JP2014024089A - 電子ビーム溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の電子ビーム溶接方法は、目外れによる欠陥を防止しながらも、溶接金属の強度の低下を防ぐことが容易にできる電子ビーム溶接方法を提供することを目的とする。
【解決手段】２つの母材４の突合せ部に形成された開先５を含むように、一次溶接ビード１を施工する工程と、前記一次溶接ビード１と幅が等しい複数の二次溶接ビード２、３を、前記一次溶接ビード１と重なり、かつ、これら複数の二次溶接ビード２、３が互いに重ならない位置に順次形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被溶接物に適用される電子ビーム溶接方法に関する。

一般的に、電子ビーム溶接機は電子銃、真空チャンバー、排気系、被溶接物駆動装置、高圧電源、制御盤等で構成される。電子ビーム溶接は、突き合わされた二以上の母材（被溶接物）が互いに接して形成される突合せ部に対して電子銃から電子ビームを照射することで、突合せ部を溶融、蒸発させるとともに急速に凝固させ、それら二以上の母材を接合する溶接方法である。

電子ビーム溶接は、従来の溶接方法に較べて、母材に与える熱変形や溶接歪が小さいこと等から、一般に高品位な溶接を実現できることが知られている。したがって、より高い精度が求められるワーク（部材）の組立などには非常に有効な接合手段であり、精密部品から大型構造部品まで幅広く応用されている。
特に、比較的大型の構造部品において電子ビーム溶接を適用する場合には、その突合せ部が、サブマージアーク溶接やＴＩＧ溶接で通常用いられる突き合わせ時に断面Ｕ字型となる開先とは異なり、通常、Ｉ型開先とされる。したがって、開先加工にともなう手間を省略することが可能であるとともに、溶接自体も１パスで行われることとなり、従来に比べて大幅に工数を低減することが可能である。

しかし、１パスで行う場合、１つの溶接ビードで目はずれによる溶接欠陥を防止する必要があり、溶接ビード幅を開先の幅よりも広げなければならない。溶接ビード幅を広げると、入熱が大きくなってしまい強度の低下を招くだけではなく、冷却速度も低下することから焼き入れ効果による強度の上昇も得られない。これにより、結果として溶接金属の機械的性質が全体として低下してしまう。
さらに、電子ビーム溶接は、溶接ビードが鋼板中の細かい磁気によって偏向され易いため、厚みが厚くなるほど目はずれによる溶接欠陥が生じやすい。つまり、板厚が厚くなるほど、目はずれを防止するために溶接ビード幅を広げる必要があり、入熱も大きくなってしまうため、溶接金属の機械的性質は板厚を増加させるほど低下する傾向にある。

そこで、１パスではなく複数パスを行うことで、目はずれを防止しつつ溶接金属の機械的性質を向上させる方法として、例えば、特許文献１や特許文献２に記載の技術が挙げられる。
特許文献１に記載の技術では、開先から左右に少しずらして複数パスを施す。複数の溶接ビードによって開先を溶接することで、幅広い溶接ビードを形成し目はずれによる欠陥が生じない接合を行う。そして、最終パスで、幅広い溶接ビード内の中心付近に、入熱の小さい細い溶接ビードを施し、焼き入れ効果を生じさせることで、強度を母材並みに回復させる方法がある。

また、特許文献２に記載の技術では、１パス目の第一溶接ビードを開先よりも広い幅で形成した後に、第一溶接ビードよりも幅の狭い２パス目以降の第二、第三溶接ビードを開先から左右に少しずらして形成することで、総溶接ビード幅を広くし目はずれを防止する。そして、第二、第三溶接ビードを開先からずらして形成することにより第一溶接ビードに小入熱を与え、第一溶接ビードを再溶融させることで結晶粒を微細化し靱性を向上させる方法がある。

特開平１０−３１４９６０号公報 特開２０１２−３５３１８号公報

しかしながら、いずれの方法も入熱が大きくなるため、冷却速度が遅くなり焼き入れ効果が充分に得られないことや、母材の一部が融点以下で加熱されることで溶融金属の強度が母材よりも低くなることなどの問題から、溶接金属の強度を得ることは難しい。
さらに、ＴＭＣＰ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いた高張力鋼のような鋼材では、より溶接金属の強度を求められるが、合金元素を大幅に減少させているため十分な溶接金属の強度を得ることがさらに難しいという問題がある。
また、従来の電子ビーム溶接の方法は、各パスを施工する毎に溶接ビード幅を変更する必要があるため、一箇所の開先を溶接するために何度も条件調整を行うという手間がかかっている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、目外れによる欠陥を防止し、溶接金属の強度の低下を防ぐことが容易にできる電子ビーム溶接方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る電子ビーム溶接方法は、２つの母材の突合せ部に形成された開先を含むように、一次溶接ビードを施工する工程と、前記一次溶接ビードと幅が等しい複数の二次溶接ビードを、前記一次溶接ビードと重なり、かつ、これら複数の二次溶接ビードが互いに重ならない位置に順次施工する工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、一次溶接ビードと二次溶接ビードとが重なることで、開先に対して形成される溶接ビードの幅を広くとることができる。また、二次溶接ビードが互いに重ならないことで一次溶接ビードにかかる入熱を小さくすることができる。さらに、等しい溶接ビード幅とすることで最後まで同一の溶接条件で容易に溶接を行うことができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記二次溶接ビードを前記２つの母材の前記開先の対向する面に傾斜させて形成することを特徴とする。

