JPH1034374A - Method for generating residual compressive stress in stainless steel and ni-based superalloy, and method for repairing stress corrosion crack by underwater welding - Google Patents

Method for generating residual compressive stress in stainless steel and ni-based superalloy, and method for repairing stress corrosion crack by underwater welding

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JPH1034374A
JPH1034374A JP9088981A JP8898197A JPH1034374A JP H1034374 A JPH1034374 A JP H1034374A JP 9088981 A JP9088981 A JP 9088981A JP 8898197 A JP8898197 A JP 8898197A JP H1034374 A JPH1034374 A JP H1034374A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To impart a residual stress to a molten part by melting underwater the surface of stainless steel or a Ni-based superalloy using a plasma arc welding torch (PTA torch) that is provided with a suitable water eliminating device, performing repair welding for cracks, and quenching in accordance with the movement of the torch. SOLUTION: A PTA torch 10 for underwater melting or welding is equipped with a conical or cylindrical water eliminating device 16 at the tip end of a gas lens 14; with the skirt of the device coming into contact with the surface 41 of a base material to be processed, the surrounding water is eliminated by a shield gas from an inactive gas supply line 11, enabling a local waterless area to be obtained forming a stable beam 42 and a molten metal pool 45. In addition, the body of the water eliminating device 16 is provided with minute and numerous holes for diffusing extra shield gas. With this torch 10 moved in the direction of the arrow 47, the surface 41 of the base material is continuously melted and cooled. Incidentally, as necessary, a welding material may be added to the molten pool 45.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術の分野】本発明は、ステンレス鋼及
びニッケル基超合金における残留引張応力(residual te
nsile stress) の実質的低減と残留圧縮応力(residual
compressive stress) の増大に関する。別の態様では、
本発明はかかる合金の応力腐食割れ、ヘリウム脆化及び
高温割れによって引き起こされる損傷の防止に関する。
さらに詳細には、本発明は、割れを起こしやすい合金で
作られた構造物の割れ損傷を防止するための残留圧縮応
力の生成を促進するための伝熱急冷(conductive quench
ing)に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of residual tensile stress in stainless steel and nickel-base superalloys.
nsile stress) and residual compressive stress (residual
about increase in compressive stress). In another aspect,
The present invention relates to the prevention of damage caused by stress corrosion cracking, helium embrittlement and hot cracking of such alloys.
More specifically, the present invention relates to a conductive quench for promoting the generation of residual compressive stress to prevent crack damage in structures made of crack-prone alloys.
ing).

【0002】[0002]

【従来の技術】溶接には、接合しようとする2つの部分
の接合箇所の局部的加熱が必須であり、それによって接
合部及び接合部に加えられるフィラメタル(filler meta
l)の局部的溶融を引き起こす。溶接部はこの溶融材料の
凝固によって得られる。この局部的加熱は局部的溶融を
引き起こすだけでなく、溶融池に隣接した金属の膨張を
引き起こす。この膨張に続いて、冷却中に収縮が起こ
る。こうした溶接作業に固有の温度勾配は熱応力の勾配
をもたらし、この熱応力の勾配によって残留応力が発生
する。こうした応力は、溶接作業後に残留して存在する
ので残留応力と呼ばれる。こうした応力は溶接される材
料に内在性であり、換言すれば外的牽引力は必要とされ
ない。こうした応力は凝固した溶接金属並びに溶接部周
囲の熱影響部(HAZ;heat affected zone)に存在す
る。従来の溶接においては、このような残留応力は溶接
部及びHAZ内部では一般に引張応力である。これらは
溶接部から遠いところでは一般に圧縮応力となるが、そ
うした圧縮応力の大きさは概して引張応力の大きさより
も小さい。全体の力は釣り合っていなければならず、こ
れは大きな局部的引張応力が大きさは小さいがより広い
体積に広がる圧縮応力と釣り合うことによって達成され
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION Welding involves the localized heating of the joint of two parts to be joined, whereby the joint and the filler metal applied to the joint are filled.
l) causes local melting. The weld is obtained by solidification of this molten material. This local heating causes not only local melting, but also expansion of the metal adjacent the weld pool. Following this expansion, shrinkage occurs during cooling. The temperature gradients inherent in such welding operations lead to thermal stress gradients, which generate residual stresses. Such stress is called residual stress because it remains after the welding operation. Such stresses are intrinsic to the material being welded, in other words, no external traction is required. These stresses are present in the solidified weld metal and in the heat affected zone (HAZ) around the weld. In conventional welding, such residual stresses are generally tensile stresses in the weld and inside the HAZ. These generally become compressive at a distance from the weld, but the magnitude of such compressive stress is generally smaller than the magnitude of the tensile stress. The overall force must be balanced, which is achieved by balancing large local tensile stresses with compressive stresses that spread over a smaller but larger volume.

【0003】これらの残留応力の大きさと分布は、溶接
部に加えられる熱、溶接される部分のジオメトリー並び
に溶接部及びHAZの外部への熱伝達によって決定され
る。正確な熱勾配は溶接による入熱とその熱が除去され
る速度とのバランスに依存する。従来の溶接において考
慮されてきた境界条件では、この熱が周囲の金属の冷部
分(すなわち、溶接される材料の溶接部から離れた部
分)への伝導によって除去されると仮定する。
[0003] The magnitude and distribution of these residual stresses is determined by the heat applied to the weld, the geometry of the part being welded, and the heat transfer to the outside of the weld and the HAZ. The exact thermal gradient depends on the balance between the heat input by the weld and the rate at which that heat is removed. The boundary conditions considered in conventional welding assume that this heat is removed by conduction to the cold portion of the surrounding metal (ie, the portion of the material being welded away from the weld).

【0004】溶接部及びHAZからの放射或いは溶接部
及びHAZの外表面と接した気体を通しての伝導によっ
て除去される熱は比較的少ない。本明細書に開示する発
明はこれを改めて、溶接部及びHAZ内に比較的大きな
圧縮残留応力が発生するようにしたものである。これは
溶接を水中或いは溶接部及びHAZの急冷に使用できる
幾つかの媒質中で実施することによって達成できる。本
発明では、水は溶接部及びHAZの表面から非常に効率
的に熱を除去する伝導媒質として作用する。このように
改められた熱の流れは、溶接部及びHAZにおける圧縮
応力の発生をもたらす。このことは重要であって、この
ような圧縮応力の発生によって、溶接部が冷える際に進
展する高温割れやヘリウム割れ(He割れ)或いは溶接
作業後に溶接部及びHAZが応力腐食割れを促進する傾
向のある条件に曝露されたときに起こる応力腐食割れを
阻止することができる。
[0004] Relatively little heat is removed by radiation from the weld and the HAZ or conduction through the gas in contact with the outer surface of the weld and the HAZ. The invention disclosed in the present specification renews this so that a relatively large compressive residual stress is generated in the weld and the HAZ. This can be achieved by performing the welding in water or in some medium that can be used to quench the weld and the HAZ. In the present invention, water acts as a conductive medium that removes heat from the weld and the surface of the HAZ very efficiently. This modified heat flow results in the generation of compressive stresses in the weld and the HAZ. This is important, because of the generation of such compressive stress, there is a tendency for the weld and the HAZ to promote stress corrosion cracking after hot welding and helium cracking (He cracking) that develop when the weld cools or after welding work. Stress corrosion cracking that occurs when exposed to certain conditions.

【0005】高温割れは、凝固中の溶接部に引張応力が
作用することに起因する。溶接部は一般にある一点の限
られた温度で凝固するものではない。超純粋な単一元素
又は単一化合物材料を扱わない限り、凝固はある温度範
囲にわたって起こる。凝固が起こるにつれて、凝固中に
進展する収縮又は温度低下による収縮が応力の発生を引
き起こす。かかる応力が凝固中の材料に作用すると、高
温割れが発生するようになる。これは、存在している液
体が引張応力を支えきれないからである。このような割
れは、引張応力ではなくて圧縮応力が発生すれば阻止で
きる。
[0005] Hot cracking is caused by a tensile stress acting on a weld during solidification. Welds generally do not solidify at a single, limited temperature. Solidification occurs over a range of temperatures, unless one deals with ultrapure single element or single compound materials. As solidification occurs, the shrinkage that evolves during solidification or shrinks due to the temperature drop causes the generation of stress. When such stress acts on the solidifying material, hot cracking occurs. This is because the existing liquid cannot support the tensile stress. Such cracks can be prevented if a compressive stress is generated instead of a tensile stress.

