On Underwater Plasma Welding* by Atsushi Hasui** and Hatsuo Inomata*** Abstract Since plasma arc has been considered to be a suitable heat source for

On Underwater Plasma Welding* by Atsushi Hasui** and Hatsuo Inomata*** Abstract Since plasma arc has been considered to be a suitable heat source for wet welding owing to the following factors, the feasibility of underwater welding by it is studied. (1) Plasma arc co-operating with plasma jet can be generated easily and kept in stable state in water, and is less sensitive to variations in torch-to-work spacing. (2) As energy transferred from plasma arc to work is highly concentrated, fusion efficiency of work is high. (3) Plasma arc is constricted by torch nozzle, so its directional property is excellent. (4) Plasma jet, kept operating all the diving time, acts as illuminating light source and makes it easy for the welder to work in water. As the first step to develop the process, preliminary experiments on some of the above-mentioned factors are made in simple welding environment, such as in city water and at water depth of 20 cm. And then butt welding and fillet lap welding under the conditions adopted according to information obtained in the preliminary experiments are done by using steel as base for a welded structure of 6 mm in thickness. Results of experiments show that underwater welding by plasma are (semi-transferred type plasma jet, i.e., plasma jet co-operates with plasma arc) can be done easily and stably and the weld has excellent properties in both tensile strength and notch toughness, though the weld includes blowholes to some extent. In conclusion, it is ascertained that this process can be put to practical use.

溶 接 学 会 誌 (3)プ で,ア 第40巻(1971)第7号623 Fig.2は ラ ズマ ア ー クを トー チ の ノ ズル が 拘 束 す るの ー ク の指 向 性 が す ぐれ て い る. (4)潜 実 験 装 置 の 配 置,Photo.1は その外観を示 した も の で あ る. 水 中,プ ラ ズマ ジ ェ ッ トを発 生 してお くと, 照 明 光源 とな り,作 業者 の 水 中 作業 を 容 易 にす る. 本報 告 は水 中に お け るプ ラ ズマ溶 接 の 可能 性 に つい て のみ 述 べ た もの で,水 中 溶接 現 象,深 水 中で の溶 接,種 々 の材 料 の溶 接 結 果 な どに つ い て は 第2報 以 下 に よ って 報 告 す る予 定 で あ る. 2.実 験装置と供試材料 本実 験 に 用 い た プ ラ ズマ トー チ をFig 1に 示 して あ る.