JP2009030095A - フェライト系ステンレス鋼溶接管のスピニング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェライト系ステンレス鋼の溶接管の端部に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、管端溶接部の割れを抑制できる加工方法を提供する。
【解決手段】フェライト系ステンレス鋼を素材とした溶接管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工溶接管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工溶接管の端部に向けて次第に縮径する縮径部を形成する際、被加工溶接管を固定し、前記被加工溶接管の溶接部に冷媒を吹き付けて冷却しながら加工ローラを被加工溶接管の周りで公転させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼の溶接管の管端に、スピニング加工により縮径部を形成する方法に関する。

自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケース，あるいは消音器（マフラー）のケースには、大容量化の必要性から素材として大径の管が用いられている。そして、そのケース部材端部には、前後の部材との接続のためにテーパ部と、さらに必要に応じてテーパ部に連続した小径の平行部が備えられている。
図１は、このようなケース１が、素材である大径の管の部分（１ａ）、前後の部材と接続するために設けられるテーパ部（１ｂ）及びテーパ部に連続した小径の平行部（１ｃ）から構成されている例を示す。そして、テーパ部（１ｂ）は素管部（１ａ）にショルダー部（２）を介して、また、テーパ部（１ｂ）はネック部（３）を介して小径の平行部（１ｃ）と接続されている。

このような形状品は、管端にスピニング加工法を適用することにより成形される場合が多くなっている。
スピニング加工方法は、例えば特許文献１で紹介されているように、成形工具である加工ローラを被加工管の表面に接触させ、加工ローラを被加工管の周りで相対的に公転させながら、加工ローラを被加工管の半径方向及び軸方向に駆動させて、被加工管の端部に向けて次第に縮径するテーパ部と、必要に応じてそれに連続する小径の平行部を形成する方法である。

このような形状の部材を成形する方法としてスピニング加工法が多用される背景としては、板材をプレス成形により複数の部分に分割して加工した後に別工程にて溶接接合する方法と比較して、１）材料歩留りが高い、２）一体成形であるために部材強度が高く、部品点数を減らせる、３）溶接を必要としないために溶接部による部材の信頼性低下がない、等の点が挙げられる。
しかしながら、プレス成形方法と比較して、スピニング加工法では加工ローラを被加工管の軸方向へ繰返し往復動させて成形を進めるため、塑性変形により材料が管端方向に移動しやすく、特にテーパ部の板厚が被加工管の素材板厚よりも局所的に減少する傾向がある。また、縮径された母材部の加工端、あるいは被加工管が溶接管の場合には管端の溶接部の加工端を起点とする破断が起こりやすい。

一方、自動車の排気系に装備される排気ガス浄化用触媒（コンバーター）のケース，あるいは消音器（マフラー）のケースには、耐食性、特に高温の排気ガスに対する耐食性の観点から、素材としてステンレス鋼を用いたものが使用されている。
そして、例えば特許文献２，３では、素材がフェライト系ステンレス鋼板である場合に、鋼の成分組成を調整することや、突合せ溶接部の形状を規定することにより、スピニング加工時の母材部の加工端、あるいは被加工管が溶接管である場合には溶接部の加工端を起点とする割れを起こり難くする技術が提案されている。
特公平４−４６６４７号公報 特開２００３−３４２６９４号公報 特開２００４−２４３３５４号公報

しかしながら、特許文献２，３で提案された方法は、いずれも被加工管を加工しやすいように改善しようとするものであって、加工手段そのものの改善方法ではない。いずれの方法を採用しても、母材部の加工端、あるいは被加工管が溶接管の場合には溶接部の加工端を起点とする破断を完全になくすことはできない。
ところで、成形効率を高くするためには、成形工具である加工ローラと被加工管との間の相対的な回転速度や加工ローラの送り速度を速くしたり１パス当たりの加工量を増加させる必要がある。

