JP3596394B2 - マルテンサイト系ステンレスレーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ溶接によるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法として、特開平４−２６８０１９号等でプレス製管方法、熱間圧延方法、ＵＯ成形法、電縫溶接法およびスパイラル成形法が提案されているが、プレス製管方法、熱間圧延方法、ＵＯ成形法、およびスパイラル成形法では生産性が低く、電縫溶接法ではマルテンサイト系ステンレス鋼の場合、シーム接合面にペネトレータと呼ばれる酸化物が形成され易く品質上問題であった。
【０００３】
一方、高能率、高品質な鋼管の製造方法として、特開平８−３０９４２８号等で低合金鋼を対象にレーザ溶接の適用が提案されているが、マルテンサイト系ステンレス鋼管に適用し得るものとは言い難かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼を対象に、生産性が良く、溶接品質に優れたレーザ溶接鋼管の製造法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らはマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて多数のレーザ溶接鋼管を実験製造し、溶接部凝固割れ等溶接欠陥を防止し、且つ生産性良くレーザ溶接が可能となる製造条件を把握した。
【０００６】
すなわち本発明は
１．マルテンサイト系ステンレス鋼板のレーザ溶接による鋼管の製造方法において、前記鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプとし、前記オープンパイプの両エッジ部を、下記（１）式を満足する条件で、高周波加熱法により予熱後、下記（２）、（３）、（４）式を満足する条件でレーザ照射し、下記（５）式を満足する条件でスクイズロールにて加圧することを特徴とするマルテンサイト系ステンレスレーザ溶接鋼管の製造方法。
【０００７】
９０≦Ｅ・Ｉ≦２５０ （１）
０．７Ｘａ≦Ｘ≦１．３Ｘａ （２）
但し、Ｘａ＝（２０＋Ｅ・Ｉ／１５＋５Ｕ）／ｅｘｐ（０．５α）
ｖ≧０．１７Ｘ （３）
０．５≦Ｐ・ｅｘｐ｛（２５０＋Ｅ・Ｉ）／５００｝／ｖ・ｔ （４）
０．１≦Ｕ≦１．０ （５）
Ｅ：高周波加熱電圧（ｋＶ）
Ｉ：高周波加熱電流（Ａ）
Ｕ：スクイズロールでのアップセット量（ｍｍ）
α：Ｖ角（°）予熱前のスクイズロール中心点より４０ｍｍ以内での鋼板エッジ部開口部角度
Ｘ：レーザ照射位置（ｍｍ）スクイズロール中心点から上流側への距離
Ｐ：レーザ出力（ｋＷ）
ｖ：溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）
ｔ：板厚（ｍｍ）
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のレーザ溶接管の製造方法を模式的に示すもので、マルテンサイト系ステンレス鋼板を円筒状のオープンパイプ１とし、前記オープンパイプの両エッジ部５を、高周波加熱法２により予熱後、Ｖ角６を用いて求めた位置にレーザ照射３し、スクイズロール４にて加圧する。本発明ではマルテンサイト系ステンレス鋼の材質および鋼管寸法は特に規定しないが、低ＣでＮｉ，Ｍｏ等を含有する１３％Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼で板厚２ｍｍ〜１２ｍｍ，外径３１．８ｍｍ〜６６０．４ｍｍの鋼管の製造で特に好ましい結果が得られる。
【０００９】
本発明の製造条件について詳細に説明する。
【００１０】
（１） 高周波加熱電力Ｅ・Ｉ（ｋＷ）：９０≦Ｅ・Ｉ≦２５０（Ｅ：高周波加熱電圧（ｋＶ）、Ｉ：高周波加熱電流（Ａ））
予熱に用いる高周波加熱の電力Ｅ・Ｉ（ｋＷ）が９０ｋＷ未満の場合、予熱の効果が不足し、溶接速度が遅くなるため生産性が低下する。一方、２５０ｋＷを超えると入熱が過大となり、突き合わせエッジ面が著しく酸化を受け溶接品質を損ない、かつエッジ表面の溶融等が発生し、エッジ面形状が維持できなくなり安定したレーザ溶接が維持できない。尚、エッジ面としては両エッジ面突き合わせ後、Ｉ型となる形状が望ましい。
【００１１】
（２） レーザ照射位置Ｘ（ｍｍ）：０．７Ｘａ≦Ｘ≦１．３Ｘａ
但し、Ｘａ＝（２０＋Ｅ・Ｉ／１５＋５Ｕ）／ｅｘｐ（０．５α）
本発明ではレーザ照射位置を規定する。Ｘａは最適なレーザ照射位置を示し、エッジ突き合わせ部に僅かなギャップが生じている状態の位置で、高周波予熱による入熱とスクイズロールによるアップセット量の影響を受ける。本発明者らの多数の実験の結果、Ｅ．Ｉ，Ｕ，αの関係式として求められた。
【００１２】
式中、αはスクイズロール中心から上流側４０ｍｍ以内でのエッジ開口角として求められるもので、電縫鋼管の製造において一般に用いられているＶシェープ角（フィンパスロールもしくはシームガイドロールカリバー、フィンパスロールもしくはシームガイドロールフィン、スクイズロール胴径、及びフィンパスロールもしくはシームガイドロール中心とスクイズロール中心もしくはＶ収束点の距離により決まるＶシェープ角）とは相違するものである。
【００１３】
実操業におけるレーザ照射位置Ｘは品質上許容される０．７Ｘａ≦Ｘ≦１．３Ｘａの範囲とする。スクイズロール中心から１．３Ｘａを超える位置では、突き合わせ部のギャップが広すぎ、レーザが突き抜け、溶接欠陥を生じる場合がある。
【００１４】
一方、０．７Ｘａ未満の位置ではギャップがなく、予熱、スクイズアップセットの影響でエッジ部近傍の増肉が大きく、内面側の溶融が不十分なところが発生する。尚、最適照射位置Ｘａ，照射位置Ｘはスクイズロール中心から上流側への距離とする。
【００１５】
（３） 溶接速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）：ｖ≧０．１７Ｘ
本発明者らは多数の実験結果から、マルテンサイト系ステンレス鋼のレーザ溶接部凝固割れがレーザ照射からスクイズロールでのアップセットまでの時間を０．３５ｓｅｃ以内とした場合、防止できることを知見した。従って、前述のレーザ照射位置Ｘ（ｍｍ）と上記知見より溶接速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）は０．１７Ｘ以上としなければならない。
【００１６】
（４） ０．５≦Ｐ・ｅｘｐ｛（２５０＋Ｅ・Ｉ）／５００｝／ｖ・ｔ
本パラメータはレーザ照射による溶け込み状況を決定するもので、レーザ出力Ｐ（ｋＷ）、高周波予熱電力Ｅ・Ｉ（ｋＷ）、溶接速度ｖ（ｍ／ｍｉｎ）、鋼板厚ｔ（ｍｍ）より構成され、０．５未満の場合、溶け込み不足を生じるため、０．５以上とする。一方、本パラメータより、レーザ出力を設備能力の最大値とし、溶接速度を健全な溶接部が得られる範囲において最速値に設定することが可能である。
【００１７】
（５） アップセット量Ｕ（ｍｍ）：０．１≦Ｕ≦１．０
スクイズロールでのアップセット量は、０．１ｍｍ未満の場合、レーザ照射による溶融金属中にブローホールが残存する恐れがあり、また、溶接後、ビードを研削した際、アンダーカットが生成され易い。一方、１．０ｍｍを超えるとメタルフローの立ち上がり角度が大きくなり、ビード切削後フッククラック等の欠陥が生じやすくなるため、０．１≦Ｕ≦１．０（ｍｍ）とする。
【００１８】
本発明によれば生産性良く、溶接品質に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼のレーザ溶接鋼管の製造が可能であるが、開先面の錆等が原因で発生するガスが溶融金属中に残存し、スクイズロールでのアップセットにより、ブローホールとなる恐れが皆無とは言えず、切削することが好ましい。
【００１９】
【実施例】
表１に示す化学成分の熱延鋼板を用い、外径２７３．０ｍｍ管厚６．２ｍｍ，外径１６８．３ｍｍ管厚５．０ｍｍ，外径４０６．４ｍｍ管厚９．５ｍｍの３種類の鋼管を表２に示す条件でレーザ溶接し、その後、溶接部全長２０ｍを放射線透過試験（ＪＩＳＺ３１０４），超音波探傷試験（ＪＩＳＧ０５８２）により検査した。表２に試験結果を示す。
【００２０】
放射線透過試験結果はブローホールが０．４ｍｍ径以下で５個未満のものをＡ、０．４ｍｍ径以下で５個以上１０個未満のもの、０．８ｍｍ径以下で５個未満のものをＢ、０．４ｍｍ径以下で１０個以上のもの、０．８ｍｍ以下で５個以上１０個未満のものをＣ、０．８ｍｍ径以下で１０個以上のもの、０．８ｍｍ径超えのブローホールがあるもの、割れがあるもの、溶け込み不足があるものをＤとした。
【００２１】
超音波探傷試験結果は１．６ｍｍ径のドリルホールの人工欠陥に対し、ピーク指示高さが１０％以下のものをＡ、２０％以下のものをＢ、４０％以下のものをＣ、４０％超えのものをＤとした。本発明により製造された鋼管の溶接部品質が非常に優れていることが確認された。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ溶接により、溶接品質に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼管を生産性良く製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接管の製造方法を模式的に示す図
【符号の説明】
１…オープンパイプ
２…予熱用高周波電源
３…レーザビーム
４…スクイズロール
５…突合わせエッジ部
６…Ｖ角

