JP5118712B2 - 溶接方法及び溶接部材 - Google Patents

Description

本発明は、溶接方法に関し、特に被溶接部材の温度上昇を抑えることができる溶接方法に関する。

鋼構造物へ別部材を接合する方法としては、溶接接合とボルト接合が一般的である。なかでも、溶接接合は取り付け強度が高い、施工速度が速い、構造裕度が広い、ことなどから、最も広範に使われる接合方法である。しかし、溶接接合は互いの接合部を例えばアーク熱で加熱して溶融させることから、材質変化を含め、熱に対する種々の注意が必要である。
注意点の一つとして、鋼構造物に設けられている塗装又は塗膜の加熱による劣化が挙げられる。通常、屋外配置の大型鋼構造物は、その防錆のため大気に曝される部分には塗装が施されている。したがって、一般に、屋外配置の大型鋼構造物の各種補修・補強工事において溶接を用いる場合には、熱の影響を受ける範囲の塗装をあらかじめ除去してから、補修・補強材を溶接施工し、工事後に再塗装するのが一般的である。ところが、溶接施工する面の裏面に塗装施工されている場合であって、裏面側における塗装除去作業が制限される場合には、溶接前に塗装を除去することができない。したがって、このような場合には入熱量の少ない溶接方法を適用する必要がある。一つの例として、１０ｍｍの厚さの表面側を溶接施工した際の裏面の温度が１００℃以下となる入熱量を実現する必要がある。

特許文献１には、略垂直姿勢で対向配置されると共にＩ形開先を形成する一対の材料に対し、当該Ｉ形開先内に溶接ワイヤのみを挿入して溶接を行うことで、従来のように溶接トーチを挿入する場合と比較して、Ｉ形開先幅を非常に狭くすることを可能とし、従来に比べて入熱量を低減できる溶接方法が開示されている。

特開２００７−６９２５６号公報

ところが特許文献１の方法においても、溶接施工部分の周囲は数百℃に達する。したがって、特許文献１の方法では、１０ｍｍの厚さで溶接裏面の温度上昇を１００℃以下にするという目標を達成することは困難である。一方で、入熱量を下げることで不完全な溶接となり接合強度が著しく低下したのでは、溶接を行う目的を達成することができない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、新規な施工要領に従った溶接ビードを形成することで、被溶接部材の温度上昇を低く抑えることのできる溶接方法を提供することを目的とする。また、本発明はそのような溶接方法で溶接された溶接部材を提供することを目的とする。

溶接を行う際に連続的に被溶接部材に入熱するのに比べて、断続的に被溶接部材に入熱する方が当該被溶接部材の温度上昇を抑えることができる。そこで、本発明者らは、二つの被溶接部材に交互に溶接ビードを施工することで、一方の被溶接部材Ｍ１又は他方の被溶接部材Ｍ２に対して溶接により直接的に加えられる入熱量を低減できることを知見した。つまり、溶接による全入熱量をＱとし、一方の被溶接部材Ｍ１への直接的な入熱量をＱ１、他方の被溶接部材Ｍ２への直接的な入熱量をＱ２（＝Ｑ１の場合を含む）とすると、Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２というように入熱量を分配することで、溶接施工部周囲の温度上昇を抑えることができる。この際、被溶接部材Ｍ１と被溶接部材Ｍ２は接触しており、被溶接部材Ｍ１側から被溶接部材Ｍ２側へ、また、被溶接部材Ｍ２側から被溶接部材Ｍ１側への熱伝導はあるものの、被溶接部材Ｍ１と被溶接部材Ｍ２の接触面を介して伝導する熱量は同一部材内の熱伝導に比べて極めて小さい。

二つの被溶接部材に交互に溶接ビード（以下、単にビードという）を施工するには、従来のウィービングビード法を利用すればよい。しかし、本発明は従来のウィービングビード法をそのまま適用するものでない。つまり、従来のウィービングビード法は先行して施工されたビードに対して後続のビードを隙間なく施工するものであるが、これでは溶接施工による周囲の温度上昇が高くなる。これに対して本発明は、後続のビードが先行するビードに対して隙間が空くように施工することで、温度上昇を抑える。

