(57)【要約】【課題】溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる溶接方法を提供する。【解決手段】１以上の層からなる溶接部５の表面に位置する層を形成するパス１１０〜１１２のうち、最後に施工するパス１１２を溶接線に沿う溶接部５の中心線１３位置を含ませて形成し、かつ最後に施工するパス１１２の形成に連続して溶接部５及び溶接部５の周辺部分を冷却する。これにより、溶接部及び溶接部の周辺部分の温度分布が溶接部の中心線または中心線近傍をピークとして左右対称な状態となる。このため、最後に施工するパスの形成に連続して溶接部及び溶接部の周辺部分を冷却すると、溶接部の両側に位置する被溶接物の熱影響部の冷却前と冷却後の温度差が均等化され、両方の熱影響部に必要な温度差を与えることができる。したがって、溶接により生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の層からなる溶接部の表面に位置する層を形成するパスのうち、最後に施工するパスを溶接線に沿う前記溶接部の中心線位置を含ませて形成し、かつ該最後に施工するパスの形成に連続して前記溶接部及び該溶接部の周辺部分を冷却する溶接方法。
【請求項２】
前記溶接部の表面に位置する層を複数のパスで形成するとき、該溶接部の表面に位置する層を形成する複数のパスの数を奇数とし、該複数のパスのうち、中央に位置するパスを最後に施工することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記溶接部の表面に位置する層を１つのパスで形成することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記溶接部を複数の層で形成するとき、前記溶接部の表面に位置する層の直下の層を複数のパスで形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記最後に施工するパスを施工するときのパス間温度を１００℃以上２００℃以下とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接方法に係り、特に、溶接部を冷却媒体で冷却する溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばステンレス鋼やニッケル基合金鋼などの鋼材では、溶接を行う際の溶接熱などによって、結晶粒界にクローム炭化物が析出し、この結果、結晶粒界の極近傍にクローム欠乏層が形成され、このクローム欠乏層に腐食に対し感受性が高くなる現象、すなわち鋭敏化という現象が発生することが知られている。鋭敏化が生じると、腐食環境下で使用されたとき、溶接残留応力などにより被溶接物に応力腐食割れを引き起こす原因となる。このような被溶接物の溶接部近傍で生じる鋭敏化を低減し、応力腐食割れの発生を抑えるため、トーチにより溶接を行った後に連続的に溶接部及び被溶接物の溶接部近傍を冷却媒体で冷却する溶接技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、このように溶接部を昇温にした後に冷却することにより、応力腐食割れを引き起こす他の原因となる引張残留応力、または引張り残留応力が生じないような比較的厚みの薄い鋼材においては、溶接変形を低減できる。さらに、溶接することによって発生し易くなるぜい性破壊を引き起こす要因の一つとしても引張残留応力があることから、鋭敏化を生じないような種々の鋼材においも、これらの溶接技術を適用して引張残留応力を低減することにより、ぜい性破壊を低減することができる。
【０００４】
なお、特許文献１は、溶接金属が凝固したのちこの溶接部及び被溶接物の溶接部近傍が８５０℃〜１２００℃の温度範囲に加熱されるとき、被溶接物の溶接部近傍を冷却媒体となる水により冷却するものである。特許文献２は、特許文献１と同様の方法であるが、冷却媒体として二酸化炭素の凝結固体粒子を吹き付けるものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−２０５６８７号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平８−１５５６５０号公報（第２−４頁）
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来の溶接技術では、溶接部が複数のパスや多層盛り溶接で形成されている場合に溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減するための方法については何ら考慮されていない。
