JP3166643B2

JP3166643B2 - レーザ溶接管製造装置およびレーザ溶接管の製造方法

Info

Publication number: JP3166643B2
Application number: JP34284496A
Authority: JP
Inventors: 智隆林; 克之松廣; 洋次稲葉; 茂秀江藤; 敏博疋田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2001-05-14
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JPH10180351A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接管、なかでも
外径が１５０ｍｍ以上というような外径の大きいレーザ
溶接管を製造するのに用いて好適なレーザ溶接管製造装
置とこの装置を用いた凝固割れの発生しやすい鋼種から
なるレーザ溶接管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、他の溶接方法と比べて熱
源のエネルギー密度が高いため溶け込が深く高速溶接が
可能であり、また総入熱量を少なくできるため溶接部の
性能も良好である。このため、炭素鋼やステンレス鋼製
の溶接管を製管溶接する際の溶接法として注目され、実
生産への適用が進められている。

【０００３】また、上記レーザ溶接法に高周波予熱を付
加して更なる高速化を図る技術も提案（例えば、特開昭
５６−１６８９８１号公報など）されている。

【０００４】上記公報に示される技術は、金属帯の流れ
に沿ってフィンパスロール、ワークコイル、ＴＩＧ溶接
ヘッド（またはレーザトーチ）、スクイズロールを配置
し、フィンパスロールで未溶接管を成形し、ワークコイ
ルで高周波加熱による予熱を施し、スクイズロールで被
溶接部を突き合わせ、ＴＩＧ溶接ヘッド（またはレーザ
トーチ）で溶接部を溶融溶接するというものである。

【０００５】図６は、上記従来技術における溶接点近傍
の模式的平面図であるが、同図に示すように、溶接点Ｗ
Ｐは、通常、上下方向に垂直な回転軸を有する左右一対
のスクイズロール４の回転軸心の近傍上流側とされてい
る。これは、安定した品質の溶接部を得るためである。
すなわち、溶融溶接手段としてレーザ溶接を採用した場
合には、レーザビームを金属帯Ｈの表面に対して垂直に
照射し、肉厚方向に貫通させるいわゆるキーホール溶接
状態にすることが必要で、そのためにはレーザビームを
金属帯Ｈの両エッジ端面Ｈ’，Ｈ’相互の突き合わせ状
態の良好な位置に照射する必要がある。そこで、スクイ
ズロール４によってその成形形状が保持・拘束されてお
り、金属帯Ｈの性状や強度および肉厚に起因して生じる
突き合わせ状態変化の発生する恐れが小さく、良好な突
き合わせ状態が確保されるスクイズロール４の回転軸心
の上流側近傍にレーザビームを照射するのである。

【０００６】しかし、スクイズロール４による金属帯Ｈ
の拘束状態は、スクイズロール４の回転軸心をはずれた
下流側ではその孔型周面が金属帯Ｈから離反して接触し
なくなる。この結果、図７に示すように、金属帯Ｈの両
エッジ部が弾性回復し、図中に破線で示すように変形し
て溶融溶接されて凝固途上にある両エッジ端面Ｈ’，
Ｈ’相互が離反し、溶接金属が破断した凝固割れと称さ
れる溶接欠陥が発生すようになる。

【０００７】上記の溶接欠陥は、例えば、図８に示すよ
うに、２〜３対（図示例は３対）のスクイズロール４，
４，４を連続配置して金属帯Ｈの両エッジ部が弾性回復
変形するのを抑制することである程度防ぐことは可能で
ある。しかし、この方法は、スクイズロール４，４，４
による拘束間隔が大きいために上記の溶接欠陥が発生す
るのを完全には防ぎ得ないのみならず、設備費が高くな
るという欠点を有している。

【０００８】また、レーザ溶接法によった場合には、Ｔ
ＩＧ溶接などの溶融溶接と比べて溶接入熱量が小さく、
溶融池の長さが短いために上記の凝固割れが発生し難
い。以上のことから、溶融溶接手段としてレーザ溶接法
を採用する場合には、左右一対のスクイズロール４のみ
からなるスクイズロールスタンドを用いての製造が主流
となっている。

