JP5072398B2 - 金属製部材の溶接部の表面処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属製部材の溶接部の表面処理方法に関し、詳細には真空雰囲気下におかれることになる金属製部材の溶接部の表面処理方法に関する。
真空装置に使用される各種形状の金属製部材を溶接により接合すると、溶接ビード部において溶接焼け部が生じる。この溶接焼け部は、真空雰囲気下におくと不要なガスやダストが生じることがある。上記不要なガス等を生じなくするためには、溶接焼け部を除去すればよい。
これに対して、従来は、電解研磨や化学研磨等の湿式の除去法、ヤスリやブラスト等による機械的な除去法、或いは、フッ酸の吹き付け若しくはフッ酸を含有するペーストによる除去法が行われている。
しかしながら、湿式の除去法では、溶接焼け部以外も研削されて表面が荒れて不要なガスを生じることがあり、ヤスリでは複雑な形状は除去できず、ブラストでは粉塵の除去設備が必要となるため簡易にできないという問題がある。また、上記方法はいずれも時間がかかるという問題がある。
一方、ステンレス鋼の表面処理技術として、ステンレス鋼帯の表面スケールや表面傷の除去に関するものであるが、例えば、特許文献１には、前記湿式の研磨と機械的研磨とを併用した研磨方法があるが、フッ酸や硫酸を使用して洗浄を行うため、真空雰囲気下において溶接部の表面からＨＦ、ＳＯやＳＯ２という不要なガスが生じ、真空装置に使用した場合には所望の真空処理性能が得られないという問題がある。更に、使用後のフッ酸の除去や廃液処理が困難であるという問題がある。
これに対して、従来は、電解研磨や化学研磨等の湿式の除去法、ヤスリやブラスト等による機械的な除去法、或いは、フッ酸の吹き付け若しくはフッ酸を含有するペーストによる除去法が行われている。
しかしながら、湿式の除去法では、溶接焼け部以外も研削されて表面が荒れて不要なガスを生じることがあり、ヤスリでは複雑な形状は除去できず、ブラストでは粉塵の除去設備が必要となるため簡易にできないという問題がある。また、上記方法はいずれも時間がかかるという問題がある。
一方、ステンレス鋼の表面処理技術として、ステンレス鋼帯の表面スケールや表面傷の除去に関するものであるが、例えば、特許文献１には、前記湿式の研磨と機械的研磨とを併用した研磨方法があるが、フッ酸や硫酸を使用して洗浄を行うため、真空雰囲気下において溶接部の表面からＨＦ、ＳＯやＳＯ２という不要なガスが生じ、真空装置に使用した場合には所望の真空処理性能が得られないという問題がある。更に、使用後のフッ酸の除去や廃液処理が困難であるという問題がある。
そこで、本発明は、真空雰囲気下において不要ガスの発生原因となる溶接焼け部を、効率よく安全に行うことが可能な金属製部材の溶接部の表面処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、研削粒を含む溶液を高圧で吹き付けて溶接焼け部を所望の厚さだけ素早く除去し、更に、電解研磨、電解酸洗、燐酸による酸洗浄又は化学研磨を行って表面の細かな塵や不要ガスの発生原因となる酸性の溶液を除去し、その後に水により洗浄すれば、素早く安全に表面の処理が行えるという知見に基づき、下記の解決手段を見出した。
即ち、本発明の金属製部材の溶接部の表面処理方法は、請求項１に記載の通り、真空雰囲気下で使用され、放出ガスの抑制が求められる金属製部材の溶接部に、研削粒を含有した溶液を１ＭＰａ〜１５Ｍｐａの圧力で吹き付け、濃度１０％〜８０％の燐酸による電解研磨、電解酸洗、酸洗浄又は化学研磨を行うことで前記溶接部の溶接焼け部を除去することを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法において、前記溶液は、防錆剤を含むことを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法において、前記金属製部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする。
即ち、本発明の金属製部材の溶接部の表面処理方法は、請求項１に記載の通り、真空雰囲気下で使用され、放出ガスの抑制が求められる金属製部材の溶接部に、研削粒を含有した溶液を１ＭＰａ〜１５Ｍｐａの圧力で吹き付け、濃度１０％〜８０％の燐酸による電解研磨、電解酸洗、酸洗浄又は化学研磨を行うことで前記溶接部の溶接焼け部を除去することを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法において、前記溶液は、防錆剤を含むことを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法において、前記金属製部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする。
