JP2002224836A - チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 チタン又はチタン合金の厚板片面溶接におい
て、良好な裏波ビードが得られて、又多層盛りパス数が
少なくて溶接歪みの発生しにくい高能率の片面溶接方法
を提供する。 【解決手段】 チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方
法において、開先形状をＹ字形開先とし、そのＹ字形開
先のＶ形部の底部に仮付け溶接後プラズマアークを用い
てシーリング溶接し、次にそのシーリング溶接ビード部
にプラズマキーホール溶接を施してＹ字形開先のルート
部を裏波溶接し、更にＹ字形開先のＶ形部にフィラーワ
イヤを用いて多層盛り溶接するチタン又はチタン合金の
厚板片面溶接方法であり、更にＹ開先のＶ形部はフィラ
ーワイヤを用いてプラズマ溶接又はＴＩＧ溶接を用いて
不活性ガスによるアフターシールドを施しながら多層盛
り溶接する片面溶接方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、比較的厚板のチタ
ン又はチタン合金の片面溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、厚板のチタン溶接は一般的にはフ
ィラーワイヤを使用するＴＩＧ溶接法が採用され、ルー
ト面を小さくして初層ビードからフィラーワイヤを用い
て多層盛り溶接する方法が主として行われている。この
溶接方法で問題となるのは、 厚板のため、図３に示す如く溶接継ぎ手部の開先形状
が大断面積のＶ字形状となり、よって多層盛り溶接にな
るため溶接歪みが大きい。 また、溶接パス数が多い、例えば、図３に示すように
板厚２０ｍｍ、開先角度５０°、ルート部１．０ｍｍの
場合において総パス数１９パスとなり溶接時間が非常に
長くなり作業能率が極めて悪い。

【０００３】図３に示す如く多層盛りビードが１８パ
スにも達すると、チタンは比重が小さいため、溶融金属
に侵入したガスが放出されにくく開先底部のビードにお
いて発生した小さなブローホールは、パス数が増加する
に従って多くなる傾向がある。 よって、比較的厚い板
のチタン又はチタン合金の溶接において、パス数の少な
い高能率の片面溶接法が望まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の溶接
における課題とその目的は、裏波ビードの垂れ下がり
や余盛り不足の解消、溶接歪みの低減、ブローホー
ル、融合不良などの溶接欠陥の低減ないし解消、溶接
コストの低減である。本発明は、上記のような課題を解
決することによって、チタン又はチタン合金の厚板片面
溶接において、良好な裏波ビードが得られて、又パス数
の少なくて溶接歪みが発生しにくい高能率の片面溶接方
法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した従来
技術の実状に鑑みてなしたものであって詳しくは、チタ
ン又はチタン合金の厚板片面溶接方法において、開先形
状をＹ字形開先とし、そのＹ字形開先のＶ形部の底部に
仮付け溶接を施した後、プラズマアークを用いてシーリ
ング溶接し、次にそのシーリング溶接ビード部にプラズ
マキーホール溶接を施してＹ字形開先のルート部を裏波
溶接し、更にＹ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを用
いて多層盛り溶接するチタン又はチタン合金の厚板片面
溶接法であり、更にＹ字形開先のＶ形部はフィラーワイ
ヤを用いてプラズマ溶接又はＴＩＧ溶接を用いて多層盛
り溶接し、各溶接は不活性ガスでアフターシールドを施
すチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法である。

【０００６】上記溶接方法において、仮付け溶接のビー
ド長さは全溶接長の３０〜７０％が好ましく、溶接部に
アフターシールドボックスを用いての溶接ビード表面の
温度は４００℃以下になるまで不活性ガスでシールドす
ること、多層盛りビード断面中央部の高さＨが８ｍｍ以
下であることを条件とし、これらの溶接方法を板厚が２
０ｍｍ以上であるチタン又はチタン合金の厚板片面溶接
方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明について図面を用い
て詳細に説明する。本発明は厚板のチタン又はチタン合
金の主溶接にプラズマキーホール溶接方法を採用したプ
ラズマ片面溶接方法であり、溶接装置は溶接電源、トー
チ、バックビードをシールドするガス収納裏当金、表ビ
ードをシールドするアフターシールドボックス及びトー
チを走行させる台車、制御装置などで構成される。

【０００８】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）
に本発明の溶接順序にそのビード断面を示す。図１
（ａ）に示す如く被溶接材１、２の接合面を合わせたと
きにＹ字形になるように被溶接材の溶接面に開先加工を
施す。Ｙ字形開先（以下、Ｙ開先という。）の開先はル
ート部４及びＶ字形の傾斜部３で構成し、各種の板厚に
対応してルート部４は１５〜２０ｍｍが好ましく、Ｖ形
部３の角度は９０〜６０°が好ましい。

