(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素鋼の内周に該炭素鋼よりも耐食性が高い高耐食性材料が積層されたクラッド鋼管の内側から、クラッド鋼管の端部どうしの突き合わせ部を、互いに対向する前記高耐食性材料どうしと前記炭素鋼どうしをそれらが同時に撹伴されるように摩擦撹拌接合にて円周溶接する摩擦撹拌接合工程と、
前記摩擦撹拌接合工程の開始後または終了後に実行され、前記摩擦撹拌接合の開始位置における前記炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲を、前記クラッド鋼管の内側から、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することによって覆う肉盛溶接工程とを備えるクラッド鋼管の接合方法。
【請求項２】
前記摩擦撹拌接合工程は、摩擦撹拌接合の終了位置を、前記摩擦撹拌接合の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲にオーバーラップさせることで終了し、
次に、前記摩擦撹拌接合工程の終了時に摩擦撹拌接合ツールの引き抜きによって前記終了位置に生じるツール穴を、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク溶接にて埋める穴埋め溶接工程を実行し、
前記肉盛溶接工程では、前記摩擦撹拌接合の開始位置における前記炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲から前記ツール穴を埋めた終了位置までを含む範囲を、前記クラッド鋼管の内側から、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することによって覆う請求項１に記載のクラッド鋼管の接合方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のクラッド鋼管の接合方法を、水平固定管同士の突き合わせ円周接合に用いる場合に、
前記摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置とを、
前記クラッド鋼管の断面の周方向位置を、周方向の最上部を１２時として１周を１２等分した時計の１時から１２時までの目盛に対応させた場合の５時から７時の範囲に設定するクラッド鋼管の接合方法。
【請求項４】
炭素鋼鋼管の内周に該炭素鋼よりも耐食性が高い高耐食性材料が積層されたクラッド鋼管の内側から、クラッド鋼管の端部どうしの突き合わせ部が、互いに対向する前記高耐食性材料どうしと前記炭素鋼どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦撹拌接合にて円周溶接された摩擦撹拌接合部と、
前記摩擦撹拌接合部の開始位置における前記炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲を、前記クラッド鋼管の内側からの、前記炭素鋼よりも高耐食性を有する溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク肉盛溶接によって覆う肉盛溶接ビードとを備えるクラッド鋼管の接合構造。
【請求項５】
前記摩擦撹拌接合部の終了位置が、前記摩擦撹拌接合部の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料と混合範囲にオーバーラップしており、
前記摩擦撹拌接合部の終了時に摩擦撹拌接合ツールの引き抜きによって前記終了位置に生じるツール穴が、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク溶接による溶接金属によって埋められ、
前記摩擦撹拌接合部の開始位置における前記炭素鋼とクラッド層との混合範囲から前記ツール穴を埋めた終了位置までを含む範囲が、前記クラッド鋼管の内側からの、前記炭素鋼よりも高耐食性を有する溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク肉盛溶接による肉盛溶接ビードによって覆われている請求項４に記載のクラッド鋼管の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素鋼の内周に高耐食性材料（ステンレス鋼、Ni基合金など）が積層されたクラッド鋼管の突き合わせ接合に関するものであり、特に摩擦撹拌接合（以下、省略して「ＦＳＷ」とも言う）により接合を行う工程を含むクラッド鋼管の接合方法及びクラッド鋼管の接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硫化水素雰囲気などの高腐食環境に設置される天然資源輸送用の鋼管材料として、炭素鋼鋼管内面に板厚１〜３ｍｍ程度のステンレス鋼(またはＮｉ基合金) を積層したクラッド鋼管が使用される場合がある。このようなクラッド鋼管において、薄いステンレス鋼(またはＮｉ基合金) の部分はクラッド層と呼ばれ、炭素鋼の部分は炭素鋼層と呼ばれる。【０００３】
クラッド鋼管（材）の端面どうしを突き合わせ溶接する場合は、溶接金属内のマルテンサイト組織の生成および割れの発生を防止することが重要である。【０００４】
