JP4998353B2 - 溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シームの外面側と内面側をサブマージアーク溶接にてそれぞれ１層ずつ溶接する溶接鋼管の製造方法に関するものであり、特に大径の溶接鋼管の製造方法に関するものである。
大径の溶接鋼管（たとえばＵＯＥ鋼管，スパイラル鋼管等）の継ぎ目（いわゆるシーム）を溶接する際には、サブマージアーク溶接が採用される。その溶接には、溶接施工の効率向上の観点から、２電極以上を備えた溶接機が使用され、シームの内面側を１パスで溶接しかつ外面側を１パスで溶接する技術（いわゆる両面１層盛り溶接）が広く採用されている。
両面１層盛り溶接では、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属が十分な溶込み深さを確保し、両側の溶接金属が互いに重なるように施工する必要がある。そのために溶接入熱を増大しなければならないので、溶接熱影響部（いわゆるＨＡＺ）の靭性が劣化するという問題がある。特に、内面側のＨＡＺと外面側のＨＡＺが重なり合う部位の靭性が著しく劣化する。
そこで溶接鋼管の両面１層盛り溶接では、シームのＨＡＺの靭性を高める技術が種々検討されている。たとえば特許文献１では、溶接鋼管の素材となる鋼板の成分と圧延条件を規定している。この技術では、鋼板を管状に成形する加工条件やシームを接合する溶接条件等に応じて、ＨＡＺの靭性が変動するのは避けられない。
特許文献２には、１パスあたりの溶接入熱を規定して、内面側と外面側にそれぞれ複数パスを施工する技術が開示されている。この技術では、パス回数が増加するばかりでなく、１層目を施工した後、２層目を施工する前にスラグを剥離しなければならないので、両面１層盛り溶接に比べて溶接鋼管の生産性が低下する。
特開平8-35011号公報
特開平6-328255号公報
特許文献２には、１パスあたりの溶接入熱を規定して、内面側と外面側にそれぞれ複数パスを施工する技術が開示されている。この技術では、パス回数が増加するばかりでなく、１層目を施工した後、２層目を施工する前にスラグを剥離しなければならないので、両面１層盛り溶接に比べて溶接鋼管の生産性が低下する。
本発明は、溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合するにあたって、両面１層盛り溶接を行ない、靭性に優れたＨＡＺを有する溶接鋼管を製造する方法を提供することを目的とする。
溶接熱影響部（すなわちＨＡＺ）の靭性を向上させ、特に内面側のＨＡＺと外面側のＨＡＺが重なり合う部位の靭性を確保するためには、溶接入熱の低減が有効であることは従来から知られており、シームの開先断面積を小さくすることによって、溶接入熱を低減する等の技術が検討されている。しかし、溶接入熱を低減すると、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属が十分に接合せず、シームの強度低下を引き起こす。
そこで発明者らは、内面側の溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と外面側の溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の影響を個別に調査した。その結果、内面側の溶接入熱ＨＩINを所定の範囲内に低減すれば、内面側と外面側の溶接入熱の合計（＝ＨＩIN＋ＨＩOUT）が増加しても、内面側のＨＡＺと外面側のＨＡＺが重なり合う部位の靭性を向上できることが判明した。ただし両面１層盛り溶接では、内面側を１パスで溶接した後、外面側を１パスで溶接するので、内面側の溶接入熱ＨＩINを低減して内面側のＨＡＺの結晶粒を微細化するにも関わらず、外面側の溶接入熱ＨＩOUTを著しく増大すると、内面側のＨＡＺが加熱されてその結晶粒が粗大化して、ＨＡＺの靭性が劣化する。そこで、内面側の溶接入熱ＨＩINと外面側の溶接入熱ＨＩOUTの比（＝ＨＩOUT／ＨＩIN）を規定する。
次に発明者らは、このように溶接入熱を制御するための溶接の施工条件を検討した。その結果、サブマージアーク溶接で広く使用されている直径4.0mmの溶接用ワイヤでは、溶接入熱の制御が難しいことが判明した。つまり、３電極以上を備えた溶接機を使用して、その少なくとも２電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給すれば、上記した条件を満足するように溶接入熱を制御することが可能である。ただし細径の溶接用ワイヤを使用すると、溶融メタルの幅も狭くなり、余盛り高さ不良やスラグ巻き込み等の溶接欠陥が発生し易くなる。
そこで、全電極に交流電流を供給し、かつ互いに隣り合う電極の位相差を規定する。あるいは溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直流電流を供給するとともに、その他の第２電極以降に交流電流を供給し、第２電極以降の互いに隣り合う電極の位相差を規定する。さらに、溶接鋼管の表面と溶接機のコンタクトチップとの距離を規定する。
このようにして溶接欠陥を防止し、かつ十分な溶込みを得ることができ、かつ靭性に優れたＨＡＺを有する溶接鋼管を製造できる。
