JP2010501360A - 異種材料溶接のための構成および方法 - Google Patents

Abstract

異種材料の中間位置にアダプタを使用する、異種材料を溶接するための装置および方法が考察される。最も好ましいアダプタは、一体に溶接される異種材料と同一または類似の２つの異種材料から摩擦攪拌溶接により製造される。したがって、現場におけるアダプタを介する異種材料の結合は、現在採用できる従来の溶接方法に比べて大幅に簡略化される。

Description

本願は、２００６年８月３０日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６０／８２４０２３号明細書の優先権を主張する。

本発明の分野は、溶接であり、特に異種材料の溶接に関する。

類似または同一材料の溶接は比較的簡単なプロセスであり、様々な材料に関して通常実行されている。しかし、異種材料間の溶接接合の安定性および完全性は、問題点を含むことが多く、特定の材料および構成に依存し、また、異種材料の溶接は現場条件においては難しいことがわかっている。

例えば、比較的多様な異種材料を接合する場合は、異種材料のアーク溶解溶接を採用できる。しかし、従来のアーク溶解溶接の完全な制御は一般には達成されず、特に溶接される材料が溶接部に強い機械的および／または化学的応力を与える環境内で使用される場合、このような溶接には厳しい制限を適用する必要がある。このように、異種材料のアーク溶解溶接は多くの場合、失敗の危険性が増大してしまうと考えられる。他の知られている方法では、摩擦溶接を採用して、概念的には簡単で、且つ充填金属およびフラックスを必要としないプロセスで異種材料を溶解することができる。さらに、摩擦溶接は、異種材料のアーク溶解溶接に比較して、多様な材料の組合せにおける安定性および完全性を増すという利点がある。しかし、ほとんどの場合、摩擦溶接は特殊な装置を必要とし、多くの場合、溶接される材料の特定の構成によって制限される。したがって、摩擦溶接は一般に、現場における大部分の溶接ニーズには推奨されない。

上述の溶接プロセスに関連する問題を解消するために、異種材料の機械的接合を実行することができる。このような接合の例は、米国特許第２５５，１６３号明細書、第８３１，５８８号明細書、第２，１５９，８１１号明細書、第３，８５８，９１１号明細書、および第４，７１２，８１２号明細書に記載されている。多くの場合、このような接合により現場条件における異種材料を結合することができるが、それでも多くの困難性が残る。特に、これら接合の設計、モデリング、ボルトトルク、およびボルト張力の問題が多く発生し、典型的には、このような接合部の漏れまたは故障にまで至ることがある。さらに、このような機械的接合部を設けるには、特に異種材料が比較的直径の大きいパイプである場合は、時間を要することが多い。

したがって、当技術分野では、異種材料を接合するための様々な構成および方法が知られているが、それらの全てまたはほぼ全ては１つ以上の欠点がある。このことから、特に現場条件において安定した材料結合を形成するために、異種材料を高い信頼性で溶接する改良された構成および方法を提供する必要性が存在する。

本発明は、アダプタと、アダプタを使用して異種材料の溶接を可能にする方法であり、アダプタは、溶接される異種材料に類似する第１および第２異種材料で製造された、または、これらを含む、第１および第２部分を備える。最も好ましくは、アダプタは、工場環境において管理された条件の下で（例えば、摩擦攪拌溶接を用いて）製造されるが、アダプタを介した異種材料の溶接（例えば、機器へのパイプ溶接）は現場で実行される。

本発明の主題の１つの態様では、溶接可能な異種材料の結合方法は、異種材料である第１および第２材料から、第１および第２材料の各端部が接合される溶解プロセスを用いてアダプタを形成するステップを含む。別のステップでは、アダプタの完全性が確認され、さらに別のステップでは、アダプタは、アダプタの第１材料が異種材料の第１材料に溶接されるように、およびアダプタの第２材料が異種材料の第２材料に溶接されるように、異種材料の間の中間位置において溶接される。この場合、第１材料および異種材料の第１材料が類似であり、第２材料および異種材料の第２材料が類似である。

