钢管焊缝的平整装置及其制造方法 本发明涉及钢管焊缝的平整装置和方法。具体地说，本发明涉及一种对成型于钢管焊缝处的增厚部进行在线平整的钢管焊缝平整装置及其制造方法，其中在钢管生产线上用成形辊连续地使带钢形成开口管并在固相压焊的适当温度范围内对接并焊合开口管的两边缘而制成了上述钢管。
焊接钢管是通过对钢板或带钢进行管状成形并焊接接缝的方式而制成的。这种制造方法可按管外径和用途大致分为电阻焊、锻焊和电弧焊。
外径为小径～中径的钢管采用了高频感应加热式电阻焊制造方法。这种制造方法是在连续进给带钢、用成形辊形成管状地制成开口管、接着在通过高频感应加热方式将开口管两边缘的端面加热至钢熔点以上、再用挤压辊对接并焊合两边缘的端面部分的电焊钢管制造方式(例如，第三版《钢铁博览》第III卷(2)第1056～1092页)。
在上述高频感应加热式电焊钢管制造方法中，因为开口管两边缘部的端面被加热到钢熔点以上，熔钢在电磁力作用下流动，从而使生成的氧化物咬入焊接部分。由此易产生过烧等焊接缺陷或钢液飞溅等问题。
对于这一问题，例如在特开平2-299782号公报中提出了具有两个加热装置的电焊钢管制造方法。即，上述制造方法是一种用第一加热装置将开口管的两边缘部加热到居里点以上、用第二加热装置进一步将其加热至熔点以上、由紧接其后地挤压辊对两边缘部进行对接和焊合的钢管制造方法。同时，特开平2-299783号公报提出了一种在第一加热装置中通入频率为45～250KHz的电流而对两边缘部预热、进一步用第二加热装置将其加热至熔点以上、利用挤压辊对两边缘部分进行对接和焊合地制造钢管的电焊钢管制造装置。
可是，尽管这些电焊钢管制造技术指出了应均匀加热边缘部分，但是由于两边缘部分被加热到熔点以上，所以在对接和焊合时，在把熔钢排到管内外侧的结合部处形成了焊道(堆高)。因此，必须在对接和焊合后将管内、外侧的焊道除去。通常用切削刀削除焊道。
然而，采用切削刀切削焊道存在以下问题。
即，调整切削刀切削量和因切削刀磨损或损伤而更换切削刀需要时间。特别是在生产速率为100m/min的超高速制管生产中，因切削刀的寿命短而频繁换刀。因此，存在生产线停机时间变长而无法提高生产率的问题。
另一方面，作为外径为小直径的钢管制造方法，已知的锻焊钢管制造方法具有极高的生产率。这种钢管制造方法如下：在加热炉中将连续送进的带钢加热到1300℃之后，用成形辊制成管状地制造开口管；接着，对开口管两边缘部喷射高压空气地进行端面剥皮后，通过焊接电极臂向端面吹氧，由于利用氧化产生的热量使端面升温至1400℃，从而利用锻焊辊使两边缘部的端面对接并固态焊合。(例如，第三版《钢铁博览》第III卷(2)第1093～1109页)。
然而，这种锻焊钢管制造方法存在以下问题。
亦即，因不能完全除净端面氧化皮，所以氧化铁皮嵌入锻焊接合部中，从而焊缝强度与管材本身的强度相比变差。例如在压扁试验中，与电焊钢管的扁平高度比h/D＝2t/D(t为板厚)对照，锻焊钢管的扁平高度比h/D只能达到0.5左右。此外，由于高温加热钢带，在钢管表面生成氧化皮而引起表面恶化。
锻焊钢管与电焊钢管相比，当制管速率在300m/min以上时，钢管生产率得到极大的提高，但焊缝质量和表面层恶化。因此，存在不适用于要求有JIS(日本工业标准)的STK等的强度可靠性和表面质量的钢管的问题。
