(57)【要約】【課題】異種の金属材料からなる部材同士を、溶接割れの発生を軽減し、有効に溶接することができる方法を提供する。【解決手段】第１の金属から構成される第１の部材の端部と、第１の金属よりも延性が高い第２の金属から構成される第２の部材の端部と、を接触させて第１の部材と第２の部材とを溶接する溶接方法であって、第１の部材の端部の近傍を１５０℃以上２２０℃以下まで加熱する第１の部材加熱工程と、第１の部材加熱工程において加熱された第１の部材の端部を溶加棒にてバタリングを行うバタリング工程と、バタリングされた第１の部材の端部と、第２の部材の端部と、を接触させて接触面を形成し、接触面の近傍を１５０℃以上２２０℃以下になるように温度を保持して、第１の部材と第２の部材とを溶接する溶接工程と、第１の部材と第２の部材とを溶接して得られた溶接物を断熱材で囲い冷却する冷却工程と、を備えた溶接方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属から構成される第１の部材の端部と、前記第１の金属よりも延性が高い第２の金属から構成される第２の部材の端部と、を接触させて前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接する溶接方法であって、
前記第１の部材の前記端部の近傍を１５０℃以上２２０℃以下まで加熱する第１の部材加熱工程と、
前記第１の部材加熱工程において加熱された前記第１の部材の前記端部を溶加棒にてバタリングを行うバタリング工程と、
バタリングされた前記第１の部材の前記端部と、前記第２の部材の前記端部と、を接触させて接触面を形成し、該接触面の近傍を１５０℃以上２２０℃以下になるように温度を保持して、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接する溶接工程と、
前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接して得られた溶接物を断熱材で囲い冷却する冷却工程と、
を備えた溶接方法。
【請求項２】
前記溶接工程後であって前記冷却工程前に前記溶接物を２５０℃以上５００℃以下に加熱する溶接物加熱工程を更に備える、請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記冷却工程において用いる前記断熱材は、３００℃における熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である、請求項１又は２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記冷却工程では、前記溶接物を前記断熱材で囲んで１２時間以上の冷却時間で冷却する、請求項１から３のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項５】
前記第１の部材を構成する前記第１の金属がＳＣＨ２３であり、前記第２の部材を構成する前記第２の金属がＳＵＳ３０４である、請求項１から４のいずれかに記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に異種の金属材料から構成される部材同士を溶接する溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硫化精鉱を原料とする製錬炉の一つに、一般には自熔炉と呼ばれている自熔精錬炉（以下、「自熔炉」あるいは単に「炉」ともいう）がある。例えば図２に示すように、自熔炉の上部には、精鉱バーナー１０が設けられている。
【０００３】
精鉱バーナー１０は、精鉱シュート２１と、反応用気体送り管２２と、バーナーコーン２３と、固定式又は可動式の風速調整器２４と、を備えている。具体的には、精鉱シュート２１は、製錬原料を炉内に送り込むために両端側に、それぞれ開口部を有する筒状の部材があり、その部材が炉に向かって鉛直方向下方に延びている。反応用気体送り管２２は、精鉱シュート２１を包囲（内包）する状態で設けられた中空状の構造体であり、管内の所定位置より鉛直方向下方に向かって縮径するように形成されており、反応用気体を炉内に導入する。バーナーコーン２３は、中空状に形成されており、その上端２３ａが反応用気体送り管２２の下端２２ａに接続されて、炉内に精錬原料と反応用気体とを送り込むようになっている。風速調整器２４は、反応用気体送り管２２と精鉱シュート２１とにより形成された反応用気体の流路の幅を所定の大きさにて縮径するような形状に形成されており、精鉱シュート２１の外側に配置されて、反応用気体の流体速度を決めることができるようになっている。
【０００４】
