(57)【要約】【課題】十分な強度と低温靱性とを有する溶接部を形成でき、且つ溶接効率に優れたＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法を提供する。【解決手段】    質量パーセントで５５％以上のＮｉを含有し且つオーステナイト構造を有するＮｉ基合金を溶接材料に用い、質量パーセントで３％以上１５％以下のＮｉを含有し且つフェライト構造を有するＮｉ鋼板である一対の側板２０を突き合わせ溶接する。一対の側板２０により構成される突き合わせ部の表裏両側に、第１溶接トーチＥ１に保持させた第１ワイヤＷ１、第２溶接トーチＥ２に保持させた第２ワイヤＷ２を配置し、少なくとも初層の溶接を、直流棒マイナスの極性で前記突き合わせ部の表裏両面から同時に行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量パーセントで５５％以上のＮｉを含有し且つオーステナイト構造を有するＮｉ基合金を溶接材料に用い、質量パーセントで３％以上１５％以下のＮｉを含有し且つフェライト構造を有する一対のＮｉ鋼板を突き合わせ溶接する方法であって、
前記一対のＮｉ鋼板により構成される突き合わせ部の表裏両側に溶接電極を配置し、少なくとも初層の溶接を、直流棒マイナスの極性で前記突き合わせ部の表裏両面から同時に行うことを特徴とする、Ｎｉ鋼板の突き合わせ溶接方法。
【請求項２】
質量パーセントで５５％以上のＮｉを含有し且つオーステナイト構造を有するＮｉ基合金を溶接材料に用い、質量パーセントで３％以上１５％以下のＮｉを含有し且つフェライト構造を有する一対のＮｉ鋼板を突き合わせ溶接する方法であって、
前記一対のＮｉ鋼板により構成される突き合わせ部の表裏両側に溶接電極を配置し、少なくとも初層の溶接を、前記溶接電極の極性を交流として前記突き合わせ部の表裏両面から同時に行うことを特徴とする、Ｎｉ鋼板の突き合わせ溶接方法。
【請求項３】
前記溶接を横向き姿勢で行う、請求項１または２に記載のＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接はサブマージアーク溶接である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法。
【請求項５】
前記一対のＮｉ鋼板は、液化ガスを貯蔵するための低温タンクの側部を構成するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）等の液化ガスを貯蔵するための低温タンクは、一例として内槽と、内槽の外周を覆う外槽とを備える。内槽は円形の底部と、底部の周縁に沿って立設された側部と、側部の上部開口部分を覆う屋根板とを有する。側部は、例えばタンクの周方向に延びる円弧状の複数の側板を横並びにするとともに積み上げられ、隣接する側板を突き合わせ溶接により連結して構成される。
【０００３】
各側板の溶接部には、十分な強度と低温靱性とを有することが求められる。従って側板（母材）には、例えば９％Ｎｉ鋼等のフェライト構造を有するＮｉ鋼が採用される。また、溶接材料には、例えばＮｉを質量パーセントで５５％以上含有するオーステナイト構造を有するＮｉ基合金が採用される。溶込不良や融合不良の発生を極力防ぐため、各側板は通常、表裏両面から直流棒プラスの極性で溶接される。溶接方法としてはサブマージアーク溶接法やＴＩＧ溶接法が採用される。
【０００４】
従来の溶接方法では、一対の側板の一方の面から突き合わせ部における初層の溶接を実施した後に裏ハツリ工程を実施し、その後に他方の面の初層の溶接を実施していた。この工法によれば、裏ハツリ工程により一対の側板の突き合わせ部における開先底部の欠陥を除去できるが、その溶接工程（特に裏ハツリ工程）に長時間を要する。
【０００５】
裏ハツリ工程を省略できれば、溶接工程の工期を大幅に短縮することが可能である。ここで特許文献１には、開先の両面から同時に溶接を行い、溶接部の初層の溶け残りや欠陥の発生を抑制することにより裏ハツリ工程を省略して溶接効率の向上をねらった溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２０６５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したようなＮｉ鋼とＮｉ基合金からなる異材継手では、溶接部における溶接金属部の合金成分は溶け込んだ母材により薄められ、溶接材料の合金成分よりも薄くなる。この現象を「希釈」といい、この希釈の割合を「希釈率」という。
