JP5573976B2 - 鍛接管のフレア加工性の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、フレア加工などの強加工に供されても、接合部に割れが発生しにくい、加工性の良好な鍛接管に関する。

近年、配管は、その継手部分を兼ね備えるものとして、フレア加工のような管端部への強加工を施されたものが増えている。この強加工に耐える性能を有するものとして電縫管が適用されているが、電縫管は高価なため、廉価な鍛接管の適用が図られている。
従来の鍛接管は、接合部の強度が低くて、強加工すると接合部を起点として割れが発生しやすいため、フレア加工のような用途に適用するには不十分な性能と言われてきた。

鍛接管の製造においては、図１に一例を示すとおり、スリットした鋼帯２を、エッジ成形機４でエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉５にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機６で管状に連続成形しつつ、エッジ部にノズル７で酸素または空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して接合し、場合によっては絞り圧延を行って、管８に仕上げている。なお、図示していないが、スリットした鋼帯のエッジ部を切削してからエッジ成形する場合もある。また、酸素または空気を吹き付ける代わりに、加熱炉５の出側で鋼帯端部を高周波加熱する場合もある。

製造した鍛接管は、接合部に酸化物などが残留しやすく、また、接合部の外面側および内面側に筋が発生し、これらに起因して、フレア加工のような強加工において接合部に割れが発生していた。接合部の外面側の筋は、鋼帯をスリットしてエッジ部に発生したダレが鍛接時に残留したものである。また、内面側の筋は、接合時にエッジ衝合部が盛り上がってビード部を形成し、この谷間が筋となったものである。

そこで、従来は、特許文献１〜３に示されるように、外面側の筋深さ、内面側の筋深さ、接合部の介在物などを特定の範囲に規制することによって、接合部の強度向上を図った鍛接管を提供していた。

特開２００７−１５２４３０号公報 特開平１０−２６３８４６号公報 特開平４−２７０００９号公報

しかし、本発明者らの検討では、前記従来の技術に則って外面側の筋深さ、内面側の筋深さ、接合部の介在物を特定範囲に規制しても、鍛接管の接合部の強度を充分に向上できず、フレア加工で接合部が割れてしまう場合が多いという課題があることを把握した。すなわち、外面側の筋深さ、内面側の筋深さなどが接合部の強度に及ぼす影響は見掛けの現象であり、真の現象を把握できず本質的な解決になっていなかったわけである。

本発明は、上述の課題を解決し、フレア加工のような強加工を行なっても、接合部から割れることのない鍛接管を提供することを目的としてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。

（１） 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
鍛接管の接合部を押し潰し方向の一端部近傍とした偏平試験による偏平高さ比（Ｈ）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いて下記＜１＞式で定義される限界偏平高さ比（ＨＬ２）以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
ＨＬ２＝−６.０×Ｒ２＋６.５６ ‥‥＜１＞

本発明によれば、フレア加工などの強加工に供されても、接合部に割れを発生させない鍛接管が得られる。

鍛接管の製造工程の一例を示す概略図 ０度偏平試験の一例を示す説明図 偏平高さ比の定義を示す図 鍛接後の本発明の接合部を示す図 フレア加工に供して割れない種々の鍛接管についての偏平試験結果の一例を示すグラフ 管肉厚に対する接合部肉厚方向長さの比（Ｒ２）と、限界偏平高さ（ＨＬ２）との関係を示すグラフ

鍛接管をフレア加工のような強加工に供する場合、従来から接合部に割れが発生して問題であるため、鍛接管製造段階において、接合部が良好であるか確認して品質を確保しておく必要がある。
そこで、接合部の強度を評価する方法として、管の偏平試験を採用した。すなわち、フレア加工は接合部を含めて管内面を拡管して広げる加工であることから、偏平試験においても管内面側の接合部に張力を付与する評価方法が必要である。そこで、図２に示すとおり、鍛接管の接合部を押し潰し方向の一端部近傍とした偏平試験（例えば管の接合部を試験台上のほぼ真上またはほぼ真下に配置して管を上下から押し潰す０度偏平試験）を採用し、押し潰しによって接合部内面に張力を加える評価を行った。鍛接管の接合部を押し潰し方向の一端部近傍とすることによって、管を押し潰すと接合部近傍は円形形状から平坦化するために、接合部外面側に圧縮力が作用し、接合部内面側に張力が作用する。したがって、フレア加工で管内面側に加わる張力を偏平試験で代替することができて、割れ評価が可能なわけである。

