JP6020491B2 - 電縫溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫溶接鋼管のシーム溶接における溶接部温度の変動を抑制して品質を向上させる電縫溶接鋼管の製造方法に関する。

電縫溶接鋼管（電縫鋼管または電縫溶接管と言う場合がある）は、熱延鋼帯をＶスロート部において交流電圧で加熱し、ロール成形する際の加圧でシーム溶接部（シームと言う場合がある）を形成して製造される。

電縫溶接鋼管の製造では、Ｖスロート部の収束点（溶接点、溶接部とも言う）の温度管理が品質向上に非常に重要となることから、溶接部温度の測定方法や、溶接部温度を測定して溶接条件に反映させる溶接方法が従来より検討・提案されている。

例えば、溶接点の温度測定方法として、ＣＣＤなどの画像素子、センサアレイを用いて、溶接点近傍温度を測定する方法が提案され、特許文献１には溶接部温度測定方法としてシーム収束部（溶接点）前方のオープンパイプ側に構成された温度測定装置により溶接点前後の温度を測定することが記載されている。

特許文献２には溶接ビード部の温度分布測定装置として電縫管溶接ビード部にオープンパイプ側からシーム収束部に向かう方向にその先端を向けたグラスファイバーの後端に熱放射温度センサアレイを接続して構成される装置で測定することが記載されている。

また、特許文献３には、溶接部温度が最適溶接温度設定値となり、且つ、溶接温度変動が最小となるように、溶接温度測定信号の平均値信号と光切断法により得られたビードカット前の溶接部の断面形状検出信号を組み合わせて、溶接用高周波発振器の電圧を制御することが記載されている。

特許文献４には積分Ｉ要素を含む温度フィードバック制御でＶシームへの入熱量制御を行う造管温度制御において、溶接開始時のオ−バ−ヒ−トを無くして良質な造管を可能とするため、溶接開始には一定の入熱量制御にし、溶接温度が目標値に近づくに要する時間遅れを持って温度フィードバック制御することが記載されている。

電縫溶接鋼管は、最近、自動車用中空スタビライザーの素材、耐サワー特性やＣＴＯＤ特性が要求される高強度厚肉ラインパイプ材などに使用されるようになり、加工条件や使用環境が厳しくなったため、一層の品質向上が要求され、溶接部の温度管理の他に、スクイズ量、シーム収束位置の制御が追加されるようになってきている。

特許文献５は、ペネトレータと称される溶接欠陥が溶接熱影響部（ＨＡＺ）のメタルフロー立上り角度に影響されることを見出し、メタルフロー立上り角度が当該溶接欠陥の発生防止のための適正域である５０〜８０度となるように、スクイズ量を、シーム溶接部の上方に設置した撮像装置によるシーム収束部の像より演算して求め、制御することが記載されている。

特許文献６は、シーム収束部を挟んで対向するように管内外面に撮像装置を配置して、管内外面のそれぞれのシーム収束点の管軸方向の相対位置の差が予め設定した目標値となるように突合せ形状を制御することが記載されている。

特許文献７には、従来より提案されている溶接プロセスの制御を行っても、時に著しいＨＩＣ（水素誘起割れ）発生が認められることを解消するため、素材の成分組成を規定して電縫溶接部における酸化物と当該酸化物が寄り集まったクラスターの大きさを一定範囲内としている。なお、特許文献７には、先行技術として、高強度厚肉ラインパイプ材の場合、溶接プロセスの制御として、経験に基づく入熱調整や開先におけるＶシェイプ角度の適正化が行われ、高入熱とＶシェイプ角度（おおよそ、２〜３度）が採用されていることが紹介されている。

特開平９−３０４１８７号公報 特開昭６２−３９７３４号公報 特開昭５７−１３９４７９号公報 特開昭６０−１２１０８６号公報 特開平５−１０４２５７号公報 特開平５−２６１５６４号公報 特開２０１３−７１１２号公報

上述したように、シーム溶接部の溶接欠陥発生防止方法は多角的に検討されているが、電縫溶接の場合、加熱された素材両端部が加圧されて収束する溶接点以降にシーム溶接部が形成されるため、まず、溶接点において良好な加熱状態を確保することが重要で、溶接欠陥発生防止は溶接点の温度変動を反映した入熱制御が基本となる。

しかし、溶接点近傍に水、水蒸気、スパッタおよびスパーク等が存在する環境は、非接触温度計の主流である光学系を利用した測定方法にとって大きな外乱となる要因が存在する環境でもあり、溶接点での温度計測は光学系の構成、信号処理において対策が必要となるが、特許文献２、３にはこの点に関する記載がない。

特許文献１記載の温度測定方法は、溶接点近傍に存在する水の厚みの影響は排除するが、溶接部近傍やＶシェイプ部では、溶接機、ＳＱＴロール、ガスシールドその他、溶接付帯設備との取りあいを考慮する必要があり、計測系を設置する十分なスペースを見出すことは困難である。

