JPH06122018A - Ａｌめっき溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過酷な腐食雰囲気に曝される自動車排ガス系
のフレキシブルチューブ等に適したＡｌめっき溶接鋼管
を製造する。 【構成】 砥粒を分散させた可圧縮性の繊維集合体を素
材とする研削工具を使用してＡｌめっき鋼帯の幅方向両
端部の表裏面にあるＡｌめっき層を研削除去した後、Ａ
ｌめっき鋼帯を円筒形状に成形し、幅方向両端部を突合
せ溶接する。次いで、溶接部及びＡｌめっき層除去部を
ショットブラストし、Ａｌワイヤ又はＡｌ合金ワイヤを
用いたアーク溶射によってＡｌ溶射層を形成する。 【効果】 Ａｌめっき層が研削除去された部分の鋼帯
は、Ａｌ分が付着していない平滑な表面をもち、溶接時
にめっき層から溶接金属にＡｌが取り込まれることが防
止される。また、ショットブラストによって高密着性Ａ
ｌ溶射層形成に適した下地となる。そのため、Ａｌ溶射
により補修されたＡｌめっき溶接鋼管は、優れた加工性
及び耐食性を呈する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａｌめっき又はＡｌ合
金めっきが施された鋼帯（以下、これをＡｌめっき鋼帯
という）から耐食性及び加工性に優れたＡｌめっき溶接
鋼管を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車マフラー等の排ガス流路構成部材
には、大別して外部塩害及び内部腐食の二つの腐食形態
がある。外部塩害では、大気中の塩素イオンや冬期の融
雪塩によって構成部材の外側から腐食が進行する。内部
腐食は、排ガスの結露によって生じる凝縮水に起因した
腐食である。凝縮水に含まれている塩素イオン，硫酸イ
オン，亜硫酸イオン等の腐食性イオンは、走行中に発生
するガスで加熱されることにより濃縮され、腐食作用を
強める。腐食性の強い凝縮水が高温で構成部材に接触す
ることにより、比較的短時間に腐食が進行し、穴開き等
の損傷が発生する。

【０００３】このような腐食環境に耐える材料として、
溶融Ａｌめっき鋼板が従来から使用されている。最近で
は、エンジンの高出力化に伴って腐食環境がより苛酷に
なる傾向にあり、更に耐食性が優れた材料が要求されて
いる。たとえば、ＳＵＳ３０４のステンレス鋼をベース
とし、Ｎｉ含有量を高めると共に、Ｓｉ，Ｎｂ，Ｍｏ等
の合金元素を添加することにより、耐食性を高めた材料
がフレキシブルチューブの素材として使用されている。

【０００４】高合金化によって、確かに耐食性の向上が
図られるものの、鋼材コスト、ひいては自動車の製造コ
ストが上昇する。この点、本発明者等は、Ａｌめっき層
が優れた耐高温塩害性を呈することに着目し、素材自体
でも耐食性が良好なオーステナイト系ステンレス鋼にＡ
ｌめっき又はＡｌ−Ｓｉ等のＡｌ合金めっき（以下、こ
れをＡｌめっきで総称する）を施すとき、要求特性を満
足する比較的安価な構成材料からフレキシブルチューブ
用鋼管が得られることを見い出し、実開平３−９４９９
２号公報で紹介した。

【０００５】しかし、Ａｌめっき鋼帯を円筒形状に成形
加工した後、幅方向両端部を突合せ溶接すると、めっき
層から溶接部にＡｌが混入する。混入したＡｌは、Ｆｅ
と反応して脆いＦｅ−Ａｌ系の硬質金属間化合物を形成
し、溶接部の靭性及び加工性を著しく低下させる。その
結果、縮径，拡径等の加工によってフレキシブルチュー
ブを製造しようとすると、溶接部に亀裂，破断等の欠陥
が多発する。

