ、鋼管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度や伸びなどの保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、鋼管を寒冷地に敷設することが多いため低温靭性が必要とされ、鋼管の強度が重要視される。
また、通常、鋼管の母材となる熱延鋼板は、鋼管製造後の母材特性を考慮して成分設計され、強度等の特性が確保される。
しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等による以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。電縫溶接不良の原因としては、ペネトレータと呼ばれる酸化物主体の溶接欠陥が、電縫溶接時に被溶接部（詳しくは、帯材を丸めてなるオープン管である素管の周方向両端面を突き合わせた部位である素管エッジ突合せ部）に生成して残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下したり強度不足になったりする例が多かった。

そこで、従来技術として電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、被溶接部へのガス吹き付けにより被溶接部の酸化を防止するガスシールド溶接方法および装置が数多く提案されてきた。
例えば、特許文献１には電縫管の溶接部シールド装置において被溶接部回りの密閉空間を最小容積として被溶接部回りの酸素濃度を短時間で下げる目的で、スクイズロールのロールスタンドに被溶接部回りの溶接装置と素管の局部のみを覆うシールドカバーを取着した旨記載されている。

また、特許文献２には、素管内に装入するインピーダケースに不活性ガスの液化ガス配管を配設して供給した液化ガスでインピーダコアを冷却した後当該液化ガスを溶接点に向けて噴出してガスシールドする旨記載されている。
また、特許文献３には、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至るまでの通管経路全域を、エッジ部加熱用誘導コイル、スクイズロール共々シールドボックスで覆い、該シールドボックス内へガス供給管にて所定流量でガスを供給する旨記載されている。

特開平０８-３００１６４号公報 特開平１０−２４９５４７号公報 特開２０１１−２０６８１３号公報

しかし、溶接点付近のみを外面側から（特許文献１）或いは内面側から（特許文献２）のガス吹き付けによりガスシールドする方法は、充分にシールドができずに溶接部に酸化物が残留する場合があった。
また、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至るまでの通管経路全域をシールドボックスで覆う方式（特許文献３）は、装置構造が複雑であり、組み付けに多大な時間を要する事や、管の寸法が変わるごとにシールドボックスの取替えや調整が必要であり、造管コスト面および能率面での不利が大きいという問題がある。

以上のように、従来技術では、造管コスト面さらには能率面の犠牲なしでは、電縫溶接時の被溶接部を確実にガスシールドして其処の酸素濃度を十分に低下させる事ができていないためペネトレータの生成を防止できないという課題があった。
そこで、本発明者らは、上記課題を解決する為に鋭意検討した結果、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至る通管範囲をシールドボックスで覆わずに、前記通管範囲内で素管の被溶接部直上から被溶接部にシールドガスを吹き付ける場合、被溶接部の上端からシールドガス吹付け用ノズルにおけるシールドガスの放出口までの高さであるノズル高さ、および吹付けるシールドガスの流速を適正に制御する事により、被溶接部の酸素濃度を十分に低減できる事を見出し、電縫鋼管の素管被溶接部シールド装置を提案した（特願２０１３−６１２７５）。

上記素管被溶接部シールド装置を用いることによって、電縫溶接が正常に行われた定常部では十分に高い溶接部特性が得られた。しかしながら、スパーク等の溶接不良が発生した場合に、前記素管被溶接部シールド装置が溶接部の上部に設置されているため、前記スパークを検出したり溶接入熱を制御することができないという問題が顕在化した。

本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、素管被溶接部シールド装置に透視窓を設け、適正な位置に溶接部のスパーク検出装置あるいは溶接部の監視装置を配置することにより、被溶接部の酸素濃度を十分に低減しつつ、溶接部のスパークの検出あるいは溶接部の監視ができる事を見出し、本発明を成した。即ち本発明は以下の通りである。
（１） 電縫鋼管の製造において、電縫溶接時の被溶接部を不活性ガスからなるシールドガスを上部から吹き付けてガスシールドする電縫鋼管の溶接部シールドシステムであって、前記被溶接部に対し該被溶接部上端から５〜３００ｍｍ上方の位置にガス放出口を配位したシールドガス吹付け用ノズルと、前記ガス放出口から放出される前記シールドガスの流速を５〜５０ｍ/ｓに制御するガス流調整手段と、前記シールドガス吹付け用ノズルから構成される溶接部シールド装置上面にガラスまたは透明の樹脂材料からなるアスペクト比が５：１以下で面積が１００ｍｍ^２以上の透視窓と、を有することを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（２） 前記ガス放出口の形状は、矩形であり通管方向成分である長さが３０ｍｍ以上、素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上であることを特徴とする（１）に記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（３） 前記素管エッジ突合せ方向成分である幅Ｒは、前記ガス放出口の直下の被溶接部の端面間の最大間隔Ｗに対し、Ｒ／Ｗ＞１．０、なる関係を満たすことを特徴とする（２）に記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（４） 前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしたことを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（５） （１）〜（４）の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部監視用の高速度カメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（６） （１）〜（４）の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部のスパーク検出用のカメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（７） （１）〜（４）の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部監視用の高速度カメラおよびスパーク検出用のカメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
（８） （１）〜（７）の何れかに記載の溶接部シールドシステムを用いて製造することを特徴とする電縫溶接鋼管の製造方法。

