JP2004114064A - 溶接構造物の溶接変形制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変形拘束治具の剛性や位置以外の因子を含めた溶接構造物の溶接変形、残留応力の最適化評価方法を構築し、複雑形状の溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図ったもの。
【解決手段】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置２０は、半環状の被溶接部材３，４同士の内外側面を周方向に溶接して製造される溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図るものである。この溶接変形制御装置２０は、溶接構造物１の溶接変形量を固有ひずみ法を用いて導出する固有ひずみ解析手段１０と、溶接構造物１の溶接変形許容量を算出する変形許容値算出手段１１と、溶接構造物１の溶接変形量と溶接変形許容量とを比較演算処理し、変形拘束治具２以外の因子を含めて溶接構造物１１の溶接変形、残留応力分布の最適化を図る溶接変形最適化手段２２とを備えたものである。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造物の変形および残留応力を低減させることを目的とした溶接構造物の溶接変形制御方法および装置に係り、特に、半環状あるいは環状の溶接構造物、例えば、タービンノズルダイアフラムの溶接変形を制御する溶接構造物の溶接変形制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固有ひずみという概念を用いた溶接構造物の溶接変形を予測する方法が報告されている。固有ひずみ法とは、固有ひずみと称される、溶接変形や残留応力の生成源となっているひずみ分布を求めておき、溶接構造物の溶接変形や残留応力を求める方法である。例えば、線形ＦＥＭ（有限要素法）解析において、固有ひずみが分布する範囲の要素にひずみを与えることにより、残留応力、溶接変形をＦＥＭ解析により求めることが出来る。
【０００３】
固有ひずみ分布を、予めデータベース化しておくなどして、既知の状態にしておけば、詳細な熱弾塑性解析を行なう場合と比較して、短時間で残留応力、変形の解析が可能である。更に、固有ひずみ法による溶接変形、残留応力解析は弾性解析で行なうことが可能であるため、複雑な構造物の溶接変形予測を簡便に行なうことができる
この固有ひずみ法による溶接変形、残留応力解析を用いると、溶接学会全国大会講演概要第７０集（２００２−４）の「固有ひずみ法を用いた複雑構造物の溶接変形最適化」（非特許文献１）に示されるように、固有ひずみ法の変形、残留応力解析手順の後に逆解析や感度解析の手順を付加することにより、簡便に最適化解析が行なえる。本公知例においては、複雑な構造物の溶接変形を均一化することを目的として、半環状のタービンノズルダイアフラムについて、溶接変形拘束治具の形状、寸法について最適化した例が示されている。
【０００４】
しかし、溶接構造物の変形や残留応力は、変形拘束治具以外にも、余熱の状況、仮付けなどの拘束の状況、溶接時の入熱、開先形状・寸法などの多くの因子の影響を大きく受ける。変形拘束治具の剛性や位置以外の因子要因については固有ひずみ法によって得られた溶接変形と変形許容値との関係が出てきても、弾性的な逆解析によって溶接構造物の溶接変形や残理由応力分布を最適化することは困難であった。
【０００５】
従来の固有ひずみ法によって得られた溶接構造物の溶接変形と変形許容値から、逆解析により溶接変形を最適化する場合は、弾性的な逆解析によって求められる変形拘束治具の剛性や位置をパラメータとして、変形拘束治具の最適化に限られている。すなわち、固有ひずみ法によって最適化できるのは、弾性的な問題である変形拘束治具に限られている。
【０００６】
【非特許文献１】
溶接学会全国大会講演概要　第７０集（２００２−４）「固有ひずみ法を用いた複雑構造物の溶接変形最適化」（第２６０頁〜第２６１頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固有ひずみ法を用いて、複雑な溶接形状、例えばタービンのノズルダイアフラムのような半環状および環状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布を最適化することは困難であった。
【０００８】
複雑な溶接形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布を最適化するためには、変形拘束治具の剛性や位置以外の因子、例えば、余熱の状況、仮付けなどの拘束の状況、溶接時の入熱、開先形状・寸法等を含めた溶接変形、残留応力の総合的な最適化評価方法が必要となる。
【０００９】
本発明では、上述した事情を考慮してなされたもので、変形拘束治具の剛性や位置以外の因子を含めた溶接変形・残留応力の最適化評価方法を構築し、複雑形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布を最適化させ得る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の他の目的は、複雑形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布の最適化を図り、ノズルダイアフラム等の半環状、環状溶接構造物の溶接変形や残留応力のコントロールを行なうことができる溶接構造物の溶接変形制御方法および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して半環状溶接構造物を製造する際、溶接構造物の溶接変形許容値と固有ひずみ法により導出される溶接構造物の溶接変形量とを比較して溶接構造物に必要な変形修正量を算出する一方、この変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算し、上記修正固有ひずみ分布を得るための溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定し、溶接構造物の溶接条件、拘束条件から変形拘束治具以外の因子を含めた溶接構造物の溶接変形の最適化を行なう方法である。
【００１２】
