WO2012132023A1 - レーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらレーザビームを照射してエッジ部をレーザ溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なるファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径０．３ｍｍを超える２本のレーザビームをエッジ部に沿ってオープンパイプの上面側から照射し、オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームをオープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を１ｍｍ以上としてレーザ溶接を行なう。

Description

レーザ溶接鋼管の製造方法

　本発明は、レーザビーム（ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ）を用いてオープンパイプ（ｏｐｅｎ　ｐｉｐｅ）の長手方向のエッジ部（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｅｄｇｅｓ）を溶接する鋼管（以下、レーザ溶接鋼管（ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）という）の製造方法に関し、特に油井管（ｏｉｌ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｇｏｏｄｓ）あるいはラインパイプ（ｌｉｎｅ　ｐｉｐｅ）等の石油，天然ガスの採掘や輸送に好適なレーザ溶接鋼管の製造方法に関するものである。

　油井管あるいはラインパイプとして用いられる鋼管は、溶接鋼管（ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）（たとえば電縫鋼管（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ），ＵＯＥ鋼管等）とシームレス鋼管に大別される。これらの鋼管のうち、電縫鋼管は、熱間圧延した帯状の鋼板（ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｉｐ）（いわゆるホットコイル（ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｉｌ））を素材として使用し、安価に製造できるので経済的に有利である。
　しかし一般に電縫鋼管は、成形ロールを用いて鋼板を円筒状に成形してオープンパイプ（ここでオープンパイプとは、多段の成形ロールにより成形された端部が接合されていないパイプ状の鋼帯を言う。以下、オープンパイプと称す。）とし、そのオープンパイプのエッジ部（すなわち円筒状に成形した鋼帯の両側端部）をスクイズロール（ｓｑｕｅｅｚｅ　ｒｏｌｌ）で加圧しながら電気抵抗溶接（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ、高周波抵抗溶接とも呼ぶ）して製造するので、溶接による継ぎ目（いわゆるシーム（ｓｅａｍ））が必然的に存在し、そのシームの低温靭性（ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）が劣化するという問題がある。そのため電縫鋼管の油井管やラインパイプは、寒冷地（ｃｏｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｃｔ）での使用には課題がある。シームの低温靭性が劣化する理由は、エッジ部を溶接する際に高温の溶融メタル（ｍｏｌｔｅｎ　ｍｅｔａｌ）が大気中の酸素と反応して酸化物（ｏｘｉｄｅ）を生成し、その酸化物がシームに残留し易いからである。

　また電縫鋼管は、エッジ部を溶接する際に溶融メタル中で合金元素（ａｌｌｏｙ　ｅｌｅｍｅｎｔ）が偏析し易いので、シームの耐食性が劣化し易いという問題がある。そのため電縫鋼管の油井管やラインパイプは、厳しい腐食環境（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）（たとえばサワー環境（ｓｏｕｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ））での使用には課題がある。
　一方でシームの低温靭性や耐食性を劣化させない溶接法として、レーザビームによる溶接（以下、レーザ溶接（ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ）という）が注目されている。レーザ溶接は、熱源（ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ）の寸法を小さくし、かつ熱エネルギー（ｈｅａｔ　ｅｎｅｒｇｙ）を高密度で集中できるので、溶融メタルにおける酸化物の生成や合金元素の偏析を防止できる。そのため、溶接鋼管の製造にレーザ溶接を適用すると、シームの低温靭性や耐食性の劣化を防止することが可能である。

　そこで溶接鋼管の製造過程にて、オープンパイプのエッジ部にレーザビームを照射して溶接することによって鋼管（すなわちレーザ溶接鋼管）を製造する技術が実用化されている。
　ところがレーザ溶接では、高密度エネルギー光線（ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｌｉｇｈｔ　ｂｅａｍ）であるレーザビームを光学部品（ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）によって集光して溶接部に照射することによって溶接を行うので、溶接の際に急激な金属の溶融を伴う。そのため、形成された溶融池から溶融メタルがスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）として飛散する。飛散したスパッタは、溶接装置（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）に付着してシームの品質を低下させるとともに、光学部品にも付着して溶接の施工が不安定になる。また、レーザ溶接では熱エネルギー（ｈｅａｔ　ｅｎｅｒｇｙ）を高密度で集中して溶接を行なうので、スパッタが多量に発生し、アンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔ）やアンダーフィル（ｕｎｄｅｒｆｉｌｌ）（すなわち窪み（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ））等の溶接欠陥（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｄｅｆｅｃｔ）が発生する。アンダーフィルが発生すると、溶接部の強度が低下する。

