JPS6225069B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は厚肉ベンデイングロール鋼管の高能率
溶接方法に関し、詳しくは、厚肉ベンデイングロ
ール鋼管を高能率に溶接し、かつ溶接欠陥の無い
溶接部を得るための溶接方法であつて、とくに、
内面溶接における初層形成方法に関するものであ
る。 大径鋼管の製造方法としてはUOE方式、スパ
イラル方式、ベンデイングロール方式がある。こ
のうちベンデイングロール方式は、ベンデイング
後の真円度を良くするために鋼板の両端を油圧プ
レス等で端曲げを行い、その後、ロールにより通
常は６〜10回転圧成形して所定の管径にし、溶接
を行う方式であり、比較的厚肉管鋼の製造に適し
ている。 一般的には、１は内面開先どり、２は端曲げ、
３はベンデイングロール成形、４は外面側部分仮
付、５は内面側多層溶接、６は外面ガウジング、
７外面側多層溶接、８寸法修正、の手順で造管さ
れる。溶接法としてはサブマージアーク溶接方法
が用いられるが、これは、同方法が溶込みが深
く、溶着速度も大きく、かつ外観の良好なビード
を得るのに適しているからである。しかしなが
ら、内外面とも多層溶接しなければならないた
め、溶接に要する時間が非常に長く、生産性はこ
れによつて律速されている。 UOEパイプやスパイラルパイプの場合には、
多電極サブマージアーク溶接法による両面−層溶
接が一般的に行われており、溶接速度もはやいた
め、多層溶接を必要とするものに比較すると、溶
接の効率は非常に高い。このような両面一層溶接
法が可能となるためには、UOEパイプのように
開先精度が良好でなければならず、この点ベンデ
イングロール鋼管では開先突合せ精度が良好とは
いい難く、肉厚も大きいため必然的に多層溶接と
ならざるを得ないが、開先形状が第２図に示す如
く点接触でルート部がほとんど存在しないもので
あるため、多層溶接をするのには、次の通りの問
題点がある。 ベンデイングロール方式によつて造管するとき
には、第１図に示す如く、素鋼板１に角度αの内
面側開先４をとつてから、ベンデイングロール等
で成形する。この成形後の開先形状は第２図に示
す如く一点でしか接触しない型式のもので、外面
側３の突合せ部に角度θのすきまが生じる。この
すきまθはプレスのかけ方により多数変動する
が、第１図に示す如く、素鋼板１の両端に内面開
先をとる限り幾何学上避け難く、このすきま角度
θ、つまり、第２図に示す如きルート部が点接触
する開先の形状によつて内面側の初層溶接条件は
大きな影響を受ける。 すなわち、第２図に示す形状の開先を内面側２
から初層溶接すると、点接触でルート部がほとん
ど存在しないため、溶接条件によつては溶落ちし
やすく、このため、初層溶接は、低電流、低入熱
のもとで行なつて溶落ちを防止することになり、
通常は１電極法を用い、低電流で行なわれてい
る。しかし、このように形成された内面初層ビー
ドでは溶着金属量が少なく、第２層目で入熱量を
上げすぎると、アークが初層溶接金属を貫通し、
第２層目に溶落ちが生じる。このため、初層を第
１電極法によつて低電流溶接するときには、第２
層目も１電極法によつて低電流溶接を行なうこと
になり、入熱量を大きくした溶接は第３層目以降
とならざるを得ず、溶接能率は極めて悪いという
問題点があつた。 そこで、本発明者等は、ベンデイングロール鋼
管の溶接能率の向上を目的として溶接速度の向上
と溶接パス数の低減をはかるために、第２図に示
す如き開先の内面を多電極サブマージアーク溶接
することとし、この溶接条件を開先形状との関連
のもとで詳細に検討した。 その結果、多電極溶接であつても開先形状、と
くに、すきま角θに応じて溶接条件を変化させる
