ステンレス鋼の多層盛溶接構造
【課題】 厚板の開先継手に開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を施工すると共に、溶接終了後の裏面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善する。
【解決手段】 ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材１，２を相互に突き合わせて、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまでオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて初期裏波溶接部を形成し、その後、開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【解決手段】 ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材１，２を相互に突き合わせて、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまでオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて初期裏波溶接部を形成し、その後、開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼の多層盛溶接技術に係り、特に溶接部分の残留応力を改善することのできる多層盛溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントや火力発電プラントの容器、配管、構成部品などの溶接構造物に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、溶接などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が析出し易く、結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層が形成されることにより腐食に対する割れ感受性（材料の鋭敏化）が高くなることが知られている。また、溶接部分（溶接金属部及び隣接する熱影響部）には、高い引張残留応力が存在しており、高温水などの厳しい腐食環境下で使用されると、応力腐食割れが発生し易い。
【０００３】
この応力腐食割れを防止するためには、前記材料の鋭敏化、引張応力、腐食環境の３因子の中から1つ以上の因子を取り除く必要がある。このため、特に、高温水などの腐食環境下にさらされる溶接部分の表面及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することが強く求められている。
【０００４】
従来から溶接材部分の引張残留応力の低減に関する溶接方法や溶接装置が幾つか提案されている。例えば、特許文献１記載の配管系の熱処理方法では、溶接組み立て後の配管の内部に冷却水を存在させ、前記配管の外部を加熱して管内面と管外面との間に温度差を発生させ、これにより管内面を引張降伏させ、管外面を圧縮降伏させることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位の予防保全方法及び装置では、線状の溶接部位を追従しながら高周波加熱コイルを移動させ、この高周波加熱コイルによって溶接部位を応力降伏点の温度より高い温度まで加熱する手順と、過熱領域に冷却水を噴出して急速冷却する手順を有することが提案されている。
【０００６】
また、特許文献３記載の金属部品を接合する方法及び装置では、選定速度（毎分１２７ｃｍ以上）で走行する電極先端のチップ近傍に溶接材を連続的に供給する段階と、前記チップからの放電電流によって溶接材料を開先内で連続的に溶融する段階と、溶接ビードを形成する段階とを有し、前記電極はチップに接合及び電気的に接続された非円形断面のブレードを有し、所定数の溶接パス全体で圧縮性のある最終残留応力状態を外部にヒートシンク媒体なしで生成して達成することが提案されている。
【０００７】
また、特許文献４記載のオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手の多層盛溶接方法では、開先最深部に近い側の層をオーステナイト系溶加材を用いて溶着（溶接）し、前記層に隣接する外側の少なくとも１つの層をマルテンサイト系溶加材を用いて溶接することが提案されている。
【０００８】
また、特許文献５記載の溶接方法及び溶接材料では、溶接によって生成する溶接金属に溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を生じさせ、前記溶接金属が室温時においてマルテンサイト変態の開始温度（例えば２５０℃未満１７０度以下）時より膨張している状態にすることが提案されている。
【０００９】
また、 特許文献６記載の高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤでは、全溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が４００℃以下であり、ワイヤ全重量に対してＮｉが７．５〜１２％を含有し、Ｃが０．１％以下、Ｈは２ｐｐｍ以下に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送り速度を５〜４０ｇ／分にして溶接することが提案されている。
【特許文献１】特公昭５３−３８２４６号公報
【特許文献２】特開２００１-１４１６２９号公報
【特許文献３】特表平９−５１２４８５号公報
【特許文献４】特公昭６２−１９９５３号公報
【特許文献５】特開平１１−１３８２９０号公報
【特許文献６】特開平９−２５３８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１記載の方法は、溶接組み立て時に生じていた配管内面の引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるのに有効な方法であると考えられる。しかしながら、溶接設備の外に大型の高周波加熱設備が必要であるばかりでなく、溶接完了後に、配管の内周部に冷却水を供給しながら外周部を高温加熱するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１１】
また、上記特許文献２記載の方法は、引張残留応力を低減することができる。しかしながら、溶接完了後に、線状の溶接部位表面上を移動させる高周波コイルにより高温加熱し、加熱領域を冷却水の噴射により急速冷却しているため、移動式の加熱及び水冷設備が必要になると共に、この高温加熱及び急速冷却を実施するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１２】
また、上記特許文献３記載の方法では、外部にヒートシンク媒体を使用せずに、熱効率の高い溶接施工及び狭い開先継手の伝導性自己冷却効果により、引張残留応力及び溶接ひずみを低減することができる。しかしながら、この引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるまでに至らない可能性が高い。また、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極は、製作費が高価になり、また、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。また、開先内に供給して溶融させるワイヤ（溶加材）は、溶接対象の開先継手材と同じ組成のオーステナイト系ワイヤが使用され、このワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤは使用されていない。
【００１３】
また、上記特許文献４記載の方法では、管内面の引張残留応力を低減するために、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて溶接している。この方法は引張残留応力の低減に有効であるが、まだ引張応力が残留しており、圧縮応力に至っていない。また、実施例に記載されているマルテンサイト系ワイヤは、開先内の中間層の溶接部分のみに使用されており、開先表面の最終層の溶接部分には使用されていない。さらに、開先継手の角度が広いため、板厚の厚い開先継手を溶接する場合には、溶接すべき開先断面積及び開先肩幅が増加し、１層1パスづつ積層する溶接が困難である。このため、１層多パスの多層盛溶接が必要になり、引張残留応力及び収縮変形が増す可能性があり、圧縮応力に改善することは困難である。さらに、溶加材(ワイヤ)を溶着(溶接)する溶接方法については、具体的な方法が記載されていない。
【００１４】
また、上記特許文献５記載の方法では、溶接継手の疲労強度を向上するために、マルテンサイト変態を生じさせる溶接材料（溶接ワイヤに相当）を用いて溶接している。溶接対象は主に低合金鉄鋼材料（高張力鋼材など）の溶接構造物であり、材質が異るオーステナイト系ステンレス鋼材の溶接に適用することができない。また、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、すみ肉継手やＴ継手や十字継手の溶接表面部分、又はＸ開先継手の両面溶接の表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分を対象とするものではない。さらに、溶接方法については、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接法であり、非消耗性のタングステンを電極とするアーク溶接法ではない。
【００１５】
また、上記特許文献６記載の方法は、高張力鋼の溶接割れの防止に有効であると考えられるが、材質の異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。
【００１６】
この他にも、マルテンサイト変態を生じさせる溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法が幾つか提案されているが、主に高張力鋼材の溶接が対象であり、オーステナイト系ステンレス鋼材の溶接ではない。また、前記特許文献６と同様に、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、溶接表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分を対象とするものではない。
【００１７】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接ま積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１９】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、第１の溶融金属部の表面から開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与した。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、以上の構成を備えるため、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法を説明する図であり、図１（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図、図１（３）は非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/２の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図、図１（４）は図１（３）と同様に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、板厚Ｔの約３／４の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図である。
【００２２】
図１（１）に示すように、継手部材１、２は、開先裏面１ｂ、２ｂから開先表面１ａ、２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手の場合には、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５及びその近傍）に残留する応力を圧縮応力に改善することが重要である。
【００２３】
また、図１（２）に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装備した非消耗性の電極６先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８より給電して、開先内でアーク１０を発生させ、そのアーク１０溶接部分にワイヤ５を送給及び溶融させて溶接するようにしている。ＴＩＧ溶接電源８は、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要な高いピーク電流と低いベース電流、アーク電圧などの各条件値を任意に設定でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。パルスアーク溶接と異なる直流アーク溶接を選択した場合には、平均溶接電流に相当する直流電流、アーク電圧（平均アーク電圧）を設定することができる。
【００２４】
溶接制御装置９ａは、溶接トーチ７及びワイヤ５を搭載した溶接台車４（図１では図示省略）の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令制御し、アーク１０溶接部分へワイヤ５を供給するワイヤ供給装置１１を指令制御し、ワイヤ５の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整するものである。
【００２５】
操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時のピーク電流とそのピーク時間、ベース電流とそのベース時間又はパルス周波数とピーク電流の時間比率、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧、ピークワイヤ送りとベースワイヤ送り、溶接速度又はこの溶接速度に相当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。
【００２６】
