JP3137985B2 - 高いトーチ走行速度を用いて溶接金属部品における残留応力を緩和する方法 - Google Patents
高いトーチ走行速度を用いて溶接金属部品における残留応力を緩和する方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は管などの残留応力に敏感な構成部品の溶接に
関する。特に、本発明は原子炉で用いる管などの構成部
品の溶接に関し、これらの部品は溶接部に隣接する熱影
響部において応力腐食割れを起こしやすいものである。
関する。特に、本発明は原子炉で用いる管などの構成部
品の溶接に関し、これらの部品は溶接部に隣接する熱影
響部において応力腐食割れを起こしやすいものである。
発明の背景 原子炉は核分裂中に熱を発生する核分裂性燃料の炉心
を備えている。熱は原子炉圧力容器内の原子炉冷却材す
なわち水によって炉心から奪われる。個別管路が加熱さ
れた水または蒸気を蒸気発電機または蒸気タービンに移
送しそして循環水または給水を圧力容器に戻す。原子炉
圧力容器の運転圧力と運転温度は沸騰水型原子炉（BW
R）の場合約7MPaと288℃、そして加圧水型原子炉（PW
R）の場合約15MPaと320℃である。BWRとPWRで用いられ
る材料は様々な荷重、環境および放射状態に耐えなけれ
ばならない。本明細書内の「高温水」という用語は、温
度が約150℃以上の水、蒸気またはその復水を意味す
る。
を備えている。熱は原子炉圧力容器内の原子炉冷却材す
なわち水によって炉心から奪われる。個別管路が加熱さ
れた水または蒸気を蒸気発電機または蒸気タービンに移
送しそして循環水または給水を圧力容器に戻す。原子炉
圧力容器の運転圧力と運転温度は沸騰水型原子炉（BW
R）の場合約7MPaと288℃、そして加圧水型原子炉（PW
R）の場合約15MPaと320℃である。BWRとPWRで用いられ
る材料は様々な荷重、環境および放射状態に耐えなけれ
ばならない。本明細書内の「高温水」という用語は、温
度が約150℃以上の水、蒸気またはその復水を意味す
る。
高温水にさらされる材料は、例えば、炭素鋼、合金
鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、コバルト基合金、
ジルコニウム基合金である。水使用原子炉用のこれらの
材料の念入りな選定と処理にもかかわらず、高温水にさ
らされる材料には腐食が発生する。このような腐食は様
々な問題、例えば、応力腐食割れ、隙間腐食、壊食、安
全弁の膠着、ガンマ線放射Co−60同位元素の蓄積を引起
こす。
鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、コバルト基合金、
ジルコニウム基合金である。水使用原子炉用のこれらの
材料の念入りな選定と処理にもかかわらず、高温水にさ
らされる材料には腐食が発生する。このような腐食は様
々な問題、例えば、応力腐食割れ、隙間腐食、壊食、安
全弁の膠着、ガンマ線放射Co−60同位元素の蓄積を引起
こす。
応力腐食割れ（SCC）は、高温水にさらされる原子炉
構成部、例えば、構造部材、管、締結具および溶接部に
発生する周知の現象である。本明細書においてSCCと
は、静的または動的引張応力により進展した割れと、割
れ先端における腐食との組合せを意味する。原子炉構成
部は様々な応力を受けやすく、これらの応力は、例え
ば、熱膨張差、原子炉冷却水の収容に要する運転圧力、
および他の応力源、、例えば、溶接、冷間加工および他
の非対称金属処理による残留応力等に関連する。加え
て、水の化学作用、溶接、熱処理および放射線は構成部
の金属のSCCを発生しやすくする。本発明は、溶接によ
り発生する残留応力と、熱的鋭敏化（sensitization）
とを緩和することに関係し、これはSCCに敏感な金属にS
CCを引起こすおそれのあるものである。
構成部、例えば、構造部材、管、締結具および溶接部に
発生する周知の現象である。本明細書においてSCCと
は、静的または動的引張応力により進展した割れと、割
れ先端における腐食との組合せを意味する。原子炉構成
部は様々な応力を受けやすく、これらの応力は、例え
ば、熱膨張差、原子炉冷却水の収容に要する運転圧力、
および他の応力源、、例えば、溶接、冷間加工および他
の非対称金属処理による残留応力等に関連する。加え
て、水の化学作用、溶接、熱処理および放射線は構成部
の金属のSCCを発生しやすくする。本発明は、溶接によ
り発生する残留応力と、熱的鋭敏化（sensitization）
とを緩和することに関係し、これはSCCに敏感な金属にS
CCを引起こすおそれのあるものである。
図1Aに、２本の管２および４を接合する従来のＶ形開
先溶接部６を示す。溶接部６は、円筒形溶接電極（図示
せず）の先端に位置する溶加ワイヤからの溶融材料のビ
ードでＶ形開先を満たすことにより形成される。この溶
接方法は溶接継手の近辺に非常に幅広の熱影響部（HA
Z）を形成する。このような溶接継手の近辺にSCCが発生
することにより、従来、世界中の軽水炉発電所において
管の多くを修理または交換する必要が生じている。溶接
継手の近辺における引張残留応力状態を改善するために
10年間以上にわたって様々な方法、例えば、磁気誘導、
電気抵抗およびアーク加熱方法が利用されてきた。これ
らの方法は全て、溶接材料の片側で熱源を用いそして同
材料の他の側で水冷を保つことにより材料厚さの両端間
にかなりの温度差を発生させることに基づいている。こ
の温度差は熱ひずみとそれに続く材料塑性をもたらし、
またそれに対応して材料の全厚さにわたる応力逆転をも
たらす。正味の結果は、継手の、腐食性をもつ可能性の
ある炉水環境にさらされる側の残留応力を、かなり小さ
な引張応力または、さらに好ましくは、圧縮応力にす
る。これらの従来の方法は、「ヒートシンク溶接」と
「最終パスヒートシンク溶接」を包含し、全て、溶接継
手の環境露出側の連続的な水対流冷却によって所要温度
差と所要応力逆転をもたらす。この水冷要件は、管の新
設と交換のいずれの場合も、製造業者にとって過酷な悪
条件となる。なぜなら、水を保つために完全配管系をそ
のままにしておかなければならないからである。材料の
厚さに沿う温度勾配と、それに対応する残留応力逆転と
をもたらすために水冷を必要とする通例使用されるアー
ク溶接方法は、熱効率と時間効率が比較的低く、また、
継手の深さ対厚さのアスペクト比を低くした幅広溶接継
手設計を利用する。溶接中内部水冷により金属格子構造
内の引張力を減らすことは、照射により助長されるSCC
の発生の減少に役立つ。このようなSCCでは、ステンレ
ス鋼合金内の不純物が中性子の衝突に応じて粒界に拡散
する。
先溶接部６を示す。溶接部６は、円筒形溶接電極（図示
せず）の先端に位置する溶加ワイヤからの溶融材料のビ
ードでＶ形開先を満たすことにより形成される。この溶
接方法は溶接継手の近辺に非常に幅広の熱影響部（HA
Z）を形成する。このような溶接継手の近辺にSCCが発生
することにより、従来、世界中の軽水炉発電所において
管の多くを修理または交換する必要が生じている。溶接
継手の近辺における引張残留応力状態を改善するために
10年間以上にわたって様々な方法、例えば、磁気誘導、
電気抵抗およびアーク加熱方法が利用されてきた。これ
らの方法は全て、溶接材料の片側で熱源を用いそして同
材料の他の側で水冷を保つことにより材料厚さの両端間
にかなりの温度差を発生させることに基づいている。こ
の温度差は熱ひずみとそれに続く材料塑性をもたらし、
またそれに対応して材料の全厚さにわたる応力逆転をも
たらす。正味の結果は、継手の、腐食性をもつ可能性の
ある炉水環境にさらされる側の残留応力を、かなり小さ
な引張応力または、さらに好ましくは、圧縮応力にす
る。これらの従来の方法は、「ヒートシンク溶接」と
「最終パスヒートシンク溶接」を包含し、全て、溶接継
手の環境露出側の連続的な水対流冷却によって所要温度
差と所要応力逆転をもたらす。この水冷要件は、管の新
設と交換のいずれの場合も、製造業者にとって過酷な悪
条件となる。なぜなら、水を保つために完全配管系をそ
のままにしておかなければならないからである。材料の
厚さに沿う温度勾配と、それに対応する残留応力逆転と
をもたらすために水冷を必要とする通例使用されるアー
ク溶接方法は、熱効率と時間効率が比較的低く、また、
継手の深さ対厚さのアスペクト比を低くした幅広溶接継
手設計を利用する。溶接中内部水冷により金属格子構造
内の引張力を減らすことは、照射により助長されるSCC
の発生の減少に役立つ。このようなSCCでは、ステンレ
ス鋼合金内の不純物が中性子の衝突に応じて粒界に拡散
する。
耐食性のためにクロムで合金化したステンレス鋼のSC
Cを促進する第２主要因は、溶接部に隣接する熱影響部
の寸法と熱的鋭敏化の程度である。熱的鋭敏化は、材料
の粒界内で炭化クロムを析出させる作用を意味する。炭
化クロムの析出は、さもなければ溶体状態にあるクロム
を拘束する。従って、粒界に沿う薄い層がクロムを奪わ
れ、次のような帯域、すなわち、もはや耐食性がなく、
従ってSCCを起こしやすい帯域を生成する。このような
ステンレス鋼は特に粒界で腐食しやすい。
Cを促進する第２主要因は、溶接部に隣接する熱影響部
の寸法と熱的鋭敏化の程度である。熱的鋭敏化は、材料
の粒界内で炭化クロムを析出させる作用を意味する。炭
化クロムの析出は、さもなければ溶体状態にあるクロム
を拘束する。従って、粒界に沿う薄い層がクロムを奪わ
れ、次のような帯域、すなわち、もはや耐食性がなく、
従ってSCCを起こしやすい帯域を生成する。このような
