JP2008049351A - 超音波付加溶接方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶融部の超音波による攪拌が均一に行うことができ、溶融手段の移動に同期させて超音波振動子を移動させて溶融部を攪拌することができる超音波付加溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、溶接母材１４を加熱して溶融させ、この溶融部１５に対し超音波を非接触で照射して前記溶融部１５を振動させながら凝固させるようにしたのである。さらに、溶接部１５を溶融させる溶融手段（５，１７）と非接触型超音波照射手段（１１，１３）との動きを同期させる同期手段（４）を設けたのである。
【選択図】図１

Description

本発明は溶接母材の溶融部を超音波で振動させながら凝固させる超音波付加溶接方法及びその溶接装置に係り、特に、中性子被曝材を補修溶接するのに好適な超音波付加溶接方法及びその溶接装置に関する。

一般に、溶接部の凝固時の局部的な残留応力を低減させるために、溶接母材に超音波振動子を接触させて溶融部を間接的に超音波で振動させながら凝固させる超音波付加溶接方法及びその溶接装置が、例えば非特許文献１に示すように、既に提案されている。

Transactions of the 15th.International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology(SmiRT-15) Seoul,Korea,August 15-20,1999 「Reduction of Residual Stress by Ultrasonic Vibration During Welding」第X-225〜X-261頁

上記従来の技術によれば、超音波振動子を溶接母材に接触させるために、超音波振動は超音波振動子の接触方向に伝播するので、溶融部に超音波振動が伝わりにくく、溶融部を十分に振動させて攪拌することができず、その結果、溶融部の凝固が不均一となり残留応力が生じて溶接割れに進行する虞があった。また、超音波振動子を溶接母材に接触させるために、超音波振動子は反力に耐えるように強固に支持しなければならず、そのために、溶融部の移動に同期させて超音波振動子を移動させることが困難であった。

本発明の目的は、溶融部の超音波による攪拌を均一に行うことができ、溶接割れの発生を抑制する超音波付加溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、溶融手段の移動に同期させて超音波振動子を移動させて溶融部の攪拌を均一に行うことができる超音波付加溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、溶接母材を加熱して溶融させ、この溶融部に対し超音波を非接触で照射して前記溶融部を振動させながら凝固させるようにしたのである。さらに、溶接部を溶融させる溶融手段と非接触型超音波照射手段との動きを同期させる同期手段を設けたのである。

上記構成によれば、超音波を直接溶融部に照射して攪拌することができるので溶融部は均一に攪拌され、その結果、溶融部の凝固が均一となり残留応力による溶接割れの発生を抑制することができるのである。さらに、超音波の照射を非接触で行うことにより、溶融手段と非接触型超音波照射手段とを同期して移動させることができるので、効率よく溶融部の攪拌を行うことができ、溶接割れの発生を抑制できるのである。

以上説明したように本発明によれば、溶融部の超音波による攪拌を均一に行うことができると共に、溶融手段の移動に同期させて超音波振動子を移動させて溶融部の攪拌を均一に行うことができる超音波付加溶接方法及びその溶接装置を得ることができる。

以下本発明による超音波付加溶接装置の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。本実施の形態は、タングステン不活性ガスアーク溶接装置に非接触型超音波照射手段を付加したものである。

タングステン不活性ガスアーク溶接装置は、溶接架台１と、この溶接架台１上に移動可能に支持された溶接母材支持台２と、この溶接母材支持台２を一方向に移動させる駆動手段３と、前記溶接架台１に固定された溶接枠体４と、この溶接枠体４に支持された溶融手段であるタングステン電極５と、前記溶接枠体４に支持された溶接部材供給手段であるフィラーワイヤー供給手段６と、非接触型超音波照射手段７とにより構成されている。したがって、前記溶接枠体４がタングステン電極５とフィラーワイヤー供給手段６と非接触型超音波照射手段７との移動を同期させる同期手段となる。

前記駆動手段３は、前記溶接母材支持台２に連結されたねじ棒８と、このねじ棒８に螺合されて回転駆動し、前記溶接架台１に支持された駆動部９とより構成されている。

前記タングステン電極５は、電力供給線１０を介して図示しない電源に接続されており、前記フィラーワイヤー供給手段６は、前記駆動手段３による移動に同期して適量のフィラーワイヤーを供出するように構成されている。

一方、前記非接触型超音波照射手段７は、前記溶接枠体４に支持された振動子１１とこの振動子１１を加振する超音波発生装置１２と、前記振動子１１の先端に形成されたホーン１３とを有している。そして、ホーン１３は、後述する溶接母材１４に対して接触することがないように、即ち、溶接母材１４に対して非接触状態を維持できるように、振動子１１を溶接枠体４に対して進退させて高さを変えることができるように構成されている。