また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７(電極６)の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることもできる。直流アーク溶接の場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均溶接電流、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に相当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００２７】
操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段は、小入熱の仮付け条件、初層裏波溶接で出力すべき初層条件、特定の積層ビード高さまで積層溶接する溶接工程で出力すべき複数の積層条件、並びに開先上面部の最終層まで積層溶接する溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定、記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段は、これに相当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又は溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、開先裏面部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する溶接動作を実行できる。
【００２８】
開先内３のアーク１０溶接部分に流すシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ２入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。例えば、Ａｒ＋３〜７％Ｈ２入り、Ａｒ＋５０〜８０％Ｈｅ入りの混合ガスを使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００２９】
非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。例えば、外径φ１．６、又はφ２．４の細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００３０】
また、図１（１）に示したように、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法、開先上面部までの片面角度（垂直面に対する開き角度）θを１０°以下の狭い開先形状に仕上げることにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、特に、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ２＊ｔａｎθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加、累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。
【００３１】
開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成すること、好ましくは約１．５ｍｍ前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融させることができる。また、図示していないインサート材を開先底部中央に挿入することにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に形成することができる。なお、開先底部の開先幅ｗについては、４ｍｍ未満になると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難になる。一方、開先底部の開先幅ｗが８ｍｍを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、開先底部の開先幅ｗの適正範囲を４ｍｍ以上、８ｍｍ以下に特定した。
【００３２】
さらに、図１（３）（４）に示した積層溶接では、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極６を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２とを形成している。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内６で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成し、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極６を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２を形成するとすることもできる。
【００３３】
このように積層溶接４１、４２により、第１の溶接金属部４１１と第２の溶接金属部４２２とを形成することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填できるばかりでなく、この第１の溶接金属部４１１の上部をマルテンサイト系の溶接金属（第２の溶接金属部４２２）で確実に充填することができる。その結果、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００３４】
マルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤ（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２のワイヤ）を使用するとよい。そして、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、このマルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接４２することにより、溶接時の温度下降過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度（１００〜３００℃）時より膨張した状態になるため、このマルテンサイト変態によって溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。なお、マルテンサイト変態による膨張作用及び張力の発生については、図１７及び図１８を参照して後述する。また、配管溶接部における残留応力の測定結果については、図２０〜２２を参照して後述する。
【００３５】
オーステナイト系ワイヤ５６については、開先継手の部材１、２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２で、Ｙ３０８、Ｙ３１６系の市販ワイヤ）を用いている。また、前記開先継手部材１、２の材質が異なる他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３２１系など）の場合には、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて溶接すればよい。また、インコネル（登録商標：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金）系ワイヤ（すなわちＮｉ基合金系ワイヤ）は、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金のワイヤであり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）あるいはインコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい（かっこ内はニッケルおよびニッケル合金溶加棒規格記号）。
【００３６】
開先裏面から溶接すべき累計積層ビード高さＨｂは、開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定するとよい。あるいは開先表面から残すべき前記残存開先深さＨは、開先表面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／２以上から４／５以下の範囲に特定するとすることもできる。この特定した累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１することにより、上述したように、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に形成することができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００３７】
なお、このオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接すべき累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残すべき残存開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この累計積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚Ｔの大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残すべき残存開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を開先上部の最終層３０まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。
【００３８】
同様に、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、図７、図８及び図９で後述するＮｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材１、２の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する場合も、開先上部の最終層３０まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さＨｂは板厚Ｔの４／５以下にするとよい。好ましくは板厚の１／２以下にするとさらによい。また、前記残存開先深さＨは板厚Ｔの１／５以下にし、好ましくは板厚Ｔの１／２以上にするとよい。
【００３９】
非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、例えば、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。
【００４０】
特に、非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰り返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは最初の初層裏波溶接２１と、２層目以降に積層する積層溶接４１と、この上部に積層する積層溶接４２とで使用する複数の異なる特定値を定めるとよい。そして、この定めた特定値のパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接４１、４２することにより、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、開先底部から開先上面部まで良好な多層盛溶接結果を得ることができる。
【００４１】
なお、パルスアーク溶接時のパルス周波数が最も低い約１Ｈｚ（パルス周期時間：１ｓ）の場合は、例えば、溶接速度が９０ｍｍ/ｍｉｎ以上の速度領域で溶接ビードのリップル形状（貝殻模様のような波目）が約１．５ｍｍ以上と荒くなり易い。一方、パルス周波数が高い約３００Ｈｚ、約５００Ｈｚの場合には、パルス周期時間が極端に短くなるため、給電ケーブルの延長（例えば１０倍の１００ｍｍ以上に延長）が必要なときに、このケーブル延長に伴うリアクタの増加によって、矩形状のピーク電流波形が台形状や三角形状に変化するので、事前にピーク電流値を少し高めに補正することが望ましい。このパルス周波数を約１５０Ｈｚ以下に下げた場合には、例えば、給電ケーブルを１００ｍまで長く延長しても、ほぼ矩形状のピーク電流波形を出力することが可能である。また、耳ざわりな高音のアーク音を激減することもできる。
【００４２】
図２は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図であり、図１（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図である。
【００４３】
また、図３は、多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。溶接に際しては、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/３の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１する。その後に、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接している。
【００４４】
図２（１）に示すように、開先底部の開先幅ｗは、最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法に形成し、開先上面部までの片面角度θを少し広めの２０°以下に形成するとよい。また、開先底部の形状は、Ｕ形だけでなく、Ｖ形であってもよい。溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。特に、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用する消耗電極方式のアーク溶接６２を施工する場合には、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１と比べて、溶け込みが深く、ワイヤ溶着量も多いため、片面角度θが少し広くしても、少ないパス数で良好に積層溶接４３することができる。
【００４５】