最も好ましくは、第１および第２材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、超オーステナイト系ステンレス鋼、高強力低合金鋼、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン、鉛、亜鉛、およびマグネシウム、あるいは熱硬化性ポリマーおよび熱可塑性ポリマーであるか、またはこれらを含む。このようなアダプタを使用することにより、溶接を現場作業において実行できるとともに、アダプタを形成するステップは、現場作業に関連する遠隔場所において実行できるため、現場作業が大幅に簡略化される、ことは特に理解されるべきである。次に、溶接は、現場における異種材料に応じて、アーク溶接、ガス溶接、抵抗溶接、超音波溶接、高周波溶接、またはエネルギービーム溶接を利用して、手動プロセスまたは少なくとも部分的に自動化された方法によって、従来の方法で実行できる。さらに、アダプタはリング形状であり、溶解プロセスは固相接合プロセス（例えば、摩擦攪拌溶接または回転摩擦溶接）であることが一般には好ましい。さらに、アダプタ内での溶接の完全性は、非破壊プロセス（例えば、Ｘ線または超音波）を利用して確認されるのが一般に好ましい。

このことから、本発明の主題の別の態様では、本発明者らは、溶接プロセスにおいて異種材料を恒久的に接合するためのアダプタ（例えば、リング形状）を考え、アダプタは第２部分に摩擦攪拌溶接された第１部分を備え、第１および第２部分はそれぞれ、異種材料と類似の異種材料から製造されている。アダプタに適する材料に関しては、上述と同じ事項が適用される。このようなアダプタは単独で設けられてもよく、あるいは、キットの一部として設けられてもよく、このキットでは、異種材料から製造された第１パイプと第２パイプとの中間位置においてアダプタを溶接するための指示書が（例えば、アダプタに付随して、あるいはウェブサイト、広告、またはカタログを介して）提供される。特に、本明細書に記載のアダプタを含む構成および装置の有用な実施形態は、パイプスプール、パイプライン、Ｔ継手、圧力容器、およびマニホールドであり、これらにおいては、少なくとも２つの異種材料の部品が一体に結合されている。

本発明の様々な目的、特徴、態様および利点は、本発明の好ましい実施形態の、添付図面と併せた以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の主題に係る異種材料アダプタの例示的使用の概略図である。

本発明者らは、予め形成された規格に適合した異種材料アダプタ（ＤＭＡ）を用いて、様々な異種材料を高信頼性で接合できる簡単で現場に適合する方法を見出した。ＤＭＡは摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）によって製造されることが一般に望ましい。しかし、本明細書では他の溶接プロセスおよび特に固相溶接プロセスもまた適切であると考えられる。次に、ＤＭＡは、類似材料に接合するための知られているあらゆる方法を用いて、ＤＭＡのそれぞれの対応物に溶接またはその他の場合は溶解することができる。特に好ましいＤＭＡはリング形状であり、これにより、パイプ同士およびパイプと機器の接合部の工場および現場における溶着異種材料溶解溶接の必要がなくなる。

本明細書で使用されるとき、用語「異種材料」は、通常のアーク溶接プロセスが典型的には構造的および機能的完全性を有する均一な溶接を生成しないような異なる溶融特性および熱伝導率を有する材料を指す。異なる観点から見ると、本明細書で与えられる定義の範囲における異種材料はまた、異なる合金組成および然るべき場合には異なる微細構造を備える、異なるベースメタルを有する材料として特徴付けることができる。例えば、炭素鋼およびステンレス鋼または高強力低合金鋼およびアルミニウム合金が上述の定義における異種材料と考えられる。場合によっては、このような異種材料は従来の溶接プロセスを用いて溶接できるが、均一で満足できる溶接を達成することは極めて難しく、このような異種材料の溶接は一般に現場条件では好結果を得られない。したがって、本明細書で使用される用語「類似材料」は、通常のアーク溶接プロセスが典型的には構造的および機能的完全性を有する均一な溶接を生成するような類似の溶融特性および熱伝導率を有する材料を指す。例えば、炭素鋼ＡＩＳＩ ４１１０およびＡＩＳＩ ４１６０は、上述の定義における類似材料と考えられる。

