WO2012132023A1 - レーザ溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method of manufacturing a steel pipe (hereinafter referred to as a laser welded steel pipe) that welds a longitudinal edge of an open pipe using a laser beam.
- ERW steel pipes are economically advantageous because they can be manufactured at low cost by using hot-rolled steel strips (so-called hot rolled steel coils) as raw materials.
- hot-rolled steel coils hot rolled steel coils
- ERW steel pipes are formed by forming steel plates into a cylindrical shape using forming rolls, and open pipes (here, open pipes are pipe-shaped steel strips that are formed by multi-stage forming rolls and not joined at the ends.
- an open pipe electric resistance welding (electric resistance) is performed while pressing the edges of the open pipe (that is, both ends of the steel strip formed into a cylindrical shape) with a squeeze roll.
- electric resistance welding electric resistance
- it is manufactured by welding, also called high-frequency resistance welding, there is a problem that a seam (so-called seam) due to welding is inevitably present, and the low-temperature toughness of the seam deteriorates.
- oil-well pipes and line pipes of ERW steel pipes have problems in use in cold districts.
- the reason why the low temperature toughness of the seam deteriorates is that when the edge is welded, the molten metal (molten metal) reacts with oxygen in the atmosphere to produce an oxide, which remains in the seam. This is because it is easy to do.
- the ERW pipe has a problem that the corrosion resistance of the seam is likely to deteriorate because alloy elements are likely to segregate in the molten metal when the edge portion is welded. For this reason, oil-well pipes and line pipes of ERW steel pipes have problems in use in severe corrosive environments (for example, sour environments).
- laser welding As a welding method that does not deteriorate the low temperature toughness and corrosion resistance of the seam, laser beam welding (hereinafter referred to as laser welding) has been attracting attention. Laser welding can reduce the size of the heat source and concentrate heat energy at a high density, thereby preventing generation of oxides and segregation of alloy elements in the molten metal. Therefore, when laser welding is applied to the production of a welded steel pipe, it is possible to prevent the low temperature toughness and corrosion resistance of the seam from being deteriorated.
- Patent Document 1 discloses a technique for preventing the occurrence of sputtering by splitting a laser beam to generate a plurality of laser beam spots.
- the technique of performing laser welding by dispersing it into a plurality of beam spots is equivalent to the technique of performing laser welding by reducing the laser output, which not only causes a decrease in welding efficiency but also causes poor penetration. There is a problem that it becomes easy.
- the prism for splitting the laser beam is expensive, it is inevitable that the welding construction cost will increase.
- Patent Document 2 discloses a technique for preventing a shortage of deposit metal (underfill) using a filler wire when performing laser welding.
- the composition of the weld metal varies depending on the filler wire components. Therefore, a filler wire must be selected according to the components of the open pipe, and the load of filler wire inventory management and laser welding work management increases.
- Patent Document 3 discloses a technique for preventing welding defects by using a combination of laser welding and arc welding. However, this technique complicates the structure of the welding apparatus and increases the maintenance load, as well as the welding work management load.
- Patent Document 4 discloses a method using two circular beam spots. However, this technique does not suppress welding defects in laser welding under conditions where stress is applied to the weld (such as when the weld pool is stressed by upset applied to the welded portion of the ERW steel pipe). This increases the amount of spatter generated on the back surface.
- the incident angle of the two laser beams to the workpiece and the spot diameter at the just focus are appropriately maintained, and the two laser beams are properly arranged,
- spatter can be prevented, undercut and underfill of the weld can be suppressed, and a good quality weld can be obtained without reducing welding efficiency.
- FIG. 2 is a perspective view schematically showing a conventional example in which laser welding is performed on the joining point of the edge portion 2 of the open pipe 1 by vertically irradiating one laser beam when manufacturing a laser welded steel pipe.
- An arrow A in FIG. 2 indicates the welding progress direction.
- a deep cavity (hereinafter referred to as a keyhole) 4 generated by irradiation with the laser beam 3 and a molten metal 5 formed in the periphery thereof are shown as perspective views.
- the edge portion 2 is melted by heat energy concentrated at a high density, and the molten metal 5 is evaporated by the evaporation pressure and evaporation reaction force generated by the evaporation of the molten metal 5.
- a keyhole 4 is generated at 5. It is considered that the laser beam 3 enters the inside of the keyhole 4 and high temperature plasma (plasma) generated by ionizing metal vapor by the energy of the laser beam 3 is filled.
