CN101622084B - 电阻焊钢管的制造方法和含有高Si或高Cr的电阻焊钢管 - Google Patents

Abstract

本发明提供通过等离子体照射能够稳定地降低起因于氧化物的焊接缺陷、而且能够降低等离子体喷射声的电阻焊钢管制造方法，在将钢板(1)成形加工为管状，对其对接端面(4)进行电阻焊接时，对在焊接点9的焊接上游侧温度达到650℃以上的区域(6)之中的至少对接端面(4a)喷射还原性高温(准)层流等离子体，所述还原性高温(准)层流等离子体，是通过对含有2～50体积％H₂气、其余部分由单一的Ar气、或者在Ar气中添加了N₂气、He气或其该两者的混合气体构成的还原性气体施加电压而产生的。此时，优选使施加电压大于120V，并成为满足下述(1)式的等离子体喷射条件。

Description

电阻焊钢管的制造方法和含有高Si或高Cr的电阻焊钢管

技术领域

本发明涉及主要用于石油或天然气用管线管、油井管以及原子能用、地热用、化学设备用、机械结构用和一般配管用的钢管等的电阻焊钢管的制造方法，尤其是涉及适合于将较多地含有容易生成Cr和Si等的氧化物的元素的钢板作为钢管原材料使用的情况的电阻焊钢管的制造方法和含有高Si或高Cr的电阻焊钢管。

背景技术

图4是表示以往的电阻焊钢管的制造方法的模式图。如图4所示，在以往的电阻焊钢管的制造方法中，一般是一边沿方向110连续地输送带状的钢板101，一边由多个辊组(未图示)成形为管状，通过利用高频线圈102的感应加热或利用导电嘴(contact tip；接触尖端)的直接通电加热，将其对接端面104熔融，同时通过由挤压辊103施加顶锻(upset)，在对接端面104处形成焊缝105，制成为电阻焊钢管。

在这种以往的电阻焊钢管的制造工序中，由于在电阻焊接时对接端面104暴露在大气中，因此在其表面上生成氧化物，该氧化物不被挤出而残留下来，有时在焊接区发生被称为过烧(penetrators)的起因于氧化物的焊接缺陷。尤其是使用象Cr含量为2～11质量％的含Cr钢、Cr含量为12质量％以上的不锈钢、铁素体-马氏体复合组织钢(DP钢；作为第2相的马氏体的体积分率为5％以上)和铁素体-奥氏体型复合组织钢(TRIP型复合组织钢；利用了体积分率为5％以上的残余奥氏体的相变诱发塑性[Transformation Induced Plasticity]的低合金高强度钢)等那样较多地含有容易生成Cr、Si等的氧化物的元素的钢板的场合，在焊接区容易发生过烧。这样的焊接缺陷成为使钢管的低温韧性、耐腐蚀性和冷加工性降低的原因，因此，以往，在电阻焊钢管的制造工序中，在电阻焊接时通过惰性气体保护来降低焊接区的气氛中的氧含量，由此谋求降低过烧的发生。然而，由于在惰性气体保护时发生空气的卷入等，因此难以使电阻焊接区的气氛稳定地成为低氧状态。另一方面，为了稳定地维持电阻焊接区的低氧状态，需要大型的保护设备，生产率大大降低。

另外，本发明者们曾提出了一种电阻焊钢管的制造方法，其中，在钢管的电阻焊接时，通过以设定流速向对接端面喷射1400℃以上的还原性高温燃烧焰或非氧化性高温等离子体，来抑制在对接端面处的氧化物生成，并且促进氧化物排出(参照日本特开2004-298961号公报)。该日本特开2004-298961号公报所记载的技术，与以往的方法相比，不会降低生产率，并能够降低电阻焊接区的过烧。然而，该方法当为了进一步减少焊接区的过烧而增加高温燃烧焰或等离子体的流速、提高热流体的剪切力时，焊接区周围的空气卷入变得显著，存在过烧反而增加的问题。因此，日本特开2004-298961号公报所记载的技术不能够充分地降低过烧的发生。

因此，本发明者们进一步反复研究，曾提出了一种电阻焊钢管的制造方法，其中，在设定的对接角度下，至少对在从焊接点起的焊接上游侧达到650℃以上的温度的全范围的对接面喷射惰性气体，并且至少对在从焊接点起的焊接上游侧直到距离给电距离(给电距离：从高频感应线圈或给电头到焊接点的距离)的1/5的位置的全范围的对接端面，以30～270m/秒的流速喷射非氧化性气氛的、并且具有1400℃以上的温度的非氧化性高温等离子体(参照日本特开2006-026691号公报)。该日本特开2006-026691号公报所述的电阻焊钢管的制造方法，没有降低生产率，并且，在焊接条件变动时不改变设定条件即能够减少起因于焊接区中的氧化物的生成的焊接缺陷、和局部的线能量不足所引起的焊接缺陷。

另外，为了提高利用等离子体射流的焊接、切割、喷镀、加热等的高温加工的加工效率和精度，日本特开2004-243374号公报公开了关于规定了侧面气体喷出方向的等离子体枪的发明。

