特許 6103758 シールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6103758

(24)【登録日】2017年3月10日

(45)【発行日】2017年3月29日

(54)【発明の名称】シールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 13/06 20060101AFI20170316BHJP

   B23K 13/08 20060101ALI20170316BHJP

   B23K 13/00 20060101ALI20170316BHJP

   B23K 37/08 20060101ALI20170316BHJP

【ＦＩ】

   B23K13/06 Z

   B23K13/08 520

   B23K13/00 A

   B23K37/08 E

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-68239(P2013-68239)

(22)【出願日】2013年3月28日

(65)【公開番号】特開2014-188569(P2014-188569A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2015年7月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】714003416

【氏名又は名称】日新製鋼株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592260572

【氏名又は名称】日新鋼管株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100161115

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 智史

(72)【発明者】

【氏名】秋月 誠

(72)【発明者】

【氏名】面迫 浩次

(72)【発明者】

【氏名】井川 茂信

(72)【発明者】

【氏名】金澤 宏樹

【審査官】 岩瀬 昌治

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２４９５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１２８６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０６８１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １３／０６

Ｂ２３Ｋ １３／００

Ｂ２３Ｋ １３／０８

Ｂ２３Ｋ ３７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールボックス(5)の内部に、高周波加熱コイル(22)と、スクイズロール(23)と、シールボックス入口ガス供給管(30)及びその第１噴出口(30a)と、溶接点ガス供給管(31)及びその第２噴出口(31a)と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)及びその第３噴出口(32a)と、酸素濃度計(33)と、電縫鋼管(6)内面に挿入される内面ビード切削装置(7)と、前記内面ビード切削装置(7)にマンドレル(10)を介して接続されたインピーダ(8)と、前記インピーダ(8)と内面ビード切削装置(7)を連続して冷却するための液体の不活性ガス供給管(34)とその液体を構成する液体窒素の不活性ガスを前記内面ビード切削装置(7)の手前の位置で噴出する第４噴出口(34a)とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管(32)を介してシールボックス雰囲気調整ガスを流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上前記シールボックス(5)内に導入すると共に、かつ、前記シールボックス入口ガス供給管(30)からのシールボックス入口ガス流量が１００Ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管(31)からのガス流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共に、前記インピーダ(8)と前記内面ビード切削装置(7)の冷却用の前記液体の不活性ガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上導入し、前記シールボックス(5)内の酸素濃度を１００ｐｐｍから２０ｐｐｍとし、前記各ガス流量の合計であるトータルガス流量を４００Ｌ／ｍｉｎ以下となるように制御することを特徴とするシールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法に関し、特に、シールボックス内でガスシールド溶接することにより、ペネトレータ割れを零とし、さらに、異なる管寸法に対応できるようにするための新規な改良に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電縫鋼管は、一般に、帯鋼をフォーミングスタンドのフォーミングロールによって円筒状に連続成形したのち、そのエッジ部を高周波電流にて加熱し、スクイズロールで横方向から加圧・接合して製造される。この加圧・接合された電縫鋼管の内面には、溶接後の電縫鋼管内面に形成されるビードを切削するための内面ビード切削装置や、溶接時の加熱効率向上の機能を有する磁性酸化物（フェライトコア）からなるインピーダを内蔵するインピーダケースや、切削装置の支持体であるマンドレルが挿入されている。
通常、マンドレルには、インピーダの性能が悪化しないよう、インピーダを冷却するための冷却配管が配設されており、インピーダを連続的に冷却することができる。このインピーダの冷却水は、溶接点付近に位置するインピーダケース先端部から噴出され、内面ビード切削装置の切削バイトを冷却する役目も果たしている。
しかし、ペネトレータが発生し易い帯鋼を用いて電縫鋼管を製造する場合は、このインピーダの冷却水が溶接点付近で噴出する構造のマンドレルを使用すると、溶接欠陥が数多く発生する。
そのため、このペネトレータの発生を極力抑えるために、溶接部を周知の非酸化性ガスでシールドするガスシールド溶接法が採用されている。

