(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極を溶接方向に並べて配置し、鋼管矢板のフレア継手をガスメタルアーク溶接する方法において、
開先内にカットワイヤまたは鉄粉を散布し、
第１電極と第２電極により、１つの溶融池を形成し、第３電極と第４電極により、もう１つの溶融池を形成するように４つの電極を配置し、
前記第１電極と第２電極から構成される先行溶接ヘッドと、前記第３電極と第４電極から構成される後行溶接ヘッドにより、前記フレア継手のガスメタルアーク溶接を行うとともに、
少なくとも前記第１電極および第３電極には高速回転アーク溶接法を用い、かつ、高速回転アーク式アークセンサ制御により開先自動倣いを行いながら、
毎分１５０ｃｍ以上の速度で溶接することを特徴とする鋼管矢板継手の４電極溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管矢板のいわゆるフレア継手の４電極溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管矢板は、一般にスパイラル溶接鋼管からなる本管と、この本管の両側に長手方向に溶接された継手材とから構成される。鋼管矢板の材質とサイズはＪＩＳＡ５５３０（１９８３）に規定されており、本管は外径５００〜２０００ｍｍ、厚さ９〜２５ｍｍ、継手材のうちパイプ型は外径１６５．２ｍｍ、厚さ９ｍｍまたは１１ｍｍとなっている。
【０００３】
継手の形式として、Ｐ−Ｐ型、Ｐ−Ｔ型、Ｌ−Ｔ型の３種類があるが、ここでは、図７に示すようなＰ−Ｐ型を対象とする。Ｐ−Ｐ型はパイプ同士の継手形式であり、ほかの２種類のものに比べて、溶接継手がいわゆるフレア継手を形成することから、溶接上の問題が多く発生するためである。
【０００４】
Ｐ−Ｐ型は、本管１に継手鋼管２を断続的に仮付け溶接した後、フレア継手３を本溶接する。左右上下４箇所のフレア継手３を溶接後、継手鋼管２にスリット４を加工し、このＰ−Ｐ型の鋼管矢板の製造が終了する。
【０００５】
Ｐ−Ｐ型においては、図８の拡大図で示すように、８ｍｍ以上のビード幅が要求される。また、狭隘で深いフレア開先を呈していることから溶接施工上困難な問題がある。
【０００６】
従来の２電極タンデム溶接法は、各電極毎に１つの溶融池を形成するという２プール方式の溶接法である。この溶接法の一番の問題点は、溶接速度を上げることができないことである。溶接速度を上げようとして溶接電流を増加すると、アーク圧力が過大となって、バーンスルー（溶接金属の落下）が発生するからである。したがって、この溶接法では溶接速度は１００ｃｍ／min程度が限界である。
【０００７】
また、電極数を３電極にし、全体の溶着量を増加させる方法も試みられているが、この方法では、溶接速度が１５０ｃｍ／min以上になると、第１電極（先行電極）の溶接が良好に行えないという問題がある。その理由は、第１電極のアーク直下の溶接金属層の厚さが薄くなる欠点があるため、同様にバーンスルーが発生するからである。
【０００８】
特開平８−２５２６６７号公報に示された溶接法は、以上の問題点を解決する一つの方策ではある。この溶接法は、複数台の走行式溶接機を管軸方向に並べて配設し、各々の走行式溶接機の溶接速度は０．５〜０．７ｃｍ／minであるが、各台あたりの溶接長を短くすることにより、総合的に溶接速度を上げようとするものである。したがって、基本的に、溶接機１台につき２電極であり、２プール方式である。また、運棒方式としてウィービングまたは回転アーク方式を採用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この溶接法には次のような問題点がある。
（１）１５０ｃｍ／min以上の溶接速度を実現するには少なくとも３台の溶接機が必要である。いくら軽装備、小型化を可能にした溶接機といえども個々に独立した溶接機を複数台必要とするため設備費の上昇は免れない。
（２）高速回転アーク溶接の場合でも２電極の２プール方式では、溶接速度を増加すると、先行電極のアーク直下の溶融金属層の厚さが薄くなり、バーンスルーが発生しやすくなる。
（３）ビード継ぎを要するため、その継ぎ目部に溶接欠陥が発生しやすくなり、かつ処理に時間がかかる。
（４）充填材と称する特殊な形状の板材をフレア開先内に挿入することによって、カットワイヤの散布を省略することとしているが、このためコストアップをもたすらすだけでなく、この充填材の安定した取付が困難である。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、鋼管矢板のフレア継手の溶接における溶接速度の高速化とコストダウンを実現する鋼管矢板継手の４電極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】
