JP4586515B2 - 溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部に母材並の二次加工性を有する、すなわち溶接部の二次加工性が母材部と同等あるいはそれ以上のレベルにある、溶接鋼管及びその製造方法に関する。なお、母材とは溶接される前の材料であり、母材部とは溶接された後の材料から溶接部（溶接ボンド部および溶接熱影響部）を除いた残りの部分である。

高級ラインパイプや自動車の重要保安部品などに用いる素材として電縫鋼管の需要が増加しつつある。これらの鋼管に要求される品質特性は厳しく、とくに溶接部に対しては母材並みの品質を有することが期待されている。今後、電縫鋼管の信頼性を大幅に向上させるためには、電縫鋼管の全長にわたる溶接部品質保証が必須であると考えられる。
しかるに、電縫鋼管の溶接部には以下に示す二つの問題点がある。
１）電縫鋼管の溶接部にはペネトレータと呼ばれる酸化物が生成されて溶接欠陥の原因になる。溶接条件を最適に制御した場合においても、溶接部が加工（二次加工）を受けた際の割れの発生原因になるような微小なペネトレータは微量ながら存在する。
２）電縫鋼管の素材である鋼板の内部には、Ｐ、Ｓなどの不純物を高濃度に含む偏析線が板面内方向に略平行な方向に延在する。この偏析線は、溶接部の存在しない継目無鋼管などでは特に問題にはならない。しかし、電縫鋼管では、電縫溶接時のアプセットにより、図２に示すように、電縫鋼管１の電縫溶接部２において、高温に加熱されて軟化した被接合端部が内外面側に盛り上がってビード４が形成され、かつ、溶融した部分が内外面側に押し出されて凝固して余剰凝固部３が形成される。このビード４の形成時に、被接合端部に存在する偏析線５は褶曲し、電縫溶接部２近傍の内外面側に集中する。その後、ビード４は余剰凝固部３と共にビード切削により除去されるので、図３に示すように、電縫溶接部２近傍の内外面側に集中した偏析線５は、電縫溶接部２近傍の内外面に集中して露出することになる。

偏析線は、強度や靭性が他の部分に比べて著しく劣るため、電縫鋼管が強い二次加工を受けると、電縫溶接部近傍の内外面に集中して露出した偏析線を起点として割れが発生する場合がある。
電縫溶接法には、上記のような課題があることから、これまでに、電縫溶接法と他の溶接法を組み合わせた、以下のような複合溶接技術が提案されている。
・鍛接鋼管および電縫鋼管の溶接部を電子ビームで再溶融することにより溶接欠陥を除去しようとするもの（特許文献１）
・高周波電縫溶接と高出力エネルギービームの組み合わせにより溶接部の欠陥を抑制しようとするもの（特許文献２）
・高周波加熱と高密度エネルギービーム（またはＴＩＧ）の組み合わせにより溶接部の欠陥を抑制しようとするもの（特許文献３）
また、目的は異なるが、複合溶接という観点からは参考になる技術として、以下のような技術が挙げられる。
・レーザ溶接とレーザ溶接あるいはプラズマ溶接あるいはＴＩＧ溶接を組み合わせることにより、スプリングバックの大きい鋼管を製造するもの（特許文献４）
・電縫溶接部の内外面のビード余盛りを、溶接直後にレーザで再加熱溶融して不活性ガスを吹き付けてオンラインで除去するもの（特許文献５）
特開昭５０−７８５５５号公報 特開昭５６−１６８９８１号公報 特開昭５３−１３７０５８号公報 特開昭６２−３３０８４号公報 特開平７−２８４９９６号公報

上記従来の技術では、以下のような問題点がある。
・通常のレーザ溶接や電子ビーム溶接では、エネルギー密度が高いことから、例えば図４に示すように、再溶融部６の溶け込み深さＬは、例えば電縫溶接部２の管肉厚方向全域にわたるほど、十分深いので、電縫溶接部２に内在する欠陥をほとんど消去することは可能であるものの、再溶融部６の溶融幅Ｗは狭すぎるので、電縫溶接部２近傍の内外面に露出した偏析線５の大部分は消去されずに残留する。
・通常のＴＩＧ溶接やプラズマ溶接では、エネルギー密度が低いことから、例えば図５に示すように、再溶融部６の溶融幅Ｗは十分広いので、電縫溶接部２近傍の内外面に露出した偏析線５をほとんど消去することは可能であるものの、再溶融部６の溶け込み深さＬが浅すぎるので、電縫溶接部２に内在する欠陥の大部分は消去されず残留する。

