JP5724294B2 - 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、高密度エネルギー光線であるレーザビームを光学部品によって集光して溶接部に照射することによって溶接を行うので、溶接の際に急激な金属の溶融を伴う。そのため、形成された溶融池から溶融メタルがスパッタとして飛散する。飛散したスパッタは、溶接装置に付着してシームの品質を低下させるとともに、光学部品にも付着して溶接の施工が不安定になる。また、レーザ溶接では熱エネルギーを高密度で集中して溶接を行なうので、スパッタが多量に発生し、アンダーカットやアンダーフィル（すなわち窪み）等の溶接欠陥が発生する。アンダーフィルが発生すると、溶接部の強度が低下する。

そこで、レーザ溶接にてスパッタの付着を防止する技術やスパッタの発生を防止する技術が種々検討されている。たとえば、レーザ出力を低減することによってスパッタの発生を防止する技術、あるいは焦点位置を大きくずらす（いわゆるデフォーカス）ことによってスパッタの発生を防止する技術が実用化されている。しかし、レーザ出力低減やデフォーカスは、溶接速度の減少（すなわち溶接効率の低下）を招くばかりでなく、溶込み不良が発生し易くなるという問題がある。

特許文献１には、レーザビームを分光して複数個のスポットを生成させてスパッタの発生を防止する技術が開示されている。しかし、複数個のスポットに分散させてレーザ溶接を行う技術は、レーザ出力を低減してレーザ溶接を行う技術と同等であり、溶接効率の低下を招くばかりでなく、溶込み不良が発生し易くなるという問題がある。しかも、レーザビームを分光するスリットミラーが高価であるから、溶接の施工コストが上昇するのは避けられない。

特許文献２では、レーザ溶接を行なう際にフィラーワイヤを用いてアンダーフィルを防止する技術が開示されている。しかし、この技術ではフィラーワイヤの成分によって溶接金属の組成が変化する。そのため、オープンパイプの成分に応じてフィラーワイヤを選択しなければならず、フィラーワイヤの在庫管理やレーザ溶接の作業管理の負荷が増大する。

特許文献３では、レーザ溶接とアーク溶接を複合して用いることによって、溶接欠陥を防止する技術が開示されている。しかし、この技術では溶接装置の構造が複雑になりメンテナンスの負荷が増大するばかりでなく、溶接の作業管理の負荷が増大する。

特開平7-214361号公報 特開2004-330299号公報 特開2004-223543号公報

本発明は、レーザ溶接鋼管を製造するにあたって、レーザビームの照射によって加熱溶融する部位（すなわちスポット）を適正に配列するとともに、スポット径を適正に維持して、オープンパイプの外表面におけるエネルギー密度を制御することによって、アンダーカットやアンダーフィルを防止し、かつ良好な品質のレーザ溶接鋼管を高歩留りで効率良く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、レーザ溶接の溶接現象の安定化技術について調査検討した。
図１は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、レーザビームを１本用いてオープンパイプ１のエッジ部２の接合点を溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。図１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５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。

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。エッジ部の接合点をキーホール４内に配置する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。エッジ部２の加工状態および突合せ状態が不安定であると、溶融メタル５が不安定になる。その結果、スパッタが多発し、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生し易くなる。そこでエッジ部２の接合点に照射するレーザビームのエネルギー密度を調整する。そのためには、レーザビームのスポット径，スポット形状，スポット個数を適正に維持する、あるいはレーザビームの焦点位置を変化させる。さらに、レーザビームを接合点から外れた位置に照射する。

このようなスポットの形態の調整は、適正な集光レンズや集光ミラーを作製することによって可能な技術である。
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、焦点距離が200mm以上であり、焦点位置でのスポット径が0.4mm以下の複数本のレーザビームを用いて、複数本のレーザビームの焦点位置での溶接線に対して垂直方向のスポット長さの合計が0.5mm以上、溶接線方向のスポット中心間距離を５mm以内に配列して溶接を行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、オープンパイプの外表面における各レーザビームのエネルギー密度が70ｋＷ／mm²以下であることが好ましい。また、オープンパイプの厚みをｔとし、オープンパイプの外表面からｔ／３以上内面側に焦点位置を配置することが好ましい。さらに、複数本のレーザビームのレーザ出力を合計15ｋＷ以上，溶接速度を７ｍ／分以上とすることが好ましい。レーザビームに前進角２〜20°を付与することが好ましい。オープンパイプの厚みｔは３mmを超えることが好ましい。オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧するにあたって、0.3〜1.0mmのアップセットを付与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ビームの照射によって加熱溶融する部位（すなわちスポット）を適正に配列するとともに、スポット径を適正に維持して、オープンパイプの外表面におけるエネルギー密度を制御することによって、アンダーカットやアンダーフィルを防止し、かつ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。