と、溶落ちを防止できかつ溶着量の多いビードを
高速度で形成できる事がわかつた。 まず、第２図に示すような開先形状を内面から
初層溶接するときに、溶落ちさせないためにはす
きま角θの大きさに応じて溶接入熱量をコントロ
ールしなければならない。 次に、先行極の電流を大きくしすぎると、たと
え溶接速度が速くて溶接入熱量を低下させても、
アークの掘削作用が強すぎて容易に溶落ちする。
このため、先行電流は大きすぎない事が重要であ
る。また、電流が小さくても細径のワイヤを用い
ると、電流密度が大きくなり結果的には大きな電
流を流した事と同じになる。このため、使用する
ワイヤ径は一定以上の直径を有するものが有利で
ある。 次に、多電極溶接においてスラグ巻込みなどの
欠陥を防止し、かつ形状の良好なビードを得るた
めには各電極の電流比を一定の範囲内に設定する
事が重要である。 本発明は以上のような知見に基ずいてなされた
ものである。 そこで、以下、本発明について初層溶接条件等
を通じて説明する。 まず、本発明では例えば板厚が25〜60mmの如く
比較的厚い鋼管用素材の内面側にのみ板厚の0.4
〜0.6倍で、角度25゜〜40゜の開先加工を施し、
これをベンデイングロール方式において成型して
外面側を部分仮付してから内面側を多電極サブマ
ージアーク溶接を行い、外面側をはつつた後に外
面溶接を行なつて造管する。 すなわち、UOE方式やスパイラル方式のよう
に、主として板厚があまり厚くない鋼管を対象と
している造管法では、うらはつりをしないで、し
かも内外面各１パスで溶接する方法がもつとも能
率的であり、事実そのような方法が採用されてい
る。とくにUOE鋼管では開先精度も良く比較的
大入熱までの内外面１層溶接が行われている。こ
れに対しベンデイングロール方式は薄物から厚物
までの造管が可能であるが、比較的薄いものいつ
いてはどうしてもUOE方式よりも能率が悪い。
また同じベンデイングロール方式で製造される鋼
管どうしを比較した場合、薄物では溶接パス数も
さほど多くならないため、溶接能率が問題になる
事は少ない。溶接能率が問題となるのは厚鋼板の
場合であるが、厚鋼板といつても、60mmを超える
ようなものの如く極厚に近いものでは、後記する
溶接条件で初層溶接を行つても、全体のパス数が
非常に多くなるため、初層や２層目の溶接能率向
上効果は全体からみると比較的小さくなり、この
ため、本発明では板厚は25mm〜60mmの範囲のもの
を対象とする。 ところで、厚物で溶接能率をあげるためには、
内外面開先としてルートフエースの突合せ精度を
良くし、大入熱でも溶落ちないようにすることが
望ましいが、機械による両面開先どりをするため
には高価な設備が必要となるし、またガス切断で
両面開先どりをしようとすると、極めて手間がか
かる。このため、本発明法においてベンデイング
ロール方式によつて造管するときには、一般の場
合と同様に、第１図に示す如く、ガス切断によつ
て内面開先加工のみを行なつて両面開先どりは行
なわないが、このときに内面開先の深さは板厚の
0.4〜0.6倍程度の開先深さにする。すなわち、板
厚の0.4倍未満の開先深さで内面溶接を行ない、
外面側をはつつて外面溶接を行おうとすると外面
側の開先面積が大きくなり、結果的には溶接に要
する時間が長くなり、溶接能接の向上の面から好
ましくない。また深さが0.6倍を超える場合には
第３図に示した内面側突合せ開先面積Ｓが大きく
なり、この場合も溶接に要する時間が長くなり好
ましくない。 また、内面開先角度α（第１図参照）が25゜未
満では次のような問題点がある。すなわち素鋼板
を成型して鋼管状にしたときに第２図に示した内
面側の実際の突合せ角度βはβ＝（２α−θ）と
