管体および管体の製造方法
【課題】フランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑える。
【解決手段】管体は、フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、フランジ部と、溶接部とを備える。フランジ部は、管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状の部分である。溶接部は、管本体とフランジ部とに渡って設けられる。そして、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接部におけるNi当量pと、管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインＬ１〜Ｌ４で囲まれた領域内に位置するように設定されている。
【解決手段】管体は、フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、フランジ部と、溶接部とを備える。フランジ部は、管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状の部分である。溶接部は、管本体とフランジ部とに渡って設けられる。そして、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接部におけるNi当量pと、管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインＬ１〜Ｌ４で囲まれた領域内に位置するように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体および管体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
管本体とフランジ部とを有する管体の製造方法として、例えば特許文献１に示すものが知られている。ここでは、まず、金属の板材が曲げられて管状に形成される。次に、板材の向かい合う端部が溶接される。これにより、管本体が形成される。そして、管本体の端部が径方向外側に折り曲げられることにより、フランジ部が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２９５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、フランジ部を形成する工程では、管本体の端部が折り曲げられる。このとき、管本体の折り曲げを受ける部分には強い負荷がかかるため、溶接部近傍において亀裂が発生し易い。このため、特許文献１では、鍔部に圧縮残留応力を形成するような冷間加工を施し、割れの進展を食い止めようとしている。しかしこの方法だと冷間加工する工程が増えるため生産性が低下する。
【０００５】
本発明の課題は、生産性を低下させずにフランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる管体および管体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明に係る管体は、フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、フランジ部と、溶接部とを備える。フランジ部は、管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状の部分である。溶接部は、管本体とフランジ部とに渡って設けられる。そして、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接部におけるNi当量pと、管本体の板厚に対する溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、
【０００７】
、
【０００８】
、
【０００９】
、
【００１０】
を示すラインで囲まれた領域内に位置するように設定されている。
【００１１】
第２発明に係る管体は、第１発明の管体であって、管体を構成するフェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lである。そして、定数a,bは、それぞれa=32.583、b=276.39である。なお、SUS436Lは、重量％で、C：0.025％以下、Si:1.00％以下、Mn:1.00％以下、P：0.040％以下、S:0.030％以下、Cr:16.00〜19.00％、Mo:0.75〜1.50％、N:0.025％以下、Ti、Nb、Zr又はそれらの組合せを8×(C％＋N％)〜0.80％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材である。
【００１２】
第３発明に係る管体は、第１発明又は第２発明の管体であって、qは、0.95≦q≦1.25を満たす。
【００１３】
第４発明に係る管体の製造方法は、フェライト系ステンレス鋼製の板材を管状に曲げる工程と、管本体を形成する工程と、フランジ部を形成する工程とを備える。管本体を形成する工程では、板材の向かい合う端部をNiを含有する溶接ワイヤを用いて溶接することにより管本体を形成する。フランジ部を形成する工程では、管本体の軸方向端部を径方向外側に曲げて環状のフランジ部を形成する。そして、管本体を形成する工程では、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接ワイヤによる溶接によって形成される溶接部におけるNi当量をp、管本体の板厚に対する溶接部の板厚の比をqとすると、x-y座標において、点(p,q)が、
【００１４】
、
【００１５】
、
【００１６】
、
【００１７】
を示すラインで囲まれた領域内に位置するように溶接を行う。
【００１８】
第５発明に係る管体の製造方法は、第４発明の管体の製造方法であって、管本体を構成するフェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lである。そして、定数a,bは、それぞれa=32.583、b=276.39である。
【００１９】
第６発明に係る管体の製造方法は、第４発明又は第５発明の管体の製造方法であって、 qは、0.95≦q≦1.25を満たす。
【００２０】