- plasma high temperature plasma
- the keyhole 4 indicates a position where the thermal energy of the laser beam 3 is most converged.
- a laser welded steel pipe can be stably manufactured by disposing the joining point of the edge portion in the keyhole 4.
- a highly accurate groove processing technique is required. If the processing state and the butting state of the edge portion 2 are unstable, the molten metal 5 becomes unstable. As a result, spatter frequently occurs, and welding defects such as undercut and underfill tend to occur.
- the inventors paid attention to a technique of irradiating two laser beams at the junction of the edge portion 2. As a result, the irradiation positions of the laser beams are properly arranged, and the incident angles and spot diameters of the respective laser beams are controlled to irradiate the two laser beams so as not to cross inside the open pipe steel plate. It was found that the generation of spatter can be suppressed.
- a laser welded steel pipe can be stably produced with a good yield while suppressing the undercut and underfill of the weld and obtaining a good quality weld without reducing the welding efficiency.
- the details of the mechanism that suppresses the occurrence of spatter are unknown, but the energy is distributed to the two laser beams irradiated at an incident angle to the workpiece and the laser beam preceding the welding direction is It is presumed that after the steel plate is preheated while suppressing spattering, the subsequent laser beam melts the steel plate, thereby suppressing spatter scattering.
- the incident angle of the laser beam refers to an angle formed by a direction perpendicular to the upper surface of the material to be welded and a direction in which the laser beam is irradiated.
- the present invention has been made based on these findings. That is, the present invention relates to a method for manufacturing a laser welded steel pipe in which a steel plate is formed into a cylindrical open pipe with a forming roll, and the edge portion of the open pipe is pressed with a squeeze roll and irradiated with a laser beam to laser weld the edge portion. Two laser beams with a just focus spot diameter of 0.3 mm or more transmitted using different optical fibers are irradiated from the upper surface side of the open pipe along the edge, and welding progresses on the upper surface side of the open pipe.
- the preceding laser beam preceding the direction and the following laser beam following the target are irradiated with an incident angle inclined from the direction perpendicular to the upper surface of the open pipe and inclined in the welding progress direction.
- the leading laser beam on the back of the open pipe is larger than the incident angle of the laser beam.
- the distance between the center point of the center point and the trailing laser beam beam is a manufacturing method of a laser welded steel pipe for performing laser welding as above 1 mm.
- the incident angles of the preceding laser beam and the subsequent laser beam are 5 to 50 °.
- one or two of the preceding laser beam and the following laser beam may be divided into two by using an optical component and irradiated on both sides of the edge portion.
- the laser welded steel pipe when manufacturing a laser welded steel pipe, spatter is prevented from occurring, undercut and underfill of the weld are suppressed, and a good quality weld is obtained without lowering the welding efficiency. Can do. As a result, the laser welded steel pipe can be stably manufactured with a high yield.
- the obtained laser welded steel pipe has excellent seam low-temperature toughness and corrosion resistance, and is suitable for oil well pipes and line pipes used in cold regions and corrosive environments.
- FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example in which the edge portion of an open pipe is welded with two laser beams by applying the present invention.
- An arrow A in FIG. 1 indicates a welding progress direction.
- the keyhole 4 generated by the irradiation of the laser beams 3a and 3b and the molten metal 5 formed around the keyhole 4 are shown as perspective views.
- two laser beams 3 a and 3 b are irradiated from the upper surface side of the open pipe 1 along the edge portion 2 of the open pipe 1.
- an optical component for example, a prism
- One or two laser oscillators may be used.
- the oscillated laser light may be divided within the oscillator and then transmitted through different optical fibers.
- the laser beams 3 a and 3 b are arranged back and forth along the edge portion 2.
- a laser beam preceding the welding progress direction on the upper surface side of the open pipe 1 is referred to as a preceding laser beam 3a, and a subsequent laser beam is referred to as a subsequent laser beam 3b.
- spot diameter in just focus of the preceding laser beam and the following laser beam When the spot diameter at the just focus of the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b is 0.3 mm or less, the width of the weld bead at the time of welding becomes narrow, and the unmelted groove is generated. For this reason, the spot diameter at the just focus is set to exceed 0.3 mm. On the other hand, if the spot diameter exceeds 1 mm, the energy density is small and the keyhole is difficult to stabilize. Therefore, it is preferable that the spot diameters of the preceding laser beam 3a and the subsequent laser beam 3b in the just focus are 1 mm or less.
- the spot shapes of the preceding laser beam 3a and the following laser beam 3b are preferably circular, but may be elliptical shapes.
