JP4723163B2

JP4723163B2 - 溶融めっき鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4723163B2
Application number: JP2002339167A
Authority: JP
Inventors: 武文仲子; 博朝田; 剛之吉田; 嘉男中村
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd; Nisshin Kokan Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Nippon Steel Nisshin Pipe Co Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP2004167592A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融めっき鋼板を素材として電縫溶接管を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管は、所定幅にスリットされた鋼帯を多段配置された成形スタンドで板幅方向に順次折り曲げてオープンパイプにロール成形し、板幅方向両端部を溶接することにより製造されている。
成形スタンド１は、上ロール１Ｕ及び下ロール１Ｄを対として多段配置されており、ペイオフリール２から払い出された鋼帯Ｓを幅方向に曲げ加工する（図１）。鋼帯Ｓの曲げ形状がある程度進行した段階では、左右ロール群３で鋼帯Ｓを左右方向から狭持して更に曲げ加工する。左右ロール群３は、同じ曲率の凹クラウンを付けた右ロール３Ｒ及び左ロール３Ｌを複数対備えている。鋼帯Ｓは、右ロール３Ｒ及び左ロール３Ｌのロール周面で規制され、オープンパイプＰ₀に順次成形される。
【０００３】
オープンパイプＰ₀は、次いでフィンパスロール群４に送り込まれる。フィンパスロール群４は、凹クラウンを付けたロール周面の胴長方向中央部にフィン（図示せず）を付けた上ロール４Ｕ及びオープンパイプＰ₀をバックアップする下ロール４Ｄを複数対備えている。オープンパイプＰ₀に成形された鋼帯Ｓの幅方向両端部の間に上ロール４Ｕのフィンを挿し込んで鋼帯Ｓを送ることにより、エッジ面が所定位置に維持され、オープンパイプＰ₀がセンタリングされる。
高周波誘導加熱コイル５による加熱で鋼帯Ｓの幅方向両端部が加熱され、スクイズロール６の圧縮力により所定の溶接部が形成される。溶接管Ｐ₁は、外面ビード及び必要に応じて内面ビードが適宜ビードカットされた後、サイジング（定形）工程、矯正工程を経て製品鋼管となる。
【０００４】
ロールフォーミングによる溶接管の成形では、溶接管の外径毎に成形ロールを用意し、板厚，材質等によるスプリングバックの異なる素材を同一外径の溶接管に成形している。したがって、材料毎に最適なロール設計を行うことは経済的でないため、板厚によっては一部のロールは交換するものの、基本的には材料が変わっても同一の成形ロールを使用することから、材料条件毎に異なる曲げ条件及びスプリングバックにより、溶接前の形状は材料によって異なっている。
また、溶接品質の確保に重要なスクイズロールは、作業性及び耐疵付き性のみを考慮し、直径１００ｍｍ程度以下の溶接管に対しては２方スクイズロール（図２の（ａ））が、上側フランジにより溶接部近傍に疵が発生しやすい直径１００ｍｍを超える中径溶接管に対しては、ロールの周速差が最小となるように溶接部の両側それぞれおおよそ３０〜４０度ずつを１つまたは２つのトップロールで押える３方または４方タイプのスクイズロール（図２の（ｂ））が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そして、溶融めっき鋼板を素材として電縫鋼管を製造する際にも上記のようなロールフォーミングが行われ、スクイズロールにより溶接が行われる。
スクイズロールではオープンパイプをロール内に充満させた上でさらに圧下をかけることにより、加熱された鋼帯の両端面を圧接・接合する。接合後、鋼管はスクイズロールを出てスクイズロールから遠ざかるにつれてスクイズロールによる拘束から開放される。その際、前述のようなロール成形工程を経た鋼管は、周方向の曲率を減じるようなスプリングバックを生じることとなる。このとき、鋼管の周方向各部分の残留応力及び強度条件が全く均一であれば、溶接され閉鎖断面となった鋼管にはスプリングバックによる断面形状の変形は起こり得ない。
