JPH07266047A - 製管溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高品質かつ高速の製管溶接を可能にする。 【構成】 鋼板を管状に成形してその突き合わせ部に内
面側からサブマージアーク溶接を行う。引き続き外面側
からガスメタルアーク溶接を行い、更にその上からサブ
マージアーク溶接を行う。内面側および外面側からのサ
ブマージアーク溶接を２電極以上の１プール多電極溶接
とする。先行電極以外の１極を含む１極または２極以上
に、２本の細径ワイヤ１，１を溶接線方向に対して直角
に配置した並列アーク電極を用いる。ガスメタルアーク
溶接により、サブマージアーク溶接の負担が軽減され
る。直角配置の並列アーク電極により、ビードぎわの不
揃いが防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サブマージアーク溶接
鋼管の製造に用いられる製管溶接方法に関し、更に詳し
くは多電極と並列アークを組み合わせた高速溶接方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接鋼管は、溶接の種類によって電縫鋼
管、鍛接鋼管、サブマージアーク溶接溶接鋼管に大別さ
れる。これらのうち、サブマージアーク溶接鋼管は、通
常は大径鋼管であり、製管プロセスの相違によってＵＯ
Ｅ鋼管とスパイラル鋼管とに分けられる。

【０００３】ＵＯＥ鋼管は、切り板をオープンパイプに
成形し、その側縁の突き合わせ部をガスメタルアーク溶
接により仮付けした後、内面側および外面側からサブマ
ージアーク溶接することにより製造されるのが通例であ
る。ガスメタルアーク溶接による仮付け溶接部は、引き
続き行われるサブマージアーク溶接により完全に再溶融
され、その溶接金属は後に残らない。

【０００４】一方、スパイラル鋼管の製造は、鋼帯をス
パイラル状に成形し、その側縁突き合わせ部を内面側お
よび外面側からそれぞれサブマージアーク溶接すること
により行われるのが通例である。

【０００５】これらのサブマージアーク溶接鋼管の製造
速度は、他の溶接鋼管の製造速度よりも遅く、例えばス
パイラル鋼管の製造では、内外面側の溶接電極を多電極
化して、内外面とも１パスで溶接を行うことにより能率
向上を図っている。

【０００６】多電極化以外では、同一の溶接電極および
ワイヤ送給機構を用いて２本の並列した溶接ワイヤから
単一アークを発生させる並列アークによる高能率サブマ
ージアーク溶接方法が古くから知られている（例えばJ.
E.Hinkel and F.W.Forsthoefel:"Submerged Arc Weldi
ng with Twin Electrodes",Welding Journal,March(197
6) p175)。

【０００７】そして、多電極と並列アークを組み合わせ
て高能率なサブマージアーク溶接を行う技術としては、
以下のものが提示されている。 Ａ）特開昭５２−９７３４４号公報 Ｂ）特開昭５８−１２５３７３号公報 Ｃ）特開昭６１−２１２４８０号公報 Ｄ）特開昭６１−２３２０６７号公報 Ｅ）特開昭６２−９７７７号公報 Ｆ）特開平４−７１７８２号公報

【０００８】以下にこれらを図２を参照して説明する。
図中１は溶接ワイヤ、２はチップ、３はプール、４はビ
ードを示す。１つのチップ２から１本の溶接ワイヤ１を
送り出すのが通常電極、１つのチップ２から２本の溶接
ワイヤ１，１を送り出すのが並列アーク電極である。並
列アーク電極における溶接ワイヤ１，１は溶接線方向に
対して平行に配置される場合と直角に配置される場合と
がある。その溶接ワイヤ１，１としては細径ワイヤが使
用される。

【０００９】Ａ法は多電極のうちの先行電極に並列アー
ク電極を採用する。並列アーク電極における２本の細径
ワイヤは、溶接線方向に対して直角に配置される。

【００１０】Ｂ法は多電極のうちのいずれか一極に並列
アーク電極を採用する。Ｃ法は多電極のすべてに並列ア
ーク電極を採用する。並列アーク電極における２本の細
径ワイヤは、いずれも溶接線方向に対して平行に配置さ
れる。

【００１１】Ｄ法は複数のプールを形成し、その最終プ
ールに並列アーク電極を採用したことが特徴である。並
列アーク電極における２本の細径ワイヤは、溶接線方向
に対して平行に配置される場合と、溶接線方向に対して
直角に配置される場合とがある。

