JP7251518B2 - フレア加工性に優れる鍛接鋼管およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管に適する、フレア加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法に関する。

安価で加工性に優れる鍛接鋼管は、水道用配管などの配管設備に用いられてきた。こうした流体を通す配管の接合方法として、近年、施工省力化のため、管端にフレア加工を施してフランジを用いた接合方法が多く用いられている。
フレア加工とは鋼管端部を拡管してつばだしする加工であり、鋼管円周方向に過大な張力を与えて加工を行うため、優れた加工性（以下、「フレア加工性」とも記す）が要求されている。

このような要求に対し、例えば特許文献１ではフレア加工性を満足させるために、鋼管の鍛接衝合部のすじ深さと鍛接衝合部に存在する酸化物の量を限定した鍛接鋼管が提案されている。また、特許文献２ではフレア加工時の割れを防止するため、鍛接衝合部の肉厚とすじ深さを限定した鍛接鋼管が提案されている。

特許第４０７７８５９号 特許第４５７７４５１号

しかしながら特許文献１、２で提案されている鍛接鋼管において、フレア加工性はまだ十分とは言えなかった。本発明は上記の課題を解決すべく、フレア加工性に優れた鍛接鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは鍛接鋼管のフレア加工に関する研究を行い、鍛接衝合部のメタルフロー（偏析線）の角度がフレア加工性に影響を与えていることを知見した。
そして、本発明者らは上記の目的を達成するために鋼帯を成形鍛接機で管状に連続成形しつつ、エッジ部を衝合・鍛接する方法において、最適な鍛接衝合部近傍のメタルフローの角度について鋭意研究した。その結果、エッジ部を衝合・鍛接する直前において酸素混合空気を吹きつける際に、吹付けを行うノズルと管状に成形される鋼帯との距離により鍛接衝合部近傍のメタルフローの角度が変化することを知見した。そして衝合時、酸素混合空気の吹付けを行うノズルの吹付け口と管状に成形される鋼帯のエッジ部との距離の適切化により鍛接衝合部のメタルフローの角度が良好になり、高いフレア加工性が実現できることを見出した。

本発明はかかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものであり、本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を採用する。
［１］下記の鍛接鋼管を製造する方法であって、
鋼板のエッジ部を成形して加熱炉にて加熱した後に、成形鍛接機で鋼板を管状に成形し、下記の式（１）を満たす条件にて、ノズルから酸素混合空気を吹付けてエッジ部を衝合・鍛接する鍛接鋼管の製造方法。
１０≦Ｈ≦２０ｔ_０－１０ ・・・（１）
Ｈ：ノズル吹付け口と管状に成形された鋼板のエッジ部との距離（ｍｍ）
ｔ_０：鋼板の板厚（ｍｍ）
記
鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｏ／２－ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から２００μｍの位置および鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から２００μｍの位置でのメタルフロー立ち上がり角度がいずれも３０°以上であり、かつ鍛接鋼管外径円と同心の半径が（ｄｏ／２－ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置および鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）である円の円周上であって鍛接鋼管の鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置でのメタルフロー立ち上がり角度がいずれも３０°未満であることを特徴とする鍛接鋼管。
ここで、ｄｏは鍛接鋼管の外径（ｍｍ）、ｄｉは鍛接鋼管の内径（ｍｍ）、ｔは鍛接鋼管の肉厚（ｍｍ）であり、また、メタルフロー立ち上がり角度とは、鍛接鋼管の外径円と同心の円の接線に対してメタルフローの接線が形成する角度である。

本発明の鍛接鋼管の製造方法においては、酸素混合空気を吹付けるノズル位置を適切化することにより、鍛接衝合部の近傍において、メタルフローの立ち上がり角度を所定の範囲にすることができ、従来よりもフレア加工性が向上した鍛接鋼管を製造することができる。

鍛接鋼管の管軸方向に垂直な断面を示す。 鍛接鋼管の鍛接衝合部近傍の断面のメタルフローを模式的に示す。 メタルフロー立ち上がり角度の計測位置を示す。 メタルフロー立ち上がり角度を示す。 成形鍛接機と鋼帯に酸素混合空気を吹付けるノズルを示す。 （ａ）はフレア加工前の鍛接鋼管、（ｂ）はフレア加工後の鍛接鋼管を示す。 鍛接鋼管の製造ライン設備を模式的に示す。