こ の トーチ の 前 面 に は,溶 接 部 を 周囲 の水 か ら保 護 す るた め の シー ル ドガ スを 旋 回 させ つ つ流 出 させ る よ う に 円形 の 間 隙 を 作 って あ る.ト ー チ部 品 の主 要 寸 法 は次 の通 りで あ る. T:plsome torch W1 W2:Mater supply C:Carriage. S: Zpeed regulator HF:High frequency starter ST:Shunt A:Ammeter V:Voltmeter F1:Flow meter for plasma F2:Flow meter for shielding P:Frassurs gmuge Fig.2 Arrangement Photo.1 of equipments Experimental equipment underwater welding 溶 接 実 験 は水 道 水 中 で 行 な った.ま た,卜 for 一 チの ノ ズ ル先 端 は,い ず れ の 実験 に おい て も,す べ て水 深20cm に位 置 す るよ うに した. 1:Inlet of tial passages let plasma for plasma 4:Gap for shielding and outlet of cooling Fig.1 2:Ring with 3:Inlet water 供 試 母 材 は 厚 さ6m皿 four tangenof shielding 5:Qualts 89:Insulator の溶 接 構造 用 鋼SM41材 そ の 化学 成 分 分 析 値 はTable1に 67:in- Table Plasma torch 1 Chemical で, 示 して あ る. composition of base 陰 極 の直 径:6.3mm ノ ズ ル の直 径:5.5mm ノ ズ ル平 行 部 の長 さ:17mm 3.水 ノ ズ ル流 入 部 の角 度:90 中 に お け るブ ラズ マ ア ー ク の特 性 シ ール ドガ ス孔 の直 径:14mm 3.1水 シ ー ル ド ガ ス 孔 の 間 隙:0.5mm Fig.3は シ ール ドガ ス孔 の拡 り角:20 33 中 のプ ラズ マ ジ ェ ッ ト 水 中 で の プ ラズ マ ジ ェ ッ ト(作 動 ガ ス流 量:

624論 Fig.3 文 猪 又:水 平 に お け る プ ラズ マ溶 接 Electricalcharacteristics of plasmajet Ar3,6,91/min)に おける 作動電流と 電圧の関係を示 した もので あ る.低 電流 に おい て は,水 中プ ラズマ ジ ェ ッ トの 作 動 電圧 は大 気 中 の プ ラズ マ ジ ェ ッ トの そ れ よ り も低 くな って い るが,電 流 を増 加 させ て125Aを 越す と 両者 は 同 程 度 に な る. Photo.2は Fig.4 作 動 電 流 を50お よ び100Aと スを5お よ び91/minと は6mmと ら100Aに し て あ る.い お,ト 流が50,100A,い arc る.シ 増 加 させ て もそ ス流 量 を91/minと ー チ と母 材 の 間 隔 ず れ の 場 合 に も,水 ー ル ドガ ス は,水 中,大 中でのプ 気 中 い ず れ に お い て も, プ ラ ズ マ ア ー ク 電 圧 を 低 下 させ,そ れ 程 に増 大 しな いが,ガ of plasma ラ ズ マ ア ー ク 電 圧 は 大 気 中 の そ れ に 比 べ て 高 くな っ て い ェ ッ トに よ って形 成 され た 空 洞 の長 さは 作 動 ガ ス流 量 を して 電 流 を50か characteristics 場 合 に つ い て の 結 果 で あ る.な した 場 合 の 水 中 に お け る プ ラ ズマ ジ ェ ッ トを 示 した も ので あ る.こ れ らの 写 真 か ら ジ 5'/minと Electrical し,作 動 ガ の効 果 は水 中 に お い す る と,電 て 著 し い. ず れ に おい て も著 し く延 び て お り, Fig.5は プ ラ ズ マ ジ ェ ッ ト と ア ー ク の 作 動 条 件 を, した が って,こ の 空 洞 の形 成 に は,作 動 電 流 よ り も作 動 作 動 ガ ス 流 量41/min,作 ガ ス流 量 が 効 果 的で あ る こ とが わ か る. ク電 流140Aに,ま 動 電 流100A,プ た,卜 に 一 定 し て お い て,シ ラ ズマ ア ー 一 チ と 母 材 の 間 隔 を6mm ー ル ドガ ス の 流 量 を 変 え た 場 合 の プ ラ ズ マ ア ー ク 電 圧 の 変 化 を 示 した も の で あ る.