作为解决上述问题的方法，本发明人开发出了固态压焊制管法。这种方法是一种在居里点(770℃左右)以上至熔点以下的温度范围(以下称预热温度范围)内对开口管边缘部进行感应加热(以下称边缘预热)、然后通过空冷使处于预热温度范围内的边缘部分的温度均匀、在适当温度范围(1300℃～1500℃)内感应加热(以下称正式加热)、利用挤压辊对接并焊合的制管方法。在采用这种固态压焊方法制造钢管的情况下，由于不必象过去焊接钢管那样用切削刀进行切削加工，所以因可以高速制管而提高了生产率，并且不会出现作为传统锻焊钢管缺点的因氧化而使焊缝质量和表面恶化的现象。但是如图11所示，在固态焊接的钢管4中出现了这样的情况，即根据边缘部达到的温度或挤压辊压紧的程度(镦粗量)而在焊缝5处产生了等于5％以上的管壁厚度的增厚部。焊缝增厚部6因妨害了钢管的螺纹切削等的加工性能且在拉延钢管时助长了其内部产生棱角等厚度不均匀的现象而不能令人满意。
因此，本发明的目的是提供一种能有效地除去通过固态焊接制管法制成的钢管的焊缝增厚部的钢管焊缝平整装置及方法。
本发明是一种具有以下特征的钢管焊缝平整装置，其中该装置在对开口管两边缘部分感应加热之后对用挤压辊对接并焊合地制成的钢管的焊缝增厚部进行平整，它包括：从管的外侧和内部夹紧焊缝增厚部并对其进行轧制的管外部轧辊和管内部轧辊；在保持管内部轧辊可自由旋转的同时内设有冷却水通路的管内部轧辊支持装置；在使内部轧辊支持装置与连接装置相连接的同时内设有冷却水供给通路的连杆；固定连杆的固定装置。
此外，在本发明由带钢成形辊连续制成开口管，利用感应加热将该开口管的两边缘部分加热到熔点以下的温度范围内，利用挤压辊对接和焊合钢管的制造方法中，其特征在于：在对前述开口管两边缘部的内侧进行了边缘预成形之后，利用前述钢管焊缝部平整装置平整焊缝增厚部。
本发明的其它结构和改进方案将在以下的详细说明中变得更为清楚。附图说明：
图1(A)表示本发明的平整装置模式的侧视图。(B)是沿(A)中A-A线的主剖视图。
图2是表示本发明装置的另一实施例模式的主视图。
图3是表示本发明装置的另一实施例模式侧剖视图。
图4是图3的放大示图。
图5(A)表示在本发明的平整装置中使在管内部的轧辊沿管轴方向移动的装置的模式的侧视图。(B)是沿(A)中A-A线的主剖视图。
图6是表示本发明装置的另一实施例模式侧剖视图。
图7是表示本发明装置的另一实施例模式的侧剖视图。
图8(A)是表示本发明平整装置模式的侧剖视图。(B)是(A)的主视图。
图9(A)是表示本发明平整装置的侧剖视图。(B)是沿(A)中A-A线的主剖视图。
图10是表示一个开口管两端边缘部分的预成形形状的实例的剖视图。
图11是表示焊缝部产生增厚的状态的示意图。
图12是压扁试验要点的示意图。
本发明是基于以下的考虑而实现的。
由于以前的电焊钢管是通过感应加热将开口管的两个边缘部分加热到熔点以上，所以在对接和焊合时使熔化的钢液排到管子的内、外侧形成焊缝。因此需要用切削刀切削焊缝将其除去。
与此相反，在本发明中通过感应加热方式在低于熔点的温度范围内对两边缘部分加热并用挤压辊进行对接和焊合。此时，由于形成结合部的焊缝的增厚部是不熔化的，因此可以用轧辊压碎。然而要想将以前的电焊钢管的焊道用轧辊压碎，由于焊道会附着到轧辊上而无法旋转，从而不可能通过压碎方式将其除去。
