JP5954009B2 - 溶接鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接とアーク溶接を併用してオープンパイプを長手方向に溶接して得られる鋼管（以下、溶接鋼管という）の製造方法に関するものである。

油井管あるいはラインパイプとして用いられる鋼管は、溶接鋼管（たとえば電縫鋼管、ＵＯＥ鋼管等）とシームレス鋼管に大別される。これらの鋼管のうち、ＵＯＥ鋼管は、一般に厚さ６mm以上の鋼板を素材として使用し、その鋼板の両端部にＸ開先を形成する加工を施した後、Ｕ型プレス成形およびＯ型プレス成形を行なってオープンパイプとして、ケージ方式により開先加工部の突き合わせを行ないながら、開先加工部を溶接して製造される。また電縫鋼管は、成形ロールを用いて鋼板を円筒状に成形してオープンパイプとして、開先加工部をスクイズロールで加圧しながら溶接して製造される。その溶接した部位が溶接鋼管のシームである。

ＵＯＥ鋼管等の厚肉の溶接鋼管では、開先加工部を溶接するにあたって、オープンパイプに形成されたＸ開先の板厚中央部に位置する突き合わせ面を仮付け溶接した後に、内面側の開先部分の溶接を行ない、次いで外面側の開先部分の溶接を行なう。このＸ開先の突き合わせ面の溶接（以下、仮付け溶接という）は、ＵＯＥ鋼管の全長にわたって連続して溶接するものであり、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接が採用されている。

仮付け溶接が終了した後の内面側および外面側の開先部分の溶接（以下、仕上げ溶接という）は、多電極のサブマージアーク溶接が広く用いられている。
このような厚肉の溶接鋼管のシームの構造は、図２に示すように、板厚方向中央部に仮付け溶接による溶融メタルが凝固した部位８（以下、仮付け溶接部という）が形成され、その仮付け溶接部８の内面側と外面側に、それぞれ仕上げ溶接による溶融メタルが凝固した部位９、10が形成される（特許文献１、２参照）。ここでは、内面側の仕上げ溶接した部位９を内面側仕上げ溶接部、外面側の仕上げ溶接した部位10を外面側仕上げ溶接部と記す。

つまり、仮付け溶接部８と一部の溶込みが重なるように内面側仕上げ溶接部９を形成し、次いで仮付け溶接部８の全部と溶込みが重なるように外面側仕上げ溶接部10を形成する。仮付け溶接は、開先加工部の溶接能率を向上するために行なうものであるから、仮付け溶接部８には溶接欠陥が発生し易い。そこで、仕上げ溶接によって、仮付け溶接部８を再び溶融させて溶接欠陥を消滅させる必要があるので、内面側仕上げ溶接部９の溶込みと外面側仕上げ溶接部10の溶込みが重なり合って、Ｘ開先の突き合わせ面２を包含するように仕上げ溶接を行なっている。

これに対して、近年、溶接鋼管の生産性向上およびシーム特性改善の観点から、仮付け溶接の高速化と高品質化が求められている。
仮付け溶接の高速化を図り、溶接鋼管の生産性を高めることによって、溶接鋼管の製造コストを削減することができる。しかし仮付け溶接の高速化によって、仮付け溶接部２には溶接欠陥が発生し易くなる。仮付け溶接部８には溶接欠陥が生じると、仕上げ溶接の後も溶接欠陥が残留し、シームの特性に多大な悪影響を及ぼす。また、仮付け溶接部８の溶接欠陥に手入れ補修を施すと、溶接鋼管の生産性の低下あるいは製造コストの上昇を招く。つまり、仮付け溶接の高速化と高品質化を両立させる必要がある。

仮付け溶接をアーク溶接（たとえばサブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等）で行なう場合には、溶接速度を増加させると、アークが不安定になるので、溶接欠陥の発生率が著しく高くなり、仮付け溶接部８の特性が大幅に劣化する。そのため仮付け溶接では、アークの安定性を維持しつつ溶接速度を増加する必要があり、従来から種々の技術が検討されている。たとえばパルスアーク等の溶接電源を検討したもの、溶接ワイヤの送給系や形状を検討したもの、シールドガスの成分を検討したものなどが知られている。しかし、いずれも十分な効果が得られていない。

