(57)【要約】【課題】２個の部材の突き合わせ溶接あるいは隅肉溶接等における、開先形状およびその溶接方法において、開先合わせに要する時間を短縮し、開先合わせ時の位置ずれを防止し、溶接による位置の歪みを防止し、さらに開先合わせの自動化を可能とする。【解決手段】一方のパイプ４の開先端部は、少なくとも１個の凸部５を有するように加工し、他方のパイプ３の開先端部は、凸部５がはまり合う凹部６を有するように加工し、凸部５と凹部６とをはめ合わせた後、２個の前記部材を溶接により接合した開先形状。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の部材の開先端部は、少なくとも１個の凸部を有し、他方の部材の開先端部は、前記凸部がはまり合う凹部を有することを特徴とする開先形状。
【請求項２】
一方の部材の開先端部は、少なくとも１個の凸部を有するように加工し、他方の部材の開先端部は、前記凸部がはまり合う凹部を有するように加工し、前記凸部と前記凹部とをはめ合わせた後、２個の前記部材を溶接により接合することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２個の部材の突き合わせ溶接あるいは隅肉溶接等における、開先形状およびその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６（ａ）は、従来の突き合わせ溶接を行う板材の開先形状を示す正面図で、６１、６２は板材（平板）である。
【０００３】
図６（ｂ）は、従来の突き合わせ溶接を行うパイプ（チューブ）の開先形状を示す断面正面図で、６３、６４はパイプである。
【０００４】
図６に示すように、板材６１、６２あるいはパイプ６３、６４の突き合わせ溶接を施工する場合、板材６１、６２あるいはパイプ６３、６４の開先形状は左右対称あるいは相似形に加工するのが一般的である。
【０００５】
開先加工された２個の板材６１、６２あるいはパイプ６３、６４を所定位置、所定寸法に設定し、手動あるいは自動溶接法により突き合わせ溶接が施工される。
【０００６】
開先加工された２個の部材を所定位置、所定寸法に設定する作業を「開先合わせ」と称す。
【０００７】
図７（ａ）は、従来の板厚が異なる２枚の板材の開先合わせの様子を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｂ方向から見た正面図である。
【０００８】
７１、７２はそれぞれ板厚が異なる板材、７５は定盤、７６はブロックである。
【０００９】
図６（ａ）に示したような同板厚の板材６１、６２の場合、図７の定盤７５上で開先合わせを精度良く行うことが可能である。
【００１０】
しかし、図７に示すように、板厚が異なる２枚の板材７１、７２の開先合わせを行う場合、ブロック７６等の専用の治具を定盤７５上に設置して使う必要があり、ブロック７６の精度により開先合わせの精度が決定される。
【００１１】
図８（ａ）は、従来の２本のパイプの開先合わせの様子を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｃ方向から見た側面図である。
【００１２】
８３、８４はパイプ、８５は定盤、８６はＶ型ブロックである。
【００１３】
図８に示すように、パイプ８３、８４の場合は、Ｖ型ブロック８６等の専用の治具を定盤８５上に設置して使い、Ｖ型ブロック８６上にパイプ８３、８４を設定して開先合わせを行うのが一般的である。
【００１４】
しかし、パイプは製造時期、製造方法等により同一径、同一板厚のものであっても寸法にばらつきがあるため、いかに寸法の精度良く製造し、所定の位置に精度良く設定したＶ型ブロック８６を用いても、開先合わせを精度良く行うのは困難である。
【００１５】
また、パイプの板厚が薄く、開先面の確認が容易なものについては、目視により微調整を行いながら開先合わせを行うことが可能であるが、板厚が厚く、開先面の確認が困難なものについては、精度良い開先合わせを行うのは困難である。このため、しかたなくパイプの外径を基準として開先合わせを行う場合があり、したがって、精度良い開先合わせを行うのは困難であるのが現状である。
【００１６】