【0003】

前述のガスシールド溶接方法及び装置としては、多くの提案が行われ、例えば。代表的な例として、特許文献１の構成を挙げることができ、その概略的な構成は、図４に示される通りである。
すなわち、オープンパイプ１の外径より大径の内径を有する内筒２と、高周波ワークコイル３に内接する外筒４とから主としてなるシールボックス５が用いられ、電縫鋼管６内に挿入する内面ビード切削装置７、インピーダ８を内蔵するインピーダケース９、切削装置７に接続されたマンドレル１０、マンドレル１０に設けられ溶接点１１付近に位置するシールドガスを噴出するためのシールドガス配管１２等が配設されている。

【0004】

前記インピーダ８を冷却する冷却水の噴出口位置１３を前記溶接点１１から４００ｍｍ以上離間させ、かつ、内面ビード切削装置７の手間内側としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３３４８９８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のガスシールド溶接方法及び装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の装置においては、溶接部近傍への大気の流入を防止することは可能であるが、シールボックス内の酸素濃度を十分に下げることができず、ペネトレータすなわち、酸化物欠陥を零にすることはできなかった。また、シールボックスの管入側及び管出側の部分が固定の内径となっているため、種々の鋼管寸法に対応するためには、鋼管寸法毎にガスシールド装置を準備しなければならず、取替えが必要なため生産性を悪化させる。また、シールドボックスの取替えの場合には、シールドボックス自体が内筒と外筒の二重筒状であるため、あらゆる鋼管寸法に合わせて種々のシールドボックスを用意し、かつ、交換することは、経費上及び労力上からも極めて困難なことであった。また、鋼管を円筒状に成形するフォーミングロール冷却水の流入の防止が困難であり、溶接点付近で冷却水の蒸発により生成する水蒸気によってシール性が極端に悪化する可能性もあった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による電縫鋼管のシールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法は、シールボックスの内部に、高周波加熱コイルと、スクイズロールと、シールボックス入口ガス供給管及びその第１噴出口と、溶接点ガス供給管及びその第２噴出口と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管及びその第３噴出口と、酸素濃度計と、電縫鋼管内面に挿入される内面ビード切削装置と、前記内面ビード切削装置にマンドレルを介して接続されたインピーダと、前記インピーダと内面ビード切削装置を連続して冷却するための液体の不活性ガス供給管とその液体を構成する液体窒素の不活性ガスを前記内面ビード切削装置の手前の位置で噴出する第４噴出口とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管を介してシールボックス雰囲気調整ガスを流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上前記シールボックス内に導入すると共に、かつ、前記シールボックス入口ガス供給管からのシールボックス入口ガス流量が１００Ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管からのガス流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共に、前記インピーダと前記内面ビード切削装置の冷却用の前記液体の不活性ガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上導入し、前記シールボックス内の酸素濃度を１００ｐｐｍから２０ｐｐｍとし、前記各ガス流量の合計であるトータルガス流量を４００Ｌ／ｍｉｎ以下となるように制御する方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、シールボックスの内部に、高周波加熱コイルと、スクイズロールと、シールボックス入口ガス供給管及びその第１噴出口と、溶接点ガス供給管及びその第２噴出口と、シールボックス雰囲気調整用ガス供給管及びその第３噴出口と、酸素濃度計と、電縫鋼管内面に挿入される内面ビード切削装置と、前記内面ビード切削装置にマンドレルを介して接続されたインピーダと、前記インピーダと内面ビード切削装置を連続して冷却するための液体の不活性ガス供給管とその液体を構成する液体窒素の不活性ガスを前記内面ビード切削装置の手前の位置で噴出する第４噴出口とを備え、前記シールボックス雰囲気調整用ガス供給管を介してシールボックス雰囲気調整ガスを流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上前記シールボックス内に導入すると共に、かつ、前記シールボックス入口ガス供給管からのシールボックス入口ガス流量が１００Ｌ／ｍｉｎ以上、溶接点ガス供給管からのガス流量５０Ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けると共に、前記インピーダと前記内面ビード切削装置の冷却用の前記液体の不活性ガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上導入し、前記シールボックス内の酸素濃度を１００ｐｐｍから２０ｐｐｍとし、前記各ガス流量の合計であるトータルガス流量を４００Ｌ／ｍｉｎ以下となるように制御することにより、液体不活性ガス供給管からの液体の不活性ガスを内面ビード切削装置の手前位置で噴出させることができ、従来、発生していた溶接点付近で冷却水の蒸発により生成していた水蒸気を皆無とし、インピーダの冷却を液体の不活性ガスにより冷却することができる。
従って、高周波加熱コイルから溶接点を経てスクイズロール後方までの全体をボックス構造とし、その内部を不活性ガス雰囲気とし、かつ酸素濃度を１００ｐｐｍ以下としつつ溶接を行い、シールボックス入口からの大気侵入防止と溶接点への不活性ガス吹付けにより、ペネトレータ欠陥を皆無にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明による電縫鋼管のシールボックス溶接装置の稼動状態を示す断面を含む構成図である。

