JP2012187630A

JP2012187630A - 開先形状

Info

Publication number: JP2012187630A
Application number: JP2011228491A
Authority: JP
Inventors: Koji Yanaka; 幸司谷中
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】ルート部にルートギャップがあっても、アーク、ワイヤ及びビームが裏面側に突き抜けたり回り込んだりするようなことが防止され、高品位で安定した裏波溶接が行える開先形状を提供する。
【解決手段】一対の被溶接材料２の端面３同士を突き合わせるように対向配置してなるルート部４を有し、ルート部４を、突き合わせ方向Ｃに垂直な厚さ方向Ｔのうち一方を向く表面から溶接するとともに他方を向く裏面５Ｂに裏波ビードを形成する裏波溶接に用いられる開先形状であって、ルート部４には、突き合わせ方向Ｃに対向する端面３同士の間にルートギャップ６が形成され、端面３同士のうち一端面３Ａが、厚さ方向Ｔの表面から裏面５Ｂ側に向かうに従い漸次突き合わせ方向Ｃの他端面３Ｂ側に向かい傾斜して形成され、ルート部４を表面側から見て、ルートギャップ６を通して、一端面３Ａが当該ルート部４の内底面をなすように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、アーク溶接やビーム溶接などを用いた金属同士の突き合わせ溶接において、突き合わせ方向に垂直な厚さ方向を向く表裏面のうち表面から裏波溶接を行う際に、溶接のアークやワイヤ、又は、レーザなどのビームが裏面側へ突き抜けることを防止して、高品位な裏波ビードを形成できる開先形状に関する。

従来、鋼などの金属同士の突き合わせ溶接には、高密度エネルギーのアーク溶接法や、レーザビーム、電子ビームなどを用いたビーム溶接法が使われており、これら金属同士の対向する領域のうち、ルート部と言われる開先の底部を互いに突き合わせて溶接することが多い。図６は、従来の開先形状の一例であり、符号１００は溶接する金属である板又は管などの被溶接材料、符号１０１は被溶接材料の厚さ、符号１０２は開先のルート部、符号１０３はルート部１０２の厚さ方向Ｔ（図６における上下方向）に沿う長さ（ルートフェース）、符号１０４はルート部１０２において突き合わせ方向Ｃ（図６における左右方向）に対向する被溶接材料の端面同士の間隔（ルートギャップ）、を示している。

そして、高密度のエネルギーで溶接するがために、ルート部１０２におけるルートギャップ１０４は、できる限り０ｍｍに近づけ狭くすることが求められており、これによって、適切な裏波溶接（図６において厚さ方向Ｔを向く表裏面のうち一方を向く表面１０５Ａからルート部１０２を溶接して、他方を向く裏面１０５Ｂに溶接ビードを形成する）を行うようにしている。
具体的に、アーク溶接法の場合、ルートギャップ１０４が０．３ｍｍを超えると、溶接のアークやワイヤが裏面１０５Ｂ側に突き抜け、溶接が安定して持続できなくなる。また、レーザなどのビーム溶接法の場合、ルートギャップ１０４が０．２ｍｍを超えると、ビームが裏面１０５Ｂ側に突き抜け、溶接が困難となる。

例えば、下記特許文献１〜５には、被溶接材料の対向する端面同士を突き合わせて、開先のルート部で嵌合させる種々の形状が提案されている。これらに共通して言えるのは、いずれもルートギャップ１０４を可及的０ｍｍに近づけ、芯ずれや食違い（表面１０５Ａの目違い）を抑制することを目的としていることである。具体的に、例えば下記特許文献２の段落００３７には、開先合わせ後のがたつき（ルートギャップ）を、大きいものでも０．２ｍｍに抑えることが記載されている。

特開２００６−２２６２５９号公報特開２００４−２６８０５２号公報特許第３９５９７９４号公報特許第２６１１３９８号公報実開昭６１−１２５８７号公報

しかしながら、前述した従来の開先形状では、下記の課題があった。
すなわち、ルート部１０２のルートギャップ１０４を０ｍｍにすることは、被溶接材料１００の端面加工精度や突き合わせ精度等により実際には困難であり、該ルートギャップ１０４が０．２ｍｍを超えた場合に、溶接を精度よく行うことができなかった。
詳しくは、アーク溶接法又はビーム溶接法において、ルートギャップ１０４が少なくとも０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ開いた場合に溶接が不安定となり、ビード形状の不良や溶接欠陥が発生することがあった。

