JP2008100250A

JP2008100250A - 超音波打撃を用いた溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP2008100250A
Application number: JP2006283901A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ishikawa; 忠石川; Hatsuhiko Oikawa; 初彦及川; Tadashi Kasuya; 正糟谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】溶接部に超音波を付加して溶接することにより溶接品質を向上させる溶接方法において、さらに溶接品質の向上した溶接継手部を得ることを課題とする。
【解決手段】被溶接部材の一方の側に配置した溶接手段によって溶融プールを形成しながら被溶接材料を溶接するに当たり、被溶接部材の他方の側に超音波打撃手段を配置して、被溶接部材の他方の側の溶接領域に超音波打撃を付加しながら溶接を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、アーク溶接などの溶融溶接に関するもので、特に、鉄鋼材料などの溶接の際、溶接部に超音波を付加して溶接することにより、溶接品質を向上させる溶接方法及び装置に関する。

アーク溶接やプラズマ溶接などの溶融プールを形成しながら溶接を行う溶融溶接法は、金属材料の接合方法として広く利用されているが、熱影響による結晶粒の粗大化や残留応力の問題、あるいは凝固に伴う溶接欠陥の問題など、溶融溶接に必然的に伴う問題を解決して溶接品質をさらに向上させるためには、現在でも、依然改善する余地が残されている。

溶接部に発生する残留応力や溶接欠陥を低減して溶接品質を向上させる方法の一つとして、溶接部に超音波などによる振動を付加する技術が古くから知られている。
例えば、特許文献１、２には、被溶接部材の表面あるいは裏面から、溶接部近傍の被溶接部材に超音波などの振動を付加しながら溶接を行うことで、溶接部の残留応力や歪の発生を抑える溶接方法が示されている。
特許文献３には、溶接アークによって熱せられ高温にある状態の溶接シーム部に超音波振動を付与して、発生した残留応力を開放し、ボイドや異常粒界のような微小欠陥を低減する溶接方法が示されている。
特許文献４、５には、溶接によって形成される溶融金属プールに超音波振動を作用させ、凝固冷却が溶融金属プール内で均一に行われ、ブローホールの防止ならびに不純物の偏析を防止して均一な溶融金属を得るとともに、大きな柱状晶の発達を抑制して、微細な溶着金属を得る溶接方法が示されている。
特許文献６には、溶接直後の溶融プールの内部に超音波振動子先端の針状突起を挿入し、溶融プールに直接超音波エネルギーを作用させて、溶融金属の冷却時、相変態を制御して溶接部やその近傍に生じる残留応力を低減する溶接方法が示されている。

しかし、被溶接部材の表面では、アークや溶融プールの熱のために、直接溶接部やその近傍に超音波を付加するには装置の耐久性に問題があり、通常、溶接部から距離を置いた位置に超音波を付加せざるを得ず、その場合には溶接部やその近傍に効果的に超音波を付加することは困難であった。
また、被溶接部材の裏面ではアーク熱の問題はないが、片面溶接では、通常、裏当手段が配設されており、従来の超音波振動装置では、裏当手段を介して超音波を付加しても効果的に超音波を付加できないため、裏面でも表面と同様に溶接部やその近傍に効果的に超音波を付加することは困難であった。
このような理由で、従来の超音波を付加する溶接方法では、その効果が必ずしも十分とはいえないのが現状である。

特開平７−２８４９２３号公報特開平１０−２９６４６１号公報米国特許第６３３８７６５号公報特公昭４９−１５３３１号公報特開昭６３−２９５０６１号公報特開平９−２３４５８５号公報特開２００５−３２１０８６号公報

そこで、本発明は、溶接部に超音波を付加して溶接することにより溶接品質を向上させる溶接方法において、上記の問題を解決してさらに溶接品質の向上した溶接継手部を得ることを課題とする。

