(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-09
(54)【発明の名称】ナローギャップ溶接による溶接継手の製造のための方法
(51)【国際特許分類】
B23K 35/362 20060101AFI20231101BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20231101BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20231101BHJP
B23K 9/167 20060101ALI20231101BHJP
B23K 9/173 20060101ALI20231101BHJP
B23K 9/18 20060101ALI20231101BHJP
【ＦＩ】
B23K35/362 A
B23K35/362 310Z
C22C38/00 301B
C22C38/58
B23K9/167 D
B23K9/173 D
B23K9/18 Z
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023549144
(86)(22)【出願日】2020-10-21
(85)【翻訳文提出日】2023-06-13
(86)【国際出願番号】 IB2020059872
(87)【国際公開番号】W WO2022084717
(87)【国際公開日】2022-04-28
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523150211
【氏名又は名称】ベルディシオ・ソリューションズ・ア・イ・エ
(74)【代理人】
【識別番号】110001173
【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】マンホン・フェルナンデス，アルバロ
(72)【発明者】
【氏名】ボーム，シバサンブ
(72)【発明者】
【氏名】ペレス・ロドリゲス，マルコス
(72)【発明者】
【氏名】スアレス・サンチェス，ロベルト
【テーマコード（参考）】
4E001
4E084
【Ｆターム（参考）】
4E001AA03
4E001BB05
4E001BB07
4E001BB08
4E001CA01
4E001CC02
4E001DF06
4E084AA02
4E084AA03
4E084AA04
4E084AA07
4E084AA15
4E084CA19
4E084CA21
4E084FA09
4E084FA14
4E084GA02
(57)【要約】
本発明は、溶接継手の製造のための方法であって、以下の連続する工程：Ｉ．少なくとも２つの金属基板の提供であって、少なくとも１つの金属基板は、少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であり、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、少なくとも２つの金属基板の提供と、ＩＩ．ナローギャップ溶接による、前記少なくとも部分的にコーティングされた側壁に沿った前記少なくとも２つの金属基板の溶接と、を含む、方法に関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接継手の製造のための方法であって、以下の連続する工程：Ｉ．少なくとも２つの金属基板の提供であって、少なくとも１つの金属基板は、少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であり、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、少なくとも２つの金属基板の提供と、
ＩＩ．ナローギャップ溶接による、少なくとも部分的にコーティングされた側壁に沿った前記少なくとも２つの金属基板の溶接と、
を含む、方法。
【請求項2】
前記チタネートが、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、ＮａＴｉＯ３、Ｋ２ＴｉＯ３、Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５、ＭｇＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＦｅＴｉＯ３及びＺｎＴｉＯ４並びにそれらの混合物の中から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記プレコーティングの厚さが１０～１４０μｍである、請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項4】
前記プレコーティング中の前記ナノ粒子状酸化物の百分率が８０重量％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記プレコーティング中の前記ナノ粒子状酸化物の百分率が１０重量％以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記ナノ粒子が、５～６０ｎｍに含まれるサイズを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記プレコーティング中のチタネートの百分率が４５重量％以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記チタネートの直径が１～４０μｍである、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記プレコーティングが結合剤をさらに含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記プレコーティング中の結合剤の百分率が１～２０重量％である、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記ナローギャップ溶接が、サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接及びガスタングステンアーク溶接の中から選択される１つの溶接技術を用いて行われる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