ＤＭＡの適切な製造プロセスに関しては、ＦＳＷプロセスに関連して多くの利点があるため、ＦＳＷを採用してＤＭＡを製造するのが一般に好ましい。例えば、ＦＳＷは充填金属および高溶着温度の必要がなく、変形および収縮が少ない。さらに、ＦＳＷは材料の溶融を必要としないため、そのように形成された接合は、溶解溶接では一般的である、凝固に関連する不具合を受けない。さらに、ＦＳＷは一般的に、最小のエッジ処理のみを必要とし、溶解溶接の場合は一般的に遮蔽を必要とする材料を接合するとき、遮蔽ガスを必要としない。ＦＳＷの利点はまた、接合される材料の材料特性に引き継がれる。例えば、ＦＳＷ溶接はほとんどの場合、従来の溶解溶接技術に比較して、室温でより安定性があり、極低温特性が向上し、疲労寿命が長くなり、溶接割れの耐性を示し、多くの場合、生産高の向上および引張り強さの増加を示す。さらに、ＦＳＷの利点としては、機械的特性のばらつき度合いが低くなり、低い熱入力および硬化析出物の溶解およびひび割れおよび疲労などの既存の故障メカニズムに対する高耐性に起因する、応力腐食割れメカニズムを受けにくくなる。例示的ＦＳＷのプロセスおよび装置は、当技術分野では既知であり、典型的なプロセスおよびデバイスはＷＯ９３／０１０９３５に記載されており、その内容は参照により本明細書に援用される。他の適切ではあるが、好適性では劣る、本明細書において考えられるＤＭＡを処理する「固相接合」方法は、冷間溶接、拡散溶接、爆発溶接、鍛接、高温加圧溶接、ロール溶接、および超音波溶接を含む。当業者であれば、異種材料の特性および／またはそれらの構成に応じて最も適切な溶接技術を容易に選択できるであろうことは理解されるべきである。

このように、これらの利点は、ＦＳＷまたは他の適切なプロセスを用いてアダプタ部分が製造される場合、考えられるＤＭＡに導入されることは認識されるべきである。このようなＤＭＡにおける接合は一般に、ＦＳＷプロセスの品質向上により、修理の可能性の極めて低いより高品質でより均質な溶接部を有する。さらに、考えられるＤＭＡにより、異種材料溶接を配管および機器製造工場および現場から管理されたＦＳＷ工場に移動することができ、またＦＳＷ技術、厳格に管理されたＦＳＷ工場環境、および高い品質保証技術を利用できることは認識されるべきである。このように、考えられるＤＭＡは従来の異種材料アーク溶解「突合せ溶接」に置き換わり、これにより工場製造者は類似材料の溶接に専念することができることは特に理解されるべきである。実に、考えられるＤＭＡによって、工場および現場用途の両方において異種材料アーク溶解溶接の必要を完全になくすことができる。

１つの好ましい実施形態では、図１に例示的に示すとおり、ＤＭＡは溶接リングとして構成され、少なくとも２つの異種材料（例えば、金属および／または非金属材料）および実質的に均一の直径を有する。ここで、リング形状のＤＭＡ１３０は側面図で示され、第１材料パイプ１１０（例えば、炭素鋼１１１）と第２パイプ１２０（例えば、ステンレス鋼１２１）との端部間に置かれている。ＤＭＡ１３０は同一の直径の２つのリングから形成され、第１リング１３１は炭素鋼で構成され、第２リング１３３はステンレス鋼で構成されている。２つのリング１３１および１３３は、溶接工場においてＦＳＷを用いて一体に溶接され、異種材料溶接１３２が作製される。ＤＭＡの両端は、炭素鋼パイプ端部およびステンレス鋼パイプ端部（それぞれ、１１２および１１４、好ましくは、通常の突合せ溶接端部として構成される）と同一の直径を有するので、現場および工場において炭素鋼およびステンレス鋼に適する通常のアーク溶接を採用して、炭素鋼パイプをステンレス鋼パイプに接合することができる。