　そこで、レーザ溶接にてスパッタの付着を防止する技術やスパッタの発生を防止する技術が種々検討されている。たとえば、レーザ出力（ｌａｓｅｒ　ｐｏｗｅｒ）を低減することによってスパッタの発生を防止する技術、あるいは焦点位置（ｆｏｃｕｓ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を大きくずらす（いわゆるデフォーカス（ｄｅｆｏｃｕｓ））ことによってスパッタの発生を防止する技術が実用化されている。しかし、レーザ出力の低減やデフォーカスは、溶接速度（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ）の減少（すなわち溶接効率（ｗｅｌｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の低下）を招くばかりでなく、溶込み不良（ｌａｃｋ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）が発生し易くなるという問題がある。

　特許文献１には、レーザビームを分光して複数個のレーザビームスポット（ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｓｐｏｔｓ）を生成させてスパッタの発生を防止する技術が開示されている。しかし、複数個のビームスポットに分散させてレーザ溶接を行う技術は、レーザ出力を低減してレーザ溶接を行う技術と同等であり、溶接効率の低下を招くばかりでなく、溶込み不良が発生し易くなるという問題がある。しかも、レーザビームを分光するプリズム（ｐｒｉｓｍ）が高価であるから、溶接の施工コストが上昇するのは避けられない。

　特許文献２では、レーザ溶接を行なう際にフィラーワイヤ（ｆｉｌｌｅｒ　ｗｉｒｅ）を用いて溶着金属（ｄｅｐｏｓｉｔ　ｍｅｔａｌ）の不足（アンダーフィル）を防止する技術が開示されている。しかし、この技術ではフィラーワイヤの成分によって溶接金属（ｗｅｌｄ　ｍｅｔａｌ）の組成が変化する。そのため、オープンパイプの成分に応じてフィラーワイヤを選択しなければならず、フィラーワイヤの在庫管理（ｓｔｏｃｋ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）やレーザ溶接の作業管理（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ）の負荷が増大する。

　特許文献３では、レーザ溶接とアーク溶接（ａｒｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ）を複合して用いることによって、溶接欠陥を防止する技術が開示されている。しかし、この技術では溶接装置の構造が複雑になりメンテナンス（ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）の負荷が増大するばかりでなく、溶接の作業管理の負荷が増大する。

　特許文献４では、２つの円形のビームスポットを用いる方法が開示されている。しかしながら、この技術では溶接部に応力が働く条件（電縫鋼管の溶接部に加えられるアップセットによって溶融池に応力が働くような状況等）でのレーザ溶接において溶接欠陥は抑制されず、特に鋼板の裏面のスパッタ発生量が増大する。

特許２９０２５５０号公報 特開２００４−３３０２９９号公報 特許４１２０４０８号公報 特開２００９−１７８７６８号公報

　本発明は、レーザ溶接鋼管を製造するにあたって、２本のレーザビームの被溶接材への入射角やジャストフォーカスでのスポット径を適正に保ち、かつ２本のレーザビームを適正に配列するとともに、レーザ溶接の条件を制御することによって、スパッタの発生を防止して、溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得るとともに、レーザ溶接鋼管を歩留り（ｙｉｅｌｄ　ｒａｔｉｏ）良く安定して製造する方法を提供することを目的とする。

　発明者らは、オープンパイプのエッジ部にレーザ溶接を施してレーザ溶接鋼管を製造するにあたって、溶接欠陥のない溶接部を形成するためのレーザ溶接技術について調査検討した。
　図２は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、１本のレーザビームを垂直に照射してオープンパイプ１のエッジ部２の接合点をレーザ溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。図２中の矢印Ａは、溶接進行方向を示す。なお、レーザビーム３の照射によって発生する深い空洞（ｃａｖｉｔｙ）（以下、キーホール（ｋｅｙｈｏｌｅ）という）４と、その周辺に形成される溶融メタル５は透視図として示す。
　レーザビーム３を照射すると、図２に示すように、高密度で集中する熱エネルギーによってエッジ部２が溶融するとともに、その溶融メタル５が蒸発して発生する蒸発圧と蒸発反力によって、溶融メタル５にキーホール４が発生する。キーホール４の内部には、レーザビーム３が侵入し、金属蒸気（ｍｅｔａｌ　ｖａｐｏｕｒ）がレーザビーム３のエネルギーによって電離されて生じた高温のプラズマ（ｐｌａｓｍａ）が充満していると考えられている。