发明内容

然而，上述的日本特开2006-026691号公报所述的电阻焊钢管的制造方法，由于等离子体射流(由等离子体枪喷射的等离子体)是紊流，因此存在即使在其周围配置用于与大气隔断的保护气体也卷入大气的问题。例如，即使采用日本特开2004-243374号公报中提出的保护气体的照射角度、流量条件，有时等离子体射流内的氧浓度也未充分地变低。因此，日本特开2006-026691号公报所述的电阻焊钢管的制造方法，不能够稳定地降低焊接区的氧化物量，有时缺陷数量超过目标值。此外，日本特开2006-026691号公报所述的电阻焊钢管的制造方法，由于等离子体射流是紊流并且高速，因此在对对接部进行焊接时，也存在发生较大的等离子体喷射声的问题。

因此，本发明是鉴于上述的问题而完成的研究，其目的是提供能够稳定地降低起因于氧化物的焊接缺陷的发生，而且也能够降低焊接时发生的等离子体喷射声的电阻焊钢管的制造方法以及含有高Si或高Cr的电阻焊钢管。

用于解决上述课题的本发明的要旨如下。

(1)一种电阻焊钢管的制造方法，将钢板成形加工为管状，对其对接端面进行电阻焊接，该制造方法的特征在于，由级联(cascade)型等离子体枪对在上述电阻焊接的相比于焊接点的焊接上游侧温度达到650℃以上的区域之中的至少对接端面喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流(伪层流；pseudolaminar flow)等离子体，所述级联型等离子体枪，通过向在阴极气体中对阴极与阳极间施加电压而生成的等离子体气体喷射阳极气体，形成为等离子体工作气体而进行等离子体喷射，所述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体，是通过调节上述等离子体工作气体的成分以使其含有2体积％以上且不到50体积％的H₂气，其余部分由Ar气以及不可避免的杂质气体构成，或者其余部分由在Ar气中添加了N₂气、He气或该两者的混合气体以及不可避免的杂质气体构成，从而赋予了还原性的等离子体。

(2)根据(1)所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使从上述等离子体枪的阴极的尖端到能产生阳极的位置的距离L为8mm以上，并且为阳极内径D的10倍以下，使在上述等离子体枪的阴极与阳极间施加的电压为超过120V的电压，并且，在由G_i(l/分)表示上述等离子体工作气体的在标准状态下的流量，由M_i表示上述等离子体工作气体的相对分子量，由D(m)表示阳极内径，由μ_{ave，T＝7000}(kg/m/秒)表示在7000K下的粘性系数时，采用满足下述式<1>的等离子体喷射条件，使上述等离子体成为层流或准层流。

$150<\frac{4\&times;\left(\mathrm{\&Sigma;}{G}_i{M}_i\right)}{\mathrm{\&pi;}\&times;D\&times;{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{ava},T=7000}}<400......<1>$

(3)根据(1)或(2)所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，上述等离子体枪的阳极内径D为16mm～30mm。

(4)根据(1)～(3)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，在上述等离子体枪的阳极前面或前方外周，在距中心轴的距离为上述阳极的内半径的1.5～3.5倍的位置，设置方向以从等离子体中心轴方向向外侧成10～30°的范围的轴对称方向朝向的喷射口，由该喷射口以上述等离子体的气体流量的1～3倍以内的气体流量喷射侧面保护气体，所述侧面保护气体由选自Ar气、N₂气和He气中的一种或两种以上的惰性气体以及不可避免的杂质气体构成。

(5)根据(1)～(4)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，采用CH₄气和C₂H₂气中的一种或两种置换构成上述等离子体工作气体的H₂气的一部分或全部来使用。

(6)根据(1)～(5)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，向上述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体供给平均粒径为1μm～10μm的硼化物微粉末。

(7)根据(1)～(6)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使上述阴极的尖端部为半球形状，并且使该半球形状尖端部的曲率半径为阳极内径的1/2以下。

(8)根据(1)～(7)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，在上述电阻焊钢管的制造方法中使用阻抗器，该阻抗器所使用的阻抗器壳体材料，使用依据JIS C2141标准的在300℃下的电阻为10¹¹～10¹³Ωcm、且采用水中投下法求得的热冲击特性为500℃以上的陶瓷。

(9)根据(1)～(8)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使上述等离子体枪的尖端与钢管表面的距离为150mm～300mm。

(10)一种电阻焊钢管，是采用(1)～(9)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法制造的，该电阻焊钢管的特征在于，上述钢板由以质量％计含有Si：0.5～2.0％的含Si钢板、或含有Cr：0.5～26％的含Cr钢板构成，电阻焊接区的缺陷率为0.01％以下。

附图说明

图1(a)是模式地表示本发明的电阻焊钢管的制造方法的侧面图。

图1(b)是模式地表示本发明的电阻焊钢管的制造方法的平面图。

图2是模式地表示在图1(a)和图1(b)中所示的等离子体枪的构成的部面图。

图3是概念性地说明本发明采用的等离子体枪的阳极内径的大径化以及等离子体层流化的效果的图。

图4是模式地表示以往的电阻焊钢管的制造方法的立体图。

具体实施方式

以下参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行详细说明。

首先，以使用高频线圈来加热钢板的情况为例，对(1)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法进行说明，图1(a)是表示本实施方式的电阻焊钢管制造方法的侧面图，图1(b)是其平面图。如图1(a)和图1(b)所示，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，一边将例如厚度1～22mm左右的钢板1朝向方向10连续地输送，一边由多个辊组(未图示)成形为管状，通过高频线圈2进行感应加热使其对接端面4熔融，同时由挤压辊3施加顶锻，在对接端面4形成焊缝7。

