JP2008049351A - Method and apparatus for ultrasonic wave-applying welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は溶接母材の溶融部を超音波で振動させながら凝固させる超音波付加溶接方法及びその溶接装置に係り、特に、中性子被曝材を補修溶接するのに好適な超音波付加溶接方法及びその溶接装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic additive welding method and a welding apparatus for solidifying the molten part of a weld base material while vibrating with ultrasonic waves, and more particularly, an ultrasonic additive welding method suitable for repair welding of a neutron exposed material and the welding apparatus thereof. The present invention relates to a welding apparatus.
一般に、溶接部の凝固時の局部的な残留応力を低減させるために、溶接母材に超音波振動子を接触させて溶融部を間接的に超音波で振動させながら凝固させる超音波付加溶接方法及びその溶接装置が、例えば非特許文献1に示すように、既に提案されている。 In general, in order to reduce local residual stress during solidification of a welded part, an ultrasonic addition welding method in which an ultrasonic transducer is brought into contact with a welding base material and solidified while the molten part is indirectly vibrated with ultrasonic waves. As shown in Non-Patent Document 1, for example, a welding apparatus has already been proposed.
上記従来の技術によれば、超音波振動子を溶接母材に接触させるために、超音波振動は超音波振動子の接触方向に伝播するので、溶融部に超音波振動が伝わりにくく、溶融部を十分に振動させて攪拌することができず、その結果、溶融部の凝固が不均一となり残留応力が生じて溶接割れに進行する虞があった。また、超音波振動子を溶接母材に接触させるために、超音波振動子は反力に耐えるように強固に支持しなければならず、そのために、溶融部の移動に同期させて超音波振動子を移動させることが困難であった。 According to the above-described conventional technology, since the ultrasonic vibration propagates in the contact direction of the ultrasonic vibrator in order to bring the ultrasonic vibrator into contact with the welding base material, the ultrasonic vibration is not easily transmitted to the melting portion. As a result, there is a possibility that solidification of the melted portion becomes non-uniform and residual stress is generated and proceeds to weld cracking. Also, in order to bring the ultrasonic vibrator into contact with the welding base material, the ultrasonic vibrator must be firmly supported to withstand the reaction force. For this reason, the ultrasonic vibration is synchronized with the movement of the molten part. It was difficult to move the child.
本発明の目的は、溶融部の超音波による攪拌を均一に行うことができ、溶接割れの発生を抑制する超音波付加溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic welding method and a welding apparatus for the same, which can uniformly agitate the melted portion by ultrasonic waves and suppress the occurrence of weld cracks.
本発明の別の目的は、溶融手段の移動に同期させて超音波振動子を移動させて溶融部の攪拌を均一に行うことができる超音波付加溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an ultrasonic addition welding method and a welding apparatus for the same, in which the ultrasonic vibrator can be moved in synchronization with the movement of the melting means to uniformly stir the molten portion. .
本発明は上記目的を達成するために、溶接母材を加熱して溶融させ、この溶融部に対し超音波を非接触で照射して前記溶融部を振動させながら凝固させるようにしたのである。さらに、溶接部を溶融させる溶融手段と非接触型超音波照射手段との動きを同期させる同期手段を設けたのである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention heats and melts the weld base material and irradiates the melted portion with ultrasonic waves in a non-contact manner to solidify the molten portion while vibrating the melted portion. Furthermore, a synchronizing means for synchronizing the movements of the melting means for melting the weld and the non-contact ultrasonic irradiation means is provided.
