(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管の円周をプラズマキーホール溶接する方法において、ビードの始端部にビードの終端部が重なる際、この部分の凝固後の溶接金属中の酸素濃度が、０．００５〜０．０２質量％になるようにシールドガス雰囲気を調整し、クレータ処理を行う金属管のプラズマキーホール円周溶接方法。
【請求項２】
プラズマアーク溶接トーチとして、タングステン電極が中心部に配置される第１ノズルが貴金属製または外表面が貴金属皮膜で被覆された非貴金属製であり、この第１ノズルの周囲にシールドガス供給用の第２ノズルを備えた溶接トーチを用いる請求項１に記載の金属管のプラズマキーホール円周溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管端同士が突き合わされた鋼管やＮｉ基合金管等の金属管の円周溶接方法に係わり、より詳しくは、プラズマキーホール溶接におけるビードの始端部と終端部の重なり部分の処理であるクレータ処理法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマキーホール溶接法による金属管の円周溶接において溶接欠陥が最も発生しやすいのは、ビードの始端部と終端部の重なり部分である。したがって、良好な溶接継手を得るためには、ビードの始端部と終端部の重なり部分の処理であるクレータ処理が重要なポイントとなる。
【０００３】
上記のクレータ処理は、プラズマアークが金属管母材を貫通しながら溶接が進行し、ビードの終端部がビードの始端部に重なる際、プラズマアークの力を弱めて貫通キーホールの底部を閉ざさせて非貫通孔となし、この非貫通孔内に溶接金属を流入させて溶接を完了するが、その際、非貫通孔内にガスが閉じこめられてキャビティーが形成され、溶接欠陥となる。
【０００４】
図６は、クレータ処理時に発生する溶接欠陥の発生態様を示す模式図であり、同図（ａ）は平常溶接時、同図（ｂ）はクレータ処理開始時、同図（ｃ）はクレータ処理終了時である。
【０００５】
すなわち、図６に示すように、貫通キーホールの低部が閉ざされた非貫通孔内には、プラズマガスやシールドガス等の圧力が作用する。このため、この非貫通孔内への溶接金属の流入が妨げられ、プラズマガスやシールドガスが非貫通孔内に閉じ込めれることにより、溶接欠陥Ｋが発生する。
【０００６】
上記の溶接欠陥Ｋは、金属管が厚肉になればなるほど顕著になる。これは、肉厚が厚くなるのに伴って非貫通孔が深くなるため、非貫通孔の内奥部までへの溶接金属の流入がより困難になり、非貫通孔内にガスがより一層閉じ込められやすくなるからである。
【０００７】
上記溶接欠陥の発生を防ぐようにしたクレータ処理方法としては、ビードの始端部に終端部が重なった時に、溶接電流を順次減少させるとともに、動作ガス流量を平常時の１／１〜１／１０、溶接速度を平常時の１／２〜１／３にする方法がある（特開昭５６−１６８９６０号公報）。
【０００８】
しかし、上記従来の方法では、金属管が厚肉、特に５ｍｍを超える厚肉材の場合、キーホールの低部が閉じられた非貫通孔内への溶接金属の流入量が不充分で、溶接欠陥の発生を確実に防ぐことができないという問題があり、その解決策の開発が強く望まれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、肉厚が５ｍｍを超える厚肉の金属管であっても、ガストラップ起因の溶接欠陥が発生することがない金属管のプラズマキーホール円周溶接方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の金属管のプラズマキーホール円周溶接方法にある。
【００１１】
金属管の円周をプラズマキーホール溶接する方法において、ビードの始端部にビードの終端部が重なる際、この部分の凝固後の溶接金属中の酸素濃度が、０．００５〜０．０２質量％になるようにシールドガス雰囲気を調整し、クレータ処理を行う金属管のプラズマキーホール円周溶接方法。
【００１２】
上記本発明の方法においては、プラズマアーク溶接トーチとして、タングステン電極が中心部に配置される第１ノズルが貴金属製または外表面が貴金属皮膜で被覆された非貴金属製であり、この第１ノズルの周囲にシールドガス供給用の第２ノズルを備えた溶接トーチを用いるのが望ましい。
【００１３】
上記の本発明は、以下に述べる知見に基づいて完成させた。すなわち、クレータ処理のポイントは、キーホールの低部が閉じられた非貫通孔内への溶接金属の流入が如何に円滑に行われるかで決定される。これは、次の理由による。
【００１４】
