JPH0356150B2

JPH0356150B2 -

Info

Publication number: JPH0356150B2
Application number: JP62099518A
Authority: JP
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1991-08-27
Also published as: JPS63264287A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、レーザ、電子ビームなどのエネルギ
ー・ビームを用いて金属材料、とりわけ耐食性を
要求されるステンレス鋼、耐熱合金、Ti、Zrな
どの金属帯を製管溶接する方法に関わる。（従来の技術）ステンレス鋼、Ti、Zrなどの金属帯の製管に
最も広く用いられている溶接法はタングステン・
イナート・ガス（TIG）溶接である。TIG溶接は
アーク溶接の中でもこれ等の金属の溶接に最も適
した溶接法で、ブローホール等の溶接欠陥が少
い、ビード外観が美麗である等の優れた特徴を有
している。しかしTIG溶接と云えども溶接金属の
凝固偏析等による溶接部耐食性の低下は避けられ
ない。母材と同等の溶接部耐食性を確保するに
は、加工や高温長時間熱処理を必要とし、これは
遅い溶接速度と相俟つて、生産性を著しく阻害す
るものであつた。これに対しレーザ、エレクトロンビーム等のエ
ネルギー・ビーム溶接法は、溶接個所に極めて高
い密度に絞つたエネルギーを集中させるため、高
速極低入熱溶接を容易に実現することができる。
エネルギー・ビーム溶接による溶接部組織はTIG
のそれよりも緻密で偏析も少く、従つてTIGより
も遥かに優れた耐食性を示す。また、短時間熱処
理で容易に母材並の耐食性を確保することが可能
である。エネルギー・ビームを用いたステンレス鋼など
の製管溶接方法として、例えば特開昭60−206589
号公報で提案された技術がある。この技術はレー
ザを照射して溶接管を製造するに際し、レーザビ
ーム照射位置をスクイズロール上流５〜50mm、照
射位置のシームギヤツプを0.01〜0.3mmとし、更
にアプセツト量を特定して、欠陥のない溶接管を
製造せんとするものである。しかしこの技術によつても工場生産で用いる、
強度や板厚が変動し長手方向に曲がり（キヤンバ
ー）のある金属帯を３ｍ／minを超える高速で溶
接しようとする場合溶接線全長に亘つて安定な品
質を保つことが困難で実用化には至らなかつた。このようにエネルギー・ビーム溶接はTIGに対
して多くの優れた特徴を有するのであるが、アン
ダーカツト等のない滑らかなビード形状を安定に
保つことが困難であるという問題点を有してい
た。この問題点は特にエネルギー・ビームの貫通
する管内面側において特に顕著であつた。（発明が解決しようとする問題点）以上のようにエネルギー・ビーム溶接には滑ら
かなビード形状の安定確保が困難であるという問
題点がある。更に、エネルギー・ビーム溶接には、エネルギ
ーを局所に集中して利用するという特徴によつて
もたらされる、ビーム照射位置のシーム中心から
のズレ許容範囲や適正シームギヤツプ量が極めて
狭いという短所がある。（問題点を解決するための手段）本発明は、極めて優れた長所を有するエネルギ
ー・ビーム溶接の製管溶接への適用を妨げてきた
上述の問題点を解決するための手段を提供するも
ので、その要旨とするところは、連続的に管状に
成形された金属帯の対向するエツジ端面をエネル
ギー・ビームを用いて溶接する製管溶接に於て、
複数個のスクイズスタンドを設け、第２以降のう
ちいずれかのスクイズスタンド上流の実質的にエ
ツジ端面が密着する位置で、かつシーム両側0.3
mm以内の位置にシームセンサーで検出しながらエ
ネルギー・ビームを照射し、対向する該エツジ端
面を貫通溶融せしめつつ溶接することを特徴とす
る、エネルギー・ビームを用いた製管溶接方法に
ある。以下本発明を図面に基いて詳細に説明す
る。（作用）第１図は本発明の一実施態様を示す図である。
金属帯５は図示していない一群のロールで管状に
成形され、シームガイド４を経て第１スクイズロ
ール１で金属帯５のエツジ端面は一旦閉じてシー
ム６′を形成する。シーム６′は第１スクイズロー
ルの下流でスプリングバツクにより僅かに開く
が、第２のスクイズロール２近傍で再び密着す
る。シームの密着域は第１スクイズロール１の上
流よりも、第２スクイズロール２の上流において
遥かに長い。エネルギー・ビームＥは第２スクイ
ズロール２上流における密着したシームＦ上にエ
ネルギー・ビーム光学系９により集光され、シー
ムを溶接する。第１スクイズロール１と第２スク
イズロール２の間にはシームセンサ７が配置さ
れ、例えばCCDカメラ等で光学的にシーム位置
を検出し、検出したシーム位置とシームガイド４
とから、エネルギー・ビームを集光すべきシーム
位置Ｆの座標を演算し、結果をエネルギー・ビー
ム照射位置制御装置８に送る。エネルギー・ビー
ム照射位置制御装置８はビーム照射位置がシーム
中心の両側0.3mm以内に納まるようにエネルギ
ー・ビーム光学系９を動かす。Ｆ点で溶接された
管は第２スクイズロール２で軽く絞られ、第３ス
クイズロール３に向う。第３スクイズロール３は
残留応力による管の開口を防止するロールで、高
速溶接時シーム部における高温割れ発生を防止す
る。残留応力が小さい場合、又は、高温割れの心
配のない材料を製管溶接する場合は第３スクイズ
ロール３は必ずしも必要としない。溶接品質と溶接速度はエネルギー・ビーム照射
位置により大きな影響を受ける。第２図はCO₂レ
ーザ（出力8kW）を用いてSUS３０４ステンレ
ス鋼３mm厚材料を溶接する場合のシームギヤツプ
（エツジ面間隔）と溶接速度の関係を示す図であ
る。シームが密着している場合速度６ｍ／minで
溶接できるのに対し、シームギヤツプが0.05mmを
越えるとアンダーカツトが発生するため溶接可能
速度は徐々に低下し、シームギヤツプが0.2mmを
越えると逐に溶接不可能になる。従つてエネルギ
ー・ビーム照射位置をエツジ端面が実質的に密着
する位置とすることは、溶接品質、生産性両面か
ら見て最も好ましいと云える。第３図はエネルギー・ビーム照射位置のシーム
中心からのズレが溶接品質に及ぼす影響を調査し
た結果を示す図である。溶接条件と材質は第２図
と全く同様である。溶接品質は、全溶接長に対す
る正常な溶接部分長の割合で示した。図から明ら
かなように、ズレが0.3mmまではズレの影響は全
く見られない。ズレが0.4mmになると部分的に、
特に管内面側において、接合しない個所が発生
し、正常な溶接部分は70％程度となる。ズレが
0.5mmを超えると全く溶接不可能となる。この結
果、エネルギー・ビーム照射位置はシーム中心か
ら±0.3mm以内に制御されるべきであることは明
らかである。材質、板厚を変えても第２図、第３図と同様な
結果が得られた。また、エレクトロンビームを用
いた溶接でも結果は同じである。（実施例）第１図に示した本発明法と、第１図においてビ
ーム位置制御を実施しない場合、および、単スク
イズスタンド法（ビーム位置制御不実施）とを比
較するために、SUS３１６ステンレスの108mm巾
３mm厚の鋼帯を用いて、34.0φ×3.0厚の管を製管
した。溶接条件は次の通りである。レーザ出力：10kW（CO₂レーザ）溶接速度：７ｍ／min 対物レンズ焦点距離：302mm レンズ〜管表面間距離：300mm アシストガス：He10／min 管内シールド：Ar5／min スクイズ絞り量：0.5mm ビーム照射位置は本発明法では第２スクイズス
タンド上流10mmシームギヤツプ＝０の位置、単ス
クイズスタンド法では上流５mm（シームギヤツプ
０）、10mm（シームギヤツプ0.05mm）とし、
いずれも、溶接前にビーム照射位置がシーム中心
になるように調整した。本発明法については5000
ｍ、３通りの比較法についてはいずれも500ｍ溶
接し、全溶接長に占める正常溶接部長さの割合を
調査した。その結果を表１に示す。

