重力式アーク溶接法による水中溶接に関する研究（第一報）

重力式アーク溶接法による水中溶接に関する研究（第一報）

一水中溶接部の基本的性質について一

山 口 常 昭＊ 藤 原 ^敏＊

（昭和53年4月27日受理）

Study on Underwater Welding by Gravity Arc Welding Process （The l st Report）

一 Fundamental Properties of Underwater Welded Parts 一

Tsuneaki YAMAGucm＊ Satoshi FuJiwARA＊

（Received April 27， 1978）

 Many marine struetures intented mainly for the development of submarine oil fields are being fabricated in the wake of the energy crisis and due to the growing marine development．

From these backgrounds， there is a strong need for developing reliable techniques for underwater cutting and welding． Then， underwater welding by gravity arc welding process is investigated in city water depth of 20 cm usi血g coating electrode孤d SM41 steel plate伽。㎞ess 9㎜as base met訓．

 Main results are summarized as follow；

  1） Cooling time between 8000C and 5000C is about 3 sec． in water and 32 sec． in air， the former being about    10 times bigger than the latter．

  2 ） Tensile strength of underwater welded joint is dorninated by the strength of base metal．

  3） Diffusible hydrogen content is about 56 cc／100g in water and 30 cc／lOOg in air， the former being about 2    times higher than the latter．

  4 ） Underwater welded joint has the hazard of weld cracking more than welded part in air．

1． 緒 言

 最近のエネルギ問題に関する関心の高まりとともに，核 エネルギ開発と同様に地球上の約7割を占める海洋の資源 開発に非常に大きな期待が寄せられている。

 海洋開発には，たとえぼ，海底油田採掘設備あるいは海 上港湾設備などの海洋構造物の建造が必要となる。現在，

これら構造物の建造は陸上あるいは船上で部材の組立をし た後に海中に沈める：方式が，工事費および品質管理の面か ら望ましいとされている。しかし，構造物の複雑・大型化 あるいはその設置水深が大となるにしたがって海中におけ る確実な組立技術が必要となるであろう。さらには，既設 構造物の故障あるいは損傷を考えた場合，海中における材

料の切断・溶接といった技術が必要欠くことの出来ないも のとなるであろう。

 このような背景から，現在，各国で水中溶接・切断に関 する研究が盛んに進められている1〜6）。これらは，従来の 溶接法を水中に導入し，アーク雰囲気を周囲の水から保護 する方法を中心とした溶接法の開発研究が中心的で菊る。

 そこで，本研究では補修溶接を考えた場合，手軽な装置 で，しかも自動溶接が可能なことから，使用頻度が高いと 考えられる重力式アーク溶接法を用いて実験を行ない，水 中溶接部の基本的な性質について検討を行なった。

2．実 験 方 法

＊金属工学科

 2．1供 試 材 料

供試鋼板としては板厚9㎜の溶接三三用鋼板SM41を，

一45一

また，溶接棒としては市販のイルミナイト系棒（D4301，

φ4およびφ5m皿）を用いた。それらの化学組成ならびに 機械的性質をTable 1に示す。

Tbale 1 Chemical compositions and mechanical     properties of material used

AC200

SM41 D430i

Chemical composition （wt ％）

c ^si 血 ^{P s}

O．18

O．10 O．05 O．07

O．89 O．41

O．021 O．018

O．029 O．012

SM41 D4301

Yield point ikgf／mm2）

30．8 41．0

Tensile  streng廿h

（kgflmm2）

45．9 46．0

Elongation  （％）

 DC一   十

A ST

SB

r     V

B H

 E

a _Wat巳r

xワ

／      ／  ／

35．0

Fig．1 Arrangement of equipment

32．0

  2．2 実 験 装 置

 溶接法としては，従来から，すみ肉溶接用に多く用いら れている重力式アーク溶接法を本実験用に改良し，下向き 溶接をも可能にしたものである。Fig．1に実験装置の概略 図を示す。すなわち，溶接棒（E）の消耗にしたがい溶接棒 を保持したスライダー（S）がスライドバー（SB）に沿って 下降し，鋼板（B）上に連続的に溶接ビードを置く一種の接 触溶接法である。この装置を用いることにより，運棒比お よび溶接棒径を任意に変化させることが出来る。

