(57)【要約】【課題】材質が異なる部材同士が溶接接合されたその溶接部の補修を行なうに当たり、効率良く、かつ溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などが生じにくい高品質な肉盛溶接を行なう。【解決手段】テンパービード溶接を必要とする第１の部材１とテンパービード溶接を必要としない第２の部材２とを互いに接合した溶接部を補修する溶接部補修方法であって、溶接部の一部を含む部分を削り取って開先部を形成する切削工程と、開先部に多層肉盛溶接を施す肉盛溶接工程と、を有する。肉盛溶接工程は、第１の部材１へのテンパービード多層肉盛溶接工程を含み、当該テンパービード多層肉盛溶接工程による肉盛積層の厚さが、上層部よりも下層部で薄い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テンパービード溶接を必要とする第１の部材とテンパービード溶接を必要としない第２の部材とを互いに接合した溶接部を補修する溶接部補修方法であって、
前記溶接部の一部を含む部分を削り取って開先部を形成する切削工程と、
前記開先部に多層肉盛溶接を施す肉盛溶接工程と、
を有し、
前記肉盛溶接工程は、前記第１の部材へのテンパービード多層肉盛溶接工程を含み、当該テンパービード多層肉盛溶接工程による肉盛積層の厚さが、上層部よりも下層部で薄いこと、を特徴とする溶接部補修方法。
【請求項２】
前記肉盛溶接工程は、前記テンパービード多層肉盛溶接よりも高溶着条件による前記第２の部材への高溶着条件溶接工程をさらに含み、当該肉盛溶接工程は、前記テンパービード多層肉盛溶接工程と高溶着条件溶接工程とを交互に繰り返し行なうこと、を特徴とする請求項１に記載の溶接部補修方法。
【請求項３】
前記肉盛溶接工程は、前記テンパービード溶接工程と、前記高溶着条件溶接工程とを連続して交互に繰り返し、
前記第１の部材へのテンパービード溶接工程による肉盛積層の数が前記第２の部材への高溶着条件溶接工程による肉盛積層の数よりも一つ多いことを特徴とする請求項２に記載の溶接部補修方法。
【請求項４】
前記肉盛溶接工程は、前記テンパービード溶接工程と前記高溶着条件溶接工程とを繰り返した後に、前記第１の部材へのテンパービード溶接と前記第２の部材への高溶着条件溶接とを施した部分の切替部を覆うように高溶着条件溶接による多層肉盛溶接を行なう第２の高溶着条件肉盛溶接工程を有すること、を特徴とする請求項３に記載の溶接部補修方法。
【請求項５】
前記第１の部材は低合金鋼製または炭素鋼製であって、前記第２の部材はステンレス鋼製またはニッケル基合金製であること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の溶接部補修方法。
【請求項６】
前記溶接をレーザ溶接によって行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接部補修方法。
【請求項７】
前記第１の部材は原子炉容器に設けられた管台であり、前記第２の部材は管であって、
水中で行なうこと、を特徴とする請求項６に記載の溶接部補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材質が異なる部材同士が溶接接合されたその溶接部のき裂補修や予防保全のための溶接部補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば原子炉容器の出入口管台に対する、予防保全、およびき裂除去加工後の肉盛溶接に関して、レーザ溶接により複数の溶接条件を用いて肉盛溶接を行なう際、少なくとも一つの条件をテンパービード溶接とする溶接施工方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
たとえば、低合金鋼からなる原子炉容器の管台溶接部では、経年化したプラントにおいて応力腐食割れが原因で管台溶接部のき裂や欠陥などが生じた場合、低合金鋼のクラッド材、および母材である低合金鋼を含めた部分を機械加工により削り取り、その後肉盛溶接により元の耐食性に改善する補修作業が行なわれる。また、事前に管台溶接部でのき裂や欠陥の発生を抑制するための予防保全として、耐食性改善の前記の補修作業と類似の方法で行なう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１１２７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、除去したクラッド材の厚さが薄い場合、あるいはクラッド材に近接した低合金鋼まで機械加工で削り取った場合、補修溶接時の熱影響によって低合金鋼が焼入れ硬化し、硬化部分の靭性が劣化し、水素脆化などによる低温割れの恐れがある。