本発明の鍛接鋼管は、鋼板を素材とし、鋼板のエッジ部を衝合・鍛接して製造されたものである。
素材である鋼板は、鋼帯であることが好ましいが、薄板、厚板などの切り板でも適用できる。以下においては、鋼板が鋼帯である場合を取り上げる。
最初に、鋼帯から鍛接鋼管を製造する工程を図７に示す鍛接鋼管の製造ライン設備に基づいて説明する。
コイル１５から払い出された鋼帯１６をルーパー１７に通し、エッジ成形機１８で鋼帯のエッジ部（幅端部）を成形する。本発明では特に限定はしないが、エッジ部の成形にはアップセットロールで端部を成形する方法、切削により端部を削る方法が考えられる。その後加熱炉１９で加熱し、成形鍛接機２０で管状に連続成形しつつ、エッジ部を衝合・鍛接する直前において酸素混合空気をノズル２１から吹付けて昇温して鍛接して結合し、さらに縮径圧延ロール２２で所望の外径まで絞り圧延し、鍛接鋼管１を製造する。鍛接鋼管１には鍛接衝合部２が形成されている（図１参照）。
この設備ラインでは、衝合部を鍛接して結合した後に絞り圧延を施して鍛接鋼管を仕上げているが、絞り圧延を施さないで鍛接鋼管を仕上げる場合もある。

鍛接鋼管の製造においては、成形および接合が容易になる点から加熱炉で鋼帯を加熱する温度は１２５０℃以上であることが好ましく、鋼帯を管状に成形する時に過度な変形を防止するため１４５０℃以下とすることが望ましい。また、管状に成形された鋼帯のエッジ部に吹付ける酸素混合空気に含まれる酸素濃度は、接合時のエッジ部の温度を上昇させる点から２２体積％以上とすることが好ましく、エッジ部の溶融を防ぐ点から４０体積％以下とすることが好ましい。溶融を防止する観点から鍛接直前の鋼帯温度は１５００℃以下とすることが好ましい。

本発明の鍛接鋼管は、後述するように、鍛接衝合部およびその近傍において、鍛接鋼管の外径円と同心の所定の半径を有する２つの円の円周上において、鍛接衝合部から２００μｍの位置および３００×ｔμｍ〔ｔは鍛接鋼管の肉厚（ｍｍ）〕の位置でのメタルフロー立ち上がり角度が所定の範囲に限定される。
メタルフロー（偏析線）は、鍛接鋼管の管軸方向に垂直な断面での鍛接衝合部およびその近傍をエッチングすることにより、容易に可視化することができる（図２参照）。

以下、メタルフロー立ち上がり角度について説明する。
まず、鍛接鋼管の素材である鋼帯の板厚ｔ_０の計測方法について説明する。
鍛接鋼管の素材である鋼帯の板厚ｔ_０は、鍛接鋼管１の製造に用いる鋼帯の左右のエッジ部および中央部の３か所の位置での肉厚をマイクロメータにより計測して得られた３つの値の平均値から求めた。
次に、鍛接鋼管１の外径３および鍛接鋼管の肉厚ｔの計測方法について、図１に示した鍛接鋼管１の管軸方向に垂直な断面を用いて説明する。
鍛接鋼管１の外径３は、図１に示すように鍛接衝合部２の位置でノギスを用いて計測して求めることができる。また、鍛接鋼管１の肉厚ｔは、図１に示すように鍛接衝合部２の位置と鍛接衝合部２から周方向にそれぞれ９０°、１８０°および２７０°の位置での肉厚とをマイクロメータを用いて計測し、得られた４つの値の平均した値から求めることができる。
以下、鍛接鋼管の外径の値をｄｏ、鍛接鋼管の内径の値をｄｉと表記する。

鍛接衝合部２およびその近傍を示す図２から分かるように、メタルフロー（偏析線）５は鍛接衝合部２に向かって立ち上がるような挙動を示す。このメタルフローの立ち上りの度合いを示すものがメタルフロー立ち上がり角度である。以下、この角度を計測する方法を図３および図４に基づいて説明する。
なお、図２では鍛接衝合部２の右側のメタルフローのみを示したが、同様のメタルフロー５が鍛接衝合部２の左側にも形成されている。

