(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属帯をＵ字状体に成形し、次いでオープンシーム管に成形した管状体の両エッジ面をプラズマ溶接する溶接造管方法において、プラズマ溶接電源を用いてプラズマトーチを陰極とし、被溶接管を陽極とするための後アースをプラズマトーチの下流側で被溶接管に直接接続することを特徴とする小径管のプラズマ溶接造管方法。
【請求項２】
プラズマ溶接電源の陽極を、プラズマトーチをはさんで被溶接管の上流側の前アースと、下流側の後アースの２点とし、前アースと後アース間にあるロールスタンドと架台との間を絶縁し、さらに前アースとプラズマ溶接電源間の回路に可変抵抗を挿入し、所要のプラズマアークが得られるように可変抵抗を調節することを特徴とする請求項１記載の小径管のプラズマ溶接造管方法。
【請求項３】
金属帯をＵ字状体に成形し、Ｕ字状体に粉粒体を供給した後、管状体に成形し管状体の両エッジ面をプラズマ溶接することを特徴とする請求項１または２記載の小径管のプラズマ溶接造管方法。
【請求項４】
金属帯をＵ字状体に成形し、Ｕ字状体に充填する粉粒体が溶接用フラックスであることを特徴とする請求項１、２または３記載の小径管のプラズマ溶接造管方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
プラズマ溶接方法を利用した小径管の造管方法に関するもので、特に溶接速度が高速であり、大電流を用いるプラズマ溶接造管方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小径管の溶接造管にプラズマ溶接が使われていたが、小径管の生産性向上を図るためプラズマ溶接の電流を上げ、造管速度を上げていた。しかし、プラズマアーク（以下アークと称する）の方向制御ができず、またアークが不安定で、良好な溶接ビードが得られず造管速度の向上には限度があった。
【０００３】
例えば、プラズマ溶接による溶接用フラックス入りワイヤの製造方法では、フープを成形ロールによりＵ字形からＯ字形に随時成形する。この成形途中でＵ字形フープの長手方向に沿った開口からフィーダーによりフラックスをフープＵ字形谷部に供給する。次いでＵ字フープをＯ字形のオープンシーム管に成形すると同時に、開口の相対するエッジ面をプラズマ溶接により接合し、引き続いて縮径する。さらに必要に応じて焼鈍した後、フラックスが充填された溶接管を所望の径に伸線し巻き取って製品とする。
【０００４】
上記プラズマ溶接によるフラックス入りワイヤの製造において、プラズマ溶接する際にはプラズマトーチ（以下トーチと称する）を陰極にし、オープンシーム管を陽極にする方法が採用される。具体的なアースの取り方は、図６に示すようにプラズマ溶接電源１（以下電源と称する）から陰極のアースをトーチ６に接続し、陽極のアース線ｌａは、架台１５上のスクイズスタンド２に接続する。この方法では低電流の低速造管では問題ないが、大電流の高速造管では溶込み深さのばらつき、アンダーカット、ハンピング等のビード不良が発生した。本発明者らは鋭意調査した結果、下記の原因を考察した。
【０００５】
スクイズロールスタンド２に陽極のアースを取ると、スクイズロール軸４、スクイズロール軸受３、スクイズロール５を介して溶接管Ｄからトーチ６に流れる電流Ｉａ  が主になる。しかしながら、架台１５上にはトーチ６の上流側にエッジ間距離を溶接に適したように小さくしたオープンシーム管Ｃを形成させる成形スタンド８が有り、スクイズロールスタンド２から架台１５、成形スタンド８、成形ロール軸１０、軸受９、成形ロール１１を介してオープンシーム管Ｃからトーチ６に流れる電流Ｉｂ  も存在する。
【０００６】