又、精鉱シュート２１の中心部には、反応用気体送り管２２を介して送り込まれる反応用気体を昇温させるための補助燃料を送り込む補助燃料用バーナー２５が炉に向かって鉛直方向下方に延びている。更に、反応用気体送り管２２及びバーナーコーン２３は、これらの内壁となり耐摩耗材を肉盛りした耐摩耗ライナー３０と、耐摩耗ライナー３０の外側に配置されて、耐摩耗ライナー３０を冷却する水冷ジャケット３１とで構成されている。
【０００５】
ここで、図２に示すように、耐摩耗ライナー３０は中空形状であり、且つ、コーン部３０ａと、円筒部３０ｂとにより構成されている。コーン部３０ａを形成するコーン部材３０ａは、精鉱による摩耗が無いため、一般的なオーステナイトステンレス鋼のＳＵＳ３０４等を用いて曲げ加工で製造している。一方で、円筒部３０ｂを形成する円筒部材３０ｂは、精鉱による摩耗があるため、高温下での強度の高いＳＵＳ３１０Ｓ等を用いて丸棒から削り出して製造している。そして、コーン部材３０ａと円筒部材３０ｂとそれぞれ製造したのち、両者の端部同士を「溶接」して繋ぎ合わせることで耐摩耗ライナー３０を製造する。
【０００６】
耐摩耗ライナー３０は、精鉱による摩耗が激しく寿命は数か月であるため、円筒部材３０ｂを丸棒から切り出す制作方法では高額な費用がかかっていた。そこで、円筒部材３０ｂを鋳造で最終形に近い円筒状に製造し、それを機械加工することで費用を低減させていた。なお、鋳造材料として、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓと化学成分が近く、Ｃｒ量が５％高く、高温硬度がＳＵＳ３１０Ｓよりも高いと考えられるＳＣＨ２３を選定することができる。
【０００７】
しかしながら、例えば、ＳＣＨ２３の延性がＳＵＳ３０４と比較して低い。そのため、ＳＵＳ３０４からなるコーン部３０ａと、ＳＣＨ２３からなる円筒部３０ｂとを溶接で繋ぎ合わせるにあたっては、２つの金属を溶接し繋ぎ合わせた後、溶接等の熱により高温となった材料を急速に冷却すると、２つの延性の違いによりその溶接部に残留応力がかかり、溶接割れが発生することがあった。そのような溶接割れは、接触面の深くまで進行してしまうため、補修するためには接触面の深くまでグラインダー等により削り取り、再度溶接作業を行うことが必要となる。しかしながら、再度溶接を行っても、材料が再び冷却したときには溶接割れが再び生じてしまい、完全に溶接割れを無くすことは困難であった。溶接割れが生じたものは、強度が低下してしまい、十分な強度を有する耐摩耗ライナーとすることは難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−１６４４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、例えばＳＵＳ３０４とＳＣＨ２３とのように異種の金属材料から構成される部材同士を、溶接割れの発生を軽減し、部材同士を有効に溶接することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。異種の金属材料から構成される部材同士の端部を溶接する各工程において、各部材の温度を調整して溶接する溶接方法であれば、上記課題を解決できる溶接方法であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
（１）本発明の第１の発明は、第１の金属から構成される第１の部材の端部と、前記第１の金属よりも延性が高い第２の金属から構成される第２の部材の端部と、を接触させて前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接する溶接方法であって、前記第１の部材の前記端部の近傍を１５０℃以上２２０℃以下まで加熱する第１の部材加熱工程と、前記第１の部材加熱工程において加熱された前記第１の部材の前記端部を溶加棒にてバタリングを行うバタリング工程と、バタリングされた前記第１の部材の前記端部と、前記第２の部材の前記端部と、を接触させて接触面を形成し、該接触面の近傍を１５０℃以上２２０℃以下になるように温度を保持して、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接する溶接工程と、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接して得られた溶接物を断熱材で囲い冷却する冷却工程と、を備えた溶接方法である。
【００１２】
（２）本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記溶接工程後であって前記冷却工程前に前記溶接物を２５０℃以上５００℃以下に加熱する溶接物加熱工程を更に備える溶接方法である。
