JP3902419B2 - Arc welding method and arc welding apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク溶接方法に係わり、特に溶接ビード部と該熱影響部の残留応力を低減するのに好適なアーク溶接方法及びアーク溶接装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のアーク溶接においては、溶接トーチと溶接母材との間にアークを発生させ溶接母材上に溶融池を形成し、該溶融池が凝固した溶接ビード部と該溶融池と接触する部分に形成された熱影響部と溶接母材とを熱輻射及び周囲媒体である空気の自然対流により冷却させ常温に戻していた。又、特開昭55−73477号公報、特開昭58−205687号公報、特開昭60−187478号公報においては、大気中の溶接を行う際に水冷を行いクロム炭化物の析出を防止する方法が提案されている。
【0003】
更に、水中溶接においては、水を排除した気相空間にてアークを発生させた後、溶接ビード部と熱影響部と溶接母材とを周囲媒体である水と接触させることに水の自然対流により冷却し水温まで戻していた。このような水中アーク溶接に関連するものに、特開平10−34374号公報などがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭55−73477号公報、特開昭58−205687号公報、特開昭60−187478号公報においては、クロム炭化物の析出を防止するため650℃〜1200℃に加熱されている時間を短縮するようにしたものであり、残留応力を引張り応力から圧縮応力にするための方法については開示されていなかった。
【0005】
又、特開平10−34374号公報は水中ブラズマ溶接により残留応力を低減するものであるが、気泡の発生などにより溶接品質が損なわれたり、ビードに隣接する熱影響部に局部的な引張り残留応力(残留応力のピーク)が残存するケースがあった。引張り残留応力を有する溶接部を使用した製品は、比較的短期間に亀裂や応力腐食割れを生じやすい欠点がある。
【0006】
本発明の目的は、製品の使用中の亀裂や応力腐食割れ防止し、製品の寿命を長くし、かつ性能に対する信頼性を向上したアーク溶接方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、溶接ビード部の断面の深さ寸法をD、幅寸法をWとすれば、溶接ビード部の断面のアスペクト比(D/W)が0.5以上の溶接ビードを形成し、凝固させた直後の溶接ビード部とこれに隣接する熱影響部とに冷却媒体を噴射させて急冷し、表面が圧縮残留応力を有する溶接部を形成し、前述の目的を達成することにある。
【0008】
【発明の実施の形態】
(第1の実施例)
図1(A),(B)に本発明の第1の実施例を示す。本発明の第1の実施例は、溶接装置例えばアーク溶接装置に冷却媒体を噴出する噴射ノズル6を用い、気中で溶接をする場合である。
【0009】
溶接トーチ1に保持される電極2と溶接母材3との間にアークを発生させ溶接母材3上に溶接池5を形成し、溶接池5を凝固させ溶接ビート部4を形成するものにおいて、溶接ビード4は溶接ビードの深さ寸法をDとし、幅寸法をWとすれば、アスペクト比(D/W)が0.5以上となる溶接条件にて溶接ビード部4を形成し、冷却媒体10例えば水は溶接トーチ1近傍に配置した冷却ヘッド8から噴出させ溶接局部4Cに流動させるようにして、溶接局部4Cを急冷し、図1(B)に示す溶接ビード部4を形成する。ここで溶接局部4Cは溶融池が凝固した直後の溶接ビード部4と溶融池5と隣接する熱的影響部4Aとを指すものである。
【0010】
入熱5〜20KJ/cmより望ましくは、8〜17KJ/cmの溶接ビード部4において、アスペクト比(D/W)が0.5以上となるような深溶け込み溶接は、次の方法により実現できる。DCアークの場合はシールドガスとして、アルゴンに2〜10%の水素を混合した混合ガスを用いてビードオン溶接を行うか、シールドガスとして、アルゴンを用い活性フラックスを溶接部に塗布しビードオン溶接を行うことで実現できる。又、パルスアークの場合はパルスピーク電流値を高く(300〜600A)設定し、5〜30KHzの高周波パルス溶接でビードオン溶接を行うことによりシールドに混合する水素を低減できる利点がある。