このようにして溶接欠陥を防止し、かつ十分な溶込みを得ることができ、かつ靭性に優れたＨＡＺを有する溶接鋼管を製造できる。
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、溶接鋼管のシームの外面側と内面側をサブマージアーク溶接にてそれぞれ１層ずつ溶接する溶接鋼管の製造方法において、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と外面側の溶接における溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の比が下記の(1)式を満足し、かつＨＩIN（Ｊ／cm）と溶接鋼管の厚みｔ（mm）が下記の(2)式を満足する溶接鋼管の製造方法である。
すなわち本発明は、溶接鋼管のシームの外面側と内面側をサブマージアーク溶接にてそれぞれ１層ずつ溶接する溶接鋼管の製造方法において、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と外面側の溶接における溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の比が下記の(1)式を満足し、かつＨＩIN（Ｊ／cm）と溶接鋼管の厚みｔ（mm）が下記の(2)式を満足する溶接鋼管の製造方法である。
1.1≦ＨＩOUT／ＨＩIN≦1.5 ・・・(1)
ＨＩIN≦231×ｔ1.56 ・・・(2)
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ＨＩOUT：外面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ｔ：溶接鋼管の厚み（mm）
本発明の溶接鋼管の製造方法においては、シームの外面側の溶接と内面側の溶接を行なうにあたって３電極以上の溶接機を用い、溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給するとともに、その他の第２電極以降の少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給し、溶接鋼管の表面と溶接機のコンタクトチップ先端との距離をいずれも30mm以上とし、溶接機の全電極に交流電流を供給し、互いに隣り合う電極に供給される交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることが好ましい。
ＨＩIN≦231×ｔ1.56 ・・・(2)
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ＨＩOUT：外面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ｔ：溶接鋼管の厚み（mm）
本発明の溶接鋼管の製造方法においては、シームの外面側の溶接と内面側の溶接を行なうにあたって３電極以上の溶接機を用い、溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給するとともに、その他の第２電極以降の少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給し、溶接鋼管の表面と溶接機のコンタクトチップ先端との距離をいずれも30mm以上とし、溶接機の全電極に交流電流を供給し、互いに隣り合う電極に供給される交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることが好ましい。
あるいは、シームの外面側の溶接と内面側の溶接を行なうにあたって３電極以上の溶接機を用い、溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給するとともに、その他の第２電極以降の少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給し、溶接鋼管の表面と溶接機のコンタクトチップ先端との距離をいずれも30mm以上とし、溶接機の第１電極に直流電流を供給するとともに、その他の第２電極以降に交流電流を供給し、第２電極以降の互いに隣り合う電極に供給される交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることが好ましい。
本発明によれば、溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合するにあたって、両面１層盛り溶接を行ない、靭性に優れたＨＡＺを有する溶接鋼管を製造できる。
本発明では、溶接鋼管のシームをサブマージアーク溶接で接合するにあたって、両面１層盛り溶接を行なう。
すなわち本発明では、まずシームの内面側を１パスで溶接する。
その際、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）は、溶接鋼管の厚みｔ（mm）に対して下記の(2)式を満足する必要がある。ＨＩINが(2)式を満足すれば、ＨＩINに起因する溶接熱影響部（すなわちＨＡＺ）のオーステナイト粒径が平均80μｍ以下となるので、優れた靭性を有するＨＡＺを得ることができる。ＨＩINが(2)式の範囲を外れると、ＨＡＺのオーステナイト粒が粗大化するので、ＨＡＺの靭性が劣化する。