軸受には電気抵抗の大きいグリースが含まれ、接触状態のばらつきにより、電気抵抗のばらつきを生じるため、電流Ｉａと電流Ｉｂは変動しやすい。この状態の電気等価回路を図７に示す。ここでＲ１  はスクイズロールスタンド、Ｒ２  はスクイズロール軸、Ｒ３  はスクイズロール軸受、Ｒ４  はスクイズロール、Ｒ５  は溶接管、Ｒ６  は架台、Ｒ７  は成形ロールスタンド、Ｒ８  は成形ロール軸、Ｒ９  は成形ロール軸受、Ｒ１０は成形ロール、Ｒ１１はオープンシーム管の各抵抗を示す。スクイズロールスタンド２はトーチ６の最短距離にあり、溶接管の抵抗Ｒ５  はオープンシーム管の抵抗Ｒ１１よりかなり小さいため、電流Ｉａは電流Ｉｂより大きくなる。また、軸受の抵抗Ｒ３  およびＲ９  は常時変動する可変抵抗と同じである。したがって、電流Ｉａと電流Ｉｂは変動しやすい。
【０００７】
一方、アークの方向は、被溶接管（オープンシーム管Ｃと溶接管Ｄを示す）に流れる電流の影響を大きく受ける。即ち、フレミングの左手の法則により、電流Ｉａが電流Ｉｂよりも大きいと、アークは上流側に偏向され、電流Ｉａが電流Ｉｂよりも小さいと、アークは下流側に偏向される。電流Ｉａと電流Ｉｂが等しい場合は、偏向されないでトーチ６の方向に向く。
【０００８】
溶接部の溶込み深さはアークの方向で異なり、被溶接管に直角に入れる場合が最も大きく、直角からのずれ角度が大きくなるほど溶込み深さは小さくなる。また、アークが上流側に偏向するとビード外観が滑らかになり、下流側に偏向するとアンダーカットやハンピングのビード不良が発生しやすい。大電流になると、アークが強くなるためその影響が顕著になる。以上の理由から大電流の高速造管では溶込み深さのばらつき、アンダーカット、ハンピング等のビード不良が発生する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、高速溶接で大電流を用いるプラズマ溶接造管方法において、プラズマアーク方向のばらつきを防止するとともに、プラズマアーク方向を調節して、適切な溶込み深さ及びビード形状を容易に得ることができる小径管のプラズマ溶接造管方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の小径管のプラズマ溶接造管方法は、金属帯をＵ字状体に成形し、次いでオープンシーム管に成形した管状体の両エッジ面をプラズマ溶接する溶接造管方法において、プラズマ溶接電源を用いてプラズマトーチを陰極とし、被溶接管を陽極とするための後アースをプラズマトーチの下流側で被溶接管に直接接続する。
【００１１】
この発明では、プラズマトーチより下流側の電流のほとんどは、軸受、スクイズロール軸、スクイズロールを経ずに、後アースから被溶接管を通ってプラズマトーチに至る。下流側電路の抵抗は、成形スタンドを経由する上流側電路の抵抗より更に小さくなるので、下流側電流も上流側電流より更に大きくなる。このために、プラズマアークは、より上流側に向かうようになる。また、下流側電流は軸受をほとんど通らないので、プラズマアークは、方向のばらつきがなくなり、安定する。
【００１２】
上記プラズマ溶接造管方法において、プラズマ溶接電源の陽極を、プラズマトーチをはさんで被溶接管の上流側の前アースと、下流側の後アースの２点とし、前アースと後アース間にあるロールスタンドと架台との間を絶縁し、さらに前アースとプラズマ溶接電源間の回路に可変抵抗を挿入し、所要のプラズマアークが得られるように可変抵抗を調節するようにしてもよい。
【００１３】
この発明では、可変抵抗によりプラズマアークの方向を細かく調節することができ、これより溶込み深さおよびビード形状を調節することができる。
【００１４】
上記プラズマ溶接造管方法は、金属帯をＵ字状体に成形し、Ｕ字状体に粉粒体を供給した後、管状体に成形し管状体の両エッジ面をプラズマ溶接する粉粒体充填管の製造に利用することができる。粉粒体として、溶接用フラックス、製鋼添加材等が用いられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のプラズマ溶接方法を示す模式図である。成形ロール１１によりエッジ間距離がプラズマ溶接するために十分小さく成形されたオープンシーム管Ｃは、トーチ６からのアーク７によりシーム部３３（図５参照）を溶接され、溶接管Ｄになる。その直後にスクイズロール５により溶接部が冷却により固まって開かなくなるまで保持する。
【００１６】
