JP2020146745A - 溶接方法及び構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカットの発生を抑制する。【解決手段】母材１の表面１ａにおける溶接ビードの止端部となる部分に沿って、母材１の表面１ａから突出したリップ部２を形成する工程と、リップ部２に隣接する溶接パスを、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうち少なくともリップ部２の表面と接する部分に溶融金属の表面張力による懸垂効果を作用させつつアーク溶接する工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、アンダーカットの発生を抑制し得る溶接方法及び構造部材に関し、特に下向き以外の姿勢で行う溶接に好適な溶接方法及び構造部材に関する。

特許文献１は、アルミニウム押出形材の突合せ溶接接合方法を開示している。この方法では、アンダーカットが形成され得るビード止端部を、後の除去工程で除去される部分に形成しておき、溶接後、形材の一部とともに除去する。

特開２０１６−１８２６３４号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法は、アンダーカットが形成され得るビード止端部を、アンダーカットの発生の有無に関わらず除去するものであり、母材におけるアンダーカットの発生そのものを抑制することは考慮されていない。

本開示の目的は、アンダーカットの発生を抑制することができる溶接方法及び構造部材を提供することにある。

本開示の一態様にかかる溶接方法では、母材の表面における溶接ビードの止端部となる部分に沿って、母材の表面から突出したリップ部を形成する工程と、アーク溶接する工程と、を備える。アーク溶接する工程では、リップ部に隣接する溶接パスを、溶融金属の表面の縁部のうち少なくともリップ部の表面と接する部分に溶融金属の表面張力による懸垂効果を作用させつつアーク溶接する。

リップ部の材料の融点は、溶融金属となる溶接材料の融点と母材の融点とのうちいずれか低い方の温度以上であり、かつ、溶接材料の融点と母材の融点とのうちいずれか高い方の温度以下であってもよい。

リップ部の横断面における母材の表面からリップ部の突出方向先端までの寸法は、２ｍｍ以上としてもよい。また、リップ部の横断面における断面積は、１１ｍｍ^２以上としてもよい。

リップ部は、ビードオンプレート溶接により形成してもよい。また、リップ部は、溶融金属と接する下向きの側面を有しており、側面は、リップ部の横断面において、水平に、または、リップ部の突出方向先端側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して配置されていてもよい。

本開示の他の一態様にかかる構造部材は、相手材に対して所定姿勢で溶接される構造部材である。該構造部材は、相手材との間に開先を形成するための開先面と、構造部材の表面上に開先に沿うように延在する、表面から突出したリップ部と、を有する。開先面は、リップ部の開先側の側面に隣接する第１領域を含み、リップ部の開先側の側面は、第１領域に隣接する第２領域を含む。所定姿勢は、第１領域の外向き法線ベクトルと鉛直下向きベクトルとのなす内角が０°以上９０°以下となり、かつ、第２領域の外向き法線ベクトルと鉛直下向きベクトルとのなす内角が０°以上９０°以下となる姿勢である。

上記溶接方法及び構造部材によれば、アンダーカットの発生を抑制することができる。

第１実施形態にかかる溶接方法を示す断面図である。 第１実施形態にかかる溶接方法の要部を示す断面図である。 第１実施形態の比較例にかかる溶接方法を示す断面図である。 第２実施形態にかかる溶接方法を示す断面斜視図である。 第２実施形態の比較例にかかる溶接方法を示す断面斜視図である。 第３実施形態にかかる溶接方法の要部を示す断面図である。 第３実施形態の比較例にかかる溶接方法を示す断面図である。 第４〜第６実施形態にかかる構造部材を示す斜視図である。 第４実施形態にかかる構造部材の要部を示す断面図である。 第５実施形態にかかる構造部材の要部を示す断面図である。 第６実施形態にかかる構造部材の要部を示す断面図である。

まず、いくつかの実施形態にかかる溶接方法について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において実質的に同一の機能を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態では、図１及び図２に示すように、消耗電極式ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）を横向き姿勢にて行う。

