JP6536518B2 - 電縫溶接クラッド鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電縫溶接クラッド鋼管の製造方法に関する。

通常、電縫鋼管は、鋼帯を管状に成形し、高周波電流によって加熱・溶融された対向する鋼帯幅方向両端部を、スクイズロールにより突き合せ加圧して溶接し製造される。電縫鋼管の場合、一般に溶接部の靭性や強度などの機械的特性は溶接前の鋼帯に比べて劣化するといわれている。

溶接部の機械的特性を低下させる原因としては、ペネトレータと呼ばれる酸化物主体の溶接欠陥が挙げられる。このペネトレータは、溶接部に残留して、溶接部の靭性や強度を低下させる原因となる。そのため、通常は、ペネトレータが溶接部に残留しないよう、スクイズロールによるアプセット量を大きくして、溶接時に生じる酸化溶融物を管外面に排出する対策が取られている。

ところで、電縫鋼管の特性を向上させるための手段として、電縫溶接クラッド鋼管が提案されている。電縫溶接クラッド鋼管とは、母材としての鋼帯に、母材とは異なる材料からなる金属帯（合せ材）をクラッドしたクラッド鋼帯を用いて製造される電縫鋼管である。このように異なる材料を組み合わせることにより、母材と合せ材、それぞれが有する特性を活かし、優れた特性を有する鋼管を得ることができる。例えば、母材として炭素鋼を、合せ材としてステンレス鋼を用いた場合、ステンレス鋼の耐食性と、炭素鋼の強度とを兼ね備えた電縫クラッド鋼管を得ることができると考えられる。

しかしながら、クラッド鋼帯を素材として電縫溶接クラッド鋼管を製造する場合、アプセット量を大きくすると、図６に示すように、母材１１の溶融鋼および熱影響部が、合せ材１２（図６の場合には、鋼管内面側）の溶接シーム部に侵入する現象が生じる。特に、過度なアプセット量の場合、母材１１が鋼管の合せ材側表面（図６の場合には、鋼管内面）へ露出し、結果として、合せ材の優れた特性を活かすクラッド鋼管としての性能が失われる。

例えば、母材１１が低炭素鋼で、合せ材１２がステンレス鋼であるステンレスクラッド鋼帯を素材として、アプセット量を大きくして、合せ材を内層、母材を外層として製造した電縫溶接クラッド鋼管では、ステンレス鋼のシーム部に低炭素鋼が侵入したり、図６のように低炭素鋼が鋼管内面に露出したりする。このため、鋼管内面の溶接シーム部１４近傍の耐食性が著しく低下する。このような電縫溶接クラッド鋼管を鋼管内面に耐食性が要求される環境下で使用すると、要求性能を発揮できない。

つまり、従来技術では、電縫溶接ままの電縫溶接クラッド鋼管において、溶接部の機械的特性を低下させないことと、クラッド鋼管としての機能を損なわないこととを両立しにくいという問題があった。このような問題に対し、電縫溶接クラッド鋼管に対して追加の処理を施す技術が知られている。

特許文献１には、管状に曲成したクラッド鋼板または鋼帯の対向両縁部を突合せ溶接した溶接ビード中の少なくとも合せ材側ビードを、母材に到る深さまで切削除去し、切削除去部に合せ材と同様の性質を有する肉盛溶接を施すクラッド管の製造方法が開示されている。

特許文献２には、クラッド鋼帯を素管に成形し、継目エッジ部を電縫溶接した後、第１に、異種金属が侵入した溶接シームに沿って、クラッド界面部の深さまで溶融・凝固させて、該異種金属を希釈する、または、第２に、異種金属が侵入したシーム部を合せ材と同種の金属で肉盛溶接し、該肉盛溶接部を圧延して前記異種金属を希釈する、クラッド鋼の鋼管製造方法が開示されている。

特許文献３には、内面側を合せ材としたクラッド鋼溶接鋼管の製造方法において、クラッド鋼の原板または原コイルを成形して内面を合せ材とした管状体の合せ材突合せの少なくとも一部分を電縫溶接し、その後突合せ未溶接部を肉盛溶接するクラッド鋼溶接鋼管の製造方法が開示されている。