また、隅肉溶接では、一方の部材のみ開先加工を行う場合と、両方の部材に開先加工を行わない場合があり、開先合わせは定盤上あるいはブロック上で治具を用いて行われる。なお、隅肉溶接では、溶着部の溶接後の収縮に起因して、一方の部材に対する他方の部材の位置の歪みが発生しやすい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法では、開先合わせ精度は、開先加工時の機械精度、開先合わせ時に使用する治具の精度および開先合わせ作業員の技量により左右される。このように開先合わせには多くの不確定要素が関係するために、常に安定した開先合わせを行うのは困難な状況にある。
【００１８】
一例としてパイプの突き合わせ溶接を自動ＴＩＧ溶接装置により施工する場合を考える。このとき、開先合わせ精度は、第１回目の溶接層の溶接品質に影響を及ぼす。例えば、開先合わせ時の開先の位置ずれが０．５ｍｍ以上になると、開先の未溶融（開先残り）や溶け落ちが発生する場合がある。このような現象を回避するためには、より高精度の開先合わせが必要であり、それにより開先合わせに多大の工数が必要となる。
【００１９】
本発明の目的は、上記従来方法における課題を解決し、開先合わせに要する時間の短縮、開先合わせ時の位置ずれ防止、溶接による位置の歪み防止、さらには開先合わせの自動化を可能とする開先形状およびその溶接方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の開先形状は、一方の部材の開先端部は、少なくとも１個の凸部を有し、他方の部材の開先端部は、前記凸部がはまり合う凹部を有することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の溶接方法は、一方の部材の開先端部は、少なくとも１個の凸部を有するように加工し、他方の部材の開先端部は、前記凸部がはまり合う凹部を有するように加工し、前記凸部と前記凹部とをはめ合わせた後、２個の前記部材を溶接により接合することを特徴とする。
【００２２】
本発明の開先形状およびその溶接方法では、一方の部材の凸部が、他方の部材の凹部にはまり合うので、開先合わせに要する時間が短縮でき、開先合わせ時の位置ずれや溶接による位置の歪みの発生を防止でき、さらに開先合わせの自動化を可能とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
実施の形態１
図１（ａ）は、本発明の一実施の形態のパイプの突き合わせ溶接を行う際の開先形状を示す断面正面図、（ｂ）は一部切開斜視図である。
【００２５】
３、４はパイプ、５は凸部、６は凹部、（ｂ）において、７はＴＩＧ溶接トーチである。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態の開先形状は、一方の部材であるパイプ４の開先端部は、少なくとも１個の凸部５を有し、他方の部材であるパイプ３の開先端部は、凸部５がはまり合う凹部６を有する。
【００２７】
また、本実施の形態の突き合わせ溶接方法は、一方の部材であるパイプ４の開先端部は、少なくとも１個の凸部５を有するように加工し、他方の部材であるパイプ３の開先端部は、凸部５がはまり合う凹部６を有するように加工し、凸部５と凹部６とをはめ合わせた後、２本のパイプ３、４を溶接により接合する。
【００２８】
なお、溶接に使用する熱源としては、アーク放電、アークプラズマ、レーザビーム、あるいは電子ビーム等の一般に広く使用されているものが使用できる。使用する部材の材料としては、上記熱源で接合が可能なものが使用可能である。
【００２９】
図２（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の突き合わせ溶接を行う２個の部材（パイプ３、４または板材１、２）の開先形状、すなわち、はめ合わされた凸部５と凹部６の実施の態様を示す要部拡大断面図である。（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）は凸部５、凹部６がそれぞれ１個の場合、（ａ）、（ｄ）は凸部５、凹部６がそれぞれ２個の場合である。なお、凸部５、凹部６は３個以上設けてもよい。また、図１の実施形態は、図２（ｂ）に対応する。
【００３０】
図３は、本実施の形態を実施する突き合わせ溶接装置の一例の構成を示す図である。
【００３１】
３、４は突き合わせ溶接を行うパイプ、３１はＹＡＧレーザ発振器、３２はレーザトーチ、３５は光ファイバ、３６はパイプ回転装置である。