- the spot shape is an ellipse
- the minor axis at the just focus needs to exceed 0.3 mm.
- the minor axis is preferably 1 mm or less.
- the distance from the top surface of the open pipe to the focus is t (mm), the steel plate thickness of the open pipe is T (mm), and the distance t from the top surface of the open pipe to the focus is 3 ⁇ T (that is, 3T from the top surface to the top). If it exceeds, the focus position is too high, and it is difficult to stably maintain the keyhole. On the other hand, if it exceeds ⁇ 3 ⁇ T (that is, 3T downward from the upper surface), the focus position is too deep, so that sputtering easily occurs from the rear surface side of the steel plate (that is, the inner surface of the open pipe). Therefore, the distance t from the upper surface of the open pipe to the focus is preferably set within the range of -3 ⁇ T to 3 ⁇ T.
- FIG. 3 is a side view schematically showing an example of the arrangement of the preceding laser beam 3a, the following laser beam 3b, and the line perpendicular to the upper surface of the open pipe 1 in FIG.
- both the preceding laser beam 3 a and the following laser beam 3 b are applied to the upper surface of the open pipe 1 while being inclined in the welding progress direction indicated by the arrow A.
- An angle ⁇ a formed between the preceding laser beam 3a and a line perpendicular to the upper surface of the open pipe 1 is defined as an incident angle of the preceding laser beam 3a
- an angle ⁇ b formed between the succeeding laser beam 3b and a line perpendicular to the surface of the open pipe 1 is defined as rearward.
- the incident angles of the row laser beam 3b are set so that each incident angle satisfies ⁇ a> ⁇ b.
- the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b are arranged so as not to intersect each other inside the steel plate of the open pipe 1.
- X is 0 (that is, the upper surface of the steel plate 1). It is preferable to set within the range of ⁇ X ⁇ 2 ⁇ T (that is, 2T upward from the upper surface of the steel plate 1). The reason is that when X ⁇ 0, the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b intersect inside the steel plate 1, so that the keyholes 4 of the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b are combined, This is because a huge keyhole is generated and a large amount of spatter is likely to occur.
- the preceding laser beam 3a increases the inclination angle ⁇ a in order to suppress sputtering when preheating the edge portion 2.
- the trailing laser beam 3b reduces the inclination angle ⁇ b in order to increase the heating efficiency when melting the edge portion 2. In this way, the preceding laser beam 3a preheats the edge portion 2.
- the preceding laser beam 3a is irradiated with an inclination in the welding progress direction, the generation of spatter can be suppressed.
- the trailing laser beam 3 b melts the edge portion 2.
- spatter does not occur.
- spatter can be reduced, and undercut and underfill can be prevented. If the incident angle ⁇ a of the preceding laser beam 3a is less than 5 °, the incident angle ⁇ a is too small. Therefore, the same behavior as when the preceding laser beam 3a is irradiated vertically is exhibited, and the effect of suppressing the generation of sputtering cannot be obtained. .
- the incident angle ⁇ a of the preceding laser beam 3a is preferably in the range of 5 to 50 °.
- the incident angle ⁇ b of the subsequent laser beam 3b is less than 5 °, the incident angle ⁇ b is too small. Therefore, the behavior similar to that in the case of irradiating the subsequent laser beam 3b vertically is exhibited, and the effect of suppressing the generation of spatter is exhibited. Cannot be obtained.
- the incident angle ⁇ b of the trailing laser beam 3b is preferably in the range of 5 to 50 °.
- the distance L between the center points of the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b on the back surface side of the open pipe 1 is set to 1 mm or more. If the distance L is 1 mm or more, the weld pool extends in the welding progress direction on the back surface side, the amount of spatter generated from the back surface side decreases, and a weld bead without undercut or underfill is obtained. However, if the distance L exceeds 10 mm, the molten pool on the back surface side is separated, so that sputtering is likely to occur. Therefore, the distance L between the center points of the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b is preferably in the range of 1 to 10 mm.
- the joining point of the edge part 2 of the open pipe 1 may be anywhere as long as the average interval G in the thickness direction of the edge part 2 is narrowed by a squeeze roll and becomes 0.5 mm or less.
- the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b transmitted from the laser oscillator through different optical fibers the preceding laser beam 3a or the succeeding laser beam 3b is divided into two by an optical component (for example, a prism) while the edge portion 2 Both sides may be irradiated.
- FIG. 4B shows an example in which the subsequent laser beam 3b is irradiated on both sides of the edge portion 2 while being divided into two (irradiation regions 3-2 and 3-3).
