JPH0825049A - パイプライン固定管の全姿勢溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 厚さが６ｍｍ以上の厚板といえる領域のパイ
プライン固定管を全姿勢溶接でプラズマキーホール溶接
することができるパイプライン固定管の全姿勢溶接方法
を提供する。 【構成】 パイプライン固定管を全姿勢でプラズマキー
ホール溶接する方法において、溶接電流をパルス状に印
加すると共に、溶加ワイヤの供給速度をパルス状に変化
させ、前記溶接電流のピーク電流値とベース電流値との
差を１５０Ａ以下とし、ピーク電流値とベース電流値と
の比を１：１乃至１：６に設定すると共に、前記溶接電
流と前記溶加ワイヤの送給速度とを、同位相又は逆位相
で同期させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パイプライン等の固定
管を全姿勢溶接にてプラズマキーホール溶接するのに好
適のプラズマアーク溶接制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマキーホール溶接は、シールドガ
ス流に囲まれて外気から保護された状態でその中心にプ
ラズマガス流を供給し、更に非消耗電極と被溶接材との
間に高周波電圧を印加してプラズマアークを生起させ、
被溶接材をプラズマアーク柱により局部的に溶融させて
前記被溶接材をその厚さ方向に貫通するキーホールを形
成し、このプラズマアーク柱を溶接線に沿って移動させ
て１回のパスにても溶接を完了する溶接方法である。即
ち、同様に非消耗電極を使用してアーク溶接するＴＩＧ
溶接は、多層盛溶接する必要があるのに対し、プラズマ
キーホール溶接はＩ型開先を１パスでも溶接することが
できる。このため、従来、プラズマキーホール溶接は高
能率の溶接方法の一種として実用化されてきた。

【０００３】ところで、従来、ＴＩＧ溶接などの他の非
消耗電極式溶接方法においては、溶接電流値に強弱をつ
け付けることで以下の効果を得ようとしている。 （１）溶接部の深溶け込み効果 （２）溶接終了後の溶接歪の抑制 （３）溶融プールの肥大化防止等の凝固コントロール。

【０００４】また、溶加材（この場合、溶加ワイヤ）を
周期的に正確に供給することにより以下の効果を得よう
としている。 （４）溶接金属の調整 （５）溶接金属性能の調整 （６）溶接金属の凝固コントロール （７）溶融プールの温度及び粘性の調整。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方、プラズマキーホ
ール溶接は高能率の溶接方法として実用化されてきた
が、このプラズマキーホール溶接は、深い溶け込みをも
つ溶接ゆえ、通常のＴＩＧ溶接（非消耗電極式溶接工
法）に比して溶接中の溶融金属量ははるかに多い。

【０００６】このため、パイプ溶接（固定管円周溶接）
のように刻々と姿勢が変化する場合は、その溶融金属量
が多いため、図１のハッチングにて示す範囲で重力の影
響が顕著に現れてしまう。図１は固定管の全周溶接にお
いて、図中矢印にて示す方向に溶接していく場合の溶接
位置を時計に見立てて示す図である。即ち、最上部が１
２時であり、最下部が６時である。そして、最上部の１
２時から時計回りに円周溶接していくと、２時から１０
時半までの部分を溶接する際には、重力の影響を特に受
けやすい。このため、現在では、ある板厚以下（実用上
では６ｍｍ以下）の比較的薄い被溶接材を対象として、
溶接電流にパルス効果を取り入れた場合にのみ、プラズ
マキーホール溶接による全姿勢溶接が可能である。即
ち、現状では、キーホール溶接の主たる溶接姿勢は、全
姿勢ではなく、下向溶接が大半を占めている。