特開昭６０−２２１１７３号公報 特開昭６２−１５６０８７号公報 特開平５−１５４５４５号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜３に記載の技術は、いずれも電縫溶接後に、合せ材ビード部を切削除去して肉盛溶接する（特許文献１）、溶接シームに沿ってＴＩＧアーク熱源などで溶融・凝固または肉盛溶接する（特許文献２）、突合せ未溶接部を肉盛溶接する（特許文献３）、などの追加の溶接工程が必要なため、生産性が低下し、製造コストが増大するとともに、追加の肉盛溶接で環境面の悪影響を生じるという課題があった。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、従来技術で必要とされている電縫溶接後の肉盛溶接等の追加の溶接処理を施さなくても、電縫溶接ままでクラッド鋼管としての機能を損なうことなく、溶接部の機械的特性に優れた電縫溶接クラッド鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を得た。クラッド鋼帯の幅方向両端部は、管状に成形されたオープン管において突合せ部（すなわち被溶接部）となる。そこで、電縫溶接前にあらかじめ、クラッド鋼帯の幅方向両端部を合せ材側から押し込み加工して、所定の開先形状のＹ形開先を形成したところ、電縫溶接後に、母材の溶融鋼および熱影響部が合せ材の溶接シーム部に侵入することを抑制できた。

さらに、前記所定の開先形状とすることで、被溶接部全体の温度分布が均一化されるため、溶接部からペネトレータの排出が促進され、結果的に溶接部の靭性及び強度の低下を防止できた。

上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）母材である炭素鋼または低合金鋼からなる第１層と、合せ材であるステンレス鋼またはニッケル含有合金からなる第２層とが圧着されてなるクラッド鋼帯を用意し、
前記クラッド鋼帯の幅方向両端部を前記第２層側から押し込み加工して、前記幅方向両端部を、クラッド界面が前記第２層側から前記クラッド鋼帯の厚み中心側に向き、かつ、ベベル角度が10°以上50°以下で、開先深さが前記クラッド鋼帯の厚みの10％以上45％以下であるＹ形開先とする開先加工を行い、
その後、前記クラッド鋼帯を管状に成形し、
該クラッド鋼帯の前記幅方向両端部を突き合せ加圧し、電縫溶接して、電縫溶接クラッド鋼管を得る
ことを特徴とする電縫溶接クラッド鋼管の製造方法。

（２）前記開先加工において、前記クラッド鋼帯の前記幅方向両端部を前記第１層側からも押し込み加工して、前記幅方向両端部をＸ形開先とする、上記（１）に記載の電縫溶接クラッド鋼管の製造方法。

（３）得られた前記電縫溶接クラッド鋼管は、JIS G 3445の規定に準拠した90°偏平試験における偏平値ｈ／Ｄが0.3未満を満足するものである、上記（１）または（２）に記載の電縫溶接クラッド鋼管の製造方法。
ここで、ｈ：偏平割れ高さ（ｍｍ）
Ｄ：管外径（ｍｍ）

本発明によれば、従来技術で必要とされている電縫溶接後の肉盛溶接等の追加の溶接処理を施さなくても、電縫溶接ままでクラッド鋼管としての機能を損なうことなく、溶接部の機械的特性に優れた電縫溶接クラッド鋼管を製造することができる。

本発明の一実施形態に従い電縫溶接クラッド鋼管を製造するための設備の概略図である。 （Ａ）は、クラッド鋼管の幅方向両端部（突合せ部）の開先形状を示す断面図であり、（Ｂ）は、電縫溶接後の溶接部とその近傍を示す断面図である。 開先のべベル角度θとアプセット量が電縫溶接後の溶接シーム部におけるクラッド界面位置に及ぼす影響を示すグラフである。 開先深さｄとアプセット量が電縫溶接後の溶接シーム部におけるクラッド界面位置に及ぼす影響を示すグラフである。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態で使用し得る開先加工機を示す模式図である。 溶接部とその近傍におけるメタルフローとクラッド界面を示す断面図である。

図１を参照して、本発明の一実施形態による電縫溶接クラッド鋼管の製造工程を説明する。本発明の一実施形態における電縫溶接クラッド鋼管の製造では、以下のステップを含む。まず、熱延コイルとされたクラッド鋼帯１０をアンコイラー３０で連続的に払い出す。続いて、払い出されたクラッド鋼帯１０の幅方向両端部に開先加工機４０で開先加工を施す。続いて、ロール成形機５０でクラッド鋼帯１０を管状に成形する。続いて、突合せ部（被溶接部）となる前記幅方向両端部を、高周波加熱装置６０で融点以上に加熱しつつ、スクイズロール７０で突合せ加圧することにより、電縫溶接して、電縫溶接クラッド鋼管２０を得る。続いて、ビード切削機９０で溶接部の外面および内面の溶接ビードを切削し、その後、管２０を切断機９６で所定の長さに切断する。

