JPH0839278A - レーザ溶接管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 レーザ溶接機４の溶接トーチ５の上流側に、
蒸気ブロー手段３のガスパージノズル３ａ，３ａを配置
し、更にこれらガスパージノズル３ａ，３ａの上流側に
高周波加熱手段２のコンタクトチップ２ａ，２ａを配置
する。 【効果】 溶接前に潤滑剤を気化蒸発させ、この蒸気を
溶接点から遠ざかる方向へブローすることで、気化蒸気
が溶接部に至ることを防止したので、水素割れや気泡発
生が阻止でき、溶接部の品質を向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ溶接管、特に非オ
ーステナイト系鋼製の溶接管の製造技術の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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込みが深く高速溶接が可能
であり、また総入熱量を少なくできるため溶接部の性能
も良好である。このため、鋼管の溶接法としても注目さ
れ、適用が進められている。また、上記レーザ溶接法に
高周波予熱を付加して更なる高速化を図る技術も提案
（特開昭５６−１６８９８１号等）されている。

【０００３】ところで、上記のレーザ溶接法で高速溶接
が可能となったために、高速圧延でのロール疵の発生が
問題となってきた。ロール疵はロールで金属帯を成形す
る際につく疵であり、平板状金属帯を管状に曲げ成形す
るときに金属帯の幅方向において、ロール周速度と金属
帯速度が異なるために発生するものである。即ち、高速
溶接にともなって成形速度が大きくなるのでロール疵が
発生しやすくなる。ロール疵は金属帯の肉厚が大きくな
り成形荷重が大きくなると、やはり著しくなる。

【０００４】逆に、成形速度の小さな従来の製管方法や
３ｍｍ厚さ程度までの薄い金属帯を対象としたレーザ溶
接方法は、ロール疵の発生が問題とならず、具体的には
ロール成形の際に圧延油を使用する必要はない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、レーザ
溶接機の大容量化および高周波予熱併用により、厚肉の
金属帯を高速で溶接することが可能となり、ロール疵の
発生を抑制するために、潤滑剤（圧延油や冷却水）を使
わざるを得なくなってきた。潤滑剤なしでロール圧延を
する技術として、分割ロール法や高硬度ロールまたは低
硬度ロールを使用する方法などが知られている。しか
し、分割ロール法ではロール疵の発生をそれほど抑制で
きず、また、高硬度ロールでもロール疵の発生をそれほ
ど抑制できず、更に、低硬度ロールではロールの摩耗が
著しいという問題がある。

【０００６】そこで、大圧延荷重および高成形速度に対
処するために潤滑剤を使用することになる。なお、潤滑
剤は、鉱物性油脂あるいは動・植物性樹脂をベースに乳
化剤（界面活性剤）を添加した水溶性潤滑剤、潤滑性能
を向上させるためにリン系，硫黄系あるいは二硫化モリ
ブデンなどの極圧添加剤を配合した水溶性潤滑剤、又は
鉱物性油脂あるいは動・植物性樹脂に多めの極圧添加剤
を配合した難水溶性潤滑剤が好適である。しかし、上記
潤滑剤を使用したところ、潤滑剤の一部が溶接部に侵入
し、溶接金属中に気泡や水素を介在させることが分かっ
た。水素は溶接金属の水素割れの要因となり、気泡は強
度低下の要因となるので好ましくない。

【０００７】また、油に水を併用した潤滑剤で成形加工
熱の冷却を実施することが一般になされているが、水も
熱分解により水素を発生するので、水素割れを起す恐れ
がある。そこで、本発明の目的は、潤滑剤の使用を前提
として水素割れ等の心配の無いレーザ溶接方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明者等は、先ず潤滑剤の溶接に及ぼす影響を詳細
に検討し、溶接前の溶接端部に潤滑剤が付着残存した場
合に水素割れが発生し易いこと、また、潤滑剤の気化蒸
気が溶接部に混入しただけでも溶接金属中に気泡が発生
することを見出した。なお、溶接端部以外の部分に潤滑
剤が存在しても上記水素割れや気泡の発生は殆ど問題に
ならないことを確認した。

【０００９】つまり、潤滑剤を無害化するためには、溶
接端面部及びその近傍に存在する潤滑剤を溶接前に除去
すればよく、除去する方法として「加熱」による気化法
が適当であると知見するに至った。具体的方法は次の通
りである。

