JP6112215B2

JP6112215B2 - 大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法

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Publication number: JP6112215B2
Application number: JP2015540933A
Authority: JP
Inventors: 早川　直哉; 直哉早川; 征哉田村; 雄大森本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: CN106232281B; WO2015159545A8; EP3132879A1; WO2015159545A1; EP3132879B1; JPWO2015159545A1; RU2016144976A; RU2656431C2; RU2016144976A3; EP3132879A4; CN106232281A

Description

本発明は、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径溶接鋼管の製造過程にて、管状に成形したオープンパイプのエッジ部を接合する前に、該エッジ部相互の仮付けを連続的に行う仮付け溶接方法に関するものである。

一般に溶接鋼管は、素材となる鋼板または鋼帯（以下、板状鋼素材という）を管状に成形して、板状鋼素材の幅方向端部（以下、エッジ部という）が互いに対向するオープンパイプとした後、このオープンパイプのエッジ部を溶接によって接合して製造される。この溶接鋼管は、その寸法に応じて、好適な成形方法と溶接方法を組み合わせた製造技術が広く普及している。
大径溶接鋼管（たとえばＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管等）の製造過程では、エッジ部の溶接（たとえばサブマージアーク溶接等）に先立って、エッジ部を仮付け溶接してオープンパイプの形状を維持する必要がある。

大径溶接鋼管の典型例である、ＵＯＥ鋼管の製造過程では、ＵプレスおよびＯプレスで板状鋼素材をオープンパイプに成形する工程を有する。この工程では、板状鋼素材の板厚が厚いため、対向するエッジ部にパイプ半径方向の隙間（いわゆるギャップ）が生じる。そこで、ギャップが生じたエッジ部を油圧で押さえ込みながら仮付け溶接を行った後、サブマージアーク溶接でエッジ部を本溶接してＵＯＥ鋼管を製造することになる。ＵプレスやＯプレスは、設備機器の導入コストや操業コストが大きいことから、一般の鋼管製造工場に設置される台数は少なく抑えられる。一方で、サブマージアーク溶接の関連設備は安価であることから、多数の溶接ラインが設置される。

大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接は、サブマージアーク溶接による本溶接の溶接速度と同等の高速溶接が求められる。ところが、溶接速度が２ｍ（＝2000mm）／分を超えるような高速溶接では、ハンピングビード、溶落ちが発生し易くなることが問題になる。

たとえば、特許文献１に、板厚20mmのオープンパイプの仮付け溶接を行う際に、ワイヤ径3.2mmのソリッドワイヤを用い、溶接電流900Ａ、溶接速度5000mm／分で仮付け溶接を行う技術が開示されている。しかし、板状鋼素材の板厚がさらに厚くなると、このような溶接条件では、のど厚を十分に確保できないため、仮付け溶接の後の本溶接において、溶落ちが発生し易くなる。

特許文献２に開示されているように、多電極で仮付け溶接を行うと、溶着量や溶接速度を増加できるため、のど厚の確保とハンピングビードの防止が可能である。しかし、多電極では溶融メタルが安定せず、オープンパイプのエッジ部のギャップ等に起因して開先の配置が変動した場合に、ハンピングビードが発生し易くなる。

特開昭52-77849号公報特開昭63-154267号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点を解消し、大径溶接鋼管の仮付け溶接を行うにあたって、溶接速度の増加が可能であり、しかもハンピングビード、溶落ちおよび融合不良を防止できる仮付け溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を解決するための技術を鋭意検討した結果、仮付け溶接の条件を適正に設定して、溶滴移行の形態を、ワイヤ端に生成した溶滴が母材溶融池へ接触（短絡）する、短絡移行とすることによって、安定した仮付け溶接が可能となることが判明した。本発明は、その知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．大径溶接鋼管の製造過程にて作製するオープンパイプのエッジ部の仮付け溶接を行う仮付け溶接方法において、
前記エッジ部に、径が4.8mm以上8.0 mm以下のソリッドの溶接ワイヤを用いるガスメタルアーク溶接を、前記エッジ部に形成する開先の底部と前記溶接ワイヤを装着するコンタクトチップの下端との距離を25mm以上45mm以下、かつ溶接電流を1000Ａ以上2200Ａ以下にて行う大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。

