JP6428584B2 - 鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の製造方法に関し、特に、拡管加工性の良好な鋼管の製造方法に関する。

近年、自動車の排気系部品に多く用いられるフェライト系ステンレス鋼製の鋼管は、マフラーやコンバータなどの機能部品の中に挿入されたり、これら機能部品を接続するために曲げ加工されたり、又は、鋼管の管端部が拡管や縮管されることが多い。
しかしながら、鋼板を板巻きして短尺で造管した鋼管の管端部を拡管する場合、造管した際の溶接部やその周辺が割れの起点となりやすい。

そこで、拡管する場合において溶接部の割れを防ぐ技術として、特許文献１には、鋼管の管端の全周にわたって外側に屈曲した縁部を形成し、縁部を含めて鋼管を拡管することにより、管端における先割れを防止する技術が開示されている。

特開２００９−２８７５７号公報

鋼管を拡管する場合、溶接部でも特に溶接開始点や溶接終止点は材質的にも形状的にも不安定であるため、溶接部に起因する割れを抑制するためには注意が必要である。

特許文献１に開示された技術によれば、管端の全周にわたって外側に屈曲した縁部を形成し、この縁部を含めて拡管することにより、管端における先割れを抑制することができる。しかしながら、当該技術は、溶接ビードの両側の熱影響部等に生じる応力集中に起因する先割れの発生を防止するものであり、後工程において、全周にわたって管端に形成した縁部を切除する必要があるため、素材コストや製造コストに関して問題がある。

そのために、製造コスト等にも優れ、かつ、溶接開始点や溶接終止点の管端形状を安定にしつつ、拡管した時の割れ（拡管割れ）を防止することができる鋼管の製造方法が望まれていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、素材コストや製造コストを抑えつつ、管端部の不整変形を防ぎつつ拡管する際に発生する割れを防ぐことができる鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

これまでに、鋼板を板巻きして造管するに際して溶接部の先端の形状を安定させるため、図６に示すように、ブランク１を筒状に成形し、管端部２３にタブ１１および１３を設け、タブ１１および１３上に溶接部３１の先端３３（溶接開始点又は溶接終止点）が位置するように一方側のタブ１１から他方側のタブ１３にわたって線溶接し、線溶接の後工程においてタブ１１および１３を切除した後に管端部２３を拡管する方法が一般的に用いられている。
当該方法は、鋼板を板巻きした後、管端部のタブのみを切除するので、特許文献１に記載の方法に比べて、素材コストや製造コストを抑えることができる。

しかしながら、タブ１１または１３を切除した後に拡管すると溶接の母材であるブランク１と溶接部３１の材質の違いから、図７に示すように、溶接部３１の溶接開始点又は溶接終止点である先端３３は、溶接部３１がブランク１よりも硬い場合においては凹状に引込んだ形状（図７（ａ））、又は、溶接部３１がブランク１より軟らかい場合においては凸状に出っ張った形状（図７（ｂ））といった不整変形が生じる。

管端部２３を拡管した際に溶接部３１の先端３３を図７（ｃ）に示すような理想的な形状とするためには、ブランク１と溶接部３１の材質を同じにする必要があるが、厳密には実現困難である。
そのために、上記のような不整変形が大きい場合や、小さくても部品の用途によっては、管端部２３の切断や切削による再加工処理が必要になり、製造コストに悪影響を及ぼす。

