(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の内面に肉盛溶接により突起を形成して突起付き鋼管を製造する方法であって、
鋼管の内面に一対の当て板を間隔をおいて配置し、これらの当て板および溶接トーチを前記鋼管の内面に対し相対移動させつつ、これらの当て板間に肉盛溶接するに際し、
前記溶接トーチの軸方向を鉛直方向に対して、当該溶接トーチの上側が前記鋼管の移動方向と反対側に傾くように、傾斜させ、
前記トーチの軸方向の傾斜角を８〜１５°に設定し、
前記溶接トーチの溶接ワイヤの先端を、前記鋼管の内面の最下部に向けて溶接することを特徴とする突起付き鋼管の製造方法。
【請求項２】
高さが６ｍｍ以上、幅が５ｍｍ以上、側部と鋼管の内面または外面とのなす角度が６０〜９０°で、側部に直線部を有し、上部が曲線となる断面形状の突起を前記鋼管の内面に形成することを特徴とする請求項１に記載の突起付き鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉盛溶接を用いる突起付き鋼管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木あるいは建築分野において、鋼管にコンクリートを充填したり、鋼管をコンクリートの内部に埋め込む合成構造が建築用柱や基礎杭などに用いられている。これらの鋼管とコンクリートとの合成構造においては、鋼管とコンクリートとの付着力を高めるために、鋼管の内面に突起を設けることが行われている。
【０００３】
鋼管の内面に突起を設ける方法の一つとして、特許文献１に記載の突起付き鋼管の製造方法が知られている。
この製造方法は、鋼管の内面に一対の当て板を間隔をおいて配置し、これらの当て板および溶接トーチを鋼管の内面に対し相対移動させつつ、これらの当て板間に肉盛溶接することを特徴としている。
このような突起付き鋼管の製造方法によれば、高さが高い突起を容易に形成することができる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３９２６３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、肉盛溶接の１パス当たりに製造できる突起を高くするには、溶接ワイヤを多く溶かす必要がある。そのためには入熱量を上げる（電流・電圧を上げるか、または／かつ溶接速度を落とす）か、溶接ワイヤの突出しを長くしたり、溶接ワイヤ径を小さくするなどの方法がある。
しかし、入熱量を上げすぎると鋼管の溶け落ちや、熱変形が生じる可能性が高くなり、特に板厚が薄い場合には問題となる。
また、溶接ワイヤの突出しを長くしたり、溶接ワイヤ径を小さくすると、溶融する溶接ワイヤは多くなるものの、母材（鋼管）への溶け込みが小さくなり鋼管と突起が一体化しないため問題となる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたもので、鋼管の溶け落ちや、熱変形が生じる可能性が低く、かつ、鋼管への十分な溶け込み量を確保できる突起付き鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の突起付き鋼管の製造方法は、鋼管の内面に肉盛溶接により突起を形成して突起付き鋼管を製造する方法であって、
鋼管の内面に一対の当て板を間隔をおいて配置し、これらの当て板および溶接トーチを前記鋼管の内面に対し相対移動させつつ、これらの当て板間に肉盛溶接するに際し、
前記溶接トーチの軸方向を鉛直方向に対して、当該溶接トーチの上側が前記鋼管の移動方向と反対側に傾くように、傾斜させることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、溶接トーチの軸方向を鉛直方向に対して、当該溶接トーチの上側が前記鋼管の移動方向と反対側に傾くように、傾斜させているので、つまり溶接トーチに後退角を設けているので、アーク圧力により溶融したワイヤを押し退けながら溶接が行えることから、十分な溶け込み量を確保することが可能となる。
また、入熱量を上げすぎる必要もないので、鋼管の溶け落ちや、熱変形が生じる可能性が低くなる。
【０００９】
本発明の上記構成において、前記トーチの軸方向の傾斜角（後退角）を８〜１５°に設定するのが好ましい。
後退角θが小さすぎる、つまり８°未満では、溶融したワイヤを押し返す力が十分に発揮されず、また後退角θが大きすぎる、つまり１５°を超えると、突起形状が安定しないからである。
【００１０】
また、本発明の上記構造において、前記溶接トーチの溶接ワイヤの先端を、前記鋼管の内面の最下部に向けて溶接するのが好ましい。