【００１２】Ｅ法は多電極のうちの最終電極とその直前
の電極とに並列アーク電極を採用する。Ｆ法は電気抵抗
溶接部の整形のために３電極に並列アーク電極を採用
し、溶接中心線に対して先行電極を一方の側に偏位さ
せ、次の電極を他方の側に偏位させたことが特徴であ
る。並列アーク電極における２本の細径ワイヤは、いず
れも溶接線方向に対して平行に配置される。

【００１３】以上を整理すると、２本の細径ワイヤが溶
接線方向に対して直角に配置された「直角配置」の並列
アーク電極を採用するのはＡ法およびＤ法であり、他は
２本の細径ワイヤが溶接線方向に対して平行に配置され
た「平行配置」の並列アーク電極を採用する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来法は、溶
け込み深さによる制限とビードの表面欠陥による制限の
ために、板厚が１０ｍｍ程度でもＦ法を除けば３ｍ／mi
n を超える高速溶接は困難である。また、Ｆ法における
高速化も、電気抵抗溶接とサブマージアーク溶接の組合
せによるところが大きく、サブマージアーク溶接だけで
は３ｍ／min を超える高速溶接は困難である。

【００１５】本発明の目的は、板厚が１０ｍｍ以上の場
合に、３ｍ／min を超え更には５ｍ／min 以上の溶接速
度でも、健全な溶接部が得られる製管溶接方法を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】従来法で３ｍ／min を超
える高速溶接が困難なのは、基本的には、サブマージア
ーク溶接だけでは十分な溶け込み深さが得られないこと
による。本発明者らは、サブマージアーク溶接における
溶け込み不足を補うために、以前よりガスメタルアーク
溶接との組み合わせに着目した研究を続けており、その
成果の一つとして、「鋼帯を管状に成形してその突き合
わせ部に内面側および外面側のいずれか一方からサブマ
ージアーク溶接また炭酸ガスアーク溶接を行った後、そ
の溶接部が１５０℃の温度を保有している状態で、他方
から炭酸ガスアーク溶接を行い、その上からサブマージ
アーク溶接を行う溶接鋼管の製造方法」を特願平４−２
０３１１１号により出願した。

【００１７】この方法の最大の特徴は、ガスメタルアー
ク溶接のなかでも特に深い溶け込み深さが得られる炭酸
ガスアーク溶接により十分な溶け込み深さを確保し、そ
の上から溶着量の多いサブマージアーク溶接を行うこと
にある。すなわち、溶け込み深さの確保と溶着量の確保
との機能を分担し、サブマージアーク溶接の負担を軽減
することにより、その高速化を図るのである。

【００１８】しかし、サブマージアーク溶接に先行し
て、溶け込み深さの深いガスメタルアーク溶接を行う
と、サブマージアーク溶接の後も、ガスメタルアーク溶
接による溶接部が残る。ガスメタルアーク溶接による溶
接部は、図３に示すように、中央部が高く盛り上がり、
その両側に狭く深い谷を生じる。破線で囲む両側の谷部
は、サブマージアーク溶接の後に融合不良部として残存
しやすく、高速化を阻害する。また、ガスメタルアーク
溶接によりサブマージアーク溶接の負担を軽減しても、
そのサブマージアーク溶接を高速で行うと、溶融金属の
ぬれ不良によりビードぎわの不揃いが生じ、この表面欠
陥も高速化の阻害要因となる。これらのため、期待する
ほどの高速化は実現されない。

【００１９】この問題を解決するために、特願平４−２
０３１１１号の方法は、ガスメタルアーク溶接に先だっ
て裏側から行ったアーク溶接による溶接部の残熱を利用
するが、これとは別に、前述した並列アークによる高能
率サブマージアーク溶接方法も、この問題解決に有効な
ことを、本発明者らは種々の調査研究から新たに知見し
た。

【００２０】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、鋼板を管状に形成してその突き合わせ部に内面側か
らサブマージアーク溶接を行い、外面側からガスメタル
アーク溶接を行った後、引き続きサブマージアーク溶接
を行う製管溶接であって、内面側および外面側からのサ
ブマージアーク溶接を２電極以上の１プール多電極溶接
とし、その多電極のなかの先行電極以外の１極を含む１
極または２極以上に、２本の細径ワイヤが溶接線方向に
対して直角に配置され且つその細径ワイヤの間隔がワイ
ヤ径の４倍以内とされた並列アーク電極を採用し、先行
電極に直流電源を用い、他極に交流電源を用いたことを
特徴とする製管溶接方法を要旨とする。

【００２１】本発明の製管溶接方法は、そのプロセスか
らしてスパイラル鋼管の製造に特に適する。

【００２２】ガスメタルアーク溶接としては、深い溶け
込み深さを得やすい炭酸ガスアーク溶接が望ましい。ま
た、その溶接は、内面側から行うサブマージアーク溶接
による溶接部が１５０℃以上の温度を保有している段階
で行うのが望ましい。

