JPH01157792A - 部品の溶接性を決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 ［産業上の利用分野］ 本発明は一般的にアーク溶接方法、とくに部品の溶接性
を決定する方法に関するものである。

［従来の技術］ とくに航空宇宙工業において、屡々部品および要素を製
造するため“超合金（ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）”または
“エキシチック（ｃｘｏｔ　ｉｃ）”合金が使用され、
そこで、このような材料を溶接する必要が生ずる。

このような超合金は、高温で大きい強度を有するニッケ
ル、コバルトおよび鉄基合金を含んでいる。

たとえば、インコネル（Ｉｉｃｏｎｎｅｌ）　７１８合
金はニッケル基超合金である。これらの合金は典型的に
は低濃度の硫黄または酸素のような微量元素または不純
物によって特徴付けられる。特定の合金に対する仕様は
通常不純物濃度に対して最大限界を設定し、不純物の濃
度は同じ合金の相異なるロットまたは鋳込みの間で変化
することがある。これらの鋳込み毎の不純物濃度の変化
により同じ合金の異なるロットが著しく異なる溶接性を
示すことがある。

微量元素の濃度が特定の限界内にあると、合金の溶接特
性はそれ程影響を受けることはない。しかしながら、低
不純物濃度において、ある微量元素の濃度の僅かな変化
により、溶込みに著しい変化が生じることがある。イン
コネル７１８合金または３００型不銹鋼のようなある合
金では、合金中の不純物とくに硫黄の濃度がその合金の
溶接性を決定する。約１００〜１５０ｐｐｍ以上の硫黄
濃度では、硫黄濃度の変化は溶接性にほとんど影響を与
えない。しかしながら、約５０〜６０ｐｐｍ以下の硫黄
濃度の場合、濃度の僅かな変化により、溶接パラメータ
が同じでも溶込みに著しい変化が生じる。溶込みめ減少
は濃度が低すぎることから生じる。溶込みの差異は人ま
たは溶接機には、溶融池表面の変化が容易に識別可能で
ないため、分からない。このことは上記のような合金か
ら作られた部品を溶接する際に問題である。代表的解決
法は部品を溶接して、それをあとで観察することである
。この解決法の欠点は、溶接が不満足であった部品を廃
棄するか、または溶接継手を、指定された溶込みが得ら
れるように再加工しなければならないことである。もし
問題が反復して起る場合、溶接に先立って部品の化学的
解析を実施しなければならない。

溶接に先立って部品の溶接性を決定して、所望の特性を
有する溶接継手が得られるように溶接に先立って溶接パ
ラメータを適切に変更することによって前記欠点を回避
する方法を提供することが望ましい。本発明は主として
この目的の達成を目指している。

発明の要約 本発明は、たとえば超合金等のような与えられた材料か
ら作られた標本または部品の溶接性を直接測定によって
決定する方法を提供するものである。本発明は、簡単な
センサを使用して溶接直前に実際の部品に対して実時間
で実施して部品の溶接性を決定しうる、簡単かつ容易に
実現される測定方法を提供するものである。この方法に
より、必要な場合、所望の特性ををする溶接継手を製造
するために溶接パラメータを適切に調節することができ
る。溶接中、同じセンサを用いて、溶融池溶造みを実時
間で直接決定することができる。

ここで用いる、「溶接性」とは溶接ビードの深さ対幅（
Ｄ　／Ｗ）比を表わし、それは溶融池の３次元形状に関
係する。深さ対幅比が大きいことは、熱影響部（ＩＩＡ
Ｚ　）が小さくかつ溶込みが良いことに関連している。

ガス拳タングステン・アーク（ＧＴＡ　）溶接において
溶込みが良好で熱影響部（ＨＡＺ　）が小さいことが望
ましい。本発明は溶接継手の深さ対幅比が溶融池の３次
元形状によって決定されること、および溶融池の固有振
動周波数すなわち共振周波数がその３次元形状に関係す
るので溶接性が溶融池の固有振動周波数を測定すること
によって評価できるという認識に基づくものである。溶
融池の３次元形状、したがって固有振動周波数は材料の
表面張力に依存し、この表面張力は材料中の４量元素の
濃度によって影響される。

表面張力は溶融池中の溶融液体流の運動および関連した
熱伝達過程に影響を及ぼし、したがって溶融池の３次元
形状に影響を与える。

要約すれば、本発明は、所定の一組の溶接パラメータを
使用して不動の溶接トーチと加工物との間にアークを発
生させて、加工物に溶融池を生じさせることを含む、該
加工物を形成する材料の溶接性を決定する方法を提供す
る。溶融池の固有振動周波数はアークを開始させてから
所定の時間後に測定され、この測定された固有振動周波
数はその材料に対して経験的に決定されたデータと比較
されて、加工物の溶接性が決定される。

