JP2006175514A - 溶接部欠陥の少ない電縫鋼管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶接部欠陥の少ない電縫鋼管および製造方法を提供する。
【解決手段】主に鉄と鉄鋼材料に用いられる通常の合金元素および不可避的不純物からなる鋼帯を溶接点から溶接点前１５ｍｍまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面における酸化被膜がＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下となる溶接条件で電縫溶接し、前記酸化被膜の厚みは蛍光Ｘ線分析測定方法により求め、溶接の際の雰囲気中の酸素濃度を６０ｐｐｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電縫鋼管およびその製造方法に関し、特に溶接部欠陥の少ないものに関する。

鋼管の用途は、パイプライン用、機械構造部材用、熱交換器用、自動車部品用、各種プラント用等多岐にわたっており、その用途またはサイズに応じて、各種の方法により製造された継目無鋼管や溶接鋼管が使用されている。

その中で、鋼帯を連続的に管状に成形して管状体（オープンパイプ）となし、その相対する両エッジ部を高周波加熱または抵抗加熱によって加熱し、溶接する ことにより製管される電縫鋼管はその寸法精度が高く、他の製造方法に比較して高能率に製造することができ、且つ、比較的安価であるために従来から多量に製 造使用されている。

しかしながら、電縫鋼管を高度の材料特性や高い信頼性が要求される分野において使用する場合、溶接部に酸化物系介在物が多く割れ発生の原因となるため溶接部の健全性確保が問題となる。

他の溶接鋼管と比較して電縫鋼管の溶接部において酸化物系介在物が多い理由は電縫溶接法がアーク溶接などの溶融溶接と圧接との中間的な溶接法であり、そ の接合部に明瞭な溶融プールが形成されず、溶接時に酸化によって形成された相当量の酸化物が鋼の内部から排除されにくいためとされている。

酸素含有量の多い溶接部は機械的特性が劣化し、割れの原因となる。そのため、種々の方法、例えば、溶接部を非酸化性ガスでシールドして電縫溶接を行い溶 接時に鋼帯を管状体にアップセットして、介在物などを可能な限り外部に排出したりして溶接部の酸素含有量を低減することが提案されている。

特許文献１には非酸化性ガスで接合端部をシールドして電縫溶接を行い、アップセット量を溶接管肉厚に対して規定し、溶接部の酸素量や介在物を減少させる方法が開示されている。

非酸化性雰囲気として窒素、アルゴンを使用し、シールボックスを設けて溶接部を非酸化性に保って酸化物の生成を抑制し、更に接合不良と非金属介在物が溶接部の表面に現れるのを防止するようにアップセットを行い、溶接部の介在物割れを防止することを特徴とする。

特許文献２は溶接部の酸素量を２００ｐｐｍ以下とするものであるが、管状体の付き合わされたエッジ部を特定の温度範囲内に予熱後、レーザビームにより照射して溶融後溶接してアップセットし、鋼の酸素量の大部分を占める酸化物を鋼管の外部に排出することを特徴とする。

特許文献３は窒素、アルゴンなどの非酸化性ガスで溶接部をシールドすると共に、高周波加熱中の溶接部位にレーザビームまたはプラズマアークを照射し、圧接される部位をより高温とし、液状酸化物を排出しやすくし、溶接欠陥を効果的に防止することを特徴とする。
特開昭６３−２４１１１６号公報 特開平９−１９４９９８号公報 特開平５−２３８６７号公報

しかしながら、溶接部を非酸化性ガスでシールドする方法はシールド状況と酸化物の生成防止効果の関係が明確でなく、また、溶接部をレーザビーム等で加熱してアップセットによる酸化物の排出を容易としても、介在物などが完全に排除されるわけではなく、相当量の介在物が残留して鋼中の酸素量を増大させるため、溶接部の強度や靭性などの機械的性質が母材部と遜色のない電縫溶接鋼管は従来は製造し得ないものとされ、その用途が制限される大きな原因となってい た。