【０００９】まず、最初にＴＩＧ溶接あるいはプラズマ
溶接を使用してＶ形部の底部を所望の間隔を設けて仮付
け溶接を行い目的の隙間のないＹ開先とする。この仮付
け溶接は間欠的でその長さは全溶接長の３０〜７０％の
範囲に施すことが強度、ビード形成性からも好ましいの
である。例えば、仮付け溶接が５０％の場合、５０ｍｍ
溶接して５０ｍｍ開けて次の５０ｍｍを溶接する。仮付
け溶接部が３０％未満では以降の溶接時の熱応力に対し
て強度不足で破断、他方、７０％超えては仮付けとして
不要である。

【００１０】次にプラズマ溶接を用いて図１（ｂ）に示
す開先ルート上部面全線にシーリングビード５を施す。
これは後述する図２のＡ、Ａ′断面である。このシーリ
ングビード５によってＹ開先のルート部４の良好な片面
溶接ができるように仮付け溶接の有無にかかわらずＶ形
部の高さを均一にする。次にシーリングビード５を貫通
してルート部４を最下部へ全面貫通するプラズマキーホ
ール溶接法にて裏波ビードを形成させてルート部４の片
面溶接を完了する。このプラズマキーホール溶接を完了
した断面を図１（ｃ）に示し、その概要をビード断面接
合部６であり、後述する図２のＢ、Ｂ′断面である。シ
ーリングビードを施した後にプラズマキーホール溶接を
行うことによって、キーホール効果による安定した裏波
ビードの片面溶接が可能になり、仮付け溶接部の破断防
止ができ、良好な溶接結果が得られる。

【００１１】次に、Ｙ開先のＶ形部であるプラズマキー
ホール溶接面の上部にフィラーワイヤを用いたプラズマ
溶接、又は同様にフィラーワイヤを用いるＴＩＧ溶接に
よって多層盛り溶接を行う。本発明における、仮付け溶
接及び図１に示すシーリング溶接、キーホール溶接並び
に多層盛り溶接は、各パスのビード表面温度が４００℃
以下となるまでビードを被うように設計されたガスシー
ルドボックスを使用してビード表面を不活性ガスシール
ドによって包囲する。不活性ガスはアルゴンガス、又は
ヘリウムガスである。よって、ビード表面温度が４００
℃を超えている時は空気に触れないようにしてビード表
面の酸化を防止する。裏ビードは予め不活性ガスシール
ドボックスを設けて溶接部用面の酸化を防止する。

【００１２】図３に不活性ガスシールドを収納するボッ
クス（アフターシールドボックス）の概要を示し、プラ
ズマ溶接トーチ１１を中心にして溶接進行方向の矢印２
０の下流側にビード方向に長いガス収納ボックス２１を
具備する。その収納ボックス２１にはガス導入管２２を
ボックス２１の上部に導き、ガス導入管２２の先端部分
にはガス放出口２３が複数個設けてある。ガス導入管２
２の下部にはメッシュ２４、さらにその下にパンチング
メタル２５がボックスの内部平面を被うように設置され
ている。被溶接材の裏面にもシールドボックスが設けて
裏ビードも表ビードと同様に高温のビードが空気にさら
されないようにする。鋼管のガス継ぎ手の場合は、管内
部の空気を不活性ガスに置換して行うこともある。

【００１３】ガス導入管２２によって導かれたガスは、
一旦ボックス内に放出されてメッシュ２４およびパンチ
ングメタル２５を通過してボックス２１内では均一に下
方に向けて放出され、均一に溶接ビードを被い、ビード
表面および高温になったチタン母材の酸化を防ぐのであ
る。溶接直後のビードを含む溶接部表面を不活性ガスに
よるシールドの目的は、ビード表面温度が４００℃を超
える温度で空気に触れた場合、表ビードおよび熱影響部
が酸化し、その酸化皮膜を有する状態のまま次の溶接を
重ねて多層盛り溶接を進行させると、酸化皮膜が溶接金
属に残留して非金属介在物又はブローホール発生の原因
になり、溶接欠陥となる。これらの溶接欠陥は疲労亀裂
の起点にもなるから発生しないようにする。溶接金属の
酸素吸収、酸化をより厳しく防ぐためには１４５℃以下
まで空気との接触を防ぐのが好ましい。