- FIG. 4C shows the preceding laser beam 3a.
- This is an example in which both sides of the edge portion 2 are irradiated while being divided into two (irradiation regions 3-1 and 3-2).
- the preceding laser beam 3a is divided into two (irradiation regions 3-1 and 3-2) and the subsequent laser beam 3b is divided into two (irradiation regions 3-3 and 3-4).
- you may irradiate both sides of the edge part 2.
- Laser output of laser beam and welding speed In general, spatter generated during laser welding decreases as the laser output decreases and the welding speed decreases. However, reducing the laser output and the welding speed in order to suppress the occurrence of spatter means reducing the productivity of the laser welded steel pipe. Therefore, in the present invention, it is preferable to perform laser welding at a welding speed in which the laser output of the preceding laser beam 3a and the following laser beam 3b exceeds 16 kW in total and exceeds 7 m / min. If the laser output is 16 kW or less in total, the welding speed will be 7 m / min or less, resulting in a decrease in productivity of the laser welded steel pipe.
- the preceding laser beam 3a and the following laser beam 3b are irradiated regions 3-1 on the upper surface of the open pipe 1.
- 3-2 is preferably arranged so that the center of the edge portion 2 coincides with the edge portion 2.
- it is difficult to perform welding while maintaining such an arrangement and the centers of the irradiation regions 3-1 and 3-2 on the upper surface of the open pipe 1 do not always coincide with the edge portion 2 during welding.
- the distance between the centers of the irradiation regions 3-1 and 3-2 and the edge portion 2 increases, the preceding laser beam 3a and the succeeding laser beam 3b deviate from the butt groove, and the unmelted portion of the groove, etc. Welding defects are likely to occur. Even if the centers of the irradiation regions 3-1 and 3-2 do not coincide with the edge portion 2, if welding is performed with the edge portion 2 passing through the irradiation regions 3-1 and 3-2, a welding defect occurs. do not do. Therefore, it is preferable that the distance between the centers of the irradiation regions 3-1 and 3-2 and the edge portion 2 is within the radius of the irradiation regions 3-1 and 3-2.
- an open pipe made of a thick material for example, 4 mm or more in thickness
- an open pipe made of a thick material for example, 4 mm or more in thickness
- effects such as improved productivity of the laser welded steel pipe can be obtained.
- preheating is performed by high-frequency heating, a surplus is formed in the welded portion.
- the surplus is removed by cutting or grinding after laser welding, the surface properties of the welded portion are further improved.
- a laser beam oscillator for use in a laser beam oscillator present invention may be used an oscillator in various forms, gas (e.g. CO 2 (carbon dioxide gas), helium - neon (helium-neon), Argon, Nitrogen, Iodine, etc.) as gas medium (gas laser), solid laser (solid laser such as rare earth element doped YAG) as medium, solid laser, laser As a medium (laser medium), a fiber laser using a fiber instead of a bulk, a disk laser, or the like is preferable. Or you may use a semiconductor laser (semiconductor laser).
- auxiliary heat source You may heat from the outer surface side of the open pipe 1 by an auxiliary heat source (auxiliary heat source).
- the configuration of the auxiliary heat source is not particularly limited as long as it can heat and melt the outer surface of the open pipe 1.
- Etc. are suitable.
- the auxiliary heat source is preferably disposed integrally with the laser beam oscillator.
- auxiliary heat source and the laser are not integrated, a large amount of heat is required to obtain the effect of the auxiliary heat source, and it is very difficult to suppress welding defects (such as undercut and underfill). Because it becomes. Further, it is more preferable that the auxiliary heat source is disposed ahead of the laser beam oscillator. The reason is that moisture and oil can be removed from the edge portion.
- an arc as a more preferable auxiliary heat source.
- the arc generation source one that can apply an electromagnetic force (that is, an electromagnetic force generated from a magnetic field of a welding current) in a direction that suppresses burn-through of the molten metal is used.
- an electromagnetic force that is, an electromagnetic force generated from a magnetic field of a welding current
- conventionally known techniques such as TIG welding (tungsten inert gas welding) and plasma arc welding (plasma arc welding) can be used.
- the arc generation source is preferably arranged integrally with the laser beam. The reason is that, as described above, the influence of the magnetic field generated around the welding current that generates the arc is effectively given to the molten metal generated by the laser beam. Furthermore, it is more preferable to arrange the arc generation source ahead of the laser beam. The reason is that the moisture and oil content of the edge portion can be removed.
