JPS5937716B2 - コウソクガスシ−ルドア−クヨウセツホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大径溶接鋼管の外面仮付け溶接方法に関する。

ＵＯＥ方式による鋼管の製造は、鋼板両側縁を予め溶接
用開先が得られるように切断切削整形し、該鋼板を断面
Ｕ字状にＵプレスしたのち断面ｏ字状にｏプレス成形を
行つて両側縁端を突合わせ、シーム部を溶接して鋼管を
得る方法として広く知られている。

ところで、このＵＯＥ方式による大径溶接鋼管の製造に
あたつては、ｏプレス成形後本溶接を実施する前に、外
面を仮付け溶接する工程がとられる。この大径溶接鋼管
の板厚範囲は通常７Ｒ７７！〜５０慕薦程度である。ま
たその材質は通常、普通炭素鋼が主であり、高級品とし
て低合金系のものも使用されているが、高合金系或いは
ステンレスの如き特殊材料は用いられていない。このよ
うな大径溶接鋼管の仮付け溶接法として従来では作業員
が溶接トーチを持つて所要間隔で点状に溶接を行う手溶
接で行われていたが、この方法は作業が煩雑であると共
になにぶんにも溶接能率が低劣である点、更にコストア
ップを招くという点に問題があつた。そこで他の方法と
して素管長さ方向にたとえば３０ｃｍ間隔の如きでガス
シールドアーク自動溶接トーチを並列し、それら多数の
溶接トーチを所要量づつ左右移動させて不連続な仮付け
ビードを間隔形成することも行われている。しかし、こ
の溶接法では仮付け溶接後の開先断面がビードのある部
分とない部分とで凹凸状を呈し、そのため本溶接で外面
溶接を行うと、ビードがいわゆる波打ち状に形成される
と共にビード巾も不均一となり、外観が粗悪になるとい
う不利がある。更に溶け込み深さも不均一となり、融合
不良を生ずる危険性がある。そこで仮付けビードを完全
に溶融させる必要が生じ、この方法としては仮付けビー
ドの存在する部分で溶接電流値を増大させる方法をとる
ことが要求される。しかし実際問題としては各仮付けビ
ードことに電流値をあげることとすると専用の操作者が
必要となるので一般には予め電流値を高く設定して実施
しているが、この方法をとると溶接入熱が過度に高くな
り、その結果外面の溶け込み量が板厚の８割程度にも及
ぶ変則ビードとなつたり、高い溶接入熱により溶接部の
材質劣化をもたらすなどの問題を生じていた。以上の点
から不連続部分仮付けに代えシーム全長にわたり連続し
たいわゆる全長板付けをガスシールドアーク溶接法で実
施する要望が高まつているが、この全長板付けの実効を
あげるにはその溶接速度の向上が必須の条件となる。と
ころが一般にガスシールドアーク溶接法を用いその溶接
速度を高めただけでは著しい融合不良やアンダーカツト
、あるいは溶接金属が局部的に大塊となつて凝縮し、こ
れが数珠玉状に連なつたいわゆる高速パンピングビード
が生成されやすく、そのためガスシールドアーク溶接法
をとるかぎり１ｍ／Ｍｉｎが高速溶接速度限界であると
されていた。しかしながら仮付けラインは通常１ライン
のみであり、この仮付け工程の遅滞はこれがネツクとな
つて工程全体の遅滞をまねくため、不連続仮付け溶接に
代る全長連続仮付け溶接を実用法とするには溶接速度と
して最低限３ｍ／Ｍｉｎが必要であつて、５ｍ／Ｍｉｎ
あるいはそれ以上とできるだけ高速であることが要求さ
れる。

