JP2007190586A - 溶接方法及び液化ガスタンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業の工数を低減すること。
【解決手段】９％Ｎｉ鋼を溶接するにあたって、レーザー溶接を用いる。溶接対象部材である環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの突合せ部に開先２０を設ける。開先２０は狭開先とするとともに、開先２０の底部２０Ｂに曲率を設ける。また、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの突合せ部にはルートフェース２１を設ける。さらに、溶接ビード層を積層する際には、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を、１以上１．４以下とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、レーザーを用いて金属同士を溶接することに関するものである。

液化天然ガス（Liquid Natural Gas：以下ＬＮＧという）や液化プロパンガス（ＬＰＧ：Liquid Propane Gas：以下ＬＰＧという）等の液化ガスを貯蔵するためのタンクは、いわゆる地上型と地下型とに分類される。地上型のＬＮＧタンクでは、ＬＮＧを貯蔵する金属製の内槽を備え、その外部に断熱層及び外槽を設けている。ＬＮＧは−１６２℃の低温であるため、ＬＮＧと直接接する内槽は、低温靭性に優れる金属材料が用いられる。このような金属材料としては、例えば、９％のＮｉを含有するＮｉ鋼（以下９％Ｎｉ鋼という）がある。特許文献１には、ＬＮＧを貯蔵する内槽側板同士の溶接に、ＴＩＧ溶接を用いる技術が開示されている。

特開平９−１０９３１号公報

しかしながら、ＴＩＧ溶接では、溶接作業性の点から開先をある程度広くとる必要があり、多層の溶接ビード層を盛る必要があった。その結果、溶接の工数が多大になるという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、溶接作業の工数を低減できる溶接方法及び液化ガスタンクの製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る溶接方法は、レーザーを用いて溶接対象部材同士を接合するにあたり、前記溶接対象部材同士の突合せ部に狭開先を設けるとともに前記開先の底部に曲率を設け、また前記溶接対象部材同士の突合せ部にはルートフェースを設け、かつ、溶接ビード層を積層する際には、前記溶接ビード層を構成する溶金の溶け込み幅に対する前記溶金の溶け込み深さの比を所定の範囲とすることを特徴とする。

この溶接方法では、溶け込み深さの大きいレーザーを用いた狭開先溶接とすることで、溶接ビード層の盛り数を低減することができる。その結果、溶接作業の工数を低減できる。

また、次の本発明に係る溶接方法は、前記溶接方法において、前記溶金の溶け込み幅に対する前記溶金の溶け込み深さの比は、１以上１．４以下であることを特徴とする。

この溶接方法は、前記溶接方法の構成を備えるので、前記溶接方法と同様の作用、効果を奏する。さらに、この溶接方法では、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を１以上１．４以下とする。これによって、溶金中に固溶して形成されるポロシティの結合を抑制できるので、溶接継手の信頼性が向上する。

また、次の本発明に係る溶接方法は、前記溶接方法において、前記溶金の溶け込み深さ方向における前記ルートフェースの寸法は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする。

この溶接方法は、前記溶接方法の構成を備えるので、前記溶接方法と同様の作用、効果を奏する。さらに、この溶接方法では、溶金の溶け込み深さ方向におけるルートフェースの寸法を１ｍｍ以上５ｍｍ以下とする。この寸法及びオーステナイト系溶接ワイヤを用いることによって、溶接ビード層の初層における溶金の組織はオーステナイトとなるため、低温における靭性を確保することができる。

また、次の本発明に係る溶接方法は、前記溶接方法において、すでに溶接された溶接ビード層の、積層される次の溶接ビード層側における表面を凹形状とすることを特徴とする。

この溶接方法は、前記溶接方法の構成を備えるので、前記溶接方法と同様の作用、効果を奏する。さらに、この溶接方法では、積層される次の溶接ビード層側を凹形状とする。これによって、母材（溶接対象部材の材料）と溶金との境界付近の融合不良を抑制できる。

また、次の本発明に係る溶接方法は、前記溶接方法に用いる溶接ワイヤの単位質量あたりにおける投入熱量は、１０ｋＪ／ｃｍ・ｇ以上２７ｋＪ／ｃｍ・ｇ以下とすることを特徴とする。

この溶接方法は、前記溶接方法の構成を備えるので、前記溶接方法と同様の作用、効果を奏する。さらに、この溶接方法では、溶接ワイヤの単位質量あたりにおける投入熱量を１０ｋＪ／ｃｍ・ｇ以上２７ｋＪ／ｃｍ・ｇ以下とする。これによって、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を確実に１以上１．４以下とすることができる。

