JPS6012277A - 金属溶接方法 - 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】 本発明はスプレー法を用いる金属溶接に係る。

金属の突合せ融接は工業的に重要な作業である。

薄いストリップの場合には、溶加金属材を全く添加しな
いで突合せ融接を行なうことも可能であるが、多くの場
合特に厚いストリップ又はプレートの場合には溶加材の
添加が必須である。溶接すべきストリップ又はプレート
の縁端にスカーフを形成しこれを予熱する。一般にはス
トリップ又はプレートと同じ又は類似の化学組成（及び
融点）の溶加材を（通常は棒状、場合によっては粉末状
）で供給し、スラックスで被覆するかガスで包囲して溶
融し予熱スカーフＩＩ５のイヤツブを充填する。

溶接領域の加熱には種々の方法があシ、しばしば使われ
るタイプとしてアーク、ガス、ＭＩＧ（＝金属不活性ガ
ス）、ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）、サブマージ
アーク、電子ビーム及びレーザー溶接がある。前記のい
ずれの場合にも溶接の結果として小さい鋳物が形成され
、これが凝固するとき及び室温まで冷えるときに収縮す
る。

従って溶接部には多くの場合高い内部応力が作用し、時
には溶接部の内部又は縁端に亀裂が生じる。

収縮応力によって出発ストリップ又はプレート（母材）
のヒズミが生じることもある。更に、溶接された溶加材
は鋳物の構造を有しており、偏析が生じ易く、またしば
しば気泡を含んだシフラックス又はスラグの如き介在物
が混在したシする。

本発明の金属溶接方法は、金属表面の溶接すべき領域を
固相線温度よシ高温まで局部加熱しくこれによシ表面に
溶融層又は部分溶融層が存在し溶接すべき金属の内部は
比軟的低温に維持される）、非酸化性雰囲気中で加熱表
面に溶加材を付加するステップを含んでおシ、溶加材が
溶融粒子の噴霧の形であることを特徴とする。好ましく
は、本発明の方法は更に、付加された溶加材を同時に（
即ち熱加工できるうちに）ピーニングして一体化するス
テップを含む。即ち、噴霧の少くとも一部にピーニング
ショットを通し、このパスで設はうした付加溶加材層を
深さ全体に亘って熱加工する。

必要ならば２回以上のパスを用いてもよい。本文での非
酸化性雰囲気なる用語は、中性雰囲気又は還元性雰囲気
を意味する。

溶加（金属）材は通常、溶接に関する一般定義を考慮し
たときに被接金属と同等であると認められる化学的組成
と融点とを有する。

このようゐ好ましい方法の使用によって、内部応力が抑
制されておシ熱加工された溶加材構造を有しておシ偏析
又は多孔性状を生じない＠接部が形成され得る。これは
従来に比べて顕著な相違を示す。即ち溶加材が棒又は粉
末の如き固体でなく溶融金属液滴の噴霧の形で添加され
（好ましい特徴によれば）溶加材が付加される際に漸増
的に（１層ずつ付加して）熱加工されるからである。

突合せ溶接及びすみ肉溶接等の広範囲の溶接形を使用し
得る。

溶接すべき表面（この表面のスカーフは従来の溶接同様
に準備されるのが好ましい）の加熱手段は、噴霧を形成
すべく溶加材粒子を溶融する１手段と同じ手段でもよく
、又は、別の独立した手段でもよい。例えば、スカーフ
の加熱と粉末材料から得られた溶融溶加材粒子の供給と
の双方を１つのアークプラズマトーチを用いて行なって
もよい。

又ハ、スカーフの加熱に１つのプラズマトーチを使用し
、溶融溶加材粒子の供給に１つ以上の別のプラズマトー
チを使用してもよい。

全く異なる熱源を使用しても好結果を得ることが可能で
ある。例えば、スカーフをレーザビームで加熱してもよ
く、溶融溶加材粒子を縁材状溶加材を用いるアークスプ
レーピストルによって付加してもよい。溶加材粒子を発
生するために溶加材メルトを不活性ガスで噴霧化しても
よい。例えば酸素アセチレン炎を用いる熱スプレーガン
をスカーフの加熱と溶融溶加材噴霧の供給との双方に使
用してもよいが、この場合、溶融溶加材粒子の回シに酸
化性雰囲気が発生して溶接部中に酸化物が混在すること
がないように配慮する必要がある。