上記構成によれば、超音波を直接溶融部に照射して攪拌することができるので溶融部は均一に攪拌され、その結果、溶融部の凝固が均一となり残留応力による溶接割れの発生を抑制することができるのである。さらに、超音波の照射を非接触で行うことにより、溶融手段と非接触型超音波照射手段とを同期して移動させることができるので、効率よく溶融部の攪拌を行うことができ、溶接割れの発生を抑制できるのである。 According to the above configuration, since the ultrasonic wave can be directly applied to the melted portion and stirred, the melted portion is stirred uniformly, and as a result, the solidified portion of the melted portion becomes uniform and the occurrence of weld cracking due to residual stress is suppressed. It can be done. Furthermore, by performing non-contact ultrasonic irradiation, the melting means and the non-contact ultrasonic irradiation means can be moved synchronously, so that the molten part can be efficiently stirred and weld cracking can be achieved. Can be suppressed.
以上説明したように本発明によれば、溶融部の超音波による攪拌を均一に行うことができると共に、溶融手段の移動に同期させて超音波振動子を移動させて溶融部の攪拌を均一に行うことができる超音波付加溶接方法及びその溶接装置を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to uniformly agitate the melted portion by ultrasonic waves, and move the ultrasonic vibrator in synchronization with the movement of the melting means to uniformly agitate the melted portion. An ultrasonic additive welding method and a welding apparatus for the same can be obtained.
以下本発明による超音波付加溶接装置の第1の実施の形態を図1及び図2に基づいて説明する。本実施の形態は、タングステン不活性ガスアーク溶接装置に非接触型超音波照射手段を付加したものである。 A first embodiment of an ultrasonic welding apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, a non-contact type ultrasonic irradiation means is added to a tungsten inert gas arc welding apparatus.
タングステン不活性ガスアーク溶接装置は、溶接架台1と、この溶接架台1上に移動可能に支持された溶接母材支持台2と、この溶接母材支持台2を一方向に移動させる駆動手段3と、前記溶接架台1に固定された溶接枠体4と、この溶接枠体4に支持された溶融手段であるタングステン電極5と、前記溶接枠体4に支持された溶接部材供給手段であるフィラーワイヤー供給手段6と、非接触型超音波照射手段7とにより構成されている。したがって、前記溶接枠体4がタングステン電極5とフィラーワイヤー供給手段6と非接触型超音波照射手段7との移動を同期させる同期手段となる。
The tungsten inert gas arc welding apparatus includes a welding gantry 1, a welding
前記駆動手段3は、前記溶接母材支持台2に連結されたねじ棒8と、このねじ棒8に螺合されて回転駆動し、前記溶接架台1に支持された駆動部9とより構成されている。
The driving means 3 includes a
前記タングステン電極5は、電力供給線10を介して図示しない電源に接続されており、前記フィラーワイヤー供給手段6は、前記駆動手段3による移動に同期して適量のフィラーワイヤーを供出するように構成されている。
The
一方、前記非接触型超音波照射手段7は、前記溶接枠体4に支持された振動子11とこの振動子11を加振する超音波発生装置12と、前記振動子11の先端に形成されたホーン13とを有している。そして、ホーン13は、後述する溶接母材14に対して接触することがないように、即ち、溶接母材14に対して非接触状態を維持できるように、振動子11を溶接枠体4に対して進退させて高さを変えることができるように構成されている。
On the other hand, the non-contact ultrasonic irradiation means 7 is formed at the
上記構成のタングステン不活性ガスアーク溶接装置によって例えば、中性子被曝材である原子炉構造物を補修溶接する場合には、原子炉構造物である炉心シュラウド,炉心支持板,上部格子板,ジェットポンプ等の溶接母材14を前記溶接母材支持台2に固定し、溶融手段であるタングステン電極5によって溶接母材14の溶接部を溶融させる。溶接部が溶融したならその溶融部15にホーン13から超音波を照射する。この超音波の照射により溶融部15は、超音波の疎密波によって振動して均一に攪拌され、凝固過程において溶接母材14に対して均一に馴染むようになる。
