CN103974797A - 背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物 - Google Patents

背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物。本发明所涉及的背面保护焊接方法中，以在抵接的2个焊接母材(2、3)之间形成连通该焊接母材(2、3)的表面侧和背面侧，且沿着焊缝的形成方向延伸的狭缝状气体供给开口部(17)的方式，在2个焊接母材(2、3)的抵接缘部(15、16)形成缺口部(21、22)，接着，使焊接母材(2、3)的抵接缘部(15、16)彼此抵接并临时固定，由此通过缺口部(21、22)形成气体供给开口部(17)，之后从气体供给开口部(17)供给惰性气体，并且形成焊缝，通过该焊缝封闭气体供给开口部(17)。

Description

背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物
技术领域
本发明涉及一种背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物，其使2个焊接母材抵接，向这2个焊接母材的背面侧供给惰性气体，并且以从所述焊接母材的表面侧熔化背面侧的方式形成焊缝来进行焊接。
背景技术
如蒸气涡轮转子那样，焊接多个部件来组装的产品中，为了提高其焊接强度，进行使焊缝熔化至焊接母材的背面侧的所谓熔透焊接。此时，从焊接接合部的表面侧与背面侧供给氩或氦等惰性气体来与空气置换并进行焊接，使焊缝不与空气中的氧接触来阻止焊接缺陷的产生或焊缝的氧化引起的接头性能的降低。如此，将向焊接接合部的背侧供给惰性气体的同时进行焊接的方式称为背面保护焊接。
蒸气涡轮转子中，例如如专利文献1，当为在焊接部附近设置有检查孔的结构时，能够利用该检查孔实施背面保护焊接，但是在没有检查孔的蒸气涡轮转子中，由于成为焊接母材的背面侧的空心部被密封，因此无法直接进行背面保护焊接。因此，采用如下施工方法，即使焊接母材的抵接缘部彼此对接并进行临时固定之后，在该对接部穿设圆孔状气体供给孔，对该气体供给孔插入管道来注入惰性气体的同时进行焊接，最终通过焊缝封闭气体供给孔。
并且，例如专利文献2中，公开有如下焊接方法，即在很难进行背面保护焊接的结构物中，为了无背面保护地实施焊接，预先在焊接母材的抵接缘部形成覆盖焊接接合部的背侧的底衬部，并以不会使该底衬部熔融的方式进行焊接。
专利文献3中，公开有如下焊接方法，即通过调整焊接母材的成分，设为不进行背面保护也不会在焊缝产生过量氧化，从而防止焊接接合部中产生缺陷。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3999402号公报
专利文献2：日本专利公开2010-31812号公报
专利文献3：日本专利公开2008-137042号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
如前述，从穿设于焊接母材的抵接缘部彼此的对接部的圆孔状气体供给孔注入惰性气体的焊接方法中，若不使气体供给孔的直径大至一定程度，则在惰性气体与空气的置换上花费时间。与此相反，若气体供给孔的直径相对于作为焊接母材的抵接缘部的坡口突端部的宽度变大，在此由于坡口突端部的截面形状骤变，焊接施加到气体供给孔时热在气体供给孔周围堆积，存在坡口突端部熔化而产生焊接不良的忧虑。另外，即使坡口突端部不熔化，在气体供给孔的某些位置存在焊缝宽度变宽的倾向，如此，焊缝的宽度变得不均匀的现象导致焊接质量的下降。
而且，焊接母材的厚度较大时，距焊接母材的表面侧深处的位置存在坡口突端部，在该位置穿孔气体供给孔时需要较长钻刀，开孔时钻刀易抖动，因此存在很难正确地开孔的问题。
并且，专利文献2中公开的焊接方法中，必须将覆盖焊接接合部的背侧的底衬部形成于焊接母材的抵接缘部，因为以该底衬部不会熔融的方式进行焊接，在该部分的焊接后的截面中底衬部残留成狭缝状，存在产生应力集中的忧虑。
