WO2014033931A1 - プラズマシールド電縫鋼管の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing an ERW steel pipe which is formed into a tubular shape by forming a steel sheet into a tubular shape and welding the butt end faces thereof.
- an electric resistance welded steel pipe is formed by continuously forming a strip-shaped coil made of a steel sheet into a tubular shape by a large number of roll groups, and subjecting the tubular steel sheet to induction heating by a work coil or direct current heating by a contact tip, Is heated and melted to a predetermined temperature and welded (electro-sealed welding) while being pressed by a squeeze roll.
- a weld defect caused by an oxide called a penetrator is present in the welded portion. Often occurs. When this penetrator is generated, it causes a decrease in toughness value (particularly low temperature toughness value), corrosion resistance and cold workability.
- Patent Document 1 The plasma shield welding which seals a welding part with what is called non-oxidizing plasma is disclosed.
- Cascade type plasma guns are plasma guns in which plasma is generated by spraying anode gas to plasma generated by applying a voltage between a cathode and an anode, and spraying it.
- the plasma working gas As described above, in the conventional plasma shield welding, a non-oxidizing (or reducing) atmosphere is obtained, and since the heat transfer rate is large and the heat input is increased, hydrogen ( H 2 ) is contained, and in order to obtain this effect, it is proposed that the content is 2% by volume or more (Patent Document 2). On the other hand, hydrogen inhibits the stability of the plasma. That is, when the hydrogen content is increased, turbulence tends to occur. Therefore, it has been proposed that the hydrogen content in the plasma working gas is 40% or less (Patent Document 1) or 50% or less (Patent Document 2).
- Ar which has been the main gas component of the plasma working gas, has the effect of improving the plasma stability, but is a rare gas and is expensive, and there is a strong demand for cost reduction of the plasma working gas.
- an object of the present invention is to provide a plasma shield welding method for thoroughly reviewing the components of plasma working gas in plasma shield welding and further reducing the number of defects.
- it is an object to re-evaluate the effect of adding hydrogen in a plasma working gas to obtain an optimal gas composition.
- a plasma is generated by applying a voltage to the plasma working gas supplied between the cathode and anode of the plasma gun and the vicinity of the weld is shielded by the plasma.
- the component of the plasma working gas is vol%, N 2 is 70% or more and 90% or less, H 2 is more than 0% and less than 1%,
- a method for producing a plasma shielded electric resistance welded steel pipe characterized by comprising the balance Ar and inevitable impurities.
- an electric resistance welded steel pipe with few defects can be obtained without greatly changing the current welding conditions. Furthermore, the plasma stabilization effect provides good compatibility with rolling of welded steel pipes during operation, and has the effect of improving the overall quality (reducing the number of defects) of ERW steel pipes. As an incidental effect of the present invention, it is possible to obtain a reduction in noise level and an extension of equipment life including a plasma gun.
- (A) is a diagram showing a comparison between a conventional Ar—N 2 —H 2 plasma working gas and an unshielded case.
- (B) the conventional Ar-N 2 -H 2 system gas, is a diagram showing the comparison in the case of Ar-N 2 based gas, and a non-shield according to the present invention. It is a figure which shows the relationship between the amount of hydrogen addition in plasma working gas, and flame
- FIG. 1 It is a figure which shows the relationship between the hydrogen addition amount in plasma working gas, and the lifetime (Lifetime) of a plasma gun.
- FIG. 1 It is a conceptual diagram of an ERW steel pipe manufacturing apparatus.
- (A) shows a side view and
- (b) shows an elevation view.
- Hydrogen has not only a non-oxidation action (reduction action) but also an effect of increasing welding heat input by an auxiliary heat source action, but has an effect of destabilizing plasma.
- Reduction action non-oxidation action
- auxiliary heat source action an effect of increasing welding heat input by an auxiliary heat source action
- destabilizing plasma In the plasma shield, it is important to stabilize the plasma, so we focused on hydrogen, which adversely affects the plasma.
- An ERW steel pipe is a steel pipe that is continuously manufactured by forming a steel sheet into a tubular shape and welding the butt end faces thereof.
- FIG. 5A is a schematic side view for explaining a process of manufacturing the ERW steel pipe K by the ERW steel pipe welding apparatus 200.
- FIG.5 (b) is the schematic diagram which looked at Fig.5 (a) from the top.