すなわち本発明では、まずシームの内面側を１パスで溶接する。
その際、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）は、溶接鋼管の厚みｔ（mm）に対して下記の(2)式を満足する必要がある。ＨＩINが(2)式を満足すれば、ＨＩINに起因する溶接熱影響部（すなわちＨＡＺ）のオーステナイト粒径が平均80μｍ以下となるので、優れた靭性を有するＨＡＺを得ることができる。ＨＩINが(2)式の範囲を外れると、ＨＡＺのオーステナイト粒が粗大化するので、ＨＡＺの靭性が劣化する。
ＨＩIN≦231×ｔ1.56 ・・・(2)
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ｔ：溶接鋼管の厚み（mm）
次いで外面側を１パスで溶接する。
その際、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と外面側の溶接における溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の比が下記の(1)式を満足する必要がある。ＨＩOUT／ＨＩINが1.1未満では、溶込みを十分に確保できないので、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属が十分に接合せず、シームの強度低下を引き起こす。一方、1.5を超えると、内面側のＨＡＺと外面側のＨＡＺが重なり合う部位の靭性が劣化する。
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ｔ：溶接鋼管の厚み（mm）
次いで外面側を１パスで溶接する。
その際、内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と外面側の溶接における溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の比が下記の(1)式を満足する必要がある。ＨＩOUT／ＨＩINが1.1未満では、溶込みを十分に確保できないので、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属が十分に接合せず、シームの強度低下を引き起こす。一方、1.5を超えると、内面側のＨＡＺと外面側のＨＡＺが重なり合う部位の靭性が劣化する。
1.1≦ＨＩOUT／ＨＩIN≦1.5 ・・・(1)
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ＨＩOUT：外面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
以上に説明した通り、本発明では、まずシームの内面側を１パスで溶接する。その際、内面側の溶接入熱ＨＩINを(2)式の範囲内に低減することによって、ＨＡＺの結晶粒を微細化する。次に、外面側を１パスで溶接する。その際、外面側の溶接入熱ＨＩOUTは、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属を十分に接合するために、ＨＩINより大きくする。ただし、ＨＩINとＨＩOUTの比を(1)式の範囲内に規定することによって、ＨＡＺの結晶粒の粗大化を防止する。
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ＨＩOUT：外面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
以上に説明した通り、本発明では、まずシームの内面側を１パスで溶接する。その際、内面側の溶接入熱ＨＩINを(2)式の範囲内に低減することによって、ＨＡＺの結晶粒を微細化する。次に、外面側を１パスで溶接する。その際、外面側の溶接入熱ＨＩOUTは、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属を十分に接合するために、ＨＩINより大きくする。ただし、ＨＩINとＨＩOUTの比を(1)式の範囲内に規定することによって、ＨＡＺの結晶粒の粗大化を防止する。
このような溶接入熱の制御を可能にするサブマージアーク溶接について、図１を参照して以下に説明する。
図１は、溶接鋼管と電極の配置の例を模式的に示す断面図である。図１中の矢印Ａは溶接機の進行方向を示す。本発明は３電極以上を備えた溶接機を使用するが、ここでは３電極の溶接機を使用する例について説明する。なお溶接機の本体は図示を省略し、コンタクトチップと溶接用ワイヤを図示する。
図１は、溶接鋼管と電極の配置の例を模式的に示す断面図である。図１中の矢印Ａは溶接機の進行方向を示す。本発明は３電極以上を備えた溶接機を使用するが、ここでは３電極の溶接機を使用する例について説明する。なお溶接機の本体は図示を省略し、コンタクトチップと溶接用ワイヤを図示する。