本発明の仮付け溶接方法において、オープンパイプのエッジ部（以下、単にエッジ部という）に形成する開先はＸ形開先とし、Ｘ形開先の開先角度を40〜100°とすることが好ましい。
溶接ワイヤについては、溶接進行方向に垂直な面と溶接ワイヤがなす角度（以下、電極角度という）を０°以上35°以下の後退角とすることが好ましい。なお後退角は、溶接ワイヤの先端がコンタクトチップよりも溶接進行方向と逆向きに位置するよう溶接ワイヤを傾斜させ、その溶接ワイヤと溶接進行方向に垂直な面とのなす角を指す。

なお、仮付け溶接は、ガスメタルアーク溶接を用いて特にCO₂を50〜100％含有するシールドガスを用いて行うことが好ましく、溶接速度は3000mm／分以上8000mm／分以下とすることが好ましい。
本発明を適用する大径溶接鋼管は、ＵＯＥ鋼管またはスパイラル鋼管であることが好ましく、板厚は30mm以上が好ましい。

本発明によれば、大径溶接鋼管の製造過程にて連続して仮付け溶接を行うにあたって、溶接速度の増加が可能であり、しかもハンピングビード、溶落ちおよび融合不良等を防止できるため、産業上格段の効果を奏する。

仮付け溶接におけるコンタクトチップの配置要領を示す図である。

本発明は、仮付け溶接における溶滴移行の形態が短絡移行となるように、条件を適正に設定する。その結果、溶滴の運動エネルギーを小さく保ち、溶滴がオープンパイプのエッジ部に衝突することなく、溶融池に円滑に移行するため、溶融メタルの後方への湯流れが安定し、ハンピングビード、溶落ちおよび融合不良を防止できる。以下に、仮付け溶接の設定条件を説明する。

まず、溶接ワイヤは、フラックスを内装していないソリッドワイヤを使用する。なぜなら、ソリッドワイヤは、溶接ワイヤの先端に懸垂する溶滴の酸素量を低く制御することができ、溶滴の縮小を防止できるからである。これに対して、フラックスを内装したフラックスコアドワイヤ（以下、ＦＣＷという）を使用すると、溶滴の酸素量が高く、溶滴の表面張力が低下するため、溶滴が離脱し易くなる。その結果、溶滴移行における溶滴の運動エネルギーが高まり、溶滴が高速で移行するようになり、溶融メタルの流動が助長されて、ハンピングビードが容易に発生する。またＦＣＷは、溶接電流が外皮に集中するため、電流密度が大きくなり、溶接ワイヤの先端に懸垂する溶滴の離脱を促す電磁力（以下、電磁ピンチ力という）が増加して、その結果溶融金属の電極後方への湯流れを助長させて、ハンピングビードを発生させることも問題になる。

したがって、本発明ではソリッドワイヤを使用する。なお、後述するように適正な条件を設定することによって、１本のソリッドワイヤ（いわゆる１電極）で支障なく仮付け溶接を行うことができる。
このソリッドの径は4.8mm以上とする。望ましくは5.5mm以上である。ワイヤ径の大きい溶接ワイヤを用いることによって、電流密度が低下する。その結果、電磁ピンチ力を低減して、溶融金属の後方への湯流れを抑制し、溶滴の円滑な短絡移行を実現することができる。また、太径ワイヤによりアークの幅が広がるため、開先内のビード幅が広がるメリットがあり、開先の高い位置に溶融メタルを溶着させることができる。その結果、開先壁の間に溶融メタルを保持する界面張力が強く作用し、開先壁の間に溶融メタルを保持することが可能となり、ハンピングビードが防止される。さらに、表面形状が凸形状になるのを抑え、フラットなビードを形成しやすくなるため、仮付け溶接の後の本溶接における溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、溶融メタルが溶接進行方向の後方に流出（以下、湯流れという）するのを抑制して、ハンピングビードや溶落ちを防止できる。

一方で、ワイヤ径が4.8mm未満では、電流密度が大きくなり、電磁ピンチ力が強く作用する。そのため、溶滴がワイヤ端から母材へ移行する際の運動エネルギーが増し、溶滴が高速で移行して電極後方への湯流れが増大し、溶滴は溶接進行方向の後方に流れながら急速に冷却され、ハンピングビードや融合不良が発生し易くなる。
したがって、本発明では4.8mm以上の太径の溶接ワイヤを用いる。アークを広げて仮付け溶接を行うことによって、上記の通り、ハンピングビード、溶落ち、融合不良を防止でき、その後の本溶接（すなわちサブマージアーク溶接）でオープンパイプのエッジ部を接合する工程の安定操業に寄与する。
ただしワイヤ径が8.0mmを超えると、溶接ワイヤをコンタクトチップに供給するための取り回しが困難になる。したがって、ワイヤ径は8.0mm以下の範囲が好ましく、より好ましくは5.5〜6.4mmの範囲内である。

