説明

ステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法

本発明は、ステンレス鋼管の溶接ビーズ部に酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつステンレス鋼管の接合部のスキ間をTIG又はプラズマ溶接するステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法を提供する。本ステンレス鋼管の連続溶接装置は、円状に巻かれた鋼管のスキ間に母材及び溶接材のうちの何れか一つを溶融させつつ酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させる溶接機と、前記鋼管の内部に設置されて、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了した溶接ビーズ部の内面に向かって、4l/min〜20l/minのアルゴンガスを噴射させる噴射ノズルの形成されたガス供給管と、を備える。本発明によれば、アルゴンガスによって溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接が完了した溶接ビーズ部が急冷されて自動的に固溶化熱処理過程が行われるので、硬度及び耐腐食性などの物理的特性が鋼管の母材と同じステンレス鋼管を連続的に生成できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ステンレス鋼管の連続溶接装置及び溶接方法に関し、さらに詳細には、鋼管を製造するために鋼板を円状に巻いてそのスキ間を溶接してステンレス鋼管を生成するステンレス鋼管の連続溶接装置及び溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、ステンレス鋼管の溶接装置及び方法とは、所定の厚さを有するステンレス鋼板を円状に巻いた後、円状に巻かれた鋼板の終端接合部間に形成される「V」型スキ間を、溶接材や鋼管の厚さが薄い場合には、母材を溶融させて溶接して、ステンレス鋼管を連続的に生成する装置及び方法のことをいう。
【0003】
図1は、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置が示された斜視図であり、図2は、図1の断面図である。図1及び図2に示すように、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置は、円状に巻かれた鋼管1の接合部のスキ間1aに位置した母材又は溶接材3をプラズマ又はTIG(Tungsten Inert Gas)溶接機トーチ5の電極棒5aからアークを発生させて、母材又は溶接材を溶融させることによって、スキ間1aが母材又は溶接ビーズ部3aにより溶着されて管の成形が完成されるようにする。
【0004】
このとき、溶接時に溶接部位が酸素と接触されて酸化されることを防止するために、図2に示すように、ガス貯蔵用容器(図示せず)に貯蔵された不活性アルゴンガスをTIG溶接機トーチ5の内部空間部5bを介して溶接ビーズ部の表面に噴射するとともに、鋼管1の内部に位置した溶接ビーズ部の内面にもガス供給管7を介してアルゴンガスを噴射することによって、鋼管の内、外側の溶接ビーズ部3aを空気から遮蔽させて酸素と接触しないようにして、溶接ビーズ部の酸化が防止される。
【0005】
そして、溶接機トーチ5及びガス供給管7が固定された状態で鋼管1を移動させるか、又は鋼管1が固定された状態で溶接機トーチ5及びガス供給管7を移動させつつ鋼管1が連続的に溶接される。
【0006】
ところが、ガス供給管7によって鋼管の内側溶接ビーズ部3a´に不活性アルゴンガスが噴射される地点は、溶接機トーチ5のアークが発生する部位の直下方に位置する。したがって、アルゴンガスの噴射量を増大させて1350℃以上である溶融金属状態の溶接ビーズ部を急冷させると、図3に示すように、アルゴンガスの噴射力によって内側溶接周囲に逆凹溝が発生するとともに、母材が冷却されて溶融金属と溶着力とが低下するという弊害が発生し、溶接ビーズ部及び溶接熱影響部位に発生する溶接応力が除去されず、かつ溶接ビーズ部及び熱影響溶接部位に粒間腐食(intergranular corrosian)が促進されて炭化物が析出されるという問題点があった。
【0007】
また、従来の技術によるステンレス鋼管の溶接方法としては、不活性アルゴンガスが溶接機トーチのアークが発生する部位の前後方にわたって広範囲に噴射される方法があったが、これも、上記の問題点が発生している。
【0008】
一方、ステンレス鋼管の製造に汎用的に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼(austenitic stainless steel)の加工硬化(work−hardening)又は溶接応アニーリング(welding−stress annealing)温度は、1,050℃程度が適当であり、粒間腐食を促進させる炭化物が析出される鋭敏化(Sensitization)の温度範囲は、425℃〜870℃であるから、鋼管が製造された後にアニーリング処理を行うためには、鋼管を1050℃〜1150℃まで加熱した後、425℃以下になるまで急速に冷却させなければならないが、プラズマ又はTIG溶接時に溶接材の溶融温度は、通常、1,350℃〜1,500℃であることに対し、溶接後の溶接ビーズ部及び溶接熱影響部位は、徐々に冷却されるので、溶接応力が除去されなく、かつ炭化物が粒間に析出されるという問題点があった。
【0009】