スカーフの直接アーク加熱（ＴＩＱ″）、移転アーク及
び表面肪導加熱も可能であるが、表面の溶融層の厚みの
調節が雌しい。

極めて低い多孔性、加工された構造、又は、抑制された
内部応力もしくは低い内部応力を確保したい場合には、
ピーニングを使用し得る。この場合ピーニングのために
好ましくは、丸味の付いた硬質粒子、通常は球状で直径
１關乃至１０＋＋ｏｌのショット即ち鋼球を用いる。シ
ョットは、好ましくは低温で使用され、溶加材溶着部中
に捕捉されて混在することを避けるために溶融溶加材噴
霧粒子の平均直径の少くとも１０倍の直径を有する必要
がある。実際には直径２１１１乃至５ｍのショットが最
も有効である。何故ならこの大きさのショットは、溶加
材溶着部を衝撃して添加材溶着部を塑性変形させるに十
分な質量を有しているが、溶加材が溶着される突合せ溶
接部のスカーフ又はすみ自溶接部の凹部によって形成さ
れる浅い領域（通常は７字溝）に侵入するほど大きくは
ないからである。噴霧粒子は、４０乃至２００μｍの平
均サイズ（直径）を有し得る。衝突によって分裂しない
ショットを選択する必要がある。ショｆトが分裂すると
生じた断片がある程度溶接部に混在する恐れがある。シ
ョット材料の密度が高いほど、溶加材溶着部の塑性変形
がよシ有効に行なわれるであろう。従って、ガラスショ
ットよシもスチール又はタングステンの方が好ましい。

ピーニングを行なうために、全部が同じサイズのショッ
トを用いてもよく、又は、前記の範囲を考慮した上で各
種サイズを組合せたショットを用いてもよい。ショット
の好ましい供給速度（質ｔ／時間）は溶加材供給速度の
１０乃至５００倍である。

しくけこのショレトを捕集回収して再利用する。

任意の適当な手段を用いてショットを通常は５乃至５０
ｍ１のピーニング速度に加速する。特に有効で経済的に
行なうには、標準品たる遠心ショット射出器を使用する
とよい。これば空気圧加速よシ好ましい。何故なら高速
気流が発生して溶接領域から溶加材噴霧粒子を吹飛ばす
現象が生じないからである。

マタ、ショットの高速自転が生じるので噴霧粒子がショ
ットに付着し難い。典型的Ｋｔｉ１つのショットは、例
えば４０の薄膜（ａｐｌａｔ）にね当する厚みの層を熱
塑性的に変形し得る。

（常用条件下では）伝尋によって弓着部から低温ピーニ
ングショットに与えられる熱量がショットの運動エネル
ギによって溶着部に付加される熱量よシ大きいので、シ
ョットが溶着部を冷却する効果を有する。溶着部単位質
量当シのピーニングショットの質量が大きく、サイズが
小さく速度が低下するほど冷却効果が大きい。使用以前
にショットを冷凍すると効果は少し増す。しかし乍らま
た、成る種の制約も存在する。例えば、サイズと速度と
を過度に低下させると溶加材の一体化と塑性変形とが低
下するので、サイズと速度とを過度に低下させることは
できない。

方法の各ステップ（即ち、（１）スカーフ表面の溶融、
（＋Ｄ微粒化液体粒子の噴霧の形状の溶加材の付加、及
び、必要な場合０ｉｉ）ピーニングによる溶着部の塑性
変形と一体化）とを１つの箇所即ち加工ステージョンで
同時に行なうことができ、この箇所を溶接部の長手方向
に移動せしめる。

この場合、例えばプラズマトーチを用いて全プロセスを
単一作業として完了し得る。

即ち、プラズマ炎で溶接部のスカーフを加熱しプラズマ
中に粉末状溶加材を送シ込むことＫよって溶融溶加材粒
子噴霧を供給する。

溶着部領域で噴霧中に高速ショットを射出してピーニン
グを行ない得る。このような場合、方法のステップ（ｉ
ｉ）及び（ｉｎ）には一般に、英国特許第１６０５０３
５号に記載の手順を用いる。３つのステップのこのよう
な同時作業は、溶接線に沿って移動し乍ら連続的に行な
われてもよく又は準連続的に行なわれてもよい。

