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1. WO1996003249 - METHOD OF MANUFACTURING LASER WELDED PIPES AND APPARATUS FOR MANUFACTURING THE SAME

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[ JA ]
明 糸田

レーザ溶接管の製造方法及びその製造装置 技術分野

本発明は、 レーザ溶接を用いて金属帯から溶接管を製造するレー ザ溶接管の製造方法及びその製'造装置に関する。

背景技術

レーザ溶接は他の溶接方法と比べて熱源のエネルギ密度が高いた め溶込みが深く 高速溶接が可能であり、また総入熱量を少なくでき るため溶接部の性能も良好である。 このため、鋼管製造時の溶接法 と しても注目され、適用が進められている。ところで、レーザ溶接 を用いて溶接管を製造する場合、 溶接部の外面及び Zまたは内面に は、他の溶融溶接と同様に内外面が盛り上がった溶接ビー ドが形成 される。そこで、このような溶接ビードを切削する必要があるが、 以下に示すような理由により、 その切削処理は容易ではなく、切削 性は低かった。

レーザ溶接は、溶接入熱量が小さい点が特徴である。しかし、溶 接ビー ド切削の観点から見ると、溶接入熱量が小さいので溶接後の 溶接ビー ドの冷却速度も速く、切削位置では溶接ビードがかなり低 温になる。よって、低温になった溶接ビ一ドでは材料強度が高くな るので、切削抵抗が大きくなつて切削性能が低下する。このような 場合には、切削面にビビリが発生する。また、低温状態では、切削 部先端に非常に硬度が高い構成刃先が生成しやすく なり、構成刃先 が生成すると、切削面にむしれ,ビビリが発生する。また、材料が 炭素鋼等の非オーステナイ ト鋼である場合、溶接入熱量が小さくて 溶接ビー ドが急速に冷却されるので、溶接ビードがマルテンサイト 変態する場合があり、 この場合溶接ビードが非常に硬くなって切削 は不可能となる。

このような溶接ビー ドの切削処理の困難さにより、溶接ビードが 目立つ中,大径の溶接管をレーザ溶接を利用して製造する技術は確 立されておらず、切削処理の改善が望まれている。

なお、本発明に関連する従来技術として、本発明と同一出願人か ら提案された特公平 2 - 48349 号公報の電縫管の製造方法がある。 これは、電気抵抗,誘導加熱,アークまたは高工ネルギビームを用 いる加熱手段により金属帯の端部同士を溶接する前に、 予めその端 部を加熱しておく技術である。 この方法の目的は、溶接を行う加熱 手段の消費電力を低減させるとともに、 溶接金属中の酸化物発生を 少量にとどめて溶接欠陥をなくすることであり、 以下に述べる本発 明の目的とは異なる。

本発明の 1 つの目的は、レーザ溶接を用いた溶接管を製造する際 に、溶接対象の金属帯を予熱しておくことにより、製造したレーザ 溶接管の溶接ビー ドの切削が容易となり、溶接管の仕上がり寸法の 精度を上げるこ とができるレーザ溶接管の製造方法及びその製造装 置を提供するこ とにある。

本発明の他の目的は、切削工具を製造ラインの搬送方向に移動自 在とするこ とにより、硬くなる前の溶接ビ一ドを確実に切削するこ とができる溶接管の製造方法及びその製造装置を提供することにあ る

発明の開示

本発明のレーザ溶接管の製造方法は、 レーザ溶接前の金属帯の端 部の温度が所定温度以上になるように、 金属帯の端部を予め加熱し、 予熱した金属帯の端部同士をレーザ溶接して製管し、 製造した溶接 管の外面及びノまたは内面の溶接ビー ドを切削にて除去する。この 所定温度は、 金属帯の厚さ、及び、レーザ溶接から溶接ビード切削 までの時間に応じて決定し、 具体的には、以下の条件( 1 ) を満足 する。

T≥ 380 X e X p ( 8. 4 x t x a ' · 3 ) ··· ( 1 ) 但し、

T :レーザ溶接前の金属帯の端部の所定温度(°C ) , t :レーザ溶接から溶接ビード切削までの時間(分), a :溶接対象の金属帯の厚さ(m m )

