JP2005152955A

JP2005152955A - 溶接方法及び溶接システム

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Publication number: JP2005152955A
Application number: JP2003395982A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Yasuyuki Shirai; 泰雪白井; Yoshiharu Kishida; 好晴岸田; Yusuke Nakano; 祐介中野; Shinji Miyoshi; 伸二三好; Masakazu Nakamura; 雅一中村
Original assignee: Japan Air Gases Ltd
Current assignee: Japan Air Gases Ltd
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】最も腐食しやすい溶接部及び熱影響部の膜質を改善し得て、供給配管の腐食による劣化や供給ガスの金属汚染を低減することができ、しかも、Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化皮膜が非触媒性に優れていることにより、分解性の強い水素化物等のガスを分解することなく安定供給することができる溶接方法並びに溶接システムを提供する。
【解決手段】溶接工程にてバックシールドガスにアルゴンガスを用いて溶接を行い、熱処理工程にてアルゴンガスから数１０ｐｐｍ程度の酸素を含んだアルゴンガスに切り替えることにより１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化処理皮膜を再形成した後、更にバックシールドガスをアルゴンガスに切り替えてアニール処理を施した。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接時に酸化クロム不働態処理を施す溶接技術並びに溶接システムに関する。

従来から、内面にクロム不動態膜が形成されている一対の配管を突合せ、その配管内部にバックシールドガスとしてアルゴンガスを流しながら溶接を行った後、配管内部に流すバックシールドガスをアルゴンガスに酸化性ガスを添加した酸化性アルゴンガスに切り替えて溶接部を溶融しない程度に熱処理した溶接方法並びに溶接システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−１０４８８１号公報

ところで、上記の如く構成された溶接方法並びに溶接システムにあっては、配管の内部全体に均一な膜質を形成するため、最も腐食しやすい溶接部や熱影響部の膜質形成が不十分であるという問題が生じていた。
本発明は、上記問題を解決するため、溶接と同時に溶接ビード部に良質なＣｒ_２Ｏ_３不働態処理を施すことにより、腐食性ガス並びに分解性ガスを安定且つ安全に供給可能とすることができる溶接方法及び溶接システムを提供することを目的とする。
本発明は、膜質を改善することが可能な溶接方法及び溶接システムを提供することを目的とする。
本発明は、熱処理工程での処理条件を厳密に制御しなくとも１００％クロム酸化物の膜の形成が可能な溶接方法及び溶接システムを提供することを目的とする。

その目的を達成するため、請求項１に記載の溶接方法は、配管を突合せ溶接する際の１溶接工程中に、少なくとも溶接工程、冷却工程、熱処理工程、アニール処理工程をこの順に行い、その各工程中に供給されるバックシールドガスを制御することで溶接と同時に膜厚の制御された金属酸化皮膜を形成すると共に、その連続した溶接工程中にバックシールドガスを不活性ガスに切り替えた後に前記アニール処理工程を行うことを要旨とする。

請求項２に記載の溶接方法は、前記配管の突合せ溶接で形成される金属酸化皮膜を１００％Ｃｒ_２Ｏ_３としたことを要旨とする。

請求項３に記載の溶接方法は、前記配管の突合せ溶接に用いるバックシールドガスに混合される酸化性ガス若しくは酸素ガスが任意な濃度及び流量で混合可能であり、一連の溶接工程中に不活性ガスから混合ガス、混合ガスから不活性ガスに任意の時間で切り替えることを要旨とする。

請求項４に記載の溶接方法は、前記配管の突合せ溶接で形成される１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化皮膜の膜厚は、酸素ガスの濃度・入熱温度・入熱時間を制御することにより、１〜１００ｎｍの膜厚で任意に形成することを要旨とする。

請求項５に記載の溶接方法は、前記溶接中のアニール処理工程のバックシールドガスが不活性ガス、好ましくはアルゴンガス中の水分濃度が１ｐｐｍ以下に制御された不活性ガスであることを要旨とする。

