特許 6576448 両側サブマージアーク溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6576448

(24)【登録日】2019年8月30日

(45)【発行日】2019年9月18日

(54)【発明の名称】両側サブマージアーク溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/18 20060101AFI20190909BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/18 A

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-524592(P2017-524592)

(86)(22)【出願日】2016年6月3日

(86)【国際出願番号】JP2016002703

(87)【国際公開番号】WO2016208131

(87)【国際公開日】20161229

【審査請求日】2018年9月12日

(31)【優先権主張番号】特願2015-124430(P2015-124430)

(32)【優先日】2015年6月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 浩之

(72)【発明者】

【氏名】白井 将太

【審査官】 奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−２０６５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第７４８５３１（ＧＢ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１５８２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７２６３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／００−９／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上下に並ぶＮｉ鋼板の端部同士をフラックスで覆いながら両側から溶接する両側サブマージアーク溶接方法であって、
Ｎｉ基合金からなる第１ワイヤおよび第２ワイヤを電極として用い、
前記第１ワイヤを前記端部同士が近接する接合領域に向けて繰り出す第１トーチを前記接合領域に沿って移動させるとともに、前記第１トーチと反対側から前記第２ワイヤを前記接合領域に向けて繰り出す第２トーチを、前記第２ワイヤの先端を前記第１ワイヤの先端から１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の所定距離だけ後方に保ちながら、前記接合領域に沿って移動させる、両側サブマージアーク溶接方法。

【請求項2】

前記端部の少なくとも一方には、他方に向かって尖る、前記Ｎｉ鋼板の板厚方向の両側に傾斜面を有するルートフェイスが形成されており、前記ルートフェイスの先端は、前記Ｎｉ鋼板の中心に対して前記第１ワイヤ側または前記第２ワイヤ側に位置している、請求項１に記載の両側サブマージアーク溶接方法。

【請求項3】

前記Ｎｉ鋼板の板厚は２０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の両側サブマージアーク溶接方法。

【請求項4】

下側の前記Ｎｉ鋼板の両側に前記Ｎｉ鋼板に接するようにベルトを配置し、このベルト上に、前記接合領域を覆い隠すように前記フラックスを堆積させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の両側サブマージアーク溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、両側（double side）サブマージアーク溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

上下に並ぶ鋼板同士を突合せ溶接（横向き溶接）する方法としては、まずは板厚方向の一方および他方に開口する２つの開先の一方の底で溶接を行い、ついで他方の開先の底をガウジングにより裏ハツリした後に、この開先の底で溶接を行う方法がある。これに対し、裏ハツリを省略するために、両側から同時に溶接する方法もある。

【0003】

例えば、特許文献１には、母材の両側に先行電極および後行電極をそれぞれ配置するとともに、先行電極同士の間隔を０〜５０ｍｍとする溶接方法が開示されている。なお、特許文献１に開示された溶接方法の実施例では、母材および溶接材料（ワイヤ）が共に軟鋼であるとともに、溶接の際にシールドガスが用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６１−２０６５６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）などの液化ガスを貯蔵する低温タンクでは、低温靱性に優れたＮｉ鋼板が側壁に使用されることがある。低温タンクは巨大であるため、上下に並ぶＮｉ鋼板同士の突合せ溶接は屋外の現場で行う必要がある。また、溶接作業場所は、高所となることが多い。このような観点からは、上下に並ぶＮｉ鋼板を現場で突合せ溶接する方法として、シールドガスを用いない、端部同士をフラックスで覆いながら両側から溶接する両側サブマージアーク溶接方法を用いることが望ましい。

【0006】

また、屋外の現場では均一な溶接作業を行うことが困難である。従って、溶接作業のバラつきによって溶接部である継手の性能が低くなることを防止するために、電極となるワイヤとして、Ｎｉ鋼板よりも高靱性のＮｉ基合金からなるワイヤを用いることが有効である。

【0007】

ところで、本発明の発明者らは、上記のような母材（Ｎｉ鋼板）と溶接材料（ワイヤ）とが異なる異材継手を用いた場合には、母材が厚い場合は十分に高い継手強度を得ることができるが、母材が薄い場合には継手強度が低くなることを発見した。