ステンレス鋼は特に粒界で腐食しやすい。
SCCに対抗する溶接部の設計における一要目は、その
方式による被接合部品への入熱（heat input）を最少
にすることである。この入熱は通例、継手の両側壁への
溶加材の確実な融着に十分なレベルに保たれる。両側壁
は、他の溶接方法では、継手内で円筒形電極を動かすの
に必要な寸法だけ離されていた。
方式による被接合部品への入熱（heat input）を最少
にすることである。この入熱は通例、継手の両側壁への
溶加材の確実な融着に十分なレベルに保たれる。両側壁
は、他の溶接方法では、継手内で円筒形電極を動かすの
に必要な寸法だけ離されていた。
腐食安定化オーステナイトステンレス鋼のSSCを促進
する他の要因は、溶接部の溶融線近くの安定化用炭化物
の解離であり、これは、溶接入熱が過度に多い時、結晶
粒成長と熱的鋭敏化をもたらす可能性がある。SCCのこ
の特別な変種は一般に「ナイフラインアタック（knife
line attack）」と呼ばれるもので、しばしば溶接熱
影響部の局所域内で発生する。
する他の要因は、溶接部の溶融線近くの安定化用炭化物
の解離であり、これは、溶接入熱が過度に多い時、結晶
粒成長と熱的鋭敏化をもたらす可能性がある。SCCのこ
の特別な変種は一般に「ナイフラインアタック（knife
line attack）」と呼ばれるもので、しばしば溶接熱
影響部の局所域内で発生する。
発電所配管溶接において商業的に使用される一種の開
先幅縮小溶接方法は、いわゆる「狭開先」溶接であり、
その一例を図1Bに示す。この技術により管２′および
４′の間に溶接部６′が形成され、これはＶ形開先溶接
方法の熱影響部より狭い熱影響部と、同方法の開先角度
より小さな開先角度を有する。「狭開先」溶接方法は標
準の円筒形電極形状を用いる。このような標準電極は長
さと直径が様々であり、通例比較的とがったまたは円錐
形の端部を有する。しかし、「狭開先」溶接における開
先幅の減少は、所要溶接電流の確実な導通に要する電極
の最小直径によって制限されていた。全ての従来の溶接
部は、「狭開先」溶接部も含めて、工業標準となってい
る円筒形電極形状を用いて形成されている。円筒形電極
の最小直径は、所与の大きさの電流導通および熱放散能
力により限定される。従来、Ｖ形開先溶接と「狭開先」
溶接の両用途のいずれにおいても非円筒形電極の製造と
設置のための備えはなされなかった。
先幅縮小溶接方法は、いわゆる「狭開先」溶接であり、
その一例を図1Bに示す。この技術により管２′および
４′の間に溶接部６′が形成され、これはＶ形開先溶接
方法の熱影響部より狭い熱影響部と、同方法の開先角度
より小さな開先角度を有する。「狭開先」溶接方法は標
準の円筒形電極形状を用いる。このような標準電極は長
さと直径が様々であり、通例比較的とがったまたは円錐
形の端部を有する。しかし、「狭開先」溶接における開
先幅の減少は、所要溶接電流の確実な導通に要する電極
の最小直径によって制限されていた。全ての従来の溶接
部は、「狭開先」溶接部も含めて、工業標準となってい
る円筒形電極形状を用いて形成されている。円筒形電極
の最小直径は、所与の大きさの電流導通および熱放散能
力により限定される。従来、Ｖ形開先溶接と「狭開先」
溶接の両用途のいずれにおいても非円筒形電極の製造と
設置のための備えはなされなかった。
米国特許第4588869号とフランス特許公告第2448574号
は、管部材を溶接または熱処理して残留応力を除去する
方法を記載している。しかし、冷却媒体が、電極から離
れた管部材の表面を冷却するために用いられる。これら
の資料には電極走行速度に関する記載がない。
は、管部材を溶接または熱処理して残留応力を除去する
方法を記載している。しかし、冷却媒体が、電極から離
れた管部材の表面を冷却するために用いられる。これら
の資料には電極走行速度に関する記載がない。
米国特許第4302658号は、固定取付具が溶接中とその
後の熱処理中被溶接部品の移動を制止している間に溶接
電極を毎分25.4cm以上の速度で溶接部上を通過させるこ
とにより被溶接ケイ素鋼の機械的性質を改良する方法を
記載している。
後の熱処理中被溶接部品の移動を制止している間に溶接
電極を毎分25.4cm以上の速度で溶接部上を通過させるこ
とにより被溶接ケイ素鋼の機械的性質を改良する方法を
記載している。
発明の概要 本発明は、溶接部のルート（root）側、特に管溶接部
の内壁面の有害な引張残留応力状態をかなり改善する方
法がある。この方法は、溶接パラメータの新しい組合
せ、特に極めて速い溶接トーチ走行速度を、特に通常
「キャップ（cap）」パスと呼ばれる最終の一つ以上の
パスに用いる。本発明の方法は、最大の応力改善の利益
を得るために、米国特許出願第08/237732号に開示され
ている低残留応力溶接方法を改良するものであり、この
米国特許出願の溶接技術は非円形断面を有するタングス
テン電極ブレードを用いるものである。上記米国特許出
願は毎分5.1〜25.4cm（毎分２〜10インチ）の範囲の溶
接トーチ走行速度を開示している。本発明の方法は同様
の平らな電極ブレードを用いるが、特にいわゆる「キャ
ップ」パス中、比較的高い溶接トーチ走行速度、すなわ
ち毎分25.4cm（毎分10インチ）より高い速度を用いて実
施することができる。
の内壁面の有害な引張残留応力状態をかなり改善する方
法がある。この方法は、溶接パラメータの新しい組合
せ、特に極めて速い溶接トーチ走行速度を、特に通常
「キャップ（cap）」パスと呼ばれる最終の一つ以上の
パスに用いる。本発明の方法は、最大の応力改善の利益
を得るために、米国特許出願第08/237732号に開示され
ている低残留応力溶接方法を改良するものであり、この
米国特許出願の溶接技術は非円形断面を有するタングス
テン電極ブレードを用いるものである。上記米国特許出
願は毎分5.1〜25.4cm（毎分２〜10インチ）の範囲の溶
接トーチ走行速度を開示している。本発明の方法は同様
の平らな電極ブレードを用いるが、特にいわゆる「キャ
ップ」パス中、比較的高い溶接トーチ走行速度、すなわ
ち毎分25.4cm（毎分10インチ）より高い速度を用いて実
施することができる。
前述の低残留応力溶接方法は、通常高い（ほぼ降伏強
度以上の）残留応力レベルを、降伏強度より実質的に低
い引張応力値まで、あるいは好ましくは圧縮応力状態ま
で低減するものとして示されている。この成果は、接合
される構成部品の両表面のどちらにも補助冷却を用いる
ことなく達成されてきた。このような補助冷却は時々、
ヒートシンク溶接、最終パスヒートシンク溶接等の水冷
溶接方法において利用される。
度以上の）残留応力レベルを、降伏強度より実質的に低
い引張応力値まで、あるいは好ましくは圧縮応力状態ま
で低減するものとして示されている。この成果は、接合
される構成部品の両表面のどちらにも補助冷却を用いる
ことなく達成されてきた。このような補助冷却は時々、
ヒートシンク溶接、最終パスヒートシンク溶接等の水冷
溶接方法において利用される。
本発明による方法は、主として、比較的薄い、例えば
9.5mm（８分の３インチ）程度の厚さの材料の溶接また
は熱処理のためのものであるが、これに限定されない。
本方法は、もし溶接継手の下盛り材料が１回以上のキャ
ップパス中に溶融されれば、溶接と考えられる。代替的
に、もし溶接継手の下盛り材料が溶接継手の遠表面（ル
ートから遠い表面）上の溶接電極先端の１回以上のパス
中に加熱されるが溶融されなければ、熱処理と考えられ
る。本発明は溶接と熱処理の両方を含む。本明細書にお
ける「キャップパス」という用語は、溶接方法における
従来の１回以上のキャップパスと、１回以上の熱処理パ
スとを含む。
9.5mm（８分の３インチ）程度の厚さの材料の溶接また
は熱処理のためのものであるが、これに限定されない。
本方法は、もし溶接継手の下盛り材料が１回以上のキャ
ップパス中に溶融されれば、溶接と考えられる。代替的
に、もし溶接継手の下盛り材料が溶接継手の遠表面（ル
ートから遠い表面）上の溶接電極先端の１回以上のパス
中に加熱されるが溶融されなければ、熱処理と考えられ
る。本発明は溶接と熱処理の両方を含む。本明細書にお
ける「キャップパス」という用語は、溶接方法における
従来の１回以上のキャップパスと、１回以上の熱処理パ
スとを含む。
本発明の本質は、走行溶接トーチを用いて、遠表面
（溶接ルートパスから遠い表面）が加熱されるが、比較
的低い引張応力または好ましくは圧縮応力を近表面に生
じる程度まで近表面が（外部ヒートシンク作用、例えば
水冷を利用せずに）冷却されるような速度で、熱を遠表
面に送り込むことである。特に、本発明の方法は、最大
の応力緩和の利益を得るために、キャップパスの際に非
常に高い溶接トーチ走行速度、すなわち毎分25.4cm（毎
分10インチ）より高い速度を用いる。この方法は、溶接
方法として使用されようと熱処理して使用されようと、
流体冷却（ガス冷却を含む）を要する既存技術から明確
に区別するために、以下「パッシブヒートシンク溶接
（passive heat sink welding）」法と呼ばれる。
（溶接ルートパスから遠い表面）が加熱されるが、比較
的低い引張応力または好ましくは圧縮応力を近表面に生
じる程度まで近表面が（外部ヒートシンク作用、例えば
水冷を利用せずに）冷却されるような速度で、熱を遠表
面に送り込むことである。特に、本発明の方法は、最大
の応力緩和の利益を得るために、キャップパスの際に非
常に高い溶接トーチ走行速度、すなわち毎分25.4cm（毎
