クラッド鋼材の接合方法及び接合構造
【課題】クラッド鋼材の現地溶接における溶接速度の高速化を図ることができかつ継手の靭性を向上させることができるクラッド鋼材の接合方法を提供する。
【解決手段】積層された炭素鋼層５とクラッド層６とを備えるクラッド鋼材４の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法である。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攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、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側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、を備える。
【解決手段】積層された炭素鋼層５とクラッド層６とを備えるクラッド鋼材４の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法である。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攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、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側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッド鋼材の端面どうしの突き合せ接合に関するものであり、特に摩擦攪拌接合とアーク溶接方法を組み合わせた接合方法及びクラッド鋼材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材料として、板厚１〜３ｍｍ程度のステンレス鋼(またはＮｉ基合金)と炭素鋼とを板厚方向に張り合わせたクラッド鋼材が使用される場合がある。このようなクラッド鋼材において薄いステンレス鋼(またはＮｉ基合金)側はクラッド層と呼ばれる。
【０００３】
一方でクラッド鋼材の端面どうしの突き合わせ溶接は、溶接金属内のマルテンサイトの析出および割れ発生を防止するため、通常は、初めに炭素鋼層から炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接し、最後にクラッド層をＮｉ４％以上かつＣｒｌ２％以上含んだクラッド層用の溶接材料を用いて溶接する溶接施工方法が採用される。
【０００４】
しかしながら、硫化水素雰囲気などの高腐食環境が鋼管内面となるクラッド鋼ラインパイプではクラッド層は内面となり炭素鋼側は外面となる。このようなクラッド鋼ラインパイプの鋼管端面どうしの現地円周溶接では、鋼管内面側から溶接作業を行うことは非常に困難であるため、鋼管端部に開先を取り、鋼管外部から初めにクラッド層をクラッド層用のＮｉやＣｒを多く含んだ溶接材料を用いて溶接し、その後、当該溶接ビードの上に鋼管外部からクラッド層用の溶接材料を用いて溶接を行っている。これは、クラッド層用溶接材料(例えばステンレス用溶接材料)によって形成された溶接ビードの上に炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接を行うと、溶接ビード中にマルテンサイトが形成され、それを起点に割れが発生する場合があるからである。
【０００５】
特にステンレス鋼用などのＮｉやＣｒなどの合金元素を多く含む溶接材料を用いて，下進溶接を行った場合，炭素鋼の場合と比較して融点が低いかつ表面張力も低いため融合不良等の欠陥が発生しやすい。また、上進溶接した場合には凸ビードになりやすい，溶融プールの追従性が悪いなどの理由から鋼管どうしの突き合わせ現地円周溶接においては、１０〜３０ｃｍ／ｍｉｎ程度の溶接速度が限界である。一方で、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部ではクラッド層用溶接材料と炭素鋼の異材継手となり、両者の境界部において靭性が著しく低下する。また、クラッド層(ステンレス、Ｎｉ基合金)用の溶接材料には、高価なＮｉやＣｒが多く含まれているため、溶接材料の１ｋｇ当たりのコストが鋼用の溶接材料と比較して６〜１０倍程度高くなる。
【０００６】
ここで、下記の特許文献１には、クラッド鋼板の端面どうしの突き合わせ溶接において、鋼管外面から、まず初めにステンレス層をガスシールドアーク溶接によって溶接し、次に当該溶接ビードの上をサブマージアーク溶接によって溶接する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３８４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１に開示された技術にて用いられているサブマージアーク溶接は、フラックスを散布し当該フラックス中でアークを発生させるため、全姿勢溶接である鋼管の突き合わせ円周溶接に用いることに難があること、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部において、ステンレス用溶接材料と炭素鋼の異材継手となる部分が存在し、両者の境界部において靭性が著しく低下していると思われる。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、クラッド鋼材の現地溶接における溶接速度の高速化を図ることができ、かつ継手の靭性を向上させることができる、クラッド鋼材の接合方法及び接合構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、クラッド鋼材の溶接における初層溶接において、クラッド層と炭素鋼層が同時に攪拌するように摩擦攪拌接合を行うことで、攪拌された接合ビード内の成分が板厚方向にクラッド層の成分と炭素鋼層の成分に分離されることを発見した。これにより以降の炭素鋼層の溶接において、ＮｉやＣｒを多く含まない炭素鋼用の溶接材料を用いてもマルテンサイトの析出および割れが発生しないと考えた。
【００１１】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