【0006】ヘリウム脆化も冷却中に発生する引張応力
の作用によって起こり、引張応力の代わりに圧縮応力が
発生すれば阻止することができる。ヘリウム脆化は核照
射によって生成する内部Heの発生に起因する。この現
象は照射材料に対する補修溶接の成功を妨げる。圧縮応
力の発生はこのような補修を可能にする。圧縮残留応力
の発生は応力腐食割れ(SCC;stress corrosion crac
king)を緩和する作用ももつ。その名前の示す通り、応
力腐食割れは応力の作用を必要とし、残留応力はそうし
た応力の重要な源である。SCCは溶接作業後に溶接部
及びHAZが適当な媒質に露出されたときに発生する。
このような媒質の存在下で引張応力が作用するのを防止
すれば応力腐食割れは阻止することができる。したがっ
て、引張応力ではなく圧縮応力を発生させれば、SCC
を起こす傾向を最小限にすることができる。
Helium embrittlement also occurs due to the action of tensile stress generated during cooling, and can be prevented if compressive stress is generated instead of tensile stress. Helium embrittlement results from the generation of internal He generated by nuclear irradiation. This phenomenon hinders the success of repair welding on irradiated materials. The generation of compressive stress allows such repairs. The generation of compressive residual stress is caused by stress corrosion crack (SCC).
king). As the name implies, stress corrosion cracking requires the action of stress, and residual stress is an important source of such stress. SCC occurs when the weld and the HAZ are exposed to a suitable medium after the welding operation.
By preventing the action of tensile stress in the presence of such a medium, stress corrosion cracking can be prevented. Therefore, if compressive stress is generated instead of tensile stress, SCC
Can be minimized.

【0007】今回、原子炉及び同様の装置及び構造物の
水露出部分における応力腐食割れ損傷のプラズマ移行ア
ーク溶接補修が水中での溶接プロセスの実施によって達
成できることが判明した。この溶接プロセスには、必要
条件の設定、溶融金属の溶融池の形成、隣接する非溶融
部との冶金学的結合を形成するための溶融池の冷却、及
び溶融範囲未満の周囲温度への溶接部の急冷が含まれ
る。溶融池は、粉末状又はワイヤ状で供給される適合性
合金フィラメタルからも形成できるし、或いは補修すべ
き基材から自己発生的に形成することもできる。冷却中
の溶融池を周囲水と接触させることによって、引張応力
を低減し圧縮応力の発生を促すような熱流特性が得られ
る。
[0007] It has now been found that plasma transfer arc welding repair of stress corrosion cracking damage in water exposed parts of nuclear reactors and similar equipment and structures can be achieved by performing an underwater welding process. This welding process involves setting requirements, forming a weld pool of molten metal, cooling the weld pool to form a metallurgical bond with adjacent unmelted parts, and welding to ambient temperatures below the melting range. Includes rapid cooling of parts. The weld pool can be formed from a compatible alloy filler metal supplied in powder or wire form, or can be formed spontaneously from the substrate to be repaired. By bringing the molten pool into contact with the surrounding water during cooling, it is possible to obtain heat flow characteristics that reduce tensile stress and promote generation of compressive stress.

【0008】[0008]

【発明の概要】引張応力よりも圧縮応力を発生させるこ
とによって数多くの有益な効果が得られることは明らか
であり、本発明はこのような有益な応力を生じさせる。
このような応力は、水を溶融池から排除した状態に保つ
局部的排水装置を使用して溶接作業を水中で行うときに
発生する。溶接トーチが移動すると、局部的排水装置か
ら溶接部が露出するが、溶接部はその時点までに凝固し
ている。それにもかかわらず、溶接部及びHAZからの
熱伝達は溶接部を水中に置くことによって改まり、これ
によって圧縮応力の発生が引き起こされる。
It is clear that a number of beneficial effects can be obtained by generating compressive rather than tensile stress, and the present invention produces such beneficial stresses.
Such stresses occur when welding operations are performed underwater using a local drainage system that keeps water out of the weld pool. As the welding torch moves, the weld is exposed from the local drainage device, but the weld has solidified by that time. Nevertheless, heat transfer from the weld and the HAZ is altered by placing the weld in water, which causes the generation of compressive stress.

【0009】排除装置は周囲圧力を若干上回る圧力まで
加圧されるので、こうした水中溶接は水深の浅いところ
でも深いところでも行うことができる。有益な効果はフ
ィラメタル(filler metal;溶加材)を使用してもしな
くても得ることができる。慣用のフィラメタルを使って
もよいし、高温割れ、He脆化又はSCCを緩和する特
殊なフィラメタルを使用してもよい。
[0009] Since the rejection device is pressurized to a pressure slightly above ambient pressure, such underwater welding can be performed at shallow or deep water. Beneficial effects can be obtained with or without filler metal. Conventional filler metals may be used, or special filler metals that mitigate hot cracking, He embrittlement or SCC may be used.

【0010】今回、圧縮応力を生じさせて高温割れ、H
e脆化を防止しSCCを軽減するにはプラズマ移行アー
ク(PTA)溶接を水中で使用すればよいことが判明し
た。80フィート水柱に相当するレベルまで加圧した排
除装置を使用した。これは、冷却水を排水する(これに
は核燃料の取り出し並びに水の遮蔽効果を補充するため
の遮蔽材の使用が必要とされる)ことなく原子炉内で補
修溶接を行うことができるように行ったものである。溶
接には、溶融池の適切な確立、溶融池と接合すべき材料
の適切な結合、及び溶融池のクラックフリーな凝固が必
要とされる。これを水中で行うには、液体状態にあると
きの溶融池から水を排除しておくための局部的排除装置
の使用が必要とされる。この溶融池は接合すべき材料か
ら自己発生的に形成してもよいし、或いはフィラメタル
で形成することもでき、フィラメタルは、溶融池に粉末
又はワイヤから導入することもできるし、溶接に先立っ
て接合部に重ねた薄板又はワイヤとして導入することも
できる。
In this case, a compressive stress is generated to cause hot cracking,
It has been found that plasma transfer arc (PTA) welding can be used in water to prevent embrittlement and reduce SCC. A displacement device pressurized to a level equivalent to an 80 foot water column was used. This would allow repair welding to take place in the reactor without draining the cooling water (which would require the removal of nuclear fuel and the use of shielding to supplement the water shielding effect). It is what went. Welding requires proper establishment of the weld pool, proper bonding of the materials to be joined to the weld pool, and crack-free solidification of the weld pool. Doing this in water requires the use of local rejection devices to keep water out of the weld pool when in the liquid state. The weld pool may be formed spontaneously from the material to be joined, or it may be formed from filler metal, which can be introduced into the weld pool from powder or wire, or used for welding. It can also be introduced as a thin plate or wire that has previously been laid over the joint.

【0011】本発明の方法では、溶融して再凝固した金
属及び隣接する処理材料の熱影響部において引張応力を
低減すると共に残留圧縮応力の生成を促すために融接(f
usion welding)又はクラッディング(cladding)技術を用
いる。本発明の実施に当たって、保護された排除領域内
で溶接トーチのような適当な熱源によって局部的に溶融
した溶融池が形成され、排除領域からは周囲環境が排除
される。排除装置はトーチその他の熱供給装置に取り付
けられていてそれと共に移動する。トーチと排除装置が
パスにそって移動すると、溶融池は冷却し始め、保護領
域を通り越してその外に出ると溶接部が急冷媒質として
作用する周囲環境に露出される。急冷媒質は溶接部及び
処理材料の熱影響部の上面を急速に冷却する。熱は、従
来の大気中での溶接におけるような対流によってではな
く急冷媒質を介しての熱伝導によって融合溶接部及びそ
の周囲の材料から除去される。若干の熱は、処理される
塊状材料内部での熱の流れによって散逸する。しかし、
本発明の方法に関しては、大半の熱の流れは急冷媒質を
通して起こる。この熱流現象の効果は溶接部と近傍の熱
影響部における圧縮応力の生成である。
In the method of the present invention, fusion welding (f) is performed to reduce the tensile stress in the heat-affected zone of the molten and re-solidified metal and the adjacent treated material and to promote the generation of residual compressive stress.
Use usion welding or cladding techniques. In the practice of the present invention, a locally molten weld pool is formed in a protected exclusion zone by a suitable heat source, such as a welding torch, from which the surrounding environment is excluded. The rejector is attached to and moves with the torch or other heat supply. As the torch and evacuator move along the path, the weld pool begins to cool, exposing it past the protected area and exposing the weld to the surrounding environment, which acts as a quench medium. The quench fluid rapidly cools the upper surface of the weld and the heat affected zone of the treated material. Heat is removed from the fusion weld and the surrounding material by conduction through the quench medium rather than by convection as in conventional atmospheric welding. Some heat is dissipated by the flow of heat inside the bulk material being processed. But,
For the process of the present invention, most of the heat flow occurs through the quench medium. The effect of this heat flow phenomenon is the generation of compressive stress in the weld and the nearby heat affected zone.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】まず、図面について説明する。図
1は、液体の排除された領域を与える液体排除装置及び
トーチの分解断面図である。図2は、圧力逃がしステム
をもつ粉末スプリッタの分解断面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the drawings will be described. FIG. 1 is an exploded cross-sectional view of a torch and a liquid exclusion device that provides an area where liquid is excluded. FIG. 2 is an exploded cross-sectional view of a powder splitter having a pressure relief stem.