【０００６】
本発明の課題は、溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶接方法は、１以上の層からなる溶接部の表面に位置する層を形成するパスのうち、最後に施工するパスを溶接線に沿う溶接部の中心線位置を含ませて形成し、かつこの最後に施工するパスの形成に連続して溶接部及びこの溶接部の周辺部分を冷却することにより上記課題を解決する。
【０００８】
このような溶接方法とすれば、溶接部の表面に位置する層を形成するパスのうち、最後に施工するパスを溶接線に沿う溶接部の中心線位置を含ませて形成することで、溶接部及び溶接部の周辺部分の温度分布が溶接部の中心線または中心線近傍をピークとして左右対称な状態となる。このため、最後に施工するパスの形成に連続して溶接部及び溶接部の周辺部分を冷却すると、溶接部の両側に位置する被溶接物の熱影響部の冷却前と冷却後の表面温度差が均等化され、両方の熱影響部に必要な温度差を与えることができる。したがって、溶接により生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる。
【０００９】
また、溶接部の表面に位置する層を複数のパスで形成するとき、この溶接部の表面に位置する層を形成する複数のパスの数を奇数とし、この複数のパスのうち、中央に位置するパスを最後に施工する。これにより、温度分布のピークがより溶接部の中心線の位置に位置し易くなり、溶接部の両側に位置する被溶接物の熱影響部における温度差がより均等化されるため、引張残留応力または溶接変形をより低減できる。
【００１０】
さらに、溶接部の表面に位置する層を１つのパスで形成すれば、このパスを形成した後のパス間温度が、溶接部の表面に位置する層を複数のパスで形成した場合よりも高くなる。このため、熱影響部の最後に施工するパス形成後と冷却後との表面温度差が大きくなり、引張残留応力または溶接変形をさらに低減できる。
【００１１】
また、溶接部を複数の層で形成するとき、溶接部の表面に位置する層の直下の層を複数のパスで形成する。これにより、溶接部の表面に位置する層の最後のパスを施工するときのパス間温度をより高温に保つことができるため、熱影響部の最後に施工するパス形成後と冷却後との温度差が大きくなり、引張残留応力または溶接変形を一層低減できる。
【００１２】
さらに、最後に施工するパスを施工するときのパス間温度を１００℃以上２００℃以下とすれば、鋭敏化を生じる鋼材においては、被溶接物の温度を２００℃以下とすることによりその鋼材つまり被溶接物の溶接による鋭敏化を抑えながら、溶接時の温度をできるだけ高くできる。また、冷却媒体が水であるとき、被溶接物の温度が１００℃以上であれば水が蒸発することにより、水による冷却効果を増大できる。したがって、被溶接物の溶接による鋭敏化を抑えながら、溶接部の表面に位置する層を形成する最後のパスを施工するときの冷却を行う前後の温度差が大きくなる。したがって、鋭敏化が生じるのを抑えながら引張残留応力をより低減できることにより、応力腐食割れの発生をより低減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる溶接方法の第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる溶接方法を説明する図である。図２は、本発明を適用してなる溶接方法により溶接を行ったときの、溶接部及び溶接部の周辺部分の表面の温度分布を示す図である。
【００１４】
本実施形態では、図１に示すように、オーステナイト系ステンレス鋼である被溶接物１のＶ字状の開先３において、溶接部５を５層１２パスで積層した多層盛り溶接を行っている。この溶接に用いる溶接装置は、トーチ７や、トーチ７に追随して移動し、必要に応じて冷却媒体となる水を溶接部５と被溶接物１の溶接部５の周囲部分の表面に噴出する図示していない冷却手段などを備えている。なお、パスとは、溶接部５の溶接線に沿って溶接装置のトーチ７と溶加材１１が１回通過することにより、トーチ７と溶加材１１が通過した領域に追加される溶接金属の体積の増加部分を意味する。また、層は、開先３の中で同じ高さの範囲を埋める１つまたは複数のパスからなる溶接金属を意味する。
【００１５】