高周波加熱装置６０は、直接通電加熱式又は誘導加熱式の装置のいずれであってもよい。なお、高周波電流の通電部分を含む通帯方向範囲内の管の内面側に、図示しないインピーダを装入して電縫溶接を行う場合もある。また、スクイズロール５による圧接工程において、加熱された被溶接部でのペネトレータの生成を抑制し、溶接部の機械的特性をより向上するために、素管全周を覆うシールドボックスを設けることが好ましい。

本実施形態は、図２に示すように、母材である炭素鋼または低合金鋼からなる第１層１１と、合せ材であるステンレス鋼またはニッケル含有合金からなる第２層１２とが圧着されてなるクラッド鋼帯１０を用いて、合せ材である第２層１２を内層、母材である第１層１１を外層として、電縫溶接を行う例を示す。ここで、本明細書において「母材」とは、互いに厚みと材料が異なる二層からなるクラッド鋼帯のうち、厚みが大きい層の材料を意味し、「合せ材」とは、厚みが小さい層の材料を意味する。例えば、クラッド鋼管の製造に用いるクラッド鋼帯では、母材としては鋼管の強度を確保するための材料を選定し、合せ材としては、母材で確保できない特性（例えば耐食性等）を確保するための材料を選定することができる。

本発明で母材として用いる炭素鋼は、特に限定されないが、クラッド鋼管の機械的特性は、その鋼管体積の大部分を占める母材の特性に支配されるため、クラッド鋼管の適用先に応じた規格、機械的特性を有する炭素鋼を選定することが好ましい。

本発明で母材として用いる低合金鋼は、合金元素の合計含有量が5質量％以下の鋼であれば特に限定されず、炭素鋼と同様に、クラッド鋼管の適用先を考慮して選定すればよい。

本発明で合せ材として用いるステンレス鋼またはニッケル含有合金は、耐食性合金である。特に高い耐食性を有する点から、ステンレス鋼ではＳＵＳ３１６Ｌ、ニッケル含有合金ではＡｌｌｏｙ６２５、Ａｌｌｏｙ８２５が好ましい。高腐食性環境で使用されるラインパイプには、生産流動体が流れる鋼管内面に高い耐食性が求められる。よって、電縫溶接クラッド鋼管をラインパイプに使用する場合には、合せ材を内層、母材を外層として、電縫溶接を行えばよい。逆に、鋼管外面に高い耐食性が求められる用途の場合、母材を内層、合せ材を外層として、電縫溶接を行えばよい。

本実施形態では、クラッド鋼帯の幅方向両端部に以下の開先加工を行うことが肝要である。すなわち、図２（Ａ）を参照して、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部を第２層１２側から押し込み加工して、幅方向両端部を、クラッド界面１３が第２層側からクラッド鋼帯の厚み中心側に向き、かつ、ベベル角度θが10°以上50°以下で、開先深さｄがクラッド鋼帯の厚みｔの10％以上45％以下であるＹ形開先とする。

ここでは、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部の第２層側角部を切り落としてＹ形開先とするのではなく、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部を第２層１２側から押し込み加工することが重要である。その結果、クラッド界面１３も第２層側からクラッド鋼帯の厚み中心側に押し込まれる。それに加え、ベベル角度θおよび開先深さｄを上記の範囲とする。これにより、電縫溶接後に、母材の溶融鋼および熱影響部が合せ材の溶接シーム部に侵入することを抑制できる。その結果、溶接部で母材が鋼管の合せ材側表面（本実施形態では内面）に露出せず、溶接部の内面ビードを切削した後に、溶接部を含め全面に亘って合せ材に被覆された内面を有する電縫溶接クラッド鋼管を得ることができる。

また、上記開先形状によって、電流が集中する角部が存在しない結果、被溶接部全体の温度分布が均一化されるため、溶接部からペネトレータの排出が促進され、結果的に溶接部の靭性及び強度の低下を防止できる。そのため、本実施形態では、電縫溶接ままで、すなわち、溶接直後に溶接ビードを切削しただけで、肉盛溶接等の何らの追加の溶接処理を施さない状態で、溶接部が高い破断特性を有する。具体的には、JIS G 3445の規定に準拠した90°偏平試験における偏平値ｈ／Ｄが0.3未満を満足する。なお、ｈ：偏平割れ高さ（ｍｍ）、Ｄ：管外径（ｍｍ）である。

