JP2001269780A - 低温液化ガス用容器 - Google Patents
低温液化ガス用容器Info
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Abstract
性を向上させる。 【解決手段】 低温液化ガスを貯蔵するためのアルミニ
ウム合金製、特に、Al−Mg系合金製の低温液化ガス
用容器を構成する構造部材3aの突き合わせ溶接継手部
を、ディスク7aとプローブピン7bを有する接合用ツ
ール7を用いて行う摩擦攪拌接合法により接合線6に沿
い接合して接合部5とする。摩擦攪拌接合法により、溶
接継手部の組織を微細化し、β相の生成を抑制すること
ができて、低温での延性、靭性を向上できるので、容器
の強度を向上させることができる。
Description
液体水素、液体ヘリウム等の低温液化ガスの貯蔵、輸
送、又は分散利用等小規模低温液化ガス貯蔵に用いる容
器に関するもので、特に、低温での靭性に優れたアルミ
ニウム合金を接合して製作された低温液化ガス用容器に
関するものである。
貯槽として、地上に設置されるものとしては、図7に一
例を示す如く、基礎1上に、底板2A及び側板2B並び
に屋根板2Cからなる外槽2を設置し、該外槽2内の底
板2A上に、底板3A及び側板3B並びに屋根板3Cか
らなる低温液化ガス用容器としての内槽3を、底部保冷
材4を介して載置し、且つ上記外槽側板2Bと内槽側板
3Bとの間に側部保冷材を設けてなる円筒状のものがあ
る。
ス用容器としての内槽3としては、アルミニウム合金製
としたもの、Ni鋼製としたもの、SUS製としたもの
等があるが、アルミニウム合金製とした内槽3の場合、
底板3A、側板3B、屋根板3Cの各構造部材として用
いられる低温用アルミニウム材料としては、Al−Cu
系の2219合金(Al−6.3mass%Cu−0.
3mass%Mn−0.1mass%V−0.15ma
ss%Zr−0.06mass%Ti)、Al−Mg系
の5083合金(Al−4.5mass%Mg−0.7
mass%Mn−0.15mass%Cr)、Al−M
g−Si系合金の6061合金(Al−1.0mass
%Mg−0.6mass%Si−0.25mass%C
u−0.2mass%Cr)などが代表的であり、強
度、耐食性、靭性の点からLNG貯槽用には、通常、5
083合金が使用されている。
化ガス用容器としての内槽を組み立てる場合、一般に、
底板3A、側板3B、屋根板3Cの各々の構造部材を突
合せ溶接して、底板3Aのブロック化、側板3Bのブロ
ック化、屋根板3Cのブロック化を行い、次いで、底板
3Aのブロック同士、側板3Bのブロック同士、屋根板
3Cのブロック同士を組立溶接して、底板3A、側板3
B、屋根板3Cを組み立てるようにし、しかる後、底板
3Aと側板3B、側板3Bと屋根板3Cを組み立て溶接
するようにしている。
Cごとの組み立てを行う際の各構造部材同士の溶接に
は、従来、溶加材を用いた溶接方法であるミグ溶接やテ
ィグ溶接等が採用されており、この場合、アルミニウム
合金として5083合金を用いた内槽3の場合には、5
183合金(Al−4.8mass%Mg−0.75m
ass%Mn−0.15mass%Cr)、5356合
金(Al−5.0mass%Mg−0.12mass%
Mn−0.12mass%Cr−0.13mass%T
i)、5556合金(Al−5.1mass%Mg−
0.75mass%Mn−0.12mass%Cr−
0.12mass%Ti)などが溶加材として用いられ
ている。
系合金溶接継手の溶接金属部において、RT(室温)、
77K(液体窒素温度)、4K(液体ヘリウム温度)で
の機械的特性(引張り強度・耐力・伸び・断面減少率)
を求める引張試験及び破壊靭性試験を行い、更に、各試
験後の破面観察などを行ったところ、従来LNG用とし
て用いられていたアルミニウム合金母材(5083合
金)と溶接ワイヤ(5183合金WY)の組み合せによ
り得られる溶接継手部では、77Kにおいては強度、延
性が向上して良好な破壊靭性値を示すが、それより低い
温度(たとえば、20K、4K)では粒内に変形が生じ
にくくなって結晶粒界に応力が集中し、溶接の凝固時に
粒界に生成したβ相(Al3Mg2)に沿って粒界割れ
が発生し易くなり、破壊靭性値が低下することが判明し
た。又、シャルピー試験においては77Kにおいても一
部粒界割れが発生しシャルピー吸収エネルギーが低下す
ることが確認されている。
(LNG温度)以下の温度域においても十分高い靭性値
を有する溶接継手部をもつ低温液化ガス用容器を提供し
ようとするものである。
