JP2014004624A - 電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法及び電縫鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造管コスト面さらには能率面の犠牲なしで、電縫溶接時の被溶接部を確実にガスシールドして、ペネトレータの生成を防止できる素管被溶接部シールド方法を提供する。
【解決手段】被溶接部１１に対し該被溶接部上端から５〜３００ｍｍ上方の位置にガス放出口１Aを配位したシールドガス吹付け用ノズル１の前記ガス放出口からシールドガス５を流速０．５〜５０ｍ/ｓで吹付けることにより、電縫溶接時の被溶接部の酸素濃度を十分低いレベルに維持でき、電縫鋼管の溶接部特性を向上させるる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法及び電縫鋼管の製造方法に関し、特に、油井ラインパイプ向けや自動車用の部品などの、溶接部に高い機械的特性が要求される電縫鋼管の製造に好ましく用いうる、電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法及び電縫鋼管の製造方法に関する。

通常、鋼管は溶接鋼管と継目無鋼管に大別される。溶接鋼管は、電縫鋼管を例とするように、板（帯材の意、以下同じ）を丸めて端部を突き合わせて溶接して製造され、継目無鋼管は、材料の塊を高温で穿孔してマンドレルミル等で圧延して製造される。溶接鋼管の場合、一般に溶接部の特性は母材より劣ると云われ、鋼管の適用に当たって、用途ごとに溶接部の靭性や強度や伸びなどの保証が常に議論されて問題となってきた。

例えば、原油や天然ガスなどを輸送するラインパイプでは、管を寒冷地に敷設することが多いため低温靭性が必要とされ、管の強度が重要視される。
又、通常、鋼管の母材となる熱延鋼板は、鋼管製造後の母材特性を考慮して成分設計され、強度等の特性が確保される。
しかし、溶接部の特性は、母材の成分設計や熱処理等による以上に、電縫溶接方法によって大きく左右されるため、溶接技術の開発が重要であった。電縫溶接不良の原因としては、ペネトレータと呼ばれる酸化物主体の溶接欠陥が、電縫溶接時に被溶接部（詳しくは、帯材を丸めてなるオープン管である素管の周方向両端面を突き合わせた部位である素管エッジ突合せ部）に生成して残留し、この残留したペネトレータを原因として靭性が低下したり強度不足になったりする例が多かった。

そこで、従来技術として電縫溶接不良の主原因であるペネトレータを溶接部から除くため、被溶接部へのガス吹き付けにより被溶接部の酸化を防止する技術または電縫溶接直前の帯材端面の形状を適切な形状とすることでペネトレータを溶接部から取り除く技術などが提案されてきた。
例えば、特許文献１には電縫管の溶接部シールド装置において被溶接部回りの密閉空間を最小容積として被溶接部回りの酸素濃度を短時間で下げる目的で、スクイズロールのロールスタンドに被溶接部回りの溶接装置と素管の局部のみを覆うシールドカバーを取着した旨記載されている。

又、特許文献２には、素管内に装入するインピーダケースに不活性ガスの液化ガス配管を配設して供給した液化ガスでインピーダコアを冷却した後当該液化ガスを溶接点に向けて噴出してガスシールドする旨記載されている。
又、特許文献３には、溶接(圧接)時に被溶接部をガスシールドして酸素濃度を低くし酸化物の発生量を低減し、且つ高周波加熱中の被溶接部位にレーザービーム又はプラズマアークを照射する事で溶接欠陥の発生を防止する旨記載されている。

又、特許文献４には、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至るまでの通管経路全域を、エッジ部加熱用誘導コイル、スクイズロール共々シールドボックスで覆い、該シールドボックス内へガス供給管にて所定流量でガスを供給する旨記載されている。
又、特許文献５にはロール成形途中または電縫溶接直前で帯材の幅端部の形状を適切な開先形状とすることで、電縫溶接時に十分な溶鋼排出を達成し、ペネトレータを確実に取り除く旨記載されている。