第７発明に係る管体の製造方法は、第４発明から第６発明の管体の製造方法であって、溶接ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼製である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】管体の外観斜視図。
【図２】管体の製造工程を示す図。
【図３】スピニング加工装置を示す模式図。
【図４】溶接金属と母材との板厚が同じである場合の溶接金属の降伏応力と亀裂発生率の関係を示すグラフ。
【図５】フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合の降伏応力とNi当量との関係を示すグラフ。
【図６】溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との範囲を示す図。
【図７】実施例１の母材としてのSUS436LにNiを添加した場合の降伏応力とNi当量との関係を示すグラフ。
【図８】実施例１における溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との望ましい範囲を示す図。
【図９】他の実施形態における溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との範囲を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る管体１を図１に示す。この管体１は、管本体２と、フランジ部３と、溶接部４とを備える。管本体２は、フェライト系ステンレス鋼製の板材から形成されている。管本体２は円筒形の外形を有する。フランジ部３は、管本体２の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成されている。フランジ部３は、管本体２の軸方向端部において周方向に沿って設けられており、環状の形状を有する。フランジ部３は、管本体２の軸方向に対して概ね垂直に設けられている。溶接部４は、管本体２において管本体２の軸方向に沿って設けられている。また、溶接部４は、フランジ部３において径方向に沿って設けられている。溶接部４は、管本体２とフランジ部３とに渡って設けられており、管本体２とフランジ部３との接合部において概ね９０度の角度で屈曲している。
【００２４】
次に、管体１の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、フェライト系ステンレス鋼製の板材５が曲げられて、管状に形成される。例えば、平坦な板材５がプレス加工を受けることにより、管状に形成される。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、板材５の向かい合う端部が溶接されることにより、管本体２が形成される。ここでは、プラズマ溶接により板材５の端部が溶接される。すなわち、付き合わされた板材５の端部に沿って溶接トーチが移動し、板材５の端部が溶かされることにより溶接される。また、溶接の際、溶接部４にフィラーワイヤが供給される。フィラーワイヤは、Niを含有している。これにより、溶接部４にNiを添加することができる。フィラーワイヤとしては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼製のものが用いられる。なお、フィラーワイヤは、公知のワイヤ供給装置によって供給され、その供給速度が調整可能となっている。従って、フィラーワイヤの供給速度を調整することにより、溶接部４へのNiの添加量および溶接部４の板厚を調整することができる。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、管本体２の軸方向端部を径方向外側に曲げることにより、環状のフランジ部３が形成される。ここでは、スピニング加工によってフランジ部３が形成される。スピニング加工を行うための装置の一例を図３に示す。この装置は、固定部材１１と、第１スピニングローラ１２と、第２スピニングローラ１３とを有する。管本体２の一端は、固定部材１１に固定される。固定部材１１は、図示しない駆動手段によって回転駆動され、これにより、管本体２が回転する（矢印Ａ１参照）。そして、第１スピニングローラ１２が回転しながら管本体２の外周面に接触し、管本体２の外周面に接触した状態のまま管本体２の軸方向に移動する（矢印Ａ２参照）。また、これと同時に、管本体２の内周面には、第２スピニングローラ１３が回転しながら接触する。そして、第２スピニングローラ１３が管本体２の軸方向および径方向に移動することによって（矢印Ａ３参照）、管本体２の軸方向端部が径方向外側へ向けて曲げられる。このような第２スピニングローラ１３の動作が複数回繰り返されることにより、管本体２の軸方向端部が徐々に曲げられて、フランジ部３が形成される。
【００２７】
ここで、上記のフランジ部３を形成する工程では、スピニング加工により、フランジ部３は、径方向外側に引き伸ばされると共に、周方向にも引き伸ばされる。このため、従来の管体１の製造方法では、特にフランジ部３の溶接部４に強い負荷がかかり、その近傍に亀裂が発生することが多い。
【００２８】
本発明の発明者は、研究の結果、上記のような亀裂の発生は、溶接部４すなわち溶接金属の強度と、管本体２及びフランジ部３すなわち母材の強度との差が大きいことにより、溶接金属又は母材に歪みが集中することが原因であることを突き止めた。つまり、溶接金属の強度が、母材の強度よりも大きい場合には、歪みが溶接金属に集中しやすくなるため、溶接金属において亀裂が発生する。逆に、溶接金属の強度が母材の強度よりも小さい場合には、溶接金属と母材との境界に位置する熱影響部に歪みが集中しやすくなるため、熱影響部において亀裂が発生する。従って、亀裂の発生を抑えるためには、溶接金属の強度と母材の強度とを近似させて、溶接金属が母材の変形に同調して変形するようにすればよい。そして、溶接金属の降伏応力を調整することにより、溶接金属の強度と母材の強度とを近似させて亀裂の発生を抑えることを、本発明の発明者は案出した。
【００２９】
