JP2007130654A - テンパービード工法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、母材上に溶接により形成した初層上に、残層を1回以上溶接し、前記初層で生じた母材側の硬化域を前記残層の溶接熱によって焼き戻すテンパービード工法において、前記母材上に前記残層を溶接する際、既に形成した初層を縁取る形状の当て材を母材上に設置し、この当て材の内側面を基準として前記初層に重なるように溶接して前記残層を形成することを特徴とする。
【選択図】図3
Description
この割れ等の欠陥の補修方法として、補修対象部分の母材表層部をグラインダー等の装置によって削り取り、欠陥部分を機械的に除去した後、その表面部分にTIG溶接機等を用いて新たな溶接金属を肉盛り溶接する方法が一般的に行われている。また、補修のために溶接を行うと溶接部周囲の母材が硬化するので、溶接前に予熱を行うか、溶接後に後熱を行うことにより、母材の硬化域を消滅させるようにしている。
ところが、既存の原子力圧力容器の場合、あるいは、パイプラインや海洋構造物の場合は、その修理期間や修理後の熱処理等に制限があるがため、いわゆるテンパービード工法と称される溶接補修方法の適用が検討されている。
更に、海洋構造物においても、その特性上、疲労、腐食、船舶の衝突等による損傷に対して、テンパービード工法を用いた水中溶接による補修方法が検討されている。
また、TIG溶接法で肉盛り溶接した後、その溶接ビードの全表面を覆う層をTIG溶接法または被覆アーク溶接法で1層溶接し、さらにその層のほぼ全表面を覆うが、母材部は全く溶融させない溶接層をTIG溶接法または被覆アーク溶接法で1層溶接する手順で施工する技術が知られている。(特許文献2参照)
ところが、図14または図15に示す如く残層52、53を溶接する際に母材50を溶融させないためのアークスタート位置の管理や、溶接狙い位置の管理は極めて難しいので、実情では、図14及び図15に示すように安全代をとって初層溶接部のビードの端部よりやや内側を狙って重ね溶接しているため、初層51のビードの焼き戻し域幅が狭くなるという問題がある。
(1)本発明は、母材上に溶接により形成した初層上に、残層を1回以上溶接し、前記初層で生じた母材側の硬化域を前記残層の溶接熱によって焼き戻すテンパービード工法において、前記母材上に前記残層を溶接する際、既に形成した初層を縁取る形状の当て材を母材上に設置し、この当て材の内側面を基準として前記初層に重なるように溶接して前記残層を形成することを特徴とする。
(2)本発明は、前記残層を複数回、前記初層上に重ねて溶接する場合、前記母材上に設置した当て材を利用して前記残層の溶接に利用し、該当する残層形成時に前記当て材の内側面を基準としてそれよりも前に形成した初層あるいは残層に対して該当する残層を重ねて溶接し、先に形成した初層あるいは残層の溶接熱によって生じた硬化域を焼き戻すことを特徴とする。
(3)本発明は、前記初層を複数のビードの集合体から構成し、前記残層を複数のビードの集合体から構成するとともに、前記当て材を利用して前記複数の初層のビード上に前記残層のビードをそれらの幅方向両端部を位置合わせした状態で積層することにより、前記初層形成時に生成した母材の硬化域をそれらの外周縁部まで焼き戻すことを特徴とする。
(4)本発明は、前記当て材として枠状の当て材を用い、前記初層の平面視4周を囲むように前記枠状の当て材を母材上に配置して溶接することを特徴とする。
(5)本発明は、前記母材上に前記初層を形成する際、初層形成予定位置を囲むように前記当て材を配置し、この当て材に沿って前記初層を形成することを特徴とする。
(6)本発明は、前記初層の形成をTIG溶接法により形成し、前記残層の形成を被覆アーク溶接法により形成することを特徴とする。
(7)本発明は、前記当て材として導電性の金属材料からなる当て材を用い、前記残層を形成する際の溶接アークを前記当て材側に導出することにより、前記当て材と母材の境界位置まで前記残層を形成することを特徴とする。
(8)本発明は、前記当て材として銅、銅合金、鉄または鉄合金のいずれかからなる当て材を用いることを特徴とする。
更に、当て材を母材上に設置してこの当て材の内側面位置を目安として肉盛り溶接して残層を形成し補修するならば、当て材が肉盛り溶接時の定規となり、正確な位置決め精度で残層の溶接ができるとともに、補修作業員は当て材を目当てにして保守できるので、作業の確実性を確保し易くなり、種々の現場にて実際に利用し易くなる。
