(57)【要約】【課題】簡易な構造で効率的に鋼管の内側からの補修溶接が可能な溶接補修装置、及び、溶接補修方法を提供する。【解決手段】二つの鋼管Ｗを軸線Ｐの方向に同軸上に突き合わせて溶接した際の溶接欠陥Ｈを補修する溶接補修装置であって、二つの鋼管Ｗの内側で溶接欠陥Ｈに径方向に対向するように配されるアーク溶接用の電極２と、電極２に電力を供給する電源装置と、電極２での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、前記第一電流よりも低電流の第二電流及び前記第一電圧よりも高電圧の第二電圧となる第二状態との少なくとも二つの状態を繰り返すように上記電流及び上記電圧を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2015054340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの鋼管を、これら鋼管の軸線同士が合致するように突き合わせて溶接した際の溶接欠陥を補修する溶接補修装置であって、
前記二つの鋼管の内側から、前記溶接欠陥に径方向に対向するように配されるアーク溶接用の電極と、
前記電極に電力を供給する電源装置と、
前記電極での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、前記第一電流よりも低電流の第二電流及び前記第一電圧よりも高電圧の第二電圧となる第二状態との少なくとも二つの状態を繰り返すように前記電流及び前記電圧を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする溶接補修装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電極から前記突合せ部への入熱量が１８ｋＪ／ｃｍ以下で、１４．５ｋＪ／ｃｍ以上となるように前記電流及び前記電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の溶接補修装置。
【請求項３】
前記電極は、前記二つの鋼管を該軸線の方向に突き合わせて溶接する際にこれら鋼管の内側に配されて、突合せ部分に対して径方向外側への拡径力を付与するインターナルクランプ装置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接補修装置。
【請求項４】
二つの鋼管を、これら鋼管の軸線同士が合致するように突き合わせて溶接した際の溶接欠陥を補修する溶接補修方法であって、
溶接欠陥を検査する欠陥検査工程と、
前記二つの鋼管の内側から、前記欠陥検査工程で検知された前記溶接欠陥に径方向に対向するようにアーク溶接用の電極を配する準備工程と、
前記準備工程の後に、前記溶接欠陥を含む領域にアーク溶接を実行する補修工程と、
を備え、
前記補修工程では、前記電極での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、前記第一電流よりも低電流の第二電流及び前記第一電圧よりも高電圧の第二電圧となる第二状態との少なくとも二つの状態を繰り返すように前記電流及び前記電圧が制御されることを特徴とする溶接補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管材同士を突き合わせて溶接した後に、溶接箇所の補修を行う溶接補修装置、及び溶接補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、パイプライン等に用いられる鋼管は、端部に開先加工を行った鋼管同士を突き合わせ、外周側から層状に溶接を行って鋼管同士を接合していく。
【０００３】
この際、一層目の溶接部分に溶け込み不良等で、鋼管内面に開口欠陥が生じることがある。現状では、全層の溶接が終了した後にこのような欠陥を非破壊検査によって検査し、外周側からグラインダ等を用いて欠陥をはつり取って再度溶接を行うことで欠陥の補修を行っている。
【０００４】
ところが、このような一層目に欠陥が生じている場合、溶接部の表層（外周面）から欠陥部分までの距離が遠く、全層の溶接が終了した後に欠陥を取り除くには作業に時間を要する。また、欠陥をはつり取った後に溶接を行った場合に、溶融金属が鋼管の内側に垂れ落ちてしまうおそれがあるため、鋼管の内側に裏当て等を別途設けなければならないが、このような裏当てを設けることは非常に手間である。
