説明

消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法

【課題】 水平固定管のルートパスの溶接速度を大幅に向上することが可能な消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】 固定管1,2の突き合わせ部に開先を形成して固定管1,2の開先突き合わせ部3aの初層溶接を行なう際に、開先突き合わせ部3aの裏面側に裏当金属材4を当接させるとともに、電極ワイヤの送給速度をWFS(m/分)とし、溶接速度をVs(m/分)としたときに下記(1)式が成立する条件で溶接を行なうことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を採用する。
WFS=3.2×10−6Vs+b(b=5.6×10−6〜8.6×10−6) (1)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関するものであり、特に溶接速度を大幅に向上することが可能な消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、石油やガス等のパイプライン(水平固定管)の現地溶接においては、パイプの突き合わせ部である開先部の溶接を、自動溶接機を用いた全姿勢溶接により行なっている。特に、パイプラインのスプレット工法においては、作業の迅速性、効率性の観点から、ルートパス(初層溶接)の溶接速度の向上が望まれている。例えば、ルートパスにおいて一般的に使用されている消耗電極式ガスシールドアーク溶接法では、従来から1.5m/分以下の溶接速度で溶接が行なわれている。しかしこの程度の溶接速度では迅速性、効率性の観点からは十分ではなく、更なる溶接速度の向上が望まれている。しかし、溶接速度の向上は、ビードの高温割れや、ハンピングを発生させるおそれがある。
【0003】
特許文献1には、3m/分程度の溶接速度を実現したガスシールドアーク片面溶接方法が開示されている。また、特許文献2には、最大で2m/分程度の溶接速度を実現した炭酸ガス溶接方法が開示されている。更に、特許文献3には、ガスシールドアーク溶接方法に使用される電極ワイヤの好適な組成が開示されている。この組成の電極ワイヤを用いることで、良好な溶接作業性および溶接効率を確保しつつ、十分な強度と低温靭性を有する溶接金属が得られると開示されている。
【特許文献1】特開2000−102871号公報(表1)
【特許文献2】特開昭56−19996号公報(第2頁右下欄)
【特許文献3】特開2004−148389号公報(表2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載のガスシールドアーク片面溶接方法は、消耗電極からなる第1電極と消耗電極または非消耗電極からなる第2電極を溶接線方向に配して行なう溶接法であり、第1電極により形成されたビートを第2電極で再度溶融させることで、仮に第1電極によるビード形成において割れが発生した場合でも第2電極による再溶融によりビートの割れを解消するものである。しかし、必ずしも第2電極によってビードの割れを完全に解消できる保証はなく、溶接不良が発生する可能性がある。またこの特許文献1では、板状体を溶接対象としており、パイプの開先の溶接を対象とするものではない。
【0005】
また、特許文献2に記載の炭酸ガスアーク溶接法では、溶接電極を高速振動させて溶融池を高速撹拌させることで、溶接欠陥の発生を防止しており、溶接電極の振動機構が必須の構成要素になっている。従って、この特許文献2に記載の方法では、構成が複雑になる問題がある。また、この特許文献2は、いわゆるUO管の製造技術に関するものであり、溶接箇所も管の長手方向に沿って延在する突合わせ部を対象とするもので、管の開先部を溶接する技術に関するものではない。更に、特許文献2に記載の方法では、溶接後に溶接箇所はサブマージアーク溶接により完全に再溶融されるため、溶接条件の決定の際に、溶接後のビードの高温割れを考慮する必要がないという事情がある。
【0006】
更に、特許文献3では、組成を最適化した電極ワイヤを用いて溶接試験が行われているが、初層の溶接速度が0.05〜0.25cm/分と極めて遅く、水平固定管のルートパスとして十分な溶接速度が得られていない。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、水平固定管のルートパスの溶接速度を大幅に向上することが可能な消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、以下の知見が得られた。
従来、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法による固定管のルートパスにおいては、電極ワイヤの送給速度が低いままで溶接速度を高めると、ビードの高温割れの発生が多くなると考えられていた。一方、電極ワイヤの送給速度を高くしたままで溶接速度を低くすると、電極ワイヤの供給が過剰気味になり、ビード表面にハンピング等が起きやすくなると考えられていた。
【0009】
しかし、開先形状と、溶接速度および電極ワイヤの送給速度との関係について本発明者らが更に研究を行った結果、開先形状が所定の条件の範囲では、従来から考えられていた上記の現象が起こらないことがわかった。すなわち、開先形状が所定の条件の範囲内において、電極ワイヤ送給速度が低い場合はビードの高温割れの発生が多くなり、電極ワイヤ送給速度が高い場合には裏当金属材の焼き付きが起こる場合があることが判明した。
【0010】