具体的に、０．９ｍｍ〜１．６ｍｍの細径のワイヤを用いたマグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接法の場合、ルートギャップ１０４が０．３ｍｍを超えると、アークがルート部１０２から裏面１０５Ｂ側に回ったりワイヤが裏面１０５Ｂに突き抜けたりして、溶接アークが途切れ安定した溶接が持続できなくなり、ビード形状の不良や溶け込み不良などの溶接欠陥が生じていた。
また、レーザなどのビーム溶接法の場合、ルートギャップ１０４が０．２ｍｍを超えると、レーザビームがルート部１０２を溶かさずに裏面１０５Ｂ側に突き抜けてしまい、溶接が持続できなかった。
また、裏面１０５Ｂ側に突き抜けたアークやビームなどにより、銅等からなる裏当て金１０６が損傷してしまうことがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ルート部にルートギャップがあっても、アーク、ワイヤ及びビームが裏面側に突き抜けたり回り込んだりするようなことが防止され、高品位で安定した裏波溶接が行える開先形状を提供することを目的としている。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明は、一対の被溶接材料の端面同士を突き合わせるように対向配置してなるルート部を有し、前記ルート部を、突き合わせ方向に垂直な厚さ方向のうち一方を向く表面から溶接するとともに他方を向く裏面に裏波ビードを形成する裏波溶接に用いられる開先形状であって、前記ルート部には、前記突き合わせ方向に対向する前記端面同士の間にルートギャップが形成され、前記端面同士のうち一端面が、前記厚さ方向の表面から裏面側に向かうに従い漸次前記突き合わせ方向の他端面側に向かい傾斜して形成され、前記ルート部を前記表面側から見て、前記ルートギャップを通して、前記一端面が当該ルート部の内底面をなすように配置されていることを特徴とする。

本発明の開先形状によれば、ルート部には、突き合わせ方向に対向する被溶接材料の端面同士の間にルートギャップが形成されており、このルート部を厚さ方向の表面側から見て、前記ルートギャップを通して、前記端面同士のうち一端面が当該ルート部の内底面をなすように配置されている。これにより、下記の作用効果を奏することになる。
すなわち、ルート部を、厚さ方向の表面側から裏波溶接する際、アーク溶接法におけるアークやワイヤ、及び、ビーム溶接法におけるビームは、当該ルート部の内底面をなすように配置された一端面に当てられて、裏面側に突き抜けたり回り込んだりするようなことが確実に防止される。

これにより、アーク溶接法においては、溶接アークやワイヤが裏面側に直接突き抜けて溶接が途切れてしまうようなことが防止され、ビーム溶接法においては、レーザビームが裏面側に突き抜けて溶接が持続できなくなるようなことが防止されて、安定した裏波溶接が持続可能である。
また、ルートギャップを設けた状態で安定して溶接できるので、従来のようにルートギャップをできる限り０ｍｍに近づけるような調整は必要なく、よって被溶接材料を溶接台などに設置する作業が簡単であるとともに作業時間が短縮でき、かつ、溶接機械などによる自動化が容易である。

そして、このように作業性が向上して生産性が高められつつも、裏波ビードの形状不良や溶け込み不良などの溶接欠陥が確実に防止されて、高品位な裏波ビードを形成することができる。
さらに、アーク、ワイヤ及びビームが裏面側に突き抜けないので、銅等からなる裏当て金が損傷するようなことが防止されて、部品交換の頻度が少なくなり、作業能率がより向上するとともに、設備費用が削減される。

また、本発明の開先形状において、前記ルートギャップは、０．２ｍｍを超えて０．５ｍｍ以下であることとしてもよい。

この場合、ルートギャップが０．２ｍｍを超えて設定されているので、裏波溶接する際、ルート部を裏面まで確実に溶融できるとともに、裏波ビードを高品位に形成できる。また、ルートギャップが０．５ｍｍ以下に設定されているので、ルートギャップ内にアークが潜り込んでしまうことがなく、よって溶接電流・溶接電圧に変動が生じるようなことが抑制されて、高品位で安定した裏波溶接が行える。