また、特許文献３記載の溶接部温度制御方法は目標とする最適溶接温度となるように、溶接部温度の信号とビード高さを温度換算した信号の両者を利用して溶接用高周波発振器の電圧を制御するが、溶接温度測定における上記外乱の影響は記載されておらず、更に光切断法を併用するため装置が複雑である。特許文献４記載の造管温度制御は溶接開始時のみを対象とし、電縫溶接鋼管の全長において溶接部温度を安定化させることを目的とするものではなく、溶接部温度に対する上記外乱の影響も排除されていない。

溶接部の品質安定性を向上させるために提案されている特許文献５、６および７も溶接部温度が安定していることを前提としているが、その点に関する記載がない。

そこで、本発明は溶接点の温度変動状況を正確に把握して入熱量を制御することで安定した溶接部温度を得ることを特徴とする、電縫溶接鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．電縫溶接鋼管のシーム溶接において、溶接点の温度が許容温度範囲内に収まるように入熱制御を行う電縫溶接鋼管の製造方法であって、前記溶接点の温度は、溶接点からビード切削点側に５０〜３００ｍｍ離れ、且つビード切削前となる位置で計測したシーム溶接部の温度とし、前記入熱制御は、余材部における溶接は、予め定めた最適溶接温度が得られる印加電圧を用いて行い、本溶接は、前記溶接点の温度の目標値を、前記余材部における溶接での前記溶接点の温度の最低値とし、印加電圧を前記溶接点の温度が前記目標値となるように設定し、前記印加電圧を前記溶接点の温度が前記許容温度範囲内となるように制御して行うことを特徴とする電縫溶接鋼管の製造方法。
２．前記溶接点の温度は、測定温度の移動平均温度であることを特徴とする１記載の電縫溶接鋼管の製造方法。

本発明によれば、低入熱で健全な溶接部が得られるシーム溶接が可能となり、品質に優れた電縫溶接鋼管が得られ産業上極めて有用である。

本発明を適用するのに好適な電縫溶接鋼管の装置構成の概略を示す模式図。 シーム溶接部の温度の時間的変動の一例を模式的に示す図。 シーム溶接部の温度の時間的変動を用いて本発明を説明する図。

電縫溶接鋼管のシーム溶接は、管端部で溶接開始から溶接が安定するまで行う余材部での溶接と、余材部より後方で製品となる部分で行う本溶接があり、本発明は、余材部の溶接で得られた知見を本溶接に適用することを特徴とする。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明を適用するのに好適な電縫溶接鋼管の装置構成の概略を示す模式図で、図において、１はスクイズロール、２はビードカッター、３は温度計、ａは溶接点、ｂは温度計測点、ｃはビード切削点、Ｌは溶接点から温度計測点までの距離を示す。

温度計３はシーム溶接の溶接点ａ（熱延鋼帯のシーム収束部）からビードカッター２側に距離Ｌ：５０〜３００ｍｍ離れ、且つビード切削点ｃ前となる位置を温度計側点ｂとしてシーム溶接部の温度を計測する。

図２に、前記シーム溶接部の温度の時間的変動の一例を模式的に示す。当該シーム溶接部の温度は、素材となる熱延鋼帯の板厚変動、突合せ開先部の精度、印加電圧の周波数などの影響により、印加電圧を一定として（入熱量を一定にして）溶接を行っても、入熱量が自励的に変化して図示したように変動する。図においてＴ１は温度計による溶接点の測定温度、Ｔ２は測定温度Ｔ１の移動平均温度を示す。本発明において移動平均温度は測定値の移動平均温度とする。

本発明では、変動する溶接点の温度（Ｔ１）の温度計３による測定値の移動平均温度（Ｔ２）を溶接点の温度とする。温度計３として、測定範囲径が直径１０ｍｍ程度で、溶接速度に対して十分なサンプリング周波数を有する放射温度計が好ましく、ＣＣＤを用いた２次元放射温度計で測定範囲径が直径１０ｍｍ程度、サンプリング周波数５００ｍｓ程度に調整可能なものが特に好ましい。また、移動平均温度は測定値１０点程度の移動平均とすることが好ましい。

図３を用いて本発明で規定する温度を説明する。余材部でのシーム溶接は、溶接点の温度が最適溶接温度Ｔ３となるように予め調整した印加電圧で行う。最適溶接温度Ｔ３は、素材となる熱延鋼帯の板厚、溶接速度より定まるもので、最適溶接温度と印加電圧の関係は予め求めておく。溶接点の温度が自励的に変化して溶接欠陥が生じることを防止するため、最適溶接温度Ｔ３に適切な温度を加算した上限温度（Ｔ５）、減算した下限温度（Ｔ４）を設定した許容温度範囲ΔＴを設ける。