そこで発明者らは、素材コストや製造コストを抑えつつ、溶接部３１の先端３３の形状を安定させるとともに、溶接開始点や溶接終止点に起因する拡管割れを防止する方法について検討を重ねた。その結果、タブ１１または１３に溶接開始点又は溶接終了点が位置するようにタブ１１からタブ１３にわたって線溶接し、さらに、タブ１１を切除せずそのまま管端部２３を拡管し、その後、タブ１１を切除することで、溶接部３１の先端３３における不整変形を解消するとともに、管端部２３における拡管割れを抑制できるという知見を得た。
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る鋼管の製造方法は、管端部が拡管された鋼管を製造する方法であって、
長手方向の両端のコーナー部に前記長手方向に突出するタブを有する矩形状の鋼板からなるブランクを製造するブランク製造ステップ（Ｓ１）と、
該ブランクの幅方向における両側端面を突き合わせて筒状に成形する成形ステップ（Ｓ２）と、
該筒状に成形されたブランクにおいて、前記突き合わされた部位を、前記タブに溶接終止点が位置しかつ未溶接部を残さないように線溶接する溶接ステップ（Ｓ３）と、
該線溶接されたブランクの少なくとも一方の管端部を拡管する拡管ステップ（Ｓ４）と、
該拡管された管端部のタブを切除するタブ切除ステップ（Ｓ５）とを備え、
上記の各ステップを（Ｓ１）から（Ｓ５）の順に行い、拡管割れを抑制し、管端部の不整変形のない所望の製品を得ることを特徴とするものである。

本発明においては、長手方向の両端のコーナー部に前記長手方向に突出するタブを有する矩形状の鋼板からなるブランクを製造するブランク製造ステップ（Ｓ１）と、該ブランクの幅方向における両側端面を突き合わせ、筒状に成形する成形ステップ（Ｓ２）と、該筒状に成形された鋼板において、一方側のタブから他方側のタブに向かって前記突き合わされた部位を線溶接して鋼管とする溶接ステップ（Ｓ３）と、該鋼管の少なくとも一方の管端部を拡管する拡管ステップ（Ｓ４）と、該拡管された管端部のタブを切除するタブ切除ステップ（Ｓ５）とを備え、上記の各ステップを（Ｓ１）から（Ｓ５）の順に行うことにより、管端部を拡管した際に生じる溶接部の先端の不整変形を解消するとともに、管端部における拡管割れを抑制することができる。

本実施の形態に係る鋼管の製造方法を説明する図である。 本実施の形態に係る鋼管の製造方法において溶接開始点及び溶接終止点の位置を説明する図である。 鋼管を拡管した場合における拡管割れを説明する図である。 タブにおける未溶接部及び溶接部の形状を説明する図である。 実施例において未溶接長さと拡管割れが生じた鋼管の本数との関係を表すグラフである。 従来の鋼管の製造方法を説明する図である。 従来の鋼管の製造方法において溶接部の先端における不整変形を示す図である。

本発明の実施の形態に係る鋼管の製造方法は、図１（ｆ）に一例を示すように鋼管２１の少なくとも一方の管端部２３が拡管されたフェライト系ステンレス鋼製の鋼管２１を製造するものであって、ブランク１を製造するブランク製造ステップ（Ｓ１）と、ブランク１の両側端面を突き合わせ、筒状に成形する成形ステップ（Ｓ２）と、該筒状に成形されたブランク１において前記突き合わされた部位を線溶接して鋼管２１とする溶接ステップ（Ｓ３）と、鋼管２１の管端部２３を拡管する拡管ステップ（Ｓ４）と、管端部２３のタブ１１を切除するタブ切除ステップ（Ｓ５）を備え、上記の各ステップを（Ｓ１）から（Ｓ５）の順に行うものである。
以下、各ステップを図１に基づいて説明する。

＜ブランク製造ステップ（Ｓ１）＞
ブランク製造ステップ（Ｓ１）は、図１（ａ）に示すように、矩形状であって、長手方向の両端である先端３及び後端５それぞれの両コーナー部に前記長手方向に突出するタブ１１及び１３を有するフェライト系ステンレス鋼板からなるブランク１を製造するステップである。
ブランク製造ステップにおいては、例えば、フェライト系ステンレス鋼板を抜き加工することによりブランク１を製造することができるが、先端３及び後端５それぞれの両コーナー部にタブ１１及び１３を有するブランク１を製造できるものであれば、その製造方法に特に限定はない。

