JPH06170569A - 複合熱源製管溶接方法 - Google Patents
複合熱源製管溶接方法Info
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- JPH06170569A JPH06170569A JP43A JP32308392A JPH06170569A JP H06170569 A JPH06170569 A JP H06170569A JP 43 A JP43 A JP 43A JP 32308392 A JP32308392 A JP 32308392A JP H06170569 A JPH06170569 A JP H06170569A
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- welded
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】高周波予熱レーザ製管溶接法の溶接速度をさら
に向上させる方法を提供する。 【構成】帯鋼の突合せ部にレーザビームを照射すること
により溶接を完成させる複合熱源製管溶接方法におい
て、溶接前の突合せ部の管形状の外面側に下記〜の
全ての条件を満たす幅ａ (mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝を
形成させて溶接する複合熱源製管溶接方法。 ａ＞０、ｂ＞０ (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／
ｖ）〕 （ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 Ｄは集光前のレーザビーム径 (mm)、ｆは集光光学系の
焦点距離 (mm)、Ｐはレーザビームの出力(kＷ)、ｖは溶
接速度 (m/min)、ｔは溶接すべき帯鋼の板厚 (mm)、Ｔ
m は溶接すべき帯鋼の融点 (℃）、Ｔi は溶接すべき帯
鋼の予熱温度 (℃）
に向上させる方法を提供する。 【構成】帯鋼の突合せ部にレーザビームを照射すること
により溶接を完成させる複合熱源製管溶接方法におい
て、溶接前の突合せ部の管形状の外面側に下記〜の
全ての条件を満たす幅ａ (mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝を
形成させて溶接する複合熱源製管溶接方法。 ａ＞０、ｂ＞０ (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／
ｖ）〕 （ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 Ｄは集光前のレーザビーム径 (mm)、ｆは集光光学系の
焦点距離 (mm)、Ｐはレーザビームの出力(kＷ)、ｖは溶
接速度 (m/min)、ｔは溶接すべき帯鋼の板厚 (mm)、Ｔ
m は溶接すべき帯鋼の融点 (℃）、Ｔi は溶接すべき帯
鋼の予熱温度 (℃）
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般配管用鋼管、機械
構造用鋼管および化学工業用鋼管などの溶接鋼管を製造
する方法に関し、特に曲げ加工性などの機械的性質の良
好な鋼管を高能率で製造する製管溶接方法に関するもの
である。
構造用鋼管および化学工業用鋼管などの溶接鋼管を製造
する方法に関し、特に曲げ加工性などの機械的性質の良
好な鋼管を高能率で製造する製管溶接方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】溶接管製造のための溶接方法としては、
ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、サブマージアーク溶接等の
溶融溶接法と、ＥＲＷに代表される圧接法とに大別され
る。溶融溶接法は、溶接欠陥が発生し難く溶接部の性能
に優れていることが利点であり、特にＴＩＧ溶接やプラ
ズマ溶接では、溶接金属の清浄度が良好であるためステ
ンレス等の高級鋼管の製造に適用されているが、反面、
溶接速度が遅いため生産性が問題となっている。一方、
ＥＲＷは、溶融溶接法とは全く逆に、能率面では極めて
優れているが、ペネトレータ等の溶接欠陥が発生し易い
という欠点を有しているため、高級鋼管の製造にこの方
法を適用した場合、溶接部の性能の信頼性が問題とな
る。
ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、サブマージアーク溶接等の
溶融溶接法と、ＥＲＷに代表される圧接法とに大別され
る。溶融溶接法は、溶接欠陥が発生し難く溶接部の性能
に優れていることが利点であり、特にＴＩＧ溶接やプラ
ズマ溶接では、溶接金属の清浄度が良好であるためステ
ンレス等の高級鋼管の製造に適用されているが、反面、
溶接速度が遅いため生産性が問題となっている。一方、
ＥＲＷは、溶融溶接法とは全く逆に、能率面では極めて
優れているが、ペネトレータ等の溶接欠陥が発生し易い
という欠点を有しているため、高級鋼管の製造にこの方
法を適用した場合、溶接部の性能の信頼性が問題とな
る。
【０００３】そこで最近、溶接熱源として炭酸ガスレー
ザを使用することが検討されており、一部でステンレス
溶接管を対象に実用化されつつある。レーザ溶接は、溶
融溶接であるため溶接部の欠陥が発生し難く、さらに通
常のアーク溶接に比較して熱源のエネルギ密度が高いた
め、溶け込みが深く高速溶接が可能であり、また総入熱
量を少なくできるため、溶接部の性能も良好であるとい
う特徴を有している。
ザを使用することが検討されており、一部でステンレス
溶接管を対象に実用化されつつある。レーザ溶接は、溶
融溶接であるため溶接部の欠陥が発生し難く、さらに通
常のアーク溶接に比較して熱源のエネルギ密度が高いた
め、溶け込みが深く高速溶接が可能であり、また総入熱
量を少なくできるため、溶接部の性能も良好であるとい
う特徴を有している。
