JP6066290B2 - 小径金属管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管、特に外径が２０ｍｍを下回るような小径の溶接管を高効率で製造する方法に関する。

一般的に溶接金属管は金属帯をタンデムに配置された１０段以上からなる複数のロール成形スタンドによって連続的に円筒状に成形しつつ金属帯エッジの突合せを溶接接合することで製造するロールフォーミング法が採用されている。例えば特許文献１に見られる通りである。
しかしながら、ロールフォーミング法では、製造する金属管のサイズを変更する際はロール成形スタンドが多いため、オペレーターによるロール交換作業や寸法調整に伴う作業負荷が大きく、ライン休止時間が長くなることで生産効率が低下する。さらに外径が20mmを下回るような小径管を製造する場合、例えば特許文献１にあるような多段スタンドによる造管では、調整箇所が多くなり各スタンドで厳密な調整をしなければ鋼帯に蛇行やねじれ等の成形不具合が生じて生産効率が著しく低下する。小径管を製造する場合は作業効率や生産性改善のため、可能な限り少段数、ひいては単スタンドで造管することが望ましい。

また、ダイス内に金属帯を通過して引抜くことで円筒状に連続成形するダイドローフォーミング法も採用されている（例えば特許文献２参照）。
しかしながら、ダイドローフォーミング法では、ダイス１段で円筒状に成形できるが、ダイスと管材との摩擦が著しく、潤滑油を使用しながら製造しても金属帯疵から脱落した金属粉末が蓄積され、ダイスを頻繁に手入れしないと溶接品質が維持できないことや、さらには表面疵が著しいため造管後に表面研磨処理が必要になるなど、生産性低下ならびに生産コストの上昇が否めない。

ところで、前記ロールフォーミング法やダイドローフォーミング法にかかわらず、円筒状に成形した金属帯エッジの突合せ部を溶接して溶接管を製造する際には、生産性や製造した溶接管の加工性の観点からは溶接法としてレーザ溶接法の採用が好適である。
前記した通り、ロールフォーミング法はロール交換作業や寸法調整に伴う作業負荷が大きいばかりでなく、特に小径管を製造する場合に、わずかな調整ミスで突合せ部に不具合が発生し易くなる。

また、ダイドローフォーミング法では潤滑油を大量に使用するため、そのままレーザ溶接することができない。
そこで、本発明者らは、上記のような問題点を解消するために、成形されるパイプの外径よりも明らかに大きな径のロールを配置した大径ロールスタンドを使用し、無潤滑で精度よく円筒状に成形し、その後に金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することにより溶接管を製造する方法を見出し、特許文献３として提案した。

特開平６−１３４５２５号公報 特開平８−２６７１５０号公報 特願２０１２−１３６６２７号

前記特許文献３として提案した小径金属管の製造方法は、図１に示すように、一対のサイドロールであって、成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上、好ましくは２５以上となるように設計された大径サイドロールを使用し、金属帯を単スタンドの前記大径サイドロールを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合しようとするものである。
この方法では、成形されるパイプの外径に対して明らかに大きい外径のサイドロールを用いることによって成形に必要なスタンド数を削減することができ、単スタンドで金属帯を円筒状に成形することが可能となる。またスタンドの大幅削減によりオペレーターによる作業負荷を低減することができ、表面性状の優れた小径管を高効率で製造することが可能となる。

ところが、単スタンドのサイドロールによって円筒状に成形すると、図２（ａ）に示すように、エッジベンドロール通過後の板材を左右からサイドロールで押圧する形態で成形が行われることになる。このため、サイドロール間に隙間が形成され、材料が下方の隙間に逃げ（図２（ｂ）参照）、成形される円筒形状に不具合を発生することがある。
そこで、この材料の下方への逃げを防ぐためには、図３に示すように、一対のサイドロール間の下方に、いわゆる“受け”として、ボトムロールを配置して、大径サイドロールスタンドを３方ロール方式とすることも、前記特許文献３で提案している。

