JPS62292287A - 溶接管製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） この発明は溶接管製造方法に関するものである。

（従来の技術） 溶接管製造方法の従来例としては、例えば特開昭５８−
１８４０７３号公報を挙げることができる。この製造方
法について、第４図〜第６図に基づいて説明すると、第
４図において、１はコイル板材であって、このコイル板
材１を一群の成形ロール２・・２にて断面円形に成形す
ると共に、フィンバスロール３にて両縁部４．４を会合
させ、次いで溶接工程５にて両縁部４．４を溶接するこ
とによって、第６図に示すように、溶接管の製造を行な
う。

この場合、上記成形過程において両縁部４．４の近傍は
、他の部分よりも、大きな引張り塑性変形を受けること
から、フィンパスゾーンにおいては、両縁部４．４の近
傍には圧縮残留応力が、またそれ以外の部分には引張残
留応力がそれぞれ発生し、これにより両縁部４．４の近
傍に、第５図に（Ａ）として示すように座屈しわ（以下
、エツジバックリングという、）が生じ、充分な溶接が
行なえないという問題が生じていた。そのため上記従来
例では、成形から溶接に至る工程間において、縁部４．
４の近傍以外の板材中央部領域６を加熱、膨張させるこ
とにより、上記縁部４．４近傍での圧縮応力を緩和し、
エツジバックリングの発生を防止するようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記従来例においては、その加熱条件が一
義的でなく、上記局部加熱を採用した溶接管製造法（以
下局部加熱製造法と言う。）を容易には実用化し得ない
という問題があった。すなわち、材料の降伏応力、板厚
、管径、製造速度等の成形条件の各種紐み合わせについ
て、予め実状に即した実験等により加熱条件を求めてお
（必要があり、さらに、使用設備での設定条件、例えば
加熱装置として誘導加熱装置を用いる場合には加熱コイ
ル形状や供給電流値等と加熱温度分布との関係を求めて
おく必要があり、組合せの数が多いと共に、実際面での
不確定要素も多く、実用化することが困難であったので
ある。

この発明は上記した従来の問題点を解消するためになさ
れたものであって、実作業に即した加熱又は冷却条件を
容易に設定し得、したがって上記局部加熱又は局部冷却
法の実用化を容易とする溶接管製造方法を提供すること
にある。

（問題点を解決するための手段） そこでこの発明の溶接管製造方法においては、コイル板
材を繰り出してロール成形にて湾曲成形し、上記板材の
両縁を漸次会合させて溶接する溶接管製造方法において
、上記溶接工程より材料入り側の位置において上記板材
を加熱又は冷却する一方、この位置より後方で、上記板
材の温度を測定する第１モニタ手段及び／又は上記板材
の会合状態を測定する第２モニタ手段を配置し、上記第
１モニタ手段及び／又は第２モニタ手段の測定値に応じ
て、上記加熱又は冷却条件の修正を行なうようにしであ
る。

（作用） 上記の溶接管製造方法においては、局部加熱法を例にす
ると初めに、板材の厚さや仕上り管径等の製造仕様と、
設備条件とから求め得る加熱条件を初期設定し、製造を
開始する。上記初期加熱条件の設定の段階では、加熱設
備と板材との間の熱交換効率、或いは搬送時、加熱され
た板材と外部雰囲気との熱交換による温度低下等に、特
に不確定要因が多い訳であるが、上記の溶接管製造方法
においては、加熱箇所後方に、加熱された板材の温度を
測定する第１モニタ手段を配置しており、その実測値に
応じて初期設定された加熱条件を修正し得るので、上記
不確定要因を事前に詳細に求めておく必要はなく、製造
運転時に、実際の製造条件に即した適正加熱条件へと自
動的に修正されていくのである。さらに、上記の溶接管
製造方法においては、上記に加えて、又は上記に代えて
板材の会合状態を測定する第２モニタ手段も配置してお
り、この測定値によっても加熱条件を修正し得るので、
エツジバックリングの生じない適正加熱条件が信頼性高
く、安定して与え得ることとなる。このように、加熱後
の板材の実温度及び／又は会合状態を実測して加熱条件
の設定にフィードバックすることによって、種々の製造
仕様、或いは設備特性との組合せにおいても、個々の実
状に即した適正加熱条件を容易に求めることができ、前
記局部加熱製造法の実用化が容易となる。

