極厚3.5%Ni鋼の自動溶接

∪･D･C･[る21.791.753.5.053.るムー52:る81.323〕:るる9.15′24-413

極厚.3.5%Ni鋼の自動溶接

AutomaticⅥ始Iding

_of

3.5%NiThick

SteelPlates

3.5%Ni鋼は,-46∼-1010cで使用される低温用鋼である｡最近では,石油化学 プラントだけでなく,エネルギー関連プラントの低ぎ息機器にも多く用いられる｡ 低温下での機器部材に対するぜい性破壊を防ぐため,母材や溶接部のじん件の確 保が特に問題であr),加工技術の中で信頼件の高い自動音容接技術の開発が望まれて いた｡ これらのニーズに対し,日立製作所独臼の発想により,新しいi容接アルゴリズム に基づいた高じん性オンレートサブマージアークi容接法を開発した｡この論文では, その方法の詳細,継手の性能及び実用結果について述べる｡ ll

緒

言 石油化学プラント,LNG(液化天然ガス)製造7ウラント, 石炭ガス化プラントなどで,母材が-46∼-1010cというイ氏 温で設計される機器には,イ氏i見じん性の優れた3.5%Ni鋼が --一般に開いられる｡また,ぜい性破壊持方止のため,i容接部に も母材と同等の高いじん性が要求される｡ 3.5%Ni鋼の‡容積については従来から種々検討されてきた が,適当な自動溶接法が見いだされず,やむなく被覆アーク 音容接法だけで施工していた｡しかも,まだ切欠きじん性は不 安定であり,入熱量制限と注意深い施工管理が必要とされる｡ しかし,近年,機器の大形化に伴い極丁字の3.5%Ni鋼が倖 用されるに及んで,i容積継手部品質の向上と製造コスト低減 の両面から,高品質,高能率な自重わ溶接法が求められていた｡ 日立製作所では,これらのニーズを満足する新溶接法の開 発に取り組み,i容才妾熱の影響を利用する独白の｢高じんノ性オ シレⅦトサブマージアーク溶接法+の開発1)に成功した｡この 論文では,この新i容接法の原理,特徴及び実用化の状況につ いて述べる｡ 同

_{新溶接法の原理と特徴}

3.5%Ni網子容接部のじん性向上のためには,極度にじん性 の低い柱状晶組織を微細組織化することが必要である｡ 新溶接法は,上層ピーードの熱影響で下層ピードの柱状晶組 織が微細組織に変化することを利用したものである2)｡ 図1に,新溶接法の概略図を示す｡上層ピードの熱影響に より,￣F序章ピードの柱二伏晶組織をすべて微細組織とするため には,概略,余盛高さ≦熱影響幅を満足する必要がある3)｡ 従来の熱影響を利用しない1容接法の場合は,柱状晶組織と 微細組織がi昆存する｡新i容技法は,幅広で薄いピードを積み 重ねて熱影響を有効に利用するため,一役終層以外はすべて微 細組織となる｡したがって,新i容接法による継手部の切欠き じん性は,i容着金属のすべての部分で安定した良好な値を示す｡ 田

_{新溶接法の詳細}

3.1 _{熱影響部の伝熟} 図2に,ピード積層モデルを示す｡第1ピードの熱影響部 は,ん,ノだけ離れた第2ピードから再度熱影響を受ける｡ 第1ビ【ド熱影響部γ1の位置Aのピーク温度は､ * 日立聾望作所竿三戸工j湯 熱影響部 溶加材 rll11 ヽ l ■ll∼小､

石丸靖男*

内牧陽一*

小林浩志* 馬木俊明*

頂

→ J5ムノナ乃〟γ･【JnJ∫仙り 乙/c/IJ椚α丘/ y′;∼r/!J 〟りム〟･〟n∫/J〆〃/川∫/-J L加αたぎ TIJ∫ムJrJ.んJ 柱状晶組織 母材 微細組織 図l 新溶接法の概略図 溶加材を溶接方向に対して直角方向へ揺動さ せて,薄い幅広のど-ドを多層盛することにより,三欠々と満子妾熱によって再加 熱される｡ ヴ2 注:略字説明 A=熱影響を受ける任意の点 ヴ1=第1ビ…ドの熱源 官2=第2ピードの熱源 ￠=ピード表面とヴ1-Aがなす角度 β=ピード表面と91-ヴ2がなす角度 んこ余盛高さ J=耶と92の間隔 rlニ耶からA点までの距離 r2=可2からA点までの距離 図2 _{ピード積層モデル 微細組織となる温度域は狭い｡このため,} できるだけ有効に溶接熟を利用する必要がある｡

