JP5338511B2 - レーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いてオープンパイプ長手方向のエッジ部を溶接する鋼管（以下、レーザ溶接鋼管という）の製造方法に関し、特に油井管あるいはラインパイプ等の石油，天然ガスの採掘や輸送に好適なレーザ溶接鋼管の製造方法に関するものである。

油井管あるいはラインパイプとして用いられる鋼管は、溶接鋼管（たとえば電縫鋼管，ＵＯＥ鋼管等）とシームレス鋼管に大別される。これらの鋼管のうち、電縫鋼管は、熱間圧延した帯状の鋼板（いわゆるホットコイル）を素材として使用し、安価に製造できるので経済的に有利である。
しかし一般に電縫鋼管は、成形ロールを用いて鋼板を円筒状に成形してオープンパイプ（ここでオープンパイプとは、多段の成形ロールにより成形された端部が接合されていないパイプ状の鋼帯を指す。以下、オープンパイプと記す。）とし、そのオープンパイプのエッジ部（すなわち円筒状に成形した鋼帯の両側端部）をスクイズロールで加圧しながら電気抵抗溶接（高周波抵抗溶接とも呼ぶ）して製造するので、溶接による継ぎ目（いわゆるシーム）が必然的に存在し、そのシームの低温靭性が劣化するという問題がある。そのため電縫鋼管の油井管やラインパイプは、寒冷地での使用には課題がある。シームの低温靭性が劣化する理由は、エッジ部を溶接する際に高温の溶融メタルが大気中の酸素と反応して酸化物を生成し、その酸化物がシームに残留し易いからである。

また電縫鋼管は、エッジ部を溶接する際に溶融メタル中で合金元素が偏析し易いので、シームの耐食性が劣化し易いという問題がある。そのため電縫鋼管の油井管やラインパイプは、厳しい腐食環境（たとえばサワー環境）での使用には課題がある。
一方でシームの低温靭性や耐食性を劣化させない溶接法として、レーザビームによる溶接（以下、レーザ溶接という）が注目されている。レーザ溶接は、熱源の寸法を小さくし、かつ熱エネルギーを高密度で集中できるので、溶融メタルにおける酸化物の生成や合金元素の偏析を防止できる。そのため、溶接鋼管の製造にレーザ溶接を適用すると、シームの低温靭性や耐食性の劣化を防止することが可能である。

そこで溶接鋼管の製造過程にて、オープンパイプのエッジ部にレーザビームを照射して溶接することによって鋼管（すなわちレーザ溶接鋼管）を製造する技術が実用化されている。
ところがレーザ溶接では、溶融メタルは極めて狭い領域で形成される。そのため、スクイズロールで加圧されるオープンパイプのエッジ部が接合する位置（以下、接合点という）とレーザビームを照射する周方向の位置とにずれが生じると、レーザ溶接鋼管のシームが開口した状態となり、その部分は溶接不良として取り除く必要があり、レーザ溶接鋼管の歩留り低下を招く。なお、接合点はスクイズ点とも呼ばれるが、ここでは接合点と記す。

そのため、レーザ溶接鋼管を製造する際に、レーザビームの照射状況を監視する技術が種々検討されている。
たとえば特許文献１には、鋼板の片面からレーザビームを照射し、他方の面に発生するプラズマ光を監視することによって、レーザ溶接の状況を判定する技術が開示されている。しかしプラズマ光は広く散乱するので、この技術ではレーザ溶接の状況を精度良く把握することが困難であるばかりでなく、レーザビームを照射する位置がエッジ部から外れても精度よく認識できない。

また特許文献２には、レーザ溶接による発光強度を測定することによって、裏波ビードの形成状況を判定する技術が開示されている。しかし発光強度は様々な要因で著しく変動するので、この技術では裏波ビードの形成状況を精度良く把握することは困難である。
特許文献３は、アーク溶接によって生じる溶融メタルを撮影し、その画像に基づいて裏波ビードの形状を解析して溶接条件を制御する技術が開示されている。このアーク溶接の技術をレーザ溶接にそのまま適用すると、溶融メタルの鮮明な画像は得られない。その理由は、レーザ溶接では熱エネルギーが高密度で集中するので、過剰な光量が発生するからである。そのため、レーザ溶接における裏波ビードの形状を精度良く把握することは困難である。

