JP2008531284A - クラッド金属の接合方法およびそれにより製造される容器 - Google Patents

Abstract

保護層(27)（例えばチタン）および基板層(28)（例えば炭素鋼）を有するクラッド金属板の接合方法は、まず、保護層の周縁部(29)を接合すべきクラッド金属板の端部に沿って除く。次いで、基板層が共に溶接され露出した基板溶接部(31)を作る。次いで、保護層(27)と同種の被覆材(38)を露出した基板溶接部(31)に沿って保護層(27)外面と実質的に面一なレベルに位置させる。基板層(28)が被覆材の溶接前に加熱され、被覆材が冷却時にプレストレスされる。この方法は、容器内面の残部の突出させない継目を持つ反応容器の製作に使用できる。低い断面継目は、過去の場合より腐食を受け難いので容器が作製可能である。本発明は、この方法によって接合されたオートクレーブ、坩堝、反応容器などのクラッド板容器を包含する。
【選択図】３H

Description

本発明は、クラッド製容器に関する。本発明の実施態様は、腐食性かつ非常に高圧の流体を運搬するための装置の製作方法に特定の用途を有する。そのような装置は、容器および導管、パイプ、タンク、圧力容器、オートクレーブならびに熱交換器を包含する。

さまざまな化学品を収容するためにチタン、ジルコニウム、タンタルのようなレアメタルでできたさまざまなタイプの圧力容器を有することが必要な産業において多くの用途が存在する。チタン(Ti)のようなレアメタルは、極めて高価であり、容器の内部接触面のみがそのような材料で作られる必要があるので、好ましい取り組み方は、爆着クラッド溶接(EXW)板またはロールクラッド板を使用することである。EXW板およびロールクラッド板は、ベース金属（例えば炭素鋼）の上にチタン板を補強してなり、その結果、該クラッド板を単板のように形成することを可能にする充分に強固な結合を生じる。

EXWやロールクラッド板の使用は、もしチタンのみの構造が採用されると、チタン壁厚が例えばおよそ10mmを超える必要がある場所で特に必要とされる。そのような状況では、クラッド材として薄い、例えば2mm〜16mm厚のチタン板からなるクラッド板を使用することが通常かなり経済的な解決策である。

本発明の説明のために、チタン層を厚い鋼層に結合させてなるクラッド板を参照して述べる。本発明は、クラッド板を接合する方法およびそのような方法により形成される装置であって、クラッド板がチタンと炭素鋼以外の組合せからなるものを包含することが認識される。

所望する形状と大きさの容器をクラッド板から製作するためには、予め形作ったクラッド板の多数の片を接合する必要がある。したがって、個別の板を全部一緒に接合するために溶接される必要のある様々な継目が存在する。ベース金属（例えば炭素鋼）を溶接することは、通常、簡単な仕事であるが、そのようにするために、まず、チタン被覆の周縁部を、接合しようとする各クラッド金属片の対抗端部に沿って取り除くことが必要である。したがって、ベース金属の溶接に続いて、溶接されたベース金属を被覆するためにチタン層を修復しなければならないという問題が生じる。この問題は複雑であり、なぜなら、冶金学上の理由で、例えばチタンをベース金属に首尾良く溶接することが不可能であり、むしろ他のチタンへ溶接する必要があるためである。

クラッド金属片を接合するための従来技術のアプローチを、図1を参照しながら説明する。

図1は、チタンクラッド鋼の形態のクラッド板の第一の片2および第二の片4間の典型的な従来技術の接合部26を通る断面図である。接合には、バッテンストラップ技術（batten
strap technique）を利用する。まず、鋼溶接部6および8が形成される全端部の周辺領域、典型的には鋼溶接部を準備する端部の内側12mmからチタンクラッドを除去する。次いで、鋼製ベース金属片10および12が整えられ、そして、汎用の鋼製作手順を用いて溶接部6および8が適用される。次いで、接合部は、清浄化され、チタン溶接に備える。汎用のバッテンストラップ技術では、チタンの除去された場所へフィラー金属ストリップ7が挿入される。フィラーの選択は、製作の好みに依存するが、通例使用される材料は、銅、鋼、アルミニウムおよびチタンを包含する。次いで、バッテンストラップを構成する拡幅のチタンストリップ16が溶接部域上に置かれる。該バッテンストラップがその端部に沿って隅肉溶接部18および20で隣接するチタンクラッド部11および13とそれぞれ溶接される。