このようなＤＭＡの典型的な例では、長さ３インチのＮＰＳ １０”ｓ／４０炭素鋼片は、長さ３インチのＮＰＳ １０”ｓ／４０ステンレス鋼片に摩擦攪拌溶接される。このように形成されたＤＭＡは、該当する工業標準規格に従って、機械的および冶金学的に評価され、破壊的および／または非破壊的（例えば、超音波またはＸ線により）に試験される。このように、品質管理および品質保証に合格したＤＭＡは、特殊な機器およびＦＳＷ熟練者を必要とせずに、現場条件（例えば、ＤＭＡ製造工場から１マイル以上、より典型的には１０マイル以上、最も典型的には１００マイル以上遠隔に位置する）において使用できる従来方法よりはるかに優れたアセンブリを提供する。次に、従来の手動的または自動的方法により、類似の端部が溶接されるか、あるいは接合される。

言うまでもなく、本明細書において考えられるＤＭＡは、炭素鋼およびステンレス鋼材料から構成される異種材料に限定される必要はなく、溶解されて規格適合溶解物を提供できる、あらゆる知られている異種材料およびそれらの組合せも本明細書において使用するのに適切であると考えられる。したがって、適切な材料は金属および非金属材料を含む。例えば、適切な材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼（３００および４００シリーズの両方）、超オーステナイト系ステンレス鋼（ＡＬ６ＸＮ）、高強力低合金鋼（ＨＳＬＡ；１−１／４、２−１／４、５＆９ Ｃｒ−Ｍｏ、Ｘ８０）、各種ニッケル合金、銅合金、およびアルミニウム合金、チタン、鉛、亜鉛、およびマグネシウムがある。同様に、非金属材料としては、熱硬化性ポリマーおよび熱可塑性ポリマー（ＨＤＰＥ、ポリエチレン、ポリアミド、ポリプロピレン、ＰＶＣ、およびその他）がある。したがって、多数の材料、すなわち金属に金属および非金属に非金属の両方、および場合によっては金属に非金属、を接合して、現場において使用する規格適合溶接部を製造することができる、ことは理解されるべきである。

なお、同様に、本明細書において考えられるＤＭＡに対しては、パイプ形状あるいは円形または円形断面を有する他の構成が一般に好ましいが、多くの代替構成も、本明細書に提示した教示内容とともに使用するのに適切であると考えられる。例えば、他の構成の中でも、矩形断面、長円またはフラストコニカル断面、さらに不規則断面を有するパイプ、ならびに、マニホールド、ボックス等を含むパイプ形状でない要素も適切である。同様に、本発明の主題に対して特定のサイズが限定されることはなく、ＤＭＡが２つ以上の異種材料の規格適合溶解を有する限り、あらゆる空間的寸法が適合することは理解されるべきである。

本発明の主題によるＤＭＡの端部に関しては、端部は類似材料の溶接（自動化されていても、されていなくてもよい）に適する任意の形状／構成であってもよいと考えられる。したがって、考えられる端部は平坦な端部を有してもよく、あるいは、例えば、標準的な３７．５°の「Ｖ」ベベル、「Ｊ」ベベル、または他の種類の工業的に容認される溶接部処理方法で機械加工された標準的な同様の突合せ溶接端部であってもよい。同様に、ＤＭＡを形成するために溶解される異種材料の端部の特性は著しく多様であり、特定の端部処理は少なくとも部分的に、特定の溶解方法に依存する。しかし、端部は平坦突合せ面であるか、あるいは、傾斜エッジ、および最も好ましくは摩擦攪拌溶接または回転摩擦溶接に適するエッジであることが一般に好ましい。

一旦製造され、試験されると、次に、ＤＭＡを異種材料の間に（例えば、配管系内に）挿入し、任意の適切な溶接プロセスを用いて溶接して、適切な充填金属、フラックス、シールドガス等を使用してリングの各側をその対応する材料に接合できる。

このように、異種材料溶接のための特定の構成および方法を開示してきた。しかし、本明細書における本発明の概念から逸脱することなく、上述の内容以外の多くの変形形態が可能であることは、当業者には明らかである。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神を除いて限定されるものではない。さらに、明細書および特許請求の範囲の両方の解釈において、全ての用語は文脈に整合する可能な限り最も広く解釈されるべきである。特に、用語「備える」および「備えている」は、要素、構成部品、またはステップを非限定的に指すと解釈されるべきであり、参照される要素、構成部品、またはステップは、明記されない他の要素、構成部品またはステップとともに存在してもよく、利用されてもよく、または組み合わせてもよいことを示す。さらに、参照により本明細書に引用されている、参照文献における用語の定義または使用は、本明細書で提供される用語の定義に矛盾するかまたは反対である場合、本明細書で提供されるその用語の定義が適用され、参照文献におけるその用語の定義は適用されない。

