JP2852315B2

JP2852315B2 - コーナーｒ部の材質が劣化しない熱間大径角形鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP2852315B2
Application number: JP29239993A
Authority: JP
Inventors: 拓中島
Original assignee: NAKAJIMA KOKAN KK
Current assignee: NAKAJIMA KOKAN KK
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH07124639A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大径角形鋼管のコーナ
ーＲ部材質の残留応力を除去すると共に、鋼板材質の劣
化を回復し、特に、当該鋼材の伸びの著しい低下と降伏
点比の上昇を改善する、精度の高い大径角形鋼管の熱間
加工を含む製造方法にかかり、

【０００２】より詳しくは、厚肉鋼板を公知の手段によ
り冷間塑性加工し、開先面を長手方向に突合わせ溶接し
てワン・シームまたはツー・シームの粗成形角形鋼管を
成形して、これに加熱工程を組合わせ前記鋼管を所定温
度に加熱することにより、少なくとも、それ以前に鋼板
に加えられた冷間塑性変形、その他に基づき生じた鋼材
の加工硬化、歪み、材質の劣化などを改善・調質すると
共に、その加熱温度を保持したまま絞り成形を施して前
記鋼管断面を規格寸法どおりの角形形状に成形して、熱
処理に基づき生じた鋼管の歪み、捩じれ、曲がり等を矯
正し、あわせてコーナーＲ部材質の改善を図ることを特
徴とする、コーナーＲ部の材質が劣化しない熱間大径角
形鋼管の製造方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】鉄骨構造物のコラムとして需要が伸びて
いる厚肉大径角形鋼管の量産方法には従来、略、次のよ
うな工法が知られている。（１）一枚鋼板を、その長手軸方向に並行して複数
回、冷間プレス加工により、それぞれの四個所を、略、
90°近くに曲げ、前記鋼板の長手軸方向直角断面を一部
開口した略、五角形近似形状に成形する。

【０００４】前記五角形近似鋼材を複数段よりなる角
形鋼管成形ロールに装入して、冷間加工により、その断
面を角形に成形しつつ、高周波、電弧溶接またはガス溶
接によって長手軸方向継目を突合せ溶接し、規格寸法ど
おりの断面角形のワン・シーム角形鋼管を成形し、次
に、軸方向曲がりなどを矯正する。（２）一枚厚肉鋼板を、その長手軸方向に並行して
複数回、冷間プレス加工により、それぞれの個所を90°
曲げ、同断面を略コ字形断面形状に成形する。前記コ字形断面鋼材を一対向き合わせて四角形近似鋼
管を形成し、相互の開先加工された脚端を突合せ溶接し
て粗成形鋼管としてから、これを複数段の角形成形ロー
ルに装入し、冷間塑性加工により、その断面を規格寸法
どおりの角形鋼管形状に成形する。

【０００５】（３）帯状鋼板を複数段の成形ロール
に通し冷間曲げ加工により、まず、円筒状に成形し、長
手方向突合せ面を高周波、電弧またはガス溶接してワン
・シーム丸鋼管（電縫管ともいう）を形成する。前記丸鋼管を複数段の角形成形ロールに通し、それぞ
れの個所を冷間加工で90°折曲げ、各辺の平坦面を形成
するようにし、その断面を規格寸法どおりの角形形状に
成形する。

【０００６】その後、鋼管を切断して、規格長の大径
角形鋼管を形成する。（４）上述従来の角形鋼管の成形工法においては、いず
れの場合にも鋼管コーナーＲ部成形のために平坦な厚肉
鋼板を冷間塑性加工によって折り曲げプレス型および／
または成形ロールなどの加工にる略、90゜の曲げ工程が
含まれている。ところで、厚肉鋼板を冷間で、シャープ
に略、90゜曲げ加工をした場合には、前記コーナーＲ部
の鋼板断面における中立面を境にして、引張り力または
圧縮力が働きながら著しく塑性変形が行われるため、変
形個所、特にコーナーＲ部鋼材の機械的特性が劣化し、
同部分に脆性破壊が生じる条件が備わる。

【０００７】たとえば、冷間曲げ加工によって形成した
鋼管コーナーＲ部は、当該材質の歪み硬化、靭性低下、
高い残留応力の存在等と相俟って、冬期低温時の溶接加
工に基づく溶接割れ、溶融亜鉛メッキ施工の際の割れな
どが発生する場合がある。また、これらの割れの存在、
その他母材の微小欠陥が原因で、低温で使用し大負荷が
加わったときに脆性破壊が発生するおそれがある。冷間
成形による厚肉大径角形鋼管が内包する、この種の材質
的問題点を解決するために、従来、メーカー側では、