余材部でのシーム溶接では、溶接点の温度（平均値Ｔ２）の自励的な変動を把握するため、溶接点の温度（移動平均温度Ｔ２）が許容温度範囲ΔＴ内となるように印加電圧を制御することは行わない。溶接点の温度の変動は不規則であるが、一定のシーム溶接長さ毎にパターン化することができる。図３は溶接時刻ｔ１までの余材部溶接時間Δｔにおける溶接点の温度変動を一つのパターンとして認識した場合を示す。余材部の長さは、印加電圧の周波数の中央値、熱延鋼帯の幅、溶接速度、成形最終ロールのロールスロート径を考慮して経験的に設定されているが、本発明では、これらの要素による溶接点の温度が変動する周期（温度変動周期）λを包含する長さに以上に設定することが必要である。このため、余材部の長さは、温度変動周期λの２倍の溶接時間で溶接される長さ以上であれば十分であり、通常、溶接開始点から３ｍ程度に設定する。

本溶接は、余材部における溶接での溶接点の温度で、前記許容温度範囲ΔＴ内での最低温度Ｔ６を前記溶接点の温度の目標値、すなわち、新たな最適溶接温度として行う。本溶接では、印加電圧を溶接点の温度が目標値（最低温度Ｔ６）となるように設定し、印加電圧を、溶接点の温度（移動平均温度Ｔ２）が許容温度範囲内ΔＴとなるようにフィードバック制御する。例えば、本溶接において、溶接点の移動平均温度Ｔ２が下限温度Ｔ４を下回るような場合は、溶接時刻ｔ２の時点で印加電圧を大きくする制御を行う（図３の溶接時間ｔ２での溶接点の移動平均温度Ｔ２）。上限温度Ｔ５を上回る場合は、印加電圧を小さくする制御を行う（図示しない）。フィードバック制御は、例えば、先に述べた放射温度計で測定した溶接点の温度と目標値（最低温度Ｔ６）との温度差を電圧に換算して、当該電圧を印加電圧制御装置に入力して行う。本発明では、余材部の溶接と本溶接において、上限温度（Ｔ５）、下限温度（Ｔ４）は同じ温度とする。

本発明によれば、本溶接での目標値（新たな最適溶接温度）は余材部での最低温度Ｔ６となり、余材部での最適溶接温度Ｔ３より低い温度となるので、小入熱溶接が可能となる。なお、目標値（新たな最適溶接温度）での溶接で溶接欠陥が生じないことを予備材で予め確認しておく。

同一寸法の鋼管を２本製造するため、同一寸法の鋼帯を２本準備して１セットとしたものを５セット分用意した。各セットにおいて、１本には本発明を適用したシーム溶接を行い、他方には従来のシーム溶接を行って本発明の効果を確認した。従来のシーム溶接とは、余材部と本溶接での最適溶接温度と溶接条件が同じものである。各セットＮｏ．において最適溶接温度は熱延鋼帯の板厚、溶接速度より定めた（表１では略）。本発明例は、本溶接での溶接点の温度の目標値（最適溶接温度）が余材部での最低温度Ｔ６となるように溶接条件を設定した。

溶接点の温度の測定は、測定範囲径が直径１０ｍｍで、溶接速度に対して十分な５００ｍｓのサンプリング周波数のＣＣＤを用いた２次元放射温度計をシーム溶接の溶接点（熱延鋼帯のシーム収束部）からビードカッター側に距離：１５０ｍｍ離れ、且つビード切削点前となる位置に配置して行った。また、移動平均温度Ｔ２は測定値１０点の移動平均とした。

表１に示すように、各セットＮｏ．１〜５において本発明例は従来例と比較して、本溶接での温度変動幅が小さく安定した溶接が可能で、溶接部品質に優れることが確認された。

１ スクイズロール
２ ビードカッター
３ 温度計
ａ 溶接点
ｂ 温度計測点
ｃ ビード切削点
Ｌ 溶接点から温度計測点までの距離
Ｔ１ 溶接点の測定温度
Ｔ２ 移動平均温度
Ｔ３ 最適溶接温度
Ｔ４ 下限温度
Ｔ５ 上限温度
Ｔ６ 最低温度
ΔＴ 許容温度範囲
λ 温度変動周期
ｔ１、ｔ２ 溶接時刻
Δｔ 余材部溶接時間

Claims (2)

1. 電縫溶接鋼管のシーム溶接において、溶接点の温度が許容温度範囲内に収まるように入熱制御を行う電縫溶接鋼管の製造方法であって、前記溶接点の温度は、溶接点からビード切削点側に５０〜３００ｍｍ離れ、且つビード切削前となる位置で計測したシーム溶接部の温度とし、前記入熱制御は、余材部における溶接では、予め定めた最適溶接温度が得られる印加電圧を用いて行い、本溶接では、前記溶接点の温度の目標値を、前記余材部における溶接での前記溶接点の温度の最低値とし、印加電圧を前記溶接点の温度が前記目標値となるように設定し、前記印加電圧を前記溶接点の温度が前記許容温度範囲内となるように制御して行うことを特徴とする電縫溶接鋼管の製造方法。
2. 前記溶接点の温度は、測定温度の移動平均温度であることを特徴とする請求項１記載の電縫溶接鋼管の製造方法。

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