【０００９】ところが、左右一対のスクイズロールのみ
からなるスクイズロールスタンド（前述の図６参照）で
は、製造すべき管の外径が大きくなると、金属帯とスク
イズロールに形成された孔型面の速度差に起因したロー
ル疵が発生するので、これを防止するために分割ロール
型のスクイズロールスタンドが用いられる。

【００１０】図９は、上記分割ロール型スクイズロール
スタンドの一例を示す模式図で、同図（ａ）は側面図、
同図（ｂ）は平面図である。同図に示すように、スクイ
ズロールスタンドは、上端部の直径を下端部の直径より
も小さくした上下方向に垂直な回転軸を有する左右一対
のスクイズロール４と、このスクイズロール４の上方に
あって管状に成形された金属帯Ｈのエッジ部分をスクイ
ズロール４，４が形成する孔型中心に向かって押圧拘束
するスクイズロール４の上端部とほぼ同様直径を有する
左右一対のトッププレッシャーロール５とを備える４ロ
ール型スクイズロールスタンドとされている。

【００１１】しかし、上記のような一対のみのトッププ
レッシャーロール５を有する４ロール型スクイズロール
スタンドは、左右一対のスクイズロールのみを具備する
２ロール型スクイズロールスタンドに比べてロールによ
る金属帯Ｈのエッジ部分に対する長手方向と幅方向の拘
束範囲がともに短く、上記の弾性回復変形量が大きいと
いう特性がある。

【００１２】このため、上記４ロール型スクイズロール
スタンドを用いて製管溶接すると、溶接部に凝固割れ起
因の溶接欠陥が発生し、特に凝固割れの発生しやすい鋼
種、具体的には高炭素鋼やオーステナイト系ステンレス
鋼、および高強度鋼などからなる大径溶接管を製管溶接
した場合には、溶接部に凝固割れが多発し、溶接部品質
の優れた溶接管が得られないという問題があった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の実状
に鑑みてなされたもので、その課題は、上記４ロール型
のように、管状に成形された金属帯のエッジ部分を押圧
拘束するトッププレッシャーロールを具備する分割ロー
ル型スクイズロールスタンドを用いる一方、溶融溶接手
段としてレーザ溶接法を用いて製管溶接した場合、その
製管対象鋼種が凝固割れの発生しやすい高炭素鋼やオー
ステナイト系ステンレス鋼、および高強度鋼などであっ
ても、凝固割れが発生するのをほぼ確実に防ぐことがで
き、溶接部品質に優れたレーザ溶接管の得られるレーザ
溶接管製造装置とレーザ溶接管の製造方法を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）のレーザ溶接管製造装置と下記（２）のレーザ溶
接管の製造方法にある。

【００１５】（１）管状に曲げ成形され、被溶接部が上
向きとされた金属帯を左右から挟持して前記の被溶接部
を突き合わせる左右一対のスクイズロールと、これらス
クイズロール間の上方に下向きに取り付けられ、前記被
溶接部を溶融溶接するレーザトーチと、このレーザトー
チの前後に少なくとも各一対配置され、両者の回転軸心
間距離の中点がレーザトーチの軸心を含んでこれよりも
上流側に位置するように設けられた前記被溶接部を上か
ら抑える左右一対のトッププレッシャーロールとを具備
することを特徴とするレーザ溶接管製造装置。

【００１６】（２）上記（１）に記載のレーザ溶接管製
造装置を用い、凝固割れの発生しやすい鋼種からなるレ
ーザ溶接管を製管溶接することを特徴とするレーザ溶接
管の製造方法。

【００１７】上記（１）のレーザ溶接管製造装置におい
ては、トッププレッシャーロールとして上下方向に垂直
な回転軸を有するものを用いるのが好ましい。また、ト
ッププレッシャーロールの直径は、可及的に小さくする
のが好ましい。

【００１８】さらに、上記（２）のレーザ溶接管の製造
方法において、凝固割れの発生しやすい鋼種とは、高炭
素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼、および高強度鋼
などである。

