JPH07284923A - 加振溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接によって発生する残留応力やひずみを低
減させる。 【構成】 被溶接部材１，１の溶接部２近傍には、加振
機５によって振動が加えられる。その加振機５は、送り
機構６により、溶接機３に連動して移動するようにされ
ている。このようにして振動を加えながら溶接すると、
溶融した状態にある溶接金属あるいは母材が、凝固する
前に、ひずみを低減させる方向に塑性変形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、船舶や橋梁、あるいは
クレーン、圧力容器などの金属構造物を製造する場合に
用いられる溶接方法及び装置に関するもので、特に、溶
接部分の残留応力や有害な変形の発生を防止するために
用いられる加振溶接方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接は、他の方法に比べて簡便で信頼性
の高い金属結合法であり、多くの金属構造物において広
く用いられている。ところで、溶接は、２個以上の金属
部材を、部分的に加熱溶融させて直接接合するか、ある
いは溶着金属を溶融させてその溶着金属とともに接合す
るというものである。そのために、溶接された部材に
は、溶融金属の凝固過程における収縮によって、非常に
高い残留応力や変形が生じることが多い。そして、その
ような残留応力や変形は強度的に有害である場合が多
い。特に、最近では、溶接構造物に対する軽量化及び低
コスト化の要請に伴って負荷応力に対する使用部材の強
度的余裕が低下してきており、溶接部周辺に発生する残
留応力やひずみは、疲労及び脆性、さらには応力腐食割
れ強度に悪影響を及ぼすために、大きな問題となってい
る。したがって、溶接構造物においては、溶接部に発生
した残留応力を、溶接後に取り除くことが必要となって
いる。そのような残留応力の除去方法としては、一般
に、火炎を用いるひずみとり焼きなましが行われてい
る。また、溶接終了後に振動を加えることによって残留
応力を取り除く提案もなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱処理
による残留応力の低減方法では、大がかりな設備が必要
となるばかりでなく、エネルギコストも嵩むという問題
がある。また、溶接後に振動を加えることによって残留
応力を低減させる方法については、現在のところ、その
可能性が指摘されているのみで、実用に供することがで
きるだけの効果は得られていない。さらに、いずれの方
法においても、溶接の終了後にその処理を行うために、
全体の作業時間が長くなるという問題もある。

【０００４】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、溶接しながら、その溶接
部に発生する残留応力を低減させることのできる溶接方
法を提供することである。また、本発明の他の目的は、
溶接しながら残留応力の発生を抑制することのできる比
較的小型の溶接装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、溶接時に被溶接部材を適当な振幅で振
動させるようにしている。すなわち、本発明による加振
溶接方法は、複数個の部材を溶接接合するに当たり、そ
れらの被溶接部材に振動応力を加えながら溶接すること
を特徴としている。その場合、その振動は、金属が溶融
した状態にある部分及びその近傍で凝固しつつある部分
に加えることが望ましい。また、本発明による加振溶接
装置は、互いに近接して配置された複数個の被溶接部材
の溶接部に沿って相対移動してそれらの被溶接部材を溶
接接合する溶接機と、前記被溶接部材をその溶接部の近
傍において振動させる加振機と、その加振機を前記溶接
機に連動して移動させる送り機構と、を備えていること
を特徴としている。

【０００６】

【作用】凝固直後の高温状態にある金属は、一般に降伏
点が極めて低い。すなわち、わずかな外力を負荷するの
みで塑性変形を開始する。そして、その塑性変形は、有
害なひずみを緩和させる方向となる。したがって、上述
のように振動荷重を加えながら溶接すると、その溶接部
に引張りあるいは圧縮の応力が交互に負荷されることに
なり、それによって、大きな残留応力や変形を発生させ
る原因となる溶接材料溶融部や母材溶融部近傍に、残留
応力や変形を緩和させる方向の塑性変形が生じる。その
結果、有害な残留応力やひずみが除去される。そして、
上記本発明による加振溶接装置のように、被溶接部材を
部分的に振動させる加振機を用い、その加振機を溶接機
に連動して移動させるようにすることにより、比較的小
型の装置によっても大形の溶接構造物を製造することが
可能となる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図中、図１は本発明による加振溶接方法を実施する
加振溶接装置の原理的な一例を示す構成図である。この
図から明らかなように、この加振溶接装置は、互いに突
き合わされた一対の平板状の被溶接部材１，１をその突
き合わせ溶接部２において溶接接合するものとされてい
る。それらの被溶接部材１，１は、溶接部２から離れた
位置で図示されていない支持装置により固定支持されて
いる。すなわち、その溶接部２の近傍は片持ち支持状と
されている。したがって、その溶接部２は、振動荷重に
よって容易に振動するようになっている。また、溶接部
２はＸ軸方向に直線状に延びるものとされている。