プレコーティングされた鋼基板の製造のための方法であって、連続する以下の工程：Ａ．少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板の提供と、
Ｂ．チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティング溶液の前記側壁上への少なくとも部分的な堆積と、
を含む、方法。
【請求項13】
工程Ｂ）において、前記プレコーティング溶液の堆積が、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング又はブラシコーティングによって行われる、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
工程Ｂ）において、前記プレコーティング溶液が溶剤をさらに含む、請求項１２又は１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
工程Ｂ）において、前記プレコーティング溶液が１～２００ｇ／Ｌのナノ粒子状酸化物を含む、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
工程Ｂ）において、前記プレコーティング溶液が１００～５００ｇ／Ｌのチタネートを含む、請求項１２～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
工程Ｂ）において、前記プレコーティング溶液が結合剤前駆体をさらに含む、請求項１２～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
工程Ｂ）において得られたプレコーティングされた鋼基板の乾燥工程をさらに含む、請求項１２～１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であって、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、鋼基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、特に、金属基板の少なくとも１つが、溶接の品質を改善するために溶接フラックスで局所的にコーティングされた鋼基板である場合における、ナローギャップ溶接による金属基板の溶接に関する。本発明はまた、対応する鋼基板及び鋼基板の製造のための方法に関する。本発明は、建設、造船、石油及びガス並びにオフショア産業に特によく適している。
【背景技術】
【0002】
狭開先溶接としても知られるナローギャップ溶接により、約５０ｍｍより厚い鋼基板を溶接することが公知である。この溶接技術は、基板の厚さと比較して狭い間隙によって間隔を空けた２つの基板の間に溶加材を用いる多層盛溶接過程として規定することができる。間隙は、小さなルート間隔及び最大約５°傾斜した側壁を有する単一のＶ溝であり得、又は一定幅の狭い間隙であり得る。ナローギャップ溶接技術は、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）及びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）について十分に確立されている。
【0003】
ナローギャップ溶接中、溶接が母材金属の断面の厚さを低下させると、側壁の融合不良、スラグの巻き込み、センターライン割れ又はアンダーカットなどの様々な欠陥が発生し得る。
【0004】
これらの欠陥の発生は、特にロボット化溶接を通じて溶接パラメータを厳密に設定することによって軽減することができる。それにもかかわらず、この解決策では十分な満足を得ることができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
したがって、ナローギャップ溶接によって行われる溶接の品質、したがって溶接された鋼基板の機械的特性を改善することが必要とされている。ナローギャップ溶接の溶接速度及び生産性を向上させる必要性もある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この目的のために、本発明は、溶接継手の製造のための方法であって、以下の連続する工程：
Ｉ．少なくとも２つの金属基板の提供であって、少なくとも１つの金属基板は、少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であり、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、少なくとも２つの金属基板の提供と、
ＩＩ．ナローギャップ溶接による、前記少なくとも部分的にコーティングされた側壁に沿った前記少なくとも２つの金属基板の溶接と、
を含む、方法に関する。
Ｉ．少なくとも２つの金属基板の提供であって、少なくとも１つの金属基板は、少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であり、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、少なくとも２つの金属基板の提供と、
ＩＩ．ナローギャップ溶接による、前記少なくとも部分的にコーティングされた側壁に沿った前記少なくとも２つの金属基板の溶接と、
を含む、方法に関する。
