(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの溶接母材を当接させ、これら２つの溶接母材の裏面側に不活性ガスを供給しながら、前記溶接母材の表面側から、溶接ビードを裏面側まで溶け込むように形成して溶接を行うバックシールド溶接方法であって、
当接した２つの前記溶接母材の合わせ目に、該溶接母材の表面側と裏面側とを連通させ、且つ前記溶接ビードの形成方向に沿って延在するスリット状のガス供給開口部が形成されるように、２つの前記溶接母材の少なくとも一方の当接縁部に切欠部を形成し、
次に前記溶接母材の当接縁部同士を当接させて仮固定することにより、前記切欠部によって前記ガス供給開口部を形成し、
次に前記ガス供給開口部から前記不活性ガスを供給しながら、前記溶接ビードを形成し、該溶接ビードによって前記ガス供給開口部を閉塞することを特徴とするバックシールド溶接方法。
【請求項２】
前記切欠部は、２つの前記溶接母材の一方の前記当接縁部にのみ形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバックシールド溶接方法。
【請求項３】
前記不活性ガスの供給は偏平なガス供給管により行い、前記ガス供給開口部の幅寸法および長さ寸法は、前記ガス供給管を挿通できる必要最小限の寸法であることを特徴とする請求項１または２に記載のバックシールド溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの溶接母材を当接させ、これら２つの溶接母材の裏面側に不活性ガスを供給しながら、前記溶接母材の表面側から、溶接ビードを裏面側まで溶け込むように形成して溶接を行うバックシールド溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンロータのように、複数の部品が溶接されて組み立てられる製品においては、その溶接強度を高めるべく、溶接ビードを溶接母材の裏面側まで溶け込ませる、いわゆる裏波溶接が行われる。その際、溶接接合部の表面側と裏面側とからアルゴンやヘリウム等の不活性ガスを供給して空気と置換して溶接を行い、溶接ビードが空気中の酸素に触れないようにして溶接欠陥の発生や溶接ビードの酸化による継手性能の低下が阻止される。このように、溶接接合部の裏側に不活性ガスを供給しながら溶接することがバックシールド溶接と呼ばれている。
【０００３】
蒸気タービンロータにおいては、例えば特許文献１のように、溶接部の直近に検査穴が設けられた構造の場合は、この検査孔を利用してバックシールド溶接を実施することが可能であるが、検査穴の無い蒸気タービンロータでは、溶接母材の裏面側となる中空部が密閉されてしまうため、そのままではバックシールド溶接を行うことができない。このため、溶接母材の当接縁部同士を突き合わせて仮固定した後、その突き合わせ部に丸孔状のガス供給孔を穿設し、このガス供給孔にパイプを挿入して不活性ガスを注入しながら溶接を行い、最終的に溶接ビードによってガス供給孔を閉塞する工法が採られる。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、バックシールド溶接が困難な構造物において、バックシールドなしで溶接を実施するために、溶接接合部の裏側を覆う裏受け部を溶接母材の当接縁部に形成しておき、この裏受け部を溶融させないように溶接を行う溶接方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、溶接母材の成分を調整することにより、バックシールドを行わなくても溶接ビードに過剰な酸化を生じないようにして、溶接接合部における欠陥の発生を防ぐ溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９９９４０２号公報
【特許文献２】特開２０１０−３１８１２号公報
