JP3610824B2

JP3610824B2 - 薄肉溶接管の製造方法

Info

Publication number: JP3610824B2
Application number: JP11935099A
Authority: JP
Inventors: 清史上井; 孝司鈴木; 孝有泉; 昭夫佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000312922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属帯を連続的に環状にロール成形し、複数のフィンパスロールを経て素管両エッジ突合せ部を溶接して溶接管を製造する方法に関し、特にｔ／Ｄ＝５％（ｔ：肉厚、Ｄ：管外径）程度又はそれ以下の薄肉溶接管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接管の製造工程は、図１に示すように金属帯Ａを水平ロールからなるブレークダウンロール１、及び、小径のロールを長手・円周方向に多数配置したケージロール又は縦ロールからなるクラスタロール２に通してＵ字形に成形し、後続の複数のフィンパスロール３によって円形に成形した後、継目の開いたオープンパイプの形で高周波溶接機４又はレーザ溶接機５に送られる。高周波溶接機４では、オープンパイプのエッジ部ａのみを急速かつ集中的に加熱しつつ、スクイズロール６にて側圧を加えることにより接合し溶接管Ｐとなる。或いは、より高品質な溶接部を得るためにレーザ溶接機５を併用し、オープンパイプのエッジ部ａを溶融溶接する場合もある。
【０００３】
上記のような製造工程で溶接管を製造する際に、金属帯エッジ部ａの軌跡ｌ_１Ｅはエッジの曲げ成形及び空間軌跡の関係上、図２に示すように金属帯中央部軌跡ｌ_１ｃに比べて長いため、エッジ部ａが一時的に伸ばされエッジストレッチが生じる。このため、フィンパス成形過程では、このエッジ部ａと中央部との長さの不均衡により、エッジ部ａに対して長手方向の圧縮力が作用する。特に肉厚（ｔ）と外径（Ｄ）の比（ｔ／Ｄ）が小さな、いわゆる薄肉電縫鋼管の製造では、この圧縮力によりエッジ部ａが容易に座屈するため、縁波を発生しシームの段差や溶け落ち等の溶接欠陥を生じる。
【０００４】
このような縁波の発生を根絶するための対策として、金属帯エッジ部ａと中央部の伸び量を初期工程から調節して成形する方法、例えば、▲１▼成形ロール群最上流側にロールクラウン量を可変とした圧延ロールを配置し金属帯中央部に予めエッジ部よりも大きな伸び変形を与える方法（特公昭６４−４８５３号公報）、▲２▼金属帯に張力を加えながら金属帯エッジ部ａと中央部の延伸量が等しくなるようにブレークダウンロールにて金属帯中央部を圧延しながら成形する方法（特開平４−８４６２６号公報）などが試みられてきた。
【０００５】
また、▲３▼特開昭６０−２４２２０号公報又は特開昭６０−１０８１１８号公報では、フィンパスロール上流の成形ロールで金属帯中央部の曲げ成形加工のみ行ったｕ字形状素管とし、後続するフィンパスロールで素管サイド部を順次幅方向に張り出し成形することにより縁波を防止し良好な溶接品質の溶接管を製造する技術が提案されている。
【０００６】
しかし、▲１▼特公昭６４−４８５３号公報では、ロールクラウン量を可変とした圧延ロールを成形ロール群の最上流に配置せねばならず、既存設備の改造は多額の費用を要する。また、可変圧延ロールの配置についても、設備投資が多大となり製造コストの増加となる。さらに、適正な予ひずみ量は管外径、肉厚及び材質により異なるため、全製品について詳細なる調整が必要となり、設定作業が非常に煩雑となる。しかも、（ｔ／Ｄ）が小さい薄肉管では、予ひずみの導入によりブレークダウン初期過程でエッジ座屈が発生するという問題がある。
【０００７】
また、▲２▼特開平４−８４６２６号公報では、圧延量と張力を微妙に調整する必要性があるため、上流から下流に至るまでのロール回転速度、ブレークダウンロールによる圧延量及び圧延による素材の先進量を、素材の肉厚公差も鑑みながら全ロールに即座にフィードバックする制御機構が必要となり構造的に複雑となるため、実用的とは言えない。しかも、特公昭６４−４８５３号公報と同様に適正な圧延量は管外径、肉厚及び材質により異なるため、全製品について詳細なる調整が必要となり、設定作業が非常に煩雑となる問題があった。
