JP2017185522A

JP2017185522A - Ｎｉ基合金系溶接材料を用いたレーザー・アークハイブリッド溶接法による溶接継ぎ手及びその作製方法

Info

Publication number: JP2017185522A
Application number: JP2016075815A
Authority: JP
Inventors: 修一中村; Shuichi Nakamura; 仁寿 ▲徳▼永; Masatoshi Tokunaga; 周雄猿渡; Suo Sawatari
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: JP6638529B2

Abstract

【課題】高Ｎｉ鋼等の厚手鋼板母材の溶接において、梨形ビード割れ、及び、表面割れ等の溶接欠陥が発生せず、かつ、母材と溶接金属の界面に融合不良を発生しないレーザー・アークハイブリッド溶接継ぎ手、及び、その作製方法を提供する。【解決手段】Ｎｉ基合金の溶接材料を使用したガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接金属を有する溶接継ぎ手において、溶接金属全体の面積をＷＴＡとし、ガスシールドアーク溶接の後続のレーザー溶接によって再溶融された部分の面積の和をＳＷＡとしたとき、面積率ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２０以上であり、１パス毎に形成される溶接金属の幅をＷ、高さをＨとしたとき、全てのＨ／Ｗが０．７未満であり、得られた溶接金属の酸素量が２２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする溶接継ぎ手とする。【選択図】図３

Description

本発明は、Ｎｉ基合金の溶接材料を使用して、溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接により得られる溶接金属を含む溶接継ぎ手及びその作製方法に関し、溶接金属の靱性に優れ、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れなどの溶接欠陥が生ぜず、かつ、深い溶け込みを得ることで溶接パス数を少なくすることが可能な溶接効率の高い溶接継ぎ手を提供する。

近年、地球温暖化排出ガスの少ないエネルギー源として、液化天然ガスの使用量が増加しており、それを貯蔵・運搬するためのＬＮＧタンク、ＬＮＧ船の建造も活発である。ＬＮＧを貯蔵するタンクには、−１６２℃の極低温でも脆性破壊を起こさない低温靭性が要求される。そのため、強度・低温靭性が優れる６〜９％のＮｉを含む高Ｎｉ鋼が使用されている。また、タンクの大型化のため、高Ｎｉ鋼の厚手化も検討されている。

高Ｎｉ鋼の溶接には、Ｎｉ基合金の溶接材料が主に使用されている。高Ｎｉ鋼の溶接施工方法として、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法、サブマージアーク溶接法が使用されている。被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法は、溶接効率化が非常に低く、厚手の高Ｎｉ鋼の溶接には適さない。一方、サブマージアーク溶接は溶接効率が高いが、溶接金属に高温割れが発生しやすく、その補修が頻繁に必要になるため、溶接施工コストは依然として高い。

そこで、効率的な溶接方法としては、ガスシールドアーク溶接の適用が考えられる。しかし、安定したアーク状態のガスシールドアーク溶接を行うためには、シールドガスにＣＯ₂ガスまたはＯ₂ガスを含む必要があるが、そのシールドガスを使用して得られる溶接金属は酸素を多く含む。
ＬＮＧタンクの鋼材、溶接金属に要求されるのは−１９６℃での靭性であるが、溶接金属の靭性に及ぼす酸素の影響は大きく、酸素が増加するにつれて、靭性は大きく劣化する。

一方で、シールドガスの酸素を極力低減して溶接する方法も考えられる。しかし、溶融した溶接金属の酸素が少ないと、溶融池が広がらないため凸ビード形状になりやすく、溶け込み不良、融合不良、高温割れなどの溶接欠陥が発生しやすい問題がある。これらを解決するために、ガスシールドアーク溶接に適用できるＮｉ基合金のフラックス入りワイヤが開発されている。しかし、高温割れを抑制するために、高価な合金元素が多量に添加されており、加えて、フラックス入りワイヤの製造コストは、ソリッドワイヤと比較して高いため、溶接材料コストが高くなる問題がある。このため、溶接施工効率が高く、かつ、溶接材料コストが安価な溶接施工方法が要望されている。

近年、鋼板の溶接の高効率化を目的として、レーザーとガスシールドアーク溶接を組み合わせたレーザー・アークハイブリッド溶接を用いて狭開先形状の溶接継ぎ手を作製することが検討されている（例えば特許文献１〜５参照）。