下面，通过图1(A)、(B)对本发明基本的平整装置进行说明。图1(A)是本发明平整装置模式的侧面剖视图。图1(B)是沿(A)中A-A线的主剖视图。图1(A)表示：在通过成形辊而由带钢制成的开口管1接受工作线圈的加热后，在利用挤压辊3对接和焊合钢管4的制管过程中，利用平整装置平整焊缝增厚部6。
本发明的平整装置配备有：从管的外部和内部夹紧焊缝增厚部6并对其进行轧制的管外部轧辊11和管内部轧辊21，在保持管内部轧辊21可自由旋转的同时且内设有冷却水通路34的管内部轧辊支承装置23，通过连接装置42与该管内部轧辊支承装置23相连且内设有冷却水供给通路34的连杆41，固定连杆41的固定装置43。
管外部轧辊11可通过轴12自由旋转地且与钢管4的外表面接触地(如后面所述的图2所示)装配到支架14上。管内部轧辊21可通过辊头22自由旋转地且与钢管4的内表面接触地装配到管内部轧辊支承装置23上。管内部轧辊支承装置23内设有冷却水通路34，通路34由给水管35、排水管36构成。此外，在支承装置23的下部装配有与管内表面相接触地承受管内轧辊21的轧制反向作用力的支承辊28。支承辊28也可以是支撑块。在制管生产线中，连杆41位于连接装置42的上游侧，其前端与管内部轧辊支承装置23连接而其后端装配到在开口管外部的固定装置43上。通过连接装置42将冷却水供给通路34内设在连杆41中。
在图2中说明了本发明的另一个实施例。图2是表示本发明另一个实施例的平整装置的主剖视图，可利用该装置对管外部轧辊作上下调整。
管外部轧辊11通过轴12、轴承13可自由旋转地装配到设置在钢管4外的管外部轧辊支架14上。另外，管外部轧辊11可借助安装在支架14上的电机15、电机轴16、起重部分17、螺纹轴18和滑动部分19上下移动。此外，管内部轧辊21具有和前面所述相同的结构。
图3和图4是对本发明的另一个实施例的说明。图3是表示本发明另一实施例的平整装置模式的侧剖视图。图4是图3的放大侧剖视图。采用本装置可以对管内部轧辊作上下调整。
如此构成管内部轧辊支承装置23，即通过连接装置27连接支撑轴承24的支架部分25和向开口管1侧伸出的杆部26。装配在杆部26末端附近的固定装置43穿过开口管1的纵缝并因其固定在管外而保持了其在管内的设定位置。此保持位置是管内部轧辊21夹住焊缝增厚部6地面对管外部轧辊11的位置。
另一方面，轴承24通过连接机构29与连杆41相连。连接机构29是由支架部分25支撑的且可沿管轴方向滑动的连接臂30和通过两端的活动销33将连接臂与轴承24连接起来的连杆31构成的。对于连杆31的长度和两活动销33的配置是这样设计的，即将连接臂30沿管轴方向的位移转换成轴承24、也就是管内部轧辊21沿压下方向的位移并使连接臂30的末端与连杆41的前端连接。
连杆41穿入杆部26内地与轧制力产生装置44连接在其尾部上，其连接形式无特殊限制，设轧制力产生装置为固定在管外的液压缸。在液压缸的活塞杆45与连杆41末端之间穿过开口管1纵缝部分的位置上，设置有其L形中央部分被固定销48固定的L形杆46。这样一来，L形杆46的一端由活动销49固定到活塞杆45上，另一端通过辅助臂47由活动销49固定到连杆41的末端上。
此外，也可由电机、气压缸等代替液压缸作为轧制力产生装置44。在使用电机的情况下，为了实施图3的连接形式并将电机旋转轴的旋转运动转换成往复运动，必须采用其它转换方法，这样的转换方法可很容易由曲柄等公知的机械零件地构成。