なお特許文献３には、レーザビームを溶融メタルに干渉フィルターを介して照射する技術が開示されているが、このレーザビームは溶融メタルの撮影に用いるものであり、溶接に寄与するものではない。

特開平10-76383号公報 特開平8-267241号公報 特開2001-25867号公報

本発明は、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってレーザ溶接の状況を精度良く判定し、その判定結果に基づいて溶接条件を変更することによって、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造する方法を提供することを目的とする。

発明者らは、オープンパイプのエッジ部にレーザ溶接を施してレーザ溶接鋼管を製造するにあたって、レーザ溶接の状況を監視する技術について調査検討した。
図１(a)は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、本発明を適用してオープンパイプ１のエッジ部２の接合点を溶接する例を模式的に示す斜視図である。図１(a)中の矢印Ａは、オープンパイプの進行方向を示す。なお、レーザビーム３の照射によって発生する深い空洞（以下、キーホールという）４と、その周辺に形成される溶融メタル５は透視図として示す。そしてレーザビーム３を照射すると、図１(a)に示すように、高密度で集中する熱エネルギーによってエッジ部２が溶融するとともに、その溶融メタル４が蒸発して発生する蒸発圧と蒸発反力によって、溶融メタル５にキーホール４が発生する。キーホール４の内部には、レーザビーム３が侵入し、金属蒸気がレーザビーム３のエネルギーによって電離されて生じた高温のプラズマが充満していると考えられる。

また図１(b)および図１(c)は、図１(a)において、パイプの周方向（溶接線に対して垂直方向）の断面図である。
このキーホール４は、レーザビーム３の熱エネルギーが最も収斂する位置を示すものである。したがってキーホール４を監視し、図１(b)に示すように、エッジ部の接合点Ｃがキーホール４内に配置されるようにレーザ溶接を行なうことによって、レーザ溶接鋼管を安定して製造できる。ただし、エッジ部２の接合点Ｃとキーホール４とを一致させるためには、高精度の位置制御技術が必要である。そこでエッジ部２の接合点Ｃを、キーホール４の周囲に形成される溶融メタル５内に配置するようにレーザ溶接を行なっても良い。溶融メタル５のオープンパイプの周方向（溶接線に対して垂直方向）の長さＬ_mは、キーホール４の大きさ（直径）Ｌ_kに比べて大きいので、溶接ヘッド、およびその溶接ヘッド内に収納された集光レンズや集光ミラーの位置を制御することによって、比較的簡便な技術でレーザビーム３の照射位置を周方向に容易に制御できる。したがって本発明によれば、レーザ溶接鋼管を安定して製造できる。

しかも健全なレーザ溶接が進行しているときには、キーホール４は溶融メタル５の外面側から内面側まで貫通しており、キーホール４と接合点Ｃとの位置関係を精度よく監視することが可能である。
なお、オープンパイプ１の進行方向Ａにおけるエッジ部２の接合点Ｃは、エッジ部２の板厚方向の平均間隔Ｇが、スクイズロールによって狭まり、0.5mm以下になった箇所であれば、何処でも良い。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらオープンパイプの外面側からレーザビームを照射してエッジ部を溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、エッジ部に照射するレーザビームの照射部位をオープンパイプの内面側から監視し、オープンパイプの内面側まで貫通したキーホールが認められる場合はレーザビームによる溶接条件を継続して維持する一方、オープンパイプの内面側まで貫通したキーホールが認められない場合はレーザビームによる溶接条件を変更することによって、オープンパイプの外面側から内面側まで貫通したキーホールをレーザビームの照射部位に設けつつ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法である。