　このキーホール４は、レーザビーム３の熱エネルギーが最も収斂する位置を示すものである。エッジ部の接合点をキーホール４内に配置することによってレーザ溶接鋼管を安定して製造できる。ただしレーザビームが１本の場合には、エッジ部２の接合点とキーホール４とを一致させるためには、高精度の開先加工技術が必要である。エッジ部２の加工状態および突合せ状態が不安定であると、溶融メタル５が不安定になる。その結果、スパッタが多発し、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生し易くなる。
　さらに、溶接部に加えられるアップセットによって溶融池に応力が働くような状況では、キーホールを維持するために、照射するレーザビームのエネルギーをより一層増大させる必要がある。その結果、スパッタが増加するとともに、開先が十分に溶融せず、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生する。
　そこで発明者らは、エッジ部２の接合点に２本のレーザビームを照射する技術に着目した。その結果、レーザビームの照射位置を適正に配列するとともに、それぞれのレーザビームの入射角やスポット径等を制御して２本のレーザビームをオープンパイプの鋼板内部で交差しないように照射することによって、スパッタの発生を抑制できることが分かった。そして、溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得るとともに、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できることが判明した。
　スパッタの発生が抑制されるメカニズム（ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の詳細は不明であるが、被溶接材への入射角をもって照射される２本のレーザビームにエネルギーを分散させ、かつ溶接方向に先行するレーザビームがスパッタを抑制しながら鋼板を予熱した後、後行するレーザビームが鋼板を溶融することによって、スパッタの飛散が抑制されると推定される。なお、レーザビームの入射角は、被溶接材の上面に垂直な方向とレーザビームを照射する方向とのなす角を指す。

　本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
　すなわち本発明は、鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらレーザビームを照射してエッジ部をレーザ溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径０．３ｍｍを超える２本のレーザビームをエッジ部に沿ってオープンパイプの上面側から照射し、オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームをオープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を１ｍｍ以上としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法である。

　本発明のレーザ溶接鋼管の製造方法においては、先行レーザビームと後行レーザビームの入射角が５~５０°であることが好ましい。また、先行レーザビームおよび後行レーザビームのうちの１種または２種を光学部品を用いて２分割し、エッジ部の両側に照射しても良い。また、レーザ溶接を行なう際に、溶接部に０．２~１．０ｍｍのアップセットを加えることが好ましい。また、先行レーザビームと後行レーザビームのレーザ出力が合計１６ｋＷを超え、かつ７ｍ／分を超える溶接速度でレーザ溶接を行なうことが好ましい。また、レーザ溶接に先立って鋼板の予熱を行ない、かつレーザ溶接の後で切削または研削を施して溶接ビードを加工することが好ましい。

　本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたって、スパッタの発生を防止して溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得ることができる。その結果、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、シームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。

本発明を適用して２本のレーザビームでオープンパイプのエッジ部の接合点を溶接する例を模式的に示す斜視図である。なお、キーホールとその周囲に形成される溶融メタルを示した透視図として示す。 １本のレーザビームでオープンパイプのエッジ部の接合点を溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。なお、キーホールとその周囲に形成される溶融メタルを示した透視図として示す。 図１の先行レーザビーム，後行レーザビームおよびオープンパイプの上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。 オープンパイプの上面における先行レーザビームの照射領域，後行レーザビームの照射領域およびエッジ部の配置の例を模式的に示す平面図である。

　図１は、本発明を適用して２本のレーザビームでオープンパイプのエッジ部を溶接する例を模式的に示す斜視図である。図１中の矢印Ａは溶接進行方向を示す。なお、レーザビーム３ａ，３ｂの照射によって発生するキーホール４と、その周囲に形成される溶融メタル５は透視図として示す。
　本発明では、２本のレーザビーム３ａ，３ｂを、オープンパイプ１のエッジ部２に沿ってオープンパイプ１の上面側から照射する。その際、単一の光ファイバーで伝送したレーザビームを光学部品（たとえばプリズム等）で２分割しながら照射すると、後述する入射角やスポット径を個別に設定することができない。そのため、２本のレーザビーム３ａ，３ｂをそれぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する必要がある。
　使用するレーザ発振器は１台でも良いし、あるいは２台でも良い。レーザ発振器が１台で、２本のレーザビームを伝送する場合は、発振されたレーザ光を発振器内で分割した後、それぞれ異なる光ファイバーにより伝送すれば良い。
　図１に示すように、レーザビーム３ａ，３ｂはエッジ部２に沿って前後に配置する。オープンパイプ１の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビームを先行レーザビーム３ａとし、後行するレーザビームを後行レーザビーム３ｂとする。