また、図２（２）に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７７（ＭＩＧトーチ）内を通過して開先内３へ送給するワイヤ５と継手部材１、２との間にＭＩＧ溶接電源８８より給電して開先内３でアーク１０を発生及びワイヤ５を溶融させて溶接する。消耗電極方式のアーク溶接６２では、ワイヤ５溶融速度が平均溶接電流の大きさにほぼ比例して増加するため、出力すべき平均溶接電流とワイヤ５送り速度とを同期制御して可変できるようにしている。また、アーク溶接部分に給電するＭＩＧ溶接電源８は、溶接モードを選択するスイッチによって直流アーク溶接（又はショートアーク溶接）とパルスアーク溶接との切り換えが可能な溶接電源である。例えば、ショートアーク溶接（又は直流アーク溶接）を選択した場合は、アークの点弧と短絡及びワイヤの短絡移行との繰り返しが可能な平均溶接電流（例えば、１３０Ａ〜２００Ａ）、及びこの電流に適した平均アーク電圧を設定（例えば、１８〜２３Ｖ）して溶接するとよい。ワイヤの溶滴移行可能な臨界電流（ワイヤの径や材質、シールドガスの成分によって変化するが、例えば、１．２ｍｍ径のステンレスワイヤで、２２０Ａ前後）より高い平均溶接電流に増すと、ワイヤの短絡移行及び短絡電流が生じないスプレー移行の直流アーク溶接に変化し、溶接スパッタの少ない溶接が可能になる。上述したショートアーク溶接では、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すこことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。なお、ＭＩＧ溶接の場合は、ワイヤに直接給電してアーク溶接するため、ＴＩＧ溶接時より２倍程度高めの平均アーク電圧を出力させることにより良好な溶接結果が得られる。
【００４６】
また、パルスアーク溶接を選択した場合には、ワイヤ５溶滴の形成可能な高いピーク電流Ｉｐかピーク電圧Ｖｐとそのピーク時間ｔｐ、ベース時間ｔｂ内にワイヤ５溶滴の移行可能な低いベース電流Ｉｂかベース電圧Ｖｂを設定すると共に、平均溶接電流Ｉａ（ワイヤ送り速度Ｗｆ、ベース時間ｔｂかパルス周波数ｆを同期可変させる）、平均溶接電圧を設定及び調整するとよい。パルス周波数ｆｐは、平均溶接電流（Ｉａ＝（Ｉｐ・ｔｐ＋Ｉｂ・ｔｂ）／（ｔｐ＋ｔｂ））の増加に伴って増す（ｆｐ＝１／（ｔｐ＋ｔｂ）＝Ｉａ／（Ｉｐ・ｔｐ＋Ｉｂ・ｔｂ））ことになる。パルスアーク溶接を行うことにより、臨界電流より充分に低い平均溶接電流での溶接であっても、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。また、ＴＩＧ溶接時と比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。
【００４７】
溶接制御装置９９ａは、溶接トーチ７７を搭載した溶接台車４（図示省略）の走行を指令制御し、ＭＩＧ溶接電源８８の出力及びワイヤ供給装置１１を指令制御し、溶接トーチ７７（ワイヤ５）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令調整するものである。さらに、操作ペンダント９９ｂは、溶接制御装置９９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時に使用するピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース電流かベース電圧とそのベース時間、ワイヤ送り速度と同期制御の平均溶接電流、この平均溶接電流に適した平均溶接電圧、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。また、ショートアーク溶接時や臨界電流より高い電流になる直流アーク溶接時に使用する平均溶接電流、この平均溶接電流に適した平均溶接電圧、溶接速度の各条件値を設定、調整することができる。さらに、溶接トーチ位置（ワイヤ位置）調整手段により、溶接トーチ７７の位置ずれを調整したりすることもできる。アーク溶接部分に流すシールドガス３４は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋２〜５％Ｏ２入りの混合ガスをシールドガスに用いるとよい。数パーセントの酸素ガスを混合することにより、純Ａｒガスと比べてアークのふらつきを小さく、ワイヤ溶滴の移行を促進することができる。
【００４８】
図３に示した積層溶接では、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、タングステン６をアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３とを有するようにしている。
【００４９】
開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、タングステン６をアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１（ＴＩＧ溶接）を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成している。そして、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２（ＭＩＧ溶接）を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するようにしている。
【００５０】
このように積層溶接４１、４３して、第１の溶接金属部４１１と第３の溶接金属部４３３とを形成することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填できるばかりでなく、この第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系の第３の溶接金属部４３３で確実に充填することができる。その結果、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、消耗電極方式のアーク溶接（ＭＩＧ溶接）を施工することにより、上述したように、溶け込みが深く、ワイヤ溶着量も格段に多いため、溶接速度を速くでき、片面角度θが少し広い開先断面積であっても、少ないパス数で積層溶接４３でき、第３の溶接金属部４３３を良好に得ることができる。
【００５１】
マルテンサイト系ワイヤは、上述したように、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用するとよい。また、フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用することも可能である。フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤは、特に、このワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接に使用するとよい。アーク溶接中に生成するスラグを溶接後に除去する必要があるが、ワイヤの溶融性が良く、アークのふらつきが小さく、少ないシールドガス流量でもポロシティなどの溶接欠陥が発生しない良好な溶接結果を得ることが可能である。また、ＭＩＧ溶接の代わりに、大電流でワイヤ溶融量が格段に高いサブマージアーク溶接を施工することも可能である。
【００５２】
図４は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。溶接前に行う最初の開先形状の製作工程５１において、図１（１）及び図２（１）で説明したように、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする。次の第１の溶接準備工程５２において、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１の施工に必要な溶接台車４に溶接トーチ７、ワイヤ５などを取り付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａを立上げて溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。ワイヤ５は、開先継手材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。
【００５３】
次の第１の積層溶接工程４１において、図１及び図４に示したように、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、初層裏波溶接を含む開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１する。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成するようにしている。このように第１の積層溶接工程４１で積層溶接することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に得ることができる。
【００５４】
最初の初層裏波溶接では、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍに特定し、裏面側１ｂ、２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように、１つ以上の条件因子（例えば、ピーク電流か平均溶接電流、ピーク電圧か平均アーク電圧かアーク長、ワイヤ送り速度、溶接速度）を調整又は制御して施工するとよい。裏ビード幅を適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６ｍｍの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行ってもよい。また、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤ５６を使用すると共に、少なくとも初層溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１/２〜２/３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行う。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００５５】
また、第１の積層溶接工程４１において溶接すべき累計積層ビード高さＨｂは、上述したように、開先継手の板厚Ｔの１／５以上から４／５以下、又は板厚Ｔの１／５以上から１／２以下の範囲に特定するとよい。あるいは前記累計積層ビード高さＨｂの代わりに、開先表面から残すべき残存開先深さＨを用い、この残存開先深さＨを板厚Ｔの１／５以上から１／２以下、又は板厚Ｔの１／５以上から１／２以下の範囲に特定することもできる。そして、この第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件、２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ/ｃｍ〜１２ｋＪ/ｃｍの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２００Ａ、平均アーク電圧が９〜１１Ｖのアーク条件）に変更して１層１パスづつ積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。なお、ほぼ一定の適正な溶接条件（例えば、約４ｋＪ/ｃｍ、約６ｋＪ/ｃｍ、約８ｋＪ/ｃｍ、約１０ｋＪ/ｃｍ、あるいは約１２ｋＪ/ｃｍに特定した低い入熱条件）に設定して積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行ってもよい。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０．５〜２．０ｍｍの範囲内になるように送給するとよい。このように第１の積層溶接工程４１で積層溶接４１することにより、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に形成することができる。
【００５６】
第２の積層溶接工程４２において、図１及び図４にに示したように、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に再使用し、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４２する。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に再使用し、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４２した第２の溶接金属部を形成するとすることもできる。このように第２の積層溶接工程４２で積層溶接することにより、上述したように、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を良好に得ることができる。また、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、１層1パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、開先左右に振分ける１層２パス溶接を施工することにより、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増すことにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００５７】
また、マルテンサイト系ワイヤ５７を使用する積層溶接４２では、この積層溶接４２の以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１した時の最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量の適正な溶接条件に変更して溶接することにより、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができる。
【００５８】
最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、開先表面１ａ、２ａより少し盛り上る（例えは１ｍｍ程度の余盛り高さ）ように仕上げている。特に、この最終層の溶接３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うとよい。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【００５９】
