JP2007030015A - 鋼板の板継溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スパイラル鋼管の製造等において用いられるコイル継ぎ溶接などのように、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）の生成を可能とし、鋼管成形などの後に溶接ビード裏面の手直し溶接（補修溶接）が不要となる鋼板の板継溶接方法を提供する。
【解決手段】 鋼板１，１どうしを突合せ、鋼板１，１の突合せ部２を一方の面側からのみサブマージアーク溶接する場合に、溶接トーチと反対側の裏面に裏当て金４を当接させた状態で、溶接トーチ３ａ，３ｂの進行方向前方に高周波誘導加熱用のコイル５を配置して、突合せ部２を予め加熱し、かつサブマージアーク溶接を２電極（溶接トーチ３ａ，３ｂ）で行う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鋼板の板継溶接方法に係り、特にスパイラル鋼管の製管ラインにおける板継に適用して有用な方法に関する。

スパイラル鋼管におけるコイル継ぎ溶接は、コイルの一方の面からのみのサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）のため、溶接条件（速度、電流、電圧等）を種々変更しても裏面側まで完全な溶接ビード（裏波ビード）が生成しない。そのため、コイル裏面側の未溶接部は、鋼管になってからオフライン作業で手直し溶接（補修溶接）を行わなければならず、工程の無駄とラインの流れを阻害している．
また、裏波ビードが出ていないコイル裏面部をそのままロール成形すると、その部分の成形が不十分になるために丸みのないくり型形状になり、鋼管真円度が悪く、品質上好ましくない。そのため、管端部にコイル継ぎ部がこないように調整する必要があり、コイル継ぎ部が歩留悪化の要因になっている。

一方、鋼板の連続ライン（冷延、焼鈍、酸洗等）における板継溶接において、高生産性、歩留向上を目的として、レーザー、プラズマ等を利用した突合せ溶接が増加する傾向にあるが、特許文献1には、このような溶接において、高炭素鋼の溶接割れを防止する目的で、溶接部を２００〜２５０℃に予熟しながら溶接する方法が提案されている。
特開平６−３１２２８５号公報

しかしながら、特許文献１の鋼板の板継溶接方法は、レーザー（もしくはプラズマ）によるビームを照射する方法であり、溶接の対象となる鋼板は冷延鋼板などの１ｍｍ以下〜数ｍｍ程度の板厚の薄い鋼板であって、本発明が対象とするスパイラル鋼管の素材である板厚が９〜３０ｍｍの熱延鋼板などに適用できるものではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スパイラル鋼管の製造等において用いられるコイル継ぎ溶接などのように、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）の生成を可能とし、鋼管成形などの後に溶接ビード裏面のグラインダー手入れや手直し溶接（補修溶接）が不要となる鋼板の板継溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、各種条件で膨大な実験を行った結果、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、鋼板の突合せ部を予熱し、かつ前記サブマージアーク溶接を２電極で行うことにより、溶融金属量が増加し、溶け込み幅およびビード幅が広がり、裏波ビードが発生しやすくなることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の鋼板の板継溶接方法は、鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、前記突合せ部を予め加熱し、かつ前記サブマージアーク溶接を２電極で行うことを特徴とする。
請求項１に記載の発明においては、突合せ部を予め加熱してから２電極のサブマージアーク溶接を行うので、溶け込み幅およびビード幅が広がり、鋼板の裏面側まで溶接ビードの生成が可能となる。したがって、例えば、スパイラル鋼管の製造ラインにおけるコイル継ぎ溶接において、コイル横継部の完全裏波溶接が実現することができる。その結果、オフラインでのスパイラル鋼管コイル継ぎ部の手直し溶接（補修溶接）やグラインダー手入れを削減あるいは解消（スパイラル鋼管の製造工程の一部省略）することができる。また、スパイラル鋼管の管端部コイル継ぎ部の製品化による歩留向上が期待できる。

請求項２に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１に記載の発明において、前記突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することを特徴とする。
請求項２に記載の発明においては、突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することにより、裏面側まで完全な溶接ビードを形成することが可能となる。

請求項３に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記鋼板の厚さが９〜３０ｍｍであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、鋼板の厚さが９〜３０ｍｍの板継溶接に適用されるが、このような板厚の板継溶接は、裏面側まで溶接ビードを形成可能であり、スパイラル鋼管の製造等の利用に好適である。