まず、鍛接鋼管１の鍛接衝合部２およびその近傍を含む領域において、鍛接鋼管１の外径円と同心の２つの円、すなわち半径が（ｄｏ／２－ｔ／４）である円６および半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）である円７を描く。ここで、鍛接鋼管の内径の値ｄｉは（鍛接鋼管の外径ｄｏ－２×鍛接鋼管の肉厚）から求めることができる。
次いで、円６の円周上における、鍛接衝合部２から２００μｍおよび３００×ｔμｍの位置において、それぞれ接線を引き、それぞれの位置（すなわち接点）でそれぞれの接線に垂直な線（以下、単に「垂線」という）１０、１１を引く（図３参照）。
同様に、円７の円周上における、鍛接衝合部２から２００μｍおよび３００×ｔμｍの位置において、それぞれ接線を引き、それぞれの位置（接点）でそれぞれの接線に垂直な線（以下、単に「垂線」という）８、９を引く（図３参照）。
ここで、ｔは、ｍｍ単位で表記される鍛接鋼管の肉厚である。

メタルフロー立ち上がり角度は、円６と垂線１０との交点、円６と垂線１１の交点、円７と垂線８との交点および円７と垂線９との交点でのメタルフロー立ち上がり角度を計測する。したがって、鍛接衝合部の左右の各鍛接衝合部近傍において、４つのメタルフロー立ち上がり角度を求めることになる。
円７と垂線８の交点でのメタルフロー立ち上がり角度を計測する場合の手順を図４に基づいて説明する。手順は以下のステップを経る。
（ステップ１）
鍛接衝合部の鍛接衝合部近傍に鍛接鋼管の外径円と同心の円７〔半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）〕を描く。
（ステップ２）
円７の円周上であって、鍛接衝合部から右側へ２００μｍ離れた位置で円７の接線１４を引き、次いで垂直な線（垂線）８を引く（図４参照）。
（ステップ３）
円７と垂線８の交点（すなわち接点）において、この交点を通過するメタルフロー５の曲線の接線１２を引く。
（ステップ４）
メタルフローの接線１２と円７の接線１４のなす角１３を求める。この角度１３が円７と垂線８との交点でのメタルフロー立ち上がり角度である。
（ステップ５）
ステップ４で求めたメタルフロー立ち上がり角度は、円７の円周上であって、鍛接衝合部から右側へ２００μｍ離れた位置でのものである。同様にして、円７の円周上であって、鍛接衝合部から左側へ２００μｍ離れた位置でのメタルフロー立ち上がり角度を求める。
（ステップ６）
ステップ４およびステップ５で求めた左右のメタルフロー立ち上がり角度を平均した値を、鍛接衝合部から２００μｍの位置でのメタルフロー立ち上がり角度とする。
以上のステップ１～６により、円７と垂線８の交点でのメタルフロー立ち上がり角度を計測することができる。

同様の計測を円７と垂線９の交点、円６と垂線１０の交点および円６と垂線１１の交点でも実施してメタルフロー立ち上がり角度を求めることができる。
以上のとおり、計８個所でのメタルフロー立ち上がり角度を求めることになる。

なお、鍛接衝合部近傍においては、通常、多数のメタルフローは間隔が密に接近して形成されているので、上記の交点を通過するメタルフローはたいていの場合存在するが、存在しない場合は対象の１つの交点を上下に囲む直近の２つのメタルフローから、近似的に該交点を通過するメタルフローを推定することができる。本発明のメタルフロー（偏析線）は、このように定められたメタルフローをも含むものである。

・鍛接衝合部から２００μｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度３０°以上
本発明の鍛接鋼管は、鍛接衝合部から２００μｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度３０°以上である。理由は以下のとおりである。
鍛接衝合部の近傍において、ノズル２１からの酸素混合空気の吹付けにより昇温した部分およびメタルフローが変形した部分が狭小すぎる場合、衝合力不足によって衝合部の接着力が不足し、鍛接衝合部がフレア加工時に割れの起点となることで所望のフレア加工性を満足しない。鍛接衝合部から２００μｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度が３０°以上であればフレア加工時に鍛接衝合部から割れが生じなかったため、鍛接衝合部から２００μｍの位置におけるメタルフロー立ち上がり角度を３０°以上とした。

