JP6223934B2 - 電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物に関し、特に、厚板構造物における継手に適用される電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物に関する。

一般的に、電子ビーム溶接機は電子銃、真空チャンバー、排気系、被溶接物駆動装置、高圧電源、制御盤等で構成される。電子ビーム溶接は、突合された２以上の母材（被溶接物）が互いに接して形成される突合せ部に対して電子銃から電子ビームを照射することで、突合せ部を溶融、蒸発させるとともに急速に凝固させ、それら２以上の母材を接合する溶接方法である。

電子ビーム溶接は、特に、厚板構造物における継手に電子ビーム溶接を適用する場合には、その突合せ部が、通常Ｉ型開先とされる。したがって、溶接自体も１パスで行われることとなり、従来に比べて大幅に工数を低減することが可能である。

しかし、溶接が１パスで行われる場合、１つの溶接ビードで目外れによる溶接欠陥を抑制する必要があり、溶接ビード幅を開先の幅よりも広げなければならない。溶接ビード幅を広げると、入熱が大きくなってしまい溶接部の強度の低下を招く可能性があるだけではなく、冷却速度も低下する可能性があることから焼き入れ効果による強度の上昇も得られない。これにより、結果として溶接部全体の機械的性質が低下する可能性がある。

また、電子ビーム溶接は、溶接ビードが鋼板中の細かい磁気によって偏向されやすいため、母材の厚さが厚くなるほど目外れによる溶接欠陥が生じやすい。つまり、母材の厚さが厚くなるほど、目外れを抑制するために溶接ビード幅を広げる必要があり、入熱も大きくなってしまう。そのため、溶接部の機械的性質、たとえば、靱性等は低下する傾向にある。

そこで、１パスではなく３パスで溶接を行うことにより、目外れを抑制しつつ溶接部の機械的性質を向上させる方法が、たとえば、特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１に記載の技術では、開先を含むよう第１溶接ビードを形成した後に、第１溶接ビードよりも幅が狭い第２溶接ビードおよび第３溶接ビードを開先を外して第１溶接ビードの幅方向両側にそれぞれ接するように形成することで、総溶接ビード幅を広くし目外れを防止する。さらに、第２溶接ビードおよび第３溶接ビードを開先を外して形成することにより、第１溶接ビードの中央付近は第１溶接ビードに外周側から少なくとも２回の熱影響を与えることができる。また、第１溶接ビードの両側部は、再溶融されることで結晶粒が微細化される。したがって、溶接部の両側部および中央付近の靭性を回復させることができる。

特許文献２に記載の技術では、開先を含むよう第１溶接ビードを施工した後に、第１溶接ビードと幅が等しい第２溶接ビードおよび第３溶接ビードを、第１溶接ビードと重なり、かつ、これら複数の二次溶接ビードが互いに重ならない位置に順次施工する。このような構成によれば、第１溶接ビードと第２溶接ビードおよび第３溶接ビードとが重なることで、開先に対して形成される溶接ビードの幅を広くとることができる。また、第２溶接ビードと第３溶接ビードとが互いに重ならないことで第１溶接ビードへの入熱を小さくすることができる。さらに、等しい溶接ビード幅とすることで最後まで同一の溶接条件で容易に溶接を行うことができる。

特開２０１２−０３５３１８号公報 特開２０１４−０２４０８９号公報

しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載の技術では、溶接部の靱性は回復するものの、第１溶接ビードは、複数回の熱影響および再溶融により結晶粒が第１溶接ビードの幅方向両側から順次微細化されるため、電子ビームの照射方向と直交する方向の機械的性質のばらつきを抑えることについては改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、目外れによる欠陥を抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を容易に抑制できる電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る電子ビーム溶接方法は、２つの母材の突合せ部に設けられた開先を含んで一次溶接ビードを形成する工程と、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い複数の二次溶接ビードを、前記母材の厚さ方向の全体にわたって前記一次溶接ビードと接し、かつ、前記複数の二次溶接ビードが互いに重ならない位置に順次形成する工程と、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い三次溶接ビードを、前記開先を含み、かつ、前記一次溶接ビード内に含まれる位置に形成する工程と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥を抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を容易に抑制できる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記複数の二次溶接ビードを、前記一次ビードの中心線を軸として線対称となる位置に順次形成することを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥を抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきを容易に抑えることができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記三次溶接ビードの中心線と前記一次溶接ビードの中心線とを一致させるように前記三次溶接ビードを形成することを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥を確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきを容易に抑えることができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記一次溶接ビードの中心線と前記開先とを一致させるように前記一次溶接ビードを形成することを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥をより確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより容易に抑えることができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記複数の二次溶接ビードのそれぞれの幅と前記三次溶接ビードの幅とが等しいことを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥をより確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記一次溶接ビードの幅を、４ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲に設定する。

