溶接鋼管製造用の溶接装置
【課題】主として小径溶接鋼管を製造する際の突合せ部の溶接に際して、シールドガスのシールド機能に悪影響を及ぼさずに、溶接ヒュームを効果的に吸引可能にする。
【解決手段】溶接鋼管を製造する際に、ＭＩＧ又はＭＡＧ溶接等により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であり、溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口３１ａを、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチ１３の左右両側に概ね上向きに設ける。ヒューム吸引口３１ａが上向きなので、溶接トーチ１３から下向きに放出されたシールドガスの流れがヒューム吸引により乱されることはなく、シールド機能を損なうことなく溶接ヒュームを吸引できる。
【解決手段】溶接鋼管を製造する際に、ＭＩＧ又はＭＡＧ溶接等により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であり、溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口３１ａを、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチ１３の左右両側に概ね上向きに設ける。ヒューム吸引口３１ａが上向きなので、溶接トーチ１３から下向きに放出されたシールドガスの流れがヒューム吸引により乱されることはなく、シールド機能を損なうことなく溶接ヒュームを吸引できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主として小径溶接鋼管を製造する際の突合せ部の溶接に際して、シールドガスのシールド機能に悪影響を及ぼさずに、溶接ヒュームを効果的に吸引可能にした溶接鋼管製造用の溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば角形の溶接鋼管を製造する方法の一つとして、図１４に示すように、２つの溝形鋼１を互いに向き合わせて端縁を突き合わせ、その突合せ部をＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接等で溶接接合するいわゆる２丁合わせ溶接方法がある。
この２丁合わせ溶接方法には、外面及び内面の両側から溶接する内外面溶接方式（図１５（イ））と、突合せ部を外面からのみ溶接する外面溶接方式（図１５（ロ）、（ハ））とがある。また、外面溶接方式には裏当て金を用いる方式（図１５（ロ））と、用いない裏波溶接方式（図１５（ハ））とがある。図１５は図１４のａ部の拡大図である。
両面から溶接する内外面溶接では開先をＸ開先とするが、一方向から溶接する外面溶接では開先をＶ開先またはＹ開先とするので、外面溶接は内外面溶接に比べて開先が大（開先の断面積が大）となり、溶接金属量が増え、溶接コストが高くなる。また、裏当て金等のバッキング材を用いる場合は、さらに溶接コストが高くなる。
【０００３】
上記のように溶接コストの観点からは内外面溶接方式が好ましいが、内外面溶接方式において内面溶接を行う際、管内に溶接トーチを挿入する必要があるため、製造しようとする鋼管が外径約２００〜３００ｍｍの小径管で例えば数メートル以上の長尺品の場合、狭い管内に溶接トーチを挿入して内面溶接することが困難となる。
【０００４】
溶接トーチから吹き出されるシールドガスは吹出口近傍では層流であるが、吹出口から離れると乱流になり空気を巻き込みやすくなる。したがって、図１１のように溶接トーチ３の角度（トーチ角度θ）を小さくすると、溶接投影面Ｓが図示のような輪郭となるため、シールドガス吹出口から離れたｂ部等において乱流になってシールド不良が生じ易くなり、シールド不良による空気の巻き込み、溶け込み不足等の溶接欠陥が発生しやすくなるので、一般に、溶接性が良好なトーチ角度９０°前後で溶接を行う。すなわち、図７（ロ）に示すように溶接トーチ３をトーチ角度θ＝９０°に湾曲させて下向きにすることになるが、溶接用ワイヤ４の送給性を考慮すると、溶接トーチの曲率半径Ｒをある程度大きくする必要があり、このため一定以上の高さＨのスペースが必要となる。
【０００５】
ところで、溶接時に発生する溶接ヒュームは溶接機器に付着し、溶接機器の信頼性を劣化させる恐れがある。また、作業環境上、ヒューム除去は重要な間題である。また、溶接部に供給されるシールドガスがヒューム吸引により乱されてシールド機能が損なわれると、ブローホール等の溶接欠陥が生じる可能性が高まるので、その点も考慮する必要がある。
このため、溶接ヒュームを適切に吸引する方法が、鋼管の内面溶接の場合ではないが、種々提案されている。
単純な方法として、溶接部の上方にフードを配置して溶接ヒュームを吸引するものがある。
また、溶接線に沿って溶接トーチの両側で溶接トーチと平行にヒューム吸引パイプを設けたものがある（特許文献１の図１）。
また、溶接トーチを二重管構造とし外管側にヒューム吸引口を設けた吸引ノズル付き溶接トーチを用いるものがある（特許文献２の図１、図３）。
また、複数のヒューム吸引口を壁面にあけたダクトを溶接線に沿って配置するものがある（特許文献３の図４）。
これらの各ヒューム吸引方法はいずれも、ヒューム吸引口を概ね溶接部に向けて設けた構造である。
【特許文献１】特許２９０２５７１号
【特許文献２】実開平６−６１３７１
【特許文献３】特開平８−１０３８７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の通り、特に小径管の場合、狭い管内に溶接トーチを挿入して内面溶接することが困難であるが、溶接ヒューム吸引を考慮した場合、さらに困難となる。
すなわち、前記の通り、トーチ角度θを小さくした場合、シールドガス吹出口から離れた部分が生じてシールドガスが乱流になりシールド不良が生じ易くなるという問題があり、また、小径管の場合、ヒューム吸引により管内の風速が影響を受け易いので、シールドガスが管内の気流で乱され易いという問題がある。
このような事情があるので、特に小径管の場合には、開放空間や大径管においてヒューム吸引を行なう場合と比べ細心の注意が必要であり、ヒューム吸引性能とシールド機能とを両立させることが難しいものとなる。
【０００７】
上記従来の各ヒューム吸引方法は、吸引ノズル付き溶接トーチを用いる特許文献３を除き、サイズ的に狭い管内での溶接に適用するのは困難である。
特許文献３は小型化が可能であるが、充分なヒューム吸引性能を確保できるとは言い難く、吸い込めなかった溶接ヒュームは、管内に充満し、溶接機器に悪影響を及ぼす。
また、従来のいずれの方法も、ヒューム吸引口を概ね溶接部に向けた直接吸引構造であり、シールドガスの流れを乱し易く、特に狭い管内での溶接の場合には乱れが顕著に生じやすいので、ヒューム吸引性能とシールド機能とを両立させることが容易であるとは言い難い。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ＭＩＧ溶接あるいはＭＡＧ溶接等の溶接方式による、主として小径溶接鋼管を製造する際の突合せ部の溶接に際して、シールドガスのシールド機能に悪影響を及ぼさずに、溶接ヒュームを効果的に吸引可能な溶接鋼管製造用の溶接装置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】
【０００９】
上記課題を解決する本発明は、溶接鋼管を製造する際に、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であって、
溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口を、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチの左右両側に概ね上向きに設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２は、請求項１の溶接鋼管製造用の溶接装置において、ヒューム吸引口を溶接トーチの左右両側に対称的に設けるとともに、ヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３は、請求項１又は２の溶接鋼管製造用の溶接装置におけるヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜した上向きであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４は、請求項１又は２の溶接鋼管製造用の溶接装置におけるヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜しかつ前方側が低くなるように傾斜した上向きであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５は、請求項１〜４の溶接鋼管製造用の溶接装置において、ヒューム吸引口を形成する開口部材の外形が、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６は、請求項１〜５の溶接鋼管製造用の溶接装置において、管状材の後端側から挿入されて前記管状材内を管長さ方向前後に移動可能にされたブームの前端部に前記溶接トーチを取り付けるとともに、この溶接トーチのトーチ角度を９０°より小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置において、概ね上向きのヒューム吸引口は、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引する。このようにヒューム吸引口が概ね上向きなので、溶接トーチから下向きに放出されたシールドガスの流れがヒューム吸引により乱されることはない。したがって、シールド機能を損なうことなく、溶接ヒュームを適切に吸引することができ、良好な溶接が得られる。
【００１６】
請求項２のように、ヒューム吸引口を左右両側に対称的に設けるとともヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にした構成は、管内面側壁に沿う開口を充分長く確保できるとともに、吸引力が溶接部近傍に集中しないので、左右内面側壁に沿って下降してくる溶接ヒュームを効率よく吸引する作用と、シールドガスを乱さないこととを両立させるために有効である。
【００１７】
請求項３のように、ヒューム吸引口の向きを、左右内面側壁側に傾斜した上向きにすると、左右内面側壁に沿って下る溶接ヒュームの流れを受け入れ易い向きとなるので、溶接ヒュームを効率よく吸引可能となる。
【００１８】
請求項４のようにヒューム吸引口の向きを、前方側が低くなるように傾斜した上向きとすると、溶接トーチを後退させながら溶接を行う後退法を採用する場合に、前方に残る溶接ヒュームを吸引するために適切であり、溶接ヒュームを効率的に吸引可能となる。
【００１９】
請求項５のようにヒューム吸引口を形成する開口部材をフィン状にすることで、溶接部から立ち上がる溶接ヒュームの流れをヒューム吸引口に向かうように制御することができ、ヒューム吸引性能を向上させることができる。
【００２０】
請求項６のように溶接トーチを傾斜させると、高さ寸法が小さくなるので、小径管用として適切である。そして、溶接トーチを傾斜させた場合（トーチ角度θを小さくした場合）、シールドガス吹出口から離れた部分が生じ、その部分がヒューム吸引によりさらに乱され易くなりシールド不良となり易いので、溶接トーチを傾斜させた構造の場合に、ヒューム吸引口を概ね上向きにして、シールドガスを極力乱さないようにした効果が特に活かされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置の実施例を図１〜図１５を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明は、主として小径溶接鋼管を製造する際に、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ行う溶接鋼管製造用の溶接装置である。
また、本発明は溶接方法として、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式を採用する。すなわち、シールドガスとしてアルゴン等の不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接（Metal electrode inert gas welding）、あるいは、炭酸ガス若しくは炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いるＭＡＧ溶接（Metal active gas welding）等を採用する。
【００２３】
実施例では、前述の図１４に示したように、２つの溝形鋼１を向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にした管状材２の前記突合せ部を溶接して角形鋼管を製造するものである。なお、２つの溝形鋼１を向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にしただけの溶接前の状態のもの、あるいは、未だ全長の溶接を終了していない状態のものを管状材と呼んでいる（但し、説明の便宜上、そのようなものも場合により鋼管と呼ぶ）。
以下に述べる実施例は、溶接鋼管を製造するに際して図１５（イ）で説明した内外面溶接方式を採用するものであり、かつ、その内外面溶接における内面溶接作業に適用するものである。また、以下の説明は、向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にした２つの溝形鋼１を何らかの手段で拘束して下面側の突合せ部の内面溶接を行う場合、あるいは、一方の突合せ部の溶接を済ませた後に他方の突合せ部の内面溶接を行う場合のものである。
【００２４】
図１は実施例の溶接鋼管製造用の溶接装置（以下、場合により単に溶接装置という）１０の全体構成を説明する側面図であり、（イ）は溶接作業準備状態、（ロ）は溶接作業開始時点の状態、（ハ）は溶接作業進行中の状態を示す。
【００２５】
図２は図１（イ）の要部の拡大図、図３は図１（ハ）の要部拡大図、図４は図３の平面図、図５は図３のＡ−Ａ矢視図である。
これらの図において、１３は例えばＭＡＧ溶接用の溶接トーチである。溶接トーチ１３は、中心部に溶接用ワイヤ４を挿通させるとともに、先端からシールドガスを吹き出す構造となっている。この溶接トーチ１３は、ブーム駆動装置１７によって管状材２内に出し入れ可能な長尺のブーム１８の前端部に取り付けられ、ブーム１８に沿って後端部の装置本体部２１に伸びる溶接トーチチューブ２０に接続されている。溶接トーチチューブ２０は溶接用ワイヤ４及びシールドガスを溶接トーチ１３に送る通路となる。前記装置本体部２１は、溶接電源や、コイル状に巻いた溶接用ワイヤ４を供給するワイヤ供給装置や、シールドガスを供給するガスボンベや、ヒューム排出部等を備えている。
【００２６】
ブーム１８の先端部にはブームヘッド２２が連結されており、溶接トーチ１３は直接にはこのブームヘッド２２に取り付けられている。
ブームヘッド２２は、ブーム１８の先端部に可動機構２３を介して連結されている。可動機構２３は、ブームヘッド２２が上面から見て左右方向に首振り回動するのを許容する水平角度可動部２４と、ブームヘッド２２がブーム１８に対して鉛直方向上下に移動するのを許容する鉛直可動部２５と、ブームヘッド２２がブーム１８に対して水平方向左右に移動するのを許容する水平可動部２６とからなっている。
