(57)【要約】【課題】裏当て材を用いなくても溶接金属を開先から溶け落ちさせることなく鋼管の端部同士を接続することができるＭＡＧ溶接法を提供する【解決手段】鋼管１の端部１１同士を向き合わせ、向き合った端部１１間に形成される開先１２のルートフェイスを０〜１．５ｍｍ、ルートギャップを１〜４ｍｍとし、溶接層の初層における溶接入熱を、鋼管１の管軸から鉛直上方に伸びる直線から、溶接が行われている箇所と管軸とを結ぶ直線までの時計回り方向の角度が０°以上６０°未満のときには３〜１７ｋＪ／ｃｍとし、６０°以上１２０°未満のときには２〜１２ｋＪ／ｃｍとし、１２０°以上１８０°未満のときには２〜１０ｋＪ／ｃｍとし、１８０°以上２４０°未満のときには２〜１１ｋＪ／ｃｍとし、２４０°以上３００°未満のときには３〜１６ｋＪ／ｃｍとし、３００°以上３６０°未満のときには３〜１８ｋＪ／ｃｍとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の端部同士を向き合わせ、向き合った端部間に形成される開先を鋼管の外面側から鋼管の周方向に沿って溶接し複数の溶接層によって端部同士を接続するＭＡＧ溶接法において、
前記鋼管の内面側から前記開先に溶接時に当てられる裏当て材を用いずに、
前記開先のルートフェイスを０〜１．５ｍｍ、ルートギャップを１〜４ｍｍとし、
溶接層の初層における溶接入熱を、前記溶接の進行方向が時計回り方向に見える方向から前記鋼管を見たときに、当該鋼管の管軸から鉛直上方に伸びる直線から、溶接が行われている箇所と管軸とを結ぶ直線までの時計回り方向の角度が０°以上６０°未満のときには３〜１７ｋＪ／ｃｍとし、６０°以上１２０°未満のときには２〜１２ｋＪ／ｃｍとし、１２０°以上１８０°未満のときには２〜１０ｋＪ／ｃｍとし、１８０°以上２４０°未満のときには２〜１１ｋＪ／ｃｍとし、２４０°以上３００°未満のときには３〜１６ｋＪ／ｃｍとし、３００°以上３６０°未満のときには３〜１８ｋＪ／ｃｍとすることを特徴とするＭＡＧ溶接法。
【請求項２】
互いに接続される鋼管の管内に装入されて両鋼管の芯出しを行う管芯出し装置に備えられ鋼管の内面側から前記開先を跨いで両鋼管の内面を外面方向に放射状に押圧して両鋼管の管軸を一致させる拡張部材を用い、前記拡張部材において前記開先に対向する箇所に不燃性又は難燃性の繊維を設け前記開先を溶接することを特徴とする請求項１に記載のＭＡＧ溶接法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管のＭＡＧ溶接法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道管やガス管等のパイプラインを施工するにあたり、複数の鋼管の端部同士を向き合わせ、向き合った端部間に形成される開先を鋼管の外面側から鋼管の周方向に沿って溶接することによって鋼管を接続している。従来から、この溶接方法としてＭＡＧ溶接法が利用されているが、鋼管の外面側からＭＡＧ溶接を行う場合、溶接金属が開先から溶け落ちないように鋼管の内面側から開先に裏当て材を当てながら溶接を行っている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、裏当て材は、鋼管内面と所定の距離を開けて当てなければならない。裏当て材と鋼管内面との距離が離れすぎると溶接金属が鋼管の内面側に流出して肉盛り過剰となる。肉盛り過剰になると、鋼管内のガスや水等の流体流れを阻害したり、汚れが溜まり易い等の問題が発生する。また、裏当て材と鋼管内面との距離が近すぎると裏当て材への熱の拡散が過剰となり後述するルートフェイス近傍への入熱が不十分となり、後述する溶け込み不足の欠陥が生じる。または、溶接部が窪み、溶接部の肉厚不足の問題が発生する。このように、裏当て材と鋼管内面との距離が重要であるので、裏当て材のセッティングに手間がかかる。鋼管同士の内径に差がある場合等には、裏当て材のセッティングに更に手間がかかる。
また、裏当て材が鋼管の内面に溶接されてしまうことがあり、溶接されてしまうと裏当て材を取り外すのに多大の労力が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３５１０９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記問題を解消するものであり、裏当て材を用いなくても溶接金属を開先から溶け落ちさせることなく鋼管の端部同士を接続することができるＭＡＧ溶接法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明者は鋭意検討した結果、開先のルートフェイス、及びルートギャップを特定の範囲に限定すると共に、周方向の溶接位置毎に溶接入熱を特定の範囲に限定することによって裏当て材を用いずに溶接金属を開先から溶け落ちさせることなく鋼管の端部同士を接続することができることを見出した。
