JP2017159370A

JP2017159370A - 隅肉溶接方法

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Publication number: JP2017159370A
Application number: JP2017124404A
Authority: JP
Inventors: 雅志毛利; Masashi Mori; 駿佐宗; Shun Sasou; 充良津乗; Mitsuyoshi Tsunori; 裕己楠本; Hiromi Kusumoto
Original assignee: IHI Corp; Japan Marine United Corp
Current assignee: IHI Corp; Japan Marine United Corp
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: JP6442569B2

Abstract

【課題】接合構造体１の構造強度を十分に確保しつつ、接合構造体１の製作時間を大幅に短縮すること。
【解決手段】一対の溶接トーチ２１を溶接方向Ｄへパネル板３及びロンジ５に対して相対的に移動させつつ、一方の溶接ワイヤ１９の先端部と一方の境界部７との間及び他方の溶接ワイヤ１９の先端部と他方の境界部７との間にアークをそれぞれ発生させると同時に、加熱コイル３１によってパネル板３の裏面３ｂにおけるアークＡの発生箇所から溶接方向Ｄの後側へオフセットした箇所を局所的に加熱すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１金属板の表面と第２金属板の端面を突き合わせた状態で、第１金属板と第２金属板を隅肉溶接によって接合する隅肉溶接方法に関する。

液化天然ガス（ＬＮＧ），液化石油ガス（ＬＰＧ）等の液化ガスを貯留する液化ガス用タンク、船舶、橋梁等の構造部材として、第１金属板と第２金属板を接合してなる接合構造体が用いられることが多く、この接合構造体の製作（施工）は、次のように行われる。

第１金属板をテーブル（定盤）に対してセットし、第１金属板の表面と第２金属板の端面を突き合わるように、第２金属板を第１金属板に対してセットする。そして、溶接電極を保持する溶接トーチを用い、溶接トーチを第１金属板と第２金属板との境界部の長手方向に平行な溶接方向へ第１金属板及び第２金属板に対して相対的に移動させつつ、溶接電極の先端部と前記境界部との間にアークを発生させる。これにより、アーク熱によって前記境界部周辺（前記境界部を含む）等を溶融させながら、境界部に溶接方向に沿って溶接ビード（溶接部）を形成して、隅肉溶接によって第１金属板と第２金属板を接合することができる。

また、隅肉溶接時に、溶接ビード周辺（溶接ビードを含む）の熱収縮等によって第１金属板が溶接ビード周辺を境として角変形する傾向にある。そのため、通常、隅肉溶接前に、クランプ等を用いて第１金属板の周縁部を拘束することにより第１金属板の角変形を防止したり、隅肉溶接後に、第１金属板に対して局所的な加熱又はローラの押圧による歪み取りを施すことにより第１金属板の角変形を矯正したりしている。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献４に示すものがある。

特開２００７−１４９９５号公報特開平７−２９９５７８号公報特開平６−３９５８１号公報特開平６−６３７５６号公報

ところで、液化ガス用タンク、船舶等の構造部材のような大規模な接合構造体にあっては、その接合構造体を構成する第１金属板及び第２金属板のサイズも大きく、それに伴い、第１金属板の角変形を防止する作業、第１金属板の角変形を矯正する作業が大掛かりなものになり、接合構造体の製作時間（施工時間）が長くなるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の隅肉溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、第１金属板と第２金属板との境界部の長手方向に平行な溶接方向に沿ってアークを発生させながら隅肉溶接を行うと同時に、第１金属板の裏面におけるアークの発生箇所（溶接箇所）から溶接方向の後側（下流側）にオフセット（離隔）した箇所を局所的に加熱することにより、隅肉溶接時における第１金属板の角変形を十分に低減できるという（後述の実施例参照）、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。これは、加熱箇所付近（加熱箇所を含む）において第１金属板の厚み方向の温度分布を均一な分布に近づけて、隅肉溶接時における第１金属板の角変形を相殺したことによるものと考えられる。

