KR101318819B1

KR101318819B1 - 레이저 용접 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR101318819B1
Application number: KR1020107028685A
Authority: KR
Inventors: 코지 야노; 켄지 오오이; 마사히토 스즈키; 토시후미 고다마; 시게토 사카시타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: CN102066040B; CN102066040A; WO2009157570A1; US20110100965A1; EP2322312A1; KR20110020847A; EP2322312A4; EP2322312B1; US8604382B2

Abstract

레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 용접 조건을 변경함으로써, 레이저 용접 강관을 수율 좋고 안정되게 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로는, 에지부에 외면측으로부터 조사하는 레이저 빔의 조사 부위를 오픈 파이프의 내면측으로부터 감시하고, 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되는 경우는 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되지 않는 경우는 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 레이저 빔의 조사 부위에 형성하면서 용접을 행한다.

Description

레이저 용접 강관의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING LASER-WELDED STEEL PIPE}

본 발명은, 레이저 빔(laser beam)을 이용하여 오픈 파이프(open pipe)의 길이 방향의 에지부를 용접하는 강관(이하, 레이저 용접 강관(laser welded steel pipe)이라고 함)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 유정관(油井管; oil country tubular goods) 혹은 라인 파이프(line pipe) 등의 석유, 천연 가스의 채굴이나 수송에 매우 적합한 레이저 용접 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

유정관 혹은 라인 파이프로서 이용되는 강관은, 용접 강관(welded steel pipe)(예를 들면 전봉 강관(electric resistance welded steel pipe), UOE 강관 등)과 시임리스(seamless) 강관으로 대별된다. 이들 강관 중, 전봉 강관은, 열간 압연한 띠 형상의 강판(steel strip)(소위 핫코일(hot rolled steel coil))을 소재로서 사용하고, 염가로 제조할 수 있기 때문에 경제적으로 유리하다.

그러나 일반적으로 전봉 강관은, 성형롤을 이용하여 강판을 원통 형상으로 성형하여 오픈 파이프(여기에서 오픈 파이프란, 다단의 성형롤에 의해 성형된 단부(端部)가 접합되어 있지 않은 파이프 형상의 강대(鋼帶)를 말함. 이하, 오픈 파이프라고 칭함)로 하고, 그 오픈 파이프의 에지부(longitudinal edges)(즉 원통 형상으로 성형한 강대의 양측 단부)를 스퀴즈롤(squeeze roll)로 가압하면서 전기 저항 용접(electric resistance welding, 고주파 저항 용접이라고도 부름)하여 제조하기 때문에, 용접에 의한 이음매(소위 시임(seam))가 필연적으로 존재하고, 그 시임의 저온 인성(low-temperature toughness)이 열화된다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는, 한랭지(cold district)에서의 사용에는 과제가 있다. 시임의 저온 인성이 열화되는 이유는, 에지부를 용접할 때에 고온의 용융 메탈(molten metal)이 대기중의 산소와 반응하여 산화물(oxide)을 생성하고, 그 산화물이 시임에 잔류되기 쉽기 때문이다.

또한 전봉 강관은, 에지부를 용접할 때에 용융 메탈 중에서 합금 원소(alloy element)가 편석(偏析)되기 쉽기 때문에, 시임의 내식성이 열화되기 쉽다는 문제가 있다. 그 때문에 전봉 강관의 유정관이나 라인 파이프는, 엄격한 부식 환경(corrosion environment)(예를 들면 사우어 환경(sour environment))에서의 사용에는 과제가 있다.

한편으로 시임의 저온 인성이나 내식성을 열화시키지 않는 용접법으로서, 레이저 빔에 의한 용접(이하, 레이저 용접(laser welding)이라고 함)이 주목받고 있다. 레이저 용접은, 열원(heat source)의 치수를 작게 하고, 그리고 열 에너지(heat energy)를 고밀도로 집중할 수 있기 때문에, 용융 메탈에 있어서의 산화물의 생성이나 합금 원소의 편석을 방지할 수 있다. 그 때문에, 용접 강관의 제조에 레이저 용접을 적용하면, 시임의 저온 인성이나 내식성의 열화를 방지하는 것이 가능하다.

그래서 용접 강관의 제조 과정에서, 오픈 파이프의 에지부에 레이저 빔을 조사하여 용접함으로써 강관(즉 레이저 용접 강관)을 제조하는 기술이 실용화되고 있다.

그러나 레이저 용접에서는, 용융 메탈이 매우 좁은 영역에서 형성된다. 그 때문에, 스퀴즈롤로 가압되는 오픈 파이프의 에지부가 접합되는 위치(이하, 접합점이라고 함. 혹은 압괴점(squeezing point)이라고 함)와 레이저 빔을 조사하는 둘레 방향의 위치에 어긋남(shift)이 발생하면, 레이저 용접 강관의 시임이 개구된 상태가 되고, 그 부분은 용접 불량(welding defect)으로서 제거할 필요가 있어, 레이저 용접 강관의 수율(yield rate) 저하를 초래한다.

그 때문에, 레이저 용접 강관을 제조할 때에, 레이저 빔의 조사 상황을 감시하는 기술이 여러 가지 검토되고 있다.

예를 들면 일본공개특허공보 평10-76383호에는, 강판의 한쪽 면으로부터 레이저 빔을 조사하고, 다른 한쪽 면에 발생하는 플리즈마광(plasma illumination)을 감시함으로써, 레이저 용접의 상황을 판정하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 플라즈마광은 넓게 산란되기 때문에, 이 기술에서는 레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 파악하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 레이저 빔을 조사하는 위치가 에지부로부터 벗어나도 정밀도 좋게 인식할 수 없다.

또한, 일본공개특허공보 평8-267241호에는, 레이저 용접에 의한 발광 강도(emission intensity)를 측정함으로써, 백비드(penetration bead)의 형성 상황을 판정하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 발광 강도는 여러 가지 요인으로 현저하게 변동되기 때문에, 이 기술에서는 백비드의 형성 상황을 정밀도 좋게 파악하는 것이 곤란하다.

일본공개특허공보 2001-25867호는, 아크 용접에 의해 발생하는 용융 메탈을 촬영하고, 그 화상에 기초하여 백비드의 형상을 해석해 용접 조건(welding condition)을 제어하는 기술이 개시되어 있다. 이 아크 용접(arc welding)의 기술을 레이저 용접에 그대로 적용하면, 용융 메탈의 선명한 화상(clear image)은 얻어지지 않는다. 그 이유는, 레이저 용접에서는 열에너지가 고밀도로 집중되기 때문에, 과잉의 광량(light intensity)이 발생되기 때문이다. 그 때문에, 레이저 용접에 있어서의 백비드의 형상을 정밀도 좋게 파악하는 것은 곤란하다.

또한, 일본공개특허공보 2001-25867호에는, 레이저 빔을 용융 메탈에 간섭 필터(interference filter)를 통하여 조사하는 기술이 개시되어 있지만, 이 레이저 빔은 용융 메탈의 촬영에 이용하는 것으로, 용접에 기여하는 것은 아니다.

본 발명은, 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서 레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 용접 조건을 변경함으로써, 레이저 용접 강관을 수율 좋고 안정되게 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉 본 발명은,

1. 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서 오픈 파이프의 외면측으로부터 레이저 빔을 조사하여 에지부를 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서, 에지부에 조사하는 레이저 빔의 조사 부위(irradiation point)를 오픈 파이프의 내면측으로부터 감시하고, 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀(keyhole)이 인지되는 경우는 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되지 않는 경우는 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 레이저 빔의 조사 부위에 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

본 발명의 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서는, 키홀의 크기를, 오픈 파이프의 내면측에서 직경 0.2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 스퀴즈롤로 가압되는 에지부의 접합점을, 레이저 빔의 조사에 의해 형성되는 용융 메탈 내에 배치하는 것이 바람직하다. 혹은, 스퀴즈롤로 가압되는 에지부의 접합점을, 키홀 내에 배치하는 것이 바람직하다.