そこで相対的な回転速度や送り速度を速くする等して生産効率を高めようとすると、管端部に割れが生じるため、相対的な回転速度や送り速度を速くすることには限界がある。特に被加工管が溶接鋼管の場合に、管端の溶接部にわれが生じやすいため、回転速度や送り速度を速くすることはできない。
本発明は、このような問題を解消するために案出されたものであり、フェライト系ステンレス鋼の溶接管の端部に加工ローラを当接して縮径部を形成する際に、管端溶接部の割れを抑制できる加工方法を提供することを目的とする。

本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接管のスピニング加工方法は、その目的を達成するため、フェライト系ステンレス鋼を素材とした溶接管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工溶接管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工溶接管の端部に向けて次第に縮径する縮径部を形成する際、前記被加工溶接管の溶接部を冷却しながら縮径部を形成することを特徴とする。
被加工溶接管の溶接部のみを冷却するために、被加工溶接管を固定し、加工ローラを、被加工溶接管の周りで公転させることが好ましい。
また、縮径部を形成する前に、被加工溶接管の溶接部を加熱することが好ましい。

本発明では、加工ローラを被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させて被加工管の端部に縮径部を形成する際に、被加工フェライト系ステンレス鋼溶接管の溶接部を冷却しているため、加工に伴う加工熱が生じても除去され、加工熱による歪み時効の進行が抑制されて溶接部の硬度上昇が抑えられる。その結果、高速でスピニング加工を行っても加工時の管端溶接部の割れを防止することができ、生産性向上につながった。

本発明者等は、フェライト系ステンレス鋼の溶接管を被加工管とし、当該被加工管とその外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、前記加工ローラを前記被加工管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工管の端部に向けて次第に縮径する縮径部と、それに連続する小径の平行部を形成する際に、縮径部の端部、特に溶接部端部に生じやすい割れの発生原因とその対策について種々検討を重ねてきた。
その結果、割れが、スピニング加工に伴う加工熱を受けて歪み時効が進行したために溶接部の高度が高くなったことに起因していると予測した。そして、歪み時効の進行を抑制して高度上昇を防ぎ、溶接部の割れの発生を抑えるには、溶接部を冷却しつつスピニング加工を行うことが有効であることを見出した。
以下に、本発明に至った経緯から説明する。

まず、スピニング加工時に歪み時効が進行し、溶接部が硬化するメカニズムから検討した。
まず、Ｃ：０．０１３質量％，Ｓｉ：０．４１質量％，Ｍｎ：０．２３質量％，Ｐ：０．０２７質量％，Ｓ：０．００２質量％，Ｎｉ：０．１１質量％，Ｃｒ：１７．１６質量％，Ｍｏ：０．０２質量％，Ｃｕ：０．０３質量％，Ｔｉ：０．２２質量％，Ａｌ：０．０４１質量％及びＮ：０．０１２質量％を含み、残部がＦｅからなるステンレス鋼板を用いて、図２に示すような試験片を作製した。なお、図２で示す溶接部は、板材上にプラズマ照射でビードを形成したものである。

この試験片を、（１）歪み付与なし、（２）室温で１５％の歪みを付与、（３）４００℃で１５％の歪みを付与したものについて、溶接部と母材部の断面硬度を測定した。その結果、図３に見られるように、温間で歪みを付与したもので溶接部の硬度が上昇していることがわかる。
そこで、上記試験片を、各種温度を変えた状態で１５％の歪みを付与したものについて溶接部の断面硬度を測定した。その結果、図４に見られるように、歪み付与温度が高いほど歪み時効により硬度が上昇していることがわかる。図３，４の結果から、歪み時効の進行により硬度が上昇したことが理解される。

