JP2007118012A

JP2007118012A - 立向上進溶接方法

Info

Publication number: JP2007118012A
Application number: JP2005310298A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sasaki; 聖人笹木; Ryuichi Shimura; 竜一志村; Harumichi Ichimura; 治通市村
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd; Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】厚鋼板の大入熱溶接や高電流で高速度の溶接条件での立向上進溶接をする場合においても、鋼板と接する摺動銅当金面の耐摩耗性が優れ、長時間溶接が可能な立向上進溶接方法を提供する。
【解決手段】摺動式の銅または銅合金製当金４および母材１により囲まれて形成された開先２を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末の溶射皮膜を形成したものを使用する。さらにこの上にＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成してもよい。またＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ合金またはＮｉ合金の1種をめっきした後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動式の水冷銅（銅合金も含む、以下同じ）当金を使用するエレクトロスラグ溶接方法およびエレクトロガスアーク溶接方法等の立向上進溶接方法に関する。

エレクトロスラグ溶接およびエレクトロガスアーク溶接方法等の立向上進溶接方法は造船、エネルギー産業、建築等の大型構造物の溶接施工に広く採用されている。図１はエレクトロガスアーク溶接の概要を示し、（ａ）は開先形状を示す図であり、（ｂ）と（ｃ）は溶接装置の概念を示す側面図と平面図である。

図１（ａ）に示すように、垂直に立てられ隣り合う２枚の鋼板１の開先２を形成する。図１（ｂ）と図１（ｃ）に示すように、開先の裏側には長い固定裏当材３を当接し、表面には摺動銅当金４を当てて、この摺動銅当金４の開先２に対向する溝１５（図２（ａ））と開先２で囲まれた空間に溶接トーチ５を挿入する。そして摺動銅当金４のガス供給ノズル６からシールドガスを供給しながら、溶接トーチ５を通して溶接ワイヤ７を該空間に供給する。溶接台車（図示せず）に搭載された摺動銅当金４および溶接トーチ５は、溶接の進行により上昇する溶融金属８上面に合わせて順次上昇させる。なお図中９は凝固した溶接金属、１０は溶融スラグ、１１は冷却水出入り口、１２はシールドガス導入口である。図２は摺動銅当金４を示し、（ａ）が平面図で（ｂ）は正面図である。図中１２はシールドガス導入口、１３は鋼板との接触面、１４はシールドガス出口、１５は溝である。

近年、特開平１１−１９７８８４号公報（特許文献１）や特開２００４−１６７６００号公報（特許文献２）にあるように、厚鋼板の２電極エレクトロガスアーク溶接による大入熱の溶接や高能率化のために溶接電流を高くして溶接速度を早くする溶接方法が実用化されている。これに伴い、摺動銅当金の鋼板表面に接する面が溶接熱および摩擦によって摩耗が大きくなり、頻繁に摺動銅当金を交換しなければならなくなり、溶接能率が低下している。

この問題の対策としては、例えば特公平６−３６９９４号公報（特許文献３）に、摺動銅当金表面にＮｉ、Ｃｒ、もしくはそれらの合金でめっきして、摺動銅当金の銅が直接溶接金属や鋼板に接触させない技術の開示がある。また、特開平１０−６０８６号公報（特許文献４）には、摺動銅当金表面にＡｌ_２Ｏ_３をコーティングした技術の開示がある。

しかしながら、特公平６−３６９９４号公報に記載のめっき層は軟らかく、大入熱や高速度の溶接条件においては摺動銅当金の摩耗を低減することはできない。また、特開平１０−６０８６号公報に記載のＡｌ_２Ｏ_３のコーティングでは、コーティング層が剥離して長時間溶接に用いることができない。
特開平１１−１９７８８４号公報特開２００４−１６７６００号公報特公平６−３６９９４号公報特開平１０−６０８６号公報

