JP4890061B2 - インサート部材及びそれを用いた突合せアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管や板材などの突合せ溶接に使用するインサート部材およびそれを用いた突合せアーク溶接方法に関する。

従来、配管や板材などの被溶接物を突合せ溶接によって接続する方法としては、溶接部を例えばＶ型形状、Ｘ型形状またはＹ型形状の開先に加工し、その開先部分に溶加材（溶接棒）を用いて溶接するのが一般的である。そして、突合せ溶接を行なう際には、事前の段取りとして被溶接物同士の突合せ部（開先部）を位置合わせし、姿勢の保持を行なった後に本溶接を行なっていた。
また、確実な溶接が要求される原子力プラントや、高い溶接強度が要求される圧力容器など、溶接部に高い品質と信頼性が要求される場合には、被溶接物の裏側に形成される裏波ビード（以下、単に「裏波」という）を良好な状態にする必要があり、突合せ部にインサートリング（インサート部材）を挿入して施工する方法が用いられている。この突合せ溶接を行なう場合、先ず、被溶接物の間にインサートリングを挟んだ状態で位置合わせし、点溶接などの仮付け溶接を行なう。その後、突合せ部を本溶接すると、インサート部材が溶融して溶接部が一体化されて被溶接物同士が接合する。このようにインサートリングを用いて突合せ溶接する方法については、例えば特許文献１に開示されているものがある。
特許文献１は、管の突合せ溶接において、インサートリングを挿入するための管の開先形状をＵ型形状とし、ルートフラット長（すなわちＵ型の底の幅に相当する長さ寸法）と、ルートフェース長（すなわちＵ型の底の厚さ寸法）を調整することにより適正な溶け込み確保するものである。これにより、管の全周にわたって管の内面と同一の高さ或いは凸型形状の裏波を形成させるものである。
特開平８−９０２２９号公報

しかしながら、特許文献１では、インサート部材（インサートリング）の断面視両側部の所定位置に被溶接物をなす管の開先端面を当接させて位置決めしてから仮付け溶接を行なうが、突合せ溶接の品質を高めるために、この位置決め作業には高い寸法精度が要求されていた。つまり、接合する管とインサート部材とを精度よく所定の位置に配置して一体化させることになるため、位置決め作業が容易ではなく、仮付け溶接作業に要する時間がかかるという問題があった。
また、この仮付け作業では、溶接施工者の技量によって、位置決め精度にバラツキが生じることもあり、その結果、十分な裏波を確保できない場合があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、被溶接物同士の突合せ部の形成時における位置決め作業を高精度で且つ容易に行なえ、位置決めの作業時間を低減させることができるインサート部材及びそれを用いた突合せアーク溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るインサート部材では、突合せ溶接に用いられ、互いに溶接される被溶接物同士の突合せ部に配置されるインサート部材であって、断面形状の縦方向の外殻線をなす両側部に、横方向に対向する一対の凹部が形成されており、断面形状は二つの円形断面が外接され又は一部に重なりをもって接合されて接合部を形成してなり、該接合部に凹部が形成されていることを特徴としている。
本発明では、インサート部材に形成される凹部に被溶接物の開先端面を係止させることができることから、被溶接物同士を突き合わせてなる位置決め作業を精度よく且つ容易に行うことができ、しかも位置決めの作業時間を低減させることができる。また、インサート部材が被溶接物同士に挟まれた状態となっていてずれることがないため、適正なルート間隔（開先端面同士の間隔）を確保でき、精度の高い位置決めを行うことがでる。

また、本発明では、二つの円形断面によって形成される接合部の両凹部に、被溶接物を係止させて突合せ部の位置決めを行うことができる。

また、本発明に係るインサート部材では、二つの円形断面の外径が異なることが好ましい。
本発明では、アークを発する面と反対の面に、外径の大きな円形断面をなすインサート部材を配置することで、裏波の量を増加させて良好な裏波を形成することができる。

また、本発明に係るインサート部材では、二つの円形断面は、二本の溶接棒を並列に接合させて形成されてなることが好ましい。
本発明では、市販の溶接棒を用いてインサート部材を形成することができるため、材料の入手が容易となる。そして、二本の溶接棒を並列に接合するだけの作業によって、インサート部材を製作できることから、製作コストの低減を図ることができる。

