圧力容器の製造において、シリンダの縦溶接部をサブマージアーク溶接で溶接する場合、縦溶接部の端部またはその近傍に亀裂（以下、端末亀裂という）が発生することが多い。
これについては多くの人が研究しており、端末割れの主な原因は、溶接アークが縦方向溶接部の端部に近づくと、溶接部が軸方向に膨張して変形し、縦軸方向の横方向の張力を伴う開放変形であると考えられています。
圧延、製造、組み立てのプロセスでは、シリンダーにも冷間加工硬化応力と組み立て応力が発生します。溶接プロセスでは、端子位置決め溶接とアークストライクプレートの拘束により、溶接端に大きな伸び応力が発生します。
アークが端子位置決め溶接部とアークストライクプレートに移動すると、この部分の熱膨張と変形により、溶接端部の横方向引張応力が緩和され、拘束力が減少するため、溶接端部で凝固したばかりの溶接金属に大きな引張応力が加わり、端子割れが発生します。
上記の理由の分析に基づいて、2 つの解決策が提案されます。
1 つは、アーク ストライク プレートの幅を広げて結合力を高めることです。
2 つ目は、スロット付き弾性拘束アーク始動プレートを使用することです。
しかし、実際に上記の対策を講じた結果、問題は効果的に解決されていません。
例えば、弾性拘束アーク点火プレートを使用していても、縦溶接部の端末割れは依然として発生し、溶接厚さが薄く、剛性が小さく、シリンダー本体を無理に組み立てると、端末割れがよく発生します。
しかし、円筒の縦溶接部の延長部に製品試験板がある場合、仮付け溶接の状況は製品試験板がない場合と同じであるにもかかわらず、縦継ぎ目が発生して端末割れが発生することはほとんどありません。
繰り返しのテストと分析の結果、縦方向のシーム端子亀裂の発生は、端子溶接部での避けられない大きな引張応力だけでなく、他のいくつかの極めて重要な理由にも関連していることがわかりました。
1. 端子割れの原因分析
1. 端子溶接部の温度場の変化
アーク溶接では、溶接熱源が縦方向の溶接端部に近づくと、溶接端部の通常の温度場が変化し、端部に近づくほど変化が大きくなります。
アークパイロットプレートのサイズはシリンダーのサイズよりもはるかに小さいため、その熱容量もはるかに小さく、アークパイロットプレートとシリンダーはタック溶接のみで接続されているため、そのほとんどは不連続と見なすことができます。
そのため、端子溶接部の伝熱状態が非常に悪く、部品の局所温度が上昇し、溶融池の形状が変化し、溶け込み深さも増加し、溶融池が高温に留まる時間も長くなります。特に、アーク点火プレートのサイズが小さすぎたり、アーク点火プレートとシリンダー間の仮付け溶接が短すぎたり薄すぎたりすると、溶融池の凝固速度が低下します。
2.溶接入熱の影響
サブマージアーク溶接で使用される溶接入熱は、他の溶接方法よりもはるかに大きい場合が多く、溶け込み深さが大きく、堆積金属の量が多く、フラックス層で覆われているため、溶融池が大きく、溶融池の凝固速度が遅くなります。また、溶接部の冷却速度が他の溶接方法よりも遅く、結晶粒が粗くなり、偏析がより深刻になり、高温割れの発生に非常に有利な条件が生まれます。
さらに、溶接継ぎ目の横方向の収縮はギャップの開口部よりもはるかに小さいため、端末部分の横方向の引張力は他の溶接方法よりも大きくなります。これは、特にベベル付き中板とベベルなしの薄板に当てはまります。
3. その他の状況
無理に組み立てると、組み立て品質が要求を満たさなくなり、母材中のSやPなどの不純物含有量が高くなりすぎて偏析し、これも割れの原因になります。
2: 末端亀裂の性質
端子割れは性質上、高温割れに属し、高温割れは発生段階により結晶割れと亜固体割れに分けられます。端子割れが発生する部位は端子の場合もあれば、端子の周囲から150mm以内の場合もあり、表面割れの場合もあれば内部割れの場合もあり、端子の周囲の内部割れである場合がほとんどです。