【0011】
冷却媒体10は、冷却媒体供給装置9により配管7を経て電極2の周囲に設置された噴射ノズル6を有する冷却ヘッド8に供給される。又、冷却ヘッド8は溶接トーチ1に固定され、溶接トーチ1と同一速度で移動する。
【0012】
冷却ヘッド8としては、1本の噴射ノズル6を用いて構成し、溶融池5が凝固した直後の溶接ビード部4と溶融池6に隣接する部分に形成された熱影響部4Aとを冷却する例を示したが、2本、又は、複数の噴射ノズル6を用いて溶融池6が凝固した直後の溶接ビード部4と溶融池6に隣接する部分に形成された熱影響部4Aとを冷却するようにしても良い。
【0013】
又、冷却媒体10(例えば、水)が飛散し水しぶきなどでアーク空間を乱したり、電極2を濡らしたり、溶融池6で過度の蒸気を発生させたりすることを防止するには、電極2と冷却ヘッド8との間に冷却媒体10を遮蔽する水排除隔壁14を設け、アーク空間から冷却媒体10を遮蔽するようにし、冷却ヘッド8と反対側の水排除隔壁14の前面にシールドガス16の出口部15を設ける。
【0014】
シールドガス16に出口部15を設けないと、水排除隔壁14の後方から流出するシールドガス16により噴射冷却を行う噴流10に乱れが発生したり、又冷却ヘッド8と同側の水排除隔壁14側面に出口部15を設けると、シールドガス16の流れにより、溶接ビード断面に偏りが発生する傾向があるからである。
【0015】
更に、図2に示すように、噴射ノズル6は母材3面に対して30度〜50度の範囲で傾斜させて配置することが望ましい。傾斜角度θが20度以下の場合は冷却開始位置が溶融池6から遠くなり急冷効果が少なくなり、60度以上の場合は水排除隔壁21と母材3との隙間から衝突噴流が進入しアークを乱すようになるからである。
【0016】
冷却媒体として、水の他に、難燃性オイル、フロリナート、液体窒素などが使用できるが、噴射冷却の熱伝達率が5〜50KW/m2℃より望ましくは、水を用い噴射冷却の熱伝達率が10〜30KW/m2℃となるように噴射時の流速や流量を設定すると良い。噴射冷却の熱伝達率が10KW/m2℃未満の場合、後述する反転温度差が充分に形成されず残留応力の極大部を圧縮にすることができない。
【0017】
又、噴射冷却時の流速や流量を高くすれば、熱伝達率を増大できるが、流速や流量を高くし過ぎるとアークを乱し溶接品質が悪化する傾向があるからである。即ち、水噴射冷却時の流速が0.8〜8m/sec、より望ましくは、1〜5m/secとなるように噴射時の流量を設定すると良い。
【0018】
更に、水温を0〜5℃程度の低温状態にしたり、不凍液を混合させたり不凍効果のある物質を溶解させ氷点以下にし、流速や流量を極力高くせずに常温の場合よりも冷却作用(熱伝達率)を高めることが望ましい。
【0019】
このような構成で、母材の厚さ12mmのSUS304を入熱11KJ/cm,溶接速度100mm/minにおいて、1例として図3(B),(C),(D)に示す複数の溶接ビード部4を形成した。SUS304以外の母材の材質としてSUS316、インコネル600等を用いても良い。溶接ビード部4のビード断面形状のアスペクト比D/Wは、(B)=0.3,(C)=0.5,(D)=1.0であり、ビードオン溶接を行い、冷却媒体として水を使用し、冷却ヘッド8として1本の矩形噴射ノズル6(開口幅20mm、開口高さ2mm)を配置し、母材面に対して40度の角度で約5l/min噴流を供給し、冷却をした。尚、噴流の流速は約2.0m/sであり、噴流の熱伝達率は約13〜20KW/m2℃と推定される。
【0020】
このような施工を行い、アスペクト比と残留応力との関係を求めた結果を図4(A),(B)に示す。図4(A)は母材3に溶接ビード部4を形成した状況を示し、溶接ビード部4の中心部0からY方向に順次離れた時の残留応力を測定した特性図を図4(B)に示す。図4(B)の特性図は図3(B),(C),(D)に示す複数の溶接ビード部4に水噴射した場合と自然冷却の場合とを示した。図4(B)の特性図の溶接局部における残留応力の極大値つまりピーク値を合成した特性図を図5に示した。図5においてはアスペクト比(D/W)が0.4の場合の残留応力ピーク値も追加した。
【0021】