524 日立評論 _{VO+.61No.7(柑79-7)} r♪.=T｡十 ql l

･(1)

方βCe γr また,この位置Aに与えられる第2ピードの熱影響のピー ク子息度は, r♪2=r｡＋ ここに rpl, ql, γl, (Uし斗一世鯛ヘ一山 q2 1 2 方βCe γ2 rp2:ピーク?温度(qC) T｡: q2: γ2: ん,ノ: α,β: 予熱f温度(Dc) 入熱量(J/cm) 図2に示す半径(cm) 図2に示す距離(cm)

図2に示す角度(rad)

rpl rp2 ㌦も0 βも才 計 Tp2(Min.) l

･(2)

う￣ ピードの相対位置α(rad) 注:rpl=91によるrl上のピーク温度 r｡2=耶によるrl上のピーク温度 図3 _{ピードの相対位置とピーク温度の関係 上層ピードが真上に}

ある場合(β=言)が最も下層ピードに均一に熱影響を与える｡半径れの位置では2

回の熱影響を受け,第l回礼第2回目それぞれのピーク温度は㍍1,㍍2である｡ ん l ア2 α2 占2 ;t 一 / ′ P】 α】 占1 _ / ′ 第1ピード 第2ピード 再熟条件:ム≦(P2】Pl)十(α2【αl)十ム2‥…(3) 注:α1ナα2=第1,第2ピードの熱影響粗粒域 れ占2=第1,第2ピードの熱影響細粒域 Pl,P2ニニ第1,第2ピードの溶け込み深さ ん:=余盛高さ 図4 新溶接法の考え方 溶接部すべてを微細化するには,熱影響幅, 溶け込み深さ及び余盛高さを適切に制御する必要がある｡ β:密度(Oc) c:比熱(J/g･Oc) 図3にど【ドの相対位置とピーク温度の関係を示す｡β=

告,すなわち,_L層のピードが真上にある場合が最も下層へ

出J一一に熱影響を与えることができる｡ 図4に新i容積さ去の考え方を示す｡ピー 第1ピードの熱影響粗.粒部よI)も,第2 部のほうが深くなければならぬことから_,

らの再熱条件は(3)式のようになる｡

ここに

ん≦(P2-Pl)＋(α2-α.)＋ム2

ん:余盛高さ(cⅢl) ド中央で考えれば, ピードの熱影響細粒 ピーク温度分布か

‥…‥‥…t……･(3)

P.,P2:溶け込み深さ(cm)

α1,α2:熱影響う阻粒域の幅(cm)

占2:第2ピード熱影響細粒域の幅(em)

図5に熱影響部の冷却速度を示す｡同図から,下層に熱影 響を加える場合の適正冷却速度が求められ,材料特性や目的 に合った限界値内に制御しなければならない｡ 3.2 溶接法とど-ド形状 図6に各溶接法での余盛高さ,溶け込み深さ及び熱影響幅 を示す｡ストレートピードの場合,サブマージアーク溶接,TIG

溶接(TungstenInert Gas Arc

_{Welding),更には被覆ア}

ーク溶接で,下層ピードの柱二状晶組織部すべてに上層の熱影

響を付与できる可能性がある｡ i容加材をi容積方向に直角方向へ揺動させることにより単位 Tp¶ru(Oc) 【人 ∩> つ乙 ーハ) 0 (の)｡∼ 臣世帯鋸GくObOのハニ七Up0000 (∨( 姫打