上記硬度の上昇が歪み時効の進行に伴うものであることは、次の点からも裏付けられる。すなわち、Ｃ及びＮ量の異なるフェライト系ステンレス鋼についても同様に４００℃で１５％の歪みを付与した後、溶接部の硬度を測定し、Ｃ＋Ｎ量と歪み時効による硬度上昇との関係を整理すると図５に示す通りとなる。Ｃ＋Ｎが多くなると受熱により硬度が上昇している。図３〜５に示される結果を併せて考慮するとフェライト系ステンレス鋼の溶接部の硬度上昇が歪み時効によるものであると判断される。

フェライト系ステンレス鋼を素材とするとき、歪み時効に起因する割れの発生を抑制するためには、鋼中のＣ及びＮの含有量を少なくすることが有効であるが、これらの成分は溶製時に上限値と下限値が設定されており、範囲内でばらつきが生じるとともに、全てを下限値に制御しようとすると製鋼コストが高騰してしまう問題がある。
製鋼時にＣ，Ｎ等の成分は上限下限値が設定されており、目標値としてＣ，Ｎを低くするようにしているが、全てを目標値以内にすることは困難であり、設定値内でばらつきがある。設定値範囲での上限付近（高Ｃ、高Ｎ等）の材料のスピニング加工に対応すべく、歪み時効抑制検討を行った。
そこで、歪み時効による溶接部の硬度上昇により割れが生じやすいＣ及びＮ含有量の高いフェライト系ステンレス鋼を素材としたものであっても、溶接管の管端にスピニング加工を施しても歪み時効が進行しないように、スピニング加工を施す溶接部の温度上昇抑制策を検討した。

その結果、溶接部を冷却して加工部の温度上昇を防ぐこととした。
スピニング加工を施す溶接部を冷却する態様としては、当該部分の温度上昇を防げば良いので冷媒を吹き付けることで足りる。液化ガスを吹き付けても良いが、工場エアー等、比較的流速の早いものを吹き付けることが好ましい。単にファンで空気を吹き付けるだけでも良い。

通常、管端に施すスピニング加工は、図６に見られるように、被加工管１１を固定し、固定金具１２とともに被加工管を回転しつつ、被加工管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラ１３を押し当てる態様で行われている。
もちろん、この態様で行われるスピニング加工時にも本発明方法を適用することができる。冷却媒体を吹き付けて全体を冷却すればよい。被加工管の内側を冷却媒体の通路として活用することにより、全体を冷却することもできる。

しかしながら、全体を冷却することは、冷却媒体の使用量の増加等、経済的に得策ではない。
そこで、図７に示すように、被加工管２１の他端を固定し、固定金具２２及び被加工管２１を回転させることなく、被加工管２１の外周に配置された加工ローラ２３を被加工管２１の周りで公転させることが好ましい。この態様を採用すれば、溶接線に沿って冷却媒体２５，２６の吹き付けることにより、溶接部２４の温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。

ところで、加工部の温度上昇は、被加工材料自身の変形による発熱と加工ローラ―材料間の摩擦等による発熱の総合によるものである。そして、前記、図４で検討したように、歪み時効は加工部の温度が高くなるほど進行しやすくなる。加工部の温度が２５０℃を超えると歪み時効が進行しやすくなるため、加工部の温度が２５０℃を超えないように冷却媒体を吹き付けることが好ましい。より好ましくは２００℃以下に保つことが望ましい。

しかしながら、加工部の温度は低ければ良いというものでもない。加工部、特に溶接部を加工しようとするとき、加工時の初期段階の温度が低すぎると脆性割れが発生しやすくなる。加工環境の温度が低いと、スピニング加工時の初期段階で溶接部の吸収エネルギー減少に伴う靭性低下により、割れが発生しやすくなると考えられる。したがって、スピニング加工開始前に鋼管の溶接部を加熱することで、管端溶接部の割れ発生を抑制できるとの考えに至った。
詳細は実施例に示すが、加工領域の溶接部を１００〜２５０℃の温度範囲内に保持しながらスピニング加工を実施することが好ましい。