使用する被溶接材（以下、母材）１は、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）タンク用の９％Ｎｉ鋼（ＪＩＳ Ｇ３１２７：低温圧力容器用ニッケル鋼鋼板）である。溶接材料には、例えばＮｉ基合金（ＡＷＳ Ａ５．１４：ＥＲＮｉＭｏ−８）のソリッドワイヤを使用することができる。Ｎｉ基合金の融点は、母材である９％Ｎｉ鋼の融点より約１００°Ｃ程度低い。なお、ソリッドワイヤの代わりに、スラグによる垂れ落ち防止効果を期待してフラックス入りワイヤを使用してもよい。シールドガスは、１００％アルゴンとするが、アークの安定性向上を期待して炭酸ガス等を少量混合したガスを使用してもよい。

図１及び図２に示すように、母材１である上下の鉛直板の接合部は、突合せ溶接継手となっており、溶接線が水平方向に延びるようにＶ形開先が形成されている。開先内の溶接は、例えば自動溶接により多層多パスで行う。具体的には、まず、図１（ａ）に示すように、第１層のビードＢ_１をパスａで形成し、次に、第２層のビードＢ_２，Ｂ_３を、第１層のビードＢ_１の表面上にパスｂ,ｃの順で下から盛り上げて形成する。続けて、第３層のビードＢ_４〜Ｂ_６を、第２層のビードＢ_２，Ｂ_３の表面上に、パスｄ，ｅ，ｆの順で下から盛り上げて形成する。このように下から上方に盛り上げて溶接することで、各層のビード形状を整えて溶接欠陥リスクを低下させることができる。なお、開先の裏側には、不図示の裏当て金を当ててもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、母材１の表面１ａにおける溶接ビードの止端部となる部分に沿って、リップ部２をビードオンプレート溶接により形成する。本実施形態では、母材１の表面１ａと開先面１ｂとの交線に沿った領域（以下、開先開口近傍部）１ｃ内の表面１ａ上に、リップ部２を形成する。リップ部２は、母材１の表面１ａから該表面１ａと直交する方向（図１の右方；以下、突出方向とも称する）に突出するように形成する。リップ部２は、その垂れ落ちを防止するため、開先内を溶接する際の電流、電圧、ワイヤ供給速度よりも低い電流、電圧、ワイヤ供給速度により溶接するとよい。なお、本明細書において「溶接ビードの止端部となる部分」とは、リップ部２を形成しない場合において、溶接ビードの表面と母材１の表面１ａとの境界及びその周辺部分を指す。

形成されたリップ部２は、図１（ｂ）及び図２に示すように、母材１の表面１ａ側の基端部２ａと表面１ａから突出方向に最も離れた先端部２ｂとを有する。リップ部２の横断面、すなわち溶接線に垂直な断面において、リップ部２の形状は、略半楕円状であり、基端部２ａから先端部２ｂ先端までの高さｈ_１は２ｍｍ以上、基端部２ａの幅ｗ_１は７ｍｍ以上、断面積は１１ｍｍ^２以上である。なお、リップ部２の断面形状は、図示したものに限らず、三角形、台形など多角形状、半円状などであってもよい。

また、リップ部２は、図２に示すように、基端部２ａと先端部２ｂとの間に下向きの（法線ベクトルが鉛直方向上向きの成分を有しない）側面２ｃを有している。側面２ｃは、リップ部２の横断面において、基端部２ａから先端部２ｂへ向かうに従って上方に位置するように表面１ａに対して傾斜している。

リップ部２を形成した後は、図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、第４層（最終層）のビードＢ_７〜Ｂ_１０を、第３層のビードＢ_４〜Ｂ_６の上に、パスｇ，ｈ，ｉ，ｊの順で下から盛り上げて形成する。

図１（ｄ）及び図２に示すように、リップ部２に隣接するビードＢ_１０をパスｊで形成する際は、リップ部２の下向きの側面２ｃが溶融金属Ｍに接する。そしてその際、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうち少なくともリップ部２の側面２ｃと接する部分には、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果が作用する。

以下、本実施形態にかかる溶接方法の作用効果について説明する。

（１）一般に横向き溶接は、図３に示すように、溶融金属Ｍが重力の影響を受けて垂れやすく、母材１の開先開口近傍部１ｃが露出しやすい。そのため、開先開口近傍部１ｃは、溶接トーチ３のアーク４でガウジングされやすく、アンダーカットＵが生じやすい。

本実施形態では、リップ部２に隣接する溶接パスであるパスｊの溶接を行う際、図２に示すように、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果を作用させた状態で溶接を行う。すなわち、溶融金属Ｍの一部をリップ部２に懸垂した状態で溶接を行う。