特許文献１には、引張強さが１１００ＭＰａ以上である４〜１２ｍｍの鋼板を、ソリッドワイヤを用いて、レーザーハイブリッド溶接により１パス溶接することで、鋼板表層の溶接金属の幅：Ｗ１を２．０〜７．０ｍｍ、鋼板表層から板厚の３／４における溶接金属の幅：Ｗ２を０．５〜２．４ｍｍとする溶接金属の断面形状を持ち、パラメータＣｅｑ（炭素当量）とＹ＝｛（［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］）／４０＋［Ａｌ］＋［Ｔｉ］｝が所定値であるＮｉを１．０〜９％含む溶接継ぎ手が開示されている。

この技術は、文献１中に記載されるように、板厚１２ｍｍまでの高強度鋼板を対象とした１パス溶接継ぎ手であり、それ以上の厚手鋼板の溶接に適用することはできない。

一方、特許文献２〜４では、レーザー照射点を前方とし、後方に溶接トーチを配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を採用している。これらの技術は、溶接方向前方よりレーザーを照射し、溶融池前方の開先底面と開先壁面を溶融しながら、アーク溶接を行うものであり、狭開先形状で、かつ低入熱の溶接であっても溶接金属と母材の境界に溶接欠陥が生じない良好な溶接継ぎ手が得られるとされている。しかし、これらの文献２〜４では、深溶け込みの溶接金属を形成した際の梨形ビード割れ、及び、表面割れに関しては検討されていない。

また、特許文献５は、先方に溶接トーチを配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を開示する。この技術は、凝固が完了した後、溶接金属にレーザーを照射し、溶接金属を再溶融させることで深溶け込みを得る方法であるが、深溶け込み形状で発生しやすい高温割れ（梨形ビード割れ、表面割れ）に関しては一切検討されていない。

国際公開第２０１１／１５５６２０号特開２０１２−０２０２９１号公報特開２０１２−２０６１４４号公報特開２０１２−２０６１４５号公報特開２０１３−１０３２５９号公報

本発明は、ＬＮＧタンクやＬＮＧ船などの極低温環境に曝される鋼構造物素材に適用される高Ｎｉ鋼等の厚手鋼板母材の溶接において、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れ等の溶接欠陥が発生せず、かつ、母材と溶接金属の界面に融合不良を発生しないレーザー・アークハイブリッド溶接継ぎ手、及び、その作製方法を提供して、溶接の積層数・パス数を減少させ、溶接施工効率及び溶接コストを著しく改善することを目的とする。

本発明者は、上記技術的課題を解決するために、Ｎｉ基合金等のソリッドワイヤ溶接材料を使用したガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いる場合の溶接条件を種々検討し、溶接金属の靱性に優れ、かつ、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れなどの溶接欠陥が発生せず、溶接効率の高い継ぎ手が得られる溶接法を見出した。
本発明は、下記のとおりである。

（１）Ｎｉ基合金の溶接材料を使用したガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接金属を有する溶接継ぎ手において、溶接金属全体の面積をＷＴＡとし、ガスシールドアーク溶接の後続のレーザー溶接によって再溶融された部分の面積の和をＳＷＡとしたとき、面積率ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２０以上であり、１パス毎に形成される溶接金属の幅をＷ、高さをＨとしたとき、全てのＨ／Ｗが０．７未満であり、得られた溶接金属の酸素量が２２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする溶接継ぎ手。

（２）ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接をすることによって上記（１）に記載の溶接継ぎ手を作製する方法であって、先行のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして２〜５％のＯ₂ガス、または、５〜２５％のＣＯ₂ガスを含むＡｒガスからなる混合ガスを用い、溶接入熱量が１４．０〜２１．５ｋＪ／ｃｍであり、後方のレーザー溶接には、波長が０．７８〜１．６０μｍのレーザーを使用し、レーザー照射狙い位置をＰ［ｍｍ］、溶接速度をＶ［ｍｍ／ｓｅｃ］とし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ〜１０Ｖ［ｍｍ］の範囲であることを特徴とするレーザー・アークハイブリッド溶接による溶接継ぎ手作製方法。

本発明の溶接継ぎ手は、高Ｎｉ鋼等の厚手鋼板母材の溶接において、Ｎｉ基合金の溶接材料を使用し、溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で作成した多層盛りの溶接金属からなる溶接継ぎ手であり、溶接金属の靱性に優れ、かつ、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れ等の溶接欠陥がなく、溶接の積層数・パス数を大幅に減少して、溶接施工効率や溶接コストを大幅に改善することができるので、産業上の効果は極めて大きい。