溶接前の金属帯の端部を予熱しておき、 レーザ溶接後の溶接部の 急冷に伴う溶接ビー ドの硬化を防いで、製造した溶接管の溶接ビー ドを切削できるようにする。

本発明のレーザ溶接管の製造装置は、 金属帯の端部を予熱する予 熱手段と、予熱された金属帯の端部同士をレーザ溶接して溶接管を 形成するレーザ溶接手段と、 形成した溶接管の溶接ビードを切削除 去する切削手段とを備え、 切削手段の切削工具が溶接管の長手方向 に移動自在である。 また、上記( 1 ) の条件を満足するように、予 熱手段の予熱パワーを調整する調整手段、 及び または、製造ライ ンの速度を調整する調整手段を備える。

切削工具のレーザ溶接手段からの離間位置が変更自在であるので、 容易に上記 ( 1 ) の条件を満たすことができる。例えば、ライン速 度が小さい場合には、 切削工具をレーザ溶接手段に近づけることに より、レーザ溶接から溶接ビード除去までの時間 t を短縮でき、上 記 ( 1 ) の条件を満足して、溶接ビードの切削が可能となる。

図面の簡単な説明

第 1 図は本発明に係るレーザ溶接管の製造装置の構成図、第 2図 は各種の溶接方法における溶接部の温度降下を示すグラフ、 第 3図 は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 1 テスト結果例を示す図表 第 4図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 1 テスト結果例を示 す図表、第 5図は第 3 , 第 4図に示す第 1 テスト結果例を表すグラ フ、第 6図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 2テスト結果例 を示す図表、第 7図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 2テス ト結果例を示す図表、第 8図は第 6 , 第 7図に示す第 2テスト結果 例を表すグラフ、第 9図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 3 テス ト結果例を示す図表、第 1 0図は本発明のレーザ溶接管の製造 方法の第 3テスト結果例を示す図表、第 1 1 図は第 9 , 第 1 0図に 示す第 3テスト結果例を表すグラフ、第 1 2図は本発明のレーザ溶 接管の製造方法の第 4 テスト結果例を示す図表、第 1 3図は本発明 のレーザ溶接管の製造方法の第 4 テスト結果例を示す図表、第 1 4 図は第 1 2 , 第 1 3図に示す第 4テスト結果例を表すグラフ、第 1 5図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 5テス ト結果例を示す 図表、第 1 6図は本発明のレーザ溶接管の製造方法の第 5 テスト結 果例を示す図表、第 1 7図は第 1 5 , 第 1 6図に示す第 5 テスト結 果例を表すグラフ、第 1 8図は本発明に係る移動可能な切削工具を 備えたレーザ溶接管の製造装置の概要図、 第 1 9図は本発明に係る 移動可能な切削工具を備えた他のレーザ溶接管の製造装置の概要図-第 2 0図(A ) , ( B ) ( C ) は回転式ビード切削工具の実施例を 示す図である。

発明を実施するための最良の形態

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

第 1 図は本発明に係るレーザ溶接管の製造装置の構成図であり、 レーザ溶接管の製造装置 1 は、金属帯 wの搬送方向(図中白抜き矢 符方向) に沿って、上流側から下流側にかけて配置された、高周波 加熱部 2 とレーザ溶接部 3 とビード切削部 4 とを有する。

高周波加熱部 2 は、高周波発振器 2aと、この発振器 2aから高周波 電流を受けて溶接前の金属帯 Wの端部 W 1 , W 1 へ供給するコン夕 ク トチップ 2b, 2bとを有する。レーザ溶接部 3 は、図示しないレー ザ発振器及び導光管と、 溶接トーチ 3aとを有する。ビード切削部 4 は、切削工具としての固定バイト 5 と、固定バイト 5 を保持するェ 具ホルダ 6 とを有する。

また、レーザ溶接部 3 の近傍には、金属帯 Wの端部 W l , W 1 の 突合せ形状を制御するスクイズロール 7 , 7が設けられている。ま た、第 1 図に示す製造ラインの上流には、その上流側から順に、金 属帯 Wのエツジ部の成形を含めた初期成形を行う複数の水平ロール を配列したブレークダウ ンスタンド、金属帯 Wの中心部の成形を行 う複数のサイ ドロールを配列したクラスタスタンド、仕上げ成形を 行う複数の水平ロールを配列したフィ ンパススタンドが設けられて いる。なお、図 1 にはフィンパススタンドの最下流側の水平ロール 8 のみを図示しており、他の部分はその図示を省略している。