Ｖ字状の開先３内には、間隔が狭くなっている側からパスの施工が行われており、第１層は１パスで、つまり第１パス１０１で形成されている。第２層は、第１層上に２パスで積層されており、第２パス１０２と第３パス１０３とで形成されている。第３層は、第２層上に３パスで積層されており、第４パス１０４、第５パス１０５、そして第６パス１０６で形成されている。第４層は、第３層上に３パスで積層されており、第７パス１０７、第８パス１０８、そして第９パス１０９で形成されている。表面に位置する層となる第５層は、第４層上に３パスで積層されており、第１０パス１１０、第１１パス１１１、そして第１２パス１１２で形成されている。そして、表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工される第１２パス１１２の施工時にのみ冷却手段を作動させ、トーチ７による第１２パス１１２の形成に連続して水で冷却を行う。
【００１６】
ここで、第１層を形成する第１パス１０１から、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するときに最後に施工する第１２パス１１２までの施工手順について具体的に説明する。なお、オーステナイト系ステンレス鋼は、６５０℃以上の温度に曝される時間が長くなるに連れて鋭敏化が発生し易くなる。このため、パスの施工開始時の母材、つまり被溶接物１の温度が高温になるに連れて、それだけ母材の温度が６５０℃以上の温度に曝される時間が長くなり、鋭敏化が発生し易くなる。したがって、材料の鋭敏化が発生するのを抑えるため、パスの施工開始時のパス間温度を２００℃以下に制限している。このような各パスの施工開始時のパス間温度、及び施工終了時のパス間温度の状況や入熱量の一例を表１に示している。
【００１７】
【表１】
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まず、図１に示すように、第１層の第１パス１０１の施工を行う。第１パス１０１の施工開始時は、表１に示すように、被溶接物１全体が初期の温度、室温に近い２０℃となっている。第１パス１０１の施工を行うと、溶接入熱により加えられた熱により、被溶接物１の温度が瞬間的に例えば１５００℃程度に上昇する。しかし、第１パス１０１の施工開始時のパス間温度は２０℃といった低い温度であるため、第１パス１０１の施工終了後のパス間温度は６０℃程度になる。このように、第１パス１０１の施工終了後のパス間温度は２００℃以下であるため、引き続き第２層を形成する第２パス１０２の施工を行う。
【００１８】
第２パス１０２は、図１及び表１に示すように、開先３の一方の面側から開先３の両面間の中心部分にかけて施工される。第２パス１０２の施工終了後のパス間温度は１００℃程度になる。このように、第２パス１０２の施工終了後のパス間温度も２００℃以下であるため、引き続き第２層を形成する第３パス１０３の施工を行う。第２層は、２パスであるため、第３パス１０３は、開先３の両面間の中心部分から、第２パス１０２が施工されていない開先３のもう一方の面側に施工される。第３パス１０３の施工終了後のパス間温度は１４０℃程度で、第３パス１０３の施工終了後のパス間温度も２００℃以下であるため、引き続き第３層を形成する第４パス１０４の施工を行う。
【００１９】
第３層を形成する第４パス１０４は、開先３の第２パス１０２を形成した側の面側に施工される。第４パス１０４の施工終了後のパス間温度は２２０℃程度で、第４パス１０４の施工終了後のパス間温度は２００℃以上である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第５パス１０５の施工を行う。第３層は、３パスであるため、第５パス１０５は、第４パス１０４に隣り合わせて第３層の断面の中央に施工される。第５パス１０５の施工終了後のパス間温度は２４０℃程度で、第５パス１０５の施工終了後のパス間温度も２００℃以上である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第６パス１０６の施工を行う。第６パス１０６は、、開先３の第４パス１０４を形成した側の面と反対側の面側に施工される。第６パス１０６の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第４層を形成する第７パス１０７の施工を行う。
【００２０】