=北UY50

45 40 35 k+′加) 0 <hU 700 900 1,100 30

25(

20〈

三5†

(00) 700 0 0 9 0 ∩) 〓00 5 0 0 世相G串細論礁 rp OO 8 (U O 5 mO 冷却時間 ∼｡ 900 900 gOO 900 900 900 =00 _{時 間(s)} 0 50 100 150 200 250 300 予熱温度 ro(Oc) 図5 熱影響部の冷却速度 熱影響部の冷却速度は,ピーク温度及び 予熱温度に大きく影響される｡

極厚3.5%Ni鋼の自動溶接 525 5 4 3 2 (∈∈)礼 仙維穂蛸{蒜… (∈∈) ぺ 仙 爬 嘲 鶴 (∈∈)屯埋 鮒 凝 感 溶接法 項目 サブマージアーク溶接 被覆アーク溶接 M】G溶接 TIG溶接 〃 ---IE】---- ----【コーーーー ----■l---- ■-一一t----〃=0.092()＋0.384 _{/J=0,139()＋1.01 fノ=0.089Q＋0.557 〃=0.053(J十0.853} ん ◎ 0 一) んニ0.080Q＋1.31 ん=0.228針,･1.30 ん=0.181Q十1.88 P ---Å･--- ---1△--･･-- ー･-リ+･-=- ---･▲---P=0.016(J＋2.41 P=0.Og3Q＋1.40 P=0▲002(ヨ十1.27 P=0.047(ヨ＋1.17 0/

虚妄車≠

//

一づぎー一イブ

EI J■ 一■′◎

′一一一首

◎ ●→ト伽･-A-･叫･叫･一冊 10 15 20 25 30 40 溶接入熱量Q(k+/cm)

注:略字説明 MIG溶接=Meta=nertGasAroWelding _{TIG溶接二Tu【gSlen事nertGasArc} We仙ng

図6 _{ピード形状に及ぼす各溶接法の比較 TIG溶接については,溶加材の加減が可能であり,余盛} 高さを制御することができる｡

面積当たりの人熱量は減少するが,熱効率は向上する4㌧

図7 に溶加材を揺動した場合の効果を示す｡サブマージアークi容 接,被覆アーク溶接共に余盛高さがi戒少し,新溶接法に適し た施工法となる｡ 3.3 _{3.5%Ni鍋のピーク温度とじん性} 図8に,3.5%Ni鋼の柱.状晶組織に熱影響に相当する再現 熟サイクルを与えた後のじん性の変化を示す｡ 同潔から冷却速度の大きい場合が,じん性の高いことが分 かる｡また,およそA｡1以上のピークブ且度になると,溶接の ままの柱状晶組織部よりもじん性が向上する｡しかし,1,300 0cでは,再び粗粒化し低下する｡これに再度熱サイクルを付 与したのが図9で,6000c以上の再々加熱で熱影響粗粒部が改 善されることを示している｡したがって,溶接アルゴリズム E ∈ ∈ ∈ ∈ ∈≡ ヒ:.モn, 1望仙仙

蜘悼警

凝嘲空

感触碑 5 4 3 2 1 朋 綿法 サブマージアーク溶接 被覆アーク溶接 〃 一一--{}---- ----tトーーーー ガニ0.026･伽＋3.64 〃=0.022･仇r＋2.39 ム. 0 ん=-0,081･伽十3.49 ん=-0.056･伽十3.80 P ー･--△･-･- --･-･▲･-1･･････-P=0.029･伽十1.90 _{P=-0044･仇十2.46} Q 35,000+/om _10,000+/crn

声_叫㌔ご-一一-一口ーーーーーーー一口￣￣￣●￣-叫

き==丁･･･-_■ 5 10 15 オシレート幅伽(mm) 20 匡17 _{ピード形状に及ぼすオシレートの影響 オシレート幅を増す} ことにより,熱影響幅が余盛高さより広くなる｡ ∞ 80 60 40 20 (｢) U勺岩叶1叫･--恥ミせH尊昏 50 60 70 溶着金属 Si Mh Ni Ti 化学成分(%) 0.045 0.050 0.10 0.2.0 0.30 0.32 0.008 0.014 0.008 0.010 3二き7 3.50 0.015 0.025 供試S入