本発明のレーザ溶接鋼管の製造方法においては、キーホールの大きさを、オープンパイプの内面側で直径0.2mm以上とすることが好ましい。また、スクイズロールで加圧されるエッジ部の接合点を、レーザビームの照射によって生じる内面溶融メタル内に配置することが好ましい。あるいは、スクイズロールで加圧されるエッジ部の接合点を、キーホール内に配置することが好ましい。

本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってレーザ溶接の状況を精度良く判定し、その判定結果に基づいて溶接条件を変更することによって、レーザビームの照射で生じるキーホールあるいは溶融メタル内に、エッジ部の接合点を常に配置することが可能となる。その結果、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、シームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。

本発明を適用してオープンパイプのエッジ部の接合点を溶接する例を模式的に示す図であり、(a)は斜視図，(b)および(c)は溶接線に対して垂直方向の断面図である。 キーホール監視装置の例を模式的に示す斜視図である。

図１(a)に示すオープンパイプ１は、帯状の鋼板を成形ロールで円筒状に成形したものである。そのオープンパイプ１のエッジ部２をスクイズロール（図示せず）で加圧しながら、外面側からレーザビーム３を照射する。一方でオープンパイプ１の内面側からレーザビーム３の照射部位を監視し、キーホール４を識別する。キーホール４はオープンパイプ１の外面側から内面側まで貫通すれば、通常の画像処理技術で容易に識別できる。そして、内面側でキーホール４を識別できれば、健全なレーザ溶接が進行していることを示しており、溶接条件をそのまま継続して維持する。なお図１(a)ではキーホール４の監視装置は図示を省略するが、図２に本発明で使用するキーホール監視装置の例を示す。オープンパイプ1内に挿入されたキーホール監視装置は、オープンパイプ１の外側から見えないが、透視図として図２に示す。

キーホール４を識別できない時は、キーホール４が閉塞していることを示しているので、溶接条件を変更して、健全なレーザ溶接を進行させるように調整する必要がある。そして、溶接条件を変更してキーホール４が識別できるようになれば、その溶接条件をそのまま継続して維持しながらレーザ溶接を行なう。なお、キーホール４が閉塞するのは、エッジ部２の接合点Ｃがキーホール４内、あるいはキーホール４の周囲に形成される溶融メタル５を外れた場合が最も多い。これは、接合点Ｃにレーザビーム３を照射した場合には、レーザビーム３が接合点Ｃの隙間を効率良く板厚方向に伝播し易くなるので、キーホール４が形成され易くなるからである。しかし、接合点Ｃ以外の箇所にレーザビーム３が照射されると、オープンパイプ１の表面から溶融メタル５が蒸発するので、蒸発圧と蒸発反力により溶融メタル５に深い空洞（すなわちキーホール）４を形成させるためにより高出力のレーザパワーが必要となるので、キーホール４が閉塞する傾向が強い。

キーホール４が閉塞した場合に調整する具体的な溶接条件は、オープンパイプ１の周方向へレーザビーム３の照射位置を移動させて、エッジ部２の接合点Ｃがレーザビーム３の照射位置（すなわちキーホール４）あるいは溶融メタル５内に配置されるように調整するのが最も好ましい。たとえば、キーホール監視装置によってエッジ部２の接合点Ｃや、キーホール４および溶融メタル５の位置を画像処理して認識し、オープンパイプ１の周方向の移動距離を算出し、エッジ部２の接合点Ｃが、キーホール４の内部あるいは溶融メタル５内に入るように、溶接ヘッド、およびその溶接ヘッド内に収納された集光レンズや集光ミラーの位置を制御することによって、レーザビーム３の照射位置を移動させるのが好ましい。

その他の溶接条件として、たとえばレーザビーム３の焦点位置，オープンパイプ１の長手方向のビーム照射位置，レーザパワーの増減，溶接の進行速度等を調整あるいは制御することも好ましい。
このようなエッジ部２の接合点Ｃとキーホール４あるいは溶融メタル５との位置関係の調整は、オープンパイプ１の内面側から監視してキーホール４を識別することによって容易に行なうことが可能である。

