JP5273885B2 - 小径金属管の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属管、特に外径が２０ｍｍを下回るような小径の溶接管を高効率で製造する方法及びそのための装置に関する。

一般的に溶接金属管は金属帯をタンデムに配置された１０段以上からなる複数のロール成形スタンドによって連続的に円筒状に成形しつつ金属帯エッジの突合せを溶接接合することで製造するロールフォーミング法が採用されている。例えば特許文献１に見られる通りである。
しかしながら、ロールフォーミング法では、製造する金属管のサイズを変更する際はロール成形スタンドが多いため、オペレーターによるロール交換作業や寸法調整に伴う作業負荷が大きく、ライン休止時間が長くなることで生産効率が低下する。さらに外径が20mmを下回るような小径管を製造する場合、例えば特許文献1にあるような多段スタンドによる造管では、調整箇所が多くなり各スタンドで厳密な調整をしなければ鋼帯に蛇行やねじれ等の成形不具合が生じて生産効率が著しく低下する。小径管を製造する場合は作業効率や生産性改善のため、可能な限り少段数、ひいては単スタンドで造管することが望ましい。

また、ダイス内に金属帯を通過して引抜くことで円筒状に連続成形するダイドローフォーミング法も採用されている（例えば特許文献２参照）。
しかしながら、ダイドローフォーミング法では、ダイス１段で円筒状に成形できるが、ダイスと管材との摩擦が著しく、潤滑油を使用しながら製造しても金属帯疵から脱落した金属粉末が蓄積され、ダイスを頻繁に手入れしないと溶接品質が維持できないことや、さらには表面疵が著しいため造管後に表面研磨処理が必要になるなど、生産性低下ならびに生産コストの上昇が否めない。

特開平６−１３４５２５号公報 特開平８−２６７１５０号公報

ところで、前記ロールフォーミング法やダイドローフォーミング法にかかわらず、円筒状に成形した金属帯エッジの突合せ部を溶接して溶接管を製造する際には、生産性や製造した溶接管の加工性の観点からは溶接法としてレーザ溶接法の採用が好適である。
前記した通り、ロールフォーミング法はロール交換作業や寸法調整に伴う作業負荷が大きいばかりでなく、特に小径管を製造する場合に、わずかな調整ミスで突合せ部に不具合が発生し易くなる。
また、ダイドローフォーミング法では潤滑油を大量に使用するため、そのままレーザ溶接することができない。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、成形されるパイプの外径よりも明らかに大きな径のロールを配置した大径ロールスタンドを使用し、無潤滑で精度よく円筒状に成形し、その後に金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することにより溶接管を製造する方法及びそのための装置を提供することを目的とする。

本発明の小径金属管の製造方法は、その目的を達成するため、左右一対のサイドロールと当該一対のサイドロール間の下方に配置されたボトムロールが３方ロール方式に配置されたロールスタンドであって、前記一対のサイドロールとして成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールが用いられているとともに、前記ボトムロールがライン入側にオフセット配置されたロールスタンドを使用し、金属帯を、前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することを特徴とする。
前記外径比φ₂／φ₁は２５以上となるようにすることが好ましい。
エッジベンドロールスタンドによって金属帯エッジを曲げた後、大径サイドロールを通すことが好ましい。

なお、４方ロール方式として上側にフィンロールを付加してエッジの突合せ位置を高精度に維持しながら成形してもよい。
さらに、溶接接合が行われるスクイズロールの直前上側にもフィンロールを配置し、ねじれの発生を抑制しつつ造管してもよい。この際スクイズロールの直前上側に配置されるフィンロールとして得ようとする管の半径よりも大きな曲率半径が付与された形状の凹面とフィンを備えたフィンロールを用いると、鋼帯エッジを押圧しながら当接部形状を矯正して造管できるので、成形精度の優れた小径金属管が得られる。

本発明では、成形されるパイプの外径に対して明らかに大きい外径のサイドロールを用いることにより、成形に必要なスタンド数を削減することができ、単スタンドで金属帯を円筒状に成形することが可能となる。またスタンドの大幅削減によりオペレーターによる作業負荷を低減することができ、表面性状の優れた小径管を高効率で製造することが可能となる。さらに、フィンロールの適切な使用により、成形精度の優れた小径管が安定的に製造される

