JP6084584B2

JP6084584B2 - 溶接方法

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Publication number: JP6084584B2
Application number: JP2014040094A
Authority: JP
Inventors: 大縄　登史男; 登史男大縄; 福田　健; 健福田; 俊幸田澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: JP2015164737A

Description

本発明の実施形態は、比較的厚みのある鋼材を結合するための溶接方法に関する。

例えば加圧水型炉（PWR）および沸騰水型軽水炉（BWR）などの炉心シュラウド（炉心槽）は、ステンレス鋼製の円筒状の鋼材を積み重ねて互いの縁部を溶接して結合し炉心の燃料棒を取り囲むように製造されるが、近年、安全性向上のため、鋼材の厚みが50mmを超えて75mm程度まで厚くされる傾向にあり、溶接技術の向上が急務になっている。

通常、この種の鋼材の溶接には、レーザ溶接やティグ溶接などの技法が用いられる。
例えばレーザ溶接で50mm超の厚板鋼材を結合する場合、大気中においては、少なくとも２パス以上の溶接が必須となる。鋼材を片面から溶接する場合には初層をレーザのみによるキーホール溶接とし、残層を、フィラーワイヤーを用いたレーザ溶接にすることが一般的である。

また鋼材を表裏両面から溶接する場合は片面１パスで25mm以上の溶込みを確保し、他の面からの２パス溶接を行うことになる。なお両面溶接の場合であっても片面の場合と同様に初層をキーホール溶接した後、残層の部分を、フィラーを用いたレーザ溶接を行うこともある。

特開２０１０−１４９１６０号公報

大出力レーザ発振器を用いた厚板レーザ溶接技術開発平成２４年度秋季全国大会 P120-121

鋼材を溶接で結合する場合、鋼材の繋ぎ目の部分、つまり溶接線上を、レーザ溶接ヘッドを移動させて溶接することになるが、筒状の鋼材の場合、溶接開始部位と溶接終了部位が同じ位置になるため、特に炉心シュラウドのように板厚が50mmを超える鋼材の場合はその部位（ビードの繋ぎ部）の内部（内層）に溶接欠陥が生じ易いという問題がある。

なお平板の鋼材の溶接においても溶接線が非常に長い場合、溶接装置の可動範囲の制約から、ビードを繋ぐ箇所が生じることがあり、この場合も上記と同様の問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、鋼材を溶接で結合する上でビードの繋ぎ部に溶接欠陥を残さないような溶接方法を提供することにある。

本発明の溶接方法は、所定の板厚の円筒状または平板状の鋼材の縁部に、前記鋼材の表裏の両面からレーザ溶接およびティグ溶接でビードの繋ぎ部を形成して前記鋼材どうしを結合する溶接方法であって、前記鋼材どうしの境界の一部に切欠き部を形成し、形成した前記切欠き部に隣接した位置に溶接の開始端または終了端が来るように前記境界上をレーザ溶接して前記ビードを形成し、形成した前記切欠き部の位置を起点として前記切欠き部と前記溶接の開始端または終了端を含む範囲を削り取って研削除去部を形成し、形成した前記研削除去部に対してフィラーを用いたティグ溶接により溶接金属を充填する。

円筒状の鋼材の一例を示す図である。図１の円筒状の鋼材の部分拡大図である。円筒状の鋼材の結合部分（溶接部分）を側方から見た図である。レーザ溶接した後の図３の鋼材のＡ−Ａ断面図である。図４の鋼材の表面に対して研削除去部を形成した状態を示す図である。図５の鋼材の研削除去部にティグ溶接を行った状態を示す図である。図６の鋼材の裏面に研削除去部を形成した状態を示す図である。図７の鋼材の研削除去部にティグ溶接を行った状態を示す図である。研削除去部の形状の一例（溶接方向と直交する方向に長い長穴形状）を示す図である。研削除去部の形状（溶接方向に長い長径を持つ長穴）の一例を示す図である。図９の長穴の断面を溶接方向から見た断面図である。溶接ビードを溶接線で切った断面の模式図である。図１２の鋼材の表面に研削除去部を形成した状態を示す図である。図１３の鋼材の研削除去部にティグ溶接を行った状態を示す図である。図１４の鋼材の裏面に研削除去部を形成した状態を示す図である。図１５の鋼材の研削除去部にティグ溶接を行った状態を示す図である。２つの溶接線が交わる部位に切欠き部を形成した例を示す図である。２つの溶接線が交わる部位に切欠き部を形成した他の例を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は被溶接物の一例を示す図、図２はその部分拡大図である。
図１に示すように、被溶接物は、複数の鋼材、例えばステンレス製の円筒状の鋼材１０と鋼材２０とを、互いの縁部を重ね合わせたものである。この被溶接物は、例えば原子炉の容器である炉心シュラウド（炉心槽）の壁面を構成するため、鋼材１０、２０は板厚が例えば50mmを超えるような厚いものである。この実施形態では板厚が例えば50mm程度のものを想定している。