請求項４に記載の鋼板の板継溶接方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明において、前記２電極のサブマージアーク溶接がなされる鋼板突合せ部の板厚によって、前記２電極のサブマージアーク溶接の各々の電極の入熱条件を適正化することを特徴とする。
すなわち、サブマージアーク溶接において、２電極の総入熱が２５〜１６５ｋＪ／ｃｍで、かつ先行する電極による入熱と後行する電極による入熱の関係が以下の関係を満足することを特徴とする。
−０．３×t＋１．２≦Ｒ≦−０．３×t＋１．５
ここで、Ｒは後行する電極による入熱と先行する電極による入熱の比率（Ｒ＝後行する電極による入熱／先行する電極による入熱）、tは鋼板の突合せ部の厚さを表す。
請求項４に記載の発明においては、鋼板突合せ部の板厚が様々に変化しても、２電極を用いたサブマージアーク溶接の先行電極と後行電極各々の入熱量を適切に設定することで、常に良好なビード形状が実現する。

なお、本出願人らは特願２００４−３１１７４８号において、同様に鋼板の突合せ部を予め加熱してサブマージアーク溶接を行うことを、特徴とする鋼板の板継溶接方法に関する発明の開示を行ったが、本願はさらに溶接の高能率化を図るため、２電極のサブマージアーク溶接を行うことを特徴とするものである。

本発明の鋼板の板継溶接方法によれば、鋼板の裏面側まで溶接ビード（裏波ビード）を形成することが可能となり、したがって溶接後に裏面側の手直し溶接（補修溶接）を不要にすることが可能となる。
また、鋼板突合せ部の板厚が様々に変化しても、２電極を用いたサブマージアーク溶接の先行電極と後行電極各々の入熱量を適切に設定することで、常に良好なビード形状を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する．
図１は、本発明の実施の形態に係る鋼板の板継溶接方法を説明するための斜視図である。
同図に示すように、本実施の形態の鋼板の板継溶接方法においては、鋼板１，１どうしを突合せ、鋼板１，１の突合せ部２における溶接トーチ（サブマージアーク溶接用トーチ）３ａ，３ｂと反対側の裏面に裏当て金（バッキングプレート）４を当接させた状態で、溶接卜一チ３ａ，３ｂの進行方向前方に高周波誘導加熱用のコイル５を配置し、突合せ部２が所定の温度になるように予め加熱しつつ、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を行い、板継ぎする。先行の溶接トーチ３ａとコイル５との距離は、例えば、およそ１００ｍｍ程度とし、溶接トーチ３ａの進行に合わせてコイル５も溶接トーチ３ａと同じ速度で同じ方向に移動させる。図２に示すように、鋼板１には必要に応じて所定の開先角度α（°）の開先を形成し、また鋼板１，１間には必要に応じて所定のルートギャップｒ（ｍｍ）を設ける。

なお、このとき、鋼板１，１の突合せ部２の表面側（溶接トーチ３ａ，３ｂ側）には、通常のサブマージアーク溶接と同様、溶接トーチ３ａの移動方向前方に近接して配置されたフラックス供給ホース６からフラックスを散布する一方で、突合せ部２の裏面側には裏当て金４の上面にフラックスを溶接開始前に供給しておく。裏当て金４上面へのフラックス供給方法としては、手作業でもあるいは供給装置を用いても良い。また、裏当て金４に貫通孔をあけて当該貫通孔を通じてフラックスを裏当て金４の上面に供給することも可能である。このフラックスの種類としては、鋼板１，１の表面側および裏面側の両方に比較的融点の高い焼結型のフラックスを用いることが裏波ビード形状の安定化の点で望ましい。

また、図1には図示しないが、鋼板１，１の突合せ部２の幅方向両端部のサブマージアーク溶接を安定させるために、当該両端部にタブと呼ばれる切板をあらかじめ仮付け溶接しておき、当該切板の突合せ部の溶接から開始し当該切板の突合せ部の溶接で一連のサブマージアーク溶接工程を終了する方法をとることが望ましい。

高周波誘導加熱用コイル５に通電する電力量や鋼板１，１の厚さによって鋼板１，１の突合せ部２の加熱状況（温度分布）は異なる。
図３に示すように、鋼板１，１を突合せて、鋼板１，１の突合せ部２の一方側の面（表面）に高周波誘導加熱用コイル５を配置し、高周波出力（電力量）および鋼板１の厚さを変えて、突合せ部２の高周波誘導加熱を行い、突合せ部２の裏面の温度を測定する加熱試験を行った。高周波電源の出力周波数は５０ｋＨｚである。高周波誘導加熱用コイル５は、鋼板１，１の突合せ部２に沿って速度５００ｍｍ／ｍｉｎで移動させた。試験材である鋼板１としては一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００を用いた．その試験結果を図４に示す。