本発明の態様は、第１金属板と第２金属板を接合してなる接合構造体の製作（施工）に用いられ、前記第１金属板の表面と前記第２金属板の端面を突き合わせた状態で、前記第１金属板と前記第２金属板を隅肉溶接によって接合する隅肉溶接方法において、溶接電極を保持する溶接トーチを用い、前記溶接トーチを前記第１金属板と前記第２金属板の境界部の長手方向に平行な溶接方向へ前記第１金属板及び前記第２金属板に対して相対的に移動させつつ、前記溶接電極の先端部と前記境界部との間にアークを発生させると共に、同時に、加熱体を前記溶接方向へ前記第１金属板及び前記第２金属板に対して相対的に移動させつつ、前記第１金属板の裏面の最高温度を前記第１金属板の材料の力学的溶融温度未満に保つという条件の下で、前記加熱体によって前記第１金属板の裏面における前記アークの発生箇所から前記溶接方向の後側にオフセットした箇所を局所的に加熱し、前記アークの発生箇所に対する前記オフセットした箇所のオフセット量は、１０〜１２０ｍｍに設定されていることである。

ここで、前記第１金属板と前記第２金属板は、通常、同種材料により構成されているが、異種材料により構成されても構わない。また、隅肉溶接の方式は、ミグ溶接、ティグ溶接、マグ溶接等のいずれであっても構わなく、前記加熱体による加熱方式は、高周波誘導加熱、アーク加熱、ガス加熱等のいずれであっても構わない。

本発明の態様によると、前記溶接トーチを前記溶接方向へ前記第１金属板等に対して相対的に移動させつつ、前記溶接電極の先端部と前記境界部との間にアークを発生させると同時に、前記加熱体によって前記第１金属板の裏面における前記アークの発生箇所から前記溶接方向の後側へオフセットした箇所を局所的に加熱しているため、前述の新規な知見を適用すると、隅肉溶接時における前記第１金属板の角変形を十分に低減することができる。これにより、前記接合構造体の一連の製作工程から、前記第１金属板の角変形を防止する作業、前記第１金属板の角変形を矯正する作業を省略したり、それらの作業を簡素化したりすることができる。

前記第１金属板の裏面の最高温度を前記第１金属板の材料の力学的溶融温度未満に保つという条件の下で、前記加熱体によって前記第１金属板の裏面を加熱しているため、隅肉溶接時における前記第１金属板の強度（材料強度）の低下を防止することができる。

本発明によれば、前記接合構造体の一連の製作工程から前記第１金属板の角変形を防止する作業等を省略したり、それらの作業を簡素化したりすることができるため、前記接合構造体を構成する前記第１金属板及び前記第２金属板のサイズが大きくても、前記接合構造体の製作時間（施工時間）を大幅に短縮することができる。また、隅肉溶接時における前記第１金属板の強度の低下を防止できるため、前記接合構造体の構造強度を十分に確保することができる。つまり、本発明によれば、前記接合構造体の構造強度を十分に確保しつつ、前記接合構造体の製作時間を大幅に短縮することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法及びその方法に用いられる装置を説明する斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法及びその方法に用いられる装置を説明する図である。図３は、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法及びその方法に用いられる装置を説明する断面図である。図４（ａ）は、本発明の実施形態に隅肉溶接方法によって製作される接合構造体の平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）を下から見た図、図４（ｃ）は、図４（ａ）における矢視部IVCの拡大図である。図５（ａ）は、過渡伝熱解析及び熱弾塑性解析の解析対象を示す正面図、図５（ｂ）は、その解析対象を示す側面図である。図６（ａ）は、溶接入熱量に対する加熱量の割合と、第１金属板の角変形量と、第１金属板の裏面の最高温度との関係を示す図、図６（ｂ）は、溶接入熱箇所に対する加熱箇所のオフセット量と、第１金属板の角変形量との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に隅肉溶接方法によって製作される接合構造体の構成、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法の実施に用いられる装置の構成、及び本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法等について順次説明する。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、本発明の実施形態に隅肉溶接方法によって製作される接合構造体１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の液化ガスを貯留する液化ガス用タンク（図示省略）等の構造部材として用いられるものである。また、接合構造体１は、第１金属板としてのパネル板３と複数の第２金属板としての複数のロンジ５を隅肉溶接によって接合してなるものであって、パネル板３及びロンジ５は、アルミ合金によりそれぞれ構成されている。更に、パネル板３とロンジ５との一対の境界部（パネル板３の表面３ａとロンジ５の一側面５ａとの境界部、パネル板３の表面３ａとロンジ５の他側面５ｂとの境界部）７には、溶接部としての溶接ビード９がそれぞれ形成されている。