【００１９】上記本発明のレーザ溶接管製造装置は、左
右一対のトッププレッシャーロールをレーザトーチの前
後に少なくとも各一対配置し、しかも両者の回転軸心間
距離の中点がレーザトーチの軸心を含んでそれよりも上
流側に位置するように配置してある。このため、溶融溶
接された金属帯の両エッジ端面相互には、下流側に配置
されたトッププレッシャーロールによる閉拘束作用によ
る突き合わせ力のみが働くことになる。この結果、溶接
点よりも下流側に移行した金属帯の両エッジ端面相互は
離反することがなく、凝固途上の溶接金属に破断が生じ
ることがないので、凝固割れ起因の溶接欠陥発生が防止
される。

【００２０】また、上記の作用効果と、溶接入熱量が小
さく、溶融池の長さが短いために凝固割れ自体が発生し
難いというレーザ溶接法特有の効果との相乗効果によ
り、凝固割れの発生しやすい鋼種（高炭素鋼やオーステ
ナイト系ステンレス鋼、および高強度鋼など）を製管溶
接した場合にあっても、凝固割れ起因の溶接欠陥のほと
んどないレーザ溶接管を得ることが可能である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかわるレーザ溶
接管製造装置とレーザ溶接管の製造方法について、添付
図面を参照して詳細に説明する。なお、従来と同一部材
および相当部材は同一符号を付して説明する。

【００２２】図１は、本発明のレーザ溶接管製造装置の
全体構成を示す模式的側面図で、図中、符号１は金属帯
Ｈを管状に成形するための成形ロール群、２は高周波誘
導加熱コイル、３は左右一対のスクイズロール４と前後
２対のトッププレッシャーロール５，５とで構成された
スクイズロールスタンド、６はレーザトーチである。

【００２３】なお、高周波誘導加熱コイル２は必ずしも
設置する必要はない。しかし、この高周波誘導加熱コイ
ル２を配置し、金属帯Ｈの両エッジ部分を予め予熱する
場合には、前述したように、溶接速度の高速化が可能で
ある。従って、溶接速度のより一層の高速化を図りたい
場合は、成形ロール群１とスクイズロールスタンド３と
の間に高周波加熱コイル２を配置するのが好ましい。

【００２４】図２は、上記スクイズロールスタンド３を
示す模式図で、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面
図である。同図に示すように、本発明のレーザ溶接管製
造装置を構成するスクイズロールスタンドは、前述の図
９に示した従来の４ロール型スクイズロールスタンドと
同様に、上端部の直径を下端部の直径よりも小さくした
上下方向に垂直な回転軸を有する左右一対のスクイズロ
ール４と、このスクイズロール４上方に従来のトッププ
レッシャーロールと同様態様で傾斜配置された直径の小
さな左右一対のトッププレッシャーロール５を少なくと
も２対（図示例は三対）備えている。

【００２５】そして、上記三対のトッププレッシャーロ
ール５，５，５のうちの上流側の２対は、両者の回転軸
心間距離Ｌの中点が溶接点ＷＰ（レーザトーチ６の軸
心）または溶接点ＷＰよりも上流側に位置するように配
置されている。換言すれば、上流側２対のうちの上流側
トッププレッシャーロール５の回転軸心と溶接点ＷＰ
（レーザトーチ６の軸心）との離間距離をＬａ、下流側
トッププレッシャーロール５の回転軸心と溶接点ＷＰと
の離間距離をＬｂとすると、下記との条件を満たす
ように配置されている。

【００２６】Ｌａ≧Ｌｂ・・・・・・・Ｌｂ＞０（ゼロ）・・・・ここで、従来のトッププレッシャーロールに比べて直径
を小さくした少なくとも２対のトッププレッシャーロー
ル５，５を上記のように配置することとしたのは、次の
理由による。

