JP2012213798A - レーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なるファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える2本のレーザビームをエッジ部に沿ってオープンパイプの上面側から照射し、オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームをオープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を1mm以上としてレーザ溶接を行なう。
【選択図】図1
Description
しかし一般に電縫鋼管は、成形ロールを用いて鋼板を円筒状に成形してオープンパイプ(ここでオープンパイプとは、多段の成形ロールにより成形された端部が接合されていないパイプ状の鋼帯を言う。以下、オープンパイプと称す。)とし、そのオープンパイプのエッジ部(すなわち円筒状に成形した鋼帯の両側端部)をスクイズロールで加圧しながら電気抵抗溶接(高周波抵抗溶接とも呼ぶ)して製造するので、溶接による継ぎ目(いわゆるシーム)が必然的に存在し、そのシームの低温靭性が劣化するという問題がある。そのため電縫鋼管の油井管やラインパイプは、寒冷地での使用には課題がある。シームの低温靭性が劣化する理由は、エッジ部を溶接する際に高温の溶融メタルが大気中の酸素と反応して酸化物を生成し、その酸化物がシームに残留し易いからである。
一方でシームの低温靭性や耐食性を劣化させない溶接法として、レーザビームによる溶接(以下、レーザ溶接という)が注目されている。レーザ溶接は、熱源の寸法を小さくし、かつ熱エネルギーを高密度で集中できるので、溶融メタルにおける酸化物の生成や合金元素の偏析を防止できる。そのため、溶接鋼管の製造にレーザ溶接を適用すると、シームの低温靭性や耐食性の劣化を防止することが可能である。
ところがレーザ溶接では、高密度エネルギー光線であるレーザビームを光学部品により集光して溶接部に照射することによって溶接を行うので、溶接の際に急激な金属の溶融を伴う。そのため、形成された溶融池から溶融メタルがスパッタとして飛散する。飛散したスパッタは、レーザ溶接鋼管に付着して鋼管の品質を低下させるとともに、溶接装置,光学部品および造管機にも付着して溶接の施工が不安定になる。また、レーザ溶接では熱エネルギーを高密度で集中して溶接を行なうので、スパッタが多量に発生し、その結果、溶融メタルが減少することによって、アンダーカットやアンダーフィル(すなわち窪み)等の溶接欠陥が発生する。アンダーカットやアンダーフィルが発生すると、溶接部の強度が低下する。
特許文献4では、2つの円形のビームスポットを用いる方法が開示されている。しかしながら、この技術では溶接部に応力が働く条件でのレーザ溶接において溶接欠陥は抑制されず、特に鋼板の裏面のスパッタ発生量が増大する。
図2は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、1本のレーザビームを垂直に照射してオープンパイプ1のエッジ部2の接合点をレーザ溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。図2中の矢印Aは、溶接進行方向を示す。なお、レーザビーム3の照射によって発生する深い空洞(以下、キーホールという)4と、その周辺に形成される溶融メタル5は透視図として示す。
そこで発明者らは、エッジ部2の接合点に2本のレーザビームを照射する技術に着目した。その結果、レーザビームの照射位置を適正に配列するとともに、それぞれのレーザビームの入射角やスポット径等を制御して2本のレーザビームをオープンパイプの鋼板内部で交差しないように照射することによって、スパッタの発生を抑制できることが分かった。そして、溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得るとともに、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できることが判明した。
すなわち本発明は、鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらレーザビームを照射してエッジ部をレーザ溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える2本のレーザビームをエッジ部に沿ってオープンパイプの上面側から照射し、オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームをオープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を1mm以上としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法である。
本発明では、2本のレーザビーム3a,3bを、オープンパイプ1のエッジ部2に沿ってオープンパイプ1の上面側から照射する。その際、単一の光ファイバーで伝送したレーザビームを光学部品(たとえばプリズム等)で2分割しながら照射すると、後述する入射角やスポット径を個別に設定することができない。そのため、2本のレーザビーム3a,3bをそれぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する必要がある。
図1に示すように、レーザビーム3a,3bはエッジ部2に沿って前後に配置する。オープンパイプ1の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビームを先行レーザビーム3aとし、後行するレーザビームを後行レーザビーム3bとする。
図3は、図1の先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bおよびオープンパイプ1上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。図3に示すように、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、いずれも矢印Aで示す溶接進行方向に傾斜させてオープンパイプ1上面に照射する。その先行レーザビーム3aとオープンパイプ1上面に垂直な線とのなす角θaを先行レーザビーム3aの入射角とし、後行レーザビーム3bとオープンパイプ1表面に垂直な線とのなす角θbを後行レーザビーム3bの入射角として、それぞれの入射角がθa>θbを満足するように設定する。
