(57)【要約】【課題】高い形状精度、寸法精度及び表面品質が得られる高効率な金属管の製造方法の提供、特に環境問題を考慮して潤滑材を使用しない金属管の製造方法の提供。【解決手段】直線継目溶接管における管断面の拘束が少ない問題点は、回転ロールに起因することから、クラスターロール、スクイズロール、サイジングロールの換わりにダイス・シューを使用すること、あるいは前記ロールとともにダイス・シューを併用することで問題を解消でき、また、ロール、ダイス、シューに超音波振動を加えることで被加工材、金属管との摩擦を著しく低減でき、さらには、該振動がダイスやシュー等の表面に伝達して表面進行波を形成するよう構成することで被加工材、金属管への駆動力を付与でき、従来と比較して、より高精度、高品質の金属管を容易に製造できる。【選択図】　　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロール成形又はダイス・シューを用いた成形あるいはこれらを併用した成形による塑性変形工程と溶接工程を含む直線継目溶接金属管の製造方法において、採用したロール、ダイス、シューの全てあるいはその一部に超音波振動を加える金属管の製造方法。
【請求項２】
連続製造プロセスのうち少なくともクラスターロール工程のクラスターロール、又は前記クラスターロールに相当するダイス・シューに超音波振動を加える請求項１に記載の金属管の製造方法。
【請求項３】
連続製造プロセスのうち少なくともスクイズロール工程のスクイズロール、又は前記スクイズロールに相当するダイス・シューに超音波振動を加える請求項１に記載の金属管の製造方法。
【請求項４】
連続製造プロセスのうち少なくともサイジングロール工程のサイジングロール、又は前記サイジングロールに相当するダイス・シューに超音波振動を加える請求項１に記載の金属管の製造方法。
【請求項５】
加えられた超音波振動がダイス、シュー表面に管の進行方向の表面進行波を形成している請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロール成形あるいはダイス・シューを併用した成形工程による直線継目溶接金属管の製造において、例えばクラスターロール工程、スクイズロール工程、サイジングロール工程等で使用するロール、ダイス、シューに超音波振動を加えることにより、高い形状精度、寸法精度及び表面品質が得られる高効率な管の製造方法、さらには環境に優しい金属管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管を始めとする金属管、特に一般的な直線継目溶接管の製造には、金属帯材をロール成形により塑性変形させて帯材の両端縁を突き合わせた筒状に成形する工程、並びに前記両端縁同士を、高周波溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接など様々な溶接方法で突合せ溶接して管となす溶接工程、その後管の真円度を修正して仕上げるサイジング工程を経て金属管となすロール成形による製造方法が採用されている。
【０００３】
ロール成形による金属管の製造工程の一例を説明すると、図１に示すごとく、金属帯材１をブレークダウンロール群２により帯材の両端縁を円弧状に曲げ成形し、次いでクラスターロール群３にてより略円筒状に成形し、さらにフィンパスロール群４により円筒状に成形する。次に突合せ溶接するため、ここでは被加工帯材１に加熱コイル５を巻いて高周波電源６を印加して端縁部を加熱し、スクイズロール７にて両端縁同士を突合せ溶接する。その後、サイジングロール群８にて管の真円度を修正して仕上げる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した製造方法では、ロールが主な成形工具として使用される。ロールが回転体であるため、ロールを回転駆動することによって被加工帯材に推進力を付与することができる。また、駆動する必要がない場合は、被加工帯材の進行速度と同様またはそれに近い周速で自由に回転できるので、被加工帯材が傷つき難いという利点がある。
【０００５】
しかしながら、ロールを使用する場合は、拘束する被加工帯材との接触面積が少なく、また拘束形態も長手方向の位置によって異なる。特に、被加工帯材を長手方向に沿って連続的に拘束することができない。このようなデメリットは、管の成形および製品の形状精度、寸法精度に悪影響を与えることがある。
【０００６】