図5の特性図から明らかなように、水噴射冷却時の残留応力のビード方向成分(σx)は、アスペクト比が0.3以下の溶接ビード部4は、溶接線近傍の熱的影響部つまり溶接局部4Cにおいて、ピークが約+100MPa以上の引張残留応力値を有している。
【0022】
またアスペクト比が0.4以上の溶接ビード部4は、溶接線近傍の熱的影響部つまり溶接局部4Cにおいて、0から約−140MPaを有する圧縮残留応力となる。更にこれらの詳細を図5により説明する。
【0023】
即ち、図5から明らかなように、アスペクト比が0.3以下の溶接ビード部4を有する製品においては、引張残留応力値を有しており、この溶接ビード部4を使用した製品は比較的短期間に亀裂や応力腐食割れを生じやすい欠点がある。
【0024】
又アスペクト比が0.4以上0.5未満の溶接ビード部4は、溶接局部4Cの応力ピークは約0〜−120MPaの圧縮残留応力となるが、アスペクト比が少し変化しただけで、引張残留応力値が大幅に変化し、アスペクト比が0.4以上0.5未満の溶接ビード部4を有する製品例えばSUS304に繰り返し負荷疲労試験をすると、破損限界値がばらつき性能の安定した製品を製作することができない。
【0025】
これに対して、本発明のアスペクト比が0.5以上の溶接ビード部4を有する製品においては、アスペクト比が多少変化しても常に圧縮残留応力が略−120〜−140MPaとなり、略一定値の圧縮残留応力となり、アスペクト比が0.5以上の溶接ビード部4を有する製品例えばSUS304に繰り返し負荷を与えて疲労試験をすると、破損限界値が略一定した性能の安定した製品を製作することができると共に、亀裂や応力腐食割れが生じにくくなるので、製品の寿命が長くなり、製品の信頼性が向上した。
【0026】
又、図6に溶接ビード部4の図3(B),(C),(D)及び図4(A)のビード表面温度3Aと内部温度3Bに関する時間と温度との関係を示す変化曲線である。ビード表面温度3Aと内部温度3Bとは、ビード直下で高温となる位置(図3の(D)参照)の温度として定義した。図6において、溶融池形成直後に水噴射冷却を行った場合のビード表面温度3Aとビード内部温度3Bに関する冷却曲線を図6の太線で示した。又、ビード内部温度3Bとビード表面温度3Aとの温度差(=内部温度−ビード表面温度)を反転温度差と定義した。
【0027】
図6から、アスペクト比が0.3の場合の反転温度差は小さいが、アスペクト比が(0.5),(1.0)と大きくなる程、反転温度差が大きくなることが判る。即ち、アスペクト比が0.3の場合にはビード表面の温度が低下すると、内部に形成される高温部は板内部の浅い部分(表面より3〜4mmの位置)にあるため表面温度と共に低下する。その結果、内部温度3Bの方がビード表面温度3Aより少し高い温度状態を保持するに過ぎない。
【0028】
他方、アスペクト比が(0.5),(1.0)の場合、ビード中心表面の温度が急速に低下しても、ビード直下の高温部は板内部の深い部分(表面より4〜6mmの位置)にあるため、内部温度低下の度合いは表面より遅く緩やかになる。その結果、内部温度3Bがビード表面温度3Aより高くなる反転温度差が大きく形成されるようになる。
【0029】
又、図5と図6の結果を対比すると、板表面の残留応力を圧縮残留応力にするには、上記した反転温度差を充分大きく形成する必要があることが判った。又、上記した施工を行なっても、溶接部において気泡の発生などにより溶接品質が損なわれることはなかった。
【0030】
尚、図示はしてないが、溶接トーチ1と冷却ヘッド8を固定し、溶接母材3を移動させるように構成しても、上記した効果と同等な効果が得られることは言うまでも無い。
(第2の実施例)
図7に本発明の第2の実施例を示す。本発明の第2の実施例は水排除隔壁14を用い、水中17で溶接を行なう場合である。
【0031】
溶接トーチ1に保持される電極2と溶接母材3との間に発生するアークの周辺にシールドガス16による水排除(気相)空間を形成し、水中17の溶接母材3上に溶融池5を形成し水中溶接を行うものにおいて、溶接ビード部4のアスペクト比(D/W)が0.5以上となる溶接条件にて溶接ビードを形成し、冷却媒体10である水を冷却ヘッド8から噴出させ、溶接局部を急冷するようにしたものである。
【0032】