また、本発明に係るインサート部材を用いた突合せアーク溶接方法では、互いに溶接される被溶接物同士の突合せ部に配置されるインサート部材を用いた突合せアーク溶接方法であって、インサート部材は、外径が異なる二つの円形断面を接合させて形成されるとともに、断面形状の縦方向の外殻線をなす両側部に、横方向に対向する一対の凹部が形成され、インサート部材の凹部に前記被溶接物の開先端面を係止させて姿勢を保持して突合せ部を形成し、その後に該突合せ部を溶接するようにし、インサート部材の凹部に被溶接物の開先端面を係止させたときに、外径の大きな円形断面が被溶接物の裏面側に配置されるようにしたことを特徴としている。
本発明では、インサート部材の凹部に被溶接物の開先端面を係止させる構成であることから、被溶接物同士を突き合わせてなる位置決め作業を精度よく且つ容易に行うことができ、しかも位置決めの作業時間を低減させることができる。また、インサート部材が被溶接物同士に挟まれた状態となっていてずれることがないため、適正なルート間隔（開先端面同士の間隔）を確保でき、精度の高い位置決めを行うことがでる。そして、この突合せ部に突合せアーク溶接を行なうことで、インサート部材自体が溶融し、安定した強度の大きな溶接部（裏波）を形成することができる。

また、本発明では、被溶接物の裏面側、すなわちアークを発する面と反対の面に、外径の大きな円形断面をなすインサート部材を配置することで、裏波の量を増加させて良好な裏波を形成することができる。

また、本発明のインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法によれば、インサート部材に形成される凹部の夫々に、被溶接物同士の開先端面を係止させることで、突合せ部における位置決め作業を高精度で且つ容易に行うことができる。そのため、突合せ部に高い品質と信頼性を確保でき、位置決めの作業時間を低減させることができる。そして、突合せによる位置決め精度のバラツキを少なくすることができ、常に良好な裏波を形成することができる。また、被溶接物に対してインサート部材がずれることがなくなり、仮付け溶接などの作業も確実に行うことができる。

以下、本発明のインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法の実施の形態について、図１乃至図３に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるインサート部材を示す斜視図、図２はインサート部材を用いた突合せアーク溶接方法の概略を示す説明図、図３は突合せアーク溶接の溶接状態を示す説明図である。

本実施の形態によるインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法では、インサート部材１を使用して、板材や配管などを突合せ溶接する方法であり、ＴＩＧ溶接（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）や、ＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌ−ａｒｃ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）に利用することができる。

図１に示すように、インサート部材１は、断面視円形をなす外径の異なる二本の第一溶接棒１１、第二溶接棒１２を並列に束ねるようにして外接され、断面視略８の字形状をなして形成されている。この第一及び第二溶接棒１１、１２同士は、長手方向に所定の間隔をもって例えばレーザースポット溶接などの固着手段によって接合されている（この固着箇所を固着部１３、１３、・・・とする）。そして、これら二本の溶接棒１１、１２は、一方の第一溶接棒１１の外径が他方の第二溶接棒１２の外径より小さくなっている。
ここで、第一及び第二溶接棒１１，１２の材料としては、溶接時の垂れ落ちが発生しにくいことから粘性が高い溶接棒が好ましいとされる。
また、市販の溶接棒を用いてインサート部材１を形成することができるため、材料の入手が容易となる。さらに、二本の溶接棒１１、１２を並列に束ねて接合するだけの作業によって、インサート部材１を製作できることから、製作コストの低減を図ることができる。

そして、インサート部材１は、二本の第一及び第二溶接棒１１，１２の接合部Ｒに断面視で横方向に対向する一対の凹部１ａ、１ａが形成されている。すなわち、この凹部１ａ，１ａは、本発明でいうインサート部材１の断面形状の縦方向の外殻線をなす両側部に位置している。
なお、特に符号を付さないが、「横方向」とは後述する平板２１、２２同士を突合せする方向（つまり、両者２１、２２を挟み込む方向）であること、「縦方向」とは前記横方向に対して直交する方向であること、を統一して用いている。

次に、上述したインサート部材１を用いた突合せアーク溶接方法について、図面に基づいて説明する。
図２に示すように、インサート部材１は、Ｙ型形状の開先に形成された被溶接物２０の突合せ部Ｗに配置して突合せアーク溶接する際に用いられるものである。
被溶接物２０としては、平板や管材などに適用することができるが、本実施の形態では鋼材などからなる二枚の平板２１、２２を採用する。ここで、突合せ部Ｗに対してアーク発生側を「上部」、その反対面（平板２１、２２の裏面２１ｄ、２２ｄ側）を「下部」として以下、説明する。