中程度以上の厚みの材料に形成される突合せ溶接部のス
カーフは一般に、テーパ状であシ底部で突合せ状態に接
触又はほぼ接触するようになっている。本発明のスプレ
ー溶接の場合にもスカーフのこのような幾何学形が有利
である。スカーフの底部のギャップは可能な限り小さく
使用ピーニングショットの直径よシも明らかに小さくす
る必要がある。

実際には、スカーフ溶融（１）を溶加材添加Ｑｉ）及び
（必要な場合）ピーニング（ｉｔ）に先行させるのが一
般に若干有利である。

例えば溶接を連続的に行なう場合、溶加材添加又はピー
ニングの以前にスカーフ表面を溶融させるのがしばしば
有利である。何故なら溶加材はスカーフが溶融又はほぼ
溶融するまでスカーフに接着せず、従って（不利なこと
に）ピーニングショットがスカーフだけを陥凹冷却させ
るからである。

ステップ（１）をステップ（１１）に若干先行させるか
ステップ（１１）をステップ（ｉｉ）に若干先行させる
か又は双方を採用するのが有利であり、更に、（１）と
（１１）及び（１１）と（ｉｉｉ）を少しオーバーラツ
プさせ（１）と（ｉｉｉ）とをオーバ−ラツプさせない
のが好ましい。

本発明を離村図面に基いて以下に説明する。

第１図によれば、プラズマトーチは溶接部に沿って（図
の左方に）移動する。被接金属部材の１つは図の平面の
向う側にあり、残りの１つは手前側にある。溶加材粉末
はキャリ、ヤーガスと共にかなり低いガス圧でプラズマ
トーチの包囲範囲内に導入される。この際、粉末はプラ
ズマの後端部に存在する。従って、トーチが溶接部に沿
って前進するとき、溶接部では先ず予熱スカーフ溶融ス
テップが行なわれ、直ぐ続いて溶融粒子溶着（溶接部充
填）ステップが行なわれる。言い換えると、溶加材の粉
末粒子がプラズマ流の一部にしか侵入しないように粉末
はキャリヤーガスの低い圧力でプラズマトーチの後端側
に注入される。これにより、プラズマの前部は粉末を含
まずスカーフの予熱と表面溶融とだけを行なっておりプ
ラズマの後部が溶接部形成用の溶融溶加材粒子を含むよ
うに構成し得る。図示の場合、ピーニング作用は存在し
ないが、必要ならば付加し得る。

予熱と溶加材添加との双方に１つのプラズマを使用する
場合、プラズマジェットの渦巻が生じ易い様に噴射ノズ
ルに角度をつける必要がある。

第２図は本発明によって行なわれる突合せ溶接の平面図
である。溶接スカーフ１，２は位置保持されており、同
時に、３つの加工ステージョンは、完全に一体化された
溶接部３を背後に残して（図の）右から左に移動する。

溶接スカーフは、領域ＡＢで表面融点まで予熱される。

領域ＡＢの後端は溶加材プラズマ噴霧領域ＣＤとオーバ
ーラツプしている。領域ＣＤはピーニング領域ＥＦより
ほんの少しだけ先行している。ピーニングの開始端Ｅは
スカーフ溶融終了端Ｂの若干後方に位置する。

しかし乍ら好ましくはないが、ＡＢがＥＦと若干オーバ
ーラツプしてもよい。

第３図は、第２図の溶接部を形成する装置の立面図であ
る。表面溶融ＡＢはプラズマトーチ１０によって行なわ
れ、溶加材噴霧ＣＤは符号にて（被接金属と同じ）溶加
材粉末を飛沫同伴するプラズマトーチ１１によって行な
われ、ピーニングＦＩＥＦはショート送シシュート【４
を有するモータ駆動遠心ショット射出器」３で行なわれ
る。ショットは、モータ１５特によって水平軸の回りで
回転する鉛直羽根に沿って遠心的に加速される。図示の
場合、羽根の回転面は図の面に垂直であるが、回転面が
図の面に平行であっても同様に有利である。