本発明に係るクラッド鋼材の接合方法は、積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法において、互いに対向する前記クラッド層どうしと前記炭素鋼層どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、その後、前記クラッド層から離れた位置にある前記炭素鋼層どうしの未接合部分を前記炭素鋼層側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記のクラッド鋼材の接合方法によれば、摩擦攪拌接合により、互いに対向するクラッド層どうしと炭素鋼層どうしを接合するが、このとき、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離される。このため、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ト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。
【００１３】
なお、前記アーク溶接工程で、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を行うことが好ましい。
また、前記摩擦攪拌接合工程で、回転工具のプローブとして長さが前記クラッド層の厚さよりも２ｍｍ以上長いものを用い、前記回転工具の回転数を２００ｍｉｎ―１以上４００ｍｉｎ―１以下に設定し、接合速度を、前記回転工具の回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、前記回転工具の回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下に設定して摩擦接伴接合を行うことが好ましい。
【００１４】
また、前記摩擦攪拌工程と前記アーク溶接工程の間に、前記摩擦攪拌工程で接合した部分を前記炭素鋼層側から削り込むガウジング工程を備えることが好ましい。
さらに、前記ガウジング工程で形成された溝のルートフェイスは、回転工具のプローブの長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブの長さに３ｍｍ足した長さよりも短いことが好ましい。
【００１５】
本発明に係るクラッド鋼材の接合構造は、積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合されたクラッド鋼材の接合構造であって、摩擦攪拌接合によって形成された１つの接合ビードの断面内に互いに対向する前記クラッド層どうしを接合したクラッド層接合部と、互いに対向する前記炭素鋼層どうしを接合した炭素鋼層接合部との間に、該クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が形成され、該仕切面は、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記のクラッド鋼材の接合構造によれば、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されており、クラッド層の成分と炭素鋼層の成分とが混ざり合うことなく、互いに対向するクラッド層どうしおよび炭素鋼どうしがそれぞれ接合される。
【００１７】
ちなみに、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲を超える場合には、クラッド層の成分と炭素鋼層の成分とが混ざり合うおそれがある。この場合、例えば、次工程で、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側からアーク溶接するとき、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する際に割れなどの不具合が発生するおそれがある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アーク溶接に用いる溶接材料として、Ｎｉが４％以下かつＣｒが１２％以下の作業性の良いかつ安価な溶接材料を用いても割れ等の不具合が発生することがなく、炭素鋼層を溶接する際の溶接速度の向上が可能となり、かつ、施工コストを低減させることが可能となり、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部において、異材継手とならない構造となるため、靭性の低下を防止することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されるため、接合部の耐食性をクラッド鋼材と同等レベルにすることができ、接合部からの腐食を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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攪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】本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係るクラッド鋼材の接合構造の実施形態を示すマクロ断面図である。
【図４】クラッド鋼材の接合構造の比較例を示す断面図である。
【図５】クラッド鋼材の接合構造の比較例を示す断面図である。
【図６】本発明に係るクラッド鋼材の接合方法のガウジング工程の溝を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を以下に説明する。図１は本発明に係るクラッド鋼材の接合方法における摩擦攪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は本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を示す概念図である。
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は図示せぬ摩擦攪拌接合装置本体に結合され、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ともに、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。
また、回転ツール１の材料としては、クラッド鋼材４を構成するクラッド層材５および炭素鋼材６の融点より高い温度においてクラッド鋼材４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とタングステン複合材料との合金材などが使用される。
【００２２】