（１）先行レーザビームおよび後行レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径：
　先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂのジャストフォーカスでのスポット径が０．３ｍｍ以下では、溶接時の溶接ビードの幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。そのため、ジャストフォーカスでのスポット径は０．３ｍｍ超えとする。一方、スポット径が１ｍｍを超えると、エネルギー密度が小さいので、キーホールが安定し難くなる。そのため、先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂのジャストフォーカスでのスポット径は１ｍｍ以下が好ましい。
　先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂのスポット形状は円形が好ましいが、楕円形（ｏｖａｌ　ｆｉｇｕｒｅ）であっても良い。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径が０．３ｍｍを超える必要がある。また上記した円形の場合と同様の理由で、短径は１ｍｍ以下が好ましい。

（２）オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離：
　オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離をｔ（ｍｍ）とし、オープンパイプの鋼板厚をＴ（ｍｍ）として、オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離ｔが３×Ｔ（すなわち上面から上方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が高すぎるので、キーホールを安定して維持することが難しい。一方、−３×Ｔ（すなわち上面から下方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が深すぎるので、鋼板の裏面（すなわちオープンパイプの内面）側からスパッタが発生し易くなる。したがって、オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ~３×Ｔの範囲内に設定するのが好ましい。

（３）先行レーザビームの入射角と後行レーザビームの入射角：
　図３は、図１の先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂおよびオープンパイプ１上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。図３に示すように、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂは、いずれも矢印Ａで示す溶接進行方向に傾斜させてオープンパイプ１上面に照射する。その先行レーザビーム３ａとオープンパイプ１上面に垂直な線とのなす角θａを先行レーザビーム３ａの入射角とし、後行レーザビーム３ｂとオープンパイプ１表面に垂直な線とのなす角θｂを後行レーザビーム３ｂの入射角として、それぞれの入射角がθａ＞θｂを満足するように設定する。
　さらに、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂがオープンパイプ１の鋼板内部で交差しないように配置する。鋼板１の上面から先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの交差位置までの距離をＸ（ｍｍ）、鋼板１の板厚をＴ（ｍｍ）とすると、Ｘは０（すなわち鋼板１の上面）≦Ｘ≦２×Ｔ（すなわち鋼板１の上面から上方へ２Ｔ）の範囲内に設定するのが好ましい。その理由は、Ｘ＜０の場合は先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂが鋼板１の内部で交差するため、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの各キーホール４が合体して、巨大なキーホールが生じ、スパッタが多量に発生し易くなるからである。一方、Ｘ＞２×Ｔの場合は、溶融メタル５が分離してしまうので突合せ部の溶融が不安定となり、スパッタが多量に発生し易くなるからである。
　なお、先行レーザビーム３ａの入射角θａと後行レーザビーム３ｂの入射角θｂを、θａ＜θｂと設定すると、後行レーザビーム３ｂが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム３ｂのエネルギーが減衰して加熱効率（ｈｅａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低下する。そのため、先行レーザビーム３ａによるエッジ部２の予熱効果（ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ）は得られるが、後行レーザビーム３ｂによるエッジ部２の溶融が不安定になる。
　また、θａ＝θｂと設定すると、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの各キーホール４が合体しやすくなり、巨大なキーホールが生じて、スパッタが多量に発生する惧れがある。
　したがって、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの入射角をθａ＞θｂと設定する必要がある。つまり、先行レーザビーム３ａはエッジ部２を予熱するにあたってスパッタを抑制するために傾斜角θａを大きくする。後行レーザビーム３ｂはエッジ部２を溶融するにあたって加熱効率を高めるために傾斜角θｂを小さくする。
　このようにして先行レーザビーム３ａがエッジ部２を予熱する。しかも先行レーザビーム３ａは、溶接進行方向に傾斜して照射されるので、スパッタの発生を抑制できる。次いで、後行レーザビーム３ｂがエッジ部２を溶融する。このときエッジ部２は予熱されているので、スパッタは発生しない。その結果、スパッタを軽減し、ひいてはアンダーカットやアンダーフィルを防止できる。
　先行レーザビーム３ａの入射角θａが５°未満では、入射角θａが小さすぎるので、先行レーザビーム３ａを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θａが５０°を超えると、先行レーザビーム３ａが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、先行レーザビーム３ａのエネルギーが減衰して十分な予熱効果が得られなくなる。したがって、先行レーザビーム３ａの入射角θａは５~５０°の範囲内が好ましい。
　同様に後行レーザビーム３ｂの入射角θｂが５°未満では、入射角θｂが小さすぎるので、後行レーザビーム３ｂを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θｂが５０°を超えると、後行レーザビーム３ｂが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム３ｂのエネルギーが減衰して十分な溶込み深さが得られなくなる。したがって、後行レーザビーム３ｂの入射角θｂは５~５０°の範囲内が好ましい。