つまり、従来の複合溶接技術には、電縫溶接部に内在する欠陥および電縫溶接部近傍の内外面に集中的に露出した偏析線のいずれか一方に対してはこれを二次加工時の割れ発生原因にならない程度まで抑制できるが、他方に対してはこれを同程度まで抑制することはできないという難題があった。
本発明は、この難題を解決し、電縫溶接部に内在する欠陥および電縫溶接部近傍の内外面に集中的に露出した偏析線のいずれをも二次加工時の割れ発生原因にならない程度まで抑制しうる、溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意検討し、その結果、再溶融部の溶け込み深さを母材肉厚×０．１以上、肉厚×０．１３以下、かつ溶融幅を１．０ｍｍ超、２．５ｍｍ以下に規制することにより、溶接部に内在する欠陥および表面に露出した偏析線の悪影響をほとんどなくせることを見出し、さらに詳細な検討を加えて本発明をなした。
本発明（１）は、電縫溶接法にて製造された溶接鋼管の電縫溶接部の外面側及び/又は内面側に再溶融部を有する溶接鋼管において、前記再溶融部の溶融幅が、電縫溶接時のアプセット量（ｍｍ）×０．１５及び１．２ｍｍの何れか大きい方以上、２．５ｍｍ以下であり、且つ前記再溶融部の溶け込み深さが、母材部の肉厚×０．１以上、肉厚×０．１３以下であることを特徴とする、溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管である。

本発明（２）は、電縫溶接法にて製造された溶接鋼管の電縫溶接部を再溶融する溶接鋼管の製造方法において、電縫溶接部の外面側を再溶融し、再溶融部の溶融幅を、電縫溶接時のアプセット量（ｍｍ）×０．１５及び１．２ｍｍの何れか大きい方以上、２．５ｍｍ以下とし、且つ再溶融部の溶け込み深さを、母材部の肉厚×０．１以上、肉厚×０．１３以下とすることを特徴とする、母材並の溶接部特性を有する溶接鋼管の製造方法である。

本発明（３）は、本発明（２）において、電縫溶接部の外面側に代えて或いは加えて電縫溶接部の内面側を再溶融するものである。
本発明（４）は、本発明（２）又は（３）において、再溶融をオンラインで行う、即ち電縫鋼管製造ライン内の電縫鋼管に対して行うものである。
本発明（５）は、本発明（２）〜（４）の何れかにおいて、再溶融を不活性ガス及び窒素ガスのうち１種又は２種からなるガス雰囲気下で行うものである。

本発明によれば、電縫溶接部の外面側及び/又は内面側に適正溶融幅および適正溶け込み深さを有する再溶融部を形成させるようにしたから、電縫溶接部に内在する欠陥及び電縫溶接部近傍の内外面に集中的に露出した偏析線の何れをも加工時の割れ発生原因にならない程度まで抑制することができ、溶接部全長に亘り母材並みの二次加工性を有する溶接鋼管が得られる。

本発明では、電縫溶接法については特に限定されず通常公知の方法を用いればよい。即ち素材鋼板である帯板の幅をロール成形により丸めてオープン管を形成し、該オープン管を高周波誘導加熱又は高周波抵抗加熱により加熱して継目になるＶシーム収束点を溶融させ、該溶融した継目を、スクイズロールによるアプセットにより圧接し、該圧接により生まれた電縫溶接部の外面或いはさらに内面に形成している溶接ビードをビード切削により除去する。

そして、溶接ビード除去後の電縫溶接部の外面側及び/又は内面側に対し再溶融を施す。本発明の骨子は、この再溶融施工において、図１に外面側及び内面側を再溶融した例を示すように、再溶融部６の溶融幅Ｗ及び溶け込み深さＬが、
Ｗ≧Ｍａｘ｛ＥＲＷアプセット量（ｍｍ）×０．１５，１．２（ｍｍ）｝‥‥(1)
Ｌ≧母材部の肉厚×０．１ ‥‥(2)
を満たすとともに、Ｗを２．５ｍｍ以下とし、Ｌを肉厚×０．１３以下とすることにある。ここで、ＥＲＷアプセット量＝電縫溶接時のアプセット量＝電縫溶接前の鋼管の外周長さ−電縫溶接後の鋼管の外周長さ、であり、また、Ｍａｘ｛Ｘ１，Ｘ２｝は、Ｘ１とＸ２の何れか大きい方である。

溶融幅Ｗが(1)式の右辺値を下回る場合は、外面或いは内面に露出する偏析線５を起点として二次加工時に割れが発生することがある。また、溶け込み深さＬが(2)式の右辺値を下回る場合は、電縫溶接部に内在する微細酸化物を起点として二次加工時に割れが発生することがある。
再溶融施工に用いる局部加熱手段（局部溶解法又は局部溶解装置）は、(1)式及び(2)式が満たされるように局部加熱パワーを調整可能なものでありさえすればよく、例えば、レーザ溶解、プラズマ溶解、ＴＩＧ溶解、電子ビーム溶解等の何れであってもよい。