分10インチ）より高い速度を用いる。この方法は、溶接
方法として使用されようと熱処理して使用されようと、
流体冷却（ガス冷却を含む）を要する既存技術から明確
に区別するために、以下「パッシブヒートシンク溶接
（passive heat sink welding）」法と呼ばれる。
本発明の方法は、管壁と完成に近い溶接継手自体との
限られたヒートシンク能力により、溶接中にかなり大き
な壁両面間温度勾配、従って十分な壁両面間の応力勾配
を発生させる。この応力勾配の結果、金属塑性と永久ひ
ずみが生じ、従って、最終残留応力の大きさが減り、あ
るいは好ましくは、状態に応じて、応力の方向が引張り
から圧縮へ逆転する。本発明の高いトーチ走行速度を用
いて適当な温度勾配が得られるので、構成部の壁を経て
内層に達する過大な伝導が生じ得る前に、壁の外層を十
分加熱し得る。この効果は従来、低残留応力溶接方法に
おいて比較的遅いトーチ走行速度、すなわち毎分5.1〜2
5.4cm（毎分２〜10インチ）の速度で比較的厚い壁（高
ヒートシンク）の材料において示された。本発明によれ
ば、この効果は、薄壁材料（低ヒートシンク）の場合に
も比較的速いトーチ走行速度、すなわち毎分25.4cm（毎
分10インチ）より高い速度で得られる。
限られたヒートシンク能力により、溶接中にかなり大き
な壁両面間温度勾配、従って十分な壁両面間の応力勾配
を発生させる。この応力勾配の結果、金属塑性と永久ひ
ずみが生じ、従って、最終残留応力の大きさが減り、あ
るいは好ましくは、状態に応じて、応力の方向が引張り
から圧縮へ逆転する。本発明の高いトーチ走行速度を用
いて適当な温度勾配が得られるので、構成部の壁を経て
内層に達する過大な伝導が生じ得る前に、壁の外層を十
分加熱し得る。この効果は従来、低残留応力溶接方法に
おいて比較的遅いトーチ走行速度、すなわち毎分5.1〜2
5.4cm（毎分２〜10インチ）の速度で比較的厚い壁（高
ヒートシンク）の材料において示された。本発明によれ
ば、この効果は、薄壁材料（低ヒートシンク）の場合に
も比較的速いトーチ走行速度、すなわち毎分25.4cm（毎
分10インチ）より高い速度で得られる。
これら２つの状態の主要な違いは、薄い材料の場合、
応力逆転は主としてキャップパス中に増進的に達成され
るのに対し、厚い材料の場合の応力逆転は継手が完成す
るにつれて漸進的に達成されることである。薄い材料に
補助冷却を施さない溶接では、キャップパスの入熱は壁
両面間の温度を容易に支配できるのに対し、厚い材料の
場合、キャップパスの入熱は壁両面間の温度分布に比較
的少ない影響を及ぼす。補助冷却を伴う溶接の場合、例
えば、従来のヒートシンク溶接および最終パスヒートシ
ンク溶接方法では、最終パスの熱は流体冷却による損失
の影響を補うためにさらに高くしなければならない。
応力逆転は主としてキャップパス中に増進的に達成され
るのに対し、厚い材料の場合の応力逆転は継手が完成す
るにつれて漸進的に達成されることである。薄い材料に
補助冷却を施さない溶接では、キャップパスの入熱は壁
両面間の温度を容易に支配できるのに対し、厚い材料の
場合、キャップパスの入熱は壁両面間の温度分布に比較
的少ない影響を及ぼす。補助冷却を伴う溶接の場合、例
えば、従来のヒートシンク溶接および最終パスヒートシ
ンク溶接方法では、最終パスの熱は流体冷却による損失
の影響を補うためにさらに高くしなければならない。
本発明の別の特徴によれば、溶接トーチをキャップパ
ス中に横方向に振動させる。この横方向トーチ振動の目
的は、近表面上に比較的広い軸方向長さにわたって降伏
強度より実質的に弱い低引張応力を生じさせるか或いは
好ましくは圧縮応力を生じさせるような態様で、熱を管
の遠表面に拡散させ、これにより溶接ルートにかかる曲
げモーメントの集中を減らしそして溶接部の両側の溶融
線に沿う細かな周方向割れを緩和することである。
ス中に横方向に振動させる。この横方向トーチ振動の目
的は、近表面上に比較的広い軸方向長さにわたって降伏
強度より実質的に弱い低引張応力を生じさせるか或いは
好ましくは圧縮応力を生じさせるような態様で、熱を管
の遠表面に拡散させ、これにより溶接ルートにかかる曲
げモーメントの集中を減らしそして溶接部の両側の溶融
線に沿う細かな周方向割れを緩和することである。
図面の簡単な説明 図1Aは、従来の溶接技術により溶接したＶ形開先継手
の断面図である。
の断面図である。
図1Bは、従来の他の溶接技術により溶接した狭開先継
手の断面図である。
手の断面図である。
図1Cは、本発明の技術により溶接した継手の断面図で
ある。
ある。
図2A乃至図2Cは、それぞれ、本発明による溶接に使用
し得る第１電極形状の正面図と側面図と底面図である。
し得る第１電極形状の正面図と側面図と底面図である。
図3Aと図3Bは、本発明の溶接技術により接合すべき管
の互いに代替的な開先形状の断面図である。
の互いに代替的な開先形状の断面図である。
図４は、本発明による溶接に使用し得る第２電極形状
の構造体を示す斜視図である。
の構造体を示す斜視図である。
図５は、本発明による溶接に使用し得る継手と溶接装
置とのアセンブリを示す概略斜視図である。
置とのアセンブリを示す概略斜視図である。
図6Aと図6Bは、それぞれ、本発明により突合せ周囲溶
接を施した304型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４イン
チ）の管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向残留
応力を示すグラフである。
接を施した304型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４イン
チ）の管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向残留
応力を示すグラフである。
図7Aと図7Bは、それぞれ、本発明により突合せ周囲溶
接を施した347型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４イン
チ）の管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向残留
応力を示すグラフである。
接を施した347型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４イン
チ）の管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向残留
応力を示すグラフである。
好適実施例の詳細な説明 本発明の方法を実施するために好適に使用される溶接
装置は、機械化トーチ移動式のガスタングステンアーク
溶接装置からなる。タングステン溶接電極のブレードは
非円形断面を有する。しかし、平らなタングステン電極
の使用は本発明の実施には必要でないと考えられる。
装置は、機械化トーチ移動式のガスタングステンアーク
溶接装置からなる。タングステン溶接電極のブレードは
非円形断面を有する。しかし、平らなタングステン電極
の使用は本発明の実施には必要でないと考えられる。
本発明の実施に役立つ一つの溶接継手形状（図1C）に
よれば、管２および４の間の開先は好ましくは６度未満
の鋭角を有しそして溶接材料６で満たされ、この溶接材
料は、溶融するのに比較的少ない熱しか必要としない小
さな幅を有する。その結果生じる熱影響部（HAZ）は、
図1Bに見られるような「狭開先」溶接によって生じるHA
Zより狭い。
よれば、管２および４の間の開先は好ましくは６度未満
の鋭角を有しそして溶接材料６で満たされ、この溶接材
料は、溶融するのに比較的少ない熱しか必要としない小
さな幅を有する。その結果生じる熱影響部（HAZ）は、
図1Bに見られるような「狭開先」溶接によって生じるHA
Zより狭い。
好ましくは、本発明の方法は、非円形ブレード断面を
有するタングステン電極を用いる。特に、ブレード断面
は、溶接継手の長さに平行な方向の細長い寸法と、継手
の長さに対して垂直な方向の短い寸法とを有し、その一
例は概して長方形断面を有する柱体である。好ましく
は、ブレードは平らな薄板材料、例えば、タングステン
合金板材から切断またはスタンピングにより形成され
る。ブレードは、３角形（好ましくは２等辺３角形）、
または平行な真っ直ぐな側部を有するとともに一端にと
がった先端部を有する帯板の形に切削され得る。
有するタングステン電極を用いる。特に、ブレード断面
は、溶接継手の長さに平行な方向の細長い寸法と、継手
の長さに対して垂直な方向の短い寸法とを有し、その一
例は概して長方形断面を有する柱体である。好ましく
は、ブレードは平らな薄板材料、例えば、タングステン
合金板材から切断またはスタンピングにより形成され
る。ブレードは、３角形（好ましくは２等辺３角形）、
または平行な真っ直ぐな側部を有するとともに一端にと
がった先端部を有する帯板の形に切削され得る。
薄い電極形状により、等しい断面積の円筒形電極の直
径より小さな一寸法（すなわち幅）を有する電極が得ら
れる。この比較的薄い寸法とその方向により、電極は、
円筒形電極が広過ぎて入れないような狭い開先に入るこ
とができる。従って、溶接すべき継手の幅は、円筒形電
極を用いる場合よりかなり小さくできる。さらに、非円
筒形の薄い電極の使用により、溶接入熱は各パス毎にか
なり減らすことができ、従って、熱影響部の寸法と鋭敏
化がそれに応じて減らされる。
径より小さな一寸法（すなわち幅）を有する電極が得ら
れる。この比較的薄い寸法とその方向により、電極は、