コンタクトチップと溶接用ワイヤとで構成される電極は溶接機の進行方向に沿って１列に配置される。ここでは、進行方向の先頭に位置する電極を第１電極とし、それ以降を順に第２電極，第３電極とする。
第１電極のコンタクトチップ2aには直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給する。第１電極は溶込みの深さに多大な影響を及ぼすので、細径（すなわち直径3.2mm以下）の溶接用ワイヤ３を使用してアーク圧力を高めることによって、十分な深さの溶込みを確保する。また、溶接鋼管1の表面とコンタトクチップ2aの先端との距離Ｌは30mm以上とする。距離Ｌを30mm以上とすることによって、溶接用ワイヤ３の抵抗発熱を利用した高溶着速度を得ることができる。
第１電極のコンタクトチップ2aには直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給する。第１電極は溶込みの深さに多大な影響を及ぼすので、細径（すなわち直径3.2mm以下）の溶接用ワイヤ３を使用してアーク圧力を高めることによって、十分な深さの溶込みを確保する。また、溶接鋼管1の表面とコンタトクチップ2aの先端との距離Ｌは30mm以上とする。距離Ｌを30mm以上とすることによって、溶接用ワイヤ３の抵抗発熱を利用した高溶着速度を得ることができる。
さらに、第２電極以降（図１の例では第２電極，第３電極）のうちの少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給する。これも第１電極と同様に、アーク圧力を高めて、十分な深さの溶込みを確保するため、および高溶接速度を得るためである。その電極についても、溶接鋼管の表面とコンタトクチップの先端との距離Ｌは30mm以上とする。
第２電極以降の細径の溶接用ワイヤの適用電極は特に限定せず、溶接鋼管の寸法や溶接機の仕様等に応じて適宜選択する。
このようにして細径（すなわち直径3.2mm以下）の溶接用ワイヤを使用すると、アーク圧力が高まり、シームの表面に凹凸が発生し易い。そこで、溶接機に交流電流を供給し、互いに隣り合う電極に供給する交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることが好ましい。交流電流は、溶接機の全電極に供給する、あるいは第２電極以降に供給することが好ましい。
このようにして細径（すなわち直径3.2mm以下）の溶接用ワイヤを使用すると、アーク圧力が高まり、シームの表面に凹凸が発生し易い。そこで、溶接機に交流電流を供給し、互いに隣り合う電極に供給する交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることが好ましい。交流電流は、溶接機の全電極に供給する、あるいは第２電極以降に供給することが好ましい。
全電極に交流電流を供給する場合は、全ての電極（図１の例では第１電極〜第３電極）の位相差を90〜120°の範囲内とする。
第２電極以降に交流電流を供給する場合は、第２電極以降の電極（図１の例では第２電極，第３電極）の位相差を90〜120°の範囲内とする。第１電極には直流電流を供給する。第１電極は溶込みの深さに多大な影響を及ぼすので、直流電流を供給して溶込みを容易に調整できるようにするためである。
第２電極以降に交流電流を供給する場合は、第２電極以降の電極（図１の例では第２電極，第３電極）の位相差を90〜120°の範囲内とする。第１電極には直流電流を供給する。第１電極は溶込みの深さに多大な影響を及ぼすので、直流電流を供給して溶込みを容易に調整できるようにするためである。
互いに隣り合う電極に供給する交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることによって、細径の溶接用ワイヤを使用しても、美麗なシームを得ることが可能となる。
なお本発明を適用する溶接鋼管の素材となる鋼板の成分は特に限定しない。ただし質量％で、Ｃ：0.02〜0.08％，Si：0.02〜0.35％，Mn：1.10〜2.00％，Ｐ：0.010％以下，Ｓ：0.005％以下，Cu：0.3％以下，Ni：0.35％以下，Cr：0.3％以下，Mo：0.5％以下，Nb：0.05％以下，Ｖ：0.05％以下，Al：0.03％以下，Ti：0.02以下％，Ｂ：0.0010％以下，Ｎ：0.010％以下，Ca：0.0025％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板を用いて溶接鋼管を製造する際に適用することが好ましい。
なお本発明を適用する溶接鋼管の素材となる鋼板の成分は特に限定しない。ただし質量％で、Ｃ：0.02〜0.08％，Si：0.02〜0.35％，Mn：1.10〜2.00％，Ｐ：0.010％以下，Ｓ：0.005％以下，Cu：0.3％以下，Ni：0.35％以下，Cr：0.3％以下，Mo：0.5％以下，Nb：0.05％以下，Ｖ：0.05％以下，Al：0.03％以下，Ti：0.02以下％，Ｂ：0.0010％以下，Ｎ：0.010％以下，Ca：0.0025％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板を用いて溶接鋼管を製造する際に適用することが好ましい。
