(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続して加熱された鋼帯を管状に成形して、前記鋼帯の両エッジ部を互いに対向させた後、前記両エッジ部を鍛接ロールで衝合鍛接して鍛接鋼管を製造する鍛接鋼管の製造方法において、前記鍛接ロールの下流側にて前記鍛接鋼管の内面および／または外面の鍛接衝合部にビーム幅３〜20mmのレーザを照射して、前記鍛接衝合部の表面すじを低減することを特徴とする鍛接鋼管の製造方法。
【請求項２】
前記レーザを照射して、前記鍛接衝合部の表面温度を前記鋼帯の融点以上に加熱することを特徴とする請求項１に記載の鍛接鋼管の製造方法。
【請求項３】
前記レーザのビーム幅を５mm以上とすることを特徴とする請求項１または２に記載の鍛接鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡管や押し拡げ等の機械加工を施して得られる加工品（たとえばメカニカル継ぎ手等）に好適な鍛接鋼管の製造方法に関し、特に機械加工を容易に行なうことを可能にする加工性に優れ、かつ鍛接衝合部の品質にも優れた鍛接鋼管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の鍛接鋼管の製造設備の例を模式的に示す配置図である。図３中の矢印Ａは鋼帯１の進行方向を示す。
従来から鍛接管は、図３に示すように、所定の幅の鋼帯１を加熱炉２に装入して連続的に1100〜1300℃の温度範囲に加熱した後、成形ロール３で管状に成形して、鋼帯１の両側のエッジ部を互いに対向させ、さらにその高温の両エッジ部を鍛接ロール４で突き合わせて接合する（以下、衝合鍛接という）ことによって製造される。なお、鍛接ロール４の入側に吹付ノズル５を配設して、その吹付ノズル５から酸素または空気を吹付けながら衝合鍛接を行なうのが鍛接鋼管10の一般的な製造方法である。
【０００３】
このようにして製造した鍛接鋼管10は、引き続きストレッチレデューサ（図示せず）で所定の外径、肉厚に絞ることによって、様々な寸法の鍛接鋼管を高能率で製造することができる。
ところが鍛接鋼管10においては、衝合鍛接によって接合した部位８（以下、鍛接衝合部という）が長手方向に存在し、鍛接鋼管10の表面（内面および外面）には鍛接衝合部８に沿って、深さ0.1〜0.3mm程度のすじ状の疵9a、9b（以下、表面すじという）が発生し易い。表面すじ9a、9bが発生した鍛接鋼管10は、機械加工（たとえば拡管、押し拡げ等）を行なうことによって、鍛接衝合部８に沿って割れを引き起こすという問題がある。
【０００４】
鍛接衝合部８に発生する表面すじは、衝合鍛接を行なう前に、
(a)熱延コイルをスリットして所定の幅を有する鋼帯１を切り出す、
(b)鋼帯１をローラーコンベアで搬送する、あるいは管状に成形する、
(c)衝合鍛接の直前に吹付ノズル５から酸素または空気を吹付ける
ことによって、鋼帯１のエッジ部に生じるダレが原因であると考えられる。つまりエッジ部のダレが、衝合鍛接を行なった後もすじ状に残留した疵が表面すじ9a、9bである。また、衝合鍛接を行なう際に、
(d)両エッジ部の突き合わせの段差（いわゆる目違い）が生じる
ことも表面すじ9a、9bの原因となる。
【０００５】
鍛接鋼管10の鍛接衝合部８の品質を向上して、表面すじ9a、9bを防止すれば、メカニカル継ぎ手等の加工品の歩留り向上、生産性向上、変形性能向上等の多大な効果が得られる。そこで、表面すじ9a、9bを防止するために、種々の技術が検討されている。
たとえば特許文献１には、鍛接ロールとストレッチレデューサとの間で、鍛接衝合部の外面を切削除去して、表面すじを防止する技術が開示されている。この技術は、鍛接鋼管の外面の表面すじを除去することは可能であるが、内面に表面すじが残留するのは避けられない。
【０００６】
