JP4603776B2

JP4603776B2 - 溶接部の温度測定方法

Info

Publication number: JP4603776B2
Application number: JP2003175869A
Authority: JP
Inventors: 泰弘上野; 誠勝木; 明外舘; 博幸角; 善吉山中; 伸治石井
Original assignee: JFE Mechanical Co Ltd; JFE Techno Research Corp
Current assignee: JFE Techno Research Corp; JFE Denki Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005007451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アーク溶接やレーザー溶接などの溶接部の凝固時の温度を測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、溶接部の溶接金属の機械的特性は、凝固の際の冷却温度に大きな影響を受ける。特に溶接金属の靭性、つまりシャルピー吸収エネルギーの値は、溶接後の冷却温度と高い関連性がある．たとえば鉄鋼材料においては、８００℃から５００℃までの冷却速度が、材料の機械的特性に大きな影響を与える。冷却速度が大きい場合には、溶接部にマルテンサイトと呼ばれる硬い組織が生じやすくなり、靭性が低下する。
特に、レーザー溶接、あるいは電子ビーム溶接は通常のアーク溶接より著しく溶接速度が大きく、溶接部の性能確保のため、予めその冷却速度を知り、その冷却速度においても材質的に問題が生じないように、特に母材の成分組成を考慮しておくことが必要となる。
【０００３】
従来、熱電対を用いた溶接部の温度測定が行われてきた。
図５は従来の溶接部の温度測定方法に用いられる熱電対を示す模式図である図５の（ａ）において、熱電対９は２種類の合金ワイヤ９１、９２（たとえば、白金とロジウム）より構成され、２本のワイヤは、片側の端部の先端９３において、互いに溶融接続されている。溶融接続部９３は測温端子と称されている。熱電対９は、測温端子９３において温度を測定する構造であって、２本のワイヤ９１、９２間の電圧（温度によって変化する）を測定するものである。
図５の（ｂ）において、熱電対９の測温端子９３は通常１６００℃程度以上の高温に曝されると溶融するため、溶接のアークやビーム（３０００℃程度の高温になると推定される、以下、アーク２と総称する）が直接当たると、溶融して温度測定が不可能となる。なお、図中、１は溶接電極を、９４は溶損した測温端子９３を示す。
【０００４】
図６は従来の溶接部の温度測定方法を示す模式図（以下、従来技術１と称す）である。図６において、母材１０（鋼材に同じ）の開先面１１と母材２０の開先面２１を対峙し、開先面１１、２１によって形成されたＶ字状溝３０に溶接ビード４が肉盛りされる。そして、溶接ビード４の温度を測定するために、母材１０には開先面１１に到達する貫通穴１２が穿設され、貫通穴１２に熱電対９が挿入されている。
このとき、熱電対９はアーク２に直接接触すると溶損するため、先端の測温端子９３を開先面１１から突出して配置することができない（Ｖ字状溝３０内に配置することができない）。また、アーク２は開先面１１を溶融して母材１０内に侵入するため、予め溶融する幅を予測して、開先面１１から熱電対９の測温端子９３を離す必要があり、溶接熱影響部（ＨＡＺ）やＦＬ（フュージョンライン、ボンド部）において温度測定が行われている。
【０００５】
図７は従来の溶接部の温度測定方法を示す模式図（以下、従来技術２と称す）である。図７において、母材１０の表面１３に溶接ビード４が肉盛られ、溶接の溶融池３および溶接ビード４の温度を測定するために、溶融池３の中に直接熱電対９が挿入されている。
すなわち、アーク２が通過した後でアーク２に接触しないように、アーク２の後方から溶融池３の中に熱電対９を挿入する方法（図４）である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
溶接学会論文集第１８巻（２０００年）第１号９６頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１は、開先面１１から測温端子９３を離しているため、ＨＡＺやＦＬ（フュージョンライン）での温度の測定は実施できるが、溶融池３の温度測定が困難であるという問題があった。