かようなことから従来３ｍ／Ｍｉｎ以上の高速ガスシー
ルドアーク溶接法が幾つか提案されている。即ちそのひ
とつとしては、第１４回溶接学会全国大会講演概要（昭
和４９年３月１５日発行）にみられる如く、ＣＯ２ガス
アーク溶接法を用い、電圧と電流を短絡移行にて溶滴が
移行する溶接条件の範囲に設定して溶接を行う方法であ
り、他のひとつとしては、特開昭４７−３３８４７号に
みられる如く、ＣＯ２ガスアーク溶接法を用い、アーク
電圧を短絡を生じはじめる電圧と該電圧プラス２Ｖの範
囲とし、かつ電流を４００Ａ以上の範囲に設定して溶接
を行うという方法である。しかして、これらの２つのガ
スシールドアーク溶接法によれば、それぞれ４．５ｍ／
Ｍｉｎあるいは４．２ｍ／Ｍｉｎ程度の高速度にて良好
なビードを得ることが可能となつたとされているが、こ
れらいずれの方法も、それ以上の高速度たとえば５ｍ／
Ｍｉｎや６ｍ／Ｍｉｎあるいはそれ以上の速度で実際に
溶接を行うと、前者の方法ではビード表面にスパツタが
付着すると共に溶滴移行の不安定化が生じやすく、ビー
ドが不連続化しやすい。

また後者の方法ではパンピングビード等の高速異常ビー
ドの生成が起りやすく、高速で欠陥のない健全なビード
を形成することが困難であつた。本発明は上記したよう
な点に鑑みなされたもので研究と実験を重ね、その結果
全長連続仮付け溶接をガスシールドアーク溶接法で高速
にて実施するに好適な溶接条件は、前述した既提案の如
く短絡移行域の範囲、あるいはアーク電圧を短絡をしは
じめる電圧と該電圧プラス２Ｖの範囲にあるものではな
く、それ以外の特定の溶滴移行を生起する電流、電圧範
囲にあることを見出し、この特定の溶接条件にてガスシ
ールドアーク溶接を行い、大径鋼管の外面仮付けを行う
ことにしたものである。即ち本発明は、溶接速度３ｍ／
Ｍｉｎ以上、溶接ワイヤ径３７１ｔ７ｎ以上、溶接電流
４００Ａ以上１０００Ａ以下、シールドガスとしてＡｒ
ガス単独又はＡｒガスにＣＯ２を８０（！）以内若しく
は０２を３０％以内添加したものを用い、更に電圧を短
絡時にもアークが消弧しない範囲に設定して溶接を行う
ものであり、かくするならば、３ｍ／Ｍｉｎ以上ことに
５ｍ／Ｍｉｎ以上の高速溶接条件下でも安定でかつ健全
な接合部を得ることができる。

以下本発明による外面仮付け溶接法を既述した従来の溶
接法と比較的に説明すると、消耗電極を用いるガスシー
ルドアーク溶接法で溶接を高能率化するには、溶接速度
自体を３ｍ／Ｍｉｎ以上と増大させることはもとよりで
あるが、単位長さあたりの溶着金属量を増大させること
およびアークの高速移動に伴う不安定化現象を防ぐため
溶接電流値を６００Ａ以上の如く大電流域に設定して行
うことが必須の条件となる。

ところで、このような大電流域においてアーク電圧を変
化せしめた場合の消耗電極からの溶滴の移行形態を検討
すると、第１図のように低電流高電圧領域ではグロピユ
ール移行領域１であるが、電圧を減少させると、スプレ
ー移行領域と短絡移行領域へと順次変化する。しかして
スプレー移行領域の移行形態のオンログラムと短絡移行
領域のオンログラムを概要的に示すと夫々第２図及び第
３図となる。既述した従来法のうち前者の方法は上記の
短絡移行領域の範囲で溶接を行うというもので、また後
者の方法は上記スプレー移行領域川における低電圧側を
溶接条件の範囲として溶接を行うというものである。し
かし、これらの溶滴移行形態での溶接では高速条件下で
健全な接合部を得ることができなかつたことは前述の通
りである。

その理由は本発明者等によつて明白に把握された。即ち
、まず前者の方法のように短絡移行領域に溶接条件を設
定した場合には、第２図のオンログラムのように短絡時
にアークが消弧し、電圧は０Ｖ近傍まで降下すると共に
短絡時間がかなり長いものとなり、また電流は短絡時に
著しく増大することが溶接条件上の特徴となる。だが、
このように短絡時にアークが消弧することは、その結果
としてアークによる母板の加熱時間を短くすることとな
り、溶接速度を早めるほど溶融池前方の開拓が遅れる。
このため短絡を生じはじめる時点において溶接ワイヤー
先端部の溶滴は直接冷たい母板固体部分と接触するよう
になり、従つて短絡時の溶融金属の温度が低下し、短絡
時間が増大すると共に短絡回数が減少するようになる。
その結果１回の短絡あたりの溶融量が大となつて溶滴の
移行形態が不安定化しやすく、前述したようなスパツタ
リングとビードの不連続化を招来するものである。次に
、後者の方法である低電圧域のスプレー移行領域で溶接
を行う方法は、第３図のオンログラムから明らかなよう
に電流、電圧にも大きな変動はみられず常にほぼ一定の
値を示しているのが特徴であつて、このことからアーク
も安定する。