【０００６】
本発明は、上記の本発明者の知見に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、鋼管の端部同士を向き合わせ、向き合った端部間に形成される開先を鋼管の外面側から鋼管の周方向に沿って溶接し複数の溶接層によって端部同士を接続するＭＡＧ溶接法において、前記鋼管の内面側から前記開先に溶接時に当てられる裏当て材を用いずに、前記開先のルートフェイスを０〜１．５ｍｍ、ルートギャップを１〜４ｍｍとし、溶接層の初層における溶接入熱を、前記溶接の進行方向が時計回り方向に見える方向から前記鋼管を見たときに、当該鋼管の管軸から鉛直上方に伸びる直線から、溶接が行われている箇所と管軸とを結ぶ直線までの時計回り方向の角度が０°以上６０°未満のときには３〜１７ｋＪ／ｃｍとし、６０°以上１２０°未満のときには２〜１２ｋＪ／ｃｍとし、１２０°以上１８０°未満のときには２〜１０ｋＪ／ｃｍとし、１８０°以上２４０°未満のときには２〜１１ｋＪ／ｃｍとし、２４０°以上３００°未満のときには３〜１６ｋＪ／ｃｍとし、３００°以上３６０°未満のときには３〜１８ｋＪ／ｃｍとすることを特徴とするＭＡＧ溶接法を提供する。
なお、ルートフェイスとは、向かい合った鋼管の端面の高さをいい、ルートギャップとは、向かい合った鋼管の端部間の距離をいう。
【０００７】
本発明によれば、裏当て材を用いることなく、鋼管の端部同士を接合することができるので、溶接作業時に裏当て材を鋼管内面と所定の距離を開けて当てる手間が省かれる。また、鋼管の内面に溶接されてしまった裏当て材を取り外すこともない。これらのことにより、溶接作業の作業時間を短くすることができる。
【０００８】
好ましくは、本発明は、互いに接続される鋼管の管内に装入されて両鋼管の芯出しを行う管芯出し装置に備えられ鋼管の内面側から前記開先を跨いで両鋼管の内面を外面方向に放射状に押圧して両鋼管の管軸を一致させる拡張部材を用い、前記拡張部材において前記開先に対向する箇所に不燃性又は難燃性の繊維を設け前記開先を溶接する。
【０００９】
本願の技術分野であるＭＡＧ溶接法では、通常、溶接時に溶接部分からスパッタとして溶接金属が周囲に飛散する。従来のように溶接時に裏当て材を用いる場合には、鋼管の内面側へのスパッタの飛散は裏当て材によって防がれるが、請求項１に係る発明では、裏当て材を用いないために鋼管の内面側へ飛散したスパッタを除去する必要があり、鋼管の寸法や形状等によっては除去に手間がかかることがある。しかしながら、斯かる好ましい方法によれば、拡張部材において開先に対向する箇所に設けられた不燃性又は難燃性の繊維が、飛散するスパッタを付着させて取り除くので、鋼管の内面側へ飛散したスパッタを除去する必要がなくなり溶接作業の効率が良くなる。
又、従来の裏当て材を当てる方法では、鋼管内面と裏当て材との距離が重要であるので、裏当て材の位置精度が良くなければならないが、上述した好ましい方法では、不燃性又は難燃性の繊維は飛散するスパッタが付着させられるように開先に対向させるだけでよいので、この繊維が設けられる位置に精度は必要でない。従って、この好ましい方法における繊維のセッティング作業は、従来の裏当て材を当てる方法における裏当て材のセッティング作業に比べて手間がかからない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、裏当て材を用いずに鋼管の端部同士を接合することができるので、溶接作業の作業時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＡＧ溶接法の概略を示す図である。
【図２】図２は、同ＭＡＧ溶接法に用いる管芯出し装置における拡張部材の斜視図である。
【図３】図３（ａ）乃至（ｃ）は、同ＭＡＧ溶接法を経時的に示す図であり、（ｄ）は図３（ｃ）における直線Ｌでの断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、開先の各部位の名称を示す図である。
