JP3939302B2 - 鋳造部材の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳鉄又は鋳鋼からなる鋳造部材の溶接方法に関する。

鋳鉄はＣ２．５〜４．０％、Ｓｉ０．５〜３．０％を主要含有成分とする低融点の鉄合金である。また、鋳鉄の溶接としては、被覆アーク溶接と酸素アセチレンガス溶接が主として行われている。鋳鉄の溶接は、一般には鋳造欠陥の補修、肉盛り、大型機械の溶接補修などに用いられる。
しかし、鋳鉄は溶接性がきわめて悪い問題点がある。すなわち、鋳鉄を溶接すると、熱影響部は白銑化する。白銑は硬くて脆い上に母材原質部に比べ収縮量が著しく大きいので、収縮の際に大きな残留応力が発生して割れやすい。

一方、鋳鋼は鋼の鋳造品であり、鋳鉄に比較すると溶接しやすいが、同様に収縮の際に大きな残留応力が発生して割れやすい問題点がある。

鋳鉄又は鋳鋼の溶接時に発生する熱応力を緩和するために、従来から熱処理（予熱、後熱）やピーニングが主に用いられている。
熱処理（予熱、後熱）により、溶接部近傍が局部加熱されたときに生じる熱応力を軽減できる。しかし、大型機械の溶接補修の場合、製造時には熱処理による応力除去が可能であるが、現地に据付後の大型機械の場合、熱処理の適用は困難であり、溶接補修部にエアーハンマなどによるピーニングが施される。ピーニングは、溶接後に溶接補修部を局部的に圧縮変形させるものである。

なお、鋳鉄又は鋳鋼の溶接に関し、非特許文献１〜３に一般的な開示がされている。また、溶接時の熱応力を緩和する手段として、特許文献１、２が開示されている。

特許文献１の「高Ｃｒ鋳鉄品の溶接補修方法」は、鋳造欠陥が生じた高Ｃｒ鋳鉄品を、６００〜８００℃の温度に予熱し、溶接補修する際に６００℃以上の温度に保持し、溶接終了後においても６００℃以上の温度で直後熱処理を行い、その後１時間当たり５０℃以下の冷却速度で室温まで徐冷するものである。

特許文献２の「肉盛溶接方法」は、割れ感受性の高い材料からなる母材表面に、多パスで高強度金属を肉盛溶接する方法において、母材表面を覆う初層を形成するために、各パスの入熱を所定値以下に制限して各パスの溶接ビードに細かい割れを発生させる溶接条件を用いて、母材表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで隣合う溶接ビード間を両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成するものである。

特開平０７−２１４３１３号公報、「高Ｃｒ鋳鉄品の溶接補修方法」 特開２０００−１０２８６６号公報、「肉盛溶接方法」

"溶接技術の基礎"、溶接学会編、産報出版、Ｐ１１５ "鋳鉄および鋳鋼"、溶接・接合便覧、溶接学会編、丸善、Ｐ８６０-８６７ "鋳鉄の溶接"、溶接だより技術ガイド、神戸製鋼所、２０００．１１ Ｎｏ．３６７、Ｐ１−８

上述したように、一般的に、鋳鉄又は鋳鋼に溶接を行うと溶接収縮による変形や残留応力などにより、溶接割れの発生が懸念される。またこれを回避するため、大型の鋳造品の場合、工場での製造時には大型炉を用いた熱処理等により応力除去が可能であるが、据付後の大型の鋳造品の溶接補修の場合は、炉を用いた熱処理等は適用が困難であり、多くの場合、溶接収縮を緩和し溶接割れを防止するために溶接補修部にエアーハンマなどによるピーニングが施される。

しかし、ピーニングは溶接部が高温のうちに実施する必要があり、溶接終了後ピーニングを開始するまでの時間とそのピーニングの程度が重要な要素である。しかし、従来補修溶接時のピーニングは、熟練作業者の経験に委ねており、作業者の熟練度により結果が左右され、ピーニングを実施しても溶接割れを生じることがあった。そのため、熟練度の低い一般的な作業者によるピーニングにより応力除去を確実に行うことは困難であった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、熟練作業者の経験に委ねることなく、補修溶接時のピーニングによる応力除去を確実に行うことができる鋳造部材の溶接方法を提供することにある。