【０００４】本発明者らは、レーザ溶接の溶接速度をさ
らに高める目的で、高周波による加熱とレーザ溶接を組
み合わせた高周波予熱レーザ製管溶接法を提案した（特
開平２−70379 号公報参照）。これによると、レーザ単
独の溶接法に比較して約２倍、プラズマ溶接法に比較し
て４倍以上の溶接速度を得ることがでる。しかし、レー
ザ溶接の溶接速度増加に対する要求は大きく、さらなる
高速化が求められている。
らに高める目的で、高周波による加熱とレーザ溶接を組
み合わせた高周波予熱レーザ製管溶接法を提案した（特
開平２−70379 号公報参照）。これによると、レーザ単
独の溶接法に比較して約２倍、プラズマ溶接法に比較し
て４倍以上の溶接速度を得ることがでる。しかし、レー
ザ溶接の溶接速度増加に対する要求は大きく、さらなる
高速化が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高周
波予熱レーザ製管溶接法の溶接速度をさらに向上させる
方法を提供することにある。
波予熱レーザ製管溶接法の溶接速度をさらに向上させる
方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、帯鋼を
成形ロール群に送給して連続的にオープンパイプ状に成
形し、高周波加熱を用いて予熱を行い、対設されたスク
イズロールで加圧してこの帯鋼の両端面を突合せ、その
突合せ部にレーザビームを照射することにより溶接を完
成させる複合熱源製管溶接方法において、溶接前の突合
せ部の管形状の外面側に下記〜の全ての条件を満た
す幅ａ (mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝を形成させて溶接す
ることを特徴とする複合熱源製管溶接方法にある。
成形ロール群に送給して連続的にオープンパイプ状に成
形し、高周波加熱を用いて予熱を行い、対設されたスク
イズロールで加圧してこの帯鋼の両端面を突合せ、その
突合せ部にレーザビームを照射することにより溶接を完
成させる複合熱源製管溶接方法において、溶接前の突合
せ部の管形状の外面側に下記〜の全ての条件を満た
す幅ａ (mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝を形成させて溶接す
ることを特徴とする複合熱源製管溶接方法にある。
【０００７】〔条件〕 ａ＞０、ｂ＞０ (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／
ｖ）〕 （ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ここで、Ｄは集光前のレーザビーム径 (mm) ｆは集光光学系の焦点距離 (mm) Ｐはレーザビームの出力(kＷ) ｖは溶接速度 (m/min) ｔは溶接すべき帯鋼の板厚 (mm) Ｔm は溶接すべき帯鋼の融点 (℃） Ｔi は溶接すべき帯鋼の予熱温度 (℃）
ｖ）〕 （ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ここで、Ｄは集光前のレーザビーム径 (mm) ｆは集光光学系の焦点距離 (mm) Ｐはレーザビームの出力(kＷ) ｖは溶接速度 (m/min) ｔは溶接すべき帯鋼の板厚 (mm) Ｔm は溶接すべき帯鋼の融点 (℃） Ｔi は溶接すべき帯鋼の予熱温度 (℃）
【０００８】
【作用】本発明者らは、帯鋼を曲げ加工し、突合わせ溶
接する際の溶接方法として、高周波加熱と炭酸ガスレー
ザを組み合わせた複合熱源溶接方法を適用し、その各種
溶接条件と突合わせ形状を適宜変えて溶接部の性能評価
を行った。
接する際の溶接方法として、高周波加熱と炭酸ガスレー
ザを組み合わせた複合熱源溶接方法を適用し、その各種
溶接条件と突合わせ形状を適宜変えて溶接部の性能評価
を行った。
【０００９】レーザ溶接法では、レーザビーム径が小さ
いため、極めて高い突合わせ精度が要求されると考えら
れてきたが、本発明者らの実験では、突合せ部の外面側
に多少の凹みやギャップが存在しても、何ら溶接に悪影
響を及ぼさないことが明らかとなった。本発明の方法
は、管形状の外面側に溶接性を損なわない範囲内のＶ溝
を設けることにより、溶接部における帯鋼の板厚を実質
的に減少せしめ、溶接速度の高速化を図るものである。
いため、極めて高い突合わせ精度が要求されると考えら
れてきたが、本発明者らの実験では、突合せ部の外面側
に多少の凹みやギャップが存在しても、何ら溶接に悪影
響を及ぼさないことが明らかとなった。本発明の方法
は、管形状の外面側に溶接性を損なわない範囲内のＶ溝
を設けることにより、溶接部における帯鋼の板厚を実質
的に減少せしめ、溶接速度の高速化を図るものである。
【００１０】以下、本発明の方法を添付の図１〜図３に
基づいて説明する。
基づいて説明する。
【００１１】図１（ａ）は本発明の方法における帯鋼
（以下、被溶接材という）の成形途中の状態を、図１
（ｂ）は本発明の方法における被溶接材の溶接直前の状
態をそれぞれ示す断面図である。
（以下、被溶接材という）の成形途中の状態を、図１
（ｂ）は本発明の方法における被溶接材の溶接直前の状
態をそれぞれ示す断面図である。
【００１２】板厚（肉厚）ｔ (mm) の被溶接材１を管形
状に成形し、その端面を突合せ、管形状の外面側に幅ａ
(mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝２を設ける。
状に成形し、その端面を突合せ、管形状の外面側に幅ａ
(mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝２を設ける。
【００１３】Ｖ溝２を設ける方法は、被溶接材１の端面
を突合せる場合に、Ｖ溝２になるような形状にあらかじ
めその端面隅部が加工処理されたものを使用する方法、
成形ロールの手前で被溶接材１の端面を連続的に切削ま
たは成形加工する方法、被溶接材１がオープンパイプ状