特開平０８-３００１６４号公報 特開平１０−２４９５４７号公報 特開平５−２３８６７号公報 特開２０１１−２０６８１３号公報 特開２００７−１６０３８２号公報

しかし、溶接点付近のみを外面側から（特許文献１）或いは内面側から（特許文献２）のガス吹き付けによりガスシールドする方法は、再現性が悪く、充分にシールドができずに溶接部に酸化物が残留する場合があった。
又、溶接点にプラズマアーク等を照射する方法（特許文献３）は、ガスシールド装置に加えて別途プラズマアーク等の照射装置が必要となり、造管コスト面での不利を招く。

又、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至るまでの通管経路全域をシールドボックスで覆う方式（特許文献４）は、装置構造が複雑であり、組み付けに多大な時間を要する事や、管の寸法が変わるごとにシールドボックスの取替えや調整が必要であり、能率面、造管コスト面での不利が大きいという問題がある。
又、電縫溶接突合せ部の開先形状を適切な形状にして溶接時に溶鋼の排出を促進し、ペネトレータを取り除く方法（特許文献５）は、開先により酸化物を確実に排除できる優れた技術であるが、板厚が薄くなればなるほど、開先量は少なくなるために、精度よく左右対称に開先を取ることが困難になる。その場合、左右の突合せ形状が対称でなくなり、突合せ形状がばらついて、溶接部の温度分布がばらつき、溶接部の機械的特性が変動するという問題がある。

以上のように、従来技術では、造管コスト面さらには能率面の犠牲なしでは、電縫溶接時の被溶接部を確実にガスシールドして其処の酸素濃度を十分に低下させる事ができていないためペネトレータの生成を防止できないし、またはメカニカルな方法によってもペネトレータを全長に亘り健全に取り除くことが出来ないという課題があった。

発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、素管のエッジ部加熱起点から溶接点に至る通管範囲をシールドボックスで覆わずに、前記通管範囲内で素管の被溶接部直上から被溶接部にシールドガスを吹き付ける場合、被溶接部の上端からシールドガス吹付け用ノズルにおけるシールドガスの放出口までの高さであるノズル高さ、及び吹付けるシールドガスの流速を適正に制御する事により、被溶接部の酸素濃度を十分に低減できる事を見出し、本発明を成した。即ち本発明は以下の通りである。
（１） 電縫溶接時の被溶接部を不活性ガスからなるシールドガスでガスシールドする電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法であって、前記被溶接部に対し該被溶接部上端から５〜３００ｍｍ上方の位置にガス放出口を配位したシールドガス吹付け用ノズルの前記ガス放出口から前記シールドガスを流速０．５〜５０ｍ/ｓで吹付けることを特徴とする電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
（２） 前記ガス放出口の形状は、寸法の通管方向成分である長さが３０ｍｍ以上、寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上の矩形状であることを特徴とする（１）に記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
（３） 前記ガス放出口の寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅Ｒは、前記ガス放出口の直下の被溶接部の端面間の最大間隔Ｗに対し、Ｒ/Ｗ＞１．０、なる関係を満たすことを特徴とする（１）又は（２）に記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
（４） 前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしたことを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の電縫鋼管の被溶接部シールド方法。
（５） 被溶接部をガスシールドしつつ電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、前記ガスシールドは、（１）〜（４）の何れかに記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法により行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
（６） （５）に記載の電縫鋼管の製造方法において、ロール成形途中または電縫溶接直前で、帯材の幅端部の上表面側および下表面側にそれぞれテーパ形状を付与するに際して、前記テーパ形状は、帯材の幅端面から上表面または下表面に向けての傾斜角度が２５〜５０°であり、帯材の幅端面におけるテーパ開始位置と上表面あるいは下表面との帯材板厚方向の距離が帯材板厚の
２０〜４０％であることを特徴とする電縫鋼管の製造方法。