請求項６に記載の溶接方法は、前記配管は、クロム含有量が２５％以上であるフェライト系ステンレス鋼管であることを要旨とする。

請求項７に記載の溶接システムは、突合せ状態で配管を溶接する際に供給するバックシールドガス供給系は、溶接工程、冷却工程、アニール処理工程に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、前記熱処理工程で酸化性雰囲気ガスを供給する酸化性ガス供給系と、前記配管を溶接するためのアークガス供給系とを備えていることを要旨とする。

請求項８に記載の溶接システムは、前記配管の突合せ溶接を溶接工程、冷却工程、熱処理工程、アニール処理工程の順に行うと共に、前記溶接工程と前記冷却工程、前記アニール処理工程の際には前記不活性ガス供給系により前記バックシールドガスに不活性ガスを用い、前記熱処理工程の際には、前記酸化性ガス供給系よりバックシールドガス供給系に混合ガスを用いることを要旨とする。

請求項９に記載の溶接システムは、前記バックシールドガスを切り替えた際の前記配管内圧の圧力変動が設定圧力の１０％未満とする調整機構を備え混合ガスの濃度を任意に調整することを要旨とする。

請求項１０に記載の溶接システムは、前記熱処理工程における前記配管の回転スピードを１０ｒｐｍ以上、好ましくは１５ｒｐｍ以上としたことを要旨とする。

本発明の溶接方法並びに溶接システムにあっては、以上説明したように構成したことにより、最も腐食しやすい溶接部及び熱影響部の膜質を改善し得て、供給配管の腐食による劣化や供給ガスの金属汚染を低減することができ、しかも、Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化皮膜が非触媒性に優れていることにより、分解性の強い水素化物等のガスを分解することなく安定供給することができる。

次に、本発明の溶接方法並びに溶接システムの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の溶接システムのシステムブロック図、図２は本発明の溶接システムの作業工程のブロック図である。

図１において、１及び２は互いに突合せ状態で溶接されるステンレス鋼管（以下、「配管」と称する。）、１０は配管１，２を溶接する際に供給されるバックシールドガス供給系、２０はバックシールドガス供給系１０にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給系、３０は溶接用のアークガス供給系である。

バックシールドガス供給系１０は、ガス供給バルブ１１、流体制御器１２、流体制御器１３、バルブ１４、バルブ１５をこの順に配している。また、流体制御器１２と流体制御器１３との間からは、バルブ１６及び流量調整バルブ１７を備える排気系が分岐されている。さらに、バルブ１４とバルブ１５との間からは、切り替えバルブ１８を有する切替排気系が分岐されている。

アルゴンガス供給系２０は、ガス供給バルブ２１と、このガス供給バルブ２１の下流側で分岐され、流体制御器１２とバルブ１６との間に接続されて流体制御器２２とバルブ２３とを備えた第１希釈系と、バルブ１４とバルブ１５との間に接続されて流体制御器２４とバルブ２５とを備えた第２希釈系と、バルブ１５と配管１との間に接続されて流体制御器２６とバルブ２７とを備えた溶接ガス供給系と、を備えている。

アークガス供給系３０は、ガス供給バルブ３１、流量制御バルブ３２、バルブ３３、溶接ヘッド３４をこの順に備えている。また、流量制御バルブ３２とバルブ３３との間からはバルブ３５と流量計３６とを有する流量系が分岐されている。

次に、本発明の溶接システムを用いた溶接工程を説明する。

（突合せ工程）
突合せ工程では、上流側の配管１を位置決め治具を用いて配管固定用カセット（共に図示せず）に固定した後、その位置決め治具を取り外して下流側の配管２の上流側端面を上流側の配管１の下流側端面に突合せつつ配管固定用カセットに下流側の配管を固定する。

（溶接工程）
この状態から、溶接ヘッド３４を配管固定用カセットに装着し、溶接機を始動させて、溶接を行う。

この際、アークガスは、バルブ３５を開、バルブ３３を閉とした状態で流量調整バルブ３２、流量計３６で流量を制御した後、バルブ３５を閉、バルブ３３を開に切り替え、溶接ヘッド３４へとアークガスを導入する。