 溶接電源としては，アークの安定性の見地より整流式に よる垂下特性を有する直流アーク溶接棒（容量35KVA）を 用い，極性としては全実験を通じて正極性とした。

 比較のために大気中溶接をも行なったが，水中溶接は水 深約20c皿の水道水中にて行なった。

3．実験結果ならびに考察   3，1アークの安定性とビード形状

棒径5㎜止山を用い，200×200×9㎜の鎌上にビ ード溶接を行い，アークの安定性とビード形状におよぼす 溶接電流値ならびに溶接法の違いの影響について検討を行

（a） in water

灘難 一難藝

繊

（b） in air

Photo 1 An example of bead appearance

なった。

 Photo 1にビード外観ならびにその断面の一例を示す。

 大気申溶接では均一で良好なビードが得られたが，水中 溶接では電流値の大小に関係なくアークの安定性が若干悪 いためにビード外観に乱れが認められた。そこで，5ケ所 のビード断面を研磨・腐食して，溶け込み深さ（D），ビー ド幅（W），ビード高さ（H）ならびに板厚方向への熱影響部 幅（z）を測定した。それぞれの平均値をTable 2に示す。

Table 2 Results of penetration tests

・・m・・p・鴨訓品）1温）温）孟）

In water

ln air

160 200 240 160 200 240

L3 L8

2．8

1．2

1．8

2．4

11．0 12．0 12．3 11．0 13．5 15．1

3．8

3．4

3．6

3．2

2．3

2．7 2．2

2．8

2．7

4．0

         fwl

Th

ﾚ［≦聖

 溶け込み深さ（D）は両溶接ともほぼ同様で電流の増加に ともない大きくなっている。

 大気中溶接によるビード幅（W）は，電流の増加にともな い大きくなることが明らかであるが，水中溶接では同様の 傾向が認められるもののその差は小さい。

 ビード高さ（H）は，水中溶接では電流値に関係なくほぼ 一定となる。一方，大気中溶接では電流値の増加にともな

い減少する傾向が認められる。両溶接を比較すると水中溶 擦の方がその値な大熱・。これは，水中溶操では溶接先端 にできる被覆筒が大気中のものに比較して深くなるために アーク幅が狭くなる。このためにビード幅が狭くなりビー ド高さが増すものと考えられる。また．熱伝導論的に考え た場合，水中溶接では溶融金属が急冷されるために板幅方 向への溶融金属の流れが悪くなることが考えられる。これ らのことが，ビード高さならびにビード幅に影響している ものと考えられる。

 板厚方向への熱影響早撃（z）は，水中溶接では電流値の 大小に関係なくほぼ一定とみなされる。しかし，大気中溶 接の場合のそれは前者の値いよりも大きく，電流値の増加 にともない増大する。なお，Table中で大気溶接の200，

240Amp．が空欄となっているのは，（z）が板厚を越えたた めである。

 いずれにしても，両溶接を比較すると溶け込み深さはほ ぼ同様であるが，ビード幅は水中の方が小さくなる。それ に反して，ビード高さは水中の方が大きく，熱影響部幅は 水中の方が小さくなる傾向が認められた。

 3，2 溶接熱サイクル組織ならびに硬さ分布

 水中溶接ではアーク雰囲気が直接水に触れているために 溶接部の冷却速度が大きくなり，これが溶接部の組織なら

びに硬さ分布に影響することが考えられる。

 そこで，150×200×9㎜の鋼板に挿入したアルメル・ク mメル熱電対にてビード溶接した際の溶接熱サイクルを測 定した。その結果をFig．2に示す。図より明らかなよう に，水中溶接部の冷却速度の方が大気中のものより大きい ことがわかる。800℃から500℃までの冷却時間を比較する と，水中溶接部は大気中溶接部の約↓重。となっている。こ の差が，溶接部の組織ならびに硬さ分布に大きく影響する と考えられる。