- the effect can be obtained by combining the present invention with conventionally known techniques such as gas shield welding and filler material addition.
- Such composite welding technology can be applied not only to the manufacture of welded steel pipes but also to the welding of thick steel plates.
- the spot diameter is appropriately maintained, two laser beams are properly arranged, and laser welding conditions such as the incident angle of the laser beam are provided.
- the obtained laser welded steel pipe is excellent in low temperature toughness and corrosion resistance of the seam by taking advantage of laser welding, and is suitable for oil well pipes and line pipes used in cold regions and corrosive environments.
- a strip-shaped steel plate is formed into a cylindrical open pipe with a forming roll, and the laser is irradiated with two laser beams from the top side as shown in FIG. 1 while pressing the edge of the open pipe with a squeeze roll.
- a welded steel pipe was produced.
- the components of the steel sheet are as shown in Table 1.
- welded steel pipe No. 1 to 4 and 7 to 10 are examples in which a laser beam is arranged as shown in FIG. Nos. 5 and 11 are examples in which laser beams are arranged as shown in FIG. 6 is an example in which a laser beam is arranged as shown in FIG.
- Table 2 welded steel pipe Nos.
- the spot diameter at the just focus of the laser beam and the distance between the center points of the preceding laser beam and the succeeding laser beam on the back side of the open pipe are This is an example in which the range is satisfied, the preceding laser beam and the subsequent laser beam are irradiated while being inclined in the welding progress direction, and the incident angle ⁇ a of the preceding laser beam is set to be larger than the incident angle ⁇ b of the subsequent laser beam.
- the welded steel pipe No. 7 shows an example in which the incident angle ⁇ b of the subsequent laser beam is 0 ° (ie, an example in which the incident angle ⁇ b is irradiated vertically).
- laser-welded steel pipes When manufacturing laser-welded steel pipes, laser-welded steel pipes can be manufactured with good yield and stability, so that there is a remarkable industrial effect.
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Abstract
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(squeeze roll)で加圧しながら電気抵抗溶接(electric resistance welding、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(seam))が必然的に存在し、そのシームの低温靭性(low−temperature toughness)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(cold district)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(molten metal)が大気中の酸素と反応して酸化物(oxide)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(laser welding)という)が注目されている。レーザ溶接は、熱源(heat source)の寸法を小さくし、かつ熱エネルギー(heat energy)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(high−energy density light beam)であるレーザビームを光学部品(optical component)によって集光して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融メタルがスパッタ(spatter)として飛散する。飛散したスパッタは、溶接装置(welding equipment)に付着してシームの品質を低下させるとともに、光学部品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(heat energy)を高密度で集中して溶接を行なうので、スパッタが多量に発生し、アンダーカット(undercut)やアンダーフィル(underfill)(すなわち窪み(depression))等の溶接欠陥(welding defect)が発生する。アンダーフィルが発生すると、溶接部の強度が低下する。