このような構成によれば、目外れによる欠陥をより一層確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、本発明の他の態様に係る電子ビーム溶接方法は、前記複数の二次溶接ビードおよび前記三次溶接ビードの幅を、２ｍｍ以上とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥をより一層確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、本発明の一態様に係る電子ビーム溶接構造物の製造方法は、前述した電子ビーム溶接方法を用いたことを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥を抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を防ぎつつ、電子ビーム溶接構造物を製造することできる。

また、本発明の一態様に係る電子ビーム溶接構造物は、２つの母材の突合せ部に設けられた開先を含んで形成される一次溶接ビードと、前記母材の厚さ方向の全体にわたって前記一次溶接ビードと接し、かつ、互いに重ならない位置に順次形成される、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い複数の二次溶接ビードと、前記開先を含み、かつ、前記一次溶接ビード内に含まれる位置に形成される、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い三次溶接ビードと、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、目外れによる欠陥が抑制され、かつ、溶接部の機械的性質の低下が容易に抑制される。

本発明の電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物によれば、目外れによる欠陥を抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を容易に抑制できる電子ビーム溶接方法、電子ビーム溶接構造物の製造方法および電子ビーム溶接構造物を提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の準備工程の一例を説明する図である。 図１Ｂは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の一次溶接工程の一例を説明する図である。 図１Ｃは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の第１の二次溶接工程の一例を説明する図である。 図１Ｄは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の第２の二次溶接工程の一例を説明する図である。 図１Ｅは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の三次溶接工程の一例を説明する図である。 図２Ａは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法による電子ビーム溶接の断面を表す模式図である。 図２Ｂは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の電子ビーム溶接の硬さ測定試験結果を示す図である。 図３Ａは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法による電子ビーム溶接の断面を表す模式図である。 図３Ｂは、従来の電子ビーム溶接方法による電子ビーム溶接の硬さ測定試験結果を示す図である。

本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄおよび図１Ｅは、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の各工程の一例を説明する図である。なお、これらの図は実際の縮尺で作成された図ではない。

本実施形態の電子ビーム溶接方法は、これらの図に示すように、母材５の開先７に対し、一次溶接ビードを形成する一次溶接工程Ｓ１１０の後に、２回の二次溶接ビードを形成する第１の二次溶接工程Ｓ１２０および第２の二次溶接工程Ｓ１３０と、さらに、三次溶接ビードを形成する三次溶接工程Ｓ１４０と、を備えている。

具体的には、本実施形態の電子ビーム溶接方法は、開先７を形成する準備工程Ｓ１００と、一次溶接ビード１１を形成する一次溶接工程Ｓ１１０と、第１の二次溶接ビード１２を形成する第１の二次溶接工程Ｓ１２０と、第２の二次溶接ビード１３を形成する第２の二次溶接工程Ｓ１３０と、三次溶接ビード１４を形成する三次溶接工程Ｓ１４０と、を備え構成されており、これらの工程が順次実行される。

図１Ａに示すように、まず、準備工程Ｓ１００では、２つの母材５の端面を対向するように突合せ、突合せ部である開先７を形成する。たとえば、開先７は、０ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の幅になるように母材５間の位置が調整されている。
母材５である被溶接物には、電子ビーム溶接が施工可能な材料を使用できる。中でも、低合金鋼または類似鋼材が好ましい。母材５の厚さは、１００ｍｍ〜１２０ｍｍ程度とされる。ここで、母材５の厚さは、電子ビームの照射方向に対する母材５の厚さを意味する。

本実施形態における電子ビーム溶接施工条件は、母材５の材質および厚さなどに応じて各パラメータを適宜設定する。溶接は、立向き姿勢で行われる。

図１Ｂに示すように、一次溶接工程Ｓ１１０では、開先７を含んで開先７に対して平行に一次溶接ビード１１を形成する。たとえば、一次溶接ビード１１の幅は、４ｍｍから６ｍｍ程度が好ましい。なお、一次溶接ビード１１は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と開先７とが一致するように形成されることが好ましい。
ここで、本実施形態における溶接ビードの幅は、電子ビームの照射方向と直交する方向の最も狭い部分の長さを意味する。また、本実施形態における溶接ビードの中心線は、溶接ビードの幅中央を通る、電子ビームの中心の軌跡を示す線を意味する。