また、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法は、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して半環状の溶接構造物を製造する際、溶接構造物の溶接変形の許容値と固有ひずみ法により算出される溶接構造物の溶接変形量とを比較して溶接構造物に必要な変形修正量を求める一方、この変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算し、固有ひずみデータベースに予め格納された固定ひずみ分布と溶接条件、拘束条件、材料特性との関係から溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定する方法である。
【００１３】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法は、請求項３に記載したように、前記溶接条件は、少なくとも溶接時の入熱量、溶接の種類、余熱温度、層間温度、溶接部の寸法・形状をパラメータに含み、前記拘束条件は、少なくとも被溶接部材の形状・寸法、変形拘束治具の形状・寸法、変形拘束治具材料の機械的特性、仮付け位置、仮付け強度をパラメータに含み、前記材料特性は、少なくとも被溶接部材の機械的特性をパラメータに含む方法であり、また、請求項４に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形による計算と被溶接部材同士を溶接する開先変形による計算を分けて行ない、シュリンク変形と開先変形の合計値から溶接構造物の溶接変形分布を導出する方法である。
【００１４】
さらにまた、上述した課題を解決するために、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法は、請求項５に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形に支配的な固有ひずみと、被溶接部材同士を溶接する開先変形に支配的な固有ひずみとに分けて行なう方法であり、また、請求項６に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形に支配的な固有ひずみ分布は、二次元軸対称モデル解析で得た固有ひずみを、溶接線に沿って台形に分布させる方法である。
【００１５】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法は、請求項７に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により予測する際、前記溶接構造物のシュリンク変形と被溶接部材同士を溶接する開先変形を分けて計算し、前記溶接構造物のシュリンク変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から、溶接条件、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法を決定する方法であり、さらに、請求項８に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により予測する際、前記溶接構造物のシュリンク変形と被溶接部材同士を溶接する開先変形を分けて計算し、被溶接部材同士を溶接する開先変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から、溶接条件、溶接ビード手順、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法、開先形状・寸法を決定する方法であり、さらにまた、請求項９に記載したように、前記半環状の溶接構造物の溶接施工時に、前記溶接構造物のシュリンク変形および被溶接部材同士を溶接する開先変形の少なくとも一方をモニタリングして固有ひずみ法による予測値と比較し、続く溶接施工における溶接条件、溶接ビード手順、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法、開先形状・寸法を決定する方法である。
【００１６】
一方、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御装置は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載したように、半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して製造される半環状溶接構造物の溶接変形制御装置において、前記溶接構造物の溶接変形量を固有ひずみ法を用いて導出する固有ひずみ解析手段と、前記溶接構造物の溶接変形許容量を算出する変形許容値算出手段と、前記固有ひずみの解析手段で導出された溶接構造物の溶接変形量と変形許容値算出手段で算出された溶接変形許容量とを比較演算処理し、変形拘束治具以外の因子を含めて溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図る溶接変形最適化手段とを備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御装置は、上述した課題を解決するために、請求項１１に記載したように、半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して製造される半環状溶接構造物の溶接変形制御装置において、前記溶接構造物の溶接変形量を固有ひずみ法を用いて導出する固有ひずみ解析手段と、前記溶接構造物の溶接変形許容量を算出する溶接変形値算出手段と、前記固有ひずみ解析手段で算出された溶接構造物の溶接変形量と前記溶接変形値算出手段で算出された溶接構造物の溶接変形許容量とを比較演算処理して溶接構造物に必要な変形修正量を求める一方、この変形修正量を得るための固定ひずみ分布を計算し、固定ひずみデータベースに予め格納された固定ひずみ分布と溶接条件、拘束条件、材料特性との関係から溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定する溶接変形最適化手段とを備え、この最適化手段で溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図るようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