図１から図３に示すように、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法の実施には溶接ユニット１１が用いられており、この溶接ユニット１１の構成は、次のようになる。

溶接ユニット１１は、テーブル（定盤）１３に支持されたパネル板３の表面を境界部７の長手方向に平行な溶接方向Ｄに沿って走行可能な溶接台車１５を備えており、この溶接台車１５には、ポスト状のトーチサポート１７が設けられている。また、トーチサポート１７には、溶接電極としての溶接ワイヤ（消耗溶接電極）１９を保持する溶接トーチ２１が位置調節可能に設けられており、この溶接トーチ２１は、溶接ワイヤ１９を供給するワイヤ供給源（図示省略）に接続されている。更に、溶接トーチ２１は、アルゴンガス等の不活性ガスを噴出可能であって、不活性ガスを供給するガス供給源（図示省略）に接続されている。なお、溶接電極として溶接ワイヤ１９を用いる代わりに、タングステン電極（図示省略）を用いても構わない。

本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法の実施には溶接ユニット１１の他に、加熱ユニット２３が用いられており、この加熱ユニット２３の構成は、次のようになる。

加熱ユニット２３は、テーブル１３に形成した溝２５の底面２５ｂを溶接方向Ｄに沿って走行可能な加熱台車２７を備えており、この加熱台車２７には、コイルサポート２９が設けられている。また、コイルサポート２９には、加熱体としての加熱コイル３１が設けられており、この加熱コイル３１は、高周波誘導加熱を行うものであって、整合トランス３３を介して高周波電源３５に接続されている。なお、加熱体として加熱コイル３１を用いる代わりに、ガス加熱を行うガスバーナー又はアーク加熱を行う加熱電極等を用いても構わない。

続いて、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法について説明する。

本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法は、接合構造体の製作（施工）に用いられ、パネル板３の表面３ａとロンジ５の端面５ｅを突き合わせた状態で、パネル板３とロンジ５を隅肉溶接によって接合するものである。そして、本発明の実施形態に係る隅肉溶接方法の具体的な内容は、次のようになる。

パネル板３をパネル板用治具（図示省略）によってテーブル１３に対してセットし、パネル板３の表面３ａとロンジ５の端面５ｅを突き合わせるように、ロンジ５をロンジ用治具（図示省略）によってパネル板３に対してセットする。更に、パネル板３の表面３ａにおけるロンジ５の両側（一方側と他方側）に溶接ユニット１１をそれぞれ配置すると共に、テーブル１３の溝２５の底面２５ｂに加熱ユニット２３を配置する。これにより、パネル板３とロンジ５に対して隅肉溶接を行うための準備（隅肉溶接の準備）が完了する。

隅肉溶接の準備が完了した後に、ロンジ５の一方側において、一方の溶接台車１５の走行によって一方の溶接トーチ２１を境界部７に平行な溶接方向Ｄへ移動させつつ、一方の溶接トーチ２１から一方の境界部７に向かって不活性ガスを噴出させた状態で、一方の溶接ワイヤ１９の先端部と一方の境界部７との間にアークＡを発生させる。同様に、同時に、ロンジ５の他方側において、他方の溶接台車１５の走行によって他方の溶接トーチ２１を溶接方向Ｄへ移動させつつ、他方の溶接トーチ２１から他方の境界部７に向かって不活性ガスを噴出させた状態で、他方の溶接ワイヤ１９の先端部と他方の境界部７との間にアークＡを発生させる。これにより、アーク熱によって一対の境界部７周辺（境界部７を含む）及び一対の溶接ワイヤ１９を溶融させながら、一対の境界部７に溶接方向Ｄに沿って溶接ビード（溶接部）９をそれぞれ形成して、隅肉溶接によってパネル板３とロンジ５を接合することができる。ここで、一対の溶接台車１５の走行速度は、同じ走行速度に設定されている。