- the steel plate 100 having a thickness of about 1 to 22 mm is continuously conveyed in the direction F, and formed into a tubular shape by a large number of forming roll groups (not shown). Yes (not shown).
- the butt end face is heated by energizing the work coil 220 across the butt end face 101, a load is applied by the squeeze roll 201, and the butt end face 101 is welded by melt-bonding to continuously manufacture the ERW steel pipe K. .
- Reference numeral 221 denotes an air knife, which has an effect of blocking the inflow of water from the upstream side of the pipe making to the vicinity of the welded portion.
- FIG. 6 is a schematic diagram of the structure of the plasma gun disclosed in Patent Document 3. As shown in FIG. According to this plasma gun, a laminar plasma having a long plasma length can be obtained stably.
- the plasma by this plasma gun will be described as an example.
- the present invention is not limited to plasma by this plasma gun. This is because the type of plasma gun is not particularly limited due to the nature of the plasma.
- FIG. 6 shows a main part of the plasma gun T (hereinafter also simply referred to as a plasma gun).
- a cascade 3 is disposed between the cathode 1 and the anode 4
- a cathode gas A is introduced inside the cascade 3
- a voltage is applied between the cathode 1 and the anode 4 to generate plasma C.
- This is a cascade type plasma gun in which the anode gas B is further sprayed on the formed plasma C, and the anode gas B is also converted into plasma to obtain a predetermined plasma D.
- the cathode 1 of the plasma gun T includes a copper main body 11 having a water cooling structure and a rod-shaped tungsten cathode 12 inserted into the main body 11. Further, the cathode 1 of the plasma gun T and the cascade 3 (3A to 3E in FIG. 5 are collectively referred to as the cascade 3), and the cathode 1 and the anode 4 are electrically insulated.
- a pilot member 2 having a water cooling structure is provided between the cathode 1 and the cascade 3.
- the cascade 3 is arranged between the pilot member 2 and the anode 4 and is a plurality of members (in FIG. 5) that are electrically insulated from each other so that the inner diameter gradually increases in multiple stages toward the anode 4 side. 3A to 3E).
- the anode 4 is a copper member having a water cooling structure. Further, the inner diameter of the anode 4 is increased stepwise or continuously in the subsequent stage (in FIG. 6, the inner diameter is increased stepwise), and the emission having the water cooling structure is performed.
- a nozzle 5 is arranged.
- the exit nozzle 5 is provided with a side shield module 6 that blows N 2 or Ar gas (E: side shield gas) so as to surround the plasma in order to block the diffusion of oxygen to the finally emitted plasma D. ing.
- N 2 or Ar gas Ar gas
- the plasma generation method, the type of plasma gun, and the like are not limited. This is because attention is paid to the difference in the properties of the plasma due to the difference in the components of the plasma working gas.
- Steel plate Table 1 shows the steel plate components used in the explanation of the present invention, and the production conditions of the ERW steel pipe are shown below.
- Steel plate thickness 11.0mm
- ERW steel pipe diameter outer diameter 168.3mm ( ⁇ 168.3)
- representative conditions in the production of ERW steel pipes are selected as the implementation conditions.
- the steel plate properties such as the components of the steel plate and the thickness, the diameter of the ERW steel tube, the ERW steel tube properties such as the pipe making speed, and the manufacturing method are not limited. This is because the factors relating to the manufacturing conditions relating to the steel plate and the ERW steel pipe and the factors caused by plasma, particularly plasma working gas can be evaluated independently.
- Ar—N 2 —H 2 gas mainly composed of nitrogen (N 2 ) component was used as will be described later. Gas components (gas components (%) are expressed in volume% unless otherwise specified. The same applies hereinafter)
- Ar: 20% and N 2 : 80% were used as standard gases.
- Ar 20% was fixed in this standard gas, and when the amount of H 2 addition was 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 14%, Accordingly, N 2 was reduced to 79.5%, 79%, 78%, 77% and 66%.
- each gas component of hydrogen, nitrogen, and argon is generally said as follows. Since hydrogen (H 2 ) gas has a high heat transfer coefficient, it has the effect of improving the heat transfer coefficient of the entire gas. Moreover, when it becomes plasma, it has an oxygen killing action (an action of inactivating oxygen entrained from the atmosphere), combined with oxygen mixed in the plasma, and has an effect of suppressing generation of oxides. In the first place, since hydrogen has a reducing action, that is, an oxidation suppressing action, it has an oxide suppressing action in combination with an oxygen killing action. However, hydrogen has an effect of inhibiting the stability of plasma and has a drawback that it is difficult to obtain a stable plasma.
