(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法において、プラズマ溶接のシールドガスは不活性ガスを主成分とし、さらに酸素１〜５％、窒素２〜１５％を含むことを特徴とする小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法。
【請求項２】
造管速度が３ｍ／ｍｉｎ  以上であることを特徴とする請求項１記載の小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法。
【請求項３】
プラズマ溶接前のＵ字状体に溶接用フラックスを充填することを特徴とする請求項１または２記載の小径鋼管の高速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】
本発明はフープを連続的に管状に成形し、エッジ面をプラズマ溶接により溶接する小径鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管製造のための溶接方法として、高周波溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接、プラズマ溶接等がある。これらの中で高周波溶接が最も生産性に優れているが、溶接用フラックス入りワイヤを製造するための小径鋼管を溶接する際には、電磁力によりフラックス中の磁性成分が溶接部に入り溶接欠陥となるため適さない。そこで、主としてＴＩＧ溶接、プラズマ溶接が用いられるが、溶接速度が遅いため、生産性の低いのが問題となっている。
【０００３】
従来のＴＩＧ、プラズマ溶接では高速化にともない、溶接電流の増加から金属の溶融、凝固に関係のある溶接ビード形成が溶接速度に対応できず、アンダカットの発生、ハンピングビードの生成による不連続ビードが形成され、その時点で溶接速度の限界が定まる。この対策の一つとして溶接トーチに前進角度を付与する施工方法が実施されているがアンダカット、ハンピングビードの十分な解決方法とはならない。
【０００４】
また、ＴＩＧ溶接において、アンダカット、ハンピングビードの溶接不良を防止する方法として、特開昭５５−１１７５７６号公報には電極を有するシールドノズルに電極と母材との間に生成されたアークを溶接の進行方向に偏向させるように、アークに偏向ガスを吹き付ける偏向ノズルと、母材上に生成された溶融池を上部から抑圧する抑圧ガスを溶融池に吹き付ける溶融池抑圧ノズルを設けた溶接装置を使用して、偏向ガスおよび抑圧ガスとしてアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを用いる溶接方法がある。しかし、上記の従来技術はＴＩＧ溶接であり、また、同様の技術をプラズマ溶接に適用しても溶接の高速化が不十分である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高速でかつ溶接ビードにアンダカット、ハンピングビード等の欠陥が発生しない小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フープを連続的に管状に成形しエッジ面をプラズマ溶接により溶接する小径鋼管の高速プラズマ溶接造管方法において、シールドガスは不活性ガスを主成分とし酸素１〜５％、窒素２〜１５％を含むガスとする。
【０００７】
不活性ガスに酸素を上記範囲で含ませることにより、溶融金属の温度を上げてその流動性を上げるとともに、サーマルピンチ効果により溶融金属の異常流動を防ぐことができる。また、窒素を上記範囲で含ませることにより、サーマルピンチ効果により溶融金属の異常流動を防ぐことができる。これらのことより、溶接ビードのアンダカット、ハンピングビードの発生を防ぐことができる。不活性ガスとして、アルゴンガスまたはヘリウムガスを使用する。
【０００８】
