アーク溶接の施工法選択
石川島播磨重工業（株）

菊島信

1．はじめに溶接データシステム研究委員会では，昭和51年に旧東ドイッの中央溶接研究所からいくつかの溶接関連のプログラムを導入し，それらに技術的な検討を加えると共に，我が国のコンピュータ上に移植した．

それらのプログラムの一つに溶接方法と開先形状を選択するプログラム（T−23）が含まれており，我が国の材料規格などに適合するように検討，修正を加えた．

ここでは，施工法の選択の中でも特に重要な溶接法の選択を取り上げ，溶接法の選択問題の特徴，溶接法を選択するための知識の表現方法，プログラムT−23の概略，溶接法の適用性を評価，比較するプログラムの例などについて述べる．

2。溶接法の選択問題
図1は溶接施工の流れの一例を示したものである（1〉．同図にあるように，溶接施工に関する工程は，材料や溶接機材の準備，切断や曲げ加工などの前処理，組立および仮付け，溶接，溶接前後の熱処理，矯正，試験・検査などの多くの工程がある．これらの工程はそれぞれ単独にあるのではなく，それぞれ密接な関連がある．
また，溶接施工の計画にあたっては溶接品質の確保に対する十分な配慮が必要である．

すなわち，図1に示すような溶接施工の各工程で品質に関連する要因を洗いだし，それらの要因のチェックを確実に行なうことが大切である．溶接品質にかかわる要因の例を示したものが図2である（1）．

溶接法は，前後工程との関連から，溶接施工計画の中でもとりわけ重要な位置を占めるものであり．その選定は慎重に行なう必要がある．また，図2にもあるように，溶接品質を確保するための重要な要因となっている．

溶接法の選択には二つのケースが考えられが，いずれの場合も，対象とする構造物に現われる継手に最も適したものを選択することになる．一つは，材料や継手の形式などに大きな変更がなく，既に十分な実績のある溶接法の中から最適なものを選択するケースである．これは，例えば，溶接工場の工作技術担当部門の専門家のルーチンワーク的な業務として処理されるであろう．

一方，設計が大幅に変更されたり，溶接施工時の作業環境が従来経験したことのないようなものであったり，ほとんど経験のない新しい溶接法を採用するケースなどがある．
これらの場合には，溶接品質や作業性，安全性など，広範囲の事項について十分な検討を行なうことにより溶接法を選択しなければならない．表1はこのような場合に検討が必要な検討項目の一部を示したものである（2〉．このケースでは，工作技術担当部門の専門家だけではなく，設計，品質管理，研究開発などの関連部門が協力して作業を行な一25一

うことも必要となる．

後者の具体的な例として，溶接施工時に継手部の清浄度などが十分に確保できないという条件の下で実験により溶接法の選択を検討した事例を紹介する，

表2および表3は，溶接法の選択に先だって適用が可能と考えられた溶接法と，それらの適用の可否を判定するために検討すべき項目を示したものである．実際の検討作業は実験により行われた．その結果の一部を表4に示す．表4は，開先内に赤錆が存在する場合，アークの安定性などが確保できるか否かを溶接姿勢毎に確認したものである．

3．溶接法の選択に関する知識の表現方法
上述したように，「溶接法の選択」という問題には二つの側面が考えられる．まず，「実績のある溶接法の中から最適なものを選択する」という問題を解決するために収集，整理しなければならない知識とその表現方法について考えてみる．

「実績のある溶接法の中から最適なものを選択する」という問題の場合，溶接工場には何らかの基準があり，その基準に基づいて溶接法が選択されるはずである．この基準は必ずしも文書化されているものではなく，いわゆるベテランと呼ばれる専門の技術者の経験的知識として，彼らの頭脳の中に存在している場合もあるであろう．また，この基準の背景には個々の技術的な検討事項が存在しているが，第三者からはそれらは見えない．すなわち，「実績のある溶接法の中から最適なものを選択する」という問題の場
合は，いわゆる浅い知識としての選択基準に基づいて溶接法が選択される．
プログラムT−23（3）はこのような選択基準が採用されている例である．このプログラ