本発明で用いる大径サイドロールの概略構造を示す斜視図 外径比φ₂／φ₁と鋼帯エッジの相当塑性ひずみの関係を示す図 本発明の小径金属管の製造方法を用いる製造ラインの概略を示す図 エッジベンドロールの概略構造を示す断面図 大径サイドロールの概略構造を示す断面図 サイドロール通過時の不具合発生状況を説明する図 ボトムロールを配置した３方ロール方式サイドロールの構造を示す断面図 ３方ロール方式サイドロールの通常のボトムロール設置位置を示す上面図 ３方ロール方式サイドロールのボトムロールをライン入側にオフセットした場合のボトムロール配置位置を示す上面図 ボトムロールとフィンロールを配置した４方ロール方式サイドロールの構造を示す断面図 フィンロールの配置状況を説明する図 管径の違いによるオープン管突合せ部の形状の違いを説明する図 第二のフィンロールの望ましい形状を説明する図

１：板押さえ ２：ガイド
３：エッジベンドロールスタンド ４：大径サイドロールスタンド
５：スクイズロールスタンド ６：引抜き装置
７：溶接管 ８、８’：フィンロール
９：ボトムロール １０：金属帯

ロールフォーミング法での成形の際には、一般的に、タンデムに配置された１０段以上のロール成形スタンドを用いた多段成形によって緩やかに成形されている。このため、製造しようとする溶接管の径を変更する場合、用いる複数のスタンドのロール全てを被製造溶接管の外径に対応したものに交換する必要がある。そして、ロール交換に多大の労力及び長時間がかかるため、コスト増になっているのである。
そこで、数多い段数のロール成形スタンドを用いることなく、緩やかにロール成形でき、ロール成形時の生じるひずみを小さくできる手段について検討を重ねている段階で、単スタンドのロール成形スタンドで緩やかにかつ生じるひずみが小さくなるように成形できることを見出し、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。

本発明では、円筒状に成形するロールとして、多段スタンドではなく、単スタンドで成形可能とするために、図１に示すような成形されるパイプの外径に対して成形するロールの外径の外径比が相当に大きくなるように設計された大径サイドロールを使用している。具体的には１０以上としている。
パイプの外径に対して成形するロールの外径の外径比が相当に大きくなるように設計された大径サイドロールはダイスと見立てることができ、単スタンド、かつ無潤滑で円筒状の成形が可能となったものである。
なお、大径サイドロールは、被成形円筒形状に応じた大きいロール径を必要とするため、外径が２０ｍｍを下回るような小径の溶接管製造に好適であるが、大きな外径の溶接管製造にはそれに見合った径のサイドロールが必要となり、現実的ではない。

ここで、外径比φ₂／φ₁の好ましい関係について説明しておく。
成形されるパイプの外径φ₁に対する成形するロールの外径φ₂の比である外径比φ₂／φ₁が大きいサイドロールを使用することで緩やかにロール成形でき、つまり成形中に生じるひずみを小さくしながら成形できる。
図２に外径比φ₂／φ₁と鋼帯エッジ部の相当塑性ひずみの関係を示しているが、外径比を１０以上とすることで、特に鋼帯エッジに生じるひずみを一段と小さい状態で成形することができ、エッジが湾曲されたときの断面形状が良好でかつ反りのない状態での成形が可能となる。外径比を２５以上とすることがより好ましい。外径比の上限については特に規定する必要はないが、鋼帯エッジ部に生じるひずみの低減効果が８０程度で飽和すること、ロール費用などを考慮すると８０程度とするのが実用的である。

大径サイドロールの単スタンドで円筒状の成形は可能であるが、被成形金属帯のエッジ部の曲げ状況を円滑にするためには、大径サイドロールを通す前にエッジベンドロールスタンドを通すことが好ましい。
本発明方法を適用する現実的なライン構成を図３に示す。
巻き戻された金属帯１０は、板押え１で押えられつつガイド２で側端を揃えてエッジベンドロールスタンド３に通される。側端が曲げられた金属帯は大径サイドロールスタンド４で円筒状に成形された後、フィンロール８で突合せ当接部の位置精度を高め、スクイズロールスタンド５を通るときにレーザ溶接法などで溶接接合され、溶接管７となる。なお、６は引き抜き装置である。