すなわち、溶融する幅が予測より大きい場合は、測温端子９３が溶けてしまい、計測が不能となることがあった。一方、予測より溶融の幅が小さい場合は、溶融池３より離れた位置の温度を測定することになり、所望の測定が実現していなかった。よって、測定値が低目になり、約１４００℃までと言われているＦＬ（フュージョンライン、ボンド部）の温度の測定が出来ず、本来最も溶接によるダメージの大きいＦＬ（フュージョンライン、ボンド部）での温度履歴が正確に知ることが出来なかった。
さらに、ＦＬに測温端子９３を合せようとすると、まず、溶接を行って溶接部の断面のマクロ組織を撮影し、この顕微鏡写真をもとに開先面１１からＦＬの位置までの寸法を測定する必要があり、測温端子９３（熱電対９の先端に同じ）をその寸法の位置に固定してから、再度溶接を行っていた。また、溶接条件（溶接電流×アーク電圧×溶接速度）が変わると、溶け込み形状が異なるため、そのたびに、マクロ組織を撮影する必要があり、溶接部の温度測定にひじょうに時間がかかるという問題があった。
また、該作業を繰り返しても、測温端子９３の位置がＦＬに正確に一致しないことがあり、温度した値の正確性ないし信頼性に問題があった。
【０００８】
また、従来技術２は、アーク２が通過した瞬間に溶融池３の中に熱電対９を挿入するため、該挿入のタイミングの取り方が困難であり、また、挿入深さが一定しないため、測定の度に測定値がバラツク（冷却速度が異なる）ことがあり、再現性に問題があった。
【０００９】
本発明は前記問題を解決するためになされたものであり、溶接部の溶融部（溶融池）の温度を、精度高く容易に計測できる測定方法を得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接部の温度測定方法は、以下のとおりである。
【００１２】
（１）溶接開先部に到達する貫通孔に光ファイバーを挿入して、その先端を予め前記溶接開先部に配置する工程と、
溶接によって前記溶接開先部に溶融部が形成された際、該溶融部内の放射光を前記先端から前記光ファイバー内に取り入れる工程と、
該取り入れた放射光を前記光ファイバーを通じて温度計測器に導き、前記溶融部の温度を測定する工程と、
前記溶融部が凝固した後も温度測定を継続する工程と、
を有することを特徴とするものである。
これによると、光ファイバの先端部を温度測定した位置に予め配置したり、先端部の溶損量を推定して所定の位置に予め配置したりすることができるから、予め設定した所望の位置における温度測定が可能になる。
また、光ファイバの先端部が溶損した場合でも、新しい先端面から放射光を取り込むことができるから、前記溶融部が凝固した後も放射光が発せられる限り温度測定を継続することが可能になる。
【００１４】
（２）前記（１）において、前記光ファイバーを保護管に挿入することを特徴とするものである。
これによると、光ファイバーの周囲が保護管によって包囲されるため、側面から侵入する光による測定誤差が僅少になるから、測定精度が向上する。また、光ファイバーの溶損や折損が防止されるから、作業が容易になる。さらに、保護管をセラミック管にした場合には、セラミックの溶融池への溶け込み量が少ないため、溶接金属の化学組成が変わることないから、元のままの化学組成である溶接金属の温度測定をすることが可能になる。
【００１５】
（３）前記（２）において、前記光ファイバーの外径と保護管の内径との隙間を、半径にて５μｍ〜５００μｍとすることを特徴とするものである。
これによると、かかる隙間を設定することによって、溶接部が凝固して光ファイバーの先端が拘束された状態で光ファイバーが自重で垂れ下がった場合であっても、光ファイバーの曲がりが小さいため、光ファイバーの折損が防止される。
【００１６】
（４）前記（１）乃至（３）の何れかにおいて、前記光ファイバーの外径を８０μｍ〜１０００μｍとすることを特徴とするものである。
これによると、かかる太さの光ファイバーを選定することによって、溶接部の溶融金属が凝固収縮した場合であっても、凝固収縮時の応力による折損が発生し難くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（光ファイバー）
図１は本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法に用いる光ファイバーを説明する模式図である。
図１の（ａ）において、石英系ガラスよって形成された光ファイバ５はアーク１内に暴露されているため、先端が溶損して溶滴５１となって落下している。このとき、溶損した後の光ファイバー５の先端５２は、新しい端面として放射光を取り込むことができる。
したがって、光ファイバ５を溶接の溶融池に浸漬して先端部が溶損した場合でも、新しい端面から放射光を取り込むことができるから、温度測定を継続することが可能である。また、溶融池が凝固して固体になった後も、放射光を取り込むことができるから、温度測定を継続することが可能である。