アークなどの熱の影響を受けずに、より効果的に溶接部に超音波を付加できる位置として、溶接部の下面側が有利である。
しかし、溶接部下面には、前述のように、テープなどの裏当材や銅の裏当金が配置されているので、従来の超音波振動子をそれらの裏当材に当てて超音波を付加するやり方では、効果的に超音波の振動を溶融プールやその近傍に付与することはできなかった。
ところで、近年、新たな超音波利用技術として特許文献７に示されるような超音波打撃処理（超音波衝撃処理とも言われる）が、金属材料などの物理的状態の改変に利用されはじめている。

本発明者らは、裏当材がある場合であっても、溶接部裏面から溶融池及び凝固部に効果的に超音波振動を付加できる手段として超音波打撃処理を用いることが有効であることを知見し、本発明をなしたもので、本発明は、上記課題を以下の手段によって解決するものである。

（１）被溶接部材の一方の側に配置した溶接手段によって溶融プールを形成しながら被溶接材料を溶接するに当たり、被溶接部材の他方の側に超音波打撃手段を配置して、被溶接部材の他方の側の溶接領域に超音波打撃を付加しながら溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
（２）前記溶接方法において、超音波打撃を、前記溶融プール内の溶融金属に作用するように付加することを特徴とする溶接方法。
（３））前記溶接方法において、超音波打撃を、凝固してオーステナイト域にある溶接金属に作用するように付加することを特徴とする溶接方法。
（４））前記溶接方法において、超音波打撃を、裏当手段を介して溶接領域に付加することを特徴とする溶接方法。

（５）被溶接部材の一方の側に配置した溶接手段によって溶融プールを形成しながら被溶接部材を溶接する溶接装置において、被溶接部材の他方の側に、溶接手段と同期して移動し、被溶接部材の他方の側の溶接領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする溶接装置。
（６））前記溶接装置において、溶接手段に対する進行方向間距離を変更できるように超音波打撃装置を配置したことを特徴とする溶接装置。

（７）被溶接部材の一方の側に溶接手段を配置し、被溶接部材の他方の側に、溶接手段と同期して移動し、被溶接部材に当接される裏当金を有する裏当装置を配置して、溶融プールを形成しながら溶接する溶接装置において、前記裏当装置に超音波打撃装置を配置し、前記裏当金を介して前記溶接領域に超音波打撃を付加することを特徴とする溶接装置。

本発明によれば、超音波打撃を被溶接部材の裏面の溶接領域に付加することにより、超音波打撃による振動を、溶融プール内の溶融金属あるいは凝固してオーステナイト域にある溶接金属に効果的に付与することができる。

これにより、溶融金属では、酸化物や窒化物などの凝固核サイトとなる微細な介在物の析出が促進されるため、凝固後の溶接金属の組織が微細化し、その結果、溶接部の靭性及び強度を向上させることができ、さらに、溶融金属の凝固過程で、凝固冷却が溶融金属プール内で均一に行われ、ブローホールや引け巣の発生を防止でき、ならびに不純物の偏析を防止して均質な溶着金属を得ることができる。

また、凝固して冷却途中にある溶接金属では、被溶接部材の素地中に酸化物や窒化物などの微細な析出物の析出が促進される。そのような微細な析出物は、例えば鉄鋼材料では、オーステナイトからフェライトへの変態時に粒内フェライトの核生成サイトとなるため、オーステナイトからフェライトへの変態が増加し、これにより溶接金属の組織が微細化し、溶接部の靭性及び強度を向上させることができる。

以下、本発明の方法及び装置の一実施の形態を、図１〜３を用いて詳細に説明する。

本発明では、溶接接合部の品質を向上する手段として超音波打撃処理を用いる。超音波打撃装置としては、例えば特許文献７に示されている装置が使用できる。図１にその例を示す。

図１において、１は超音波打撃装置であり、超音波を発信する磁歪式あるいは圧電式などのトランスデューサー２と、トランスデューサー２で発生した超音波を先端部に導き、振動を増幅させるウエーブガイド３と、ウエーブガイド３の被加工部材４と対向する側の先端に取り付けられたヘッド５とから構成される。