【００２７】すなわち、溶接進行方向に配置した２対の
トッププレッシャーロール５，５によって押圧拘束され
た金属帯Ｈの両エッジ部分の弾性回復変形挙動を詳細に
観察した。その結果、上流側のトッププレッシャーロー
ル対５，５によって両エッジ端面Ｈ’，Ｈ’相互が突き
合わせられたエッジ部分は、その回転軸心を通過した時
点でロールと接触しなくなるので弾性回復して両エッジ
端面Ｈ’，Ｈ’相互が離反する方向に順次拡大変形す
る。しかし、上流側トッププレッシャーロール対５，５
の回転軸心と下流側トッププレッシャーロール対５，５
の回転軸心との離間距離Ｌの中点を通過した時点以降で
は、下流側のトッププレッシャーロール対５，５による
押圧拘束作用によって両エッジ端面Ｈ’，Ｈ’相互が順
次接近する方向に変形することを確認した。換言すれ
ば、少なくとも２対のトッププレッシャーロール５，５
を、両者の回転軸心間距離Ｌの中点が溶接点ＷＰまたは
溶接点よりも上流側に位置するように配置して溶融溶接
した場合、溶融溶接後の金属帯Ｈの両エッジ部分には両
エッジ端面Ｈ’，Ｈ’相互を突き合わせる方向の力のみ
が働き、両エッジ端面Ｈ’，Ｈ’が互いに離反すること
が全くなくなって凝固途上の溶接金属に破断が生じず、
凝固割れ起因の溶接欠陥が発生しないことを確認したこ
とによる。

【００２８】上記のトッププレッシャーロール５は、図
３および図４に示すように、スクイズロール４と同様
に、その回転軸が上下方向に垂直なトッププレッシャー
ロール５０とするのが好ましい。これは、前述したよう
に、金属帯Ｈの両エッジ部分をスクイズロール４，４で
形成される孔型中心に向かって押圧すべく傾斜配置され
たロールは、金属帯Ｈのエッジ部分に対する長手方向と
幅方向の拘束範囲がともに短く、上記の弾性回復変形量
が大きいという特性がある。これに対し、上下方向に垂
直な回転軸を有するロールは、金属帯Ｈのエッジ部分に
対する長手方向と幅方向の拘束範囲が比較的長いという
特性を有している。このため、上下方向に垂直な回転軸
を有するトッププレッシャーロール５０を用いた場合に
は、上記の弾性回復変形量が小さくなり、より高品質な
溶接部を得ることができるからである。

【００２９】また、トッププレッシャーロール５および
５０としては、直径Ｄの小さなものを短いピッチＰで連
設配置するのが好ましい。これは、図５に示す（ａ）図
と（ｂ）図の対比から明らかように、トッププレッシャ
ーロール５，５間の弾性回復変形量ｈが、直径Ｄの大き
なものを長いピッチＰで連設配置した場合（同図ｂ）に
比べ、直径Ｄの小さなものを短いピッチＰで連設配置し
た場合（同図ａ）の方が小さくなる。その結果、弾性回
復変形量ｈが小さくなる分だけ、両エッジ端面Ｈ’，
Ｈ’相互の離反が抑制されて凝固途上の溶接金属に破断
が生じ難くなり、より高品質な溶接部が得られるからで
ある。

【００３０】なお、トッププレッシャーロール５および
５０は、いずれもその直径Ｄができるだけ小さいものを
できるだけ短いピッチＰで連設配置するのが好ましいこ
とは前述した通りである。しかし、直径Ｄをあまり小さ
くし過ぎると、ロールを支える軸やベアリング強度の確
保ができなくなるので、最大でも４対程度とするのが望
ましい。

【００３１】また、上下方向に垂直な回転軸を有するト
ッププレッシャーロール５０は、その回転軸長方向の厚
さをあまり厚くすると、ロール周面と金属帯Ｈとの速度
差に起因したロール疵が発生する恐れがあるので、その
厚さはできるだけ薄くするのが望ましい。

