(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接合するオーステナイト系ステンレス鋼管の管端部にＶ型角度が65度〜80度の範囲でルート面の厚さが0.1ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲になるＶ型開先を形成するように開先加工を施し、該管端部をルート間隔が０ｍｍ〜2.0ｍｍの範囲になるように突き合わせ、
上記突き合わせた管端部のＶ型開先の内側に深さが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝を有する裏当てを固定し、
１〜７％の水素ガスを混合したアルゴンガスを溶接用ガスノズルから供給しながら、Ｖ型開先に沿ってＴＩＧ自動溶接を行うことを特徴とするステンレス鋼管のＴＩＧ溶接方法。
【請求項２】
上記裏当てからＶ型開先の管内面にバックシールドガスを供給する請求項１記載のステンレス鋼管のＴＩＧ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、オーステナイト系ステンレス鋼管の円周継手を接合するＴＩＧ溶接方法、特に溶接能率の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼管のパイプライン敷設現場における管端部の溶接は、接合される双方の管の管端部に開先加工を施した後に、インターナルクランプ等で双方の管を突き合わせて固定し、これによって形成される円周継手に沿って全姿勢溶接によって行われる。この溶接工事の省力化や溶接品質の安定化を図るために全姿勢自動溶接法が採用されている。このオーステナイト系ステンレス鋼管の全姿勢自動溶接における問題は、ルート間隔を設けて良好な裏波を確保しようとしてもルート間隔が溶接中の加熱により変動してしまい、安定した裏波が得られないことである。特にオーステナイト系ステンレス鋼管では、熱伝導率が炭素鋼の約１／３と小さく、熱膨張係数が炭素鋼の約1.5倍と大きいため、ルート間隔は溶接の進行と共に著しく収縮する。このためオーステナイト系ステンレス鋼管に対しては、溶接中のルート間隔の収縮を無視できるようにするため、例えば図４に示すように、開先角度αが30度〜60度のＵ型開先４１を機械加工により成形し、ルート間隔を標準０ｍｍとしてＴＩＧ自動溶接する方法が採用されている。この場合、全周にわたって良好な裏波を得るために、ルート面の厚さｔ0を1.0ｍｍ〜1.5ｍｍ、そのルート面の幅ｗを2.0ｍｍ〜3.0ｍｍとして、あたかも薄板の溶接に似た方法で初層裏波溶接を行っている。
【０００３】
また、例えば特開平９−19767号公報に記載された固定管の周継ぎ手接合方法は、開先角度αが90度〜110度のＶ型開先でルート間隔を０ｍｍ〜0.5ｍｍの範囲としてホットワイヤ式ＴＩＧ自動溶接装置で接合する方法である。この溶接方法の特徴は開先加工の容易なＶ型で広角度な開先を採用し、フィラーワイヤに通電加熱されるホットワイヤ式ＴＩＧ自動溶接装置により、ルート間隔を０ｍｍ〜0.5ｍｍとしてルート間隔の変動を無視できる点にある。すなわち、この方法は、ルート部の溶融を確実にして良好な裏波を確保するために、開先角度αを90度〜110度に広げてルート部の実質的な厚さを減少させ、さらにワイヤを電気抵抗で加熱することによりルート部の溶接に対するアークの熱効率を高めるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにＵ型開先４１でルート間隔を０ｍｍとしたＴＩＧ溶接方法はルート間隔の変動（収縮）は無視できるが、開先形状が複雑でかつ加工寸法に関しても高精度な管理が必要であり、このため専用の開先加工機を必要としていた。このため設備費が高価になってしまう。また、パイプラインは開先加工が容易な直管ばかりでなく、随所にエルボ等のフィッティング類が使用されるが、これらは形状上の問題で機械加工する際の保持，固定が難しく、高精度の開先加工が困難であり、ＴＩＧ自動溶接の適用範囲が限定されていた。
【０００５】
さらに、Ｕ型開先用に開先加工した管端部は、管の運搬中や突き合わせ芯出し作業中に損傷を受ける危険性が高く、管端防護と作業管理を丁寧に実行しなければならず、その管理が容易でなかった。また、一旦損傷を受けるとグラインダー等の簡易な方法で修正できないため現場施工上問題となった。
【０００６】
