JP5493666B2 - 電縫鋼管の製造方法 - Google Patents

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本発明は、電縫鋼管の製造方法に関するものであり、特に、石油または天然ガス用ラインパイプ、油井管、並びに原子力用、地熱用、化学プラント用、建築用、建材用、自動車用、機械構造用及び一般配管用の鋼管等に使用される電縫鋼管の製造方法に関する。
図4は、従来の電縫鋼管の製造方法を示す模式図である。図4に示すように、従来の電縫鋼管の製造方法においては、帯状の鋼板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工程においては、電縫溶接時に突合せ端面104が大気に曝されるため、その表面に粒径100μm〜1mm程度の酸化物が生成し、これがスクイズアウトされずに残留し、溶接部にペネトレーターと称される酸化物に起因する溶接欠陥が発生することがある。
溶接欠陥は、鋼管の低温靭性、耐食性及び冷間加工性を低下させる原因となるため、従来、電縫鋼管の製造工程においては、鋼板の突き合わせ端面に炭素、有機化合物または有機ケイ素化合物を塗布した後、溶接する方法が開示されている(特許文献1)。この特許文献1では、塗布された有機化合物が蒸気化し、その蒸気圧によって加熱部周辺が大気からシールドされ、これにより鋼板中に含まれるMn、Si、Cr等の酸化が防止されて、ペネトレーターの発生を効果的に抑制可能とされている。
また、下記特許文献2には、鋼管に成型した際に内周面となる鋼板の一面に予め有機化合物を付着させておき、溶接点直前において、この有機化合物を加熱により気化させる方法が開示されている。この特許文献2では、有機化合物の加熱気化により発生した還元性雰囲気によって、溶接点及びその周辺部がシールドされて酸素の混入が抑制され、これにより、ペネトレーターの発生が抑制されるとされている。
特開昭58−23582号公報 特開昭59−137186号公報
ところで、電縫溶接時の入熱量(ジュール発熱量)が少ないと、冷接欠陥が生じることが知られている。冷接欠陥は溶融量が不足したために生じる溶融部のスクイズアウト量不足に起因する欠陥と言われている。この冷接欠陥の破面には、溶融不足に起因する未溶融部が存在するとともに、直径が数μm程度の酸化物が介在している。この酸化物は、突合せ端面104が大気に曝されるか、または突合せ端面104に冷却水が付着し、この水分によって鋼成分が酸化されることで発生すると考えられている。
冷接欠陥を抑制するには入熱量を高くして未溶融部を少なくすればよい。しかし、入熱量が高すぎると、冷接欠陥が抑制される一方で、ペネトレーターの発生が増長されて溶接欠陥を招いてしまうおそれがあった。更に、入熱量が高すぎると、スパッタが発生して電縫鋼管の外観が悪化する場合もあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、溶接欠陥と冷接欠陥の両方を防止可能な電縫鋼管の製造方法の提供を目的とする。
上記の課題の解決手段として、入熱量を高くして冷接欠陥を抑制し、且つ、突合せ端面に有機化合物を塗布してペネトレーターの発生を抑制することが考えられる。一方で、入熱量を高くすると、鋼の溶融量が多くなって溶融金属が溶接部位から排出され易くなる。このため、効果的に還元雰囲気を形成させるために、有機化合物の塗布量を増大させる必要がある。しかし、入熱量が高い条件では、塗布量を増やしても還元性雰囲気を形成しにくくなり、ペネトレーターの発生を効果的に抑制できないことが判明した。
そこで本発明者らが鋭意検討することによって、下記の構成を備えた発明を完成させた。
即ち、本発明の電縫鋼管の製造方法は、鋼板を管状に成形加工しつつ、その突き合わせ面を電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、前記突き合わせ面に、4〜6μmの厚みで炭素を塗布し、電縫溶接時の脱炭層形成を防止するとともに、下記式(1)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離をl(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(1)及び下記式(2)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことを特徴とする。