本発明の溶接継ぎ手から試験片を得る場合の継ぎ手断面図である。本発明が採用するレーザー・アークハイブリッド溶接方法を説明するための図である。溶接後の溶接継ぎ手断面形状を説明するための図である。ＳＷＡ／ＷＴＡ比と溶接欠陥個数との相関を示すグラフである。溶接金属中の酸素量がシャルピー吸収エネルギー値に及ぼす影響を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面により説明する。
以下に示す製造方法により、溶接継ぎ手を製造し、評価した。図１において、鋼板１１は、新日鐵住金（株）製の板厚が２０ｍｍの９％Ｎｉ鋼を採用し、裏板材１２として板厚１２ｍｍの９％Ｎｉ鋼を使用した。溶接材料６（図２参照）は、ＪＩＳ規格のＺ３３３４−ＳＮｉ６０８２及びＺ３３３４−ＳＮｉ６２７６に該当するＮｉ基合金のソリッドワイヤを使用した。［表１−１］に使用した鋼板１１の成分を、［表１−２］に溶接材料（溶接ワイヤ）６の成分を示す。

これらの鋼板と溶接ワイヤＳＷ１、又は、ＳＷ２を用いて、ＪＩＳ規格のＺ３１１１−２００５の「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」に記載される溶接継ぎ手の作製方法に従い、図１に示す開先形状に組み立て、［表２−１］〜［表２−２］に示す条件（電流、電圧、溶接速度、入熱、シールドガス組成、レーザー媒体、レーザー出力、レーザー照射狙い位置）にて、ガスシールド溶接とレーザー溶接を組み合わせたレーザー・アークハイブリッド溶接を行って、多層盛り溶接継ぎ手を作製した。

このようにして得られた溶接継ぎ手について、溶接方向に対して垂直方向に切断し、その断面を鏡面研磨・ナイタール腐食によって組織を現出した。それを目視及び光学顕微鏡にて観察を行い、溶接金属の全体の面積を測定してＷＴＡとし、再溶融した部分の面積をそれぞれ測定し、その総和をＳＷＡとし、ＳＷＡ／ＷＴＡを計算した。
溶接欠陥については、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れの個数を数え、その総和を溶接欠陥の個数とした。
さらに、１パス毎の溶接金属の高さと幅をそれぞれ観察し、Ｈ／Ｗが最大になるものを測定した。
観察の結果、図４に示すように、ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２０以上、即ち、溶接金属全体の面積ＷＴＡに対して、ガスシールドアーク溶接に後続するレーザー溶接によって再溶融された部分の面積の和ＳＷＡが０．２０以上である領域では、溶接欠陥の発生が見られなかった。

次に、図１に示すように、ＪＩＳ規格のＺ３１１１−２００５に準拠したＡ１号引張試験片（丸棒）（径＝１２．５ｍｍ）１５とＺ２２４２−２００５に準拠したシャルピー試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）１４を採取し、それぞれの機械特性試験を行って、溶着金属の引張強度、及び−１９６℃（液体窒素温度）におけるシャルピー吸収エネルギーｖＥ_-196［Ｊ］を測定した。

機械特性の評価基準は以下の通りとした。
・引張強度：ＬＮＧタンクの電気事業法やガス事業法にて溶接部に要求されている引張強度が６６０ＭＰａ以上を合格とした。

・靭性：Ｚ３３３４−ＳＮｉ６０８２のインコネル系溶接材料ＳＷ１については、−１９６℃でのシャルピー吸収エネルギー８０Ｊ以上を合格とし、Ｚ３３３４−ＳＮｉ６２７６のハステロイ系溶接材料ＳＷ２については、−１９６℃でのシャルピー吸収エネルギー６０Ｊ以上を合格とした。

溶接金属の酸素量測定は、板厚中央部かつ溶接金属の幅中央部の箇所から溶接継ぎ手の長手方向に溶接金属の酸素測定用の分析試料のピンを切り出し、不活性ガス−溶解赤外線吸収法により測定した。図５に結果を示すように、何れの溶接材料についても、酸素量２２０ｐｐｍ以下の領域において、合格範囲のシャルピー吸収エネルギー値が得られている。
以上の試験結果を［表３−１］〜［表３−２］に示す。

