JP2006015370A

JP2006015370A - 溶加材の製造方法

Info

Publication number: JP2006015370A
Application number: JP2004195778A
Authority: JP
Inventors: Koji Oya; 耕二大矢; Mamoru Takeda; 守竹田
Original assignee: Daido Castings Co Ltd
Current assignee: Daido Castings Co Ltd
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】母管の内面又は外面に難加工材料からなる表面層が形成された二重管の溶接に適した溶加材を安価に製造するための方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る溶加材の製造方法の１番目は、筒状基材１０の外面に、プラズマ粉末溶接法を用いて溶着層１２を形成する溶接工程と、基材１０を除去し、筒状の溶着層１２を分離する分離工程と、溶着層１２からリング状の溶加材１４を切り出す加工工程とを備えている。また、本発明に係る溶加材の製造方法の２番目は、基材３０の表面に凹溝３０ａを形成し、凹溝３０ａにプラズマ粉末溶接法を用いて溶着層３２を形成する溶接工程と、基材３０から棒状の溶着層３２を分離する分離工程とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶加材の製造方法に関し、さらに詳しくは、母管の内面又は外面に難加工材料からなる表面層が形成された二重管の溶接に用いられる溶加材の製造方法に関する。

溶接法は、局部的にエネルギを加えて別個の物体を原子間結合させる方法であり、アーク溶接法、プラズマ溶接法等、種々の方法が知られている。これらの溶接法は、被加工物の目的、用途等に応じて使い分けられている。

例えば、エチレン分解炉管やゴミ焼却用ボイラー管用スーパーヒータチューブには、シームレスチューブや遠心鋳造管が使用されている。これらのチューブは、一般に、その先端に開先加工を施し、突き合わせ溶接された後、エチレン分解炉やゴミ焼却炉内に取り付けられる。この場合、チューブの溶接方法には、一般に、アーク溶接法の一種であるＴＩＧ溶接法やＭＩＧ溶接法が用いられ、溶加材には、チューブと同一成分の溶接棒が用いられる。
ここで、ＴＩＧ溶接法とは、周知のように、不活性ガス雰囲気下でタングステン電極と母材との間にアークを発生させ、電極を消耗させることなく母材及び溶加材を溶融させる溶接法である。また、ＭＩＧ溶接法とは、周知のように、不活性ガス雰囲気下において溶加材を兼ねた電極と母材との間にアークを発生させ、電極自身を溶融させる溶接法である。

また、溶接法は、異なる物体間を接合する手段以外にも、薄肉部材の製造手段としても用いられている。例えば、特許文献１には、基材の表面の少なくとも一部にプラズマ粉末溶接法でＣｏ基合金にＶＣを５重量％以上含む目的の材料からなる溶着層を形成した後、基材を除去する薄肉部材の製造方法が開示されている。同文献には、このような方法を用いると耐熱・耐食性、耐摩耗性等に優れた薄肉部材の製造が容易になる点が記載されている。

特開２００１−１３８０５９

エチレン分解炉管やスーパーヒータチューブは、使用中に高温に曝され、浸炭、酸化等により劣化する。そのため、これらの用途には、耐熱性に優れた母管の内面又は外面に、耐浸炭性・耐食性に優れた表面層が形成された二重管の使用が検討されている。このような二重管を従来の溶接法を用いて溶接する場合において、溶加材として母管と同一成分からなる溶加棒のみを用いると、溶接部の耐浸炭性、耐食性等が著しく低下する。従って、溶接部の特性を二重管の非溶接部と同等以上に維持するためには、溶加材として、母管と同一成分からなる溶加棒と、表面層と同一成分からなる溶加棒が必要となる。

しかしながら、二重管の表面層を構成する材料は、一般に、耐浸炭性、耐食性等に優れる反面、難加工性である場合が多い。そのため、このような材料からなり、かつ、一定の寸法・形状を有する溶加棒を鍛造、圧延等の塑性加工により製造するのは、極めて困難である。