- Nitrogen (N 2 ) gas has a lower mass than Ar, and therefore lowers the Reynolds number (Re). For this reason, there is an effect of facilitating laminarization of plasma. Further, the dissociated nitrogen has an oxygen killing action similar to hydrogen and fuses with oxygen in the plasma and has an effect of suppressing oxide formation.
- Argon has a plasma stabilizing effect.
- Ar is an element that is easily converted to plasma, and stable plasma can be obtained by increasing the amount of Ar during initial ignition.
- it is not only a relatively heavy gas but also expensive because it is a rare gas.
- Patent Documents 1 and 2 are obtained by mixing Ar with 50% or more and mixing one or two of H 2 and N 2 with H 2 being 5 to 40% and N 2 being 20 to 50. % Is advocated. This is because the emphasis is placed on the plasma stabilization effect of Ar and it is expected to increase the coefficient of heat transfer.
- hydrogen which is an element that inhibits plasma stabilization, and the actual situation is that the effect of adding a small amount of hydrogen as well as no addition has not yet been verified. The present inventors paid attention to this point and evaluated the effects of adding no hydrogen and adding a small amount.
- the gas flow rate was 24 L (liters) / min (minutes) in this example, although it depends on the specifications of the plasma gun.
- the plasma gun the aforementioned cascade type plasma gun (see FIG. 6) was used. However, the side shield was not used in the experiment. Further, the anode gas (B in FIG. 6) was not used, and the entire amount of plasma working gas was supplied as the cathode gas (A in FIG. 6) from the cathode side. As a result, the influence of the type and type of the plasma gun was avoided.
- FIG. 1 shows the relationship between the amount of heat input and the defect rate (defect area rate) during ERW welding for each plasma working gas.
- the defect area ratio is an area ratio of a penetrator (a welding defect caused by oxides, hereinafter simply referred to as a defect unless otherwise specified) with respect to a welding area.
- the defect area ratio can be measured by breaking the Charpy test piece having the notch bottom coincident with the ERW weld at a temperature (150 ° C.) at which the entire ductile fracture occurs and measuring the defect area.
- the appropriate heat input amount of the electric resistance welding with which the number of defects is minimized is about 1000 kW.
- the amount of heat input becomes larger than when hydrogen is added.
- the appropriate heat input amount was about 1050 kW, and it was confirmed that the minimum value of the number of defects here was not so different from that when hydrogen was added. It was also confirmed that the appropriate heat input for unshielded (unshielded) welding was at the same level (about 1050 kW) as in the case of Ar—N 2 gas without hydrogen addition.
- ERW steel pipes are continuously manufactured. During this process, the steel pipes roll for some reason, and the plasma may come off from the weld. At this time, the welded portion has no shield (unshielded state), and oxygen in the atmosphere is involved and defects frequently occur.
- the amount of heat input does not change, so that the defect area ratio increases to the level of no shield immediately above it. In FIG. 1, it increases by about two digits (100 times). Furthermore, since it is unshielded, there is no auxiliary heat source effect from plasma, and the amount of heat input becomes insufficient, which causes welding defects such as cold welding.
- H 2 addition By adding 1% of H 2 , the effect of suppressing the generation of defects without shielding is maximized. If the addition exceeds 1%, the effect is not only reduced, but the other effects described below cannot be obtained. Therefore, the H 2 addition should be limited to 1% or less.
- the stabilization of the plasma can be evaluated by the laminar plasma length (the laminar flow frame length of the plasma). Of course, the longer the plasma length, the better the plasma stability. In welding of electric resistance welded steel pipes, a frame length that is as long as possible and a stable frame length is required from the viewpoint of facilities.
- FIG. 2 shows the relationship between the amount of hydrogen gas added (volume%) and the plasma length. The plasma length was measured visually with a black screen as the background.
- Table 2 shows the measured values of the ratio of Ar and N 2 and the plasma length in the case where no hydrogen is added, that is, in the Ar—N 2 gas.