図2は、図１に関連して説明のバッテンストラップ技術を用いて多数のクラッド板片を一緒に接合して形成された反応坩堝を表す。バッテンストラップ接合部26A〜26Dは、坩堝の内部に突出することが特記される。容器内の内容物の混合を確実にし、反応を活発にしようとしてクラッド板で作られた容器の内容物を旋回させるのに攪拌機をたびたび使用する。容器の内容物は、たびたび、金属に対して腐食性である。バッテンストラップ接合部26A〜26Dは腐食を受けやすいという問題が生じることがわかっている。したがって、バッテンストリップは、チタンクラッディング材の失敗の第一のポイントになり、これは検出されなくても、ベース金属を腐食と圧力容器の失敗にさらす。

チタンは、熱膨張係数が、通常、鋼であるベース金属よりも実質的に低い。結果として、容器の内容物はたびたび高温であるので、チタンとベース金属の相違する膨張と収縮は、容器のチタン包皮の疲労寿命を低下させる。

上記に鑑みて、本発明の目的は、上記の問題の一以上に対処して、容器を製作されるクラッド金属を接合する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、明細書に記載した上記問題を受けにくいクラッド板容器を提供することである。該クラッド板容器は、チタン包皮からなっていてもよい。

本発明の第一の側面によれば、保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
該保護層と同種類の被覆材を、露出した該基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、そして、
該保護層、該被覆材およびその間に位置する溶接部が実質的に均一厚みの外面から形成するように該被覆材を該保護層に溶接すること、
を含む前記方法が提供される。

前記被覆材は、一以上のバッキングストリップ（backing strips）を含んでもよい。

一実施態様では、一以上の前記バッキングストリップの端部が、保護層および接合すべきクラッド金属板端部に隣接する基板層の各界面間に位置する。

好ましくは、前記各界面間に一以上のバッキングストリップの端部を受けるためのスロットが形成される。

前記被覆材は、一般に、バッテンストリップを含む。

いくつかの実施態様では、該方法は、前記バッテンストリップを一以上のバッキングストリップ上に位置させることを含む。

前記バッテンストリップは、保護層の表面方向へ開口する傾斜側部をもって形成されてもよい。その場合、該被覆材を溶接する工程は、該バッテンストリップを該保護層へ接合する突合わせ溶接を形成するための多数の溶接連続部（welding runs）を作ることを含む。

別法として、前記バッテンストリップは、一以上の前記バッキングストリップに対して実質的に直角である側部をもって形成されてよい。その場合、前記被覆材を保護層へ溶接する工程は、バッテンストリップを保護層へ高電流狭開先溶接（high current narrow gap welding）することを含む。

さらなる実施態様では、該方法は、前記保護層の対抗する端部に沿った段差（steps）を形成する工程を含む。

その場合、前記被覆材は、典型的には、前記段差間に位置するように寸法決めされた基部および前記段差上に載る基部から張り出したリップを有する本体部を有するバッテンストリップを含む。

該方法は、該被覆材を位置させるのに引き続き、そして該被覆材を該保護層へ溶接する前に、該基板層を所定温度へ予熱して該被覆材のプレストレッシング（pre-stressing）を達成する工程を含んでもよい。

該方法は、また、該被覆材および該保護層を前記所定温度へ予熱する工程を含んでもよい。

本発明の第二の側面によれば、保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
該保護層と同種類の被覆材を、露出した基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、
該基板層を所定温度へ予熱し、そして、
該被覆材を該保護層へ溶接して、後続の冷却の際に該被覆材のプレストレッシングを達成すること、
を含む前記方法が提供される。

この側面の発明は、該被覆材および該保護層を前記所定温度へ予熱する工程を含んでもよい。

本発明の第三の側面によれば、保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
埋め金（filler material）を、露出した該基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、
該基板層を所定温度へ予熱し、
該埋め金を被覆するために該保護層と同種類の被覆材を置き、そして、
該被覆材を該保護層へ溶接して、後続の冷却の際に該被覆材のプレストレッシングを達成すること、
を含む前記方法が提供される。