【００１３】
（３）本発明の第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記冷却工程において用いる前記断熱材は、３００℃における熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である溶接方法である。
【００１４】
（４）本発明の第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記冷却工程では、前記溶接物を前記断熱材で囲んで１２時間以上の冷却時間で冷却する溶接方法である。
【００１５】
（５）本発明の第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記第１の部材を構成する前記第１の金属がＳＣＨ２３であり、前記第２の部材を構成する前記第２の金属がＳＵＳ３０４である溶接方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の溶接方法は、異種の金属材料から構成される部材同士の溶接であっても溶接割れの発生を軽減し、部材同士を有効に溶接することができる溶接方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態の溶接方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明の溶接方法を利用することができる耐摩耗ライナーが組み込まれた自熔炉の概略断面図である。
【図３】本発明の溶接方法を利用することができる耐摩耗ライナーの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
【００１９】
＜溶接方法＞
本実施形態の溶接方法は、図１のフローチャートに示すように第１の部材加熱工程ＳＰ１１と、バタリング工程ＳＰ１２と、溶接工程ＳＰ１３と、溶接物加熱工程ＳＰ１４と、冷却工程ＳＰ１５と、を備えた溶接方法である。又、後述するように、溶接物加熱工程ＳＰ１４は備えていなくてもよい。本実施形態の溶接方法では、これらのＳＰ１１〜ＳＰ１５各工程において各部材の温度を調整することにより、異種の金属材料から構成される部材同士の溶接であっても溶接割れの発生を軽減することができる溶接方法である。
【００２０】
溶接方法の各工程において各々説明する。
【００２１】
［第１の部材加熱工程（ＳＰ１１）］
第１の部材加熱工程ＳＰ１１とは、第１の部材の端部付近を１５０℃以上２２０℃以下まで加熱する工程である。
【００２２】
第１の部材とは、第１の金属から構成される部材である。第１の金属とは、第２の部材における第２の金属よりも相対的に延性の高い金属を意味する。
【００２３】
尚、金属とは、単一の金属元素からなる純金属であってもよいし、複数の金属元素からなる合金であってもよい。
【００２４】
第１の金属と第２の金属は延性が異なるものであれば特に制限はされない。例えば、第１の金属として摩耗に耐えられるような相対的に延性の低い金属としてＳＣＨ２３を用いて、第２の金属として曲げ加工ができるような相対的に延性の高い金属としてＳＵＳ３０４を用いることができる。
【００２５】
尚、第１の部材と第２の部材はその形状は限定されない。例えば円柱、楕円柱又は角柱状等の柱体の棒状の部材であってもよい。又、内部に空洞がない中実部材であってもよいし、内部が空洞であり両端側にそれぞれ開口部を有するような中空部材であってもよい。その径が一定の形状であってもよいし（例えば、図３の円筒部３０ｂ）、一方向に向かって径縮及び／又は径拡される形状であってもよい（例えば、図３のコーン部３０ａ）。
【００２６】
本工程では、延性の低い第１の金属から構成される第１の部材において端部の近傍を１５０℃以上２２０℃以下まで加熱する。第２の金属よりも延性の低い第１の金属から構成される第１の部材の端部近傍を加熱する本工程を経ることによって、後に行う溶接工程において第１の部材と第２の部材との溶融不良を抑制することができる。尚、第１の金属よりも延性の高い第２の金属から構成される第２の部材の端部近傍は後述する溶接工程まで加熱しないことが好ましい。第２の金属の材質によっては粒界腐食が発生するおそれがあるからである。
【００２７】
本工程における第１の部材の端部は、１８０℃以上であることが好ましく、１９０℃以上であることがより好ましい。本工程における上端部付近の加熱温度は、２１０℃以下であることが好ましく、２００℃以下であることがより好ましい。尚、第１の部材において端部の近傍の温度を厳密に管理するために、接触又は非接触により測定できる温度計を用いて温度を測定しつつ加熱することが好ましい。
【００２８】