本発明によれば、溶接焼け部の機械的な除去を短時間で行うことができる。また、研削粒を用いて溶接焼けを除去するため、フッ酸を用いる場合に比べて安全に作業ができる。また、乾式のブラスト処理に必要な粉塵除去設備は必要でないため現地での作業ができる。更に、溶接焼け除去後に電解研磨、電解酸洗、燐酸による酸洗浄又は化学研磨を行い研削粒を除去して清浄化することにより真空雰囲気下で不要なガスの発生を防ぐことができる。
本発明において処理対象となる金属製部材は、アーク溶接等により溶接部を有しているものであればよい。具体的な例を挙げると、真空雰囲気下で使用される金属製容器等が挙げられる。その材料としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金、鉄等の活性な金属を挙げることができる。尚、本明細書における真空雰囲気とは大気圧よりも低い圧力の範囲をいうものとする。
前記金属製部材の溶接部には、まず、研削粒を含む溶液が１〜１５ＭＰａ圧力で吹き付けられ、溶接焼け部分の表面を研削する。研削量については、溶接焼け部が除去されれば特に制限はないが、通常のアーク溶接であれば５０μｍ以上の厚さを研削することが好ましい。
この処理において使用する研削粒としては、溶接部の表面を除去できるものであれば、その材質や形状等特に限定するものではないが、例えば、ケイ砂、アルミナ、ＳｉＣ等の材質から構成され、粒径が数１００μｍ程度のものを使用することができる。また、研削粒が添加される溶液としては、例えば、純水や水道水等が使用できる。この溶液は、ベンゾトリアゾール等の防錆剤を含ませることが好ましい。
前記金属製部材の溶接部には、まず、研削粒を含む溶液が１〜１５ＭＰａ圧力で吹き付けられ、溶接焼け部分の表面を研削する。研削量については、溶接焼け部が除去されれば特に制限はないが、通常のアーク溶接であれば５０μｍ以上の厚さを研削することが好ましい。
この処理において使用する研削粒としては、溶接部の表面を除去できるものであれば、その材質や形状等特に限定するものではないが、例えば、ケイ砂、アルミナ、ＳｉＣ等の材質から構成され、粒径が数１００μｍ程度のものを使用することができる。また、研削粒が添加される溶液としては、例えば、純水や水道水等が使用できる。この溶液は、ベンゾトリアゾール等の防錆剤を含ませることが好ましい。
上記処理後に、金属製部材の表面を電解研磨、燐酸による酸洗浄又は化学研磨の処理を行う。この処理により、研削粒等の除去を行うことができ、真空雰囲気下で粉塵等の発生を防ぐことができる。
前記処理の中で、燐酸による酸洗浄は、例えば、次のようにして行うことができる。燐酸による電解研磨は、室温〜５０℃において、ステンレス鋼等の被処理物にプラスの電圧を印可した状態で、濃度１０％〜８０％の燐酸により洗浄する。また、燐酸による酸洗浄は、室温〜５０℃において、アルミニウム合金や鉄等の被処理物を、濃度１０％〜８０％の燐酸により洗浄する。尚、燐酸の濃度については、１０％未満であると溶解レートが遅く、８０％を超えるとコストが高くなるという理由から１０〜８０％としている。また、処理温度についても、室温未満であると溶解レートが遅くなり、５０℃を超えると加温のためのコストが増すため、室温〜５０℃としている。
前記処理の中で、燐酸による酸洗浄は、例えば、次のようにして行うことができる。燐酸による電解研磨は、室温〜５０℃において、ステンレス鋼等の被処理物にプラスの電圧を印可した状態で、濃度１０％〜８０％の燐酸により洗浄する。また、燐酸による酸洗浄は、室温〜５０℃において、アルミニウム合金や鉄等の被処理物を、濃度１０％〜８０％の燐酸により洗浄する。尚、燐酸の濃度については、１０％未満であると溶解レートが遅く、８０％を超えるとコストが高くなるという理由から１０〜８０％としている。また、処理温度についても、室温未満であると溶解レートが遅くなり、５０℃を超えると加温のためのコストが増すため、室温〜５０℃としている。
前記電解研磨や化学研磨に使用する電解液としては、無機酸、有機酸、無機酸塩及び有機酸塩のうちの少なくともいずれかを含むものであればよく、具体的には、リン酸、フッ酸、硫酸、クエン酸アンモニウム、塩化アンモニウム、リン酸２水素アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、クエン酸等を挙げることができる。また、電解研磨における電解電流密度は、金属製部材を構成する材料により異なるが、例えば、ステンレス鋼であれば、０．１〜０．５Ａ／ｃｍ２である。
尚、本発明では、酸洗浄は、燐酸により行うようにしている。上記研削粒により溶接部表面の凹凸部内にフッ硝酸や硫酸が残ると、真空雰囲気下においてＨＦ、ＳＯやＳＯ２等のガスが放出されるため好ましくないからである。
尚、本発明では、酸洗浄は、燐酸により行うようにしている。上記研削粒により溶接部表面の凹凸部内にフッ硝酸や硫酸が残ると、真空雰囲気下においてＨＦ、ＳＯやＳＯ２等のガスが放出されるため好ましくないからである。
また、更に、金属製部材を純水等により洗浄して、前の処理により付着していた電解液等を洗浄して真空雰囲気下においても不要ガスが発生しないようにすることが好ましい。