また、次の本発明に係る液化ガスタンクの製造方法は、前記溶接方法によって、少なくとも、液化ガスを貯蔵する槽を構成する溶接対象部材を溶接することを特徴とする。

この液化ガスタンクの製造方法は、上記溶接方法によって、少なくとも、液化ガスを貯蔵する槽を構成する溶接対象部材を溶接する。これによって、液化ガスを貯蔵する槽の工期を短縮することができる。

この発明に係る溶接方法及び液化ガスタンクの製造方法は、溶接作業の工数を低減できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

この実施形態は、９％Ｎｉ鋼を溶接するにあたって、９％Ｎｉ鋼の溶接対象部材同士の突合せ部に開先を設けるとともに、前記開先の底部に曲率を設け、また溶接対象部材同士の突合せ部にはルートフェースを設け、かつ、溶接ビード層を積層する際には溶け込み幅ｂに対する溶け込み深さａの比を、１以上１．４以下としてレーザー溶接する点に特徴がある。まず、ＬＮＧタンクの構成について簡単に説明する。

図１は、液化ガスタンクの一例を示す断面概略図である。この液化ガスタンク１は、地上に建設される、いわゆる地上型の液化ガスタンクである。液化ガスタンク１は、金属製の内槽２と、内槽２の外側に設けられる金属製あるいはＰＣ（プレストレスコンクリート）製の外槽４とを含んで構成される２重槽構造となっている。そして、内槽２の内部２ＩにはＬＮＧガスやＬＰＧガス等の液化ガスが貯蔵されるとともに、内槽２と外槽４との間には断熱材３が設けられて、外槽４の外気から内槽２のＬＮＧへの伝熱を低減する。なお、ＬＮＧは、−１６２℃の極低温の状態で内槽２の内部２Ｉに貯蔵される。

内槽２は、極低温のＬＮＧガスと直接接するため、低温脆性に優れる材料で製造される。この実施形態に係る液化ガスタンク１では、内槽２の材料として、９％のＮｉを含有する９％Ｎｉ鋼が用いられる。内槽２は、９％Ｎｉ鋼の鋼板を溶接して製造される。内槽２を構成する鋼板の肉厚は、液化ガスタンク１の規模によって異なるが、数ｍｍ〜数十ｍｍである。次に、液化ガスタンク１の製造方法の一例を説明する。

図２、図３は、液化ガスタンクの製造方法例を示す説明図である。図２、図３は、液化ガスタンクの内槽２の胴部２Ｃを製造する手順例を示している。内槽２の胴部２Ｃは、複数の９％Ｎｉ鋼板（溶接対象部材）２Ｐを溶接して溶接対象部材である環状部材２₁、２₂等を構成してから、環状部材同士を溶接する。この実施形態では、レーザー溶接を用い、例えば、約７０％のＮｉを含有する溶接ワイヤ（溶金）のような、オーステナイト系の溶接ワイヤ（溶金）を用いる。なお、溶接ワイヤ（溶金）はこれに限られるものではない。図２は、９％Ｎｉ鋼で構成される環状部材２₂と環状部材２₃とを溶接する例を示している。

環状部材２₂と環状部材２₃とを溶接するにあたっては、溶接装置１０を用いる。溶接装置１０は、図２、図３に示すように、内槽２の外周部に設けられる環状の作業床５上に載置される。そして、溶接装置１０は、作業床５上で環状部材２₃の周方向（図３中の矢印Ｒ方向）に移動しながら、環状部材２₂と環状部材２₃とを溶接する。

図４は、この実施形態に係る溶接装置の構成例を示す説明図である。溶接装置１０は、溶接ヘッド１１と、シールドガス供給ノズル１２と、溶接ワイヤ供給部１３とが台車１４上に搭載されて構成されている。台車１４には、作業床５上に敷設される案内レール５Ｒ上を走行する車輪１５が設けられている。そして、台車１４は、前記案内レール５Ｒ上を走行して環状部材２Ａ、２Ｂの周方向に移動しながら、溶接ワイヤ供給部１３から供給される溶接ワイヤ（溶金）Ｗを用いて、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとを溶接する。