2. 상기 1에 있어서, 외면측으로부터 가열하는 보조 열원을 이용하여 상기 에지부를 보조적으로 가열하여 용융하고, 그리고 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

3. 상기 2에 있어서, 상기 보조 열원이 아크인 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

4. 상기 1∼3에 있어서, 상기 에지부에 조사하는 상기 레이저 빔의 조사 부위를 상기 오픈 파이프의 내면측으로부터 감시함과 함께, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 상기 조사 부위로부터 발생하는 반사광 그리고 플라즈마광을 센서를 이용하여 측정하고, 상기 센서로부터 얻어지는 각각의 측정값에 기초하여 용접 상황을 감시하고, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 작은 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 불안정하여 폐색을 반복하고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 큰 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 레이저 빔의 조사 부위에 형성하면서 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다. 또한, 여기에서, 상기 반사광(reflected light)은, 피드백광(feedback light)이라고도 칭한다.

5. 상기 1∼4에 있어서, 상기 키홀의 크기를, 상기 오픈 파이프의 내면측에서 직경 0.2㎜ 이상으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

6. 상기 1∼5에 있어서, 상기 스퀴즈롤로 가압되는 에지부의 접합점을, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 형성되는 용융 메탈 내에 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

7. 상기 1∼5에 있어서, 상기 스퀴즈롤로 가압되는 에지부의 접합점을, 상기 내면측까지 관통된 키홀 내에 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

8. 상기 2∼7에 있어서, 상기 레이저 빔의 발진기와 상기 보조 열원을 일체적으로 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

9. 상기 2∼7에 있어서, 상기 레이저 빔의 발진기와 상기 보조 열원을 일체적으로 배치하고, 그리고 상기 보조 열원이 레이저 빔보다 선행하여 상기 에지부를 가열하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

10. 상기 3∼9에 있어서, 상기 레이저 빔의 발진기가 파이버 레이저 발진기이고, 레이저 출력이 15kW를 초과하고, 레이저의 초점 거리가 200㎜ 이상인 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

11. 상기 3∼10에 있어서, 상기 오픈 파이프의 외면에 있어서의 상기 레이저 빔의 조사 위치와 상기 아크의 전극과의 거리가 7㎜ 이하인 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

12. 상기 4∼10에 있어서, 상기 반사광을 상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 측정하고, 상기 플라즈마광을 상기 오픈 파이프의 내면측으로부터 측정하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

13. 상기 1에 있어서, 복수개의 레이저 빔을 조사하고, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 복수개의 레이저 빔의 조사 부위에 각각 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

14. 상기 13에 있어서, 상기 에지부에 조사하는 복수개의 레이저 빔의 조사 부위를 내면측으로부터 감시함과 함께, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 상기 조사 부위로부터 발생하는 반사광 그리고 플라즈마광을 센서를 이용하여 측정하고, 상기 센서로부터 얻어지는 각각의 측정값에 기초하여 용접 상황을 감시하고, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 복수개의 키홀이 인지되고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 작은 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 불안정하여 폐색을 반복하고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 큰 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 복수개의 레이저 빔의 조사 부위에 각각 형성하면서 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

15. 상기 13 또는 14에 있어서, 상기 복수개의 키홀 중, 상기 에지부의 양측에 형성되고 그리고 상기 에지부에 대하여 수직 방향의 거리가 가장 큰 2개의 키홀의 사이에 에지부의 접합점을 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

16. 상기 13∼15에 있어서, 상기 복수개의 키홀의 크기를, 모두 상기 오픈 파이프의 내면측에서 직경 0.1㎜ 이상으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

17. 상기 13∼16에 있어서, 상기 에지부의 접합점을, 상기 복수개의 레이저 빔의 조사에 의해 형성되는 용융 메탈 내에 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

18. 상기 13∼17에 있어서, 상기 복수개의 레이저 빔으로서 2개의 레이저 빔을 이용하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

19. 상기 13∼18에 있어서, 상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 가열하는 보조 열원을 이용하여 상기 에지부를 보조적으로 가열·용융하는 레이저 용접 강관의 제조 방법이다.

본 발명에 의하면, 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서 레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 용접 조건을 변경함으로써, 레이저 빔의 조사로 형성되는 키홀 혹은 용융 메탈 내에, 에지부의 접합점을 항상 배치하는 것이 가능해진다. 그 결과, 레이저 용접 강관을 수율 좋고 안정되게 제조할 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은, 시임의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 매우 적합하다.

도 1의 (a)는 본 발명을 적용하여 오픈 파이프의 에지부의 접합점을 용접하는 예를 모식적으로(schematically) 나타내는 사시도이다.
도 1의 (b), 도 1의 (c)는 도 1의 (a)에 있어서, 파이프의 둘레 방향(용접선에 대하여 수직 방향) 단면의 키홀(4)과 그의 주위에 형성되는 용융 메탈(5)을 나타낸 투시도이다. 도 1의 (b)는, 접합점(C)이 키홀(4) 내에 있는 것을 나타내고, 도 1의 (c)는, 접합점(C)이 용융 메탈(5) 내에 있는 것을 나타낸다.
도 2의 (a)∼도 2의 (e)는 복수개의 레이저 빔을 이용하는 경우의 조사 위치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 키홀 지름의 측정 장치 및 플라즈마 광의 측정 장치이다.
도 4는 도 2의 (a)의 레이저 빔의 배치로, 오픈 파이프의 에지부의 접합점을 용접하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 반사광의 측정 장치이다.
도 6은 아크에 의해 용융 메탈의 용낙(burn through)을 억제하는 방법을 설명하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

발명자들은, 오픈 파이프의 에지부에 레이저 용접을 행하여 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서, 레이저 용접의 상황을 감시하는 기술에 대해서 조사 검토했다. 도 1의 (a)는, 레이저 용접 강관을 제조할 때에, 본 발명을 적용하여 오픈 파이프(1)의 에지부(2)의 접합점을 용접하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 1의 (a) 중의 화살표(A)는 오픈 파이프의 진행 방향을 나타낸다. 또한, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 키홀(4)과 그의 주위에 형성되는 용융 메탈(5)은 투시도로서 나타낸다. 그리고, 레이저 빔(3)을 조사하면, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 고밀도로 집중되는 열 에너지에 의해 에지부(2)가 용융됨과 함께, 그 용융 메탈이 증발됨으로써 증발압과 증발 반력(reaction force)에 의해, 용융 메탈(5)에 깊은 공동(4)(cavity)(이하, 키홀(4)이라고 함)이 발생되는 것에 주목했다. 키홀(4) 내부에는, 레이저 빔(3)이 침입하고, 금속 증기가 레이저 빔(3)의 에너지에 의해 전리(電離)되어 발생한 고온의 플라즈마가 충만되어 있다고 생각되고 있다. 또한, 도 1의 (b) 및 도 1의 (c)는, 도 1의 (a)에 있어서, 파이프의 둘레 방향(용접선에 대하여 수직 방향) 단면의 키홀(4)과 그의 주위에 형성되는 용융 메탈(5)은 투시도로서 나타낸다.