この状態では、溶融金属表面Ｍａの表面張力によって、上側の縁部Ｍｂ近傍の溶融金属Ｍが、リップ部２の側面２ｃに沿って先端部２ｂ側（図２の右側）に引き寄せられる。これは、当該縁部Ｍｂにおける、溶融金属表面Ｍａの接平面と、固体表面（リップ部２の表面）の接平面との間の気体側の角度θが、リップ部２を形成しない場合（図３参照）より小さくなることで、当該縁部Ｍｂが気体側に移動しやすくなるためと考えられる。すなわち、上記懸垂効果とは、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に作用する表面張力によって、当該部分近傍の溶融金属Ｍの自重の一部を支持することを意味する。言い換えれば、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に生じる表面張力を、当該部分近傍の溶融金属Ｍに対して上向きに作用させることを意味する。なお、表面張力を上向きに作用させるとは、溶融金属Ｍに作用する表面張力の鉛直方向成分が上向きであることを意味する。また、気体とは、溶融金属Ｍの周囲の空気またはシールドガスを指し、溶融金属表面Ｍａとは、溶融金属Ｍと気体とが接する界面を指す。

縁部Ｍｂ近傍の溶融金属Ｍが先端部２ｂ側に引き寄せられることより、溶融金属表面Ｍａは、図２に示すように、表面１ａと基端部２ａとの境界よりも先端部２ｂ側に位置する。そして、母材１の開先開口近傍部１ｃは、溶融金属Ｍとリップ部２とによって覆われることとなり、その露出が防止される。これにより、母材１にアンダーカットＵが生じることが抑制される。

また、開先開口近傍部１ｃにリップ部２を形成することで、開先開口近傍部１ｃの熱容量がリップ部２の分だけ増しているため、リップ部２に隣接するパスｊの溶接を行う際、アンダーカットＵがより生じにくくなっている。

このようにアンダーカットＵの発生を抑制することで、アンダーカット発生箇所の研削除去、補修溶接などの工程を省略することができ、作業効率を向上させることができる。

（２）消耗電極式アーク溶接は、電流と電圧とワイヤ供給速度とを各々独立して制御することが難しい。すなわち、アーク長（電圧）を一定に制御すると電流とワイヤ供給速度とが従属関係になるため、溶接条件範囲が比較的狭い。従って、開先内においてアークを安定して維持しつつ十分な溶け込みを確保し、かつアンダーカットＵを防止するという、相反する目的を同時に両立させる溶接条件を見出すことが難しい。また、溶接条件の変更だけでアンダーカットＵを十分に防止できない場合には、溶接方法を例えばＴＩＧ溶接など他の方法に変更することが必要になる場合もある。

本実施形態によれば、上記の通り、アンダーカットＵの発生が抑制されるため、溶接条件範囲をより広くとることができ、溶接方法の変更の必要性を最小限に抑えることができる。

（３）また、本実施形態によれば、リップ部２が母材１の表面１ａから突出しているため、仮にアンダーカットＵが生じた場合でも、その発生箇所はリップ部２の範囲に限定されやすい。このため、仮にアンダーカットＵが生じた場合でも、その部分のみをリップ部２ごとグラインダ除去することで容易にアンダーカットＵを除去することができる。すなわち、アンダーカットＵにより表面１ａ上に生じた凹部の内面をグラインダで研削除去したり、凹部に追加溶接を施したりする工程を省略することができる。

（４）さらに、母材１の表面１ａからリップ部２の先端部２ｂ先端までの寸法は、２ｍｍ以上であり、通常の条件で発生し得るアンダーカットＵの深さｄ_２（図３参照）の最大値より大きい。このため、仮にアンダーカットＵが生じた場合でも、アンダーカットＵの最深部が母材１まで達することは起きにくいため、リップ部２除去後の追加溶接工程をより確実に省略することができる。さらに、リップ部２の横断面における断面積は、１１ｍｍ^２以上であり、通常の条件で発生し得るアンダーカットＵの断面積の最大値より大きいため、上記の効果をより一層確実に得ることができる。

（５）また、リップ部２は、ビードオンプレート溶接により形成されている。ビードオンプレート溶接は、先行パスの溶接ビード形状、開先形状などの影響を受けず、従って、溶け込み不足、融合不足などの溶接欠陥の発生リスクがほとんどない。このため、リップ部２を形成するための溶接条件を設定する際は、アンダーカットが発生しない溶接条件に特化して設定することができる。これにより、リップ部２に沿ってアンダーカットが生じることを防止できる。