ムでは，材料，板厚，溶接長，溶接姿勢など，9つの検討項目に対して，溶接法の選択の可否をそれぞれ0，1に対応させるマトリックスが用意されている．表5は溶接姿勢に対するマトリックスである．
例えば，溶接長に関するマトリックスの内容をIF．．．THEN．．．形式のルールに置き換えてみると次のようになる．

IF

溶接長が0．3m未満であればTHEN

SAWは採用できない

上のルールにはこのルールの元になっている技術的，経済的な根拠は記述されていない．すなわち，このルールは専門家の経験的な浅い知識を表現したものと言うことができる．

次に，設計が大幅に変更されたり，溶接施工時の作業環境が従来経験したことのないようなものであったり，ほとんど経験のない新しい溶接法を採用する場合に利用される知識について考えてみる．

実際に溶接法を選択するときには，要求品質や施工時の作業環境などを考慮して，表3に示したような具体的な検討項目を列挙し，それぞれの項目について各溶接法が適用可能か否かを検討することになる．

また，溶接法には様々な工夫がなされ，したがって，その特徴や適用性などに関する知識が常に変化することも考慮する必要がある．すなわち，知識ベースのメンテナンス
一26一

に対する配慮も必要となる．フレームは，オブジェクト指向におけるオブジェクトの一種でもあり，クラス，インヘリタンスなどの概念を利用することにより知識ベースの動的な変化に対応することが容易である．図3は一般の炭酸ガスァーク溶接法の特徴（4）の一部を，LISPによるフレームシステムでよく用いられる形式で表現したものである．

言うまでもなく，溶接法の特徴などは言葉（自然言語）により記述される．したがって，各種の溶接法の特徴からそれらの適用性を比較するプログラムを開発する場合には，自然言語による記述を数量化する方法を検討する必要がある．後述するプログラムでは，自然言語の記述に対応してそれぞれ評価点を与える方法を採用した．

4．溶接法選択のプログラム例
4．1

プログラムT−23

プログラムT−23は，旧東ドイッ中央溶接研究所（ZIS）において開発され，昭和51年にWDS委員会において導入し，昭和53年7月まで技術的な検討を加えたもので，溶接法と開先形状を選択するプログラムである．

このプログラムは，プロダクションシステムなどにおける，いわゆる推論機構を持ってはいないが，専門家の知識を知識ベースとして備えている点でエキスパートシステムとは呼んで差しつかえない．また，専門家の知識をマクロに捉え，それらをマトリックス形式で表現した結果，プログラムが極めて簡単になっている．

オリジナルのプログラムはFORTRANで記述されており，表6は溶接法を選択するための検討項目を示している．この表を利用してインプットデータを作成し，データを入力すると，選択可能な溶接法を出力する．表6には処理結果の例も示した．入力データに対応するマトリックスの行の値を足し合わせ，最終的に0となっているところが選択可能な溶接法である，表5の例ではエレクトロガス溶接が選択されている．
開先形状の選択も同様の方法で行われる．

また，T−23には，プログラムとは別に溶接法と開先形状の組み合わせが可能な板厚の範囲が示されているマトリックスが用意されており，コンピュータによる処理結果に矛眉がないか検討することができる．
4．2

溶接法の適用性を評価するプログラム

設計が大幅に変更されたり，溶接施工時の作業環境が従来経験したことのないようなものであったり，ほとんど経験のない新しい溶接法を採用するケースなどでは，各溶接法の特徴や適用性そのものを検討する必要があることはすでに述べた．ここでは，溶接法の適用性を直接知識として扱う方法を検討するために作成した簡単なプログラムを紹介する．

