JP5125670B2 - 溶接品質に優れた電縫溶接管の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、溶接品質に優れた電縫溶接管の製造方法に関し、詳しくは、溶接部に生成される微小酸化物を減少させるために電縫溶接時の入熱量を制御する、溶接品質に優れた電縫溶接管の製造方法に関する。

近年、成形、溶接技術の発展に伴い、炭素鋼管をはじめステンレス鋼管、Ｔｉ管、超合金管等種々の電縫溶接管が製造されるようになり、その用途はラインパイプ、配管、構造用管等と多岐にわたるようになってきた。これらの用途における電縫溶接管の使用条件は年々苛酷さを増し、溶接部に対する品質要求が厳しくなる傾向に有り、溶接欠陥の防止が重要な課題となっている。

一般に、電縫溶接管の製造においては、素材が金属帯であるワークを、ロール成形により連続的に幅を丸めて、幅の両端部が向かい合ったシーム部を有するオープン管形状とし、このシーム部を、高周波加熱およびスクイズ圧接により、溶接（電縫溶接）して管にする方法がとられる。かかる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）が低すぎると、主に、シーム部が未溶着になる溶接欠陥、あるいは、シーム部の溶融不足に起因する、冷接欠陥と称される溶接欠陥が生じることが知られている。一方、入熱量が高すぎると、シーム部にペネトレータと称される溶接欠陥が発生しやすくなることが知られている。

前記入熱量の変化に伴い、溶接点の位置が変化することが知られている。すなわち、ワークのシーム部は通材の向きに間隔が狭くなるＶ字形をなし、その幾何学的なＶ収束点が溶接点となっているが、この溶接点の位置は必ずしも一定ではなく、溶接条件によって変化する。そこで、溶接点を基準位置に安定させるために、溶接点近傍位置を睨んで設置したカメラによりその領域をオンラインで撮影し、得られる画像の輝度レベルを２値化処理して溶接点位置を検知し、この現溶接点位置と所定の基準溶接点位置との偏差がゼロになるように、溶接機の入熱電圧を制御することが知られている（特許文献１）。

また、入熱量の変化に伴い、溶接点がＶ収束位置から分離する現象が知られている（非特許文献１）。この現象では、Ｖ収束位置よりも前方（通材方向の下流側）に溶接点が移行し、Ｖ収束位置と溶接点の間はシーム部が未溶着の狭間隙部が発達するような形態が現出する。かかる溶接点近傍の形態変化情報を捉えて溶接欠陥を防止すべく、溶接入熱を最適に制御する方法として、溶接電源の周波数変動を監視し、それが最適になるよう入熱制御する方法（特許文献２）などが知られている。
特開平8-71638号公報 特開昭61-135490号公報 製鉄研究第297号p.84-93

しかし、前記従来の技術によるのでは、苛酷な環境で使用される電縫溶接管の品質要求を十分満足する範囲まで、溶接欠陥を低減させるのは困難であり、この点が課題であった。

発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究し、その結果、次の知見を得た。すなわち、図２に示すように、適正な入熱条件（図２(b)）であれば、溶接点３の位置は中位に変動するとともに、溶接点３から後方（通材方向の上流側）のＶ収束位置（端面１，１が斜め対向状態から正面対向状態に変わる位置）７までの範囲に形成した狭間隙部４の長さＬの変動も中位である。一方、溶接入熱が低い（図２(a)）と溶接点３の位置変動は小さく狭間隙部はほとんど形成せず、また、溶接入熱が高い（図２(c)）と溶接点３の後方の狭間隙部４が大きくなり、その長さＬは0.1秒以下の短時間のうちに大きく変動する。なお、狭間隙部４の長さ範囲内で、あたかもシーム部が接合しているかのような箇所がいくつか見られる場合があるが、そのような箇所は無視する。すなわち、狭間隙部４が破線状に見えるときは、その破線の延在範囲の最前方端を溶接点３としてそこからＶ収束位置７までの長さを狭間隙部４の長さとして採用する。

