JP3612191B2 - 厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、海洋構造物、橋梁、各種プラント等の金属構造物の防食や海洋生物の付着防止のため、耐食性・防汚性に優れた薄金属シートを金属構造物の表面に溶接被覆する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海洋構造物や海水用熱交換器、化学薬品タンク等の腐食環境の厳しいところや、海洋生物の付着環境下で用いられる金属構造物は従来の塗装に変えて、メンテナンスフリーで長期にわたって耐食性・防汚性を維持できる金属ライニング法が採用されてきている。この金属ライニング法は、例えばステンレス、チタン、モネル、銅、およびこれらの合金の薄板を単独または普通鋼とクラッド鋼としたものを金属構造物の表面に貼り付け被覆するものである。
【０００３】
従来、前記の薄板を金属構造物の表面に貼り付け被覆するには、粘着材や接着剤を用いたものもあったが、耐久性、止水性の面から十分でないため溶接接合が主流となっている。被覆金属の薄板は防食・防汚の目的を達成するには０．１〜０．５ｍｍ程度の厚みで十分であるが、アーク溶接しようとすると溶損を避けるため、１ｍｍ以上の板厚にしなけければならず、材料コストが高くなってしまう問題があった。
【０００４】
クラッド鋼は材料費の高い特殊金属の使用を少なくするものであるが、製造工程が増えるためそれ程の効果はなく、一方で板厚が厚くなるため重量が増え、作業性がわるくなってしまう問題があった。
また、いずれの場合も溶接しようとする金属基材の表面が曲線状に複雑に変化しているような場合は、薄板の剛性のため密着できない問題もあった。
【０００５】
本発明の出願人はこれらの問題を解消する手段として、先に特願平８−３３６９２６号で「金属基材表面への薄い金属シート被覆方法」を出願している。この内容は、金属基材の表面に、金属基材に直接溶接可能なモネル、ステンレス、銅合金等の耐食性または防汚性を有する０．１以上１ｍｍ未満の薄金属シートを置き、周囲をインダイレクト抵抗シーム溶接により接合し、密封シールするもので、取り扱いの容易な抵抗溶接法を用い、かつ、薄金属シートの厚さを薄くして材料コストの低減を図ったものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来技術（特願平８−３３６９２６号）は金属基材が比較的薄い場合や接合強度があまり高くなくてもよい場合は間題ないが、薄金属シートと金属基材の接合に高い接合強度を期待しようとした場合、金属基材が厚いと抵抗溶接では固相接合となるため十分な強度が得られない問題があった。
【０００７】
本発明はこの従来技術をさらに改良したものと、全く新しい発想にもとずき、厚手の金属基材に材料コストを抑えた極薄の薄金属シートを十分な接合強度で接合可能な、厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下のとおりである。
第１発明は、抵抗溶接により厚金属基材表面に薄金属シートを固相接合した後、アーク溶接により固相接合部の薄金属と厚金属基材を溶融接合することを特徴とする厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法である。
また、第２発明は、厚金属基材表面に重ねた薄金属シートの上にアーク溶接可能な板厚の固定用金属を置き、該固定用金属と薄金属シートと厚金属基材とをアーク溶接により一体的に溶融接合することを特徴とする厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法である。
【０００９】
抵抗溶接による固相接合状熊では接合界面にボイドまたは非金属介在物の残存がさけられない。それに対してアーク溶接による溶融接合状態では相互の金属が溶融して混合融和するため、その接合部の機械的性質は異なり、アーク溶接による溶融接合した方が靭性、疲労強度特性等に優れる。しかし、厚金属基材１の表面に薄金属シート２を重ねそのまま溶接トーチ５によりアーク溶接すると、図３に示すようにアーク熱が拡散せず薄金属シート２に集中してしまい、薄金属シート２のみが溶損して接合できない問題があった。
