JP2019048319A

JP2019048319A - 溶接部の熱影響部幅推定方法及びこの推定方法を用いた溶接方法

Info

Publication number: JP2019048319A
Application number: JP2017174043A
Authority: JP
Inventors: 阿部　大輔; Daisuke Abe; 大輔阿部; 直幸松本; Naoyuki Matsumoto; 大記置田; Hiroki Okita; 幸太郎猪瀬; Kotaro Inose
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: JP6864266B2

Abstract

【課題】容易に溶接部における熱影響部幅を推定可能な溶接部の熱影響部幅推定方法を提供する。【解決手段】金属部材の溶接部における表面及び裏面の各ビード幅を計測し、計測した表面及び裏面の各ビード幅と金属部材の板厚とに基づき形状係数を算出し、算出した形状係数が所定の範囲（値0.05〜0.15）にあるとき、形状係数ＦとＨＡＺ幅ＷＨＡＺとの間における一定の相関関係（近似直線）に基づき、金属部材の板厚中央におけるＨＡＺ幅ＷＨＡＺを推定する。【選択図】図３

Description

本発明は、溶接部の熱影響部幅推定方法及びこの推定方法を用いた溶接方法に関する。

金属部材の溶接の分野において、金属部材、特にボイラ等の高温環境下で使用される耐熱鋼の溶接継手を評価するための機械的特性の１つとして、クリープ特性が挙げられる。

クリープとは、部材に一定の荷重をかけると時間とともに変形していく現象を言い、クリープ特性とは、部材に特有のクリープの性質を言う。通常、時間が経ってもクリープによる変形量は少ないことが好ましく、クリープによる変形量が少ないほどクリープに対する耐性、即ち耐クリープ特性は高く、機械的特性は良好と言える。

ところで、金属部材の溶接継手におけるクリープ特性は、金属部材の溶接部周りの熱影響部の幅、即ち熱影響部幅（ＨＡＺ幅：Thickness of Heat Affected Zone）と相関性が高いことが知られており、熱影響部幅を狭くすることで耐クリープ特性を向上させることが期待される。

そこで、熱影響部幅を所定の幅以下に管理することで金属部材の溶接継手における機械的特性の向上を図る技術が種々開発されている。また、レーザ溶接を用いることで熱影響部幅を小さくする技術も提案されている（特許文献１）。

特開２００２−３９８４号公報

熱影響部幅を狭くするためには、溶接時における溶接入熱を小さくすることが有効である。
しかしながら、例えばレーザ溶接では、アーク溶接とは異なり１層及び１パスで溶接作業をすることが多いため、必要以上に溶接入熱を小さくすると、裏面側で溶け残りによる溶接不良が発生することがある。また、レーザ溶接とアーク溶接とを合わせて行うレーザアークハイブリッド溶接では、溶接入熱が小さくなるようにレーザ溶接による入熱とアーク溶接による入熱の２つのパラメータを適正に設定する必要がある。

これらレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接において最適な溶接入熱を得るためには、金属部材の板厚や組成に応じ、レーザ溶接やアーク溶接の溶接条件を種々変更し、その都度、継手切断−断面研磨−腐食−観察という工程を経て熱影響部幅を測定して確認しなければならず、良好な熱影響部幅を得るまでに多大な手間と時間がかかるという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容易に溶接部における熱影響部幅を推定可能な溶接部の熱影響部幅推定方法及びこの推定方法を用いた溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様の溶接部の熱影響部幅推定方法は、金属部材の溶接部における表面及び裏面の各ビード幅を計測するビード幅計測工程と、前記ビード幅計測工程にて計測した表面及び裏面の各ビード幅と前記金属部材の板厚とに基づき形状係数を算出する形状係数算出工程と、前記形状係数算出工程にて算出した形状係数が所定の範囲にあるとき、該形状係数に基づき前記金属部材の板厚中央における熱影響部の幅を推定する熱影響部幅推定工程とからなることを特徴とする。

第２の態様の溶接部の熱影響部幅推定方法は、前記熱影響部幅推定工程では、前記所定の範囲の前記形状係数と該所定の範囲において計測して得た前記金属部材の溶接部における板厚中央における熱影響部の幅とに基づき予め得られた直線近似式から前記熱影響部の幅を推定することを特徴とする。

第３の態様の溶接部の熱影響部幅推定方法では、前記形状係数の前記所定の範囲は、溶接条件が適正となる値０．０５〜０．１５の範囲であることを特徴とする。
第４の態様の溶接部の熱影響部幅推定方法では、前記金属部材は、耐熱鋼であることを特徴とする。

