JP4757696B2

JP4757696B2 - Ｕｏｅ鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4757696B2
Application number: JP2006113387A
Authority: JP
Inventors: 俊介深見; 裕森本; 秀樹宮崎; 達哉吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: JP2007283356A

Description

本発明は、溶接部靭性と生産性がともに飛躍的に向上するＵＯＥ鋼管の製造方法に関するものである。

ＵＯＥ鋼管の溶接部において良好な靭性を確保することは、品質管理の観点から極めて重要なことである。

溶接部において、良好な靭性確保が困難な部位は、母材の溶接熱影響部（以下「ＨＡＺ」ということがある。）であるが、中でも、一旦高温に加熱されて、旧γ粒径が粗粒化したＨＡＺにおいて、次パスの加熱により、Ａc₁点以上、Ａc₃点以下の温度域に再加熱された領域は、特に、脆化が懸念される部位である。

即ち、このような２重の熱サイクルを受けたＨＡＺでは、島状マルテンサイト（以下「ＭＡＣ」ということがある。）と呼ばれる脆化組織が生成する。ＨＡＺ靭性の向上においては、このＭＡＣの生成を制御することが必須のことである。

それ故、これまで、ＨＡＺ靭性を高める方法が数多く提案されている（例えば、特許文献１〜５、参照）が、いずれも、各パスにおける入熱を分散させて再加熱領域を低減し、靭性向上を図ることを基本的な技術思想としている。

上記入熱分散方法は、靭性向上の点で有効であるが、溶接パス数が必然的に増加してしまうので、生産性の低下を回避できないという問題を抱えている。また、仮付け溶接が必要となる場合には、さらに、生産性は低下する。

一方、溶接パス数を低減するためには、大入熱の溶接を行うことが必須であるが、ＨＡＺが２重の熱サイクルを受けることは回避できず、良好なＨＡＺ靭性を確保することは、困難である。

結局、現状のＵＯＥ鋼管の製造技術において、溶接パス数を低減して、生産性とＨＡＺ部靭性の向上を同時に図ることは不可能な課題である。

特許第２６５０６０１号公報特開平６−３２８２５５号公報特開昭５８−３２５８３号公報特開平６−１５５０７６号公報特開２００１−１１３３７４号公報特開平１０−２１６９７２号公報特開平１０−２４４３６９号公報特開２００２−１７２４７７号公報

本発明は、ＵＯＥ鋼管の製造において、上記課題を解決すべく、小入熱で、かつ、溶接パス数が少ない溶接手法を確立し、生産性の向上とＨＡＺ靭性の確保を両立させた革新的なＵＯＥ鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、Ｘ開先の溶接において、溶接パス数の削減、溶接部靭性の向上という“相反する技術課題”を克服する手法について鋭意研究し、下記の知見を得た。

（ｉ）消耗多電極式ガスシールアークとレーザとの複合熱源を用いると、プラズマが、先頭アークを開先底まで安定的に誘導する。
（ii）その結果、１パスで、機械的特性に優れた溶接部を形成することができる。

なお、溶接に際し複合熱源を用いることは、厚板の突合せ溶接又は仮付け溶接において、既に知られている（特許文献６〜８、参照）が、低温靭性が要求されるＵＯＥ鋼管のＸ開先の溶接において、しかも、１パスで外面側溶接を完了することを前提に、複合熱源の利用を試みたのは、本発明者が初めてである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）ＵＯＥ鋼管の製造方法において、ガスシールドアークとレーザとの複合熱源を用いてＸ開先を溶接する際、
（a1）溶接方向に沿って、最も先頭にガスシールドアーク第１電極を配置し、その後方に、前記第１電極のアークの溶接線上での狙い位置に対して１０mm以内にレーザの狙い位置がくるようにレーザートーチを配置し、さらにその後方にガスシールドアーク第２電極を配置し、
（a2）Ｘ開先の外面側の開先角度を、２０°以上４０°以下とし、
（a3）Ｘ開先の外面側を、ガスシールドアークと、出力が１ｋＷ以上２０ｋＷ以下のレーザとの複合熱源を用いて、１パスで溶接し、その後、
（ｂ）Ｘ開先の内面側を、サブマージアーク溶接を用いて、１パスで溶接し、
合計２パスで溶接を完了することを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
（２）上記（１）に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法において、前記第２電極のさらに後方に、ガスシールドアーク第３電極を配置して、あるいは、ガスシールドアーク第３電極とそのさらに後方にガスシールドアーク第４電極を配置して、前記Ｘ開先の外面側を溶接することを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
（３）前記レーザートーチを、前記第１電極のアークの溶接線上での狙い位置に対して５mm以内にレーザの狙い位置がくるように配置したことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。