【００２３】なお、ＵＯＥ鋼管の製造では、サブマージ
アーク溶接に先だってガスメタルアーク溶接による仮付
けを行うが、その仮付け溶接は、前述したように、その
溶接部が引き続き行われるサブマージアーク溶接により
完全に再溶融する程度のものであり、サブマージアーク
溶接の負担を軽減するまでには至っていない。また仮
に、そのガスメタルアーク溶接において十分な溶け込み
深さを確保したとしても、前述した融合不良およびビー
ドぎわの不揃いにより、期待するほどの高速化は実現さ
れない。

【００２４】

【作用】本発明の製管溶接方法では、ガスメタルアーク
溶接により深い溶け込み深さを確保した後、溶着量の大
きいサブマージアーク溶接を行う機能分担により、外面
溶接の高速化を図り、合わせて外面溶接の高速化による
内面溶接の負担軽減により、その高速化を図ることが第
１の特徴である。

【００２５】第２の特徴は、内面側および外面側からの
サブマージアーク溶接に並列アーク溶接を採用し、内面
溶接では、ビードぎわの不揃い防止することにより、そ
の高速溶接を可能にし、外面溶接では、これと合わせて
図３に示す谷部の融合不良を防止することにより、それ
ぞれの高速溶接を可能にする点にある。

【００２６】以下に、本発明の製管溶接方法が採用する
並列アーク溶接が、サブマージアーク溶接でのビードぎ
わの不揃い防止およびサブマージアーク溶接に先行して
ガスメタルアーク溶接を行ったときの融合不良（図３）
の防止に有効なことを説明する。

【００２７】多電極サブマージアーク溶接でのビード形
成は後行電極に依存することが知られている（例えば川
崎製鉄技報 Vol.6 No.４（１９７４）Ｐ１００）。そこ
で、本発明者らは同一の溶接電源およびワイヤ送給機構
を用いて２本の細径ワイヤから単一アークを発生させる
並列アーク電極を、後行電極に適用することを検討し
た。その結果、２本の細径ワイヤを溶接線方向に対して
直角に配置した直角配置の並列アーク電極を、後行電極
に適用した場合にのみ、ビードぎわの不揃いが防止され
る事実が判明した。これは、同一電極内に２本の細径ワ
イヤが溶接線方向に対して直角に配置されることによ
り、各ワイヤで発生しているアークが安定して電磁力に
より両側に向くため、溶融金属が一定してビードぎわに
押しやられることが理由である。

【００２８】従って、本発明の製管溶接方法では、この
直角配置の並列アーク電極を、少なくとも先行電極以外
の１極を含む１極または２極以上に適用することとし
た。

【００２９】この直角配置の並列アーク電極を先行電極
に適用しても、後行電極の少なくとも１極にこの並列ア
ーク電極が適用されていれば、ビード形成上は何ら問題
はないが、溶け込み深さが浅くなるという問題が発生す
る。従って、先行電極としては１本の溶接ワイヤを使用
する通常電極を使用することが望ましい。先行電極に直
角配置の並列アーク電極を使用するのは、板厚が比較的
薄く、溶け込み深さに対する条件が緩和される場合であ
る。

【００３０】３電極以上の場合、最終電極は通常電極で
も大きな差異は生じない。これは、後行電極がビード形
成上大きな役割を果たすという考えと反するように思わ
れるが、３電極以上の場合、最終極以前の後行電極でビ
ードぎわの安定化を図っておけば、ビード形成上良好な
結果が得られることが、本発明者らの調査から判明した
ことによる。

【００３１】本発明者らの調査によれば、更に、２本の
細径ワイヤを溶接線方向に対して直角に配置した直角配
置の並列アーク電極が、図３に示す谷部の融合不良の防
止に有効なことも判明した。すなわち、直角配置による
と、その２本の細径ワイヤにより、図３の破線で囲む両
側の谷部が集中的に再溶融され、ガスメタルアーク溶接
の後からサブマージアーク溶接を高速で行った場合も、
融合不良が残らないのである。

【００３２】直角配置の並列アーク電極で融合不良の防
止を図る場合、その２本の細径ワイヤの間隔（隙間）を
ワイヤ径の４倍以内に狭くする必要があり、望ましくは
３倍以内、更に望ましくは2.５倍以内である。細径ワイ
ヤの間隔が広がると、両側の谷部の融合不良が残るよう
になる。ワイヤ間隔の下限については、２本の細径ワイ
ヤから発生するアークの干渉の点から、ワイヤ径の0.５
倍以上が望ましく、１倍以上が更に望ましい。