オープンパイプのエッジ部の接合点を溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。 本発明を適用して複数本のレーザビームを照射する位置を模式的に示す平面図である。 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斜視図である。

本発明では、複数本のレーザビームを用いてレーザ溶接鋼管を製造する。レーザビームを２本用いる例を図３に示す。図３ではオープンパイプ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２本照射する。図３中の矢印Ａはオープンパイプ１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キーホール４とその周囲に形成される溶融メタル５は透視図として示す。

２本以上のレーザビーム３を照射する位置の例を図２に平面図として示す。図２中の矢印Ａはオープンパイプ１の進行方向を示す。
図２(a)は、２本のレーザビームを照射する位置を示しており、レーザビーム３-1，３-2をエッジ部２の両側に配置する例である。この例を斜視図で示したのが図３である。
図２(b)は、３本のレーザビームを照射する位置を示しており、レーザビーム３-1で予熱し、レーザビーム３-2，３-3をエッジ部２の両側に配置する例である。

図２(c)は、４本のレーザビームを照射する位置を示しており、レーザビーム３-1，３-2，３-3，３-4をエッジ部２の両側にそれぞれ２本ずつ配置する例である。
図２(d)は、２本のレーザビームを照射する位置を示しており、出力の異なるレーザビーム３-1，３-2をエッジ部２の両側に配置する例である。この例ではレーザビーム３-1の出力が小さいので、レーザビーム３-1をレーザビーム３-2よりエッジ部２に近づけて配置している。

図２(e)は、２本のレーザビームを照射する位置を示しており、レーザビーム３-1，３-2をエッジ部２に沿って配置する例である。
複数本のレーザビームを用いる場合のレーザビームの配置は、図２に示す例に限定するものではなく、目的に応じて適宜配置できる。ただし、レーザビームを５本以上使用すると、溶接装置の構造が複雑になり、メンテナンスの負荷が大きくなる。そのため、レーザビームを２〜４本使用することが好ましい。

個々のレーザビームの焦点位置での溶接線に対して垂直方向のスポット長さの合計を0.5mm以上とし、溶接線方向のスポット中心間距離を５mm以内とする。スポット長さの合計を0.5mm以上とすることで、接合点を溶融メタル５内に比較的容易に配置することが可能となる。また、スポット中心間距離を５mm以内とすることによって、溶融メタル５の分離を防止することが可能となる。

オープンパイプ１の外表面における個々のレーザビーム３のエネルギー密度は70ｋＷ／mm²以下が好ましい。単にレーザビーム３をデフォーカスすれば溶込み特性が劣化するので、エネルギー密度を規定することによって溶込み特性の劣化を防止する。ただし、エネルギー密度が70ｋＷ／mm²を超えると、オープンパイプ１の外表面からのスパッタ発生量が増加する。なお、レーザビーム３のエネルギー密度は、レーザ出力およびスポット径を制御することによって調整する。

レーザビーム３の焦点位置は、オープンパイプ１の外表面からｔ／３以上内面側に配置することが好ましい。ｔはオープンパイプ１の厚みを指す。レーザビーム３の焦点位置は、レーザビーム３を光学的に集束させて、エネルギーを集中させる位置である。この焦点位置がオープンパイプ１の外表面からｔ／３未満であれば、スパッタが多量に発生する。
オープンパイプ１の厚みｔは３mm超えが好ましい。厚みｔが３mm以下では、溶落ちが発生し易くなる。

一般に、レーザ溶接にて発生するスパッタは、レーザ出力が低いほど、あるいは溶接速度が遅いほど減少する。しかし、スパッタの発生を抑えるために、レーザ出力や溶接速度を調整することは、レーザ溶接鋼管の生産性の低下を招くとともに、ブローホールが発生し易くなるという問題がある。したがって、複数本のレーザビーム３のレーザ出力を合計15ｋＷ以上とし、かつ溶接速度を７ｍ／分以上とすることが、生産性向上およびブローホール抑制の観点から好ましい。レーザ出力が合計15ｋＷ未満では溶接速度が７ｍ／分未満に低下するので、生産性が低下し、ブローホールが発生する。

レーザビーム３の焦点距離は200mm以上とする。焦点距離が200mm未満では、オープンパイプ１のエッジ部２のＺ軸方向（すなわちレーザビームの光軸方向）に焦点位置が変動することによって、レーザ溶接が不安定になる。
レーザビーム３を照射する角度（以下、前進角という）は２〜20°の範囲内が好ましい。前進角を設けてレーザビーム３を照射することによって、スパッタの発生量が減少する。ただし、前進角が２°未満ではその効果が得られない。また、20°を超えてもその効果は得られない。