（４）前記ガスシールドアークが、消耗電極式ガスシールドアークであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。

（５）前記外面側の溶接において、シールドガスを溶接進行方向の左右両側から供給することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。

（６）前記レーザが、焦点距離１００ｍｍ以上のレーザであることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。

本発明によれば、ＵＯＥ鋼管の製造において、Ｘ開先を合計２パスで溶接し、しかも、機械的特性に優れた溶接部を形成することができる。

ＵＯＥ鋼管は、通常、平鋼板を所定寸法に切断し、この平鋼板を用いて、その板幅調整、両幅端部の開先加工、両幅端部の曲げ加工を行い、さらに、Ｕ形の成形、Ｏ形の成形により管状にプレス成形した後、突合わせ部をガスシールドアーク溶接等により仮付け溶接を実施し、その後、サブマージアーク溶接等により、内面シーム溶接及び外面シーム溶接を行い、その後、鋼管の真円度を高めるために、エキスパンダー等により拡管成形を行う工程を経て製造される。

本発明は、Ｘ開先の外面側の溶接を、ガスシールドアークとレーザとの複合熱源を用いて、１パスで終了し、内面側の溶接を、サブマージアーク溶接を用いて、１パスで終了することを特徴とする。即ち、本発明は、合計２パスで総ての溶接を終了するものである。

従来の溶接方法では、仮付け溶接、内面側溶接、及び、外面側溶接の３工程を必要とするが、本発明は、仮付け溶接を必要とせず、内面側溶接及び外面側溶接を、それぞれ、１パスで終了するから、従来の溶接に比べ、生産性の点で顕著な優位性を有する。

図１及び図２に、本発明の構成を模式的に示す。

鋼管１の外面側の開先２の上方に、溶接方向８に沿って、最も先頭にガスシールドアーク第１電極の溶接トーチ３を配置し、その狙い位置の後方に、距離Ｍ１だけ離れて狙い位置がくるように、レーザのトーチ４を配置し、さらにその後方に、距離Ｍ２だけ離れて狙い位置がくるように、ガスシールドアーク第２電極の溶接トーチ５を配置し、さらにその後方に、距離Ｍ３だけ離れて狙い位置がくるように、ガスシールドアーク第３電極の溶接トーチ６を配置し、そして、溶融池の左右両側から溶接部に対してシールドガスを吹き付けるシールドノズル７を配置し、溶接を行う。

また、ガスシールドアーク第３電極の溶接トーチ６の後方に、さらに所定の距離をおきつつガスシールドアークの溶接トーチを配置することができる。

本発明においては、ＨＡＺ靭性の向上を図るため溶接入熱を抑制し、かつ、生産性の向上を図るため外面側溶接を１パスで終了するという“相反する技術課題”を克服するために、ガスシールドアークとレーザとの複合熱源を用いて外面側溶接を１パスで行う。

まず、ＨＡＺ靭性の確保について説明する。

通常、溶接部における入熱量を低減するために、開先を狭開先として、必要な溶着金属量を極力低減するが、狭開先溶接においては、開先底までアークが届かず、融合不良が生じることが課題であった。

図３に、鋼管の外面側を狭開先とし、従来の溶接方法を用いて溶接した場合における溶接部の断面を模式的に示す。図に示すように、溶着金属１１が開先底まで届かず、融合不良１２が生じてしまう。

