JP2021137860A - クラッド鋼の突合せ溶接方法、溶接継手の製造方法及び溶接構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立できるクラッド鋼の突合せ溶接方法を提供する。【解決手段】所定の条件を満たす開先を形成するように、クラッド鋼を突き合わせる工程と、強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、非耐食鋼側から初層溶接を行い、裏ビード幅Ｗｂに対する裏ビード高さＨｂである形状指数がＨｂ／Ｗｂ＜１を満たす裏ビードを高耐食材側の開先内に形成させて非耐食鋼側を溶接する工程と、耐食性が高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、裏ビードのはつり作業を行うことなく、高耐食材側を溶接する工程と、を備えるクラッド鋼の突合せ溶接方法。【選択図】図６Ｂ

Description

本発明は、クラッド鋼の突合せ溶接方法、溶接継手の製造方法及び溶接構造物の製造方法に関する。

陸上や海上における原油や天然ガスの輸送には、パイプラインが世界的に広く用いられている。パイプラインには、腐食性のある流体を流す場合が多く、高耐食性の合わせ材を内面に用いたクラッド鋼管が広く採用されている。例えば、海底油田の採掘エリアと海上構造物とを接続するライザーパイプでは、高い耐食性が要求されるため、炭素鋼管の内面にＡｌｌｏｙ６２５を施したクラッド鋼管が採用される。近年、採掘エリアの更なる高深度化から、パイプ重量の増加に起因するパイプ運搬、敷設コストの増加などが課題となっており、クラッド鋼管の高強度化や薄肉化に対するニーズが高まっている。

クラッド鋼管の溶接は、鋼管製造時における鋼管長手方向のシーム溶接と、鋼管敷設時の円周溶接に大きく分けられる。

シーム溶接は、特許文献１に示すように、ＵＯＥプロセスにより両側からサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）する溶接方法や、特許文献２に示すように、合わせ材側に母材の一部に達する開先を形成して該開先の底部を母材系溶接材で融接し、さらに母材側を裏はつりして、母材側開先を母材用溶接材で融接した後、合せ材側開口部を合せ材用溶接材で融接する溶接方法が開示されている。また、スパイラル状に鋼板を加工してシーム部となる箇所を両側から連続溶接する方法なども知られている。

大径管敷設時の円周溶接では、融合不良等の欠陥を防止するため、炭素鋼側からの初層溶接により形成された裏ビードを裏はつり作業により除去した後、鋼管の内面から合わせ材側を溶接する手法が知られている。しかし、内径が５０インチ以下の小径管においては、パイプ内側へ人が入って作業を行う、内面からの裏はつり作業が極めて困難となることから、外側より片面溶接が行われる。

しかしながら、外側から片面溶接を行う場合、高温割れが生じやすいことが知られており、このような初層溶接の高温割れに対し、非特許文献１及び非特許文献２には、短絡波形制御が可能な電源を用いて、ソリッドワイヤ又はメタルコアードワイヤで溶接し、開先残り部分をフラックスコアードワイヤ、ソリッドワイヤ又はメタルコアードワイヤで溶接する方法が記載されている。そして、この施工法を用いれば、入熱が低い溶接が可能となるため、一般的に高温割れの発生し易い初層溶接においても、高温割れを抑制できるとしている。

特開平７−２９０２４４号公報 特開平７−８８６５３号公報

「Ｌｉｎｃｏｌｎ ＳＴＴ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｗｅｌｄｓ Ｃｈｉｎａ‘ｓ Ｌｏｎｇｅｓｔ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ」、［令和２年３月６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：//ｗｗｗ.ｌｉｎｃｏｌｎｅｌｅｃｔｒｉｃ.ｃｏｍ/ｄｅ−ｄｅ/ｓｕｐｐｏｒｔ/ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｔｏｒｉｅｓ/Ｐａｇｅｓ/ｃｈｉｎａ−ｌｏｎｇｅｓｔ−ｐｉｐｅｌｉｎｅ.ａｓｐｘ＞ 「Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、［令和２年３月６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：//ｗｗｗ.ｈｏｂａｒｔｂｒｏｔｈｅｒｓ.ｃｏｍ/ｉｎｄｅｘ.ｐｈｐ？ｍａｃｔ＝Ｎｅｗｓ,ｃｎｔｎｔ０１,ｐｒｉｎｔ，０＆ｃｎｔｎｔ０１ａｒｔｉｃｌｅｉｄ＝５３＆ｃｎｔｎｔ０１ｓｈｏｗｔｅｍｐｌａｔｅ＝ｆａｌｓｅ＆ｃｎｔｎｔ０１ｒｅｔｕｒｎｉｄ＝５２３＞