ブームヘッド２２の下面中央の前後２箇所に、突合せ部の開先（Ｖ開先）２ａに嵌入して転動する倣い輪２８を備えている。この倣い輪２８は、ブームヘッド２２の移動の際に、開先に嵌入してブームヘッド２２の位置決めを行い、ブームヘッド２２に取り付けられた溶接トーチ１３の先端を正しく開先２ａに沿わせる作用をする。
可動機構２３の詳細構造は省略するが、ブームヘッド２２が後退移動する際に、ブームヘッド２２の管長さ方向移動以外の動きを拘束しないもの、すなわち、倣い輪２８が開先に沿って転動するのに追従して動くことを許容するものであればよい。例えば、水平角度可動部２４として垂直な回転軸を介して連結する構造、鉛直可動部２５として鉛直方向の蟻と蟻ミゾと組み合わせによる水平スライド構造、水平可動部２６として水平方向の蟻と蟻ミゾとの組み合わせによる鉛直スライド構造等を採用でき、その他種々の構造が可能である。
また、ブーム１８は、管状材２の内面底部及びこれに連続する外部テーブル３０を転動してブーム１８を支持するブーム支持輪２９を備えている。
【００２７】
本発明では、ブームヘッド２２の前端部に、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口３１ａを備えた開口部材３１が取り付けられ、この開口部材３１に接続されたヒューム排出チューブ３２がブームヘッド２２及びブーム１８を通って装置本体部２１側まで挿通されている。詳細は後述する。
【００２８】
この実施例では、溶接トーチ１３を開先２ａに沿って後退させながら溶接を行う後退法で溶接する。すなわち、図１〜図４等に示されるように、溶接トーチ１３を支持するブーム１８が溶接ビード５の上方に位置せず、溶接トーチ１３が溶接ビード５から離れていく方向に移動しつつ溶接する。
【００２９】
仮に図６（ロ）のような前進法を採用した場合、溶接機器が溶接ビードの輻射熱を受けるので、輻射熱からの保護構造を厳重にする必要があり、溶接機器が大型化する。
しかし、図６（イ）にも示したこの後退法を採用することにより、溶接機器（溶接トーチ１３や、ブーム１８に沿って配される各部分）が溶接ビードの輻射熱を受けることが少なくなり、したがって、輻射熱からの保護構造を簡素化でき、溶接機器の小型化が可能となる。
また、開先位置の倣い装置として、前述のように、単に倣い輪２８を開先に嵌入させるという簡単な構造を採用することができるので、倣い装置の簡素化が可能となる。
【００３０】
また、実施例では、溶接トーチ１３のトーチ角度θを図３等にも示すように、直角でなく５０〜７０°に設定している。また、実施例の溶接トーチ１３は、曲率半径Ｒが例えば７０ｍｍ程度であり、また、冷却水を送り込んでトーチの冷却を行う方式の水冷トーチである。なお、溶接トーチ１３には冷却水パイプが接続されているが、図示を省略した。
なお、トーチ角度５０〜７０°という範囲は、詳細は省くがトーチ角度θを種々変化させて良好な溶接が可能な条件を実験的に種々探索した結果得られたものである。
【００３１】
前記ヒューム吸引口３１ａを形成する開口部材３１の詳細を説明すると、図３〜図５等に示すように、この開口部材３１は、溶接トーチ１３の両側で左右対称に設けられており、それらはいずれもヒューム吸引口３１ａが概ね上向きをなしている。
実施例のヒューム吸引口３１ａは、概ね管状材２の長さ方向に細長い四角形であり、また、上端が左右側壁内面側に寄るように傾斜している。
また、ヒューム吸引口３１ａを形成する開口部材３１の外形は、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしている。ここでフィン状とは、開口部材３１の外形が扁平（したがって、内部空間の幅がヒューム吸引口３１ａの幅と概ね同じ）であることを指す。但し、必ずしも平坦であるものに限らず、場合によっては、溶接ヒュームの流れの制御のために曲面とすることも考えられる。開口部材３１のヒューム排出チューブ３２に接続される部分３１ｂは四角形筒、円筒、楕円筒、長円筒など任意である。
【００３２】
上記の溶接装置１０により、管状材２の内面溶接を行う場合、ブーム駆動装置１７を駆動してブーム１８を前進させて、図１（ロ）のように溶接トーチ１３を管状材２の前端まで移動させる。なお、ブーム１８を駆動する手段は任意であり、ブーム１８の後端の装置本体部２１を台車上に設置してその台車を駆動する構造としてもよい。
なお、図１において、３５は溶接開始位置において良好な溶接が行われるための補助板である。
ブーム１８とともに溶接トーチ１３を図１（ロ）の位置から矢印のように後退させながら先端から溶接用ワイヤ４を開先に繰り出すとともにシールドガスを放出して、シールドガス中で溶接を行う。
【００３３】
上記の溶接装置１０により管状材２の突合せ部の内面溶接を行った溶接実験について説明する。
製造しようとする鋼管は１９ｍｍ（板厚）×２００ｍｍ（辺長）×２００ｍｍ（辺長）の角形鋼管である。使用した溝形鋼１は鋼板をプレス成形したものである。溶接方式はシールドガスとして炭酸ガスを用いたＭＡＧ溶接である。開先条件はＹ開先、開先深さ６ｍｍである。溶接用ワイヤは径φ１．２ｍｍで、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤの両方で実験した。
溶接速度４０〜８０ｃｍ／min.に対して、トーチ角度θを４５〜９０°の範囲で種々変えて、良好な溶接が可能なトーチ角度θを探索する溶接実験の結果を図９に示す。図９（イ）は溶接用ワイヤ４としてソリッドワイヤφ１．２ｍｍを用いた場合、図９（ロ）はフラックス入りワイヤφ１．２ｍｍを用いた場合である。
同図に示すように、溶接速度５０〜６０ｃｍ／min.の範囲では、ソリッドワイヤではトーチ角度が約５０°以上、フラックス入りワイヤは約６０°以上で良好な溶接が得られた。フラックス入りワイヤの場合、溶接速度７０ｃｍ／min.でも良好な溶接が得られた。 この実験結果より、トーチ角度θが５０°までなら良好な溶接を得ることが可能であるが、例えば６０±１０°の範囲が好適である。
なお、良好な溶接が可能な溶接速度は溶接用ワイヤの径とも関係があり、両者の関係を適切に選択するとよい。
【００３４】
本発明は管内での溶接なので、ヒューム吸引を行わない場合、溶接ヒュームは図１２（イ）に示すように、溶接部（溶接ビード５部分）から立ち上がり、左右側壁内面に沿って降りてくる流れとなる。
ここで図１２（ロ）に示すように、溶接部の上方にフード６を設けるなどのようにヒューム吸引口を溶接部に直接向ける直接吸引方式で溶接ヒューム（実線で示す）の吸引を行う場合、充分なヒューム吸引効果を得るために吸引風速を大きくすると、シールドガス（破線で示す）も容易に吸引されてしまい、シールドガスのシールド機能が損なわれる。
しかし、本発明の溶接装置では、図８（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように、溶接部から立ち上がった溶接ヒュームは、管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる際にヒューム吸引口３１ａから適切に吸引されるとともに、溶接トーチ１３から下向きに放出されたシールドガスは、上向きのヒューム吸引口３１ａによる吸引からの直接的な影響を受けず、シールドガスの流れが乱されることはない。
大気を遮断して溶接部を保護しているシールドガスが溶接位置で乱流になると大気を巻き込み、ブローホールなどの溶接不良が発生する恐れがあるため、シールドガスの風速は、溶接部で層流になる範囲の２ｍ／ｓ以下とする必要があり、健全な溶接をするには溶接部近傍での風速が１ｍ／ｓ以下とするのが望ましい。上記のような溶接ヒュームを上向きのヒューム吸引口３１ａから吸引するようにすれば、溶接ヒュームの充分な吸引を確保しつつ、シールドガスの溶接部での風速を１ｍ／ｓ以下にすることが可能となり、溶接ヒューム吸引性能とシールド機能とを共に確保することができる。
【００３５】