【０００８】
溶接部の強度および低温靱性を確保するためには、溶接金属部への母材の溶け込みを小さくすること、即ち希釈率を抑えることが重要である。しかしながら、特許文献１に記載された溶接方法は軟鋼の共金継手を対象としたものであり、両面から同時に溶接することによって溶接金属部に対する母材の溶け込みが大きくなること、即ち希釈率が増大することへの対策は記載されていない。
【０００９】
そこで本発明は、十分な強度と低温靱性とを有する溶接部を形成でき、且つ溶接効率に優れたＮｉ鋼板の突き合わせ溶接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】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、質量パーセントで５５％以上のＮｉを含有し且つオーステナイト構造を有するＮｉ基合金を溶接材料に用い、質量パーセントで３％以上１５％以下のＮｉを含有し且つフェライト構造を有する一対のＮｉ鋼板を突き合わせ溶接する方法であって、前記一対のＮｉ鋼板により構成される突き合わせ部の表裏両側に溶接電極を配置し、少なくとも初層の溶接を、直流棒マイナスの極性で前記突き合わせ部の表裏両面側から同時に行う。
【００１１】
このように突き合わせ部の表裏両面側から同時に溶接することで、開先底部の溶け残りや欠陥の発生を抑制し、裏ハツリ工程を省略できる。従って溶接工程の工期短縮を図ることができる。
【００１２】
また、片面ずつ溶接を順次行う場合に比べて迅速に溶接を行うことができる。これにより、溶接効率の向上を図ることができる。
【００１３】
さらに溶接電極の極性を直流棒マイナスとすることにより、直流棒プラスとしたときよりも溶接金属部に対する母材の溶け込みを小さくすること、即ち希釈率を抑えることが可能となる。従ってＮｉ鋼板の表裏両面側から同時に溶接する場合であっても、希釈率の増大に伴う溶接部の強度および低温靱性の低下を防止することができる。
【００１４】
Ｎｉ鋼板中のＮｉ含有量は、強度や低温靱性を確保する点から質量パーセントで３％以上１５％以下であることが好ましい。また、Ｎｉ基合金中のＮｉ含有量は、溶接金属部の靱性確保等の点から質量パーセントで５５％以上であることが好ましい。
【００１５】
さらに、フェライト構造を有することにより十分な強度を有する一対のＮｉ鋼板を母材とし、オーステナイト構造を有することにより低温靱性に優れる溶接材料を用いることで、十分な強度と低温靱性とを有する溶接部を形成できる。
【００１６】
また、本発明の別の態様では、溶接電極の極性を交流とすることもできる。これにより、溶接電極の極性が直流棒マイナスのときと同様、溶接電極の極性が直流棒プラスのときと比べ、溶接金属部に対する母材の溶け込みを小さくすること、即ち希釈率を抑えることができる。従って、Ｎｉ鋼板の表裏両面側から同時に溶接する場合であっても、希釈率の増大に伴う溶接部の強度および低温靱性の低下を防止することができる。
【００１７】
また本発明の別の態様では、前記溶接を横向姿勢で行うこともできる。このように前記溶接を横向姿勢で行う場合には、一対のＮｉ鋼板の両面側において同じ向きに重力が作用する条件下で溶接を行うことが可能となり、Ｎｉ鋼板の両面で均一な溶接部を形成し易い。
【００１８】
また本発明の別の態様では、サブマージアーク溶接法により前記溶接を行うこともできる。
本溶接方法は、サブマージアーク溶接法のように比較的大電流で溶接する場合に効果が大きいので特に有利となる。
【００１９】
また本発明の別の態様では、前記一対のＮｉ鋼板を、液化ガスを貯蔵するための低温タンクの側部を構成するものとすることもできる。
【００２０】
このような低温タンクの側部を構成する部材として一対のＮｉ鋼板を用いれば、特に液化ガスに触れるような極めて低温の環境下においても十分な靱性を有する溶接部を形成できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、十分な強度と低温靱性とを有する溶接部を形成でき、且つ溶接効率に優れたＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る低温タンクの構成を示す断面図である。
【図２】低温タンクの側板の構成を示す正面図である。
【図３】実施形態に係る溶接方法を説明するための図である。
【図４】側板の突き合わせ継手周辺の構成を示す断面図である。
【図５】変形例の溶接方法を説明するための図である。
【図６】第１ワイヤ及び第２溶接ワイヤの位置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
