(57)【要約】【課題】全周にわたって表裏面の凹みが抑制された溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法を提供する。【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法は、互いの端部を突合せた一対の鋼管Ｐ１及びＰ２の内側にバックシールドガスを供給しながら、溶接トーチ４１を用いて外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする工程を備え、溶接トーチ４１の姿勢に基づいて、一対の鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの端部を突合せた一対の鋼管の内側にバックシールドガスを供給しながら、溶接トーチを用いて外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする工程を備え、
前記溶接トーチの姿勢に基づいて、前記一対の鋼管の内圧を変更する、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法であって、
前記溶接トーチの先端が下向きのときの前記一対の鋼管の内圧が、前記溶接トーチの先端が他の向きのときの前記一対の鋼管の内圧よりも大きくなるようにする、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法であって、
前記一対の鋼管の内圧が０．１〜０．９ｋＰａである、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法であって、
製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、溶接部の全周にわたって表裏面に３０μｍ以上の凹みが存在しない、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法であって、
製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、６９０ＭＰａ以上の引張強さを有する、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法であって、
溶接開始からの時間経過に基づいて、前記溶接トーチに供給する電流の大きさを変化させる、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法。
【請求項７】
互いの端部を突合せた一対の鋼管の内側にバックシールドガスを供給しながら、外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする溶接装置であって、
溶接トーチと、
前記一対の鋼管の内圧を調整する内圧調整手段と、
前記内圧調整手段を駆動して、前記溶接トーチの姿勢に基づいて前記鋼管の内圧を変更する制御装置とを備える、溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法及びこれに使用する溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素を利用した輸送器機の実用化に向けた研究が進められており、高圧水素や液化水素を貯蔵・輸送できる環境を整備することが求められている。
【０００３】
このような設備に使用される材料として、高強度かつ耐水素脆化特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手に関しても、溶接金属のＮ含有量を増大させることで、母材以上の引張強さを持たせたものが提案されている（国際公開第２０１３／００５５７０号を参照。）。
【０００４】
水素ステーションの配管として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼管は、ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）によって溶接されることが多く、また自動突合せ溶接が用いられることが多い。
【０００５】
特開昭６１−１３２２７０号公報には、薄肉部材を突合せ溶接した際に発生する溶接ビードの窪みを防止する溶接方法が開示されている。具体的には、開先に突部が設けられた薄肉部材を相互に接合させ、アークの照射される接合部表面側圧力を裏面側圧力以下として、上記突部を含めた開先を溶融させ、両薄肉部材を溶接することが開示されている。
【０００６】
特開平７−１６４１４６号公報には、裏波層に凹部を生じさせないようにした自動溶接装置が開示されている。具体的には、トーチを上向きにして被溶接物を溶接する際に、筐体の開口している側面を被溶接物の面に対面させ、封止材を被溶接物の面に当接させて、開口縁部の面との間を封止し、かつ筐体内に不活性ガスを導入して圧力を高め、それにより溶融池の溶融物質が垂下しないようにすることが開示されている。
【０００７】
特許第３４９６０３１号公報には、高純度ガス供給系配管の溶接方法が開示されている。具体的には、ＴＩＧ自動溶接による金属管同士の円周溶接において、一方の金属管の先端側の開口より内方へ向けてバックシールドガスを放出するとともに、アークスタート時の溶接電流値を、アークスタート時点から一定時間の間定常溶接電流値よりも低い値に保持し、その後当該溶接電流を定常溶接電流値まで上昇させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００５５７０号
【特許文献２】特開昭６１−１３２２７０号公報
【特許文献３】特開平７−１６４１４６号公報
【特許文献４】特許第３４９６０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特開昭６１−１３２２７０号公報に記載されているように、鋼管内にガスを封入して内圧を上昇させ、管外側から溶接する方法が知られている。しかしこの方法では、鋼管の全周にわたって表裏面の凹みが抑制された溶接部を得ることは困難である。