一方、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更する場合には、図４に示したように、上述した第２の積層溶接工程４２を施工せずに、左側に記載した第２の溶接準備工程５３に移行する。この第２の溶接準備工程５３では、消耗電極方式のアーク溶接６２の施工に必要な別の機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置を立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。そして、溶接準備の終了後に、第３の積層溶接工程４３に移行する。この第３の積層溶接工程４３では、図２（２）及び図３に示したように、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接４３するようにしている。また、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するとすることもできる。このように第３の溶接工程４３３で積層溶接４３することにより、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第３の溶接金属部４３３を良好に得ることができる。その結果、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６０】
図５は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。また、図６は、図５に示す手順で積層溶接した際の溶接断面を説明する図である。図３、図４に示す例との主な相違点は、非消耗電極方式のアーク溶接６１（ＴＩＧ溶接）による施工をなくし、非消耗電極方式のアーク溶接６２（ＭＩＧ溶接）を施工する溶接工程により、開先裏面から開先上面部の最終層まで積層溶接するようにしたことである。
【００６１】
まず、第２の溶接準備工程５３において、消耗電極方式のアーク溶接６２の施工に必要な溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどを取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置を立上げて、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。この溶接準備の終了後に、第６の積層溶接工程４６に移行する。
【００６２】
第６の積層溶接工程４６においては、図４に示した第１の積層溶接工程４１のときと同様に、溶接すべき累計積層ビード高さＨｂを開先裏面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下のの範囲に特定し、あるいは残すべき残存開先深さＨを開先表面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定するとよい。そして、この特定範囲の累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させて積層溶接４６する。また、前記特定範囲の累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４６した第６の溶接金属部４６６を形成することもできる。このように第６の積層溶接工程４６で積層溶接することにより、図６に示したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第６の溶接金属部４６６を良好に形成することができる。
【００６３】
次の第３の積層溶接工程４３では、図５及び図６に示したように、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接４３する。また、１層１パスづつ積層溶接する途中で開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接することもできる。さらに、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するとすることもできる。
【００６４】
このように第３の積層溶接工程４３で積層溶接することにより、オーステナイト系の第６の溶接金属部４６６の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第６の溶接金属部４６６と異なる材質の第３の溶接金属部４３３を良好に形成することができる。また、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６５】
特に、ＭＩＧ溶接（例えば、ショートアーク溶接）の場合は、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、片面角度θが少し広い開先断面積であっても、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。また、パルスアーク溶接の場合には、臨界電流より充分に低い平均溶接電流での溶接であっても、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。
【００６６】
図７は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。また、図８は、図７に示す手順で積層溶接（非消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。図９は、図７に示す手順で積層溶接（消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【００６７】
図４に示す例との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５６の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する第４の積層溶接工程４４と第５の積層溶接工程４５とを設けたことである。なお、継手部材の加工や組立などをする開先形状の製作工程５１、タングステン６を電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１の準備をする第１の溶接準備工程５２、ワイヤ５を電極に使用する消耗電極方式のアーク溶接６２の準備をする第２の溶接準備工程５３は、図４に示す例と同じである。
【００６８】
特に、第４の積層溶接工程４４においては、図７及び図８に示したように、第１の積層溶接工程４１の終了後に、非消耗性のタングステン電極６をアーク溶接の電極に再使用し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させて積層溶接４４するようにしている。また、非消耗性のタングステン電極６をアーク溶接の電極に再使用し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４４した第４の溶接金属部４４４を形成するとすることもできる。
【００６９】
このように第４の積層溶接工程４４で積層溶接することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第４の溶接金属部４４４を良好に得ることができる。その結果、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部４４４に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００７０】
また、第５の積層溶接工程４５においては、図７及び図９に示したように、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させて積層溶接４５するようにしている。また、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４５した第５の溶接金属部４５５を形成するとすることもできる。このように第５の積層溶接工程４５で積層溶接４５することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第５の溶接金属部４５５を良好に形成すことができる。その結果、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、第５の溶接金属部４５５に収縮抑制作用及び張力が生じ、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００７１】
図１ないし図９に示したように、前記第１の溶接金属部４１１の形成に際しては、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、また、前記第２の溶接金属部４２２の形成に際しては、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、前記第３の溶接金属部４３３の形成に際しては、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成することができる。
【００７２】
また、前記第４の溶接金属部４４４の形成に際しては、前記タングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、前記第５の溶接金属部４５５の形成に際しては、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成し、また、前記第６の溶接金属部４６６の形成に際しては、前記オーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成することができる。
【００７３】
また、図１ないし図９に示したように、前記第１の溶接金属部４１１は第１の積層溶接工程４１により形成し、前記第２の溶接金属部４２２は第２の積層工程４２により形成し、前記第３の溶接金属部４３３は第３の積層工程４３により形成し、前記第４の溶接金属部４４４は第４の積層工程４４により形成し、前記第５の溶接金属部４５５は第５の積層工程４５により形成し、前記第６の溶接金属部４６６は第６の積層工程４６により形成する。 表１にこれらの溶接施工条件の一例を示す。
【表１】
【００７４】
図１０は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図であり、図１０（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１０（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図、図１０（３）は非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/２の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図、図１０（４）は図１０（３）と同様に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、板厚Ｔの約３／４の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図である。なお、図１に示す例との主な相違点は、ワイヤ通電加熱電源８１を設けた点にある。ワイヤ通電加熱電源は、ワイヤホルダ２５を介して送給するワイヤ５を通電加熱する電源である。このワイヤ５への通電加熱は、図１３及び図１４に示す第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程において溶接施工する際に使用し、ワイヤ電流の大きさに応じてワイヤ溶融量を増加することができる。
【００７５】
図１１は、多層盛溶接による溶接断面を説明する図であり、図１０に示す積層溶接と異なる方法で積層溶接したときの溶接断面である。図１２は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法に係わる溶接装置を説明する図である。また、図１３は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の溶接手順を説明する図である。
【００７６】
この例の場合においても、図１０（１）に示すように、継手部材１、２は、開先裏面１ｂ、２ｂ側に裏ビード１５を形成させると共に、開先表面１ａ、２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手の場合には、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５及びその近傍）に残留する応力を圧縮応力に改善することが重要である。開先継手１、２の形状は、開先底部の開先幅ｗを最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法にし、開先上面部までの片面角度θを１０°以下の狭い開先にしている。また、開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成するとよい。このように開先形状を形成することにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より減少することができる。また、初層裏波溶接で裏面側に裏ビード１５が容易に形成できるばかりでなく、この初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までに必要なワイヤ使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。
【００７７】
図１０（２）及び図１２に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装備した非消耗性の電極６先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８より給電して開先内でアーク１０を発生させ、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて溶接するようにしている。ＴＩＧ溶接電源８は、溶接トーチ７先端の電極６と継手部材１、２との間に接続されており、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要なピーク電流とベース電流、アーク電圧などの各条件値を任意に出力でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。直流アーク溶接を選択した場合には、溶接電流（平均電流）に該当する所望の直流電流、アーク電圧（平均アーク電圧）を出力することができる。また、ワイヤ通電加熱電源８１は、ワイヤホルダ２５を介して送給するワイヤ５を通電加熱する電源である。このワイヤ５への通電加熱は、図１３及び図１４に示す第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接施工するときに使用し、ワイヤ電流の大きさに応じてワイヤ溶融量を増加することができる。
【００７８】