従来のクラッド鋼材の突き合わせ接合方法として、特許文献１に、互いに対向するクラッド層どうしと炭素鋼層どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦撹拌接合にて接合する摩擦撹拌接合工程を先に実行した後、クラッド層から離れた位置にある炭素鋼層どうしの未接合部分を炭素鋼層の側からＮｉが４ｗｔ％以下かつＣｒが１２ｗｔ％以下の溶接材料を用いてアーク溶接するアーク溶接工程を実行するクラッド鋼材の接合方法が提案されている。【０００５】
この方法は、ある摩擦撹拌接合による投入エネルギーが小さい接合条件の下でクラッド層と炭素鋼層を同時に撹拌するように摩擦撹拌接合を行うことで、クラッド層の成分と炭素鋼層の成分が板厚方向に混合しないという発見に基づいて提案されたものである。【０００６】
この接合方法によれば、摩擦撹拌接合した際に、接合ビード内の成分が板厚方向でクラッド層の成分と炭素鋼層の成分とに分かれたまま残るため、その後、クラッド層から離れた位置にある炭素鋼層どうしの未接合部分を炭素鋼層の側からアーク溶接するとき、アーク溶接の先端側が接合ビード内の炭素鋼層の成分にのみ接するように溶接すれば、ＮｉやＣｒを多く含まない炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接したとしても、割れなどの不具合が発生しないようにすることができる。その結果、炭素鋼層どうしの接合に炭素鋼用の溶接材料を使用できることから、施工能率の向上および継手靭性の向上が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２５５４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、本発明者らの研究の結果、特許文献１に記載の接合方法を実施した際に、摩擦撹拌接合の開始位置において、クラッド層と炭素鋼層とが板厚方向に混合してしまう恐れがあることが分かった。これは、通常、摩擦撹拌接合の開始位置では、回転ツールを材料中に挿入するために回転ツールの回転速度を大きく設定して、一定時間回転ツールを安定状態に保持した後、回転ツールの送りをスタートさせる必要があり、そのために、摩擦撹拌接合の開始位置での投入エネルギーが過大になり、その結果、クラッド層と炭素鋼層とが板厚方向に混合してしまうものと考えられる。【０００９】
クラッド層と炭素鋼層とが混合し、炭素鋼がクラッド層表面に存在すると、その部分の耐食性が低下するおそれがあるため、その様な状態は避けられなければならないが、摩擦撹拌接合の開始の際の投入エネルギーの制御を行うだけでは、摩擦撹拌接合の開始位置においてクラッド層と炭素鋼層との混合する現象を完全に無くすことは難しいことが分かった。【００１０】
また、板状のクラッド鋼材を接合する場合であれば、タブ板と呼ばれる接合後に切り落とし可能な摩擦撹拌接合を開始および終了させるために用いる鋼板を用いた、上で摩擦撹拌接合を開始し、かつ接合終了後に当該タブ板を切り落とすことで、最終製品には耐食性が低下する摩擦撹拌接合スタート部が残らないが、クラッド鋼管のクラッド層側(すなわち鋼管の内側)から摩擦撹拌接合を行う場合は、作業性の問題からタブ板を用いることが困難であるため、摩擦撹拌接合スタート部がそのまま耐食性が低下した部分として残ることになる。【００１１】
解決しようとする問題点は、摩擦撹拌接合によってクラッド層側から接合される場合の耐食性の向上を図ることのできるクラッド鋼管の接合方法および接合構造を提供する点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
本発明に係るクラッド鋼管の接合方法は、炭素鋼の内周に該炭素鋼よりも耐食性が高い高耐食性材料が積層されたクラッド鋼管の内側から、クラッド鋼管の端部どうしの突き合わせ部を、互いに対向する前記高耐食性材料どうしと前記炭素鋼どうしをそれらが同時に撹伴されるように摩擦撹拌接合にて円周溶接する摩擦撹拌接合工程と、前記摩擦撹拌接合工程の開始後または終了後に実行され、前記摩擦撹拌接合の開始位置における前記炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲を、前記クラッド鋼管の内側から、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することによって覆う肉盛溶接工程とを備える。
【００１３】
摩擦撹拌接合の開始位置は、回転ツール挿入時に高い投入エネルギーが必要であることから、高耐食性材料と炭素鋼とが混合する可能性が高い。高耐食性材料と炭素鋼とが混合し炭素鋼成分が高耐食性材料の表面に現れた場合は、当該部の耐食性が劣ることになる。そこで、上記の接合方法では、摩擦撹拌接合の開始位置における高耐食性材料と炭素鋼の混合範囲を、耐食性の高い溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することにより肉盛溶接ビードで覆う。そうすることにより、摩擦撹拌接合の開始位置における耐食性を高めることができる。【００１４】
