WO1995029034A1

WO1995029034A1 - Procede de soudure pour une machine de formage automatique de tuyaux

Info

Publication number: WO1995029034A1
Application number: PCT/JP1994/000904
Authority: WO
Inventors: Ryosuke Kuramoto
Original assignee: Nakata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 1994-04-26
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 1995-11-02
Also published as: JPH07290261A; AU6856694A

Description

明細書

自動造管機の溶接方法技術分野

この発明は、化学工業用のステンレスパイプの如く、パイブ内面の §ί妾部、すなわち裏ビードが揃った滑らかな形状を有するパイブを自動造管機で製造するための^ ί妾方法に係り、光ファイバ一を伝送系としたレーザ一^ 機のレーザーへッドをパィブ内に配置し、外面側からのによる溶融部底の下流側近傍の裏ビード部をパイプ内に配置したレーザーへッドよりレ一ザ一ビーム照射して加熱することにより、外面側からの量を低減して突き抜けをなくしかつ内面側から少量の加熱で完全な溶け込み並びに良好な溶接及び裏ビード状態を整える自動造管機の溶接方法に関する。背景技術

例えば、化学工業用のステンレスパイプは、主としてパイプ内面を流体が通過するため、流体通過の妨げとならないように、、^¾部のビード形状が余盛の少ないこと、表面の滑らかなこと、アンダーカット、溶込み不良のないこと等が品質上要求される。

従来、自動造管機による化学工業用ステンレスパイブの製造における法には、外面からの自動«が主で TIG 、プラズマ^、レーザー溶接、電子ビームなどの各種溶融^法が採用されている。

一般に、パイプ肉厚が厚くなると溶接速度が非常に低くなり、例えば板厚み 10mm程度になると、 TIGi 法、プラズマ法では^^が非能率的で要求される工業的なレベルが達成できず、レーザー法によっても完全な溶込みを確保し、裏ビードの揃った滑らかな形を作ることは困難であった。パイプ肉厚が厚く、レーザー^ ¾法による場合は、完全な溶け込みを考慮してレーザー出力を設定すると、エッジ部のダレ、段差、傾斜等のバラッキが実際上発生するので、機械加工した Iシーム部のような条件では内面ビ一ドの均一ィ匕は難しく、所謂キーホールウェルダンとなり、溶け込みオーバ一によるフラッシュ、溶け落ち、余盛形状の不良等が発生し、また、レーザー出力を低く設定すると内面ビードの溶け込み不足等が発生し易く、完全な溶込みを確保し、裏ビ一ドの揃った滑らかな形を作り、安定した操業を行うことは困難であった。

パイブ内面のビードを完全に揃えることは、特に化学工業用ステンレスパィブの如き用途のパイプでは、その品質上極めて重要な点である。

そこで、外面からの自動 ^¾とともに内面から法による内面を行う方法が提案されており、外面と同時に内面からも ^する方法は内面ビードの整形に有効であると考えられる。

しかし、 TIG^i妾法では、トーチの特性上、垂直にアークを発生させなければならないため、連続時の溶融部からのスパッター等により電極が損傷しやすく不測の状態を招き易い。従って安定した操業を望むことは困難であ。発明の開示

この発明は、板端面同士を付き合わせて外面側から^^してパイプを連続的に製造する自動造管機によるパイプの製造において、外面と同時に内面からも,して内面ビードの整形を行う自動造管機の方法の提供を目的とし、特にパイプ肉厚比が大きなパイプの場合でも、溶接速度が速くかつ工業的に安定した操業が可能な自動造管機の^ i方法の提供を目的としている。発明者は、パイプ肉厚比が大きなパイブの場合でも、溶接速度が速くかつ工業的に安定した操業を可能にすべく、外面と同時に内面からもして内面ビードの整形を行う自動造管機の溶接方法について種々検討した結果、レーザ一機のレーザーへッドを光フアイバーを伝送系として成形中のパイブ内に配置し、外面側からの^ ¾による溶融部底の下流側近傍の 1または複数箇所のパイブ内面を、溶融部の下流側および/または上流側に配置される 1または複数のレーザ一ヘッドより照射するレーザービームにて加熱溶融することにより、外面側からの量を低減して突き抜けをなくしかつ内面側から少量の加熱で完全な溶け込み並びに良好な溶接及び裏ビ一ド状態を整えることが可能であることを知見し、この発明を完成した。