そこで、図３に示すとおり、押し潰した際に接合部に割れが発生する押し潰し高さ比（押し潰し高さ比＝（試験前の管外径１３−押し潰し量１４）／試験前の管外径１３）を、偏平高さ比（Ｈ）と定義し、これを求めた。偏平高さ比（Ｈ）は、値が大きいほど割れに至る押し潰し量が小さいため接合部が割れやすいことを示し、値が小さいほど割れに至る押し潰し量が大きくて接合部が割れにくいことを示す。

一方、鍛接管にフレア加工のような強加工を施す場合に接合部が割れやすい理由として、鍛接管の製造時に、接合部に酸化物などが残留しやすく、また、接合部の内外面両側に筋状の疵が発生すると考えられていた。すなわち、接合部に残留した酸化物や接合部の内外面両側の筋状疵が割れ発生の起点となりやすいと考えられてきたわけである。したがって、これら接合部が割れる原因に基づいて、過去に、特許文献１〜３に記載されるように、接合部の介在物を低減させ、また、外面側または内面側の筋を低減させた鍛接管の提供がなされてきた。しかし、これらを適切に管理するだけでは、充分な接合部強度が得られず、問題となっていた。

そこで、本発明者らは、図４に示す接合部９の肉厚方向長さ１６に着目した。従来の接合部強度が低い鍛接管を詳細に観察すると、接合部肉厚方向長さ１６がいずれも肉厚１７に対して短くて、フレア加工のような強加工における管円周方向に作用する強い張力に対して、接合部強度が不足していることを見出したわけである。
接合部強度についてさらに詳細に述べると、管肉厚１７に比べて接合部肉厚方向長さ１６が短くなると接合部強度が低くなり、長くなると接合部強度が向上するわけである。すなわち、フレア加工のような強加工においては、管端部およびその周辺が拡管されつつ円周方向に拡がっていく。その際、管端部およびその周辺では、円周方向に過大な張力が作用する。この張力は、管の肉厚が薄い部分に応力集中を起こさせやすいため、接合部の肉厚が薄い場合、すなわち、接合部肉厚方向長さが管肉厚より短い場合、接合部に応力集中して割れやすくなるわけである。

従来は、この過大な張力による応力集中に着目できなかったため、単に接合部の介在物や内外面側の筋状疵を割れの起点として考え、これらのみを捉えてそれに応じた対策を取った結果、接合部に充分な強度が得られなかった。
また、接合部の割れにつながる応力集中は、接合部の界面だけでなく、その周辺にも作用している。鍛接時には衝合端部に酸素または空気を吹き付けるため、鍛接後にビード部となる衝合端部周辺の温度が上昇して、その結果、金属元素の一部が拡散しやすいなどから組織が管の他の部分と異なり、製造後の変形抵抗が変化して、場合によってはいくらか低くなる。その結果、フレア加工のような強加工の過大張力の影響を受けやすくなる。

そこで、接合部肉厚方向長さ１６だけでなく、図４に示す接合部界面周辺に生成するビード部１８に着目した。ビード部１８とは、接合時に衝合端部が盛り上がった部分であり、鍛接管の場合、主に内面側に盛り上がりやすいが、外面側にもわずかに盛り上がる。
このビード部１８の盛り上がりが大きいと、接合部肉厚方向長さ１６も増大しやすくて、断面の単位面積あたりの張力が小さくなって、応力集中が緩和され、接合部９への過大張力の集中を緩和することができる。したがって、接合部界面周辺に生成するビード部１８の肉厚を増加させることによって、フレア加工などの強加工における接合部周辺の応力集中を緩和できて、割れを充分防止できるわけである。

そこで、まず、フレア加工に供して割れが発生しない鍛接管について、フレア加工部に隣接する原管部分を採取し、その原管の偏平試験を行って接合部の割れを観察した。その結果の一例を図５に示す。接合部の状態によって割れが発生する押し潰し高さ比すなわち偏平高さ比（Ｈ）にバラツキが発生するが、試験に供した全数の管がフレア加工で接合部に割れを発生しないことから、その中で最も偏平高さ比（Ｈ）が大きい値がフレア加工の接合部の割れ発生限界に対応する限界偏平高さ比（ＨＬ２）と考えられる。この原管を用いて限界偏平高さ比（ＨＬ２）を求めておいて、製造した他の鍛接管が、偏平試験においてこの値以下の偏平高さ比（Ｈ）となれば、フレア加工に供しても接合部に割れは発生せず、良好な接合部であることがわかる。

