JP2661474B2 - レーザ溶接管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属帯を成形ロール群
によって円筒状のオープンパイプに成形し、特にレーザ
ビームにより溶接するレーザ溶接管の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】溶接管製造のための方法としては、TIG
溶接方法に代表される溶融溶接方法と、ERW 溶接方法に
代表される圧接方法とに大別される。前記溶融溶接方法
は、溶融欠陥が発生し難く、溶接部性能に優れている
が、溶接速度が遅いため生産性の低さが問題となってい
る。一方、前記圧接方法は、溶接速度が速いため生産性
が優れているが、ペネトレータ等の溶接欠陥が溶接部に
発生し易いという欠点があるため、高級管の製造に適用
した場合に溶接部の信頼性が問題となっている。

【０００３】そこで、近年、前記ERW 溶接方法と同等の
溶接速度でアーク溶接と同等の溶接部性能を有する溶接
管製造方法として、炭酸ガスレーザ等のレーザを溶接熱
源として使用するレーザ溶接方法が考えられており、ス
テンレス溶接管を対象とするものが一部実用化されてい
る。このようなレーザ溶接方法は、溶融溶接方法である
ため欠陥が発生し難く、また、その他の溶融溶接方法と
比較して熱源のエネルギ密度が高いため溶け込みが深く
高速溶接が可能であり、さらに、総入熱量を少なくでき
るため溶接部性能も良好である。

【０００４】しかし、前記レーザ溶接方法の溶接速度
は、従来のアーク溶接方法と比較して２倍〜３倍程度で
あり、レーザ発振器の価格を考慮すると、決して経済的
に優れたものとは言い難い。そこで、高周波による予熱
と、レーザビームによる加熱とを組み合わせた高周波予
熱レーザ製管溶接方法が提案されており（特開平2-7037
9 号公報) 、これによりレーザ単体の場合と比較して約
２倍の溶接速度を達成できている。

【０００５】ところで溶接管は一般的に、金属帯を成形
ロールに通して両端の端縁が互いに対向する円筒状のオ
ープンパイプに成形する成形工程と、対向端縁近傍を溶
接機よりの熱エネルギにて加熱溶融し、スクイズロール
により衝合溶接せしめる溶接工程と、溶接により生じる
溶接ビードを切削除去し、サイザロール等の仕上げロー
ルに通して外径を整える仕上げ工程とを含む一連の工程
をこの順に経て製造される。

【０００６】以上の如き製造工程では成形工程におい
て、金属帯の寸法及び材料強度の不均一又は成形ロール
の不整合等により、円筒状に成形されたオープンパイプ
が周方向に回旋する現象、所謂ローリングが生じ、溶接
部である対向端縁の位置が変動する。

【０００７】従来のERW 溶接方法及びTIG 溶接方法で
は、前記溶接部の加熱溶融される領域が比較的広いた
め、ローリングによる溶接部の位置の変動は溶接品質に
影響を及ぼさない。しかしレーザ溶接方法では、レーザ
ビームの熱エネルギ密度が高い一方ビームの直径が１mm
以下と小さいため、ローリングによる溶接部の位置の変
動が溶接品質に大きな影響を及ぼす。

【０００８】図６は従来の高周波予熱レーザ溶接により
溶接管を製造する工程を示す模式的斜視図であり、図
７，図８，図９はそれぞれ図６の８−８線，９−９線，
10−10線による拡大断面図を示している。巻回された金
属帯ＳはアンコイラＨからレベラー１へ送給され、レベ
ラー１により平坦矯正され、成形ロールへ送られる。成
形ロールは水平ロールであるブレークダウンロール２，
２…、竪ロールであるクラスタロール３，３…及び水平
ロールであるフィンパスロール４，４…及び最終フィン
パスロール５を備えており、各ロールは対になって金属
帯Ｓの搬送方向に順次直列に配置されている。金属帯Ｓ
はここでその両側エッジ部Ｅ，Ｅを対向させるべく円筒
状のオープンパイプOPに順次曲成される。その後、シー
ムガイドロール６にて溶接部の位置を維持しながら高周
波予熱機７にて両側エッジ部Ｅ，Ｅを予熱し、レーザ溶
接機８にて加熱溶融され、スクイズロール９にて衝合溶
接され溶接管Ｗとなる。