并且，专利文献3中公开的焊接方法中，为了能够无背面保护地进行焊接而调整母材的成分，因此母材的成分范围受限，与利用不进行该成分调整的焊接母材进行背面保护的情况相比，产生焊接母材与焊缝向实质性强度的妥协。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种背面保护焊接方法及利用该方法的焊接结构物，其在很难进行背面保护的焊接结构物中，不会引起焊接缺陷的产生或接头性能的降低就能够从焊接接合部的表面侧向背面侧供给惰性气体来轻松地进行背面保护，从而提高焊接质量。
用于解决技术课题的手段
为了实现上述目的，本发明提供以下机构。
本发明所涉及的背面保护焊接方法的第1方式为如下背面保护焊接方法，其使2个焊接母材抵接，向这2个焊接母材的背面侧供给惰性气体，并且以从所述焊接母材的表面侧熔化至背面侧的方式形成焊缝来进行焊接，所述背面保护焊接方法中，以在所抵接的2个所述焊接母材的接缝形成连通该焊接母材的表面侧和背面侧，且沿着所述焊缝的形成方向延伸的狭缝状气体供给开口部的方式，在2个所述焊接母材的至少一个抵接缘部形成缺口部，接着，使所述焊接母材的抵接缘部彼此抵接并临时固定，由此通过所述缺口部形成所述气体供给开口部，之后从所述气体供给开口部供给所述惰性气体，并且形成所述焊缝，通过该焊缝封闭所述气体供给开口部。
根据上述背面保护焊接方法，在很难进行背面保护的焊接结构物中，经由形成为狭缝状的气体供给开口部从焊接母材的表面侧向背面侧供给惰性气体，并且进行背面保护焊接，不会因为焊缝的氧化而降低焊接接头特性就能够轻松地进行背面保护焊接。
气体供给开口部形成为沿着焊缝的形成方向延伸的狭缝状，因此与以往的设置圆孔状气体供给孔的情况相比，能够将其开口面积设为同等以上且使其宽度非常狭窄。因此，即使在形成有气体供给开口部的部分，焊接母材的坡口突端部的截面形状也不会骤变，避免对气体供给开口部进行焊接时热在气体供给开口部周围堆积的现象，能够避免坡口突端部如以往那样熔化。
而且，通过焊缝对形成为狭缝状的气体供给开口部进行封闭时，由于气体供给开口部的宽度比以往的圆孔状气体供给孔更窄，因此能够轻松地将其封闭。因此，无论是存在气体供给开口部的部分还是不存在气体供给开口部的部分，都能够均匀地形成焊缝，能够提高焊接质量。
并且，本发明所涉及的背面保护焊接方法的第2方式为，在所述第1方式中，所述缺口部可仅形成于2个所述焊接母材的一个所述抵接缘部。
如上述，若仅在一个抵接缘部形成缺口部，则缺口部的加工深度会成倍，但是无需在另一个抵接缘部加工缺口部，因此焊接母材的前期加工变轻松。
而且，在双方的抵接缘部形成缺口部并使它们对接时，双方的缺口部的位置偏离时，气体供给开口部的开口面积减少与偏离相应的量，若缺口部仅形成于一个抵接缘部，则不会产生缺口部的位置偏离，不存在气体供给开口部的开口面积减少的忧虑。而且，能够节省对准缺口部的位置的麻烦。
并且，本发明所涉及的背面保护焊接方法的第3方式为，在所述第1或第2方式中，可以是如下结构，即通过扁平的气体供给管进行所述惰性气体的供给，且所述气体供给开口部的宽度尺寸及长度尺寸为能够插通所述气体供给管的所需的最小限度的尺寸。
如此，通过扁平的气体供给管进行惰性气体的供给，且将气体供给开口部的尺寸设为能够插通扁平的气体供给管的所需的最小限度的尺寸时，与圆孔状气体供给孔相比，不会降低惰性气体的供给流量就能够尽可能缩小气体供给开口部的开口面积(宽度)。由此，能够进一步有效地防止对气体供给开口部进行焊接时热在气体供给开口部周围堆积的现象引起的坡口突端部的熔化。而且，由于气体供给开口部的宽度较窄，基于焊缝的封闭变轻松，能够均匀地形成焊缝来提高焊接质量。
并且，本发明的第4方式所涉及的焊接结构物利用所述第1至第3中的任一方式的背面保护焊接方法制造。
上述焊接结构物在完全进行背面保护的状态下实施焊接来制造，因此不存在焊接缺陷或接头部分的性能降低，能够作为优质焊接结构物来提供。
发明效果