（６）さらに、リップ部２は、開先内の溶接材料と同じ溶接材料から形成されている。そのため、最終パスの溶融金属Ｍとリップ部２とがなじみやすく（上記表面張力による効果が発揮されやすく）、溶融金属Ｍが重力により垂れ落ちるのをより効果的に防止して、アーク４が溶融金属Ｍに当たるようにすることができる。これにより、アーク４が母材１をガウジングする効果を軽減し、アンダーカットＵの発生をより一層抑制することができる。

（７）また、リップ部２の溶融金属Ｍと接する下向きの側面２ｃが、リップ部２の横断面において、先端部２ｂ側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して（側面２ｃが鉛直方向と交差するように）配置されている。このため、リップ部２に隣接するパスｊの溶融金属表面Ｍａと固体表面との間の気体側の角度θが、側面２ｃが鉛直方向に平行な場合よりも小さくなり、パスｊの溶融金属表面Ｍａがリップ部２の先端部２ｂ側へ移動しやすい。

（８）さらに、側面２ｃは、リップ部２の先端部２ｂ側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して配置されているため、先端部２ｂ側に向かうに従って下方に位置するように傾斜している場合よりも、リップ部２に隣接するパスｊの溶接が容易になる。すなわち、リップ部２の基端部２ａに下向き凹部が形成されないため、リップ部２に隣接するパスｊの溶接において十分な溶け込みを確保しやすい。

＜変形例＞
第１実施形態では、リップ部２の材料は、開先内の溶接材料と同じであったが、リップ部２の材料は、開先内の溶接材料と異なってもよい。この場合、リップ部２の材料の融点は、溶接材料の融点と母材１の融点とのうちいずれか低い方の温度以上、かつ、溶接材料の融点と母材１の融点とのうちいずれか高い方の温度以下であってもよい。

例えば、第１実施形態のように、溶接材料の融点が母材１の融点より低い場合は、リップ部２の融点は、溶接材料の融点以上であってもよい。リップ部２に隣接するパスｊを溶接する際にリップ部２が溶損することを抑制することができ、リップ部２による溶融金属Ｍの懸垂効果をより確実に維持することができる。また、この場合において、リップ部２の融点は、母材１の融点以下であってもよい。リップ部２を母材１の表面１ａに形成する際の母材１の過剰な溶融を防止でき、リップ部２を母材１の表面１ａに形成することが容易になる。

一方、溶接材料の融点が母材１の融点より高い場合は、リップ部２の融点は、溶接材料の融点以下であってもよい。リップ部２に隣接するパスｊを溶接する際に、リップ部２のパスｊ側の側面２ｃの表面が、比較的低い温度で溶融するようになるため、溶融金属Ｍがリップ部２の側面２ｃになじみやすくなる。さらに、この場合において、リップ部２の融点は、母材１の融点以上であってもよい。溶融金属Ｍと母材１との間に母材１より融点が高いリップ部２が介在することで、母材１より融点の低いリップ部２が介在する場合よりも、リップ部２の形状を維持しやすくなる。

なお、上記第１実施形態及びその変形例では、リップ部２の下向きの側面２ｃが先端部２ｂ側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して配置されていたが、当該側面２ｃは、リップ部２の横断面において水平に配置されてもよい。この場合でも、上記（７）及び（８）と同様の作用効果を得ることができる。

次に、第２及び第３実施形態にかかる溶接方法について、図４〜図７を参照して説明する。なお、第２及び第３実施形態の説明では、先行する実施形態と異なる構成についてのみ説明することとし、既に説明した要素と同じ機能を有する要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、図４に示すように、消耗電極式ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）を立向き姿勢にて行う。母材１である左右の鉛直板の接合部には、溶接線が鉛直方向に延びるようにＶ形開先が形成されている。

開先内の溶接は、例えば自動溶接により多層多パスで行い、図４に示すように、例えば第３層までのビードＢ_Ａを形成後に、母材１の表面１ａにおける溶接ビードの止端部となる部分に沿って、リップ部２をビードオンプレート溶接により形成する。リップ部２は、母材１の開先開口近傍部１ｃの表面１ａ上に該表面１ａと直交する方向（図４の前方；突出方向）に突出するように形成する。

