API X65鋼とインコネル625のクラッドパイプでの軌道摩擦撹拌接合の実現可能性

Mar 25, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10669 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 7 月 24 日に公開されました

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軌道摩擦撹拌溶接 (FSW) はクラッドパイプに適用されており、これは石油およびガス産業にとって確かに興味深いものです。 これに関連して、工具を完全に貫通させて 1 回のパスで健全な接合を実行できる FSW システムが開発されました。 Orbital FSW は、多結晶立方晶窒化ホウ素 (pcBN) ツールを使用して、厚さ 3 mm のインコネル 625 を備えた厚さ 6 mm の API X65 PSL2 鋼クラッド パイプ内で実行されました。 接合部の冶金的および機械的特性が調査されました。 軸力 45 ～ 50 kN、ツール回転速度 400 ～ 500 rpm、溶接速度 2 mm/s の健全な接合が得られ、開発したシステムが体積欠陥なしで FSW 接合を実行できることが示されました。

石油・ガス産業の主な課題は、塩分や H2S や CO2 などのガスが存在する攻撃的な環境となる深井戸および超深井戸の探査に関連しています。 これに関連して、耐食合金（CRA）で被覆された炭素鋼パイプの使用は、低い製造コストで設計要件を満たす適切な選択肢であることが証明されています1、2、3。 しかし、石油・ガス業界で現在使用されている溶融ベースの溶接などのパイプライン溶接は、多くの場合高温を伴い、異なる接合部（クラッドパイプなど）により冶金学的問題が発生する可能性があり、その結果凝固亀裂や接合部の硬い微細構造が発生する可能性があります。界面、高い引張残留応力、過剰な炭素拡散により、接合部の性能が損なわれる可能性があります4,5。

固体接合プロセスである軌道摩擦撹拌溶接 (FSW) は、より低い温度とより短い処理時間で実行されるため、溶融ベースの溶接に通常見られる課題を最小限に抑える可能性のある適切な代替手段として認識されています。エネルギー入力を削減することで、上記の問題のほとんどを回避（または最小限に抑える）6、7。 FSW は、接合される材料と非消耗性の回転ツールとの間に生成される摩擦エネルギーを使用します。 軌道 FSW では 2 つのアプローチが使用されます。1 つ目では、回転ツールが静止したままパイプが回転します。 2 つ目では、パイプは静止したままツールヘッド全体が回転します8。 従来の FSW と同様に、溶接経路に沿って激しい塑性変形と材料の流れが発生します。 つまり、材料は工具の前部から後縁まで輸送され、その後鍛造されて接合部が形成されます9、10、11。

FSW はさまざまな材料のシートにうまく適用されていますが、軌道 FSW にはクランプ装置に関連した問題があるため、克服すべき課題が伴います 8,12。 複雑な円形の接合部に対する FSW の課題は、Senthil らによって最近検討されました 8。そこでは、クランプ システムが溶接プロセス自体にとって最も重要な要素の 1 つでした。 たとえば、FSW 中に大きな力がかかるため、パイプの内部サポートが必要になります。 パイプを溶接する場合のもう 1 つの違いは、接合される部品とツールの接触です。たとえば、パイプの直径によっては、パイプの曲率によりツールの肩部とワークピースの接触が不完全になり、溶接に影響を与えます。材料の流れと発熱12、13。 Senthil et al.8 はまた、工業用パイプ接合に FSW を検討する前に、クランプ システムの影響を深く理解することが不可欠であると指摘しました。

全体として、健全な接合部を実現するためにさまざまなアプローチを使用してパイプライン鋼の軌道 FSW について実施された研究はわずか数件のみです。 Fengら14は、API X65鋼の軌道FSW溶接を研究し、特別に設計されたポータブルFSWシステムを使用して健全な溶接が得られました。 接合部は母材（BM）に比べて機械的強度が若干高く、耐衝撃性に優れていました。 Giorjao ら 15 は、厚さ 8 mm の超二相ステンレス鋼パイプ内で、力制御モードおよび全工具貫通で軌道 FSW を実行しました。 硬度および引張試験では、撹拌ゾーン (SZ) での硬度の増加と BM での破損が示されました。 ただし、クラッドパイプ内の軌道 FSW は希少ですが、産業用途には確実に必要です。