そして、適正な溶接条件に対応する狭間隙部４の長さＬの上下限は、ワークの板厚、管の外径、および溶接速度をパラメータとした線形関数と非常に良い相関関係を有している。
すなわち、溶接点近傍の形態変化情報を捉えるのではなく、狭間隙部の長さそのものを観測し、これが適正な範囲に収まるように溶接入熱を最適化することにより、溶接欠陥を格段に低減させうることを把握し、以下の要旨構成になる本発明をなした。
（請求項１）
素材が金属帯であるワークを、連続的にロール成形してオープン管とし、その周方向両端部に形成したシーム部を高周波加熱および圧接する電縫溶接により、管となす電縫溶接管の製造方法において、ワークの溶接点近傍箇所を高速度カメラにより１/200秒以下の撮影速度で10ｍｓ以上の時間連続撮影し、その撮影画像を基に、溶接点からＶ収束位置までの狭間隙部の長さを計測し、該計測した狭間隙部長さL(mm)が下記式(1)を満たすように電縫溶接の溶接入熱を調整することを特徴とする、溶接品質に優れた電縫溶接管の製造方法。

記
0.259t+0.013d-0.00548v-6.16＜L＜0.259t+0.013d-0.00548v+23.84 …(1)
ただし、t：金属帯の板厚(mm), d：管の外径(mm), v：溶接速度(mm/s)

本発明によれば、溶接点からＶ収束位置までの狭間隙部の長さを高精度に計測でき、この計測長さを用いて狭間隙部の長さが最適になるように溶接入熱を設定することにより、溶接品質の極めて優れた電縫溶接管の製造が可能である。

以下、本発明の実施形態について、図１に示す例を用いて詳細に述べる。素材が金属帯であるワーク10は、ロール成形により連続的に幅を丸められてオープン管とされ、該オープン管の周方向両端面（シーム部）１，１がＶ字状に収束しながら、ワークコイル２から誘導供給される高周波電流により加熱・溶融されて、Ｖ収束位置７および/または狭間隙部４内のどこかの位置で接合したかのような様相を呈し、スクイズロール５，５で圧接されて、溶接点３の位置で溶接が完了する（溶接点３、狭間隙部４、Ｖ収束位置７については図２参照）。なお、溶接点３の下流側のシーム溶接部９に形成した管外面側のビード11はバイト13で切削され、ビード屑12となる。また、ワークコイル２による端面加熱効率を高めるべく、インピーダ14をロッド15で支持してオープン管内面側に配置している。

本発明で必須に用いる高速度カメラ６は、デジタル式のものとする。無論、撮影した画像を録画可能でかつパソコン、プリンタ等へ出力可能なものである。また、光学レンズ系を有するものが好ましい。高速度カメラ６は、狭間隙部４の全長が同一視野内に収まるような、ワーク10外面側の位置に配設するとよい。また、視野に狭間隙部４の全長が収まりきらない場合は、高速度カメラ６を管軸方向に移動させるとともに傾斜させて複数の視野で全長をカバーしてもよい。その場合には撮影画像の補正を行う。また、本例では撮影対象からの光を、直接、高速度カメラ６の視野に入射させるようにしたが、これに限らず、撮像対象からの光を、ファイバスコープや反射鏡等で伝送して、高速度カメラ６の視野に入射させるようにしてもよい。

前記高速度カメラでワークの狭間隙部を撮影する際には、撮影速度1/200秒以下で10ｍｓ以上の時間連続撮影する。撮影速度が1/200秒を超える遅い速度である場合は、狭間隙部の長さが短時間のうちに変化する現象を捉えることが困難である上に、シーム溶接部の撮影像が不鮮明になるため、撮影速度は1/200秒以下の速い速度とする必要がある。また、最適入熱条件下では、狭間隙部の長さがある程度の周期性をもって変化しており、その長さ変化は、10ｍｓ未満の観測時間（連続撮影時間）では十分に捉えきれないため、連続撮影時間を10ｍｓ以上とする必要がある。