【０００７】このように、従来のプラズマキーホール溶
接による全姿勢溶接方法においては、ＴＩＧ溶接でみら
れるような溶接電流値のパルス効果若しくはワイヤ供給
効果又はその両方による相乗効果を得ることができるよ
うな工法は開発されていない。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、厚さが６ｍｍ以上の厚板といえる領域のパ
イプライン固定管を全姿勢溶接でプラズマキーホール溶
接することができるパイプライン固定管の全姿勢溶接方
法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るパイプライ
ン固定管の全姿勢溶接方法は、パイプライン固定管を全
姿勢でプラズマキーホール溶接する方法において、溶接
電流をパルス状に印加すると共に、溶加ワイヤの供給速
度をパルス状に変化させ、前記溶接電流のピーク電流値
とベース電流値との差を１５０Ａ以下とし、ピーク電流
値とベース電流値との比を１：１乃至１：６に設定する
と共に、前記溶接電流と前記溶加ワイヤの送給速度と
を、同位相又は逆位相で同期させることを特徴とする。

【００１０】

【作用】プラズマキーホール溶接において、厚板領域
（厚さ６ｍｍ以上）のパイプライン固定管を全姿勢溶接
にて溶接する工法を開発するためには、各姿勢（下向
き、立向き、上向き）で、重力による影響を受けずに、
溶融金属をいかにして安定して同じ位置に維持できるか
にかかっている。

【００１１】本発明においては、ピーク電流値とベース
電流値とを有するパルス状の溶接電流を使用し、ワイヤ
送給速度も速い部分と遅い部分とが交互に現れるパルス
状のパターンとし、この溶接電流のパターンと、ワイヤ
送給速度のパターンとを同期させる。これにより、重力
の影響を受け易い姿勢の場合に、溶接電流のパルス効果
とワイヤ供給のパルス効果との相乗効果により、溶融金
属を重力に逆らって安定に保持することができ、全姿勢
溶接を安定にしかも速く行うことができる。

【００１２】図２は溶接電流値のパルス波形を示す。こ
の図に示すように、溶接電流は、ピーク電流値（Ａ）１
１と、ベース電流値（Ａ）１４とが周波数（Ｈｚ）１５
で交互に現れるものであり、この１周期のうち、ピーク
電流幅（％）１３と、ベース電流幅（％）１４とは、合
計して１００％になるように規定され、１周期内の相対
的割合で定められる。このように、パルス電流は、ピー
ク電流値、ベース電流値、ピーク電流幅、ベース電流幅
及び周波数の５つの因子によりその特性が決まる。

【００１３】このパルス電流において、ピーク電流値で
キーホールが形成され、ベース電流値で溶融金属の冷却
がなされる。

【００１４】本発明においては、このパルス電流の供給
と、ワイヤ送給速度のパルス状パターンによる変化と
を、同期させて組み合わせる。このパルス電流の特徴の
１つである冷却効果により、キーホール溶接時に形成す
る溶融プールを肥大化させることなく、溶融プールを安
定して保持することができる。また、溶加ワイヤのパル
ス状供給により、溶融プールの凝固コントロールと、そ
の保持が容易になる。このようにして、本発明において
は、パルス電流と、溶加ワイヤのパルス状供給との相乗
効果により、プラズマキーホール溶接による全姿勢での
円周溶接が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。図３は本発明の実施例方法
に使用する装置を示す。固定的に設置されたパイプライ
ン固定管（以下、パイプという）９の外周面に、その円
周方向に沿って延びるガイドレール８が装着されてい
る。そして、このガイドレール８上を走行台車７が往復
走行できるようになっている。この走行台車７には溶接
トーチ１と溶加ワイヤガイド２とが取り付けられてい
る。ワイヤリール５から繰り出された溶加ワイヤ３は供
給ローラ４ａの回転により駆動されて溶加ワイヤガイド
２に向かい、溶加ワイヤ３はこのガイド２を挿通して案
内され、プラズマにより形成された溶融プールに供給さ
れる。供給ローラ４ａはモータ４ｂにより駆動されて回
転する。