図１Ｃに示すように、第１の二次溶接工程Ｓ１２０では、一次溶接工程Ｓ１１０で形成した一次溶接ビード１１を充分に冷却した後、開先７に対して平行に第１の二次溶接ビード１２を形成する。第１の二次溶接ビード１２は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１に対し左右いずれかに片寄った位置に、母材５の厚さ方向の全体にわたって一次溶接ビード１１と接するように形成される。したがって、縦断面内で、すなわち、母材５の厚さ方向を含む断面内で、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第１の二次溶接ビード１２の中心線Ｏ１２とが互いに平行になる。第１の二次溶接工程Ｓ１２０では、第１の二次溶接ビード１２の幅を一次溶接ビード１１の幅より狭く設定する。たとえば、第１の二次溶接ビード１２の幅は、２ｍｍ以上が好ましい。

図１Ｄに示すように、第２の二次溶接工程Ｓ１３０では、第１の二次溶接ビード１２を充分に冷却した後、開先７に対して平行に第２の二次溶接ビード１３を形成する。第２の二次溶接ビード１３は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１に対し第１の二次溶接ビード１２とは逆側に片寄った位置に、母材５の厚さ方向の全体にわたって一次溶接ビード１１と接し、かつ、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とが互いに重ならないように形成される。すなわち、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とは間隔を空けて形成される。したがって、縦断面内で、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第２の二次溶接ビード１３の中心線Ｏ１３とが互いに平行になる。第２の二次溶接工程Ｓ１３０では、第１の二次溶接ビード１２の幅と同様に、第２の二次溶接ビード１３の幅を一次溶接ビード１１の幅より狭く設定する。たとえば、第２の二次溶接ビード１３の幅は、２ｍｍ以上が好ましい。
なお、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とは、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１を軸として線対称となる位置に順次形成されることが好ましい。さらに、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とは、開先７を軸として線対称に順次形成されることがより好ましい。

図１Ｅに示すように、三次溶接工程Ｓ１４０では、第２の二次溶接工程Ｓ１３０で形成した第２の二次溶接ビード１３を充分に冷却した後、開先７を含んで開先７に対して平行に三次溶接ビードである三次溶接ビード１４を形成する。三次溶接ビード１４は、一次溶接ビード１１内に含まれる位置に形成される。したがって、縦断面内で、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４とが互いに平行になる。三次溶接工程Ｓ１４０では、三次溶接ビード１４の幅を一次溶接ビード１１の幅より狭く設定する。たとえば、三次溶接ビード１４の幅は、２ｍｍ以上が好ましい。
なお、三次溶接ビード１４は、三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４と一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１とが一致するように形成されることが好ましい。さらに、三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４は、開先７と一致するように形成されていることがより好ましい。加えて、第１の二次溶接ビード１２の幅と第２の二次溶接ビード１３の幅と三次溶接ビード１４の幅とが等しいことがより一層好ましい。

つぎに、上記構成の電子ビーム溶接方法の作用と効果について説明する。
本実施形態に係る電子ビーム溶接方法は、一次溶接ビード１１を、開先７より広い幅で開先７を含んで形成する。これにより、一次溶接ビード１１を形成する時の目外れを生じにくくさせることができる。また、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３は一次溶接ビード１１に接することで、開先７に対して形成した総溶接ビード幅を、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３の幅の分だけさらに広くとることができる。そのため、仮に一次溶接ビード１１で目外れが生じていても、第２溶接ビードおよび第３溶接ビードで目外れを生じにくくできるので、溶接欠陥の発生を抑制することができる。

また、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３は、母材５の厚さ方向の全体にわたって一次溶接ビード１１と接し、かつ、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とが互いに重ならないように形成される。これにより、一次溶接ビード１１に、一次溶接ビード１１の外周側から熱影響を与えることができる。本実施形態に係る電子ビーム溶接方法では、第１の二次溶接ビード１２の幅および第２の二次溶接ビード１３の幅は、一次溶接ビード１１の幅よりも狭く設定される。すなわち、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３は一次溶接ビード１１よりも小入熱で形成されるため、少なくとも２回の熱影響を一次溶接ビード１１のビード中央付近に与えることができる。このため、一次溶接ビード１１の結晶粒が微細化される。また、一次溶接ビード１１の両側部は、小入熱で再溶融されることで結晶粒が微細化される。さらに、一次溶接ビード１１よりも幅の狭い第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とが互いに重ならないことで、一次溶接ビードへの入熱を小さくすることができるので、一次溶接ビード１１の機械的性質の低下を抑制できる。