図２において符号４で示すものがクラッド鋼材である。このクラッド鋼材４は炭素鋼層５とこの炭素鋼層５上に積層されたクラッド層６を備える。本発明に係るクラッド鋼材の接合方法では、最初に、図２に示すように、クラッド鋼材４の端面どうしを突き合わせた状態とし、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どうしを攪拌するように、該プローブ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をクラッド鋼材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に沿って移動させることでクラッド鋼材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、該クラッド層６に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしを接合する（摩擦攪拌接合工程）。
【００２３】
次に、炭素鋼層５側からＮｉおよびＣｒを含まない炭素鋼用の溶接材料を用いてアーク溶接用のトーチ７により、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接合する（アーク溶接工程）。
【００２４】
前記摩擦攪拌接合工程で接合ビート８が形成されるが、この溶接ビート８によって、互いに対向するクラッド層６どうしと、該クラッド層に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしが接合される。すなわち、溶接ビート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を備える。また、アーク溶接工程では、溶接ビート９が形成される。この溶接ビート９によって、クラッド層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。
【００２５】
以上の工程により、図３に示すように、クラッド層６どうしと炭素鋼層５どうしが接合した、本発明に係るクラッド鋼材の接合構造Ｃが得られる。
【００２６】
クラッド鋼材の接合構造Ｃでは、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、該クラッド層接合部８ａと炭素鋼層接合部８ｂを仕切る仕切面Ｓが形成されている。この仕切面Ｓは、前記摩擦攪拌接合工程において、クラッド層６と炭素鋼層５が同時に攪拌するように摩擦攪拌接合されるときに、攪拌された接合ビード８内の成分が板厚方向にクラッド層の成分と炭素鋼層の成分に分離されることにより形成される。また、図３に示すように、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の範囲に形成されている。
【００２７】
ここで、前記摩擦攪拌接合工程で用いる回転ツール１のプローブ３の長さＬはクラッド層６の板厚ｔより少なくとも２ｍｍ以上長く設定することが望ましい。これは、摩擦攪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どうしも攪拌されるように接合するためである。
【００２８】
摩擦攪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がお互いに混ざりあってしまう。すなわち、図４は、投入エネルギーが高い場合に形成された接合ビード近傍の断面写真である。この写真からわかるように、クラッド層６どうしを接合するクラッド層接合部と炭素鋼層５どうしを接合する炭素鋼層接合部とは混ざり合っていて、両者の間に明確な仕切面は形成されていない。
このような場合に炭素鋼層５側から、ＮｉやＣｒを含まない溶接材料でアーク溶接を行うと、溶接金属内に割れが発生してしまう。また、このような溶接部がサワー環境などの高腐食環境にさらされた場合、クラッド層６側の表面が腐食されてしまう恐れがある。
【００２９】
一方、投入エネルギーが小さい場合(回転ツールの回転数が低くかつ接合速度が速い場合)は、接合するためのエネルギー不足となり、クラッド層６の接合部にて接合欠陥が発生する。図５は、投入エネルギーが低い場合に形成された接合ビード近傍の断面写真である。この写真からわかるように、クラッド層６の接合部に接合欠陥Ｚが見られる。
このため、摩擦攪拌接合時の回転ツール１の回転数と接合速度は、好適な範囲に設定される。これについては後ほど詳しく説明する。
【００３０】
また、アーク溶接工程では、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、摩擦攪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。
【００３１】
アーク溶接の溶け込みが浅く、図２に示す炭素鋼層接合部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。
【００３２】
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の先端が図２に示す炭素鋼層接合部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の範囲することができる。
図６はガウジングを行う場合の概略図である。図中Ｇがガウジングを行って得られる溝を示す。このときの溝ＧのルートフェイスＦは、回転ツール（回転工具）のプローブ３の長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブ３の長さに３ｍｍ足した長さよりも短い値に設定される。ルートフェイスＦをこのような値に設定することにより、溶接ビード９の先端を炭素鋼層接合部８ｂの範囲することができる。
なお、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。
【００３３】
以上説明したように発明に係るクラッド鋼材の接合方法によれば、摩擦攪拌接合により、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、クラッド層の成分と炭素鋼層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ト８内の炭素鋼層の成分にのみ、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。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、異材継手とならない構造となるため、靭性の低下を防止することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、摩擦攪拌接合をクラッド層６側から行っているが、これに限られることなく炭素鋼層５側から摩擦攪拌接合を行っても良い。