【０００９】このような工程において溶接部の位置は、
図７に示したようにシームガイドロール６に挟持されて
いる間は一定であるが、図８に示したようにシームガイ
ドロール６直後からローリングが発生し、図９に示した
ようにこのローリングによる溶接部の位置の変動がレー
ザビームの直径より大きい場合、レーザ照射位置Ｒはエ
ッジ部Ｅ，Ｅ上とはならず、このため溶接管Ｗに未溶着
欠陥が生じる。

【００１０】この問題を解決するために、溶接部の位置
の変動を検出し、その情報に基づいてレーザビームの照
射位置を補正するシームトレーサが開発されている。シ
ームトレーサを用いて溶接部の位置を検出する方式には
溶接部に直接接触する接触方式と、溶接部に接触しない
非接触方式との２方式がある。

【００１１】図10(a) は接触方式の実施状態を示す模式
的斜視図であり、図10(b) はその要部を示す正面断面図
である。シームトレーサ11は、円盤状の接触子110 及び
これを回転可能に保持しオープンパイプOPの周方向に揺
動自在な外フレーム111 を備える検出装置11a とレーザ
溶接機８のレーザビーム照射位置を制御する制御装置11
b とから構成されている。検出装置11a は接触子110 の
先端側面が溶接部のエッジ部Ｅ，Ｅに接触するように溶
接機８上流のオープンパイプOP上に配設されている。検
出装置11a は外フレーム111 のオープンパイプOPの周方
向の揺動位置を検出するセンサを備えており、ローリン
グによる溶接部の位置の変動はこのセンサにより接触子
110 を介して外フレーム111 の傾斜情報として検出され
る。そして制御装置11b はこの情報に基づいてレーザビ
ームの照射位置を制御する。

【００１２】図13(a) は前記非接触式の実施状態を示す
模式的斜視図であり、図13(b) はその要部を示す正面断
面図である。シームトレーサ12は、スリットビームを出
射する発光器120 及びその反射光を受光する検出器121
を備える検出装置12a とレーザ溶接機８のレーザビーム
照射位置を制御する制御装置12b とから構成されてい
る。検出装置12a の発光器120 及び検出器121 は移送方
向と垂直にレーザ溶接機８上流のオープンパイプ上に位
置を異ならせて配設されている。発光器120 より角度θ
で出射されたスリットビームは溶接部のエッジ部Ｅ，Ｅ
間ではオープンパイプOPの内表面で、またそれ以外では
外表面で反射されてそれぞれの反射光は異なった位置に
到達する。

【００１３】一方、検出器121 は外表面での反射光を受
光する位置に配設されているため、検出器121 で反射光
が受光されない領域が溶接部となる。そしてローリング
による溶接部の位置の変動は検出器121 において、この
反射光が受光されない領域の変動情報として検出され、
この情報に基づいて制御装置12b にてレーザビームの照
射位置を制御する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述した如きレ
ーザビームの照射位置を高制度に制御するシームトレー
サは非常に高価であり、またその検出方式には次のよう
な問題がある。まず前記接触方式では、ローリングによ
る溶接部の変動に対し正確に追従するには図11(a) のよ
うに接触子110 の先端の両側面とオープンパイプOPの溶
接部のエッジ部Ｅ，Ｅとが常に接触している必要があ
る。しかし溶接部のエッジ部Ｅ，Ｅ間の距離及びその端
面の角度は使用金属帯の材料強度及び寸法によって変化
し、特に厚肉材，薄肉材，高強度材では溶接部近傍が成
形ロール孔型の曲率に対して十分曲成されないため、前
記エッジ部Ｅ，Ｅ間の距離か広がり、またその端面の角
度も異なる。そのため図12(b) のように接触子110 と溶
接部のエッジ部Ｅ，Ｅの間に空隙が生じ、シームトレー
サ11がローリングによる溶接部の位置の変動に対し正確
に追従できなくなる。またこの空隙を解消するよう検出
装置11a をエッジ部Ｅ，Ｅ間の距離が狭くなるよう移送
方向へ移動すると、挿入不能（図12(a))又はエッジ部
Ｅ，Ｅのオープンパイプ内面側の角がつぶれる（図12
(b))という不都合が生じる。更に高周波予熱を行う場合
は、前記溶接部が所定の温度に予熱されているが、接触
子110 の接触により溶接部の温度が下がるためレーザ溶
接速度が遅くなり、またエッジ部Ｅ，Ｅの端面が変形し
溶接欠陥の原因となる虞がある。