本発明においては、開先を、外面側の開先角度が２０°以上４０°以下の狭開先とするので、上記課題に対する対策が必要となるが、ガスシールドアークとレーザを組み合せた複合熱源を用いることにより上記課題を解決する。

即ち、本発明においては、レーザで発生したプラズマにより、アークが開先底まで安定的に誘導されるので、開先底での融合不良の発生が抑制される。

このプラズマのアーク誘導機能を充分に確保するため、溶接方向先頭のアークとレーザが複合するように、先頭電極とレーザトーチを配置する。具体的には、先頭アークとレーザの狙い位置の間隔を、溶接線上で１０ｍｍ以内、好ましくは５ｍｍ以内とする。

図４に、鋼管の開先形状の態様を模式的に示す。板厚ｔの溶接部において、ルートフェイス長さｔをはさんで、外面側に、開先深さｄo、開先角度φoの開先と、内面側に開先深さｄi、開先角度φiの開先が形成されている。

前述したように、本発明おいては、外面側の開先角度（図中、φo）を２０°以上４０°以下とする。開先角度が２０°未満の場合には、開先角度が狭すぎて、プラズマでアークを誘導しても、アークは開先底まで届かず、融合不良が生じる。逆に、開先角度が４０°超の場合には、必要とする溶着金属量が多くなって、溶接入熱の抑制が困難となる。

本発明においては、先頭のガスシールドアークの第１電極の溶接トーチと、レーザのトーチ４の後方に、１本又は２本以上のガスシールドアークの溶接トーチを配置して溶接を行う。これは、溶接能率を向上させるため溶接速度を高速にした場合、狭開先であっても、外面側の開先を埋め、さらに所定の余盛を溶接ビードに確保するのに必要な溶着金属量を確保する必要があるからである。

溶着金属量を増加させる方法としては、溶接電流値を増加させる方法が一般的であるが、先頭のガスシールドアークの第１電極の溶接電流値を大きくしすぎると、溶融池９が不安定となり、溶接ビード１０の両側にアンダーカット欠陥が生じたり、ビード表面に凹凸が発生して、外観形状が不良となる（図２、参照）。

そこで、本発明においては、レーザのトーチ４の後方に、１本又は２本以上のガスシールドアークの溶接トーチを配置する。この配置により、溶融池９を安定化し、かつ、充分な溶着金属量を得ることが可能となり、外面側の開先２を１パスで終了することが可能となる。

また、多電極アークのシールド方法として、例えば、溶接方向の前後からシールドガスを供給する方法が知られている（特開平７−２０４８５４号公報、参照）が、本発明者の実験によれば、上記シールド方法では、溶接金属中の窒素が１５０ｐｐｍ程度まで高くなる。これは、シールドガスを溶接方向の前後から供給した場合には、溶接方向に長く伸張した溶融プール全体を完全にシールドすることが困難であることによると考えられる。

溶接金属に低温靭性が要求されない場合は、溶接金属中の窒素が多少多くなっても、問題はないが、ＵＯＥ鋼管においては、シールド不良に起因する溶接金属中の窒素量の増加は、溶接部靭性を確保する上で重大な問題となる。

そこで、本発明では、溶融プールの完全シールド対策として、図１及び図２に示すように、溶接線の両側からシールドガスを供給する両側面供給方式を採用する。これにより、溶接方向に伸張した溶融プール全体を、完全にシールドすることが可能となる。

なお、シールドガスとしては、Ｈｅ及びＡｒの１種又は２種の不活性ガスに、２〜５０ｖｏｌ％のＣＯ₂及びＯ₂の１種又は２種を含有せしめた混合ガスが好ましい。ＣＯ₂及びＯ₂は、溶接金属中でＴｉなどと微細酸化物を形成する際の酸素源として作用する。この微細酸化物は、溶接金属の結晶粒内に微細アシキュラーフェライトを形成するためのサイトとなり、結晶粒の微細化による溶接金属の靭性向上に寄与する。