For example, when repair welding a nuclear reactor structure that is a neutron exposed material using the tungsten inert gas arc welding apparatus having the above-described configuration, a core shroud that is a nuclear reactor structure, a core support plate, an upper lattice plate, a jet pump, etc. The
因みに、超音波の周波数は、20〜100KHzであり、溶融部15は1000℃前後における高温において超音波の攪拌によって凝固過程の残留応力が低下し、その結果、中性子被爆によって発生したヘリウム気泡の特定箇所への集中を防止して溶接割れを防止することができる。
Incidentally, the frequency of the ultrasonic wave is 20 to 100 KHz, and the melted
そして、駆動手段3を例えば図1の矢印A方向に駆動することで、タングステン電極5とフィラーワイヤー供給手段6とホーン13とは、図2の矢印Bで示すように相対的に移動する。そして、この相対移動により、タングステン電極5による溶接母材14とフィラーワイヤーとの溶融とホーン13からの超音波照射により、次々に補修された溶接完了部16が形成されることになる。
Then, by driving the drive means 3 in the direction of arrow A in FIG. 1, for example, the
上記実施の形態により、溶融部15の超音波による攪拌が均一に行うことができると共に、溶融手段の移動に同期させてホーン13を含む振動子11を移動させて溶融部15の攪拌を均一に行うことができ、その結果、中性子被爆によって発生したヘリウム気泡の特定箇所への集中を防止して溶接割れを防止することができる。
According to the above embodiment, the ultrasonic stirring of the melting
尚、上記実施の形態は、中性子被曝材である原子炉構造物の補修溶接について説明したが、通常の溶接にも適用できることは云うまでもなく、凝固過程に溶融部15を均一に攪拌できるので、品質の優れた溶接を得ることができる。さらに、上記実施の形態は、フィラーワイヤー供給手段6を必要としているが、溶接の目的や補修内容によっては、フィラーワイヤー供給手段6を省略して溶接母材14のみを溶融させることで対応することができるのは当然である。
In addition, although the said embodiment demonstrated repair welding of the reactor structure which is a neutron exposure material, it cannot be overemphasized that it can apply also to normal welding, since the fusion | melting
図3は、超音波付加溶接装置をレーザ溶接装置に適用した第2に実施の形態を示す。溶融手段であるレーザ溶接装置を構成する溶接架台と、この溶接架台上に移動可能に支持された溶接母材支持台と、この溶接母材支持台を一方向に移動させる駆動手段と、前記溶接架台に固定された溶接枠体と、非接触型超音波照射手段と、これらに付随する構成は、第1の実施の形態と同じであるので、ここでは要部のみ説明する。 FIG. 3 shows a second embodiment in which the ultrasonic welding apparatus is applied to a laser welding apparatus. A welding pedestal constituting a laser welding apparatus as a melting means; a welding base material supporting base supported movably on the welding base; a driving means for moving the welding base material support base in one direction; and the welding Since the welding frame fixed to the gantry, the non-contact ultrasonic irradiation means, and the configuration associated therewith are the same as those in the first embodiment, only the main parts will be described here.
第1の実施の形態のタングステン電極に代えて溶融手段を構成するレーザビームを照射するレーザ光学部17を設け、このレーザ光学部17に、図示しないレーザ発振装置から光ファイバー18を介してレーザを導き、溶接母材14に照射して溶融部15を作り、この溶融部15に振動子11及びホーン13を通して超音波を照射し、第1の実施の形態と同じように、溶融部15を振動攪拌させながら凝固させることで残留応力の生じない溶接ができるのである。そして、ホーン13とレーザ光学部17とを一緒に、溶接母材15に対して矢印方向に相対移動させながら、次々に、溶接完了部16を形成してゆくのである。
In place of the tungsten electrode of the first embodiment, a laser
したがって、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同じような効果を奏することができる。 Therefore, the present embodiment can provide the same effects as those of the first embodiment.
図4は、本発明による第3の実施の形態を示すもので、基本構成は第1の実施の形態と同じである。 FIG. 4 shows a third embodiment according to the present invention, and the basic configuration is the same as that of the first embodiment.