一方の溶接ワイヤ１９の先端部と一方の境界部７との間及び他方の溶接ワイヤ１９の先端部と他方の境界部７との間にアークＡをそれぞれ発生させると同時に、加熱台車２７の走行によって加熱コイル３１を溶接方向Ｄへ移動させつつ、加熱コイル３１によってパネル板３の裏面３ｂにおけるアークＡの発生箇所（溶接箇所）から溶接方向Ｄの後側（下流側）にオフセット（離隔）した箇所を局所的に加熱する。ここで、加熱台車２７の走行速度は、一対の溶接台車１５の走行速度と同じ走行速度に設定されている。また、加熱コイル３１の加熱量は、パネル板３の裏面３ｂの最高温度をパネル板３の材料（アルミ合金）の力学的溶融温度未満に保つという条件の下で、一対の溶接ユニット１１から溶接入熱量の１０％以上、好ましくは２０％以上になるように設定されている。更に、アークＡの発生箇所に対する前記オフセットした箇所のオフセット量Ｌは、１０〜１２０ｍｍ、好ましくは、２０〜１００ｍｍに設定されている。

なお、一対の溶接トーチ２１及び加熱コイル３１を溶接方向Ｄへ移動させる代わりに、パネル板３の表面３ａとロンジ５の端面５ｅを突き合わせた状態で、パネル板３及びロンジ５を溶接方向Ｄへ移動させても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

一対の溶接トーチ２１を溶接方向Ｄへパネル板３及びロンジ５に対して相対的に移動させつつ、一方の溶接ワイヤ１９の先端部と一方の境界部７との間及び他方の溶接ワイヤ１９の先端部と他方の境界部７との間にアークをそれぞれ発生させると同時に、加熱コイル３１によってパネル板３の裏面３ｂにおけるアークＡの発生箇所から溶接方向Ｄの後側へオフセットした箇所を局所的に加熱しているため、前述の新規な知見を適用すると、隅肉溶接時におけるパネル板３の角変形を十分に低減することができる。特に、アークＡの発生箇所に対する前記オフセットした箇所のオフセット量Ｌが１０〜１２０ｍｍに設定されているため、隅肉溶接時におけるパネル板３の角変形をより十分に低減することができる（後述の実施例参照）。また、パネル板３が通常の鉄鋼材料に比べて高い熱伝導率及び高い線膨張係数のアルミ合金により構成され、角変形し易いものであっても、隅肉溶接時におけるパネル板３の角変形を有効に低減することができる。これにより、接合構造体１の一連の製作工程から、パネル板３の角変形を防止する作業、パネル板３の角変形を矯正する作業を省略したり、それらの作業を簡素化したりすることができる。

パネル板３の裏面３ｂの最高温度をパネル板３の材料の力学的溶融温度未満に保つという条件の下で、加熱コイル３１によってパネル板３の裏面３ｂを加熱しているため、隅肉溶接時におけるパネル板３の強度（材料強度）の低下を防止することができる。

加熱体として高周波誘導加熱を行う加熱コイル３１を用いるため、パネル板３の裏面３ｂの温度制御が簡単になる。

従って、本発明の実施形態によれば、接合構造体１の一連の製作工程からパネル板３の角変形を防止する作業等を省略したり、それらの作業を簡素化したりすることができるため、接合構造体１を構成するパネル板３及びロンジ５のサイズが大きくても、接合構造体１の製作時間（施工時間）を大幅に短縮することができる。また、隅肉溶接時におけるパネル板３の強度の低下を防止できるため、接合構造体１の構造強度を十分に確保することができる。つまり、本発明の実施形態によれば、接合構造体１の構造強度を十分に確保しつつ、接合構造体１の製作時間を大幅に短縮することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

（実施例１）
図５（ａ）（ｂ）に示すように、第１金属板（材質：アルミ合金、長さ：１０００ｍｍ、幅：１０００ｍｍ、厚み：２０ｍｍ）の表面と第２金属板（材質：アルミ合金、長さ：１０００ｍｍ、高さ：５００ｍｍ、厚み：１２ｍｍ）の端面を突き合わせた状態で、第１金属板と第２金属板との一対の境界部に溶接方向に沿って溶接入熱を与え、かつ第１金属板の裏面における入熱箇所の真裏に加熱（図５（ｂ）の一点鎖線の白抜き矢印参照）を与えることを想定した。そして、この場合に、溶接入熱量に対する加熱量の割合と、第１金属板の角変形量（幅方向の端部の変形量）と、第１金属板の裏面の最高温度との関係について過渡伝熱解析及び熱弾塑性解析を行い、その解析結果をまとめると、図６（ａ）に示すようになる。