【００１０】平板状の金属帯を管状に曲げ成形するロー
ル式管成形装置と、曲げられた金属帯の対向両端部を加
熱する高周波加熱手段と、圧縮空気や不活性ガスにて気
化蒸気を上流へブローする蒸気ブロー手段と、レーザ溶
接機とをこの順に直列配列し、ロール式管成形装置で使
用した潤滑油や冷却水などの潤滑剤を前記高周波加熱手
段で蒸発させ、この気化蒸気を蒸気ブロー手段で溶接ト
ーチから遠ざかる方向へブローし、潤滑剤が除かれた状
態の対向両端部をレーザ溶接する。

【００１１】前記蒸気ブロー手段を溶接トーチのシール
ドガスで代替してもよい。

【００１２】

【作用】溶接前に、潤滑剤を気化蒸発させ、この蒸気を
溶接点から遠ざかる方向へブローすることで、気化蒸気
が溶接部に至ることを防止する。

【００１３】前記ブローを溶接用シールドガスにて実施
させれば、設備の簡略化が図れる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を添付図に基づいて以下に説
明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。図
１は本発明に係るレーザ溶接機を備えたロール式管成形
装置の概略図であり、ロール式管成形装置１は平板状の
金属帯Ｗを、徐々に管状に曲げ成形する装置であり、高
速成形するために、潤滑剤を使用している。このロール
式管成形装置１の出側に、高周波加熱手段２、蒸気ブロ
ー手段３及びレーザ溶接機４をこの順に配置する。

【００１５】図２は本発明に係るレーザ溶接機及び付帯
装置の平面図（第１実施例）であり、レーザ溶接機の溶
接トーチ５の上流側に、蒸気ブロー手段３のガスパージ
ノズル３ａ，３ａを配置し、更にこれらガスパージノズ
ル３ａ，３ａの上流側に高周波加熱手段２のコンタクト
チップ２ａ，２ａを配置する。２ｂは高周波発振器であ
り、この高周波発振器２ｂから給電されたコンタクトチ
ップ２ａ，２ａはレーザ溶接前の金属帯Ｗの端部Ｗ１，
Ｗ１に通電する接触子である。なお、コンタクトチップ
２ａは一例であり、例えば誘導加熱用の環状コイルでも
よい。

【００１６】図３は本発明に係るガスパージノズルの配
置例を示す側面断面図（第２実施例）であり、金属帯Ｗ
は鼓状のスクイズロール６で幅寄せされるために溶接ト
ーチ５の上流側でほぼ密接（便宜上、密接部分を／／
／、溶接ビード部分をＸＸＸのハッチングを付した。）
し、この密接部分より上流部分をブローするように上部
パージノズル３ｂと下部パージノズル３ｃとを配置した
ものである。このパージノズル３ｂ，３ｃから噴出され
るガスは、圧縮空気、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウ
ムガスが好適である。ただし、圧縮ガスは清浄化及び乾
燥処置されたものを使用する。

【００１７】以上に述べたレーザ溶接機及び付帯装置の
作用をテスト結果に基づいて説明する。表１は比較例及
び実施例に共通のテスト条件を示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】即ち、供試材をＡＰＩ Ｘ−６５ 外径１
０１．６ｍｍ，肉厚６．０ｍｍの炭素鋼鋼管を作るため
の金属帯である。潤滑剤は、油と水の両方の影響を調べ
ることができるように水溶性油脂を水で溶解してなるエ
マルジョン（例えば、共同油脂製マルチカット）を採用
した。予熱装置（高周波加熱手段）は、発振周波数を４
５０ｋＨｚとした。ガスパージノズルは、１０ｍｍ×５
０ｍｍの矩形断面ノズルであり、このノズルからトータ
ル３００ｌ／ｍｉｎの圧縮空気を流した。溶接機は、２
５ｋＷ炭酸ガスレーザ加工機とし、溶接トーチからは２
０ｍ／ｓｅｃの割合でヘリウムガスを流すようにした。
以上の共通条件のもとに比較テストを実施したのでその
内容及び結果を表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】表中、ロール疵は長さ６ｍのパイプ３本を
外観検査して判定して１本でも不具合品があれば不合格
とし、また、溶接品質は溶接長さ２００ｍｍのサンプル
３本を透過Ｘ線検査して１本でも不具合品があれば不合
格とした。

【００２２】比較例１〜１１は、ガスパージをせずに実
験したものである。比較例１，３は、溶接速度＝２また
は５ｍ／ｍｉｎと低速なので、潤滑剤を使用せずに圧延
可能であり、ロール疵は良好であり、溶接品質は良好で
あった。しかし、生産性は低いので、総合的な評価は
「×」である。比較例２，４は、溶接速度＝２または５
ｍ／ｍｉｎで、あえて潤滑剤を使用して圧延したもので
あり、ロール疵は良好であるが、水素割れが発生して溶
接品質は不良であったので評価は「×」である。

