(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉厚の第１の円筒状母材と肉薄の第２の円筒状母材を開先溶接する溶接継手において、前記第１の円筒状母材のベベル角度を０°とし、前記第２の円筒状母材のベベル角度を20°以下としかつ前記第２の円筒状母材の下端部にリップを形成し、このリップの外側に溶接材料を配置してリップの外側から前記第１及び第２の円筒状母材を溶接し、しかる後に前記リップの内側から前記第１及び第２の円筒状母材を１層１パス溶接したことを特徴とする溶接継手。
【請求項２】
前記リップはリップ長さを５mmから８mmの範囲に、リップ厚さを１mmから４mmの範囲内にそれぞれ設定してなることを特徴とする請求項１記載の溶接継手。
【請求項３】
前記リップ形状を前記第１の円筒状母材に向けて先細りに形成してなることを特徴とする請求項１記載の溶接継手。
【請求項４】
前記溶接材料の設置位置は前記リップと前記第２の円筒状母材の継ぎ目から前記溶接材料の外径の２倍以内とすることを特徴とする請求項１記載の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は少なくとも厚さ20mm以上でかつ板厚の異なる円筒状母材の溶接を行う際の溶接継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の溶接継手について図８により説明する。第１の円筒状母材１に第２の円筒状母材２を溶接するにあたり、第２の円筒状母材２の下端部外周面に環状スペーサ３を取り付けるとともに第２の円筒状母材２の下端面に30°のベベル角度４をもって開先５を形成したのち、その開先５にアークを発生する電極または溶接材料を入れて溶接している。スペーサ３により第１の円筒状母材１と第２の円筒状母材２との間隔を保っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＩＧ溶接を初めとするアーク溶接の場合、アークを発生する電極または溶接材料を開先５内に入れなければならないため、ルート間隙や、開先５のベベル角度４を大きくしなければならず、また溶着量が多い。したがって、溶接変形や母材の変質という材料的な課題と、溶接時間が長くなる課題がある。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、溶着量を少なくし、溶接変形や母材の変質を軽減すると同時に溶接時間を低減できる溶接継手を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、肉厚の第１の円筒状母材と肉薄の第２の円筒状母材を開先溶接する溶接継手において、前記第１の円筒状母材のベベル角度を０°とし、前記第２の円筒状母材のベベル角度を20°以下としかつ前記第２の円筒状母材の下端部にリップを形成し、このリップの外側に溶接材料を配置してリップの外側から前記第１及び第２の円筒状母材を溶接し、しかる後に前記リップの内側から前記第１及び第２の円筒状母材を１層１パス溶接したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、前記リップはリップ長さを５mmから８mmの範囲に、リップ厚さを１mmから４mmの範囲内にそれぞれ設定してなることを特徴とする。
請求項３の発明は、前記リップ形状を前記第１の円筒状母材に向けて先細りに形成してなることを特徴とする。
【０００７】
請求項４の発明は、前記溶接材料の設置位置は前記リップと前記第２の円筒状母材の継ぎ目から前記溶接材料の外径の２倍以内とすることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）から（ｃ）を参照しながら本発明に係る溶接継手の第１の実施の形態を説明する。
図１（ａ）は第１の円筒状母材１と第２の円筒状母材２を溶接する状態で左半分のみを部分的に示している。すなわち、第１の円筒状母材１の上端面はベベル角度４が０°で、平坦面となっており第２の円筒状母材の下端部には20°以下のベベル角度が形成された開先５と、外周面にリップ６が形成されている。
【００１０】
リップ長さ７は５〜８mmとなっている。第２の円筒状母材２のリップ６を第１の円筒状１の上端面に載置し、開先５内に溶接材料を入れてＴＩＧまたはアーク溶接する。
【００１１】
しかして、上記第１の実施の形態では第１の円筒状母材１は０°のベベル角度４を有し、第２の円筒状母材２は20°以下のベベル角度４を有している。第２の円筒状母材２のリップ６のリップ長さ７は小さいほど溶着量が少なくて済むが、ＴＩＧ溶接を初めとするアーク溶接の場合、アークを発生するタングステン電極または溶接材料を開先５内に入れなければならないことから電極径が 3.2mmの場合、リップ長さ７は最低５mm必要である。
【００１２】
その理由は溶接中にタングステン電極が第１および第２の円筒状母材１，２と接触することを防止するために片側約１mmのギャップを必要とするからである。また、リップ長さ７が８mmを越えると、１層１パス溶接ができなくなり、１層２パス溶接以上となるため、溶着量が多くなる。その結果、溶接変形，母材の変質低下や溶接時間の削減という効果が少なくなってしまう。
【００１３】
