JPH07124772A - エネルギビーム製管溶接方法および溶接管製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールドガスの巻き込みによる気孔の発生を
抑える。 【構成】 レーザビーム３の照射により形成された溶融
金属８に、超音波振動子５により超音波振動を付与す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接管の製造に用いら
れる製管溶接方法およびこれを実施する溶接管製造装置
に関し、特に、溶接熱源としてレーザービーム等の高密
度エネルギビームを用いた製管溶接方法および溶接管製
造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接管は、金属帯を複数のスタンドに通
して円筒状に成形し、その端面突き合わせ部を溶接する
ことことにより製造される。このような溶接管の製造に
使用する製管溶接方法として、レーザ溶接は他の溶接方
法と比べて熱源のエネルギ密度が高いため溶け込みが深
く高速溶接が可能である、総入熱量を少なくできるため
溶接部の性能が良好であるなどの点から、近時その導入
が盛んに進められている。また、その高速化率をさらに
高めるために、高周波による予熱を行った後にレーザー
ビームを用いて溶融溶接を行う方法も開発されている。

【０００３】ところで、レーザービームで溶接を行うと
電子ビーム溶接の場合と同様に溶接金属中に気孔が発生
する。なぜなら、溶接中に、大気中にある酸素等の気体
が溶接金属中に固溶し、溶接金属凝固時に、固溶した気
体がガス化して放出されるが、溶接金属が不均一凝固を
起こした場合、この放出ガスが溶接金属内部に閉じこめ
られるからである。そして、電子ビーム溶接やレーザー
溶接は、一般の溶融溶接方法と異なり、熱源のエネルギ
密度が高いため、総溶接入熱量が低く、その結果、溶接
金属の凝固速度が速いため、放出ガスが溶接金属内部に
閉じこめられてしまう確立が高い。すなわち、大気によ
る気孔発生の懸念が高い。

【０００４】この対策として、例えばアルゴン等の不活
性ガスで溶接部をシールドして、溶接金属が酸素に接触
しないようにする方法や、溶接金属中にアルミ等の脱酸
剤を投入して溶接金属中に固溶する酸素を溶接金属凝固
前に排出してしまう方法が、一般に採用されている。

【０００５】しかし、肉厚の厚い材料の溶接を行うと、
溶接部での溶融金属の運動が激しくなり、溶接部のシー
ルドを行っている不活性ガスが溶接金属中に巻き込み、
気孔として溶接金属中に残存する場合が生じる。この気
孔は不活性なシールドガスであるため、前述のような溶
接金属に脱酸剤等のガス成分を放出させる物質を添加す
る方法では解決できない。また、高周波予熱を行った場
合は、レーザー溶接単独の場合に較べて凝固速度が遅い
ため、前述のような溶接金属中に固溶したガスの放出に
よる気泡発生は少なくなるが、不活性ガスの巻き込み原
因によって発生する気孔については、凝固速度低下に伴
い溶融池が大きくなるため溶融金属の運動が起こり易く
なり、気孔の発生頻度が逆に増える。そのため、凝固速
度低下による気孔の浮上排出効果は、期待するほど大き
くはない。

【０００６】そこで、不活性シールドガスの巻き込みに
よる気泡発生を防ぐ対策が必要になり、特開昭６４−２
２４８８号公報にはビード形状を限定する方法が開示さ
れている。また、発生した気泡を排出する方法として、
溶接部を真空あるいは減圧状態にして溶接を行う方法は
周知であり、特開平１−２７１０８０号公報には電磁コ
イルを用いて溶鋼の流れを制御する方法も開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ビード
形状を限定する方法では、ビームモードとしてマルチモ
ードが必要になり、溶接速度を高速化するために用いら
れている大出力レーザ加工機の一般的なビームモードで
あるリングモード（不安定型共振マルチモード）を適用
できない。しかも、ビームの集中度合いを低くしなけれ
ばならない。そのため、溶接効率が低くなり、同一の溶
接部材に対して大容量のレーザ発振機が必要になってし
まう。

【０００８】また、溶接部を真空あるいは減圧状態にし
て溶接を行う方法は、被溶接材全体を完全に真空あるい
は減圧状態にできる場合、あるいは被溶接材が移動しな
い場合は容易に実現でき、確かに気孔の低減に有効であ
る。しかし、複数のローラを用いて連続的に成形し、か
つ連続的に溶接する一般的な溶接管の製造においては、
高精度なシール確保が不可能なため、溶接部の真空化あ
るいは減圧化は事実上、実現困難である。