に成形された後の溶接直前にこれらの加工処理を行う方
法、あるいは成形ロールのロール孔型を変更することに
よりＶ溝２を得る方法などがあるが、いずれも本発明の
方法による溶接部の性能に対する効果は同等である。ま
た、Ｖ溝２は正確にＶ字型である必要はなく、傾斜面に
若干の凹凸や多少の曲率があっても許される。
を突合せる場合に、Ｖ溝２になるような形状にあらかじ
めその端面隅部が加工処理されたものを使用する方法、
成形ロールの手前で被溶接材１の端面を連続的に切削ま
たは成形加工する方法、被溶接材１がオープンパイプ状
に成形された後の溶接直前にこれらの加工処理を行う方
法、あるいは成形ロールのロール孔型を変更することに
よりＶ溝２を得る方法などがあるが、いずれも本発明の
方法による溶接部の性能に対する効果は同等である。ま
た、Ｖ溝２は正確にＶ字型である必要はなく、傾斜面に
若干の凹凸や多少の曲率があっても許される。
【００１４】図２（ａ）および図２（ｂ）は、前記Ｖ溝
２の形状とレーザビーム３との関係を示す断面図であ
る。
２の形状とレーザビーム３との関係を示す断面図であ
る。
【００１５】以下、図１および図２の記号を用いて前記
の条件の限定理由を説明する。
の条件の限定理由を説明する。
【００１６】 ａ＞０、ｂ＞０：本発明の方法では、
溶接部における被溶接材１の肉厚を減少させて溶接速度
を上げるために、突合せ部に幅ａ、深さｂのＶ溝２を設
けることが必要である。すなわち、幅ａ＞０、深さｂ＞
０とする。なお、幅ａ＝０、深さｂ＝０の場合がＶ溝２
のない従来法である。
溶接部における被溶接材１の肉厚を減少させて溶接速度
を上げるために、突合せ部に幅ａ、深さｂのＶ溝２を設
けることが必要である。すなわち、幅ａ＞０、深さｂ＞
０とする。なお、幅ａ＝０、深さｂ＝０の場合がＶ溝２
のない従来法である。
【００１７】 (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) ：この式は、被
溶接材１の端面の突合せ部にその光軸心を一致させたビ
ーム径Ｄ(mm)のレーザビーム３を焦点距離ｆ(mm)で集光
させた場合に、レーザビーム３がＶ溝２の肩部５に当た
るかどうかを決定する条件式である。図２（ａ）は、本
発明で定める範囲外である (ａ／ｂ) ≦ (Ｄ／ｆ) の場
合であり、図から明らかなようにレーザビーム３はＶ溝
の肩部５に当たる。その結果、その肩部５で金属プラズ
マが発生し、レーザビーム３がそのプラズマに吸収さ
れ、溶け込み深さが減少するので好ましくない。図２
（ｂ）は、本発明で定める適正条件である (ａ／ｂ) ＞
(Ｄ／ｆ) の場合であり、Ｖ溝の底部６にレーザビーム
３が集中し効率よく深い溶け込みが得られる。すなわ
ち、高速溶接のためには (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) である
ことが必要条件となる。
溶接材１の端面の突合せ部にその光軸心を一致させたビ
ーム径Ｄ(mm)のレーザビーム３を焦点距離ｆ(mm)で集光
させた場合に、レーザビーム３がＶ溝２の肩部５に当た
るかどうかを決定する条件式である。図２（ａ）は、本
発明で定める範囲外である (ａ／ｂ) ≦ (Ｄ／ｆ) の場
合であり、図から明らかなようにレーザビーム３はＶ溝
の肩部５に当たる。その結果、その肩部５で金属プラズ
マが発生し、レーザビーム３がそのプラズマに吸収さ
れ、溶け込み深さが減少するので好ましくない。図２
（ｂ）は、本発明で定める適正条件である (ａ／ｂ) ＞
(Ｄ／ｆ) の場合であり、Ｖ溝の底部６にレーザビーム
３が集中し効率よく深い溶け込みが得られる。すなわ
ち、高速溶接のためには (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) である
ことが必要条件となる。
【００１８】 (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −
Ｔi ) ｝×（Ｐ／ｖ）〕：この式は、溶接部の外面側に
アンダーカットを発生させないための条件式である。ア
ンダーカットを発生させないためには、Ｖ溝２が溶融金
属で充分埋められることが必要である。Ｖ溝２に単位時
間当たり供給されるべき溶融金属の量は、Ｖ溝２の断面
積と溶接速度ｖにより決定される。Ｖ溝２の断面積は
(１／２) ×( ａ×ｂ) で表される。被溶接材１の平均
比熱をＣp 、被溶接材１の融点をＴm、被溶接材１の予
熱温度をＴi 、被溶接材１の密度をρ、溶接速度をｖと
すると、Ｖ溝２を埋めるために必要な溶融金属を形成さ
せるのに必要な単位時間当たりのエネルギは、 (１／２) ×ａ×ｂ×ｖ× (Ｔm −Ｔi ) ×ρ×Ｃｐ で表される。レーザビームの出力をＰ（Ｗ）とすると、
レーザが単位時間当たりに供給するエネルギはＰ（Ｊ）
である。よって、 Ｐ≧｛ （１／２) ×ａ×ｂ×ｖ× (Ｔm −Ｔi ) ×ρ
×Ｃp ｝ ゆえに、 （ａ×ｂ) ≦｛２／（Ｃp ×ρ）｝×〔Ｐ／｛ｖ× (Ｔ
m −Ｔi ) ｝〕 となる。ただし、ここで実用上、２／（Ｃp ×ρ）は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位で、ａ、ｂを
mm、Ｐを kＷ、ｖを m/min、Ｔm とＴi を℃とすると、
後述するように多くの実験結果から 3000 とするのが適
切である。
Ｔi ) ｝×（Ｐ／ｖ）〕：この式は、溶接部の外面側に
アンダーカットを発生させないための条件式である。ア
ンダーカットを発生させないためには、Ｖ溝２が溶融金
属で充分埋められることが必要である。Ｖ溝２に単位時
間当たり供給されるべき溶融金属の量は、Ｖ溝２の断面
積と溶接速度ｖにより決定される。Ｖ溝２の断面積は
(１／２) ×( ａ×ｂ) で表される。被溶接材１の平均
比熱をＣp 、被溶接材１の融点をＴm、被溶接材１の予
熱温度をＴi 、被溶接材１の密度をρ、溶接速度をｖと
すると、Ｖ溝２を埋めるために必要な溶融金属を形成さ