如上，根据本发明所涉及的背面保护焊接方法，在很难进行背面保护的焊接结构物中，不会导致焊接接合部的缺陷就能够从焊接接合部的表面侧向背面侧供给惰性气体来轻松地进行背面保护，从而提高焊接质量。
并且，本发明所涉及的焊接结构物为利用上述背面保护焊接方法在完全进行背面保护的状态下实施焊接的结构物，因此不存在焊接缺陷或接头部分的性能降低，能够作为优质焊接结构物来提供。
附图说明
图1是表示能够适用本发明所涉及的背面保护焊接方法的焊接结构物的一例的蒸气涡轮转子的纵剖视图。
图2是放大表示图1的II部的焊接前的焊接接合部的纵剖视图。
图3是通过图2的III向视表示本发明的第1实施方式的焊接前的焊接接合部的表面侧的主视图。
图4是表示从气体供给开口部供给惰性气体的状态的焊接接合部的纵剖视图。
图5是表示焊接坡口部期间的状态的焊接接合部的纵剖视图。
图6是表示完成坡口部的焊接而形成有焊缝的焊接接合部的纵剖视图。
图7是基于图6的VII向视的焊接接合部的背面侧的主视图。
图8是表示已完成正式焊接的焊接接合部的纵剖视图。
图9是表示形成狭缝状气体供给开口部的缺口部的对位产生偏离的状态的焊接接合部的主视图。
图10是表示形成圆孔状气体供给孔的缺口部的对位产生偏离的状态的焊接接合部的主视图。
图11是表示本发明的第2实施方式的焊接前的焊接接合部的主视图。
图12是表示本发明的第3实施方式的焊接前的焊接接合部的纵剖视图。
具体实施方式
以下，参考图1～图12，对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示能够适用本发明所涉及的背面保护焊接方法的焊接结构物的一例的蒸气涡轮转子的纵剖视图。蒸气涡轮转子大型且为高重量，很难形成为一体，因此通常采用向轴向以同心状配置多个转子轮盘，并焊接各转子轮盘来一体化的结构。该蒸气涡轮转子1例如为如下结构，即向轴向配置3个转子轮盘2、3、4(焊接母材)，在2个焊接接合部5以高强度焊接这些转子轮盘2、3、4来一体化。
蒸气涡轮转子1的内部形成有用于减轻重量的孔(空心部)7。该孔7通过分别形成于各转子轮盘2、3、4的端面的凹部的对接来保持为密封空间状。焊接接合部5中，为了提高其焊接强度，进行使焊缝8(还参考图6)从焊接母材即转子轮盘2、3、4的表面侧熔化至背面侧的熔透焊接。此时，从焊接接合部5的表面侧及背面侧供给氩或氦等惰性气体来与空气置换的同时进行焊接，使焊缝8不与空气中的氧接触来阻止焊接缺陷的产生和氧化引起的接头特性的降低。
[第1实施方式]
以下，对本发明所涉及的背面保护焊接方法的第1实施方式进行说明。
图2是放大表示图1的II部的焊接前的焊接接合部5的纵剖视图。并且，图3是通过图2的III向视表示本发明的第1实施方式的焊接前的焊接接合部5的主视图。焊接前的焊接接合部5的截面形状呈所谓的U形坡口形状，即在对接的转子轮盘2、3(或3、4)的抵接缘部15、16(参考图3)分别形成有大致J字状的半槽10、11，这些半槽10、11彼此对接而形成U字槽12。在此，将U字槽12的底部称为坡口突端部13。
为了向焊接接合部5的背面侧供给惰性气体，需向密封的孔7内部注入惰性气体。为此，使各转子轮盘2、3的抵接缘部15、16(坡口突端部13的端面)彼此对接并临时固定之后，在如下所述那样形成于该接缝的气体供给开口部17插通如图4所示的气体供给管19并注入惰性气体，将孔7内部的空气置换为惰性气体。
如图3所示，气体供给开口部17通过使双方的抵接缘部15、16对接并临时固定来形成，以便预先通过切片加工等形成的缺口部21、22与对接的双方的抵接缘部15、16相互对接。该气体供给开口部17形成为连通转子轮盘2、3的表面侧(外部)与背面侧(孔7的空间)，且向沿着焊缝8的形成方向即坡口突端部13的长边方向的方向延伸的狭缝状。另外，气体供给开口部17在1个焊接接合部5的周向上以等间隔设置2～4处。并且，如后述，该气体供给开口部17还作为用于向外部排出供给至孔7内部的惰性气体的剩余量的气体放出开口部发挥作用。