円筒形電極が広過ぎて入れないような狭い開先に入るこ
とができる。従って、溶接すべき継手の幅は、円筒形電
極を用いる場合よりかなり小さくできる。さらに、非円
筒形の薄い電極の使用により、溶接入熱は各パス毎にか
なり減らすことができ、従って、熱影響部の寸法と鋭敏
化がそれに応じて減らされる。
本発明の溶接方法において使用する細長い断面の電極
は、前方走行用の間隙が継手の両壁に対して存在する限
り、基本的に、電極を薄くし得る程度、従って、溶接継
手を薄くし得る程度に関して制限されない。本発明の実
施に利用できる平らなタングステン合金電極の一実施例
は、図2A〜図2Cに示した形状を有する。電極10は、円筒
形シャンク10aと、非円筒形ブレード10bと、先端10cと
からなる。ブレード10bはオプションとして絶縁被覆で
覆われる。全ての鋭いコーナには丸みを付けてアークの
発生を防止する。ブレード10bの断面は、好ましくは、
角を丸くした長方形の形状を有する。好ましくは、この
長方形の長さ対幅の比は少なくとも1.5対１である。
は、前方走行用の間隙が継手の両壁に対して存在する限
り、基本的に、電極を薄くし得る程度、従って、溶接継
手を薄くし得る程度に関して制限されない。本発明の実
施に利用できる平らなタングステン合金電極の一実施例
は、図2A〜図2Cに示した形状を有する。電極10は、円筒
形シャンク10aと、非円筒形ブレード10bと、先端10cと
からなる。ブレード10bはオプションとして絶縁被覆で
覆われる。全ての鋭いコーナには丸みを付けてアークの
発生を防止する。ブレード10bの断面は、好ましくは、
角を丸くした長方形の形状を有する。好ましくは、この
長方形の長さ対幅の比は少なくとも1.5対１である。
本発明の実施に利用できる平らなタングステン合金電
極の他の実施例は図４に示した形状を有する。この電極
は、タングステン合金板からスタンピングまたは切断に
より形成された平らな概して３角形のブレード18からな
る。タングステン合金板の厚さの一例は0.762mm（30ミ
ル）である。オプションとして、ブレードの３角形は、
先端18cの狭まる割合を大きくして、厳密に２等辺にし
なくてもよい。
極の他の実施例は図４に示した形状を有する。この電極
は、タングステン合金板からスタンピングまたは切断に
より形成された平らな概して３角形のブレード18からな
る。タングステン合金板の厚さの一例は0.762mm（30ミ
ル）である。オプションとして、ブレードの３角形は、
先端18cの狭まる割合を大きくして、厳密に２等辺にし
なくてもよい。
図４に示すように、ブレードは基部18aと本体18bと先
端18cとからなる。基部18aは電極ホルダ20により固定さ
れるかまたは別様に保持される。電極ホルダ20は好まし
くは銅合金（例えばベリリウム銅合金）のような伝導性
の耐酸化性材料で作られ、オプションとして銀またはニ
ッケルで電気めっきされる。電極ホルダは好ましくはＴ
形金属体の形を取り、シャンク20aと横材20bとからな
る。シャンク20aは従来の溶接トーチ14に連結されてい
る。横材20bは縦スロットを有し、このスロットは、挿
入と除去を容易にするのに十分な遊びをもってブレード
基部18aを受入れるように形成されている。ブレード基
部18aは、１対の止めねじ22を横材に形成した対応する
１対のねじ穴に締付けることにより確実に保持される。
ブレードは、ねじを緩めた後、容易にホルダから取外す
ことができる。従って、破損した電極ブレードの交換は
容易である。また、相異なる寸法を有する互換可能な電
極ブレードを特定用途に従って選択的に装着し得る。代
替的に、ねじを用いる代わりに、ブレードをろう付けに
よりホルダに固定して一体のブレード組立体を構成して
もよい。すなわち、ブレードは容易に交換できないよう
にしてもよい。
端18cとからなる。基部18aは電極ホルダ20により固定さ
れるかまたは別様に保持される。電極ホルダ20は好まし
くは銅合金（例えばベリリウム銅合金）のような伝導性
の耐酸化性材料で作られ、オプションとして銀またはニ
ッケルで電気めっきされる。電極ホルダは好ましくはＴ
形金属体の形を取り、シャンク20aと横材20bとからな
る。シャンク20aは従来の溶接トーチ14に連結されてい
る。横材20bは縦スロットを有し、このスロットは、挿
入と除去を容易にするのに十分な遊びをもってブレード
基部18aを受入れるように形成されている。ブレード基
部18aは、１対の止めねじ22を横材に形成した対応する
１対のねじ穴に締付けることにより確実に保持される。
ブレードは、ねじを緩めた後、容易にホルダから取外す
ことができる。従って、破損した電極ブレードの交換は
容易である。また、相異なる寸法を有する互換可能な電
極ブレードを特定用途に従って選択的に装着し得る。代
替的に、ねじを用いる代わりに、ブレードをろう付けに
よりホルダに固定して一体のブレード組立体を構成して
もよい。すなわち、ブレードは容易に交換できないよう
にしてもよい。
ブレード本体18bは好ましくは、溶接開先側壁へのア
ーク発生を防止するために、絶縁被覆材、例えばAl2O3
またはY2O3で覆われる。また、スタンピングまたは切断
によって形成されたブレードの全ての粗い縁は、アーク
発生を防ぐためにばり取りされる。好適実施例によれ
ば、平らな３角形ブレードは一つ以上の絶縁離隔部24を
有する。各絶縁離隔部は電極ブレードの平らな両側にブ
レード表面の平面を越えて突出している。これらの離隔
部は、溶接開先の両側壁と電極ブレードの平らな両側と
の間に最小間隙を保つように作用し、こうして溶接開先
内の電極走行中のセラミック被覆の引かきまたは過度の
摩耗を防止する。ブレードの被覆表面の十分深い引かき
はセラミック被覆12を除去するので、ブレードは被覆の
ない軌跡に沿ってアークを発生しやすくなる。
ーク発生を防止するために、絶縁被覆材、例えばAl2O3
またはY2O3で覆われる。また、スタンピングまたは切断
によって形成されたブレードの全ての粗い縁は、アーク
発生を防ぐためにばり取りされる。好適実施例によれ
ば、平らな３角形ブレードは一つ以上の絶縁離隔部24を
有する。各絶縁離隔部は電極ブレードの平らな両側にブ
レード表面の平面を越えて突出している。これらの離隔
部は、溶接開先の両側壁と電極ブレードの平らな両側と
の間に最小間隙を保つように作用し、こうして溶接開先
内の電極走行中のセラミック被覆の引かきまたは過度の
摩耗を防止する。ブレードの被覆表面の十分深い引かき
はセラミック被覆12を除去するので、ブレードは被覆の
ない軌跡に沿ってアークを発生しやすくなる。
本発明の溶接技術を用いて接合すべき管２の開先形状
の好適実施例を図3Aに示す。この管は管壁厚さｔを有す
る。管の端面はランド2aを含み、このランドは管の内周
から外向きに延在する環状の半径方向表面である。ま
た、管端面はベベル面2bを含み、この面は半径方向平面
に対して角度θをなして半径方向外方に延在する円錐形
表面である。本発明によれば、θは好ましくは６度未満
である。丸みを付けた延長表面2cがランド2aの外周をベ
ベル面2bの内周と連結している。延長表面2cは半径Ｒを
有する。ランド2aの高さはh1で表され、延長表面2cの高
さはh2で表されている。
の好適実施例を図3Aに示す。この管は管壁厚さｔを有す
る。管の端面はランド2aを含み、このランドは管の内周
から外向きに延在する環状の半径方向表面である。ま
た、管端面はベベル面2bを含み、この面は半径方向平面
に対して角度θをなして半径方向外方に延在する円錐形
表面である。本発明によれば、θは好ましくは６度未満
である。丸みを付けた延長表面2cがランド2aの外周をベ
ベル面2bの内周と連結している。延長表面2cは半径Ｒを
有する。ランド2aの高さはh1で表され、延長表面2cの高
さはh2で表されている。
本発明の方法は、水平位置にある304型、316型および
347型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４インチ）の管に
好適に適用された。直径10.2cm（４インチ）の管は肉厚
ｔが6.35mm（0.250インチ）であった。試験溶接のみの
目的で、ベベル角度θは０゜、２゜、３゜、４゜および
５゜の内一つに等しくなるように選定された。ランド高
さh1は0.635mm（0.025インチ）から1.27mm（0.050イン
チ）まで変えられ、延長面の半径Ｒは0.81mm（0.032イ
ンチ）から1.57mm（0.062インチ）まで変えられた。
347型ステンレス鋼製の直径10.2cm（４インチ）の管に
好適に適用された。直径10.2cm（４インチ）の管は肉厚
ｔが6.35mm（0.250インチ）であった。試験溶接のみの
目的で、ベベル角度θは０゜、２゜、３゜、４゜および
５゜の内一つに等しくなるように選定された。ランド高
さh1は0.635mm（0.025インチ）から1.27mm（0.050イン
チ）まで変えられ、延長面の半径Ｒは0.81mm（0.032イ
ンチ）から1.57mm（0.062インチ）まで変えられた。
開先形状の代替好適実施例によれば、丸みをつけたラ
ンド延長部の代わりに、図3Bに示すような角度45゜の遷
移部2dが用いられる。
ンド延長部の代わりに、図3Bに示すような角度45゜の遷
移部2dが用いられる。
溶接中、図５に示すように、２本の管２および４を両
管の間に開先８が存在するように端と端を合わせて水平
位置に置く。リング形の消耗挿入体16が、開先８のルー
トにおいて対向管端のランド間に置かれた。これは両ラ
