JPH07284996A - 電縫鋼管の溶接ビード余盛りの高速除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電縫鋼管の製造にさいして鋼管の内外面に生
ずる溶接ビード余盛りを除去するのに、従来の切削工具
による方法に代え高能率で作業できる方法を提供する。 【構成】 鋼板を成形して、電縫溶接によって鋼管を製
造するさいに、溶接部内外面に発生する溶接ビード余盛
りを、溶接直後に出力０．５ｋＷ以上のレーザー光をも
って再加熱、溶融させ、該溶接ビードに造管方向入り側
から不活性ガスまたは窒素のうちの１種または２種以上
からなる気体の気流を１．５リットル／分・ｃｍ² 以上
の流速で吹き付けて飛散させ、オンラインで除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電縫鋼管の生産性向上
と、鋼管の溶接部品質を向上させるために、電縫鋼管の
製造にさいして溶接ビード余盛りを除去する技術に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】広幅鋼板を素材とし、これを成形して継
ぎ目を接触式高周波抵抗溶接あるいは非接触式高周波誘
導加熱して溶融接合する、いわゆる電縫鋼管の製造にさ
いし、従来は電縫溶接部内外面に発生する溶接ビードの
余盛りの部分を、切削工具あるいは切削工具を付帯する
回転式あるいは固定式の切削装置によって除去してい
た。しかし、これら切削工具は工具鋼、合金工具鋼、耐
摩耗合金もしくは耐摩耗セラミックスからなるものが一
般的であって、種々の技術が開発されているものの、い
ずれも使用時間に制限があり、多くの場合高々数時間の
寿命しか有していなかった。

【０００３】また、これら切削工具は、溶接ビード余盛
りを切削除去する方式を用いているため、工具の硬度と
切削対象のビードの化学成分との対応に配慮が必要であ
り、しかも工具の摩耗あるいは破損によって溶接ビード
除去部に傷を生成させたり、アンダーカット等の切削不
良によって溶接部の品質あるいは外観に影響を与える場
合があった。

【０００４】しかも、一定の剛性を工具を支える取付懸
架装置にもたせる必要から、工具全体の大きさは一定以
上のものが必要であり、径の小さい電縫鋼管の製造に際
しては、鋼管内面側のビード切削を断念して、溶接ビー
ド余盛りを残したまま製品として使用環境に供せざるを
えない等の未解決課題さえも有していた。加えて、工具
の寿命を考慮する場合には造管速度の低下をきたし、生
産性を律速して低下させる等の、造管上の問題となる場
合があった。

【０００５】従来のビード余盛り除去技術では、これら
の工具寿命もしくは電縫鋼管の生産性と品質の問題点を
解決すべく切削工具を改良、あるいは造管温度を変更す
る方法を主眼としていた。例えば特開昭６４−４５５１
２号公報には切削装置としてのビードカッターに関する
開示があり、特開昭６３−１６９２０１号公報では高温
での溶接部ビード切削方法に関する開示がある。また、
工具寿命延長を目的として１９８６年秋精密工学会発行
「昭和６１年度精密工学会秋期大会学術講演会論文集」
第６０１頁には、切削工具の冷却方法に関する記述があ
る。

【０００６】しかし、これらはいずれもビード余盛り除
去を切削工具あるいは切削装置によって行うものであ
り、接触式ビード除去方法の範疇を出るものではなく、
故に工具と鋼管の接触に起因する溶接部の品質、鋼管の
生産性、そして工具寿命そのものには常に限界が存在し
ており、電縫鋼管の溶接ビード余盛りを高速に除去し、
しかも溶接部品質に与える切削工程の影響を画期的に軽
減することは従来技術をもってしては達成が困難であっ
た。

【０００７】一方、レーザーの様な高密度エネルギービ
ームを電縫鋼管あるいはそのほかの溶接鋼管の製造に利
用する技術については、これまで数多くの研究がなされ
てきた。特開昭５６−１６８９８１号公報には高周波電
縫溶接と高出力エネルギービームとの併用溶接技術が、
特開昭５３−１３７０５８号公報にはエネルギービーム
単独あるいはＴＩＧ溶接法との複合溶接技術に関する開
示がある。しかしながら、これらはすべて溶接ビードの
余盛りの除去でなく溶接そのものをレーザー等の高密度
エネルギービームによって行う、あるいは他のエネルギ
ーと複合して行う技術である。

【０００８】

【発明が決定しようとする課題】本発明は上記のような
従来技術の欠点、すなわち接触式の電縫鋼管溶接ビード
余盛りの除去あるいは処理装置を用いて該溶接ビードを
処理するさいに生じる電縫鋼管溶接部の品質低下あるい
は電縫鋼管の生産性に与える影響を解消することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、鋼板を成形して、電縫溶接によって
鋼管を製造するさいに、溶接部内外面に発生する溶接ビ
ード余盛りを、溶接直後に出力０．５ｋＷ以上のレーザ
ー光をもって再加熱、溶融させ、該溶接ビードに造管方
向入り側から不活性ガスまたは窒素のうちの１種または
２種以上からなる気体の気流を１．５リットル／分・ｃ
ｍ² 以上の流速で吹き付けて飛散させ、オンラインで除
去することを特徴とする電縫鋼管の溶接ビード余盛りの
高速除去方法である。