- FIG. 3 shows the relationship between the measured value of the noise level (dB) at the machine side 1 m of the plasma gun and the amount of hydrogen added in the plasma working gas. Obviously, there is a positive correlation between the hydrogen addition amount and noise. Further analysis revealed that the noise level was remarkably reduced when the amount of H 2 added was 5% or less. It was confirmed that the noise level saturates when the hydrogen addition amount is 1% or less and is almost the same as the noise level without hydrogen addition. In this example, it was confirmed that the hydrogen addition amount was 1% or less and 75 dB or less. This brings about a significant improvement of the working environment and is a very useful effect in the industry. In addition, in the Ar—N 2 -based gas not containing hydrogen, a difference in noise due to a difference in its components could not be confirmed.
- the life of the anode component is remarkably increased when the hydrogen addition amount is 5% or less. This is presumed to be the effect of decreasing the heat transfer rate and decreasing the heat load as the hydrogen content decreases and the effect of plasma stabilization. It was also confirmed that when the hydrogen addition amount was 1% or less, the life was the same as when no hydrogen was added. From the viewpoint of the device life of the plasma gun, it can be seen that it is better not to add hydrogen or limit it to 1% or less even if it contains hydrogen. Note that in the Ar—N 2 -based gas without hydrogen addition, the difference in the life of the plasma gun due to the difference in its components could not be confirmed.
- the noise level from the plasma gun can be reduced to 80 dB or less, which is about 40 dB lower than the conventional level, which can contribute to a significant improvement in the working environment at the manufacturing site.
- E Since the life of the plasma gun, particularly the anode component, is 10 to 100 times longer than the conventional one, effects such as stable operation of equipment, reduction of maintenance load, and improvement of operation rate can be obtained.
- F Moreover, even if hydrogen is added, the effect of suppressing the increase in defects can be obtained not only when there is no shield due to operational disturbance, but also other effects can be achieved without hydrogen. An effect almost equivalent to that at the time of addition can be obtained. From this, even when hydrogen is added, it may be limited to 1% or less. Desirably, it may be limited to 0.5% or less, more preferably 0.2% or less.