【０００６】
一般に、原子炉容器のような構造物の溶接時の硬化による靭性劣化を改善するには、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を実施するが、ＰＷＨＴを補修する実機に適用することは、コスト面から非常に困難である。ＰＷＨＴを用いることなく、溶接による硬化部の靭性を回復する方法としてテンパービード工法が用いられている。
【０００７】
しかし、従来のＴＩＧ溶接に代表されるようなアーク溶接によるテンパービード工法では、溶接エネルギーをより局所的に絞るには限界があることから、レーザ溶接のような高エネルギー密度の溶接方法に比較して、溶接速度をはじめとした施工効率の向上には限界がある。また、ＴＩＧ溶接では電極管理交換などに手間がかかるという問題や、アース位置によって溶接品質が変動しやすいという問題もある。
【０００８】
さらにＴＩＧ溶接をはじめとしたアーク溶接では、溶接エネルギーをより局所的に付与することができるレーザ溶接のような溶接方法に比べて、溶接入熱が大きくなることが多く、レーザ溶接のような溶接方法に比べて、低合金鋼の残存クラッド厚が薄い場合でもテンパービード工法が必要となる。
【０００９】
一般的にテンパービード工法は、広い焼戻し軟化層を用いて、前層までの溶接で生じた硬化層を焼戻し軟化するため、大入熱かつ溶着効率の低い条件で溶接施工するため、施工効率は低い。そのため、補修対象とする開先寸法が大きい場合、施工時間に長時間を要するという問題がある。
【００１０】
施工時間の短縮のためには、開先部の溶接において、焼戻し軟化が必要な低合金鋼に近接する部分に限って溶着効率の低いテンパービード溶接を行ない、それ以外の部分は溶着効率が高い条件で施工する方法が考えられる。
【００１１】
しかしながら、同じ開先内で複数の溶接条件を用いた施工時、溶接条件の変化点で適切な積層を行なわない場合、溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などの溶接不良が起きる。
【００１２】
本発明の目的は、材質が異なる部材同士が溶接接合されたその溶接部の補修を行なうに当たり、効率良く、かつ溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などが生じにくい高品質な肉盛溶接を行なうことができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る溶接部補修方法は、テンパービード溶接を必要とする第１の部材とテンパービード溶接を必要としない第２の部材とを互いに接合した溶接部を補修する溶接部補修方法であって、前記溶接部の一部を含む部分を削り取って開先部を形成する切削工程と、前記開先部に多層肉盛溶接を施す肉盛溶接工程と、を有し、前記肉盛溶接工程は、前記第１の部材へのテンパービード多層肉盛溶接工程を含み、当該テンパービード多層肉盛溶接工程による肉盛積層の厚さが、上層部よりも下層部で薄いこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、材質が異なる部材同士が溶接接合されたその溶接部の補修を行なうに当たり、効率良く、かつ溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などが生じにくい高品質な肉盛溶接を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接部の構成を示す模式的断面図である。
【図２】本発明に係る溶接部補修方法の実施形態を適用可能な加圧水型原子炉の原子炉容器を示す概略縦断面図である。
【図３】本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接施工前の開先部の構成を示す模式的断面図である。