【００２３】比較例５は、溶接速度＝１０ｍ／ｍｉｎと
高速であるにも拘わらず、潤滑剤を使用しなかったため
ロール疵が発生し、評価は「×」である。比較例６は、
溶接速度＝１０ｍ／ｍｉｎと高速であるから、潤滑剤を
使用して圧延した。ロール疵は発生しなかったが水素割
れが発生したため評価は「×」である。

【００２４】比較例７，８は改善を図るべく、１００℃
又は２００℃に供試材を予熱したものであるが、水素割
れの発生を押さえるには至らずに評価は「×」であっ
た。比較例９，１０，１１は、供試材をより高温の３０
０℃，６００℃又は１００℃に予熱したものであり、気
泡の発生に留まったので溶接品質は若干の改善が認めら
れ評価は「△」であった。

【００２５】実施例１，２，３は、ガスパージを実施し
たものであり、溶接速度＝１０ｍ／ｍｉｎ、潤滑剤あり
の条件のもとに、予熱温度を３００℃，６００℃又は１
０００℃と変えた実験例であるが、いずれもロール疵並
びに溶接品質は良好であり、評価は「○」であった。

【００２６】図４はパージガス流量と気泡の検出個数と
の相関図であり、上記実施例ではパージガス流量を３０
０ｌ／ｍｉｎとしたが、このガス流量を実用的にどの程
度まで減少できるかを調べたものである。すなわち、１
２０ｌ／ｍｉｎ程度までは絞ることができ、それ以下で
はパージが不十分となって気泡が発生すると考えられ
る。また、予熱温度を３００℃，１０００℃のいづれも
傾向は類似しており、実験で使用したエマルジョンが２
００〜３００℃で良好に蒸発することから、３００℃の
予熱で十分であることが分かった。逆に１０００℃に予
熱しても、蒸発が盛んとなって気泡の発生が増加するこ
とからあまり好ましくないと言える。そこで、使用する
潤滑剤の特性に合せて予熱温度を決めれば良いことが分
かった。

【００２７】次に、本発明方法を実施するのに好適な装
置の別実施例を説明する。図５は図３の別実施例図（第
３実施例）、図６は２重シール型溶接トーチの断面図で
あり、溶接トーチのシールドガスを巧みに利用して図３
の上部パージノズル３ｂを廃止したことを特徴とする。
図６に示す通り、２重シール型溶接トーチ１０はレーザ
光を直接囲う第１ガスノズル１１と、この第１ガスノズ
ル１１より径外方に配置され且つ径外方下向きに金属帯
Ｗに向ってシールドガスを吹出す第２ガスノズル１２と
を備えたことを特徴とする。この第２ガスノズル１２か
らの気流で潤滑剤の気化蒸気を上流側に押し戻す。すな
わち、図５のコンタクトチップ２ａで潤滑剤を蒸発さ
せ、溶接トーチ１０及び下部ガスパージノズル３ｃで気
化蒸気を上流側へ押し戻す。図６の２重シール型溶接ト
ーチ１０は第１ガスノズル１１の流量と第２ガスノズル
１２の流量を自由に選択できるので好ましい。

【００２８】図７は図３の更なる別実施例図（第４実施
例）であり、管の外方に上部パージノズル３ｂ、内方に
図６の第２ガスノズル１０とほぼ同形のシールド部材１
４を配置したものである。以上の図２，図３，図５及び
図７の示した通り、本発明のガスパージノズル３ａ，３
ｂ，３ｃや溶接トーチ１０やシールド部材１４を、任意
に組合わせて管状金属帯Ｗの外方および／または内方に
配置すればよい。

【００２９】図８は本発明方法を実施するのに好適なス
クイズロールのために潤滑剤供給機構の平面図、図９は
図８の要部説明図であり、図９に示す通りにスクイズロ
ール６に、ブラケット２１、プレート２２、ゴム板２３
とからなるスイーパ機構２０を付設したことを特徴とす
る。上記ゴム板２３はスクイズロール６の回転方向に沿
って、潤滑剤スプレーパイプ２４の下流側に且つ金属帯
Ｗの上流側に配置され、しかもスクイズロール６の外周
面に触れるかまたは所定のギャップを置いて配置され
る。従って、潤滑剤スプレーパイプ２４からスプレーさ
れた潤滑剤のうち余分の潤滑剤２５は下に落とされ、必
要分だけスクイズロール６に皮膜の形で付着して金属帯
−ロール間の潤滑に供される。

