(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
割れ感受性の高い材料からなる母材表面に、多パスで高硬度金属を肉盛溶接する肉盛溶接方法において、母材表面を覆う初層を形成するために、各パスの入熱を所定値以下に制限して各パスの溶接ビードに細かい割れを発生させる溶接条件を用いて、前記母材表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで該隣合う溶接ビード間を該両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することを特徴とする肉盛溶接方法。
【請求項２】
割れ感受性の高い材料からなる母材表面に、多パスで高硬度金属を肉盛溶接する肉盛溶接方法において、各パスの入熱を所定値以下に制限して各パスの溶接ビードに細かい割れを発生させる溶接条件を用いて、前記母材表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで前記隣合う溶接ビード間を該両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することにより母材表面を覆う初層を形成し、そして該初層上に該初層と同様に各パスの入熱を所定値以下に制限して溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで該隣合う溶接ビード間を該両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することにより第２層を形成し、さらに前記初層及び前記第２層よりも入熱を高くして第３層以降の肉盛溶接を行うことを特徴とする肉盛溶接方法。
【請求項３】
前記肉盛溶接はオープンアーク溶接を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の肉盛溶接方法。
【請求項４】
前記割れ感受性の高い材料は高クロム鋳鉄であることを特徴とする請求項１又は２記載の肉盛溶接方法。
【請求項５】
前記初層を形成する各パスの溶接入熱が２，０００Ｊ／ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２記載の多層肉盛溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肉盛溶接を行うと該肉盛溶接部に溶接割れが生じ、該溶接割れが母材の破断につながる恐れのある割れ感受性の高い材料表面上に、高硬度金属を多層肉盛溶接する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
耐摩耗性が必要とされる装置、例えば火力発電用ボイラーにおいて石炭粉砕に用いられる部品として竪型ミルのローラタイヤ、テーブルセグメント、ホッパーなど被粉砕原料により表面が激しく摩耗する部分には、高クロム鋳鉄や軟鋼あるいは鋳鋼の母材表面に高硬度金属を多層肉盛溶接したものなど耐摩耗性の高い部材が用いられている。これらは使用後摩耗部分に、あるいは使用前に摩耗が予想される部分に高硬度金属を多層肉盛溶接し使用する場合がある。一般に高硬度金属の耐割れ性は低く、母材・溶接材料に関係なく高硬度金属を用いた溶接では割れの発生を避けることは困難となっており、この割れが母材内部まで進展し破断の原因となる場合がある。そこで肉盛溶接における入熱を抑え急加熱・急冷プロセスを用いて肉盛溶接部に意図的に微細な割れを発生させることにより残留応力を開放し母材への割れの進展を少なくした方法を用いた多層肉盛溶接が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法では、肉盛溶接の入熱を低く抑えて意図的に割れを発生させる際に、図８に示すように、溶接ビードを重ねながら（ハーフラップ法）肉盛溶接をした場合、最初の溶接ビードで発生した割れが隣接する溶接ビードへ次々と伝播し、微細な割れであるが割れが縦横につながった比較的規則正しい形状となる。この方法により多層肉盛溶接を行った場合、初層で発生した割れが２層目、３層目と伸びていき肉盛溶接部表面において初層での割れ形状が再現される形になる。このような規則正しい割れ形状では溶接金属の剥離や母材破断の可能性が高くなり、例えば前述の竪型ミルのローラタイヤ、テーブルセグメントのように激しい振動の起こる部分に適用する場合に特に問題となる。
【０００４】
また従来方法では肉盛溶接の際の入熱を抑え続けることにより微細な割れを発生させているため、溶接金属量が少なく非能率的な作業となっている。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来方法における問題点を解決し、溶接金属の剥離や母材破断の可能性が低く母材への割れの進展を最少とする肉盛溶接部を確保できる肉盛溶接方法を提供することにある。
【０００６】