（４）オープンパイプの裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔：
　そしてオープンパイプ１の裏面側における先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの中心点の間隔Ｌを１ｍｍ以上とする。間隔Ｌが１ｍｍ以上であれば、裏面側で溶融池が溶接進行方向に伸びて、裏面側からのスパッタの発生量が減少し、アンダーカットやアンダーフィルのない溶接ビードが得られる。ただし間隔Ｌが１０ｍｍを超えると、裏面側の溶融池が分離するので、スパッタが発生し易くなる。そのため、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂの中心点の間隔Ｌは１~１０ｍｍの範囲内が好ましい。

（５）アップセット量：
　また、レーザ溶接を行なう際には、溶接部に０．２~１．０ｍｍのアップセットを加えることが好ましい。アップセット量が０．２ｍｍ未満では、レーザ溶接によって生じたブローホールを消滅させることができない。一方、１．０ｍｍを超えると、レーザ溶接が不安定になり、スパッタの発生量が増加する。

（６）オープンパイプのエッジ部の接合点：
　オープンパイプ１のエッジ部２の接合点は、エッジ部２の板厚方向の平均間隔Ｇが、スクイズロールにより狭まり、０．５ｍｍ以下になった箇所であればどこでも良い。
　また、レーザ発振器からそれぞれ異なる光ファイバーで伝送した先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂうち、先行レーザビーム３ａまたは後行レーザビーム３ｂを光学部品（たとえばプリズム等）で２分割しながらエッジ部２の両側に照射しても良い。図４（ｂ）は、後行レーザビーム３ｂを２分割（照射領域３−２，３−３）しながらエッジ部２の両側に照射した例、図４（ｃ）は、先行レーザビーム３ａを２分割（照射領域３−１，３−２）しながらエッジ部２の両側に照射した例である。あるいは図４（ｄ）に示すように、先行レーザビーム３ａを２分割（照射領域３−１，３−２）しかつ後行レーザビーム３ｂを２分割（照射領域３−３，３−４）しながら、エッジ部２の両側に照射しても良い。このようにして先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂを照射すれば、照射領域内をエッジ部２が通過する状態を容易に維持できる。

（７）レーザビームのレーザ出力および溶接速度：
　一般にレーザ溶接時に発生するスパッタは、レーザ出力が低いほど、溶接速度が遅いほど少なくなる。しかしながらスパッタの発生を抑えるために、レーザ出力と溶接速度を低下させることは、レーザ溶接鋼管の生産性を低下させることを意味する。そこで本発明では、先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂのレーザビームのレーザ出力が合計１６ｋＷを超え、かつ７ｍ／分を超える溶接速度でレーザ溶接を行なうことが好ましい。レーザ出力が合計１６ｋＷ以下では、溶接速度が７ｍ／分以下となってしまうので、レーザ溶接鋼管の生産性低下を招く。
（８）オープンパイプ上面におけるレーザビームの照射領域と溶接線との間隔
　先行レーザビーム３ａと後行レーザビーム３ｂは、図４（ａ）に示すように、オープンパイプ１上面における照射領域３−１，３−２の中心がエッジ部２に一致するように配置することが好ましい。ただし、そのような配置を維持して溶接を行なうことは難しく、溶接施工中にはオープンパイプ１上面における照射領域３−１，３−２の中心は必ずしもエッジ部２に一致しない。照射領域３−１，３−２の中心とエッジ部２との間隔が増大すると、先行レーザビーム３ａ，後行レーザビーム３ｂが突合せ開先から逸脱することになり、開先の溶け残り等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
　照射領域３−１，３−２の中心がエッジ部２に一致しなくても、照射領域３−１，３−２内をエッジ部２が通過する状態で溶接を行なうと、溶接欠陥は発生しない。したがって、照射領域３−１，３−２の中心とエッジ部２との間隔は、いずれも照射領域３−１，３−２の半径以内とすることが好ましい。
　本発明では、厚肉材（たとえば厚さ４ｍｍ以上）のオープンパイプであっても、エッジ部の高周波加熱（ｈｉｇｈ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ）等で予熱することなく、レーザ溶接を行なうことが可能である。ただし、エッジ部を高周波加熱等で予熱すれば、レーザ溶接鋼管の生産性が向上する等の効果が得られる。高周波加熱による予熱を行なえば溶接部に余盛が形成されるが、レーザ溶接の後でその余盛を切削もしくは研削によって除去すれば、溶接部の表面性状が一層良好に仕上がる。