シ ド ガ ス の 流 量 を51/min以 に 上 昇 す る が,こ と,ジ れ は,シ 下に減少させると電 圧 は 急 ー ル ドガ ス の 流 量 が 小 に な る ェ ッ トに よ る ノ ズ ル 前 方 の 空 洞 が 小 さ くな っ て ア ー ク に 対 す る 水 の ピ ン チ 効 果 が 急 に 増 大 し,ア ー クが よ current:100amp (C)Plasma current:50amp Plasma (D)Plasma Plasma gsa;91/min ;91/min Photo.2Plasma 3.2水 Fig.4は jetunder water 中の プ ラズ マ ア ー ク 深 さ20cmの 水 中で の プ ラズ マ ア ー ク電 流 と 電 圧 の 関 係 を 示 し た も の で あ る.こ ェ ッ トを 作 動 ガ ス 流 量41/min,電 シ ー ル ドガ ス(Ar)を れ は,プ 流100Aで 流 さ な い 場 合 と20l/min流 ラズ マ ジ 併 発 し, Fig.5 した Relation and 34 ール between plasma flow rate of shielding arc voltage under water

626輪 立 蓮 井,猪 又:水 平 にお け るプ ラ ズマ 溶接 示 して い る.シ ー ル ドガ ス を用 い な い 溶 接 で 溶 込 深 さ/ 5.予 表 面 ビー ドの 巾の最 大 値 を生 じ,シ ー ル ドガ スの 流 量 の 増 大 は これ の減 少 を きた して い る. 厚 さ6mmの Fig.9は 溶 接入 熱 と溶 接 金属(溶 融 部)の 断 面 積 との 実 験(11) 母 材 に つ い て ビー ド溶 接 を 行 な い,溶 接 条件 設 定 の 検 討 を進 め る. 関係 を示 した も ので あ る.溶 融 効 率 は シ ール ドガ スを 用 い な い場 合 に最 高 で,シ 備 本節 で 共 通 に用 い た 作 動 条件 は,プ ール ドガ ス流 量 の増 大 と共 に低 作 動 電 流 が100A,ト ラズ マ ジ ェ ッ トの ー チ ー母 材 間 隔 が6mm,水 深が 下 して い る.上 に述 べ た よ うに,シ ー ル ドガ スが 溶 込 深 20cmで,そ の他 の 条 件 因 子 に つ い て実 験 を 行 な う.な さに 甚 し く影響 す る とい う性 質 が こ の結 果 の 原 囚 にな っ お,プ て い る と思 わ れ る. ほ ぼ 完全 溶 込 み が 得 られ る こと を 目処 に 選 ぶ こ と に す ラズ マ ア ー ク電 流 は一 層溶 接 で 供 試 母 材 に対 して る. 5.1シ ール ドガ ス シ ー ル ドガ ス の流 量 を0,10お よ び20r/minに 変え て 水 中溶 接 を行 な った.他 の 溶接 条件 は,作 動 ガ ス流量: を4l/min,溶 接 速度 を5cm/minと し,裏 当材 と して は,ア ル ミナ を 軟鋼 板 にプ ラ ズマ ジ ェ ッ ト溶 射 し,そ の 被 膜 面 を 用い た. ビー ドの 外観 と 溶 接 断 面 の マ ク口 組 織 をPhoto.3 (A),(B)お よび(C)に 示 し て あ る,ま た,そ れ ら のX線 透 過 試験 結 果 をPhoto.4(A),(B)お よ び(C) に あ げ て あ る.な お,上 記 の3種 類 の シ ール ドガ ス流 量 に 対 して プ ラ ズマ ア ー ク電 流 を違 え た の は,そ れ ぞれ, ほ ぼ 完 全 な溶 込 みが 得 られ る状 態 で比 較 した い た めで あ Fig.9 Relation offusion between zone cross-sectional and weld area る. input (A)は 以 上 の溶 込 み形 状,溶 融 効率 な ど につ い て の 実験 結 果 シー ル ドガ スを 用 い な い場 合で,前 述 のごと く,深 溶 込 み を 生ず る性 質 を 有 す るので,小 電 流 に よ っ か ら見 れ ば,シ ー ル ドガ スは用 い ない か ある い は 小 流量. て 完 全 溶 込 み が 得 られ てい る.こ の 条件 で は,溶 接 金属 に お さえ る の が有 利で あ る とい え る. 中 に ブ ロー ホ ー ル の 発 生 は見 られ な い が,し か し,ア ン (A) (B) Shielding Shielding (C)Shielding None,Plasma arc current:115amp 10l/min,Plasma arc :201/min,Plasma arc Photo.3 Eftcct current130amp current:155amp of shielding 36 on bead appearance