【0013】図3は、粉体送給系の全体図である。図4
は、本発明の例示的な使用並びに溶接部に残存する圧縮
力の生成に十分な条件を説明した図である。図5は、溶
接部の軸に平行な方向における溶接部の融接線からの距
離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応力の関係を示
すグラフである。
FIG. 3 is an overall view of the powder feeding system. FIG.
FIG. 3 illustrates an exemplary use of the present invention and conditions sufficient for generating a compressive force remaining in a weld. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the distance from the fusion tangent line of the weld in a direction parallel to the axis of the weld and the residual stress generated in the weld and the surrounding material.

【0014】図6は、溶接部の表面に垂直な方向におけ
る溶接部の融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発
生した残留応力の関係を示すグラフである。図7は、ワ
イヤ送給水中プラズマ移行アーク系の概略図である。こ
れらの図面は、包括的なものであり、本発明を実施する
に当たって利用もしくは修正することのできる装置を説
明したものである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the distance from the fusion welding line of the weld in a direction perpendicular to the surface of the weld and the residual stress generated in the weld and the surrounding material. FIG. 7 is a schematic diagram of a plasma transfer arc system for wire feed water. These drawings are comprehensive and describe devices that can be used or modified in practicing the present invention.

【0015】図1に、溶接トーチ10、例えばプラズマ
移行アークトーチ(本明細書中ではPTAトーチと呼ぶ
こともある)、ガスレンズ14、及び本発明の実施に有
用な液体排除装置16の断面図を示す。プラズマ移行ア
ークトーチ及びガスレンズは当技術分野において周知で
ある。本発明をプラズマ移行アーク溶接により説明する
が、水中溶接によって残留圧縮応力を発生させるという
技術的思想は他の溶接装置、例えばレーザー溶接、タン
グステン不活性ガス(TIG)溶接及び金属不活性ガス
(MIG)溶接などにも適用することができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a welding torch 10, for example, a plasma transfer arc torch (sometimes referred to herein as a PTA torch), a gas lens 14, and a liquid drainage device 16 useful in practicing the present invention. Is shown. Plasma transfer arc torches and gas lenses are well known in the art. Although the present invention will be described with reference to plasma transfer arc welding, the technical idea of generating residual compressive stress by underwater welding is based on other welding equipment such as laser welding, tungsten inert gas (TIG) welding and metal inert gas (MIG). ) It can be applied to welding and the like.

【0016】図1を参照すると、PTAトーチ10は、
溶接アークの維持に適した電圧及び電流の電極と、アー
クによって発生するプラズマの形を調節するためのガス
流を迎え入れるガス導入口11とを含んでいる。このガ
スは、一般に、プラズマにガスを供給するための中心電
極の周りのいわゆるプラズマセンターガス流(plasmasen
ter gas flow)と、いわゆるシールドガス流(shielding
gas flow)(通常は溶融池及びHAZの酸化を防止する
ためのものであるが、本発明では周囲静水圧において周
囲気体又は液体を置換すると共にプラズマ外縁を包むた
めにも使われる)とに分割される。これらのガス流は、
市販品として入手可能なタイプのガスレンズによって修
正されかつアークプラズマのすぐ近傍に向けられる。ガ
スレンズの詳細は概して本発明の実施には重要でない。
ガスレンズには、取り替え及び交換の便宜のためPTA
のねじ山15と嵌合するねじ山(図示せず)が設けられ
ている。粉末状の溶接材を導入口12からトーチに導入
してもよく、この導入口は以降で詳述する本発明の装置
の一部を構成する。
Referring to FIG. 1, a PTA torch 10 comprises:
It includes electrodes of voltage and current suitable for maintaining a welding arc and a gas inlet 11 for receiving a gas flow for adjusting the shape of the plasma generated by the arc. This gas is generally supplied by a so-called plasma center gas flow around a central electrode for supplying gas to the plasma.
ter gas flow) and so-called shielding gas flow (shielding
gas flow) (usually to prevent oxidation of the weld pool and HAZ, but is also used in the present invention to replace the surrounding gas or liquid at ambient hydrostatic pressure and to wrap the outer edge of the plasma). You. These gas streams are
Modified by a commercially available type of gas lens and directed in the immediate vicinity of the arc plasma. The details of the gas lens are generally not critical to the practice of the invention.
The gas lens has PTA for the convenience of replacement and replacement.
A thread (not shown) that fits with the thread 15 is provided. A powdered welding material may be introduced into the torch through the inlet 12, which forms part of the apparatus of the present invention described in detail below.

【0017】本発明による排除装置16は、同様にし
て、取付カラー部18に形成したねじ山17でガスレン
ズ又はトーチに装着される。排除装置16のボデー19
は円錐形でもよいし、さらに概括的には円筒形でもよ
く、約1〜3インチの先端寸法Aを与えるという条件を
もって決定し得る。この寸法Aは溶融池の長さよりも大
きな排除領域を規定する。溶接部の凝固は排除領域の内
側で始まるべきである。周囲水への溶接部の露出は溶融
池の凝固の開始後に起こる。このように、寸法Aは、溶
接部内部で圧縮力を発生させることに関して本発明の重
要な側面をなす。
The rejection device 16 according to the invention is likewise mounted on a gas lens or torch with a thread 17 formed in a mounting collar 18. Body 19 of elimination device 16
May be conical or, more generally, cylindrical, and may be determined by providing a tip dimension A of about 1-3 inches. This dimension A defines an exclusion area larger than the length of the weld pool. Solidification of the weld should begin inside the exclusion zone. Exposure of the weld to ambient water occurs after the onset of solidification of the weld pool. Thus, dimension A forms an important aspect of the present invention with respect to generating a compressive force inside the weld.

【0018】周囲の液体の排除に関して、寸法Aは決定
的な因子ではないが、実際問題として、スカート20が
適合できない過酷なトポロジーを包囲するほど大きいも
のであるべきではなく、液体排除を維持するのに一段と
大量のガスを要するようになるほどガス逃散面積を増大
させるような長さの外縁を与えるほど大きいものである
べきでもない。その最小限のサイズは、溶接プロセスの
熱による損傷並びに溶接部の早すぎる急冷(例えば溶融
池に液体が接触してしまうようなもの)を回避できるも
のでなければならない。
With regard to the exclusion of the surrounding liquid, the dimension A is not a critical factor, but in practice, the skirt 20 should not be so large as to surround a harsh topology in which the skirt 20 cannot fit and maintain the liquid exclusion. It should also not be large enough to provide a perimeter of a length that increases the gas escape area so as to require more gas. Its minimum size must be able to avoid the thermal damage of the welding process as well as premature quenching of the weld (for example, liquid coming into contact with the weld pool).

【0019】排除装置16のボデー19の目的は排除領
域に好ましいジオメトリーを賦与することであり、さも
なければ高い静水圧に対して排除領域を保持することが
できない。高い静水圧においては、アーク近傍での気泡
の崩壊はアークに向かっての液体の極めて急激な進入を
許し、アークを確実に維持することができなくなる。同
時に、アーク及び母材の近傍において乱流又は高速のガ
ス流が発生しないようにするのが望ましい。
The purpose of the body 19 of the exclusion device 16 is to impart a favorable geometry to the exclusion zone, otherwise the exclusion zone cannot be maintained for high hydrostatic pressures. At high hydrostatic pressure, the collapse of the bubbles near the arc allows a very rapid ingress of liquid towards the arc and the arc cannot be maintained reliably. At the same time, it is desirable to avoid turbulence or high velocity gas flow near the arc and the base metal.