初めに、複雑な半環状の溶接構造物１の溶接変形をコントロールするため、固定ひずみ法による溶接変形解析結果に基づき、変形拘束治具２の最適化手法について説明する。
【００２０】
図１に示された２つの半環状の被溶接部材３，４を溶接金属５にて周方向に溶接すると半環状の溶接構造物１が製造される。
【００２１】
この溶接構造物１は、半環状の外側被溶接部材３の内径側と、半環状の内側被溶接部材４の外径側とを溶接金属５により周方向に接合したものである。外周側と内周側の被溶接部材３，４を溶接金属５を用いて溶接すると、溶接部近傍にほぼ円弧状の溶接線方向に均一な固有ひずみが生じる。この固有ひずみのうち、溶接線に沿った、すなわち、周方向の固有ひずみが、溶接構造物１の溶接変形に影響を及ぼすことを知見した。
【００２２】
図１は、半環状の溶接構造物１の溶接変形を最適化する溶接変形制御方法および装置を示すものである。
【００２３】
この溶接構造物１の溶接変形制御装置８は、溶接構造物１の溶接変形量、残留応力分布を出力変形として導出する固有ひずみ解析手段１０と、溶接構造物１の溶接変形許容量を算出する変形許容値算出手段１１と、上記出力変形と溶接変形許容量とから必要な変形修正量を求め、弾性的な逆解析や感度解析により変形拘束治具２の剛性や位置を最適化する拘束治具最適化手段１２とを備える。
【００２４】
溶接変形制御装置８の固有ひずみ解析手段１０では、溶接構造物１ひいては外側および内側被溶接部材３，４の形状、寸法、材料、溶接条件等をパラメータ入力装置１３に入力させる。溶接構造物１の形状、寸法、溶接条件等が分かれば、固有ひずみデータベース（ＤＢ）１４の温度履歴解析および熱弾塑性解析により、固有ひずみの大きさや分布領域、すなわち固有ひずみ分布を求めることができる。
【００２５】
求められた固有ひずみ分布を用いて、ＦＥＭ（有限要素法：Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ）等の応力解析システム１５により、溶接構造物１の溶接変形や残留応力、すなわち出力変形を求めることができる。応力解析システム１５では、求められた固有ひずみ分布を三次元ＦＥＭモデルに入力させることにより、溶接構造物１の溶接変形分布を求めることができる。応力解析システム１５は、ＦＥＭに代えてＢＥＭや差分法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｍｅｔｈｏｄ）を用いてもよい。
【００２６】
半環状の溶接構造物１は、周方向の固有ひずみにより、径方向、周方向にシュリンクする変形が生じる。このシュリンク変形のために、半環状の溶接構造物１は、特に端部にて溶接変形が大きくなり、時には溶接変形の許容値を超えて変形が生じる場合がある。溶接構造物１の溶接変形の許容値は、パラメータ入力装置１３に入力される溶接構造物１の形状、寸法、材料等が決まれば、決定することができる。
【００２７】
図１に示された溶接構造物１の溶接変形制御装置８では、固有ひずみ解析手段１０にて固有ひずみ法により求められた溶接変形は、拘束治具最適化手段１２により変形許容値算出手段１１で算出された溶接構造物１の変形許容値と比較され、必要な変形修正量が得られる。
【００２８】
拘束治具最適化手段１２における逆解析による溶接変形の最適化では、溶接変形を適切にする必要な変形修正量、単位荷重を作用させた場合の変形量から、弾性的な逆解析や感度解析により、最適な剛性の変形拘束治具２を最適な位置に入れる計算が可能である。図１に示される溶接構造物１の溶接変形制御装置８では、拘束治具最適化手段１２により、変形拘束治具２の最適化を図ることにより、溶接構造物１の溶接変形の最適化を図っている。
【００２９】
ところで、溶接構造物１の溶接変形や残留応力は、変形拘束治具２の剛性や位置以外の因子、例えば余熱の状況、仮付けなどの拘束状況、溶接時の入熱、開先形状・寸法等、多くの因子の影響を受ける。
【００３０】
しかし、図１に示される溶接構造物１の溶接変形制御装置８では、固有ひずみ法により得られた溶接変形と変形許容値から、逆解析により溶接変形を最適化する場合、弾性的な逆解析で求められる変形拘束治具２の剛性や位置をパラメータとした最適化に限られており、変形拘束治具２以外の因子について考慮されていない。
【００３１】
このため、タービンのノズルダイアフラムのような複雑形状の溶接構造物１の溶接変形や残留応力分布を最適化することは困難であった。半環状や円環状等の複雑な形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力を最適化するためには、変形拘束治具２の剛性や位置以外の因子を含めた溶接変形・残留応力の総合的な最適化評価方法が必要となる。
【００３２】
図２は、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第１実施形態を示す図である。
【００３３】
この実施形態に示される溶接構造物１の溶接変形制御装置２０は、溶接変形最適化手段２２の構成を、図１に示される溶接変形制御装置８とは基本的に異にし、他の構成は実質的に異ならないので同じ構成には同一符号を付して説明する。
【００３４】
この溶接構造物の溶接変形制御装置２０は、溶接構造物１の出力変形（溶接変形、残留応力）を求める固有ひずみ解析手段１０と、溶接構造物１の溶接変形許容量を算出する変形許容値算出手段１１と、上記出力変形および溶接構造物の変形許容値を比較演算処理し、変形拘束治具２以外の多くの因子を含めて、溶接構造物１の溶接変形や残留応力分布の最適化を図り、その評価が可能な溶接変形最適化手段２２とを備える。
【００３５】
溶接構造物１の溶接変形制御装置２０は、固有ひずみ法によって溶接構造物の溶接変形および残留応力分布を求める固有ひずみ解析手段１０を有し、この固有ひずみ解析手段１３は、パラメータ入力装置１３、固有ひずみデータベース（ＤＢ）１４およびＦＥＭ等の応力解析システム１５を備える。
【００３６】
パラメータ入力装置１３には、溶接構造物１の形状、寸法、剛性、拘束条件、材料、温度、溶接条件がパラメータとして入力されており、溶接構造物１の形状、寸法、材料等が分かれば、固有ひずみデータベース１４に格納された、各溶接パス毎の温度履歴解析、熱弾塑性解析により、すなわち固有ひずみ法により、溶接構造物の固有ひずみ分布を得ることができる。