本発明は、厚鋼板の大入熱溶接や高電流で高速度の溶接条件での立向上進溶接をする場合においても、鋼板と接する摺動銅当金面の耐摩耗性が優れ、長時間溶接が可能な立向上進溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする立向上進溶接方法。
（２）摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末の溶射皮膜を形成した後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする請求項１記載の立向上進溶接方法。
（３）摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ合金またはＮｉ合金の1種をめっきした後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする立向上進溶接方法。
（４）溶射皮膜厚さが０．０２〜１．５ｍｍであるものを使用することを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載の立向上進溶接方法。
（５）溶射皮膜表面のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）が２５以上であるものを使用することを特徴とする（１）乃至（４）の何れかに記載の立向上進溶接方法。
（６）溶射皮膜表面を高密度エネルギービームで溶融したものを用いることを特徴とする（２）乃至（５）の何れかに記載の立向上進溶接方法。

本発明の立向上進溶接方法によれば、厚鋼板の大入熱溶接や高電流で高速度の溶接条件で立向上進溶接する場合においても、鋼板と接する摺動銅当金面の耐摩耗性が優れ、長時間溶接が可能となる。

本発明者等は、上記の課題を達成するために種々検討した結果、図２に示す摺動銅当金の鋼板接触面１３にサーメット粉末またはＷＣ粉末を溶射すること、必要に応じてこれらの溶射面にＮｉ基耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金を溶射すること、または摺動銅当金の鋼板接触面にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ合金あるいはＮｉ合金をめっきした上にＮｉ基耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金を溶射することによって、厚鋼板の大入熱溶接や高電流で高速度の溶接条件で立向上進溶接する場合においても鋼板と接する摺動銅当金面の耐摩耗性が優れ、長時間溶接が可能な立向上進溶接方法を見出した。
以下に本発明を詳細に説明する。

本発明者らは、摺動銅当金が磨耗するのは鋼板に対して非常に軟らかいためであり、摺動銅当金の鋼板との接触面に硬質な被膜を形成させることを検討した。種々の合金粉末を溶射したが、銅に対して密着性の高い溶射皮膜を得るのは非常に難しく、普通の合金粉末による溶射皮膜ではほとんどが鋼板との摩擦で剥がれ落ちることが分かった。

そこで、銅に対して密着性の高い溶射皮膜を得るために種々検討した結果、高温でも溶解しない非常に硬いサーメット粉末またはＷＣ粉末を摺動銅当金の鋼板との接触面に食い込ませた状態の溶射皮膜を形成することによって、鋼板との摩擦で剥がれ落ちることがなくなった。

一般的にサーメットとは炭化物、酸化物、窒化物、硼化物などの高融点物質と金属との複合材料を言うが、特にＷＣ―Ｃｏについては切削工具に多く使用されているため超硬合金と称されることもある。本発明におけるサーメットには上記ＷＣ―Ｃｏも含むものである。本発明において使用するサーメット粉末としては、例えばＷＣ―Ｃｏ、ＷＣ―ＮｉおよびＷＣ―Ｃｏ−ＣｒなどのＷＣ系サーメット、ＴｉＣ―ＮｉやＴｉＣ―ＣｏなどのＴｉＣ系サーメットなどがある。

さらに、サーメット粉末またはＷＣ粉末を摺動銅当金の鋼板との接触面に食い込ませた状態で溶射皮膜を形成した後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することによって硬質で耐摩耗性および耐剥離性に優れて長時間溶接に使用できる。

また、摺動銅当金の鋼板との接触面にＮｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種をめっきした後に、Ｎｉ基耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することによって、めっき密着性が良好で鋼板との接触面は硬質で耐摩耗性および耐剥離性に優れて長時間溶接に使用できる。また、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金のめっき厚さは、Ｎｉ合金またはＣｏ合金粉末の溶射皮膜の形成性から１００〜２００μｍであることが好ましい。

なおＮｉ基耐熱合金またはＣｏ基耐熱合金粉末にはＢやＳｉを含有する自溶合金を含む。Ｎｉ基耐熱合金粉末としては、たとえば１２ないし３５％のＣｒを含有し、さらに１０％以下のＦｅ、１０％以下のＭｏ、２％以下のＮｂ、７％以下のＷ、３％以下のＣ、５％以下のＳｉ、５％以下のＢ等の１種以上を含有し、残部がＮｉのものがある。またＣｏ基耐熱合金粉末としては、たとえば１５ないし３５％のＣｒを含有し、さらに２０％以下のＷ、２５％以下のＮｉ、５％以下のＦｅ、５％以下のＭｏ、８％以下のＮｂ、３％以下のＣ、５％以下のＳｉ、５％以下のＢ等の１種以上を含有し、残部がＣｏのものがある。