また、本発明の電縫鋼管の製造方法は、鋼板を管状に成形加工しつつ、その突き合わせ面を電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、前記突き合わせ面に、4〜6μmの厚みで炭素を塗布し、電縫溶接時の脱炭層形成を防止するとともに、カソードガス中でカソードとアノード間に電圧を印加することで生成するプラズマガスにアノードガスを吹き付けてフラズマ作動ガスとしてプラズマ噴射するカスケード型プラズマガンから、前記プラズマ作動ガスの成分を、Hガス:2体積%以上50体積%未満を含有し、残部がArガス及び不可避的不純物ガスからなるように、又は、残部がArガスにNガス、Heガス若しくはその両方が添加された混合ガス及び不可避的不純物ガスからなるように調整することで還元性を付与した還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマを、前記電縫溶接の溶接点よりも溶接上流側で温度が650℃以上となる領域のうち少なくとも前記突合せ面に対して吹き付けつつ、下記式(3)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離をl(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(3)及び下記式(4)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことを特徴とする。
また、本発明の電縫鋼管の製造方法は、先に記載の製造方法において、前記高周波電流による加熱の前に、前記突き合わせ面に前記炭素を塗布することを特徴とする。
更に、本発明の電縫鋼管の製造方法は、先に記載の製造方法において、前記高周波電流の供給点と溶接点との間にて、前記突き合わせ面に前記炭素を塗布することを特徴とする。
本発明によれば、突き合わせ面に炭素を4〜6μmの厚みで塗布し、上記の入熱条件下において電縫溶接することで、冷接欠陥及びペネトレータ発生に伴う溶接欠陥を防止することが可能になる。また、塗布された炭素の一部が突き合わせ面から鋼板内部に溶解するので、電縫溶接時の脱炭を抑制することができる。
本発明では、有機化合物ではなく、炭素を塗布することにしている。有機化合物を用いた場合、電縫溶接時に有機化合物が周囲の酸素と化合して二酸化炭素を生成させて還元雰囲気とするが、有機化合物を用いると二酸化炭素とともに水が生成し、この水によって突き合わせ面が酸化されるおそれがある。これに対して本発明では、突き合わせ面に炭素を塗布することで電縫溶接時における水分の生成を抑制するので、突き合わせ面における冷接やペネトレータの生成を防止して溶接欠陥を防止できる。
また、本発明では、電縫溶接時の入熱量を上記の範囲に規制することで、入熱量が不足して冷接欠陥が増大することがない。また、入熱量を規制することで入熱量が抑制され、これにより塗布した炭素が溶融金属とともに溶接部位から排出されることがなく、炭素によるペネトレーターの抑制効果を発揮させることができる。特に本発明では電気抵抗が高く、ジュール発熱を助長する炭素を表面に塗布しているので、溶接面の加熱効率を高められる。
また、本発明によれば、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマを突合せ面に対して吹き付けることで、大気の巻き込みを抑制することが可能になる。これにより、溶接部近傍の酸化物量を低減して、ペネトレーターの抑制効果を高めることができる。
本発明によれば、溶接欠陥と冷接欠陥の両方を防止可能な電縫鋼管の製造方法を提供できる。
図1は本発明の実施形態である電縫鋼管の製造方法の一例を示す斜視図である。 図2は本発明の実施形態である電縫鋼管の製造方法の別の例を示す斜視図である。 図3は図2に示すプラズマガンの構成を模式的に示す断面図である。 図4は従来の電縫鋼管の製造方法を示す斜視図である。 図5は試料No.25及び26の溶接部の測定位置毎の硬度を示すグラフである。 図6は試料No.27及び28の溶接部の測定位置毎の硬度を示すグラフである。
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。
まず、本実施形態の電縫鋼管の製造方法について、高周波コイルを使用して鋼板を加熱する場合を例にして説明する。図1(a)は本実施形態の電縫鋼管の製造方法を示す側面図であり、図1(b)はその平面図である。