【図４】本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接部の溶接条件区分を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る溶接部補修方法の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接部の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明に係る溶接部補修方法の実施形態を適用可能な加圧水型原子炉の原子炉容器を示す概略縦断面図である。図３は、本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接施工前の開先部の構成を示す模式的断面図である。図４は、本発明に係る溶接部補修方法の実施形態による肉盛溶接部の溶接条件区分を示す模式的断面図である。
【００１７】
図２に示すように、加圧水型原子炉の原子炉容器５０の側面には、入口管台５１および出口管台５２が設けられている。また、原子炉容器５０の頂部には制御棒駆動機構５３が配置され、原子炉容器５０の底部には計装管５４が取り付けられている。入口管台５１および出口管台５２の構造は共通であるから、図１、図３および図４ではこれらを合わせて管台（第１の部材）１として表示している。管台１の先端には、冷却水配管のセーフエンド（第２の部材）２が突き合わせ溶接によって接合されている。ただし、図２ではセーフエンド２の図示が省略されている。
【００１８】
管台１を含む原子炉容器５０の主要部は低合金鋼からなり、その内面はステンレス鋼製のクラッド層４に覆われている。また、セーフエンド２はステンレス鋼製である。管台１とセーフエンド２は、溶接金属３によって溶接され、溶接金属３と管台１の間にバタリング層３０が形成されている。溶接金属３は、たとえば、ＪＩＳ６００系ニッケル基合金である。これは、クロムを約１５％含有し、ニッケル、クロム、鉄を主成分とする耐熱性、耐食性に優れた合金である。
【００１９】
管台１とセーフエンド２の溶接部で溶接金属３として使われるＪＩＳ６００系合金は、応力腐食割れの発生が懸念される材料であり、耐食性改善のためにはＪＩＳ６００系合金の表面にＪＩＳ６９０系合金を肉盛溶接することで、応力腐食割れを抑制することができる。ここで、ＪＩＳ６９０系合金は、クロムを約３０％含有し、ニッケル、クロム、鉄を主成分とし、ＪＩＳ６００系合金よりも耐食性に優れた合金である。
【００２０】
あるいは、ＪＩＳ６００系合金の溶接部に割れが発生した場合に、割れを除去して機械加工で開先部を形成し、この開先部をＪＩＳ６９０系合金で肉盛積層することで、補修施工をすることもできる。
【００２１】
たとえば、既存の溶接部３に割れなどの欠陥部が発生した場合などに、はじめに、機械加工により欠陥部を除去して、図３に示す開先部５を形成する。つぎに、図１に示すように多層肉盛溶接を行なう。
【００２２】
ここで補修の対象となる溶接部は、たとえば、加圧水型原子炉の原子炉容器の冷却水出入口管台の場合、厚さ７０ｍｍ程度の板であって、厚さ５ｍｍ程度のステンレス鋼製クラッド層４が設けられている。この場合、開先部５の深さはたとえば４０ｍｍ以下である。
【００２３】
この実施形態における肉盛溶接はレーザ溶接で行なうものとする。
【００２４】
開先部５の開先面と船底面とのなす角は４５度以下であることが望ましい。レーザ光は、溶接施工面に対して法線方向から入射した場合にもっとも効率よくエネルギーが施工部に投入され、法線方向から傾くに従い効率が下がる。一方、実際の施工を考慮すると、レーザ光の入射角は施工対象部に応じて変化するため、より広い入射角範囲で健全な溶接施工ができることが望ましい。溶接品質が健全であることの証拠として、入射角４５度の場合のテンパービード溶接において、低合金鋼の熱影響部の硬さが３５０Ｈｖ以下であることを確認している。
【００２５】
なお、溶接進行方向は開先面および船底面と平行である。
【００２６】
ＪＩＳ６９０系合金を肉盛溶接する部分が低合金鋼から成る管台１に近接しているときには、低合金鋼の近接部分でテンパービード工法を用いる必要がある。テンパービード工法とは、前層までの溶接で生じた硬化層を、次層以降の溶接で焼戻し軟化しながら積層を繰り返し、元の母材と同等以上に靭性を改善する工法である。
【００２７】
テンパービード工法は、広い焼戻し軟化層を重ね合わせながら肉盛積層を重ねる原理上、入熱量が大きく、余盛り高さが低い溶接条件となることが多く、一般的に溶着効率は高くない。したがって、開先部全体をテンパービード溶接の条件で肉盛溶接した場合、溶接施工に非常に多くの時間を要する。そのため、テンパービード溶接が不要な部分に関しては、溶着効率が高い条件で肉盛溶接することが望ましい。
【００２８】