この発明において、被成形体の管素材の進行方向を、例えば図 1、図 2で右手から左手へと流れると仮定すると、溶融部の上流側とは带材の長手両端が突き合わされつつあり、まだされていない右側であり、溶融部の下流側とはされて管となった左側を示すものである。

また、この発明は、外面側からのによる溶融部底の下流側近傍の 1または複数箇所のパイプ内面を、溶融部の下流側および/または上流側に配置される 1または複数のレーザ一ヘッドより照射するレーザ一ビームにて加熱溶融するに際し、レーザ—ヘッドがへッド軸線に対し 60度〜 30度の光軸変更手段とフォーカス変更手段を有し、溶融部下流側よりレーザ一ビーム照射する自動造管機の方法を提案する。

さらに、この発明は、上記の構成において、光ファイバ一先端に設けた光学系へッドをパイブ内面のビード部方向に対向配置し、パイブ外の CCDカメラと光フアイバーで接続した CCDカメラシステムで、確認したシ一ム部状態に応じて、レーザービーム照射位置、レーザ一出力を変更する自動造管機の方法を併せて提案する。

この発明において、外面側からの^ ¾方法は、公知のいずれの §¾方法でも良いが、実施例に示すレーザー §¾方法との組合せが最も好ましい。また、この発明は、パィブ内面のビ一ド状態を整えるために内面側にレーザ一を採用するが、レーザ一種類も実施例に示す YAGレーザー以外のいずれのものも採用でき、出力もパルス方式、連続方式のいずれも採用できる o 図面の説明

図 1は、この発明方法に使用するパイブ内のレーザ—へッドの一例を示す概略説明図である。

図 2は、この発明方法による Iシーム溶接部の温度分布説明図であり、 Aは管軸方向の縦断面、 Bは管直径方向の縦断面を示す。

図 3は、この発明方法に使用するパイプ内のレーザ一へッドの他実施例を示す概略説明図である。

図 4A，B，Cは、図 3の実施例におけるレーザ—ヘッドの光軸変更例を示すレンズとミラーの配置説明図である。

図 5は、この発明方法による Iシーム妾部の温度分布説明図でありり、 A は管軸方向の縦断面、 Bは管直径方向の縦断面を示す。発明を実施するための最良の形態

従来、溶融^ fの速度を向上させるために、パワーを増加させるだけでは、ビード形状の不良、すなわち、アンダーカット、余盛形状の不良、内面ビードの溶け込み不足、横走り、溶け込みオーバ—によるフラッシュ、溶け落ち等が発生するため、実際の操業においてはシ一ム部のバラツキを考慮に入れて、加熱溶融により生成した溶融部 (以下モルトンプールという）の底部がパイブ内面側に突き抜けないように溶接速度及び入力をコントロールする必要があった。

詳述すると、内面ビードの形状を制御するためには、モルトンプール底部が内表面に達するように加熱し、底部のモルトンメタルの表面張力及び母材部との付着力、凝集力によって、モルトンメタルに働く重力及びアーク力等とバランスするように外部からののパワー及び速度をコントロールする必要があった。

しかしながら、ロール成形による連続造管ではエッジ部のダレ、段差、傾斜等のパラツキが実際上発生するので、機械加工した Iシーム部のような条件では内面ビードの均一化は難しい。

そこで従来は、モルトンブール底部が内表面に達するように加熱する際に、モルトンプールの底部が内面側に突き抜けないように底部を直接入力によつて形成するのではなく、母材の熱の伝導によって融点まで達するような条件で行うことが望ましいことから、入力の抑制並びに速度の低下が余儀なくされる。