そこで本発明は健全な溶接部の得られるシールド状態を示す定量的な指針を明らかとし、溶接部や強度や靭性などの機械的性質が母材部に比較して劣っておらず、用途の制限が少ない電縫鋼管及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は電縫溶接部の機械的性質が母材部に比較して劣る原因について１溶接部の酸素量、介在物量、２溶接部の熱履歴、３溶接部近傍のメタルフローの 観点から鋭意検討を行い、これらのうち特に１溶接部の酸素量、介在物量の影響が大きいことを見出し、研究を重ねた。本発明は得られた知見を元に更に検討を 加えてなされたものであり、すなわち本発明は、
１．溶接点から溶接点前１５ｍｍまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面における酸化被膜がＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下となる溶接条件で製造したことを特徴とする溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造方法。
２．前記酸化被膜の厚みを蛍光Ｘ線分析測定方法により求めることを特徴とする１記載の溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造方法。
３．前記溶接条件の調整方法として、溶接の際の雰囲気中の酸素濃度を６０ｐｐｍ以下とすることを特徴とする１または２に記載の溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造方法。

本発明によれば溶接部における酸素量が大幅に減少し、酸化物系介在物からなる欠陥が少なく、母材部と比較して遜色のない機械的性質を有する溶接部を備えた電縫鋼管が得られ産業上極めて有用である。

本発明は電縫溶接する際、溶接点から溶接点前１５mmまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面での酸化膜厚を蛍光Ｘ線分析測定（FX測定）において、ＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下となる溶接条件で溶接を行うことを特徴とする。

図１は本発明を実施する製管設備の一例を示す概略説明図で、図において１は電縫溶接され、電縫鋼管となる管状体、２はシールド装置、３はワークコイル、４はスクイズロール、５は管状体１のエッジ部、ａは管状体１のエッジ部５が最初に突きあって形成される溶接点を示す。

図示した製管設備では、鋼帯を多段ロール（図では省略）によって管状体１に成形し、シールド装置２内において、前記管状体１のエッジ部５を突合せた部分をワークコイル３により加熱溶融後、スクイズロール４によりアップセットし電縫鋼管を製造する。

本発明では、シールド装置２内において管状体１をワークコイル３により加熱溶融する際の溶接点ａから前記溶接点ａが形成される手前側の１５mmまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面における酸化膜厚をＦＸ測定によるＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下に規定する。

酸化膜厚の測定は、管状体１のエッジ部５を突き合わせて加熱溶融する際、中止めした管状体１の溶接点ａから、溶接点ａの手前側にエッジ部５を１５mmの長さで切出し酸化膜厚測定用の試験片とし、試験片全長についてエッジ部５のエッジ面を蛍光Ｘ線分析測定装置（ＦＸ装置）によって酸化被膜を測定して行う。

図２にＦＸ装置の概略図を示す。Ｘ線源１１から試料１２に照射されたＸ線は、試料１２から蛍光Ｘ線を発生させる。分光結晶１３は蛍光Ｘ線を分光し、検出器１４により試料１２を同定する。

測定条件は管電圧３０ｋＶ，管電流１００ｍＡ、ビーム径１ｍｍΦ、積算時間１０ｓｅｃで酸素のＫα線を２０回繰り返し測定した強度を、ＳｉＯ_２（９６ｎｍ）／Ｓｉを標準試料として、ＳｉＯ_２膜厚に換算して測定することが好ましいが本発明では特に規定しない。

酸化被膜の厚みを測定するエッジ部５の長さは、シールド条件によって酸化被膜の厚みが変化する溶接点ａから、溶接点ａの手前側の１５ｍｍ以内とし、前記 範囲内における酸化被膜の厚みは、良好な溶接部が得られる製造条件の場合に観察される最大厚みである４０ｎｍ以下とする。

図３、４は、エッジ部５のエッジ面における酸化被膜の厚みと溶接点ａからの距離の関係を示す図で、図３は溶接後、溶接部に酸化物系介在物が多量に観察さ れた溶接条件と同条件で製造中の管状体を中止めして採取した試験片について行った結果を示し、図４は良好な溶接部が得られた溶接条件と同一条件を用いて製造中の管状体から採取した試験片について行った結果を示す。

