JP2000271761A - 電縫鋼管、その製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波法を用いて電縫鋼管を製造する際に、
ポストパニーラを用いた熱処理を行わないと、溶接部の
硬化を確実に防止できない。 【解決手段】 鋼帯を管状にロール成形してオープンパ
イプ８とし、オープンパイプ８の両エッジ部を突き合わ
せて高周波抵抗誘導溶接により接合した後に２スタンド
の３ロール式レデューサ６を用いた冷間絞り圧延と、１
セットの２ロール式定径機７を用いた定径加工とからな
る整形加工を行う電縫鋼管０の製造方法である。高周波
抵抗誘導溶接は、予熱機２および溶接機３により、溶接
温度を一定のままで、下記(1) 式で規定される熱投入電
力密度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上である入熱により溶
接した後に、放冷装置４によるマルテンサイト率が50％
未満となる所定時間以上の放冷と、水冷装置５による急
冷とにより冷却することにより、行われる。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電縫鋼管、その製
造方法および製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、電気抵抗溶接鋼管（本明
細書では「電縫鋼管」と略称する。）の製造時に用いら
れる電気抵抗溶接法は、接合時に使用する電流の周波数
により、直流法、低周波法(0.5〜40 kHz程度) および高
周波法(200〜450 kHz 程度) に分類される。このうち、
高周波法は、低周波法に比較して、ステッチ効果がない
ために高速製管が可能であること、消費電力が極めて小
さいこと、給電時の電流密度の制約が少ないために帯鋼
の前処理が不要であること、電極輪による加圧が不要で
あるために薄肉管の製造が容易であること、さらには、
高炭素当量材や合金鋼さらには非鉄金属等の広範囲の材
質に適用できることといった特徴を有する。このため、
近年では、電気抵抗溶接鋼管の電気抵抗溶接法として、
高周波法が多用される。

【０００３】この高周波法では、素材である帯鋼を一群
の成形ロールによって円筒状に連続成形したオープンパ
イプを、高周波電流を通電されることにより加熱電流を
誘起するワークコイルの内部に導き、この加熱電流によ
るジュール熱によって、オープンパイプの両エッジ部を
集中的に加熱した後にスクイズロールで加圧することに
より、両エッジ部を接合する。そして、両エッジ部を接
合した後に整形加工を行うことにより、所望の寸法を有
する電縫鋼管とされる。

【０００４】高周波法を用いた溶接では、溶接部である
オープンパイプの両エッジ部は、高周波による電気抵抗
誘導溶接における高周波電流が有する近接効果、高周波
電流がオープンパイプの表面に集中する表皮効果、さら
には、オープンパイプの外面に誘起された電流の一部が
内面を還流することにより生じる無効電流を低減するた
めにオープンパイプの内部に挿入されるインピーダ（磁
性酸化物）の効果を利用して、局部的かつ集中的に加熱
される。このため、溶接部であるオープンパイプの両エ
ッジ部は、不可避的に急熱および急冷されて焼き入れ組
織を生じ、硬化が助長される。このようにして、溶接部
に硬化が生じると溶接部の靱性が劣化し、溶接後の定径
加工時や矯正時等に脆化割れを発生してしまう。

【０００５】このため、従来は、シームアニーラ等の溶
接後局部熱処理装置 (ポストアニーラ) を用いて溶接部
の熱処理を行うことにより、溶接部の組織改善を図って
いた。しかしながら、このポストアニーラを溶接機の下
流工程に配置することには、以下に列記する問題およ
びがあった。

【０００６】ポストアニーラを生産工程中に配置する
ことに伴って生産工程が長くなり、相応のスペースが必
要となる。このため、既存の生産工程の途中にポストア
ニーラを追加するのは極めて困難である。どうしてもポ
ストアニーラを追加するには、電縫鋼管の生産工程全体
を別の場所に移設するしかなく、設備費の著しい上昇は
免れない。

【０００７】溶接後の溶接部、つまりシームは必ずし
も真上を向いていない。このため、シーム追従設備や追
従させるための作業要員が必要となり、さらなる設備費
増加やコストアップを招いてしまう。そこで、従来よ
り、設備費増加やコストアップをできるだけ抑制しなが
ら、溶接部の硬化を防止する発明が提案されている。

【０００８】例えば、特公昭59−48709 号公報には、Ｃ
当量が0.55％ (本明細書においては特にことわりがない
限り「％」は「重量％」を意味するものとする。) 以上
の鋼からなるオープンパイプを、周波数が60〜70 kHzで
ある溶接電流を用いて溶接部の冷却速度を調整すること
により、溶接後の冷却時にベイナイト領域を通過させる
とともにMs点を通過させる発明が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特公昭59−48
709 号公報により提案された発明は、周波数を限定した
溶接電流で溶接までを行うため、溶融温度に達するのに
必要な被加熱材の単位体積および単位時間当たりの入熱
量は基本的に同じである。また、加熱後の冷却速度は、
空冷域においては、鋼管自身が有する保温効果のみによ
り決定される。ここで、ＣＣＴ線図の様相は材質特有の
ものであるから、材質が異なれば当然ＣＣＴ線図の様相
も異なる。このため、この発明では、材質によっては、
溶接後の冷却時にベイナイト領域を通過させ、かつMs点
を通過させることができないことがあり、溶接部の硬化
を確実に防止できない。

【００１０】したがって、この発明は、Ｃ当量が0.55％
以上である鋼からなるオープンパイプにしか適用でき
ず、Ｃ当量が0.55％未満である鋼からなるオープンパイ
プの場合には溶接部の硬化を確実に防止することができ
ない。

【００１１】また、電縫鋼管は、程度の差こそあれ、い
かなる材質のものであっても溶接部の硬度は母材の硬度
よりも高くなる。硬度の低い母材部の増肉に比べて硬度
の高い溶接部の増肉は少ないため、溶接部および母材そ
れぞれの硬度の差が大きくなればなるほど、溶接後の定
径加工時や矯正時に増肉差を生じ、最終製品の肉厚分布
が悪化してしまう。