即ち、溶接入熱量に対する加熱量の割合が高くなる程、第１金属板の角変形（角変形量）を低減できることが判明した。なお、図示は省略するが、加熱箇所が溶接入熱箇所に対して溶接方向の後側（下流側）にオフセットしている場合も、同様の解析結果を得ることができた。

（実施例２）
図５（ａ）（ｂ）に示すように、第１金属板の表面と第２金属板の端面を突き合わせた状態で、第１金属板と第２金属板との一対の境界部に溶接方向に沿って溶接入熱を与え、かつ溶接入熱量に対する加熱量の割合を２０％の下で第１金属板の裏面に加熱を与えることを想定した。そして、この場合に、溶接入熱箇所に対する加熱箇所のオフセット量と、第１金属板の角変形量との関係について熱弾塑性解析を行い、その解析結果をまとめると、図６（ｂ）に示すようになる。なお、図６（ｂ）の横軸において、＋の符号は、加熱箇所が溶接入熱箇所に対して溶接方向の前側（上流側）にオフセットしていること（図５（ｂ）の二点鎖線の白抜き矢印参照）を表しており、−の符号は、加熱箇所が溶接入熱箇所に対して溶接方向の後側（下流側）にオフセットしていること（図５（ｂ）の実線の白抜き矢印参照）を表している。

即ち、加熱箇所が溶接入熱箇所に対して溶接方向の後側にオフセットしている場合の方が溶接方向の前側にオフセットしている場合よりも、第１金属板の角変形を十分に低減できることが判明した。特に、溶接入熱箇所に対する溶接方向の後側への加熱箇所のオフセット量が１０〜１２０ｍｍ、好ましくは、２０〜１００ｍｍである場合に、第１金属板の角変形をより十分に低減できることが判明した。

Ａ：アーク、Ｄ：溶接方向、Ｌ：オフセット量、１：接合構造体、３：パネル板（第１金属板）、３ａ：パネル板の表面、３ｂ：パネル板の裏面、５：ロンジ（第２金属板）、５ａ：ロンジの一側面、５ｂ：ロンジの他側面、５ｅ：ロンジの端面、７：境界部、９：溶接ビード、１１：溶接ユニット、１３：テーブル、１５：溶接台車、１７：トーチサポート、１９：溶接ワイヤ（溶接電極）、２１：溶接トーチ、２３：加熱ユニット、２５：溝、２５ｂ：溝の底面、２７：加熱台車、２９：コイルサポート、３１：加熱コイル（加熱体）、３３：整合トランス、３５：高周波電源

Claims

第１金属板と第２金属板を接合してなる接合構造体の製作に用いられ、前記第１金属板の表面と前記第２金属板の端面を突き合わせた状態で、前記第１金属板と前記第２金属板を隅肉溶接によって接合する隅肉溶接方法において、
溶接電極を保持する溶接トーチを用い、前記溶接トーチを前記第１金属板と前記第２金属板の境界部の長手方向に平行な溶接方向へ前記第１金属板及び前記第２金属板に対して相対的に移動させつつ、前記溶接電極の先端部と前記境界部との間にアークを発生させると共に、
同時に、加熱体を前記溶接方向へ前記第１金属板及び前記第２金属板に対して相対的に移動させつつ、前記第１金属板の裏面の最高温度を前記第１金属板の材料の力学的溶融温度未満に保つという条件の下で、前記加熱体によって前記第１金属板の裏面における前記アークの発生箇所から前記溶接方向の後側にオフセットした箇所を局所的に加熱し、
前記アークの発生箇所に対する前記オフセットした箇所のオフセット量は、１０〜１２０ｍｍに設定されている、隅肉溶接方法。
前記第１金属板は、液化ガス用タンクにおけるパネル板であり、前記第２金属板は、前記液化ガス用タンクにおけるロンジである、請求項１に記載の隅肉溶接方法。