＜成形ステップ（Ｓ２）＞
成形ステップ（Ｓ２）は、図１（ｂ）に示すように、ブランク製造ステップにおいて製造されたブランク１を、ブランク１の幅方向の側端面７と側端面９とを付き合わせ、筒状に成形するステップである。

＜溶接ステップ（Ｓ３）＞
溶接ステップ（Ｓ３）は、図１（ｃ）に示すように、筒状に成形されたブランク１において突き合わされた部位である側端面７及び９を一方側のタブ１１から他方側のタブ１３に向かって線溶接して鋼管２１（図１（ｄ）参照）とするステップであり、タブ１１に溶接部３１の溶接開始点３３ａが、タブ１３に溶接終止点３３ｂが位置する。

溶接ステップは、後工程にて拡管される側のタブ１１に溶接開始点３３ａが位置するように線溶接するものに限らず（図２（ａ）参照）、タブ１１に溶接終止点３３ｂが位置するように線溶接するものであっても良い（図２（ｂ）参照）。
また、溶接ステップにおいて、例えばレーザ溶接やアーク溶接により線溶接することができるが、これに限るものではない。

＜拡管ステップ（Ｓ４）＞
拡管ステップ（Ｓ４）は、鋼管２１の管端部２３を拡管するステップであり、例えば、図１（ｄ）に示すようにコーン５０を管端部２３に押し込むことにより、図１（ｅ）に示すように管端部２３を拡管する。
なお、鋼管２１の両管端部を拡管する必要がある場合は、管端部２５も拡管するとよい。

＜タブ切除ステップ（Ｓ５）＞
タブ切除ステップ（Ｓ５）は、拡管ステップにおいて拡管された管端部２３のタブ１１及び管端部２５のタブ１３を切除し（図１（ｅ）参照）、管端部２３が拡管された鋼管２１（図１（ｆ）参照）とするステップである。

上記のように、タブ１１を切除せずに管端部２３を拡管することで、図７に示すような溶接部３１の先端３３における不整変形を解消することができる。

もっとも、溶接ステップ（Ｓ３）において、溶接条件等の製造条件によっては、図３に示すように、拡管により管端部２３のタブ１１周辺から割れが発生する場合があった。ここで、図３（ａ）に示す割れは、タブ１１に残った未溶接部２７（図４（ａ）参照）が起点となった拡管割れであるのに対し、図３（ｂ）に示す割れは、タブ１１の脇が起点となった拡管割れである。

タブ１１の脇が起点となる拡管割れは、タブ１１から管端部２３に至るＲ部（図２）の曲率半径が小さいときに発生しやすいため、タブ１１の脇におけるＲ部の曲率半径を大きくすることで緩和できる。
一方、図３（ａ）に示すようなタブ１１に残った未溶接部２７が起点となる拡管割れに対して、本実施形態においてはタブ１１に未溶接部２７が残らないように線溶接することにより、拡管割れの発生を抑制する。

ただし、タブ１１に溶接開始点３３ａが位置するように線溶接すると、図４（ａ）に示すように、タブ１１に未溶接部２７が残ってしまう場合がある。そこで、本実施の形態において、鋼管２１の片側のみ拡管する場合は、タブ１１に溶接終止点３３ｂが位置するように線溶接することにより、タブ１１に未溶接部２７を残さずに線溶接して鋼管２１を造管することができ、管端部２３における拡管割れの発生を格段に低減することができる。

なお、本実施の形態に係る鋼管の製造方法は上記の（Ｓ１）から（Ｓ５）の順序に従って実施するべきであるが、その各ステップ内における操作（例えば、溶接ステップにおけるアーク溶接）は、上記の記載のものに限定されるわけではなく、適宜選択すれば良い。

また、上記において、フェライト系ステンレス鋼板からなるブランク１を用いて造管した鋼管２１の管端部２３を拡管するものであったが、ブランク１の材質はフェライト系ステンレス鋼に限るものではない。