このような観点から、一層目に生じた欠陥を補修する作業は鋼管の内側から行うことが好ましい。
【０００５】
ここで、特許文献１には、鋼管内を自走して鋼管の内側からグラインダによる開先加工を行って、補修溶接を実行する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２２３０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように特許文献１に記載されている装置を用いることができれば、内側からの補修溶接が可能となる。しかしながら、この装置ではグラインダの処理を行うため作業に時間を要する。特に、海底パイプラインの敷設時には鋼管の接合作業を短時間で行う必要があり、この点で特許文献１の装置をそのまま適用することは難しい。さらに、この装置はＵＯＥ鋼管に適用されるものであるため大掛かりな構造となっており、小径の鋼管に使用することは困難である。また装置が複雑であり、消耗品の交換頻度が高いなどでメンテナンス性がよくない。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、簡易な構造で効率的に鋼管の内側からの補修溶接が可能な溶接補修装置、及び、溶接補修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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る溶接補修装置は、二つの鋼管を、これら鋼管の軸線同士が合致するように突き合わせて溶接した際の溶接欠陥を補修する溶接補修装置であって、前記二つの鋼管の内側から、前記溶接欠陥に径方向に対向するように配されるアーク溶接用の電極と、前記電極に電力を供給する電源装置と、前記電極での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、前記第一電流よりも低電流の第二電流及び前記第一電圧よりも高電圧の第二電圧となる第二状態との少なくとも二つの状態を繰り返すように前記電流及び前記電圧を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような溶接補修装置によれば、制御装置によって電極での電流、電圧が、第一状態と第二状態とが交互に繰り返されるため、高電流低電圧でのアーク溶接を行う場合と、低電流高電圧でのアーク溶接を行う場合とを繰り返すことになる。従って、第一状態でのアーク溶接によって、被補修部分となる溶接欠陥を含む領域に対して狭い範囲で集中的に深い溶け込みを得て、溶融範囲を溶接欠陥部分まで到達させることができる。さらに、第二状態でのアーク溶接によって、突合せ部に対して広い範囲にエネルギーを分散させ、第一状態での溶接によって溶けた被補修部分を冷却して垂れ落ちを抑制しつつ、十分な入熱量を確保することができる。この結果、グラインダ等を用いて溶接欠陥をはつり取る作業を不要としながら、溶接欠陥を除去することができる。
【００１１】
さらに、前記制御装置は、前記電極から前記突合せ部への入熱量が１８ｋＪ／ｃｍ以下で、１４．５ｋＪ／ｃｍ以上となるように前記電流及び前記電圧を制御してもよい。
【００１２】
このように電流及び電圧を制御することで、被補修部分となる溶接欠陥を含む領域でのビッカース硬さを低く抑え、被補修部分の脆化の抑制が可能となる。
【００１３】
また、前記電極は、前記二つの鋼管を該軸線の方向に突き合わせて溶接する際にこれら鋼管の内側に配されて、突合せ部分に対して径方向外側への拡径力を付与するインターナルクランプ装置に設けられていてもよい。
【００１４】
このようにインターナルクランプ装置に一体化することで、アーク溶接用の電極を容易に鋼管の内側に配することができる。
【００１５】
また、本発明に係る溶接補修方法は、二つの鋼管を、これら鋼管の軸線同士が合致するように突き合わせて溶接した際の溶接欠陥を補修する溶接補修方法であって、溶接欠陥を検査する欠陥検査工程と、前記二つの鋼管の内側から、前記欠陥検査工程で検知された前記溶接欠陥に径方向に対向するようにアーク溶接用の電極を配する準備工程と、前記準備工程の後に、前記溶接欠陥を含む領域にアーク溶接を実行する補修工程と、を備え、前記補修工程では、前記電極での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、前記第一電流よりも低電流の第二電流及び前記第一電圧よりも高電圧の第二電圧となる第二状態との少なくとも二つの状態を繰り返すように前記電流及び前記電圧が制御されることを特徴とする。