ヘッド５には、その先端に１個又は複数個の孔６が設けられ、この孔に超音波打撃子となる打撃ピン７が挿入されており、トランスデューサー２が超音波を発信すると、その超音波はこれに接続されたウエーブガイド３に伝わり、ウエーブガイド３の先端からヘッド５に至り、打撃ピン７を振動させる。この振動により打撃ピン先端が被加工部材４の表面を超音波打撃することによって超音波打撃処理がなされる。

本発明では、そのような超音波打撃装置１を、図２のように、溶接装置８が配置されている側とは反対の側の被溶接部材９の裏面に配置し、例えば支持台車１０などに搭載して溶接装置８の移動と同期して移動させ、溶融金属や凝固後の溶接金属に超音波打撃を作用させながら溶接する。

超音波打撃装置１を配置する位置は、溶接装置８による溶接が行われて、溶融プール１１が形成されている領域あるいはその領域に隣接する領域（これらの領域を溶接領域という。）に対応する被溶接部材裏面とする。すなわち、図２のアーク溶接の例では、溶接トーチ１２と対向する位置、あるいはその位置よりも溶接進行方向に対して後方の位置とする。
後方に配置する場合は、後述するように凝固した溶接金属がオーステナイト領域にある間とするのがよい。

超音波打撃装置１の打撃中心の位置と溶接装置８の溶接トーチ１２の中心位置との間の溶接進行方向に対する距離をＬとすると、この距離Ｌによって超音波打撃による超音波振動の付加される対象が相違し、その結果溶接部に及ぼす作用が異なることになる。
その作用の相違は、被溶接部材の板厚ｔとの関係で整理すると、おおよそ次のようになる。

（１）０≦Ｌ≦２ｔ
この範囲では、溶融プールが形成されているため、超音波打撃による超音波振動は、溶融プール内の溶融金属に作用する。その結果、酸化物や窒化物などの凝固核サイトとなる微細な介在物の析出が促進され、凝固後の溶接金属の組織が微細化する。そのため、溶接部の靭性及び強度が向上する。
さらに、溶融プールの金属の凝固過程で、凝固冷却が溶融プール内で均一に行われるため、ブローホールや引け巣の発生を防止でき、ならびに不純物の偏析もを防止されるため均質な溶接金属を得ることができる。

（２）０≦ｔ＜Ｌ
この範囲では、溶融プールの凝固が進行しているので、超音波打撃超音波打撃による超音波振動は、凝固後の冷却過程にある溶接金属に作用する。その結果、被溶接部材の生地中において酸化物や窒化物などの微細な析出物の析出が促進される。そのような析出物は、凝固後の冷却過程におけるオーステナイトからフェライトへの変態時に、粒内フェライトの核生成サイトとなるため、微細なフェライト組織の溶接金属が得られ、溶接部の靭性及び強度が向上する。
このような効果を得るためには、溶接金属がオーステナイト領域にある間に超音波打撃を付加する必要がある。

（３）ｔ≦Ｌ≦２ｔ
超音波打撃による超音波振動は、溶融プール内の溶融金属及び凝固後の冷却過程にある溶接金属の両方に作用する。
したがって、（１）の欠陥発生防止効果と（２）の靭性向上効果が得られる。

（４）２ｔ＜Ｌ
溶融プールから距離が離れ、溶接金属の温度も低下してくるため、（１）の効果は小さくなり、Ｌの値によっては（２）の効果も小さくなるが、より大きな溶接部の残留応力低減効果が得られる。

本発明では、被溶接部材の材質や溶接条件、あるいは得ようとする効果に応じて上記Ｌを変更できるように、音波打撃装置１を支持台車１０に搭載する。

従来、片面溶接では、溶接部下面に、裏当手段１３として例えばセラミックファイバーのテープやタイルなどの裏当材や銅などの裏当金が配置されるが、そのような場合でも、本発明では、裏当材や裏当金を介して超音波打撃を付加することができる。
本発明では、超音波打撃により発生する衝撃力により、裏当手段１３を介しても、溶融金属及び接金属の両方に超音波振動を作用させることができる。