また、前記実施形態で示した回転ツール１はあくまで一例であり、他の構造として、例えば、プローブに３にねじ状の螺旋溝が形成されたものを用いても良い。
また、本発明はクラッド鋼材を接合する場合であれば適用可能であり、クラッド鋼材の形状は問わない。例えば、クラッド鋼材が板状であってもあるいはパイプ状であっても本発明は適用可能である。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
本発明では、試験材としてＳＵＳ３１６ＬとＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５相当材を板厚方向に張り合わせたクラッド鋼材を用いた。また、クラッド層であるＳＵＳ３１６Ｌの板厚は２ｍｍと１ｍｍの２種類とした。
【００３６】
実施方法は、上述したクラッド鋼材どうしを突き合わせた状態とし、まず初めにクラッド層どうしと炭素鋼層どうしが同時に撹伴するようにクラッド層側から摩擦攪拌接合にて接合し、その後Ｎｉが４ｗｔ％以下かつＣｒが１２ｗｔ％以下の溶接材料を用いて、炭素鋼側からアーク溶接を実施した。
【００３７】
表１に実施例として、クラッド層側から摩擦攪拌接合を行った場合の実施結果を示す。摩擦攪拌接合に用いた回転ツールの材質はＰＣＢＮ単独のものと、ＰＣＢＮとＷ−ｒｅを混ぜたものの２種類とし、プローブの長さは、両者とも４ｍｍのものを用いた。接合条件として回転ツールの回転数を２００ｍｉｎ―１〜６００ｍｉｎ―１、接合速度を１０ｃｍ／ｍｉｎ〜４０ｃｍ／ｍｉｎの範囲で変化させ、クラッド層と炭素鋼層の板厚方向の攪拌の有無、欠陥の有無について評価した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
まず回転ツール材料としてＰＣＢＮ単独を用いた場合(ＴＰ１〜ＴＰ１２)について述べる。表１に示すように回転ツールの回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、回転ツールの回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下の条件においては、クラッド層と炭素鋼層の板厚方向の攪拌は見られず、欠陥についても発見されなかった。
この結果を下記の表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
ＴＰ１３〜ＴＰ１８は回転ツール材料としてＰＣＢＮとＷ−ｒｅを混ぜたものを使用した結果であるが、ＰＣＢＮを用いた場合と同様の結果が得られた。
【００４２】
表３に、クラッド層側からクラッド層どうしと炭素鋼層どうしが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合したクラッド鋼材の突き合わせ溶接部を炭素鋼層側からアーク溶接を行った場合の実施例を示す。
【００４３】
【表３】
【００４４】
試験材として、表１に示した実施例において、クラッド層の板厚が２ｍｍのものでかつ総合評価が良好であったテストピースを用いた。
【００４５】
試験方法は、上述したテストピースを炭素鋼側からガウジングし、ガスメタルアーク溶接にてアーク溶接を実施した。ガスメタルアーク溶接に用いた溶接材料としてＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ２４を用いた。ガスメタルアーク溶接に用いた溶接材料の成分を表４に示す。
【００４６】
【表４】
【００４７】
本実施例では、アーク溶接により形成される溶接ビードの先端９ａ(すなわち溶け込みの先端)位置を制御するために炭素鋼側からガウジング深さを変化させた。
【００４８】
表４に示すように、アーク溶接により形成される溶接ビードの先端９ａ(すなわち溶け込みの先端)が摩擦攪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内であった場合(すなわちＴＰ１９の場合)、割れや溶け込み不良やマルテンサイトは発生しなかったが、ＴＰ２０に示すようにアーク溶接の溶け込みが浅く、摩擦攪拌接合によって形成された接合ビード８に達しない場合は溶け込み不良となり、ＴＰ２１に示すようにアーク溶接の溶け込みが深く、クラッド層接合部８ａに達した場合は、溶接金属内に割れが発生した。
【符号の説明】
【００４９】
１:回転ツール
２:ショルダ
３:プローブ
４:クラッド鋼材
５:クラッド層
６:炭素鋼層
７:アーク溶接用トーチ
８:接合ビード
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッド鋼材の端面どうしの突き合せ接合に関するものであり、特に摩擦攪拌接合とアーク溶接方法を組み合わせた接合方法及びクラッド鋼材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材料として、板厚１〜３ｍｍ程度のステンレス鋼(またはＮｉ基合金)と炭素鋼とを板厚方向に張り合わせたクラッド鋼材が使用される場合がある。このようなクラッド鋼材において薄いステンレス鋼(またはＮｉ基合金)側はクラッド層と呼ばれる。
【０００３】
一方でクラッド鋼材の端面どうしの突き合わせ溶接は、溶接金属内のマルテンサイトの析出および割れ発生を防止するため、通常は、初めに炭素鋼層から炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接し、最後にクラッド層をＮｉ４％以上かつＣｒｌ２％以上含んだクラッド層用の溶接材料を用いて溶接する溶接施工方法が採用される。
【０００４】
しかしながら、硫化水素雰囲気などの高腐食環境が鋼管内面となるクラッド鋼ラインパイプではクラッド層は内面となり炭素鋼側は外面となる。このようなクラッド鋼ラインパイプの鋼管端面どうしの現地円周溶接では、鋼管内面側から溶接作業を行うことは非常に困難であるため、鋼管端部に開先を取り、鋼管外部から初めにクラッド層をクラッド層用のＮｉやＣｒを多く含んだ溶接材料を用いて溶接し、その後、当該溶接ビードの上に鋼管外部からクラッド層用の溶接材料を用いて溶接を行っている。これは、クラッド層用溶接材料(例えばステンレス用溶接材料)によって形成された溶接ビードの上に炭素鋼用の溶接材料を用いて溶接を行うと、溶接ビード中にマルテンサイトが形成され、それを起点に割れが発生する場合があるからである。
【０００５】