本発明において、電極周辺に配置される水排除隔壁14は、断面形状が円形の場合、直径を溶融池5の長さとほぼ同等以上で約3倍の範囲に設定され、更に、水排除隔壁14の溶接進行方向の前面にはシールドガスの出口部15が設けられている。従って、本発明においては、従来使用されている隔壁断面直径(溶融池長さの5〜8倍)と比較して水排除隔壁14の断面直径を小さくしたので、水排除(気相)空間での温度降下が少なくなり、より高温の状態の溶接母材(表面及び内部)を急冷できる効果がある。
【0033】
その結果、溶接ビード部4表面の温度を溶接ビード直下の母材内部の温度より低くし、反転温度差を大きくすることができる。更に、水排除隔壁14の溶接進行方向の前面にシールドガスの出口部15を設けたので、実施例1と同様な効果に加えて、溶接進行方向の後方からのシールドガスの排出に伴う気泡により、溶接進行方向の後方の冷却を妨げることがない利点がある。
【0034】
又、実施例1と同様な傾斜角、開口部の噴射ノズル6を有する冷却ヘッドを水排除隔壁14の周辺に配置し、噴射ノズル6により水噴流を溶接局部に流動させ水噴射冷却を行うことにより、水の自然対流による冷却(熱伝達率約1〜5KW/m2℃)よりも冷却作用(熱伝達率)を高くすることができる。
【0035】
又、冷却媒体10として水を用いる場合、周囲の水24より低い温度の状態、例えば、0〜10℃程度の低温状態にしたり、不凍液を混合させたり不凍効果のある物質を溶解させ氷点以下にすることにより、周囲の水24よりも冷却作用を高めることが望ましい。
【0036】
この構成で、厚さ12mmのSUS304を入熱12KJ/cm、溶接速度100mm/minにおいて、複数のビード形状つまりアスペクト比=(0.3),(0.5),(1.0)のビードオン溶接を行い、冷却媒体として水を使用し、冷却ヘッド8として1本の矩形噴射ノズル6(開口幅20mm、開口高さ2mm)を配置し、母材面に対して40度の角度で約10l/min噴流を供給し、冷却した。尚、噴流の流速は約4.2m/sであり、噴流の熱伝達率は約18〜28KW/m2℃と推定される。
【0037】
このような施工を行い、アスペクト比と残留応力との関係を求めたところ、溶接ビード部のアスペクト比(D/W)が0.5以上の溶接ビード部4を形成し、上記した水噴射冷却を行なうことにより、水中溶接においても、板表面の残留応力を圧縮残留応力にできることが判った。又、溶接部においては、気泡の発生などにより溶接品質が損なわれることはなかった。
(第3の実施例)
図8(A),(B)に本発明の第3の実施例を示す。本発明の第3の実施例は各層を1パスで行う狭開先の多層突合せ溶接を行なう場合である。特に、図8(A),(B)に示すように、狭い開先,即ち、溶接母材3に開先底部3Cを有する溝18を形成する。この溝18に1パスで溶接を行い、先ず開先底部3Cを溶接させ最下段溶接層を形成する。更に各層を1パスにより最下段溶接層例えば3Cの上に順次第2溶接層18A、第3溶接層18Bの如く積重ねて、最上段溶接層18Nを形成後、最上段溶接層18Nの上に本発明による溶接ビード部の断面のアスペクト比(D/W)が0.5以上の溶接ビード部4を行い最終溶接層18Zを形成する。溶接ビード部の断面のアスペクト比(D/W)が0.5以上の溶接ビード4を形成し、凝固した直後の溶接ビード部とこれに隣接する熱影響部とに冷却媒体を噴射させ急冷するようにしたものである。
【0038】
そして、最終溶接層18Zとその熱影響部の表面残留応力を圧縮残留応力にするか、又は極めて低い引張残留応力に抑制するので、本発明による溶接ビード部4を使用した分だけ各溶接層での亀裂、応力腐食割れを抑制することが出来るようになり、本発明を使用した製品の性能の信頼性を向上することができる。
【0039】
前述において各層を1パスで順次肉盛りを行う狭開先溶接は、開先幅(ルート幅)を狭く設定し,アークの指向性を高めたTIG溶接を用い溶加ワイヤを供給しながら溶接を行なうことにより実現できる。例えば、板厚20mm、開先形状としては、ルート幅4〜6mm、開先角3度、ルートフェース1〜3mm、ルートギャップ0mmに対し、パルスTIG溶接において、入熱5〜15KJ/cm、溶接速度80〜150mm/min、パルスピーク電流値を高く(300〜600A)設定し、300〜700Hzの中周波パルスTIGで溶接を行うか、5〜30KHzの高周波パルスTIGで溶接を行うことで可能であることを見出した。