ンドの半径方向不整合を補正するためのものである。第
１（ルート）パス中、接合すべき両管の間の開先は橋わ
たしされなければならない。ランドと消耗挿入体（オプ
ション）は、溶け合って溶接ルートを形成する材料とな
る。ルートパスの後、ホット（第２）パスがなされ、次
いで幾つかの溶加材パスと一つ以上のキャップパスがな
される。
管の間に開先８が存在するように端と端を合わせて水平
位置に置く。リング形の消耗挿入体16が、開先８のルー
トにおいて対向管端のランド間に置かれた。これは両ラ
ンドの半径方向不整合を補正するためのものである。第
１（ルート）パス中、接合すべき両管の間の開先は橋わ
たしされなければならない。ランドと消耗挿入体（オプ
ション）は、溶け合って溶接ルートを形成する材料とな
る。ルートパスの後、ホット（第２）パスがなされ、次
いで幾つかの溶加材パスと一つ以上のキャップパスがな
される。
オプションとして設けられるこの挿入体は、溶加ワイ
ヤと同じ組成を有し得るが、そうでなくてもよい。溶接
開発中、308L型または347型ステンレス鋼製の挿入体が
使用された。相異なる断面を有する複数の挿入体が試さ
れ、例えば、次の断面、すなわち、0.81×1.4mm（0.032
×0.055インチ）、1.78×3.05mm（0.070×0.120イン
チ）、2.3×3.18mm（0.090×0.125インチ）、0.94×3.0
5mm（0.037×0.120インチ）および1.27×3.18mm（0.050
×0.125インチ）の断面が満足し得るものであった。
ヤと同じ組成を有し得るが、そうでなくてもよい。溶接
開発中、308L型または347型ステンレス鋼製の挿入体が
使用された。相異なる断面を有する複数の挿入体が試さ
れ、例えば、次の断面、すなわち、0.81×1.4mm（0.032
×0.055インチ）、1.78×3.05mm（0.070×0.120イン
チ）、2.3×3.18mm（0.090×0.125インチ）、0.94×3.0
5mm（0.037×0.120インチ）および1.27×3.18mm（0.050
×0.125インチ）の断面が満足し得るものであった。
本溶接方法においてイオン化状態で比較的低い電気抵
抗をもつ溶接ガス、例えば、純粋なアルゴンではなく、
アルゴンと水素および（または）ヘリウムの混合物を使
用すると、（電極の端と溶接継手の底との間の）アーク
長さを減らすことができ、従ってアークは、他の溶接方
法におけるより電極に接近している継手両壁に移らなく
なる。好適なガス混合物は比較的高温であり（比較的高
い温度までイオン化し）、そして比入熱率（specific
heat input rate）を最大にできるようにして、速い
キャップパス速度から得られる利益を最大にする。この
ような高温ガス混合物の代表的な従来の用途は、溶接生
産を欠陥がないように改善することであり、ここに述べ
るような残留応力状態の改善ではない。アークが継手の
両壁に移行することを防止するために本溶接方法におい
て特定される代替方法は、電極の表面を、アークの移行
が望まれる先端を除外して、溶接ガス混合物をイオン化
するために比較的大きな抵抗を有するセラミックのよう
な材料で被覆することである。この備えは、電極の長さ
に沿う縁（形状不連続部）が、電極先端より好適なアー
ク移行箇所にならないことを確実にする助けになる。こ
の方法はまた、比較的幅広の継手を溶接する他の幾つか
の方法において実施されるように電気絶縁ガスカップ延
長部を継手に挿入する必要をなくする。
抗をもつ溶接ガス、例えば、純粋なアルゴンではなく、
アルゴンと水素および（または）ヘリウムの混合物を使
用すると、（電極の端と溶接継手の底との間の）アーク
長さを減らすことができ、従ってアークは、他の溶接方
法におけるより電極に接近している継手両壁に移らなく
なる。好適なガス混合物は比較的高温であり（比較的高
い温度までイオン化し）、そして比入熱率（specific
heat input rate）を最大にできるようにして、速い
キャップパス速度から得られる利益を最大にする。この
ような高温ガス混合物の代表的な従来の用途は、溶接生
産を欠陥がないように改善することであり、ここに述べ
るような残留応力状態の改善ではない。アークが継手の
両壁に移行することを防止するために本溶接方法におい
て特定される代替方法は、電極の表面を、アークの移行
が望まれる先端を除外して、溶接ガス混合物をイオン化
するために比較的大きな抵抗を有するセラミックのよう
な材料で被覆することである。この備えは、電極の長さ
に沿う縁（形状不連続部）が、電極先端より好適なアー
ク移行箇所にならないことを確実にする助けになる。こ
の方法はまた、比較的幅広の継手を溶接する他の幾つか
の方法において実施されるように電気絶縁ガスカップ延
長部を継手に挿入する必要をなくする。
低残留応力溶接方法によれば、溶接ビードが、開先内
に供給された溶加ワイヤを溶融するために薄く長いタン
グステン合金電極を用いることにより開先内に溶着され
る。電極は、図５に示すように電極と側壁との間に間隙
が生じるように開先８内にはまり込む。電極ブレード18
は溶接トーチ14に電気的に接続される。小さなベベル角
度と関連する平らな電極と、選定された溶接パラメータ
とにより、図1Cに示すような非常に薄い継手が設けられ
る。
に供給された溶加ワイヤを溶融するために薄く長いタン
グステン合金電極を用いることにより開先内に溶着され
る。電極は、図５に示すように電極と側壁との間に間隙
が生じるように開先８内にはまり込む。電極ブレード18
は溶接トーチ14に電気的に接続される。小さなベベル角
度と関連する平らな電極と、選定された溶接パラメータ
とにより、図1Cに示すような非常に薄い継手が設けられ
る。
非常に薄い溶接継手により、接合される両表面は互い
により接近して存在し得る。この接近の結果、両表面
は、他の場合に可能であるよりもかなり低い入熱率（す
なわち、優れた熱効率）でより小さな溶融池により同時
にぬらされる。溶着した溶加材と、溶接される母材への
各溶接パス毎の入熱のこの減少により、溶融域に隣接す
る熱影響部（HAZ）の寸法と温度をかなり減らすことが
でき、これに対応して敏感材料のSCC感受性が減少する
という利点が得られる。その結果、溶接される構成部の
厚さに沿う温度勾配はたいそう急になる。なぜなら、こ
の勾配は、溶融金属の比較的一定の高温と、（溶接部の
「ルート」パスまたは第１パスとしても知られる）構成
部の遠表面の減少した低温とによって制御されるからで
ある。非常に薄い溶接継手の場合に達成される構成部の
比較的急な温度勾配はまた、溶接部のルートにおいて残
留応力を比較的引張応力の少ない状態あるいは好ましく
は圧縮応力の状態にするという利点をもたらす。この改
善された応力状態はまた敏感材料のSCC感受性の低下を
もたらす。熱影響部における減少した熱的鋭敏化（すな
わち炭化物析出）と、溶接部のルートにおける改善され
た応力状態との併合効果は、腐食性環境にさらされる溶
接継手のSCC耐性をかなり高める。
により接近して存在し得る。この接近の結果、両表面
は、他の場合に可能であるよりもかなり低い入熱率（す
なわち、優れた熱効率）でより小さな溶融池により同時
にぬらされる。溶着した溶加材と、溶接される母材への
各溶接パス毎の入熱のこの減少により、溶融域に隣接す
る熱影響部（HAZ）の寸法と温度をかなり減らすことが
でき、これに対応して敏感材料のSCC感受性が減少する
という利点が得られる。その結果、溶接される構成部の
厚さに沿う温度勾配はたいそう急になる。なぜなら、こ
の勾配は、溶融金属の比較的一定の高温と、（溶接部の
「ルート」パスまたは第１パスとしても知られる）構成
部の遠表面の減少した低温とによって制御されるからで
ある。非常に薄い溶接継手の場合に達成される構成部の
比較的急な温度勾配はまた、溶接部のルートにおいて残
留応力を比較的引張応力の少ない状態あるいは好ましく
は圧縮応力の状態にするという利点をもたらす。この改
善された応力状態はまた敏感材料のSCC感受性の低下を
もたらす。熱影響部における減少した熱的鋭敏化（すな
わち炭化物析出）と、溶接部のルートにおける改善され
た応力状態との併合効果は、腐食性環境にさらされる溶
接継手のSCC耐性をかなり高める。
低残留応力溶接方法による熱影響部の入熱と寸法と温
度の減少に関連して得られる他の利点は、溶接中の結晶
粒成長が減少または無いことである。熱影響部における
有意の結晶粒成長およびこの区域における対応する熱的
鋭敏化は、さもなければSCCに耐える材料、例えば安定
化等級のオーステナイトステンレス鋼において「ナイフ
ラインアタック」形態のSCCを引起こす。
度の減少に関連して得られる他の利点は、溶接中の結晶
粒成長が減少または無いことである。熱影響部における
有意の結晶粒成長およびこの区域における対応する熱的
鋭敏化は、さもなければSCCに耐える材料、例えば安定
化等級のオーステナイトステンレス鋼において「ナイフ
ラインアタック」形態のSCCを引起こす。
比較的幅広の開先と円筒形電極とを用いて溶接した従
来の継手と比べて、低残留応力溶接方法によって作られ
た継手のルートにおける改良残留応力状態は、溶接過程
中の応力逆転により生じる。溶接中、高温の弱められた
熱影響部と、凝固したばかりの溶接金属は、比較的低温
で強い周囲材料に対するそれらの熱膨張により塑性的に
圧縮される。冷却時に、この圧縮域は周囲材料に対して
収縮しそして引張残留応力の状態に置かれる。この収縮
と対応引張応力は周囲材料、特に溶接ルートと均衡関係
にあり、所望の比較的小さな引張応力の状態あるいはさ