特にステンレス鋼用などのＮｉやＣｒなどの合金元素を多く含む溶接材料を用いて，下進溶接を行った場合，炭素鋼の場合と比較して融点が低いかつ表面張力も低いため融合不良等の欠陥が発生しやすい。また、上進溶接した場合には凸ビードになりやすい，溶融プールの追従性が悪いなどの理由から鋼管どうしの突き合わせ現地円周溶接においては、１０〜３０ｃｍ／ｍｉｎ程度の溶接速度が限界である。一方で、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部ではクラッド層用溶接材料と炭素鋼の異材継手となり、両者の境界部において靭性が著しく低下する。また、クラッド層(ステンレス、Ｎｉ基合金)用の溶接材料には、高価なＮｉやＣｒが多く含まれているため、溶接材料の１ｋｇ当たりのコストが鋼用の溶接材料と比較して６〜１０倍程度高くなる。
【０００６】
ここで、下記の特許文献１には、クラッド鋼板の端面どうしの突き合わせ溶接において、鋼管外面から、まず初めにステンレス層をガスシールドアーク溶接によって溶接し、次に当該溶接ビードの上をサブマージアーク溶接によって溶接する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３８４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１に開示された技術にて用いられているサブマージアーク溶接は、フラックスを散布し当該フラックス中でアークを発生させるため、全姿勢溶接である鋼管の突き合わせ円周溶接に用いることに難があること、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部において、ステンレス用溶接材料と炭素鋼の異材継手となる部分が存在し、両者の境界部において靭性が著しく低下していると思われる。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、クラッド鋼材の現地溶接における溶接速度の高速化を図ることができ、かつ継手の靭性を向上させることができる、クラッド鋼材の接合方法及び接合構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、クラッド鋼材の溶接における初層溶接において、クラッド層と炭素鋼層が同時に攪拌するように摩擦攪拌接合を行うことで、攪拌された接合ビード内の成分が板厚方向にクラッド層の成分と炭素鋼層の成分に分離されることを発見した。これにより以降の炭素鋼層の溶接において、ＮｉやＣｒを多く含まない炭素鋼用の溶接材料を用いてもマルテンサイトの析出および割れが発生しないと考えた。
【００１１】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
本発明に係るクラッド鋼材の接合方法は、積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法において、互いに対向する前記クラッド層どうしと前記炭素鋼層どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、その後、前記クラッド層から離れた位置にある前記炭素鋼層どうしの未接合部分を前記炭素鋼層側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記のクラッド鋼材の接合方法によれば、摩擦攪拌接合により、互いに対向するクラッド層どうしと炭素鋼層どうしを接合するが、このとき、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離される。このため、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ト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。
【００１３】
なお、前記アーク溶接工程で、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を行うことが好ましい。
また、前記摩擦攪拌接合工程で、回転工具のプローブとして長さが前記クラッド層の厚さよりも２ｍｍ以上長いものを用い、前記回転工具の回転数を２００ｍｉｎ―１以上４００ｍｉｎ―１以下に設定し、接合速度を、前記回転工具の回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、前記回転工具の回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下に設定して摩擦接伴接合を行うことが好ましい。
【００１４】
また、前記摩擦攪拌工程と前記アーク溶接工程の間に、前記摩擦攪拌工程で接合した部分を前記炭素鋼層側から削り込むガウジング工程を備えることが好ましい。
さらに、前記ガウジング工程で形成された溝のルートフェイスは、回転工具のプローブの長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブの長さに３ｍｍ足した長さよりも短いことが好ましい。
【００１５】
本発明に係るクラッド鋼材の接合構造は、積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合されたクラッド鋼材の接合構造であって、摩擦攪拌接合によって形成された１つの接合ビードの断面内に互いに対向する前記クラッド層どうしを接合したクラッド層接合部と、互いに対向する前記炭素鋼層どうしを接合した炭素鋼層接合部との間に、該クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が形成され、該仕切面は、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記のクラッド鋼材の接合構造によれば、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されており、クラッド層の成分と炭素鋼層の成分とが混ざり合うことなく、互いに対向するクラッド層どうしおよび炭素鋼どうしがそれぞれ接合される。
【００１７】