溶 接 学 会 誌 第40巻(1971)第7号827 こ れ ら か ら,上 流量 に よ(て る.し の 流 量 の 範 囲 で は,い ずれの作動 ガス も良 好 な 溶 接 が 得 ら れ る こ と が 明 ら か で あ た がつ て,以 後,作 動 ガ ス 流 量 を4l/minに 選 ぶ こ と に す る. 5.3溶 接速 度 Photo.6(A),(B)お 20cm/minと よ び(C)は 溶 接 速 度 を10,15, 増 加 させ た 場 合 の 溶 接 部 の 外 観 を 示 した も の で あ る. 溶 接 速 度5cm/minに (C)に よ る 溶 接 は,す 示 し た よ う に,良 接 速 度 を10cm/minと Photo.4X-ray inspection of welds shown in Photo.3 ダ カ ッ トを 生 じ,ま (B)は た,溶 あ る が,時 す る と ビ ー ド外 観 は 良 好 で あ る ン ダ カ ッ トを 生 じ て い る.さ minに 増 加 す る と 深 い ア ン ダ カ ッ ト を 生 じ,ビ で は,5cm/minの した場 合 で にPhoto.3 れ に 比 べ て,溶 が,ア 面 も 次 第 に 粗 く な っ て く る.し 接 が 不 安 定 で あ る. シ ー ル ドガ ス の 流 量 を10l/minに の 結 果 で,ビ 好 で あ る.こ ら に,15,20cm/ た が っ て,本 ー ド表 実験の範囲 溶 接 速 度 が 適 切 の よ う に 思 わ れ る. ー ドの 外 観 な らび に 溶 込 み の 状 態 は 良 好 で 々,溶 接 が不 安 定 に な る.溶 接金属中に プロ ー ホ ル の 発 生 が 少 し見 られ る. (C)は シ ー ル ドガ ス 流 量 が201/minの ー ド外 観,溶 込 み 状 態 と も に 良 好 で,溶 る.し か し,ブ る.こ の 程 度 の 欠 陥 発 生 で は,後 場 合 で,ビ (A)Weld speed:10cm/min,plasma arc current: 155 Amp 接 は 安 定 して い ロ ー ホー ル が 溶 接 金属 中 に 発 生 し て い 述 の ご と く,溶 接 金属 の 引張 強 さお よび 衝 撃 値 に は大 きな 影 響 が 見 られ な か っ (BWald speed:15cm/min,plasma arc た.し た が っ て,水 験 で は,い 中 溶 接 の 安 定 性 を 考 え て,以 ず れ も,201/minの current:180amp 後 の実 シ ー ル ドガ ス を 用 い る こ と に す る. 5.2作 動ガス 本 実 験 で は,終 動 ガ ス の 流 量 を5お 始,作 動 ガ ス にArを よ び61,/minと をPhoto.5(A)と(B)に し,41/minの (C)に 示 し て あ る.こ お,溶 Photo.6 した 場 合 の 溶 接 結 果 流 量 を 用 い た 結 果 は,す お げ て あ る.な (C)Weld 用 い て い る.作 speed:20cm/min,plasma arc Effect of welding current:220amp speed on bead appearance れ らに対 で に,Photo.1 接 速 度 は5cm/minと 5.4裏 し 当 材 裏 当 材 と し て 銅 板 を 用 い る と,裏 た. 少,不 arc 定 安 に な り,Photo.7(A)に (A)Flow rate51/min,plasma (B)Flow Photo.5 rate:61/min,plasma arc current:160amp Effect of flow rate of plasma on bead appearance 37 current:165amp ビ ー ドの 形 成 は,多 見 ら れ る よ う に,

628論 蓮井,猪 又:水 平 にお け るプ ラ ズマ溶 接 文 (A) Copper (A) Shielding (B) : 10 1/min Alumina Photo.7 Effect of backing appearance material of reverse on bead (B)Shielding 201/min Photo.8 Bead appearance in filletlap welding 不 連続 な も の にな り易 い. こ れ に対 し,軟 鋼 板 にア ル ミナ を プ ラズ マ ジ ェ ッ ト溶 溶 接継 手 用 試 験 片 は 巾16mm,長 射 し,そ の被 膜 面 を裏 当材 と し て 用 い る と,Photo.7 (B)の ご と く,定 安 して 連 続 ビー ドが 得 られ る.