しかし、この溶接法では電極の先端と母板溶融金属の間
にアーク柱が常に存在し、このアーク柱はプラズマ気流
を加速する働きを示す。そのため高速化にあたつてアー
クを更に安定化せしめんとして溶接電流を増大させると
、溶接アークは自己収縮し電流密度の高いいわゆる硬い
アークとなり、電極近傍と母板近傍との電磁圧力の差に
よつて生ずるプラズマ気流を著しく強力、加速させるこ
とになる。その結果プラズマ気流が溶融金属を後方に吹
き飛ばしアーク直下には溶融金属が存在しないで母板固
体面が露出している状態を形成する。ところがプラズマ
気流自体は母板を溶融させる能力に欠けているため、ア
ーク直下並びにアーク通過後の母板固体露出面は完全に
乾いた状態を呈し、その結果溶融金属が母板とよくなじ
まず、著しい融合不良、アンダーカツト及びハンピング
ビ．−ド等の高速異常ビードを生ぜしめるのである。従
つて、以上のような溶接条件にて５ｍ／Ｍｉｎ以上の如
き高速ガスシールドアーク溶接を行うことは実際上困難
である。そこで本発明者等はシールドガス組成および電
流、電圧を変化させて、なお仔細に溶滴の移行形態を精
査したところ、シールドガス中に電位傾度の小さいガス
を添加した時の大電流域においては、電圧の変化（低下
）により前記スプレー移行領域と短絡移行領域の間に、
外観上はスプレーアークを保ちながらしかもその中で短
絡現象を起す領域、即ち不完全短絡移行領域の存在する
ことを知得した。しかして、この不完全短絡移行領域の
オンログラムの概要は第４図の如きであつて、短絡時間
は一〜ゝ ５００ ？秒と著しく短く、かつ短絡時の電圧波形は第２図のよ
うな通常の短絡移行の場合と異なり０Ｖ近傍までは降下
せず短絡時にも相当に高い電圧値を示す。

そこでこの不完全短絡移行領域にて高速ガスシールドア
ーク溶接を行つたところ、従来法にて生じていた諸問題
が解決され、非常に高速にて安定でかつ健全な接合部の
得られることが判明した。そこで、本発明は３ｍ／Ｍｉ
ｎ以上の高速度でガスシールドアーク溶接による外面仮
付溶接を行う際に、従来提案されていた溶接条件範囲と
全く異なる不完全短絡領域に電圧、電流を設定して溶接
を行うことを提案するものである。

しかして本発明における不完全短絡とは、使用ワイヤー
径に対して通常用いられている電流範囲よりもはるかに
大きな電流を流し、これで電極先端に強力なピンチカを
生ぜしむる。この強力なピンチカにより第５図のように
電極１の先端溶融部２をペンシル状に引き伸ばし、更に
アーク３の長さを短かくすることによつて母板溶融金属
４と接触若しくは非常に近い位置に近接させる状態をい
うものである。このような第５図に示す特定の溶滴移行
形態を保ちつつ溶接を行うためには、シールドガス組成
の調整および電流、電圧の設定が必要となる。

