JP4557198B2

JP4557198B2 - 金属溶接管の製造方法

Info

Publication number: JP4557198B2
Application number: JP2000394785A
Authority: JP
Inventors: 武文仲子; 康弘桜田; 博朝田
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002192223A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の曲率でロール周面が構成されるシームガイドロールを使用して、健全な溶接部品質を有する金属溶接管を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
板幅方向に曲げ加工した金属板の板幅方向端部を溶接することにより金属溶接管を製造するとき、スプリングバックの大きな高降伏点材料や低弾性係数の材料を素材金属板として使用すると、塑性曲げによって生じる板幅方向の残留曲率半径が大きくなり、幅方向の曲り量が不足気味になる。同様な曲り量の不足は、管外径Ｄに対する肉厚ｔの比（以下、肉厚比ｔ／Ｄという）が小さい金属溶接管を製造する場合にも発生しがちである。
【０００３】
曲り量が不足している金属板は、板幅方向両端部を溶接接合する場合にスクイズロール内で真円に近い状態に金属板を保持しがたい。その結果、突合せ部が外側に突出した山形状となって溶接条件が不安定化して、山形状溶接部（図１ａ）が発生し、溶接部近傍の真円度を低下させる。山形状とならないまでも、スクイズロール内でほぼロールカリバーに沿った閉断面に保持されて溶接接合された後に、スクイズロールから離れてロールによる拘束から開放されるとともに塑性曲がり量が不足しかつ拘束の緩い溶接部近傍がスプリングバックし、その結果高温で変形抵抗の低い溶接部が大きく変形して、溶接部が山状に突出した水滴状の断面形状（図１ｂ）を持つことになる。
【０００４】
このスプリングバックにより溶接部および溶接部の近傍が変形を受ける際に、管外面側は周方向に引張り応力が加わるため、金属板の材質或いはその他の条件によっては溶接部或いは溶接熱影響部に割れなどの欠陥を生じる恐れがあり、またこのような溶接欠陥を免れたとしても溶接工程に引き続いて行なわれる矯正ロール等による断面形状の矯正時に溶接部が大きく変形することから、溶接部の品質を損なう懸念がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、フィン両側のロール周面に所定のカリバー曲率半径を付けたシームガイドロールで金属板の板幅方向両端部に所定の曲げ量を与えることにより、溶接部および溶接部近傍の変形を抑制し、真円度が高く、高品質の金属溶接管を製造することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の製造方法は、金属板を板幅方向に順次曲げ加工してほぼ円弧状に成形した後、フィン両側一定領域のカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）が下式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にあるシームガイドロールで金属板の板幅方向両端部を曲げ加工すると共に、板幅方向両端部の突合せ部を位置規制し、次いでスクイズロールにより板幅方向両端部を突き合わせて溶接することを特徴とする。
【０００７】

ただし、ｔ：製造する金属溶接管の肉厚（ｍｍ）
Ｒ：製造する金属溶接管の外半径（ｍｍ）
（＝金属管の外径Ｄの１/２）
Ｅ：金属板のヤング率（ＧＰａ）
σ_y：金属板の降伏応力、或いは耐力（ＭＰａ）
【０００８】
【実施の形態】
本発明者等は、金属板を板幅方向に順次曲げ加工してほぼ円弧状に成形した後、金属板の板幅方向両縁部をシームガイドロールで円筒状に成形する際、シームガイドロールのフィン両側にあるロール周面のカリバー曲率半径が金属溶接管の溶接部近傍の形状に及ぼす影響を調査検討した。その結果、製造する金属溶接管の板厚をｔ（ｍｍ），外半径をＲ（ｍｍ）とし、金属板のヤング率をＥ（ＧＰａ），降伏応力をσ_yとするとき、次式で表される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にあるカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）をフィン両側のロール周面に付けるとき、金属板の板幅方向両縁部が適正な曲率で曲げ加工され、真円度が高く、優れた溶接品質の金属溶接管が製造されることを見出した。
【０００９】