なお、裏ビードがパイプ内面に残される場合は共用上問題なく使用されているが、その上に溶接を行う場合には融合不良等の欠陥を誘発するおそれがあるため、裏はつりが必要となる。裏はつりを必要としない大入熱の肉盛溶接を行う場合には、全姿勢での溶接が行えず、固定管の円周溶接に適用できない。また、合わせ材として、例えばＡｌｌｏｙ６２５が使用されたクラッド鋼管を片側溶接する場合、溶接材料としては、一般的にＮｉ基合金が選択される。これは、初層溶接でＡｌｌｏｙ６２５と同等以上の耐食性を有する溶接金属を形成し、かつ高耐食溶接金属と非耐食鋼の異材溶接部での割れ発生が防止可能なことによる。

しかし、現存するＮｉ基合金の溶接材料で作製される溶接金属の降伏応力は、４２０〜４８０ＭＰａ程度であり、非耐食鋼母材よりも溶接部の強度の方が高いオーバーマッチ継手となるためには、非耐食鋼管として米国石油協会が定めるＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６０〜Ｘ６５（耐力：４２０〜４５０ＭＰａ）の鋼管の使用が限界であり、さらなる高強度材料であるＡＰＩ５ＬＸ６５〜Ｘ８０の鋼管に適用することができない。なお、合わせ材としてステンレス鋼等が用いられる場合にも同様である。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立できるクラッド鋼の突合せ溶接方法を提供することにある。

したがって、本発明の上記目的は、クラッド鋼の突合せ溶接方法に係る下記［１］の構成により達成される。

［１］ 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接方法であって、
下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
を備えることを特徴とするクラッド鋼の突合せ溶接方法。
Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。
この構成によれば、裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立できる。

また、クラッド鋼の突合せ溶接方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］〜［９］に関する。

［２］ 前記高耐食材側に形成される前記開先の形状は、２＜Ｗ−Ｇ、Ｄ≦２Ｈ、及び９０°≦θ_１≦１２０°の全てを満足する、［１］に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
ただし、Ｇ：ルートギャップ［ｍｍ］である。
この構成によれば、非耐食鋼側の初層溶接において、高耐食材の合わせ材の溶融を抑制することができ、これにより過度な溶接金属の硬化を防止することができる。また、ガスシールドアーク溶接により高耐食材側を溶接する際、溝端部に生じる融合不良を低減することができる。

［３］ 前記第２の溶接材料を用いた前記高耐食材側の溶接における溶接電流は１５０〜２５０Ａである、［１］又は［２］に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、固定管の溶接で必要となる全溶接姿勢において、ビード形状の凹凸が少なく、融合不良などの溶接欠陥を抑制できる。

［４］ 前記高耐食材側の溶接をガスシールドアーク溶接により行い、該ガスシールドアーク溶接における溶接電流の条件として、下向溶接の場合は１６０〜２２０Ａ、立向溶接の場合は１５０〜２２０Ａ、上向溶接の場合は１６０〜２２０Ａとする、［１］〜［３］のいずれか１つに記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、アークが安定した状態でのガスシールドアーク溶接が可能となる。

［５］ 前記クラッド鋼は、クラッド鋼板又はクラッド鋼管であり、前記溶接電流を、直線状、ステップ状、曲線状のうち少なくとも１つで変化させるように制御する、［４］に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、溶接電流を滑らかに変化させることで、溶接姿勢によらず、融合不良のない良好な肉盛り溶接金属が得られる。