このような構成によれば、一次溶接ビードと二次溶接ビードとが互いに重なり合う領域が減少するため、さらに一次溶接ビードへの入熱を小さくすることができる。

さらに、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記一次溶接ビード及び前記二次ビードの幅を１ｍｍから３ｍｍの範囲に設定することを特徴とする。

このような構成によれば、一次溶接ビード及び二次溶接ビードを細い幅で形成することで入熱を小さくすることが可能となり、一つ一つの溶接ビードの冷却速度が上昇する。そして、細い幅の溶接ビードを形成することで開先に形成される溶接ビードの幅を狭くすることができ、開先の幅より必要以上に大きく溶接ビードを形成することを防ぐことができる。

本発明の電子ビーム溶接方法によれば、同じ幅の第一溶接ビードと第二溶接ビードを重ねることで、開先に対して形成される溶接ビードの幅が広くして目外れによる欠陥を防止し、第二溶接ビード同士を重ねないことで、入熱を小さくし溶接金属の強度の低下を防ぐことが容易にできる電子ビーム溶接方法を提供するものである。

本発明の第一実施形態に係る電子ビーム溶接方法の行程を説明する縦断面図である。 本発明の第二実施形態に係る電子ビーム溶接方法の工程を説明する縦断面図である。 本発明の実施例と比較例との強度の関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る第一実施形態について図１を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態の電子ビーム溶接方法は、母材４の開先５に対し、一次溶接ビードを形成する第一溶接工程Ｓ１の後に、２回の二次溶接ビードを形成する第二溶接工程Ｓ２及び第三溶接工程Ｓ３を備えている。
具体的には、本実施形態の電子ビーム溶接方法は、開先５を形成する準備工程Ｓ０と、一次溶接ビードである第一溶接ビード１を形成する第一溶接工程Ｓ１と、第１の二次溶接ビードである第二溶接ビード２を形成する第二溶接工程Ｓ２と、第２の二次溶接ビードである第三溶接ビード３を形成する第三溶接工程Ｓ３とから構成されており、これらの工程が順次施される。

図１（ａ）に示すように、まず、準備工程Ｓ０では、二つの母材４の端面を対向するように突き合わせ、突合せ部である開先５を形成する。開先５は、０ｍｍ〜０．５ｍｍの幅になるように母材４間の位置が調整されている。
母材４である被溶接物には、電子ビーム溶接が施工可能な材料が使用できる。中でも、ＴＭＣＰを用いた高張力鋼などに使用されることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、第一溶接工程Ｓ１では、開先５を含むように開先５に対して平行に第一溶接ビード１を形成する。第一溶接ビード１の幅を１ｍｍから３ｍｍの範囲に設定するために、表１の溶接施工条件を使用する。
なお、本実施形態における溶接ビードの幅は、最も狭い部分の長さを意味する。

本実施形態における電子ビーム溶接施工条件を表１に示す。

図１（ｃ）に示すように、第二溶接工程Ｓ２では、第一溶接工程Ｓ１で形成した第一溶接ビード１を充分に冷却した後に、第１の二次溶接ビードである第二溶接ビード２を形成する。第二溶接ビード２は、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１が含まれない偏った位置に、第一溶接ビード１と接しながら、中心線Ｏ１と第二溶接ビード２の中心線Ｏ２とが縦断面視にて、即ち、母材４の厚さ方向を含む断面視にて、互いに平行になるように形成される。ここで、第二溶接工程Ｓ２では、表１の溶接施工条件で施工し、第一溶接工程Ｓ１から溶接施工条件の変更を行わない。