シールド機能を確認するために行った窒素量分析試験の試験結果を図１０に示す。風でシールドガスが飛ばされると窒素量が増すので、溶接部近傍の気体の窒素量を測定する窒素量分析試験により、シールドガスが溶接部を覆っているか否かすなわちシールド機能を測定することができる。
この溶接実験の条件では風速と窒素量との関係が図１０の曲線のようになった。風速１．５ｍ／ｓではブローホールが多発したが、風速１．０ｍ／ｓでは良好な溶接が得られた。
この風速は上記の通り、シールドガスが乱流にならずに層流状態を維持することができる風速である。
管内での溶接の場合にヒューム吸引を行うことで管内に外部から空気が流入するが、充分なヒューム吸引のために吸引風量を大とした場合、管内に流入する空気の量と管の断面積との関係で、小径管の場合、管内への流入速度は大となる。しかし、上向きのヒューム吸引口３１ａからのヒューム吸引によって、溶接部での風速を１ｍ／ｓ以下にすることが可能となる。
【実施例２】
【００３６】
図１３にヒューム吸引口を形成する開口部材の他の実施例を示す。この開口部材４１は、前記実施例と同様に、溶接鋼管長さ方向に細長い四角形のヒューム吸引口４１ａが左右両側に対称的に設けられ、かつ、ヒューム吸引口４１ａの向きが左右内面側壁側に傾斜した上向きであるが、この開口部材４１のヒューム吸引口４１ａはさらに、前方側が低くなるように傾斜している。開口部材４１のヒューム排出チューブ３２に接続される部分４１ｂは四角形筒、円筒、楕円筒、長円筒など任意である。
このようにヒューム吸引口４１ａの向きを、前方側が低くなるように傾斜した上向きとすると、溶接トーチを後退させながら溶接を行う後退法を採用する場合に、前方に残る溶接ヒュームを吸引するために適切であり、溶接ヒュームを効率的に吸引可能である。
また、開口部材４１は、前記実施例と同様に、その外形が扁平であり溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしている。
図示例の開口部材４１の形状は、ヒューム排出チューブ３２に接続される部分４１ｂに向かって狭く（図１３（イ）参照）なる形状である。この場合、開口部材４１の下部が上部（ヒューム吸引口４１ａの部分）より広くなる断面形状としてもよい。
【実施例３】
【００３７】
上述の実施例は、角形の溶接鋼管を製造する鋼材として、プレス成形による溝形鋼を用いているが、熱間圧延の溝形鋼を用いることも当然可能である。
また、角形鋼管でなく丸鋼管を製造する場合にも本発明を適用できる。この場合は、1枚の鋼板を円形断面に湾曲成形して、その端縁の突合せ部を本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置により内面溶接する。
【００３８】
溶接方式として、シールドガスとして炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスを用いるＭＡＧ溶接に限らず、アルゴン等の不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接を採用してもよい。要するに、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ溶接を行う溶接方法であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用する溶接鋼管製造用の溶接装置の全体構成の概略の示す側面図であり、（イ）は溶接作業準備状態、（ロ）は溶接作業開始時点の状態、（ハ）は溶接作業進行中の状態を示す。
【図２】本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置の一実施例を示すもので、図１（イ）の要部の詳細拡大図である。
【図３】図１（ハ）の詳細要部拡大図である。
【図４】図３の平面図である。
【図５】図３のＡ−Ａ矢視図である。
【図６】溶接トーチの移動方向について説明するもので、（イ）は実施例で採用する後退法の説明図、（ロ）は前進法である。
【図７】溶接トーチの角度（トーチ角度θ）について説明するもので、（イ）は実施例で採用するトーチ角度θの場合、（ロ）は一般的なトーチ角度９０°の場合の図である。
【図８】本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置で管状材の内面溶接を行う場合の溶接ヒューム及びシールドガスの流れを説明する図であり、（イ）は図３に、（ロ）は図４に、（ハ）は図５にそれぞれ対応させて示した図である。
【図９】良好な溶接が可能なトーチ角度θを探索する溶接実験の結果を示すもので、（イ）はソリッドワイヤの場合、（ロ）はフラックス入りワイヤの場合である。
【図１０】本発明のヒューム吸引口を備えた溶接装置におけるシールド機能を確認するために行った窒素量分析試験の試験結果を示す図である。
【図１１】溶接トーチを傾斜させた場合（溶接トーチがトーチ角度θを有する場合）の問題を説明するための図である。
【図１２】角形鋼管の内面溶接を行う場合の溶接ヒューム及びシールドガスの流れを説明するための図であり、（イ）はヒューム吸引を行わない場合、（ロ）は上方に配置した吸引フードにより直接吸引を行う場合のものである。
【図１３】ヒューム吸引口を形成する開口部材の他の実施例を示すもので、（イ）は側面図、（ロ）は正面図である。
【図１４】２つの溝形鋼を向かい合わせ端縁どうしの突合せ部を溶接して製造する角形の溶接鋼管を説明する図である。
【図１５】図１４における突合せ部の溶接方式を説明するもので、（イ）は内外面溶接方式、（ロ）および（ハ）は外面溶接方式を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１ 溝形鋼
２ 管状材（鋼管の溶接前の状態のもの）
２ａ 開先
４ 溶接用ワイヤ
５ 溶接ビード
１０ 溶接鋼管製造用の溶接装置（溶接装置）
１３ 溶接トーチ
１７ ブーム駆動装置
１８ ブーム
２０ 溶接トーチチューブ
２１ 装置本体部
２２ ブームヘッド
２３ 可動機構
２４ 水平角度可動部
２５ 鉛直可動部
２６ 水平可動部
２８ 倣い輪
２９ 支持輪
３０ 外部テーブル
３１、４１ 開口部材
３１ａ、４１ａ ヒューム吸引口
３２ ヒューム排出チューブ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主として小径溶接鋼管を製造する際の突合せ部の溶接に際して、シールドガスのシールド機能に悪影響を及ぼさずに、溶接ヒュームを効果的に吸引可能にした溶接鋼管製造用の溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば角形の溶接鋼管を製造する方法の一つとして、図１４に示すように、２つの溝形鋼１を互いに向き合わせて端縁を突き合わせ、その突合せ部をＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接等で溶接接合するいわゆる２丁合わせ溶接方法がある。
この２丁合わせ溶接方法には、外面及び内面の両側から溶接する内外面溶接方式（図１５（イ））と、突合せ部を外面からのみ溶接する外面溶接方式（図１５（ロ）、（ハ））とがある。また、外面溶接方式には裏当て金を用いる方式（図１５（ロ））と、用いない裏波溶接方式（図１５（ハ））とがある。図１５は図１４のａ部の拡大図である。
両面から溶接する内外面溶接では開先をＸ開先とするが、一方向から溶接する外面溶接では開先をＶ開先またはＹ開先とするので、外面溶接は内外面溶接に比べて開先が大（開先の断面積が大）となり、溶接金属量が増え、溶接コストが高くなる。また、裏当て金等のバッキング材を用いる場合は、さらに溶接コストが高くなる。
【０００３】
上記のように溶接コストの観点からは内外面溶接方式が好ましいが、内外面溶接方式において内面溶接を行う際、管内に溶接トーチを挿入する必要があるため、製造しようとする鋼管が外径約２００〜３００ｍｍの小径管で例えば数メートル以上の長尺品の場合、狭い管内に溶接トーチを挿入して内面溶接することが困難となる。
