JPH0825051A - プラズマキーホール溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマキーホール溶接によりパイプライン
固定管を溶接する場合に、その開先形状の改良により、
厚さが６ｍｍ以上の厚肉パイプであっても、安定して高
速溶接が可能となるプラズマキーホール溶接方法を提供
する。 【構成】 パイプライン固定管を全姿勢でプラズマキー
ホール溶接する方法において、開先面における開先ギャ
ップ幅を０．５ｍｍ以上とする。また、溶接トーチの反
対側の開先エッジにＣ０．５〜Ｃ３．０の面取りを設け
ることが好ましい。更に、溶接線に対し直交する方向に
溶接トーチを揺動させてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパイプライン固定管をプ
ラズマキーホール溶接方法により全姿勢で溶接するプラ
ズマキーホール溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】従来、プラズマキーホー
ル溶接では、図１０に示すように、被溶接材１同士をＩ
形開先形状で突き合わせ、開先（ルート）ギャップを０
にして溶接するのが主流であったが、これには、溶接速
度の高速化が不可能であることと、６ｍｍ以上の厚肉の
溶接が困難であるという難点がある。

【０００３】また、この開先ギャップが０のＩ形開先形
状で溶接可能な板厚のものを溶接すると、溶接可能条件
範囲が狭いという欠点もある。図１１は横軸に溶接速度
をとり、縦軸に溶接電流をとって、図１０の開先形状に
よる溶接可能領域をハッチングにて示す。

【０００４】この図１１から明らかなように、溶接可能
領域は溶接速度の増加に伴って、溶接電流範囲が狭くな
り、所定の溶接速度域を外れると、溶接可能領域がなく
なる。

【０００５】また、板厚を増加していくと、溶接可能領
域は、全体的に減少していき、最終的には溶接速度全域
で溶接可能領域が消失してしまう。

【０００６】図１２（ａ）、（ｂ），（ｃ）は板厚が夫
々６ｍｍ，９ｍｍ，１０．５ｍｍの場合の溶接可能領域
を示す図であり、板厚が増すと、溶接可能領域が狭くな
っていくことがわかる。このような結果になる要因とし
ては、プラズマキーホール溶接中に被溶接材裏面へプラ
ズマアークが排出されるときのプラズマ排出方向と排出
角度が考えられる。

【０００７】図１３はプラズマキーホール溶接の状態を
示すパイプ３の円周方向に沿う断面図である。図示の簡
単のために、パイプ３の外周面及び内周面はいずれも直
線で示したある。溶接トーチ１からプラズマガス流が噴
出され、その中心部の非消耗電極と被溶接材としてのパ
イプ３との間に高電圧が印加されてプラズマアーク２が
生起される。このプラズマアーク２がパイプ３を厚さ方
向に貫通し、キーホール５が形成される。そして、プラ
ズマアーク２を矢印方向に移動させることにより、その
後方に溶融プール４が形成される。この場合に、図１の
開先形状で図中矢印にて示す方向に溶接すると、図４に
示すように、プラズマアーク２がキーホール５から屈曲
して排出される。

【０００８】プラズマアーク２は、パイプ３を貫通した
後、必ず溶接進行方向とは逆方向、即ち溶接後方に角度
θで屈曲する。後方に屈曲する角度θは、同じ板厚であ
れば溶接速度が速い程大きくなり、同じ溶接条件であれ
ば板厚が増す程大きくなる。

【０００９】即ち、この角度θが必要以上に大きくなる
と、図１３に示す溶融プール４のキーホール側がその屈
曲したプラズマアーク２によって再加熱され、溶融プー
ル４を裏面側で肥大化させると共に、キーホール５の断
面積を大きくしてしまい、そのキーホール５から溶融プ
ール４が溶け落ちてしまう。この現象が、キーホール溶
接において、高速化と厚肉化を阻害している最大の要因
といえる。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、プラズマキーホール溶接によりパイプライ
ン固定管を溶接する場合に、その開先形状の改良によ
り、厚さが６ｍｍ以上の厚肉パイプであっても、安定し
て高速溶接が可能となるプラズマキーホール溶接方法を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマキ
ーホール溶接方法は、パイプライン固定管を全姿勢でプ
ラズマキーホール溶接する方法において、開先面におけ
る開先ギャップ幅を０．５ｍｍ以上とすることを特徴と
する。

【００１２】

【作用】本発明においては、図１に示すように、被溶接
材１０間の開先ギャップを０．５ｍｍ以上とする。本願
発明者等の実験研究の結果、図５に示すように、ルート
ギャップ幅を０．５ｍｍ以上開けることによって、プラ
ズマアークの排出方向及び排出角度が、従来の逆になる
ことが判明した。