第４層を形成する第７パス１０７は、第３層を形成する第４パス１０４と同様に、開先３の第２パス１０２を形成した側の面側に施工される。第７パス１０７の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第８パス１０８の施工を行う。第４層も３パスであるため、第８パス１０８は、第７パス１０７に隣り合わせて第４層の断面の中央に施工される。第８パス１０８の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第９パス１０９の施工を行う。第９パス１０９は、開先３の第７パス１０７を形成した側の面と反対側の面側に施工される。第９パス１０９の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成する第１０パス１１０の施工を行う。
【００２１】
溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成する第１０パス１１０は、第４層を形成する第７パス１０７と同様に、開先３の第２パス１０２を形成した側の面側に施工される。第１０パス１１０の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第１１パス１１１の施工を行う。第５層も３パスであるが、第５層で２番目に施工される第１１パス１１１は、第３層及び第４層で２番目に施工される第５パス１０５及び第８パス１０８とは異なり、開先３の第１０パス１１０を形成した側の面と反対側の面側に施工される。第１１パス１１１の施工終了後のパス間温度も２４０℃程度である。このため、パス間温度が２００℃以下になるまで放置し、２００℃以下になった時点で次のパス、つまり第５層を形成する最後のパスとなる第１２パス１１２の施工を行う。
【００２２】
溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち最後に施工するパスとなる第１２パス１１２は、第１０パス１１０と第１１パス１１１との間、つまり第５層の断面の中央に施工される。このとき、第１２パス１１２は、第１２パス１１２の断面が溶接部５の溶接線に沿う中心線１３に対してできるだけ左右対称となる位置、つまり溶接部５の中央位置に形成することが望ましい。そして、第５層を形成する最後のパスとなる第１２パス１１２を形成しているトーチ７の移動に追随して図示していない冷却手段が移動してくることによって冷却媒体となる水を用いた冷却が行われ、トーチ７後方の溶接部５と被溶接物１の溶接部５の周辺部分の表面を急冷領域１５が移動してくることになる。このため、最後のパスとなる第１２パス１１２の施工終了時のパス間温度は３０℃程度まで冷却されている。
【００２３】
このように、第４パス１０４の施工までは、パス間温度が２００℃より低いので、連続して次のパスの施工を行う。しかし、第４パス１０４の施工が終了した時点、そして第５パス１０５以降のパスの施工が終了した時点でのパス間温度は２００℃以上となるので、次のパスの施工はパス間温度が２００℃以下になるまで放置した後に行っている。同様の手順で最終層最終パスの一つ前のパスであるパス１１１までの施工を行う。溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成する最後のパスとなる第１２パス１１２は、溶接部５の中央位置に形成され、さらに、第１２パス１１２の形成に連続して溶接部５と被溶接物１の溶接部５の周辺部分が冷却される。したがって、第１２パス１１２施工時、溶接入熱によって第１２パス１１２、第１２パス１１２以外の溶接部５の部分、そして被溶接物１の溶接部５の周辺部分に位置する熱影響部が加熱された後、冷却媒体となる水で冷却され、パス間温度は３０℃程度まで冷却される。
【００２４】
ここで、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を溶接部５の中央位置に施工すると、パス施工後における溶接部５と溶接部５の周辺部分の温度分布は、溶接線に沿う溶接部５の中心線１３をピークとして左右対称となる。このパス施工後の溶接部５と溶接部５の周辺部分の温度は、トーチ７が通過した後に冷却媒体で冷却されるまでの間に降下するが、降下しても中心線１３をピークとして左右対称な分布に保持される。すなわち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を溶接部５の中央位置に施工したときの冷却媒体による冷却開始前の表面表面温度１７は、図２において実線で示すように、図２における温度軸の位置、つまり溶接部５の中心線１３の位置でピークとなり、このピークを挟んで左右対称に漸次低下する分布となっている。なお、冷却開始前の表面温度１７は、パス間温度２００℃で第１２パス１１２を施工した場合の温度を示している。
【００２５】