形成されたリップ部２は、母材１の表面１ａ側の基端部２ａと、表面１ａから突出方向に最も離れた先端部２ｂと、基端部２ａと先端部２ｂとの間に鉛直方向に平行な（法線ベクトルが水平方向に向いている）側面２ｃとを有する。側面２ｃは、リップ部２の横断面において、基端部２ａから先端部２ｂへ向かうに従って前方かつ開先幅方向外方に位置するように表面１ａに対して傾斜している。

リップ部２を形成した後は、図４に示すように、第４層（最終層）のビードＢ_Ｂを第３層のビードＢ_Ａの上に、下から上方へ盛り上げて形成する。リップ部２に隣接するビードを形成する際は、リップ部２の側面２ｃが溶融金属Ｍに接する。そしてその際、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果が作用する。

＜作用効果＞
一般に立向き溶接も、図５に示すように、溶融金属Ｍが重力の影響を受けて垂れやすく、母材１の開先開口近傍部１ｃが露出しやすい。そのため、開先開口近傍部１ｃは、溶接トーチ３のアーク４でガウジングされやすく、アンダーカットＵが生じやすい。

本実施形態では、リップ部２に隣接するパスの溶接を行う際に、図４に示すように、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果を作用させた状態で溶接を行う。この状態では、当該縁部Ｍｂにおける溶融金属表面Ｍａの接平面と、固体表面（リップ部２の表面）の接平面との間の気体側の角度が、リップ部２を形成しない場合（図５参照）より角度δだけ小さくなることで、当該縁部Ｍｂが気体側に移動しやすくなっている。このため、溶融金属表面Ｍａの表面張力により、前上側の縁部Ｍｂ近傍の溶融金属Ｍが、リップ部２の側面２ｃに沿って先端部２ｂ側（図４の前方側）に引き寄せられ、溶融金属表面Ｍａは、表面１ａと基端部２ａとの境界よりも先端部２ｂ側に位置する。そして、母材１の開先開口近傍部１ｃは、溶融金属Ｍとリップ部２とによって覆われることとなり、その露出が防止される。これにより、母材１にアンダーカットＵが生じることが抑制される。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、図６に示すように、消耗電極式ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）を上向き姿勢にて行う。母材１の接合部には、溶接線が水平方向に延びるようにＶ形開先が形成されている。そして、母材１の表面１ａにおける溶接ビードの止端部となる部分に沿って、リップ部２をビードオンプレート溶接により形成する。具体的には、リップ部２は、母材１の開先開口近傍部１ｃの表面１ａ上に該表面１ａと直交する方向（図６の下方；突出方向）に突出するように形成する。

形成されたリップ部２は、図６に示すように、基端部２ａと先端部２ｂとの間に下向きの（法線ベクトルが鉛直方向上向きの成分を有しない）側面２ｃを有している。側面２ｃは、リップ部２の横断面において、基端部２ａから先端部２ｂへ向かうに従って下方かつ開先幅方向外方に位置するように表面１ａに対して傾斜している。

リップ部２に隣接するビードを形成する際は、リップ部２の側面２ｃが溶融金属Ｍに接する。そしてその際、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果が作用する。

＜作用効果＞
一般に上向き溶接も、図７に示すように、溶融金属Ｍが重力の影響を受けて母材１の表面１ａから離れる方向に垂れて、母材１の開先開口近傍部１ｃが露出しやすい。そのため、開先開口近傍部１ｃは、溶接トーチ３のアーク４でガウジングされやすく、アンダーカットＵが生じやすい。

本実施形態では、リップ部２に隣接するパスの溶接を行う際に、図６に示すように、溶融金属表面Ｍａの縁部Ｍｂのうちリップ部２の側面２ｃと接する部分に、溶融金属Ｍの表面張力による懸垂効果を作用させた状態で溶接を行う。この状態では、当該縁部Ｍｂにおける溶融金属表面Ｍａの接平面と、固体表面（リップ部２の表面）との間の気体側の角度θが、リップ部２を形成しない場合（図７参照）より小さくなることで、当該縁部Ｍｂが気体側に移動しやすくなっている。このため、溶融金属表面Ｍａの表面張力により、開先幅方向外側の縁部Ｍｂ近傍の溶融金属Ｍが、リップ部２の側面２ｃに沿って先端部２ｂ側（図６の下側）に引き寄せられ、溶融金属表面Ｍａは、表面１ａと基端部２ａとの境界よりも先端部２ｂ側に位置する。そして、母材１の開先開口近傍部１ｃは、溶融金属Ｍとリップ部２とで覆われることとなり、その露出が防止される。これにより、母材１にアンダーカットＵが生じることが抑制される。