本発明は、前記シールドガス条件とともに、造管速度３ｍ／ｍｉｎ  以上の高速プラズマ溶接造管方法として用いることができる。さらに、プラズマ溶接前の成形工程でＵ字状体に溶接用フラックスを充填して造管する溶接用フラックス入りワイヤの製造に利用することができる。
本発明の鋼管とは軟鋼、炭素鋼、またはステンレス鋼からなるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は溶接トーチの構成ならびに、パイロットガスおよびシールドガスの流れを示す模式図で、（ｂ）はアンダカット、ハンピングビードの模式図である。プラズマ溶接機の陰極はタングステンが主成分である電極棒２にとり、陽極１は被溶接管３にとる。
【００１０】
電極棒２から発生したプラズマアーク４（以後アーク）は、銅製で内部が水冷されたノズル５によるサーマルピンチ効果で絞られ、集中的に被溶接管３のシーム部６を加熱溶融させる。アーク４および溶鋼７はノズル５とシールドキャップ８内に送り込まれたシールドガス９により大気からシールドされ、酸化、窒化等が防止される。なお、パイロットガス１４は、アルゴンガスである。
【００１１】
プラズマ溶接の場合、アーク直下はアーク力により溶鋼が主に下流側に排出され、穴（キーホール）１０ができる。この穴１０はアークの下流側で上流側から排出された溶鋼７で次々に充満されることにより良好な形状の溶接ビード１１が形成される。溶接ビード１１の形成時に溶鋼が極端に凸ビードになったため、溶鋼と熱影響部間にくぼみができたのがアンダカット１２である。アンダカットには、局部的な点状アンダカットと連続的な線状アンダカットがある。被溶接管３のシーム部が均一に溶けない場合、あるいは溶鋼が極端に不十分な場合は、左右のエッジ部の溶鋼が合流しなかったり、合流してもこぶ状になるハンピングビード１３というビード不良が発生する。
【００１２】
小径鋼管の高速プラズマ溶接方法においては、高速化になるにつれ母材部への熱伝導時間が短くなるため、溶鋼部の温度勾配が大きくなり、溶鋼の冷却速度が大きくなるので溶鋼の流動性が悪くなる。特に、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎ  以上になると、溶鋼がアークより発生した穴をきれいに埋めきらなくなる。また、溶接電流が高くなると、それに伴い水冷ノズルの孔径が大きくなること、および水冷ノズルによるサーマルピンチ効果が減少することにより、アークの放射角および放射角のばらつきが大きくなる。この結果、エッジ部の間隔、傾き、オフセット等の被溶接管のエッジ形状の影響を受けやすく、アークが不安定になる。小径管の生産向上を目的に溶接電流が２００Ａ  以上になると、この傾向が強くなり、溶鋼がこぶ状になりやすくなる。以上のことから、溶鋼の異常流動が発生し、アンダカットおよびハンピングビードが発生する。
【００１３】
したがって、本発明では、高速または大電流溶接において、溶鋼の流動性を保ち、アークの放射角を小さく保てるよう工夫されている。
【００１４】
アンダカット、ハンピングビードの発生を防ぐために、アルゴンまたはヘリウムからなるシールドガスの不活性ガスを主成分とし、さらに酸素１〜５％、窒素２〜１５％を混合する理由は、以下のとおりである。酸素は、その混合量１〜５％を主成分の不活性ガスに所定量の窒素ガスとともに含ませることによって、溶融金属の温度を上げてその流動性を上げ、またサーマルピンチ効果によりアークを集中させて溶融金属の異常流動を防ぎ、溶接ビードのアンダカット、ハンピングビードの発生を防止する。酸素が１％未満であると、前述の効果が得られず、また５％を超えると溶融金属の酸化反応が促進し、溶接ビードにブローホール、ピットが発生する。
【００１５】
窒素は、その混合量２〜１５％を主成分の不活性ガスに所定量の酸素ガスとともに含ませることによって、サーマルピンチ効果が上がりアークを集中させることで溶融金属の異常流動を防ぎ溶接ビードのアンダカット、ハンピングビードの発生を防止する。窒素が２％未満であると前述の効果が出ず、１５％を超えると窒化による溶接部の硬化が発生することで造管後の縮径または後工程の伸線加工時に溶接部の割れが発生しやすい問題が生ずる。