このようなアーク溶接に代わって仮付け溶接を行なう溶接技術として、レーザビームによる溶接（以下、レーザ溶接という）が注目されている。レーザ溶接は、熱源の寸法を小さくし、かつ熱エネルギーを高密度で集中できるので、溶接鋼管の仮付け溶接に適用すると、低入熱で高速の仮付け溶接が可能である。
ところがレーザ溶接では、高密度エネルギー光線であるレーザビームを光学部品により集光して溶接部に照射することによって溶接を行うので、溶接の際に急激な金属の溶融を伴う。そのため、形成された溶融池から溶融メタルがスパッタとして飛散する。飛散したスパッタは、レーザ溶接鋼管に付着して鋼管の品質を低下させるとともに、溶接装置、光学部品および造管機にも付着して溶接の施工が不安定になる。また、レーザ溶接では熱エネルギーを高密度で集中して溶接を行なうので、スパッタが多量に発生し、その結果、溶融メタルが減少することによって、アンダーカットやアンダーフィル（すなわち窪み）等の溶接欠陥が発生する。アンダーカットやアンダーフィルが発生すると、仮付け溶接部の強度が低下する。

そこで、レーザ溶接にてスパッタの付着を防止する技術やスパッタの発生を防止する技術が種々検討されている。たとえば、レーザ出力を低減することによってスパッタの発生を防止する技術、あるいは焦点位置を大きくずらす（いわゆるデフォーカス）ことによってスパッタの発生を防止する技術が実用化されている。しかし、レーザ出力低減やデフォーカスは、溶接速度の減少（すなわち溶接効率の低下）を招くばかりでなく、溶込み不良が発生し易くなるという問題がある。

特許文献３には、レーザビームを分光して複数個のスポットを生成させてスパッタの発生を防止する技術が開示されている。しかし、複数個のスポットに分散させてレーザ溶接を行う技術は、レーザ出力を低減してレーザ溶接を行う技術と同等であり、溶接効率の低下を招くばかりでなく、溶込み不良が発生し易くなるという問題がある。しかも、レーザビームを分光する光学部品（たとえばプリズム等）が高価であるから、仮付け溶接の施工コストが上昇するのは避けられない。

特許文献４では、レーザ溶接を行なう際にフィラーワイヤを用いてアンダーフィルを防止する技術が開示されている。しかし、この技術ではフィラーワイヤの成分によって溶接金属の組成が変化する。そのため、オープンパイプの成分に応じてフィラーワイヤを選択しなければならず、フィラーワイヤの在庫管理やレーザ溶接の作業管理の負荷が増大する。

特許文献５では、レーザ溶接とアーク溶接を複合して用いることによって、溶接欠陥を防止する技術が開示されている。しかし、この技術では溶接装置の構造が複雑になりメンテナンスの負荷が増大するばかりでなく、仮付け溶接の作業管理の負荷が増大する。
特許文献６では、２つの円形のビームスポットを用いる方法が開示されている。しかしながら、この技術では溶接部に応力が働く条件でのレーザ溶接において溶接欠陥は抑制されず、特に鋼板の裏面のスパッタ発生量が増大する。

一方で、近年、原油や天然ガスの長距離輸送を行なうラインパイプでは、輸送圧力を高めて、輸送効率の向上を図っている。したがって、溶接鋼管（たとえばＵＯＥ鋼管等）の強度を高めて、高圧輸送によるラインパイプの破損や損傷を防止する必要がある。また、溶接鋼管の高強度化を図ることによって、薄肉化（すなわち重量の低減）が可能となり、現地における敷設工事の施工能率を向上するという効果も得られる。そのため、Ｘ100やＸ120グレード等の超高強度ラインパイプ用溶接鋼管の研究が進められている。

このような超高強度ラインパイプ用溶接鋼管を実用化するためには、シームの溶接金属や熱影響部（いわゆるＨＡＺ）の靭性を確保するとともに、溶接金属の低温割れ（たとえば横割れ等）を抑制することが課題となっており、溶接鋼管の製造工程における仮付け溶接の高速化と、それに伴う仮付け溶接部の品質劣化の防止が求められている。
このような課題に対して、特許文献１では、高強度で安定した低温靭性を発現するためのシーム部、とりわけ溶接金属の組成と組織が提案されている。特許文献２には、内面側の溶接金属表面の最高到達温度を所定の範囲内保つように、外面側の溶接を行なうことで横割れを防止することが提案されている。しかしながら、これらの技術では、仮付け溶接の高速化と高品質化を両立させることは困難である。