【００１０】
本発明では第１発明、第２発明のいずれにおいても、上記のような薄金属シートヘの過大な入熱を抑制することで、アーク溶接により厚金属基材表面に薄金属シートを適正に溶融接合可能としたものである。
【００１１】
薄金属シートヘの過大なアーク入熱を抑制する手段としては、第１発明では図１に示すように、先行して行う抵坑溶接の固相溶接部４から厚金属基材１へのスムーズな熱伝達による熱拡散を生じさせることとし、また第２発明では図２に示すように、薄金属シート２の上に置いた固定用金属７にアーク入熱を拡散させることとした。
以上のごとく厚金属基材表面に重ねた薄金属シートは、アーク溶接により溶融接合しているため十分な接合強度が確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明に適用する厚金属基材の板厚の制約はなく、通常の金属構造物の板厚約５〜３０ｍｍ程度は十分カバーできる。
また、薄金属シートは防食、防汚等の目的に応じた耐食性、防汚性能を有する高級ステンレス、モネル、チタン、およびこれらの合金材質のものから選択され、耐久性、作業性を考慮して設計板厚が定められる。
【００１３】
なお、厚金属基材に鋼を薄金属シートにチタンの組み合わせを用いた場合は、アーク溶接部に金属基材のＦｅが溶け込み、Ｆｅ・ＴｉやＴｉＣ、ＴｉＮ等の化合物ができて溶接金属部の脆化が生じたり、耐食性能の低下があるため注意を要する。
【００１４】
薄金属シートの板厚は耐久性、作業性を考慮して設計板厚が定められるが、希少金属のため材料費が高価であることからできるだけ薄くしたほうがよく、そのままではアーク溶接不可能とされる１ｍｍ未満〜０．１ｍｍ程度の範囲とし、好ましくは０．３〜０．５ｍｍ程度とする。
【００１５】
第２発明において使用する固定用金属は、厚金属基材や薄金属シートと同じ材質とし、そのサイズはアーク熱を拡散できる大きさにする必要がある。具体的なサイズはアーク溶接可能とされる１ｍｍ以上（望ましくは余裕をみて１．５ｍｍ以上）の板厚とし、幅は板厚が薄い場合は広く、厚い場合は狭くし、１０〜５０ｍｍ程度の範囲とする。
【００１６】
なお、本発明において採用するアーク溶接としては、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接等の非消耗電極方式またはＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等の消耗電極方式のいずれを用いてもよい。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図４〜図７は第１発明に係る本発明実施例を示すものである。
図４は普通鋼板厚１５ｍｍの厚金属基材１の上に重ねたステンレス板厚０．４ｍｍの薄金属シート２の端部を、ローラー電極３ａによりインダイレクトシーム溶接機３で抵抗溶接している状況を示すもので、４は抵抗溶接によって形成された固相接合部である。
【００１８】
図５は、前記の抵抗溶接によって形成された固相接合部４を、アーク溶接機のトーチ５によりアーク熱で溶融して厚金属基材１と薄金属シート２を溶融接合している状況を示すもので、６は溶融接合で得られたビードである。（サンプル１）
【００１９】
図６は厚金属基材１の上に２枚の薄金属シート２ａ、２ｂを隣接配置して重ね、この端部にローラー電極３ａを掛け渡してインダイレクトシーム溶接機３で抵抗溶接している状況を示すもので、４ａ、４ｂは抵抗溶接によって形成された固相接合部である。
【００２０】
図７は前記の抵抗溶接によって形成された固相接合部４ａ、４ｂをアーク溶接機のトーチ５によりアーク熱で溶融して、厚金属基材１と薄金属シート２ａ、２ｂを溶融接合している状況を示すもので、６ａは溶融接合で得られたビードである。（サンプル２）
【００２１】
図８、図９は第２発明に係るもので、図８は第１発明と同様の厚金属基材１の上に重ねた薄金属シート２の端部の上に固定用金属７を置き、アーク溶接機のトーチ５によりアーク熱で溶融して固定用金属７と薄金属シート２と厚金属基材１とを溶融接合した結果を示すもので、８は溶融接合で得られたビードである。（サンプル３）