らに望ましい圧縮応力に達する。応力改善の程度は、使
用される特定の溶接方法パラメータに依存する。低残留
応力溶接方法において、溶接される構成部の水冷（外部
ヒートシンク作用）無しに溶接方法が熱影響部鋭敏化と
ルート引張残留応力をかなり減少させるのに有効である
ための主要因は、この方法における入熱を非常に低くす
る能力（およびそれに対応する内部ヒートシンク作用）
であり、これは非常に薄い継手形状と、薄い非円形溶接
電極形状とにより可能になる。
来の継手と比べて、低残留応力溶接方法によって作られ
た継手のルートにおける改良残留応力状態は、溶接過程
中の応力逆転により生じる。溶接中、高温の弱められた
熱影響部と、凝固したばかりの溶接金属は、比較的低温
で強い周囲材料に対するそれらの熱膨張により塑性的に
圧縮される。冷却時に、この圧縮域は周囲材料に対して
収縮しそして引張残留応力の状態に置かれる。この収縮
と対応引張応力は周囲材料、特に溶接ルートと均衡関係
にあり、所望の比較的小さな引張応力の状態あるいはさ
らに望ましい圧縮応力に達する。応力改善の程度は、使
用される特定の溶接方法パラメータに依存する。低残留
応力溶接方法において、溶接される構成部の水冷（外部
ヒートシンク作用）無しに溶接方法が熱影響部鋭敏化と
ルート引張残留応力をかなり減少させるのに有効である
ための主要因は、この方法における入熱を非常に低くす
る能力（およびそれに対応する内部ヒートシンク作用）
であり、これは非常に薄い継手形状と、薄い非円形溶接
電極形状とにより可能になる。
低残留応力溶接方法で作られた継手のルートにおける
引張残留応力の減少の他の利点は、照射環境にさらされ
る材料の照射促進応力腐食割れ（IASCC）のメカニズム
に対する感受性の減少である。この有利な効果は、有害
元素の内部界面への拡散を遅らせることによって生じ
る。このような拡散は、比較的高い引張残留応力の影響
によって助長される。
引張残留応力の減少の他の利点は、照射環境にさらされ
る材料の照射促進応力腐食割れ（IASCC）のメカニズム
に対する感受性の減少である。この有利な効果は、有害
元素の内部界面への拡散を遅らせることによって生じ
る。このような拡散は、比較的高い引張残留応力の影響
によって助長される。
本発明のパッシブヒートシンク溶接方法は、上述の低
残留応力溶接方法を改良するものである。本発明の方法
は、溶接すべき全ての管や他種の構成部に適用し得るも
のである。本方法によれば、母材の伝導性自己冷却効果
だけでも、非常に高い溶接トーチ走行速度と組み合わさ
れた時、溶接中の構成部の水冷または他の補助冷却の必
要なしに構成部溶接継手の残留応力をかなり改善し得
る。独特な高いトーチ走行速度（毎分25.4cm（毎分10イ
ンチ）より高い速度）の使用により、本発明の方法は、
本来ほとんど自己ヒートシンク能力を持たない薄い、例
えば厚さ3.35mm（0.25インチ）および9.53mm（0.375イ
ンチ）の壁の材料の場合でも有効なものとされている。
高いトーチ走行速度は、高い解離／イオン化温度をもつ
溶接用ガスの使用により可能とされる。このようなガス
は、例えば、水素および（または）ヘリウムを含む不活
性ガス混合物である。
残留応力溶接方法を改良するものである。本発明の方法
は、溶接すべき全ての管や他種の構成部に適用し得るも
のである。本方法によれば、母材の伝導性自己冷却効果
だけでも、非常に高い溶接トーチ走行速度と組み合わさ
れた時、溶接中の構成部の水冷または他の補助冷却の必
要なしに構成部溶接継手の残留応力をかなり改善し得
る。独特な高いトーチ走行速度（毎分25.4cm（毎分10イ
ンチ）より高い速度）の使用により、本発明の方法は、
本来ほとんど自己ヒートシンク能力を持たない薄い、例
えば厚さ3.35mm（0.25インチ）および9.53mm（0.375イ
ンチ）の壁の材料の場合でも有効なものとされている。
高いトーチ走行速度は、高い解離／イオン化温度をもつ
溶接用ガスの使用により可能とされる。このようなガス
は、例えば、水素および（または）ヘリウムを含む不活
性ガス混合物である。
高いトーチ走行速度によって生じるかなり大きな壁両
面間温度勾配は、高い加熱効率と、高い加熱および冷却
速度と、利用される薄い継手設計と、各溶接パスの対応
小寸法との組合せにより得られる。所要の温度勾配と熱
応力と、その結果としての改善された残留応力分布は、
後に、溶接される材料の厚さに沿って生成される。最終
レベルの残留応力は、継手の外側パス、特にキャップパ
スが完了する際に生成される。
面間温度勾配は、高い加熱効率と、高い加熱および冷却
速度と、利用される薄い継手設計と、各溶接パスの対応
小寸法との組合せにより得られる。所要の温度勾配と熱
応力と、その結果としての改善された残留応力分布は、
後に、溶接される材料の厚さに沿って生成される。最終
レベルの残留応力は、継手の外側パス、特にキャップパ
スが完了する際に生成される。
溶接電流のレベルは、限られた範囲のトーチ走行速度
に対して、所望温度分布が壁の厚さに沿って設定される
ように調整される。必要なことは、壁の厚さの十分な部
分を十分高温にし、従ってその熱膨張により該部分が壁
の比較的低温の部分の均衡力により（熱くそして弱くな
っている間に）圧縮状態に変形されそしてその後周囲温
度への冷却後に引張状態になるようにすることである。
冷却後壁両面間の力の均衡を保つために、トーチが通過
した時に引張状態であった壁の部分はその後圧縮状態に
なる。これは所望の効果である。
に対して、所望温度分布が壁の厚さに沿って設定される
ように調整される。必要なことは、壁の厚さの十分な部
分を十分高温にし、従ってその熱膨張により該部分が壁
の比較的低温の部分の均衡力により（熱くそして弱くな
っている間に）圧縮状態に変形されそしてその後周囲温
度への冷却後に引張状態になるようにすることである。
冷却後壁両面間の力の均衡を保つために、トーチが通過
した時に引張状態であった壁の部分はその後圧縮状態に
なる。これは所望の効果である。
本発明のパッシブヒートシンク溶接方法が最も有効で
あるために望ましいことは、非常に速いキャップパスの
前に継手を充填するために用いられる溶接パラメータ
が、低入熱／低ひずみ型のものであり、従って、継手の
ルートにおける引張残留応力のレベルが最初に実際上な
るべく低くなることである。この点に関し、パッシブヒ
ートシンク溶接方法前の低残留応力溶接方法の使用は、
新しい溶接用途用の基本方法として非常に有利である。
残留応力の緩和を必要とする既存の標準型溶接部、特
に、薄い材料を接合する溶接部にとって、パッシブヒー
トシンク溶接方法の後続適用も有益であると期待され
る。キャップパス中に熱処理を施すことにより、すなわ
ち、下盛り材料を溶融せずに、残留応力状態を、降伏強
度より実質的に低い引張応力に、または好ましくは圧縮
状態まで緩和することができる。
あるために望ましいことは、非常に速いキャップパスの
前に継手を充填するために用いられる溶接パラメータ
が、低入熱／低ひずみ型のものであり、従って、継手の
ルートにおける引張残留応力のレベルが最初に実際上な
るべく低くなることである。この点に関し、パッシブヒ
ートシンク溶接方法前の低残留応力溶接方法の使用は、
新しい溶接用途用の基本方法として非常に有利である。
残留応力の緩和を必要とする既存の標準型溶接部、特
に、薄い材料を接合する溶接部にとって、パッシブヒー
トシンク溶接方法の後続適用も有益であると期待され
る。キャップパス中に熱処理を施すことにより、すなわ
ち、下盛り材料を溶融せずに、残留応力状態を、降伏強
度より実質的に低い引張応力に、または好ましくは圧縮
状態まで緩和することができる。
応力緩和の程度は、温度の関数としての材料の熱的お
よび機械的性質、並びに材料の厚さと一般的な溶接パラ
メータに依存する。本発明によるパッシブヒートシンク
溶接方法の独特な特徴は、（溶接継手外面の単位面積当
たりの）最終溶接比入熱率を比較的高い値に意図的に制
御して比較的短い時間にわたって適用することにより引
張残留応力がかなり減らされるか除去されることであ
り、そして一般に水を流すことによるような補助冷却で
のみ通常は達成されていた代表的な大きさの壁両面間温
度勾配（最終表面における金属の溶融温度以上の温度か
ら最初の表面における周囲温度近くの温度までの勾配）
を生じることである。
よび機械的性質、並びに材料の厚さと一般的な溶接パラ
メータに依存する。本発明によるパッシブヒートシンク
溶接方法の独特な特徴は、（溶接継手外面の単位面積当
たりの）最終溶接比入熱率を比較的高い値に意図的に制
御して比較的短い時間にわたって適用することにより引
張残留応力がかなり減らされるか除去されることであ
り、そして一般に水を流すことによるような補助冷却で
のみ通常は達成されていた代表的な大きさの壁両面間温
度勾配（最終表面における金属の溶融温度以上の温度か
ら最初の表面における周囲温度近くの温度までの勾配）
を生じることである。
比入熱率は、所望に応じ、高温溶接ガスを用いること
により、そして特に最終キャップパス中にトーチを独特
な高い前方走行速度で動かすことにより最大にされる。
比入熱率に対する２次調整が溶接電流および（または）
溶接電圧で制御される。本発明の教示による高いトーチ
走行速度（すなわち毎分25.4cm（毎分10インチ）より高
い速度）は、従来一般にアーク溶接にそして特にガスタ
ングステンアーク溶接に使用された速度より少なくとも
３倍速く、そして従来、健全な溶接作業には不適当と考
えられていた。本発明は極めて高いトーチ走行速度の効