また、溶接制御装置９ａは、図１０（２）及び図１２に示したように、溶接トーチ７及びワイヤ５を搭載した溶接台車４の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、ワイヤ通電加熱電源８１の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令制御し、アーク１０溶接部分へのワイヤ５の供給、このワイヤ５の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整するものである。また、操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。
【００７９】
パルスアーク溶接の場合は、操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、ピーク電流とそのピーク電流時間、ベース電流とそのベース電流時間、又はパルス周波数とピーク電流の時間比率、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧、通電加熱するためのワイヤ電流、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、前記溶接トーチ７の位置ずれや、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。一方、直流アーク溶接の場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均電流、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長、通電加熱するためのワイヤ電流、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８０】
さらに、前記操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段には、仮付け溶接で出力すべき小入熱の仮付け条件、初層裏波溶接で出力すべき初層条件、特定の積層ビード高さまで積層溶接する第１の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件、その後に、開先上面部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定、記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段に相当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又はこの溶接条件調整手段に相当する溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、仮付け溶接、初層裏波溶接を含む第１の積層溶接工程での積層溶接４１、第２の積層溶接工程での積層溶接４２又は第３の積層溶接工程での積層溶接４３を順番に実行できるようになっている。
【００８１】
開先内３のアーク１０溶接部分に流すシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ２入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。これらの混合ガスを使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００８２】
ワイヤ５については、２種類のワイヤを使い分けている。すなわち、図１０、図１１及び図１３に示したように、第１の溶接金属部４１１の積層溶接４１１では、開先継手の部材１、２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２で、Ｙ３０８、Ｙ３１６の市販ワイヤ）を使用している。前記開先継手部材１、２が他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３２１系など）であれば、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１すればよい。また、前記第１の溶接金属部４１の上部に、積層すべき第２の溶接金属部４２２の積層溶接４２では、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を使用している。このマルテンサイト系ワイヤ５７は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材１、２と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用している。さらに、図１４及び図１５を参照して後述するが、第３の溶接金属部４３３の積層溶接４３では、前記マルテンサイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ５８を使用している。このＮｉ基合金系ワイヤ５８は、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【００８３】
一方、非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。例えば、外径φ１．６ｍｍ、又はφ２．４ｍｍの細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００８４】
図１２に示した例では、特に、レール上を走行する溶接台車４に搭載されている溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装着した非消耗性の電極６と、ワイヤ５を案内するワイヤホルダ２５の両方とを開先内３に挿入し、シールドガス３３の流入雰囲気で発生させるアーク１０中及び溶融プール中にワイヤ５を送給し、開先底部の裏面側に裏ビード１５を形成させる初層裏波溶接を行っている状況を示している。また、溶接台車４には、表面側の溶接状態を監視するための第１のカメラ３５を、溶接トーチ７とワイヤホルダ２５との上部中間に配備している。この第１のカメラ３５と一対のカメラ制御器３６によって撮像する表面側の溶接状態の映像を第１の映像モニタ装置３７に画面表示して監視できるようにしている。前記第１のカメラ３５、第１の映像モニタ装置３７に相当する他の第１の映像手段、第１の映像表示手段であってもよい。前記第１の映像モニタ装置３７の画面には、開先表面１ａ、２ａ側から開先内３に挿入した電極６とワイヤ５、表側のアーク１０及び溶融プール１８、この溶融プール１８及び電極６の後方に形成する表側の溶接ビード３９の状態を表示している。前記第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ５位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ５の位置ずれ（例えば左右方向、上下方向のワイヤ位置ずれ）をなくすことができる。また、溶接条件の因子も調整又は制御することもできる。なお、図１２に示した例では、継手部材１、２側を位置決め固定した状態で、溶接台車４に搭載している溶接トーチ７側を走行させて溶接するようにしているが、溶接トーチ７の走行を停止した状態で、継手部材１、２側を走行移動させて溶接する施工であってもよい。
【００８５】
特に、開先低部の初層裏波溶接では、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍに特定し、裏面側１ｂ、２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように施工するとよい。例えば、前記パルスアーク溶接のピーク電流、ベース電流、ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、あるいは前記直流アーク溶接の平均電流、平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定の適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６ｍｍの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行ってもよい。また、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、少なくとも初層溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１/２〜２/３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００８６】
本実施形態の多層盛溶接施工では、図１０及び図１１に示したように、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側１ｂ、２ｂに前記特定範囲の裏ビード幅Ｂを形成させた後に、前記初層裏波溶接の部分２１を含む開先裏面１ｂ、２ｂから特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて、積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部１ａ、２ａの最終層３０まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤ５７を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２とを有するようにしている。
【００８７】
また、前記初層裏波溶接によって開先底部の裏面側１ｂ、２ｂに前記特定範囲の裏ビード幅Ｂを形成させた後に、前記初層裏波溶接の部分２１を含む開先裏面１ｂ、２ｂから特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤを無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて積層溶接４１し、この積層溶接４１の終了後に、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤを無通電のまま開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、１層１パスづつ積層溶接４２するか又は１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４２するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４２するとすることもできる。
【００８８】
このように溶接施工することにより、多層盛溶接及び溶接裏面部分の残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材の開先継手であっても、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる前記第１の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を圧縮応力に改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【００８９】
特に、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。このワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行っているため、、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。さらに、１層1パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、１層２パス溶接によって、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増すことにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００９０】
開先裏面から溶接すべき前記累計積層ビード高さＨｂは、板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定するとよい。そして、この特定した累計積層ビード高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１し、あるいは前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１することにより、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材１、２と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填でき、第１の溶接金属部４１１を確実に得ることができる。また、この累計積層ビード高さＨｂの代わりに、残すべき残存開先深さＨを設け（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂに該当）、板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定し、この特定した前記残存開先深さＨまで、前記オーステナイト系ワイヤ５６を溶融させて前記積層溶接５６するようにすることもできる。
【００９１】
なお、溶接すべき前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残すべき前記残存開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この前記累計積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚Ｔの大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまでは、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残すべき前記残存開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を開先上部の最終層３０まで積層溶接４１すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。同様に、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する場合も、開先上部の最終層３０まで積層溶接４３すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さＨｂは板厚Ｔの４／５以下にするとよい。また、前記残存開先深さＨは板厚Ｔの１／５以下にするとよい。
【００９２】