図１（ｂ）に１層１パス溶接の模式図を、図１（ｃ）に１層２パス溶接の模式図を示す。図１（ｂ）に示す１層パス溶接ビード８および図１（ｃ）に示す１層２パス溶接ビード９が１回に溶接された溶着部で、この部分をパスという。
【００１４】
また、ベベル角度４を20°以下に限定した理由は板厚20mmの場合、第１の円筒状母材１と第２の円筒状母材２の間隙の最大値が12mmを超えると１層１パス溶接ができなくなるためである。すなわち、リップ長さ７が最大値５mm，リップ６の厚さが１mmとした場合のベベル角度４の値が20°である。
このことから板厚が20mmを超えたり、リップ長さ７が５mmよりも長い場合はベベル角度４はこの値より小さくしなければならない。
【００１５】
図８に示した従来例では１層２パス以上の溶接を考えているため、第１の円筒状母材１と第２の円筒状母材２の間隔が10mmであり第２の円筒状母材のベベル角度４が30°であることから、第２の円筒状母材２の厚さを38mmと仮定すると図１の溶接継手の溶着量は図８のそれの約40％である。
【００１６】
ということは溶着量が約40％になり、従って、円筒状母材に加えられる熱量（以下入熱量と称す）も約40％になる。入熱量が小さいことから変形および母材の変質が軽減できる。また、溶接時間は同一溶接方法と仮定すれば、ほぼ溶着量に比例することから溶接時間も約40％とすることができ、溶接時間を削減することができる。
【００１７】
つぎに図２（ａ），（ｂ）により本発明に係る溶接継手の第２の実施の形態を説明する。
図２中、図１と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。本第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は第２の円筒状母材２に開先５およびリップ６を形成するとともにリップ６の外側に溶接材料10を予め配置して溶接を行うものである。
【００１８】
一般に溶接を行うと軸方向の長さが短くなる現象が起きる。リップ６を完全に溶かす完全溶け込み溶接を行うと、その縮み量は大きくなるが、リップ６を部分的にしか溶かさない部分溶け込み溶接にすることにより縮み量は軽減される。
【００１９】
その場合、強度上溶着部の長さが第２の円筒状母材２の厚さ分必要な場合、予め溶接材料10をリップ６の外側角に配置しておき、リップ６の外側から溶接を行い、溶接材料10を完全に溶かした後、反対側の開先５側から溶接を行う。図２（ｂ）は溶接後の状態を示しており、符号11は溶接材料10が溶けた外側溶着部で、符号12は開先５側から溶接した内側溶着部で、符号13は未溶融リップを示している。
【００２０】
外側溶着部11は別の働きをする場合もある。それは内側溶着部だけの場合、外側に未溶着部がクレビス状に残るため、耐蝕性の低下や疲労強度の低下を招くことがある。しかし、外側溶着部11によりそれを防止することができる。
【００２１】
溶接材料10の働きとしては上述の他に第１の円筒状母材１または第２の円筒状母材２の材質が例えばＳＵＳ316 のように完全オーステナイト組織の材料のように高温割れを生じやすい材料の場合、適切な溶接材料を使用することにより高温割れの発生を防ぐことができる。
【００２２】
つぎに図３（ａ），（ｂ）により本発明に係る溶接継手の第３の実施の形態を説明する。
図３中、図２と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。本実施の形態が第２の実施の形態と異なる点は第２の円筒状母材２のリップ６のリップ厚さ17を設定してリップ６を完全溶け込み溶接して強度を向上させたことにある。
【００２３】
本実施の形態ではリップ６の外側から溶接を行い、開先５側から溶接を行うが、片側からの溶け込み深さは限界（約２mm）があるため、第２の円筒状母材２のリップ６のリップ厚さ17は４mm以下でなければならない。
【００２４】
図３（ｂ）はこの状態を説明したもので、図３（ｂ）中の溶着部14が図３（ａ）中のリップ６の外側から溶接した部分で、内側溶着部12は図２（ｂ）と同様である。また、リップ厚さ17が１mm未満の場合、第２の円筒状母材２の重量によってはリップ６が座屈してしまうため、１mm以上の厚さが必要である。
【００２５】
図３（ａ）中リップ６の外側から溶接する際、溶接材料なしで溶接を行った場合、図４中に示す溶接部15に一部凹み16を生じる可能性がある。これを防止するには溶接材料10を連続的に供給するかまたは図２（ａ）に示すように予め溶接材料10を配置しておくことである。図４は設計上板厚分の溶接厚さが要求された場合の好ましくない溶接の例である。
【００２６】
つぎに図５により本発明に係る溶接継手の第４の実施の形態を説明する。
本実施の形態は第２の実施の形態の他の例を示したものであるので、図２（ａ）と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。本実施の形態が第２の実施の形態と異なる点は予めリップ６の外側に配置する溶接材料10の設定位置の範囲を定めたことにある。
【００２７】