本発明が解決しようとする課題は、難加工材料からなる溶加材を安価に製造することが可能な溶加材の製造方法を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、母管の内面又は外面（特に、内面）に難加工材料からなる表面層が形成された二重管の溶接に適した溶加材を安価に製造するための方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る溶加材の製造方法は、柱状基材の外面又は筒状基材の外面若しくは内面に、プラズマ粉末溶接法を用いて溶着層を形成する溶接工程と、前記基材を除去し、筒状の前記溶着層を分離する分離工程と、前記溶着層からリング状の溶加材を切り出す加工工程とを備えていることを要旨とする。
また、本発明に係る溶加材の製造方法の２番目は、基材の表面に凹溝を形成し、該凹溝にプラズマ粉末溶接法を用いて溶着層を形成する溶接工程と、前記基材から棒状の前記溶着層を分離する分離工程とを備えていることを要旨とする。

難加工材料からなる粉末を用いてプラズマ粉末溶接法により筒状の溶着層を形成し、切削加工等を行うと、リング状の溶加材が低コストで得られる。また、難加工材料からなる粉末を用いてプラズマ粉末溶接法により基板表面に形成された凹溝に肉盛り溶接を行い、基板と溶着層を分離すると、棒状の溶加材が低コストで得られる。
このようにして得られたリング状の溶加材、あるいは、棒状の溶加材を用いると、難加工材料であっても低コストで溶接することができる。また、このようにして得られた溶加材を二重管の溶接に適用すると、二重管の内面又は外面に、表面層と同一組成を有する溶接部を形成することができる。その結果、溶接部の特性を非溶接部と同等以上に維持することができる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態に係る溶加材の製造方法の工程図を示す。図１において、本実施の形態に係る溶加材の製造方法は、溶接工程と、分離工程と、加工工程とを備えている。

溶接工程は、図１（ａ）に示すように、筒状基材１０の外面に、プラズマ粉末溶接法を用いて溶着層１２を形成する工程である。
基材１０は、導電性を有する金属又は合金であれば良い。具体的には、基材１０として、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４等）、Ｃｕ、アルミニウム、Ｎｉ、真ちゅう等を用いることができる。なお、筒状基材１０の外面に溶着層１２を形成する方法に代えて、筒状基材１０の内面に溶着層１２を形成しても良く、あるいは、柱状基材の外面に溶着層を形成しても良い。また、基材１０の外形、寸法等は、目的に応じて任意に選択することができる。

溶着層１２の厚さ及び長さは、特に限定されるものではなく、作製しようとするリング状の溶加材の寸法、個数等に応じて、任意に選択することができる。
また、溶着層１２の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。例えば、エチレン分解炉管には、耐浸炭性を向上させるために、母管の内面に、３６〜４９ｗｔ％Ｃｒ及び３５〜６３ｗｔ％Ｎｉを含むＣｒ−Ｎｉ合金からなる表面層が形成された内面二重管が用いられる。この内面二重管を溶接するための溶加材を製造する場合には、溶着層１２の組成は、内面二重管の表面層と同一組成とするのが好ましい。

「プラズマ粉末溶接法」とは、基材１０の表面にプラズマトーチ（図示せず）を対向配置し、シールドガスを流しながら溶接箇所にプラズマアーク柱を発生させ、そのプラズマアーク柱の中に溶着層１２を構成する合金粉末又は各成分粉末の混合物を溶加材として供給しながらアーク焦点位置で溶融させ、その溶滴を基材１０表面に溶着させる方法である。
プラズマ粉末溶接法は、溶加材をワイヤー状に加工する必要がないので、溶着層１２が難加工材料からなる場合であっても、容易に溶着層１２を形成できるという利点がある。なお、溶接条件は、特に限定されるものではなく、基材１２及び溶着層１２の組成に応じて、最適な条件を選択すればよい。

分離工程は、図１（ｂ）に示すように、基材１０を除去し、筒状の溶着層１２を分離する工程である。この場合、基材１０の除去方法は特に限定されるものではなく、切削加工、研削加工等、種々の方法を用いることができる。