図2は、レーザ溶接鋼管を製造する際に、1本のレーザビームを垂直に照射してオープンパイプ1のエッジ部2の接合点をレーザ溶接する従来の例を模式的に示す斜視図である。図2中の矢印Aは、溶接進行方向を示す。なお、レーザビーム3の照射によって発生する深い空洞(cavity)(以下、キーホール(keyhole)という)4と、その周辺に形成される溶融メタル5は透視図として示す。
レーザビーム3を照射すると、図2に示すように、高密度で集中する熱エネルギーによってエッジ部2が溶融するとともに、その溶融メタル5が蒸発して発生する蒸発圧と蒸発反力によって、溶融メタル5にキーホール4が発生する。キーホール4の内部には、レーザビーム3が侵入し、金属蒸気(metal vapour)がレーザビーム3のエネルギーによって電離されて生じた高温のプラズマ(plasma)が充満していると考えられている。
さらに、溶接部に加えられるアップセットによって溶融池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等の溶接欠陥が発生する。
そこで発明者らは、エッジ部2の接合点に2本のレーザビームを照射する技術に着目した。その結果、レーザビームの照射位置を適正に配列するとともに、それぞれのレーザビームの入射角やスポット径等を制御して2本のレーザビームをオープンパイプの鋼板内部で交差しないように照射することによって、スパッタの発生を抑制できることが分かった。そして、溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得るとともに、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できることが判明した。
スパッタの発生が抑制されるメカニズム(mechanism)の詳細は不明であるが、被溶接材への入射角をもって照射される2本のレーザビームにエネルギーを分散させ、かつ溶接方向に先行するレーザビームがスパッタを抑制しながら鋼板を予熱した後、後行するレーザビームが鋼板を溶融することによって、スパッタの飛散が抑制されると推定される。なお、レーザビームの入射角は、被溶接材の上面に垂直な方向とレーザビームを照射する方向とのなす角を指す。
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、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える2本のレーザビームをエッジ部に沿ってオープンパイプの上面側から照射し、オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームをオープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を1mm以上としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法である。
本発明では、2本のレーザビーム3a,3bを、オープンパイプ1のエッジ部2に沿ってオープンパイプ1の上面側から照射する。その際、単一の光ファイバーで伝送したレーザビームを光学部品(たとえばプリズム等)で2分割しながら照射すると、後述する入射角やスポット径を個別に設定することができない。そのため、2本のレーザビーム3a,3bをそれぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する必要がある。
使用するレーザ発振器は1台でも良いし、あるいは2台でも良い。レーザ発振器が1台で、2本のレーザビームを伝送する場合は、発振されたレーザ光を発振器内で分割した後、それぞれ異なる光ファイバーにより伝送すれば良い。
図1に示すように、レーザビーム3a,3bはエッジ部2に沿って前後に配置する。オープンパイプ1の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビームを先行レーザビーム3aとし、後行するレーザビームを後行レーザビーム3bとする。
先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bのジャストフォーカスでのスポット径が0.3mm以下では、溶接時の溶接ビードの幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。そのため、ジャストフォーカスでのスポット径は0.3mm超えとする。一方、スポット径が1mmを超えると、エネルギー密度が小さいので、キーホールが安定し難くなる。そのため、先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bのジャストフォーカスでのスポット径は1mm以下が好ましい。
先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bのスポット形状は円形が好ましいが、楕円形(oval figure)であっても良い。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径が0.3mmを超える必要がある。また上記した円形の場合と同様の理由で、短径は1mm以下が好ましい。
オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離をt(mm)とし、オープンパイプの鋼板厚をT(mm)として、オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離tが3×T(すなわち上面から上方へ3T)を超えると、フォーカスの位置が高すぎるので、キーホールを安定して維持することが難しい。一方、−3×T(すなわち上面から下方へ3T)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、オープンパイプの上面からフォーカスまでの距離tは−3×T~3×Tの範囲内に設定するのが好ましい。
図3は、図1の先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bおよびオープンパイプ1上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。図3に示すように、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、いずれも矢印Aで示す溶接進行方向に傾斜させてオープンパイプ1上面に照射する。その先行レーザビーム3aとオープンパイプ1上面に垂直な線とのなす角θaを先行レーザビーム3aの入射角とし、後行レーザビーム3bとオープンパイプ1表面に垂直な線とのなす角θbを後行レーザビーム3bの入射角として、それぞれの入射角がθa>θbを満足するように設定する。