（実施例） 次にこの発明の溶接管製造方法について、図面に基づい
て具体的に説明する。

第２図は、この発明の溶接管製造方法を適用した溶接管
製造装置の全体構成を模式的に示す図であり、従来方法
の説明図（第４図〜第６図）と同一の部品については、
同一番号を附している。

第２図において、平板状のコイル板材１は成形ロール２
によって断面円形状となっていくように成形され、フィ
ンパスロール３にて両＆ｔＷ４．４が会合されることと
なるが、この装置においては、最終段の成形ロール２と
フィンパスロール３との間に、上記成形板材１の縁部（
以下、エツジと言う、）４以外の板材中央部領域６を加
熱するために、例えば誘導加熱装置等の加熱ヒータ１０
が配置されている。この加熱装置によって、成形後、圧
縮残留応力の生じたエツジ４以外の中央部領域を加熱す
ることにより、エツジ４における圧縮残留応力を低減さ
せて、フィンバスロール３通過後の会合位置におけるエ
ツジバックリングの発生を防止し、溶接工程５における
溶接が安定して行なわれるようにしようとするものであ
る。一方、上記装置にはフィンパスロール３と溶接工程
５との間に、前記加熱ヒータ１０により加熱された材料
１の中央部領域６の温度分布を測定し得る非接触式温度
計１１と、これに上下方向で略対向する位置に、板材１
のエツジ４の会合状態を測定し得るイメージセンサ１２
とが配置されている。そして、上記温度計１１及びイメ
ージセンサ１２の各信号出力が制御装置１３に入力され
る。一方上記加熱ヒータ１０は加熱電源１４より加熱電
流が供給されて板材１を加熱するものであり、この加熱
電源は、上記制御装置１３の出力信号に応じて加熱ヒー
タ１０への供給電流を制御するようになされている。な
お上記非接触式温度計１１を複数個配置すると共に、上
記加熱ヒータ１０を複数に分割構成し、各分割ヒータ１
０の作動を独立に制御して温度分布を制御するようにし
てもよい。

さらに上記装置においては、フィンパスロール３を板材
１が通過後、円形断面の管として成形された箇所に適宜
間隔を置いて三筒の変位計１５・・１５が成形管を挟ん
で三角形の頂点位置に配置されており、これらの変位針
によって、成形管のそりの発生が測定し得るようになさ
れている。そして、これらの変位針の信号出力は、上記
制御装置１３に入力されている。

以上のように構成された装置において、フィンパスロー
ル３通過後の板材１のエツジバンクリングを生じさせな
いためには、加熱ヒータｌＯに適正電流値を供給するこ
とが必要であり、次に第１図に基づいて、上記加熱ヒー
タ１０への通電電流制御について説明する。

第１図は上記通電電流制御の機能ブロック図を示してお
り、制御装置１３は、必要応力低減量設定部２０、温度
分布設定部２１、加熱条件設定部２２、温度比較部２３
、エツジバックリング検出部２４、そり検出部２５を有
している。そして、上記溶接管製造装置の運転開始時に
は、設備条件と、板厚、管径等の製造仕様等から決まる
条件を初期設定条件として制御装置１３に入力すること
により、必要応力低減量設定部２０で、板材１の成形後
にエツジバックリングが生じなくなる応力低減量が計算
され、この計算値から、温度分布設定部２１において、
上記応力低減量を与え得る加熱温度分布がさらに計算さ
れ、またこの計算結果から加熱装置の加熱効率等を考慮
して加熱ヒータ１０に供給すべき電流値が計算されて、
この結果に基づいた信号出力が加熱電源１４に出力され
、加熱が開始されると共に、管の製造運転が開始される
。そして、この実施例では、製造時における加熱後の温
度分布が温度計１１によって測定され、その測定結果が
制御部１３にフィードバックされるように成されている
。この測定値は、先に初期設定条件によって求められた
設定温度分布と温度比較部２３で比較され、差を生じて
いれば、改めて温度分布設定部２１でこの実際温度に基
づいて修正が行なわれ、加熱条件設定部での出力も変更
されて、適正電流値が出力されていくように、遂次修正
されていくのである。