【図５】図５（ａ）乃至（ｄ）は、同ＭＡＧ溶接法において溶接が行われる状態を経時的に示す図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、鋼管の周方向における溶接位置の表わし方を示す図である。
【図７】図７は、同ＭＡＧ溶接法においてルートフェイスｔを０．５ｍｍ、とし、ルートギャップｄと溶接入熱とを変化させたときの結果を示す図である。
【図８】図８は、同ＭＡＧ溶接法においてルートギャップｄを３．０ｍｍ、とし、ルートフェイスｔと溶接入熱とを変化させたときの結果を示す図である。
【図９】図９は、開先の他の形状を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＭＡＧ溶接法において用いる拡張部材の斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）は、同ＭＡＧ溶接法における鋼管の断面を示す図であり、（ｂ）は図１１（ａ）における直線Ｍでの断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、同ＭＡＧ溶接法に用いる管芯出し装置であって拡張部材がネジ式であるものの側面図であり。（ｂ）は管芯出し装置の円筒部の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るＭＡＧ溶接法について添付図面を適宜参照しつつ説明する。図１は、ＭＡＧ溶接法の概略を示す。鋼管１の接続は、鋼管１の端部１１同士を向き合わせ、鋼管１の内部に挿入させた管芯出し装置２によってそれぞれの鋼管１１を向き合った状態で固定し、向き合った端部１１間に形成される開先１２をＭＡＧ溶接機３によって溶接することによって行う。
管芯出し装置２は、エアー圧によって放射状に突出し先端を鋼管１の内面に当接させて管芯出し装置２自体を鋼管１内に固定する固定部２１と、油圧によって放射状に突出し、接続されるそれぞれの鋼管１を内面から拡張して固定する拡張部材２２を有している。
【００１３】
図２は拡張部材２２の外観を示す。拡張部材２２の先端２２ａは、接続されるそれぞれの鋼管１の端部１１の内面を押圧するように二股に分かれており、分かれたそれぞれの先端２２ａが開先１２を跨いでそれぞれの鋼管１の内面に当接する。
拡張部材２２は、このように油圧によって拡張されるのでなく、後述するようなネジ式によって拡張されるものでもよいし、他の方式によって拡張されるものでもよい。
【００１４】
次に、鋼管１を接続する方法を、図３を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、ユーザは、パイプライン等に既に設置されている鋼管１ａの端部１１付近の管内に管芯出し装置２を挿入し、固定部２１を放射条に突出させて管芯出し装置２を鋼管１ａ内に固定する。
続いて、図３（ｂ）に示すように、新たな鋼管１ｂの端部１１を既に設置されている鋼管１ａの端部に向かい合わせ、開先１２の形状が適切になるような位置に鋼管１ｂを固定する。
続いて、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように油圧によって拡張部材２２を鋼管１ａ、１ｂの外面側に突出させ、先端２２ａが開先１２を跨いで鋼管１ａ、１ｂの内面を外面方向に放射状に押圧して鋼管１ａ、１ｂの管軸を一致させる。ここで図３（ｄ）は、図３（ｃ）の線Ｌにおける断面を示す。
続いて、鋼管１の周囲をＭＡＧ溶接機３に移動させるためのレール３１を設け（図１参照）、レールにＭＡＧ溶接機３を取り付けて鋼管１の開先１２を周囲から溶接する。
【００１５】
図４に開先１２の形状の例を示す。鋼管１の端部１１は、外面側の周囲のエッジが面取りされて、内面側が突き出たような形状に加工されている。ここで、向かい合った鋼管１の端面の高さをルートフェイスｔ、向かい合った鋼管１の端部１１間の距離をルートギャップｄ、面取りの角度をベベル角度αという。また、後述する開先幅、開先面、開先断面積の箇所を図に示す。
【００１６】
図５に、開先１２で溶接が行われる状態を経時的に示す。図５（ａ）に示すように、鋼管１の端部１１同士が向き合って開先１２が形成されている。最初に図５（ｂ）に示すように、端部１１の先端部分において、鋼管１の内面側に全周に亘って溶接層の初層が形成される。続いて図５（ｃ）に示すように、初層の上に第２層が形成され、更に図５（ｄ）に示すように、複数の溶接層が積層される。
【００１７】
