JP5233902B2 - 電縫溶接鋼管の製造における帯鋼溶接継目部の破断抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫溶接鋼管（電縫鋼管）の連続造管において、造管ライン内で溶接継ぎした帯鋼の溶接継目部の破断を抑制するための熱処理方法に関する。

電縫鋼管の製造法は、図1に示すように、アンコイルした帯鋼を通板し成形ロールによって管状に成形し、成形された帯鋼の対向する両エッジを電縫溶接によって溶接するものである。ラインへの帯鋼の供給方法は、帯鋼を一本ずつ供給する方式（単フープ造管方式）と、先行帯鋼の後端と次帯鋼の先端をアーク溶接による溶接継ぎにより連結し、連続的に材料を供給する方式（連続造管方式）の２つに分けられる。

帯鋼を溶接継ぎし連続的に供給する方式は、冷間圧延ミルやメッキミルにも用いられるが、稀に帯鋼の溶接継目部（溶接継目及び溶接熱影響部）に破断が発生する場合がある。帯鋼継目部の破断発生後は、先行帯鋼の処理、次鋼帯の再通板が必要となり作業効率を著しく低下させ、さらに継目前後の品質不良部が長くなることによって歩留まりが低下する。このため、連続造管方式の電縫鋼管の製造では帯鋼継目部の破断防止が重要となっている。

このような破断の原因は、アーク溶接による溶接継目部の局部的な加熱に加え、溶接部近傍の熱影響を受けず常温のままの帯鋼部分が吸熱することよる冷却効果によって、溶接熱影響部が急冷され、脆化組織となるためである。この影響は、溶接割れ感受性の高い材料において特に顕著である。

帯鋼継目部の破断防止対策としては、連続圧延ミル等において、溶接前に余熱を実施し、更に溶接後一定温度に保持して溶接部が急冷されないようにすることにより靭性を改善する方法（特許文献１参照）、溶接後のレーザービームによる加熱によって、溶接部を焼入れ変態強化する方法（特許文献２参照）、及び、裏当装置に誘導加熱コイルを装備させて、溶接後に約８００℃で熱処理を行う技術（特許文献３参照）が提案されている。

しかし、連続造管方式の電縫鋼管ミルにおいては、帯鋼搬送時の引っ張りや曲げだけでなく、管状にロール成形する際にせん断力が発生するため、帯鋼の溶接継目部に求められる靭性は、圧延鋼帯の靭性に比べてより厳しいものとなる。

特開平５−５０２７６号公報 特開平８−２７６２０７号公報 特公平２−１７２７７号公報

本発明の課題は、帯鋼継目部に適当な熱処理を施し、靭性に優れた帯鋼溶接継目部を得ることにより、溶接割れ感受性の高い鋼種においても溶接継目部が破断することなく、連続造管を可能とする帯鋼溶接継目部の破断防止方法を提供することである。

本発明は、溶接後の帯鋼継目部をオーステナイト変態温度以上に加熱し、その後は空冷（徐冷）することによって、熱影響部の組織をフェライト変態させ、それによって帯鋼継目部の靭性を改善することを基本思想とするものである。その要旨は以下のとおりである。

（１） 帯鋼を巻き戻して連続的に管状にロール成形した後、向かい合った鋼板のエッジ部を電気抵抗溶接して製造する電縫溶接鋼管の製造工程において、
前記鋼帯が、該帯鋼の化学成分の含有量（質量％）を用いて下記の式で計算される炭素当量Ｃｅｑが０．４１以上の割れ感受性の高い帯鋼であるがどうかを判別し、
炭素当量Ｃｅｑが０．４１以上の帯鋼であると判別された場合には、先に巻き戻された帯鋼の後端と次に巻き戻す帯鋼の先端とを溶接継ぎした後、帯鋼の溶接継目部を前記ロール成形前に加熱処理して一旦オーステナイトに変態させ、ついで徐冷して延性を改善した後に前記ロール成形し、
炭素当量Ｃｅｑが０．４１未満と判断された場合は、前記溶接継ぎした後に前記加熱処理を行わないで前記ロール成形することを特徴とする帯鋼溶接継目部の破断抑制方法。
Cｅｑ＝C＋Si／24＋Mn／6＋Ni／40＋Cr／5＋Mo／4＋V／14
（２） 前記帯鋼の溶接継ぎ方法としてアーク溶接を使用し、前記溶接継目部の加熱処理方法としてガスバーナー加熱を使用することを特徴とする（１）に記載の帯鋼溶接継目部の破断抑制方法。

本発明により、破断の発生しやすい溶接割れ感受性の高い鋼種の帯鋼であっても、溶接継目部をフェライト変態させることによって、破断の発生率を著しく低減することができる。これにより、歩留まりや作業率の向上が達成可能である。

