JPH0825053A - 裏当材を使用した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と裏当て溶接とを両
立することができ、高温高速のプラズマキーホール溶接
による高能率の溶接と、裏当材を使用する安定で高能率
の溶接とを兼ね備えた裏当材を使用したプラズマキーホ
ール溶接方法を提供する。 【構成】 ルートギャップ２を０．５〜３．０ｍｍ開
け、裏面側のエッジ部にＣ０．５〜Ｃ３．０の面取り６
を加工した形状の開先を設け、この開先裏側に幅が３．
０ｍｍ以上のスリット４を設けた裏当材３をスリット４
をルートギャップ２に整合させて配置してプラズマキー
ホール溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は裏当材を使用してパイプ
の円周溶接又は厚板の溶接を行うプラズマキーホール溶
接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＴＩＧ溶接（非消耗電極法）又は
ＭＩＧ溶接（消耗電極法）では、初層溶接においてより
多くの溶接金属量を確保しようとしたり、パイプ周溶接
等において全姿勢溶接を行う場合、表面張力のような物
理特性だけでは溶融プールの安定保持は困難であるた
め、裏面に銅製の所謂裏当金を配置することにより、溶
融プールを直接支える必要がある。これにより、溶融プ
ールの保持力を改善し、溶接の安定化及び高能率化に寄
与することができる。ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接で裏波
を形成させる場合は、一般に、この裏当て溶接方法が採
用されている。

【０００３】一方、プラズマキーホール溶接は、高エネ
ルギ−密度のプラズマアーク柱を使用して、板を厚さ方
向に貫通しながら溶接を行う高能率溶接方法である。従
って、このプラズマキーホール溶接方法においては、プ
ラズマアークが被溶接材の裏面までスムーズな状態で貫
通することが必須条件である。

【０００４】このため、このプラズマキーホール溶接
に、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接で使用するような裏当金
をそのまま装着すると、プラズマの貫通を遮断すること
になる。なお、改訂３版溶接便覧に、裏当材使用例が開
示されているが、このような裏当材はビード形状、能率
面等で不十分であった（改訂３版溶接便覧第３７１頁図
５．８４、第３７３頁図５．８９）。

【０００５】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と裏当て溶接とを
両立することができ、高温高速のプラズマキーホール溶
接による高能率の溶接と、裏当材を使用する安定で高能
率の溶接とを兼ね備えた裏当材を使用したプラズマキー
ホール溶接方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る裏当材を使
用したプラズマキーホール溶接方法は、ルートギャップ
を０．５〜３．０ｍｍ開け、裏面側のエッジ部にＣ０．
５〜Ｃ３．０の面取り加工した形状の開先を設け、この
開先裏側に幅が３．０ｍｍ以上のスリットを設けた裏当
材を前記スリットを前記ルートギャップに整合させて配
置してプラズマキーホール溶接することを特徴とする。

【０００７】また、本発明に係る他の裏当材を使用した
プラズマキーホール溶接方法は、プラズマガス流量を
２．０リットル／分以下に設定し、裏面側のエッジ部にＣ
０．５〜Ｃ３．０の面取り加工した形状の開先を設け、
この開先裏側に母材壁部との間に１．０〜２．０ｍｍの
間隙をおいて裏当材を配置してプラズマキーホール溶接
することを特徴とする。

【０００８】

【作用】本願発明者等は、プラズマキーホール溶接方法
において、高温及び高速で排出されているプラズマアー
クを阻害しないように裏当材を配置すべく、種々検討し
た結果、従来、Ｉ形開先で、ルートギャップが０で突き
合わされていた接合端面を、０．５〜３．０ｍｍのルー
トギャップを設けて配置し、このルートギャップに対応
してスリットを設けた裏当材を使用するか、又は裏当材
と母材との間に０．１〜２．０ｍｍの間隙をおいて、裏
当材を配置し、プラズマガス流量を２．０リットル／分以下
にすることにより、プラズマキーホール溶接において裏
当材の使用が可能であることを見い出した。本発明はこ
のような観点に立ってなされたものである。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１の実
施例に係る裏当材を使用したプラズマキーホール溶接方
法を示す図面である。本願発明者等は、先ず図２に示す
ような裏当材を開発した。この図２において、パイプで
ある母材１をその接合端部を垂直に加工し、母材１同士
を若干の間隙を設けて突き合わせ、開先にルートギャッ
プ２を設けた。このルートギャップは０．５〜３．０ｍ
ｍに設定されている。また、裏当材３は銅製のブロック
であり、その内部に冷却水通路５が形成されていて、こ
の通路５に冷却水を通流させることにより裏当材３を冷
却するようになっている。この裏当材３には３ｍｍ以上
の幅を有するスリット４がその中央に設けられており、
裏当材３はスリット４を開先のルートギャップ２に整合
させて配置される。なお、母材１と裏当材３との間は完
全に密着されており、母材１から裏当材３への熱伝達が
良好になされるようになっている。