他、第２及び第３実施形態において、第１実施形態の構成と同様の構成から得られる作用効果については、第１実施形態において既に説明したものと同様であるため、説明を省略する。また、第２及び第３実施形態におけるリップ部２の材料は、第１実施形態の変形例と同様に、開先内の溶接材料と異なってもよい。この場合、リップ部２の材料の融点は、溶接材料の融点と母材１の融点とのうちいずれか低い方の温度以上、かつ、溶接材料の融点と母材１の融点とのうちいずれか高い方の温度以下であってもよい。この変形例の作用効果は、第１実施形態の変形例の作用効果と同様であるため、説明を省略する。

また、上記実施形態及び変形例では、リップ部２を第３層のビード形成後、最終層のビード形成開始前に形成していたが、リップ部２は、これに隣接するパスの溶接を開始する前までに形成しておけばよい。従って、例えば、他の実施形態では、接合部に開先を形成する前、または被溶接材の仮組前に、リップ部２を形成することができる。これにより、リップ部２を開先内の溶接とは異なる溶接姿勢（下向き姿勢など）で溶接することができ、リップ部２の寸法及び形状の精度を高めることができる。

さらに、溶接ではなく、予め接合部となる部分に機械加工、曲げ加工、３次元積層造形などによってリップ部２を形成してもよい。この方法によれば、溶接入熱による変形がなく、リップ部２の寸法及び形状の精度をさらに高めることができる。

次に、第４〜第６実施形態にかかる、上記実施形態及び変形例の溶接方法に適した構造部材１０について、図８〜図１１を参照して説明する。なお、以下の説明でも、先行する実施形態と異なる構成についてのみ説明することとし、既に説明した要素と同じ機能を有する要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第４〜第６実施形態にかかる構造部材１０は、図８に示すように、例えば液化天然ガスタンク用の９％Ｎｉ鋼からなる矩形平板状の溶接用構造部材であり、第１〜第３実施形態及びその変形例における母材１に相当する。なお、構造部材１０の形状は、図示したものに限らず、外周辺部１１は曲線部を含んでもよく、表面１０ａは円柱面、球面、円錐面などの曲面、それらを複数備えた凹凸面などを含んでもよい。

＜第４実施形態＞
第４実施形態にかかる構造部材１０は、図９に示すように、外周辺部１１の少なくとも一部が相手材Ｊに対して横向き姿勢で溶接される部材であり、外周辺部１１に、相手材Ｊとの間に開先を形成するための開先面１０ｂと、リップ部１２とを有する。リップ部１２は、構造部材１０の表面１０ａ上に開先に沿うように延在し、かつ、表面１０ａから突出している。開先面１０ｂは、リップ部１２の開先側の側面１２ｃに隣接する第１領域Ｒ_１を含んでいる。また、リップ部１２の側面１２ｃは、第１領域Ｒ_１に隣接する第２領域Ｒ_２を含んでいる。リップ部１２の形成方法は、特に限定されない。リップ部１２は、上記リップ部２及びその変形例と同様に、溶接、機械加工、曲げ加工、積層造形などにより形成することができ、また、鋳造、鍛造、押出、圧延、焼結等の成形加工、切削、研削等の除去加工などにより形成することもできる。また、相手材Ｊは、構造部材１０に溶接により接合される部材である。

横向き姿勢で溶接される際、第１領域Ｒ_１の外向き法線ベクトルＮ_１と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角αは、０°以上９０°以下となる。また、第２領域Ｒ_２の外向き法線ベクトルＮ_２と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角βは、０°以上９０°以下となる。

