JPH071011A - 継目無管製造用マンドレルバーとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】(a) 少なくとも一箇所に拡散接合した部分を有
する継目無管製造用マンドレルバー。(b) 端面の表面粗
さをＲmax 100μｍ以下に加工した短尺のマンドレルバ
ー接合素材(1) をクランプ機構(4) により挟持し、接合
界面にマンドレルバー接合素材より低融点のインサート
材(2) を入れ、かつ、突き合わせ時の端面の間隙がマン
ドレルバー接合素材の径の10％以下となるように突き合
わせ、接合面に作用する加圧力が 0.5〜3.0kgf/mm²とな
るように調整しながらその突き合わせ部の近傍（非酸化
性雰囲気に保持する）を1200〜1300℃で60秒以上加熱す
る。 【効果】本発明のマンドレルバーは、従来のマンドレル
バーと同等の耐用性を有している。このマンドレルバー
は、本発明方法を適用して製造することができ、厳しい
予・後熱管理が不要になるので、作業環境が著しく改善
される。本発明方法は、マンドレルバーの補修用として
も適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長尺の継目無金属管製
造用マンドレルバー、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マンドレルミルによる継目無鋼管の製造
においては、加熱後の丸鋼片が穿孔機で穿孔され、得ら
れる熱間素管にマンドレルバーが挿入され、マンドレル
ミルで圧延される。圧延後、マンドレルバーが引き抜か
れ、管は次工程へ送られるが、このとき用いられるマン
ドレルバーは20数ｍにも及ぶ長尺の部材で、一般にJISG
4404に規定されたCr−Mo系あるいはCr−Mo−Ｖ系の熱
間金型用鋼材が素材鋼として用いられている。

【０００３】マンドレルバーは、短尺のマンドレルバー
素材が溶接により継ぎ足され、あるいは一体物を素材と
して、所定の長さに調整された後、先端および後端部
分、ならびに外周に加工が施され、さらに研磨された後
熱処理が施されて製造される（日本鉄鋼協会編 第３版
鉄鋼便覧 第III 巻 (2) 昭和55年丸善株式会社発
行) 。

【０００４】短尺のマンドレルバー素材から製造する場
合は、通常、10数ｍの素材２本をアーク溶接して長尺の
マンドレルバーとするのであるが、素材には合金元素が
多量に含まれているので焼入性が高く、溶接時に割れが
発生しやすい。従って、溶接施工時には、厳しい予熱管
理および後熱管理（予・後熱管理）が必要で、例えば、
予熱温度を 400℃とし、溶接終了直後 200〜300 ℃に保
持する必要がある。そのため、溶接に携わる作業者は保
護具をつけているといえども高温の厳しい作業環境下で
の作業を強いられる。

【０００５】また、圧延に使用され、摩耗や疵が発生し
て表面状態が悪くなったマンドレルバーは、その表面を
削り取って小径管製造用のマンドレルバーとして再使用
されるか、あるいは廃棄される。しかし、廃棄する場合
は勿論、再使用する場合にも表面研削の手間がかかるの
で、いずれもバー原単位の悪化につながる。

【０００６】ところで、20数ｍの長尺のマンドレルバー
を圧延に使用した場合、表面状態が顕著に劣化する箇所
は高温の素管に挿入される先端部であり、ほとんどの場
合バーの後半部は使用前とほぼ同様な表面状態を保って
いる。そこで、従来から、マンドレルバーの先端部の補
修が試みられており、特開平４−344805号公報には、使
用済マンドレルバーの先半部のみを取り替え補修する方
法が開示されている。

【０００７】この方法は、使用済マンドレルバーの先半
部を後半部から切り離し、新規のマンドレルバーの先半
部に代えてその先半部と後半部の間に短尺の接合部材を
挿入し、前記先半部と後半部とを短尺の接合部材に押し
付けるとともに短尺の接合部材を回転させて摩擦圧接す
る方法で、極めて短時間で接合が完了する高能率な接合
方法であるが、大きな加圧力を必要とするため被接合部
材の変形を伴うとともに接合部にバリと呼ばれる不要な
はみだしが発生する。従って、バリの研削除去などに多
大な時間を要するという問題がある。

【０００８】一方、鋼材の接合方法として、被接合材を
それより低融点のインサート材を挟んで突き合わせ、加
熱接合する拡散接合法があり、この方法を条材（鉄筋、
棒鋼、形鋼等）の接合に応用する技術が特開平２−7547
8 号公報あるいは特開平３−230874号公報に開示されて
いる。

