高温溶接における高圧プロセス条件の有益な使用

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12434 (2022) この記事を引用

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高圧溶接は、さまざまな鋼の多くの水中用途で補修溶接プロセスとして使用されます。 湿式溶接プロセスと乾式溶接プロセスでは違いが生じる場合があります。 周囲圧力が上昇するため、これらのプロセスには、冷却および浸透挙動に影響を与えるプロセス固有の特別な機能が備わっています。 水中用途以外でこれらの効果を積極的に利用することは、現在、科学や応用分野で取り上げられることはほとんどありません。 発表された研究では、高強度構造用鋼に基づいてこれらの利点が確立され、接合された S700MC 鋼の微細構造と接合部の機械的特性に対する影響が特徴付けられています。 高圧環境を使用すると、溶接をシートの深さ方向に向けることができることがわかります。 さらに、この変化は冷却の修正につながり、それ自体が溶接シームの機械的特性に影響を与えることが示されます。

高圧環境条件下での溶接は、水中での生産や修理に長年使用されてきました。 水中での施工場所により、溶接シームの施工には非常に複雑な補助装置が必要になる場合があります1。 たとえば、乾式環境と湿式環境での溶接など、さまざまなタイプの水中溶接プロセスが区別されます2。 乾燥雰囲気で溶接するための装置は、手動溶接用のミニ生息地と同様に、非常に複雑になる場合があります1、3。 さらに、水中溶接関連の研究活動は過去 10 年間で増加しています 2 (図 1)。論文数は増加しており、2020 年には年間約 80 件の論文が出版されると予想されています。

水中溶接研究（2020年第1四半期までのデータ）2．

研究のテーマの 1 つは、水を含む雰囲気と周囲圧力の上昇によるプロセスへの影響です4。 さらに、周囲圧力が増加すると、同じ溶接電圧でアーク長が大幅に減少することが示されました 3、5、6、7、8、9。 電流と電圧への影響に加えて、圧力増加によるスパッタ形成への影響​​も示されています10。

材料の分野では、主に研究されている高張力鋼の微細構造形態、表面粗さ、亀裂挙動に対する水素含有量の明らかな影響が示されています11、12、13、14、15。 アクセルセンら。 X70 パイプライン高張力鋼にさまざまな種類の溶加材を使用すると、さまざまな圧力レベルに適した靭性値を達成できることが示されました 16。 さらに、彼らは、圧力の増加により溶接の溶け込み深さが増加することを示し 16 、ルートギャップの充填や層数の減少など、いくつかの実際的な影響を推定しました。 彼らは、浸透の増加に関する最初の理論を提案し、溶融物中の流動効果に焦点を当てました。 圧力の上昇により、流れが下向きになり、より深い浸透が形成されると述べられています。

また、さまざまな調査に含まれる資料の範囲もますます広範囲になっています。 たとえば、高圧プロセス条件下での銅またはアルミニウム合金 17 と二相ステンレス鋼 18、19 の溶接が研究されています。 アルミニウム合金の場合、アルミニウムの溶接に関する重要な問題である気孔の減少には、最大 10 bar の低圧範囲での高圧溶接の有益な使用が想定されます 17。

一部の材料については、高圧プロセス条件下でのモリブデン合金の溶接 20 や、被覆された多材料パイプラインの溶接 21 など、さらなる研究が求められています。

しかし、周囲圧力の増加による溶接生産におけるプラスの利点については、研究ではほとんど取り上げられていませんが、アーク短縮効果とそれに対応する可能性のある電圧によってアーク内のエネルギー密度の大幅な増加が実現できるため、これは興味深いものです。増加。 さらに、周囲圧力の上昇によりアークが収縮し、局所的なエネルギー密度が増加します。

Dutra が修正溶接プロセスについて示したように、エネルギー密度の増加は溶接線のより深い溶け込みにつながります22。 ブナジフら。 は、高い周囲圧力での CMT モードによる溶接でも同様の効果を示しました5。

Azar et al. が述べているように、アークのエネルギー密度が増加すると、溶接深さが増加し、凝固条件が変化するはずです。 予測23およびBunazivら。 修正された溶接プロセスを示しています5。 さらに、アークの収縮は、通常の GMA 溶接の場合と同様、使用されるシールドガス混合物によって決まります24。 Azar は熱冷却サイクルをモデル化して検証し、冷却 t8/5 時間に対する圧力の影響を発見しましたが、この影響は軽微なものとして分類しました 25。 他の研究では、冷却時間への影響が重要であると考えられます。 冷却時間を変更すると、溶接金属と HAZ の機械的特性が異なります。

