JP2010172911A - 低温用鋼板の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部の溶存酸素量を低減することができ、深い溶け込みを得ることができる低温用鋼板の溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明の低温用鋼板の溶接方法は、開先形状がルート面及び開先角度を有する低温用鋼板の突合せ継手の溶接方法であって、レーザトーチを先行させて、プラズマミグ溶接トーチを後行させて溶接を行う。レーザトーチから被溶接物の溶接継手のルート部にレーザ光を照射してプラズマミグ溶接を行って溶接ビードの第一層を形成し、次に、レーザ光を少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、開先側面を隙間無く溶かす周波数でウィービングさせて照射してプラズマミグ溶接を行って第一層の上に第二層を形成する。この結果、小さい歪みで深い溶け込みが確保され、開先側面部も充分な溶け込みが得られた溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードを形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温用鋼板の改善された溶接方法に関するものである。

例えば、天然ガスをマイナス１６２度以下に冷却した低温物質である液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）を貯蔵するＬＮＧタンクは、超低温に耐える強度をもつ９％重量のニッケルを含有した鋼が採用されている。そして、このような低温用鋼板は、高い低温靭性が求められる。低温靭性とは、常温を大きく下回るような低温下において、ある部材が衝撃を受けたときの破断しにくさ、又は粘り強さをいう。このために、ＬＮＧタンクを建造する鋼板を溶接する場合、その溶接部に対しても高い低温靭性が要求され、溶接部の低温靭性を高めるには、溶接時に溶解した酸素が溶接部に残存する量（溶存酸素量）が低いほど好ましい。

従来、低温用鋼板の溶接として溶接部に残存する溶存酸素量を低減するために、純アルゴンをシールドガスとして溶接を行うティグ溶接が一般的に採用されていた。しかし、ティグ溶接は溶着金属の量が少ないために多くのパス数が必要になり、効率化に欠け歪みも大きくなる。そこで、溶着率を向上させるために、プラズマミグ溶接が提案されている。このプラズマミグ溶接とは、消耗電極として溶接ワイヤを送給しながらミグアークを発生させ、純アルゴンガスをプラズマガスとして用いて上記のミグアークを同心円状に包含したプラズマアークを発生させる溶接である。（例えば、特許文献１参照。）。

このプラズマミグ溶接は、純アルゴンガスの不活性ガスをシールドガスとして用い、プラズマアークによってミグアークを同心円状に包含することで、大気の巻き込みを低減させることができる。このプラズマミグ溶接は、ミグアークの周りのプラズマが溶接ワイヤを予熱するので、一般的なミグアーク溶接よりも溶接ワイヤの溶融速度を向上させて、溶着率を向上させることができる。プラズマミグ溶接の構成を図４に示す。

図４は、一般的なプラズマミグ溶接の構成を示す図である。同図において、プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極８と被溶接物１６との間にプラズマアーク電流Ｉwp及びプラズマアーク電圧Ｖwpを出力する。プラズマミグ溶接トーチ５のトーチ本体１９にねじ止めされたプラズマ電極８はプラズマノズル９に取り囲まれており、このプラズマノズル９内をプラズマガス１２が流れ、被溶接物１６との間にプラズマアーク１４が発生する。プラズマノズル９はプラズマアーク１４と後述するミグアーク１５とを熱的に拘束するためのものであり、直接又は間接水冷された導電性の部材である。

プラズマノズル９はさらにシールドノズル１０に取り囲まれており、このシールドノズル１０内をシールドガス１３が流れる。プラズマ電極８には、水冷銅電極、タングステン電極等が使用され、内部が中空構造になっている。同図では、プラズマアーク１４は電極プラス極性で発生している。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するワイヤ送給制御信号Ｆｃを出力すると共に、給電チップ７と被溶接物１６との間にミグアーク電流Ｉwm及びミグアーク電圧Ｖwmを出力する。給電チップ７は溶接ワイヤ１７を挿通するための挿通孔が形成されており、プラズマ電極８内に同軸芯に設けられている。また、プラズマ電極８内にセンターガス１１が流れている。

溶接ワイヤ１７は、ワイヤ送給モータＷＭに結合された送給ロール１８によって送給される。溶接ワイヤ１７は、上記の給電チップ７の挿通孔内で、内接触して給電されて送給され、被溶接物１６との間にミグアーク１５が発生する。このミグアーク１５はプラズマアーク１４に内包されて発生する。したがって、溶接ワイヤ１７はプラズマアーク１４、及びミグアーク１５によって加熱されて溶滴移行する。ミグアーク１５は電極プラス極性で発生している。溶接ワイヤ１７は送給速度Ｆｗ［ｍ／分］で送給される。