全体が、ショット保持用鎖鎧スカートを備えた酸化性ガ
ス防止用包囲体１６で包囲されている。

溶接金属付着層は符号１７で概略的に示されている。

前記より、スカーフの加熱が溶加材添加に若干先行し、
溶加材添加がショットピーニングステップに若干先行す
ることが理解されよう。良質の溶接部を得るためＫは溶
加材の添加までスカーフ上に溶融薄膜が維持される必要
があるので、各ステップ間のズレがほんの少しであるこ
とが勿論重要である。同様にまた、溶着と同時に加工さ
れた完全加工溶接金属構造、即ち深さ全体に亘って完全
に（即ち漸増的に）加工された構造が必要な場合には、
溶加材がまだ高い加工温度範囲に維持されており、溶加
材の溶着層がまだ十分に薄いときにピーニングを開始し
、ショットの第１撃がそれまでに溶着した溶加材の厚み
全体を塑性変形し少くとも溶着処理が終るまで持続する
ことを確保する必要がある。３つのステップ間の時間を
余り長く離すと、例えば数秒間も離すと、溶加材をピー
ニングするときに低温になり過ぎるので、スカーフに対
する溶加材の接着力が低下するか又は溶加材と溶接部と
の一体化が不足する。また、ピーニングが漸増的になら
ない。

本発明の重要な特徴は、不活性雰囲気又は還元性雰囲気
を使用することである。最も普及したアーク又はガス溶
接では（ＭＩＧ又はＴＩＧでなくても）、スカーフ及び
溶加材の酸化物薄膜を除去するために７ラツクスを使用
する。本発明では、溶接部に飛沫同伴されて混在する恐
れがあるスラックスを使用することはできない。従って
、スカーフ上の酸化物膜）減少又は分散させ且り溶加材
粒子を酸化から保護する必要がある。これらを有効に行
なうためには、本発明を還元性ガス又は不活性ガスの包
囲体、即ち雰囲気中で実施するとよい。これは酸化物膜
が硬質で低減させるのが不可能な場合にも効果がある。

何故なら、スカーフの表面が還元性又は中性雰囲気中で
溶融されると、溶融層の表面に還元できない酸化物、例
えばｏｒｚｏｓはＴＩＯ，又はＡｔ、Ｏ，が極めて薄い
膜として残る。この薄膜は、スカーフに向けられる高速
液本溶加材粒子によって破壊され、この粒子は薄膜相に
溶込んで完全に一体化された物質を生成する。

勿論、溶融溶加材粒子の噴霧は中性又は還元性雰囲気に
よって酸化から保護される。

溶融粒子の噴霧の形状の溶加材は、スカーフ又は既に溶
着した溶加材に到達したとき完全に溶融されているか殆
んど溶融されているかのいずれかでなければならない。

即ち、平均固体分５０に以下でなければならない。これ
は粒子が薄層になシ多孔性が大きくならないために必要
である。いかなる粒子噴霧の場合にも、粒子の性質にム
ラがちシこのため成る槙の粒子は必然的に他の粒子よシ
小さく成る棟の粒子は他の粒子より低温で基板に到着す
る。固体になって到着する粒子も成る程度の割合で存在
する。この割合が小さいときは溶接部に恋影譬を与えな
い。本文中の１温度”及び“サイズなる用語は、考察中
の各噴霧の平均温度及び平均サイズを示す。前の層の少
くとも表面がまだ溶融しているうちに次の粒子が到達す
ることを確保するために、噴霧密度（即ち、噴霧粒子の
溶着速度）がかなシ高いレベルに維持されるのが好まし
い。これによシ溶接金−の多孔性が小さくな夛また細胞
状の微細な列理構造が得られる。

これに関する理論は、Ｍｅｔａｌａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ　、　１９８３年２月、１０巻６１頁に十分に記載
されている。