【００１２】ここに、本発明の目的は、高周波法を用い
て電縫鋼管を製造する際に、オープンパイプの溶接後の
ポストアニーラを設けなくとも、溶接部の硬化を確実に
防止することである。また、本発明の目的は、溶接部の
硬化を確実に防止することにより、最終製品の肉厚分布
の悪化を防止することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ポストア
ニーラを用いることなく、溶接部の硬化を確実に防止す
ることができる手段について鋭意検討を重ねた結果、従
来の技術のように高々２KV・A/(cm³/sec) 程度の熱投入
電力密度で溶接するのではなく、下記(1) 式で規定され
る熱投入電力密度が2.5 KV・A/(cm³/sec) 以上出力可能
な電源装置を有する溶接機を用いて、溶接温度を一定と
した状態で、熱投入電力密度が2.5 KV・A/(cm³/sec) 以
上となるように電気抵抗誘導溶接を行った後、材料に応
じたＣＣＴ曲線上マルテンサイト率50％未満、残部はパ
ーライト、フェライト、ベイナイトまたはこれらの混粒
組織となるような所定時間、具体的には５秒間以上の放
冷を行い、その後に急冷を行うことにより、ポストアニ
ーラを用いることなく、溶接部の硬化を確実に防止で
き、これにより、最終製品の肉厚分布の悪化を防止でき
ることを新規に知見し、さらに検討を重ねて本発明を完
成した。

【００１４】ここに、本発明は、高周波抵抗誘導溶接に
よる溶接部の熱影響部の幅が3.5mm以上であることを特
徴とする。この本発明により、外径が15mm以上100 mm以
下、外径Ｄに対する肉厚ｔの比 (ｔ／Ｄ) が0.2 以上の
厚肉小径電縫鋼管も提供できる。

【００１５】また、別の面からは、本発明は、素材であ
るオープンパイプの両エッジ部を突き合わせて、高周波
抵抗誘導溶接した後にマルテンサイト率が50％未満とな
る所定時間以上の放冷と急冷とにより冷却することによ
り溶接部の熱影響部の幅を3.5mm 以上としてから、整形
加工を行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法であ
る。

【００１６】また、別の面からは、本発明は、素材であ
るオープンパイプの両エッジ部を突き合わせて、下記
(1) 式で規定される熱投入電力密度が2.5 kV・A/(cm³/s
ec) 以上である入熱により溶接温度を一定のままで溶接
した後にマルテンサイト率が50％未満となる所定時間以
上の放冷と急冷とにより冷却する高周波抵抗誘導溶接に
よって接合してから、整形加工を行うことを特徴とする
電縫鋼管の製造方法である。

【００１７】

【数２】

【００１８】ただし、Ｅp はワークコイルのプレート電
圧(kV)を示し、Ｉp はワークコイルのプレート電流(A)
を示す。また、Ａ はオープンパイプの断面積(cm²) を
示し、Ａ＝π×ｔ× (Ｄ−ｔ）×10^-2により求められ
る。ここで、Ｄはオープンパイプの外径 (cm) を示し、
ｔはオープンパイプの肉厚 (cm) を示す。さらに、Ｖは
溶接速度(cm/sec)を示し、ｎは予熱機および溶接機の電
源装置の使用数を示す。

【００１９】上記の本発明にかかる電縫鋼管の製造方法
では、高周波抵抗誘導溶接を行う前にオープンパイプを
予熱するとともに、熱投入電力密度は予熱時における熱
投入電力密度を加えた合計の熱投入電力密度であること
が、望ましい。

【００２０】これらの本発明にかかる電縫鋼管の製造方
法では、高周波抵抗誘導溶接が、オープンパイプの内部
にインピーダを挿入しないで行われることが、望まし
い。上記の本発明にかかる電縫鋼管の製造方法では、整
形加工が、２スタンド以上の３ロール式レデューサを用
いた冷間絞り圧延と、１セット以上の２ロール式定径機
を用いた定径加工とを含むことが、例示される。

【００２１】また、別の観点からは、本発明は、少なく
とも、2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上の熱投入電力密度を発
生する電源装置を有し、オープンパイプを溶接する溶接
機と、溶接機により溶接された鋼管を５秒間以上放冷す
る放冷装置と、放冷装置により放冷された鋼管を常温ま
で急冷する急冷装置とを備えることを特徴とする電縫鋼
管の製造装置である。

【００２２】この本発明にかかる電縫鋼管の製造装置で
は、電源装置の周波数が150 〜350kHz であることが望
ましい。また、上記に本発明にかかる電縫鋼管の製造装
置は、さらに、溶接機により溶接される前のオープンパ
イプを予熱する予熱機を備えることが望ましく、この場
合、予熱機の電源装置の周波数が20〜150 kHz であるこ
とが例示される。

【００２３】さらに、これらの本発明にかかる電縫鋼管
の製造装置が、さらに、水冷装置により水冷された鋼管
に、冷間で絞り圧延を行う２スタンド以上の３ロール式
レデューサと、絞り圧延を行われた鋼管に定径加工を行
う１セット以上の２ロール式定径機とを備えることが、
望ましい。

【００２４】なお、特開平１−241386号公報、同２−29
9782号公報または同２−299783号公報には、オープンパ
イプの両エッジ部の突き合わせ溶接に先立って、オープ
ンパイプの溶接部近傍をいわゆるキューリ点以上に予熱
する発明が提案されている。しかし、これらの発明は、
いずれも、オープンパイプの両エッジ部をいわゆるキュ
ーリ点以上に均一に予熱することによって溶接欠陥およ
びフラッシュの発生を防止するものであり、溶接部の硬
化防止を図るものではない。

【００２５】また、特許第2682356 号、同第2661491 号
さらには同第2682387 号には、高い外径縮小率によって
冷間絞り圧延を行い、外径Ｄに対する肉厚ｔの比（ｔ／
Ｄ）が高い小径厚肉鋼管を製造する発明が提案されてい
る。しかし、これらの発明は、得られる製品の外径寸法
精度を向上させるものであり、高い外径縮小率で冷間絞
り圧延を行えば、溶接部硬度が高い高炭素鋼 (0.30％Ｃ
以上) の場合には溶接部横切れが発生してしまい、製品
にはなり得ない。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる電縫鋼管、
その製造方法および製造装置の実施の形態を、添付図面
を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明にかかる
電縫鋼管の製造装置および製造方法の実施形態を、説明
する。