また、本発明の開先形状において、前記一端面が前記突き合わせ方向の他端面側に向けて突出する突出量が、０．５ｍｍ以上であることとしてもよい。

この場合、前記一端面がルート部の内底面をなすように確実に配置されて、前述の効果が精度よく得られる。

また、本発明の開先形状において、前記一端面が、前記他端面における前記突き合わせ方向の一端面側の先端から、前記突き合わせ方向の他端面側に向けて突出する被り量が、１．０ｍｍ以上であることとしてもよい。

この場合、前記一端面が突き合わせ方向の他端面側に向けて十分に突出することになるとともに溶接時の熱容量が確保されて、当該一端面が溶接により溶け落ちてしまうようなことが防止される。よって、前述の効果が確実に得られることになる。
すなわち、前記被り量が１．０ｍｍ未満の場合には、前記一端面が容易に溶け落ちる可能性があり、ルートギャップを通して裏当て金に直接アークやビームが照射されて、溶接不良となったり裏当て金が損傷したりするおそれがある。

本発明の開先形状によれば、ルート部にルートギャップがあっても、アーク、ワイヤ及びビームが裏面側に突き抜けたり回り込んだりするようなことが防止され、高品位で安定した裏波溶接が行える。

本発明の一実施形態に係る開先形状を示す側断面図である。図１の開先形状のルート部を拡大して示す図である。本発明の一実施形態に係る開先形状の変形例を示す側断面図である。本発明の一実施形態に係る開先形状の変形例を示す側断面図である。本発明の一実施形態に係る開先形状の変形例を示す側断面図である。従来の開先形状を示す側断面図である。本発明の実施例及び比較例の熱伝導解析結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る開先形状１について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態の開先形状１は、鋼等の金属からなり、板状又は管状をなす被溶接材料２の対向する端面３同士を溶接するための、開先継ぎ手の構造である。この開先形状１は、一対の被溶接材料２の端面３同士を突き合わせるように対向配置してなるルート部４を有し、該ルート部４を、突き合わせ方向Ｃ（図１における左右方向）に垂直な厚さ方向Ｔ（図１における上下方向）のうち一方（図１における上方）を向く表面５Ａから溶接するとともに他方（図１における下方）を向く裏面５Ｂに裏波ビードを形成する裏波溶接に用いられる。

図示される開先形状１は、自動化された溶接によく用いられる所謂Ｕ形開先であって、ルート部４よりも厚さ方向Ｔの一方側（図１の上側）に位置する部位において対向する被溶接材料２同士の間の距離が、該ルート部４において対向する端面３同士の間の距離よりも大きくなっている。この開先形状１は、開先底部に位置するルート部４において被溶接材料２同士が最も接近して配置されており、該ルート部４において突き合わせ方向Ｃに対向する端面３同士の間に隙間が設けられることによって、ルートギャップ６が形成されている。

また特に図示しないが、被溶接材料２は、溶接台等に着脱可能にクランプ固定されており、このように被溶接材料２が固定された状態で、ルート部４の突き合わせ方向Ｃに沿うルートギャップ６が、０．２ｍｍを超えて０．５ｍｍ以下となっている。また、ルート部４の厚さ方向Ｔに沿う長さ７（ルートフェース）は、例えば１．８ｍｍ程度となっており、被溶接材料２の厚さ８に対して十分に小さく設定されている。

また、ルート部４において突き合わせ方向Ｃに対向する端面３同士のうち、一端面３Ａ（図１において右側に位置する端面３）は、厚さ方向Ｔの表面５Ａから裏面５Ｂ側に向かうに従い漸次突き合わせ方向Ｃに沿う他端面３Ｂ（図１において左側に位置する端面３）側に向かい傾斜して形成されている。また、前記端面３同士のうち他端面３Ｂは、厚さ方向Ｔの表面５Ａから裏面５Ｂ側に向かうに従い漸次突き合わせ方向Ｃに沿う一端面３Ａから離間する向きに向かい傾斜して形成されている。
このように、開先形状１は、突き合わせ方向Ｃに垂直な仮想平面（不図示）に関して、左右非対称（非面対称）となっている。

本実施形態では、図２に示される側断面視において、一端面３Ａと他端面３Ｂとが互いに平行となっており、これにより、ルート部４の上端におけるルートギャップ６と下端におけるルートギャップ６とが互いに同一の値となっている。

また、一端面３Ａが、突き合わせ方向Ｃに沿って他端面３Ｂ側（図２における左側）に向けて突出する突出量９は、０．５ｍｍ以上となっている。好ましくは、突出量９は、１．２ｍｍ以上である。本実施形態では、一端面３Ａが突き合わせ方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θが、４５°となっており、従って突出量９がルートフェース７と同一の値（１．８ｍｍ程度）となっている。尚、傾斜角θは、３０°〜６０°の範囲内に設定されることが好ましい。