Claims (1)

1. マルテンサイト系ステンレス鋼板のレーザ溶接による鋼管の製造方法において、前記鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプとし、前記オープンパイプの両エッジ部を、下記（１）式を満足する条件で、高周波加熱法により予熱後、下記（２）、（３）、（４）式を満足する条件でレーザ照射し、下記（５）式を満足する条件でスクイズロールにて加圧することを特徴とするマルテンサイト系ステンレスレーザ溶接鋼管の製造方法。
   ９０≦Ｅ・Ｉ≦２５０ （１）
   ０．７Ｘａ≦Ｘ≦１．３Ｘａ （２）
   但し、Ｘａ＝（２０＋Ｅ・Ｉ／１５＋５Ｕ）／ｅｘｐ（０．５α）
   ｖ≧０．１７Ｘ （３）
   ０．５≦Ｐ・ｅｘｐ｛（２５０＋Ｅ・Ｉ）／５００｝／ｖ・ｔ （４）
   ０．１≦Ｕ≦１．０ （５）
   Ｅ：高周波加熱電圧（ｋＶ）
   Ｉ：高周波加熱電流（Ａ）
   Ｕ：スクイズロールでのアップセット量（ｍｍ）
   α：Ｖ角（°）予熱前のスクイズロール中心点より４０ｍｍ以内での鋼板エッジ部開口部角度
   Ｘ：レーザ照射位置（ｍｍ）スクイズロール中心点から上流側への距離
   Ｐ：レーザ出力（ｋＷ）
   ｖ：溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）
   ｔ：板厚（ｍｍ）

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