【００１６】
このような溶接補修方法によれば、第一状態でのアーク溶接によって、被補修部分となる溶接欠陥を含む領域に対して狭い範囲で集中的に深い溶け込みを得て、溶融範囲を溶接欠陥部分まで到達させることができる。さらに、第二状態でのアーク溶接によって、突合せ部に対して広い範囲にエネルギーを分散させ、第一状態での溶接によって溶けた被補修部分を冷却して垂れ落ちを抑制しつつ、十分な入熱量を確保することができる。この結果、グラインダ等を用いて欠陥をはつり取る作業を不要としながら、溶接欠陥を除去することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の溶接補修装置によると、高電流低電圧でのアーク溶接と低電流高電圧でのアーク溶接とを繰り返すことで、簡易な構造で効率的に鋼管の内側から溶接補修が可能となる。
【００１８】
また、請求項２の溶接補修装置によると、被補修部分の脆化の抑制により、鋼管の溶接部分の耐久性の向上につながる。
【００１９】
さらに、請求項３の溶接補修装置によると、容易に、自動で鋼管の溶接補修作業を行うことができる。
【００２０】
また、請求項４の溶接補修方法によると、高電流低電圧での溶接と低電流高電圧での溶接とを繰り返すことで、効率的に鋼管の内側から溶接補修が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る溶接補修装置、及び、鋼管を示す軸線を含む断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る溶接補修装置、及び、鋼管を示す軸線を含む断面図であって、図１のＡ部を拡大して示すものである。また、（ａ）は第一状態でアーク溶接を行っている様子を示し、（ｂ）は第二状態でアーク溶接を行っている様子を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る溶接補修装置を用いて溶接補修を行う場合の、溶接補修方法の手順を示すフロー図である。
【図４】溶接補修装置に関し、アーク溶接を行った際の被補修部分を想定した試験片への入熱量と、５ｋｇｆの荷重で測定した試験片のビッカース硬さ（平均値）との関係を示す実験結果のグラフである。
【図５】溶接補修装置に関し、アーク溶接を行った際の被補修部分を想定した試験片への入熱量と、試験片の溶け込み深さとの関係を示す実験結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態に係る溶接補修装置１について説明する。
溶接補修装置１は、軸線Ｐを中心として形成された二つの鋼管Ｗを、軸線Ｐの方向に突き合わせて溶接した際の溶接欠陥Ｈを補修する装置である。
【００２３】
なお本実施形態では、軸線Ｐ方向の端部に開先加工が施された鋼管Ｗ同士を突き合わせて、外周側から四層（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）の層状に溶接を行い、溶け込み不良等による溶接欠陥Ｈが一層目Ｍ１に形成されている場合を想定している。
【００２４】
図１及び図２に示すように、この溶接補修装置１は、鋼管Ｗの内側で鋼管Ｗ同士の突合せ部Ｗｔに径方向に対向して配される電極２と、電極２に電力を供給する電源装置３と、電源装置３に設けられて、電極２での電流及び電圧の値を制御する制御装置４とを備えている。
【００２５】
本実施形態では、電極２は先端が鋼管Ｗの内面の径方向内側に配されるように、インターナルクランプ装置１０に一体に設けられている。なお、詳細な図示は省略するが、このインターナルクランプ装置１０は、二つの鋼管Ｗを突き合わせて溶接する際に、鋼管Ｗ内に配されて鋼管Ｗ内を軸線Ｐ方向に移動しながら、突合せ部Ｗｔに対して径方向外側への拡径力を付与する装置である。
【００２６】
電極２は、ＴＩＧ溶接用のトーチに設けられ、インターナルクランプ装置１０を軸線Ｐ方向に移動させることで、突合せ部Ｗｔでの溶接の一層目Ｍ１に形成された溶接欠陥Ｈの径方向内側の位置で、溶接欠陥Ｈに径方向に対向して配されるようになっている。
【００２７】