【００３７】
求められた固有ひずみ分布をＦＥＭ等の応力解析システム１５に入力させることで、溶接構造物１の溶接変形や残留応力等の出力変形（溶接変形および残留応力分布）を得ることができる。応力解析システム１５は三次元ＦＥＭモデルを備え、この三次元ＦＥＭモデルに固有ひずみ分布を入力させることにより、溶接構造物１の溶接変形分布が出力分布として求められる。
【００３８】
一方、溶接構造物１の溶接変形制御装置２０に備えられる溶接変形最適化手段２２には、パラメータ入力装置１３を備えた変形許容値算出手段１１で算出された溶接構造物１の変形許容値が入力される。
【００３９】
この変形許容値は、固有ひずみ解析手段１０で解析され、固有ひずみ法によって得られた出力変形と比較され、溶接構造物の変形修正量が得られる。
【００４０】
また、溶接構造物１の変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算にて求めることで、修正固有ひずみ分布を得るための溶接条件および変形拘束治具２の剛性等の拘束条件を決定することができる。
【００４１】
この溶接条件や変形拘束治具２の剛性等の拘束条件を決定することができるので、変形拘束治具２以外の因子、例えば、余熱の状況、仮付け等の拘束の状況、溶接時の入熱、開先形状・寸法等を含めた溶接変形、残留応力分布の最適化を行なうことができる。
【００４２】
なお、固有ひずみ解析手段１０、変形許容値算出手段１１、溶接変形最適化手段２２は、パソコン等のコンピュータに組み込まれている。
【００４３】
図３は、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第２実施形態を示す図である。
【００４４】
この実施形態に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ａでは、溶接変形最適化手段２２Ａの構成を図１に示される溶接変形制御装置２０とは異にし、他の構成は実質的に異ならないので、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４５】
溶接変形最適化手段２２Ａは、固有ひずみ解析手段１０からの出力変形と変形許容値算出手段１１からの変形許容値とを比較し、溶接構造物１に必要な変形修正量を得ることができる。
【００４６】
しかし、この変形修正量を得るために、固有ひずみ分布を計算することは、その都度多くの解析が必要となる。図３では、溶接変形最適化手段２２Ａに固有ひずみデータベース２３を備え、この固有ひずみデータベース２３に、予め溶接構造物１の溶接条件、材料特性、拘束条件と固有ひずみ分布との関係をデータベース化して格納しておく。固有ひずみデータベース２３は固有ひずみ解析手段１０に用いられる固有ひずみデータベース１４であってもよい。
【００４７】
溶接変形最適化手段２２Ａでは、固有ひずみ解析手段１０からの出力変形（溶接構造物の溶接変形量）とパラメータ入力装置１３に入力されたパラメータ計算により得られた変形許容値算出手段１１からの変形許容値とから溶接構造物１の固有ひずみの値および分布、すなわち必要な変形修正量を決定する。そして、決定された変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を得るために、固有ひずみデータベース２３に予め格納された固有ひずみ分布と溶接条件、拘束条件、材料特性の関係から、溶接施工パラメータを入力して溶接構造物１の最適化に必要な溶接条件、拘束条件を決定することができる。
【００４８】
決定された溶接条件、拘束条件に従って溶接構造物１を溶接することにより、溶接構造物１の溶接変形や固有ひずみ分布の最適化、最小化を図ることができる。
【００４９】
固有ひずみデータベース２３に格納される溶接条件、拘束条件、材料特性において、溶接条件には、少なくとも溶接時の入熱量、溶接の種類、余熱温度、層間温度、溶接部形状、溶接部寸法をパラメータに含み、拘束条件には、少なくとも被溶接部材３，４の部材形状、部材寸法、変形拘束治具２の治具形状、治具寸法、治具材料の機械的特性、仮付け位置、仮付け強度をパラメータに含む。材料特性には少なくとも被溶接材料３，４の機械的特性をパラメータに含むこととした。
【００５０】
図４は本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第３実施形態を示すものである。
【００５１】
この実施形態に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｂは、大型の溶接構造物１の溶接変形や残留応力分布の最適化に適したものである。半環状の溶接構造物１の場合、溶接変形に支配的な因子は、径方向・周方向のシュリンクである。大型の溶接構造物１では、溶接は多層で行なわれることとなり、溶接ビードを溶接開先に盛っていくに従って溶接構造物が変形することも大きな要因となる。
【００５２】
このため、図４に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｂは、固定ひずみ解析手段２４をシュリンク変形解析手段２５と開先変形解析手段２６とに分ける。
【００５３】
シュリンク変形解析手段２５は、パラメータ入力装置１３、固有ひずみデータベース１４およびＦＥＭ等の応力解析システム１５を備え、パラメータ入力装置１３に、形状、寸法、剛性、拘束、材料、温度、溶接条件のパラメータを入力し、入力されたパラメータと固有ひずみデータベース１４からシュリンク変形による溶接構造物１の固有ひずみ分布、すなわち固有ひずみの大きさ、分布領域を決定できる。この固有ひずみ分布を用いてＦＥＭ等の応力解析システム１５にてシュリンク変形による溶接変形や残留応力分布を求めることができる。
【００５４】
また、開先変形解析手段２６は、パラメータ入力装置１３、固有ひずみデータベース１４およびＦＥＭ等の応力解析システム１５を備え、シュリンク変形解析手段２５と同様な解析、演算により、開先変形による溶接構造物１の固有ひずみ分布（固有ひずみの大きさ、分布領域）を決定できる。この固有ひずみ分布を用いてＦＥＭ等の応力解析システム１５にて開先変形による溶接変形や残留応力を求めることができる。
【００５５】