図１（ｄ）に示すように、第三溶接工程Ｓ３では、第二溶接ビード２を充分に冷却した後に、第２の二次溶接ビードである第三溶接ビード３を形成する。第三溶接ビード３は、第二溶接ビード２とは逆側の第一溶接ビード１の中心線Ｏ１が含まれない偏った位置に、第一溶接ビード１と接しながら、中心線Ｏ１と第三溶接ビード３の中心線Ｏ３が縦断面視で平行になるように形成される。つまり、第三溶接ビード３は、第二溶接ビード２と互いに接することないため、重ならない位置に形成される。即ち、第二溶接ビード２と第三溶接ビード３とは開先５を挟むように間隔をあけて形成される。ここで、第三溶接工程Ｓ３では、表１の溶接施工条件で施工し、第一溶接工程Ｓ１から溶接施工条件の変更を行わない。
なお、第二溶接ビード２と第三溶接ビード３とは第一溶接ビード１の中心線Ｏ１を境界として線対称に配置されていることが好ましく、開先５を境界として線対称に配置されていることがより好ましい。

次に、上記構成の電子ビーム溶接方法の作用について説明する。
上記のような電子ビーム溶接方法によれば、第一溶接ビード１と第二溶接ビード２と第三溶接ビード３とが重なることで、開先５に対して形成した第一溶接ビード１の幅を、第二溶接ビード２と第三溶接ビード３の幅の分だけさらに広くとることができ、目はずれを防止できる。さらに、第二溶接ビード２と第三溶接ビード３とが互いに重ならないことで、冷却された第一溶接ビード１の中央部分を二重、三重に加熱することがないため、入熱を小さくすることができ、再溶融による第一溶接ビード１の強度の低下を防止できる。さらに、等しい溶接ビード幅とすることで最後まで同一の条件で溶接を行うことができるため、母材４に対し溶接を容易に施工することが出来る。

また、第一溶接ビード１から第三溶接ビード３までを１ｍｍから３ｍｍという細い幅で形成することで、一つ一つの溶接ビードの入熱を小さくさせることが可能となる。これにより、各溶接ビードの冷却速度を上昇させることになり、焼き入れ効果により溶接金属の強度を向上させることが出来る。そして、細い幅の溶接ビードを形成することで開先５に対して最終的に形成される溶接ビード幅を狭くすることができる。

次に、図２を参照して第二実施形態の電子ビーム溶接方法について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を伏して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の電子ビーム溶接方法は、第二溶接工程Ｓ２と第三溶接工程Ｓ３について第一実施形態と相違する。

即ち、第二実施形態では、第二傾斜溶接工程Ｓ２１と第三斜溶溶接工程Ｓ３１が第一溶接ビード１に対して傾斜して行われる。
図２（ｃ）に示すように、第二傾斜溶接工程Ｓ２１では、第一溶接工程Ｓ１で形成した第一溶接ビード１を充分に冷却した後に、第一の二次溶接ビードである第二傾斜溶接ビード２１を形成する。第二傾斜溶接ビード２１は、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１が含まれない偏った位置で第一溶接ビード１と接しつつ、縦断面視にて、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１に対して第二傾斜溶接ビード２１の中心線Ｏ２１が傾斜するように形成される。即ち、第二傾斜溶接ビード２１の中心線Ｏ２１は、電子ビームの照射方向に向かうに従って第一溶接ビード１の中心線Ｏ１に近接するように傾斜している。ここで、第二傾斜溶接工程Ｓ２１では、表１の溶接施工条件で施工し、第一溶接工程Ｓ１から溶接施工条件の変更を行わない。
図２（ｄ）に示すように、第三斜溶溶接工程Ｓ３１では、第二傾斜溶接工程Ｓ２１を充分に冷却した後に、第二の二次溶接ビードである第三傾斜溶接ビード３１を形成する。第三傾斜溶接ビード３１は、第二傾斜溶接工程Ｓ２１とは逆側の第一溶接ビード１の中心線Ｏ１が含まれない偏った位置で第一溶接ビード１と接しつつ、縦断面視にて、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１に対して第三傾斜溶接ビード３１の中心線Ｏ３１が傾斜するように形成される。即ち、第三溶接ビードの中心線Ｏ３１は、電子ビームの照射方向に向かうに従って第一溶接ビード１の中心線Ｏ１に近接するように傾斜している。ここで、第三斜溶溶接工程Ｓ３１では、表１の溶接施工条件で施工し、第一溶接工程Ｓ１から溶接施工条件の変更を行わない。