【０００９】さらに、電磁コイルを用いて溶鋼の流れを
制御する方法は、被溶接材料が管の場合、その被溶接材
が曲率を持っているため適正な方向に電磁コイルを配す
ることが難しく、高い有効性を期待できない。むしろ、
溶鋼の流れの制御が難しいためによどみが生じやすく、
よどみが生じるとそこにブローホールが多発する危険が
ある。

【００１０】以上のように、エネルギビーム製管溶接に
おいては、不活性シールドガス巻き込みによる気孔発生
を防止する有効な手段がないため、この種の気泡が生じ
易い厚肉材料（３ｍｍ以上の鋼材）の溶接では、気孔の
ない溶接を行うことができなかった。

【００１１】本発明の目的は、溶接効率を低下させるこ
となく、不活性シールドガスの巻き込みによる気孔の発
生を可及的に防ぎ、しかも実施の極めて容易なエネルギ
ビーム製管溶接方法を提供することにある。本発明の他
の目的は、そのエネルギービーム製管溶接方法を経済的
に実施する溶接管製造装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】レーザー製管溶接におい
て、不活性シールドガスの巻き込みにより気孔が発生す
る原因が、肉厚の厚い材料を溶接したときの溶融金属量
の増大による溶融金属変動の増大、すなわち激しい溶融
金属の運動により、不活性シールドガスが多量に溶融金
属中に侵入することにあることは前述した通りである。

【００１３】本発明者らは、その気孔発生を防ぐため
に、気孔の発生メカニズムを更に詳細に調査した結果、
次の事実を知見した。

【００１４】 溶融金属中に侵入したガスは、一部は
浮上排出されるが、残りは凝固界面に付着し、そのまま
周囲の溶融金属が凝固することにより、溶接金属中に気
孔を発生させること。 気孔発生を防ぐには、凝固界面に付着しているガス
をその界面から強制的に剥離させる必要があること。 換言すれば、凝固界面からガスを剥離させさえすれ
ば、そのガスは溶融金属中へ放出されて浮上排出される
こと。 その強制剥離手段として、溶融金属への超音波振動
の付与が、有効性および実現性の両面から望ましいこ
と。

【００１５】本発明はかかる知見に基づきなされたもの
で、そのエネルギビーム製管溶接方法は、金属帯を円筒
状に成形し、その端面突き合わせ部をエネルギビームの
照射により溶接して管となす溶接管の製造において、キ
ーホール近傍の溶融金属に超音波振動を与えながら溶接
を行うものである。

【００１６】また、本発明の溶接管製造装置は、金属帯
を円筒状に成形し、その端面突き合わせ部をエネルギー
ビームの照射により溶接して管となす溶接管の製造装置
において、高周波発振器で発生させた高周波電流を用い
て溶接前の金属帯両エッジ部を予熱する予熱手段と、前
記高周波発振器で発生させた高周波電流の一部を用いて
超音波振動を発生させ、その超音波振動をキーホール近
傍の溶融金属に付与するべくビーム照射点近傍に配置さ
れた超音波振動子とを具備するものである。

【００１７】

【作用】図１に本発明法の一実施態様を示す。この実施
態様は本発明装置の実施態様でもある。

【００１８】金属帯１は、図示されない複数のロールを
通過して断面円形のオープンパイプに成形され、スクイ
ズロール２，２の間で両端面が突き合わされる。そし
て、その突き合わせ部に上方からレーザービーム３を照
射して、突き合わせ部を溶融溶接することにより管４と
される。

【００１９】このとき、ビーム照射点の近傍がヘリウム
やアルゴン等の不活性ガスによりシールドされる。ま
た、予熱用高周波発振器６に接続された給電チップ７，
７を、超音波振動５，５の接触点より更に上流側で両エ
ッジ部に接触させることにより、両エッジ部が予熱され
る。

【００２０】そして、ビーム照射点の僅かに上流側で、
オープンパイプの両エッジ部に超音波振動子５，５を接
触させることにより、キーホール近傍の溶融金属に超音
波振動が付与される。超音波振動子５，５は、その電流
源として予熱用の高周波発振器６を利用するため、高周
波発振器６に分配器１１を介して接続されている。