ボトムロールを配置することによって逃げが抑制され、成形された金属管の形状および品質が大幅に向上する。
しかしながら、一対のサイドロールの他にボトムロールを配置することは、成形のためのサイドロールの駆動装置の他に回転するボトムロールを軸支する装置をも備えさせる必要があり、装置全体の大型化に繋がることになる。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、金属帯を一対の大径サイドロールを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合して小径管を製造する際に、ボトムロールに替えて軸支の必要がない受け具を用いることにより、簡便な装置を用い、低コストで小径管を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の小径金属管の製造方法は、その目的を達成するため、一対のサイドロールであって、成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールと、当該一対の大径サイドロールの間の下側に、かつ当該大径サイドロールの軸に垂直方向に配置した、平面が略二等辺三角形であって、その等辺が大径サイドロールの外周に沿う形状に湾曲された板状体からなるシューを備えたロールスタンドを使用し、金属帯を単スタンドの前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することを特徴とする。

本発明の小径金属管の製造方法は、また、一対のサイドロールであって、成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールと、当該一対の大径サイドロールの間の下側に、かつ当該大径サイドロールの軸に垂直方向に配置した、上部が二等辺三角形の凸部を有する横断面の長尺体からなるダイを備えたロールスタンドを使用し、金属帯を単スタンドの前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合する方法であってもよい。
また、当該一対の大径サイドロールの間の下側に挿入するダイの形状は、大径サイドロールが挿入される部位が削られているものであってもよく、例えば前記記載のダイに対して大径サイドロールの外周に沿った凹み形状が付与されたダイを用いてもよい。
前記外径比φ₂／φ₁は２５以上となるようにすることが好ましい。
エッジベンドロールスタンドによって金属帯エッジを曲げた後、大径サイドロールを通すことが好ましい。

本発明では、成形されるパイプの外径に対して明らかに大きい外径のサイドロールを用いることにより、成形に必要なスタンド数を削減することができ、単スタンドで金属帯を円筒状に成形することが可能となる。またスタンドの大幅削減によりオペレーターによる作業負荷を低減することができ、表面性状の優れた小径管を高効率で製造することが可能となる。そして、大径のサイドロール間に形成される隙間への材料の逃げを抑制するために配置した特定形状のシューやダイの使用により、成形精度の優れた小径管を安定的に製造することができる。

本発明で用いる大径サイドロールの概略構造を示す斜視図 サイドロール通過時の不具合発生状況を説明する図 ボトムロールを配置した３方ロール方式サイドロールの構造を示す断面図 外径比φ₂／φ₁と鋼帯エッジの相当塑性ひずみの関係を示す図 大径サイドロール間にシューを配置した本発明例を紹介する図 本発明で用いるシューの大よその形状を示す斜視図 大径サイドロール間にダイを配置した本発明例を紹介する図 本発明で用いるダイの大よその形状を示す斜視図 本発明で用いるロール形状に沿った凹みが付与されたダイの大よその形状を示す斜視図 本発明の小径金属管の製造方法を用いる製造ラインの概略を示す図 実施例で用いたエッジベンドロールの概略構造を示す断面図

ロールフォーミング法での成形の際には、一般的に、タンデムに配置された１０段以上のロール成形スタンドを用いた多段成形によって緩やかに成形されている。このため、製造しようとする溶接管の径を変更する場合、用いる複数のスタンドのロール全てを被製造溶接管の外径に対応したものに交換する必要がある。そして、ロール交換に多大の労力及び長時間がかかるため、コスト増になっているのである。
そこで、本発明者らは、数多い段数のロール成形スタンドを用いることなく、緩やかにロール成形でき、ロール成形時に生じるひずみを小さくできる手段について検討を重ねている段階で、単スタンドのロール成形スタンドで緩やかにかつ生じるひずみが小さくなるように成形できることを見出し、前記した特許文献３で提案した。

特許文献３では、単に一対の大径サイドロールを用いるのみでは問題点を引き起こすおそれがあるため、一対のサイドロール間の下方に、いわゆる“受け”として、ボトムロールを配置して、大径サイドロールスタンドを３方ロール方式とすることも提案している。
ボトムロールを配置することによって逃げが抑制され、成形された金属管の形状および品質が大幅に向上するが、一対のサイドロールの他にボトムロールを配置することは、成形のためのサイドロールの駆動装置の他に回転するボトムロールを軸支する装置をも備えさせる必要があり、装置全体の大型化に繋がることになる。
そこで、本発明では、回転するボトムロールに替えて回転しないシュー、又はダイを用いることにした。
以下にその詳細を説明する。