例えば、被加工帯材を長手方向に沿って連続的に拘束することができないため、薄肉材を成形する際に、材料の弾性回復挙動の影響を受けやすく、金属帯材に縁波が発生し、前記突合せ溶接ができない場合がある。
【０００７】
また、溶接後のサイジング工程では、管断面各部位を拘束するロールカリバーの各部分の径がそれぞれ異なるため、管断面の各部位が受ける変形履歴もそれぞれ異なり、不均一な残留応力の分布となる。その結果、ロール拘束が無くなった後、あるいは管が切断された後、管断面が不均一に変形して、高い形状精度、寸法精度を得られない問題がある。現状では、公差が０．１ｍｍ以下の外径寸法精度を得ることは非常に難しい。
【０００８】
上述した薄肉成形時の問題点を解決するには、ロールの全て又は一部の代わりに、シューを用いる成形方法が提案（特開平８−１８７５１６）されている。この方法は、被加工帯材をシューで長手方向に沿って連続的に拘束することができるため、材料の弾性回復挙動を有効に抑止し、かつ被加工帯材の幅断面を滑らかに成形することが可能である。
【０００９】
また、特願平９−３１７３０８は、従来のサイジングロールの代りに押出しおよび引抜き加工が可能なダイスを用いて管の定形を行う方法を開示している。管軸方向にほぼ同じ拘束形態を形成できるため、前記残留応力の問題を解決しやすく、従来より格段に高い製品の形状精度、寸法精度が得られる。さらに、ダイスの取付けが簡単で、必要な段数も少なくなるため、工具交換作業を大幅に簡素化することが可能である。
【００１０】
しかし、シューやダイスを工具として使う場合は、工具自体が静止なので、被加工材に推進力を加えられないこと、また、被加工帯材と工具との間に相対滑り速度が大きいため、適切な潤滑を行っても、ロールに比べて工具の摩耗が激しく、製品表面傷が発生し易い問題がある。従って、通常、シューおよびダイスの使用は、上述の提案ごとく薄肉材または成形速度が遅い場合に限られていた。
【００１１】
一方、回転ロールの場合でも、ロールと被加工帯材との間に相対滑りが全くないわけでもない。つまり、ロール全体は同じ角速度で回転するが、ロール表面の各部位の回転半径が異なり、対応する線速度もそれぞれ異なる。そのため、被加工帯材の進行速度と同じ線速度を持つロール表面部位以外のロール表面都分と被加工帯材との間には、常に相対滑りが存在する。また、ロールと接触する被加工帯材局部は複雑な変形挙動を有し、その移動速度および方向は必ずしも被加工帯材全体の進行速度および方向とは一致しない。そのため、ロール表面部位の線速度方向と垂直する方向に相対滑り（横滑り）が大きく発生することがあり、左右の力のバランスが崩れ、捩れ現象が起きる場合がある。
【００１２】
これまでは、ロール表面各部位の線速度差及び横滑り現象をなるべく少なくするようにロールを設計し、また適切な潤滑材を使用することによって対応しているが、上記問題はロール成形による本質的なものであり、これらの手段では完全に解決することは不可能である。そのため、製品管表面にロールマークあるいはロール傷が発生する場合がある。
【００１３】
また、製品の用途や溶接方法などによっては、潤滑材すら使用できないケースもある。さらに、環境に対する潤滑材の悪影響に着目する場合は、使用する潤滑材の量を極力減らすか、あるいは完全に使用しないことが求められる。かかる問題は、シューやダイスを用いた場合に対しても同様であって、環境問題を考慮すると、今後は潤滑材を使用しない方法が主流となる。
【００１４】
この発明は、上述の発明者らの考察に明らかなように、ロール成形、あるいはシューやダイスを用いた成形による金属管の製造方法における問題点を解消して、高い形状精度、寸法精度及び表面品質が得られる高効率な金属管の製造方法の提供、特に環境問題を考慮して潤滑材を使用しない金属管の製造方法の提供を目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上述したように金属管の連続製造において、ロール、シュー及びダイスを工具とした場合の利点、欠点を明らかにした。そこで、発明者らは、管製造プロセスの各工程の特徴に応じて、上述した各種工具を合理的に組合せて使用し、それぞれの利点を融合すれば、今までに比べてより高精度、高品質の金属管を容易に製造することが可能であることに着目した。
【００１６】
例えば、クラスターロールあるいはスクイズロールの代りにダイスを使用することにより、長手方向に沿って、成形中、あるいは溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束・加圧することができる。また、サイジングロールに代ってダイスを用いることにより、現状の定形工程における前述の多くの問題点を解決することが可能になる。
