(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接しようとする板厚が８０〜３００ｍｍである厚鋼板の端部を対向に配置して、前記鋼板の端部間に開先を形成し、
前記開先のルート間隔ＲＯが０〜１６ｍｍの範囲であり、且つ、前記ルート間隔ＲＯが０≦ＲＯ＜１ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式1で表される関係を満たし、１ｍｍ≦ＲＯ＜１０ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式２で表される関係を満たし、前記ルート間隔ＲＯが１０ｍｍ≦ＲＯ≦１６ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式３で表される関係を満たし、
ＲＦ≦７．８ＲＯ＋４．０ｍｍ        ・・・・・式１
ＲＦ≦４．８ＲＯ＋７．０ｍｍ        ・・・・・式２
ＲＦ≦５５ｍｍ                      ・・・・・式３
但し、上記式１、式２、式３において、ＲＦ：ルート面、ＲＯ：ルート間隔、であり、
前記開先内に、前記鋼板の表裏面側にそれぞれ、電極数が１本又は２本以上のエレクトロガスアーク溶接電極を配置し、
鉛直方向下側から上側に向けて、同時に溶接を行い、
各々の前記エレクトロガスアーク溶接電極が前記開先内で生成した溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動するように、該エレクトロガスアーク溶接電極の移動速度を制御することを特徴とする、多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項２】
前記ルート間隔ＲＯが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、ルート面ＲＦが８ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項３】
前記エレクトロガスアーク溶接電極の進入角度を、鉛直下向方向を０°として、０°以上４０°以下とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項４】
前記エレクトロガスアーク溶接電極の少なくともひとつの電極を、前記厚鋼板の板厚方向で揺動させながら、溶接を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項５】
前記厚鋼板に曲げ加工を施して鋼管状に加工した後、前記曲げ加工によって対向に配置された前記厚鋼板の端部を溶接することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項６】
複数の鋼管の端部を対向に配置して、前記鋼管の端部間に前記開先を形成し、前記鋼管の中心軸が略同心、且つ、略水平となるように、前記鋼管をポジショナー手段に載置し、
次いで、前記ポジショナー手段で前記鋼管をその中心軸周りに回転させて、前記溶接を行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法。
【請求項７】
さらに、前記鋼管の胴囲に仕口部材を対向に配置して、前記開先を形成し、前記仕口部材を溶接することを特徴とする、請求項６に記載の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法に関するものであり、特に、板厚が４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板部材を用いて大型鋼構造物を製作、建造するにあたり、鋼板部材同士の突合わせ溶接や鋼管の端部同士を突合わせての円周溶接、もしくは鋼管のシーム部分を立向姿勢で突合わせ溶接を行う際、高い生産性で1パスでのエレクトロガスアーク溶接を行うことで、溶接効率の向上と溶接欠陥の低減を両立可能とする、厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造物の大型化に伴い、単純な鋼板部材あるいは柱部材として用いられる鋼管部材の板厚が増大し、例えば、２００ｍｍを超える厚板部材、あるいは、１００ｍｍを超える板厚の鋼板を円筒形に曲げ加工して、突合わせ部分をシーム溶接して製造される鋼管のような例も増えている。また、建築分野で用いられる鋼製の柱部材は、従来から用いられているボックス柱のような角型断面の柱部材に加え、最近では、意匠性の観点などから、断面円形の鋼管を柱部材として適用する例が増加している。また、鋼管状部材が大型鉄塔、発電用大型風車に用いられる等、鋼板とともに鋼管の大型鋼構造物としての利用例は増加している。【０００３】
現在、構造物としての鋼管柱を製造する場合には、最終的な構造物の全長に比べて短尺の鋼管部材同士を、それらの端部で円周溶接することにより、複数個つなぎ合わせて製造する方法が主流である。また、それらの接続方法としては、例えば、炭酸ガスアーク溶接、あるいは比較的小さな入熱量でのサブマージアーク溶接などにより、多パス、多層溶接による方法が一般的である。一方、鋼管の板厚が５０ｍｍを超えるようになると、上述のような小入熱による多層溶接では、施工時間、施工コストが莫大なものとなるが故、溶接効率（溶接スピード）を向上させ、溶接施工時間の短縮、即ち、施工コストの低減が要求されるようになってきている。また、能率向上の要求は、厚鋼板からなる構造物の製作においても同様であり、厚鋼板から構成される平板継手あるいは鋼管部材のシーム溶接、鋼管部材同士の端部における円周溶接のような大型の溶接構造物の建造においては、従来の多パス、多層溶接に代わって、例えば、エレクトロガスアーク溶接（ＥＧＷ溶接）等を用いた、大入熱による1パス溶接を適用することが期待されている。【０００４】
上述のＥＧＷ溶接は、一般的には立向姿勢で行われる高効率な1パス溶接方法として知られており、特に、造船分野において好適に用いられている。ＥＧＷ溶接の一般的な形態としては、例えば、被溶接鋼板の端部の各々に開先加工を施し、この開先面同士を突合わせつつ、溶接線が実質的に鉛直方向となるように被溶接鋼板を配置した後、被鋼板部材の下端から上端に向かうように、溶接トーチを垂直上進させて溶接を進行させる。また、ここで用いる溶接トーチ（溶接電極）は、通常、自動台車と一体とされており、開先内に溶接金属が形成されてゆく速度（湯面上昇速度）を検出して、この速度に同期して台車が自動的に垂直上方に走行して行く機構を備えていることが一般的である。【０００５】
また、近年、上述のようなＥＧＷ溶接によって建築鉄骨柱向け鋼管部材を製造する方法が提案されている。特許文献１、２には、それぞれ、非貫通型と貫通型のダイアフラムプレートを鋼管部材の端面、もしくは、筒体の胴囲にＥＧＷ溶接によって接合する方法が開示されている。ここで、特許文献１、２に記載の技術は、鋼管部材同士を円周溶接するのではなく、仕口部材としてのダイアフラムプレート（鋼板）部材を鋼管部材の胴囲に外嵌めし、これを鋼管の胴囲に対し溶接接合するための円周溶接方法である。また、特許文献２においては、特許文献１に記載の構成に加え、さらに、溶接中の電流監視方法を規定し、溶融池液面の安定化を図ることが記載されている。【０００６】
また、例えば、特許文献３等には、鋼管部材とその外周面に設ける鉄骨仕口等のフランジ状部材をＥＧＷ溶接によって円周溶接する装置が開示されている。特に、特許文献３に記載の溶接装置では、一つの鋼管柱（ワーク）に対して取り付ける複数のフランジ状部材を、同時にまとめて施工できるようにするため、施工すべき箇所数分の複数の溶接トーチ（電極）を設けた構成とされている。なお、ここでの多電極の意味は、１台の溶接機器に溶接箇所数分の電極が備えられている構成を意味しており、１つの開先内に複数の電極を備えていることを意味するものではない。【０００７】
ここで、ＥＧＷ溶接方法については、一つの溶接箇所に複数の溶接トーチ（電極）を用いた２電極型のＥＧＷ溶接装置が提案されており（例えば、特許文献４）、特に、厚鋼板の溶接が必要となるコンテナ船建造に用いられている。一つの溶接箇所に対して１電極のみを用いる従来の構成のＥＧＷ溶接装置に対し、特許文献４に記載の溶接装置は、一つの溶接箇所に対して２電極を適用した機器構成としている。そして、２電極化の際に、２つのトーチが近接しすぎると生ずる、アークの相互干渉の問題を克服しながら２電極化を達成している。特許文献４によれば、２電極化による効用のうち、一つ目は、溶接可能とする板厚の上限拡大であり、二つ目は、溶接効率の向上、即ち、溶接施工時間の短縮による生産性の向上が実現できるとされている。ＥＧＷ溶接では、向き合った開先面で囲まれた空隙（領域）内で、トーチに送給された溶接材料（溶接ワイヤ）の先端から発生したアークが熱源となり、溶接ワイヤ自体と開先面（母材）表面が一様に溶融し合い、最終的に向き合った開先面で囲まれた空間は全て溶融した溶接金属で満たされる。そして、これが凝固することで溶接金属となり、結果として、各母材と溶接金属とが一体となることで溶接継手が形成されることになる。【０００８】
一般に、過度に厚手の母材を溶接しようとした場合には、電極数が１つのみでは開先面全体を一様に加熱することができず、開先面の一部の範囲に溶け残し、いわゆる、融合不良欠陥を発生させることになる。特許文献４に記載の溶接装置では、１電極ＥＧＷ溶接では融合不良欠陥が発生するような板厚であっても、電極数を２つに増設したことで、開先面を十分に加熱溶融することができ、融合不良欠陥の発生を抑制することが可能となる。これにより、特許文献４では、溶接可能とする板厚の上限拡大を達成している。また、溶接効率、即ち、単位時間あたりに得ることができる、向き合った開先面で囲まれた空隙を満たす溶接金属の生成量（質量）は、２つの電極ともにほぼ同じ量であることから、電極数が２つに増すことで、１電極ＥＧＷ溶接の場合に比較して、単純に約２倍の溶接効率を達成している。なお、電極が１つの場合には、安定した良好なアーク状態を維持すること、即ち、アークを安定的に発生させて実用的な施工性を維持する観点からは、電極に与えることができる電気的エネルギーには上限があるため、例えば、電流値あるいは電圧値を２倍に増大させ、単位時間あたりで単純に２倍のエネルギーを電極に投入することで２倍の溶着効率を得ようとすることは、一般的には困難である。【０００９】
