(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接線が上下方向となるように板厚が６５ｍｍを超える被溶接物同士を互いに接して配置し、電子ビ−ムを発生させる電子銃を上方から下方へ走行させて、前記溶接線の上端から下端までを溶接する調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法において、１層目は被溶接部の板厚を貫通して行い、２層目は１層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻しを施し、３層目は２層目同様に焼戻しを兼ねた化粧盛りを施す３層盛りにて構成され、溶接線の単位長さ当りの投下エネルギー量は、１層目、２層目、３層目の順に小さくなっていることを特徴とする調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビ−ム溶接は通常１パスで行う。しかしながら、０．２％耐力レベルが約８０〜１２０ｋｇ／ｍｍ2 クラスの調質超高張力鋼の電子ビ−ムを１パスで行うと、冷却速度が遅いため母材が溶けて再凝固した溶接金属の０．２％耐力は母材の値より低くなり時として母材の規格値を下回るケ−スがある。特に調質超高張力鋼の電子ビ−ムにおいては、開先精度を考慮し溶接部の目はずれ等の欠陥を生じさせない充分な接合を確保するための施行条件で１パスの貫通溶接を施行すると、溶接部においては鋼材の調質効果が失われるとともに焼き入れ効果に必要な冷却速度が得られないために溶接金属の強度特に耐力が母材の規格値を下回る場合があった。このため、本出願人は特公平０７−０８５８３６号に示す電子ビ−ム溶接方法を提案している。
【０００３】
特公平０７−０８５８３６号では、調質超高張力鋼の被溶接部に３回以上のパスを行い、かつ１回目のパスは前記被溶接部の板厚を貫通して行い、２回目以降のパスは漸次溶け込み深さが浅くなるように行うとともにその直前のパスにより形成された溶融金属が冷却凝固した後にそれぞれ行うことによって、溶接金属の焼戻しを漸次深部側から表面側に向けて施すことを特徴としており、１パス目の溶接金属はそのままでは０．２％耐力の低下が激しいが、２パス目の溶接を施した時に、その熱影響を受けて焼き入れ効果により０．２％耐力が回復する。２パス目の溶接金属は３パス目の熱影響により３パス目の溶接部は４パス目の熱影響により夫々耐力が回復する。４パス目の溶接金属は溶け込みの浅い、つまり低入熱の溶接であるのでもともと冷却速度が速く焼入れされた状態であるので０．２％耐力は低下していない。こうした方法により母材の溶接部における板厚全体について該溶接部の０．２％耐力を母材と同等以上にできることとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記溶接手段は横向き（水平）溶接にて実施した場合を対象としており、かつ調質超高張力鋼の板厚約６５ｍｍまでを対象としているが、板厚約６５ｍｍを超える板厚（例えば板厚９０ｍｍ）の場合は従来実施していた横向き（水平）溶接では強度の確保が難しく、また熱影響による歪みも大きくなるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて提案されたものであって、厚板の調質超高張力鋼を対象に良好な溶接が得られる電子ビ−ム溶接方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法は、溶接線（１）が上下方向となるように板厚が６５ｍｍを超える被溶接物（２）同士を互いに接して配置し、電子ビ−ムを発生させる電子銃（４）を上方から下方へ走行させて、前記溶接線の上端から下端までを溶接することを特徴としており、立向き（垂直）下進姿勢にて溶接を実施することから横向き（水平）姿勢に較べ細い溶接幅の溶接金属を得るように溶接条件を制御できる。その結果、溶接金属の冷却速度は速くなり、母材板厚方向において比較的均一に耐力を確保することができる。また、そのため熱制御溶接及び化粧盛り溶接の溶け込み深さを浅くすることができ、欠陥の発生を防止することができる。
【０００７】
また、１層目は被溶接部の板厚を貫通して行い、２層目は１層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻しを施し、３層目は２層目同様に焼戻しを兼ねた化粧盛りを施す３層盛りにて構成され、溶接線の単位長さ当りの投下エネルギー量は、１層目、２層目、３層目の順に小さくなっているので、立向き（垂直）下進姿勢で異なる溶接条件を用いて１層目の貫通溶接、２層目の熱制御溶接、３層目の化粧盛り溶接の３層盛りにて接合することによって、低入熱の溶接が可能となり、充分な溶接強度が確保でき、熱影響による歪みもほとんどなくすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接装置の斜視図である。図２は電子ビ−ム溶接装置による立向き（垂直）下進姿勢溶接工法を説明するための概略図である。図３は立向き（垂直）下進姿勢で溶接した時の電子ビ−ム溶接条件（加速電圧、ビ−ム電流、溶接速度）と溶接ビ−ド表面の状況との相関を示すグラフである。図４は電子ビ−ム溶接による積層状態を示す断面図である。