【００１６】
また、シールドガスに水素ガスを１５％以下、好ましくは３〜１５％を混合することでサーマルピンチ効果によるアークの絞り込みおよびシールドガス中の不純物を燃焼する作用から電極棒および水冷ノズルの寿命を長くする効果がある。しかし、本発明による酸素の燃焼効果、酸素と窒素のサーマルピンチ効果が十分なため必ずしも必要ではない。
【００１７】
溶接速度は小径管の生産性を上げるためには３ｍ／ｍｉｎ  以上が必要である。高速溶接におけるアンダカット等の欠陥を防止するためには、前述のシールドガスの成分条件とともにプラズマ溶接の適切な電流条件が望ましい。そこで本発明において好ましい溶接電流値の範囲は１００Ａ  〜５００Ａ  である。３ｍ／ｍｉｎ  以上の溶接速度において被溶接剤の外径、板厚との兼ね合いで溶接電流は決められるが、溶接電流が１００Ａ  未満では３ｍ／ｍｉｎ  以上の高速溶接のビード形成に必要な入熱が得られず、溶け込み不足になり、一方、５００Ａ  を超えると薄肉且つ小径の溶接時に必要以上の入熱となって均一なビードができないか、キーホールが大きくなり過ぎてビードを形成するための溶融金属のブリッジ現象も起こせずビードを形成できない。
【００１８】
図２は、本発明を実施する溶接用フラックス入りワイヤの製造装置構成の概略図であり、図３は、図２に示す製造工程のフープの成形状態からフラックス充填そしてフラックス入ワイヤまでの過程を示す概要図である。
図２および図３を用いて詳細に説明する。板状Ａのフープ２１は、アンコイラ２２で巻き戻し、成形工程２３でＵ字状体Ｂに成形し、サイドロール２４間でフラックス供給装置２５により溶接用フラックスＦを充填しする。ついで、フィンパスロール、シームガイドロール群２６によりオープンシーム管Ｃとし、プラズマ溶接装置２７でオープンシーム管のシーム部を溶接、溶接管Ｄにする。その後、水冷装置２８で水冷、縮径工程２９で管内のフラックスが移動しなくなる所定外径の小径鋼管Ｅに縮径し、コイラ３０でコイル状に巻き取る。この後は、約１ｍｍ外径まで１パス当り１０％の減面率で伸線する。また、必要に応じて伸線の途中で熱処理、酸洗、めっきを行う。溶接工程３１はＮｏ．１スクイズロール３２でエッジ間隔をプラズマ溶接に適した０．１ｍｍ程度とし、プラズマ溶接装置２７でエッジを溶解させ、Ｎｏ．２スクイズロール３３で押圧して溶接する。
図２に示す製造装置において、フラックス供給装置２５によるＵ字状体Ｂへ溶接用フラックスＦの充填工程を外すことで小径鋼管を製造することができる。
【００１９】
本発明のシールドガスは、各ガスを任意の混合割合に合せて供給量を制御して溶接装置２７に供給する。その概略図を図４に示す。シールドガスの主成分であるアルゴンガスはボンベ４０から、酸素、窒素ガスおよび水素ガスはそれぞれボンベ４１、４２および４３から必要とする混合量に電磁弁で制御されてガス混合器４４に供給される。各ガスの供給量を制御する電磁弁はガス流量制御器４５によって所定量に制御され、その供給量が制御電磁弁４６〜４９に設けられた流量メータに表示される。ガス混合器４４では供給されてきたガスを混合し、シールドガス９としてプラズマ溶接装置２７に送られる。
【００２０】
【実施例】
次に、小径鋼管の高速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。小径鋼管の製造条件は以下の通りである。
＜製造条件＞
使用製造装置        図２に示す。
溶接方法            プラズマ溶接機（定格電流５５０  Ａ）
フープ鋼種          表１および表２に記載
溶接外径            表１および表２に記載
溶接肉厚            表１および表２に記載
溶接速度            表１および表２に記載
溶接電流            表１および表２に記載