また、特許文献４による２電極型のＥＧＷ溶接装置では、溶接電流値を常時監視することで、湯面上昇速度を検知し、台車の上昇速度を制御することで、適正な溶接を継続するような機構を備えている。【００１０】
特許文献５、６では、湯面とトーチ（溶接ワイヤ）先端が近づくと溶接電流値が上昇し、湯面とトーチ先端が離れると溶接電流値が低下することを利用して、溶接電流値が所定の範囲内になるように、トーチの上昇速度および／または溶接ワイヤの供給速度を変化させている。【００１１】
特許文献７では、湯面とトーチ（溶接ワイヤ）先端間の距離を、溶接電流および予め求めておいた係数から検出し、設定距離と差を補正するように、トーチ位置を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−３３７１６号公報
【特許文献２】特開２００５−７４４４２号公報
【特許文献３】特開２００３−２４５７７５号公報
【特許文献４】特開平１０−１１８７７１号公報
【特許文献５】特開２０１２−１１４００号公報
【特許文献６】特開２０１２−１１４０７号公報
【特許文献７】特開２００７−１６０３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年、構造物の大型化に伴って構造部材の板厚増大が進み、最大で３００ｍｍ程度にも達する厚鋼板が適用される例が生じている。このような厚鋼板を接合する溶接継手の作製に際し、従来の小入熱による多パス溶接を適用した場合、施工時間の増大が著しくなることから、施工コストの低減、即ち、溶接効率の向上が強く望まれるところとなっている。そこで、一つの溶接箇所の板厚分全てをひと時に溶接可能な、大入熱による1パス溶接を適用し、厚鋼板部材からなる構造物の溶接施工時間の短縮をはかることが期待されている。【００１４】
上記各特許文献に記載された従来の方法又は装置において、最大板厚が３００ｍｍにも達する厚鋼板のＥＧＷ溶接による1パス溶接を適用しようとする場合、以下に説明するような問題がある。【００１５】
板厚が１００ｍｍを超えるような厚鋼板に1パス溶接を施す場合の対応方法の一つ目は、部材の表裏面それぞれの側から、１回ずつ、計２回にわたって1パス溶接を行うことで、片側あたり、即ち、１回あたりに溶接可能な板厚の上限が通常は８０ｍｍ程度に限定されている機材を、２回繰り返して用いることで、実質的に２倍の板厚まで溶接を可能とする方法である。例えば、Ｘ型開先のような開先形状を採用し、部材の表裏面両面から溶接可能な開先形状を採用する。より具体的には、表面側からの1パス溶接を完了させた後、鋼板を裏返し、裏面側からもう一度1パス溶接を実行する方法である。この方法によれば、２電極型のＥＧＷ溶接装置により、片側のみの溶接施工で板厚８０〜９０ｍｍ分を1パスにて施工可能であり、２回に分けて両面溶接をすることで、最大１６０〜１８０ｍｍの板厚まで対応可能である。【００１６】
しかしながら、上述の方策を適用した場合の問題点としては、表面側開先に対応する溶接ビードが形成されているところに、裏面側から再度ＥＧＷ溶接を行う場合、表面側に先に形成されている溶接金属のルート部を完全に再溶融して未溶着部のない完全な溶け込みを得るには溶接施工に関する高度な技能を必要とすることが挙げられる。また、上述の方法では、両面からの溶接金属は、それぞれ板厚中央付近でルート部を形成するが、２回目の溶接の際に、ルート部側で生じたスラグがうまく浮上排出されず、ルート部付近においてスラグ巻き込みによる溶接欠陥を発生させるおそれがあることが挙げられる。また、そもそも、対象とする部材の板厚全体にわたって1パス溶接を行わずに２回の溶接施工を行うことは、非効率的であるのに加え、一般的に巨大な重量物となる継手を反転させる工程も加わることになり、さらに効率的とはいえない施工法と言える。また、適用する溶接材料の性質にもよるが、先行の溶接金属が後続の（２回目の溶接）パスによる熱影響を受けることで、靱性低下の懸念も生じる。【００１７】
また、厚鋼板に1パス溶接を施す場合の二つ目の対応方法としては、1パス溶接で対応可能な板厚以外の部分を、小入熱多パス（多層）溶接にて対処する方法も採られることが多い。この場合、開先形状は、片面溶接となるＶ型開先や、両面からの溶接となるＸ型開先など、どちらも採用可能であるが、小入熱溶接を先に施し、残りの板厚を大入熱1パス溶接とするか、あるいはその逆として、大入熱1パス溶接を先に施した後、残りの板厚を小入熱溶接として埋め終わるかの、二つの順序をとり得る。上述の対応方法では、溶接機器の変更のためのセットアップ時間を除けば、すべての板厚分に小入熱溶接を適用する場合よりも、確実に施工時間の短縮につながる。【００１８】
一方、上記方法を採用した場合の留意点として、継手に要求される機械的性質の仕様によっては、適用する溶接材料の選択に特別な配慮が必要となることが挙げられる。例えば、小入熱溶接を先に施し、残りの板厚を大入熱1パス溶接とする場合には、小入熱溶接により形成された溶接金属に、後続して大入熱溶接による再熱が加わるため、小入熱溶接の溶接金属が過度に軟化してしまうことから、部分的な強度低下を引き起こす可能性について検討する必要がある。また、逆に、大入熱1パス溶接を先に施し、残りの板厚を小入熱溶接とする場合には、通常、焼入性を比較的高水準に設定している大入熱溶接金属に対し、後続して小入熱溶接による再熱が加わるため、大入熱溶接による溶接金属が過度に硬化し、結果としてこの領域の溶接金属が靭性低下を引き起こす可能性について検討する必要が生じる。【００１９】
従来、板厚が１００ｍｍを超えるような厚鋼板を突合わせ溶接する場合には、極めて多大な工程時間と労力で多パス（多層）溶接を行うか、あるいは、巨大なワークを反転させる工程を伴いながら厚鋼板の表面側及び裏面側の２回にわたり、それぞれ1パス溶接を行う方法などの採用を余儀なくされることが多く、施工能率低下が著しかった。このため、厚鋼板同士あるいは厚鋼板からなる鋼管部材のシーム溶接部分などを溶接効率の良い1パス溶接、例えば、ＥＧＷ溶接を適用することで、溶接効率の向上と溶接欠陥の抑制を両立可能な方法が切に望まれていた。【００２０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、特に、板厚が４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板から製造された部材を用いて大型鋼構造物を製作、建造するにあたり、鋼板部材もしくは鋼管部材のシーム部分を立向姿勢で突合わせ溶接する場合、及び、鋼管部材の円周溶接を行う場合に、溶接効率の向上と溶接欠陥の低減を両立させることが可能な、厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周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】
【００２１】
本発明者等が上記問題を解決するため、特に、厚鋼板からなる要素部材の端部を突合わせて溶接し、厚鋼板同士、あるいは鋼管部材のシーム部を溶接する方法として多電極のＥＧＷ溶接方法を適用し、溶接効率の向上及び溶接欠陥の低減を図ることを試み、鋭意研究を重ねた。その結果、２台のエレクトロガスアーク溶接装置を厚鋼板の表面側及び裏面側の両方に配置し、これら２台の溶接装置が保持する溶接トーチの合計数を２以上としたうえで、さらに、厚鋼板の表面側と裏面側との間で溶接中に溶融した溶接金属が導通可能な開先形状並びに突合わせ形態を採用し、溶接電極を開先内の溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動することにより、溶接効率の向上と溶接欠陥の低減を両立できることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。【００２２】
[１]
溶接しようとする厚鋼板の端部を対向に配置して、前記鋼板の端部間に開先を形成し、
前記開先のルート間隔ＲＯが０〜１６ｍｍの範囲であり、且つ、前記ルート間隔ＲＯが０≦ＲＯ＜１ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式1で表される関係を満たし、１ｍｍ≦ＲＯ＜１０ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式２で表される関係を満たし、前記ルート間隔ＲＯが１０ｍｍ≦ＲＯ≦１６ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式３で表される関係を満たし、
ＲＦ≦７．８ＲＯ＋４．０ｍｍ        ・・・・・式１
ＲＦ≦４．８ＲＯ＋７．０ｍｍ        ・・・・・式２
ＲＦ≦５５ｍｍ                      ・・・・・式３
但し、上記式１、式２、式３において、ＲＦ：ルート面、ＲＯ：ルート間隔、であり、
前記開先内に、前記鋼板の表裏面側にそれぞれ、電極数が１本又は２本以上のエレクトロガスアーク溶接電極を配置し、
鉛直方向下側から上側に向けて、同時に溶接を行い、
