JPH0371947B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高周波電縫溶接に関し、特に、レー
ザビームを溶接点に照射し、高周波加熱とレーザ
加熱の併用で溶接を行なう電縫溶接に関するもの
である。

〔従来の技術〕 物体を溶接することは広範囲は分野で必要とさ
れ、各種の方法が用いられているが、溶接による
管の製造では、高周波溶接法が最もよく使われて
いる。

高周波電縫溶接は、一般に電縫管と呼ばれる管
の、溶接速度の速い、即ち生産性の高い溶接法と
して用いられている。

従来の高周波電縫溶接による溶接造管工程で
は、まず成形ロール群によつて鋼帯を管状に形成
し、それらのエツジ部をスクイズロールによつて
突合わせる。これによりエツジ部が、衝合部と頂
点とするクサビ形状を呈する。

スクイズロールの上流に配設された接触子７
に、高周波電圧を印加し、１つの接触子から他の
接触子へ高周波電流を流してクサビ形状をなすエ
ツジ部に沿つて高周波電流を流す。この高周波電
流によつてエツジ部が加熱されクサビ形状の頂点
すなわち溶接点が溶接温度に達しスクイズロール
により加圧溶接される。

電縫管の溶接品質には溶接電流の大小が大きく
影響を及ぼし、溶接電力が過小のときにはエツジ
部は低入熱状態となり冷接と呼ばれる溶接欠陥が
発生する。溶接電力が過大になりエツジ部が高入
熱状態となるとペネトレータと呼ばれる溶接欠陥
が発生する場合がある。低入熱溶接で発生する冷
接はエツジ部の加熱不足が主原因であり、高入熱
溶接で発生するペネトレータはエツジ部が溶融し
溶融金属が電磁力によつて溶接面から排出される
ために溶接点が管軸方向に周期的位置変動を繰り
返すことが主原因である。

このような従来の問題点を更に詳しく説明す
る。一般に電縫溶接造管に用いる高周波電力とし
ては、10〜500KHzの周波数帯が用いられ、高周
波特有の「表皮効果」と「近接効果」の２つの現
象の相乗効果により周波数が高くなるほど加熱効
果は大きくなる。これが電縫溶接造管に広く高周
波電流が用いられる理由である。

ところで、従来電縫溶接は高周波加熱によりエ
ツヂ端面を溶融せしめると同時に、スクイズロー
ルで接合部に強いアプセツト力を加えて大部分の
溶融金属を加熱中に生じた酸化物と共に溶接部外
に排出するという機構で溶接が行なわれると考え
られていた。アプセツトによつて溶接部は変形
し、第２図に示すように、熱影響部のメタルフロ
ーが立上る。

メタルフローが立上ると帯板に含まれる介在物
も同時に立上り、また表面に比べて機械的、化学
的性質の劣る内質部が表面に露出するという欠点
が生ずる。他方、アプセツトを加えないと溶接欠
陥が多発する。メタルフロー立上り角θと溶融部
の靱性は第３図に示す関係となり、立上り角θが
大きくなるほど靱性が低下する。立上り角θが小
さいと溶接欠陥のため靱性がばらつき、異常に低
い靱性値を示す場合がある。なお、第３図の斜視
領域が靱性の範囲を示す。靱性は斜視範囲内でば
らつく。従来、メタルフロー立上り角は50〜70°
程度が良好であると考えられてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の高周波電気抵抗溶接では、上述のよう
に、溶接欠陥の発生を抑制しようとするためには
アプセツトを強くしなければならず、アプセツト
を強くするとメタルフロー立上り角θが大きくな
つて溶接部の靱性が低下するという相反する問題
があつた。

これらの現象は、ストレートシームの電縫管に
限らずスパイラル管の電気抵抗溶接においても見
られる。

一方、溶接時の熱影響が少なく優れた溶接品質
が得られる溶接法としてレーザ、電子ビームなど
のエネルギービームを用いる溶接法があり、特開
昭56−114590号において、これらのエネルギービ
ームを、溶接させるべきクサビ形状の頂点すなわ
ち溶接点に投射する溶接法が提案され、更に特願
昭58−107120号で改良が提案されている。

たとえば特願昭58−107120号の方法の概要を第
１図を参照して説明すると、管状体１のエツヂ部
２（クサビ形状をなす溶接対向面）は接触子７か
ら供給される高周波電力によつて発生するジユー
ル熱、および、レーザ照射装置４から、ビーム形
状制御器５、ビームガイド６を通して照射される
レーザビームLBによつて全肉範囲に亘つて溶接
温度に均一に加熱される。