シームギャップ      約０．１ｍｍ
パイロットガス成分  Ａｒ＋水素７％
シールドガス成分    Ａｒ＋表１および表２の成分
充填フラックス無し：溶接外径８ｍｍは鋼管径６ｍｍ、
溶接外径１３．５ｍｍは鋼管径１０ｍｍ、
溶接外径２５．０ｍｍは鋼管径２２ｍｍをそれぞれ２００ｋｇ製造した。
後工程              縮径工程２９にて所定径まで縮径してその後工程は省略した。製品管外径が径６ｍｍおよび１０ｍｍはコイル鋼管とし、径２２ｍｍは直管とした。
充填フラックス有り：
フラックス組成    表１はルチール系フラックス（鉄粉率３０％）
表２はルチール系フラックス（金属粉率６３％）
フラックス充填率  表１は１９％、表２は２５％
フラックス入りワイヤの製造量    各約３０ｋｇとする。
後工程              １．２ｍｍφまで約１０％／１パスの減面率でダイス伸線、最後に渦流探傷器とＣ断面マクロ検査で長さ４０ｍｍ以上の溶接部割れの有無を検査した。
また、上記の条件での製造結果を表１および２に示す。
【００２１】
【表１】
0003566863.tif 000002
【表２】
0003566863.tif 000003
【００２２】
表１においてＮｏ．１〜１０は本発明であり、夫々、Ｎｏ．１は溶接時の鋼管寸法が外径８．０ｍｍ×肉厚１．２ｍｍ（以下同様に表示する）、造管速度が３ｍ／ｍｉｎ  および溶接電流が２００Ａ  であるとき、シールドガスのアルゴンガスに酸素１．５％および窒素５％を混合した場合、アンダカット、ハンピングビードのビード不良および伸管後の溶接割れは無い。Ｎｏ．２は、溶接速度および溶接電流を上げ、シールドガスのアルゴンガスに酸素５％および窒素１０％を増量混合した場合、Ｎｏ．１と同様に、アンダカット、ハンピングビードのビード不良、酸化によるピットの発生、および窒化による溶接部割れはなく、伸管後の溶接割れも発生しない。Ｎｏ．３、Ｎｏ．４は、さらに造管速度を５ｍ／ｍｉｎ  、８ｍ／ｍｉｎ  、溶接電流を３００Ａ  、４５０Ａ  に上昇した場合、シールドガスのアルゴンガスに酸素２％および窒素８％を混合すれば、良好な溶接結果を得る。また、Ｎｏ．６は、造管速度８ｍ／ｍｉｎ  、溶接電流４５０Ａ  の場合、酸素２％および窒素１５％を混合すれば、Ｎｏ．２と同様に良好な溶接結果を得る。
【００２３】
Ｎｏ．７、Ｎｏ．８は鋼管寸法がφ１３．５×ｔ２．０ｍｍの場合、およびＮｏ．９、Ｎｏ．１０は鋼管寸法がφ２５．０×ｔ２．２ｍｍの場合と外径および肉厚の鋼管寸法が大きくなった場合でＮｏ．１〜Ｎｏ．６と同様にシールドガスのアルゴンガスに酸素１〜５％および窒素２〜１５％を混合することによって良好な溶接結果を得る。
【００２４】
Ｎｏ．５およびＮｏ．１０は、シールドガスのアルゴンに酸素および窒素のほか水素を混合した場合であるが、良好な溶接結果を得る。また、Ｎｏ．４、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１０は、溶接用フラックスを充填した場合であるが、同様に良好な溶接結果を得、溶接用フラックス入りワイヤとして製品径１．２ｍｍまで伸線加工して割れ、断線することなく問題は発生しなかった。また、Ｎｏ．１０における溶接用ワイヤは、溶接試験の結果は溶接金属の拡散性水素は通常値３ｃｃ／１００ｇ  で問題はなかった。
【００２５】