先ず、突合せ溶接する平板２１、２２の各開先端面２１ａ、２２ａをＹ型形状の開先となるように加工し、その開先端面２１ａ、２２ａをインサート部材１の凹部１ａ、１ａに係止させた状態で位置決めする。このとき、平板２１、２２の裏面２１ｄ、２２ｄ側に、外径の大きな第二溶接棒１２が突出するように配置させておく。このように平板２１、２２の各開先端面２１ａ、２２ａをインサート部材１の凹部１ａ，１ａに係止させるだけの作業によって、両者を所定位置に確実に位置決めすることができる。

そして、この位置決め後、インサート部材１と両平板２１、２２との係止部を所定の箇所で仮付け溶接することで姿勢を保持し、突合せ部Ｗが形成される。このように、インサート部材１は、両平板２１、２２に対して縦方向にずれることがなく、しかも適正なルート間隔（後述するルート面２１ｂ、２２ｂ同士の間）を精度よく確保できる。

その後、図３に示すように、電極３を用いて突合せ部Ｗに突合せアーク溶接を行なうと、平板２１，２２を溶かすと共にインサート部材１自体が溶融し、安定した強度の大きな溶接部（裏波３０）を形成することができる。そして、外径が異なる第一及び第二溶接棒１１、１２（図２参照）を用い、平板２１，２２の裏面２１ｄ、２２ｄ側に、第一溶接棒１１より大きな外径をなす第二溶接棒１２を配置することで、裏波３０の量が多くなり、良好な裏波３０を形成することができる。
なお、Ｙ型形状をなす突合せ部Ｗを形成する平板２１、２２の開先端面２１ａ，２２ａ（図２参照）は、インサート部材１に当接するルート面２１ｂ、２２ｂと、ルート面２１ｂ、２２ｂより上方（即ち、アーク発生側）に位置するテーパ面２１ｃ、２２ｃとが形成されている。 そして、二つの円形断面からなる本インサート部材１は、第一溶接棒１１の外殻線が平板２１、２２のテーパ面２１ｃ、２２ｃに対して干渉することなく配置することができるため、Ｙ型形状の突合せ部Ｗに好適な形状となっている。

このように構成されるインサート部材１では、インサート部材１と平板２１，２２との位置合わせが容易となり、しかも位置合わせ精度のバラツキを少なくすることができ、精度の高い仮付け溶接を行うことができると共に、常に良好な裏並み３０を形成することができる。
また、例えばインサート部材１の凹部１ａ，１ａと平板２１、２２との係止のみで確実に姿勢が保持される場合には、インサート部材１と平板２１、２２との仮付け溶接を行なわずに突合せ部Ｗを形成させることも可能である。
さらに、第二溶接棒１２（正確には平板２１，２２の裏面２１ｄ，２２ｄから突出するインサート部材１）の大きさを変更することで、裏波３０の大きさ、形状を調整することができる。

上述した本実施の形態によるインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法では、インサート部材１に形成される凹部１ａ，１ａの夫々に、平板２１、２２の開先端面２１ａ、２２ａを係止させることで、突合せ部Wにおける位置決め作業を高精度で且つ容易に行うことができる。そのため、突合せ部Ｗに高い品質と信頼性を確保でき、位置決めの作業時間を低減させることができる。そして、突合せによる位置決め精度のバラツキを少なくすることができ、常に良好な裏波３０を形成することができる。また、平板２１、２２に対してインサート部材１がずれることがなくなり、仮付け溶接などの作業も確実に行うことができる。

以上、本発明によるインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では、突合せ部Ｗの開先形状をＹ型形状としているが、この開先形状に限定されることはなく、このほかの開先形状として、例えばＶ型形状、Ｘ型形状、Ｈ型形状などの形状の開先に使用することができる。
また、本実施の形態では、被溶接物２０を平板２１、２２としているが、このほかに管同士の突合せ溶接などにも使用してもよい。
さらに、本実施の形態では二本の溶接棒１１、１２を並列に接合して断面視略８の字形状をなすインサート部材１としているが、このような断面形状に限定されることはなく、例えば断面四角形状の溶加材で、その縦方向の外殻線の略中央に一対の凹部を形成させてなるインサート部材であってもかまわない。要はインサート部材の断面形状における両側部に、被溶接物を係止させることが可能な凹部がインサート部材に形成されていればよいのである。
また、本実施の形態ではＴＩＧ溶接法としているが、これに限定されることはなく、ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接などの他のアーク溶接法であってもかまわない。
さらにまた、本実施の形態では平板２１、２２の裏面２１ｄ、２２ｄ側に外径の大きな第二溶接棒１２を突出させて配置させているが、これに限定されず、第一及び第二溶接棒１１，１２の外径は同じ、或いは上部に位置する第一溶接棒１１を大きくしてもかまわない。要は平板２１、２２の裏面側に突出する溶接棒の外径を適宜変更することで、裏波３０の大きさ、形状を調整すればよいのである。