本発明に係る鋼管の製造方法による作用効果について確認するため、次の２つの実験を行った。

第１の実験は、図１に示すように、板厚1.5mmのフェライト系ステンレス鋼板からなるブランク１を用いて造管した外径φ48.6mmの鋼管２１について片側の管端部２３を拡管するものであり、ブランク１の先端３及び後端５それぞれの両コーナー部にあるタブ１１及び１３は5mm×5mmとし、タブ１１またはタブ１３からブランク１の先端３または後端５に至るＲ部の曲率半径を1mmとしてタブ脇の割れを防いでおいて、タブ１１からタブ１３に向かってアーク溶接により線溶接した後、タブ１１側の管端部２３を拡管した。

実験は、線溶接において、溶接開始点３３ａの位置を調整してタブ１１における未溶接部２７の長さ（未溶接長さL）を変更した。
さらに、管端部２３における拡管後の管径（拡管率）の異なる２条件について実験を行った。条件１は管端部２３を管径φ54.0mm（拡管率11%）に、条件２は管端部２３をφ60.5mm（拡管率24%）とした。ここで、条件１及び２における拡管率は、（（拡管後の管径−拡管前の管径）／拡管前の管径×100［％］）である。

条件１及び２ともに２０本の鋼管２１を作製し、鋼管２１の管端部２３を拡管した時に管端部２３において割れが生じた拡管割れ本数n（本）を求めた。実験結果を図５に示す。

未溶接長さLが3.0mm以上ではほぼ全数が拡管割れを生じ、未溶接長さLが短くなるほど拡管割れ本数nは減少した。更に、未溶接部２７が残らないように線溶接した場合、すなわち未溶接長L＝0mmでは拡管割れは発生しなかった。
なお、条件１と条件２とを比較すると、拡管率の違いによる拡管割れ本数に関して有意差は見られなかった。

以上の結果より、タブ１１に未溶接部２７が残らないように線溶接することで拡管割れの発生を顕著に抑制できることが明確になった。ただし、実際に線溶接を施工する場合、溶接開始点３３ａにおいてはアークが不安定なため線溶接の開始位置を調整するだけではタブ１１に未溶接部２７がわずかに残ったり（図４（ａ）参照）、若しくは、逆に溶け過ぎによって溶接部３１に穴開きが生じたりして（図４（ｂ）参照）、量産を想定した場合における溶接部３１の先端３３を安定して同一形状とするには問題があった。

次に、第２の実験について説明する。
第２の実験では、前記第１の実験と同一のフェライト系ステンレス鋼板からなるブランク１を用い、２つの溶接条件で造管した鋼管２１の管端部２３を拡管した。

条件１は、タブ１１に溶接部３１の先端３３である溶接開始点３３ａが位置することを狙って線溶接するものであり（図２（ａ））、タブ１１における未溶接長さLが0mmとなるように溶接開始位置を調整した。

条件２は、タブ１１に溶接終止点３３ｂが位置することを狙って線溶接するものであり（図２（ｂ））、タブ１１の未溶接長さLが0mmとなるように溶接終止位置を調整した。

条件１及び条件２ともに、２０本を造管したところ、表１に示すように、溶接部３１の先端３３の形状（先端形状）は、表１に示すようにＡタイプ、Ｂタイプ、Ｃタイプ及びＤタイプのいずれかに分類されるものとなった。

Ａタイプは、タブ１１において溶融不足であり、未溶接長さLを0mmとすることができず、タブ１１に未溶接部２７が残ったものである。
Ｂタイプは、適正に未溶接長さLを0mmとなるように溶接できたものである。
Ｃタイプは、Ｂタイプと同様に未溶接長さLが0mmとなるように溶接されているものの、溶融過剰で溶接部３１の先端３３が凹状となったものである。
Ｄタイプは、溶接部３１が溶け落ちて穴開きとなったものである。