【0020】スカート20は、母材表面及び溶接部の形
成に伴う溶接ビード又は肉盛部に対するコンプライアン
スを与えると共に排除装置16のボデー19を通しての
気体の逃げ道をボデー19全体に均一に分布した比較的
小さな開口21によって与えるべく、排除装置の遠位端
にスポット溶接によって設けられた織金網で作られてい
てもよい。開口の直径はさほど重要ではなく、排除装置
内の気圧が維持される程度に静水圧に対する気体の逃散
が十分に制限されかつ気泡が開口を実質的に満たすもの
であればよい。別法として、ボデー19は緊密なデバイ
スワイヤ又は繊維状素材で製作することもでき、これら
は製織したものでも嵌合したものでもよく、これらは母
材及び溶接部の表面に対するコンプライアンスを向上さ
せる。開口又はワイヤもしくは繊維の隙間を通してのガ
スの逃散によって液体が排除されるが、さもなければ液
体は静水圧によって内部に押し込まれる。排除装置16
によるガスの閉込めは、排除装置からのガスの逃散路の
緊縮により80フィートを優に超える水深の周囲静水圧
を上回る圧力が維持されることで、少ないガス流量で排
除領域を確実に維持することも可能にする。
The skirt 20 provides compliance with the weld bead or build-up associated with the formation of the base metal surface and the weld, and a relatively even distribution of gas escape through the body 19 of the elimination device 16 throughout the body 19. It may be made of a woven wire mesh provided by spot welding at the distal end of the rejection device to be provided by the small opening 21. The diameter of the opening is not critical, provided that the escape of gas to the hydrostatic pressure is sufficiently limited and the bubbles substantially fill the opening so that the air pressure in the evacuator is maintained. Alternatively, the body 19 can be made of a tight device wire or fibrous material, which may be woven or mated, which improves compliance with the surface of the base material and the weld. Escaping liquid through openings or interstices of wires or fibers displaces liquid, otherwise the liquid is forced into the interior by hydrostatic pressure. Elimination device 16
Gas confinement ensures that the exclusion area is maintained with low gas flow rates by maintaining a pressure above ambient hydrostatic pressure well above 80 feet due to contraction of the gas escape path from the exclusion device Also make things possible.

【0021】排除領域はプラズマセンターガスとシール
ドガス(場合によっては粉末キャリア又は運搬ガスによ
って幾分補足される)の組合せによって維持されるが、
排除装置自体に独立したガス供給を行ってもよいことを
理解されたい。したがって、上述の排除装置の使用は、
溶接トーチの操作に際して設けられるガス供給について
何ら限定を与えるものではない。同様に、目下のところ
PTAトーチとの使用が好ましいが、本発明で排除装置
を使用するに当たっては、上述のプラズマトーチのみな
らず、酸素アセチレントーチ、炭素アークトーチ、タン
グステン不活性ガストーチ及びガス金属アークトーチを
始めとする任意の熱源と共に使用することができる。い
うまでもなく、上記で説明した基本的発明は、上記で示
唆したような粉末溶接材(本発明におけるその好ましい
送給系については後で詳述する)の使用に依存するもの
ではなく、本発明はワイヤ又は粉末状の溶接合金の連続
供給による従来の溶接棒を用いて実施することもできる
し、溶接すべき基材又は本体から自己発生的に溶融池を
形成することによっても実施することもできることが分
かる。
The exclusion zone is maintained by a combination of a plasma center gas and a shielding gas (sometimes supplemented by a powder carrier or carrier gas),
It should be understood that an independent gas supply may be provided to the rejection device itself. Therefore, the use of the exclusion device described above,
There is no limitation on the gas supply provided during operation of the welding torch. Similarly, use with a PTA torch is presently preferred, but in using the exclusion device in the present invention, not only the plasma torch described above, but also an oxygen acetylene torch, a carbon arc torch, a tungsten inert gas torch and a gas metal arc. It can be used with any heat source, including a torch. Of course, the basic invention described above does not rely on the use of a powdered welding material as suggested above (its preferred delivery system in the present invention will be described in detail below), but rather the present invention. The invention may be practiced using a conventional welding rod with a continuous supply of wire or powdered welding alloy, or by spontaneously forming a weld pool from the substrate or body to be welded. You can see that it can be done.

【0022】図2に、単双送給ホース粉末スプリッタ(s
ingle to double feed hose powdersplitter)としての
改良Y装置30を示す。Y装置は溶接時にトーチの上方
約3フィート以下の高さに設置される重力供給式粉末ホ
ッパーの底部に通常装着されるような装置に類似したも
のである。ただし、図に示した通り、Y装置は、内部空
洞31が広げられ、かつ装置の送給側に穴32が設けれ
られていてそこに管33が取り付けられている点で改造
されている。これらの改造は、図に示した通り、Y装置
を勘合するねじ山をもちOリングシール34でシールさ
れる2つの部分30aと30bに分けて作ると容易にな
る。この改良Y装置は好ましくはトーチの上方にぴった
りと装着される。粉末は、Y装置の下端に固定されたと
げ付具(barbed device) に取り付けたホース39を通し
てトーチに送ることができる。
FIG. 2 shows a single twin feed hose powder splitter (s
The modified Y device 30 is shown as an ingle to double feed hose powdersplitter). The Y device is similar to the device normally mounted on the bottom of a gravity fed powder hopper that is placed at a height of about 3 feet or less above the torch during welding. However, as shown in the figure, the Y device has been modified in that the internal cavity 31 is widened and a hole 32 is provided on the feed side of the device and a tube 33 is mounted therein. These modifications can be facilitated by making two parts 30a and 30b with threads to fit the Y device and sealed by an O-ring seal 34, as shown. The improved Y device is preferably mounted snugly above the torch. The powder can be sent to the torch through a hose 39 attached to a barbed device fixed to the lower end of the Y device.

【0023】改良Y装置の使用によって、制御された量
の粉末運搬ガス流を穴32及び管33を通してブリード
(逃がす)することができ、トーチに流入し得るガス流
速よりも格段に高いガス流速を粉末の運搬に使えるよう
になる。このようにしてもたらされるスプリッタからの
重力供給は、トーチからスプリッタへのガスの逆流が起
こらないようにスプリッタ内の圧力がトーチ又は排除装
置16によって画定される排除領域の内部の圧力と釣り
合っていれば、トーチに粉末を送球するのに十分であ
る。ただし、材料の流れの調節に関し、比較的少量のガ
スをスプリッタからトーチへと送り込んでトーチへの粉
末の送給の便を図るのが好ましいと考えられる。いずれ
にせよ、ノズルに送り込まれるガスの容量及び速度は、
熱源をあまり歪めず溶接部がシングルビードで形成され
るようなレベルまで容易に低下し得る。粉末運搬の便宜
のために用いられる追加ガスのブリードオフの原理は、
どんな大きさのホッパーにも適用できる。ただし、トー
チの近く又はトーチ上に取り付けられた小型のホッパー
が好ましい。これは、かかる小型ホッパーが、溶接箇所
付近に狭いクリアランスを提供し、良好な粉末送給と矛
盾なくトーチへのガス流を低減できる能力が大きく、か
つ高い内圧又は外圧に耐えるように組み立てることがで
きるという利点を有しているからである。小さなサイズ
のものは、既存の機材を改造することによって熱源をさ
ほど歪ませずに向上した粉末送給機能を与えるようにで
きるので、特に好都合である。
The use of a modified Y-device allows a controlled amount of powder-carrying gas stream to bleed through holes 32 and pipes 33, providing a significantly higher gas flow rate than can enter the torch. It can be used to transport powder. The resulting gravity feed from the splitter is such that the pressure in the splitter is balanced with the pressure inside the rejection area defined by the torch or rejection device 16 so that backflow of gas from the torch to the splitter does not occur. It is enough to send the powder to the torch. However, with regard to the control of the material flow, it is considered preferable to send a relatively small amount of gas from the splitter to the torch to facilitate the supply of powder to the torch. In any case, the volume and velocity of the gas sent to the nozzle is
The heat source can be easily reduced to a level such that the weld is formed with a single bead without significantly distorting the heat source. The principle of bleed-off of additional gas used for the convenience of powder transport is:
Applicable to any size hopper. However, a small hopper near or on the torch is preferred. This is because such small hoppers can be assembled to provide tight clearances near the weld, have a large ability to reduce gas flow to the torch consistent with good powder delivery, and withstand high internal or external pressures. This is because it has the advantage of being able to. Smaller sizes are particularly advantageous because existing equipment can be modified to provide improved powder delivery without significantly distorting the heat source.