【０００９】この拡散接合法は、短時間で高品質の継手
が得られるという特徴を有しているが、接合に際して大
きな加圧力を必要とするため接合時の変形が大きく、摩
擦圧接の場合と同様、接合後の接合部の研削作業に時間
を要するため、マンドレルバー素材の接合には使用され
ていなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、短尺のマン
ドレルバー素材を拡散接合により接合して得られる長尺
の継目無管製造用マンドレルバー、および、このマンド
レルバーの製造方法を提供することを課題としてなされ
たものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
の継目無管製造用マンドレルバー、および下記のその
マンドレルバーの製造方法にある。

【００１２】 少なくとも一箇所に拡散接合した部分
を有することを特徴とする継目無管製造用マンドレルバ
ー。

【００１３】 複数のマンドレルバー接合素材の端面
を接合して継目無管製造用マンドレルバーを製造する方
法であって、マンドレルバー接合素材の端面の表面粗さ
を最大高さ（Ｒmax ）で 100μｍ以下に加工した後、こ
のマンドレルバー接合素材をクランプ機構により挟持
し、接合界面にマンドレルバー接合素材より低融点のイ
ンサート材を入れ、かつ、突き合わせ時の端面の間隙が
マンドレルバー接合素材の径の10％以下となるように突
き合わせ、その突き合わせ部の近傍を非酸化性雰囲気に
保持しながら1200〜1300℃の温度域で60秒以上加熱し、
接合面に作用する加圧力を 0.5〜3.0kgf/mm²としてマン
ドレルバー接合素材の端面を拡散接合することを特徴と
する継目無管製造用マンドレルバーの製造方法。

【００１４】前記のマンドレルバー接合素材とは、溶接
によりマンドレルバーを製造する場合の素材となる短尺
のマンドレルバー素材で、所定の化学組成を有する鋼か
ら新規に作製したものであっても、あるいは、使用済の
マンドレルバーから摩耗や疵の発生により表面状態が悪
化した部分を除いたものであってもよい。

【００１５】マンドレルバー接合素材の接合すべき端面
の表面粗さとは、JIS B 0601に規定された最大高さ（Ｒ
max ）で表した表面粗さである。

【００１６】また、突き合わせ時の端面の間隙とは、図
２に示すようにマンドレルバー接合素材１、１のそれぞ
れの軸が同一線上に重なるように端面を突き合わせたと
きに生じる間隙ｄ（mm）を意味する。なお、この間隙ｄ
（mm）のマンドレルバー接合素材１の外径Ｄ（mm）に対
する比（ｄ／Ｄ）×100 を、突き合わせ時の端面の精度
Ｇという。

【００１７】

【作用】前記の発明は、少なくとも一箇所、例えば中
央部に拡散接合した部分を有する継目無管製造用マンド
レルバーである。通常は、必要なマンドレルバーの長さ
の１／２の長さを有する素材２本を接合して所定の長さ
のマンドレルバーとするので中央部に拡散接合した部分
を有するが、これに限らず、３本以上の短尺のマンドレ
ルバー接合素材が拡散接合により軸方向に接合されてな
る２箇所以上に接合部分を有するマンドレルバーであっ
てもよい。マンドレルバー接合素材は、全てが所定の化
学組成を有する鋼から新規に作製したものであってもよ
いし、一部または全部が使用済のマンドレルバーからそ
の表面状態の劣化の程度が著しい部分を除いたものであ
ってもよい。

【００１８】このの発明のマンドレルバーは、前記
の発明の方法（本発明方法）によって製造することがで
きる。

【００１９】この方法を実施するための接合システムの
一例の模式図を図１に示す。図１の(a) は接合前の状
態、(b) は接合後の状態である。図１(a) において、１
がマンドレルバー接合素材であり、接合に際しては、こ
のマンドレルバー接合素材１、１をそれらの軸が同一線
上に重なるようにクランプ機構４、４により挟持し、イ
ンサート材２をマンドレルバー接合素材１、１の端面間
に挟んだ状態で突き合わせ、接合部を覆うように配置さ
れた加熱装置３により接合部近傍を加熱する。加熱装置
３の内部には不活性ガスを送通して（図では窒素ガスを
送通）、加熱を非酸化性雰囲気中で行うことが可能であ
る。なお、送通したガスは矢印（破線）で示したように
マンドレルバー接合素材１と加熱装置３の間の隙間から
装置３外へ排出される。