端子割れの性質は基本的にサブソリッド割れであることがわかります。つまり、溶接端子がまだ液体状態にあるとき、端子近くの溶融池は凝固していますが、まだ固相線よりわずかに低い高温にあります。ゼロ強度状態では、端子での複雑な溶接応力（主に引張応力）の作用により亀裂が発生します。
溶接部の表面近くの表層は放熱しやすく、温度も比較的低く、一定の強度と優れた可塑性を備えているため、端子割れは溶接部の内部に存在することが多く、肉眼では検出できません。
3. 端子割れ防止対策
上記の端子割れの原因分析から、サブマージアーク溶接の縦継ぎ目の端子割れを克服するための最も重要な対策は次の通りであることがわかります。
1.アークパイロットプレートのサイズを適切に大きくする
アーク ストライク プレートの重要性を十分に理解していない人は多く、アーク ストライク プレートの機能はアークが閉じるときにアーク クレーターを溶接部の外側に導くことだけだと考えています。鋼材を節約するために、アーク パイロット プレートを非常に小さくして、まさに「アーク パイロット プレート」にする人もいます。これらの方法は、非常に間違っています。アーク点火プレートには、次の 4 つの機能があります。
（１）アーク放電時の溶接破断部とアーク放電終了時のアーククレーターを溶接部の外側に導く。
（２）縦継ぎ目の端末部の拘束を強化し、端末部で発生する大きな引張応力に耐える。
（３）端子部の温度場を改善し、熱伝導を促進し、端子部の温度が高くなりすぎないようにする。
（４）端末部の磁場分布を改善し、磁気偏向の程度を低減する。
上記の4つの目的を達成するには、アークストライクプレートは十分な大きさを持つ必要があり、厚さは溶接部と同じである必要があります。サイズは、溶接部のサイズと鋼板の厚さによって決定する必要があります。一般的な圧力容器の場合、長さと幅は140mm未満にしないことが推奨されます。
2.アーク点火プレートの組み立てと仮付け溶接に注意する
アークパイロットプレートとシリンダー間の仮付け溶接は、十分な長さと厚さが必要です。一般的に、仮付け溶接の長さと厚さは、アークパイロットプレートの幅と厚さの80％以上でなければならず、連続溶接が必要です。単に「スポット」溶接することはできません。縦継ぎ目の両側では、中厚板に十分な溶接厚さを確保し、必要に応じて一定の溝を開ける必要があります。
3. シリンダーの端子部分の仮付け溶接に注意する
円筒を丸めた後、仮付け溶接を行う際に縦継ぎ目端部の拘束力をさらに高めるために、縦継ぎ目端部の仮付け溶接部の長さは100mm以上、溶接部の厚さは十分で、亀裂、融合不足などの欠陥があってはなりません。
4.溶接入熱を厳密に制御する
圧力容器の溶接工程では、溶接入熱を厳密に制御する必要があります。これは、溶接継手の機械的特性を確保するだけでなく、亀裂の発生を防ぐ上でも非常に重要な役割を果たします。サブマージアーク溶接の溶接電流の大きさは、温度場と溶接入熱量に直接関係しているため、端子亀裂の感受性に大きな影響を与えます。
5.溶融池の形状と溶接継目形成係数を厳密に制御する
サブマージアーク溶接の溶融池の形状と形成係数は溶接割れの感受性と密接に関係しているため、溶融池のサイズ、形状、形成係数も厳密に管理する必要があります。
4. 結論
サブマージアーク溶接を使用してシリンダーの縦継ぎ目を溶接すると、縦継ぎ目の端末割れが発生することが非常に一般的であり、長年にわたり十分に解決されていません。テストと分析を通じて、サブマージアーク溶接の縦継ぎ目の端末割れの主な原因は、この部分での大きな引張応力と特殊な温度場によるものであり、この2つの複合効果の結果です。
実践により、アーク点火プレートのサイズを適切に大きくし、仮付け溶接の品質管理を強化し、溶接入熱量と溶接部の形状を厳密に制御するなどの対策により、サブマージアーク溶接における端子割れの発生を効果的に防止できることが証明されています。