上記した寸法の溶接ワイヤを用いて仮付け溶接を行うと、電気抵抗が小さいため、ジュール発熱が起こり難いという欠点がある。そのため、コンタクトチップからの突出し長さが短い場合には、溶接ワイヤの溶融挙動が安定せず、先端に懸垂する溶滴や溶融メタルの挙動が不安定になる。この欠点を解消するためには、溶接ワイヤの先端の溶滴を安定させる必要がある。
そこで、図１に示すように、オープンパイプ１のエッジ部１ａに形成するＸ形開先の底部とコンタクトチップ２の下端との距離Ｌを25mm以上として、仮付け溶接を行うことが肝要である。すなわち、コンタクトチップ２からのワイヤ３の突き出し（Ｌ）を長くすることにより、ワイヤの発熱を促進し、アーク熱でのワイヤの溶解を安定化させる。この距離Ｌが25mm未満になると、電圧変動が大きくなり、ビードが不均一となる。

ただし、前記距離Ｌが45mmを超えると、溶接ワイヤの先端とエッジ部に形成した開先との相互位置がずれて、開先壁の間に溶融メタルを溶着させ難くなる。また、溶接ワイヤが赤熱して、溶滴の円滑な短絡移行を維持することが難くなる。したがって、開先の底部とコンタクトチップの下端との距離は45mm以下の範囲が好ましい。より好ましくは、25mm以上35mm以下である。

溶接電流は、1000Ａ以上とする。望ましくは1200Ａ以上である。溶接電流が1000Ａ未満では、高速溶接において十分な溶着量を得ることができず、のど厚が不足し、溶落ちのおそれが生じる。
ただし、溶接電流が2200Ａを超えると、アーク力が強すぎて、ハンピングビードや多大なスパッタが発生するとともに、短絡を破るための高電流の確保が困難となる。したがって、溶接電流は2200Ａ以下の範囲が好ましい。より好ましくは1200〜2000Ａである。

開先形状は、Ｘ形開先とし、溶融メタルの界面張力によって開先壁の間に溶融メタルを保持するために、開先角度を40〜100°の範囲内が好ましい。より好ましくは40〜70°である。ここで、上記の範囲に規定するのは、仮付け溶接を施す側の開先角度である。

アーク電圧は適用電流値にもよるが、28V以下として短絡移行させることが好ましい。また、電極角度は、０°以上の後退角とすることが好ましい。より好ましくは５°以上の後退角とする。電極角度をこの範囲に設定することによって、極めて短いアークが溶接進行方向の前方に発生して、後方への湯流れを抑制する。その結果、ハンピングビードや溶落ちを防止でき、溶落ちに起因する融合不良を防止することが可能となる。
なお、後退角は、図１に示すように、溶接ワイヤ３の先端がコンタクトチップ２よりも溶接進行方向と逆向きに位置するよう溶接ワイヤを傾斜させた際の、溶接ワイヤ３と溶接進行方向に垂直な面とのなす角θを指す。

ただし、電極角度が35°を超える後退角である場合は、電磁力の不均衡によりスパッタ発生が増加する。したがって電極角度は、０〜35°の範囲の後退角とすることが一層好ましい。より好ましくは５〜35°の範囲である。
従来は、電極角度を後退角とすると、溶接進行方向への湯流れを抑制できず、ハンピングビードが発生し易いという問題があった。これに対して本発明では、関連する条件を適正に設定して仮付け溶接を行うことから、後退角とすることで得られる上記のような効果を有効に活用して、ハンピングビード、溶落ち、融合不良を防止できる。

仮付け溶接は、ガスメタルアーク溶接を採用する。上記の通り、オープンパイプの本溶接はサブマージアーク溶接が広く採用されているが、その前の仮付け溶接をガスメタルアーク溶接で行うことによって、スラグ剥離の工程が不要になるという効果が得られる。
ガスメタルアーク溶接のシールドガスは、100％CO₂ガスが好ましい。CO₂ガスとその他のガス（たとえばAr等）とを混合したシールドガスを用いる場合は、CO₂を50％以上含有することが好ましい。CO₂が50％未満では、電位傾度が低下して、溶滴が小さくなり、さらには短絡移行の安定性が損なわれ、ハンピングビードが発生しやすくなる。より好ましくは75％以上である。したがってシールドガス中のCO₂濃度は、50〜100％の範囲内が好ましく、より好ましくは75〜100％である。なお、CO₂濃度は体積率を指す。