이 키홀(4)은, 레이저 빔(3)의 열 에너지가 가장 수렴되는 위치를 나타내는 것이다. 따라서 키홀(4)을 감시하여, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 에지부의 접합점(C)이 키홀(4) 내에 배치되도록 레이저 용접을 행함으로써, 레이저 용접 강관을 안정되게 제조할 수 있다. 단, 에지부(2)의 접합점(C)과 키홀(4)을 일치시키기 위해서는 고(高)정밀도의 위치 제어 기술이 필요하다. 그래서 에지부(2)의 접합점(C)을, 키홀(4)의 주위에 형성되는 용융 메탈(5) 내에 배치하도록 레이저 용접을 행해도 좋다. 용융 메탈(5)은 키홀(4)의 크기(Lk)에 비하여 파이프의 둘레 방향(용접선에 대하여 수직 방향)의 길이(Lm)가 크기 때문에, 용접 헤드(14), 용접 헤드(14) 내에 수납된 집광 렌즈나 집광 미러의 위치 제어 등, 비교적 간단한 기술에 의해 파이프의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 용이하게 위치 제어할 수 있어, 레이저 용접 강관을 안정되게 제조할 수 있다. 또한, 오픈 파이프(1)의 진행 방향(A)에 있어서의 에지부(2)의 접합점(C)은, 에지부(2)의 판두께 방향의 평균 간격(G)이, 스퀴즈롤에 의해 좁아져, 0.5㎜ 이하가 된 개소이면 어디라도 좋다.

게다가 건전한 레이저 용접이 진행되고 있을 때에는, 키홀(4)이 용융 메탈(5)의 외면측에서 내면측까지 관통되어 있어, 정밀도 좋게 감시하는 것이 가능하다.

본 발명은, 이들 인식에 기초하여 이루어진 것이다.

도 1의 (a)에 나타내는 오픈 파이프(1)는, 띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상으로 성형한 것이다. 그 오픈 파이프(1)의 에지부(2)를 스퀴즈롤(도시하지 않음)로 가압하면서, 오픈 파이프(1)의 외면측으로부터 레이저 빔(3)을 조사한다. 한편으로 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 레이저 빔(3)의 조사 부위를 감시하여 키홀(4)을 식별한다. 키홀(4)은 오픈 파이프(1)의 외면측에서 내면측까지 관통할 수 있다면, 통상의 화상 처리 기술로 용이하게 식별할 수 있다. 그리고, 내면측에서 키홀(4)을 식별할 수 있다면, 건전한 레이저 용접이 진행되고 있다는 것을 나타내고 있어, 용접 조건을 그대로 계속하여 유지한다. 또한 도 1의 (a)에서는, 키홀(4)의 감시 장치는 도시를 생략하지만, 도 3에, 본 발명에서 이용한 키홀 감시 장치를 나타낸다.

키홀(4)을 식별할 수 없을 때에는, 키홀(4)이 폐색되어 있다는 것을 나타내고 있기 때문에, 용접 조건을 변경하여, 건전한 레이저 용접을 진행시키도록 조정할 필요가 있다. 그리고, 용접 조건을 변경하여 키홀(4)을 식별할 수 있게 되면, 그 용접 조건을 그대로 계속해서 유지하면서 레이저 용접을 행한다. 또한, 키홀(4)이 폐색되는 것은, 에지부(2)의 접합점(C)이 키홀(4) 내 혹은 키홀(4)의 주위에 형성되는 용융 메탈(5)을 벗어난 경우가 가장 많다. 이는, 접합점(C)에 레이저 빔(3)을 조사한 경우에는, 레이저 빔이 접합점(C)의 극간을 효율 좋게 판두께 방향으로 전파하기 쉬워지기 때문에, 키홀이 형성되기 쉬워지지만, 접합점(C) 이외의 개소에 레이저 빔(3)이 조사되면, 강판의 표면으로부터 용융 메탈을 증발시킴으로써 증발압과 증발 반력에 의해 용융 메탈(5)에 깊은 공동(4)을 형성시키지 않으면 안 되어, 보다 고출력의 레이저 파워가 필요해지기 때문에, 키홀(4)이 폐색되는 경향이 강하다.

키홀(4)이 폐색된 경우에 조정하는 구체적인 용접 조건은, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정하는 것이 가장 바람직하다. 예를 들면, 키홀 감시 장치에 의해 에지부(2)의 접합점이나 키홀(4) 및 용융 메탈(5)의 위치를 화상 처리하여 인식하고, 오픈 파이프의 둘레 방향 및 이동 거리를 산출하여, 에지부(2)의 접합점(C)이, 키홀(4)의 내부 혹은 용융 메탈(5) 내에 들어가도록, 용접 헤드(14), 용접 헤드(14) 내에 수납된 집광 렌즈나 집광 미러를 위치 제어하여, 레이저 빔(3)의 조사 위치를 이동시키는 것이 바람직하다.

그 외의 용접 조건으로서, 예를 들면, 레이저 빔의 초점 위치의 제어, 오픈 파이프의 길이 방향의 빔 조사 위치의 이동, 레이저 파워의 증가 제어나 용접 속도의 감속 제어 등을 채용하는 것도 바람직하다.

이와 같은 에지부(2)의 접합점과 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5)과의 위치 관계의 조정은, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 감시하여 키홀(4)을 식별함으로써 용이하게 행하는 것이 가능하다.

키홀(4)의 크기가 내면측에서 직경 0.2㎜ 미만에서는, 키홀(4)이 폐색될 우려가 있다. 따라서, 키홀(4)은 내면측의 직경을 0.2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 내면측의 직경이 1.0㎜를 초과하면, 용낙 등의 용접 결함이 발생할 뿐만 아니라, 용융 메탈이 응고된 이음매(즉 시임(6))의 폭이 현저하게 확대되어, 레이저 용접 강관의 외관이 손상된다. 그 때문에, 오픈 파이프(1)의 내면측에 있어서의 키홀(4)의 직경은 0.2∼1.0㎜의 범위 내가 더욱 바람직하다. 키홀의 형상이 타원형으로 되어 있는 경우는, 단경(短徑)을 0.2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 키홀(4)의 크기는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 스탠드 사이로부터 매단 맨드릴 바(mandrel bar; 7)에 고정된 감시 카메라(8)에 의해, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 감시했다. 촬영 조건은, 오픈 파이프(1)의 내면으로부터 레이저 빔 및 플라즈마광과 상이한 파장 성분의 빛을 조명 장치(9)로부터 조사하여, 예를 들면 337㎚의 파장의 자외선을 조사하고, 상기 파장의 빛만 투과하는 필터를 사용하여 촬영함으로써, 키홀(4) 및 용융 메탈(5)로부터의 적외선이나 플라즈마광 등에 의한 외란을 배제했다. 여기에서, 투과시키는 파장은 플라즈마 발광의 스펙트럼에 따라서, 그것을 피한 파장 대역으로서 그리고 이용 가능한 광원 및 필터와의 균형으로 선택하면 좋다. 촬영 속도는 30코마/초로 행하고, 랜덤으로 5매를 샘플링한 정지 화상의 평균값을 구했다. 또한, 내면측의 키홀의 형상은 거의 원형 또는 타원형이고, 키홀의 형상이 타원인 경우는 단경(短涇)을 측정했다. 또한, 키홀(4)의 폐색의 판정이나 레이저 빔의 조사 위치의 제어를 위해, 감시 카메라(8)로 촬영한 영상으로부터 에지부(2)의 접합점(C)이나 키홀(4) 및 용융 메탈(5)을 화상 처리하여 그들의 치수나 위치를 수치화하는 화상 처리 장치(11), 판정 처리 장치(12) 및, 레이저 빔의 위치 제어 장치(13)를 이용했다. 또한, 키홀(4)의 감시 장치는, 전술한 구성에 한정되는 것은 아니며, 임의의 구성인 것을 사용할 수 있다.