図1(a)及び図1(b)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、例えば厚さが1〜22mm程度の鋼板1を方向10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4を高周波コイル2により誘電加熱して溶融すると共に、スクイズロール3によりアップセットを加え、突合せ端面4に溶接シーム7を形成する。図1には高周波コイル2によって給電する例を示しているが、コンタクトチップによって給電してもよい。
電縫溶接の溶接点9よりも溶接上流側の突合せ端面4のうち、加熱温度が650℃以上となる領域6は、高周波コイル2、スクイズロール3及びインピーダー8等の冷却水が飛散したり水蒸気雰囲気に曝されたりするため、加熱温度条件と相侯って酸化反応で生成した酸化物に起因する溶接欠陥、即ち、ペネトレーターの発生が顕著となる。そこで、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、突合せ端面4に炭素を塗布し、溶接入熱の作用で炭素と酸素とを化合させて二酸化炭素を形成することによって電縫溶接時の突合せ端面4aを還元性雰囲気として、酸化物に起因するペネトレーター等の溶接欠陥の発生を抑制している。
突合せ端面4には4〜6μmの厚みで炭素を塗布する。炭素の塗布は、例えばカーボンスプレー等によって炭素微粒子を突合せ端面4に吹き付けることにより行う。また、炭素微粒子を含むスラリーを突合せ端面4に塗布し、スラリーを乾燥させることで4〜6μmの炭素を塗布して良い。塗布する炭素は、黒鉛やカーボンブラックのような実質的に水酸基を含まないものがよい。炭素原子を含む有機化合物を塗布することは望ましくない。有機化合物には水酸基が含有されることがあるが、この水酸基が溶接時に分解して水を生成させ、この水が鋼板を腐食させて酸化物を形成させてペネトレーターとなり、溶接欠陥を増大する虞がある。また、炭素の塗布厚みが4μm未満だと、誘電加熱の途中で炭素が溶融金属とともに排出されてしまい、還元雰囲気を形成できなくなる。また塗布の厚みが6μmを超えると、加熱終了時に溶接シーム7に炭素が残存して欠陥が生じてしまう。
また、鋼成分である炭素の成分比が、溶接時の溶融部にて減少する所謂脱炭が生じた場合でも、突き合わせ面に塗布した炭素によって炭素を補うことができ、脱炭層の形成を防止することが可能になる。なお、表面硬化処理としての浸炭処理では炭化水素系ガスを用いることが一般的だが、本発明においては、炭化水素中の水素が水の発生源となり、ペネトレータの発生が助長されるので好ましくない。
また、炭素は、高周波電流による加熱の前に突き合わせ面に塗布してもよく、高周波電流の供給点と溶接点との間において突き合わせ面に塗布してもよい。即ち、図1において、高周波コイル2よりも鋼板の搬送方向10上流側において炭素を塗布してもよく、高周波コイル2と溶接点9との間において炭素を塗布してもよい。
高周波コイル2よりも鋼板の搬送方向10上流側において炭素を塗布する場合は、他の設備等との干渉等の物理的な制約が少なくなり、炭素の塗布を確実かつ容易に行える。
また、高周波コイル2と溶接点9との間において炭素を塗布する場合は、後述するプラズマガスの照射の際に、プラズマガス中に炭素を含有するガスを添加することで塗布が可能になり、塗布工程の簡素化を図ることが可能になる。
次に、溶接入熱の条件について説明する。本実施形態においては、下記式(1)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離をl(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(1)及び式(2)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことが好ましい。
なお、給電距離lは、図1に示すように、高周波コイル4またはコンタクトチップと溶接点9との搬送方向10の沿った距離である。また、V収束角θは、溶接点9における突き合わせ面4、4間の角度である。
このように、電縫溶接時の吸熱量Qを上記式(1)及び(2)で規定される範囲内とすることにより、冷接欠陥及びペネトレータの生成による溶接欠陥の発生を防止することが出来る。入熱量Qが上記の範囲よりも少ないと、溶融不足による冷接欠陥が生じやすくなるので好ましくない。これまでの入熱Qの下限はQm・(V/V0.6であったが、表面に塗布された炭素の高い電気抵抗、即ち、ジュール発熱の増加により、下限よりも1割低い入熱でも冷接が抑制できる。また、入熱量Qが上記の範囲よりも高くなると、鋼の溶融量が増大して溶融金属が溶接部位から排出され易くなり、同時に、塗布した炭素が溶接部位から排出され、溶接部位を還元雰囲気に維持することが困難になるので好ましくない。