【0024】代表的な粉末移送系を図3に示す。粉末溶
接材はホース35を通して好ましくは高圧・高速の不活
性ガスに連行されてY装置分配ブロック30に運搬され
る。流出運搬ガスは、若干量の粉末を含んでいると予想
されるが、圧力リリーフライン33aによって重力式粉
末分離装置又は回収装置36に運ばれる。ガスからの残
留粉末の分離はバッフル36aを設けることによって促
進することができる。安全のため、過圧防止安全弁を設
けてもよく、そうするとY装置30内での過度のガス圧
増加(トーチへのガス流を増加させてしまう)を防止す
る機能も得られるであろう。分離されたガスは粉末の分
離・回収装置36の上部から防湿フィルター37及び運
搬ガスと許容流出ガス量の量の差を調節できるように流
量計38を通って流される。いうまでもなく、こうした
運搬ガスと排出ガスとの差分は粉末送給及び排除領域の
維持に役立てるべくトーチに送られる。
A typical powder transfer system is shown in FIG. The powdered welding material is carried through a hose 35 to an inert gas, preferably at high pressure and speed, and conveyed to a Y device distribution block 30. The effluent carrier gas, which is expected to contain some amount of powder, is conveyed by gravity relief line 33a to gravity powder separator or recovery unit 36. Separation of the residual powder from the gas can be facilitated by providing a baffle 36a. For safety, an overpressure prevention safety valve may be provided, which will also provide a function to prevent excessive gas pressure increase in the Y device 30 (which would increase gas flow to the torch). The separated gas flows from the upper part of the powder separation / recovery device 36 through a moisture-proof filter 37 and a flow meter 38 so as to adjust the difference between the amount of the carrier gas and the allowable effluent gas amount. Of course, the difference between the carrier gas and the exhaust gas is sent to a torch to help maintain powder delivery and rejection areas.

【0025】排除領域の維持ができ、粉末溶接材をかか
る静水圧で操作されるトーチに熱源の歪みを起こさずに
送給することができるので、高品質の溶接部が得られ
る。さらに、これらの構造で容易になった水中溶接は溶
接部に残留圧縮応力を生じさせることができ、その結
果、高温割れ、ヘリウム脆化、及び応力腐食割れを低減
することが判明した。このように割れを起こす力が低下
するメカニズムは、溶接部とその隣接領域(熱の影響を
受けた材料の)内部に残存する圧縮力の存在に基づく。
A high quality weld is obtained because the exclusion zone can be maintained and the powder weld material can be fed to the torch operated at such hydrostatic pressure without distortion of the heat source. In addition, it has been found that underwater welding facilitated by these structures can produce residual compressive stress in the weld, resulting in reduced hot cracking, helium embrittlement, and stress corrosion cracking. The mechanism by which this cracking force is reduced is based on the presence of compressive forces that remain within the weld and adjacent areas (of the heat affected material).

【0026】圧縮応力の確立に必要な熱量は、材料及び
排除装置の相対寸法の関数となると予測される。使用し
た排除装置では、圧縮力の生成は概して溶接部1mm当
たり1.0kJを超える入熱において最も顕著であっ
た。このような入熱の詳細は排除装置の直径の関数とな
るであろう。図4に、残留圧縮応力の発生並びに高温割
れ及び応力腐食割れの阻止に十分な条件下での溶接部の
作成を示す。本発明の試行例で用いたものと同様の液体
の入ったタンク40によって水中溶接を概略的に図示し
たが、本発明の実施に当たっては必要ない。不活性ガス
送給ライン11とガスレンズ14と排除装置16を取り
付けたトーチ10は、組立てた状態で図示してあり、溶
接部を形成すべき表面41に近接してプラズマ42が該
表面まで達するような位置に置かれる。大きな静水圧を
生じるようなほどの深さでなく、しかもガスの流れだけ
でサイズ43とほぼ同じ大きさの排除領域を樹立するこ
とができれば、排除装置16は必ずしも必要でないこと
が理解されよう。一方、本発明の試行例で用いたタンク
は80フィート以上の水深を模擬するために加圧するこ
とができたが、そうした状況下では排除装置16が必要
となろう。溶接材はホース35を通してY装置分配ブロ
ック30に送られ、流出運搬ガスは上述の通り圧力・流
量調節及び粉末分離後にホース33aを通して排出され
る。粉末溶接材は上述の通り2本のホース39を通して
トーチ10に運搬される。プラズマ移行アークトーチを
仮定すると、電気接続44によってトーチ10及び母材
41に電力が供給される。
The amount of heat required to establish a compressive stress is expected to be a function of the relative dimensions of the material and the rejection device. In the rejector used, the generation of compressive forces was generally most pronounced at heat inputs above 1.0 kJ / mm of weld. The details of such heat input will be a function of the rejection device diameter. FIG. 4 illustrates the creation of a weld under conditions sufficient to generate residual compressive stress and to prevent hot and stress corrosion cracking. Although underwater welding is schematically illustrated by a tank 40 containing a liquid similar to that used in the trial example of the present invention, it is not necessary to practice the present invention. The torch 10 fitted with the inert gas supply line 11, the gas lens 14, and the elimination device 16 is shown in an assembled state, and a plasma 42 reaches the surface 41 to be welded in close proximity to the surface. Placed in such a position. It will be appreciated that the exclusion device 16 is not necessary if the exclusion zone is not deep enough to produce a large hydrostatic pressure and an exclusion zone of approximately the same size as the size 43 can be established by gas flow alone. On the other hand, the tank used in the trial of the present invention could be pressurized to simulate a water depth of 80 feet or more, but under such circumstances an elimination device 16 would be required. The welding material is sent to the Y device distribution block 30 through the hose 35, and the outflowing carrier gas is discharged through the hose 33a after the pressure / flow rate adjustment and powder separation as described above. The powder welding material is conveyed to the torch 10 through the two hoses 39 as described above. Assuming a plasma transfer arc torch, electrical connection 44 supplies power to torch 10 and base material 41.

【0027】溶接部を作るため、排除領域が展開するよ
うに不活性ガスがホース11を通して供給され、トーチ
10にアークが点弧され、それによって表面41に熱が
供給されると共に溶融金属の溶融池41が生じるが、溶
融池にはホース39を通して粉末溶接材及びフラックス
が加えられる。トーチは矢印47で示す方向に移動する
が、その際プラズマ42を追うように溶融池45ができ
る。排除領域の寸法AはA/2が溶融池45の長さを上
回るように選定され、その結果、図示のごとく、溶接部
は凝固開始後まもなく急冷されるようになり、溶接部4
6に残留圧縮応力が発生するようになる。これらの応力
を、図5及び図6に、図4に示すX方向とY方向におけ
る溶接部の中心線からの距離の関数としてプロットし
た。
To make the weld, an inert gas is supplied through the hose 11 so that the exclusion zone develops, and an arc is ignited on the torch 10, thereby supplying heat to the surface 41 and melting the molten metal. A pond 41 is formed, and powder welding material and flux are added to the molten pool through a hose 39. The torch moves in the direction indicated by the arrow 47, and at that time, a molten pool 45 is formed so as to follow the plasma 42. The size A of the exclusion zone is chosen such that A / 2 is greater than the length of the weld pool 45, so that the weld is quenched shortly after the start of solidification, as shown in FIG.
6, a residual compressive stress is generated. These stresses are plotted in FIGS. 5 and 6 as a function of the distance from the centerline of the weld in the X and Y directions shown in FIG.