また、他端面３Ｂが、突き合わせ方向Ｃに沿って一端面３Ａから離間する向き（図２における左側）に向けて後退する後退量１０は、０．５ｍｍ以上となっている。本実施形態においては、他端面３Ｂと一端面３Ａとが平行であるから、後退量１０は突出量９と同一の値（１．８ｍｍ程度）である。

また、一端面３Ａが、他端面３Ｂにおける突き合わせ方向Ｃの一端面３Ａ側（図２における右側）の先端１１から、突き合わせ方向Ｃの他端面３Ｂ側に向けて突出する被り量１２は、１．０ｍｍ以上となっている。つまり、一端面３Ａと他端面３Ｂとが突き合わせ方向Ｃに互いに被さり合う長さが、前記被り量１２である。本実施形態においては、被り量１２が、１．３ｍｍ〜１．６ｍｍ程度となっている。

そして、ルート部４を表面５Ａ側から見て、ルートギャップ６を通して、一端面３Ａが当該ルート部４の内底面をなすように配置されている。すなわち、表面５Ａを正面に見て、ルート部４のルートギャップ６は、凹状をなすように形成されているとともに、該ルートギャップ６の表面５Ａ側（図２における上側）を向く底面（内底面）をなすように、一端面３Ａが位置しているのである。

つまり、この開先形状１は、開先の端面３同士の間にルートギャップ６が設けられていながらも、該ルートギャップ６は厚さ方向Ｔに沿って直進して形成されてはおらず、厚さ方向Ｔに対して傾斜して延びているため、ルート部４を表面５Ａ側から見たときに、一端面３Ａに遮られて、ルートギャップ６の裏面５Ｂ側（図２における下側）に位置する裏当て金（不図示）等が目視できない状態となっている。

以上説明したように、本実施形態の開先形状１によれば、ルート部４には、突き合わせ方向Ｃに対向する被溶接材料２の端面３同士の間にルートギャップ６が形成されており、このルート部４を厚さ方向Ｔの表面５Ａ側から見て、ルートギャップ６を通して、裏面５Ｂ側の裏当て金等を目視することはできず、代わりに端面３同士のうち一端面３Ａが当該ルート部４の内底面をなすように配置されている。これにより、下記の作用効果を奏することになる。
すなわち、ルート部４を、厚さ方向Ｔの表面５Ａ側から裏波溶接する際、アーク溶接法におけるアークやワイヤ、及び、ビーム溶接法におけるビームは、当該ルート部４の内底面をなすように配置された一端面３Ａに当てられて、裏面５Ｂ側に突き抜けたり回り込んだりするようなことが確実に防止される。

これにより、アーク溶接法においては、溶接アークやワイヤが裏面５Ｂ側に直接突き抜けて溶接が途切れてしまうようなことが防止され、ビーム溶接法においては、レーザビームが裏面５Ｂ側に突き抜けて溶接が持続できなくなるようなことが防止されて、安定した裏波溶接が持続可能である。
また、ルートギャップ６を設けた状態で安定して溶接できるので、従来のようにルートギャップ６をできる限り０ｍｍに近づけるような調整は必要なく、よって被溶接材料２を溶接台などに設置する作業が簡単であるとともに作業時間が短縮でき、かつ、溶接機械などによる自動化が容易である。

そして、このように作業性が向上して生産性が高められつつも、裏波ビードの形状不良や溶け込み不良などの溶接欠陥が確実に防止されて、高品位な裏波ビードを形成することができる。
さらに、アーク、ワイヤ及びビームが裏面５Ｂ側に突き抜けないので、銅等からなる裏当て金が損傷するようなことが防止されて、部品交換の頻度が少なくなり、作業能率がより向上するとともに、設備費用が削減される。

また、ルートギャップ６が、０．２ｍｍを超えて０．５ｍｍ以下であるので、下記の効果を奏する。
すなわち、ルートギャップ６が０．２ｍｍを超えて設定されているので、裏波溶接する際、ルート部４を裏面５Ｂまで確実に溶融できるとともに、裏波ビードを精度よく高品位に形成できる。また、ルートギャップ６が０．５ｍｍ以下に設定されているので、ルートギャップ６内にアークが潜り込んでしまうことがなく、よって溶接電流・溶接電圧に変動が生じるようなことが抑制されて、高品位で安定した裏波溶接が行える。