1500

  O  G  10

G︒︶       0      50

①LヨoLΦαEΦト

o

Current ／ 230Amp Arc

energy ／ 17000 G／cm E［ectrode／D4301，5mm

pat

     ミ

 1』 一一→！

In wqter．

o

Fig．2

10 20 30

 Tirne （sec）

Thermal histories of weld

 Photo 2ならびに3に両溶接法による1層溶接部の顕微

．鏡組織を示す。写真はボンド部のものであるが，水中溶接 の母材側ではフェライトが粗大な網目構造を生じ地内には ベイナイト，マルチンサイトおよび少量のパーライトが形 成されている。これに対して，大気中溶接部の組織は粗粒 でウィッドマン組織を形成している。

 Fig．3ならびに4に硬さ分布を示す。

 1層溶接では，最高硬さは両溶接とも熱影響部に見られ るが，その値は水中溶接の場合の方が非常に高い。また，

溶接金属の硬さも水中溶接の方が高い。

 2層溶接では，1層溶接で増大した熱影響部の硬さも，

次層溶接による再加熱によって低下され最高硬さは次層溶 接熱影響部にみられる。

 いずれにしても，冷却速度の違いが溶接部の組織に大き く影響し，硬さ分布も異なり，水中溶接熱影響部の最高硬 さは著しく高い。

一47一

津山高専紀要第16号（1978）

      Weld metal ．1一 HAZ       100p

       l−l

Photo 2 Micro−structure of weld in air

霧

．㌔ザ燃

・「 l．

       Welld metal 一i−1一 HAZ       100p       1−1

Photo 3 Micro structure of weld in water

oo 4

  0  30

（0_u，WεKP要    2    oo

℃o

巴O再開﹀

 Base

−metat HAZ

h−一

WM L

  Base   meta［一

HAZ

ゆ

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（a）

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      O      O      2

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in wa施r      （b）in

  Fig． 3 Hardness distribution of weld in case one−pass welding

→HAZド魅

      0       5 Distm frorn ceriter of wetd ｛mm）

         air

ゆ

oo 4

    oo

    3︵88︶      0     0     2い♂と℃﹂をい﹂懸り一﹀

oo Base metct

HAZ

oL^奄狽盾s

魅、」HAz

隔盛。

（a）

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       I   N b！6       ①     ・       1 1 n・AZL魅・ ㌔勲、 ts・Q・erl，．〔轄

     0  5  P       。1。  5  0  5  ro

押㎝醐of囲d（mm）      鰍㎝ce fr。m ce巾r。f wdd（mm）

in water       （b） in air     Fig．4 Hardness distributiαn of weld in case twe・pass weldi㎎

  33 溶接部の機械的性質

 溶接部の組織および硬さ分布の違いが継手の機械的性質 に影響することが考えられる。

 そこで，φ4ならびにφ5の溶接棒を用い，水中ならびに 大気中にて突き合わせ溶接を行ない，得られた継手から引 張り，曲げおよび衝撃試験片を採取し実験を行なった。

 Photo 4は引張り試験後の破断状況を示す。写真からも 明らかなように水中溶接継手も大気中溶接継手と同様に母 材部て破断しており，水中においても良好な継手を得るこ とが出来，引張り強さは母材のそれに支配されることが明 らかとなった。

（a）

in air

 （b）

in water

Photo 4 Results of tensile tests  表曲げ試験結果をPhoto 5に，また裏曲げ試験結果を

Photo 6に示す，表曲げ試験ては，大気中継手の曲げ角 180。無欠陥に対し，水中継手は180。発生した。また，裏曲

げ試験ては曲げ角度約70。で大きな割れが発生した。これ らの結果より，水中溶接継手は曲げ延性に乏しいことが明 らかである。

Photo 5 Results of face bend tests Photo 6 Results ofroot bend tests

 Table 3に試験温度が20℃の場合の衝撃試験結果を示 す。なお，表申カソコ内の数値は衝撃値の最大と最小値を 表わす。

Table 3 Results of charpy impact tests Material

Weld Joints in water Weld Joints in air

Base metal

Impact value kg・m／cm2

3 3 （3 0−3．6）

41 （4 O一一4 2）

5．2 （5 1一一5 3）

試験片は溶飴属部跣端半径0．25mm，深さ2㎜の V型切欠きを有するハーフサイズ試験片である。水中溶接 による溶接金属部のシャルピー衝撃値は30〜36kg・m／㎝2 で，大気中のそれよりも若干低い。また，母材の結果と比 較すると約60％程度となる。