せるのに必要な単位時間当たりのエネルギは、 (１／２) ×ａ×ｂ×ｖ× (Ｔm −Ｔi ) ×ρ×Ｃｐ で表される。レーザビームの出力をＰ（Ｗ）とすると、
レーザが単位時間当たりに供給するエネルギはＰ（Ｊ）
である。よって、 Ｐ≧｛ （１／２) ×ａ×ｂ×ｖ× (Ｔm −Ｔi ) ×ρ
×Ｃp ｝ ゆえに、 （ａ×ｂ) ≦｛２／（Ｃp ×ρ）｝×〔Ｐ／｛ｖ× (Ｔ
m −Ｔi ) ｝〕 となる。ただし、ここで実用上、２／（Ｃp ×ρ）は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位で、ａ、ｂを
mm、Ｐを kＷ、ｖを m/min、Ｔm とＴi を℃とすると、
後述するように多くの実験結果から 3000 とするのが適
切である。
【００１９】したがって、（ａ×ｂ) は〔｛ 3000 ／
(Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／ｖ）〕以下とした。
(Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／ｖ）〕以下とした。
【００２０】（ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.00
05Ｔi ｝〕：この式は、板厚（ｔ−ｂ）を幅ａで溶融さ
せるのに必要な投与エネルギを求める条件式である。
05Ｔi ｝〕：この式は、板厚（ｔ−ｂ）を幅ａで溶融さ
せるのに必要な投与エネルギを求める条件式である。
【００２１】突合せ部にＶ溝２を設けることにより、レ
ーザで溶かし込まなければならない板厚は（ｔ−ｂ）に
減少し、溶接速度の高速化を計ることができる。レーザ
による溶け込み深さは、入熱（Ｐ／ｖ）と比例関係にあ
るが、予熱を行った場合には、レーザによる投与エネル
ギと予熱による投与エネルギを総合して入熱に換算する
必要がある。
ーザで溶かし込まなければならない板厚は（ｔ−ｂ）に
減少し、溶接速度の高速化を計ることができる。レーザ
による溶け込み深さは、入熱（Ｐ／ｖ）と比例関係にあ
るが、予熱を行った場合には、レーザによる投与エネル
ギと予熱による投与エネルギを総合して入熱に換算する
必要がある。
【００２２】上述のように、レーザで溶かし込まなけれ
ばならない板厚は（ｔ−ｂ）であるが、実際にはＶ溝幅
ａと同じだけの幅で深さ（ｔ−ｂ）の溶け込みを得る必
要がある。したがって、予熱による投与エネルギの寄与
分は、このａ×（ｔ−ｂ）の矩形領域に対するものを考
慮すればよい。幅ａ、深さ（ｔ−ｂ）の矩形領域を高周
波加熱によって温度Ｔi まで加熱する際に、単位時間当
たり、この領域に投与されるエネルギは、 ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×ｖ×Ｔｉ となる。よって、レーザによる入熱と、高周波予熱によ
る入熱とを総合した入熱は、 （Ｐ／ｖ） ＋｛ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×ｖ× (Ｔ
i ／ｖ) ｝ ＝（Ｐ／ｖ) ＋｛ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝ となる。したがって、Ｖ溝を設けて実質的な板厚を（ｔ
−ｂ）とし、温度Ｔi の予熱を行う際の溶接に必要な入
熱条件は、ｋ2 を比例系数として次のように記述され
る。
ばならない板厚は（ｔ−ｂ）であるが、実際にはＶ溝幅
ａと同じだけの幅で深さ（ｔ−ｂ）の溶け込みを得る必
要がある。したがって、予熱による投与エネルギの寄与
分は、このａ×（ｔ−ｂ）の矩形領域に対するものを考
慮すればよい。幅ａ、深さ（ｔ−ｂ）の矩形領域を高周
波加熱によって温度Ｔi まで加熱する際に、単位時間当
たり、この領域に投与されるエネルギは、 ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×ｖ×Ｔｉ となる。よって、レーザによる入熱と、高周波予熱によ
る入熱とを総合した入熱は、 （Ｐ／ｖ） ＋｛ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×ｖ× (Ｔ
i ／ｖ) ｝ ＝（Ｐ／ｖ) ＋｛ａ×（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝ となる。したがって、Ｖ溝を設けて実質的な板厚を（ｔ
−ｂ）とし、温度Ｔi の予熱を行う際の溶接に必要な入
熱条件は、ｋ2 を比例系数として次のように記述され
る。
【００２３】（ｔ−ｂ) ≦ｋ2 ×〔 (Ｐ／ｖ) ＋｛ａ
（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝〕 ここで実用上、ｋ2 、｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位を前記のよう
にすると、後述する多数の実験結果から、ｋ2＝４、
｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.0005とするのが適切で
ある。
（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝〕 ここで実用上、ｋ2 、｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位を前記のよう
にすると、後述する多数の実験結果から、ｋ2＝４、
｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.0005とするのが適切で
ある。
【００２４】したがって、（ｔ−ｂ) は〔４×｛（Ｐ／
ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕以下とした。
ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕以下とした。