【0028】図5及び図6では、本発明で溶接した板材
における応力を従来通り大気中で溶接した板材と比較す
る。引張応力は正の値としてプロットし、圧縮応力は負
の値としてプロットした。図に示す測定値は標準的なX
線散乱法で得たものである。図5から、大気中の溶接で
は、相当の引張応力が溶接方向と平行な方向に発生し
て、板面のかなりの距離まで広がり、そのため応力腐食
割れによる損傷を受けやすくなっていて、溶接部の中心
線に近い箇所で最大となることが分かる。大気中で溶接
した同じ板材について、溶接部の融接線からかなり離れ
たところでほんの僅かな圧縮力が発生しているものの、
溶接部の中ではかなりの引張力が発生している(図
5)。対照的に、本発明にしたがって水中で形成した溶
接部では溶接中心線において圧縮応力が支配的であり、
溶接中心線から5mm〜20mm離れたところで圧縮応
力は非常に顕著になる(図5)。図6に示す通り、溶接
部内部に非常に大きな圧縮応力が発生して融接線から少
なくとも19mmまでのレベルまで続くが、幾つかのサ
ンプルでは融接線近くで稀に比較的僅かな引張力が観察
された。
5 and 6, the stress in the sheet material welded by the present invention is compared with that of a sheet material conventionally welded in air. Tensile stress was plotted as a positive value and compressive stress was plotted as a negative value. The measurements shown in the figure are standard X
It was obtained by the line scattering method. From FIG. 5, it can be seen from FIG. 5 that in welding in the atmosphere, a considerable tensile stress is generated in a direction parallel to the welding direction and spreads over a considerable distance of the plate surface, so that it is easily damaged by stress corrosion cracking. It can be seen that the maximum value is obtained at a position near the center line of. For the same sheet material welded in air, although a slight compression force is generated at a considerable distance from the fusion line of the weld,
A considerable tensile force is generated in the weld (FIG. 5). In contrast, in welds formed in water according to the present invention, compressive stress dominates at the weld centerline,
At a distance of 5 mm to 20 mm from the welding center line, the compressive stress becomes very significant (FIG. 5). As shown in FIG. 6, a very large compressive stress occurs inside the weld and continues to a level of at least 19 mm from the fusion line, but in some samples a relatively small tensile force is observed near the fusion line. Was done.

【0029】図7には、溶融池の形成に粉末の代わりに
溶加ワイヤを用いる方法を示す。き裂を含んだ領域を溶
融することが可能であり、それによって自己補修が容易
になる。
FIG. 7 shows a method in which a filler wire is used instead of powder for forming a molten pool. It is possible to melt the area containing the crack, which facilitates self-repair.

【0030】[0030]

【実施例】実験手順 き裂標本を1インチ厚の304ステンレス鋼板を用いて
作った。PTAによるき裂癒合研究では、2通りの方法
のいずれかでき裂を模擬した。2つの鋼材の端と端を突
き合わせシムを入れて深さ1インチで幅の制御されたき
裂を得るか、或いは砥石車を鋼材表面に陥入して硬貨形
のき裂を生じさせる。2枚の鋼材の端と端を突き合わせ
て作った標本の場合、端の両隅だけを溶接してき裂の表
と裏は開いたまま残しておくか、或いは塞がったき裂を
模擬すべく端の両隅と裏面でシム標本を完全に溶接して
慎重に閉じた。本来すべての硬貨形き裂は閉じている。
突き合わせ標本の幾つかは仮付け前に両隅に幅の異なる
シムをおくことで幅が種々異なるように作った。これに
よって所定の溶接パラメーターで融接することのできる
最大幅を手早く求めることができた。もう一つのき裂標
本のデザインは、突き合わせた2枚の1インチ厚鋼板で
1/8インチ厚の304ステンレス鋼板をサンドイッチ
することで2つの並行き裂を模擬した。この場合、これ
らのき裂は常に閉き裂とした。
EXPERIMENTAL PROCEDURE A crack specimen was made using a 1 inch thick 304 stainless steel plate. In crack healing studies with PTA, cracks were simulated in one of two ways. The ends of the two steel pieces are butt-butted and shims are inserted to obtain a controlled crack of 1 inch depth and width, or a grinding wheel is cut into the steel surface to create a coin-shaped crack. In the case of a specimen made by joining two steel pieces end to end, weld only the corners of the ends and leave the front and back of the crack open, or both ends to simulate a closed crack. The shim specimen was completely welded at the corners and backside and carefully closed. Essentially all coin-shaped cracks are closed.
Some butted specimens were made to have different widths by placing shims of different widths at both corners before tacking. As a result, the maximum width at which welding can be performed with predetermined welding parameters could be quickly obtained. Another crack specimen design simulated two parallel cracks by sandwiching a 1/8 inch thick 304 stainless steel plate with two butted 1 inch thick steel plates. In this case, these cracks were always closed cracks.

【0031】作業はすべて、様々な水深を模擬すべく加
圧されるように設計されたタンク内の水中で行った。改
造した610型トーチを装着したStellite S
tarweld PTAシステムを使用した。この改造
は局部的排水並びに模擬した水深80フィートで生ずる
背圧条件下での遠隔粉末送給ができるようにしたもので
ある。この限られた範囲の研究ではトーチ機材及びガス
流条件は変えなかった。これらのパラメーター並びに電
流、電圧及び移動速度は概して一定の設定値に維持し
た。場合によって、幅広又は並行き裂を閉じるべく、或
いは溶込み(penetration) の深さを増大させるべく、電
流と移動速度を変えて入熱を増やした。公称機材、ガス
流及び粉末パラメーターを表1に示す。
All operations were performed in water in tanks designed to be pressurized to simulate various water depths. Stellite S with modified 610 type torch
A tarweld PTA system was used. This modification allows for local drainage and remote powder delivery under back-pressure conditions that occur at a simulated depth of 80 feet. The torch equipment and gas flow conditions were not changed in this limited range of studies. These parameters, as well as current, voltage and travel speed, were generally maintained at constant settings. In some cases, the heat input was increased by varying the current and speed of movement to close wide or parallel cracks or to increase the depth of penetration. Nominal equipment, gas flow and powder parameters are shown in Table 1.

【0032】模擬き裂の癒合試験の結果を同定するため
に用いた評価法は、目視検査、完成した溶接部の横断面
の金属顕微鏡検査、並びに代表的標本についての残留応
力測定であった。目視検査はき裂が首尾よく封じられて
いるか否かを調べると共に溶接ビード幅をノギスで測定
するために行った。金属顕微鏡検査では、溶込みの深さ
並びにポロシティ(porosity)や割れなどの欠陥について
の溶接品質を求めた。
The evaluation methods used to identify the results of the simulated crack healing test were visual inspection, metal microscopy of the cross section of the completed weld, and residual stress measurements on representative specimens. Visual inspection was performed to determine whether the crack was successfully sealed and to measure the weld bead width with a vernier caliper. Metallurgical microscopy determined the depth of penetration and weld quality for defects such as porosity and cracks.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】結果 この研究の結果は、粒界応力腐食で予測されるき裂幅を
上回る幅の模擬き裂をハーメチック(hermetically)に融
接する能力を実証するとともに、改善された構造的保全
性のためのかなりの溶込み深さを示す。表2に、水中P
TAき裂癒合試験の条件、パラメーター及び測定された
溶接ビード寸法を示す。表2に示す最初12の項目には
き裂幅の異なる4種類の開放き裂標本についてのデータ
が記載されている。各々について、溶接部の中心点(中
央)、溶接部の開始点から中心点までの中間の位置(始
部)並びに溶接部の中心点から終了点までの中間の位置
(終部)において切断面を得た。金属顕微鏡用の切断面
はすべて溶接方向を横断する。これらの12の項目で
は、き裂標本全体について適用されるデータは括弧なし
で示し、特定の切断位置についてのみ適用されるデータ
は括弧内に示した。他のすべての項目は溶接ビードの中
心点で切り取った切断面での寸法データを記録したもの
である。表3は、公称110アンペア/4インチ毎分/
自己という溶接パラメーターで上首尾に封じた幅0.0
05インチ深さ1インチの閉き裂標本について測定した
X線回折法による残留応力測定の結果を示す。
Results The results of this study demonstrate the ability to hermetically weld simulated cracks wider than the crack width predicted by intergranular stress corrosion, as well as improved structural integrity. Indicate significant penetration depth for Table 2 shows that P
The conditions, parameters and measured weld bead dimensions for the TA crack healing test are shown. The first twelve items shown in Table 2 describe data on four types of open crack specimens having different crack widths. For each, the cut surface at the center point of the weld (center), at an intermediate position from the start point to the center point of the weld (start), and at an intermediate position from the center of the weld to the end point (end). I got All sections for metallurgical microscopes cross the welding direction. In these twelve items, data that applies to the entire crack specimen is shown without parentheses, and data that applies only to a specific cutting location is shown in parentheses. All other items recorded dimensional data at the cut plane cut at the center of the weld bead. Table 3 shows nominal 110 amps / 4 inches per minute /
Width successfully sealed with welding parameter of self 0.0
The result of the residual stress measurement by the X-ray diffraction method measured on the 05-inch deep 1-inch closed crack specimen is shown.