そして、固有ひずみ解析手段２４は固有ひずみ法によるシュリンク変形解析手段２５の解析により得られたシュリンク変形による溶接変形、残留応力と、同じく固有ひずみ法による開先変形解析手段２６の解析により得られた開先変形による溶接変形、残留応力とから溶接構造物１の変形分布（溶接変形、残留応力分布）を求めることができる。
【００５６】
固有ひずみ解析手段２４は、シュリンク変形と開先変形の双方を加味した三次元の固有ひずみ分布を各要素に入力して応力解析システム１５により解析が行なわれる。この場合、三次元モデルの要素数は数千以上、例えば約６０００個ある。
【００５７】
固有ひずみ解析手段２４で弾性解析による固有ひずみ法を用いて、重ね合せの法則により、シュリンク変形と開先変形を評価し、溶接変形を溶接構造物１の変形分布として溶接変形、残留応力分布を出力できる。
【００５８】
固有ひずみ解析手段２４から出力される変形分布はパラメータ入力装置１３にパラメータを入力して計算された変形許容値算出手段１１からの変形許容値と比較・演算され、溶接構造物１に必要な変形修正量を決定する。
【００５９】
一方、この溶接構造物１に必要な変形修正量を得るために固有ひずみ分布が修正され、この修正固有ひずみ分布と、固有ひずみデータベース２３に予め格納された溶接構造物１の溶接条件、材料特性、拘束条件と固有ひずみ分布との関係から、溶接施工パラメータを入力して溶接構造物１の最適化に必要な溶接条件、拘束条件を決定することができる。
【００６０】
決定された溶接条件、拘束条件に従って溶接構造物１を溶接することにより、溶接構造物１の溶接変形や固有ひずみ分布の最適化を図ることができる。
【００６１】
図４に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｂにおいて、弾性解析による固定ひずみ法では、重ね合せの法則により、シュリンク変形と開先変形とを個々に考えて評価する一方、変形拘束治具２の剛性や設置位置以外の因子、例えば溶接時の入熱量、余熱温度、層間温度、溶接の種類や溶接部形状（開先形状）、溶接部寸法等の溶接条件、被溶接部材の形状・寸法、変形拘束治具の形状・寸法、変形拘束治具材料の機械的特性、仮付け位置、仮付け強度等の拘束条件、被溶接部材の機械的特性等の材料特性の因子をパラメータとして含めて溶接構造物の溶接変形、残留応力分布を総合的に最適化評価することができる。
【００６２】
また、半環状の被溶接部材３，４同士の内外側面を周回りに溶接して製造される半環状の溶接構造物１の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、シュリンク変形と開先変形を個々に考えることができる。シュリンク変形と開先変形を個々に考える場合、シュリンク変形に支配的な固有ひずみと、開先変形に支配的な固有ひずみとを分け、それぞれの変形に支配的な固有ひずみ成分のみを用いてシュリンク変形と開先変形を計算することができる。
【００６３】
図５は、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第４実施形態を示すものである。
【００６４】
この実施形態に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｃは、半環状の被溶接部材３，４同士を周回りに溶接して製造される半環状の溶接構造物１に対して、周方向の固有ひずみは周方向に均一に分布するとして、溶接構造物１の溶接変形や残留応力の最適化を図れるようにしたものである。
【００６５】
この溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｃは、固有ひずみ解析手段２７にシュリンク変形解析手段２８と開先変形解析手段２６とを備える。このうち、開先変形解析手段２６は、図４に示された開先変形解析手段と異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６６】
また、シュリンク変形解析手段２８は、半環状溶接構造物１の周方向の固有ひずみは周方向に均一に分布すると想定して二次元軸対称モデルを用いる。このシュリンク変形解析手段２８では、パラメータ入力装置１３に入力された形状、寸法、溶接条件等のパラメータから二次元軸対称モデルを用いた熱弾塑性ＦＥＭ解析によりシュリンク変形による固有ひずみ分布を導出させる。導出された固有ひずみ分布を応力解析システム２９の三次元ＦＥＭモデルに入力することにより、溶接構造物１のシュリンク変形の解析ができる。
【００６７】
実際には、溶接構造物１の固有ひずみは、変形拘束治具２の剛性や拘束条件により異なるため、周方向でも、両端部と中央部とでは固有ひずみの値が異なる。シュリンク変形に必要な固有ひずみ分布は、半環状溶接構造物１の中央部では、二次元軸対称モデル解析で得られた固有ひずみとほぼ等しいが、両端部ではゼロに近い。
【００６８】
このため、シュリンク変形に支配的な固有ひずみを、図５のＡで示すように、溶接線に沿って台形状に分布させる。すなわち、二次元軸対称モデルを用いて固有ひずみ値を台形形状に分布させることにより、溶接構造物１のシュリンク変形をより高精度に求めることができる。
【００６９】
このシュリンク変形解析手段２８で求められたシュリンク変形と開先変形解析手段２６で求められた開先変形とを重ね合せて、溶接構造物１の溶接変形分布を求める。
【００７０】
この溶接変形分布は溶接変形最適化手段２２Ａに入力され、ここで（パラメータ入力装置１３からのパラメータ入力で求められた）変形許容値算出手段１１からの変形許容値と比較され、溶接構造物１に必要な変形修正量が決定される。
【００７１】
決定された変形修正量から、この変形修正量を得るための溶接構造物１の修正固有ひずみ分布と、固有ひずみデータベース２３に予め格納された溶接条件、材料特性、拘束条件と固有ひずみ分布の関係とから、変更する溶接施工パラメータを入力させて溶接構造物１の溶接条件、変形拘束治具２の剛性を決定することができる。
【００７２】
この溶接構造物１の溶接条件、変形拘束治具２の剛性を決定することができるので、変更拘束治具２以外の因子、例えば余熱の状況、仮付け等の拘束条件、溶接時の入熱量、開先形状・寸法等の溶接条件を含めた溶接変形や残留応力の最適化を図ることができる。
【００７３】
図６は、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第５実施形態を示すものである。
【００７４】