特許文献２には、高速燃焼炎を吹付けて両エッジ部を加熱しながら衝合鍛接を行なう技術が開示されている。特許文献３には、レーザを照射して両エッジ部を加熱しながら衝合鍛接を行なう技術が開示されている。特許文献４には、プラズマアークで両エッジ部を加熱し、さらに酸素を吹付けながら衝合鍛接を行なう技術が開示されている。これらは、いずれも上記した(c)に起因する表面すじを防止する技術であるが、その他の原因で発生する表面すじを防止することは困難である。
【０００７】
特許文献５には、鋼帯のエッジ部を切削加工し、さらに所定のアップセット率を保ちながら衝合鍛接を行なう技術が開示されている。この技術は、上記した(a)に起因する表面すじを防止することは可能であるが、その他の原因で発生する表面すじを防止することは困難である。
特許文献６は、鍛接鋼管の製造技術ではないが、高周波抵抗溶接した後にビードを切削除去し、得られた電縫鋼管を加熱してストレッチレデューサで所定の寸法に絞る技術が開示されている。電縫鋼管のビードの切削除去は室温で行なうので、設備機器の耐熱性を確保する必要はない。そのため特許文献６に開示された切削技術を鍛接鋼管に適用して、高温の鍛接衝合部を切削する場合には、設備機器が高温環境に曝されることによって、故障が発生し易くなり、鍛接鋼管の製造に支障をきたす。
【０００８】
つまり表面すじは様々な原因で発生するものであるから、内面と外面ともに鍛接衝合部に表面すじのない鍛接鋼管を得る技術は、確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平3-248715号公報
【特許文献２】特開平10-277636号公報
【特許文献３】特開平7-32034号公報
【特許文献４】特開昭57-4319号公報
【特許文献５】特開2007-152430号公報
【特許文献６】特開昭60-15082号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、表面すじのない優れた品質の鍛接衝合部を有し、ひいては機械加工（たとえば拡管、押し拡げ等）を施しても割れが生じない加工性に優れた鍛接鋼管を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、表面すじの発生原因について研究した。そして、表面すじの発生原因が多岐にわたることから、鍛接ロールの上流側で表面すじの発生を未然に抑えることは難しいことが分かった。そこで、衝合鍛接によって発生した表面すじを、鍛接ロールの下流側にて除去する技術について詳細に検討した。その結果、管状に成形した高温の鋼帯を衝合鍛接する鍛接ロールの下流側にて、高温の鍛接衝合部の表面すじを切削工具（たとえばバイト等）で除去する場合には、
(A)設備機器の故障を防止するために耐熱性を維持する必要があるので、設備機器の構成が大規模かつ複雑になる、
(B)使用する切削工具の焼付きが発生し易いので、切削工具の寿命は短く、しかも鍛接鋼管の生産性や歩留りに悪影響を及ぼす
という問題があることを見出した。
【００１２】
これらの研究結果から、本発明者は、レーザを照射して鍛接衝合部の表層部を溶解し、その後、再び凝固させて表面すじを消失させる技術に着目した。つまり、レーザを照射することによって、切削工具を使用する必要がなくなるので、上記した(B)の問題を解消することが可能である。さらにレーザは、ガラスファイバ等の耐熱性の高い物質を介して、鍛接鋼管の内側および外側の所定の位置に転送し、さらに鍛接衝合部に照射することができるので、上記した(A)の問題も解消することが可能である。
【００１３】
表面すじの深さは0.1〜0.3mm程度であるから、レーザを照射して鍛接衝合部の表層部を溶融させることによって表面すじを溶解し、その後、再び凝固させることによって表面すじが消失した鍛接衝合部を形成することができる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、連続して加熱された鋼帯を管状に成形して、鋼帯の両エッジ部を互いに対向させた後、両エッジ部を鍛接ロールで衝合鍛接して鍛接鋼管を製造する鍛接鋼管の製造方法において、鍛接ロールの下流側にて鍛接鋼管の内面および／または外面の鍛接衝合部にビーム幅３〜20mmのレーザを照射して、鍛接衝合部の表面すじを低減する鍛接鋼管の製造方法である。