以下、本願明の実施例について説明するが、各例において使用する試料１と試料２について予め説明する。
試料１は、図１に示すように、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍの寸法の板１の略中心線上に、溶接ビード２を形成したものである。
また、試料２は、図２に示すように、内径２５０ｍｍ、高さ３８０ｍｍの円筒状の容器３の両側に０７０コンフラットフランジ４を設け、その上面に３０６コンフラットフランジを設けた構造の真空容器である。この容器の内周面の底部は、底面と全周に亘ってアーク溶接がなされている。
尚、試料１及び試料２の材質については以下の各例中に記載してある。
試料１は、図１に示すように、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３ｍｍの寸法の板１の略中心線上に、溶接ビード２を形成したものである。
また、試料２は、図２に示すように、内径２５０ｍｍ、高さ３８０ｍｍの円筒状の容器３の両側に０７０コンフラットフランジ４を設け、その上面に３０６コンフラットフランジを設けた構造の真空容器である。この容器の内周面の底部は、底面と全周に亘ってアーク溶接がなされている。
尚、試料１及び試料２の材質については以下の各例中に記載してある。
（実施例１）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、７０％燐酸と３０％硫酸の混酸により試料表面の電解研磨処理を行い、試料表面を約１５μｍ溶解した。その後、試料を、ＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、７０％燐酸と３０％硫酸の混酸により試料表面の電解研磨処理を行い、試料表面を約１５μｍ溶解した。その後、試料を、ＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（実施例２）
試料１及び２の材質はアルミニウムとした。
上水に研削粒である＃１５０アルミナと防錆剤であるベンゾトリアゾールとを混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均５０μｍ研削し、８０℃に加熱した８０％燐酸と２０％硫酸の混酸により試料表面の化学研磨処理を行い、試料表面を約１０μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はアルミニウムとした。
上水に研削粒である＃１５０アルミナと防錆剤であるベンゾトリアゾールとを混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均５０μｍ研削し、８０℃に加熱した８０％燐酸と２０％硫酸の混酸により試料表面の化学研磨処理を行い、試料表面を約１０μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（実施例３）
試料１及び２の材質は鉄とした。
上水に研削粒である＃１５０ＳｉＣと防錆剤である燐酸ナトリウムを混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を５０μｍ研削し、常温の２０％燐酸により試料表面の酸洗浄を行い、試料表面を約４μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質は鉄とした。
上水に研削粒である＃１５０ＳｉＣと防錆剤である燐酸ナトリウムを混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を５０μｍ研削し、常温の２０％燐酸により試料表面の酸洗浄を行い、試料表面を約４μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（実施例４）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、７０％燐酸と３０％硫酸の混酸により試料表面の電解研磨処理を行い、試料表面を約４μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、７０％燐酸と３０％硫酸の混酸により試料表面の電解研磨処理を行い、試料表面を約４μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（実施例５）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、２０％燐酸により試料表面の部分電解研磨処理を行い、試料表面を約５μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、キレート剤によるスマット除去、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削し、２０％燐酸により試料表面の部分電解研磨処理を行い、試料表面を約５μｍ溶解した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、キレート剤によるスマット除去、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（比較例１）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
