JPH06142959A - レーザ溶接法による製管方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】管内面および溶接部品質の優れたレーザ溶接管
の提供。 【構成】金属板を成形ロールによって管状に連続成形
し、その突合せ部をレーザ溶接して製管する際、溶接部
位管内に通水構造のマンドレル１４に支持された損傷防
止部材７を配設する。この損傷防止部材７は、溶接部貫
通エネルギービームの貫通孔８の部分にシールドガス噴
射口１３を有し、かつ内部冷却水を管内面に流出させる
構造となっている。製管に際しては、この損傷防止部材
７により、溶接部と対向する管内面に所定幅の水流１７
を形成するとともに、溶接部直下にシールドガスを噴射
してレーザ溶接を行う。 【効果】溶接部と対向する管内面を流れる水流によりス
パッタが冷却されると同時に管外へ排出される。溶接部
貫通エネルギービームによる管内面の熱損傷が防止され
る。シールドガスにより水蒸気等から溶接部が保護され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザを熱源とする
製管技術に係り、特に溶接部の品質向上とスパッタの管
内面付着防止をはかる、レーザ溶接法による製管方法お
よびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、レーザ光を細いビームに
集光して被溶接部に照射することにより被溶接部を溶融
接合する方式であり、高速で低入熱、深溶込み、低歪の
溶接が可能である。このレーザ溶接法による製管方法
は、素材の帯鋼を成形ロールによって管状に連続成形し
た後、その成型されたオープンパイプの突合せ部（エッ
ジ部）をレーザ溶接して製管する方法であり、溶接部の
幅が狭く熱影響による素管材質の劣化が少ない高品質の
溶接管の製造が可能である。

【０００３】しかし、このレーザ溶接方法は、高密度エ
ネルギービームを貫通させるキーホール溶接法であり、
溶接部に照射されたエネルギービームの一部が溶接部を
貫通してスパッタを発生させながら管内面へ投入され
る。この投入されるレーザビームのエネルギーは、発生
したスパッタおよび貫通部に対向する管内面上を加熱す
るに十分なエネルギーをもち、スパッタは当該管内面に
容易に付着する。したがって、管径が小であるほど貫通
部と貫通部に対向する管内面上との距離は小さくなり、
管内面上へのスパッタの付着および管内面の熱的損傷が
生じ易い。スパッタは半溶着したものが多く、容易に除
去することが困難であるため、管内面品質の低下を余儀
なくされる。

【０００４】このようなスパッタ付着、熱的損傷の問題
を解決するため、例えば特開昭６０−１７０５８８号公
報には、溶接部裏面に損傷防止部材を配設して溶接する
レーザビーム製管溶接法が提案されている。この方法
は、平板状または樋状の損傷防止部材を溶接部の開口部
から溶接部の裏面に位置するように連続的に送込み、溶
接部を貫通するエネルギービームと、スパッタ類を受止
めながら製管する方法である。

【０００５】また、特公昭６０−１８７４９０号公報に
は、レーザビームで製管溶接するに際し、溶接部の裏面
に、貫通エネルギーを吸収しさらに溶接部から発生する
スパッタ類を受止めて管外へ排出する損傷防止器を配設
して溶接する方法が提案されている。この方法における
損傷防止器は、内部を流れる冷却水により貫通エネルギ
ーを吸収するとともに、捕集したスパッタ類を管外へ排
気する構造となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開昭６
０−１７０５８８号公報に記載されている方法は、損傷
防止部材の送給手段、位置決め手段を必要とする上、送
給された損傷防止部材は切断して管内から取出さなけれ
ばならないため、コスト、工数面で実用性に欠ける。ま
た、特公昭６０−１８７４９０号公報に記載されている
方法は、損傷防止器のスパッタ類捕集部と溶接部との距
離が短いため、損傷防止器が冷却構造であっても溶接熱
の影響を受け熱的損傷が避けられず、捕集したスパッタ
類が溶着して次第に堆積した状態を呈し、吸引による排
出が困難になるという欠点がある。

【０００７】なお、前記吸引法に替えて、ガスの噴出に
よる吹付け法によりスパッタ類を除去する方法も知られ
ているが、スパッタ類の堆積現象を防止することは不可
能であり、実用できるものではない。