なりαが25゜未満のときは突合せ角度はかなり狭
くなる。開先角度が狭い程パス数の低減には有利
であるが、角度が狭い場合には溶接後のスラグが
剥離しいくく、とくにパイプ内面においてはその
除去が極めて大きな問題となる。しかも角度が狭
いところで入熱の大きい溶接を行うと、ビード５
のろ断面が第４図のような梨の実状となり凝固割
れ５ａが発生しやすい。従つて素鋼板の開先角度
は25゜以上必要である。一方、その値が40゜を超
えるとスラグ剥離や、凝固割れの心配は無いもの
の、成形後の開先面積が広くなり、溶接パス数の
増加を招くことになる。従つて素鋼板に加工する
ときの内面側開先角度は25゜〜40゜の範囲が好ま
しい。 また、上記の如く、内面側を多電極サブマージ
アーク溶接して初層を形成するときには、直径
4.0〜4.8mmの電極ワイヤを用い、第１電極の電流
を750A以下に設定し、第２電極以降の電流をそ
の直前の電極電流の0.70〜0.90倍に設定し、更
に、第２図で示すすきま角θによつて入熱量を後
記範囲に調整して初層ビードを形成する。 まず、電極ワイヤとしては、その経が4.0〜4.8
mmφ程度のものを用いるのが好ましい。後記する
電極電流との関係において、ワイヤ径が4.0mmφ
未満の場合には、電流密度が大きくなりすぎ、そ
の結果アークの堀削作用も強くなるため溶落ちの
危険があり、一方、4.8mmφを超える場合には後
記する溶接電流では短落して安定な溶接が行えな
いという問題がある。したがつて後記する溶接電
流との関係でワイヤ径は4.0〜4.8mmφであること
が好ましい。 次に電極電流であるが、多電極溶接における第
１電極の役割には十分な溶込み深さを確保するこ
とにあり、そのために一般には高電流を流すが、
本発明においてこのような条件を採用すると容易
に溶落ちするため、第１電極の電流は750A以下
にする必要がある。第１電極は上記のごとくアー
クのドクリング作用で母材を堀削するため第１電
極によつてできるビード底部には多数のスラグが
残留するが、第２電極以降でこれらのスラグを浮
上させ、かつビード形状を整えることが行われる
のであるが、第２電極電流を大きくしすぎると溶
込み深さが増加しすぎて溶落ちの危険性が増すと
ともに溶落ちしなくても第２電極によつても多数
のスラグが残留する。また第２電極電流が小さす
ぎると第１電極によつて形成されたビード底部に
残留しているスラグが浮上せず、結果的にスラグ
巻込み欠陥となる。これらの欠陥を防止して、か
つ形状の良好なビードを得るためには第２電極電
流を第１電極の0.70〜0.90倍に設定する必要があ
る。また３電極溶接の場合も形状が良好で欠陥の
無いビードを得るためには、第３電極電流を第２
電極電流の0.70〜0.90倍に設定する必要があり、
更に、これ以後の電極を用いる場合にも、前の電
極電流の0.70〜0.90倍に設定する。 次に、開先形状が第２図で示す如き形状である
故に、その成形時に生じる外面側のすきま角θを
求め、この角度θから次の関係式によつて溶接入
熱量（H.I KJ／cm）を調整する。 θ≦10゜のとき −3.67θ＋69≦H.I.≦−3.67θ＋99 10゜≦θ≦18゜のとき 32≦H.I.≦−3.67θ＋99 18゜≦θのとき H.I.≦32 とする必要がある。この理由を示すと、次の通り
である。 溶接入熱量は電流、電圧ならびに溶接速度の関
数であり、これらの条件によつて入熱量は決めら
れる。しかし、本発明は開先形状が第２図に示す
通りであつて、この開先を溶接するときに溶落ち
を起さない条件は、上記の如く、すきま角θに関
連させて入熱量をコントロールすることであつ
て、そこで、この関係を具体的に求めたところ、