ちなみに、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲を超える場合には、クラッド層の成分と炭素鋼層の成分とが混ざり合うおそれがある。この場合、例えば、次工程で、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側からアーク溶接するとき、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する際に割れなどの不具合が発生するおそれがある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アーク溶接に用いる溶接材料として、Ｎｉが４％以下かつＣｒが１２％以下の作業性の良いかつ安価な溶接材料を用いても割れ等の不具合が発生することがなく、炭素鋼層を溶接する際の溶接速度の向上が可能となり、かつ、施工コストを低減させることが可能となり、炭素鋼部どうしの突き合わせ溶接部において、異材継手とならない構造となるため、靭性の低下を防止することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されるため、接合部の耐食性をクラッド鋼材と同等レベルにすることができ、接合部からの腐食を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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攪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】本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を示す概念図である。
【図３】本発明に係るクラッド鋼材の接合構造の実施形態を示すマクロ断面図である。
【図４】クラッド鋼材の接合構造の比較例を示す断面図である。
【図５】クラッド鋼材の接合構造の比較例を示す断面図である。
【図６】本発明に係るクラッド鋼材の接合方法のガウジング工程の溝を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を以下に説明する。図１は本発明に係るクラッド鋼材の接合方法における摩擦攪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は本発明に係るクラッド鋼材の接合方法の実施形態を示す概念図である。
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は図示せぬ摩擦攪拌接合装置本体に結合され、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ともに、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。
また、回転ツール１の材料としては、クラッド鋼材４を構成するクラッド層材５および炭素鋼材６の融点より高い温度においてクラッド鋼材４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とタングステン複合材料との合金材などが使用される。
【００２２】
図２において符号４で示すものがクラッド鋼材である。このクラッド鋼材４は炭素鋼層５とこの炭素鋼層５上に積層されたクラッド層６を備える。本発明に係るクラッド鋼材の接合方法では、最初に、図２に示すように、クラッド鋼材４の端面どうしを突き合わせた状態とし、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どうしを攪拌するように、該プローブ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をクラッド鋼材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に沿って移動させることでクラッド鋼材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、該クラッド層６に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしを接合する（摩擦攪拌接合工程）。
【００２３】
次に、炭素鋼層５側からＮｉおよびＣｒを含まない炭素鋼用の溶接材料を用いてアーク溶接用のトーチ７により、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接合する（アーク溶接工程）。
【００２４】
前記摩擦攪拌接合工程で接合ビート８が形成されるが、この溶接ビート８によって、互いに対向するクラッド層６どうしと、該クラッド層に隣接する位置にある炭素鋼層５どうしが接合される。すなわち、溶接ビート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を備える。また、アーク溶接工程では、溶接ビート９が形成される。この溶接ビート９によって、クラッド層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。
【００２５】
以上の工程により、図３に示すように、クラッド層６どうしと炭素鋼層５どうしが接合した、本発明に係るクラッド鋼材の接合構造Ｃが得られる。
【００２６】
クラッド鋼材の接合構造Ｃでは、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、該クラッド層接合部８ａと炭素鋼層接合部８ｂを仕切る仕切面Ｓが形成されている。この仕切面Ｓは、前記摩擦攪拌接合工程において、クラッド層６と炭素鋼層５が同時に攪拌するように摩擦攪拌接合されるときに、攪拌された接合ビード８内の成分が板厚方向にクラッド層の成分と炭素鋼層の成分に分離されることにより形成される。また、図３に示すように、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の範囲に形成されている。
【００２７】
ここで、前記摩擦攪拌接合工程で用いる回転ツール１のプローブ３の長さＬはクラッド層６の板厚ｔより少なくとも２ｍｍ以上長く設定することが望ましい。これは、摩擦攪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どうしも攪拌されるように接合するためである。
【００２８】
摩擦攪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がお互いに混ざりあってしまう。すなわち、図４は、投入エネルギーが高い場合に形成された接合ビード近傍の断面写真である。この写真からわかるように、クラッド層６どうしを接合するクラッド層接合部と炭素鋼層５どうしを接合する炭素鋼層接合部とは混ざり合っていて、両者の間に明確な仕切面は形成されていない。
このような場合に炭素鋼層５側から、ＮｉやＣｒを含まない溶接材料でアーク溶接を行うと、溶接金属内に割れが発生してしまう。また、このような溶接部がサワー環境などの高腐食環境にさらされた場合、クラッド層６側の表面が腐食されてしまう恐れがある。
【００２９】
一方、投入エネルギーが小さい場合(回転ツールの回転数が低くかつ接合速度が速い場合)は、接合するためのエネルギー不足となり、クラッド層６の接合部にて接合欠陥が発生する。図５は、投入エネルギーが低い場合に形成された接合ビード近傍の断面写真である。この写真からわかるように、クラッド層６の接合部に接合欠陥Ｚが見られる。