【0008】

そこで、本発明は、突き合わされるＮｉ鋼板が薄い場合でも十分に高い継手強度を得ることができる両側サブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、異材継手において母材の板厚が小さい場合の継手強度の低下は、溶接部中への母材の溶け込み量（希釈率）が大きくなることに起因することを突き止めた。そして、母材の両側に配置される電極の先端を互いにずらせば、希釈率を低く抑えられることを見出した。本発明は、このような観点からなされたものである。

【0010】

すなわち、本発明の両側サブマージアーク溶接方法は、上下に並ぶＮｉ鋼板の端部同士をフラックスで覆いながら両側から溶接する両側サブマージアーク溶接方法であって、Ｎｉ基合金からなる第１ワイヤおよび第２ワイヤを電極として用い、前記第１ワイヤを前記端部同士が近接する接合領域に向けて繰り出す第１トーチを前記接合領域に沿って移動させるとともに、前記第１トーチと反対側から前記第２ワイヤを前記接合領域に向けて繰り出す第２トーチを、前記第２ワイヤの先端を前記第１ワイヤの先端から１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下の所定距離だけ後方に保ちながら、前記接合領域に沿って移動させる、ことを特徴とする。

【0011】

上記の構成によれば、第２ワイヤの先端が第１ワイヤの先端から１０ｍｍ以上後方に配置されるため、それらを同じ位置に配置する場合に比べ、Ｎｉ鋼板の端部における高温となる範囲が狭くなる。従って、溶接部中へのＮｉ鋼板の溶け込み量が小さくなり、希釈率を低く抑えることができる。これにより、十分に高い継手強度を得ることができる。一方、第２ワイヤの先端は、第１ワイヤの先端から６０ｍｍを超えて離されないため、溶接部内での溶け込み不良などの欠陥を抑制することができる。

【0012】

前記端部の少なくとも一方には、他方に向かって尖る、前記Ｎｉ鋼板の板厚方向の両側に傾斜面を有するルートフェイスが形成されており、前記ルートフェイスの先端は、前記Ｎｉ鋼板の中心に対して前記第１ワイヤ側または前記第２ワイヤ側に位置していてもよい。ルートフェイスの先端がＮｉ鋼板の中心に位置している場合には、溶接によって上側のＮｉ鋼板が第２ワイヤ側に倒れることがある。これに対し、前記構成のようにルートフェイスの先端がＮｉ鋼板の中心に対して第１ワイヤ側または第２ワイヤ側に位置していれば、そのような上側のＮｉ鋼板の倒れを抑制することができる。

【0013】

例えば、前記Ｎｉ鋼板の板厚は２０ｍｍ以下であってもよい。

【0014】

下側の前記Ｎｉ鋼板の両側に前記Ｎｉ鋼板に接するようにベルトを配置し、このベルト上に、前記接合領域を覆い隠すように前記フラックスを堆積させてもよい。この構成によれば、溶接位置に合わせてフラックスの堆積位置を簡単に変更することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、突き合わされるＮｉ鋼板が薄い場合でも十分に高い継手強度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る両側サブマージアーク溶接方法を説明するための断面図である。

【図2】第１トーチおよび第２トーチの位置関係を示す平面図である。

【図3】別のルートフェイスの形状を示す断面図である。

【図4】実施例１〜４および比較例１，２の継手構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る両側サブマージアーク溶接方法を説明する。この両側サブマージアーク溶接方法は、上下に並ぶＮｉ鋼板１同士を突合せ溶接（横向き溶接）するものである。具体的には、下側のＮｉ鋼板１の上端部と上側のＮｉ鋼板１の下端部とをフラックス５で覆いながら両側から溶接する。

【0018】

Ｎｉ鋼板１の端部同士が近接する接合領域１５（いわゆる、溶接線）の両側には、電極として用いられる第１ワイヤ２１および第２ワイヤ２２が配置される。第１ワイヤ２１は、片側で先行して溶接を行うためのものであり、第２ワイヤ２２は、反対側で少し遅れて溶接を行うためのものである。第１ワイヤ２１は、接合領域１５に向けて第１トーチ３１により繰り出され、第２ワイヤ２２は、第１トーチ３１と反対側から、接合領域１５に向けて第２トーチ３２により繰り出される。