まずシールドガス組成について述べると、本発明のポイ
ントである短絡時にもアークが消弧しない状態を生起す
るためにはアークを構成するガス体の電位傾度を小さく
する必要があり、シールドガスには電位傾度の小さいガ
ス組成を選ぶべきである。詳述すれば不完全短絡を生ぜ
しむるためには電極先端部をペンシル状に細長くひきの
ばし該部分での低抗値を増大し、電圧降下を大きくする
必要があるが、このような状態を生起せしむるためには
電極先端部分のみならず電極側面からもアークを発生さ
せ、アーク内に電極先端溶融部を閉じこめ、アーク自体
のピンチカを該部分に強力に作用させる必要がある。こ
のように電極側面からアークを発生せしむることが不完
全短絡を生ぜしむるポイントとなるが、このためにはア
ークの電位傾度が小さい事が望ましく、アークの電位傾
度が大きければアークは収縮した状態となり電極先端下
部のみからアークが発生し、先端部は球状化するため不
完全短絡は生じにくい。それゆえシールドガスとしては
電位傾度の小さいＡｒを主体とし、これを単独で用いる
かもしくはこれにＣＯ２，Ｏ２の活性ガスを添加して用
いる。この場合、活性ガスはいずれも電位傾度を増大さ
せるためその添加量は限られるべきである。本発明者ら
の実験によれば、その添加量はＣＯ２ガスに関しては８
０％以内、０，ガスに関しては３０％以内におさえるべ
きであることが確認され、従来の高速溶接法にて用いら
れていたＣＯ２ガス単独においては不完全短絡は生じ得
ないことが判明した。また、電流、電圧について述べる
と、その具体的範囲は使用する消耗電極の径およびシー
ルドガス組成、溶接速度によつて適当に設定すべきであ
る。

ただいずれにしても高速溶接を行う以上、消耗電極は外
径３．０ｕφ以上のものを用い、溶接電流は４００Ａ以
上、ことに６００Ａ以上の大電流を用いるべきであり、
その上限は１０００Ａとする。如故ならば、４００Ａ以
下では完全短絡領域で溶滴がグロビユール移行となり、
スパツタが多くなるからである。また１０００Ａ以上と
すると、電流が強すぎて、ブラズマ気流が強くなり、パ
ンピングビードとなるからである。この条件下で第４図
に示されるオンログラムが得られるよう、アーク電圧を
設定することが絶対的に必要である。以上、不完全短絡
を生ぜしむるための溶接条件に関して述べたが、本発明
による高速溶接条件下でのビード生成機構を従来法と比
較して述べれば以下の如くである。本発明のように電流
、電圧およびシールドガス組成を短絡時にもアークが消
弧しない不完全短絡移行の領域に設定して行うときには
、電極先端は強力なピンチカにより細長く伸びて溶融金
属４と接触又は近接する状態或いは接触と近接を繰返す
状態となるが、細長く伸ばされた電極先端溶融部２は断
面積が小さいため相当の抵抗値を有し、そのため既述の
ように接触部分の電圧降下は大きな値となり重圧は０Ｖ
近傍までは降下しないという特殊な短絡移行時の電圧変
化形態を示す。一方これをアーク発生状態からみると、
従来のような短絡移行領域で溶接を行つた場合には短絡
時にアークは消弧する。しかし本発明のような不完全短
絡の場合には、短絡を生じていても電圧が高い値を示す
ためアーク３の消弧は起らず常にアーク３が点じている
状態となる。このため、溶接速度が５ｍ／Ｍｉｎ以上の
如き高速溶接時においても、アーク３によつて溶融池前
方の開拓が安定かつ確実に行われ、これにより短絡移行
領域にて高速溶接を行う場合に生じていた移行の不安定
化現象が全く生じず、スパツタのない美麗な連続ビード
が生成されるのである。更に、上記のような不完全短絡
領域においては、電極先端が溶融金属４と接触している
か若しくは非常に近い位置にあることになる。そのため
スプレー移行領域においては避け得る事が不可能なプラ
ズマ気流加速領域すなわちアーク柱の消去が可能であり
、したがつてプラズマ気流はスプレー移行領域に比べ著
しく微弱なものとなる。このプラズマ気流が微弱なこと
により溶融金属の後方への逃散が全く見られなくなり、
高速異常ビードの発生のない健全な接合部を得ることが
できるのである。次に本発明の具体的な実施例を示すと
下記の通りである。上記溶接条件にて溶接を行つた。

このときの電圧、電流波形を電磁オンログラムで調査し
たが、第４図の如き不完全短絡を生じていることが確認
された。しかして形成されたビードは第６図Ａ，ｂの写
真に示すように均一美麗な連続であり、その断面形状も
良好な結果を示している。また、上記した本発明と比較
するため、溶接条件を短絡移行を生じさせる範囲にとる
方法（従来法の１）と、電流が４００Ａ以上でアーク電
圧を短絡を生じはじめる電圧と該電圧プラス２Ｖの範囲
に設定する方法（従来法の２）を実施した。

