(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接の入熱により昇温した表面領域を冷却する第１の手順と、冷却を停止する第２の手順とを有し、前記第１の手順は、昇温した表面領域に対しノズルから低温の冷却材を噴出させ、冷却材が当たっている領域を冷却する手順であり、第２の手順は冷却される表面領域に対し冷却材を当てさせるのを停止する手順であり、前記第１の手順では前記冷却材をノズルから霧状に噴出させて表面領域に当てさせる溶接方法において、
溶接パスの周囲を断熱材で覆い、前記第１の手順は、溶接パスの周囲を断熱材で覆ったのちに冷却材を吹き付けることを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法において、溶接電極の位置と霧状の冷却材を当てる領域の位置との間にシールドガスをカーテン状に噴射することを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、冷却材は水であり、その平均流量が毎分
４０ｍｌ以上８００ｍｌ以下であることを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、溶接する鋼材が炭素鋼または低合金鋼のとき、昇温した表面領域の温度が６００℃以上で冷却を開始することを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、溶接する鋼材がステンレス鋼のとき、昇温した表面領域の温度が８００℃以上で冷却を開始することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の表面に存在する表面引張残留応力を低減する溶接方法に係り、特に、溶接部表面の引張り残留応力の低減に好適な溶接方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、原子炉圧力容器内構造物に用いるオーステナイトステンレス鋼等の金属材料は、原子炉の高温水中に置かれた場合、その溶接部またはその近傍において応力腐食割れが発生することが知られている。応力腐食割れは、材料の鋭敏化、引張残留応力、腐食環境の三因子が重畳した条件下で発生する。材料の鋭敏化は、溶接熱などによって結晶粒界にCr炭化物が析出する結果、粒界の極近傍にCr欠乏層が形成されてこの粒界近傍Cr欠乏部が腐食に対し鋭敏になることによって起きる。引張応力は、外力による応力と溶接・加工によって材料表面に発生する引張残留応力とが重畳することによって発生する。腐食環境は、溶存酸素を含む高温水によって生じる。応力腐食割れはこれらの３因子の中から１つの因子を取り除くことにより防止できる。この応力腐食割れを防止するために、引張応力の発生の原因となる材料表面の残留応力を改善する公知技術例として、例えば以下のものがある。
【０００３】
特開昭５３−２１０２１号公報：この公知技術は、オーステナイト系ステンレス鋼管の外周にコイルを設けて加熱した後、管内面に冷却水を噴出して急冷することにより、管内表面の引張残留応力を圧縮残留応力に転化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記公知技術は、配管が適用対象であって対象物の外周に加熱コイルを巻きつける構成であるので大型構造物や板材には適用することが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、熱衝撃ひずみを利用することにより、簡易な構成で溶接部の引張残留応力を低減できる溶接方法または装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、溶接の入熱により昇温した表面領域を冷却する第１の手順と、冷却を停止する第２の手順とを有し、前記第１の手順は、昇温した表面領域に対しノズルから低温の冷却材を噴出させ、冷却材が当たっている領域を冷却する手順であり、第２の手順は冷却される表面領域に対し冷却材を当てさせるのを停止する手順であり、前記第１の手順では前記冷却材をノズルから霧状に噴出させて表面領域に当てさせる溶接方法において、溶接パスの周囲を断熱材で覆い、前記第１の手順は、溶接パスの周囲を断熱材で覆ったのちに冷却材を吹き付けることにある。