一般に低温タンクの内槽において、側部を構成する複数の側板を連結するために形成される溶接部は、質量パーセントで９％程度のＮｉを含む鋼などの低温圧力容器用Ｎｉ鋼板と、インコネル（登録商標）やハステロイ（登録商標）等の質量パーセントで５５％以上のＮｉを含むＮｉ基合金からなる溶接材料とで構成される。このような溶接部を形成するための溶接方法としては、例えばサブマージアーク溶接法が用いられる。溶込不良や融合不良を防止する点から、極性は直流棒プラスとするのが通常である。
【００２４】
低温タンクの内槽の側部を構成する側板のように、低温環境下で使用される母材を溶接で連結する場合には、十分な強度および低温靱性を有する溶接部を形成することが求められる。ここで、一対の側板の端部同士を側板の両面側から同時に溶接すると、前記端部同士を側板の片面側から溶接した場合に比べ、溶接金属部に対する母材の溶け込みが大きくなることで希釈率が高くなり、十分な強度および低温靱性を有する溶接部を形成することが困難となる。
【００２５】
この課題は、初層溶接時のみならず２層目以降を溶接する場合にも共通して存在する。
【００２６】
また上記と同様の課題は、サブマージアーク溶接方法以外の溶接法を用いた場合においても共通して存在する。
【００２７】
以下に示す実施形態は、上記した各課題を解決し得るものである。
【００２８】
＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態を各図を参照して説明する。
【００２９】
図１に、本実施形態に係るＮｉ鋼板の溶接方法を用いて作製した低温タンク１の構成を示す。
【００３０】
低温タンク１は、有底円筒状の内槽２と、内槽２の外周及び上部を覆うように配された外槽３とを備える。内槽２と外槽３との間には不図示の断熱材が配されている。低温タンク１は、内槽２の内部にＬＮＧやＰＮＧ、エチレン等の液化ガスを高圧で貯蔵するための貯蔵タンクとして構成されている。
【００３１】
内槽２は、円盤状の底部２ａと、底部２ａの周縁の周方向に沿って立設された大口径且つ筒状の側部２ｂと、不図示のナックルプレートを介して側部２ｂの上部開口を覆うように配された、圧延鋼材からなるドーム状の屋根板２ｃとを有する。底部２ａと屋根板２ｃとは、一例として長方形主面を有する複数のＮｉ鋼板を連結して構成される。側部２ｂは図２に示すように、複数の円弧状の側板２０ｂが長手方向を水平、短手方向を垂直にそれぞれ向けた状態で、底部２ａの周方向に数十枚にわたり横並び、且つ十数枚から数十枚にわたり積み上げられて配置され、各側板２０ｂを互いに突き合わせて溶接により連結されて構成される。
【００３２】
側板２０はフェライト構造（体心立方格子（ｂｃｃ）構造）を有し、低温靱性に優れ、且つ常温及び低温にて優れた引張強度を有するＮｉ鋼板を用いてなる。本実施形態では、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｇ  ３１２７  ＳＬ  ９Ｎ）に準拠する９％Ｎｉ鋼板を側板２０に用いている。側板２０の厚みは、一例として一般的なＬＮＧタンクの内槽２の厚さである６ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲に設定しているが、当然ながら側板２０の厚みはこれに限定されない。側板２０は側部２ｂの周方向に沿うように曲げ加工されている。
【００３３】
側部２ｂを構成する各側板２０は、下方に位置するほど厚みが増しており、内槽２に貯蔵される液化ガスの圧力に耐えられるように調整されている。また、隣接する側板２０の一対の垂直端部２１（突き合わせ部）は、例えば立向き被覆アーク溶接またはＴＩＧ溶接により連結される。また、隣接する側板２０の一対の水平端部２２（突き合わせ部）は、以下に示す両面同時横向きサブマージアーク溶接により連結され、低温環境（例えば−５℃以下の環境）下でも良好な靱性を有する溶接部Ｊが形成されている。
【００３４】
外槽３は、内槽２の側部２ｂを外方より覆う側部３ａと、不図示のナックルプレートを介して内槽２の屋根板２ｃを上方より覆う屋根板３ｂとを有する。外槽３は、例えば複数の圧延鋼板を溶接で連結して構成される。
【００３５】
次に図３〜図６を用い、側部２ｂの溶接方法について説明する。
【００３６】
まず、底部２ａの周縁の周方向に沿って、側部２ｂの１段目に位置する複数の側板２０をクレーンで釣り上げて配置し、仮付溶接と治具とで各側板２０を互いに固定する。その後、互いに突き合わせた各側板２０の一対の垂直端部２１を、例えば立向き被覆アーク溶接またはＴＩＧ溶接にて溶接する。