特開2005-272900号公報 特開2005-262253号公報 特許第2902550号公報 特開2004-330299号公報 特許第4120408号公報 特開2009-178768号公報

本発明は、厚肉の溶接鋼管のシーム、特に仮付け溶接部の品質向上を図るとともに、仮付け溶接の効率向上を図り、経済性に優れた溶接鋼管の製造方法を提供することを目的とする。また、オープンパイプに形成されたＸ開先の突き合わせ面の仮付け溶接の設定条件を調整することによって、仮付け溶接の溶接速度を低下させることなく、健全な仮付け溶接部を得ることによって、溶接鋼管を歩留り良く安定して製造する方法を提供することを目的とする。

発明者らは、オープンパイプに形成されたＸ開先の突き合わせ面を仮付け溶接する際の溶接速度を増加するとともに、高品質の仮付け溶接部を得るために、低入熱で高速の仮付け溶接が可能なレーザ溶接に着目した。そして、溶接欠陥の発生を防止し、健全な仮付け溶接部を安定的に得ることが可能なレーザ溶接技術について調査検討した結果、以下のような知見を得た。

図３は、仮付け溶接する際に、１本のレーザビームを垂直に照射してオープンパイプ１に形成されたＸ開先の突き合わせ面２をレーザ溶接（すなわち仮付け溶接）する例を模式的に示す斜視図である。図３中の矢印Ａは、溶接進行方向を示す。なお、レーザビーム３の照射によって発生する深い空洞（以下、キーホールという）４と、その周辺に形成される溶融メタル５は透視図として示す。

レーザビーム３を照射すると、図３に示すように、高密度で集中する熱エネルギーによってエッジ部２が溶融するとともに、その溶融メタル５が蒸発して発生する蒸発圧と蒸発反力によって、溶融メタル５にキーホール４が発生する。キーホール４の内部には、レーザビーム３が侵入し、金属蒸気がレーザビーム３のエネルギーによって電離されて生じた高温のプラズマが充満していると考えられている。

このキーホール４は、レーザビーム３の熱エネルギーが最も収斂する位置を示すものである。突き合わせ面２の接合点をキーホール４内に配置することによって、仮付け溶接を安定して行なうことができる。
ただし図３に示すように、レーザビームが１本の場合には、突き合わせ面２の接合点とキーホール４とを一致させるためには、高精度の開先加工技術が必要である。突き合わせ面２の加工状態および突合せ状態が不安定であると、溶融メタル５が不安定になる。その結果、スパッタが多発し、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生し易くなる。

さらに、仮付け溶接部に加えられるアップセットによって溶融池に応力が働くような状況では、キーホールを維持するために、照射するレーザビームのエネルギーをより一層増大させる必要がある。その結果、スパッタが増加するとともに、開先が十分に溶融せず、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生する。
そこで発明者らは、突き合わせ面２の接合点に２本のレーザビームを照射する技術について、さらに研究した。その結果、図４に示すように、レーザビームの照射位置を適正に配列するとともに、それぞれのレーザビームの入射角やスポット径等を制御して２本のレーザビームをオープンパイプの鋼板内部で交差しないように照射することによって、スパッタの発生を抑制できることが分かった。そして、仮付け溶接部のアンダーカットやアンダーフィルを抑制し、かつ溶接効率を低下させることなく良好な品質の仮付け溶接部を得ることできた。

スパッタの発生が抑制されるメカニズムの詳細は不明であるが、傾斜角をもって照射される２本のレーザビームにエネルギーを分散させ、かつ溶接方向に先行するレーザビームがスパッタを抑制しながら突き合わせ面を予熱した後、後行するレーザビームが突き合わせ面を溶融することによって、スパッタの飛散が抑制されると推定される。なお、レーザビームの入射角は、オープンパイプの上面に垂直な方向とレーザビームを照射する方向とのなす角を指す。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、両端部に開先加工を施した鋼板をオープンパイプに成形し、オープンパイプの開先加工部を加圧しながら溶接する溶接鋼管の製造方法において、加圧によるアップセット量を0.2〜1.0mmとし、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する２本のレーザビームをそれぞれ前記オープンパイプの上面側から溶接進行方向の前方に照射するように入射角を設けて傾斜させて照射し、開先加工部の板厚方向中央部の板厚方向10mm以下の長さを有する突き合わせ面をレーザ溶接で接合した後に、開先加工部の板厚方向表層部両側をアーク溶接で接合する溶接鋼管の製造方法である。