図４から、高周波出力（電力量）が３６〜４８ｋＷの範囲内で、厚さが３０ｍｍ以下の鋼板１，１の突合せ部２の裏面（高周波誘導加熱用コイル５と反対側の面）の温度が３００℃以上になるように加熱できることが分かる。また、高周波出力（電力量）が２２ｋＷでは、厚さが１４ｍｍ以下の鋼板１，１の突合せ部２の裏面の温度が３００℃以上になることが分かる。なお、図２に示す鋼板１，１の突合せ部２の開先形状やルートギャップｒの加熱温度への影響は殆ど認められなかった。

図５は、本発明者らが行った鋼板１，１の突合せ部２に対する高周波誘導加熱下での２電極サブマージアーク溶接に関する膨大な実験を通じて得た結果の分析を行い、本発明に係る２電極サブマージアーク溶接における先行電極３ａと後行電極３ｂのバランスが鋼板１，１の突合せ溶接品質に及ぼす影響を模式的に表した図である。
図中、ビードの上方が溶接トーチ（電極３ａ，３ｂ）側（鋼板１の表面側）を表し、ビードの下方が溶接トーチと反対側（鋼板１の裏面側）を表す。
一般に比較的板厚の薄い鋼板１を高周波誘導加熱した場合、鋼板１の表面と裏面とで温度差は少ないが、厚肉の鋼板１になるに従って鋼板の表面と裏面とで温度差が拡がる傾向がある。
また、一般に２電極を用いたサブマージアーク溶接を行う場合、先行電極３ａでは直流電源を用いるため溶込み形状が板厚方向に深く細くなる傾向があり、後行電極３ｂでは交流電源を用いるため溶込み形状が板厚方向に浅く広くなる傾向が見られる。

これらの知見と種々条件での実験結果から、図５に模式的に示すように、以下の知見を得た。
（１）比較的薄肉の鋼板を２電極でサブマージアーク溶接する際には、後行電極入熱は先行電極入熱と同程度に設定することがビード形状を安定させることにつながる。
一方、後行電極入熱が先行電極入熱より大きい場合、両電極による入熱の差が比較的小さいと、裏ビードは小さく表ビードが大きくなり、さらに両電極による入熱の差が大きくなると、表ビードの重量が過大になり、やがてビード全体の重量が裏面の表面張力を上回ることで溶金が溶け落ちる現象が見られるようになる。逆に後行電極入熱が先行電極入熱より小さいと、裏ビードが過剰気味に形成され、裏ビードの重量が過大になりすぎ、やがて裏面の表面張力を上回ることでこれもまたビード溶け落ちにつながる。
（２）比較的厚肉の鋼板を２電極でサブマージアーク溶接する際には、後行電極入熱は先行電極入熱に対して小さく設定することがビード形状を安定させることにつながる。
一方、後行電極入熱が先行電極入熱に比べやや少なめ程度であると、裏ビードは小さく表ビードが大きくなり、さらに後行入熱が先行電極入熱と同程度まで大きくなると、表ビードの重量が過大になり、やがてビード全体の重量が裏面の表面張力を上回ることで溶金が溶け落ちる現象が見られるようになる。

図６は、本発明に係る２電極サブマージアーク溶接における鋼板突合せ部２の厚さと後行電極３ｂによる入熱と先行電極３ａによる入熱の仕との関係を定量的に明らかにするため、本発明者らが種々の板厚の鋼板１を用いて高周波誘導加熱コイルによる予熱を施しつつ２電極サブマージ溶接を行った結果を整理したものである。
図６の縦軸は後行電極３ｂによる入熱と先行電極３ａによる入熱の比Ｒ（＝後行電極による入熱÷先行電極による入熱）を表し、横軸は鋼板１，１の突合せ部２の厚さを表す。
図６から、本願発明者らは以下の知見を得て本願発明を完成させた。
（１）良好な溶接ビード形状（図中の○印）を得るための後行電極による入熱と先行電極による入熱の比Ｒと鋼板の厚さとの間には、明確な相関関係が認められ、鋼板の厚さが小さくなるに従いＲは大きく、逆に鋼板の厚さが大きくなるに従いＲは小さく設定する必要がある。
（２）前記Ｒと板継部の鋼板の板厚の関係を回帰した結果、高周波誘導加熱コイルによる予熱を施しつつ２電極サブマージ溶接を行う際に良好な溶接ビード形状（図の○印）を実現するためには、Ｒを以下の範囲に設定することが有効である。ここで、tは鋼板の突合せ部の厚さを表す。
−０．３×t＋１．２≦Ｒ≦−０．３×t＋１．５