本発明の好ましい特徴、実施態様および変更は、本発明を当業者が実施するのに充分な情報を提供する以下の発明の詳細な説明で見ることができる。発明の詳細な説明は、以下の多数の図面を参照する。

本発明の第一実施態様に従うクラッド金属の接合方法を、図3A-3Fを参照して今から説明する。

図3Aは、接合しようとするクラッド板25Aおよび25Bからなる二つの対抗する片の断面図を示す。各片は、基板層すなわち、ベース金属層28A,28B（本実施例では炭素鋼）、および保護クラッド層27A,27B（本実施例ではチタン）からなる。

溶接のベース金属層28Aおよび28Bへのアクセスを可能にするために、図3Bに示すように、チタンの周縁部29が、各対抗端部に沿って除去される。

図3Cに示すように、ベース金属層28Aおよび28Bから金属が除去されて表面50Aおよび50Bを形成するが、これは、典型的には、それぞれクラッド部27A,27Bおよび基部28A,28Bの間の界面下2mm〜3mmの深さまで形成される。同時に、ベース金属溶接部準備作業が、ベース金属層28Aおよび28B内にカットまたは機械加工されて、対抗する角度のある表面51A,51Bおよび53A,53Bを形成する。

次いで、図3Dに示すようなチタンクラッディング材下方端部30Aおよび30Bの下に溝55A,55Bを形成するための機械加工作業が行われる。溝の形成は、別法として、まもなく説明するように、ベース材料部位28Aおよび28Bを接合するに続いて行われてもよい。

図3Eは、続いて汎用の鋼溶接技術で接合されたベース金属層28Aおよび28Bを示す。これは、ベース金属の対抗端部を準備し、通常、まず内側溶接部31を作成することを含む。次いで、該内側溶接部の根元が、外側、すなわち、図3Eで現れる下側から裏はつりされ、そして、第二の溶接部34が形成されて、ベース金属部位28Aとベース金属部位28Bとの間の接合が完了する。内側溶接面は、平らな内表面52となるように、面一に機械加工または仕上げてもよい。

図3Fにて、チタンバッキングストリップ36Aの形態の被覆材が、溶接部31およびベース材料の端部50Aの一側上に置かれる。次いで、バッキングストリップ36Aは、クラッディング材端部30Aの下に軽量の小槌で押され、図3Fに示すような最終位置にもって行かれる。

次いで、バッキングストリップ36Bが、溶接部31およびベース材料の端部50Bの上に置かれる。次いで、バッキングストリップ36Bは、クラッディング材端部27Bの下に軽量の小槌で押され、図3Gに示すような最終位置にもって行かれる。

次いで、チタンバッテンストリップ38の形態のさらなる被覆材を、図3Hに示すように、バッキングストリップ36Aおよび36B上に位置させる。バッテンストリップ38の端部、およびチタンクラッド層27A,27Bの対抗端部30A,30Bは、前もってチタン溶接の準備がされている。次いで、多数の連続チタン溶接部（multiple
run titanium welds）40Aおよび40Bが、汎用の方法を用いて形成される。溶接部40Aおよび40Bは、バッテンストリップを両隣接クラッド層に接合し、かつ、下にあるバッキングストリップ36Aおよび36Bにも溶接する点において、それぞれ三方溶接部（three-way
welds）であることが特記される。バッテンストリップ38は、厚みが隣接クラッド層と同じで、しかも、該バッキングストリップの上面は、クラッド層27A,27Bの下面と実質的に面一であるので、該バッテンストリップは、隣接クラッド層の上に実質的に突出しない。結局、前述の実施態様に従って形成された容器は、腐食を受けやすい突出接合部を持たない。さらなる利点は、溶接部40Aおよび40Bが、クラッド層の全厚みに渡り、図１の従来技術の実施態様の隅肉溶接部18および20とは対照的に突き合わせタイプ（butt-type）の溶接部であるという事実のために強固なことである。