決するために、アルミニウム合金製の低温液化ガス用容
器において、該低温液化ガス用容器を構成している構造
部材同士の各溶接継手部を、摩擦攪拌接合法による接合
部としてなる構成とする。
組織を微細化することができる結果、低温での延性、靭
性を向上させることができ、容器の強度を高めることが
できる。
以上の摩擦攪拌接合法により接合した接合部としてなる
構成とすると、接合部には厚み方向に2つ以上の同心円
状のメタルフローが連なって形成されることにより亀裂
進展が抑制され靭性が更に向上するため、低温液化ガス
用容器の強度をより高めることができる。
て、構造部材を18mm以上の厚板とすると、接合部の靭
性向上に有効である。
Mg系合金を採用すると、β相の生成を抑制することが
できるので、低温での強度、延性、靭性を大きく改善し
た溶接継手部が得られる。
を参照して説明する。
接継手部の接合状態の一例を示すもので、図7に示す如
き低温貯槽における低温液化ガス用容器としてのアルミ
ニウム合金製の内槽3を製作する場合に、底板3A、側
板3B、屋根板3Cを、前記したように、地上でのブロ
ック化時に各構造部材を突合せ溶接により接合してブロ
ック化し、底板3Aのブロック同士、側板3Bのブロッ
ク同士、屋根板3Cのブロック同士を突き合わせ、ある
いは重ね溶接等により組み立てて底板3A、側板3B、
屋根板3Cとし、該組み立てられた底板3Aと側板3
B、側板3Bと屋根板3Cの各接合部を溶接して屋根付
き内槽を構成する従来の方法において、たとえば、Al
−Mg系のアルミニウム合金製の底板3A、側板3B、
屋根板3Cを組み立てるときの各構造部材の溶接継手部
を、摩擦攪拌接合法による接合部5としてなる構成とす
るようにしたものである。
構成する底板3A、側板3B、屋根板3Cのうち、一例
として、底板3Aについて示すもので、底板3Aを構成
するために板状のアルミニウム合金製の構造部材3aを
突合せて摩擦攪拌接合法で接合している状態を示してい
る。すなわち、2枚の構造部材3a同士の接合側端面を
無開先状態で突き合わせて接合線6を形成させた状態に
おいて、先端部に上記接合線6近辺の表面に押し付ける
ようにするためのディスク7aを有し、且つ該ディスク
7aの先端面中心部に構造部材3aの厚みとほぼ同じ長
さかやや短い長さを有するプローブピン7bを突設して
なる丸棒状の接合用ツール7を用い、上記ディスク7a
で2枚の構造部材3aの表面を押え且つプローブピン7
bが2枚の構造部材3aによる接合線6の端に位置する
ように接合用ツール7をセットして、該接合用ツール7
を高速で回転させながら、所要の速度で接合線6に沿わ
せて移動させるようにする。
せながら接合線6に押し込むと、接合線6付近はプロー
ブピン7bとの摩擦により発熱し、塑性流動状態となっ
て軟化されるため、プローブピン7bは接合線6付近を
攪拌しながら移動することになり、プローブピン7bが
通過すると、摩擦熱がなくなるため、接合線6の塑性流
動がなくなり、これにより、プローブピン7bが通過し
た後に2枚の構造部材3aが密着接合された状態の接合
部5が形成される。
しない固相接合によって形成したものであり、又、接合
時の温度は融点まで上昇していないので、組織は微細化
されたものとなり、粒界にMgが偏析したり、β相によ
って粒界強度が低下することはなく、延性、靭性に優れ
たものとなる。又、上記接合部5は余盛りのない平坦な
ものであるため、後処理を施す必要がなくて有利であ
り、更に、シールドガスの使用を不要とできる点でも有
利である。
3Aを組み立てる場合の各構造部材3aの突合せ溶接を
行わせる場合を示しているが、低温液化ガス用容器を構
成する側板3Bの組み立てや、屋根板3Cの組み立てに
おいて、各々の構造部材3a同士を接合してブロック化
したり、ブロック同士を接合して側板3Bや屋根板3C
とする場合にも、突合せ溶接部を、上記と同様に摩擦攪
拌接合法で接合させるようにする。これにより、本発明
の低温液化ガス用容器は、全体として強度を向上させる
ことができる。
立てるとき、構造部材を接合してブロック化したもの同
士の接合側を重ねた接合部に、摩擦攪拌接合法による接
合部5を形成させる場合の例を示すものである。すなわ
ち、2枚の構造部材3aの接合部を重ねて配置し、従
来、隅肉溶接していたことに代えて、重ね配置した2枚
の構造部材3aの厚さに対応する長さのプローブピン7
bを設けた接合用ツール7を用い、プローブピン7bを
上記重ね部の端に位置させた状態として、接合用ツール
7を回転させながら重ね部の接合方向に沿わせて移動さ
せることにより、重ね継手部を摩擦攪拌接合法による接
合部5とするようにしたものである。なお、重ね合わせ