ところが、従来の問題点について前述したレーザーによるキーホールウェルダンの場合のごとく、実際上は加熱溶融により生成したモルトンプールの底部が内面側に突き抜けたり、溶融不足を生じたりするために、特にが厚いほど溶融 ¾の速度を速くすることが極めて困難であつた。この発明では、図 2Α及び図 5Αの Iシーム溶接部の温度分布説明図に示す如く、外面からの、ここでは一例としてレーザ一トーチ 1による外面よりの溶込みは内面まで達成させる必要はなく、例えば、パイブ素材 2の板厚 tの約 80~90%程度となるように、モルトンブール 3の底面高さを調整するので、の入力過剰 (キーホールウェルダン）による溶け落ちの心配はない

一方、内面側のシーム部 4は、レーザー溶接トーチ 1による外面入力により溶融点 (モルトンプールの最底部)直下まで加熱されており、同部をレーザ一ビーム 5で加熱すると直ちに融点までに加熱されるが、この発明では外面入力による溶融部の底部直下ではなく、そのパイプ素材 2の溶融部直下の下流側近傍部分、図 2では溶融部の底部直下 (溶接トーチ 1の中心軸上)より _α長さ離れた部分をレーザービーム 5で加熱する。

この発明は、溶融部底部の下流側近傍部分をレーザービーム 5で加熱することにより、モルトンブール 3の上面よりの圧力や重力の作用の影響を抑止すると共にシーム部の f¾ tいや横走り等も、レーザービーム 5の出力を変えて内面ビードの幅を制御することにより修正することが可能であり、品質のよい龍パイプを得ることができる。

なお、外面よりの溶込み深さと、内面からのレーザ一ビームによる溶込み深さの比率は特に限定しないが、 ¾1¥みや速度を考慮して外面よりの溶込みが主になるように適宜選定すればよい。

内面側のレーザ一ビーム 5の出力は、レーザー雜トーチ 1による外面よりの入熱がパイプ素材 2の ¾i?tの約 80~90%程度、溶け込むように設定されており、また、かかる入熱にて溶融点 (モルトンブールの最底部)近傍は十分加熱されているため、新たな入熱が僅かであっても直ちに融点までに加熱されることを考慮し、ビーム出力を設定する必要がある。

また、この際、レーザービーム 5の焦点もシャープに一点に集中させるよりも、新たな入熱を分散させるがごとくビームを照射することが好ましい o

この際、複数のレーザーへッドで同一又は複数箇所のパイプ内面をレーザ一ビームにて加熱溶融することも内面ビ一ドの幅など形状の制御に有効な手段である。

前記の溶融部底部直下からレーザービームを照射する下流側近傍位置までの距離 _αは、特に限定しないが、外面入熱による内面シ一ム部の温度が溶融温度より 200'C ~300'C程度低い箇所が好ましく、外面からの入熱量ゃ灘速度等に応じて照射位置やレーザ一ビーム 5の出力を調節することが好ましい ^ また、この発明において、レーザービームを照射する位置である該溶融部直下の下流側近傍部分を狙うレーザ—ヘッドは、少なくともレーザ—へッドのビーム照射ロは該溶融部直下ではなく溶融部の下流側および/または上流側の所要位置に配置されるもので、配置位置に応じて所要角度を持ったビ— ム照射口にて、該溶融部の底部の下流側近傍部分を狙つてレーザービームを照射するため、モルトンプールのスパッタ一等の現象が生じてもレーザーヘッドに損傷を与える可能性は極めて少なく、特に下流側の場合は、スパッ夕一等がレーザービームを遮ったりすることがなく、また、斜妾条件を自由に調整することができ、連続操業が可能となる。