【００２７】図１(a) は、本実施形態の電縫鋼管０の製
造装置１の説明図である。同図に示すように、本実施形
態の製造装置１は、予熱機２と、溶接機３と、放冷装置
４と、急冷装置５と、２スタンドの３ロール式レデュー
サ６と、１組の２ロール式定径機７とを有する。以下、
これらの構成要素について順次説明する。

【００２８】〔予熱機２〕図１において、素材である鋼
帯に公知のロール成形を行うことにより得られる管状の
オープンパイプ８が、予熱機２のワークコイル2aに導か
れる。

【００２９】予熱機２は、オープンパイプ８を所望の温
度に加熱することができる公知の加熱機を用いればよ
く、特定の型式の加熱機には限定されない。本実施形態
では、ワークコイル2aおよび電源装置2bをともに有する
公知の高周波誘導加熱式の加熱機を用いた。

【００３０】予熱機２のワークコイル2aは電源装置2bか
ら高周波電流を通電されることにより加熱電流を誘起
し、この加熱電流によるジュール熱によって、後述する
溶接機３により電気抵抗誘電溶接を行われる前のオープ
ンパイプ８の両エッジ部を局所的かつ集中的に予熱す
る。

【００３１】本実施形態では、予熱機２の電源装置2bに
設定する周波数は、高周波として一般的な値よりも低い
値である20〜150 KHz に設定した。また、本実施形態で
は、予熱機２の電源装置2bによる熱投入電力密度と、後
述する溶接機３の電源装置3bによる熱投入電力密度との
合計を、2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上に設定した。

【００３２】なお、この予熱機２は設けずに、後述する
溶接機３のみにより高周波抵抗誘導溶接を行うこととし
てもよい。図１(b) は、予熱機２を設けない場合の製造
装置１' の説明図である。この場合、後述するように、
オープンパイプ８の内部にインピーダを挿入しない。本
実施形態の予熱機２は、以上のように構成される。

【００３３】〔溶接機３〕溶接機３は、予熱機２の直下
流に配置される。溶接機３はワークコイル3a、電源装置
3bおよびスクイズロール９を有する。ワークコイル3a
は、電源装置3bから高周波電流を通電されることにより
加熱電流を誘起する。

【００３４】本実施形態では、予熱機２により両エッジ
部を予熱されたオープンコイル８は、溶接機３のワーク
コイル3aの内部に導かれ、ワークコイル3aに誘起された
加熱電流によるジュール熱によって、オープンパイプ８
の両エッジ部が、さらに局所的かつ集中的に加熱され
る。

【００３５】この溶接機３の電源装置3bは、予熱機２を
設けない場合、(1) 式により規定される熱投入電力密度
を2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上発生する。例えば、外径
Ｄ：50.8mm、肉厚ｔ：5.0 mmであるオープンパイプ８を
50m/min の溶接速度で溶接する場合には、(1) 式におけ
るＡ＝π×ｔ× (Ｄ−ｔ）＝7.19cm² 、Ｖ＝50m/min ＝
83.3cm/secであるから、 (Ａ×Ｖ) は 599.2 cm³/secと
なる。したがって、上記(1) 式から、 (Ｅp ×Ｉp)＝14
98kV・A となるため、溶接機３の電源装置3bは、ワーク
コイル3aに、 (Ｅp ×Ｉp)が1498kV・A 以上となるプレ
ート電圧Ｅp(kV)およびプレート電流Ｉp(A)を発生す
る。

【００３６】なお、予熱機２を設けずに電源装置3bが１
基の場合には、１基で (Ｅp ×Ｉp)が1498kV・A 以上と
なるプレート電圧Ｅp(kV) およびプレート電流Ｉp(A)を
発生すればよく、また、予熱機２を設けて２基の場合に
は、例えば、 749kV・A 以上となるプレート電圧Ｅp(k
V) およびプレート電流Ｉp(A)を発生する電源装置2b、3
bを２基並列に設ければよい。電源装置3bの周波数は、
高周波として一般的な値であればよく、本実施形態では
150 〜350 KHz に設定した。

【００３７】ワークコイル3aの下流には、一対のスクイ
ズロール９が設けられる。スクイズロール９は、ワーク
コイル3aにより加熱されたオープンパイプ８の両エッジ
部を、適宜加圧力で加圧することにより、両エッジ部を
接合する。このようにして、溶接機３は、オープンパイ
プ８の両エッジ部を突き合わせて、高周波抵抗誘導溶接
により接合する。本実施形態では、溶接機３は以上のよ
うに構成される。

【００３８】〔放冷装置４〕スクイズロール９の直下流
には、放冷装置４が設けられる。溶接機３およびスクイ
ズロール９により溶接された鋼管０’は、放冷装置４に
導かれる。

【００３９】本実施形態の放冷装置４は、鋼管０’を搬
送する搬送工程により構成され、鋼管０’の溶接部を放
冷または空冷する。本実施形態の放冷装置４は、鋼管
０’を少なくとも５秒間以上放冷することができる装置
である。本実施形態では、放冷装置４は以上のように構
成される。

【００４０】〔急冷装置５〕放冷装置４の直下流には、
急冷装置５が設けられる。本実施形態では、急冷装置と
して、鋼管０’を完全に水没させることにより鋼管０’
を急冷する水冷装置を用いた。水冷装置５は、放冷装置
４により５秒間以上放冷された鋼管０’を、常温まで水
冷する。本実施形態では、水冷装置５は以上のように構
成される。

【００４１】〔３ロール式レデューサ６、２ロール式定
径機７〕水冷装置５の直下流には、２スタンドの３ロー
ル式レデューサ６と、１セットの２ロール式定径機７と
が設けられる。図２は、本実施形態で用いる３ロール式
レデューサおむすび型キャリバーを模式的に示す説明図
である。

