JP6346589B2

JP6346589B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP6346589B2
Application number: JP2015094057A
Authority: JP
Inventors: 健太川野
Original assignee: JFE Chemical Corp
Current assignee: JFE Chemical Corp
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2015-05-01
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2035-05-01
Also published as: JP2016209893A

Description

本発明は、溶接方法に関し、特に、母材の溶接部の両側に冷却ブロックを設置して溶接を行う溶接方法に適用して有効な技術に関するものである。

炭素鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓと鉄との合金である。炭素鋼は、母材特性としてＣ量が多いほど引っ張り強さが上昇する一方、他方で絞りや伸びが減少することが知られている。そして、炭素鋼は、母材中の炭素量が多いと、溶接後に熱影響部（ＨＡＺ：Heat-Affected Zone）が硬化して割れが発生することがある。割れの原因としては、炭素鋼中のＣ量の影響が一番大きいが、Ｓ、Ｐなども割れの原因となる元素として知られている。非特許文献１には、母材中のＳ量が熱影響部での高温割れに影響を及ぼすことが開示されている。

炭素鋼溶接時の母材割れを防ぐ技術としては、Ｍｎの添加や溶接時の母材予熱が知られている。Ｍｎの添加に関しては、ＣとＳの含有量が以下の条件を満たすとき、著しく割れが減少することが明らかにされている。
Ｃ＜０．１２％の場合Ｍｎ^３／Ｓ＞６．７
Ｃ＞０．１２％の場合Ｍｎ^５／Ｓ＞３７０

また、溶接後の母材硬化による熱影響部での低温割れの防止策として、溶接部の予熱がある。この溶接部の予熱は、硬化組織の生成防止、延性・じん性などの機械的性質の向上、変形・残留応力の低減およびブローホール（ＢＨ）の発生防止効果があることで知られている。予熱により溶接後の冷却時間が長くなることから、溶接金属中の水素が拡散性水素として外部に放出しやすく、熱影響部の硬さも低減されることで、低温割れが発生しにくくなる。

「高炭素鋼のガスシールドアーク溶接に関する研究（第３報）」、溶接学会論文集、第１巻（1983）第１号、第２９頁乃至第３６頁

ところで、熱影響部での高温割れは、母材の溶接部の両側に冷却ブロックを設置して溶接を行うことで抑制することができる。この冷却ブロックについては、上記の非特許文献１に水冷銅ブロックとして開示されている。
しかしながら、この溶接方法では、冷却ブロックの間で溶接棒を動かして溶接することになるため、冷却ブロックが溶接棒の移動（運棒）の妨げになり、円滑な溶接が困難になることがある。この運棒の妨げは、冷却ブロック間の間隔が狭くなるに従って顕著になる。
本発明の目的は、熱影響部での高温割れを防止し、かつ円滑な溶接を行うことが可能な溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る溶接方法は、母材の一面の溶接部の両側にそれぞれ冷却ブロックを設置するステップと、冷却ブロックの間に溶接棒を挿入し、冷却ブロックで母材を冷却しながら、かつ溶接棒を動かしながら溶接棒と溶接部とを融合させて溶接金属を形成することによって溶接するステップとを備え、冷却ブロックは、溶接部側の側面が母材の一面に対して５０〜７０°の角度で内側に傾斜している。
本発明の上記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。

本発明によれば、熱影響部での高温割れを防止し、円滑な溶接を行うことが可能な溶接方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接方法を説明するためのフロー図である。冷却ブロックを用いないで溶接した場合の熱影響部の形成状態を示す図である。冷却ブロックで母材を冷却しながら溶接した場合の熱影響部の形成状態を示す図である。タンクを示す模式図である。図４のタンクにおいて、鉄皮に生じた孔食部を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る溶接方法について、図面を参照して説明する。以下の一実施形態では、炭素鋼材からなる母材の溶接部をアーク溶接で溶接する場合について説明する。
本発明の一実施形態に係る溶接方法は、まず、図１（ａ）に示すように、母材１の溶接個所に開先加工を施して溶接部２を成形する。開先加工では、母材の種類、板厚、溶接の種類や溶接姿勢などによって開先形状を選択する。この一実施形態では、これに限定されないが、母材１としては例えば厚さが６ｍｍ程度の炭素鋼材からなる鉄皮を用いる。また、溶接の種類としては例えばアーク溶接を用いる。開先成形としては例えばＩ形に成形する。開先加工の溶接部２は、互いに離間し、かつ対向して２つ設けられる。