【０００６】加工性に優れた溶接部を得るためには、め
っき層からＡｌが溶接金属に混入することを防止する必
要がある。そこで、突合せ溶接に先立ってＡｌめっき鋼
板の幅方向両端部にあるＡｌめっき層を部分的に除去し
て下地鋼を露出させ、Ａｌめっき層のない状態で突合せ
溶接する方法が採用される。しかし、得られた鋼管の溶
接部及びその近傍にＡｌめっき層がなく、他の部分に比
較して耐食性が劣るため、溶接後にＡｌ層を再度形成す
る補修作業が必要になる。

【０００７】たとえば、特開平４−３３７８１号公報で
は、ショットブラスト等で溶接部及び近傍の鋼表面を粗
面化した後、Ａｌを溶射している。Ａｌ溶射層は、粗面
化された表面を介して下地鋼と接合するため、良好な密
着性で形成される。また、特開平４−１００６９０号公
報では、溶射ガンを母材表面に可能な限り接近させて溶
射することにより、気孔のない緻密なＡｌ層を形成して
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】幅方向両端部にあるＡ
ｌめっき層を予め除去して突合せ溶接するとき、溶接部
に混入するＡｌは大幅に軽減され、脆いＦｅ−Ａｌ系硬
質金属間化合物の析出が抑制される。しかし、依然とし
てＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が析出した溶接部やフェラ
イト相が混在した溶接部が形成される場合がある。すな
わち、強力なフェライト形成元素であるＡｌは、溶接時
に微量でも混入すると、溶接金属に大量のフェライトを
析出させる。また、局部的にＦｅ−Ａｌ系金属間化合物
をも析出させる。

【０００９】欠陥のある溶接部は、Ａｌめっき層の除去
が完全でないことに起因するものと考えられる。しか
し、溶接部に悪影響を及ぼさないようにＡｌめっき層を
除去する有効な手段は、今までのところ開発されていな
い。

【００１０】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、繊維集合体を素材とした弾性研削
工具でＡｌめっき層を研削除去することにより、めっき
層から溶接金属にＡｌが混入することを防止し、加工性
に優れた溶接部をもつＡｌめっき溶接鋼管を得ることを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のＡｌめっき溶接
鋼管製造方法は、その目的を達成するため、砥粒を分散
させた可圧縮性の繊維集合体を素材とする研削工具を使
用してＡｌめっき鋼帯の幅方向両端部の表裏面にあるＡ
ｌめっき層を研削除去した後、前記Ａｌめっき鋼帯を円
筒形状に成形し、前記幅方向両端部を突合せ溶接し、溶
接部及びＡｌめっき層除去部をショットブラストし、次
いでＡｌワイヤ又はＡｌ合金ワイヤを用いたアーク溶射
によってショットブラストされた表面部分にＡｌ層を形
成することを特徴とする。

【００１２】本発明で使用される鋼帯は、要求特性を満
足する限り材質が特に制約されるものではないが、一般
に板厚０．３〜０．４ｍｍのＳＵＳ３０４を代表とする
オーステナイト系ステンレス鋼等がある。この鋼帯の表
面に、たとえば溶融めっき法によりＡｌめっき層が形成
される。Ａｌめっき層の目付け量は、使用雰囲気に応じ
た耐食性を得るため、片面当り３０〜６０ｇ／ｍ² の範
囲で選定することが好ましい。

【００１３】Ａｌめっき鋼帯は、溶接に先立って、幅方
向両端部の表裏両面にあるＡｌめっき層が研削除去され
る。本発明においては、Ａｌめっき層の研削除去に、砥
粒を分散させた可圧縮性の繊維集合体を素材とする研削
工具を使用している。

【００１４】繊維集合体は、無機質又は有機質の繊維を
フェルト状に加工し、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ等
の砥粒を分散させたものである。繊維集合体を素材とす
る研削工具の圧縮性は、繊維の充填密度，結合材の種類
等によって高い自由度で調整することができる。他方、
Ａｌめっきオーステナイトステンレス鋼帯の幅方向両端
部からＡｌめっき層を除去する場合、Ａｌめっき層の除
去幅は溶接に悪影響を及ぼす範囲に設定される。具体的
には、Ａｌめっき層の除去幅は、幅方向両端部から５ｍ
ｍ程度の範囲である。このような幅狭のＡｌめっき層を
除去するためには、０．７〜１．５ｇ／ｃｍ³ の充填密
度でポリビニルアルコールを繊維状に成形したものが好
適である。