また、特開平９−19767号公報に記載された溶接方法では、Ｖ型開先のＶ型角度を90度〜110度と大きく広げているため開先断面積が大きくなり、溶接層数が増加して溶接作業に多くの時間を要する。例えば同じ板厚７ｍｍに対し、開先角度が40度のＵ型開先を使用した場合には、図５に示すように、４層仕上げであるが、開先角度が100度のＶ型開先を使用した場合には５層仕上げとなってしまう。さらに、図６の管の板厚と開先断面積の変化特性図に示すように、開先角度が100度のＶ型開先の開先断面積の増加分は、管の板厚が増加するほど開先角度が40度のＵ型開先の場合より拡大して溶接層数が増加してしまう。
【０００７】
さらに特開平９−19767号公報に記載された溶接方法は初層にホットワイヤ式ＴＩＧ溶接を採用しているため、ワイヤ加熱用設備が必要であり、しかもトーチ近傍に通電端子を設けて加熱用ケーブルを設置するため、設備コストが高価になるだけでなく、トーチ部の構造が複雑となったり、溶接中のケーブル処理が面倒になる等の問題があった。
【０００８】
この発明はかかる短所を改善し、簡素な設備で良質な溶接継手を能率良く形成することができるステンレス鋼管のＴＩＧ溶接方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るステンレス鋼管のＴＩＧ溶接方法は、互いに接合するオーステナイト系ステンレス鋼管の管端部にＶ型角度が65度〜80度の範囲でルート面の厚さが0.1ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲になるＶ型開先を形成するように開先加工を施し、該管端部をルート間隔が０ｍｍ〜2.0ｍｍの範囲になるように突き合わせ、突き合わせた管端部のＶ型開先の内側に深さが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝を有する裏当てを固定し、１〜７％の水素ガスを混合したアルゴンガスを溶接用ガスノズルから供給しながら、Ｖ型開先に沿ってＴＩＧ自動溶接を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、上記裏当てからＶ型開先の管内面にバックシールドガスを供給することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明のステンレス鋼管のＴＩＧ溶接方法は、シールドガスとして１〜７％の水素を混合したアルゴンガスを使用し、アークを収束させてアークのエネルギー密度を高める。ここでシールドガスの水素ガス混合比率を１〜７％としたのは、シールドガスの水素ガス混合比率が１％からアーク収束効果が得られ、シールドガスの水素ガス混合比率が７％ではオーステナイト系ステンレス鋼で継手品質上問題とならないからである。
【００１２】
この場合、Ｖ型開先の開先寸法は、ルート面の厚さｔ0を0.1ｍｍ〜1.5ｍｍ、Ｖ型角度の適正な範囲は65度〜80度である。すなわちＶ型角度が80度を超えると必要溶着金属量が多くなり能率的に劣ることと上向き姿勢で裏波が凹み易くなること、また、Ｖ型角度を65度より狭くすると、ルート部に溶け込み不良が発生し易くなることから、適正な開先角度の範囲として65度〜80度とした。
【００１３】
また、Ｖ型開先の内側に深さｄが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅ｗ1が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝を有する裏当てを固定することにより、溶融された金属をＴＩＧアークの裏側で保持，冷却して、全姿勢で均一な裏波を確保する。この裏当てにより、Ｖ型開先のルート間隔の寸法裕度を０〜2.0ｍｍと広げて良好な溶接を行うことができた。
【００１４】
さらに、裏当てからバックシールドガスを供給することにより裏波の酸化を防止し裏波品質を向上させ、より良質な溶接継手を形成することができる。
【００１５】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例の開先形状を示す断面図である。図に示すように、板厚ｔのオーステナイト系ステンレス鋼管１ａ，１ｂを突き合わせて接合するときに、Ｖ型角度αが65度〜80度の範囲でルート面の厚さｔ0が0.1ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲になるＶ型開先を形成するように管１ａ，１ｂの管端部を開先加工する。この開先加工した管１ａ，１ｂの管端部をルート間隔Ｌが０ｍｍ〜2.0ｍｍの範囲になるように突き合わせてＶ型開先２を形成する。このＶ型開先２の内側に深さｄが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅ｗ1が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝３を有する裏当て４をプランジャ５を有するインターナルクランプ装置６で固定する。
