JP5014837B2

JP5014837B2 - 電縫鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP5014837B2
Application number: JP2007051396A
Authority: JP
Inventors: 秀樹濱谷; 俊介深見; 伸雄水橋; 智博中治; 隆宮川; 均朝日; 哲夫石塚; 通誠向; 昇長谷川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP2008212961A

Description

本発明は、主として、石油又は天然ガス用ラインパイプ、油井管、原子力用、地熱用、化学プラント用、機械構造用及び一般配管用等に使用される電縫鋼管の製造方法に関する。

図３は従来の電縫鋼管の製造方法を示す模式図である。図３に示すように、従来の電縫鋼管の製造方法においては、一般に、帯状の鋼板（帯鋼）１０１を、方向１１０に向かって連続的に搬送しながら、多数のロール群（図示せず）により管状に成形し、その突合せ端面１０４を高周波コイル１０２による誘導加熱又はコンタクトチップによる直接通電加熱により溶融すると共に、スクイズロール１０３によりアップセットを加えることで、突合せ端面１０４に溶接シーム１０５を形成して電縫鋼管としている。

このような従来の電縫鋼管の製造方法においては、電縫溶接時の入熱量（ジュール発熱量）が低い場合、主に鋼板の端部の溶接部に未溶着欠陥又は冷接欠陥と称される溶融不足に起因する溶接欠陥が生じることが知られている。この冷接欠陥の破面を走査型電子顕微鏡で観察すると、直径１μｍ程度の無数の微小なディンプル形状の集合が観察される。そして、その多くのディンプルの中央部には介在物として酸化物が存在しており、これが溶接線に沿って１μｍ程度の大きさで連続的に生成することにより、電縫鋼管の溶接部の靭性（シャルピー衝撃値）及び全伸び等の機械的性質が低下すると考えられている。

このため、従来、電縫鋼管の溶接部にこのような冷接欠陥が発生した場合には、溶接時の入熱を高めに設定すると共にその温度に制御して、冷接欠陥の発生原因となる微小酸化物を溶融金属の一部と共に溶接部から排出することで、その後溶接する部分に溶接欠陥が発生することを防止している。しかしながら、冷接欠陥発生部における酸化物の隙間は、１μｍ程度と極めて微小であり、Ｘ線透過試験及び超音波探傷試験等の非破壊試験で冷接欠陥を検出することは困難であるため、従来の電縫鋼管の製造方法においては、主に、製造後の電縫鋼管から試験材を採取し、扁平試験と呼ばれる破壊試験により圧縮応力負荷時における溶接部の破断発生状況を確認するか、又は溶接途中に試験材を採取して溶接衝合部付近の溶接断面を観察して板厚方向の溶融状況を確認し、その結果から冷接欠陥を防止するための溶接入熱量を設定する必要がある。そして、これらのオフライン試験により冷接欠陥の発生を確認するまでに時間を要するため、その間は冷接欠陥の発生を抑制することができず、製品の歩留まりが低下する要因となっている。

一方、電縫鋼管を溶接する際の溶接入熱の適正範囲は、板厚及び板幅の変化、電源変動、成形変動、インピーダンスの劣化、高周波の発振変化、誘導コイル又はコンタクトチップから衝合点までの距離の変化、及び速度変化等の溶接条件の変化によって、時々刻々変化するため、従来の電縫鋼管の製造方法においては、最初から溶接入熱を高めに余裕をもって設定し、その他の溶接条件が変化した場合でも、入熱不足による微細な酸化物に起因する冷接欠陥の発生を抑制している。しかしながら、この方法は、最初から溶接入熱を高めに設定しているため、消費電力が増加し、製造コストが増加すると共に、溶接入熱が過度に高くなった場合に発生しやすいアーキングと呼ばれる短絡現象の発生、溶融金属飛散（スパッタ）の発生、及びスパッタの鋼管表面への付着による製品外観の劣化等の問題点がある。

そこで、従来、電縫鋼管溶接時の入熱量の最適範囲を、溶接状況の変動を検知するためのオフライン情報をもとにリアルタイムに制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。具体的には、溶接中のビード表面の温度を、放射温度計を用いて測定し、この測定値に基づいて入熱量をフィードバック制御する方法が知られている。

また、特許文献１には、電縫管の製造ラインにおいて、溶接点上方に高速シャッターを備えた２次元イメージセンサカメラを設置して溶接点周辺の静止画像を撮影し、得られた映像信号をデジタル信号に変化して電子計算機システムのメモリにデジタル画像として取り込み、このデジタル画像の濃度レベルにより溶接点周辺の温度分布の測定を行うか、又はこのデジタル画像の二値化演算処理を行うことにより得られる二値画像により、溶接点周辺の温度分布、溶鋼排出量、溶接点位置及びＶ収束角のうちの１種以上を計測する方法が開示されている。