一方、冷却媒体により溶接部５と被溶接物１の溶接部５の周辺部分が冷却されると、冷却された溶接部５と溶接部５の周辺部分の表面温度は、図２において二点鎖線で示す冷却媒体の表面温度２１に近い温度で均一になる。したがって、溶接部５の両側に位置する被溶接物１の熱影響部において、第１２パス１１２の施工における昇温時の温度と冷却後の温度との温度差が均等化される。例えば、図２において、被溶接物１と溶接部５との両側の境界、つまり両側の開先３の位置である止端部Ａと止端部Ｂでの表面温度１７と表面温度２１との差は、同じになっている。これにより、溶接部５の両側に在る被溶接物１の熱影響部に各々必要な温度差をできるだけ均等に与えられ、その結果として溶接熱影響部の引張残留応力が低減される。また、引張残留応力が生じないような厚みの鋼材の場合には溶接変形が低減される。
【００２６】
また、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を溶接部５の中央位置に施工するとき、パス間温度を２０℃で第１２パス１１２の施工を行うと、パス間温度が２００℃で施工を行った場合に比べて到達温度が低くなり、図２において破線で示す冷却開始前の温度２５は、パス間温度２００℃で第１２パス１１２を施工した場合の冷却開始前の表面温度１７に比べて低くなる。このため、溶接部５の両側に在る被溶接物１の熱影響部２３における昇温時の温度と冷却後の温度との温度差がパス間温度２００℃で第１２パス１１２を施工した場合の冷却開始前の表面温度１７に比べて小さくなる。引張残留応力または溶接変形の低減効果は、熱影響部２３の冷却前の温度と冷却後の温度との温度差が大きくなるほど高くなるため、パス間温度ができるだけ高い状態でパスの施工を行うことが望ましい。
【００２７】
一方で、被溶接物１が、本実施形態のように鋭敏化を起こすオースティナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金鋼などの鋼材である場合、パス間温度を高くするに連れて、被溶接物１の温度が６５０℃以上の温度に曝される時間が長くなり、鋭敏化が発生し易くなる。したがって、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２の施工を開始するときのパス間温度は、２００℃以下であることが望ましい。さらに、本実施形態のように、冷却媒体として水を用いる場合、被溶接物１の表面の温度が１００℃以上であれば被溶接物１の表面で水の蒸発が起きる。水が蒸発する際に、気化熱として被溶接物１の表面から熱が吸収されるため、溶接部５及び被溶接物１の溶接部５の周辺部分の冷却効率を向上させることができる。したがって、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２の施工を開始するときのパス間温度としては１００℃以上２００℃以下とすることが望ましい。
【００２８】
ところで、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を開先３の一面側に施工した場合、図３において実線で示すように、冷却開始前の温度２７のピークは、溶接部５の中心線１３から外れ、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を施工した開先３の一面側に寄った状態となる。このため、被溶接物１の溶接部５の両側に在る熱影響部２３において、第１２パス１１２を施工した側の熱影響部２３と、反対側の熱影響部２３とでは、冷却前と冷却後との温度差に差が生じている。すなわち、第１２パス１１２を施工した側の熱影響部側、例えば止端部Ｂでは、本実施形態よりも温度差が大きくなるが、第１２パス１１２を施工した側と反対側の熱影響部側、例えば止端部Ａでは、本実施形態よりも温度差が小さくなる。このため、第１２パス１１２を施工した側と反対側の熱影響部では、引張残留応力または溶接変形の低減に必要な温度差が得られ難くなり、その結果、引張残留応力または溶接変形が低減され難い。
【００２９】
これに対して、本実施形態の溶接方法では、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２を第５層の中央、つまり溶接部５の中央位置に施工し、第１２パス１１２を形成するトーチ７が通過した後に冷却媒体により溶接部５と被溶接物１の溶接部５の周辺部分を冷却している。このため、溶接部５と溶接部５の周辺部分の温度分布が、溶接線に沿う溶接部５の中心線１３をピークとして左右対称となり、第１２パス１１２の施工時の冷却前と冷却後の温度との温度差が溶接部５の両側に在る被溶接物１の熱影響部において均等化され、両方の熱影響部で必要な温度差が得られる。したがって、溶接によって生じる引張残留応力を低減できる。また、引張残留応力が生じないような厚みの鋼材の場合には溶接変形を低減できる。