高周波加熱部 2の高周波発振器 2aの高周波電流は、第 1 調整部 9 のパワー調整によって制御される。 また、上述した各スタンドの各 ロールの回転速度は、 第 2調整部 1 0に調整されており、この第 2調 整部 1 0が、製造ラインの金属帯 W (溶接管 P ) の搬送速度を調整す る

次に、動作について説明する。金属帯 Wが図中白抜き矢符方向に 搬送され、その搬送された金属帯 Wは、ブレークダウンスタンド, クラスタスタ ンド及びフィンパススタンドの各成形ロールによって 除々に円筒状に成形される。そして、高周波加熱部 2 によって、溶 接すべき金属帯 Wの端部 W し W 1 を予熱する。予熱後の金属帯 W は、その端部 W l , W 1 がスクイズロール 7, 7にて確実に突き合 わせられながらレーザ溶接部 3にて接合されて溶接管 Pとなる。製 造された溶接管 Pは下流側に搬送され、ビード切削部 4 の固定バイ ト 5 によって、溶接ビードが切削除去される。

なお、高周波加熱部 2における予熱パワーは、第 1 調整部 9 によ り調整され、製造ラインにおける金属帯 W (溶接管 P ) の搬送速度 は、第 2調整部 10により調整される。これらの調整により、レーザ 溶接前における金属帯 Wの端部 W 1 , W 1 の温度 Tが下記( 2 ) を 満たすように、その端部 W l , W 1 が高周波加熱部 2にて予熱され o

T≥ 380 X e X p ( 8. 4 X t X a し 3 ) …( 2 ) 但し、

T :レーザ溶接前の端部 Wし W 1 の温度(), t :レーザ溶接から溶接ビード切削までの時間

(レーザ溶接部 3からビード切削部 4 までの搬送時間)(分), a :金属帯 Wの厚さ(m m )

第 2図は、各種溶接方法における溶接部の温度降下の関係を示す グラフである。 このグラフは、供試材を 10m /分の搬送速度で送つ た場合の溶接点を 「 0」とし、この点から下流へ移動した際の距離 を横軸に示し、溶接部中心の温度を縦軸に示したものである。第 2 図に示すグラフは、予熱を加えない従来のレーザ溶接法 (図中実線 a ) 、本発明による予熱( 600 V ) を加えたレーザ溶接法(図中破 線 b ) 、及び、本発明による予熱(1 100°C ) を加えたレーザ溶接法 (図中一点鎖線 c ) の 3種類の溶接方法における温度変化を示して いる。但し、グラフは実測値ではなく、伝熱計算値をプロッ卜した ものである。なお、本発明による予熱温度とは、レーザ溶接前の金 属帯の端部の温度を表している。

予熱処理を加えない従来のレーザ溶接法 (図中 a ) では、予熱処 理を加える本発明のレーザ溶接法 (図中 b, c ) に比べて、溶接部 中心の温度は同じであるが、 温度低下の変化が極めて急であり、こ のことが溶接ビー ドが固くなって切削不可能となるという従来の問 題点の原因となっている。

予熱処理を加える本発明のレーザ溶接法 (図中 b, c ) では、温 度低下の勾配が緩やかであるので、 溶接ビ一ドの硬化を遅らせるこ とができ、同じ位置に切削部を設けた場合に、従来のレーザ溶接法 では切削できなかつた溶接ビー ドも本発明では固定バイトなどの切 削工具で容易に切削除去できることになる。 また、非オーステナイ ト鋼の場合、予熱を与えることによって、溶接ビードの冷却速度が 遅くなり、マルテンサイト変態しなくなり、切削性が向上する。本 発明の 2例を比較すると、予熱温度が高い(1100eC) 方が温度低下 の勾配がより緩やかであり、 溶接ビ一ドの切削がより容易であるこ とを表している。

