JP5246056B2

JP5246056B2 - 溶接部性状に優れる電縫鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP5246056B2
Application number: JP2009144421A
Authority: JP
Inventors: 博俊菱田; 均朝日
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: JP2011000602A

Description

本発明は、電縫鋼管の製造方法に関する。

電縫鋼管は、素材である鋼板又は鋼帯（以下、総称して鋼板という。）をロール成形により管状に成形し、端部同士を突合せて、加圧しながら誘導加熱や通電加熱によって溶接し、製造される。鋼板の端部は、スクイズロールの直前で近接し、例えば、通電加熱によって鋼板の端面を溶融させ、スクイズロールで加圧し、溶接後、冷却される。

鋼板を、例えば、コンタクトチップで通電加熱すると、端面の角部が優先的に加熱されるものの、通常、電縫鋼管を製造する際には、肉厚の中央部分の温度も上昇する。そのため、端面同士を衝合して応力を加えた際に、酸化物等が溶接部から押し出され、溶接欠陥を生じることはない。

しかし、鋼板の肉厚が増加すると、肉厚の中央部の加熱が不十分になり、溶接部に未溶着部が残存し易くなる。また、端面同士を衝接する際に酸化物等が溶接部から十分に排出できず、ペネトレータと呼ばれる欠陥が残存するという問題が生じる。

このような問題に対して、図５に示すように鋼板の側部の角部を面取りし、テーパー形状の開先を設ける方法（例えば、特許文献１、２）、あるいは図６に示すように鋼板の側部の角部をＲ加工する方法（例えば、特許文献３〜５）が提案されている。これらの方法は、酸化物を溶接部から排出するために有効である。しかし、特に、肉厚を厚くした場合には、酸化物や未溶着部が残存し、溶接部の清浄度が十分ではなかった。

特開２００３−１６４９０９号公報特開２００７−１６０３８２号公報特開２００７−３１９８６９号公報特開２００７−３１９９００号公報特開２００８−１２５８１号公報

鋼板を通電加熱すると、端面の角部が優先的に加熱されるため、通常、肉厚の中央部の近傍は溶接欠陥が生じやすい。特に、肉厚が増加すると、鋼板の肉厚の中央部の温度を上昇させるために、端部の電流密度を高めなければならない。しかし、交流通電加熱の場合には逆起電力が発生するため、肉厚の増加に対して、電源の容量を非常に大きくする必要がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、鋼板の側面の端部に適正な形状の開先を設け、電縫鋼管の溶接欠陥の発生の防止に要する電力の低減が可能な、溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法を提供するものである。

本発明は、特に、鋼板を管状に成形し、端面を突合せて通電加熱する際に、鋼板の肉厚の中央部の近傍も加熱されるように、適正な形状の開先を設け、端面全体の温度を上昇させ、溶接欠陥の発生を抑制する方法であり、その要旨は以下のとおりである。
（１）鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が１５．３ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に開先を設け、該開先は厚み方向両側の円弧部と厚み方向中央の直線部とからなり、該直線部は厚み表面部に対して直角であり、該直線部の長さが肉厚の８％以下であり、前記厚み方向両側に位置する２つの円弧部の半径ｒを同一にし、かつ、該半径ｒを、前記鋼板又は鋼帯の肉厚ｔ、前記直線部の長さＷに対して、
（ｔ−Ｗ）／２
とすることを特徴とする溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法。
（２）鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が１５．３ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に、半円状の開先を設けたことを特徴とする溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法。

本発明によれば、電縫鋼管の溶接欠陥の発生の防止に要する電力の低減が可能な、溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法を提供することが可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。

本発明の第１の実施形態に係る鋼板の端部の開先形状を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る鋼板の端部の開先形状を示す図である。肉厚と消費電力との関係に及ぼす開先の形状の影響を示す図である。直線部の長さの肉厚に対する比率と消費電力との関係を示す図である。従来のテーパー開先の形状を示す図である。従来のコーナーＲ状の形状を示す図である。

鋼板の断面形状が矩形である場合、通電加熱を行うと、角部に電流が集中する。溶接時には、角部は電流集中によって最初に溶融するため、その分の電力は、結果的に無駄になる。また、角部が溶融し、電磁力や重力によって溶け落ちた後、端面は、必ずしも半円形にはならず、電力の損失を助長する。