すなわち、光ファイバー５は２層構造（コア層とクラッド層）のため、最初は、一方向からしか光を取り込めないものの、加熱によって石英が再結晶化して２層構造が崩れると、光ファイバー５の全方向から光を取り込むことが可能となり測定精度が向上するものである。
【００１８】
（光ファイバーの外径）
光ファイバー５の外径としては、２５０μｍ〜１０００μｍ（１ｍｍ）が適している。外径１０００μｍ以上では、光ファイバー５の外径が大きすぎるため、ノイズとなる放射光の混入を招きやすく、測定精度が低下しやすくなる。
一方、２５０μｍより細い光ファイバー５の場合には、光ファイバー５がガラスと同じ成分である石英で構成されているため、折れやすいという問題が生じる。すなわち、溶接部の溶融金属は凝固する際に凝固収縮を行うため、光ファイバー５を溶融金属の内部に浸漬した際、凝固収縮によって軸方向の圧縮応力を受けて細い光ファイバー（外径２５０μｍ以下）の場合には、折れることがあった。また、２５０μｍの光ファイバー径が最適であった。
【００１９】
（保護管）
図１の（ｂ）において、光ファイバ５は保護管６に挿入されている。保護管６は、金属管あるいはセラミック管であって、光ファイバー５が側面からの光を受けることがないよう周囲を包囲している。これによって、光ファイバー５にはその先端５０（先端５０が溶融した場合は先端５２）からのみ放射光が侵入するから、測定誤差が僅少になり測定精度が向上する。
また、石英系ガラスによって形成された光ファイバー５は折れやすいものの、周囲を保護管６で保護しているから、光ファイバー５自体のハンドリングが容易になるとともに、損傷を与えずに溶融池３に挿入することが容易になる。
なお、保護管６は金属管あるいはセラミック管に限定するものではなく、樹脂で被覆するものであってもよい。このとき、光ファイバー５の折れ曲がりを低減することができる。
【００２０】
（光ファイバーと保護管との隙間）
光ファイバー５の内径と保護管６の外径の隙間は、半径にて５μｍ〜５００μｍが最も適切である。この数値限定の根拠は、以下である。
すなわち、外径の大きな保護管６を利用したところ、折れやすかった。この理由は、溶接部が凝固するため光ファイバー５の先端５２が溶融部によって拘束され、該拘束状態で光ファイバー５が自重で垂れ下がった場合、先端５２が自由に動くことができないため、曲がりが発生して折れたと考えられる。
具体的には、外径は２５０μｍである光ファイバー５を、外径１．８ｍｍ（内径１．６ｍｍ）の保護管６に挿入した場合、光ファイバー５が折れることがあった。そこで、細い保護管である外径０．９ｍｍ（内径０．７ｍｍ）の保護管（ＳＵＳ３０４製）を利用したところ、折れなかった。すなわち、自重を受けても、光ファイバー５の曲がりが小さかったためと思われる。
さらに、適正な範囲の調査を続けたところ、保護管６と光ファイバー５との隙間としては、半径において（片側）５μｍ〜５００μｍが最も適切であることが明らかとなった。
【００２１】
（温度測定方法）
図２は本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法を説明する模式図である。
図２の（ａ）において、母材１０の一方の側縁に開先面１１が設けられ、開先面１１に到達する貫通穴１２が穿設され、貫通穴１２に光ファイバー温度計７が挿入されている。光ファイバー温度計７は保護管６に光ファイバー５が挿入されている。
そして、光ファイバー温度計７の先端７０は開先面１１から所定の距離だけ突出している。
【００２２】
図２の（ｂ）において、母材２０の一方の側縁にも開先面２１が設けられ、開先面１１と開先面２１が対峙して、開先面１１、２１によってＶ字状溝３０が形成されている。そして、溶接の開始に伴って、Ｖ字状溝３０に向けて溶接電極１からアーク２が発生し、アーク２の経路内にある光ファイバー温度計７の先端７０は一部が溶損して溶滴７１となって落下している（図示しない光ファイバー５の先端５０は一部が溶損して溶滴５１となって落下しているに同じ）。
【００２３】
図２の（ｃ）において、溶接によって、Ｖ字状溝３０に溶融池３が形成されている。このとき、光ファイバー温度計７の先端７０は溶融池３に浸漬された状態にあって、光ファイバー温度計７の先端７０は一部が溶損したものの、図示しない光ファイバー５の新しい端面５２からは放射光が取り込まれる。したがって、溶融池３から発する放射光は端面５２から光ファイバー５に取り込まれ、図示しない放射温度計に送られて、温度測定がなされている。
【００２４】