【０００８】既製丸鋼管、シームレスパイプなどを、
油、ガス等の化石燃料または電気エネルギーを熱源とた
加熱装置によって加熱し、複数段の圧延機を通して熱間
塑性加工により、角形断面にすることを提案した。上記
工法によるときは、製品の品質は良好であるが、加熱成
形時の変形加工量が大きく、鋼管の両端部が形状不良に
なり勝ちで材料の歩留まりが悪いとか、加熱、冷却時に
生じる歪みを無視できないとか、鋼管を一本宛加工する
ので生産が低いとか、いった問題点がある。

【０００９】別に成形済みの大径角形鋼管を焼鈍炉に
装入して、材質中の残留応力が、略、除去される温度ま
で全体的に加熱し、コーナーＲ部材質の靭性を改善した
後、徐冷する工法も知られている。この場合にも、上記
同様の問題点があり得る。また、冷間加工時の塑性変形
量が大きく、加熱により材質改善の効果を生ずるのに時
間がかかり、経済的でない。あるいは、熱間圧延コイルを冷間塑性加工により丸鋼
管に成形した後、同鋼管を電気エネルギー、ガスまたは
油等の化石燃料を利用した加熱装置に装入して加熱し、
かつ、複数段の成形ロール装置を通し、断面角形鋼管に
熱間塑性成形した後、徐冷し、製品にする（たとえば、
本出願人が、さきに出願した、特願平２−180497号参照
のこと）ことも提案されている。

【００１０】（５）上述工法の他、四枚の帯状厚肉鋼板
を組み合わせ断面角形に形成して、それぞれの隅角部を
突合せ溶接することにより、大径厚肉角形鋼管を製造す
る、四面ボックス工法も知られているが、これには溶接
工数、資材および検査に人手が多くかかり、非能率であ
って経済的とはいえない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した
（４）第項に説明したような「大径角形鋼管コーナー
部の材質改善工法」を、発展的に改良したもので、同工
法では、冷間塑性加工により成形した丸鋼管を熱間成形
して規格通りのシャープなコーナーＲを備えた角形鋼管
を製造するようにしているから、熱間における鋼管断面
の変形量が比較的に大きく加工精度を高めることが困難
であり、また鋼管端面の成形が不安定になるなどの問題
がある。さらに、冷間塑性加工により成形したコーナー
Ｒ部の加熱温度を維持するためシビァーな温度管理と加
熱時間の制御が要求されている。

【００１２】そこで本発明は、鋼管の冷間成形に当たっ
て、隅角部の鋼材の靭性が劣化したり、降伏比が悪化す
ることがない、または少ない最大限の加工度によりコー
ナーＲを四隅に備えた鋼管を予め成形し、加熱により当
該個所の加工硬化の除去、材質劣化を回復し、溶接歪を
除去すると共に、そのまま、複数段の成形ロールを通し
て熱間加工により規挌寸法の角形鋼管を絞り成形するよ
うにし、鋼管の熱間変形量を可及的に少なくして角形鋼
管材質の靱性を改善すると共に、残留応力を許容限度以
下にし、コーナーＲ部の材質が劣化しない均一、かつ、
安定化した高品質大径角形鋼管の製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】また、本発明の別の目的は、従来、知られ
ている大径角形鋼管の隅角部よりも、よりシャープであ
って、肉厚を増し、かつ、当該個所の鋼材質の靱性を改
善すると共に残留応力を許容限度以下に抑えた均一なコ
ーナーＲ部を有する大径角形鋼管成形工法を開発するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために、略、以下に述べるとおりの各要件を具
備する。（１）厚肉鋼板を、プレスまたはロール成形により冷間
塑性加工して、長手軸方向に突合せ溶接し、また、それ
ぞれ90°複数回曲げまたは成形し、かつ、突合せ溶接し
て、鋼板の板厚の複数倍の外側曲率半径を備えたコーナ
ーＲ部を形成するワン・シームまたはツー・シームの、
断面が略、凸状の糸巻き型で、外径が規格寸法よりも僅
かに大きな角形近似鋼管を粗成形した後、同鋼管を鉄の
変態点温度以上に加熱して、少なくとも加熱粗成形鋼管
の温度がＡ₃変態点以下に冷えない間に複数段の成形ロ
ールに通して、鋼管断面を、コーナーＲ部の外側曲率半
径が鋼板厚の1.5 〜3.0 倍前後に、また各辺の平坦度を
高め、かつ、鋼管外径が規格寸法になるまで熱間絞り成
形することを特徴とするコーナーＲ部の材質が劣化しな
い熱間大径角形鋼管の製造方法。

