JP2012187590A - レーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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オープンパイプの外面側か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、ジャストフォーカスでのスポット径が直径0.4mm未満の2本のレーザビームを、エッジ部の右側と左側にそれぞれ照射し、右側に照射する右レーザビームと左側に照射する左レーザビームの鋼板の表面での中心点間隔を0.4mm以上とし、かつ鋼板の裏面において右レーザビームと左レーザビームが重複しないように配置してレーザ溶接を行う。
【選択図】図1
Description
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)をスクイズロールで加圧しながら電気抵抗溶接(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)が必然的に存在し、そのシームの低温靭性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が大気中の酸素と反応して酸化物を生成し、その酸化物がシームに残留し易いからである。
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、レーザ溶接という)が注目されている。レーザ溶接は、熱源の寸法を小さくし、かつ熱エネルギー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。
ところが、レーザ溶接では高密度エネルギー光線であるレーザビームを光学部品により集光し、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接金属がスパッタとして飛散する。飛散したスパッタは、レーザ溶接鋼管に付着して鋼管の品質を低下させるとともに、溶接装置、光学部品および造管機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を高密度で集中して溶接を行うので、スパッタが多量に発生し、アンダーカットやアンダーフィル(すなわちくぼみ)等の溶接欠陥が発生する。アンダーカットやアンダーフィルが発生すると、溶接部の強度が低下する。
特許文献2には、レーザ溶接とアーク溶接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。
図2は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、レーザビームを1本用いてオープンパイプ1のエッジ部2の接合点をレーザ溶接する例を模式的に示す斜視図である。図2中の矢印Aはオープンパイプの進行方向を示す。なお、レーザビーム3の照射によって発生する深い空洞(以下、キーホールという)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。
さらに、溶接部に加えられるアップセットによって溶融メタル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などの溶接欠陥が発生する。
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オープンパイプの外面側か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、ジャストフォーカスでのスポット径が直径0.4mm未満の2本のレーザビームを、エッジ部の右側と左側にそれぞれ照射し、右側に照射する右レーザビームと左側に照射する左レーザビームの鋼板の表面での中心点間隔を0.4mm以上とし、かつ鋼板の裏面において右レーザビームと左レーザビームが重複しないように配置してレーザ溶接を行うレーザ溶接鋼管の製造方法である。
2本のレーザビームのジャストフォーカスでのスポット径は、いずれも直径0.4mm未満とする必要がある。ここで、ジャストフォーカスでのスポット径は、レーザビームを光学的に集光させ、レーザビームの焦点平行部のビーム径を指す。つまりジャストフォーカスの位置では、レーザビームを光学的に集束させているので、レーザビームのエネルギー密度が最も高くなる。
オープンパイプの外面からフォーカスまでの深さをt(mm)とし、オープンパイプの鋼板厚をT(mm)として、オープンパイプの外面からフォーカスまでの深さtが1/2×T未満では、フォーカスの位置が浅すぎるので、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、オープンパイプの外面からフォーカスまでの深さtは1/2×T〜3×Tの範囲内に設定するのが好ましい。なお、レーザビームに後述する照射角度を付与する場合も、オープンパイプの外面からフォーカスまでの深さtは上記の範囲内が好ましい。
右レーザビームおよび左レーザビームの照射角度はそれぞれ5〜50°の前進角とすることが好ましい。各レーザビームに前進角5°以上を付与することによって、鋼板表面からのスパッタ発生量が低減する。しかし、前進角が50°を超えると、その効果は得られない。
また、2本のレーザビームのジャストフォーカスでのスポット径(溶接線に対して垂直方向)の合計を0.5mm以上とすることが好ましい。溶接線に対して垂直方向のスポット径の合計を0.5mm以上とすることで、エッジ部の接合点を溶融メタル内に比較的容易に配置することができる。レーザビームのスポット径の合計が1mmを超えるとキーホールを維持することが困難となるため、レーザビームのスポット径の合計は1mm以下とすることが好ましい。
レーザ溶接を行う際には、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。
本発明では、厚肉材(たとえば4mm以上)のオープンパイプであっても、エッジ部を予熱することなく、レーザ溶接を行なうことが可能である。ただし、エッジ部をレーザ溶接に先立って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。
補助熱源とレーザビームの発振器との間隔が広がると、補助熱源による予熱の効果を得るためには大きな熱量が必要となるばかりでなく、溶接欠陥(たとえばアンダーカットやアンダーフィル等)の抑制が困難になる。そのため、補助熱源とレーザ発振器を近接して配置する。
本発明で使用するレーザビームの発振機は、様々な形態の発振器が使用でき、気体(たとえばCO2,ヘリウム−ネオン,アルゴン,窒素,ヨウ素等)を媒質として用いる気体レーザ,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,レーザ媒質としてバルクの代わりにファイバーを利用するファイバーレーザ等が好適である。あるいは,半導体レーザを使用しても良い。
表2に示す発明例(溶接鋼管No.1〜4,6)は、レーザ溶接鋼管の製造条件を本発明の条件範囲に調整し、レーザ溶接鋼管を製造した例である。比較例の溶接鋼管No.5は2本のレーザビームが鋼板の裏面で重複しかつ鋼板表面でのレーザエネルギー密度が本発明の範囲を外れる例、溶接鋼管No.7は2本のレーザビームが鋼板の裏面で重複しかつジャストフォーカスでの中心点間隔が本発明の範囲を外れる例、溶接鋼管No.8はレーザビームを1本使用しかつそ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である。
2 エッジ部
3 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)
- 鋼板を成形ロールで円筒状のオープンパイプに成形し、前記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前記オープンパイプの外面側か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、ジャストフォーカスでのスポット径が直径0.4mm未満の2本のレーザビームを、前記エッジ部の右側と左側にそれぞれ照射し、前記右側に照射する右レーザビームと前記左側に照射する左レーザビームの鋼板の表面での中心点間隔を0.4mm以上とし、かつ前記鋼板の裏面において前記右レーザビームと前記左レーザビームが重複しないように配置してレーザ溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記右レーザビームと左レーザビームの照射角度をそれぞれ5〜50°の前進角とし、かつ前記ジャストフォーカスでのスポット径の溶接線に対して垂直方向の合計を0.5mm以上とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記右レーザビームと前記左レーザビームの前記鋼板の表面におけるエネルギー密度をそれぞれ130kW/mm2以下とすることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記スクイズロールを用いてエッジ部に0.2〜1.0mmのアップセットを加えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記右レーザビームと前記左レーザビームのレーザ出力を合計で16kW超とし、かつ溶接速度を7m/分超とすることを特徴とする請求項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。
- 前記レーザ溶接に先立って前記鋼板の予熱を行い、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ことを特徴とする請求項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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