本発明によれば、鋳鉄又は鋳鋼からなる鋳造部材の溶接部を溶接する溶接ステップと、
前記溶接部をピーニングするピーニングステップと、
前記溶接によりひずみが発生する溶接部近傍のひずみを計測するひずみ計測ステップと、を備え、
溶接中およびピーニング中の溶接部近傍のひずみを連続的に計測し、
溶接直後に計測されたひずみが所定の最大値を超える前にピーニングを開始し、かつ該ひずみが所定値の最小値以下に低下するまでピーニングを継続する、ことを特徴とする鋳造部材の溶接方法が提供される。

上記本発明の方法によれば、溶接中およびピーニング中の溶接部近傍のひずみを連続的に計測し、この計測値に基づいてピーニングを行うので、熟練作業者の経験に委ねることなく、再現性の高い客観的なデータの基づいて確実にピーニングを行うことができる。
また、溶接直後に計測されたひずみが所定の最大値を超える前にピーニングを開始し、かつ該ひずみが所定値の最小値以下に低下するまでピーニングを継続するので、溶接後に発生するひずみを低く抑えることができ、補修溶接時のピーニングによる応力除去を確実に行うことができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ひずみ計測ステップにおいて、溶接部近傍の温度を同時に計測し、ひずみの計測値の温度補正を行う。
この方法により、温度補正ができ、ひずみを正確に計測することができる。

また、前記ひずみ計測ステップにおいて、ひずみゲージを用いて直交する２軸のひずみを計測し、温度補正をした後、応力に換算する。
この方法により、温度補正後の応力換算により、溶接部の内部応力を把握でき、再現性の高い客観的な応力データに基づいて確実にピーニングを行うことができる。

また、前記ひずみ計測ステップにおいて、溶接によりひずみが発生する位置に、複数のひずみゲージを溶接部に対して対称位置に設け、その最大値、最小値又は平均値を用いる、ことが好ましい。
この方法により、ひずみゲージ毎の特性のばらつきの影響を低減し、信頼性の高い計測を行うことができる。

また前記ひずみの所定の最小値は、溶接直前の値又は溶接直前と前記所定の最大値の中間値に設定するのがよい。
これにより、溶接を繰り返す場合でも、溶接部の発生応力を低く抑えることができる。

また、前記溶接部の溶接が、複数パス及び／又は複数層からなる場合、単パス又は単層の溶接毎に、前記ピーニングを行うことが好ましい。
この方法により、多層盛り溶接を行う場合でも、溶接部の発生応力を低く抑えることができる。

上述したように、本発明の鋳造部材の溶接方法は、熟練作業者の経験に委ねることなく、補修溶接時のピーニングによる応力除去を確実に行うことができる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

本発明の方法は、以下の項目を定量的に把握することで、従来に比べ容易に鋳造部材の溶接施工を可能にするものである。
（１）データに基づくピーニングによるひずみの低減管理
（２）溶接終了後からピーニング開始までの時間
（３）ピーニングの実施時間

図１は、本発明の方法を実施するための装置構成図である。この図に示すように、本発明では、鋳造部材１の溶接部１ａの近傍にひずみ検出用センサ（ひずみゲージ２と熱電対３）を取り付け、溶接装置４による溶接中およびピーニング装置５によるピーニング中にひずみを計測し、その変化を計測記録装置６を用いて常時モニタリングする。
なおこの図において、溶接装置４は、溶接電源４ａと溶接トーチ４ｂとからなる。溶接は被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ：Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）又はＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が好ましいが、本発明はこれらに限定されず、その他の溶接であってもよい。
またこの図において、ピーニング装置５は、コンプレッサ５ａとエアーハンマ５ｂからなるが、本発明はこれらに限定されず、その他の手段であってもよい。