上記構成のタングステン不活性ガスアーク溶接装置によって例えば、中性子被曝材である原子炉構造物を補修溶接する場合には、原子炉構造物である炉心シュラウド，炉心支持板，上部格子板，ジェットポンプ等の溶接母材１４を前記溶接母材支持台２に固定し、溶融手段であるタングステン電極５によって溶接母材１４の溶接部を溶融させる。溶接部が溶融したならその溶融部１５にホーン１３から超音波を照射する。この超音波の照射により溶融部１５は、超音波の疎密波によって振動して均一に攪拌され、凝固過程において溶接母材１４に対して均一に馴染むようになる。

因みに、超音波の周波数は、２０〜１００KHｚであり、溶融部１５は１０００℃前後における高温において超音波の攪拌によって凝固過程の残留応力が低下し、その結果、中性子被爆によって発生したヘリウム気泡の特定箇所への集中を防止して溶接割れを防止することができる。

そして、駆動手段３を例えば図１の矢印A方向に駆動することで、タングステン電極５とフィラーワイヤー供給手段６とホーン１３とは、図２の矢印Bで示すように相対的に移動する。そして、この相対移動により、タングステン電極５による溶接母材１４とフィラーワイヤーとの溶融とホーン１３からの超音波照射により、次々に補修された溶接完了部１６が形成されることになる。

上記実施の形態により、溶融部１５の超音波による攪拌が均一に行うことができると共に、溶融手段の移動に同期させてホーン１３を含む振動子１１を移動させて溶融部１５の攪拌を均一に行うことができ、その結果、中性子被爆によって発生したヘリウム気泡の特定箇所への集中を防止して溶接割れを防止することができる。

尚、上記実施の形態は、中性子被曝材である原子炉構造物の補修溶接について説明したが、通常の溶接にも適用できることは云うまでもなく、凝固過程に溶融部１５を均一に攪拌できるので、品質の優れた溶接を得ることができる。さらに、上記実施の形態は、フィラーワイヤー供給手段６を必要としているが、溶接の目的や補修内容によっては、フィラーワイヤー供給手段６を省略して溶接母材１４のみを溶融させることで対応することができるのは当然である。

図３は、超音波付加溶接装置をレーザ溶接装置に適用した第２に実施の形態を示す。溶融手段であるレーザ溶接装置を構成する溶接架台と、この溶接架台上に移動可能に支持された溶接母材支持台と、この溶接母材支持台を一方向に移動させる駆動手段と、前記溶接架台に固定された溶接枠体と、非接触型超音波照射手段と、これらに付随する構成は、第１の実施の形態と同じであるので、ここでは要部のみ説明する。

第１の実施の形態のタングステン電極に代えて溶融手段を構成するレーザビームを照射するレーザ光学部１７を設け、このレーザ光学部１７に、図示しないレーザ発振装置から光ファイバー１８を介してレーザを導き、溶接母材１４に照射して溶融部１５を作り、この溶融部１５に振動子１１及びホーン１３を通して超音波を照射し、第１の実施の形態と同じように、溶融部１５を振動攪拌させながら凝固させることで残留応力の生じない溶接ができるのである。そして、ホーン１３とレーザ光学部１７とを一緒に、溶接母材１５に対して矢印方向に相対移動させながら、次々に、溶接完了部１６を形成してゆくのである。

したがって、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同じような効果を奏することができる。

図４は、本発明による第３の実施の形態を示すもので、基本構成は第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態と異なる構成は、非接触型超音波照射手段を付加したタングステン不活性ガスアーク溶接装置に、さらに磁気攪拌手段を付加した構成である。

即ち、磁気攪拌手段は、タングステン電極５の周囲に隙間を介して筒体１９を設置し、この筒体１９の外周にボビン２０を装着してコイル２１を巻回し、この巻回したコイル２１に交番磁場発生電源より電力を供給して交番磁場を発生させるように構成したもので、このような磁気攪拌手段をタングステン不活性ガスアーク溶接装置に付加したのである。そして、非接触型超音波照射手段の振動子１１やホーン１３も同時に備えたのである。

上記構成のタングステン不活性ガスアーク溶接装置は、溶接時にタングステン電極５やホーン１３やコイル２１を溶融部１５に対して矢印方向に相対移動させながら、溶接母材１４を溶かして溶融部１５を作ると共に、この溶融部１５に対し超音波の照射やコイル２１が発する交番磁場によって溶融部１５を十分に攪拌しながら凝固させ、凝固過程の残留応力を低下させて品質のよい溶接完了部１６を次々に連続して形成するのである。