実際に、従来の技術によって溶接された鋼管の硬度を測定すれば、鋼管の溶接ビーズ部及び溶接熱影響部位の硬度は、母材の硬度より50〜100%高い。したがって、オーステナイト系組織(austenitic structure)とマルテンサイト系組織(martensitic structure)とに2元化された金属組織のため、必然的に電位差による腐食が激しく発生する。
【0010】
また、ガス供給管7から溶接機トーチ5のアーク発生地点の直下方に位置した鋼管の内側溶接ビーズ部3a´に噴射されるアルゴンガスの噴射量を2倍以上増加させれば、液化ガスから気化器を介して気化されて噴射されるアルゴンガスの温度は、10℃以下の低温であるから、まだ溶融状態にある内側溶接ビーズ部3a´に直接比較的に高圧、低温のアルゴンガスが噴射されることによって、図3に示すように、鋼管の表面側に凹んだデント(dent)部Bが発生する。また、溶接ビーズ部が母材部と十分に溶着されない状態で急速冷却されるので、不完全な溶接状態が発生するようになり、激しい場合には、溶接部位に亀裂が発生するという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、鋼管のTIG溶接又はプラズマ溶接時に溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接ビーズ部と溶接熱影響部位に固溶化熱処理効果が同時に達成できるようにして、鋼管の溶接ビーズ部と溶接熱影響部位の硬度及び耐腐食性などの物理的特性が、鋼管の母材と同様になるようにするステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記の目的を達成すべく、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置は、円状に巻かれた鋼管のスキ間に母材及び溶接材のうちの何れか一つを溶融させつつ酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させる溶接機と、前記鋼管の内部に設置されて、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了した溶接ビーズ部の内面に向かって、4l/min〜20l/minのアルゴンガスを噴射させる噴射ノズルの形成されたガス供給管と、を備える。このとき、前記噴射ノズルは、溶接ビーズ部から5mm〜8mm後方に位置することが好ましい。
【0013】
一方、本発明によるステンレス鋼管の溶接方法は、溶接機を使用して酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ母材又は溶接材を溶融させて鋼管のスキ間を溶接させ、前記母材及び溶接材のうちの何れか一つが溶融されて、前記鋼管のスキ間に形成される溶接ビーズ部の内面から、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部の内面に向かって、4l/min〜20l/minのアルゴンガスを噴射するステップと、噴射されたアルゴンガスが前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部の内面に向かって拡散されるようにするステップと、を含む。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、アルゴンガスによって溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接が完了した溶接ビーズ部が急冷されて自動的に固溶化熱処理過程が行われるので、硬度及び耐腐食性などの物理的特性が鋼管の母材と同じステンレス鋼管を連続的に生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【0016】
図4は、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法が表現された斜視図であり、図5は、図4の断面図である。図4及び図5に示すように、本ステンレス鋼管の溶接装置は、鋼板が円状に巻かれて形成された鋼管のスキ間を溶接機トーチ50の電極50aの終端に位置したアーク発生部50c又はプラズマ供給部によって発生する高温の熱を利用して、鋼板の厚さが薄い場合には、母材、鋼板の厚さが厚い場合には、溶接材30を溶融させて溶接する。このとき、鋼板を容易に円状に巻くために銅棒60が使用されることができ、円状に巻かれた鋼管のスキ間には、溶融された母材又は溶接材30によって溶接ビーズ部30aが形成されて溶着される。
【0017】
一方、溶接機トーチ50によって現在溶接が進行している溶接ビーズ部30a´の表面には、酸素遮蔽用アルゴンガスが溶接機トーチ50の内部空間部50bを介して噴射され、溶接ビーズ部30aの内面にも、ガス供給管70を介して酸素遮蔽用アルゴンガスが噴射される。
【0018】
特に、ガス供給管70からアルゴンガスが噴射される噴射ノズル70aは、溶接機トーチ50によって現在溶接が進行している溶接ビーズ部30a´から後方にある、既に溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部側に所定距離Tが離隔するように位置して、既に溶接が完了した鋼管の内側溶接ビーズ部30aに向かって噴射された後、噴射されたアルゴンガスは、現在溶接が進行している溶接ビーズ部30a´の内面を触れながら拡散される。
【0019】