キーホール４の大きさが内面側で直径0.2mm未満では、キーホール４が閉塞する惧れがある。したがって、キーホール４は内面側の直径を0.2mm以上とすることが好ましい。ただし、内面側の直径が1.0mmを超えると、溶落ち等の溶接欠陥が生じるばかりでなく、溶融メタルが凝固した継ぎ目（すなわちシーム６）の幅が著しく拡大されて、レーザ溶接鋼管の外観が損なわれる。そのため、オープンパイプ１の内面側におけるキーホール４の直径は0.2〜1.0mmの範囲内が一層好ましい。

キーホール４の形状が楕円形になっている場合は、短径を0.2mm以上とすることが好ましい。
なおキーホール４の大きさは、図２に示すように、スタンド間から吊下げたマンドレルバー７に固定された監視カメラ８によって、オープンパイプ１の内側から監視した。撮影条件は、オープンパイプ１の内面からレーザビームおよびプラズマ光と異なる波長成分の光を照明装置９から照射し、たとえば337ｎｍ（ナノメートル）の波長の紫外線を照射して、その波長の光のみ透過するフィルターを使って撮影することで、キーホール４および溶融メタル５からの赤外線やプラズマ光等による外乱を排除した。ここで、透過させる波長はプラズマ発光のスペクトルに応じ、それを避けた波長帯域であって且つ利用可能な光源およびフィルターとの兼ね合いで選択すればよい。撮影速度は、30コマ/秒で行ない、ランダムで５枚をサンプリングした静止画像の平均値を求めた。なお、内面側のキーホールの形状は、ほぼ円形もしくは楕円形である。キーホール４の形状が楕円形になっている場合は、短径を測定した。また、キーホール４の閉塞の判定やレーザビーム３の照射位置の制御のために、監視カメラ８で撮影した映像よりエッジ部２の接合点Ｃやキーホール４および溶融メタル５を画像処理してそれらの寸法や位置を数値化する画像処理装置11、判定処理装置12およびレーザビームの位置制御装置10を用いた。なお、キーホール４の監視装置は、上述した構成に限定するものではなく、任意の構成のものが使用できる。

本発明では、厚肉材（たとえば厚さ４mm以上）のオープンパイプ１であっても、エッジ部２を高周波加熱等で予熱することなく、レーザ溶接を行なうことが可能である。ただしエッジ部２を予熱すれば、レーザ溶接鋼管の生産性が向上する等の効果が得られる。
本発明で使用するレーザビーム３の発振器は、様々な形態の発振器が使用でき、気体（たとえばＣＯ₂，ヘリウム−ネオン，アルゴン，窒素，ヨウ素(I)等）を媒質として用いる気体レーザ、固体（たとえば希土類元素をドープしたＹＡＧ等）を媒質として用いる固体レーザ、あるいはバルクの代わりにファイバーを媒質として利用するファイバーレーザ等が好適である。また、半導体レーザを使用することも可能である。

以上に説明した通り、本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってレーザ溶接の状況を精度良く判定し、その判定結果に基づいて溶接条件を変更することによって、レーザビームの照射で生じるキーホールあるいは溶融メタル内に、エッジ部の接合点を常に配置することが可能となる。その結果、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、レーザ溶接の利点を活かしてシームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。

帯状の鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、そのオープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながら、レーザビームを外面側から照射してレーザ溶接鋼管を製造した。鋼板の成分は表１に示す通りである。

レーザ溶接では、25kWＣＯ₂レーザ発振器を使用し、その出力と溶接速度は表２に示す通りである。
キーホール４の監視装置は、図２に示す装置を用いて内面ビード切削装置のマンドレルバー７に監視カメラ８を取り付けて、オープンパイプ１内に挿入した。監視カメラ８は、レーザービーム３の照射によって発生するプラズマ光等の外乱を抑止するために、特定の波長（すなわち337ｎｍ）のみを可視化できるカメラを使用した。