加工工程は、筒状の溶着層１２からリング状の溶加材１４を切り出す工程である。この場合、溶加材１４の加工方法は特に限定されるものではなく、切削加工、研削加工等、種々の方法を用いることができる。
また、溶加材１４の形状、寸法、個数等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。例えば、図１（ｃ）に示す例において、溶加材１４は、リング部１４ａとつば部１４ｂとを備えているが、溶加材１４は、リング部１４ａのみからなるもの（つば部１４ｂのないもの）であっても良い。

次に、上述の方法で得られた溶加材を用いた内面二重管の溶接方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、母管２０ａの内面に表面層２０ｂが形成された内面二重管２０の先端にアール状又はテーパ状の開先２０ｃを形成する。次いで、リング状の溶加材１４を間に挟んで、一対の内面二重管２０、２０の先端を突き合わせる。このとき、溶加材１４につば部１４ｂを形成しておくと、内面二重管２０、２０の位置決めが容易化する。

この状態で、開先２０ｃに溶接トーチ２２を臨ませ、内面二重管２０、２０の先端及び溶加材１４を加熱する。この場合、加熱方法は、特に限定されるものではなく、アーク、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。リング状の溶加材１４を介挿した状態で溶加材１４及びその近傍を加熱すると、溶加材１４及び表面層２０ｂが溶融し、一対の内面二重管２０の内面側に、表面層２０ｂとほぼ同一組成を有するビード１４ａを形成することができる。また、内面二重管２０、２０の間にリング状の溶加材１４を介在させているので、開先２０ｃにさらに棒状の溶加材を供給する必要がない。そのため、表面層２０ｂが難加工材料からなる場合であっても、容易に溶接することができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、開先２０ｃに溶接トーチ２２を臨ませ、母管２０ａの溶接を行う。この場合も、加熱方法は特に限定されるものではなく、アーク（ＭＩＧ、ＴＩＧ等）、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。また、開先２０ｃには、母管２０ａと同一組成を有する棒状の溶加材２４を供給する。開先２０ｃを溶接トーチ２２で加熱しながら溶加材２４を供給すると、図２（ｃ）に示すように、溶加材２４が溶融して開先２０ｃに溶着し、ビード１４ａの上に、母管２０ａとほぼ同一組成を有するビード２４ａを形成することができる。

本実施の形態に係る溶加材の製造方法の作用について説明する。内面二重管のような異種材料からなる複合体を溶接する場合において、溶接部の特性を非溶接部と同等以上に維持するためには、異なる材料ごとに異なる溶加材を用いる必要がある。しかしながら、複数の材料の内のいずれかが難加工材料である場合には、圧延、鍛造等の塑性加工により棒状の溶加材を作製することが極めて困難である。一方、複数の材料の内のいずれか加工しやすい材料からなる１種類の溶加材を用いて溶接すると、溶接部の組成が非溶接部の組成と異なるものとなる。その結果、溶接部の特性が低下し、信頼性の高い接合体は得られない。

これに対し、プラズマ粉末溶接法は、溶加材として粉末を用いるので、難加工材料であっても容易に肉盛り溶接することができる。そのため、内面二重管の表面層と同一組成を有する粉末を用いてプラズマ粉末溶接法により筒状の溶着層を形成し、切削加工等を行うと、表面層と同一組成を有するリング状の溶加材が低コストで得られる。

このようにして得られたリング状の溶加材を内面二重管の突き合わせ面に介挿し、リング状の溶加材を溶融させると、内面二重管の内面側に、表面層とほぼ同一組成を有するビードを形成することができる。次いで、母管とほぼ同一組成を有する棒状の溶加材を用いて、その上から溶接すると、表面層とほぼ同一組成を有するビードの上に、母管とほぼ同一組成を有するビードを形成することができる。すなわち、このような方法を用いることにより、非溶接部と同様の二層構造を有する溶接部が低コストで得られる。そのため、溶接部の特性が非溶接部と同等以上に維持され、信頼性の高い接合体が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る溶加材の製造方法について説明する。図３に、本発明の第２の実施の形態に係る溶加材の製造方法の工程図を示す。図３において、本実施の形態に係る溶加材の製造方法は、溶接工程と、分離工程と、加工工程とを備えている。

