JP3919595B2 - チタン製成形ベローズ用パイプの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタン製成形ベローズ用パイプの製造方法に関し、特に、素管の作製には、プラズマ溶接におけるシールドガスとしてアルゴンと水素の混合ガスを用いずにアルゴンとヘリウムの混合ガスを用い、プラズマアークの収束度の減少を少なくし、かつ、チタンの化学変化による硬化を生じさせないで溶接するための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、用いられていたこの種のチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法としては、例えば、特許第２５２５９６０号公報に開示された「チタン製防食ベローズの製造方法」を挙げることができ、その方法においては、板状のチタン素材を円筒形に成形し、対向する端部を溶接して素管を作製し、前記素管を液圧成形法もしくはロール成形法によりベローズ成形するチタン製ベローズの製造方法において、前記素管の作製にはＴＩＧ溶接を適用し、溶接継手の厚さは素管の厚さの１．０５倍以上１．２倍以下にし、溶接後のエリクセン値を母材並みの１１．４ｍｍ以上１３．５ｍｍ以下にしてベローズ成形することであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、真空用ベローズにおいては、板厚が０．１から０．３ｍｍのチタンの極薄板からパイプ（素管）を製作して、ベローズを製作する。この極薄板の溶接には微小溶接電流で安定な溶接熱源が必要となり、それには通常のＴＩＧ溶接機では非常に難しく、プラズマ溶接が使用されている。しかしながら、通常のプラズマ溶接はセンターガス（プラズマガス）にアルゴン、シールドガスにアルゴンと水素の混合ガスが用いられるが、シールドガスの水素添加混合ガスを使用するのは、水素ガスの高温分解、再結合によるサーマルピンチ効果でプラズマアーク柱を収束し、微小電流において安定なアークを得るためである。従って、チタンは高温で水素と反応し、硬化することが知られており、チタンの溶接においてはシールドガスに水素が存在すると熔融金属部の硬化、脆化が生じ、健全な溶接継手が得られなかった。従って、通常のプラズマ溶接は適用できず、又、溶接速度が遅いと入熱量が過大となりがちなため、溶接継手部の硬度上昇が著しく、成形のためには熱処理が必要で、それも真空熱処理が必要とされ、その製造工程が複雑化して、量産における障害となっていた。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、素管の作製には、プラズマ溶接におけるシールドガスとしてアルゴンと水素の混合ガスを用いずにアルゴンとヘリウムの混合ガスを用い、プラズマアークの収束度の減少を少なく、かつ、チタンの化学変化による硬化を生じさせないで溶接するようにしたチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法は、板状のチタン素材を円筒形に成形し、対向する各端部を溶接して素管を作製し、前記素管を液圧成形法もしくはロール成形法によりベローズにベローズ成形するチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法において、前記素管の作製にはプラズマ溶接におけるシールドガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを用いる方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法の好適な実施の形態について説明する。
図１はベローズの製造工程を示すもので、チタン製の０．２ｍｍ厚のチタン素材１のロール状のコイル２を繰出してカッターで切断してチタン板３とし、このチタン板３をロール加工して円筒状とし、その対向する各端部４ａ、４ｂをプラズマ溶接によって溶接して素管５とする。
この素管５の長手溶接部６をチェックした後、液圧成形部７（ロール成形法による場合もある）でベローズ状に成形してベローズ８を成形し、このベローズ８の両端面８ａ、８ｂを切断除去すると、ベローズ８が得られる。
このベローズ８を脱脂、洗浄後に、金具９ａ、９ｂを取付けることによってベローズ成品１０が得られる。
【０００７】
前記素管５は、図２に示されるように、長手溶接部６が長手溶接継手６Ａとして形成され、この長手溶接継手６Ａは、拡大して示すと図４のように形成されている。
すなわち、その板厚Ｔは、長手溶接継手６Ａの長手溶接部板厚Ｔ_１とほぼ同一となるように構成されている。
【０００８】
前記ベローズ８は、図５及び図６に示されるように、成形ベローズ８Ａとベローズ谷部８Ｂとによって蛇腹状に伸縮変化可能で、例えば、真空ゲート弁等に用いられる。
【０００９】
前記長手溶接部６は、プラズマ溶接によって形成され、このプラズマ溶接に用いるセンターガスはアルゴンガス（Ａｒ）を使用し、シールドガスとしては従来のＡｒ＋Ｈ_２に代ってＡｒ＋Ｈｅを使用している。
【００１０】
実施例
０．２ｍｍ板厚の純チタンベローズの製作を行った。
成形ベローズ製造工程を図１に示しているが、工程中のロール成形後の溶接（造管溶接）における溶接において、溶接電流８〜８．５Ａ、
センターガス：アルゴン ０．３Ｌ／ｍｉｎ
シールドガス：アルゴン １０Ｌ／ｍｉｎ
ヘリウム ０．２〜０．５Ｌ／ｍｉｎ
溶接速度 ９００ｍｍ／ｍｉｎ
以上の溶接条件で図２の素管５となるように長手溶接し、パイプ（ベローズ素管）を製作した。その後、図１の工程に従い、液圧成形を行い健全なベローズを製作することができた。製作したベローズの疲労寿命も設計値を越える性能が確認された。
溶接管を用いた成形ベローズにおいては成形時のおける拡管工程で、長手溶接継手が不健全な場合、破裂し、拡管することができない。長手溶接部の熔融金属の硬度が母材部とより著しく高い（伸びが少ないと）熱影響部から亀裂が生じ、破断し、ベローズ成形を行うことができない。（従来では熱処理を行うことにより熔融金属部や熱影響部の組織を変え、延性を確保している。）
ヘリウム混合ガスの効果を確認するために以下の試験を実施した。
シールドガスの混合ガスが水素の場合とヘリウムの場合、各々同一溶接条件でチタンの極薄板の長手継手を溶接し、その溶接部近傍の硬度を測定した。
その結果を表１、２の第１表及び第２表及び図７、８に示した。第１表、図７がヘリウムを混合した場合、第２表、図８が水素を加えた場合の結果である。
【００１１】
【表１】