実施例１；
先に示した組成の鋼板をＴＩＧ溶接したφ１５０×１．２ｔの鋼管を被加工鋼管とした。
図７に示すように、被加工鋼管を固定するとともに、鋼管外側に先端径φ１０のノズルを固定配置し、鋼管内側に溶接部幅と同程度の４ｍｍの幅でスピニング加工範囲の長手方向長さに相当する長さ有するスリット加工した管を固定配置した。そして、ノズル及びスリット加工した管には、常温で圧力５ｋｇ／ｃｍ^２までのエアーを供給できるようにした。
鋼管の内側と外側から溶接部をエアーで冷却しながら溶接部温度が２００〜３００℃となるようにエアー供給量を調整しつつ、公転するローラを押し当ててスピニング加工を行い、図１に示す端部形状に成形した。

なお、加工条件は、回転数；６００ｒｐｍ，送り速度；５０００ｍｍ／ｍｉｎとし、１３パスのスピニング加工を行って、φ６４まで縮径加工した。
比較例として、溶接部の冷却は行わないこと以外は同じ条件でスピニング加工を行い、溶接部及びその周辺部の硬度状況と溶接部の割れの発生状況を調査した。冷却を行わないと、溶接部は３５０℃にまで上昇していた。
その結果を図８と表１示す。

実施例２；
先に示した組成に鋼板をＴＩＧ溶接したφ１５０×１．２ｔの鋼管について、加工領域の溶接部をヒータで温めることにより、加工を始める時点の溶接部の温度を種々変更し、実施例１と同様の形態及び条件でスピニング加工を行った。
なお、溶接部の冷却は実施例１と同様のノズルを使用し、スピニング加工時の溶接部温度を２００℃となるようにした。
そして、管端での割れの発生状況を観察した。本実施例２で、管端での割れの発生状況を観察した理由は、スピニング加工時の溶接部温度を２００℃としているため、図１に示す形状の加工品にあって、テーパ部（１ｂ）やネック部（３）を介して連続する平行部（１ｃ）には割れが生じることはないが、平行部（１ｃ）の先端溶接部のみに割れが発生する傾向にあったので、この先端溶接部のみに発生する割れが脆性破壊に起因したものであると想定したためである。
その結果を表２に示す。

表２の結果から、加工領域の溶接部を１００℃以上に予熱しておけば、低温脆性割れは確実に防げることがわかる。
歪み時効による溶接部の割れ防止、及び低温領域における脆性割れの防止の両方を図るためには、予め予熱し、加工中は冷却媒体を吹き付けて、図７に示すように、加工領域の溶接部を１００〜２５０℃の温度の保持しながらスピニング加工を実施することが好ましい。
なお、加工領域溶接部の予熱がなく、加工後に先端に割れが生じていても、割れ部を研削・削除すれば、問題なく使用できる。

一般的なスピニング加工製品の形状を説明する図 歪み付与試験片形状を説明する図 温間での歪み付与と硬度の関係を示すグラフ 歪み付与温度と歪み時効による硬度上昇の関係を示すグラフ Ｃ＋Ｎ量と歪み時効による硬度上昇の関係を示すグラフ 一般的なスピニング加工方法を説明する図 本発明のスピニング加工方法を説明する図 スピニング加工時の加工部温度と溶接部硬度の関係を示す図

Claims (3)

1. フェライト系ステンレス鋼を素材とした溶接管の外周に配置されてその周りを相対的に公転する加工ローラを用い、当該加工ローラを前記被加工溶接管の半径方向へ移動させつつ軸方向に往復動させることにより被加工溶接管の端部に向けて次第に縮径する縮径部を形成する際、前記被加工溶接管の溶接部を冷却しながら縮径部を形成することを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接管のスピニング加工方法。
2. 被加工溶接管を固定し、加工ローラを被加工溶接管の周りで公転させる請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接管のスピニング加工方法。
3. 縮径部を形成する前に、被加工溶接管の溶接部を加熱する請求項１又は２に記載のフェライト系ステンレス鋼溶接管のスピニング加工方法。

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