JPH10296461A

JPH10296461A - 超音波加振溶接方法

Info

Publication number: JPH10296461A
Application number: JP14287897A
Authority: JP
Inventors: Koreyuki Nishimura; 惟之西村; Shigeru Aoki; 繁青木; Tetsumaro Hiroi; 徹麿広井; Seiji Hirai; 聖児平井
Original assignee: KUMAKURA KK
Current assignee: KUMAKURA KK
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1998-11-10

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、超音波
振動子６によって超音波振動が加えられる。このとき、
振動子６は溶接機３の近くで溶融あるいは凝固直後の高
温状態にある溶接金属に超音波振動を伝達できる位置に
置かれている。このようにして超音波振動を加えながら
溶接すると、凝固直後の高温状態にある溶接金属及び母
材が、残留応力及び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、圧力容器などの溶接構造物を製造する場合に
用いられる溶接方法に関するもので、特に、溶接部分の
残留応力や有害な変形を防止するために用いられる溶接
方法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個以上の部材
を直接または溶加材と共に溶接させて接合する金属結合
法である。そのため、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と変形を生じる場合が多
い。そして、こ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法と
しては、一般に火炎を用いるひずみとり焼なましがよく
用いられる。また、溶接中あるいは溶接終了後に低周波
数の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、エネルギーコストも嵩むという問
題がある。さらに、溶接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。ま
た、溶接中あるいは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、剛性の高い部材
や構造物には、現在のところ、その可能性が指摘されて
いるのみで、実用に共することのできるだけの効果は得
られていない。

【０００４】本発明は、このような実情に鑑みなされた
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。

【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周波数で
超音波振動させるようにしている。すなわち、本発明に
よる超音波加振溶接方法は、複数個の部材を溶接接合す
るに当たり、それら被溶接部材に超音波振動を加えなが
ら溶接することを特徴としている。その場合、その超音
波振動は、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。

【０００６】

【作用】凝固直後の高温にある材料は、一般に極めて低
い応力を付加しただけで塑性変形を開始する。また、超
音波振動は、金属結晶中の転位に作用して変形抵抗を減
少させることが知られている。したがって、わずかな外
力の負荷及び溶接時の熱応力によって塑性変形が生じ、
有害なひずみを除去できると考えることができる。超音
波振動を加えながら溶接すると、凝固後の金属の降伏応
力が低下することにより熱応力で塑性変形が進行する。
さらに、超音波振動により微少ではあるが引張りあるい
は圧縮の応力が交互に負荷される。これらの相乗効果に
より、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、有害な残留応力やひず
みを除去できる。

【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は本発明による超音波加振溶接方法を実
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、超音波加振溶接方法
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。超音波振動子６で発生された超音
波は、出力ホーン５及び接触子４を介して、アーク溶接
機３近傍の適当な位置で、被溶接部材１，１に伝達され
るようになっている。また、溶接部２は、直線状に延び
るものとされている。

【００８】被溶接材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の材料の弾性定
数及び形状に応じて伝達効率が最大になるような振動周
期が算出される。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、それによって超音波振
動子６が制御される。こうして、被溶接部材１の溶接部
２近傍に、コンピュータ８によってコントロールされた
適切な周期の超音波が伝送されるようになっている。

【００９】次に、このように構成された超音波加振溶接
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、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
に対向する位置に溶接機３を位置させるとともに、その
同じ側に超音波振動子６を配置し、接触子４を被溶接部
材１，１の被溶接面に押し当てる。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
振動子６を作動させる。振動子６が作動すると、それに
よって発生された超音波振動が接触子４を介して被溶接
部材１に伝えられる。したがって、被溶接部材１が溶接
部２の近傍において超音波振動する。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周波数が算出されて、被
溶接部材１の振動をその最適周波数とする制御信号が信
号発生器９から出力される。こうして、振動子６が制御
され、被溶接部材１が最適の振幅及び周波数で振動する
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は被溶接部材１，１の溶接
部２に沿って移動しながら溶接部２との間にアークを発
生させ、被溶接部材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、接触子４により溶接部２に
超音波振動が伝達されるので、凝固後の溶接金属に塑性
変形が生じる。