【００１４】
本発明の鍛接鋼管の製造方法においては、レーザを照射して、鍛接衝合部の表面温度を鋼帯の融点以上に加熱することが好ましい。また、レーザのビーム幅を５mm以上とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、表面すじのない優れた品質の鍛接衝合部を有し、ひいては機械加工を施しても割れが生じない加工性に優れた鍛接鋼管を製造することができるので、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用する鍛接鋼管の製造設備の例を模式的に示す配置図である。
【図２】図１におけるレーザの照射位置の例を模式的に示す断面図である。
【図３】従来の鍛接鋼管の製造設備の例を模式的に示す配置図である。
【図４】表面すじの例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明を適用する鍛接鋼管の製造設備の他の例を模式的に示す配置図である。
【図６】図５におけるレーザの照射位置の例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明を適用する鍛接鋼管の製造設備の例を模式的に示す配置図である。図１中の矢印Ａは鋼帯１の進行方向を示す。
本発明では、レーザの発振器（図示せず）から、図１に示すように、鍛接ロール４の下流側にて鍛接鋼管10の内側および外側の所定の位置にレーザ7a、7bを転送し、鍛接衝合部８の表面（内面および外面）に照射する（図２参照）。なお、レーザ7a、7bを転送するための転送用光学器材6a、6bは、レーザ7a、7bを誘導するためのガラス製の線材（たとえばガラスファィバ等）、あるいは反射や分光、集光を可能にするガラス製の鏡体やプリズム、レンズ等の従来から知られている手段を使用する。断熱構造の筒材（たとえば内部水冷複層構造材等）で、これらの光学器材を熱から保護することによって、レーザ照射が可能となる。
【００１８】
レーザ7a、7bを照射することによって、鍛接衝合部８の表面を加熱し、さらに溶融させて表面すじを溶解する。したがって、鍛接衝合部８の表面温度は、鋼帯１の融点以上に加熱することが好ましい。
その後、溶融した表層部を再び凝固させることによって、表面すじが消失した鍛接衝合部８を形成する。
【００１９】
本発明においては、レーザ7a、7bの照射によって溶融した鍛接衝合部８の溶融池の深さや形状を安定して保つ必要がある。レーザ7a、7bのエネルギ密度が大きすぎると、鍛接衝合部８の溶融池にキーホールが生じて、溶融池の形状が変動し易くなる。一方でエネルギ密度が小さすぎると、鍛接衝合部８の表層部を溶融させることが困難になる。したがってレーザ7a、7bのエネルギ密度は、104〜106Ｗ／cmの範囲内が好ましい。
【００２０】
レーザ光のエネルギ密度分布は、通常のガウス型強度分布を持つ円形ビーム（いわゆるガウシアン型集光ビーム）やトップハット形状を有する方形ビーム（いわゆるトップハット型集光ビーム）等の集光方式によって異なる。そのため、エネルギ密度Ｉは特に限定しない。
集光方式は、トップハット型を採用することが好ましい。さらに、トップハット領域における最大エネルギ密度ＩMAXと最小エネルギ密度ＩMINのばらつき（＝100×〔ＩMAX−ＩMIN〕／〔ＩMAX＋ＩMIN〕）は、30％以下とすることが好ましい。その理由は、トップハット型集光ビームを用いることで、均一なエネルギ密度の照射が可能となり、溶融池の深さをほぼ一定に保つとともに、溶融池を浅くかつ幅広くすることができるからである。その結果、高速度で造管される鍛接鋼管の表面すじを低減できる。
【００２１】