専門家は，溶接法の適用に当たって検討すべき項目をテンプレートとして持っており，また，各溶接法の特徴や適用性に関する知識を持っている（または，それらの情報がどこにあるかを知っている）．そして，それらを利用して溶接法を選択する．すなわち，専門家は，与えられた条件に対して検討すべき項目をテンプレートの中から選び出し，それらの項目の値（溶接法の属性）を比較することにより最も適したものを選び出す．
一27一

ここで述べるプログラムでは，溶接法の適用性の中から溶接品質に関する項目を評価項目として選び，自然言語で記述されている評価を0．0からLOの数値（評価点，Pi〉に置き換えて扱っている．図5はプログラムで扱っているフレームの一つで，図4に示したフレームのスロット値を数値で置き換えたものである．

また，ここでは品質管理の状態により各評価項目に重みを付けるため，溶接不良とその要因を整理した表6（1）を用いることにした．図5の評価項目に対応する不良要因を表6から選び，○をLO，△を0．5として，不良要因の管理状況が評価項目に与える影響度（旦）とした．図6は影響度を格納しているフレームの一つを示したものである。
溶接品質の評価項目の採点は，各不良要因の管理状況をユーザーへ問い合わせることにより，影響度に対する重み（Wi）を決定し， （1）式により計算することにした。な
お，Wiの値は，管理状況が良好ならば1．0，どちらとも言えないならば0．5，不良ならば0．0とした．

評価点＝

Σ（W．・E・p）＋Σp（1）ユユユすただし，P」は不良要因の管理状況を考慮していない評価項目の評価点である．

図6はプログラムの動作状況を示したものである。不良要因の管理状況を適当に与えて評価した結果，パルスミグ溶接法（PULSE−MIG）の評価点が最も高くなっている．
不良要因の管理状況を種々変えて計算を行ったが，この傾向は変わらなかった．これは，ここで用いた評価方法が，元の評価点の差がさらに拡がるようになっており，パルスミグ溶接法が他の溶接法に比べて元の評価点が高いことの影響が強く現われることによると考えられる．