【０００８】加振溶接装置は、Ｘ軸方向に移動しながら
溶接する通常の自動アーク溶接機３と、加振棒４，４を
介して被溶接部材１，１の溶接部２近傍をＹ軸方向に振
動させる加振機５とを備えている。その加振機５は、Ｘ
軸送り機構６により、加振棒４，４とともに、溶接機３
の移動速度に合わせてＸ軸方向に移動するようにされて
いる。また、被溶接部材１上には振幅検出器７が設置さ
れており、その検出器７によって、溶接部２の近傍にお
ける被溶接部材１の振動振幅が検出されるようになって
いる。検出された振幅はコンピュータ８に入力され、そ
のコンピュータ８において、被溶接部材１の材料の弾性
限界内に収まる範囲内で振幅が最大となるような振動周
期が算出される。そして、その算出周期に応じた信号が
信号発生装置９から増幅器１０に送られ、それによって
加振機５が制御される。こうして、被溶接部材１の溶接
部２近傍が、コンピュータ８によってコントロールされ
た適切な周期及び振幅でＹ軸方向に振動するようにされ
ている。

【０００９】次に、このように構成された加振溶接装置
によって被溶接部材１，１を溶接接合する手順を、その
作用とともに説明する。被溶接部材１，１を突き合わせ
溶接するときには、その溶接部２を互いに突き合わせる
とともに、その溶接部２がＸ軸方向となるようにして、
各被溶接部材１，１を溶接部２から離れた位置で支持装
置により固定する。そして、その突き合わせ溶接部２に
対向する位置に溶接機３を位置させるとともに、その背
面側に加振機５を配置し、加振棒４を被溶接部材１，１
の背面に押し当てる。その場合、加振棒４が後退すると
きにもそれに伴って被溶接部材１が振動するように、加
振棒４は被溶接部材１に十分強く押し当てる。さらに、
一方の被溶接部材１の溶接部２近傍上に振幅検出器７を
設置する。

【００１０】この状態で、まず、適宜の振幅及び周期で
加振機５を作動させる。加振機５が作動すると、それに
よって発生された振動が加振棒４，４を介して被溶接部
材１，１に伝えられる。したがって、被溶接部材１，１
が溶接部２の近傍においてＹ軸方向に振動する。そし
て、その振動の振幅が振幅検出器７によって検出され、
コンピュータ８により、その振幅から最適な振動周期が
算出されて、被溶接部材１の振動をその最適周期とする
制御信号が信号発生装置９から出力される。こうして、
加振機５が制御され、被溶接部材１，１が最適の振幅及
び周期で振動するようになる。次いで、溶接機３を作動
させる。溶接機３が作動すると、その溶接機３はＸ軸方
向に移動しながら被溶接部材１の溶接部２との間にアー
クを発生させ、被溶接部材１の母材を部分的に溶融させ
るとともに、溶接材料を溶融して溶着させる。そして、
その溶融金属が凝固することにより、一対の被溶接部材
１，１が溶接接合される。そのとき、溶接部２が加振機
５によって加振されているので、溶融金属は塑性変形し
ながら凝固する。

【００１１】ここで、そのときの残留応力について説明
する。いま、加振しなかった場合の溶接材料溶融部や母
材溶融部の近傍には、図２に示されているように、高温
時にＯＢ間の初期熱ひずみとＢＣ間の応力とが発生する
ものとする。この部分が常温に低下したときには、同図
に示されている大きさの残留ひずみと残留広力σ_Ｒ′と
が生ずることになる。ところが、被溶接部材１に図３に
示されているような正弦波状の荷重がＹ軸方向に負荷さ
れていると、そのときには、溶接材料溶融部や母材溶融
部の近傍の高温部に生ずるひずみ及び応力は、図２に矢
印で示されているように変化する。すなわち、振動荷重
に対応して、溶融部近傍のひずみは同図のＡ_１からＡ_２
の間を往復する。そして、その部分の材料の温度は時間
経過に伴って低下するので、材料の降伏点が上昇するこ
とを考慮して応力ひずみ線図を描くと、同図の点Ｂから
矢印の方向に進行し、加振停止時には、点Ｐに到る。こ
のように、加振によって応力は低下するが、初期熱ひず
みに対応する加振終了時の熱ひずみを考慮すると、残留
応力はσ_Ｒとなる。この説明から明らかなように、振動
を加えることによって、残留応力はσ_Ｒ′からσ_Ｒに低
下する。