…抑脚…//′

SA203Gr.E(t16,t38)10mmX5mm 5800cx2h 25∼70k+/′om ′--/ 800ウCから500￠cへの 冷却時間 AW 600 700 800 9001,0001.1001,2001.300 加熱ピーク温度(Dc〉 注:SR=応力除去焼なまし処理 図8 柱二状晶組織部の再加熱後のじん性変化 _{A｡l以上の再加熱温} 度域でじん性は回復L,また.冷却速度が大きいほど回復度合が大となる｡な お,l′3000cと高温になるとじん性は低下する｡ の計算上は,6000c,7000c及び1,1000cがじん性の変化の上 限,下限の子息度であr)重要な温度となる｡ 3,4 溶接アルゴリズムの組立て 熱影響を利用し,下層ピードの柱状晶組織をすべて微細か つ高じん惟な組織とし,多層i容接するためにほ,厳密なi容接 アルゴリズムを完成しなければならない｡図tOに溶接条件決 定のためのフローチャートを示す｡溶接アルゴリズムを求め るためには,熱伝導論に基づく ピーク温度分布と冷却速度, 各溶接法に関するピード形二状,†容融速度の数式化と再熱条件 などが必要となる｡再熟条件では,再加熱,再々加熱後のじ

526 日立評論 VOL.引 _{No.7(】979一了)} SAW 711 1,3000C r2 SR 585`cx2h 00 80 60 40 20 (｢) Uq岩r-叫･--甘上｢せH尊密 熟サイクル条件 試験片サイズ:10m汀lX5mm SR

岳ヂ…

SRなL RT 550 再々加熱温度 _乃(qc) 650 図9 多重熟サイクルの効果 l.300qCピーク温度に加熱された低じん性 粗粒部を,再度6000c前後に加熱することにより,じん性は匝]復することが分かる｡ 被 溶 接 物 (材質,形状など) 群3---1 ※3-･-｢ 熱伝導状態 滋3イトー 予熱温度 冷却速度計算 冷却速度 条件 yeS 要 求 性 能 (じん性など) r-一一-一連‖ ･●･--※2 溶接法の選択 滋3--｢ ｢---ぷ1 1r--滋2 溶接条件 溶融速度 ピード形状 再熟条件 y8S ピード外観 yeS 溶接材料 熟影響 再熱温度 ･--+■※1 --◆躾2 図柑 溶接条件決定用フローチャート 要求性能を満足するには, 被)客接物を考え合わせ.各因子を適正に制御L.溶1妾を施工する｡ ん性を事前に求めておく必要があり,各材質により再熱条件 が変化する｡ 【】

極厚3.5%Ni鋼への適用

4.1 _{極厚.継手の性能}

ASTM(American Society _of Testing _Material)A

203Gr.E鋼t75へ今回の新溶接法を適用した｡

図11,12に継手部のシャルピー衝撃i式験結果を,図13に3

点曲げによるCOD(Crack Opening _{Displacements)試験}

結果を示す｡ また,表1に母材継手の引張強き,せん格温度,落垂試験 及びCOD試験結果を示す｡ 300 5 (U 5 ハU 2 2 .1 1 (｢)や一-叶⇒ヰH卑昏 50 0 qO

アひ

注:-0- _L方向 -■■●一川- C方向 試験片採取位置 ÷′ ¶140 -120 -100 -80 】60 -40 -20 0 試験温度(Oc) 図Il母材衝撃試験結果 極厚SA203Gr.E鋼であるが,従来の母材に比 べ優れたせん移曲線を示している｡ 300 50 ∞ 50 00 2 2 (こ叫ゝⅠ叶⇒叶H寧蜜 50 0 ′ ,′

皿ア`エロ￣

●′′

′ヰ

注:･･-･････0････一熱影響部 ---●一一一 溶着金属部 試験片採取位置 与∼ ー120 【100 -80 -60 -40 -20 0 試験温度ぐC) 図12 継手部衝撃試験結果 オシレートサブマージアーク溶接継手郡は, ASME規格t,E-850c=20/16+をはるかに上回る安定Lた低温じん性を示している｡