【００４２】この３ロール式レデューサ６は、水冷装置
５により水冷された鋼管０’に、特許第2682356 号、同
第2661491 号または同第2682387 号により提案された冷
間圧延方法を用いて、冷間で高い外径縮小率で絞り圧延
を行う。また、２ロール式定径機７は、３ロール式レデ
ューサ６により絞り圧延を行われた鋼管０’に、定径加
工を行う。

【００４３】これらの２スタンドの３ロール式レデュー
サ６と、１セットの２ロール式定径機７とのそれぞれの
構成については、特許第2682356 号、同第2661491 号ま
たは同第2682387 号により公知であるため、これ以上の
説明は省略する。

【００４４】なお、本実施形態では２スタンドの３ロー
ル式レデューサ６と、１セットの２ロール式定径機７を
用いたが、本発明はこの実施の形態には限定されず、３
ロール式レデューサ６を３スタンド以上設け、２ロール
式定径機７を２セット以上設けることとしてもよい。

【００４５】本実施形態の製造装置１は、以上のように
構成される。次に、この製造装置１により、電縫鋼管０
が製造される状況、すなわち本実施形態の製造方法を経
時的に説明する。

【００４６】〔溶接工程〕本実施形態では、図１(a) に
示すように、まず、予熱装置２によりオープンパイプ８
の両エッジ部が局所的かつ集中的に予熱され、引き続い
て、溶接装置３により予熱されたオープンパイプ８の両
エッジ部が局所的かつ集中的に加熱される。そして、ス
クイズロール９により、両エッジ部が適宜加圧力で加圧
されることにより、オープンパイプ８の両エッジ部が、
突き合わされて高周波抵抗誘導溶接される。

【００４７】この高周波抵抗誘導溶接は、溶接温度を一
定としたままで、(1) 式で規定されるとともに予熱装置
２による予熱時における熱投入電力密度を加えた合計の
熱投入電力密度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上となる入熱
により、行われる。

【００４８】溶接温度を一定にするとは、高周波電流が
流れる領域を溶接線を中心に拡大することにより、投入
電力を増加しても溶接温度を上昇させないことを意味す
る。また、本実施形態における高周波抵抗誘導溶接は、
オープンパイプ８の内部に、インピーダを挿入しないで
行われる。

【００４９】図３は、Ｃ含有量が0.20％または0.45％の
オープンパイプ８を素材とし、オープンパイプ８の内部
にインピーダを挿入して溶接機３による加熱を行った場
合と、オープンパイプ８の内部にインピーダを挿入せず
に溶接機３による加熱を行った場合と、オープンパイプ
８の内部にインピーダを挿入して比較的周波数の低い予
熱機２ (周波数：50 kHz) による予熱と溶接機３による
加熱とを行った場合とについて、熱投入電力密度 (入熱
量) と溶接部のピーク硬度との関係を調べた結果を、ま
とめて示すグラフである。

【００５０】予熱機２による予熱と溶接機３による加熱
とを行った場合は、予熱機２の電源装置2bと溶接機３の
電源装置3bとを用いているため、熱投入電力密度は、下
記(2) 式により計算される。

【００５１】

【数３】

【００５２】(2) 式において、Ｅp₁は予熱機２のワーク
コイル2aのプレート電圧(kV)を示し、Ｉp₁は予熱機２の
ワークコイル2aのプレート電流(A) を示す。また、Ｅp₂
は溶接機３のワークコイル3aのプレート電圧(kV)を示
し、Ｉp₂は溶接機３のワークコイル3aのプレート電流
(A) を示す。

【００５３】また、熱投入電力密度（入熱量）は、溶接
温度が一定になるように、溶接機３のワークコイル3aの
プレート電圧Ｅp₂を調整することにより、制御した。ま
た、予熱機２を用いた場合には、予熱機２による予熱量
を変更することにより、合計の熱投入電力密度（入熱
量）を変更した。

【００５４】図３に示すグラフにおいて、オープンパイ
プ８の内部にインピーダを挿入して比較的周波数の低い
予熱機２による予熱と溶接機３による加熱とを行った場
合は、予熱機２の周波数が比較的低いために、オープン
パイプ８の両エッジ部の電流浸透深さΔ (Δ＝5.03×√
[(ρ/(ｆ×μ)] cm 、μ：比透磁率、ρ：固有抵抗 (μ
Ωcm) 、ｆ：周波数(Hz)) が大きくなる特性を利用し
て、オープンパイプ８の両エッジ部を、オープンパイプ
８の内部にインピーダを挿入して溶接機３による加熱を
行った場合よりも、幅広く加熱することができる。この
ため、得られる電縫鋼管０の溶接部における熱影響部は
拡大される。

【００５５】また、オープンパイプ８の内部にインピー
ダを挿入せずに溶接機３による加熱を行った場合は、誘
導電流がオープンパイプ８の両エッジ部に集中する特性
が緩和され、高周波溶接のみで非効率的にエッジ部を、
オープンパイプ８の内部にインピーダを挿入して溶接機
３による加熱を行った場合よりも、幅広く加熱すること
ができる。このため、得られる電縫鋼管０の溶接部にお
ける熱影響部は拡大される。

【００５６】図３に示すグラフから、溶接機３だけによ
り高周波抵抗誘導溶接を行った場合の入熱量に比較し
て、予熱機２による予熱と溶接機３による加熱とを行う
か、若しくは、オープンパイプ８にインピーダを挿入し
ないで溶接機３による加熱を行って従来の入熱量（２kV
・A/(cm³/sec) 程度）を超えた大入熱を行うことによ
り、溶接部のピーク硬度が著しく低下することがわか
る。

【００５７】また、図３に示すグラフから、特に、オー
プンパイプ８が0.20％炭素鋼であるときには2.5 kV・A/
(cm³/sec) 以上の熱投入電力密度であること、または、
オープンパイプ８が0.45％炭素鋼であるときには3.2 kV
・A/(cm³/sec) 以上の熱投入電力密度であることによ
り、溶接部のピーク硬度は母材の硬度と略同程度まで顕
著に低下することがわかる。