例えば、レーザーへッド自体は、冷却水が循環する冷却ジャケットで被覆することにより、高温度やモルトンプールのスパッタ一等から保護することができる。

また、レーザ一ヘッドのビーム照射口にへッド軸線に対し 60度〜 30度の光軸変更手段とフォーカス変更手段を備え、溶融部下流側よりレーザ一ビーム照射することにより、レーザーヘッドのビーム照射口の損傷を防止するともに、内面ビードの幅など形状の制御がより効果的に実現できる。

レーザーへッドの一例を説明すると、带材の両端部を突き合わせてパイブ化する一般的なパイブミルの場合、図 1に示す如く、ロール成形にて帯材両端部を突き合わせる直前のパイブ素材が開いた箇所より片持ち支持管 10を挿入し、その先端にレーザ一ヘッド 11を装着し、片持ち支持管 10内にレーザ一源からのレーザーを伝送する光ファイバ一 12を挿入配置し、レーザーへッド 11内に光ファィバー 12からのレーザーをコリメタ一レンズ 13,14で集光して、所要角度で配置したミラー 15にて照射窓となる保護レンズ 16へと反射、照射させる光学系を構成することにより、外面側からのによる溶融部底部の下流側近傍のシーム部を、溶融部の下流側に配置されるレーザーヘッド 11より照射するレーザービームにて加熱溶融することができる。なお、レーザーへッド 11は、図で詳細に示してはいない力、冷却水が循環する冷却ジャケットで被覆してある。

また、上記構成に加えて、レーザ一ヘッド 11あるいは片持ち支持管 10の先端にパイブ 2内面に当接する車輪を設けた内面ガイド装置を接続してもよい

例えば、図 3に示す如く、溶融部の上流側にレーザーへッドのビーム照身才口を配置する例で説明すると、片持ち支持管 20の先端にパイプ 2内面に当接する車輪 21を設けた内面ガイド装置 22を接続し、片持ち支持管 20内にレーザ一源からのレーザ一を伝送する光フアイバー 23を挿入配置し、内面ガイド装置 12内に光ファィバ一23からのレーザ一をコリメタ一レンズ 24で集光して、所要角度で配置したミラ一25,26にて照射用のコリメタ一レンズ 27へと反射させる光学系を構成することにより、シーム部への照射角度を所要の角度に設定でき、また、ミラ一 25，26と照身ォ用のコリメタ一レンズ 27の配置角度や位置を可変構造にすることにより、図 5に示す如く光軸角度を自由に設定することが可能になる。なお、図中 28は保護ガラスである。

シーム部への照射角度を予め所要の角度に設定するほか、また、ミラー 15，25の配置角度や位置を可変構造にすることにより、光軸角度を自由に設定することが可能になる。

また、光軸角度が一定であっても、例えば片持ち支持管 10，20のパイブ外の支持側にパイプ素材 2内で前後方向及び回転角度を変更可能にした支持装置を設けることにより、照射位置や照射角度をある程度変更することが可能になる。

さらに、片持ち支持管 10，20内に CCD力メラシステム用の光ファイバ一を挿入配置することにより、光フアイバー先端に設けた光学系へッドをパイプ内面のビード部方向に対向配置し、光ファイバ一の他端にパイプ外の CCD力メラと接続して CCDカメラシステムを構成することができ、シ一ム部の状態を CCDカメラシステムに接続したディスプレイで確認でき、確認したシ一ム部状態に応じて、レーザ一ビーム照射位置、レーザー出力を変更することができ、内面ビードの幅など形状の制御がより効果的に実現できる。実施例

図 1及び図 4に示す溶融部の下流側あるいは上流側にレーザーへッドを配置したこの発明による #ί妾装置を用い、外面からの条件として、 5kW出力の C0₂レーザー装置を用い、内面からの斜妾条件として、 lkW出力の YAG レーザー装置を用い、上述した内面ガイド装置を用いて、 «/?5mmと 10mm の SUS304材からなるパイブの^ ¾を行った。