【0019】

まず、母材であるＮｉ鋼板１ならびに溶接材料である第１および第２ワイヤ２１，２２について説明する。

【0020】

Ｎｉ鋼板１は、主添加物としてＮｉ（ニッケル）を含む鉄合金である。この鉄合金中のニッケル以外の添加物としては、例えば、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）などがある（例えば、日本工業規格 JIS G 3127参照）。例えば、Ｎｉ鋼板１のニッケルの含有量は、質量パーセントで３％以上１５％以下である。中でも、液化ガスを貯蔵する低温タンク用としては、Ｎｉ鋼板１として７％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼を用いることが好ましい。Ｎｉ鋼板１は、典型的にはフェライト構造を有する。

【0021】

本実施形態の両側サブマージアーク溶接方法は、Ｎｉ鋼板１が厚い場合にも用いることができるが、Ｎｉ鋼板１が薄い場合（例えば、Ｎｉ鋼板１の板厚が２０ｍｍ以下の場合）に用いれば、溶接部である継手の強度の低下を防止できるという効果が得られる。なお、Ｎｉ鋼板１の板厚は、１８ｍｍ以下でもよいし、１６ｍｍ以下でもよい。

【0022】

本実施形態では、下側のＮｉ鋼板１の上端部はフラットであるが、上側のＮｉ鋼板１の下端部に、下側のＮｉ鋼板１の上端部に向かって尖る、Ｎｉ鋼板１の板厚方向の両側に傾斜面を有するルートフェイス１２が形成されている。これにより、Ｎｉ鋼板１の端部同士の間に、Ｎｉ鋼板１の板厚方向の一方および他方に開口する２つの開先１１が形成されている。ただし、ルートフェイス１２は、下側のＮｉ鋼板の上端部にも形成されていてもよい。あるいは、下側のＮｉ鋼板の上端部のみにルートフェイス１２が形成されていてもよい。

【0023】

Ｎｉ鋼板１の端部同士の間のルートギャップは、例えば、１〜３ｍｍである。

【0024】

本実施形態では、ルートフェイス１２のフラットな先端１３が、Ｎｉ鋼板１の中心ＣＬに位置している。ただし、図３に示すように、ルートフェイス１２の先端１３は、Ｎｉ鋼板１の中心ＣＬに対して第２ワイヤ２２側に位置していてもよい。ルートフェイス１２の先端１３がＮｉ鋼板１の中心ＣＬに位置している場合には、溶接によって上側のＮｉ鋼板１が後行する第２ワイヤ２２側に倒れることがある。これに対し、図３に示すようにルートフェイス１２の先端１３がＮｉ鋼板１の中心ＣＬに対して第２ワイヤ２２側に位置していれば、そのような上側のＮｉ鋼板１の倒れを抑制することができる。この効果は、ルートフェイスの先端がＮｉ鋼板１の中心ＣＬに対して第１ワイヤ２１側に位置していても、同様に得ることができる。あるいは、ルートフェイス１２のフラットな先端１３がＮｉ鋼板１のどちらかの一面側に位置するように、ルートフェイス１２が１つの傾斜面のみを有していてもよい。

【0025】

第１ワイヤ２１および第２ワイヤ２２は、Ｎｉ鋼板１よりも高靱性のＮｉ基合金からなる。例えば、このようなＮｉ基合金は、Ｎｉを質量パーセントで５５％以上含む。Ｎｉ基合金のＮｉ以外の成分は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブテン）などである。Ｎｉ基合金は、典型的にはオーステナイト構造を有する。第１および第２ワイヤ２１，２２の直径は、例えば１．０〜３．２ｍｍである。

【0026】

例えば、Ｎｉ鋼板１が９％Ｎｉ鋼である場合、第１および第２ワイヤ２１，２２としては、日本工業規格 JIS G 3333 YS9Niを準拠する任意のワイヤを使用することができる。また、この場合、フラックス５としては、例えば、日本工業規格 JIS G 3333 FS9Ni-Hを準拠する任意のフラックスを使用することができる。

【0027】

次に、本実施形態の両側サブマージアーク溶接方法を詳細に説明する。

【0028】

まず、下側のＮｉ鋼板１の両側に、当該Ｎｉ鋼板１に接するようにベルト４を配置する。このベルト４は、図略のフラックス供給装置の一部である。ついで、ベルト４上に、粉末であるフラックス５を、接合領域１５を両側から覆い隠すように、換言すれば双方の開先１１内にフラックス５が充填されるように堆積する。