図３より、溶接部に酸化物系介在物が多量に観察される溶接条件の場合、溶接点から１５ｍｍ以内において酸化膜厚が急激に増大し溶接点前１０ｍｍにおいて酸化膜厚（ＳｉＯ_２換算）の最も厚い部分が測定される。

また、図４より良好な溶接部が得られる溶接条件の場合は、溶接点前１０ｍｍでも酸化膜厚（ＳｉＯ_２換算）は４０ｎｍ以下となる。

図３の溶接部が得られる溶接条件において雰囲気中酸素濃度は７８ｐｐｍ以上、図４の溶接部が得られる溶接条件において雰囲気中酸素濃度は６０ｐｐｍ以下であり、溶接部の酸化物系介在物個数は図３に示す溶接部では１０個以上、図４に示す溶接部では１０個未満であった。尚、酸化物系介在物個数は中止めされる直前の溶接部について測定し、観察面積４ｍｍ^２における粒径３μｍ以上のものの個数とした。

本発明に係る電縫鋼管の溶接条件は、予め求めておいた、製造中の管状体を中止めして溶接点から溶接点手前１５ｍｍまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面での酸化膜厚をＦＸ測定において、ＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下となる条件とし、上述した結果から雰囲気中酸素濃度は６０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

本発明において電縫鋼管の材質は鋼であれば良く特に化学組成は規定しない。主に鉄と鉄鋼材料に用いられる通常の合金元素および不可避的不純物からなる鋼からなる電縫鋼管に本発明を適用することが可能である。

本発明の効果を実施例を用いて詳細に説明する。種々の組成の鋼帯を供試材とし、上述した図１に示す製造装置により電縫鋼管を製造した。電縫鋼管は製造中 に中止めし、溶接点から溶接点前１５ｍｍの部分を切出し、エッジ面の酸化被膜の厚みを測定した。酸化物の個数は中止めされる直前の溶接部について測定した。いずれの 測定も上述した条件で行った。

製造条件は溶接点から溶接点前１５ｍｍまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面における酸化被膜の厚みがＳｉＯ_２換算で求めて種々の膜厚となるように選定した。表１に供試材の成分組成を、表２に製造条件と酸化被膜、酸化物系介在物の発生状況を示す。

供試材Ｎｏ．１〜８はいずれもＳｉ−Ｍｎ鋼で、表２のＮｏ．１〜４は溶接点から溶接点前１５ｍｍのエッジ面における酸化膜厚がＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下の本発明例であり、溶接部酸化物系介在物個数はいずれも１０個以下と健全な溶接部が得られていた。

一方、表２のＮｏ．５〜８は酸化膜厚がＳｉＯ_２換算で１２０ｎｍ以上の比較例であり、溶接部酸化物系介在物個数はいずれも１０個以上であった。

尚、本発明例における酸素濃度は６０ｐｐｍ以下、比較例における酸素濃度は７８ｐｐｍ以上であった。

電縫鋼管の製造装置の一例を示す図。 ＦＸ装置による測定方法を説明する図。 エッジ部における酸化被膜の厚み（酸素濃度７８ｐｐｍ以上）と溶接点からの距離の関係を示す図。 エッジ部における酸化被膜の厚み（酸素濃度６０ｐｐｍ以下）と溶接点からの距離の関係を示す図。

符号の説明

１ 管状体
２ シールド装置
３ ワークコイル
４ スクイズロール
５ エッジ部
ａ 溶接点
１１ Ｘ線源
１２ 試料
１３ 分光結晶
１４ 検出器

Claims (3)

1. 溶接点から溶接点前１５ｍｍまでの範囲の溶接面となる鋼板のエッジ面における酸化被膜がＳｉＯ_２換算で４０ｎｍ以下となる溶接条件で製造したことを特徴とする溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造方法。
2. 前記酸化被膜の厚みを蛍光Ｘ線分析測定方法により求めることを特徴とする請求項１記載の溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造方法。
3. 前記溶接条件の調整方法として、溶接の際の雰囲気中の酸素濃度を６０ｐｐｍ以下と
   することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部欠陥の少ない電縫鋼管の製造
   方法。

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