［６］ 前記高耐食材側の溶接における溶接入熱量Ｑを１．０〜６．０ｋＪ／ｍｍとする、［１］〜［５］のいずれか１つに記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、融合不良が少なく、かつ溶落ちの危険性が少ない、良好な肉盛溶接金属が得られる。

［７］ 前記クラッド鋼は、非耐食鋼板と高耐食材の合わせ材である、［１］〜［６］のいずれか１つに記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、非耐食鋼板と高耐食材で構成されたクラッド鋼を突合せ溶接できる。

［８］ 前記耐食材は、ステンレス鋼板又はＮｉ基合金板のいずれかである、［７］に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、耐食材が、ステンレス鋼板又はＮｉ基合金板であるクラッド鋼を突合せ溶接できる。

［９］ 半自動溶接又は自動溶接のいずれかで溶接される、［１］〜［８］のいずれか１つに記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
この構成によれば、クラッド鋼を溶接欠陥なく安定して突合せ溶接できる。

また、本発明の上記目的は、溶接継手の製造方法に係る下記［１０］の構成により達成される。

［１０］ 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接により作製される溶接継手の製造方法であって、
下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。
Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。
この構成によれば、裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立でき、クラッド鋼が突合せ溶接された構造の溶接継手を溶接欠陥なく製造することができる。

また、本発明の上記目的は、溶接構造物の製造方法に係る下記［１１］の構成により達成される。

［１１］ 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接により作製される溶接構造物の製造方法であって、
下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
を備えることを特徴とする溶接構造物の製造方法。
Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。
この構成によれば、裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立でき、クラッド鋼が突合せ溶接された構造を有する、例えばパイプや圧力容器などの溶接構造物を溶接欠陥なく製造することができる。

本発明のクラッド鋼の突合せ溶接方法によれば、裏ビードのはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼側において非耐食鋼の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管の耐食性と高強度とを両立できる。

図１は、本発明に係るクラッド鋼管の断面図及び溶接部の拡大図である。 図２は、図１に示す高耐食材側の開先形状を示す断面図である。 図３は、非耐食鋼側の開先形状を示す断面図である。 図４は、非耐食鋼の初層溶接により形成される裏ビード形状の断面図である。 図５Ａは、高耐食材側の開先形状の一例を示す概略図である。 図５Ｂは、高耐食材側の他の開先形状を示す概略図である。 図６Ａは、評価試験に用いられた鋼板の開先形状を示す概略図である。 図６Ｂは、評価試験のために鋼板に作製した裏ビード形状を示す概略図である。

以下、本発明に係るクラッド鋼の突合せ溶接方法の一実施形態を、クラッド鋼管のシーム溶接を例に、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の溶接方法は、クラッド鋼管のシーム溶接に限定されず、クラッド鋼管の円周溶接やクラッド鋼板の突合せ溶接にも適用可能である。

図１に示すように、本実施形態のクラッド鋼管１０は、炭素鋼板などの非耐食鋼板と、合わせ材としてのステンレス鋼板やＮｉ基合金板などの耐食金属板である高耐食材を、圧延などにより接合してクラッド鋼板とし、さらにＵＯＥプロセスにより非耐食鋼板を外側にして断面円形に成形した後、突合せ端面１３同士をシーム溶接することで、溶接金属１４を形成して製造される。すなわち、クラッド鋼管１０の外面側を非耐食鋼１１で形成し、内面側を高耐食材１２で形成することで、非耐食鋼１１により機械的強度を確保するとともに、高耐食材１２により耐食性を確保している。なお、以下の説明において、高耐食材１２は、合わせ材１２と言うこともある。

具体的に、クラッド鋼管１０の溶接は、図２及び図３に示すように、非耐食鋼１１側及び高耐食材１２側のそれぞれに、あらかじめ溝加工を施して、非耐食鋼１１側の開先２０Ａと高耐食材１２側の開先２０Ｂを形成する。そして、開先２０Ａ及び開先２０Ｂにつき、開先２０Ａ，開先２０Ｂの順でアーク溶接する。まず、開先２０Ａ及び開先２０Ｂの開先形状について説明する。