図４に、溶接金属の降伏応力とスピニング加工時の亀裂発生率との関係を表すグラフを示す。このグラフは、溶接金属の降伏応力の異なる複数のサンプルについて、スピニング加工時の亀裂の発生率を調べたものである。母材としては、フェライト系ステンレス鋼であるSUS436Lを用いた。また、母材の板厚と溶接金属の板厚とは同じとなるように、溶接後の溶接金属および母材に研磨を施した。図４において横軸は溶接金属の降伏応力を示している。縦軸は、亀裂発生率を示している。亀裂発生率は、10個のサンプルのうち亀裂が発生した個数の割合である。図４から分かるように、降伏応力が３００MPa以上３５５MPa以下では、亀裂発生率はゼロであった。すなわち、亀裂は発生しなかった。一方、降伏応力が３００MPaより小さい場合、および３５５MPaより大きい場合には、亀裂が発生した。特に、降伏応力が３００MPaより小さい場合には溶接金属に亀裂が発生した。また、降伏応力が３５５MPaより大きい場合には、母材に亀裂が発生した。
【００３０】
以上の結果により、溶接金属の降伏応力を３００MPa以上３５５MPa以下に設定することにより、亀裂の発生を抑えることができることがわかる。
【００３１】
フェライト系ステンレス鋼製の部材を溶接する場合、溶接金属の降伏応力は、溶接金属へのNiの添加量を調整することによって、調整することができる。ここで、図５に示すように、溶接金属の降伏応力は、溶接金属中のNi当量に比例する。なお、Ni当量は、次のように定義される。
Ni当量(%) = Ni(%) + 30C(%) +0.5Mn(%)
図５のグラフにおいて、横軸は溶接金属中のNi当量を示している。縦軸は溶接金属の降伏応力を示している。従って、降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、以下の数１式のように示すことができる。なお、数１式においてa,bは定数であり、試験的に求めることができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
上記の数１式により、溶接金属の降伏応力が３００MPa以上３５５MPa以下となるNi当量の値を求めることができる。すなわち、溶接金属の降伏応力が３００MPaとなるNi当量は、以下の数２式により求められる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、溶接金属の降伏応力が３５５MPaとなるNi当量は、以下の数３式により求められる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
従って、溶接金属中のNi当量nが、
【００３８】
の範囲内で設定されることにより、亀裂の発生を抑えることができる。
【００３９】
ところで、溶接金属の強度と母材の強度とは、降伏応力のみによって定まるのではなく、溶接金属の板厚と母材の板厚の影響を受ける。従って、溶接金属にNiを添加することによりNi当量を調整する場合には、上記のようなNi当量の範囲に加えて、溶接金属と母材との板厚とを考慮することが有効であることを本発明の発明者は案出した。溶接金属の板厚をTw、母材の板厚をTbとすると、母材の降伏応力が３００MPaである場合には、母材の歪みと溶接金属の歪みとは、以下の数４式が満たされたときに同じになる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
また、母材の降伏応力が３５５MPaである場合には、母材の歪みと溶接金属の歪みとは、以下の数５式が満たされたときに同じになる。
【００４２】
【数５】
【００４３】
数４式および数５式において、σは溶接金属の降伏応力であり上述した数１式から求められる。従って、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比Tw/Tbをyとして、溶接金属中のNi当量をxとすると、数４式は、数１式より以下の数６式のように表せる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
また、数５式は、数１式より以下の数７式のように表せる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
上記の数２式、数３式、数６式、及び数７式をx-y座標系においてグラフ化すると図６のようになる。図６では、横軸すなわちx軸は溶接金属中のNi当量を示している。縦軸すなわちy軸は母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比を示している。ラインＬ１は、数６式を示すラインである。ラインＬ２は、数７式を示すラインである。ラインＬ３は、数２式を示すラインである。ラインＬ４は、数３式を示すラインである。従って、溶接金属おけるNi当量pと、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qとを、点(p,q)がこれらのラインＬ１〜Ｌ４で囲まれた領域（ハッチングを付した部分参照）内に位置するように設定することにより、溶接金属の強度と母材の強度を近似させることができる。これにより、スピニング加工の際に、溶接金属が母材の変形に同調して変形し、その結果、フランジ部３の溶接部４近傍での亀裂の発生を抑えることができる。
【００４８】
また、溶接金属の板厚と母材の板厚とに差がある場合であっても、点(p,q)が上記の範囲内であれば亀裂の発生が抑えられる。従って、点(p,q)が上記の範囲に含まれるように溶接を行えば、抑亀裂の発生を抑えるために、母材と溶接金属とに研磨を施して、母材と溶接金属の板厚を均一にする必要がない。また、溶接成分を調整しているので、冷間加工などの特別の加工をする必要が無い。このため、生産性を向上させることができる。
【実施例１】
【００４９】
表１に母材とフィラーワイヤとの材質および成分を示す。母材の材質はSUS436L（JIS）であり、その降伏応力は３００MPaである。フィラーワイヤとしては日鐵住金溶接工業のYT-309を用いた。YT-309の材質はY309（JIS）である。
【００５０】
【表１】
【００５１】
また、SUS436LにNiを添加した場合の降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、図７のグラフのようになった。これより、降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、以下の数８式のように示される。
【００５２】
【数８】
【００５３】
すなわち、a=32.583であり、b=276.39である。従って、数６式、数７式、数２式および数３式は以下の数９式〜数１２式のようにそれぞれ表せる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