【００３２】
本発明を用いて突き合わせ溶接あるいは隅肉溶接を施工する場合、特別な装置や技術は必要がなく、従来の装置、技術をそのまま利用することができる。
【００３３】
図３に示した装置を用いて、ＳＴＢＡ２４から成り、外径３８．５ｍｍ、板厚５．０ｍｍのパイプ３、４の、１回のパス（溶接操作）による突き合わせ溶接を施工した。なお、図示は省略するが、パイプ３、４の下は、例えば図８に示したようなＶ型ブロック（８６）および定盤（８５）を用いて支持する。
【００３４】
図２（ａ）〜（ｆ）にパイプ３、４の開先形状、表１に突き合わせ溶接条件、表２に各開先形状における溶接後の非破壊検査結果を示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
【表２】
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なお、表２において、加工深さとは、開先面の凸部５と凹部６とのはまり合う深さ（開先中心面の左右を合わせた長さ）のことである。
【００３７】
図２（ａ）〜（ｆ）のいずれの開先形状においても、開先合わせが容易であり、表２からわかるように、開先合わせ後のがたつきも少なかった。開先合わせ後のがたつきが最も大きいものでも、たかだか０．２ｍｍ程度であり、実際の施工上問題となるレベルではない。
【００３８】
本発明を用いて２個の部材がはまり合う形状に開先を加工する際、表２の加工深さが深いほど、開先合わせ時のがたつきが少なくなる。しかし、表２に示すように、加工深さを深くし過ぎると、溶接により開先部を完全に溶融させることが困難となり、開先残りが発生してしまう場合がある。表１、２の結果から、レーザを用いた突き合わせ溶接における開先加工時の加工深さは、１．０ｍｍ以内（開先中心面を基準として左右それぞれ０．５ｍｍ以内）に留めるのが望ましい。また、開先内面側は、溶接時の溶接ビードが外面側と比較して細いため、パイプ３とパイプ４の開先中心線どうしをできるだけ合わせるように工夫する必要がある。図２の（ａ）〜（ｆ）の中では、開先加工工数、開先合わせ精度、溶接の容易性を考慮すると、（ｂ）のタイプＢの形状が最も理想的であると考える。
【００３９】
上記のように、本実施の形態の開先形状およびその突き合わせ溶接方法では、２本のパイプ３、４の突き合わせ溶接を行う際、パイプ４の凸部５と、パイプ３の凹部６とが互いにはまり合うので、開先合わせに要する時間が短縮が可能になり、開先合わせ時の位置ずれを防止することが可能となる。本実施の形態では、開先合わせ精度が向上するので、突き合わせ溶接を自動溶接法により施工する場合には、自動溶接における品質の安定化を図ることが可能である。さらに、上記のような開先形状とすることで、開先合わせの自動化が可能となり、開先加工、開先合わせ、溶接の自動ラインの構築が可能となる。なお、パイプの突き合わせ自動溶接を行う場合、パイプの内径をそろえるために内面機械加工を実施するのが一般的である。本実施の形態では、内面機械加工面を基準として開先加工を行うことで、開先合わせ時にパイプ内面に段差のない開先部を得ることが可能となり、開先合わせ時間の短縮、開先合わせ時の位置ずれ防止、開先合わせの自動化が可能となる。
【００４０】
実施の形態２
図４（ａ）は、本発明の別の実施の形態のＴ継手の隅肉溶接を行う際の開先形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａ方向から見た正面図である。
【００４１】
４５、４６は板材である。
【００４２】
図４に示すように、本実施の形態の開先形状は、一方の板材４６の開先端部は、１個の凸部５を有し、他方の板材４５の開先端部は、凸部５がはまり合う凹部６を有する。
【００４３】
また、本実施の形態の隅肉溶接方法は、一方の板材４６の開先端部は、凸部５を有するように加工し、他方の板材４５の開先端部は、凸部５がはまり合う凹部６を有するように加工し、凸部５と凹部６とをはめ合わせた後、２個の板材４５、４６を溶接により接合する。
【００４４】
図５は、本実施の形態を実施する隅肉溶接装置の一例の構成を示す図である。
【００４５】
４５、４６は隅肉溶接を行う板材、５１は溶接電源、５２は溶接ロボット、５３は溶接トーチである。
【００４６】
図５に示した装置を用いて、ＳＳ４００から成り、縦１００×横１００ｍｍ、板厚１０ｍｍの板材４５に板材４６の、３回のパスによる両側隅肉溶接を施工した。