レーザビームLBは所定角度をなすクサビ形状
の頂点、すなわち溶接点、を中心に所定角度の範
囲で、管状体１の溶接前対向面２に向けて往復走
査される。レーザビームLBは対向面の一方に当
つてそこで反射されて他方に向い他方で反射され
てまた該一方に当るという具合に反射を繰り返し
て最後に溶接点に至る。すなわち、レーザビーム
LBが直接に溶接点に照射されなくても反射収束
により溶接点に自動的に収束する。

この複合溶接法ほ目的は突合せ面の温度の均一
化であり、なるぼど冷接欠陥発生防止には著しく
効果的であつたが、エツヂ部の溶融だれが大き
く、強いアプセツトが必要なため、メタルフロー
立上り角が大きくなり、継手性能に問題を残して
いた。

本発明はこの種の、レーザビームを併用する高
周波電縫溶接の改良に関し、継手性能の向上、す
なわち、溶接欠陥を発生させることなく、溶融部
押し出し量を低減し、メタルフロー立上り角を小
さくすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明者の考察によ
ると、高周波電流は、突合せ端面の表面、特にコ
ーナ部に集中する。このため、突合せ端面中心部
と比較してコーナ部の溶融量が多くなる。端面に
生じた溶融金属は、相対する突合せ面を流れる互
いに逆向きの電流によつて誘起される電磁圧力の
作用で端面から帯板外部に排出される。この電磁
圧力の方向を第４図に示す。従つて、溶接直前の
端面の突合せ形状は、第５図に示すように、中心
部の膨らんだ凸形となつている。溶接直後の端面
の間の部分は溶綱で埋められる。このままの状態
又は溶接部にほとんどアプセツトを加えない状態
で溶鋼が凝固すると、コーナ部近傍に凝固収縮孔
が発生し、この部分が溶接欠陥になる。この状態
を第６図に示す。もし溶接部に強いアプセツトが
加えられると溶接部が変形して凸面形か平面形と
なり凝固層は薄いフイルム状となつて板厚面内に
は収縮孔が発生しない。この状態を第７図に示
す。

従来低アプセツトで溶接できなかつたのは、高
周波電流の不均一分布に基づく端面の不均一溶融
の結果であつて、端面の均一溶融を実現すれば低
アプセツト溶接が可能であることを見出した。ま
た、電流が集中して過溶融が生ずる範囲はコーナ
部から板厚の20％程度であり、板厚の1/4〜3/4部
の間では、溶融状態はほぼ一様であることを見出
した。

そこで本発明においては、金属帯を連続的に成
形して相対する突合わせ端面をクサビ形状に収束
させ、該突合せ端面を高周波電流で加熱ししかも
該クサビ形状の開放側からクサビ形状の頂点へレ
ーザビームを投射してクサビ形状の頂点を溶接温
度まで加熱する、レーザビームを併用した高周波
電縫溶接において：突合わせ端面の板厚中心部を
含む板厚の30％以上80％以下の範囲にレーザビー
ムを照射することにより端面を均一に溶融しか
つ、金属体に、溶接熱影響部のメタルフロー立上
り角が40°以下となる圧接力を加える。

〔作用〕

本発明方法によれば、高周波電流による加熱・
溶融が最も遅れる部分にのみ集中してレーザビー
ムが照射されるので、板厚全体に亘つて溶融状態
を一様にすることができる。従つて強いアプセツ
ト力で溶接部を変形させなくとも溶接欠陥を生じ
ないのは勿論、メタルフロー立上り角の小さい継
手性能の優れた溶融部が得られる。

次に図面を参照して本発明を説明する。

第１図に本発明を一態様で実施する溶接装置の
構成概要を示す。管状体１のエツヂ部２は高周波
電源８に結線されている接触子７から供給される
高周波電力によつて発生するジユール熱およびレ
ーザ照射装置４からビーム形状制御器５、ビーム
ガイド６を通して照射されるレーザビームLBに
よつて全肉厚範囲に亘つて均一に溶融される。特
にビーム形状制御器５はレーザビームが、突合せ
端面の板厚中心部を含む板厚の30％以上80％以下
の範囲に照射されるようビーム形状、位置を制御
する装置で、例えば特願昭58−75319号で提案し
た非点収差ミラー、および通常ミラー、レンズの
組合せから成つている。

スクイズロール３は、被溶接体の強度、板厚、
成品形状（管であれば管径）、目標とするメタル
フロー立上り角（40°以下）等に応じて、圧下力
を計算し制御する圧下力制御器９からの指示に基
づいて動作する油圧シリンダー１０を介して、圧
下力を被溶接体（第１図では管状体１）に与え
る。