さらに、上記実施例では、フィンパスロール３通過後の
突合せ部の状態をイメージセンサ１２で監視しており、
エツジバックリングが発生している場合には、その変形
量に応じた信号が上記制御装置１３のエツジバックリン
グ検出部２４で検出され、その検出結果に基づいて、必
要な応力低減量が増加するように制御装置１３内で順次
修正計算が実行されて適正加熱電流値が出力されてい（
こととなる。

また、変位計１５より信号入力を受けるそり検出部２５
において、成形管のそりが基準値以上であること（溶接
後の最終形状という観点からは、そりが零となるのが鰻
適とは限らず、判定基準は、そり量と基準値とを比較し
て定める、以下同じ）が検出された場合には、加熱温度
が高すぎると判断して、必要応力低減量を下方修正する
信号が、このそり検出部２５より必要応力低減量設定部
２０に出力され、再度加熱条件の修正が行なわれること
となる。

以上のような加熱電流値の設定制御の作動状態について
、次に第３図のフローチャート図に基づいて説明する。

初めに、同図のステップＳ１からステップＳ５までにお
ける加熱条件の初期設定について説明する。まずステッ
プＳ１においては、成形条件（直径、板厚、ヤング率、
降伏応力等）と設備条件（ピッチ、成形速度、ロールフ
ラワー等）とより、成形途中でエツジ部に生じる圧縮残
留応力σｒｅｓと座屈限界応力σｃｒとを求め、ステッ
プＳ２で上記σｒｅｓをσｃｒと比較して、必要応力低
減量Δσを決める。次にステップＳ３では、温度分布↑
１（Ｘ）とエツジの応力低減量Δσとの関係より目標温
度分布ＴＩ（ｘ）を決める。実際には加熱地点から座屈
が問題となる点までの冷却水への熱伝達、材料内の熱伝
導等が生じるのでこの分ΔＴ　（ｘ）を補正する必要が
あり、ステップＳ４において、上記↑１（ｘ）をもとに
加熱位置での温度分布Ｔｏ（ｘ）を決める。そして、設
定した温度分布Ｔｏ（ｘ）にもとづいて、ステップＳ５
において、誘導加熱電流■を決めるのである。

ここで、以上の各ステップにおける計算基礎式を次に列
記する。

ステップＳｌにおける圧縮残留応力σｒｅｓは次のよう
に求められる。すなわち、エツジ部に発生する伸び歪８
１は各スタンド間ごとのエツジの移動量Δｌｉとスタン
ド間ピッチＰｉＯ比によって決まり、その２乗に比例す
る。エツジの移動量ΔＩｔＩは製品外径ＤＯとスタンド
数ｎの比に比例する。したがってエツジ部に発生する伸
び歪は ｇ　”　（ＤＯ／　ｎ　−Ｐｉ）’ したがって残留応力σｒｅｓはこの歪にヤング率Ｅをか
け、降伏応力σＹを差し引いたものであるから σｒｅｓ　　””　σＳａＸ　　−σＹ＝Ｃ２・Ｅ　・
（Ｄｏ／　ｎ　−Ｐｉ）２−Ｃ３・ｅ’１ここにＤＯ：
製品直径 Ｐｌ：代表スタンド間ピッチ σＶ：降伏応力 Ｃ２：各スタンドの拘束度合い、変形配分、ダウンヒル
量等により決まる係数 Ｃ３：材料の加工硬化等の影響を表す補正係数 また座屈限界応力σｃｒの計算法としては一様圧縮の解
を用いることができる。ただし実際には応力分布、ロー
ルでの拘束等の影響があるのでこれを係数の形でとり込
めば ａｃｒ＝ｃ４’　Ｅ　・（ｔ／Ｄ）　・（Ｌｆ／Ｄ）−
’°３ここにｔ：板厚 Ｌｆ：フィンパスロールでの代表スタンド間距離 Ｃ４：各スタンドでの変形拘束、応力分布の影響を表す
補正係数 Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４については有限要素法等を用いたシュ
ミレーションにより決定し、実行結果に基づく学習機能
により補正する。