【００１０】
適正な曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）を表す数式は、種々の板厚，強度の材料を種々の半径で曲げ試験して曲げ半径と試験後の曲率半径との関係を調査し、調査結果から曲げ後の曲率半径に及ぼす曲げ半径，板厚及び材料強度の影響を求めることにより導き出された実験式である。具体的には、曲げ試験による曲げ半径と試験後の曲率半径とは、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように鋼種，板厚，降伏応力，引張強さによって異なるものの、鋼種，板厚，降伏応力，引張強さが一定であればほぼ比例関係になっている。この比例関係に鋼種，板厚，降伏応力，引張強さの影響係数を取り込んで前掲の数式が得られる。
【００１１】
曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）を利用して金属溶接管の製造するとき、先ず金属溶接管の肉厚（＝金属板の板厚ｔ），外半径Ｒ及び金属板の降伏応力σ_yを求め、前掲の数式に代入して曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）を算出する。得られた曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲になるように、シームガイドロール１０のフィン１１両側の一定領域１２にあるロール周面のカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）を設定する（図３ａ）。フィン両側一定領域１２としては、板厚ｔの１０倍以上の領域にすることが好ましい。なお、θ₁，θ₂，θ₃、Ｒ₁、Ｒ₂は金属素材の幅をＷとして、下式を満足するように設定する（図３Ｂ）。フィン中心角θ₁は５〜２０度，フィン両側一定領域１２の中心角θ₂は４５〜７５度に設定し、フィン両側一定領域１２に隣り合う領域の曲率半径Ｒ₁及び中心角θ₃、フィン１１から遠い領域の曲率半径Ｒ₂は、カリバー周長を満足する限り、曲率による領域の分割数を増減しても良い。
【００１２】
Ｃ×（Ｗ+π×ｔ）＝２｛Ｒ_fθ₂＋２Ｒ₁θ₃＋Ｒ₂（π−θ₁−θ₂−２θ₃）｝
ここで、Ｃ；係数（０．９７〜１．０３）
Ｗ；板幅（ｍｍ）
Ｒ_f；フィン両側のカリバー半径
ｔ；板厚（ｍｍ）
Ｒ；曲率半径（ｍｍ）
θ；角度（ｒａｄ）
π；円周率
【００１３】
前掲の式で算出された曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にフィン両側一定領域１２のカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）を設定したシームガイドロール１０を使用すると、高降伏点材料や低弾性係数の材料のようにスプリングバックの大きな材料を金属板に使用する場合でも、或いは肉厚比ｔ／Ｄが約５％以下の薄肉金属溶接管を製造する場合でも、板幅方向両端部で十分な曲り量が確保されるため、溶接部近傍に局部的な変形が生じることなく、真円度が高く、品質に優れた金属溶接管が製造される。
【００１４】
金属板を順次板幅方向に曲げ加工してほぼ円弧状に成形した後、複数の曲率半径Ｒ_e，Ｒ₁，Ｒ₂でロール周面が形成された上下シームガイドロール１０及び１３によって金属板Ｍの筒形状が定まり、板幅方向両縁部に所定曲げ量が与えられると共に、フィン１１によって突合せ部の位置が規制される（図４）。次いで、円筒状に成形された金属板Ｍの板幅方向両端部をスクイズロールによって突合せ溶接することにより、溶接後のスプリングバックによる溶接部の局部的な変形が抑制され、真円度が高く、溶接品質に優れた金属溶接管が製造される。
本発明でシームガイドロールと呼ぶロールは、溶接の行なわれるスクイズロールの前段の円筒状に成形された金属板（オープン管）の開口部に入るフィンを持った上ロールと、オープン管の側面から底面にわたる領域を保持する下ロールよりなるものであるが、類似形状で呼称の異なるフィンパスロールに適用しても同等の効果が得られることから、フィンパスロールに適用した場合も本発明の範囲内である。
【００１５】
【実施例１】
板厚０．３５ｍｍ，板幅７０．３ｍｍの高強度二相ステンレス鋼板（マルテンサイト：約７５体積％，フェライト：約２５体積％）を金属板として使用し、ロールレスフォーミング法で金属板を筒状に成形した後、金属板Ｍの板幅方向両端部にシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で所定の曲げ量を与えた。シームガイドロール１０としては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にある曲率半径８．５ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２に付けたロールを使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてＴＩＧ溶接し、外径２５．４ｍｍの金属溶接管を製造した。得られた金属溶接管の溶接部には、従来法で頻発した溶接後の弾性回復に起因する溶接ビード中央外面側の最終凝固部に生じる窪みの発生が皆無で、真円度が高く、溶接部品質ならびに溶接部の外観に優れた金属溶接管であった。
【００１６】
【実施例２】
板厚０．３５ｍｍ，板幅９１．９ｍｍの高強度二相ステンレス鋼板（マルテンサイト：約７５体積％，フェライト：約２５体積％）を金属板として使用し、実施例１と同様にロールレスフォーミング法で成形した後、金属板Ｍの板幅方向両端部にシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で所定の曲げ量を与えた。シームガイドロール１０としては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にある曲率半径９．５ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２に付けたロールを使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてＴＩＧ溶接し、外径２８．６ｍｍの金属溶接管を製造した。得られた金属溶接管の溶接部には、従来法で頻発した溶接後の弾性回復に起因する溶接ビード中央外面側の最終凝固部に生じる窪みの発生が皆無で、真円度が高く、溶接部品質ならびに溶接部の外観に優れた金属溶接管であった。