＜非耐食鋼側の開先形状＞
非耐食鋼１１側の開先２０Ａの形状は、特に限定されないが、例えば図３に示すように、開先２０Ａの一方の溝角度θ_２は３０°≦θ_２≦６０°の範囲に設定され、θ_３は５°≦θ_３≦３０°の範囲に設定され、対峙する面は対称かあるいはそれに近い形状が採用されるのが一般的である。

＜高耐食材側の開先形状＞
高耐食材１２側の開先２０Ｂの形状は、図２及び図５Ａに示すように、最大溝幅Ｗ_ｍａｘ＝Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝として、下記式（１）及び式（２）の条件を満足する形状に形成される。
Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］である。

なお、図５Ｂに示すように、溝底部２１と側面２２との角部（溝端部）にＲ加工が施されない場合は、上式においてＲ＝０であり、最大溝幅Ｗ_ｍａｘ＝Ｗ＋２Ｄｔａｎ（θ_１−９０°）≦２０ｍｍで表される。溝端部は、いずれの形状であってもよいが、滑らかな形状に形成されるのが、融合不良の発生をより抑制させるという観点から好ましい。

最大溝幅Ｗ_ｍａｘ≦２０ｍｍとする理由は、溝幅の増加に伴いウィービング幅を増加させる必要があり、過度のウィービング幅の増加は、固定管に要求されるような全溶接姿勢での溶接において、ビード表面の凹凸が大きくなり、融合不良を助長してしまうおそれがあることによる。また、過度に溝幅を大きくすることは、開先断面積が大きくなることを意味し、溶接能率を低下させるため実用的でない。

また、Ｈ＜Ｄとする理由は、合わせ材１２の事前除去が不十分なまま、非耐食鋼１１側から、強度が非耐食鋼１１と同等以上の第１の溶接材料、すなわち非耐食鋼用溶接材料を用いて初層溶接した場合、合わせ材１２を溶融してしまうおそれがあることによる。合わせ材１２を溶融した非耐食鋼用溶接材料が生成する溶接金属中には、焼入れ性の高い合金成分が混入し、過度な溶接金属の硬化を招き、延性を著しく低下させ、割れが生じるリスクがある。よって、Ｈ＜Ｄとすることで、当該リスクを大幅に低減することが可能となる。なお、高耐食材１２の好ましい厚さＨは、略１〜１２ｍｍであり、開先２０Ｂの好ましい溝深さＤは、略（Ｈ＋１）〜（Ｈ＋５）ｍｍである。

さらに、高耐食材１２側に形成される開先２０Ｂの形状は、２＜Ｗ−Ｇ、Ｄ≦２Ｈ、及び９０°≦θ_１≦１２０°の全てを満足することが好ましい。ここで、Ｇ：ルートギャップであり、Ｇ≦１０ｍｍを満たすのが良い。

２＜Ｗ−Ｇとする理由は、非耐食鋼１１側からの初層溶接において、合わせ材１２を溶融することなく溶接を行うことができることによる。高耐食材１２側の化学成分が非耐食鋼側溶接金属に混入すると、過度の溶接金属の硬化を招き、延性を著しく低下させ、割れが生じてしまうおそれがある。なお、好ましくはＷ−Ｇ≦１５ｍｍとするのがよい。Ｗ−Ｇを１５ｍｍ以下とすることで、固定管のように全姿勢での溶接が必要な場合に、より安定した溶接を行うことができる。

Ｄ≦２Ｈとする理由は、Ｄ＞２Ｈになると、過度に溝断面積が増加して溶接能率を低下させるだけでなく、継手強度を担保する非耐食鋼１１側の溶接金属部が減少することに繋がり、継手強度を低下させてしまうことによる。なお、実際に溝加工を行う際は、鋼管の継手強度を考慮した上で、Ｈ＜Ｄ≦２Ｈの範囲内から適宜、選定及び加工されるのがよい。

９０°≦θ_１≦１２０°とする理由は、θ_１が小さいと、ガスシールドアーク溶接により高耐食材１２側から溶接する際、溝端部に融合不良を生じやすいことによる。よって、θ_１を９０°以上にすることで当該リスクを低減することができる。なお、好ましくは、θ_１≧９５°とするのがよい。θ_１≦１２０°とするのは、θ_１が過度に大きいと、開先断面が大きくなることに起因する溶接能率の低下を招き、実用的でなくなるためである。

