JPH11245063A

JPH11245063A - チタンクラッド鋼板の接合方法

Info

Publication number: JPH11245063A
Application number: JP10049748A
Authority: JP
Inventors: Moriaki Ono; 守章小野; Yasushi Tanaka; 靖田中; Yoshihiro Hosoya; 佳弘細谷; Shigeru Nakagawa; 茂中川; Yasuki Takechi; 泰樹武市; Toshio Takano; 俊夫高野
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接部の腐食や割れの発生を招くことなく、
しかも作業性を阻害しない簡便なチタンクラッド鋼板の
接合方法を提供する。【解決手段】チタンクラッド鋼板１のチタン合わせ材
２側にチタン板４を当て、チタン合わせ材２とチタン板
４とをレーザビーム１０を用いて重ね溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チタンクラッド鋼
板のレーザ溶接による接合方法に係り、特にチタンクラ
ッド鋼板のチタン合わせ材とチタン板との重ね継手溶接
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタンクラッド鋼板は、非常に優れた耐
食性を有するチタン（合わせ材と呼ばれる）を強度部材
である鋼板（母材と呼ばれる）の表面に接合させた複合
鋼板で、コスト的にも有利なため使用環境の厳しい海洋
構造物、化学プラント、発電プラントなどの分野でその
用途を拡大しつつある。例えば、鋼構造物や配管等のラ
イニング部材として利用されている。しかし、以下に述
べるような溶接上の問題があるため、未だ大量使用され
るまでに至っていない。チタンクラッド鋼板を通常の方
法で溶接すると、チタンと鋼の異種金属が溶融する部分
（異材溶接部と呼ばれる）に脆弱な金属間化合物やチタ
ンの炭窒化合物が生成するため、溶接部が割れやすくな
ることである。

【０００３】こうした溶接上の問題を解決するために、
従来よりいくつかの方法が提案されている。例えば、特
開平２−２８０９６９号公報や特開平２−２８０９７０
号公報には、溶接される突き合わせ部の合わせ材（チタ
ン）の除かれた母材に開先を設け、母材同士を溶接した
のち、チタン合わせ材と同質のチタン板を重ねて溶接す
る方法が開示されている。溶接方法として、図３に示す
ＴＩＧ溶接、あるいはプラズマ溶接が用いられている。
図中、１はチタンクラッド鋼板、２はチタンクラッド鋼
１の母材、３はチタンクラッド鋼板１のチタン合わせ
材、４はチタン板、５は溶接部、６はＴＩＧ溶接用トー
チである。しかし、この溶接法でチタン合わせ材３とチ
タン板４とを溶接すると、溶融金属がチタン合わせ材３
を貫通し、チタンクラッド鋼板１の母材２から鉄が混入
し、溶接部５が脆くなるとともに、耐食性も劣化するた
め、汎用的なアーク溶接では実用上困難である。

【０００４】そこで、特開平７−２１４３３６号公報や
特開平７−２３２２７７号公報において、鉄の混入が無
く高能率接合が可能な電気抵抗溶接法が開示されてい
る。この溶接法は、図４に示すように銅でできた上下一
対の円盤状の電極７、あるいは図５に示すように円盤状
の給電電極８と溶接電極９で、チタン板４およびチタン
クラッド鋼板１を加圧すると同時に、電流を流し、チタ
ン板の電気抵抗発熱を利用して接合する方法である。こ
の溶接法は、接合速度が速く、溶融金属中に鉄の混入が
無く高い耐食性を有する溶接部５が得られるものの、以
下の問題点を有する。接合するのに必要な加圧力が２０
００Ｎ以上と高く、装置が大規模になりコスト高になる
ことや、被溶接構造物に加圧力に耐えられるだけの強度
が必要であり、適用できる構造物に制約が生じることな
どである。また、電気シーム溶接法は、一対の円盤状電
極で加圧、通電、冷却しながら接合が進行するため、安
定に溶接できるチタン板４の厚さに制約がある。すなわ
ち、チタン板が、１ｍｍ以上の厚さの場合には、円盤状
溶接電極９の冷却能力が不足し、溶融金属がチタン合わ
せ材３を貫通し、チタンクラッド鋼板母材２から鉄が混
入し、溶接部５が脆くなるとともに、耐食性も劣化する
という不都合が生じる。したがって、この溶接法でチタ
ンクラッド鋼板母材２から鉄の混入を抑えて安定に接合
するには、チタン板４の厚さを１ｍｍ以下、望ましくは
０．５ｍｍ以下にする必要がある、などのチタン板の適
用板厚に制約がある。チタン板の厚さが０．５ｍｍ程度
と薄い場合には、鋼構造物の構築時あるいは使用時に、
チタン板が外的要因により、チタン板に穴があいて、構
造物の耐食性を著しく劣化させる場合がある。さらに、
この溶接法は、構成上、直線的な一方向接合は容易に行
えるものの、コーナー部など、曲がり部の接合は困難で
あるという問題点を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のように従来の接
合方法では、耐食性金属チタン板を安価に被覆して、長
期間の耐久性をもたせることができないという問題点が
ある。本発明は、このような課題を解決するためになさ
れたもので、溶接部の腐食や割れの発生を招くことな
く、しかも作業性を阻害しない簡便なチタンクラッド鋼
板の接合方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るチタンクラ
ッド鋼板の接合方法は、鋼母材表面にチタンを接合させ
たチタンクラッド鋼板のチタン合わせ材側にチタン板を
当て、チタンクラッド鋼板とチタン板とを重ね溶接する
方法において、レーザビームを用いて溶接することを特
徴とするものである。