【００３２】以上に詳述した本発明のレーザ溶接管製造
装置は、凝固割れの発生しやすい鋼種（高炭素鋼やオー
ステナイト系ステンレス鋼、および高強度鋼など）のレ
ーザ溶接管の製造に供される。この場合、常法に従って
製管溶接すると、レーザ溶接法特有の作用効果と本発明
のレーザ溶接管製造装置による作用効果の相乗効果によ
り、凝固割れ起因の溶接欠陥のない溶接部品質に優れた
レーザ溶接管が得られる。

【００３３】

【実施例】

（実施例１）図２に示す本発明のレーザ溶接管製造装置
と、図９に示す４ロール型スクイズロールスタンドを備
える従来のレーザ溶接管製造装置を用い、外径１５２．
４ｍｍ、肉厚５ｍｍの表１に示す化学成分を有する高炭
素鋼製レーザ溶接管を製造した。この時、本発明と従来
のレーザ溶接管製造装置に用いたスクイズロールスタン
ドの仕様は、それぞれ表２に示す通りである。

【００３４】また、レーザ溶接機としては、両装置とも
発振機の出力が２５ｋＷの炭酸ガスレーザを用い、スク
イズロールの回転軸心から上流側に１０ｍｍ離間した位
置にレーザビームを垂直に照射した。また更に、いずれ
の場合も、周波数が３００ｋＨｚ、出力が３００ｋＷの
高周波加熱コイルを用いて金属帯の両エッジ部分を１０
００℃に予熱し、溶接速度１０ｍ／ｍｉｎで溶接した。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】そして、得られたレーザ溶接管から長さ１
００ｍｍの偏平試験片を１０本採取し、溶接部を水平方
向に位置させて密着偏平試験を行い、その破面を電子顕
微鏡観察して凝固割れ起因の溶接欠陥の発生長さを調べ
た。その結果、従来のレーザ溶接管製造装置で製造した
レーザ溶接管には凝固割れ起因の溶接欠陥が溶接長さ１
ｍ当たり２００ｍｍ認められ不芳であった。これに対
し、本発明のレーザ溶接管製造装置で製造したレーザ溶
接管には凝固割れ起因の溶接欠陥は、溶接長さ１ｍ当た
り０．０５ｍｍしか認められず良好であった。

【００３８】（実施例２）実施例１で用いた本発明のレ
ーザ溶接管製造装置を用い、２対のトッププレッシャー
ロールの配設ピッチと下流側トッププレッシャーロール
の回転軸心と溶接点との離間距離を種々変化させた以外
は実施例１と同じ条件でレーザ溶接管を製造した。そし
て、得られたレーザ溶接管の溶接部品質を実施例１と同
じ方法によって調べ、その結果を表３に示した。

【００３９】

【表３】

【００４０】表３に示す結果から明らかなように、２対
のトッププレッシャーロールの回転軸心間距離の中点が
溶接点よりも下流側に位置するように２対のトッププレ
ッシャーロールを配置した場合には、前記中点と溶接点
の離間距離が小さくなるにのに従って少なくなるもの
の、溶接長さ１ｍ当たり１〜１００ｍｍの凝固割れ起因
の溶接欠陥が認められた。

【００４１】これに対し、前記中点が溶接点または溶接
点よりも上流側に位置するように２対のトッププレッシ
ャーロールを配置した場合には、凝固割れ起因の溶接欠
陥は溶接長さ１ｍ当たり０．１ｍｍ以下しか認められな
かった。

【００４２】また、前記中点が溶接点または溶接点より
も上流側に位置するように２対のトッププレッシャーロ
ールを配置した場合、２対のトッププレッシャーロール
の配設ピッチを小さくした方が凝固割れ起因の溶接欠陥
の発生は少なかった。

【００４３】（実施例３）図３に示す本発明のレーザ溶
接管製造装置を用い、実施例１および実施例２と同じ寸
法、材質のレーザ溶接管を製造した。この時、スクイズ
ロールスタンドを構成する上下方向に垂直な回転軸を有
する図４に示す形状のトッププレッシャーロール５０と
しては、フランジ部の直径が１００ｍｍ、円弧孔型部分
の厚さが５０ｍｍのものを２対用い、その配設ピッチを
１０２ｍｍとし、両者の回転軸心間距離の中点が溶接点
の９２ｍｍ上流側に位置するように配置した以外は実施
例１と同じ条件とした。