量によって、二点鎖線で示すように接合部5を2個所形
成させるようにすることもできる。
接合法による接合部5を採用することにより、隅肉溶接
を不要にできる。
液化ガス用容器を構成する構造部材3aの溶接継手部
を、摩擦攪拌接合法による1パスで接合する場合につい
て示したものであるが、接合用ツール7のプローブピン
7bの長さを短くして、構造部材3aの溶接継手部の片
側のみから2パス以上、又は両面から2パス以上として
摩擦攪拌接合法により接合させることもできる。
ンの先端を中心とする同心円状のメタルフローが形成さ
れ、このメタルフローが板の表面に現れた部分から亀裂
がこれに沿って発生する可能性が希にあるが、この同心
円状のメタルフローが板厚の中に複数連なると、メタル
フローが折れ曲るため、亀裂の進展が抑制されることに
なる。したがって、2パス以上として摩擦攪拌接合法に
より接合すると、靭性を更に向上させることができる。
して、通常、板厚が18mm以上の厚板が使用されるが、
本発明者等の実験結果によると、プローブピンの長さを
適正に設定することにより、上記2パス以上の摩擦攪拌
接合法による接合が有効であることが確認されている。
が18mm以上の厚板を用いてLNG貯蔵タンクの側板を
製作するときに、板厚を18mm以上の厚板とした構造部
材3b同士を突き合わせて接合する溶接継手部を、2パ
スで接合した接合部とする場合の一例を示すもので、先
ず、図3(イ)の如く、アルミニウム合金の厚板の2枚
の構造部材3bを突き合わせた溶接継手部の片側(表面
側)に、接合用ツール7のディスク7aを押し付けるよ
うにすると共に、所要長さとしたプローブピン7bを2
枚の構造部材3bによる接合線6の端に位置させるよう
に接合用ツール7を配置し、該接合用ツール7を高速で
回転させながら接合線6に沿わせて移動させる摩擦攪拌
接合法により、片面側より1パス接合する。接合部に
は、図3(ロ)に示す如く、プローブピン7bの先端を
中心とする同心円状のメタルフロー8aが構造部材3a
の内部に発生する。
溶接継手部の反対側(裏面側)に、接合用ツール7を、
図3(イ)の場合とは対称的に配置して、同様に1パス
の接合を行わせるようにして、合計2パスで上記構造部
材3bの溶接継手部を接合するようにする。
き同心円状のメタルフロー8bが発生するが、上記プロ
ーブピン7bの長さを適正に設定しておくと、2つのメ
タルフロー8a,8bは、板の表面に現れることなく互
いに重なり合って発生することになる。したがって、両
面から2パスの摩擦攪拌接合を行った際に発生する2つ
のメタルフロー8a,8bに沿わせて亀裂の進展を分散
し抑制することができて、破断を著しく遅らせることが
可能となり、2パス以上の摩擦攪拌接合とすることによ
り、板厚が18mm以上の厚板に有効である。
接継手部の接合は、上記両面から行う場合に限らず、片
面から2パス以上の接合を行わせることができる。
の溶接継手部の片側に、接合線に沿って所要深さの溝を
設けて、先ず、溝内に接合用ツールを挿入させながらプ
ローブピンを深い位置の接合線の端の位置にセットさせ
て、深い位置を1パス溶接し、次いで、上方の溝の幅よ
り大きい径のプローブピンを用いた接合用ツールにより
溝に沿い摩擦攪拌接合させるようにする。
ことを繰り返すことにより2パス以上の接合を行わせる
ことが可能である。
り、接合部に同心円状のメタルフローが増えるので、亀
裂の進展が抑制され、靭性を向上させることができる。
2の方法を採用することができる。又、上記実施の形態
では、円筒状の地上式低温貯槽の場合を示したが、球形
の地上式低温貯槽や地下式貯槽、あるいは、LNG等を
輸送する船舶の如く、アルミニウム合金製の内槽に相当
する部分があるものに対して同様に採用し得ること、そ
の他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更
を加え得ることは勿論である。
条件で、Al−Mg系合金である5083合金製の母材
に摩擦攪拌接合法による接合部を形成した長さ1m、厚
さ30mmの突合せ継手部の試験片と、5183合金製溶
加材を用いて大電流ミグ溶接により形成した長さ1mの
突合せ継手部の試験片を採取し、これら接合部の化学組
成を5083合金製母材と比較した結果を表1に示す。
なお表1において、BMは5083合金製母材を、FS
Wは摩擦攪拌接合法による接合部を、MIGは5183
合金製溶加材を用いた比較用大電流ミグ溶接による接合
部の場合をそれぞれ示し、REは残りを意味する。
の化学組成は母材とほぼ同等であった。
さl1を42mm、評点間距離l2を35mm、直径d