根据这种装置结构，由轧制力产生装置44产生的轧制力使连杆41沿管轴方向移动，这一移动通过连接机构29转换成轴承24、也就是管内部轧辊21在压下方向(图的上下方向)上的位移。这样就可以经开口管1纵缝部分通入管内地对管内部轧辊21适当地施加用于平整焊缝增厚部的平整轧制力。管内部轧辊21可通过该轧制力将焊缝增厚部6平整得十分平滑。
在该例子中，连杆41因活塞杆45前进而后退(向末端侧移动)，在图4中，连杆31以连接臂30侧的活动销33为中心顺时针旋转，轴承24以固定销32为中心顺时针旋转，从而可使管内部轧辊21压住焊缝增厚部6。轧制力与活塞杆45的前进距离是对应的。
可是，如图3、4所示的支承辊28承受轧制反向作用力而压住管壁。在钢管的低刚性管体可能产生变形的情况下，如图4所示，最好配置有通过管壁使支承辊28受到反向力的导辊54。
此外，虽然以钢材作为管内部轧辊支承装置23的原材料是经济的，但由于将杆部26设置在工作线圈的磁场中，所以流过的感应电流所产生的热量使其软化的可能性很高。因此，如图3所示，在支架部分25和杆部26的内部设置有冷却水通路34，冷却水可以从中流过。在图3中，作为把连杆41用作给水管35而把杆部26用作排水管36的双重结构，从末端侧向给水管35供给冷却水，因给水管前端与排水管36连通而将在末端侧经排水管36排出冷却水。
此外，如图4所示的那样，挤压辊3最好配置成与焊缝5接触。因为，如图11所示，通过使挤压辊3与产生于管外侧的焊缝增厚部6紧密接触而可以抑制该增厚部的产生，从而可减轻管外部轧辊11的负担。
图5表示本发明的另一个实施例。图5所示的平整装置设有能使图1或图3所示的管内部轧辊21沿管轴方向移动的设备，(A)是侧视图，(B)是沿A-A的主剖视图。
支承管内部轧辊21的管内部轧辊支承装置23由连接装置42连接到连杆41上，连杆41装配在固定装置43上。在连杆41外面设有沿管轴方向伸出的导向齿53，该导向齿53可与驱动齿轮52啮合。由于驱动齿轮52与电机51连接而使连杆41沿管轴方向移动，从而移动管内部轧辊21。在连杆41的内部，作为冷却水通路34地设置有给水管35和排水管36。
此外，由于在高温压下时易于平整焊缝增厚部6，所以管外部和管内部轧辊11、21应尽量靠近挤压辊3且最好设置于挤压辊3输出侧的焊缝部5温度不低于900℃的位置处。
在图6中描述了本发明的另一个实施例。图6是沿管轴方向串列配置管外部轧辊11和管内部轧辊21的平整装置的侧剖视图。
如图6所示，在挤压辊3下游侧的管外部配置有多个管外部轧辊11。此外，在与夹紧焊缝增厚部6的管外部轧辊11相对的位置上配置有多个管内部轧辊21，所述管内部轧辊可自由旋转地设置在管内部轧辊支承装置23上。通过管外部和管内部轧辊11、21的这种串列配置，可以减轻每个辊的承重载荷。此外，由于可使管内部轧辊支承装置23小型化，所以它可适用于小外径钢管。并且，由于多个管外部和管内部轧辊11、21成组地沿管周方向逐渐错开配置的，所以即使焊缝增厚部6呈蛇形，也不必加大辊的宽度且确实能够对增厚部进行轧制。
图7用于说明本发明的另一个实施例。图7是在管外部轧辊11下游侧的管外部配有夹送辊的平整装置的侧剖视图。