溶接速度は、3000mm／分以上が好ましい。溶接速度が3000mm／分未満では、工業的な価値に乏しい。
ただし、溶接速度は速いほど好ましいが、速いほどハンピングビードが生じやすく、技術的困難が伴う。したがって、溶接速度は3000〜8000mm／分の範囲内が好ましい。
仮付け溶接を適用する大径溶接鋼管の板厚（すなわち板状鋼素材の板厚）は、30mm以上が好ましい。板厚がこの範囲の大径溶接鋼管に本発明を適用することによって、のど厚を十分に確保して、溶落ちを防止しつつ、高速溶接を可能とする。

以上に説明したように、適正な条件の下で大径溶接鋼管の仮付け溶接を行うことによって、良好な形状のビードを形成でき、その後の本溶接を支障なく行うことができる。

そして本発明は、オープンパイプの本溶接をサブマージアーク溶接で行うＵＯＥ鋼管またはスパイラル鋼管に適用することが好ましい。
さらに本発明に係る仮付け溶接は、直流逆極性で行うことが望ましい。その理由は、アークが安定し、ハンピングビードやスパッタの発生を少なくできるからである。

ＵＯＥ鋼管の製造設備にて、４種類の板厚の板状鋼素材（API-5L X65級）を用いてオープンパイプを成形し、そのエッジ部の仮付け溶接をガスメタルアーク溶接法で行なった。板厚は表１に示す通りである。

仮付け溶接では、溶接ワイヤ（JIS Z3351 YS-S6相当のソリッドワイヤ）を１本（すなわち１電極）使用し、ワイヤ径は表１に示す通りである。溶接電源は直流逆極性とし、定電圧特性を適用した。
ガスメタルアーク溶接のシールドガスは、表１に示す通り、100％CO₂ガス、あるいはCO ₂とArとの混合ガスを使用した。シールドガスの流量は50L／分とした。

開先形状は全てＸ形開先とし、板厚12.7mmのオープンパイプでは、内面側の開先角度を80°、開先深さを4.0mmとし、外面側の開先角度を100°、開先深さは5.0mmとした。板厚25.4mmでは、内面側の開先角度を70°開先深さを8.0mmとし、外面側の開先角度を60°、開先深さを9.0mmとした。板厚31.8mmでは、内面側の開先角度を60°、開先深さを9.0mmとし、外面側の開先角度を60°、開先深さを12.0mmとした。板厚38.1mmでは、内面側の開先角度を55°、開先深さを12.0mmとし、外面側の開先角度を50°、開先深さを14.0mmとした。

仮付け溶接における溶接電流、溶接電圧、溶接速度、電極角度、開先底部とコンタクトチップの下端との距離は表１に示す通りである。
そして仮付け溶接が終了した後、本溶接を行わず、仮付け溶接によるビードの外観を観察して、ハンピングが生じていないものを無（良）、ハンピングが生じたものを有（不良）と判定した。

表１から明らかなように、発明例では良好なビードが得られた。
比較例である記号14、15、16、17は、エッジ部の開先底部とコンタクトチップの下端との距離が25mmを下回る例であり、いずれもビードのハンピングが生じた。

１オープンパイプ
１ａエッジ部
２コンタクトチップ
３ワイヤ

Claims

大径溶接鋼管の製造過程にて作製するオープンパイプのエッジ部の仮付け溶接を行う仮付け溶接方法において、
前記エッジ部に、径が4.8mm以上8.0 mm以下のソリッドの溶接ワイヤを用いるガスメタルアーク溶接を、前記エッジ部に形成する開先の底部と前記溶接ワイヤを装着するコンタクトチップの下端との距離を25mm以上45mm以下、かつ溶接電流を1000Ａ以上2200Ａ以下にて行う大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。
前記エッジ部にＸ形開先を形成し、該Ｘ形開先の開先角度を40〜100°とする請求項１に記載の大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。
前記エッジ部の溶接進行方向に垂直な面と溶接ワイヤがなす電極角度を０°以上35°以下の後退角とする請求項１または２に記載の大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。
前記ガスメタルアーク溶接にてCO₂を50〜100％含有するシールドガスを用いる請求項１〜３のいずれか一項に記載の大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。
前記大径溶接鋼管の板厚を30mm以上とし、前記ガスメタルアーク溶接の溶接速度を3000mm／分以上8000mm／分以下とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。
前記大径溶接鋼管がＵＯＥ鋼管またはスパイラル鋼管である請求項１〜５のいずれか一項に記載の大径溶接鋼管の製造過程における仮付け溶接方法。