さらに、三次溶接ビード１４は、開先７より広い幅で開先７を含んで形成された一次溶接ビード１１の中央部、すなわち、開先を含む位置に形成される。三次溶接ビード１４は、一次溶接ビード１１の幅よりも狭く設定される。つまり、三次溶接ビード１４を小入熱で一次溶接ビード１１内に溶接することで、一次溶接ビード１１の中央部を再溶融させている。溶接部の中央付近では、小入熱で再溶融されることで結晶粒が微細化される。

以上より、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、溶接部の結晶粒が微細化されると吸収エネルギーが高くなり、溶接部の靱性が改善されるため、溶接部の両側部および中央付近の機械的性質の低下を抑制することができる。

また、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１を軸として線対称となる位置に順次形成される。このようにすると、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３による熱影響および再溶融により、一次溶接ビード１１の結晶粒が一次溶接ビードの中心線Ｏ１１に対して左右均等に微細化される。したがって、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、溶接部の両側部および中央付近において機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきを抑えることができる。

また、三次溶接ビード１４は、三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４と一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１とが一致するように形成される。このようにすると、一次溶接ビード１１によって結晶粒が粗大化された溶接部の中央部は、小入熱で再溶融されることで結晶粒が微細化される。したがって、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、目外れによる欠陥を確実に抑制し、かつ、溶接部の中央付近において機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきを容易に抑えることができる。

また、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１は、開先７と一致するように形成される。このようにすると、２つの母材５の突合せ部である開先７は溶接部の中央となり、一次溶接ビード１１を形成する時の目外れをより確実に生じにくくさせることができる。したがって、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法によれば、目外れによる欠陥をより確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより容易に抑えることができる。

また、第１の二次溶接ビード１２の幅と第２の二次溶接ビード１３の幅と三次溶接ビード１４の幅とが等しいことが好ましい。このようにすることで、第１の二次溶接工程Ｓ１２０から三次溶接工程Ｓ１４０までを同一の条件で溶接することができるため、母材５を容易に溶接することができる。同時に、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３と三次溶接ビード１４とによる熱影響および再溶融によって、粒子の微細化される程度をより均一にできる。したがって、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法は、目外れによる欠陥をより確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、一次溶接ビード１１の幅は、４ｍｍから６ｍｍ程度が好ましい。このようにすると、開先７の幅よりも必要以上に大きく溶接ビードを形成することを抑制できるので、目外れを生じにくく、かつ、結晶粒が粗大化される範囲を可能な限り抑えた一次溶接ビード１１を形成することができる。したがって、目外れによる欠陥をより一層確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３と三次溶接ビード１４とを２ｍｍ以上という狭い幅で形成することで、１つ１つの溶接ビードの入熱を小さくすることが可能となる。このようにすると、各溶接ビードの冷却速度を上昇させることができるので、焼き入れ効果により溶接金属の強度を向上させることができる。そして、狭い幅の溶接ビードを形成することで開先７に対して最終的に形成される溶接ビード幅を狭くすることができるので、開先７の幅よりも溶接ビードを必要以上に大きく形成することを抑制できる。したがって、目外れによる欠陥をより一層確実に抑制し、かつ、溶接部の機械的性質の低下を抑制し、特に、硬さのばらつきをより一層容易に抑えることができる。

また、本実施形態に係る溶接構造物の製造方法は、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法を用いて、溶接構造物を製造する。このため、目外れによる欠陥が抑制され、かつ溶接部の機械的性質の低下が抑制された溶接構造物を製造することできる。