在本实施例中配备有安装在挤压辊3出口侧的管内部轧辊支承装置23、由支承装置23支撑的且用于压碎焊缝增厚部6的管内部轧辊21、通过焊缝部5相对设置的管外部轧辊11、在管外部轧辊11下游附近与管外表面紧密接触地旋转的且沿钢管4长度方向施加张力的夹送辊65。为了在钢管4的长度方向上施加张力，最好使夹送辊65以高于挤压辊3圆周速率的速率旋转，从而将钢管4送出。由于在钢管4的长度方向上施加有张力，所以促进了金属沿长度方向的流动并可抑制在焊缝增厚部6中产生错位。
图8用于说明本发明的另一个实施例。图8(A)是在管内部轧辊附加配有内部压紧辊的平整装置的侧剖视图。图8(B)是(A)的主剖视图。
在本实施例中装配有配置在挤压辊3输出侧的管内的管内部轧辊支承装置23、支撑在管内部轧辊支承装置23上的且用于压碎焊缝增厚部6的管内部轧辊21、通过焊缝部5对置的管外部轧辊11。还配备有在管内部轧辊支承装置23上的管内部轧辊附近且压紧管内部地沿钢管4的圆周方向施加张力的多个内部压紧辊66。内部压紧辊66的压紧力可借助例如液压缸而通过支承装置23施加。由于沿管周方向对钢管4施加张力，从而促进了沿长度方向的金属流动并抑制了在焊缝增厚部6中产生错位。
图9用于说明本发明的另一个实施例。图9(A)是装配有扩径工具的平整装置的侧剖视图。图9(B)是沿(A)中A-A线的主剖视图。
在本实施例中配备有配置在挤压辊3输出侧的管内的管内部轧辊支承装置23、由支承装置23支撑的且用于压碎焊缝增厚部6的管内部轧辊21、通过焊缝5对置的管外部轧辊11。还配备有支撑在管内部轧辊支承装置23上的且在挤压辊3输出侧压紧管内面地扩张管周的扩径工具67。扩径工具67装配有可以防止管内表面因摩擦产生表面缺陷的且与管内表面紧密接触的滚轮68。扩径工具67的压紧力可以由例如液压缸而通过管内部轧辊支承装置23施加。
因此，在挤压辊3的输出侧沿周向拉伸焊缝5，由于焊缝增厚部6产生塑性变形和再在减厚后进行内表面轧制，所以可以降低表面轧制时的压碎量并平整焊缝部。
在上述钢管焊缝部的平整装置中，当钢管4的外径改变时，用与更换后的外径尺寸对应的部件分别替换在连接装置42下游侧的管外部轧辊11、管内部轧辊21、管内部轧辊支承装置23等。
在利用管外部轧辊11和管内部轧辊21轧制焊缝增厚部6时，由于管体的反力而会产生15kg/mm2以上的弯曲应力。此外，面向管体的轧辊接触面的压接点附近与除此之外的部位的温差通常达到150℃以上。
因此，为了延长这些轧辊的寿命，轧辊材料最好从具有弯曲强度在15kg/mm2以上、耐热冲击温度差在150℃以上特性的材料中选取。另外，此处用于评价耐热冲击温度差是指，采用3mm×4mm×40mm的长方形棒材(JIS4点弯曲试验用样品)作为材料试验片，将试验片加热到预定温度后，投入水中时试验片不产生裂纹的温度差(加热温度和水温的差值)。
按照现有技术水平，作为采用的材料，氮化硅(Si3N4)系或碳化硅(SiC)系或氧化锆(ZrO2)系或氧化铝(Al2O3)系陶瓷制品是最合适的。
下面将说明本发明的钢管制造方法。
本发明的钢管制造方法的特征为：在利用成形辊将带钢连续成形为开口管、通过感应加热将开口管的两边缘部分加热到熔点以下的温度范围、在通过挤压辊对接并焊合后的固相焊合的钢管制造方法中，在用挤压辊焊合前，把成为开口管两边缘部分内侧的边缘端预成形后，利用前述钢管焊缝平整装置平整焊缝增厚部。
在这种情况下，在用挤压辊焊合前，通过压边辊或切削等方法对成为开口管两边缘部内侧的边缘端进行倒角加工。尽管对预成形的形状没有特定的限制，但最好如图10(A)、(B)中所示的那样，在沿板厚方向以T1而沿管周方向以T2地且成锥形或成圆形地对两边缘部管内侧的边缘端进行倒角处理。