【０００８】この発明は、このような従来技術の問題点
に鑑み、溶接部に対向する管内面上へのスパッタの付
着、溶接部を貫通するエネルギービームによる管内面の
熱損傷を比較的簡易な手段で確実に防止し、かつ健全な
ビードを確保することが可能で、管内面および溶接部品
質の優れた溶接管を提供し得るレーザ溶接法による製管
方法およびその装置を提案しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、溶接部に対
向する管内面上へのスパッタの付着、溶接部を貫通する
エネルギービームによる管内面の熱損傷を防止する手段
として、管内面に水流を形成してスパッタを冷却、流出
させると同時に、水流による管内面の冷却効果により管
内面の熱損傷を防ぎ、さらに溶接部裏面に不活性ガスを
噴射させることによって、管内に発生する水蒸気等から
溶接部を保護するようにしたもので、その要旨は、溶接
部下方の管内面に製管進行方向に通流する水流を形成
し、該水流の上方に溶接部シールド用不活性ガスを噴射
させて製管することを特徴とするレーザ溶接法による製
管方法であり、また、この方法を実施するための手段と
して、内部が通水構造となすとともに、溶接部貫通エネ
ルギービームの広がり幅より広幅でかつ製管進行方向に
通流する水流を管内面に形成する冷却水排出口を有し、
かつ溶接部直下に溶接部シールド用不活性ガス噴射口を
有する損傷防止部材を溶接部位管内に配設したことを特
徴とするレーザ溶接法による製管装置である。

【００１０】

【作用】溶接部から発生するスパッタは、当該溶接部と
対向する管内面を流れる水流上に落下し、冷却されると
同時に製管進行方向に押流される。したがって、スパッ
タが管内面に付着することがない。また、溶接部と対向
する管内面は上記水流により冷却されているため、溶接
部を貫通して管内面に到達したエネルギービームによる
管内面の熱損傷は防止される。さらに、管内面を流れる
水流の上方には溶接部シールド用不活性ガスが噴射され
ているため、スパッタと水流との接触により発生する水
蒸気等の溶接部への侵入が防止される。

【００１１】管内に配設する損傷防止部材は、当該管内
に挿入する冷却構造のマンドレルの先端に装着して溶接
部位に位置させる。この損傷防止部材への冷却水および
シールドガスの供給は、上記マンドレルの内部を利用す
ることができる。この場合、マンドレルには冷却水通路
とシールドガス通路を独立して設け、損傷防止部材に設
けた冷却水通路とシールドガス通路とをそれぞれ接続す
る。

【００１２】損傷防止部材は、マンドレルを通して供給
される冷却水により冷却されるので、溶接熱による損傷
は防止される。また、この冷却水の排出口は、溶接部と
対向する管内面に溶接部貫通エネルギービームの広がり
幅より広幅の水流が形成されるように設けられているの
で、溶接部貫通エネルギービームが管内面の非水流面に
照射されることがなく、かつスパッタを完全に捕集する
ことができる。捕集されたスパッタは水流と共に管外へ
排出されるので、管内に残存することがない。

【００１３】損傷防止部材のシールドガス噴射口は、溶
接部直下をシールドするごとくシールドガスが水平に噴
射されるように設けられているので、下方で発生する水
蒸気を完全に遮断する。したがって、健全な溶接部を確
保することができる。

【００１４】この発明によれば、健全な溶接部を有し、
かつスパッタ付着、熱的損傷のない高品質のレーザ溶接
管の製造が可能となる。

【００１５】

【実施例】図１はこの発明方法を実施するための装置構
成例の製管溶接部を示す平面図、図２は同上装置の製管
溶接部の縦断側面図、図３は同上装置の製管溶接部の横
断平面図、図４は図２に示す製管溶接部のＡーＡ線上の
拡大縦断正面図であり、１はオープンパイプ、２はスク
イズロール、３はレーザビーム、４は溶接点、５は溶接
部貫通エネルギービーム、６はスパッタ、７は損傷防止
部材、８は貫通孔、９は冷却水通路、１０は排水槽、１
１は冷却水排出口、１２はシールドガス通路、１３はシ
ールドガス噴射口、１４はマンドレル、１５は給水管、
１６はシールドガス送給路、１７は水流である。