タブ１１に溶接開始点３３ａが位置する条件１においては、適正に未溶接長さLを0mmにできたＢタイプは5本であった。その他、溶融不足で未溶接部２７が残ったＡタイプが３本、溶融過剰で溶接部３１の先端３３が凹状となったＣタイプが６本、溶け落ちて穴開きとなったＤタイプが６本であった。

これに対し、タブ１１に溶接終止点３３ｂが位置する条件２においては、Ｂタイプが７本、Ｃタイプが１３本であり、Ａタイプ及びＤタイプのものはなかった。

さらに、溶接部３１の先端形状がＡタイプ、Ｂタイプ及びＣタイプのものであった鋼管２１の管端部２３を、図１に示すよう拡管し、拡管割れが生じた本数を求めた。ここで、管端部２３は管径φ48.6mmからφ54.0mmに拡管され、拡管率は11%であった。
前掲した表１に、拡管割れの有無とその本数の結果を示す。

表１より、溶接部３１の先端形状がＢタイプ及びＣタイプの場合、条件１及び条件２ともに、拡管割れが発生しなかった。
さらに、タブ１１に溶接開始点３３ａを設けた条件１に比べて、タブ１１に溶接終止点３３ｂを設けた条件２においては溶接部３１の先端形状は安定してＢタイプ又はＣタイプにすることができるため、拡管割れの防止に有効であることがわかる。

上記の２つの実験より、拡管割れはタブ１１における未溶接部２７の長さを短くすることで発生しにくくなり、さらに未溶接部２７が残らないように線溶接することで、拡管割れを顕著に防止できることが明らかになった。
さらに、拡管する側の管端部２３におけるタブ１１に溶接終止点３３ｂが位置するように線溶接することで、タブ１１に未溶接部２７を残さずに溶融することができる。このとき、溶接部３１の先端形状は、表１に示すＣタイプのように凹状となる場合があるものの、割れを発生させずに拡管できることがわかった。

なお、拡管割れの発生しなかった鋼管２１は、タブ１１及び１３を切除することにより、管端部２３及び２５に不整変形のない所望の製品を得ることができた。
さらに、特許文献１に記載のように管端全周にわたって縁部を切除する必要がなく、本発明は素材コストや製造コストにおいても有利である。

以上、長手方向の両端のコーナー部にタブを備えた形状のブランクを、その幅方向の側端面同士を付き合わせて筒状に成形し、タブを含めて突き合わせた部位を線溶接して鋼管とし、該鋼管の管端部を拡管した後にタブを切除することにより、溶接部の先端における不整変形を解消しつつ拡管割れを低減でき、しかもコストにおいても有利であることが示された。さらに、タブに未溶接部を残さずに線溶接することにより、拡管割れの発生率を大幅に低減できることが実証された。

１ ブランク
３ 先端
５ 後端
７ 側端面
９ 側端面
１１ タブ（拡管側）
１３ タブ
２１ 鋼管
２３ 管端部（拡管側）
２５ 管端部
２７ 未溶接部
３１ 溶接部
３３ 先端
３３ａ 溶接開始点
３３ｂ 溶接終止点
５０ コーン

Claims (1)

1. 管端部が拡管された鋼管の製造方法であって、
   長手方向の両端のコーナー部に前記長手方向に突出するタブを有する矩形状の鋼板からなるブランクを製造するブランク製造ステップ（Ｓ１）と、
   該ブランクの幅方向における両側端面を突き合わせて筒状に成形する成形ステップ（Ｓ２）と、
   該筒状に成形されたブランクにおいて、前記突き合わされた部位を、前記タブに溶接終止点が位置しかつ未溶接部を残さないように線溶接する溶接ステップ（Ｓ３）と、
   該線溶接されたブランクの少なくとも一方の管端部を拡管する拡管ステップ（Ｓ４）と、
   該拡管された管端部のタブを切除するタブ切除ステップ（Ｓ５）とを備え、
   上記の各ステップを（Ｓ１）から（Ｓ５）の順に行い、拡管割れを抑制し、管端部の不整変形のない所望の製品を得ることを特徴とする鋼管の製造方法。