【００１７】
【実施例３】
板厚０．６ｍｍ，板幅８８．６ｍｍの高耐熱フェライト系ステンレス鋼板を金属板として使用し、実施例１と同様にロールレスフォーミング法で成形した後、金属板Ｍの板幅方向両端部にシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で所定の曲げ量を与えた。シームガイドロール１０としては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にある曲率半径１２．５ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２に付けたロールを使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてレーザー溶接し、外径２８．６ｍｍの金属溶接管を製造した。得られた金属溶接管の溶接部は弾性回復に依る溶接部の局部的な変形と溶接に引続いて行なわれる矯正ロールでの断面形状矯正の際の溶接ビードの変形が抑制され、真円度が高く、従来法で製造した金属溶接管の溶接部に比べて硬さが１０ＨＶ〜２０ＨＶ程度低く、溶接部の加工性に優れた金属溶接管であった。
【００１８】
【比較例１】
板厚０．６ｍｍ，板幅８８．６ｍｍの高耐熱フェライト系ステンレス鋼板を金属板として使用し、実施例１と同様にロールレスフォーミング法で成形した後、金属板Ｍの板幅方向両端部にシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で所定の曲げ量を与えた。シームガイドロール１０としては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲を外れる曲率半径１５．９ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２を含む全ロール周面に付けたロール１０、１３を使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてレーザー溶接し、外径２８．６ｍｍの金属溶接管を製造した。溶接後のスクイズロール出側において溶接部が尖った水滴状の断面形状を呈しており（図５の（ｂ）参照）、引続いて行なわれる矯正ロールでの断面形状矯正の際に溶接ビードが大きな変形を受けることから、本発明実施例３に比べて溶接部の硬さが１０ＨＶ〜２０ＨＶ程度高く、溶接部の加工性が劣っていた。
【００１９】
【実施例４】
板厚２．３ｍｍ、板幅３９５ｍｍの構造用溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板を金属板として使用し、ロールフォーミング法にてブレークダウンロール、フィンパスロールを経て円筒状に成形した。ブレークダウンロールおよびフィンパスロールでの金属板の板幅方向両端部の曲げ半径はスプリングバックのほとんど無い厚肉サイズに合わせて管外板径とほぼ一致する約６３ｍｍ（曲げ外径）であった。引続いてフィンパスロール出側に設置されたシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で金属板Ｍ板幅方向両端部に所定の曲げ量を与えた。シームガイドロールとしては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にある曲率半径５４．７ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２に付けたロールを使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてＨＦ（高周波誘導）溶接し、外径１２７ｍｍの金属溶接管を製造した。本発明による金属溶接管の製造方法では、１００ｍ／ｍｉｎを大幅にに超える速度で溶接を行なっても溶接部およびその近傍に、溶融金属脆化に起因する割れは発生せず、真円度が高く、溶接品質に優れた金属管を高能率で生産することが可能であった。
【００２０】
【比較例２】
板厚２．３ｍｍ、板幅３９５ｍｍの構造用溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板を金属板として使用し、ロールフォーミング法にてブレークダウンロール、フィンパスロールを経て円筒状に成形した。ブレークダウンロールおよびフィンパスロールでの金属板の板幅方向両端部の曲げ半径はスプリングバックのほとんど無い厚肉サイズに合わせて管外板径とほぼ一致する約６３ｍｍ（曲げ外径）であった。引続いてフィンパスロール出側に設置されたシームガイドロール１０のフィン両側一定領域１２で金属板Ｍ板幅方向両端部に所定の曲げ量を与えた。シームガイドロールとしては、前掲の式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲外の曲率半径６３ｍｍのカリバーをフィン両側一定領域１２に付けたロールを使用し、板幅方向両端部の曲げ加工と共に突合せ部をフィン１１で位置規制した。次いで、スクイズロールにより金属板の板幅方向両端部を突き合わせてＨＦ溶接し、外径１２７ｍｍの金属溶接管を製造した。このような従来の金属溶接管の製造方法では、本発明実施例の半分程度６０ｍ／ｍｉｎを超える速度で溶接を行なった場合、溶接部およびその近傍に溶接線に沿った溶融金属脆化に起因する割れが発生した。
【００２１】
表１は、実施例１〜４及び比較例で使用した金属板Ｍ及びシームガイドロール１０の諸数値を示す。また、表２は、曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にある曲率半径を示す。
【００２２】