また、本発明では、溶接部位を確実に還元雰囲気にするために、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマを、電縫溶接の溶接点9よりも溶接上流側で温度が650℃以上となる領域6のうち少なくとも突合せ面4に対して吹き付けることが好ましい。
以下具体的な構成について図2を参照して説明すると、カソードガス中でカソードとアノード間に電圧を印加することで生成するプラズマガスにアノードガスを吹き付けてプラズマ作動ガスとしてプラズマ噴射するカスケード型プラズマガン20から、プラズマ作動ガスの成分を、Hガス:2体積%以上50体積%未満を含有し、残部がArガス及び不可避的不純物ガスからなるように、又は、残部がArガスにNガス、Heガス若しくはその両方が添加された混合ガス及び不可避的不純物ガスからなるように調整することで還元性を付与した還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5を、電縫溶接の溶接点9よりも溶接上流側で温度が650℃以上となる領域6のうち少なくとも突合せ端面4aに対して吹き付ける。
溶接点9よりも溶接上流側の突合せ端面4のうち、加熱温度が650℃以上となる領域6では、上述したようにペネトレーターの発生が顕著となる。そこで、本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、この領域6に還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5を吹き付けることにより、電縫溶接時の突合せ端面4aを還元性雰囲気とすると共に、突合せ端面から酸化物を高温の溶融状態で排出させる作用を促進し、酸化物に起因するペネトレーター等の溶接欠陥の発生を抑制することが好ましい。
本実施形態に係るカスケード型プラズマガンの一例を図3に示す。プラズマガン20は、カソード21、カスケード22及びアノード23から構成されており、それぞれは絶縁されている。カソード21の先端部21aには、炭素電極が設置されている。このプラズマガン20においては、カスケード22を通過するカソードガス24およびアノードガス25を供給し、カソード21とアノード23との間に電圧を印加してプラズマを発生させる。
このカスケード22が従来のプラズマガンには備えられていないため、カソード21上の陰極点とアノード23上の陽極点との距離が長くなって電圧が高くなり、(擬似)層流プラズマジェットが形成しやすくなる。カソードガスとアノードガスからなるプラズマ作動ガスに、水素を含有させることで、高温(擬似)層流プラズマ5に還元性を付与する。また、必要に応じて、アノード23の先端部23aから、プラズマ5を囲むようにサイドシールドガス11を噴射すると、この高温(擬似)層流プラズマ5への酸素の拡散・混入を有利に阻止することができて好ましい。更に、必要に応じて、アノード23の先端部23aから高温(擬似)層流プラズマ5にホウ化物の微粉末を供給することで、水素より高い還元性を得ることができ好ましい。
本実施形態の電縫鋼管の製造方法においては、プラズマジェットを層流又は擬似層流としているため、大気の巻き込みを大幅に低減することができる。その結果、溶接部の酸化物量を低減して、酸化物に起因する溶接欠陥の割合(溶接欠陥率)を低減できると共に、溶接時に発生するプラズマジェット音も低減することができる。
なお、ここでいう「溶接欠陥率」は、溶接面積に対するペネトレーター(酸化物に起因する溶接欠陥)の面積率である。また、「擬似層流」とは、プラズマジェットのプラズマコア部は層流で、プラズマ外側数mm(ミリメートル)が乱流である状態をいい、鋼管内面よりも遠方(鋼管の突合せ端面4よりも管内側)のプラズマジェットが乱流であるか、(擬似)層流であるかは問わない。
本実施形態の電縫鋼管の製造方法で使用するプラズマ作動ガス中に含まれるHガスは、熱伝達係数を上げると共に還元性雰囲気とし、突合せ端面4aにおける酸化反応を抑制する効果がある。しかしながら、プラズマ作動ガス中のHガス含有量が2体積%未満の場合、前述した効果が得られない。一方、プラズマ作動ガス中のHガス含有量が50体積%以上となると、プラズマが不安定となる。よって、プラズマ作動ガス中のHガス含有量は2体積%以上50体積%未満とする。