【００１６】
この管１ａ，１ｂをＴＩＧ自動溶接装置で溶接する。ＴＩＧ自動溶接装置は、図２に示すように、溶接トーチ１１の溶接用ガスノズル１２から１〜７％の水素を混合したアルゴンガスをシールドガスとして供給しながら、タングステン電極１３とステンレス鋼管との間にアーク１４を発生し、ワイヤリール１５とワイヤ送給モータ１６とワイヤ送給ローラ１７を有するワイヤ送給装置１８によって通電加熱を行わないコールドワイヤ方式でアーク外縁部より溶融プール１９へフィラーワイヤ２０を送給して溶融しながらＶ型開先２に充填して溶接を行う。溶接トーチ１１及びワイヤ送給装置１８は図示しない溶接台車に搭載され、一方の管１ｂの外周に沿って設けられたガイドレール上を走行しながら一方向に回転し、全姿勢にわたってＶ型開先２を埋めるように自動溶接を行う。溶接台車上には溶接トーチを管軸方向及び管径方向に移動できる２軸の駆動機構を有する。また、これらの駆動軸の動作や溶接電流，溶接電圧，ワイヤ送給速度等は不図示の制御装置で制御される。図２において２１は溶接電源、２２はガス供給装置である。
【００１７】
上記のようにシールドガスとして１〜７％の水素を混合したアルゴンガスを使用し、Ｖ型開先２の条件を定めた理由について説明する。
【００１８】
一般的に使用されているＴＩＧ溶接ではアルゴンガスがシールドガスとして利用されている。このシールドガスでルート間隔を０ｍｍとすると、Ｖ型開先で良好な裏波を確保するためには、特開平９−19767号公報に示された溶接方法と同じように約100度の開先角度が必要になる。これは開先角度が約100度より小さいと、溶融金属が管外面側に形成されてルート部分が溶け残ってしまうためである。また、溶接入熱を上げてルート部を溶融させようとすると、上向き姿勢で過大な溶け込みとなり裏波が凹状となり、良好な溶接継手が得られなくなってしまう。
【００１９】
これに対し、シールドガスに水素ガスを混合したアルゴンガスを使用すると、アークが収束されてアークのエネルギー密度が上昇する。アークが収束されるとアークの電位傾度が変化し、実際にアルゴンガスに３％の水素を混合した場合、アルゴンガス100％の場合に比べ、同一アーク長においてアーク電圧が1.0Ｖ〜1.2Ｖ上昇することを確認した。このアークのエネルギー密度の上昇を考慮して各種条件を設定して溶接実験を行った。この結果、アルゴンガスに１〜７％の水素ガスを混合させたシールドガスを使用し、ＴＩＧアークの熱エネルギーを収束させ、Ｖ型角度を100度より小さなＶ型開先２でもルート部を良好に溶融させ、全姿勢において良好な裏波が得られることを確認した。ここでシールドガスの水素ガス混合比率を１〜７％としたのは、シールドガスの水素ガス混合比率が１％からアーク収束効果が得られ、シールドガスの水素ガス混合比率が７％ではオーステナイト系ステンレス鋼で継手品質上問題とならないからである。
【００２０】
この場合、Ｖ型開先２の開先寸法は、ルート面の厚さｔ0を0.1ｍｍ〜1.5ｍｍとすると、Ｖ型角度αの適正な範囲は65度〜80度であった。このＶ型角度αが80度を超えると必要溶着金属量が多くなり能率的に劣ることと上向き姿勢で裏波が凹み易くなる。また、Ｖ型角度αを65度より狭くすると、ルート部に溶け込み不良が発生し易くなる。そこで適正な開先角度αの範囲として65度〜80度を決定した。
【００２１】
また、Ｖ型開先２の内側に深さｄが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅ｗ1が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝３を有する銅又はセラミックスの裏当て４を固定することにより、溶融された金属をＴＩＧアークの裏側で保持，冷却することができ、全姿勢で均一な裏波を確保することができた。さらに、この裏当て４により、Ｖ型開先２のルート間隔Ｌの寸法裕度を０〜2.0ｍｍと広げて良好な溶接を行うことができた。このように管内面より裏当て４を押し当てておくことにより、バックシールドガスを供給しなくても、わずかに酸化するだけの良好な裏波を確保できるが、さらに裏波の酸化を防止し裏波品質を向上させるために、裏当て４とインターナルクランプ装置６にガス供給孔を設け、ガス供給孔からアルゴンガス等のバックシールドガスを流しながらＴＩＧ自動溶接を行えばより良質な溶接継手を形成することができる。