又、本工程における端部の近傍の加熱時間は特に限定されるものではないが、例えば１００分以上６０分以下加熱することが好ましく、３０分以上５０分以下加熱することがより好ましい。
【００２９】
本工程における加熱手段は特に限定されるものではないが、例えば部材における端部の近傍を外面からバーナー等で加熱する方法を挙げることができる。尚、加熱は、溶接作業の合間に部材の端部の近傍の温度が２００℃以下にならないように加熱を継続することが好ましい。
【００３０】
尚、本工程の前に第１の部材の端部の溶接不良部を切削することが好ましい。溶接不良部とは、例えば端部に形成された割れ等であり、溶接不良の要因となり得るような端部の一部分である。
【００３１】
［バタリング工程（ＳＰ１２）］
バタリング工程ＳＰ１２とは、第１の部材加熱工程において加熱された第１の部材の端部を溶加棒にてバタリングを行う工程である。本明細書においてバタリングとは、溶加棒を用いて端部に肉盛溶接することをいう。バタリング工程を経ることによって、第１の部材の成分（第１の金属）の影響を軽減し、溶接表面の溶接応力を少なくすることができる。
【００３２】
本工程において使用できる溶加棒は、従来公知の金属から構成される溶加棒を使用することができる。例えば、ＳＵＳ３０９を挙げることができる。溶加棒の直径は、第１の部材の端部の面積に応じて設定すればよい。
【００３３】
［溶接工程（ＳＰ１３）］
溶接工程ＳＰ１３とは、加熱された第１の部材の端部と、第２の部材の端部と、を接触させて接触面を形成し、第１の部材と第２の部材とを溶接して溶接物を製造する工程である。
【００３４】
そして、本工程において接触面の近傍を１５０℃以上２２０℃以下になるように温度を保持する。接触面における近傍の温度を保持する方法は、特に限定はされないが、例えば接触面の近傍を外面からバーナーで加熱する方法を挙げることができる。
【００３５】
［溶接物加熱工程（ＳＰ１４）］
本実施形態の溶接方法には、溶接物加熱工程ＳＰ１４を備えていてもよい。溶接物加熱工程ＳＰ１４とは、溶接物を２５０℃以上５００℃以下に加熱する工程である。溶接物加熱工程を備えていなくとも、溶接工程において加熱された溶接物を後述する冷却工程によって降温速度を調整することにより、溶接割れの発生を軽減し、部材同士を有効に溶接することができる。しかしながら、溶接工程後であって冷却工程前に溶接物加熱工程を備えることにより、第１の部材と第２の部材との溶接がより強固なものとなり、溶接割れの発生を更に軽減することができる。そのため、本実施形態の溶接方法には、溶接物加熱工程を備えていることが好ましい。
【００３６】
本工程における加熱温度は、３００℃以上５００℃以下が好ましく、３００℃以上４００℃以下が好ましい。加熱温度が３００℃以上であることにより、溶接割れの発生を更に軽減することができる。加熱温度が高すぎる場合には溶接物の硬さが低下することがあるが加熱温度が５００℃以下、好ましくは４００℃以下であることにより、硬さは低下することのない好ましい溶接物を製造することができる。又、溶接物を形成する第１の金属及び／又は第２の金属がステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４）である場合には、鋭敏化と呼ばれる熱処理により耐食性の劣化現象が生ずる可能性があり、鋭敏化を避けるために加熱温度は、３００℃以上５００℃以下で行うことが特に好ましい。
【００３７】
溶接物を２５０℃以上５００℃以下に加熱する手段は特に制限はされないが、例えば拡散型加熱器を用いて加熱する手段を挙げることができる。
【００３８】
［冷却工程（ＳＰ１５）］
冷却工程ＳＰ１５とは、溶接工程後の溶接物を断熱材で囲い、冷却する工程である。本工程は上記の溶接工程又は溶接物加熱工程によって加熱された溶接物を冷却する工程である。
【００３９】
本発明者らの見解によれば、溶接工程又は溶接物加熱工程によって加熱された溶接物を断熱材等を用いずに空冷した場合には、溶接物を形成する第１の金属と第２の金属の延性が異なることため、２つの金属の延性の違いによりその溶接部に残留応力がかかり、接触面から溶接割れが発生する。
【００４０】
そこで、本実施形態の溶接方法では溶接物を断熱材で囲い冷却する本工程を備えることとした。本工程により、降温速度が下がり、溶接物の溶接部（接触面）に残留応力が発生することを抑制することができる。
【００４１】