固定用金属７は薄金属シート２と同じ材質ＳＵＳ３１６を使用し、板厚２ｍｍで幅２０ｍｍの帯鋼としている。
【００２２】
図９は厚金属基材１の上に２枚の薄金属シート２ａ、２ｂを隣接配置して重ね、この端部に固定用金属７ａ、７ｂを置きアーク溶接機５によりアーク熱で溶融して固定用金属７ａ、７ｂと薄金属シート２ａ、２ｂと厚金属基材１とを溶融接合した結果を示すもので、８は溶融接合で得られたビードである。（サンプル４）
このサンプルの固定用金属７は、薄金属シート２と同じ材質ＳＵＳ３１６を使用し、板厚１．５ｍｍで幅３０ｍｍの帯鋼としている。
【００２３】
表１は前記サンプル１とサンプル２および比較例の抵抗溶接の溶接条件を示す。表２はサンプル１〜４のＴＩＧアーク溶接の溶接条件を示す。なお、サンプル１、２は溶加材無でアーク熱を加え、サンプル３、４は溶加材を使用した。表３は厚金属基材１に溶融接合した薄金属シート２のせん断引張試験と剥離試験および水密性試験した結果を、抵抗溶接のみの比較例とともに示している。
【００２４】
図１０は引張り試験片形状と引張荷重方向を示したもので、（ａ）はせん断方向引張試験片、（ｂ）は剥離方向引張試験片である。
表３の試験結果に示すように、せん断引張試験では比較例を含めてすべてのサンプルが薄金属シート母材で破断したが、剥離試験では本発明によるサンプルはすべて薄金属シート母材部で破断しているのに対して、比較例は抵抗溶接の接合界面部で破断している。なお、水密性試験では全て試験圧力０．２ＭＰａ でリークは認められなかった。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
【表３】

【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、抵抗溶接により厚金属基材表面に薄金属シートを固相接合した後、アーク溶接により固相接合部の薄金属と厚金属基材を溶融接合する第１発明と、または、厚金属基材表面に重ねた薄金属シートの上にアーク溶接可能な板厚の固定用金属を置き、該固定用金属と薄金属シートと厚金属基材とをアーク溶接により一体的に溶融接合する第２発明により、厚金属基材表面へ薄金属シートを溶接被覆する方法であり、第１発明、第２発明のいずれにおいても、薄金属シートヘの過大な入熱を抑制することで、アーク溶接により厚金属基材表面に薄金属シートを適正に溶融接合することとしたものであるため、十分な接合強度が確保できるとともに、高価な薄金属シートの材料費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１発明のアーク熱拡散の作用説明図。
【図２】本発明に係る第２発明のアーク熱拡散の作用説明図。
【図３】従来例のアーク熱伝達の作用説明図。
【図４】第１発明の実施例における薄金属シート端部の抵抗溶接状況図。
【図５】第１発明の実施例におけるアーク溶接状況図。
【図６】第１発明の実施例における２枚の薄金属シート端部の抵抗溶接状況図。
【図７】第１発明の実施例における２枚の薄金属シート端部のアーク溶接状況図。
【図８】第２発明の実施例における薄金属シート端部のアーク溶接状況図。
【図９】第２発明の実施例における２枚の薄金属シート端部のアーク溶接状況図。
【図１０】本発明の実施例おける溶接部品質評価のための溶接部引張試験片形状図。
【符号の説明】
１ 厚金属基材
２ 薄金属シート
３ インダイレクトシーム溶接機
４ 固相溶接部（抵抗溶接）
５ アーク溶接機のトーチ
６ 溶接ビード
７ 固定用金属
８ 溶接ビード
９ 引張荷重方向

Claims (2)

1. 抵抗溶接により厚金属基材表面に薄金属シートを固相接合した後、アーク溶接により固相接合部の薄金属と厚金属基材を溶融接合することを特徴とする厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法。
2. 厚金属基材表面に重ねた薄金属シートの上にアーク溶接可能な板厚の固定用金属を置き、該固定用金属と薄金属シートと厚金属基材とをアーク溶接により一体的に溶融接合することを特徴とする厚金属基材表面への薄金属シートの溶接被覆方法。

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