【０００７】
そしてこの特徴において、溶接パスの周囲を断熱材で覆い、前記第１の手順は、溶接パスの周囲を断熱材で覆ったのちに冷却材を吹き付けてもよく、溶接電極の位置と霧状の冷却材を当てる領域の位置との間にシールドガスをカーテン状に噴射してもよい。さらに、溶接電極の位置と霧状の冷却材を当てる領域の位置との間に遮蔽物を設ける；冷却材は水であり、その平均流量が毎分４０ｍｌ以上８００ｍｌ以下である；溶接する鋼材が炭素鋼または低合金鋼のとき、昇温した表面領域の温度が６００℃以上で冷却を開始する；溶接する鋼材がステンレス鋼のとき、昇温した表面領域の温度が８００℃以上で冷却を開始するようにしてもよい。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、溶接電極と、冷却材を噴出するノズルと、冷却材を供給する手段と、冷却材を冷却する手段と、冷却材を加圧する手段と、溶接電極から冷却材を噴出する方向へガスの流れをつくるノズルと、溶接電極の位置と冷却材を当てる領域の位置との間に位置する遮蔽物とを備えたことにある。
【０００９】
一般に、原子炉圧力容器構造物には、機械加工や溶接等により降伏応力に近い引張り残留応力が始めから存在していることが多い。本発明においては、引張り応力状態の溶接部表面の領域に対し、第１の手順で表面領域の冷却を行うことにより、この領域において水流が当っている表面層のみが低温となり表面層直下とのあいだに過渡的な温度差ΔTが発生する。よって、この表面層に引張りの熱衝撃応力が加わって引張りひずみが生じるとともに表面層が部分的に降伏する。そして、第２の手順で冷却が停止されて昇温されることにより、この温度差ΔTがなくなり熱衝撃応力が消失するので、溶接部表面は部分的降伏状態から弾性的に変形が戻り引張り応力が緩和された状態もしくは圧縮残留応力状態に改善される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１から図１０により説明する。
【００１１】
まず、本発明の原理を示すための実施例を図２により説明する。図２は、開先加工を施した鋼材２１を突合せ溶接した場合である。複数パスの溶接を実施し、最終パス２３を積層するための電極が通過した直後の断面を示している。溶接の対象を仮にオーステナイトステンレス鋼とすると、30kJ/cm程度の入熱では、最終パスは800℃以上に昇温している。溶接電極が断面を通過してから50秒の時間間隔をおくと断面は約300℃でほぼ一様な温度分布となる。溶接電極が通過した後に50秒の時間間隔をおいて、断面がほぼ一様な温度分布となった状態で、ノズル１１から水流を噴出させて表面に当てさせる。ここで、ノズル１１から噴出させる水は冷却手段３２により冷却され、さらに高圧ポンプ３１により加圧されている。30秒経過した段階でノズルからの水を停止する。図３は、この過程での板厚さ方向の過渡的な温度分布を示したものである。水流が当る直前までは、直線ａで示されるように板厚さ方向に温度分布はない。表面に水流があたると表面は冷却され温度が降下し、板厚さ方向の温度分布は曲線ｂで示される分布になる。水流が当るのを停止することにより、板厚さ方向の温度分布は曲線ｃを経てｄになる。
【００１２】
次に、本実施例の残留応力改善作用を図４を用いて説明する。図４は、材料の応力σ−ひずみε曲線である。縦軸の応力は上方が引張応力、下方が圧縮応力を表し、横軸のひずみは右方向が引張ひずみ、左方向が圧縮ひずみを表す。一般に、溶接では金属体の表面に降伏応力程度の引張り残留応力が存在していることが多い。この初期状態は図４の応力−ひずみ曲線上では点▲１▼で表される。そして、溶接領域の表面は、溶接終了直後は高温であるが、ノズルからの水流を当てる一定の領域は、上記のように水流で急冷されることにより表面層直下との間に過渡的な温度差ΔTを発生する。そしてこの表面層に熱衝撃による引張応力と引張ひずみが発生する。このときの引張ひずみΔεおよび引張応力Δσはそれぞれ、