本工程に用いることのできる断熱材は、溶接物の全体を覆うことが可能な断熱材であれば特に制限はされない。断熱材は、３００℃における熱伝導率が１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがより好ましく、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが更に好ましい。断熱材としては例えば、ガラスファイバー、ロックウール、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバー、アルミナとシリカを主成分としたセラミックファイバーを用いることができる。アルミナファイバーやセラミックファイバーは耐熱温度が極めて高く、本工程の断熱材として好ましく用いることができる。
【００４２】
本工程において降温速度の絶対値はできるだけ小さくなるようにすることが好ましい。具体的には初期における降温速度の絶対値は１．０℃／分以下であることが好ましく０．５℃／分以下であることがより好ましい。冷却時間は、１２時間以上が好ましく、２４時間以上がより好ましい。尚、安全性の観点から断熱材の上に更に防火シートで囲うことが好ましい。
【００４３】
尚、本実施形態の溶接方法には、上述したように溶接物加熱工程は必須ではない。しかしながら、溶接物加熱工程を備える溶接方法は、溶接物の加熱を行なうことにより溶接物自体の温度が上昇することとなる。温度が上昇した溶接物自体を冷却すると、降温速度の絶対値がより大きくなりやすい。断熱材で囲い冷却し、降温速度を調整する本冷却工程を備えることにより、降温速度を好ましい範囲に調整することができる。そのため、降温速度に起因する溶接割れの発生を更に軽減することができる。よって、溶接後に加熱工程を備える溶接方法において、冷却工程を備えた本実施形態の溶接方法は、特に有用に使用することができる。
【００４４】
＜好ましい実施形態＞
上記の実施形態の好ましい一例を図３を用いて説明する。第１の部材として、円筒部材３０ｂを準備し、第２の部材として、コーン部材３０ａを準備した。円筒部材３０ｂとは、円筒状の中空部材であって、その径が一定の形状である。一方、コーン部材３０ａは、鉛直方向下方に向かって径縮される逆テーパー状の中空部材である。
【００４５】
又、円筒部材３０ｂは、ＳＣＨ２３（第１の金属）から構成された部材である。一方、コーン部材３０ａは、ＳＵＳ３０４（第２の金属）から構成された部材である。ＳＣＨ２３は、ＳＵＳ３０４と比較すると高温硬度が高いものの延性が低い金属（耐熱鋼）である。
【００４６】
第１に、円筒部材３０ｂの一方の端部の溶融不良部を切削し、円筒部材３０ｂの外側からガスバーナーにて加熱を行った（第１の部材加熱工程（ＳＰ１１））。尚、端部の近傍は、接触型のデジタル温度計によって測定を行ったところ、円筒部材３０ｂにおける端部の近傍は１５０℃であることが確認された。
【００４７】
第２に、加熱された円筒部材３０ｂの端部を溶加棒にてバタリングを行った（バタリング工程（ＳＰ１２））。溶加棒は、３０９Ｌで形成された溶加棒であり、径が２．４φであった。尚、バタリング時において、円筒部材３０ｂの端部が２００℃であった。
【００４８】
第３に、バタリングされた円筒部材３０ｂの端部と、準備されたコーン部材３０ａの縮径された側の端部と、を接触させ、円筒部材３０ｂとコーン部材３０ａとを溶接して溶接物（耐摩耗ライナー３０）を製造した（溶接工程（ＳＰ１３））。接触面近傍をガスバーナーにて加熱を行った。接触面近傍の温度は２００℃であった。
【００４９】
第４に、溶接物（耐摩耗ライナー３０）を拡散型加熱器により３００℃で加熱した（溶接物加熱工程（ＳＰ１４））。
【００５０】
第５に、３００℃に加熱された溶接物（耐摩耗ライナー３０）を温度到達後に断熱材（セラミックファイバー）で囲い、その上から防炎シートで包んで１５時間放置した（冷却工程（ＳＰ１５））。
【００５１】
上記の工程を経た溶接物（耐摩耗ライナー３０）の接触面近傍を目視で確認したところ、溶接割れ確認されなかった。本試験結果から、本発明の溶接方法は、異種の金属材料から構成される部材同士の溶接であっても溶接割れを生じさせることなく有効に溶接することができることが確認された。そのため、この耐摩耗ライナーは、十分に強度を有する耐摩耗ライナーであることが推認される。
【符号の説明】
【００５２】
１０    精鉱バーナー
２１    精鉱シュート
２２    反応用気体送り管
２２ａ  下端
２３    バーナーコーン
２３ａ  上端
２４    風速調整器
２５    補助燃料用バーナー
２６    点検孔
２６ａ  内部側開口部
２６ｂ  外部側開口部
２７    蓋
２８    筒状部材
３０    耐摩耗ライナー
３０ａ  コーン部（コーン部材）
３０ｂ  円筒部（円筒部材）
３１    水冷ジャケット
３２    隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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