(57)【要約】【課題】スクイズロールを使用する金属管の溶接方法の問題を解消し、溶接点付近の所謂Ｖシェープ角を大きく設定でき、かつ正確に管断面を拘束、加圧でき、溶接品質が高い直線継目溶接管を高効率で製造できる金属管の溶接方法の提供。【解決手段】スクイズロールの代りにダイスを使用し、長手方向に沿って、溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束、加圧するため、溶接結果に対する溶接点の変動などの影響を受け難くなり、溶接点以降の管の弾性回復挙動も有効に抑止でき、溶接欠陥の発生率を大幅に低減し、かつ生産性を向上させることが可能となる。さらに、ダイスに超音波振動を加え、該振動がダイス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管との摩擦を著しく低減できる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の帯材をロール成形して突き合わせた両端縁を溶接し管となす金属管の溶接方法において、溶接中または溶接完了直後あるいはその両方部位の管断面を、該管断面形状を含む曲面を有した少なくとも一対のダイスを用いて長手方向に連続的に拘束、加圧する金属管の溶接方法。
【請求項２】
ダイスに超音波振動を加えて管断面を拘束、加圧する請求項１に記載の金属管の溶接方法。
【請求項３】
超音波振動がダイス表面に管の進行方向の表面進行波を形成した請求項２に記載の金属管の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロール成形による管の製造に際して終段で実施される突き合わせ両端縁の溶接方法の改良に係り、従来のスクイズロールに換えてダイスを用い、さらにダイスに超音波振動を加えることで、溶接点付近の所謂Ｖシェープ角を大きく設定でき、かつ滑りよく管断面を拘束、加圧でき、溶接品質が高い直線継目溶接管を高効率で製造できる金属管の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロール成形と溶接を組み合せた直線継目溶接金属管の製造においては、ロール成形にて金属や合金の帯材を両端縁が対向した開口の円筒状に成形した後、前記両端縁同士を突合せ溶接する。この溶接には、高周波溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接など様々な溶接方法が使われている。
【０００３】
これらの溶接方法のメカニズムはそれぞれ異なるが、いずれもスクイズロールと呼ばれる回転ロールを用い、溶接中の管断面を拘束、加圧する構成を採用する。すなわち、図１に示す高周波誘導溶接装置を用いた溶接方法を説明すると、図の右手方向から被成形帯材１が進行するが、既にロール成形されて帯材１の両端縁２，２が対向した開口の円筒状で、一対のスクイズロール３，３間に進入してくる。
【０００４】
一対のスクイズロール３，３の回転中心軸を結ぶ直線上の直前を溶接点４として、帯材１の両端縁２，２間にＶシェープ角５を形成しており、該ロール３，３の上流側に配置される加熱コイル６で両端縁２，２を加熱、溶解し、スクイズロール３，３で溶接点４前後の管断面を拘束、加圧することで溶接する構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、上述のスクイズロールを使用する場合、以下の問題があることを知見した。すなわち、スクイズロールのような回転体を管断面の拘束手段とする場合は、管断面に対する拘束形態が、長手方法に沿って連続的に保持することができないという共通の弱点がある。以下に、発明者らの考察並びに知見を詳述する。
【０００６】
管の同一横断面内に回転軸が配置された複数のロールによる拘束と圧力は、幾何学的には該横断面の位置（ロール直下）にしか発生しない。管の予変形及び弾性回復挙動が存在するため、実際の拘束領域はこれより若干広いが、強い拘束と圧力を得られるのは該横断面の前後を含む非常に狭い範囲である。このような特徴は溶接に不利な影響を与える。
【０００７】
まず、長手方向に見て、必要な溶接条件が形成された領域はロール直下付近の一点に近い状態である。前記の溶接点と呼ばれるこの部位における溶接の進行状態は溶接品質に決定的な影響を与えると言える。管のある断面がこのポイントを通過する際に、何らかの原因で健全な溶接条件が得られない場合は、そのまま溶接欠陥となる可能性が高い。例えば、高周波溶接においては、溶接点の変動が溶接不良に繋がることが多い。
【０００８】
また、管の断面が溶接点を通過した直後に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。一方、溶接部の溶融金属もしくは半溶融金属が完全に凝固するまでは一定の時間が必要である。周知のように、凝固過程での引張応力状態は、形成される溶接部の金属組織の形態ひいてはその機械特性に不利な影響を及ぼし、場合によって溶接割れを起こす。
【０００９】
例えば、代表的な溶融溶接であるＴＩＧ溶接の場合は、溶接直後の高温割れが溶接速度及び生産性を制約する大きな要因となっている。拡散溶接に近い高周波溶接においても、溶接直後の一定の時間で接合面に圧力を維持するほうが、冷接などの欠陥の防止に有利と思われる。
【００１０】
ロールの使用による欠点は他にもある。例えば、高周波溶接の場合は、加熱コイル６あるいは接触子から溶接点４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３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よる。
【００１１】
一方、必要な強度や剛性を得るには、スクイズロール径がある大きさ以上でなければならず、現状では、溶接効率の問題がしばしば発生している。また、溶接点４を安定させるには、溶接点付近のＶシュープ角５を大きくする必要があるが、このＶシェープ角５の大きさもスクイズロール径によって制限される。製造現場では、Ｖシェープ角を大きくするために、スクイズロールの前で対向する帯材１の端縁２間の間隔を強引に広げる方法がよく使われているが、溶接点４が位置するロール３直下付近になると、端縁２の移動軌跡がスクイズロール３面に規定されるため、結局、取れるＶシェープ角５の大きさはスクイズロール径に依存することになる。
【００１２】
この発明は、上述したスクイズロールを使用する金属管の溶接方法の問題を解消し、溶接点付近の所謂Ｖシェープ角を大きく設定でき、かつ正確に管断面を拘束、加圧でき、溶接品質が高い直線継目溶接管を高効率で製造できる金属管の溶接方法の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上述した直線継目溶接における多くの現状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、スクイズロールの代りにダイスを使用することで目的が達成できることを知見し、また、ダイスに超音波振動を加え、該振動がダイス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管との摩擦を著しく低減できることを知見し、この発明を完成した。