【0040】
又、DC−TIG溶接を用いる場合は、開先幅(ルート幅)及び開先角を上記より大きくし、シールドガスとしてアルゴンに2〜10%の水素を混合した混合ガスを用いて施工することで可能である。
【0041】
又、溶接ビード部のアスペクト比(D/W)が0.5以上となるような深溶け込み溶接は、実施例1と同様な方法で実現できる。例えば、DC−TIGを用い、シールドガスとしてアルゴンに2〜10%の水素を混合した混合ガスを用いてビードオン溶接を行うか、シールドガスとしてアルゴンを用い活性フラックスを溶接部に塗布しビードオン溶接を行えば良い。
【0042】
厚さ20mmのSUS304板の多層突合せ溶接において、狭開先部のルート幅を5mmとし、先ず、図8(A)に示すように、DC−TIGを用いて各層の肉盛りを1パスで行った後、図8(B)に示すように、溶接ビード部の断面のアスペクト比(D/W)が0.5乃至1.0の最終層を形成しつつ、凝固した高温状態の溶接ビード部と隣接する熱影響部に水を噴射させて急冷した。又、比較のため、DC−TIGを用いて溶接ビード断面のアスペクト比(D/W)が0.3の最終層を形成し同様な施工を行った。
【0043】
冷却ヘッド8として1本の矩形噴射ノズル6(開口幅20mm、開口高さ2mm)を配置し母材面に対して40度の角度で約5l/min噴流を供給して、冷却をした。尚、噴流の流速は約2.0m/sであり、噴流の熱伝達率は約13〜20KW/m2℃と推定される。
【0044】
このような施工を行い、アスペクト比と残留応力との関係を求めたところ、溶接ビード部4のアスペクト比(D/W)が0.5以上の溶接ビード4を形成し、上記した水噴射冷却を行なうことにより、多層突合せ溶接部においても、表面の残留応力を圧縮残留応力にできることが判った。又、溶接部においては、気泡の発生などにより溶接品質が損なわれることはなかった。
【0045】
尚、前述の実施例ではアスペクト比(D/W)が(0.5),(1.0)の場合しか説明していないが、アスペクト比(D/W)が0.5以上である(1.5),(2.0)〜等にも適用できることは云うまでもない。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧縮残留応力を有する溶接ビード部を使用した製品は、使用中に亀裂や応力腐食割れを生じにくくなり、アスペクト比(D/W)を0.5以上にした分だけ製品の寿命が長くなると共に、製品の性能に対する信頼性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例であるアーク溶接の概略構成を示した斜視図。
【図2】図1に使用した噴射ノズルからの冷却媒体を溶接母材に噴射する冷却ヘッド部分の構成図。
【図3】図1により形成した溶接ビード部の断面図。
【図4】図3の溶接ビード部におけるビード方向の残留応力分布を示す分布図。
【図5】図4の溶接ビード部における残留応力のビード方向成分を示す分布図。
【図6】図3の溶接ビード部における熱的影響部の残留応力の温度と時間との関係を示す特性図。
【図7】本発明の他の実施例として示した水中アーク溶接の概略斜視図。
【図8】本発明の他の実施例として開先溶接部を示す斜視図。
【符号の説明】
1…溶接トーチ、2…電極、3…母材、3C…開先底部、4…溶接ビード部、5…溶融池、6…噴射ノズル、7…流体供給配管、8…冷却ヘッド、9…冷却媒体供給装置、10…冷却媒体、11…溶接ビード断面、12…溶接ビード断面、13…溶接ビード断面、14…水排除隔壁、15…出口部、16…シールドガス、17…水中、18…溝(開先部)、18A…第2溶接層、18B…第3溶接層、18N…最上溶接層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arc welding method, and more particularly to an arc welding method and an arc welding apparatus suitable for reducing residual stress in a weld bead portion and the heat affected zone.