此时，由级联型等离子体枪20对在上述电阻焊接的相比于焊接点9的焊接上游侧温度达到650℃以上的区域6之中的至少对接端面4a喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5，所述级联型等离子体枪，通过向在阴极气体中对阴极与阳极间施加电压而生成的等离子体气体喷射阳极气体，形成为等离子体工作气体而进行等离子体喷射，所述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5，是通过调节上述等离子体工作气体的成分以使其含有2体积％以上且不到50体积％的H₂气，其余部分由Ar气以及不可避免的杂质气体构成，或者其余部分由在Ar气中添加了N₂气、He气或该两者的混合气体以及不可避免的杂质气体构成，从而赋予了还原性的等离子体。

在焊接点9的焊接上游侧的对接端面4之中的、加热温度达到650℃以上的区域6，由于高频线圈2、挤压辊3和阻抗器8等的冷却水飞散或暴露在水蒸气气氛中，因此与加热温度条件相辅起因于在氧化反应中生成的氧化物的焊接缺陷即过烧的发生变得显著。因此，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，通过向该区域6喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5，在使电阻焊接时的对接端面4a处于还原性气氛的同时，促进使氧化物在高温的熔融状态下从对接端面排出的作用，抑制起因于氧化物的过烧等的焊接缺陷的发生。

将本发明的级联型等离子体枪的一例示于图2。作为等离子体枪20，使用级联型等离子枪，其在阳极22的内侧(阴级21侧)部分，以包围阴极21的尖端部的方式设置绝缘部26，而且，在阳极22的内部设置有阴极气体流路23、阳极气体流路24和侧面保护气体流路25。另外，在该等离子体枪20的阳极22的内面，隔着绝缘部26，在等离子体上游侧形成了与阴极气体流路23连接的阴极气体供给孔23a，在下游侧形成了与阳极气体流路24连接的阳极气体喷出口24a。而且，在阳极22的尖端部形成了与侧面保护气体流路25连接的侧面保护气体供给孔25a。

此外，根据需要在阳极22的尖端部形成与粉末供给气体流路27连接的粉末供给气体供给孔27a。

即，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，在从阴极气体供给孔23a朝向阴极21供给的阴极气体中，在阴极21与阳极22间施加电压而发生等离子气体，在阴极尖端21a的等离子体下游侧，向等离子体5喷射阳极气体，形成为由阴极气体和阳极气体构成的等离子体工作气体，从而喷射高温(准)层流等离子体5。通过在阴极尖端21a的等离子体下游侧，向等离子体5喷射阳极气体，能够使阳极斑点移动到阳极内壁的等离子体下游侧。

其结果，由于阴极尖端21a与阳极斑点的距离变长，因此电压增高，容易形成(准)层流等离子体射流。通过使由阴极气体和阳极气体构成的等离子体工作气体含有氢气，来对高温(准)层流等离子体5赋予还原性。根据需要，从阳极22的尖端部，以包围等离子体5的方式喷射侧面保护气体11时，能够有利地阻止氧气向该高温(准)层流等离子体5中混入，因此优选。此外，根据需要，通过从阳极22的尖端向高温(准)层流等离子体5供给硼化物微粉末，能够得到比氢气高的还原性，因此优选。

在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，由于使等离子体射流为层流或准层流，因此与上述的日本特开2006-026691号公报所述的技术相比，能够大幅度地降低大气的卷入。其结果，可降低焊接区的氧化物量，使起因于氧化物的焊接缺陷的比例(焊接缺陷率)为0.01％以下，并且也能够降低焊接时发生的等离子体喷射声。

再者，在此所说的“焊接缺陷率”，是相对于焊接面积的过烧(起因于氧化物的焊接缺陷)的面积率。另外，所谓“准层流”是指等离子体射流的等离子体芯部为层流，等离子体外侧数mm为紊流的状态，比钢管内面远的远方(相比于钢管的对接端面4，在管内侧)的等离子体射流是紊流还是(准)层流是不用管的。

在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中使用的等离子体工作气体中含有的H₂气，具有下述效果：在提高传热系数的同时，形成为还原性气氛，抑制对接端面4a的氧化反应。然而，等离子体工作气体中的H₂气含量不到2体积％的场合，不能得到上述的效果。另一方面，等离子体工作气体中的H₂气含量为50体积％以上时，等离子体变得不稳定。因此，等离子体工作气体中的H₂气含量为2体积％以上且不到50体积％。

另外，该等离子体工作气体中的H₂气以外的成分，是单一的Ar气以及不可避免的杂质气体，或者是在Ar气中添加有N₂气、He气或该两者的混合气体以及不可避免的杂质气体。为了确保等离子体的稳定性，优选以Ar气为主成分，但通过适量添加N₂气和/或He气，可使等离子体的传热系数提高，从而提高钢板1的对接端面4a处的加热能力。但是，等离子体工作气体中的Ar气比率为50体积％以下的场合，有时等离子体变得不稳定，因此在等离子体工作气体中添加N₂气以及He气的场合，优选使等离子工作气体中的Ar气比率超过50体积％，即，使等离子体工作气体中的N₂气、He气和H₂气比率合计不到50体积％。

上述的还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5，例如，可以使用工业上广泛地使用的喷镀用的直流等离子体发生装置生成。由此生成的等离子体，具有下述特征：气体温度比由通常的气体燃烧器等生成的燃烧焰高，高温区域的等离子体长度为60mm以上，并且等离子体径为5mm以上，因此是电阻焊接时的缝仿效性良好，能够比较容易地追随缝位置变化的热源。