【００１６】制御コンピュータ１０には、溶接電流値の
パルス幅の比、ワイヤ供給タイミングと供給量、走行台
車７の走行速度と走行方向が入力されるようになってい
る。この制御コンピュータ１０は溶接電源６に制御信号
を出力し、溶接電源６はこの制御信号に従って溶接トー
チ１に所定のパルスパターンで溶接電流を出力する。ま
た、制御コンピュータ１０はワイヤ送給モータ４ｂに制
御信号を出力して、送給モータ４ｂにより送給ローラ４
ａを介して溶加ワイヤ３の送給速度を所定のパルスパタ
ーンで制御する。

【００１７】このように構成された装置により、パイプ
ライン固定管（パイプ９）はその円周方向に溶接され
る。即ち、台車７が矢印方向のパイプ円周方向に移動
し、溶接トーチ１の周辺部からプラズマガスとシールド
ガスを送給しつつ、溶接トーチ１の中心部の非消耗電極
とパイプ９の溶接部との間にパルス電流を印加する。こ
れにより、プラズマが生起され、キーホールが形成され
る。また、この溶融金属には溶加材３がパルス状に変化
する送給速度パターンで供給される。

【００１８】溶接トーチ１は走行台車７によりパイプ外
壁を倣いつつ、円周方向に移動して溶接を継続し、パイ
プ外壁を１周した後、溶接開始点と終了点とが重なった
時点で溶接が終了する。

【００１９】図４はこのプラズマアーク溶接により溶接
が進行している状態を示す図である。溶接トーチ１から
供給されるガス流が溶接トーチ１とパイプ９との間に印
加されている溶接電圧により電離して、プラズマ２０が
生起し、このプラズマ２０の熱によりパイプ９にはキー
ホール２１が形成される。また、このプラズマ２０の熱
により、溶接進行方向のプラズマ２０の後方には、溶融
金属１６のプールが形成される。そして、この溶融金属
１６に向かって溶加ワイヤ３が供給される。なお、この
溶加ワイヤ３の供給角度又は入射角度はガイド２の角度
を調節することにより調整されるが、パイプ９の外面に
垂直の方向に対し６０°以内の角度で傾斜することが好
ましい。即ち、溶加ワイヤ３の供給方向は、パイプ９の
外周面の接線に対して３０乃至９０°の角度で傾斜する
ものである。

【００２０】溶融金属１６は、溶接トーチ１より後方に
形成される。このため、溶加ワイヤ３の供給効果を最大
限に引き出す位置は溶融金属１６に最も近い後方であ
る。また、溶加ワイヤ３の入射角度を、パイプ９の外周
面の接線方向に対し３０°〜９０°までの範囲で傾斜す
るものとすると、その供給速度のパルスパターンが溶融
金属の安定形成に最も直接的に影響を及ぼす。

【００２１】この位置関係を維持することにより、溶融
金属の冷却凝固コントロール及び溶加ワイヤの支えによ
る内面ビードの保持が容易となる。

【００２２】それと同時に、ワイヤ供給タイミングとパ
ルス溶接とを同期させることで、さらに各姿勢での溶融
金属のコントロールがフレキシブルになり、溶接条件範
囲の拡大及び内面溶接ビードの安定形成に寄与する。

【００２３】但し、図５に示すように、溶接電流をパル
ス状に変化させ、ワイヤ供給速度を一定速度にて平均的
に供給する場合は、溶接電流値がパルス化しているの
と、ワイヤを一定速度で供給しているので、速く溶接金
属を冷却凝固することができ、溶融金属１６の保持が容
易になるが、上向き溶接姿勢で上進溶接すると、裏波ビ
ードが不安定になるという欠点がある。

【００２４】一方、図６に示すように、溶融電流値を一
定にし、ワイヤの供給速度に強弱をつける方法は、通常
の電流値一定による全姿勢溶接と異なり、ワイヤ供給に
強弱をつけることにより、パルス溶接にほぼ近い溶接が
可能となる。しかし、ワイヤが直接供給している溶融プ
ール側（外周面側）しか凝固コントロールがなされてい
ないため、キーホール側（内周面側）の凝固コントロー
ルは極めて困難になり、全姿勢溶接では図５の場合と同
様な結果となる。