また、レーザ7a、7bのビーム幅が大きすぎると、鍛接衝合部８のみならず、その周辺が広範囲にわたって溶融されるので、鍛接鋼管10の寸法精度（とりわけ厚み）の劣化を招く。一方でビーム幅が小さすぎると、狭小の溶融池が形成されるので、鍛接衝合部８が周方向にねじれた場合に、レーザ照射領域から鍛接衝合部８が外れてしまい、その結果、表面すじが消失せず、そのまま残留する惧れがある。したがってレーザ7a、7bのビーム幅は、３〜20mmの範囲内とする。鍛接衝合部８表層部の溶融池の深さが大きすぎると、再び凝固した後の鍛接衝合部８に窪みが生じる惧れがある。一方で深さが小さすぎると、表面すじ（0.1〜0.3mm程度）が消失せず、そのまま残留する惧れがある。したがって溶融池の深さは、0.1〜0.4mmの範囲内が好ましい。
【００２２】
レーザ7a、7bの種類は、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ＣＯ2レーザ等の従来から知られているレーザを使用する。
【実施例】
【００２３】
＜実施例１＞
図１に示す製造設備に鋼帯１を連続的に供給して、鍛接鋼管10を製造した。その手順を以下に説明する。
所定の幅を有する鋼帯１を加熱炉２に装入して連続的に加熱（1300℃）した後、成形ロール３で管状に成形して、鋼帯１の両側のエッジ部を互いに対向させ、さらにその高温の両エッジ部を鍛接ロール４で衝合鍛接した。なお、鍛接ロール４の入側に配設した吹付ノズル５から酸素を吹付けながら衝合鍛接を行なった。
【００２４】
鍛接ロール４の出側では、鍛接衝合部８の表面（内面および外面）にレーザ7a、7bを照射（図２参照）して鍛接衝合部８の表層部を溶融（すなわち表面すじを溶解）し、その後、再び凝固させて、表面すじを消失させた。レーザ7a、7bのビーム幅、および溶融池の深さは表１に示す通りである。なお、鍛接No.８はレーザを照射しない例（以下、従来例という）である。
【００２５】
【表１】
0006003870.tif 000002
【００２６】
得られた鍛接鋼管（鍛接No毎にそれぞれ100本ずつ）の内面および外面の鍛接衝合部を観察して、表面すじの有無を判定した。表面すじが認められた鍛接鋼管については、表面すじの深さを測定した。その最大値と最小値を表１に示す。表１に開示した発明例のうち、鍛接No.１〜５の表面すじの深さが０mmとなっているのは、いずれの鍛接Noにおいても全ての鍛接鋼管（100本ずつ）に表面すじが認められなかったことを意味する。
【００２７】
発明例の鍛接No.６、７にて、表面すじの深さの下限値が０mmとなっているのは、100本の鍛接鋼管の中に表面すじが認められないものが、少なくとも１本あったことを意味する。鍛接No.６は、レーザ7a、7bのビーム幅が５mm未満であるために、一部の鍛接鋼管に表面すじが発生し、他の発明例である鍛接No.１〜５よりも鍛接衝合部の品質が劣る。鍛接No.７は、溶融池の深さが0.10mm未満であるために、一部の鍛接鋼管に表面すじが発生し、他の発明例である鍛接No.１〜５よりも鍛接衝合部の品質が劣る。
【００２８】
従来例である鍛接No.８の鍛接衝合部の品質が最も劣っている。
次に、これらの鍛接鋼管（鍛接No毎にそれぞれ100本ずつ）を、拡管加工の１つの形態であるフレア加工（拡管率1.5）に供した。得られた加工品の表面（特に鍛接衝合部に該当する部位）を観察して、割れの有無を判定した。その割れの発生率（％）を表１に示す。割れの発生率は下記の(1)式で算出される値である。
割れ発生率（％）＝100×割れが認められた鍛接鋼管の本数／フレア加工に供した鍛接鋼管の本数      ・・・(1)
表１に示した発明例のうち、鍛接No.１〜５の割れ発生率が０％となっているのは、いずれの鍛接Noにおいても全ての鍛接鋼管（100本ずつ）に割れが認められなかったことを意味する。発明例の鍛接No.６は、レーザ7a、7bのビーム幅が５mm未満であるために、フレア加工によって表面すじから割れが発生し、他の発明例である鍛接No.１〜５よりも加工性が劣る。鍛接No.７は、溶融池の深さが0.10mm未満であるために、フレア加工によって表面すじから割れが発生し、他の発明例である鍛接No.１〜５よりも加工性が劣る。
【００２９】
従来例である鍛接No.８の割れ発生率が最も高く、加工性が発明例よりも劣っていることが分かる。