【特許文献３】特開２００８−１３７０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先述のように、溶接母材の当接縁部同士の突き合わせ部に穿設した丸孔状のガス供給孔から不活性ガスを注入する溶接方法では、ガス供給孔の径をある程度大きくしないと不活性ガスと空気の置換に時間が掛かってしまう。その反面、溶接母材の当接縁部をなす開先突端部の幅に対してガス供給孔の径が大きくなると、ここで開先突端部の断面形状が急変することにより、溶接がガス供給孔に差し掛かった時にガス供給孔の周囲で熱がこもり、開先突端部が溶け落ちて溶接不良が発生する懸念があった。なお、開先突端部が溶け落ちないまでも、ガス供給孔のある位置では溶接ビードの幅が広くなる傾向があり、このように溶接ビードの幅が不均一になることが溶接品質の低下に繋がっていた。
【０００８】
しかも、溶接母材の肉厚が大きい場合には、溶接母材の表面側から奥まった位置に開先突端部があり、この位置にガス供給孔を穿孔するにあたって長いドリルが必要となり、孔開け時にドリルがぶれ易くなるため、正確な孔開けが困難になるという問題があった。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている溶接方法では、溶接接合部の裏側を覆う裏受け部を溶接母材の当接縁部に形成しなければならず、この裏受け部を溶融させないように溶接が行われるために、この部分の溶接後の断面には裏受けがスリット状に残存しており、応力集中が発生する懸念があった。
【００１０】
また、特許文献３に開示されている溶接方法では、バックシールド無しで溶接を行うことが出来るように母材の成分が調整されているため、母材の成分範囲が限定されており、この成分調整をしない溶接母材を用いてバックシールドを行った場合と比較して、溶接母材と溶接ビードの実質的な強度に妥協が生じてしまう。
【００１１】
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、バックシールドを行うのが困難な溶接構造物において、溶接欠陥の発生や継手性能の低下を招くことなく、溶接接合部の表面側から裏面側に不活性ガスを供給可能にして容易にバックシールドを行い、溶接品質を向上させることができるバックシールド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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係るバックシールド溶接方法の第１の態様は、２つの溶接母材を当接させ、これら２つの溶接母材の裏面側に不活性ガスを供給しながら、前記溶接母材の表面側から、溶接ビードを裏面側まで溶け込むように形成して溶接を行うバックシールド溶接方法であって、当接した２つの前記溶接母材の合わせ目に、該溶接母材の表面側と裏面側とを連通させ、且つ前記溶接ビードの形成方向に沿って延在するスリット状のガス供給開口部が形成されるように、２つの前記溶接母材の少なくとも一方の当接縁部に切欠部を形成し、次に前記溶接母材の当接縁部同士を当接させて仮固定することにより、前記切欠部によって前記ガス供給開口部を形成し、次に前記ガス供給開口部から前記不活性ガスを供給しながら、前記溶接ビードを形成し、該溶接ビードによって前記ガス供給開口部を閉塞することを特徴とする。
【００１３】
上記のバックシールド溶接方法によれば、バックシールドを行うのが困難な溶接構造物においても、スリット状に形成されたガス供給開口部を経て、溶接母材の表面側から裏面側に不活性ガスを供給しながらバックシールド溶接を行い、溶接ビードの酸化による溶接継手特性を低下させることなく容易にバックシールド溶接を行うことができる。
【００１４】
ガス供給開口部は、溶接ビードの形成方向に沿って延在するスリット状に形成されるため、従来の丸孔状のガス供給孔を設けた場合と比較して、その開口面積を同等以上としながら、その幅を格段に狭くすることができる。このため、ガス供給開口部が形成された部分においても溶接母材の開先突端部の断面形状が急変せず、溶接がガス供給開口部に差しかかった時にガス供給開口部の周囲に熱がこもることを回避して、従来のように開先突端部が溶け落ちる懸念を回避することができる。
【００１５】