表２に示す発明例（溶接鋼管No.１〜４）は、オープンパイプ１の内面側からキーホール４を監視して、キーホール４の大きさを表２に示すように調整し、かつエッジ部の接合点とキーホール４あるいは溶融メタル５との位置関係を表２に示すように調整した例である。キーホール４の径が、0.2mm未満になった場合に、オープンパイプ１の周方向へレーザビーム３の照射位置を移動させて、エッジ部２の接合点Ｃがレーザビーム３の照射位置（すなわちキーホール４）あるいは溶融メタル５内に配置されるように、調整した。

比較例の溶接鋼管No.５，６は、キーホール４の監視を行なわない例である。また、比較例の溶接鋼管No.７，８は、単にキーホール４の監視を行なうのみで、キーホール４の大きさや位置関係を調整しなかった例である。
得られたレーザ溶接鋼管を、超音波探傷試験に供し、ＪＩＳ規格G0582に準拠してシームを20ｍにわたって探傷した。その探傷結果を表２に示す。なお表２においては、基準となるＮ５内外面ノッチの人工欠陥に対して、ピーク指示高さが、10％以下のものを優（◎），10％超え25％以下のものを良（○），25％超え50％以下のものを可（△），50％超えのものを不可（×）として評価した。

また、鋼種Ａ（すなわち低合金鋼）のレーザ溶接鋼管には焼入れ（焼入れ温度880℃），焼戻し（焼戻し温度650℃）を施し、鋼種Ｂ（すなわちステンレス鋼）のレーザ溶接鋼管には熱処理を２回（加熱温度：１回目780℃，２回目650℃）施した後、それぞれＪＩＳ規格Z2242に準拠してシャルピー衝撃試験を行なった。試験片は、ＪＩＳ規格Z2202に準拠してＶノッチ，サブサイズとし、シーム部から採取した。試験温度は−60℃として、吸収エネルギー-_VＥ_-60（Ｊ）を測定した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、発明例（溶接鋼管No.１〜４）では、超音波探傷は優（◎）または良（○）であり、シャルピー衝撃試験（−60℃）の吸収エネルギーは82〜112Ｊであった。一方、比較例（溶接鋼管No.５〜８）では、超音波探傷は可（△）または不可（×）であり、シャルピー衝撃試験（−60℃）の吸収エネルギーは8.7〜38Ｊであった。
以上に説明した通り、本発明を適用すれば、厚肉材（厚さ４mm以上）のオープンパイプであっても、健全なレーザ溶接を行なうことが可能である。

得られたレーザ溶接鋼管のシームは、超音波探傷の結果が示す通り、溶接欠陥や析出物の発生が抑制され、優れた耐食性を有している。かつ、シャルピー衝撃試験の結果が示す通り、優れた低温靭性を有している。

レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造でき、得られたレーザ溶接鋼管は、シームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適であるから、産業上格段の効果を奏する。

１ オープンパイプ
２ エッジ部
３ レーザビーム
４ キーホール
５ 溶融メタル
６ シーム
７ マンドレルバー
８ 監視カメラ
９ 照明装置
10 位置制御装置
11 画像処理装置
12 判定処理装置

Claims (4)

1. 鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、前記オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながら前記オープンパイプの外面側からレーザビームを照射して前記エッジ部を溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、前記エッジ部に照射する前記レーザビームの照射部位を前記オープンパイプの内面側から監視し、前記オープンパイプの内面側まで貫通したキーホールが認められる場合は前記レーザビームによる溶接条件を継続して維持する一方、前記オープンパイプの内面側まで貫通したキーホールが認められない場合は前記レーザビームによる溶接条件を変更することによって、前記オープンパイプの外面側から内面側まで貫通したキーホールを前記レーザビームの照射部位に設けつつ溶接を行なうことを特徴とするレーザ溶接鋼管の製造方法。
2. 前記キーホールの大きさを、前記オープンパイプの内面側で直径0.2mm以上とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
3. 前記スクイズロールで加圧されるエッジ部の接合点を、前記レーザビームの照射によって生じる内面溶融メタル内に配置することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
4. 前記スクイズロールで加圧されるエッジ部の接合点を、前記内面側キーホール内に配置することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
   

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