【００１１】ここで、そのときの残留応力について説明
する。いま、超音波振動を加えなかった場合の溶着金属
溶融部や母材溶融部近傍の金属に生ずる応力とひずみの
間には、図２に示すように、高温時にＯＢ間の初期熱ひ
ずみとＢＣ間の熱応力が発生するものとする。この部分
の温度がが常温に低下したときには、ＯＢ間の熱ひずみ
が減少して、同図に示されている大きさの残留ひずみと
残留応力σ_Ｒ’とが生ずることになる。ところが、被溶
接部材１に超音波振動を加えると、降伏応力σ_ｙが低下
することによって塑性変形が生じ、弾性ひずみの大きさ
ががＢＤに減少するこのように、超音波振動を加えることによって熱応力は
低下するが、高温時の熱ひずみに対応する加振終了時の
残留ひずみがＯＤ間になることを考慮すると、残留応力
σ_Ｒが発生することになる。

【００１２】このようにして、被溶接部材１の溶接部２
近傍に超音波振動を加えると、溶融金属が凝固し常温に
戻る過程で溶接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、この超音波加振溶接方法
を用いて溶接された溶接構造物は残留応力がきわめて小
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。

【００１３】このような超音波加振溶接方法による効果
を確認するために、次のような二つの実験を行った。第
１の実験では、溶接欠陥等の影響を除去するため、高周
波加熱装置を用いて溶接のシミュレーションを行った。
これによって、熱履歴によって発生する残留応力に対す
る超音波加振の影響を判定できる。試験片には、長さ３
００ｍｍ、幅１００ｍｍ及び厚さ３０ｍｍの一般構造用
圧延鋼材を用いた。この試験片を断熱板上に置き、中心
から長手方向に１００ｍｍ離れた位置に超音波振動子の
接触子を押しつけ、超音波振動が伝えられるようにし
た。その周波数は、１７．８ｋＨｚとした。そして、中
央部のみを直線状に高周波加熱した。そして、高周波加
熱後、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、超音波振動を加えずに高周
波加熱して同様の測定を行った。その結果、一般に最も
応力値の大きくなる高周波加熱中心部の残留応力が、超
音波振動を加えることによって減少することが確かめら
れた。

【００１４】第２の実験では、試験片として幅１００ｍ
ｍ厚さ６ｍｍの一般構造用圧延鋼材からなる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１１０ｍｍ離れた位置に超音波振動子の接
触子を押しつけ、超音波振動が伝えられるようにした。
その周波数は、１７．８ｋＨｚとした。この状態で、試
験片の突き合わせ溶接をした。開先形状はＶ型とし、炭
酸ガス自動アーク溶接機を用いた。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、超音波振動を加えずに溶接して同様
の測定を行った。その結果、一般に最も応力値の大きく
なるビード部の残留応力が、超音波振動を加えることに
よって減少することが確かめられた。

【００１５】なお、上記実施例においては、直線上に延
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、あるいは隅肉溶接及び
肉盛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２カ所以上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が小型のものであ
る場合には、振動子６、出力ホーン５及び接触子４は固
定しておいてもよい。また、被溶接部材１が大型のもの
で、溶接部２が屈曲あるいは湾曲している場合には、適
当な送り機構を用いて、振動子６、出力ホーン５及び接
触子４を移動させればよい。

【００１６】

【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に超音波振動を加えて、
凝固直後の高温状態にある溶接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超音波振動を加えるのみでよいの
で、超音波振動子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】本発明による超音波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。

【符号の説明】

１被溶接部材２溶接部３溶接機４接触子５出力ホーン６超音波振動子７振幅検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の部材を溶接接合するに当たり、
これらの被溶接部材を超音波振動させながら溶接するこ
とを特徴とする、超音波加振溶接方法。
【請求項２】前記振動を、金属が溶接した状態にある
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記載の超音波加振溶接方法。