この論文で紹介する研究は、高圧溶接プロセスの焦点を水中溶接から従来の溶接プロセスの潜在的な改善に移すことを目的としています。 この目的のためには、溶接プロセスの境界条件、周囲圧力、幾何学的および機械的な溶接金属と HAZ (熱影響部) の特性の間の基礎的な関係についての知識が非常に重要です。 したがって、以下に示す研究では、高圧溶接中の設定変数に対する溶接形状の依存性に関するモデルが導出されます。 導出された統計モデルにより、溶接深さと溶接金属の硬さの関係の概要が得られます。 文献の解釈と調査結果の議論における結果の焦点は、水を含むセットアップを使用しない溶接における高圧プロセス環境の有益な使用に焦点を当てます。

溶接製造における高圧溶接の有益な使用を調査するために、外部ワイヤ供給装置を備えた高圧チャンバーが実現されました (図 2 および 3)。 このチャンバーは最大 50 bar の内圧に耐えることができ、接合ゾーンへの視覚的なアクセスが可能です。 ワイヤ電極はゲートシステムを介して外部から給電されます。 これにより、周囲圧力の上昇による溶接電源への影響が排除されます。 サンプルの移動は、個別に制御された直線移動テーブルを介して実行されました。

高圧室のスキーム17。

溶接室17．

以下の調査では、溶接電源の非相乗動作モードでの実験の統計計画に従って、2 bar ～ 16 bar の周囲圧力、溶接電圧および溶接電流が測定されました。 アルゴンをシールドガスとしてテストチャンバーに供給し、実験に必要な圧力まで圧力を補充しました。

使用したベース材料である S700MC 低合金高張力鋼の化学組成は、発光分光法によって測定されました。 結果を表１に示す。

細粒構造用鋼では通常のことですが、チタン、バナジウム、ニオブの元素と、より多くの割合のマンガンを含むマイクロ合金が存在します。 S700MC の微細構造は非常に細粒のフェライト質で、顕著なローリングテクスチャーを持っています (図 4)26。

断面S700MC26。

大きな塊状の窒化チタンの沈殿物（黄色がかっています）が、拡大すると微細構造全体にわたって見えます。 試験材料の準静的機械的特性を決定するために引張試験が実施されました (表 2)。 したがって、サンプルを採取する際に圧延方向を考慮しました26。 表示された値は、試験した 3 つの試験片の平均値です。

溶接フィラー金属の化学組成も、4 層の二次元肉盛溶接の発光分光分析によって決定され、表 3 に示されています。使用した溶接材料の直径は 1.2 mm でした。 統計的実験計画は、Modde ソフトウェア (バージョン 12.1) を使用して設定および評価されました。

溶接試験は、表 4 に示すように、統計的 D 最適実験計画法 (DoE) に従って実行されました。D 最適実験計画では、情報行列の行列式が最大化されます。 この基準により、線形回帰モデルの未知のパラメーターに対する信頼楕円体の体積が最小化されます。 さらに、DOE は、さまざまな縫い目の特性に対する周囲圧力の影響を説明するための統計モデルを導出する機会を提供します。 DoE の変更可能な変数は、非相乗溶接プロセスの溶接電圧、周囲圧力、および溶接電流です。 ワイヤ送りの設定点も示されています。 特に溶接電流はワイヤ送給速度と相関関係があります。 結果の評価では、測定電流の平均値が設定値と一致するため、ワイヤ送給速度ではなく溶接電流を設定値として使用することを選択します。 予想されていた、発生する溶接電流と電圧に対する周囲圧力の重大な影響は発生していません (「冷却時間」セクションを参照)。 したがって、この場合、溶接機が制御変数として電流に固執する可能性があります。 突き出し量は17mmに設定しました。 トーチは、使用した基板の表面に対して角度を付けずに垂直に配置されました。 表 4 に、ビードオンプレート溶接の溶接深さと硬さ (HV0.2) の測定結果を示します。 表４に示す硬さ測定値（ＨＶ０．２）は、母材から少なくとも溶接金属の中央に至る硬さ測定線の溶接金属内の最後の１０点の平均値である。 一例を図 5 に示します。溶接深さは、図 5 に示すような断面で決定されます。