【００１４】さらに、本発明は、図１（ｄ）に示す如く
多層盛り溶接の各ビード断面中央部の高さＨを８ｍｍ以
下にするのが好ましい。プラズマ溶接は比重の重いＡｒ
ガスをプラズマガスに使用しているため、チタン又はチ
タン合金の比重（４．５）は軽くて多層盛りビード断面
の中央部の高さＨが８ｍｍを超えると溶融金属が深くて
プラズマガスのＡｒガスは表面まで浮上できず溶融金属
内に残留しブローホールやトンネル状の空洞欠陥が発生
する。本発明は、板厚が２０ｍｍ以上のチタン又はチタ
ン合金において効果が発揮でき、高能率で欠陥のない厚
板片面溶接方法が実現できたのである。

【００１５】図２を用いてシーリングビード５を貫通し
て施すプラズマキーホール溶接について詳細に説明す
る。図２（ａ）はプラズマキーホール溶接工程の概要を
示す断面図である。図１（ｂ）は図２（ａ）のＣ、Ｃ′
断面図である。図２においてプラズマキーホール溶接は
矢印２０方向に進行する。プラズマキーホール溶接のプ
ラズマ溶接トーチ１１は直流電源１９を介して被溶接材
１、２に接続されている。被溶接材１、２はシーリング
ビード５で一体になっており、プラズマアーク１２は表
面１８からシーリングビードおよびルート部４を貫通し
てキーホール１５を空けて被溶接材の下まで達していて
良好な裏ビードを形成する。

【００１６】また、プラズマアーク１２はシーリングビ
ード５、被溶接材１、２を溶融して溶融池１４を形成し
てプラズマキーホール溶接のビード６を形成する。次
に、プラズマキーホール溶接のビード６の上部であるＶ
形部にフィラーワイヤを用いたプラズマ溶接、又は同様
にフィラーワイヤを用いるＴＩＧ溶接によって多層盛り
溶接を被溶接材１、２の表面まで、かつ所定の余盛りを
施して溶接を完了する。

【００１７】

【実施例】次に本発明について実施例を用いて詳細に説
明する。表１に各溶接工程のプラズマおよびＴＩＧ溶接
パラメータ、表２および表３に本発明および比較例を実
施した種々の条件及び溶接結果と評価を示す。被溶接材
は、ＪＩＳ Ｈ４６００に規定されている１種又は２種
のチタン鋼板、および６Ａｌ−４Ｖチタン合金（一般溶
接構造用のＡＳＴＭＢ２６５）を幅１５０ｍｍ、長さ６
００ｍｍに切断、それぞれの開先加工を施して使用し
た。仮付け溶接から最終溶接ビードまでアフターシール
ドガスはＡｒガスを使用した。

【００１８】

【表１】

【００１９】本発明の実施例は、表２および表３におけ
るＮｏ．１〜６に示し、被溶接材の板条件および溶接条
件共に本発明条件を満足し、溶接結果において欠陥はな
く、表面はＪＩＳ Ｚ３８０５に規定されている合格判
定の金色又は銀色でチタン、チタン合金として満足でき
る良好な結果が得られた。Ｖ形部の多層盛り溶接のパス
数は２乃至６で済み、溶接歪みは殆ど発生しなかった。
Ｎｏ．４においてはアフターガスシールド後のビード表
面温度がわずかに高いが、被溶接材が純チタンでなく欠
陥は発生しなかった。

【００２０】一方、比較例はＮｏ．７〜１５に示し、以
下に示す如く板条件および溶接条件のいずれかが本発明
の構成要件を満足していないことから溶接結果に問題点
があり、総合評価は不良になった。Ｎｏ．７は、シーリ
ング溶接においてフィラーワイヤを使用していないので
シーリングビードの高さが不均一でキーホール溶接が不
良となって多層盛り溶接までできなかった。Ｎｏ．８
は、Ｎｏ．７と同一条件で被溶接材が６Ａｌ−４Ｖチタ
ン合金の例であり、同様な結果であった。Ｎｏ．９は、
仮付け溶接にフィラーワイヤを使用しないので、シーリ
ング溶接において、仮付けが破断した。

【００２１】Ｎｏ．１０は、シーリング溶接がＴＩＧ溶
接であってフィラーワイヤを使用していないので、キー
ホール溶接においてシーリングビードが破断した。Ｎ
ｏ．１１は、開先形状がＩ字形でシーリング溶接がＴＩ
Ｇ溶接であってフィラーワイヤを使用していないので、
キーホール溶接においてシーリングビードが破断した。
Ｎｏ．１２は、アフターシールドガスを使用しない例で
あり、ビード表面が酸化し、その上への多層盛り溶接に
よって溶接金属に非金属介在物が存在し、ブローホール
が発生した。