【００１０】このようにして、裏当材３を使用して通常
のキーホール溶接を行うと、裏当材がない従来の場合よ
り、以下に示す３つの項目で有利であった。 （１）母材のルートギャップ幅より裏当て材の隙間の方
が必ず広いので、プラズマアークが排出される経路は十
分確保されている。このため、裏当材３の配置はプラズ
マアークの排出を妨げる要因ではない。よって、通常使
用しているプラズマガス流量でプラズマキーホール溶接
することができる。 （２）図２のように裏当材３を装着することによって、
裏当材３にはヒートシンクの役割が生まれ、裏当材３の
母材と接触している面から熱量が奪い取られ、母材に必
要以上の熱量が蓄積されることが抑制される。 （３）プラズマアークと溶融プールは、母材を貫通した
後も、裏当材の壁面で引き続き冷却されるので、裏波ビ
ートの冷却速度が速くなり、ビード形成時間を短縮する
ことができる。

【００１１】しかしながら、この図２に示す方法は、上
記３点に挙げる利点がある一方で、裏面の冷却効果が高
いため、逆にキーホール形成が悪くなるという難点があ
る。このため、プラズマアークを通常より強くする必要
があり、従って、裏波ビードも高くなりがちになる。

【００１２】そこで、本願発明においては、図１に示す
ように、母材の接合端部において、開先面裏側のエッジ
部にＣ０．５〜Ｃ３．０の面取り６を設ける。

【００１３】この図１に示すように、面取り６を設ける
ことにより、溶融プールは横方向、即ち母材の裏面に沿
う方向に広げられることになり、それに伴い形成される
ビード幅も広くなる。このようにビード幅が広くなるこ
とにより、裏波ビード高さは面取りをされていないとき
より低く抑えられることになる。

【００１４】図３は面取りがない場合（ａ）と、面取り
がある場合（ｂ）とについて、その溶接ビード７の形状
を比較して示す。形成される裏波ビード形状は両者で著
しく相違し、面取り６を設けた方が、裏波ビード高さが
低く、幅が広い。従って、この面取り６を設けた方が溶
接安定性は高く、高品質の溶接ビードが得られる。

【００１５】次に、本発明の第２の実施例について、図
４を参照して説明する。前述の如く、ＴＩＧ溶接又はＭ
ＩＧ溶接用の裏当材は開先部で母材裏面に接触するよう
に配置されるので、これをプラズマキーホール溶接に使
用すると、プラズマアークの排出経路を遮断してしま
う。このため、このような裏当材を使用することはでき
ない。

【００１６】しかし、裏面を遮蔽するような形状の裏当
材を使用した溶接方法は、多くの長所を有し、利用価値
も高い。また、プラズマアークは極めて高温（１０００
０℃以上）の熱源であるという利点がある。そこで、こ
のプラズマアークと裏面を遮蔽する裏当材との組み合わ
せは、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接では不可能となる領域
で、高効率の裏当て溶接を行うことができる。