なお、摩擦撹拌接合の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料の混合範囲としては、摩擦撹拌接合の回転ツールのプローブが当たる範囲ばかりでなく、回転ツールのショルダが当たる範囲も考慮して決める必要がある。摩擦撹拌接合の開始位置を回転ツールの回転中心で定義する場合は、開始位置の手前（摩擦撹拌接合の進行方向に対しての手前）のショルダの半径程度の距離の位置までが、混合の可能性のある範囲と考えて、ショルダの半径が８〜１０ｍｍ程度なら、摩擦撹拌接合の開始位置の手前の１０ｍｍの位置から肉盛溶接を開始するのがよい。【００１５】
また、本発明に係るクラッド鋼管の接合方法の好ましい態様として、摩擦撹拌接合工程は、摩擦撹拌接合の終了位置を、摩擦撹拌接合の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲にオーバーラップさせることで終了し、次に、摩擦撹拌接合工程の終了時に摩擦撹拌接合ツールの引き抜きによって終了位置に生じるツール穴を、高耐食性材料と比較し同等以上の高耐食性の溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク溶接にて埋める穴埋め溶接工程を実行し、前記肉盛溶接工程では、摩擦撹拌接合の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲からツール穴を埋めた終了位置までを含む範囲を、クラッド鋼管の内側から、高耐食性材料と比較し同等以上の炭素鋼層よりも高耐食性の溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することによって覆うことが望ましい。【００１６】
上記の方法を用いることで、クラッド鋼管の接合線の始端（開始位置）と終端（終了位置）の耐食性を十分に確保することができる。さらに、摩擦撹拌接合の開始位置の不良範囲（混合範囲）と終了位置の不良範囲（ツール穴が生じた部分）を同じ肉盛処理下に収めることで、摩擦撹拌接合後の肉盛溶接処理を一度に行うことが可能になるため作業能率向上を図ることが出来る。なお、摩擦撹拌接合の終了位置の側の肉盛溶接の範囲も、前記サイズの回転ツールを用いることを前提とする場合、余裕をみて、摩擦撹拌接合の終了位置の１０ｍｍ奥までの範囲とするのがよい。つまり、少なくとも、ＦＳＷ開始位置の１０ｍｍ手前からＦＳＷ終了位置の１０ｍｍ奥までの範囲を肉盛溶接すればよい。【００１７】
また、摩擦撹拌接合工程の終了後に、クラッド層から離れた位置にある炭素鋼層どうしの未接合部分をクラッド鋼管の外側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程を炭素鋼用の溶接材料を用いてアーク溶接を実行するのが好ましい。【００１８】
また、上記のクラッド鋼管の接合方法を、水平固定管同士の突き合わせ円周接合に用いる場合には、摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置とを、クラッド鋼管の断面の周方向位置を周方向の最上部を１２時として１周を１２等分した時計の１時から１２時までの時計の目盛に対応させた場合の５時から７時の範囲に設定するのがよい。【００１９】
本発明のクラッド鋼管の接合構造は、炭素鋼鋼管の内周に該炭素鋼よりも耐食性が高い高耐食性材料が積層されたクラッド鋼管の内側から、クラッド鋼管の端部どうしの突き合わせ部が、互いに対向する前記高耐食性材料どうしと前記炭素鋼どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦撹拌接合にて円周溶接された摩擦撹拌接合部と、前記摩擦撹拌接合部の開始位置における前記炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲を、前記クラッド鋼管の内側からの、前記炭素鋼よりも高耐食性を有する溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク肉盛溶接によって覆う肉盛溶接ビードとを備える。
【００２０】
上記のクラッド鋼管の接合構造によれば、摩擦撹拌接合部の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲が、クラッド鋼管の内側からの高耐食性の肉盛溶接ビードによって覆われているので、摩擦撹拌接合部の開始位置における耐食性を高めることができる。【００２１】
また、本発明に係るクラッド鋼管の接合構造の好ましい態様としては、前記摩擦撹拌接合部の終了位置が、前記摩擦撹拌接合部の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料と混合範囲にオーバーラップしており、前記摩擦撹拌接合部の終了時に摩擦撹拌接合ツールの引き抜きによって前記終了位置に生じるツール穴が、前記炭素鋼よりも高耐食性の溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク溶接による溶接金属によって埋められ、前記摩擦撹拌接合部の開始位置における前記炭素鋼とクラッド層との混合範囲から前記ツール穴を埋めた終了位置までを含む範囲が、前記クラッド鋼管の内側からの、前記炭素鋼よりも高耐食性を有する溶接材料を用いた非消耗電極式のアーク肉盛溶接による肉盛溶接ビードによって覆われているのがよい。【００２２】