表１に示す成分の鋼素材を圧延して板厚38mm，33mm，27mm，25mmの鋼板を製造した。これらの鋼板を表２，３に示す条件で溶接した。その後、溶接部からシャルピー試験片を採取してシャルピー試験を行ない、−30℃における吸収エネルギー（Ｊ）を測定した。なおボンド部のシャルピー試験片は、図２(a)に示すように、溶接ビード止端部より２mm下の位置がシャルピー試験片の表面と一致するように採取し、ノッチ位置は50％が溶接金属，50％が熱影響部となるようにした。ルート部のシャルピー試験片は、図２(b)に示すように、内面溶接金属と外面溶接金属が会合する位置がシャルピー試験片の中央と一致するように採取し、ノッチ位置は50％が溶接金属，50％が熱影響部となるようにした。シャルピー試験は、それぞれ３回ずつ行ない、各測定値とその平均値を示す。
表２，３中のＬは、母材表面とコンタクトチップ先端との距離（mm）を指す。
記号１〜４は発明例であり、いずれも良好な溶接が得られ、かつ熱影響部の靭性も優れている。
記号５は比較例であり、外面溶接金属の溶接入熱が高くなりすぎ、熱影響部の靭性が劣化し、−30℃のシャルピー試験において、３本中の１本は吸収エネルギーが50Ｊ以下であった。記号６は比較例であり、内面溶接入熱と外面溶接入熱の比が1.1を下回り、溶け込み不足が生じた。記号７は比較例であり、内面溶接の入熱が高くなりすぎ、ルート部のシャルピー試験片３本中の1本は吸収エネルギーが50Ｊ以下であった。
記号５は比較例であり、外面溶接金属の溶接入熱が高くなりすぎ、熱影響部の靭性が劣化し、−30℃のシャルピー試験において、３本中の１本は吸収エネルギーが50Ｊ以下であった。記号６は比較例であり、内面溶接入熱と外面溶接入熱の比が1.1を下回り、溶け込み不足が生じた。記号７は比較例であり、内面溶接の入熱が高くなりすぎ、ルート部のシャルピー試験片３本中の1本は吸収エネルギーが50Ｊ以下であった。
記号８は発明例であり、熱影響部の靭性が優れている。ただし第２電極と第３電極の位相差が60°であるから、溶接欠陥（すなわちスラグ巻き込み）が発生した。
記号９は発明例であり、良好な靭性が得られている。ただし第１電極のワイヤ径が4.0mmであるから、溶接欠陥（すなわちアンダーフィル，溶け込み不足）が発生した。
記号９は発明例であり、良好な靭性が得られている。ただし第１電極のワイヤ径が4.0mmであるから、溶接欠陥（すなわちアンダーフィル，溶け込み不足）が発生した。
１ 溶接鋼管
2a 第１電極のコンタクトチップ
2b 第２電極のコンタクトチップ
2c 第３電極のコンタクトチップ
３ 溶接用ワイヤ
2a 第１電極のコンタクトチップ
2b 第２電極のコンタクトチップ
2c 第３電極のコンタクトチップ
３ 溶接用ワイヤ
Claims (3)
- 溶接鋼管のシームの外面側と内面側をサブマージアーク溶接にてそれぞれ１層ずつ溶接する溶接鋼管の製造方法において、前記内面側の溶接における溶接入熱ＨＩIN（Ｊ／cm）と前記外面側の溶接における溶接入熱ＨＩOUT（Ｊ／cm）の比が下記の(1)式を満足し、かつ前記ＨＩIN（Ｊ／cm）と前記溶接鋼管の厚みｔ（mm）が下記の(2)式を満足することを特徴とする溶接鋼管の製造方法。
1.1≦ＨＩOUT／ＨＩIN≦1.5 ・・・(1)
ＨＩIN≦231×ｔ1.56 ・・・(2)
ＨＩIN：内面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ＨＩOUT：外面側の溶接における溶接入熱（Ｊ／cm）
ｔ：溶接鋼管の厚み（mm） - 前記シームの外面側の溶接と内面側の溶接を行なうにあたって３電極以上の溶接機を用い、前記溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給するとともに、その他の第２電極以降の少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給し、前記溶接鋼管の表面と前記溶接機のコンタクトチップ先端との距離をいずれも30mm以上とし、前記溶接機の全電極に交流電流を供給し、互いに隣り合う電極に供給される前記交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の溶接鋼管の製造方法。
- 前記シームの外面側の溶接と内面側の溶接を行なうにあたって３電極以上の溶接機を用い、前記溶接機の進行方向の先頭に位置する第１電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給するとともに、その他の第２電極以降の少なくとも１個の電極に直径3.2mm以下の溶接用ワイヤを供給し、前記溶接鋼管の表面と前記溶接機のコンタクトチップ先端との距離をいずれも30mm以上とし、前記溶接機の第１電極に直流電流を供給するとともに、その他の第２電極以降に交流電流を供給し、前記第２電極以降の互いに隣り合う電極に供給される前記交流電流の位相差を90〜120°の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の溶接鋼管の製造方法。
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