(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法。
【請求項２】
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、初層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却し、次いで該初層溶接後に積層溶接をする際に、積層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却すると同時に、当該積層溶接箇所に相当する裏側の初層溶接箇所にも直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、冷却しながら溶接する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する際に、溶接箇所の高い溶接熱で溶接箇所及びその近傍が、冷却過程でおよそ５００℃〜８００℃の温度範囲に長時間維持されると、熱的影響によって溶着金属及び熱影響部の合金成分の炭化物が結晶粒界部に析出して、耐食性が劣化し粒界腐食の原因となる問題が知られている。
また、結晶粒の粗大化や熱歪みによって強度が劣化したり残留応力の発生や変形が生じて、これらが応力腐食割れの要因となる問題や、耐食性や美観を損なう表面酸化被膜が形成される等の問題が知られている。また、初層溶接後の積層溶接をする際にも、積層溶接の溶接熱の影響によって、上記溶接欠陥が初層及び積層溶接部に生じる問題が知られている。
【０００３】
これらの問題を解決するために、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を冷却しながら溶接をする方法が知られている。その方法としては、溶接する側、つまり表側から溶接部表面に低温の不活性ガスを直接噴射しながら溶接を行う溶接方法があった。また、他の方法としては、初層溶接後に積層溶接をする際に、当該積層溶接箇所に相当する裏側の初層溶接箇所に、水等の液状冷媒を吹き付けたり又は流したりして裏側から間接的に冷却しながら溶接を行う溶接方法があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、溶接部表面に溶接用シールドガスとして、低温にした不活性ガスを噴射して溶接部を冷却する溶接方法は、低温ガスの比熱に係わる温度変化による顕熱を利用して冷やすために、溶接部を短時間に充分に冷やすことが難しく、溶接部の充分な耐食性、耐久性等が得られなかった。また、冷却の熱効率が良くないために大量の低温ガスも必要とした。
【０００５】
また、オーステナイト系ステンレス鋼の初層溶接後に積層溶接をする際に、裏側の初層溶接箇所に、水等の液状冷媒を吹き付けたり又は流したりして溶接部を裏側から間接的に冷却する溶接方法は、液状冷媒の顕熱と気化熱を利用するものであるが、短時間に冷やすことはいまだ充分でなく、初層及び積層溶接部の充分な耐食性、耐久性等を得ることが難しかった。また、冷却の熱効率が良くないために大量の水等の冷媒が必要であるのに加えて、管材等の溶接の場合に水等の液状冷媒を漏れないようにシールして均一に循環させる機構を必要とし、飛散して濡れたり作業の支障にならないように保護したり、回収して処理が必要であるなど、冷却機構が複雑で取扱いが大変であった。また、水等の液状冷媒が表面に付着するとその表面に酸化被膜が形成されて耐食性や美観が損なわれる等の問題を内在していた。
【０００６】
この発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に、従来の低温ガス又は水等の液状冷媒を使用することなく、二酸化炭素の凝結固体（商品名、ドライアイス）の粒子を使用して、高温の溶接部表面を直接、大きな昇華の潜熱によって短時間に効率良く冷却して、熱影響による合金成分の析出や結晶粒の粗大化、熱歪や残留応力の発生、表面酸化被膜の形成等をなくして、耐食性、耐久性に優れた品質の良い溶接部が得られ、かつ溶接及び冷却の作業が容易なオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却するものである。
【０００８】
また、この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、初層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却し、次いで該初層溶接後に積層溶接をする際に、積層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却すると同時に、当該積層溶接箇所に相当する裏側の初層溶接箇所にも直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付け冷却して、前記溶接を行うものである。