【００４７】
表３に、隅肉溶接条件を示す。
【００４８】
【表３】
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本実施の形態の隅肉溶接では、溶接による板材４６の倒れ、および板材４５に対する板材４６の位置の歪みの発生を防止するために、全長１００ｍｍの溶接長さにおいて、溶接長さ２５ｍｍ毎に溶接面を左右交互に替えながら施工した。本実施の形態では、板材４５、４６の開先形状を互いにはまり合う形状とすることで、開先形状に板材４５に対して板材４６を拘束する効果が付加され、溶接による位置の歪みのない良好な溶接部を得ることができた。
【００４９】
なお、図４に示した実施の形態では、凸部５と、それに対応する凹部６は１個ずつ設けたが、２個以上設けてもよい。また、凸部５、凹部６の形状も図４に示したものの他、種々のものを用いることができる。
【００５０】
上記のように、本実施の形態の開先形状およびその隅肉溶接方法では、２個の板材４５、４６の隅肉溶接を行う際、板材４６の凸部５が、板材４５の凹部６にはまり合うので、開先合わせに要する時間が短縮でき、開先合わせ時の位置ずれを防止できる。本実施の形態では、開先合わせ精度が向上するので、突き合わせ溶接を自動溶接法により施工する場合には、自動溶接における品質の安定化を図ることが可能である。また、隅肉溶接では、溶着部の溶接後の収縮に起因して、一方の板部４５に対して他方の板部４６の位置の歪みが発生しやすいが、本実施の形態では、板材４６の凸部５が、板材４５の凹部６にはまり合うので、位置の歪みの発生を抑制できる。さらに、上記のような開先形状とすることで、開先合わせの自動化が可能となり、開先加工、開先合わせ、溶接の自動ラインの構築が可能となる。
【００５１】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、開先合わせに要する時間が短縮でき、開先合わせ時の位置ずれや溶接後の位置の歪みの発生を防止でき、さらに開先合わせの自動化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１のパイプの突き合わせ溶接における開先形状を示す断面正面図、（ｂ）は一部切開斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の突き合わせ溶接における２個の部材（パイプまたは板材）の開先形状の実施の態様を示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１を実施する突き合わせ溶接装置の一例の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施の形態２のＴ継手の隅肉溶接における開先形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａ方向から見た正面図である。
【図５】本発明の実施の形態２を実施する隅肉溶接装置の一例の構成を示す図である。
【図６】（ａ）は従来の突き合わせ溶接を行う板材の開先形状を示す正面図、（ｂ）は従来の突き合わせ溶接を行うパイプの開先形状を示す断面正面図である。
【図７】（ａ）は従来の板厚が異なる２枚の板材の開先合わせの様子を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｂ方向から見た正面図である。
【図８】（ａ）は従来の２本のパイプの開先合わせの様子を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｃ方向から見た側面図である。
【符号の説明】
３、４…パイプ、５…凸部、６…凹部、７…ＴＩＧ溶接トーチ、３１…ＹＡＧレーザ発振器、３２…レーザトーチ、３５…光ファイバ、３６…パイプ回転装置、４５、４６…板材、４５、４６…板材、５１…溶接電源、５２…溶接ロボット、５３…溶接トーチ、
６１、６２…板材、６３、６４…パイプ、７１、７２…板材、７５…定盤、７６…ブロック、８３、８４…パイプ、８５…定盤、８６…Ｖ型ブロック。
【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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