【００５８】そこで、本実施形態では、図１(a) に示す
ように、予熱機２および溶接機３を用いるとともにオー
プンパイプ８の内部にインピーダを挿入することによ
り、(1) 式により規定される熱投入電力密度が2.5 kV・
A/(cm³/sec) 以上である入熱により溶接温度を一定のま
まで、高周波抵抗誘導溶接を行うことにより、溶接部に
おける熱影響部を拡大する。

【００５９】なお、図１(b) に示すように、溶接機３だ
けを用いるとともにオープンパイプ８の内部にインピー
ダを挿入しないことにより、(1) 式により規定される熱
投入電力密度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上である入熱に
より溶接温度を一定のままで、高周波抵抗誘導溶接を行
うことにより、溶接部における熱影響部を拡大してもよ
い。これにより、溶接部のピーク硬度が母材並みの硬度
に低下する。

【００６０】〔冷却工程〕本実施形態では、溶接機３に
よる高周波抵抗誘導溶接を行われた鋼管０’を放冷装置
４により５秒間以上放冷し、引き続いて、急冷装置５に
より常温まで急冷することにより、鋼管０’を冷却す
る。

【００６１】本実施形態では、溶接工程により、熱投入
電力密度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上である大入熱の溶
接が行われるために鋼管０’の溶接部の保温効果が拡大
される。このため、放冷装置４による放冷時の急激な温
度低下が緩和され、確実に放冷が行われる。

【００６２】図４は、1200℃に１秒間保持したＳ４５Ｃ
からなる鋼管０’を、放冷装置４および急冷装置５によ
り冷却した際の各種冷却曲線〜を示すグラフであ
る。同図に示すグラフにおいて、各冷却曲線〜の傾
きが緩やかな部分は放冷装置４による放冷が行われてい
ることを示し、各冷却曲線〜の傾きが急な部分は急
冷装置５による急冷が行われていることを示す。また、
各冷却曲線〜にしたがって冷却された鋼管０’の溶
接部のピーク硬度は、：HV773 、：HV338 、HV31
9 、HV318 であった。

【００６３】図４に示すように、冷却曲線にしたがっ
て冷却されることにより製造される従来の高周波抵抗誘
導溶接法 (熱投入電力密度：２kV・A/(cm³/sec) 程度、
予熱機２：不使用、インピーダ：使用) では、高周波抵
抗誘導溶接後に放冷を行っても、溶接部は急激に温度低
下してしまう。急激な温度低下に伴ってMs点を通過して
マルテンサイト変態を伴い、マルテンサイトが析出す
る。このため、溶接部の硬度は、Hv：773 程度に上昇し
てしまう。

【００６４】これに対し、冷却曲線〜にしたがって
冷却されることにより製造される本実施形態の高周波抵
抗誘導溶接法 (熱投入電力密度：２.5kV・A/(cm³/sec)
以上、予熱機２：使用、インピーダ：使用) によれば、
鋼管０’の溶接部の保温効果により、放冷装置４により
溶接部に確実に放冷を行うことができる。このため、ベ
イナイト、パーライトまたはフェライト生成領域を冷却
され、マルテンサイト変態率が50％未満となる点、すな
わちベイナイト、パーライト、フェライトまたはそれら
の混粒組織が50％以上となる点から、溶接部の硬度は、
HV338 〜HV318と母材の硬度並みに低下する。

【００６５】図５は、図３におけるテストデータの一部
について、放冷時間と溶接部のピーク硬度との関係を示
すグラフである。なお、予熱機２および溶接機３による
総入熱量は、0.20％炭素鋼の場合には2.5 kV・A/(cm³/s
ec) 以上に設定し、0.45％炭素鋼の場合には3.2 kV・A/
(cm³/sec) 以上に設定した。

【００６６】図５に示すグラフから、0.20％炭素鋼の場
合は、2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上の熱投入電力密度の溶
接を行った後に５秒間以上の放冷時間を確保すれば、溶
接部の硬度が母材の硬度と同程度にまで低下することが
わかる。また、0.45％炭素鋼の場合は、3.2 kV・A/(cm³
/sec) 以上の熱投入電力密度の溶接を行った後に22秒間
以上の放冷時間を確保しないと、溶接部の硬度が母材の
硬度と同程度にまで低下しないことがわかる。これは、
鋼管０’の材質によりＣＣＴ曲線の様相が異なるからで
ある。

【００６７】したがって、本実施形態では、溶接機３に
よる高周波抵抗誘導溶接を行われた鋼管０’を放冷装置
４により５秒間以上放冷する。そして、この５秒間以上
の放冷により鋼管０’のマルテンサイト率を50％未満に
低減することができるため、この放冷に引き続いて、水
冷装置５により常温まで冷却する。

【００６８】（整形工程〕このようにして、溶接工程お
よび冷却工程を終了した鋼管０’に対して、整形工程が
行われる。本実施形態における整形工程は、２スタンド
の３ロール式レデューサ６を用いた冷間絞り圧延と、１
セットの２ロール式定径機７を用いた定径加工とによ
り、行われる。

【００６９】特許第2682356 号、同第2661491 号または
同第2682387 号にも開示されているように、図２に示す
２スタンドの３ロール式レデューサ６は、噛み出し疵の
発生を防止するために、いわゆる「おむすび型キャリバ
ー部」で高外径縮小率で冷間絞り圧延を行い、最終パス
で真円成形を行う。

【００７０】このように、本実施形態では高外径縮小率
で冷間絞り圧延を行うために、母管ままでは溶接不可能
な、外径が15mm以上100 mm以下、外径Ｄに対する肉厚ｔ
の比(ｔ／Ｄ) が0.2 以上と高い小径厚肉電縫鋼管を整
形することができるとともに、予熱機２および溶接機３
により大入熱溶接を行った後に放冷するために溶接部の
硬度が母材の硬度と同程度に低下する。このため、本実
施形態によれば、硬度の高い熱影響部は長手方向に伸び
難いことに起因して冷間絞り時に熱影響部が円周方向に
脆性破壊を起こす、いわゆる溶接部横切れが発生しな
い。