次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する．
本実施例では、本発明の鋼板の板継溶接方法をスパイラル鋼管の製管ラインにおける板継に適用した。
スパイラル鋼管の素材として用いた鋼板は、鋼板の幅が１１００〜１６００ｍｍの一般構造用圧延鋼板のＳＳ４００である。
鋼板の板継溶接の際には、一時的に製管ラインを停止して鋼板が静止した状態で、まず先行材（製管ホットコイル）の終端部と後行材（先行材に引続き製管するホットコイル）の先端部を平坦にするため、それぞれをシャーで所定長さのクロップを切断した。しかる後、先行材と後行材の突合せ部を、裏当て金、溶接トーチならびに高周波加熱コイルの待機位置まで移動し、その後、上述の図１の鋼板の板継溶接方法により、先行材と後行材とを突合せた状態でサブマージアーク溶接を行った。

鋼板の厚さは、９〜３０ｍｍのものを用いた。板継部の開先形状は、α＝０〜１０°の両側開先とし、ルートギャップｒを０ｍｍとした。高周波加熱用コイル５による加熱（予熱）は、３２．５〜３６．４ｋＷの電力量で行い、鋼板の突合せ部の裏面温度は３００〜３５０℃であった。２電極を用いたサブマージアーク溶接における総入熱が２５〜１６５ｋＪ／ｃｍで、かつ後行電極による入熱と先行電極による入熱の比Ｒ（＝後行する電極による入熱÷先行する電極による入熱）は、以下の範囲に収まるように設定した．
−０．３×t＋１．２≦Ｒ≦−０．３×t＋１．５
ここで、tは鋼板の突合せ部の厚さを表す。なお、鋼板の突合せ部のサブマージアーク溶接においては、溶接トーチ側ならびに裏当て金側から突合せ部に焼結型のフラックスを供給した。

比較例として、前記Ｒが上記範囲を満足しない値になるように先行電極による入熱と後行電極による入熱を設定し、同様に板継溶接を行った。
その結果を表1に示す。なお、表1中の溶接部の品質とは裏面側のビードの性状を表し、評価の項における○印、△印および×印はそれぞれ、溶接部裏面の手入れが全く不要若しくはほとんど不要なレベル、グラインダー手入れのみ必要なレベル、および溶け落ち部の発生により肉盛溶接補修が必要なレベルを表している。

表１から分かるように、鋼板の板厚がどのような場合であっても、後行電極による入熱と先行電極による入熱の比Ｒが前記の範囲から外れた比較例では、ビードの形状・品質が悪く、溶接部裏面の手入れが必要なのに比べ、後行電極による入熱と先行電極による入熱の比Ｒを本発明の規定の範囲に設定した鋼板の板継溶接方法によれば、良好な裏波ビードが発生しており、補修溶接や溶接部のグラインダー手入れが全く、あるいはほとんど不要なレベルとなった。

本発明の実施の形態に係る鋼板の板継溶接方法を説明するための斜視図である。 鋼板の突合せ部を示す縦断面図である。 鋼板の突合せ部の高周波誘導加熱試験方法を説明するための斜視図である。 高周波誘導加熱による鋼板の厚さと鋼板の突合せ部の裏面の温度との関係を示す図である。 本発明に係る２電極サブマージアーク溶接における先行電極と後行電極のバランスが鋼板の突合せ溶接品質に及ぼす影響を定性的に説明するための図である。 本発明に係る２電極サブマージアーク溶接における鋼板突合せ部の厚さと後行電極による入熱と先行電極による入熱の比との関係を説明するための図である。 本発明に係る２電極サブマージアーク溶接における鋼板突合せ部の厚さと総入熱量との関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 突合せ部
３ａ 溶接トーチ（先行電極）
３ｂ 溶接トーチ（後行電極）
４ 裏当て板
５ 高周波誘導加熱コイル
６ フラックス供給ホース
α 開先角度
ｒ ルートギャップ

Claims (4)

1. 鋼板どうしを突合せ、鋼板の突合せ部を一方の面側からのみサブマージアーク溶接して板継ぎを行う板継溶接方法において、
   前記突合せ部を予め加熱し、かつ前記サブマージアーク溶接を２電極で行うことを特徴とする鋼板の板継溶接方法。
2. 前記突合せ部におけるサブマージアーク溶接する面側と反対側の鋼板表面の温度が３００℃以上になるように加熱することを特徴とする請求項1に記載の鋼板の板継溶接方法。
3. 前記鋼板の厚さが９〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の鋼板の板継溶接方法。
4. 前記サブマージアーク溶接において、２電極の総入熱が２５〜１６５ｋＪ／ｃｍで、かつ先行する電極による入熱と後行する電極による入熱の関係が以下の関係を満足することを特徴とする請求項1ないし請求項３のいずれかに記載の鋼板の板継溶接方法。
   −０．３×t＋１．２≦Ｒ≦−０．３×t＋１．５
   ここで、Ｒは後行する電極による入熱と先行する電極による入熱の比率（Ｒ＝後行する電極による入熱／先行する電極による入熱）、tは鋼板の突合せ部の厚さを表す。

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