【００３０】
さらに、引張残留応力を低減できることにより、本実施形態の被溶接物１であるオースティナイト系ステンレス鋼といった鋭敏化を生じる鋼材における応力腐食割れを抑制することができる。加えて、引張残留応力を低減できることにより、オースティナイト系ステンレス鋼といった鋭敏化を生じる鋼材以外の鋼材においても、溶接によるぜい性破壊の発生を抑制することができる。さらに、施工順序を調整することにより溶接部表面の引張残留応力や溶接変形の低減効率を向上することができ、作業時間や、それに付随するコストを低減できる。さらに、溶接変形を抑制するのに必要な熱的及び機械的な効率を向上できる。
【００３１】
さらに、本実施形態の溶接方法では、溶接部５の表面に位置する層となる第５層を形成するパスのうち、最後に施工するパスとなる第１２パス１１２の施工を開始するときのパス間温度を１００℃以上２００℃以下としている。このため、本実施形態の被溶接物１であるオースティナイト系ステンレス鋼といった鋭敏化を生じる鋼材における鋭敏化の発生を抑え、また、冷却媒体として水を用いた場合の冷却効率を向上できる。このように、鋭敏化を抑制できると共に、引張残留応力をより低減できるため、応力腐食割れの発生をさらに抑制できる。
【００３２】
また、本実施形態では、溶接部５の表面に位置する第５層を形成するパスの数を３パス、つまり奇数としているが、偶数で形成することもできる。この場合、溶接部の表面に位置する層を形成するパスのうち、その層の中央に位置することになる２つのパスのいずれかを最後に施工すると共に、その最後に施工するパスを溶接線に沿う溶接部の中心線の位置を含んだ状態で形成できるように、パスの形状や大きさなどを調整することにより、溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる。例えば、最後に施工するパスを、層の中央に位置することになるもう一方パスの上に被さるように施工し、溶接部の中心線の位置を含んだ状態にする。
【００３３】
ただし、本実施形態のように、溶接部５の表面に位置する第５層を形成するパスの数を３パス、つまり奇数とし、第５層の中央に位置するパスを最後に施工する方が、最後に施工するパスを容易に溶接部の中心線の位置を含んだ状態にできる。さらに、溶接線に沿う溶接部５の中心線１３に対してより均等に左右対称に形成し易いため、溶接部の両側に在る被溶接物の熱影響部における温度差をより均等化でき、溶接により生じる引張残留応力または溶接変形をより低減できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなる溶接方法の第２の実施形態について図４及び図５を参照して説明する。図４は、本発明を適用してなる溶接方法を説明する図である。図５は、本発明を適用してなる溶接方法により溶接を行ったときの、溶接部及び溶接部の周辺部分の表面の温度分布を示す図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する特徴部などについて説明する。
【００３５】
本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、溶接部の表面に位置する層を形成するパスを１パスで施工したことにある。すなわち、本実施形態では、図４に示すように、Ｖ字状の開先３を５層１０パスで積層したものであり、溶接部５の表面に位置する層である第５層は、１つの第１０パス２１０の施工により形成されている。なお、第１層から第４層までの層の構成及び各パス１０１から１０９までの施工方法は、第１の実施形態と同じである。
【００３６】
このとき、図５の実線で示すように、溶接部と被溶接物１の溶接部５の周辺部分における冷却開始前の表面温度２９は、破線で示す第１の実施形態における冷却開始前の表面温度１７と同様、溶接線に沿う溶接部５の中心線でピークとして左右対称に分布している。加えて、第１の実施形態における冷却開始前の表面温度１７よりも、本実施形態の冷却開始前の表面温度２９の方が高くなっている。すなわち、溶接部５の表面に位置する層である第５層を１つの第１０パス２１０の施工により形成した方が、溶接部５及び被溶接物１の溶接部５の周辺部分の表面温度を高くすることができる。
【００３７】