本実施形態のように裏当て材を用いない溶接においては、溶け落ちが発生しないように特に初層の溶接が重要であり、初層の上に積層される２層目以降は、溶け落ちに対して大きな影響を与えない。初層において、溶け落ちを発生させないためには、開先の形状のルートフェイスｔとルートギャップｄが特に重要であり、ルートフェイスｔの設定範囲を０〜１．５ｍｍとし、ルートギャップｄの設定範囲を１〜４ｍｍとするとよい。ルートフェイスｔが１．５ｍｍを越えると、溶け込み不足が発生し易い。ルートギャップｄが１ｍｍより短いと、溶け込み不足が発生し易く、４ｍｍを越えると、溶け落ちや内面凹みの不良が発生し易い。
なお、溶け込み不足(Inadequate Penetration)、溶け落ち(Burn Through)、内面凹み(Internal Concavity)の各不良名称はＡＰＩ（American Petroleum Institute）規格に準じている。
【００１８】
ベベル角度αは、溶け落ちには大きな影響はないが、作業性等の観点から１０〜３０°にするとよい。ベベル角度αが１０°より小さいと、溶け込み不足に成り易い。また、開先幅が狭くなって溶接チップと開先面とが接触し易くなり、接触すると溶接が中断する。ベベル角度αが３０°より大きいと開先断面積が大きくなるので、必要な溶接金属量が増加し、作業能率が低下する。
【００１９】
溶接時の、初層における溶接入熱の設定範囲は、鋼管１の周方向での位置によって次のようにするのがよい。
ここで、周方向の位置は次のように表わす。図６（ａ）に示すように、例えば、既設の鋼管１ａに鋼管１ｂを接続するとき、溶接の進行方向は鋼管の周囲を矢印Ａ方向とＢ方向のどちらの方向でも行うことができる。このときに、例えばＡ方向に溶接するときは、このＡ方向が時計回りに見える方向であるＣ方向から見たときに、図６（ｂ）に示すように、鋼管の管軸から鉛直上方に伸びる直線から、溶接が行われている箇所と管軸とを結ぶ直線までの時計回り方向の角度Ｘによって、溶接位置を表わす。Ｂ方向に溶接するときは、このＢ方向が時計回りに見える方向であるＤ方向から見たときに、図６（ｂ）に示される角度Ｘによって溶接位置を表す。
【００２０】
溶接入熱の設定範囲は、角度Ｘが０°以上６０°未満のときには３〜１７ｋＪ／ｃｍとし、６０°以上１２０°未満のときには２〜１２ｋＪ／ｃｍとし、１２０°以上１８０°未満のときには２〜１０ｋＪ／ｃｍとし、１８０°以上２４０°未満のときには２〜１１ｋＪ／ｃｍとし、２４０°以上３００°未満のときには３〜１６ｋＪ／ｃｍとし、３００°以上３６０°未満のときには３〜１８ｋＪ／ｃｍとする。
溶接入熱が設定範囲より少ないと溶け込み不足に成り易く、設定範囲を超えると溶け落ちや内面凹みの不良が発生し易い。
なお、溶接は鋼管１の周方向のいずれの位置から開始してもよい。
【００２１】
次に、ルートフェイスｔとルートギャップｄと溶接入熱とをパラメータとして変化させたときの、周方向の溶接位置毎の溶接結果を示す。
図７は、ルートフェイスｔを０．５ｍｍ、とし、ルートギャップｄと溶接入熱とを変化させたときの結果を示す。このとき、ベベル角度αは２０°に固定している。ルートギャップｄが１ｍｍよりも短いと、溶接入熱の設定範囲内であっても溶接入熱が少ない側で溶け込み不足の不良が発生し易くなっている。反対に、ルートギャップｄが４ｍｍよりも長いと、溶接入熱の設定範囲内であっても溶接入熱が多い側で溶け落ちや内面凹みの不良が発生し易くなっている。
図８は、ルートギャップｄを３．０ｍｍ、とし、ルートフェイスｔと溶接入熱とを変化させたときの結果を示す。このとき、ベベル角度αは２０°に固定している。ルートフェイスｔが１．５ｍｍよりも厚いと溶接入熱の設定範囲内であっても溶け込み不足の不良が発生し易くなっている。
【００２２】
なお、開先１２の形状は上記のようなＶ形開先に限定されずに他の形状でもよいが、Ｖ形開先と同様にルートフェイスｔの設定範囲を０〜１．５ｍｍとし、ルートギャップｄの設定範囲を１〜４ｍｍとするとよい。ルートフェイスｔとルートギャップｄ以外の箇所の寸法等は、それぞれの開先の形状に応じて適宜決めればよい。たとえば、図９に示すように開先面が２段の斜面になっている形状では、図中の角度α１をルート部ベベル角度といい、角度α２を上部ベベル角度というとすると、ルート部ベベル角度α１は３０〜６０°がよく、上部ベベル角度α２は０〜１０°がよい。ルート部ベベル角度α１及び上部ベベル角度α２が上記の範囲よりも小さいと、溶け込み不足に成り易い。また、開先幅が狭くなって溶接チップと開先面とが接触し易くなり、接触すると溶接が中断する。ルート部ベベル角度α１及び上部ベベル角度α２が上記の範囲よりも大きいと、開先断面積が大きくなるので、必要な溶接金属量が増加し、作業能率が低下する。