また、高温のプラズマでシールドを行うことで、電縫溶接の適正入熱範囲は、プラズマを用いない場合の入熱条件(式(2)の条件)に比べて拡大する。
即ち、下記式(3)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離をl(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(3)及び下記式(4)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことが好ましい。
上記式(4)の下限以下の入熱では入熱不足による未溶融欠陥が、また、上限以上の入熱では、溶接部のスリットが長くなりすぎるためにシールド範囲外になる可能性が高いので、電縫溶接の入熱は下記式(4)の範囲内にすることが好ましい。
また、このプラズマ作動ガスにおけるHガス以外の成分は、Arガス単独及び不可避的不純物ガス、又はArガスにNガス、Heガス若しくはその両方を添加した混合ガス及び不可避的不純物ガスである。プラズマの安定性を確保するためにはArガスを主成分とすることが好ましいが、Nガス及び/又はHeガスを適量添加することにより、プラズマの熱伝達係数を向上させて、鋼板1の突合せ端面4aにおける加熱能力を高めることができる。ただし、プラズマ作動ガス中のArガス比率が50体積%以下の場合は、プラズマが不安定になることがあるため、プラズマ作動ガスにNガス及びHeガスを添加する場合は、プラズマ作動ガス中のArガス比率が50体積%を超えるように、即ち、プラズマ作動ガス中のNガス、Heガス及びHガス比率が合計で50体積%未満となるようにすることが望ましい。
上述した還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5は、例えば、工業的に広く用いられている溶射用の直流プラズマ発生装置を用いて生成することができる。これにより生成されたプラズマは、通常のガスバーナー等で生成される燃焼炎よりもガス温度が高く、高温域のプラズマ長さが150mm以上で、かつプラズマ径が10mm以上であるという特徴をもつため、電縫溶接時のシーム倣い性が良好で、シーム位置変化に比較的容易に追従できる熱源である。
また、上述した効果を十分に得るためには、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5の温度を1400℃以上にすることが好ましい。特に、電縫鋼管の製造過程で生成しやすいMn-Si-Oの複合酸化物の融点は1250〜1410℃、Cr酸化物の融点は2300℃であることから、これらの酸化物を溶融させるためには、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5の温度を2300℃以上にすることがより好ましい。
一方、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5の温度が高温になる程、既に生成していた酸化物を高温状態で突合せ端面から溶融・排出させる作用は促進され、溶接欠陥が低減するため、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマ5の温度の上限は、特に限定する必要はない。
以上説明したように、本実施形態の電縫鋼管の製造方法によれば、突き合わせ面4に炭素を4〜6μmの厚みで塗布し、上記の入熱条件下において電縫溶接することで、冷接欠陥及びペネトレータ発生に伴う溶接欠陥を防止できる。また、塗布された炭素の一部が突き合わせ面4から鋼板内部に溶解するので、電縫溶接部の脱炭を抑制できる。この脱炭が軽減できるため、溶接部の軟化を緩和できる効果がある。
また、本発明では有機化合物ではなく、炭素を塗布することにしている。有機化合物を用いた場合、電縫溶接時に有機化合物が周囲の酸素と化合して二酸化炭素を生成させて還元雰囲気とするが、有機化合物を用いると二酸化炭素とともに水が生成し、この水によって突き合わせ面が酸化されるおそれがある。これに対して本発明では、突き合わせ面に炭素を塗布することで電縫溶接時における水分の生成を抑制するので、突き合わせ面における冷接やペネトレータの生成を防止して溶接欠陥を防止できる。
また、本発明では、電縫溶接時の入熱量を上記の範囲に規制することで、入熱量が不足して冷接欠陥が増大することがない。また、入熱量を規制することで入熱量が抑制され、これにより塗布した炭素が溶融金属とともに溶接部位から排出されることがなく、炭素によるペネトレーターの抑制効果を発揮させることができる。特に本発明では電気抵抗が高く、ジュール発熱を助長する炭素を表面に塗布しているので、溶接面の加熱効率を高められる。