【数１０】
【００５６】
【数１１】
【００５７】
【数１２】
【００５８】
数９式〜数１２式をx-y座標系においてグラフ化すると図８のようになった。ラインＬ１１は、数９式を示すラインである。ラインＬ１２は、数１０式を示すラインである。ラインＬ１３は、数１１式を示すラインである。ラインＬ１４は、数１２式を示すラインである。そして、溶接金属おけるNi当量pと、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qとを、点(p,q)がこれらのラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域（ハッチングを付した部分参照）内に位置するように設定した。すなわち、点(p,q)がこれらのラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域内に位置するような値となるように、フィラーワイヤの供給速度を調整した。具体的には、以下に示す条件で溶接を行った。
【００５９】
溶接条件：プラズマアーク溶接（電流：140 A、溶接速度：500 mm/min）
母材の板厚：2.0 mm
ワイヤ直径：0.8 mm
ワイヤ供給速度：500 mm/min（2.0 g/min）
溶接金属のNi当量p：0.89 %
板厚の比q：1.12
x−y座標系において点(p,q)を示すと、点(p,q)は、図８のラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域内に位置していた（図８の点P1参照）。
【００６０】
上記のように溶接を行って形成された管本体２に対して、スピニング加工を行いフランジ部３を形成した。その結果、亀裂発生率はゼロであった。
【比較例１】
【００６１】
次に、ワイヤ供給速度を1000 mm/min（3.9 g/min）として溶接を行った。他の条件は実施例1と同じである。この場合、溶接金属のNi当量pは1.52 %であり、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qは、1.22であった。x-y座標系において点(p,q)を示すと、点(p,q)は、図８のラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域外に位置していた（図８の点P2参照）
この場合、管本体２に対してスピニング加工によりフランジ部３を形成した結果、亀裂発生率は１０％であった。
【００６２】
＜他の実施形態＞
（ａ）フランジ部３の形成はスピニング加工に限られず他の加工手段によって行われてもよい。
【００６３】
（ｂ）母材である管本体２の材質はSUS436Lに限らず、SUS436J1Lなどの他のフェライト系ステンレス鋼であってもよい。SUS436J1Lの成分を以下の表２に示す。
【００６４】
【表２】
【００６５】
（ｃ）フィラーワイヤの材質はY309に限らず、Y310（JIS）、Y430（JIS）などの他のオーステナイト系ステンレス鋼であってもよい。また、フィラーワイヤの材料はオーステナイト系ステンレス鋼に限らず、Niを含有する他の材料であってもよい。
【００６６】
（ｄ）溶接方法は、プラズマ溶接に限らず、TIG溶接、レーザー溶接、MIG溶接などの他の溶接法方が用いられてもよい。その際、MIG溶接のように消耗電極が用いられる場合には、Niを含有する溶接ワイヤが消耗電極として用いられる。また、TIG溶接、レーザー溶接のように非消耗電極が用いられる場合には、上述したプラズマ溶接の場合と同様に、Niを含有するフィラーワイヤが溶接部４に供給される。
【００６７】
（ｅ）図９に示すように、上述した数６式、数７式、数２式および数３式のラインＬ１〜Ｌ４に加えて、さらに、y=0.95、y=1.25を示すラインＬ５，Ｌ６によって囲まれた領域が用いられてもよい。すなわち、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qは以下の数１３式を満たす。
【００６８】
【数１３】
【００６９】
これにより、母材と溶接金属との間の段差が小さくなり、スピニング加工時にスピニングローラの移動の妨げとなることが抑えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、フランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる効果を有し、管体および管体の製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
２ 管本体
３ フランジ部
４ 溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管体および管体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
管本体とフランジ部とを有する管体の製造方法として、例えば特許文献１に示すものが知られている。ここでは、まず、金属の板材が曲げられて管状に形成される。次に、板材の向かい合う端部が溶接される。これにより、管本体が形成される。そして、管本体の端部が径方向外側に折り曲げられることにより、フランジ部が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３２９５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、フランジ部を形成する工程では、管本体の端部が折り曲げられる。このとき、管本体の折り曲げを受ける部分には強い負荷がかかるため、溶接部近傍において亀裂が発生し易い。このため、特許文献１では、鍔部に圧縮残留応力を形成するような冷間加工を施し、割れの進展を食い止めようとしている。しかしこの方法だと冷間加工する工程が増えるため生産性が低下する。
【０００５】