【００１２】
【表２】

【００１３】
これらの表と図から、ヘリウム混合の方が熔融金属部の平均硬度（ビッカース硬度）は約１０程度、明らかに低いことが分かる。このことから水素脆化を生じさせることなく、且つ、熱処理を行うことなく、成形加工が可能な素管を製作することができたものと考えられる。
シールドガスをヘリウムのみで行うことも可能であるが、ヘリウムガスは大気より軽いため大気を巻き込み易いことや拡散速度が速いためシールド効果が少なくなり、熔融部や熱影響部が酸化されやすい。従って、混合ガスが最も有効である。
ＴＩＧ溶接における比較試験も行ったが、ＴＩＧの場合、溶接速度が遅くなるため、熱影響部が広くなり、又、熔融部の硬度は水素混合シールドガスの場合と同程度であった。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によるチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、素管を形成する長手溶接部の形成が、シールドガスをＡｒとＨｅを用いてプラズマ溶接を行っているため、溶接部の硬度上昇を少なくした溶接継手が得られ、そのことにより、ステンレス製の成形ベローズと同等の作業性（高速溶接、熱処理なし）でチタン製成形ベローズが製作でき、その経済効果は極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法を示す製造工程図である。
【図２】図１で作製した素管を示す側面図である。
【図３】図１の右側面図である。
【図４】図３のＡ部を示す拡大図である。
【図５】図１のベローズを示す拡大半断面図である。
【図６】図５の右側面図である。
【図７】本発明によるシールドガスを用いた場合の長手溶接継手部分の硬度変化を示す特性図である。
【図８】従来のシールドガスを用いた場合の長手溶接継手部分の硬度変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１ チタン素材
４ａ、４ｂ 端部
５ 素管
８ ベローズ

Claims (1)

1. 板状のチタン素材(1)を円筒形に成形し、対向する各端部(4a、4b)を溶接して素管(5)を作製し、前記素管(5)を液圧成形法もしくはロール成形法によりベローズ(8)にベローズ成形するチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法において、
   前記素管(5)の作製にはプラズマ溶接におけるシールドガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを用いることを特徴とするチタン製成形ベローズ用パイプの製造方法。

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