【０００９】
図１及び図２において、電子ビ−ム溶接装置内の据え付け台３上に、調質超高張力鋼からなる被溶接物２が設置される。この部材である被溶接物２は２以上配置され、互いに接して継手が形成される。この継手の溶接される線状の部分である溶接線１は立向き（垂直）になっている。また、電子銃４を上下方向に案内するレ−ル５が立設され、電子ビ−ムを出射する電子銃４は、このレ−ル５にセットされるとともに、レ−ル５に沿って上下方向に走行する。被溶接物２、電子銃４およびレ−ル５をチャンバ−６が気密に覆っており、このチャンバ−６の内部空間の空気を排出する排気装置（図示しない）が設けられ、この排気装置を稼働することにより、チャンバ−６の内部の気圧を大気圧よりも低くすることができる。そして、溶接時には、チャンバ−６内の気圧は、大気圧よりも低くして行う。
【００１０】
この様に構成されている電子ビ−ム溶接装置で、溶接線１に沿って溶接する際には、溶接線１が直線状かつ立向き（垂直）になるよう被溶接物２を据え付け台３上に設置し、電子ビ−ムを出射する電子銃４は被溶接物２（溶接線１）に対し上方から下方へ向けて走行できるようレ−ル５にセットする。チャンバ−６で被溶接物２、電子銃４およびレ−ル５を気密に覆い、チャンバ−６内の気圧を排気装置により減圧させる。
【００１１】
そして、▲１▼電子銃４を溶接線１の上端部に対向する位置に移動させる。（初期工程。）
▲２▼電子銃４をレ−ル５に沿って下方に移動させながら、被溶接物２の溶接線１の上端から下端まで溶接する。この溶接は貫通溶接であり、裏波ができる程度に被溶接部の板厚を貫通して行う。（第１溶接工程。）
▲３▼第１溶接工程が終了すると、再び、電子銃４を溶接線１の上端部に対向する位置に移動させる。（第１復帰工程。）
▲４▼第１復帰工程が終了すると、再び、電子銃４をレ−ル５に沿って下方に移動させながら、被溶接物２の溶接線１の上端から下端まで溶接する。この溶接は熱制御溶接であり、１層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻しを施す。（第２溶接工程。）
▲５▼第２溶接工程が終了すると、再び、電子銃４を溶接線１の上端部に対向する位置に移動させる。（第２復帰工程。）
▲６▼第２復帰工程が終了すると、再び、電子銃４をレ−ル５に沿って下方に移動させながら、被溶接物２の溶接線１の上端から下端まで溶接する。この溶接は化粧盛り溶接であり、２層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻し、および、化粧盛りを施す。（第３溶接工程。）
【００１２】
なお、溶接線１の単位長さ当たりの投下エネルギー量は、１パス（１層目）、２パス（２層目）、３パス（３層目）の順に、小さくなっている。また、１回目のパスは被溶接部の板厚を貫通して行い、２回目以降のパスは漸次溶け込み深さが浅くなるように行うとともに、その直前のパスにより形成された溶融金属が冷却凝固した後にそれぞれ行うことによって、溶接金属の焼戻しを漸次深部側から表面側に向けて施している。
【００１３】
ところで、電子ビ−ム溶接装置のチャンバ−６の寸法が直径１０ｍ×高さ１０ｍで、電子ビ−ム溶接時の真空度は２×１０-2ｍｍＨｇとして、電子銃４の容量１５０ｋＶ×１Ａ＝１５０ｋＷを使用し実験を実施した。
実験に使用した試験板は板厚約９０ｍｍ、溶接長さ約４ｍとし、開先はＩ型、開先ギャップは約０．５ｍｍ以下のものを使用した。
【００１４】
なお、図３は、１層目の貫通溶接条件の最適値を選定するために実施した溶接試験結果を溶接ビ−ド外観をパラメ−タとしてプロットしたものであるが、それぞれの板厚で良好な溶接ビ−ド外観を得られる適正溶接条件が選定できたものである。この図３において、単位板厚当たりの見かけの入力は、下記の式で示される。
単位板厚当たりの見かけの入力＝加速電圧×ビーム電流÷板厚（KW/cm)
また、図４は本発明による立向き（垂直）下進姿勢での電子ビ−ム溶接の積層法と溶接手順を示し、その際の電子ビ−ム溶接条件（加速電圧、ビ−ム電流、溶接速度）を下記表１に示す。
【００１５】
【表１】
0004451957.tif 000002
【００１６】
表１の電子ビ−ム溶接条件により１層目は被溶接部の板厚を貫通して行う貫通溶接、２層目は１層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻しを施す熱制御溶接、３層目は２層目同様に焼戻しを兼ねた化粧盛り溶接の３層盛りにて行う。
【００１７】
１層目の貫通溶接を施したままでは０．２％耐力の低下が激しく、２層目の熱制御溶接を施した時に、その熱影響を受けて焼入れ効果により０．２％耐力が回復して、３層目の化粧盛りは低入熱の溶接のため冷却速度が速く焼入れされた状態であるため０．２％耐力は低下しない。