ベベル角度θが10°未満の場合、被溶接部全体の温度分布の均一性が保てなくなり、結果としてペネトレータの排出が不十分になりやすくなるため、溶接部の靭性、強度等の機械的特性が不十分になる。

一方、ベベル角度θが50°超えの場合、母材の溶融鋼および熱影響部が合せ材の溶接シーム部に侵入することを抑制する効果が不十分となり、溶接部で母材が鋼管の合せ材側表面に露出する傾向が高まる。この傾向を示す例として、母材厚：22.5ｍｍ、合せ材厚：2.5ｍｍのクラッド鋼帯の場合に、開先深さｄを6ｍｍとして、ベベル角度θが電縫溶接後の溶接シーム部におけるクラッド界面の位置に及ぼす影響を解析した結果を図３に示す。図３の縦軸ｔ_ｃ／ｔは、図２（Ｂ）に示す、溶接シーム部における第２層の厚み（ｔ_ｃ）の、クラッド鋼管の厚み（ｔ）に対する比であり、この値がゼロの場合、母材が合せ材側表面に露出していることになる。ベベル角度θが50°超えの場合、小さいアプセット量で母材が合せ材側に露出することがわかる。

開先深さｄがクラッド鋼帯の厚みｔの10％未満の場合、母材の溶融鋼および熱影響部が合せ材の溶接シーム部に侵入することを抑制する効果が不十分となり、溶接部で母材が鋼管の合せ材側表面に露出する傾向が高まる。この傾向を示す例として、母材厚：22.5ｍｍ、合せ材厚：2.5ｍｍのクラッド鋼帯の場合に、ベベル角度θを45°として、開先深さｄが電縫溶接後の溶接シーム部におけるクラッド界面の位置に及ぼす影響を解析した結果を図４に示す。開先深さｄがクラッド鋼帯の厚みｔの10％未満の場合、ペネトレータの排出に必要なアプセット量（クラッド鋼帯の厚みｔの25％以上）を確保すると、母材が合せ材側表面に露出することがわかる。

一方、開先深さｄがクラッド鋼帯の厚みｔの45％超えの場合、溶接部の組成が合せ材の組成に近い高合金組成となるため、溶接部の靭性、強度等の機械的特性が不十分になる。

母材が合せ材側表面に露出しないことと、溶接部の機械的特性を低下させないことをより高いレベルで両立する観点から、ベベル角度θは15°以上35°以下とし、かつ、開先深さｄはクラッド鋼帯の厚みｔの20％以上45％以下とすることが好ましい。

開先加工において、図２（Ａ）に示すように、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部を第１層１１側からも押し込み加工して、幅方向両端部をＸ形開先とすることが好ましい。これにより、電流が集中する角部が第１層側でも存在しない結果、被溶接部全体の温度分布がより均一化される。このため、溶接部からペネトレータの排出がより促進され、溶接部の靭性、強度等の機械的特性がより向上する。第１層側の角部の除去は、切り落としや切削等でも構わない。第１層側のベベル角度θ’および開先深さｄ’は特に限定されない。

本実施形態における開先加工は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すような構成の開先加工機４０を用いて行うことができる。開先加工機４０は、走行するクラッド鋼帯１０に連続的に加工が可能な圧延式開先加工機であり、上側サイドロール４２および下側サイドロール４４がそれぞれ左右一対で配置されている（片側のみ図示）。図５（Ａ）のように、上側サイドロール４２が、上側に向けてテーパー状に大径となった圧延部４２Ａを有する場合、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部をＹ形開先とすることができる。図５（Ｂ）のように、さらに下側サイドロール４４が、下側に向けてテーパー状に大径となった圧延部４４Ａを有する場合、クラッド鋼帯１０の幅方向両端部をＸ形開先とすることができる。圧延部４２Ａ，４４Ａのテーパー形状を変更することにより、クラッド鋼帯の幅方向端部の開先形状を所望の形状にすることができる。