更に、特許文献２には、溶接点近傍での溶接現象モードを輝度レベル及び輝度分布としての画像信号として捉え、この画像信号とその他の溶接欠陥発生要因（素材要因、成型要因、雰囲気要因、機械要因の少なくとも１種以上）を計測監視し、画像計測値及び上述したその他の溶接欠陥発生要因の計測値との特徴量をメンバーシップ関数とし、それらの計測値と入熱補正量との関係をファジィ推論するプラグラムとして、このメンバーシップ関数を計測値に応じて入熱調整の補正項として用いる電縫管溶接方法が開示されている。

更にまた、特許文献３には、少なくとも溶接金属を含む衝合点とその近傍を撮像手段で撮像し、溶接線方向をＸ座標軸とし、このＸ座標軸に対して垂直な方向をＹ座標とする二次元画像データを二値化処理した後、更に衝合点からＸ座標軸方向の所定範囲において、溶融金属画像の外縁線上におけるＹ座標のばらつきを求め、このＹ座標のばらつきに基づいて溶接入熱を制御する電縫管の溶接方法が開示されている。

特開昭６１−１４０３８４号公報特開平４−３１９０７９号公報特開２００５−３１９４７３号公報

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、前述した溶接部の表面温度を計測する方法は、特定溶接領域の平均温度を測定することは可能であるが、溶接部の温度の局所的変化を測定することができないため、局所的な入熱不足により発生する溶接欠陥の発生条件を精度よく予測及び抑制することは困難であるという問題点がある。

また、特許文献１に記載の方法は、溶接点上方に配置した２次元イメージセンサカメラで撮影した画像データを基に演算処理を行っているが、溶接中は溶接部周辺にはスクイズロールの冷却水等に起因する水蒸気が発生するため、撮像画像の濃度レベルが変動し、演算値の誤差が大きくなるという問題点がある。

更に、特許文献２に記載の方法は、画像測定値（輝度）以外に、上述したその他の溶接欠陥発生要因の測定値を基に入熱量の大小、材料の変動、成形状態を推論し、その結果に基づき入熱量を補正するものであるが、この画像処理方法では、冷接欠陥の原因である酸化物及び溶融金属の変動を捉えることができず、溶接欠陥の発生を検出できないという問題点がある。また、ここで測定している輝度は、入熱量以外にも表面スケールの影響、水蒸気の有無、板厚及び溶接速度によっても変化するため、欠陥発生の有無を聞ける閾値を設定することは困難である。

更にまた、特許文献３に記載の方法は、Ｙ座標のばらつきから入熱量を設定するものであるが、Ｙ座標のばらつきは入熱量以外にアプセット量及び板厚等によっても影響を受けるため、溶接欠陥発生の有無を決める閾値を設定することが困難であるという問題点がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなさなれたものであって、成形変動及び測定誤差による影響を受けずに溶接入熱量を制御することができ、溶接時の入熱不足に起因する電縫鋼管における冷接欠陥の発生を安定して抑制できる電縫鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電縫鋼管の製造方法は、鋼板を円筒状に成形し、前記鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき突合せ角度φが下記数式（１）を満足する条件で、衝合部に溶融金属を形成して溶接する電縫鋼管の製造方法であって、溶接線方向で突合せ面が最初に衝合する位置である衝合点と、前記溶融金属を含む前記衝合点の近傍とを撮像し、得られた画像データに基づいて、前記溶接線方向をＸ座標軸とし、未溶融部が接触する未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）としたときに、溶接点ｘの位置が前記原点から溶接方向上流側に２．０ｍｍ以上移動するように入熱量を制御しながら溶接することを特徴とする。

この電縫鋼管の製造方法においては、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となる入熱量を（ＥｐＩｐ）ｌｏｗ、溶接速度をＶ（ｍ／分）、鋼板の板厚ｔの１／２をｄ（ｍｍ）、給電距離をｌ（ｍｍ）、Ｖ収束角をθ（°）としたとき、入熱量を（ＥｐＩｐ）ｌｏｗ以上かつ下記数式（２）及び数式（３）に基づき規定される（ＥｐＩｐ）ｕｐｐｅｒ以下の範囲にして溶接してもよい。