【００２２】Ｎｏ．１３は、Ｖ形部において多層盛り溶
接においてフィラーワイヤ供給量を増加して２パスで終
了した。そのためビード断面の高さＨが１０〜１２ｍｍ
となってプラズマガスが浮上しきれずにガス溝が発生し
た。Ｎｏ．１４は、開先形状がＶ字形であるので、多層
盛り溶接が１８パスとなり、歪み変形量が８ｍｍであっ
た。Ｎｏ．１５は、Ｉ開先であり、シーリングビードの
高さが不均一になってプラズマキーホール溶接において
均一な裏ビードが得られなかった。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】

【発明の効果】チタン又はチタン合金の厚板片面溶接に
おいて、プラズマキーホール溶接は、仮付け溶接後にシ
ーリングビードで開先底面が平坦化後に施すので、安定
した裏波を有する溶接ビード断面、溶接ナゲット形状と
なり溶接欠陥が極めて少ないプラズマ溶接ビードが得ら
れ、次いで安定したプラズマキーホール溶接金属の表面
部にプラズマアーク溶接を用いて多層盛り溶接するため
安定した均一な溶け込み深さが得られ、極めて溶接欠陥
が少ない高能率溶接が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の開先形状および溶接手順を示す断面概
要図、（ａ）は開先形状、（ｂ）はシーリング溶接後、
（ｃ）はキーホール溶接後、（ｄ）は多層盛り溶接後を
示す。

【図２】本発明のプラズマキーホール溶接を示す（ａ）
は断面概要図、（ｂ）は平面概要図である。

【図３】本発明のアフターガスシールドの概要を示す概
要図である。

【図４】従来溶接法を示す断面概要図、（ａ）は開先形
状、（ｂ）はシーリング溶接後の断面概要図である。

【符号の説明】

１、２ 被溶接材 ３ 開先Ｖ形部 ４ 開先ルート部 ５ シーリングビード ６ キーホール溶接部 ７ 多層盛り溶接ビード １１ プラズマ溶接トーチ １２ プラズマアーク １３ プラズマジェット １４ 溶融金属 １５ キーホール １６ フィラーワイヤトーチ １７ フィラーワイヤ １８ シーリングビード表面 １９ プラズマ溶接電源 ２０ 溶接進行方向 ２１ シールドガスボックス ２２ ガス供給管 ２３ ガス放出口 ２４ メッシュ ２５ パンチングメタル ２６ バックシールドボックス Ｈ ビード高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｋ 103:14 Ｂ２３Ｋ 103:14 (72)発明者 作野 文彦 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器事業部内 (72)発明者 芦野 辰美 東京都中央区築地三丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社内 (72)発明者 正木 基身 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 (72)発明者 藤井 秀樹 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 BB11 CB04 DC01 DF01 DF09 DG02 DG04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方
   法において、開先形状をＹ字形とし、該Ｙ字形開先のＶ
   形部に仮付け溶接を行った後プラズマアークを用いてシ
   ーリング溶接し、次に該シーリング溶接ビード部をプラ
   ズマキーホール溶接によってＹ字形開先のルート部を裏
   波溶接し、更にＹ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを
   用いて多層盛り溶接することおよび前記各溶接は不活性
   ガスによるアフターシールドを施すことを特徴とするチ
   タン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
2. 【請求項２】 仮付け溶接は、所望の間隔を開けて全溶
   接長の３０〜７０％を施すことを特徴とする請求項１記
   載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
3. 【請求項３】 Ｙ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを
   用いるプラズマ溶接にて多層盛り溶接することを特徴と
   する請求項１または２記載のチタン又はチタン合金の厚
   板片面溶接方法。
4. 【請求項４】 Ｙ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを
   用いてＴＩＧ溶接にて多層盛り溶接することを特徴とす
   る請求項１または２記載のチタン又はチタン合金の厚板
   片面溶接方法。
5. 【請求項５】 溶接部にアフターシールドボックスを用
   いて溶接後の溶接ビード表面の温度が４００℃以下にな
   るまで不活性ガスでシールドすることを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれかに記載のチタン又はチタン合金
   の厚板片面溶接方法。
6. 【請求項６】 多層盛り溶接の各ビード断面中央部の高
   さＨが８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ない
   し５のいずれかに記載のチタン又はチタン合金の厚板片
   面溶接方法。