【0029】

その後、第１トーチ３１および第２トーチ３２を、第１ワイヤ２１が一方の開先１１内に挿入され、かつ、第２ワイヤ２２が他方の開先１１内に挿入されるように、配置する。このとき、図２に示すように、第１ワイヤ２１が溶接方向の前方に位置し、第２ワイヤ２２が溶接方向の後方に位置するように、第１トーチ３１および第２トーチ３２を配置する。換言すれば、第２ワイヤ２２の先端は、第１ワイヤ２１の先端から所定距離Ｌだけ後方に位置する。

【0030】

所定距離Ｌは、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることが好ましい。所定距離Ｌが小さくなりすぎたり大きくなりすぎたりすると、継手強度が低下するためである。所定距離Ｌは、１５ｍｍ以上であることがより好ましく、２０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、所定距離Ｌは、５０ｍｍ以下であることがより好ましく、４０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

【0031】

その後、第１ワイヤ２１および第２ワイヤ２２に電圧を印加しながら、第１トーチ３１を接合領域１５に沿って移動させるとともに、第２トーチ３２を、第２ワイヤ２２の先端を第１ワイヤ２１の先端から所定距離Ｌだけ後方に保ちながら、接合領域１５に沿って移動させる。これにより、双方の開先１１の底に初層６１が形成される。初層６１の形成後は、同様にして第２層６２を形成する。なお、初層６１のみで開先１１内が埋まるのであれば、第２層６２の形成は不要である。

【0032】

第１ワイヤ２１および第２ワイヤ２２のそれぞれに印加される電圧は、交流電圧であってもよいが、直流電圧であることが好ましい。直流電圧の場合、電圧値は、例えば２０〜４０Ｖであり、電流値は、例えば２００〜４００Ａである。また、第１および第２トーチ３１，３２の移動速度は、例えば２０〜７０ｃｍ／分である。

【0033】

以上説明したように、本実施形態の両側サブマージアーク溶接方法では、第２ワイヤ２２の先端が第１ワイヤ２１の先端から１０ｍｍ以上後方に配置されるため、それらを同じ位置に配置する場合に比べ、Ｎｉ鋼板１の端部における高温となる範囲が狭くなる。従って、溶接部中へのＮｉ鋼板１の溶け込み量が小さくなり、希釈率を低く抑えることができる。これにより、十分に高い継手強度を得ることができる。一方、第２ワイヤ２２の先端は、第１ワイヤ２１の先端から６０ｍｍを超えて離されないため、溶接部内での溶け込み不良などの欠陥を抑制することができる。

【0034】

また、本実施形態では、ベルト４上にフラックス５を堆積するため、溶接位置に合わせてフラックス５の堆積位置を簡単に変更することができる。

【実施例】

【0035】

以下、本発明について実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【0036】

（実施例１）
まず、上下に並べられる２枚のＮｉ鋼板として、日本工業規格 JIS G 3127 SL9Ｎ590を準拠する、幅５００ｍｍ、高さ２００ｍｍ、板厚１２ｍｍの９％Ｎｉ鋼板を用意した。下側のＮｉ鋼板の上端部はフラットとし、上側のＮｉ鋼板の下端部に、図１に示すように、中央２ｍｍがフラットで両側が４５度傾斜するルートフェイスを形成した。ルートギャップは２ｍｍとした。

【0037】

電極として用いられる第１および第２ワイヤとして、日本工業規格 JIS G 3333 YS9Niを準拠する直径２．４ｍｍの神戸製鋼所社製US-709Sを用意し、フラックスとして、日本工業規格 JIS G 3333 FS9Ni-Hを準拠する神戸製鋼所社製PF-N4を用意した。

【0038】

第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端との間の所定距離Ｌは４０ｍｍとし、第１および第２ワイヤに、電圧２８Ｖ、電流３６０Ａの直流電圧を印加して溶接を行った。第１および第２トーチは、４０ｃｍ／分で移動させた。これにより、図４に示すような継手構造７を得た。