別の特徴によれば、本発明は、部品の溶接性を決定する
ため、合金から形成された部品の溶融池の深さ対幅比を
決定する方法を提供する。この方法は、所定の一組の溶
接パラメータを使用して溶接トーチと部品との間にアー
クを発生させて、部品に溶融池を生じさせ；溶融池の固
有振動周波数をアークの開始から所定の時間後に測定し
；この測定した固有振動周波数を前記合金の相異なるロ
ットに対する一組の固有振動周波数の値と比較すること
を含む。前記−組の固有振動周波数の値は、部品の溶接
性を決定するため、相異なる深さ対幅比に関係する。

好ましくは、溶接パラメータは加工物中に部分的に溶込
む溶融池を生ずるように選択され、固有振動周波数はア
ークの開始から２〜４秒後に測定する。測定された固有
振動周波数と、同じ材料の相異なるロットについて固有
振動周波数の値を溶接性に関係付ける経験的に決定され
たデータとを比較することにより、試験中の加工物の溶
接性を容易に決定することができ、もし必要があれば、
所望の特性を有する溶接継手を得るように溶接パラメー
タに対して適切な調節をすることができる。

溶融池の固有振動周波数は、溶融池に空間的な振動が生
じるように複数の異なった振動数で溶融池を励振し、溶
融池から反射した光を感知して、該感知した光を解析す
ることによって決定することができる。固有振動周波数
を決定するためのセンサ装置は、少くとも部分的に、溶
接トーチ自体の中に組み込んで、実際の溶接中に使用し
て溶込みの程度を連続して実時間で表示する。本発明方
法の重要な利点は、それが溶接プロセス自体の中に組み
込むことができることである。これにより、実際の部品
の直接測定によりて実際の部品の溶接性を決定すること
ができ、また溶接パラメータを部品の特性に応じて調節
することができる。

本発明の他の利点および特徴は、下記の説明から明らか
になるであろう。

好ましい実施例の説明 本発明の方法は、とくにインコネル７１８合金および３
００型不銹鋼のような超合金の溶接性を決定するのによ
く適合しており、以下これに関連して説明する。しかし
ながら、当業者には明らかなように、本発明は他の金属
および合金にもまた応用することができる。

前述のように、低不純物合金のような材料の相異なるロ
ットの間における微量元素濃度の小さい変化が、それら
の溶接性に強く影響を及ぼすことがわかった。最大の問
題を生ずると思える微量元素は、界面活性剤として作用
するもの（もっとも顕著なのは硫黄）であるか、または
界面活性剤と組合わさってそれらの作用を抑制するもの
である。

低濃度である場合、界面活性剤の濃度変化は材料の表面
張力対温度特性を変化させ、その変化は溶融池の液体流
の運動および関連した熱伝達過程に影響を及ぼし、これ
らは溶融池の３次元形状を変化させる。第１Ａおよび１
８図ならびに第２Ａおよび２Ｂ図は、これらの効果を説
明するのに有用である。

第１８図は、低不純物合金１２中に一組の溶接パラメー
タによって生じた溶融池１０の形状を示す断面図である
。第２Ｂ図は、異なる微量元素濃度を有する同じ合金の
別のロットまたは鋳造物１２′中に同じ溶接パラメータ
によって生じた別の溶融池１０′の形状を示す断面図で
ある。第１Ａ図および第２Ａ図は２つの合金の表面張力
（Ｙ）対温度（Ｔ）特性を示す。図面に示すように、硫
黄のような界面活性元素の濃度が表面張力の温度依存性
（ｄＹ／ｄＴ）に影響を及ぼし、また低濃度において（
ｄＹ／ｄＴ）を正の値から負の値に変更して溶融池内に
おける液体金属流の方向を変更する。溶融池内での流れ
は、主として、表面張力駆動流（マラゴニ（Ｍａｒａｇ
ｏｎｉ）対流）によって占められ、その方向は低表面張
力の区域から高表面張力の区域に向かっている。図面Ｉ
ＡおよびＩＢは、たとえば、５０ｐｐｍ以下程度の硫黄
濃度を有する３００型不銹鋼の特性を示し、第２Ａおよ
び２Ｂ図は１１００ｐｐの程度の硫黄濃度を有する同じ
不銹鋼の特性を示す。１００〜１５０ｐｐｍ以上の硫黄
濃度の場合、界面活性剤は材料の表面に飽和して、その
濃度の変化は実質的に溶接性に影響を及ぼさない。