【００２０】図１(b) において、クランプ機構４、４は
ジャッキ７のヘッド６、およびヘッド６に摺動可能に取
り付けられた連結体５にそれぞれ接続されており、加熱
中にヘッド６をジャッキ７により連結体５に沿って図に
示した矢印の方向へ、すなわち破線で示した接合前の状
態から実戦で示した状態へ摺動させることにより、マン
ドレルバー接合素材１、１の接合面に所定の荷重を付加
して接合することができる。後述するように、過大な荷
重を要しないように接合面の粗さを調整しているので、
接合部の変形は極めて少ない。

【００２１】なお、図１では接合箇所が一箇所である
が、上記のような接合システムを複数基設け、３本以上
のマンドレルバー接合素材を用いて二箇所以上で同時に
接合してもよい。

【００２２】本発明方法（の発明）においては、マン
ドレルバー接合素材の端面の表面粗さを最大高さ（Ｒma
x ）で 100μｍ以下に加工する必要がある。これは、表
面粗さがＲmax で 100μｍを超えると、接合面を密着さ
せるために過大の力が必要となり、接合中および接合後
の変形が大きくなって接合後の研削作業に必要以上に時
間を要することになる。

【００２３】突き合わせ時の端面の間隙ｄ（図２参照）
のマンドレルバー接合素材１の外径Ｄに対する比（ｄ／
Ｄ）×100 、すなわち突き合わせ精度Ｇを10％以下とす
るのは、10％を超えると接合欠陥が発生しやすくなると
ともに、接合した後のマンドレルバーに曲がりが生じる
原因になるからである。

【００２４】インサート材は、マンドレルバー接合素材
より低融点のものであれば、材質的には特に限定されな
い。鋼材の拡散接合に一般に用いられるニッケル（Ni）
基あるいは鉄（Fe）基のインサート材を使用すればよ
い。これらのインサート材は、NiあるいはFeに融点降下
元素として珪素（Si）あるいはほう素（Ｂ）などを数％
含有させた材料であるが、それぞれの代表的な組成、な
らびに、その組成に対応するNi基あるいはFe基のインサ
ート材の固相線および液相線上の温度を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】マンドレルバー接合素材の接合界面にイン
サート材を入れて突き合わせ、その突き合わせ部の近傍
を加熱する際の温度は、インサート材の融点以上でマン
ドレルバー接合素材の融点以下であればよい。しかし、
接合温度が高いほどインサート材に含まれる融点降下元
素の被接合材中への拡散に必要な時間が短く、能率的で
ある。一方、あまり高温になると被接合材であるマンド
レルバー接合素材の性能劣化が著しく、好ましくない。
従って、本発明方法においては、後述する加熱（保持）
時間を考慮して、1200〜1300℃の温度域で加熱する。

【００２７】加熱の際は、接合面の酸化による接合不良
を避けるために接合部近傍を非酸化性雰囲気とすること
が必要である。従って、図１(a) に示したように、加熱
装置３の内部に例えばアルゴンガスあるいは窒素ガスな
どの不活性ガスを送通して外気（空気）からシールドす
る。

【００２８】加熱方法としては、誘導加熱方式が、接合
部近傍に不活性ガスを送通して非酸化性雰囲気を確保し
やすく、設備的に簡素で、好適であるが、リングバーナ
ーなどを取り付けたガス加熱方式を用い、強還元炎によ
り還元性雰囲気として拡散接合してもよい。

【００２９】上記の加熱温度域での保持時間は60秒以上
とする。60秒未満ではインサート材中の融点降下元素の
被接合材中への拡散が十分行われず、信頼性のおける接
合部を得ることができない。また、保持時間の上限は接
合部の性能と経済性を考慮して設定すればよく、特に限
定されない。

【００３０】マンドレルバー接合素材の接合界面にイン
サート材を入れ、突き合わせた状態でマンドレルバー接
合素材をクランプにより拘束し、上記のように突き合わ
せ部の近傍を加熱すると、マンドレルバー接合素材の熱
膨張により接合面に加圧力が作用する。この加圧力は、
良好な接合部を得るために0.5kgf/mm²以上であることが
必要であるが、３kgf/mm² を超えると接合素材の変形が
顕著となるので、 0.5〜３kgf/mm² とする。なお、加圧
力が１kgf/mm² を超えると通常のクランプではすべりが
生じるので、必要に応じ外力を加えて加圧力を上記の範
囲に調整する。

【００３１】上記本発明のマンドレルバーの製造方法に
よれば、短尺のマンドレルバー素材を継ぎ足して継目無
鋼管製造用の長尺のマンドレルバーを製造することがで
きる。この場合、従来の溶接で必要な厳しい予・後熱管
理が不要になるので、作業環境は著しく改善される。ま
た、本発明方法を用いれば、使用により表面状態が悪化
したマンドレルバーの不良部分を切除し、代わりに新し
いマンドレルバー素材を接合することも可能なので、補
修用としても適用することができる。

