JPH0523879B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、電縫溶接法にレーザ溶接法を組合せ
た複合熱源による製管溶接方法に関する。 〔従来の技術〕 製管法の一つとして、スケルプをＯ状に形成し
てオープンパイプとなし、そのエツジ部をスクイ
ズロールで加圧しながら溶接して溶接管を製造す
る方法が知られている。この製管法に使用される
溶接法の中で最も信頼性の高い溶接方法は、プラ
ズマ溶接法あるいはTIG溶接法とされている。し
かし、これらの溶接法は溶接速度が低く、低能率
である。 すなわち、プラズマ溶接法で高速溶接を行つた
場合は、溶込み不足に起因してキーホールが形成
されなくなり、吹き流しビードが発生し、安定な
ビード形成が困難となり、従つて高速化は難し
い。また、TIG溶接法の場合も、アーク力及び溶
融金属の表面張力のために、高速溶接時にはハン
ピングと呼ばれる不連続ビートを生じる。 従つて、これらの溶接法は、能率よりも品質が
強く要求されるステンレス鋼管や高合金鋼管等の
高級管の製造にのみ使用されている。 これに対し、最も高能率な製管溶接法は、オー
プンパイプのエツジ部を高周波加熱する電縫溶接
法である。しかし、その対象は、機械構造用鋼管
等の一般炭素鋼鋼管あるいは低合金鋼鋼管に限ら
れ、高級管は除外されている。これは、電縫溶接
法では本質的に微小な溶接欠陥が発生しやすく、
高級管への適用に際してはシールド溶接等の特殊
な対策を講じなければならず、またこのような対
策を講じても十分な成果が得られ難いことが理由
である。 このような状況を背景として開発された溶接法
が複合熱源による製管溶接方法であり、その方法
はプラズマ溶接法やTIG溶接法に匹敵する信頼性
と、電縫溶接法に準じる能率とを兼ね備えてい
る。この方法としては、例えば特開昭56−168981
号公報に示されるように、オープンパイプのエツ
ジ部を高周波加熱により予熱した後、スクイズロ
ール近傍でエツジ部接合点をレーザ照射により溶
融させて加圧接合する方法が代表的である。電縫
溶接法とレーザ溶接法とを組合せたこの方法によ
ると、エツジ部が最終的には溶融溶接されるため
に、電縫溶接法で問題となる溶接欠陥は皆無とな
り、また予熱を行つていることから、プラズマ溶
接等で高速溶接を行つた時に生じる吹き流しビー
ド、ハンピングビード、溶込み不足も生じず、高
速溶接が可能になる。 このような複合熱源による製管溶接方法におい
ては、レーザ光照射部にキーホールが形成され、
その近傍の溶融金属表面から金属蒸気が発生す
る。キーホール近傍で発生した金属蒸気は、レー
ザ光によつてプラズマ化され、通常はキーホール
のレーザ入射側に半球状にプラズマ塊を発生させ
る。このプラズマは、ビーム吸収性がよく、間接
的にキーホール近傍を加熱するが、プラズマ発生
のためにレーザ光の熱エネルギーの一部が消費さ
れており、また、そのビーム吸収によりキーホー
ルのレーザ入射側においてエネルギー拡散が生じ
るため、結果的には溶込み深さを減少させる要因
になつている。このため、従来にあつては、レー
ザ光照射側よりプラズマ発生域にAr等の不活性
ガスを吹付けて、プラズマをレーザ光の光路から
除去することが行われている。この状況を第４図
に示す。 オープンパイプ１のエツジ接合点にはパイプ外
面側から材料に対して直角方向にレーザ光がトー
チ４を通して照射され、キーホール８が形成され
ている。キーホール８近傍の溶融金属の酸化を防
ぐために、トーチ４先端のオリフイス４０からレ
ーザ光の光路に平行にAr等の不活性シールドガ
スが吐出されている。レーザ照射側、すなわちパ
イプ外面側からは、更にレーザ光の光路に対して
傾斜させたノズル９にてパイプ外面側のキーホー
ル８開口部近傍のプラズマ発生域にAr等の不活
性ガスが噴射されている。プラズマ発生域へ不活
性ガス噴射を行うことにより、プラズマがレーザ
光の光路上から除去され、プラズマによるレーザ
光の吸収は防止される。プラズマの除去が行われ
ない場合は、プラズマがレーザ光の光路をさえぎ
り、レーザ光の熱エネルギーを吸収する。 〔発明が解決しようとする課題〕 このような従来のガス吹付けによるプラズマ除
去においては、レーザ光との干渉があるために、
キーホール直上よりキーホール内に直接ガスを吹
付けることはできない。また、キーホールのレー
ザ光入射側開口部に不活性ガスを吹付けるにして