このように、本実施形態では、被溶接物１の溶接部５の両側に在る熱影響部における冷却開始前の表面温度２９と冷却後の温度との温度差を大きくでき、溶接により生じる引張残留応力をさらに低減できる。加えて、本実施形態の溶接方法により、溶接により生じる引張残留応力を低減できるのに加え、溶接部の表面の引張残留応力を圧縮応力に転換することができる。また、引張残留応力が生じないような厚みの鋼材の場合には溶接により生じる溶接変形をさらに低減できる。
【００３８】
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなる溶接方法の第３の実施形態について図６を参照して説明する。図６は、本発明を適用してなる溶接方法を説明する図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する特徴部などについて説明する。
【００３９】
本実施形態が第１及び第２の実施形態と相違する点は、溶接部が、溶接部の表面に位置する層のみからなることにある。すなわち、本実施形態では、図６に示すように、被溶接物３１の表面に形成された溝３３に１層３パスの施工を行っている。パスの施工は、溝３３の一方の縁部側の第１パス３０１、他方の縁部側の第２パス３０２、そして中央の第３パス３０３の順に行われる。したがって、溶接部３５の表面に位置する層となる第１パス３０１、第２パス３０２、そして第３パス３０３のうち、中央に位置する第３パス３０３が最後に施工されるパスであり、第３パス３０３の施工に連続して溶接部５及び被溶接物３１の溶接部５の周辺部分の冷却が行われる。
【００４０】
第１及び第２の実施形態では、溶接部の表面に位置する層の最後のパスの施工に先行して行ったパスの施工による溶接入熱により、パス間温度が２００℃以上に上昇していた。しかし、本実施形態では、第３パス３０３の施工に先行して施工されるパス数が少ないため、先行するパスの入熱のみでは、パス間温度が１００℃以上２００℃以下の範囲に到達しない。したがって、第３パス３０３の施工前にバーナーなどの加熱手段により、パス間温度を必要な温度に上昇させている。このような本実施形態の各パスの施工開始時のパス間温度、及び施工終了時のパス間温度の状況や入熱量の一例を表２に示している。
【００４１】
【表２】
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第１パス３０１の施工が終了した時点でのパス間温度は５０℃程度となっている。連続して第２パス３０２の施工を行うことにより、第２パス３０２の施工が終了した時点でのパス間温度は８０℃程度となっている。第１の実施形態において説明したように、パス間温度が高いほど冷却による引張残留応力や溶接変形の低減効果が大きくなるため、バーナーなどの加熱手段による加熱を行い、パス間温度を１００℃以上２００℃以下の範囲に到達させている。バーナーなどでの加熱により、パス間温度が１００℃以上２００℃以下の範囲に到達した時点、本実施形態では２００℃程度に達した時点で最終パスである第３パス３０３の施工を行い、第３パス３０３の形成に連続して溶接部３５と溶接部３５の周辺部分の冷却を行っている。
【００４２】
このような本実施形態の溶接方法であれば、パス数が少ない場合であっても、第１の実施形態と同様に引張残留応力または溶接変形を低減できる。
【００４３】
また、本実施形態では、予熱つまり加熱手段によるパス間温度の昇温を行うのは、第２パス３０２を施工した後としたが、第１パス３０１の施工前の時点、すなわち溶接作業を開始する前の時点に行うこともできる。
【００４４】
（第４の実施形態）
以下、本発明を適用してなる溶接方法の第４の実施形態について図７を参照して説明する。図７は、本発明を適用してなる溶接方法を説明する図である。なお、本実施形態では、第１乃至第３の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第３の実施形態と相違する特徴部などについて説明する。
【００４５】
本実施形態が第１乃至第３の実施形態と相違する点は、開先の形状が異なるため、被溶接物の両表面に溶接部の表面に位置する層が形成されていることにある。すなわち、本実施形態では、図７に示すように、Ｘ字状の開先３７に１０層２４パスの積層を行っており、Ｘ字状の開先３７に形成された溶接部３９は、被溶接物１の両表面４１、４３の両方に表面に位置する層が形成されることになる。本実施形態では、まず、被溶接物１の一方の表面４１側からトーチにより、Ｘ字状の開先３７の面間の間隔が最も狭くなっている部分から表面４１側に向けて第１パス４０１で形成された第１層と、第２パス４０２と第３パス４０３で形成された第２層の積層を行う。