- the anode gas may be Ar gas having a plasma stabilizing effect.
- the flow rate may be 5-30% of the total plasma working gas flow rate. If it is 5% or less, the plasma stabilization effect of Ar cannot be obtained. Further, if 30% or more is supplied, the plasma working gas between the cathode and the anode becomes insufficient, and it becomes difficult to obtain a stable and long laminar flow plasma.
- the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to any plasma gun, and can be applied to any ERW steel pipe manufacturing apparatus that uses the plasma as a shield. .
- the present invention can be used in the production of an electric resistance welded steel pipe using a plasma shield. Moreover, it can be applied not only to the manufacture of ERW pipes but also to the welding of steel sheets using a plasma shield.
- Plasma gun cover 100 Steel plate (steel plate formed into a tubular shape), 101 butt end face, 200 ERW steel pipe welding equipment, 201 squeeze roll, 210 top roll, 220 work coil, 221 Air knife, A cathode gas (plasma working gas), B anode gas (plasma working gas), C Plasma D Plasma E Side shield gas F Steel sheet transport direction, K ERW steel pipe T Plasma gun,
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Abstract
Description
従来から酸化物を生成しやすい元素(Cr、Al、Ti、Siなど)を含有する鋼板を溶接して電縫鋼管を製造する場合、その溶接部にペネトレータと称する酸化物に起因する溶接欠陥が発生することが多い。このペネトレータが発生すると、靭性値(特に低温靭性値)、耐食性および冷間加工性を低下させる原因となっている。
水素は、非酸化性(還元性)効果があるだけでなく、熱伝達率が大きいためプラズマ作動ガスに水素を含有すると補助熱源作用を奏することが知られている。そのため、電縫溶接時のトータルの入熱量が低入力側にシフトすることは、水素添加の効果である。
Ar-N2-H2系プラズマ作動ガスにおいて、水素は熱伝達率が大きいため補助熱源作用があり、欠陥数が極小となる適正電縫溶接入熱レベルが低入力側にシフトする。
一方、水素を添加しないAr-N2系プラズマ作動ガスによるプラズマシールドでは、適正入熱量は水素添加した場合よりも大きくなる。その適正入熱量における欠陥数は、水素添加した場合の欠陥数とあまり相違がないことを確認した。
また、シールドのない溶接での適性入熱量は、水素添加しないAr-N2系ガスのときと同じレベルであることも確認した。このため、電縫鋼管の操業上の外乱によりシールドが溶接部から外れ無シールド状態となった場合であっても、欠陥数の増加は、水素添加のAr-N2-H2系にくらべ少なくなることを見出した。
さらに、水素添加量を増やすと、電縫溶接の適正入熱量は低熱量側へシフトすることから、無シールドでの適正入熱量に合致させるため、水素の微量添加により調整できることも見出した。発明者らの実験から、水素を1%以下含有させることで、操業上の外来により無シールド状態になったときの欠陥数の増大を最小限に抑制することができることを見出した。
前述したように、水素はプラズマ安定化を阻害する。従来は、50%以下であればプラズマにはあまり影響がないとされていた。しかし、本発明者らは、水素添加の効果を細かく分析し、水素(H2)添加をしないとプラズマの安定性は著しく向上し、層流のフレームが長くなることを見出した。特に水素の微量(0~1%)添加領域ではその効果が大きく、H2含有量が1%を超えるとプラズマの縮退が著しくなりフレーム長が短くなる。近年の長フレーム化した層流プラズマでは、なおさらこの縮退は問題となる。したがって、安定したプラズマを得るためには、従来の当業者間の常識を覆し、H2を含有しないガス系にするか、含有しても1%を限度とすることを見出した。
Ar-N2-H2系プラズマ作動ガスにおいて、水素添加量を減少させると騒音レベルも低下することを見出した。特に、水素添加量が1%以下になると極端に騒音レベルが低下する(80dB以下)ことを見出した。これは作業環境の著しい改善をもたらすものである。
Ar-N2-H2系プラズマ作動ガスにおいて、前述したように水素の熱伝達率は大きいため、水素添加量の増加に応じてプラズマ作動ガスが接するプラズマガンの受ける熱負荷も増加する。それはプラズマガンの寿命低下につながっていた。逆に、水素添加量を減らせば、プラズマガンの熱負荷は減少し、プラズマガンの寿命延長につながることを見出した。