【００１３】
【数１】
Δε＝｛α×ΔT／（１−ν）｝×Ｆ
Δσ＝Ｅ×Δε
α：線膨張係数
ν：ポアソン比
Ｆ：ひずみ拘束度係数
Ｅ：縦弾性係数
で表される。ここでオーステナイトステンレス鋼の溶接の場合、線膨張係数α＝17×10￣6、ポアソン比ν＝0.3、ひずみ拘束度係数Ｆ＝１、Ｅ＝2×105ＭＰａとし、またΔTを200℃とすると、発生する引張ひずみΔε＝4.9×10￣3となり、また引張応力Δσ＝980 MPaとなる。このとき金属体に加工等による初期残留応力が存在しなければ、金属体に約980 MPaの熱衝撃応力がそのまま発生することになるが、前述のようにすでに降伏応力に近い引張応力が残留している場合は、Δεのひずみが加わる一方で表面層は部分的に降伏するので応力はそれほど高くはならず、すなわち図４において点▲１▼から点▲４▼へと移動する。その後、急冷された領域が水流を当てるのを停止することにより、周囲の高温領域からの熱伝導により昇温され、過渡的に生じた温度差ΔTは消失する。よって先に発生した熱衝撃応力が消失し、表面層の衝突領域は部分的降伏状態から弾性拘束により弾性的に変形が戻り、図４において▲４▼から▲５▼へと移動する。すなわち、本実施例の残留応力改善方法においては、以上の原理により、はじめ▲１▼の引張残留応力状態であったものを、▲５▼の圧縮残留応力に改善することができる。なお、噴霧する水滴の温度があまり低温でない場合、または表面層と表面層直下との過渡的温度差ΔTが比較的低い場合であっても、その値に応じて図４における点▲１▼から点▲２▼、点▲２▼から点▲３▼のように変化させることができ、初期の引張残留応力である点▲１▼の状態からより引張応力の小さい▲３▼の状態へと改善することができる。
【００１４】
溶接電極が断面を通過してから時間間隔をおかないで、ノズルから水流を噴出させて表面に当てさせる場合の板厚さ方向の応力分布の過渡的な変化を図５に示す。この場合も、表面領域と表面層直下の領域に温度差ΔTを発生することができ、したがって初期の引張残留応力が大きい状態から引張応力の小さい状態へと改善することができる。
【００１５】
次に、上記原理に基づく本発明の実施例を図６と図１とを用いて説明する。本実施例は、自動TIG溶接機による溶接を実施する際に上記原理に基づき残留応力の改善を行うものである。本実施例では、溶接装置を誘導するため誘導レール４３上にレールガイド４４、駆動用モータ４１を介して移動モジュールが設置されている。駆動用モータ４１は電極移動制御手段３６により移動速度が制御される。電極移動制御手段３６の一例としては、駆動用モータの回転数を専用の処理ユニットを搭載したパーソナルコンピュータを挙げられる。移動モジュールからは、溶接電極１と冷却水噴出用ノズル１１とがそれぞれ支持材４５を介して設置されている。
【００１６】
溶接電極部には図１に詳細を示すように、タングステン電極１、不活性ガスノズル３、溶接ワイヤ供給機構６が設置されている。タングステン電極１には溶接電源７から溶接条件に対応した電流と電圧が供給される。不活性ガスノズル３からはガスボンベなどの不活性ガス供給手段３４から、例えばアルゴンなどの不活性ガスが噴出される。溶接ワイヤ供給機構６からは、ワイヤ供給制御手段により溶接条件に対応した送り速度で溶接ワイヤ２が供給される。以上の機構により溶接パスを置く過程が実施される。
【００１７】
冷却水噴出用ノズル１１が移動モジュールから支持材４５を介して設置されている。冷却水噴出用ノズル１１は、移動モジュールの進行方向に対して電極１より後方に設置されている。冷却水噴出ノズル１１には、導管を介して冷却水供給手段３０により冷却水が供給され溶接パスまたはその周辺の溶接入熱により昇温した領域に当てられる。このようにして溶接入熱後の高温領域に水流の噴出を当てながら移動モジュールが駆動用レール４３を走行する。