【０００４】
溶接トーチから吹き出されるシールドガスは吹出口近傍では層流であるが、吹出口から離れると乱流になり空気を巻き込みやすくなる。したがって、図１１のように溶接トーチ３の角度（トーチ角度θ）を小さくすると、溶接投影面Ｓが図示のような輪郭となるため、シールドガス吹出口から離れたｂ部等において乱流になってシールド不良が生じ易くなり、シールド不良による空気の巻き込み、溶け込み不足等の溶接欠陥が発生しやすくなるので、一般に、溶接性が良好なトーチ角度９０°前後で溶接を行う。すなわち、図７（ロ）に示すように溶接トーチ３をトーチ角度θ＝９０°に湾曲させて下向きにすることになるが、溶接用ワイヤ４の送給性を考慮すると、溶接トーチの曲率半径Ｒをある程度大きくする必要があり、このため一定以上の高さＨのスペースが必要となる。
【０００５】
ところで、溶接時に発生する溶接ヒュームは溶接機器に付着し、溶接機器の信頼性を劣化させる恐れがある。また、作業環境上、ヒューム除去は重要な間題である。また、溶接部に供給されるシールドガスがヒューム吸引により乱されてシールド機能が損なわれると、ブローホール等の溶接欠陥が生じる可能性が高まるので、その点も考慮する必要がある。
このため、溶接ヒュームを適切に吸引する方法が、鋼管の内面溶接の場合ではないが、種々提案されている。
単純な方法として、溶接部の上方にフードを配置して溶接ヒュームを吸引するものがある。
また、溶接線に沿って溶接トーチの両側で溶接トーチと平行にヒューム吸引パイプを設けたものがある（特許文献１の図１）。
また、溶接トーチを二重管構造とし外管側にヒューム吸引口を設けた吸引ノズル付き溶接トーチを用いるものがある（特許文献２の図１、図３）。
また、複数のヒューム吸引口を壁面にあけたダクトを溶接線に沿って配置するものがある（特許文献３の図４）。
これらの各ヒューム吸引方法はいずれも、ヒューム吸引口を概ね溶接部に向けて設けた構造である。
【特許文献１】特許２９０２５７１号
【特許文献２】実開平６−６１３７１
【特許文献３】特開平８−１０３８７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の通り、特に小径管の場合、狭い管内に溶接トーチを挿入して内面溶接することが困難であるが、溶接ヒューム吸引を考慮した場合、さらに困難となる。
すなわち、前記の通り、トーチ角度θを小さくした場合、シールドガス吹出口から離れた部分が生じてシールドガスが乱流になりシールド不良が生じ易くなるという問題があり、また、小径管の場合、ヒューム吸引により管内の風速が影響を受け易いので、シールドガスが管内の気流で乱され易いという問題がある。
このような事情があるので、特に小径管の場合には、開放空間や大径管においてヒューム吸引を行なう場合と比べ細心の注意が必要であり、ヒューム吸引性能とシールド機能とを両立させることが難しいものとなる。
【０００７】
上記従来の各ヒューム吸引方法は、吸引ノズル付き溶接トーチを用いる特許文献３を除き、サイズ的に狭い管内での溶接に適用するのは困難である。
特許文献３は小型化が可能であるが、充分なヒューム吸引性能を確保できるとは言い難く、吸い込めなかった溶接ヒュームは、管内に充満し、溶接機器に悪影響を及ぼす。
また、従来のいずれの方法も、ヒューム吸引口を概ね溶接部に向けた直接吸引構造であり、シールドガスの流れを乱し易く、特に狭い管内での溶接の場合には乱れが顕著に生じやすいので、ヒューム吸引性能とシールド機能とを両立させることが容易であるとは言い難い。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ＭＩＧ溶接あるいはＭＡＧ溶接等の溶接方式による、主として小径溶接鋼管を製造する際の突合せ部の溶接に際して、シールドガスのシールド機能に悪影響を及ぼさずに、溶接ヒュームを効果的に吸引可能な溶接鋼管製造用の溶接装置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】
【０００９】
上記課題を解決する本発明は、溶接鋼管を製造する際に、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であって、
溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口を、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチの左右両側に概ね上向きに設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２は、請求項１の溶接鋼管製造用の溶接装置において、ヒューム吸引口を溶接トーチの左右両側に対称的に設けるとともに、ヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３は、請求項１又は２の溶接鋼管製造用の溶接装置におけるヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜した上向きであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４は、請求項１又は２の溶接鋼管製造用の溶接装置におけるヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜しかつ前方側が低くなるように傾斜した上向きであることを特徴とする。
【００１３】
請求項５は、請求項１〜４の溶接鋼管製造用の溶接装置において、ヒューム吸引口を形成する開口部材の外形が、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６は、請求項１〜５の溶接鋼管製造用の溶接装置において、管状材の後端側から挿入されて前記管状材内を管長さ方向前後に移動可能にされたブームの前端部に前記溶接トーチを取り付けるとともに、この溶接トーチのトーチ角度を９０°より小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置において、概ね上向きのヒューム吸引口は、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引する。このようにヒューム吸引口が概ね上向きなので、溶接トーチから下向きに放出されたシールドガスの流れがヒューム吸引により乱されることはない。したがって、シールド機能を損なうことなく、溶接ヒュームを適切に吸引することができ、良好な溶接が得られる。
【００１６】
請求項２のように、ヒューム吸引口を左右両側に対称的に設けるとともヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にした構成は、管内面側壁に沿う開口を充分長く確保できるとともに、吸引力が溶接部近傍に集中しないので、左右内面側壁に沿って下降してくる溶接ヒュームを効率よく吸引する作用と、シールドガスを乱さないこととを両立させるために有効である。
【００１７】
請求項３のように、ヒューム吸引口の向きを、左右内面側壁側に傾斜した上向きにすると、左右内面側壁に沿って下る溶接ヒュームの流れを受け入れ易い向きとなるので、溶接ヒュームを効率よく吸引可能となる。
【００１８】
請求項４のようにヒューム吸引口の向きを、前方側が低くなるように傾斜した上向きとすると、溶接トーチを後退させながら溶接を行う後退法を採用する場合に、前方に残る溶接ヒュームを吸引するために適切であり、溶接ヒュームを効率的に吸引可能となる。
【００１９】
請求項５のようにヒューム吸引口を形成する開口部材をフィン状にすることで、溶接部から立ち上がる溶接ヒュームの流れをヒューム吸引口に向かうように制御することができ、ヒューム吸引性能を向上させることができる。
【００２０】