本発明の溶接鋼管の製造方法においては、レーザ溶接にて、ジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える２本のレーザビームのうち、溶接進行方向に先行する先行レーザビームの入射角を後行する後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつオープンパイプの裏面における先行レーザビームの中心点と後行レーザビームの中心点との間隔を１mm以上とすることが好ましい。さらに、先行レーザビームの入射角が５°超え50°以下であり、後行レーザビームの入射角が５°以上50°未満であること、先行レーザビームおよび後行レーザビームのうちの１種または２種を光学部品で２分割し、突き合わせ面の左右両側に照射することが好ましい。

本発明によれば、厚肉の溶接鋼管の製造工程において、仮付け溶接部の品質向上を図るとともに、仮付け溶接の効率向上を図ることによって、経済性に優れた溶接鋼管を得ることができるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明を適用して得られるシームの例を模式的に示す断面図である。 従来のシームの例を模式的に示す断面図である。 Ｘ開先の突き合わせ面をレーザ溶接で接合する例を模式的に示す斜視図である。 Ｘ開先の突き合わせ面をレーザ溶接で接合する他の例を模式的に示す斜視図である。 図４の先行レーザビーム、後行レーザビームおよびオープンパイプ上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。 オープンパイプの上面における先行レーザビームの照射領域、後行レーザビームの照射領域およびエッジ部の配置の例を模式的に示す平面図である。

図１は、本発明を適用して得られるシームの例を模式的に示す断面図である。本発明を適用して溶接鋼管７を製造するにあたって、まず、素材となる鋼板の両端部に開先加工を施し、さらにオープンパイプを成形したときに図１に示すように、Ｘ開先の突き合わせ面２が互いに対向するように構成する。
Ｘ開先の突き合わせ面２の板厚方向の長さが10mmを超えると、開先溶け残しが生じ、仮付け溶接が困難になるので、突き合わせ面２の板厚方向の長さは10mm以下が好ましい。

次に、突き合わせ面２の仮付け溶接を行ない、図１に示すように、仮付け溶接部８を形成する。以下に、仮付け溶接について説明する。
仮付け溶接は、図３、４に示すように、レーザ溶接を採用する。仮付け溶接を、電子ビーム溶接あるいはプラズマ溶接で行なうことも可能であるが、電子ビーム溶接は、大気中で使用できないという問題、プラズマ溶接は、溶接速度が劣るという問題がある。溶接鋼管を大量に製造するためには、大気中で効率良く仮付け溶接を行なう必要があるので、本発明ではレーザ溶接で突き合わせ面２を接合（すなわち仮付け溶接）する。

図３は、１本のレーザビーム３で仮付け溶接を行なう例を模式的に示す斜視図である。レーザビーム３の照射によって発生するキーホール４と、その周囲に形成される溶融メタル５は透視図として示す。この場合は、レーザビーム３をオープンパイプ１の上面側から垂直に照射する。なお、図３中の矢印Ａは仮付け溶接の進行方向を示す。
レーザビーム３のジャストフォーカスでのスポット径が0.3mm以下では、仮付け溶接時の溶接ビードの幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。そのため、ジャストフォーカスでのスポット径は0.3mm超えとする。一方、スポット径が１mmを超えると、キーホールが安定し難くなる。そのため、レーザビーム３のジャストフォーカスでのスポット径は１mm以下が好ましい。

オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離をｔ（mm）とし、オープンパイプ１の鋼板厚をＴ（mm）として、オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離ｔが−３×Ｔ（すなわち上面から上方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が高すぎるので、キーホールを安定して維持することが難しい。一方、３×Ｔ（すなわち上面から下方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が深すぎるので、鋼板の裏面（すなわちオープンパイプの内面）側からスパッタが発生し易くなる。したがって、オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内に設定するのが好ましい。

