JP4528683B2 - 狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、開先継手の管部材又は板部材の片面溶接で生じる裏面側の裏ビード部分及びその近傍の残留応力を圧縮応力に改善する狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置に関する。

原子力発電プラントや火力発電プラントの容器，配管，構成部品などの溶接構造物に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、溶接などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が析出し易く、結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層の形成により腐食に対する割れ感受性（材料の鋭敏化）が高くなる。また、溶接部分（溶接金属部及び隣接する熱影響部）には、高い引張残留応力が存在しており、高温水などの厳しい腐食環境下で使用されるので応力腐食割れが発生し易い。この応力腐食割れを防止するためには、前記材料の鋭敏化，引張応力，腐食環境の３因子の中から１つの因子を取り除く必要がある。このため、特に、高温水などの腐食環境下にさらされる溶接部分の表面及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減が強く求められ、溶接方法や溶接装置が幾つか提案されている。

特許文献１（特公昭５３−３８２４６号公報）に記載の配管系の熱処理方法では、溶接組み立て後の配管の内部に冷却水を存在させ、前記配管の外部を加熱して管内面と管外面との間に温度差を発生させ、管内面を引張降伏させ、管外面を圧縮降伏させることが提案されている。

特許文献２（特開２００１−１４１６２９号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位の予防保全方法及び装置では、線状の溶接部位を追従しながら高周波加熱コイルを移動させ、この高周波加熱コイルによって溶接部位を応力降伏点の温度より高い温度まで加熱する手順と、過熱領域に冷却水を噴出して急速冷却する手順を有することが提案されている。

特許文献３（特表平９−５１２４８５号公報）に記載の金属部品を接合する方法及び装置では、選定速度（毎分１２７cm以上）で走行する電極先端のチップ近傍に溶接材を連続的に供給する段階と、前記チップからの放電電流によって溶接材料を開先内で連続的に溶融する段階と、溶接ビードを形成する段階とを有し、前記電極はチップに接合及び電気的に接続された非円形断面のブレードを有し、所定数の溶接パス全体で圧縮性のある最終残留応力状態を外部にヒートシンク媒体なしで生成して達成することが提案されている。

また、特許文献４（特表平９−５１２４８６号公報）は高いトーチ走行速度を用いて溶接金属部品における残留応力を緩和する方法が記載されている。キャップパス（最終仕上溶接）の際に、毎分２５４mm（１０インチ）より速いトーチ走行速度で溶接継手の遠表面（開先表面側）を加熱（溶融）して、近表面（開先底面側）と遠表面との間に温度分布を生成させる段階と、遠表面を冷却させて、圧縮応力又は小さな引張応力を前記近表面に生成させる段階とを内面側にヒートシンク（水冷）なしで実施することが提案されている。

また、特許文献５（特開平２−２５８１９０号公報）に記載の配管の改善方法では、圧力容器の炉水を保持した状態で、１〜３０ｋＪ／cmの範囲の入熱量で溶接熱影響部を加熱する領域と、１〜５ｋＪ／cmの範囲の入熱量で溶接熱影響部を加熱する領域とに分けることが提案されている。

また、特許文献６（特公昭５９−２１７１１号公報）に記載のステンレス鋼材の溶接方法では、溶接継手部近傍の腐食性流体に接する面に耐食材料を事前に肉盛し、この肉盛部に隣接及び前記腐食性流体に接する部分に５ｋＪ／cm以下の入熱条件で溶融処理し、その後に、前記継手部に開先を形成して溶接することが提案されている。

さらに、特許文献７（特公昭６２−１９９５３号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手の多層盛溶接方法では、開先最深部に近い側の層をオーステナイト系溶加材を用いて溶着（溶接）し、前記層に隣接する外側の少なくとも１つの層をマルテンサイト系溶加材を用いて溶接することが提案されている。

また、特許文献８（特開平１１−１３８２９０号公報）に記載の溶接方法及び溶接材料では、溶接によって生成する溶接金属に溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を生じさせ、前記溶接金属が室温時においてマルテンサイト変態の開始温度（例えば２５０℃未満１７０度以下）時より膨張している状態にすることが提案されている。

また、特許文献９（特開平９−２５３８６０号公報）に記載の高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤでは、全溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が
４００℃以下であり、ワイヤ全重量に対してＮｉが７.５〜１２％を含有し、Ｃが０.１％以下、Ｈは２ppm 以下に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送り速度を５〜４０ｇ／分にして溶接することが提案されている。

特公昭５３−３８２４６号公報（特許第９５７３２４号） 特開２００１−１４１６２９号公報 特表平９−５１２４８５号公報（特許第３２１５４２７号） 特表平９−５１２４８６号公報（特許第３１３７９８５号） 特開平２−２５８１９０号公報（特許第２８６５７４９号） 特公昭５９−２１７１１号公報（特許第１２４８９１４号） 特公昭６２−１９９５３号公報（特許第１４１５０５４号） 特開平１１−１３８２９０号公報（特許第３３５０７２６号） 特開平９−２５３８６０号公報

上記特許文献１の場合には、溶接組み立て時に生じていた配管内面の引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるのに有効な方法であるが、溶接設備と異なる大型の高周波加熱設備が必要であり、溶接完了後に、配管の内周部に冷却水を供給しながら外周部を高温加熱するための作業工数及び費用が必要になる。

上記特許文献２の場合には、引張残留応力を低減するための工夫がされているが、溶接完了後に、線状の溶接部位表面上を移動させる高周波コイルにより高温加熱し、過熱領域を冷却水の噴射により急速冷却しているため、移動式の加熱及び水冷設備が必要になると共に、この高温加熱及び急速冷却を実施するための作業工数及び費用が必要になる。

一方、上記特許文献３の場合には、外部にヒートシンク媒体を使用せずに、熱効率の高い溶接施工及び狭い開先継手の伝導性自己冷却効果により、引張残留応力及び溶接ひずみを低減する工夫がされている。しかしながら、重要な溶接時の入熱量を規定していないため、引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるまでに至らない可能性が高い。また、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極の製作費が高価になり、さらに、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。

また、上記特許文献４の場合には、板厚や管径が比較的小さな開先溶接の残留応力低減に有効な一つの方法と考えられる。しかしながら、母材板厚が厚い開先溶接においては、管内外面（母材表裏面）の温度勾配が小さいため、表面側を加熱溶融するキャップパス
（最終仕上溶接）のみでは、裏面側の残留応力を激減させられない可能性が高い。また、走行速度を重視しているが、重要な溶接時の入熱量を規定していない。さらに、前記特許文献３と同様に、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極の製作費が高価になり、さらに、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。

また、上記特許文献５の場合には、金属組織の改質や耐食性向上に有効な一つの方法であるが、既に溶接済みの溶接熱影響部を所定の入熱条件で加熱処理（溶融処理）している。この加熱処理は、本溶接部分と異なる反対側の裏面側の溶接熱影響部が対象であり、本溶接の施工と全く異なるものであるばかりでなく、外側を炉水で強制水冷している。