請求項６のように溶接トーチを傾斜させると、高さ寸法が小さくなるので、小径管用として適切である。そして、溶接トーチを傾斜させた場合（トーチ角度θを小さくした場合）、シールドガス吹出口から離れた部分が生じ、その部分がヒューム吸引によりさらに乱され易くなりシールド不良となり易いので、溶接トーチを傾斜させた構造の場合に、ヒューム吸引口を概ね上向きにして、シールドガスを極力乱さないようにした効果が特に活かされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置の実施例を図１〜図１５を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明は、主として小径溶接鋼管を製造する際に、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ行う溶接鋼管製造用の溶接装置である。
また、本発明は溶接方法として、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式を採用する。すなわち、シールドガスとしてアルゴン等の不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接（Metal electrode inert gas welding）、あるいは、炭酸ガス若しくは炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いるＭＡＧ溶接（Metal active gas welding）等を採用する。
【００２３】
実施例では、前述の図１４に示したように、２つの溝形鋼１を向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にした管状材２の前記突合せ部を溶接して角形鋼管を製造するものである。なお、２つの溝形鋼１を向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にしただけの溶接前の状態のもの、あるいは、未だ全長の溶接を終了していない状態のものを管状材と呼んでいる（但し、説明の便宜上、そのようなものも場合により鋼管と呼ぶ）。
以下に述べる実施例は、溶接鋼管を製造するに際して図１５（イ）で説明した内外面溶接方式を採用するものであり、かつ、その内外面溶接における内面溶接作業に適用するものである。また、以下の説明は、向かい合わせて端縁どうしを突き合わせて管状にした２つの溝形鋼１を何らかの手段で拘束して下面側の突合せ部の内面溶接を行う場合、あるいは、一方の突合せ部の溶接を済ませた後に他方の突合せ部の内面溶接を行う場合のものである。
【００２４】
図１は実施例の溶接鋼管製造用の溶接装置（以下、場合により単に溶接装置という）１０の全体構成を説明する側面図であり、（イ）は溶接作業準備状態、（ロ）は溶接作業開始時点の状態、（ハ）は溶接作業進行中の状態を示す。
【００２５】
図２は図１（イ）の要部の拡大図、図３は図１（ハ）の要部拡大図、図４は図３の平面図、図５は図３のＡ−Ａ矢視図である。
これらの図において、１３は例えばＭＡＧ溶接用の溶接トーチである。溶接トーチ１３は、中心部に溶接用ワイヤ４を挿通させるとともに、先端からシールドガスを吹き出す構造となっている。この溶接トーチ１３は、ブーム駆動装置１７によって管状材２内に出し入れ可能な長尺のブーム１８の前端部に取り付けられ、ブーム１８に沿って後端部の装置本体部２１に伸びる溶接トーチチューブ２０に接続されている。溶接トーチチューブ２０は溶接用ワイヤ４及びシールドガスを溶接トーチ１３に送る通路となる。前記装置本体部２１は、溶接電源や、コイル状に巻いた溶接用ワイヤ４を供給するワイヤ供給装置や、シールドガスを供給するガスボンベや、ヒューム排出部等を備えている。
【００２６】
ブーム１８の先端部にはブームヘッド２２が連結されており、溶接トーチ１３は直接にはこのブームヘッド２２に取り付けられている。
ブームヘッド２２は、ブーム１８の先端部に可動機構２３を介して連結されている。可動機構２３は、ブームヘッド２２が上面から見て左右方向に首振り回動するのを許容する水平角度可動部２４と、ブームヘッド２２がブーム１８に対して鉛直方向上下に移動するのを許容する鉛直可動部２５と、ブームヘッド２２がブーム１８に対して水平方向左右に移動するのを許容する水平可動部２６とからなっている。
ブームヘッド２２の下面中央の前後２箇所に、突合せ部の開先（Ｖ開先）２ａに嵌入して転動する倣い輪２８を備えている。この倣い輪２８は、ブームヘッド２２の移動の際に、開先に嵌入してブームヘッド２２の位置決めを行い、ブームヘッド２２に取り付けられた溶接トーチ１３の先端を正しく開先２ａに沿わせる作用をする。
可動機構２３の詳細構造は省略するが、ブームヘッド２２が後退移動する際に、ブームヘッド２２の管長さ方向移動以外の動きを拘束しないもの、すなわち、倣い輪２８が開先に沿って転動するのに追従して動くことを許容するものであればよい。例えば、水平角度可動部２４として垂直な回転軸を介して連結する構造、鉛直可動部２５として鉛直方向の蟻と蟻ミゾと組み合わせによる水平スライド構造、水平可動部２６として水平方向の蟻と蟻ミゾとの組み合わせによる鉛直スライド構造等を採用でき、その他種々の構造が可能である。
また、ブーム１８は、管状材２の内面底部及びこれに連続する外部テーブル３０を転動してブーム１８を支持するブーム支持輪２９を備えている。
【００２７】
本発明では、ブームヘッド２２の前端部に、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口３１ａを備えた開口部材３１が取り付けられ、この開口部材３１に接続されたヒューム排出チューブ３２がブームヘッド２２及びブーム１８を通って装置本体部２１側まで挿通されている。詳細は後述する。
【００２８】
この実施例では、溶接トーチ１３を開先２ａに沿って後退させながら溶接を行う後退法で溶接する。すなわち、図１〜図４等に示されるように、溶接トーチ１３を支持するブーム１８が溶接ビード５の上方に位置せず、溶接トーチ１３が溶接ビード５から離れていく方向に移動しつつ溶接する。
【００２９】
仮に図６（ロ）のような前進法を採用した場合、溶接機器が溶接ビードの輻射熱を受けるので、輻射熱からの保護構造を厳重にする必要があり、溶接機器が大型化する。
しかし、図６（イ）にも示したこの後退法を採用することにより、溶接機器（溶接トーチ１３や、ブーム１８に沿って配される各部分）が溶接ビードの輻射熱を受けることが少なくなり、したがって、輻射熱からの保護構造を簡素化でき、溶接機器の小型化が可能となる。
また、開先位置の倣い装置として、前述のように、単に倣い輪２８を開先に嵌入させるという簡単な構造を採用することができるので、倣い装置の簡素化が可能となる。
【００３０】
また、実施例では、溶接トーチ１３のトーチ角度θを図３等にも示すように、直角でなく５０〜７０°に設定している。また、実施例の溶接トーチ１３は、曲率半径Ｒが例えば７０ｍｍ程度であり、また、冷却水を送り込んでトーチの冷却を行う方式の水冷トーチである。なお、溶接トーチ１３には冷却水パイプが接続されているが、図示を省略した。
なお、トーチ角度５０〜７０°という範囲は、詳細は省くがトーチ角度θを種々変化させて良好な溶接が可能な条件を実験的に種々探索した結果得られたものである。
【００３１】
前記ヒューム吸引口３１ａを形成する開口部材３１の詳細を説明すると、図３〜図５等に示すように、この開口部材３１は、溶接トーチ１３の両側で左右対称に設けられており、それらはいずれもヒューム吸引口３１ａが概ね上向きをなしている。
実施例のヒューム吸引口３１ａは、概ね管状材２の長さ方向に細長い四角形であり、また、上端が左右側壁内面側に寄るように傾斜している。