なおこのときの溶接条件は、従来法の１については、溶
接電流：５５０Ａ１アーク電圧：２１Ｖ１シールドガス
ニＣＯ２（５０１／Ｍｉｎ）、溶接ワイヤー径：２．４
關φとした。従来法の２については、溶接電流：８００
Ａ１アーク電圧：２５Ｖ１シールドガス：ＣＯ，（５０
１／Ｍｉｎ）、溶接ワイヤー径：３．２關φとした。そ
していずれも他の条件、即ち溶接速度、被溶接材、開先
については上記した本発明の場合と同一とした。その結
果、従来法の１では第７図Ａ，ｂの写真のように得られ
たビード表面にスパツタが付着すると共に、ときおり生
ずる溶滴の著しい不安定化のため不連続ビードとなつた
。

また従来法の２では、第８図Ａ，ｂの写真のようにいわ
ゆる高速パンピングビードと称される不連続ビードが形
成された。これはスプレー移行領域での溶接のため強力
なプラズマ気流の動圧により溶融金属が後方に吹き飛ば
されたことによることは明らかであつて、高速溶接とし
て致命的な欠陥である。実施例 ２ 上記実施例１で本発明方法が高速アーク溶接に好適な方
法であることがわかるが、次に本発明により溶接速度を
更に上昇させてＵＯプレス後の素管のストレートシーム
を仮付け溶接した場合の溶接条件と得られた溶接ビード
の状況を、従来法の１と従来法の２による場合と比較的
に示すと下記第１表の通りである。

なお被溶接材はいずれの方法においても高級配管用鋼管
ＡＰＩ×６５板厚２５，４ｍｍ１開先５００、深さ９．
５ｍｗ！．とした。上記第１表から明らかなように、従
来法の１及び従来法の２のいずれの溶接法も高速化が実
際上不可能であるが、本発明は９ｍ／Ｍｉｎという高速
溶接条件下でも安定でかつ健全な接合部を得ることがで
きることがわかる。ただし、溶接速度が１０ｍ／Ｍｉｎ
をこえるとパンピングビードの発生を防止できなくなる
ため、これを上限とする。以上のように本発明によると
きには、大径溶接鋼管の外面仮付けにおいて３ｍ／Ｍｉ
ｎ以上ことに従来では実質的に不可能であつた５ｍ／Ｍ
ｉｎ以上１０ｍ／Ｍｉｎまでの高速度にて健全な連続シ
ーム溶接を実施することが可能となる。なお、本発明を
スパイラル方式による鋼管製造工程に応用すれば、従来
行われていなかつたスパイラル造管後の仮付け法として
好適な溶接法となし得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はアーク電圧と電流との関係による溶滴移行形態
を概略的に示すグラフ、第２図は第１図における従来法
である短絡移行のオンログラム、第３図は同じく第１図
における従来法であるスプレー移行のオンログラム、第
４図は第１図における本発明範囲である不完全短絡移行
のオンログラム、第５図は第４図における不完全短絡時
の溶融部移行状況を示す説明図、第６図Ａ，ｂは本発明
により具体的に高速ガスシールドアーク溶接を行つた場
合の溶接ビードの平面と断面を示す写真、第７図Ａ，ｂ
は同じく溶接条件を短絡移行領域にとつた従来法で得ら
れた溶接ビードの平面と断面を示す写真、第８図Ａ，ｂ
は同じく溶接条件をスプレー移行領域にとつた従来法で
得られた溶接ビードの平面と断面を示す写真である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所望の接合部を連続シームにガスシールドアーク溶
   接するにあたり、溶接速度３ｍ／ｍｉｎ以上、溶接ワイ
   ヤ径３ｍｍ以上、溶接電流４００Ａ以上１０００Ａ以下
   、シールドガスとしてＡｒガス単独又はＡｒガスにＣＯ
   ＿２を８０％以内若しくはＯ＿２を３０％以内添加した
   ものを用い、更に電圧を短絡時にもアークが消弧しない
   範囲に設定して溶接することを特徴とする大径溶接鋼管
   の外面仮付け溶接方法。