【００２３】

【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、鋼種，板厚，降伏応力，ヤング率の影響係数を取り込んだ数式から算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の半径にあるカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）をフィン両側一定領域に付けたシームガイドロールを用いて、円筒状に成形された金属板の板幅方向両端部に所定の曲げ量を与えると共に、板幅方向両端部の突合せ部を位置規制している。このようにして板幅方向両端部に所定の曲げ量が与えられた金属板を溶接位置に送り込み、スクイズロールで板幅方向両端部を突き合わせて溶接する時、溶接後に板幅方向両端部が弾性回復することに起因する溶接部および溶接部近傍の局部的な変形を回避できるため、真円度が高く、溶接品質に優れた金属溶接管が製造される。また、シームガイドロールで所定の曲げ量が付与されるため、新たにロールスタンドを増設する必要が無く、設備負担の増加もほとんど無い。さらに、溶接管の外径が等しくても板厚によって適正な曲率半径が０．９５〜１．０５Ｒ_e（ｍｍ）の範囲を超える場合は板幅方向両端部の曲げ加工曲率を変える必要があるが、それも比較的低コストのシームガイドロールを交換するだけで対応できるのでそれによるコスト増加もわずかである。さらにまた、実施例にもある様に、成形方法、溶接方法、材料を問わず適用可能なため、工業的利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属溶接管に生じがちな突出した溶接部（ａ）及び水滴状断面（ｂ）
【図２】マルテンサイト＋フェライト二相高強度ステンレス鋼（ａ）及び高耐熱性フェライト系ステンレス鋼（ｂ）の曲げ試験による曲げ半径と曲率半径との関係を表したグラフ
【図３】本発明に従ったプロフィールを持つシームガイドロール（ａ）及びシームガイドロールによる賦形空間（ｂ）
【図４】円筒状に成形した金属板が上側シームガイドロール１０と下側シームガイドロールとの間で成形されている状態の説明図
【図５】実施例３による溶接直後の金属管の断面形状（ａ）と、比較例１による溶接直後の金属管の水滴状断面形状（ｂ）
【符号の説明】
１０：上側シームガイドロール１１：フィン１２：フィン両側一定領域
１３：下側シームガイドロール
Ｒ_f：フィン両側一定領域１２の曲率半径
θ₂：フィン両側一定領域１２の中心角

Claims

金属板を板幅方向に順次曲げ加工してほぼ円弧状に成形した後、フィン両側一定領域のカリバー曲率半径Ｒ_f（ｍｍ）が下式で算出される曲率半径Ｒ_e（ｍｍ）の０．９５〜１．０５倍の範囲にあるシームガイドロールで金属板の板幅方向両端部を曲げ加工すると共に、板幅方向両端部の突合せ位置を規制し、次いでスクイズロールにより板幅方向両端部を突き合わせて溶接することを特徴とする金属溶接管の製造方法。

ただし、ｔ：製造する金属溶接管の肉厚（ｍｍ）
Ｒ：製造する金属溶接管の外半径（ｍｍ）
（＝金属管の外径Ｄの１/２）
Ｅ：金属板のヤング率（ＧＰａ）
σ_y：金属板の降伏応力、或いは耐力（ＭＰａ）