溶接工程は、基材３０の表面に凹溝３０ａを形成し（図３（ａ））、凹溝３０ａにプラズマ粉末溶接法を用いて溶着層３２を形成する工程である（図３（ｂ））。
基材３０の材質は、特に限定されるものではないが、溶着層３２との分離が容易な材料を用いるのが好ましい。例えば、溶着層３２が上述したＣｒ−Ｎｉ合金からなる場合、基材３０には、Ｃｕを用いるのが好ましい。
基材３０の形状は、特に限定されるものではなく、その表面に凹溝３０ａが形成可能なものであればよい。凹溝３０ａは、直線状であることが望ましい。また、凹溝３０ａの断面形状は、半円状が望ましいが、半楕円状、逆三角状、多角形状等、他の断面形状を有していても良い。さらに、凹溝３０ａの幅寸法及び長さは、目的に応じて任意に選択することができる。
なお、溶着層３２の組成及びプラズマ粉末溶接法については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

分離工程は、基材３０から溶着層３２を分離する工程である。分離方法は、特に限定されるものではないが、基材３０の材質と溶着層３２の材質の組み合わせを最適化すると、機械加工を行うことなく、溶着層３２を分離することができる。例えば、溶着層３２が上述したＣｒ−Ｎｉ合金である場合において、基材３０としてＣｕを用いると、基材３０と溶着層３２との間にほとんど融着が起こらない。そのため、溶接後に溶着層３２に軽く衝撃を与えるだけで、溶着層３２を基材３０から容易に分離することができる。

加工工程は、分離された溶着層３２の外形を加工し、形状を整える工程である（図３（ｃ））。通常は、溶着層３２を分離した後、切削加工、あるいは研削加工により、溶着層３２を真円状に加工し、棒状の溶加材３４とする。
なお、棒状の溶加材を自働供給しながら溶接する場合、溶加材にはある程度の寸法精度が必要であるが、棒状の溶加材を手動で溶接部に供給する場合には、加工工程を省略し、分離した溶着層３２をそのまま溶加材として用いて溶接を行っても良い。

次に、上述の方法で得られた溶加材を用いた内面二重管及び外面二重管の溶接方法について説明する。
内面二重管の溶接は、具体的には、以下のような手順により行う。すなわち、まず、図４（ａ）に示すように、母管２０ａの内面に表面層２０ｂが形成された内面二重管２０の先端にアール状又はテーパ状の開先２０ｃを形成する。次いで、一対の内面二重管２０、２０の先端を直接、突き合わせる。

この状態で、開先２０ｃに溶接トーチ２２及び表面層２０ｂと同一組成を有する棒状の溶加材３４を臨ませ、内面二重管２０、２０の先端及び溶加材３４を加熱する。この場合、加熱方法は、特に限定されるものではなく、アーク（ＭＩＧ、ＴＩＧ等）、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。
溶加材３４を開先２０ｃに臨ませた状態で内面二重管２０、２０の先端を加熱すると、溶加材３４及び表面層２０ｂが溶融し、一対の内面二重管２０の内面側に、表面層２０ｂとほぼ同一組成を有するビード３４ａを形成することができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、開先２０ｃに溶接トーチ２２を臨ませ、母管２０ａの溶接を行う。この場合も、加熱方法は特に限定されるものではなく、アーク（ＭＩＧ、ＴＩＧ等）、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。また、開先２０ｃには、母管２０ａと同一組成を有する棒状の溶加材２４を供給する。開先２０ｃを溶接トーチ２２で加熱しながら溶加材２４を供給すると、図３（ｃ）に示すように、溶加材２４が溶融してその溶滴が開先２０ｃに溶着し、ビード３４ａの上に、母管２０ａとほぼ同一組成を有するビード２４ａを形成することができる。

また、外面二重管の溶接は、具体的には、以下のような手順により行う。すなわち、まず、図５（ａ）に示すように、母管４０ａの外面に表面層４０ｂが形成された外面二重管４０の先端にアール状又はテーパ状の開先４０ｃを形成する。次いで、一対の外面二重管４０、４０の先端を直接、突き合わせる。