[0002]
[Prior art]
In conventional arc welding, an arc is generated between a welding torch and a weld base material to form a molten pool on the weld base material, and the weld bead portion solidified by the molten pool is in contact with the molten pool. The formed heat-affected zone and the weld base material were cooled to normal temperature by heat radiation and natural convection of air as the surrounding medium. In JP-A-55-73477, JP-A-58-205687, and JP-A-60-187478, a method of preventing precipitation of chromium carbide by performing water cooling when welding in the atmosphere. Has been proposed.
[0003]
Furthermore, in underwater welding, after an arc is generated in a gas phase space from which water has been removed, natural convection of water is used to bring the weld bead, heat affected zone, and weld base material into contact with the surrounding medium water. The water was cooled down to the water temperature. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-34374 and the like relate to such underwater arc welding.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in JP-A-55-73477, JP-A-58-205687, and JP-A-60-187478, the time of heating to 650 ° C. to 1200 ° C. to prevent the precipitation of chromium carbides. The method for changing the residual stress from the tensile stress to the compressive stress has not been disclosed.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-34374 reduces residual stress by underwater plasma welding, but the weld quality is impaired by the generation of air bubbles, etc., or the local tensile residual stress in the heat affected zone adjacent to the bead. There was a case where (the peak of residual stress) remained. A product using a weld having a tensile residual stress has a drawback that cracks and stress corrosion cracks are likely to occur in a relatively short period of time.