本発明の課題は、生産性を低下させずにフランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる管体および管体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明に係る管体は、フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、フランジ部と、溶接部とを備える。フランジ部は、管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状の部分である。溶接部は、管本体とフランジ部とに渡って設けられる。そして、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接部におけるNi当量pと、管本体の板厚に対する溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、
【０００７】
、
【０００８】
、
【０００９】
、
【００１０】
を示すラインで囲まれた領域内に位置するように設定されている。
【００１１】
第２発明に係る管体は、第１発明の管体であって、管体を構成するフェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lである。そして、定数a,bは、それぞれa=32.583、b=276.39である。なお、SUS436Lは、重量％で、C：0.025％以下、Si:1.00％以下、Mn:1.00％以下、P：0.040％以下、S:0.030％以下、Cr:16.00〜19.00％、Mo:0.75〜1.50％、N:0.025％以下、Ti、Nb、Zr又はそれらの組合せを8×(C％＋N％)〜0.80％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼材である。
【００１２】
第３発明に係る管体は、第１発明又は第２発明の管体であって、qは、0.95≦q≦1.25を満たす。
【００１３】
第４発明に係る管体の製造方法は、フェライト系ステンレス鋼製の板材を管状に曲げる工程と、管本体を形成する工程と、フランジ部を形成する工程とを備える。管本体を形成する工程では、板材の向かい合う端部をNiを含有する溶接ワイヤを用いて溶接することにより管本体を形成する。フランジ部を形成する工程では、管本体の軸方向端部を径方向外側に曲げて環状のフランジ部を形成する。そして、管本体を形成する工程では、フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、溶接ワイヤによる溶接によって形成される溶接部におけるNi当量をp、管本体の板厚に対する溶接部の板厚の比をqとすると、x-y座標において、点(p,q)が、
【００１４】
、
【００１５】
、
【００１６】
、
【００１７】
を示すラインで囲まれた領域内に位置するように溶接を行う。
【００１８】
第５発明に係る管体の製造方法は、第４発明の管体の製造方法であって、管本体を構成するフェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lである。そして、定数a,bは、それぞれa=32.583、b=276.39である。
【００１９】
第６発明に係る管体の製造方法は、第４発明又は第５発明の管体の製造方法であって、 qは、0.95≦q≦1.25を満たす。
【００２０】
第７発明に係る管体の製造方法は、第４発明から第６発明の管体の製造方法であって、溶接ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼製である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】管体の外観斜視図。
【図２】管体の製造工程を示す図。
【図３】スピニング加工装置を示す模式図。
【図４】溶接金属と母材との板厚が同じである場合の溶接金属の降伏応力と亀裂発生率の関係を示すグラフ。
【図５】フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合の降伏応力とNi当量との関係を示すグラフ。
【図６】溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との範囲を示す図。
【図７】実施例１の母材としてのSUS436LにNiを添加した場合の降伏応力とNi当量との関係を示すグラフ。
【図８】実施例１における溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との望ましい範囲を示す図。
【図９】他の実施形態における溶接金属と母材との板厚比と溶接金属のNi当量との範囲を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態に係る管体１を図１に示す。この管体１は、管本体２と、フランジ部３と、溶接部４とを備える。管本体２は、フェライト系ステンレス鋼製の板材から形成されている。管本体２は円筒形の外形を有する。フランジ部３は、管本体２の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成されている。フランジ部３は、管本体２の軸方向端部において周方向に沿って設けられており、環状の形状を有する。フランジ部３は、管本体２の軸方向に対して概ね垂直に設けられている。溶接部４は、管本体２において管本体２の軸方向に沿って設けられている。また、溶接部４は、フランジ部３において径方向に沿って設けられている。溶接部４は、管本体２とフランジ部３とに渡って設けられており、管本体２とフランジ部３との接合部において概ね９０度の角度で屈曲している。
【００２４】
次に、管体１の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、フェライト系ステンレス鋼製の板材５が曲げられて、管状に形成される。例えば、平坦な板材５がプレス加工を受けることにより、管状に形成される。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、板材５の向かい合う端部が溶接されることにより、管本体２が形成される。ここでは、プラズマ溶接により板材５の端部が溶接される。すなわち、付き合わされた板材５の端部に沿って溶接トーチが移動し、板材５の端部が溶かされることにより溶接される。また、溶接の際、溶接部４にフィラーワイヤが供給される。フィラーワイヤは、Niを含有している。これにより、溶接部４にNiを添加することができる。フィラーワイヤとしては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼製のものが用いられる。なお、フィラーワイヤは、公知のワイヤ供給装置によって供給され、その供給速度が調整可能となっている。