【００１３】図２はこの開先ギャップ幅を０．５ｍｍ以
上とした場合の溶接方向に沿うパイプ断面図である。図
２に示すように、プラズマキーホール溶接をした場合
に、キーホール５から排出されたプラズマアーク２は溶
接方向と同方向、即ち溶接前方に角度θ´で屈曲する。

【００１４】この屈曲方向が逆転した結果、排出された
プラズマアークによる溶融プールの再加熱を原因とする
キーホール５及び溶融プール４の肥大及び溶融プールの
溶け落ち現象が抑制される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。図１に示すように、開先ギャップを
０．５ｍｍ以上設けることにより、キーホール溶接時の
プラズマアーク２は、図２に示すように、キーホール５
から排出された部分が溶接の進行方向に屈曲し、溶融プ
ール４がプラズマアーク２により再加熱されることがな
くなり、溶融プール４及びキーホール５の肥大が防止さ
れる。その結果、溶融プールの溶け落ち現象などが回避
され、安定的に溶接できる条件が拡大される。

【００１６】図３は本実施例によりプラズマキーホール
溶接した場合の安定溶接領域をハッチングにて示すグラ
フ図である。この図３は開先ギャップ幅が１．０ｍｍの
場合のデータである。図３と図１１との比較から明らか
なように、本実施例により安定的に溶接可能な領域が飛
躍的に拡大される。また、図３に示すとおり、安定溶接
領域は溶接速度が増加するほど広がり、図１１に示す従
来の場合と逆の傾向が得られた。この図３に示すよう
に、溶接速度が速くなるにつれて安定溶接可能な溶接電
流値の選択範囲が広がることにより、厚肉の固定管の溶
接が可能となる。

【００１７】下記表１は板厚及び開先ギャップ幅と、溶
接が可能な領域との関係を示す。この表１中、○は溶接
可能であった場合、×は溶接不可であった場合である。
また、溶接条件は以下のとおりである。 材質：ＳＳ４００ 溶接速度：５〜２５ｃｍ／分 溶接電流：１５０〜３５０Ａ。

【００１８】

【表１】

【００１９】この表１に示すように、ギャップ幅を大き
くすることにより、板厚が厚くなってもプラズマキーホ
ール溶接が可能になる。特に、開先ギャップを０．５ｍ
ｍ以上とすることにより、従来溶接できなかった板厚９
ｍｍを超える厚肉パイプの溶接が可能になる。

【００２０】図４は本発明の他の実施例を示す開先部の
断面図である。この実施例においては、被溶接材１１間
の開先ギャップ幅は０．５ｍｍ以上であるが、開先の被
溶接材１１の裏面側の部分で、即ち裏面エッジ部に、Ｃ
０．５〜Ｃ３．０の面取り１２を設ける。

【００２１】図１０及び図１に示すＩ形の開先形状で
は、プラズマアークが裏面に排出する際に、乱れが生じ
てしまう。そして、このプラズマアークの乱れは、唐突
な溶融プールの溶け落ち及び内部欠陥の発生原因にもな
る。また、このプラズマアークの乱れは、裏波ビード形
状の不整列が生じたり、又はビード高さが高すぎたり
と、裏波形成において悪影響を及ぼす要因になってい
る。

【００２２】これに対し、図４に示す逆Ｙ形の開先形状
の場合は、プラズマアークの乱れを防止することができ
る。即ち、図４に示すように、被溶接材裏面のエッジ部
にＣ０．５〜Ｃ３．０の面取りを施すことによって、
（１）裏波形状の均一な整列効果、（２）裏波高さの抑
制、（３）表面張力の増加、（４）裏波の冷却効果とい
う効果を得ることができる。

【００２３】プラズマアークは高温高速のエネルギ柱と
なって、パイプを板厚方向に貫通するが、キーホールが
形成されるまでの間、プラズマアークはどうしても閉塞
状態になりがちである。この閉塞状態から、キーホール
の貫通後、急激にフラッシュされるため、そのフラッシ
ュ時にアークの乱れを誘発してしまう。被溶接材の裏面
を面取りすることにより、このようなフラッシュ時のア
ークの乱れを緩和することができる。

【００２４】被溶接材１１の裏面に面取り１２が施され
ているため、図５に示すように、キーホール断面積はプ
ラズマアークの排出方向に徐々に増えていくようにな
る。即ち、キーホール直径は、開先ギャップｄ1、ｄ2、
ｄ3と大きくなるにつれて大きくなる。このため、高速
で排出されるプラズマアークの速度が、この面取り１２
の部分で低減され、アーク自体が整流化される。