本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の手段によって実現される。
すなわち、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、固定管の突き合わせ部に開先を形成して固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なう際に、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させるとともに、電極ワイヤの送給速度をWFS(m/分)とし、溶接速度をVs(m/分)としたときに下記(1)式が成立する条件で溶接を行なうことを特徴とする。
WFS=3.2×10−6Vs+b (1)
(ただし、5.6×10−6/分≦b≦8.6×10−6/分)
【0011】
上記の構成によれば、(1)式が成立する条件の範囲内で固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なうことにより、高温割れや、溶融ビードと裏当金属材との溶着などの不具合が起きることがなく、従来よりも高速な溶接速度を実現することができる。特に本発明においては、前記溶接速度Vsを1m/分以上4.3m/分以下の範囲で高速溶接を実施するのが好ましい。
【0012】
なお、上記(1)式において、bが5.6×10−6/分未満になると、ビードの高温割れが発生するので好ましくない。また、bが8.6×10−6/分を越えると、高温割れは防止できるが溶融ビードと裏当金属材との焼き付きが起きてしまうので好ましくない。
【0013】
また、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させることにより、溶融状態のビードの落下を防止することができ、かつ、溶接熱を効率よく放熱させることができる。また、裏波ビードをきれいに形成することができる。
【0014】
また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、前記電極ワイヤの組成が、Feを主成分とし、Cを0.04〜0.10質量%、Sを0.006質量%以下の範囲で含有することを特徴とする。
また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、溶接により形成される溶接金属の組成が、Feを主成分とし、Cを0.06〜0.10質量%、Sを0.004質量%以下の範囲で含有させるようにすることを特徴とする。
また、固定管の好ましい材質としては、低炭素鋼管を例示することができる。
【0015】
上記構成によれば、電極ワイヤに含まれるCおよびSの含有率を上記の範囲とすることにより、ビードの高温割れを防止することができる。
また、溶接後の溶接金属に含まれるCおよびSの含有率が上記の範囲となるように溶接することで、ビードの高温割れを防止することができる。
【0016】
また本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であり、前記開先突き合わせ部の形状が、開先角度:3〜5°、ルートフェイス:1〜2mm、開先底面幅:4.0〜7.0mmで規定される狭開先形状であることを特徴とする。なお、狭開先形状とは、開先角度が15°以下の開先形状を指す。
【0017】
上記の構成によれば、開先形状が上記の数値範囲で規定される狭開先形状であるため、溶接後のビード断面を(1)式が成り立つ溶接条件で溶接した場合に最適な形状にでき、ビードの高温割れの発生を防止することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によれば、水平固定管のルートパスの溶接速度を大幅に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
本発明の実施形態である消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の一例について図面を参照して説明する。
図1には、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法(以下、溶接方法と表記する場合がある)に適用される水平固定管(固定管)の開先形状を示す。図1に示すように、本発明の溶接方法においては、水平固定管の開先形状として、いわゆるU型狭開先形状(狭開先形状)が採用されている。図1において、符号1、2は固定管であり、この固定管1、2の突き合わせ部に開先部3が形成されている。この開先部3には、断面視略U字状のルート部開先3a(開先突き合わせ部)が設けられている。また、ルート部開先3aの裏側(固定管1、2の内周側)には、裏開先3bが設けられている。ルート部開先3aは、テーパー部3cを介して固定管1、2の外周面1a,2aに連結されている。このテーパー部3cは、3°〜5°の開先角度αを有している。
【0020】
また、固定管1、2の長手方向に沿う開先部3の幅が開先底面幅wとされ、この幅wは4.0〜7.0mmの範囲に設定されている。更に、固定管1、2のルート部開先3a,3aの先端が相互に突き合わされ、この突き合わせ部分がルートフェイスとされている。このルートフェイスrfは1〜2mmの範囲に設定されている。
【0021】
本発明に係る溶接方法においては、開先角度αを3°〜5°の範囲に設定することが好ましい。開先角度αを3°以上にすることにより、高温割れの発生を防止することができる。また、開先角度αを5°以下にすることにより、2層目以降の溶接の効率性を向上することができる。