【００２５】 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005
Ｔi ｝〕：この式は、溶接部にアンダーカットを生じさ
せないための条件式である。
Ｔi ｝〕：この式は、溶接部にアンダーカットを生じさ
せないための条件式である。
【００２６】図３は、Ｖ溝２の幅ａがビード幅Baより過
剰に大きい場合に発生するアンダーカット４を示す断面
図である。溶接部にアンダーカット４を生じさせないた
めには、Ｖ溝２の溝幅ａはビード幅Baより小さいことが
必要である。溶接速度ｖ(m/min) を一定とすると、ビー
ド幅Baは入熱（Ｐ／ｖ）に比例するので、ｋ3 を比例系
数として上記式の場合と同様に考えると、次式を得
る。
剰に大きい場合に発生するアンダーカット４を示す断面
図である。溶接部にアンダーカット４を生じさせないた
めには、Ｖ溝２の溝幅ａはビード幅Baより小さいことが
必要である。溶接速度ｖ(m/min) を一定とすると、ビー
ド幅Baは入熱（Ｐ／ｖ）に比例するので、ｋ3 を比例系
数として上記式の場合と同様に考えると、次式を得
る。
【００２７】ａ≦ｋ3 ×〔（Ｐ／ｖ) ＋｛ａ（ｔ−ｂ）
×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝〕 ここで実用上、ｋ3 、｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位を前記のよう
にすると、後述する多数の実験結果から、ｋ3＝２、
｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.0005とするのが適切で
ある。
×Ｃp ×ρ×Ｔi ｝〕 ここで実用上、ｋ3 、｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝は実
験的に求めるものであり、それぞれの単位を前記のよう
にすると、後述する多数の実験結果から、ｋ3＝２、
｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.0005とするのが適切で
ある。
【００２８】したがって、ａは〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.
0005Ｔi ｝〕以下とした。
0005Ｔi ｝〕以下とした。
【００２９】次に、本発明者らが行ったいくつかの実験
結果、およびそれから得られる上記四つの系数の根拠を
図４〜図11に基づいて説明する。
結果、およびそれから得られる上記四つの系数の根拠を
図４〜図11に基づいて説明する。
【００３０】図４は板厚３mm、溶接速度10m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３１】図５は板厚３mm、溶接速度20m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３２】図６は板厚３mm、溶接速度30m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３３】実験条件としては、集光前のレーザビーム
径Ｄ＝30mm、ミラー（放物面鏡）の焦点距離ｆ＝150mm
、レーザ出力Ｐ＝５ kＷでそれぞれ一定とし、焦点位
置はＶ溝の底部６に設定した。高周波による予熱温度Ｔ
i は1000℃とした。なお、被溶接材１の材質はSUS 304
、融点Ｔm は1450℃、平均比熱Ｃp は 650 (Ｊ／kg・
Ｋ) である。
径Ｄ＝30mm、ミラー（放物面鏡）の焦点距離ｆ＝150mm
、レーザ出力Ｐ＝５ kＷでそれぞれ一定とし、焦点位
置はＶ溝の底部６に設定した。高周波による予熱温度Ｔ
i は1000℃とした。なお、被溶接材１の材質はSUS 304
、融点Ｔm は1450℃、平均比熱Ｃp は 650 (Ｊ／kg・
Ｋ) である。
【００３４】正常ビードが得られるＶ溝２のａ、ｂ値の
範囲は、上記の条件〜を満足する各図中に示す斜線
部の領域である。図４の溶接速度10m/min の場合および
図５の溶接速度20m/min の場合では、斜線部の領域は比
較的大きいから、本発明の方法を適用できる範囲も広
い。また、ａ＝０、ｂ＝０、すなわち、Ｖ溝２を設けな
い従来法の場合でも正常ビードが得られる。しかし、図
６の溶接速度が30m/minの場合には、ａ、ｂ値の適正範
囲は狭められ、Ｖ溝２を設けない従来法の場合、すなわ
ち、ａ＝０、ｂ＝０の点は斜線部の適正領域から外れて
しまうから、溶接ができないことがわかる。
範囲は、上記の条件〜を満足する各図中に示す斜線
部の領域である。図４の溶接速度10m/min の場合および
図５の溶接速度20m/min の場合では、斜線部の領域は比
較的大きいから、本発明の方法を適用できる範囲も広
い。また、ａ＝０、ｂ＝０、すなわち、Ｖ溝２を設けな
い従来法の場合でも正常ビードが得られる。しかし、図
６の溶接速度が30m/minの場合には、ａ、ｂ値の適正範
囲は狭められ、Ｖ溝２を設けない従来法の場合、すなわ
ち、ａ＝０、ｂ＝０の点は斜線部の適正領域から外れて
しまうから、溶接ができないことがわかる。
【００３５】図７は板厚６mm、溶接速度７m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３６】図８は板厚６mm、溶接速度12m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３７】図９は板厚９mm、溶接速度20m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００３８】上記の例でのその他の実験条件は、図４〜
図６の場合と同じである。
図６の場合と同じである。
【００３９】正常ビードが得られるこれらの図中の斜線
部の領域は、傾向として板厚３mmの場合と同様であり、
溶接速度が増すにつれてａ、ｂ値の適正範囲は狭めら
