(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの母材の突き合わせ部に設けられた開先を含むよう第１溶接ビードを形成する工程と、
前記第１溶接ビードよりも幅が狭い第２溶接ビード及び第３溶接ビードを、前記開先を外し、且つ、前記母材の板厚方向の全体にわたって前記第１溶接ビードと接するよう前記突き合わせ部を中心として対称な所定位置に、前記第１溶接ビード形成時よりも小入熱で形成する工程と、
を備える電子ビーム溶接方法。
【請求項２】
前記第１溶接ビードの幅を、５ｍｍ以上とする請求項１に記載の電子ビーム溶接方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム溶接方法に関し、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低合金鋼または類似鋼材などを溶接する手段として、電子ビーム等の高密度熱源を用いた方法が挙げられる（特許文献１参照）。溶接部は、結晶粒が粗大化され、靭性が低くなることが知られている。そのため、溶接後に溶接部を熱処理するなどして靭性を回復させている。
【０００３】
また、加圧水型原子炉の蒸気発生器などでは発電プラントの大出力化により、機器の大型化が求められており、それに伴って構造物の板厚も厚くなる傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１４９６０号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、鉄鋼メーカーでは、製造コスト削減により鋼板の製造方法を造塊法から連続鋳造へと移行させている。連続鋳造により製造された鋼板に電子ビームを照射して溶接すると、溶接部の靭性が低くなる傾向にある。従って、通常の溶接及び熱処理では、要求される継手性能に対して裕度が小さくなるという課題がある。
【０００６】
電子ビームを用いた低合金鋼または類似鋼材の溶接において、構造物の厚さが厚くなるほど母材への入熱は大きくする必要がある。しかしながら、溶接部の靭性は、母材への入熱が大きいほど低くなる傾向にある。そのため、厚板構造物での継手において、溶接後の熱処理だけでは、溶接部の靭性の回復が十分に期待できないという問題がある。例えば、板厚が１００ｍｍの母材を１パスで施工した場合、継手性能は要求値を満たすことができる。一方、板厚が１２０ｍｍの母材を１パスで施工すると、溶接部の靭性は要求値に対して裕度が小さくなるため、品質要求を満たすためにさらに靭性を改善させるための手法の適用が必要となる。
【０００７】
上記問題を解決するため、溶接部の溶接金属に適当な化学成分の溶加材を加える等の手段により、化学組成を変化させることで溶接部の靭性を改善させる方法がある。しかしながら、厚板の突合せに対する電子ビーム溶接では溶加材を加えて溶接することはできない。
【０００８】
また、電子ビーム溶接は、溶接ビードが細い磁気によって偏向されやすいため、目外れによる溶接欠陥が生じやすい。目外れは、板厚が厚くなるほど生じやすく、目外れを防止するためには、溶接ビードを太くすれば良いが、溶接ビードの幅を太くするには、大入熱で施工する必要があり、溶接部の靭性等の性能が低下してしまう。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、目外れ防止から大入熱で施工した溶接部に対しても、靭性を回復させることができる電子ビーム溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、２つの母材の突き合わせ部に設けられた開先を含むよう第１溶接ビードを形成する工程と、前記第１溶接ビードよりも幅が狭い第２溶接ビード及び第３溶接ビードを、前記開先を外し、且つ、前記母材の板厚方向の全体にわたって前記第１溶接ビードと接するよう前記突き合わせ部を中心として対称な所定位置に、前記第１溶接ビード形成時よりも小入熱で形成する工程と、を備える電子ビーム溶接方法を提供する。
【００１１】
本発明によれば、第１溶接ビードを、可能な限り広い幅で形成させる。そうすることによって、第１溶接ビード形成時の目外れを生じ難くさせることができる。また、第２溶接ビード及び第３溶接ビードを、開先を含まないように第１溶接ビードの両側部に形成させるため、総溶接ビード幅を広くすることができる。そのため、仮に第１溶接ビードで目外れが生じていても、第２溶接ビード及び第３溶接ビードで目外れを防止でき、溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００１２】