従って、フィラーワイヤの供給速度を調整することにより、溶接部４へのNiの添加量および溶接部４の板厚を調整することができる。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、管本体２の軸方向端部を径方向外側に曲げることにより、環状のフランジ部３が形成される。ここでは、スピニング加工によってフランジ部３が形成される。スピニング加工を行うための装置の一例を図３に示す。この装置は、固定部材１１と、第１スピニングローラ１２と、第２スピニングローラ１３とを有する。管本体２の一端は、固定部材１１に固定される。固定部材１１は、図示しない駆動手段によって回転駆動され、これにより、管本体２が回転する（矢印Ａ１参照）。そして、第１スピニングローラ１２が回転しながら管本体２の外周面に接触し、管本体２の外周面に接触した状態のまま管本体２の軸方向に移動する（矢印Ａ２参照）。また、これと同時に、管本体２の内周面には、第２スピニングローラ１３が回転しながら接触する。そして、第２スピニングローラ１３が管本体２の軸方向および径方向に移動することによって（矢印Ａ３参照）、管本体２の軸方向端部が径方向外側へ向けて曲げられる。このような第２スピニングローラ１３の動作が複数回繰り返されることにより、管本体２の軸方向端部が徐々に曲げられて、フランジ部３が形成される。
【００２７】
ここで、上記のフランジ部３を形成する工程では、スピニング加工により、フランジ部３は、径方向外側に引き伸ばされると共に、周方向にも引き伸ばされる。このため、従来の管体１の製造方法では、特にフランジ部３の溶接部４に強い負荷がかかり、その近傍に亀裂が発生することが多い。
【００２８】
本発明の発明者は、研究の結果、上記のような亀裂の発生は、溶接部４すなわち溶接金属の強度と、管本体２及びフランジ部３すなわち母材の強度との差が大きいことにより、溶接金属又は母材に歪みが集中することが原因であることを突き止めた。つまり、溶接金属の強度が、母材の強度よりも大きい場合には、歪みが溶接金属に集中しやすくなるため、溶接金属において亀裂が発生する。逆に、溶接金属の強度が母材の強度よりも小さい場合には、溶接金属と母材との境界に位置する熱影響部に歪みが集中しやすくなるため、熱影響部において亀裂が発生する。従って、亀裂の発生を抑えるためには、溶接金属の強度と母材の強度とを近似させて、溶接金属が母材の変形に同調して変形するようにすればよい。そして、溶接金属の降伏応力を調整することにより、溶接金属の強度と母材の強度とを近似させて亀裂の発生を抑えることを、本発明の発明者は案出した。
【００２９】
図４に、溶接金属の降伏応力とスピニング加工時の亀裂発生率との関係を表すグラフを示す。このグラフは、溶接金属の降伏応力の異なる複数のサンプルについて、スピニング加工時の亀裂の発生率を調べたものである。母材としては、フェライト系ステンレス鋼であるSUS436Lを用いた。また、母材の板厚と溶接金属の板厚とは同じとなるように、溶接後の溶接金属および母材に研磨を施した。図４において横軸は溶接金属の降伏応力を示している。縦軸は、亀裂発生率を示している。亀裂発生率は、10個のサンプルのうち亀裂が発生した個数の割合である。図４から分かるように、降伏応力が３００MPa以上３５５MPa以下では、亀裂発生率はゼロであった。すなわち、亀裂は発生しなかった。一方、降伏応力が３００MPaより小さい場合、および３５５MPaより大きい場合には、亀裂が発生した。特に、降伏応力が３００MPaより小さい場合には溶接金属に亀裂が発生した。また、降伏応力が３５５MPaより大きい場合には、母材に亀裂が発生した。
【００３０】
以上の結果により、溶接金属の降伏応力を３００MPa以上３５５MPa以下に設定することにより、亀裂の発生を抑えることができることがわかる。
【００３１】
フェライト系ステンレス鋼製の部材を溶接する場合、溶接金属の降伏応力は、溶接金属へのNiの添加量を調整することによって、調整することができる。ここで、図５に示すように、溶接金属の降伏応力は、溶接金属中のNi当量に比例する。なお、Ni当量は、次のように定義される。
Ni当量(%) = Ni(%) + 30C(%) +0.5Mn(%)
図５のグラフにおいて、横軸は溶接金属中のNi当量を示している。縦軸は溶接金属の降伏応力を示している。従って、降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、以下の数１式のように示すことができる。なお、数１式においてa,bは定数であり、試験的に求めることができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
上記の数１式により、溶接金属の降伏応力が３００MPa以上３５５MPa以下となるNi当量の値を求めることができる。すなわち、溶接金属の降伏応力が３００MPaとなるNi当量は、以下の数２式により求められる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
また、溶接金属の降伏応力が３５５MPaとなるNi当量は、以下の数３式により求められる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
従って、溶接金属中のNi当量nが、
【００３８】
の範囲内で設定されることにより、亀裂の発生を抑えることができる。
【００３９】
ところで、溶接金属の強度と母材の強度とは、降伏応力のみによって定まるのではなく、溶接金属の板厚と母材の板厚の影響を受ける。従って、溶接金属にNiを添加することによりNi当量を調整する場合には、上記のようなNi当量の範囲に加えて、溶接金属と母材との板厚とを考慮することが有効であることを本発明の発明者は案出した。溶接金属の板厚をTw、母材の板厚をTbとすると、母材の降伏応力が３００MPaである場合には、母材の歪みと溶接金属の歪みとは、以下の数４式が満たされたときに同じになる。
【００４０】
【数４】
【００４１】
また、母材の降伏応力が３５５MPaである場合には、母材の歪みと溶接金属の歪みとは、以下の数５式が満たされたときに同じになる。
【００４２】
【数５】
【００４３】