また、通常溶接ガスは、切り替えバルブ１５を閉、切り替えバルブ２７を開にすることにより供給される。
酸化性ガスは、流量制御器２２，２４で濃度が正確に制御されており、溶接工程時に切り替えバルブ１５を閉、切り替えバルブ１８を開にすることにより排気される。

（冷却工程）
冷却工程は、電流値と回転数を下げてビード部の温度を下げる工程である。バックシールドガスはＡｒのままで、電流値を溶接時の半分以下に下げる。また、回転数は溶接時の６〜８割に下げる。なお、この際、回転数は徐々に減少させることが好ましい。

（熱処理工程）
冷却工程が済んだ後、ガス供給バルブ１１を開き、流体制御器１２へと１００％の酸素を供給し、この流体制御器１２により制御（１ｃｃ／ｍｉｎ）された後、流体制御器２２により制御されたアルゴンで（９９ｃｃ／ｍｉｎ）１段目の希釈が行こなわれる。この時、酸素濃度は１％になる。

その後、１段希釈された酸素を流体制御器１３により制御（８ｃｃ／ｍｉｎ）し、流体制御器２４により、制御されたアルゴン（３９９２ｃｃ／ｍｉｎ）で２段目の希釈を行う。

これにより、任意に酸素濃度が制御（１０ｐｐｍ〜９０ｐｐｍ以上）された、バックシールドガス（４０００ｃｃ／ｍｉｎ）が得られる。

この時、１段希釈された酸素ガス（８ｃｃ／ｍｉｎ）が流体制御器１３を流れる時、流体制御器１３の一次側の圧力の増加を抑制する為、バルブ１６並びに流量調整バルブ１７により、流体制御器１３で制御されるガス量以外の１段希釈された酸素ガスが排気される。

酸化性ガスは、流量制御器２２，２４で濃度が正確に制御されており、切り替えバルブ１８を閉、切り替えバルブ１５を開、切り替えバルブ２７を閉にすることにより、バックシールドガスを溶接時のアルゴンガスから、酸化クロム不働態処理時の酸化性ガスを含んだバックシールドガスへと切り替える。
また、熱処理工程における配管１，２の回転スピードを１０ｒｐｍ以上、好ましくは１５ｒｐｍ以上とし、熱処理を行った際の溶接ビード部及び熱影響部の円周方向の温度差を小さくすることにより、最適な熱処理温度で処理することができる。
なお、酸化性ガスの導入方法として、ガス濃度を２段階希釈する方法を示したが、もちろん１段階希釈する方法により導入してもよい。

（アニール処理工程）
熱処理工程が終了したらばバックシールドガスをＡｒに切り替え、溶接部分のアニール処理が施される。アニール処理工程は膜質の改善を行うための工程であり、膜質改善処理工程とも呼ばれることがある。

この際、バックシールドガスには、熱処理工程の酸化性ガスから通常溶接時と同様の不活性ガス（アルゴンガス）へと切り替えられる。

一般的に使用されているステンレス鋼管用の自動溶接機と本願のガス供給システムを用いてクロムを２５％以上含むフェライト系ステンレス鋼管の突合せ溶接を行い、溶接ビード部をＥＳＣＡにて測定した結果、１０ｎｍ以上の膜厚で１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化処理皮膜が形成されていることが確認された。

一般的に使用されているステンレス鋼管用の自動溶接機と本願のガス供給システムを用いてクロムを２５％以上含むフェライト系ステンレス鋼管の突合せ溶接を行い、溶接ビード部をＥＳＣＡにて測定し、元素組成比を測定した。従来の溶接技術では表面近傍、特に最表面にＦｅが３％程度検出されたが、本願の溶接方法を用いた場合では１％未満に低減できていることが確認された。