前記サーメット粉末またはＷＣ粉末ならびにＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜の厚さは合計で０．０２〜１．５ｍｍとする。溶射皮膜の厚さが０．０２ｍｍ未満であると耐摩耗性が劣り長時間溶接に使用できない。一方、１．５ｍｍを超えると銅との密着力が劣り、また溶射皮膜の熱伝導が悪くなるため溶接中に発生するスパッタやスラグが付着し溶接が継続できなくなる。

なお、サーメット粉末、ＷＣ粉末、Ｎｉ基耐熱合金粉末およびＣｏ基耐熱合金粉末の粒径は、５〜１００μｍであることが好ましい。
また、溶射皮膜表面の硬さがＣスケール荷重１５０ｋｇｆｂｒａｌｅ圧子で測定したロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で２５以上とする。溶射皮膜表面の硬さがロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で２５未満であると、鋼板との摩擦により皮膜が磨耗し、長時間溶接に使用できない。

さらに、溶射皮膜表面をレーザビームや電子ビームの高密度エネルギービームで溶融したものを用いることにより、溶射皮膜の耐衝撃性が増し耐久性がさらに向上する。

（実施例１）
図２に示す摺動銅当金の鋼板との接触面１３に、表１に示すサーメット粉末またはＷＣ粉末を表２に示す条件で高速フレーム溶射（ＨＶＡＦ）した。また、サーメット粉末またはＷＣ粉末を溶射した後、表１に示すＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末を表２に示す条件で高速フレーム溶射（ＨＶＡＦ）を一部摺動銅当金に施した。なお、サーメット粉末、ＷＣ粉末、Ｎｉ基耐熱合金粉末およびＣｏ基耐熱合金粉末は粒径５０〜１５０μｍのものを用いた。さらに、一部の試験例につきＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末を溶射した皮膜表面を表３に示す条件のＹＡＧレーザビームで溶融処理した。これらの試験例と溶射皮膜厚さおよび溶射皮膜表面のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定した結果を表４に示す。

前記、鋼板との接触面を処理した摺動銅当金を用いて、ＮＫ船級のＫＥ３６鋼板、板厚５０ｍｍ、ルートギャップ８ｍｍで開先角度２０°の開先形状とし、裏面にセラッミック製の裏当材を固定して、ＪＩＳＺ３３１９ＹＧＷ−２２Ｃ相当の溶接用ワイヤ（ワイヤ径１．６ｍｍ）を用いて、表５に示す溶接条件で溶接長２ｍのエレクトロガスアーク溶接を行った。溶接後摺動銅当金の鋼板との接触面の溶射皮膜の損傷状態を調べた。その結果も表４に示す。

表４中、試験Ｎｏ．１〜６が本発明例、試験Ｎｏ．７および８は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜６は、摺動銅当金の鋼板との接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末を溶射したので、摺動銅当金の鋼板との接触面にこれらが食い込み、溶射皮膜表面の硬さが高く、溶射皮膜厚さも適量であるので溶接時に鋼板との摩擦によって溶射皮膜が剥がれ落ちることがなく極めて満足な結果であった。

比較例である試験Ｎｏ．７および８は、摺動銅当金の鋼板との接触面にＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末を直接溶射したため、溶射時に密着性が悪かったので皮膜の厚さ、硬さの測定や溶接試験は中止した。

（実施例２）
図２に示す摺動銅当金の鋼板との接触面１３に、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種をめっきし、次いで表１に示すＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成した。溶射条件、溶融処理条件は実施例１と同一とした。これらの試験例と溶射皮膜厚さおよび溶射皮膜表面のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定した結果を表６に示す。

前記、鋼板との接触面を処理した摺動銅当金を用いて、エレクトロガスアーク溶接を溶接長２ｍ行った。鋼板および溶接条件は実施例１と同一である。溶接後摺動銅当金の鋼板との接触面の溶射皮膜の損傷状態を調べた。その結果も表６に示す。