また、本実施形態に係る電子ビーム溶接構造物は、２つの母材５の突合せ部４に設けられた開先７を含んで形成される一次溶接ビード１１と、母材５の厚さ方向の全体にわたって一次溶接ビード１１と接し、かつ、互いに重ならない位置に順次形成される、一次溶接ビード１１よりも幅が狭い第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３と、開先７を含み、かつ、一次溶接ビード１１内に含まれる位置に形成される一次溶接ビード１１よりも幅が狭い三次溶接ビード１４と、を備える。このような構造により、一次溶接ビード１１は、開先７より広い幅で開先７を含む。これにより、一次溶接ビード１１が母材５に形成される時の目外れを生じにくくできる。また、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３が一次溶接ビード１１に接することにより、開先７に対して形成された総溶接ビード幅は、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３の幅の分だけさらに広くなる。さらに、三次溶接ビード１４は小入熱で一次溶接ビード１１内に溶接されるので、一次溶接ビード１１の中央部が再溶融する。これにより、溶接部の中央付近では、結晶粒が微細化される。したがって、本実施形態に係る電子ビーム溶接構造物は、目外れによる欠陥が抑制され、溶接部の機械的性質の低下が容易に抑制される。

以上、本実施形態について説明したが、前述した内容により本実施形態が限定されるものではない。また、前述した本実施形態の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換および変更を行うことができる。

たとえば、本実施形態において二次溶接ビードを形成する第１の二次溶接工程Ｓ１２０および第２の二次溶接工程Ｓ１３０は、複数回繰り返されてもよい。たとえば、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１に対して第１の二次溶接ビード１２とは反対側に第３の二次溶接ビードを形成し、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１に対して第２の二次溶接ビード１３とは反対側に第４の二次溶接ビードを形成してもよい。すなわち、二次溶接ビードを形成する溶接工程に回数に制限はなく、溶接対象となる母材や使用される環境に合わせて、第５の二次溶接ビードおよび第６の二次溶接ビード以降が形成されてもよい。

なお、形成される二次溶接ビードは、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１を境界として、片側に片寄って形成されるのではなく、左右に均等に順次形成されることがより好ましい。

また、本実施形態において三次溶接ビードを形成する三次溶接工程Ｓ１４０は複数回繰り返されてもよい。たとえば、三次溶接ビード１４を第１の三次溶接ビードとして、第２の三次溶接ビードを形成してもよい。すなわち、三次溶接ビードを形成する溶接工程に回数に制限はなく、溶接対象となる母材や使用される環境に合わせて、第３の三次溶接ビード以降が形成されてもよい。

また、本実施形態において、複数の二次溶接ビードを２つの母材５の開先７の対向する面に向かって傾斜させて形成させてもよい。すなわち、傾斜した第１の二次溶接ビード１２の中心線Ｏ１２および傾斜した第２の二次溶接ビード１３の中心線Ｏ１３は、電子ビームの照射方向に向かうにしたがって一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１に近接するように傾斜している。通常、電子ビーム溶接ビードは入射側の方がわずかに幅を広く形成される。したがって、前述のように溶接すれば、一次溶接ビード１１と、傾斜した第１の二次溶接ビード１２および傾斜した第２の二次溶接ビード１３とが互いに重なり合う領域が減少する。そのため、さらに一次溶接ビード１１への入熱を小さくすることができ、溶接金属の機械的性質の低下を抑制することができる。

以下、実施例を説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。

（実施例）
実施例では、母材５として、低合金を使用した。準備工程Ｓ１００では、２つの母材５の端面６を対向させて開先７を形成した。

まず、一次溶接工程Ｓ１１０として、溶接ビーム幅６ｍｍの一次溶接ビード１１を形成した。このとき、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と開先７とを一致させた。

つぎに、第１の二次溶接工程Ｓ１２０として、一次溶接ビード１１を充分に冷却した後に、溶接ビーム幅２ｍｍの第１の二次溶接ビード１２を形成した。第１の二次溶接ビード１２は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１が含まれない片寄った位置で一次溶接ビード１１と接する。このとき、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第１の二次溶接ビード１２の中心線Ｏ１２とが縦断面内で平行になる。溶接施工条件は、一次溶接工程Ｓ１１０よりも小入熱とした。

それから、第２の二次溶接工程Ｓ１３０として、溶接ビーム幅２ｍｍの第２の二次溶接ビード１３を形成した。第２の二次溶接ビード１３は、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１から第１の二次溶接ビード１２とは反対側にずれた位置で一次溶接ビード１１と接する。つまり、第２の二次溶接ビード１３は、第１の二次溶接ビード１２と接しないため、互いに重ならない位置に形成される。このとき、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第２の二次溶接ビード１３の中心線Ｏ１３とが縦断面内で平行になる。溶接施工条件は、第１の二次溶接工程Ｓ１２０から変更しない。