鋼材１０の縁部の一部には、溶接の開始位置および終了位置を含むビード繋ぎ部３０が設けられている。ビード繋ぎ部３０は鋼材１０、２０の境界線上で１カ所とは限らず複数設けられる場合もある。鋼材１０と対向配置される鋼材２０の縁部にも鋼材１０側のビード繋ぎ部３０と同様のビード繋ぎ部が設けられているが、図では示していない。

（切欠き部形成工程）
この実施の形態では、レーザ溶接の事前準備として、図２に示すように、鋼材１０の表面と裏面にはそれぞれ半円状に露出するように半割の円錐状の切欠き部１２を板厚方向Ｔに向けて設けている。切欠き部１２どうしの２つの頂部の間は、板厚方向Ｔに例えば10mm以上の間隔で離されている。

この鋼材１０の縁部１１と鋼材２０の縁部とを互いの面で当接しでできたものが円錐状の切欠き部１２となり、後述するビード繋ぎ溶接の開先部となる。すなわちこの工程では鋼材１０、２０どうしの境界の一部に切欠き部１２を形成する。このような形状で切欠き部１２を設ける理由は、後のはつり作業（レーザ溶接後のビード繋ぎ部３０の削り取り作業）を行い易くするためである。

（ビード形成工程）
鋼材１０の縁部１１と鋼材２０の縁部が互いの面で当接した状態で、互いの境界である溶接線に沿ってレーザ溶接を行ことで、図３に示すような溶接部位を形成する。具体的には所定の板厚（50mm超）の円筒状（または平板状）の鋼材１０、２０の縁部に、鋼材１０、２０の表裏の両面から（少なくとも２パス以上のパス数で）レーザ溶接装置により鋼材１０、２０の境界部分を自動的にレーザ溶接してビードおよびビード繋ぎ部３０を形成する。つまり形成した切欠き部１２に隣接した位置に溶接の開始端または終了端が来るように境界上をレーザ溶接してビードを形成する。この際、片面１パスで25mmを超える深さで溶込みを確保するものとする。

この場合、図４に示すように、円錐状の切欠き部１２の隣接する位置を溶接の開始端２１として、この開始端２１の位置から１パス目の溶接を行うことで１パス目表溶接部３１（図の破線の部分）を形成する。鋼材１０、２０を寝かせた状態（筒の軸方向が水平）で溶接を行う場合は、１パス目が上（例えば表面が上）になるように溶接を行い、鋼材１０、２０を回転させて裏面に対して２パス目の溶接を下向きに行うことで、２パス目裏溶接部３２（図の実線の部分）を形成する。

なお、鋼材１０、２０を縦に積み重ねた状態（筒の軸方向が垂直）で横向きに溶接を行う場合は鋼材１０、２０を上下反転する必要はなく、レーザ溶接装置を表面側から裏面側に配置換えして溶接を行うことで、図４に示すような断面形状を得ることができる。

（表面切欠き部研削除去工程）
レーザ溶接後は、片側から最初に設けた円錐状の切欠き部１２（穴部）からリューターやグラインダ等の回転切削工具を用いて、はつり作業を行い、溶接の開始端と溶接の終了端を含む範囲を研削除去する（削り取る）ことで、図５に示すような研削除去部３３を形成する。この際、ビードの部分を他の面と平坦になるように削り取る。

（表面ティグ溶接工程）
次に、図６に示すように、フィラーを用いた手動のティグ溶接により研削除去部３３を溶接金属で満たす（充填する）溶接を多層溶接で行う。

（裏面切欠き部研削除去工程）
次に反対側の面（裏面）の最初に設けた円錐状の切欠き部１２（溝または穴）からリューターまたはグラインダなどを用いて、はつり作業を行うことで、溶接開始端と溶接終了端を含む範囲を研削除去して、図７に示すような研削除去部３５を形成する。

（裏面ティグ溶接工程）
次に、図８に示すように、フィラーを用いた手動のティグ溶接によって、研削除去して形成した研削除去部３５を溶接金属で満たす（埋める）溶接を多層溶接で行う。