この際、先ず、外面側の主へッドょりの約 80%程度のベネトレ— シヨンを生じるように、モルトンブールを発生させ、同時に内面側ヘッドより、 45度 ~60度程度の角度でモルトンブールの底部、すなわち、溶融部底部直下 (外面の ^トーチの中心軸上)より下流側部分を加熱溶融した。内面ェッジ近傍は、充分に加熱され、融点直下の温度分布となっており、少ないパワーでも有効に加熱溶融することが可能であった。

また、実操業時の映像より温度分布を測定した測定結果を模式的に表した図 2の Bに示す説明図からも明らかなように、内面ビード幅が拡大し、内面曲率に近い滑らかな (contour)形状を得ることができた。

また、 5kW出力の C0₂レーザ一装置を用いて外面からののみの従来法を、同一素材のパイプのを行ったところ、従来法の場合、 ¾^5mmでは速度が 2m/分程度、 ¾ l0mmでは速度が 0.3m/分以下と工業生産には非効率的であった。

これに対して、この発明によるの場合、レーザーヘッドが溶融部の下流側、上流側のいずれにある場合も、 ¾/?5mmでは速度が 3m/分、 W 10mmでは速度が lm/分以上と工業生産を実現できる溶接速度が得られた。産業上の利用可能性

従来、自動造管機における溶接は、レーザー溶接法によるパイプ肉厚が厚い場合は、エッジ部のダレ、段差、傾斜等のバラツキが実際上発生するので、完全な溶け込みを考慮してレーザー出力を設定すると、所謂キーホールウェルダンとなり、溶け込みオーバ一によるフラッシュ、溶け落ち、余盛形状の不良等が発生し、また、レーザ—出力を低く設定すると内面ビ―ドの溶け込み不足等が発生し易く、完全な溶込みを確保し、裏ビードの揃った滑らかな形を作り、安定した操業を行うことは困難であった。

ところが、この発明では、外面側からのレーザ一 «による溶込みを^? の約 80〜90%程度となるよう設定することにより、外面よりの入力はフルバヮ一に近い入熱となるように «速度を上げることが可能で、一方、該溶融部底の下流側近傍のパイブ内面を、溶融部の下流側および/または上流側に配置したレーザーへッドのレーザービームにて加熱溶融することにより、内面側への入力が予熱された面への入力なので小さいパワーでも充分で、外面側からの速い^ ¾速度にナ応することができることを特徴とし、かかる方法により、外側からの主溶接の溶け落ちがなく、内面加熱にて内面シ—ムの溶融不足や形状不良を無くすることができることから、 ^速度が著しく向上し、且つパイブ内面のによる不良を防止することができる。

Claims

請求の範囲

1. 板端面同士を付き合わせて外面側から^ ί妾してパイブを連続的に製造する自動造管機の方法において、レーザー機のレーザ—へッドを光ファイバーを伝送系として成形中のパイブ内に配置し、外面側からのによる溶融部底の下流側近傍のパイプ内面を、溶融部の下流側および/または上流側に配置されるレーザーヘッドより照射するレーザ一ビームにて加熱溶融し、パイプ内面のビード状態を整える自動造管機の §¾方法。

2. レーザートーチによる外面よりの入熱がパィブ素材の ^i^tの 80~90%である請求項 1記載の自動造管機の溶接方法。

3. 複数のレーザーへッドで同一又は複数箇所のパイプ内面をレーザービームにて加熱溶融する請求項 1記載の自動造管機の溶接方法。

4. レーザ—ヘッドがへッド軸線に対し 60度〜 30度の光軸変更手段とフォーカス変更手段を有し、溶融部の下流側よりレーザ一ビーム照射する請求項 1記載の自動造管機の溶接方法。

5. 光ファイバ一先端に設けた光学系へッドをパイプ内面のビード部方向に対向配置し、パイブ外の CCDカメラと光ファイバ一で接続した CCDカメラシステムで、確認したシーム部状態に応じて、レーザービーム照射位置、レーザー出力を変更する請求項 4記載の自動造管機の溶接方法。