また、第２溶接ビード及び第３溶接ビードを、開先からずらして形成させることにより、第１溶接ビードに、第１溶接ビードの外周側から熱影響を与えることができる。第２溶接ビード及び第３溶接ビードは、第１溶接ビードよりも小入熱で形成されるため、少なくとも２回の熱影響を第１溶接ビードのビード中央付近に与えることができる。それらによって第１溶接ビードの結晶粒が微細化される。また第１溶接ビードの両側部は、小入熱で再溶融されることで結晶粒が微細化される。従って、溶接部の両側部及び中央付近の靭性を改善させることができる。
【００１３】
本発明の一態様によれば、前記第１溶接ビードの幅を、５ｍｍ以上とすることが好ましい。そうすることにより、目外れを生じ難くさせることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、目外れが生じ難く、且つ、大入熱で施工した場合であっても溶接部の靭性を回復させることができる電子ビーム溶接方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の工程の一例を説明する図である。
【図２】溶接方法の差異による吸収エネルギーの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る電子ビーム溶接方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の工程の一例を説明する図を示す。なお、図１は実際の縮尺で作成された図でないことを留意されたい。
本実施形態に係る電子ビーム溶接方法は、第１溶接ビードを形成する工程と、第２溶接ビード及び第３溶接ビードを形成する工程とを備えている。
【００１７】
（１）図１（ａ）
被溶接部材（母材）１としては、低合金鋼または類似鋼材が用いられる。具体的な母材１に、ＳＱＶ２Ｂなどが挙げられる。母材１の板厚は、１００ｍｍ〜１２０ｍｍ程度とされる。２つの母材１は突き合わせて配置され、突き合わせ部には開先２が設けられている。
【００１８】
（２）図１（ｂ）
第１溶接ビード３を形成する工程では、開先２を含むように、好ましくは第１溶接ビード中央と開先が一致するように第１溶接ビード３を形成する。第１溶接ビード３の幅は、太めとし、好ましくは５ｍｍ以上に設定する。なお、本実施形態において「幅」とは、溶接ビードの最も狭い部分の長さを意味する。溶接ビードを上記幅とするために、電気ビーム溶接は大入熱施工とする。大入熱施工とは、２５ｋＪ/ｃｍ２以上の入熱量とする。具体的な電子ビーム溶接の施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２５０ｍＡ、溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎなどとされ、母材１の材質、厚さなどに応じて各パラメータを適宜設定する。溶接姿勢は立向き姿勢にて溶接を行う。
【００１９】
（３）図１（ｃ）及び図１（ｄ）
第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５を形成する工程では、第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５を母材１の突き合わせ部、好ましくは第１溶接ビード３のビード中央を中心として対象な所定位置に形成する。第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５は、開先２を含まないが、それぞれ第１溶接ビード３の一部を含む。第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５の幅は、第１溶接ビード３の幅よりも細く設定する。例えば、第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５の幅は、３ｍｍ程度が好ましい。第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５を上記幅とするために、電気ビーム溶接は第１溶接ビード形成時よりも小入熱施工とする。具体的な電子ビーム溶接の施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２００ｍＡ、溶接速度９０ｍｍ／ｍｉｎなどとされ、母材１の材質及び厚さ、第１溶接ビード３の施工条件などに応じて各パラメータを適宜設定する。溶接姿勢は立向き姿勢にて溶接を行う。
【００２０】
以下、突き合わせ部と第１溶接ビード３のビード中央とが一致しているものとして説明する。本実施形態では、第１溶接ビード３を形成後、第２溶接ビード４を形成する。第２溶接ビード４は、第１溶接ビード３の一方の側に、開先２を外して、第１溶接ビード３の一部と重なるよう形成させる。次に、第１溶接ビード３を挟んで第２溶接ビード４と対象な位置に第３溶接ビード５を第２溶接ビード４と同様に形成させる。
【００２１】