エッジベンドロールスタンド３は、図４に示すように、一方のロールに側端Ｒが付された凹溝が、他方のロールに側端Ｒが付された凸条が設けられた一対の上下ロールから構成されている。
このロールスタンドを通り、側端が曲げられた金属帯が、図１や図５で示される大径サイドロールスタンド４を通るときに円筒形状に成形されるのである。

ところで、大径サイドロールでの円筒状への成形は、図６（ａ）に示すように、エッジベンドロール通過後の板材を左右から大径サイドロールで押圧する形態で行われる。この際、大径サイドロール間に隙間が形成されるため、材料が下方の隙間に逃げ（図６（ｂ）参照）、成形される円筒形状に不具合を発生することがある。
この材料の下方への逃げを防ぐためには、下方のロール間に、いわゆる“受け”を配置することが好ましい。

図７に示すように、下側をカットした大径サイドロール間にボトムロール９が挿入されて“受け”となる。ボトムロール９を配置して、大径サイドロールスタンド４を３方ロール方式とすることが好ましい。
しかしながら、ボトムロール９の中心線を図８に示すように大径サイドロールの中心線に合致するように配置した場合には、円筒状への成形の際に不具合を発生させることがある。大径サイドロールとボトムロールの中心線が合致していると、ロール直下において鋼帯は周方向に全周を拘束されるため、ひずみが過剰に生じて不具合を発生させると推測される。同時に、中心線が合致した状態では、ロール中心からやや手前において、鋼帯はボトムロールに支持されない部位でパイプの底部が下方向に潜り込んで折れ曲がるようにして成形され、その後に潜り込んだ部分がボトムロールに支持されて立ち上げられる際に生じる曲げ、曲げ戻しによってひずみが過剰に生じ不具合を発生させるためと推測される。
そこで、ボトムロールをライン入側にオフセットして配置する（図９参照）。これにより、鋼帯が周方向に全周を拘束されることなく逃げ道が生じ、また曲げ、曲げ戻しによる余計な変形が少ないためにひずみの発生量を大幅に低減することができ、成形された金属管の形状および品質が大幅に向上する。

円筒状に成形された金属帯の突合せ部が溶接されて金属管となるが、図３に示す通り、スクイズロールスタンド５で円筒状に成形された金属帯を保持した状態で、その突合せ部が溶接接合されるが、生産性や製造した金属管の加工性の観点から溶接法としてはレーザ溶接法の採用が好適である。
なお、溶接法はレーザ溶接法に限定されるものではなく、ティグ溶接、プラズマ溶接などのアーク溶接法や高周波溶接法などを用いても良い。
レーザ溶接法に限らず、金属帯の突合せ部を溶接接合する際には、突合せ当接部の位置決め精度が高く、溶接線が一直線で伸びていることが好ましい。
突合せ当接部の位置決め精度を高くするために、本発明ではサイドロール成形の際にフィンロールを追加した４方ロール方式によってロール成形することが好ましい（図１０参照）。

ところで、図３、図１０で示すように、大径サイドロール直上にフィンロール８を設けてロール成形しても、例えば図１１（ａ）に見られるように、成形後、スクイズロールに搬送されるまでの間に周方向にねじれが生じて溶接に不具合を生じさせることがある。素材鋼帯の送入時の材料センタリング位置の偏芯やロールセンターの偏芯が影響していると考えられるが、このような偏芯を手作業により調整することは困難を伴い、コスト上昇にも繋がるので現実的ではない。
そこで、本発明ではさらに、図１１（ｂ）に示すように、スクイズロールの直前にも第二のフィンロールを設けた。
すなわち、図３に示すように二つのフィンロール８，８’を直列に配置して造管時の当接部の位置決めが高精度でなされ、溶接線が一直線で伸びた形状が得られ、より安定した連続造管が可能となる。

さらに、鋼帯を連続的にロール成形して造管する際、鋼帯の各部位に加わるひずみは一様ではなく、様々な要因によって偏って加わるために、左右鋼帯エッジの形状は不安定となり、突合せ部に段違いが発生し易くなる。段差が生じないまでも、例えば図１２（ｂ）に見られるように、エッジ部の突合せ不良が起こりやすく、溶接し難くなることがある。この現象は、得ようとする管の径が小さくなればなるほど顕著になる。すなわち、図１２（ａ）に見られるように、得ようとする管の径が比較的大きければ突合せ部の形状はＩ形になって問題なく突合せ溶接できるが、得ようとする管の径が小さくなると、図１２（ｂ）に見られるように、突合せ部の形状はＶ形になって溶接不良を起こす原因となる。
そこで、本発明ではさらに、スクイズロールの直前に配置するフィンロールとして、図１３に示すような、得ようとする管の半径よりも大きな曲率半径が付与された形状の押圧面とフィンを備えたフィンロールを用いて、鋼帯エッジを押圧しながら当接部形状を矯正して造管した。