また、上記特許文献６の場合には、金属組織の改質や耐食性向上に有効な一つの方法であるが、本溶接前に施工する裏面側の肉盛溶接やこの肉盛溶接による熱影響部の溶融処理、及びその後の開先加工に多大な工数及び費用が必要になる。また、前記熱影響部を溶融処理する入熱条件は５ｋＪ／cm以下で施工しているが、その後に、開先を形成して本溶接する入熱条件や溶接方法については全く記載されていない。さらに、この当時の開先形状は広いため、本溶接では、上記肉盛溶接の入熱条件より数倍高い入熱量を用いて施工する可能性が高い。

さらに、上記特許文献７の場合には、管内面の引張残留応力を低減するために、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて溶接している。引張残留応力の低減に有効であるが、まだ引張応力が残留しており、圧縮応力に変化させるまでには至っていない。マルテンサイト系ワイヤは、開先内の中間層の溶接部分のみに使用されており、開先表面の最終層の溶接部分には使用されていない。また、開先継手の角度が広いため、板厚の厚い開先継手を溶接する場合には、溶接すべき開先断面積及び開先肩幅が増加し、１層１パスずつ積層する溶接が困難であり、１層多パスの多層盛溶接が必要になり、引張残留応力及び収縮変形が増す可能性が高い。溶接方法については、不明であるが、実施例から想定すると、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではなく、溶接ワイヤ（溶加材）を電極にするアーク溶接法の可能性が高い。

さらに、上記特許文献８の場合には、溶接継手の疲労強度を向上するために、マルテンサイト変態を生じさせる溶接材料（溶接ワイヤに該当）を用いて溶接している。溶接対象は主に低合金鉄鋼材料（高張力鋼材など）の溶接構造物であり、材質が異なるオーステナイト系ステンレス鋼材の溶接に適用できない。また、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、すみ肉継手やＴ継手や十字継手の溶接表面部分、又はＸ開先継手の両面溶接の表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象ではない。さらに、溶接方法については、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接法であり、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではない。

また、上記特許文献９の場合には、高張力鋼の溶接割れの防止に有効であると考えられるが、材質の異なるステンレス鋼材の溶接に適用できない。この他にも、マルテンサイト変態を生じさせる溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法が幾つか提案されているが、主に高張力鋼材の溶接が対象であり、オーステナイト系ステンレス鋼材の溶接ではないようである。また、前記特許文献６と同様に、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、溶接表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象になっていない。

本発明の目的は、開先継手の管部材又は板部材の片面溶接で生じる裏面側の裏ビード部分及びその近傍の残留応力を圧縮応力に改善して応力腐食割れなどを防止するのに有効な狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の狭開先溶接方法は、オーステナイト系ステンレス鋼からなる管部材又は板部材を突き合せて形成した開先継手の底部から上部まで、非消耗電極方式のアーク溶接によってオーステナイト系ステンレスワイヤを開先内に溶着させながら片面溶接すると共に、該片面溶接によって開先底部の裏面側の残留応力を改善する狭開先溶接方法において、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、この初層裏波溶接工程後に、特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、前記第１の積層溶接工程で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して残りの開先部分から開先上部の最終層まで第２の入熱量範囲で積層溶接する第２の積層溶接工程とを有し、前記裏面側の裏ビード及びその近傍の熱影響部分に圧縮残留応力を形成させることを特徴とする。

本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置によれば、裏内側の裏ビード部分及びその近傍の残留応力を圧縮応力に改善することにより、実機適用稼働における応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。

上述のとおり、本発明の溶接方法の特徴は、積層溶接において、第一の入熱量範囲で積層溶接する第一の積層溶接工程と、第二の入熱量範囲で積層溶接する第二の積層溶接工程とを有する点にある。その結果、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、応力腐食割れを防止できる。

また、前記第１の積層溶接工程で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程を行う点を特徴とする。上述したように、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、使用応力腐食割れを防止できる。また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

特に、前記第１の積層溶接工程で用いる第１の入熱量範囲は４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下であり、前記第２の積層溶接工程で用いる第２の入熱量範囲は１ｋＪ／cm以上６
ｋＪ／cm以下であるとよい。この第一の入熱量が４ｋＪ／cmより小さ過ぎると、溶融領域の過小及び開先幅方向の収縮変形不足によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力が大きくならない。反対に、この入熱量が１２ｋＪ／cmより大き過ぎると、溶融領域の過大及び開先幅方向の収縮変形増大によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力が抑制されて小さくなる可能性があるので好ましくない。第２の入熱量範囲は１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下であり、開先上部の最終層まで積層溶接するとよい。入熱量が１ｋＪ／cmより小さいと溶接ができない結果に至る。反対に、この入熱量が６ｋＪ／cmより大き過ぎると、前記俵絞め変形が増加進展し、裏ビード部分及びその近傍に加わる引張応力が上昇して残留するので好ましくない。

第２の積層溶接工程では、溶接パス毎の入熱量を極力小さくすることによって、溶接表面側に生じる俵絞め変形の進展を小さく抑制できる。この俵絞め変形の抑制によって反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に加わる引張応力が抑制され、溶接完了後の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を残留させることができる。

第１の入熱量範囲，第２の入熱量範囲はそれぞれ１つ以上の複数の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を用いて、特定範囲の積層ビード高さまで積層溶接するとよい。

また、前記特定の積層ビード高さは、板厚の３／１０以上７／１０以下の範囲であるとよい。裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力は、開先内を積層溶接する積層ビード高さや入熱量や開先形状や板厚によって大きく変化し、開先幅方向の収縮変形が収束に至る積層ビード高さ辺りで極大になる。この収縮変形が収束に至る積層ビード高さは、溶接すべき開先継手の板厚のおよそ半分又はこの近傍である。したがって、開先形状や板厚に対応した適正な入熱量範囲で上記の特定範囲の積層ビード高さまで積層溶接することによって、最も効果的に極大の圧縮応力を得ることができる。

また、前記開先継手は、開先底幅を３mm以上７mm以下の範囲、開先角度を２度以上８度以下の範囲に形成するとよい。その結果、上記低入熱量の積層溶接が施工でき、同時に、溶接すべき開先断面積を減少し、溶接による収縮変形や俵絞め変形を抑制し、溶接ワイヤの使用量を削減できる。好ましくは前記開先底幅を４mm以上６mm以下の範囲、開先角度を４度以上６度以下の範囲に形成するとよい。

前記溶接工程では、１層１パスずつ積層溶接又は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接するとよい。その結果、低入熱条件であっても、開先壁面を確実に溶融でき、開先上部の最終層まで欠陥のない良好な各溶接ビードを得ることができる。同時に、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止できる。

また、前記溶接工程では、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を施工し、開先内のアーク溶接部分に溶接ワイヤを供給して溶着させるとよい。その結果、開先底部から開先上部まで溶接スパッタの発生がない美麗な溶接ビードを形成ができる。