を7mmとした引張試験片9を、1パス目及び2パス目
のナゲットに対応する部分から継手方向に対し平行(接
合方向)に切り出して2段に採取した。引張試験機のク
ロスヘッドスピードを2mm/分とし、室温、77K
(液体窒素中)、20K(液体水素中)、4K(液体ヘ
リウム中)にて引張試験を実施した結果を図5に示す。
なお、図5において、○印はBM、●印はFSW、△印
はMIGの場合を示す(表1の場合と同様)。
S)はFSWの方がMIGよりも高くなっており、特
に、極低温(4K、20K)でその差が大きかった。M
IGは極低温において粒界割れが顕著となり、最高強度
に到達する前に破断が生じた。FSWの結晶粒径はMI
Gに比べ著しく微細化されているため、粒界面積が増加
したことや溶融、凝固時の粒界偏析が低減されたことに
より粒界割れが抑制され、極低温での破断強度が向上し
たものと考えられる。したがって、FSWの引張特性
は、すべての温度において、強度がMIG以上の値を示
しており、優れた引張強度をもつことが確認された。
Vノッチ試験片を、引張試験片と同様に継手方向に2段
採取し、室温、77K、4Kにてシャルピー衝撃試験を
実施し、吸収エネルギーを測定した結果(2段平均値)
を図6に示す。なお、ノッチ部は接合部ナゲットに対し
板厚方向に導入した。図6中、○印はBM、●印はFS
W、△印はMIGの場合を示す。
ネルギーは、いずれの温度においてもMIGよりも大幅
に高い値であるばかりか母材をも凌ぐ値を示した。又、
FSWのノッチ試験片の断面はいずれの温度においても
典型的な延性破面であるディンプル破面であった。これ
は結晶粒径微細化のため粒界面積の増加や粒界偏析の低
減により粒界割れが抑制され、粒界の優先的な亀裂進展
が防止されたと考えられる。又、亀裂の進展(伝播)が
分散されることから、亀裂の進展が抑制された。なお、
図6において、□印はAl−Mg−Si系合金である6
061合金の摩擦攪拌接合部から採取した同様なVノッ
チ試験片の吸収エネルギーを測定した結果を示すもの
で、MIGよりも高い値が得られた。したがって、Al
−Mg系合金に限らず、Al−Mg−Si系合金におい
ても、摩擦攪拌接合による接合部は低温靭性に優れたも
のであることが確認された。
用容器によれば、アルミニウム合金製の低温液化ガス用
容器において、該低温液化ガス用容器を構成している構
造部材同士の各溶接継手部を、摩擦攪拌接合法による接
合部としてなる構成としてあるので、突合せ継手部の組
織を微細化できて低温での延性、靭性を向上させること
ができて、容器の強度を高めることができ、又、構造部
材同士の溶接継手部を、2パス以上の摩擦攪拌接合法に
より接合した接合部とすることにより、接合部には同心
円状のメタルフローが連なって形成されるので、接合部
の靭性を更に向上でき、更に、2パス以上の摩擦攪拌接
合を行うときに、構造部材を18mm以上の厚板にする
と、接合部の靭性向上に有効であり、更に又、アルミニ
ウム合金として、Al−Mg系合金を採用すると、継手
部の組織にβ相を発生させることを抑制できるので、亀
裂の進展を抑制でき、低温での強度、延性、靭性を大幅
に改善でき、容器の強度をより高めることができる、等
の優れた効果を発揮する。
示すもので、一例として底板を構成するための構造部材
同士による突合せ継手部を接合している状態を示す概要
図である。
して底板を構成するための構造部材同士による重ね継手
部を接合している状態を示す概要図である。
ら2パスで接合する例を示すもので、(イ)は片側から
接合する状態を示す図、(ロ)は(イ)で接合したとき
に発生するメタルフローを示す図、(ハ)は反対側から
接合する状態を示す図、(ニ)は(ハ)で接合したとき
に発生するメタルフローを示す図である。
との関係を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 アルミニウム合金製の低温液化ガス用容
器において、該低温液化ガス用容器を構成している構造
部材同士の各溶接継手部を、摩擦攪拌接合法による接合
部としてなることを特徴とする低温液化ガス用容器。 - 【請求項2】 構造部材同士の溶接継手部を、2パス以
上の摩擦攪拌接合法により接合した接合部としてなる請
求項1記載の低温液化ガス用容器。 - 【請求項3】 構造部材を18mm以上の厚板とした請求
項2記載の低温液化ガス用容器。 - 【請求項4】 アルミニウム合金として、Al−Mg系
合金を採用した請求項1、2又は3記載の低温液化ガス
用容器。
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