以上の知見から、本発明をなしたものであり、その要旨は以下のとおりである。
鋼板を管状に成形加工しその突合せ端面を溶接する際に、プラズマガンのカソードとアノードの間に供給したプラズマ作動ガスに電圧を印加してプラズマ生成し、そのプラズマで溶接部近傍をシールドするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法において、
前記プラズマ作動ガスの成分が、体積%で、
N2が70%以上90%以下で、
残部Arおよび不可避的不純物であることを特徴とするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(2)
前記プラズマ作動ガス中に、さらに、H2が1体積%以下含まれていることを特徴とする(1)に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
即ち、鋼板を管状に成形加工しその突合せ端面を溶接する際に、プラズマガンのカソードとアノードの間に供給したプラズマ作動ガスに電圧を印加してプラズマ生成し、そのプラズマで溶接部近傍をシールドするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法において、
前記プラズマ作動ガスの成分が、体積%で、
N2が70%以上90%以下、
H2が0%超で1%以下、
残部Arおよび不可避的不純物であることを特徴とするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(3)
前記プラズマが層流であることを特徴とする(1)または(2)に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(4)
前記プラズマ作動ガスがカソード側から供給するカソードガスとアノード側から供給するアノードガスで構成されることを特徴とする(1)~(3)のいずれか1項に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(5)
前記アノードガスの成分がArおよび不可避的不純物であることを特徴とする(4)に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(6)
前記アノードガスのガス流量が、前記プラズマ作動ガスのガス流量の5~30%であることを特徴とする(4)または(5)に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
(7)
前記カソードガスのガス流量が8L/min以上30L/min以下であることを特徴とする(4)~(6)のいずれか1項に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
本発明の付随的効果として、騒音レベルの低減、プラズマガンをはじめとする設備寿命の延長効果を得ることができる。
本発明者らは、プラズマ作動ガスについて再評価するにあたり、水素添加の効果を中心に評価した。水素には、非酸化作用(還元作用)だけでなく補助熱源作用による溶接入熱増加効果がある反面、プラズマを不安定化させる効果がある。プラズマシールドにおいては、プラズマの安定化が重要であることから、プラズマに悪影響をもたらす水素に着目した。
まず電縫鋼管の製造装置について、図5を用いて説明する。電縫鋼管は、鋼板を管状に成形加工しその突合せ端面を溶接することにより、連続的に製造される鋼管である。電縫鋼管の製造方法、製造装置はいろいろあるが、本発明においては特に方法、装置を限定しない。本願においては、図5の電縫鋼管の製造装置を例として説明する。
このとき、溶接部となる突合せ端面101に周囲の空気を巻き込まないように、プラズマガンTで発生させたプラズマによりプラズマシールドする。プラズマが溶接部を的確にシールするよう、プラズマガンTの配置は慎重に調整し、決定される。なお、221はエアーナイフであり、造管上流から溶接部近傍への水の流入を遮断させる効果がある。
次に、プラズマを生成するプラズマガンについて図6を用いて説明する。
最近のプラズマシールド溶接では、プラズマ長が長く、層流プラズマによるシールドが実現されている。層流プラズマによるシールドは、溶接部において空気の巻き込みが少ないため、ペネトレータ等の欠陥を抑制する。また、プラズマ長が長いと、溶接部から離れたところにプラズマガンを設置することができ、設備スペース的に有利である。反面、長い層流プラズマを安定して得ることは簡単ではない。本発明者らは、安定してプラズマ長の長い層流プラズマを得ることができるプラズマガンを開発した(特許文献3)。図6は、特許文献3で開示されたプラズマガンの構造の模式図である。このプラズマガンによれば、安定して長いプラズマ長の層流プラズマを得ることができる。本願においては、このプラズマガンによるプラズマを例として説明する。なお、本発明はこのプラズマガンによるプラズマに限定されるものではない。プラズマの性質上、特にプラズマガンの型式は問わないからである。
なお、本発明は、プラズマの生成方法、プラズマガンの型式などは限定しない。プラズマ作動ガスの成分の違いによるプラズマの性質の相違に着目しているからである。
鋼板:本発明の説明に使用する鋼板成分を表1に、また電縫鋼管の製造条件を以下に示す。
鋼板板厚:11.0mm
電縫鋼管径:外径168.3mm(φ168.3)
造管速度:15m/min(Vm=9.0m/min、V角5°)
前記実施条件は、本発明者らの経験上、電縫鋼管製造における代表的な条件を選択している。なお、本発明は、鋼板の成分、板厚等の鋼板性状および電縫鋼管の径、造管速度等の電縫鋼管性状および製造方法は限定されない。鋼板や電縫鋼管に関する製造条件に関する要因とプラズマ、特にプラズマ作動ガスによる要因とは独立して評価できるからである。