こ に 用 い た 被膜 の厚 さ は約0.5mmで さ100mmの 平行 部 を 有 し,溶 接 部 が そ の 中 央 に 位 置す る よ う に し て あ る.試 験 結 果 は,Table こ 3の 左 欄 に示 す ご と く,い ず れ の 条 件 に よ る溶 接 継 手 で も,母 材で 破 断 が 生 じ,継 手 は あ る. 十 分 な 強 さ を有 して い る こ とを 示 して い る. 6.溶 接 と溶 接 部 の 試 験 結 果 さ らに,Table 象 に つ い て の 予 備実 験(T)と(皿)の て,厚 さ6mmの 張 試 験 を行 な った.結 果 は,Table 結果 を綜合 し 溶 接 構 造 用 鋼 の 水 中 溶 接 条 件 と して 伸 び も じ ゅう分 で あ る. 隅 肉 重 ね溶 接 の溶 接 条 件 の Photo.9は 引張 破 断 した 試 験 片 を示 した も ので あ る. 隅 肉 重 ね溶 接 に お い て も亦,突 合 せ 溶 接 と同 程 度 の 例 で あ る.隅 肉溶 接 で は,裏 当材 は 用い て いな い. 突 合 せ 溶 接 で は,予 備 実 験 のPhoto.3(C)に 3の 右欄 に あげ た よ うに,い ず れ の 溶 接 金 属 も母 材 以 上 の 強 さを 有 し,破 断 Table 2に 示 す も の が求 め られた.表 の 中 で 溶 接 番 号1 4は 突 合 せ 溶 接,5と6は 3の 下 に示 して あ るよ うな120 の切 欠 きを溶 接 金属 部 に 入 れ た 試験 片 を用 い て,溶 接 金 属 の 引 水 中 に お け る プ ラ ズマ ア ー クの 特 性 な ら び に 溶 接 現 十分 な 強 さが 得 られ た.Photo.10は 示 した 隅 肉溶 接 試験 片 の3 よ うな良 好 な溶 接 が 得 られ る.Photo.8(A)と(B)は 形 式 の 破 断 状 態 を示 した も ので,こ れ らの 形 式 の うち, 番 号5と6の い ず れ の 破 断が 生ず る か は溶 接 金 属 の 形 状 に よ って支 配 溶 接 条 件 に よ る隅 肉 溶 接 部 の 外観 と 断面 を され る. 示 した もので,満 足 な溶 接 が 得 られ る こ と を 示 し て い 6.2溶 る. に おい てTable 4に 示 す 衝 撃 値 が 得 られた.こ れ に用 い た 試験 片 の形 状 は,Table た. 6.1溶 接金 属 の衝 撃 試 験 試験 温 度15 本 実 験で は,い ず れ も,溶 加 材 を 用 い な い で 溶 接 し 添 記 して あ る よ うに,溶 接 金 属 の 中心 部 に 深 さ0.5mm 接部 の引 張 試 験 のVノ Table 2に 示 した 溶 接 条 件 に よ る溶 接 継 手 お よ び 溶 接 Table No.1-4 are Note:Operating 2 Examples for butt condition Current:100 Flow used welding of plasma and Amp for weld No.1-4 for weld No. of plasma Torch-to-base : Ar spacing of underwater No.5-6 for jet 150 Amp rate ッチ(先 端 の半 径:0.25mm)を る.な お,こ の 試 験 片 作 成 に はTable 金属 に つい て 引張 試験 を行 な った. * Weld 4の 下 に 5-6 41/min :6 mm 38 welding fillat lap conditions welding. 入 れ た もので あ 2に 示 した溶 接

æ40šª(1971) æ7 6 29 Table Note : * Elongation ** Dimension of base is 9.8%. of specimen weld 3 Mechanical properties of welds Table Note (A) Specimen in conformity 4 Results of Charpy : Specimens are made under 3 shown in Table 2 Test temperature : 15 C impact tests condition 靱性 は 後者 よ り高 い こ とが 知 られ た.な お,括 弧 の 中 に to JIS Z 2201 示 した 数 字 は数 箇 の試 験 片に よ って 得 られ た 測定 値 の最 大 値 と最 小 値で あ る. Photo.11は 衝 撃 破 壊 後 の試 験 片 で,水 中溶 接 に よ る も の の破 面 で は脆 性 破 壊 の様 相 は殆 ん ど認 め られ ない. (B) Notched specimen Photo. 