【０００７】また、チタンクラッド鋼板とチタン板の隙
間が０．５ｍｍ以下となるようにチタン板を加圧しなが
らレーザ溶接するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明方法による溶接継手
の構成例を示すものである。溶接箇所は、チタンクラッ
ド鋼板１のチタン合わせ材３とこのチタン合わせ材３の
表面に重ねたチタン板４との重ね部である。レーザ光１
０は、溶接入熱の精密な制御ができるため溶接部５にお
ける溶け込み深さを精度良く制御することができるの
で、溶接金属がチタン合わせ材３を貫通せず、したがっ
て溶接金属にチタンクラッド鋼板１の母材２から鉄を混
入させずに、チタン板４とチタン合わせ材３のみを確実
に溶接することができる。

【０００９】図２に、本発明方法に使用するレーザ溶接
装置の構成例を示す。本装置は、例えばロボットアーム
１５に取り付けられ、チタン板４の上からチタンクラッ
ド鋼板１を連続的に加圧する加圧ローラ１１が連結され
た加圧シリンダー１２と、この加圧シリンダー１２の後
部に取り付けられたレーザ溶接用トーチ１３および不活
性ガスシールドボックス１４とから構成されている。図
中、１６は光ファイバーである。加圧シリンダー１２お
よび加圧ローラ１１でチタン板４を、チタンクラッド鋼
板１のチタン合わせ材３側に加圧し、チタン板４とチタ
ンクラッド鋼板１の隙間を０．５ｍｍ以下にする。両者
間に１ｍｍ以上の隙間が存在すると、溶融金属がチタン
板４とチタン合わせ材３を短絡できず接合できないため
である。厚さが３ｍｍ程度のチタン板の場合、高々１０
０ｋｇの加圧で、隙間を０．５ｍｍ以下にすることがで
きる。チタン板４を加圧するローラ１１の後方で、トー
チ１３からレーザビームを照射してレーザ溶接する。溶
接に用いるレーザビームは、溶接加工に用いられるビー
ムであれば、炭酸ガスレーザビーム、ＹＡＧレーザビー
ム、ヨウ素レーザビーム、一酸化炭素レーザビーム、エ
キシマレーザビーム等、いずれのレーザビームでも使用
できる。レーザ光１０の照射により溶融したチタンは、
大気中の酸素、窒素と容易に反応してチタン酸化物や窒
素化合物を形成して溶接金属を脆化させ、割れや耐食性
の低下をきたすなどの悪影響を及ぼすため、不活性ガス
シールドボックス１４を設けて、溶融金属を不活性ガス
でシールドする。不活性ガスとしては、アルゴンガス、
ヘリウムガス等を用いる。

【００１０】

【実施例】幅５００ｍｍ、長さ５００ｍｍのチタンクラ
ッド鋼板に、幅４００ｍｍ、長さ５００ｍｍのチタン板
を当て、本発明例は図１に示す溶接方法で、比較例は図
３〜５に示す溶接方法で、各試験片のチタン合わせ材３
とチタン板４を溶接した。表１に、チタンクラッド鋼板
母材２、チタン合わせ材３、チタン板４の厚さ、溶接方
法および溶接条件並びに評価結果を示す。溶接試験片の
品質は、表２に示す手法で評価した。