前述したように、クレータ処理時にガストラップ起因の溶接欠陥が発生するのは、非貫通孔内への溶接金属の流入が不充分で、非貫通孔内にガスが閉じ込められるためである。したがって、非貫通孔内に充分な量の溶接金属を流入させればよいことになる。
【００１５】
しかし、クレータ処理時においても、非貫通孔内にはプラズマアーク力による強い堀込み力が作用している。このため、溶接金属の吹き上がり現象が生じ、この吹き上がり現象により溶融池が乱され、非貫通孔が溶接金属で満たされる前に非貫通孔が溶接金属で塞がれ、非貫通孔内にガスが閉じ込められて溶接欠陥が発生することがわかった。
【００１６】
そこで、本発明者は、溶接金属の吹き上がり現象に抗して非貫通孔内に溶接金属が迅速かつ円滑に流入し、ガストラップ起因の溶接欠陥が発生することがない金属管のプラズマキーホール円周溶接方法を開発すべく、鋭意実験研究を行った結果、次のことが判明した。
【００１７】
前述の特開昭５６−１６８９６０号公報にも示されるように、金属管母材に含まれる酸素により溶接金属の流動性は増す。したがって、クレータ処理時の溶接金属に酸素や炭酸ガス等の酸化性ガスを積極的に添加してやれば溶接金属の流動性が向上し、ガストラップ起因の溶接欠陥は発生しなくなると考え、シールドガスを用いてクレータ処理時の溶接金属に酸素と炭酸ガスを積極的に添加する実験を行った。
【００１８】
図１と図２は、その実験結果の一例を示す図で、図１はシールドガス中の酸化性ガス、具体的には酸素または炭酸ガスの濃度と凝固後の溶接金属中の酸素濃度との関係、図２は横向き水平姿勢で溶接を行った際における最大ビード高さ位置のビード幅中心からのずれ率とシールドガス中の酸化濃度との関係である。この図１と図２からわかるように、酸化性ガスの添加により溶接金属中の酸素濃度が高くなり、それに伴って溶接金属の流動性が向上することを確認した。
【００１９】
そこで、シールドガスを用いて酸化性ガスを積極的に供給しながらクレータ処理して得られた凝固後の溶接金属中の酸素濃度とガストラップ起因の溶接欠陥の発生の有無との関係を調査した。その結果、凝固後の溶接金属中の酸素濃度が０．００５〜０．０２質量％の範囲内では、ガストラップ起因の溶接欠陥が発生しにくいことを知見した。
【００２０】
図３は、後述する実施例の結果を示す図で、酸化性ガス（酸素）を積極的に供給してクレータ処理して得られた凝固後の溶接金属中の酸素濃度とガストラップ起因の溶接欠陥の発生有無との関係を示しているが、この図で明らかなように、凝固後の溶接金属中の酸素濃度が０．００５〜０．０２質量％の範囲内になるように酸化性ガスを積極的に供給した場合に、ガストラップ起因の溶接欠陥が発生しないことがわかる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる金属管のプラズマキーホール円周溶接方法について、添付図面を参照しながら、詳細に説明する。
【００２２】
管端同士が突き合わされた金属管のプラズマキーホール円周溶接方法では、溶接トーチ固定管回転または管固定溶接トーチ回転のいずれかの方法で行われる。その際、プラズマアーク溶接用トーチとしては、一般に、図４の（ａ）図に示すように、中心部にタングステン電極１が配置された第１ノズル２と、この第１ノズル２の周囲に配置され、溶接部に向けてシールドガスＳＧを供給する第２ノズル３を備えたトーチが用いられる。
【００２３】
そして、使用中に水Ｗにより冷却される第１ノズル２には動作ガスＰＧが供給され、第２ノズル３には純アルゴンガスやアルゴンガスにヘリウムガスまたは水素ガス等を混ぜた混合ガスのシールドガスＳＧが供給される。
【００２４】
上記のようにして行われる金属管のプラズマキーホール円周溶接に際し、本発明では、ビードの始端部に終端部が重なる際、この部分の凝固後の溶接金属中の酸素濃度が０．００５〜０．０２質量％になるように、酸素や炭酸ガス等の酸化性ガスの濃度が調整されたシールドガスＳＧを第２ノズル３に供給し、このシールドガスＳＧで溶接部をシールドしてクレータ処理を行う。
【００２５】
これにより、キーホール周辺の溶接金属の流動性が向上し、溶接金属の吹き上がり現象に抗して非貫通孔内に溶接金属が円滑かつ迅速に流入し、ガストラップ起因の溶接欠陥の発生が防止されることは前述した通りである。
【００２６】
ここで、酸化性ガスをシールドガスＳＧに添加して第２ノズル３から溶接部に向けて供給するのは、第１ノズル２に供給される動作ガスＰＧに酸化性ガスを添加するとタングステン電極１が著しく酸化されて早期に消耗するためである。
【００２７】
なお、プラズマアーク溶接用トーチは、図４の（ａ）図に示す構成で、第１ノズル２全体が金や銀等の貴金属製のトーチ、または図４の（ｂ）図に示すように、第１ノズル２の本体は導電性に優れた銅や銅合金等の非貴金属製で、その表面が前記の貴金属被膜２０で被覆されたトーチを用いるのが望ましく、その理由は次の通りである。