今から図4Aを参照すると、本発明のさらなる実施態様に従う方法により形成されるクラッド金属でできた二片の間の接合部が示される。図4Aに示す接合部は、図3A〜3Gに示す工程を用いて形成される。図3Gを参照して記載される工程に続いて、正確に寸法決めされたバッテンストリップ42の形態の被覆材を、図4Aに示すようなバッキングストリップ36Aおよび36Bの上に位置させる。バッテンストリップと隣接クラッド層27Aおよび27Bとの間の間隙43A,43Bは、約1mm幅であるようにする。次いで、図4Aに示すように、バッテンストリップを隣接クラッド層27A,27Bに接合し、かつ、下にあるバッキングストリップに接合するために高電流狭開先接合44A,44B（または"キーホール溶接部"と呼ぶこともある）が形成される。図4Aに示す溶接部を形成するのに使用される実施態様の利点は、該バッテンストリップ接合部内の残留応力を減じ、そして、各キーホール溶接部を作成するのに先立って、バッテンストリップ42ならびに隣接チタンクラッド層27Aおよび27Bの端部を準備する必要がないことである。さらに、多数の連続する溶接が必要ない。

図4Aの接合部は、本発明の実施態様に従って形成された容器が腐食を受けやすい突出接合部を持たないように比較的なめらかである。

今から図5Aを参照すると、本発明のさらなる実施態様に従う方法により形成されるクラッド金属接合部が示される。図5Aのクラッド金属接合部は、まず、図3A〜3Cに示す工程を用いて形成されるが、図3Cの機械加工表面50Aおよび50Bはない。次いで、クラッド層27Aおよび27Bの対抗する端部が、図5Bに示すような対抗する段差46Aおよび46Bを作るために機械加工される。クラッディング材27A,27B（例えばチタン）と同様の材料のバッテンストリップ47は、段差46Aおよび46Bの間に位置する基部49ならびに段差46Aおよび46Bの上にそれぞれ載る張り出したリップ57Aおよび57Bで段差がつくように機械加工される。該バッテンストリップ47は、バッテンストリップとクラッディング材27A,27Bの対抗端部30Aおよび30Bとの間に形成されようとするチタン溶接連続部（titanium
welding runs）61Aおよび61Bのための空間を提供する傾斜側部59Aおよび59Bで形成されている。

図6は、図5Aに示した接合部の変形を示し、ここでは、バッテンストリップ63は、垂直側部を有し、クラッディング材27Aおよび27Bの対抗端部の間に各側１mmの間隙をもってピッタリと嵌るように正確に形作られている。次いで、高電流狭開先接合部65Aおよび65Bが、バッテン63をクラッディング材27Aおよび27Bに接合するよう実行される。

ベース金属部位28A,28Bおよびバッテンストリップ38,42,47または63の相違する熱膨張に付随する問題に当たるために、図3A〜6に述べた方法に対して以下の工程(図8に示す)が付加される。

ベース金属部位28A,28Bが工程80にて一緒に溶接され、そして、バッテンストリップ38,42,47または63が工程82にてクラッド部27A,27B間に置かれた後（まだ溶接されない）、ベース金属部位28A,28Bの外側が、工程84にて加熱される。加熱は、適当なチタン前溶接温度がチタンの内表面に達するまで実行される。温度は、特定の用途に適合するように選択され、50℃を超える。次いで、バッテンストリップ38,42,47または63が、工程86にて上記したように溶接される。

この工程の結果として、該坩堝が冷めたとき、炭素鋼の熱膨張係数がチタンより高いので、バッテンストリップ38,42,47または63が圧縮状態に置かれる。これは、坩堝の疲労寿命を改善する。

類似の工程は、図1に示すようなクラッド金属板を接合するために適用される。最初に、本方法は、保護層11,13の周縁部を、接合しようとするクラッド金属板の端部に沿って除去し、そして、基板層10,12を一緒に溶接して露出した基板溶接部6を形成する。次いで、埋め金7を、露出した基板溶接部6に沿って、該保護層11,13の外面と実質的に面一なレベルに位置させる。該方法は、さらに、基板層10,12を所定温度に予熱し、埋め金7を被覆するために保護層11,13と同様のタイプの被覆材16を位置させることを含む。最後に、被覆材16が保護層に溶接されて、後続の冷却の際に被覆材16のプレストレッシングを達成する。

図7は、本明細書に記載した一以上の接合する方法を使用してクラッド板から形成された坩堝の形態の装置を示す。継目65A〜65Dが坩堝内へ突出しないので、図１の従来技術の坩堝の場合よりきわめて腐食を受け難いことが特記される。

