JP3827958B2 - チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的厚板のチタン又はチタン合金の片面溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、厚板のチタン溶接は一般的にはフィラーワイヤを使用するＴＩＧ溶接法が採用され、ルート面を小さくして初層ビードからフィラーワイヤを用いて多層盛り溶接する方法が主として行われている。この溶接方法で問題となるのは、
▲１▼厚板のため、図３に示す如く溶接継ぎ手部の開先形状が大断面積のＶ字形状となり、よって多層盛り溶接になるため溶接歪みが大きい。
▲２▼また、溶接パス数が多い、例えば、図３に示すように板厚２０ｍｍ、開先角度５０°、ルート部１．０ｍｍの場合において総パス数１９パスとなり溶接時間が非常に長くなり作業能率が極めて悪い。
【０００３】
▲３▼図３に示す如く多層盛りビードが１８パスにも達すると、チタンは比重が小さいため、溶融金属に侵入したガスが放出されにくく開先底部のビードにおいて発生した小さなブローホールは、パス数が増加するに従って多くなる傾向がある。 よって、比較的厚い板のチタン又はチタン合金の溶接において、パス数の少ない高能率の片面溶接法が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の溶接における課題とその目的は、▲１▼裏波ビードの垂れ下がりや余盛り不足の解消、▲２▼溶接歪みの低減、▲３▼ブローホール、融合不良などの溶接欠陥の低減ないし解消、▲５▼溶接コストの低減である。
本発明は、上記のような課題を解決することによって、チタン又はチタン合金の厚板片面溶接において、良好な裏波ビードが得られて、又パス数の少なくて溶接歪みが発生しにくい高能率の片面溶接方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述した従来技術の実状に鑑みてなしたものであって詳しくは、チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法において、開先形状をＹ字形開先とし、そのＹ字形開先のＶ形部の底部に仮付け溶接を施した後、プラズマアークを用いてシーリング溶接し、次にそのシーリング溶接ビード部にプラズマキーホール溶接を施してＹ字形開先のルート部を裏波溶接し、更にＹ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを用いて多層盛り溶接するチタン又はチタン合金の厚板片面溶接法であり、更にＹ字形開先のＶ形部はフィラーワイヤを用いてプラズマ溶接又はＴＩＧ溶接を用いて多層盛り溶接し、各溶接は不活性ガスでアフターシールドを施すチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法である。
【０００６】
上記溶接方法において、仮付け溶接のビード長さは全溶接長の３０〜７０％が好ましく、溶接部にアフターシールドボックスを用いての溶接ビード表面の温度は４００℃以下になるまで不活性ガスでシールドすること、多層盛りビード断面中央部の高さＨが８ｍｍ以下であることを条件とし、これらの溶接方法を板厚が２０ｍｍ以上であるチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について図面を用いて詳細に説明する。
本発明は厚板のチタン又はチタン合金の主溶接にプラズマキーホール溶接方法を採用したプラズマ片面溶接方法であり、溶接装置は溶接電源、トーチ、バックビードをシールドするガス収納裏当金、表ビードをシールドするアフターシールドボックス及びトーチを走行させる台車、制御装置などで構成される。
【０００８】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に本発明の溶接順序にそのビード断面を示す。図１（ａ）に示す如く被溶接材１、２の接合面を合わせたときにＹ字形になるように被溶接材の溶接面に開先加工を施す。Ｙ字形開先（以下、Ｙ開先という。）の開先はルート部４及びＶ字形の傾斜部３で構成し、各種の板厚に対応してルート部４は１５〜２０ｍｍが好ましく、Ｖ形部３の角度は９０〜６０°が好ましい。
