JP6066291B2 - 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及び品質が大幅に向上する。
しかしながら、大径サイドロールにより金属帯を連続的にロール成形して造管する際、金属帯の各部位に加わるひずみは一様ではなく、様々な要因によって偏って加わるために、左右金属帯エッジの形状は不安定となり、突合せ部に段違いが発生し易くなる。段差が生じないまでも、エッジ部の突合せ不良が起こりやすく、溶接し難くなることがある。
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、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、上下左右に４個配置されたロールで一組とされたロールスタンドであって、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、当該一対の大径サイドロールの間の下側に配置されたボトムロール、及び前記一対の大径サイドロールの間の上側に配置されたアッパーロールが４方ロール方式に配置され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。
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。また、前記ボトムロール及び／又はアッパーロールの直径が大径であっても構わない。例えば、成形されるパイプの外径に対して１０倍以上、つまり大径サイドロールと同じほどに大径であってもよく、大径４方ロール方式としてロールスタンドを配置することが好ましい。
また、ボトムロールをライン入側に、大径サイドロールの中心線に対して距離をおいて配置することが好ましい
さらに、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４方ロールスタンド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、ボトムロール及びアッパー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ボトムロールや、金属帯エッジ突合せ部の変形を抑制するために配置したアッパーロールの使用により、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 管径の違いによるオープン管突合せ部の形状の違いを説明する図 大径ボトムロールと大径アッパーロールを配置した大径４方ロール方式を説明する図 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４方ロール方式サイドロールの通常の大径ボトムロール設置位置を示す上面図 大径４方ロール方式サイドロールの大径ボトムロールをライン入側にオフセットした場合の大径ボトムロール配置位置を示す上面図 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

１ 板押さえ
２ ガイド
３ エッジベンドロール
４ 大径サイドロール
５ スクイズロールスタンド
６ 引抜き装置
７ 溶接管
８ アッパーロール
９ ボトムロール
１０ 鋼帯
１１ フィンロール
１２ ガイドスタンド
１３ エッジベンドロールスタンド
１４ 大径ロールスタンド

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及び品質が大幅に向上する。
しかし、金属帯を連続的にロール成形して造管する際、金属帯の各部位に加わるひずみは一様ではなく、様々な要因によって偏って加わるために、左右金属帯エッジの形状は不安定となり、突合せ部に段違いが発生し易くなる。段差が生じないまでも、例えば図４（ｂ）に見られるように、エッジ部の突合せ不良が起こりやすく、溶接し難くなることがある。この現象は、得ようとする管の径が小さくなればなるほど顕著になる。

すなわち、図４（ａ）に見られるように、得ようとする管の径が比較的大きければ突合せ部の形状はＩ形になって問題なく突合せ溶接できるが、得ようとする管の径が小さくなると、図４（ｂ）に見られるように、突合せ部の形状はＶ形になって溶接不良を起こす原因となる。
そこで、本発明ではさらに、図５に示すような、一対の大径サイドロール及びボトムロールから構成される３方ロール方式に、さらにアッパーロールを追加した４方ロール方式とすることで、金属帯エッジを押圧しながら当接部形状を整えて造管することにした。
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６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で提案したものと同様、図７に示すように、ボトムロールが挿入されて“受け”となるボトムロールを配置している。
しかしながら、ボトムロールの中心線を図７に示すように大径サイドロールの中心線に合致するように配置した場合には、円筒状への成形の際に不具合を発生させることがある。大径サイドロールとボトムロールの中心線が合致していると、ロール直下において鋼帯は周方向に全周を拘束されるため、ひずみが過剰に生じて不具合を発生させると推測される。同時に、中心線が合致した状態では、ロール中心からやや手前において、鋼帯はボトムロールに支持されない部位でパイプの底部が下方向に潜り込んで折れ曲がるようにして成形され、その後に潜り込んだ部分がボトムロールに支持されて立ち上げられる際に生じる曲げ、曲げ戻しによってひずみが過剰に生じ不具合を発生させるためと推測される。