また、一端面３Ａが突き合わせ方向Ｃの他端面３Ｂ側に向けて突出する突出量９が、０．５ｍｍ以上であるので、一端面３Ａがルート部４の内底面をなすように確実に配置されて、前述の効果が精度よく得られる。尚、突出量９が、１．２ｍｍ以上である場合には、被り量１２を確保でき、溶接アークやワイヤ、レーザビームの前述の突き抜け等がより確実に防止され、好ましい。

また、一端面３Ａが、他端面３Ｂにおける突き合わせ方向Ｃの一端面３Ａ側の先端１１から、突き合わせ方向Ｃの他端面３Ｂ側に向けて突出する被り量１２が、１．０ｍｍ以上であるので、一端面３Ａが突き合わせ方向Ｃの他端面３Ｂ側に向けて十分に突出することになるとともに溶接時の熱容量が確保されて、当該一端面３Ａが溶接により溶け落ちてしまうようなことが防止される。よって、前述の効果が確実に得られることになる。
すなわち、被り量１２が１．０ｍｍ未満の場合には、一端面３Ａが容易に溶け落ちる可能性があり、ルートギャップ６を通して裏当て金に直接アークやビームが照射されて、溶接不良となったり裏当て金が損傷したりするおそれがある。

尚、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、例えば下記に示すように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

すなわち、前述の実施形態では、開先形状１がＵ形開先であることとしたが、これに限定されるものではなく、それ以外のＶ形開先等であっても構わない。
また、ルート部４が開先底部に位置しているとしたが、ルート部４は、開先の厚さ方向Ｔに沿う中央部に位置していても構わない。

また、ルート部４において対向する端面３同士のうち、図１の右側に一端面３Ａが配置され、左側に他端面３Ｂが配置されているとしたが、これらの位置関係が逆であってもよい。

また、前述の実施形態においては、ルート部４の厚さ（ルートフェース７）が２ｍｍ弱と比較的薄く設定されているために、一端面３Ａの溶け落ちやアーク・ビーム等の突き抜けを防止する目的で、傾斜角θは３０°〜６０°が好ましいと説明したが、特にビーム溶接法においては、ルートフェース７を１０ｍｍ程度に確保することがあり、このような場合は、傾斜角θは前述の数値範囲に限定されず、より広範囲に設定可能である。

また、前述の実施形態では、ルートギャップ６が０．２ｍｍを超えて０．５ｍｍ以下であると説明したが、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、ルートギャップ６が設けられていさえすれば（つまり対向する端面３Ａ、３Ｂ同士の距離が０ｍｍを超えていれば）常に効果を奏するものであるから、ルートギャップ６の範囲は前述のものに限定されない。ただし、ルートギャップ６が前述の範囲内である場合には、顕著な効果を奏する。

また、図１及び図２に示される開先の側断面視において、一端面３Ａ及び他端面３Ｂは、直線状に延びて形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば曲線状や、段階的に向きが変わる折れ線状等に形成されていても構わない。

また、前述の実施形態では、一端面３Ａと他端面３Ｂとが互いに平行となっており、ルート部４の上端及び下端におけるルートギャップ６が互いに同一の値となっていることとしたが、これに限定されるものではない。すなわち、一端面３Ａと他端面３Ｂとは、互いに非平行であっても構わない。そして、ルートギャップ６が、厚さ方向Ｔの表面５Ａから裏面５Ｂ側に向かうに従い漸次増大又は縮小するように形成されていてもよい。

ここで、図３〜図５に示されるものは、本発明の開先形状１に用いられるルート部４の変形例である。
図３に示す例では、ルート部４において対向する端面３同士のうち、この側断面視における一端面３Ａの上部が、厚さ方向Ｔに沿って延びており、一端面３Ａの下部が、厚さ方向Ｔに対して傾斜して延びている。また、他端面３Ｂの上部が、前記一端面３Ａの上部に対応するように厚さ方向Ｔに沿って延び、他端面３Ｂの下部が、前記一端面３Ａの下部に対応するように厚さ方向Ｔに対して傾斜して延びている。
この場合、ルート部４を表面５Ａ側から見て、ルートギャップ６を通して、一端面３Ａの下部が当該ルート部４の内底面をなすように配置されて、前述の実施形態と同様の効果が得られる。