【００１５】次に非接触方式では、現在市販の装置はレ
ーザ溶接に必要な精度の仕事をリアルタイムで処理でき
ず、更に高周波予熱を行う場合は、溶接部近傍が予熱に
より高温となっているため測定が妨げられ、ローリング
による溶接部の位置の変動を検出することが困難とな
る。本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、
目的とするところは使用金属の材料強度及び寸法によら
ず、また高周波予熱を行っても制度良くレーザ溶接を行
い得るレーザ溶接管の製造方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ溶接
管の製造方法は、金属帯をその長手方向に移送しつつ、
フィンパスロールを含む成形ロールにより、その幅方向
の両側エッジ部が相対向する円筒状のオープンパイプに
成形した後、両側エッジ部を溶融し、スクイズロールに
より衝合してレーザ溶接管を製造する方法において、前
記フィンパスロールの孔型は外向きに凸の複数の弧と複
数の角部とで囲まれる形状を有し、前記スクイズロール
の孔型は、前記フィンパスロールの孔型の各弧及び角部
と対応し、長さがそれぞれ略比例する弧と角部とで囲ま
れる形状を有する、ロールを用いることを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明に係るレーザ溶接管の製造方法にあって
は、フィンパスロールにて外向きに凸の複数の弧で囲ま
れる形状に形成されるオープンパイプをスクイズロール
が拘束し、そのためローリングが抑制されて溶接部の位
置が一定となる。

【００１８】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て具体的に説明する。図１は本発明によりレーザ溶接管
を製造する場合の実施状態を示す模式的斜視図であり、
図中Ｈはアンコイラ、１はレベラー、２はブレークダウ
ンロール、３はクラスタロール、４はフィンパスロー
ル、５は最終フィンパスロール、７は高周波予熱機、８
はレーザ溶接機、９はスクイズロールを示している。

【００１９】金属帯ＳはアンコイラＨから引き出され、
レベラー１に給送されて平坦矯正された後、クラスタロ
ール３，フィンパスロール４，最終フィンパスロール５
の順に構成されている成形ロールに送られる。金属帯Ｓ
は、前記成形ロールを通過する過程で幅方向の両側エッ
ジ部Ｅ，Ｅが合い対向するように湾曲せしめられたオー
プンパイプOPに成形された後、最終フィンパスロール５
で所定の外形に成形される。そしてこのオープンパイプ
は、その両側エッジ部Ｅ，Ｅが高周波予熱機７にて予熱
され、レーザ溶接機８にて加熱溶融された後、スクイズ
ロール９にて衝合溶接されて溶接管に形成され、図示し
ない仕上げロールにて所定の外径を有する円形に成形さ
れる。

【００２０】図２(a) は前記最終フィンパスロール５の
孔型を、また図２(b) はスクイズロール９の孔型を示す
模式的拡大断面図である。図２(a) は縦方向に対向する
上ロール51, 下ロール52を有する２ロール形フィンパス
ロールを示し、上ロールの中央にはフィンプレート50が
オープンパイプOPの両側エッジ部Ｅ, ＥにＶ溝を形成す
るように突設されている。上ロール51及び下ロール52に
より形成される孔型の断面は前記フィンプレート50を挟
む弧Ｌ₁ ，Ｌ₅ （それぞれ長さｌ₁ ，ｌ₅ 、ｌ₁ ＝
ｌ₅ ）及び下ロール52に弧Ｌ₁ ，Ｌ₅ と対面する弧Ｌ₃
（長さｌ₃ 、ｌ₃ ＝ｌ₁ ＋ｌ₅ ）が、また上ロール51及
び下ロール52に渡ってなる弧Ｌ₂ （長さｌ₂、ｌ₂ ＝ｌ
₃ ）及び弧Ｌ₂ に対面する弧Ｌ₄ （長さｌ₄ 、ｌ₄ ＝ｌ
₃ ＝ｌ₂ ＝２ｌ₁ ＝２ｌ₅ ）が、それぞれ弧の端部を接
してなる４角を有している。

【００２１】そして例えば弧Ｌ₄ は、弧Ｌ₄ の両端を結
ぶ直線の中点を通る垂線上に孔型の中心Ｏ₁ を間に弧Ｌ
₄ と対向してＳだけ離れた点に中心を有する円弧で形成
されている。また他の弧も前記と同様な円弧で形成され
ている。このように最終フィンパスロール５の孔型は、
フィンプレート50を挟持し、外向きに凸の円弧で囲まれ
た正４角略円形である。