上記に加え、非耐食鋼１１側に形成される開先２０Ａの形状は、０ｍｍ＜Ｆ≦４ｍｍをさらに満足することが好ましい。ただし、Ｆ：ルートフェイスである（図３を参照）。
０ｍｍ＜Ｆ≦４ｍｍとする理由は、ルートフェイスＦが４ｍｍを超えると、非耐食鋼１１側からの初層溶接において、溶込み不良が生じるおそれがあり、また安定した裏ビード３０の形成が極めて難しくなることによる。

＜クラッド鋼管の溶接＞
このような開先２０（２０Ａ，２０Ｂ）を有するクラッド鋼管１０の溶接は、まず、非耐食鋼１１側の開先２０Ａから、強度が非耐食鋼１１と同等以上、すなわち同等又はオーバーマッチとなる第１の溶接材料（図示せず）を用いたガスシールドアーク溶接により、非耐食鋼１１側を溶接する。このガスシールドアーク溶接は、従来の溶接方法での実施が可能であり、初層溶接には、短絡移行を安定化する波形制御が可能な電源を用いることができる。

非耐食鋼１１側の初層溶接により、高耐食材１２側の開先２０Ｂ内には、図４に示すように裏ビード３０が形成される。裏ビード３０の形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂは、下記式（３）の条件を満足する必要がある。
Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
ただし、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。

Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１とする理由は、裏ビード３０が過度に凸形状、すなわちＨ_ｂ／Ｗ_ｂ≧１になると、高耐食材１２側を溶接する際に、裏ビード３０の止端部（母材面とビード表面の交線）を十分に溶融することができず、融合不良を生じてしまうおそれがあることによる。なお、裏ビード３０の形状は、溶接条件を制御することで管理可能である。Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂが１を超える場合には、従来通り、裏はつりを実施した後、高耐食材１２側の溶接を行う必要がでてしまう。

続いて、上記した非耐食鋼１１側からの溶接終了後、耐食性が高耐食材１２と同等以上の第２の溶接材料（図示せず）を用い、裏ビード３０のはつり作業を行うことなく、クラッド鋼管１０の内面から合わせ材１２側の開先２０Ｂに、マグ溶接やガスタングステンアーク溶接といった、ガスシールドアーク溶接により肉盛溶接する。

なお、上記した非耐食鋼１１側からの溶接及び高耐食材１２側からの溶接は、半自動溶接と自動溶接のいずれを用いてもよい。

以上のように、所定の非耐食鋼１１側の開先形状及び高耐食材１２側の開先形状の条件を満足し、かつ、所定の条件を満足するクラッド鋼管１０の溶接を行うことで、裏ビード３０のはつり作業を行うことなく、パイプの内側から全姿勢での溶接を行うことができ、かつ、非耐食鋼１１側において非耐食鋼１１の強度と同等以上となる溶接材料による溶接を可能にして、クラッド鋼管１０の耐食性と高強度とを両立できる。なお、継手強度については、非耐食鋼１１側の溶接材料である第１の溶接材料の溶接金属性能で担保しつつ、内面の耐食性については、合わせ材１２と高耐食材１２側の溶接材料である第２の溶接材料で担保する。

そして、クラッド鋼管１０の耐食性と高強度とを両立させることで、クラッド鋼が突合せ溶接された構造の溶接継手や、例えばパイプや圧力容器などの溶接構造物を溶接欠陥なく製造することができる。

＜高耐食材側を溶接する際の好ましい条件＞
（溶接電流）
マグ溶接の場合、溶接電流は溶接材料の送給量と密接な関係があり、溶接電流の増減により溶着金属量が変化する。ガスタングステンアーク溶接の場合、電流の増減は溶着金属量には影響を与えないが、溶接入熱量の増減によりアークが溶融する面積が変化し、溶接後のビード形状に大きな影響を与える。いびつなビード形状は、次層以降の溶接において融合不良やスラグ巻込みなどの溶接欠陥の発生を助長してしまう。しかし、高耐食材１２側を溶接する際の溶接電流の電流値を１５０〜２５０Ａとすることで、固定管の溶接で必要となる全溶接姿勢において、凹凸が少なく、かつ融合不良などの溶接欠陥を招きにくい形状を得ることができる。