この実施形態に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｄは、半環状の被溶接部材３，４同士を溶接した溶接構造物１の溶接変形を固定ひずみ法を用いて求めることができるようにしたものである。溶接構造物１の溶接変形には、シュリンク変形と開先変形とが存在するので、溶接変形制御装置２０Ｄに備えられる固有ひずみ解析手段２４は、図４に示された溶接変形制御装置２０Ｂと同様、シュリンク変形解析手段２５と開先変形解析手段２６とを備える。
【００７５】
シュリンク変形解析手段２５と開先変形解析手段２６の構成および作用は、図４に示された固有ひずみ解析手段２４と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００７６】
また、図６に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｄは、変形許容値算出手段１１と溶接変形最適化手段３０とを備え、この溶接変形最適化手段３０は、さらに、シュリンク変形最適化手段３１と開先変形最適化手段３２とを備える。
【００７７】
このうち、シュリンク変形最適化手段３１は、固有ひずみデータベース２３と、シュリンク変形による溶接条件、変形拘束治具決定手段３３とを有する。
【００７８】
また、開先変形最適化手段３２も、固有ひずみデータベース２３と、開先変形による溶接条件・変形拘束治具決定手段３４とを有する。
【００７９】
溶接構造物１の溶接変形には、シュリンク変形と開先変形が存在するので、溶接構造物１の溶接変形や残留応力を最適化する条件を固有ひずみデータベース２３から決定する場合においても、シュリンク変形とを分けて行なうようにしている。
【００８０】
シュリンク変形最適化条件３１は、半環状の溶接構造物１のシュリンク変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から溶接条件、溶接拘束、溶接構造物の形状寸法を決定するための溶接変形制御条件決定手段である。また、開先変形最適化手段３２は、被溶接材料３，４同士を溶接するための開先変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から溶接条件、溶接ビード順、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法、開先形状・寸法を決定するための溶接変形制御条件決定手段である。図６には、シュリンク変形最適化手段３１と開先変形最適化手段３２とを組み合わせた例を示すが、いずれか一方から溶接変形制御条件を決定してもよい。
【００８１】
溶接変形最適化手段３０のシュリンク変形最適化手段３１および開先変形最適化手段３２で、溶接構造物１の溶接条件および変形溶接治具２の剛性等の拘束条件を決定する手順は、シュリンク変形と開先変形とを分けて求める点を除いて、図３ないし図５に示した溶接変形最適化手段２２Ａと、実質的に異ならないので、説明を省略する。
【００８２】
図６に示された溶接変形最適化手段３０においても、シュリンク変形最適化手段３１でシュリンク変形における溶接構造物１の溶接条件および変形拘束治具２の剛性等の拘束条件を決定させることができ、また、開先変形最適化手段３２で開先変形における溶接構造物１の溶接条件および変形拘束治具２の剛性等の拘束条件を決定することができ、これらの溶接条件および拘束条件の決定により、溶接構造物１の溶接変形制御条件を決定することができる。
【００８３】
すなわち、図６に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｄによっても、溶接構造物１の溶接変形や残留応力分布の最適値、最小値を求めることができる。
【００８４】
図７は、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第６実施形態を示すものである。
【００８５】
この実施形態に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｅは、図３に示された溶接変形制御装置２０Ａに、溶接構造物１の製品変形を実測する変形計測器３８を備えた溶接変形計測手段４０を設け、変形計測器３８で測定された溶接変形計測値を、固定ひずみ解析手段１０からの出力変形と変形許容値算出手段１１からの変形許容値とから、溶接施工中に溶接構造物１の必要な変形修正量を求めることができる。
【００８６】
図２ないし図６に示された溶接変形制御装置では、固有ひずみ解析手段１０における固有ひずみ法によって得られた溶接変形分布（出力変形）と変形許容値算出手段１１からの溶接変形許容量（許容値）とから溶接構造物１の必要な変形修正量を得る一方、この変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算し、変更する溶接加工におけるパラメータの入力を行なって、固有ひずみデータベース２３に予め格納された溶接条件、材料特性、拘束条件と固有ひずみの関係から、溶接構造物１の最適化に必要な溶接条件における変形拘束治具２の剛性等の拘束条件を決定するものである。
【００８７】
決定された溶接条件、拘束条件に従って半環状の溶接構造物１を周方向に溶接して接合することにより、変形修正量に適合する固有ひずみ分布を得る溶接構造物１の溶接変形の最適化を図ることができる。すなわち、最適化された溶接構造物１の溶接変形や残留応力を得ることができる。
【００８８】
図３ないし図６に示された溶接構造物１の溶接変形制御装置では、溶接条件と変形許容値からのみ最適化を行なうものであるが、実際の溶接構造物の溶接施工では、溶接条件にはバラツキがあり、溶接変形分にもバラツキが含まれる。図７に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０Ｅでは、変形計測器３８により溶接構造物１である製品変形を実測することにより、溶接施工中に必要な変形修正量を求めることができる。
【００８９】
大型で複雑な形状の溶接構造物１を溶接施工する場合、溶接構造物１の溶接パス数や溶接部が多く、溶接工程は複数に分かれる。
【００９０】