また、プラズマを生成するレーザの出力は、良好な溶接を行うために、１ｋＷ以上必要である。１ｋＷ未満では、パワー不足で、アークを開先底まで誘導するのに充分なプラズマが発生せず、融合不良が発生する場合がある。

プラズマ生成の点で、レーザ出力は大きい方が好ましいが、２０ｋＷ超となると、パワー過剰となり、僅かな開先ギャップに溶融プールを蒸発反力で押し込んでしまい、その結果、開先内での溶着金属量が不足して溶け落ちが生じ、１パスで溶接が終了できなくなる。したがって、レーザの出力は、１ｋＷ以上２０ｋＷ以下とする。

また、レーザの焦点距離は、好ましくは１００ｍｍ以上必要である。焦点距離が１００ｍｍ未満の場合には、電極から発生するスパッタやヒュームから集光光学系を保護するのが極めて困難となり、実用的でない。焦点距離の上限値に、特に制限はないが、焦点距離が長すぎると、焦点スポット径が大きくなり、エネルギー密度が低下して充分なプラズマが生成しない恐れがある。それ故、焦点距離は１０００ｍｍ以下が好ましい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
以下、本発明の有効性を実施例に基づいて説明する。表１に、供試鋼材の成分組成を示す。供試鋼材は、転炉により溶製し、連続鋳造、圧延を経て製造した鋼材である。

なお、以下の表において、発明法は、仮付け溶接の工程で、レーザとガスシールドアークとの複合熱源を用いて仮付け溶接と外面シーム溶接を同時に行い、次いで、内面シーム溶接を行い、その後、拡管成形を行うものである。また、比較法は、ガスシールドアークによる仮付け溶接を行った後、内面シーム溶接を行い、次いで、外面シーム溶接を行い、その後、拡管成形を行うものである。

表２〜４に、従来の技術を用いた場合の比較法における溶接条件を示し、表５〜８に、本発明の方法を用いた場合の発明法の溶接条件を示す。

なお、表６及び表７中のＬ１、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｗｎ、θ、Ｈｎ、及び、Ｌｎは、図２（ａ）及び（ｂ）中の同記号の寸法を示し、Ｍ４は、図２中で、溶接方向に対し最も後方に位置するガスシールドアーク用の３電極目のトーチのさらに後方に、４電極目のトーチを配置した場合における３電極目のトーチの狙い位置と４電極目のトーチの狙い位置との距離を示す。

表９〜１４に、表７に示す比較法及び発明法を用いて溶接した場合における融合不良の発生状況と、低温での溶接部靭性を評価するために、図５に示すように、外面溶接部と内面溶接部の溶接会合部を基準にして、母材側に０．５ｍｍ及び１．０ｍｍの位置をノッチ位置として、母材の板厚方向と直角方向に２ｍｍＶノッチシャルピー試験片を採取し、それぞれの試験片を、ＨＡＺ０．５ｍｍ、ＨＡＺ１．０ｍｍとして、−３０℃でシャルピー試験を行った結果を示す。

また、発明法を用いた場合の溶接条件として、外面側の開先角度を１０°から５０°まで変化させ、レーザの出力を０．５ｋＷから２５ｋＷまで変化させ、焦点距離を５０ｍｍから１０００ｍｍまで変化させて溶接し、溶接部の融合不良及び溶け落ち等の溶接欠陥の発生の有無と前記シャルピー試験の結果に基づいて評価を行った。

なお、溶接時のスパッタ発生は、溶接部の品質へ影響する程度は小さいが、レーザ光学系などの溶接装置へダメージを与え、その結果、ランニングコストの負担が増加するので、表中の備考欄に、スパッタ発生有無の評価も併せて記載した。

また、溶接部の靭性評価は、シャルピー試験結果が８０Ｊ以上となる場合に、ＨＡＺの低温靭性を合格として、融合不良及び溶け落ち等の溶接欠陥の発生の有無と併せて総合評価を行い、良好を○で示し、不良を×で示した。