さらに、高耐食材１２側の溶接をガスシールドアーク溶接により行う際、各溶接姿勢における溶接電流の条件として、下向溶接の場合は１６０〜２２０Ａ、立向溶接の場合は１５０〜２２０Ａ、上向溶接の場合は１６０〜２２０Ａとすることが好ましい。特に、ガスシールドアーク溶接の一例であるマグ溶接により行う際、各溶接姿勢における溶接電流の条件として、下向溶接の場合は１８０〜２００Ａ、立向溶接の場合は１５０〜１７０Ａ、上向溶接の場合は１８０〜２００Ａとすることが好ましい。また、高耐食材１２側の溶接をガスタングステンアーク溶接により行う際、各溶接姿勢における溶接電流の条件として、下向溶接の場合は１６０〜２２０Ａ、立向溶接の場合は１６０〜２２０Ａ、上向溶接の場合は１６０〜２２０Ａとすることが好ましい。これにより、アークが安定した状態での溶接が可能となる。

また、クラッド鋼管１０の溶接中に溶接姿勢が変化する場合、各溶接姿勢における溶接電流は、急な変化を伴うのではなく、溶接電流を、直線状、ステップ状、曲線状のうち少なくとも１つで変化させるように制御し、溶接電流の急激な変化を抑制することが好ましい。このように、溶接電流を滑らかに変化させることで、溶接姿勢によらず、融合不良のない良好な肉盛り溶接金属が得られる。例えば、溶接電流を５〜３０［Ａ／ｒａｄ］ずつ、好ましくは１０〜２５［Ａ／ｒａｄ］ずつ、より好ましくは１５〜２０［Ａ／ｒａｄ］ずつ、滑らかに変化させることが好ましい。

（溶接入熱量Ｑ）
マグ溶接又はガスタングステンアーク溶接において、溶接入熱量Ｑが低いと、高耐食材１２側に形成される裏ビード３０の止端部（母材面とビード表面の交線）や溝端部を十分に溶融するだけの熱量が無く、融合不良を招く可能性がある。一方、溶接入熱量Ｑが高いと、肉盛溶接金属の凸形状化、さらには溶落ちを誘発する危険性が増加する。よって、高耐食材１２側の溶接における溶接入熱量Ｑは、１．０ｋＪ／ｍｍ≦Ｑ≦６．０ｋＪ／ｍｍで制限することが好ましい。これにより融合不良が少なく、かつ溶落ちの危険性が少ない良好な肉盛溶接金属が得られる。
なお、例えばガスシールドアーク溶接の一例であるマグ溶接の場合、上記溶接入熱量Ｑは、１．０ｋＪ／ｍｍ≦Ｑ≦３．０ｋＪ／ｍｍで制限することがより好ましい。また、例えばガスタングステンアーク溶接の場合、上記溶接入熱量Ｑは、４．０ｋＪ／ｍｍ≦Ｑ≦６．０ｋＪｍｍで制限することがより好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜評価試験１＞
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、供試鋼板としてのＪＩＳ Ｇ３１０６（２０１５） ＳＭ４９０Ａの鋼板（軟鋼）４１に、合わせ材のカットバック（開先２０Ｂ）を想定した溝４２を加工し、さらに非耐食鋼１１側からの溶接により形成が想定される裏ビード３０を溝４２の中央部に形成して、比較例である試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６及び試験Ｎｏ．１０の各試験片４０Ａと、実施例である試験Ｎｏ．７〜試験Ｎｏ．９の各試験片４０Ｂをそれぞれ作製した。

裏ビード３０は、施工法のロバスト性を検証する目的で、表１に示す溶接条件で溶接し、表２に示すように、タイプ１〜タイプ４の４タイプの形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂを有する裏ビード３０を作製した。