前記溶接ワイヤは、前記管部材又は板部材と同種の溶接ワイヤを使用するとよい。例えば、前記管部材又は板部材がオーステナイト系ステンレス材の場合、この管部材又は板部材と同種のオーステナイト系ワイヤを使用すればよい。その結果、ステンレス鋼材や低炭素鋼材であっても、溶接すべき開先内を管部材又は板部材と同種の溶接ワイヤで充填して確実に埋めることができる。

さらに、前記管部材又は板部材がオーステナイト系ステンレス材の場合、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ又はマルテンサイト系ワイヤを前記第２の積層溶接工程で使用できる。インコネル系ワイヤの場合、管部材又は板部材との線膨張係数の偏差で生じる溶接変形の抑制効果によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力を高めることができ、応力腐食割れを防止できる。また、マルテンサイト系ワイヤを使用でき、平均線膨張係数の偏差及びマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に変形抑制作用及び膨張作用が働き、裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力をさらに高めることができる。

また、前記非消耗電極は、開先幅より狭い細径で円形断面を有する非消耗性のタングステン電極棒を開先内へ挿入して使用するとよい。その結果、高価な偏平形状(非円形断面)の特殊な電極でなくても、開先内のアーク溶接を適正に施工できる。また、円形断面の細径電極は、安価で使い勝手も良く、さらに、電極交換時でも、消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用できる。

本発明の狭開先溶接方法では、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程により、管部材継手又は板部材継手の片面溶接で重要な裏面側に所望の裏ビードを確実に形成できる。また、初層裏波溶接工程後に、特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接する第１の積層溶接工程により、開先幅方向の収縮変形（塑性変形）が適度に進展し、この適度に進展する塑性変形によって裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する引張応力を極大の圧縮応力に変化させることができる。

また、前記溶接ワイヤを前記アーク溶接部分に無通電のまま供給して溶着させ、あるいは前記溶接ワイヤを前記アーク溶接部分に加熱通電しながら供給して溶着させることにより、溶接すべき開先内を所要の溶接金属で満たすことができ、ワイヤ加熱通電よる溶着量の増加及び溶接能率の向上を図ることができる。

また、本発明は、上記目的を達成するための、管部材又は板部材を突き合せて開先継手を形成し、その底部から上部まで片面溶接された溶接構造物であって、開先底部の裏面側に裏ビードを形成した初層溶接金属部と、この初層溶接金属部と接する部分から特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接して形成した第１の積層溶接金属部と、この第１の積層溶接金属部と接する残りの開先部分から開先上部の最終層まで第２の入熱量範囲で積層溶接して形成した第２の積層溶接金属部とを備えたことを特徴と溶接構造物を提案する。

特に、前記積層溶接で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して前記第１の積層溶接金属部と接する残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接して形成した第２の積層溶接金属部とを備えていることが好ましい。前記第１の入熱量範囲は４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下であり、好ましくは４ｋＪ／cm以上１０ｋＪ／cm以下である。その結果、開先幅方向の収縮変形（塑性変形）が適度に進展し、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する引張応力を極大の圧縮応力に変化させることができる。

また、前記第２の入熱量範囲は１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下であるとよい。また、前記特定の積層ビード高さは、板厚の３／１０以上７／１０以下の範囲であるとよい。

このように１つ又は複数の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を用いて開先上部の最終層まで積層溶接することにより、上述したように、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止できる。

また、前記溶接金属部は、１層１パスずつ積層溶接又は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接されているとよい。その結果、開先継手の底部から上部まで順番に積み重ねた良好な溶接ビードの断面を得ることができる。

また、表面側の俵絞め変形量（凹み量）が１.５mm 以下であるとよい。さらに、裏面側の裏ビード部分及びこの近傍の母材熱影響部分が材料の降伏応力から圧縮側の範囲に形成されているとよい。

また、前記第１の積層溶接金属部と第２の積層溶接金属部とが接する部分又はこの近傍の溶接断面部又はこれに類以する溶接断面部が形状変化しており、この形状変化は、ビード幅変化，溶け込み変化，積層リップル変化，金属組織変化等とできる。

また、第２の積層溶接金属部を、前記積層溶接で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して前記第１の積層溶接金属部と接する残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接して形成したものとできる。

このような構成により、溶接変形の抑制及び引張応力の抑制によって裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

また、本発明は、管部材又は板部材を突き合せて形成した開先継手の底部から上部まで片面溶接が可能であり、上記目的を達成する溶接装置であって、非消耗電極の取付け取外し可能な溶接トーチと、この溶接トーチを開先継手の溶接線方向，上下左右方向に任意移動，溶接ワイヤを前記溶接トーチ先端部分又はアーク溶接部分に供給及び上下左右位置の調整可能な溶接台車と、パルスアーク溶接又は直流アーク溶接の選択，所定溶接条件の出力制御可能なＴＩＧ溶接電源と、初層裏波溶接工程で使用する入熱量範囲の条件設定，初層溶接後に特定の積層ビード高さまで積層溶接する第１の積層溶接工程で使用する第１の入熱量範囲の条件設定、その後に最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程で使用する第２の入熱量範囲の条件設定が可能な条件設定手段と、この条件設定手段の指示に従って前記溶接台車を駆動制御し、前記ＴＩＧ溶接電源を出力制御し、前記溶接トーチの左右上下位置，溶接ワイヤの送り量及び左右上位置を調整する溶接制御装置とを備えたことを特徴とする溶接装置である。

その結果、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する前記初層裏波溶接工程，特定の積層高さまで積層溶接する第１の積層溶接工程，残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程を確実に施工できる。

以下、本発明の内容について、図１〜図１０の実施例に用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の狭開先溶接方法及びその溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図であり、図中の（１）は開先継手の開先底部を初層裏波溶接した時の溶接断面、
（２）は特定の積層ビード高さＨｂまで積層溶接した時の溶接断面、（３）は残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接した時の溶接断面である。また、図２は、開先継手の溶接過程で変化する裏ビード部分の応力解析結果の一実施例を示す説明図である。図中には複数の入熱量及び入熱切替えて各々溶接した時の応力変化を示している。また、図３は、他の一実施例であり、板厚が異なる継手を各々溶接した時の応力変化を示している。

図１に示すように、最初の開先形状の製作工程５１は、溶接対象の継手部材を所定寸法に機械加工したり、溶接現場に搬送したり、加工後の部材や部品を組立したりする工程である。この継手部材１，２は、主に原子力プラント，火力発電プラント，化学プラントに使用される厚板の配管や容器などの管部材又は板部材であり、突き合せて形成した開先継手の底部から上部まで片面溶接する必要がある。同時に、裏面側の裏ビード１５部分及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善する必要がある。また、次の溶接準備工程５２は、溶接台車，溶接トーチ，ワイヤなどの取付け，溶接電源や溶接制御装置の立上げ，溶接動作の準備を行う工程である。