第１Ａ図に示すように、界面活性剤の濃度が十分に低い
場合、表面張力対温度特性の勾配は負である。上記のよ
うに、液体は低表面張力の区域から高表面張力の区域へ
流れようとする。溶融池１０の表面の中心１４の温度は
溶融池の縁部１６の温度より高く、表面張力は縁部で一
層大きくなり、溶融池内の溶融液体は第、Ｉ　Ｂ図に矢
印で示すように中心（低表面張力の区域）１４から溶融
池の縁部（高表面張力の区域）１６へ流れる。また図示
のように溶融池の縁部１６から底部１８への流れが生じ
る。したがって、液体によって運ばれる熱が溶融池の縁
部において材料をさらに溶融して、広くて浅い溶融池が
生ずる。反対に、界面活性剤濃度が第２Ａ図に示すよう
に、正の傾斜の表面張力対温度特性を生ずるほどの高さ
の濃度になると、液体金属は第２Ｂ図に矢印で示すよう
に溶融池１０′の縁部２０（低表面張力の区域）から溶
融池の中心２２（高表面張力の区域）へ、また溶融池の
底部へ下向きに流れる。この内向きおよび下向きの流れ
は溶融池１０’の底部２４の固体をさらに溶融して、狭
くかつ深い溶融池を生じる。溶融池１０′の深さ対幅（
Ｄ　／Ｗ）比は溶融池１０の深さ対幅比より大きい。高
さ対幅比が大きいと、熱影響区域（ＨＡＺ　）を小さく
するとともに溶込みを良＜シ、それはガス・タングステ
ン・アーク溶接において好ましい。したがって、第２Ｂ
図の材料は第１８図の材料より一層良好な溶接性を有す
る。

図面は材料の溶接性の差がその溶融池の３次元形状の差
に関係することを示している。本発明は溶接性を決定す
るために溶融池の３次元形状、したがって深さ対幅比に
関係するパラメータを測定する。このパラメータは好ま
しくは溶融池の固有振動周波数であり、それを本発明で
は溶接性を決定するための基準として利用する。

溶融池を外部から励振すると、溶融池に空間的な振動が
誘起される。適当な励振によって、溶融池はその固有振
動周波数すなわち共振周波数で振動する。静止した溶融
池の固有振動周波数はその表面張力、その質量およびそ
の３次元形状によって決定される。第１８図および第２
Ｂ図の溶融池１０および１０′は形状が異なるため、相
異なる固有振動周波数を生ずる。

本発明によれば、既知の相異なる微量元素濃度を有する
一種の合金の複数の異なるロットのサンプルについてそ
れぞれ固有振動数を特定の条件のもとで測定して、該合
金に対する経験的データを作成することができる。これ
らの固有振動周波数の測定値は、通常の技術を使用して
サンプルを検査または試験することにより溶接性に関係
付けすることができる。深さ対幅比は、たとえば、溶接
ビードを通るサンプルの断面についての測定から決定す
ることができる。その後、上記合金によって形成された
部品の溶接性は、経験的データを作成するために使用さ
れたものと同じ特定の条件のもとて部品に生じた溶融池
の固有振動周波数を測定して、経験的に決定された固有
振動周波数の値と測定した固有振動周波数とを比較する
ことにより、決定することができる。部品の溶接性を決
定する際の条件は実際の溶接の際に使用されるものと同
じ条件にすることが望ましい。たとえば、表面の汚染お
よび酸化により溶込みに問題が生ずる。

もし溶接しようとする実際の部品の表面がまず酸化物お
よび他の汚染物を除去するため機械的に清浄化される場
合、この処理は溶接性の試験を行う部品ならびに経験的
データを作成するための部品に対してもなすべきである
。さらに、溶接性の試験を行う部品は、経験的データを
作成するために使用されたものと同じ大きさおよび形状
をもつべきであり、固定具および他の条件も同様に同じ
とすべきである。

本発明によって溶接性を決定する好ましい方法は、もし
実際の溶接が清浄な部品に対してなされ、これが経験的
データを作成した方法である場合は、まず試験を行う部
品を清浄化することである。そうでない場合は、清浄化
は行わない。次いでアークを不動の溶接トーチと部品と
の間に発生させ、その際に用いる溶接パラメータは部品
に部分的に溶込んだ溶融池が生ずるように選択するのが
好ましい。不動の溶融池の固有摂動周波数はアークの開
始から一定時間後、たとえば２〜４秒後に（後で詳述す
る方法で）測定される。溶接性は、部品の実際の溶接の
開始前に溶接工程の一部として実際の部品について決定
するのが好ましい。測定した溶融池の固有振動周波数は
、部品の溶接性を決定するために経験的データと比較さ
れる。測定した固有振動周波数が許容限界内にある場合
、溶接が開始される。しかし、測定した固有振動周波数
が許容限界外にある場合は、溶接を停止するが、または
溶接条件が材料の差を考慮して変更される。