4.0 (∈∈) (U)尽仰せ糾□匪昧盟 0 ＼′ 1 67 3 0 一心 0 )王.---●----()-･･･････ ■■-△■■I 試買彙片サイズ 母 材 溶着金属部 熱影響部 己20×40×200 叶 -71G Ⅶ80G 】82G

′タ/

ー200 仙†50 -100 温 度(Oc) 50 図13 _{COD試験結果} 疲労ノッチ付きCOD試験結果から,母材,溶着金 属部.熱影響部ともほぼ同等のじん性をもっていることが分かる｡ 80.000 極厚3.5%Nl鋼の自動溶接 527 表l 母ネオ継手部の引張強さ,せん移温度,落重試験及びCOD試 験結果 引張強さ及び低温じん性とも∴容接継手部は母材に近い十分な性 能をもっている｡ 項 目 母 材 継 手 部 + 方 向 C 方 向 さ春着金属 熱 影 響 引張強さ (MPaZkgf/mmご:) 5Z3153.4E 522 書53.引 537‡54.引 伸 び _(%) 【33･6 34.9 52.1 衝撃 試験 ND ー､rざ(ロC) l▼rgぐC) 【 -】ll -110 -72 -104 ー】10 一107 -93 -112 G種,A種ぐC) -116G, -115G, -76G, -104G,

-94A 93A -50A -87A

-100 T 温 _{度(Oc) -90} COD 試験 G _種(Oc) -80 -7I -82 -10ドCて'の(p (C)(mm) 0.086 0.042 0.0了6 -10ドCでの 2C(mm) 30,0 ll_23 20.32 さ主:採取位置=-をt ⊂⊃ ⊂) ｢■-1:ゝ t22∼t35 ⊂〉 ⊂⊃ ○ ミ t40∼t57 t18∼t22 注:母 材=SA203G｢.E 設計圧力=2,880kPaj29.2kgりcmZi 設計温度=-858c 図14 _{SA203Gr.El鋼製大形機器の概要} オシレートサブマージアーク溶接法を,4基合計約l.000tの SA203Gr,巨細製大形機器に適用した｡ 4.2 実機への適用 図14に示す概略仕様の大形機器に新音容接法を適用した｡カ テゴリーA,Bのすべてに適用され,それぞれの7容接線には 継手試験が実施された｡ 表2に引張り試験,曲げ試験の結果を,図柑はシャルピー 衝撃試験のヒストグラムであるが,いずれも母材と同等以上 の値を示していることが分かる｡ 図16に実機への新i容接法適用寸犬況を示す｡ 田

結

吉 日立製作所は,高じん性オンレートサブマージアークi容接 法を開発し,その音容接アルゴリズムを検討するとともに,実 用化の状況について述べた｡得られた結果を要約すると,次 に記すとおりである｡

(1)熱影響を利用した,高じん性･高能率な新しい自動溶接

法を開発した｡

(2)熱影響部のピーク温度と冷却速度を制御して,熱影響を

利用する溶接アルゴリズムを完成した｡

(3)新溶接法の継手では,最終層以外すべて高じん性な微細

表2 引張り試験,曲げ試験の結果 母材,オシレートサブマージア ーク溶接継手部とも十分ASME規格値を満足Lている｡ 母材板厚 f 母 _木オ 継 手 部 引張強さ 伸び (%) 引張強さ 破断位置 側曲げ試験 (mm) (MPa (MPa 月=2∼, 1kgf/mm2〉) 1kgf/mm2け I80d 19.5 _541;55.2E 】9 _{5了lさ58.3E} 溶着金属 良 好 29.5 545 Z55.引 28 _553‡56.4; 溶着金属 良 好 48.0 _551壬56.2t 42 _56了 j57.9i _{)春着金属} 良 好 組織となる｡

(4)板厚75mmという椒厚の3.5%Ni鋼継手に適用し,良好な

継手性能が得られた｡

(5)新7容接法を実機に適用し,実用性と継手惟能の優秀性が

確認された｡

528 日立評論 _{VO+.61No.了=979一丁)} ハリ O O O O O 2 0 8 (0 4 2 雌 牲 30 60 90 ₁₂₀ 150 _{180 210} 240 270 300 lナg-850C(J) (a)母 材 0 00 8 4 20 触 媒 属 搬背 馳 影 溶 熟