前記高速度カメラで撮影し録画した、狭間隙部像を含む画像をモニタ20に送って再生し、この再生画像を基に狭間隙部の長さを計測する。この計測した狭間隙部長さL(mm)が、いずれの時間においても式(1)すなわち、
0.259t+0.013d-0.00548v-6.16＜L＜0.259t+0.013d-0.00548v+23.84 …(1)
を満たすように、溶接入熱を調整する必要がある。ただし、t：金属帯の板厚(mm), d：管の外径(mm), v：溶接速度(mm/s)、である。溶接速度はワーク10の通材速度である。溶接入熱はワークコイル２への供給電力量により調整される。

狭間隙部長さが式(1)の左辺値（L下限）以下であると、溶接入熱が不足して、冷接欠陥などが発生しやすくなるため、狭間隙部長さはL下限を超える必要がある。一方、狭間隙部長さが式(1)の右辺値（L上限）以上であると、溶接入熱が過大となり、シーム溶接部が溶け落ちやすくなるとともに、ペネトレータなどの溶接欠陥が発生しやすくなるため、狭間隙部長さはL上限を下回る必要がある。

ワークの素材に0.05％（質量％、以下同じ）Ｃ‐0.2％Si‐1.4％Mn鋼（Ac₃変態点：約860℃）の熱延鋼帯を用い、図１に例示し説明した実施形態に則って、表１に示す種々の溶接条件で電縫溶接を行い、狭間隙部長さLを計測した。高速度カメラによる撮影速度は1/500秒、連続撮影時間は100ｍｓとした。本発明例では、計測したLが式(1)を満たすように溶接入熱を調整した。一方、比較例では、計測したLが式(1)を満たさないように溶接入熱を調整した。

得られた電縫鋼管のシーム溶接部位置を２mmVノッチ位置とするシャルピー試験片を各条件で５本ずつ採取し、それらを用いてシャルピー衝撃試験を行い、延性破壊させた試験片破面をＳＥＭで観察し、溶接欠陥の面積率を測定した。
計測した狭間隙部長さL（最小L、最大L）、および測定した溶接欠陥の面積率を表１に示す。同表に示すとおり、本発明例では、比較例に比べて、溶接欠陥の面積率が格段に小さくなっており、本発明による溶接欠陥防止効果が極めて大きいことが明らかである。

本発明の実施形態の１例を示す説明図である。 本発明に用いる狭間隙部を示す説明図である。

符号の説明

１ 端面（シーム部）
２ ワークコイル
３ 溶接点
４ 狭間隙部
５ スクイズロール
６ 高速度カメラ
７ Ｖ収束位置
９ シーム溶接部
10 ワーク（加工対象物）
11 ビード
12 ビード切削屑
13 バイト
14 インピーダ
15 ロッド
20 モニタ

Claims (1)

1. 素材が金属帯であるワークを、連続的にロール成形してオープン管とし、その周方向両端部に形成したシーム部を高周波加熱および圧接する電縫溶接により、管となす電縫溶接管の製造方法において、ワークの溶接点近傍箇所を高速度カメラにより１/200秒以下の撮影速度で10ｍｓ以上の時間連続撮影し、その撮影画像を基に、溶接点からＶ収束位置までの狭間隙部の長さを計測し、該計測した狭間隙部長さL(mm)が下記式(1)を満たすように電縫溶接の溶接入熱を調整することを特徴とする、溶接品質に優れた電縫溶接管の製造方法。
   記
   0.259t+0.013d-0.00548v-6.16＜L＜0.259t+0.013d-0.00548v+23.84 …(1)
   ただし、t：金属帯の板厚(mm), d：管の外径(mm), v：溶接速度(mm/s)

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