＜実施例２＞
図５に示す製造設備に鋼帯１を連続的に供給して、鍛接鋼管10を製造した。その手順を以下に説明する。
【００３０】
所定の幅を有する鋼帯１を加熱炉２に装入して連続的に加熱（1300℃）した後、成形ロール３で管状に成形して、鋼帯１の両側のエッジ部を互いに対向させ、さらにその高温の両エッジ部を鍛接ロール４で衝合鍛接した。なお、鍛接ロール４の入側に配設した吹付ノズル５から酸素を吹付けながら衝合鍛接を行なった。
鍛接ロール４の出側では、鍛接衝合部８の外表面にレーザ7aを照射（図６参照）して鍛接衝合部８の表層部を溶融（すなわち表面すじを溶解）し、その後、再び凝固させて、表面すじを消失させた。レーザ7aのビーム幅、および溶融池の深さは表２に示す通りである。なお、鍛接No.17はレーザを照射しない例（以下、従来例という）である。
【００３１】
【表２】
0006003870.tif 000003
【００３２】
得られた鍛接鋼管（鍛接No毎にそれぞれ100本ずつ）の内面および外面の鍛接衝合部を観察して、表面すじの有無を判定した。表面すじが認められた鍛接鋼管については、表面すじの深さを測定した。その最大値と最小値を表２に示す。表２に開示した発明例のうち、鍛接No.11〜14の表面すじの深さが０mmとなっているのは、いずれの鍛接Noにおいても全ての鍛接鋼管（100本ずつ）に表面すじが認められなかったことを意味する。
【００３３】
発明例の鍛接No.15、16にて、表面すじの深さの下限値が０mmとなっているのは、100本の鍛接鋼管の中に表面すじが認められないものが、少なくとも１本あったことを意味する。鍛接No.15は、溶融池の深さが0.10mm未満であるために、一部の鍛接鋼管に表面すじが発生し、他の発明例である鍛接No.11〜14よりも鍛接衝合部の品質が劣る。鍛接No.16は、レーザ7aのビーム幅が５mm未満であるために、一部の鍛接鋼管に表面すじが発生し、他の発明例である鍛接No.11〜14よりも鍛接衝合部の品質が劣る。
【００３４】
従来例である鍛接No.17の鍛接衝合部の品質が最も劣っている。
次に、これらの鍛接鋼管（鍛接No毎にそれぞれ100本ずつ）を、偏平高さ比（＝偏平後の高さ／素管の外径）が0.5の偏平加工に供した。得られた加工品の表面（特に鍛接衝合部に該当する部位）を観察して、割れの有無を判定した。その割れの発生率（％）を表１に示す。割れの発生率は下記の(2)式で算出される値である。
割れ発生率（％）＝100×割れが認められた鍛接鋼管の本数／偏平加工に供した鍛接鋼管の本数      ・・・(2)
表２に示した発明例のうち、鍛接No.11〜14の割れ発生率が０％となっているのは、いずれの鍛接Noにおいても全ての鍛接鋼管（100本ずつ）に割れが認められなかったことを意味する。発明例の鍛接No.15は、溶融池の深さが0.10mm未満であるために、偏平加工によって表面すじから割れが発生し、他の発明例である鍛接No.11〜14よりも加工性が劣る。鍛接No.16は、レーザ7aのビーム幅が５mm未満であるために、偏平加工によって表面すじから割れが発生し、他の発明例である鍛接No.11〜14よりも加工性が劣る。
【００３５】
従来例である鍛接No.17の割れ発生率が最も高く、加工性が発明例よりも劣っていることが分かる。
【符号の説明】
【００３６】
１  鋼帯
２  加熱炉
３  成形ロール
４  鍛接ロール
５  吹付ノズル
6a  転送用光学器材（外面側）
6b  転送用光学器材（内面側）
7a  レーザ（外面側）
7b  レーザ（内面側）
８  鍛接衝合部
9a  表面すじ（外面側）
9b  表面すじ（内面側）
10  鍛接鋼管
【図１】
0006003870.tif 000004
【図２】
0006003870.tif 000005
【図３】
0006003870.tif 000006
【図４】
0006003870.tif 000007
【図５】
0006003870.tif 000008
【図６】
0006003870.tif 000009