【００１０】

【作用】本発明はレーザー光を用いてオンラインで溶接
ビード余盛りを溶融除去する電縫鋼管の溶接ビード余盛
り除去技術である。以下本発明を詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明の技術に基づく電縫鋼管溶接
ビード余盛りの溶融除去方法の一例を示す断面図であ
る。８に示した帯鋼を成形して鋼管と成す電縫鋼管は、
帯鋼の状態で成形スタンドを経て２の点でスクイズロー
ルによりアプセットされた後に高周波電縫溶接される。
従って鋼管用鋼は入り側９から出側１０へと移動し、造
管方向は矢印１１に示されるとおりである。電縫溶接点
２の直後に鋼管内外面それぞれのレーザー光誘導用の光
ファイバー伝送ケーブル１を経て誘導された高出力レー
ザー光は、電縫溶接によって形成される溶接ビードに照
準され、溶接熱により固体の高温状態もしくは半溶融状
態にある溶接ビードを加熱し、再溶融する。再溶融した
ビード６は引き続き鋼管内外面それぞれのガス搬送ケー
ブル３を通過したビード飛散気体、すなわち不活性ガス
もしくは窒素ガスを受けて、従来の電縫溶接では溶接ビ
ードとして凝固していた溶接線上の位置から除去され
て、例えば７のような粒滴状となって、飛散直後に直ち
に凝固し、鋼管８に付着すること無く排出される。

【００１２】照射されるレーザー光は出力の高いことが
必要であるが、本発明者等のエネルギー伝達計算および
実験結果によれば０．５ｋＷ以上の出力があれば充分で
ある。レーザーの波長は自由に選ぶことができて、発振
素子としてはＹＡＧ、沃素、ＣＯ₂ 、ＣＯ等０．５ｋＷ
以上の出力を得られるものはすべて適用することができ
る。レーザーの伝送方法については図１のごとく光ファ
イバーを用いるか、もしくは反射鏡を用いる経路が適用
可能である。さらに、伝送されたレーザー光は溶接ビー
ドに正確に投入することと、投入エネルギーの密度、照
射範囲を制御するために集光系、すなわちレンズもしく
はインテグレーションミラーを用いて収束することも有
効であり、本発明の効果を妨げない。図１ではこの集光
系を５に示したノズルの形で図示している。

【００１３】溶融したビードは、凝固する以前に鋼管の
造管入り側方向から吹き付ける不活性ガスもしくは窒素
ガスによって飛散させることが必要であり、本発明の特
徴の一つであるが、その吹き付けるガスの流量は、鋼管
の造管速度、ビードの生成量、従って造管条件あるいは
鋼管の材質によって最低必要流量が決まる。直径２５．
４ｍｍ、肉厚０．２５ｍｍの、工業的に生産され得る電
縫鋼管として最小外径、最小肉厚の鋼管を想定し、工業
的に可能な最も遅い造管速度１ｍ／分を考慮した場合
に、溶融状態にある溶接ビードを飛散させるに必要であ
るガス流量が、本発明の最低必要ガス流量である。

【００１４】この必要ガス流量は、生成するビードの重
量とその粘性係数、表面張力の値を、炭素鋼を主体に参
照して計算することができて、ガス吹き付け部分で単位
面積１ｃｍ² あたり１．５リットル／分となる。従っ
て、吹き付けるガスの流量は電縫鋼管の寸法、造管条
件、材質を考慮して適宜選べば良い。吹き付けノズル４
の位置も従って流量とビード形状に応じて決定すれば良
く、ただし飛散したビードが鋼管の成形あるいは造管工
程に影響を及ぼさないように、吹き付け方向を造管入り
側９から造管出側１０に向かって吹き付けるようにすべ
きである。

【００１５】レーザー光搬送ケーブル、ガス搬送ケーブ
ル、レーザー光照射系、ガスの吹き付けノズルの位置の
相互関係は自由で、図１は一例に過ぎない。図１ではレ
ーザー光搬送ケーブル、ガス搬送ケーブル、レーザー光
照射系、ガスの吹き付けノズルが別々の２系統に別れて
いるが、実際にはガス搬送経路、照射系を内包する同軸
ケーブルあるいはノズルであっても良く、また小径鋼管
の製造に際しては、周辺の造管設備に影響を及ぼさない
ように小型の設備が望ましいことから、むしろ分離型の
設備よりも有効である。