本明細書に記載した手段は、本発明の効果を奏するのに好ましい形態を含むのであり、本発明は、図示および記載した特定の特徴に限定されないことが理解されるべきである。したがって、本発明は、添付された請求の範囲の妥当な範囲内にあると当業者によって的確に解釈されるいかなる形態や改善も請求されている。

図1は、従来技術のクラッド金属板の接合部を通る断面図である。 図2は、図1に示すタイプの接合部を用いて形成される従来技術の容器の断面図である。 図3Aは、本発明の実施態様に従って接合される対抗したクラッド金属板を示す。 図3Bは、本発明の実施態様に従う方法の工程を示す。 図3Cは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図3Dは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図3Eは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図3Fは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図3Gは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図3Hは、本発明の実施態様に従う方法のさらなる工程を示す。 図4Aは、本発明の第二の実施態様に従って製造される接合部を示す。 図4Bは、図4Aの接合部の製造における工程を示す。 図5Aは、本発明の第三の実施態様に従って製造される接合部を示す。 図5Bは、図5Aの接合部の製造における工程を示す。 図5Cは、図5Aの接合部を形成するのに使用されるバッテンストリップの形態の被覆材を示す。 図6は、本発明の第四の実施態様に従った方法により製造された接合部を示す。 図7は、本発明の実施態様に従う容器を示す。 図8は、本発明の実施態様に従ってクラッド金属板を接合する工程を一緒に示すフローチャートを示す。

Claims (19)

1. 保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
   該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
   該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
   該保護層と同種類の被覆材を、露出した該基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、そして、
   該保護層、該被覆材およびその間に位置する溶接部が実質的に均一厚みの外面を形成するように該被覆材を該保護層に溶接すること、
   を含む前記方法。
2. 前記被覆材は、一以上のバッキングストリップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 一以上の前記バッキングストリップの端部は、該保護層および接合すべきクラッド金属板端部に隣接する基板層の各界面間に位置する、請求項２に記載の方法。
4. 前記各界面間に一以上のバッキングストリップの端部を受けるためのスロットが形成されることを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記被覆材は、バッテンストリップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記バッテンストリップを一以上のバッキングストリップ上に位置させることを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記バッテンストリップは、該保護層の表面方向へ開口する傾斜側部をもって形成される、請求項６に記載の方法。
8. 前記バッテンストリップは、一以上の前記バッキングストリップに対して実質的に直角である側部をもって形成される、請求項６に記載の方法。
9. 前記被覆材を該保護層へ溶接する工程は、バッテンストリップを保護層へ高電流狭開先溶接することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 該被覆材を溶接する工程は、該バッテンストリップを該保護層へ接合する突合わせ溶接を形成するための多数の溶接連続部を作ることを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記保護層の対抗する端部に沿った段差を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記被覆材は、前記段差間に位置するように寸法決めされた基部および前記段差上に載る基部から張り出したリップを有する本体部を有するバッテンストリップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 該被覆材を位置させるのに引き続き、そして該被覆材を該保護層へ溶接する前に、該基板層を所定温度へ予熱して該被覆材のプレストレッシングを達成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
14. 該被覆材および該保護層を前記所定温度へ予熱する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
    該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
    該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
    該保護層と同種類の被覆材を、露出した基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、
    該基板層を所定温度へ予熱し、そして、
    該被覆材を該保護層へ溶接して、後続の冷却の際に該被覆材のプレストレッシングを達成すること、
    を含む前記方法。
16. 該被覆材および該保護層を前記所定温度へ予熱する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 保護層および基板層を有するクラッド金属板の接合方法であって、
    該保護層の周縁部を、接合しようとする該クラッド金属板の端部に沿って除去し、
    該基板層を一緒に溶接して、露出した基板溶接部を形成し、
    埋め金を、露出した該基板溶接部に沿って該保護層の外面と実質的に面一なレベルに位置させ、
    該基板層を所定温度へ予熱し、
    該埋め金を被覆するために該保護層と同種類の被覆材を置き、そして、
    該被覆材を該保護層へ溶接して、後続の冷却の際に該被覆材のプレストレッシングを達成すること、
    を含む前記方法。
18. 請求項１に記載の方法によりクラッド金属板で組み立てられた装置。
19. 請求項１５に記載の方法によりクラッド金属板で組み立てられた装置。