硬度測定（例）。

溶接速度は３０ｃｍ／分とした。 使用した溶接機はEWM Alpha Q 551でした。ワイヤ径は1.2 mm、シールドガスにはアルゴンを使用しました。

周囲圧力、溶接電流、溶接電圧、溶け込み深さの関係について、導出された統計モデルを図 6 に示します。 統計的実験計画を表 4 に示します。溶接深さの増加に対する周囲圧力の影響を図 6 に示します。圧力が増加すると、溶接深さは増加します。 ただし、その効果は、17 で示されたアルミニウム合金ほど顕著ではありません。 これらの結果は、Xue らの発見によって裏付けられています。 27年に発表されました。 最大溶接深さは、高い溶接電圧と溶接電流で達します。

プレート上のビード溶接の溶け込みの統計モデル。

これらの結果とアルミニウムに関する研究から得られた知見17,28、つまり溶接電圧と溶接電流の関数としての溶接深さの極大値は、図 7 に示すテスト領域を超えて形成されると想定できます。溶接深さは、次のように測定されました。断面は溶接開始点から 50 mm 後方で採取されます。 測定断面の一例を図8に示します。

統計モデルで想定される極大値。

(a) 断面 500A、35 V、16 bar。 (b) 断面 350 A 40 V 9 bar。

この場合、周囲圧力が上昇したため、低圧力での溶接シームと比較して、より指状のシーム形状が発生しました（図 8）。さらに、溶接プロセスの観察では、高エネルギー溶接プロセスの増加により、溶接シームの形状が増加しました。 Dutra et al.22 が研究で説明しているように、周囲圧力と断面の指のような形状は埋もれた円弧を示しています。 この埋もれたアークは目視観察でも確認されています。 埋没アークは、500 A を超える溶接電流によって発生する可能性のある溶接アークです29,30。 このアークは中華鍋の表面の下で燃えます (図 6、比較 29、30、31、32)。

また、この円弧により、ビードの形状がよりフィンガー状になり、溶接シームの準備でより小さな角度を使用できるようになり、マルチラン溶接で溶接する必要がある層の数が少なくなる可能性があります17。 これを証明するために、いくつかの単一実行ではあるが 15 mm シートの溶接がセクション 2 に示されています。 「バットジョイント」 アーク内のエネルギー密度の増加が観察された効果は、極端な場合には埋もれたアークにつながりますが、溶融池の流れはより深い溶け込みを生み出すように形作られているという Akselsen らの理論 16 と組み合わせることで、説明できるはずです。ここおよび文献に記載されている効果。 馬場ら。 は、埋め込みアークにより必要な溶接パス数を大幅に削減できることを示しました30。 圧力の増加によるアークの収縮により、埋没アークは 500 A 未満の電流でも発生する可能性があります。埋没アークの典型的な下向き拡張形態は、350 A および 8 bar の圧力ですでに発生しています (図 8b)。

図 9 は、異なる周囲圧力 (2 bar と 16 bar) で同じ溶接電圧と溶接電流、同じ溶接速度を使用した 2 つの溶接シーム間の直接比較を示しています。 2 bar での溶接シームは 16 bar での溶接シームよりも大幅に幅が広くなります。 一方、溶接シーム幅全体にわたるフィンガー形状の溶接シームの始まりも 200 A で見られます。図 9 に示すように、このフィンガー形状の特徴は溶接電流の増加とともに深くなります。 これらの結果は文献と同じ傾向を示しています。 特に、Bunaziv らの結果は次のとおりです。 高圧では貫通力が大幅に増加することが示されています5。

さまざまな周囲圧力に対する溶接部の形状と微細構造。

図 8 に示すように溶接深さが深くなり、埋め込みアーク効果が発生するため、高速度カメラで観察すると、決定的な画像が得られず、ほぼ黒のみになります。 したがって、埋もれたアークを提示することはできません。 埋込みアークの場合、図10に示すように、溶接アークは母材表面の下で材料内で燃焼します。