在用此挤压辊焊接前，由于对开口管的两边缘端进行了预成形，所以可略微抑制在利用挤压辊对接和焊合时生成的钢管焊缝增厚部。因此可以减轻平整装置的负担并提高制管速率。
在钢管制造生产线中设置如图1和图2所示的本发明的装置，一边平整焊缝增厚部6，一边用固相焊接制管法制造外径为21.7mm～60.5mm×壁厚1.62mm～3mm的安装管道用、普通结构用碳素钢钢管(JIS G3452的SGP、G3444的STK的相应产品)
在实施例1中，与焊缝增厚部6紧密接触的挤压辊3、管外部轧辊11和管内部轧辊21的材料选用具有弯曲强度为85kg/mm2、耐热冲击温度差为800℃的特性的氮化硅系陶瓷。此外，本发明的装置在运行时，在通路34中通入冷却水并使管内部轧辊支承装置23的中央部分的温度维持在200℃±15℃。管内部轧辊21的位置是固定的。当管材壁厚改变时，通过令管外部轧辊11沿钢管半径方向移动而调整它与管内部轧辊21之间的辊间距的方式施加轧制力。
另一方面，在焊缝增厚部6的两侧配置挤压辊3，并且在通过焊缝切削对焊缝部5进行平整的传统钢管生产线中且利用固态焊接法制造与上述规格和尺寸相同的管坯后，用与实施例1相同的工序制成成品管作为比较例1。
其结果为，在实施例1中，固态焊接时的最大制管速率从比较例1的100m/min提高到180m/min，成品管的焊缝质量(用在图11中示出试验要点的压扁实验中的扁平高度比h/D的平均值进行评价)从比较例1的0.5变为2t/D(近似)，焊缝部长度方向的厚度变化从比较例1的-0.2mm～+0.3mm降为±0.05mm，这些性能都有显著提高，可获得表面层无问题的成品管。
在钢管生产线中设置如图3和图4所示的本发明的装置，一边平整焊缝增厚部6，一边用固态焊接制管法制造外径为60.5mm～114.3mm×壁厚1.9mm～4.5mm的普通结构用碳素钢管(JIS G3482的SGP、G3444的STK的相应产品)
在实施例2中，与焊缝增厚部6紧密接触的挤压辊3、管外部轧辊11和管内部轧辊21的材料选用具有弯曲强度为85kg/mm2，耐热冲击温度差为800℃的氮化硅系陶瓷。此外，本发明的装置在运行时，在通路34中通入冷却水并使管内部轧辊支承装置23的中央部分的温度维持在200℃±15℃。管外部轧辊11的位置固定。当管材壁厚变化时，通过使管内部轧辊21沿钢管半径方向移动以调整它与管外部轧辊11之间的辊间距的方式施加轧制力。
另一方面，在焊缝增厚部6的两侧配置挤压辊3，并且在通过焊道切削对焊缝部进行平整的传统钢管生产线中且利用固态焊接法制成与上述规格尺寸相同的管坯后，用与实施例2相同的工序制造的成品管作为比较例2。
其结果为，在实施例2中，固态焊接时的最大制管速率从比较例2的100m/min提高到150m/min，成品管的焊缝质量(利用与实施例1相同的压扁试验的扁平高度比h/D的平均值进行评价)从比较例2的0.5变为0.2，焊缝长度方向的厚度变化从比较例2的-0.2mm～+0.3mm降为±0.15mm，这些性能都有显著提高，可获得表面层无问题的成品管。
利用本发明，可以不必象以前的电焊钢管那样进行焊道切削且由于可以快速去除产生于焊道部上的增厚部，因而可以获得生产率高、焊缝质量和表面质量优异的固态焊接钢管。