【００１５】Ａｌめっき層の除去に際し、繊維集合体を
円形盤状に成形して研削工具とし、Ａｌめっき鋼帯の搬
送方向と平行に研削工具の回転軸を保持する。そして、
Ａｌめっき鋼帯の幅方向両端部における表裏両面４か所
に研削工具を回転可能に押し当てる。このようにＡｌめ
っき鋼帯の長手方向と直角にＡｌめっき層を研削した場
合、研削部がＲ_z 値５μｍ以下の表面粗さをもつ平滑な
表面となり、しかも研削目が鋼管軸方向に直交する。し
たがって、溶接後の鋼管をバルジ加工等によってフレキ
シブルチューブに成形するとき、加工性が向上する。

【００１６】Ａｌめっき層を研削除去するとき、Ａｌめ
っき層だけでなく鋼帯の素地までをも研削し、研削後の
Ａｌめっき鋼帯の幅方向両端部が肉厚不足を生じること
がある。肉厚不足は、Ａｌめっき鋼帯を円筒形状に成形
して幅方向両端部を突合せ溶接する際、溶接不良を発生
させる原因となり易い。また、得られた溶接鋼管をフレ
キシブルチューブに加工する際にも、加工割れが発生し
易くなる。

【００１７】幅方向両端部に生じ易い肉厚不足は、研削
工具を駆動させるモータの負荷電流を計測し、その負荷
電流によって研削条件を制御することにより防止するこ
とができる。すなわち、素地の鋼がＡｌめっき層に比較
して硬質であることから、Ａｌめっき層のみが研削され
ている状態と素地の鋼までもが研削されている状態とで
は、モータの負荷電流が大きく異なる。

【００１８】たとえば、板厚０．４ｍｍのＡｌめっきＳ
ＵＳ３０４ステンレス鋼帯を５ｍ／分の速度で送り、
２．２ＫＷの三相交流モータによって直径３００ｍｍ及
び幅２５ｍｍの研削工具を７５０ｒ．ｐ．ｍ．で回転さ
せ、Ａｌめっきステンレス鋼帯を研削した。研削される
Ａｌめっき層は、Ａｌめっきステンレス鋼帯の幅方向両
端部から５ｍｍの範囲に設定した。この条件下で、Ａｌ
めっき層のみが除去されているとき、モータの負荷電流
は０．９±０．１Ａであった。他方、下地の鋼も研削さ
れている状況では、モータの負荷電流が２．１±０．３
Ａまで上昇した。このことから、Ａｌめっき層のみが研
削されているのか、或いは鋼素地も研削されているのか
は、モータの負荷電流から明確に判別される。そこで、
このモータ負荷電流の差を利用し、Ａｌめっき層のみが
除去されるように研削工具の押圧力を制御する。

【００１９】繊維集合体を素材とする研削工具は、鋼帯
表面から剥離されたＡｌによる目詰りを起こすことな
く、一定した条件下での研削を可能にする。また、適度
の弾性をもっており、鋼素材を研削することなくＡｌめ
っき層のみが効率よく除去される。しかも、Ａｌめっき
層が除去された下地鋼の表面は、剥離されたＡｌ粉等の
付着がなく、滑らかな表面状態になっている。

【００２０】Ａｌめっき鋼板は、幅方向両端部のＡｌめ
っき層が研削除去された後、円筒形状に成形される。円
筒形状への成形には、従来のロール成形法を採用するこ
ともできる。しかし、フレキシブルチューブでは一般に
肉厚０．４ｍｍ以下の薄い素材が使用されている。この
ような薄肉材料を円筒形状に成形するとき、多数のタン
デムに配置されたカリバー付きの成形ロールを備えたロ
ール成形機を使用すると、成形過程における弾性変形に
よる影響やエッジストレッチに起因した縁波等の欠陥が
発生し易く、開先形状が変動して溶接条件を不安定に
し、製造された溶接鋼管の真円度も劣化し易い。しか
も、多数のスタンドやロールが必要とされることから設
備的な負担が大きくなるばかりか、径の異なる溶接鋼管
を製造しようとするとき成形ロールの組替えに長時間を
要する。