・３００×ｔμｍ〔ｔは鍛接鋼管の肉厚（ｍｍ）〕の位置で３０°未満
本発明の鍛接鋼管は、鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度３０°未満である。理由は以下のとおりである。
鍛接衝合部の近傍において、ノズル２１からの酸素混合空気の吹付けによる昇温した部分およびメタルフローが変形した部分が過大すぎる場合、衝合力過大によって衝合時にエッジ部が座屈し、外表面にすじとなって現れる。このすじがフレア加工時に割れの起点となることで、所望のフレア加工性を満足しない。この座屈は鋼帯板厚が薄いほど、メタルフローが変形した部分が狭くても発生しやすい。鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度が３０°未満であればエッジ部の座屈を防止し、フレア加工時に割れが生じなかったため、メタルフローが鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置におけるメタルフロー立ち上がり角度を３０°未満とした。

・ノズル吹きつけ口と管状に成形された鋼帯のエッジ部の距離Ｈ（ｍｍ）が下記の式（１）を満たす。ｔ_０は鋼帯の板厚（ｍｍ）である。
１０≦Ｈ≦２０ｔ_０－１０ ・・・（１）
本発明の鍛接鋼管の製造方法においては、上記の距離Ｈが式（１）を満たす。以下、このことについて説明する。
Ｈが過大（Ｈ＞２０ｔ_０－１０）である場合、管状に成形された鋼帯の外表面において酸素混合空気が広範囲で接触し、昇温領域が周方向に広がる。そうすると、鍛接衝合部近傍の広い範囲で鋼帯が昇温、変形し、上述の条件、すなわち「鍛接衝合部から２００μｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度３０°以上」および「鍛接衝合部から３００×ｔμｍ（ｔは鍛接鋼管の肉厚）の位置で３０°未満」を満たさない。
Ｈは鋼帯の板厚ｔ_０によって範囲が決定され、Ｈ≦２０ｔ_０－１０であると内外面でのメタルフロー範囲が上述の条件、すなわち「メタルフローが鍛接衝合部から２００μｍの位置において３０°以上」および「鍛接衝合部から３００×ｔμｍ〔ｔは鍛接鋼管の肉厚（ｍｍ）〕の位置で３０°未満」を満たした。そのため、Ｈ≦２０ｔ_０－１０であることを必須とした。

次にＨが過小（Ｈ＜１０）である場合、管状に成形された鋼帯のエッジ部の外表面においてノズルから吹付けられる酸素混合空気がエッジ部およびその近傍の外表面と接触する範囲が狭くなり、変形が生じる部分が狭小になる。そうすると鍛接衝合力不足となり、エッジ部を鍛接して接合することが十分に行うことができず、所望のフレア加工性を満足しない。Ｈが１０ｍｍ以上であれば外面でのメタルフロー範囲が上述の条件、すなわち「上述の条件、すなわち「鍛接衝合部から２００μｍの位置においてメタルフロー立ち上がり角度３０°以上」および「鍛接衝合部から３００×ｔμｍ（ｔは鍛接鋼管の肉厚）の位置で３０°未満」）を満たした。そのため、１０≦Ｈであることを必須とした。
なお、以上の説明において鍛接鋼管の素材が鋼帯である発明について説明したが、鍛接鋼管の素材が鋼帯以外の鋼板である発明についても同様である。

図７に示す製造工程にしたがって鍛接鋼管を製造した。すなわち、コイル１５から払い出され、ルーパー１７を通過した鋼帯のエッジ部（幅端部）をエッジ成形機１８でエッジ成形し、次いで、加熱炉にて鋼帯を加熱し、該加熱後の鋼帯を成形鍛接機２０で管状に連続成形しつつ、該鋼帯のエッジ部を衝合・鍛接する直前において、ノズル２１で酸素混合空気を吹きつけて衝合・鍛接し、次いで、縮径ロール２２で絞り圧延を行い、鍛接鋼管を製造した。この時、管状に成形された鋼帯のエッジと酸素混合空気を吹付けるノズルの吹出口との距離Ｈ（ｍｍ）は下記の式（１）で示される範囲とした。
１０≦Ｈ≦２０ｔ_０－１０ ・・・（１）
ｔ_０：鋼帯板厚（ｍｍ）
鋼帯板厚ｔ_０は１．７９～６．０２ｍｍであり、製造した鍛接鋼管は、外径が４８．６ｍｍ～１１４．３ｍｍ、鋼管肉厚ｔが１．７４ｍｍ～６．１２ｍｍ、引張強度（ＴＳ）が２９６Ｎ／ｍｍ^２～４８９Ｎ／ｍｍ^２、伸び率が２３％～８８％である。
鍛接鋼管の外径と肉厚の計測を行い、その後、フレア加工機を用いてフレア加工を行った。