另外，为了充分地得到上述的效果，优选使还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5的温度为1400℃以上。尤其是由于在电阻焊钢管的制造过程中容易生成的Mn-Si-O复合氧化物的熔点为1250～1410℃、Cr氧化物的熔点为2300℃，因此为了使这些氧化物熔融，更优选使还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5的温度为2400℃以上。

另一方面，还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5的温度越高，则在高温状态下使已生成的氧化物从对接端面熔融-排出的作用越得到促进，焊接缺陷减少，因此还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5的温度上限不需要特别地限定。

接着，在(2)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，优选：使从上述等离子体枪20的阴极的尖端21a到能产生阳极的位置的距离L为8mm以上，并且为阳极内径D的10倍以下，使在上述等离子体枪的阴极21与阳极22间施加的电压为超过120V的电压，并且，在由G_i(l/分)表示上述等离子体工作气体的在标准状态下的流量，由M_i表示上述等离子体工作气体的相对分子量，由D(m)表示阳极内径，由μ_{ave，T＝7000}(kg/m/秒)表示在7000K下的粘性系数时，采用满足下述式<1>的等离子体喷射条件，使上述等离子体成为层流或准层流。

再者，在式<1>中，在G_i、M_i、D、μ的单位换算上，为{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}乘以(1/22.4)×(1/60)的结果。

$150<\frac{4\&times;\left(\mathrm{\&Sigma;}{G}_i{M}_i\right)}{\mathrm{\&pi;}\&times;D\&times;{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{ava},T=7000}}<400......<1>$

在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，对相比于焊接点9在焊接上游侧温度达到650℃以上的区域6之中的至少对接端面4a喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5，但此时的条件若脱离上述式<1>，即，{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}为400以上的场合，等离子体射流变为紊流，因此容易发生大气的卷入，焊接区的氧化物量容易增加。其结果，不能够稳定地降低起因于氧化物的焊接缺陷，并且焊接时发生的等离子体喷射声增大。

另外，{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}为150以下时，气体流量不足，不能够排除焊接点附近的水，不能够稳定地减少起因于氧化物的焊接缺陷。因此，在喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5时，优选使之满足上述式<1>。

但是，即使满足上述式<1>，在对等离子体工作气体施加的电压为120V以下的场合，阴极斑点与阳极斑点之间的等离子体径向的气体速度变快，因此在等离子枪尖端，等离子体射流容易发散，容易成为紊流。因此，优选对等离子体工作气体施加的施加电压高于120V。

另外，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中使用的等离子体枪20，优选从阴极尖端21a到能产生阳极的位置的距离L为8mm以上且为阳极22的内径D的10倍以下。对等离子体枪20施加的电压，根据从该阴极尖端21a到能产生阳极的位置的距离L而变化。

对等离子体枪20施加的电压，也根据等离子体工作气体的流量和组成而变化，但作为等离子体工作气体使用含有2体积％以上且不到50体积％的H₂气的还原性气体的场合，从阴极尖端21a到能发生阳极的位置的距离L不到8mm时，不能够对等离子体枪20施加大于120V的电压。另一方面，使用级联型等离子体枪等的场合，从阴极尖端21a到能发生阳极的位置的距离L超过阳极22的内径D的10倍时，难以维持等离子体5。因此优选距离L为8mm≤L≤10×D。

接着，在(3)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，当电阻焊接时的给电距离(给电距离：从高频线圈2或给电片到焊接点9的距离)超过100mm时，为了确保保护范围12[被等离子体保护的对接端面的范围。在使用侧面保护气体的场合，包括由侧面保护气体保护的范围(参照图1(a)。]，优选等离子体枪20的阳极内径为16mm以上。但是，阳极内径超过30mm时，等离子体变得不稳定，因此阳极内径必须为30mm以下。

在此，利用图3对本发明采用的等离子体枪20的阳极内径的大径化以及等离子体的(准)层流化的效果进行说明。

不照射等离子体的一般的电阻焊钢管焊接中，当线能量低于最佳值时，由熔融不足导致的缺陷高时，发生氧化物(过烧)。此时，即使是最佳线能量，也存在由焊机周边的冷却水以及大气引起的氧化，因此容易生成氧化物的钢在焊接时缺陷率不一定充分地低(参照图中曲线A)。与此相对，如果照射还原性的紊流等离子体，则由于由等离子体射流引起的水排除、还原作用、或表面氧化物熔融等，而使氧化物缺陷率降低(参照图中曲线B)。但是，在等离子体径小的场合，保护范围12狭窄，因此等离子体照射位置偏移10mm时，等离子体照射的效果消失(参照图中曲线C)。在此，若将等离子体大径化，则保护范围12扩大，因此等离子体照射位置即使偏移10mm也不损害等离子体的降低缺陷效果(参照图中曲线D)。此外，若将等离子体(准)层流化，则等离子体的还原能力高，并且可以由等离子体的高温火焰形成保护(通过层流化，等离子体射流变长)，因此不仅电阻焊接的线能量为最佳值的条件下的缺陷率降低，而且即使该线能量从最佳范围偏离了某种程度，保护效果与辅助热源效应复合，也能够稳定地得到高品质的焊接区(参照图中曲线E)。

再者，此时，若电阻焊接的线能量较大地偏离最佳值，则焊接点附近的狭缝(在焊接点9的下游生成的熔融状态的狭缝状的间隙)长度变长，熔融区处于等离子体保护范围以外，因此开始发生缺陷。