또한, 2개 이상의 레이저 빔(3)을 사용하는 경우는, 도 2의 (a)∼도 2의 (e)에 나타내는 바와 같은 복수개의 레이저 빔의 조사의 배치가 생각된다. 도 2의 (a)∼도 2의 (e)는, 오픈 파이프의 복수개의 레이저 빔을 이용하는 경우의 조사 위치를 나타내는 평면도이다. 도면 중의 화살표(A)는 오픈 파이프의 진행 방향을 나타낸다. 도 2의 (a)는, 2개의 레이저 빔의 조사의 배치를 나타낸 것이고, 레이저 빔(3-1 및 3-2)을 에지부의 양측에 배치한 예이다. 도 4는, 도 2의 (a)의 레이저 빔의 배치로, 오픈 파이프의 에지부의 접합점을 용접하는 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 4 중의 화살표(A)는 오픈 파이프의 진행 방향을 나타낸다. 또한, 2개의 레이저 빔(3)의 조사에 의해 형성되는 키홀(4)과 그의 주위에 형성되는 용융 메탈(5)은 투시도로서 나타낸다. 도 2의 (b)는, 3개의 레이저 빔의 조사의 배치를 나타낸 것으로, 레이저 빔(3-1)으로 에지부를 예열하고, 레이저 빔(3-2 및 3-3)을 에지부의 양측에 배치한 예이다. 또한, 도 2의 (c)는, 4개의 레이저 빔의 조사의 배치를 나타낸 것으로, 4개의 레이저 빔(3-1, 3-2, 3-3 및 3-4)을 에지부의 양측에 각각 2개씩 배치한 예이다. 또한, 도 2의 (d)는, 2개의 레이저 빔의 조사의 배치를 나타낸 것으로, 레이저 파워가 상이한 레이저 빔(3-1 및 3-2)을 에지부의 양측에 배치한 예이다. 레이저 빔(3-1)의 파워가 레이저 빔(3-2)보다도 작기 때문에, 레이저 빔(3-1)을 에지부로부터 접근시킨 배치의 예이다. 또한, 도 2의 (e)는, 2개의 레이저 빔의 조사의 배치를 나타낸 것으로, 2개의 레이저 빔(3-1 및 3-2)을 에지부를 따라서 세로로 배치(텐덤)한 예이다. 이 경우는, 복수의 레이저 빔이 아닌, 단일의 레이저 빔의 취급을 한다. 키홀의 감시는 용융 메탈에 가장 가까운 레이저 빔(3-2)의 키홀만을 감시하면 된다. 3개 이상의 레이저 빔을 에지부를 따라서 세로로 배치(텐덤)하는 경우도 동일하게, 단일의 레이저 빔의 취급을 한다. 키홀의 감시도 용융 메탈에 가장 가까운 키홀만을 감시하면 된다.

복수의 레이저 빔을 이용하는 경우의 레이저 빔의 조사 위치의 배치는, 도 2의 (a)∼도 2의 (e)의 예에 한정되는 것은 아니며, 목적에 따라서, 자유롭게 배치할 수 있다. 또한, 본 발명에 이용하는 레이저 빔의 개수는, 1개∼4개가 바람직하다. 5개 이상의 레이저 빔은, 설비 비용, 제조 비용이나 레이저 빔의 위치 제어가 복잡해지는 점에서 바람직하지 않다.

본 발명에서는, 복수개의 키홀(4)을 모두 감시하고, 도 2의 (a)∼도 2의 (e)에 나타내는 바와 같이, 에지부(2)의 양측에 형성되고, 그리고 에지부(2)에 대하여 각각 수직 방향의 거리(L1 및 L2)가 가장 큰 2개의 키홀의 사이에 에지부(2)의 접합점을 배치하여 레이저 용접을 행한다. 단, 그 소정의 위치에 에지부(2)의 접합점을 배치하기 위해서는 고정밀도의 제어 기술이 필요하다. 그래서 상기 2개의 키홀(4)의 사이에 형성되는 용융 메탈(5) 내에, 에지부(2)의 접합점을 배치하도록 제어하면서 레이저 용접을 행해도 좋다. 용융 메탈(5)은 키홀(4)의 크기(Lk)에 비하여 파이프의 둘레 방향(용접선에 대하여 수직 방향)의 길이(Lm)가 크기 때문에, 비교적 용이한 기술에 의해 제어할 수 있다.

이러한 에지부(2)의 접합점과 2개의 키홀(4)의 사이 혹은 2개의 키홀(4)의 사이에 형성되는 용융 메탈(5)과의 위치 관계의 조정은, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 감시하여 키홀(4)을 식별함으로써 용이하게 행하는 것이 가능하다. 또한, 복수개의 레이저 빔을 조사하여, 관통된 키홀을 형성하면서 용접을 행하는 경우는 용융지(molten pool)가 하나가 되는 경우가 많다. 이와 같이 용접시에 용융지가 하나인 경우, 모든 키홀(4)의 크기가 내면측에서 직경 0.1㎜ 미만에서는, 키홀(4)이 폐색될 우려가 있다. 따라서, 키홀(4)은 내면측의 직경을 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 내면측의 직경이 1.0㎜를 초과하면, 용낙 등의 용접 결함이 발생할 뿐만 아니라, 용융 메탈이 응고된 이음매(즉 시임(6))의 폭이 현저하게 확대되어, 레이저 용접 강관의 외관이 손상된다. 그 때문에, 오픈 파이프(1)의 내면측에 있어서의 키홀(4)의 직경은 0.1㎜∼1.0㎜의 범위 내가 더욱 바람직하다. 또한, 키홀의 형상이 타원형으로 되어 있는 경우는, 단경을 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 2의 (e)와 같이, 2개의 레이저 빔(3-1 및 3-2)를 에지부를 따라서 세로로 배치(텐덤)한 예에서는, 복수의 레이저 빔의 취급을 하지 않고, 단일의 레이저 빔 취급을 하기 때문에, 용융 메탈(5)에 가장 가까운 레이저 빔(3-2)의 키홀만을 감시하면 되기 때문에, 키홀(4)은 내면측의 직경을 0.2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 키홀(4)의 폐색은, 단시간이라도, 레이저 용접 강관의 제조에 악영향을 미친다. 예를 들면 5m/분을 초과하는 용접 속도로 레이저 용접을 행할 때에, 0.01초 이상의 폐색이 발생하면, 스퍼터의 다량 발생 등에 의한 용입 부족이나 언더컷과 같은 용접 결함이 발생하여, 레이저 용접 강관의 수율 저하를 초래한다. 이와 같은 단시간의 키홀의 폐색은, 전술한 키홀의 감시만으로는 검지가 곤란하다. 그 때문에 키홀의 감시에 더하여, 레이저 빔의 조사 부위로부터 발생하는 반사광 그리고 플라즈마광을 센서에 의해 측정하여 키홀의 상황을 계측하고, 얻어진 반사광의 측정값 그리고 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동에 기초하여 용접 상황을 감시한다.

레이저 빔의 조사 부위로부터 발생하는 반사광은, 오픈 파이프(1)의 외면측으로부터 측정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 키홀의 단시간의 폐색이 발생한 경우에도 반사광의 강도를 고정밀도로 측정할 수 있기 때문이다.

또한, 레이저 빔의 조사 부위로부터 발생하는 플라즈마광은, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 측정하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 오픈 파이프(1)의 외면측에서는, 실드 가스나 흄이 레이저에 의해 여기되는 플라즈마광이 외란되어, 측정 정밀도가 저하되는 데에 대하여, 내면측으로부터 플라즈마광을 측정하면, 키홀(4)의 단시간의 폐색이 발생한 경우에는 내면측에서의 플라즈마는 발생하지 않게 되기 때문에 키홀(4)의 폐색의 유무를 고정밀도로 측정할 수 있게 되기 때문이다.

또한, 복수개의 레이저 빔을 이용한 경우는, 모든 레이저 빔의 조사 부위로부터 발생하는 반사광을 감시하지만, 서로의 조사 위치가 가깝기 때문에, 복수의 조사 위치 전역을 파악하는 것이 가능한 하나의 감시 장치로 감시하면 된다.

레이저 빔의 조사에 의한 반사광의 측정값이나 플라즈마광의 측정값(예를 들면 강도 등)의 상대값에 대한 변동이 작은 경우는, 키홀(4)이 외면측에서 내면측까지 관통되어 있기 때문에, 용접 조건을 그대로 계속하여 유지한다. 상대값에 대한 변동이 큰 경우는, 키홀(4)이 외면측에서 내면측까지 관통되어 있지 않기 때문에, 용접 조건을 변경하여, 건전한 레이저 용접을 진행시키도록 조정한다.