【０００８】
また、▲３▼特開昭６０−２４２２０号公報又は特開昭６０−１０８１１８号公報では、金属帯エッジ部を成形せずにフィンパスロールに挿入し、フィンパスロールでエッジ成形を行うため、フィンパスロールの過負荷及び金属帯エッジ部をフィンパスロールで痛めるという問題があった。
【０００９】
このような問題に対して、本発明者らは成形中の縁波の発生をある程度許容するものの、一度発生した縁波を消去するべく、最終フィンパスロール３とスクイズロール６との間でオープンパイプのエッジ部ａを内側から上方に押上げつつガイドする押上げロール装置（図示無し）を設置する技術を提案している（特開平５−２０８２１３号公報、特開平９−１２３２号公報等）。これはエッジ部ａに生じた長手方向エッジストレッチに対応した伸び（余剰材）を連続的に上方へ押上げることにより、軌跡の不均衡を是正するとともにエッジ部ａにテンションを与え、溶接直前のエッジａの縁波を見掛け上消去しつつ、エッジを安定化させるものである。しかし、この方法においては、図３（ａ）タイプの急峻な縁波に対しては効果が減少するため、やはり成形時に縁波を抑制、消去する成形方法を必要としていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
縁波には図３に示すように、波の頂点が尖った（ａ）タイプの縁波と、波の頂点が緩やかに波打つ（ｂ）タイプの縁波があり、比較的波高さが小さな場合に生じる（ｂ）タイプの縁波であれば、押上げロール装置による押上げ条件の適正化により容易に抑制でき、溶接欠陥の無い溶接管の製造が可能である。これに対し、波高さが大きい場合に発生する（ａ）タイプの縁波では、押上げ条件を適正化しても尖った頂点部は、鋭角に塑性変形しているため座屈の痕跡が残り、溶接不良を生じてしまう場合がある。
【００１１】
このため、（ａ）タイプのような縁波を生じた場合には、押上げロール装置を使用する場合であっても、作業者は長年の経験に基づき、各フィンパスロールの絞り量・配分変更を行う、ケージロールの位置調整を行う等のロール調整行為を単独又は組合せて行い、縁波の軽減を図っていた。しかしながら、ｔ／Ｄの小さな薄肉管の製造においては、ロール調整範囲が非常に狭いため、ロール調整に多大な時間を要し、かつ、材料歩留まりを低下させるという問題を抱えていた。
【００１２】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、ロール調整時間の短縮化及び簡便化をするとともに、縁波の軽減又は抑制に最適な薄肉溶接管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金属帯を連続的にロール成形し、複数のフィンパスロールを経て素管両エッジ突合せ部を溶接して溶接管を製造する方法において、縁波の発生を抑制するロール調整法について、特に初段フィンパスロール直前の素管成形形状、すなわちケージ又はクラスタセクション２の成形形状とフィンパスロール３の成形形状との関係に着眼し、鋭意研究を重ねてきた。その結果、初段フィンパスロール直前の素管成形形状と初段フィンパスロールの成形形状における最大幅変化に、及び、初段フィンパスロールの成形形状と次段フィンパスロールの成形形状における最大幅変化によって生じる変形経路が縁波の発生に大きく関与していることを究明した。
【００１４】
本発明は、以上の知見に基づいて構成されたものであり、その構成は次のとおりである。
（１）本発明に係る薄肉溶接鋼管の製造方法は、金属帯を連続的にロール成形し、複数のフィンパスロールを経て素管両エッジ突合せ部を溶接して薄肉溶接管を製造する方法において、初段フィンパスロール直前の素管成形形状と初段フィンパスロールの成形形状との関係、及び初段フィンパスロールの成形形状と次段フィンパスロールの成形形状との関係が、以下の式（１）、（２）、（３）及び（４）を満たすように、ロール位置及びロールカリバーを設定するものである。
【００１５】
【数２】