【００１８】
本実施例によれば、溶接入熱により昇温した表面領域に対して、後続する冷却水噴出用ノズル１１からの水流が当てられるので、水流が当る領域は急冷される。急冷により熱衝撃応力が加わって引張ひずみが生じるとともに表面層が部分的に降伏する。その後、ノズル１１が移動されてその部分的に降伏した領域に水流が当らなくなり、周囲と同じ温度差になるために熱衝撃応力は消失するので、変形は弾性的になくなり、引張応力が緩和された状態もしくは圧縮応力が発生した状態の残留応力分布とすることができる。
【００１９】
上記実施例においては冷却水噴出用ノズル１１から噴出される水の温度を20℃としたが、水の温度は低温であるほど表面領域の急冷を図ることができるため、引張残留応力低減の十分な効果を期待できるので、水の温度としては0〜10℃程度が望ましい。水の冷却手段としては、供給容器のなかに氷を入れておき、氷の溶融潜熱により0℃まで冷却する方法が容易な手段として挙げられる。
【００２０】
上記実施例において、冷却水噴出用ノズル１１から噴出される水は昇温した表面領域で沸騰し蒸発する。初期温度から沸点までの温度上昇のための熱量と、蒸発潜熱と、により表面領域を急冷する。そのため、ノズルから噴出される水流の流量は蒸発してしまう量よりも十分多い方が応力低減効果を期待できる。また、流量が十分多い場合、水が表面領域で膜沸騰状態となり表面領域を十分に冷却できない状態の発生を回避することができる。
【００２１】
上記の表面冷却を十分に行うための流量を確保するために、ノズルから噴出する水量を毎分40ml以上800ml以下となるように加圧手段３１により加圧してノズル１１から噴出することが望ましい。
【００２２】
また、十分な急冷能力を維持し、かつ周囲に散逸する冷却水の量を最小にするために、毎分40ml以上80ml以下となるように加圧手段３１により加圧してノズル１１から噴出することが望ましい。
【００２３】
溶接入熱の後、ノズル１１から噴出する水流を当てることによる急冷を開始するときのタイミングとして、被溶接材がステンレス鋼の場合は、表面領域が800℃以上で急冷を開始すると鋭敏化を軽減することが可能となる。被溶接材が低合金鋼または炭素鋼の場合は、表面領域が600℃以降で急冷を開始すると表面領域を硬化させることが可能となる。
【００２４】
上記実施例では、ノズル１１から水流を噴出して冷却したが、図７に示す形態のノズル１７を用いて霧状にして噴出し、溶接入熱により昇温した表面領域に当ててもよい。霧状にして噴出して表面領域に当てることにより、水流を用いた場合と比較して周囲に飛散する水量を少なくして急冷を行うことが可能となる。
【００２５】
上記実施例の変形実施例を図８に示す。本実施例では霧状にして噴出するノズルを一列に並べてカーテン状の形態として、昇温した表面領域に当て冷却する。冷却水が当る領域が進行方向に沿って長くなり、したがって移動モジュールの速度が一定でも、急冷すべき断面に長時間冷却水を当てることが可能となる。
【００２６】
なお、上記の変形実施例では霧状にして噴出するノズル１７を一列に並べて移動モジュールとともに移動しながら、ノズル１７から噴出される霧状にして噴出することにより急冷したが、溶接パスの長さが短い場合には最初に溶接を行い、移動モジュールを停止した後に昇温した表面領域に対して霧状にした水流を当て、その後霧状の水流を停止することにより引張残留応力を低減する効果を期待することができる。
【００２７】
上記の実施例とその変形実施例では、急冷に用いる水が溶接電極または電極直下の溶融池に飛散し、それを巻き込む場合が発生する。これの防止を考慮した実施例を図９と図１０とにより説明する。溶接電極１と冷却水を噴出するノズル１７との間に遮蔽物１９を設置し、またシールドガスを溶接電極とノズルとを結ぶ直線に対して直交する方向に一列に並べてカーテン状の流れを形成させ、飛散してくる冷却水流および水滴を電極から遠ざけることができる。遮蔽物の設置と、シールドガスのカーテン状の流れと、の両方を用いるのが最も望ましいが、それぞれ単体で用いても効果は期待できる。遮蔽物の一例として厚さ0.1mmのステンレス薄板を用いるのが容易な方法である。カーテン状の流れを形成するためには加圧した空気を用いるのが容易な方法である。