さらに、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bがオープンパイプ1の鋼板内部で交差しないように配置する。鋼板1の上面から先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの交差位置までの距離をX(mm)、鋼板1の板厚をT(mm)とすると、Xは0(すなわち鋼板1の上面)≦X≦2×T(すなわち鋼板1の上面から上方へ2T)の範囲内に設定するのが好ましい。その理由は、X<0の場合は先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bが鋼板1の内部で交差するため、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール4が合体して、巨大なキーホールが生じ、スパッタが多量に発生し易くなるからである。一方、X>2×Tの場合は、溶融メタル5が分離してしまうので突合せ部の溶融が不安定となり、スパッタが多量に発生し易くなるからである。
なお、先行レーザビーム3aの入射角θaと後行レーザビーム3bの入射角θbを、θa<θbと設定すると、後行レーザビーム3bが通過するオープンパイプ1の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して加熱効率(heating efficiency)が低下する。そのため、先行レーザビーム3aによるエッジ部2の予熱効果(preheating effect)は得られるが、後行レーザビーム3bによるエッジ部2の溶融が不安定になる。
また、θa=θbと設定すると、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール4が合体しやすくなり、巨大なキーホールが生じて、スパッタが多量に発生する惧れがある。
したがって、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの入射角をθa>θbと設定する必要がある。つまり、先行レーザビーム3aはエッジ部2を予熱するにあたってスパッタを抑制するために傾斜角θaを大きくする。後行レーザビーム3bはエッジ部2を溶融するにあたって加熱効率を高めるために傾斜角θbを小さくする。
このようにして先行レーザビーム3aがエッジ部2を予熱する。しかも先行レーザビーム3aは、溶接進行方向に傾斜して照射されるので、スパッタの発生を抑制できる。次いで、後行レーザビーム3bがエッジ部2を溶融する。このときエッジ部2は予熱されているので、スパッタは発生しない。その結果、スパッタを軽減し、ひいてはアンダーカットやアンダーフィルを防止できる。
先行レーザビーム3aの入射角θaが5°未満では、入射角θaが小さすぎるので、先行レーザビーム3aを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θaが50°を超えると、先行レーザビーム3aが通過するオープンパイプ1の上面から裏面までの距離が長くなるので、先行レーザビーム3aのエネルギーが減衰して十分な予熱効果が得られなくなる。したがって、先行レーザビーム3aの入射角θaは5~50°の範囲内が好ましい。
同様に後行レーザビーム3bの入射角θbが5°未満では、入射角θbが小さすぎるので、後行レーザビーム3bを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θbが50°を超えると、後行レーザビーム3bが通過するオープンパイプ1の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して十分な溶込み深さが得られなくなる。したがって、後行レーザビーム3bの入射角θbは5~50°の範囲内が好ましい。
そしてオープンパイプ1の裏面側における先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの中心点の間隔Lを1mm以上とする。間隔Lが1mm以上であれば、裏面側で溶融池が溶接進行方向に伸びて、裏面側からのスパッタの発生量が減少し、アンダーカットやアンダーフィルのない溶接ビードが得られる。ただし間隔Lが10mmを超えると、裏面側の溶融池が分離するので、スパッタが発生し易くなる。そのため、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの中心点の間隔Lは1~10mmの範囲内が好ましい。
また、レーザ溶接を行なう際には、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。
オープンパイプ1のエッジ部2の接合点は、エッジ部2の板厚方向の平均間隔Gが、スクイズロールにより狭まり、0.5mm以下になった箇所であればどこでも良い。
また、レーザ発振器からそれぞれ異なる光ファイバーで伝送した先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bうち、先行レーザビーム3aまたは後行レーザビーム3bを光学部品(たとえばプリズム等)で2分割しながらエッジ部2の両側に照射しても良い。図4(b)は、後行レーザビーム3bを2分割(照射領域3−2,3−3)しながらエッジ部2の両側に照射した例、図4(c)は、先行レーザビーム3aを2分割(照射領域3−1,3−2)しながらエッジ部2の両側に照射した例である。あるいは図4(d)に示すように、先行レーザビーム3aを2分割(照射領域3−1,3−2)しかつ後行レーザビーム3bを2分割(照射領域3−3,3−4)しながら、エッジ部2の両側に照射しても良い。このようにして先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bを照射すれば、照射領域内をエッジ部2が通過する状態を容易に維持できる。
一般にレーザ溶接時に発生するスパッタは、レーザ出力が低いほど、溶接速度が遅いほど少なくなる。しかしながらスパッタの発生を抑えるために、レーザ出力と溶接速度を低下させることは、レーザ溶接鋼管の生産性を低下させることを意味する。そこで本発明では、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bのレーザビームのレーザ出力が合計16kWを超え、かつ7m/分を超える溶接速度でレーザ溶接を行なうことが好ましい。レーザ出力が合計16kW以下では、溶接速度が7m/分以下となってしまうので、レーザ溶接鋼管の生産性低下を招く。
(8)オープンパイプ上面におけるレーザビームの照射領域と溶接線との間隔
先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、図4(a)に示すように、オープンパイプ1上面における照射領域3−1,3−2の中心がエッジ部2に一致するように配置することが好ましい。ただし、そのような配置を維持して溶接を行なうことは難しく、溶接施工中にはオープンパイプ1上面における照射領域3−1,3−2の中心は必ずしもエッジ部2に一致しない。照射領域3−1,3−2の中心とエッジ部2との間隔が増大すると、先行レーザビーム3a,後行レーザビーム3bが突合せ開先から逸脱することになり、開先の溶け残り等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
照射領域3−1,3−2の中心がエッジ部2に一致しなくても、照射領域3−1,3−2内をエッジ部2が通過する状態で溶接を行なうと、溶接欠陥は発生しない。したがって、照射領域3−1,3−2の中心とエッジ部2との間隔は、いずれも照射領域3−1,3−2の半径以内とすることが好ましい。