このような場合、大型の溶接構造物１のシュリンク変形または開先変形を変形計測器３８でモニタリングし、固有ひずみ法により得られる出力変形（予測値）およびパラメータ入力装置１３における変形許容値と比較して必要な変形修正量を求める一方、この変形修正量から求められる修正固有ひずみ分布を計算し、続く溶接施工におけるパラメータを入力し、固有データベース２３の溶接条件、材料特性、拘束条件と固有ひずみとの関係から、溶接構造物１の溶接条件、溶接ビード手順、溶接拘束、溶接構造物１の形状・寸法、溶接構造物の開先形状・寸法を決定することが可能となる。
【００９１】
これにより、大型で複雑な半環状の溶接構造物１の溶接変形や残留応力分布の最適化を図ることができる。
【００９２】
図２ないし図７に示された溶接構造物の溶接変形制御装置２０，２０Ａ〜２０Ｅにおいては、溶接構造物１として図８（Ａ）に示す半環状（半リング状）の溶接構造物を例にとって検討したが、半環状溶接構造物１に代えて、図８（Ｂ）に示すように、環状の溶接構造物４１を用いてもよい。
【００９３】
環状の溶接構造物４１は、半環状の溶接構造物１，１を直径方向で接合させて直径方向の２箇所でボルト結合４３されたものである。
【００９４】
また、溶接構造物として、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、複雑な形状を有するタービンのノズルダイアフラム４５に適用することもできる。
【００９５】
このタービンのノズルダイアフラム４５は、ノズルダイアフラム外輪４６とノズルダイアフラム内輪４７、半環状の外輪および内輪当て板４８，４９と等ピッチ間隔に配設された複数のノズル板５０とから構成され、半環状ノズルダイアフラム４５を接合させてタービン静翼として環状のノズルダイアフラムが構成される。
【００９６】
ノズルダイアフラム４５における溶接ノズルの製造では、ノズル板５０の上下に外輪当て板４８と内輪当て板４９を溶接し、１つの半環状のノズル構造物５１を作る。その後、このノズル構造物５１にノズルダイアフラム外輪４６とノズルダイアフラム内輪４７とを開先溶接にて周方向に溶接する。この溶接工程は主溶接と呼ばれ、図９（Ｂ）では４つの開先溶接による溶接金属５２が周方向に溶着され、ノズルダイアフラム４５が構成される。
【００９７】
この主溶接のように３つの環状溶接構造物４６，４７，５１を溶接する場合にも、溶接構造物の評価に本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御装置を適用することができる。符号５２は変形拘束治具である。
【００９８】
この溶接変形制御装置は、溶接構造物が半環状あるいは環状の３つ以上の場合にも、溶接変形メカニズムは異ならないので、この溶接変形制御装置を適用することができる。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置においては、変形拘束治具以外の因子（パラメータ）を含めた溶接変形、残留応力の最適化評価方法を構築し、複雑形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布の最適化を図ることができる。
【０１００】
さらに、本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置においては、半環状、環状等の複雑な形状の溶接構造物の溶接変形や残留応力分布の最適化を図り、ノズルダイアフラム等の溶接構造物の溶接変形や残留応力を最適かつ最小とするコントロールを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半環状等の複雑な溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の一般的な構成を示す説明図。
【図２】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第１実施形態を示す説明図。
【図３】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第２実施形態を示す説明図。
【図４】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第３実施形態を示す説明図。
【図５】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第４実施形態を示す説明図。
【図６】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第５実施形態を示す説明図。
【図７】本発明に係る溶接構造物の溶接変形制御方法および装置の第６実施形態を示す説明図。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は半環状および環状の溶接構造物を示す正面図。
【図９】（Ａ）は半環状溶接構造物としてタービンのノズルダイアフラムを示す正面図、（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１…溶接構造物、２…変形拘束治具、３…外側被溶接部材、４…内側被溶接部材、５…溶接金属、８…溶接構造物の溶接変形制御装置、１０…固有ひずみ解析手段、１１…変形許容値算出手段、１２…拘束治具最適化手段、１３…パラメータ入力装置、１４…固有ひずみデータベース、１５…応力解析システム、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ…溶接変形最適化手段、２３…固有ひずみデータベース、２４…固有ひずみ解析手段、２５…シュリンク変形解析手段、２６…開先変形解析手段、２７…固有ひずみ解析手段、２８…シュリンク変形解析手段、２９…応力解析システム、３０…溶接変形最適化手段、３１…シュリンク変形最適化手段、３２…開先変形最適化手段、３３，３４…溶接条件および変位拘束治具の剛性決定手段、３８…変形計測器、４０…溶接変形計測手段、４１…溶接構造物、４３…ボルト結合、４５…タービンのノズルダイアフラム、４６…ノズルダイアフラム外輪、４７…ノズルダイアフラム内輪、４８…外輪当て板、４９…内輪当て板、５０…ノズル板、５１…ノズル構造物。

Claims (11)

1. 半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して半環状溶接構造物を製造する際、
   溶接構造物の溶接変形許容値と固有ひずみ法により導出される溶接構造物の溶接変形量とを比較して溶接構造物に必要な変形修正量を算出する一方、