図２の（ｄ）において、Ｖ字状溝３０に形成された溶融池３は凝固して溶接ビード４になっている。このとき、光ファイバー温度計７の先端７０は一部が溶損した（図示しない光ファイバー５の先端５０は一部が溶損したに同じ）ものの、溶接ビード４の内部に侵入したままであるから、溶接ビード４から発する放射光は継続して図示しない光ファイバー５の端面５２から光ファイバー５に取り込まれ、図示しない温度測定手段に送られている。
【００２５】
よって、溶接の開始から溶接ビード４が所定の低温になるまでの長い時間に渡って、温度変化を測定することができる。
また、光ファイバー５の先端５２を溶融池３に埋設しているから、溶接作業時に発生するアーク光やレーザー光が光ファイバー５に取り込まれることがなく、かかる外乱による温度の検出誤差等の発生が防止されている
【００２６】
なお、光ファイバー温度計７の保護管６をセラミック管にした場合には、セラミックが溶融しにくいため、光ファイバー５の先端をＶ字状溝３０（アーク２が直射される溶融池３に同じ）の中央域に配置することが可能になる。また、セラミックは溶融池３への溶け込み量が少ないため、溶接金属の化学組成を変更させることが少ないから、化学組成が変更しないままの好ましい状態で、溶接金属の温度測定が可能である（通常、化学組成によって溶接部の挙動が変化する）。
【００２７】
［実施例１：レーザ溶接］
図３は本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法のレーザ溶接における実施例１を説明する模式図である。なお、図１、２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図３の（ａ）は、母材１０の端面１１と母材２０の端面２１を突き合わせて、表面１３および表面２３に向けてレーザビームを照射する前の状態を示している。すなわち、母材の１０の内部に端面１１に到達する貫通穴１２が穿設され、内部に光ファイバー温度計７が挿入されている。光ファイバー温度計７の先端７０は母材２０の端面２１に当接している（溶接部の中心に相当する）。
【００２８】
このとき、母材１０、２０は、板厚１２．１ｍｍの鋼材ＳＭ４９０Ａで、それぞれ幅３０ｍｍ×厚み１２ｍｍ×長さ１５０ｍｍ、７５ｍｍ×厚み１２ｍｍ×長さ１５０ｍｍである。両母材の突き合わせ部は、ルートギャップ０ｍｍのＩ型開先面に相当している。
また、溶接装置は、加工点最高出力４．５ｋＷのＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置である。
そして、溶接条件としては、加工点でのレーザー出力：３．０ｋＷ、溶接速度：３０ｃｍ／分、レンズの焦点距離：２００ｍ、焦点位置を母材１０、２０の表面１３、２３とした。シールドガスは、炭酸ガス１００％である。
光ファイバー５としては外径２５０μｍの石英系を、金属保護管６としては外径０．９ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス管を用いた。
【００２９】
図３の（ｂ）は、（ａ）においてレーザビームを照射した後の断面を示す顕微鏡写真である。溶接中のレーザービームによって、光ファイバー５の当初の先端５０は溶融しているものの、溶損後の先端５２は溶接金属４の内部に侵入したままである。
また、溶接中にレーザービームによって、光ファイバー５の先端５２は溶融しているが、逐次新しい断面から放射光を取り込むことができるため、溶融池内部の凝固中の温度の推移を、１５４０℃の溶融温度域から凝固後の３００℃まで連続的に測定することができた。該測定結果において、８００℃から５００℃までの平均冷却速度は、６１℃／ｓｅｃであった。また、再度、同一の測定をしたところ、６２℃／ｍｉｎであり、再現性が高いことが確認された。
【００３０】
表１は、図３に示すレーザー溶接において、溶融池の温度推移を従来技術２によって測定した測定結果である。このとき、熱電対９と光ファイバー温度計７とを束ねたものをレーザービーム２に接触しないように溶接部の後方から溶融池３に挿入して、温度測定を実施した。
光ファイバー５で測定した値と、熱電対９で測定した値との差異は、２℃以下であることから、光ファイバー５を用いてもレーザー溶接部の温度の測定が可能であり、測定した温度は熱電対９とほぼ同等であることが確認された。
【００３１】
【表１】

【００３２】
［実施例２：アーク溶接］
図４は本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法の炭酸ガスアーク溶接における実施例２を説明する模式図である。なお、図１、２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図４において、母材１０、２０は、板厚１９．０ｍｍの鋼材ＳＭ４９０Ａで、溶接部の開先面１１、２１は、ルートギャップ１ｍｍのＶ型開先面である。