【００２２】図２(b) は水平方向に対向する左ロール9
1, 右ロール92を有する２ロール形スクイズロール９で
ある。左ロール91と右ロール92とにより形成される孔型
の断面は左ロール91の上部の弧Ｌ₁₁（長さｌ₁₁）と右ロ
ール92上部の弧Ｌ₁₅（長さｌ₁₅、ｌ₁₅＝ｌ₁₁）と及びこ
れらの弧Ｌ₁₁，Ｌ₁₅に対面し左ロール91及び右ロール92
に渡ってなる弧Ｌ₁₃（長さｌ₁₃、ｌ₁₃＝ｌ₁₁＋ｌ₁₅）
が、また左ロール側部の弧Ｌ₁₂（長さｌ₁₂、ｌ₁₂＝
ｌ₁₃）及びこの弧Ｌ₁₂に対面する弧Ｌ₁₄（長さｌ₁₄、ｌ
₁₄＝ｌ₁₃＝ｌ₁₂＝２ｌ₁₁＝２ｌ₁₅）が、それぞれ弧の端
部を接してなる４角を有している。

【００２３】そして例えば弧Ｌ₁₄は、弧Ｌ₁₄の両端を結
ぶ直線の中点を通る垂線上に孔型の中心Ｏ₂ を間に弧Ｌ
₁₄と対向してＳだけ離れた点に中心を有する円弧で形成
されている。また他の弧も前記と同様な円弧で形成され
ている。このようにスクイズロール９の孔型は外向きに
凸の円弧で囲まれた正４角略円形であり、その各円弧は
前記フィンパスロール５の孔型の各円弧とＬ₁ とＬ₁₁，
Ｌ₂ とＬ₁₂，Ｌ₃ とＬ₁₃，Ｌ₄ とＬ₁₄，Ｌ₅ とＬ₁₅とで
対応し、その長さの比は略等しい（ｌ₁ ：ｌ₂：ｌ₃ ：
ｌ₄ ：ｌ₅ ≒ｌ₁₁：ｌ₁₂：ｌ₁₃：ｌ₁₄：ｌ₁₅）。

【００２４】なお、本実施例では最終フィンパスロール
５及びスクイズロール９の孔型の形状を前述のように正
４角略円形としているが、本発明に係る形状はこれに限
らず、最終フィンパスロール５によって成形されたオー
プンパイプがスクイズロール９により、周方向の揺動が
拘束される形状であればよく、例えば図３のように、３
角略円形(a),６角略円形(b) 等であってもよい。ただし
仕上げ工程にて円形に成形することを考慮すると、正３
角略円形のようにそれぞれの弧の長さの比は等しい方が
好ましい。また弧の数が多い場合は円に近似し、ローリ
ングを矯正する力が小さいため、弧の数はあまり多くな
い方が好ましい。更に本実施例では、最終フィンパスロ
ール５，スクイズロール９共に２ロール形としたが、そ
の全体で孔型が外向きに凸となる複数の弧で囲まれる形
状を構成すれば、ロール数を３ロール以上としてもよ
い。一方、本発明に係る孔型の形状は、前述した正４角
略円形と異なり角を有さなくともよい。

【００２５】以上の如き孔型を有した最終フィンパスロ
ール５にて外形を成形されたオープンパイプOPは、前述
したように両側エッジ部Ｅ, Ｅを予熱されレーザビーム
にて加熱溶融された後、前述の如き孔型を有するスクイ
ズロール９にてオープンパイプOPの周方向の揺動が拘束
されると共に、衝合される。

【００２６】図４はスクイズロール９によるオープンパ
イプOPの周方向の揺動の拘束を説明する模式図である。
最終フィンパスロール５の孔型と周方向の向きが略等し
いスクイズロール９の孔型及びオープンパイプOPの外形
は正４角略円形となっており、オープンパイプOPはそれ
ぞれの角がスクイズロール９の孔型と整合するようにス
クイズロール９に嵌入している。そのため例えばオープ
ンパイプOPに図中矢符と反対の方向へローリングを生じ
せしめるような力が作用すると、同時にスクイズロール
９の孔型に整合させるよう図中矢符の方向へ矯正する力
が生じ、オープンパイプOPの周方向の揺動が拘束され
る。

【００２７】このようにローリングによるオープンパイ
プOPの溶接部の位置の変動は、スクイズロール９により
抑制されるため、溶接部の位置は一定となる。

【００２８】なお、前述した実施例では、最終フィンパ
スロール５によりオープンパイプOPを４角略円形に成形
しているが、この成形は最終フィンパスロール５以前の
成形ロールにて行ってもよい。更に最終フィンパスロー
ルと同じ孔型のシームガイドロールを用いるとローリン
グ抑制効果が向上する。