【００１６】すなわち、損傷防止部材７は、本体が円形
胴部７−１と該胴部より管軸方向に伸びるほぼ半円状の
突出部７−２とから構成され、突出部７−２の中央に管
軸方向に長い貫通孔８が穿設されている。突出部７−２
にはこの貫通孔８を取囲むように、下段に冷却水通路９
が、上段にシールドガス通路１２がそれぞれ独立して設
けられており、各通路はそれぞれ円形胴部７−１の端面
に開口し、かつ冷却水通路９の他端は円形胴部７−１に
設けた排水槽１０に連通され、シールドガス通路１２に
は、貫通孔８に開口するシールドガス噴射口１３が適当
な間隔に穿設されている。排水槽１０は、円形胴部７−
１の下部に管内面に沿って円弧状に設けられ、溶接点４
と対向する管内面上に溶接部貫通エネルギービーム５の
広がり幅より広幅でかつ製管進行方向に通流する水流１
７を管内面に形成するための冷却水排出口１１が穿設さ
れている。この冷却水排出口は連続状スリットまたは多
孔で構成してもよい。なお、冷却水通路９の一端に水排
出孔１８を設けることにより、損傷防止部材７の冷却効
果をより高めることができる。

【００１７】マンドレル１４は中空となし、その中空部
をシールドガス送給路１６となすとともに、この中空部
に給水管１５が内挿され、損傷防止部材７の円形胴部７
−１の端面に開口した冷却水通路９とシールドガス通路
１２がそれぞれマンドレル１４の給水管１５とシールド
ガス送給路１６と連通するごとく、マンドレル１４の先
端に損傷防止部材７がねじ方式または溶接等により接続
されている。

【００１８】上記装置において、オープンパイプ１は一
群の成形ロール（図示せず）によって管状に連続成形さ
れたのち、スクイズロール２により両エッジ部が突合さ
れ、その突合せ部がレーザビーム３により溶接される。
この時、溶接部貫通エネルギービーム５は、事前に溶接
部位の管内部に配設されている損傷防止部材７の貫通孔
８を通過して管内底面側に照射されるが、溶接部位と対
向する管内面には、損傷防止部材７に供給された冷却水
が排水槽１０の冷却水排出口１１より流出して水流１７
が形成されているため、溶接部貫通エネルギービーム５
とその時発生するスパッタ６はこの水流１７内に投入さ
れ、スパッタ６は瞬時に冷却され管内面に付着すること
なく製管進行方向（矢印方向）に押流される。一方、貫
通ビーム５は水流１７を透過し直接管内面に照射される
が、管内面は水流１７で冷却されており、また管自体も
移動しているため管内面が熱的損傷を受けることはな
い。

【００１９】また、溶接部貫通エネルギービーム５とス
パッタ６が水流１７に接触すると同時に水蒸気が発生す
るが、マンドレル１４を通して損傷防止部材７に供給さ
れたシールドガス（Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等の不活性ガス）
がシールドガス通路１２のシールドガス噴射口１３より
貫通孔８に噴射されているため、このシールドガスによ
り水蒸気の上部への排出が遮断されると同時に、上方へ
排出するシールドガスにより大気も遮断され、溶接点４
は保護される。なお、貫通孔８を図示のように上側を狭
く、下側を広くすることにより、該貫通孔８の上部は比
較的低圧力となり、溶接点の裏波ビード形状を乱すこと
なく溶接金属部が効果的に保護される。

【００２０】したがって、上記装置によれば、品質良好
な溶接部が得られるとともに、スパッタ付着、熱的損傷
のない高品質のレーザ溶接管の製造が可能となる。

【００２１】実施例１ 表１に示す化学成分を有する鋼板を用い、図１〜図４に
示すこの本発明のレーザ溶接装置により表２、表３に示
す条件で各種サイズの製管溶接を行った。レーザは定格
出力５ｋｗの炭酸ガスレーザ発信器を使用した。製管溶
接結果を表４、表５に示す。なお、表３、表５は従来例
である。

【００２２】本実施例における評価法としては、製管後
の長尺パイプを１ｍ長さ間隔で５カ所よりある長さの試
験材を採取し、内面において溶接部に対向する１ｃｍ^２
当りの面上のスパッタ付着量と、０℃での密着偏平試験
による割れ率で評価した。スパッタ付着量の評価に際し
ては、面上をＡｒで吹付け、軽度の付着スパッタを除い
た。また、密着偏平には、各採取位置から５０ｍｍ長さ
のパイプを２本ずつ採取し、計１０本の割れ発生数で評
価した。