レーザビーム３のスポット形状は円形が好ましいが、楕円形であっても良い。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径が0.3mmを超える必要がある。また上記した円形の場合と同様の理由で、短径は１mm以下が好ましい。
一般にレーザ溶接時に発生するスパッタは、レーザ出力が低いほど、溶接速度が遅いほど少なくなる。しかしながらスパッタの発生を抑えるために、レーザ出力と溶接速度を低下させることは、溶接鋼管の生産性を低下させることを意味する。そこで本発明では、レーザビーム３のレーザ出力が合計16ｋＷを超え、かつ７ｍ／分を超える溶接速度で仮付け溶接を行なうことが好ましい。レーザ出力が合計16ｋＷ以下では、溶接速度が７ｍ／分以下となってしまうので、溶接鋼管の生産性低下を招く。

ただし図３に示すように、レーザビーム３が１本の場合には、突き合わせ面２の接合点とキーホール４とを一致させるためには、高精度の開先加工技術が必要である。突き合わせ面２の加工状態および突合せ状態が不安定であると、溶融メタル５が不安定になる。その結果、スパッタが多発し、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生し易くなる。

さらに、仮付け溶接部に加えられるアップセットによって溶融池に応力が働くような状況では、キーホールを維持するために、照射するレーザビームのエネルギーをより一層増大させる必要がある。その結果、スパッタが増加するとともに、開先が十分に溶融せず、アンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥が発生し易くなる。
そのため、突き合わせ面に２本のレーザビームを照射して仮付け溶接を行なうことが好ましい。

図４は、２本のレーザビーム3a、3bで仮付け溶接を行なう例を模式的に示す斜視図である。図４中の矢印Ａは仮付け溶接の進行方向を示す。なお、レーザビーム3a、3bの照射によって発生するキーホール４と、その周囲に形成される溶融メタル５は透視図として示す。
２本のレーザビーム3a、3bを、オープンパイプ１の突き合わせ面２に沿ってオープンパイプ１の上面側から照射する。その際、単一の光ファイバーで伝送したレーザビームを光学部品（たとえばプリズム等）で２分割しながら照射すると、後述する入射角やスポット径を個別に設定することができない。そのため、２本のレーザビーム3a、3bをそれぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する必要がある。

使用するレーザ発振器は１台でも良いし、あるいは２台でも良い。レーザ発振器が１台で、２本のレーザビームを伝送する場合は、発振されたレーザ光をレーザ発振器内で分割した後、異なる光ファイバーによって伝送すれば良い。
図４に示すように、レーザビーム3a、3bは突き合わせ面２に沿って前後に配置する。オープンパイプ１の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビームを先行レーザビーム3aとし、後行するレーザビームを後行レーザビーム3bとする。

先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bのジャストフォーカスでのスポット径が0.3mm以下では、溶接時の溶接ビードの幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。そのため、ジャストフォーカスでのスポット径は0.3mm超えとする。一方、スポット径が１mmを超えると、キーホールが安定し難くなる。そのため、先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bのジャストフォーカスでのスポット径は１mm以下が好ましい。

オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離をｔ（mm）とし、オープンパイプ１の鋼板厚をＴ（mm）として、オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離ｔが−３×Ｔ（すなわち上面から上方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が高すぎるので、キーホールを安定して維持することが難しい。一方、３×Ｔ（すなわち上面から下方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が深すぎるので、鋼板の裏面（すなわちオープンパイプの内面）側からスパッタが発生し易くなる。したがって、オープンパイプ１の上面からフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内に設定するのが好ましい。

先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bのスポット形状は円形が好ましいが、楕円形であっても良い。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径が0.3mmを超える必要がある。また上記した円形の場合と同様の理由で、短径は１mm以下が好ましい。
図５は、図４の先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bおよびオープンパイプ１上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。図５に示すように、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、いずれも矢印Ａで示す溶接進行方向に傾斜させてオープンパイプ１上面に照射する。その先行レーザビーム3aとオープンパイプ１上面に垂直な線とのなす角θaを先行レーザビーム3aの入射角とし、後行レーザビーム3bとオープンパイプ１表面に垂直な線とのなす角θbを後行レーザビーム3bの入射角として、それぞれの入射角がθa＞θbを満足するように設定する。

さらに、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bがオープンパイプ１の鋼板内部で交差しないように配置する。その理由は、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bが鋼板内部で交差すると、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール４が合体して、巨大なキーホールが生じ、スパッタが多量に発生するからである。
なお、先行レーザビーム3aの入射角θaと後行レーザビーム3bの入射角θbを、θa＜θbと設定すると、後行レーザビーム3bが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して加熱効率が低下する。そのため、先行レーザビーム3aによるエッジ部２の予熱効果は得られるが、後行レーザビーム3bによる突き合わせ面２の溶融が不安定になる。