各々の前記エレクトロガスアーク溶接電極が前記開先内で生成した溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動するように、該エレクトロガスアーク溶接電極の移動速度を制御することを特徴とする、多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
[２]
前記ルート間隔ＲＯが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であり、ルート面ＲＦが８ｍｍ以下であることを特徴とする、[１]に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
[３]
前記エレクトロガスアーク溶接電極の進入角度を、鉛直下向方向を０°として、０°以上４０°以下とすることを特徴とする、[１]又は[２]に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
[４]
前記厚鋼板の板厚が４０〜３００ｍｍであることを特徴とする、[１]〜[３]のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
[５]
前記エレクトロガスアーク溶接電極の少なくともひとつの電極を、前記厚鋼板の板厚方向で揺動させながら、溶接を行うことを特徴とする、[１]〜[４]のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。
[６]
前記厚鋼板に曲げ加工を施して鋼管状に加工した後、前記曲げ加工によって対向に配置された前記厚鋼板の端部を溶接することを特徴とする、[１]〜[５]のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク溶接方法。【００２３】
[７]
複数の鋼管の端部を対向に配置して、前記鋼管の端部間に前記開先を形成し、前記鋼管の中心軸が略同心、且つ、略水平となるように、前記鋼管をポジショナー手段に載置し、
次いで、前記ポジショナー手段で前記鋼管をその中心軸周りに回転させて、前記溶接を行うことを特徴とする、[１]〜[５]のいずれか１項に記載の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法。
[８]
さらに、前記鋼管の胴囲に仕口部材を対向に配置して、前記開先を形成し、前記仕口部材を溶接することを特徴とする、[７]に記載の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法によれば、概して、上記構成の如く、
厚鋼板の端部同士を突合わせて、所定の開先を形成し、
前記開先のルート間隔ＲＯおよびルート面ＲＦが所定の関係を満たし、
前記開先の両面側にそれぞれ、エレクトロガスアーク溶接電極を配置し、
前記厚鋼板の両面側において、鉛直方向下側から上側に向けて、同時に1パス溶接を行い、
各エレクトロガスアーク溶接電極が前記開先内で生成した溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動する。これにより、板厚が４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板を立向姿勢で突合わせ溶接する場合であっても、1パス溶接による溶接効率の向上と溶接欠陥の抑制効果が同時に得られる。【００２５】
従って、例えば、厚鋼板から製造され、建築分野で用いられる鋼管状柱部材、大型鉄塔、発電用大型風車の鉄塔部分等、鋼板並びに鋼管から構成される大型鋼構造物を製造する際の溶接プロセスに本発明を適用することにより、高い生産性及び溶接品質が同時に実現できることから、その社会的貢献は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）は厚鋼板の開先加工が施された端部同士を突合わせた状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図２】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）は多電極エレクトロガスアーク溶接装置を用いて厚鋼板の端部間の溶接を行う手順を示す概略図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ断面図である。
【図３】図２と同様の図であって、厚鋼板の板厚が比較的薄く、厚鋼板の一方の面側および反対の面側にそれぞれ１本の溶接電極を配置した場合の図である。（ａ）では、溶接電極の進入角度も説明する。
【図４】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）は開先内で生成された溶融溶接金属の湯面が厚鋼板の両面側において同レベルである状態を示し、（ｂ）は溶融溶接金属の湯面のレベルが厚鋼板の両面で異なった状態を示す概略図である。
【図５】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の一実施形態を説明するための図であり、厚鋼板の端部を対向に配置して、前記鋼板の端部間に開先を形成した際のルート間隔とルート面の関係を示すグラフである（ａ）。（ｂ）は板厚ｔが１０２ｍｍの場合、（ｃ）は８０ｍｍの場合の未溶着部の有無をプロットしたグラフである。
【図６】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、厚鋼板の端部の開先形状を変化させた場合の、エレクトロガスアーク溶接電極の配置を示す概略図である。
【図７】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、（ａ）は鋼管状に加工された厚鋼板を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す鋼管の端部を対向に配置して、前記鋼管の端部間に開先を形成した状態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の一実施形態を模式的に説明するための図であり、多電極エレクトロガスアーク溶接装置を用いて鋼管の端部を対向に配置して、前記鋼管の端部間に開先を形成して溶接する手順を示す概略図である。
【図９】本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の実施例を模式的に説明するための図であり、厚鋼板の端部の開先形状とエレクトロガスアーク溶接電極の位置関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法の一実施形態について、図１〜図９を適宜参照しながら説明する。なお、本実施形態は、本発明の厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り本発明を限定するものではない。
【００２８】
本発明者等は、上述したように、特に、厚鋼板からなる要素部材の端部を突合わせて溶接し、厚鋼板同士、鋼管部材の端部、あるいは鋼管部材のシーム部を溶接する方法として多電極のエレクトロガスアーク（ＥＧＷ）溶接方法を適用し、溶接効率の向上及び溶接欠陥の低減を図ることを試み、鋭意研究を重ねた。
【００２９】
近年、鋼板部材として、板厚が１００ｍｍを超えて３００ｍｍにも達するような厚鋼板が適用される傾向があることから、小入熱を適用する従来の多パスによる多層溶接では、溶接効率が極めて低いという問題がある。また、大入熱を適用した、例えば、２電極型のＥＧＷ溶接方法を用いた場合でも、部材板厚全体を1パス溶接することは、溶接装置の能力不足により、難しい状況にある。
【００３０】
本発明者等は鋭意実験を繰り返し、上記課題に対処する方法として、まず、電極を増設する対応策を検討した。ここで、上述したような、大入熱溶接法の代表例として挙げた、従来公知の２電極型のＥＧＷ溶接方法を適用した場合、融合不良等の欠陥を生じさせず、ひとときに溶接可能な上限板厚は８０〜９０ｍｍ程度である。また、この場合、１電極あたりが健全な溶接施工に寄与できる最大の板厚は、板厚を電極数で除した単純平均を採用すれば、４０〜４５ｍｍ程度であると推定できる。例えば、板厚３００ｍｍの継手に1パス溶接を適用するためには、７〜８電極程度を備えるＥＧＷ溶接装置であれば、全厚分の1パス溶接が可能と考えられる。しかしながら、Ｖ型開先のように片面のみから溶接可能な開先形状を採用する従来法の範囲において、上述の多電極溶接を実施した場合、Ｖ型開先がなす開先断面積、即ち、向き合った開先面で囲まれた領域の面積が膨大となる。この際、1パス溶接の入熱量は開先断面積に比例して増大するため、適用入熱の莫大な増加が生じ、実質的に鋼材の熱影響部（ＨＡＺ部）および溶接金属部の強度・靱性低下を招くことから、現実には適用不可能な方策である。
【００３１】
ここで、入熱量の増大を抑制することを目的として、Ｘ型、Ｈ型、Ｉ型、あるいはＫ型の開先形状を採用することで、単純な片側Ｖ型開先の開先形状よりも開先断面積を低減できると考えられる。ここで、部材両面から溶接を行うための代表的な開先形状である、Ｘ型、Ｈ型、Ｉ型、Ｋ型開先とは、部材の片面側相当の開先形状が、それぞれ、概略、Ｖ型（あるいはＹ型）、Ｕ型、Ｉ型、レ型の開先形状に相当し、かつ、両面とも形状が同一である開先形状を指している。
【００３２】
また、ＥＧＷ溶接を用いて、厚鋼板を1パス溶接するにあたり、厚鋼板の一方の面側（以下、表面側という場合がある）及び反対の面側（以下、裏面側という場合がある。なお表面および裏面は特定の面を指すものではなく、相対的な呼称である。）にそれぞれ、溶接トーチ（溶接電極）を配置し、両面側から同時に1パス溶接を行う方法とすることにより、溶接効率を向上させることが可能と考えられる。