【０００９】
まず、最初にＴＩＧ溶接あるいはプラズマ溶接を使用してＶ形部の底部を所望の間隔を設けて仮付け溶接を行い目的の隙間のないＹ開先とする。この仮付け溶接は間欠的でその長さは全溶接長の３０〜７０％の範囲に施すことが強度、ビード形成性からも好ましいのである。例えば、仮付け溶接が５０％の場合、５０ｍｍ溶接して５０ｍｍ開けて次の５０ｍｍを溶接する。仮付け溶接部が３０％未満では以降の溶接時の熱応力に対して強度不足で破断、他方、７０％超えては仮付けとして不要である。
【００１０】
次にプラズマ溶接を用いて図１（ｂ）に示す開先ルート上部面全線にシーリングビード５を施す。これは後述する図２のＡ、Ａ′断面である。このシーリングビード５によってＹ開先のルート部４の良好な片面溶接ができるように仮付け溶接の有無にかかわらずＶ形部の高さを均一にする。
次にシーリングビード５を貫通してルート部４を最下部へ全面貫通するプラズマキーホール溶接法にて裏波ビードを形成させてルート部４の片面溶接を完了する。このプラズマキーホール溶接を完了した断面を図１（ｃ）に示し、その概要をビード断面接合部６であり、後述する図２のＢ、Ｂ′断面である。シーリングビードを施した後にプラズマキーホール溶接を行うことによって、キーホール効果による安定した裏波ビードの片面溶接が可能になり、仮付け溶接部の破断防止ができ、良好な溶接結果が得られる。
【００１１】
次に、Ｙ開先のＶ形部であるプラズマキーホール溶接面の上部にフィラーワイヤを用いたプラズマ溶接、又は同様にフィラーワイヤを用いるＴＩＧ溶接によって多層盛り溶接を行う。本発明における、仮付け溶接及び図１に示すシーリング溶接、キーホール溶接並びに多層盛り溶接は、各パスのビード表面温度が４００℃以下となるまでビードを被うように設計されたガスシールドボックスを使用してビード表面を不活性ガスシールドによって包囲する。不活性ガスはアルゴンガス、又はヘリウムガスである。よって、ビード表面温度が４００℃を超えている時は空気に触れないようにしてビード表面の酸化を防止する。裏ビードは予め不活性ガスシールドボックスを設けて溶接部用面の酸化を防止する。
【００１２】
図３に不活性ガスシールドを収納するボックス（アフターシールドボックス）の概要を示し、プラズマ溶接トーチ１１を中心にして溶接進行方向の矢印２０の下流側にビード方向に長いガス収納ボックス２１を具備する。その収納ボックス２１にはガス導入管２２をボックス２１の上部に導き、ガス導入管２２の先端部分にはガス放出口２３が複数個設けてある。ガス導入管２２の下部にはメッシュ２４、さらにその下にパンチングメタル２５がボックスの内部平面を被うように設置されている。被溶接材の裏面にもシールドボックスが設けて裏ビードも表ビードと同様に高温のビードが空気にさらされないようにする。鋼管のガス継ぎ手の場合は、管内部の空気を不活性ガスに置換して行うこともある。
【００１３】
ガス導入管２２によって導かれたガスは、一旦ボックス内に放出されてメッシュ２４およびパンチングメタル２５を通過してボックス２１内では均一に下方に向けて放出され、均一に溶接ビードを被い、ビード表面および高温になったチタン母材の酸化を防ぐのである。溶接直後のビードを含む溶接部表面を不活性ガスによるシールドの目的は、ビード表面温度が４００℃を超える温度で空気に触れた場合、表ビードおよび熱影響部が酸化し、その酸化皮膜を有する状態のまま次の溶接を重ねて多層盛り溶接を進行させると、酸化皮膜が溶接金属に残留して非金属介在物又はブローホール発生の原因になり、溶接欠陥となる。これらの溶接欠陥は疲労亀裂の起点にもなるから発生しないようにする。溶接金属の酸素吸収、酸化をより厳しく防ぐためには１４５℃以下まで空気との接触を防ぐのが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明は、図１（ｄ）に示す如く多層盛り溶接の各ビード断面中央部の高さＨを８ｍｍ以下にするのが好ましい。プラズマ溶接は比重の重いＡｒガスをプラズマガスに使用しているため、チタン又はチタン合金の比重（４．５）は軽くて多層盛りビード断面の中央部の高さＨが８ｍｍを超えると溶融金属が深くてプラズマガスのＡｒガスは表面まで浮上できず溶融金属内に残留しブローホールやトンネル状の空洞欠陥が発生する。本発明は、板厚が２０ｍｍ以上のチタン又はチタン合金において効果が発揮でき、高能率で欠陥のない厚板片面溶接方法が実現できたのである。