溶接方法は、炭酸ガスアーク溶接を採用し、溶接ワイヤは外径１．２ｍｍのＪＩＳＺ３３１２ＹＧＷ１１を用いた。溶接条件は、溶接電流を２５０Ａ、アーク電圧を２３Ｖ、溶接速度を２０ｃｍ／分とした。シールドガスは、炭酸ガス１００％である。
光ファイバー温度計７は、外径１２５μｍである石英製ファイバーの光ファイバー５を外径０．９ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス管からなる金属保護管６に挿入したものである。そして、図２の（ａ）に示す要領で母材１０に設けた貫通孔１２に光ファイバー温度計７を挿入し、その先端を開先面１１から突出させて固定している。
【００３３】
このとき、溶接中にアークによって、光ファイバー５の先端５２は溶融しているが、逐次新しい断面から放射光を取り込むことができるため、溶融池内部の凝固中の温度の推移を、１５４０℃の溶融温度域から凝固後の３００℃まで連続的に測定することができた。該測定結果において、８００℃から５００℃までの平均冷却速度は、２４℃／ｓｅｃであった。また、再度、同一の測定をしたところ、２５℃／ｍｉｎであり、再現性が高いことが確認された。
【００３４】
表２は、図４に示す炭酸ガスアーク溶接において、溶融池の温度推移を従来技術２によって測定した測定結果である。このとき、熱電対９と光ファイバー温度計８（光ファイバー温度計７に同じ）とを束ねたものをアーク２に接触しないように溶接部の後方から溶融池３に挿入して、温度測定を実施した。該測定結果において、光ファイバー８で測定した値と、熱電対９で測定した値との差異は、３℃以下であり、光ファイバー５を用いても、炭酸ガスアーク溶接部の温度の測定が可能であり、測定した温度は熱電対９とほぼ同等であることが確認された。
【００３５】
【表２】

【００３６】
【発明の効果】
本発明によると、溶接アークが直射する溶融部に光ファイバーの先端を配置して、該先端から入射する放射光によって溶接部の溶接金属の温度測定をするから、以下の効果が得られる。
１）開先面内の任意の位置おける温度を測定することが可能になる。
２）また、高い再現性でもって信頼性の高い温度測定を迅速にすることができる。
３）溶接速度が速い場合や溶融池が小さい場合でも、安定して溶接部の溶接金属の温度測定することができる。
４）光ファイバーを保護管内に挿入するから、側面からの光を低減して測定精度を向上させることが可能となる。
５）また、取扱が容易になるとともに、光ファイバー自体の溶損や折損を低減することが可能になる。
６）さらに、光ファイバーの外径を規定したから、光ファイバー自体の溶損や折損を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法に用いる光ファイバーを説明する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法を説明する模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法のレーザ溶接における実施例１を説明する模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る溶接部の温度測定方法の炭酸ガスアーク溶接における実施例２を説明する模式図である。
【図５】従来の溶接部の温度測定方法に用いられる熱電対を示す模式図である。
【図６】従来の溶接部の温度測定方法を示す模式図（従来技術１）である。
【図７】従来の溶接部の温度測定方法を示す模式図（従来技術２）である。
【符号の説明】
１溶接電極、２アーク、３溶融池、
４溶接ビード５光ファイバー、６保護管
７光ファイバー温度計８光ファイバー温度計、９熱電対、
１０母材、１１開先面、１２貫通孔、
２０母材、２１開先面

Claims

溶接開先部に到達する貫通孔に光ファイバーを挿入して、その先端を予め前記溶接開先部に配置する工程と、
溶接によって前記溶接開先部に溶融部が形成された際、該溶融部内の放射光を前記先端から前記光ファイバー内に取り入れる工程と、
該取り入れた放射光を前記光ファイバーを通じて温度計測器に導き、前記溶融部の温度を測定する工程と、
前記溶融部が凝固した後も温度測定を継続する工程と、
を有することを特徴とする溶接部の温度測定方法。
前記光ファイバーを保護管に挿入することを特徴とする請求項１記載の溶接部の温度測定方法。
前記光ファイバーの外径と保護管の内径との隙間を、半径にて５μｍ〜５００μｍとすることを特徴とする請求項２記載の溶接部の温度測定方法。
前記光ファイバーの外径を８０μｍ〜１０００μｍとすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の溶接部の温度測定方法。