しかしながら、同じ開先内で複数の溶接条件で溶接施工する場合、溶接条件が切り替わる部分では、溶接パス間のビード高さが大きく変化したときに、溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などが生じる恐れがある。このような問題を解決するには、溶接条件が切り替わる部分で、できるだけ溶接パス間の段差を小さくすることが効果的である。
【００２９】
この実施形態の溶接部補修方法における多層肉盛溶接の手順を、図１を参照して説明する。はじめに、開先部５の底部の管台１側にテンパービード肉盛溶接を行なって、テンパービード初層１１を形成する。つぎに、開先部５の底部のセーフエンド２側に、高溶着条件で肉盛溶接を行なって高溶着条件初層１２を形成する。高溶着条件での肉盛溶接は、テンパービード肉盛溶接よりも溶着効率が高いものとする。テンパービード初層１１と高溶着条件初層１２の間は、間隙なく接続されているものとする。つぎに、テンパービード初層１１の上にテンパービード第２層１３を形成する。さらにそのつぎに、高溶着条件初層１２の上に高溶着条件第２層１４を形成する。
【００３０】
上述の工程と同様にして、テンパービード肉盛溶接と高溶着条件肉盛溶接とを交互に行なう。これにより、テンパービード初層１１の上に、テンパービード第２層１３、テンパービード第３層１５、テンパービード第４層１７、テンパービード第５層１９、テンパービード第６層２１を順次形成する。同様に、高溶着条件初層１２の上に、高溶着条件第２層１４、高溶着条件第３層１６、高溶着条件第４層１８、高溶着条件第５層２０を順次形成する。
【００３１】
その後、テンパービード第６層２１および高溶着条件第５層２０の上に、高溶着条件による多層肉盛溶接層である第２の高溶着条件層３１を形成する。
【００３２】
このように、管台１に近接した部分では、初層１１〜第６層２１までのテンパービード溶接を行なう。一方、テンパービード溶接が不要なセーフエンド側では、溶着効率が高い高溶着条件で初層１２から第５層２０まで積層することで、施工効率が改善できる。
【００３３】
また、テンパービード溶接条件は、初層１１および第２層１３と、第３層１５〜第６層２１では、異なる溶接条件を用いている。具体例として、初層１１および第２層１３では、入熱量２．３〜２．７ｋＪ／ｃｍ、溶接速度５５〜６５ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ供給速度１１０〜１２０ｃｍ／ｍｉｎとし、第３層１５〜第６層２１では、入熱量１１．３〜１３．８ｋＪ／ｃｍ、溶接速度１３〜１６ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ供給速度３３〜３７ｃｍ／ｍｉｎとする。２種類の溶接条件を組み合わせて肉盛積層を行なうことにより、低合金鋼の靭性が改善できる。
【００３４】
テンパービード溶接条件では、初層１１および第２層１３の条件は、硬化層をできるだけ小さくするために入熱量を低くする。一方、第３層１５〜第６層２１は広い焼戻し軟化層を得るために入熱量を大きくする。溶着量に関しては、たとえば、初層１１および第２層１３では１３．１〜１７．０ｇ／ｓとし、第３層１５〜第６層２１では１６．０〜２２・１ｇ／ｓであり、溶接後の余盛高さにも違いがある。
【００３５】
一方、テンパービード溶接が不要な部分の肉盛積層については、高溶着条件で積層する。たとえば、入熱量が２．７〜５．４ｋＪ／ｃｍ、溶接速度が３０〜７０ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ供給速度が１００〜１７０ｃｍ／ｍｉｎの範囲で、融合不良や割れなどが生じず、健全な溶接が可能である。高溶着条件では、溶着量が１２．２〜２２．１１ｇ／ｓである。
【００３６】
テンパービード溶接条件、高溶着条件ともに、レーザは、たとえば、ＹＡＧまたはファイバレーザとし、レーザのスポット径は４．５〜６、５ｍｍ、シールドガスはアルゴンとする。
【００３７】
一般的に、実機での溶接施工では、溶接条件の中央条件で溶接施工を行なう。このときの各溶接条件の溶着量は、テンパー溶接条件の初層〜第２層条件：１４．９ｇ／ｓ、第３層〜第６層条件：１８．８ｇ／ｓ、高溶着条件：２２．６ｇ／ｓである。
【００３８】
一方、標準条件での多パス施工時の余盛り高さは、テンパー溶接条件の初層〜第２層条件：０．６ｍｍ、第３層〜第６層条件：０．８ｍｍ、高溶着条件：０．９ｍｍである。
【００３９】