[0006]
An object of the present invention is to provide an arc welding method that prevents cracks and stress corrosion cracking during use of a product, prolongs the life of the product, and improves the reliability of performance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, if the depth dimension of the cross section of the weld bead portion is D and the width dimension is W, the aspect ratio (D / W) of the cross section of the weld bead portion is 0.5 or more. The weld bead immediately after solidification and the heat-affected zone adjacent thereto are jetted with a cooling medium and rapidly cooled to form a weld having a surface having compressive residual stress. Is to achieve.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
1A and 1B show a first embodiment of the present invention. The first embodiment of the present invention is a case where welding is performed in the air by using an
[0009]
An arc is generated between the
[0010]
More preferably, deep penetration welding with an aspect ratio (D / W) of 0.5 or more can be realized by the following method in the
[0011]
The
[0012]
The
[0013]
Further, in order to prevent the cooling medium 10 (for example, water) from being scattered and disturbing the arc space by spraying water, wetting the
[0014]
If the
[0015]
Furthermore, as shown in FIG. 2, it is desirable that the
[0016]
In addition to water, flame retardant oil, fluorinate, liquid nitrogen, or the like can be used as a cooling medium, but the heat transfer rate of jet cooling is more preferably 5 to 50 KW / m 2 ° C, and water is preferably used for heat transfer of jet cooling. It is preferable to set the flow rate and flow rate during injection so that the rate is 10 to 30 kW / m 2 ° C. When the heat transfer coefficient of the jet cooling is less than 10 KW / m 2 ° C, the reversal temperature difference described later is not sufficiently formed, and the maximum residual stress cannot be compressed.
[0017]
Further, if the flow rate and flow rate during jet cooling are increased, the heat transfer rate can be increased, but if the flow rate and flow rate are excessively increased, the arc is disturbed and the welding quality tends to deteriorate. That is, the flow rate at the time of injection may be set so that the flow velocity at the time of water jet cooling is 0.8 to 8 m / sec, more preferably 1 to 5 m / sec.
[0018]
Furthermore, the water temperature is lowered to about 0 to 5 ° C., antifreeze is mixed, or an antifreeze substance is dissolved to bring it below the freezing point. It is desirable to increase the heat transfer coefficient.
[0019]
With such a configuration, a SUS304 having a base material thickness of 12 mm is subjected to a heat input of 11 KJ / cm and a welding speed of 100 mm / min. As an example, a plurality of weld beads shown in FIGS. 3 (B), (C) and (D)
[0020]
The results of performing such construction and determining the relationship between the aspect ratio and the residual stress are shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B). FIG. 4A shows a state in which the
[0021]
As apparent from the characteristic diagram of FIG. 5, the bead direction component (σx) of the residual stress during water jet cooling is that the
[0022]
Further, the
[0023]
That is, as is apparent from FIG. 5, the product having the
[0024]
In the
[0025]
On the other hand, in the product having the
[0026]
FIG. 6 is a change curve showing the relationship between the time and temperature of the
[0027]
FIG. 6 shows that the reversal temperature difference is small when the aspect ratio is 0.3, but the reversal temperature difference increases as the aspect ratio increases to (0.5) and (1.0). That is, when the aspect ratio is 0.3, when the temperature of the bead surface is lowered, the high temperature portion formed inside is in a shallow portion (position of 3 to 4 mm from the surface) inside the plate, so that the temperature decreases with the surface temperature. . As a result, the
[0028]
On the other hand, when the aspect ratio is (0.5) or (1.0), even if the temperature of the bead center surface rapidly decreases, the high-temperature part directly under the bead is a deep part inside the plate (4 to 6 mm from the surface). The position of the internal temperature decreases more slowly than the surface. As a result, a large reversal temperature difference is formed at which the
[0029]
Further, comparing the results shown in FIGS. 5 and 6, it was found that the above reversal temperature difference needs to be sufficiently large in order to make the residual stress on the plate surface a compressive residual stress. Moreover, even if the above-described construction was performed, the welding quality was not impaired by the generation of bubbles in the welded part.