Claims (19)

1. 溶接可能な異種材料を結合する方法であって、
   異種材料である第１および第２材料から、第１および第２材料の各端部が接合される溶解プロセスを用いてアダプタを形成するステップと、
   アダプタの完全性を確認するステップと、
   アダプタの第１材料が異種材料の第１材料に溶接されるように、およびアダプタの第２材料が異種材料の第２材料に溶接されるように、異種材料の間の中間位置においてアダプタを溶接するステップであり、第１材料および異種材料の第１材料が類似であり、第２材料および異種材料の第２材料が類似である、ステップと、
   を含む方法。
2. 第１材料および第２材料のうちの少なくとも一方が、炭素鋼、ステンレス鋼、超オーステナイト系ステンレス鋼、高強力低合金鋼、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン、鉛、亜鉛、およびマグネシウムからなるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
3. 第１材料および第２材料のうちの少なくとも一方が、熱硬化性ポリマーおよび熱可塑性ポリマーからなるグループから選択される、請求項１に記載の方法。
4. アダプタがリング形状である、請求項１に記載の方法。
5. 溶解プロセスが固相接合プロセスである、請求項１に記載の方法。
6. 固相接合プロセスが、摩擦攪拌溶接または回転摩擦溶接である、請求項５に記載の方法。
7. 完全性が非破壊プロセスにおいて確認される、請求項１に記載の方法。
8. 溶接ステップが現場作業において実行され、アダプタを形成するステップは現場作業に関連する遠隔場所において実行される、請求項１に記載の方法。
9. アダプタを溶接するステップが、アーク溶接、ガス溶接、抵抗溶接、超音波溶接、高周波溶接、およびエネルギービーム溶接からなるグループから選択される処理となる、請求項１に記載の方法。
10. 溶接プロセスにおいて異種材料を恒久的に接合するためのアダプタであって、
    アダプタは第２部分に摩擦攪拌溶接された第１部分を備え、第１および第２部分はそれぞれ、異種材料と類似の異種材料から製造された、アダプタ。
11. アダプタがリング形状を有し、異種材料はパイプである、請求項１０に記載のアダプタ。
12. 第１部分および第２部分のうちの少なくとも一方が、炭素鋼、ステンレス鋼、超オーステナイト系ステンレス鋼、高強力低合金鋼、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン、鉛、亜鉛、およびマグネシウムからなるグループから選択される材料から製造された、請求項１０に記載のアダプタ。
13. 第１部分が、炭素鋼、ニッケル合金、銅合金、およびアルミニウム合金からなるグループから選択される材料から製造され、
    第２部分が、ステンレス鋼、超オーステナイト系ステンレス鋼、および高強力低合金鋼からなるグループから選択される材料から製造されている、請求項１０に記載のアダプタ。
14. 第１部分が、炭素鋼、ステンレス鋼、超オーステナイト系ステンレス鋼、高強力低合金鋼、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン、鉛、亜鉛、およびマグネシウムからなるグループから選択される材料から製造され、
    第２部分が、熱硬化性ポリマーおよび熱可塑性ポリマーからなるグループから選択される材料から製造されている、請求項１０に記載のアダプタ。
15. 第１部分および第２部分のうちの少なくとも一方が、熱硬化性ポリマーおよび熱可塑性ポリマーからなるグループから選択される材料から製造されている、請求項１０に記載のアダプタ。
16. 溶接プロセスが、アーク溶接、ガス溶接、抵抗溶接、超音波溶接、高周波溶接、およびエネルギービーム溶接からなるグループから選択されている、請求項１０に記載のアダプタ。
17. 請求項１０のアダプタ、および異種材料から製造された第１パイプと第２パイプとの中間位置においてアダプタを溶接するための指示書を備えるキット。
18. 請求項１０に記載のアダプタを備えるマニホールドおよびＴ継手。
19. 請求項１０に記載のアダプタを備えるパイプライン。

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