本実施形態によれば、リップ部１２に隣接するパスの溶接を行う際に、溶融金属表面の縁部のうちリップ部１２の側面１２ｃと接する部分に、溶融金属の表面張力による懸垂効果を作用させた状態で溶接を行うことができる。すなわち、溶融金属の一部をリップ部１２に懸垂した状態で溶接を行うことができる。このため、第１実施形態の（１）及び（２）で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、リップ部１２は、構造部材１０の表面１０ａから突出している。このため、本実施形態によれば、第１実施形態の（３）で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。さらに、リップ部１２の溶融金属と接する下向きの側面１２ｃが、リップ部１２の横断面において、先端部側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して配置される。このため、本実施形態によれば、第１実施形態の（７）及び（８）で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態にかかる構造部材１０は、図１０に示すように、外周辺部１１の少なくとも一部が相手材に対して立向き姿勢で溶接される部材であり、外周辺部１１に、開先面１０ｂと、リップ部１２とを有する。立向き姿勢で溶接される際、第１領域Ｒ_１の外向き法線ベクトルＮ_１と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角αは、０°以上９０°以下となる。また、第２領域Ｒ_２の外向き法線ベクトルＮ_２と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角βは、０°以上９０°以下となる。

＜第６実施形態＞
第６実施形態にかかる構造部材１０は、図１１に示すように、外周辺部１１の少なくとも一部が相手材Ｊに対して上向き姿勢で溶接される部材であり、外周辺部１１に、開先面１０ｂと、リップ部１２とを有する。上向き姿勢で溶接される際、第１領域Ｒ_１の外向き法線ベクトルＮ_１と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角αは、０°以上９０°以下となる。また、第２領域Ｒ_２の外向き法線ベクトルＮ_２と鉛直下向きベクトルＧとのなす内角βは、０°以上９０°以下となる。

第５〜第６実施形態によれば、第２〜第３実施形態と同様に、リップ部１２に開先側に隣接するパスの溶接を行う際、溶融金属表面の縁部のうちリップ部１２の側面１２ｃと接する部分に、溶融金属の表面張力による懸垂効果を作用させた状態で溶接を行うことができる。これにより、第２〜第３実施形態で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第４〜第６実施形態では、表面１０ａからリップ部１２の先端までの寸法を２ｍｍ以上としてもよい。また、リップ部１２の横断面における断面積を１１ｍｍ^２以上としてもよい。これにより、第１実施形態の（４）で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

また、第４〜第６実施形態では、リップ部１２を、溶接材料と同じ材料から形成してもよい。この場合は、第１実施形態の（６）で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。一方、リップ部１２は、溶接材料と異なる材料から形成してもよい。この場合、リップ部１２の材料の融点は、溶接材料の融点と母材の融点とのうちいずれか低い方の温度以上、かつ、溶接材料の融点と母材の融点とのうちいずれか高い方の温度以下であってもよい。この変形例によれば、第１実施形態の変形例で述べた作用効果と同様の作用効果を得ることができる。なお、内角αと内角βとの大きさの関係は、図９〜図１１に図示したものに限らない。外向き法線ベクトルＮ_１と外向き法線ベクトルＮ_２とは、互いに平行であってもよく、非平行であってもよい。

＜他の実施形態＞
次に、上述の溶接方法の他の実施形態について説明する。以下の説明においても、先行する実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

他の実施形態では、リップ部２は、例えば、被覆アーク溶接、セルフシールドアーク溶接などにより形成することができる。この方法によれば、シールドガスの供給が不要であり、簡易な装置でリップ部２を形成できる。また、屋外での施工も容易である。

また別の実施形態では、リップ部２は、サブマージドアーク溶接により形成してもよい。この方法によれば、高能率・高溶着速度でリップ部２を形成でき、アーク光が外に漏れにくく周囲への負荷が小さい。

さらに別の実施形態では、リップ部２は、レーザ溶接、電子ビーム溶接などにより形成してもよい。この方法によれば、比較的低入熱であるため、リップ部２の溶接時の変形を最小限に抑制することができ、比較的幅の狭いリップ部２を高溶接速度で安定して形成することができる。

さらに別の実施形態では、リップ部２は、非消耗電極式アーク溶接（例えば、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接など）により形成してもよい。この方法によれば、リップ部２の材料選択の自由度が向上する。

以上、第１〜第６実施形態他いくつかの実施形態について説明したが、本開示にかかる溶接方法及び構造部材は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上記実施形態及び変形例（以下、実施形態等）では、突合せ溶接継手を例にとって説明したが、溶接継手の種類はこれに限らず、例えば、すみ肉溶接継手などであってもよい。また、開先形状は、Ｖ形開先に限らず、例えば、Ｉ形、レ形、Ｘ形、Ｕ形、Ｋ形、Ｊ形、両面Ｊ形、Ｈ形などであってもよい。