しかも、スリット状に形成されたガス供給開口部を溶接ビードによって閉塞する時には、ガス供給開口部の幅が従来の丸孔状のガス供給孔よりも狭いことから、これを容易に閉塞することができる。このため、ガス供給開口部があった部分も無かった部分も均等に溶接ビードを形成することができ、溶接品質を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明に係るバックシールド溶接方法の第２の態様は、前記第１の態様において、前記切欠部は、２つの前記溶接母材の一方の前記当接縁部にのみ形成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記のように、切欠部を一方の当接縁部にのみ形成すれば、切欠部の加工深さは倍となるものの、他方の当接縁部には切欠部を加工する必要がなくなるため、溶接母材の前加工が容易になる。
しかも、両方の当接縁部に切欠部を形成してこれらを合わせる場合に、両方の切欠部の位置がずれた場合には、ずれた分だけガス供給開口部の開口面積が減少してしまうが、切欠部が一方の当接縁部のみにしか形成されていなければ、切欠部の位置ずれが起こり得ず、ガス供給開口部の開口面積が減少する懸念がない。その上、切欠部の位置を合わせる手間を省くことができる。
【００１８】
また、本発明に係るバックシールド溶接方法の第３の態様は、前記第１または第２の態様において、前記不活性ガスの供給は偏平なガス供給管により行い、前記ガス供給開口部の幅寸法および長さ寸法は、前記ガス供給管を挿通できる必要最小限の寸法であることを特徴とする。
【００１９】
このように、不活性ガスの供給を偏平なガス供給管により行い、ガス供給開口部の寸法を、偏平なガス供給管が挿通できる必要最小限の寸法にすれば、丸孔状のガス供給孔と比較して不活性ガスの供給流量を低下させることなく、ガス供給開口部の開口面積（幅）を極力小さくすることができる。これにより、溶接がガス供給開口部に差しかかった時にガス供給開口部の周囲に熱がこもることによる開先突端部の溶け落ちを一層有効に防止することができる。しかも、ガス供給開口部の幅が狭いため、溶接ビードによる閉塞がより容易になり、溶接ビードを均等に形成して溶接品質を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係るバックシールド溶接方法によれば、バックシールドを行うのが困難な溶接構造物において、溶接接合部の欠陥を招くことなく、溶接接合部の表面側から裏面側に不活性ガスを供給して容易にバックシールドを行い、溶接品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るバックシールド溶接方法を適用可能な溶接構造物の一例を示す蒸気タービンロータの縦断面図である。
【図２】図１のII部を拡大して示す溶接前の溶接接合部の縦断面図である。
【図３】図２のIII矢視により本発明の第１実施形態を示す溶接前の溶接接合部の表面側の正面図である。
【図４】ガス供給開口部から不活性ガスが供給されている状態を示す溶接接合部の縦断面図である。
【図５】開先部を溶接中の状態を示す溶接接合部の縦断面図である。
【図６】開先部の溶接が完了して溶接ビードが形成された溶接接合部を示す縦断面図である。
【図７】図６のVII矢視による溶接接合部の裏面側の正面図である。
【図８】本溶接が完了した溶接接合部を示す縦断面図である。
【図９】スリット状のガス供給開口部を形成する切欠部の位置合わせがずれた状態を示す溶接接合部の正面図である。
【図１０】丸孔状のガス供給孔を形成する切欠部の位置合わせがずれた状態を示す溶接接合部の正面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態を示す溶接前の溶接接合部の正面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態を示す溶接前の溶接接合部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について、図１〜図１２を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係るバックシールド溶接方法を適用可能な溶接構造物の一例を示す蒸気タービンロータの縦断面図である。蒸気タービンロータは大型かつ高重量であり、一体に形成するのは困難なため、一般には複数のロータディスクが軸方向に同心状に配置され、各ロータディスクが溶接されて一体化される構造が採られる。この蒸気タービンロータ１は、例えば３つのロータディスク２，３，４（溶接母材）が軸方向に配置され、これらのロータディスク２，３，４が２つの溶接接合部５において高強度に溶接されて一体化される構成である。