本発明による電縫鋼管の溶接部シールドシステムは、電縫溶接時の被溶接部の酸素濃度を十分低いレベルに維持でき、かつ、溶接部のスパークの検出あるいは溶接現象の監視をすることができ、電縫鋼管の溶接部特性を確実に従来レベルよりも向上させる事ができる。

本発明の実施形態を示す概略図である。 ガス放出口でのシールドガスの流速と被溶接部（素管エッジ突合せ部）の酸素濃度の関係を示す線図である。 本発明の一実施例を示す電縫鋼管の溶接部シールド装置の概略図である。 本発明に係る一実施例を示す電縫鋼管の溶接部シールドシステムの概略図である。

図１は、本発明の実施形態を示す概略図である。鋼帯からなる帯材を図示しないアンコイラーで連続的に払出し、図示しないレベラーで矯正し、通管方向２０に送りつつ、図示しないロール成形機で帯材の幅を丸めて素管（オープン管）１０となし、該丸めた幅の両端面を突合せてなる素管エッジ突合せ部である被溶接部１１を電縫溶接機（図示しないエッジ部加熱用給電手段と図示しない圧接用スクイズロールとで構成されている）により、電縫溶接して、電縫鋼管１５を得る。１２は素管エッジ部加熱起点、１３は前記圧接により被溶接部１１が接合する通管方向位置を指す溶接点である。尚、素管１０乃至電縫鋼管１５の管内面側にはインピーダ（図示省略）を配置する場合もある。電縫溶接機を出た電縫鋼管１５は図示しないサイザーで外径調整をされる。

本発明では、素管エッジ部加熱起点１２から溶接点１３までの通管方向範囲の全域、或いは当該範囲内の、被溶接部に酸化物が生成し易い区域（この区域は予備調査により特定できる）をシールド範囲とし、該シールド範囲において、被溶接部１１の直上の位置にシールドガス吹付け用ノズル（略してノズル）１を配置する。
ノズル１は、其のガス放出口１Ａを被溶接部１１上端と正対する様に配位して、配置される。

本発明者らはシールドガスの流れについて詳細に観察した。さらに、ガス放出口１Ａの位置や寸法、ならびにガス放出口１Ａでのシールドガスの流速などの、様々なシールドガスの吹付け条件が、電縫溶接時の被溶接部１１の酸素濃度と、該被溶接部を電縫溶接してなる溶接部における酸化物の面積率とに及ぼす影響を詳細に調査した。
その結果、シールドガスの吹付け条件を最適にする事により、被溶接部の酸素濃度が０．０１質量％以下になり、溶接部の酸化物面積率が０．１％以下になることを発見した。ここで、溶接部の酸化物面積率とは、次のとおり定義される。すなわち、電縫溶接部のシャルピー衝撃試験を行うことにより得られる破面を電子顕微鏡により倍率５００倍以上で少なくとも１０視野観察して、その破面内に観察される酸化物を含んだディンプル破面部分を選別して、その総面積を測定し、これの視野総面積に対する割合を酸化物面積率とした。

前記発見した最適条件は、被溶接部１１上端からガス放出口１Ａまでの高さであるノズル高さが５ｍｍ以上３００ｍｍ以下（図１(b)参照）、且つ、ガス放出口１Ａでのシールドガス５の流速（以下、ガス出口流速ともいう）が０．５ｍ／ｓ以上５０ｍ／ｓ以下（図１(d)参照）である。
前記ノズル高さが３００ｍｍを超えるとシールドガスが充分に被溶接部１１に届かず、被溶接部１１の酸素濃度が０．０１質量％以下にならない。前記ノズル高さは小さい方が望ましいのであるが、５ｍｍを下回ると、加熱されている被溶接部１１からの輻射熱でガス放出口１Ａが傷み易く、更に被溶接部１１で発生したスパッタが衝突してノズル１の耐久性が劣化する。