【００７１】図６は、従来の高周波抵抗誘導溶接法 (熱
投入電力密度：２kV・A/(cm³/sec)程度、予熱機２：不
使用、インピーダ：使用) による従来の溶接工程および
冷却工程により製造された電縫鋼管について、高外径縮
小率での冷間絞り圧延が可能な３ロールレデューサを用
いて冷間絞り圧延を行った場合の、外径縮小率と溶接部
横切れの発生との関係を、Ｃ量毎に示すグラフである。

【００７２】図６に示すグラフから、Ｃ量が高いほど、
溶接部の硬度が高まるために横切れが発生し易くなるこ
とがわかる。したがって、Ｃ量の高い材料では高い外径
リダクションを作用させることができないことがわか
る。

【００７３】一方、表１には、従来の高周波抵抗誘導溶
接法 (熱投入電力密度：２kV・A/(cm³/sec) 程度、予熱
機２：不使用、インピーダ：使用) と、本実施形態の高
周波抵抗誘導溶接法 (熱投入電力密度：２.5kV・A/(cm³
/sec) 以上、予熱機２：使用、インピーダ：使用) によ
って、0.45％炭素鋼からなる溶接された外径21.7mmの電
縫鋼管に冷間絞り圧延を行って、外径19.1mm、肉厚3.0
mmの鋼管とした場合（サイジングリダクション12％）に
ついて、横切れの発生個数を示す。

【００７４】

【表１】

【００７５】表１に示すように、本実施形態の高周波抵
抗誘導溶接法によれば、高炭素鋼である0.45％炭素鋼で
あっても、横切れが発生しないことがわかる。また、一
般的に、硬度の高い熱影響部は、肉厚方向にも増肉し難
いとともに冷間絞り圧延時の母材部の増肉程度より小さ
いため、冷間絞り圧延後の肉厚分布は不均一になり易
い。しかし、本実施形態によれば、溶接部および母材そ
れぞれの硬度が均一化されるために、冷間絞り圧延時の
増肉率も均一となり、製品の肉厚分布が均一化される。

【００７６】図７は、従来の高周波抵抗誘導溶接法 (熱
投入電力密度：２kV・A/(cm³/sec)程度、予熱機２：不
使用、インピーダ：使用) および冷却工程を経た後に、
３ロールレデューサにより12％の外径縮小率で外径を縮
小した場合の、母材部および溶接部それぞれの増肉率を
調査した結果を示すグラフである。

【００７７】図７にグラフで示すように、溶接部の硬度
は母材部の硬度よりも高いため、母材部の増肉率よりも
溶接部の増肉率が低くなることがわかる。また、図７に
示すグラフから、溶接部の硬度が高い高炭素量の材料で
あるほど、母材部と溶接部との間の増肉率の差が大きく
なることもわかる。

【００７８】これに対し、図８は、本実施形態の高周波
抵抗誘導溶接法 (熱投入電力密度：２.5kV・A/(cm³/se
c) 以上、予熱機２：使用、インピーダ：使用) および
冷却工程を経た後、３ロールレデューサにより12％の外
径縮小率で外径を縮小した場合の、母材部および溶接部
それぞれの増肉率を調査した結果を示すグラフである。

【００７９】図８にグラフで示すように、本実施形態に
より溶接部の硬度を母材部の硬度と同程度にすることが
できたため、母材部と溶接部との間の増肉率の差を解消
できたことがわかる。

【００８０】ここで、鋼管０’は、２スタンドの３ロー
ル式レデューサ６による冷間絞り圧延および真円成形を
行われるために、加工後の成品には、材料に応じて外径
差が不可避的に生じる。しかし、この外径差は、１セッ
トの２ロール式定径機７により、製品外径公差内に収ま
るように定径加工が行われることにより、修正される。

【００８１】図９は、材料の違いによる外径差と２ロー
ル式定径機による外径調整との結果の一例を示すグラフ
である。図９にグラフで示すように、本実施形態でも用
いる２ロール式定径機７により、材質には関係なく、製
品外径公差内に収まるように定径加工が行われ、製品の
寸法精度が確保される。

【００８２】このようにして、本実施形態の製造装置１
によれば、高外径縮小率で冷間絞り圧延を行うにもかか
わらず、高外径縮小を行わない一般的な製法で製造され
た電縫鋼管と同等の溶接部品質および寸法精度を有する
電縫鋼管０を、製造することができる。

【００８３】図10は、製造された電縫鋼管０の溶接部近
傍を拡大して示す説明図である。なお、図10において、
符号10は溶接線を示す。同図に示すように、この電縫鋼
管０は、前述したように溶接工程により溶接部における
熱影響部が拡大され、高周波抵抗誘導溶接による溶接部
の熱影響部（本明細書では、Ａ₃ 変態点以上に加熱され
る領域を意味する。）の幅、すなわち管断面の肉厚中心
厚さの地点における熱影響部の幅ｗ₁ が3.5mm 以上とな
る。

【００８４】図11は、予熱機２による予熱および溶接機
３により加熱を行う図１(a) に示す本発明法と、溶接機
３だけにより加熱を行う従来法とにより製造された、外
径：54.0mm、厚さ：3.2 mmの0.21％Ｃ−1.43％Mn鋼と、
外径：60.5mm、厚さ：1.6 mmの0.17％Ｃ−1.25％Mn−0.
3 ％Mo鋼とについて、溶接後の製品における溶接部の熱
影響部幅と、溶接部最高硬度との関係を示すグラフであ
る。

【００８５】また、図12は、インピーダを挿入しないで
溶接機３により加熱を行う図１(b)に示す本発明法と、
インピーダを挿入して溶接機３により加熱を行う従来法
とにより製造された、外径：45.0mm、厚さ：3.2 mmの0.
21％Ｃ−1.43％Mn鋼と、外径：31.8mm、厚さ：2.3 mmの
0.22％Ｃ−0.65％Mn−0.3 ％Cr鋼とについて、溶接後の
製品における溶接部の熱影響部幅と、溶接部最高硬度と
の関係を示すグラフである。