本発明では、特許文献３で提案した方法と同様、円筒状に成形するロールとして、多段スタンドではなく、単スタンドで成形可能とするために、図１に示すような成形されるパイプの外径に対して成形するロールの外径の外径比が相当に大きくなるように設計された大径サイドロールを使用している。具体的には１０以上としている。
パイプの外径に対して成形するロールの外径の外径比が相当に大きくなるように設計された大径サイドロールはダイスと見立てることができ、単スタンド、かつ無潤滑で円筒状の成形が可能となったものである。
なお、大径サイドロールは、被成形円筒形状に応じた大きいロール径を必要とするため、外径が２０ｍｍを下回るような小径の溶接管製造に好適であるが、大きな外径の溶接管製造にはそれに見合った径のサイドロールが必要となり、現実的ではない。

ここで、外径比φ₂／φ₁の好ましい関係について説明しておく。
成形されるパイプの外径φ₁に対する成形するロールの外径φ₂の比である外径比φ₂／φ₁が大きいサイドロールを使用することで緩やかにロール成形でき、つまり成形中に生じるひずみを小さくしながら成形できる。
図４に外径比φ₂／φ₁と鋼帯エッジ部の相当塑性ひずみの関係を示しているが、外径比を１０以上とすることで、特に鋼帯エッジに生じるひずみを一段と小さい状態で成形することができ、エッジが湾曲されたときの断面形状が良好でかつ反りのない状態での成形が可能となる。外径比を２５以上とすることがより好ましい。外径比の上限については特に規定する必要はないが、鋼帯エッジ部に生じるひずみの低減効果が８０程度で飽和すること、ロール費用などを考慮すると８０程度とするのが実用的である。

本発明では、特許文献３で提案した回転するボトムロールに替えて、回転しない特定形状のシュー又はダイを用いている。
まず、図５，６を用いてシューを用いた事例を紹介する。
シューとして、図５に示すような、平面が略二等辺三角形の板状体を用いる。その略二等辺三角形の等辺は大径サイドロールの外周に沿う形状に湾曲された曲線で形作られる。大径サイドロール間に形成される隙間への材料の逃げを防ぐには、大径サイドロール間に載置される“受け”は、最接近している二つの大径サイドロール間の直下に位置していることが好ましい。
そこで、湾曲された辺に段差を設け、段差部の先端（略二等辺三角形の先端）を二つの大径サイドロール間の直下に差し込むような形態とすることが好ましい。

次に、図７，８，９を用いてダイを用いた事例を紹介する。
ダイとして、図８に示すような、平面に断面略二等辺三角形の凸部を有する長尺体を用いる。この長尺体からなるダイを、一対の大径サイドロールの間の下側に、かつ大径サイドロールの軸に垂直方向に、すなわち成形される金属帯の流れるライン方向に配置する。
この長尺体からなるダイを、大径サイドロール間に形成される隙間への材料の逃げを防ぐ“受け”として有効に機能させるためには、図７に示すように、断面略二等辺三角形の凸部の頂角と大径サイドロールの作用面より下側に設ける切り欠きの角度を調整することが必要である。なお、製造される小径管の表面に接触傷が生じないようにするため、図８に示すように、断面略二等辺三角形の凸部先端は面取りしておくことが好ましい。

本発明者らが行った予備実験によると、図７に示すように、大径サイドロールに設ける切り欠きの角度を５０°未満に、すなわち断面略二等辺三角形の頂角を１００°未満であることが望ましく、さらには３０°、すなわち断面略二等辺三角形の頂角を６０°程度とすることがより望ましいことが確認されている。
ここで、大径サイドロールに設ける切り欠きの角度を５０°以上にしてしまうと、左右から大径サイドロールを押圧するときに、大径サイドロールとボトムロールの間に予め形成されている隙間に材料が逃げる場合があり、成形される円筒形状に不具合を発生することがある。
またダイの形状は、シューのように大径サイドロールが挿入される部位が削られたものであってもよく、例えば図９に示すような大径サイドロールの外周に沿った凹み形状が付与されたものであってもよい。

一対の大径サイドロールの間の下側に上記のような特定形状のシュー又はダイを配置することにより、大径サイドロール間に形成される隙間への材料の逃げを防ぐことができ、大径サイドロールの単スタンドで成形精度の優れた小径管を安定的に製造することが可能となる。
しかし、被成形金属帯のエッジ部の曲げ状況を円滑にするためには、特許文献３で提案した方法と同様、大径サイドロールを通す前にエッジベンドロールスタンドを通すことが好ましい。また、成形精度の優れた小径管を安定的に製造するためには、同様に大径サイドロールスタンドの上側にフィンロールを配することが好ましい。
本発明方法を適用する現実的なライン構成を図１０に示す。