図２は本発明の方法のフロー図である。この図に示すように、本発明の方法は、溶接ステップＳ１、ピーニングステップＳ４、及びひずみ計測ステップＳ２，Ｓ５を備える。
溶接ステップＳ１では、鋳鉄及び鋳鋼からなる鋳造部材１の溶接部１ａを溶接装置４を用いて溶接する。ピーニングステップＳ４では、溶接部１ａをピーニング装置５を用いてピーニングする。ひずみ計測ステップＳ２，Ｓ５では、溶接によりひずみが発生する溶接部近傍のひずみを計測記録装置６を用いて計測する。

また、計測記録装置６を用いて溶接中およびピーニング中の溶接部近傍のひずみを連続的に計測し、溶接ステップＳ１の後の溶接直後に計測されたひずみを所定の最大値と比較して、所定の最大値を超える前にピーニングを開始する（Ｓ３，Ｓ４）。ひずみの所定の最大値は、応力換算値が鋳造部材の破断強度より十分低い値に設定するのがよい。これにより、溶接部の発生応力は計測部より高いので、溶接部の発生応力を鋳造部材の破断強度より十分低い値に抑えることができる。
また、計測されたひずみが所定値の最小値以下に低下するまでピーニングを継続する（Ｓ６，Ｓ４）。

さらに、ひずみ計測ステップＳ２において、ひずみゲージ２を用いて直交する２軸のひずみを計測し、温度補正をした後、応力に換算することで、溶接部に生じる残留応力（内部応力）を把握でき、再現性の高い客観的な応力データの基づいて確実にピーニングを行うことができる。
また、計測記録装置６を用いてひずみ計測データを解析することで、溶接部に割れが生じたかどうかの判別もできる。

図３は、本発明により得られたデータの模式図である。この図において、横軸は経過時間、縦軸はひずみである。また図中の細線Ａは開先中心から３０ｍｍの位置でのＹ方向（溶接線に直交する方向）のひずみ、太線Ｂは開先中心から５０ｍｍの位置でのＹ方向ひずみである。

この図において、溶接を開始すると溶接部の熱膨張により、Ａ、Ｂともひずみは負（圧縮状態）となる。次いで溶接部が冷却により収縮するにつれてＡ、Ｂともひずみは正（引張状態）となることがわかる。
また、Ａ、Ｂのひずみの大きさは、開先中心に近いほど大きく、溶接部の実際のひずみはＡ、Ｂのひずみの大きさから予測でき、細線Ａのひずみより大きくなることがわかる。
従って、本発明の方法により、溶接直後にピーニングを行うことにより、Ａ、Ｂのひずみを低減でき、溶接部の実際のひずみも低減できることがわかる。

鋳鉄や鋳鋼の冷間溶接では、被覆アーク溶接により短ビード法（ビード長さ：１０〜１５ｍｍ）＋溶接直後ピーニングが通常行われている。従来は、溶接時間（ビード長）およびピーニング条件（溶接終了後ピーニングを開始するまでの時間、ピーニング強さ、ピーニング時間など）は作業者の管理に任されており、上述したように高度な熟練技能が必要であった。

これに対して本発明では、ひずみをモニタリングし管理することができ、これにより、溶接時間、ピーニング条件を安定させることが可能となり、高度な技能を必要としないで補修作業が可能になる。また、溶接時間、ピーニング条件が安定することにより溶接品質を向上させることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図４に使用した試験体の形状とひずみの計測個所を示す。この図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ-Ａ線における断面図である。
試験体は、表１に示す化学組成の鋳鋼材（以下ＳＣ４８０と呼ぶ）を用い、鋳鋼材を板厚４０ｍｍに切断後、補修用の開先を模擬した溝開先を加工した。

また、溶接による局部的なひずみを計測するため、開先中心から３０ｍｍの位置（Ｅ１，Ｅ１’）の両面と５０ｍｍの位置（Ｅ２，Ｅ２’）の両面に２軸の高温用ひずみゲージを取り付けた。また、試験体全体のひずみを計測するため開先から１００ｍｍの位置（Ｅ３，Ｅ３’）に２軸の一般ひずみゲージを取り付けた。すなわち、ひずみの測定は、開先を中心に上下対称位置および表裏の両面で行った。