また本発明の別の目的は、上記のように、溶接金属の剥離や母材破断の可能性がを低く母材への割れの進展を最少とする肉盛溶接部を確保すると共に、より溶接能率の向上を図る肉盛溶接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の肉盛溶接方法は、割れ感受性の高い材料からなる母材表面に、多パスで高硬度金属を肉盛溶接する方法において、母材表面を覆う初層を形成するため、各パスの入熱を所定値以下に制限して各パスの溶接ビードに細かい割れを発生させる溶接条件を用いて、母材表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで隣合う溶接ビード間を両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することを特徴とする。
【０００８】
上記方法により、肉盛溶接部には微細で不規則な割れを発生させることにより溶接残留応力を肉盛溶接後直ちに開放し、母材内部へ深く割れが進展せず母材を破断へ至らしめるのを防ぐことができる。
【０００９】
また上記別の目的を達成するために、本発明の別の肉盛溶接方法は、割れ感受性の高い材料からなる母材表面に、多パス多層で高硬度金属を肉盛溶接する肉盛溶接方法において、各パスの入熱を所定値以下に制限して各パスの溶接ビードに細かい割れを発生させる溶接条件を用いて、（１）母材表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで前記隣合う溶接ビード間を該両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することにより母材表面を覆う初層を形成し、（２）そして該初層上に該初層と同様に各パスの入熱を所定値以下に制限して溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで該隣合う溶接ビード間を該両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成することにより第２層を形成し、（３）さらに前記初層及び前記第２層よりも入熱を高くして第３層以降の肉盛溶接を行うことを特徴とする
【００１０】
上記各肉盛溶接方法は、肉盛溶接はオープンアーク溶接を用いて行うことが好ましい。また各肉盛溶接方法において、割れ感受性の高い材料は高クロム鋳鉄とし、高硬度金属は炭素を５．４ｗｔ％以下含有するものとする場合には、初層を形成する各パスの溶接入熱が２，０００Ｊ／ｃｍ未満であることが好ましい。なお、別の肉盛溶接方法において、第３層以降の入熱は２，０００Ｊ／ｃｍ以上、例えば７０００Ｊ／ｃｍ又はそれ以上にすることにより、高能率の肉盛溶接を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
図１は、本発明に係る肉盛溶接方法を示す図である。割れ感受性の高い材料表面上への高硬度金属の多層肉盛溶接においては、図１(ａ)に示すように、初層を互いの溶接ビード１２、１３、１４、１５が重ならないように肉盛溶接を行い、それぞれの溶接ビードで独立した割れを発生させた後、図１(ｂ)で示すように、溶接ビード間を溶接ビード１６、１７、１８を形成して肉盛溶接することで初層肉盛溶接部表面において微細で且つ不規則な割れの発生発生させる。図中、溶接ビード長手方向に対して交叉する方向の横割れが示されている。
【００１２】
本発明による割れ感受性の高い材料表面上への高硬度金属の多層肉盛溶接を実施する自動アーク溶接装置の一例を図２に示す。この自動アーク溶接装置は、溶接制御装置１と、溶接電源２と、溶接トーチ４と、この溶接トーチ４の左右移動ユニット６及び上下移動ユニット７と、溶接トーチ４にフィード供給される溶接ワイヤ５と、溶接トーチ４、左右移動ユニット６、上下移動ユニット７、等を搭載する自走台車８と、被溶接材料（母材）３上に載置され自走台車８をガイドするレール９等から構成されている。符号１０、１１はアーク電流用パワーケーブル、アースケーブルである。この装置による溶接はオープンアークにより行う。そのため、周囲からアークや溶融池の位置、状態を容易に確認できる。
【００１３】
本発明の方法で肉盛溶接をする場合、特別な装置や技術は必要なく、従来のガスシールドアーク装置をそのまま流用できる点が強みである。
【００１４】
上記溶接装置を用いて高クロム鋳鉄（Ｃ：３ｗｔ％，Ｃｒ：２０ｗｔ％，残りFe）に高硬度金属（Ｃ：５.２ｗｔ％，Ｃｒ：２５.３ｗｔ％，残りFe）の多層肉盛溶接を行った。
【００１５】
表１及び図３に溶接条件を変化させ２層肉盛溶接したときの肉盛部表面における平均割れピッチと母材進展割れ深さの測定結果を示す。試験片Ｎｏ．１〜３は従来法のハーフラップ法に肉盛溶接したものであり、試験片Ｎｏ．４〜７は本発明方法（飛びパス法と称することにする）により肉盛溶接したものである。従来法のハーフラップ法で溶接入熱１２００、１５００、１８００ J／cmの各種条件で溶接した場合、平均割れピッチは、８、１０、１１mmであり、母材進展割れ深さは４、４.５、４.５mmであった。本発明の飛びパス法で同じく溶接入熱１２００、１５００、１８００ J／cmの各種条件で溶接した場合、平均割れピッチは、６、７、９mmであり、最大母材進展割れ深さは３、３、３.５mmであった。このように従来法に比べ本発明の方法で肉盛溶接した物のほうが平均割れピッチが狭く且つ母材進展割れ深さが浅いことから、溶接残留応力が最大限解放され母材への影響が極小となっていることが分かる。なお、本発明の飛びパス法により肉盛溶接したＮｏ.７は、入熱が２０００ J／cmと大きいため、平均割れピッチ１１mm、母材進展割れ深さは４.５mmと大きくなった。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