表３には、試験Ｎｏ．１〜試験Ｎｏ．１０の各試験片４０Ａ，４０Ｂを合わせ材側から溶接する際の施工法及び溶接方法を、溝形状及び裏ビード形状とともに示している。なお、試験Ｎｏ．１〜試験Ｎｏ．３における溝端部形状の曲率半径は、Ｒ≒０を想定して加工した結果、０．４ｍｍ程度であった。

そして、タイプ１〜４の裏ビードを有する各試験片４０Ａ，４０Ｂを、それぞれ下向姿勢、立向姿勢、上向姿勢でマグ溶接を行い、継手の健全性を評価した。評価結果を溶接条件とともに、表４−１〜表４−３に示す。

健全性の評価は、Ｘ線透過試験を行い、ＪＩＳ Ｚ３１０４（２０１４出版）「鋼溶接継手の放射線透過試験方法」付属書４表１に従い、きずの種別判定をし、付属書４表５に従い、きずの分類を行った。ここで、きずの評価基準は「欠陥無し」、「１類」及び「２類」を、健全な肉盛溶接金属（合格）であると評価し、「３類」及び「４類」を、不健全な肉盛溶接金属（不合格）であると評価した。
また、溶落ちが無く溶接が完了し、かつ健全な肉盛り溶接金属が得られた溶接条件を評価するものとして、下記に示す総合評価Ａ又はＢのものを合格とし、総合評価Ｃのものを不合格とした。
[総合評価]
Ａ：全姿勢での溶接が良好でかつ欠陥無し
Ｂ：全姿勢での溶接が良好で若干の欠陥有り(ただし、非破壊試験において合格)
Ｃ：少なくとも一部の姿勢での溶接に難があり、溶接欠陥を生じやすい

表４−１〜表４−３に示すように、比較例である試験Ｎｏ．１〜試験Ｎｏ．６の試験片４０Ａは、最大溝幅Ｗ_ｍａｘが本発明で規定する条件（Ｗ_ｍａｘ≦２０ｍｍ）を満足せず、また、同じく比較例である試験Ｎｏ．１０の試験片４０Ａは、裏ビード３０の形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂが本発明の規定する条件（Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１）を満足しないため、溶接姿勢によってはＸ線透過試験による判定が合格であったものが存在するものの、いずれも総合評価Ｃで不合格であった。

一方、実施例である試験Ｎｏ．７〜試験Ｎｏ．９の試験片４０Ｂは、溝形状及び裏ビード３０の形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂのいずれもが、本発明で規定する条件を満足しており、いずれの溶接姿勢においてもＸ線透過試験による判定が合格であり、いずれも総合評価Ａ又はＢで合格であった。

＜評価試験２＞
炭素鋼管（ＪＩＳ Ｇ３４４５（２０１６）ＳＴＫＭ １３Ａ−ＳＨ）を供試し、固定管の円周溶接での評価を行った。評価試験１の結果を参照して、溝形状はＷ−Ｇ＝６ｍｍ、Ｄ＝７ｍｍ（合わせ材厚さＨ＝５ｍｍと想定）、Ｒ＝５ｍｍに固定した条件により、継手の健全性を評価した。

表５には、円周溶接における施工法及び溶接方法を、溝形状及び裏ビード３０の形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂとともに示している。

なお、肉盛溶接は、試験Ｎｏ．１１で示すマグ溶接に加え、試験Ｎｏ．１２で示すガスタングステンアーク溶接でも実施した。また、溶接電流が変化する場合において、溶接電流を１９Ａ／ｒａｄ程度ずつ滑らかに変化させた。融合不良のない良好な肉盛り溶接金属が得られた。なお、試験Ｎｏ．１２は半自動溶接で実施したが、自動機を適用した場合も同じ効果が期待される。

表６に、継手の健全性の評価結果を溶接条件とともに示す。なお、健全性の評価基準は、第１評価試験と同様の手順による。表６に示すように、実施例である試験Ｎｏ．１１及び試験Ｎｏ．１２の試験片４０Ａは、溝形状及び裏ビード３０の形状指数Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂのいずれもが、本発明で規定する条件を満足しており、Ｘ線透過試験による判定が合格であり、いずれも総合評価Ａ又はＢで合格であった。よって、円周溶接での評価においても、評価試験１と同様の結果が得られた。