等离子体径(

阳极径)，在等离子体照射角度为水平方向的场合，必须为板厚度以上，但实际上以与水平方向成15°～30°的角进行照射，因此等离子体径必须为板厚的80％以上。此外，为了确保保护范围12，优选极力减小照射角度，但实际上当为比15°小的照射角度时，与钢管表面接触。此时，为了确保保护范围12为给电距离的1/3以上，更优选使等离子体径为16mm以上。再者，照射角度15°是等离子体枪与钢管物理性地相碰的角度，根据电阻焊接的焊机外围的构成而变化。当照射角度为30°以上时，保护范围12不足，因而不优选。

由此，在可扩大等离子体照射范围的同时，能够防止卷板接缝的凹凸与等离子体枪的接触事故。

接着，在(4)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，优选：在上述等离子体枪的阳极前面或前方外周，在距中心轴的距离为上述阳极的内半径的1.5～3.5倍的位置，设置方向以从等离子体中心轴方向向外侧成10～30°的范围的轴对称方向朝向的喷射口，由该喷射口以上述等离子体的气体流量的1～3倍以内的气体流量喷射侧面保护气体11，所述侧面保护气体11由选自Ar气、N₂气和He气中的一种或两种以上的惰性气体以及不可避免的杂质气体构成。这样地，通过向等离子体射流的外周部喷射惰性气体，来抑制大气向等离子体中的卷入，使等离子体中的氧气浓度降低，能够提高氢分压/水分压。再者，等离子体中的氢分压/水分压，例如，可以由采用激光吸收法和激光诱发荧光法等求得的氢分子和水分子的温度、假定为热平衡以及大气压的气体压力，来求得氢浓度和水浓度，由它们的值的比算出。上述的侧面保护气体11的喷射，特别是在给电距离长的情况下较有效。

此时，在侧面保护气体11的喷射位置不到等离子体枪的阳极内径的1.5倍的场合，在等离子体上游混入冷气体，等离子体温度降低。另一方面，侧面保护气体11的喷射位置超过等离子体枪的阳极内径的3.5倍时，不能得到由惰性气体隔断大气的效果。另外，侧面保护气体11的流量不到等离子体气体流量的1倍时，不能得到隔断大气的效果。另一方面，侧面保护气体11的流量超过等离子气体流量的3倍时，等离子体温度大幅度地降低。

再者，侧面保护气体11的喷射方向，优选为从等离子体中心轴方向向外侧成10～30°的范围的轴对称方向。超过30°时，侧面保护的效果减小，不能够抑制大气的氧气向等离子体扩散。另一方面，不到10°时，冷的侧面保护气体11急剧地冷却等离子体。

接着，在(5)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，能够采用H₂气、CH₄气和C₂H₂气中的一种或两种置换构成上述等离子体工作气体的H₂气的一部分或全部来使用。即，作为等离子体工作气体，也可以使用：含有H₂气、CH₄气和C₂H₂气中的一种或两种以上的气体、和Ar气，且Ar气含量超过50体积％的混合气体。若使用这样的混合气体，则可以利用H₂气、CH₄气和C₂H₂气提高对接端面4a处的还原性，因此使上述的阳极斑点移动到阳极内壁的等离子体下游侧，除了容易形成层流等离子体射流的作用效果外，还能够得到抑制氧化物生成的效果。此外，在焊缝金属区存在脱氮、脱碳的场合，也可以由等离子体工作气体添加这些元素。但是，若吸收过剩的氢，则有时发生氢脆裂纹，因此为了抑制这种裂纹发生，优选在焊接后进行焊缝正火(norma)处理。

接着，在(6)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，为了形成还原性高的层流等离子体，向上述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体5供给还原性更高的硼化物的平均粒径1μm～10μm的微粉末。该硼化物的微粒子，优选使用Ar气或氮气作为粉末供给气体。在将含有硼化物微粉末的Ar气作为粉末供给气体使用的场合，例如，使用粉末供给机，以Ar气作为载气，从粉末供给气体的供给位置向等离子体喷射平均粒径1μm～10μm的硼化物微粉末。再者，硼化物微粉末的平均粒径不到1μm时，由于凝聚而不能够稳定地供给粉末，另外，超过10μm时，不完全熔融或分解而存在成为焊接缺陷的可能性，因此优选硼化物的微粉末的平均粒径为1μm～10μm。

接着，在(7)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，在不使用金属接触(metal touch)或辅助等离子体(pilot plasma)而进行高频起动的场合，优选使阴极尖端部为半球形状，使阴极尖端21a的曲率半径为阳极内径的1/2以下。阴极尖端21a的曲率半径越小，则阴极尖端21a处的电磁场强度越增大，等离子体越容易点火，但阴极尖端21a的曲率半径超过阳极内径的1/2时，阴极尖端空间的电磁场变弱，难以进行高频起动。但是，使用作为高频起动以外的点火方式的金属接触或辅助等离子体的场合，阴极尖端空间的电磁场强度与点火无关系，因此没有该限制。