【0007】
本発明による方法は、個別に又は組み合わせて考慮される、以下に列挙される任意の特徴も有し得る。
【0008】
・チタネートは、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、ＮａＴｉＯ３、Ｋ２ＴｉＯ３、Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５、ＭｇＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＦｅＴｉＯ３及びＺｎＴｉＯ４又はそれらの混合物の中から選択される、
・プレコーティングの厚さは、１０～１４０μｍの間である、
・プレコーティング中のナノ粒子状酸化物の百分率は、８０重量％以下である、
・プレコーティング中のナノ粒子状酸化物の百分率は、１０重量％以上である、
・ナノ粒子は、５～６０ｎｍに含まれるサイズを有する、
・プレコーティング中のチタネートの百分率は、４５重量％以上である、
・チタネートの直径は１～４０μｍである、
・プレコーティングは結合剤をさらに含む、
・プレコーティング中の結合剤の百分率は、１～２０重量％である、
・ナローギャップ溶接は、サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接及びガスタングステンアーク溶接の中から選択される１つの溶接技術を用いて行われる、
・プレコーティングは、微粒子状酸化物及び／又は微粒子状フッ化物の中から選択される微粒子状化合物をさらに含む、
・プレコーティングは、ＣｅＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ２、ＮａＢｉＯ３、ＮａＦ、ＣａＦ２、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）及びそれらの混合物からなるリストから選択される微粒子状化合物をさらに含む。
・プレコーティングの厚さは、１０～１４０μｍの間である、
・プレコーティング中のナノ粒子状酸化物の百分率は、８０重量％以下である、
・プレコーティング中のナノ粒子状酸化物の百分率は、１０重量％以上である、
・ナノ粒子は、５～６０ｎｍに含まれるサイズを有する、
・プレコーティング中のチタネートの百分率は、４５重量％以上である、
・チタネートの直径は１～４０μｍである、
・プレコーティングは結合剤をさらに含む、
・プレコーティング中の結合剤の百分率は、１～２０重量％である、
・ナローギャップ溶接は、サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接及びガスタングステンアーク溶接の中から選択される１つの溶接技術を用いて行われる、
・プレコーティングは、微粒子状酸化物及び／又は微粒子状フッ化物の中から選択される微粒子状化合物をさらに含む、
・プレコーティングは、ＣｅＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ２、ＮａＢｉＯ３、ＮａＦ、ＣａＦ２、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）及びそれらの混合物からなるリストから選択される微粒子状化合物をさらに含む。
【0009】
本発明は、プレコーティングされた鋼基板の製造のための方法であって、連続する以下の工程：
Ａ．少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板の提供と、
Ｂ．チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティング溶液の前記側壁上への少なくとも部分的な堆積と、
を含む、方法にも関する。
Ａ．少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板の提供と、
Ｂ．チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティング溶液の前記側壁上への少なくとも部分的な堆積と、
を含む、方法にも関する。
【0010】
本発明によるプレコーティングされた鋼基板の製造のための方法は、個別に又は組み合わせて考慮される、以下に列挙される任意の特徴も有し得る。
【0011】
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液の堆積は、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング又はブラシコーティングによって行われる、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は溶剤をさらに含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は１～２００ｇ／Ｌのナノ粒子状酸化物を含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は１００～５００ｇ／Ｌのチタネートを含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は結合剤前駆体をさらに含む、
・方法は、工程Ｂ）において得られたプレコーティングされた鋼基板の乾燥工程をさらに含む。
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は溶剤をさらに含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は１～２００ｇ／Ｌのナノ粒子状酸化物を含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は１００～５００ｇ／Ｌのチタネートを含む、
・工程Ｂ）において、プレコーティング溶液は結合剤前駆体をさらに含む、