【００４６】
次に、被溶接物１の他方の表面４３側からトーチにより、Ｘ字状の開先３７の面間の間隔が最も狭くなっている部分から表面４３側に向けて第４パス４０４で形成された第３層と、第５パス４０５と第６パス４０６で形成された第４層の積層を行う。この後、再度表面３７側に戻り、第７パス４０７〜第９パス４０９からなる第５層、第１０パス４１０〜第１２パス４１２からなる第６層、そして被溶接物１の表面３７側の溶接部３７の表面に位置する層であり、第１３パス４１３〜第１５パス４１５からなる第７層の積層を行う。溶接部３７の表面に位置する層である第７層は、第１の実施形態と同様に、３パスで形成されており、第７層において最後に施工する第１５パス４１５は、第１３パス４１３と第１４パス４１４との間、つまり第７層の断面の中央に施工される。そして、第１５パス４１５を形成しているトーチの移動に追随して冷却手段が移動してくることによって、トーチの後方の溶接部３９と溶接部３９の周辺部分の表面４１の冷却が行われる。
【００４７】
第７層形成の後、表面３９側に戻り、第１６パス４１６〜第１８パス４１８からなる第８層、第１９パス４１９〜第２１パス４２１からなる第９層、そして被溶接物１の表面３９側の溶接部３７の表面に位置する層であり、第２２パス４２２〜第２４パス４２４からなる第１０層の積層を行う。ここで第１０層は面７２０側の最終層である。溶接部３７の表面に位置する層である第１０層も、第７層と同様に、３パスで形成されており、第１０層において最後に施工する第２４パス４２４は、第２２パス４２２と第２３パス４２３との間、つまり第１０層の断面の中央に施工される。そして、第２４パス４２４を形成しているトーチの移動に追随して冷却手段が移動してくることによって、トーチの後方の溶接部３９のと溶接部３９の周辺部分の表面４３の冷却が行われる。
【００４８】
第７層の最後に施工する第１５パス４１５と第１０層の最後に施工する第２４パス４２４は、各々、第５層と第６層、第８層と第９層の施工に続けて施工が行われるので、第７層の最後に施工する第１５パス４１５と第１０層の最後に施工する第２４パス４２４を施工するときのパス間温度を、各々、１００℃以上に昇温させることができる。
【００４９】
このような本実施形態の溶接方法により、Ｘ字状の開先のような開先形状での溶接などにおいても、溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる。
【００５０】
また、第１乃至第４の実施形態では、冷却媒体として水を例示しているが、溶接部及び被溶接物の溶接部の周辺部分を冷却できれば、様々な冷却媒体を用いることができる。
【００５１】
また、本発明は、第１乃至第４の実施形態で例示したステンレス鋼やニッケル基合金鋼などの鋭敏化が生じる鋼材に限らず、引張残留応力による破壊や割れ、または溶接変形などを生じる様々な構造物などに用いる種々の鋼材、例えばアルミニウム合金、炭素鋼などの溶接に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接によって生じる引張残留応力または溶接変形を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる溶接方法の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の溶接方法により溶接を行ったときの、溶接部及び溶接部の周辺部分の表面での温度分布を示す図である。
【図３】本発明を適用していない溶接方法により溶接を行ったときの、溶接部及び溶接部の周辺部分の温度分布を示す図である。
【図４】本発明を適用してなる溶接方法の第２の実施形態を説明する図である。
【図５】第２の実施形態の溶接方法により溶接を行ったときの、溶接部及び溶接部の周辺部分の表面での温度分布を示す図である。
【図６】本発明を適用してなる溶接方法の第３の実施形態を説明する図である。
【図７】本発明を適用してなる溶接方法の第４の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１  被溶接物
３  開先
５  溶接部
７  トーチ
１１  溶加材
１５  急冷領域
１０１〜１１２  パス
【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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