【０００９】
【作用】
この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却するので、粉体状又は粒状の固体粒子が、高温に熱せられた箇所に次々に衝突すると同時に固体から気体に瞬時に変化し、昇華による大きな潜熱を奪って短時間に急激に冷却する。固体粒子は表面まで直接到達し衝突と同時に瞬間的に蒸発して、表面に常に新たな固体粒子を接触させて、冷却効果を一層高める。このように、溶接部表面を直接、短時間に効率良く冷却するので、溶接の高い熱によって溶着金属及び熱影響部の合金成分の炭化物が結晶粒界部に析出して耐食性が劣化することがなく、また結晶粒の粗大化や熱歪みによって強度が劣化することなく、さらに残留応力の発生や変形が生じることもなく、これらから応力腐食割れの要因等の問題を生じることがない。
【００１０】
溶接対象物が小口径の管材など裏側から溶接や冷却等ができない場合には、溶接する側、すなわち表側から溶接直後の溶接部表面にのみ二酸化炭素の凝結固体粒子の吹き付けによる冷却を行って溶接部を短時間に冷却する。
【００１１】
また、この発明は冷却媒体として固体から気体に直ぐに昇華する二酸化炭素の凝結固体粒子を使用しているので、水等の液状冷媒のように溶接箇所や裏面の表面等を濡らしたり、漏れたりすることがなく、また、後処理等の配慮をする必要がないため、取扱いが容易で溶接部の冷却の作業性が良い。
【００１２】
また、この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、初層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却し、次いで該初層溶接後に積層溶接をする際に、積層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却すると同時に、当該積層溶接箇所に相当する裏側の初層溶接箇所にも直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けるので、積層溶接箇所及び初層溶接箇所を積層溶接と同時に短時間で表裏両面から直接冷却するため一層冷却効率が高まる。このように積層溶接の場合にも、短時間に効率良く冷却するので、積層溶接の高い熱による初層及び積層溶接部の耐食性の劣化や応力腐食割れの要因等を抑制するとともに、両面から冷却するために、残留応力や熱歪み等の発生を一層抑制することができる。
【００１３】
【実施例】
この発明の実施例を図面に従って説明する。
図１に、この発明に係る溶接法を示す。
図中、１は被溶接材のオーステナイト系ステンレス鋼材、２はＴＩＧ溶接する場合の溶接トーチ、３は溶接材料ワイヤ、４は溶接機、７は溶接箇所直後の溶着金属とその近傍の熱影響部を含む溶接部である。また、５は溶接部７を冷却するための二酸化炭素凝結固体粒子８の吹き付け機、６は凝結固体粒子の二酸化炭素を製造して送り出す供給装置である。
【００１４】
この図１は、小口径の管材など裏側からの溶接ができない場合等に、溶接する方向側、つまり表側から片側溶接した直後の溶接部７の表面のみを冷却している状態を示す。図のように、溶接直後の高温になった溶接部７の表面に、凝結固体状二酸化炭素の吹き付け機５によって二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けて冷却する。この際に、固体から気体に瞬時に昇華する大きな潜熱によって溶接部７を短時間に急激に冷却する。
【００１５】
このように、溶接部７を短時間に効率良く冷却するので、溶接箇所の高い溶接熱によって溶着金属及び熱影響部の合金成分の炭化物が結晶粒界部に析出して、耐食性が劣化し粒界腐食の原因となったり、また、結晶粒の粗大化や熱歪みによって強度が劣化したり残留応力が発生して、これらが応力腐食割れの要因となったり、耐食性や美観を損なう表面酸化被膜が形成されたりすることがない。
【００１６】
また、二酸化炭素の凝結固体粒子８が飛散して溶接箇所に直接かかったり、空気を巻き込んで溶接部を酸化させる等、溶接に対して悪影響を及ぼさないように、吹き付け機５のノズルの方向を溶接の進行方向に対して後方所定角度に傾斜させたり、また保護カバーや吹き出しガイド等を取り付けておく。
【００１７】