実施例１；
次に、18Cr‐1Mo‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.5mmのステンレス鋼帯を素材として、外径φ6.5mm（φ_１）の溶接管を製造した事例を紹介する。
製造ラインとして、図３で紹介したラインを使用し、エッジベンドロールとして図４に示すプロフィール、サイズを有するロールを、大径サイドロールとして図５、図７に示すサイズ（φ₂＝300mm、外径比φ₂／φ₁＝46）を有し、外径62mmのボトムロールをライン入側に10mmオフセット配置したロールを用いた。また、ライン入側に12mm、14mm、15mm、16mm、18mm、20mmオフセット配置したロールを用いての造管も行った。なお、大径サイドロールの上側にのみフィンロールを配置した。
ライン速度が4m／minとなる条件で前記素材鋼帯を通板し、スクイズロール上で出力約900W、ビーム径0.6mmの条件でファイバーレーザ溶接して溶接管を製造した。

実施例２；
同様に、図３で紹介したラインを使用し、16.5Cr‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.3mmのステンレス鋼帯を素材として外径φ3.7mm（φ_１）の溶接管が得られるよう、φ100mmのエッジベンドロールと、φ₂が100mm、300mmの大径サイドロール（外径比φ₂／φ₁＝27、81）、外径62mmのボトムロールをライン入側にオフセット配置したロールを用い、ライン速度4m／min、ファイバーレーザ出力約500W、ビーム径0.6mmの条件で溶接管を製造した。
なお、この事例でも、ライン入側に10mmオフセット配置したロールと、12mm、14mm、15mm、16mm、18mm、20mmオフセット配置したロールを用いた７種の造管を、いずれも大径サイドロールの上側にのみフィンロールを配置して行っている。

実施例３；
また、同じく16.5Cr‐Ti‐LCN組成を有する板厚0.3mmのステンレス鋼帯を素材として、外径φ6.5mm（φ_１）の溶接管を製造した事例を紹介する。
製造ラインとして、上記実施例１で紹介したものと同じ形状、サイズのエッジベンドロール、大径サイドロール及びライン入側にオフセット配置したボトムロールを用いた。
なお、この事例では、ライン入側に5mmオフセット配置したロールと、7mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mmオフセット配置したロールを用いた７種の造管を、いずれも大径サイドロールの上側にフィンロールを配置するとともに、スクイズロールの直前上側にも、図１３中、曲率半径が5mm、10mmの押圧面を有するフィンロールを配置し、合計14種の造管を行った。
そして、ライン速度が10m／minとなる条件で前記素材鋼帯を通板し、スクイズロール上で出力約1500W、ビーム径0.6mmの条件でファイバーレーザ溶接して溶接管を製造した。
上記の各製造条件ともに無潤滑で製造したが、外径比が10以上となる大径サイドロールを用いているため、いずれの条件でも断面形状が良好な金属管が得られた。

Claims (2)

1. 左右一対のサイドロールと当該一対のサイドロール間の下方に設置されたボトムロールが３方ロール方式に配置されたロールスタンドであって、前記一対のサイドロールとして成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールが用いられているとともに、前記ボトムロールがライン入側にオフセット配置されたロールスタンドを使用し、金属帯を、前記ロールスタンドを通して円筒状に成形した後、金属帯エッジの突合せ部を溶接接合することを特徴とする小径金属管の製造方法。
2. 左右一対のサイドロールと当該一対のサイドロール間の下方に設置されたボトムロールが３方ロール方式に配置されたロールスタンドであって、前記一対のサイドロールとして成形されるパイプの外径φ₁に対して成形するロールの外径φ₂の外径比φ₂／φ₁が１０以上になるように設計された大径サイドロールが用いられているとともに、前記ボトムロールがライン入側にオフセット配置されたロールスタンドと、当該ロールスタンドの下流側に配置されたスクイズロール及び溶接機器を備えていることを特徴とする小径金属管の製造装置。

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