本発明によれば、初層上に残層を複数重ねて溶接し補修する場合においても当て材を利用して初層上に正確に複数の残層の積層ができるので、複数重ねる場合の各残層の硬化域も確実に焼き戻すことができ、複数の残層による硬化域の発生しない母材の状態を確実に得ることができる。
本発明において、当て材として枠状の当て材を用い、初層の平面視全周を囲むように枠状の当て材を母材上に配置して初層上に残層を積層することにより、初層を囲む全周の部分の上に正確に残層の肉盛り溶接を行うことができ、母材側の硬化域を正確に焼き戻すことが可能となる。また、初層の全上面を囲むように残層を溶接し、その内側の初層上に残層を溶接することで初層の全外周縁の硬化域を確実に焼き戻すことができる。
図1〜図3は本発明に係るテンパービード工法の第1の実施の形態を説明するためのもので、図1中符号1は、例えば、原子力圧力容器の外殻を構成する低合金高張力鋼等からなる鋼板の母材、あるいは、石油やガスなどのパイプラインの周壁を構成する鋼板の母材、または、海洋構造物の構造用鋼板を構成する母材を示し、この母材1の表面の一部分に傷等の欠陥が生じた場合、この傷生成部分をグラインダー等で一部削り取り、その削り取り部分を例えばTIG溶接により肉盛り溶接して補修し、一定のビード高さの初層2を形成して削り取り部分を埋めた状態を示す。
ここで用いるTIG溶接法は特別なものである必要はなく、タングステン電極と、送りローラ又は手動によって供給される溶接ワイヤーとを備え、母材と電極間に電流を供給する一般的なTIG溶接法で差し支えない。また、初層を形成する場合にTIG溶接を必須とするものではなく、更に一般的な被覆アーク溶接でも差し支えないが、初層2として高品質な溶接部を得ようとする場合はTIG溶接法を採用することが好ましい。
この硬化域3は、溶接を行って母材1の表面部を部分的に溶融させながらビード2aを形成した場合、溶接部分とその周囲部分が冷却されてビード2aが形成される際に母材1の表面に近い部分が急冷されることにより必然的に形成されるものであるので、硬化域3はビード2aの底面から母材1の内部側に一定の幅及び一定の深さに形成されている。なお、ビード2aの形状は溶接の種類に応じて種々の形状を取り得るが、この形態では最も標準的な形状としての横断面扁平楕円形状として示したものであり、本発明で適用される初層とビード形状がこの図のような形状に制限されるものではない。
ここで用いる当て材5は導電性の金属材料である銅または銅合金あるいは鉄または鉄合金からなることが好ましく、これらの中でも銅または銅合金からなることが好ましい。これは、溶接時に利用する電流を当て材5側にまで流すことにより溶接時に発生するアークを当て材5側にまで充分に延出形成することができ、これにより当て材5と母材1との境界部分まで確実にビードを形成するためである。当て材5として耐熱セラミックスなどからなるものを適用することも可能であるが、セラミック材料の導電性の悪さ、セラミック材料の構成要素の一部が溶接時に溶接金属側に移行することにより形成される不要なスラグによる溶接作業上の不利がある。このような観点から当て材5は導電性の金属材料製であることが好ましく、特に母材1に対して溶接後に接合し難く、作業後の分離が容易な銅あるいは銅合金からなることが好ましい。なお、鉄や鉄合金製の当て材を用いて溶接時に当て材5と母材1が溶接接合された場合、当て材5を母材1から切断などの方法を用いて分離すれば良いが、その分、作業が増えることとなる。
図5に示す如く従来のテンパービード工法では、先に図14及び図15を基に説明したように安全代をとって初層溶接部のビードの端部よりやや内側を狙って重ね溶接しているので、溶接の始端部側および終端部側においても、溶接ビードの幅方向両側部分においても、初層51よりも残層52が内側に位置し、残層52よりも残層53が内側に位置するので、結果的に図5に示す如く、各ビード51の始端部側の端部51Aと終端部側の端部51Bと、3つのビード51のうち、外側に位置するもののビード51の側縁部51C、51Cが、いずれも残層52、53によって覆われていない部分となり、残層52、53による硬化域の焼き戻しが完全には有効ではない状態とされている。