数４式および数５式において、σは溶接金属の降伏応力であり上述した数１式から求められる。従って、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比Tw/Tbをyとして、溶接金属中のNi当量をxとすると、数４式は、数１式より以下の数６式のように表せる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
また、数５式は、数１式より以下の数７式のように表せる。
【００４６】
【数７】
【００４７】
上記の数２式、数３式、数６式、及び数７式をx-y座標系においてグラフ化すると図６のようになる。図６では、横軸すなわちx軸は溶接金属中のNi当量を示している。縦軸すなわちy軸は母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比を示している。ラインＬ１は、数６式を示すラインである。ラインＬ２は、数７式を示すラインである。ラインＬ３は、数２式を示すラインである。ラインＬ４は、数３式を示すラインである。従って、溶接金属おけるNi当量pと、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qとを、点(p,q)がこれらのラインＬ１〜Ｌ４で囲まれた領域（ハッチングを付した部分参照）内に位置するように設定することにより、溶接金属の強度と母材の強度を近似させることができる。これにより、スピニング加工の際に、溶接金属が母材の変形に同調して変形し、その結果、フランジ部３の溶接部４近傍での亀裂の発生を抑えることができる。
【００４８】
また、溶接金属の板厚と母材の板厚とに差がある場合であっても、点(p,q)が上記の範囲内であれば亀裂の発生が抑えられる。従って、点(p,q)が上記の範囲に含まれるように溶接を行えば、抑亀裂の発生を抑えるために、母材と溶接金属とに研磨を施して、母材と溶接金属の板厚を均一にする必要がない。また、溶接成分を調整しているので、冷間加工などの特別の加工をする必要が無い。このため、生産性を向上させることができる。
【実施例１】
【００４９】
表１に母材とフィラーワイヤとの材質および成分を示す。母材の材質はSUS436L（JIS）であり、その降伏応力は３００MPaである。フィラーワイヤとしては日鐵住金溶接工業のYT-309を用いた。YT-309の材質はY309（JIS）である。
【００５０】
【表１】
【００５１】
また、SUS436LにNiを添加した場合の降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、図７のグラフのようになった。これより、降伏応力σと溶接金属中のNi当量nとの関係は、以下の数８式のように示される。
【００５２】
【数８】
【００５３】
すなわち、a=32.583であり、b=276.39である。従って、数６式、数７式、数２式および数３式は以下の数９式〜数１２式のようにそれぞれ表せる。
【００５４】
【数９】
【００５５】
【数１０】
【００５６】
【数１１】
【００５７】
【数１２】
【００５８】
数９式〜数１２式をx-y座標系においてグラフ化すると図８のようになった。ラインＬ１１は、数９式を示すラインである。ラインＬ１２は、数１０式を示すラインである。ラインＬ１３は、数１１式を示すラインである。ラインＬ１４は、数１２式を示すラインである。そして、溶接金属おけるNi当量pと、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qとを、点(p,q)がこれらのラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域（ハッチングを付した部分参照）内に位置するように設定した。すなわち、点(p,q)がこれらのラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域内に位置するような値となるように、フィラーワイヤの供給速度を調整した。具体的には、以下に示す条件で溶接を行った。
【００５９】
溶接条件：プラズマアーク溶接（電流：140 A、溶接速度：500 mm/min）
母材の板厚：2.0 mm
ワイヤ直径：0.8 mm
ワイヤ供給速度：500 mm/min（2.0 g/min）
溶接金属のNi当量p：0.89 %
板厚の比q：1.12
x−y座標系において点(p,q)を示すと、点(p,q)は、図８のラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域内に位置していた（図８の点P1参照）。
【００６０】
上記のように溶接を行って形成された管本体２に対して、スピニング加工を行いフランジ部３を形成した。その結果、亀裂発生率はゼロであった。
【比較例１】
【００６１】
次に、ワイヤ供給速度を1000 mm/min（3.9 g/min）として溶接を行った。他の条件は実施例1と同じである。この場合、溶接金属のNi当量pは1.52 %であり、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qは、1.22であった。x-y座標系において点(p,q)を示すと、点(p,q)は、図８のラインＬ１１〜Ｌ１４で囲まれた領域外に位置していた（図８の点P2参照）
この場合、管本体２に対してスピニング加工によりフランジ部３を形成した結果、亀裂発生率は１０％であった。
【００６２】
＜他の実施形態＞
（ａ）フランジ部３の形成はスピニング加工に限られず他の加工手段によって行われてもよい。
【００６３】
（ｂ）母材である管本体２の材質はSUS436Lに限らず、SUS436J1Lなどの他のフェライト系ステンレス鋼であってもよい。SUS436J1Lの成分を以下の表２に示す。
【００６４】
【表２】
【００６５】
（ｃ）フィラーワイヤの材質はY309に限らず、Y310（JIS）、Y430（JIS）などの他のオーステナイト系ステンレス鋼であってもよい。また、フィラーワイヤの材料はオーステナイト系ステンレス鋼に限らず、Niを含有する他の材料であってもよい。
【００６６】
（ｄ）溶接方法は、プラズマ溶接に限らず、TIG溶接、レーザー溶接、MIG溶接などの他の溶接法方が用いられてもよい。その際、MIG溶接のように消耗電極が用いられる場合には、Niを含有する溶接ワイヤが消耗電極として用いられる。また、TIG溶接、レーザー溶接のように非消耗電極が用いられる場合には、上述したプラズマ溶接の場合と同様に、Niを含有するフィラーワイヤが溶接部４に供給される。
【００６７】