凝結固体状二酸化炭素の供給装置６は、低温液化二酸化炭素を貯蔵する容器９と、この液体を凝結固形化して造粒する二酸化炭素凝結固体粒子製造装置１０と、この固体粒子を送り出す送出装置１１とから形成する。二酸化炭素の凝結固体粒子８は、炭酸ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを貯蔵したガス容器１２から送られる圧縮された低温のガスをキャリヤーにして、混合装置１３で混合して二酸化炭素吹き付け機５に搬送する。
【００１８】
溶接部７に吹き付ける二酸化炭素の凝結固体粒子８は、例えば、容器９に貯蔵した比重１．１程度で沸点−７８．５℃の物性を有する低温液化二酸化炭素、つまり液化炭酸を、二酸化炭素凝結固体粒子製造装置１０で圧力８０気圧程度に圧縮冷却して細孔から噴出させ断熱膨張により比重１．５程度の雪片状に凝結させ、この雪片を圧縮成形造粒して製造する。この二酸化炭素の凝結固体粒子８を、送出装置１１で混合装置１３に送り出し、ガス容器１２から送られる低温ガスをキャリヤーにして圧力を高めて移送する。
【００１９】
なお上記実施例は、二酸化炭素の凝結固体粒子８を二酸化炭素凝結固体製造装置１０によって容器９から送られる低温液化二酸化炭素を用いて製造した場合を示したが、あらかじめ固形に製造された二酸化炭素（商品名、ドライアイス）を用いて、これを粉砕装置等によって所望の大きさの粒状に粉砕造粒等して製造するようにして、製造装置の簡素化を図っても良い。
【００２０】
二酸化炭素の凝結固体粒子８は、溶接部７の冷却部表面が凹凸状態や狭い範囲であっても所望の冷却箇所を的確に狙って効率良く冷却できるように、粒子を固くして圧力を高めて強い衝撃力で吹き付ける形状、例えば、数百ミクロンから数ミリ程度の粗い球体や柱体の粒状に形成する。
【００２１】
図２は、オーステナイト系ステンレス鋼の板材１４，１４の溶接の際に、表裏両面側から同時に溶接直後の溶接部表裏両面に二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けて冷却している状態を示す。
【００２２】
図中、５Ａは表面側の吹き付け機、５Ｂは裏面側の吹き付け機である。
表面側の吹き付け機５Ａは、溶接直後の表面の溶接部７Ａに二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けて溶接部７Ａを冷却し、同時に裏面側の吹き付け機５Ｂは、溶接直後の表面の溶接部７Ａに対応して裏面の溶接部７Ｂに二酸化炭素の固体粒子８を吹き付けて冷却するように設置する。このように、溶接直後の溶接部７Ａ，７Ｂの表裏両面から同時に冷却した場合には、冷却効率を一層高めることができるばかりか、残留応力、熱歪み及び塑性変形が生じにくい。
【００２３】
また、図１や図２以外の方法として、溶接直後の溶接部の裏面のみに二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却することも考えられるが、この場合には、溶接する表側での冷却の同時作業がなく、また、二酸化炭素の凝結固体粒子や炭酸ガスが溶接箇所の周囲に飛散することがないため、溶接作業がし易くなるが、冷却効率は低下してしまう。
【００２４】
図３は、オーステナイト系ステンレス鋼の管材１５，１５の溶接の際に、初層溶接１７施工後の積層溶接１８施工時に管材１５の内側から初層溶接１７箇所に直接二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けて冷却している状態を示す。
【００２５】
図中、５Ｃは管用の二酸化炭素凝結固体吹き付け機、１６は二酸化炭素凝結固体粒子８を導いて所定の冷却部に吹き付けて効率良く冷却するための分散ガイドである。管材１５，１５に初層溶接１７をセルフシールドアーク溶接又は裏面にバックシールドガスを使用したＴＩＧ溶接によって施工後、積層溶接１８を行う際に、積層溶接１８直後の溶接部７Ｃの表面に二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けると同時に、積層溶接１８箇所に相当する裏側の初層溶接１７箇所も直接冷却するように、管材１５の内側から管用の吹き付け機５Ｃと分散ガイド１６によって二酸化炭素の凝結固体粒子８を、管材１５の積層溶接部７Ｃに直接相当する裏側位置を含む初層溶接１７の表面全体に吹き付けて、表裏両面から短時間に効率良く冷却するように形成する。
【００２６】