【００１７】
しかし、このような技術融合を可能にするには、まず、シュー及びダイスの静止工具と被加工材との相対滑りによる工具の摩耗と製品表面傷などの問題点を解決しなければならない。これらの問題点の根底は、工具と被加工材との接触界面に発生する摩擦力にある。
【００１８】
発明者らは、現状の直線継目溶接管における多くの問題点は、回転ロールを拘束工具として用いることに起因することに着目し、これに換わる手段を種々検討した結果、例えばクラスターロール、スクイズロール、サイジングロールの換わりにダイス・シューを使用すること、あるいは前記ロールとともにダイス・シューを併用することで目的が達成できることを知見し、また、使用するロール、ダイス、シューに超音波振動を加えることで被加工材、金属管との摩擦を著しく低減でき、さらには該振動がダイスやシュー等の表面に伝達して表面進行波を形成するよう構成することで被加工材、金属管への駆動力を付与でき、従来と比較してより高精度、高品質の金属管を容易に製造できることを知見し、この発明を完成した。
【００１９】
すなわち、この発明は、ロール成形又はダイス・シューを用いた成形あるいはこれらを併用した成形による塑性変形工程と溶接工程を含む直線継目溶接金属管の連続製造プロセスにおいて、採用したロール、ダイス、シューの全てあるいはその一部に超音波振動を加えることを特徴とする金属管の製造方法である。
【００２０】
また、この発明は、上記構成の製造方法において、加えられた超音波振動がダイス、シュー表面に管の進行方向の表面進行波を形成していることを特徴とする金属管の製造方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明による金属管の製造方法の実施態様を説明すると、先に図１で説明したロール成形による塑性変形工程と溶接工程を含む直線継目溶接金属管の連続製造プロセスにおいて、ブレークダウンロール群２、クラスターロール群３、フィンパスロール群４、スクイズロール７、サイジングロール群８のうち、いずれかの工程のロール群の全てのロール又はそのうちの一部のロールに超音波振動を加えるように構成することにより、被加工帯材１、金属管９との摩擦を著しく低減できる。その結果、前述の摩擦に起因する諸問題が解消されることで、より高精度、高品質の金属管を容易に製造することが可能となる。
【００２２】
また、図１の直線継目溶接金属管の連続製造プロセスにおいて、ブレークダウンロール群２、クラスターロール群３、フィンパスロール群４、スクイズロール７、サイジングロール群８のうち、いずれかの工程のロール群又は選択した複数の工程あるいは全工程におけるロールを、該当工程で必要とする管断面形状を含む曲面を有したダイスやシューに置換することにより、被加工帯材１を長手方向に連続的に拘束、加圧可能にし、さらに採用したダイスやシューに超音波振動を加えるように構成することにより、管との摩擦を著しく低減できる。その結果、前述の回転ロールを拘束工具として用いることに起因する問題、該工具と管との摩擦に起因する諸問題が解消されることで、より高精度、高品質の金属管を容易に製造することが可能となる。
【００２３】
次に、図１の連続製造プロセスにおいて、同様の高周波溶接の場合に、スクイズロール７に換えてシュー１０，１０を使用する例を説明する。従来は、一対のスクイズロール７，７の回転中心軸を結ぶ直線上の直前を溶接点として、帯材１の両端縁間にＶシェープ角を形成しており、該ロールの上流側に配置される加熱コイル５で両端縁を加熱、溶解し、スクイズロール７，７で溶接点前後の管断面を拘束、加圧することで溶接する。
【００２４】
しかし、管の断面が溶接点を通過した直後にスクイズロールからの拘束力が無くなるため、弾性回復挙動により溶接部の周方向に引張応力が発生することになる。また、高周波溶接の場合は、加熱コイルあるいは接触子から溶接点までの距離が短いほど、電流の損失が少なくて溶接効率が高くなるが、スクイズロールとの干渉により、物理的に可能な最短接近距離はスクイズロール径に依存する。さらに、溶接点を安定させるには、溶接点付近のＶシュープ角を大きくする必要があるが、このＶシェープ角の大きさもスクイズロール径によって制限される。
【００２５】