上述のような、両面に開口した開先形状を採用したうえで、開先断面積、即ち、溶接入熱量の低減を図りつつ、部材の表面側、裏面側それぞれに電極を配置して、両面同時に1パス溶接を行うアーク溶接またはＥＧＷ溶接方法が望ましい。
【００３３】
このような装置並びに方法を採用した場合の問題点として、両側の溶接トーチの上昇速度が同一とならず、溶融プールの湯面の高さ位置が、厚鋼板の表面側と裏面側とで異なる位置となり、表裏面の溶融溶接金属が一体となって凝固しないという問題があった（図４（ｂ）を参照）。この場合、最初に凝固した側の溶接金属１３１が、後で凝固する溶融溶接金属１３１ａで再加熱（図４（ｂ）中の再熱影響部Ｈを参照）され、溶接部の靱性が低下する可能性があった。このような現象が生じる理由としては、表面側、裏面側の開先断面積の差のほか、表面側、裏面側の溶接装置で溶接ワイヤの送給速度にわずかな差が生じることなどが考えられる。また、上述の溶接方法においては、片側の溶接金属が最初に凝固し、この凝固した溶接金属のルート近傍部が、遅れて上昇して来る側の溶接金属によって再溶融されるが、このとき、ルート部において、融合不良欠陥の発生も懸念される。
【００３４】
そこで、本発明者は、上述のような上昇速度の不一致を解決する方策として、部材のどちらか一方の面側に形成された溶融プールから、他方の側の溶融プールへと溶融金属が自由に移動できるように、開先のルート間隔とルート面が所定の関係を満足させることを考案した。言い換えれば、表面側と裏面側の開先面の中間に、適当な寸法を規定したルート間隔とルート面を設けることで、溶融金属の導通路を構成する。このような導通路を設けて溶融金属が開先内を移動することで、表面側・裏面側それぞれの開先部分に形成された溶融プールの湯面レベルが、板厚全体にわたって一定となる。さらに、溶接電極が、開先内で生成した溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動することで、表裏面とも同一の溶接速度で溶接電極を上昇させることになり、上述した板厚中央付近での融合不良欠陥の発生および再熱による靭性低下の懸念を払拭できることとなる。
【００３５】
そして、本発明では、上述したように、厚鋼板の表面側及び裏面側にそれぞれ溶接電極を配置し、鉛直方向下側から上側に向けて、同時に溶接を行う。そのうえで、図４（ａ）に示すように、厚鋼板１の表面側と裏面側との間で溶融溶接金属３１ａが導通可能な導通路２１を設けることにより、1回で表面から裏面まで溶接金属が形成された完全溶け込み溶接、つまり1パス溶接が可能となり、溶接効率の向上と溶接欠陥の抑制を両立できる。
【００３６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態である多電極エレクトロガスアーク（ＥＧＷ）溶接方法は、
溶接しようとする厚鋼板１の端部１ａを対向に配置して、前記鋼板の端部間に開先２を形成し、
開先２のルート間隔ＲＯおよびルート面ＲＦが所定の関係を満たし（詳細は後述）、
開先２の厚鋼板１の表面側１Ａ及び裏面側１Ｂにそれぞれ、電極数が１本又は２本以上のエレクトロガスアーク溶接電極５を配置し、
鉛直方向下側から上側に向けて、同時に溶接を行い、
各々のエレクトロガスアーク溶接電極５が開先２内で生成した溶融溶接金属の湯面レベルに同期して移動するように、エレクトロガスアーク溶接電極５の移動速度を制御することを採用している。
【００３７】
以下に、本発明の第１の実施形態における厚鋼板１のＥＧＷ溶接方法の手順について詳述する。
【００３８】
溶接しようとする厚鋼板１の端部１ａを対向に配置して、前記鋼板の端部間に開先２を形成する。本実施形態における被溶接物である厚鋼板としては、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、例えば、板厚が４０〜３００ｍｍの範囲であってもよい。また、厚鋼板１の鋼成分としては、特に限定されず、従来公知の成分を何ら制限なく採用することができる。そして、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態においては、上述のような厚鋼板１の端部１ａ同士を突合わせてＥＧＷ溶接（図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）を参照）を行うことにより、大型構造物をなす鋼板継手等を製造することができる。
【００３９】
厚鋼板１の端部１ａを対向に配置して、鋼板の端部間に形成される開先としては、図１（ｂ）に示す開先２のような、両面開先であるＸ型開先形状とすることができる。なお、開先とは、ＪＩＳ  Ｚ  ３００１−１：２００８に基づき、溶接する母材間に設ける溝のことを指す。本実施形態における開先形状は、図１（ｂ）に示す例のＸ型開先には限定されず、厚鋼板１の表面側１Ａ及び裏面側１Ｂの各々において溶接可能な開先、すなわち両面開先であれば如何なる形状であっても良い。例えば、両面開先としては、Ｘ型開先の他、ＪＩＳ  Ｚ  ３００１−１：２００８で規定されるようなＫ型、両面Ｊ型、Ｈ型、Ｉ型等の各種形状を採用することが可能である。この場合、必ずしも、板厚中央で対称な形状・寸法となるような純粋なＸ型、Ｈ型の開先にする必要はなく、例えば、図６（ｂ）に示すように、表面側は大きな板厚方向深さを持つＶ型とし、裏面は、表面側よりも小さな板厚方向深さを持つＶ型であってもよい。また、必ずしも鋼板の表裏面側がともに同じ開先形状である必要はなく、表裏面それぞれが、Ｖ型、Ｕ型、Ｉ型、レ型、Ｊ型の内の一つずつを開先形状として選択し、自由に組み合わせてもよい。例えば、鋼板の表面側をＵ型とし、裏面側をレ型とするなどの組合せが挙げられる。
【００４０】
端部１ａを対向に配置して、鋼板の端部間に開先を形成するために、図２（ａ）に示す例のようなエレクトロガスアーク（ＥＧＷ）溶接機４を用い、溶接対象である２枚の厚鋼板１を、図１（ａ）に示すように基台４１上にセットしてもよい。
【００４１】
本実施形態においては、開先２のルート間隔ＲＯおよびルート面ＲＦが所定の関係を満たす。これは、図１（ｂ）に示すように、開先２内の表面側１Ａ及び裏面側１Ｂのそれぞれで生成された溶融溶接金属３１ａが、表面１Ａ側と裏面１Ｂ側の間で導通可能となる導通路２１を確保するためである（図４（ａ）も参照）。このような導通路２１により、溶融溶接金属３１ａが表面１Ａ及び裏面１Ｂの両面側を自由に導通するので、溶融溶接金属３１ａの湯面レベルが表裏で同等に保たれる。これにより、溶融溶接金属３１ａが凝固して溶接金属３１となるタイミングも、表面１Ａと裏面１Ｂとでほぼ同時となり、例えば、表面側で既に凝固した溶接金属が裏面側の溶融溶接金属から部分的に再加熱（再溶融）されることを抑制できるので、溶接部の靱性低下を防止できる。従って、溶接欠陥の抑制効果が得られる。
【００４２】
本実施形態においては、開先２のルート間隔ＲＯおよびルート面ＲＦが満たす所定の関係は以下のとおりである。
開先のルート間隔ＲＯが０〜１６ｍｍの範囲であり、且つ、ルート間隔ＲＯが０≦ＲＯ＜１ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式1で表される関係を満たし、１ｍｍ≦ＲＯ＜１０ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式２で表される関係を満たし、前記ルート間隔ＲＯが１０ｍｍ≦ＲＯ≦１６ｍｍの範囲においては、ルート面ＲＦが下記の式３で表される関係を満たす。
ＲＦ≦７．８ＲＯ＋４．０ｍｍ      ・・・・・式１
ＲＦ≦４．８ＲＯ＋７．０ｍｍ      ・・・・・式２
ＲＦ≦５５ｍｍ                    ・・・・・式３
｛但し、上記式１、式２、式３において、ＲＦ：ルート面、ＲＯ：ルート間隔、である｝
【００４３】
ルート面ＲＦ、ルート間隔ＲＯとは、本明細書において特に断りのない限り、ＪＩＳ  Ｚ  ３００１−１：２００８によって定義されるものの長さを意味し、それぞれの単位はｍｍである。例えば、上述のような導通路２１を設けるにあたり、図１（ｂ）に示したような、導通路２１の通路幅（板幅方向）に相当する長さを、ルート間隔ＲＯと呼び、導通路２１の通路長（板厚方向）に相当する長さをルート面ＲＦと呼ぶ。
上記の関係式１〜３を、図５に示す。
図５（ａ）のグラフに示すように、ルート間隔ＲＯは０〜１６ｍｍであり、ルート面ＲＦは０〜５５ｍｍである。
【００４４】
ルート間隔ＲＯの上限は１６ｍｍである。ルート間隔ＲＯが１６ｍｍの際に、ルート面ＲＦの上限値は５５ｍｍとなるが、ルート間隔ＲＯ及びルート面ＲＦの両者が上記数値以上、即ち、図５（ａ）の領域の右上方を外れると、ＥＧＷ溶接電極からのアークの影響力が開先面、特にルート面ＲＦに及びにくくなり、融合不良が生じる。また、ルート間隔ＲＯの増大に伴い、当然のことながら開先断面積が増大し、入熱量も増大するため、ルート間隔ＲＯが１６ｍｍを超える場合には、入熱量の水準が過大となり、ＨＡＺ部および溶融金属の靭性、および、強度の低下を招くため、実用的ではない。
【００４５】
図５（ａ）のグラフに示すように、ルート面ＲＦとルート間隔ＲＯとの関係は、ルート間隔ＲＯが広くなるほど、ルート面ＲＦを長寸にできる。これは、一般に、ルート面ＲＦが長くなるほど未溶着部が発生し易くなることから、ルート面ＲＦを長寸にする場合には、ルート間隔ＲＯも拡幅することで、電極先端より発生したアークが導通路２１を構成するルート面ＲＦ全体にあたりやすくして未溶融の領域を残さないこと、また、アークによって高温に加熱された溶融溶接金属を十分に滞りなく供給、流通させることで、未溶着欠陥が導通路部２１に発生することを抑止する。
【００４６】