[0030]
Although not shown, it goes without saying that even if the
(Second embodiment)
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. The second embodiment of the present invention is a case where welding is performed in
[0031]
A water exclusion (gas phase) space is formed by the shielding
[0032]
In the present invention, when the cross-sectional shape of the water-excluding
[0033]
As a result, the temperature of the surface of the
[0034]
In addition, a cooling head having an
[0035]
When water is used as the cooling
[0036]
With this configuration, SUS304 having a thickness of 12 mm has a plurality of bead shapes, that is, bead-on with an aspect ratio = (0.3), (0.5), (1.0) at a heat input of 12 KJ / cm and a welding speed of 100 mm / min. Welding is performed, water is used as a cooling medium, one rectangular injection nozzle 6 (opening width 20 mm, opening
[0037]
When such a construction was performed and the relationship between the aspect ratio and the residual stress was determined, the
(Third embodiment)
8A and 8B show a third embodiment of the present invention. The third embodiment of the present invention is a case in which narrow gap multilayer butt welding is performed in which each layer is formed in one pass. In particular, as shown in FIGS. 8A and 8B, a narrow groove, that is, a
[0038]
And since the surface residual stress of the
[0039]
In the above-mentioned narrow groove welding in which each layer is sequentially built up in one pass, welding is performed while supplying a filler wire using TIG welding with a narrow groove width (root width) and improved arc directivity. It can be realized by doing. For example, the plate thickness is 20 mm, the groove shape is 4 to 6 mm, the groove angle is 3 degrees, the root face is 1 to 3 mm, and the root gap is 0 mm. In pulse TIG welding, the heat input is 5 to 15 KJ / cm. This is possible by setting the speed 80 to 150 mm / min, setting the pulse peak current value high (300 to 600 A), and performing welding with a medium frequency pulse TIG of 300 to 700 Hz, or welding with a high frequency pulse TIG of 5 to 30 KHz. I found out.
[0040]
In addition, when using DC-TIG welding, the groove width (root width) and the groove angle are made larger than the above, and construction is performed using a mixed gas in which 2 to 10% hydrogen is mixed with argon as a shielding gas. Is possible.
[0041]
Further, deep penetration welding in which the aspect ratio (D / W) of the weld bead portion is 0.5 or more can be realized by the same method as in the first embodiment. For example, DC-TIG is used, and bead-on welding is performed using a mixed gas in which 2 to 10% hydrogen is mixed with argon as the shielding gas, or active flux is applied to the weld using argon as the shielding gas and bead-on welding is performed. Just do it.
[0042]
In multi-layer butt welding of a 20 mm thick SUS304 plate, the root width of the narrow groove portion is set to 5 mm, and first, as shown in FIG. 8 (A), each layer is built up in one pass using DC-TIG. After that, as shown in FIG. 8B, the weld bead portion solidified at a high temperature while forming a final layer having a cross-sectional aspect ratio (D / W) of 0.5 to 1.0. Water was sprayed to the heat-affected zone adjacent to and rapidly cooled. For comparison, a final layer having a weld bead cross-sectional aspect ratio (D / W) of 0.3 was formed using DC-TIG, and the same construction was performed.
[0043]
One rectangular spray nozzle 6 (opening width 20 mm, opening
[0044]
After performing such construction and determining the relationship between the aspect ratio and the residual stress, the
[0045]
In the above-described embodiment, only the case where the aspect ratio (D / W) is (0.5) or (1.0) has been described, but the aspect ratio (D / W) is 0.5 or more ( Needless to say, the present invention can also be applied to 1.5), (2.0) to etc.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a product using a weld bead portion having a compressive residual stress is less likely to cause cracking or stress corrosion cracking during use, and has an aspect ratio (D / W) of 0.5 or more. The life of the product has been extended by the amount that has been selected, and the reliability of the product performance has been improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of arc welding according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a cooling head portion that injects a cooling medium from an injection nozzle used in FIG. 1 onto a welding base material.
3 is a cross-sectional view of a weld bead portion formed according to FIG.
4 is a distribution diagram showing a residual stress distribution in the bead direction in the weld bead portion of FIG. 3;
5 is a distribution diagram showing a bead direction component of residual stress in the weld bead portion of FIG. 4;
6 is a characteristic diagram showing the relationship between temperature and time of residual stress in a thermally affected part in the weld bead part of FIG. 3;
FIG. 7 is a schematic perspective view of underwater arc welding shown as another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a groove weld as another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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