センターガス１１とプラズマガス１２とが、狭いプラズマノズル９を通過することによって圧力が高められ、プラズマアーク１４とミグアーク１５との熱的拘束を強め、集中性が高められる。センターガス、プラズマガス及びシールドガスとして、一般的に純アルゴンの不活性ガスが供給される。

特開昭６３−１６８２８３号公報

上述したプラズマミグ溶接は、プラズマアーク１４による溶接ワイヤ１７への予熱効果で溶着量を多くすることで効率化が図れ、プラズマアーク１４によってミグアーク１５を同心円状に包含することで、溶接部に残存する溶存酸素量を低減することができる。しかし、Ｖ形開先やＹ形開先の溶接において、プラズマミグ溶接は、深い溶け込みを得ることができないために、適切な溶接ビードを形成することができない。さらに、ルート部の溶け込みに加えて開先側面においても充分な溶け込みが確保することができない。

本発明は、溶接部の溶存酸素量を低減することができ、深い溶け込みを得ることができる低温用鋼板の溶接方法を提供することを目的としている。

第１の発明は、
開先形状がルート面及び開先角度を有する低温用鋼板の突合せ継手の溶接方法であって、
レーザトーチを先行させて、非消耗のプラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、前記プラズマ電極内に溶接ワイヤを送給して前記溶接ワイヤと前記被溶接物との間にミグアークを発生させるプラズマミグ溶接トーチを後行させて溶接を行う低温用鋼板の溶接方法において、
前記レーザトーチから前記被溶接物の溶接継手のルート部にレーザ光を照射して前記ルート面の上端から下端まで溶かしてプラズマミグ溶接を行って溶接ビードの第一層を形成し、
次に、前記レーザ光を少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、前記開先側面を隙間無く溶かす周波数でウィービングさせて照射して前記プラズマミグ溶接を行って前記第一層の上に第二層を形成することを特徴とする低温用鋼板の溶接方法である。

第２の発明は、
前記第二層を形成した後に、前記レーザ光を少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、前記開先側面を隙間無く溶かす周波数でウィービングさせて照射して前記プラズマミグ溶接を行って前記第二層の上に第三層を形成することを特徴とする第１の発明に記載の低温用鋼板の溶接方法である。

本発明の低温用鋼板の溶接方法は、小さい歪みで深い溶け込みが確保され、開先側面部も充分な溶け込みが得られた溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードを形成することができる。

本発明の低温用鋼板の溶接方法の構成を示す図である。 本発明の低温用鋼板の溶接方法によって溶接されたＶ形開先の溶接継手の溶接ビードを示す図である。 本発明の低温用鋼板の溶接方法の構成を示す図である。 一般的なプラズマミグ溶接の構成を示す図である。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明の低温用鋼板の溶接方法の構成を示す図である。同図において、開先形状がルート面及び開先角度を有する低温用鋼板の突合せ継手の溶接方法を示している。この開先としては、Ｖ形、Ｙ形、Ｘ形、レ形、Ｋ形、Ｊ形、両面Ｊ形、Ｕ形、Ｈ形を含む。レーザトーチ１を先行させて、プラズマミグ溶接トーチ５を後行させている。まず、先行するレーザトーチ１によって低温用鋼板の被溶接物１６の溶接継手のルート部にレーザ光を照射して、ルート面の上端から下端まで溶かす。レーザ発振機２から出力されたレーザ光３は、光ファイバ４によってレーザトーチ１内に設けられた集光レンズ光学系に伝送され、この集光レンズ光学系によって被溶接物１６に焦点が生じるように収束されて照射される。レーザとしてはＹＡＧレーザ、半導体レーザ又はファイバーレーザが使用される。

上記レーザ光を照射した後に連続して、後行するプラズマミグ溶接トーチ５によってプラズマミグ溶接を行って溶接ビードの第一層２１を形成する。プラズマミグ溶接の構成は、図４で示した構成と同じであるので、説明を省略する。この結果、図２（Ａ）に示すように、ルート面１６ａに対して小さい歪みで深い溶け込みが確保された溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードの第一層２１を形成することができる。図２（Ａ）は、本発明の低温用鋼板の溶接方法によって溶接されたＶ形開先の溶接継手の溶接ビードの第一層を示す図であり、同図（Ｂ）は、後述する溶接ビードの第二層を示す図である。

次に、図３に示すように、先行するレーザトーチ１によってルート部と直行する方向へ、少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、開先側面を隙間無く溶かす周波数でレーザ光３をウィービングさせて照射する。このとき、例えばレーザトーチ１の先端の位置を固定して、トーチ角度を変えることによってレーザ光３をウィービングさせても良い。上記レーザ光を照射した後に連続して、後行するプラズマミグ溶接トーチ５によってプラズマミグ溶接を行って第一層２１の上に第二層２２を形成する。この結果、図２（Ｂ）に示すように、開先側面１６ｂも充分な溶け込みが得られて溶存酸素量の少ない溶接ビードの第二層２２を形成することができる。