この状態で、開先４０ｃに溶接トーチ２２及び母管４０ａと同一組成を有する棒状の溶加材２４を臨ませ、外面二重管４０、４０の先端及び溶加材２４を加熱する。この場合、加熱方法は、特に限定されるものではなく、アーク（ＭＩＧ、ＴＩＧ等）、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。
溶加材２４を開先４０ｃに臨ませた状態で外面二重管４０、４０の先端を加熱すると、溶加材２４及び母管４０ａが溶融し、一対の外面二重管４０の内面側に、母管４０ａとほぼ同一組成を有するビード２４ａを形成することができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、開先４０ｃに溶接トーチ２２を臨ませ、表面層４０ｂの溶接を行う。この場合も、加熱方法は特に限定されるものではなく、アーク（ＭＩＧ、ＴＩＧ等）、プラズマ、電子ビーム等、種々の方法を用いることができる。また、開先４０ｃには、表面層４０ｂと同一組成を有する棒状の溶加材３４を供給する。開先４０ｃを溶接トーチ２２で加熱しながら溶加材３４を供給すると、図５（ｃ）に示すように、溶加材３４が溶融してその溶滴が開先４０ｃに溶着し、ビード２４ａの上に、表面層４０ｂとほぼ同一組成を有するビード３４ａを形成することができる。

次に、本実施の形態に係る溶加材の製造方法の作用について説明する。プラズマ粉末溶接法は、溶加材として粉末を用いるので、難加工材料であっても容易に肉盛り溶接することができる。そのため、内面二重管又は外面二重管の表面層と同一組成を有する粉末を用いてプラズマ粉末溶接法により基板３０の表面に形成された凹溝３０ａに肉盛り溶接を行い、基板３０と溶着層３２を分離すると、二重管の表面層と同一組成を有する棒状の溶加材が低コストで得られる。

このようにして得られた棒状の溶加材を用いて二重管の表面層の溶接を行い、かつ、母管と同一組成を有する棒状の溶加材を用いて母管の溶接を行うと、溶接部を非溶接部と同様の二層構造にすることができる。そのため、溶接部の特性が非溶接部と同等以上に維持され、信頼性の高い接合体が得られる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る溶加材の製造方法は、二重管の表面層を溶接する際に用いられる溶加材の製造方法として用いることができる。
また、本発明に係る製造方法は、一般に塑性加工が困難であって、かつ、プラズマ粉末焼結法により肉盛り溶接が可能な材料（例えば、ＶＣを５重量％含むＣｏ基合金など）からなる溶加材の製造方法としても用いることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る溶加材の製造方法の工程図である。図１に示す方法により得られた溶加材を用いた内面二重管の溶接方法を示す工程図である。本発明の第２の実施の形態に係る溶加材の製造方法の工程図である。図３に示す方法により得られた溶加材を用いた内面二重管の溶接方法を示す工程図である。図３に示す方法により得られた溶加材を用いた外面二重管の溶接方法を示す工程図である。

符号の説明

１０、３０基材
３０ａ凹溝
１２、３２溶着層
１４、３４溶加材

Claims

柱状基材の外面又は筒状基材の外面若しくは内面に、プラズマ粉末溶接法を用いて溶着層を形成する溶接工程と、
前記基材を除去し、筒状の前記溶着層を分離する分離工程と、
前記溶着層からリング状の溶加材を切り出す加工工程とを備えた溶加材の製造方法。
基材の表面に凹溝を形成し、該凹溝にプラズマ粉末溶接法を用いて溶着層を形成する溶接工程と、
前記基材から棒状の前記溶着層を分離する分離工程とを備えた溶加材の製造方法。
前記溶着層は、Ｃｒ−Ｎｉ合金からなる請求項１又は２に記載の溶加材の製造方法。
前記基材は、Ｃｕからなる請求項２又は３に記載の溶加材の製造方法。
前記溶加材は、母管の内面又は外面に表面層が形成された二重管の溶接に用いるためのものである請求項１から４までのいずれかに記載の溶加材の製造方法。