・方法は、工程Ｂ）において得られたプレコーティングされた鋼基板の乾燥工程をさらに含む。
【0012】
本発明は、少なくとも５０ｍｍの厚さを有し、及び少なくとも１つの側壁によって区切られている鋼基板であって、前記側壁は、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含むプレコーティングで少なくとも部分的にコーティングされている、鋼基板にも関する。
【0013】
以下の用語が定義される。
【0014】
・ナノ粒子は、サイズが１～１００ナノメートル（ｎｍ）の粒子である。
【0015】
・チタネートは、チタン、酸素及びアルカリ金属元素、アルカリ土類元素、遷移金属元素又は金属元素などの少なくとも１つの追加の元素を含有する無機化合物を指す。それらはそれらの塩の形態であり得る。
【0016】
・「コーティングされた」とは、鋼基板が少なくとも局所的にプレコーティングで覆われていることを意味する。被覆は、例えば、鋼基板が溶接される領域に限定することができる。「コーティングされた」は、「直接的に上に」（それらの間に中間材料、要素又は空間が配置されていない）及び「間接的に上に」（それらの間に中間材料、要素又は空間が配置されている）を包括的に含む。例えば、鋼基板をコーティングすることは、中間材料／要素を間に有さずに基板上にプレコーティングを直接適用すること、及び（防食コーティングなどの）１つ以上の中間材料／要素を間に有して基板上にプレコーティングを間接的に適用することを含むことができる。
【0017】
いかなる理論にも束縛されるものではないが、プレコーティングは、主にアーク及び溶融プールの物理を改変すると考えられる。本発明では、化合物の性質だけでなく、酸化物粒子のサイズが１００ｎｍ以下であることが、アーク及び溶融プールの物理を改変すると思われる。
【0018】
実際に、アークは、溶解された種の形態の溶融金属中及びイオン化された種の形態のアーク中にプレコーティングを融解し、組み込む。アーク中のチタネート及び酸化物ナノ粒子の存在により、アークは収束される。
【0019】
さらに、溶融金属中に溶解されたプレコーティングは、表面張力勾配に起因する液体－気体界面での物質移動であるマランゴニ流を改変する。特に、プレコーティングの成分は、界面に沿った表面張力の勾配を改変する。表面張力のこの変更は、溶接プールの中心方向への、流体の流れの反転をもたらす。アーク収束に起因するより高いプラズマ温度と相まって、この反転は溶接溶込みの改善及び溶接効率の改善をもたらし、堆積速度の向上、ひいては生産性の向上をもたらす。いかなる理論にも束縛されるものではないが、ナノ粒子は微粒子よりも低温で溶解し、したがってより多くの酸素が溶融プール中に溶解し、逆マランゴニ流を活性化すると考えられる。
【0020】
さらに、溶解酸素は界面活性剤として作用し、母材金属上の溶融金属の濡れを改善し、したがって、側壁の融合不良及びアンダーカットなどのナローギャップ溶接過程で現れる傾向がある致命的な欠陥を回避する。
【0021】
さらに、プレコーティングの成分が温度と共に表面張力を増加させるにつれて、溶融プールの中心よりも冷たい側壁に沿って溶接材料の濡れ性が増加し、これはスラグの巻き込みを防止する。
【0022】
さらに、ナノ粒子は、微粒子間の隙間を埋め、微粒子の表面を覆うことによって、適用されたプレコーティングの均一性を改善することが観察された。これは、溶接アークを安定化するのに役立ち、したがって溶接溶込み及び品質を改善する。
【0023】
本発明は、純粋に説明の目的で提供されており、決して限定することを意図するものではない以下の記述を読むことによって、よりよく理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【0024】
プレコーティングは、チタネートと、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含む。換言すれば、プレコーティングは、チタネートと、少なくとも１種のナノ粒子状酸化物を含み、少なくとも１種のナノ粒子状酸化物は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物からなる群から選択される。これは、プレコーティングが列挙されたもの以外の他のナノ粒子状酸化物を含まないことを意味する。
【0025】
チタネートは、チタン酸アルカリ金属塩、チタン酸アルカリ土類金属塩、チタン酸遷移金属塩、チタン酸金属塩及びそれらの混合物からなるチタネートの群から選択される。チタネートは、より好ましくは、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、ＮａＴｉＯ３、Ｋ２ＴｉＯ３、Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５、ＭｇＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＦｅＴｉＯ３及びＺｎＴｉＯ４並びにそれらの混合物の中から選択される。これらのチタネートは、逆マランゴニ流の効果に基づいて溶込み深さをさらに増加させると考えられる。すべてのチタネートが、ある程度同様に挙動し、溶込み深さを増加させることが本発明者らの理解である。したがって、すべてのチタネートが本発明の一部である。当業者は、具体的な事例に応じてどのチタネートを選択しなければならないかを知っているであろう。そうするために、当業者は、チタネートがどれだけ容易に溶融及び溶解するか、チタネートがどれだけ溶解酸素含有量を増加させるか、チタネートの追加の元素が溶融プールの物理及び最終的な溶接の微細構造にどのように影響するかを考慮に入れるであろう。例えば、ＮａＴｉＯ７は、スラグ形成及び脱離を改善するＮａの存在のために好ましい。
【0026】