接着，在(8)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，在上述电阻焊钢管的制造方法中使用阻抗器，该阻抗器所使用的阻抗器壳体材料，使用依据JIS C2141标准的在300℃下的电阻为10¹¹～10¹³Ωcm、且采用水中投下法求得的热冲击特性为500℃以上的陶瓷。在电阻焊钢管的制造方法中，电流由于集肤效应和接近效应而集中于焊接接合面流通，但为了使该电流的集中形成高效率，大多在焊接点附近设置阻抗器。为了抑制在焊接时在该阻抗器中流动的涡电流所引起的加热，有时使用阻抗器壳体(以往为环氧树脂制)覆盖阻抗器，并将配置在壳体内的阻抗器进行水冷。一边进行等离子体照射一边进行电阻焊接的场合，该环氧树脂制(耐热温度为200℃以下)的阻抗器壳体直接遭受高温(1500℃以上)的等离子体射流，因此环氧树脂制的材料熔损，不能用于阻抗器壳体。作为能够在此使用的材料，为了避免熔损，熔点必须为1500℃以上。另外，依据JIS C2141标准的在300℃下的电阻不是10¹¹～10¹³Ωcm时，在阻抗器壳体中涡电流流通，发生加热-损伤。此外，利用水中投下法求得的热冲击特性不是500℃以上时，不能够耐受来自外面的等离子体加热和来自内面的水冷却等所导致的热冲击。例如，Si₃N₄、BN是满足该条件的陶瓷。

接着，在(9)所述的本发明的电阻焊钢管的制造方法中，为了防止卷板接缝的凹凸与等离子体枪的接触事故，也可以在接缝部通过等离子体枪设置附近时使枪躲开。但是为了避免由枪躲开所导致的钢管的成材率的降低，优选等离子体枪尖端与钢管表面的距离为150mm以上。另外，该距离超过300mm时，保护效果降低，因此必须为300mm以内。

接着，(10)所述的本发明的电阻焊钢管，将以质量％计，含有Si：0.5～2.0％的含Si钢板、或含有Cr：0.5～26％的含Cr钢板作为钢管原材料。采用(1)～(9)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法进行制造。

在(1)～(9)的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法中，尤其是通过等离子体照射，具有降低电阻焊接区的缺陷率的效果。

钢管母材部(钢板)的Si含量不到0.5％的场合，即使不照射等离子体，缺陷率也为0.01％以下，因此不需要制造成本增大的本制造方法。另一方面，钢管母材部(钢板)的Si含量超过2.0％时，只在等离子体照射的效果下，不能使缺陷率为0.01％以下。

另外，关于钢管母材部(钢板)的Cr含量，当Cr含量不到0.5％时，即使不进行等离子体照射，缺陷率也为0.01％以下，因此不需要制造成本增大的本制造方法。另一方面，钢管母材部(钢板)的Cr含量超过26％时，只在等离子体照射的效果下，不能够使缺陷率为0.01％以下。因此，从制造成本来看以及为了使缺陷率为0.01％以下，优选钢管母材部(钢板)的成分按质量％计为Si：0.5～2.0％、或Cr：2～26％。

再者，在本发明中，对于钢管母材部(钢板)的其他的成分没有特别限定。作为其他的与过烧的生成有关的成分，有Mn、Al、Ti等，这些成分中，关于Mn，优选使Mn/Si比为7～9，但在该范围以外时，只要Mn为2％以下就不会特别地成为问题，另外，如果Al为0.05％以下，Ti为0.03％以下则不会特别地成为问题。

如上所述，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，在将钢板1成形加工成管状，对其对接部进行电阻焊接时，由于将等离子体枪20的构成和等离子体5的生成条件最佳化，使等离子体射流为层流或准层流，因此能够稳定地降低起因于氧化物的焊接缺陷。另外，通过喷射还原性高温等离子体5，利用高温等离子体流体的剪切力和等离子体加热，也能够在高温熔融状态下将熔融缺陷因子排出或熔融，所述熔融缺陷因子是在焊接时由于发生飞溅等而飞入焊接区的飞溅物、鳞屑和灰尘等熔融缺陷因子。此外，通过喷射该还原性高温等离子体5，对接端面4的毛边也能够某种程度地熔融，在降低这种在非正常的焊接时发生的缺陷方面也有效果。

此外，在本实施方式的电阻焊钢管的制造方法中，由于使等离子体射流为层流或准层流，因此也能够降低焊接时发生的等离子体喷射声。

再者，在本实施方式中，以利用高频线圈2对钢板1进行感应加热的情况为例进行了说明，但本发明并不限于此，也可以采用导电嘴直接通电加热。

实施例1

以下，举出本发明的实施例和脱离本发明范围的比较例对本发明的效果具体地说明。在本实施例中，使用具有表1所示钢成分的板厚为5.3mm、11mm或19mm的钢板，作为还原性等离子体工作气体，使用H₂气、Ar气和氮气的混合气体，采用上述图1所示的方法制造电阻焊钢管，调查了其焊接区的焊接缺陷的发生率和焊接时的等离子体喷射声的大小。

此时的电阻焊接条件，当板厚为5.3mm时，焊接速度为33m/分，焊接输入功率为570kW，给电距离(从高频线圈2到焊接点9的距离)为160mm，顶锻量为3mm，平均顶点角(图1(b)中的标号13)为4°。另外，当板厚为11mm时，焊接速度为18m/分，焊接输入功率为900kW，给电距离为200mm，顶锻量为6mm，平均顶点角为6°。另外，当板厚为19mm时，焊接速度为18m/分，焊接输入功率为1200kW，给电距离为200mm，顶锻量为10mm，平均顶点角为7°。另外，将板厚、阳极内径、Ar气和H₂气的流量、{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}的值、电流和电压示于表2、表3。再者，在本实施例中，气体流量均是在标准状态下的流量，以下在实施例2、3中也同样。另外，表2、表3中的下线，表示在本发明的范围以外或在本发明的优选范围以外。