また、本発明によれば、還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマを突合せ面に対して吹き付けることで、大気の巻き込みを抑制することが可能になる。これにより、溶接部近傍の酸化物量を低減して、ペネトレーターの抑制効果を高めることができる。更に溶接部に飛び込むスパッタやスケールをジェットによって排除するため、飛び込み欠陥を抑制できること、あるいは加熱前に溶接面に付着していた酸化物を溶融・還元できる効果もある。
なお、電縫溶接においては、接合部において脱炭が生じたとしても、その結果生じる脱炭層の幅が極めて狭いため、溶接強度への影響は無視できるとされていた。しかし、冷接とペネトレータを同時に抑制するために入熱量を本発明の範囲に限定すると、脱炭の影響が顕著になる恐れがある。本発明は、炭素の塗布と入熱量の適性化を同時に行い、冷接とペネトレータの発生を抑制しつつ、溶接部の炭素量の低下を防止することで、溶接強度の低下を抑制することが可能になる。
(実験例1)
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。本実験例においては、表1に示す鋼成分を有する鋼板を使用し、前述した図1に示す方法で電縫鋼管を製造し、その溶接部の溶接欠陥の発生率を調査した。鋼板の板厚、溶接速度V、V、高周波電流及び高周波電圧の積Qm、溶接入熱量Q、給電距離l、V収束角θを表2に示す。
また、突き合わせ面には、所定の厚みで炭素を塗布した。塗布方法は、カーボンスプレーを突き合わせ面に噴射する方法とした。炭素の塗布厚みを表2に併せて示す。
溶接欠陥は、溶接後の電縫鋼管の溶接部からシャルピー衝撃試験片を切り出して、その溶接突合せ部に先端半径0.25mm、深さ0.5mmのノッチを形成し、シャルピー衝撃試験を実施した後、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ー(酸化物に起因する溶接欠陥)の面積率を測定し、その値を溶接欠陥率として評価した。そして、溶接欠陥率が0.05%以下のものを良好、0.05%を超えるものを不良とした。この0.05%は母材である鋼板中の介在物レベルを意味している。結果を表2に併せて示す。
また、冷接欠陥の発生の有無についても評価した。冷接欠陥の発生の有無は、延性破断後の破面を目視で観察することで評価した。結果を表2に併せて示す。
更に、破面における炭素粒子の残存の有無を、破面を目視で観察することで評価した。結果を表2に併せて示す。
表2に示すように、炭素の塗布厚みを4〜6μmの範囲とし、入熱量を本発明の範囲内とした発明例(No.8〜12)では、溶接欠陥率が低く、冷接欠陥も発生していないことが分かる。
一方、炭素の塗布厚みを4μm未満とした比較例(No.5、6)では、冷接が起こり、入熱量が本発明の範囲よりも高くなった比較例(No.3、4)では、ペネトレーターが発生し、いずれも溶接欠陥率が高くなっていることが分かる。
また、炭素の塗布厚みを6μm超とした比較例(No.7)では、破面に炭素の粒子が残存してしまい、欠陥になっていることが分かる。
更に、入熱量が本発明の範囲よりも低くなった比較例(No.1)では、冷接欠陥が発生していることが分かる。
(実験例2)
本実験例においては、表1に示す鋼成分を有する鋼板を使用し、還元性プラズマ作動ガスとして、HガスとArガスと窒素ガスの混合ガスを使用して、前述した図3に示す方法で電縫鋼管を製造し、その溶接部の溶接欠陥の発生率を調査した。鋼板の板厚、溶接速度V、V、高周波電流及び高周波電圧の積Qm、溶接入熱量Q、給電距離l、V収束角θを表3に示す。また、アノード内径、Arガス及びHガスの流量を表3に示す。なお、本実施例において、ガス流量はいずれも標準状態での流量である。
また、突き合わせ面には、所定の厚みで炭素を塗布した。塗布方法は、カーボンスプレーを突き合わせ面に噴射する方法とした。炭素の塗布厚みを表3に併せて示す。
溶接後の電縫溶接管について、実検例1と同様にして、溶接欠陥率、冷接欠陥の発生の有無、破面における炭素粒子の残存の有無を評価した。結果を表4に示す。
表3及び表4に示すように、入熱量、炭素の塗布量及びプラズマガス照射を本発明に規定する範囲で行った発明例では、溶接欠陥率が低く、冷接欠陥も発生していないことが分かる。
(実験例3)