또한, 레이저 빔의 조사에 의한 반사광의 측정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 용접 헤드(14)로부터 매단 반사광 센서(15) 및 모니터 장치(16)에 의해, 오픈 파이프(1)의 외측으로부터 감시했다. 데이터 채취 조건은, 반사광 센서(15)에 레이저와 동일 파장만 투과하는 필터를 사용하여 계측함으로써, 키홀(4) 및 용융 메탈(5)로부터의 적외선에 의한 외란을 배제했다. 반사광의 강도의 변동은, 모니터 장치(16)에 의해 판정했다. 예를 들면, 반사광 센서로서 포토다이오드 등을 이용할 수 있다. 또한, 레이저광과 동축의 반사광에 대해서는 용접 헤드 내에 내장된 미러 등으로 반사광 센서에 보내 측정하면 된다.

또한, 플라즈마광의 측정은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 키홀의 감시 장치와 맞추어 플라즈마광 센서(10)를 부착하여 측정했다. 데이터 채취 조건은, 플라즈마광 센서(10)에 레이저에 의해 발생하는 플라즈마광 파장만을 투과하는 필터를 사용하여 계측함으로써, 키홀(4) 및 용융 메탈(5)로부터의 적외선에 의한 외란을 배제했다. 플라즈마광의 강도의 변동은, 모니터 장치(17)에 의해 판정했다. 플라즈마광 센서로서는, 예를 들면 300∼900㎚의 범위의 Si 소자를 이용한 것 등이 있다.

데이터 채취 속도는 1kHz의 주기로 계측하고, 반사광 및, 또는, 플라즈마광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에 알람을 발신해, 용접 조건을 변경하여, 건전한 레이저 용접을 진행시키도록 조정한다. 또한, 레이저 빔의 조사에 의한 반사광이나 플라즈마광의 감시 장치는, 임의의 구성인 것을 사용할 수 있기 때문에, 전술한 구성에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로는, 반사광 및, 또는, 플라즈마광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에 조정하는 용접 조건은, 키홀(4)이 폐색된 경우에 조정하는 용접 조건과 동일하다. 따라서, 반사광 및, 또는, 플라즈마광의 강도의 변경이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정하는 것이 가장 바람직하다. 예를 들면, 키홀 감시 장치에 의해 에지부(2)의 접합점이나 키홀(4) 및 용융 메탈(5)의 위치를 화상 처리하여 인식하고, 오픈 파이프의 둘레 방향 및 이동 거리를 산출하여, 에지부(2)의 접합점이 키홀(4)의 내부 혹은, 용융 메탈(5) 내에 들어가도록, 용접 헤드(14), 용접 헤드(14) 내에 수납된 집광 렌즈나 집광 미러를 위치 제어하여, 레이저 빔의 조사 위치를 이동시키는 것이 바람직하다.

또한, 레이저 빔의 조사에 의한 반사광이나 플라즈마광의 측정 장치는, 전술한 구성에 한정되는 것이 아니라, 임의의 구성인 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 레이저 빔의 발진기는, 여러 가지 형태의 발진기를 사용할 수 있어, 기체(예를 들면 CO₂(carbon dioxide gas), 헬륨-네온(helium-neon), 아르곤(argon), 질소(nitrogen), 요오드(I) 등)를 매질로서 이용하는 기체 레이저(gas laser), 고체(예를 들면 희토류 원소를 도프한 YAG 등)를 매질로서 이용하는 고체 레이저(solid laser), 레이저 매질(laser medium)로서 벌크(bulk) 대신에 파이버를 이용하는 파이버 레이저(fiber laser) 등이 매우 적합하다. 혹은, 반도체 레이저(semiconductor laser)를 사용해도 좋다.

단, 본 발명에서는 파이버 레이저 발진기를 사용하여, 레이저 출력(laser power)을 15kW 초과(1대 또는 복수대의 합계), 레이저 초점 거리(focusing length)를 200㎜ 이상으로 하는 것이 가장 바람직하다. 1대 또는 복수대의 합계의 레이저 출력(laser power)이 15kW 이하에서는, 용접 속도(welding speed)가 5m/분 미만이 되어 버려, 블로우홀(blowhole)이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 레이저의 초점 거리(focusing length)가 200㎜ 미만에서는, 강판으로 성형한 오픈 파이프의 에지부의 Z축 방향(레이저 빔의 광축 방향)의 변동에 의해 용접이 불안정하게 된다는 문제가 있다.

오픈 파이프의 외면측으로부터 보조 열원(auxiliary heat source)에 의해 가열해도 좋다. 그 보조 열원은, 오픈 파이프의 외면을 가열하여 용융할 수 있는 것이면, 그의 구성은 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 버너 용해법(burner melting method), 플라즈마 용해법(plasma melting method), TIG 용해법(Tungsten Inert Gas melting method), 전자 빔 용해법(electron beam melting method), 레이저 용해법(laser beam melting method) 등을 이용한 수단이 매우 적합하다.

또한, 보조 열원은 레이저 빔의 발진기와 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 보조 열원과 레이저를 일체적으로 배치하지 않으면, 보조 열원의 효과를 얻기 위해서는 큰 열량이 필요해지고, 또한 용접 결함(예를 들면 언더컷 등)의 억제가 매우 곤란해지기 때문이다. 또한, 보조 열원을 레이저 빔의 발진기보다 선행시켜 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는, 에지부의 수분, 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

더욱 바람직한 보조 열원으로서, 아크(arc)의 사용이 바람직하다. 아크의 발생원은, 용융 메탈의 용낙(burn-through)을 억제하는 방향으로 전자력(즉 용접 전류의 자계로부터 발생하는 전자력)을 부가할 수 있는 것을 사용한다. 예를 들면, TIG 용접법, 플라즈마 아크 용접법 등의 종래로부터 알려져 있는 기술을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전극(18)을 마이너스극, 오픈 파이프(1)의 에지부(2)를 플러스극으로 함으로써, 플레밍의 왼손 법칙(Fleming's left-hand rule)에 의해 용융 메탈(5)이 아크(19)의 주위에 모이려고 하는 로렌츠 힘(21)(Lorentz force)을 이용할 수 있기 때문에, 용융 메탈(5)의 용낙을 억제할 수 있다. 또한, 아크의 발생원은 레이저 빔과 일체적으로 배치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 전술한 바와 같이, 아크(19)를 발생시키는 용접 전류(20)의 주변에 발생하는 자계의 영향을, 레이저 빔으로 형성된 용융 메탈(5)에 효과적으로 부여하기 위해서이다. 또한, 아크의 발생원을 레이저 빔(3)보다 선행시켜 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는, 에지부(2)의 수분, 유분을 제거할 수 있기 때문이다.

또한, 오픈 파이프(1)의 외면에 있어서의 레이저 빔(3)의 조사 위치와 아크의 전극(18)과의 거리는 7㎜ 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, 레이저 빔(3)의 조사 위치와 아크의 전극(18)의 거리가 7㎜를 초과하면, 아크(19)에 의해 용융되는 용융 메탈(5)의 양이 적어져, 용접 전류(20)의 주변에 발생하는 자계의 영향이 작아지기 때문이다.

본 발명에서는, 후육재(厚肉材; 예를 들면 두께 4㎜ 이상)의 오픈 파이프(1)라도, 에지부(2)를 고주파 가열 등으로 예열하는 일 없이, 레이저 용접을 행하는 것이 가능하다. 단 에지부(2)를 고주파 가열 등으로 예열하면, 레이저 용접 강관의 생산성이 향상하는 등의 효과가 얻어진다.