【０００６】
しかしながら、実際の鋼管では特に両エッジ部が十分に曲げられておらず、他の部分に比べて大きなスプリングバックを生じる可能性がある。これに加えてさらに溶接直後の溶接部近傍には、高温の接合面から熱影響部を経て母材に亘る急峻な温度分布、言い換えると急峻な強度分布が生じている。この急峻な強度分布に前述のエッジのスプリングバックの影響が重畳して溶接部の両脇の曲りが減じて、その作用により高温・低強度の溶接部が管の外に折れ曲がるように変形して水滴形の断面に変形する。
このようなスプリングバックによる溶接部の変形により、管の外面において溶接部及びその近傍には周方向の引張り応力が加わることとなる。しかも、溶接熱影響部には、溶接熱によりめっき金属が溶融されている領域があり、前述の引張り応力が溶融しためっき金属の結晶粒界への浸入を促進して、溶接ビードの直近から板厚中央方向に向かった溶融金属脆化割れが発生し易くなる。
【０００７】
直径３ｉｎｃｈを超える中径溶接管を製造する際に、ロールの周速差が小さくなるように溶接部の両側それぞれ約３０〜３５度ずつを１つまたは２つのトップロールで押える３方または４方タイプのスクイズロールを使用すると、サイドロールによってパイプが拘束されている領域が極めて短くなって、スクイズロールによる拘束が不十分になるために大きなスプリングバックを生じ、溶融金属脆化に起因した割れが起きやすい。このため、この割れを回避するために、ライン速度を落として造管する必要があった。
スクイズロールによる拘束を十分に行わせるために２方スクイズロールを使用すると、周速差が大きくなりすぎるためにめっき層に疵が付きやすくなる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、溶融めっき鋼板を素材としてオープンパイプ状に成形後、板幅方向両端部を突合せて高周波溶接する際、めっき層に疵を付けず、しかも熱影響部に割れ発生の少ない電縫溶接管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶融めっき鋼管の製造方法は、その目的を達成するため、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板をオープンパイプ状に成形後、スクイズロールで板幅方向両端部を突合せて高周波溶接する際に、一対のサイドロールと１個のトップロールからなる３方スクイズロールまたは一対のサイドロールと２個のトップロールからなる４方スクイズロールであって、管の外周の溶接部の両側１５度ずつをトップロールの周面とするスクイズロールを使用することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明者等は、溶融めっき鋼板、特に亜鉛を主成分とした合金を溶融めっきした鋼板を素材として電縫鋼管を製造する際、溶接部近傍に発生する割れの発生要因について検討を続けてきた。
製品鋼管に見合った幅に裁断された鋼帯又は鋼板をオープンパイプ形状に成形し、幅方向両端部を溶接する際、酸化物等の異物を溶接部から押し出して溶接強度を確保するため加熱された幅方向両端部にアプセットが加えられる。そのため、溶接直後にスクイズロールから解放されると、スプリングバックに起因する引張り応力が溶接部に加わる。亜鉛系の合金めっき鋼板を溶接すると、溶接熱で溶融した亜鉛系合金は亜鉛（融点４２０℃）に比較して液相線温度が低く、比較的長時間にわたって溶融状態を維持する。めっき金属が溶融している間にスプリングバックに起因する引張り応力がある限界を超えると、溶融金属が結晶粒界に浸入し、溶融金属脆化を引き起こす。その結果、溶接ビードの直近から板厚中央方向に向かった結晶粒界割れとなって現れる。
【００１０】
溶接部の両側それぞれ約３０〜３５度ずつを１つまたは２つのトップロールで押え、残りの部分を１組のサイドロールで押える３方または４方タイプのスクイズロールを使用すると、スクイズロールによる拘束が不十分で、ロールフランジの被溶接材との接触領域が狭いため（図３の（ｂ）参照）、溶融金属脆化に起因した割れが起きやすい。そこで、結晶粒界割れを抑えるには、溶接後、スクイズロールによる拘束力を大きくロールフランジの接触領域を広い範囲にわたってとり、ロールから解放されるまでの時間、すなわちスプリングバックに起因する引張り応力がかかるまでの時間を長くして、めっき金属からなる溶融金属を固化させた後に引張り応力がかかるようにすると溶融金属が結晶粒界に浸入することはなく、溶接部近傍の割れの発生は防げると推測した。しかし、スクイズロールによる拘束力を大きくするためにロールフランジの接触領域が広い２方スクイズロールを使用すると（図３の（ａ）参照）、周速差が大きくなりすぎるために溶接部の両側に疵が付きやすくなる。