本発明によれば、電縫溶接時の被溶接部の酸素濃度を十分低いレベルに維持できて、電縫鋼管の溶接部特性を確実に従来レベルよりも向上させる事ができる。

本発明の実施形態を示す概略図である。 シールドガスの流速と被溶接部（素管エッジ突合せ部）の酸素濃度の関係を示す線図である。 被溶接部の突合せ端部断面形状（開先形状）の定義説明図である。

図１は、本発明の実施形態を示す概略図である。鋼帯からなる帯材を図示しないアンコイラーで連続的に払出し、図示しないレベラーで矯正し、通管方向２０に送りつつ、図示しないロール成形機で帯材の幅を丸めて素管（オープン管）１０となし、該丸めた幅の両端面を突合せてなる素管エッジ突合せ部である被溶接部１１を電縫溶接機（図示しないエッジ部加熱用給電手段と図示しない圧接用スクイズロールとで構成されている）により、電縫溶接して、電縫鋼管１５を得る。１２は素管エッジ部加熱開始点、１３は前記圧接により被溶接部１１が接合する通管方向位置を指す溶接点である。尚、素管１０乃至電縫鋼管１５の管内面側にはインピーダ（図示省略）を配置する場合もある。電縫溶接機を出た電縫鋼管１５は図示しないサイザーで外径調整をされる。

本発明では、素管エッジ部加熱起点１２から溶接点１３までの通管方向範囲の全域、或いは当該範囲内の、被溶接部に酸化物が生成し易い区域（この区域は予備調査により特定できる）をシールド範囲とし、該シールド範囲において、被溶接部１１の直上の位置にシールドガス吹付け用ノズル（略してノズル）１を配置する。
ノズル１は、其のガス放出口１Ａを被溶接部１１上端と正対する様に配位して、配置される。

本発明では、背景技術で言及した処の、前記シールド範囲内の素管１０全周を覆うシールドボックスは、設けなくてもよい。むしろ設けない方が電縫鋼管の造管能率面、製造コスト面から好ましいから、この実施形態では設けていない。
本発明者らはシールドガスの流れについて詳細に観察した。さらに、ガス放出口１Ａの位置や寸法、ならびにガス放出口１Ａでのシールドガスの流速などの、様々なシールドガスの吹付け条件が、電縫溶接時の被溶接部１１の酸素濃度と、該被溶接部を電縫溶接してなる溶接部における酸化物の面積率とに及ぼす影響を詳細に調査した。

その結果、シールドガスの吹付け条件を最適にする事により、被溶接部の酸素濃度が0.01質量％以下になり、溶接部の酸化物面積率が０．１％以下になることを発見した。ここで、溶接部の酸化物面積率とは、次のとおり定義される。すなわち、電縫溶接部のシャルピー衝撃試験を行うことにより得られる破面を電子顕微鏡により倍率５００倍以上で少なくとも１０視野観察して、その破面内に観察される酸化物を含んだディンプル破面部分を選別して、その総面積を測定し、これの視野総面積に対する割合を酸化物面積率とした。

前記発見した最適条件は、被溶接部１１上端からガス放出口１Ａまでの高さであるノズル高さが５ｍｍ以上３００ｍｍ以下（図１(b)参照）、且つ、ガス放出口１Ａでのシールドガス５の流速（以下、ガス出口流速ともいう）が０．５ｍ/ｓ以上５０ｍ/ｓ以下（図１(d)参照）である。
前記ノズル高さが３００ｍｍを超えるとシールドガスが充分に被溶接部１１に届かず、被溶接部１１の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下にならない。前記ノズル高さは小さい方が望ましいのであるが、５ｍｍを下回ると、加熱されている被溶接部１１からの輻射熱でガス放出口１Ａが傷み易く、更に被溶接部１１で発生したスパッタが衝突してノズル１の耐久性が劣化する。