その際、テープなどの裏当材の場合には、打撃が円滑に行われるよう先端部にローラが取り付けられたローラ型の打撃子や先端部が蒲鉾形で扁平な打撃子を用いて打撃するのが好ましい。また、裏当金の場合には、図１に示すようなピン型の打撃子も使用できるが、その先端形状は、半球形やかまぼこ形が好ましい。

また、被溶接部材の裏面の溶接領域に対応する位置に、溶接装置と同期して移動する裏当台車１４に例えばスプリング１６などを介して取り付けられた摺動式の銅裏当１５を押し当てて溶接する場合は、図３に示されるように銅裏当１５の裏当台車１４に超音波打撃装置１を搭載して、摺動式銅裏当１５の裏面を打撃するようにすれば、上記と同様の効果が得られる。

以上のようにして溶接する場合、超音波打撃子１２の振動数は、１〜７０ｋＨｚの範囲から、前記間隔Ｌの大きさに応じて選択される。振動数が１ｋＨｚ未満では、結晶粒微細化効果に乏しく、７０ｋＨｚを超える振動数では効果が飽和する。
また、同様な理由から超音波の出力は１００〜１０００Ｗの範囲から、押し付け力は５〜５００Ｎの範囲からそれぞれ選択されるが、５００Ｎを超える押し付け力では、材料の塑性変形が大きくなり、被溶接部材の寸法精度や外観が低下する。

上記（１）の範囲では、付加する振動の程度によっては、溶融プールが波打つなどの悪影響があるので、付加すると振動数は１０〜３０ｋＨｚの範囲が好ましく、また、（２）〜（４）の範囲では、２０〜３０ｋＨｚの範囲が好ましい。
裏当材を介して超音波打撃を付加する場合は、振動数は２０〜５０ｋＨｚ、超音波の出力は１０００〜５０００Ｗ、押し付け力は１００〜５００Ｎの範囲がそれぞれ好ましい。

超音波打撃処理に用いる打撃子は、図１に示されているピン型の打撃ピンのほか、前述のようなローラ型打撃子や扁平な打撃子などが用いられる。また、打撃子の個数は必要な範囲を打撃できれば一本とすることも可能であるが、二本以上を一列或いは複数列に配列するようにすることもできる。

なお、図１に示す超音波打撃装置１において、打撃ピン７は、環状の金具１７によりウエーブガイド３に着脱可能に取り付けられたホルダー１８によって支持されており、ホルダーごと取替え可能となっている。
また、ウエーブガイド３の中間部には、樹脂製のカバー１９を設け、この内部に潤滑冷却材を保持するための多孔体２０を充填することができる。

以下、本発明を鉄鋼材料の片面アーク溶接に適用した実施例を説明するが、本発明は、実施例に示した条件に限定されるものではなく、実施例は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例である。本発明は、特許請求の範囲に記載される事項によってのみ規定されており、その事項の範囲内において種々の条件を採用し得るものである。

被溶接部材として表１に示す成分と基本特性（ＹＰは降伏強度、ＴＳは引張強度を示す。）を有する鉄鋼材料を用い、溶接部裏面から溶接領域に裏当金を介して超音波打撃を付加し、あるいは超音波打撃を付加せずに溶接を行った。
その際、溶接は、ＭＡＧ溶接、エレクトロガス溶接（ＶＥＧＡ）、サブマージ溶接（ＳＡＷ）、炭酸ガス溶接（ＣＯ_２）で、表２に示す溶接条件で行った。
また、超音波打撃処理装置を、溶接トーチの真下からの距離Ｌ（ｍｍ）隔てた位置（表２で板厚ｔとの比で示す。）を打撃できるように溶接トーチと同期して移動する支持台車にセットし、打撃子の振動数や出力を表２で示す条件で超音波打撃処理を行った。