好ましくは、チタネートは、１～４０μｍ、より好ましくは１～２０μｍ、有利には１～１０μｍの直径を有する。このチタネートの直径は、アーク収束及び逆マランゴニ効果をさらに改善すると考えられる。さらに、小さなマイクロメートルのチタネート粒子を有することは、ナノ粒子状酸化物との混合に利用可能な比表面積を増加させ、ナノ粒子状酸化物をチタネート粒子にさらに付着させる。また、小さなマイクロメートルのチタネート粒子を有することは、粒子をより噴霧しやすくする。
【0027】
好ましくは、プレコーティングの乾燥重量におけるチタネートの重量百分率は、４５％以上、より好ましくは４５％～９０％、さらにより好ましくは４５％～７５％である。
【0028】
ナノ粒子状酸化物は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物から選択される。これらのナノ粒子は溶融プール中に容易に溶解し、溶融プールに酸素を供給し、その結果、濡れ性を改善し、より深い溶接溶込みを可能にする。ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４又はＣｒ２Ｏ３などの他の酸化物とは対照的に、それらは脆性相を形成する傾向がなく、熱が鋼を正確に溶融するのを妨げる高い耐火効果を有さず、それらの金属イオンは溶融プール中の酸素と再結合する傾向がない。
【0029】
好ましくは、ナノ粒子はＳｉＯ２及び／又はＴｉＯ２、より好ましくはＳｉＯ２とＴｉＯ２の混合物である。ＳｉＯ２は主に溶込み深さを増加させ、スラグ除去を容易にするが、ＴｉＯ２は主に溶込み深さを増加させ、機械的特性を改善するＴｉ系介在物を形成すると考えられる。
【0030】
ナノ粒子状酸化物の混合物の他の例は、
・酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の添加により二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の立方晶構造を室温で安定化させたセラミックスであるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
・耐火効果を調整するのに役立ち、介在物の形成を促進するＬａ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３の１：１：１組み合わせ、である。
・酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の添加により二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の立方晶構造を室温で安定化させたセラミックスであるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、
・耐火効果を調整するのに役立ち、介在物の形成を促進するＬａ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３の１：１：１組み合わせ、である。
【0031】
好ましくは、ナノ粒子は、５～６０ｎｍに含まれるサイズを有する。このナノ粒子直径は、コーティングの均一な分布をさらに改善すると考えられる。
【0032】
好ましくは、プレコーティングの乾燥重量におけるナノ粒子状酸化物の重量百分率は、８０％以下、好ましくは１０％以上、より好ましくは１０～６０％、さらにより好ましくは２０～５５％である。いくつかの事例では、ナノ粒子の百分率は、高すぎる耐火効果を回避するために制限されなければならない場合があり得る。ナノ粒子の各種類の耐火効果を知っている当業者は、事例ごとに百分率を適合させるであろう。
【0033】
本発明の一変形によれば、プレコーティングが鋼基板上に適用され、乾燥されると、プレコーティングはチタネート及びナノ粒子状酸化物からなる。
【0034】
本発明の別の変形例によれば、プレコーティングは、チタネート及びナノ粒子状酸化物を埋め込み、鋼基板上のプレコーティングの接着を改善する少なくとも１つの結合剤をさらに含む。この改善された接着は、シールドガスが使用される場合に、シールドガスの流れによってプレコーティングの粒子が吹き飛ばされることをさらに防止する。好ましくは、結合剤は、特に溶接中に有機結合剤が発生する可能性があり得る有毒ガスを回避するために、純粋に無機性である。無機結合剤の例は、有機官能性シラン又はシロキサンのゾル－ゲルである。有機官能性シランの例は、特にアミン、ジアミン、アルキル、アミノ－アルキル、アリール、エポキシ、メタクリル、フルオロアルキル、アルコキシ、ビニル、メルカプト及びアリールのファミリーの基で官能化されたシランである。アミノアルキルシランは、接着を大幅に促進し、長い貯蔵寿命を有するので特に好ましい。好ましくは、結合剤は、乾燥したプレコーティングの１～２０重量％の量で添加される。
【0035】
本発明の別の変形によれば、プレコーティングは、例えばＣｅＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ２、ＮａＢｉＯ３、ＮａＦ、ＣａＦ２、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）などの微粒子状酸化物及び／又は微粒子状フッ化物などの微粒子状化合物をさらに含む。上に列記されたナノ粒子状酸化物のいくつかについて、ナノ粒子から微粒子への移行は、これらの酸化物のいくつかの使用に関連する健康及び安全上の懸念を軽減する。スラグの巻き込みがさらに防止されるように、スラグ形成を改善するために、Ｎａ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ２、ＮａＢｉＯ３、ＮａＦ、ＣａＦ２、氷晶石を添加することができる。それらはまた、容易に分離可能なスラグを形成するのに役立つ。プレコーティングは、プレコーティングの乾燥重量で０．１～５重量％のＮａ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ２、ＮａＢｉＯ３、ＮａＦ、ＣａＦ２、氷晶石又はそれらの混合物を含むことができる。