以上の結果、第１図に示す複合溶接機により次
の態様で溶接が行なわれる。

(1) 高周波電流はレーザビームの照射を受けない
突き合わせ面角隅部を充分に溶融せしめ、 (2) レーザビームは高周波加熱のみでは溶融の不
足する板厚中央部の照射され、クサビ形状の頂
点近傍に収束して照射面を溶融せしめ、 (3) 高周波電流とレーザビームの複合作用により
突合せ端面は、クサビ形状の頂点近傍ではほぼ
均一溶融状態となり、 (4) 突合せ端面はスクイズロールによつて圧下力
を受け大部分の溶融金属は溶接部外に押し出さ
れ、溶融層は薄いフイルム状となり凝固収縮孔
を生ずることなく凝固し、 (5) 溶融接体の強度・板厚、成品形状に応じて設
定される適正圧下力が加えられる結果メタルフ
ロー立上り角は常に40°以下となり、 (6) 溶融欠陥がなく靱性の優れた溶接継手が得ら
れる。

なお、レーザビームによる加熱は、管状体のク
サビ形開先部に水平方向からレーザビームを入射
して行なうが、レーザビームは完全に水平でなく
ても実用的な範囲で斜に入射することも可能であ
る。また、レーザビームは必ずしも溶接点に焦点
を合せた細いビームではなく、幅広いビームでク
サビ形状頂点より前の開先対向面にあるように入
射し、クサビ状空間の両壁で多重反射を繰り返し
ながら次第に空間エネルギー密度を増して行き、
クサビ状空間の奥深部（溶接点）を加熱溶融する
態様でもよい。更に、レーザビームを板厚方向に
走査させてもよい。

〔実施例〕

板厚ｔ＝12.7mmの金属帯を、レーザー5Kw、高
周波電力270Kw、溶接速度12ｍ／min、メタルフ
ロー角35°で次の態様で溶接した。

(a) レーザビーム径：0.25t (b) レーザビーム径：0.3t〜0.8t (c) レーザビーム径：0.9t その結果、(a)では第８図のａに示すように、板
厚中心部が過溶融となつて穴が開き、コーナ部に
凝固収縮孔が発生した。板厚中心部の過溶融なら
びにコーナ部の凝固収縮孔はいずれも溶接欠陥と
なる。

(b)では、第８図のｂに示すような溶接断面とな
り、溶融が板厚方向で均一となり、凝固収縮孔は
板厚範囲の外に現われ、熱影響部の変形が少ない
溶接となつた。溶接欠陥はない。

(c)では、第８図のｃに示すような溶接断面とな
り、加熱効率が低下し、中心部が溶融不足となつ
て冷接が発生した。

靱性試験結果を第９図に示す。第９図で本発明
法として示しているのが第８図のｂで得た試験片
の結果であり、従来法として示しているのが第７
図で得た試験片の結果である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、第９図に示さ
れるように靱性が高い溶接が得られ、しかも、溶
接部の深さが板厚方向全体に浅く、均一で、溶接
欠陥を生じないのは勿論、熱影響部変形量が低減
し、メタルフロー立上り角が小さい、性能が良い
継手が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する溶接装置の
構成概要を示すブロツク図である。第２図は従来
の高周波電縫溶接による継手の拡大断面図、第３
図は該継手の立上り角と靱性の関係を示すグラフ
である。第４図は従来の高周波電縫溶接における
溶接エツヂ部の溶融状態と電磁力を示す断面図、
第５図は従来の高周波電縫溶接における溶接エツ
ヂ部のアプセツト開始直前の溶融状態を示す断面
図、第６図および第７図は従来の高周波電縫溶接
における溶接エツヂ部のアプセツト後の冷却状態
を示しそれぞれ低アツセツトの場合及び標準的な
アプセツトの場合の断面図である。第８図はレー
ザビームを併用した高周波電縫溶接による溶接部
の断面を表わす模式図で、ａ，ｂ，およびｃはそ
れぞれレーザビーム径を0.25t、0.3t〜0.8tおよび
0.9t（但しｔは板厚）した場合を示す。第９図は
溶接試験片の靱性テスト結果を示すグラフであ
る。 １：管状体、２：エツジ（溶接前対向面）、
３：スクイズロール、４：レーザ照射装置、５：
ビーム形状制御器、６：ビームガイド、７：接触
子、８：高周波電源、９：圧力制御器、１０：油
圧シリンダ、LB：レーザビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属帯を連続的に成形して相対する突合わせ
   端面をクサビ形状に収束させ、該突合わせ端面を
   高周波電流で加熱ししかも該クサビ形状の開放側
   からクサビ形状の頂点へレーザビームを投射して
   クサビ形状の頂点を溶接温度まで加熱する、レー
   ザビームを併用した高周波電縫溶接において： 突合わせ端面の板厚中心部を含む板厚の30％以
   上80％以下の範囲にレーザビームを照射する事に
   より端面を均一に溶融しかつ、金属体に、溶接熱
   影響部のメタルフロー立上がり角が40°以下とな
   る圧接力を加えることを特徴とするレーザビーム
   を併用した高周波電縫溶接方法。