レーザ溶接によるスパッタの発生を皆無にすることは困難であるから、アンダーカットやアンダーフィルの発生を防止するために、エッジ部２に0.3〜1.0mmのアップセットを付与することが好ましい。アップセット量が0.3mm未満では、アンダーカットやアンダーフィルを防止できない。一方、1.0mmを超えると、シーム６の手入れに多大な時間を要する。

オープンパイプ１の進行方向Ａにおけるエッジ部２の接合点は、エッジ部２の平均間隔がスクイズロール（図示せず）によって狭まり、0.5mm以下になった箇所であればどこでも良い。
本発明で使用するレーザビームの発振器は、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，レーザ媒質としてバルクの代わりにファイバーを利用するファイバーレーザ等が好適である。あるいは、半導体レーザを使用しても良い。

オープンパイプ１の外面側から補助熱源によって加熱しても良い。その補助熱源は、オープンパイプ１の外表面を加熱し溶融できるものであれば、その構成は特に限定しない。たとえば、バーナ溶解法，プラズマ溶解法，ＴＩＧ溶解法，電子ビーム溶解法，レーザ溶解法等を利用した手段が好適である。
ただし補助熱源としてはアークの使用が最も好ましい。アークの発生源は、溶融メタル５の溶落ちを抑制する方向に電磁力（すなわち溶接電流の磁界から発生する電磁力）を付加できるものを使用する。たとえばＴＩＧ溶接法，プラズマアーク溶接法等の従来から知られている技術が使用できる。アークの発生源はレーザビームと一体的に配置することが好ましい。その理由は、アークを発生させる溶接電流の周辺に生じる磁界の影響を、溶融メタル５に効果的に与えるためである。さらに、アークの発生源をレーザビーム３より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部２の水分や油分を除去できるからである。

アーク以外の補助熱源を使用する場合も、補助熱源はレーザビーム３の発振器と一体的に配置することが好ましい。その理由は、補助熱源とレーザを一体的に配置しないと、補助熱源の効果を得るためには大きな熱量が必要となり、また溶接欠陥（たとえばアンダーカット等）の抑制が非常に困難になるからである。さらに、補助熱源をレーザビーム３の発振器より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部２の水分や油分を除去できるからである。

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。
以上に説明した通り、本発明によれば、大きいエネルギーを有するレーザ溶接によってレーザ溶接鋼管を製造するにあたって、アンダーカットやアンダーフィルを抑制するとともに、溶接効率を低下させることなく良好な品質のレーザ溶接鋼管を歩留り良く得られる。得られたレーザ溶接鋼管は、シーム６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、10kWのファイバーレーザ発振器を２台使用した。その出力と溶接速度は表２に示す通りである。
表２に示す発明例は、本願発明の必須の要件を満足する例である。なお、発明例のうち鋼管No.10は溶接速度が本発明の好適範囲を外れる例、鋼管No.11はレーザ出力が本発明の好適範囲を外れる例、鋼管No.12はアップセット量が本発明の好適範囲を外れる例、鋼管No.13はエネルギー密度が本発明の好適範囲を外れる例である。これらは、いずれも本願発明の必須の要件を満足するので発明例とする。

比較例のうち、鋼管No.７，14，15はスポット径が本発明の範囲を外れる例、鋼管No.８はスポット長さが本発明の範囲を外れる例、鋼管No.９はスポット中心間距離が本発明の範囲を外れる例である。
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。

表２から明らかなように、発明例では、超音波探傷は優（◎），良（○）または可（△）であった。また、スパッタの発生によるアンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥は認められなかった。一方、比較例では、超音波探傷は不可（×）であった。また、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が認められた。発明例のうちの鋼管No.13にも、アンダーカットやアンダーフィルが僅かながら認められた。

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

Claims (7)

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、焦点距離が200mm以上であり、焦点位置でのスポット径が0.4mm以下の複数本のレーザビームを用いて、前記複数本のレーザビームの焦点位置での溶接線に対して垂直方向のスポット長さの合計が0.5mm以上、溶接線方向のスポット中心間距離を５mm以内に配列して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. 前記オープンパイプの外表面における各レーザビームのエネルギー密度を70ｋＷ／mm²以下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. 前記オープンパイプの厚みをｔとし、前記オープンパイプの外表面からｔ／３以上内面側に焦点位置を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. 前記複数本のレーザビームのレーザ出力を合計15ｋＷ以上、溶接速度を７ｍ／分以上とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
5. 前記レーザビームに前進角２〜20°を付与することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
6. 前記オープンパイプの厚みｔが３mmを超えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
7. 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するにあたって、0.3〜1.0mmのアップセットを付与することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。

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