溶接機のアーク発生部50cとガス供給管70の噴射ノズル70aとの隔離距離Tは、実験結果、鋼板の厚さが0.15mm以上0.5mm未満である場合には、7mm以上8mm以下、鋼板の厚さが0.5mm以上1.2mm未満である場合には、5.5mm以上7mm未満、及び鋼板の厚さが1.2mm以上である場合には、5mm以上5.5mm以下が好ましい。
【0020】
このように構成された本発明によるステンレス鋼管の溶接装置の作動を述べると、以下のとおりである。
【0021】
本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法は、鋼管のスキ間に形成される溶接ビーズ部30aの内面に酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させるガス供給管70の噴射ノズル70aが、溶接機トーチ50により現在溶接が進行している溶接ビーズ部30a´から5mm〜8mm離隔した後方に位置する。したがって、溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部に比較的に高圧のアルゴンガスが噴射されるので、溶接ビーズ部の内面に噴射されるアルゴンガスによって、溶接ビーズ部の内面が表面より凹んだ形状にデント(dent)されるおそれがないから、多量のアルゴンガスを噴射させることができる。
【0022】
溶接ビーズ部の内面に噴射されるアルゴンガスの噴射量は、実験結果、0.5±0.2kg/cm2程度の噴射圧力で、鋼板の厚さが0.15mm以上0.5mm未満である場合、4l/min以上6l/min未満、鋼板の厚さが0.5mm以上1.2mm未満である場合には、6l/min以上10l/min未満、そして鋼板の厚さが1.2mm以上である場合には、10l/min以上20l/min以下の噴射量で噴射されることが好ましかった。このとき、噴射ノズル70aの直径φは、1.0±0.5mmであることが好ましい。
【0023】
また、溶接ビーズ部の内面に噴射された10℃程度の低温アルゴンガスは、既に溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部の内面に噴射されるため、溶融状態の溶接ビーズ部30a´が不良溶接される現象が防止される。
【0024】
また、TIG溶接の溶融温度は、1,350℃〜1,500℃であるので、前記溶接ビーズ部30a´及び鋼管の溶接部位の温度が1,050℃程度に低下した地点である溶接機トーチから5mm〜8mm程度離隔した部位に位置した噴射ノズル70aを介して酸素遮蔽用低温のアルゴンガスが噴射されて、ステンレス鋼の鋭敏化最低温度である425℃以下に溶接ビーズ部及び溶接熱影響部位が急冷される。したがって、酸素遮蔽用アルゴンガスが噴射されることによって、固溶化熱処理過程が自動的に行われて別途の固溶化熱処理過程を行わずに溶接ビーズ部及び溶接熱影響部の溶接応力が除去されると共に、炭化物の析出が低減される。
【0025】
次の表1は、本発明によるステンレス鋼管の溶接装置における溶接条件を表にて整理したものである。
【0026】
【表1】

【0027】
表1にて、試料Aは、厚さが0.15m以上0.5mm未満のステンレス鋼管、試料Bは、厚さが0.5mm以上1.2mm未満のステンレス鋼管、そして試料Cは、厚さが1.2mm以上のステンレス鋼管を表す。鋼板の厚さに応じて噴射ノズルを現在溶接が進行している溶接ビーズ部30a´から5mm〜8mm離隔させ、アルゴンガスの噴射量を4〜20l/min、アルゴンガスの温度を10℃、そしてアルゴンガスの噴射圧力を0.5kg/cm2として、最適のステンレス鋼管を形成することができる。
【0028】
また、溶接機トーチ50及びガス供給管70が固定された状態で鋼管10を厚さに応じて4m/min〜8m/minの速度で移動させるか、あるいは鋼管10が固定された状態で溶接機トーチ50及びガス供給管70をこれと同じ速度で移動させつつ鋼管10が連続的に溶接されて、ステンレス鋼を連続的に生成することができる。
【0029】
以下の表2は、表1と同じ溶接条件に応じて形成されたステンレス鋼管で各部位のビッカース硬度(Vickers Hardness、HV)を測定したものである。ビッカース硬度は、ビッカース硬度試験機(Vickers hardness Tester)などを利用して測定できる。
【0030】
【表2】

【0031】
表2にて、溶接熱影響部は、溶接ビーズ部の左右5mm以内の領域を表す。表2から分かるように、本発明による溶接装置を使用して、表1と同じ溶接条件に応じてステンレス鋼管を形成した場合、溶接ビーズ部及び溶接熱影響部の硬度が母材の硬度とほぼ同一であることが分かる。したがって、全体ステンレス鋼管の硬度がほぼ均一に形成されることが分かる。
【0032】
また、以上では、本発明の好ましい実施の形態について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有した者により多様な変形実施が可能であることはもちろんで、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【0033】
以上説明したように、本発明によれば、溶接ビーズ部に酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ鋼管のスキ間を溶接し、溶接ビーズ部の内面に噴射されるアルゴンガスを溶接機によって現在溶接が進行中である溶接ビーズ部から、既に溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部側に所定距離離隔した部位に噴射して、噴射されたアルゴンガスが現在溶接が進行中である溶接ビーズ部側に拡散されるように構成されるので、アルゴンガスによって溶接部位の酸化が防止されるとともに、溶接ビーズ部及び溶接熱影響部位が急冷されて、自動的に固溶化熱処理過程が行われるので、溶接応力が除去され酸化物の析出が防止されるという効果がある。また、本発明による溶接条件により、溶接ビーズ部及び溶接熱影響部の硬度などの物理的特性が鋼管の母材と同じステンレス鋼を連続的に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】従来の技術によるステンレス鋼管の溶接装置が示された斜視図である。