第1の実施の形態と異なる構成は、非接触型超音波照射手段を付加したタングステン不活性ガスアーク溶接装置に、さらに磁気攪拌手段を付加した構成である。 A different configuration from the first embodiment is a configuration in which a magnetic stirring means is further added to a tungsten inert gas arc welding apparatus to which a non-contact ultrasonic irradiation means is added.
即ち、磁気攪拌手段は、タングステン電極5の周囲に隙間を介して筒体19を設置し、この筒体19の外周にボビン20を装着してコイル21を巻回し、この巻回したコイル21に交番磁場発生電源より電力を供給して交番磁場を発生させるように構成したもので、このような磁気攪拌手段をタングステン不活性ガスアーク溶接装置に付加したのである。そして、非接触型超音波照射手段の振動子11やホーン13も同時に備えたのである。
That is, the magnetic stirring means installs the
上記構成のタングステン不活性ガスアーク溶接装置は、溶接時にタングステン電極5やホーン13やコイル21を溶融部15に対して矢印方向に相対移動させながら、溶接母材14を溶かして溶融部15を作ると共に、この溶融部15に対し超音波の照射やコイル21が発する交番磁場によって溶融部15を十分に攪拌しながら凝固させ、凝固過程の残留応力を低下させて品質のよい溶接完了部16を次々に連続して形成するのである。
The tungsten inert gas arc welding apparatus having the above configuration melts the
尚、超音波の照射と交番磁場による溶融部15の攪拌は、溶接条件(溶接材質や形状)によっては同時に行ってもよく、超音波の照射と交番磁場の発生を交互に行わせてもよく、あるいはいずれか一方で溶融部15を攪拌するようにしてもよい。
The ultrasonic irradiation and the stirring of the melted
図5は、図1及び図2に示す非接触型超音波照射手段を付加したタングステン不活性ガスアーク溶接装置を、狭い開先を有する溶接母材14の溶接に適用した適用例を示す。
FIG. 5 shows an application example in which the tungsten inert gas arc welding apparatus to which the non-contact ultrasonic irradiation means shown in FIGS. 1 and 2 is added is applied to welding of a
通常、狭開先部23を有する溶接母材14の溶接では、溶融部16が狭域となるので、凝固が不均一となり易く、溶接不良が生じ易い。そこで、従来のように溶接母材に超音波振動子を接触させて溶接母材14を振動させ、それにより溶融部を間接的に振動させながら凝固させることも考えられる。しかし、この場合には、ある程度の攪拌効果はあるもの溶融部15を直接攪拌していないことと、溶融部15の凝固速度が速いので、溶融部15を均一に攪拌することは難しく、凝固が不均一となって溶接不良ができてしまう。そこで、狭開先部23を有する狭域の溶融部15に振動子11及びホーン13を経由して超音波を直接照射して攪拌させることで、凝固速度が速くても溶融部15を均一に攪拌することができ、その結果、溶融部15の凝固が均一となり、溶接不良を減らすことができるのである。
Usually, in the welding of the
1…溶接架台、2…溶接母材支持台、3…駆動手段、4…溶接枠体、5…タングステン電極、6…フィラーワイヤー供給手段、7…非接触型超音波照射手段、8…ねじ棒、9…駆動部、10…電力供給線、11…振動子、12…超音波発生装置、13…ホーン、14…溶接母材、15…溶融部、16…溶接完了部、17…レーザ光学部、18…光ファイバー、21…コイル、22…交番磁場発生電源、23…狭い開先。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Welding base, 2 ... Welding base support stand, 3 ... Drive means, 4 ... Welding frame, 5 ... Tungsten electrode, 6 ... Filler wire supply means, 7 ... Non-contact type ultrasonic irradiation means, 8 ... Screw rod DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Drive part, 10 ... Power supply line, 11 ... Vibrator, 12 ... Ultrasonic generator, 13 ... Horn, 14 ... Welding base material, 15 ... Melting part, 16 ... Welding completion part, 17 ... Laser optical part , 18: optical fiber, 21: coil, 22: alternating magnetic field generating power source, 23: narrow groove.
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