【００１６】
Ｆ≦Ｄ／１５ …（２）
Ｃ＝ｃ１−ｆ１ …（３）
Ｆ＝ｆ１−ｆ２ …（４）
ｃ１：初段フィンパスロール直前の素管成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ１：初段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ２：次段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
Ｄ：管外径（ｍｍ）
ｔ：肉厚（ｍｍ）
なお、上記の式（１）は実験式である（図７、図８参照）。
（２）また、本発明に係る薄肉溶接鋼管の製造方法は、上記（１）の製造方法において、初段フィンパスロール直前の素管エッジ部の成形曲率半径ＲＥが初段フィンパスロールの上ロール成形曲率半径ＲＴの２倍以内に曲げ成形される。
【００１７】
上記Ｃ（Ｃ＝ｃ１−ｆ１）が式（１）右辺で計算される値より大きくなると、大きな縁波を発生し溶接欠陥を誘発する。また、Ｃが式（１）左辺で計算される値より小さいと、初段フィンパスロールの前素管の成形としては、環状ではなく２つ折りの成形形状となるため、初段フィンパスロールで環状に成形するための成形負荷が非常に高くなり、ロールの損耗が激しくなる。加えて素管のボトム部付近（底面部付近）には２つ折りの際に角を生じ、後段での成形においてもこの角は容易に修正できないため、製品の真円度の低下を引き起こすばかりか、その部分は特に材質の劣化を生じる。
【００１８】
また、Ｆが式（２）で計算される値より大きいと、縁波が発生しない場合においても、素管サイド部（側面部）の幅寄せが大きいため素材がフィンパスロールと強く接触し、ロール庇、素材の噛み出しを生じる。
【００１９】
また、初段フィンパスロール直前の素管エッジ部の成形曲率半径ＲＥが、初段フィンパスロールの上ロール成形曲率半径ＲＴの２倍を超えると、素管エッジ部がフィンパスロールのカリバー形状に馴染み難くなり、図４（ａ）に示す如く、素管エッジ部の外面側がフィンパス上ロールに、また、内面側がフィンに強く押し付けられる成形状態となるため、フィンパスを通過した後の両エッジの突き合わせ形状は図４（ｂ）に示すような外面側がダレ、内面側が押し潰された形状となる。
【００２０】
エッジ部の突き合わせ形状が図４（ｂ）のような状態であると、通常の高周波溶接の場合ではそれ程問題とならないが、より高品質な溶接部を得るためにレーザ溶接する場合には、レーザスポット径が０．７ｍｍと非常に小さいため、特に内面側に未溶接欠陥を生じる。
【００２１】
以上のことから、式（１）、（２）、（３）及び（４）を満足する成形形状とし、さらには、上記のフィンパス直前の素管エッジ部の成形量を本発明の範囲とすることにより、ｔ／Ｄの小さい薄肉管のロール成形においても簡便なロール調整により効果的に縁波を軽減及び抑制することが可能となり、溶接品質に優れた溶接管を製造することができる。
【００２２】
上述のような素管の成形形状を規定した類似の成形方法として特開昭６０−２４２２０号公報、特開昭６０−１０８１１８号公報等が挙げられるが、これらは、フィンパスロール上流の成形ロールで金属帯中央部の曲げ成形加工のみを行って素管をｕ字形状にし、後続する初段フィンパスロールで素管サイド部の曲げ成形加工を抑制し、素管サイド部と素管エッジ部、及び素管サイド部と素管ボトム部の各境界部を最終成形管曲率以上にオーバーベンドし、後続するフィンパスロールにより、素管縦径を減ずる方向の圧下を加えることにより、素管サイド部を順次幅方向に張り出し成形し、横径が漸増する方向の成形を行い、この張り出し成形により素管サイド部の曲げ成形、ならびにオーバーベンドを行った素管サイド部と素管エッジ部、及び素管サイド部と素管ボトム部の各境界部の曲げ戻し加工を行うものである。この技術は、フィンパスロールで素管の張り出し成形及び曲げ曲げ戻し成形を行うことを基本的としており、本発明のようにフィンパスロール前の成形ロールでエッジ曲げ成形を行った素管とフィンパスロールでの最大幅の幅寄せ量とを規定した技術とは全く異なる。特に、上記式（４）で表されるＦの値が正の領域の成形形状は、特開昭６０−２４２２０号公報、特開昭６０−１０８１１８号公報等とは全く異なる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を得られた実験結果とともに詳述する。
図５（ａ）は、本発明の実施の形態に関わるケージロール最終段の断面模式図で、図５（ｂ）はクラスタロールの場合の最終段断面模式図である。図５（ａ），（ｂ）において、小ロール２ａには小ロールを入出させるためのロール移動装置２ｂと、小ロール２ａの位置を検出するためのロール位置検出装置２ｃとが具備されている。ロール移動装置２ｂは手動ネジ式、電動式、油圧式のいずれでも良い。また、ロール位置検出装置２ｃは、接触式変位計又は非接触式レーザ変位計いずれでも良く、小ロール２ａの位置を正確に検出できるもであれば特に制限されるものではない。なお、小ロール２ａに作用する荷重を検出するためのロール荷重検出装置（図示せず）を取付けても良い。
【００２４】
図６は本発明の実施の形態に関わる素管成形形状の模式図である。図６（ａ）はケージロール又はクラスタロールでの素管成形形状の模式図を、図６（ｂ）はフィンパスロールでの素管成形形状の模式図を示す。図６（ａ），（ｂ）に示すように素管成形形状における最大幅とは幅方向で最大となる部分の幅である。
【００２５】
通常、フィンパスロールカリバーは、上ロールの成形曲率半径ＲＴと下ロールの成形曲率半径ＲＢからできているため、フィンパスロールでの素管成形形状における最大幅／２とは、下ロールの成形曲率半径ＲＢと同じになる。
【００２６】
ケージロールにおける素管の成形形状は、図５（ａ）に示すように円周方向に配置された小ロール２ａの入出により形状が決定されるが、同一のケージロール装置で複数の管外径の製造を行う場合には、サイド部の小ロール２ａが常に素管の最大幅部に合致するとは限らない。このため、各小ロール位置計測だけでは素管の最大幅を正確に計測できない場合があるため、最大幅付近をレーザ形状計等で別途計測することが望ましい。一方、クラスターロールにおいては、ロールのカリバー底（最もロール径が細くなるところ）で素管は最大幅となるため、小ロールの幅方向位置の計測により素管の最大幅は容易に計算できる。
【００２７】
【実施例】
［実施例１］
図７は次に示す造管条件（溶接管の寸法、溶接管の材質、成形機の構成）で、フィンパスロールカリバー及び初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えてモデルミルを使用して溶接管を製造したときのスクイズロール６近傍に発生する縁波をレーザ変位計を有した非接触型の縁波計により測定した結果を成形条件毎に分類整理したものである。
【００２８】