図２に示す高周波誘導溶接装置は、管状となった被成形帯材１を覆うように当接配置される一対のシュー１０，１０を有し、シュー１０の内周面は半円外周面と相似形の凹面を有し、一対のシュー１０，１０の上流側端の近傍を結ぶ直線上に溶接点１１が来るように設定され、帯材１の両端縁間に所要のＶシェープ角１２を形成しており、上流側に配置される加熱コイル５で両端縁を加熱、溶解し、シュー１０，１０で溶接点１１及びそれ以降の管断面を拘束、加圧して溶接を完了する構成である。
【００２６】
スクイズロール７に換えて図２に示すごとくシュー１０，１０を使用する構成を採用することにより、加熱コイル５あるいは接触子と溶接点１１との接近距離を従来より大幅に縮小し、溶接効率を格段に向上させることができる。さらに、Ｖシェープ角１２の大きさに対する工具手段の幾何学的な制約も緩和されるため、従来より大きなＶシェープ角を容易に形成できる。
【００２７】
また、前記一対のダイス１０，１０は、管の進行方向に分割し位置調整可能な保持装置に取付け、金属管に対する拘束の度合と圧力の強さを調整可能に構成してある。また、各ダイス１０の帯材１と接触しない外周部には圧電体からなる超音波振動子１３がそれぞれ設けてある。
【００２８】
ここでは、圧電体からなる超音波振動子１３に交流電圧を加えると超音波振動が発生し、この振動がダイス表面に伝達し、表面進行波を形成させる。図３に示すように、溶接中の被成形帯材１、すなわち金属管体と接触するダイス１０の表面に、管の移動速度と同じ方向に進行する超音波を発生させると、超音波振動を加えない時のダイス１０表面（Ａ）の直線から、超音波振動を加えた時のダイス１０表面（Ｂ）の曲線に変化し、すなわちダイス１０表面の各物質点が楕円軌道を描き、最高点に達している物質点とその近傍のみが金属管と接触することになる。
【００２９】
さらに、管の移動方向におけるこれらの物質点の振動速度が管の移動速度と同じになると、管とダイスとの相対滑りが消滅しており、摩擦による強い抵抗力もなくなり、よって溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束・加圧することが可能であるから、溶接品質にすぐれた金属管が得られる。このような管とダイスとの相対滑りが消滅した状態では、ダイスと管体との接触界面における摩擦力より、金属管に一定の推進力を与えることも可能となる。
【００３０】
さらに、図１の連続製造プロセスにおいて、サイジングロール群８に適用する例を説明する。図４に示すごとく、従来のサイジング工程では、通常、中心軸が管軸線に垂直する同一の平面に配置される２方ロールまたは３方ロールまたは４方ロールが、管外表面のほど全周を抱くような孔型を形成し、金属管に絞り変形を加える。また通常、上記サイジングロールを管軸方向に沿って複数段配置し、管断面を逐次に所定の形状、寸法に絞っていくことになる。
【００３１】
しかしながら、ロールを成形工具とする場合は、管断面各部位を拘束するロールカリバーの各部分の径がそれぞれ異なるため、管断面の各部位が受ける変形履歴もそれぞれ異なり、不均一な残留応力の分布となる。その結果、ロール拘束が無くなった後、あるいは管が切断された後、管断面が不均一に変形し、必要な真円度などを得難くなる。さらに、製品形状、寸法精度を決める最終工程であるため、上流の他工程のように、寸法の異なる製品の成形にロールを兼用することは極めて困難であり、現状では、製品外径毎にロール交換、調整作業が必要である。
【００３２】
図５は、この発明による適用例であり、サイジングロールの代りにダイス３０を用いることにより、金属管９に絞り変形を加えながら定形（サイジング）を行うことができ、製品形状、寸法精度が向上する。図示のように一体型のダイスを用いれば、ダイス３０の取付けと調整が極めて簡単になる。また、管の周方向に複数個に分割したダイスを位置調整可能な保持装置に取付け、金属管９に対する絞りの度合を調整する構成を採用すると、効率の良いサイジングが可能となり、寸法の異なる製品の成形にダイスを兼用することも可能となる。
【００３３】
また、金属管９と接触しないダイス３０の一部の表面に圧電体３１を取付けて超音波振動を発生させる。この振動は前述の図３のと同様にダイス３０表面に伝達し、ダイス３０と金属管９との接触界面で管の進行方向に伝播するような表面進行波を形成する。さらに、金属管９の進行速度に応じて、金属管９とダイス３０の物質点との相対滑りがなくなるように超音波の振幅と周波数を選ぶことができる。
【００３４】