初層裏波溶接工程５３は、図１（１）に示すように、開先底部の裏面側に適正範囲の裏ビード幅Ｂを形成させる２１の初層裏波溶接（Ｐ＝１）を行う工程である。また、この初層裏波溶接の前に、開先底部を浅く溶かして接合するワイヤなしの仮付け溶接を行うようにしてもよい。適正範囲の裏ビード幅Ｂは、例えば４〜７mmに形成するとよい。好ましくは４〜６mmである。裏ビード形成が必要な初層裏波溶接では、開先底部の裏面側まで溶融可能なアークの入熱条件又はこれに該当する溶接条件を出力させ、裏ビード１５の幅Ｂが適正範囲に形成するように１つ以上の条件因子（例えば、ピーク電流かベース電流か平均溶接電流，ピーク電圧か平均アーク電圧かアーク長，ワイヤ送り速度，溶接速度）を調整又は制御するとよい。裏ビード形成に必要な入熱量については、開先底部の厚み（ルートフェイスｆ）や幅ｗの大きさ，材質の違いによって異なるが、概ね４〜２０ｋＪ／cmの入熱量範囲で形成可能であり、好ましくは６〜１２ｋＪ／cmで対応すればよい。なお、単位長さ当りの入熱量Ｑ（ｋＪ／cm）は、平均溶接電流Ｉａ（Ａ），平均アーク電圧Ｅａ(Ｖ)と溶接速度Ｖ（mm／ｓ）との関係式｛Ｑ＝Ｉａ＊Ｅａ／（１００＊Ｖ）｝より算出することができる。

次の第１の積層溶接工程４１は、図１（２）に示すように、初層裏波溶接工程５３後に、特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の入熱量範囲Ｑ１で積層溶接する工程である。この第１の積層溶接工程４１により、開先幅方向の収縮変形（塑性変形）が適度に進展し、この適度に進展する塑性変形によって裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する引張応力を極大の圧縮応力に変化させることができる。特定範囲の積層ビード高さＨｂは、溶接すべき継手部材１，２の板厚Ｔの３／１０以上７／１０以下である。また、前記第１の入熱量範囲Ｑ１は４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下にするとよい。この入熱量範囲Ｑ１から１つ以上の複数の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を用いて、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂまで積層溶接するとよい。例えば、初層溶接後の数パスを８ｋＪ／cm前後の入熱条件で溶接し、その後に、入熱量を４〜５ｋＪ／cmに減少させて、板厚半分程度の積層ビード高さＨｂまで積層溶接することもできる。また、初層溶接後の溶接を５ｋＪ／cm程度又は６ｋＪ／cm程度の入熱一定条件で特定範囲の積層ビード高さＨｂまで積層溶接することもできる。

また、この第１の積層溶接工程４１では、前記第１の入量熱量範囲Ｑ１の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を１つ以上用いて１層１パスずつ積層溶接することにより、特定の積層ビード高さまで欠陥のない良好な核溶接ビードを得ることができる。同時に、上述したように、開先幅方向の収縮変形（塑性変形）が適度に進展し、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する引張応力を極大の圧縮応力に変化させることができる。前記第１の積層溶接工程４１では、前記第１の入量熱量範囲Ｑ１の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を１つ以上用いて１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接することも可能である。

次の第２の積層溶接工程４２は、図１（３）に示すように、前記第１の積層溶接工程
４１後に、残りの開先部分から開先上部の最終層３９（Ｐ＝Ｎ）まで第２の入熱量範囲
Ｑ２の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を使用して積層溶接する工程である。この第２の積層溶接工程４２により、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止することができる。第２の積層溶接工程４２で使用する第２の入熱量範囲Ｑ２は、第１の積層溶接工程で使用する入熱量Ｑ１より小さい値であり、１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下である。好ましくは２ｋＪ／cm以上４ｋＪ／cm以下である。この入熱量範囲Ｑ２から１つ又は複数の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を用いて開先上部の最終層まで積層溶接するとよい。例えば、４ｋＪ／cm程度の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を選択して最終層まで積層溶接できる。また、この積層溶接の途中で入熱条件を減少させて、最終層及びこの近傍の数パスを積層溶接できる。なお、前記第２の積層溶接工程４２（後半溶接）で使用する入熱量Ｑ２が１ｋＪ／cmより小さいと、溶接できずに融合不良が生じる可能性があるので好ましくない。反対に、この入熱量Ｑ２が６ｋＪ／cmより大き過ぎると、前記俵絞め変形が増加進展し、裏ビード部分及びその近傍に加わる引張応力が上昇して残留するので好ましくない。

溶接時の入熱条件は、設定又は出力すべき平均電流Ｉａ（Ａ），平均アーク電圧Ｅａ
（Ｖ），溶接速度Ｖ（mm／ｓ）の条件因子と密接な関係にあり、特定の入熱量Ｑ（ｋＪ／cm）になるように関係式｛Ｑ＝Ｉａ＊Ｅａ／（１００＊Ｖ）｝を用いて適正なＩａ，Ｅａ，Ｖの値を決めればよい。また、直流アーク溶接中のアーク電圧は微小変化するが、およその平均値を採用すればよい。また、パルスアーク溶接中の電流及びアーク電圧は、高いピーク電流（ピーク電圧）と低いベース電流（ベース電圧）とを繰返しているが、およその平均値を採用すればよい。また、前記入熱量Ｑ（又は入熱条件）の制御についても、上記平均電流Ｉａの増減制御又は溶接速度の増減制御によって容易に達成できる。

また、第２の積層溶接工程４２では、前記第２の入量熱量範囲Ｑ２の入熱条件又はこれに該当する溶接条件を１つ以上用いて１層１パスずつ積層溶接又は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接することにより、低入熱条件であっても、開先壁面を確実に溶融でき、開先上部の最終層３９まで欠陥のない良好な各溶接ビードを得ることができる。同時に、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止できる。また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

図２及び図３に示すように、初層裏波溶接で形成した裏ビード部分には、収縮変形によって最初に引張応力が生成する。この引張応力は入熱量が大きいほど高くなる傾向がある。また、初層溶接後に積層する第１の積層溶接工程４１（（ｂ）前半溶接）では、開先幅方向の収縮変形（塑性変形）の進行によって、前記裏ビード部分に大きな圧縮応力が付加され、また、入熱量や板厚の大きさによって圧縮応力の極大値が変化する解析結果になっている。特に、裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力は、開先内を積層溶接する積層ビード高さＨｂや入熱量Ｑや板厚Ｔや開先形状によって大きく変化し、開先幅方向の収縮変形が収束に至る積層ビード高さ辺りで極大になる。また、圧縮応力の極大値は、板厚Ｔが厚くなるに従って積層ビード高さの比率Ｈｂ／Ｔが大きくなる方向に移行しており、例えば、板厚Ｔが２０mmの場合で０.４前後の位置、４０mmの場合で０.６前後の位置に変化している。