一方、図１３に示したように、溶接前に行う最初の開先形状の製作工程５１では、溶接対象の継手部材を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする。例えば、この製作工程５１で、図１０（１）で説明したように、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅ｗを最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法、開先上面部までの片面角度（垂直面に対する開き角度）θを１０°以下の狭い開先形状に形成することにより、上述したように、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より減少することができる。また、初層裏波溶接で裏面側に裏ビード１５が容易に形成できるばかりでなく、この初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までに必要なワイヤ使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ２＊ｔａｎθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加、累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。
【００９３】
開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成すること、好ましくは約１．５ｍｍ前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融でき、裏ビードを確実に得ることができる。また、インサート材１９を開先底部中央に挿入することにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。なお、開先底部の開先幅ｗについては、４ｍｍ未満になると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難に至る。一方、開先底部の開先幅ｗが８ｍｍを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、開先底部の開先幅ｗの適正範囲を４ｍｍ以上、８ｍｍ以下に特定した。
【００９４】
次の溶接準備工程５２では、溶接台車４、溶接トーチ７、ワイヤ５などの取付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａやワイヤ通電加熱電源８１の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。ワイヤ５は、開先継手材１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。
【００９５】
そして、次の第１の積層溶接工程４１では、図１０及び図１３に示したように、前記初層裏波溶接の部分を含む開先裏面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の特定範囲の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて積層溶接４１する溶接動作を行う。この第１の積層溶接工程４１により、裏面側に凸形状の裏ビード幅を良好が形成できるばかりでなく、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６による第１の溶接金属部４１１を確実に形成することができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００９６】
また、前記第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件、２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ/ｃｍ〜１２ｋＪ/ｃｍの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２２０Ａのアーク条件）に変更し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って１層１パスづつ積層溶接４１するようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件（例えば、約４ｋＪ/ｃｍ、約６ｋＪ/ｃｍ、約８ｋＪ/ｃｍ、約１０ｋＪ/ｃｍあるいは約１２ｋＪ/ｃｍに特定した低い入熱条件）に設定し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って積層溶接４１するようにすることもできる。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０．５〜２．０ｍｍの範囲内になるように送給するとよい。さらに、溶接中は、図１２に示した第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ５位置を調整又は制御するとよい。
【００９７】
次の第２の積層溶接工程４２では、図１０、図１１及び図１３に示したように、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４２するか又は１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４２するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４２するようにしている。また、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤ５７を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接４２して第２の溶接金属部４２２を形成することもできる。
【００９８】
さらに、マルテンサイト系ワイヤ５７を使用する前記積層溶接４２では、この積層溶接４２の以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１したときの最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量（例えば、１０ｋJ/cmを半分の５ｋJ/cmに減少）の適正な溶接条件に変更（例えば、１０ｋJ/cmを半分の５ｋJ/cmに減少）して溶接することにより、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、第１の溶接金属部と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができる。また、最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、開先表面１ａ、２ａより少し盛り上る（例えは１〜２ｍｍ程度の余盛り高さ）ように仕上げるとよい。さらに、この最終層の溶接３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うようにすることもできる。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【００９９】
このように積層溶接４２することにより、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を良好に得ることができる。この結果、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部４２２に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１００】
また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行う場合には、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。特に、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）することにより、溶接パス毎のワイヤ溶融量が増加でき、少ないパス数で良好に仕上ることができる。ワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。
【０１０１】
図１４は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の溶接手順説明する図である。図１３との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を第３の積層溶接工程４２で使用していることである。また、図１５は、図１４に示した多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【０１０２】
特に、第１の積層溶接４１の終了後に施工する第３の積層溶接工程４３では、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、マルテンサイト系ワイヤ５７と異なるＮｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を通電加熱しながら送給及び溶融させ、又は前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を無通電のまま送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４３し、あるいは１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４３するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４３するようにしている。
【０１０３】
また、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を通電加熱しながら送給及び溶融させ、又は前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を無通電のまま送給及び溶融させて積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３より成るとすることもできる。
【０１０４】
このように積層溶接４３することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と材質の異なる第３の溶接金属部４３３を良好に形成することができる。この結果、溶接時の温度下降過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第３の溶接金属部４３３に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。特に、ワイヤを通電加熱することにより、溶接パス毎のワイヤ溶融量が増加でき、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【０１０５】
さらに、図１０ないし図１５に示したように、前記第１の溶接金属部は第１の積層溶接工程によって積層溶接し、前記第２の溶接金属部は前記第２の積層溶接工程によって積層溶接し、前記第３の溶接金属部は前記第３の積層溶接工程によって積層溶接するとすることもできる。これらの溶接施工条件の一例を表２示す。
【表２】
【０１０６】
図１６は、温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す図である。Ｎｉ基合金系ワイヤ（インコネル８２ワイヤ）の平均線膨張係数（□の線）は、例えば、約１００℃時で約１３．４（×１０−６／℃）であり、ＳＵＳ３０４材（◇の線）の約１７．３（×１０−６／℃）よりも３．９（×１０−６／℃）小さい。また、ＳＵＳ３１６Ｌワイヤの平均線膨張係数（△の線）と比べても約２．６（×１０−６／℃）小さい。また、マルテンサイトワイヤの平均線膨張係数（〇の線）は、他の材料の平均線膨張係数と比べて小さく、温度の下降時に、さらに激減する特性を有している。この平均線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することが可能になる。
【０１０７】
図１７は、図１、図３及び図６に示したステンレス鋼の多層盛溶接構造物及び多層盛溶接方法に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質係の開先継手材）とにおける温度と伸び（１ｍｍ長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す図である。また、図１８は、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す図である。
【０１０８】
図１７に示すように、オーステナイト系ワイヤ（又はオーステナイト系ステンレス鋼の開先継手材）の場合は、点線で示すように、温度変化（上昇時と下降時）に対する伸び曲線が同一線上を行き来するように変化している。これに対して、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系ワイヤの場合には、実線で示すように、温度上昇時の伸び曲線と温度下降時の伸び曲線とが異なるように変化している。特に、温度下降時の過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度Ｍｓ時より膨張した状態になることを示している。
【０１０９】
本実施形態の多層盛溶接方法では、図１７に示すように温度変化に対する伸び曲線が異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接を施工している。すなわち、図１８に示すように、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて開先底部側を積層溶接４１、４６し、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接４２、４３している。このように２種類のワイヤを使い分けて、第１の溶接金属部又は第６の溶接金属部と第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部とを得るように積層溶接することにより、開先裏面部から開先上面部まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【０１１０】
また、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接継手の引張強度試験、曲げ強度試験を行った結果母材破断による母材以上の高強度、ミクロ割れもない延性強度を有する良好な結果が得られることを確認した。
【０１１１】
図１９は、本実施形態による多層盛溶接方法で施工した配管溶接の断面写真の一例である。また、この配管溶接時の溶接施工条件を表３に示す。