本発明に係る鋼管矢板継手の４電極溶接方法は、複数の電極を溶接方向に並べて配置し、鋼管矢板のフレア継手をガスメタルアーク溶接する方法において、開先内にカットワイヤまたは鉄粉を散布し、第１電極と第２電極により、１つの溶融池を形成し、第３電極と第４電極により、もう１つの溶融池を形成するように４つの電極を配置し、前記第１電極と第２電極から構成される先行溶接ヘッドと、前記第３電極と第４電極から構成される後行溶接ヘッドにより、前記フレア継手のガスメタルアーク溶接を行うとともに、少なくとも前記第１電極および第３電極には高速回転アーク溶接法を用い、かつ、高速回転アーク式アークセンサ制御により開先自動倣いを行いながら、毎分１５０ｃｍ以上の速度で溶接することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明においては、４電極を用い、そのうちの２電極で１プールを形成し、４電極２プール式の溶接法である。さらに、少なくとも第１電極と第３電極に対しては高速回転アーク式アークセンサ制御を行うものである。このため、本発明は下記の作用効果を奏する。
（１）２電極１プールずつの溶接であるので、その先行電極と後行電極がそれぞれのアーク圧力により、電極間の溶融金属を押し合うことになる。そのため、各電極の直下に十分な厚さの溶接金属層が形成されるため、バーンスルー（溶接金属の落下）が発生しにくい。
（２）少なくとも先行電極（第１、第３電極）に高速回転アーク溶接法を採用するため、アーク圧力の分散効果により、上記（１）と同様の効果が得られ、上記現象が発生しにくい。
（３）さらに高速回転アークの採用により、高精度で応答性の良い開先倣い性能が得られるため、１５０ｃｍ／minを超える溶接速度でも、トーチの狙い位置が安定に保たれるため、アンダーカットや割れ等の溶接欠陥が発生しない。
（４）上記（１）〜（３）の効果により、従来法よりも高い溶接電流が適用できる。
【００１３】
本発明において、電極数を４電極とするのは、所定の溶接ビード断面積（ワイヤ溶着体積÷溶接速度）を高速溶接で得るために、ワイヤ溶着体積の合計を増加することが目的である。したがって、コストが増加するものの、６電極３プール、８電極４プール式も可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の鋼管矢板継手の４電極溶接方法を示す概要図である。図１において、１は本管、２は継手鋼管であり、継手鋼管２はあらかじめ本管１に仮付け溶接されている。５はフレア開先６内に一様な幅で散布されたカットワイヤ（または鉄粉）である。
１１は第１電極（Ｌ１電極）、１２は第２電極（Ｔ１電極）、１３は第３電極（Ｌ２電極）、１４は第４電極（Ｔ２電極）であり、これら４本の電極は溶接方向に直線上に並べて配置され、第１電極１１と第２電極１２、および第３電極１３と第４電極１４はそれぞれ１つの溶融池７、８を形成するように配置されている。すなわち、極間距離でいえば、第１電極１１と第２電極１２、および第３電極１３と第４電極１４はいずれも２５〜１００ｍｍとなるように配置されている。また、第１電極１１と第２電極１２により先行溶接ヘッド１５を構成し、第３電極１３と第４電極１４により後行溶接ヘッド１６を構成し、これら２つの溶接ヘッド１５、１６をもつ溶接装置となっている。先行溶接ヘッド１５と後行溶接ヘッド１６間の距離は上記のように２プールとなるように離す。
【００１５】
各電極に使用する溶接ワイヤのワイヤ径は溶着量確保の観点から１．４〜２．０ｍｍが適当である。図中、９、１０はそれぞれ１層目の溶接ビード、２層目の溶接ビードである。
【００１６】
さらにここでは、全ての電極に回転アーク方式を用いているが、少なくとも各溶接ヘッドの先行電極すなわち第１電極１１と第３電極１３は回転アーク方式とし、第２電極１２および第４電極１４はストリンガあるいは直線反復揺動式としてもよい。
【００１７】
開先倣いについては、各溶接ヘッドの先行電極である第１電極１１と第３電極１３の高速回転アーク式のアークセンサ制御によるものとし、第２電極１２と第４電極１４はそれぞれの先行電極である第１電極１１および第３電極１３の開先倣い軌跡を再生することにより開先倣いを行う。
【００１８】
図２に溶接装置の概要を示す。前記の先行溶接ヘッド１５と後行溶接ヘッド１６はマニプレーター２１の水平軸２２の先端部に垂設されている。このマニプレーター２１は溶接機台車２０上の垂直軸２３に沿って上下し、かつ、水平方向に移動するように構成されている。溶接機台車２０は台車２４上の本管１の管軸と平行に走行するようになっている。