したがって、前記（ｂ）前半溶接では、各板厚Ｔに対応した積層ビード高さＨｂまで、適正な入熱量範囲の入熱条件又はこれに該当する溶接条件で各々積層溶接することによって、最も効果的に極大の圧縮応力を得ることができる。その積層ビード高さＨｂは、板厚Ｔの概ね３／１０以上７／１０以下（０.３＊Ｔ≦Ｈｂ≦０.７＊Ｔ）の範囲であり、好ましくは板厚Ｔの２／５以上３／５以下（０.４＊Ｔ≦Ｈｂ≦０.６＊Ｔ）の範囲にするとよい。なお、前記第１の積層溶接工程４１で使用する入熱量Ｑ１が４ｋＪ／cmより小さ過ぎると、溶融領域の過小及び開先幅方向の収縮変形不足によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力が大きくならない可能性があるので好ましくない。反対に、この入熱量Ｑ１が１２ｋＪ／cmより大き過ぎると、溶融領域の過大及び開先幅方向の収縮変形増大によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に付加される圧縮応力が抑制されて小さくなる可能性があるので好ましくない。

また、図２及び図３に示したように、残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層する第２の積層溶接工程４２（（ｃ）後半溶接）では、溶接表面側に生じる俵絞め変形の進行によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に反作用の引張応力が生成する。この引張応力は、主に入熱量や板厚の大きさに依存し、板厚Ｔが薄くなるほど高めになる傾向があり、同時に、低入熱で溶接することによって抑制できる解析結果になっている。したがって、前記（ｃ）後半溶接では、低入熱条件に切替えて積層溶接することにより、板厚Ｔが異なっても、裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を確実に残留させることができる。板厚が厚い４０mmの場合は、（ｂ）前半溶接及び（ｃ）後半溶接をほぼ同一の特定入熱条件で施工して、裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を残留させることも可能であるが、前記（ｃ）後半溶接時に低入熱切替えの積層溶接を施工することによって、高めの圧縮応力を確実に得ることができる。特に、裏面側の裏ビード部分及びこの近傍の母材熱影響部分が材料の降伏応力から圧縮側の範囲に形成されていることにより、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。

図１に示したように、前記初層裏波溶接工程５３，第１及び第２の積層溶接工程４１，４２では、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を施工し、開先内のアーク溶接部分に溶接ワイヤを供給して溶着させることにより、開先底部から開先上部まで溶接スパッタの発生がない美麗な溶接ビードを形成できる。溶接ワイヤ５は、継手部材１，２と同種の溶接ワイヤを第１の積層溶接工程４１及び第２の積層溶接工程４２で使用することにより、溶接すべき開先内を管部材又は板部材と同種の溶接ワイヤで充填して確実に埋めることができる。特に、前記継手部材１，２がオーステナイト系ステンレス鋼材
（例えば、ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）の場合には、この継手部材１，２と同種のオーステナイト系ワイヤ（例えば、Ｙ３０８系，Ｙ３１６系のワイヤ）を第１の積層溶接工程４１及び第２の積層溶接工程４２で使用すればよい。また、前記オーステナイ系ワイヤの代わりにニッケル合金のインコネル系ワイヤを前記第２の積層溶接工程４２で使用することにより、継手部材１，２との線膨張係数の偏差で生じる溶接変形の抑制効果によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力を高めることができる。

図４は、本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物に係わる開先形状，装置概略構成を示す一実施例の説明図であり、（１）は溶接前の継手部材の開先断面、（２）は開先底部中央にインサート材を設けた開先断面、（３）は溶接装置の構成概要及び溶接中の溶接断面を示している。また、図５は、本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物の溶接概要を示す一実施例の溶接断面であり、（１）は入熱量の切替え及び１層１パスずつ積層溶接した溶接断面、（２）は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接した溶接断面を示している。

図４（１）（２）に示すように、継手部材１，２は、開先低部の裏面１ｂ，２ｂから開先表面１ａ，２ａの上部まで積層する片面溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は板部材を突き合せた狭い開先継手である。また、開先底部中央にインサート材
１９を設けた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント，火力発電プラント，化学プラントなどで使用される溶接構造物の継手部材であり、片面溶接の施工が必要であると共に、裏面側の裏ビード１５及びその近傍に生じる残留応力を圧縮応力に改善する必要がある。この継手部材１，２の材質は、主にオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、SUS３０４系，ＳＵＳ３１６系）である。また、この材質と異なる他のオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０９系，ＳＵＳ３２１系，ＳＵＳ３４７系）であってもよい。さらに、ステンレス鋼と異なる低炭素鋼，低合金鋼であってもよい。

また、管部材の開先継手を溶接施工する場合は、この管部材そのものが拘束体となって、溶接過程で生じる反り変形や俵絞め変形を抑制できる。板部材の開先継手を溶接施工する場合には、溶接過程で生じる反り変形や俵絞め変形を抑制するための変形拘束冶具やこれに該当する拘束部材を設けることにより、前記変形を抑制できる。

開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に設けるインサート材１９の幅を含む開先底部幅ｗを３mm以上７mm以下の寸法範囲、開先上部までの開先角度（片面角度θを２倍した角度）を２度以上８度以下の範囲に形成、好ましくは開先底部幅ｗを４mm以上６mm以下の寸法範囲、開先角度を４度以上６度以下の寸法範囲に形成することにより、上述した低入熱切替えの積層溶接が確実に施工でき、同時に、溶接すべき開先断面積を格段に減少し、溶接による収縮変形や俵絞め変形を抑制し、溶接ワイヤの使用量を削減できる。なお、前記開先底部幅ｗが３mmより狭くなると、開先内３に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の積層溶接による収縮変形によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難となるので好ましくない。反対に、この開先底部幅ｗが７mmより広くなると、開先断面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ溶着量が増加し、溶接による収縮変形や俵絞め変形が増すことになる。したがって、開先底部幅ｗの範囲を３mm以上７mm以下に特定した。

開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２.５mm の範囲に形成すること、好ましくは約１.５mm前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融させることができる。また、インサート材１９を開先底部中央に設けることにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和でき、特に、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。

また、アーク溶接は、図４（３）に示すように、溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装備した非消耗性の電極６先端と継手部材１，２との間にＴＩＧ溶接電源８より給電して開先内でアーク１０を発生させ、そのアーク１０溶接部分にワイヤ５を送給及び溶融させて溶接するようにしている。ＴＩＧ溶接電源８は、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要な高いピーク電流と低いベース電流，アーク電圧などの各条件値を任意に出力でき、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできる。例えば、１〜１０Ｈｚ領域の低パルス溶接、１０〜
１００Ｈｚ領域の中パルス溶接、１００〜５００Ｈｚ領域の高パルス溶接を行うことができる。また、直流アーク溶接を選択した場合には、平均溶接電流に該当する所望の直流電流，アーク電圧（平均アーク電圧）を出力できる。