【図2】図１の装置により製造された電縫鋼管のペネトレータ割れ検査を行う試験装置の構成図である。

【図3】図２の試験装置によりテストされた後の電縫鋼管の表面を示す外見図である。

【図4】従来の電縫鋼管のシールボックス溶接装置の稼動状態を示す断面を含む構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下で、かつ、溶接点のガス供給量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上に制御されたシールボックス内で溶接することによりペネトレータ割れを零とし、異なる管寸法に対応して稼動できるようにしたシールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法を提供することを目的とする。

【実施例】

【0011】

以下、図面と共に本発明によるシールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号５で示されるものはフォーミングスタンド出側２０からのオープンパイプ１が挿入される全体形状が箱形のシールボックスであり、このシールボックス５内の流体には、その管入側可変部２１から下流側にかけて、高周波加熱コイル２２、スクイズロール２３及び管出側可変部２４が設けられている。

【0012】

前記管入側可変部２１及び管出側可変部２４は、ゴム、樹脂、耐熱フェルト等の柔軟材料で形成され、円状の内径が自在に変形できるように構成され、異なる外径寸法の管を通過させることができるように構成されている。

【0013】

前記シールボックス５の天板部５ａには、その上流（入側）から下流（出側）へ向けて、フォーミングロール冷却水及び大気の流入を防止するための不活性ガスを供給するためのシールボックス入口ガス供給管３０及びその第１噴出口３０ａと、溶接点１１付近に不活性ガスを５０Ｌ／ｍｉｎ以上で吹付けるための溶接点ガス供給管３１及びその第２噴出口３１ａが設けられている。また、天板部５ａには、シールボックス５内の雰囲気を常に１００ｐｐｍ以下に保つためのシールボックス雰囲気調整用ガス供給管３２及びその第３噴出口３２ａ、シールボックス５内の酸素濃度を検知するための酸素濃度計３３が配設されている。
さらに、シールボックス５内には、ボックス内の雰囲気を排出するための排気口(図示せず)を設けてもよい。

【0014】

前記シールボックス５内に位置して矢印Ａの方向に連続走行しているオープンパイプ１と電縫鋼管６内には、その上流側から下流側へかけて、溶接時の加熱効率向上の機能を有したインピーダケース９内に設けられたインピーダ８、電縫鋼管６内の内面に生成するビードを切削するための内面ビード切削装置７が配置され、前記インピーダケース９と内面ビード切削装置７を接続するためのマンドレル１０、前記マンドレル１０の外側に配設され液体の不活性ガスによりインピーダ８と内面ビード切削装置７を連続的に冷却するための液体の不活性ガス供給管３４及びその第４噴出口３４ａも設置され、前記第４噴出口３４ａの配設位置は、内面ビード切削装置７の手前に位置している。
従って、前述の構成によれば、フォーミングロールの冷却水及び大気の侵入を防止できること、インピーダ８の冷却及び内面ビード切削装置７を液体の不活性ガスにより冷却するため水蒸気の発生を皆無にすることが可能であり、図３で示されるような酸化物欠陥であるペネトレータ割れ５０の発生を零とすることができる。
また、前記インピーダ８を低温の液体窒素ガスで冷却するため、連続製造中におけるインピーダ８の発熱を効果的に抑制でき、溶接効率の向上を図ることができる。