この発明において、ロール、ダイス、シューに超音波振動を加えるのは、摩擦し合う二つの表面間に超音波振動を印加すると摩擦力が低下する現象を利用してダイスと金属管体との摩擦を大幅に低減するもので、ダイスの形状、材質等を考慮して超音波振動子の着設位置、振動数などを適宜選定することが可能である。また、前述のごとく、超音波振動を印加して表面進行波を形成することで、管とダイスとの相対滑りを極力抑えることも可能となる。なお、超音波振動子には公知の圧電型構成などいずれの構成の振動子も採用することが可能である。
【００３５】
以上には、溶接工程のスクイズロール、サイジング工程のサイジングロールの各ロールをシュー、ダイスに換えて溶接、成形する例を説明したが、他の工程のロールの場合も同様の作用効果が得られ、またロール、シュー、ダイスを適宜組み合せることで、製品形状、寸法精度の向上を図ることができる。さらに、超音波振動を加える場合の作用効果は、ロールであっても上述のシュー、ダイスと同様である。
【００３６】
【実施例】
実施例１
図６に示す成形部の構成は、図１の従来のロール成形と同様であるが、被加工帯材１の断面の立上げが激しくて横滑りが最も大きいクラスクロール群３において、各クラスクロールに超音波振動子２１を装着し、被加工帯材１との面圧方向に振幅成分が現れるように超音波振動を加える構成となしてある。
【００３７】
超音波振動を加えるよう構成したクラスクロール群３を用いることで、被加工帯材１と各クラスタロールとの間に発生する摩擦を極力軽減することができ、ロールマークなどの表面欠陥を防ぐと共に、捩れなどの不安定現象を有効に抑止できた。
【００３８】
実施例２
図７に示す成形部の構成は、図１の造管設備と比較して、薄肉成形時に縁波が生じ易いクラスタロール群３に換えてシュー２０を使用し、また終段のサイジングロール群８に換えて図５で説明したダイス３０を用い、帯材１から金属管９への成形、溶接、定形の各工程を行う構成からなる。
【００３９】
シュー２０には、超音波振動子２１を装着して被加工帯材１との面圧方向に振幅成分が現れるように超音波振動を加える構成となしてある。また、終段のサイジング工程では、金属管９と接触しないダイス３０の一部の表面に圧電体３１を取付けて、ダイス３０と金属管９との接触界面で管の進行方向に伝播するような表面進行波を形成し、駆動するブレークダウンロール群２とフィンパスロール群４と共に必要な推進力を提供するよう構成してある。
【００４０】
このようなロール、シュー、ダイスの各加工工具の組合せにより、図１の造管設備と比較して、潤滑材を使用することなく、成形可能な製品サイズの限界を広げることが可能で、より高品質、高精度の製品を製造することができた。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は、従来のロール成形による金属管の製造における問題点をシューやダイスを用いた成形により解消し、またロール成形あるいはシューやダイスを用いた成形による摩擦などの問題点を超音波振動を効果的に作用させることで解消しており、実施例に明らかなように、潤滑材を使用することなく、高い形状精度、寸法精度及び表面品質が得られる高効率な金属管の製造方法の提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の金属管の製造方法を示す、造管設備の上面説明図である。
【図２】この発明による溶接工程にシューを用いた溶接装置の上面説明図である。
【図３】表面進行波を加えた時の金属管とダイス（シュー）との接触状態を示す説明図である。
【図４】Ａ〜Ｃは従来のサイジング（定形）工程おけるサイジングロールの配置を示す説明図である。
【図５】この発明による超音波振動を加えたダイスを用いた管のサイジング装置を示す説明図である。
【図６】クラスタロール群に超音波振動を加えた構成からなる造管設備の上面説明図である。
【図７】この発明による金属管の製造方法を示す、造管設備の上面説明図である。
【符号の説明】
１　金属帯材
２　ブレークダウンロール群
３　クラスターロール群
４　フィンパスロール群
５　加熱コイル
６　高周波電源
７　スクイズロール
８　サイジングロール群
９　金属管
１０，２０　シュー
１１　溶接点
１２　Ｖシェープ角
１３，２１　超音波振動子
３０　ダイス
３１　圧電体
Ａ　超音波振動を加えない時のダイス表面
Ｂ　超音波振動を加えた時のダイス表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004114118.tif 000008
【図７】
2004114118.tif 000009