この実施形態においては、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの溶接にレーザーを用いる。溶接装置１０には溶接ヘッド１１のみが搭載されており、作業床とは別個の場所（例えば地上部）に設置されるレーザー発生装置１７と溶接ヘッド１１とが光ケーブル１８で接続される。そして、レーザー発生装置１７で発生させたレーザー光は、溶接ヘッド１１から環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの溶接部に照射されて、両者を溶接する。なお、レーザーとしては、ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザー、光ファイバレーザー等を用いることができる。光ファイバレーザーを用いると、レーザー発生装置１７を小型化できるので好ましい。

溶接時には、ガス配管１９を介してシールドガスボンベ１６から供給されたシールドガスＧが、シールドガス供給ノズル１２から溶接部に噴射される。シールドガスＧは不活性ガスであり、溶接時においては、溶接部の雰囲気を不活性ガス雰囲気に維持する。この実施形態においては、シールドガスＧに窒素（Ｎ₂）を用いる。この実施形態では、溶金中に固溶しやすい窒素をシールドガスＧとして用いることで、溶金中や溶金と母層との境界等に発生するポロシティを極めて低減できる。なお、この実施形態において使用することができるシールドガスは窒素に限られず、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈ）を用いることもできる。次に、この実施形態に係る溶接方法を説明する。

図５は、この実施形態に係る溶接方法によって溶接する部分を示す断面図である。図５のＩＮは、内槽２（図１参照）の内側を示し、ＯＵＴは内槽２の外側を示す。また、図５の矢印Ｇは、重力の作用方向を示す。溶接対象部材である環状部材２Ａと環状部材２Ｂとは、板厚ｔが数ｍｍ〜数十ｍｍ程度である。この実施形態において、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの突合せ部には、開先２０が設けられる。レーザー溶接においては、キーホール溶接を活かすために、通常Ｉ開先あるいはＩ開先に近い形の開先を用いる。また、レーザー溶接を用いて厚板を溶接する場合には、ルートフェースを大きくする。

この実施形態に係る溶接方法では、レーザー溶接を用いるが、開先２０を狭開先とする。また、開先２０の底部（開先底部）２０Ｂには曲率が設けられる（この実施形態ではｒ＝３ｍｍ）。さらに、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの肌合わせを容易にするため、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの突合せ部にはルートフェース２１を設ける。そして、溶け込み深さ方向（板厚方向）におけるルートフェース２１の寸法（以下ルートフェース寸法という）ｓはできるだけ小さくする。ルートフェース寸法ｓは、環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの肌合わせが可能な範囲でできるだけ小さい方が好ましい。しかし、肌合わせを容易にするため、最低限１ｍｍ程度は確保する必要がある。

図６は、溶金の初層におけるＮｉ量（％）とルートフェース寸法（ｍｍ）との関係を示す説明図である。図６のＮｉ量は、質量％である。溶金の初層（溶接の第１層）において、Ｎｉ量が２５％を下回ると、溶金の組織はマルテンサイト組織となって、低温での靭性が低下する。一方、溶金の初層において、Ｎｉ量が２５％以上になると溶金の組織はオーステナイトとなって、低温での靭性が向上する。ルートフェース寸法ｓが５ｍｍ以下であれば、溶金の組織はオーステナイトとなるため、低温における靭性を向上させることができる。なお、低温における靭性が許容できる場合は、溶金の組織の一部がマルテンサイト組織であっても、ルートフェース寸法ｓを５ｍｍ以下としなくても、その許容される範囲に対応する寸法をルートフェース寸法ｓとして選択してもよい。

開先２０を上述したような形状とすることによって、溶接の初層部の母材希釈が低減して溶金の溶け込み量が増加するので、溶金に近い継手性能を確保することができ、継手部分の靭性を確保できる。ここで、狭開先とは厳密な定義はないが、従来工法における開先角度θが３０度〜５０度に対してこれよりも小さい角度の開先を狭開先と称している。また、開先の開口寸法ｈは溶接対象である環状部材２Ａ等の板厚にもよるが、板厚ｔが数ｍｍ〜数十ｍｍである場合には、５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。次に、この実施形態における溶接部のビード形状について説明する。

図７は、溶接部の溶接ビード層の形状を示す断面図である。環状部材２Ａと環状部材２Ｂとの溶接部は、第１溶接ビード層（溶接の第１層、初層）２２₁の上に第２溶接ビード層（溶接の第２層）２２₂を積層そして、順次溶接ビード層が積層されて環状部材２Ａと環状部材２Ｂとが溶接される。この実施形態においては、すでに溶接された溶接ビード層の、積層される次の溶接ビード層側における表面を凹形状とする。これは、開先２０の底部（開先底部）２０Ｂに曲率を設けることにより実現できる。