【００１５】
図２を用いてシーリングビード５を貫通して施すプラズマキーホール溶接について詳細に説明する。図２（ａ）はプラズマキーホール溶接工程の概要を示す断面図である。図１（ｂ）は図２（ａ）のＣ、Ｃ′断面図である。図２においてプラズマキーホール溶接は矢印２０方向に進行する。プラズマキーホール溶接のプラズマ溶接トーチ１１は直流電源１９を介して被溶接材１、２に接続されている。被溶接材１、２はシーリングビード５で一体になっており、プラズマアーク１２は表面１８からシーリングビードおよびルート部４を貫通してキーホール１５を空けて被溶接材の下まで達していて良好な裏ビードを形成する。
【００１６】
また、プラズマアーク１２はシーリングビード５、被溶接材１、２を溶融して溶融池１４を形成してプラズマキーホール溶接のビード６を形成する。
次に、プラズマキーホール溶接のビード６の上部であるＶ形部にフィラーワイヤを用いたプラズマ溶接、又は同様にフィラーワイヤを用いるＴＩＧ溶接によって多層盛り溶接を被溶接材１、２の表面まで、かつ所定の余盛りを施して溶接を完了する。
【００１７】
【実施例】
次に本発明について実施例を用いて詳細に説明する。表１に各溶接工程のプラズマおよびＴＩＧ溶接パラメータ、表２および表３に本発明および比較例を実施した種々の条件及び溶接結果と評価を示す。
被溶接材は、ＪＩＳ Ｈ４６００に規定されている１種又は２種のチタン鋼板、および６Ａｌ−４Ｖチタン合金（一般溶接構造用のＡＳＴＭＢ２６５）を幅１５０ｍｍ、長さ６００ｍｍに切断、それぞれの開先加工を施して使用した。仮付け溶接から最終溶接ビードまでアフターシールドガスはＡｒガスを使用した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
本発明の実施例は、表２および表３におけるＮｏ．１〜６に示し、被溶接材の板条件および溶接条件共に本発明条件を満足し、溶接結果において欠陥はなく、表面はＪＩＳ Ｚ３８０５に規定されている合格判定の金色又は銀色でチタン、チタン合金として満足できる良好な結果が得られた。Ｖ形部の多層盛り溶接のパス数は２乃至６で済み、溶接歪みは殆ど発生しなかった。Ｎｏ．４においてはアフターガスシールド後のビード表面温度がわずかに高いが、被溶接材が純チタンでなく欠陥は発生しなかった。
【００２０】
一方、比較例はＮｏ．７〜１５に示し、以下に示す如く板条件および溶接条件のいずれかが本発明の構成要件を満足していないことから溶接結果に問題点があり、総合評価は不良になった。
Ｎｏ．７は、シーリング溶接においてフィラーワイヤを使用していないのでシーリングビードの高さが不均一でキーホール溶接が不良となって多層盛り溶接までできなかった。Ｎｏ．８は、Ｎｏ．７と同一条件で被溶接材が６Ａｌ−４Ｖチタン合金の例であり、同様な結果であった。
Ｎｏ．９は、仮付け溶接にフィラーワイヤを使用しないので、シーリング溶接において、仮付けが破断した。
【００２１】
Ｎｏ．１０は、シーリング溶接がＴＩＧ溶接であってフィラーワイヤを使用していないので、キーホール溶接においてシーリングビードが破断した。
Ｎｏ．１１は、開先形状がＩ字形でシーリング溶接がＴＩＧ溶接であってフィラーワイヤを使用していないので、キーホール溶接においてシーリングビードが破断した。Ｎｏ．１２は、アフターシールドガスを使用しない例であり、ビード表面が酸化し、その上への多層盛り溶接によって溶接金属に非金属介在物が存在し、ブローホールが発生した。
【００２２】
Ｎｏ．１３は、Ｖ形部において多層盛り溶接においてフィラーワイヤ供給量を増加して２パスで終了した。そのためビード断面の高さＨが１０〜１２ｍｍとなってプラズマガスが浮上しきれずにガス溝が発生した。
Ｎｏ．１４は、開先形状がＶ字形であるので、多層盛り溶接が１８パスとなり、歪み変形量が８ｍｍであった。