なぜなら、鋼管の内面の最下部から鋼管の移動（回転）方向にずれた位置で溶接を行うと、溶融した溶接ワイヤが高い位置から鋼管下側位置に早く流れてしまい、溶接個所を覆うことになるので、溶接材料（溶融した後凝固した溶接ワイヤ）の母材（鋼管）への溶け込み量が少なくなるからである。
また、鋼管の内面の最下部から鋼管の回転方向と逆方向にずれた位置で溶接を行うと、この場合も溶融した溶接ワイヤが高い位置から鋼管下側位置に早く流れてしまい、溶接個所での溶融した溶接ワイヤの量が極端に少なくなるので、鋼管の溶け落ちやアンダーカットが発生しやすくなるからである。
【００１１】
さらに、本発明の上記構造において、高さが６ｍｍ以上、幅が５ｍｍ以上、側部と鋼管の内面とのなす角度が６０〜９０°で、側部に直線部を有し、上部が曲線となる断面形状の突起を前記鋼管の内面に形成するのが好ましい。
【００１２】
これにより、１回の溶接により、側部に直線部を有し、上部が曲線となる断面形状の高さが高い突起を容易に、かつ溶接金属量も最小限として経済的に形成することができる。
また、例えば内面突起付き鋼管にコンクリートを充填してコンクリート充填鋼管とすると、突起高さが高いので、突起の間隔を少なくしても鋼管とコンクリートとの十分な付着力を得ることができる。本発明のように突起高さを６ｍｍ以上とすることにより、突起間隔を大きくすることができるので、突起の条数（突起が螺旋状の場合は巻き数）を減らすことができ、突起形成に要する工数もコストも大きく低減することができる。また、基礎用の場所打ち鋼管コンクリート杭などの場合には、突起高さが高いので、コンクリート打設の際に、ベントナイトなどの孔壁安定液の付着力に対する影響を軽減することができる。外面突起付き鋼管についても同様の効果を得ることができる。
【００１３】
また、鋼管の内面と突起の側部とのなす角度が小さすぎると、コンクリートが滑ってしまい、また９０°以上では溶接終了後に当て板を取り外すことが困難となるが、本発明のようにこの角度を６０〜９０°とするとこれらの問題が生じない。
また、突起の断面形状が全体に円弧状の場合は、コンクリートが滑る可能性があり、また突起の断面形状が台形状のように上部が直線の場合は、側面と上面との交差部に応力集中が起こりやすく付着力を低下させる可能性があるが、本発明のように、側部に直線部を有し、上部が曲線となる断面形状の突起にすると、これらの問題を回避できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鋼管の内面に肉盛溶接をする際に、鋼管の溶け落ちや、熱変形が生じる可能性が低く、かつ、鋼管への十分な溶け込み量を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る突起付き鋼管の製造方法を示す側断面図である。
【図２】図１の要部の拡大斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る突起付き鋼管の製造方法を説明するためのもので、（ａ）従来の製造方法の要部を示す断面図、（ｂ）本発明に係る製造方法の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る突起の断面図である。
【図５】本発明に係る製造方法を説明するためのもので、肉盛溶接している状態を示す要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１および図２は、本発明の実施の形態に係る突起付き鋼管の製造方法を示す図であって、図１は側断面図、図２は要部の拡大斜視図である。
これらの図に示すように、鋼管の内面に突起を周方向に形成するには、まず、鋼管１を横向きに置き、この鋼管１の内面のうちの下側の位置に、一対の当て板２、２を配置する。この当て板２には、通常水冷銅板（水冷式銅板）が用いられるが、セラミック製のものなども用いることができる。この当て板２の底面は鋼管１の内面に沿った円弧状に形成されている。一対の当て板２、２は、鋼管１の内面に間隔をおいて平行に配置される。
【００１７】
次に、鋼管１の外側に位置する溶接装置３のブーム４を鋼管１内に挿入し、ブーム４の先端部に設けられた溶接トーチ５の溶接ワイヤ６を、これらの一対の当て板２、２の間に挿入する。そして、鋼管１を周方向に回転させながら、鋼管１の内面と当て板２、２とにより形成された空間内でアークを発生させ下向きの肉盛溶接を行う。当て板２、２は、ブーム４等に支持されている。溶接には、炭酸ガスアーク溶接、ＭＡＧ溶接あるいはＭＩＧ溶接等のガスメタルアーク溶接などを適宜用いることができる。
【００１８】