溶接条件の変更は、−層よい溶込みを得るためパワーを
増加すること、またはその溶接性を改善するために合金
の成分を変更する処置を取ること等による溶接パラメー
タの変更を含む。本発明の方法は、プログラム可能な溶
接装置を使用して自動的に実施するか、または、オペレ
ータの手動制御のもとで実施することができる。

溶融池の固有振動周波数は種々の方法で測定することが
できる。好ましい方法は、溶融池を複数の相異なる周波
数で励振して溶融池に空間的な振動を誘起させ、非鏡面
角度で溶融池から反射した光を感知し、最大量の反射光
を生ずる励振周波数を決定するものである。この励振周
波数は溶融池の固有振動周波数１°こ対応する。溶融池
の固有振動周波数を測定するために本発明で使用されう
る方法および装置の例が、１９８６年１１月２４日付け
の米国特許出願箱９３４，５２２号に開示されている。

上記出願は、溶融池を非鏡面反射角度で見るようにトー
チ・ハウジング内に取付けられたレンズを含む溶融池結
像光学システムを組み込んだ溶接トーチを開示している
。レンズで受けた光は光学繊維ケーブルを介して光セン
サに送られている。

光センサは受けた光の量を測定して対応する電気信号を
処理装置に送り、処理装置はこの電気信号を解析して固
有振動周波数を決定する。溶融池は、アークを包囲する
ためにトーチに供給されてトーチから加工物に送られる
シールドガスの流量を変調するか、またはアーク電流を
変調することによって振動を誘起することができる。溶
融池を励振するために使用される変調は、多数の相異な
る振動数で溶融池を同時に励振するパルス変調とするか
、またはチャープすなわち掃引周波数で変調することが
できる。パルス変調の場合、処理装置は光センサによっ
て発生された信号のスペクトル解析を実施し、最大振幅
を有する信号の周波数成分を検出する。掃引周波数の場
合、処理装置は最大信号が発生した掃引周波数サイクル
内の発生時点を検出して、この時点に相関した掃引周波
数変調器の対応する周波数を決定する。

溶融池が非撹乱または非共振状態にあるとき、その表面
はほぼ平らであり、この表面から反射した光の大部分は
溶融池を非鏡面反射角で見る溶融池結像光学装置からそ
れて離れる。したがって、光センサの出力はかなり低く
なる。溶融池が掻乱されまたは励振されているとき、溶
融した材料は空間的な振動を発生し、表面波は光を時間
とともに変化するパターンで反射して、光センサの出力
を同様に時間とともに変化させる。共振時には、溶融池
の表面波は溶融池結像光学装置へ反射された光の量を最
大値まで増加させ、それにより光センサからの信号をそ
の最大値に到達させる。しかして、励振周波数を光セン
サからの信号のピークに相関させることにより、固有振
動周波数を容易に決定することができる。

前記出願に開示された方法および装置はまた、移動溶接
トーチによる実際の溶接に用いられて、溶接される部品
の完全な溶込みを検出するようになっている。完全な溶
込み時には、溶融池の共振周波数が突然低下するので、
この固有振動周波数の低下を用いて完全な溶込みが起る
ように溶接工程が制御されている。前記出願に開示され
た方法および装置を固有振動周波数の測定のために本発
明で使用することにより、本発明の方法は溶接工程自体
の中に便利に組み込むことができ、溶接性を決定するた
めに実際の溶接の開始に先立って実施される。その後、
同じ装置は実際の溶接工程中の溶込みを監視するために
使用することができる。

場合によっては、溶接部に完全な溶込みまで到らない溶
込みを持つことが望ましいことがある。−旦溶接される
特定の部品の溶接性が決定されると、この情報は所望の
程度の溶込みを生ずるように溶接パラメータを調節する
ために使用することができ、溶込みは溶融池の共振周波
数を監視することにより実際の溶接中に監視することが
できる。上記のように、これは溶接工程を制御する自動
制御方式に具合よく組み込むことができる。