【００１８】
また、熱制御溶接は、溶け込みが深いと溶け込み先端部で欠陥が生じ易く、逆に溶け込みが浅いと、板厚内での耐力が均一とならないため、欠陥が少なく耐力が充分確保できる溶接条件を試験結果から上記表１の通り代表例として選定した。
【００１９】
上記溶接条件、手順により試験を重ねた結果、下記表２に示す良好な継手性能（機械的性質）、溶接強度の確保が得られた。表２は表１の実験による溶接部の機械的性質の結果を示す。
【００２０】
【表２】
0004451957.tif 000003
【００２１】
前述のように、この実施の形態では、電子銃４を上下方向に案内するレ−ル５を立設するとともに、溶接線１が上下方向となるように被溶接物２同士を互いに接して配置し、この電子銃４、レ−ル５および被溶接物２をチャンバ−６で気密に覆い、チャンバ−６内を大気圧よりも減圧し、電子銃４を溶接線１の上端部に対向させた後に、電子銃４を下方に移動させることにより、電子銃４で溶接線１の上端から下端まで溶接している。ところで、従来のチャンバ−６内で減圧して溶接するものにおいては、チャンバ−６の強度を確保するために、チャンバ−６の高さは比較的低くなっており、電子銃４は極力略水平方向に案内することが常識であった。それに対して、この実施の形態では敢えてこの常識を覆し、チャンバ−６の高さを大きく確保して、電子銃４で溶接線１の上端から下端まで溶接することを可能にしている。そして、この下進姿勢の溶接により、細い溶接幅の溶接金属を得るように溶接条件を制御でき、低入熱の溶接が可能となり充分な溶接強度が確保でき、熱影響による歪みもほとんどなくすることができた。
【００２２】
以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）実施の形態においては、電子ビ−ム溶接は３パスすなわち３層であるが、特許請求の範囲に明記されていない限りは、そのパス数は適宜選択可能である。たとえば、２以下や４以上でも可能である。
（２）実施の形態においては、調質超高張力鋼の部材の板厚は、約９０ｍｍであるが、板厚は適宜選択可能である。ただし、この出願の発明は、約６５ｍｍを越える（特に、約８０ｍｍを越える）厚板の部材の溶接に最適である。また、被溶接物２の全ての溶接線１において、前述の下進姿勢の溶接で行うことが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法は、溶接線が上下方向となるように板厚が６５ｍｍを超える被溶接物同士を互いに接して配置し、電子ビ−ムを発生させる電子銃を上方から下方へ走行させて、前記溶接線の上端から下端までを溶接することを特徴としており、立向き（垂直）下進姿勢にて溶接を実施することから横向き（水平）姿勢に較べ細い溶接幅の溶接金属を得るように溶接条件を制御できる。その結果、溶接金属の冷却速度は速くなり、母材板厚方向において比較的均一に耐力を確保することができる。また、そのため熱制御溶接及び化粧盛り溶接の溶け込み深さを浅くすることができ、欠陥の発生を防止することができる。
【００２４】
また、１層目は被溶接部の板厚を貫通して行い、２層目は１層目の溶融金属が冷却凝固した後に行うことにより溶接金属の焼戻しを施し、３層目は２層目同様に焼戻しを兼ねた化粧盛りを施す３層盛りにて構成され、溶接線の単位長さ当りの投下エネルギー量は、１層目、２層目、３層目の順に小さくなっているので、立向き（垂直）下進姿勢で異なる溶接条件を用いて１層目の貫通溶接、２層目の熱制御溶接、３層目の化粧盛り溶接の３層盛りにて接合することによって、低入熱の溶接が可能となり、充分な溶接強度が確保でき、熱影響による歪みもほとんどなくすることができる。
【００２５】
また、下進姿勢にて３層盛りによる本発明の調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接方法によれば、６５ｍｍを超える厚板（例えば９０ｍｍ）母材の溶接部における板厚全体について該溶接部の０．２％耐力を母材と同等以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の調質超高張力鋼の電子ビ−ム溶接装置の斜視図である。
【図２】本発明の電子ビ−ム溶接装置による立向き（垂直）下進姿勢溶接工法の概要を示す。
【図３】立向き（垂直）下進姿勢で溶接した時の電子ビ−ム溶接条件（加速電圧、ビ−ム電流、溶接速度）と溶接ビ−ド表面の状況との相関を示す。
【図４】本発明の電子ビ−ム溶接による積層状態を示す。
【符号の説明】
１  溶接線
２  被溶接物
３  被溶接物を設置する据え付け台
４  電子銃
５  レ−ル
６  チャンバ−
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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