温度の計測は、熱電対を用いて試験体中央のひずみゲージに隣接する位置（図示せず）で行った。ひずみ、温度の計測は、溶接開始から試験体が室温に冷却されるまで連続で行った。収縮量については、溶接前後の開先を挟んだ２点間および溶接線方向の距離の変化量を計測した。

被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）用の溶接材料として、ＪＩＳ Ｚ ３２１２ Ｄ５０１６の被覆アーク溶接棒を用いた。表２に被覆アーク溶接棒の化学組成を示す。

被覆アーク溶接において、図５Ａに示す多層盛り溶接を行った。この溶接において予熱は行わず、パス間温度を５０℃以下に管理した。ピーニングは１層ごとに実施する場合（ピーニングあり）と、全く行わない場合（ピーニングなし）の２条件で試験を行った。

また溶接条件は、パス数１９、電流１４５〜１６０Ａ、速度１５〜１７ｃｍ／ｍｉｎの同一条件とした。

図６に被覆アーク溶接のひずみ測定結果を示す。この図において、（Ａ）はピーニングあり、（Ｂ）はピーニングなしの場合である。また各図において、横軸は経過時間、縦軸はひずみである。また図中の細線Ａ，Ａ’は開先中心から３０ｍｍの位置でのＹ方向（溶接線に直交する方向）のひずみ、太線Ｂ，Ｂ’は開先中心から５０ｍｍの位置でのＹ方向ひずみである。

図６Ｂから、ピーニングなしの場合、溶接パスごとに溶接部近傍の引張のひずみ量が増大し、最終的には３０００μｓを超えることがわかる。従って、ピーニングなしの場合、溶接部の実際のひずみは細線Ａのひずみより大きくなることから、溶接割れが発生するおそれがあることがわかる。
これに対して、図６Ａから、ピーニングを行った場合は、ピーニングによる引張のひずみ低減を、特に開先から３０ｍｍの細線Ａから明瞭に計測でき、最終的には３０００μｓ未満に抑えることができることがわかる。

ＭＡＧ溶接用の溶接材料として、ＪＩＳＺ ３３１２ ＹＳＷ１５のソリッドワイヤを用いた。表２にＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤの化学組成を示す。

ＭＡＧ溶接において、図５Ｂに示す多層盛り溶接を行った。この溶接において予熱は行わず、パス間温度を５０℃以下に管理した。ピーニングは１層ごとに実施する場合（ピーニングあり）と、全く行わない場合（ピーニングなし）の２条件で試験を行った。

また溶接条件は、パス数２６、電流１５５〜１６０Ａ、電圧２２〜２３Ｖ、速度２０〜４５ｃｍ／ｍｉｎの同一条件とした。

図７にＭＡＧ溶接のひずみ測定結果を示す。この図において、（Ａ）はピーニングあり、（Ｂ）はピーニングなしの場合である。また各図において、横軸は経過時間、縦軸はひずみである。また図中の細線Ａ，Ａ’は開先中心から３０ｍｍの位置でのＹ方向（溶接線に直交する方向）のひずみ、太線Ｂ，Ｂ’は開先中心から５０ｍｍの位置でのＹ方向ひずみである。

図７Ｂから、ピーニングなしの場合、溶接パスごとに溶接部近傍の引張のひずみ量が増大し、最終的には２０００μｓを超えることがわかる。従って、ピーニングなしの場合、溶接部の実際のひずみは細線Ａのひずみより大きくなることから、溶接割れが発生するおそれがあることがわかる。
これに対して、図７Ａから、ピーニングを行った場合は、ピーニングによる引張のひずみ低減を、特に開先から３０ｍｍの細線Ａから明瞭に計測でき、最終的には２０００μｓ未満に抑えることができることがわかる。

上述した被覆アーク溶接とＭＡＧ溶接は、ほぼ同じ条件であるがパスの総数はＭＡＧ溶接の２６パスと比較して被覆アーク溶接は１９パスと少なかった。
表３に、各層溶接後の開先中心から３０ｍｍのひずみ量（Ｙ方向）をまとめたものを示す。ピーニングを行った場合は、ピーニング前後の２つの値を示した。