【０１１２】
表３中には比較のために従来法で施工したときの溶接条件を併記している。本実施形態による多層盛溶接方法で施工した場合は、オーステナイト系ワイヤ５６（配管継手材と同質）とマルテンサイト系ワイヤ５７の２種類のワイヤを使用している。従来溶接施工の場合には、前記オーステナイト系ワイヤ５６のみを使用している。ワイヤへの通電加熱は、いずれもなし（ワイヤ電流が０）であり、無通電のままのワイヤを溶融させて各々積層溶接している。
【０１１３】
第１の溶接金属部は、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用い、初層裏波溶接して裏ビードを形成させた後に、この初層溶接部分を含む板厚の約２／５程度の高さ位置まで、非消耗電極方式のアーク溶接施工（例えば、６〜10ｋＪ/ｃｍの入熱条件）により積層溶接（６層６パス溶接）している。また、この上部にある第２の溶接金属部は、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系のステンレスワイヤ５７に交換し、残りの深い部分から開先上部の最終層まで、非消耗電極方式のアーク溶接施工（例えば、約４ｋＪ/ｃｍの低入熱条件）により積層溶接（３３層３３パス溶接）したときの溶接断面である。なお、溶接断面底部の裏ビードは凸形状に形成していたが、断面加工時にカットされて平坦形状になっている。
【０１１４】
このように、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接することにより、開先底部の裏面から開先上部の表面まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができ、同時に、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。なお、第２の溶接金属部は、低入熱量で溶接しているためにパス数が多いが、この入熱量を増加して溶接すれば、パス数を減らすことが容易にできる。
【表３】
【０１１５】
最後に、残留応力の測定結果について述べる。図２０は、本実施形態における多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例を示す図である。同様に、図２１は、多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例を示す図である。配管の材質がＹ３１６Ｌ系、外径が３１４ｍｍ、板厚が２９．５ｍｍ、開先深さが２８ｍｍである。溶接施工は、図１及び図４で説明したように示したように、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ（ＳＵＳ３１６Ｌ系）を用いて開先板厚Ｔの２／５程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系のステンレスワイヤに交換して残りの深い部分から開先上面部まで低入熱条件で積層溶接している。なお、溶接断面及び溶接施工条件は図１９及び表３の（１）に示した通りである。残留応力測定は、Ｘ線回折測定法より精度の良いひずみゲージ開放法（配管内外面の測定箇所にひずみゲージを貼り付け、短冊切りの１次切断開放の工程から最終スリット切りの３次開放の工程を経て、周方向の開放ひずみ値εθと軸方向の開放ひずみ値εｚとの測定結果より、周方向の残留応力σθ、軸方向の残留応力を算出）を用いて測定した結果である。
【０１１６】
配管内面側の溶接裏面部及びその周辺部の残留応力は、図２０に示したように、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）及び溶接線方向の周方向残留応力σθ（◆印の線）の両方ともに、約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力になっている。一方、配管外面側の溶接表面部及びその周辺部の残留応力については、図２１に示したように、溶接部に隣接する部分の周方向残留応力σθ（◆印の線）が最大約１７０ＭＰａの引張応力になっている。これに対して、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）は、溶接部に隣接する部分及び溶接中央部分で約−１００ＭＰａの圧縮応力になっている。
【０１１７】
比較のために、初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例を図２２に示す。溶接施工条件は表３の（２）に示した通りである。配管の材質やサイズ、開先形状、溶接条件及び溶接の施工法はほぼ同じあり、マルテンサイト系ワイヤを使用せずに、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤのみを使用していることが異なっている。この場合には、周方向残留応力σθが約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力であるのに対して、重要な軸方向残留応力σｚが最大で約１００ＭＰａの引張応力に変化している。開先継手の開先幅を狭くし、しかも、低入熱の溶接条件で積層溶接することによって、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を従来より大幅に低減することができるが、図２２に示したように、最大で約１００ＭＰａの引張応力が残っている。これに対して、本発明の多層盛溶接方法を施工することにより、図２０に示したように、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を圧縮応力に改善することができる。残留応力改善の結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。また、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法によれば、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部から初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。また、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを積層溶接することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１１９】
特に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【０１２０】
一方、ワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接の場合には、溶接スパッタが発生し易いが、前記非消耗電極方式のアーク溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍増加することができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。パルスアークを出力させることにより、溶接スパッタを大幅に減少できる。
【０１２１】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法によれば、溶接パス毎の入熱量、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２２】
また、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行っているため、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。さらに、溶接パス毎の入熱量、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。 また、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２３】
すなわち、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、溶接すべき累計積層ビード高さが開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した溶接金属部と、この溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した溶接金属部とを有することにより、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２４】
また、前記特定範囲の累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した溶接金属部と、この溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤと異なるインコネル系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した溶接金属部とを有することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１２５】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した第１の溶接金属部と、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した第２の溶接金属部、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した第３の溶接金属部とを有し、あるいは前記特定範囲の累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させて積層溶接した第６の溶接金属部と、この第６の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した前記第３の溶接金属部とを有することにより、上述したように、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。特に、前記第３の溶接金属部、第６の溶接金属部は、ワイヤをアーク溶接の電極に使用しているため、前記第１の溶接金属部、第２の溶接金属部に比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。また、溶接作業の時間短縮による工数低減もできる。
【０１２６】
また、前記第１の溶接金属部と、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、非消耗性のタングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した第４の溶接金属部、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した第５の溶接金属部とを有することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記第５の溶接金属部は、ワイヤをアーク溶接の電極に使用しているため、前記第４の溶接金属部に比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。
【０１２７】
さらに、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の積層ビード高さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができ、前記第１の溶接金属部又は前記第６の溶接金属部を得ることができる。
【０１２８】
また、前記累計積層ビード高さを開先裏面より板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定し、あるいは前記残存開先深さを開先表面より板厚の１／５以上から１／２以上の範囲に特定してもよい。そして、この特定した累計積層ビード高さ又は残存開先深さまで積層溶接することにより、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。なお、このオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接すべき累計積層ビード高さが板厚の１／５より小さ過ぎる又は残すべき残存開先深さが板厚の４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この累計積層ビード高さの最小値は、板厚の大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さが板厚の４／５より大き過ぎる又は残すべき残存開先深さが板厚の１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを開先上部の最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。同様に、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを使用する場合も、開先上部の最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さは板厚の４／５以下にするとよい。好ましくは板厚の１／２以下にするとさらによい。また、前記残存開先深さは板厚の１／５以下にし、好ましくは板厚の１／２以上にするとよい。
【０１２９】
前記第１の溶接金属部は、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。前記第６の溶接金属部は、前記第１の溶接金属部に代わるものであり、前記オーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することができる。また、初層裏波溶接で開先裏面に形成すべき裏ビード幅は、例えば、４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍの範囲に特定することにより、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【０１３０】
前記第２の溶接金属部は、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成し、前記第３の溶接金属部は、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。また、上述したように、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３１】