【００１０】
本発明の目的は、全周にわたって表裏面の凹みが抑制された溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法及び溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法は、互いの端部を突合せた一対の鋼管の内側にバックシールドガスを供給しながら、溶接トーチを用いて外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする工程を備え、前記溶接トーチの姿勢に基づいて、前記一対の鋼管の内圧を変更する。
【００１２】
本発明の一実施形態による溶接装置は、互いの端部を突合せた一対の鋼管の内側にバックシールドガスを供給しながら、外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする溶接装置であって、溶接トーチと、前記一対の鋼管の内圧を調整する内圧調整手段と、前記内圧調整手段を駆動して、前記溶接トーチの姿勢に基づいて前記鋼管の内圧を変更する制御装置とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、全周にわたって表裏面の凹みが抑制された溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による溶接装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、溶接ヘッドの構成を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、鋼管の周方向１．５周分を５つの領域に分割した場合を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、鋼管の周方向１．５周分を６つの領域に分割した場合を示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、鋼管の周方向１．５周分を９つの領域に分割した場合を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
【００１６】
［溶接装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態による溶接装置１の構成を示す模式図である。溶接装置１は、互いの端部を突合せた鋼管Ｐ１及びＰ２の内側にバックシールドガスを供給しながら、外側から周方向にガス・タングステン・アーク溶接をする溶接装置である。溶接装置１は、導入ライン１１、排出ライン２１、シールドガス供給ライン３１、溶接ヘッド４０、溶接トーチ４１、及び制御装置５０を備えている。
【００１７】
導入ライン１１は、鋼管Ｐ１に接続され、鋼管Ｐ１及びＰ２の内側にバックシールドガスを導入する。導入ライン１１には、バックシールドガスの上流側から順に、バルブ１２、レギュレータ１３、流量計１４、及びバルブ１５が接続されている。
【００１８】
排出ライン２１は、鋼管Ｐ２に接続され、鋼管Ｐ１及びＰ２の内側からバックシールドガスを排出する。排出ライン１２には、バックシールドガスの上流側から順に、圧力計２２、及びバルブ２３が接続されている。
【００１９】
シールドガス供給ライン３１は、溶接トーチ４１にシールドガスを供給する。シールドガス供給ライン３１には、シールドガスの上流側から順に、バルブ３２、レギュレータ３３、流量計３４、及びバルブ３５が接続されている。
【００２０】
図２は、溶接ヘッド４０の構成を示す模式図である。溶接ヘッド４０は、溶接トーチ４１に加えて、ベース４２、及びステージ４３を備えている。溶接ヘッド４０はこの他に、溶接材料を供給するための溶接材料供給装置を備えていてもよい。
【００２１】
溶接トーチ４１は、溶接ヘッドのステージ４３に固定されている。ステージ４３は、鋼管Ｐ１及びＰ２の管軸方向の周りを回転できるように構成されている。ステージ４３が回転することによって、溶接トーチ４１も鋼管Ｐ１及びＰ２の周りを回転する。
【００２２】
溶接トーチ４１は、シールドガス供給ライン３１から供給されるシールドガスを吹き付けながら、アークを発生させて被溶接箇所（鋼管Ｐ１と鋼管Ｐ２との接触位置）を溶融させる。溶接トーチ４１は、例えばレーザートーチである。溶接トーチ４１を回転させながら溶接をすることで、鋼管Ｐ１と鋼管Ｐ２とを周方向に溶接することができる。
【００２３】
制御装置５０は、バルブ１５、２３、及び３５、並びに溶接ヘッド４０を制御する。制御装置５０は具体的には、バルブ１５を開閉して鋼管Ｐ１及びＰ２へのバックシールドガスの供給を開始又は停止するともに、バルブ３５を開閉して溶接トーチ４１へのシールドガスの供給を開始又は停止する。制御装置５０はまた、バルブ２３の開度を調整して、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を調整する。制御装置５０はさらに、ステージ４３を所定の速度で回転させるとともに、溶接トーチ４１に供給する電流を制御する。
【００２４】
［オーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法］
以下、溶接装置１を用いたオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法を説明する。
【００２５】
鋼管Ｐ１及びＰ２を互いの端部を突合せた状態で溶接装置１に固定する。鋼管Ｐ１及びＰ２は、オーステナイト系ステンレス鋼管である。鋼管Ｐ１及びＰ２の化学組成は、これに限定されないが、例えば、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：３〜７％、Ｃｒ：１５〜３０％、Ｎｉ：１０〜１７％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．１０〜０．５０％、Ｍｏ：０〜５．０％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜１．０％、残部：Ｆｅ及び不純物である。鋼管Ｐ１及びＰ２は、上記以外の元素を含有するものであってもよい。