【００２６】
蒸気タービンロータ１の内部には重量軽減用のボア（中空部）７が形成されている。このボア７は、各ロータディスク２，３，４の端面にそれぞれ形成された凹部が合わせられることにより密閉空間状に保たれる。溶接接合部５では、その溶接強度を高めるべく、溶接ビード８（図６も参照）を溶接母材であるロータディスク２，３，４の表面側から裏面側まで溶け込ませる裏波溶接が行われる。その際、溶接接合部５の表面側と裏面側とからアルゴンやヘリウム等の不活性ガスを供給して空気と置換しながら溶接を行い、溶接ビード８が空気中の酸素に触れないようにして溶接欠陥の発生や酸化による継手特性の低下が阻止される。
【００２７】
［第１実施形態］
以下に、本発明に係るバックシールド溶接方法の第１実施形態について説明する。
図２は図１のII部を拡大して示す溶接前の溶接接合部５の縦断面図である。また、図３は図２のIII矢視により本発明の第１実施形態を示す溶接前の溶接接合部５の正面図である。溶接前の溶接接合部５の断面形状は、突き合わせられるロータディスク２，３（または３，４）の当接縁部１５，１６（図３参照）にそれぞれ略Ｊ字状の半溝１０，１１が形成され、これらの半溝１０，１１同士が合わせられてＵ字溝１２が形成される、いわゆるＵ形開先形状となっている。ここではＵ字溝１２の底部を開先突端部１３と呼ぶ。
【００２８】
溶接接合部５の裏面側に不活性ガスを供給するには、密閉されたボア７の内部に不活性ガスを注入する必要がある。このために、各ロータディスク２，３の当接縁部１５，１６（開先突端部１３の端面）同士を突き合わせて仮固定した後、その合わせ目に下記に述べるように形成されたガス供給開口部１７に、図４に示すようなガス供給管１９を挿通して不活性ガスを注入し、ボア７の内部の空気を不活性ガスと置換する。
【００２９】
図３に示すように、ガス供給開口部１７は、突き当てられる両方の当接縁部１５，１６に予めフライス加工等により形成された切欠部２１，２２が互いに合わさるように、両方の当接縁部１５，１６を当接させて仮固定することによって形成される。このガス供給開口部１７は、ロータディスク２，３の表面側（外部）と裏面側（ボア７の空間）とを連通させ、且つ溶接ビード８の形成方向、即ち開先突端部１３の長手方向沿う方向に延在するスリット状に形成される。なお、ガス供給開口部１７は、１つの溶接接合部５の周方向に等間隔に２〜４箇所設けられる。また、このガス供給開口部１７は、後述するようにボア７の内部に供給された不活性ガスの余剰分を外部に排出するためのガス放出開口部としても機能する。
【００３０】
図４に示すように、このスリット状のガス供給開口部１７に挿入されるガス供給管１９は偏平管とするのが望ましい。こうすれば、ガス供給開口部１７の幅が狭くても、ここから供給される不活性ガスＧの供給流量を多くでき、ボア７の内部の空気を不活性ガスに置換する時間を短縮することができる。さらに、ガス供給開口部１７の幅寸法および長さ寸法は、ガス供給管１９を挿通できる必要最小限の寸法とすることが好ましい。ガス供給開口部１７の寸法は、例えば幅が１〜２ミリ程度、長さが数十ミリ程度と例示することができる。
【００３１】
そして、図５に示すように、溶接トーチ２３により放電溶接（主としてＴｉｇ溶接）を行い、図６に示すように溶接ビード８を形成する。溶接ビード８は、溶接母材（ロータディスク２，３）の表面側から裏面側まで溶け込むように形成される。この時には、溶接接合部５の表面側からＵ字溝１２の内部に図示しないガス供給手段によって不活性ガスが供給されるとともに、前述した通りガス供給開口部１７を経て溶接接合部５の裏面側にも不活性ガスが供給されるため、溶接中に溶接ビード８が空気から完全にシールド（遮断）され、酸素に触れることによる酸化が防止されて溶接欠陥の発生や継手特性の低下が阻止される。