如图4所示，优选将插入到该狭缝状气体供给开口部17的气体供给管19设为扁平管。这样一来，即使气体供给开口部17的宽度较窄也能够增多从该处供给的惰性气体G的供给流量，并能够缩短将孔7内部的空气置换为惰性气体的时间。而且，优选将气体供给开口部17的宽度尺寸及长度尺寸设为能够插通气体供给管19的所需的最小限度的尺寸。气体供给开口部17的尺寸例如能够例示为宽度为1～2毫米左右，长度为数十毫米左右。
而且，如图5所示，通过焊枪23进行放电焊接(主要为Tig焊接)，如图6所示，形成焊缝8。焊缝8形成为从焊接母材(转子轮盘2、3)的表面侧熔化至背面侧。此时，通过未图示的气体供给机构从焊接接合部5的表面侧向U字槽12的内部供给惰性气体，并且如前述，经气体供给开口部17向焊接接合部5的背面侧也供给惰性气体，因此焊接期间焊缝8完全从空气隔离(截断)，防止与氧接触引起的氧化，从而阻止焊接缺陷的产生或接头特性的降低。
关于在1个焊接接合部5的周向上以等间隔设置2～4处的气体供给开口部17，在从其中1个气体供给开口部17供给惰性气体期间，从其他气体供给开口部17与孔7内部的空气一同排出剩余的惰性气体，由此孔7内部的空气完全置换为惰性气体。
如上述，在形成焊缝8的同时通过该焊缝8依次封闭气体供给开口部17。由于气体供给开口部17为宽度较窄的狭缝状，因此能够通过焊缝8轻松地进行封闭，并且如图7所示，从焊接接合部5的背面侧观察时也能够均匀地形成焊缝8的宽度。
之后，如图8所示，向U字槽12的内容熔化焊接材料25的同时进行正式焊接，向U字槽12的内部填充焊接材料25。正在进行该正式焊接的时候，也从焊接接合部5的表面侧供给惰性气体，因此焊缝8和焊接材料25不会氧化。
在一个焊接接合部5的周向上以等间隔设置2～4处的气体供给开口部17通过焊接依次被封闭，当最后的气体供给开口部17被封闭时，孔7以其内部填充有惰性气体的状态被密封。因此，在孔7内部不会残留空气，防止空气中的水分或杂质等引起的转子轮盘2、3、4的内部腐蚀。
如上，本实施方式所涉及的背面保护焊接方法中，在焊接接合部5(坡口突端部13)的接缝形成沿着焊缝8的形成方向延伸的狭缝状气体供给开口部17，从此处向焊接接合部5的背面侧供给惰性气体的同时进行焊接。
因此，与以往设置圆孔状气体供给孔的情况相比，能够将气体供给开口部17的开口面积设为同等以上且使其宽度非常狭窄，气体供给开口部17的位置中的坡口突端部13的宽度变宽相应量，防止该位置中的坡口突端部13的截面形状骤变。
因此，对气体供给开口部17的位置进行焊接时，热容易向气体供给开口部17周围的区域A(参考图5)散失，因此能够防止发生热在气体供给开口部17附近堆积而坡口突端部13熔化之类的焊接不良。
而且，通过焊缝8封闭形成为狭缝状的气体供给开口部17时，由于气体供给开口部17的宽度与以往的圆孔状的气体供给孔相比非常窄，因此能够轻松地将其封闭。因此，无论是存在气体供给开口部17的部分还是没有气体供给开口部的部分，都能够均匀地形成焊缝8，并能够提高焊接质量。
并且，通过扁平的气体供给管19进行惰性气体的供给，将气体供给开口部17的宽度尺寸及长度尺寸设为能够插通该气体供给管19的所需的最小限度的尺寸，因此与圆孔状的气体供给孔相比，不会降低惰性气体的供给流量就能够尽可能缩小气体供给开口部17的开口面积(宽度)。
由此，能够进一步有效地防止对气体供给开口部17进行焊接时热在气体供给开口部17的周围堆积而引起的坡口突端部13的熔化。而且，由于气体供给开口部17的宽度较窄，因此基于焊缝8的封闭变得更轻松，能够均匀地形成焊缝8来提高焊接质量。
而且，如图9所示，即使形成气体供给开口部17的一个缺口部21与另一个缺口部22的对接位置稍微偏离，也由于气体供给开口部17的长度方向的有效尺寸L的减少率较小，能够向气体供给开口部17插入扁平的气体供给管19来注入惰性气体。
相对于此，如图10所示，若形成以往的圆孔状气体供给孔的缺口部C的对接位置产生偏离，则能够插入到此处的气体供给管的有效直径d明显变小。例如，直径5毫米的缺口部C偏离1毫米时，能够插入到此处的气体供给管的直径d仅限于3毫米。