另外，焊接缺陷是从焊接后的电阻焊钢管的焊接区切取夏比冲击试件，在其焊接对接部形成尖端半径0.25mm、深度0.5mm的缺口，实施夏比冲击试验后，观察延性断裂的部分的断裂面，测定相对于焊接面积的过烧(起因于氧化物的焊接缺陷)的面积率，以该值作为焊接缺陷率进行评价。另外，焊接缺陷率为0.01％以下的情形定为良好，超过0.01％的情形定为不良。

等离子体射流的流动，采用激光多普勒法进行测定。另外，焊接时的等离子体喷射声的大小使用数字噪音计测定，85dB以下定为合格。将以上的结果作为综合评价一并示于表2、表3。再者，○表示合格、×表示不合格。

如表2、表3所示，不满足上述式<1>的条件，而且施加电压为120V以下的比较例1和比较例2，等离子体射流为紊流，焊接缺陷率超过0.01％，焊接时的等离子体喷射声较大，为100dB以上，比作为基准的85dB高。

比较例3，从等离子体枪的阴极的尖端到能产生阳极的位置的距离为6mm，比较例4的该距离为阳极内径D的11倍，两者都是从等离子体枪的阴极的尖端到能产生阳极位置的距离处于8mm以上、并且阳极内径D的10倍以下的范围以外，产生了噪音和等离子体的不稳定化。

比较例5，虽然满足上述式<1>的条件，但施加电压为120V以下，等离子体射流是准层流，噪音也低，但与板厚相比，阳极内径小，保护不充分，因此焊接缺陷率超过0.01％。

比较例6，在等离子体枪的阳极前方外周，在距中心轴的距离为上述的阳极的内半径的1.3倍的位置设置侧面保护气体喷射狭缝，而比较例7在其4.1倍的位置设置侧面保护气体喷射狭缝，这在上述的1.5～3.5倍的范围以外，不能得到侧保护气体11的效果，缺陷率超过0.01％。

比较例8，侧面保护气体11的喷射方向从等离子体中心轴方向向外侧成40°供给Ar气与N₂气的混合气体，而比较例9，在以-20°(向内侧成20°)供给Ar气与N₂气的混合气体，这些均在作为本发明范围的10～30°的范围以外，不能得到侧面保护气体11的效果，缺陷率超过0.01％。

比较例10，侧面保护气体流量/等离子体工作气体流量为0.6倍，而比较例11为3.5倍，均在作为本发明的流量比率的1～3倍的范围以外，不能得到侧面保护气体11的效果，缺陷率超过0.01％。

比较例12，阴极的球形尖端部的曲率半径为10mm且为阳极内径的1/2以上，在本发明范围以外，等离子体不稳定。

比较例13，等离子体工作气体不含有氢，在本发明的范围以外，因此没有还原能力，焊接缺陷率超过0.01％。比较例14，在等离子体工作气体中氢体积比率为57％，而本发明的H₂气不到50体积％，因此氢体积比率在本发明的范围以外，等离子体不稳定。

比较例15，虽然是等离子体工作气体使用氩-氢-氮的混合气体的情况，但不满足上述式<1>的条件，等离子体射流为紊流，虽然焊接缺陷率为0.01％，但焊接时的等离子体喷射声大，为90dB。

另一方面，将本发明的例子示于发明例1～发明例11，均满足上述式<1>。在发明例1中，阳极径为9mm，但板厚比阳极径小，因此为本发明范围。发明例2～6，是等离子体工作气体使用了氩-氢混合气体的情况的例子，气体流量相同，并且将电流电压最佳化。另外，发明例7是等离子体工作气体使用了氩-氢-氮的混合气体的例子。另外，在发明例8中，通过由供给粉末的氩气(流量10l/min)向等离子体射流供给硼化物(平均粒径3μm的B₂O₃)，进一步提高了还原能力。发明例9是板厚19mm的管线管用钢管的制造例，使用了阳极径为25mm且比其他的发明例大的阳极。发明例10和11，是侧面保护气体11使用氩-氮混合气体、或氮气的例子。

实施例2

接着，举出本发明的电阻焊钢管的实施例和脱离本发明范围的比较例，对本发明的效果具体地说明。在本实施例中，使用具有表4所示钢成分、板厚为6.0mm、宽为32mm的实验室熔化、实验室轧制的带钢材料，作为还原性等离子体工作气体，使用H₂气与Ar气的混合气体，使用实验室焊机制作电阻焊接试验体，调查了其焊接区的焊接缺陷率的发生率(水喷射量为1l/min)。

此时的电阻焊接条件，焊接速度为33m/分，焊接输入功率为320kW，给电距离为150mm，顶锻量为6mm，平均顶点角为4°。阳极内径、Ar气和H₂气的流量，{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}的值、电流和电压使用表2、表3的发明例1的条件。将其结果示于表4。

比较例21的钢板，含有0.15％的Si和0％的Cr，通过照射等离子体，缺陷率得到改善，但即使是通常的焊接(无等离子体照射)，焊接缺陷率也是0.01％以下。然而，表面鳞屑进入焊接区时生成的“飞入鳞屑”，虽然不包含于在此的焊接缺陷中，但有表面鳞屑的场合，可看到等离子体照射的效果。

比较例22的钢材，含有2.9％的Si，脱离了本发明的适应范围Si：0.5～2.0％，等离子照射的效果不充分，焊接缺陷率超过了0.01％。

比较例23的钢材，含有30％的Cr，脱离了本发明的适应范围Cr：0.5～26％，等离子照射的效果不充分，焊接缺陷率超过了0.01％。

另一方面，发明例21和22是Si含量高的钢材的情况，而发明23～27是Cr含量高的钢材的情况，其成分均在本发明范围内，因此通过等离子体照射，焊接缺陷率降低，并且缺陷率为0.01％以下。