【００３２】
１つの溶接接合部５の周方向に等間隔に２〜４箇所設けられるガス供給開口部１７は、その１つのガス供給開口部１７から不活性ガスが供給されている間に、他のガス供給開口部１７からは、ボア７の内部の空気と共に余剰な不活性ガスが排出され、これによってボア７の内部の空気が完全に不活性ガスに置換される。
【００３３】
上記のように溶接ビード８を形成するのと同時に、この溶接ビード８によってガス供給開口部１７が順次閉塞される。ガス供給開口部１７は幅の狭いスリット状であるため、溶接ビード８によって容易に閉塞することができ、図７に示すように溶接接合部５の裏面側から見ても溶接ビード８の幅を均等に形成することができる。
【００３４】
その後、図８に示すように、Ｕ字溝１２の内部に溶接材料２５が溶かし込まれながら本溶接が行われ、Ｕ字溝１２の内部に溶接材料２５が充填される。この本溶接の最中も、溶接接合部５の表面側から不活性ガスが供給されるため、溶接ビード８や溶接材料２５が酸化することはない。
【００３５】
１つの溶接接合部５の周方向に等間隔に２〜４箇所設けられるガス供給開口部１７は、溶接により順次閉塞され、最後のガス供給開口部１７が閉塞されると、ボア７は、その内部に不活性ガスを充填された状態で密閉される。このため、ボア７の内部に空気が残留せず、空気中の水分や不純物等に起因するロータディスク２，３，４の内部腐食が防止される。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係るバックシールド溶接方法は、溶接接合部５（開先突端部１３）の合わせ目に、溶接ビード８の形成方向に沿って延在するスリット状のガス供給開口部１７を形成し、ここから溶接接合部５の裏面側に不活性ガスを供給しながら溶接を行うものである。
このため、従来の丸孔状のガス供給孔を設けた場合と比較して、ガス供給開口部１７の開口面積を同等以上としながらも、その幅を格段に狭くすることができ、その分、ガス供給開口部１７の位置における開先突端部１３の幅が広くなって、この位置における開先突端部１３の断面形状が急変することが防止される。
したがって、溶接がガス供給開口部１７の位置に差し掛かった時に、ガス供給開口部１７の周囲の領域Ａ（図５参照）に熱が逃げやすく、このためガス供給開口部１７の近傍に熱がこもって開先突端部１３が溶け落ちるといった溶接不良が発生することを防止することができる。
【００３７】
しかも、スリット状に形成されたガス供給開口部１７を溶接ビード８によって閉塞する時には、ガス供給開口部１７の幅が従来の丸孔状のガス供給孔よりも格段に狭いことから、これを容易に閉塞することができる。このため、ガス供給開口部１７があった部分も無かった部分も均等に溶接ビード８を形成することができ、溶接品質を向上させることができる。
【００３８】
また、不活性ガスの供給を偏平なガス供給管１９によって行い、ガス供給開口部１７の幅寸法および長さ寸法を、このガス供給管１９を挿通できる必要最小限の寸法としたため、丸孔状のガス供給孔と比較して不活性ガスの供給流量を低下させることなく、ガス供給開口部１７の開口面積（幅）を極力小さくすることができる。
これにより、溶接がガス供給開口部１７に差しかかった時にガス供給開口部１７の周囲に熱がこもることによる開先突端部１３の溶け落ちを一層有効に防止することができる。しかも、ガス供給開口部１７の幅が狭いため、溶接ビード８による閉塞がより容易になり、溶接ビード８を均等に形成して溶接品質を向上させることができる。
【００３９】
さらに、図９に示すように、ガス供給開口部１７を形成する一方の切欠部２１と他方の切欠部２２との合わせ位置が少々ずれても、ガス供給開口部１７の長さ方向の有効寸法Ｌの減少率は小さいため、ガス供給開口部１７に偏平なガス供給管１９を挿入して不活性ガスを注入することができる。