【００３０】次にスイーパ機構２０の作用効果を述べ
る。上述した通り本発明は、レーザ溶接前に潤滑剤を予
熱（高周波加熱）して気化蒸発させ、しかもこの気化蒸
気をガスパージしたことに特徴がある。しかし、溶接点
（溶接トーチ５）近傍のスクイズロール６，６に供給し
た潤滑剤が直接溶接部に至る恐れがある。そこで、図８
に示したゴム板２３，２３で潤滑剤を制限することによ
り溶接部への影響を無視できる程度に弱めるものであ
る。

【００３１】図１０は図９の別実施例図であり、ゴム板
２６をスクイズロール６のロール面のみならず上面まで
廻り込ませたことを特徴とする。溶接点が管状金属帯Ｗ
の最上位置にあるため、上位部分の潤滑剤を特に制限す
ることにより、良好に潤滑剤の侵入を抑制する。

【００３２】図１１は本発明に係るガスパージノズルの
補足説明図であり、ガスパージノズル３ａは溶接トーチ
５から逆向き、即ち溶接点より上流向きに圧縮空気等の
ガスを噴射するものであるが、その噴射速度が大き過ぎ
ると、ノズル３ａの周りに渦流２８が発生し、この渦流
２８によって溶接トーチ５のガスシールド５ａが乱され
ることがある。ここで、ガスパージノズル３ａからの噴
流を程度に押さえ、好しくはガスシールド５ａの速度以
下とする。そうすれば、溶接性は良好に保たれる。ま
た、溶接トーチ５付近まで潤滑剤の蒸気又は微粒子２９
が飛んでくることがある。しかし、これら蒸気又は微粒
子２９はガスシールド５ａで阻止されるので問題とはな
らない。

【００３３】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１は、溶接前に潤滑剤を気化蒸発させ、こ
の蒸気を溶接点から遠ざかる方向へブローすることで、
気化蒸気が溶接部に至ることを防止したので、水素割れ
や気泡発生が阻止でき、溶接部の品質を向上させること
ができる。

【００３４】請求項２は、気化蒸気のブローを溶接用シ
ールドガスにて実施させるものであるから、ガスパージ
ノズルを省略でき、設備の簡略化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ溶接機を備えたロール式管
成形装置の概略図

【図２】本発明に係るレーザ溶接機及び付帯装置の平面
図（第１実施例）

【図３】本発明に係るガスパージノズルの配置例を示す
側面断面図（第２実施例）

【図４】本発明に係るパージガス流量と気泡の検出個数
との相関図

【図５】図３の別実施例図（第３実施例）

【図６】本発明に係る２重シール型溶接トーチの断面図

【図７】図３の更なる別実施例図（第４実施例）

【図８】本発明方法を実施するのに好適なスクイズロー
ルのために潤滑剤供給機構の平面図

【図９】図８の要部説明図

【図１０】図９の別実施例図

【図１１】本発明に係るガスパージノズルの補足説明図

【符号の説明】

１…ロール式管成形装置、２…高周波加熱手段、２ａ…
コンタクトチップ、２ｂ…高周波発振器、３…蒸気ブロ
ー手段、３ａ，３ｂ，３ｃ…ガスパージノズル、４…レ
ーザ溶接機、５…溶接トーチ、５ａ…ガスシールド、６
…スクイズロール、１０…２重シール型溶接トーチ、Ｗ
…金属帯、Ｗ１…端部（対向両端部）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の金属帯を管状に曲げ成形するロ
   ール式管成形装置と、曲げられた金属帯の対向両端部を
   加熱する高周波加熱手段と、圧縮空気や不活性ガスにて
   気化蒸気を上流へブローする蒸気ブロー手段と、レーザ
   溶接機とをこの順に直列配列し、前記ロール式管成形装
   置で使用した潤滑油や冷却水などの潤滑剤を前記高周波
   加熱手段で蒸発させ、この気化蒸気を前記蒸気ブロー手
   段で溶接トーチから遠ざかる方向へブローし、潤滑剤が
   除かれた状態の対向両端部をレーザ溶接することを特徴
   としたレーザ溶接管の製造方法。
2. 【請求項２】 前記蒸気ブロー手段を溶接トーチのシー
   ルドガスで代替することを特徴とした請求項１記載のレ
   ーザ溶接管の製造方法。