上述した方法を用いることで、クラッド鋼管の接合線の始端（開始位置）と終端（終了位置）の耐食性を十分に確保することができる。特に、摩擦撹拌接合の開始位置の不良範囲（混合範囲）と終了位置の不良範囲（ツール穴が生じた部分）を同じ肉盛処理下に収めているので、摩擦撹拌接合後の肉盛処理を一度に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、摩擦撹拌接合の開始位置における高耐食性材料と炭素鋼の混合範囲を、耐食性の高い溶接材料を用いたアーク溶接による肉盛溶接ビードで覆うので、摩擦撹拌接合の開始位置における耐食性を高めることができる。【００２４】
また、摩擦撹拌接合の終了位置を、摩擦撹拌接合の開始位置における炭素鋼と高耐食性材料との混合範囲にオーバーラップさせ、摩擦撹拌接合の終了位置に生じるツール穴を高耐食性溶接材料で穴埋め溶接した上で、その上を高耐食性溶接材料によるアーク肉盛溶接で覆うことで、クラッド鋼管の接合線の始端（開始位置）と終端（終了位置）の耐食性を十分に確保することができる。特に、摩擦撹拌接合の開始位置の不良範囲（混合範囲）と終了位置の不良範囲（ツール穴が生じた部分）とを同じ肉盛処理下に収められるので、摩擦撹拌接合後の肉盛処理を一度に行うことが可能となり、作業能率の向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るクラッド鋼材の接合方法における摩擦撹拌接合工程で用いる回転ツールの形状を示す概念図である。
【図２】摩擦撹拌接合工程の説明用の概念図である。
【図３】摩擦撹拌接合工程の開始時の状態を示す鋼管軸方向の断面図である。
【図４】摩擦撹拌接合工程の終了時の状態を示す鋼管軸方向の断面図である。
【図５】摩擦撹拌接合工程を終了した後、終了位置に回転ツールの引き抜きにより生じたツール穴をアーク溶接により埋めている状態を示す断面図である。
【図６】摩擦撹拌接合工程の終了後、摩擦撹拌接合の開始位置から終了位置までを含む範囲を非消耗電極式アーク溶接により、肉盛溶接している状態を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は摩擦撹拌接合工程から肉盛溶接工程までの手順を示す概念図である。
【図８】水平固定管同士の突き合わせ円周接合に本発明を適用する場合の摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置に関する説明図である。
【図９】摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）の開始位置に炭素鋼層とクラッド層の混合が生じている状態を示す図で、摩擦撹拌接合の進行方向に直交する切断面で切ったマクロ断面図である。
【図１０】摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）の開始位置から１０ｍｍ離れた位置のマクロ断面図である。
【図１１】摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）の開始位置から２０ｍｍ離れた位置のマクロ断面図である。
【図１２】摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）の開始位置から３０ｍｍ離れた位置のマクロ断面図である。
【図１３】炭素鋼層とクラッド層との混合範囲をより詳しく追求するために用意したサンプルの摩擦撹拌接合ビードの上から見た図である。
【図１４】図１３のａ線の位置（ＦＳＷ開始位置の手前１ｍｍの位置）におけるマクロ断面図である。
【図１５】図１３のｂ線の位置（ＦＳＷ開始位置０ｍｍ）におけるマクロ断面図である。
【図１６】図１３のｃ線の位置（ＦＳＷ開始位置から進行方向に２．０ｍｍ進んだ位置）におけるマクロ断面図である。
【図１７】図１３のｄ線の位置（ＦＳＷ開始位置から進行方向に２．８ｍｍ進んだ位置）におけるマクロ断面図である。
【図１８】図１３のｅ線の位置（ＦＳＷ開始位置から進行方向に３．６ｍｍ進んだ位置）におけるマクロ断面図である。
【図１９】図１３のｆ線の位置（ＦＳＷ開始位置から進行方向に５．２ｍｍ進んだ位置）におけるマクロ断面図である。
【図２０】摩擦撹拌接合の終了位置におけるマクロ断面図である。
【図２１】摩擦撹拌接合工程および肉盛溶接工程と、その後の鋼管外部からのアーク溶接工程の内容を説明するための概念図である。
【図２２】全工程を終了することで得られるクラッド鋼管の突き合わせ接合部の断面図である。
【図２３】図２２に示す部分のマクロ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係るクラッド鋼管の接合方法の実施形態を以下に説明する。
図１は実施形態のクラッド鋼管の接合方法における摩擦撹拌接合工程で用いる回転ツールの形状を示す概念図、図２は摩擦撹拌接合の説明用の概念図、図３〜図６は摩擦撹拌接合工程から肉盛溶接工程までの手順説明図、図７（ａ）〜（ｄ）も同様の手順説明図である。また、図８は水平固定管同士の突き合わせ円周接合に本発明を適用する場合の摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置に関する説明図、図９〜図２０は摩擦撹拌接合した部分のマクロ断面図、図２３は全工程を終了することで得られるクラッド鋼管の突き合わせ接合部のマクロ断面図である。