【００１５】

【作用】市場に流通している大径角形鋼管について問題
視されている材質的欠陥は、鋼管成形工程中の冷間プレ
ス加工に基づく厚肉鋼管材質の靭性の低下、残留応力の
増加等、材質の劣化による構造材の弱体化である。（１）上述のような事情に鑑み、本発明では、冷間プレス加工により一枚厚肉鋼板の所定個所を、ほ
ぼ90°曲げるに当たり、そのコーナーＲ部の外側曲率半
径を鋼材板厚の３〜６倍位に成形する。一枚厚肉鋼板を四個所冷間塑性加工により曲げて、そ
の開先部を突合わせ溶接し、ワン・シーム粗成形鋼管を
形成すると共に、その外径を規格寸法よりもやや大きめ
に成形する。

【００１６】一枚厚肉鋼板を二個所、冷間塑性加工に
よりほぼ、90°曲げ、そのコーナーＲ部の外側曲率半径
を板厚の３〜６倍位に成形して断面コ字状にすると共
に、同鋼材を二つ向かい合わせて組付け、その脚部を相
互に突き合わせ、断面がコーナーＲ部の丸味が大きな粗
成形角形鋼管を形成する。その際、前記鋼管外径を規格
寸法よりもやや大きめに成形する。二つの突き合わせ部を溶接して、ツー・シーム鋼管を
形成する。

【００１７】帯状鋼板を成形ロールにより冷間塑性加
工して、断面をほぼ円形に成形し長手方向、突合わせ面
を溶接してワン・シーム丸鋼管を形成した後、複数段よりなる角形成形ロールを通し冷間加工で、断
面がコーナーＲ部の丸い粗成形角形鋼管を形成する。その際、そのコーナーＲ部の外側曲率半径を鋼板厚の
３〜６倍位に、鋼管外径を規格寸法よりもやや大きめに
成形する。

【００１８】（２）前記（１）項に述べたコーナーＲ部
の丸い粗成形角形鋼管を加熱炉に挿入して、鋼材のＡ₃
変態点以上になるまで、可及的に均一に加熱する。加熱により、著しい冷間塑性変形に基づく鋼材の残留
応力、材質の劣化を回復する。溶接継手付近の鋼材料の熱による残留歪を解消する。（３）鋼管材がＡ₃変態点以下に冷えるまえに、複数段
よりなる成形ロールに通して、順次、規格外径寸法の角
形断面を得るよう熱間絞り成形をする。その際、鋼管断面のコーナーＲ部の外側曲率半径を、
それぞれ鋼板厚ｔの1.5 〜3.0 倍前後するよう絞り成形
する。すなわち、冷間塑性加工によりコーナーＲ部の外
側曲率半径を鋼板厚の３〜５位に成形した鋼管について
は、熱間成形ロールにより外側曲率半径を、たとえば鋼
板厚の1.5 〜2.0 倍前後に絞る。熱間成形により、コーナーＲ部の材質の劣化なしにコ
ーナーＲの小さ（シャープ）な大径角形鋼管を成形する
ことができる。

【００１９】熱間絞り成形により、施工後に応力が集
中するコーナーＲ部の鋼板厚が増肉する。鋼管の機械的
強度、特に降伏比を向上させることができる。ロール成形により鋼管断面コーナーＲ部を材質劣化を
伴なうことなくシャープに形成することができるから、
鋼管の使い勝手を良好にし、見映えを良好にして商品価
値を高め、同一鋼材を用いた場合に、より断面係数を大
にする。鋼材の板厚に関係なく、コーナーＲ部の曲率半
径を同一にすることができ、施工上、有利である。熱間による加工量を最小限に止め、熱間加工程を可及
的に短くし鋼管断面の精度を高める。熱処理により粗成形鋼管に生じる歪み、捩じり、曲が
りなどが矯正される。

【００２０】（４）熱間成形後、常温まで冷却して、生
じた曲がりを、ロールまたはプレスを用いて矯正する。（５）需要が多い、中、高層ビル、工場建屋など向けに
使用することが可能な、板厚ｔが16mm〜50mm程度、外径
450²mm 〜800²mmの大径角形鋼管の経済的製造方法を提
供する。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明製造方法を実施するための大
径角形鋼管の製造ラインの一実施例を図面に沿って説明
するが、同ラインを構成する各工程における設備の具体
的構造は、本出願当時の当業界における公知技術の範囲
内で任意に部分的変形が可能であるから、格別の理由を
示すことなしに、本実施例記載の具体的構造のみに基づ
いて、本発明製法の構成要件を限定的に解釈することは
許されない。