本発明の第１の態様の溶接方法は、レーザ溶接により金属部材同士の溶接接合を行う溶接方法であって、前記熱影響部の要求幅を設定する熱影響部要求幅設定工程と、上記第１〜第４のいずれかの態様の溶接部の熱影響部幅推定方法において前記熱影響部幅推定工程を逆用し、前記熱影響部の幅が前記要求幅となるような前記形状係数の目標値を設定する形状係数目標値設定工程と、前記形状係数を算出するための前記各ビード幅がそれぞれ前記目標値を満たす値となるよう前記レーザ溶接の溶接条件を設定する溶接条件設定工程とからなることを特徴とする。

本発明の第２の態様の溶接方法は、アーク溶接とレーザ溶接とを合わせたレーザアークハイブリッド溶接により金属部材同士の溶接接合を行う溶接方法であって、前記熱影響部の要求幅を設定する熱影響部要求幅設定工程と、上記第１〜第４のいずれかの態様の溶接部の熱影響部幅推定方法において前記熱影響部幅推定工程を逆用し、前記熱影響部の幅が前記要求幅となるような前記形状係数の目標値を設定する形状係数目標値設定工程と、前記形状係数を算出するための前記各ビード幅がそれぞれ前記目標値を満たす値となるよう前記アーク溶接及び前記レーザ溶接の溶接条件を設定する溶接条件設定工程とからなることを特徴とする。

本発明の溶接部の熱影響部幅推定方法によれば、金属部材の溶接部における表面及び裏面の各ビード幅と金属部材の板厚とに基づき算出される形状係数が所定の範囲にあるとき、形状係数と熱影響部の幅との間における一定の相関関係に基づき、金属部材の溶接継手におけるクリープ特性と相関性の高い熱影響部幅を容易に推定することができる。

そして、本発明の溶接方法によれば、レーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接による金属部材同士の溶接接合に上記溶接部の熱影響部幅推定方法を用い、熱影響部幅が要求幅となる形状係数の目標値を設定し、形状係数を算出する各ビード幅がそれぞれ当該目標値を満たす値となるようにレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接の溶接条件を設定するので、耐クリープ特性が向上した安定した溶接品質の溶接継手を実現することができる。

溶接金属の表面側ビード幅及び裏面側ビード幅、板厚、板厚中央部でのＨＡＺ幅を示す図である。形状係数とＨＡＺ幅との関係を示す図である。図２に近似直線を併記した図である。

以下、本発明に係る溶接部の熱影響部幅推定方法について図面を参照しながら説明する。
本発明に係る溶接部の熱影響部幅推定方法は、金属部材同士の突き合わせ溶接接合において金属部材の表面から裏面まで溶接金属を形成可能な溶接、特にレーザビームを用いて溶接接合を行うことで金属部材の表面から裏面まで十分に溶接金属を形成可能なレーザ溶接や、当該レーザ溶接とアーク放電により溶接接合を行うアーク溶接とを合わせて実施することで金属部材の表面から裏面までより一層十分に溶接金属を形成可能なレーザアークハイブリッド溶接に適用される。

ここに、レーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接の技術内容や施工方法等については公知であり、ここでは説明を省略する。
金属部材同士を溶接接合する際、溶接時の熱によって金属部材の溶接部周辺には熱影響部（ＨＡＺ： Heat Affected Zone）が生じ、この熱影響部の幅、即ち熱影響部幅（以下、ＨＡＺ幅：Thickness of Heat Affected Zone）は、上述したように、金属部材の溶接継手におけるクリープ特性と相関性が高いことが知られており、ＨＡＺ幅が狭いほど耐クリープ特性を向上させることが可能と考えられる。

しかしながら、従来のように、溶接条件を種々変更して溶接を行い、継手切断−断面研磨−腐食−観察という工程を繰り返しながら適正なＨＡＺ幅を得ることのできる溶接条件を判定することは、上述の通り、多大な手間と時間を要し好ましいことではない。

そこで、発明者らは溶接継手を切断することなく、ＨＡＺ幅を推定する方法を開発した。
以下、本発明に係る溶接部の熱影響部幅推定方法について詳細に説明する。
発明者らの研究によれば、溶接継手の表面と裏面に出現している各溶接金属の幅（以下、表面側ビード幅、裏面側ビード幅、または単に各ビード幅という）及び金属部材の板厚から算出される形状係数が所定の範囲にあるとき、当該形状係数と板厚中央部でのＨＡＺ幅との間に一定の相関関係があることが見出された。

図１に示すように、溶接継手の表面に出現している溶接金属の表面側ビード幅をＷ1とし、裏面に出現している溶接金属の裏面側ビード幅をＷ2とし、金属部材の板厚をｔで表すと、形状係数Ｆは、次式（１）で定義される。
Ｆ＝（Ｗ1−Ｗ2）／２／ｔ・・・（１）