比較例のＮｏ．１１は鋼管寸法がφ８．０×ｔ１．２ｍｍ、溶接速度２ｍ／ｍｉｎ  、溶接電流１８０Ａ  であるとき、シールドガスのアルゴンガスに酸素および窒素を混合しなくても良好な溶接結果を得られるが速度が遅く生産性が悪い（表１の判定欄で△で示す）。Ｎｏ．１２は、鋼管寸法がφ８．０×ｔ１．２ｍｍ、造管速度が３．５ｍ／ｍｉｎ  であるが溶接電流が２５０Ａ  であるとき、シールドガスに酸素および窒素を混合しなければアンダカット、ハンピングビードが発生し、良好な溶接結果を得ることができなかった。Ｎｏ．１３は造管速度および溶接電流がＮｏ．１２と同じであるとき、シールドガスのアルゴンガスに酸素０．５％および窒素１％混合しても、アンダカット、ハンピングビードが発生し、良好な溶接結果を得ることができなかった。Ｎｏ．１４は、シールドガスに酸素が７％、窒素が５％混合させた場合であるとき、アンダカット、ハンピングビードの発生は無くなったがピットが発生し、良好な溶接を得ることができなかった。Ｎｏ．１５は、シールドガスに酸素が１％、窒素が１８％混合させた場合であるとき、アンダカット、ハンピングビードの発生は無くなったが溶接後の縮径および伸線工程で溶接部割れが発生した。Ｎｏ．１６は、シールドガスに酸素３％、窒素０．５％混合した場合およびＮｏ．１７はシールドガスに酸素０．５％、窒素２％混合した場合であるが、アンダカット、ハンピングビードの発生を防ぐことができず、良好な溶接結果を得ることができなかった。
【００２６】
Ｎｏ．１８は鋼管寸法がφ１３．５×ｔ２．０ｍｍで造管速度１．５ｍ／ｍｉｎ  、溶接電流２１０Ａ  のとき、シールドガスに酸素０．５％および窒素１％を混合させてもアンダカット、ハンピングビードの発生を防ぐことができず、良好な溶接結果を得ることができなかった。Ｎｏ．１９は、シールドガスの混合ガス条件は満足しているが溶接電流が高くてキーホール溶接が継続できず連続した溶接ビードに成らなかった。
【００２７】
表２は鋼種がステンレス鋼・ＳＵＳ３０４であり、ステンレス鋼管およびステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの実施例および比較例を示す。ステンレス鋼においても、３ｍ／ｍｉｎ  以上の高速溶接で不活性のシールドガスに所定量の酸素および窒素ガスを添加混合したガスを使用することによって良好な溶接結果が得られ、小径鋼管およびフラックス入りワイヤが製造できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、不活性ガスに酸素と窒素を含んだシールドガスを使用することで、アークの集中性、溶融金属の流動性を良くすることから、溶接ビードの異常流動を防ぎ、アンダカット、ハンピングビードを防止することで、造管速度３ｍ／ｍｉｎ  以上、１００Ａ  以上のプラズマ電流を用いることが可能になり、生産性の高い小径鋼管の高速プラズマ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速プラズマ溶接造管時のプラズマ溶接時の概略図を示す。
【図２】本発明を実施する装置の構成の概略図である。
【図３】フープの成形、フラックス充填、フラックス入りワイヤ仕上げまでの過程を示す概要図である。
【図４】プラズマ溶接用シールドガスのアルゴンに酸素、窒素および水素ガスを混合供給する装置の概要図である。
【符号の説明】
１  プラズマ溶接機
２  電極棒
３  被溶接管
４  プラズマアーク
５  水冷ノズル
６  シーム部
７  溶鋼
８  シールドキャップ
９  シールドガス
１０  穴（キーホール）
１１  溶接ビード
１２  アンダカット
１３  ハンピングビード
１４  パイロットガス
２１  フープ
２２  アンコイラ
２３  成形工程
２４  サードロール
２５  フラックス供給装置
２６  フィンパスロール、シームガイドロール群
２７  プラズマ溶接装置
２８  水冷装置
２９  縮径工程
３０  コイラ
４０  アルゴンガスボンベ
４１  酸素ガスボンベ
４２  窒素ガスボンベ
４３  水素ガスボンベ
４４  ガス混合器
４５  ガス流量制御器
４６〜４９  流量メータ
Ａ：フープ
Ｂ：Ｕ字状体のフープ
Ｃ：オープンシーム管
Ｄ：溶接管
Ｅ：小径鋼管
Ｆ：溶接用フラックス
【図１】
0003566863.tif 000004
【図２】
0003566863.tif 000005
【図３】
0003566863.tif 000006
【図４】
0003566863.tif 000007