肉盛溶接する空間を形成する当て板２の側面は、断面形状の側部に直線部を有する突起を形成するために、平面に仕上げることが必要である。鋼管１の内面に形成する突起の側面と鋼管１の内面との成す角度（立ち上がり角度）が所定の鋭角を形成するようにするために、当て板２の側面に所定の角度をつけることもできる。この当て板２の側面の角度が９０°を超えると、溶接終了後に当て板２を取り外すことが困難となるので、例えば、６０〜９０°程度に設定される。
当て板２の高さは、形成する突起の高さ以上の高さが必要であるが、あまり高いと当て板の費用が余分に掛かり、また溶接アークが見えにくくなり、作業性が悪くなるので、適当な高さにするのが好ましい。
当て板２、２の間隔は、狭すぎると溶接アークによる損傷を生じるので、５mm程度以上とする必要があるが、広すぎると余分な溶接材料が必要となり、経済性が低くなるので、あまり広すぎる事は好ましくない。鋼管１の内面に形成される突起の幅は、これらの当て板２、２の間隔とほぼ等しいものとなる。
【００１９】
鋼管１の内面に連続した突起を得るために、鋼管１を回転させて、鋼管１の内面と溶接トーチ５および一対の当て板２、２とを相対的に移動させる必要があるが、このとき当て板２、２の長さが短いと、溶融金属が横（当て板２の長さ方向）の開口部から流出する。一方、当て板２、２が長すぎると、溶融金属が凝固して形成された突起の側面と当て板２との摩擦力が大きくなり、安定した移動が困難になるとともに、鋼管１内面と当て板２との密着性を保つことが困難になるので、適当な長さにする必要がある。当て板２の長さは、通常２５ｍｍ程度以上、１２０ｍｍ程度以下が必要であり、作業性を考慮すると１００ｍｍ程度以下が好ましく、８０ｍｍ程度以下がさらに好ましい。
【００２０】
突起高さを高くするために、多層盛により突起を形成する方法もあるが、溶接作業時間が掛かること、当て板２、２の位置を既存の突起の位置に正確に合わせるための時間が余分に必要なこと、および当て板２、２の側面と既存の突起の側面との摩擦力が大きく、作業性が悪くなることから、１回の溶接で必要な突起高さを得ることが好ましい。このためには、溶接電流を２５０〜４５０Ａ、溶接電圧を２５〜４５Ｖ、溶接速度を３０〜８０ｃｍ／ｍｉｎにして溶接することが好ましい。
【００２１】
薄い肉厚の鋼管１に突起を形成する場合には、溶け落ちを防ぐためや熱変形を少なくするためや、母材（鋼管１）への溶け込み量を十分確保するために、溶接トーチ５の軸方向を鉛直方向に対して、当該溶接トーチ５の上側が鋼管１の移動方向（図３においては時計方向）と反対側に傾くように、傾斜させる。
すなわち、従来は図３（ａ）に示すように、溶接トーチ５の軸方向を鉛直方向に設定していたが、本実施の形態では図３（ｂ）に示すように、溶接トーチ５の軸方向の傾斜角（後退角θ）を８〜１５°、さらに好ましくは８〜１２°に設定する。
後退角θが小さすぎると、溶融したワイヤを押し返す力が十分に発揮されず、また後退角θが大きすぎると、突起形状が安定しないからである。
【００２２】
さらに、本実施の形態では、溶接トーチ５の溶接ワイヤ６の先端を、鋼管１の内面の最下部に向けて溶接する。
鋼管１の内面の最下部から鋼管１の回転方向にずれた位置で溶接を行うと、溶融した溶接ワイヤ６が高い位置から鋼管下側位置に早く流れてしまい、溶接個所を覆うことになるので、溶接材料（溶融した後凝固した溶接ワイヤ）の母材（鋼管１）への溶け込み量が少なくなるからである。
また、鋼管１の内面の最下部から鋼管１の回転方向と逆方向にずれた位置で溶接を行うと、この場合も溶融した溶接ワイヤが高い位置から鋼管下側位置に早く流れてしまい、溶接個所での溶融した溶接ワイヤの量が極端に少なくなるので、鋼管１の溶け落ちやアンダーカットが発生しやすくなるからである。
【００２３】
上記のような突起付き鋼管の製造方法により、鋼管１の内面に、図４に示すような高さの高い突起Ｔ、すなわち幅Ｂが５ｍｍ以上、高さＨが６ｍｍ以上、鋼管１の内面と突起Ｔの側面の成す角度（立ち上がり角度）αが６０〜９０°で両側の側部に直線部を有しかつ上面が曲面の山形断面の突起Ｔを、１回の溶接により、周方向に容易に形成することができる。
【００２４】
この突起Ｔを鋼管１の内面に形成するには、まず、高さが形成する突起Ｔの高さより少し高く、長さが２５〜１２０ｍｍ、側面が鋼管１の内面との成す角度が６０〜９０°になるように設定されているとともに、側面が平面またはほぼ平面で、底面が鋼管１の内面に沿った円弧状に形成された水冷銅板からなる一対の当て板２、２を、鋼管１の内面のうちの下側の位置に、間隔をおいて平行に置く。この当て板２、２の間隔は、突起Ｔの幅に応じて決定すれば良いが、必要に応じて熱収縮代を考慮してやや広めになるようにしても良い。
次に、鋼管１を周方向に回転させながら、鋼管１の内面と当て板２、２とにより形成された空間内で、溶接電流を２５０〜４５０Ａ、溶接電圧を２５〜４５Ｖ、溶接速度を３０〜８０ｃｍ／ｍｉｎにして、下向きの炭酸ガスアーク溶接や炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスを用いたＭＡＧ溶接により肉盛溶接を行う。