以上説明したように、補修対象となる開先に対しては、区分ごとに溶接条件を切り替えることにより効率良く溶接できる。すなわち、図１および図４に示すように、開先部に肉盛溶接部６を形成するに当たって、開先部の管台１側の最下部にテンパービードの下盛溶接層７を形成し、その上にテンパービードの上盛溶接層８を形成する。一方、開先部のセーフエンド２側に高溶着条件層９を形成する。そしてその後、テンパービードの上盛溶接層８と高溶着条件層９の境界部（切替部）を覆うように第２の高溶着条件層３１を形成する。
【００４０】
しかしながら、溶接条件毎に余盛り高さが異なるために、たとえば、テンパービード溶接での積層を全て終えた後に高溶着条件での積層を行なうと、テンパービード溶接の積層と高溶着条件の積層の切り替え部分で大きな段差があるため、溶接施工が困難であると同時に、溶接欠陥が出やすくなってしまう。
【００４１】
これを改善するには、溶接条件切り替え時に生じる溶接パス間の段差ができるだけ少なくなりように、テンパービード溶接条件、高溶着条件を切り替えて使用することが効果的である。
【００４２】
テンパービード溶接条件と高溶着条件を切り替えながら施工するとき、施工中に生じる段差が最も少なくなる積層順序について、図１を用いてさらに具体的に説明する。
【００４３】
まず初めに、テンパービード溶接が必要である管台１側に対してテンパービード溶接の初層条件でテンパービード初層１１を積層する。このテンパービード初層１１の余盛高さは約０．６ｍｍである。続いて、テンパービード溶接が不要であるセーフエンド２側に対して、高溶着条件で高溶着条件初層１２を積層する。この高溶着条件初層１２の余盛高さは約０．９ｍｍである。このとき、テンパービード溶接条件と、高溶着条件の施工部分では、約０．３ｍｍの段差がある。仮に、初層積層の途中で溶接条件を切り替えず、管台側のテンパービード溶接条件の積層、あるいはセーフエンド側のクラッド溶接条件での積層のみを第２層以降も続けた場合、条件を切り替える部分での段差が大きくなってしまう。
【００４４】
前述のように初層溶接を行なったのち、管台１側に対してテンパービード溶接条件の第２層１３の積層（余盛高さ０．６ｍｍ）を行なう。このとき、管台１側の余盛り高さは合計１．２ｍｍとなり、セーフエンド２側の高溶着条件側のとの段差は０．３ｍｍである。仮に、第２層の積層で、セーフエンド２側に対する高溶着条件（余盛り高さ０．９ｍｍ）を先に行なったとすると、第２層で生じる条件切り替え部の段差は１．２ｍｍとなり、溶接不良が生じる恐れがある。
【００４５】
以降の積層に関しても、できるだけ条件切り替え部分で生じる段差が少なくなるように肉盛積層を行なう。前述したテンパービード溶接条件と高溶着条件で開先を埋めるにあたり、溶接条件の切り替え部分での段差は、肉盛溶接層１１、１２、１３、・・・、２１の順で積層した場合が最も小さくなり、溶接欠陥は発生しない。
【００４６】
なお、肉盛溶接層１１、１２、１３、・・・、２１を形成した後は、すべて高溶着条件のみで第２の高溶着条件層３１を形成する。このときは、溶接条件の切り替えがなく、溶接パス間の段差は生じない。
【００４７】
このような積層方法で積層を行なうことで、溶接条件の切り替え部分において、溶け込み不足やアンダーカット、融合不良などが生じない高品質なレーザ肉盛溶接ができる。
【００４８】
このような開先に対する溶接施工は、現在、補修溶接が必要とされる開先深さは最大で約４０ｍｍ程度であるが原理的には開先深さが無限であっても可能である。
【００４９】
また開先形状に関しては、肉盛補修溶接を行なう開先形状が、開先面と船底面のなす角が４５°以下、かつ溶接進行方向が開先面と船底面と平行であれば、低合金鋼の靭性が改善され、テンパービード溶接が可能である。
【００５０】
以上本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１    管台（第１の部材）
２    セーフエンド（第２の部材）
３    溶接金属
４    クラッド層
５    開先部
６    肉盛溶接部
７    テンパービードの下盛溶接層
８    テンパービードの上盛溶接層
９    高溶着条件層
１１〜２１    溶接層
３０    バタリング層
３１    第２の高溶着条件層
５０    原子炉容器
５１    入口管台
５２    出口管台
５３    制御棒駆動機構
５４    計装管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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