このような工法で筒状の鋼材１０、２０の溶接を行うことで、レーザ溶接の開始端２１と終了端２２付近の溶接欠陥が生じ易い部位を除去して溶接ビードを繋ぐことができる。

このようにこの第１の実施形態によれば、鋼材１０、２０どうしの境界の一部に円錐状の切欠き部１２を形成し、形成した切欠き部１２と隣接した位置（左側および／または右側）に溶接の開始端２１または終了端２２が来るように境界上をレーザ溶接してビードの開始端および終了端を含む範囲のビード繋ぎ部３０を形成し、切欠き部１２の位置を起点として、回転切削工具を用いて切欠き部１２とビートの開始端２１および終了端２２を含む範囲（ビード繋ぎ部３０）を削り取って研削除去部３３、３５を形成し、形成した研削除去部３３、３５に対してフィラーを用いた手動のティグ溶接により溶接金属を充填することで、板厚が50mmを超えるような厚い板厚の筒状の鋼材１０、２０どうしを溶接で結合する場合にもビード繋ぎ部３０に溶接欠陥を残さないような溶接を行うことができる。

（第２の実施形態）
図９に第２実施形態を示す。第２実施形態はレーザ溶接の際に２パス（表裏から１パスづつ）では溶接できないような厚い鋼材、例えば75mm程度の板厚の鋼材の場合のビードの繋ぎ方法である。

鋼材１０、２０の板厚が75mm程度までに厚い場合、はつり作業後の研削除去部３３、３５が深く、研削除去部３３、３５の入口が円形ではティグ溶接を行うためのトーチ（溶接ヘッドを含む持ち手部分）を入れ難くなる。

そこで、この第２実施形態では、図９に示すように、ビード１３、１４が形成されている溶接方向Ｐに対し垂直な方向に長径Ｌを持つ長穴３７の形状に研削除去部３３（３５）を切欠き加工しておくものとする。すなわち研削除去部３３（３５）として、ビード１３、１４の方向と交差する方向に長径Ｌを持つ長穴形状の溝を形成する。

この例以外に、例えば図１０に示すように、溶接線上、つまり溶接方向Ｐと同じ方向に長径Ｌを持つ長穴３８の形状に研削除去部３３（３５）を切欠き加工しておいてもよい。すなわち研削除去部３３（３５）として、ビード１３、１４の方向と同じ方向に長径Ｌを持つ長穴形状の溝を形成する。

なおこれらの例では、溶接方向Ｐに対し直交な方向または同じ方向に長径Ｌを持つ形状の長穴３７，３８の例について説明したが、長穴の長径Ｌの方向は、必ずしも溶接線と直交または同じにする必要はなく溶接方向Ｐに対し交差する程度であってもよい。

この方法が50mm超の厚い鋼材の場合に、回転切削工具が入り易くなり、作業性を向上することができる。

このようにこの第２の実施形態によれば、研削除去部３３、３５の形状を長穴３７（図９参照）または長穴３８（図１０参照）とすることで、研削除去部３３、３５にティグ溶接を行うためのトーチを入れ易くなり、ティグ溶接の作業効率を向上することができる。

（第３の実施形態）
図１１乃至図１６に第３実施形態を示す。第３の実施形態は第２の実施形態と同様に鋼材１０、２０の板厚が75mmを超える程度に厚い場合の溶接方法の例である。

この実施形態の場合、図１１に示すように、鋼材１０、２０の境界部分に、予めキーホール１７、１８を一定の幅Ｌで設けておき、最初の１パス目４１、２パス目４２まではフィラーなしのキーホールレーザ溶接で溶接し鋼材１０、２０の境界部分なくすように結合する。残りの３パス目４３〜８パス目４８までは、フィラーを用いてレーザ溶接（フィラーあり）を行う。

鋼材１０，２０の板厚が75mm程度に厚い場合、図１２に示すように、溶接パスの開始部が階段状になるように、上のパスになるほど溶接長が短くなるようにレーザ溶接の開始端５１の位置を決める。また溶接の終了端５２の位置においても各パスの終了部が階段状になるように鋼材１０（鋼材２０）の表面に近いほど溶接線の長さが短くなるように溶接を行う。
つまり各パスの溶接線の長さをＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４としたときに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４となる。

レーザ溶接が終了した後、図１３に示すように、回転切削工具を用いてはつり作業を行い、ビードの開始端２１と終了端２２を含む範囲を研削してはつり取ることで、研削除去部８１を形成する。

続いて、形成した研削除去部８１に、フィラーを用いて手動のティグ溶接を、図１４に示すように、多層に行うことにより研削除去部８１を溶接金属で充填しティグ溶接部８２を形成する。

次に、偶数パス目の溶接を行った側の面の切欠き部の箇所から回転切削工具を用いてはつり作業を行うことで、図１５に示すように、ビードの開始端と終了端を含む範囲をはつり取ることで、研削除去部８３を形成する。

続いて、形成した研削除去部８３に、フィラーを用いた手動のティグ溶接を、図１６に示すように、多層に行うことによって研削除去部８３を溶接金属で充填しティグ溶接部８４を形成する。