すなわち本発明は、第１被溶接部材と第２被溶接部材とが溶接された溶接部材であって、溶接による溶接ビードが蛇行しており、蛇行する溶接ビードは、溶接線を跨いで第１被溶接部材と第２被溶接部材に交互に施工されており、第１被溶接部材、第２被溶接部材に対して溶接ワイヤを前進・後退を交互に繰り返しながら施工するＣＭＴ（Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）工法により溶接が行われることを特徴とする。
本発明における溶接の形態としては、第１溶接部材と第２溶接部材との突き合わせ溶接、または、隅肉溶接が掲げられる。この形態において、第１溶接部材及び第２溶接部材における溶接が施されている面を表面側とすると、第１溶接部材及び第２溶接部材の裏面側に塗装塗膜が施されている場合に、裏面の温度上昇を抑えることによって、塗装塗膜の劣化を生じさせることなく表面側の溶接を行うことができる。
本発明の溶接部材において、蛇行の振幅Ｗｍが３．５〜４．５ｍｍであることが、１０ｍｍ厚の鋼板の裏面の温度を１００℃以下に抑えつつ健全な溶接を実現するために好ましい。

本発明によると、第１被溶接部材、第２被溶接部材の各々について溶接ビードが間欠的に施工されるので、溶接入熱が第１被溶接部材と第２被溶接部材に分配される。したがって、溶接入熱自体を下げることなく、溶接施工部分の周囲、特に裏面の温度上昇を抑えることができる。

本実施の形態における溶接部材を平面視したものであり、（ａ）は溶接ビート近傍を示す平面写真、（ｂ）は溶接トーチの移動軌跡を示す図である。 本実施の形態における溶接部材の外観を示す斜視図である。 ＣＭＴ工法による溶接実験の結果を示し、入熱量と昇温量の関係を示すグラフである。 ＣＯ_２工法による溶接実験の結果を示し、入熱量と昇温量の関係を示すグラフである。 ＣＭＴ工法による溶接実験の結果を示し、（ａ）は溶接部の断面写真、（ｂ）は溶接部の硬さを示す。 ＣＯ_２工法による溶接実験の結果を示し、（ａ）は溶接部の断面写真、（ｂ）は溶接部の硬さを示す。 ＣＭＴ工法による溶接実験の結果を示し、蛇行振幅と昇温量の関係を示すグラフである。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による溶接方法で第１被溶接部材１と第２被溶接部材２とが溶接された溶接部材１０の溶接ビード３の近傍を示す平面写真である。
この溶接部材１０の溶接ビード３は、以下に示す特徴を有している。
はじめに、溶接ビード３は図１（ａ）に示すように蛇行している。図１（ｂ）に示すように溶接トーチ４の移動軌跡を蛇行させることで、蛇行する溶接ビード３を形成することができる。溶接トーチ４の移動軌跡を蛇行させることは、ウィービングビード溶接として知られている。しかし、従来技術としてのウィービングビード溶接は溶接トーチの移動軌跡は蛇行しているものの、外観上は溶接ビードが蛇行していない。つまり、ウィービングビード溶接は折り返し点５前後のビード同士が接触するように溶接されるのに対して、本発明による溶接は図１（ａ）に示すように折返し点５前後の溶接ビード３間に隙間６がある。

次に、蛇行する溶接ビード３は、溶接線７を跨いで第１被溶接部材１と第２被溶接部材２に交互に施工されている。このことが第１被溶接部材１及び第２被溶接部材２の各々の温度上昇を抑えることのできる理由である。つまり、第１被溶接部材１について観ると溶接ビード３が間欠的に施工されるので第１被溶接部材１への入熱が間欠的に行われる。第２被溶接部材２についても同様である。したかって、溶接による入熱が第１被溶接部材１と第２被溶接部材２に分配されることで、溶接施工部分の周囲、特に裏面の温度上昇を抑えることができる。
図１の例は、溶接ビード３が溶接線７を跨いで第１被溶接部材１と第２被溶接部材２に均等に施工されている。しかし、本発明はこれに限定されず、溶接ビード３が溶接線７を跨いで第１被溶接部材１と第２被溶接部材２に不均等に施工されることを許容する。