이상에 설명한 대로, 본 발명에 의하면, 레이저 용접 강관을 제조함에 있어서 레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 용접 조건을 변경함으로써, 레이저 빔의 조사에서 발생하는 키홀 혹은 용융 메탈 내에, 에지부의 접합점을 항상 배치하는 것이 가능해진다. 그 결과, 레이저 용접 강관을 수율 좋고 안정되게 제조할 수 있다. 얻어진 레이저 용접 강관은, 레이저 용접의 이점을 살려 시임의 저온 인성이나 내식성이 우수하여, 한랭지나 부식 환경에서 사용하는 유정관이나 라인 파이프에 매우 적합하다.

실시예 1

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 강판의 성분은 표 1에 나타내는 대로이다.

레이저 용접에서는, 25kW CO₂ 레이저 발진기를 사용하고, 그 출력과 용접 속도는 표 2에 나타내는 대로이다.

키홀(4)의 감시 장치는, 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 내면 비드 절삭 장치의 맨드릴 바(1)에 감시 카메라(8)를 부착하여, 오픈 파이프(1) 내에 삽입했다. 또한, 도 3에 기재된 플라즈마광 센서(10) 및 모니터 장치(17)는 이용하고 있지 않다. 감시 카메라(8)는, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 플라즈마광 등의 외란을 억지하기 위해, 특정한 파장(즉 337㎚)만을 가시화할 수 있는 카메라를 사용했다.

표 2에 나타내는 발명예(용접 강관 No. 1∼4)는, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 키홀(4)을 감시하여, 키홀(4)의 크기를 표 2에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그리고 에지부의 접합점과 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5)과의 위치 관계를 표 2에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다. 키홀 지름이, 0.2㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

비교예의 용접 강관 No. 5, 6은, 키홀(4)의 감시를 행하지 않는 예이다. 또한, 비교예의 용접 강관 No. 7, 8은, 단순히 키홀(4)의 감시만을 행하고, 키홀(4)의 크기나 위치 관계를 조정하지 않았던 예이다.

얻어진 레이저 용접 강관을 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 GO582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 2에 나타낸다. 또한 표 2에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다.

또한, 강종(鋼種) A(즉 저합금강)의 레이저 용접 강관에는 담금질(담금질 온도 880℃), 뜨임(뜨임 온도 650℃)을 행하고, 강종 B(즉 스테인리스강)의 레이저 용접 강관에는 열처리를 2회(가열 온도 : 1회째 780℃, 2회째 650℃) 행한 후, 각각 JIS 규격 Z2242에 준거하여 샤르피 충격 시험을 행했다. 시험편은, JIS 규격 Z2202에 준거하여 V 노치, 서브 사이즈로 하여, 시임부로부터 채취했다. 시험 온도는 －60℃로 하여, 흡수 에너지 _vE_－60(J)을 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터 분명한 바와 같이, 발명예(용접 강관 No. 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)이고, 샤르피 충격 시험(－60℃)의 흡수 에너지는 82∼112J였다. 한편, 비교예(용접 강관 No. 5∼8)에서는 C : 가능(△) 또는 D : 불가(×)이고, 샤르피 충격 시험(－60℃)의 흡수 에너지는 8.7∼38J였다.

이상에 설명한 대로, 본 발명을 적용하면, 후육재(두께 4㎜ 이상)의 오픈 파이프라도, 건전한 레이저 용접을 행하는 것이 가능하다.

본 발명의 레이저 용접 강관의 시임은, 초음파 탐상의 결과가 나타내는 바와 같이, 용접 결함이나 석출물의 발생이 억제되어, 우수한 내식성을 갖고 있다. 그리고, 샤르피 충격 시험의 결과가 나타내는 바와 같이, 우수한 저온 인성을 갖고 있다.

실시예 2

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프(1)의 에지부(2)를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔(3)을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 또한 보조 열원으로서 플라즈마 제트 및 TIG 아크를 사용하고, 그 보조 열원이 레이저 빔(3)보다 선행하여 에지부(2)를 가열하여 용융하도록 배치했다. 강판의 성분은 표 3에 나타내는 대로이다.

레이저 용접에서는, 20kW 파이버 레이저 발진기를 사용하고, 그 출력과 용접 속도는 표 4에 나타내는 대로이다.

키홀(4)의 감시 장치는, 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 내면 비드 절삭 장치의 맨드릴 바(7)에 감시 카메라(8)를 부착하여, 오픈 파이프(1) 내에 삽입했다. 또한, 도 3에 기재된 플라즈마광 센서(10) 및 그의 모니터 장치(17)는 이용하고 있지 않다. 감시 카메라(8)는, 레이저 빔의 조사에 의해 발생하는 플라즈마광 등의 외란을 억지하기 위해, 특정한 파장(즉 337㎚)만을 가시화할 수 있는 카메라를 사용했다.

표 4에 나타내는 발명예(용접 강관 No. 1∼4)는, 외면측으로부터 플라즈마 제트 및 TIG 아크에 의해 가열하여 용융하고, 이어서 레이저 빔을 조사하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 키홀을 감시하여, 키홀의 크기를 표 4에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그리고 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계를 표 4에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다. 발명예의 용접 강관 No. 5, 6은, 보조 열원을 사용하지 않은 예이다.

키홀 지름이 0.2㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

얻어진 레이저 용접 강관을 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 4에 나타낸다. 또한 표 4에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관 검사를 행했다.

표 4로부터 분명한 바와 같이, 발명예(용접 강관 No. 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)였다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관도 양호했다. 한편, 보조 열원을 사용하지 않은 발명예(용접 강관 No. 5, 6)에서는, 초음파 탐상은 B : 양호(○)였지만, 강관의 내면 비드에 용낙 혹은, 언더컷이 발견되었다.

실시예 3

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 또한, 보조적인 가열 수단으로서 TIG 아크를 사용하여, 그 아크가 레이저 빔보다 선행하여 에지부를 가열·용융하도록 배치했다. 강판의 성분은 표 5에 나타내는 대로이다.

레이저 용접에서는, 10kW 파이버 레이저 발진기를 사용하고, 그 출력과 용접 속도는 표 6에 나타내는 대로이다.

키홀의 감시 장치는, 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 내면 비드 절삭 장치의 맨드릴 바(7)에 감시 카메라(8)를 부착하여, 오픈 파이프(1) 내에 삽입했다. 또한, 도 3에 기재된 플라즈마광 센서(10) 및 그의 모니터 장치(17)는 이용하고 있지 않다. 감시 카메라(8)는, 레이저 빔의 조사에 의해 발생하는 플라즈마광 등의 외란을 억지하기 위해, 특정한 파장(즉 337㎚)만을 가시화할 수 있는 카메라를 사용했다.

표 6에 나타내는 발명예(용접 강관 No. 1∼4)는, 외면측으로부터 TIG 아크에 의해 가열·용융하고, 이어서 레이저 빔을 조사하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 키홀을 감시하여, 키홀의 크기를 표 6에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그리고 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계를 표 6에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다. 발명예의 용접 강관 No. 5∼8은, TIG 아크를 사용하지 않은 예이다.

얻어진 레이저 용접 강관을 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 6에 나타낸다. 또한 표 6에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관 검사를 행했다.

표 6으로부터 분명한 바와 같이, 발명예(용접 강관 No. 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)였다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관도 양호였다. 한편, TIG 아크를 사용하지 않은 발명예(용접 강관 No. 5∼8)에서는, 초음파 탐상은 B : 양호(○)였지만, 강관의 내면 비드에 용낙 및 언더컷이 발견되었다.

실시예 4

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔(2줄기 또는 1줄기)을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 강판의 성분은 표 7에 나타내는 대로이다. 레이저 용접에서는, 5kW와 10kW의 파이버 레이저 발진기를 사용하고, 그 용접 조건은 표 8에 나타내는 대로이다.

표 8에 나타내는 발명예(강관 번호 1∼4)는, 오픈 파이프의 외면측으로부터 2줄기의 레이저 빔을 조사하여 2개의 키홀을 형성하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 키홀을 감시하여, 키홀의 크기를 표 8에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그리고 에지부의 접합점과 키홀이나 용융 메탈과의 위치 관계를 표 8에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다. 발명예의 강관 번호 5∼8은, 1줄기의 레이저 빔을 조사하여 1개의 키홀을 형성하는 예이다.