れ、斜線部の領域は小さくなる。図９の場合には、適正
領域を示す斜線部が存在しないが、これは、本発明の方
法によっても、上記の図９の条件では正常な溶接が不可
能であること、および適正な溶接を行うには予熱温度を
上げるか、あるいはレーザ出力を上げるなどの処置が必
要であることを示すものである。
部の領域は、傾向として板厚３mmの場合と同様であり、
溶接速度が増すにつれてａ、ｂ値の適正範囲は狭めら
れ、斜線部の領域は小さくなる。図９の場合には、適正
領域を示す斜線部が存在しないが、これは、本発明の方
法によっても、上記の図９の条件では正常な溶接が不可
能であること、および適正な溶接を行うには予熱温度を
上げるか、あるいはレーザ出力を上げるなどの処置が必
要であることを示すものである。
【００４０】図10は板厚８mm、溶接速度５m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００４１】図11は板厚８mm、溶接速度８m/min での
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
ａ、ｂ値の適正範囲を示す図である。
【００４２】これらの例でもその他の実験条件は前記と
全く同じである。
全く同じである。
【００４３】図10および図11から、板厚８mmの場合で
も、板厚３mmあるいは板厚６mmの場合の結果と同様な傾
向を示すことが明らかである。
も、板厚３mmあるいは板厚６mmの場合の結果と同様な傾
向を示すことが明らかである。
【００４４】ここで、条件式、および中の各係数
の決定方法を説明する。
の決定方法を説明する。
【００４５】板厚および予熱温度、レーザ出力、溶接速
度などの入熱条件を固定して、Ｖ溝形状を変化させなが
ら溶接を行い、健全な溶接ビードが得られたＶ溝形状の
条件を整理すると、図４〜図11に斜線部で示す領域とな
る。条件式、およびをこの領域の境界と比較する
と、回帰的に、式における｛２／（Ｃp ×ρ）｝＝30
00、式における ｋ2 ＝４、式における ｋ3 ＝
２、、式における｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.
0005が、それぞれ得られた。
度などの入熱条件を固定して、Ｖ溝形状を変化させなが
ら溶接を行い、健全な溶接ビードが得られたＶ溝形状の
条件を整理すると、図４〜図11に斜線部で示す領域とな
る。条件式、およびをこの領域の境界と比較する
と、回帰的に、式における｛２／（Ｃp ×ρ）｝＝30
00、式における ｋ2 ＝４、式における ｋ3 ＝
２、、式における｛ａ（ｔ−ｂ）×Ｃp ×ρ｝＝0.
0005が、それぞれ得られた。
【００４６】以上は、オーステナイト系ステンレス鋼SU
S 304 についての検討結果であるが、炭素鋼、低合金鋼
あるいはフェライト系ステンレス鋼の場合も、前記の各
条件式が満たされれば、これの場合と同様に正常なビー
ドが得られることが確認された。
S 304 についての検討結果であるが、炭素鋼、低合金鋼
あるいはフェライト系ステンレス鋼の場合も、前記の各
条件式が満たされれば、これの場合と同様に正常なビー
ドが得られることが確認された。
【００４７】
【実施例】表１に示す化学組成と融点 (Ｔm ) の帯鋼を
被溶接材として用いた。Ａはオーステナイト系ステンレ
ス鋼、Ｂはフェライト系ステンレス鋼、Ｃは50キロ級低
合金鋼である。
被溶接材として用いた。Ａはオーステナイト系ステンレ
ス鋼、Ｂはフェライト系ステンレス鋼、Ｃは50キロ級低
合金鋼である。
【００４８】図１および図２（ｂ）に示す方法、すなわ
ち、溶接熱源として最大出力５ kＷの炭酸ガスレーザ発
振器および周波数450kＨz の高周波加熱装置を使用し
て、突き合わせ溶接試験を行った。レーザビームの集光
前のビーム径Ｄは30mm、焦点位置ｆはＶ溝底部に設定し
た。表２−１、表２−２にこのときのその他の溶接条件
を示す。従来例は、Ｖ溝を設けない方法である。
ち、溶接熱源として最大出力５ kＷの炭酸ガスレーザ発
振器および周波数450kＨz の高周波加熱装置を使用し
て、突き合わせ溶接試験を行った。レーザビームの集光
前のビーム径Ｄは30mm、焦点位置ｆはＶ溝底部に設定し
た。表２−１、表２−２にこのときのその他の溶接条件
を示す。従来例は、Ｖ溝を設けない方法である。
【００４９】溶接部の評価は、ビード形状の目視観察で
行った。表２に評価結果を併せて示す。白丸印は正常な
ビードであることを表す。
行った。表２に評価結果を併せて示す。白丸印は正常な
ビードであることを表す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２−１】
【００５２】
【表２−２】
【００５３】No.１、２、３、７、10、11、15、19、2
3、27、31および35がＶ溝を設けずに行った条件式を
満たさない従来例であり、 No.４、８、12、16、20、2
4、28、32および36が本発明例、その他が比較例であ
る。
3、27、31および35がＶ溝を設けずに行った条件式を
満たさない従来例であり、 No.４、８、12、16、20、2
4、28、32および36が本発明例、その他が比較例であ
る。
【００５４】全ての条件が本発明で定める範囲内の本発
明例では、いずれも正常なビード形状が得られ、溶接速
度が30m/min になっても正常な溶接が可能であった。
明例では、いずれも正常なビード形状が得られ、溶接速
度が30m/min になっても正常な溶接が可能であった。
【００５５】板厚３mmのＡ鋼では、従来例No.3の溶接速
度30m/min の条件で溶け込み不足が発生したので、従来
例No.2の溶接速度20m/min が従来法で正常なビード形状
が得られる限界速度であることがわかった。しかし、例
えば、本発明例No.4の溶接速度が30m/min の場合では、
溶け込み不足は認められず、適切なＶ溝を設けることに
より溶接の高速化が可能となった。比較例 No.5 は、ａ