本発明は、入熱量自体を抑えるためにＣＭＴ（Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）工法を適用する。ＣＭＴ工法は、溶接ワイヤが被溶接部材に対して前進・後退を交互に繰り返しながら施工される。より詳しくは、以下の工程を経る。
（１）アーク発生時、溶接ワイヤは溶融プールに向かって前進する。
（２）溶接ワイヤが溶融プールに浸かると、アークは消える。これに伴って溶接電流は一気に下がる。
（３）溶接ワイヤを引き戻すことによって、短絡中の溶滴切断を支援する。
（４）溶接ワイヤの動きが逆転し、プロセス（１）に戻る。

本発明者らは、ＣＭＴ工法及びＣＯ_２工法により厚さ１０ｍｍの鋼板に溶接を行い、温度上昇（昇温量）を測定した。
図２に示すベースプレート８上にリブ板９を垂直に立てて形成される角部を下向き並びに縦向きで隅肉溶接するものである。比較のために平板上に同条件で溶接ビードを蛇行する施工も行った。なお、ベースプレート８、リブ板９ともに炭素鋼からなる。
また、ビード形状としては、溶接トーチ４を蛇行させて図１（ａ）に示すように蛇行させるもの（蛇行ビード）、溶接トーチ４を直進させることで真直ぐなもの（ストレートビード）の２種類で行った。蛇行ビードの場合、ビード幅Ｗｂ（図１参照）は３ｍｍとし、また、溶接ビード３の蛇行の振幅Ｗｍ（図１参照）は４ｍｍとした。また、溶接ビード３の蛇行回数（周期）は、２０回／ｍｉｎである。

溶接を行った面の裏面側の温度を測定した結果を、図３（ＣＭＴ工法）、図４（ＣＯ_２工法）に示す。
図３、図４より以下のことが判明した。
（１）平板上、つまり単一の部材上に溶接施工する（図３、図４ 「平板」）のに比べて、２つの被溶接部材を溶接施工（図３、図４ 「リブ板」）すると温度上昇が小さくなる。
（２）ストレートビードに比べて蛇行ビードの温度上昇が小さい。
（３）２つの被溶接部材を蛇行ビードで施工すると、温度上昇を１００℃以下に抑えることができる。
具体的に言及すると、ＣＭＴ工法の場合には、入熱が０．２４ＫＪ／ｍｍ（溶接電流：５０Ａ，溶接電圧：１２．６Ｖ，溶接速度：２１ｃｐｍ）の場合、平板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が１５４℃に達したのに対して、リブ板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が６６℃である。また、入熱が０．２７ＫＪ／ｍｍ（溶接電流：５５Ａ，溶接電圧：１２．９Ｖ，溶接速度：１６ｃｐｍ）の場合、平板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が１７５℃に達したのに対して、リブ板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が９８℃である。また、ＣＯ_２工法の場合には、入熱が０．３２ＫＪ／ｍｍ（溶接電流：７０Ａ，溶接電圧：１６Ｖ，溶接速度：２１ｃｐｍ）の場合、平板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が１４１℃に達したのに対して、リブ板を蛇行ビードとして溶接した場合には裏面の温度が８０℃である。

次に、ＣＭＴ工法、ＣＯ_２工法の各々で蛇行ビードの断面マクロ観察、溶接部の硬さの評価を行った。
その結果を図５（ＣＭＴ工法）、図６（ＣＯ_２工法）に示すが、入熱が小さいために溶け込み深さは小さいものの、ＣＭＴ工法、ＣＯ_２工法ともに、溶接ビード３内に欠陥は観察されず、また、溶接部の硬さも妥当な値を示しており、健全な溶接が行われていることを確認した。