【００２８】
上記の実施例では、溶接入熱により昇温した表面領域に対して水流または霧状の水流を当てることにより表面に熱衝撃応力を発生させて引張残留応力の低減を図った。冷却する領域を限定することにより熱衝撃応力を効率的に発生させる効果が期待できる。冷却する領域を限定するに、溶接パスの周囲を断熱材で覆った後に溶接入熱を実施し、その後急冷することにより所定の効果を実現することができる。
【００２９】
また、第1の手順で、この引張応力残留状態の溶接部表面の領域に対し冷却を行うので、表面層に引張の熱衝撃応力が加わって引張りひずみが生じるとともに表面層が部分的に降伏する。そして、第2の手順で冷却が終了し周囲からの熱伝導により昇温されるので、熱衝撃応力が消失して、急冷した領域の表面層は部分的降伏状態から弾性的に変形が戻り、引張応力が緩和された状態若しくは圧縮残留応力状態に改善される。
【００３０】
第１の手順で昇温した表面領域に対しノズルから低温の冷却材を噴出させ冷却材が当っている領域を冷却することにより所定の温度までの急冷が可能となる。第2の手順で表面領域に対し冷却材を当てさせること停止することにより、所定の温度に達した段階で急冷を停止することを実現できる。
【００３１】
第２の手順で低温水を噴出しつつノズルを移動し、溶接部表面の別の昇温した表面領域に当てさせることにより、ノズルからの低温水の噴出を停止することなく、表面領域に対する低温水を当てさせることを停止する第２の手順を実現できる。また、作業を連続して実施することが可能となるため、短時間での作業を実現できる。
【００３２】
第２の手順でノズルからの低温水の噴出を停止することにより、ノズルを移動することなく、表面領域に対する低温水を当てさせることを停止する手順を容易に実現できる。
【００３３】
第１の手順で複数のノズルを一列に並べてカーテン状の水滴の列をつくり、前記水滴の列を溶接電極が通過したパスに沿って当てさせ、かつ第２の手順は前記水滴の列が当っている領域を移動することにより溶接部表面の別の昇温した表面領域に当てさせることにより、溶接部表面の冷却を一定時間維持することを実現できる。
【００３４】
前述の低温水を霧状に噴出させるノズルにより霧状にして当てさせることにより溶接作業の際に周囲への低温水の飛散を抑え、作業性の向上を実現することができる。
【００３５】
前述のノズルから噴出する低温水を、加圧手段により加圧することにより、低温水を溶接部表面の昇温した表面領域でノズルから噴出した低温水が膜沸騰を起こし冷却の効率低下を防止することが実現できる。
【００３６】
前述のノズルから噴出する低温水を冷却手段により冷却しておくことにより、溶接部表面の昇温した表面領域で気化潜熱のほかに低温から沸点までの温度上昇に必要な熱を吸収することができ、局所的な急冷を実現することができる。
【００３７】
溶接パスの周囲を断熱材で覆い、ノズルから噴出した低温水を当てる領域を限定することにより、溶接部表面の昇温した表面領域で局所的な急冷を実現することができる。
【００３８】
溶接電極の位置と霧状の冷却材を当てる領域の位置との間にシールドガスをカーテン状に噴射することにより、冷却材が電極に巻き込まれることの防止を実現することができる。水素割れ等の溶接の品質低下を防止することが実現できる。
【００３９】
溶接電極の位置と霧状の冷却材を当てる領域の位置との間に遮蔽物を設けることにより、冷却材が溶接電極に巻き込まれる頻度を小さくするのを実現することができる。請求項１０の発明と併せて用いることにより溶接部の品質低下を防止できる。
【００４０】
冷却材として水を用いることにより冷却材を安価に準備することが可能となる。
【００４１】