   この変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算し、上記修正固有ひずみ分布を得るための溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定し、
   溶接構造物の溶接条件、拘束条件から変形拘束治具以外の因子を含めた溶接構造物の溶接変形の最適化を行なうことを特徴とする溶接構造物の溶接変形制御方法。
2. 半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して半環状の溶接構造物を製造する際、
   溶接構造物の溶接変形の許容値と固有ひずみ法により算出される溶接構造物の溶接変形量とを比較して溶接構造物に必要な変形修正量を求める一方、
   この変形修正量を得るための修正固有ひずみ分布を計算し、
   固有ひずみデータベースに予め格納された固定ひずみ分布と溶接条件、拘束条件、材料特性との関係から溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定することを特徴とする溶接構造物の溶接変形制御方法。
3. 前記溶接条件は、少なくとも溶接時の入熱量、溶接の種類、余熱温度、層間温度、溶接部の寸法・形状をパラメータに含み、前記拘束条件は、少なくとも被溶接部材の形状・寸法、変形拘束治具の形状・寸法、変形拘束治具材料の機械的特性、仮付け位置、仮付け強度をパラメータに含み、前記材料特性は、少なくとも被溶接部材の機械的特性をパラメータに含む請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
4. 前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形による計算と被溶接部材同士を溶接する開先変形による計算を分けて行ない、シュリンク変形と開先変形の合計値から溶接構造物の溶接変形分布を導出する請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
5. 前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形に支配的な固有ひずみと、被溶接部材同士を溶接する開先変形に支配的な固有ひずみとに分けて行なう請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
6. 前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により導出する際、前記溶接構造物のシュリンク変形に支配的な固有ひずみ分布は、二次元軸対称モデル解析で得た固有ひずみを、溶接線に沿って台形に分布させる請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
7. 前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により予測する際、前記溶接構造物のシュリンク変形と被溶接部材同士を溶接する開先変形を分けて計算し、
   前記溶接構造物のシュリンク変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から、溶接条件、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法を決定する請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
8. 前記半環状の溶接構造物の溶接変形を固有ひずみ法により予測する際、前記溶接構造物のシュリンク変形と被溶接部材同士を溶接する開先変形を分けて計算し、
   被溶接部材同士を溶接する開先変形を制御するために必要な固有ひずみ量、固有ひずみ分布から、溶接条件、溶接ビード手順、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法、開先形状・寸法を決定する請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
9. 前記半環状の溶接構造物の溶接施工時に、前記溶接構造物のシュリンク変形および被溶接部材同士を溶接する開先変形の少なくとも一方をモニタリングして固有ひずみ法による予測値と比較し、
   続く溶接施工における溶接条件、溶接ビード手順、溶接拘束、溶接構造物の形状・寸法、開先形状・寸法を決定する請求項２記載の溶接構造物の溶接変形制御方法。
10. 半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して製造される半環状溶接構造物の溶接変形制御装置において、
    前記溶接構造物の溶接変形量を固有ひずみ法を用いて導出する固有ひずみ解析手段と、
    前記溶接構造物の溶接変形許容量を算出する変形許容値算出手段と、
    前記固有ひずみの解析手段で導出された溶接構造物の溶接変形量と変形許容値算出手段で算出された溶接変形許容量とを比較演算処理し、変形拘束治具以外の因子を含めて溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図る溶接変形最適化手段とを備えたことを特徴とする溶接構造物の溶接変形制御装置。
11. 半環状の被溶接部材同士の内外側面を周方向に溶接して製造される半環状溶接構造物の溶接変形制御装置において、
    前記溶接構造物の溶接変形量を固有ひずみ法を用いて導出する固有ひずみ解析手段と、
    前記溶接構造物の溶接変形許容量を算出する溶接変形値算出手段と、
    前記固有ひずみ解析手段で算出された溶接構造物の溶接変形量と前記溶接変形値算出手段で算出された溶接構造物の溶接変形許容量とを比較演算処理して溶接構造物に必要な変形修正量を求める一方、この変形修正量を得るための固定ひずみ分布を計算し、固定ひずみデータベースに予め格納された固定ひずみ分布と溶接条件、拘束条件、材料特性との関係から溶接構造物の溶接条件、拘束条件を決定する溶接変形最適化手段とを備え、この最適化手段で溶接構造物の溶接変形、残留応力分布の最適化を図るようにしたことを特徴とする溶接構造物の溶接変形制御装置。

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