【００２６】
バルブ１５及び３５を開いて、シールドガス及びバックシールドガスの供給を開始する。シールドガス及びバックシールドガスは、例えばアルゴンガスである。バルブ１５及び３５の開閉は、制御装置５０によって自動で行われることが好ましい。
【００２７】
圧力計２２は、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を測定し、測定値を制御装置５０に送信する。制御装置５０は、この測定値に基づいて、バルブ２３の開度を調整し、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を制御する。鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧は、好ましくは０．１〜０．９ｋＰａに制御される。
【００２８】
シールドガス及びバックシールドガスを供給しながら、ガス・タングステン・アーク溶接をする。このとき、制御装置５０は、溶接トーチ４１の姿勢に基づいて、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を変更する。
【００２９】
好ましくは、溶接トーチ４１の先端が下向きのときの鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧が、溶接トーチ４１の先端が他の向きのときの鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧よりも大きくなるようにする。この制御は例えば、溶接の経路を複数の領域に分割し、領域ごとに内圧の目標値を設定して行うことができる。
【００３０】
図３Ａは、鋼管Ｐ１及びＰ２の周方向１．５周を５つの領域に分割した場合を示す模式図である。図３Ａにおいて、ｚ方向は鉛直方向である。図３Ｂ及び図３Ｃにおいても同様である。図３Ａの図の場合、３番目の領域（［３］の領域）の内圧を他の領域の内圧よりも大きい値に設定することが好ましい。
【００３１】
図３Ｂは、鋼管Ｐ１及びＰ２の周方向１．５周を６つの領域に分割した場合を示す模式図である。図３Ｂの場合、３番目及び４番目の領域（［３］及び［４］の領域）の内圧を他の領域の内圧よりも大きい値に設定することが好ましい。図３Ｃは、鋼管Ｐ１及びＰ２の周方向１．５周を９つの領域に分割した場合を示す模式図である。図３Ｃの場合、５番目の領域（［５］の領域）の内圧を他の領域の内圧よりも大きい値に設定することが好ましい。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｃでは、各領域を均等に分割しているが、各領域の長さは互いに異なっててもよい。分割する領域の数は任意であり、内圧を連続的に変化させるようにしてもよい。また、図３Ａ〜図３Ｃでは周方向の１．５周を溶接しているが、溶接は１周以上行えばよく、ちょうど１周であってもよいし、２周以上であってもよい。
【００３３】
図３Ａ〜図３Ｃでは、溶接トーチの先端が水平方向を向く位置から溶接を開始し、その後溶接トーチ４１を鋼管Ｐ１及びＰ２の下側に向かって回転させる場合を説明している。しかし、溶接開始位置や、回転方向は任意である。
【００３４】
溶接トーチ４１に供給する電流の大きさは、好ましくは１５〜５０Ａである。溶接トーチ４１に供給する電流の大きさは、溶接開始からの時間経過に基づいて変化させることが好ましい。具体的には、溶接開始直後は、アークを安定させるために溶接トーチ４１に供給する電流を小さくすることが好ましい。また、電流を所定の大きさにした後は、鋼管Ｐ１及びＰ２の温度上昇による溶接部の過加熱を防止するため、電流を小さくすることが好ましい。すなわち、溶接開始直後は小さな電流から大きくしていき、その後再び小さくしていくように制御することが好ましい。
【００３５】
溶接終了後、バルブ１５及び３５を閉じて、シールドガス及びバックシールドガスの供給を停止する。以上の工程によって、鋼管Ｐ１と鋼管Ｐ２とが周方向溶接されたオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手が製造される。
【００３６】
［本実施形態の効果］
鋼管の周方向溶接では、溶接金属が重力の影響で垂れ下がる可能性がある。本実施形態では、鋼管Ｐ１及びＰ２の内側にバックシールドガスを供給して内圧を上昇させることで、溶接金属が鋼管Ｐ１及びＰ２の内側に垂れ下がらないようにする。一方、内圧が大きすぎると、溶接金属の裏面（鋼管Ｐ１及びＰ２の内側）に凹みができる場合がある。重力の影響があるため、最適な内圧は溶接姿勢によって異なる。
【００３７】
本実施形態では、溶接トーチ４１の姿勢に応じて鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を変更する。これによって、全周にわたって凹みが抑制された溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手が得られる。
【００３８】
好ましくは、溶接トーチ４１の先端が下向きのときの鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧が、溶接トーチ４１の先端が他の向きのときの鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧よりも大きくなるようにする。すなわち、溶接金属が重力の影響で鋼管Ｐ１及びＰ２の内側に垂れ下がり易い下向きのときの内圧を相対的に大きくする。
【００３９】
本実施形態によって製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、好ましくは、溶接部の全周にわたって表裏面に３０μｍ以上の凹みが存在しない。本実施形態によって製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、より好ましくは、溶接部の全周にわたって表裏面に２０μｍ以上の凹みが存在しない。