[]四凹

注 0 30 60 90 120 150 柑0 210 240 270 300 l･且一紙りC(J) (b)継 手 部 図15 _{シヤルピー衝撃試験のヒストグラム} オシレートサブマージ アーク溶]妾継手部は.母材以上の高じん性を示Lており,実機適用にはなんら 問題のないことが分かる｡

論文苧

とi 脛 図16 実機適用例 _{オシレートサブマージアーク溶接法をSA203Gr.E鋼} 製大形機器の円周継手部に適用し,好結果を得た｡ 参考文献 1)石丸 ほか3名:3.5%Ni鋼製大形機器の自動溶接,溶接技 術,26,41∼46(昭53-7)

2)Y･Ishimaru et _{al.:Automatic} Welding _of3.5%Nickel

Steel,WeldingJournal,273∼280S(1978-9) 3)岡田,ほか3名:多電極TIG溶接による3.5%Ni鋼の自動洛 =按.洛講概,第19集,144(昭51-4) 4)石丸 ほか4名:熱影響を利用した高じん性溶接法,溶接法 研`先妻R全額料,SW-1096-79

産業用ロボットの最近の動向

日立製作所

沼倉俊郎･松本義雄

計測と制御18-1,100∼川6(昭54-1)

産業用ロボットが登場してから既に十数 年経過したが,欧米先進諸国や我が国でそ の研究開発と実用化が進みつつある｡例え ば,我が国での産業用ロボットの生産額は 年々増加し,昭和52年の180億円から,55 年,60年ではそれぞれ870億円,2,900億円 に達するものと推定される｡ 産業用ロボットの利用分野としては,マ テリアルハンドリング用が最も多く,特に この分野では低価格化に対する要求が強〈, 標準ユニットの組合せにより必要最小限 の要求動作を実現するモジュール形ロボッ ト,複数台のサーボモータを1台のアン70 で順次切替駆動するロボット,リンク機構 を用いたロボットなどの試みが見られる｡ 更に,70レス機械専用のワーク着脱高速駆 動ロボット,機構や制御に独特の工夫を施 した重量物ハンドリング用ロボットなども ある｡ 高熱,騒音,塵境などの悪環境下の作業 は産業用ロボットの重要な適用分野であり, 特にスポット溶接ロボットが多数普及して いる｡また,アーク溶接や塗装作業専用口 ポットもここ数年相次いで商品化され,更 に最近では,これまで自動化が遅れていた 鋳ばり取りや仕上げなどの作業をも行なう 多目的ロボットも実用化されている｡ 産業用ロボットによる自動組立は,実用 例として見るべきものはほとんどないが, 人間の感覚を必要とするような組立や多種 中少量生産品の組立などで,ロボットは必 要不可欠である｡これまでに開発きれた組 立ロボットとしては,力感覚を備え探索制 御により精密なはめあいを行なうロボット, 複数のアームから成る直交座標形組立ロボ ットなどがある｡ パターン認識技術と産業用ロボットの本 格的な結び付きは今後の課題であるが,既 に半導体組立工程や各種製品の外観検査に パターン認識技術が利用され,人間による 目視作業の代わりを果たしている｡ 今後産業用ロボットを飛躍的に普及させ ようとするとき,多くの革新的技術開発を 必要とする｡例えば,感覚情報処理の分野 ではより安定した,より高連な視覚認識技 術,アームの駆動制御に関しては小形･軽 量･高出力アクチュエータと制御モードを 自在に変え得る柔軟なサーボ機構の開発な どが望まれる｡またこれら要素技術を集約 し,一つのロボットシステムとしてまとめ 上げることが必要であり,既に実験的知能 ロボットシステムなどの試みも行なわれて いる｡ 従来大量生産品を対象として発達してき た自動化技術は,今後多種中少量生産品を 対象としたフレキシブルオートメーション ヘの対応を迫られる｡そのための有力な手 段として,また人間福祉向上のため産業用 ロボットの使命は重く,たゆみない技術開 発が望まれる｡