埋め込まれたアークの概略図。

溶接シームには、使用される溶加材に典型的な針状フェライトの微細構造が見られます。 さらに、粒界フェライトが形成され、より高い接合エネルギーレベルが得られます。 発見された微細構造は、このタイプのフィラー金属に典型的なものです 26,33。 エネルギーレベルが低い場合、粒子サイズのわずかな減少が予想されますが、これもこのタイプのフィラーの典型的な現象です。 しかし、溶接継ぎ目の粒径の定量的な決定はまだ決定的ではありません。 図 11 は、異なる周囲圧力下での 2 つの低エネルギー溶接の断面を示しています。 図の下半分には溶接金属の微細組織が見られます。 どちらの図でも、旧オーステナイト粒界内にアキュキュラーフェライトが観察されます。 さらに、初析フェライトの部分が存在する。

微細構造。 左側: 500A 30 V 2 バー、右側: 500A 35 V 9 バー。

アザールら。 は、より高い溶接エネルギーと増加した周囲圧力による微細構造の変化を予測しました23。 これは結果によって裏付けられています。 冷却の違いによる微細構造の違いは、高エネルギー溶接プロセスで現れます（図 11）。この場合、針状フェライト（AF）に加えて、粒界フェライト（GBF）が低雰囲気圧力で発生します。 より高い周囲圧力による冷却の変化に対して、粒界フェライトはより速い冷却を示す微細構造を示します。 これは、粒界フェライト中の針状ベイナイト微細構造を示しています。 これは、溶接金属中心の SEM 画像（図 11）によって裏付けられています。粒界フェライト内では、セメンタイトのラメラがますます見えてきます。

要約すると、微細構造はこの充填材の典型的なものであり、さまざまなエネルギー レベルと圧力の間に定量化可能な差異はほとんどないと言えます。

微細構造の特性評価の結果は、溶接部の硬さの結果と一致します。 溶接金属の硬度を測定するために、微小硬度シリーズ (HV0.2) を母材金属から溶接金属に配置し、溶接金属に 10 個のくぼみを作成しました。 表 4 に示す値は、溶接金属の 10 個の圧痕の平均値です (図 5 を参照)。 図 12 は、周囲圧力、溶接電流、溶接電圧の関数としての硬度の統計モデルの等高線図を示しています。 溶接電流が増加すると、単位長さあたりのエネルギーが増加するため、予想どおり硬度が低下します。 さらに、図 12 は、周囲圧力の増加に伴い、より低い溶接電圧 (33 V 未満) の領域で硬度がわずかに低下することを示しています。 溶接電圧が高くなると (33 V 以上)、硬度がわずかに増加します。 溶接電圧が高く、圧力および/または電流が高い場合、埋込みアークの発生により材料内のエネルギー散逸が変化し、溶接効率が向上します。 つまり、溶接線の冷却が遅くなり、硬度が低くなります。 より低い電圧/電流でアークが埋もれている場合、エネルギー散逸プロセスに関与するガスの量が増えるため、アーク効率は大幅に低下します。 さらに、中程度の溶接電圧では周囲圧力による硬度の変化がない範囲があります。 このことから、周囲圧力の増加により冷却時間が変化する可能性が高いと結論付けることができます。 溶接電圧が低い場合、この動作は Azar らの結果によって裏付けられています。 およびパルシンら。 より高い電圧の場合25、34。

周囲圧力、溶接電圧、溶接電流に応じた等高線プロットの硬さ。

溶接製造における高圧プロセス環境のプラスの効果を実証するために、S700MC 製の板厚 15 mm のバーを、同じく S700MC 製のバッキング プレートを使用して接合しました。 統計モデルで選択された溶接深さを超えて可能な溶接深さを増やすために、5 mm のウェブと 40° の開口角度を備えた Y シーム準備が選択されました。 プロセス変数として 35 V および 500 A (ワイヤ送り 22.3 m/min) を設定しました。 図 13 は、2 bar で達成された溶接の断面を示しています。 この図には、溶接の準備も概略的に示されています。 溶接部の形状と形状はすべての周囲圧力で同等であり、フィンガー形状の溶け込みにより、低い周囲圧力でも単層 15 mm 厚の MSG 溶接が可能であることがわかります。 これらのテストでは、シールド ガスとしてもアルゴンが使用されました。 ただし、冷却時間には大きな違いがあります。 埋込みアークが溶接中の層数の大幅な削減に寄与する可能性は、馬場らによって実証されています30。 さらに、彼らは必要な溶接準備も削減できることを示しました。 前の章で示した圧力増加時の埋没アークの安定化は、特に 500 A 溶接電流以下の範囲での使用において、溶接製造プロセスの可能性を示しています。