（８）レーザビームの発振器
　本発明で使用するレーザビームの発振器（ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、様々な形態の発振器が使用でき、気体（たとえばＣＯ_２（ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｇａｓ），ヘリウム−ネオン（ｈｅｌｉｕｍ−ｎｅｏｎ），アルゴン（ａｒｇｏｎ），窒素（ｎｉｔｒｏｇｅｎ），ヨウ素（ｉｏｄｉｎｅ）等）を媒質として用いる気体レーザ（ｇａｓ　ｌａｓｅｒ），固体（たとえば希土類元素をドープしたＹＡＧ等）を媒質として用いる固体レーザ（ｓｏｌｉｄ　ｌａｓｅｒ），レーザ媒質（ｌａｓｅｒ　ｍｅｄｉｕｍ）としてバルク（ｂｕｌｋ）の代わりにファイバー（ｆｉｂｅｒ）を利用するファイバーレーザ（ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒ）、デイスクレーザ（ｄｉｓｋ　ｌａｓｅｒ）等が好適である。あるいは、半導体レーザ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ）を使用しても良い。

（９）補助熱源：
　オープンパイプ１の外面側から補助熱源（ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ）によって加熱しても良い。その補助熱源は、オープンパイプ１の外表面を加熱し溶融できるものであれば、その構成は特に限定しない。たとえば、バーナ溶解法（ｂｕｒｎｅｒ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ），プラズマ溶解法（ｐｌａｓｍａ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ），ＴＩＧ溶解法（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ），電子ビーム溶解法（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｅａｍ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ），レーザ溶解法（ｌｅｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ）等を利用した手段が好適である。
　なお、補助熱源はレーザビームの発振機と一体的に配置することが好ましい。その理由は、補助熱源とレーザを一体的に配置しないと、補助熱源の効果を得るためには大きな熱量が必要となり、また溶接欠陥（たとえばアンダーカットやアンダーフィル等）の抑制が非常に困難になるからである。さらに、補助熱源をレーザビームの発振機より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部の水分，油分を除去できるからである。

　さらに好ましい補助熱源として、アークの使用が好ましい。アークの発生源は、溶融メタルの溶落ち（ｂｕｒｎ−ｔｈｒｏｕｇｈ）を抑制する方向に電磁力（すなわち溶接電流の磁界から発生する電磁力）を付加できるものを使用する。たとえば、ＴＩＧ溶接法（ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｉｎｅｒｔ　ｇａｓ　ｗｅｌｄｉｎｇ），プラズマアーク溶接法（ｐｌａｓｍａ　ａｒｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ）等の従来から知られている技術が使用できる。なお、アークの発生源はレーザビームと一体的に配置することが好ましい。その理由は、上述したように、アークを発生させる溶接電流（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ）の周辺に生じる磁界（ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ）の影響を、レーザビームで生じた溶融メタルに効果的に与えるためである。さらに、アークの発生源をレーザビームより先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部の水分，油分を除去できるからである。

　さらに本発明と、ガスシールド溶接や溶加材添加等の従来から知られている技術とを組み合わせても効果は得られる。このような複合溶接の技術は、溶接鋼管の製造のみならず厚鋼板の溶接にも適用できる。
　以上に説明した通り、本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってスポット径を適正に保ち、かつ２本のレーザビームを適正に配列するとともに、レーザビームの入射角等のレーザ溶接の条件を制御することによって、スパッタの発生を防止して溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得ることができ、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、レーザ溶接の利点を活かしてシームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。