これに対し、図１０に示すように、従来の丸孔状のガス供給孔を形成する切欠部Ｃの合わせ位置がずれてしまうと、ここに挿入できるガス供給管の有効直径ｄが著しく小さくなってしまう。例えば、直径５ミリの切欠部Ｃが１ミリずれた場合には、ここに挿入できるガス供給管の直径ｄは僅か３ミリに限られてしまう。
【００４０】
［第２実施形態］
次に、本発明に係るバックシールド溶接方法の第２実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第２実施形態を示す溶接接合部の正面図である。ここでは、突き合わせられる２つのロータディスク２，３（または３，４）の一方の当接縁部１５（開先突端部１３）にのみ切欠部２１が形成されており、他方の当接縁部１６は平坦なままとされている。これら２つのロータディスク２，３が合わせられると、一方のロータディスク２に形成された切欠部２１の開口形状が他方のロータディスク３により閉塞され、第１実施形態と同様な、溶接ビード８の形成方向に沿う方向に延在するスリット状のガス供給開口部２７が形成される。その他の部分の構成およびガス供給開口部２７の機能は第１実施形態と同様である。
【００４１】
このように、切欠部２１を一方のロータディスク２の当接縁部１５にのみ形成すれば、切欠部２１の加工深さは第１実施形態におけるガス供給開口部１７の倍となるものの、他方のロータディスク３の当接縁部１６には切欠部を加工する必要がなくなるため、ロータディスク３の前加工が容易になる。
【００４２】
しかも、第１実施形態のように、両側の当接縁部１５，１６に切欠部２１，２２を形成してガス供給開口部１７を形成した場合には、両方の切欠部２１，２２の位置がずれた場合に、ずれた分だけガス供給開口部１７の開口面積が減少してしまうが、この第２実施形態のように、切欠部２１が一方の当接縁部１５のみにしか形成されていなければ、切欠部２１の位置ずれが起こり得ず、ガス供給開口部２７の開口面積が減少する懸念がない。その上、切欠部２１の位置を合わせる手間を省くことができる。
【００４３】
［第３実施形態］
図１２は、本発明の第３実施形態を示す溶接接合部の縦断面図である。この溶接接合部３０の断面形状は、突き合わせられるロータディスク２，３（または３，４）の一方、例えばロータディスク２側に略Ｊ字状の半溝３１と切欠部３２が形成され、他方のロータディスク３には半溝も切欠部も形成されていない。ロータディスク２と３が合わせられると、いわゆるＪ形開先形状が構成され、切欠部３２がロータディスク３に閉塞されてガス供給開口部３４となる。ガス供給開口部３４の機能は第１実施形態のガス供給開口部１７と同様である。
【００４４】
このように、本発明に係るバックシールド溶接方法は、第１実施形態に示したＵ形開先形状に限らず、上記のＪ形開先形状や、それ以外の開先形状にも適用することができる。さらに、開先形状以外の突き合わせ溶接にも適用することができる。
【００４５】
なお、本発明は上記の各実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
【００４６】
例えば、上記実施形態では、本発明に係るバックシールド溶接方法を、蒸気タービンロータ１を構成するロータディスク２，３，４の溶接に適用した例について説明したが、蒸気タービンロータに限らず、バックシールド溶接が困難な他の溶接構造物にも適用することができる。例えば、肉厚の厚い鋼管同士の溶接に好適である。さらに、溶接する対象物は、必ずしも管状でなくてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  蒸気タービンロータ
２，３，４  ロータディスク（溶接母材）
５，３０  溶接接合部
７  ボア
８  溶接ビード
１０，１１，３１  半溝
１２  Ｕ字溝
１３  開先突端部
１５，１６  当接縁部
１７，２７，３４  ガス供給開口部
１９  ガス供給管
２１，２２，３２  切欠部
２５  溶接材料
Ｇ  不活性ガス
【図１】
0005979859.tif 000002
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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