また、θa＝θbと設定すると、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール４が合体しやすくなり、巨大なキーホールが生じて、スパッタが多量に発生する惧れがある。
したがって、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの入射角をθa＞θbと設定する必要がある。つまり、先行レーザビーム3aは突き合わせ面２を予熱するにあたってスパッタを抑制するために傾斜角θaを大きくする。後行レーザビーム3bは突き合わせ面２を溶融するにあたって加熱効率を高めるために傾斜角θbを小さくする。

このようにして先行レーザビーム3aが付き合わせ面２を予熱する。しかも先行レーザビーム3aは、溶接進行方向に傾斜して照射されるので、スパッタの発生を抑制できる。次いで、後行レーザビーム3bが突き合わせ面２を溶融する。このとき突き合わせ面２は予熱されているので、スパッタは発生しない。その結果、スパッタを軽減し、ひいてはアンダーカットやアンダーフィルを防止できる。

先行レーザビーム3aの入射角θaが５°未満では、入射角θaが小さすぎるので、先行レーザビーム3aを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θaが50°を超えると、先行レーザビーム3aが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、先行レーザビーム3aのエネルギーが減衰して十分な予熱効果が得られなくなる。したがって、先行レーザビーム3aの入射角θaは５〜50°の範囲内が好ましい。

同様に後行レーザビーム3bの入射角θbが５°未満では、入射角θbが小さすぎるので、後行レーザビーム3bを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θbが50°を超えると、後行レーザビーム3bが通過するオープンパイプ１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して十分な溶込み深さが得られなくなる。したがって、後行レーザビーム3bの入射角θbは５〜50°の範囲内が好ましい。

そしてオープンパイプ１の裏面側における先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの中心点の間隔Ｌを１mm以上とする。間隔Ｌが１mm以上であれば、裏面側で溶融池が溶接進行方向に伸びて、裏面側からのスパッタの発生量が減少し、アンダーカットやアンダーフィルのない溶接ビードが得られる。ただし間隔Ｌが10mmを超えると、裏面側の溶融池が分離するので、スパッタが発生し易くなる。そのため、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの中心点の間隔Ｌは１〜10mmの範囲内が好ましい。

また、レーザ発振器からそれぞれ異なる光ファイバーで伝送した先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bうち、先行レーザビーム3aまたは後行レーザビーム3bを光学部品（たとえばプリズム等）で２分割しながら突き合わせ面２の両側に照射しても良い。図６(b)は、後行レーザビーム3bを２分割（照射領域3-2、3-3）しながらエッジ部２の両側に照射した例、図６(c)は、先行レーザビーム3aを２分割（照射領域3-1、3-2）しながら突き合わせ面２の両側に照射した例である。あるいは図６(d)に示すように、先行レーザビーム3aを２分割（照射領域3-1、3-2）しかつ後行レーザビーム3bを２分割（照射領域3-3、3-4）しながら、突き合わせ面２の両側に照射しても良い。このようにして先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bを照射すれば、照射領域内を突き合わせ面２が通過する状態を容易に維持できる。

一般にレーザ溶接時に発生するスパッタは、レーザ出力が低いほど、溶接速度が遅いほど少なくなる。しかしながらスパッタの発生を抑えるために、レーザ出力と溶接速度を低下させることは、溶接鋼管の生産性を低下させることを意味する。そこで本発明では、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bのレーザビームのレーザ出力が合計16ｋＷを超え、かつ７ｍ／分を超える溶接速度で仮付け溶接を行なうことが好ましい。レーザ出力が合計16ｋＷ以下では、溶接速度が７ｍ／分以下となってしまうので、溶接鋼管の生産性低下を招く。

先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、図６(a)に示すように、オープンパイプ１上面における照射領域3-1、3-2の中心が突き合わせ面２に一致するように配置することが好ましい。ただし、そのような配置を維持して溶接を行なうことは難しく、溶接施工中にはオープンパイプ１上面における照射領域3-1、3-2の中心は必ずしも突き合わせ面２に一致しない。照射領域3-1、3-2の中心と突き合わせ面２との間隔が増大すると、先行レーザビーム3a、後行レーザビーム3bが突合せ開先から逸脱することになり、開先の溶け残り等の溶接欠陥が発生しやすくなる。