電源１から陰極のアースはトーチ６にとり、陽極のアースは、スクイズロール５の下流側の溶接管Ｄに直接接触する銅板製の押付けシューである後アース１２と、成形ロール前のオープンシーム管Ｃに直接接触する銅板製の押付けシューである前アース１３にとる。成形スタンド８及びスクイズスタンド２は、先に述べたように軸受３及び９を介しているため不安定であるのでそれぞれ絶縁板１６で架台１５から絶縁する。アーク７の方向が下流側になってビード不良が発生しないように電源１と前アース１３間に可変抵抗器１４を設けて前アース１３側からの電流Ｉｂを溶接管Ｄを流れる電流Ｉａよりも小さくする。可変抵抗器１４は図３に示すように溶接管Ｄとほぼ同断面積、同材質の丸棒１９を用いて、図にない電源から接続した固定端１７と図にない前アースに接続した可動端１８間の距離Ｌを変更することにより簡便に得られる。
【００１７】
電気等価回路を図２に示す。
図１のトーチ６の下流側からの電流Ｉａは後アース１２と溶接管Ｄの接触抵抗Ｒ２０、後アース１２とトーチ６間の溶接管Ｄの抵抗Ｒ２１に反比例し、トーチ６の上流側のオープンシーム管Ｃを流れる電流Ｉｂは前アース１３とオープンシーム管Ｃの接触抵抗Ｒ２２、前アース１３とトーチ６間のオープンシーム管Ｃの抵抗Ｒ２３、および可変抵抗Ｒ２４に反比例する。
【００１８】
なお、前アース１３と後アース１２の接触抵抗Ｒ２２とＲ２０については安定するように図にないスプリングにより十分な圧力でシューを押し付ける構造になっている。したがって、可変抵抗Ｒ２４を調節することにより、プラズマアーク７の方向をビード不良が発生する下流側に向けることなく、任意の方向に安定させることができるので、溶込み深さとビード形状を調節可能となる。
【００１９】
図４は、本発明を実施する装置の構成を示す模式図であり、図５は各工程におけるフープの成形状態を示す断面図である。フープＡはアンコイラー２１によりコイル状から巻き戻されて、洗浄装置２２で汚れを除去し、成形ロール群２３によりＵ形管Ｂに成形され、サイドロール２４間でフラックス供給機２５によりフラックス３２を入れる。さらにフィンパスロール２６、シームガイドロール２７を経てプラズマ溶接装置２８でプラズマ溶接される。プラズマ溶接装置２８は、成形ロール１１でシーム間距離が０．１ｍｍ程度のオープンシーム管Ｃを形成し、シーム部３３をトーチ６でプラズマ溶接し、溶接管Ｄが形成され、スクイズロール３で溶接部の強度が十分になるまで保持する。その後、溶接管は冷却装置２９で冷却され、絞りロール群３０で管Ｅ内でフラックス３２が管軸方向に移動しない十分な密度まで外径を縮径され、最後に巻取り機３１でコイル状にする。この後は、図にない伸線機で外径約１ｍｍ程度に縮径する。その際、必要に応じて、焼鈍、酸洗、めっき等を行う。
【００２０】
なお、本発明は外径８〜５０ｍｍ程度の、普通鋼、ステンレス鋼等の鋼管の製造に適している。また、溶接電流は例えば１００〜５００Ａ  の大電流であり、溶接速度は１．５〜１０ｍ／ｍｉｎ  の高速度である。
【００２１】
【実施例】
小径管のプラズマ溶接造管方法に本発明を適用した実施例を説明する。
実施例の溶接方法は図１に示す方法で行い、可変抵抗器は図３の方法で行った。また、比較例の溶接方法は図６の方法で行った。
詳細な条件を以下及び表１に示す。
実験条件
（１）使用フープ    ＪＩＳ  Ｚ−３１４１  ＳＰＣＣ  肉厚１．２ｍｍ、幅２３．０ｍｍ
（２）溶接外径  ８ｍｍ
（３）絞り外径  ６ｍｍ
（４）フラックス  組成メタル系  充填率１９％
（５）パイロットガス  成分  Ａｒ＋７％Ｈ２      流量  表１参照
（６）シールドガス  成分  Ａｒ    流量  １０  ｌ／ｍｉｎ
（７）トーチ前進角度  １０°
（８）可変抵抗器    丸棒  材質市販ＳＳ４１  寸法φ６ｍｍ
（９）造管後の伸線  φ１．２ｍｍまで約１０％／  パスの減面率でダイス伸線
【００２２】
【表１】
0003566862.tif 000002
【００２３】