本発明によれば、溶接点の位置が未溶着時の溶接点よりも２．０ｍｍ以上溶接方向上流側になるように入熱量を制御しながら電縫溶接しているため、成形変動及び計測誤差によって発生する溶接移動の影響を受けずに、アーキング及びスリットが発生しない範囲に入熱量を制御することができ、溶接時の入熱不足に起因する冷接欠陥の発生を安定して抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、コンタクトチップにより直接通電加熱する場合を例にして説明する。図１は本実施形態の電縫鋼管の製造方法を模式的に示す斜視図である。また、図２（ａ）は図１に示す電縫鋼管の溶接部を示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。図１に示すように、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、先ず、例えば板厚ｔが１〜２２ｍｍ程度の帯状の鋼板（帯鋼）１を方向３に向かって連続的に搬送しながら、多数のロール群（図示せず）により円筒状に成形する。そして、円筒状の帯鋼１の内部にインピーダー６を配置し、誘電コイル（図示せず）又は１対のコンタクトチップ７により高周波電流５を流しつつ、スクイズロール２によりアップセットを加えて、帯鋼１の突合せ部を溶融接合（電縫溶接）する。その際、スクイズロール２による加圧により、帯鋼１の衝合部付近に形成された溶融金属（図示せず）の一部と共に酸化物が排出され、溶接シーム４が形成される。

本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、上述した電縫溶接工程において、図２（ｂ）に示す突合せ角度φが下記数式（４）に示す範囲内になるようにする。高周波電流１は、表皮効果により帯鋼１の突合せ部に集中するが、突合せ角度φが下記数式（４）に示す範囲から外れると、近接効果による編流により、溶接衝合面エッジの過溶融と板厚中心部の溶融不足が生じて溶接欠陥が発生しやすくなる。なお、ここでいう突合せ角度φは、誘電コイル又コンタクトチップ７よりも溶接下流側における突合せ端面間の角度である。

また、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、上述した電縫溶接工程において、少なくとも溶接金属を含む衝合点（溶接線方向で突合せ面が最初に衝合する位置）とその近傍を、例えばテレビカメラ及びＣＣＤカメラ等の撮像手段８で撮像する。そして、得られた二次元画像データに基づいて、溶接方向をｘ座標、未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）としたときに、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となるように入熱量を制御する。

一般に、電縫溶接においては、鋼板の板厚方向中心部よりも端部が先行して加熱され、溶融する。その結果、電縫溶接現象を鋼管表面側から観察し、溶鋼の排出状態を撮像しても、板厚方向端部の溶融及びアプセットによる溶鋼の排出によって、板厚方向中心部まで溶融しているか否かを確認することができない。このため、鋼板の板厚方向中心部まで溶融していなかった場合、端部の溶融部が電磁力によって排出されるため、溶融していない板厚方向中心部同士が接触することになる。これを鋼管外面から観察すると、未溶融部が接触する点があたかも溶接点のように観察されるが、実態は未溶融部が接触しているだけであるため、溶接面は未溶着となる。

一方、板厚方向中心部まで溶融している場合は、その溶鋼の一部が電磁力によって排出されるため、未溶着の接触状態から隙間が生じることとなるが、スクイズロール２によるアプセットにより、この隙間はつぶされ、溶接点が溶接方向に対してマイナス側（上流側）に移動する。このように溶接点がマイナス側に移動すれば、原理的には鋼板は板厚方向中心部まで溶融していることになるが、板厚方向中心部の溶融量が不十分である場合は、溶鋼の表面の酸化物を排出しきれずに冷接欠陥が発生する。具体的には、溶接方向をｘ座標、未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）としたとき、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍよりも大きいと、即ち、未溶着時の溶接点から溶接方向上流側に２．０ｍｍ未満の位置に溶接点ｘが存在していると、冷接欠陥が発生する。そこで、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、溶接点ｘが未溶着時の溶接点から溶接方向上流側に２．０ｍｍ以上の位置に存在するように、即ち、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となるように、入熱量を制御しながら電縫溶接を行う。これにより、成形変動及び計測誤差によって発生する溶接移動の影響も排除することができる。

なお、電縫溶接時の入熱量は、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となる範囲であれば、その他の溶接条件に応じて適宜設定することができるが、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となる入熱量（ＥｐＩｐ）_low以上で、かつ下記数式（５）及び数式（６）に基づき規定される（ＥｐＩｐ）_upper以下の範囲にすることが好ましい。なお、下記数式（５）におけるＶは溶接速度（ｍ／分）であり、Ｖｍは、鋼板の板厚ｔの１／２をｄ（ｍｍ）、給電距離をｌ（ｍｍ）、Ｖ収束角をθ（°）としたとき、下記数式（６）により求められる臨界速度（ｍ／分）である。