冷却材は水であることと、平均流量が毎分４０ｍｌ以上８００ｍｌ以下であるように加圧されていること、により十分な冷却効果を発揮することが可能となる。
【００４２】
被溶接材が炭素鋼または低合金鋼のとき、昇温した表面領域の温度が６００℃以上の段階で冷却を開始することにより、焼入れの効果を発生させることが可能となる。
【００４３】
被溶接材がステンレス鋼のとき、昇温した表面領域の温度が８００℃以上の段階で冷却を開始することにより表面領域の鋭敏化を低減することが可能となる。
【００４４】
装置の発明としては、溶接電極と、溶接電極の駆動機構と、低温水を噴射するノズルと、低温水の冷却手段と、低温水を加圧する手段と、低温水の周囲にシールドガスをカーテン状に噴霧する手段と、溶接パスが通過する位置を挟む領域を断熱材で覆う手段とにより熱衝撃応力を発生させる作用が得られる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の手順で、この引張応力残留状態の溶接部表面の領域に対し冷却を行うので、表面層に引張の熱衝撃応力が加わって引張りひずみが生じるとともに表面層が部分的に降伏する。そして、第２の手順で冷却が終了し周囲からの熱伝導により昇温されるので、熱衝撃応力が消失して、急冷した領域の表面層は部分的降伏状態から弾性的に変形が戻り、引張応力が緩和された状態若しくは圧縮残留応力状態に改善される。したがって本発明によれば、熱衝撃ひずみを利用することにより、簡易な構成で溶接部の引張残留応力を低減した溶接方法または装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す実施例の構成図である。
【図２】本発明の原理を示す実施例による冷却方法の原理を示す断面図である。
【図３】本発明の原理を示す実施例による冷却方法で板厚さ方向に均一な温度分布の断面が冷却されたときの過渡的な温度分布を示す断面図である。
【図４】図２に示した鋼材の応力−ひずみ曲線図である。
【図５】本発明の原理を示す実施例による冷却方法で板厚さ方向に温度分布が発生している段階で冷却されたときの過渡的の温度分布を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例による溶接方法の構成図である。
【図７】本発明の実施例による冷却水を霧状に噴射するノズルを示す図である。
【図８】本発明の実施例による霧状に噴射する複数のノズルによる冷却方法を説明する図である。
【図９】本発明の実施例による冷却水を溶接電極に巻き込まないための遮蔽方法を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例による冷却水を溶接電極に巻き込まないためのシールドガスのノズルと遮蔽板を示す図である。
【符号の説明】
１…溶接電極、２…溶接ワイヤ、３…不活性ガスノズル、４…不活性ガス導管、５…導線、６…溶接ワイヤ供給装置、７…溶接電源、１１…ノズル、１２…冷却材導管、１３…霧噴射用ノズルキャップ、１４…ノズル孔、１５…内側ノズル孔、１６…ゴムパッキン、１７…霧噴射用ノズル、１８…加圧空気用ノズル、１９…遮蔽板、２１…鋼材、２２…溶接金属、２３…最終パス、３０…冷却水供給手段、３１…冷却水加圧装置、３２…水冷却手段、３３…水供給手段、３４…不活性ガス供給手段、３５…ワイヤ供給制御手段、３６…電極移動制御手段、３７…温度測定装置、３８…温度センサ、３９…加圧空気供給手段、４１…駆動装置、４２…ガイド、４３…レール、４４…両端ガイド、４５…支持材。
【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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【図９】
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【図１０】
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