この表から、被覆アーク溶接、ＭＡＧ溶接ともに、ピーニングを行うことによって、ひずみ量が半分程度に減少することがわかる。また溶接完了後のひずみ量についても、ピーニングを行った場合は、行わない場合と比較して半分程度であった。

表４に収縮量の計測結果を示す。

この表から、ピーニングを行わない場合、収縮量は、ＭＡＧ溶接で０．４５ｍｍ、被覆アーク溶接で０．６８ｍｍであった。１パスの溶着量が多い（総パス数が少ない）被覆アーク溶接の方が収縮量が大きくなった。
また、ピーニングを行った場合は、ＭＡＧ溶接で０．２７ｍｍ、被覆アーク溶接で０．４０ｍｍと収縮量が半分程度になることがわかった。

上述した試験結果から、以下のことが確認された。
（１）ひずみ、温度の計測は、溶接部近傍の開先中心から３０ｍｍ程度の計測位置で計測できる。
（２）溶接によるひずみの増加およびピーニングによるひずみの低減が計測できる。
（３）温度もひずみゲージに隣接する位置で計測できる。
（４）ピーニングの効果として、ひずみ、収縮量の低減効果が確かめられた。
（５）ピーニングを実施しない場合と比較して、ひずみ量、収縮量ともの半分程度になる。
（６）温度・応力・ひずみの管理方法として、溶接部近傍（開先中心から３０ｍｍ程度）でひずみ、温度の計測を行い、ひずみゲージに隣接する位置の温度を計測し、ひずみの計測値の温度補正を行うのがよい。
（７）ひずみは２軸で計測し、温度補正をした後、応力に換算し、応力が設定値以下であることを確認しながら溶接施工を行うのがよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明の方法を実施するための装置構成図である。 本発明の方法のフロー図である。 本発明により得られたデータの模式図である。 本発明の実施例における供試材の外形図である。 本発明の実施例における溶接パスの積層を示す図である。 本発明の第１実施例の結果を示す図である。 本発明の第２実施例の結果を示す図である。

符号の説明

１ 鋳造部材、１ａ 溶接部、２ ひずみゲージ、３ 熱電対、
４ 溶接装置、４ａ 溶接電源、４ｂ 溶接トーチ、
５ ピーニング装置、５ａ コンプレッサ、５ｂ エアーハンマ、
６ 計測記録装置

Claims (6)

1. 鋳鉄又は鋳鋼からなる鋳造部材の溶接部を溶接する溶接ステップと、
   前記溶接部をピーニングするピーニングステップと、
   前記溶接によりひずみが発生する溶接部近傍のひずみを計測するひずみ計測ステップと、を備え、
   溶接中およびピーニング中の溶接部近傍のひずみを連続的に計測し、
   溶接直後に計測されたひずみが所定の最大値を超える前にピーニングを開始し、かつ該ひずみが所定値の最小値以下に低下するまでピーニングを継続する、ことを特徴とする鋳造部材の溶接方法。
2. 前記ひずみ計測ステップにおいて、溶接部近傍の温度を同時に計測し、ひずみの計測値の温度補正を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造部材の溶接方法。
3. 前記ひずみ計測ステップにおいて、ひずみゲージを用いて直交する２軸のひずみを計測し、温度補正をした後、応力に換算する、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造部材の溶接方法。
4. 前記ひずみ計測ステップにおいて、溶接によりひずみが発生する位置に、複数のひずみゲージを溶接部に対して対称位置に設け、その最大値、最小値又は平均値を用いる、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造部材の溶接方法。
5. 前記ひずみの所定の最小値は、溶接直前の値又は溶接直前と前記所定の最大値の中間値に設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造部材の溶接方法。
6. 前記溶接部の溶接が、複数パス及び/又は複数層からなる場合、単パス又は単層の溶接毎に、前記ピーニングを行う、ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造部材の溶接方法。

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