9 Tensile test of welds Photo. 6.3 (A) Welded (B) Base 11 specimen V-notch Charpy impact test 溶 接部 の 組 織 Photo.12はTable 2に示 した 溶 接 番 号3の 条 件 に よ る 水 中 溶 接 部 に見 られ る溶 接 金 属,溶 接 金 属 と母材 境 界 部, Photo. 10 Fracture 熱 影 響 部 お よび 母 材 の顕 微鏡 組 織 を 示 した もの で あ る. modes of fillet weld 溶 接 金 属(A)は,主 番 号3の 条 件 を 用 い た. て い る.境 界(B)の 水 中 溶 接 に よ る溶 接 金 属 の シヤ ル ピー衝 撃 値 の平 均 は 8,2kg-m/cm2,母 材 の そ れ は7.1kg-m/cm2で,前 と して,ベ イ ナ イ トとパ ー ラ イ トか ら成 り,柱 状 を な した 粒 界 に フ ェ ライ トが 形成 さ れ 母 材 部 で は,粗 大な フ ェラ イ ト網 目構造 を 生 じ,粒 内に は マ ル テ ンサ イ トと ベ イナ イ トが 者の 39

630論 文 蓮 井,猪 又:水 平 にお け るプ ラ ズマ溶 接 (A)Weld 1.8mm'distance from bond (E)At 2.8mm'distance from bond (B)Bond (D)At (C)At 1.2mm'distance from bond (F)Base Photo.12Micro-s1rしtctures 認 め られ る.熱 影 響 部 で境 界 か ら1.2mm離 of weld and basc meta1( 120) プ ラズ マ ア ー ク(こ こで は,プ れた部分 ラズ マ ジ ェ ッ トを プ ラ か くな ズマ ア ー クに 併 用 す る,い わ ゆ る半 移 行 形 プ ラ ズマ ジ ェ るが,粒 界 に 沿 って パ ー ラ イ トが 生 じ,粒 内 は マル テ ン ッ ト)に よ る水 中 溶 接 は 容 易 に定 安 して行 な われ,溶 接 サ イ トと少 量 の ベ イナ イ トか ら成 って い る.1.8mm離 金 属 中 に 多少 の プ ロ ー ホー ル を 発 生 す るが,そ れ た 部 分(D)で は 引 張 強 さ お よ び 切欠 き靱 性 に 良 好 な性 質 を有 す る こ と (C)で は,フ ェ ライ トの 網 目構造 は,幾 は,さ 分,細 らに 組 織 は 細 か くな り,フ ェ ラ イ トの網 目 構 造 の 中 は パ ー ライ トとな って い る.さ に,境 界 か ら2.8mm離 れ た 熱影 響 部(E)で ら が 明 らか に された.し た が って,こ の方 法 は実 用 さ れ う る もの と確 認 され た は,微 細 粒 フ ェ ラ イ トとパ ー ラ イ トを 生 じ,こ れ に 続 い て,フ の溶 接 部 た だ,本 報 に お い て設 定 した 溶 接 条 件 は 適 切 な もの で ェ ラ イ トと 粒 状 パ ー ラ イ トか ら成 る組 織 が 観 察 され る.母 あ る と は考 え られ るが,最 適 条 件 で あ るか ど うか に つ い 材(F)は て は,さ らに,検 討 を 要 す る.し たが って,今 フ ェ ラ イ トと パ ー ラ イ トが 均 一 な 分 布 を す る 通 常 の 組 織 を 示 して い る. 後,水 中 に お け る溶 接 現 象 に つい て 十分 の 考慮 を 払 い つ つ溶 接 条 件 と施 工 法 を 追 求 した い と.考え て い る.こ れ に 関 連 して 7.結 語 問題 と な る主 な もの は 次 の よ うに な る. プ ラズ マ ア ー クは 湿 式 の 水 中 溶接 に 対す る好 適 な 熱 源 (1)水 深 を さ らに大 に して の 溶接 実 験,す なわ ち, と 考え られ た ので,そ れ に よ る水 中 溶接 の 可 能性 に つい 高 圧 水 中で の プ ラズ マア ー ク現 象 と溶接 現 象 な らび に そ て 検 討 を 加 えた. の 結 果. (2)海 水 中 に お け る溶 接 現 象. 水 中溶 接 実 験 に と って極 く初 歩 の段 階 の 状 態 を採つ た. (3)種 々の構 造 用 鋼 そ の他 の水 中 溶 接性 の 試験. 母 材 に は厚 さ6mmの (4)溶 加 材 の 供 給方 法 と溶 加 材の 材 質. 溶 接 雰 囲 気 と して は,水 道 水中,水 深20cmと 溶 接 構造 用鋼SM41材 いう を 用 い, 最 後に,本 実験 に 熱心 に 協 力 され た 慶 大 工 学 部 の 菅 泰 突 合 せ 溶 接 と隅 肉 重 ね 溶 接 を行 な った. 40