また、図４に示す例では、ルート部４において対向する端面３同士のうち、この側断面視における一端面３Ａの上部が、厚さ方向Ｔに対して傾斜して延びており、一端面３Ａの下部が、厚さ方向Ｔに沿って延びている。また、他端面３Ｂの上部が、前記一端面３Ａの上部に対応するように厚さ方向Ｔに対して傾斜して延び、他端面３Ｂの下部が、前記一端面３Ａの下部に対応するように厚さ方向Ｔに沿って延びている。
この場合、ルート部４を表面５Ａ側から見て、ルートギャップ６を通して、一端面３Ａの上部が当該ルート部４の内底面をなすように配置されて、前述の実施形態と同様の効果が得られる。

また、図５に示す例では、この側断面視において、ルート部４の一端面３Ａ及び他端面３Ｂが、厚さ方向Ｔに対して互いに異なる傾斜で延びている。詳しくは、一端面３Ａにおける厚さ方向Ｔに沿う単位長さあたりの突き合わせ方向Ｃ（図５における左側）への変位量が、他端面３Ｂにおける前記変位量よりも大きくなっている。そして、一端面３Ａの裏面５Ｂ側の端部（下端部）と、他端面３Ｂの裏面５Ｂ側の端部とが、互いに当接して配置されている。
この場合、被溶接材料２同士を突き合わせ方向Ｃに接近させ、対向する端面３同士を互いに当接させることにより、ルートギャップ６が所定の値に精度よく決まりやすくなり、溶接前の位置決めがより簡単であるとともに、裏波溶接が安定する。

その他、本発明の前述の実施形態及び変形例で説明した構成要素を、適宜組み合わせても構わない。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、前述の構成要素を周知の構成要素に置き換えることも可能である。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこの実施例に限定されるものではない。

下記表１の実施例１〜４は、本実施形態で説明した開先形状１において、ルートギャップ６を種々に設定した場合のアーク溶接法による裏波溶接の結果（評価）を示すものである。尚、この裏波溶接には、図１及び図２に示される開先形状１を用いた。また、ルートフェース７は１．８ｍｍ、突出量９は１．８ｍｍ、傾斜角θは４５°とした。
そして、実施例１においては、ルートギャップ６を０ｍｍに設定した。
実施例２においては、ルートギャップ６を０．３ｍｍに設定した。
実施例３においては、ルートギャップ６を０．５ｍｍに設定した。
実施例４においては、ルートギャップ６を０．７ｍｍに設定した。
また、各実施例における溶接電流、溶接電圧の値は、表１に示す通りである。

表１の結果からわかるように、本発明の開先形状１においては、ルートギャップ６が０．７ｍｍに及ぶ場合であっても（すなわち、従来では溶接困難と言われた０．２ｍｍに対して３倍以上のルートギャップ６が設けられていたとしても）、アークがほぼ安定することが確認された。
さらに、ルートギャップ６が０．５ｍｍ以下に設定された実施例１〜３においては、アークがより安定して潜り込み現象も生じず、溶接電流、溶接電圧の値もほぼ安定して、良好に裏波溶接できることが確認された。

また、図７は、本発明の開先形状（実施例５）及び従来の開先形状（比較例１）の熱伝導解析結果を示すものである。具体的には、実施例５として図１及び図２に示される開先形状１を用い、比較例１として図６に示される開先形状を用いて、非定常熱伝導解析を行い、温度分布をＦＥＭ解析したものである。

解析にあたり、開先形状については下記の設定とした。
実施例５の開先形状１は、図１における被溶接材料２の厚さ８：１２ｍｍ、ルートフェース７：１．８ｍｍ、図２における突出量９：１．８ｍｍ、ルートギャップ６：０．０５ｍｍ、被り量１２：１．７５ｍｍとした。
また、比較例１の開先形状は、図６における被溶接材料１００の厚さ１０１：１２ｍｍ、ルートフェース１０３：１．８ｍｍ、ルートギャップ１０４：０．０５ｍｍとした。

尚、被溶接材料２、１００の材質は互いに同一（鋼管ＳＴＰＧ３７０）とした。また、ルートギャップ６、１０４を０．０５ｍｍとしたのは、比較例１のルートギャップ１０４を０．２ｍｍ以下に設定しないと現実的に溶接が困難となり、実施例５との対比ができないためである。