本発明者らが、フレア加工に供しても割れが発生せず最も偏平高さ比（Ｈ）が大きい鍛接管Ｂについて、この限界偏平高さ比（ＨＬ２）を用いて、図４に示す管肉厚１７に対するビード部最大肉厚１９の比（Ｒ２）との関係を検討したところ、管肉厚１７に対するビード部最大肉厚１９の比（Ｒ２）が１.０５未満の領域で割れが発生しやすいことを把握した。そこで、限界偏平高さ比（ＨＬ２）と、管肉厚１７に対するビード部最大肉厚１９の比（Ｒ２）との関係を調べると、図５に示すとおりである。図中の直線ＨＬ２は、限界偏平高さ比（ＨＬ２）に対応し、下記＜１＞式で表される。
ＨＬ２＝−６.０×Ｒ２＋６.５６ ‥‥＜１＞

したがって、製造した鍛接管の接合部を押し潰し方向の一端部近傍とした偏平試験による偏平高さ比（Ｈ）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いて前記＜１＞式で定義される限界偏平高さ比（ＨＬ２）以下、すなわちＨ≦ＨＬ２であれば、接合部に割れの発生しない鍛接管としてフレア加工に供しうることがわかった。

なお、管肉厚とは、鍛接管の円周方向の平均肉厚でもよく、管の接合部とは反対側に位置する部分の肉厚でもよく、接合部周辺で肉厚がほぼ同等となる特定位置、例えば接合部肉厚方向長さ相当のｎ倍の距離分だけ接合部から離した位置の肉厚、接合部を挟んで管円周方向１／ｎの範囲で平均した肉厚など、としてもよい。

図１に一例を示した製造工程で鍛接管を製造した。すなわち、スリットした鋼帯２を、エッジ成形機４でエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉５にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機６で管状に連続成形しつつ、エッジ部にノズル７で酸素または空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して接合し、絞り圧延を行って鍛接管を製造した。

上記製造工程で製造した鍛接管について、図４に示す管肉厚１７に対するビード部最大肉厚１９の比（Ｒ２）を測定し、そのＲ２を用いて＜１＞式から限界偏平高さ比（ＨＬ２）を計算した。一方、図２に一例を示す０度偏平試験（接合部をほぼ真上として）を行い、偏平高さ比（Ｈ）を求めた。また、フレア加工を行なって接合部の割れ発生の有無を調べた。それらの結果を表１に示す。

表１より、本発明例Ｎｏ．１〜６では、いずれの鍛接管もＨ≦ＨＬ２であり、フレア加工において接合部に割れが発生せずに良好であった。これに対し、比較例（従来例）Ｎｏ．７〜10では、いずれの鍛接管もＨ＞ＨＬ２であり、フレア加工において接合部に割れが発生し、接合部強度は低くて満足できる結果ではなかった。

本発明に係る鍛接管は、接合部強度が良好であり、フレア加工のような強加工に供しても接合部が割れることがなく、著しく良好な性能を有しており、廉価な鍛接管への厳しい性能要求にも充分耐えるものであって、その産業上の利用可能性は極めて大きいものである。

１ コイラー
２ スリットした鋼帯
３ ルーパー
４ エッジ成形機
５ 加熱炉
６ 成形鍛接機
７ ノズル
８ 鍛接管（管）
９ 鍛接管の接合部
10 押し潰し力
11 接合部内面側に作用する張力
12 接合部外面側に作用する圧縮力
13 試験前の管外径
14 押し潰し量
15 試験後の管押し潰し高さ
16 接合部長さ
17 肉厚
18 ビード部
19 ビード部最大肉厚

Claims (1)

1. 鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱炉の出側で鋼帯のエッジ部を高周波加熱した後、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管、
   または、鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形（エッジ成形）し、加熱炉にて全幅を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部に酸素又は空気を吹き付けて酸化熱により融点直下近傍の温度まで昇温させ、エッジ衝合・鍛接して製造する鍛接管をフレア加工に供する際の評価方法であって、
   鍛接管の接合部を押し潰し方向の一端部近傍とした偏平試験による偏平高さ比（Ｈ）が、管肉厚に対するビード部最大肉厚の比（Ｒ２）を用いて下記＜１＞式で定義される限界偏平高さ比（ＨＬ２）以下であれば、その鍛接管はフレア加工を行っても前記接合部に割れが発生しないと判定することを特徴とする鍛接管のフレア加工性の評価方法。
   ＨＬ２＝−６.０×Ｒ２＋６.５６ ‥‥＜１＞

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