【００２３】なお、表２、表４中、比較例の試験Ｎｏ．
６はシールドガス無しで水流有りの場合、同試験Ｎｏ．
７はシールドガス有りで水流無しの場合である。また、
表３、表５中、試験Ｎｏ．８〜１２は内面シールド無し
の場合、同試験Ｎｏ．１３〜１７は内面シールド有りの
場合をそれぞれ示す。

【００２４】表５の結果より、従来例の試験Ｎｏ．８〜
１７では、内面シールドガスの有無にかかわらず、管径
が大きいほど、また溶接速度が大きいほどスパッタの付
着量は少ない。これは、管径が大きくなるほど溶接部に
対向する面上でのレーザエネルギー密度が低下するため
である。また、溶接速度が大きいと、溶接部に対向する
面上へのレーザエネルギー投入量か低減するためであ
る。密着偏平試験では、内面シールド無しに比べて有り
の方が割れ率は低下するものの、皆無とはならない。こ
れは、管材料の切断、フープ成形時、また管状に成形す
る途上で付着する油類がレーザエネルギーにより燃焼し
発生するガスがシールドガスに混合されることによりシ
ールドガス純度を低下させることが原因と考えられる。

【００２５】これに対し、表４に示す本発明例の試験Ｎ
ｏ．１〜５では、管径にかかわらず管内面のスパッタ付
着は認められず、また密着偏平試験においても割れの発
生は確認されなかった。ただし、比較例の試験Ｎｏ．６
（シールドガス無しで水流有り）では、スパッタの付着
は認められなかったが割れ率が高く、また同試験Ｎｏ．
７（シールドガス有りで水流無し）では、割れの発生は
皆無であったがスパッタの付着が認められ、この結果よ
り水流とシールドガスはどちらも必要であることがわか
る。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】

【表５】

【００３１】

【発明の効果】以上説明したごとく、この発明によれ
ば、溶接部対向する管内面を製管進行方向に流れる水流
によりスパッタの管内面付着を防止できるとともに、溶
接部貫通エネルギービームによる管内面の熱損傷も防止
でき、さらにシールドガスにより水蒸気や大気から溶接
部を保護することができるので、健全な溶接部を有する
高品質のレーザ溶接管を製造することができる。

【００３２】また、溶接部位管内に配設される損傷防止
部材はマンドレルにて支持されるので、位置決めが容易
で管内セッティングを簡易迅速に行うことができ、さら
に該損傷防止部材はマンドレルから供給される冷却水に
て冷却されているので溶接熱による損傷もなく、常に安
定かつ能率よくレーザ溶接を行うことができる。さら
に、この発明は構造的にも比較的簡単でかつ既設設備に
容易に適用できるので、コスト的にも安価につく効果が
ある等、レーザ溶接管の製造に多大な効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明方法を実施するための装置構成例の製
管溶接部を示す平面図である。

【図２】同上装置の製管溶接部の縦断側面図である。

【図３】同上装置の製管溶接部の横断平面図である。

【図４】図２に示す製管溶接部のＡーＡ線上の拡大縦断
正面図である。

【符号の説明】

１ オープンパイプ ２ スクイズロール ３ レーザビーム ４ 溶接点 ５ 溶接部貫通エネルギービーム ６ スパッタ ７ 損傷防止部材 ８ 貫通孔 ９ 冷却水通路 １０ 排水槽 １１ 冷却水排出口 １２ シールドガス通路 １３ シールドガス噴射口 １４ マンドレル １５ 給水管 １６ シールドガス送給路 １７ 水流

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属板を成形ロールによって管状に連続
   成形し、その突合せ部をレーザ溶接法により溶接し製管
   する方法において、溶接部下方の管内面に製管進行方向
   に通流する水流を形成し、該水流の上方に溶接部シール
   ド用不活性ガスを噴射させて製管することを特徴とする
   レーザ溶接法による製管方法。
2. 【請求項２】金属板を成形ロールによって管状に連続成
   形し、その突合せ部をレーザ溶接法により溶接し製管す
   る装置において、内部が通水構造となすとともに、溶接
   部貫通エネルギービームの広がり幅より広幅でかつ製管
   進行方向に通流する水流を管内面に形成する冷却水排出
   口を有し、かつ溶接部直下に溶接部シールド用不活性ガ
   ス噴射口を有する損傷防止部材を溶接部位管内に配設し
   たことを特徴とするレーザ溶接法による製管装置。