また、溶接条件については下記の設定とした。
被溶接材料２、１００の表面５Ａ、１０５Ａ側から開先底部に向けて、ルートギャップ６、１０４を中央として突き合わせ方向Ｃの幅が１．５ｍｍの範囲となるように線熱源を与え、非定常での熱伝導解析を行う。
尚、熱源は０．５５秒に４５５Ｊを一定の勾配で与える。すなわち、４５５Ｊ／０．５５秒＝８２７．３Ｗの熱量を、０．５５秒間与えることで計算する。

図７は、上記の条件で開先形状に線熱源を付与した後、０．１１３秒における実施例５及び比較例１の温度分布を示しており、この熱伝導解析結果より、下記のことがわかった。
すなわち、線熱源の付与後０．１１３秒の時点で、実施例５及び比較例１ともに、ルートギャップ６、１０４の表面５Ａ、１０５Ａ側部分の温度が１６００℃（溶融温度以上）に達しており、比較例１（図７の上部に示される開先の温度分布）については、ルートギャップ１０４の裏面１０５Ｂ部分の温度も１６００℃に達している。一方、実施例５（図７の下部に示される開先の温度分布）においては、ルートギャップ６の裏面５Ｂ部分の温度が６５０℃〜８５０℃程度であり、温度が低く抑えられている。

つまり、実施例５では、ルートギャップ６における表面５Ａ側部分の熱容量が十分に確保されて一端面３Ａ及び他端面３Ｂの溶け込みが確実に行われつつ、その一方で、ルートギャップ６の裏面５Ｂ側部分における一端面３Ａの先鋭部分の溶け落ちが防止されている。具体的に、実施例５では、一端面３Ａにおいて他端面３Ｂ側を向く先端部が先鋭形状となっているにも係わらず、この先鋭部分の温度上昇が抑えられて、溶け落ちが防止される。そして、この図７に示される状態からさらに線熱源を与えていくことにより、裏波溶接が精度よく行われるようになっている。従って、実施例５の開先形状１によれば、高品位な裏波溶接が連続的に安定して行える。

一方、比較例１では、ルートギャップ１０４全体の温度が上昇しており、このことは、ルート部１０２の温度上昇がルートギャップ１０４の設定（間隔）に大きく依存していることを示唆している。仮に、ルートギャップ１０４が上記０．０５ｍｍより広く設定された場合（特に０．２ｍｍを超える場合など）には、ルートギャップ１０４周りの温度上昇が十分でなくなったり、線熱源が裏当て金１０６に直接当たって該裏当て金１０６が損傷したりする可能性がある。

１開先形状
２被溶接材料
３端面
３Ａ一端面
３Ｂ他端面
４ルート部
５Ａ厚さ方向の一方を向く表面
５Ｂ厚さ方向の他方を向く裏面
６ルートギャップ
９一端面の突き合わせ方向に沿う突出量
１１他端面の突き合わせ方向に沿う一端面側の先端
１２一端面と他端面の突き合わせ方向の被り量
Ｃ突き合わせ方向
Ｔ厚さ方向

Claims

一対の被溶接材料の端面同士を突き合わせるように対向配置してなるルート部を有し、前記ルート部を、突き合わせ方向に垂直な厚さ方向のうち一方を向く表面から溶接するとともに他方を向く裏面に裏波ビードを形成する裏波溶接に用いられる開先形状であって、
前記ルート部には、前記突き合わせ方向に対向する前記端面同士の間にルートギャップが形成され、
前記端面同士のうち一端面が、前記厚さ方向の表面から裏面側に向かうに従い漸次前記突き合わせ方向の他端面側に向かい傾斜して形成され、
前記ルート部を前記表面側から見て、
前記ルートギャップを通して、前記一端面が当該ルート部の内底面をなすように配置されていることを特徴とする開先形状。
請求項１に記載の開先形状であって、
前記ルートギャップは、０．２ｍｍを超えて０．５ｍｍ以下であることを特徴とする開先形状。
請求項１又は２に記載の開先形状であって、
前記一端面が前記突き合わせ方向の他端面側に向けて突出する突出量が、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする開先形状。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の開先形状であって、
前記一端面が、前記他端面における前記突き合わせ方向の一端面側の先端から、前記突き合わせ方向の他端面側に向けて突出する被り量が、１．０ｍｍ以上であることを特徴とする開先形状。