【００３３】並列アーク電極における細径ワイヤの直径
としては1.６〜2.０ｍｍが望ましい。1.６ｍｍ未満では
ワイヤ送給ケーブル中で腰折れの発生により送給不能に
なる場合があり、2.０ｍｍを超えると２本の細径ワイヤ
の同時安定送給が困難になる場合がある。

【００３４】通常電極におけるワイヤ径としては、3.２
〜4.８ｍｍが望ましい。3.２ｍｍ未満では使用できる電
流値の制限より溶着量が確保できず、4.８ｍｍ超えでは
電流密度が低くなるため溶着量不足となり、適正電流密
度を確保するためには、非常に大きな容量をもつ電源を
使用する必要があり、経済的に不利である。

【００３５】本発明の製管溶接方法における多電極サブ
マージアーク溶接の最も望ましい電極配置形態は、２電
極では先行電極が通常電極、後行電極が並列アーク電極
であり、３電極以上では先行電極が通常電極、他極が並
列アーク電極である。

【００３６】前述した従来法のうち、Ａ法およびＤ法は
直角配置の並列アーク電極を使用するが、Ａ法は先行電
極のみにその並列アーク電極を適用するため、特にビー
ドぎわの安定化を図ることができない。また、Ｄ法は複
数のプールを形成し、その最終プールに直角配置の並列
アーク電極を用いるため、高速溶接ができない。なぜな
ら、溶接速度は単位時間当りの溶着量に依存するため、
同じ電極数でもプールを分割した場合は各プール当りの
溶着量が減少する。つまり、溶着量の観点から溶接速度
が律速されるわけである。

【００３７】従って、本発明の製管溶接方法では、１プ
ール多電極溶接を原則とし、その多電極の少なくとも先
行電極以外の１極を含む１極または２極以上に直角配置
の並列アーク電極を採用することとした。

【００３８】電源として、先行電極に直流電源を用い、
他極に交流電源を用いたのは、直流電源の方がアークが
安定しているが、直流電源のみの多電極法では磁気吹き
が発生しアークが不安定となることから、１極のみ直流
電源とした。そして、直流電源の方が溶け込み量を確保
しやすいことから、直流電源を先行電極に用いることと
した。

【００３９】ガスメタルアーク溶接におけるワイヤ径
は、同一電流での溶着速度の比較では細い方が有利であ
るが、3.２ｍｍ未満では使用できる電流値の上限が低い
ため、十分な溶着量を確保できない。逆に、4.８ｍｍを
超えると、高速でアークを安定させるための電流値が非
常に大きくなり、溶接電源が高価となる。従って、ガス
メタルアーク溶接におけるワイヤ径としては3.２〜4.８
ｍｍが望ましく、なかでも4.０ｍｍ以下が望ましい。こ
の径はガスメタルアーク溶接に通常使用されるワイヤ径
（1.２ｍｍ前後）に比べてかなり大きい。

【００４０】

【実施例】次に本発明の実施例を示し、比較例と対比さ
せることにより、その効果を明らかにする。

【００４１】ＪＩＳ Ｇ３４４４にＳＴＫ４９０として
規定される外径６０9.６ｍｍ、厚さ１６ｍｍの杭用スパ
イラル鋼管を製造する際の溶接として、まず内面側から
１プール２電極のサブマージアーク溶接を行い、次いで
外面側から１電極のガスメタルアーク溶接（炭酸ガス溶
接）を行い、引き続きその上から１プール３電極のサブ
マージアーク溶接を行った。

【００４２】サブマージアーク溶接における電極配置
は、内面側からの２電極溶接については図１中のＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄとし、外面側からの３電極溶接については図
１中のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆとした。

【００４３】サブマージアーク溶接用フラックはＳｉＯ
₂ −ＭｎＯタイプの溶融型フラックスを用いた。ワイヤ
はガスメタルアーク溶接では1.２％Ｍｎ系、サブマージ
アーク溶接では1.５％Ｍｎ系を用いた。ワイヤ径はガス
メタルアーク溶接では４ｍｍ、サブマージアーク溶接で
は４ｍｍ（通常電極）または２ｍｍ（並列アーク電極）
とした。また、並列アーク電極におけるワイヤ間隔は、
ワイヤ径の２倍の４ｍｍとした。