实施例3

以下，举出改变了在本发明中制造钢管时的阻抗器壳体材料的情况下的实施例和脱离本发明范围的比较例，对本发明的效果具体地说明。在本实施例中，使用板厚5.3mm、宽273mm的钢板(表1的D)，作为还原性等离子体工作气体，使用H₂气与Ar气的混合气体，制造电阻焊钢管时，调查了阻抗器壳体的损伤。阳极内径、Ar气和H₂气的流量、{4×(∑G_iM_i)}/{π×D×μ_{ave，T＝7000}}的值、电流和电压使用表2、表3的发明例1的条件。将其结果示于表5。再者，作为综合评价，○表示合格、×表示不合格。

表5

阻抗器壳体使用环氧树脂的场合，由于遭受超过2000K的等离子体喷射，因此即使进行内水冷，环氧树脂也熔损。另外，使用SiC的场合，SiC的电阻为10¹⁴Ωcm，在本发明的范围以外，涡电流在阻抗器壳体中流动，因此由于该焦耳热而产生SiC的温度上升。此外，阻抗器壳体使用AlN、Al₂O₃、ZrO₂等的场合，即使电阻在本发明范围内，由于是耐热冲出性均不到500℃的材料，因此阻抗器壳体也破损。

另一方面，在BN、Si₃N₄的场合，由于电阻和热冲击特性在本发明范围内，因此阻抗器壳体未受到损伤。

产业上的利用可能性

根据本发明，由于将钢板成形加工成管状，并对其对接部进行电阻焊接时的等离子体喷射条件适宜化，使等离子体射流为层流或准层流(等离子体芯部为层流，等离子体外侧数mm为紊流)，因此能够稳定地降低起因于氧化物的焊接缺陷，同时也能够降低焊接时发生的等离子体喷射声，所以其在产业上的效果是不可估量的。

本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (10)

1.一种电阻焊钢管的制造方法，将钢板成形加工为管状，并对其对接端面进行电阻焊接，该制造方法的特征在于，由级联型等离子体枪对在所述电阻焊接的相比于焊接点的焊接上游侧温度达到650℃以上的区域之中的至少对接端面喷射还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体，所述级联型等离子体枪，通过对在阴极气体中对阴极与阳极间施加电压而生成的等离子体气体在阴极尖端的等离子体下游侧向等离子体喷射阳极气体，形成为等离子体工作气体而进行等离子体喷射，所述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体，是通过调节所述等离子体工作气体的成分以使其含有2体积％以上且不到50体积％的H₂气，其余部分由Ar气以及不可避免的杂质气体构成，或者其余部分由在Ar气中添加了N₂气、He气或该两者的混合气体以及不可避免的杂质气体构成，从而赋予了还原性的等离子体。

2.根据权利要求1所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使从所述等离子体枪的阴极的尖端到能产生阳极的位置的距离L为8mm以上，并且为阳极内径D的10倍以下，使在所述等离子体枪的阴极与阳极间施加的电压为超过120V的电压，并且，在由G_i(l/分)表示所述等离子体工作气体的在标准状态下的流量，由M_i表示所述等离子体工作气体的相对分子量，由D(m)表示阳极内径，由μ_{ave，T＝7000}(kg/m/秒)表示在7000K下的粘性系数时，采用满足下述式<1>的等离子体喷射条件，使所述等离子体成为层流或准层流，

$150<\frac{4\&times;\left(\mathrm{\&Sigma;}{G}_i{M}_i\right)}{\mathrm{\&pi;}\&times;D\&times;{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{ava},T=7000}}<400\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<1>.$

3.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，所述等离子体枪的阳极内径D为16mm～30mm。

4.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，在所述等离子体枪的阳极前面或前方外周，在距中心轴的距离为所述阳极的内半径的1.5～3.5倍的位置，设置方向以从等离子体中心轴方向向外侧成10～30°的范围的轴对称方向朝向的喷射口，由该喷射口以所述等离子体工作气体的流量的1～3倍的气体流量喷射侧面保护气体，所述侧面保护气体由选自Ar气、N₂气和He气中的一种或两种以上的惰性气体以及不可避免的杂质气体构成。

5.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，采用CH₄气和C₂H₂气中的一种或两种置换构成所述等离子体工作气体的H₂气的一部分或全部来使用。

6.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，向所述还原性高温层流等离子体或还原性高温准层流等离子体供给平均粒径为1μm～10μm的硼化物微粉末。

7.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使所述阴极的尖端部为半球形状，并且使该半球形状尖端部的曲率半径为阳极内径的1/2以下。

8.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，在所述电阻焊钢管的制造方法中使用阻抗器，该阻抗器所使用的阻抗器壳体材料，使用依据JIS C2141标准的在300℃下的电阻为10¹¹～10¹³Ωcm、且采用水中投下法求得的热冲击特性为500℃以上的陶瓷。

9.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，使所述等离子体枪的尖端与钢管表面的距离为150mm～300mm。

10.一种电阻焊钢管，是采用权利要求1～9的任一项所述的电阻焊钢管的制造方法制造的，该电阻焊钢管的特征在于，所述钢板由以质量％计含有Si：0.5～2.0％的含Si钢板、或含有Cr：0.5～26％的含Cr钢板构成，电阻焊接区的缺陷率为0.01％以下。

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