も、キーホール内の溶融金属がキーホール内より
パイプ外面側へ強制排除されてしまい、溶接ビー
ムが乱れたり極端な場合は溶断となり、溶接が著
しく不安定になる。このため従来は、第４図に示
されるように、レーザ光の光路に対して斜めから
ガス吹付けを行い、更に通常は、ガス圧を弱めた
りキーホールからやや離れた所を狙い位置として
吹付けを行つている。 しかるに、このようなガス吹付けでは、本質的
にプラズマの除去効果が薄い。プラズマ除去効果
を高めようとすると、上述した溶融金属排出の問
題が生じ、ガス吹付け角、ガス流量等の適正範囲
は極めて狭く、プラズマ除去効果の安定性も悪
い。また、たとえ適正範囲が保持されたとして
も、プラズマ除去効果が薄いことは上述したとお
りである。そして何よりも、既に生じてしまつた
プラズマを除去するだけであるから、プラズマの
発生にともなうレーザ光の熱エネルギー消費は放
置されたままとなつていて、プラズマによる熱エ
ネルギー吸収だけでなく、プラズマ発生にともな
う熱エネルギー消費の面からもエネルギー効率の
低下を招いているのが実状である。 本発明は、プラズマ発生にともなう熱エネルギ
ーの消費と、発生プラズマによる熱エネルギー吸
収の両方を防止することによつて、レーザ光の熱
エネルギー効率の大巾向上および安定化を図り、
これにより溶接速度の大巾上昇を可能にする複合
熱源による製管溶接方法を提供することを目的と
する。 〔課題を解決するための手段〕 本発明の製管溶接方法は、オープンパイプの相
対向するエツジ部を高周波加熱により材料の融点
以下の温度に予熱した後、スクイズロール近傍で
パイプ外面からレーザ光照射により前記エツジ部
を溶融させて加圧接合する製管溶接方法におい
て、前記レーザ光照射によつてレーザ光照射部に
形成されるキーホール内のガスを、パイプ内面側
へ吸引しながら溶接を行うことを特徴としてい
る。 〔作用〕 本発明の製管溶接方法においては、そのレーザ
溶接法に最大の特徴があり、そのレーザ溶接法は
次の３つの特徴的作用を有している。 第１は、キーホール内のガスがパイプ内面側へ
吸収されることにより、キーホール形成にともな
つて生じる金属蒸気の多くがプラズマ化されるこ
となく、レーザ光照射部から排除されることであ
る。 すなわち、プラズマを生じる原因の金属蒸気
は、溶接金属の表面から生じ、溶接金属は主にキ
ーホール内に存在している。キーホール内のガス
をパイプ内面側へ吸収しておけば、キーホール形
成にともなつて生じる金属蒸気は、キーホールが
バイパス路となつて、レーザ光が照射される側と
は反対の側へ最短距離で排出される。このように
して金属蒸気の多くはレーザ光によつてプラズマ
化されることなくレーザ光照射域外へ排除され
る。 以上が本レーザ溶接法における第１の作用であ
り、金属蒸気がプラズマ化されなければ、プラズ
マ化によるレーザ光の熱エネルギー消費はない。 第２は、金属蒸気の排出過程で生じてしまつた
プラズマも、金属蒸気とともにキーホール内を通
つてパイプ内面側に排出され、レーザ光照射側に
露出しないことである。これにより、プラズマに
よるレーザ光の熱エネルギー吸収は殆どなくな
る。 第３は、プラズマがキーホール内を通過する過
程で、キーホール内面を間接加熱することが期待
でき、僅かに生じたプラズマも、殆ど熱エネルギ
ー損失につながらないことである。 本発明の製管溶接方法においては、以上３つの
作用を有するレーザ溶接法により、レーザ光の著
しい熱エネルギー効率向上が達成され、レーザ光
の出力を増加させずに溶接速度の大巾向上が達成
される。 更に、本レーザ溶接法においては、金属蒸気お
よびプラズマの排出にガス吹付けではなく、吸引
という間接手段を採る。この間接手段によつてキ
ーホール内に生じるガス流は、キーホール内でス
トレートな流れとなる。また、キーホールはレー
ザ光の入射側で大きく、出射側で小さいので、出
射側で吸引を行う本レーザ溶接法においては、溶
融金属量の多い入射側でガス流がゆるやかとな
る。このようなことから、ガス流が溶融金属に与
える影響は僅少となり、良好な溶接性状が得られ
るとともに、そのことによつて大きな吸引力が確
保でき、熱エネルギー効率の向上および安定化が
図られる。 〔実施例〕 以下に本発明を実施例について説明する。 第１図は本発明の製管溶接方法を実施するのに
適したライン構成を示す模式図である。 オープンパイプ１は図外のスケルプより連続的
に形成される。すなわち、図外のスケルプが成形