【００１７】そこで、本願発明者等は、図４に示すよう
に、母材１の開先裏面にルートギャップ２（例えば、２
〜５mm）を遮蔽するような裏当材８を設けた。この裏当
材は、その中央部が周辺の枠部１２に対して凹んでい
て、枠部１２の面より１．０〜２．０ｍｍ深くなってい
る。この中央凹部９は後述するプラズマアークの影響が
枠部１２まで及ばないような広さを有している。なお、
この凹部９におけるルートギャップ２の直下の部分に
は、更に例えば直径が５mmの碗状の凹み１１が設けられ
ている。また、裏当材８の内部には冷却水通路１０が設
けられていて、この通路１０を冷却水が通流することに
より裏当材８を冷却するようになっている。

【００１８】一方、母材１の裏面側の開先エッジにはＣ
０．５〜Ｃ３．０の面取りが設けられている。また、本
実施例においては、ルート部高さは例えば３〜６mmであ
り、このルート部から母材表面側の開先端面にも面取り
１３が設けられている。

【００１９】本実施例においては、プラズマガス流量を
２リットル／分以下にする。このような条件で、裏当材８を
その枠部１２を母材１の裏面に接触させ、凹み１１を開
先に整合させて配置し、プラズマキーホール溶接を開始
すると、図５及び図６に示すように、溶接トーチ１６か
ら噴出するプラズマガスによるプラズマアーク１４は、
キーホールを抜けた後、屈曲し、溶接方向の前方にある
空間、即ち、凹部９により形成されている空間に逃げ
る。従って、この裏当材８によりプラズマアークが閉塞
状態になることはなく、プラズマキーホール溶接が可能
である。

【００２０】即ち、このプラズマキーホール溶接におい
ては、プラズマアーク１４の後方に溶融プール１７が形
成され、溶加材ワイヤ１５がこの溶融プール１７に供給
されて、溶融金属の成分調整がなされる。そして、プラ
ズマアーク１４により溶融した母材部分は開先ギャップ
と、裏当材８の凹部９内とを充填し、裏当材８によりそ
の形状を規制されて凝固する。従って、このプラズマア
ークよりも後方には、プラズマアークが逃げる空間は存
在しないが、溶接方向前方にはプラズマアーク１４が排
出される空間が凹部９により確保されているので、キー
ホール溶接が可能となる。

【００２１】また、開先部には、裏面エッジ部分にＣ
０．５〜Ｃ３．０の面取りを設けるので、更に横方向へ
のガスの排出が容易となり、面取りを設けない場合に比
してプラズマガス流量を多く流すことが可能となる。こ
のため、高能率のプラズマキーホール溶接が可能とな
る。

【００２２】本実施例のように、ルートギャップを遮蔽
する裏当材を使用する溶接方法により、以下のような利
点が得られる。 （１）裏当材を設けない場合に比して、裏当材を使用す
ることにより、広範囲にわたり、溶融プールが母材壁面
に密着するため、表面張力等の保持力を増すことが可能
になる。 （２）裏波ビードは、母材裏面と裏当材表面と凹部９の
壁面とにより形成される空間内に溶融金属が充填され冷
却された結果、形成されるので、裏波ビードの形状はそ
の使用した裏当材に設けておいた凹部９の形状に倣うも
のとなる。このため、裏当材がないときよりはるかに容
易に安定した裏波形状を形成することが可能になる。

【００２３】図５、図６及び図７は、裏当材８の表面に
間隙を設けなかったとき（比較例）のプラズマアーク１
４の排出及び溶接状況を示す図であるり、図８、図９及
び図１０は、裏当材８の表面に隙間（凹部９）を設けた
とき（実施例）のプラズマアーク１４の排出及び溶接状
況を示す図である。比較例の場合は、プラズマアーク１
４は溶接進行方向にのみ排出されるのに対し、実施例の
場合は、プラズマアーク１４は溶接進行方向の他、凹部
９内で溶接進行方向に直交する方向にも広がり、更に、
溶接ビード１７の両サイドでこの溶接ビード１７が埋め
込まれていない部分の凹部９を介して溶接進行方向の後
方にもまわり込む。

【００２４】即ち、図５〜７の比較例の場合は、プラズ
マガスの排出経路は溶接方向前方（範囲Ａ）のみであ
り、プラズマガスの排出はかなり悪く、流量を極端に少
なく（１．０ｋ／ｍ以下）するしか方法がない。しか
し、プラズマガス流量を少なくすると、プラズマの貫通
力も小さくなるため、プラズマ溶接の優位性がなくなっ
てしまう。