本発明では、厚肉材(たとえば厚さ4mm以上)のオープンパイプであっても、エッジ部の高周波加熱(high−frequency induction heating)等で予熱することなく、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。
本発明で使用するレーザビームの発振器(oscillator)は、様々な形態の発振器が使用でき、気体(たとえばCO2(carbon dioxide gas),ヘリウム−ネオン(helium−neon),アルゴン(argon),窒素(nitrogen),ヨウ素(iodine)等)を媒質として用いる気体レーザ(gas laser),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(solid laser),レーザ媒質(laser medium)としてバルク(bulk)の代わりにファイバー(fiber)を利用するファイバーレーザ(fiber laser)、デイスクレーザ(disk laser)等が好適である。あるいは、半導体レーザ(semiconductor laser)を使用しても良い。
オープンパイプ1の外面側から補助熱源(auxiliary heat source)によって加熱しても良い。その補助熱源は、オープンパイプ1の外表面を加熱し溶融できるものであれば、その構成は特に限定しない。たとえば、バーナ溶解法(burner melting method),プラズマ溶解法(plasma melting method),TIG溶解法(Tungsten Inert Gas melting method),電子ビーム溶解法(electron beam melting method),レーザ溶解法(leser beam melting method)等を利用した手段が好適である。
なお、補助熱源はレーザビームの発振機と一体的に配置することが好ましい。その理由は、補助熱源とレーザを一体的に配置しないと、補助熱源の効果を得るためには大きな熱量が必要となり、また溶接欠陥(たとえばアンダーカットやアンダーフィル等)の抑制が非常に困難になるからである。さらに、補助熱源をレーザビームの発振機より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部の水分,油分を除去できるからである。
以上に説明した通り、本発明によれば、レーザ溶接鋼管を製造するにあたってスポット径を適正に保ち、かつ2本のレーザビームを適正に配列するとともに、レーザビームの入射角等のレーザ溶接の条件を制御することによって、スパッタの発生を防止して溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の溶接部を得ることができ、レーザ溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られたレーザ溶接鋼管は、レーザ溶接の利点を活かしてシームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。
表2に示す発明例(溶接鋼管No.1~6)は、レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径およびオープンパイプの裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔が本発明の範囲を満足するとともに、先行レーザビーム,後行レーザビームを溶接進行方向に傾斜させて照射しかつ先行レーザビームの入射角θaを後行レーザビームの入射角θbをより大きく設定した例である。
表2中の比較例のうち、溶接鋼管No.7は後行レーザビームの入射角θbを0°とした例(すなわち垂直に照射した例)、溶接鋼管No.8は裏面側における先行レーザビームと後行レーザビームの中心点の間隔が本発明の範囲を外れる例、溶接鋼管No.9は後行レーザビーム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、溶接鋼管No.10は先行レーザビームを溶接進行方向Aの逆方向に傾斜させて照射した例、溶接鋼管No.11は先行レーザビームの入射角θaを後行レーザビーム3bの入射角θbより小さくした例である。
このようにしてレーザ溶接を行なった後、溶接鋼管の上面を目視で観察して、スパッタの付着状況を調査した。また、溶接鋼管の上面および裏面の溶接ビードを目視で観察して、アンダーカットやアンダーフィルの発生状況を調査した。その結果を表3に示す。
比較例7~9ではスパッタの付着は認められなかったが、アンダーカット,アンダーフィルあるいは開先の溶け残りが発生した。比較例10,11ではスパッタが多量に付着し、しかもアンダーフィルが発生した。
2 エッジ部
3 レーザビーム
3a 先行レーザビーム
3b 後行レーザビーム
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、該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、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送したジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える2本のレーザビームを前記エッジ部に沿って前記オープンパイプの上面側から照射し、前記オープンパイプの上面側で溶接進行方向に先行する先行レーザビームおよび後行する後行レーザビームを前記オープンパイプの上面に垂直な方向から入射角を設けて前記溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、前記先行レーザビームの入射角を前記後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつ前記オープンパイプの裏面における前記先行レーザビームの中心点と前記後行レーザビームの中心点との間隔を1mm以上としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームと前記後行レーザビームの入射角が5~50°である請求項1に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームおよび前記後行レーザビームのうちの1種または2種を光学部品を用いて2分割し、前記エッジ部の両側に照射する請求項1または2に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記レーザ溶接を行なう際に、溶接部に0.2~1.0mmのアップセットを加える請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ溶接鋼管の製造方法。
- 前記先行レーザビームと前記後行レーザビームのレーザ出力が合計16kWを超え、かつ7m/分を超える溶接速度で前記レーザ溶接を行なう請求項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ない、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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