また、ヒューム吸引口３１ａを形成する開口部材３１の外形は、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしている。ここでフィン状とは、開口部材３１の外形が扁平（したがって、内部空間の幅がヒューム吸引口３１ａの幅と概ね同じ）であることを指す。但し、必ずしも平坦であるものに限らず、場合によっては、溶接ヒュームの流れの制御のために曲面とすることも考えられる。開口部材３１のヒューム排出チューブ３２に接続される部分３１ｂは四角形筒、円筒、楕円筒、長円筒など任意である。
【００３２】
上記の溶接装置１０により、管状材２の内面溶接を行う場合、ブーム駆動装置１７を駆動してブーム１８を前進させて、図１（ロ）のように溶接トーチ１３を管状材２の前端まで移動させる。なお、ブーム１８を駆動する手段は任意であり、ブーム１８の後端の装置本体部２１を台車上に設置してその台車を駆動する構造としてもよい。
なお、図１において、３５は溶接開始位置において良好な溶接が行われるための補助板である。
ブーム１８とともに溶接トーチ１３を図１（ロ）の位置から矢印のように後退させながら先端から溶接用ワイヤ４を開先に繰り出すとともにシールドガスを放出して、シールドガス中で溶接を行う。
【００３３】
上記の溶接装置１０により管状材２の突合せ部の内面溶接を行った溶接実験について説明する。
製造しようとする鋼管は１９ｍｍ（板厚）×２００ｍｍ（辺長）×２００ｍｍ（辺長）の角形鋼管である。使用した溝形鋼１は鋼板をプレス成形したものである。溶接方式はシールドガスとして炭酸ガスを用いたＭＡＧ溶接である。開先条件はＹ開先、開先深さ６ｍｍである。溶接用ワイヤは径φ１．２ｍｍで、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤの両方で実験した。
溶接速度４０〜８０ｃｍ／min.に対して、トーチ角度θを４５〜９０°の範囲で種々変えて、良好な溶接が可能なトーチ角度θを探索する溶接実験の結果を図９に示す。図９（イ）は溶接用ワイヤ４としてソリッドワイヤφ１．２ｍｍを用いた場合、図９（ロ）はフラックス入りワイヤφ１．２ｍｍを用いた場合である。
同図に示すように、溶接速度５０〜６０ｃｍ／min.の範囲では、ソリッドワイヤではトーチ角度が約５０°以上、フラックス入りワイヤは約６０°以上で良好な溶接が得られた。フラックス入りワイヤの場合、溶接速度７０ｃｍ／min.でも良好な溶接が得られた。 この実験結果より、トーチ角度θが５０°までなら良好な溶接を得ることが可能であるが、例えば６０±１０°の範囲が好適である。
なお、良好な溶接が可能な溶接速度は溶接用ワイヤの径とも関係があり、両者の関係を適切に選択するとよい。
【００３４】
本発明は管内での溶接なので、ヒューム吸引を行わない場合、溶接ヒュームは図１２（イ）に示すように、溶接部（溶接ビード５部分）から立ち上がり、左右側壁内面に沿って降りてくる流れとなる。
ここで図１２（ロ）に示すように、溶接部の上方にフード６を設けるなどのようにヒューム吸引口を溶接部に直接向ける直接吸引方式で溶接ヒューム（実線で示す）の吸引を行う場合、充分なヒューム吸引効果を得るために吸引風速を大きくすると、シールドガス（破線で示す）も容易に吸引されてしまい、シールドガスのシールド機能が損なわれる。
しかし、本発明の溶接装置では、図８（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように、溶接部から立ち上がった溶接ヒュームは、管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる際にヒューム吸引口３１ａから適切に吸引されるとともに、溶接トーチ１３から下向きに放出されたシールドガスは、上向きのヒューム吸引口３１ａによる吸引からの直接的な影響を受けず、シールドガスの流れが乱されることはない。
大気を遮断して溶接部を保護しているシールドガスが溶接位置で乱流になると大気を巻き込み、ブローホールなどの溶接不良が発生する恐れがあるため、シールドガスの風速は、溶接部で層流になる範囲の２ｍ／ｓ以下とする必要があり、健全な溶接をするには溶接部近傍での風速が１ｍ／ｓ以下とするのが望ましい。上記のような溶接ヒュームを上向きのヒューム吸引口３１ａから吸引するようにすれば、溶接ヒュームの充分な吸引を確保しつつ、シールドガスの溶接部での風速を１ｍ／ｓ以下にすることが可能となり、溶接ヒューム吸引性能とシールド機能とを共に確保することができる。
【００３５】
シールド機能を確認するために行った窒素量分析試験の試験結果を図１０に示す。風でシールドガスが飛ばされると窒素量が増すので、溶接部近傍の気体の窒素量を測定する窒素量分析試験により、シールドガスが溶接部を覆っているか否かすなわちシールド機能を測定することができる。
この溶接実験の条件では風速と窒素量との関係が図１０の曲線のようになった。風速１．５ｍ／ｓではブローホールが多発したが、風速１．０ｍ／ｓでは良好な溶接が得られた。
この風速は上記の通り、シールドガスが乱流にならずに層流状態を維持することができる風速である。
管内での溶接の場合にヒューム吸引を行うことで管内に外部から空気が流入するが、充分なヒューム吸引のために吸引風量を大とした場合、管内に流入する空気の量と管の断面積との関係で、小径管の場合、管内への流入速度は大となる。しかし、上向きのヒューム吸引口３１ａからのヒューム吸引によって、溶接部での風速を１ｍ／ｓ以下にすることが可能となる。
【実施例２】
【００３６】
図１３にヒューム吸引口を形成する開口部材の他の実施例を示す。この開口部材４１は、前記実施例と同様に、溶接鋼管長さ方向に細長い四角形のヒューム吸引口４１ａが左右両側に対称的に設けられ、かつ、ヒューム吸引口４１ａの向きが左右内面側壁側に傾斜した上向きであるが、この開口部材４１のヒューム吸引口４１ａはさらに、前方側が低くなるように傾斜している。開口部材４１のヒューム排出チューブ３２に接続される部分４１ｂは四角形筒、円筒、楕円筒、長円筒など任意である。
このようにヒューム吸引口４１ａの向きを、前方側が低くなるように傾斜した上向きとすると、溶接トーチを後退させながら溶接を行う後退法を採用する場合に、前方に残る溶接ヒュームを吸引するために適切であり、溶接ヒュームを効率的に吸引可能である。
また、開口部材４１は、前記実施例と同様に、その外形が扁平であり溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしている。
図示例の開口部材４１の形状は、ヒューム排出チューブ３２に接続される部分４１ｂに向かって狭く（図１３（イ）参照）なる形状である。この場合、開口部材４１の下部が上部（ヒューム吸引口４１ａの部分）より広くなる断面形状としてもよい。
【実施例３】
【００３７】
上述の実施例は、角形の溶接鋼管を製造する鋼材として、プレス成形による溝形鋼を用いているが、熱間圧延の溝形鋼を用いることも当然可能である。
また、角形鋼管でなく丸鋼管を製造する場合にも本発明を適用できる。この場合は、1枚の鋼板を円形断面に湾曲成形して、その端縁の突合せ部を本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置により内面溶接する。
【００３８】
溶接方式として、シールドガスとして炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスを用いるＭＡＧ溶接に限らず、アルゴン等の不活性ガスを用いるＭＩＧ溶接を採用してもよい。要するに、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ溶接を行う溶接方法であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用する溶接鋼管製造用の溶接装置の全体構成の概略の示す側面図であり、（イ）は溶接作業準備状態、（ロ）は溶接作業開始時点の状態、（ハ）は溶接作業進行中の状態を示す。