ステップＳ２においては、エツジバックリングを防止す
るために必要な応力の低減量を求める。これはエツジに
発生する圧縮残留応力と座屈限界応力の差であり、した
がって Δσ８σｒｅｓ−σｃｒ 次にステップＳ３においては、加熱（及び冷却）により
生じる温度分布ＴＩ（ｘ）とエツジの応力低減Δσの関
係により、必要応力低減Δσから目標温度分布ＴＩ（ｘ
）を設定する。すなわちＣＴ１（ｘ）・ｄｘ＝ＣＩ・Ｂ
・Δσ Ｃ１：熱膨張係数α、ヤング率ρ及び加熱効率（応力へ
の転換効率）、拘束状態等の関数でα＝１．８　　ｘｌ
Ｏｌ／’ｃ、　Ｅ　＝２１０００　　ｋｇ／１ｓｖａの
ときＣＩ＝２．０〜３．０程度の値 Ｂ：板幅 さらにステップＳ４においては、加熱地点から座屈が問
題となる点までの間での、空中、冷却水への熱伝達、及
び周方向、軸方向への熱伝導による温度変化を考慮し、
加熱点での温度分布をＴＯ（ｘ）、座屈が問題となる点
での温度分布をＴＩ（ｘ）とすると ΔＴ　（ｘ）　＝ＴＯ（ｘ）　−ＴＩ　（Ｘ）−Ｃ５・
α（ｘ）・（Ｔｏ　（ｘ）　−Ｔ−（ｘ）　）・Δｔ＋
Ｃ６・λ　（ｘ）　・（ＴＯ（ｘ）−Ｔ０）×Δｔ ここにα（Ｘ）　：空気中または冷却水への熱伝達の係
数で冷却水量等により決ま る Ｔ、、（ｘ）　　：空気中または冷却水の基準温度λ（
Ｘ）：材料内の熱伝導を表す係数で温度分布の形状、材
料の熱導率に より決まる ｊｏ＋材料内の代表温度 Δｔ：両地点間の移動に要する時間、 両地点間距離Δし、成形速度Ｖ の商　ΔＬ　／　ｖ Ｃ５、Ｃ６：補正係数 次にステップＳ５においては、ステップＳ４で求められ
る温度分布Ｔｏ（ｘ）を平均化した温度Δθから、加熱
ヒータに通電すべき電流値Ｉｔを次式により求める。

ｌ１＝（１／ｖ）・ｔ−Ｗ−■・ρ・Ｃ・Δθ／ηここ
にＶ：電圧 Ｗ：加熱幅 Ｖ：送り速度 ρ：被加熱材比重 Ｃ：被加熱材比熱 Δθ：加熱温度（平均値） η：コイル効率 上記したステップＳ１からステップＳ５までの演算処理
により加熱条件が決定されるが、実際には誘導加熱のコ
イル効率等により実際の温度分布は設定した温度分布と
は異なる。そこで次のステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８からス
テップＳ４に戻る処理により補正を行なう。

まずステップＳ６で、接触または非接触式の温度センサ
により座屈が問題となる個所（またはその前後）で温度
分布Ｔ’０（Ｘ）を計測する。次にステップＳ７で、こ
の計測値Ｔ’０　（ｘ　）を目標温度分布ＴＩ（Ｘ）と
比較し、ステップＳ８で加熱点での温度分布ＴＯ（ｘ）
の修正量δＴＯ（ｘ）を決める。そして、ステップＳ４
からステップＳ５の処理を行なってこの修正量δＴＯ（
ｘ）にもとづいて加熱条件を修正するのである。

さらに、ステップＳ７において実際の温度分布Ｔ’０（
Ｘ）が目標値ＴＩ（ｘ）と一致していても、歪発生量等
のちがいによりエツジバックリングが発生することがあ
る。そこでステップＳ９、ＳＩＯ、Ｓｌｌからステップ
Ｓ２に戻る処理により修正を行なう。

すなわちステップＳ９で、イメージセンサ、接触または
非接触変位針によりエツジバックリングの発生の有無、
エツジバックリングの形状（ピッチ、高さ）を求める。

そして、エツジバックリングを検出した場合は、ステッ
プ３１０からステップ５１１に移行し、その形状により
圧縮応力の超過分Δσ１を検出エツジウェーブの急峻度
ｆ／Ｌより Δσ１−０５・Ｅ・　（π・ｆ／２・Ｌ）ここにｆ：エ
ツジ波の高さ ■、：エッジ波のピッチ として求め、ステップＳ２に戻って必要応力低減量Δσ
を修正して再度、目標温度分布ＴＩ（ｘ）を求めていき
、加熱ヒータへの適正電流値を決定していくのである。