このため、摩擦攪拌接合時の回転ツール１の回転数と接合速度は、好適な範囲に設定される。これについては後ほど詳しく説明する。
【００３０】
また、アーク溶接工程では、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、摩擦攪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。
【００３１】
アーク溶接の溶け込みが浅く、図２に示す炭素鋼層接合部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。
【００３２】
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の先端が図２に示す炭素鋼層接合部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の範囲することができる。
図６はガウジングを行う場合の概略図である。図中Ｇがガウジングを行って得られる溝を示す。このときの溝ＧのルートフェイスＦは、回転ツール（回転工具）のプローブ３の長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブ３の長さに３ｍｍ足した長さよりも短い値に設定される。ルートフェイスＦをこのような値に設定することにより、溶接ビード９の先端を炭素鋼層接合部８ｂの範囲することができる。
なお、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。
【００３３】
以上説明したように発明に係るクラッド鋼材の接合方法によれば、摩擦攪拌接合により、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、クラッド層の成分と炭素鋼層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ト８内の炭素鋼層の成分にのみ、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。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、異材継手とならない構造となるため、靭性の低下を防止することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、摩擦攪拌接合をクラッド層６側から行っているが、これに限られることなく炭素鋼層５側から摩擦攪拌接合を行っても良い。
また、前記実施形態で示した回転ツール１はあくまで一例であり、他の構造として、例えば、プローブに３にねじ状の螺旋溝が形成されたものを用いても良い。
また、本発明はクラッド鋼材を接合する場合であれば適用可能であり、クラッド鋼材の形状は問わない。例えば、クラッド鋼材が板状であってもあるいはパイプ状であっても本発明は適用可能である。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
本発明では、試験材としてＳＵＳ３１６ＬとＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５相当材を板厚方向に張り合わせたクラッド鋼材を用いた。また、クラッド層であるＳＵＳ３１６Ｌの板厚は２ｍｍと１ｍｍの２種類とした。
【００３６】
実施方法は、上述したクラッド鋼材どうしを突き合わせた状態とし、まず初めにクラッド層どうしと炭素鋼層どうしが同時に撹伴するようにクラッド層側から摩擦攪拌接合にて接合し、その後Ｎｉが４ｗｔ％以下かつＣｒが１２ｗｔ％以下の溶接材料を用いて、炭素鋼側からアーク溶接を実施した。
【００３７】
表１に実施例として、クラッド層側から摩擦攪拌接合を行った場合の実施結果を示す。摩擦攪拌接合に用いた回転ツールの材質はＰＣＢＮ単独のものと、ＰＣＢＮとＷ−ｒｅを混ぜたものの２種類とし、プローブの長さは、両者とも４ｍｍのものを用いた。接合条件として回転ツールの回転数を２００ｍｉｎ―１〜６００ｍｉｎ―１、接合速度を１０ｃｍ／ｍｉｎ〜４０ｃｍ／ｍｉｎの範囲で変化させ、クラッド層と炭素鋼層の板厚方向の攪拌の有無、欠陥の有無について評価した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
まず回転ツール材料としてＰＣＢＮ単独を用いた場合(ＴＰ１〜ＴＰ１２)について述べる。表１に示すように回転ツールの回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、回転ツールの回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下の条件においては、クラッド層と炭素鋼層の板厚方向の攪拌は見られず、欠陥についても発見されなかった。
この結果を下記の表２に示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
ＴＰ１３〜ＴＰ１８は回転ツール材料としてＰＣＢＮとＷ−ｒｅを混ぜたものを使用した結果であるが、ＰＣＢＮを用いた場合と同様の結果が得られた。
【００４２】
表３に、クラッド層側からクラッド層どうしと炭素鋼層どうしが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合したクラッド鋼材の突き合わせ溶接部を炭素鋼層側からアーク溶接を行った場合の実施例を示す。
【００４３】
【表３】
【００４４】
試験材として、表１に示した実施例において、クラッド層の板厚が２ｍｍのものでかつ総合評価が良好であったテストピースを用いた。
【００４５】
試験方法は、上述したテストピースを炭素鋼側からガウジングし、ガスメタルアーク溶接にてアーク溶接を実施した。ガスメタルアーク溶接に用いた溶接材料としてＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ２４を用いた。ガスメタルアーク溶接に用いた溶接材料の成分を表４に示す。
【００４６】
【表４】
【００４７】
本実施例では、アーク溶接により形成される溶接ビードの先端９ａ(すなわち溶け込みの先端)位置を制御するために炭素鋼側からガウジング深さを変化させた。
【００４８】