　帯状の鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、そのオープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながら、図１に示すように、２本のレーザビームを上面側から照射してレーザ溶接鋼管を製造した。鋼板の成分は表１に示す通りである。

　レーザ溶接では、最大出力１０ｋＷのファバーレーザ発振器を２台使用し、溶接条件は表２に示す通りである。オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離ｔ（ｍｍ）は、板厚Ｔに対して、いずれも１／２Ｔとした。表１中のレーザビームの入射角θａ，θｂは図３に示す角度である。入射角がマイナスとなるものは、レーザビームを溶接進行方向Ａの逆方向に傾斜させて照射したことを示す。

　表２中の溶接鋼管Ｎｏ．１~４，７~１０は図４（ａ）のようにレーザビームを配置した例、溶接鋼管Ｎｏ．５，１１は図４（ｂ）のようにレーザビームを配置した例、溶接鋼管Ｎｏ．６は図４（ｃ）のようにレーザビームを配置した例である。
　表２に示す発明例（溶接鋼管Ｎｏ．１~６）は、レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径およびオープンパイプの裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔が本発明の範囲を満足するとともに、先行レーザビーム，後行レーザビームを溶接進行方向に傾斜させて照射しかつ先行レーザビームの入射角θａを後行レーザビームの入射角θｂをより大きく設定した例である。
　表２中の比較例のうち、溶接鋼管Ｎｏ．７は後行レーザビームの入射角θｂを０°とした例（すなわち垂直に照射した例）、溶接鋼管Ｎｏ．８は裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔が本発明の範囲を外れる例、溶接鋼管Ｎｏ．９は後行レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径が本発明の範囲を外れる例、溶接鋼管Ｎｏ．１０は先行レーザビームを溶接進行方向Ａの逆方向に傾斜させて照射した例、溶接鋼管Ｎｏ．１１は先行レーザビームの入射角θａを後行レーザビーム３ｂの入射角θｂより小さくした例である。
　このようにしてレーザ溶接を行なった後、溶接鋼管の上面を目視で観察して、スパッタの付着状況を調査した。また、溶接鋼管の上面および裏面の溶接ビードを目視で観察して、アンダーカットやアンダーフィルの発生状況を調査した。その結果を表３に示す。

　表３から明らかなように、発明例ではスパッタの付着およびアンダーカットやアンダーフィルの発生は認められなかった。
　比較例７~９ではスパッタの付着は認められなかったが、アンダーカット，アンダーフィルあるいは開先の溶け残りが発生した。比較例１０，１１ではスパッタが多量に付着し、しかもアンダーフィルが発生した。

　レーザ溶接鋼管を製造するにあたって、レーザ溶接鋼管を歩留り良く、安定して製造できるので、産業上格段の効果を奏する。

　１　オープンパイプ
　２　エッジ部
　３　レーザビーム
　３ａ　先行レーザビーム
　３ｂ　後行レーザビーム
　４　キーホール（空洞）
　５　溶融メタル
　６　シーム

Claims (6)

1. 　鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、該オープンパイプのエッジ部をスクイズロールで加圧しながらレーザビームを照射して前記エッジ部をレーザ溶接するレーザ溶接鋼管の製造方法において、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径０．３ｍｍを超える２本のレーザビームを前記エッジ部に沿って前記オープンパイプの上面側から照射し、前記オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームを前記オープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて前記溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、前記先行レーザビームの入射角を前記後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつ前記オープンパイプの裏面における前記先行レーザビームの中心点と前記後行レーザビームの中心点との間隔を１ｍｍ以上としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法。
2. 　前記先行レーザビームと前記後行レーザビームの入射角が５~５０°である請求項１に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
3. 　前記先行レーザビームおよび前記後行レーザビームのうちの１種または２種を光学部品を用いて２分割し、前記エッジ部の両側に照射する請求項１または２に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
4. 　前記レーザ溶接を行なう際に、溶接部に０．２~１．０ｍｍのアップセットを加える請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
5. 　前記先行レーザビームと前記後行レーザビームのレーザ出力が合計１６ｋＷを超え、かつ７ｍ／分を超える溶接速度で前記レーザ溶接を行なう請求項１~４のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
6. 　前記レーザ溶接に先立って前記鋼板の予熱を行ない、かつ前記レーザ溶接の後で切削または研削を施して溶接ビードを加工する請求項１~５のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。

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