【図2】図1の断面図である。
【図3】従来の技術によるステンレス鋼管の溶接方法によって溶接された溶接ビーズ部の断層を撮影した写真である。
【図4】本発明によるステンレス鋼管の溶接装置及び溶接方法が示された斜視図である。
【図5】図4の断面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
円状に巻かれた鋼管のスキ間に母材及び溶接材のうちの何れか一つを溶融させつつ酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させる溶接機と、
前記鋼管の内部に設置されて、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了した溶接ビーズ部の内面に向かって、4l/min〜20l/minのアルゴンガスを噴射させる噴射ノズルの形成されたガス供給管と、を備えることを特徴とするステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項2】
前記噴射ノズルは、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から5mm〜8mm後方に位置したことを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項3】
前記アルゴンガスの噴射圧力は、0.5±0.2kg/cm2であることを特徴とする請求項1又は2に記載のステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項4】
前記噴射ノズルの直径は、1.0±0.5mmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項5】
前記アルゴンガスの温度は、10±5℃であることを特徴とする請求項1又は2に記載のステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項6】
前記鋼管は、4m/min〜8m/minの速度で移送されることを特徴とする請求項1又は2に記載のステンレス鋼管の溶接装置。
【請求項7】
溶接機を使用して酸素遮蔽用アルゴンガスを噴射させつつ母材又は溶接材を溶融させて鋼管のスキ間を溶接させるステンレス鋼管の溶接方法であって、
前記母材及び溶接材のうちの何れか一つが溶融されて、前記鋼管のスキ間に形成される溶接ビーズ部の内面から、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から所定距離後方に位置した既に溶接が完了して固形化された溶接ビーズ部の内面に向かって、4l/min〜20l/minのアルゴンガスを噴射するステップと、
噴射されたアルゴンガスが前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部の内面に向かって拡散されるようにするステップと、を含むことを特徴とするステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項8】
前記アルゴンガスは、前記溶接機により溶接が進行している溶接ビーズ部から5mm〜8mm後方に噴射されることを特徴とする請求項7に記載のステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項9】
前記アルゴンガスの噴射圧力は、0.5±0.2kg/cm2であることを特徴とする請求項7又は8に記載のステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項10】
前記噴射ノズルの直径は、1.0±0.5mmであることを特徴とする請求項7又は8に記載のステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項11】
前記アルゴンガスの温度は、10±5℃であることを特徴とする請求項7又は8に記載のステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項12】
前記鋼管は、4m/min〜8m/minの速度で移送されることを特徴とする請求項7又は8に記載のステンレス鋼管の溶接方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2009−531180(P2009−531180A)
【公表日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−502665(P2009−502665)
【出願日】平成19年3月26日(2007.3.26)
【国際出願番号】PCT/KR2007/001455
【国際公開番号】WO2007/111453
【国際公開日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【出願人】(502221215)ドン エイ フレキシブル メタル チューブス コーポレーション リミテッド (1)
【Fターム(参考)】