果を利用して残留応力を大いに再分布させそして最適化
するものである。しかし、試験によってわかったよう
に、パッシブヒートシンク溶接方法は応力緩和に有効で
あるとともに、溶接構造健全性を損うことなく様々な種
類の機械化された用途に適するものである。
により、そして特に最終キャップパス中にトーチを独特
な高い前方走行速度で動かすことにより最大にされる。
比入熱率に対する２次調整が溶接電流および（または）
溶接電圧で制御される。本発明の教示による高いトーチ
走行速度（すなわち毎分25.4cm（毎分10インチ）より高
い速度）は、従来一般にアーク溶接にそして特にガスタ
ングステンアーク溶接に使用された速度より少なくとも
３倍速く、そして従来、健全な溶接作業には不適当と考
えられていた。本発明は極めて高いトーチ走行速度の効
果を利用して残留応力を大いに再分布させそして最適化
するものである。しかし、試験によってわかったよう
に、パッシブヒートシンク溶接方法は応力緩和に有効で
あるとともに、溶接構造健全性を損うことなく様々な種
類の機械化された用途に適するものである。
溶接方法の熱効率を制御する溶接方法パラメータの幾
つかは、アークガス組成と、トーチ走行速度と、アーク
電流値および電流脈動値とを含む。これらおよび他のパ
ラメータは、熱影響部とルート引張残留応力を出来るだ
け最小にするように選定された。管の直径と軸方向長さ
の測定で明らかになったことは、収縮が減り、その結果
溶接継手の近表面において、圧縮応力ではないにせよ、
比較的小さな引張応力が生じたことである。
つかは、アークガス組成と、トーチ走行速度と、アーク
電流値および電流脈動値とを含む。これらおよび他のパ
ラメータは、熱影響部とルート引張残留応力を出来るだ
け最小にするように選定された。管の直径と軸方向長さ
の測定で明らかになったことは、収縮が減り、その結果
溶接継手の近表面において、圧縮応力ではないにせよ、
比較的小さな引張応力が生じたことである。
相異なる不活性ガス混合物をシールドガスとして試験
した。アルゴンと水素またはヘリウムとの混合物はアー
クの温度を高めるので、溶接プールは基材をより迅速に
ぬらす。エネルギー密度が高いので、基材の表皮が迅速
に加熱され、表皮下の熱伝導のための時間が比較的少な
くですむ。これにより、従来知られているより薄い熱影
響部が形成される。水素またはヘリウムの追加はまたア
ークを短くするので、側壁に対する間隙が少なくです
む。
した。アルゴンと水素またはヘリウムとの混合物はアー
クの温度を高めるので、溶接プールは基材をより迅速に
ぬらす。エネルギー密度が高いので、基材の表皮が迅速
に加熱され、表皮下の熱伝導のための時間が比較的少な
くですむ。これにより、従来知られているより薄い熱影
響部が形成される。水素またはヘリウムの追加はまたア
ークを短くするので、側壁に対する間隙が少なくです
む。
相異なるトーチ走行速度が試験溶接中試用された。ル
ートパスは毎分12.7〜25.4cm（毎分5.0〜10.0インチ）
の速度で施された。ホットパス用のトーチ走行速度は毎
分14cm（毎分5.5インチ）と毎分42cm（毎分16.5イン
チ）との間で変動した。キャップパスは毎分25.4cm（毎
分10インチ以上の速度で施された。良好な溶接部、すな
わち近表面に降伏強度より実質的に低い減少した引張応
力あるいは圧縮応力が存在する溶接部が、毎分42cm（1
6.5インチ）、50.8cm（20インチ）および63.5cm（25イ
ンチ）のトーチ走行速度をキャップスに用いることによ
り得られた。
ートパスは毎分12.7〜25.4cm（毎分5.0〜10.0インチ）
の速度で施された。ホットパス用のトーチ走行速度は毎
分14cm（毎分5.5インチ）と毎分42cm（毎分16.5イン
チ）との間で変動した。キャップパスは毎分25.4cm（毎
分10インチ以上の速度で施された。良好な溶接部、すな
わち近表面に降伏強度より実質的に低い減少した引張応
力あるいは圧縮応力が存在する溶接部が、毎分42cm（1
6.5インチ）、50.8cm（20インチ）および63.5cm（25イ
ンチ）のトーチ走行速度をキャップスに用いることによ
り得られた。
本発明により作られた溶接部の内面でのＸ線回折測定
は、かなりの応力改善が達成されたことを示し、溶接ル
ート内およびその近辺の重要区域の全てが圧縮状態にあ
ることを示した。これは図6Aと図6Bおよび図7Aと図7Bに
見られ、これらの図はそれぞれ、本発明により突合せ周
囲溶接を施した347型および304型ステンレス鋼製の直径
４インチの管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向
残留応力を示す。Ｘ線回折の結果は、ASTM G36−73
「沸騰塩化マグネシウム溶液内で応力腐食割れ試験を実
施する標準推奨方法」に従って実施した試験により確認
された。
は、かなりの応力改善が達成されたことを示し、溶接ル
ート内およびその近辺の重要区域の全てが圧縮状態にあ
ることを示した。これは図6Aと図6Bおよび図7Aと図7Bに
見られ、これらの図はそれぞれ、本発明により突合せ周
囲溶接を施した347型および304型ステンレス鋼製の直径
４インチの管の内径で測定した軸方向残留応力と周方向
残留応力を示す。Ｘ線回折の結果は、ASTM G36−73
「沸騰塩化マグネシウム溶液内で応力腐食割れ試験を実
施する標準推奨方法」に従って実施した試験により確認
された。
本発明の他の特徴によれば、溶接トーチをキャップパ
ス中に横方向に振動させる。横方向トーチ振動の目的
は、近表面上に比較的広い軸方向長さにわたって圧縮応
力を発生させるような態様で熱を管の遠表面に拡散さ
せ、これにより溶接ルートにかかる曲げモーメントの集
中を減らしそして溶接部の両側の溶融線に沿う細かな周
方向割れを緩和することである。この横方向振動は、ヘ
ッドをモータ駆動によって前後に動かすことにより機械
的に実行することができ、或いはアークを片側から他の
側へ振れさせる振動電磁場を適用することにより電磁的
に実行することができる。
ス中に横方向に振動させる。横方向トーチ振動の目的
は、近表面上に比較的広い軸方向長さにわたって圧縮応
力を発生させるような態様で熱を管の遠表面に拡散さ
せ、これにより溶接ルートにかかる曲げモーメントの集
中を減らしそして溶接部の両側の溶融線に沿う細かな周
方向割れを緩和することである。この横方向振動は、ヘ
ッドをモータ駆動によって前後に動かすことにより機械
的に実行することができ、或いはアークを片側から他の
側へ振れさせる振動電磁場を適用することにより電磁的
に実行することができる。
他の代替方法によれば、２つ以上のビードを別々のキ
ャップパスにおいて並置し得る。多数のキャップパスを
施すと、熱が溶接中心線の両側に向かって横方向に分布
する。これも溶接ルートにかかる曲げモーメントの集中
を減らすためである。
ャップパスにおいて並置し得る。多数のキャップパスを
施すと、熱が溶接中心線の両側に向かって横方向に分布
する。これも溶接ルートにかかる曲げモーメントの集中
を減らすためである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ２１Ｄ 9/50 １０１ Ｃ２１Ｄ 9/50 １０１Ａ (31)優先権主張番号 ２５９，８０５ (32)優先日 平成６年６月15日(1994．6．15) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） 早期審査対象出願 (56)参考文献 特開 昭54−127847（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−175079（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−159294（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−258190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−122631（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 31/00 B23K 9/022 B23K 9/167 C21D 1/09 C21D 9/08 C21D 9/50
Claims (7)
- 【請求項１】部品間の狭い溶接開先（８）内を移動しう
るブレード電極（10または18）によって、近表面におけ
るルートパスと前記近表面から遠表面への方向に前記ル
ートパス上に順次積み重ねた複数のパスとにより少なく
とも部分的に形成された溶接継手（６）により深さ方向
に接合されたそれぞれ６度未満のベベル角度を有する第
１および第２金属部品（２、４）を溶接および／または
熱処理する方法であって、この溶接および／または熱処
理の前では前記金属部品が前記近表面に、前記溶接継手
の材料の降伏強度に等しいかまたはそれより大きい残留
引張応力を有している場合における前記溶接および／ま
たは熱処理する方法において、 キャップパスの際に、毎分25.4cm（毎分10インチ）より
大きいトーチ走行速度で前記遠表面に沿って走行する電
極（10または18）の先端から電流のアークを放出するこ
とによって前記溶接継手の前記遠表面を加熱して、これ
により前記近表面と前記遠表面との間の材料厚さにわた
り温度分布を生成する段階と、次いで前記遠表面を冷却
させて、これにより圧縮応力または前記残留引張応力よ
り小さな引張応力を前記近表面に生成する段階とを含