ルート間隔ＲＯの下限は０ｍｍである。ルート間隔ＲＯが０ｍｍの際に、ルート面ＲＦの上限値は４ｍｍとなる。ルート間隔ＲＯが０ｍｍであっても、アークの輻射熱および溶融溶接金属からの熱伝導と対流等の効果により、板厚方向長さ（ルート面ＲＦ）で４ｍｍの距離の溶け込み深さが得られ、未溶着欠陥を生じることはない。
【００４７】
さらに望ましくは、ルート間隔ＲＯが、３ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲をとり、ルート面ＲＦが、８ｍｍ以下の範囲をとる。この理由を以下に記す。融合不良は、電極先端より発生したアークの熱が開先面特にルート面ＲＦに十分に及ばず、開先面の一部の領域が、鋼材の溶融点にまで昇温しないことを一因として生じる。ルート間隔ＲＯが３ｍｍ未満であると、アークが導通路部分（ルート面ＲＦ）にあたりにくくなり、アーク熱が十分に到達しづらくなる。また、加熱した溶融溶接金属も導通路を通過しづらくなる。したがって、ルート間隔ＲＯに応じてルート面ＲＦを短くする必要がある。
ルート間隔ＲＯは８ｍｍ以下が好ましいとする理由は、ルート間隔ＲＦが８ｍｍを超えて大きくなる場合、導通路を構成する、対向しているルート面ＲＦが両者とも、アークに対して遠位となり、ルート面ＲＦの長さを構成する開先面の十分な加熱が得られない可能性が高まるからである。
ルート面ＲＦは８ｍｍ以下が好ましい理由は、導通路を構成するルート面ＲＦを十分に加熱する必要性から、ルート面ＲＦ≦８ｍｍであれば十分にアーク熱をルート面ＲＦ全体に及ぼすことができるためである。
【００４８】
通常、開先形状および開先角度、寸法等は、溶接トーチの寸法、電極数、オシレーション動作の振幅等を総合的に考慮して決定される。1パス溶接の入熱量は、開先断面積にほぼ正比例し、溶接速度は開先断面積に反比例するため、入熱量をできるだけ低減し、溶接速度を向上させるためには、開先断面積の低減が有効である。Ｘ型開先の場合、開先断面積は、ルート面ＲＦの増加に伴って単調減少することから、ルート面ＲＦを長寸にすることが有効である。しかしながら、上述したように、未溶着部回避の観点から、ルート面ＲＦの拡大にはルート間隔ＲＯの拡大も留意しなければならない。このため、本発明者は、ルート間隔ＲＯとルート面ＲＦの相関関係を調査することは、能率向上および継手品質向上の観点から有意義であると考え、鋭意実験を実行した。
【００４９】
即ち、以下に示す検証試験を通じ、図５（ａ）のグラフ（領域）に示す、未溶着部回避のためのルート間隔ＲＯとルート面ＲＦの相関関係を求めた。
まず、下記表２に示す鋼種Ｂ１で、板厚１０２ｍｍの鋼板、および鋼種Ａで板厚８０ｍｍの鋼板を用い、さまざまなＲＯ、ＲＦの寸法を設定し、鋼板端部に機械加工によりＸ型開先を設け、４電極構成または２電極構成のＥＧＷ溶接を実施した。下記表１に、本実験において共通する溶接条件を示し、また、下記表２に、後述の実施例におけるデータと併せた鋼種一覧を示す。
【００５０】
【表１】
0005692413.tif 000002
【００５１】
【表２】
0005692413.tif 000003
【００５２】
そして、得られた突合わせ継手に対して超音波探傷試験（ＵＴ）を実施し、必要に応じて断面マクロ試験片の直接観察を行うことで、導通部分（ルート面部分）での未溶着欠陥の発生の有無を確認した。
その結果、図５（ｂ）、（ｃ）のグラフに示すような観察結果が得られた。このような結果より、未溶着欠陥の発生は、ＲＯ、ＲＦの寸法に依存していることが確かめられたので、ＲＯ、ＲＦの好適な範囲を以下のように規定した。
図５（ｂ）は、厚鋼板１の板厚ｔ＝１０２ｍｍ、図５（ｃ）は厚鋼板１の板厚ｔ＝８０ｍの場合のグラフである。ｔ＝１０２、８０ｍｍと、板厚が変わっても、溶け込み不良を作らない領域に変化はない。つまり、板厚に依存することなく、この領域内のＲＯ、ＲＦの寸法にすることにより、溶け込み不良を確実に抑制できる。
【００５３】
この観察結果に基づいて、上記のとおり、開先２のルート間隔ＲＯおよびルート面ＲＦが満たす所定の関係、式１〜３を規定した。
【００５４】
ここで、図５（ａ）のグラフ中に示す領域１は、上記式１で表される範囲を示す領域であり、領域２は、上記式２で表される範囲を示す領域であり、領域３は、上記式３で表される範囲を示す領域である。本発明者等が鋭意検討した結果、図５（ａ）の関係曲線に示すように、ルート間隔ＲＯが０≦ＲＯ（ｍｍ）＜１の範囲である領域１と、１≦ＲＯ（ｍｍ）＜１０の範囲である領域２と、１０≦ＲＯ（ｍｍ）≦１６の範囲である領域３とでは、ルート間隔ＲＯとルート面ＲＦとの関係が異なることが明らかとなった。このため、本発明では、ルート間隔ＲＯに応じて、それぞれ異なる上記式１〜３を規定している。これにより、ルート間隔ＲＯ（ｍｍ）が０〜１６（ｍｍ）の範囲全体において、ルート間隔ＲＯとルート面ＲＦとの関係を適正な範囲とすることが可能となり、溶接効率の向上と溶接欠陥の低減を両立できる効果がより顕著に得られる。
【００５５】
次に、開先２の前記厚鋼板１の表裏面側１Ａ、１Ｂにそれぞれ、電極数が１本又は２本以上のエレクトロガスアーク溶接電極を配置する。鋼板の表面側１Ａ及び裏面側１Ｂとは、鋼板の一方の面側及び前記反対の面側と称してもよい。ここで、表面および裏面は特定の面を指すものではなく、相対的な呼称である。図２（ａ）、（ｂ）に示す例のように、厚鋼板１の端部１ａの開先２内に、表面１Ａ及び裏面１Ｂの両面側から各々２本のＥＧＷ溶接電極５を配置してもよい。なお、ＥＧＷ溶接電極５は、表面１Ａ及び裏面１Ｂの両面側から各々１本又は２本以上の電極数とされていれば良く、厚鋼板１の板厚に応じて適正な電極数を設定すれば良い。この際の電極数決定の判断基準としては、１電極あたりで、おおよそ４０〜４５ｍｍ分の板厚の鋼板を溶接可能との従来知見を適用すればよい。例えば、図６（ｂ）に示す例のように、厚鋼板１０の表面１０Ａ側と裏面１０Ｂ側とで開先２ａ、２ｂの寸法や形状が異なる場合には、これら寸法形状に応じて、表面１０Ａ側と裏面１０Ｂ側とで異なる本数のＥＧＷ溶接電極５を配置した構成としても良い。図示例においては、厚鋼板１０の表面１０Ａ側に配置されたＥＧＷ溶接電極５の本数が２本とされている一方、裏面１０Ｂ側に配置されたＥＧＷ溶接電極５の本数は１本とされている。
【００５６】
該ＥＧＷ溶接電極５の先端部５１が、図３（ａ）の拡大部に示すように、厚鋼板１の鋼板板厚方向、特に導通路２１を向くように配置してもよい。鋼板の表面（あるいは裏面）を基準面とし、この基準面内の略鉛直方向とトーチ先端からワイヤが突き出す方向とのなす角度Ｐ（°）を溶接電極５の進入角度と定義する。ここで、鉛直下向方向を０°とする。トーチの進入角度Ｐは０°以上４０°以下が好ましく、さらに望ましくは、２０°以上３５°以下とすることが、より好ましい。この理由を以下に記す。融合不良は、電極先端より発生したアークの熱が開先面特にルート面ＲＦに十分に及ばず、開先面の一部の領域が、鋼材の溶融点にまで昇温しないこと、および、融点に達して溶融した開先面の新生面を覆うように十分な溶融溶接金属が供給されない時に生じるが、Ｐが０°以上４０°以下であれば、融合不良を特に生じる可能性のある導通路を構成するルート面ＲＦにアークが十分にあたり、なおかつ、溶融溶接金属の表面を同時に加熱することとなり、融合不良を生じる可能性を低減できる。トーチ進入角度が０°であっても、式１〜３で規定される適正なルート間隔ＲＯとルート面ＲＦを採っていれば、溶融溶接金属からの熱伝導と対流等の効果もあり、未溶着欠陥を生じることはない。より好適には、トーチ進入角度を２０°以上３５°以下とすることで、アーク熱が、ルート面ＲＦを構成する、対向している開先面両者への加熱分と溶融溶接金属の加熱分とに適正に分配され、これにより融合不良欠陥を抑止することができる。
【００５７】
そして、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、厚鋼板１の表面側１Ａ及び裏面側１Ｂにおいて、鉛直方向下側の溶接開始位置Ａから溶接終了位置Ｂに向けて、同時に、溶接を行う。ここで、「鉛直方向下側から上側に向けて」とは、厚鋼板を固定して溶接電極を上昇移動させることだけでなく、溶接電極を固定して厚鋼板を下降移動させることも意図している。この溶接は、１回で表面から裏面まで溶融金属を形成する完全溶け込み溶接であり、つまり１パス溶接である。1パス溶接であるため、板厚の大きな４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板１同士をＥＧＷ溶接する場合であっても、溶接工程の効率を低下させることなく溶接を行うことが可能である。
【００５８】
溶接開始位置Ａにおいて、溶接ワイヤを供給しながら溶融プール（溶融溶接金属）を形成させ、さらに、自動台車４２により、ＥＧＷ溶接電極５を開先２に沿って溶接終了位置Ｂに向けて上進させてもよい。ここで、図２（ａ）に示すように、ＥＧＷ溶接電極５は自動台車４２と一体化されていてもよい。これにより、順次、開先２内部に溶融溶接金属３１ａからなる溶融プールを形成させ、この溶融プール（溶融溶接金属３１ａ）の凝固に伴って溶接金属３１が形成される。以上のような工程により、開先２内に溶接部３が形成され、厚鋼板１同士が溶接される。
【００５９】
そして、本実施形態では、溶接電極５が開先２内で生成した溶融溶接金属３１ａの湯面レベルに同期して移動するように、溶接電極５の移動速度を制御する。上記の導通路２１を設けることで、溶融溶接金属３１ａからなる一つの共有の溶融プールを形成し、安定した両面同時のＥＧＷ溶接を実現している。いうまでもないが、一つの共有の溶融プールを形成しているので、表面側と裏面側で溶融金属の湯面レベルは同じ高さにある。溶接電極５が、溶融溶接金属３１ａの湯面レベルに同期して移動することにより、厚鋼板１の両面側に配置したＥＧＷ溶接電極５の上昇速度が同期され、より一層安定した同時溶接を行うことが可能となるので、溶接欠陥の抑止につながる。同期とは、動作を時間的に一致させること、または、そうなるように制御することである。溶接電極５が、湯面レベルに同期して移動するとは、溶接電極５が湯面レベルの上昇速度と同じ速度、同じ方向で移動すること、またはそうなるように制御して移動することである。