以上のようにレーザトーチ１を先行させてプラズマミグ溶接トーチ５を後行させて低温用鋼板の溶接を行って、第一層２１及び第二層２２を形成することによって、小さい歪みで深い溶け込みが確保され、開先側面１６ｂも充分な溶け込みが得られた溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードを形成することができる。

本願発明者の実験によると、９％ニッケル鋼を用いて厚さが１５ｍｍ、開先深さが５ｍｍ、開先面が１０ｍｍ、開先角度が４５度のＹ形開先の低温用鋼板に対して、溶接速度が１ｍ／分、レーザ出力が３ｋＷ、レーザの焦点距離が被溶接物１６の表面からルート部方向へ２ｍｍの位置であり、プラズマミグ溶接として、ワイヤ送給速度を１３ｍ／分、ミグアーク電流を２７０Ａ、ミグアーク電圧を２７Ｖ、プラズマアーク電流を１００Ａ、プラズマアーク電圧を４０Ｖ、溶接ワイヤの材質が９％重量のニッケルを含有した鋼で径が１．２ｍｍで、溶接継手のルート部にレーザ光を照射した後に、プラズマミグ溶接によって、溶接ビードの第一層２１を形成した。

次に、先行するレーザトーチ１によってルート部と直行する方向へ、少なくとも開先側面を溶かす幅で、レーザ光３を５Ｈｚのウィービング周波数でウィービングさせて照射して、レーザ光３を開先側面１６ｂにも照射し、後行側のプラズマミグ溶接トーチ５によって開先側面１６ｂに充分な溶け込みをもって金属を溶着させた。この結果、小さい歪みで深い溶け込みが確保され、開先側面１６ｂも充分な溶け込みが得られた溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードの第二層２２を形成することができた。

以上のように第一層２１及び第二層２２を形成することによって、小さい歪みで深い溶け込みが確保され、開先側面１６ｂも充分な溶け込みが得られた溶着率の高く溶存酸素量の少ない溶接ビードを形成することができた。

なお、本発明の低温用鋼板の溶接方法として、第一層及び第二層を形成する溶接方法を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第三層を形成する必要がある場合は、第二層を形成するときと同様に、先行するレーザトーチ１によってレーザ光３をウィービングさせて照射し、後行するプラズマミグ溶接トーチ５によってプラズマミグ溶接を行って第二層２２の上に第三層を形成すれば良い。

なお、上記の実験において、９％重量のニッケルを含有した鋼の溶接方法を説明したが、本発明の低温用鋼板の溶接方法は、２．５％重量のニッケルを含有した鋼や３．５％重量のニッケルを含有した鋼の溶接にも適用することができる。

１ レーザトーチ
２ レーザ発振機
３ レーザ光
４ 光ファイバ
５ プラズマミグ溶接トーチ
７ 給電チップ
８ プラズマ電極
９ プラズマノズル
１０ シールドノズル
１１ センターガス
１２ プラズマガス
１３ シールドガス
１４ プラズマアーク
１５ ミグアーク
１６ 被溶接物
１６ａ ルート面
１６ｂ 開先側面
１７ 溶接ワイヤ
１８ 送給ロール
１９ トーチ本体
２１ 第一層
２２ 第二層
Ｆｃ ワイヤ送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉwm ミグアーク電流
Ｉwp プラズマアーク電流
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
Ｖwm ミグアーク電圧
Ｖwp プラズマアーク電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ

Claims (2)

1. 開先形状がルート面及び開先角度を有する低温用鋼板の突合せ継手の溶接方法であって、
   レーザトーチを先行させて、非消耗のプラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、前記プラズマ電極内に溶接ワイヤを送給して前記溶接ワイヤと前記被溶接物との間にミグアークを発生させるプラズマミグ溶接トーチを後行させて溶接を行う低温用鋼板の溶接方法において、
   前記レーザトーチから前記被溶接物の溶接継手のルート部にレーザ光を照射して前記ルート面の上端から下端まで溶かしてプラズマミグ溶接を行って溶接ビードの第一層を形成し、
   次に、前記レーザ光を少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、前記開先側面を隙間無く溶かす周波数でウィービングさせて照射して前記プラズマミグ溶接を行って前記第一層の上に第二層を形成することを特徴とする低温用鋼板の溶接方法。
2. 前記第二層を形成した後に、前記レーザ光を少なくとも開先側面を溶かす幅で、かつ、前記開先側面を隙間無く溶かす周波数でウィービングさせて照射して前記プラズマミグ溶接を行って前記第二層の上に第三層を形成することを特徴とする請求項１記載の低温用鋼板の溶接方法。

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