【0035】[0035]

【表2】 [Table 2]

【0036】[0036]

【表3】 [Table 3]

【0037】表2は各き裂癒合試験に関連した2つの計
算値を含んでいる。入熱の項目の値は、電源計器に表示
された出力電流及び出力電圧に基づいて算出したインチ
当たりの電力である。この値の算出に用いた等式は次の
通りである。
Table 2 contains two calculated values associated with each crack healing test. The value of the heat input item is the power per inch calculated based on the output current and the output voltage displayed on the power meter. The equation used to calculate this value is as follows:

【0038】[0038]

【数1】 (Equation 1)

【0039】動作供給電圧はこれらの値から逆算した。
また、このセットアップに使用した25フィートのケー
ブル長に伴う電圧損失は110Aで約6.5%及び16
5〜175Aで約9〜9.5%であると測定された。し
たがって、母材に送られた電力は、伝達効率を無視すれ
ば、表2に示す値よりも電流に応じて6.5〜9.5%
低いと考えられる。もう一つの計算値は溶接部のアスペ
クト比、すなわち溶込みの深さを溶接ビードの幅で割っ
た値である。この場合、最大溶込み深さを用いた。
The operating supply voltage was back calculated from these values.
Also, the voltage loss associated with the 25 foot cable length used in this setup was approximately 6.5% at 110A and 16%.
It was measured to be about 9-9.5% at 5-175A. Therefore, if the transmission efficiency is neglected, the electric power sent to the base material is 6.5% to 9.5% more in accordance with the current than the value shown in Table 2.
It is considered low. Another calculated value is the aspect ratio of the weld, that is, the value obtained by dividing the penetration depth by the width of the weld bead. In this case, the maximum penetration depth was used.

【0040】[0040]

【表4】 [Table 4]

【0041】表2及び表3のデータ並びに溶接部の目視
検査の結果から、以下に述べる結論が得られる。フィラ
メタルを加えず、電流110A及び移動速度4インチ毎
分(使用率60%における300A、32Vの定格電力
の約1/3)における公称パラメーターにおける結果:
開放き裂は、幅約0.1インチの限度まで約0.15イ
ンチの最大溶込み深さまでシングル溶接パスで封じられ
た。幅0.020インチ深さ1インチの閉き裂はシング
ルパスで首尾よく封じられた。溶込み深さは0.065
インチであった。幅0.040インチ深さ1インチの閉
き裂はシングルパスでは旨く封じられなかった。内部水
蒸気圧のため溶接ビードにブローホールができた。幅
0.025インチ深さ0.23インチの閉硬貨形き裂は
シングルパスで首尾よく封じられた。溶込み深さは0.
094インチであった。幅0.050インチ深さ0.2
インチの閉硬貨形き裂は水蒸気ブローホールのために旨
くいかなかった。1/8インチ離れた各々幅0.005
インチ深さ1インチの2つの並行閉き裂はシングルパス
で0.096インチの深さまで封じられた。幅0.01
5インチの2つの並行閉き裂は水蒸気ブローホールのた
めに旨くいかなかった。溶加材を添加せずに、電流レベ
ルを高めた(定格電圧の約60%)結果:幅1/8イン
チの開放き裂は依然として完全には封じられなかったも
のの、溶込み深さは0.3インチまで増加した。
From the data in Tables 2 and 3 and the results of the visual inspection of the weld, the following conclusions can be made. Results with nominal parameters at 110A current and 4 inches per minute of travel speed (300A at 60% utilization, about 1/3 of 32V rated power) without the addition of filler metal:
The open crack was sealed with a single weld pass to a maximum penetration depth of about 0.15 inches up to a limit of about 0.1 inches wide. The 0.020 inch wide 1 inch deep crack was successfully sealed in a single pass. 0.065 penetration depth
Inches. A 0.040 inch wide 1 inch deep crack was not successfully sealed in a single pass. A blowhole was created in the weld bead due to the internal water vapor pressure. A closed coin-shaped crack 0.025 inch wide and 0.23 inch deep was successfully sealed in a single pass. The penetration depth is 0.
094 inches. 0.050 inch width 0.2 depth
The closed coin-shaped crack in inches did not work due to the steam blowhole. 0.005 width each 1/8 inch apart
Two parallel tears, one inch deep, were sealed in a single pass to a depth of 0.096 inches. Width 0.01
Two 5-inch parallel cracks did not work due to steam blowholes. Increased current level (about 60% of rated voltage) with no filler added. Result: 1/8 inch wide open crack was not yet completely sealed, but penetration depth was 0. 0.3 inches.

【0042】溶加材を添加して、電流レベルを高めた
(定格電圧の約55%)結果:幅1/8インチの開放き
裂は首尾よく封じられた。溶込み深さは0.3インチで
あった。移動速度を落として(4インチ毎分の代わりに
3インチ毎分)入熱を増やし、溶加材を添加した結果:
1/8インチ離れた各々幅0.005インチの2つの並
行閉き裂はシングルパスで0.118インチの深さまで
首尾よく封じられた。
The addition of filler material increased the current level (approximately 55% of rated voltage). Result: The 1/8 inch wide open crack was successfully sealed. The penetration depth was 0.3 inches. The result of increasing the heat input and adding the filler metal at a reduced moving speed (3 inches per minute instead of 4 inches):
Two parallel closures, each 0.005 inch wide, 1/8 inch apart, were successfully sealed to a depth of 0.118 inch in a single pass.

【0043】代表的な癒合き裂標本で行った残留応力測
定では、圧縮表面残留応力が主に認められた。ただし、
応力レベルは、1インチ厚のむくの304ステンレス鋼
で行った水中PTA自己溶接における典型値よりも約1
0〜15ksiほど高く(圧縮が低い)、溶接中心部で
はほとんど無視し得る引張応力値(X方向のみ)及び融
接線から1/8インチ離れた箇所で軽い引張応力(X方
向のみ)がみられた。これらの残留応力の値はそれでも
大気中で行った溶接よりも格段に低い。
In the residual stress measurement performed on a representative fusion crack specimen, compressive surface residual stress was mainly recognized. However,
The stress level is about one unit greater than the typical value for underwater PTA self-welding performed on 1 inch thick solid 304 stainless steel.
0-15 ksi high (low compression), almost negligible tensile stress value (X direction only) at the weld center and light tensile stress (X direction only) 1/8 inch away from the fusion line Was. These residual stress values are nevertheless much lower than welding performed in air.

【0044】これらの実験結果は、局部的排水を伴う水
中PTAプロセスを用いると、SCCで生じる亀裂幅よ
りも大きな幅の模擬き裂をハーメチックにシールできる
ことを実証している。構造溶接に対する水中PTAの潜
在能力についても、システムの有効電力の約60%を用
いるだけで、突き合わせた304鋼板の幅1/8インチ
のギャップを0.3インチの深さ及び0.65インチの
幅まで閉じるという結果によって実証されている。
These experimental results demonstrate that the use of an underwater PTA process with local drainage can hermetically seal a simulated crack having a width greater than the crack width created by SCC. Regarding the potential of underwater PTA for structural welding, using only about 60% of the system's active power, a 1/8 inch wide gap of abutted 304 steel plates could be 0.3 inches deep and 0.65 inches wide. Demonstrated by the result of closing to width.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 液体排除装置及びトーチの分解断面図FIG. 1 is an exploded sectional view of a liquid removing device and a torch.

【図2】 粉末スプリッタの分解断面図FIG. 2 is an exploded sectional view of a powder splitter.

【図3】 粉体送給系の全体図FIG. 3 is an overall view of a powder feeding system.

【図4】 残留圧縮応力を生じさせるための水中溶接の
具体例を示す概略図
FIG. 4 is a schematic view showing a specific example of underwater welding for generating a residual compressive stress.