連続造管方式に基づく造管ラインの概要の説明図である。 加熱温度による鋼帯熱影響部の組織の変化を示す図である。

本発明者は、アーク溶接によって、鋼帯突合せ部のみが急激に加熱、急冷されることにより、溶接金属と鋼帯母材部との境界部の靭性が劣化すること、及び、特に、溶接割れ感受性の高い鋼種の鋼帯継目部の破断の多くは、鋼管成形の際に鋼板端部に生じるせん断応力によって、割れが発生し、溶接の際の加熱と急冷によって脆化した熱影響部をその割れが伝播するためであることを考慮して、破断を抑制する方法を考えた。

そこで、脆化した溶接金属と鋼帯母材部との境界部や溶接熱影響部の延性を改善するために、溶接継ぎした鋼板の継目部を種々の温度で加熱処理して、処理後の鋼板組織を調べるとともに、管に成形後の継目部の破断の有無を調べた。
その結果、加熱温度をオーステナイト変態温度未満とした場合、処理後の鋼板組織は、溶接したままで加熱処理なしの鋼板と同様の組織であり、加熱処理による組織の大きな変化はなく、破断発生率も加熱処理なしの鋼板と比べて低減するもではなかった。これに対し、加熱温度をオーステナイト変態温度以上とした場合には、フェライト主体の組織となり、管に成形したときの破断も認められなかった。

図２に、後述の実施例で用いた鋼板の加熱処理後の組織の一例を示す。
加熱温度がオーステナイト変態温度未満の温度である６００℃の場合では、図２（ｂ）に示すようにベイナイト主体の組織であって、図２（ａ）に示す溶接のままの組織と同様の組織であり、オーステナイト変態温度以上の温度である７５０℃で加熱処理した場合は、図２（ｃ）に示すようにフェライト主体の組織になっていることが分かる。

以上より、帯鋼の溶接継目部（すなわち、溶接継目及び溶接熱影響部）を管にロール成形する前に、オーステナイト変態温度以上の温度に加熱して、該溶接継目部を一旦オーステナイトに変態させ、ついで徐冷して、冷却後の組織をフェライト主体の組織とすることにより、溶接継目部の延性を改善でき、これによって、溶接継ぎされた帯鋼をロール成形するときの破断の発生を抑制できることが分かった。

つぎに、本発明を連続造管方式の電縫溶接管製造ラインに適用する場合を例に、さらに説明する。
製造ラインの設備レイアウトとしては、図１に示すように、コイルに巻かれた帯鋼を払い出すアンコイラ、払い出された帯鋼の端部の切断と継目溶接を行うコイル溶接機、継目溶接部を加熱する熱処理装置、ルーパー、成形機、電縫溶接機、整形機という順でラインが構成されている。

ルーパーは、継目溶接部の熱処理によるライン停止を防ぐため、熱処理によるライン停止分のバッファーを溜め込む機能を有する。
熱処理装置の設置位置については、帯鋼が成形される前に熱処理する必要があるため成形機の前である必要があり、さらにルーパーでの曲げや張力による継目溶接部の破断も考えられるためルーパーの前に設置される。

コイルに巻かれた帯鋼は、まずアンコイラより払い出されたのち、コイル溶接機にて、先行使用された帯鋼の後端部と次に使用される帯鋼の先端部をシャー切断により切除し、鋼帯同士の端面を対向させて突合せを作り、アーク溶接により継目溶接を行う。
使用される帯鋼は、巾３６０ｍｍ〜１３００ｍｍ、厚２ｍｍ〜１９ｍｍの範囲から、鋼管の外径、肉厚によって所定のものが選択される。
帯鋼継目の溶接は、板厚８ｍｍ未満の帯鋼では直流アーク溶接による１層溶接で行い、板厚８ｍｍ以上では、直流＋交流の２層アーク溶接で行うことにより厚い帯鋼を溶接継ぎする際のサイクルタイムの短縮を図っている。

継目溶接された帯鋼は、前記の式で表される帯鋼のＣｅｑ値によって熱処理の要否が自動判定され、熱処理が必要と判定された帯鋼は、熱処理装置の位置まで搬送された後、一旦搬送を停止し、搬送を停止した状態で加熱熱処理が開始される。熱処理不要と判定された帯鋼は、停止せずに熱処理装置を通過する。
なお、Ｃｅｑ値が０．４１未満の鋼帯では、溶接継目の破断が問題になることはないので、そのＣｅｑ値以上の場合を熱処理要と判定する。