5．まとめ
溶接法の選択問題には二つの側面があることと，それらの側面に対応する知識の表現方法の例について述べ，専門家の知識を利用する簡単なプログラムを紹介した．

実際の溶接法の選択では与えられる条件が従来の経験の範囲を越えることが多く，いわゆる経験的な知識の利用に加えて，実験を行うことにより確認することが求められる．

したがって，プログラムT−23や溶接法の適用性を評価するプログラムは，溶接法の選択に当たって一つの目安を与えるものと考えるべきである．

参考文献（1）溶接学会編：溶接・接合便覧，平成2年9月（2）日本溶接協会 船舶・鉄構海洋構造物部会 溶接施工委員会編：溶接施工つ＆A ，

平成3年5月（3）日本溶接協会

溶接データシステム研究委員会編：計算プログラムNo．T−23溶

接方法と開先形状の選択プログラム，昭和53年7月（4）溶接学会編＝溶接便覧（改訂第3版），昭和52年3月
一28一

材料

開先加工

曲げ加工

切断

組立て

合格
仮付け

溶接

予熱

直後熱

溶接後熱処理

矯正

製品

不合格
補修
溶材

図1

溶接施工の流れ

溶接設備

溶接作業者
資格

鋼材

溶接材料

溶接機の整備
溶接材料
乾燥装置

化学成分

化学成分
（Ccq，Pcm）

（作業性）

電源容量

性格

作業場
及び足場技量訓練経歴

作業条件

材料検査

機械的機械的性質

性質

シールドガス供給装置など

健康状態

乾燥条件
限界熱入量

防風装置
加熱装

対象溶接部への置

教育及び訓練

回転治具

吸湿性能

熱処理
梱包方法

特性

溶接品質の保証

溶接姿勢

予熱等の確認

磁粉探傷

卦験
耐圧試験

予熱，後熱
パス間温度設定

開先形状の設定

安全作業の認

溶接材料の確認
溶接層数り以疋
溶接条件の設定

浸透探傷試験

作業条仲のきコ
面し㌧

1襲細
一陣認

外観試験

入熱量の選定温度・湿度

溶接法の選定風油の蔽施工［亜図2

超音波探傷試験

認
試験検査

溶接品質の特性要因図
一29一

放射線透過試験

表1
区分

被溶接材

溶接法の選択における検討事項

調査，検討事項

検討内容

溶接への影響板厚，継手形式，脚長

溶着量
アークタイム率，工事量
反転性，被溶接材ハンドリング
剛性，姿勢，継手位置
溶接分布，溶接線ピッチ
干渉部材，スロット形状
拘束状態
閉鎖性，狭駐性入熱量，歪量，溶接時間，耐割れ性
工程，溶接時問
溶接能率
作業性，機動性，能率
溶接可否，歪
溶接可否
耐割れ性，歪溶接可否，安全衛生，機動性
耐割れ性，継ぎ手援械的性質

溶接量（溶接長，本数〉
寸法，重量

被溶接材構造組成，組織，規格，仕様
塗装，コーティング，錆，酸化膜

材質
母材表面

スパッター付着，耐ピット性，

アーク指向性
溶接材料

溶接施工

溶接材料性能溶接材料コスト
送給性
高能率性
供給性

溶着金属性能，入熱制限
アークカ，湯流れ性，溶融池保持力
酸性／塩基性，スラグ融点
価格，消費量，溶着効率，副資材
ねじれ，径，表面処理，送給抵抗
溶着速度，適正電流域
納期，品質安定性，品質信頼性

継手性能，能率
溶接欠陥，ビード形状，姿勢作業性
耐ピット性，姿勢作業性
材料費
作業性，溶接欠陥
溶接能率
材料費，工程管理

溶接条件

電流，電圧，速度

電極位置，オシレート

電極傾斜角，狙い位置，オシレート

積層法

パス数，層数，パス順序

溶接順序

拘束，歪，水密性，仕上げ性考慮
予熱手順との関係
被溶接材，溶接材料，溶接施工
自主検査法及び量，検査機器

溶接能率，耐割れ性，溶接欠陥
溶接入熱，継手機械的性能
ビード形状の安定性，機器の適合性
耐割れ性，溶接欠陥，溶込み安定
ビード形状の安定性，機器の適合性
溶接能率，耐割れ性，溶接欠陥，歪溶接入熱，継手機械的性能
ビード形状の安定性，機器の適合性
耐水密性，耐ラメラーティアー性
継手機械的性能，溶接品質
溶接品質

条件

継手性能
自主検査方式

表2

実験の対象とする溶接法

溶接法

シールドガス

パルスMAG

Ar−20％CO2

溶MAG

Ar−20％CO2

フイラーワイヤ

ソリツド

Loφ

ソリツド

Loφ

フラツクスコアード12φ
ストランド

極

ソリツド

CO2

CO2

フラックスコアード12φ

式

ストランド
ソリツド

M【GL6φ
Loφ

Ar

L6φ

1・0φ

ストランドL⑳
フラックスコアード1・7φ

ノンガスシールド『舘

非DC・TIGAr．5％H2

溶 極Hc
プラズマノン
キーホール式

AC・nG

Ar，A【一5％He舟A【一5％H2Ilc

一30一ソリツド

L2φ順位表3

実験による溶接法選択のための評価項目

評価項目

概要

全姿勢溶接の難易○全姿勢溶接の可否をみる．
連続全姿勢
上進・上進振り分け下進・下進振り分け

T，P．：グラインダ加 工

10なお，MAG，CO2に関して可能であることの確認を行う．

○条件は，45度上向き姿勢の上進，下進，それぞれ幾通りか検討して評価する．

2○酸化皮膜（赤錆）がチップと電極の酎久性にどの程度影響するかをみる．また，ブラッシングの効

溶極式溶接におけるチップと非溶極式溶接における電極の耐久性
丁．p．：（1）ブラッシングで赤錆除去果をみる．

（2）赤錆のまま0繰り返しのアークスタート性も一部みる，耐付着物（赤錆）（1）スパッタ（2）ヒューム

Oはじめに赤錆を除去して溶接し，（1）〜（6）項評価を行う。良好な結果が得られたならば，赤錆のまま溶接し，同様の評価を行う．なお，必要ならば，グラインダによる除去方法も検討する．