なお、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０ クラッド鋼管（クラッド鋼）
１１ 非耐食鋼
１２ 高耐食材（合わせ材、ステンレス鋼板、Ｎｉ基合金板）
２０，２０Ａ，２０Ｂ 開先
３０ 裏ビード
Ｄ 溝深さ
Ｆ ルートフェイス
Ｇ ルートギャップ
Ｈ 高耐食材の厚さ
Ｈ_ｂ 裏ビード高さ
Ｗ_ｂ 裏ビード幅
Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ 裏ビードの形状指数
Ｒ 溝端部の曲率半径
Ｗ 高耐食材側の溝平行部長さ
Ｗ_ｍａｘ 最大溝幅
θ_１，θ_２，θ_３ 溝角度

Claims (11)

1. 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接方法であって、
   下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
   強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
   耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
   を備えることを特徴とするクラッド鋼の突合せ溶接方法。
   Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
   Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
   Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
   ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。
2. 前記高耐食材側に形成される前記開先の形状は、２＜Ｗ−Ｇ、Ｄ≦２Ｈ、及び９０°≦θ_１≦１２０°の全てを満足する、請求項１に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
   ただし、Ｇ：ルートギャップ［ｍｍ］である。
3. 前記第２の溶接材料を用いた前記高耐食材側の溶接における溶接電流は１５０〜２５０Ａである、請求項１又は２に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
4. 前記高耐食材側の溶接をガスシールドアーク溶接により行い、該ガスシールドアーク溶接における溶接電流の条件として、下向溶接の場合は１６０〜２２０Ａ、立向溶接の場合は１５０〜２２０Ａ、上向溶接の場合は１６０〜２２０Ａとする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
5. 前記クラッド鋼は、クラッド鋼板又はクラッド鋼管であり、前記溶接電流を、直線状、ステップ状、曲線状のうち少なくとも１つで変化させるように制御する、請求項４に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
6. 前記高耐食材側の溶接における溶接入熱量Ｑを１．０〜６．０ｋＪ／ｍｍとする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
7. 前記クラッド鋼は、非耐食鋼板と高耐食材の合わせ材である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
8. 前記高耐食材は、ステンレス鋼板又はＮｉ基合金板のいずれかである、請求項７に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
9. 半自動溶接又は自動溶接のいずれかで溶接される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のクラッド鋼の突合せ溶接方法。
10. 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接により作製される溶接継手の製造方法であって、
    下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
    強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
    耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
    を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。
    Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
    Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
    Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
    ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。
11. 高耐食材及び非耐食鋼の合わせ材であるクラッド鋼の突合せ溶接により作製される溶接構造物の製造方法であって、
    下記式（１）及び式（２）の条件を満たす開先を形成するように、前記クラッド鋼を突き合わせる工程と、
    強度が非耐食鋼と同等以上の第１の溶接材料を用い、前記非耐食鋼側から初層溶接を行い、下記式（３）に示す形状指数の裏ビードを前記高耐食材側の前記開先内に形成させて前記非耐食鋼側を溶接する工程と、
    耐食性が前記高耐食材と同等以上の第２の溶接材料を用い、前記裏ビードのはつり作業を行うことなく、前記高耐食材側を溶接する工程と、
    を備えることを特徴とする溶接構造物の製造方法。
    Ｗ＋２｛Ｒｃｏｓ（θ_１−９０°）＋（Ｄ−Ｒ（１−ｓｉｎ（θ_１−９０°）））ｔａｎ（θ_１−９０°）｝≦２０ ・・・式（１）
    Ｈ＜Ｄ ・・・式（２）
    Ｈ_ｂ／Ｗ_ｂ＜１ ・・・式（３）
    ただし、Ｗ：高耐食材側の溝底の平行部長さ［ｍｍ］、Ｒ：溝端部の曲率半径［ｍｍ］、θ_１：溝壁と溝底がなす角度［°］、Ｄ：溝深さ［ｍｍ］、Ｈ：高耐食材の厚さ［ｍｍ］、Ｈ_ｂ：裏ビード高さ［ｍｍ］、Ｗ_ｂ：裏ビード幅［ｍｍ］、である。

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