溶接制御装置９ａは、溶接トーチ７及びワイヤ５を搭載した溶接台車４（省略）の走行，ＴＩＧ溶接電源８の出力，溶接トーチ７（電極６）の上下左右位置を制御する。また、アーク１０溶接部分へワイヤ５を供給するワイヤ供給装置１１のワイヤ５の上下左右位置を調整する指令制御をする。さらに、操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段，トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。

制御装置では、各溶接条件を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整できる。特にパルスアーク溶接を選択した場合は、ピーク電流とそのピーク時間，ベース電流とそのベース時間、又はパルス周波数とピーク電流の時間比率，電極高さの制御（AVC制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧，ピークワイヤ送りとベースワイヤ送り，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度、また、直流アーク溶接を選択した場合は、平均溶接電流，電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度を適宜調整する。

さらに、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７（電極６）の位置ずれ，ワイヤ５の位置ずれを調整できる。

また、入熱切替えの狭開先溶接を施工する溶接装置は、開先内３に挿入する非消耗電極６の取付け取外し可能な溶接トーチ７と、この溶接トーチ７を開先継手の溶接線方向，上下左右方向に任意移動，溶接ワイヤ５を前記溶接トーチ７先端部分又はアーク１０溶接部分に供給及び上下左右位置の調整可能な溶接台車（省略）と、パルスアーク溶接又は直流アーク溶接の選択，所定溶接条件の出力制御可能なＴＩＧ溶接電源８と、初層裏波溶接工程５３で使用する入熱量範囲の条件設定，初層溶接後に特定の積層ビード高さＨｂまで積層溶接する第１の積層溶接工程４１で使用する第１の入熱量範囲の条件設定、その後に最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程４２で使用する第２の入熱量範囲の条件設定が可能な条件設定手段と、この条件設定手段の指示に従って前記溶接台車を駆動制御し、前記ＴＩＧ溶接電源８を出力制御し、前記溶接トーチ７の左右上下位置，溶接ワイヤ５の送り量及び左右上位置を調整する溶接制御装置９ａとを備えるとすることもできる。

このような構成の溶接装置により、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する前記初層裏波溶接工程，特定の積層高さまで積層溶接する第１の積層溶接工程，残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程を確実に施工できる。この一連の溶接施工により、上述したように、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止できる。また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

開先内３のアーク１０溶接部分に流すシールドガス３３は、Ａｒ＋数パーセントＨ₂ 入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。例えば、Ａｒ＋３〜７％Ｈ₂ 入りの混合ガスを使用すると、不活性の純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度が向上する。

また、電極６は、開先底部幅ｗより狭い細径で円形断面を有する非消耗性のタングステン電極棒であり、高融点材のＬａ₂Ｏ₃入りＷ，Ｙ₂Ｏ₃入りＷ，ＴｈＯ₂ 入りＷの電極棒を使用すればよい。例えば、開先底部幅ｗより狭い外径φ２.４又はφ１.６の円形断面の電極棒（電極先端のみを円錐形状に加工した電極）を開先内へ挿入して使用することにより、特殊形状の偏平断面（非円形断面）の高価な電極でなくても、開先内のアーク溶接を適正に施工できる。また、円形断面の細径電極は、安価で使い勝手も良く、さらに、電極交換時でも、消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用できる。

図５に示すように、継手部材１，２の溶接部分は、開先底部の裏面側に裏ビード１５を形成した初層溶接金属部４１０と、この初層溶接金属部４１０と接する部分から特定の積層ビード高さＨｂまで第１の入熱量範囲Ｑ１で積層溶接して形成した第１の積層溶接金属部４１１と、この第１の積層溶接金属部４１１と接する残りの開先部分から開先上部の最終層３９まで第２の入熱量範囲Ｑ２で積層溶接して形成した第２の積層溶接金属部４２２とを備える。

第２の積層溶接金属部４２２は、前記積層溶接で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して前記第１の積層溶接金属部４１１と接する部位より残りの開先部分を開先上部の最終層３９まで積層溶接して形成される。

その結果、溶接表面側に生じる俵絞め変形が小さく抑制され、溶接変形の抑制及び引張応力の抑制によって反対側の裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。

また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

特定範囲の積層ビード高さＨｂは、上述したように、溶接すべき継手部材１，２の板厚Ｔの３／１０以上７／１０以下である。好ましくは板厚Ｔの２／５以上３／５以下にするとよい。また、前記第１の入熱量範囲Ｑ１は、４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下にするとよい。この入熱量範囲Ｑ１から１つ以上の複数の入熱条件を用いて、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂまで積層溶接して前記第１の積層溶接金属部４１１を形成するとよい。第２の入熱量範囲Ｑ２は、１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下であり、好ましくは２ｋＪ／cm以上４ｋＪ／cm以下である。この入熱量範囲Ｑ２から１つ又は複数の入熱条件を用いて開先上部の最終層まで積層溶接して前記第２の積層溶接金属部４２２を形成することにより、上述したように、溶接変形の抑制及び引張応力の抑制によって裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。

また、溶接対象の継手部材１，２がオーステナイト系ステンレス鋼材（例えば、ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）の場合、少なくとも第１の積層溶接金属部４１１又は初層溶接金属部４１０及び前記第１の積層溶接金属部は、継手部材１，２の材質と同種のオーステナイト系ワイヤ（例えば、Ｙ３０８系，Ｙ３１６系のワイヤ）を溶着することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の積層高さまで、継手材と同種のオーステナイト系の溶接金属で充填でき、同時に、裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を残留させることができる。第２の積層溶接金属部４２２についても、継手部材１，２の材質と同種の前記オーステナイト系ワイヤを溶着するとよい。また、溶接対象の継手部材１，２が前記オーステナイト系ステンレス鋼材と異なる他のオーステナイト系ステンレス鋼材(例えば、ＳＵＳ３０９系，ＳＵＳ３２１系，ＳＵＳ３４７系)であれば、この継手部材と同種のオーステナイト系ワイヤ(例えば、Ｙ３０９系,Ｙ３４７系のワイヤ) を溶着するとよい。さらに、前記継手部材がステンレス鋼と異なる低炭素鋼，低合金鋼であれば、この継手部材と同種のワイヤを使用すればよい。

また、第１の積層溶接金属部４１１は、前記第１の入量熱量範囲Ｑ１の溶接条件を１つ以上用いて１層１パスずつ積層溶接され、第２の積層溶接金属部４２２は、前記第２の入量熱量範囲Ｑ２の溶接条件を１つ以上用いて１層１パスずつ積層溶接又は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接されることにより、低入熱条件であっても、開先壁面を確実に溶融でき、継手部材１，２の底部から開先上部の最終層まで欠陥のない良好な各溶接ビードを得ることができる。また、上述したように、溶接変形の抑制及び引張応力の抑制によって裏面側の裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力が残留し、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。

また、前記溶接ワイヤを前記アーク溶接部分に無通電のまま供給して溶着させ、あるいは前記溶接ワイヤを前記アーク溶接部分に加熱通電しながら供給して溶着させることもできる。ワイヤ加熱通電よる溶着量の増加及び溶接能率の向上を図ることができる。