また、図１中において、Ｗ_ＨＡＺが板厚中央部でのＨＡＺ幅を示す。
図２を参照すると、金属部材からなる板厚ｔが７mm（◆印及び◇印：７ｔ）、９mm（黒四角印：９ｔ）、１２mm（黒三角印：１２ｔ）、１６mm（●印：１６ｔ）の各試験片について溶接条件を種々変えてレーザアークハイブリッド溶接を行い、接合された溶接継手の表面と裏面の各ビード幅Ｗ1、Ｗ2をそれぞれ計測して上記式（１）から形状係数Ｆを求め、接合された溶接継手を切断してＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを計測して求め、このように求めたこれら形状係数Ｆ（横軸）とＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺ（縦軸）との関係が示されている。金属部材としては、例えば高い耐クリープ特性が要求される耐熱鋼（例えば、９Ｃｒ１Ｍｏ鋼）が選択されるが、耐熱鋼に限られるものではない。

なお、上記図２の各点の板厚ｔ、各ビード幅Ｗ1、Ｗ2、形状係数Ｆ及びＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺの実測値を表１に示す。

図２において、形状係数ＦとＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺとの間には、特に形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲（所定の範囲）において一定の相関関係があることが確認された。即ち、図２において、形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲には、板厚ｔが７mm（◆印）の点が４点有り、９mm（黒四角印）の点、１２mm（黒三角印）の点及び１６mm（●印）の点がそれぞれ１点ずつ３点有るが、これらの点は、ほぼ直線状に一列に並んでおり、形状係数ＦとＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺとが略比例関係を示すことが分かる。

一方、同図において、形状係数Ｆが値０．０５未満や値０．１５を超える領域では、板厚ｔが７mm（◇印）の点で示すように、各点間に形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲に見られるような略比例関係はないことが分かる。

また、図２には、形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲の板厚ｔが７mm（◆印）の４点のうちの１点、９mm（黒四角印）の点、１２mm（黒三角印）の点及び１６mm（●印）の点、及び、形状係数Ｆが値０．０５未満や値０．１５を超える領域の板厚ｔが７mm（◇印）の６点のうちの３点について溶接継手の切断面が併せて図示されている。これらの図によれば、形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲では、溶接条件が適正であり、溶接継手における溶接金属の溶け込み具合は良好である一方、形状係数Ｆが値０．０５未満や値０．１５を超える領域では、溶接条件が適正でない傾向にあり、溶接継手における溶接金属の溶け込み具合にむらが生じていることが分かる。

図３には、図２において形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲に有って略比例関係を示す上記７点に基づき最小二乗法等を用いて求めた近似直線が併記されている。
このように求めた近似直線の直線近似式の一般式は、次式（２）で示される。

Ｗ_ＨＡＺ＝ａ・Ｆ＋ｂ・・・（２）
ここに、ａは近似直線の傾き、ｂは形状係数Ｆが仮に値０であるとしたときのＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺの値である。形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲に有る上記７点に基づけば、例えば、ａは値２４．８７４、ｂは値−０．０９１４となる。但し、試験片の数を増やし、形状係数Ｆ及びＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを求めるサンプル数を増やすことにより、より一層適切なａ及びｂを求めるようにでき、近似直線の精度を高めることが可能である。

このように、金属部材同士の突き合わせ溶接接合において金属部材の表面から裏面まで溶接金属を形成可能な溶接、特にレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接では、形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲において、形状係数ＦとＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺとの間に略比例関係があることに基づき、直線近似式を求めることが可能であり、この直線近似式から形状係数Ｆが値０．０５〜０．１５の範囲に対応する板厚中央部でのＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを容易に推定することが可能となる。

推定方法としては、具体的には、金属部材の板厚ｔを計測するとともに溶接金属の表面側ビード幅Ｗ1と裏面側ビード幅Ｗ2とを計測し（ビード幅計測工程）、これら板厚ｔと各ビード幅Ｗ1、Ｗ2とを上記式（１）に代入して形状係数Ｆを求め（形状係数算出工程）、求めた形状係数が値０．０５〜０．１５の範囲にあるとき、上記式（２）の直線近似式から当該形状係数Ｆに応じたＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを推定する（熱影響部幅推定工程）。

このようにして形状係数が値０．０５〜０．１５の範囲に対応するＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺが例えば値１．１〜３．６の範囲で推定される。
そして、この推定される例えば値１．１〜３．６からなるＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺの範囲は、耐クリープ特性を向上させるのには十分に狭い寸法範囲と言える。