尚、超音波の照射と交番磁場による溶融部１５の攪拌は、溶接条件（溶接材質や形状）によっては同時に行ってもよく、超音波の照射と交番磁場の発生を交互に行わせてもよく、あるいはいずれか一方で溶融部１５を攪拌するようにしてもよい。

図５は、図１及び図２に示す非接触型超音波照射手段を付加したタングステン不活性ガスアーク溶接装置を、狭い開先を有する溶接母材１４の溶接に適用した適用例を示す。

通常、狭開先部２３を有する溶接母材１４の溶接では、溶融部１６が狭域となるので、凝固が不均一となり易く、溶接不良が生じ易い。そこで、従来のように溶接母材に超音波振動子を接触させて溶接母材１４を振動させ、それにより溶融部を間接的に振動させながら凝固させることも考えられる。しかし、この場合には、ある程度の攪拌効果はあるもの溶融部１５を直接攪拌していないことと、溶融部１５の凝固速度が速いので、溶融部１５を均一に攪拌することは難しく、凝固が不均一となって溶接不良ができてしまう。そこで、狭開先部２３を有する狭域の溶融部１５に振動子１１及びホーン１３を経由して超音波を直接照射して攪拌させることで、凝固速度が速くても溶融部１５を均一に攪拌することができ、その結果、溶融部１５の凝固が均一となり、溶接不良を減らすことができるのである。

本発明による超音波付加溶接装置の第１の実施の形態を示す概略図。 図１の溶接母材の溶融部近傍を示す拡大図。 本発明による超音波付加溶接装置の第２の実施の形態を示す図２相当図。 本発明による超音波付加溶接装置の第３の実施の形態を示す図２相当図。 本発明による超音波付加溶接装置の適用例を示す図２相当図。

符号の説明

１…溶接架台、２…溶接母材支持台、３…駆動手段、４…溶接枠体、５…タングステン電極、６…フィラーワイヤー供給手段、７…非接触型超音波照射手段、８…ねじ棒、９…駆動部、１０…電力供給線、１１…振動子、１２…超音波発生装置、１３…ホーン、１４…溶接母材、１５…溶融部、１６…溶接完了部、１７…レーザ光学部、１８…光ファイバー、２１…コイル、２２…交番磁場発生電源、２３…狭い開先。

Claims (8)

1. 溶接母材を加熱して溶融させ、この溶融部に対し超音波を非接触で照射して前記溶融部を振動させながら凝固させるようにしたことを特徴とする超音波付加溶接方法。
2. 溶接母材に形成された狭開先部を溶融し、この溶融部に対し超音波を非接触で照射して前記溶融部を振動させながら凝固させるようにしたことを特徴とする超音波付加溶接方法。
3. 溶接部を加熱して溶融させる溶融手段と、この溶融手段により溶融した溶融部に非接触で超音波を照射させる非接触型超音波照射手段とを備えたことを特徴とする超音波付加溶接装置。
4. 溶接部を不活性ガスで覆いタングステン電極のアークによって溶融させる溶融手段と、この溶融手段によって溶融した溶融部に非接触で超音波を照射させる非接触型超音波照射手段とを備えたことを特徴とする超音波付加溶接装置。
5. 溶接部にレーザビームを照射して溶融させる溶融手段と、この溶融手段によって溶融した溶融部に非接触で超音波を照射させる非接触型超音波照射手段とを備えたことを特徴とする超音波付加溶接装置。
6. 溶接部を不活性ガスで覆いタングステン電極のアークによって溶融させる溶融手段と、この溶融手段によって溶融した溶融部を磁気的に攪拌する磁気攪拌手段と、前記溶融部に非接触で超音波を照射させる非接触型超音波照射手段とを備えたことを特徴とする超音波付加溶接装置。
7. 前記溶融手段と前記非接触型超音波照射手段とは、これらの動きを同期させる同期手段によって一体に構成されていることを特徴とする請求項３，４，５または６記載の超音波付加溶接装置。
8. 溶接部に溶接部材を供給する溶接部材供給手段と、不活性ガスで覆いながらタングステン電極のアークによって前記溶接部材と共に前記溶接部を溶融させる溶融手段と、この溶融手段によって溶融された溶融部に非接触で超音波を照射させる非接触型超音波照射手段と、これら溶接部材供給手段と溶融手段と非接触型超音波照射手段との動きを同期させる同期手段と、この同期手段と前記溶接部とを溶接方向に沿って相対的に移動させる駆動手段とを備えた超音波付加溶接装置。

Images