熱処理の加熱方式は、ＣＯＧガスバーナー方式であり、バーナーは帯鋼の幅方向に中央から左右に１００ｍｍピッチで配置され、かつ、鋼帯上下両側の５０ｍｍ離れた位置に配置され、帯鋼の全幅を上下面の温度差なく加熱できるようになっている。
このバーナーによる帯鋼の加熱範囲は、溶接継目及び溶接熱影響部からなる溶接継ぎ目部の範囲であり、帯板の板厚や溶接の入熱にもよるが、溶接継目中心から±１５ｍｍ以下の範囲である。

熱処理の加熱温度は、幅方向３箇所（中央、中央から±１５０ｍｍ）に配置された放射温度計によって測定し、オーステナイト変態温度以上に加熱されたことを確認した後、帯鋼の搬送をスタートする。なお、加熱保持時間は設けず、加熱後の冷却は空冷による徐冷である。この結果、冷却後の組織はフェライト主体のものとなる。
なお、オーステナイト変態温度以上からの徐冷によりフェライト変態させるため、加熱温度は、あまり高い温度に加熱しても、特に高い効果が得られるものではないから、オーステナイト変態温度＋１００℃以下の範囲で充分である。

以後は、常法に従い、成形ロールによって管状に成形し、成形された帯鋼の対向する両エッジを高周波電縫溶接機によって溶接して管にされ、所定の計に整形した後、走間切断機で製品長さに切断される。

Ｃｅｑ０．３５、Ｃｅｑ０．４１及びＣｅｑ０．４６であり、板厚１２．４ｍｍ、板幅６８０ｍｍの帯鋼を準備し、帯鋼の端部同士を突き合わせてコイル溶接機にてアーク溶接し、その後、熱処理装置のＣＯＧガスバーナーにより、オーステナイト変態温度未満である６００℃とオーステナイト変態温度以上である７５０℃で加熱を行った。加熱後は大気徐冷により冷却した。なお、Ｃｅｑ０．３５の帯鋼については加熱処理を行わなかった。
用いた鋼の化学組成は、Ｃｅｑ０．４１鋼：Ｃ０．１６％、Ｓｉ０．２０％、Ｍｎ１．４５％、Ｖ０．０５％、Ｃｅｑ０．４６鋼：Ｃ０．２０％、Ｓｉ０．２０％、Ｍｎ１．５０％、Ｖ０．０５％であり、加熱処理なしの例として用いたＣｅｑ０．３５鋼：Ｃ０．１％、Ｓｉ０．２０％、Ｍｎ１．４５％、Ｖ０．０２５％であった。

上記帯鋼の加熱処理後の溶接継目部の鋼板組織を調べるとともに、帯鋼を管に成形した後の溶接継目部の破断の有無を調べた。
結果を表１に示すとともに、Ｃｅｑ０．４６鋼における組織写真を図２に示す。
加熱温度６００℃では、Ｃｅｑ０．４１鋼及びＣｅｑ０．４６鋼とも破断が発生していた。またその際の組織も、図２（ｂ）に示すように図２（ａ）の加熱なしで溶接のままの組織と同様のベイナイトを主体とする組織であった。
これに対し、加熱温度７５０℃では、図２（ｃ）に示すように、フェライト主体の組織となっており、鋼管成形時の破断も発生しなかった。

Claims (2)

1. 帯鋼を巻き戻して連続的に管状にロール成形した後、向かい合った鋼板のエッジ部を電気抵抗溶接して製造する電縫溶接鋼管の製造工程において、
   前記鋼帯が、該帯鋼の化学成分の含有量（質量％）を用いて下記の式で計算される炭素当量Ｃｅｑが０．４１以上の割れ感受性の高い帯鋼であるがどうかを判別し、
   炭素当量Ｃｅｑが０．４１以上の帯鋼であると判別された場合には、先に巻き戻された帯鋼の後端と次に巻き戻す帯鋼の先端とを溶接継ぎした後、帯鋼の溶接継目部を前記ロール成形前に加熱処理して一旦オーステナイトに変態させ、ついで徐冷して延性を改善した後に前記ロール成形し、
   炭素当量Ｃｅｑが０．４１未満と判断された場合は、前記溶接継ぎした後に前記加熱処理を行わないで前記ロール成形することを特徴とする帯鋼溶接継目部の破断抑制方法。
   Cｅｑ＝C＋Si／24＋Mn／6＋Ni／40＋Cr／5＋Mo／4＋V／14
2. 前記帯鋼の溶接継ぎ方法としてアーク溶接を使用し、前記溶接継目部の加熱処理方法としてガスバーナー加熱を使用することを特徴とする請求項1に記載の帯鋼溶接継目部の破断抑制方法。