次に、レーザ溶接管の製造方法のテスト結果について第 3図〜第 1 7図を参照して説明する。テスト結果を示す第 3, 4 , 6 , 7 , 9 , 1 0 , 1 2 , 1 3, 1 5 , 1 6図の表において、供試材の外径 d (mm) は、溶接管の仕上がり外径を表す。また、供試材の厚さ a (mm) は、金属帯 Wの厚さ(製造される溶接管の仕上がり肉厚) を表す。また、予熱温度 T (°C) は、レーザ溶接前の金属帯 Wの端 部 W 1 , W 1 の温度を表す。また、溶接速度(mZ秒)は、金属帯 W (溶接管 P ) の搬送速度を表す。また、レーザ出力( kW) はレ 一ザ溶接部 3の出力を表す。また、切削位置(m) は、レーザ溶接 部 3からビー ド切削部 4 までの距離を表す。また、切削までの時間 t (秒)は、レーザ溶接から溶接ビード切削までの時間(レーザ溶 接部 3からビード切削部 4 までの溶接管 Pの搬送時間)を表す。ま た、切削可否は、実際にビード切削部 4にて溶接ビードの切削を行 えたか (〇)否か( X ) を表す。更に、条件可否は、上述した条件

( 2 ) を満たすか(〇)否か( X ) を表す。なお、各テスト結果に は、シミュレーションによるテスト結果も含まれている。

第 5, 8 , 1 1 , 1 4 , 1 7図のグラフは、それぞれ第 3 , 4 , 第 6 , 7 , 第 9 , 1 0,第 1 2 , 1 3,第 1 5 , 1 6でのテスト結 果に基づいて、予熱温度 Tを横軸に、切削までの時間 t を縦軸にし て、切削の可否(切削可は〇,切削不可は鲁)を示している。

(第 1 テスト例)

第 1 テスト例の結果を、第 3図,第 4図及び第 5図に示す。第 1 テス ト例の条件は以下の通りである。

供試材:外径 d ( = 50.8mm) x厚さ a ( = 6 mm) ,

炭素鋼 (0.06% C— 1.2 %M n及び N b, N i 添加 米国石油規格 A P I 用ラインパイプ用 X - 60相当材) 予熱部:高周波加熱

溶接部:炭酸ガスレーザ加工機

切削部:超硬チップによる固定式バイト

(第 2テスト例)

第 2テスト例の結果を、第 6図,第 7図及び第 8図に示す。第 2 テス ト例の条件は以下の通りである。

供試材:外径 d ( = 50.8mm) x厚さ a (= 3 mm) ,

炭素鋼 (0, 06% C - 1.2 %M n及び N b , N i 添加 米国石油規格 A P I 用ラインパイプ用 X— 60相当材) 予熱部:高周波加熱

溶接部:炭酸ガスレーザ加工機

切削部:超硬チップによる固定式バイト

(第 3テスト例)

第 3テスト例の結果を、第 9図,第 1 0図及び第 1 1 図に示す。 第 3テスト例の条件は以下の通りである。

供試材 :外径 d ( = 114 mm) x厚さ a ( = 6 mm) ,

炭素鋼 (0.06% C— 1,2 %M n及び N b , N i 添加 米国石油規格 A P I用 ラインパイプ用 X - 60相当材) 予熱部 :高周波加熱

溶接部 :炭酸ガスレーザ加工機

切削部 :超硬チップによる固定式バイト

(第 4テスト例)

第 4 テスト例の結果を、第 1 2図,第 1 3図及び第 1 4図に示す, 第 4 テスト例の条件は以下の通りである。

供試材 :外径 d ( = 114 mm) x厚さ a ( = 12.7mm) ,

炭素鋼 (0.06% C - 1.2 %M n及び N b , N i 添加 米国石油規格 A P I 用ラインパイプ用 X - 60相当材) 予熱部:高周波加熱

溶接部:炭酸ガスレーザ加工機

切削部:超硬チップによる固定式バイト

(第 5テスト例)

第 5テスト例の結果を、第 1 5図,第 1 6図及び第 1 7図に示す ( 第 5テスト例の条件は以下の通りである。

供試材:外径 d ( = 50.8mm) x厚さ a ( = 6 m m ) ,

ステンレス鋼 ( S U S 3 0 4相当材)

予熱部:高周波加熱

溶接部:炭酸ガスレーザ加工機

切削部:超硬チップによる固定式バイト

以上の各テスト例の結果から、上述の条件( 2 ) を満たす場合に は溶接ビー ドの実際の切削を行え、条件( 2 ) を満たさない場合に は溶接ビー ドの切削を行えない。従って、条件( 2 ) における供試 材としての金属帯 Wの厚さ aに鑑みて、高周波加熱部 2での予熱の 程度とレーザ溶接から溶接ビー ド切削までの時間 t とを調節して、 レーザ溶接前の金属帯 Wの端部 W l , W 1 の温度 Tが条件( 2 ) を 満足するようにすれば、 溶接ビードを切削除去できて、溶接管 Pの 仕上がり寸法の精度を向上できる。