【００２１】この点、本出願人が開発した曲げ歪みで鋼
帯を円筒状に弾性変形させるロールレスフォーミング法
によるとき、開先形状が安定し、高い真円度の溶接鋼管
が得られる。

【００２２】ロールレスフォーミング法においては、概
略を図１及び図２に示した設備が使用される。Ａｌめっ
き鋼帯１は、アンコイラ２から巻き出され、ガイドロー
ラ３を経て予変形部４に送られる。予変形部４は、小径
の曲げロール４ａ及び大径のサポートロール４ｂを備え
ており、サポートロール４ｂの周面にポリウレタン等の
弾性ライニング４ｃが施されている。Ａｌめっき鋼帯１
は、成形され円筒体の内面側が曲げロール４ａに接触す
るように、曲げロール４ａとサポートロール４ｂとの間
に送り込まれる。

【００２３】Ａｌめっき鋼帯１は、曲げロール４ａによ
り塑性曲げを受けるため、予変形部４を通過した後で幅
方向に一様な曲げ及び曲げ戻しによる曲げ応力が残留す
る。或いは、図２に示すように、一対の大径ロール４
ｄ，４ｅの間に曲げロール４ｆを配置し、曲げロール４
ｆを周回して走行するＡｌめっき鋼帯１に曲げ応力を付
与することもある。

【００２４】予変形部４を通過したＡｌめっき鋼帯１
は、下流側の保形ロール５，スクイズロール６等によっ
て長手方向の変形が拘束されているため、残留曲げ応力
によって円筒形状に弾性変形する。変形したＡｌめっき
鋼帯１の幅方向両端部を突き合せ、スクイズロール６で
拘束しながら溶接トーチ７で溶接され、送りロール８で
溶接鋼管９として下流側に搬送される。

【００２５】この方式においては、従来の成形ロールに
相当するものがなく、曲げロール４ａ，４ｆだけがＡｌ
めっき鋼帯１の表面を摺動する。したがって、Ａｌめっ
き層の損傷が従来のロール成形法に比較して著しく軽減
され、溶接鋼管９の耐食性が向上する。また、Ａｌめっ
き鋼帯１がロールと接触する機会が少ないので、鋼帯表
面に付着残留しているＡｌ粉がロール表面に一旦移し取
られ、後続する鋼帯の表面部分にロールからＡｌ粉が再
度移行することが少なくなる。その結果、溶接金属に対
するＡｌ粉の混入が一層確実に防止される。

【００２６】次いで、得られた溶接鋼管の溶接部及びＡ
ｌめっき除去部にＡｌをアーク溶射する。フレキシブル
チューブに成形加工される際、溶接部も高度の加工を受
けることから、溶射によって形成されるＡｌ層の密着性
及び加工性も重要である。そこで、本発明者等は、密着
性及び加工性に及ぼす前処理方法及び溶射皮膜の影響を
調査した。

【００２７】前処理としては、ショットブラストで鋼表
面を粗面化する。粗面化される鋼表面は、繊維集合体を
素材とする研削工具によって研削された滑らかな表面状
態にある。そのため、ショットが鋼表面に一様な密度分
布で衝突し、微細な凹凸が均一に形成される。したがっ
て、粗面化された鋼表面に形成される溶射Ａｌ層は、局
部的な密着不良を起こすことがなく、優れた密着性で均
一に付着する。

【００２８】溶射皮膜は、母材部と同等の耐食性を得る
ため、Ａｌめっき層の厚みと同じ又はそれ以上の厚みが
必要である。しかし、５０μｍを超える厚みでは、加工
後に溶射皮膜を貫通する割れが発生する傾向がみられ
る。