【００２７】
本実施形態で接合の対象とするクラッド鋼管は、図２および図３に示すように、炭素鋼層５の内周に炭素鋼層５よりも高耐食性材料よりなるクラッド層（ステンレス鋼層など）６が積層されたクラッド鋼管４である。このクラッド鋼管４の端部どうしを突き合わせ接合するために、本発明のクラッド鋼管の接合方法が用いられる。
【００２８】
クラッド鋼管４の端面の突き合わせ部１００（図２参照）を接合する場合の工程は、クラッド鋼管４の内側（INSIDE）からの溶接工程と、その後に行われるクラッド鋼管４の外側（OUTSIDE）からの溶接工程と、からなる。クラッド鋼管４の内側（INSIDE）からの溶接工程は、摩擦撹拌接合工程、非消耗電極式のアーク溶接による穴埋め溶接工程、同じく非消耗電極式のアーク溶接による肉盛溶接工程の順番に行われる。クラッド鋼管４の外側（OUTSIDE）からの溶接工程は、クラッド層用の溶接材料を一部で用いる他は、主に炭素鋼用の溶接材料を用いて行われる。詳しくは後述する。
【００２９】
最初の工程では、クラッド鋼管４の内側（INSIDE）から、クラッド鋼管４の端部どうしの突き合わせ部１００（図２参照）を、互いに対向するクラッド層６どうしと炭素鋼層５どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦撹拌接合にて円周溶接する（摩擦撹拌接合工程）。摩擦撹拌接合の際に用いる回転ツールは、例えば図１に示すように構成されている。
【００３０】
図１に示す回転ツール１は、円柱状のショルダ２と、ショルダ２の下面に該ショルダ２に対して同芯状かつショルダ２の径よりも小径とされたプローブ３とを備える。この回転ツール１は、図示しない摩擦撹拌接合装置本体に取り付けられ、該装置本体から、ショルダ２の軸線を中心に回転力が付与されると共に、ショルダ２からプローブ３へ（図１において下方へ）押圧荷重が加えられるようになっている。
【００３１】
また、回転ツール１の材料としては、クラッド鋼管４を構成するクラッド層６および炭素鋼層５の融点より高い温度においてクラッド層よりも強度の高い、例えば多結晶立方晶窒化ホウ素(以下ＰＣＢＮ)およびＰＣＢＮとタングステン合金との複合材料などが使用される。
【００３２】
図２に示すように、この回転ツール１を用いてクラッド鋼管４を接合する場合、最初に、図２に示すように、クラッド鋼管４の端面どうしを突き合わせた状態とし（突き合わせ部１００）、クラッド層６側から回転ツール１のプローブ３をクラッド層６どうしと炭素鋼層５どうしを撹拌するように、プローブ３の側面がクラッド層６と炭素鋼層５の両方と接触するまで挿入する。そして、回転ツール１をクラッド鋼管４に押しつけた状態で回転させながら、接合しようとする箇所（接合線）に沿って移動させることで、クラッド鋼管４どうし、具体的には、互いに対向するクラッド層６どうしと、クラッド層６に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしを接合する（摩擦撹拌接合工程）。
【００３３】
図２において、矢印Ａは接合方向（回転ツール１の進行方向）、矢印Ｒは回転ツール１の回転方向を示している。回転ツール１の進行方向の左右両側のうち、回転ツール１の外周の移動方向が進行方向と同じ側を前進側Ｒａ、回転ツール１の外周の移動方向が進行方向と逆になる側を後退側Ｒｂと呼ぶ。
【００３４】
図３および図７（ａ）に示すように、開始位置ＰＳから摩擦撹拌接合を開始して、矢印Ａのように回転ツール１を移動させる。そして、回転ツール１がクラッド鋼管４を１周した段階で、摩擦撹拌接合工程を、図４および図７（ｂ）に示すように、摩擦撹拌接合の終了位置ＰＥを摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおける炭素鋼層５とクラッド層６との混合範囲にオーバーラップさせることで終了する。つまり、少なくとも摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳに終了位置ＰＥが重なる位置か、開始位置ＰＳを適当なラップ代Ｎだけ通過した位置を終了位置ＰＥとして、摩擦撹拌接合工程を終了する。
【００３５】
このように摩擦撹拌接合を実行することで接合ビード（摩擦撹拌接合部）８が形成される。そして、この溶接ビード８によって、互いに対向するクラッド層６どうしと、クラッド層６に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしがそれぞれ接合される。即ち、例えば図１０および図２３のマクロ断面図に示すように、接合ビード８は、互いに対向するクラッド層６どうしを接合するクラッド層接合部８ａと、クラッド層６に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしを接合する炭素鋼層接合部８ｂとを備える。
【００３６】
そして、図２３に示すように、互いに対向するクラッド層６どうしを接合したクラッド層接合部８ａと、互いに対向する炭素鋼層５どうしを接合した炭素鋼層接合部８ｂとの間に、クラッド層接合部８ａと炭素鋼層接合部８ｂを仕切る仕切面Ｓが形成される。この仕切面Ｓは、摩擦撹拌接合工程において、クラッド層６と炭素鋼層５が同時に撹拌するように摩擦撹拌接合されるときに、撹拌された接合ビード８内の成分がクラッド層６の成分と炭素鋼層５の成分とが板厚方向に混合されないことにより形成される。また、仕切面Ｓは、接合前の互いに対向する接合端部の炭素鋼層５とクラッド層６との境界部を結ぶ仮想境界面Ｋを基準に、そこの近傍、具体的には仮想境界面から０．５ｍｍの範囲に形成されることが確認されている。