【００１１】

【表１】

【００１２】

【表２】

【００１３】溶接金属部硬さ試験では、チタン合わせ材
とチタン板とを溶接する時に、チタンクラッド鋼板母材
の鉄が混入すると溶接金属の硬さが硬化し、割れおよび
耐食性が劣化するため、ビッカース硬さ３００以下の場
合を良好とし、ビッカース硬さ３００以上を不良とし
た。

【００１４】表１中、試験Ｎｏ．１〜６は、本発明例で
ある。レーザ溶接はＹＡＧレーザ溶接機を用い、出力１
０００〜３０００Ｗで行った。チタンクラッド鋼板の母
材厚さは、３ｍｍおよび４ｍｍであり、チタン合わせ材
およびチタン板の厚さの組み合わせを、それぞれ０．２
〜２．０ｍｍ、０．３〜３．０ｍｍと広範囲に変化させ
て実施した。いずれの組み合わせにおいても、適正な条
件で溶接することにより、母材からの希釈の無いチタン
合わせ材とチタン板の溶接ができており、溶接金属の硬
さは、ビッカース硬さで１６５以下となっている。ま
た、引張・曲げ試験においても溶接部の割れや剥離は認
められず、気密性も良好であった。このようにチタン板
の厚さが１ｍｍ以上でも良好な溶接を行うことができ
る。このため、構造物のライニングにチタンクラッド鋼
板を用いた場合、チタン板の厚さを１ｍｍ以上のものを
用いることができるため、構造物の長期耐食性を確保で
きる効果がある。

【００１５】比較例中、試験Ｎｏ．７、８は、ＴＩＧ溶
接で作製した溶接継手である。いずれの場合も、溶接部
には母材からの希釈があり、硬さがビッカース硬さで５
００以上と硬化している。また、引張・曲げ試験におい
て溶接部に割れが発生しており、気密試験においても水
漏れが認められた。比較例中、試験Ｎｏ．９〜１１は、
シーム溶接法で作製した溶接継手である。試験Ｎｏ．９
は、チタン合わせ材およびチタン板の厚さが０．２ｍ
ｍ、０．５ｍｍと薄い場合である。この場合には、硬
さ、引張・曲げ試験、気密試験において良好な結果が得
られているが、チタン合わせ材およびチタン板の厚さが
０．５ｍｍを超える試験Ｎｏ．１０、１１においては、
溶接部に母材からの希釈が認められ、硬さがビッカース
硬さで５００以上と硬化している。また、引張・曲げ試
験において溶接部に割れおよび剥離が認められ、さら
に、気密試験において水漏れが認められた。また、本発
明例のレーザ溶接法で作製した試験Ｎｏ．１と、同じ試
験材厚さの条件で、総合評価が良好と評価された比較例
のシーム溶接で作製した試験Ｎｏ．９とを比較すると、
本発明例では４倍の溶接速度で溶接が可能であり、効率
よく溶接を行える。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チタンクラッド鋼板のチタン合わせ材とチタン板とをレ
ーザ溶接で重ね溶接するものであるから、溶接継手の機
械的性質および気密性が非常に優れており、かつ溶接施
工を簡便に能率よく実施できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のチタンクラッド鋼板の接合方法を示す
概要図である。

【図２】本発明方法に使用するレーザ溶接装置の構成図
である。

【図３】従来のＴＩＧ溶接法により重ね隅肉溶接をする
例を示す図である。

【図４】従来のダイレクト抵抗溶接法によりシーム溶接
をする例を示す図である。

【図５】従来のインダイレクト抵抗溶接法によりシーム
溶接をする例を示す図である。

【符号の説明】

１チタンクラッド鋼板２チタンクラッド鋼板の母材３チタンクラッド鋼板のチタン合わせ材４チタン板５溶接部１０レーザ光１１加圧ローラ１２加圧シリンダー１３レーザ溶接用トーチ１４不活性ガスシールドボックス１５ロボットアーム１６光ファイバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中川茂東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者武市泰樹東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者高野俊夫東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼母材表面にチタンを接合させたチタン
クラッド鋼板のチタン合わせ材側にチタン板を当て、チ
タンクラッド鋼板とチタン板とを重ね溶接する方法にお
いて、レーザビームを用いて溶接することを特徴とする
チタンクラッド鋼板の接合方法。
【請求項２】チタンクラッド鋼板とチタン板の隙間が
０．５ｍｍ以下となるようにチタン板を加圧しながらレ
ーザ溶接することを特徴とする請求項１記載のチタンク
ラッド鋼板の接合方法。