【００１６】図１に示した例のごとき設備を用いて本発
明を電縫鋼管製造に適用することで、非接触式で電縫溶
接ビードをきわめて効率よく、かつ電縫溶接部品質をビ
ード除去工程によって低下させること無く、さらに生産
性に全く影響を与えずに除去することが可能となる。

【００１７】

【実施例】本発明技術の効果を明らかにするために、図
１に示した設備を用いて外径１０２ｍｍ、肉厚１２．７
ｍｍと、外径２０３ｍｍ、肉厚１２．７ｍｍと、外径４
５７．２、肉厚２５．４ｍｍとの３種類の寸法の鋼管を
それぞれ２０ｔ、２０ｔ、６０ｔ造管した。製造時のビ
ード余盛り除去条件を表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】ビード余盛り除去効果は図２に示すとお
り、ビード処理後の鋼管母材８から残余ビード１２の高
さＨ（ｍｍ）をもって評価した。Ｈの値が０．５以下の
場合にはビード除去は完全で、０．５ｍｍ超の場合には
後工程で残余部分を研削するなどの追加工程が必要とな
ることから、Ｈ＝０．５の値を評価しきい値として選定
した。図２のうち１３は溶接熱影響部を含む電縫溶接部
を示す。

【００２０】使用したレーザーの発振素子はＹＡＧ、沃
素、ＣＯ₂ 、ＣＯの４種類であり、造管速度、溶接入熱
などは製造する鋼管のサイズに応じて決定した。吹き付
けるガスの種類は不活性ガスとしてＡｒ、Ｈｅを選び、
これに窒素ガスを加えた３種類を選んだ。また、比較の
ために空気を吹き付け用ガスに使用した場合も評価し
た。ビード除去後のビード高さは、造管終了後に図２で
規定される高さをレーザー式３次元形状測定装置で、定
尺鋼管１４ｍのうち５点において測定し、その平均値を
有効数字１桁で表１に示した。

【００２１】不活性ガスの種類とレーザー発振出力が本
発明の範囲を満たすものは、残余ビード高さＨがしきい
値である０．５ｍｍを下回っており、完全なビード除去
が達成されていることを示す。図３はレーザー発振出力
とビード余盛り除去後の残余ビード高さＨの関係を示す
グラフである。レーザー出力が０．５ｋＷを下回る場合
には、レーザー照射によってビードに投入されるビード
再溶融あるいは凝固阻止のための熱量が不足し、結果と
してガス吹き付けによってビードが飛散せず、残余ビー
ド高さが０．５ｍｍを超えることがわかる。

【００２２】表１のうち、第１２、１３番の方法はレー
ザー出力が０．５ｋＷ以下であったためにビードの溶融
が不完全で、ガス吹き付けによって飛散させることがで
きなかった例、第１４、１５番の方法は吹き付けガスに
空気を用いたために溶融ビード表面が酸化して酸化被膜
が形成され、その融点が高かったために瞬間的に凝固し
てビードのガスによる飛散を困難ならしめたと考えられ
る例、第１６番の方法は吹き付けガスの流量が０．８リ
ットル／分と少なかったために、ビードは充分に溶融し
たにもかかわらず充分に飛散しなかった例、第１７、１
８、１９番の方法は本発明技術を適用せず、ビード切除
を全く実施しなかった場合のビード高さを示す例であ
る。ガスの流量はすべて単位面積１ｃｍ² あたりの値で
ある。

【００２３】

【発明の効果】本発明はレーザーを用いて電縫溶接ビー
ドを再溶融し、ガス吹き付けによって飛散除去する非接
触式のビード余盛り除去方法を提供するものであって、
産業の発展に寄与するところ極めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の例を示す電縫鋼管溶接部分の断
面図

【図２】電縫鋼管溶接ビードの余盛り高さＨ（ｍｍ）を
説明する図

【図３】電縫溶接ビード再溶融のためのレーザー出力
と、ビード余盛り除去後の残余ビード高さＨ（ｍｍ）の
関係を示すグラフ

【符号の説明】 １ 光ファイバー伝送ケーブル ２ 電縫溶接点 ３ ガス搬送ケーブル ４ 吹き付けノズル ５ 集光系 ６ 再溶融したビード ７ 粒滴状ビード ８ 鋼管 ９ 入り側 １０ 出側 １１ 造管方向 １２ 残余ビード １３ 電縫溶接部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼板を成形して、電縫溶接によって鋼管
   を製造するさいに、溶接部内外面に発生する溶接ビード
   余盛りを、溶接直後に出力０．５ｋＷ以上のレーザー光
   をもって再加熱、溶融させ、該溶接ビードに造管方向入
   り側から不活性ガスまたは窒素のうちの１種または２種
   以上からなる気体の気流を１．５リットル／分・ｃｍ²
   以上の流速で吹き付けて飛散させ、オンラインで除去す
   ることを特徴とする電縫鋼管の溶接ビード余盛りの高速
   除去方法。