【００２５】これに対し、本発明の実施例方法、即ち図
７に示すように、溶接電流をパルス溶接にし、ワイヤ供
給速度もパルス溶接と同位相で同期させた状態による強
弱をつけて供給する方法においては、全姿勢にて溶融金
属を維持することが可能となる。

【００２６】一般的にキーホール溶接においては、電流
を高くすることにより貫通力が増し、深溶け込み溶接が
可能となるが、一方、入熱量も高くなるため、溶融金属
も比例して大きくなってしまう。このようにして、プラ
ズマキーホール溶接を厚肉溶接へ適用することを考える
とき、このような相反する現象を別の観点からアプロー
チする必要がある。この図７に示すパターンにおいて
は、溶接電流がピーク電流値のとき、ワイヤ供給速度も
高い設定値で供給し、ベース電流値のときは、ワイヤ送
給速度は低い設定値で供給する。

【００２７】ワイヤを供給することにより、ワイヤを供
給しないときより更に積極的に溶融プールを冷却するこ
とができるため、ピーク電流とベース電流を高く設定す
ることが可能となり、厚肉材への適用が可能となる。

【００２８】また、パイプ溶接のような全姿勢溶接を考
えるとき、この方法によれば、ワイヤを溶融金属中に供
給しないときより、キーホール貫通力が同じでも、溶融
プールだけを小さくすることが可能となり、姿勢変化に
伴う重力の影響を受け難くなり、全姿勢溶接における溶
接安定化と、溶接対象物の厚肉化と溶接の高速化に有効
である。

【００２９】図８は本発明の実施例のパターンである
が、溶接電流のパルス波形とワイヤ供給速度のパルスパ
ターンとを、逆位相で同期させた点のみが図７に示すパ
ターンと異なる。

【００３０】ピーク電流発生時では、溶接行程として母
材を溶かす作業が主で溶融プールがまだ、成長過程のた
め、１秒以下の短時間では重力の影響を受けることが少
ない。

【００３１】ベース電流発生時では、ピークで溶融が完
全に終了した溶融プールを冷却する工程に移行するが、
その成長した溶融プールを凝固させる時間は非常に長く
なり重力の影響を直接受けやすくなってしまうため、ベ
ース電流時に形成している溶融プールをパルスだけの凝
固コントロールより速く凝固させることが必要となって
くる。本実施例方法では、ベース電流時に溶加ワイヤを
選択的に供給することにより、パルスだけの凝固速度よ
り速く凝固させることで重力の影響を極力受けにくくす
ることが可能となる。

【００３２】このように、図７、８に示すように、溶加
ワイヤをベース電流時に多く供給することにより、
（１）溶融プールが溶け落ちる前に冷却凝固させること
が可能になり、（２）溶融プールが溶け落ちようとする
力に対し、逆方向からの反力が働き、プール自体を保持
可能となる。このような観点から、この図８に示すよう
に、逆位相で同期させた溶接方法が、全姿勢溶接に対し
て最も安定に且つ高速に溶接可能とする方法である。

【００３３】溶接電流値のパルス制御は、図２に示すよ
うに、５つの因子で制御を行う。この場合に、パイプ溶
接のように刻々と変化する姿勢に追従するように、パル
ス制御を、その姿勢毎に変更する必要がある。下記表１
はこの溶接電流値のパターンを示すものである。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１にパルス溶接条件を決定するとき、下
記に示す（Ａ）と（Ｂ）を合わせて考慮にいれて設定す
ることが好ましい。 （Ａ）ピーク電流値とベース電流値の差を１５０Ａ以下
の範囲で設定する。 （Ｂ）ピーク電流幅とベース電流幅の比を１：１〜１：
６の範囲で設定する。即ちベース電流値幅の方がピーク
電流幅より必ず長くなるように値を決める。