＝0.2mm 、ｂ＝2.0mm、Ｄ＝30mm、ｆ＝150mm の条件で
あるから、条件式 (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) を満たさな
い図６に示す場合であり、レーザビームがＶ溝の底部に
集中しないため溶け込み不足が発生した。比較例No.6
は、条件式 (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi )
｝×（Ｐ／ｖ）〕を満たさない例であり、Ｖ溝が大き
すぎてこの溝を充分埋めるだけの溶融金属が発生しない
ため、アンダーカットが発生した。
度30m/min の条件で溶け込み不足が発生したので、従来
例No.2の溶接速度20m/min が従来法で正常なビード形状
が得られる限界速度であることがわかった。しかし、例
えば、本発明例No.4の溶接速度が30m/min の場合では、
溶け込み不足は認められず、適切なＶ溝を設けることに
より溶接の高速化が可能となった。比較例 No.5 は、ａ
＝0.2mm 、ｂ＝2.0mm、Ｄ＝30mm、ｆ＝150mm の条件で
あるから、条件式 (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) を満たさな
い図６に示す場合であり、レーザビームがＶ溝の底部に
集中しないため溶け込み不足が発生した。比較例No.6
は、条件式 (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi )
｝×（Ｐ／ｖ）〕を満たさない例であり、Ｖ溝が大き
すぎてこの溝を充分埋めるだけの溶融金属が発生しない
ため、アンダーカットが発生した。
【００５６】板厚６mmのＡ鋼では、従来例 No.7 のよう
に７m /minの溶接速度では溶接が不可能であるのに対
し、本発明例No.8のように適切なＶ溝を設けることによ
り正常な溶接が可能となった。比較例No.9は、条件式
（ｔ−ｂ) ≦｛４×（Ｐ／ｖ＋0.0005Ｔi ) ｝を満たさ
ない場合であり、Ｖ溝が浅いことにより溶け込み不足が
発生した。比較例No.10 は、条件式ａ≦〔２×｛（Ｐ
／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕を満たさない場合であり、溝幅
が広すぎてアンダーカットが発生した。
に７m /minの溶接速度では溶接が不可能であるのに対
し、本発明例No.8のように適切なＶ溝を設けることによ
り正常な溶接が可能となった。比較例No.9は、条件式
（ｔ−ｂ) ≦｛４×（Ｐ／ｖ＋0.0005Ｔi ) ｝を満たさ
ない場合であり、Ｖ溝が浅いことにより溶け込み不足が
発生した。比較例No.10 は、条件式ａ≦〔２×｛（Ｐ
／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕を満たさない場合であり、溝幅
が広すぎてアンダーカットが発生した。
【００５７】No.15 〜 22 は板厚８mmのＡ鋼の場合の結
果である。 No.23〜30は板厚３mmおよび６mmのＢ鋼（フ
ェライト系ステンレス鋼）の場合の結果である。これら
の本発明の方法による高速溶接の結果は、表２に示すよ
うに上記の板厚３mm、６mmのＡ鋼の場合と同様な結果で
あった。
果である。 No.23〜30は板厚３mmおよび６mmのＢ鋼（フ
ェライト系ステンレス鋼）の場合の結果である。これら
の本発明の方法による高速溶接の結果は、表２に示すよ
うに上記の板厚３mm、６mmのＡ鋼の場合と同様な結果で
あった。
【００５８】No.31 〜 38 は板厚３mmおよび６mmのＣ鋼
（低合金鋼）の場合の結果である。
（低合金鋼）の場合の結果である。
【００５９】これらにおいても、本発明の方法による高
速溶接の結果は、表２から明らかなように上記のＡ鋼の
場合と同様な結果が得られた。
速溶接の結果は、表２から明らかなように上記のＡ鋼の
場合と同様な結果が得られた。
【００６０】
【発明の効果】本発明のレーザビームと高周波加熱を併
用する複合熱源製管溶接方法によれば、正常な溶接ビー
ドを得るとともに、大幅な高速化を達成することができ
る。その結果、高性能の溶接鋼管が低コストで製造可能
となる。
用する複合熱源製管溶接方法によれば、正常な溶接ビー
ドを得るとともに、大幅な高速化を達成することができ
る。その結果、高性能の溶接鋼管が低コストで製造可能
となる。
【図１】本発明の溶接方法における溶接前のＶ溝形状の
一例を示す断面図である。（ａ）は帯鋼の成形途中の状
態を、（ｂ）は溶接直前の状態をそれぞれ示す。
一例を示す断面図である。（ａ）は帯鋼の成形途中の状
態を、（ｂ）は溶接直前の状態をそれぞれ示す。
【図２】Ｖ溝の形状とレーザビームとの関係を示す断面
図である。（ａ）は不適切な場合、（ｂ）は適切な場合
をそれぞれ示す。
図である。（ａ）は不適切な場合、（ｂ）は適切な場合
をそれぞれ示す。
【図３】Ｖ溝幅過大時のアンダーカットの発生状況を示
す断面図である。
す断面図である。
【図４】板厚３mm、溶接速度10m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図５】板厚３mm、溶接速度20m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図６】板厚３mm、溶接速度30m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図７】板厚６mm、溶接速度７m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図８】板厚６mm、溶接速度12m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図９】板厚９mm、溶接速度20m/min でのａ、ｂ値の適
正範囲の例を示す図である。
正範囲の例を示す図である。