本実験例においては、表1に示す鋼成分のうち、鋼種類Bの鋼板を使用し、前述した図1に示す方法でNo.25〜28の電縫鋼管を製造し、その溶接部の溶接欠陥の発生率を調査した。鋼板の板厚、溶接速度V、V、高周波電流及び高周波電圧の積Qm、溶接入熱量Q、給電距離l、V収束角θを表5に示す。
なお、No.25及び27の突き合わせ面には、所定の厚みで炭素を塗布した。塗布方法は、カーボンスプレーを突き合わせ面に噴射する方法とした。炭素の塗布厚みを表5に併せて示す。
溶接後の電縫溶接管について、実験例1と同様にして、溶接欠陥率、冷接欠陥の発生の有無、破面における炭素粒子の残存の有無を評価した。結果を表5に示す。
また、本実験例では溶接部の硬度を測定した。溶接部の硬度は、鋼管の溶接部の断面を露出させ、鋼管の内周面側から外周面側に向けて、露出させた溶接部の硬度を0.5mmの間隔で7カ所測定し、得られた測定値の平均値を硬度とした。硬度は、ビッカース硬度(Hv200)とした。結果を表5、図5及び図6に示す。図5及び図6には、各測定点における硬度を示す。
図5に示すように、No.25及び26では、入熱量が適正な範囲となり、溶接条件として第1種の溶接条件となった。この条件における溶接部の硬度は、炭素を塗布したNo.25のほうが、炭素未塗布のNo.26よりも明らかに向上した。
一方、図6に示すように、No.27及び28では、入熱量が適正な範囲を超えており、溶接条件として第3種の溶接条件となった。この条件における溶接部の硬度は、炭素を塗布したNo.27とNo.28とで差が見られなかった。
また、表5に示すように、No.26では、炭素が塗布されないことで冷接欠陥が発生した。更にNo.28では、入熱量が過多となりペネトレータが発生した。
1…鋼板、4、4a…突き合わせ面。

Claims (4)

  1. 鋼板を管状に成形加工しつつ、その突き合わせ面を電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、
    前記突き合わせ面に、4〜6μmの厚みで炭素を塗布し、電縫溶接時の脱炭層形成を防止するとともに、
    下記式(1)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離を1(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(1)及び下記式(2)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
  2. 鋼板を管状に成形加工しつつ、その突き合わせ面を電縫溶接する電縫鋼管の製造方法において、
    前記突き合わせ面に、4〜6μmの厚みで炭素を塗布し、電縫溶接時の脱炭層形成を防止するとともに、
    カソードガス中でカソードとアノード間に電圧を印加することで生成するプラズマガスにアノードガスを吹き付けてフラズマ作動ガスとしてプラズマ噴射するカスケード型プラズマガンから、前記プラズマ作動ガスの成分を、Hガス:2体積%以上50体積%未満
    を含有し、残部がArガス及び不可避的不純物ガスからなるように、又は、残部がArガスにNガス、Heガス若しくはその両方が添加された混合ガス及び不可避的不純物ガスからなるように調整することで還元性を付与した還元性高温層流プラズマまたは還元性高温擬似層流プラズマを、前記電縫溶接の溶接点よりも溶接上流側で温度が650℃以上となる領域のうち少なくとも前記突合せ面に対して吹き付けつつ、
    下記式(3)で算出される臨界溶接速度(V)(m/min)での高周波電流及び高周波電圧の積をQm(kW)とし、溶接速度をV(mm/分)とし、前記鋼板の板厚の1/2をd(mm)とし、給電距離をl(mm)とし、V収束角をθ(°)としたとき、下記式(3)及び下記式(4)に基づき規定される入熱量Q(W)の範囲で電縫溶接を行うことを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
  3. 前記高周波電流による加熱の前に、前記突き合わせ面に前記炭素を塗布することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電縫鋼管の製造方法。
  4. 前記高周波電流の供給点と溶接点との間にて、前記突き合わせ面に前記炭素を塗布することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電縫鋼管の製造方法。
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