また、仮付け溶接後、本管１および継手鋼管２からなる鋼管矢板は台車２４のターニングローラ２５上に載置される。その後、前述のごとくカットワイヤをフレア開先内に散布し、ターニングローラ２５により本管１を回動させて所定の継手ポジションθにセットする。
各電極のトーチ角度α、β（αは溶接方向の正面から見たときの角度で、電極軸と鉛直線とのなす角度である。βは溶接方向に対する前進角または後退角である。）および狙い位置を決め、アークをスタートさせて溶接を開始する。溶接速度は溶接機台車２０の走行速度を制御することにより達成される。
１つのフレア継手の溶接終了後、マニプレータ２１を伸ばし、反対側のフレア継手を上記のように継手ポジションθ、トーチ角度α、βをセットしたのち溶接する。下側左右２箇所のフレア継手はターニングローラ２５により鋼管矢板を反転させてから同様の手順で順次溶接する。
【００１９】
さらに、本発明の実施例を説明する。
溶接施工条件を次のように設定して溶接試験を行った。表１に溶接施工条件を示す。
【００２０】
【表１】
0003726539.tif 000002
【００２１】
（１）電極配置
電極配置は図３のとおりとした。トーチ角度βは、第１電極１１と第３電極１３についてはβ＝０゜、第２電極１２と第４電極１４についてはβ＝１５゜とした。なお、トーチ角度αは各電極ともα＝０゜である（図４参照）。
極間距離Ｌは、先行２電極および後行２電極とも３０ｍｍとした。また、第２電極１２と第３電極１３間の距離は６００ｍｍとした。
【００２２】
（２）溶接ワイヤ
溶接ワイヤは全て同じものを使用し、ワイヤ径は溶着量確保の観点から各電極とも１．６ｍｍφを採用した。
【００２３】
（３）カットワイヤ
割れやブローホールの発生およびアークの安定の観点から、カットワイヤはφ１×１ｍｍを採用した。また、散布幅は８ｍｍ程度とした。
【００２４】
（４）継手ポジションとトーチ角度（α）、ワイヤ狙い位置、ワイヤ回転方向の関係
図４のとおりとした。ワイヤ回転方向は、図５に示すように、溶接方向に対し右回転を正回転、左回転を逆回転としている。ワイヤ狙い位置は各電極とも開先中央である。
【００２５】
（５）開先倣い
各電極とも回転アーク方式を採用し、第１電極１１および第３電極１３のアークセンサ制御方式により開先自動倣いを行った。
【００２６】
溶接試験結果を示すビード断面形状を図６に模式的に示す。溶接速度が１５０ｃｍ／min、２００ｃｍ／minのいずれの場合においても、溶接欠陥のない極めて良好なビード形状を呈していた。また、ビード幅は約９ｍｍであった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、４電極２プール式の溶接法で、しかも先行電極である第１電極と第３電極に高速回転アーク溶接法を用い、かつ高速回転アーク式アークセンサ制御により開先自動倣いを行いながら、鋼管矢板のフレア継手を溶接するものであるから、溶接品質を高く保ちつつ溶接速度が１５０ｃｍ／min以上の高速化を達成でき、かつこれに伴うコストダウンの効果が大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接方法を示す概要図である。
【図２】溶接装置の概要図である。
【図３】実施例における電極配置を示す図である。
【図４】実施例における継手ポジションとトーチ角度（α）、ワイヤ狙い位置、ワイヤ回転方向の関係を示す図である。
【図５】ワイヤ回転方向を定義する図である。
【図６】溶接試験結果のビード断面形状を模式的に示す図である。
【図７】鋼管矢板のＰ−Ｐ型継手を示す図である。
【図８】フレア継手の拡大図である。
【符号の説明】
１  本管
２  継手鋼管
３  フレア継手
４  スリット
５  カットワイヤ
６  フレア開先
７  溶融池
８  溶融池
９  １層目の溶接ビード
１０  ２層目の溶接ビード
１１  第１電極
１２  第２電極
１３  第３電極
１４  第４電極
１５  先行溶接ヘッド
１６  後行溶接ヘッド
【図１】
0003726539.tif 000003
【図２】
0003726539.tif 000004
【図３】
0003726539.tif 000005
【図４】
0003726539.tif 000006
【図５】
0003726539.tif 000007
【図６】
0003726539.tif 000008
【図７】
0003726539.tif 000009
【図８】
0003726539.tif 000010