また、開先底面幅wは4.0〜7.0mmの範囲に設定することが好ましい。開先底面幅wを4.0mm以上に設定することで、初層溶接時の高温割れを防止するとともに、裏波ビードを良好に形成することができ、初層溶接を良好に行うことができる。また、開先底面幅wを7.0mm以下に設定することにより、溶接の効率性を向上することができる。
更に、ルートフェイスrfは1〜2mmの範囲に設定することが好ましい。ルートフェイスrfを1mm以上に設定することにより、溶接時の裏当材の焼き付きを防止することができる。また、ルートフェイスrfを2mm以下に設定することにより、良好な裏波ビードを形成することができる。
【0022】
また、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、図1に示すように、ルート部開先3aの裏面側に裏当金属材4を当接させた状態で溶接を行なうことが望ましい。この裏当金属材4は、固定管1,2の内周面(裏面)1b,2b側においてインターナルクランプ5により支持され、裏波ビード形成用の溝4aを有している。また、裏当金属材4の材質としては、高融点で熱伝導性の高いものを用いることが好ましく、例えば銅や銅合金を用いることが好ましい。
【0023】
次に、固定管1、2の材質については特に制限がなく、パイプラインの施工に一般的に用いられる低炭素鋼管であれば良い。具体的には、API 5L規格に規定されているGrade Bよりも高強度の固定管を例示できる。またこれらの材質には含有元素としてC、Mn、P,S,Tiが規定されており、Cは0.22質量%であり、Sは0.015質量%以下である。
【0024】
次に、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において使用される電極ワイヤ(消耗電極)は、その組成が、C:0.04〜0.10質量%、S:0.006質量%以下含有し、残部がFeおよびその他の添加元素で構成される。このような組成の電極ワイヤ用いて溶接を行なうことにより、開先の初層溶接において、電極ワイヤの一部が固定管の一部によって希釈されてなる溶接金属(ビード)が形成される。このようにして形成された溶接金属の組成は、C:0.06〜0.10質量%、S:0.004質量%以下含有し、残部がFeおよびその他の添加元素で構成される。電極ワイヤのその他の添加元素としては、Mn,Si、Pなどを例示できる。
【0025】
電極ワイヤに添加されるCの組成比が上記の範囲であれば、上記組成の溶接金属が形成されて、ビードの高温割れを防止することができる。
また、電極ワイヤに添加されるSは、溶接時に溶融金属の融点を下げて最終凝固部に濃化して脆い組織となり、ビードの高温割れを起こしやすくする。そこで、Sの含有量を0.006質量%以下の範囲とした。
【0026】
そして、本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、電極ワイヤの送給速度をWFS(m/分)とし、溶接速度をVs(m/分)としたときに、WFS=3.2×10−6Vs+b(ただし、5.6×10−6/分≦b≦8.6×10−6/分)の式が成立する条件で溶接を行なうことが望ましい。また、Vsは1〜4.3m/分の範囲に設定することが望ましい。
【0027】
上記(1)式において、bが5.6×10−6/分未満では、溶接速度に対して電極ワイヤの送給速度が低下し、ビードの高温割れが起こりやすくなる。またbが8.6×10−6/分をこえると、ビードと裏当て金属材4との焼き付きが起きる。従って、(1)におけるbを5.6×10−6〜8.6×10−6/分の範囲とした。
【0028】
図1に示した開先形状に対して、上記(1)式の条件で消耗電極式ガスシールドアーク溶接を行うことにより、開先部にビードが形成される。この形成されたビードは、高温割れが発生することがなく、ハンピングもみられず、ビードの裏波の形状も乱れのないものとなる。特に、本実施形態の溶接方法では、高い溶接速度でルートパスを行った場合でもビードの高温割れを効果的に防止することができる。
【0029】
また、本発明の溶接方法においては、シールドガスをアルゴン(Ar)と炭酸ガス(CO)の混合ガスとすることが好ましい。シールドガスの組成は、体積比でAr:CO=80:20〜40:60の範囲にすることが好ましい。更に、本発明の溶接方法においては、電極ワイヤを溶接線方向に対して交差する水平方向に揺動させながら溶接しても良い。
【0030】
以上の構成の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によれば、水平固定管のルートパスの初層溶接の溶接速度を大幅に向上することができる。
【実施例】
【0031】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。本実施例では、図1に示す開先形状を有するAPI 5L X65鋼管の周継手を消耗電極式ガスシールドアーク法で初層溶接した。そして、溶接後のビードの高温割れおよび裏波の形状を観察した。また、ビード(溶接金属)の成分組成を分析した。
表1に開先形状および溶接条件を示し、表2に固定管および電極ワイヤの組成並びに溶接により形成された溶接金属の組成を示す。また表3に、ビードの高温割れおよび裏波の形状の観察結果を示す。
また表1に示した結果のうち、試料1〜14までの結果について、溶接速度と電極ワイヤ送給量との関係を図2に示す。図2において、○印は、ビードの高温割れが発生せず、且つ裏波形状が良好な結果となったものである。また×印は、ビードの高温割れが発生したか、裏波形状が良好ではないか、またはその両方の結果となったものである。
【0032】
【表1】