実験Ｎｏ．１〜４は、本発明の実施例を示し、実験Ｎｏ．５〜７は比較例を示す。実験Ｎｏ．１は、溶接速度１．５ｍ／ｍｉｎ  で後アースのみ使用し、成形スタンドおよびスクイズスタンドの絶縁はない場合である。実験Ｎｏ．２は、溶接速度１．５ｍ／ｍｉｎ  前アースの位置と後アースの位置をトーチから各２０ｃｍにし、成形スタンドおよびスクイズスタンドを架台から絶縁し、可変抵抗値Ｌを３０ｃｍにした場合である。実験Ｎｏ．３は、３．０ｍ／ｍｉｎ  で前アースの位置を３０ｃｍ、後アースの位置を２０ｃｍにし、成形スタンドおよびスクイズスタンドを絶縁し、可変抵抗値を７０ｃｍにした場合である。実験Ｎｏ．４は、実験Ｎｏ．３の前アース、後アースおよび可変抵抗値を変更した場合である。これらはいずれもハンピング、アンダーカット等のビード不良はなく、伸線しても断線しなかった。この結果からトーチとアース間の距離が変わっても可変抵抗器の距離Ｌを変更することにより溶接条件に合わせたアーク方向が容易に得られている。
【００２４】
比較例の実験Ｎｏ．５は、陽極をスクイズスタンドにとった場合であるが、溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎ  と低速で、低電流のため軸受などの影響をあまり受けず、ビード形状、伸線結果も良好であった。
【００２５】
しかし、この方法では実験Ｎｏ．６に示すように１．５ｍ／ｍｉｎ  になるとビード不良が発生し伸線中に断線する。また、実験Ｎｏ．７では陽極に前アースと後アースをトーチから各２０ｃｍに設けているが、成形スタンドとスクイズスタンドに架台からの絶縁が施されてないのでビード不良と伸線中の断線が発生した。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プラズマアークの方向が安定するので、溶込み不足、ビード不良が減少する。また、プラズマアーク方向が容易にかつ任意に選べるので、必要な溶込み深さおよびビード形状に応じて適正条件が簡単に得られることから、品質が安定し、不良率が減少し、溶接速度もアップできる小径管の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ溶接方法を示す模式図である。
【図２】本発明の電気等価回路図である。
【図３】可変抵抗器の模式図である。
【図４】本発明を実施する装置の構成を示す模式図である。
【図５】各工程におけるフープの成型状態を示す断面図である。
【図６】従来のプラズマ溶接部の拡大模式図である。
【図７】従来の電気等価回路である。
【符号の説明】
１．プラズマ電源
２．スクイズロールスタンド
３．スクイズロール軸受
４．スクイズロール軸
５．スクイズロール
６．トーチ
７．プラズマアーク
８．成形スタンド
９．成形ロール軸受
１０．成形ロール軸
１１．成形ロール
１２．後アース
１３．前アース
１４．可変抵抗器
１５．架台
１６．絶縁板
１７．固定端
１８．可動端
１９．丸棒
２１．アンコイラー
２２．フープ洗浄装置
２３．成形ロール群
２４．サイドロール
２５．フラックス供給機
２６．フィンパスロール
２７．シームガイドロール
２８．プラズマ溶接装置
２９．冷却装置
３０．絞りロール群
３１．巻き取り機
３２．フラックス
３３．シーム部
Ａ．フープ
Ｂ．Ｕ形管
Ｃ．オープンシーム管
Ｄ．溶接管
Ｅ．縮径後の溶接管
Ｒ１  ．スクイズロールスタンド
Ｒ２  ．スクイズロール軸
Ｒ３  ．スクイズロール軸受
Ｒ４  ．スクイズロール
Ｒ５  ．溶接管
Ｒ６  ．架台
Ｒ７  ．成形ロールスタンド
Ｒ８  ．成形ロール軸
Ｒ９  ．成形ロール軸受
Ｒ１０．成形ロール
Ｒ１１．オープンシーム管
Ｒ２０．後アースと溶接管の接触抵抗
Ｒ２１．後アースとトーチ間の溶接管の抵抗
Ｒ２２．前アースとオープンシーム管の接触抵抗
Ｒ２３．前アースとトーチ間のオープンシーム管の抵抗
Ｒ２４．可変抵抗
【図１】
0003566862.tif 000003
【図２】
0003566862.tif 000004
【図３】
0003566862.tif 000005
【図４】
0003566862.tif 000006
【図５】
0003566862.tif 000007
【図６】
0003566862.tif 000008
【図７】
0003566862.tif 000009