【0036】
好ましくは、プレコーティングの厚さは、１０～１４０μｍの間、より好ましくは３０～１００μｍの間である。
【0037】
プレコーティングは、鋼基板の１つの側壁を少なくとも部分的に覆う。鋼基板は、ナローギャップ溶接に適合する任意の形状を有することができる。本発明の目的において、鋼基板は、鋼基板がナローギャップ溶接に適合するように少なくとも５０ｍｍの厚さによって、及び別の金属基板に少なくとも部分的に溶接されるべき側壁によって、単純に定義される。側壁は、ナローギャップによる溶接をさらに改善するために、任意にベベルが設けられる。ベベルの角度は、通常、２～２０°、より好ましくは２～５°の範囲である。プレコーティングによって提供される改善された濡れ性がベベル上に欠陥を有することを許容できるようにすることは、ここで言及する価値がある。そのため、欠陥のない極めて滑らかな表面を得るための通常の高価で精密なベベルの機械加工を回避することができる。好ましくは、ベベルは、粗さＲｚが４μｍよりも高く、より好ましくは４～１６μｍに含まれるようにギザギザが付けられる。このような粗さは、ベベル上のプレコーティングの接着性を改善する。
【0038】
好ましくは、鋼基板は炭素鋼である。
【0039】
鋼基板は、任意に、その面の１つの少なくとも一部を防食コーティングによって被覆することができる。好ましくは、防食コーティングは、亜鉛、アルミニウム、銅、ケイ素、鉄、マグネシウム、チタン、ニッケル、クロム、マンガン及びそれらの合金からなる群から選択される金属を含む。
【0040】
好ましい実施形態において、防食コーティングは、１５重量％未満のＳｉ、５．０重量％未満のＦｅ、任意に０．１～８．０重量％のＭｇ及び任意に０．１～３０．０重量％のＺｎを含み、残りはＡｌ及び製造過程から生じる避けられない不純物であるアルミニウム系コーティングである。別の好ましい実施形態において、防食コーティングは、０．０１～８．０重量％のＡｌ、任意に０．２～８．０重量％のＭｇ、残りはＺｎ及び製造過程から生じる避けられない不純物である亜鉛系コーティングである。
【0041】
防食コーティングは、好ましくは鋼基板の両面に施される。
【0042】
過程に関して、鋼基板が提供されると、プレコーティングを形成するために、プレコーティング溶液が基板側壁上に少なくとも部分的に適用される。
【0043】
プレコーティング溶液は、プレコーティングについて上述したように、チタネート及びナノ粒子状酸化物を含む。特に、プレコーティング溶液は１００～５００ｇ／Ｌ、より好ましくは１７５～２５０ｇ．Ｌ－１のチタネートを含む。特に、プレコーティング溶液は１～２００ｇ．Ｌ－１、より好ましくは５～８０ｇ．Ｌ－１のナノ粒子状酸化物を含む。チタネート及びナノ粒子状酸化物中のこれらの濃度のおかげで、対応するプレコーティングの助けを借りて得られる溶接の品質がさらに改善される。
【0044】
有利には、プレコーティング溶液は溶剤をさらに含む。これは、十分に分散されたプレコーティングを可能にする。好ましくは、溶剤は周囲温度で揮発性である。例えば、溶剤は、水、アセトン、メタノール、イソプロパノール、エタノール、酢酸エチル、ジエチルエーテルなどの揮発性有機溶剤及びエチレングリコールなどの不揮発性有機溶剤の中から選択される。
【0045】
本発明の一変形によれば、プレコーティング溶液は、チタネート及びナノ粒子状酸化物を埋め込みために、並びに鋼基板上のプレコーティングの接着性を改善するために、結合剤前駆体をさらに含む。好ましくは、結合剤前駆体は、少なくとも１つの有機官能性シランのゾルである。有機官能性シランの例は、特にアミン、ジアミン、アルキル、アミノ－アルキル、アリール、エポキシ、メタクリル、フルオロアルキル、アルコキシ、ビニル、メルカプト及びアリールのファミリーの基で官能化されたシランである。好ましくは、結合剤前駆体は、プレコーティング溶液の４０～４００ｇ．Ｌ－１の量で添加される。
【0046】
プレコーティング溶液は、最初にチタネートとナノ粒子状酸化物とを混合することによって得ることができる。これは、アセトンなどの溶剤を用いた湿潤条件又は乾燥条件、例えば３Ｄ粉末シェーカーミキサー中のいずれかで行うことができる。混合は、チタネート粒子上のナノ粒子の強凝集を促進し、これは、健康及び安全上の問題である空気中へのナノ粒子の意図しない放出を防止する。
【0047】
プレコーティング溶液の堆積は、スピンコーティング、スプレーコーティング、ディップコーティング又はブラシコーティングによって特に行うことができる。
【0048】
好ましくは、プレコーティング溶液は局所的にのみ堆積される。特に、プレコーティング溶液は、鋼基板がそこで溶接される側壁の領域に適用される。
【0049】
プレコーティング溶液が鋼基板上に適用されたら、任意にプレコーティング溶液は乾燥させることができる。乾燥は、空気又は不活性ガスを周囲温度又は高温で吹き付けることによって行うことができる。プレコーティングが結合剤を含む場合、乾燥工程は、好ましくは、その間に結合剤が硬化される硬化工程でもある。硬化は、赤外線（ＩＲ）、近赤外線（ＮＩＲ）、従来のオーブンによって行うことができる。
【0050】
好ましくは、有機溶剤が周囲温度で揮発性である場合には、乾燥工程は行われない。その場合には、有機溶剤が蒸発し、金属基板上に乾燥したプレコーティングがもたらされる。
【0051】
プレコーティングが鋼基板の側壁の一部に形成されると、この部分は、ナローギャップ溶接によって別の金属基板に溶接することができる。
【0052】