【００４４】開先形状は、内面側では深さ３ｍｍ、開き
角５０°のＶ開先とし、外面側では深さ９ｍｍ、開き角
４０°のＶ開先とした。

【００４５】電源としては先行電極に直流電源を用い、
他極に交流電源を用いた。溶接電流・電圧は以下の通り
である。 内面側２電極ＳＡＷ：１４００Ａ（３６Ｖ）−８５０Ａ
（４５Ｖ） 外面側ＧＭＡＷ：１３５０Ａ（２６Ｖ） 外面側３電極ＳＡＷ：１７００Ａ（３５Ｖ）−１１５０
Ａ（４０Ｖ）−８５０Ａ（３５Ｖ）

【００４６】溶接速度5.３ｍ／min （一定）で溶接を行
ったときの溶接品質を調査した。調査結果を表１に示
す。なお、外面側からガスメタルアーク溶接を行うとき
の、内面サブマージアーク溶接部の温度は、１５０℃未
満の１２０℃とした。

【００４７】

【表１】 ＊１ 溶け込み不足 ＊２ 溶着量不足 ＊３ ビードぎわ不揃い ＊４ 融合不良

【００４８】No. １はスパイラル製管溶接方法として一
般的な内面２電極−外面３電極のサブマージアーク溶接
を行った場合である。外面ガスメタルアーク溶接を行っ
ていないので、5.３ｍ／min という高速溶接では外面溶
接で溶け込み不足が生じ、かつ溶着量が不足した。

【００４９】なお、内面溶接については、いずれの場合
も溶け込み深さおよび溶着量に不足が生じないように、
外面溶接に比して開先を浅くした。

【００５０】No. ２は外面ガスメタルアーク溶接を行っ
たので、多面溶接での溶け込み深さおよび溶着量は十分
であった。しかし、内外面サブマージアーク溶接に並列
アーク溶接を用いないので、外面溶接では図３に示す谷
部に融合不良が生じ、また、内外面溶接ともビードきわ
の不揃いが生じた。

【００５１】No. ３は内外面サブマージアーク溶接に並
列アークを用いたが、並列アーク電極における２本の細
径ワイヤが直角配置でなく、溶接線方向に対して平行な
配置のため、融合不良およびビードぎわ不揃いは防止さ
れなかった。

【００５２】No. ４は直角配置の並列アーク電極を採用
するものの、その並列アーク電極を先行電極にのみ用い
たため、ビードぎわ不揃いの問題は解決されなかった。

【００５３】これらに対し、No. ５〜７は内外面サブマ
ージアーク溶接用多電極の、少なくとも先行電極以外の
１極を含む１極または２極以上に直角配置の並列アーク
電極を使用したので、5.３ｍ／min という高速溶接であ
るにもかかわらず、健全な溶接部が得られた。

【００５４】外面ガスメタルアーク溶接を行うときの、
内面サブマージアーク溶接部の温度を１５０℃以上の１
７５℃としたときは、5.３ｍ／min より更に高速の5.６
ｍ／min で、表１と同じ結果が得られた。

【００５５】このように、本発明の製管溶接方法によ
り、板厚が１６ｍｍのスパイラル鋼管の製造において
も、５ｍ／min 以上の高速溶接が実現された。

【００５６】なお、上記実施例は本発明をスパイラル製
管に適したものであるが、ＵＯＥ鋼管の製造にも適用で
き、更に厚板溶接等にその技術を応用することもでき
る。

【００５７】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の製管溶接
方法は、ガスメタルアーク溶接と、並列アークを用いた
サブマージアーク溶接との組み合わせにより、板厚が１
０ｍｍ以上、更には１５ｍｍ以上の場合も、５ｍ／min
以上の高品質・高速溶接を可能にする。従って、製管能
率の向上およびこれによる製管コストの低減に多大の効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法におけるサブマージアーク溶接の電極
配置例を従来配置および比較用配置と共に示した模式図
である。

【図２】並列アークを用いた従来のサブマージアーク溶
接の電極配置を示す模式図である。

【図３】ガスメタルアーク溶接における溶け込み形状を
示す模式図である。

【符号の説明】

１ 溶接ワイヤ ２ チップ ３ プール ４ ビード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼板を管状に形成してその突き合わせ部
   に内面側からサブマージアーク溶接を行い、外面側から
   ガスメタルアーク溶接を行った後、引き続きサブマージ
   アーク溶接を行う製管溶接であって、 内面側および外面側からのサブマージアーク溶接を２電
   極以上の１プール多電極溶接とし、 その多電極のなかの先行電極以外の１極を含む１極また
   は２極以上に、２本の細径ワイヤが溶接線方向に対して
   直角に配置され且つその細径ワイヤの間隔がワイヤ径の
   ４倍以内とされた並列アーク電極を採用し、 先行電極に直流電源を用い、他極に交流電源を用いたこ
   とを特徴とする製管溶接方法。