表中において、Ｓは、スパッタによりレーザの光学集光系の集光レンズ又は集光ミラーに汚染が発生したことを示し、Ｆは、ヒュームにより上記集光レンズ又は集光ミラーに汚染が発生したことを示している。また、表中、ＬＰは、開先底に溶接欠陥である融合不良が発生したことを示し、Ｂｔは、開先裏へ溶接金属が溶け落ちて溶接欠陥となったことを示している。

この結果から、発明法を用い、かつ、本発明で規定した、外面側の開先角度が２０°以上、４０°以下、レーザ出力が１．０ｋＷ以上、２０ｋＷ以下、かつ、レーザの焦点距離が１００ｍｍ以上の条件を満足した発明例１〜３１は、ＨＡＺの低温靭性が高く、かつ、融合不良がなく、良好な溶接がなされていることが解る。

一方、比較法を用いた比較例１、本発明法を用いたものの、本発明で規定した外面側の開先角度から外れた条件で溶接した比較例２〜２４は、ＨＡＺの低温靭性が低いか、及び／又は、融合不良が発生し、良好な溶接がなされていないことが解る。

前述したように、本発明によれば、ＵＯＥ鋼管の製造において、Ｘ開先を合計２パスで溶接し、機械的特性に優れた溶接部を形成することができる。したがって、本発明は、生産性の向上とＨＡＺ靭性の確保を両立せしめた革新的なものであって、ＵＯＥ鋼管製造産業において利用可能性が大きいものである。

ガスシールドアークとレーザとの複合熱源を用いて、鋼管の外面側を溶接する態様を示す図である。溶接線の両側からシールドガスを供給して溶融プールをシールドする態様を示す図である。（ａ）は、側面態様を示し、（ｂ）は、平面態様を示す。狭開先で発生する融合不良の態様を示す図である。鋼管の開先形状の態様を示す図である。溶接部からシャルピー試験片を採取する際の態様を示す図である。

符号の説明

１鋼管
２開先
３、５、６ガスシールドアーク用トーチ
４レーザ用トーチ
７シールドノズル
８溶接方向
９溶融池
１０溶接ビード
１１溶接金属
１２融合不良
ｔ鋼管の板厚
ｄo 外面側の開先深さ
ｄf ルートフェイス長さ
ｄi 内面側の開先深さ
φo 外面側の開先角度
φi 内面側の開先角度

Claims

ＵＯＥ鋼管の製造方法において、ガスシールドアークとレーザとの複合熱源を用いてＸ開先を溶接する際、
（a1）溶接方向に沿って、最も先頭にガスシールドアーク第１電極を配置し、その後方に、前記第１電極のアークの溶接線上での狙い位置に対して１０mm以内にレーザの狙い位置がくるようにレーザートーチを配置し、さらにその後方にガスシールドアーク第２電極を配置し、
（a2）Ｘ開先の外面側の開先角度を、２０°以上４０°以下とし、
（a3）Ｘ開先の外面側を、ガスシールドアークと、出力が１ｋＷ以上２０ｋＷ以下のレーザとの複合熱源を用いて、１パスで溶接し、その後、
（ｂ）Ｘ開先の内面側を、サブマージアーク溶接を用いて、１パスで溶接し、
合計２パスで溶接を完了することを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記請求項１に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法において、前記第２電極のさらに後方に、ガスシールドアーク第３電極を配置して、あるいは、ガスシールドアーク第３電極とそのさらに後方にガスシールドアーク第４電極を配置して、前記Ｘ開先の外面側を溶接することを特徴とするＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記レーザートーチを、前記第１電極のアークの溶接線上での狙い位置に対して５mm以内にレーザの狙い位置がくるように配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記ガスシールドアークが、消耗電極式ガスシールドアークであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記外面側の溶接において、シールドガスを溶接進行方向の左右両側から供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。
前記レーザが、焦点距離１００ｍｍ以上のレーザであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＵＯＥ鋼管の製造方法。