【図２】本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置の一実施例を示すもので、図１（イ）の要部の詳細拡大図である。
【図３】図１（ハ）の詳細要部拡大図である。
【図４】図３の平面図である。
【図５】図３のＡ−Ａ矢視図である。
【図６】溶接トーチの移動方向について説明するもので、（イ）は実施例で採用する後退法の説明図、（ロ）は前進法である。
【図７】溶接トーチの角度（トーチ角度θ）について説明するもので、（イ）は実施例で採用するトーチ角度θの場合、（ロ）は一般的なトーチ角度９０°の場合の図である。
【図８】本発明の溶接鋼管製造用の溶接装置で管状材の内面溶接を行う場合の溶接ヒューム及びシールドガスの流れを説明する図であり、（イ）は図３に、（ロ）は図４に、（ハ）は図５にそれぞれ対応させて示した図である。
【図９】良好な溶接が可能なトーチ角度θを探索する溶接実験の結果を示すもので、（イ）はソリッドワイヤの場合、（ロ）はフラックス入りワイヤの場合である。
【図１０】本発明のヒューム吸引口を備えた溶接装置におけるシールド機能を確認するために行った窒素量分析試験の試験結果を示す図である。
【図１１】溶接トーチを傾斜させた場合（溶接トーチがトーチ角度θを有する場合）の問題を説明するための図である。
【図１２】角形鋼管の内面溶接を行う場合の溶接ヒューム及びシールドガスの流れを説明するための図であり、（イ）はヒューム吸引を行わない場合、（ロ）は上方に配置した吸引フードにより直接吸引を行う場合のものである。
【図１３】ヒューム吸引口を形成する開口部材の他の実施例を示すもので、（イ）は側面図、（ロ）は正面図である。
【図１４】２つの溝形鋼を向かい合わせ端縁どうしの突合せ部を溶接して製造する角形の溶接鋼管を説明する図である。
【図１５】図１４における突合せ部の溶接方式を説明するもので、（イ）は内外面溶接方式、（ロ）および（ハ）は外面溶接方式を示す。
【符号の説明】
【００４０】
１ 溝形鋼
２ 管状材（鋼管の溶接前の状態のもの）
２ａ 開先
４ 溶接用ワイヤ
５ 溶接ビード
１０ 溶接鋼管製造用の溶接装置（溶接装置）
１３ 溶接トーチ
１７ ブーム駆動装置
１８ ブーム
２０ 溶接トーチチューブ
２１ 装置本体部
２２ ブームヘッド
２３ 可動機構
２４ 水平角度可動部
２５ 鉛直可動部
２６ 水平可動部
２８ 倣い輪
２９ 支持輪
３０ 外部テーブル
３１、４１ 開口部材
３１ａ、４１ａ ヒューム吸引口
３２ ヒューム排出チューブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接鋼管を製造する際に、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であって、
溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口を、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチの左右両側に概ね上向きに設けたことを特徴とする溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項２】
前記ヒューム吸引口を溶接トーチの左右両側に対称的に設けるとともに、ヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にしたことを特徴とする請求項１記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項３】
前記ヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜した上向きであることを特徴とする請求項１又は２記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項４】
前記ヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜しかつ前方側が低くなるように傾斜した上向きであることを特徴とする請求項１又は２記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項５】
前記ヒューム吸引口を形成する開口部材の外形が、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしていることを特徴とする請求項１〜４記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項６】
前記管状材の後端側から挿入されて前記管状材内を管長さ方向前後に移動可能にされたブームの前端部に前記溶接トーチを取り付けるとともに、この溶接トーチのトーチ角度を９０°より小さくしたことを特徴とする請求項１〜５溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項１】
溶接鋼管を製造する際に、溶接トーチの先端の開口から放出されるシールドガス中で、同じく溶接トーチの先端の開口から連続的に繰り出される溶接用ワイヤと溶接対象の母材との間にアークを発生させて溶接を行う溶接方式により、かつ、溶接時に発生する溶接ヒュームを吸引しつつ、端縁どうしが突き合わされて管状をなす管状材の前記突合せ部の内面溶接を行う溶接鋼管製造用の溶接装置であって、
溶接ヒュームを吸引するヒューム吸引口を、溶接部から立ち上がり管内天井面に突き当たって左右内面側壁に沿って降りてくる溶接ヒュームを吸引するように、溶接トーチの左右両側に概ね上向きに設けたことを特徴とする溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項２】
前記ヒューム吸引口を溶接トーチの左右両側に対称的に設けるとともに、ヒューム吸引口の形状を概ね溶接鋼管長さ方向に細長い四角形にしたことを特徴とする請求項１記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項３】
前記ヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜した上向きであることを特徴とする請求項１又は２記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項４】
前記ヒューム吸引口の向きが、左右内面側壁側に傾斜しかつ前方側が低くなるように傾斜した上向きであることを特徴とする請求項１又は２記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項５】
前記ヒューム吸引口を形成する開口部材の外形が、溶接ヒュームを整流するようなフィン状をなしていることを特徴とする請求項１〜４記載の溶接鋼管製造用の溶接装置。
【請求項６】
前記管状材の後端側から挿入されて前記管状材内を管長さ方向前後に移動可能にされたブームの前端部に前記溶接トーチを取り付けるとともに、この溶接トーチのトーチ角度を９０°より小さくしたことを特徴とする請求項１〜５溶接鋼管製造用の溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−６８２９５（Ｐ２００８−６８２９５Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５００７８（Ｐ２００６−２５００７８）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００６８３９）日鐵住金建材株式会社 (371)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００００６８３９）日鐵住金建材株式会社 (371)
【Ｆターム（参考）】
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