【００１４】
すなわち、この発明は、金属材料の帯材をロール成形して突き合わせた両端縁を溶接し管となす金属管の溶接方法において、溶接中または溶接完了直後あるいはその両方部位の管断面を、該管断面形状を含む曲面を有した少なくとも一対のダイスを用いて長手方向に連続的に拘束、加圧することを特徴とする金属管の溶接方法である。
【００１５】
また、この発明は、上記構成の溶接方法において、
ダイスに超音波振動を加えて管断面を拘束、加圧する方法、
超音波振動がダイス表面に管の進行方向の表面進行波を形成した方法、を併せて提案する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明において、スクイズロールの代りにダイスを使用するメリットは、長手方向に沿って、溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束・加圧することができるという点である。管断面を連続的に拘束、加圧するため、溶接結果に対する溶接点の変動などの影響を受け難くなり、溶接点以降の管の弾性回復挙動も有効に抑止できる。結果として、溶接欠陥の発生率を大幅に減少すると共に生産性を向上させることが可能となる。
【００１７】
図１の構成と同様に高周波溶接の場合に、図２に示すごとくスクイズロール換えてダイス１０，１０を使用することにより、加熱コイル６あるいは接触子と溶接点４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。
【００１８】
この発明において、ダイスを使用すると回転するロールに比べて、一定の速度で移動する金属管体と静止のダイスとの相対滑り速度が大きいため、摩擦による強い抵抗力が発生し、管の表面品質を劣化させ、工具を摩耗させるなどの問題が発生し易くなるが、公知の適切な潤滑機能を有する材料を使用することで、前記摩擦を軽減することができる。
【００１９】
一方、パイプミルの生産速度が速く、また被処理対象が厚肉で高強度の金属管である場合は、ダイスに潤滑材を使用しても十分な効果が得られない可能性がある。また、管の材質や方法によって、溶接時に潤滑材すら使用できないケースもある。そこでこの発明では、ダイスに超音波振動を加えることにより上記問題点の解決を図り、ダイスに通常材料あるいは潤滑性材料のいずれを用いても管との摩擦を著しく低減できる。
【００２０】
すなわち、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で、管とダイスとの相対滑りを極力抑えることも可能である。また、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。
【００２１】
この発明において、溶接手段には、公知の高周波溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接などいずれの溶接手段、装置をも採用することができる。また、ダイスの構成も、溶接中または溶接完了直後、あるいはその両方部位の管断面を、該管断面形状を含む曲面を有したサーフェスを有する構成であれば、図２に示すごとき一対のダイスを相対向配置する他、管の進行方向に分割した構成、また同方向に二対あるいはそれ以上のダイスを相対向配置する等種々の構成を採用することが可能である。
【００２２】
【実施例】
図２に示すこの発明によるダイスを用いた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ダイス１０，１０を有し、ダイス１０の内周面は半円外周面と相似形の凹面を有し、一対のダイス１０，１０の上流側端の近傍を結ぶ直線上に溶接点４が来るように設定され、帯材１の両端縁２，２間に所要のＶシェープ角５を形成しており、該ロール３，３の上流側に配置される加熱コイル６で両端縁２，２を加熱、溶解し、ダイス１０，１０で溶接点４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。
【００２３】
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１１がそれぞれ設けてある。
【００２４】
ここでは、圧電体からなる超音波振動子１１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。
【００２５】
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。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は、金属管の溶接において、スクイズロールの代りにダイスを使用することで、長手方向に沿って、溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束、加圧するため、溶接結果に対する溶接点の変動などの影響を受け難くなり、溶接点以降の管の弾性回復挙動も有効に抑止でき、溶接欠陥の発生率を大幅に低減し、かつ生産性を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、この発明によると、金属管体と接触するダイス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ことで、管とダイスとの相対滑りや摩擦による強い抵抗力がなく、溶接中または溶接直後の管断面を連続的に拘束・加圧することで溶接品質にすぐれた金属管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスクイズロールを用いる高周波誘導溶接装置の構成を示す管上方からの説明図である。
【図２】この発明による超音波振動を加えたダイスを用いた高周波誘導溶接装置の構成を示す管上方からの説明図である。
【図３】表面進行波を加えた時の金属管とダイスとの接触状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　帯材
２　端縁
３　スクイズロール
４　溶接点
５　Ｖシェープ角
６　加熱コイル
１０　ダイス
１１　超音波振動子
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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