【００２２】図１は、本発明製法の一実施例のプロセス
を示す概略説明図で、図２は、前記の各プロセスに対応
する厚肉鋼板の成形状態を示すものである。本実施例
は、ＳＳ４００またはＳＭ４９０で肉厚ｔ３５ｍｍの鋼
材を用い、図中、左から一枚厚肉鋼板１の両側縁を幅決めして開先加工機３に
より加工を施す。なお、２は、搬送装置を示す。

【００２３】上記厚肉鋼板１を成形プレス４にかけ、
長手方向に並行し冷間塑性加工して、順次、四回折り曲
げ、周面の一部に、曲げ型を抜き出すことができる最狭
の開口を有する五角形近似断面鋼板５を形成する。その
ときの、鋼板肩部コーナーのアングルは、ほぼ、９２
°、底面両側コーナーのアングルは、ほぼ、１１５°
が、標準とされている。しかし、各コーナーＲ部の外側
曲率半径歯、鋼板肉厚ｔの３〜６倍程度の丸みを形成す
るようにして、肉厚鋼板の冷間曲げ加工によって生ずる
局部材質の靭性の劣化、降伏比の悪化、加工硬化などを
可及的に防止する。

【００２４】上記鋼材を仮付け溶接機６に装入し、複
数段の成形ロールを通して順次、鋼板断面を角形形状に
近付け、最終段で開先加工面の目違いを整え、メタルタ
ッチにして突合わせ部を仮付け溶接し、粗成形角形鋼管
７を形成する。その際、仮付け溶接粗成形角形鋼管の外
径は、正規外径寸法５００×５００ｍｍよりも僅かに大
径（たとえば、５１０×５１０ｍｍ〜５２５×５２５ｍ
ｍ）に成形する。仮付け溶接は、突合わせ溝面をガイド
にして、連続的であっても非連続であっても良い。仮付
け溶接が鋼管の両端端と交叉する部分に、それぞれ、タ
ブ板を取付ける。

【００２５】上記仮付け溶接角形鋼管７を、長手軸を
中心にして１８０°回転して内面溶接機８に装入し、メ
タルタッチの突合わせ仮付け溶接部を内側から適用す
る。上記角形鋼管を、長手軸を中心にして１８０°回転し
て外面溶接機１０に装入し、メタルタッチの突合わせ部
を外側から本溶接する。なお、９は、内面本溶接を施し
た粗成形角形鋼管、１１は、内外面本溶接粗成形角形鋼
管の断面形を示す。同粗成形角形鋼管１１を加熱炉１２に装入して、ほぼ
７５０°Ｃ〜９５０°Ｃまで均一に加熱することによ
り、鋼管成形時の冷間加工に基づく材質の劣化を回復し
溶接歪を解消する。前記加熱炉１２の熱源には、灯油、
ガス、電気等を利用することができる。

【００２６】加熱した粗成形角形鋼管の温度がＡ₃変
態点以下に冷える前に、熱間成形ロール１４において、
複数段の成形ロールに掛けて、順次、鋼管断面を正規寸
法に近付けて絞り成形し、最終段ロールにより、コーナ
ーＲ部の外側曲率半径を、１．５ｔ〜３．０ｔ前後に、
かつ、外径が正規外径寸法５００×５００ｍｍになるよ
うロール成形する。たとえば、粗成形角形鋼管７のコー
ナーＲ部の外側曲率半径が、板厚ｔの４〜６倍程度であ
ったときは、同部の外側曲率半径を２．０ｔ〜３．０ｔ
前後に絞ることが好ましい。熱間成形後、冷却床１６において常温まで冷却し、鋼
管に生じた曲がりを矯正機（矯正ロールまたはプレス）
１７にて矯正し、以って搬出装置１９により製品２０と
して搬出する。

【００２７】上述実施例の〜工程、すなわち、加熱
炉12に装入する前工程については、他にも、（ａ）一枚厚肉鋼板、たとえば板厚ｔ50mm程度の鋼板
を、幅決め開先加工して長手方向に並行に二個所、冷間
塑性加工により折り曲げ断面コ字状鋼材とし、同鋼材を
一対向き合わせて両脚縁相互を突合せ溶接して、ツー・
シームの粗成形角形鋼管を形成する工法。（ｂ）熱延コイル、たとえば板厚ｔ９mm〜25mmの帯鋼板
を引き延ばして、成形ロールにかけ、その断面を冷間加
工で丸めて突合わせ面を溶接し、ワン・シーム丸鋼管を
成形した後、さらに角形成形ロールを通して粗成形角形
鋼管を形成する工法。