【００２５】これに対し、本実施例（図８〜１０）の場
合は、凹部９を設けたので、図９に範囲Ｂにて示すよう
に、ほぼ１８０°の広角でプラズマが排出されるため、
後方に形成している溶融プールにはほとんど影響を与え
ない。このように、凹部９による間隙から余剰なプラズ
マが排出されるので、キーホール溶接を円滑に行なうこ
とができる。

【００２６】このようにして、裏当材が存在しても、キ
ーホール溶接に近いガス流量を高い次元で確保すること
ができるため、ＴＩＧ溶接及びＭＩＧ溶接よりもルート
フェース高さを高くでき、高能率のプラズマ溶接の利点
を維持したまま、プラズマ溶接と裏当材を使用する溶接
との双方の長所を有する溶接が可能となる。

【００２７】次に、実際に本実施例の溶接方法を実施し
た場合に得られた効果について説明する。

【００２８】下記表１は図１に示す開先形状と裏当材と
を使用して溶接したときの溶接性を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】但し、○は溶接が良好であった場合、△は
少し溶接に問題があった場合、×は溶接不可であった場
合である。この表１から明らかなように、ルートギャッ
プを０．５〜３．０ｍｍ設けた場合に、良好な溶接を得
ようとすると、スリットの寸法を３ｍｍ以上にする必要
がある。

【００３１】次に、下記表２は図４に示す実施例におい
て、母材と裏当材との間隙寸法、即ち凹部９の深さと裏
波形状との関係を示す。この表２からわかるように、間
隙寸法は１．０〜２．０ｍｍであることが必要である。

【００３２】

【表２】

【００３３】下記表３は同じく図４の実施例において、
プラズマガス流量を変化させた場合の裏波形状の良否を
示す。また、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接用の裏当材を使
用した場合の良否も合わせて示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】この表３から明らかなように、面取りを設
けることにより、プラズマガス流量を２．０リットル／分ま
で多くしても良好な溶接が可能であった。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、裏当材に所定のスリットを設けるか、又は裏当材と
母材との間に所定の間隙を設けたので、プラズマアーク
を良好に排出することができ、プラズマキーホール溶接
が可能となる。従って、本発明により、プラズマキーホ
ール溶接の利点と、裏当材を使用する溶接の利点との双
方を合わせ持った溶接が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例方法を示す図である。

【図２】この第１実施例の比較例を示す図である。

【図３】同じく第１実施例の動作を説明する図である。

【図４】本発明の第２実施例方法を示す図である。

【図５】この第２実施例の比較例を示す縦断面図であ
る。

【図６】同じく比較例を示す平面図である。

【図７】同じく比較例を示す横断面図である。

【図８】第２実施例の動作を説明する縦断面図である。

【図９】同じくその平面図である。

【図１０】同じくその横断面図である。

【符号の説明】

１；母材 ２；ルートギャップ ３、８；裏当材 ４；スリット ５、１０；冷却水通路 ６、１３；面取り ７；溶接ビード ９；凹部 １１；凹み １２；枠部 １４；プラズマアーク １５；溶加材ワイヤ １６；溶接トーチ １７；溶融プール

───────────────────────────────────────────────────── 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルートギャップを０．５〜３．０ｍｍ開
   け、裏面側のエッジ部にＣ０．５〜Ｃ３．０の面取り加
   工した形状の開先を設け、この開先裏側に幅が３．０ｍ
   ｍ以上のスリットを設けた裏当材を前記スリットを前記
   ルートギャップに整合させて配置してプラズマキーホー
   ル溶接することを特徴とする裏当材を使用したプラズマ
   キーホール溶接方法。
2. 【請求項２】 プラズマガス流量を２．０リットル／分以下
   に設定し、裏面側のエッジ部にＣ０．５〜Ｃ３．０の面
   取り加工した形状の開先を設け、この開先裏側に母材壁
   部との間に１．０〜２．０ｍｍの間隙をおいて裏当材を
   配置してプラズマキーホール溶接することを特徴とする
   裏当材を使用したプラズマキーホール溶接方法。