上述したように、レーザ溶接管の製造において溶接ビードを切削 できるか否かは、 レーザ溶接から溶接ビード切削までの時間に依存 するところが大きい。 よって、レーザ溶接位置が固定の場合に、溶 接ビー ド切削位置を可変とすると、操作性は向上する。

以下に述べる実施例は、この点に鑑みて、移動可能な切削工具を 備えた例であり、第 1 8図にその構成を示す。切削工具としての固 定バイ ト 5及びこれを保持する工具ホルダ 6を有するビード切削部 4をスライダ 17に取付け、このスライダ 17を水平べッド 18に沿って, 且つライ ン方向に往復移動可能としたものである。なお、第 1 図と 同一部分には同一番号を付して説明を省略する。

金属帯 Wは、図中白抜矢符方向に搬送されて、前述した第 1 図の 場合と同様に、高周波加熱部 2による予熱処理,レーザ溶接部 3に よるレーザ溶接処理, ビード切削部 4 による切削処理を施されて、 溶接管 Pが製造されるが、 ビード切削部 4 (固定バイト 5 ) が図中 矢符に示すように搬送ライ ンに対して平行に移動可能である。

よって、本例では、例えば搬送速度が遅い場合に、ビ―ド切削部 4 (固定バイト 5 ) を搭載するスライダ 17をレーザ溶接部 3側に移 動させて、実質的にレーザ溶接から溶接ビード切削までの時間を短 縮して、溶接ビードを切削できるようにすることが可能である。

また、第 1 9図は、切削工具を移動可能であるように構成した他 の実施例のレーザ溶接管の製造装置の構成図であり、 第 1 9図にお いて第 1 図と同一部分には同一番号を付している。本例では、管状 の金属帯 Wの内部を長手移動可能に挿入されたマン ドレル 21の先端 に、切削工具である固定バイト 5を取付けている。本例も、第 1 8 図に示す例と同様の効果を奏すると共に、 ころ 22を支点に上下へ揺 動することで固定バイト 5の切込量を調整することも可能である。 溶接ビードを切削する切削工具の他の例について説明する。第 2 0図 (A ) 〜( C ) は回転式ビード切削工具の実施例を示す図であ り、第 2 0図(A ) において回転式切削工具 30は、ハウジング 31と ベアリング 32とリングカツ夕 33とを有し、第 2 0図( C ) に示すよ うに、管状の金属帯 Wの軸直角軸に対して平面視で角度 0だけ傾斜 •した状態でセットされ、金属帯 Wの押力を受けたリングカッ夕 33は 分力で自転する。従って第 2 0図( B ) に示すように、リングカツ 夕 33は溶接ビードの外面を切削する。

なお、本発明例では、切削工具として固定バイト 5 , リング力ッ 夕 33について説明したが、フライスカツ夕,ミーリングカツ夕等他 の切削工具を使用しても良いことは勿論である。

産業上の利用可能性

以上のように、 本発明のレーザ溶接管の製造方法では、金属帯の 被溶接端部を予め加熱した後にレーザ溶接製管し、 この溶接部の外 面及び または内面の溶接ビー ドを切削工具を用いて溶接直後に切 削除去するようにしたので、溶接前に予熱して溶接部の急冷を抑え て溶接ビードの急激な硬化を防止し、レーザ溶接法であるにも拘わ らず、溶接ビードの切削が可能となり、溶接管の仕上り寸法の精度 を上げることができる。なお、レーザ溶接時のレーザ出力が大きい ほど溶接速度を高速にするこ とが可能となるので、切削位置,予熱 温度の選択範囲を拡大するこ とができる。

また、本発明のレーザ溶接管の製造装置では、切削工具を移動可 能に設置したので、 レーザ溶接から溶接ビード切削までのの時間が 可変となり、例えばライン速度が小さい場合には、切削工具を溶接 位置に近づけるこ とにより、溶接ビードの切削を可能にする。