表４に示すように、アーク溶接により形成される溶接ビードの先端９ａ(すなわち溶け込みの先端)が摩擦攪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内であった場合(すなわちＴＰ１９の場合)、割れや溶け込み不良やマルテンサイトは発生しなかったが、ＴＰ２０に示すようにアーク溶接の溶け込みが浅く、摩擦攪拌接合によって形成された接合ビード８に達しない場合は溶け込み不良となり、ＴＰ２１に示すようにアーク溶接の溶け込みが深く、クラッド層接合部８ａに達した場合は、溶接金属内に割れが発生した。
【符号の説明】
【００４９】
１:回転ツール
２:ショルダ
３:プローブ
４:クラッド鋼材
５:クラッド層
６:炭素鋼層
７:アーク溶接用トーチ
８:接合ビード
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法において、
互いに対向する前記クラッド層どうしと前記炭素鋼層どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、
その後、前記クラッド層から離れた位置にある前記炭素鋼層どうしの未接合部分を前記炭素鋼層側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、
を備えることを特徴とするクラッド鋼材の接合方法。
【請求項２】
前記アーク溶接工程で、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を行うことを特徴とする請求項１に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項３】
積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合されたクラッド鋼材の接合構造であって、
互いに対向する前記クラッド層どうしを接合したクラッド層接合部と、互いに対向する前記炭素鋼層どうしを接合した炭素鋼層接合部との間に、該クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が形成され、
該仕切面は、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されていることを特徴とするクラッド鋼材の接合構造。
【請求項４】
前記摩擦攪拌接合工程で、回転工具のプローブとして長さが前記クラッド層の厚さよりも２ｍｍ以上長いものを用い、前記回転工具の回転数を２００ｍｉｎ―１以上４００ｍｉｎ―１以下に設定し、接合速度を、前記回転工具の回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、前記回転工具の回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下に設定して摩擦接伴接合を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項５】
前記摩擦攪拌工程と前記アーク溶接工程の間に、前記摩擦攪拌工程で接合した部分を前記炭素鋼層側から削り込むガウジング工程を備えることを特徴とする請求項１，２，４のいずれか一項に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項６】
前記ガウジング工程で形成された溝のルートフェイスは、回転工具のプローブの長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブの長さに３ｍｍ足した長さよりも短いことを特徴とする請求項５に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項１】
積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合するクラッド鋼材の接合方法において、
互いに対向する前記クラッド層どうしと前記炭素鋼層どうしをそれらが同時に撹伴するように摩擦攪拌接合にて接合する摩擦攪拌接合工程と、
その後、前記クラッド層から離れた位置にある前記炭素鋼層どうしの未接合部分を前記炭素鋼層側からアーク溶接により接合するアーク溶接工程と、
を備えることを特徴とするクラッド鋼材の接合方法。
【請求項２】
前記アーク溶接工程で、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を行うことを特徴とする請求項１に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項３】
積層された炭素鋼層とクラッド層とを備えるクラッド鋼材の端面どうしを突き合わせて接合されたクラッド鋼材の接合構造であって、
互いに対向する前記クラッド層どうしを接合したクラッド層接合部と、互いに対向する前記炭素鋼層どうしを接合した炭素鋼層接合部との間に、該クラッド層接合部と炭素鋼層接合部を仕切る仕切面が形成され、
該仕切面は、接合前の互いに対向する接合端部の前記炭素鋼層と前記クラッド層との境界部を結ぶ仮想境界面を基準に、そこから０．５ｍｍの範囲に形成されていることを特徴とするクラッド鋼材の接合構造。
【請求項４】
前記摩擦攪拌接合工程で、回転工具のプローブとして長さが前記クラッド層の厚さよりも２ｍｍ以上長いものを用い、前記回転工具の回転数を２００ｍｉｎ―１以上４００ｍｉｎ―１以下に設定し、接合速度を、前記回転工具の回転数が２００ｍｉｎ―１の時１０ｃｍ／ｍｉｎ以上２０ｃｍ／ｍｉｎ以下、前記回転工具の回転数が４００ｍｉｎ―１の時２０ｃｍ／ｍｉｎ以上４０ｃｍ／ｍｉｎ以下に設定して摩擦接伴接合を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項５】
前記摩擦攪拌工程と前記アーク溶接工程の間に、前記摩擦攪拌工程で接合した部分を前記炭素鋼層側から削り込むガウジング工程を備えることを特徴とする請求項１，２，４のいずれか一項に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【請求項６】
前記ガウジング工程で形成された溝のルートフェイスは、回転工具のプローブの長さに２ｍｍ足した長さよりも長くかつプローブの長さに３ｍｍ足した長さよりも短いことを特徴とする請求項５に記載のクラッド鋼材の接合方法。
【図１】
【図２】
【図６】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図６】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２５５４１６（Ｐ２０１１−２５５４１６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４２５８（Ｐ２０１０−１３４２５８）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]