【0033】
【表2】

【0034】
【表3】

【0035】
ビードの高温割れ、裏波形状のいずれかに問題があった試料については、表3の備考欄にその原因と考えられる事項を記載した。たとえば、試験例3については、ワイヤの送給速度が低すぎたためにビードの高温割れが生じたものと考えられる。また、例えば試験例27については、ルートフェイスが上限値を超えたために裏波不良が発生したと考えられる。
【0036】
図2に示すように、2本の一点鎖線で示した範囲よりも内側の部分には、ビードの高温割れ、裏波不良若しくは裏金の焼き付きが一切発生しなかった試料が分布していることがわかる。この一点鎖線を一次関数の直線と想定して一次関数式を計算すると、上側の一点鎖線はWFS=3.2×10−6Vs+8.6×10−6となり、下側の一点鎖線はWFS=3.2×10−6Vs+5.6×10−6になることがわかる。従って、WFS=3.2×10−6Vs+b(b=5.6×10−6〜8.6×10−6)の範囲で、良好なビードが形成されることがわかる。
【0037】
また図2に示すように、一点鎖線の間の領域では、溶接速度が1.0m/分以上でも良好なビードが得られることがわかる。特に、従来の方法では全く不可能であった4.3m/分の溶接速度でも達成できていることがわかる。
【0038】
次に試験例15〜27について以下に説明する。これらの例はすべて請求項1の条件を満たしている。試験例15と16は同一の鋼管と溶接材料を用いて溶接したもので、電極ワイヤ中のS量が0.005質量%であり請求項3の範囲を越えていた。このうち、溶接速度2.5m/minの試験例15では高温割れが発生したが、溶接速度を1.5m/minに下げた試験例16では高温割れは発生しなかった。試験例17と18はそれぞれ電極ワイヤや溶接金属のC量が上限および下限となる組み合わせの例であるが、いずれも高温割れは発生しなかった。試験例19と20ではS量が多い鋼管と少ない電極ワイヤの組み合わせの例である。溶接金属中のS量が適正範囲内の試験例19では高温割れは発生しなかったが、S量が上限を超えた試験例20では高温割れが発生した。試験例20から27までは開先底幅をほぼ下限の4.2mmにして溶接した。また、シールドガス中のArガスの比率をこれまでの例の50%から70%に増加させた。これらの例うち試験例21から24を比較すると、電極ワイヤ中のS量が上限を超えた試験例24のみで高温割れが発生した。試験例25から27まではルートフェースを次第に増加させた例である。ルートフェースが2.5mmと上限を超えると高温割れが発生するうえ、裏波ビードの形状も不良となった。
【産業上の利用可能性】
【0039】
本発明は、水平固定管の突き合わせ部である開先部のルートパスに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の実施形態である固定管の開先突き合わせ部を示す拡大断面図である。
【図2】実験例1〜14について、ワイヤ送給量と溶接速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0041】
1、2…固定管、1a,2a…外周面、1b,2b…内周面(裏面)、3…開先部、3a…ルート部開先(開先突き合わせ部)、3b…裏開先、3c…テーパー部、α…開先角度、
w…開先底面幅、rf…ルートフェイス


【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定管の突き合わせ部に開先を形成して固定管の開先突き合わせ部の初層溶接を行なう際に、開先突き合わせ部の裏面側に裏当金属材を当接させるとともに、電極ワイヤの送給速度をWFS(m/分)とし、溶接速度をVs(m/分)としたときに下記(1)式が成立する条件で溶接を行なうことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
WFS=3.2×10−6Vs+b (1)
(ただし、5.6×10−6/分≦b≦8.6×10−6/分)
【請求項2】
前記電極ワイヤの組成が、Feを主成分とし、Cを0.04〜0.10質量%、Sを0.006質量%以下の範囲で含有するものであることを特徴とする請求項1に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項3】
溶接により形成される溶接金属の組成が、Feを主成分とし、Cを0.06〜0.10質量%、Sを0.004質量%以下の範囲で含有するように構成されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項4】
前記開先突き合わせ部の形状が、開先角度:3〜5°、ルートフェイス:1〜2mm、開先底面幅:4.0〜7.0mmで規定される狭開先形状であ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消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。


【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2006−224116(P2006−224116A)
【公開日】平成18年8月31日(2006.8.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−38452(P2005−38452)
【出願日】平成17年2月15日(2005.2.15)
【出願人】(000006655)新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Fターム(参考)】