【００２８】など、各種の成形工法が知られているが、
いずれにしても粗成形角形鋼管の断面形状は、正規外径
寸法に対して、10mm〜25mm程度大径に成形し、また、各
コーナーＲ部の外側曲率半径を、その板厚ｔの３〜６倍
程度の大きさに形成して、一つには、冷間加工に基づく
鋼材の変形量を少なくし、後熱処理により容易に回復で
きる程度の鋼材の劣化を許容すると共に、粗成形角形鋼
管から製品を成形するのに熱間加工による鋼材の変形量
を可及的に少なくして、熱間成形による形状の不安定要
素を排除したものである。以上のとおりであって、本実
施例に関する、その他の作用、効果の詳細は、さきに述
べた（作用）の項に記載したとおりであるから、参照さ
れたい。

【００２９】

【発明の効果】本発明製造方法は、以上述べたとおりで
あって、上記（作用）の項記載の説明と一部重複するこ
とをいとわず、述べると、（１）従来公知の冷間成形の、やや大きめの粗成形角形
鋼管を加熱し、鋼材のＡ₃変態点以上で、熱間成形をす
るため、コーナーＲ部の材質が劣化してない大径角形鋼
管を製造することができる。（２）コーナーＲの外側曲率半径が大きな粗成形角形鋼
管を予め成形するため、冷間塑性変形に基づく鋼材質の
劣化が少なく、また、加熱粗成形鋼管の熱間成形量も少
なくて規格外径寸法断面の鋼管が得られるので、鋼管両
端の成形不良がなく、歩留まりが向上する。

【００３０】（３）熱間成形方式を施すため、鋼材の劣
化を伴なうことなく四隅のコーナーＲ部を可及的にシャ
ープ（1.5 t〜3.0 ｔ位）に成形でき、また、強度上問
題のあるコーナーＲ部が増肉して強度を増し、同一鋼材
を用いて、より断面係数が大きく品質の良い鋼管ならび
に使い勝手および見映えの良好な鋼管を提供する。（４）後工程が熱間ロール成形のため、角形鋼管の四辺
の平坦度、大曲りおよび捩じれが、容易に除去できる。（５）熱間成形のための装置は、被加工材の容量に較
べ、比較的に剛性が要求されず、経済的な設備で間に合
う。（６）加工工程の性質から、少量多種の生産が可能であ
る。等々、公知の工法および装置には期待することができな
い、格別の作用、効果を奏するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明工法を実施する大径角形鋼管成形装置の
一実施例ラインのブロック図。

【図２】前記装置中の各工程に対応する鋼管素材の断面
形状図。

【符号の説明】

１一枚厚肉鋼板２搬送装置３鋼板幅決め・開先加工機４成形プレス５開先面に隙間を有する断面鋼板６粗成形・仮付け溶接機７突合わせ面を仮付けし溶接した粗成形角形鋼管８内面溶接機９内面溶接を施した粗成形角形鋼管１０外面溶接機１１外面溶接を施した粗成形角形鋼管１２加熱炉１４熱間成形ロール１６冷却床１７矯正機１８矯正鋼管１９搬出装置２０製品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 598134835 中島伸東京都武蔵野市吉祥寺本町４丁目26番27 号 (72)発明者中島拓兵庫県伊丹市緑ケ丘３−70 (56)参考文献特開昭61−115614（ＪＰ，Ａ) 特開平４−100632（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B21C 37/15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】厚肉鋼板を、冷間塑性加工により90°複
数回曲げ、かつ、長手軸方向にそれぞれ突合せ溶接し
て、または、ロール成形により冷間塑性加工により曲
げ、長手軸方向に突合せ溶接した後、断面成形をして、
鋼板の板厚の複数倍の外曲率半径を備えた各コーナーＲ
部を形成したワン・シームまたはツー・シームの外径が
規格寸法よりも僅かに大きなを粗成形角形鋼管を形成
し、同粗成形鋼管を鉄の変態点温度以上に加熱し、少な
くとも、加熱粗成形鋼管の温度がＡ₃変態点以下に冷え
ない間に複数段の成形ロールに通して、鋼管断面を、コ
ーナーＲ部の外側曲率半径が鋼板厚の1.5 〜3.0 倍前後
に、かつ、各辺の平坦度を高めて、鋼管外形が規格寸法
になるまで、順次、熱間絞り成形を施すことを特徴とす
るコーナーＲ部の材質が劣化しない熱間大径角形鋼管の
製造方法。