電源装置３は、電極２に電力を供給する。そして、この電源装置３は、インターナルクランプ装置１０に一体で設けられていてもよいし、配管の外部に設けられてケーブルによって電極２と接続されていてもよい。
【００２８】
制御装置４は、電極２での電流及び電圧の値が異なる二つの状態となるように、電源装置３及び電極２の制御を行う。
具体的には、制御装置４は、第一電圧と第一電圧よりも高電圧の第二電圧とを交互に繰り返すように電極２へ電圧を印加する。即ち、パルス的な電圧制御を行う。なお、この制御装置４についてもインターナルクランプ装置１０に一体で設けられていてもよいし、配管の外部に設けられてケーブルによって電極２、電源装置３と接続されていてもよい。
【００２９】
さらに、この制御装置４は、Ａ.Ｖ.Ｃ（Ａｒｃ．Ｖｏｌｔａｇｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）による制御を行う。即ち、電極２に印加する電圧が第一電圧となっているときには、電極２における電流の値が第一電流となるように電極２と鋼管の内面とを径方向に近接させる（図２（ａ）に示す状態）。この一方で、第二電圧となっているときには第一電流よりも低電流の第二電流となるように、電極２を鋼管Ｗ内面から径方向に遠ざける（図２（ｂ）に示す状態）。
【００３０】
そして制御装置４は、電極２での電流及び電圧が、第一電流及び第一電圧となる第一状態と、第二電流及び第二電圧となる第二状態とを繰り返すように、電源装置３及び電極２を制御する。
【００３１】
ここで例えば、第一状態では第一電流の値が２４０〜２６０〔Ａ〕とされ、第一電圧が、１１〜１２〔Ｖ〕とされる。第二状態では第二電流の値が１８０〜２００〔Ａ〕とされ、第二電圧の値が１３〜１４〔Ｖ〕とされる。また、第一状態と第二状態との切り替え周波数は、２〔Ｈｚ〕とされる。なお、これらの数値は一例であって、このような数値に限定されることはない。
さらに、少なくとも第一状態と第二状態との二つの状態を繰り返すように制御装置４は電流と電圧の制御を行えばよく。例えば電流の値が第一電流と第二電流との間の値となり、かつ、電圧の値が第一電圧と第二電圧との間の値となる中間状態を設け、この中間状態、第一状態、第二状態を混在させて制御してもよい。
【００３２】
次に、図３を参照しながら、溶接補修方法を実行する手順について説明する。
溶接補修方法は、溶接欠陥Ｈを検査する欠陥検査工程Ｓ１と、溶接欠陥Ｈに対応する位置に電極２を配置する準備工程Ｓ２と、準備工程Ｓ２後に溶接欠陥Ｈを含む領域ＡにＴＩＧ溶接を実行する補修工程Ｓ３とを備えている。
【００３３】
まず、欠陥検査工程Ｓ１を実行する。欠陥検査工程Ｓ１では、図２（ａ）に示すように、センサ６を用いて突合せ部Ｗｔに対して径方向外側から非破壊検査を行い溶接の一層目Ｍ１における溶接欠陥Ｈの位置を検知する。なお、非破壊検査はＵＴ（超音波探傷試験）など、一般的に用いられる方法を使用する。そして、本実施形態ではこの非破壊検査は、一層目Ｍ１の溶接が終了した時点で行う。
【００３４】
次に、準備工程Ｓ２を実行する。準備工程Ｓ２では、欠陥検査工程Ｓ１で検出された溶接欠陥Ｈに、径方向に対向するようにインターナルクランプ装置１０を移動させ、鋼管Ｗの内側に電極２を配する。
【００３５】
そして、補修工程Ｓ３を実行する。補修工程Ｓ３では、準備工程Ｓ２で配した電極２へ電源装置３から給電してＴＩＧ溶接を行って、上記領域Ａを溶融する。
【００３６】
また、この補修工程Ｓ３では、電極２での電流及び電圧が、上記第一状態と上記第二状態とを繰り返すように制御装置４によって制御される。
【００３７】
本実施形態の溶接補修装置１によると、制御装置４によって電極２での電流、電圧が、第一状態と第二状態とで交互に繰り返されるように制御される。このため、高電流低電圧での溶接を行う場合と、低電流高電圧での溶接を行う場合とを繰り返すことになる。
【００３８】
従って、第一状態でのＴＩＧ溶接によって、被補修部分となる鋼管Ｗの突合せ部Ｗｔにおける領域Ａに対して、狭い範囲で集中的に深い溶け込みを得て、溶融範囲を溶接欠陥Ｈの部分まで到達させることができる。
【００３９】
一方で、第二状態の低電流での溶接によって突合せ部Ｗｔに対して広い範囲にエネルギーを分散させ、第一状態での溶接によって溶けた領域Ａの垂れ落ちを抑制することができる。また、第二状態では高電圧とすることで領域Ａへの入熱量を十分に確保することができる。この結果、グラインダ等を用いて溶接欠陥Ｈをはつり取る作業を不要としながら、溶接欠陥Ｈを除去することができる。