本発明は、プラズマ作動ガスの成分について抜本的に見直し、特に水素の影響について調査し、新たな知見を得たものである。ベースとなるプラズマ作動ガスは、後で解説するが、窒素(N2)成分を主体としたAr-N2-H2ガスを使用した。ガス成分(ガス成分(%)は、特に断りのない限り体積%にて示す。以下同じ。)はAr:20%、N2:80%を標準ガスとした。H2の添加効果をみるため、この標準ガスにおいてAr20%を固定し、H2の添加量を0.5%、1%、2%、3%、4%、14%と添加したときは、その分N2を79.5%、79%、78%、77%、66%と減少させた。また、H2無添加ガスとして標準ガス(Ar:N2=20%:80%)のほかに、Ar:N2=40%:60%、Ar:N2=30%:70%、Ar:N2=10%:90%、Ar:N2=5%:95%、および従来ガスとしてAr:N2=55%:45%を使用した。従来ガスは、特許文献1,2ともAr-N2系ガスは提唱しているものの実施例がなく、最適成分比も開示させれいないので、提唱仕様内で成分比を設定した。特に断りのない限り、Ar-N2ガスと記載した場合は20%Ar-80%N2の標準ガスを、Ar-N2-H2ガスと記載した場合は、前記した標準ガスをベースにH2添加量を変化させたガスを示す。
水素(H2)ガスは、熱伝達率が高いので、ガス全体の熱伝達率を向上させる効果がある。また、プラズマになったときに酸素キル作用(大気から巻き込んだ酸素を不活性にする作用)があり、プラズマ中に混入した酸素と結合し、酸化物の生成抑制効果がある。そもそも、水素は還元作用、つまり酸化抑制作用があるから、酸素キル作用とあいまって酸化物の生成抑制効果がある。しかし、水素はプラズマの安定性阻害作用があり、安定したプラズマが得にくいという欠点がある。
図1に、電縫溶接時の入熱量と欠陥率(欠陥面積率)の関係をプラズマ作動ガスごとに示す。ここで欠陥面積率(Defect area ratio)とは、溶接面積に対するペネトレータ(酸化物に起因する溶接欠陥。以下、特に断りのない限り単に欠陥と呼称する。)の面積率である。電縫溶接部にノッチ底部を一致させたシャルピー試験片を全面延性破壊になる温度(150℃)で破壊して欠陥面積を測定することで欠陥面積率が測定できる。
一方、水素を添加しないAr-N2系プラズマ作動ガスによるプラズマシールドでは、入熱量は水素添加した場合よりも大きくなる。その適正入熱量は1050kW程度になり、ここにおける欠陥数が極小値は、水素添加した場合とあまり相違がないことを確認した。
また、シールドのない(無シールド)溶接での適正入熱量は、水素添加しないAr-N2系ガスのときと同じレベル(1050kW程度)であることも確認した。
水素添加していないAr-N2系プラズマ作動ガスで欠陥数が極小となる最適溶接入熱量は、無シールドでの欠陥数が極小となる最適溶接入熱量より若干大きくなる。したがって、僅かながらでもH2を添加して適正入熱量を一致させることにより、操業上の外乱により無シールド状態となった場合に、欠陥の増加を最小限に抑えることができる。発明者らが実験により確認したところ、H2を1%添加したときの適正入熱量は、無シールドの適正入熱量とほぼ一致した。H2を1%添加することにより、無シールド時の欠陥生成抑制効果は最大となる。1%を超えて添加すると、その効果は低減されるだけでなく、以下に説明するその他の効果が得られないため、H2添加は1%以下に制限するとよい。
プラズマの安定化は、層流プラズマ長さ(プラズマの層流フレーム長さ)で評価することができる。もちろん、プラズマ長が長いほうがプラズマの安定性がよいということである。電縫鋼管の溶接では、設備的な取り合いの関係から、できるだけ長いフレーム長であって、安定したフレーム長であることが要求される。図2に、水素ガスの添加量(体積%)とプラズマ長の関係を示す。プラズマ長は、黒色幕を背景にし、目視により測定した。
したがって、安定したプラズマを得るためには、従来の当業者間の常識を覆し、H2を含有しないガス系にするか、含有しても1%以下に制限することを見出した。望ましくは、0.5%以下に制限するとよい。さらには、0.2%以下に制限するとよい。
一方、従来技術にて提唱されていたAr:N2=55%:45%では、層流化効果があまり得られないためか、プラズマ長は465mmと短くなった。
これは、Arが減少するとプラズマ安定化効果が得られにくくなることと、N2が減少することによりレイノズル数が大きくなり層流化が阻害されるためと考えられる。層流によるプラズマ長の長大化には、窒素(N2)の効果が大きいことがわかる。
次に騒音レベルについての評価を行った。図3に、プラズマガンの機側1mでの騒音(Noise)レベル(dB)の測定値とプラズマ作動ガス中の水素添加量の関係を示す。明らかに水素添加量と騒音との間には正の相関があることがわかる。さらに細かく分析すると、H2の添加量を5%以下にすることにより騒音レベルが著しく減少することがわかった。
騒音レベルの減少傾向は水素添加量が1%以下でサチュレートし、水素無添加の騒音レベルとほぼ同じとなることを確認した。本実施例においては、水素添加量1%以下で75dB以下となることを確認した。これは作業環境の著しい改善をもたらすものであり、産業上非常に有用な効果である。
なお、水素無添加のAr-N2系ガスでは、その成分の違いによる騒音の違いは確認できなかった。
次に、最も熱負荷のかかりやすいプラズマガン、特にアノードの寿命について検証した。寿命は、プラズマガンのアノード部品の交換周期を指標とした。
Ar-N2-H2系プラズマ作動ガスにおいて、前述したように水素の熱伝達率は大きいため、水素添加量の増加に応じてプラズマ作動ガスが接するプラズマガンの受ける熱負荷も増加する。それはプラズマガンの寿命低下につながっていた。逆に、水素添加量を減らせば、プラズマガンの熱負荷は減少し、プラズマガンの寿命延長につながると考えた。確かに水素添加による寿命低下傾向は明瞭であるが、水素添加量8~15%レベルでは、アノード部品の劣化傾向は変化がなかった。しかし、着目すべきは、水素添加量5%以下となると顕著にアノード部品寿命が伸びることである。これは、水素含有量の減少とともに熱伝達率が下がり熱負荷が軽減傾向になったことと、プラズマの安定化による効果ではないかと推察する。水素添加量1%以下では、水素無添加のときと同等の寿命となっていることも確認できた。プラズマガンの装置寿命の観点からは、水素無添加とするか、水素を含有していても1%以下に制限するとよいことがわかる。