み、前記加熱段階と前記冷却段階を前記近表面の外部に
ヒートシンクなしに行うことを特徴とする方法。 - 【請求項２】前記遠表面を形成する材料の溶融なしに前
記遠表面を加熱することを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項３】前記加熱段階中に溶加材を加える段階を含
むことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】前記加熱段階を水素およびヘリウムの内の
一方または両方を含む不活性ガス雰囲気内で行うことを
特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項５】前記アークが前記電極先端（10cまたは18
c）の走行中に横方向に振動することを特徴とする請求
項１記載の方法。 - 【請求項６】前記加熱段階が第１および第２軸方向位置
それぞれにおける前記電極の第１および第２平行パスか
らなることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項７】前記電極が平らな概して３角形のブレード
の形状をしている請求項１記載の方法。
Applications Claiming Priority (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/231,614 US5670072A (en) | 1994-04-22 | 1994-04-22 | Method and apparatus for joining metal components with mitigation of residual stresses |
| US08/231,614 | 1994-04-22 | ||
| US08/237,732 | 1994-05-04 | ||
| US08/237,732 US5527441A (en) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Welding electrode with flat blade |
| US231,614 | 1994-06-15 | ||
| US237,732 | 1994-06-15 | ||
| US259,805 | 1994-06-15 | ||
| US08/259,805 US5688419A (en) | 1994-04-22 | 1994-06-15 | Method for mitigating residual stresses in welded metal components using high torch travel speeds |
| US08/259,805 | 1994-06-15 | ||
| PCT/US1995/004773 WO1995029266A1 (en) | 1994-04-22 | 1995-04-19 | Method for mitigating residual stresses in welded metal components using high torch travel speeds |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09512486A JPH09512486A (ja) | 1997-12-16 |
| JP3137985B2 true JP3137985B2 (ja) | 2001-02-26 |
Family
ID=27398205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07527722A Expired - Lifetime JP3137985B2 (ja) | 1994-04-22 | 1995-04-19 | 高いトーチ走行速度を用いて溶接金属部品における残留応力を緩和する方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0756643B1 (ja) |
| JP (1) | JP3137985B2 (ja) |
| CA (1) | CA2185996C (ja) |
| DE (1) | DE69517808T2 (ja) |
| ES (1) | ES2147609T3 (ja) |
| WO (1) | WO1995029266A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US5714735A (en) * | 1996-06-20 | 1998-02-03 | General Electric Company | Method and apparatus for joining components with multiple filler materials |
| JP2006159226A (ja) * | 2004-12-06 | 2006-06-22 | Hitachi Ltd | 裏波溶接方法 |
| US7591057B2 (en) * | 2005-04-12 | 2009-09-22 | General Electric Company | Method of repairing spline and seal teeth of a mated component |
| DE102014008867A1 (de) * | 2014-06-16 | 2015-12-17 | Linde Aktiengesellschaft | Schweißbrenner zum Schweißen oder Schneidbrenner zum Schneiden mittels eines Lichtbogens |
| CN119387982B (zh) * | 2024-11-06 | 2025-09-12 | 青岛盛恒机电科技有限公司 | 一种枕梁组焊生产线 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1343963A (fr) * | 1962-12-21 | 1963-11-22 | Yawata Iron & Steel Co | Procédé de chauffage avec un arc mis magnétiquement en oscillation |
| US4302658A (en) * | 1978-03-13 | 1981-11-24 | Allegheny Ludlum Steel Corporation | Welding silicon steel |
| GB2044296A (en) * | 1979-02-07 | 1980-10-15 | Electric Power Res Inst | Method of Heat Treating an Object Having a Welded Joint |
| JPS59159294A (ja) * | 1983-02-28 | 1984-09-08 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 管外周面肉盛溶接による残留応力の改善方法 |
| JPS59159293A (ja) * | 1983-02-28 | 1984-09-08 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 溶接入熱制御による残留応力の改善方法 |
| SE8904065L (sv) * | 1988-12-07 | 1990-06-08 | Hitachi Ltd | Metod att foerbaettra egenskaperna hos svetsare paa austenitiskt rostfritt staal |
-
1995
- 1995-04-19 JP JP07527722A patent/JP3137985B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-19 ES ES95917042T patent/ES2147609T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-19 DE DE69517808T patent/DE69517808T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-19 WO PCT/US1995/004773 patent/WO1995029266A1/en not_active Ceased
- 1995-04-19 EP EP95917042A patent/EP0756643B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-04-19 CA CA002185996A patent/CA2185996C/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1995029266A1 (en) | 1995-11-02 |
| EP0756643B1 (en) | 2000-07-05 |
| DE69517808T2 (de) | 2001-03-08 |
| CA2185996A1 (en) | 1995-11-02 |
| MX9604943A (es) | 1998-05-31 |
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