【００２５】
図５に示すように、本実施の形態では、鋼管１の内面の最下部（鋼管１の中心から鉛直におろした線分と鋼管１の内面とが交差する部分）で、鋼管１を回転させながら肉盛溶接を行うことから、溶融した溶接ワイヤ６が鋼管１の曲率により鋼管下側位置に流れるが、そうなると溶融したワイヤの上面でアークが発生することから、母材(鋼管)への溶け込みが小さくなる。
しかし、溶接トーチ５に上述したような後退角θを設けることで、アーク圧力により溶融した溶接ワイヤ６を押し退けながら溶接が行えることから、十分な溶け込み量を確保することが可能となる。
また、また、入熱量を上げすぎる必要もないので、鋼管１の溶け落ちや、熱変形が生じる可能性が低くなる。
【００２６】
このようにして突起Ｔが内面に形成された突起付き鋼管にコンクリートを充填してコンクリート充填鋼管杭とすると、突起高さが高いので、突起の間隔を少なくしても鋼管とコンクリートとの十分な付着力を得ることができる。現状用いられている突起付き鋼管の突起間隔は４０ｍｍ程度であるが、本発明のように突起高さを６ｍｍ以上とすることにより突起間隔を大きくすることができ、良好な応力伝達領域にある突起間隔と高さの比１０〜２０にして、突起間隔を９０ｍｍ以上とすることも可能となる。突起間隔を大きくすることができるので、突起の条数（突起が螺旋状の場合は巻き数）を減らすことができ、突起形成に要する工数もコストも大きく低減することができる。また、突起高さが高いので、コンクリート打設の際のベントナイトなどの孔壁安定液の付着力に対する影響を軽減することができる。
【００２７】
また、鋼管１内面と突起Ｔの側面のなす角度αが小さすぎると、コンクリートが滑ってしまい、また９０°以上では溶接終了後に当て板２、２を取り外すことが困難となるが、この角度αを６０〜９０°とするとこれらの問題を回避できる。
また、突起の断面形状が全体に円弧状の場合は、コンクリートが滑る可能性がある。また、突起の断面形状が台形状のように上部が直線の場合は、側面と上面との交差部に応力集中が起こりやすく付着力を低下させる可能性がある。突起Ｔでは、断面の側部に直線部を有する形状で、上部を曲線としたので、これらの問題が生じない。
【００２８】
なお、鋼管１の内面に螺旋状の突起を形成したい場合には、鋼管１を回転させながら、鋼管１を鋼管１の軸線方向に移動させても良いし、あるいは鋼管１を回転させながら、当て板２、２および溶接トーチ５を鋼管１の軸線方向に移動させても良い。
また、一度に複数の突起を形成したい場合は、複数の溶接トーチ５および各溶接トーチ５の両側に配置された当て板２、２を用いれば良い。
また、突起は連続的にも断続的にも形成することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
まず、長さが１００ｍｍ、高さが２０ｍｍ、幅が４０ｍｍの水冷銅板からなる当て板２、２を内径が１３７６ｍｍの鋼管１の内面のうちの下側の位置に、６ｍｍの間隔をおいて平行に置いた。
次に、鋼管１を周方向に回転させながら、鋼管１の内面と当て板２、２とにより形成された空間内で、溶接電流を３４０Ａ、溶接電圧を３５Ｖ、溶接速度を４１ｃｍ／ｍｉｎ、溶接ワイヤ径１．４ｍｍで、下向きの炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスを用いたＭＡＧ溶接により肉盛溶接を行い、突起高さＨが約７．５ｍｍ、幅Ｂが約６ｍｍ、立ち上がり角度αが約９０°の側面が平坦かつ上面が曲面の突起Ｔを、１回の溶接で、周方向に容易に形成することができた。
【００３０】
また、条件として、鋼管径：１２００ｍｍ、板厚：１０ｍｍ、電流：３４０Ａ、電圧：３５Ｖ、溶接速度４１ｃｍ／ｍｉｎにて、上記のような肉盛溶接を行い、鋼管１の内面に突起Ｔを形成し、その評価を行った結果を表１に示す。
表１に示すように、トーチの軸方向の傾斜角は８〜１５°に設定するのが好ましいことが確認できた。
【００３１】
【表１】
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【符号の説明】
【００３２】
１    鋼管
２    当て板
３    溶接装置
４    ブーム
５    溶接トーチ
６    溶接ワイヤ
Ｔ    突起
Ｂ    突起の幅
Ｈ    突起の高さ
α    突起の側面と鋼管の内面とのなす角度（立ち上がり角度）
θ    トーチの軸方向の傾斜角（後退角）
【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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