【0015】

次に、本出願人が実際に図１の電縫鋼管のシールボックス溶接装置４０を用いてガスシールド溶接を行った実施例１について述べる。
Ｓｉ：１．０％、Ｍｎ：１．０％を含む外径３０ｍｍ、肉厚５．０ｍｍの電縫鋼管の製造に際し、図１に示すシールボックス溶接装置４０内の酸素濃度、溶接点１１におけるガス流量、シールボックス入口におけるガス流量、雰囲気調整ガス流量、インピーダ８の冷却及び内面ビード切削装置７の冷却用のガス流量とペネトレータ割れ率の関係を調査した。なお溶接点ガス、シールボックス入口ガス、雰囲気調整ガスには気化したＮ_２ガスを用いた。
インピーダ８の冷却と内面ビード切削装置７の冷却には液体窒素を用い、その流量は、２〜１２Ｌ／ｍｉｎとした。酸素濃度は１０ｐｐｍ〜２１％まで変化、溶接点におけるガス流量は１０〜２８０Ｌ／ｍｉｎ、シールボックス入口におけるガス流量は１０〜３００Ｌ／ｍｉｎ、シールボックス雰囲気調整ガス流量は０〜３００Ｌ／ｍｉｎまでそれぞれ変化させ、造管速度２０ｍ／ｍｉｎ、で製造した。酸素濃度２１％とは、シールボックスを開放して大気中での造管を意味する。
評価方法は図２に示すように溶接部分を圧縮方向に対して垂直の方向に置いて、へん平試験を行った。試験片は、それぞれの製造条件において、２０本を採取し、それぞれ１ｍの試験片を採取して、ペネトレータ割れ率を測定した。ペネトレータ割れ率は、１ｍの試験片に占めるペネトレータ割れ長さを言う。図３にへん平試験による代表的なペネトレータ割れの例を示す。

【0016】

【表1】

【0017】

表１に示すように、シールボックス内の酸素濃度のみを低下させた場合や、溶接点１１におけるガス流量の増加のみでは、ペネトレータ割れを防止することができない。また、インピーダと内面ビード切削装置の冷却用に用いる液体の不活性ガス流量が５Ｌ／ｍｉｎ未満の場合には、インピーダの発熱により溶接効率が低下し溶接不良（未溶接）が発生した。
本発明の条件、すなわちシールボックス入口のガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上で吹付け、雰囲気調整ガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ以上で導入し、かつ、溶接点１１におけるガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ以上とし、インピーダ８と内面ビード切削装置７の冷却用の液体ガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ以上とし、かつ酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に抑えることにより、健全な溶接が行えることとペネトレータ割れを皆無にすることが可能となる。
前述の表１のシールボックス５内の酸素によれば、１０ｐｐｍ〜８０ｐｐｍの範囲であるが、さらなる実験の結果によれば、酸素濃度１００ｐｐｍから２０ｐｐｍまでは前述と同様の作用効果を得ることができた。
尚、表１において、ガス流量を増加させればペネトレータ割れ抑制が可能であるが、コスト上昇となるため、溶接点におけるガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ以上とシールボックス入口ガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎ以上、シールボックス雰囲気調整ガス流量を５０Ｌ／ｍｉｎ以上として、インピーダ８と内面ビード切削装置７の冷却用の液体の不活性ガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上として、これらの合計であるトータルガス流量を４００Ｌ／ｍｉｎ以下とすることが最適であった。なお、液体の不活性ガスの種類は、特に限定しないが、大気圧において液体として取り出せるガスを使用する。

【産業上の利用可能性】

【0018】

本発明によるシールボックスを使用した電縫鋼管の溶接方法は、種々の異なる径のオープンパイプの溶接に適用できる。

【符号の説明】

【0019】

１ オープンパイプ
５ シールボックス
６ 電縫鋼管
７ 内面ビード切削装置
８ インピーダ
９ インピーダケース
１０ マンドレル
１１ 溶接点
２０ フォーミングスタンド出側
２１ 管入側可変部
２２ 高周波加熱コイル
２３ スクイズロール
２４ 管出側可変部
３０ シールボックス入口ガス供給管
３０ａ 第１噴出口
３１ 溶接点ガス供給管
３１ａ 第２噴出口
３２ シールボックス雰囲気調整用ガス供給管
３２ａ 第３噴出口
３２ｂ 排気口
３３ 酸素濃度計
３４ 液体の不活性ガス供給管
３４ａ 第４噴出口
４０ シールボックス溶接装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】