次に、図１（ｂ）に示すように、母材１の一面１ｘの溶接部２の両側に、それぞれ冷却ブロック１０（１０ａ，１０ｂ）を設置する。この一実施形態では、母材１の一面１ｘとは反対側の他面１ｙにおいても、溶接部２の両側に、それぞれ冷却ブロック１０（１０ｃ，１０ｄ）を設置する。冷却ブロック１０ｃ及び１０ｄは、冷却ブロック１０ａ及１０ｂとそれぞれ重畳する位置に設置する。冷却ブロック１０ａ及び１０ｂは、図示していないが、各々の離間距離を変更することが可能な離間距離変更機構を介して固定部材に固定されている。また、冷却ブロック１０ｃ及び１０ｄにおいても、図示していないが、各々の離間距離を変更することが可能な離間距離変更機構を介して固定部材に固定されている。冷却ブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの各々は、冷却媒体が流れる流路１１を有している。そして、各々の流路１１は、冷却媒体が連続して流れるように図示しない配管を介して直列に若しくは並列に接続されている。この一実施形態では、冷却ブロック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの各々はそれぞれ分離された構成になっているが、冷却ブロック１０ａと１０ｂとを一体、冷却ブロック１０ｃと１０ｄとを一体にそれぞれ構成してもよい。冷却媒体としては、例えば１〜４℃程度の冷却水を用いる。また、冷却媒体としての冷却水の循環速度としては、３〜１０Ｌ／ｍｉｎ程度で行う。冷却ブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの各々は、熱伝導性に優れた例えば銅、若しくは銅と他の金属との合金材で形成されている。

ここで、図１（ｂ）に示すように、母材１の一面１ｘ側に設置された２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々は、溶接部２側の側面１２が母材１の一面１ｘに対して５０〜７０°の角度θで内側に傾斜している。換言すれば、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々は、溶接部２側の側面１２と、母材１の一面１ｘと向かい合う底面１３とのなす内角が５０〜７０°になっている。この一実施形態では、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々の側面１２は例えば６０°の角度θで傾斜している。

次に、図１（ｃ）に示すように、冷却ブロック１０ａと冷却ブロック１０ｂとの間に溶接棒１５を挿入し、溶接棒１５と溶接部２とを融合させて溶接金属３を形成することによって溶接する。溶接金属３は、溶接棒１５と溶接部２との融合によって形成された後、凝固される。溶接金属３の形成は、溶接棒１５と溶接部２との間にアーク溶接機でアーク１６を発生させることによって行われる。また、溶接金属３の形成は、母材１に設置された冷却ブロック１０で母材１を冷却しながら行われる。また、溶接金属３の形成は、アーク１６が発生した溶接棒１５を動かしながら行われる。アーク溶接では、アーク１６が発生した溶接棒１５を主に溶接部２の長手方向（溶接線）に沿って動かすことにより、希望する長さの溶接金属３（溶接ビード）が得られる。また、アーク溶接では、溶接棒１５を動かす運棒に様々な方法があり、希望する溶接金属３の幅によって異なる運棒方法が適用される。なお、アーク溶接は、例えば１００〜１１５Ａの溶接電流で行う。また、溶接棒１５としては、例えば径が３〜４ｍｍ程度の被覆アーク溶接棒を用いる。溶接棒１５の径は、母材１の種類、板厚、溶接の種類、溶接部２の開先形状、溶接部２間の幅などによって選択する。

次に、本発明の一実施形態に係る溶接方法の効果について、図１を参照しながら図２及び図３を用いて説明する。図２は、冷却ブロックを用いないで溶接した場合の熱影響部の形成状態を示す図である。図３は、冷却ブロックで母材を冷却しながら溶接した場合の熱影響部の形成状態を示す図である。図３は、図１（ｃ）に対応している。なお、図２及び図３では、図面を見易くするため、断面を示すハッチングを省略している。

アーク溶接では、図２に示すように、母材１の溶接部２と溶接棒１５とを融合させて溶接金属３を形成することによって溶接しているため、溶接部２の近傍に熱影響部（ＨＡＺ）４が形成される。この熱影響部４では、Ｍｎ（マンガン）の含有量が少なく、Ｓ（硫黄）の含有量が多い炭素鋼材の場合、溶接金属３の凝固時に遊離したＳが溶接金属３側へ移動してＳの濃縮が生じ、このＳの濃縮が熱影響部４での高温割れの要因となる。

そこで、本発明の一実施形態に係る溶接方法では、図１（ｃ）に示すように、母材１の一面１ｘ及び他面１ｙの溶接部２の両側にそれぞれ冷却ブロック１０を設置し、この冷却ブロック１０で母材１を冷却しながら溶接している。このように、冷却ブロック１０を設置することにより、図３に示すように、溶接部２から冷却ブロック１０までの距離Ｌ_１に比例して熱影響部４の領域を削減することができるので、遊離したＳの溶接金属３側への移動総量を減少させることができると共に、熱影響部４での温度低下によりＳの析出時間を短縮することができる。この結果、本発明の一実施形態に係る溶接方法によれば、熱影響部４での高温割れを防止することができる。