溶接後、継手部の靭性及び残留応力を測定するとともに、溶接欠陥の存在する領域の長さを測定した。
溶接金属の靭性、及び溶接金属と母材の境界部（FL部）の靭性については、鋼板の裏面下１ｍｍとシャルピー試験片の表面が一致するように切り出し加工した標準シャルピー試験片を用いて、それぞれ切り欠き位置として、溶接金属の中央部、FL部が試験片切り欠き部と一致するように加工した試験片９本を所定の試験温度で試験し、その平均値と最低値を評価した。

溶接継手の残留応力を評価するため、溶接金属の中央表面にゲージ長３ｍｍのゲージを貼ったのち、ゲージ貼り付け部を切断切り出しし、さらに板厚方向にも薄く切り出して、約６ｍｍ×６ｍｍ×厚み２ｍｍとした後、歪ゲージから歪量を測定し、溶接金属部の弾性係数を２００００Ｎ／ｍｍ^２として応力値を算定したものである。

また、溶接欠陥率の低減効果は、Ｘ線検査によって検出されるブローホールや融合不良などの溶接欠陥の存在する領域について、その溶接線長手方向の距離を溶接長１ｍあたり積算し、その積算量（ｍｍ）を算定して評価した。

測定結果を表３に示す。
試験Ｎｏ．Ｒ１〜Ｒ７は、比較例であり、超音波打撃処理を実施していない継手である。Ｎｏ．１１〜１３、２１〜２３、３１、４１、５１、６１、７１は、本発明例であり、超音波打撃処理を実施した継手である。
Ｎｏ．１１〜１３において、比較例であるＲ１と比較すると、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２は、Ｌ／ｔの範囲が０〜２の間であり、溶接金属の靭性が大幅に向上している。Ｎｏ．１３はＬ／ｔが２を超える条件下で実施した例であり、溶接金属の靭性向上代は小さいが、溶接残留応力が大幅に低下している。

その他の本発明例も同様に、Ｌ／ｔが２以下の条件においては、溶接金属部、FL部の靭性向上効果が顕著であり、Ｌ／ｔが小さいほど、溶接欠陥の発生率も低下している。
Ｌ／ｔが２を超える条件では、靭性向上効果や欠陥発生防止効果は小さいが、溶接部の残留応力が低下していることがわかる。

超音波打撃装置を説明するための図である。本発明を説明するための図である。本発明の他の例を説明するための図である。

符号の説明

１超音波打撃装置
２トランスデューサー
３ウエーブガイド
４被加工部材
５超音波打撃装置のヘッド
７打撃ピン（超音波打撃子）
８溶接装置
９被溶接部材
１０支持台車
１１溶融プール
１２溶接トーチ
１３裏当手段
１４裏当台車
１５摺動式銅裏当
Ｌ溶接トーチと超音波打撃装置の間の溶接進行方向間距離
ｔ被溶接部材の板厚

Claims

被溶接部材の一方の側に配置した溶接手段によって溶融プールを形成しながら被溶接材料を溶接するに当たり、被溶接部材の他方の側に超音波打撃手段を配置して、被溶接部材の他方の側の溶接領域に超音波打撃を付加しながら溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
前記超音波打撃を、前記溶融プール内の溶融金属に作用するように付加することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記超音波打撃を、オーステナイト域にある溶接金属に作用するように付加することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記超音波打撃を、裏当手段を介して前記溶接領域に付加することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法。
被溶接部材の一方の側に配置した溶接手段によって溶融プールを形成しながら被溶接部材を溶接する溶接装置において、被溶接部材の他方の側に、溶接手段と同期して移動し、被溶接部材の他方の側の溶接領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする溶接装置。
前記溶接手段に対する進行方向間距離を変更できるように超音波打撃装置を配置したことを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
被溶接部材の一方の側に溶接手段を配置し、被溶接部材の他方の側に、溶接手段と同期して移動し、被溶接部材に当接される裏当金を有する裏当装置を配置して、溶融プールを形成しながら溶接する溶接装置において、前記裏当装置に超音波打撃装置を配置し、前記裏当金を介して前記溶接領域に超音波打撃を付加することを特徴とする溶接装置。