【００４０】
本実施形態によって製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、全周にわたって凹みが抑制された溶接部を有するため、高強度を有する。本実施形態によって製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、好ましくは、室温で６９０ＭＰａ以上の引張強さを有する。本実施形態によって製造されるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手は、より好ましくは、室温で７００ＭＰａ以上の引張強さを有する。
【００４１】
本実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法は、鋼管Ｐ１及びＰ２が比較的小径の鋼管の場合に特に好適である。鋼管Ｐ１及びＰ２は、これに限定されないが、外径が３０ｍｍ以下であることが好ましく、２０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００４２】
上記の実施形態では、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧の制御を制御装置５０によって行う場合を説明した。しかし、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧の制御は、手動で行ってもよい。すなわち、溶接トーチ４１の姿勢と圧力計２２を確認しながら、バルブ２３の開度を手動で調整することで、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を制御してもよい。
【００４３】
上記では、排出ライン２１に接続されたバルブ２３の開度を調整することで、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を調整する場合を説明した。しかし、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を調整する方法は任意であり、溶接装置１は、何らかの圧力調整手段を備えていればよい。例えば、レギュレータ１３やバルブ１５の開度を調整することで、鋼管Ｐ１及びＰ２の内圧を調整してもよい。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態による溶接装置の構成、及びオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手の製造方法を説明した。本実施形態によれば、全周にわたって表裏面の凹みが抑制された溶接部を有するオーステナイト系ステンレス鋼管溶接継手が得られる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００４６】
質量％で、Ｃ：０．０３％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：４％、Ｎｉ：１２％、Ｃｒ：２２％、Ｍｏ：２％、Ｎｂ：０．２％、Ｎ：０．３％、Ｖ：０．２％を含む鋼を溶解してインゴットを作製した。作製したインゴットに熱間鍛造、熱間圧延、熱処理及び機械加工を施して、厚さ１５ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの鋼板を作製した。この鋼板から外径９．５３ｍｍ、肉厚２．３ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋼管をくりぬき加工により作製した。鋼管端部にはＩ開先を施した。
【００４７】
作製した鋼管同士を突合せ、溶接材料を用いずに自動ＧＴＡＷによって１．５周溶接し、溶接継手を作製した。シールドガス及びバックシールドガスはともにアルゴンガスとした。溶接中、鋼管の周方向１．５周を５〜９つの領域に分割し、領域ごとに内圧及び溶接トーチに供給する電流を変更した。いずれも溶接トーチの先端が水平方向を向く位置から溶接を開始し、その後溶接トーチを鋼管の下側に向かって回転させた（図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明したものと同じ。）。各領域に設定した電流及び内圧を表１に示す。
【００４８】
【表１】
2020049526.tif 000003
【００４９】
製造した溶接継手を円周方向に４５°おきに切断して８つの縦断面を実体顕微鏡で観察し、溶接部の表裏の面の凹みの大きさを観察した。観察した８つの縦断面において、最も大きな凹みの大きさを「最大凹み量」とした。
【００５０】
各溶接継手に対し、引張試験を実施した。具体的には、各溶接継手を長さ１００ｍｍに切断し、管状のまま室温での引張試験に供した。
【００５１】
各溶接継手の最大凹み量と引張強さを表２に示す。
【００５２】
【表２】
2020049526.tif 000004
【００５３】
試験番号Ｊ１〜Ｊ６の溶接継手は、溶接時、溶接トーチの姿勢に基づいて内圧を変更して製造された。これらの溶接継手は、溶接欠陥が存在せず、溶接部の最大凹み量が３０μｍ以下であり、室温で６９０ＭＰａ以上の引張強さを有していた。
【００５４】
試験番号Ｊ７の溶接継手は、最大凹み量が３０μｍを超えた。これは、溶接時の内圧を一定にしたためと考えられる。
【００５５】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
【図１】
2020049526.tif 000005
【図２】
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【図３Ａ】
2020049526.tif 000007
【図３Ｂ】
2020049526.tif 000008
【図３Ｃ】
2020049526.tif 000009