一般的に使用されているステンレス鋼管用の自動溶接機と本願のガス供給システムを用いてフェライト系ステンレス鋼管の突合せ溶接を行い、その溶接配管をＨＣｌにて腐食試験を行った。溶接ビード部や熱影響部に対して、ＥＳＣＡにて測定した結果、Ｃｌ元素は最表面に物理吸着しているだけで、深さ方向には検出されておらず、腐食していないことが確認された。

ところで、本願のガス供給システムのガス切り替え時の内圧変動は設定圧力の１０％未満であり、２００箇所以上の溶接を行っても、溶接時の破裂や溶接ビード部に外形上の著しい膨らみや凹みが生じないことが確認された。また、溶接部分の引っ張り試験を行った結果、ＪＩＳ規格を充分に満たす強度を有することも確認された。

このように、溶接工程にてバックシールドガスにアルゴンガスを用いて溶接を行い、熱処理工程にてアルゴンガスから数１０ｐｐｍ程度の酸素を含んだアルゴンガスに切り替えることにより１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化処理皮膜を再形成した後、更にバックシールドガスをアルゴンガスに切り替えてアニール処理を施したことにより、表面近傍に３％程度の鉄の酸化物が含まれる溶接条件においても１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化処理皮膜に膜質の改善を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態に係わる溶接方法並びに溶接システムを示し、溶接システムのシステムブロック図である。

同じく、作業工程のブロック図である。

符号の説明

１…配管（上流側）
２…配管（下流側）
１０…バックシールドガス供給系
２０…アルゴンガス供給系
３０…アークガス供給系

Claims

配管を突合せ溶接する際の１溶接工程中に、少なくとも溶接工程、冷却工程、熱処理工程、アニール処理工程をこの順に行い、その各工程中に供給されるバックシールドガスを制御することで溶接と同時に膜厚の制御された金属酸化皮膜を形成すると共に、その連続した溶接工程中にバックシールドガスを不活性ガスに切り替えた後に前記アニール処理工程を行うことを特徴とする溶接方法。
前記配管の突合せ溶接で形成される金属酸化皮膜を１００％Ｃｒ_２Ｏ_３としたことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記配管の突合せ溶接に用いるバックシールドガスに混合される酸化性ガス若しくは酸素ガスが任意な濃度及び流量で混合可能であり、一連の溶接工程中に不活性ガスから混合ガス、混合ガスから不活性ガスに任意の時間で切り替えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接方法。
前記配管の突合せ溶接で形成される１００％Ｃｒ_２Ｏ_３不働態化皮膜の膜厚は、酸素ガスの濃度・入熱温度・入熱時間を制御することにより、１〜１００ｎｍの膜厚で任意に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の溶接方法。
前記溶接中のアニール処理工程のバックシールドガスが不活性ガス、好ましくはアルゴンガス中の水分濃度が１ｐｐｍ以下に制御された不活性ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の溶接方法。
前記配管は、クロム含有量が２５％以上であるフェライト系ステンレス鋼管であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の溶接方法。
突合せ状態で配管を溶接する際に供給するバックシールドガス供給系は、溶接工程、冷却工程、アニール処理工程に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、前記熱処理工程で酸化性雰囲気ガスを供給する酸化性ガス供給系と、前記配管を溶接するためのアークガス供給系とを備えていることを特徴とする溶接システム。
前記配管の突合せ溶接を溶接工程、冷却工程、熱処理工程、アニール処理工程の順に行うと共に、前記溶接工程と前記冷却工程、前記アニール処理工程の際には前記不活性ガス供給系により前記バックシールドガスに不活性ガスを用い、前記熱処理工程の際には、前記酸化性ガス供給系よりバックシールドガス供給系に混合ガスを用いることを特徴とする請求項７に記載の溶接システム。
前記バックシールドガスを切り替えた際の前記配管内圧の圧力変動が設定圧力の１０％未満とする調整機構を備え混合ガスの濃度を任意に調整することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の溶接システム。
前記熱処理工程における前記配管の回転スピードを１０ｒｐｍ以上、好ましくは１５ｒｐｍ以上としたことを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れか一つに記載の溶接方法。