前記ガス出口流速が小さすぎると、シールドガス５は周囲に拡散し、被溶接部１１のガスシールドが不十分となる（図１(c)参照）。前記ガス出口流速が大き過ぎると、シールドガス５の勢いが強くなりすぎ、被溶接部１１の端面間への大気巻き込み６を生じてしまう（図１(e)参照）。ガス出口流速が適正流速（０．５〜５０ｍ／ｓ）であると、被溶接部１１の端面間にシールドガス５が過不足なく充満し、大気巻き込みも無く、充分なガスシールドが達成できる（図１(d)参照）。

因みに図２は、一例としてノズル高さ＝５０ｍｍとし、出口ガス流速を種々変えて被溶接部１１にシールドガス５を吹き付け、被溶接部１１の端面間の中間位置で酸素濃度を測定した結果を示す線図であり、この例から分る様に、ガス出口流速＝０．５〜５０ｍ／ｓとする事によって、酸素濃度０．０１質量％以下が大きな余裕を持って（即ち確実に）クリアできる。

また、ガス放出口１Ａの形状については、通管方向２０成分である長さが３０ｍｍ以上、素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上の矩形状にすると、被溶接部１１へのガス吹付けをより均一にすることができて好ましい。
また、図１(b)に示す様に、ガス放出口１Ａの素管エッジ突合せ方向である幅をＲと記し、ガス放出口１Ａの直下の被溶接部１１の端面間の最大間隔をＷと記すとして、Ｒ／Ｗ＞１．０、を満たす様にすると、被溶接部１１の酸素濃度をより速やかに低減させる事ができて好ましい。更に好ましくは１．５＜Ｒ／Ｗ＜２５を満たす様にする。

シールドガスとしては不活性ガスを用いる。此処に云う不活性ガスとは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガス等、若しくはこれらの２種以上を混合してなる混合ガスなどを意味する。また、不活性ガスの純度は99.9％以上が好ましい。
更に、シールドガスとして、前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしてもよく、然も、むしろこの方が、ペネトレータの原因となる酸化物の生成を抑制する効果がより強くなり、溶接部の靭性または強度を、より大きく向上させることができて好ましい。此処に云う還元性ガスとは、水素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガス、プロパンガス等、若しくはこれらの２種以上を混合してなる混合ガスを意味する。尚、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしては、還元性ガスのみからなる組成、または、還元性ガス：０．１質量％以上を含有し残部が不活性ガスからなる組成のものが好適である。
また、入手容易性および廉価性の点からは、シールドガスとして次のガスを用いる事が好ましい。

(イ) 不活性ガス単独使用の場合：(A) 窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスの何れか１種若しくはこれら２種以上の混合ガス。特に好ましい不活性ガスの組み合わせは（窒素ガス＋アルゴンガス）である。
(ロ) 還元性ガス単独使用の場合：(B) 水素ガス、一酸化炭素ガスの何れか１種若しくはこれら２種の混合ガス。
(ハ) 不活性ガスと還元性ガスの混合ガス使用の場合：前記(A)と(B)の混合ガス。特に好ましい混合ガスの組合せは（窒素ガス＋水素ガス）である。
尚、特に、水素ガスおよび／または一酸化炭素ガスを含むガスを使用する場合、遺漏無き安全対策をとるべきことは云うまでも無い。

次に、上述したシールドガス吹付け用ノズル１を被溶接部１１の直上に配置したまま、溶接状況を観察する方法について検討した結果、図３に示すように、前記シールドガス吹付け用ノズル１を形成する装置上面にガラスまたは透明の樹脂材料からなるアスペクト比が５：１以下で面積が１００ｍｍ^２以上の透視窓４を設けることで、前記透視窓４の上方から溶接状況の観察が可能であることを見出した。前記透視窓４のアスペクト比が５：１超または面積が１００ｍｍ²未満の場合には、溶接状況を監視するための視野を確保することができない。

ここで、前記ガラスは、耐熱性と強度を備える点から、強化ガラスまたは耐熱ガラスであることが望ましい。また、透明の樹脂材料は、耐熱性と強度および透明度の観点から、ポリカーボネットあるいはアクリルであることが望ましい。さらに、上記ガラスおよび透明の樹脂材料の厚みは、強度を確保するために１ｍｍ以上であることが望ましく、透明度を確保するためには１０ｍｍ以下が望ましい。なお、前記シールドガス吹付け用ノズル１を形成する装置上面全体を上記ガラスまたは透明の樹脂材料とすることも可能である。