このように、本実施の形態によるインサート部材及びこれを用いた突合せアーク溶接方法の効果を裏付けるため実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下、実施の形態による図１乃至図３、及び図４を参照して実施例を説明する。
図４はインサート部材を用いた突合せアーク溶接によって形成された裏波の状態を示す写真である。

先ず、実施例における突合せ溶接条件について説明する。図２に示すように平板２１、２２に相当する被溶接物は、板厚９ｍｍで、炭素鋼であるＳＳ４００を供試材（母材）として用い、ルート面２１ｂ、２２ｂの寸法を０．５ｍｍとした。
そして、溶接条件として、溶接方法は手動ＴＩＧ溶接にて行ない、その溶接時における姿勢は、下向姿勢および立向上進姿勢とした。また、溶接時のピーク電流を１５０Ａ、ベース電流を７５Ａ、周波数１．５Ｈｚ、ピーク電流時間／ベース電流時間を０．５、平均電流を１８０Ａとした。

これらの溶接条件を基にして、電極３の運棒方法をストレートおよびウィービングにより突合せアーク溶接を実施し、２枚の平板２１、２２（供試材）の裏面２１ｄ、２２ｄの裏波３０の形成状態を目視により確認した（図４参照）。
図４の写真では、実施例における溶接は平板２１、２２の略中央の位置まで実施され、その略中央から写真左側にインサート部材１の第二溶接棒１２が平板２１、２２の裏面２１ｄ、２２ｄに突出しているのがわかる。また、同様に略中央から右側では、第二溶接棒１２が溶融して裏波３０が成形されていることがわかる。これによると、裏波３０の形状は、十分に溶け込みされた安定した形状に成形されていることが確認できる。

また、本実施例による平板２１、２２の寸法、材質などの条件、および突合せアーク溶接の条件において、図２に示すインサート部材１を構成する第一溶接棒１１と第二溶接棒１２の夫々の外径寸法は、平板２１、２２の表側のアーク側（すなわち第一溶接棒１１）で１．２〜１．６ｍｍ、その裏側（すなわち第二溶接棒１２）で１．６〜３．２ｍｍとするのが好適である。
さらに、平板２１、２２の板厚は、３ｍｍより小さい寸法の場合では開先加工が困難であることから、３ｍｍ以上とすることが好ましい。

本発明の実施の形態によるインサート部材を示す斜視図である。 インサート部材を用いた突合せアーク溶接方法の概略を示す説明図である。 突合せアーク溶接の溶接状態を示す説明図である。 インサート部材を用いた突合せアーク溶接によって形成された裏波の状態を示す写真である。

符号の説明

１ インサート部材
１ａ 凹部
１１ 第一溶接棒
１２ 第二溶接棒
２１、２２ 平板（被溶接物）
３０ 裏波
Ｒ 接合部
Ｗ 突合せ部

Claims (4)

1. 突合せ溶接に用いられ、互いに溶接される被溶接物同士の突合せ部に配置されるインサート部材であって、
   断面形状の縦方向の外殻線をなす両側部に、横方向に対向する一対の凹部が形成されており、
   前記断面形状は二つの円形断面が外接され又は一部に重なりをもって接合されて接合部を形成してなり、該接合部に前記凹部が形成されていることを特徴とするインサート部材。
2. 前記二つの円形断面の外径が異なることを特徴とする請求項１に記載のインサート部材。
3. 前記二つの円形断面は、二本の溶接棒を並列に接合させて形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインサート部材。
4. 互いに溶接される被溶接物同士の突合せ部に配置されるインサート部材を用いた突合せアーク溶接方法であって、
   前記インサート部材は、外径が異なる二つの円形断面を接合させて形成されるとともに、断面形状の縦方向の外殻線をなす両側部に、横方向に対向する一対の凹部が形成され、
   前記インサート部材の前記凹部に前記被溶接物の開先端面を係止させて姿勢を保持して突合せ部を形成し、その後に該突合せ部を溶接するようにし、
   前記インサート部材の前記凹部に前記被溶接物の開先端面を係止させたときに、外径の大きな前記円形断面が前記被溶接物の裏面側に配置されるようにしたことを特徴とするインサート部材を用いた突合せアーク溶接方法。

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