JPH09170050A - ２相ステンレス溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

２相ステンレス溶接鋼管の製造方法

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JPH09170050A
JPH09170050A JP7329129A JP32912995A JPH09170050A JP H09170050 A JPH09170050 A JP H09170050A JP 7329129 A JP7329129 A JP 7329129A JP 32912995 A JP32912995 A JP 32912995A JP H09170050 A JPH09170050 A JP H09170050A
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welded
stainless steel
steel pipe
pipe
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Takeshi Shiozaki
毅 塩崎
Moriaki Ono
守章 小野
Masaki Omura
雅紀 大村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた靭性および耐食性を有する２相ステン
レス溶接鋼管を高生産性で製造する。 【解決手段】 下記の工程を備えた２相ステンレス溶接
鋼管の製造方法。 （イ）化学組成として、 wt ％で、C ：0.030 ％以下、
Si：1.0 ％以下、Mn：0.8 〜 2.0％、P ：0.03％以下、
S ：0.01％以下、Cr：20 〜30％、Mo：2.5 〜4.0 ％、
Ni：4.0 〜7.0 ％、N ：0.08 〜 0.20 ％、を含有する
２相ステンレス熱延鋼板を用意する工程と、（ロ）前記
熱延鋼板を、多段の成形ロールで連続的にオープンパイ
プに成形する成形工程と、（ハ）前記オープンパイプの
相対する両エッジ部を軽微なアプセットを付与しながら
レーザビームで溶接する溶接工程。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２相ステンレス溶
接鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】２相ステンレス鋼は、化学装置用材料、
ラインパイプおよび油井管分野などで用いられる耐食性
に優れた鋼材である。金属組織は、フェライト相とオー
ステナイト相よりなる複合組織を呈し、Cr、Ni、Mo、N
の成分量をコントロールすることにより、塩素イオン環
境や炭酸ガス環境において優れた耐食性を示す。また、
耐力、引張強さなどの強度がオーステナイト系およびフ
ェライト系に比べて大きいことが知られている。
【０００３】このように耐食性や強度特性に優れた２相
ステンレス鋼を用いて溶接鋼管を製造する場合、連続的
に造管することが望ましい。そこで、２相ステンレス鋼
の鋼帯を一群の成形ロールで管状に形成し、対向する両
端部を溶接手段で接合する。かかる溶接鋼管製造のため
の溶接方法としては、TIG 溶接、プラズマ溶接、サブマ
ージアーク溶接などの溶融溶接法と、ERW （電気抵抗溶
接）に代表される圧接法に大別される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、溶融溶接法は
溶接欠陥が発生し難く溶接部性能に優れているが、溶接
速度が遅いため生産性が問題となっている。その中で
は、サブマージアーク溶接は、アーク溶接法の中では大
入熱溶接が可能で高能率の溶接法である。しかし、大気
中で粉末状の溶接フラックスを用いるため、大気中から
O , N 等のガスの混入が避けられない。その結果、溶
接金属中に酸化物や窒化物が生成し、これらが靭性レベ