ピーニングショットを使用する場合、ピーニングショッ
トの作用は、溶着部を一体化し熱加工することである。

これらの実施例に示した方法の特徴は、ピーニングが漸
増的に行なわれ、これによシ溶接部全体の比較的均一な
構造が得られることである。１回のパスで各溶加材粒子
層が溶接部に付加される度毎に、この層は衝撃球によっ
て一体化され加工される。噴霧示溶接部に沿って移動す
る毎に噴霧によって更に多くの層が付加され一体化され
、以後同様に続く。その結果、１回のパスが終了したと
きにこのような漸増的プロセスによって溶接部全体が完
全に一体化され且つ加工されている。従って、従来のア
ーク溶接で必要な多数回パスに比較して１回のパスで重
金属プレート間の溶接を完了することが可能である。こ
のような溶接部の特徴は、溶接部が厚み全体に亘って完
全に一体化され且つ完全に加工されていることである。

所望ならば多数回パスを使用し得る。

ピーニングを含むスプレー溶接作業の厳密な制御が必要
であること、及び、雰囲気を保持し高速ショットの漏出
を防ぐ包囲体を維持する必要があること、の双方の理由
から多くの場合機械溶接の使用が便利であるが、手作業
も可能である。重要な１つの分野では本発明方法が特に
好適である。

即ち、ブローホール又は間違った場所に開設された好ま
しくない穴の如きケーシング又は加工構造体の欠陥を補
修する場合である。このような場合、従来のアーク溶接
による溶接材料の充填が時に補修用に使用されるが、凝
固収縮と熱収縮とによって内部応力が大きくなる。

このような場合の補修には本発明方法が効果がある。何
故なら、ピーニングを用いるので、形成された溶着部の
内部応力が小さく、十分に緻密で熱加工されているから
である。

、適当な手法としては、粉末フィーＰを備えたｌい表面
膜を溶融するか又は融点近くまで熱する。

次に、溶着部を形成すべく粉末状溶加材をプラズマトー
チ内に供給する。更に、例えば１秒間のショット間隔を
置いてピーニングを開始する。空隙が埋められるか又は
若干過度に埋められるまで溶着とピーニングとを同時に
継続する。次にゾ２ズマトーチを消し、少し後、例えは
１秒後にピーニングを中止する。次に、必要ならば上面
を所要レベルまで硝削し直す。

従来の融接同様に、溶接部を凝固せしめる付加溶加材の
溶融粒子の冷却は、殆んどがより低温のスカーフと周囲
母材と−・の熱伝導によって生じる。

更に、ショットと対流と輻射とによっても多少の熱除去
が行なわれる。

本発明方法は、中程度以上の厚みを有するストリップ及
びプレートの突合せ溶接、Ｔ継手、すみ内継手（この場
合は一般にアンダーカットが大いに減少する）及び重ね
継手の形成に使用され得る。

ス？ット溶接、シーム溶接及びプロジエクシエン溶接の
分野では本発明の使用が限定される。ピーニング処理を
使用しないとき高いスプレー密度で付着させられた溶加
材は等軸状（ｅｇｕｉｏｘｅｄ　）又は細胞状（ｃｅｌ
ｌｕｌｏｒ）の微細列理構造を有するであろう。

高いスプレー密度を使用するならば、一般に３％以下で
はあろうが溶接部全体に亘って少量の多孔性が生じるで
あろう。

ピーニングを使用すると、溶加材が熱加工され一体化す
ることと内部応力が抑制され得ることとによって、形成
された溶接部の全体的強度及び靭性が改良され、同時に
、従来の融接部に比較して疲れ強度及びクリープ強度が
高い。

溶着部の平面に対するピーニングショットの入射角は重
要な要因である。ショットが噴霧用ノズルに直接跳ね返
されるのをできるだけ阻止するのが好ましいことを配慮
して一般には前記入射角をできるだけ垂線に近付ける、
必要がある。また、噴霧溶着中に生じるよく知られた増
影効果（ｓｈａｄｏｗｉｎｇｅｆｆｅｃｔ　）を阻止す
るためにも噴霧の入射角ができるだけ垂線に近くなけれ
ばならない。溶着部の平面の垂線手酌してショットの入
射角とスプレーの入射角とが双方共３０°以下であると
きに好結果が得られる。