【００６０】
同期させる手段は、目的を達成できるものであれば、特に限定はされない。例えば、ＥＧＷ溶接電極５のうちの何れか一つに、溶接電流の変化を検知する、図示略の電流検知手段を設けることが挙げられる。このような電流検知手段を設けた場合、溶融溶接金属３１ａの表面（湯面）が上昇して、先端部５１から突出したワイヤの突出し長さが短くなった際に溶接電流値が上昇するが、電流検知手段により、溶接電流値の時間変化を監視し，溶接電流値の上昇速度を演算することで、湯面の上昇速度を検知することができる。そして、この電流検知手段による演算結果に基づき、表面１Ａ側及び裏面１Ｂ側に配置された各々のＥＧＷ溶接電極５が、湯面上昇に同期して上昇移動するように、すなわち湯面上昇と同じ速度で同じ方向へ上昇移動するように、ＥＧＷ溶接電極５（自動台車４２）の移動速度を制御することができる。上述のような構成とすることにより、溶融溶接金属３１ａの表面とＥＧＷ溶接電極５の先端部５１との距離（アーク長）が所定の範囲内、例えば１５〜６０ｍｍ、より好ましくは１５〜３０ｍｍとでき、より一層安定した同時溶接を行うことが可能となり、溶接欠陥の抑止につながる。
また、溶融溶接金属３１ａの湯面は、温度，放射率ともほぼ一定であるので、湯面からの距離に応じて赤外線の強度が変化する。この現象を利用して、所定の位置に設置した放射温度計により、湯面レベルを検知することができる。また、CCDカメラや超音波によって、湯面レベルを検知することも可能である。これらの検出信号に基づき、溶融溶接金属３１ａの湯面レベルと電極先端５１間の距離が所定の範囲内、例えば１５〜６０ｍｍ、より好ましくは１５〜３０ｍｍの範囲内になるように、ＥＧＷ溶接電極５（自動台車４２）移動させることができる。このように、ＥＧＷ溶接電極５が湯面上昇に同期して上昇移動するように、該ＥＧＷ溶接電極５（自動台車４２）の移動速度を制御することもできる。
【００６１】
上記の溶接電流値、赤外線強度、画像、超音波反射時間、等の信号を検出する手段、および/またはこれらの検出信号に基づいて自動台車４２の移動速度を調整するための制御手段を、図２（ａ）に示す台車駆動制御装置４３の内部に、設けた構成を採用しても良い。これらの手段は、表面側１Ａと裏面側１Ｂのいずれか一方にのみ備えていてもよく、また表面側１Ａと裏面側１Ｂの両方に備えてもよい。片面にのみ検出手段を備えることは、コスト的に有利である。万一、溶融プールの湯面の高さが、厚鋼板の表面側と裏面側とで異なっても（図４（ｂ）参照）、両面に検出手段を備えていれば、異常な湯面レベルの相違を察知し、適宜必要な措置、例えば、アラームの発生、溶接中断、電極先端位置の修正、アーク電流・電圧の調整等の措置をとることができる。異常事象であるか否かの判断には、両面での自動台車４２の位置または速度とのズレ、を考慮することもできる。これにより、さらに判断の精度が向上する。
【００６２】
なお、本実施形態では、厚鋼板１の表面１Ａ及び裏面１Ｂから両面同時溶接を行うが、一時的且つわずかながら、両側の溶接トーチの上昇速度が同一とならず、溶融プールの湯面の高さ位置が、厚鋼板の表面側と裏面側とで異なる位置となる場合がありえる。その理由としては、厚鋼板の表面側と裏面側の開先断面積の僅かな差の他、表面側及び裏面側の各溶接装置の間で、溶接ワイヤの送給速度に僅かな差が生じること等が挙げられる。また、上記以外の理由で、ごく短時間の時間範囲内で起きる事象として、機器の上昇動作の特徴等により、各面におけるぞれぞれのＥＧＷ溶接電極５の移動速度に若干のずれが生じることがある。通常、立向上進でＥＧＷ溶接を行う場合、ＥＧＷ溶接電極５は、上進と短時間の停止を繰り返しながらのステップ状の上昇動作を行うが、例えば、表面側では上昇動作直後の瞬間に、裏面側では、まさにステップ状の上昇動作の開始直前であるような状況では、非常に短時間ながら、表裏面側の機器の上下方向位置に若干の差を生じる可能性がある。このため、本発明においては、表面１Ａ側及び裏面１Ｂ側の各々におけるＥＧＷ溶接電極５の上下方向のずれ、即ち、溶接進行方向におけるずれは１０ｍｍ以下であることが好ましく、この範囲内であることが、同時ＥＧＷ溶接の許容範囲となる。ＥＧＷ溶接電極５のずれが１０ｍｍ以下であれば、溶融溶接金属３１ａの湯面のレベルに大きな差異が生じること無く、溶融溶接金属３１ａが導通路２１を通じて表面１Ａ側と裏面１Ｂ側との間を導通し、厚鋼板１の両面側で共有の溶融プールを形成させることが可能となる。
上述した同期手段において、表裏面側の溶接電極５の上下方向のずれが所定の範囲内、例えば、±１０ｍｍ以内、好ましくは±５ｍｍ以内、より好ましくは±３ｍｍ以内にするという条件を加えて、制御することもできる。
【００６３】
本実施形態において、厚鋼板１の表面１Ａ側及び裏面１Ｂ側の各々におけるＥＧＷ溶接電極５の溶接進行方向におけるずれを、１０ｍｍ以下とすることが好ましいとする根拠について、以下に説明する。
一般に、ＥＧＷ溶接は、３００〜４００Ａ程度の溶接電流をＥＧＷ溶接電極５に印加しながら行われる。また、溶融溶接金属３１ａによる溶融プールの平均深さ（ｍｍ）は、一般に、溶接電流値（Ａ）の約１／１０（ｍｍ）と言われており、即ち、上記範囲の溶接電流であれば、溶融プールの深さは３０ｍｍ程度と推定できる。上述したように、本発明においては、厚鋼板１の表面１Ａ側及び裏面１Ｂ側の各々において、それぞれ開先２内に生成される溶融溶接金属３１ａからなる溶融プールを、導通路２１によって一つの共有の溶融プールとすることが最も重要である。このような共有の溶融プールを維持するためには、溶融プールの深さ方向のずれ、即ち、溶融溶接金属３１ａの湯面レベルのずれが、表面１Ａ側と裏面１Ｂ側とで±１／３程度、つまり、±１０ｍｍ程度までが許容できるものと推定される。従って、ＥＧＷ溶接電極５の先端部５１の位置が、溶接進行方向で±１０ｍｍ以下のずれであれば、ほぼ同時の溶接と見なすことができ、許容範囲内と言うことができる。
さらに、上述したとおり、湯面レベル検出手段を有する同期手段を両面に備えることによって、表裏面間の湯面レベルの相違を察知し、湯面レベルの相違が所定の範囲内、例えば、±１０ｍｍ以内、好ましくは±５ｍｍ以内、より好ましくは±３ｍｍ以内にすることができる。
【００６４】
ＥＧＷ溶接電極５を、厚鋼板１の板厚方向で揺動させながら溶接を行ってもよい。これは、溶接欠陥を抑制する効果がより顕著に得られる点からさらに好ましい。
また、ＥＧＷ溶接電極５は、必ずしも全ての電極を揺動させる必要はない。例えば、厚手鋼板１の表面側及び裏面側とも１電極ずつの場合には、表面側の電極のみを揺動させ、裏面側の電極を揺動させずに溶接を実施すること、表面側及び裏面側とも２電極ずつの場合には、表面側・裏面側の開口側の電極のみを揺動させ、表面側・裏面側のルート側の電極は揺動させずに溶接を実施すること等、一部の電極を揺動させ、その他の電極を揺動させず、固定したまま溶接を行うことも可能である。
【００６５】
厚鋼板１に曲げ加工を施して鋼管状に加工した後、前記曲げ加工によって対向に配置された前記厚鋼板の端部１１ａを溶接してもよい。
図７（ａ）に示すように、厚鋼板１が曲げ加工によって管状とされる。この際の加工方法としては、従来から鋼管部材の製造に用いられているＵＯ又はＵＯＥ加工法を何ら制限無く採用することができる。より厚手の鋼板素材からなる鋼管には、ベンディングロール等による曲げ加工によって鋼管状に加工することができる。これらの曲げ加工によって対向に配置された端部１１ａ，１１ａ間の開先を、上記で説明したようなＥＧＷ溶接方法あるいは他の溶接方法によってシーム溶接する。また、鋼管１１を垂直に立て、垂直になったシーム部を本発明の多電極ＥＧＷ溶接方法を用いて溶接することも可能である。このようにして、厚鋼板からなる鋼管１１を得ることができる。
【００６６】
以上説明したような、本実施形態の厚鋼板１の多電極エレクトロガスアーク溶接方法によれば、厚鋼板１の両面間を溶融溶接金属３１ａが導通可能であり、この湯面レベルに同期して溶接電極を移動させて、両面側から同時にＥＧＷ溶接を行うプロセスを採用することにより、板厚が４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板１を立向姿勢で突合わせ溶接する場合であっても、1パス溶接による溶接効率の向上と溶接欠陥の抑制効果が同時に得られる。鋼板の板厚に応じて適正な電極数を設定すれば良い。その場合、１電極あたりで、おおよそ４０〜４５ｍｍ分の板厚の鋼板を溶接可能との従来知見を適用してもよい。例えば、鋼板の板厚は８０ｍｍ以下であってもよい。鋼板の板厚は７０または８０ｍｍ以上としてもよく、または１００ｍｍ以上としてもよい。鋼板の板厚を２５０ｍｍ以下又は２００ｍｍ以下又は１６０ｍｍ以下に制限してもよい。
【００６７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態である鋼管の多電極エレクトロガスアーク（ＥＧＷ）円周溶接方法について、主に図７、８を参照しながら説明する。
本実施形態では、鋼管状の複数の鋼管１１の管端部を対向に配置して、鋼管の端部間に前記開先を形成して円周溶接する方法であり、第１の実施形態ＥＧＷ溶接方法とは異なる点がある。以下の説明において、上述した第１の実施形態の厚鋼板のＥＧＷ溶接方法と共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
【００６８】