ルを低下させるという問題点があった。
【０００５】また、サブマージアーク溶接では、溶接金
属の靭性、耐食性および健全性が溶接フラックスの影響
を大きく受けるという問題もある。これに対しては、よ
り塩基度の高いフラックスを用いることにより、溶接金
属中の酸素量を低減することができ、それに伴い靭性が
改善される。また耐食性の観点からも、孔食の発生起点
となりうる成分濃度の不均一性を防止する意味で、高塩
基性フラックスの使用が最適である。
【０００６】しかし、高塩基性フラックスは、フラック
スの融点が高いため溶接速度の高速化に不向きである。
さらに高塩基性フラックスは、溶接部にスラグ巻き込
み、アンダカットなどの溶接欠陥が発生しやすい等の問
題点を有している。さらに、サブマージアーク溶接は大
入熱溶接法であるため、高温割れ発生の度合いが高くな
るという問題点も有していた。
【０００７】これに比べ、接合部を電気抵抗や誘導加熱
で加熱して圧接する方法、即ち電縫溶接法を用いて造管
することが生産性の点で有利である。しかし、溶接時の
加熱のため、接合面となる鋼板エッジの表面に酸化物が
生成する。特に、２相ステンレス鋼のように、Cr等を多
量に含有するステンレス鋼では、加熱中に接合面となる
鋼板エッジに生成する酸化物の主成分はCr、Si、Mn系酸
化物となる。これらの酸化物は、母材（鋼板）より融点
が高く、母材が溶融しても溶融しない。従って、このま
ま鋼板エッジが接合されると、ペネトレータと呼ばれる
酸化物欠陥として溶接部に残り易くなり、溶接部の靭性
および耐食性が低下する。
【０００８】また、電縫溶接法では、接合部を圧接する
ので接合部の塑性変形（メタルフローの立ち上がり）が
避けられない。メタルフローの立ち上がりによる増肉部
は、切削する必要があるが、それにより、鋼板中の非金
属介在物が鋼板表面に露出し、靱性や耐蝕性を損なう。
【０００９】一般に、鋼板の板厚方向は板面に平行な方
向に比べ、機械特性とりわけ靱性が劣る。接合部では、
メタルフローの立ち上がりにより板厚方向の成分の靱性
への影響が無視できなくなり、接合部の靱性が他の部分
より低下することになる。
【００１０】本発明の目的はこのような問題点を解決
し、優れた靭性および耐食性を有する２相ステンレス溶
接鋼管を高生産性で製造し得る方法を提供することにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、下記
の工程を備えた２相ステンレス溶接鋼管の製造方法であ
る。 （イ）化学組成として、 wt ％で、C ：0.030 ％以下、
Si：1.0 ％以下、Mn：0.8 〜 2.0％、 P ：
0.03％以下、S ：0.01％以下、 Cr：20 〜30
％、Mo：2.5 〜4.0 ％、 Ni：4.0 〜7.0 ％、N ：
0.08 〜 0.20 ％、を含有する２相ステンレス熱延鋼板
を用意する工程と、（ロ）前記熱延鋼板を、多段の成形
ロールで連続的にオープンパイプに成形する成形工程
と、（ハ）前記オープンパイプの相対する両エッジ部を
軽微なアプセットを付与しながらレーザビームで溶接す
る溶接工程。
【００１２】以下、まず本発明における２相ステンレス
鋼の化学組成（wt％で表す）の限定理由について述べ
る。なお、下限の限定のない元素（ C, P, S）は、必ず
しも添加する必要はない。
【００１３】C ：C はCr炭化物を形成しそれに伴いCr欠
乏層を生じて、0.030 ％を超えると耐食性を劣化させる
ので、これを防ぐため上限を0.030 ％とする。
【００１４】Si：Siは脱酸材として0.1 ％以上の添加が
必要であるが、1％を超える過剰な添加は熱間加工性が
低下するため上限を1％とする。
【００１５】Mn：Mnは塩化物環境下での耐孔食性に有効
な元素であるN の固溶度を確保するため、0.8 ％以上の
添加が必要である。一方、2 ％を超える過剰な添加は、