前記ガス出口流速が小さすぎると、シールドガス５は周囲に拡散し、被溶接部１１のガスシールドが不十分となる（図１（ｃ）参照）。前記ガス出口流速が大き過ぎると、シールドガス５の勢いが強くなりすぎ、被溶接部１１の端面間への大気巻き込み６を生じてしまう（図１(e)参照）。ガス出口流速が適正流速（０．５〜５０ｍ/ｓ）であると、被溶接部１１の端面間にシールドガス５が過不足なく充満し、大気巻き込みも無く、充分なガスシールドが達成できる（図１(d)参照）。

因みに図２は、一例としてノズル高さ＝５０ｍｍとし、出口ガス流速を種々変えて被溶接部１１にシールドガス５を吹き付け、被溶接部１１の端面間の中間位置で酸素濃度を測定した結果を示す線図であり、この例から分る様に、ガス出口流速＝０．５〜５０ｍ/ｓとする事によって、酸素濃度0.01質量％以下が大きな余裕を持って（即ち確実に）クリアできる。

又、ガス放出口１Ａの形状については、寸法の通管方向２０成分である長さが３０ｍｍ以上、寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上の矩形状にすると、被溶接部１１へのガス吹付けをより均一にできて好ましい。
又、図１(b)に示す様に、ガス放出口１Ａの寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅をＲと記し、ガス放出口１Ａの直下の被溶接部１１の端面間の最大間隔をＷと記すとして、Ｒ/Ｗ＞１．０、を満たす様にすると、被溶接部１１の酸素濃度をより速やかに低減させる事ができて好ましい。

シールドガスとしては不活性ガスを用いる。此処に云う不活性ガスとは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガス等、若しくはこれらの２種以上を混合してなる混合ガスなどを意味する。
更に、シールドガスとして、前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしてもよく、然も、むしろこの方が、ペネトレータの原因となる酸化物の生成を抑制する効果がより強くなり、溶接部の靭性又は強度を、より大きく向上させることができて好ましい。此処に云う還元性ガスとは、水素ガス、一酸化炭素ガス、メタンガス、プロパンガス等、若しくはこれらの２種以上を混合してなる混合ガスを意味する。 尚、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしては、還元性ガスのみからなる組成、又は、還元性ガス：０．１質量％以上を含有し残部が不活性ガスからなる組成のものが好適である。

又、入手容易性及び廉価性の点からは、シールドガスとして次のガスを用いる事が好ましい。
(イ) 不活性ガス単独使用の場合：(A) 窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスの何れか１種若しくはこれら２種以上の混合ガス
(ロ) 還元性ガス単独使用の場合：(B) 水素ガス、一酸化炭素ガスの何れか１種若しくはこれら２種の混合ガス
(ハ) 不活性ガスと還元性ガスの混合ガス使用の場合：前記(A)と(B)の混合ガス
尚、特に、水素ガス及び/又は一酸化炭素ガスを含むガスを使用する場合、遺漏無き安全対策をとるべきことは云うまでも無い。

又、図３は、被溶接部の突合せ端部断面形状(＝開先形状)の定義説明図であり、本発明では、前記開先形状に、前記溶接部の酸化物面積率を更に低減させる好適範囲が存在する。すなわち、前記ガスシールド溶接を実施するに際して、ロール成形途中または電縫溶接直前で、帯材の幅端部（＝素管１０の突合せ端部）の上表面側および下表面側にそれぞれ、帯材の幅端面から上表面または下表面に向けての傾斜角度θが２５〜５０°であり、帯材の幅端面におけるテーパ開始位置と上表面あるいは下表面との帯材板厚方向の距離ｘが帯材板厚(＝管肉厚)ｔの２０〜４０％（すなわち、ｘ/ｔ＊１００＝２０〜４０％）である、テーパ形状を付与することが好ましい。特に、肉厚８ｍｍ以上の鋼管において、その効果は顕著である。尚、図３の如く、開先形状は、左右対称(すなわち管外面側のｘ、θであるｘ１、θ１、管内面側のｘ、θであるｘ２、θ２は、左右で相等しい)である事が好ましいが、上下対称(すなわちｘ１＝ｘ２、θ１＝θ２)である必要は無い。