第５図に示す通りの関係が得られた。第５図はす
きま角θと投入可能な溶接入熱量との関係を示し
たもので、第５図において斜線で囲まれたイなら
びにロのところが高能率で溶落ちなく内側初層溶
接ができる範囲である。この際に、上限をはずれ
ると溶落ちが生じ、下限をはずれると溶接能率が
低下する。 すなわち、溶接入熱量（H.I KJ／cm）が H.I.≦−3.67θ＋99 の関係を満していれば溶落ちせず、しかも形状が
良好なビードを得ることが可能である。したがつ
て、上記のθで決定される入熱量以下で溶接すれ
ばよい。しかし、この上に多電極法による溶接能
率を考慮する必要があり、これを併せると、 θ≦10゜のとき −3.67θ＋69≦H.I.≦−3.67θ＋99θ 10゜≦θ≦18゜のとき 32≦H.I.≦−3.67θ＋99θ 18゜≦θのとき H.I.≦32 の関係を満たす必要がある。即ち、θが10゜より
小さい場合、溶接入熱量は−3.67θ＋69（KJ／
cm）より大きくなれば多電極化による高速溶接の
メリツトは期待できない。 また、10゜≦θ≦18゜のときには内面初層最低
溶接入熱量は32KJ／cmとして、最大−3.67θ＋
99KJ／cmまで変化させることができる。θ≧18
゜のときには溶落ちの確率は極めて大きくなる
が、32KJ／cm以下の入熱にしておけば溶鉄の表
面張力により溶落ち防止ははかれる。 以上の通りの条件で初層溶接し、その後、つま
り第２層以降の溶接が必要な場合には、板厚に応
じて入熱量を設定して溶接すると、この多電極溶
接法により高能率に内面溶接を行なうことができ
る。 このように本発明方法によれば、従来能率の悪
かつたベンデイングロール鋼管の内面溶接を高能
率に行うことができる。 つぎに本発明を実施例によりさらに詳しく説明
する。 実施例 １ 第６図に示すように板厚（ｔ＝38mm）、長さ1m
のAPI規格で×−60級鋼板に角度β（第１図でい
えば、２αに相当）、深さ（t₁）20mmの内面相当
開先をとり、外面側に角度θのすきまを作り、Si
−Mn系ワイヤとSiO₂−TiO₂−AlO₃系溶融型フラ
ツクスを用いて多電極サブマージアーク溶接を行
つた。溶接は全て３電極法で行ない、溶接時の溶
落ち現象を調べた。溶接条件と結果を第１表（た
だし、溶接入熱量は３電極Ｌ，Ｍ，Ｔの合量であ
る。）に示すが、本発明法ではワイヤ径、溶接電
流、およびθで決る溶接入熱量がすべて必要な条
件を満たしているため、いずれの場合も良好なビ
ードが得られ、かつ次層を溶接しても溶落ちしな
いだけの十分な溶着量が得られた。 これに対し比較例ではいずれの場合にも初層溶
接で溶落ちが発生し、最後まで溶接することが不
可能であつた。すなわち、B1ではθで求められ
る溶接入熱量範囲は満足しているものの溶接電流
が大きすぎるため溶落ちした。B2では溶接電
流、溶接入熱量は必要な条件を満足しているもの
の、ワイヤ径が細いため結果的に電流密度が大き
く、溶込み深さが大となり溶落ちした。B3，B4
はθで求められる入熱量よりも大きすぎるため溶
落ちした。

【表】 実施例 ２ 実施例１で用いた鋼板と同様の鋼板を内面開先
βとして55゜、深さ20mmの開先で外面側に生じる
角度θを８゜と一定にして溶接を行つた。この場
合内面初層溶接条件を種々変化させ、さらに２層
目を盛りあげた後、Ｘ線透過検査を実施した。用
いたワイヤフラツクスも実施例１の場合と同様で
ある。 第２表に溶接条件および溶接結果（ただし、入
熱量は３電極Ｌ，Ｍ，Ｔの合量である。）を示
す。

【表】 本発明法では初層および２層目の溶接を行つて
もビード外観は良好であり、Ｘ線透過検査によつ
ても欠陥発生は認められなかつた。これに対し比