これに対して、従来は、図５に示すように、鋼板の断面形状の角部をテーパー状の開先とする方法や、図６に示すように、コーナーＲ部８を有する開先とする方法提案されていた（特許文献１〜５）。しかし前述のとおり、特に、肉厚を厚くした場合には、酸化物や未溶着部が残存しやすく、溶接部の清浄度が十分ではなかった。溶接部の健全性を確保するためには、肉厚が厚い場合は電源の容量を非常に大きくする必要があった。

本発明者らは、図２に示すように、鋼板の側部の端面に、半円形の開先を設ける方法により、上記問題点を解決できるのではないかと考えた。ここで半円形の開先は、鋼板の端部断面形状を半円形の形状４とし、その半径ｒを板厚ｔの半分とすることにより、厚み表面部５になめらかに続くことができる。ここで端部断面とは、鋼管の軸方向に垂直な断面を意味する。

そこで、本発明者らは、開先の形状が、電縫溶接時の電力に及ぼす影響について検討を行った。肉厚が、２ｍｍ、４ｍｍ、４．８ｍｍ、５．６ｍｍ、７．４ｍｍ、１０ｍｍ、１１．６ｍｍ、１３．４ｍｍ、１５．３ｍｍ、１９．１ｍｍである鋼帯の端面に、図５に示したテーパー状の開先、図６に示したコーナーＲ部８を有する開先、図２に示した半円形の開先を切削加工によって設けた。なお、テーパー状の開先では、テーパー角θを４５°、開先深さαを肉厚の１０％とした。また、コーナーＲ部８を有する開先では、コーナーＲ部８の半径ｒを板厚の２５％とした。また、比較として、開先を設けず、端部形状が矩形のままの鋼帯も使用した。

ロール成形及び電縫溶接によって、直径３３０ｍｍの鋼管を製造する際に、電力量を変化させて溶接を行い、溶接部の健全性が保持される最も少ない最適電力を求めた。そして求めた最適電力と、肉厚との関係を整理し、図３に示した。図３に示したように、開先の形状が半円形（図２）であると、テーパー状の開先（図５）や、半径ｒを板厚の２５％としたコーナーＲ状の開先（図６）を設けた場合、開先を設けない場合に比べて、電力が少なくなることがわかる。

また、端部を半円形に加工することによる省電力の効果は、肉厚の増加とともに顕著になる。特に、肉厚が４．８ｍｍ以上になると、開先を設けない場合に比べて、１５％以上の電力を削減することができる。したがって、本発明では、肉厚を４．８ｍｍ以上とする。なお、肉厚が厚いほど、本発明の効果は顕著になり、肉厚は１５．３ｍｍ以上であることが好ましい。

更に、鋼板の端部を突き合わせる際には、端部の形状が図２に示すように半円形の形状４であるよりも、図１に示すように、肉厚の中央付近に直線部２を設けることが好ましい。そこで、電力を抑制する効果を損なわずに、肉厚の中央付近に設けることができる直線部２の、肉厚に対する割合について検討を行った。この場合、開先は厚み方向両側の円弧部３と厚み方向中央の直線部２とからなり、端部断面において、円弧部３はそれぞれ直線部２と厚み表面部５になめらかに続いている。円弧部３の半径ｒを（肉厚ｔ−直線部長さＷ）／２とすることにより、端部断面１において、円弧部３と直線部２、円弧部３と厚み表面部５の間をなめらかにつなぐことができる。端部断面において好ましくは、直線部２を厚み表面部５に対して直角とする。また好ましくは、端部断面の厚み方向両側に位置する２つの円弧部３の半径ｒを同一の半径とする。

本発明者らは、肉厚が、１５．３ｍｍ、１９．１ｍｍである鋼帯の端面に、円弧部３の半径ｒを変化させて、端部断面形状を、厚み方向両側の円弧部３と、厚み方向中央の直線部２とからなる形状とした。図１に示したように、中央部の直線部２の長さをＷとし、肉厚ｔに対する割合（％）と、直径６０９．６ｍｍの鋼管を製造した際の、溶接部の健全性が保持される最も少ない最適電力との関係を図４に示す。

図４に示したように、直線部の長さＷを板厚ｔの８％以下にすると、電力を抑制できる効果が顕著になる。また、電力抑制効果が顕著になるのは、鋼板の肉厚が４．８ｍｍ以上の厚肉の場合であった。鋼板の肉厚が１５．３ｍｍ以上の厚肉においてより一層顕著になる。

そこで本発明の厚肉電縫鋼管の製造方法は第１に、鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が４．８ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に開先を設け、該開先は厚み方向両側の円弧部と厚み方向中央の直線部とからなり、該直線部の長さが肉厚の８％以下である形状とする。