【図１０】板厚８mm、溶接速度５m/min でのａ、ｂ値の
適正範囲の例を示す図である。
適正範囲の例を示す図である。
【図１１】板厚８mm、溶接速度８m/min でのａ、ｂ値の
適正範囲の例を示す図である。
適正範囲の例を示す図である。
１：被溶接材、２：Ｖ溝、３：レーザビーム、４：アン
ダーカット、５：Ｖ溝の肩部、６：Ｖ溝の底部、ａ：Ｖ
溝幅、ｂ：Ｖ溝深さ、ｔ：板厚（肉厚）、Ｄ：レーザビ
ーム径、ｆ：焦点距離、Ba：アンダーカットが発生する
場合のビード幅
ダーカット、５：Ｖ溝の肩部、６：Ｖ溝の底部、ａ：Ｖ
溝幅、ｂ：Ｖ溝深さ、ｔ：板厚（肉厚）、Ｄ：レーザビ
ーム径、ｆ：焦点距離、Ba：アンダーカットが発生する
場合のビード幅
Claims (1)
- 【請求項１】帯鋼を成形ロール群に送給して連続的にオ
ープンパイプ状に成形し、高周波加熱を用いて予熱を行
い、対設されたスクイズロールで加圧してこの帯鋼の両
端面を突合せ、その突合せ部にレーザビームを照射する
ことにより溶接を完成させる複合熱源製管溶接方法にお
いて、溶接前の突合せ部の管形状の外面側に下記〜
の全ての条件を満たす幅ａ (mm) 、深さｂ (mm) のＶ溝
を形成させて溶接することを特徴とする複合熱源製管溶
接方法。 〔条件〕 ａ＞０、ｂ＞０ (ａ／ｂ) ＞ (Ｄ／ｆ) (ａ×ｂ) ≦〔｛ 3000 ／ (Ｔm −Ｔi ) ｝×（Ｐ／
ｖ）〕 （ｔ−ｂ) ≦〔４×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ａ≦〔２×｛（Ｐ／ｖ) ＋0.0005Ｔi ｝〕 ここで、Ｄは集光前のレーザビーム径 (mm) ｆは集光光学系の焦点距離 (mm) Ｐはレーザビームの出力(kＷ) ｖは溶接速度 (m/min) ｔは溶接すべき帯鋼の板厚 (mm) Ｔm は溶接すべき帯鋼の融点 (℃） Ｔi は溶接すべき帯鋼の予熱温度 (℃）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4323083A JP2629540B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 複合熱源製管溶接方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4323083A JP2629540B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 複合熱源製管溶接方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06170569A true JPH06170569A (ja) | 1994-06-21 |
| JP2629540B2 JP2629540B2 (ja) | 1997-07-09 |
Family
ID=18150896
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4323083A Expired - Lifetime JP2629540B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 複合熱源製管溶接方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2629540B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102489888A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-06-13 | 武汉船用机械有限责任公司 | 一种高强钢桁架式臂架的焊接方法 |
| CN104125872A (zh) * | 2012-02-20 | 2014-10-29 | 斯甘索尼克咪有限公司 | 对端面法兰连接进行缝焊的方法 |
| JP2021079430A (ja) * | 2019-11-22 | 2021-05-27 | 株式会社Ihi | アーク溶け込み深さ推定方法 |
| JP2021079431A (ja) * | 2019-11-22 | 2021-05-27 | 株式会社Ihi | 金属部材の熱影響部角度推定方法 |
| CN118650350A (zh) * | 2024-08-20 | 2024-09-17 | 杭州匡时科技有限公司 | 一种基于电解水制氢用钛电极加工的钛电极片焊接设备及方法 |
-
1992
- 1992-12-02 JP JP4323083A patent/JP2629540B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102489888A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-06-13 | 武汉船用机械有限责任公司 | 一种高强钢桁架式臂架的焊接方法 |
| CN104125872A (zh) * | 2012-02-20 | 2014-10-29 | 斯甘索尼克咪有限公司 | 对端面法兰连接进行缝焊的方法 |
| JP2021079430A (ja) * | 2019-11-22 | 2021-05-27 | 株式会社Ihi | アーク溶け込み深さ推定方法 |
| JP2021079431A (ja) * | 2019-11-22 | 2021-05-27 | 株式会社Ihi | 金属部材の熱影響部角度推定方法 |
| CN118650350A (zh) * | 2024-08-20 | 2024-09-17 | 杭州匡时科技有限公司 | 一种基于电解水制氢用钛电极加工的钛电极片焊接设备及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2629540B2 (ja) | 1997-07-09 |
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