【図5】 溶接部の軸に平行な方向における溶接部の融
接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応
力の関係を示すグラフ
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the distance from the fusion tangent line of the weld in a direction parallel to the axis of the weld and the residual stress generated in the weld and the surrounding material.

【図6】 溶接部の表面に垂直な方向における溶接部の
融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留
応力の関係を示すグラフ
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a distance from a fusion line of the weld in a direction perpendicular to the surface of the weld and a residual stress generated in the weld and the surrounding material.

【図7】 ワイヤ送給式水中プラズマ移行アーク系の概
略図
FIG. 7 is a schematic diagram of a wire feed type underwater plasma transfer arc system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 溶接トーチ 14 ガスレンズ 16 液体排除装置 30 Y装置 33a 圧力リリーフライン 36 粉末分離装置 36a バッフル 37 防湿フィルター 38 流量計 39 粉末送給ホース 41 母材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Welding torch 14 Gas lens 16 Liquid elimination device 30 Y device 33a Pressure relief line 36 Powder separation device 36a Baffle 37 Moisture proof filter 38 Flow meter 39 Powder feeding hose 41 Base material

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C21D 1/09 C21D 1/09 V 6/00 102 6/00 102Z C22F 1/10 C22F 1/10 A G21D 1/00 8719−4K 1/00 602 // C22F 1/00 602 8719−4K 630M 630 8719−4K 640A 640 8719−4K 650A 650 G21D 1/00 X (72)発明者 レイモンド・アラン・ホワイト アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、フランクリン・ストリート、 3284番 (72)発明者 ロバート・アンソニー・フサロ,ジュニア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、コウブ ルスキル、ルエンバーグ・ターンパイク、 ボックス・672、アールディー2番──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical display location C21D 1/09 C21D 1/09 V 6/00 102 6/00 102Z C22F 1/10 C22F 1/10 A G21D 1/00 8719-4K 1/00 602 // C22F 1/00 602 8719-4K 630M 630 8719-4K 640A 640 8719-4K 650A 650 G21D 1/00 X (72) Inventor Raymond Allan White United States of America No. 3284 (72) Inventor Robert Anthony Fusaro, Jr., Schenecta Day, New York, USA.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ステンレス鋼及びニッケル基超合金から
なる群から選択される金属に残留圧縮応力を発生させる
ための方法にして、溶融金属の溶融池を形成し、溶融池
を冷却して隣接非溶融金属との冶金学的結合を形成し、
かつ該結合金属を急冷媒質との接触によって該金属の溶
融範囲未満の周囲温度に急冷することを含んでなる方
法。
1. A method for generating a residual compressive stress in a metal selected from the group consisting of stainless steel and a nickel-based superalloy, comprising: forming a molten pool of molten metal; Form a metallurgical bond with the molten metal,
And quenching the bound metal to an ambient temperature below the melting range of the metal by contact with a quench medium.
【請求項2】 急冷媒質中の排除領域内にて溶融金属の
溶融池を形成し、冷却中の金属が急冷媒質と接触するよ
うに排除領域を移動することを含んでなる、請求項1記
載の方法。
2. The method of claim 1 further comprising: forming a molten pool of molten metal in the exclusion zone in the quench medium and moving the exclusion zone so that the metal being cooled contacts the quench medium. the method of.
【請求項3】 前記急冷媒質が水である、請求項2記載
の方法。
3. The method of claim 2, wherein said quench medium is water.
【請求項4】 前記溶融金属の溶融池が、水中プラズマ
移行アーク溶接トーチに取り付けられていて該トーチと
共に移動し得る排除装置を有する水中プラズマ移行アー
ク溶接トーチによって該排除装置の内部で形成される、
請求項3記載の方法。
4. The molten pool of molten metal is formed inside the rejection device by an underwater plasma transfer arc welding torch having the rejection device attached to and movable with the underwater plasma transfer arc welding torch. ,
The method of claim 3.
【請求項5】 金属製品中に残留圧縮応力を発生させる
ための方法にして、上記製品上に溶融金属の溶融池を形
成し、該金属の初溶融点未満の温度に冷却し、かつ凝固
金属を急冷媒質との接触によって急冷することを含んで
なる方法。
5. A method for generating residual compressive stress in a metal product, comprising forming a molten pool of molten metal on the product, cooling the metal to a temperature below its initial melting point, and solidifying the solidified metal. Quenching by contact with a quench medium.
【請求項6】 前記溶融金属の溶融池を融接手段によっ
て形成し、該溶融池を加熱の終止によって溶融金属の初
融点未満の温度に冷却し、凝固中の金属及び隣接熱影響
部から急冷媒質を通して熱を伝達することによって凝固
中の金属を急冷する、請求項1記載の方法。
6. A molten pool of the molten metal is formed by a fusion welding means, and the molten pool is cooled to a temperature lower than the initial melting point of the molten metal by ending the heating, and rapidly cooled from the solidifying metal and the adjacent heat affected zone. The method of claim 1 wherein the solidifying metal is quenched by transferring heat through the medium.
【請求項7】 前記溶融金属の溶融池が、金属表面上を
横断する水中プラズマ移行アーク溶接トーチの移動に伴
って水を排除する排除装置が装着された水中プラズマ移
行アーク溶接トーチによって形成される、請求項2記載
の方法。
7. The molten pool of molten metal is formed by an underwater plasma transfer arc welding torch equipped with an exclusion device that removes water as the underwater plasma transfer arc welding torch moves across the metal surface. 3. The method of claim 2.
【請求項8】 ステンレス鋼及びニッケル基超合金材料
からなる基材中の応力腐食割れ損傷を補修するための方
法にして、割れを埋めるべき割れ損傷の部位におかれた
排除装置内で溶融金属の適合性溶融池を形成し、溶融池
をその融点付近の温度に冷却し、かつ排除装置から溶融
部が露呈するときの急冷媒質との接触によって溶融部を
周囲温度に急冷することを含んでなる方法。
8. A method for repairing stress corrosion cracking damage in a substrate comprising stainless steel and a nickel-base superalloy material, the method comprising the steps of: Forming a weld pool, cooling the weld pool to a temperature near its melting point, and quenching the melt to ambient temperature by contact with the quenching medium when the melt is exposed from the rejection device. How to be.
【請求項9】 水との接触による溶接部の急冷を含んで
なる、請求項8記載の方法。
9. The method of claim 8, comprising quenching the weld by contact with water.
【請求項10】 前記溶融池がプラズマアーク移行溶接
トーチに取り付けられた排除装置内において該トーチよ
って供給される熱によって形成され、かつ前記急冷媒質
が水である、請求項8記載の方法。
10. The method of claim 8 wherein said weld pool is formed by heat supplied by a torch in a rejection device attached to a plasma arc transfer welding torch and said quench medium is water.
【請求項11】 無水排除装置内において該排除装置に
取り付けられたプラズマ移行アーク溶接トーチによって
供給されるエネルギーで溶融金属溶融池を形成し、該ト
ーチ及び排除装置を溶接部を形成すべき経路にそって移
動し、かつ排除装置から溶接部が露呈するときの水との
接触によって溶融部を周囲温度に急冷することを含んで
なる、請求項8記載の水中溶接方法。
11. A method for forming a molten metal weld pool in an anhydrous rejection device with energy supplied by a plasma transfer arc welding torch attached to the rejection device, and placing the torch and the rejection device on a path to form a weld. 9. The underwater welding method according to claim 8, comprising quenching the melted part to ambient temperature by contact with water as it moves along and exposes the weld from the rejection device.
【請求項12】 溶接すべき表面上に置かれたときの無
水領域を画定する排水装置、該排水装置に取り付けられ
たプラズマ移行アーク溶接トーチであって該無水領域内
で該表面に溶融池を形成するのに適合したプラズマ移行
アーク溶接トーチ、該無水領域内で溶接部を形成すると
ともにその後で水との接触によって溶接部を急冷するた
め該排水装置及びトーチを該表面の上で移動させるため
の手段を含んでなる、水中溶接用の装置。
12. A drainage device defining an anhydrous area when placed on a surface to be welded, a plasma transfer arc welding torch attached to the drainage apparatus, wherein a weld pool is formed on the surface in the anhydrous area. A plasma-transferred arc welding torch adapted for forming, for forming a weld in the anhydrous zone and thereafter moving the drainage device and torch over the surface to quench the weld by contact with water. An apparatus for underwater welding, comprising:
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US08/629669 1996-04-08
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