【００２１】図２にビーム照射部の近傍を拡大して示
す。

【００２２】レーザービーム３の照射により形成された
溶融金属８は、スクイズロール２，２の間で保持されな
がら、両側および下側から徐々に冷却されて凝固する。
溶融金属８が凝固するまでの領域は不活性シールドガス
の流通により大気から遮蔽される。

【００２３】ビーム照射部を更に詳しく見ると、レーザ
ービーム３の照射により、オープンパイプの突き合わせ
部は蒸発し、キーホールと呼ばれるレーザービーム３の
通る貫通孔９を生じる。肉厚材料を溶接すると、キーホ
ール９の長さも材料の肉厚に従って長くなる。このた
め、厚肉材料の溶接では、キーホール９が周囲の溶融金
属８に押されて潰れる場合が発生し、キーホール９が一
部潰れた後、再び、レーザービーム３によりキーホール
９の貫通が行われる。

【００２４】厚肉溶接時には、このキーホール９の貫通
・閉塞の繰り返しにより、薄肉溶接時には生じない溶融
金属８の脈動が起こり、脈動波がキーホール９の近傍の
シールドガスを溶融金属８中に巻き込む。巻き込まれた
ガスは気泡となり一部は溶融金属８中に浮遊し、残りは
凝固界面に付着する。溶融金属８中に浮遊する気泡は溶
融金属８の凝固までに浮上し外部へ排出されるが、キー
ホール９近傍で凝固界面に付着した気泡は、界面の凝固
速度が速いために、凝固金属中に閉じこめれてしまう。

【００２５】この状態において、キーホール９近傍の溶
融金属８に超音波を与えると、気泡が超音波により収縮
・膨張を激しく繰り返し、例えば超音波洗浄で汚れが被
洗浄物から剥離するように、気泡が凝固界面より剥離し
浮上するため、凝固金属中への閉じ込めがなくなる。気
泡自身が凝固界面より剥離・浮上する力を有するため、
溶鋼の流れ制御の場合に生じる不均一流れを懸念する必
要がなく、安定して気泡が溶接金属の外部へ排出され
る。

【００２６】このように、本発明のエネルギビーム製管
溶接方法は、キーホール９近傍の溶融金属８に超音波振
動を与えて、凝固界面に付着する気泡を凝固界面から強
制的に剥離させ浮上させることにより、溶接金属から気
孔を排除する。

【００２７】以下に、超音波の与え方を詳しく説明す
る。

【００２８】位置 前記原理より、キーホール近傍の溶融金属に超音波振動
が大きく伝わるような位置で超音波振動を与えることが
望ましい。超音波は振動伝達中の減衰が大きいため、で
きる限りキーホールに（直線距離で）近い位置に振動子
を設置した方が好ましく、その設置位置はキーホールに
対して溶接方向前後どちらでもかまわない。また、前記
実施態様では振動子を２個設置しているが、これは振動
子１個の場合よりも振動力を高くして効果を増大させる
目的で実施しており、１個のみでも、また３個以上にな
っても原理上の支障はない。

【００２９】周波数・出力 気泡の収縮・膨張力は周波数の２乗に比例するため、高
周波数にする方が凝固界面より剥離する力が強くなり望
ましい。また、気泡の収縮・膨張力は超音波出力に比例
するため、出力も大きい方が望ましい。望ましい出力は
数ｋＷ以上、望ましい周波数は数百ＫＨ_Z 以上である。
ただ、高周波になるほど技術的に大出力が難しく、現状
技術では実施例に記載した数百ｋＨｚレベルが最も効率
的な周波数帯域である。また、周波数が高くなるにつれ
て減衰が大きくなるため、装置設置レイアウト上、振動
子を近くに設置できない場合は、その距離に応じた周波
数限界が生じる。

【００３０】高周波発振器 加工に使用するような高出力の超音波振動を発生させる
場合、一般に高周波発振器で発生した高周波電流を振動
子に与えることが行われている。一方、本発明が対象と
する製管溶接では、高周波予熱を行う場合がある。この
高周波予熱に使用される高周波発振器は、工業用として
最大級の出力発生が可能で、超音波振動のための高周波
発振器としても好ましい特性を有している。超音波振動
専用の高周波発振器を設置すれば振動付与の面からは理
想的であるが、高周波発振器の価格が高いことから、製
造設置が予熱用高周波発振器を備え、かつ予熱能力に余
裕があれば、前記実施態様のように、予熱用高周波発振
器で発生させた高周波電流を一部分岐して超音波振動子
に与えれば、簡易な装置構成が可能になる。