【表】本発明法によれば、全溶接長に亘り、完全な溶
接が実現した。ビーム位置制御を実施しないと
（No.２）溶接中にシーム捩れが生じた場合溶接が
不完全になつた。更に単スクイズスタンドでは、
シームギヤツプ変動も加わつて不完全溶接部分は
更に増加した。表１の試験結果はまた、本発明で
は、ビーム照射位置の溶接方向許容範囲も単スク
イズスタンド法と比較して遥かに広いことを示し
ている。なお、第１図には３スクイズスタンドの
例を示したが、スタンド数はもつと多くても差支
えない。たとえば４スクイズスタンドにして、第
１スタンド〜第２スタンド間、及び、第２スタン
ド〜第３スタンド間のシーム位置を検出し、第３
スタンド上流のエネルギー・ビーム照射位置を制
御すれば、制御精度は更に向上することを本発明
者等は確かめている。また本発明法は溶接エネル
ギーとして主としてエネルギー・ビームを利用す
る接接法、例えば、フイラーワイヤを用いたエネ
ルギー・ビーム溶接、TIGやMIG（メタル・イナ
ート・ガス）溶接を併用したエネルギー・ビーム
溶接、等には全て有効である。（発明の効果）以上のように、本発明方法によればエネルギ
ー・ビーム溶接の問題点が克服され、エネルギ
ー・ビーム溶接の長所を100％発揮することが可
能になる。この結果、旧来のTIG溶接による製管
と比較し生産性は略５倍以上上昇し、本発明の産
業の発展への貢献は極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様を示す構成図で、ａ
は立面図、ｂは平面図、第２図はシームギヤツプ
（エツジ面間隔）と溶接速度の関係を示すグラフ、
第３図はエネルギー・ビーム照射位置のシーム中
心からのズレと溶接品質の関係、を示すグラフで
ある。１：第１スクイズロール、２：第２スクイズロ
ール、３：第３スクイズロール、４：シームガイ
ド、５：金属帯、６，６′：シーム、７：シーム
センサ、８：エネルギー・ビーム照射位置制御装
置、９：エネルギー・ビーム光学系、Ｅ：エネル
ギー・ビーム、Ｆ：エネルギー・ビーム照射位
置。

Claims

【特許請求の範囲】

１連続的に管状に形成された金属帯の対向する
エツジ端面をエネルギー・ビームを用いて溶接す
る製管溶接において、複数個のスクイズスタンド
を設け、第２以降のうちいずれかのスクイズスタ
ンド上流の実質的にエツジ端面が密着する位置
で、かつ、シーム両側0.3mm以内の位置にシーム
センサーで検出しながらエネルギー・ビームを照
射し、対向する該エツジ端面を貫通溶融せしめつ
つ溶接することを特徴とする、エネルギー・ビー
ムを用いた製管溶接方法。