図７（ａ）にフレア加工前の鍛接鋼管、図７（ｂ）にフレア加工後の鍛接鋼管を示す。フレア加工はフレア加工後の外径（鍔部外径）２４が加工前の外径３の１．６倍になるまで加工し、加工時に割れが生じなかったものを加工性が良好であると判断した。なお、フレア加工後の外径（鍔部外径）２４は図７（ｂ）に示すようにフレア加工後の鍛接衝合部を含む部位をノギスで計測した。
表１に実施例を示す。

表１において、メタルフロー立ち上がり角度は、鍛接鋼管の外径円と同心であって、半径がそれぞれ（ｄｏ－ｔ／４）および（ｄｉ＋ｔ／４）である円周上であって、鍛接衝合部からの距離が２００μｍおよび３００×ｔμｍの位置で計測した値を求めたものである。

本発明の発明例である実施例Ｎｏ．１～８は、表１から分かるように、いずれもＨが式（１）を満たし、また、メタルフロー立ち上がり角度も、鍛接鋼管の外径円と同心の２つ円の円周上において、適正な範囲に収まっている。その結果、フレア加工時に割れが生じることなく、フレア加工性が良好（○）であった。
これに対して、比較例のＮｏ．９～１１は、いずれもＨが式（１）を満たしておらず、また、メタルフロー立ち上がり角度もいずれかが適正な範囲に収まっていない。その結果、フレア加工時に割れが発生し、フレア加工性が不良（×）であった。

１：鍛接鋼管
２：鍛接衝合部
３：鍛接鋼管（フレア加工前）の外径
４：鍛接鋼管の肉厚
５：メタルフロー（偏析線）
６：鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（鍛接鋼管の外径／２－ｔ／４）の円
７：鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（鍛接鋼管の内径／２＋ｔ／４）の円
８：円７の円周上の鍛接衝合部から２００μｍの位置での垂線
９：円７の円周上の鍛接衝合部から３００×ｔμｍ位置での垂線
１０：円６の円周上の鍛接衝合部から２００μｍ位置での垂線
１１：円６の円周上の鍛接衝合部から３００×ｔμｍ位置での垂線
１２：メタルフローの接線
１３：メタルフロー立ち上がり角度
１４：円周７の接線
１５：コイル
１６：鋼帯
１７：ルーパー
１８：エッジ成形機
１９：加熱炉
２０：成形鍛接機
２１：（酸素混合空気吹付け）ノズル
２２：縮径ロール
２３：ノズル吹付け口と鋼帯エッジ部との距離Ｈ
２４：フレア加工後の鍛接鋼管の鍔部の外径

Claims (1)

1. 下記の鍛接鋼管を製造する方法であって、
   鋼板のエッジ部を成形して加熱炉にて加熱した後に、成形鍛接機で鋼板を管状に成形し、下記の式（１）を満たす条件にて、ノズルから酸素混合空気を吹付けてエッジ部を衝合・鍛接する鍛接鋼管の製造方法。
   １０≦Ｈ≦２０ｔ_０－１０ ・・・（１）
   Ｈ：ノズル吹付け口と管状に成形された鋼板のエッジ部との距離（ｍｍ）
   ｔ_０：鋼板の板厚（ｍｍ）
   記
   鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｏ／２－ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から２００μｍの位置および鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から２００μｍの位置でのメタルフロー立ち上がり角度がいずれも３０°以上であり、かつ鍛接鋼管外径円と同心の半径が（ｄｏ／２－ｔ／４）である円の円周上であって鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置および鍛接鋼管の外径円と同心の半径が（ｄｉ／２＋ｔ／４）である円の円周上であって鍛接鋼管の鍛接衝合部から３００×ｔμｍの位置でのメタルフロー立ち上がり角度がいずれも３０°未満であることを特徴とする鍛接鋼管。
   ここで、ｄｏは鍛接鋼管の外径（ｍｍ）、ｄｉは鍛接鋼管の内径（ｍｍ）、ｔは鍛接鋼管の肉厚（ｍｍ）であり、また、メタルフロー立ち上がり角度とは、鍛接鋼管の外径円と同心の円の接線に対してメタルフローの接線が形成する角度である。

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