第１溶接ビード層２２₁上に第２溶接ビード層２２₂を溶接する場合、積層される次の溶接ビード層側における第１溶接ビード層２２₁の表面に凹部Ｃを設け、前記表面を凹形状とする。また、第２溶接ビード層２２₂の上に第３溶接ビード層を溶接する場合には、積層される次の溶接ビード層側における第２溶接ビード層２２₂表面に凹部Ｃを設け、前記表面を凹形状とする。このようにすることで、母材（溶接対象であり、環状部材２Ａ等）と溶金との境界付近における融合不良を抑制することができる。

図８、図９は、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を説明する断面図である。溶接では、溶金が溶け込んで溶接ビード層を形成し、溶接対象同士を接合する。この実施形態では、溶金の溶け込み幅ｂに対する溶金の溶け込み深さａの比ａ／ｂを、１以上１．４以下とすることが好ましい。この理由を説明する。

図１０は、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比の関係を示す説明図である。なお、初層（第１溶接ビード層）と最終層（最終ビード層）とは施工条件が特殊であるため除いてある。ａ／ｂが１．４３となると、溶接ビード層内にポロシティが発生する（図１０中の記号※１）。また、ａ／ｂが０．９５となると、母材（溶接対象）と溶接ビード層（溶金）との境界付近において融合不良が発生する（図１０中の記号※２）。そして、ａ／ｂが１以上１．４以下の範囲では、ポロシティや融合不良は発生しない。この結果から、ａ／ｂは１以上１．４以下が好ましい。次に、溶金の溶け込み幅ｂ、溶金の溶け込み深さａについて説明する。

溶金の溶け込み深さａは、ある溶接ビード層に着目した場合において、溶金が溶け込んでいく方向における溶接ビード層の最大寸法である。また、溶金の溶け込み幅ｂは、着目した溶接ビード層において、溶金の溶け込み深さの方向と直交する方向における溶接ビード層の最大寸法である。図８に示す第２溶接ビード層２２₂は、溶接ビード層の輪郭が明瞭な場合、上記定義にしたがって、第２溶接ビード層２２₂の輪郭からａ／ｂを求める。

図９に示す第２溶接ビード層２２₂は、第３溶接ビード層２２₃と接する部分における第２溶接ビード層２２₂の輪郭が不明瞭な場合である。この場合、第２溶接ビード層２２₂と隣接する溶接ビード層（第３溶接ビード層２２₃）との交点Ｐ₁、Ｐ₂の２点と、前記交点Ｐ１、Ｐ２のいずれか一方の近隣点Ｐ₃との計３点を結ぶ２次曲線Ｙを描いて仮想輪郭を作る。そして、この仮想輪郭を用いて溶金の溶け込み深さａを決定する。ここで、近隣点Ｐ３は、第２溶接ビード層２２₂の輪郭上であって、交点Ｐ₁又は交点Ｐ₂から１ｍｍ離れた位置に存在する。

図１１は、溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比と投入熱量との関係を示す説明図である。投入熱量は、溶接ワイヤの単位質量あたりにおける投入熱量である。図１２からわかるように、適正な溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比ａ／ｂ、すなわち１≦ａ／ｂ≦１．４（図１１のハッチング部分）を得るためには、１０ｋＪ／ｃｍ・ｇ以上２７ｋＪ／ｃｍ・ｇ以下とすることが好ましい。ここで、投入熱量Ｑは式（１）で求めることができる。なお、式（１）のＰはレーザー出力（ｋＷ）、ｖは溶接速度（ｃｍ／ｓｅｃ．）、Ｌは溶接ワイヤ供給速度（ｃｍ／ｓｅｃ．）、ｄは溶接ワイヤ直径（ｃｍ）、ρは溶接ワイヤ密度（ｇ／ｃｍ³）である。
Ｑ＝（Ｐ／ｖ）／（Ｌ×π（ｄ／２）²×ρ）・・・（１）

以上、この実施形態では、溶接対象部材同士の突合せ部に狭開先を設けるとともに、前記開先の底部に曲率を設け、また溶接対象部材同士の突合せ部にはルートフェースを設け、かつ、溶接ビード層を積層する際には溶金の溶け込み幅ｂに対する溶金の溶け込み深さａの比を、１以上１．４以下としてレーザー溶接する。これによって、初層（溶接ビード層の第１層）における母材希釈が低減し溶金の溶け込み量が増加するので、溶金に近い継手性能を確保でき、靭性低下を抑制できる。