上記開先加工の後、クラッド鋼帯１０を管状に成形し、該クラッド鋼帯の幅方向両端部を突き合せ加圧し、電縫溶接して、電縫溶接クラッド鋼管２０を得る。アプセット量は、0.2ｔ以上1.0ｔ以下とする（ｔ：クラッド鋼帯の厚み）。アプセット量が0.2ｔ未満の場合、アプセット不足により電縫溶接中に溶接部からペネトレータの排出が不十分となり、溶接部の靭性及び強度が低下する。一方、アプセット量が1.0ｔ超えの場合、スクイズロールの加圧による溶融鋼の流出量が増加するため、溶接部で母材が鋼管の合せ材側表面に露出し、当該部位の耐食性を悪化させる。なお、スクイズロールによるアプセット量は、スクイズロールより手前の管の外周長を測定した後、スクイズロールにより溶接して外面の溶接ビード部を切削した後の管の外周長を測定して、両者の差を計算することにより求める。

本実施形態では、合せ材である第２層１２を内層、母材である第１層１１を外層として、電縫溶接クラッド鋼管を製造する例を示したが、本発明はこれに限定されず、合せ材である第２層を外層、母材である第１層を内層としてもよい。この場合にも、少なくとも合せ材である第２層側から押し込み加工してＹ形開先とし、好適には第１層側からも押し込み加工してＸ形開先とすることによって、同様の作用効果を得ることができる。

表１に示すクラッド鋼帯を用意した。図１に示したように、アンコイラー３０とロール成形機５０との間に、図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示す圧延式開先加工機４０を配置した電縫溶接鋼管製造設備により、用意した各クラッド鋼帯を素材として、クラッド鋼帯の幅方向両端部に表２に示す形状の開先加工を行い、外径300ｍｍの電縫溶接クラッド鋼管を製造した。また、クラッド鋼帯の各素材について、前記開先加工機４０を使用せず開先加工を施さない比較例の電縫溶接クラッド鋼管も製造した。全ての例で、アプセット量は2.8ｍｍとした。また、合せ材を内層、母材を外層とした。

製造した各鋼管について、鋼管内面の目視観察を行い、鋼管内面の溶接部における母材の露出の有無を確認した。また、JIS G 3445の規定に準拠した90°偏平試験を行い、偏平値ｈ／Ｄを求めた。これらの試験結果を表２に併せて示す。

表２から明らかなように、本発明例では、鋼管内面への母材の露出が無く、偏平値ｈ／Ｄも０．３未満となっており、優れた破断特性とクラッド材としての耐食性を両立できることがわかった。

本発明によれば、従来技術で必要とされている電縫溶接後の肉盛溶接等の追加の溶接処理を施さなくても、電縫溶接ままでクラッド鋼管としての機能を損なうことなく、溶接部の機械的特性に優れた電縫溶接クラッド鋼管を製造することができる。

１０ クラッド鋼帯
１１ 第１層（母材）
１２ 第２層（合せ材）
１３ クラッド界面
１４ 溶接シーム部
１５ メタルフロー
２０ 電縫溶接クラッド鋼管
３０ アンコイラー
４０ 開先加工機
４２ 上側サイドロール
４２Ａ 圧延部
４４ 下側サイドロール
４４Ａ 圧延部
５０ ロール成形機
６０ 高周波加熱装置
７０ スクイズロール
９０ ビード切削機
９６ 切断機
θ ベベル角度
ｄ 開先深さ
ｔ クラッド鋼帯（鋼管）の厚み
ｔ_ｃ 溶接シーム部における第２層の厚み

Claims (2)

1. 母材である炭素鋼または低合金鋼からなる第１層と、合せ材であるステンレス鋼またはニッケル含有合金からなる第２層とが圧着されてなるクラッド鋼帯を用意し、
   前記クラッド鋼帯の幅方向両端部を前記第２層側から押し込み加工して、前記幅方向両端部を、クラッド界面が前記第２層側から前記クラッド鋼帯の厚み中心側に向き、かつ、ベベル角度が10°以上50°以下で、開先深さが前記クラッド鋼帯の厚みの10％以上45％以下であるＹ形開先とする開先加工を行い、
   その後、前記クラッド鋼帯を管状に成形し、
   該クラッド鋼帯の前記幅方向両端部を突き合せ加圧し、電縫溶接して、電縫溶接クラッド鋼管を得る
   ことを特徴とする電縫溶接クラッド鋼管の製造方法。
2. 前記開先加工において、前記クラッド鋼帯の前記幅方向両端部を前記第１層側からも押し込み加工して、前記幅方向両端部をＸ形開先とする、請求項１に記載の電縫溶接クラッド鋼管の製造方法。

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