次に、ＣＭＴ工法（入熱：０．２７ＫＪ／ｍｍ）、ＣＯ_２工法（入熱：０．３２ＫＪ／ｍｍ）の各々で蛇行ビードにより隅肉溶接した継ぎ手について引張り試験を行って継ぎ手の性能を評価した。その結果、ＣＭＴ工法による継ぎ手強度は９．７２ｋＮ／ｃｍ、ＣＯ_２工法による継ぎ手強度は６．６２ｋＮ／ｃｍであった。また、上記ＣＭＴ工法による継ぎ手を用いてせん断強さを測定したところ、１０．６ｋＮ／ｃｍの結果を得た。

蛇行する溶接ビード３のビード幅Ｗｂ（図１参照）は、小さくなると継ぎ手強度が不足し、大きくなると上昇温度が大きくなる傾向にあり、被溶接部材、許容する温度上昇によって適宜設定すべきである。１０ｍｍ厚の鋼板の裏面の温度を１００℃以下に抑えつつ健全な溶接を実現することを前提にすれば、２〜４ｍｍの範囲とすべきである。

蛇行する溶接ビード３の蛇行の振幅Ｗｍ（図１参照）は、図７に示すように、小さくなると温度上昇が大きくなる一方継ぎ手強度が小さくなり、大きくなるとビードの一部が極端に細くなるか又はビード切れの発生が懸念される。したがって、溶接ビード３の蛇行の振幅Ｗｍは、入熱量、許容する上昇温度（図７ 昇温量）によって適宜設定すべきである。１０ｍｍ厚の鋼板の裏面の温度を１００℃以下に抑えつつ健全な溶接を実現することを前提にすれば、入熱量も考慮して図７に矩形で囲まれる３．５〜４．５ｍｍの範囲から選択されるべきである。

上記実施の形態に示した溶接方法が適用される箇所は限定されないが、溶接による熱の影響を受ける範囲が極端に減少するという本発明の効果を発揮する例として、裏面側に塗装が施された被溶接部材の表面側を溶接する例が掲げられる。具体的には、本発明によると、１０ｍｍ厚さの鋼板に対する溶接接合時の裏面温度を１００℃以下に抑えることができるので、耐熱性を有しない裏面側の塗装塗膜の劣化を生じさせることなく表面側の溶接を行うことができる。
本発明の特徴を最も有効に発揮する対象に原子力発電所の排気筒の耐震補強工事がある。この排気塔の筒身裏面には耐食性向上のための塗装塗膜が施されている。当該対象の排気筒内面は、放射線管理区域となっており、常時立ち入ることができない環境である。既設の排気筒に耐震性向上のための補強リングを接合する際に、内面塗装を劣化させることは、設備(筒身)の長期耐用を損なわせることから、絶対に回避しなければならないことである。本発明によれば、この問題を解消できる。

１０…溶接部材
１…第１被溶接部材、２…第２被溶接部材、３…溶接ビード、４…溶接トーチ
５…折り返し点、６…隙間、７…溶接線

Claims (5)

1. 第１被溶接部材と第２被溶接部材とが溶接された溶接部材であって、
   前記溶接による溶接ビードが蛇行しており、
   蛇行する前記溶接ビードは、溶接線を跨いで前記第１被溶接部材と前記第２被溶接部材に交互に施工されており、
   前記第１被溶接部材、前記第２被溶接部材に対して溶接ワイヤを前進・後退を交互に繰り返しながら施工するＣＭＴ（Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）工法により前記溶接が行われることを特徴とする溶接部材。
2. 前記第１溶接部材と前記第２溶接部材が突き合わせ溶接されている請求項１に記載の溶接部材。
3. 前記第１溶接部材と前記第２溶接部材が隅肉溶接されている請求項１に記載の溶接部材。
4. 前記第１溶接部材及び前記第２溶接部材における前記溶接が施されている面を表面側とすると、
   前記第１溶接部材及び前記第２溶接部材の裏面側に塗装塗膜が施されている請求項２又は請求項３に記載の溶接部材。
5. 前記蛇行の振幅Ｗｍが３．５〜４．５ｍｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接部材。

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