【００４４】そして、得られたレーザ溶接管の溶接部近
傍の管外面を目視観察し、ロールと材料の速度差に起因
するロール疵の発生有無を調べたところ、ロール疵の発
生はほとんど認められなかった。また、実施例１および
実施例２と同じ方法によって凝固割れ起因の溶接欠陥を
調べたところ、凝固割れ起因の溶接欠陥は認められなか
った。

【００４５】

【発明の効果】本発明のレーザ溶接管製造装置によれ
ば、凝固割れ起因の溶接欠陥が少ないかもしくは全くな
いレーザ溶接管を、特に凝固割れが発生しやすい鋼種で
ある高炭素鋼製などのレーザ溶接管を製造することが可
能である。また、そのトッププレッシャーロールを上下
方向に垂直な回転軸を有するものとする場合には、上記
凝固割れ起因の溶接欠陥がより一層少なく、しかもロー
ル疵のないレーザ溶接管を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ溶接管製造装置の全体構成を示
す模式的側面図である。

【図２】本発明のレーザ溶接管製造装置を構成するスク
イズロールスタンドの一例を示す模式図で、同図（ａ）
は側面図、同図（ｂ）は平面図である。

【図３】本発明のレーザ溶接管製造装置を構成するスク
イズロールスタンドの他の例を示す模式図で、同図
（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。

【図４】上下方向に垂直な回転軸を有するトッププレッ
シャーロールの一例を示す模式的正面図である。

【図５】本発明におけるトッププレッシャーロールによ
る金属帯エッジ部の弾性回復状態を示す模式図で、同図
（ａ）は小直径のトッププレッシャーロールを小ピッチ
で配置した場合、同図（ｂ）は大直径のトッププレッシ
ャーロールを大ピッチで配置した場合を示す図である。

【図６】従来の一般的なレーザ溶接管製造装置の要部を
示す模式的平面図である。

【図７】従来の一般的なレーザ溶接管製造装置によった
場合の金属帯エッジ部の弾性回復変形態様を説明するた
めの模式的正面図である。

【図８】金属帯エッジ部の弾性回復変形を抑制するため
の従来の溶接管製造装置の要部を示す模式的平面図であ
る。

【図９】従来の大径レーザ溶接管製造装置を構成する４
ロール型スクイズロールスタンドを示す模式図で、同図
（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。

【符号の説明】

１：成形ロール群、２：高周波誘導加熱コイル、３：スクイズロールスタンド、４：スクイズロール、５、５０：トッププレッシャーロール、６：レーザトーチ、Ｈ：金属帯、Ｈ’：エッジ部端面、ＷＰ：溶接点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江藤茂秀和歌山県和歌山市湊1850番地住友金属工業株式会社和歌山製鉄所内 (72)発明者疋田敏博和歌山県和歌山市湊1850番地住友金属工業株式会社和歌山製鉄所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21C 37/08 B23K 26/00 B23K 28/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管状に曲げ成形され、被溶接部が上向きと
された金属帯を左右から挟持して前記の被溶接部を突き
合わせる左右一対のスクイズロールと、これらスクイズ
ロール間の上方に下向きに取り付けられ、前記被溶接部
を溶融溶接するレーザトーチと、このレーザトーチの前
後に少なくとも各一対配置され、両者の回転軸心間距離
の中点がレーザトーチの軸心を含んでこれよりも上流側
に位置するように設けられた前記被溶接部を上から抑え
る左右一対のトッププレッシャーロールとを具備するこ
とを特徴とするレーザ溶接管製造装置。
【請求項２】上記のトッププレッシャーロールが、上下
方向に垂直な回転軸を有するものであることを特徴とす
る請求項１に記載のレーザ溶接管製造装置。
【請求項３】請求項１または２に記載のレーザ溶接管製
造装置を用い、凝固割れの発生しやすい鋼種からなる溶
接管を製管溶接することを特徴とするレーザ溶接管の製
造方法。