（ｅ）図９に示すように、上述した数６式、数７式、数２式および数３式のラインＬ１〜Ｌ４に加えて、さらに、y=0.95、y=1.25を示すラインＬ５，Ｌ６によって囲まれた領域が用いられてもよい。すなわち、母材の板厚に対する溶接金属の板厚の比qは以下の数１３式を満たす。
【００６８】
【数１３】
【００６９】
これにより、母材と溶接金属との間の段差が小さくなり、スピニング加工時にスピニングローラの移動の妨げとなることが抑えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、フランジ部の溶接部近傍での亀裂の発生を抑えることができる効果を有し、管体および管体の製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
２ 管本体
３ フランジ部
４ 溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、
前記管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状のフランジ部と、
前記管本体と前記フランジ部とに渡って設けられた溶接部と、
を備え、
前記フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、前記溶接部におけるNi当量pと、前記管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインで囲まれた領域内に位置するように設定されている、
管体。
【請求項２】
前記フェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lであり、
前記定数a,bは、それぞれ、a=32.583、b=276.39である、
請求項１に記載の管体。
【請求項３】
前記qは、0.95≦q≦1.25を満たす、
請求項１又は２に記載の管体。
【請求項４】
フェライト系ステンレス鋼製の板材を管状に曲げる工程と、
前記板材の向かい合う端部をNiを含有する溶接ワイヤを用いて溶接することにより管本体を形成する工程と、
前記管本体の軸方向端部を径方向外側に曲げて環状のフランジ部を形成する工程と、
を備え、
前記管本体を形成する工程では、前記フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、前記溶接ワイヤによる溶接によって形成される溶接部におけるNi当量をp、前記管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比をqとすると、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインで囲まれた領域内に位置するように溶接を行う、
管体の製造方法。
【請求項５】
前記フェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lであり、
前記定数a,bは、それぞれ、a=32.583、b=276.39である、
請求項４に記載の管体の製造方法。
【請求項６】
前記qは、0.95≦q≦1.25を満たす、
請求項４又は５に記載の管体の製造方法。
【請求項７】
前記溶接ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼製である、
請求項４から６のいずれかに記載の管体の製造方法。
【請求項１】
フェライト系ステンレス鋼製の管本体と、
前記管本体の軸方向端部が径方向外側に曲げられて形成された環状のフランジ部と、
前記管本体と前記フランジ部とに渡って設けられた溶接部と、
を備え、
前記フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、前記溶接部におけるNi当量pと、前記管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比qとは、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインで囲まれた領域内に位置するように設定されている、
管体。
【請求項２】
前記フェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lであり、
前記定数a,bは、それぞれ、a=32.583、b=276.39である、
請求項１に記載の管体。
【請求項３】
前記qは、0.95≦q≦1.25を満たす、
請求項１又は２に記載の管体。
【請求項４】
フェライト系ステンレス鋼製の板材を管状に曲げる工程と、
前記板材の向かい合う端部をNiを含有する溶接ワイヤを用いて溶接することにより管本体を形成する工程と、
前記管本体の軸方向端部を径方向外側に曲げて環状のフランジ部を形成する工程と、
を備え、
前記管本体を形成する工程では、前記フェライト系ステンレス鋼にNiを添加した場合のNi当量nと降伏応力σとの関係がσ=an+b（a,bは定数）である場合において、前記溶接ワイヤによる溶接によって形成される溶接部におけるNi当量をp、前記管本体の板厚に対する前記溶接部の板厚の比をqとすると、x-y座標系において、点(p,q)が、x=(300-b)/a、x=(355-b)/a、y=355/(ax+b)、y=300/(ax+b)を示すラインで囲まれた領域内に位置するように溶接を行う、
管体の製造方法。
【請求項５】
前記フェライト系ステンレス鋼は、SUS436Lであり、
前記定数a,bは、それぞれ、a=32.583、b=276.39である、
請求項４に記載の管体の製造方法。
【請求項６】
前記qは、0.95≦q≦1.25を満たす、
請求項４又は５に記載の管体の製造方法。
【請求項７】
前記溶接ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼製である、
請求項４から６のいずれかに記載の管体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７３０１７（Ｐ２０１１−７３０１７Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２５４２０（Ｐ２００９−２２５４２０）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
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