【００２９】

【作 用】本発明においては、砥粒を分散させた可圧縮
性の繊維集合体を素材とする研削工具によって鋼表面か
らＡｌめっき層を研削除去しているので、Ａｌめっき層
の除去が完全に行われると共に、研削後の鋼表面が平滑
になる。また、研削砥石を使用する場合のように鋼帯の
表面温度を過度に上昇させることがなく、剥離したＡｌ
粉が鋼表面に付着残留することが防止される。したがっ
て、溶接金属に対するＡｌの混入が確実に防止され健全
な溶接部が得られると共に、後続工程でショットブラス
トによる粗面化が均一に行われ、溶接後に形成される溶
射皮膜の密着性も向上する。

【００３０】

【実施例】Ａｌめっき鋼帯として、板厚０．４ｍｍ及び
板幅１６０．０ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼帯に片
面当り４０ｇ／ｍ² の目付け量でＡｌ−９％Ｓｉ合金め
っきしたものを使用した。

【００３１】Ａｌめっき鋼帯の幅方向両端部から５ｍｍ
の範囲で、表裏両面にあるＡｌめっき層を研削除去し
た。本発明に従った研削工具としては、微細なアルミナ
粒子とポリビニルアルコールとを混合し、紡糸技術によ
り繊維状に形成したものを使用した。研削工具の回転軸
をＡｌめっき鋼帯の搬送方向と平行に維持し、Ａｌめっ
き鋼帯の幅方向両端部に繊維の先端部を押し付けた状態
で６００ｒ．ｐ．ｍの速度で研削工具を回転させた。こ
のとき、研削量を一定にするため、モータの負荷電流を
０．９〜１．１Ａの範囲で調節した。また、研削工具の
押圧力は、５ｋｇｆ／ｍｍ² に一定値に維持した。

【００３２】研削後の板厚は、０．３６ｍｍで、鋼帯の
長手方向に一定していた。未研削のＡｌめっき層や剥離
されたＡｌ粉の残留等は、研削後の鋼表面に検出されな
かった。また、鋼表面は、表面粗度がＲ_z ５μｍ以下の
平滑な表面状態であった。比較用の研削工具として、レ
ジノイドを結合材としてアルミナ砥粒及びフェノール樹
脂を成形した研削砥石を使用した。この研削砥石によっ
て同様にＡｌめっき鋼帯の幅方向両端部を研削したとこ
ろ、除去されたＡｌめっき層に起因するＡｌ粉が鋼表面
に多数付着していた。また、一部に未研削のＡｌめっき
層がみられた。しかも、露出した鋼は、表面粗度がＲ_z
２０μｍと粗い表面状態で、肉厚が０．３ｍｍ以下に減
少している部分もあった。

【００３３】幅方向両端部のＡｌめっき層が研削除去さ
れたＡｌめっき鋼帯を、図１に示したロールレスフォー
ミング設備で直径５０．８ｍｍの管状に成形した。次い
で、幅方向両端部を突合せ溶接し、５ｍ／分の速度で溶
接鋼管を製造した。溶接条件は、溶接電流を１５０Ａと
し、シールドガスとして７体積％の水素を含むアルゴン
ガスを使用した。

【００３４】溶接鋼管の溶接部及びＡｌめっき層除去部
に、粒度＃１００のアランダムをエアー圧力０．２５Ｐ
ａで吹き付けた。このショットブラストにより、溶接部
及びＡｌめっき層除去部は、微細な凹凸が均一に形成さ
れ、表面粗度Ｒ_z １５μｍで粗面化された。他方、研削
砥石を使用してＡｌめっき層を除去したＡｌめっき鋼帯
から得られた溶接鋼管の溶接部及びＡｌめっき層除去部
を同一条件下でショットブラストしたところ、不均一な
粗面化状態となり、砥石研削によって生じた凹凸の残留
が一部に検出された。

【００３５】ブラスト処理した溶接部及びＡｌめっき層
除去部に、９９．７％以上のＡｌを含有するワイヤを用
いてアーク溶射し、厚み３０μｍのＡｌ溶射層を形成し
た。溶射は、鋼表面から１００ｍｍの高さに設定した溶
射ガンを６ｍ／分の速度で移動させながら行った。