表６中試験Ｎｏ．９〜１２が本発明例、試験Ｎｏ．１３〜１５は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．９〜１２は、摺動銅当金の鋼板との接触面にＮｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種をめっきした後にＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成しているので、めっき密着性が良好で、溶射皮膜表面の硬さが高く、溶射皮膜厚さも適量であるので溶接時に鋼板との摩擦によって溶射皮膜が剥がれ落ちることがなく極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．１３は、摺動銅当金の鋼板との接触部表面にＮｉめっきした後にＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成していないので、鋼板との接触面の硬さが低く、溶接時に鋼板との摩擦によって著しく摩耗した。

試験Ｎｏ.１４および１５は、摺動銅当金の鋼板との接触面にＮｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種のめっきを施さずにＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したため、溶射時に密着性が悪かったので皮膜の厚さ、硬さの測定や溶接試験は中止した。

（実施例３）
実施例１および２に記載と同一の方法で、摺動銅当金の鋼板との接触面に、サーメット粉末もしくはＷＣ粉末を溶射、またはＮｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種をめっきし、次いでＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成した。溶射皮膜表面のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定し、エレクトロガスアーク溶接を溶接長２ｍ行った。鋼板および溶接条件は実施例１および２と同一である。それらの結果を表７に示す。

表７中試験Ｎｏ．１６〜１９が本発明例、試験Ｎｏ．２０〜２５は比較例である。本発明中試験Ｎｏ．１６および１７は、摺動銅当金の鋼板との接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末を溶射したので、摺動銅当金の鋼板との接触面にこれらが食い込み、溶射皮膜表面の硬さが高く、溶射皮膜厚さも適量であるので溶接時に鋼板との摩擦によって溶射皮膜が剥がれ落ちることがなく極めて満足な結果であった。

試験Ｎｏ．１８および１９は、摺動銅当金の鋼板との接触面にＮｉ、Ｎｉ合金、ＣｏおよびＣｏ合金の１種をめっきした後にＮｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成しているので、めっき密着性が良好で、溶射皮膜表面の硬さが高く、溶射皮膜厚さも適量であるので溶接時に鋼板との摩擦によって溶射皮膜が剥がれ落ちることがなくきわめて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．２０および２３は、摺動銅当金の鋼板との接触面の溶射皮膜厚さが薄いので、鋼板との接触部表面の硬さが低く、溶接時に鋼板との摩擦によってめっきが剥がれた。
試験Ｎｏ．２１および２４は、摺動銅当金の鋼板との接触面の溶射皮膜厚さが厚いので、溶接中に発生したスパッタやスラグが付着し溶接が継続できなくなり、溶接を中止した。

試験Ｎｏ．２２は、摺動銅当金の鋼板との接触面にサーメット粉末を溶射した後にＣｏ粉末を溶射したので、また試験Ｎｏ．２５は、摺動銅当金の鋼板との接触面にＣｏめっきした後にＮｉ粉末を溶射したので、いずれも溶射皮膜表面の硬さが低く、溶接時に鋼板との摩擦によって溶射皮膜が剥がれ落ちた。

エレクトロガスアーク溶接方法における（ａ）開先形状を示す図、および装置の概念を示す（ｂ）側面図と（ｃ）平面図摺動銅当金を示す（ａ）は平面図と（ｂ）正面図

符号の説明

１鋼板
２開先
３固定裏当材
４摺動銅当金
５溶接トーチ
６ガス供給ノズル
７溶接ワイヤ
８溶融金属
９溶接金属
１０溶融スラグ
１１冷却水出入り口
１２シールドガス導入口
１３鋼板接触面
１４シールドガス出口
１５溝

Claims

摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする立向上進溶接方法。
摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にサーメット粉末またはＷＣ粉末の溶射皮膜を形成した後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする請求項１記載の立向上進溶接方法。
摺動式の銅または銅合金製当金および母材により囲まれて形成された開先を溶接する立向上進溶接方法において、前記銅または銅合金製当金の母材接触面にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ合金またはＮｉ合金の1種をめっきした後に、Ｎｉ基耐熱合金粉末またはＣｏ基耐熱合金粉末の溶射皮膜を形成したものを使用することを特徴とする立向上進溶接方法。
溶射皮膜厚さが０．０２〜１．５ｍｍであるものを使用することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の立向上進溶接方法。
溶射皮膜表面のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）が２５以上であるものを使用することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の立向上進溶接方法。
溶射皮膜表面を高密度エネルギービームで溶融したものを用いることを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の立向上進溶接方法。