照射領域3-1、3-2の中心が突き合わせ面２に一致しなくても、照射領域3-1、3-2内を突き合わせ面２が通過する状態で溶接を行なうと、溶接欠陥は発生しない。したがって、照射領域3-1、3-2の中心と突き合わせ面２との間隔は、いずれも照射領域3-1、3-2の半径以内とすることが好ましい。
以上のようにしてレーザ溶接にて仮付け溶接を行なう際には、仮付け溶接部に0.2〜1.0mmのアップセットを加える。アップセット量が0.2mm未満では、レーザ溶接によって生じたブローホールを消滅させることができない。一方、1.0mmを超えると、レーザ溶接が不安定になり、スパッタの発生量が増加する。

突き合わせ面２の板厚方向の長さが10mmを超えると、開先溶け残しが生じ、仮付け溶接の溶接速度を増加するのが困難になるので、突き合わせ面２の板厚方向の長さは10mm以下が好ましい。一方、２mm未満では、後述する仕上げ溶接の後に仮付け溶接部が残留せず、仕上げ溶接部のみでシームが形成される。つまり、高品質の仮付け溶接部が仕上げ溶接によって全て溶融するので、仮付け溶接の高品質化を図る効果が得られない。そのため、突き合わせ面２の板厚方向の長さは２〜10mmの範囲内が一層好ましい。

オープンパイプ１の突き合わせ面２の接合点は、突き合わせ面２の板厚方向の平均間隔Ｇが、スクイズロールにより狭まり、0.5mm以下になった箇所であればどこでも良い。
このようにして、厚肉材（たとえば厚さ４mm以上）のオープンパイプであっても、開先加工部を高周波加熱等で予熱することなく、仮付け溶接を行なうことが可能である。ただし、開先加工部を高周波加熱等で予熱すれば、溶接鋼管の生産性が向上する等の効果が得られる。高周波加熱による予熱を行なえば仮付け溶接部に余盛が形成されるが、後述する仕上げ溶接によって溶融するので問題はない。

レーザビームの発振器は、様々な形態の発振器が使用でき、気体（たとえばＣＯ₂、ヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素、ヨウ素等）を媒質として用いる気体レーザ、固体（たとえば希土類元素をドープしたＹＡＧ等）を媒質として用いる固体レーザ、レーザ媒質としてバルクの代わりにファイバーを利用するファイバーレーザやディスクレーザ等が好適である。あるいは、半導体レーザを使用しても良い。

オープンパイプの外面側から補助熱源によって加熱しても良い。その補助熱源は、オープンパイプの外面を加熱し溶融できるものであれば、その構成は特に限定しない。たとえば、バーナ溶解法、プラズマ溶解法、ＴＩＧ溶解法、電子ビーム溶解法、レーザ溶解法等を利用した手段が好適である。
なお、補助熱源はレーザビームの発振機と一体的に配置することが好ましい。その理由は、補助熱源とレーザを一体的に配置しないと、補助熱源の効果を得るためには大きな熱量が必要となり、また溶接欠陥（たとえばアンダーカットやアンダーフィル等）の抑制が非常に困難になるからである。さらに、補助熱源をレーザビームの発振機より先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、エッジ部の水分、油分を除去できるからである。

さらに好ましい補助熱源として、アークの使用が好ましい。アークの発生源は、溶融メタルの溶落ちを抑制する方向に電磁力（すなわち溶接電流の磁界から発生する電磁力）を付加できるものを使用する。たとえば、ＴＩＧ溶接法、プラズマアーク溶接法等の従来から知られている技術が使用できる。なお、アークの発生源はレーザビームと一体的に配置することが好ましい。その理由は、上述したように、アークを発生させる溶接電流の周辺に生じる磁界の影響を、レーザビームで生じた溶融メタルに効果的に与えるためである。さらに、アークの発生源をレーザビームより先行させて配置することが一層好ましい。その理由は、突き合わせ面の水分や油分を除去できるからである。

このようにして仮付け溶接を行なって後、次に、仕上げ溶接を行ない、図１に示すように、内面側仕上げ溶接部９と外面側仕上げ溶接部10を形成する。仮付け溶接は上記の通り高品質化を図っているので、内面側仕上げ溶接部９と外面側仕上げ溶接部10を小さくして、仮付け溶接部８を残留させても、溶接鋼管７のシームの特性の劣化は生じない。以下に、仕上げ溶接について説明する。