さらに、三次溶接工程Ｓ１４０として、溶接ビーム幅２ｍｍの三次溶接ビード１４を一次溶接ビード１１内に含まれる位置に形成した。このとき、三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４と開先７とを一致しさせ、かつ、三次溶接ビード１４の中心線Ｏ１４と一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１とを一致させた。溶接施工条件は、第１の二次溶接工程Ｓ１２０および第２の二次溶接工程Ｓ１３０から変更しない。

（比較例）
比較例では、母材５として、低合金を使用した。まず、一次溶接工程Ｓ１１０として、溶接ビーム幅５ｍｍの一次溶接ビード１１を、開先７を含んで形成した。つぎに、第１の二次溶接工程Ｓ１２０として、一次溶接ビード１１を充分に冷却した後に、溶接ビーム幅３ｍｍの第１の二次溶接ビード１２を、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１から片寄った位置に一次溶接ビード１１と接触させながら、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第１の二次溶接ビード１２とが縦断面内で平行になるように形成した。溶接施工条件は、一次溶接工程Ｓ１１０とよりも小入熱とした。

つぎに、第２の二次溶接工程Ｓ１３０として、第１の二次溶接ビード１２を充分に冷却した後に、溶接ビーム幅３ｍｍの第２の二次溶接ビード１３を、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１から第１の二次溶接ビード１２とは反対側にずれた位置で一次溶接ビード１１と接触させながら、一次溶接ビード１１の中心線Ｏ１１と第２の二次溶接ビード１３の中心線Ｏ１３とが縦断面内で平行になるように形成した。溶接施工条件は、第１の二次溶接工程Ｓ１２０から変更しない。比較例は、三次溶接工程Ｓ１４０は実行しない点が実施例とは異なる。

実施例について、電子ビーム溶接の断面を表す模式図と硬さ測定試験結果とを、それぞれ図２Ａと図２Ｂとに示す。また、比較例について、電子ビーム溶接の断面を表す模式図と硬さ測定試験結果とを、それぞれ図３Ａと図３Ｂとに示す。図２Ｂおよび図３Ｂに示す硬さ測定試験結果は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４で規定されたビッカース硬さ試験によって得た。試験力は９．８０７Ｎとし、測定ピッチは１ｍｍとした。硬さ測定位置をＸで表し、硬さ値をＨで表す。図２Ａおよび図３Ａにおける黒塗りの菱形のシンボルは、右側溶接境界部を示す。右側溶接境界部は、Ｘ方向の基準点、すなわち、Ｘ＝０ｍｍの測定点である。この試験では、母材の厚さをｔとし、母材の電子ビームが照射される面を基準面として、基準面からの厚さ方向の距離が１／４ｔ、２／４ｔ、３／４ｔにおいて、厚さ方向と直交する方向、すなわち、Ｘ方向に１ｍｍピッチで硬さ値を測定した。図２Ａおよび図３Ａでは、基準面は上側の面になる。各測定点の硬さ値Ｈは、基準面からの厚さ方向の距離が同じ各測定点の平均値に対する相対値として図２Ｂおよび図３Ｂに示した。

実施例では、一次溶接工程Ｓ１１０から三次溶接工程Ｓ１４０までを順次実行することで、総溶接ビードの幅を６ｍｍとして開先７を溶接した。また、比較例では、一次溶接工程Ｓ１１０から第２の二次溶接工程Ｓ１３０を施工することで総溶接ビードの幅を９ｍｍとして開先７を溶接した。

図２Ｂに示すように、実施例の電子ビーム溶接について、厚さｔに対して基準面からの厚さ方向の距離が１／４ｔ、２／４ｔ、３／４ｔにおいて、Ｘ方向の各測定点の硬さ値Ｈを折れ線図で表した。実施例の総溶接ビードの幅は６ｍｍであるので、Ｘが−６ｍｍ〜０ｍｍの部分が溶接金属部に相当する。この溶接金属部において、各測定点の硬さ値Ｈは、基準面からの厚さ方向の距離が同じ各測定点の平均値に対して１割〜２割程度高かった。また、溶接金属部における硬さ値Ｈの最大値と最小値との差は、基準面からの厚さ方向の距離が同じ各測定点の平均値の１割以内であった。