なお、水素無添加のAr-N2系ガスでは、その成分の違いによるプラズマガンの寿命の違いは確認できなかった。
以上の知見から総括すると、Ar-N2系ガスにおいて、水素無添加にすることにより;
(a)電縫鋼管製造上の外乱により溶接部からシールドが外れた無シールドとなった場合でも、欠陥増加を抑制することができ、生産上の尤度を確保することができる。
(b)プラズマが極端に安定化し、層流かつ長プラズマを得ることができ、安定したシールド効果を得ることができるだけでなく、設備的な尤度を確保できる。
(c)さらに、N2を60%以上にするとプラズマが層流化し易くなり、安定性が向上する。好ましくは、N2含有量を70%~90%にするとよい。
(d)プラズマガンからの騒音レベルを80dB以下と、従来比40dB程度減少させることができ、製造現場での作業環境の著しい改善に貢献できる。
(e)プラズマガン、特にアノード部品の寿命が従来の10~100倍に延びることから、設備の安定稼動、メインテナンス負荷の軽減、稼働率の向上などの効果が得られる。
(f)また、水素を添加しても1%以下にすることにより、操業上の外乱により無シールドとなった場合でも欠陥増加の抑制効果を得ることができるだけでなく、その他の効果も水素無添加のときとほぼ同等の効果を得ることができる。このことから、水素を添加した場合でも1%以下に制限すればよい。望ましくは、0.5%以下、さらに好ましくは0.2%以下に制限するとよい。
次に、前述したカスケード型プラズマガン(図6参照)を使用し、プラズマ作動ガスをカソードガスとアノードガスに分けて供給した。また、同じカスケード型であるがプラズマ径25mmのプラズマガンも用いて実施した。表3にカソードガス、アノードガスのガス種と流量を示す。
結果として、電縫鋼管溶接への影響は、どのガス流量でも問題はなかった。第1の実施態様と同様の結果であった。また、それぞれの口径での少量ガス流量時の水素添加の影響においても1%以下の添加では、僅かに(長さ比で5%程度)プラズマ長が減少したものの、水素無添加の場合と同様、電縫鋼管の溶接性には問題がなかった。
繰り返しになるが、本発明は、前述した実施態様に限定されるものでなく、いかなるプラズマガンにおいても適用可能であり、そのプラズマをシールドに用いるいかなる電縫鋼管製造装置にも採用できるものである。
11 (カソード)本体部
12 (カソード)陰極、
2 パイロット部材、
3 カスケード、
3A、3B、3C、3D、3E カスケード部材、
4 アノード、
6 サイドシールドモジュール
7 プラズマガンカバー
100 鋼板(管状に成形加工された鋼板)、
101 突合せ端面、
200 電縫鋼管の溶接装置、
201 スクイズロール、
210 トップロール、
220 ワークコイル、
221 エアーナイフ、
A カソードガス(プラズマ作動ガス)、
B アノードガス(プラズマ作動ガス)、
C プラズマ
D プラズマ
E サイドシールドガス
F 鋼板の搬送方向、
K 電縫鋼管
T プラズマガン、
Claims (10)
- 鋼板を管状に成形加工しその突合せ端面を溶接する際に、プラズマガンのカソードとアノードの間に供給したプラズマ作動ガスに電圧を印加してプラズマを生成し、そのプラズマで溶接部近傍をシールドするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法において、
前記プラズマ作動ガスの成分が、体積%で、N2が70%以上90%以下で、
残部Arおよび不可避的不純物であることを特徴とするプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記プラズマ作動ガスが、さらにH2が1体積%以下含有することを特徴とする請求項1に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記プラズマが層流であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記プラズマが層流であることを特徴とする請求項2に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記プラズマ作動ガスがカソード側から供給するカソードガスとアノード側から供給するアノードガスで構成されることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記アノードガスの成分がArおよび不可避的不純物であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記アノードガスのガス流量が、前記プラズマ作動ガスのガス流量の5~30%であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記アノードガスのガス流量が、前記プラズマ作動ガスのガス流量の5~30%であることを特徴とする請求項6に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記カソードガスのガス流量が8L/min以上30L/min以下であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
- 前記カソードガスのガス流量が8L/min以上30L/min以下であることを特徴とする請求項6に記載のプラズマシールド電縫鋼管の製造方法。
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