本実施形態の鋼管１１の多電極ＥＧＷ円周溶接方法は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、各々の端部１１ａ，１１ａを突き合わせて開先２を形成した厚鋼板を、内径が３００ｍｍ以上の管状に加工した後、管状とされた複数の鋼管１１の管端部１１ｂを対向に配置して、鋼管の端部間に開先を形成するか、あるいは、鋼管１１の管端部１１ｂと他の管状部材（図示略）の管端部を対向に配置して、端部間に開先を形成し、円周溶接を行う。この際、本実施形態では、管状とした胴部分の内面にＥＧＷ溶接装置を設置することから、ＥＧＷ溶接装置が設置可能なスペースを考慮し、管状部材の内径が３００ｍｍ以上である場合を適用対象とする。そして、図８に示すように、開先１２（図７（ａ）、（ｂ）参照）内にＥＧＷ溶接電極５を配置し、溶接線（円周）が実質的に鉛直面内に含まれるように、互いに突き合わされた管端部１１ｂ，１１ｂ（図７（ａ）、（ｂ）参照）の各々の円周上の開先面に沿ってＥＧＷ溶接を行う。
【００６９】
本実施形態においては、鋼管状に形成した複数の鋼管１１をワークとし、これらの管端部１１ｂ，１１ｂ同士を、ＥＧＷ溶接による円周溶接で接合する例について説明する。また、鋼管１１は、第１の実施形態の厚鋼板１と同様、厚さが４０〜３００ｍｍの厚板としてもよい。また、必要に応じて用いられる図示略の管状部材、仕口部材についても、同様に４０〜３００ｍｍの厚板からなるものであってよい。
【００７０】
また、本実施形態で説明する例においては、図８に示すように、鋼管１１の表面（外面）１１Ａ側、及び、裏面（内面）１１Ｂ側の各々の側から、ＥＧＷ溶接電極５を２本ずつ、管端部１１ｂの開先１２内において、先端部５１が鋼管１１の鋼板板厚方向、特に導通部を向くように配置している。
【００７１】
また、本実施形態では、図８に示す例のようなポジショナー手段４５を備えたＥＧＷ円周溶接機４０を用いて、鋼管１１の内外面の両面から同時に、1パスで円周溶接を行う例について説明する。円周溶接にＥＧＷ溶接を適用する際には、鋼管長さ方向から見て、大よそ時計の文字盤で表現するところの９時（または３時）の位置付近に溶接電極を固定し、ワークである鋼管１１を回転させることで溶接を進めれば、ＥＧＷ溶接機は実質的に立向姿勢を保持した状態となる。このことから、元来、立向溶接姿勢で行われるＥＧＷ溶接法の特徴から、湯漏れ等を起こす危険性が低く、合理的な装置構成と考えられる。
【００７２】
本実施形態では、まず、複数の鋼管１１の管端部１１ｂ，１１ｂを対向に配置して、鋼管（又は管状部材）の端部間に開先１２を形成する。開先１２の形状は、図７（ｂ）に示す例のＸ型開先には限定されず、鋼管１１（又は管状部材）の表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの各々において溶接可能な開先、すなわち両面開先であれば如何なる形状であっても良い。
図７（ｂ）に示すように、各々の両面の開先１２，１２内で生成された溶融溶接金属３１ａが表面１１Ａ及び裏面１１Ｂとの間を導通可能となる導通路１２Ａを確保しながら、鋼管１１の管端部１１ｂ同士を突合わせる。これとともに、図８に示すように、これら鋼管１１を、各々の中心軸が略同心、且つ、略水平となるように、その中心軸周りに回転させるポジショナー手段４５のローラー４５ａ上に載置する。
【００７３】
図８に示すように（図７（ａ）、（ｂ）も参照）、鋼管１１の表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの両面側から開先１２内に、電極数が１本又は２本以上とされたＥＧＷ溶接電極５をそれぞれ配置する（図８に示す例では各面側２本ずつで計４本）。次に、鋼管１１を、図８中に示すＲ方向に回転させながら、鋼管１１の表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの両面側において同時に1パス円周溶接を行う。ここで、鋼管１１の回転は、第１の実施形態における「鉛直方向下側から上側に向けて」が意図する厚鋼板を下降移動させることに相当する動作である。
以上のような方法により、複数の鋼管１１同士を1パス溶接する。
【００７４】
本実施形態においては、第１の実施形態の場合と同様、図８に示す溶接開始位置Ａ１から溶接終了位置Ｂ１に向けて、実質的に立向姿勢で1パスによるＥＧＷ溶接を行うことで、鋼管１１の管端部１１ｂ，１１ｂ同士を円周溶接する。これにより、厚鋼板１１が複数繋ぎ合わされてなり、大型構造物をなす鋼管柱等を製造することができる。
以下、本実施形態の鋼管１１の多電極ＥＧＷ溶接方法の手順並びに条件について、さらに詳細に説明する。
【００７５】
本実施形態では、第１の実施形態の場合と同様、まず、平板状の厚鋼板の溶接部位となる各々の端部１１ｂ、１１ｂ間に、図１（ｂ）に例示するようなＸ型の開先１２を形成する（図７（ａ）中の符号１２を参照）。ここで、管端部１１ｂは、鋼管状に加工した後の鋼管１１同士を突合わせて接合する際の溶接部位となる。また、開先形状についても、第１の実施形態と同様、Ｘ型開先のみならず、各種形状を適宜採用することが可能である。
【００７６】
次いで、図７、８に示すように、これら鋼管１１を、ポジショナー手段４５のローラー４５ａ上に載置する。この際、突合わされた各々の管端部１１ｂ，１１ｂにおけるルート間隔ＲＯ及びルートフェイスＲＦの寸法、並びに、これらの関係は、第１の実施形態と同様とすることができる。
【００７７】
次いで、図８に示すように、表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの両面側に形成された開先１２（図７（ａ）、（ｂ）参照）内に２本のＥＧＷ溶接電極５を配置するとともに、このＥＧＷ溶接電極５の先端部５１が、ワークである鋼管１１の板厚方向を向くように配置する。
【００７８】
そして、第１の実施形態と同様、溶接開始位置Ａ１において、溶接ワイヤを供給しながら溶融プール（溶融溶接金属３１ａ）を形成させ、図８に示す溶接開始位置Ａ１から溶接終了位置Ｂ１に向けて、実質的に立向上進の方向で同時にＥＧＷ溶接を行う。この際、突合わされた各々の管端部１１ｂの間の開先１２内で形成された溶融溶接金属３１ａが、表面１１Ａと裏面１１Ｂの間で導通可能となる導通路１２Ａ（図７（ｂ）参照）を確保するように、ＥＧＷ溶接を行う。これにより、図４（ａ）に示すような第１の実施形態の場合と同様に、表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの両面側で溶融溶接金属３１ａの湯面レベルが同等に保たれる。
【００７９】
この際、ポジショナー手段４５が、溶接速度、即ち、溶融溶接金属３１ａの溶着速度に応じた速度によるローラー４５ａの回転を開始し、鋼管１１を、図８中に示すＲ方向に回転させ、回転速度を制御しながら円周溶接を進行させる。この際、溶接方向としては、溶接線が実質的に鉛直面内となるとともに、ＥＧＷ溶接電極５が実質的に鉛直方向で上進するのと同じ姿勢となる。これにより、順次、開先１２内部に溶融溶接金属３１ａからなる溶融プールを形成させ、この溶融プール（溶融溶接金属３１ａ）の凝固に伴って溶接金属３１が形成され、円周溶接部３０が得られる。
【００８０】
上述のような1パス円周溶接にあたっては、溶接電極５が開先２内で生成した溶融溶接金属３１ａの湯面レベルに同期して移動するように、溶接電極５の移動速度を制御する。例えば、鋼管１１の開先１２内に配置された各々のＥＧＷ溶接電極５における溶接電流値の時間変化により、開先１２内で生成した溶融溶接金属３１ａの湯面の上昇速度を検知する。そして、この検出結果に基づき、ポジショナー手段４５のローラー４５ａの回転速度を制御することにより、ＥＧＷ溶接電極５の先端部５１から開先１２内に突出する溶接ワイヤの突出し長さを所定の範囲内に保持しながら溶接することができ、より一層安定した同時1パス溶接を行うことが可能となる。このような方法を実現するためには、例えば、ＥＧＷ溶接電極５のうちの何れか一つに、溶接電流の変化を検知する、図示略の電流検知手段を設けることが挙げられる。このような電流検知手段を設けた場合、溶融溶接金属３１ａの表面（湯面）が上昇して、先端部５１から突出したワイヤの突出し長さが短くなった際に溶接電流値が上昇するが、電流検知手段により、溶接電流値の時間変化を監視し，溶接電流値の上昇速度を演算することで湯面の上昇速度を検知することができる。そして、この電流検知手段による演算結果に基づき、湯面上昇速度に同期するように、ポジショナー手段４５のローラー４５ａの回転速度を制御する。上述のような構成とすることにより、溶融溶接金属３１ａの表面とＥＧＷ溶接電極５の先端部５１との距離（アーク長）が所定の範囲内、例えば１５〜６０ｍｍ、より好ましくは１５〜３０ｍｍとでき、より一層安定した同時1パス溶接を行うことが可能となり、溶接欠陥の抑止につながる。湯面の検知には、前述の、放射温度計、CCDカメラや超音波等を用いてもよい。
【００８１】
上記の溶接電流値、赤外線強度、画像、超音波反射時間、等の信号を検出する手段、および/またはこれらの検出信号に基づいて自動台車４２の移動速度を調整するための制御手段を、図２（ａ）に示す台車駆動制御装置４３の内部に、設けた構成を採用しても良い。
【００８２】
そして、溶接の進行に伴ってＥＧＷ溶接電極５が溶接終了位置Ｂに到達するのに伴い、ポジショナー手段４５のローラー４５ａを停止させる。
以上のような工程により、突合わされた端部１１ａ，１１ａの位置に円周溶接部３０が形成され、鋼管１１同士が溶接される。
【００８３】
本実施形態では、鋼管１１の表面１１Ａ及び裏面１１Ｂの両面側、即ち、鋼管表面（外面）１１Ａ側と裏面（内面）１１Ｂ側の両側にＥＧＷ溶接電極５を配置して、同時に1パス円周溶接を行う。これにより、板厚が大きな鋼管１１同士をＥＧＷ溶接する場合であっても、溶接工程の効率を低下させることなく、また、溶接欠陥を抑制しながら1パス円周溶接を行うことが可能となる。