また、上記実施形態等では、開先内の溶接を消耗電極式ガスメタルアーク溶接により行っていたが、開先内のアーク溶接の種類はこれに限らない。例えば、被覆アーク溶接、セルフシールドアーク溶接、サブマージドアーク溶接、非消耗電極式アーク溶接（例えば、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接など）など他のアーク溶接を採用してもよい。さらに、上記実施形態等では、開先内の溶接を多層多パスで行っていたが、開先内の溶接は１層１パスで溶接してもよい。また、第１及び第２実施形態では、各パスのビードを下から上に盛り上げて形成したが、上から下にビードを形成していってもよい。

また、上記実施形態等では、９％Ｎｉ鋼を被溶接材としたが、本開示にかかる溶接方法及び構造部材は、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼など他の鉄系金属にも適用できる。また、ニッケル合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などの非鉄系金属の溶接にも適用することができる。溶接材料、リップ部の材料、シールドガスなどは、上記したものに限らず、被溶接材、溶接方法、接合部に要求される仕様などに応じて適宜選択することができる。

さらに、上記実施形態等では、溶接を自動溶接により行っていたが、本開示にかかる溶接方法は、手動溶接にも適用可能である。

１ 被溶接材（母材）
１ａ 表面
１ｂ 開先面
１ｃ 開先開口近傍部
２ リップ部
２ａ 基端部
２ｂ 先端部
２ｃ 側面
３ 溶接トーチ
４ アーク
ａ〜ｊ パス（溶接パス）
Ｂ_１〜Ｂ_１０，Ｂ_Ａ，Ｂ_Ｂ ビード
Ｍ 溶融金属
Ｍａ 溶融金属表面
Ｍｂ 縁部
Ｕ アンダーカット
１０ 構造部材
１０ａ 表面
１０ｂ 開先面
１１ 外周辺部
１２ リップ部
１２ｃ 側面
Ｒ_１ 第１領域
Ｒ_２ 第２領域
Ｎ_１ 外向き法線ベクトル
Ｎ_２ 外向き法線ベクトル
Ｇ 鉛直下向きベクトル

Claims (7)

1. 母材の表面における溶接ビードの止端部となる部分に沿って、前記母材の表面から突出したリップ部を形成する工程と、
   前記リップ部に隣接する溶接パスを、溶融金属の表面の縁部のうち少なくとも前記リップ部の表面と接する部分に前記溶融金属の表面張力による懸垂効果を作用させつつアーク溶接する工程と、を備える溶接方法。
2. 前記リップ部の材料の融点が、前記溶融金属となる溶接材料の融点と前記母材の融点とのうちいずれか低い方の温度以上であり、かつ、前記溶接材料の融点と前記母材の融点とのうちいずれか高い方の温度以下である、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記リップ部の横断面における前記母材の表面から前記リップ部の突出方向先端までの寸法を２ｍｍ以上とする、請求項１または２に記載の溶接方法。
4. 前記リップ部の横断面における断面積を１１ｍｍ^２以上とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
5. 前記リップ部をビードオンプレート溶接により形成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接方法。
6. 前記リップ部は、前記溶融金属と接する下向きの側面を有しており、
   前記側面は、前記リップ部の横断面において、水平に、または、前記リップ部の突出方向先端側に向かうに従って上方に位置するように傾斜して配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の溶接方法。
7. 相手材に対して所定姿勢で溶接される構造部材であって、
   前記相手材との間に開先を形成するための開先面と、
   前記構造部材の表面上に前記開先に沿うように延在する、前記表面から突出したリップ部と、を有し、
   前記開先面は、前記リップ部の前記開先側の側面に隣接する第１領域を含み、
   前記リップ部の前記開先側の側面は、前記第１領域に隣接する第２領域を含み、
   前記所定姿勢は、前記第１領域の外向き法線ベクトルと鉛直下向きベクトルとのなす内角が０°以上９０°以下となり、かつ、前記第２領域の外向き法線ベクトルと鉛直下向きベクトルとのなす内角が０°以上９０°以下となる姿勢である、構造部材。

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