［表３−１］〜［表３−２］の試験結果に示されるように、本発明例である試験番号Ｔ１〜Ｔ３０は、合格であった。一方、比較例である試験番号Ｔ３１〜Ｔ４２は、総合判定で不合格となった。

即ち、Ｔ３１は、レーザー出力が足りず、また、Ｔ３２は溶接速度が速すぎて、共にレーザー照射による再溶融部分の面積率ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２０に満たず、溶接欠陥が発生した。
また、Ｔ３３とＴ３４は、シールドガス中の酸素又は二酸化炭素の含有量が不十分であったため、アークが不安定となり、溶接ビード形状不良に起因する溶接欠陥が生起したため、これらについては引張強度試験、及びシャルピー試験を行うに至らなかった。

Ｔ３５〜Ｔ３８は、Ｔ３３やＴ３４とは逆に、シールドガス中に過剰の酸素や二酸化炭素を含むか、或いは、１００％二酸化炭素のシールドガスにて継ぎ手を溶接した比較例である。これらの比較例においては、溶接金属中の酸素量が何れも２２０ｐｐｍ以上となった結果、−１９６℃におけるシャルピー吸収エネルギー値が６０Ｊ未満となり、規定の靱性を確保することができなかった。

Ｔ３９〜Ｔ４１は、ガスシールドアーク溶接に後続するレーザー照射位置の不適切により、溶接欠陥を生じた比較例である。Ｔ３９は狙い位置が近すぎるため、また、Ｔ４０とＴ４１は狙い位置が遠すぎるために、何れも、適切な再溶融状態を得ることができずに、面積率ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２に満たなかったため、溶接欠陥を発生した。
また、Ｔ４２は、溶接速度との相対的な比較において、過大な電圧、電流であったため、溶接線単位長さ当りの入熱量が過大となった結果、溶着量が増大して再溶融不十分を生じて溶接欠陥を発生し、不合格となった。

本発明によれば、高Ｎｉ鋼等の厚手鋼板母材の溶接において、Ｎｉ基合金の溶接材料を使用し、溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で作成した多層盛りの溶接金属からなる溶接継ぎ手を形成することで、溶接金属の靱性に優れ、かつ、溶け込み不良、融合不良、及び、高温割れ等の溶接欠陥のない健全な溶接継ぎ手を、溶接の積層数・パス数を大幅に減少して製作することができるので、溶接施工効率や溶接コストを大幅に改善することが可能となる。

１鋼板表裏面
２溶接金属
３溶融池
４移行液滴
５アーク溶接狙い位置
６溶接ワイヤ
７ガスシールドアーク溶接トーチ
８レーザートーチ
９レーザー光
１０レーザー照射点
１１鋼板
１２裏当て金
１３溶接金属
１４シャルピー試験片（２ｍｍＶノッチ試験片）
１５引張試験片（丸棒）

Claims

Ｎｉ基合金の溶接材料を使用したガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接を用いた溶接方法で得られる多層盛りの溶接金属を有する溶接継ぎ手において、溶接金属全体の面積をＷＴＡとし、ガスシールドアーク溶接の後続のレーザー溶接によって再溶融された部分の面積の和をＳＷＡとしたとき、面積率ＳＷＡ／ＷＴＡが０．２０以上であり、１パス毎に形成される溶接金属の幅をＷ、高さをＨとしたとき、全てのＨ／Ｗが０．７未満であり、得られた溶接金属の酸素量が２２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする溶接継ぎ手。
ガスシールドアーク溶接の溶接トーチを先行させ、その後方にレーザー照射点を配置したレーザー・アークハイブリッド溶接をすることによって請求項１に記載の溶接継ぎ手を作製する方法であって、先行のガスシールドアーク溶接において、シールドガスとして２〜５％のＯ₂ガス、または、５〜２５％のＣＯ₂ガスを含むＡｒガスからなる混合ガスを用い、溶接入熱量が１４．０〜２１．５ｋＪ／ｃｍであり、後方のレーザー溶接には、波長が０．７８〜１．６０μｍのレーザーを使用し、レーザー照射狙い位置をＰ［ｍｍ］、溶接速度をＶ［ｍｍ／ｓｅｃ］とし、先行のガスシールドアーク溶接のワイヤ狙い位置を原点０とした場合、ワイヤ狙い位置より溶接進行方向の反対方向にＰがＶ〜１０Ｖ［ｍｍ］の範囲であることを特徴とするレーザー・アークハイブリッド溶接による溶接継ぎ手作製方法。