ナローギャップ溶接は、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）及びガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）について十分に確立されている。これらの溶接技術はすべて、本発明から利益を得ることができる。任意の他のナローギャップ溶接技術も本発明から利益を得ることができる。
【0053】
他の金属基板は、プレコーティングされた鋼基板と同じ組成又は異なる組成の鋼基板であり得る。他の金属基板は、例えばアルミニウムなどの別の金属で作ることもできる。より好ましくは、他の金属基板は、本発明によるプレコーティングされた鋼基板である。他の金属基板は、鋼基板のプレコーティングされた側壁に沿って配置され、鋼の厚さと比較して狭い間隙によって隔てられる。間隙は典型的には８～２５ｍｍの幅であり、鋼は典型的には５０～３５０ｍｍの厚さである。次いで、２つの基板はナローギャップ溶接によって溶接される。
【0054】
平均電流は、好ましくは１００～１０００Ａである。電圧は、好ましくは８～３０Ｖである。
【0055】
溶接技術に応じて、ワイヤ（ＳＡＷ、ＧＭＡＷ）の形態の消耗電極が存在することができ、又は電極が消耗可能でなければ、継手を充填する材料をワイヤ（ＧＴＡＷ）の形態で側方から供給することができる。両方の場合において、ワイヤは、例えば、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｍｏ及び／又はＮｉで作られる。
【0056】
溶接技術に応じて、ナローギャップは、遮蔽フラックスによって少なくとも局所的に覆われ得る。遮蔽フラックスは、溶接されたゾーンを溶接中の酸化から保護する。
【0057】
本発明による方法を用いると、少なくとも、鋼基板の形態の第１の金属基板及び第２の金属基板の溶接継手を得ることが可能であり、第１及び第２の金属基板は、ナローギャップ溶接によって少なくとも部分的に一緒に溶接され、溶接されたゾーンは、チタネートとナノ粒子状酸化物とを含む溶解した及び／又は析出したプレコーティングを含む。
【0058】
チタネートは、チタン酸アルカリ金属塩、チタン酸アルカリ土類金属塩、チタン酸遷移金属塩、チタン酸金属塩及びそれらの混合物からなるチタネートの群から選択される。チタネートは、より好ましくは、Ｎａ２Ｔｉ３Ｏ７、ＮａＴｉＯ３、Ｋ２ＴｉＯ３、Ｋ２Ｔｉ２Ｏ５、ＭｇＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＦｅＴｉＯ３及びＺｎＴｉＯ４並びにそれらの混合物の中から選択される。
【0059】
ナノ粒子状酸化物は、好ましくは、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｏＯ３、ＣｒＯ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３及びそれらの混合物から選択される。
【0060】
「溶解及び／又は析出したプレコーティング」とは、逆マランゴニ流のためにプレコーティングの成分が溶融プールの液体－気体界面の中心に向かって引き込まれることができ、溶融金属内にさえ引き込まれることができることを意味する。いくつかの成分は溶融プール中に溶解し、溶接部における対応する元素の濃縮をもたらす。その他の成分は析出し、溶接部において析出物を形成する複合酸化物の一部である。
【0061】
特に、鋼基板のＡｌ量が５０ｐｐｍを超える場合、溶接されたゾーンは、添加されたナノ粒子の性質に応じて、特にＡｌ－Ｔｉ酸化物又はＳｉ－Ａｌ－Ｔｉ酸化物又は他の酸化物を含む介在物を含む。混合元素のこれらの析出物は５μｍより小さい。その結果、混合元素のこれらの析出物は溶接されたゾーンの靭性を損なわない。介在物は、電子プローブマイクロ分析（ＥＰＭＡ）によって観察することができる。いかなる理論にも束縛されるものではないが、ナノ粒子状酸化物は、溶接されたゾーンの靭性が損なわれないように、限定されたサイズの介在物の形成を促進すると考えられる。
【0062】
最後に、本発明は、圧力容器、オフショア及び石油及びガス部品、造船、原子炉部品並びに重工業及び製造全般の製造のための、本発明による溶接継手の使用に関する。
【実施例】
【0063】
表１に開示された重量パーセントで化学組成を有する鋼基板を選択した：
【0064】
【表1】
【0065】
【表2】
【0066】
鋼基板は５０ｍｍの厚さであった。鋼基板は、４８０ＭＰａの引張強度及び３９５ＭＰａの降伏強度を有していた。
【0067】
［実施例１］
ベベルのない側壁を有する１００×１５０ｍｍのサンプルを調製した。溶接すべき側壁をアセトンで油及び汚れを除去した。
ベベルのない側壁を有する１００×１５０ｍｍのサンプルを調製した。溶接すべき側壁をアセトンで油及び汚れを除去した。
【0068】
サンプル１はプレコーティングでコーティングされなかった。
【0069】
サンプル２については、アセトンを下記元素と混合することによって、ＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）、ＳｉＯ２（直径：１０ｎｍ）及びＴｉＯ２（直径：５０ｎｍ）を含むアセトン溶液を調製した。アセトン溶液において、ＭｇＴｉＯ３の濃度は１７５ｇ．Ｌ－１であった。ＳｉＯ２の濃度は２５ｇ．Ｌ－１であった。ＴｉＯ２の濃度は５０ｇ．Ｌ－１であった。次いで、サンプル２の洗浄された側壁をスプレーによりアセトン溶液でコーティングした。アセトンを蒸発させた。乾燥したプレコーティング中のＭｇＴｉＯ３の百分率は７０重量％であり、ＳｉＯ２の百分率は１０重量％であり、ＴｉＯ２の百分率は２０重量％であった。プレコーティングは５０μｍの厚さであった。
【0070】
１３ｍｍの間隙によって隔てられた選択した鋼基板の剥き出しのサンプルと並べてサンプル１及び２をそれぞれ配置し、間隙が充填され、継手が完成するまで溶接パスを実施することによりナローギャップガスメタルアーク溶接によって溶接した。溶接パラメータは、以下の表２に記載されている。