このようにこの第３の実施形態によれば、板厚が75mm以上の厚い筒状の鋼材１０、２０についてもビード繋ぎ部３０に溶接欠陥を残さないような溶接を行うことができる。

（第４の実施形態）
図１７に第４実施形態を示す。この第４実施形態は第１の溶接線９３と第２の溶接線９４が直交するように配置されている継ぎ手形状の鋼材１０、２０の場合の例である。

図１７に示すように、鋼材１０と鋼材２０の境界が段状であり、ビーム溶接により形成されたビード９１、９２が一直線上ではなく、１８０度以外の角度を持って溶接線９３、９４が交差するような場合、溶接線９３、９４どうしが交差する箇所をビードの繋ぎ位置にする。

換言すると、鋼材１０、２０どうしの境界が、第１の境界とこの第１の境界と交差する方向に設けられた第２の境界とで構成される場合は、直線上ではない異なる方向のビード９１、９２が形成される。

この場合、それぞれのビード９１、９２の溶接線９３、９４を延伸させた軸線が交わる箇所をビード繋ぎ位置とし、この位置を起点に円錐状の切欠き部９５を鋼材１０、２０の表面と裏面に設ける。すなわちビード９１、９２には溶接線（ビード）が交差する位置にビード９１、９２の繋ぎ部ができるためこのように境界が交差する位置に切欠き部９５を形成する。

このようにＬ字形に段差がある継ぎ手形状の厚板の鋼材１０、２０をレーザ溶接で結合する場合、溶接線９３、９４の軸線の交点部分を基点とした円錐状の切欠き部９５を鋼材１０、２０の表面と裏面に設けることになる。なお２つの溶接線９３、９４における断面を直線状に示すと、図４あるいは図１２に示した断面と同じようになる。その後の手順は第１実施形態および第３実施形態で説明したものと同じであるためその説明は省略する。

この他、第１の溶接線９３と第２の溶接線９４が直交する場合の例として、溶接線９３、９４の交差した位置を起点として、切欠きの底面の長穴の長径をそれぞれの溶接線方向に一致させて切欠き部９５を設けるケース（図１８の例）と、溶接線９３、９４の交差した位置を起点として、切欠きの底面の長穴の短径をそれぞれの溶接線方向に一致させて切欠き部を設けるケース（図示せず）がある。

例えば図１８に示すように、第１の溶接線９３の方向と長穴底面の長径方向が一致しており、第２の溶接線９４の方向と長穴底面の長径方向が一致しており、これら２つの長穴の底面を十字に交差させた切欠き形状としてもよい。つまり十字状に配置した２つの長穴で形成した切欠き部９６としてもよい。

このようにこの第４の実施形態によれば、異なる角度で設けられた複数のビード９１、９２の溶接線９３、９４が交差する位置に切欠き部９５、９６を設けることで、一直線上ではないビードの繋ぎ部についても溶接欠陥を残さないような溶接を行うことができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０…鋼材、１１…縁部、１２，９５，９６…切欠き部、１３，１４，９１，９２…ビード、１７，１８…キーホール、２１，５１…開始端、２２，５２…終了端、３０…ビード繋ぎ部、３１…１パス目表溶接部、３２…２パス目裏溶接部、３３，３５，８１，８３…研削除去部、４１−４８，６１−６８…溶接順（パスの順序）、３７，３８…長穴、８２，８４…ティグ溶接部、９３…第１の溶接線、９４…第２の溶接線。

Claims

所定の板厚の円筒状または平板状の鋼材の縁部に、前記鋼材の表裏の両面からレーザ溶接およびティグ溶接でビードの繋ぎ部を形成して前記鋼材どうしを結合する溶接方法であって、
前記鋼材どうしの境界の一部に切欠き部を形成し、
形成した前記切欠き部に隣接した位置に溶接の開始端または終了端が来るように前記境界上をレーザ溶接して前記ビードを形成し、
形成した前記切欠き部の位置を起点として前記切欠き部と前記溶接の開始端または終了端を含む範囲を削り取って研削除去部を形成し、
形成した前記研削除去部に対してフィラーを用いたティグ溶接により溶接金属を充填する
溶接方法。
前記研削除去部として、前記ビードの方向と交差する方向に長径を持つ長穴形状の溝を形成した請求項１に記載の溶接方法。
前記研削除去部として、前記ビードと同じ方向に長径を持つ長穴形状の溝を形成した請求項１に記載の溶接方法。
前記鋼材どうしの境界が、第１の境界とこの第１の境界と交差する方向に設けられた第２の境界とで構成される場合、前記第１の境界と前記第２の境界の交差する位置に切欠き部を形成する請求項１に記載の溶接方法。