なお、本実施形態において、第２溶接ビード４及び第３溶接ビード５を形成する工程は、複数回繰り返し実施されても良い。
【００２２】
次に、本実施形態に係る電子ビーム溶接方法の作用について、実施例を用いて説明する。
（実施例１）
母材として、板厚１２０ｍｍのＳＱＶ２Ｂを用いた。
母材の開先に、幅５ｍｍの第１溶接ビードを形成させた。施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２５０ｍＡ、溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎとした。
次に、第１溶接ビードのビード中央から３ｍｍずらした位置に、幅３ｍｍの第２溶接ビードを形成させた。施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２００ｍＡ、溶接速度９０ｍｍ／ｍｉｎとした。
次に、第１溶接ビードのビード中央から、第２溶接ビードとは逆側に３ｍｍずらした位置に、幅３ｍｍの第３溶接ビードを形成させた。施工条件は、第２溶接ビードと同様とした。
【００２３】
（参考例１）
母材は、実施例１と同様の材質とした。
母材の開先に、幅約５ｍｍの第１溶接ビードを形成させた。施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２５０ｍＡ、溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎ、溶接姿勢は立向きとした。
次に、第１溶接ビードのビード中央に、幅３ｍｍの第２溶接ビードを形成させた。施工条件は、加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２００ｍＡ、溶接速度９０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接姿勢は立向きとした。
【００２４】
ＪＩＳ  Ｚ  ３１２８に従い、実施例１及び参考例１で溶接した母材継手から、試験片を作製した。なお、試験片は衝撃値が最も小さくなると考えられる母材の表面から母材の厚さの１／４の深さに位置より採取した。
上記試験片について、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に従って、シャルピー衝撃試験を実施した。
【００２５】
図２に、溶接方法の差異による吸収エネルギーの変化を示す。実施例１は、参考例１と比較して吸収エネルギーが高くなった。溶接ビードの結晶粒が微細化されると吸収エネルギーが高くなり、靭性が改善される。上記結果によって、参考例１と比較して実施例１の靭性がより改善されていることが確認された。
【００２６】
参考例１では、第１溶接ビードを大入熱施工し、第１溶接ビードのビード中央、すなわち、開先を含む位置に第２溶接ビードを小入熱施工している。後続パスを小入熱化して開先内に溶接することで、第１溶接ビードの中央部が再溶融させている。小入熱で溶接部を再溶融させると結晶粒は微細化される。小入熱とは、１５ｋＪ/ｃｍ２程度の入熱量である。
【００２７】
一方、実施例１では、第１溶接ビードを大入熱施工しているが、第２溶接ビード及び第３溶接ビードを第１溶接ビードの両側部に小入熱で形成させている。これにより、第１溶接ビードの両側部は、第２溶接ビード及び第３溶接ビードの形成時に再溶融されて、結晶粒が微細化される。また、第１溶接ビードのビード中央付近は、再溶融はされず、第２溶接ビード及び第３溶接ビードの形成時に熱影響を受けて、結晶粒が微細化される。
【００２８】
以上より、開先を含む第１溶接ビードのビード中央付近（本溶接部）は、再溶融させるよりも、熱影響を与える方が、より靭性を向上させることがわかった。また、実施例１では、本溶接部が、第１溶接ビードの両側部から複数回熱影響を受けるため、より結晶粒が微細化される効果が大きくなる。
【００２９】
また、参考例１では、第１溶接ビードの内部に第２溶接ビードを形成しているため、総溶接ビード幅は、第１溶接ビードの幅で制限される。一方、実施例１では、第１溶接ビードの両側部に第２溶接ビード及び第３溶接ビードを形成させるため、総溶接ビードを幅広化させることが可能となる。実施例１は、参考例１と比較して溶接ビードの幅を約２倍に広げられたため、目外れが生じ難くなっている。実施例１では、施工するすべてのビードが目外れ防止に寄与していると言える。
【符号の説明】
【００３０】
１  母材
２  開先
３  第１溶接ビード
４  第２溶接ビード
５  第３溶接ビード
【図１】
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【図２】
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