【００２３】
上述したように、本実施形態に係るＭＡＧ溶接法によれば、裏当て材を用いることなく、鋼管１の端部１１同士を接合することができるので、溶接作業時に裏当て材を鋼管内面と所定の距離を開けて当てる手間が省かれる。また、鋼管１の内面に溶接されてしまった裏当て材を取り外すこともない。これらのことにより、溶接作業の作業時間を短くすることができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態に係るＭＡＧ溶接法について説明する。本実施形態では、第１の実施形態に係るＭＡＧ溶接法に加え、拡張部材において開先に対向する箇所に不燃性又は難燃性の繊維を設ける。図１０は、不燃性又は難燃性の繊維を設けた拡張部材２２の例を示し、図１１（ａ）は、その拡張部材２２を備えた管芯出し装置２の断面を示し、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における直線Ｍでの断面を示す。拡張部材２２は、二股に分かれた先端２２ａの間の溝部２３に脱着可能であり断面がＵ字型形状の繊維固定部２４を有している。繊維固定部２４には、例えば、ガラス繊維やセラミック繊維等の不燃性又は難燃性の繊維２５が、例えば、ピン２６によって固定されている。繊維固定部２４は、溝部２３に例えばネジ留めのように適宜適切な方法で固定すればよい。繊維２５は、溶接部分から鋼管１の内面側にスパッタとして飛散する溶接金属を付着させて取り除くように開先１２に対向する箇所に設けられていればよいので、開先１２に近接していてもよいし、離れていてもよい。
図１０においては、見易くするために繊維２５の本数を少なくしているが、飛散する溶接金属を付着させるだけの十分な量の繊維２５を設ければよい。また、繊維２５は、図１０のように糸状のままで束ねた形態でもよいし、布状に織り込んだものでもよい。
【００２５】
従来のように溶接時に裏当て材を用いる場合には、鋼管１の内面側へのスパッタの飛散は裏当て材によって防がれるが、第１の実施形態に係るＭＡＧ溶接法では、裏当て材を用いないために鋼管１の内面側へ飛散したスパッタを除去する必要があり、鋼管１の寸法や形状等によっては除去に手間がかかることがある。しかしながら、第２の実施形態に係る方法によれば、拡張部材２２において開先１２に対向する箇所に設けられた不燃性又は難燃性の繊維２５が、飛散するスパッタを付着させて取り除くので、鋼管１の内面側へ飛散したスパッタを除去する必要がなくなり溶接作業の効率が良くなる。
又、従来の裏当て材を当てる方法では、鋼管１内面と裏当て材との距離が重要であるので、裏当て材の位置精度が良くなければならないが、第２の実施形態に係る方法にでは、不燃性又は難燃性の繊維２５は飛散するスパッタが付着させられるように開先１２に対向させるだけでよいので、この繊維２５が設けられる位置に精度は必要でない。従って、第２の実施形態に係る方法における繊維２５のセッティング作業は、従来の裏当て材を当てる方法における裏当て材のセッティング作業に比べて手間がかからない。
【００２６】
次に、拡張部材２２が油圧式でなく、ネジ式の場合の例を図１２に示す。管芯出し装置２は、接合される２本の鋼管１の内面側に挿入される円筒部２７を有している。円筒部２７は、接続される２本の鋼管１のそれぞれの内面に対向するように、円筒部２７の内面側から外面側に向けて雌ネジ２７ａが放射状に２列になって設けられており、それぞれの雌ネジには雄ネジが切られた拡張部材２２が挿入されている。拡張部材２２が円筒部２７の内面側から螺入されることによって拡張部材２２の先端が鋼管１の内面を外面方向に放射状に押圧して両鋼管１の管軸を一致させる。
円筒部２７において、２列の拡張部材２２の間に繊維２５が巻き付けられており、この繊維２５が飛散する溶接金属を付着させる。繊維２５は、拡張部材２２に例えばネジ留めのように適宜適切な方法で固定すればよい。油圧式の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・鋼管
１１・・・端部１
１２・・・開先
２・・・管芯出し装置
２２・・・拡張部材
２５・・・繊維
ｔ・・・ルートフェイス
ｄ・・・ルートギャップ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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