ロール群にて先ず断面Ｕ形に形成され、更に断面
略Ｏ形に形成されてオープンパイプ１とされる。
形成されたオープンパイプ１は、相対向するエツ
ジ２，２の部分を上にして高周波誘導加熱コイル
３内を通過する。 オープンパイプ１が高周波誘導加熱コイル３を
通過する時にエツジ２，２とその周辺が予熱され
る。予熱されたエツジ２，２はスクイズロール
５，５の中心より僅かに手前で接合する。接合部
分は、上方よりトーチ４を通して照射されるレー
ザ光により溶融され、キーホールを生じる。溶融
部分は直ちにスクイズロール５，５間を通過し、
この通過で加圧され接合される。かくして、オー
プンパイプ１がパイプ１０になる。 トーチ４先端のオリフイス４０からは、溶融金
属の酸化を防ぐためのAr等の不活性シールドガ
スが噴射されている。 このような複合熱源による製管溶接方法におい
て本発明を実施するために、オープンパイプ１内
に細径管６がオーパイプ１の進行方向上流側より
挿入されている。該細径管６は、オープンパイプ
１の両エツジ２，２にほぼ平行且つ接近して設け
られている。細径管６の先端はレーザ光の光軸上
より僅かにオープンパイプの進行方向上流側に寄
つており、尾端側は両エツジ２，２間よりオープ
ンパイプ１外に延出して、オープンパイプ１外に
設けれたガス供給手段（図示せず）に接続されて
いる。 そして、製管溶接中に、該細径管６よりAr、
N₂等の不活性ガスを噴射すると、レーザ光照射
部に形成されるキーホールのパイプ内面側で、キ
ーホールにほぼ直角なガス流がキーホールに近接
して生じ、いわゆるサイホン効果によりキーホー
ルのパイプ内面側はパイプ外面側よりも負圧とな
る。この負圧によりキーホール内のガスはパイプ
内面側へ吸引され、これにともなつてキーホール
内およびその近傍に発生している金属蒸気および
プラズマはパイプ内面側へ強制排出される。 金属蒸気およびプラズマがパイプ内面側へ排出
されることにより、レーザ光の熱エネルギー効率
が上昇し、レーザ光の出力を増加させなくても溶
接速度の大巾向上が実現されることは、前述した
とおりである。 パイプ内面側へのガス吸引力は、細径管６から
のガス噴射量、噴射圧、先端位置等にて調整さ
れ、金属蒸気の発生状況、キーホールの大きさ等
に応じて適宜選択される。 このような本発明の製造溶接方法で実際に製管
を行つた結果を、種々の比較例による結果と対比
させて次に説明する。各例における溶接条件を第
１表に、良好な溶接性状が確保され得る範囲内で
の最大溶接速度を第２図に示す。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の複合
熱源による製管溶接方法は、そのレーザ溶接にお
いてキーホール内のガスをパイプ内面側へ吸引す
る。これにより金属蒸気がプラズマ化される前に
レーザ照射域より除去され、金属蒸気のプラズマ
化が防止される。また、プラズマ化された金属蒸
気も速やかにパイプ外面側へ除去され、レーザ照
射域に滞留することがないので、プラズマへのレ
ーザ光の熱エネルギー吸収も阻止さる。そして、
本発明法は、これら両面からレーザ光の熱エネル
ギー効率の大巾向上を図り、レーザ出力を増加さ
せることなく、溶接速度の大巾上昇を可能ならし
めるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するためのライン
構成を例示する傾斜図、第２図は本発明の効果を
種々の比較例と対比させて示したグラフ、第３図
は本発明の方法に使用されるレーザ溶接法の別の
態様を示す断面図、第４図は従来法で採用されて
いるレーザ溶接法を示す断面図である。 図中、１……オープンパイプ、２……エツジ、
４……レーザ光照射用のトーチ、５……スクイズ
ロール、６……キーホール内のガスを強制吸収す
るための細径管、７……同じくキーホール内ガス
吸引用のカバー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ オープンパイプの相対向するエツジ部を高周
   波加熱により材料の融点以下の温度に予熱した
   後、スクイズロール近傍でパイプ外面側からレー
   ザ光照射により前記エツジ部を溶融させて加圧接
   合する製管溶接方法において、前記レーザ光照射
   によつてレーザ光照射部に形成されるキーホール
   内のガスを、パイプ内面側へ吸引しながら溶接を
   行うことを特徴とする複合熱源による製管溶接方
   法。