また、ａ／ｂを１以上１．４以下とすることにより、溶金中に固溶して形成されるポロシティの結合を抑制できる。さらに、開先の底部に曲率を設けることによってビードの形状を凹とすることができ、母材と溶金との境界付近の融合不良を抑制できる。また、高密度エネルギーを発生できるレーザー溶接を用いることによって、深溶け込みかつ高速溶接が可能となる。また、狭開先とすることにより、溶接ビード層の盛り数を低減できる。これらの作用によって、溶接の工数を短縮することができる。

図１２は、本発明の一実施例の結果を示す説明図である。この実施例では、本発明の溶接方法を用いて９％Ｎｉ鋼を溶接し、ＲＴを判定した。条件は、溶接対象の板厚は３０ｍｍ、開先の開口寸法は８ｍｍ、開先底部の半径は２ｍｍ、ルートフェース寸法は３ｍｍとした。シールドガスには窒素を用いた。また、溶接は６層盛りとし、それぞれの溶接ビード層は、上記ａ／ｂが１以上１．４以下の範囲に入るようにレーザー出力や溶接速度等を制御した。それぞれの溶接ビード層の施工条件は図１２に示す通りである。図１２のＲＴ判定結果からわかるように、すべての溶接ビード層において、ＲＴ１種１類で合格レベルにある。ここで、ＲＴ１種１類は、ＪＩＳ Ｚ ３１０６（２００１）に規定されるものである。

以上のように、本発明に係る溶接方法及び液化ガスタンクの製造方法は、９％Ｎｉ鋼の溶接に有用であり、特に、溶接作業の工数を低減することに適している。

液化ガスタンクの一例を示す断面概略図である。 液化ガスタンクの製造方法例を示す説明図である。 液化ガスタンクの製造方法例を示す説明図である。 この実施形態に係る溶接装置の構成例を示す説明図である。 この実施形態に係る溶接方法によって溶接する部分を示す断面図である。 溶金の初層におけるＮｉ量（％）とルートフェース寸法（ｍｍ）との関係を示す説明図である。 溶接部の溶接ビード層の形状を示す断面図である。 溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を説明する断面図である。 溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比を説明する断面図である。 溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比の関係を示す説明図である。 溶金の溶け込み幅に対する溶金の溶け込み深さの比と投入熱量との関係を示す説明図である。 本発明の一実施例の結果を示す説明図である。

符号の説明

１ 液化ガスタンク
２ 内槽
２Ａ 環状部材
２Ｂ 環状部材
２Ｃ 胴部
２Ｉ 内部
３ 断熱材
４ 外槽
１０ 溶接装置
１１ 溶接ヘッド
１６ シールドガスボンベ
１７ レーザー発生装置
１８ 光ケーブル
１９ ガス配管
２０ 開先
２０Ｂ 開先底部
２１ ルートフェース
２２₁ 第１溶接ビード層
２２₂ 第２溶接ビード層
２２₃ 第３溶接ビード層

Claims (6)

1. レーザーを用いて溶接対象部材同士を接合するにあたり、
   前記溶接対象部材同士の突合せ部に狭開先を設けるとともに前記開先の底部に曲率を設け、
   また前記溶接対象部材同士の突合せ部にはルートフェースを設け、かつ、
   溶接ビード層を積層する際には、前記溶接ビード層を構成する溶金の溶け込み幅に対する前記溶金の溶け込み深さの比を所定の範囲とすることを特徴とする溶接方法。
2. 前記溶金の溶け込み幅に対する前記溶金の溶け込み深さの比は、１以上１．４以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記溶金の溶け込み深さ方向における前記ルートフェースの寸法は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接方法。
4. すでに溶接された溶接ビード層の、積層される次の溶接ビード層側における表面を凹形状とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接方法に用いる溶接ワイヤの単位質量あたりにおける投入熱量は、１０ｋＪ／ｃｍ・ｇ以上２７ｋＪ／ｃｍ・ｇ以下とすることを特徴とする溶接方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接方法によって、少なくとも、液化ガスを貯蔵する槽を構成する溶接対象部材を溶接することを特徴とする液化ガスタンクの製造方法。

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