ここで、平均割れピッチは、溶接ビード長手方向に交差する横割れの間隔を平均した値を示し、測定には３０mm角のマス目を用いた。また入熱Ｊ(Ｊ／cm)は、Ｉ；溶接電流(Ａ)、Ｅ；溶接電圧(Ｖ)、ｖ；溶接速度(cm／min)とすると、次のように表される。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
次に、肉盛溶接の１、２層目を本発明の飛びパス法を用い、入熱を１８００ J／cmとして 低入熱で溶接を行い、さらに２層目肉盛溶接部の上に各種入熱条件（１８００、４０３２、６０００、７９８０ J／cm）を用いて多層肉盛溶接（約２０ｍｍ）を行った。表２に溶接した試験片Ｎｏ.８〜１１、溶接条件及び母材進展割れ深さの測定結果を示す。３層目以降の肉盛溶接における入熱を増加させても、母材進展割れ深さの最大値は３.５mmと一定であり、増加していないことが分かる。これは、初層で形成した微細で且つ不規則な割れが２層目以降に次々と伝播することで、肉盛溶接における入熱を低く抑え続けなくとも、溶接残留応力の解放が可能であることを示している。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
図４に試験片を母材表面に対して垂直方向に切断した一断面における割れ状態を、図５に試験片を母材表面と平行に切断した一断面（多層肉盛の約２０ｍｍ厚さのほぼ半分にあたる面位置）における割れ状態を示す。
【００２２】
この高硬度金属の肉盛溶接により、溶接部に十分な耐摩耗性が確保できていることを確認するために、肉盛溶接部に対して摩耗試験を実施した。摩耗試験は、図６に示すように、試験片１９に対して錘２２により荷重をかけ、試験片１９とゴムライニングホイールとの間に珪砂を供給して相互に回転させ摩擦させて行った。供試材は表２に示す試験片Ｎｏ.８〜１１である。表３に摩耗試験の条件を、表４及び図７には摩耗試験結果を示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
耐摩耗性を母材（高クロム鋳鉄）の摩耗量を各試験片の摩耗量で除した数値（比）で示すと、母材の１に対して、試験片Ｎｏ.８〜１１は、１.６９、２.４５、２.７５となる。この試験結果から、高硬度金属の肉盛溶接部は母材１より耐摩耗性に優れ、肉盛溶接時の入熱量の増加に伴い耐摩耗性も増加していることが分かる。これは、入熱量の増加に伴い溶接金属中の炭化物の結晶成長が促進されるためである。しかし、耐摩耗性の増加、すなわち溶接金属中の炭化物の結晶成長には上限があり、むやみに肉盛溶接時の入熱を増加させてもある程度以上の耐摩耗製の増加は期待できない。逆に、肉盛溶接時の入熱を増加させすぎると、残留応力の解放が十分に行われず、結果として母材の破断につながる可能性がある。従って、本高硬度金属の肉盛溶接時の入熱は１０，０００Ｊ／ｃｍ程度が上限であると考える。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、割れ感受性の高い材料からなる母材表面に高硬度金属を肉盛溶接する肉盛溶接方法を、初層の形成時に、低入熱で母材３表面にまず溶接ビードを並行にかつ隣合う溶接ビードを離間させて形成し、次いで隣合う溶接ビード間を両溶接ビードと重なるように溶接ビードを形成するものとするので、肉盛溶接部に微細で不規則な割れを発生させ、溶接残留応力を溶接後直ちに開放し、溶接金属の剥離や母材内部へ深く割れが進展するのを防ぐことができるという効果がある。
【００２６】
また本発明によれば、別の肉盛溶接方法を、上記肉盛溶接方法と同じ要領で初層、第２層を形成し、第３層以降はより大きな入熱で溶接ビードを形成するものとしたので、上記のように割れの進展を防ぐと共に、高能率の肉盛溶接を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接肉盛方法による溶接ビードの形成順序と肉盛溶接部表面の割れ形状を示す図である。
【図２】本発明を実施する溶接装置の一例を示す図である。
【図３】本発明の方法及び従来方法によりそれぞれ形成した第２層溶接部表面での平均割れピッチと母材進展割れ深さを比較する図である。
【図４】本発明の溶接肉盛方法により形成した肉盛溶接部を母材表面に対して垂直に切断した断面での割れを示す図である。
【図５】本発明の溶接肉盛方法により形成した肉盛溶接部を母材表面と平行に切断した断面での割れを示す図である。
【図６】硬化肉盛溶接部の摩耗試験を行う実験装置を示す図である。
【図７】本発明の溶接肉盛方法により形成した肉盛溶接部の摩耗試験結果を示す図である。
【図８】従来のハーフラップ法による溶接ビードの形成順序と肉盛溶接部表面の割れ形状を示す図である。
【符号の説明】
１  溶接制御装置
２  溶接電源
３  母材
４  溶接トーチ
５  溶接ワイヤ
８  自走台車
１２〜１８  溶接ビード
２３  肉盛溶接部
２４  割れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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