【００８４】
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、ＥＧＷ溶接電極５の両面側の合計本数を２本以上とし、被溶接物である鋼管１１の板厚に応じて、適宜、電極数を増加させることが可能である。これにより、板厚が４０〜３００ｍｍの厚板である鋼管１１の管端部１１ｂ，１１ｂを、高効率で欠陥発生を抑制しつつＥＧＷ溶接することが可能となる。
また、第１の実施形態と同様、ＥＧＷ溶接電極５を、鋼管１１（又は管状部材）の板厚方向で揺動させながら円周溶接を行うことが、溶接欠陥を抑制する効果がより顕著に得られる点からさらに好ましい。
【００８５】
また、本実施形態においては、さらに、円周溶接部３０によって接合された鋼管１１の胴囲に、図示略の仕口部材を溶接によって接合する方法を採用しても良い。この際、仕口部材に用いる鋼材としては特に限定されず、例えば、ダイアフラムプレート等、従来からこの分野で用いられているものを適用することができ、また、端部において、表面１１Ａ側及び裏面１１Ｂ側に両面開先加工が施された仕口部材を採用することも可能である。また、この際の溶接方法としても、上述したようなＥＧＷ溶接を採用することができる。
また、本実施形態で説明したような、ＥＧＷ溶接を用いた表裏面側同時の1パスによる円周溶接方法は、従来から知られている、鋼管非貫通型のダイアフラム等の仕口部材（通常は概略円盤状の鋼板）と鋼管との溶接施工にも適用することが可能である。
【００８６】
以上説明したような、本実施形態の厚鋼板１１の多電極エレクトロガスアーク溶接方法によれば、第１の実施形態と同様、鋼管１１の両面間を溶融溶接金属３１ａが導通可能に構成し、両面側から同時にＥＧＷ溶接を行うプロセスを採用することで、板厚が４０〜３００ｍｍ程度の厚鋼板から構成される鋼管状部材を立向姿勢で突合わせて溶接する場合であっても、1パス溶接による溶接効率の向上と溶接欠陥の抑制効果が同時に得られる。
【実施例】
【００８７】
以下に、本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法、及び、鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法の実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。【００８８】
本実施例においては、まず、上記した表２に示すような鋼種からなり、下記表３に示すような板厚及び外形サイズを有する鋼板を準備した。また、同様に、上記表２に示すような鋼種からなり、下記表３に示すような板厚及び外形サイズを有する鋼板を用い、曲げ加工法により、下記表３に示すような外径とされた鋼管を作製した。【００８９】
【表３】
0005692413.tif 000004
【００９０】
次に、準備した各々の鋼板並びに鋼管の各々の端部に、下記表４及び図９（ａ）〜（ｅ）に示すような開先形状とした。
次いで、各々の鋼板の端部同士、並びに、鋼管の管端部同士を突合わせ、下記表４、５に示すような本発明例及び比較例の条件で、多電極ＥＧＷ溶接による1パス溶接を行った。この際、本発明例１〜３０（参考例１〜６含む）並びに比較例１〜８については、立向上進の溶接姿勢にてＥＧＷ溶接による突合わせ溶接を行った。また、本発明例３１〜３９（参考例３１〜３３含む）並びに比較例９〜１２については、鋼管の管端部同士を突合わせた状態で、溶接線が実質的に鉛直面内となるように、管端部に沿って鋼管を回転させることで、鉛直方向下側から上側に向けて、ＥＧＷ溶接による円周溶接を行った。また、各本発明例及び比較例においては、下記表４及び図９（ａ）〜（ｅ）に示すような電極配置として、ＥＧＷ溶接を行った。
【００９１】
【表４】
0005692413.tif 000005
【００９２】
【表５】
0005692413.tif 000006
【００９３】
【表６】
0005692413.tif 000007
【００９４】
そして、各種条件で多電極エレクトロガスアーク溶接を用いて接合した鋼板継手並びに鋼管継手に関し、以下に説明するような方法により、溶接部の溶接欠陥、および溶接熱影響部（ＨＡＺ）と溶接金属の靱性を評価した。【００９５】
溶接欠陥については、溶接部のうち、溶け込みが得られないおそれがある、ルート位置の溶け込み不良を主に検知する目的で、ＪＩＳ  Ｚ  ３０６０（２００２年）における鋼溶接部の超音波探傷試験方法を適用規格とし、溶接継手の超音波探傷試験を実施することで調査した。この際、探傷方法として斜角一探触子法を用い、探傷屈折角を６０．０°として、継手両面側から直射法にて探傷を行った。また、判定基準としては、上記規格の付属書７ Ｌ検出レベルに則り、探傷結果を評価した。
そして、上記条件による超音波探傷法で溶接欠陥が検出されなかった場合を「○」、「溶接欠陥が検出された場合を「×」として、評価結果を表５、６に示した。【００９６】
一方、母材熱影響部と溶接金属の材質そのものの健全性を評価する目的で、特に、大入熱溶接において課題となる靱性を評価するため、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２（１９９８年）に則り、溶接継手から、板幅方向を長手としてシャルピー試験片を採取してシャルピー衝撃試験を実施した。この際、ＨＡＺ靱性については、溶融線からＨＡＺ側に１ｍｍ離れた位置にＶ字状の切欠き（ノッチ）を設け、衝撃試験における全吸収エネルギーをシャルピー吸収エネルギー「−２０℃：ｖＥ−２０（Ｊ）、０℃：ｖＥ０（Ｊ）」として評価し、結果を表５、６に示した。【００９７】
また、溶接金属靱性については、溶接金属の中央位置にＶ字状の切欠き（ノッチ）を設け、衝撃試験における全吸収エネルギーをシャルピー吸収エネルギー「−２０℃：ｖＥ−２０（Ｊ）、０℃：ｖＥ０（Ｊ）」として評価し、結果を表５、６に示した。
一般に、溶接継手を構造物に供用するためには、第一に、探傷結果の評価として溶接欠陥が検出されないことが必須の要件であり、第二に、溶接部が、良好なシャルピー靱性値を確保していることが望まれる。本実施例においては、おおむね、−２０℃におけるシャルピー衝撃試験において、吸収エネルギーが４７Ｊを超える範囲を、良好なシャルピー靱性値として評価することとした。【００９８】
表５に示すように、本発明で規定した条件で1パスでのＥＧＷ溶接を行った本発明例１〜３９（参考例１〜６、３１〜３３含む）においては、鋼板同士あるいは鋼管同士をＥＧＷ溶接した何れの場合においても溶接欠陥が検出されず、また、ＨＡＺと溶融金属中央位置の靱性が優れていることがわかる。従って、本発明の溶接方法を用いることで、溶接品質に優れるとともに、1パスによる高い生産性が実現できることが明らかとなった。
【００９９】
これに対し、表６に示すように、本発明で規定した範囲外の条件で1パスでのＥＧＷ溶接を行った比較例１〜１２においては、鋼板同士あるいは鋼管同士をＥＧＷ溶接した何れの場合においても、溶接欠陥を検出しないこと、および、ＨＡＺ、溶接金属靱性の確保をともに両立させることができず、実構造物の溶接継手として不適格であることが明らかとなった。【０１００】
比較例４および８はＸ型開先であり、板厚に比して好適な溶接入熱量が適用されたために、良好な靱性値が得られているものの、ともに、ルート面ＲＦの距離に対して十分な溶け込みが得られず、溶接欠陥評価が不合格となった例である。【０１０１】
また、比較例１〜３、５〜７、および９〜１２は、溶接欠陥評価は合格となっているものの、片面側にのみ開先加工が施された開先形状であり、鋼材ＨＡＺ靱性、溶接金属ともに十分な靱性値が得られず、実構造物の溶接継手として不適格と判定された例である。【０１０２】
以上説明したような実施例の結果により、本発明に係る厚鋼板の多電極エレクトロガスアーク溶接方法及び鋼管の多電極エレクトロガスアーク円周溶接方法が、溶接部性能の低下を抑制しつつ、溶接効率向上と溶接欠陥低減の両立が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によれば、例えば、厚鋼板から製造され、建築分野で用いられる鋼管状柱部材や鋼矢板、大型鉄塔、発電用大型風車の鉄塔部分等、鋼板並びに鋼管から構成される大型鋼構造物を製造する際の溶接プロセスに本発明を適用することにより、高い生産性及び溶接品質が同時に実現できることから、その社会的貢献は計り知れない。
【符号の説明】
【０１０４】
１、１０    厚鋼板、
１Ａ、１０Ａ    表面、
１Ｂ、１０Ｂ    裏面、
１ａ    端部、
２、２ａ、２ｂ    開先、
２１    導通路、
１１    鋼管（厚鋼板を管状に加工した鋼管）
１１Ａ    表面、
１１Ｂ    裏面、
１１ａ    端部、
１１ｂ    管端部、
１２    開先、
３    溶接部
３０    円周溶接部
３１    溶接金属、
３１ａ    溶融溶接金属（溶融プール）、
４    エレクトロガスアーク溶接機（ＥＧＷ溶接機）、
４１    基台、
４２    自動台車、
４３    台車駆動制御装置、
４０    エレクトロガスアーク円周溶接機（ＥＧＷ円周溶接機）、
４５    ポジショナー手段
４５ａ    ローラー、
５    エレクトロガスアーク溶接電極（ＥＧＷ溶接電極）、
５１    先端部、
Ａ、Ａ１    溶接開始位置、
Ｂ、Ｂ１    溶接終了位置。
【図１】
0005692413.tif 000008
【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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