【００８６】図11に示すグラフと、図12に示すグラフと
から、オープンパイプ８の両エッジ部の加熱から冷却ま
での履歴を示す一つの指標である熱影響部の幅ｗ₁ が拡
大されると、溶接部の硬度は材質には影響されずに低下
する傾向にあり、特に、熱影響部の幅ｗ₁ が3.5mm を越
えると、溶接部の硬度が顕著に低下することがわかる。

【００８７】図11に示すグラフと、図12に示すグラフと
から、オープンパイプ８の両エッジ部の加熱方法によら
ず、溶接温度は一定のままで熱投入電力密度が2.5 kV・
A/(cm³/sec) 以上となるような大入熱の溶接、すなわち
従来の高周波溶接法における熱投入電力密度（２kV・A/
(cm³/sec) 程度）よりも大きな入熱の溶接を行い、所定
時間以上の放冷と急冷を行うことにより、3.5mm 以上の
幅ｗ₁ を有する熱影響部が形成される。

【００８８】この熱影響部は、溶接部の硬度が母材の硬
度と同程度に、低下している。このように、本実施形態
によれば、以下に列記する効果〜が得られる。

【００８９】ポストアニーラを用いずに、電縫鋼管、
特に靱性劣化を防止した電縫鋼管を製造することができ
る。 ポストアニーラを用いずに、一般的なサイズの電縫鋼
管と同程度の溶接部品質および寸法精度を有する高ｔ／
Ｄ (20％以上) の電縫鋼管、特に小径厚肉電縫鋼管を製
造することができる。

【００９０】ポストアニーラを用いずに、溶接部の硬
化が解消され、さらには靱性に優れた電縫鋼管を製造す
ることができる。 ポストアニーラを用いずに、冷間絞り圧延を含む整形
加工を行っても、いわゆる溶接部横切れを発生せず、さ
らに、肉厚寸法精度に優れた電縫鋼管、特に高ｔ／Ｄ
(20％以上) サイズの小径厚肉電縫鋼管を製造すること
ができる。

【００９１】

【実施例】図13は、脆化割れを発生し易い材料（Ｓ４５
Ｃ）からなる電縫鋼管（外径38.1mm、厚さ3.0 mm）を用
いて、製管ままで90°および０°扁平試験を行った結果
を示すグラフである。

【００９２】図13にグラフで示すように、熱投入電力密
度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 未満で高周波抵抗誘導溶接さ
れることにより製造された電縫鋼管は、アズへん平高さ
が大きいことからも分かるように、加工性が悪く、整形
加工時に溶接部で脆化割れを発生した。

【００９３】これに対し、熱投入電力密度が２.5kV・A/
(cm³/sec) 以上となるように予熱機２も使用して高周波
抵抗誘導溶接されることにより製造された電縫鋼管は、
アズへん平高さが小さいことからも分かるように、加工
性が優れ、整形加工時にも溶接部の脆化割れは発生しな
かった。

【００９４】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１〜請
求項11の発明によれば、溶接後にポストアニーラを用い
た熱処理を行うことなく、溶接ままで、以下に列記する
効果(i) 〜(vi)が得られる。

【００９５】(i) 電縫鋼管の矯正時や加工時等に発生す
る、溶接部の脆化割れや横切れを確実に防止することが
でき、溶接品質が優れた電縫鋼管を提供できる。 (ii)この(i) 項の効果を、溶接後にポストアニーラを用
いた熱処理を行わなくとも、得ることができる。

【００９６】(iii) 高外径縮小が可能な３ロールレデュ
ーサを用いて冷間絞り圧延を行っても、横切れや偏肉が
発生しないため、高外径縮小かつ増肉の発生のためにこ
れまでの電縫鋼管では一般的には得難かった、溶接品質
および肉厚精度に優れた小径厚肉電縫鋼管、例えば、外
径が15mm以上100 mm以下、外径Ｄに対する肉厚ｔの比
(ｔ／Ｄ) が0.2 以上の電縫鋼管を提供できる。したが
って、電縫鋼管の製造可能な寸法を拡大できる。

【００９７】(iv)溶接部脆化割れや横切れ等が発生する
ためにこれまで製造できなかった高炭素鋼からなる電縫
鋼管を製造することができる。 (v) これまで、溶接後の熱処理を行っていた電縫鋼管に
ついて、熱処理工程の省略による低コスト化を図ること
ができる。

【００９８】(vi)ポストアニーラを用いた熱処理を行う
必要がなくなるため、電縫鋼管の製造工程を低減でき
る。このため、長さが短いコンパクトな製造工程とする
ことができ、設備費を低減することができる。かかる効
果を有する本発明の意義は、極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) は、実施形態の電縫鋼管の製造装置の
説明図であり、図１(b) は、予熱機を設けない場合の製
造装置の説明図である。

【図２】実施形態で用いる３ロール式レデューサおむす
び型キャリバーを模式的に示す説明図である。

【図３】Ｃ含有量が0.20％または0.45％のオープンパイ
プを素材とし、オープンパイプの内部にインピーダを挿
入して溶接機による加熱を行った場合と、オープンパイ
プの内部にインピーダを挿入せずに溶接機による加熱を
行った場合と、オープンパイプの内部にインピーダを挿
入して比較的周波数の低い予熱機による予熱と溶接機に
よる加熱とを行った場合とについて、熱投入電力密度
(入熱量) と溶接部のピーク硬度との関係を調べた結果
を、まとめて示すグラフである。

【図４】1200℃に１秒間保持したＳ４５Ｃからなる鋼管
を、放冷装置および急冷装置により冷却した際の各種冷
却曲線を示すグラフである。

【図５】図３における４種のテストデータについて、放
冷時間と溶接部のピーク硬度との関係を示すグラフであ
る。

【図６】従来の高周波抵抗誘導溶接法による溶接工程お
よび冷却工程により製造された電縫鋼管について、高外
径縮小率での冷間絞り圧延が可能な３ロールレデューサ
を用いて冷間絞り圧延を行った場合の、外径縮小率と溶
接部横切れの発生との関係を、Ｃ量毎に示すグラフであ
る。