【００１１】
本発明は、スクイズロール形状を種々変えて検討を重ねることにより、溶融めっき鋼板を素材として、直径が３ｉｎｃｈ（φ７６．２ｍｍ）を超える中径溶接管を電縫溶接法で製造する際には、スクイズロールとして、一対のサイドロールと１個のトップロールからなる３方スクイズロール（図４の（ｂ））または一対のサイドロールと２個のトップロールからなる４方スクイズロール（図４の（ａ））であって、管の溶接部を含む外周の５〜１０％の範囲をトップロールの周面とするものを使用すると、パイプの疵の発生を防止しつつ、拘束力とロールフランジの被溶接めっき鋼との接触領域を広く確保することができ、溶接部近傍に割れが発生することのない電縫溶接管が得られることに到達したものである。
【００１２】
ところで、スクイズロールは一体で回転する場合、最も外周側が速い速度で回転し、内側は遅い速度で回転する。そしてその速度は半径に比例する。
一方、材料は速度の異なるロールの各部分と接触しながら、ロール回転の最も速い部分と遅い部分の間の或る速度で進んでいく。このとき、材料の速度と一致する速度で回転しているロールの部分をニュートラルポイントと呼ぶ。このニュートラルポイントよりも外側では、ロールは材料よりも早く進み、その方向も材料の進む方向とは異なる。また、ロールの最縁部ではロールのコーナー部が材料と特に強く接触するため、材料とロールの進む方向が異なることによりスリップが発生して疵となる。
【００１３】
溶接部近傍のロールと材料の接触領域は、２方スクイズロールの場合が最も前後に長く（図３の（ａ）参照）、トップロールとサイドロールを組み合わせたロールではエッジ部の拘束距離は極端に短くなる（図３の（ｂ）参照）。すなわち、前記説明での中心からニュートラルポイントまでの角度が大きいほど接触領域は大きくなるが、トップロールを使用する場合、ニュートラルポイントは水平に近い部分にできるため中心からニュートラルポイントまでの角度が極小になって、接触領域は非常に短くなる。
この接触領域が長いと疵が発生するため、スクイズロールを分割して疵の入りやすいエッジ部におけるロールの接触領域を短くすることが、従来行われている方法（図２の（ｂ）参照）である。しかしながら、接触領域は言い換えればロールによる素材の拘束領域でもあるから、拘束距離が短くなるとスクイズロールをでると直ぐにロールによる拘束の影響がなくなり、スプリングバックによる形状変化が発生することになる。
【００１４】
本発明は、疵防止と溶接不良防止のための拘束強化という、相反する要求を満足させるために、トップロールの分担する領域は疵が問題となる極エッジ近傍に限定し、サイドロールによってある程度の拘束長さを残すことにより、両方の機能を兼ね備えさせたトップロール角度（幅）の狭い分割ロールを開発したことに基づくものである。
従来のトップロール角度３０〜４０度を９〜１８度に変更したとき、サイドロールによる拘束長さをある程度残すことができ、上記相反する要求を満たすことができた。９〜１８度は外周の割合に換算したとき５〜１０％であるから、トップロールの幅を管外周の５〜１０％にするとき、所期の目的を達成できることになる。特に、以下の実施例で説明するように、トップロールの幅を管外周の溶接部の両側１５度ずつとすることで、所期の目的を確実に達成できる。
【００１５】
【実施例】
Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっき層が形成された各種板厚の４００Ｎ級溶融めっき鋼板を所定サイズに裁断した後、ブレークダウンロール群，サイドクラスター及びフィンパススタンド群によってオープンパイプ状に成形し、このオープンパイプの開口部に入るフィンを持つシームガイドロールによりその両エッジ位置を規制しながら高周波誘導加熱し、スクイズロールによりアプセットを加えて溶接を行い、引き続いて外面のビードを切削除去した後、切削部を溶射にて被覆し、さらに溶接部の冷却及び所定断面への定形・矯正・切断を行って、外寸法１００ｍｍ×１００ｍｍの構造用角鋼管を製造した。
【００１６】