적어도 하나의 키홀 지름이 0.1㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치 및 초점 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 2개의 키홀 사이에서, 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

얻어진 레이저 용접 강관을 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 8에 나타낸다. 또한 표 8에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관 검사를 행했다.

표 8로부터 분명한 바와 같이, 발명예(강관 번호 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)였다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관도 양호였다. 한편, 1줄기의 레이저 빔을 조사하여 1개의 키홀을 형성하는 발명예(강관 번호 5∼8)에서는, 초음파 탐상은 B : 양호(○)였지만, 강관의 내면 비드에 언더컷이 발생해 있었다.

실시예 5

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 그 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관을 제조했다. 또한, 보조적인 가열 수단으로서 TIG 아크를 사용하여, 그 아크가 레이저 빔에 의해 선행하여 에지부를 가열·용융하도록 배치했다. 강판의 성분은 표 9에 나타내는 대로이다.

레이저 용접에서는, 20kW 파이버 레이저 발진기를 사용하고, 그 출력과 용접 속도는 표 10에 나타내는 대로이다.

키홀의 감시 장치는, 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 내면 비드 절삭 장치의 맨드릴 바(7)에 감시 카메라(8)를 부착하여, 오픈 파이프(1) 내에 삽입했다. 감시 카메라(8)는, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 플라즈마광 등의 외란을 억지하기 위해, 특정한 파장(즉 337㎚)만을 가시화할 수 있는 카메라를 사용했다.

또한, 레이저 빔(3)의 조사 부위로부터 발생하는 반사광의 센서(15)는 도 5에 나타내는 장치를 이용하여 용접 헤드(14)에 부착하고, 플라즈마광의 센서(10)는 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 맨드릴 바(7)에 부착했다.

표 10에 나타내는 발명예 중, 강관 번호 No. 1, 2는, 레이저 빔을 조사하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 키홀을 감시함과 함께, 플라즈마광의 강도를 측정하고, 그리고 도 5에 나타내는 장치를 이용하여 외면측으로부터 반사광의 강도를 측정했다. 그리고 키홀의 크기, 반사광의 측정값의 상대값에 대한 변동, 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동에 기초하여, 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계를 표 10에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다. 키홀 지름이, 0.2㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

또한, 플라즈마광의 강도의 변동 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다. 강관 번호 No. 3, 4는, 외면측으로부터 TIG 아크에 의해 가열·용융하고, 이어서 레이저 빔을 조사하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 키홀을 감시함과 함께 플라즈마광의 강도를 측정하고, 그리고 외면측으로부터 반사광의 강도를 측정했다. 그리고 키홀의 크기, 반사광의 측정값의 상대값에 대한 변동, 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동에 기초하여, 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계를 표 10에 나타내는 바와 같이 조정한 예이다.

플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

발명예(강관 번호 No. 5∼8)는, 반사광과 플라즈마광을 측정하지 않고, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우라도, 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계의 조정에 반영시키지 않은 예이다.

얻어진 레이저 용접 강관을 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 10에 나타낸다. 또한 표 10에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관 검사를 행했다.

표 10으로부터 분명한 바와 같이, 발명예(강관 번호 No. 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)였다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관도 양호했다. 한편, 반사광과 플라즈마광을 측정하지 않고, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우라도, 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계의 조정에 반영시키지 않은 발명예(강관 번호 No. 5∼8)에서는, 초음파 탐상은 양호했지만, 키홀의 단시간의 폐색이 빈번히 발생하게 되어, 강관의 내면 비드 근방에 스퍼터가 발생해 있었다. 또한, 발명예(강관 번호 No. 5, 6)에서는 강관의 내면 비드에 용낙 혹은 언더컷이 발견되었다. 또한, 키홀의 폐색의 유무는, 실시예 1∼4에서 이용한 도 3에 나타내는 감시 카메라(30코마/초)를 대신해 고속도 카메라를 세트하여, 키홀을 1000코마/초로 촬영하여 확인했다. 0.01초 이상의 시간의 키홀의 폐색을 폐색 있음으로 했다. 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동과 0.01초 이상의 시간의 키홀의 폐색은, 거의 동기하여 발생하고 있는 것을 알았다.

실시예 6

띠 형상의 강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프(1)로 성형하고, 그 오픈 파이프(1)의 에지부(2)를 스퀴즈롤로 가압하면서, 레이저 빔(3)(2줄기 또는 1줄기)을 외면측으로부터 조사하여 레이저 용접 강관(외경 273.0㎜, 두께 6.4㎜)을 제조했다. 또한, 보조적인 가열 수단으로서 TIG 아크를 사용하여, 그 아크(19)가 레이저 빔(3)보다 선행하여 에지부(2)를 가열하고 용융하도록 배치했다. 강판의 성분은 표 11에 나타내는 대로이다.

레이저 용접에서는, 10kW와 20kW의 파이버 레이저 발진기를 사용하고, 그 용접 조건은 표 12에 나타내는 대로이다.

키홀(4)의 감시 장치는, 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 내면 비드 절삭 장치의 맨드릴 바(7)에 감시 카메라(8)를 부착하여, 오픈 파이프(1) 내에 삽입했다. 감시 카메라(8)는, 레이저 빔(3)의 조사에 의해 발생하는 플라즈마광 등의 외란을 억지하기 위해, 특정한 파장(즉 337㎚)만을 가시화할 수 있는 카메라를 사용했다.

또한, 레이저 빔의 조사 부위로부터 발생하는 반사광의 센서(15)는 도 5에 나타내는 바와 같이, 용접 헤드(14)에 부착하고, 플라즈마광의 센서(10)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 맨드릴 바(7)에 부착했다.

표 12에 나타내는 발명예 중, 강관 번호 No. 1, 2는, 2줄기의 레이저 빔을 조사하면서, 오픈 파이프의 내면측으로부터 도 3에 나타내는 장치를 이용하여 키홀(4)을 감시함과 함께, 플라즈마광의 강도를 측정하고, 그리고 도 5에 나타내는 장치를 이용하여 외면측으로부터 반사광의 강도를 측정했다. 그리고 키홀(4)의 크기, 반사광의 측정값의 상대값에 대한 변동, 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동에 기초하여, 에지부의 접합점과 키홀 혹은 용융 메탈과의 위치 관계를 표 12에 나태내는 바와 같이 조정한 예이다. 적어도 하나의 키홀 지름이 0.1㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치 및 초점 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 2개의 키홀 사이에서, 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

또한, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치 및 초점 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 2개의 키홀 사이에서, 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

강관 번호 No. 3, 4는, 외면측으로부터 TIG 아크에 의해 가열·용융하고, 이어서 1줄기의 레이저 빔(3)을 광학계로 2분할하여 조사하면서, 오픈 파이프(1)의 내면측으로부터 키홀(4)을 감시함과 함께 플라즈마광의 강도를 측정하고, 그리고 외면측으로부터 반사광의 강도를 측정했다. 그리고 키홀(4)의 크기, 반사광의 측정값의 상대값에 대한 변동, 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동에 기초하여, 에지부(2)의 접합점(C)과 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5)과의 위치 관계를 표 12에 나타내도록 조정한 예이다. 적어도 하나의 키홀 지름이, 0.1㎜ 미만이 된 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치 및 초점 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 2개의 키홀 사이에서, 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다. 또한, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우에, 오픈 파이프(1)의 둘레 방향으로 레이저 빔의 조사 위치 및 초점 위치를 이동시켜, 에지부(2)의 접합점(C)이 2개의 키홀 사이에서, 레이저 빔(3)의 조사 위치(키홀(4)) 혹은, 용융 메탈(5) 내에 배치되도록 조정했다.