このため、ボトムロールをライン入側にオフセットして配置することが好ましい（図８参照）。これにより、鋼帯が周方向に全周を拘束されることなく逃げ道が生じ、また曲げ、曲げ戻しによる余計な変形が少ないためにひずみの発生量を大幅に低減することができ、成形された金属管の形状及び品質が大幅に向上する。
このように、大径サイドロールにボトムロールを付設したロール方式で成形することにより、逃げが抑制され、成形された金属管の形状及び品質が大幅に向上する。
しかし、前記したように、エッジ部の突合せ不良が起こりやすく、溶接し難くなることがある。

そこで、本発明は、図５に示すように、一対の大径サイドロール間の上側に、さらにアッパーロールを付設した４ロール方式で成形することにしたものである。
ここで、ロール径が大きいほどにロール成形が緩やかであり、つまり大径ロールを用いれば成形中に生じるひずみを小さくしながらに成形できることから、サイドロールのみならず、ボトムロール及び後記のアッパーロールも大径である方が鋼帯エッジに生じるひずみを一段と小さくして成形することができると推測した。

本発明方法を適用する現実的なライン構成を図９に示す。
図示しないアンコイラから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３に通される。側端が曲げられた金属帯はボトムロール９とアッパーロール８を備えた大径サイドロール４で円筒状に成形された後、スクイズロールスタンド５を通るときに突合せ部が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。また、スクイズロールスタンド５には、突合せ当接部の位置精度を高めるフィンロール１１を備えていてもよい。さらに、そのフィンロール１１には、得ようとする管の半径よりも大きな曲率半径が付与された形状の押圧面が備えられていてもよい。

大径サイドロールの単スタンドで円筒状の成形は可能であるが、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、大径サイドロールを通す前にエッジベンドロールを通すことが好ましい。
エッジベンドロール３は、図１０に示すように、一方のロールに側端Ｒが付された凹溝が、他方のロールに側端Ｒが付された凸条が設けられた一対の上下ロールから構成されている。
このベッジベンドロール３を通り、側端が曲げられた金属帯が、大径サイドロール４を通るときに円筒形状に成形されるのである。

ボトムロール８及びアッパーロール９を備えた４ロール方式で成形することにより、真円度の優れた円筒状に成形された金属帯の突合せ部が溶接されて金属管となる。金属帯の突合せ部の溶接にあたっては、生産性や製造した金属管の加工性の観点から溶接法としてはレーザ溶接法の採用が好適である。
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。
レーザ溶接法に限らず、金属帯の突合せ部を溶接接合する際には、突合せ当接部の位置決め精度が高く、溶接線が一直線で延びていることが好ましい。
突合せ当接部の位置決め精度を高くするために、スクイズロールスタンド５に、突合せ当接部の位置精度を高めるフィンロール１１を備えることが好ましい。

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９において、大径ロールスタンド１４を四方ロール方式とした設備を使用した。
エッジベンドロールとして図１０に示すプロフィール、サイズを有するロールを用いた。
四方ロールは、φ170mmのサイズの大径サイドロールを有し、外径170mmの大径ボトムロールを大径サイドロール直下に配置し、同じく外径170mmの大径アッパーロールを大径サイドロール直上に配置した。大径ボトムロールのライン入側へのオフセット量は、１０mmと15mmの条件で造管も行った。なお、スクイズロールの直前にフィンロールを設けた。なお、外径比φ₂／φ₁は26となる。
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。
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. 上下左右に４個配置されたロールで一組とされたロールスタンドであって、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、当該一対の大径サイドロールの間の下側に配置されたボトムロール、及び前記一対の大径サイドロールの間の上側に配置されたアッパーロールが４方ロール方式に配置され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. 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に記載の小径金属管の製造方法。
3. ライン入側に、大径サイドロールの中心線に対して距離をおいて配置したボトムロールを使用する請求項１又は２に記載の小径金属管の製造方法。
4. ボトムロールの外径φ_Bが、成形されるパイプの外径φ₁に対して外径比φ_B／φ₁が１０以上になるように設計された大径ボトムロールである請求項１〜３のいずれかに記載の小径金属管の製造方法。
5. アッパーロールの外径φ_Uが、成形されるパイプの外径φ₁に対して外径比φ _U ／φ₁が１０以上になるように設計された大径アッパーロールである請求項１〜４のいずれかに記載の小径金属管の製造方法。
6. エッジベンドロール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１〜５のいずれかに記載の小径金属管の製造方法。

Images