【００２９】次に本発明に係る孔型の最終フィンパスロ
ール（図５(c))、スクイズロール (図５(d))と従来の円
形の孔型のフィンパスロール (図５(a))、スクイズロー
ル (図５(b))を用いてレーザ溶接を行い、各 100本づつ
溶接管を製造した場合のビード形状不良発生率と溶接欠
陥発生率とを比較した結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】基本製管条件は次のとおりである。 供試料 外径：50.8mm 肉厚：3.0mm 材質：0.1 ％炭素鋼 孔型 従来 フィンプレートの厚み Ｂ₁ ：3.66mm フィンパスロールの半径Ｒ₃ ：26.23mm スクイズロールの半径 Ｒ₄ ：25.65mm 本発明 フィンプレートの厚み Ｂ₂ ：3.66mm フィンパスロールの弧の長さ：Ｌ₁ ＝Ｌ₅ ＝20.15mm Ｌ₂ ＝Ｌ₃ ＝Ｌ₄ ＝40.30mm スクイズロールの弧の長さ ：Ｌ₁₁＝Ｌ₁₅＝20.15mm Ｌ₁₂＝Ｌ₁₃＝Ｌ₁₄＝40.30mm 設定値 レーザ溶接機 焦点距離 150mm 集光前ビーム径 30mm 造管速度 １m/分

【００３２】また前記と同様な製管条件において高周波
予熱を実施した場合、本発明方法では造管速度は３m/分
で未溶着溶接不良発生率及び溶接ビード形状不良発生率
共０％であった。

【００３３】以上の結果から明らかな如く、本発明では
高い位置決め精度が要求されるレーザ溶接管を製造する
に際し、ローリングによる溶接部の位置の変動が抑制さ
れるため、未溶着溶接不良発生率及び溶接ビード形状不
良発生率を大幅に低下させ、良好な溶接品質を得ること
が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明に係るレーザ溶
接管の製造方法にあっては、オープンパイプの周方向の
揺動を拘束することによってローリングを抑制し溶接部
を所定の位置とするため、高周波予熱を行った場合でも
レーザビームを精度良く溶接部に照射することができ、
溶接管の溶接品質の向上、また設備コストの低減等優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による溶接管製造方法の実施状態を示す
模式的斜視図である。

【図２】本発明に係る最終フィンパスロール及びスクイ
ズロールを示す拡大断面図である。

【図３】フィンパスロールの孔型を示す模式図である。

【図４】オープンパイプの周方向の揺動の拘束を説明す
る模式図である。

【図５】従来のフィンパスロール，スクイズロール及び
本発明に係るフィンパスロール，スクイズロールの孔型
を示す模式的断面図である。

【図６】従来の溶接管製造方法の実施状態を示す模式的
斜視図である。

【図７】図６の８−８線による断面図である。

【図８】図６の９−９線による断面図である。

【図９】図６の10−10線による断面図である。

【図１０】接触方式シームトレーサの実施状態を示す模
式的斜視図及び要部を示す断面図である。

【図１１】接触方式シームトレーサの実施状態を示す模
式的断面図である。

【図１２】接触方式シームトレーサの実施状態を示す模
式的断面図である。

【図１３】非接触方式シームトレーサの実施状態を示す
模式的斜視図及び要部を示す断面図である。

【符号の説明】

４ フィンパスロール ５ 最終フィンパスロール ７ 高周波予熱機 ８ レーザ溶接機 ９ スクイズロール 11 接触方式シームトレーサ 12 非接触方式シームトレーサ OP オープンパイプ Ｅ エッジ部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属帯をその長手方向に移送しつつ、フ
   ィンパスロールを含む成形ロールにより、その幅方向の
   両側エッジ部が相対向する円筒状のオープンパイプに成
   形した後、両側エッジ部を溶融し、スクイズロールによ
   り衝合してレーザ溶接管を製造する方法において、 前記フィンパスロールの孔型は、外向きに凸の複数の弧
   と複数の角部とで囲まれる形状を有し、 前記スクイズロールの孔型は、前記フィンパスロールの
   孔型の各弧及び角部と対応し、長さがそれぞれ略比例す
   る弧と角部とで囲まれる形状を有する、 ロールを用いることを特徴とするレーザ溶接管の製造方
   法。