以上、本発明の好ましい実施例を図示し説明したが、こ
の技術に通じた人々には、特許請求の範囲によって限定
される本発明の原理および精神から離れることなく、こ
の実施例に対して種々の変更を実施しうろことが明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、特定の合金の第１０ツトの表面張力（Ｙ）
対温度（Ｔ）特性の例を示すグラフであり、第１８図は
該合金から形成された部品中の対応する溶融池を示す断
面図である。 第２Ａ図は、上記と同じ合金であるが異なるロットのも
のの表面張力対温度特性を示すグラフであり、第２Ｂ図
はその対応する溶融池を示す断面図である。 ｉｏ、ｉｏ’・・・溶融池、１２．１２’・・・合金、
１４・・・中心、１６・・・縁部、１８・・・底部、２
０・・・縁部、２２・・・中心、２４・・・底部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工物の溶接性を決定する方法であって、所定の一
   組の溶接パラメータを使用して静止した溶接トーチと加
   工物との間にアークを発生させて、加工物に溶融池を生
   じさせ；アークの開始から所定の時間後に溶融池の固有
   振動周波数を測定し；測定した固有振動周波数を前記加
   工物の材料について経験的に決定されたデータと比較し
   て前記加工物の溶接性を決定することを含む方法。 ２、前記所定の一組の溶接パラメータが加工物の部分的
   な溶込みを生ずるように選択されている請求項１記載の
   方法。 ３、前記所定の時間がアークの開始から２乃至４秒程度
   である請求項１記載の方法。 ４、前記加工物が６０ｐｐｍ以下の低濃度の微量元素を
   有する合金で構成され、該微量元素がその濃度の小さな
   変動により該合金の溶接性を変化させる元素である請求
   項１記載の方法。 ５、前記微量元素が硫黄を含む請求項４記載の方法。 ６、前記固有振動周波数の測定が、多数の相異なる周波
   数で溶融池を励振し、溶融池から反射した光を感知し、
   該感知した光に対応する信号を発生し、該信号を解析し
   て前記固有振動周波数を決定することからなる請求項１
   記載の方法。 ７、前記励振がトーチに供給されるシールドガスの流量
   を変調することよりなる請求項６記載の方法。 ８、前記アークが溶接トーチの電極と加工物との間に流
   れる電流によって形成され、前記励振が前記電流を変調
   することよりなる請求項６記載の方法。 ９、前記励振がパルスを使用して溶融池を励振すること
   よりなり、前記解析が前記信号のスペクトル解析を実施
   することを含む請求項６記載の方法。 １０、前記励振が掃引周波数を使用して溶融池を励振す
   ることよりなり、前記解析が前記信号のピーク発生時点
   を測定して該時点を前記変調の周波数に相関させること
   よりなる請求項６記載の方法。 １１、前記反射光の感知が非鏡面角度において溶融池か
   ら反射した光を感知することよりなる請求項６記載の方
   法。 １２、前記比較に従って溶接パラメータを調節して予め
   選ばれた溶込みを形成することを含む請求項１記載の方
   法。 １３、前記方法が前記加工物を溶接する溶接工程の一部
   として、前記加工物の溶接に先立って実施される請求項
   １記載の方法。 １４、前記経験的データが前記所定の一組の溶接パラメ
   ータを使用して加工物材料の複数の相異なるサンプルの
   固有振動周波数を測定して、溶接性に対してその固有振
   動周波数を関係づけることによって決定される請求項１
   記載の方法。 １５、前記材料が低濃度の微量元素を有する合金よりな
   り、前記サンプルがそれぞれ相異なる溶接性を有する前
   記合金の相異なるロットよりなる請求項１４記載の方法
   。 １６、合金から形成された部品の溶接性を決定するため
   に該部品中の溶融池の深さ対幅比を決定する方法であっ
   て、所定の一組の溶接パラメータを使用して溶接トーチ
   と部品との間にアークを発生して、部品に溶融池を形成
   し；アークの開始から所定の時間後に溶融池の固有振動
   周波数を測定し；前記合金の複数の相異なるロットに関
   する既知の深さ対幅比に対応する一組の固有振動周波数
   の値と前記測定した固有振動周波数とを比較して前記部
   品の溶接性を決定することを含む方法。 １７、前記溶接トーチが静止しており、前記所定の一組
   の溶接パラメータが部品に部分的に溶込む溶融池を作る
   ように選択されている請求項１６記載の方法。 １８、前記部品の溶接性が部品の溶接に先立って決定さ
   れ、前記比較に基づいて溶接パラメータを調節して予定
   の深さ対幅比が得られるようにすることを含む請求項１
   ６記載の方法。