[第2实施方式]
接着，对本发明所涉及的背面保护焊接方法的第2实施方式进行说明。
图11是表示本发明的第2实施方式的焊接接合部的主视图。其中，仅在对接的2个转子轮盘2、3(或3、4)的一个抵接缘部15(坡口突端部13)形成缺口部21，另一个抵接缘部16保持平坦。若这2个转子轮盘2、3对接，则形成于一个转子轮盘2的缺口部21的开口形状被另一个转子轮盘3封闭，形成与第1实施方式相同的向沿着焊缝8的形成方向的方向延伸的狭缝状气体供给开口部27。其他部分的结构及气体供给开口部27的功能与第1实施方式相同。
如此，若仅在一个转子轮盘2的抵接缘部15形成缺口部21，则缺口部21的加工深度成为第1实施方式中的气体供给开口部17的一倍，但是无需在另一个转子轮盘3的抵接缘部16加工缺口部，因此转子轮盘3的前期加工变轻松。
而且，如第1实施方式，在两侧的抵接缘部15、16形成缺口部21、22来形成气体供给开口部17的情况下，双方的缺口部21、22的位置产生偏离时，气体供给开口部17的开口面积减少与偏离的量相应的量，但是如该第2实施方式，若缺口部21仅形成于一个抵接缘部15，则不会产生缺口部21的位置偏离，不存在气体供给开口部27的开口面积减少的忧虑。而且，能够省略对准缺口部21的位置的麻烦。
[第3实施方式]
图12是表示本发明的第3实施方式的焊接接合部的纵剖视图。该焊接接合部30的截面形状为，在对接的转子轮盘2、3(或3、4)中的一个，例如转子轮盘2侧形成大致J字状的半槽31和缺口部32，在另一个转子轮盘3未形成半槽也未形成缺口部。若转子轮盘2和3对接，则构成所谓的J形坡口形状，缺口部32被转子轮盘3封闭而成为气体供给开口部34。气体供给开口部34的功能与第1实施方式的气体供给开口部17相同。
如此，本发明所涉及的背面保护焊接方法不限于第1实施方式所示的U形坡口形状，还能够适用于上述J形坡口形状和其他坡口形状。而且，还能够适用于坡口形状以外的对接焊接。
另外，本发明并不限定于上述各实施方式的结构，在不脱离本发明宗旨的范围内能够加以适当变更和改良，如此加以变更和改良的实施方式也包含于本发明的权利范围。
例如，上述实施方式中，对将本发明所涉及的背面保护焊接方法适用于构成蒸气涡轮转子1的转子轮盘2、3、4的焊接的例子进行了说明，但是不限于蒸气涡轮转子，还能够适用于很难进行背面保护焊接的其他焊接结构物。例如，适合壁厚较厚的钢管彼此的焊接。而且，焊接的对象物并非一定要是管状。
符号说明
1-蒸气涡轮转子，2、3、4-转子轮盘(焊接母材)，5、30-焊接接合部，7-孔，8-焊缝，10、11、31-半槽，12-U字槽，13-坡口突端部，15、16-抵接缘部，17、27、34-气体供给开口部，19-气体供给管，21、22、32-缺口部，25-焊接材料，G-惰性气体。。

Claims (4)

1.一种背面保护焊接方法，其使2个焊接母材抵接，向该2个焊接母材的背面侧供给惰性气体，并且以从所述焊接母材的表面侧熔化至背面侧的方式形成焊缝来进行焊接，所述背面保护焊接方法中，
以在所抵接的2个所述焊接母材的接缝形成连通该焊接母材的表面侧和背面侧，且沿着所述焊缝的形成方向延伸的狭缝状气体供给开口部的方式，在2个所述焊接母材的至少一个抵接缘部形成缺口部，
接着，使所述焊接母材的抵接缘部彼此抵接并临时固定，由此通过所述缺口部形成所述气体供给开口部，
之后，从所述气体供给开口部供给所述惰性气体，并且形成所述焊缝，通过该焊缝封闭所述气体供给开口部。
2.根据权利要求1所述的背面保护焊接方法，其中，
所述缺口部仅形成于2个所述焊接母材中的一个所述抵接缘部。
3.根据权利要求1或2所述的背面保护焊接方法，其中，
所述惰性气体的供给通过扁平的气体供给管进行，所述气体供给开口部的宽度尺寸及长度尺寸为能够插通所述气体供给管的所需的最小限度的尺寸。
4.一种焊接结构物，其利用权利要求1至3中任一项所述的背面保护焊接方法制作。
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