【００３７】
１段目に位置する各側板２０の垂直端部２１同士を溶接し、且つ、各側板２０を底部２ａと溶接した後、２段目に位置する複数の側板２０を１段目の各側板２０の上方にクレーンで配置する。そして２段目に位置する各側板２０を立て、１段目に位置する各側板２０と垂直方向で並べた状態で仮付溶接と治具にて互いに固定する。この状態で、水平方向に沿って互いに突き合わせた各側板２０の一対の垂直端部２１を、１段目に位置する各側板２０と同様に、例えば立向き被覆アーク溶接またはＴＩＧ溶接にて溶接する。
【００３８】
続いて、互いに突き合わせた１段目及び２段目に位置する各側板２０の一対の水平端部２２を、以下の両面同時サブマージアーク溶接方法で溶接する。
【００３９】
具体的には、まず公知のフラックス供給装置（不図示）を一対用意する。図３に示すように、垂直方向に立てて並べた各側板２０の両面側より、垂直方向で互いに突き合わせた一対の水平端部２２付近にフラックス供給装置のフラックスベルトＢ１、Ｂ２の上面を配置する。フラックスベルトＢ１、Ｂ２上に粒状のフラックスＦを載せ、一対の水平端部２２の間とその付近にフラックスＦを配置する。
【００４０】
続いて一例として、第１溶接トーチＥ１を有する溶接装置と、第２溶接トーチＥ２を有する溶接装置（ともに装置は不図示）を個別に用意する。また、フェライト構造（面心立方格子（ｆｃｃ）構造）を有し且つ側板２０よりも多量のＮｉを含む溶接材料（消耗式電極）として、例えばＮｉを質量パーセントで５５％以上含むＮｉ基合金からなる溶接電極（溶接ワイヤＷ１、Ｗ２）を用意する。溶接ワイヤＷ１を第１溶接トーチＥ１、溶接ワイヤＷ２を第２溶接トーチＥ２にそれぞれ繰り出し可能に保持させる。第１溶接トーチＥ１、第２溶接トーチＥ２を隣接する各側板２０の一対の水平端部２２の表裏両側に配置し、第１溶接トーチＥ１から溶接ワイヤＷ１を、第２溶接トーチＥ２から溶接ワイヤＷ２を一対の水平端部２２間におけるフラックスＦの内部に差し込む。
【００４１】
この状態で各溶接装置を操作し、直流棒マイナスの極性とし、一対の側板２０で構成される水平端部２２の表裏両面側から同時に初層の溶接を行う。
【００４２】
その後、２層目以降に関しても、初層の溶接と同じ方法により溶接施工を繰り返すことで、図４に示すような溶接金属部３０を有する溶接部Ｊを形成する。
【００４３】
尚、本実施形態では溶接部Ｊの初層と、これに順次積層される２層目以降の各層とを本溶接方法で形成したが、溶接部Ｊの２層目以降に関しては別の溶接方法で形成してもよい。
【００４４】
このように溶接ワイヤＷ１、Ｗ２を負極性とすれば、溶接ワイヤＷ１、Ｗ２を正極性とした場合に比べ、溶接金属部３０を構成するＮｉ基合金への母材Ｎｉ鋼の溶け込みを小さくして希釈率を抑えることができる。従って、一対の水平端部２２の表裏両面側から同時に溶接する場合であっても希釈率の増大による強度や低温靱性の低下を防止できる。
【００４５】
また、本溶接方法では各側板２０の両面側から一対の水平端部２２を同時溶接するので、各側板２０の片面ずつから一対の水平端部２２を両面溶接する従来の溶接方法に比べ、溶接工期を短縮できる。また、開先底部の溶け込み不良や欠陥を抑制するためのガウジングによる裏ハツリ工程等の加工が不要になる。これにより、従来の溶接方法よりも溶接効率を向上させることができる。
【００４６】
上記のように本溶接方法に基づき、底部２ａの周方向に沿って１段目と２段目に位置する各側板２０に周継手を形成したら、垂直方向に複数段にわたり複数の側板２０を上記溶接方法に基づいて連結し、立継手と周継手を形成して積み上げる。これにより所定高さの側部２ｂを得ることができる。
【００４７】
＜変形例＞
図５に実施形態の変形例を示す。
【００４８】
この変形例では２台の溶接装置を用い、一対の側板２０により構成される水平端部２２における少なくとも初層の溶接を、各溶接装置の溶接電極（溶接ワイヤＷ１、Ｗ２）の極性を交流として前記一対の水平端部２２の表裏両面から同時に行う。尚、溶接ワイヤＷ１、Ｗ２の電位に対して各側板２０が正極性になる比率（正極性比率）は、例えば５０％とすることができる。
【００４９】
このような変形例の両面同時横向きサブマージアーク溶接方法を実施する場合でも、溶接ワイヤＷ１、Ｗ２の電位が各側板２０の電位に対して負極性となるタイミングが存在するため、上記実施形態と同様に希釈率を抑えることができる。従って、Ｎｉ鋼板の表裏両面側から同時に溶接する場合であっても希釈率の増大による強度や低温靱性の低下を防止できる。