図４において、直線部比率０％は、端部に設けた開先の形状が半円形とした図２の場合であることを意味する。

そこで本発明の厚肉電縫鋼管の製造方法は第２に、鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が４．８ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に、半円形の開先を設ける。

本発明の電縫鋼管の製造方法は、鋼種や用途を問わず、鋼板の成分、組織、特性及び製造方法は規定しない。鋼板の端部の開先は、切削加工又は研削加工によって設けることができる。例えば、開先の上下から、角度が４５°、３０°、６０°、１５°、７５°の切削ロールを順番にコイル端部に当てて切削し、最後に丸形の磨きロールで研削することが好ましい。

電縫溶接の方法は特に規定せず、コンタクトチップ方式、ワークコイル方式を採用することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明について具体的に説明する。

電縫鋼管を製造する際、鋼板の側部の端面に開先を設け、端部断面における開先の形状を、図１に示すように、厚み方向両側の円弧部３と、厚み方向中央の直線部２とからなる形状とした。厚み表面部５と直線部２とは互いに直角であり、円弧部３は厚み表面部５と直線部２にそれぞれなめらかに続いている。円弧部３の半径ｒを、（肉厚ｔ−直線部長さＷ）／２として定めた。直線部長さＷを種々変更した。表１、２において「半円形」と書かれているのは、直線部長さＷ＝０であり、図２の形状を有している場合である。また、Ｗ／ｔ＝１００．０の場合は、円弧部３を有していない場合である。

Ｃ量が０．２４質量％であり、引張強度が６２０ＭＰａ、肉厚が１５．３ｍｍの鋼帯を素材とし、表１に示すように直線部長さＷを種々変更し、電縫鋼管を製造する際の、溶接部の健全性が保持される最も少ない最適電力［ｋＷ］を測定した。結果を表１に示す。

同様に、Ｃ量が０．２４質量％であり、引張強度が６２０ＭＰａ、肉厚が１９．１ｍｍの鋼帯を素材とし、開先の円形状の半径によって、表２に示すように直線部の距離Ｗ［ｍｍ］を変化させ、電縫溶接時に溶接部の健全性が保持される最も少ない最適電力を測定した。結果を表２に示す。

表１及び２に示したように、直線部２の長さＷが板厚ｔの８％以下である本発明例においては、最適電力が小さくなることがわかる。なお、肉厚が増加した場合は、図２に示すような半円形の開先を設けるよりも、図１に示すように直線部を存在させた方が、製造コストの削減の効果が大きくなる可能性がある。

Ｃ量が０．２４質量％であり、引張強度が６２０ＭＰａ、肉厚が２ｍｍ、４ｍｍ、４．８ｍｍ、５．６ｍｍ、７．４ｍｍ、１３．４ｍｍの鋼帯を素材とし、電縫鋼管を製造する際の、溶接部の健全性が保持される最も少ない最適電力を測定した。鋼帯の端面には、図２に示した本発明の半円形の開先、又は、図５に示した比較例のテーパー状の開先７を切削加工によって設けた。なお、開先テーパー角θは４５°、開先深さαは肉厚、溶接部の健全性が保持される最も少ない最適ｔの１０％とした。さらに、比較例として、開先を設けずに、そのまま素材も使用した。

これらの鋼帯を素材として、ロール成形及び通電加熱によって、外径３３０ｍｍの電縫鋼管を製造した。それぞれの電縫鋼管の製造に要した最適電力［ｋＷ］を表３に示す。

１開先
２直線部
３円弧部
４半円形の形状
５厚み表面部
６鋼板
７テーパー状開先
８コーナーＲ部
ｔ肉厚
Ｗ直線部の長さ
α 開先深さ
θ 開先テーパー角

Claims

鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が１５．３ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に開先を設け、該開先は厚み方向両側の円弧部と厚み方向中央の直線部とからなり、該直線部は厚み表面部に対して直角であり、該直線部の長さが肉厚の８％以下であり、前記厚み方向両側に位置する２つの円弧部の半径ｒを同一にし、かつ、該半径ｒを、前記鋼板又は鋼帯の肉厚ｔ、前記直線部の長さＷに対して、
（ｔ−Ｗ）／２
とすることを特徴とする溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法。
鋼板又は鋼帯を管状に成形し、抵抗溶接する電縫鋼管の製造方法において、肉厚が１５．３ｍｍ以上の鋼板又は鋼帯の側部の端面に、半円形の開先を設けたことを特徴とする溶接部性状に優れる厚肉電縫鋼管の製造方法。