ここで、傾斜角度θが２５°未満であると、帯材板厚中央部からの溶鋼排出が不十分となって更なる溶接部の酸化物低減効果が得られず、傾斜角度θが５０°を超えると、溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題となる。又、距離ｘが板厚に対して２０％未満であると、テーパ付与効果が得られず、距離ｘが板厚に対して４０％を超えると、溶接後にもそのテーパ形状が製品の管の疵として残留し問題となる。

鋼帯からなる帯材を、アンコイラー、レベラー、ロール成形機、電縫溶接機、サイザーをこの順に配置して構成された造管設備に通して、外径６００ｍｍ、肉厚２０．６ｍｍの低炭素低合金鋼の電縫鋼管を製造する工程において、電縫溶接時に被溶接部へのガスシールドを実行するにあたり、上述した実施形態の本発明範囲の内又は外でガス吹付け条件の水準を表１に示すとおり種々変えて実行し、被溶接部の酸素濃度の測定、及び溶接部の酸化物面積率の測定を行った。尚、開先形状は、ストレート形状（θ＝０°或いはｘ/ｔ＊100＝０％）とした。その結果を表１に示す。

表１に示されるとおり、本発明例では、比較例と比べて被溶接部の酸素濃度が桁違いに低減し、溶接部の酸化物面積率が格段に低減した。

板厚６ｍｍ、１２ｍｍ、２０ｍｍの鋼帯からなる帯材を、前記造管設備に通して、外径５００ｍｍの低合金鋼の電縫鋼管を製造する工程において、表２に示すガスシールド及び開先形状の条件下で電縫鋼管を製造し、溶接部の酸化物面積率を測定した。その結果を表２に示す。
表２に示されるとおり、本発明例において、開先形状を前記好適範囲のテーパ形状(θ＝２５〜５０°、ｘ/ｔ＊１００＝２０〜４０％)とした例では、同じガスシールド条件下で開先形状を前記好適範囲外とした例と比べて溶接部の酸化物面積率はより大幅に低減した。

１ ノズル（シールドガス吹付け用ノズル）
１Ａ ガス放出口
２ ガス配管
５ シールドガス
６ 大気巻き込み
１０ 素管（オープン管）
１１ 被溶接部（素管エッジ突合せ部）
１２ 素管エッジ部加熱起点
１３ 溶接点
１５ 電縫鋼管
２０ 通管方向

Claims (6)

1. 電縫溶接時の被溶接部を不活性ガスからなるシールドガスでガスシールドする電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法であって、前記被溶接部に対し該被溶接部上端から５〜３００ｍｍ上方の位置にガス放出口を配位したシールドガス吹付け用ノズルの前記ガス放出口から前記シールドガスを流速０．５〜５０ｍ/ｓで吹付けることを特徴とする電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
2. 前記ガス放出口の形状は、寸法の通管方向成分である長さが３０ｍｍ以上、寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅が５ｍｍ以上の矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
3. 前記ガス放出口の寸法の素管エッジ突合せ方向成分である幅Ｒは、前記ガス放出口の直下の被溶接部の端面間の最大間隔Ｗに対し、Ｒ/Ｗ＞１．０、なる関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法。
4. 前記不活性ガスに代えて、還元性ガスを０．１質量％以上含有するガスとしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電縫鋼管の被溶接部シールド方法。
5. 被溶接部をガスシールドしつつ電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、前記ガスシールドは、請求項１〜４の何れかに記載の電縫鋼管の素管被溶接部シールド方法により行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
6. 請求項５に記載の電縫鋼管の製造方法において、ロール成形途中または電縫溶接直前で、帯材の幅端部の上表面側および下表面側にそれぞれテーパ形状を付与するに際して、前記テーパ形状は、帯材の幅端面から上表面または下表面に向けての傾斜角度が２５〜５０°であり、帯材の幅端面におけるテーパ開始位置と上表面あるいは下表面との帯材板厚方向の距離が帯材板厚の２０〜４０％であることを特徴とする電縫鋼管の製造方法。

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