【００３７】
ここで、摩擦撹拌接合工程で用いる回転ツール１のプローブ３の長さは、クラッド層６の板厚より少なくとも２ｍｍ以上長く設定してあることが望ましい。これは、摩擦撹拌接合工程において、クラッド層６どうしに限られることなく、炭素鋼層５どうしも撹拌されるように接合するためである。
【００３８】
ところで、摩擦撹拌接合時における接合条件として、主に回転ツール１の回転数と接合速度によって接合部に投入されるエネルギーが決定されるが、その投入エネルギーが高い場合（回転ツール１の回転数が大きくかつ接合速度が遅い場合）は、クラッド層６と炭素鋼層５とがお互いに混ざりあってしまう現象が起きる。このようにクラッド層６と炭素鋼層５とがお互いに混ざりあってしまうと、両者の間に明確な仕切面Ｓは形成されなくなる。このような場合、H2Sが濃縮されたサワー環境や二酸化炭素が濃縮された環境などの高腐食環境に溶接部がさらされると、クラッド層６側の表面が腐食する恐れがある。
【００３９】
このため、摩擦撹拌接合時の回転ツール１の回転数と接合速度は好適な条件に設定する必要がある。しかし、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳでは、回転ツール挿入時に高いエネルギーを投入する必要性があるので、この条件が守れないことが多い。
【００４０】
例えば、図９に示すサンプルでは、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおいて、クラッド層６と炭素鋼層５とがお互いに混ざり合う現象がきている。図１０〜図１２に示すように、開始位置ＰＳから回転ツール１のショルダ２の半径以上に離れた位置では、クラッド層６と炭素鋼層５とがお互いに混ざり合う現象が起こらなくなっている。また、図１３に示す別のサンプルで調べてみたところ、図１４〜図１９に示すように、クラッド層６と炭素鋼層５とが混じり合う現象（混合）は、開始位置ＰＳの前後僅か１ｍｍ程度の範囲で起きていることが分かった。実際には、回転ツール１のサイズや回転数や押圧力などの条件によって混合範囲は変わる可能性があるが、安全をみた場合、少なくとも回転ツール１のショルダ２の当たる部分は混合が起こり得る範囲と考えた方がよい。
【００４１】
そこで、本実施形態のクラッド鋼管の接合方法では、摩擦撹拌接合の開始位置におけるクラッド層６と炭素鋼層５との混合範囲を肉盛溶接で覆うことにした。
【００４２】
一方、摩擦撹拌接合工程の終了時には、図５に示すように、摩擦撹拌接合の回転ツール１の引き抜きによって、終了位置ＰＥにツール穴１２が生じることが知られている。そこで、本実施形態の接合方法では、摩擦撹拌接合工程終了後に、図５および図７（ｃ）に示すように、炭素鋼層５よりも高耐食性の溶接材料２１を用いた非消耗電極式のアーク溶接を用いた穴埋め溶接工程を実行し、その上で肉盛溶接を行うようにした。図５中の符号２２は穴埋め溶接部を示している。
【００４３】
そして、次の肉盛溶接工程では、図６および図７（ｄ）に示すように、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおける炭素鋼層５とクラッド層６との混合範囲からツール穴１２を埋めた終了位置ＰＥまでを十分に含む範囲、つまり図６においてＰ１（開始位置ＰＳの手前約１０ｍｍの位置）からＰ２（終了位置ＰＥの奥１０ｍｍの位置）で示す範囲を、クラッド鋼管４の内側から、炭素鋼層５よりも高耐食性の溶接材料２１を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することによって覆う。これにより、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳおよび終了位置ＰＥにおける不良部分を全て一度に肉盛溶接ビード２３で覆い隠すことができる。なお、図５および図６において、符号２０で示すものは非消耗電極式アーク溶接のトーチであり、前記アーク溶接ではＴＩＧ溶接を実行する。図６の矢印Ｂは当該アーク溶接の進行方向を示している。
【００４４】
このように、摩擦撹拌接合工程と穴埋め溶接工程と肉盛溶接工程とを順番に実行することにより、図６に示すような、クラッド層６側についてのクラッド鋼管４の接合構造ができあがる。
【００４５】
なお、本実施形態のクラッド鋼管の接合方法を、水平固定管同士の突き合わせ円周接合に用いる場合には、図８に示すように、摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置とを、クラッド鋼管４の断面の周方向位置を、周方向の最上部を１２時として１周を１２等分した時計の１時から１２時までの目盛に対応させた場合の５時から７時の範囲Ｈに設定することが望ましい。なぜならば、肉盛り溶接時における溶接欠陥の発生を防止するためである。
【００４６】
図２０は、摩擦撹拌接合の終了位置のマクロ断面図である。この図に示すように、摩擦撹拌接合の終了位置に生じたツール穴１２は、高耐食性の溶接材料２１よりなる穴埋め溶接部２２によって埋められており、その上に肉盛溶接ビード２３が覆い被さっている。