冷却ブロック１０の設置位置において、距離Ｌ_１が長すぎると熱影響部４の領域が広がり、温度も上昇してしまうため、高温割れの防止効果が低下してしまう。一方、距離Ｌ_１が短すぎると、スラグを巻き込んでしまい、溶接不良が発生してしまう。
そこで、一実施形態に係る溶接方法では、距離Ｌ_１を約１ｍｍに設定して実施したところ、熱影響部４での高温割れは発生せず、また、スラグ巻き込みによる溶接不良も起こらなかった。したがって、冷却ブロック１０は、熱影響部４での高温割れが発生せず、また、スラグ巻き込みも発生しない程度の距離Ｌ_１で設置することが好ましい。

溶接金属３を形成することによって溶接するステップにおいて、図１（ｃ）に示すように、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々は、溶接部２側の側面１２が母材１の一面１ｘに対して６０°の角度θで内側に傾斜している。そして、溶接は、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの間に溶接棒１５を挿入して行われる。したがって、本発明の一実施形態に係る溶接方法によれば、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの間の上部側の開口面積が下部側の開口面積よりも広くなるので、従来のように、２つの冷却ブロックの各々の溶接部側の側面が母材の一面に対して垂直の場合と比較して、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂが溶接棒１５の運棒を妨げる不具合を回避することができ、円滑な溶接を行うことができる。
特に、熱影響部４の領域は冷却ブロック１０ａと冷却ブロック１０ｂとの間隔を狭くすることにより削減できるが、冷却ブロック１０ａと冷却ブロック１０ｂとの間隔が狭くなるに従って冷却ブロック１０ａ及び１０ｂが溶接棒１５の運棒の妨げに影響する。したがって、冷却ブロック１０ａ及び１０ｂの各々の溶接部２側の側面１２を母材１の一面１ｘに対して内側に傾斜させておくことは、熱影響部４の領域を削減して熱影響部４での高温割れを防止し、かつ円滑な溶接を行う上で有効である。

本発明者らは、冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々の側面１２の傾斜について検討した。その結果、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々の側面１２が母材１の一面１ｘに対して５０°未満の角度θで内側に傾斜している場合、冷却不足になることが分かった。一方、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々の側面１２が７０°を超える角度θで内側に傾斜している場合、溶接棒１５を円滑に運棒することが困難になることが分かった。したがって、溶接金属３を形成して溶接するステップにおいて、冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々は、溶接部２側の側面１２が母材１の一面１ｘに対して５０〜７０°の角度θで内側に傾斜していることが好ましい。

また、本発明者らの検討によれば、２つの冷却ブロック１０ａ，１０ｂの各々の溶接部２側の側面１２を母材１の一面１ｘに対して５０〜７０°の角度θで内側に傾斜させた場合、従来のように、２つの冷却ブロックの各々の溶接部側の側面が母材の一面に対して垂直の場合と比較して、大幅にスラグ巻き込みの発生回数が減少した。
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る溶接方法によれば、熱影響部４での高温割れを防止し、かつ円滑な溶接を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る溶接方法は、図４に示すタンク２０の補修に適用することができる。タンク２０は、母材として炭素鋼材からなる複数枚の鉄皮２１を溶接することによって構築されている。このようなタンク２０では、図５に示すように、鉄皮２１に孔食部２２が生じることがある。この孔食部２２は溶接によって補修することができるため、この孔食部２２の溶接補修に本発明に係る溶接方法を適用することにより、熱影響部での高温割れを防止し、かつ円滑な溶接補修を行うことができる。
以上、本発明を上記一実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記一実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

例えば、上述した一実施形態では、母材１の一面１ｘ及び他面１ｙの溶接部２の両側にそれぞれ冷却ブロック１０を設置した場合について説明したが、少なくとも溶接棒１５を供給する一面１ｘ側に冷却ブロック１０ａ，１０ｂを設置し、他面側の冷却ブロック１０ｃ，１０ｄを省略してもよい。ただし、この場合、冷却効率が低くなるため、冷却ブロックの大きさや流路の大きさなどを工夫する必要がある。

以上のように、本発明に係る溶接方法は、熱影響部での高温割れを防止し、かつ円滑な溶接補修を行うことができる効果を有し、母材の溶接や、母材の孔食部の補修溶接などに有用である。

１…母材、１ｘ…一面、１ｙ…他面
２…溶接部
３…溶接金属
４…熱影響部（ＨＡＺ）
１０、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…冷却ブロック
１１…流路
１２…側面
１３…底面
１５…溶接棒
１６…アーク
２０…タンク
２１…鉄皮
２２…孔食部

Claims

母材の一面の溶接部の両側にそれぞれ冷却ブロックを設置するステップと、
前記冷却ブロックの間に溶接棒を挿入し、前記冷却ブロックで前記母材を冷却しながら、かつ前記溶接棒を動かしながら前記溶接棒と前記溶接部とを融合させて溶接金属を形成することによって溶接するステップと、
を備え、
前記冷却ブロックは、前記溶接部側の側面が前記母材の一面に対して５０〜７０°の角度で内側に傾斜していることを特徴とする溶接方法。
前記母材は、炭素鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記冷却ブロックは、冷却媒体が流れる流路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接方法。