  34 溶接部の角変形ならびに横収縮

 水中と大気中とでは溶接部の熱伝導に大きな差異がある ことは明らかである。そこて，この差が角変形ならびに横 収縮にどのように影響するかを調べた。

 試験板は200x200×9mmで，ガス切断部のひずみ除去

一49一

の熱処理を行なった後に板中央部に溶接長200㎜のビー ド溶擬行なった。なお，溶擁としてはφ5㎜鞭用 した。溶接前後の板のそりならびに標点距離40mmにおけ る収縮量をダイヤルゲージおよびコンパレーターで測定し た。Table 4にその結果を示す。ここで，δは角変形を，

S／Lは横収縮ひずみを表わす。

Table 4 Results of angular distotion and transverse     shrinkage tests

      Current 1 S I S／L x IO−2 Atmosph．

       （Amp） 1 ×10m3 rad 1（GL＝＝400mm）

丘1wateエ

ln air

160 200 240 160 200 240

10．6 10．5 6．0

9．5 7．0

4．1

O．6

O．7

1．0

1．0

1．3

1．5

であることは既知の事実である。

 水中溶接部は，その雰囲気を考えた場合，大気中溶接部 より多量の水素が侵入していることが考えられる。そこ で，グリセリン置換法（JIS規格）および水銀置換法（IIW）

により溶接部の拡散性水素を測定した。Fig・5に実験装置 の概略図を示す。

 試験材は，あらかじめ650℃で1時間の脱水素処理を施 した，長さ130mm，幅25㎜，板厚12mmのものである。

試験片の上にあらかじめ150℃で1時間の乾燥を行なった φ5㎜の溶接棒を使用し，電流200A，電圧30V，溶接速 度20cm／min．で115㎜のビード溶接を行なった。溶接終 了後直ちに氷水中に投入しスラグを除去した後に，45。Cに 保持されたグリセリンおよび水銀中に48時間浸し水素ガス を捕集した。

 Table 5にその測定結果を示す。これは溶着金属1009あ たりの拡散性水素量を標準状態に換算し求めたもので，そ の値は4個口試験片の平均値を示す。

Table 5 Diffusible hydrogen content in weld

 角変形は水中溶接，大気中溶接とも電流の増加にともな い減少する。また，その値は水中溶接の方が大きくなる傾 向を示す。これに対して，横収縮ひずみは角変形とは相反 する傾向を示し，その値は電流の増加とともに増加し，水 中溶接の方が全体的に低い値を示す。これらの原因とし て，Table 2からも推測出来るが，板厚方向の温度勾配へ の温度上昇範囲の違いが横収縮ひずみに大きく影響してい るものと考えられる。

  3．5 溶接部の拡散性水素量

 溶接時に侵入する水素が溶接割れに関与する重要な因子

In air

in water

Diffusible hydrogen （cc／100g）

Hg ^Glycerin

30 56

14 26

 これより明らかなように，水中溶接では大気中溶接に比 べて，多量の拡散性水素が含まれることが確認された。

 これらのことより，本実験で採用したアーク雰囲気が直 接水にさらされる湿式水中溶接法では，水素による溶接割 れ，あるいは各種の溶接欠陥が発生する危険性が高いもの と考えられる。