以下、２．３ｍｍ材について説明する。比較例としては、従来より用いていた溶接部の両側おおよそ３５度ずつの範囲を２つのトップロールで保持し、残りの部分を１組のサイドロールで保持する４方ロール方向のスクイズロールを用いた場合を示す。熱／冷延鋼帯等、溶融金属脆化が懸念されない材料であれば、このスクイズロールを用いて１２０ｍ／ｍｉｎの速度で確実な溶接のために必要な１．５ｍｍ程度のアプセットを取って健全な溶接鋼管を製造することが可能である。ところが、溶融金属脆化の懸念がある上記めっき鋼帯を用いた場合、１．５ｍｍのアプセットを確保すると、造管速度を通常の１２０ｍ／ｍｉｎから８０／ｍｉｎまで低下させないと割れを回避することができなかった。また、１２０ｍ／ｍｉｎで運転した場合、アプセットが１．０ｍｍを超えると割れが発生した。
スクイズロールとしてより拘束力の強い２方ロールタイプのものに変更したところ、通常の１２０ｍ／ｍｉｎ，アプセット１．５ｍｍでも割れが発生することなく造管することが可能であった。しかしながら、溶接部の両側にロールとフランジとの擦れによる疵を生じた。
【００１７】
そこで、４方スクイズロールのトップロールを溶接部の両側１５度ずつを保持するように幅を狭め、その分サイドロールの領域を拡大したスクイズロールを使用したところ、１２０ｍ／ｍｉｎの速度で１．５ｍｍのアプセットで造管しても割れ及び疵を生じることはなかった。
なお、溶接ビードを挟んで２つのトップロールを用いる４方スクイズ方式（図４の（ａ））と２つのトップロールを一体型とした３方スクイズロール方式（図４の（ｂ））のいずれでも、トップロールの割れ防止に対する効果はほぼ同等であるが、３方ロールの方がロール位置調整は行い易い。
上記結果をまとめて表１に示す。
板厚１．６ｍｍ，３．２ｍｍ，４．５ｍｍ及び６．０ｍｍのめっき鋼帯について同様な造管試験を行った。その結果も併せて表１に示す。
【００１８】

【００１９】
表１に示す結果からもわかるように、めっき鋼帯を素材として造管する際、疵を生じさせず、しかも溶接不良を発生させないためには、従来の４ロール法では、熱／冷延鋼帯を素材とする場合と同じアプセット量で行おうとすると造管速度を遅くしなければならず生産性が低下する。また熱／冷延鋼帯を素材とする場合と同じライン速度で造管しようとすると、従来よりもアプセット量を少なくしなければならず強度低下につながる。さらに２ロール法では疵が生じやすい。
これに対して、所定の幅を持つトップロールを使用した３方あるいは４方のスクイズロールを使用した本発明法では、熱／冷延鋼帯を素材とする場合と同程度のアプセット量及び同程度のライン速度で、疵を生じさせることなく、しかも溶接不良を発生させることなく造管することができた。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、素材の溶融めっき鋼帯を高周波溶接法で造管する際に、スクイズロールとして、一対のサイドロールと１個のトップロールからなる３方スクイズロールまたは一対のサイドロールと２個のトップロールからなる４方スクイズロールであって、管の溶接部を含む外周の５〜１０％の範囲をトップロールの周面とするものを使用することにより、鋼帯エッジ部にサイドロールによってある程度の拘束長さを残すことができ、溶接不良を発生させることなく、しかもロール疵を付けずに造管することができたものである。
本発明により、生産性を低下させることなく良質のめっき鋼管を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】造管ラインの概略図
【図２】従来のスクイズロールの断面形状を説明する図、（ａ）は２方ロールで（ｂ）は４方ロール
【図３】スクイズロールと被溶接材料との接触領域（図中の網部）と拘束力の大きさを模式的に説明する図で、（ａ）は２方ロールを、（ｂ）は従来の４方ロールを用いた場合
【図４】本発明で使用するスクイズロールの断面形状を説明する図、（ａ）は４方ロールで（ｂ）は３方ロール

Claims

Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板をオープンパイプ状に成形後、スクイズロールで板幅方向両端部を突合せて高周波溶接する際に、一対のサイドロールと１個のトップロールからなる３方スクイズロールまたは一対のサイドロールと２個のトップロールからなる４方スクイズロールであって、管の外周の溶接部の両側１５度ずつをトップロールの周面とするスクイズロールを使用することを特徴とする溶融めっき鋼管の製造方法。