図６は、本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例の溶接断面である。前記図５との主な相違点は、第２の積層溶接においてニッケル合金のインコネル系ワイヤ又はマルテンサイト系ワイヤを使用することである。その他は図５と同じである。また、図７は、温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す説明図である。

図６に示したように、継手部材１，２がオーステナイト系ステンレス材の場合、第１の積層溶接金属部４１１、又は初層溶接金属部４１０と第１の積層溶接金属部４１１は、前記継手部材１，２の材質と同種のオーステナイト系ワイヤ６１が溶着され、この上部に積層する第２の積層溶接金属部４２２には、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ６２又はマルテンサイト系ワイヤ６３が溶着されている。このように溶着することにより、線膨張係数の偏差やマルテンサイト変態で生じる溶接変形の抑制効果によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力を高めることができる。

また、前記第２の積層溶接金属部４２２を、１層１パスずつ積層溶接し、又は１層１パスずつ積層溶接する途中で複数パスに振分けて積層溶接することにより、低入熱条件であっても、開先壁面を確実に溶融でき、開先上部の最終層まで欠陥のない良好な各溶接ビードを得られる。同時に、上述したように、線膨張係数の偏差で生じる溶接変形の抑制効果によって、裏面側の裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力を高められ、応力腐食割れの防止による長寿命化に寄与する。

また、第２の積層溶接金属部４２２は、第１の積層溶接金属部４１１より小さい入熱量で積層溶接することにより、前記第１の積層溶接金属部４１１と第２の積層溶接金属部
４２２とが接する部分又はこの近傍の溶接断面部を形状変化させることができる。この形状変化は、ビード幅変化，溶け込み変化，積層リップル変化，金属組織変化のいずれか１つ以上であればよい。例えば、積層リップルの密集化によって断面観察を容易にし、金属組織の微細化によって品質が向上する。

また、最終層の溶接終了後に残存する溶接表面側の俵絞め変形量（凹み量）は、板厚や入熱量や開先形状によって変化するが、概ね１.５mm以下であるとよい。好ましくは１.０mm以下である。この俵絞め変形を小さく抑制することにより、裏側に生成される引張応力が小さく抑制でき、裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を残留させられる。例えば、最終層の溶接終了後に、裏面側の裏ビード部分及びこの近傍の母材熱影響部分が材料の降伏応力から圧縮側に形成できれば、腐食環境下で使用される溶接構造物であっても、応力腐食割れを防止できる。

図７に示すように、インコネル系ワイヤ（例えば、インコネル８２ワイヤ）の平均線膨張係数（□の線）は、例えば、約１００℃時で約１３.４(×１０^-6／℃) であり、ＳＵＳ３０４材（◇の線）の約１７.３（×１０^-6／℃）よりも３.９（×１０^-6／℃）小さい。また、ＳＵＳ３１６Ｌワイヤの平均線膨張係数（△の線）と比べても約２.６（×１０^-6／℃）小さい。この平均線膨張係数の偏差によって、溶接金属部４２２に変形抑制作用が働き、裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力が高くなる。

また、マルテンサイトワイヤの平均線膨張係数（〇の線）は、他の材料の平均線膨張係数と比べて小さく、温度の下降時に、さらに激減する特性を有している。マルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用するとよい。したがって、インコネル系ワイヤの代わりにマルテンサイト系ワイヤを用いて、前記第２の積層溶接金属部４２２を積層溶接できる。このマルテンサイト系ワイヤによる積層溶接により、平均線膨張係数の偏差及びマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に変形抑制作用及び膨張作用が働き、裏ビード部分及びその近傍に残留する圧縮応力をさらに高められる。

表１は、溶接施工条件の一実施例であり、図１，図５，図６及び図７に示した初層裏波溶接，第１及び第２の積層溶接で使用可能な溶接条件である。

図８は、本発明の狭開先溶接方法で施工した配管溶接の断面写真を示す一実施例である。また、図９は、図８に示した配管溶接における積層高さと溶接パス毎の入熱量，開先肩幅，裏側の収縮量，表側の俵絞めによる凹み量との関係を示す説明図である。溶接継手の配管は、外径が３１４mm、板厚が２９.５mm 、材質がＳＵＳ３０４系のステンレス鋼である。また、溶接ワイヤは、配管部材と同種のオーステナイト系ワイヤ（Ｙ３０８Ｌ）を使用している。初層から最終層まで積層溶接した累計パス数は、３１層３１パスであるが、積層溶接すべき開先断面積，溶接パス毎の入熱量，ワイヤ溶着量などの違いによって変化する。

図８及び図９に示すように、仮付け溶接後の（ａ）初層溶接（裏ビード形成溶接，初層溶接金属部４１０）では、裏面側に裏ビード１５を形成させている。この初層溶接後の第１の積層溶接（（ｂ）前半溶接、第１の溶接金属部４１１）では、第１の入熱量範囲Ｑ１の特定入熱条件（４≦Ｑ１≦１２ｋＪ／cm）又はこれに該当する特定溶接条件を複数用いて積層溶接している。さらに、第２の積層溶接((ｃ)後半溶接、第２の溶接金属部４２２)では、積層ビード高さＨｂ（Σｈ＋ｆ）が板厚Ｔの半分程度に到達した地点で、前記第１の入熱量範囲Ｑ１で使用した入熱条件又はこれに該当する溶接条件より小さい第２の入熱量範囲Ｑ２の特定入熱条件（２≦Ｑ２≦５ｋＪ／cm）又はこれに該当する特定溶接条件に切替えて開先上部の最終層まで積層溶接している。開先上面の肩幅ｗ，裏面側の収縮量
ΔＬ２（所定寸法長さＬの収縮）は、主に前記初層溶接及び第１の積層溶接の過程で生じる開先幅方向の収縮変形の進行によって増加している。また、溶接表側に生じる俵絞めによる凹み量Δｃ（俵絞め変形）は、第２の積層溶接の進行過程で生じる結果になっている。このように溶接施工することにより、図８に示したような良好な溶接断面部を得られる。また、溶接終了後に残留する表面側の凹み量Δｃを小さく形成することにより、裏側に生成される引張応力が小さく抑制でき、裏ビード部分及びその近傍に圧縮応力を残留させることができる。ここでは配管溶接を一例に示したが、継手形状が異なる板部材の溶接であってもよい。

図１０は、溶接施工後の配管内面の残留応力測定結果の一実施例であり、溶接施工は図８及び図９で説明した通りである。残留応力測定は、ひずみゲージ開放法（配管内側の測定箇所にひずみゲージを貼り付け、短冊切りの１次切断開放の工程から最終スリット切りの３次開放の工程を経て、周方向の開放ひずみ値εθと軸方向の開放ひずみ値εｚとの測定結果より、周方向の残留応力σθ、軸方向の残留応力を算出）を用いて測定した結果である。裏面側の裏ビード部分及びその近傍の残留応力は、図１０に示すように、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）が最大で約−３５ＭＰａの圧縮応力であり、また、溶接線方向の周方向残留応力σθ（◆印の線）が最大で約−１３８ＭＰａの圧縮応力になっている。上記の圧縮応力はビード中央部分の値であり、応力腐食割れ防止で最も重要なビード境界部及び溶接熱影響部では、さらに高い圧縮応力が得られている。