一   ＆1      0

コ

G ^{F     E}

D

L

H       B

@      c     」

K

  A：temperature−gegulated    water bath

  B：Sample piece   C：Mercury

  D：Evoluted hydrogen     holder

A E：Mercury holder   F：Heater

  G：Temperature regulater   H：Water bath

  J；Magnetic stirrer   K：Magnetic and motor   L：Sensitive relay

Fig 5 Sqhematic diagram of apparatus for measuring of hydrogen evoluation

  3．6溶接部の割れ

 溶接割れに関与する因子として，硬化組織，水素および 引張応力があるが，前述したごとく水中溶接部は割れに対 していずれも負の要因として作用することが明らかとなっ

た。

 そこで，3．4節で行なった試験板のビード溶接部の任意 断面から検鏡試料を採取し，ビード下割れの有無を調べ

た。

 その結果，溶接法の違いに関係なくビード下唇れは観察 されなかった。これは材質が軟鋼で，かつ，板厚が小さい ためと考えられる。

 既設の海洋構造物には，すでに一部で溶接割れ感受性の 高い高張力鋼が用いられている。さらには当然のことなが ら板厚の大なる軟鋼が用いられている。

そこで，板厚25㎜の50kg／㎜2級高張欄板上に，電 流200A，電圧30〜32V，速度20cm／min．でビード溶接を行 ない，検鏡試料を採取した。その結果，Photo 7に見られ るようなピー一．ド下割れが，溶接長のほぼ全域にわたって観

WM

HAZ

羅縫

灘灘，

1）水中溶接では，大気中に比べアークの安定性が若干 悪くなり，ビードに乱れが認められた。溶け込み深さ  は，両溶接ともほぼ同程度であるが，水中溶接の方が  ビード高さは高く，ビード幅は小さい。

2）水中溶接部の800℃から500℃の間の冷却時間は大気 中のそれに比べて約Yloになる。このため，熱影響部 にはマルチンサイト組織が認められ，硬さも非常に高  くなっている。

3）引張強さは，大気中継手と同程度で，それは母材の 強さに支配される。しかし，曲げ延性および衝撃値は 若干低い。

4）角変形は，両溶接ともに電流の増加にともない減少 するが，その値は水中溶接の方が大きい。これに対 し，横収縮ひずみは角変形の傾向と相反するようであ

 る。

5）水中溶接部からは大気中溶接部の約2倍の拡散性水 索が測定された。このことより，水素による溶接割れ の危険性が高いことが考えられる。

懸嚢灘1 _灘鞍鱒．

       100pa        l

Situation of under bead crack in HT50 steel

磁躯 蓄

Photo 7

察された。このことより，実際の海洋構造物の補修に本実 験で採用したような湿式水中溶接法を適用した場合，割れ 発生の危険性が非常に高いことが明らかとなった。以上の ことより，今後は，溶接割れ感受性の低い鋼材の開発ある いは，アーク雰囲気の水を完全に排除するような新しい溶 接技術の開発研究がより必要となるであろう。

4．結 ^言

6）S M410Sではビード下割れは認 められなかったが，50kg／㎜2級 高張力鋼の水中溶接部には，溶接 長のほぼ全域にわたってビード下 割れが観察された。

  謝  辞

 本研究を遂行するにあたり卒業研 究として積極的に協力いただいた，

52年度卒業生，湯上純人ならびに別 所孝一の両君に対して感謝の意を表 します。

 本研究用に改良した重力式アーク溶接法を用いて，水中 ならびに大気中にて溶接を行ない，溶接部の諸特性におよ ぼす水の影響について検討を行なった。

 得られた結果を要約すると以下のようになる。

参考文献

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2）蓮井，猪又，  水中におけるプラズマ溶接 溶接学会  誌，40巻，7号（1971），622〜631

3）浜崎，榊原，  水カーテン式水中炭酸ガスアーク溶接 法の研究 ，溶接学会誌，42巻 7号（1973），55〜64 4）蓮井，菅，tt水中における重力式アーク溶接 溶接学

会誌，43巻，8号（1974），767〜775

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May， 1975， 51 一43

6）R．T． Brown＆K． MasubuChi， ttF皿darnental Research on Underwater Welding ， Welding Journal， Vol， 54 June，

 1975， 178−S・一一188−S

一51一