【００４０】
ここで、仮に高電流高電圧の状態を第一状態とし、低電流低電圧の状態を第二状態として、これら第一状態と第二状態とを繰り返すようにＴＩＧ溶接を行った場合を想定する。この場合、第一状態では、領域Ａとの離間距離が大きくなって高電流のアークのエネルギーが拡散してしまい、十分な溶け込み深さを得られなくなり、溶接欠陥Ｈまでの溶け込みを得ることは難しい。また、溶融範囲が広くなってしまうため、第一状態から第二状態に切り替わって溶融部分の冷却を行う前に領域Ａの垂れ落ちが発生してしまう。さらに第二状態では低電流のアークのエネルギーが狭い範囲に集中するため、領域Ａへの十分な入熱量を得ることができない。従って、上述したように第一状態は高電流低電圧とし、第二状態は低電流高電圧とする必要がある。
【００４１】
そして、このような第一状態と第二状態とを繰り返すことで、グラインダ等の作業を行うような大掛かりな装置が不要となり、小径管内での補修作業も可能としながら、鋼管Ｗの内側から溶接欠陥Ｈを取り除くことが可能となる。
【００４２】
さらに、インターナルクランプ装置１０に電極２を一体化することで、電極２を容易に鋼管Ｗの内側に配することができ、自動で鋼管Ｗの補修作業を行うことができる。
【００４３】
ここで、図４の実験結果に示すように、入熱量が約１５〔ｋＪ／ｃｍ〕以上の場合には、試験片のビッカース硬さがＨｖ２５０以下となっていることが確認できる。なお、図４の縦軸は、硬さ試験を繰り返し行った結果の平均硬さを示し、実験条件としては、溶接速度が７〔ｃｍ／ｍｉｎ〕、ピーク溶接電流が２４０〔Ａ〕、ピーク溶接電圧が１１〔Ｖ〕、ベース溶接電流が１８０〔Ａ〕、ベース溶接電圧が１３〔Ｖ〕、ピーク比率が４０〔％〕であり、シールドガスとして１００〔％〕のアルゴンガスを用いた。
【００４４】
また、図５の実験結果に示すように、入熱量が約１１〔ｋＪ／ｃｍ〕以上の場合には、溶け込み深さ２．５〔ｍｍ〕以上を得られることが確認できる。
【００４５】
従って、制御装置４は、電極２から突合せ部Ｗｔへの入熱量が１４.５〔ｋＪ／ｃｍ〕以上となるように上記電流及び上記電圧を制御することが好ましい。また、１８〔ｋＪ／ｃｍ〕よりも入熱量が大きいと領域Ａの垂れ落ちが生じ、溶接不良となることが確認されている。このため、入熱量は１８〔ｋＪ／ｃｍ〕以下となるように上記電流及び上記電圧を制御することが好ましい。
そして、このように電極２での電流及び電圧を制御することで、突合せ部Ｗｔの溶接部分でＨｖ２５０の硬さを得ることでき、例えば二酸化炭素や硫化水素等が流通するようなサワーガス環境で用いられるパイプラインにも、鋼管Ｗを適用することができる。なお、図４及び図５の結果は炭素鋼を試験片として用いた場合の実験結果を示すため、入熱量が１４.５〔ｋＪ／ｃｍ〕以上で、１８〔ｋＪ／ｃｍ〕以下となるような条件は、鋼管Ｗが炭素鋼である場合に好適である。
【００４６】
ここで、溶接の一層目Ｍ１の厚さは２．５〔ｍｍ〕程度となるため、このように入熱量を規定することで溶接の一層目Ｍ１の深さ分の溶け込みが可能となり、一層目Ｍ１での溶接欠陥Ｈの深さ位置に関わらず溶接欠陥Ｈの補修が可能となる。
【００４７】
さらに、溶接補修にＴＩＧ溶接を用いることで、均整のとれた美しい溶接ビードを得ることができ、鋼管Ｗ同士の接合品質のさらなる向上につながる。
【００４８】
また、制御装置４にはＡ．Ｖ．Ｃ制御を用いているため、電極２での電流及び電圧が第二状態となった際には、電極２が鋼管Ｗの内面から離間することになる。従って、常時電極２が鋼管Ｗ内面に近接していることがなくなるため、電極２先端の損傷を抑制することが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１…溶接補修装置  ２…電極  ３…電源装置  ４…制御装置  ６…センサ  １０…インターナルクランプ装置  Ｗ…鋼管  Ｗｔ…突合せ部  Ｈ…溶接欠陥  Ｐ…軸線  Ｍ１…一層目  Ａ…領域  Ｓ１…欠陥検査工程  Ｓ２…準備工程  Ｓ３…補修工程  
【図１】
2015054340.tif 000003
【図２】
2015054340.tif 000004
【図３】
2015054340.tif 000005
【図４】
2015054340.tif 000006
【図５】
2015054340.tif 000007