次に、溶接状況を連続的に監視・制御するため、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部監視用の高速度カメラＡおよび／またはスパーク検出用のカメラＢを配置することが好ましい。ここで、前記高速度カメラＡはデジタル式で溶接点近傍箇所を１／２００秒以下の撮影速度で１０ミリ秒以上の時間連続撮影可能なものであり、前記カメラＢは撮像回数（コマ数）＝３０回／秒程度、露光時間＝（１／３０）秒＝３３ミリ秒程度で発光の青色成分を抽出できるカラーカメラまたはレンズの前面に所定の透過特性を有する青色フィルターを装着したＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラであることが望ましい。また、前記高速度カメラＡまたは前記高速度カメラＢの位置が前記透視窓の上方５ｍを超えると視野が狭くなりすぎて溶接部の監視ができないだけでなく、視野の調整が非常に困難になる。また、前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度を超えると、斜めからの視野になり、溶接現象やスパッタ発生現象を観察することが困難になる。

なお、前記高速度カメラＡを用いて行う電縫溶接の監視・制御は、本発明者らが提案した電縫溶接システム（特開２００９−２５５１３２）を採用して行うことが望ましい。また、スパーク検出方法としては、本発明者らが提案したスパーク検出方法およびスパーク検出装置（特開２００９−７２７８８）を採用することが望ましい。

鋼帯からなる帯材を、アンコイラー、レベラー、ロール成形機、電縫溶接機、サイザーをこの順に配置して構成された造管設備に通して、外径６００ｍｍ、肉厚２０．６ｍｍの低炭素低合金鋼の電縫鋼管を製造する工程において、電縫溶接時に被溶接部へのガスシールドを実行するにあたり、図３に示した本発明に係る電縫鋼管の溶接部シールドシステムを用いて、上述した実施形態の本発明範囲の内または外でガス吹付け条件の水準を表１に示すとおり種々変えて実行し、被溶接部の酸素濃度の測定、および溶接部の酸化物面積率の測定を行った。尚、開先形状は、ストレート形状とした。その結果を表１に示す。

表１に示されるとおり、本発明例では、比較例と比べて被溶接部の酸素濃度が桁違いに低減し、溶接部の酸化物面積率が格段に低減した。
また、上記実施例の電縫鋼管製造工程において、通管方向成分である長さが２０ｍｍ、素管エッジ突合せ方向成分である幅が７ｍｍの矩形で厚さ２ｍｍの耐熱ガラスからなる透視窓の上方４ｍの位置に特開２００９−２５５１３２で提案した溶接部監視用の前記高速度カメラＡおよび前記透視窓の上方３ｍの位置に特開２００９−７２７８８で提案したスパーク検出用の前記カメラＢを図４に示すように配置した。その結果、溶接現象の監視、スパークの検出とも十分な視野が確保でき、その機能を達成することができた。

１ ノズル（シールドガス吹付け用ノズル）
１Ａ ガス放出口
２ ガス配管
３ ガス流調整器
４ 透視窓
５ シールドガス
６ 大気巻き込み
７ 溶接部監視用高速度カメラＡ
８ スパーク検出用カメラＢ
１０ 素管（オープン管）
１１ 被溶接部（素管エッジ突合せ部）
１２ 素管エッジ部加熱起点
１３ 溶接点
１５ 電縫鋼管
１６ スクイズロール
２０ 通管方向

Claims (8)

1. 電縫鋼管の製造において、電縫溶接時の被溶接部を不活性ガスからなるシールドガスを上部から吹き付けてガスシールドする電縫鋼管の溶接部シールドシステムであって、
   前記被溶接部に対し該被溶接部上端から５〜３００ｍｍ上方の位置にガス放出口を配位したシールドガス吹付け用ノズルと、
   前記ガス放出口から放出される前記シールドガスの流速を５〜５０ｍ/ｓに制御するガス流調整手段と、
   前記シールドガス吹付け用ノズルから構成される溶接部シールド装置上面にガラスまたは透明の樹脂材料からなるアスペクト比が５：１以下で面積が１００ｍｍ^２以上の透視窓と、
   を有することを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
2. 前記ガス放出口の形状は、矩形であり通管方向成分である長さが３０ｍｍ以上、素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
3. 前記素管エッジ突合せ方向成分である幅Ｒは、前記ガス放出口の直下の被溶接部の端面間の最大間隔Ｗに対し、Ｒ／Ｗ＞１．０、なる関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
4. 前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部監視用の高速度カメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
6. 請求項１〜４の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部のスパーク検出用のカメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
7. 請求項１〜４の何れかに記載の電縫鋼管の溶接部シールドシステムに加えて、前記透視窓の上方５ｍ以内で前記透視窓の鉛直方向となす角度が４５度の範囲内に溶接部監視用の高速度カメラおよびスパーク検出用のカメラを配置したことを特徴とする電縫鋼管の溶接部シールドシステム。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の溶接部シールドシステムを用いて製造することを特徴とする電縫溶接鋼管の製造方法。

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