ただし、縁波の測定位置は、スクイズロール中心直上から６５ｍｍ上流側（フィンパスロール側）、かつ、円周方向の計測位置はエッジ部先端近傍とした場合である。
【００２９】
図７中には縁波計測の結果を、造管中の最大縁波高さが０．５ｍｍ未満のものは○、０．５〜２．０ｍｍのものは△、２．０〜５．０ｍｍのものは□、５．０を越えるものは×で表した。また、図７中の矢印は、ロール調整の方向を示している。なお、縁波高さが２．０ｍｍを越えるものは、波の頂点部が尖った（ａ）タイプの縁波となる場合が多く見られた。図７から明らかなように、本発明の形態に関わる最大幅の成形形状とすることにより、縁波を効果的に軽減又は抑制できることが分かる。
【００３０】
［実施例２］
図８は次に示す造管条件（溶接管の寸法、溶接管の材質、成形機の構成）で、実施例１と同様にフィンパスロールカリバー及び初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えてモデルミルを使用して溶接管を製造したときのスクイズロール６近傍に発生する縁波をレーザ変位計を有した非接触型の縁波計により測定した結果を成形条件毎に分類整理したものである。
【００３１】

なお、縁波の測定位置は実施例１と同様である。
【００３２】
また、図８中の縁波高さの符号は実施例１と同様であるが、符号の白抜きはｔ１．６の結果を、中塗りはｔ２．７の結果を示す。図８から明らかなように、本発明の形態に関わる最大幅の成形形状とすることにより、縁波を効果的に軽減又は抑制できることが分かる。
【００３３】
［実施例３］
表１は次に示す実機の造管条件（溶接管の寸法、溶接管の材質、成形機の構成）で、初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えて溶接管を製造したときのスクイズロール６近傍に発生する縁波を高周波溶接機（コンタクトシュー）４の上下動量として測定した結果を示す相関図である。なお、計測法としては、コンタクトシューに絶縁処理した延長部品を取付け、その延長部品の上下動を渦流変位計を有した非接触型の縁波計により測定した。なお、実施例１と同様にフィンパスの成形形状を様々に変えるには、ロールカリバーの異なるフィンパスロールを実機で揃える必要があり、多大な費用がかかるため、ケージロールの調整により初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えて縁波の変化を計測した。
【００３４】
【表１】