スペース内溶接、即ち真空条件下での溶接も可能である
。プラズマトーチを使用する場合、トーチに供給される
ガスが低圧下で効率良く作用するので高温プラズマ炎は
かなり長くなるであろう。

これは、殆んどの溶接加工に有利である。高温溶融溶加
材粒子の酸化は生じないであろうがピーニングを使用す
る場合には、ピーニングショットを収集し全方向でショ
ットの跳ね返シを阻止するために包囲体を配備する必要
がある。動零の条件下でピーニングショットが鋼から成
る場合、ピーニングショットは磁気光面によって収集さ
れ次に掻き取られてショット射出器に再度送られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、単一プラズマトーチを用いて極めて容易に効
率良く行なわれる本発明によるスプレー突合せ溶接の例
を示す説明図、第２図及び第３図は本発明方法の１例の
説明図である。 １．２・・・溶接スカーフ、１０・・・プラズマトーチ
、１１・・・プラズマトーチ、１３・・・ショット射出
器、１４・・・ショット送りシュート、１５・・・モー
タ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１金属表面の被溶接領域を該領域の固相線温度よシ
   高温に局部加熱しくこれによシ表面上に溶融層又は部分
   溶融層が存在し被溶接金属の内部は比較的低温であシ）
   、非酸化性雰囲気中で加熱表面上に溶加金属材を付加す
   る処理を含んでおシ、前記溶加材が溶融粒子の吹霧の形
   であることをｔ４徴とする金属′ｍ接方法。 （２）更に、付加された前記溶加材がまだ熱加工可能で
   あるうちに該溶加材をピーニングする処理を含む特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 （３）　ピーニング処理では商ノパスにおいて付着させ
   られた前記付〃口溶加材の深さ全体に亘る熱加工が行な
   われる特許請求の範囲第２項に記載の方法。 （４）　ピーニングが丸眸を付けた硬質粒子による特許
   請求の範囲第２項又は第３項に記載の方法。 （５）　ピーニングが直径ＩＩＩＩＩ乃至１０目好まし
   くは２關乃至５關の球状ショット又は鋼球による特許請
   求の範囲第４項に記載の方法。 （６）　ショット又は球が低温で使用されておシ前記溶
   融１８加材噴勝粒子の平均直径の１０倍よシ大きい直径
   を有する特許請求の範囲第５項に記載の方法。 （７）　ピーニング粒子が前記溶加材の付加速度のｌＯ
   乃至５００倍の速度（質量／時間）で付加される特許請
   求の範囲第２項乃至第６項のいずれかに記載の方法。 （８）溶加材噴霧粒子が４０乃至２００μｍの平均サイ
   ズを有する特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか
   に記載の方法。 （９）（１）スカーフの表面を溶融し％　（ｉｉ）　付
   加金属材を溶融粒子の噴霧の形で添加し、場合によつて
   は（ｉｉｉ）　１つの箇所又は加工ステージョンで同時
   にピーニングを実施するステップを含んでおシ、前記箇
   所が溶接部に沿って移動する特許請求の範囲第１項乃至
   第８項のいずれかに記載の方法。 Ｑｌ　スカーフの表面溶融ステップ（１）が溶融粒子噴
   霧の形の前記溶加材添加ステップ（１１）に先行し且つ
   ステップ（１）とステップ（ＩＩ）とがオーツマーラッ
   プする特許請求の範囲第１項乃至第８項０≠すたかに記
   載の方法。 ■　溶融粒子噴霧の形の前記溶加材添加ステップ（ｉｌ
   ）がピーニングステップ（１１）に先行し且つステップ
   （１１）とステップ（ｉｉｉ）とがオーツマーラップす
   る特許請求の範囲第２項乃至第７項Ｏけ≠れかに記載の
   又は特許請求の範囲第２項に従属する第８項乃至第１０
   項０城≠址かに記載の方法。 （１り　ステップ（１）とステップ（ｍ）とがオーツマ
   ーラップしない特許請求の範囲第１１項に記載の方法。 崗　１回よシ多いパスが行なわれる特許請求の範囲第１
   項乃至第１２項のいずれかに記載の方法。