【００４７】
図２１は摩擦撹拌接合工程および肉盛溶接工程と、その後の鋼管外部からのアーク溶接工程の内容を説明するための概念図、図２２は全工程を終了することで得られるクラッド鋼管の突き合わせ接合部の断面図である。
【００４８】
図２１に示すように、以上のクラッド鋼管４の内側ＩＮからの溶接作業（摩擦撹拌接合工程、穴埋め溶接工程、肉盛溶接工程）終了後にクラッド鋼管４の外側（OUTSIDE）から、炭素鋼層５どうしの未接合部分をアーク溶接により接合するアーク溶接工程を実行する。図２１において、３０はアーク溶接トーチを示している。アーク溶接は、２台のトーチ３０で矢印Ｅのように下進溶接することで行う。
【００４９】
そのアーク溶接工程では、摩擦撹拌接合工程を実行することで炭素鋼層５とクラッド層６とが混合するクラッド鋼管４の周方向における領域（摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置を含む肉盛溶接した範囲）に対しては、クラッド層６用の溶接材料でアーク溶接を実行し、それ以外のクラッド鋼管４の周方向における領域に対しては、炭素鋼層５用の溶接材料（ＮｉおよびＣｒをそれぞれ1％以上含まない炭素鋼用の溶接材料）を用いてアーク溶接を実行する（アーク溶接工程）。
【００５０】
このアーク溶接工程では、図２２に示すように、溶接ビード９が形成される。この溶接ビード９によって、クラッド層６から離れた位置にある炭素鋼層５どうしの未接合部分が接合される。また、アーク溶接工程では、図２３に示すように、アーク溶接により形成される溶接ビード９の先端（すなわち溶け込みの先端）９ａが、摩擦撹拌接合によって形成された接合ビード８内でかつ炭素鋼層接合部８ｂの範囲に位置するよう制御する。アーク溶接の溶け込みが浅く、炭素鋼層接合部８ｂの範囲を外れた場合、溶け込み不良が発生する。一方、アーク溶接の溶け込みが深すぎて、溶接ビードの先端９ａが炭素鋼層接合部８ｂ範囲を外れてさらに奥側のクラッド層接合部８ａに至る場合には、溶接ビード９でマルテンサイトが析出され、場合によっては割れが発生する場合がある。
【００５１】
なお、炭素鋼層５の板厚が厚い場合など、アーク溶接により形成される溶接ビード９の先端が炭素鋼層接合部８ｂの範囲に入らない場合、炭素鋼層５側からガウジングを行った後にアーク溶接を行うことで、溶接ビード９の先端を炭素鋼層接合部８ｂの範囲とすることができる。また、ガウジングを行う代わりに、あらかじめ炭素鋼層５側に開先を取っておくことで、アーク溶接により形成される溶接ビード９の先端を炭素鋼層接合部８ｂの範囲とすることも可能である。
【００５２】
以上説明したように本実施形態のクラッド鋼材の接合方法によれば、摩擦撹拌接合により、互いに対向するクラッド層６どうしと炭素鋼層５どうしを接合するが、このとき、接合ビード８内の成分が板厚方向で、クラッド層６の成分と炭素鋼層５の成分とに分離される。このため、その後クラッド層６から離れた位置にある炭素鋼層５どうしの未接合部分を炭素鋼層５側からアーク溶接するとき、アーク溶接の先端側が接合ビード８内の炭素鋼層５の成分にのみ、つまり炭素鋼層接合部８ｂにのみ接するように溶接すれば、ＮｉやＣｒをそれぞれ1％以上含まない炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接したとしても、割れなどの不具合が発生しない。したがって、炭素鋼用の安価な溶接材料を用いることが可能となり、低コスト化を図ることができ、炭素鋼層５を溶接する際の溶接速度の向上が可能となり、施工コストも低減させることが可能となる。また炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部において、異材溶接とならない構造となるため、溶接部の靭性の低下を防止することができる。
【００５３】
また、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳは、摩擦撹拌接合する上での初期(回転ツール挿入時)の投入エネルギーの関係から、どうしてもクラッド層６と炭素鋼層５とが混ざり合ってしまう可能性が高い。クラッド層６と炭素鋼層５とが混ざり合ってしまうと、その部分の耐食性が劣ることになる。そこで、本実施形態の接合方法では、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおけるクラッド層６と炭素鋼層５の混合範囲を、耐食性の高い溶接材料を用いて非消耗電極式のアーク肉盛溶接することにより肉盛溶接ビード２３で覆うようにしている。そうすることにより、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおける耐食性を高めることができる。
【００５４】
また、摩擦撹拌接合工程は、摩擦撹拌接合の終了位置を、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおける炭素鋼層５とクラッド層６との混合範囲にオーバーラップさせることで終了し、次に、摩擦撹拌接合工程の終了時に摩擦撹拌接合のための回転ツール１の引き抜きによって終了位置に生じるツール穴１２を、炭素鋼層５よりも高耐食性の溶接材料２１で穴埋め溶接し、更にその上で、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳにおける炭素鋼層５とクラッド層６との混合範囲からツール穴１２を埋めた終了位置までを含む範囲（図６のＰ１〜Ｐ２の範囲）を、炭素鋼層５よりも高耐食性の溶接材料２１で肉盛溶接するので、クラッド鋼管の接合線の始端（開始位置）と終端（終了位置）の耐食性を十分に確保することができる。