【００３５】

ただし、縁波の測定位置は、スクイズロール中心直上から１５０ｍｍ上流側（フィンパスロール側）、かつ、円周方向の計測位置はコンタクトシューがオープンパイプに接触する位置すなわち、ほぼエッジ部近傍とした場合である。
【００３６】
表１から明らかなように、大径の溶接管の製造においても、本発明の形態に関わる最大幅の成形形状とすることにより、縁波を効果的に軽減又は抑制できることが分かる。
【００３７】
［実施例４］
表２は次に示す実機の造管条件（溶接管の寸法、溶接管の材質、成形機の構成）で、初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えて溶接管を製造したときのスクイズロール６近傍に発生する縁波をレーザ変位計を有した非接触型の縁波計により測定した結果を示す相関図である。なお、この場合も実施例２と同様、フィンパスロールを様々取り揃えるには多大な費用がかかるため、クラスタロールの調整により初段フィンパスロール直前の素管成形形状を様々に変えて縁波の変化を計測した。
【００３８】
【表２】

【００３９】

【００４０】
ただし、縁波の測定位置は、スクイズロール中心直上から１００ｍｍ上流側（フィンパスロール側）、かつ、円周方向の計測位置はエッジ部先端近傍とした場合である。
【００４１】
表２から明らかなように、成形機の構成が異なった場合においても、本発明の形態に関わる最大幅の成形形状とすることにより、縁波を効果的に軽減又は抑制できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、縁波が発生しやすいｔ／Ｄの小さな薄肉溶接管のロール成形において、初段フィンパスロール直前の素管成形形状と初段フィンパスロールの成形形状との関係、及び初段フィンパスロールの成形形状と次段フィンパスロールの成形形状との関係が、所定の条件を満たすようにロール調整するようにしたので、ロール調整時間の短縮化及び簡便化が可能になっており、また、縁波の軽減又は抑制が効果的になされている。これにより、溶接品質、生産性の向上及び製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接管の製造ラインを示す模式図である。
【図２】ロール成形におけるエッジストレッチを示す説明図である。
【図３】溶接管を製造する際にオープンパイプに発生する縁波の種類を示す説明図である。
【図４】（ａ）は素管エッジ部の成形量が不足している場合のエッジ部のフィンパスロールへの挿入状況をを示す模式図、（ｂ）は素管エッジ部の成形量が不足している場合のエッジ部突き合わせ部を示す模式図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施形態に関わるケージロールの構成を示す模式図で、（ｂ）は本発明の形態に関わるクラスタロールの構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に関わるケージロール又はクラスタロールでの素管成形形状の模式図で、（ｂ）は本発明の実施形態に関わるフィンパスロールでの素管成形形状の模式図である。
【図７】素管成形形状と縁波高さの相関を示す説明図である。
【図８】素管成形形状と縁波高さの相関を示す説明図である。
【符号の説明】
１ブレークダウンロール群
２ケージロール又はクラスタロール群
２ａケージロール又はクラスタロール
２ｂケージロール又はクラスタロールのロール移動装置
２ｃケージロール又はクラスタロールのロール位置検出装置
３フィンパスロール群
４高周波溶接機（コンタクトシュー）
５レーザ溶接機
６スクイズロール
Ａ金属帯
ａエッジ部
Ｐ溶接管
ＲＥ初段フィンパスロール直前の素管エッジ部の成形曲率半径
ＲＴフィンパスロールの上ロール成形曲率半径
ＲＢフィンパスロールの下ロール成形曲率半径
ｃ１初段フィンパスロール直前の素管成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ１初段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ２次段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）

Claims

金属帯を連続的にロール成形し、複数のフィンパスロールを経て素管両エッジ突合せ部を溶接して薄肉溶接管を製造する方法において、
初段フィンパスロール直前の素管成形形状と初段フィンパスロールの成形形状との関係、及び初段フィンパスロールの成形形状と次段フィンパスロールの成形形状との関係が、以下の式（１）、（２）、（３）及び（４）を満たすように、ロール位置及びロールカリバーを設定することを特徴とする薄肉溶接管の製造方法。

Ｆ≦Ｄ／１５ …（２）
Ｃ＝ｃ１−ｆ１ …（３）
Ｆ＝ｆ１−ｆ２ …（４）
ｃ１：初段フィンパスロール直前の素管成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ１：初段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
ｆ２：次段フィンパスロール成形形状における最大幅の１／２（ｍｍ）
Ｄ：管外径（ｍｍ）
ｔ：肉厚（ｍｍ）
初段フィンパスロール直前の素管エッジ部の成形曲率半径ＲＥが、初段フィンパスロールの上ロール成形曲率半径ＲＴに対して２・ＲＴ以内に曲げ成形されていることを特徴とする請求項１記載の薄肉溶接管の製造方法。