【0071】
【表3】
【0072】
両事例で使用された消耗電極の組成は、以下の表３に記載されている。
【0073】
【表4】
【0074】
サンプル１は１２のパスで溶接されたのに対して、サンプル２は１０のパスで溶接された。この第１の結果は、本発明によるプレコーティングがナローギャップ溶接の堆積速度及び生産性を向上させることを既に示している。
【0075】
サンプル２では、サンプル１と比較して、ベベル表面上の溶接金属の濡れが改善されたことも観察された。
【0076】
ナローギャップ溶接後、両方の溶接された集合物の溶接を最初に目視で検査し、次に超音波（リニア型とボリュメトリック型の両方）によって検査した。溶接はまた、肉眼で及び顕微鏡で、特に浸透探傷試験（ＬＰＩ）によって分析した。室温及び－４０℃で、溶接金属にシャルピー衝撃試験も行った。
【0077】
結果を以下の表４にまとめる。
【0078】
【表5】
【0079】
結果は、鋼基板の側壁上のプレコーティングが、継手の機械的特性を低下させることなくナローギャップ溶接を改善することを示している。特に、－４０℃でのシャルピー試験の結果は、材料の弾性に対するプレコーティングの正の効果を示した。
【0080】
［実施例２］
鋼基板の溶接に対する異なるプレコーティングの効果を、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションによって評価した。シミュレーションでは、プレコーティングは、１０～５０ｎｍの直径を有するナノ粒子状酸化物と、任意にＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）とを含む。コーティングの厚さは４０μｍであった。各プレコーティングを用いてアーク溶接をシミュレートし、結果を以下の表５に示す。
鋼基板の溶接に対する異なるプレコーティングの効果を、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションによって評価した。シミュレーションでは、プレコーティングは、１０～５０ｎｍの直径を有するナノ粒子状酸化物と、任意にＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）とを含む。コーティングの厚さは４０μｍであった。各プレコーティングを用いてアーク溶接をシミュレートし、結果を以下の表５に示す。
【0081】
【表6】
【0082】
結果は、本発明によるプレコーティングが、比較例と比較して溶接部の溶込み及び品質を改善することを示している。
【0083】
［実施例３］
サンプル１６については、以下の成分を含む水溶液を調製した：３６３ｇ．Ｌ－１のＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）、７７．８ｇ．Ｌ－１のＳｉＯ２（直径範囲：１２～２３ｎｍ）、７７．８ｇ．Ｌ－１のＴｉＯ２（直径範囲：３６～５５ｎｍ）及び２３８ｇ．Ｌ－１の３－アミノプロピルトリエトキシシラン（Ｅｖｏｎｉｋ（Ｒ）によって製造されたＤｙｎａｓｙｌａｎ（Ｒ）ＡＭＥＯ）。溶液を鋼基板の側壁上に適用し、１）ＩＲ及び２）ＮＩＲによって乾燥させた。乾燥したプレコーティングは４０μｍの厚さであり、６２重量％のＭｇＴｉＯ３、１３重量％のＳｉＯ２、１３重量％のＴｉＯ２及び３－アミノプロピルトリエトキシシランから得られた１２重量％の結合剤を含有した。
サンプル１６については、以下の成分を含む水溶液を調製した：３６３ｇ．Ｌ－１のＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）、７７．８ｇ．Ｌ－１のＳｉＯ２（直径範囲：１２～２３ｎｍ）、７７．８ｇ．Ｌ－１のＴｉＯ２（直径範囲：３６～５５ｎｍ）及び２３８ｇ．Ｌ－１の３－アミノプロピルトリエトキシシラン（Ｅｖｏｎｉｋ（Ｒ）によって製造されたＤｙｎａｓｙｌａｎ（Ｒ）ＡＭＥＯ）。溶液を鋼基板の側壁上に適用し、１）ＩＲ及び２）ＮＩＲによって乾燥させた。乾燥したプレコーティングは４０μｍの厚さであり、６２重量％のＭｇＴｉＯ３、１３重量％のＳｉＯ２、１３重量％のＴｉＯ２及び３－アミノプロピルトリエトキシシランから得られた１２重量％の結合剤を含有した。
【0084】
サンプル１７については、以下の成分を含む水溶液を調製した：３３０ｇ．Ｌ－１のＭｇＴｉＯ３（直径：２μｍ）、７０．８ｇ．Ｌ－１のＳｉＯ２（直径範囲：１２～２３ｎｍ）、７０．８ｇ．Ｌ－１のＴｉＯ２（直径範囲：３６～５５ｎｍ）、２１６ｇ．Ｌ－１の３－アミノプロピルトリエトキシシラン（Ｅｖｏｎｉｋ（Ｒ）によって製造されたＤｙｎａｓｙｌａｎ（Ｒ）ＡＭＥＯ）及び１０４．５ｇ．Ｌ－１の、有機官能性シランと官能化されたナノスケールのＳｉＯ２粒子との組成物（Ｅｖｏｎｉｋによって製造されたＤｙｎａｓｙｌａｎ（Ｒ）Ｓｉｖｏ １１０）。溶液を鋼基板の側壁上に適用し、１）ＩＲ及び２）ＮＩＲによって乾燥させた。乾燥したプレコーティングは４０μｍの厚さであり、５９．５重量％のＭｇＴｉＯ３、１３．４６重量％のＳｉＯ２、１２．８重量％のＴｉＯ２並びに３－アミノプロピルトリエトキシシラン及び有機官能性シランから得られた１４．２４重量％の結合剤を含有した。
【0085】
すべての事例で、鋼基板上のプレコーティングの接着が大幅に改善された。
【0086】
本発明の有益な効果は、ナローギャップガスメタルアーク溶接の場合で例証された。それにもかかわらず、ナローギャップの溶融プールの物理が変更されるように、以下の技術はすべて、プレコーティングでコーティング可能な側壁を使用するので、特にナローギャップガスタングステンアーク溶接及びナローギャップサブマージアーク溶接などのその他のナローギャップ溶接技術に拡張可能である。
【国際調査報告】