厚さ 15 mm のベースプレートの突き合わせジョイント Y 溝溶接シームの準備 (2 バー)。

冷却時間を決定するために、突合せ継手を溶接するときに、溶接シーム準備の左右に 3 mm の距離にタイプ K 熱電対をスポットしました。 それらは、溶接される溶接長さの中央に位置しました。

図 14 は、決定された t8/5 時間の周囲圧力への依存性を示しています。 また、同じく記録した溶接電流と溶接電圧の平均値から求めた単位長さ当たりのエネルギーを図14に示します。単位長さ当たりのエネルギーは雰囲気圧力の影響を受けません。 対照的に、冷却時間は、周囲圧力が冷却時間に与える明らかな影響を示しています。 周囲圧力が高いと冷却時間が長くなり、溶接部の冷却が遅くなります。 これは、アーク効率の変化によって説明できます。 周囲圧力が高くなると、アークの収縮（埋没アーク効果にもつながります）がアーク効率の増加につながります。 ここでの核心は、より深く溶け込むことによる熱伝導条件の変化です。 これは、溶接シーム構造のわずかな軟化を示す溶接シームの硬さのモデルと一致しており、冷却時間が長くなったことを示しています。 冷却時間に対する圧力増加の影響は Azar らによって示されています 25 が、その冷却時間は 2 秒と比較的速く、これは水中用途では一般的です。 この場合、示されている冷却時間は 10 ～ 20 秒の範囲であり、このタイプの母材の「通常の」溶接では一般的です。 アーク効率への影響は、二相ステンレス鋼の高圧 TIG 溶接についてもファレルによって提案されました 19。

周囲圧力の関数としての冷却時間と溶接エネルギー。

発表された研究は、周囲圧力の増加により、より深く、より指のような溶接シームの特性が得られることを示しています。これは、水中以外の環境で使用して、溶接シームの準備の角度を小さくし、より深いため層数を減らすことができます。溶接の溶け込み。 さらに、アーク効率の変化によるアークエネルギー入力の依存性が示されていますが、これについてはさらに調査する必要があります。 提示された結果は既存の文献と一致しています。

溶接シームの減少および溶接シーム準備の減少の可能性は、5 mm の 40° Y 字型溶接シーム準備を備えた厚さ 15 mm のプレートの単一シーム継手について例示的に示されています。

さらに、プロセス値の関数として硬度と針入度の統計モデルが設定されました。 導出された統計モデルは、層ごとの目標溶接深さの周囲圧力など、溶接プロセスに必要なプロセス値を特定するのに役立ちます。

周囲圧力の増加を通じて埋没アークを安定させることにより、厚肉部品に必要な溶接層の数を大幅に減らすことができます。 ただし、厚肉部品に高圧溶接を実装するには、さらなる開発段階が必要です。 それにもかかわらず、埋め込みアークを安定させるために必要な圧力は比較的低いため、チャンバーを使用せずに局所的に圧力を高める概念を実装できるはずであることも示されています。

提示された調査に加えて、82% のアルゴンと 18% の二酸化炭素の混合物をシールドガスとして使用することが計画されています。 靱性やその他の機械的特性に対する周囲圧力の影響の決定も保留中です。 この場合、HAZ の微細構造の詳細な研究も計画されています。 さらに、次の大きなステップは、示された効果を利用するための室外高圧溶接トーチの開発です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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クラウスタール材料技術センター - クラウスタール工科大学、ライプニッツ通り 9、38678、クラウスタール ツェラーフェルト、ドイツ

K. トロイトラー & S. ブレチェルト

溶接機械研究所 - クラウスタール工科大学、農業大学。 2、38678、クラウスタール ツェラーフェルト、ドイツ

H. ウィッチ & V. ウェスリング

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この寄稿のための実験作業は、VW および HW の監督のもと、SB および KT によって行われました。 資金提供の承認は、HW、VW、および KT によって実行されました。 得られたデータの解釈は、KT によって行われました。 VW および HWKT は、主要な原稿テキストを書き、 KT と SB が図を作成しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

K. トロイトラーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Treutler, K.、Brechelt, S.、Wiche, H. 他高強度低合金鋼の溶接における高圧プロセス条件の有益な使用。 Sci Rep 12、12434 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16184-5

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受信日: 2021 年 10 月 8 日

受理日: 2022 年 7 月 6 日

公開日: 2022 年 7 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16184-5

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