上記のように、温度分布と、イメージセンサ等の形状の
測定値をフィードバックして補正、修正のプログラムサ
イクルを実行し、各式の修正係数の適正比が行なわれた
あとに、ステップＳＩＯにおいてエツジバックリングの
検出がなされなくなった場合には、ステップ３１２に移
行する。ここでは、第２図の装置構成で示した成形管の
そりを検出するための変位針の測定信号により、そりの
有無を検出し、そりが発生していると判断される場合に
は、ステップＳ１４に移行して必要応力低減量Δσを低
下させめるように修正値Δσ２を設定し、ステップＳ２
へ戻って再度適正電流値を求めていくのである。

以上の説明のように、上記実施例においては、製造仕様
、使用設備等に基づいて得られる条件を入力することに
よって、略適正電流値に近い値に初期設定され、そして
、実際の製造運転を通じて、板材の実温度分布、エツジ
バックリング発生の有無がモニターされて、その結果が
フィードバンクされ、上記初期設定値を修正していくよ
うに成されている。したがって操作が簡単であると共に
、容易に適性電流値が得られ、また、上記のように二段
階のモニタ手段を有することによって、例えば加熱装置
の特性変化、さらには室温変化等による加熱温度変化等
に対しても、これに自動的に追随する安定した製造装置
として構成し得るので、前記局部加熱製造法の実用化に
多いに効果的である。さらに、上記実施例においては、
過剰な加熱によるそり変形を防止するため成形管のそり
を検出する変位計を配置しており、エツジバックリング
発生の防止と共に、直管としての成形仕上状態が保障さ
れるので、これに続く溶接工程での安定化が図られ生産
性が向上する。

なお上記実施例では、モニタ手段として、例えばバック
リング測定用としてイメージセンサを用いた例を挙げた
が、その他、変位針或いはＩＴＶ等でも構成できる。ま
たそり検出に３箇の変位針を配置したが、例えばＴＴＶ
による映像信号によりそり検出を行なうことも可能であ
る。さらに上記そり検出箇所を溶接工程終了後における
成形管の直管状態をモニタし得る位置に配置してもよい
。

また加熱装置として誘導加熱装置以外の、例えばバーナ
加熱で構成することも可能である。さらに、エツジバッ
クリングを防止するために、エツジ部以外の板材中央部
領域を加熱する局部加熱法を例示したが、これ以外にも
、例えばエツジ部を冷却する局部冷却法、あるいはエツ
ジ部側を加熱する製造方法等のその他の加熱を伴う管製
造法にも適用可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明の溶接管製造方法におい
ては、コイル板材を局部加熱又は局部冷却することによ
りロール成形後のエツジバックリングの発生を防止しよ
うとする際に、適正加熱・冷却条件を設定するために、
板材の実温度及び／又は会合状態を測定して、この測定
値により加熱・冷却条件を適正化していくので、種々の
製造仕様、或いは設備特性との組合せにおいて、個々の
実状に即した適正加熱・冷却条件を容易に求めることが
でき、エツジバックリング防止のための局部加熱・冷却
製造法の実用化に大いに有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の溶接管製造法における加熱条件制御
の機能ブロック図、第２図はこの発明を通用した溶接管
製造装置の全体構成を示す模式図、第３図は加熱条件設
定のフローチャート図、第４図乃至第６図は従来の溶接
管製造方法の説明図である。 １・・・コイル板材、５・・・溶接工程、１０・・・加
熱ヒータ、１１・・・温度計（第１モニタ手段）、１２
・・・イメージセンサ（第２モニタ手段）、１３・・・
制御装置、１４・・・加熱電源。 特許出願人　　　　　　　　川崎重工業株式会社、１ 」

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、コイル板材を繰り出してロール成形にて湾曲成形し
   、上記板材の両縁を漸次会合させて溶接する溶接管製造
   方法において、上記溶接工程より材料入り側の位置にお
   いて上記板材を加熱又は冷却する一方、この位置より後
   方で、上記板材の温度を測定する第１モニタ手段及び／
   又は上記板材の会合状態を測定する第２モニタ手段を配
   置し、上記第１モニタ手段及び／又は第２モニタ手段の
   測定値に応じて、上記加熱又は冷却条件の修正を行なう
   ことを特徴とする溶接管製造方法。