Ｎｏ．１５は、Ｉ開先であり、シーリングビードの高さが不均一になってプラズマキーホール溶接において均一な裏ビードが得られなかった。
【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
【発明の効果】
チタン又はチタン合金の厚板片面溶接において、プラズマキーホール溶接は、仮付け溶接後にシーリングビードで開先底面が平坦化後に施すので、安定した裏波を有する溶接ビード断面、溶接ナゲット形状となり溶接欠陥が極めて少ないプラズマ溶接ビードが得られ、次いで安定したプラズマキーホール溶接金属の表面部にプラズマアーク溶接を用いて多層盛り溶接するため安定した均一な溶け込み深さが得られ、極めて溶接欠陥が少ない高能率溶接が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の開先形状および溶接手順を示す断面概要図、（ａ）は開先形状、（ｂ）はシーリング溶接後、（ｃ）はキーホール溶接後、（ｄ）は多層盛り溶接後を示す。
【図２】本発明のプラズマキーホール溶接を示す（ａ）は断面概要図、（ｂ）は平面概要図である。
【図３】本発明のアフターガスシールドの概要を示す概要図である。
【図４】従来溶接法を示す断面概要図、（ａ）は開先形状、（ｂ）はシーリング溶接後の断面概要図である。
【符号の説明】
１、２ 被溶接材
３ 開先Ｖ形部
４ 開先ルート部
５ シーリングビード
６ キーホール溶接部
７ 多層盛り溶接ビード
１１ プラズマ溶接トーチ
１２ プラズマアーク
１３ プラズマジェット
１４ 溶融金属
１５ キーホール
１６ フィラーワイヤトーチ
１７ フィラーワイヤ
１８ シーリングビード表面
１９ プラズマ溶接電源
２０ 溶接進行方向
２１ シールドガスボックス
２２ ガス供給管
２３ ガス放出口
２４ メッシュ
２５ パンチングメタル
２６ バックシールドボックス
Ｈ ビード高さ

Claims (6)

1. チタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法において、開先形状をＹ字形とし、該Ｙ字形開先のＶ形部に仮付け溶接を行った後プラズマアークを用いてシーリング溶接し、次に該シーリング溶接ビード部をプラズマキーホール溶接によってＹ字形開先のルート部を裏波溶接し、更にＹ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを用いて多層盛り溶接することおよび前記各溶接は不活性ガスによるアフターシールドを施すことを特徴とするチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
2. 仮付け溶接は、所望の間隔を開けて全溶接長の３０〜７０％を施すことを特徴とする請求項１記載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
3. Ｙ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを用いるプラズマ溶接にて多層盛り溶接することを特徴とする請求項１または２記載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
4. Ｙ字形開先のＶ形部にフィラーワイヤを用いてＴＩＧ溶接にて多層盛り溶接することを特徴とする請求項１または２記載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
5. 溶接部にアフターシールドボックスを用いて溶接後の溶接ビード表面の温度が４００℃以下になるまで不活性ガスでシールドすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。
6. 多層盛り溶接の各ビード断面中央部の高さＨが８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のチタン又はチタン合金の厚板片面溶接方法。

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