このように電縫溶接時の入熱量を、上記数式（５）及び数式（６）で規定される範囲内とすることにより、アーキング及びスリットの発生が防止できると共に、スパッタの発生も防止することができるため、溶接欠陥が大幅に低減し、溶接部品質が優れた電縫鋼管を製造することができる。

上述の如く、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、少なくとも溶接金属を含む衝合点とその近傍を撮像し、得られた二次元画像データに基づいて、溶接方向をｘ座標、未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）としたとき、溶接点ｘの位置が−２．０ｍｍ以下となるように入熱量を制御しながら電縫溶接しているため、成形変動及び計測誤差によって発生する溶接移動の影響を受けずに、アーキング及びスリットが発生しない範囲に入熱量を制御することができる。その結果、溶接時の入熱不足に起因する冷接欠陥の発生を安定して抑制することができるため、溶接部品質が優れた電縫鋼管を製造することができる。

以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、図１に示す方法により、入熱量を調節することで溶接点ｘの位置を変化させて電縫溶接し、実施例及び比較例の電縫鋼管を作製した。その際の溶接条件を下記表１に示す。なお、下記表１に示す溶接点ｘの位置は、テレビカメラにより撮像した画像を拡大し、溶接方向をｘ座標、未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）として測定した値であり、溶接上流側をマイナス、下流側をプラスとしている。

そして、各電縫鋼管について、溶接時の溶接現象種及び溶接部における冷接欠陥の発生率を調査した。その際、溶接後の電縫鋼管の溶接部からシャルピー試験片を切り出して、その溶接突合せ部に先端径０．２５Ｒ、深さ０．５ｍｍのノッチを形成し、シャルピー試験を実施した後、延性破断した部分の破面観察を行い、溶接面積に対するペネトレータ（酸化物に起因する溶接欠陥）の面積率を測定し、その値を冷接欠陥率として評価した。そして、冷接欠陥率が０．０５％以下のものを良好、０．０５％を超えるものを不良とした。

また、溶接現象は、発振周波数変動計により評価し、発振周波数に依存する電源リップルが検出された場合を１種、周波数変動によって上記リップルが消滅している場合を２種とした。これらの評価結果を上記表１に併せて示す。

上記表１に示すように、溶接点の位置が未溶接時の溶接点の位置と同じ（ｘ＝０）であった比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．４の電縫鋼管は、入熱不足となり、冷接欠陥率が高かった。また、比較例Ｎｏ．２及び比較例Ｎｏ．６の電縫鋼管は、溶接現象が２種であり、溶接欠陥はなくなるが、スパッタが発生した。更に、比較例Ｎｏ．３の電縫鋼管は、突合せ角度φが０〜ｔａｎ（０．４／ｔ）^−１の範囲から外れていたため、鋼管内面側ではスパッタが発生し、外面では冷接が発生した。なお、比較例Ｎｏ．２、Ｎｏ．５及びＮｏ．６では、上述した理由から溶接点の移動距離では冷接発生有無を判定できないため、溶接点の測定は実施しなかった。

これに対して、本発明の範囲内の条件で作製した実施例Ｎｏ．６〜８の電縫鋼管は、いずれも溶接現象が１種となり、冷接欠陥率も０．０５％以下と低く、溶接部品質が優れていた。

本実施形態の電縫鋼管の製造方法を模式的に示す斜視図である。（ａ）は図１に示す電縫鋼管の溶接部を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。従来の電縫鋼管の製造方法を示す模式図である。

符号の説明

１、１０１帯鋼（鋼板）
２、１０３スクイズロール
３、１１０搬送方向
４、１０５溶接シーム
５高周波電流
６インピーダー
７コンタクトチップ
８撮像手段
１０２高周波コイル
１０４突合せ端面

Claims

鋼板を円筒状に成形し、前記鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき突合せ角度φが下記数式（Ａ）を満足する条件で、衝合部に溶融金属を形成して溶接する電縫鋼管の製造方法であって、
溶接線方向で突合せ面が最初に衝合する位置である衝合点と、前記溶融金属を含む前記衝合点の近傍とを撮像し、得られた画像データに基づいて、前記溶接線方向をＸ座標軸、未溶融部が接触する未溶着時の溶接点を原点（ｘ＝０）としたときに、溶接点ｘの位置が前記原点から溶接方向上流側に２．０ｍｍ以上移動するように入熱量を制御しながら溶接することを特徴とする電縫鋼管の製造方法。