【００２８】
図５は、図４の（ａ）図に示す構成で、第１ノズル２全体が銅合金製のトーチと銀製のトーチとを用い、純アルゴンガスに酸素を種々の濃度で添加したシールドガスＳＧを第２ノズル３から溶接部に向けて供給しながらクレータ処理する際におけるシリーズアーク発生限界溶接電流の調査結果を示す図である。
【００２９】
この図５から明らかなように、第１ノズル２全体が銅合金製のトーチの場合、シールドガスＳＧ中の酸素濃度の増加に伴ってシリーズアーク発生限界溶接電流が急激に低くなり、高い溶接電流での高速溶接や深い溶け込みの貫通溶接が困難になる。これに対し、第１ノズル２全体が銀製のトーチの場合、シールドガスＳＧ中の酸素濃度が高くても、シリーズアーク発生限界溶接電流が高く、高い溶接電流での高速溶接や深い溶け込みの貫通溶接が可能である。
【００３０】
なお、例えば、第１ノズル２全体が銀製のトーチを用い、純アルゴンガスに酸素または炭酸ガスを添加したシールドガスＳＧを第２ノズル３から溶接部に向けて供給しながらクレータ処理する際、凝固後の溶接金属中の酸素濃度を０．００５〜０．０２質量％の範囲内にするには、シールドガスＳＧ中の酸化性ガス濃度は、例えば、前述の図１に示すように、酸素の場合０．４〜４体積％程度、炭酸ガスの場合１．７〜１９体積％程度とすればよい。
【００３１】
【実施例】
外径３００ｍｍ、肉厚６．５ｍｍのＳＵＳ３０４製の鋼管を準備し、その管端同士の突き合わせ部を円周溶接する際、下記の条件でクレータ処理を行い、ビードの始終端部分におけるガストラップ起因の溶接欠陥、凹ビードおよび溶け落ちの発生の有無を調査した。
《クレータ処理条件》
使用溶接トーチ：第１ノズル全体が銀製のトーチ、
溶接電流：２００Ａから１５０Ａに低減一定保持、
溶接速度：３５０ｍｍ／ｍｉｎから２００ｍｍ／ｍｉｎに低減一定保持、
動作ガス流量：２．６ｌ／ｍｉｎから０．２ｌ／ｍｉｎに低減一定保持、
シールドガス流量：１２ｌ／ｍｉｎ一定保持、
シールドガス中の酸素濃度：０．２〜１０体積％の範囲内で種々変化、
溶接方法：溶接トーチ固定管回転、
溶接姿勢：下向き。
【００３２】
なお、動作ガスにはＨ2 を１０体積％含むアルゴンガス、シールドガスには純アルゴンガスを用いた。
【００３３】
そして、得られた溶接継手を対象に、クレータ処理されたビードの終始端部分の溶接金属中の酸素濃度を調べる一方、ビードの終始端部分をＸ線撮影して欠陥の有無を確認し、ガストラップ起因の溶接欠陥の発生の有無と凹または溶落ちビードの発生の有無を調べた。その際、ガストラップ起因の溶接欠陥の発生の有無は、ガストラップ起因の欠陥が１つでも認められたのも欠陥発生あり（●）、全く認められなかったものを欠陥発生なし（○）として評価した。
【００３４】
以上の調査結果を、図３に、シールドガス中の酸素濃度と関連付けて示し、凹または溶落ちビードの発生が認められたものは図中に■で示した。
【００３５】
図３から明らかなように、凝固後の溶接金属中の酸素濃度が０．００５〜０．０２質量％の範囲内の場合には、ガストラップ起因の溶接欠陥の発生は認められなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、溶接トーチ固定管回転および管固定溶接トーチ回転の円周溶接においてビードの終始端の重なり部分にガストラップ起因の溶接欠陥が存在しない溶接継手を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験結果の一例を示す図で、シールドガス中の酸化性ガス濃度と凝固後の溶接金属中の酸素濃度との関係を示す図である。
【図２】実験結果の一例を示す図で、シールドガス中の酸化性ガス濃度と横向き水平姿勢溶接時における最大ビード高さ位置のビード幅中心からのずれ率との関係を示す図である。
【図３】実施例の結果を示す図である。
【図４】本発明の方法を説明するための図で、同図（ａ）は一般的な溶接トーチを用いる場合、同図（ｂ）は特殊な溶接トーチを用いる場合である。
【図５】シールドガス中の酸化性ガス濃度とシリーズアーク発生限界溶接電流との関係の一例を示す図である。
【図６】クレータ処理時におけるガストラップ起因の溶接欠陥の発生態様を示す模式図である。
【符号の説明】
１：タングステン電極、
２：第１ノズル、
３：第２ノズル、
２０：貴金属皮膜、
ＰＧ：動作ガス、
ＳＧ：シールドガス、
Ｗ：冷却水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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