【００１２】このようにして、被溶接部材１の溶接部２
に振動を加えると、溶融金属が凝固するとき、その溶融
金属は応力及びひずみを低減させる方向に塑性変形す
る。したがって、この加振溶接方法を用いて溶接された
溶接構造物は残留応力が極めて小さく、溶接後に残留応
力の除去処理を行う必要がなくなる。そして、加振機５
が溶接機３に連動して移動されるので、被溶接部材１，
１が大形のものであっても、金属が溶融した状態にある
部分及びその近傍で凝固しつつある部分に必ず振動が加
えられることになる。したがって、加振機５は比較的小
型のものでよく、実用的な加振溶接装置とすることがで
きる。

【００１３】このような加振溶接方法による効果を確認
するために、次のような実験を行った。その実験には、
試験片として幅１００ｍｍの一般圧延鋼材からなる２枚
の平板を用いた。そして、それらの試験片を、中央部に
おいて突き合わせ、その突き合わせ部から１８０ｍｍ離
れた左右の端部を支持装置により固定した。さらに、そ
の突き合わせ部から左右に５０ｍｍ離れた位置に加振棒
としてのターンバックルを接続し、小型加振機から振動
が伝えられるようにした。その振動数は６２，５Ｈｚと
した。この状態で、試験片の突き合わせ部を溶接した。
開先形状はＶ型である。溶接は直流アーク溶接機を用い
て手動で行った。被覆アーク溶接棒は直径４ｍｍのもの
を用いた。そして、溶接後、Ｘ線応力測定装置により試
験片の残留応力を測定した。また、比較のために、加振
せずに溶接して同様の測定を行った。その結果、少なく
ともビード部においては、振動荷重を加えた方が残留応
力が減少することが確かめられた。

【００１４】なお、上記実施例においては、直線状に延
びる溶接部２をアーク溶接機３により突き合わせ溶接す
る場合について説明したが、本発明はそれに限られるも
のではなく、被溶接部材１，１の母材を加熱溶融させて
圧接接合する溶接法や、溶接部２が屈曲あるいは湾曲し
ている被溶接部材１，１の溶接、あるいは隅肉溶接など
にも適用することができる。また、複数台の溶接機を用
いて３個以上の部材を同時に溶接する場合にも採用する
ことができる。被溶接部材１が小形のものである場合に
は、加振機５は固定しておいてもよい。また、被溶接部
材１が大形のもので、溶接部２が屈曲あるいは湾曲して
いる場合には、加振機５を移動させる送り機構として、
２次元送り機構を用いればよい。

【００１５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、溶接時に被溶接部材を振動させ、高温状態に
ある溶融金属を塑性変形させるようにしているので、溶
接によって発生する残留応力を低減させることができ
る。したがって、従来行われていた溶接後のひずみ除去
処理を省略することができ、熱処理設備や作業工数を減
らすことができる。また、溶接材料あるいは母材が溶融
した状態にある部分及びその近傍で凝固しつつある部分
に振動を加えるのみでよいので、加振機は小型のもので
よく、装置全体をコンパクトにまとめることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による加振溶接方法の実施状態を示す概
略構成図である。

【図２】その方法による残留応力低減の原理を説明する
ための説明図である。

【図３】被溶接部材に加えられる振動荷重の一例を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ 被溶接部材 ２ 溶接部 ３ 溶接機 ４ 加振棒 ５ 加振機 ６ 送り機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の部材を溶接接合するに当たり、
   それらの被溶接部材を振動させながら溶接することを特
   徴とする、加振溶接方法。
2. 【請求項２】 前記振動を、金属が溶融した状態にある
   部分及びその近傍で凝固しつつある部分に加えることを
   特徴とする、請求項１記載の加振溶接方法。
3. 【請求項３】 互いに接近して配置された複数個の被溶
   接部材の溶接部に沿って相対移動してそれらの被溶接部
   材を溶接接合する溶接機と、前記被溶接部材をその溶接
   部の近傍において振動させる加振機と、その加振機を前
   記溶接機に連動して移動させる送り機構と、を備えてい
   ることを特徴とする加振溶接装置。