これより、例えばレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接を行う際に、例えば値１．１〜３．６からなる所望のＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを得たい場合には、上記式（２）の直線近似式を逆算することで、対応する形状係数Ｆの目標値を求めることができ、形状係数Ｆがこの目標値となるようにレーザ溶接における溶接条件やレーザアークハイブリッド溶接におけるレーザ溶接及びアーク溶接の溶接条件を適正に設定すればよい。

具体的には、先ず所望のＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺ（要求幅）を設定し（熱影響部要求幅設定工程）、上記式（２）の直線近似式を逆算（逆用）することで、所望のＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺに対応する形状係数Ｆの目標値を設定し（形状係数目標値設定工程）、金属部材の板厚ｔを計測しておき、上記式（１）の（Ｗ1−Ｗ2）／２／ｔにおいて各ビード幅Ｗ1、Ｗ2がそれぞれ形状係数Ｆの目標値を満たす値となるようにレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接の溶接条件を適宜設定する（溶接条件設定工程）。

このように、例えばレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接において、上記式（２）の直線近似式を逆用して、形状係数Ｆが所望のＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺに対応した値０．０５〜０．１５の範囲の目標値となるような適正な溶接条件を設定することにより、ＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺを常に所望のＨＡＺ幅Ｗ_ＨＡＺとして十分に狭い寸法範囲に納めるようにでき、耐クリープ特性が向上した安定した溶接品質の溶接継手を実現することが可能である。

以上で本発明に係る実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明に係る溶接部の熱影響部幅推定方法を例えばレーザ溶接やレーザアークハイブリッド溶接に適用する場合を説明したが、金属部材の表面から裏面まで溶接金属を形成可能な溶接であれば、ミグ溶接やティグ溶接等のアーク溶接に適用することも可能である。

また、上記実施形態では、本発明に係る溶接部の熱影響部幅推定方法を金属部材同士の突き合わせ溶接接合に適用する場合を説明したが、金属部材の表面から裏面まで溶接金属を形成可能な溶接であれば、突き合わせ溶接接合に限定されるものではない。

Ｆ形状係数
Ｗ1 表面側ビード幅
Ｗ2 裏面側ビード幅
Ｗ_ＨＡＺＨＡＺ幅（熱影響部の幅）
ｔ板厚

Claims

金属部材の溶接部における表面及び裏面の各ビード幅を計測するビード幅計測工程と、
前記ビード幅計測工程にて計測した表面及び裏面の各ビード幅と前記金属部材の板厚とに基づき形状係数を算出する形状係数算出工程と、
前記形状係数算出工程にて算出した形状係数が所定の範囲にあるとき、該形状係数に基づき前記金属部材の板厚中央における熱影響部の幅を推定する熱影響部幅推定工程と、
からなる、溶接部の熱影響部幅推定方法。
前記熱影響部幅推定工程では、前記所定の範囲の前記形状係数と該所定の範囲において計測して得た前記金属部材の溶接部における板厚中央における熱影響部の幅とに基づき予め得られた直線近似式から前記熱影響部の幅を推定する、請求項１に記載の溶接部の熱影響部幅推定方法。
前記形状係数の前記所定の範囲は、溶接条件が適正となる値０．０５〜０．１５の範囲である、請求項１または２に記載の溶接部の熱影響部幅推定方法。
前記金属部材は、耐熱鋼である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接部の熱影響部幅推定方法。
レーザ溶接により金属部材同士の溶接接合を行う溶接方法であって、
前記熱影響部の要求幅を設定する熱影響部要求幅設定工程と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接部の熱影響部幅推定方法において前記熱影響部幅推定工程を逆用し、前記熱影響部の幅が前記要求幅となるような前記形状係数の目標値を設定する形状係数目標値設定工程と、
前記形状係数を算出するための前記各ビード幅がそれぞれ前記目標値を満たす値となるよう前記レーザ溶接の溶接条件を設定する溶接条件設定工程と、
からなる、溶接方法。
アーク溶接とレーザ溶接とを合わせたレーザアークハイブリッド溶接により金属部材同士の溶接接合を行う溶接方法であって、
前記熱影響部の要求幅を設定する熱影響部要求幅設定工程と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接部の熱影響部幅推定方法において前記熱影響部幅推定工程を逆用し、前記熱影響部の幅が前記要求幅となるような前記形状係数の目標値を設定する形状係数目標値設定工程と、
前記形状係数を算出するための前記各ビード幅がそれぞれ前記目標値を満たす値となるよう前記アーク溶接及び前記レーザ溶接の溶接条件を設定する溶接条件設定工程と、
からなる、溶接方法。