【００５５】
特に、摩擦撹拌接合の開始位置ＰＳの不良範囲（混合範囲）と終了位置ＰＥの不良範囲（ツール穴が生じた部分）を同じ肉盛処理下に収めることで、摩擦撹拌接合後の肉盛処理を一度に行うことが可能となり、作業性が向上する。
【００５６】
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例では、試験材として、ＳＵＳ３１６Ｌ（２ｍｍ厚）とＡＰＩ５ＬＸ６５相当材（１６ｍｍ厚）を板厚方向に積層したクラッド鋼管を用いた。ＦＳＷツールの材料としては、ＰＣＢＮとＷ−ｒｅの複合材料を用いた。穴埋め溶接や肉盛溶接のための非消耗電極式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）に使用する溶接材料（ＴＩＧ溶接材料）としては、ＥＲ３０９ｌＭｏとＥＲＮｉＣｒＭｏ−３を用いた。【００５８】
表１にＴＩＧ溶接による穴埋め溶接条件、肉盛溶接条件の一例を示す。
ここで、表１のウィービンク幅はＦＳＷによる撹拌部幅よりも２ｍｍ程度小さい値とする。【００５９】
【表１】
0006051292.tif 000002
【００６０】
当該条件にて穴埋めＴＩＧ溶接および肉盛ＴＩＧ溶接を実施した。実施例１〜実施例７で、肉盛溶接範囲（表２）を変化させた。ＦＳＷ接合条件は、ツール回転速度を２００ｒｐｍ、鉛直方向荷重を４０ｋＮ、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした。【００６１】
表２に、肉盛溶接範囲を変化させた場合の結果を示す。この表２のラップ量とは、図４の中のＮのことである。肉盛開始位置の「−」の符号は、回転ツールの回転中心を開始位置とした場合の接合進行方向の手前（後）側であることを示している。また、肉盛開始位置の「＋」の符号は、回転ツールの回転中心を終了位置とした場合の接合進行方向の進行（前）側であることを示している。【００６２】
【表２】
0006051292.tif 000003
【００６３】
表２の評価において「○」はＦＳＷ開始部および終端部が肉盛溶接ビードによって完全に隠れている状態を示し、「×」はＦＳＷ開始部および終端部が肉盛溶接ビードによって完全には隠れていない状態を示す。
表２の評価結果から、肉盛溶接の開始位置および終端位置がＦＳＷ開始位置および終端位置よりそれぞれ１０ｍｍ程度長ければ、ビード表面の耐食性は満足されると考えられる。【００６４】
表３に孔食電位（耐食性に相当）の測定試験結果を示す。試験はＪＩＳ  Ｇ０５７７に準拠して実施した。ただし、試験用液はＪＩＳ  Ｋ  ８１５０に規定された試薬特級のナトリウムと純水で調整した３．５％の塩化ナトリウム水溶液とした。【００６５】
【表３】
0006051292.tif 000004
【００６６】
当該試験結果に示されるように本実施例で示した穴埋めおよび肉盛溶接部の孔食電位は、母材およびＦＳＷ接合部と比較しほぼ同程度であると言える。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、炭素鋼の内周に高耐食性材料（ステンレス鋼、Ni基合金など）が積層されたクラッド鋼管の突き合わせ接合に関するものであり、特に摩擦撹拌接合（以下、省略して「ＦＳＷ」とも言う）により接合を行う工程を含むクラッド鋼管の接合方法及びクラッド鋼管の接合構造に関する。摩擦撹拌接合によってクラッド層側から接合される場合の耐食性の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  回転ツール
２  ショルダ
３  プローブ
４  クラッド鋼管
５  炭素鋼層
６  クラッド層
７  アーク溶接用トーチ
８  接合ビード（摩擦撹拌接合部）
８ａ  クラッド層接合部
８ｂ  炭素鋼層接合部
９  溶接ビード
９ａ  溶接ビードの先端
１２  ツール穴
２０  アーク溶接（ＴＩＧ溶接）用トーチ
２２  穴埋め溶接部
２３  肉盛溶接ビード
ＩＮ  クラッド鋼管の内側
ＯＵＴ  クラッド鋼管の外側
Ａ  摩擦撹拌接合の回転ツールの進行方向（接合方向）
Ｎ  ラップ代
ＰＳ  摩擦撹拌接合の開始位置
ＰＥ  摩擦撹拌接合の終了位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２１】
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【図２２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0006051292.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0006051292.tif 000026
【図２３】
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