このように、積層溶接１８の際にも、積層溶接１８箇所とその裏側の初層溶接１７箇所の両面を同時に短時間に効率良く冷却するので、積層溶接１８箇所の高い溶接熱によって積層溶接１８及び初層溶接１７双方の溶着金属及び熱影響部の合金成分の炭化物が結晶粒界部に析出して、耐食性が劣化し粒界腐食の原因となったり、また、結晶粒の粗大化や熱歪みによって強度が劣化したり残留応力が発生して、これらが応力腐食割れの要因となったり、耐食性や美観を損なう表面酸化被膜が形成されたりすることがない。
【００２７】
なお、管材１５の径が大きい場合等には、初層溶接１７を施工後の積層溶接１８を行う際に、積層溶接１８直後の溶接部７Ｃの表面に二酸化炭素の凝結固体粒子８を吹き付けると同時に、積層溶接部７Ｃに相当する裏側を局部的に直接冷却するように、管用の吹き付け機５Ｃの出口ノズルを管内面の一方向に曲げて、溶接の進行に追随して回転させるように形成すると、高温になる溶接箇所に追随して直接集中して冷却することができるため冷却効率と経済性が一層向上する。
【００２８】
【効果】
この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、上述のように、高温に熱せられた溶接直後の溶接部の表面を直接、二酸化炭素の凝結固体粒子の大きな昇華潜熱で短時間に効率良く冷却するので、溶接の高い熱によって溶着金属及び熱影響部の合金成分の炭化物が結晶粒界部に析出して耐食性が劣化することがなく、また結晶粒の粗大化や熱歪みによって強度が劣化することなく、さらに残留応力の発生や変形が生じることもなく、これらから応力腐食割れの要因等の問題を生じることがないため、耐食性、耐久性に優れ、また表面酸化被膜の形成等を抑制して、美観に優れた溶接部を得ることができる。
【００２９】
また、二酸化炭素の凝結固体粒子は固体から気体に瞬時に昇華するので、水等の液状冷媒のように、濡れたり漏れたり等して周囲に害を及ぼすことがなく、取扱いが容易であるため、溶接時の良い冷却作業性が得られる。
【００３０】
また、この発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法は、初層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却し、次いで該初層溶接後に積層溶接をする際に、積層溶接直後の高温になった溶接部の表面に直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けて冷却すると同時に、当該積層溶接箇所に相当する裏側の初層溶接箇所にも直接、二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けるので、積層溶接箇所及び初層溶接箇所を積層溶接と同時に短時間で表裏両面から直接冷却するため一層冷却効率が高まり、積層溶接の熱影響による初層及び積層溶接部の合金成分の析出や結晶粒の粗大化、熱歪や残留応力の発生を抑制し、また表面酸化被膜の形成等を抑制して、耐食性、耐久性、及び美観に一層優れた初層及び積層溶接部を得ることができる。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る溶接法を示す説明図である。
【図２】この発明に係る溶接法の表裏両面から同時に冷却して板材を溶接する状態を示す説明図ある。
【図３】この発明に係る溶接法の初層溶接後に積層溶接をする際に冷却して管材を溶接する状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１      オーステナイト系ステンレス鋼材    １１    送出装置
２      溶接トーチ                        １２    ガス容器
３      ワイヤ                            １３    混合装置
４      溶接機                            １４    板材
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ  吹き付け機          １５    管材
６      供給装置                          １６    分散ガイド
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ  溶接部              １７    初層溶接
８      固体粒子                          １８    積層溶接
９      容器
１０    固体粒子製造装置
【図１】
0003627194.tif 000002
【図２】
0003627194.tif 000003
【図３】
0003627194.tif 000004