また、この重ね溶接によりビード6aを形成する場合、先のビード2aを全部溶融させるのではなく、ビード2aの底部側が残る状態の溶接入熱とすることが好ましい。ビード2a上にビード6aを形成する肉盛り溶接を行うと、ビード2aの上部側は溶接時に溶融するのでビード6aに一体化され、ビード2aの底部側が溶融されずに残るので、図2に示すビード2aとビード6aの積層状態が得られる。
なお、初層2のビード2aの始端部側の形状と終端部側の形状は図5の場合と同じ端部が丸い平面先端形状となるので、これらの始端部及び終端部の丸い部分と当て材5との間には若干の隙間を生じるが、この隙間に対応する部分の母材上に残層2が積層されるので焼き戻し作用を奏することができる。
以上の処理により、初層2を形成した際に生成された母材1の硬化域3をほぼ完全に焼鈍して解消することができる。
これは、当て材5を定規として溶接作業者が溶接を正確に位置決めしつつ行うことができ、しかも当て材5に遮られてビード2aの外側に後工程で形成する溶接のビード6a、7aがはみ出すことがないので、溶接作業者が容易にかつ正確にビード2a上にビード6a、7aを被覆アーク溶接により肉盛り溶接できることに起因する。
なお、初層2のビード2aとその上に積層するビード6a、7aの平面視形状を更に厳密に一致させる場合には、初層2のビード2aを形成するにあたり、その前から、母材上に当て材5を設置しておき、初層2のビード2aの形成時に当て材5に沿って溶接すれば良い。これにより、ビード2a、6a、7aの始端部側と終端部側のいずれをも形状一致させることが可能となり、更に完全に硬化域を焼き鈍しすることができる。このように初層2を形成する場合に当て材5を用いる場合の詳細は次の実施形態で述べる。
この形態においては、図6に示す如く初層4のビード4aの形成時に既に当て材5を設置した状態としておく。これにより初層4のビード4aにおいて当て材5に接する部分側においてその外周部形状を当て材5の内周部形状に正確に沿った形に正確に形成できる。
次に先の第1の実施の形態の場合と同様にしてビード4aの上にビード8aを先に説明した方法と同じ被覆アーク溶接方法により積層すると、図8に示す残層8のビード8aを形成した2層積層構造のビードを得ることができる。ここでビード4aの上部側は除去されているのでビード8aを形成する際の溶接熱は、母材1の表側のより広い位置まで均一に伝達され、その領域を焼き鈍すので、先の形態において硬化域3を焼き鈍した場合の範囲よりも若干広い範囲を焼き鈍すことができ、これにより硬化域3の底部側に広い範囲で焼鈍部3dを形成することができ、同時に初層4の底部側に隣接する母材側に薄い硬化域3eが残留する。
この状態から図9に示すように当て材5を取り外し、再度ビード8aの上部側を水平に切削して除去し、母材1の表面上1mm程度の高さに各ビード8aの上面8dが揃うように各ビード8の厚さを加工する。
図9に示す状態から更に当て材5を再度利用して前記2層目のビード形成時と同等のビード形成条件で被覆アーク溶接により3層目の肉盛り溶接を行うと、図10に示すように3層目のビード9aを各ビード8aの残留した底部8c上に形成することができる。ここでビード9aを形成する際、溶接熱により2層目のビード8aの薄い底部8cの部分と1層目のビード4aの底部4cの部分を介して溶接熱を母材側に均一かつ容易に入熱できるので、母材1に残留している先の硬化域3eを焼き鈍して焼鈍層3fとすることができ、これにより図6に示す断面構造において生成されていた硬化域3を全部完全に焼き鈍して無くすることができる。
鋼管種別:A、グレード:API5L ×60、規格最小降伏強度:414N/mm2、外径:609mm、板厚:13.5mm、化学成分(wt%):C:0.08、Si:0.19、Mn:1.39、P:0.012、S0.003、炭素当量0.32。
鋼管種別:B、グレード:API5L ×65、規格最小降伏強度448N/mm2、外径:508mm、板厚:12.7mm、化学成分(wt%):C:0.09、Si:0.21、Mn:1.53、P:0.012、S0.005、炭素当量0.37。
これらの鋼管における炭素当量の計算式は、下記
C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 の式を採用した。