上記のような第二実施形態の電子ビーム溶接方法によれば、通常電子ビーム溶接ビードは入射側の方がわずかに幅を広く形成され、第一溶接ビード１と第二傾斜溶接ビード２１及び第三傾斜溶接ビード３１とが互いに重なり合う領域が減少するため、さらに第一溶接ビード１への入熱を小さくすることができ、溶接金属の強度低下を防止することができる。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。
［実施例］
母材４として、ＴＭＣＰを用いた高張力鋼を使用する。準備工程Ｓ０では、二つの母材４の端面を対向させ開先５に形成する。
第一溶接工程Ｓ１として、溶接ビーム幅２ｍｍの第一溶接ビード１が開先５を含むように開先５に対して平行に形成した。溶接施工条件は、表１の条件である加速電圧１３０〜１７０ｋＶ、ビーム電流８０〜１８０ｍＡ、溶接速度２００〜４５０ｍｍ／ｍｉｎにて溶接を行った。
第二溶接工程Ｓ２として、第一溶接ビード１を充分に冷却した後に、溶接ビーム幅２ｍｍの第二溶接ビード２を第一溶接ビード１の中心線Ｏ１が含まれない偏った位置で第一溶接ビード１と接しながら、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１と第二溶接ビード２の中心線Ｏ２とが縦断面視で平行になるように形成した。
第三溶接工程Ｓ３として、溶接ビーム幅２ｍｍの第三溶接ビード３を第一溶接ビード１の中心線Ｏ１から第二溶接ビード２と反対側にずらした位置で第一溶接ビード１と接しながら、第一溶接ビード１の中心線Ｏ１と第三溶接ビード３の中心線Ｏ３とが縦断面視で平行になるように形成した。溶接施工条件は、第一溶接工程Ｓ１と同様とした。

［比較例］
母材４として、ＴＭＣＰを用いた高張力鋼を使用する。母材４の開先５に、第一溶接工程Ｓ１として、溶接ビーム幅２ｍｍの第一溶接ビード１が開先５を含むように形成した。溶接施工条件は、実施例１と同様に表１の条件である加速電圧１３０〜１７０ｋＶ、ビーム電流８０〜１８０ｍＡ、溶接速度２００〜４５０ｍｍ／ｍｉｎにて溶接を行う。
なお、第二溶接工程Ｓ２及び第三溶接工程Ｓ３については施工しない点について実施例と異なる。

比較例の電子ビーム溶接との実施例との強度試験結果を図３に示す。
実施例では、第一溶接工程Ｓ１から第三溶接工程Ｓ３までを順次施工することで溶接ビードの幅が４ｍｍの溶接を開先５に行った。また、比較例では、第一溶接工程Ｓ１のみを施工したため溶接ビードの幅が２ｍｍの溶接を開先５に行った。
図３に示すように、実施例と比較例の電子ビーム溶接について、溶接金属の強度を比較した。実施例は、比較例よりも高い強度を示し、１．０６倍程度の強度となることが分かった。

これらの結果から、強度の低下を防ぎながら、溶接ビードの幅を広く形成することができることがわかった。また、第二溶接ビード２と第三溶接ビード３とが互いに重なり合わないようにすることで、強度の低下が防げることがわかった。また、溶接ビードの幅を第一溶接ビード１から第三溶接ビード３まで溶接ビードを２ｍｍと細く一定の幅に設定し、変更することなく溶接を行うことで強度の低下を防ぎながらに容易に溶接ができることがわかった。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

また、本実施形態において二次溶接ビードを形成する第二溶接工程Ｓ２と第三溶接工程Ｓ３は複数回繰り返し実施されてもよい。例えば、第二溶接ビード２に対して第一溶接ビード１とは反対側に第四溶接ビードを形成し、第三溶接ビード３に対して第一溶接ビード１とは反対側に第五溶接ビードを形成しても良い。即ち、二次溶接ビードを形成する溶接工程に回数に制限はなく、溶接対象となる母材や使用される環境に合わせて、第六溶接ビードや第七溶接ビード以降を形成しても良い。
なお、施工される二次溶接ビードは第一溶接ビード１の中心線Ｏ１を境界として、片側に方よって形成されるのではなく、左右に均等に順次形成されることがより好ましい。

Ｏ１…第一溶接ビード１の中心線 １…第一溶接ビード ２…第二溶接ビード ３…第三溶接ビード ４…母材 ５…開先 ２１…第二傾斜溶接ビード ３１…第三傾斜溶接ビード Ｓ０…準備工程 Ｓ１…第一溶接工程 Ｓ２…第二溶接工程 Ｓ３…第三溶接工程 Ｓ２１…第二傾斜溶接工程 Ｓ３１…第三傾斜溶接工程

Claims (3)

1. ２つの母材の突合せ部に形成された開先を含むように、一次溶接ビードを施工する工程と、
   前記一次溶接ビードと幅が等しい複数の二次溶接ビードを、前記一次溶接ビードと重なり、かつ、これら複数の二次溶接ビードが互いに重ならない位置に順次施工する工程と、
   を備えることを特徴とする電子ビーム溶接方法。
2. 前記二次溶接ビードを前記２つの母材の前記開先の対向する面に傾斜させて施工することを特徴とする請求項１に電子ビーム溶接方法。
3. 前記一次溶接ビード及び前記二次溶接ビードの幅を１ｍｍから３ｍｍの範囲に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム溶接方法。

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