巻き戻された金属帯１０は、板押え１で押えられつつガイド２で側端を揃えてエッジベンドロールスタンド３に通される。側端が曲げられた金属帯は、シュー又はダイ９を備えた大径サイドロールスタンド４で円筒状に成形された後、フィンロール８で突合せ当接部の位置精度を高め、スクイズロールスタンド５を通るときにレーザ溶接法などで溶接接合され、溶接管７となる。なお、６は引き抜き装置である。
なお、溶接法はレーザ溶接法に限定されるものではなく、ティグ溶接、プラズマ溶接などのアーク溶接法や高周波溶接法などを用いても良い。

実施例１；
次に、18Cr‐1Mo‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.5mmのステンレス鋼帯を素材として、外径φ6.5mm（φ_１）の溶接管を製造した事例を紹介する。
製造ラインとして、図１０で紹介したラインを使用し、エッジベンドロールとして図１１に示すプロフィール、サイズを有するロールを、大径サイドロールとして図４に示すサイズ（φ₂＝300mm、外径比φ₂／φ₁＝46）を有するロールを用いた。また、大径サイドロールの下側、ライン入側に図５に示す形状のシューを配置した。なお、大径サイドロールの上側にフィンロールを配置した。
そして、ライン速度が4m／minとなる条件で前記素材鋼帯を通板し、スクイズロール上で出力約900W、ビーム径0.6mmの条件でファイバーレーザ溶接して溶接管を製造した。

実施例２；
同様に、図１０で紹介したラインを使用し、16.5Cr‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.3mmのステンレス鋼帯を素材として外径φ3.7mm（φ_１）の溶接管が得られるよう、φ100mmのエッジベンドロールと、φ₂が100mm、300mmの大径サイドロール（外径比φ₂／φ₁＝27、81）を有するロールを用いた。なお、大径サイドロールの作用面より下側に、後記のダイを受け入れるために予め３０°の角度で切り欠きを形成しておいた。また、大径サイドロールの下側に、頂角が６０°の略二等辺三角形の凸部を有する長尺体を挿入配置した。この場合も、大径サイドロールの上側にフィンロールを配置した。
そして、ライン速度4m／min、ファイバーレーザ出力約500W、ビーム径0.6mmの条件で溶接管を製造した。

また、18Cr‐1Mo‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.5mmのステンレス鋼帯を素材として、外径φ6.5mm（φ_１）の溶接管も製造した。エッジベンドロールとして図１１に示すプロフィール、サイズを有するロールを、大径サイドロールとしてサイズφ₂＝300mm、外径比φ₂／φ₁＝46のサイズを有するロールを用いた。また、大径サイドロールの下側に図７に示す形状のダイを配置した。なお、大径サイドロールの上側にはフィンロールを配置した。
上記の各製造条件ともに無潤滑で製造したが、外径比が10以上となる大径サイドロールを用いているため、いずれの条件でも断面形状が良好な金属管が得られた。

Claims (6)

1. 一対のサイドロールであって、成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールと、当該一対の大径サイドロールの間の下側に、かつ当該大径サイドロールの軸に垂直方向に配置した、平面が略二等辺三角形であって、その等辺が大径サイドロールの外周に沿う形状に湾曲された板状体からなるシューを備えたロールスタンドを使用し、金属帯を単スタンドの前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することを特徴とする小径金属管の製造方法。
2. 一対のサイドロールであって、成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールと、当該一対の大径サイドロールの間の下側に、かつ当該大径サイドロールの軸に垂直方向に配置した、上部が二等辺三角形の凸部を有する横断面の長尺体からなるダイを備えたロールスタンドを使用し、金属帯を単スタンドの前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合する小径金属管の製造方法。
3. 上記長尺体からなるダイとして、側部に大径サイドロールの外周に沿った凹み形状が付与されたダイを使用する請求項２に記載の小径金属管の製造方法。
4. 外径比φ₂／φ₁が２５以上となるように設計された大径サイドロールを使用する請求項１〜３のいずれかに記載の小径金属管の製造方法。
5. エッジベンドロールスタンドによって金属帯エッジを曲げた後、大径サイドロールを通す請求項１〜４のいずれかに記載の小径金属管の製造方法。
6. 使用する大径サイドロールとして、上側にフィンロールを備えたサイドロールを用いる請求項１〜５のいずれか１項に記載の小径金属管の製造方法。

Images