フッ酸を含有するペーストにより各試料の溶接焼け部を除去し、上水によりペーストを洗浄した。その後、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
フッ酸を含有するペーストにより各試料の溶接焼け部を除去し、上水によりペーストを洗浄した。その後、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（比較例２）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
上水に研削粒である６号ケイ砂を混入し、これを３ＭＰａで各試料に吹き付けてその表面を平均３０μｍ研削した。その後、試料をＲＯ水ジェット洗浄、ＲＯ水浸漬、純水浸漬、５０℃の温純水浸漬、３５％硝酸浸漬、純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
（比較例３）
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
ヤスリを用いて各試料表面の約５０μｍ研削し、上水により削りかすを洗浄した。その後、常温による純水浸漬、５０℃の温純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
試料１及び２の材質はステンレス鋼とした。
ヤスリを用いて各試料表面の約５０μｍ研削し、上水により削りかすを洗浄した。その後、常温による純水浸漬、５０℃の温純水浸漬の順序で洗浄し、窒素を吹き付けて乾燥した。
上記の結果を表１に示す。尚、表１中の溶接やけ除去の評価は目視により行い、十分に除去できているものを○、ほとんど除去できているものを△、除去が十分できていないものを×とした。
表１より、研削粒を添加した溶液を高圧で吹き付けた実施例１乃至５、比較例２及び３は、溶接焼け部を短時間で確実に除去することができていた。これに対して、比較例１は溶接焼け部を除去するのに１０倍以上の時間がかかっていた。また、フッ酸を使用しているため、薬剤を洗い流した時の廃水を集めなければならず、廃水処理の費用と時間がかかった。
次に、図３に実施例１の試料１の表面ＳＥＭ像を示し、図４に比較例２の試料１の表面ＳＥＭ像を示す。
図３から、実施例１は、表面の研削粒が十分に除去されていることがわかった。これに対して、図４からは、黒い点の研削粒が試料表面全体に存在しており、十分な除去ができていないことがわかった。
図３から、実施例１は、表面の研削粒が十分に除去されていることがわかった。これに対して、図４からは、黒い点の研削粒が試料表面全体に存在しており、十分な除去ができていないことがわかった。
次に、各実施例及び各比較例で処理した試料２を用いて、大気圧からの排気を行い、排気１時間後（１０−３〜１０−５Ｐａ）の単位面積当たりのガス放出速度を下記表２に示す。
表２から、本実施例により処理を行った試料２は、比較例２，３により処理を行った試料と比べて、その表面からのガス放出速度が少ないことがわかった。また、比較例１のガス放出速度は、材質の異なっている実施例２，３に比べるとガス放出速度は小さいが残留ガス中にＨＦが水の１／３程度含まれていた。ＨＦは腐食性の気体であるため、真空容器内に浮遊していることは好ましくなく、真空容器の表面処理としては適切でないことがわかった。
１ 板
２ 溶接ビード
３ 円筒状の容器
４ ０７０コンフラットフランジ
５ ３０６コンフラットフランジ
２ 溶接ビード
３ 円筒状の容器
４ ０７０コンフラットフランジ
５ ３０６コンフラットフランジ
Claims (3)
- 真空雰囲気下で使用され、放出ガスの抑制が求められる金属製部材の溶接部に、研削粒を含有した溶液を１ＭＰａ〜１５Ｍｐａの圧力で吹き付け、濃度１０％〜８０％の燐酸による電解研磨、電解酸洗、酸洗浄又は化学研磨を行うことで前記溶接部の溶接焼け部を除去することを特徴とする真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法。
- 前記溶液は、防錆剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法。
- 前記金属製部材は、ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空雰囲気下で使用される金属製部材の溶接部の表面処理方法。
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