なお、先行レーザビーム3aの入射角θaと後行レーザビーム3bの入射角θbを、θa<θbと設定すると、後行レーザビーム3bが通過するオープンパイプ1の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して加熱効率が低下する。そのため、先行レーザビーム3aによるエッジ部2の予熱効果は得られるが、後行レーザビーム3bによるエッジ部2の溶融が不安定になる。
したがって、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの入射角をθa>θbと設定する必要がある。つまり、先行レーザビーム3aはエッジ部2を予熱するにあたってスパッタを抑制するために傾斜角θaを大きくする。後行レーザビーム3bはエッジ部2を溶融するにあたって加熱効率を高めるために傾斜角θbを小さくする。
オープンパイプ1のエッジ部2の接合点は、エッジ部2の板厚方向の平均間隔Gが、スクイズロールにより狭まり、0.5mm以下になった箇所であればどこでも良い。
本発明では、厚肉材(たとえば厚さ4mm以上)のオープンパイプであっても、エッジ部の高周波加熱等で予熱することなく、レーザ溶接を行なうことが可能である。ただし、エッジ部を高周波加熱等で予熱すれば、レーザ溶接鋼管の生産性が向上する等の効果が得られる。高周波加熱による予熱を行なえば溶接部に余盛が形成されるが、レーザ溶接の後でその余盛を切削もしくは研削によって除去すれば、溶接部の表面性状が一層良好に仕上がる。
なお、補助熱源はレーザビームの発振機と一体的に配置することが好ましい。その理由は、補助熱源とレーザを一体的に配置しないと、補助熱源の効果を得るためには大きな熱量が必要となり、また溶接欠陥(たとえばアンダーカットやアンダーフィル等)の抑制が非常に困難になるからである。さらに、補助熱源をレーザビームの発振機より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部の水分,油分を除去できるからである。
以上に説明した通り、本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってスポット径を適正に保ち、かつ2本のレーザビームを適正に配列するとともに、レーザビームの入射角等のレーザ溶接の条件を制御することによって、スパッタの発生を防止して溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得ることができ、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、レーザ溶接の利点を活かしてシームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。
表2に示す発明例(溶接鋼管No.1〜6)は、レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径およびオープンパイプの裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔が本発明の範囲を満足するとともに、先行レーザビーム,後行レーザビームを溶接進行方向に傾斜させて照射しかつ先行レーザビームの入射角θaを後行レーザビームの入射角θbをより大きく設定した例である。
比較例7〜9ではスパッタの付着は認められなかったが、アンダーカット,アンダーフィルあるいは開先の溶け残りが発生した。比較例10,11ではスパッタが多量に付着し、しかもアンダーフィルが発生した。
2 エッジ部
3 レーザビーム
3a 先行レーザビーム
3b 後行レーザビーム
4 キーホール(空洞)
5 溶融メタル
6 シーム
Claims (6)
- 鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、該オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらレーザビームを照射して前記エッジ部をレーザ溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える2本のレーザビームを前記エッジ部に沿って前記オープンパイプの上面側から照射し、前記オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームを前記オープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて前記溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、前記先行レーザビームの入射角を前記後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつ前記オープンパイプの裏面における前記先行レーザビームの中心点と前記後行レーザビームの中心点との間隔を1mm以上としてレーザ溶接を行なうことを特徴とするレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームと前記後行レーザビームの入射角が5〜50°であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームおよび前記後行レーザビームのうちの1種または2種を光学部品を用いて2分割し、前記エッジ部の両側に照射することを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記レーザ溶接を行なう際に、溶接部に0.2〜1.0mmのアップセットを加えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームと前記後行レーザビームのレーザ出力が合計16kWを超え、かつ7m/分を超える溶接速度で前記レーザ溶接を行なうことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記レーザ溶接に先立って前記鋼板の予熱を行ない、かつ前記レーザ溶接の後で切削または研削を施して溶接ビードを加工することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
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