【００３６】この条件では、ピーク電流値でキーホール
形成を行い、ベース電流値で溶接金属を冷却凝固する作
用が促進される。

【００３７】従って、この条件で設定されたパルス溶接
を繰り返すことで、キーホール溶接時に形成する溶融プ
ールを肥大化させることなく、溶接金属部の安定保持効
果が発揮される。以上、パルス溶接でも、概ね全姿勢キ
ーホール溶接は可能となる。

【００３８】パイプライン固定管に対し、図８に示すパ
ターンで実際にプラズマキーホール溶接を全姿勢で行っ
た結果、下記表２に示す結果が得られた。

【００３９】

【表２】

【００４０】但し、この表２において、Ａ及びＢは下記
表３に示す内容を表し、各欄に示す４つの文字”ＡＡＡ
Ａ”、”ＢＢＡＡ”等は、夫々左から、図５のパター
ン、図６のパターン、図７のパターン、図８のパターン
について得られた結果を示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】この表２に示すように、本実施例の場合、
即ち、図７及び図８のパターンにおいては、入熱量が少
ないにも拘わらず、溶接速度が図５及び図６のパターン
の場合より速く、裏波ビード状態も良好であり、溶接安
定性も優れている。これに対し、図５及び図６のパター
ンの場合には、溶接速度が遅く、裏波ビード状態も殆ど
不良であり、溶接安定性も下向き溶接の場合を除いて不
良である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パイプライン固定管を同位相又は逆位相で同期させたパ
ルス電流及びパルス状ワイヤ送給によりプラズマキーホ
ール溶接するから、全姿勢の円周溶接においても、安定
して溶接金属を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】全周溶接における溶接姿勢を説明する図であ
る。

【図２】パルス電流の波形を説明する図である。

【図３】プラズマキーホール溶接方法を説明する図であ
る。

【図４】プラズマキーホール溶接の概要を説明する図で
ある。

【図５】比較例の溶接電流−ワイヤ送給速度パターンを
示す図である。

【図６】同じく比較例の溶接電流−ワイヤ送給速度パタ
ーンを示す図である。

【図７】本実施例の溶接電流−ワイヤ送給速度パターン
を示す図である。

【図８】同じく本実施例の溶接電圧−ワイヤ送給速度パ
ターンを示す図である。

【符号の説明】

１：溶接トーチ ２：溶加ワイヤガイド ３：溶加ワイヤ ４ａ：供給ローラ ４ｂ；供給モータ ６：溶接電源 ８：レール １０：制御コンピュータ

フロントページの続き (71)出願人 591278666 神鋼プラント建設株式会社 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 (72)発明者 小森 光徳 神奈川県横浜市瀬谷区宮沢町1144−３ (72)発明者 山本 靖 愛知県名古屋市熱田区桜田町19番18号 東 邦瓦斯株式会社供給管理部導管技術センタ ー内 (72)発明者 末澤 伸也 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 芳野 文人 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者 大久保 典昭 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 神鋼プラント建設株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パイプライン固定管を全姿勢でプラズマ
   キーホール溶接する方法において、溶接電流をパルス状
   に印加すると共に、溶加ワイヤの供給速度をパルス状に
   変化させ、前記溶接電流のピーク電流値とベース電流値
   との差を１５０Ａ以下とし、ピーク電流値とベース電流
   値との比を１：１乃至１：６に設定すると共に、前記溶
   接電流と前記溶加ワイヤの送給速度とを、同位相で同期
   させることを特徴とするパイプライン固定管の全姿勢溶
   接方法。
2. 【請求項２】 パイプライン固定管を全姿勢でプラズマ
   キーホール溶接する方法において、溶接電流をパルス状
   に印加すると共に、溶加ワイヤの供給速度をパルス状に
   変化させ、前記溶接電流のピーク電流値とベース電流値
   との差を１５０Ａ以下とし、ピーク電流値とベース電流
   値との比を１：１乃至１：６に設定すると共に、前記溶
   接電流と前記溶加ワイヤの送給速度とを、逆位相で同期
   させることを特徴とするパイプライン固定管の全姿勢溶
   接方法。