（3）耐プローホール

O本テストでは，姿勢による影響はないと思われる（4）アークスタート性

ので，基本的な下向きで行う．

（5）アークの安定性

3○溶接は1パスとする．

（6）ビードの馴染み性○ギャップの中に埋まっているスラグが溶接に及ぼ

酎付着物（スラグ）す影響をみる．

（1）スパッタ（2〉ヒューム（3）耐ブローホール○溶接は下向き姿勢，45度上向き上進で行う．

（4〉ビード外観

溶接部の状況（ギャップと目違い〉○幅3mm以下のギャップと4mm以下の目違いを対象（1）溶力嚇奉とフィラーワイヤの挿入性

4（2）ビード外観に試験し，許容範囲の目安を得る．

○溶接は1パスまたは2パスで行い，その使い分けも検討する．

○溶接姿勢は最も困難と思われる45度上向き上下進で行う．

表4

ビ1ド外観

ビ1ドの馴み下進

ア1クの安定性

ビ1ド外観

ビ1ドの馴みAC・τiG上進

ア1クの安定性

プラズマ

ヤ

ビ1ド外観

非溶極式

DC・TIGス

ビ1ドの馴みノンガスーワ イガ

ア1クの安定性MAG

ラ

ブロ1ホ1ル

溶極式

パルスMAG

目

ヒユiム式

ド項

︷ツタスノ方溶接方法

価

フイ一ル

45度上向き姿勢

下向き姿勢

評
シ

溶接における赤錆の影響○ ○ O
0 ○ O O O ○Ar−20％CO2○ ○ O 0 0 ○ O O O ○ O ○フラックスコアード
0 O O OAr
○ ○ O 0 O O ○ ○ ○ ○ ○ 0
ソリツド12φ
O 0 ○ O ○ソリッドL2Hc○
ソリツド12φO O O ○ O ○○○ノリツド12φO O
O
ALAr5％Hc
Ar
ソリツド12φ
0 O○○ ○ ○ ○ ○ ○ O ○ O
ソリツドL2φO ○ X ○ ○ ○ソリツド12φ○ O O ○ ○ ○O
Ar−20％C（）2

ソリッドLO
ソリツドL2φ○×××

Ar−5％li2

×

Ar−5％1五2llc

O：実用可

一31一××一一｝

一一×一一一一｝

×一

一一一一一｝

一一『×一一一一一×

一

一

一一一×：実用不可

表5

プログラムT−23の溶接法選択マトリックスの例

溶接姿勢

GSMA TIG CO2 MIG CO2 MIG SAWESEGNG

下き00000000110

水平すみ肉00000000110上進O00000O1000下進10000001110

向マトリックスの行

横向

き0000OO00110

上向き0O00OO0111O

固定管円周

0O000001110シーム

表6プログラム丁一23のインプットデータと処理結果の例
小部材○

構造物の種類

板材O

容器円周シーム○

梁○

材料

容器縦シーム○SM41B

00000000000

板厚（mm）

1210000000100

溶接長（mm、43QO

10000000000
上向き

横向き

下進

上進

下向き

溶接姿勢

水すみ
平肉

定円シ

置

1

管周ム

00000001000

・1

溶接長（m／年）

→

O

ビ・／

溶接金属量（kg／年）

積層の種類

適用可能な溶接法↓↓

溶接線のパターン

11100000101

13100

00000000000

111U110001

14000

多層溶接O

フイラーパス○

ルートパス○

仕上げ層パス○エレクトロガス溶接

一32一00000000000
42211111202

（一般炭酸ガスァーク溶接（ビード形状（value（凸ビード（溶着金属性能（value（X線（ひずみ（value （良好）〉〉（valuc （最も少ない〉））（アーク安定性（スラグ剥離性（一般炭酸ガスアーク溶（ビード形状（value（溶着金属性能（value（value（X線（ひずみ（value（アーク安定性（value