次に、当て材を用いて2層目の残層上に3層目のビードを被覆アーク溶接法により形成し、3層積層構造の補修溶接を行った。また、当て材として銅合金板を用いた場合と用いない場合について比較し、鋼管内部に空気を流して空冷とした場合と水を流して水冷とした場合について比較し、1層目の溶接と2層目の溶接と3層目の溶接の溶接入熱を比較し、それら各々の溶接条件(溶接入熱)の場合の各補修溶接部分の位置に応じた硬度を測定した。なお、1層目の溶接に対して2層目、3層目の溶接では母材を溶融しないようにする必要があるので、各層毎の溶接入熱の調整を後述する表1に示す如く制御した。
また、比較例構造として、母材上に初層のビードと2層目のビードと3層目のビードを図5に示す如く上下ずれた形で形成した試料について先の実施例と同様に位置毎の硬度を測定した。なお、ここで、初層のビード幅40mmに対して2層目のビード幅は34mm、3層目のビード幅は28mmであり、初層のビードに対して2層目のビードはその端縁から3mmずれて積層され、2層目のビードに対して3層目のビードはその端縁から3mmずれて積層されたものである。それらの試料各部の硬度を測定した結果を表1、表2に併せて示す。
これらに対して当て材を用いていない比較例1〜4においては、DEPOの計測位置(ビード内部)での硬度よりもHAZの計測位置(ビード下部側の母材表層位置)での硬度の方が高いものが複数検出されており、焼き鈍し効果が充分に得られていないことがわかる。
次に、前記実験に供した各鋼管の鋼管表面から深さ3mmの位置を溶接していない状態において10点計測した硬度測定結果を以下の表3に示しておく。
2、4 初層
2a、4a ビード
3 硬化域
3a 焼鈍域
3b 硬化域
3c、3d 焼鈍域
3e 硬化域
5 当て材
5A 内側面
6、7 残層
6a、7a ビード
8、9 残層
8a、9a ビード
Claims (8)
- 母材上に溶接により形成した初層上に、残層を1回以上溶接し、前記初層で生じた母材側の硬化域を前記残層の溶接熱によって焼き戻すテンパービード工法において、
前記母材上に前記残層を溶接する際、既に形成した初層を縁取る形状の当て材を母材上に設置し、この当て材の内側面を基準として前記初層に重なるように溶接して前記残層を形成することを特徴とするテンパービード工法。 - 前記残層を複数回、前記初層上に重ねて溶接する場合、前記母材上に設置した当て材を利用して前記残層の溶接に利用し、該当する残層形成時に前記当て材の内側面を基準としてそれよりも前に形成した初層あるいは残層に対して該当する残層を重ねて溶接し、先に形成した初層あるいは残層の溶接熱によって生じた硬化域を焼き戻すことを特徴とする請求項1に記載のテンパービード工法。
- 前記初層を複数のビードの集合体から構成し、前記残層を複数のビードの集合体から構成するとともに、前記当て材を利用して前記複数の初層のビード上に前記残層のビードをそれらの幅方向両端部を位置合わせした状態で積層することにより、前記初層形成時に生成した母材の硬化域をそれらの外周縁部まで焼き戻すことを特徴とする請求項1または2に記載のテンパービード工法。
- 前記当て材として枠状の当て材を用い、前記初層の平面視全周を囲むように前記枠状の当て材を母材上に配置して溶接することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のテンパービード工法。
- 前記母材上に前記初層を形成する際、初層形成予定位置を囲むように前記当て材を配置し、この当て材に沿って前記初層を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のテンパービード工法。
- 前記初層の形成をTIG溶接法により形成し、前記残層の形成を被覆アーク溶接法により形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のテンパービード工法。
- 前記当て材として導電性の金属材料からなる当て材を用い、前記残層を形成する際の溶接アークを前記当て材側に導出することにより、前記当て材と母材の境界位置まで前記残層を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のテンパービード工法。
- 前記当て材として銅、銅合金、鉄または鉄合金のいずれかからなる当て材を用いることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のテンパービード工法。
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