このように、本発明の狭開先溶接方法を施工すれば、裏面側の裏ビード部分及びその近傍の残留応力を圧縮応力に改善でき、腐食環境下で適用されても、応力腐食割れを防止でき、長寿命化に寄与する。また、溶接中に内面側を水冷したり、溶接完了後に高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなく、溶接施工のみであり、製作コストを低減でき、良好な溶接品質を確保し、ワイヤ使用量及び溶接所要時間を削減できる。

本発明の狭開先溶接方法及びその溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。 開先継手の溶接過程で変化する裏ビード部分の応力解析結果の一実施例を示す説明図である。 開先継手の溶接過程で変化する裏ビード部分の応力解析結果の他の一実施例を示す説明図である。 本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物に係わる開先形状，装置概略構成を示す一実施例の説明図である。 本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物の溶接概要を示す一実施例の溶接断面である。 本発明の狭開先溶接方法及び溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例の溶接断面である。 温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す説明図である。 本発明の狭開先溶接方法で施工した配管溶接の断面写真を示す一実施例である。 図８に示した配管溶接における積層高さと溶接パス毎の入熱量，開先肩幅，裏側の収縮量，表側の俵絞めによる凹み量との関係を示す説明図である。 溶接施工後の配管内面の残留応力測定結果の一実施例である。

符号の説明

１，２…継手部材、１ｂ，２ｂ…開先裏面、３…開先内、４…溶接台車、５…ワイヤ、６…電極、７…溶接トーチ、８…ＴＩＧ溶接電源、９ａ…溶接制御装置、９ｂ…操作ペンダント、１０…アーク、１１…ワイヤ送給モータ、１５…裏ビード、１９…インサート材、２１…初層溶接のビード断面、３９…最終層のビード断面、４１…第１の積層溶接工程、４２…第２の積層溶接工程、５１…開先形状の製作工程、５２…溶接準備工程、５３…初層裏波溶接工程、５６…第１の入熱量範囲Ｑ１、５７…第２の入熱量範囲Ｑ２、６１…オーステナイト系ワイヤ、６２…インコネル系ワイヤ、６３…マルテンサイト系ワイヤ、
４１０…初層溶接金属部、４１１…第１の溶接金属部、４２２…第２の溶接金属部、Ｔ…板厚、Ｈｂ…積層ビード高さ、ｗ…開先底部幅、ｆ…ルートフェイス、２θ…開先角度。

Claims (11)

1. オーステナイト系ステンレス鋼からなる管部材又は板部材を突き合せて形成した開先継手の底部から上部まで、非消耗電極方式のアーク溶接によってオーステナイト系ステンレスワイヤを開先内に溶着させながら片面溶接すると共に、該片面溶接によって開先底部の裏面側の残留応力を改善する狭開先溶接方法において、
   開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、この初層裏波溶接工程後に、特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、前記第１の積層溶接工程で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して残りの開先部分から開先上部の最終層まで第２の入熱量範囲で積層溶接する第２の積層溶接工程とを有し、
   前記裏面側の裏ビード部分及びその近傍の熱影響部分に圧縮残留応力を形成させることを特徴とする狭開先溶接方法。
2. 請求項１に記載の狭開先溶接方法において、前記第１の積層溶接工程で用いる第１の入熱量範囲は４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下であり、前記第２の積層溶接工程で用いる第２の入熱量範囲は１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下であり、かつ、前記第１の積層溶接工程で使用した入熱条件より小さい入熱条件を使用することを特徴とする狭開先溶接方法。
3. 請求項１に記載の狭開先溶接方法において、前記特定の積層ビード高さは、板厚の３／１０以上７／１０以下の範囲であることを特徴とする狭開先溶接方法。
4. 請求項１に記載の狭開先溶接方法において、前記開先継手は、開先底幅を３mm以上７mm以下の範囲、開先角度を２度以上８度以下の範囲に形成することを特徴とする狭開先溶接方法。
5. 請求項１に記載の狭開先溶接方法において、前記第１の積層溶接工程では、前記第１の入熱範囲の入熱条件を用いて１層１パスずつ積層溶接し、前記第２の積層溶接工程では、前記第１の積層溶接工程で使用した入熱条件より小さい入熱条件を用いて１層１パスずつ積層溶接するか又はその途中の上層部分で複数パスに振分けて積層溶接することを特徴とする狭開先溶接方法。
6. 請求項１または５に記載の狭開先溶接方法において、前記第２の積層工程では、前記オーステナイト系ステンレスワイヤからニッケル合金のインコネル系ワイヤ又はマルテンサイト系ワイヤに交換し、この交換した前記ワイヤを前記開先内に溶着させながら溶接することを特徴とする狭開先溶接方法。
7. オーステナイト系ステンレス鋼からなる管部材又は板部材を突き合せて形成した開先継手の底部から上部まで、非消耗電極方式のアーク溶接によってオーステナイト系ステンレスワイヤを開先内に溶着させながら片面溶接されていると共に、該片面溶接によって開先底部の裏面側の残留応力を改善した溶接構造物において、
   開先底部の裏面側に裏ビードを形成した初層溶接金属部と、この初層溶接金属部と接する部分から特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接して形成した第１の積層溶接金属部と、前記積層溶接で使用した複数の入熱条件より小さい１つ以上の入熱条件を使用して前記第１の積層溶接金属部と接する残りの開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接して形成した第２の積層溶接金属部とを備え、
   前記裏面側の裏ビード部分及びその近傍の熱影響部分に圧縮残留応力が形成されていることを特徴とする溶接構造物。
8. 請求項７に記載の溶接構造物において、前記第１の入熱量範囲は４ｋＪ／cm以上１２ｋＪ／cm以下であり、前記第２の入熱量範囲は１ｋＪ／cm以上６ｋＪ／cm以下であり、かつ、前記第１の積層溶接金属部の形成に使用した入熱条件より小さい入熱条件を使用して積層溶接したことを特徴とする溶接構造物。
9. 請求項７に記載の溶接構造物において、前記特定の積層ビード高さは、板厚の３／１０以上７／１０以下の範囲であることを特徴とする溶接構造物。
10. 請求項７に記載の溶接構造物において、表面側の俵絞め変形量（凹み量）が１.５mm以下であることを特徴とする溶接構造物。
11. 請求項７に記載の溶接構造物において、少なくとも前記第１の積層溶接金属部と第２の積層溶接金属部とが接する部分又はこの近傍の溶接断面部又はこれに類以する溶接断面部が形状変化しており、この形状変化は、ビード幅変化，溶け込み変化，積層リップル変化，金属組織変化のいずれか１つ以上であることを特徴とする溶接構造物。

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