仕上げ溶接は、アーク溶接（たとえばサブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等）を採用する。本発明では、仕上げ溶接の効率向上の観点から、多電極サブマージアーク溶接が好ましい。
そして、仮付け溶接の後に内面側の開先部分の仕上げ溶接を行ない、内面側仕上げ溶接部９を形成する。このとき、図１に示すように、仮付け溶接部８の一部が内面側仕上げ溶接部９と重なるように、内面側の仕上げ溶接を行なう。

次いで、外面側の開先部分の仕上げ溶接を行ない、外面側仕上げ溶接部10を形成する。このとき、図１に示すように、仮付け溶接部８の一部が外面側仕上げ溶接部10と重なるように、外面側の仕上げ溶接を行なう。つまり、外面側仕上げ溶接部10は、内面側仕上げ溶接部９と重ならない。
このようにして仕上げ溶接を行なうことによって、仮付け溶接部８の板厚方向の長さを延長して、内面側仕上げ溶接部９と外面側仕上げ溶接部10を小さくすることが可能となるので、多電極サブマージアーク溶接を採用しても、溶接鋼管７のシームの健全性には何ら問題が生じない。また、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接では、溶接速度を増速することが可能である。

以上に説明した通り、本発明によれば、溶接鋼管を製造するにあたって良好な品質のシームを得ることができ、溶接鋼管を歩留り良く安定して製造できる。得られた溶接鋼管は、シームの低温靭性や耐食性が優れており、寒冷地や腐食環境で使用する油井管やラインパイプに好適である。

ＡＰＩ規格Ｘ80グレードのＵＯＥ鋼管のオープンパイプにＸ開先を形成し、その突き合わせ面をレーザ溶接で接合（すなわち仮付け溶接）した。仮付け溶接では、図４に示すように、２本のレーザビームを照射した。仮付け溶接の設定条件は表１に示す通りである。

発明例（仮付け番号１、２、４、５、12、13、14）は、いずれも溶接欠陥が認められず、良好な仮付け溶接部を得ることができた。
比較例である仮付け番号７、８、９、10、11は、アップセット量が十分ではないので、ブローホールが生じた。仮付け番号３、６、９は、仮付け溶接部が長すぎたので、開先溶け残しが生じた。

１ オープンパイプ
２ 突き合わせ面
３ レーザビーム
3a 先行レーザビーム
3b 後行レーザビーム
４ キーホール（空洞）
５ 溶融メタル
６ シーム
７ 溶接鋼管
８ 仮付け溶接部
９ 内面側仕上げ溶接部
10 外面側仕上げ溶接部

Claims (4)

1. 両端部に開先加工を施した鋼板をオープンパイプに成形し、該オープンパイプの開先加工部を加圧しながら溶接する溶接鋼管の製造方法において、前記加圧によるアップセット量を0.2〜1.0mmとし、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する２本のレーザビームをそれぞれ前記オープンパイプの上面側から溶接進行方向の前方に照射するように入射角を設けて傾斜させて照射し、前記開先加工部の板厚方向中央部の板厚方向10mm以下の長さを有する突き合わせ面をレーザ溶接で接合した後に、前記開先加工部の板厚方向表層部両側をアーク溶接で接合することを特徴とする溶接鋼管の製造方法。
2. 前記レーザ溶接にて、ジャストフォーカスでのスポット径が直径0.3mmを超える前記２本のレーザビームのうち、前記溶接進行方向に先行する先行レーザビームの入射角を後行する後行レーザビームの入射角よりも大きくし、かつ前記オープンパイプの裏面における前記先行レーザビームの中心点と前記後行レーザビームの中心点との間隔を１mm以上とすることを特徴とする請求項１に記載の溶接鋼管の製造方法。
3. 前記先行レーザビームの入射角が５°超え50°以下であり、前記後行レーザビームの入射角が５°以上50°未満であることを特徴とする請求項２に記載の溶接鋼管の製造方法。
4. 前記先行レーザビームおよび前記後行レーザビームのうちの１種または２種を光学部品で２分割し、前記突き合わせ面の左右両側に照射することを特徴とする請求項２または３に記載の溶接鋼管の製造方法。

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