前記再溶融施工は、オフラインで行ってもよいが、高能率製造の観点からすれば、オンラインで行う、即ち電縫鋼管製造ライン内を走行中の電縫鋼管に対して行うのが好ましい。ここにいう電縫鋼管製造ラインとは、基本的には帯板払い出し装置（ペイオフリール）、ロール成形装置、高周波誘導加熱（又は高周波抵抗加熱）装置、スクイズ装置（スクイズロール）、ビード切削装置、或いは更に絞り圧延装置をこの順に配置してなるライン、或いは、該ラインにおいて必要に応じて前記装置の何れかの入側又は出側に他の適宜の付帯装置（板継溶接装置、帯板蓄積装置（アキュムレータ若しくはルーパ）、予熱又は加熱装置、冷却装置、等）を追加配置してなるラインである。再溶融施工をオンラインで行う場合は、前記局部加熱手段を前記ビード切削装置の出側又は前記絞り圧延装置の入側に設置し、それを用いて行うのが好適である。

また、再溶融施工は、大気中で行ってもよいが、大気雰囲気下で施工すると、局部加熱パワー等の条件によっては、大気中から再溶融部に酸素が混入して酸化物を形成し、電縫溶接部の酸化物が十分低減しない場合がある。このような大気中からの酸素の混入を防止するためには、不活性ガス及び窒素ガスのうち１種又は２種からなるガス雰囲気下で再溶融施工をすることが好ましい。

なお、再溶融後の電縫溶接部の形状を目標形状に近づけるためには、電縫溶接前の帯板幅端部若しくはオープン管周端部を予成形すること、及び/又は、電縫溶接後のビード切削形状を調整（例えば切削バイトの刃形状選択により調整）することも有効な手段である。また、再溶融部の特性を更に向上させるためには、再溶融施工時に、ワイヤ、フラックス或いはインサート材等により、合金元素を添加することも有効な方法である。

表１に示す鋼管外径、鋼管肉厚の電縫鋼管を、電縫鋼管製造ラインにて表１に示すＥＲＷアプセット量で造管し、次いで電縫溶接部の内外面をビード切削することにより製造した。該ビード切削後の鋼管から長さ２ｍのサンプルを採取し、該サンプルを供試材としてオフラインにて、電縫溶接部の外面側あるいはさらに内面側に、表１に示す仕様で再溶融を施す実験を行った。該再溶融後の各サンプルについて偏平試験を行い、発生した割れの個数（偏平試験割れ個数）により電縫溶接部の二次加工性を評価した。その結果を表１に示す。表１より、再溶融の仕様が前記(1)式及び(2)式を満たす本発明方法の実施例ではいずれも偏平試験割れ個数が０個であり、本発明により、電縫溶接部に母材並みの二次加工性を付与できることが明らかである。

本発明方法による再溶融部の一例を示す断面図である。 電縫溶接部近傍の偏析線集中を示す断面図である。 電縫溶接部近傍に集中した偏析線がビード切削によって内外面に露出した状態を示す断面図である。 通常の高エネルギー密度の溶接法による再溶融部の一例を示す断面図である。 通常の低エネルギー密度の溶接法による再溶融部の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 電縫鋼管
２ 電縫溶接部
３ 余剰凝固部
４ ビード
５ 偏析線
６ 再溶融部
Ｌ 溶け込み深さ
Ｗ 溶融幅

Claims (5)

1. 電縫溶接法にて製造された溶接鋼管の電縫溶接部の外面側及び/又は内面側に再溶融部を有する溶接鋼管において、前記再溶融部の溶融幅が、電縫溶接時のアプセット量（ｍｍ）×０．１５及び１．２ｍｍの何れか大きい方以上、２．５ｍｍ以下であり、且つ前記再溶融部の溶け込み深さが、母材部の肉厚×０．１以上、肉厚×０．１３以下であることを特徴とする、溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管。
2. 電縫溶接法にて製造された溶接鋼管の電縫溶接部を再溶融する溶接鋼管の製造方法において、電縫溶接部の外面側を再溶融し、再溶融部の溶融幅を、電縫溶接時のアプセット量（ｍｍ）×０．１５及び１．２ｍｍの何れか大きい方以上、２．５ｍｍ以下とし、且つ再溶融部の溶け込み深さを、母材部の肉厚×０．１以上、肉厚×０．１３以下とすることを特徴とする、溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管の製造方法。
3. 電縫溶接部の外面側に代えて或いは加えて電縫溶接部の内面側を再溶融することを特徴とする請求項２記載の溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管の製造方法。
4. 前記再溶融をオンラインで行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管の製造方法。
5. 前記再溶融を不活性ガス及び窒素ガスのうち１種又は２種からなるガス雰囲気下で行うことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の溶接部に母材並の二次加工性を有する溶接鋼管の製造方法。