【００３１】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。

【００３２】図１および図２に示す態様で本発明を実施
した。製造条件を表１に示す。

【００３３】２個の超音波振動子５，５は、レーザービ
ーム照射位置から上流側へ５ｍｍの位置に突き合わせ部
を挟んで設置し、チタン製のホーン１０，１０を介して
オープンパイプの両エッジ部外面に接触させた。各超音
波振動子５は、磁性酸化物製の振動子本体を、その外周
側に巻き付けたコイルに高周波電流を流すことによって
振動させるタイプであり、その電流源には予熱用の高周
波発振器を用いた。各ホーン１０は油圧によってオープ
ンパイプ外面に押し付けた。レーザービームのモード
は、大出力レーザ加工機の一般的モードであるリングモ
ードとした。

【００３４】キーホール近傍の溶融金属に超音波振動を
付与した場合も付与しなかった場合も、ＪＩＳ Ｚ３１
０４およびＺ３０５０の規定によるＸ線透過検査では、
いずれの溶接部も１級であった。そこで、各溶接部の断
面を１ｍピッチで１００個採取し、各断面に存在する直
径１０μｍ以上の大きさの気孔数を調べた。厚肉溶接の
ため、超音波振動を付与しない場合は、１断面あたり平
均８個の気孔が観察されたが、超音波振動を付与した場
合は、これが１個に激減した。

【００３５】

【表１】

【００３６】上記実施例は、超音波振動子の電流源とし
て予熱用高周波発振器を利用したが、独自に高周波発振
器を構成しても同様の効果を得ることができる。ただ
し、超音波の振動数により、振動子およびホーンの材質
・形状等は最適になるよう選択する必要がある。

【００３７】また、上記実施例では、予熱が採用されて
いるが、予熱のないレーザ溶接単独の場合も、超音波振
動の付与により気孔を低減させることができる。この場
合は、超音波振動の付与により、高周波予熱レーザ溶接
の場合と同程度まで気孔を減らすことができる。また、
電子ビーム溶接の場合も、超音波振動の付与により気孔
が大幅に減ることを本発明者らは確認している。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のエネルギ
ビーム製管溶接方法は、キーホール近傍の溶融金属に超
音波振動を付与することにより、ビームモード等の溶接
条件に犠牲を強いることなく、シールドガスの巻き込み
による気孔を大幅に減らすことができる。また、大気中
で超音波振動を付与できるため、実施も非常に容易であ
る。従って、これまで不可能とされていた気孔の極めて
少ない厚肉材料の溶接製管が可能になる。

【００３９】また、本発明の溶接管製造装置は、キーホ
ール近傍の溶融金属に付与する超音波振動の発生エネル
ギー源として、予熱に使用する高周波発振器を利用する
ので、前記効果に加えて、装置構成を簡略化し、装置コ
テトを低減させるという経済的効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施態様を示す平面図である。

【図２】ビーム照射部近傍の拡大図である。

【符号の説明】

１ 金属帯 ２ スクイズロール ３ レーザービーム ４ 管 ５ 超音波振動子 ６ 予熱用高周波発振器 ７ 給電チップ ８ 溶融金属 ９ キーホール １０ ホーン １１ 分配器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属帯を円筒状に成形し、その端面突き
   合わせ部をエネルギビームの照射により溶接して管とな
   す溶接管の製造において、 キーホール近傍の溶融金属に超音波振動を与えながら溶
   接を行うことを特徴とするエネルギビーム製管溶接方
   法。
2. 【請求項２】 金属帯を円筒状に成形し、その端面突き
   合わせ部をエネルギビームの照射により溶接して管とな
   す溶接管の製造装置において、 高周波発振器で発生させた高周波電流を用いて溶接前の
   金属帯両エッジ部を予熱する予熱手段と、 前記高周波発振器で発生させた高周波電流の一部を用い
   て超音波振動を発生させ、その超音波振動をキーホール
   近傍の溶融金属に付与するべくビーム照射点近傍に配置
   された超音波振動子とを具備することを特徴とする溶接
   管製造装置。