【００２２】
〔具体例〕  例えばオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の管径300Ａ、板厚ｔ＝6.5ｍｍの管１ａ，１ｂの円周継手を溶接した場合の具体例を説明する。
【００２３】
図１に示すＶ型開先２のＶ型角度αが70度でルート面の厚さｔ0が0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲になるＶ型開先を形成するように管１ａ，１ｂの管端部を開先加工する。この開先加工した管１ａ，１ｂの管端部をルート間隔Ｌが０ｍｍ〜2.0ｍｍの範囲になるように突き合わせてＶ型開先２を形成する。このＶ型開先２の内側に深さｄが1.0ｍｍで幅ｗ1が15ｍｍの範囲の溝３を有する裏当て４をインターナルクランプ装置６で固定して、図２に示すＴＩＧ自動溶接装置でシールドガスとしては３％の水素と97％のアルゴンガスの混合ガスを使用し、JIS Ｚ 3321 Y308Lで1.0ｍｍの溶接ワイヤにより、平均溶接電流が110〜150Ａ、平均ワイヤ送給速度は110〜160ｃｍ／ｍｉｎ、溶接速度は70〜100ｍｍ／ｍｉｎの溶接条件で溶接した。このときの溶接層数は図３に示すように２層で仕上がった。溶接後に非破壊検査として外観検査とＸ線検査を実施したが、内外面とも良好な外観であり、継手内部にも有害欠陥の発生はなく良好な結果であった。また、機械試験として引張試験と曲げ試験を行ったが、引張試験では母材規格以上の強度が得られ、曲げ試験においても欠陥発生もなく良好な継手性能を得ることができた。
【００２４】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、シールドガスとして１〜７％の水素を混合したアルゴンガスを使用し、アークを収束させてアークのエネルギー密度を高めるようにしたから、ワイヤを加熱する必要がなく、溶接装置の構造を簡略化することができる。
【００２５】
また、円周継手をＶ型開先とすることにより、直管やエルボ等のフィッティングの開先加工を特別な機械を使用せずに現場でも簡単に行うことができ、溶接費用を低減することができる。
【００２６】
さらに、Ｖ型開先のＶ型角度を65度〜80度と狭くすることにより、必要とする溶着金属量を減少することができ、溶接能率を高めることができる。
【００２７】
また、Ｖ型開先の内側に深さが0.5ｍｍ〜1.5ｍｍの範囲で幅が10ｍｍ〜40ｍｍの範囲の溝を有する裏当てを固定することにより、溶融された金属をＴＩＧアークの裏側で保持，冷却して、全姿勢で均一な裏波を確保し、良好な溶接を行うことができる。
【００２８】
また、Ｖ型開先のルート間隔の寸法裕度を０〜2.0ｍｍと広げ、かつＶ型角度が狭く、１〜７％の水素を混合したアルゴンガスのシールドガスを使用してアークのエネルギー密度を高めるから、ルート間隔変動が大きなオーステナイト系ステンレス鋼管の円周溶接を確実に行うことができる。
【００２９】
さらに、裏当てからバックシールドガスを供給することにより裏波の酸化を防止し裏波品質を向上させ、より良質な溶接継手を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の開先形状を示す断面図である。
【図２】ＴＩＧ自動溶接装置の構成図である。
【図３】上記実施例による溶接層数を示す断面図である。
【図４】従来例のＵ型開先を示す断面図である。
【図５】従来例のＵ型開先の溶接層数を示す断面図である。
【図６】管の板厚と開先断面積の変化特性図である。
【符号の説明】
１      オーステナイト系ステンレス鋼管
２      Ｖ型開先
４      裏当て
【図１】
0003773631.tif 000002
【図２】
0003773631.tif 000003
【図３】
0003773631.tif 000004
【図４】
0003773631.tif 000005
【図５】
0003773631.tif 000006
【図６】
0003773631.tif 000007