硫化水素環境下の耐孔食性を低下させるので、上限を2
％とする。
【００１６】P ：P は靭性を劣化させ、0.03％を超える
と、塩化物環境下、硫化水素環境下を問わず、応力腐食
割れ抵抗性を劣化させるので、上限を0.03％とする。
【００１７】S ：S は従来鋼レベルの含有量であれば、
耐食性には本質的な影響を与えないが、0.01％を超える
と熱間加工性を低下させるので、上限を0.01％とする。
【００１８】Cr：Crは耐食性に有効な元素であるが、20
％未満では十分な耐孔食性が得られず、30％を超えると
熱間加工性が低下するので、適性範囲を20〜30％にす
る。
【００１９】Mo：Moは耐塩化物腐食性に有効な元素であ
るが、2.5 ％未満では十分な耐孔食性が得られず、4 ％
を超えると熱間加工性が低下するので、最適範囲を2.5
〜4％とする。
【００２０】Ni：Niは4％以上添加すると靭性確保に効
果的であるが、7％を超えて添加すると耐孔食性が低下
するので、適性範囲を4 〜7 ％とする。
【００２１】N ：N はフェライト分率を調整するのに有
効であり、0.08％以上添加すると耐塩化物腐食性改善に
効果がある。一方、0.20％を超えるとCr2Nの析出により
耐食性が低下するので、適性範囲を0.08〜0.2 ％とす
る。
【００２２】これら以外の元素についても、本来の目的
を損なわない限り含まれていてもあるいは添加されてい
ても差し支えない。このような元素を含有する熱延鋼板
を用意する工程の後、溶接鋼管の造管工程に移る。ここ
で、熱延鋼板を用意するとは熱延鋼板を製造あるいは調
達することである。
【００２３】造管工程では、この発明でも通常の電縫鋼
管の製造と同様、熱延鋼板を多段の成形ロールで連続的
に管状に成形する。この工程で、熱延鋼板は継目部を溶
接すれば管となる形状、即ちオープンパイプに成形され
る。
【００２４】その後、接合すべき鋼板のエッジ部をレー
ザ溶接するが、レーザ溶接では、溶接部をガスシールド
で大気から遮断するため、粉末状のフラックスにより溶
接部を遮断するサブマージアーク溶接と比較して、溶接
部のシールド効果が高い。従って、レーザ溶接では溶接
部の中に侵入する酸素の量を低減できる。また、レーザ
溶接は、フラックスを用いないのでスラグ巻き込みもな
い。
【００２５】更に、レーザ溶接は高密度のエネルギービ
ームを用いているので、溶接部全体としての入熱量の点
では、サブマージアーク溶接よりも極端に低入熱で済
む。従って、材質性能が損なわれやすい熱影響部の幅を
非常に狭くできる。その上、溶接速度が速いため生産性
向上も可能となる。
【００２６】次に、レーザ溶接は接合部を全面に渡って
溶融する溶融溶接であるため、電縫溶接で生じやすいペ
ネトレータ等の問題が解消される。このようにして、こ
の発明では溶接部の靭性および耐食性に優れた溶接鋼管
が製造できる。
【００２７】この発明では、レーザ溶接の際、エッジ部
に軽微なアプセットを付与することにより、溶融部の分
離やアンダカット（溶融部が凹むこと）が防止される。
ここで、軽微なとは、接合部に作用する応力が変形応力
よりは低い程度のということである。従って、接合部で
はメタルフローの立ち上がりによる靱性等の機械的性質
の劣化が防止される。
【００２８】請求項２の発明は、成形工程と溶接工程の
間に、下記の工程を備えた請求項１記載の２相ステンレ
ス溶接鋼管の製造方法である。 （ニ）成形されたオープンパイプの相対する両エッジ部
を電気抵抗で加熱する加熱工程。
【００２９】この発明では、レーザ溶接を行う前に両エ
ッジ部を電気抵抗で加熱しているので、溶接すべき部分
が予熱される。従って、次工程のレーザ溶接では溶融状
態を得るための時間が短縮できるので、溶接速度の向上
を図ることが可能となる。
【００３０】請求項３の発明は、溶接工程（ハ）の代わ
りに、下記の工程を備えた請求項１記載の２相ステンレ
ス溶接鋼管の製造方法である。 （ホ）成形されたオープンパイプの相対する両エッジ部