ところで、溶接材料10とのギャップ22が０の場合、第１の円筒状母材１の角を十分溶かすことができない場合がある。この場合は図５に示すように溶接材料10と第１の円筒状母材１とのギャップ22を大きくとればよいが、ギャップ22があまり大きすぎても良好な溶接部が得られないので、ギャップ22の目安としては溶接材料10の外径の２倍以内までとすることが望ましい。
【００２８】
そこで、溶接材料10の設定位置は前記リップ６と第２の円筒状母材２の継ぎ目から第１の円筒状母材１の上面までの長さ、つまりリップ長さ７に対して溶接材料10はその外径の２倍の長さに保持して溶接することにある。
【００２９】
つぎに図６（ａ）から（ｄ）を参照しながら第１から第４の実施の形態におけるリップの他の例を説明する。
すなわち、図６（ａ）に示す第１の例はリップ６ａを先細りとして第２の円筒状母材２の直線部と円弧で結んだ例にある。このような構成とすることにより、図１から図５に示したリップ６のリップ厚さ17が一定の場合には完全溶け込みが得られない場合があるのに対して、完全溶け込みが得られる効果がある。
【００３０】
図６（ｂ）に示す第２の例のリップ６ｂは先端部が細先のリップ厚さ17と、本体部のリップ厚さ18が異なった２種類のリップ厚さ17，18を有し、その２種類のリップ厚さ17，18を直線で結んだ例にある。この例では前記第１の例と同様の作用効果がある。
【００３１】
図６（ｃ）に示す第３の例のリップ６ｃは内面がテーパ状に形成されて先細りとなっており、図６（ｄ）に示す第４の例のリップ６ｄは先端部が円弧状に形成されている。この第３および第４の例においても、第１の例と同様の作用効果を奏する。
【００３２】
つぎに図７により本発明に係る第５の実施の形態を説明する。
第１の円筒状母材１と第２の円筒状母材２との対向面にそれぞれ第１のベベル角度20と第２のベベル角度21を有する開先を形成する。この第１および第２のベベル角度20，21を合わせた開先角度19を20°以下にする。そして第２の円筒状母材２の先端部に取り付けたリップ６のリップ長さ７を６mm以上とし、リップ厚さ17を４mm以下とすることにより完全溶け込みを得ることができる。
【００３３】
なお、本発明の実施の形態を要約すればつぎのとおりである。
(1) 板厚の異なる円筒状母材同士を溶接する継手で、一方の母材は平坦面で、他方の母材は20°以下のベベル角度をもつリップ付き開先形状となっていること。(2) 予め母材の外側に溶接材料を配置する。そして、部分溶け込み溶接するか、または完全溶け込み溶接をすること。溶接は円筒状母材の開先側または両側から行う。
【００３４】
(3) リップは長さが５mm〜８mm，厚さが１mm〜４mmであり、一定でなく先細となっていること。(4) 溶接材料は断面形状が円形であること。溶接材料の設定位置はリップの継ぎ目から溶接材料外径の２倍の範囲にあること。
【００３５】
(5) 板厚の異なる円筒状母材同士を溶接する継手で、両母材にベベル角度を有し、その両者のベベル角度の和の開先角度が20°以下であること、およびリップ厚さが１mm〜４mm，リップ長さが５mm〜８mmであること。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、厚板の円筒状母材を溶接する場合、溶着量が少なく、その結果、溶接変形や母材の変質を軽減するとともに溶接時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る溶接継手の第１の実施の形態を説明するための要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）における１層１パス溶接を示す模式図、（ｃ）は同じく１層２パス溶接を示す模式図。
【図２】（ａ）は本発明に係る溶接継手の第２の実施の形態を説明するための要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）において溶接した状態を示す縦断面図。
【図３】（ａ）は本発明に係る溶接継手の第３の実施の形態を説明するための要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）において溶接した状態を示す縦断面図。
【図４】図３（ａ），（ｂ）における溶接継手の第３の実施の形態と対比して説明するための部分断面図。
【図５】本発明に係る溶接継手の第４の実施の形態を説明するための要部を示す縦断面図。
【図６】（ａ）から（ｄ）は前記第１から第４の実施の形態におけるリップの他の例を第１から第４の例としてそれぞれ部分的に示す縦断面図。
【図７】本発明に係る溶接継手の第５の実施の形態を説明するための要部を示す縦断面図。
【図８】従来の溶接継手を部分的に示す縦断面図。
【符号の説明】
１…第１の円筒状母材、２…第２の円筒状母材、３…スペーサ、４…ベベル角度、５…開先、６…リップ、７…リップ長さ、８…１層１パス溶接ビード、９…１層２パス溶接ビード、10…溶接材料、11…外側溶着部、12…内側溶着部、13…未溶融リップ、14…溶着部、15…溶接部、16…凹み、17，18…リップ厚さ、19…開先角度、20…第１のベベル角度、21…弟２のベベル角度、22…ギャップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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