【００５０】
＜その他の事項＞
本発明は上記実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。
【００５１】
上記実施形態及び変形例では、溶接方法としてサブマージアーク溶接方法を例示したが、溶接方法はサブマージアーク溶接方法に限定されず、その他のアーク溶接を用いた溶接方法であってもよい。
【００５２】
上記実施形態及び変形例では、溶接電極である溶接ワイヤＷ１、Ｗ２を各側板２０の両面側に一つずつ配置したが、いわゆるタンデム溶接方法に基づき、複数の溶接ワイヤとこれを保持する溶接トーチを各側板２０の両面側に配置し、同時溶接を実施してもよい。
【００５３】
上記実施形態において、母材の側板２０は質量パーセントで９％のＮｉを含む鋼からなるものとしたが、これはＬＮＧタンクに用いられる母材の規格として定められたＮｉ鋼を例示したものであり、母材に含まれるＮｉ量の質量パーセントとしては当然ながら９％以外の数値をとることも可能である。Ｎｉ鋼板に含まれるＮｉ量としては、質量パーセントで３％以上１５％以下の範囲とすることが好ましい。溶接ワイヤＷ１、Ｗ２に含まれるＮｉ量は質量パーセントで５５％以上としたが、これはＬＮＧタンクに用いられる母材、溶材の規格として定められた数値である。
【００５４】
図３〜図５では各側板２０の両面側から一対の水平端部２２に開先及びルート面を形成した構成を図示したが、一対の水平端部２２の構成はこれに限定されない。例えば各側板２０の一方の面側のみに開先を形成した構成としてもよい。
【００５５】
尚、本発明における「同時溶接」とは、各側板２０の両面側から厳密な同一の位置に溶接ワイヤＷ１、Ｗ２の先端を配向させて溶接する場合に限定されず、各側板２０の各長手方向に沿った一定の範囲内で溶接ワイヤＷ１、Ｗ２の先端をずらして配置して溶接する場合も含む。例えば図６に示すように、第１溶接トーチＥ１に保持させた溶接ワイヤＷ１を第２溶接トーチＥ２に保持させた溶接ワイヤＷ２よりも各側板２０の長手方向に沿って距離Ｌだけ先行させて溶接を行っている場合には、溶接ワイヤＷ２の先端を溶接ワイヤＷ１の溶接により形成された溶融プール３０ａ内に配向させて溶接を実施すれば、本発明における「同時溶接」に含まれる。尚、図６では便宜上、側板２０の水平端部２２と溶接金属部３０とを直線状に図示し、フラックスＦ及びフラックスベルトＢ１、Ｂ２を不図示としている。
【００５６】
上記実施形態及びその変形例では、一対の側板２０により構成される水平端部２２の両面同時横向き溶接に本発明の溶接方法を適用したが、本発明の溶接方法は低温環境で用いられる一対のＮｉ鋼板で構成される突き合わせ部を表裏両面から溶接する際に、溶接方向を限定せずに適用することが可能である。従って、例えば各側部２０の垂直端部２１同士の溶接や、底部２ａを構成する各Ｎｉ鋼板等、いわゆる低温圧力容器用Ｎｉ鋼板の連結に本発明の溶接方法を適用してもよい。或いは低温タンク１の内槽２の内部に配置される構造物において、当該構造物の構成部材同士で構成される突き合わせ部の溶接方法に本発明の溶接方法を適用してもよい。
【００５７】
本発明における「低温」とは、−５℃以下の温度範囲を指すものとする。また「常温」とは（５℃以上３５℃以下）の温度範囲を指すものとする。
【００５８】
本発明において、溶接材料は溶接ワイヤに限定されず、例えば溶接棒等、その他の材料を用いることもできる。
【００５９】
本発明で使用するＮｉ鋼板は、炭素及びＮｉの他にＣｒ、Ｍｎ等の元素を含んでいてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように本発明は、十分な強度と低温靱性とを有する溶接部を形成でき、且つ溶接効率に優れたＮｉ鋼板の突き合わせ溶接方法を提供することができる、優れた効果を有する。従って、この効果の意義を発揮できる溶接方法として広く適用すると有益である。
【符号の説明】
【００６１】
Ｅ１、Ｅ２    溶接トーチ
Ｊ    溶接部
Ｗ１、Ｗ２    溶接ワイヤ
１    低温タンク
２    内槽
２ａ    底板
２ｂ、３ａ    側部
２ｃ、３ｂ    屋根板
３    外槽
２０    側板（母材）
２１    垂直端部
２２    水平端部
３０    溶接金属部
３０ａ    溶融プール
【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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