を電気抵抗で加熱し、アプセットを付与して接合する圧
接工程と、（ヘ）接合部に生じた増肉部を切削する切削
工程と、（ト）この接合部をさらにレーザビームで再溶
融させて溶融部を形成させる再溶融工程。
【００３１】この発明では、まず圧接工程と切削工程に
より、通常の電縫鋼管と同様の溶接鋼管が得られる。従
って、造管速度が高速であり高い生産性が得られる。と
ころで、このままでは、溶接部には通常の電縫鋼管と同
様、ペネトレータ等の酸化物系介在物が残っている。そ
こで、接合部にレーザビームを照射して再溶融させる。
これにより、酸化物系介在物は破砕され、溶融部の対流
作用等により分散ないしは外部に除去される。このよう
にして、この発明では溶接部の靭性および耐食性が優れ
た溶接鋼管が、効率的に製造できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】この発明は、通常の電縫鋼管の製
造と同様、熱延鋼板を多段の成形ロールで連続的に管状
に成形する。使用する設備は、ここまでは通常の電縫鋼
管の製造設備と同様、一連の成形ロール群を備えた設備
である。その後、接合すべき鋼板のエッジをスクイズロ
ール等で突き合わせてアプセットを付与しつつ、レーザ
ビームを照射する装置を用いてレーザ溶接を行う。
【００３３】レーザ溶接の際のアプセットの力は、溶融
部の表面が鋼板の表面と同一面となるよう調節するのが
望ましい。それ程きめ細かな調節を行わない場合は、溶
融部が鋼板表面より多少盛り上がるように、アプセット
条件を設定すればよい。なお、切削工程を実施する場合
は、溶融部が鋼板表面より常に盛り上がるようにアプセ
ット条件を設定すれば、操業が安定する。いずれにせ
よ、この発明では、基本的に接合部を塑性変形させない
ので、アプセットで接合部を圧接させる電縫溶接法に比
べ、アプセットの力が小さくて済む。
【００３４】この発明の製造方法は、新たな製造装置を
用いて実施してもよいが、既存の電縫鋼管の製造設備に
レーザビームを照射する装置を取り付けて実施してもよ
い。特に請求項２および請求項３の発明は、実施の形態
としては後者の方法が簡便であり、実施し易い。
【００３５】
【実施例】この発明は、溶接部の機械特性や耐蝕性等の
材質の向上が主要な目的である。そこで、実際の溶接鋼
管の溶接部を再現するシミュレーション試験を実験室的
に行った。以下、溶接部の材質を中心に実施例を説明す
る。
【００３６】表１は、実験に用いた鋼の化学成分を示
す。この表に示す化学成分の鋼を、実験室で真空溶解し
50kgインゴットに鋳造した。これを板厚12mmまで熱間圧
延して、試験材とした。
【００３７】図１は、溶接部の試験に用いた試験材の準
備方法を示す図である。図中、１は鋼板、２は電気抵抗
加熱用の電極（コンタクトチップ）、３はスクイズロー
ル、４はレーザビーム、5 は成形ロールをそれぞれ示
す。
【００３８】この装置は、溶接鋼管の溶接部の材質特性
をシミュレートするための装置（溶接シミュレータ）で
ある。この装置では、成形ロール５に、鋼板の相対する
両エッジ部を想定した２枚の試験材１、１を送り込み、
コンタクトチップ２から供給される高周波電流で抵抗加
熱した後、スクイズロール３で圧接する。さらに、両エ
ッジ接合部に炭酸ガスレーザのレーザビーム４を照射す
る機能を備えている。なお、実機のスクイズロールでは
オープンパイプの外面からアプセット力を加えるが、こ
のシミュレータのスクイズロールでは試験材の幅方向に
アプセット力を加え、溶接部のみの試験片を得ている。
【００３９】種々の試験材を、この図に示す装置（溶接
シミュレータ）を用いて溶接し、溶接部の試験片を得
た。溶接条件は溶接速度10m/min 、レーザ出力は10kW、
焦点位置でのビーム径は0.5mmで、鋼板の垂直上方から
エッジ接合点に焦点を合わせて照射した。
【００４０】上記溶接条件で製造した溶接部の試験片に