【００２５】また、この面取り１２は裏波形成前の溶融
プールの形状効果及び冷却効果も有する。図６は面取り
を設けない場合、図７は面取りを設けた場合の裏波形状
を表す。両者を比較すると、面取り無しの場合は、裏波
ビード幅が狭く、裏波ビード高さが高くなる。これに対
し、面取りを設けた場合には、その逆で裏波ビード幅が
広く、裏波ビード高さが低くなる。

【００２６】即ち、裏波量として溶融プールに留まる領
域が、面取りを設けた場合の方が遥かに多く、ビード自
体を横方向に広げることが可能となり、結果的に母材壁
に接触する範囲も広大になる。これにより、溶融プール
の冷却効果の増大と表面張力の増加による形状効果が期
待できる。

【００２７】更に、溶接時に、溶接トーチを左右に振幅
運動（ウィービング）することにより、厚肉の被溶接材
でも安定してプラズマキーホール溶接することができ
る。図８はそのウィービング要領を示す。図８に示すよ
うに、溶接トーチ１３を、開先線（溶接線）に対して、
直角方向に揺動させることにより、プラズマアーク１４
をウイーピングさせる。これにより、ウィービングしな
い場合に比して、プラズマアーク１４の強さが同一の場
合でも、より深い溶け込みが得られる。このウイーピン
グの振動数は０．５〜１０Ｈｚが好ましく、更に望まし
くは２〜５Ｈｚである。

【００２８】厚板１５を貫通していくプラズマアーク１
４にウイービングという振幅運動を加えると、キーホー
ル側の母材側壁を十分加熱し、濡れ性を著しく改善する
ことができ、同じ入熱量ならより安定したキーホール溶
接を行うことができる。

【００２９】また、図９に示すとおり、プラズマアーク
１４の後方に形成している溶融プールは、母材壁と融着
する領域がウィービング無しの場合より広範囲となり、
その結果、溶融プールの冷却効果と表面張力効果の増大
が可能となる。

【００３０】このようにして、溶接トーチを揺動させ、
プラズマアークをウィービングさせることにより、より
少ない入熱量で厚肉溶接と高速溶接が可能となり、パイ
プライン固定管の全姿勢溶接に有効である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、開先ギャップ幅を０．５ｍｍ以上としたので、プラ
ズマアークの屈曲による溶融プールの再加熱が防止さ
れ、溶融プールの溶け落ち等を防止することができる。
また、溶接速度を速くした場合の安定溶接可能な溶接条
件、特に溶接電流の範囲が拡大され、また安定溶接可能
な溶接速度の範囲も拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を説明する開先ギャップの図であ
る。

【図２】本発明のプラズマアークの挙動を説明する図で
ある。

【図３】本発明の安定溶接領域を示すグラフ図である。

【図４】本発明の実施例の開先形状を示す断面図であ
る。

【図５】同じくその拡大図である。

【図６】従来方法による溶接金属のビード形状を示す図
である。

【図７】本発明の実施例方法による溶接金属のビード形
状を示す図である。

【図８】プラズマアークをウィービングさせたときの挙
動を説明する図である。

【図９】プラズマアークをウィービングさせたときの後
方に形成する溶融プールの挙動を説明する図である。

【図１０】従来の開先形状を示す断面図である。

【図１１】従来の溶接可能領域を示すグラフ図である。

【図１２】従来の板厚と溶接可能領域との関係を示す図
である。

【図１３】従来のプラズマアークの挙動を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１、３、１０、１１、１５；被溶接材 ２、１４；プラズマアーク ４；溶融プール ５；キーホール １２；面取り １３；溶接トーチ １６；支点 １７；排出された部分

フロントページの続き (71)出願人 591278666 神鋼プラント建設株式会社 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 (72)発明者 小森 光徳 神奈川県横浜市瀬谷区宮沢町1144−３ (72)発明者 山本 靖 愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号 東 邦瓦斯株式会社供給管理部導管技術センタ ー内 (72)発明者 末澤 伸也 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 芳野 文人 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者 大久保 典昭 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 神鋼プラント建設株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パイプライン固定管を全姿勢でプラズマ
   キーホール溶接する方法において、開先面における開先
   ギャップ幅を０．５ｍｍ以上とすることを特徴とするプ
   ラズマキーホール溶接方法。
2. 【請求項２】 溶接トーチの反対側の開先エッジにＣ
   ０．５〜Ｃ３．０の面取りを設けることを特徴とする請
   求項１に記載のプラズマキーホール溶接方法。
3. 【請求項３】 溶接線に対し直交する方向に溶接トーチ
   を揺動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の
   プラズマキーホール溶接方法。