図３Ｂに示すように、比較例の電子ビーム溶接についても、実施例と同様に、Ｘ方向の各測定点での硬さ値Ｈを折れ線図で表した。比較例の総溶接ビードの幅が９ｍｍであるので、Ｘが−９ｍｍ〜０ｍｍの部分が溶接金属部に相当する。この溶接金属部において、ほとんどの測定点の硬さ値Ｈは、基準面からの厚さ方向の距離が同じ各測定点の平均値に対して１割〜２割程度高かった。一方で、ある測定点の硬さ値Ｈは基準からの距離が同じ各測定点の平均値と同程度であった。したがって、溶接金属部における硬さ値Ｈの最大値と最小値との差は、基準面からの厚さ方向の距離が同じ各測定点の平均値の２割以上となった。

以上の結果から、実施例は、比較例に比べて、溶接金属部における硬さ値、すなわち硬さのばらつきが抑えられ、機械的特性が改善されることがわかった。

これらの結果から、実施例は、一次溶接ビード１１、第１の二次溶接ビード１２および第２の二次溶接ビード１３のみならず、三次溶接ビード１４も形成するので、溶接部の機械的性質の低下を抑制しながら、溶接ビードの幅を広く形成することができた。また、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３とが互いに重なり合わないようにすることで、機械的性質の低下が抑制できた。また、第１の二次溶接ビード１２と第２の二次溶接ビード１３との中央に、三次溶接ビード１４を形成することで、溶接部の機械的性質の低下、特に、硬さのばらつきが抑制できた。また、第１の二次溶接ビード１２から三次溶接ビード１４まで溶接ビードの幅を２ｍｍと狭く一定に設定し、溶接条件を変更しないことで、溶接部の機械的性質の低下を抑制しながらに容易に溶接できた。

５ 母材
６ 母材５の端面
７ 開先
１１ 一次溶接ビード
１２ 第１の二次溶接ビード
１３ 第２の二次溶接ビード
１４ 三次溶接ビード
Ｏ１１ 一次溶接ビード１１の中心線
Ｏ１２ 第１の二次溶接ビード１２の中心線
Ｏ１３ 第２の二次溶接ビード１３の中心線
Ｏ１４ 三次溶接ビード１４の中心線
Ｓ１００ 準備工程
Ｓ１１０ 一次溶接工程
Ｓ１２０ 第１の二次溶接工程
Ｓ１３０ 第２の二次溶接工程
Ｓ１４０ 三次溶接工程

Claims (9)

1. ２つの母材の突合せ部に設けられた開先を含んで一次溶接ビードを形成する工程と、
   前記一次溶接ビードよりも幅が狭い複数の二次溶接ビードを、前記母材の厚さ方向の全体にわたって前記一次溶接ビードと接し、かつ、前記複数の二次溶接ビードが互いに重ならない位置に順次形成する工程と、
   前記一次溶接ビードよりも幅が狭い三次溶接ビードを、前記開先を含み、かつ、前記一次溶接ビード内に含まれる位置に形成する工程と、
   を備えることを特徴とする電子ビーム溶接方法。
2. 前記複数の二次溶接ビードを、前記一次溶接ビードの中心線を軸として線対称となる位置に順次形成することを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム溶接方法。
3. 前記三次溶接ビードの中心線と前記一次溶接ビードの中心線とを一致させるように前記三次溶接ビードを形成することを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム溶接方法。
4. 前記一次溶接ビードの中心線と前記開先とを一致させるように前記一次溶接ビードを形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子ビーム溶接方法。
5. 前記複数の二次溶接ビードのそれぞれの幅と前記三次溶接ビードの幅とが等しいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電子ビーム溶接方法。
6. 前記一次溶接ビードの幅を、４ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲に設定する請求項１ないし５に記載の電子ビーム溶接方法。
7. 前記複数の二次溶接ビードおよび前記三次溶接ビードの幅を、２ｍｍ以上とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電子ビーム溶接方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電子ビーム溶接方法を用いた溶接構造物の製造方法。
9. ２つの母材の突合せ部に設けられた開先を含んで形成される一次溶接ビードと、
   前記母材の厚さ方向の全体にわたって前記一次溶接ビードと接し、かつ、互いに重ならない位置に順次形成される、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い複数の二次溶接ビードと、
   前記開先を含み、かつ、前記一次溶接ビード内に含まれる位置に形成される、前記一次溶接ビードよりも幅が狭い三次溶接ビードと、
   を備える電子ビーム溶接構造物。