対して、1050℃で30min 保持後水冷の溶体化熱処理を施
し、継手引張試験、衝撃試験、および孔食試験を行い、
また、衝撃試験片の破面観察により、溶接欠陥の有無を
確認した。孔食試験は、種々の試験温度で10％FeCl3 ・
6H2O溶液に72時間浸漬して行った。溶接部の靭性は、−
40℃での吸収エネルギー（vE -40℃）、耐食性は孔食が
発生する限界温度（CPT ）で評価した。
【００４１】表２は、これらの試験結果を示す表であ
る。溶接部の靭性（vE -40℃）は100J以上、耐蝕性（CP
T ）は35℃以上を良好と考えられる。発明鋼１〜８の試
験結果は、靱性（vE -40℃）は119 〜225Jでいずれも10
0J以上、耐蝕性（CPT ）は35〜50℃でいずれも35℃以上
であり、良好である。また継手引張強度は753 〜785 N/
mm2 （MPa ）であり、十分な強度を有している。溶接欠
陥は、いずれの発明鋼についても見られない。
【００４２】これに対して、比較鋼９は靱性（vE
-40℃）が75J と低く、比較鋼10は靱性（vE -40℃）が
63J と低く、耐蝕性（CPT ）も20℃と低い。また比較鋼
10は、衝撃試験片の破面に溶接欠陥が見られ、そのた
め、靱性のみならず継手引張強度についても507N/mm
2（MPa ）と他に比べて低い。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
【発明の効果】本発明により、溶接部の耐食性および靭
性に優れた２相ステンレス溶接鋼管が高能率で得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接部の試験に用いた試験材の準備方法を示す
図。
【符号の説明】
１ 熱延鋼板 ２ コンタクトチップ ３ スクイズロール ４ レーザビーム ５ 成形ロール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/00 ３１０ Ｂ２３Ｋ 26/00 ３１０Ｊ 37/08 37/08 Ｅ Ｃ２２Ｃ 38/44 Ｃ２２Ｃ 38/44 38/58 38/58 Ｈ０５Ｂ 3/00 ３３０ Ｈ０５Ｂ 3/00 ３３０Ｚ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記の工程を備えた２相ステンレス溶接
    鋼管の製造方法。 （イ）化学組成として、 wt ％で、 C ：0.030 ％以下、 Si：1.0 ％以下、 Mn：0.8 〜 2.0％、 P ：0.03％以下、 S ：0.01％以下、 Cr：20 〜30％、 Mo：2.5 〜4.0 ％、 Ni：4.0 〜7.0 ％、 N ：0.08 〜 0.20 ％、を含有する２相ステンレス熱延
    鋼板を用意する工程と、（ロ）前記熱延鋼板を、多段の
    成形ロールで連続的にオープンパイプに成形する成形工
    程と、（ハ）前記オープンパイプの相対する両エッジ部
    を軽微なアプセットを付与しながらレーザビームで溶接
    する溶接工程。
  2. 【請求項２】 成形工程と溶接工程の間に、下記の工程
    を備えた請求項１記載の２相ステンレス溶接鋼管の製造
    方法。（ニ）成形されたオープンパイプの相対する両エ
    ッジ部を電気抵抗で加熱する加熱工程。
  3. 【請求項３】 溶接工程の代わりに、下記の工程を備え
    た請求項１記載の２相ステンレス溶接鋼管の製造方法。
    （ホ）成形されたオープンパイプの相対する両エッジ部
    を電気抵抗で加熱し、アプセットを付与して接合する圧
    接工程と、（ヘ）接合部に生じた増肉部を切削する切削
    工程と、（ト）この接合部をさらにレーザビームで再溶
    融させて溶融部を形成させる再溶融工程。
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