【図７】従来の高周波抵抗誘導溶接法および冷却工程を
経た後に、３ロールレデューサにより12％の外径縮小率
で外径を縮小した場合の、母材部および溶接部それぞれ
の増肉率を調査した結果を示すグラフである。

【図８】実施形態の高周波抵抗誘導溶接法および冷却工
程を経た後、３ロールレデューサにより12％の外径縮小
率で外径を縮小した場合の、母材部および溶接部それぞ
れの増肉率を調査した結果を示すグラフである。

【図９】材料の違いによる外径差と２ロール式定径機に
よる外径調整との結果の一例を示すグラフである。

【図１０】製造された電縫鋼管の溶接部近傍を拡大して
示す説明図である。

【図１１】予熱機による予熱および溶接機により加熱を
行う図１(a) に示す本発明法と、溶接機だけにより加熱
を行う従来法とにより製造された、外径：54.0mm、厚
さ：3.2 mmの0.21％Ｃ−1.43％Mn鋼と、外径：60.5mm、
厚さ：1.6 mmの0.17％Ｃ−1.25％Mn−0.3 ％Mo鋼とにつ
いて、溶接後の製品における溶接部の熱影響部幅と、溶
接部最高硬度との関係を示すグラフである。

【図１２】インピーダを挿入しないで溶接機により加熱
を行う図１(b) に示す本発明法と、インピーダを挿入し
て溶接機により加熱を行う従来法とにより製造された、
外径：45.0mm、厚さ：3.2 mmの0.21％Ｃ−1.43％Mn鋼
と、外径：31.8mm、厚さ：2.3 mmの0.22％Ｃ−0.65％Mn
−0.3 ％Cr鋼とについて、溶接後の製品における溶接部
の熱影響部幅と、溶接部最高硬度との関係を示すグラフ
である。

【図１３】実施例において、脆化割れを発生し易い材料
（Ｓ４５Ｃ）からなる電縫鋼管（外径38.1mm、厚さ3.0
mm）を用いて、製管ままで90°および０°へん平試験を
行った結果を示すグラフである。

【符号の説明】

０ 電縫鋼管 １ 本発明の製造装置 ２ 予熱機 ３ 溶接機 ４ 放冷装置 ５ 水冷装置 ６ ３ロール式レデューサ ７ ２ロール式定径機 ８ オープンパイプ ９ スクイズロール 10 溶接線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 智隆 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内 (72)発明者 一入 啓介 和歌山市湊1850番地 住友金属工業株式会 社和歌山製鉄所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波抵抗誘導溶接による溶接部の熱影
   響部の幅が3.5mm 以上であることを特徴とする電縫鋼
   管。
2. 【請求項２】 素材であるオープンパイプの両エッジ部
   を突き合わせて、高周波抵抗誘導溶接した後にマルテン
   サイト率が50％未満となる所定時間以上の放冷と急冷と
   により冷却することにより溶接部の熱影響部の幅を3.5m
   m 以上としてから、整形加工を行うことを特徴とする電
   縫鋼管の製造方法。
3. 【請求項３】 素材であるオープンパイプの両エッジ部
   を突き合わせて、下記(1) 式で規定される熱投入電力密
   度が2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上である入熱により溶接温
   度を一定のままで溶接した後にマルテンサイト率が50％
   未満となる所定時間以上の放冷と急冷とにより冷却する
   高周波抵抗誘導溶接によって接合してから、整形加工を
   行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法。 【数１】 ただし、 Ｅp ：ワークコイルのプレート電圧(kV) Ｉp ：ワークコイルのプレート電流(A) Ａ ：オープンパイプの断面積(cm²) 、Ａ＝π×ｔ×
   (Ｄ−ｔ）×10^-2 Ｄ ：オープンパイプの外径 (cm) ｔ ：オープンパイプの肉厚 (cm) Ｖ ：溶接速度(cm/sec) ｎ ：予熱機および溶接機の電源装置の使用数
4. 【請求項４】 前記高周波抵抗誘導溶接を行う前に前記
   オープンパイプを予熱するとともに、前記熱投入電力密
   度は該予熱時における熱投入電力密度を加えた合計の熱
   投入電力密度であることを特徴とする請求項３に記載さ
   れた電縫鋼管の製造方法。
5. 【請求項５】 前記高周波抵抗誘導溶接は、前記オープ
   ンパイプの内部にインピーダを挿入しないで行われる請
   求項２から請求項４までのいずれか１項に記載された電
   縫鋼管の製造方法。
6. 【請求項６】 前記整形加工は、２スタンド以上の３ロ
   ール式レデューサを用いた冷間絞り圧延と、１セット以
   上の２ロール式定径機を用いた定径加工とを含む請求項
   ２から請求項５までのいずれか１項に記載された電縫鋼
   管の製造方法。
7. 【請求項７】 少なくとも、2.5 kV・A/(cm³/sec) 以上
   の熱投入電力密度を発生する電源装置を有し、オープン
   パイプを溶接する溶接機と、 該溶接機により溶接された鋼管を５秒間以上放冷する放
   冷装置と、 該放冷装置により放冷された鋼管を常温まで急冷する急
   冷装置とを備えることを特徴とする電縫鋼管の製造装
   置。
8. 【請求項８】 前記電源装置の周波数は150 〜350 kHz
   である請求項７に記載された電縫鋼管の製造装置。
9. 【請求項９】 さらに、前記溶接機により溶接される前
   の前記オープンパイプを予熱する予熱機を備えることを
   特徴とする請求項７または請求項８に記載された電縫鋼
   管の製造装置。
10. 【請求項１０】 前記予熱機の電源装置の周波数は20〜
    150 kHz である請求項９に記載された電縫鋼管の製造装
    置。
11. 【請求項１１】 さらに、前記水冷装置により水冷され
    た鋼管に、冷間で絞り圧延を行う２スタンド以上の３ロ
    ール式レデューサと、該絞り圧延を行われた前記鋼管に
    定径加工を行う１セット以上の２ロール式定径機とを備
    えることを特徴とする請求項７から請求項１０までのい
    ずれか１項に記載された電縫鋼管の製造装置。