溶け込み形状は良好）（良好）））（v枷e （良好）〉）（value （あまり取りやすくない）））（スパッタ（value （やや多い）〉〉（アンダカット （value （やや出やすい）））（気孔（value （風に敏感））））

図3

表7

溶接棒

溶接員
教
育管
理

料の保管との開先寸法

管理の，不良事項

清浄アンダカットO 0○△

ビード不整△○○○

品質生産上（スラグ剥離性（スパッタ（アンダカット（気孔（咽ue（O。5））））フレームのスロット値を数量化した例

溶接不良と要因の関係
材不良の要因（1．0）））（LO〉））（LO）））（value （0．25）））（value （0，5〉〉）（vaiue （0．5））〉

図4溶接の適用性に関するフレームの例（0．5）））（LO）〉）

組合せ精度

溶
接条件

O ○0 O

溶
接作業
基準△
△

0

スラグ残留OO O O O

スパッタ付着○△スラグ巻込み

○

○

溶込み不良

○△

ひずみ寸法不良○（value（LO）））（ビード不整（スパッタ付着（ブローホール（value（vaiue（valuc（Lo）〉〉（LO）〉）（LO）））

kスラグ巻込み／value（LO）））（溶込み不良（value（0．5）））〉○△0 O

0 ○0 0○△○○（溶接作業基準の管理（アンダカット （value （0．5）））（ビード不整（valuc （0．5）））（ブローホール（v田ue （0．5）））（スラグ巻込み （value （0，5）））（溶込み不良（value （0．5）））（ひずみ寸法不良（value （LO））））（フイラーワイヤの管理（アンダカット○︵∪

ブローホール△（b）溶接作業基準（a）フィラワイヤ
図5

影響度のフレームの例

一33一

NO

KOMOKU

KARA

NO

KANRI

WA

（TSUG工1 SH工TAMUKI
2 SUIHE I−SUMIN工KU
3 YOKOMUKI
4 TATEMUK工一JOSHIN
5 TATEMUKI−KASH工N
6 ZENSHISEIHITOTSUWO

ERANDEKUDASAI）＝＝〉6（ZAIRYOJUBUNDESUKA？）

YES＝＝＝＝ニ〉1
NO＝＝＝＝＝＝〉2？一一一一一一一〉3＝＝＝＝＝＝＝＝＞3

NO KANR工 WA JUBUN DESUKA？）（YOUSETUSH工一KYOIKUYES＝＝i冨i〉1
NO＝＝＝＝＝＝＞2？＝＝＝＝＝＝＝＞3＝＝＝＝＝＝＝＝＞3（田工RENOKANRI

WAJUBUNDESUKA？）

YES＝＝＝＝＝〉1

NO＝＝＝＝＝＝〉2？＝＝＝＝＝＝＝＞3＝＝＝ニ＝＝＝＝〉2（YOSETSU−SAGYONO KANRI 四A JUBUN DESUKA？）

YES＝＝＝＝＝＝＝〉1

NO＝＝＝＝＝＝〉2？一一一一一一一〉3＝ニ＝＝＝＝＝＝＞1（PULSED−MIG 5．625）（SHORT−ARC−M工G 5。0〉（SHORT−ARC−CO2 5．0）
（THIN−CORED−CO2 4．625）

図6

溶接法の適用性評価プログラムの実行例

一34一