【００３６】製造された溶接鋼管について、加工性及び
耐高温塩害性を調査した。加工性は、溶接鋼管を加工す
る際に割れが発生し、フレキシブルチューブに加工でき
なかったものの割合で表した。また、加工後のＡｌ溶射
層を観察し、クラックの発生状況を調査した。クラック
をカウントし、単位長さ当りの個数でＡｌ溶射層の密着
性を評価した。なお、加工には液圧バルジ法を採用し、
山部の鋼管直径を７１ｍｍ，一つの山の幅を８ｍｍとす
るフレキシブルチューブに成形した。

【００３７】耐高温塩害性は、加工されたフレキシブル
チューブから長さ１００ｍｍの試験片を切り出し、飽和
食塩水中に５分浸漬し、６５０℃に加熱した炉中で２時
間加熱し、その後放冷するサイクルを１サイクルとし、
これを１０サイクル繰り返した後、母材部及び溶接部の
肉厚を測定し、腐食前後の肉厚減少率で評価した。

【００３８】試験結果を示す表１から明らかなように、
本発明に従ったアルミニウムめっき鋼管は、母材部及び
溶接部共に優れた加工性及び耐高温塩害性を示してい
る。

【００３９】これに対し、研削砥石で幅方向両端部のＡ
ｌめっき層を研削除去した比較例では、母材部の加工性
及び耐高温塩害性は本発明例と同レベルであるが、溶接
部の加工性及び耐高温塩害性にバラツキがみられ、本発
明例に比較して大きく劣るものもあった。これは、砥石
研磨によってＡｌめっき層を研削除去した後の母材が粗
い表面状態となっていること，局部的に肉厚不足を生じ
ていること，溶接金属へのＡｌの巻き込みがあること等
に原因があるものと推察される。実際に割れ発生箇所を
検査したところ、母材表面にある大きな凹凸を起点とす
る割れが散見された。また、割れに至らないまでも。Ａ
ｌ溶射層に微細なクラックがみられた。このクラックを
介して腐食が進行することから、比較例では耐高温塩害
性が低くなっているものと考えられる。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、砥粒を分散させた可圧縮性の繊維集合体を素材とす
る研削工具を使用してＡｌめっき鋼帯の幅方向両端部の
表裏面にあるＡｌめっき層を研削除去している。Ａｌめ
っき層が除去された鋼表面は平滑であり、剥離したＡｌ
粉等の付着もない。この幅方向両端部を突合せ溶接する
とき、Ａｌめっき層に起因するＡｌが溶接部に混入する
ことがなく、健全な溶接部が得られる。また、溶接後に
アーク溶射で補修する際、下地鋼に対する密着性が優れ
たＡｌ溶射層が形成される。このようにして得られたＡ
ｌめっき溶接鋼管は、加工性及び耐食性に優れ、過酷な
使用雰囲気に曝される自動車排気系のフレキシブルチュ
ーブ等として使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ロールレスホーミング法によって溶接鋼管を
製造している状態

【図２】 ロールレスホーミング法における他のロール
構成

【符号の説明】

１ Ａｌめっき鋼帯 ２ アンコイラ ３
ガイドローラ ４ 予変形部 ４ａ，４ｆ 曲げロール ５
保形ロール ６ スクイズロール ７ 溶接トーチ ８
送りロール ９ 溶接鋼管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 砥粒を分散させた可圧縮性の繊維集合体
   を素材とする研削工具を使用してＡｌめっき鋼帯の幅方
   向両端部の表裏面にあるＡｌめっき層を研削除去した
   後、前記Ａｌめっき鋼帯を円筒形状に成形し、前記幅方
   向両端部を突合せ溶接し、溶接部及びＡｌめっき層部を
   ショットブラストし、次いでＡｌワイヤ又はＡｌ合金ワ
   イヤを用いたアーク溶射によってショットブラストされ
   た表面部分にＡｌ層を形成することを特徴とするＡｌめ
   っき溶接鋼管の製造方法。