【００３２】この方法により製造されたマンドレルバー
が、本発明のマンドレルバー、すなわち少なくとも一箇
所に拡散接合した部分を有する継目無管製造用マンドレ
ルバーで、後述の実施例に示すように、通常の溶接ある
いは一体物により製造されたマンドレルバーと同じ耐用
性を有している。

【００３３】本発明のマンドレルバーは継目無鋼管製造
用としては勿論のこと、ニッケル合金、チタン合金等の
継目無管の製造用にも使用できる。

【００３４】

【実施例】外径 155mm、長さ13ｍの２本のマンドレルバ
ー接合素材(JIS G 4404 に規定される SKD61相当材）を
前記の図１に示した構成を有する装置を用い、拡散接合
により接合してマンドレルバーを製造した。インサート
材としては表１に示したＡ、Ｂ２種の材料（厚さ0.03m
m）を用いた。

【００３５】加熱は誘導加熱方式により行い、加熱装置
３内に窒素ガスを送通し、接合部近傍を非酸化性雰囲気
に保った。

【００３６】接合条件は表２に示すとおりである。な
お、表２中の No.６では、使用済の長さ26ｍのマンドレ
ルバーを半分に切断し、表面状態の劣化の少ない後半部
をそのまま使用し、先半部には長さ13ｍの新材を用い
た。すなわち、本発明方法をマンドレルバーの補修用に
適用した場合に相当する。

【００３７】接合終了後、接合部に 925℃で４時間加熱
した後放冷する焼ならし処理(normalizing) を施し、引
き続き 675℃で１時間加熱後放冷する焼戻し処理(tempe
ring) を施した後、接合部が試験片の中央に位置するよ
うに引張試験片（JIS Z 2201の４号試験片）および曲げ
試験片（JIS Z 2241の５号Ａ試験片）を切り出し、引張
試験および曲げ試験を行って破断状況（破断位置）およ
び割れ発生の有無を調査した。母材部で破断し、かつ割
れが発生しなかった場合を良好と評価した。

【００３８】調査結果を表２に併せて示す。この結果か
ら、本発明で定める条件を満たす場合、良好な接合部が
得られることがわかる。

【００３９】さらに、表２の No.５の条件および No.６
の条件で接合したマンドレルバーを通常の作業条件で継
目無鋼管の製造に使用したところ、それぞれ1800本およ
び1600本の圧延を行うことができた。これは、従来のア
ーク溶接あるいは一体物により製造されたマンドレルバ
ーの圧延本数と同程度であり、本発明のマンドレルバー
が従来のものと同じ耐用性を有することが確認できた。

【００４０】

【表２】

【００４１】

【発明の効果】本発明の継目無管製造用マンドレルバー
は、通常の溶接あるいは一体物により製造されたマンド
レルバーと同等の耐用性を有している。このマンドレル
バーは、本発明方法を適用し、短尺のマンドレルバー素
材を拡散接合により継ぎ足して製造することができる。
厳しい予・後熱管理が不要になるので、作業環境が著し
く改善される。また、本発明方法は、マンドレルバーの
補修用としても適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための接合システムの一
例の模式図で、(a) は接合前の状態、(b) は接合後の状
態である。

【図２】被接合材の突き合わせ時の状態を示す模式図で
ある。

【符号の説明】 １：マンドレルバー接合素材、２：インサート材、３：
加熱装置、４：クランプ機構、５：連結体、６：ヘッ
ド、７：ジャッキ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 昌彦 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住 友金属工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一箇所に拡散接合した部分を有
   することを特徴とする継目無管製造用マンドレルバー。
2. 【請求項２】複数のマンドレルバー接合素材の端面を接
   合して継目無管製造用マンドレルバーを製造する方法で
   あって、マンドレルバー接合素材の端面の表面粗さを最
   大高さ（Ｒmax ）で 100μｍ以下に加工した後、このマ
   ンドレルバー接合素材をクランプ機構により挟持し、接
   合界面にマンドレルバー接合素材より低融点のインサー
   ト材を入れ、かつ、突き合わせ時の端面の間隙がマンド
   レルバー接合素材の径の10％以下となるように突き合わ
   せ、その突き合わせ部の近傍を非酸化性雰囲気に保持し
   ながら1200〜1300℃の温度域で60秒以上加熱し、接合面
   に作用する加圧力を 0.5〜3.0kgf/mm²としてマンドレル
   バー接合素材の端面を拡散接合することを特徴とする継
   目無管製造用マンドレルバーの製造方法。