발명예(강관 번호 No. 5∼8)는, 반사광과 플라즈마광을 측정하지 않고, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우라도, 에지부(2)의 접합점(C)과 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5)과의 위치 관계의 조정에 반영시키지 않은 예이다.

얻어진 레이저 용접 강관을, 초음파 탐상 시험에 제공하고, JIS 규격 G0582에 준거하여 시임을 20m에 걸쳐 탐상했다. 그 탐상 결과를 표 12에 나타낸다. 또한 표 12에 있어서는, 기준이 되는 N5 내외면 노치의 인공 결함에 대하여, 피크 지시 높이가, 10％ 이하인 것을 A : 우수(◎), 10％ 초과 25％ 이하인 것을 B : 양호(○), 25％ 초과 50％ 이하인 것을 C : 가능(△), 50％ 초과인 것을 D : 불가(×)로 하여 평가했다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관 검사를 행했다.

표 12로부터 분명한 바와 같이, 발명예(강관 번호 1∼4)에서는, 초음파 탐상이 A : 우수(◎) 또는 B : 양호(○)였다. 또한, 강관의 내면 비드의 외관도 양호했다. 한편, 반사광과 플라즈마광을 측정하지 않고, 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동이, 상대값에 대하여 15％를 초과한 경우라도, 에지부(2)의 접합점(C)과 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5)과의 위치 관계의 조정에 반영시키지 않은 발명예(강관 번호 5∼8)에서는, 초음파 탐상은 양호했지만, 키홀의 단시간의 폐색이 빈번히 발생하게 되어, 강관의 내면 비드 근방에 스퍼터가 발생해 있었다. 또한, 발명예(강관 번호 No. 5, 6)에서는 강관의 내면 비드에 용낙 및 언더컷이 발견되었다. 또한, 키홀의 폐색의 유무는, 실시예 1∼4에서 이용한 도 3에 나타내는 감시 카메라(30코마/초)를 대신해 고속도 카메라를 세트하여, 키홀을 1000코마/초로 촬영하여 확인했다. 0.01초 이상의 단시간의 키홀의 폐색을 폐색 있음으로 했다. 플라즈마광의 강도 혹은 반사광의 강도의 변동과 0.01초 이상의 단시간의 키홀의 폐색은, 거의 동기하여 발생하고 있는 것을 알았다.

이상에 설명한 대로, 본 발명을 적용하면, 후육재(두께 4㎜ 이상)의 오픈 파이프(1)라도, 건전한 레이저 용접을 행하는 것이 가능하다.

[산업상 이용가능성]

레이저 용접 강관을 제조함에 있어서, 키홀(4)의 감시 혹은, 추가로, 반사광이나 플라즈마광의 측정을 행함으로써 레이저 용접의 상황을 정밀도 좋게 판정하고, 레이저 빔(3)의 조사에서 발생하는 키홀(4) 혹은 용융 메탈(5) 내에, 에지부(2)의 접합점(C)을 항상 배치하는 것이 가능해지고, 레이저 용접 강관을 수율 좋고, 안정되제 제조할 수 있기 때문에, 산업상 현격한 효과를 가져온다.

1 : 오픈 파이프
2 : 에지부
3, 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 : 레이저 빔
4 : 키홀
5 : 용융 메탈
6 : 시임 (seam)
7 : 맨드릴 바
8 : 감시 카메라
9 : 조명 장치
10 : 플라즈마광 센서
11 : 화상 처리 장치
12 : 판정 처리 장치
13 : 위치 제어 장치
14 : 용접 헤드
15 : 반사광 센서
16 : 모니터 장치
17 : 모니터 장치
18 : 전극
19 : 아크
20 : 용접 전류
21 : 로렌츠 힘
[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

[표 10]

[표 11]

[표 12]

Claims

강판을 성형롤로 원통 형상의 오픈 파이프로 성형하고, 상기 오픈 파이프의 에지부를 스퀴즈롤로 가압하면서 상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 레이저 빔을 조사(irradiation)하여 상기 에지부를 용접하는 레이저 용접 강관의 제조 방법에 있어서,
상기 에지부에 조사하는 상기 레이저 빔의 조사 부위를 상기 오픈 파이프의 내면측으로부터 감시하고, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀(keyhole)이 인지되는 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되지 않는 경우는, 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경하여, 상기 에지부의 접합점을 상기 레이저 빔의 조사에 의해 형성되는 용융 메탈 내에 배치함으로써, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 레이저 빔의 조사 부위에 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항에 있어서,
외면측으로부터 가열하는 보조 열원을 이용하여 상기 에지부를 보조적으로 가열·용융하고, 그리고 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 보조 열원이 아크(arc)인 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에지부에 조사하는 상기 레이저 빔의 조사 부위를 상기 오픈 파이프의 내면측으로부터 감시함과 함께, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 상기 조사 부위로부터 발생하는 반사광 그리고 플라즈마광을 센서를 이용하여 측정하고, 상기 센서로부터 얻어지는 각각의 측정값에 기초하여 용접 상황을 감시하고, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 인지되고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 작은 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 불안정하여 폐색을 반복하고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 큰 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 레이저 빔의 조사 부위에 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 키홀의 크기를, 상기 오픈 파이프의 내면측에서 직경 0.2㎜ 이상으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스퀴즈롤로 가압되는 에지부의 접합점을, 상기 내면측까지 관통된 키홀 내에 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 레이저 빔의 발진기와 상기 보조 열원을 일체적으로 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 레이저 빔의 발진기와 상기 보조 열원을 일체적으로 배치하고, 그리고 상기 보조 열원이 레이저 빔보다 선행하여 상기 에지부를 가열하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 레이저 빔의 발진기가 파이버 레이저 발진기이고, 레이저 출력이 15kW를 초과하고, 레이저의 초점 거리가 200㎜ 이상인 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 외면에 있어서의 상기 레이저 빔의 조사 위치와 상기 아크의 전극과의 거리가 7㎜ 이하인 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 반사광을 상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 측정하고, 상기 플라즈마광을 상기 오픈 파이프의 내면측으로부터 측정하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제1항에 있어서,
복수개의 레이저 빔을 조사하고, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 복수개의 레이저 빔의 조사 부위에 각각 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 에지부에 조사하는 복수개의 레이저 빔의 조사 부위를 내면측으로부터 감시함과 함께, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 상기 조사 부위로부터 발생하는 반사광 그리고 플라즈마광을 센서를 이용하여 측정하고, 상기 센서로부터 얻어지는 각각의 측정값에 기초하여 용접 상황을 감시하고, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 복수개의 키홀이 인지되고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 작은 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 계속해서 유지하는 한편, 상기 오픈 파이프의 내면측까지 관통된 키홀이 불안정하여 폐색을 반복하고, 그리고 상기 센서로부터 얻어지는 상기 반사광의 측정값 및 상기 플라즈마광의 측정값의 상대값에 대한 변동이 큰 경우는 상기 레이저 빔에 의한 용접 조건을 변경함으로써, 상기 오픈 파이프의 외면측에서 내면측까지 관통된 키홀을 상기 복수개의 레이저 빔의 조사 부위에 각각 형성하면서 용접을 행하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제14항에 있어서,
상기 복수개의 키홀 중, 상기 에지부의 양측에 형성되고 그리고 상기 에지부에 대하여 수직 방향의 거리가 가장 큰 2개의 키홀의 사이에 에지부의 접합점을 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 복수개의 키홀의 크기를, 모두 상기 오픈 파이프의 내면측에서 직경 0.1㎜ 이상으로 하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에지부의 접합점을, 상기 복수개의 레이저 빔의 조사에 의해 형성되는 용융 메탈 내에 배치하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수개의 레이저 빔으로서 2개의 레이저 빔을 이용하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오픈 파이프의 외면측으로부터 가열하는 보조 열원을 이용하여 상기 에지부를 보조적으로 가열·용융하는 레이저 용접 강관의 제조 방법.