【0039】

（実施例２）
まず、上下に並べられる２枚のＮｉ鋼板として、米国試験材料協会規格 ASTM A553を準拠する、幅１５００ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、板厚９．６ｍｍの９％Ｎｉ鋼板を用意した。下側のＮｉ鋼板の上端部に、第１ワイヤ側の一面側２ｍｍがフラットで、中央および他面側が１５度傾斜のルートフェイスを形成した。上側のＮｉ鋼板の下端部に、第１ワイヤ側の一面側２ｍｍがフラットで、中央および他面側が４０度傾斜のルートフェイスを形成した。すなわち、Ｎｉ鋼板の端部同士の間に、一面側から他面側に向かって角度５５度で開く１つの開先のみを形成した。

【0040】

電極として用いられる第１および第２ワイヤとして、直径１．６ｍｍのリンカーン社製Techalloy 276を用意し、フラックスとして、リンカーン社製P2007を用意した。

【0041】

第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端との間の所定距離Ｌは２５ｍｍとし、第１および第２ワイヤに、電圧２８Ｖ、電流３００Ａの直流電圧を印加して溶接を行った。第１および第２トーチは、３５ｃｍ／分で移動させた。これにより、図４に示すような継手構造７を得た。

【0042】

（実施例３）
まず、上下に並べられる２枚のＮｉ鋼板として、日本工業規格 JIS G 3127 SL9Ｎ590を準拠する、幅５００ｍｍ、高さ２００ｍｍ、板厚１２ｍｍの９％Ｎｉ鋼板を用意した。下側のＮｉ鋼板の上端部はフラットとし、上側のＮｉ鋼板の下端部に、図１に示すように、中央２ｍｍがフラットで両側が４５度傾斜するルートフェイスを形成した。ルートギャップは２ｍｍとした。

【0043】

電極として用いられる第１および第２ワイヤとして、日本工業規格 JIS G 3333 YS9Niを準拠する直径２．４ｍｍの神戸製鋼所社製US-709Sを用意し、フラックスとして、日本工業規格 JIS G 3333 FS9Ni-Hを準拠する神戸製鋼所社製PF-N4を用意した。

【0044】

第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端との間の所定距離Ｌは３０ｍｍとし、第１および第２ワイヤに、電圧２９Ｖ、電流３００Ａの直流電圧を印加して溶接を行った。第１および第２トーチは、４０ｃｍ／分で移動させた。これにより、図４に示すような継手構造７を得た。

【0045】

（実施例４）
第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端との間の所定距離Ｌを５０ｍｍとした以外は、実施例３と同様にして継手構造７を得た。

【0046】

（比較例１）
第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端とを同じ位置とした（すなわち、所定距離Ｌ＝０ｍｍ）以外は、実施例１と同様にして継手構造７を得た。

【0047】

（比較例２）
第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端との間の所定距離Ｌを８０ｍｍとした以外は、実施例３と同様にして継手構造７を得た。

【0048】

（引張試験）
図４に示すように、実施例１〜４および比較例１，２の継手構造７から、溶接方向と直交する方向に延びる短冊状の２つのサンプル７１を切り出し、これらのサンプル７１に対して引張試験を行った。引張試験では、各サンプル７１を長手方向に引っ張り、各サンプル７１の溶接部が破断したときの応力を引張強さとして測定した。なお、Ｎｉ鋼板自体の引張強さは、７５０ＭＰａ程度である。

【0049】

実施例１〜４および比較例１，２の継手構造７の製造条件および引張強さを表１，２に示す。

【0050】

【表1】

【0051】

【表2】

【0052】

表２からは、第１ワイヤの先端と第２ワイヤの先端とを同じ位置とした比較例１では、引張強さが６００ＭＰａを下回り、継手強度が低くなっていることが分かる。これに対し、第２ワイヤの先端を第１ワイヤの先端から後方にある程度離した実施例１〜４では、引張強さが６９０ＭＰａを超えており、高い継手強度が得られている。しかし、第２ワイヤの先端を第１ワイヤの先端から後方に大きく離した比較例２では、引張強さが６８０ＭＰａ（一方のサンプルでは６５０ＭＰａ）を下回り、継手強度が低くなっている。

【符号の説明】

【0053】

１ Ｎｉ鋼板
１２ ルートフェイス
１３ 先端
１５ 接合領域
２１ 第１ワイヤ
２２ 第２ワイヤ
３１ 第１トーチ
３２ 第２トーチ
４ ベルト
５ フラックス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】