較例ではいろいろな問題が生じた。 すなわち、D1では初層溶接を１電極法で行つ
て、その上に第２層を溶接したが、初層の溶接金
属の量が少ないため第２層で溶落ちした。D2で
は初層３電極溶接法の溶接条件が悪いため、即ち
Ｍ極（第２電極）の電流が第１電極の電流に比し
て大きく、溶込み深さが大きくなつて初層溶接で
溶落ちした。D3では第２層目の溶接を行つても
良好なビード外観が得られたが、初層溶接におけ
る各電極電流比が悪いためＸ線透過検査を行つた
ところ、初層ビードに多数のスラグ巻込みが認め
られた。D4は初層入熱量が小さいため、溶着金
属量が少なく第２層目の溶接によつて溶落した。 実施例 ３ 実施例２で使用した鋼板と同様の鋼板、および
ワイヤ、フラツクスを用い内面溶接を最終パスま
で実施し、パス数および溶接を終了するまでの時
間を測定し、従来法と比較した。 第３表は溶接条件を示したもので、本発明法の
場合は初層から最終パスまで全て３電極法で行つ
た。ただし、第３表の入熱量は３電極Ｌ，Ｍ，Ｔ
の合量である。

【表】 これに対し比較例では従来行なわれていたごと
く初層第２層目を１電極法で行い３パス目以降を
３電極法で行つた。ワイヤは全て4.0mmφのもの
を使用した。 第４表は開先形状、積層法、溶接結果を示した
ものである。

【表】 本発明法では溶接速度が速く、かつパス数も少
ないため、効率が良くパス間温度150゜では29分
で全て終了したのに対し、比較例では45分要し
た。 以上、実施例で示したように本発明によれば従
来法に比較して厚肉ベンデイングロール鋼管を能
率良く溶接することができ、溶接に要する時間は
大幅に短縮することができ、工業上貢献するとこ
ろ大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はベンデイングロール鋼管用素材の側面
図、第２図はベンデイングロール後の開先突合せ
状況の説明図、第３図はベンデイングロール後の
開先面積の説明図、第４図は初層溶接金属の凝固
割れの説明図、第５図は外面側突合せ部のすきま
角度θと内面初層溶接の投入可能熱量の関係を示
すすグラフ、第６図は実施例を用いた開先形状の
一例の説明図である。 符号、１……鋼管用素鋼板、２……内面側表
面、３……外面側表面、４……内面側開先、５…
…ビード、５ａ……初層凝固割れ、α……素鋼板
内面開先角度、β……突合せ時内面開先角度、θ
……突合せ時外面すきま角度、Ｓ……内面突合せ
開先面積。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋼管用素鋼板の内面側を開先加工したのち
   に、ベンデイングロール方式にて成形して外面側
   を部分仮付し、その後、内面側に突合せ角β、外
   面側にすきま角θを生じ、ルート部が点接触の状
   態で突合せた開先を、内面ならびに外面から溶接
   を行なつて造管する際に、この内面からの突合せ
   溶接の初層ビードを、多電極サブマージアーク溶
   接によつて形成し、この初層形成時に、第１電極
   電流値を750A以下、第２電極以降の電流値をそ
   の直前の電極電流値の0.70〜0.90倍に調整すると
   共に、前記すきま角θにもとずいて以下の関係式
   (1)，(2)，(3)の範囲内に、 θ≦10゜のとき −3.67θ＋69≦溶接入熱量（H.I KJ／cm） ≦−3.67θ＋99 …(1) 10゜≦θ≦18゜のとき 32≦溶接入熱量（H.I KJ／cm） ≦−3.67θ＋99 …(2) 16゜≦θのとき 溶接入熱量（H.I KJ／cm）≦32 …(3) 溶接入熱量（H.I KJ／cm）を調整することを特
   徴とする厚肉ベンデイングロール鋼管の高能率溶
   接方法。