また、前記第４の溶接金属部は、前記タングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成し、前記第５の溶接金属部は、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。また、上述したように、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３２】
特に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、例えば、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。これに対して、ワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接（例えばＭＩＧ溶接）の場合には、ワイヤに直接給電（平均溶接電流を流す）してアーク溶接するため、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。さらに、例えば、ワイヤ溶滴の形成可能な高いピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース時間内に溶滴移行可能な低いベース電流かベース電圧を設定して交互に出力させるパルスアーク溶接を行うと、１パルスで１溶滴移行でき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。
【０１３３】
なお、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物の溶接に使用すべきマルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを用いればよい。また、Ｎｉ基合金系ワイヤは、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【０１３４】
一方、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、溶接すべき累計積層ビード高さが開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、この積層溶接の終了後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにし、あるいは前記マルテンサイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにしている。また、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、あるいはワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、この積層溶接の終了後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用又は使用するアーク溶接に変更し、あるいはワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにすることもできる。このように積層溶接することにより、上述したように、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。
【０１３５】
同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。あるいは溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１３６】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第１の溶接金属部を形成することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。さらに、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第２の溶接金属部を形成し、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第３の溶接金属部を形成することにより、上述したように、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３７】
また、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第６の溶接金属部を形成し、この第６の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した前記第３の溶接金属部を形成するとすることもできる。このように前記第６の溶接金属部、第３の溶接金属部を形成することにより、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができるばかりでなく、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。また、溶接作業の時間短縮による工数低減もできる。
【０１３８】
また、前記第１の溶接金属部を形成した後に、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第４の溶接金属部を形成し、あるいはＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第５の溶接金属部を形成することにより、上述したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。さらに、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３９】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第１の積層溶接工程により、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填でき、その第１の溶接金属部を良好に得ることができる。
【０１４０】
さらに、この第１の積層溶接工程で積層溶接されたビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる前記非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第２の積層溶接工程、又は前記第１の積層溶接工程の終了後に、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程とを有している。あるいは開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第６の積層溶接工程と、この第６の積層溶接工程で積層溶接されたビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程とを有するとすることもできる。
【０１４１】
このように積層工程を設けることにより、上述したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填でき、オーステナイト系の第１の溶接金属部又は第６の溶接金属部の上部に、マルテンサイト系の第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部を良好に形成することができる。その結果、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４２】
また、第１の積層溶接工程の終了後に、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第４の積層溶接工程、あるいはＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第５の積層溶接工程により、第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部を良好に形成することができる。その結果、上述したように、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４３】
さらに、これらの積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、非消耗電極方式のアーク溶接の施工を準備する第１の溶接準備工程とを設けることにより、特定寸法の狭い開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の特定範囲の寸法に形成するとよい。また、開先上面部までの片面角度を、例えば、ＴＩＧ溶接の場合で１０°以下、ＭＩＧ溶接の場合で２０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。
【０１４４】
また、第１の溶接準備工程では、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、非消耗電極方式のアーク溶接の施工に必要な機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＴＩＧ溶接電源や溶接制御装置の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行うとよい。これに対して、消耗電極方式のアーク溶接の施工を準備する第２の溶接準備工程では、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、消耗電極方式のアーク溶接の施工に必要な別の機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行うとよい。
また、この第２の溶接準備の終了後に、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程、又は前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第５の積層溶接工程を有することにより、オーステナイト系の溶接金属部の上部に、マルテンサイト系の溶接金属部又はＮｉ基合金系の溶接金属部を良好に形成することができる。また、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４５】
特に、前記累計積層ビード高さは、開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定し、また、残すべき前記残存開先深さは、開先表面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／２以上から４／５以下の範囲に特定し、この特定した累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接することにより、特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部又は第の溶接金属部を良好に得ることができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【０１４６】
本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法に使用すべきマルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤにするとよい。また、フラックス入りの前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを使用することもできる。このような化学成分範囲のマルテンサイト系ワイヤを用いて、上述したように積層溶接することにより、溶接時の温度下降過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度（１００〜３００℃）時より膨張した状態になるため、このマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。また、フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤは、特に、このワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接に使用するとよい。アーク溶接中に生成するスラグを溶接後に除去する必要があるが、ワイヤの溶融性が良く、アークのふらつきが小さく、少ないシールドガス流量でもポロシティなどの溶接欠陥が発生しない良好な溶接結果を得ることが可能である。
【０１４７】
一方、Ｎｉ基合金系ワイヤについては、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、前述のように、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【０１４８】
また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接は、高いピーク電流と低いベース電流とを交互に出力させるパルスアーク溶接又は定電流を出力させる直流アーク溶接であればよい。この非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。特に、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。
【０１４９】
また、前記非消耗電極方式のアーク溶接に使用するシールドガスは、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋３〜７％Ｈ２入りの混合ガス又はＡｒ＋５０〜８０％Ｈｅ入りの混合ガスを用いるとよい。これらの混合ガスをシールドガスに使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。また、非消耗性のタングステン電極は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用し、あるいは前記細径の丸電極の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅より狭い偏平形状にした偏平電極を使用するとよい。例えば、外径φ１．６、又はφ２．４の細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアークが開先内の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。
【０１５０】
さらに、前記細径の丸電極は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【０１５１】
これに対して、ワイヤをアーク溶接の電極にする消耗電極方式のアーク溶接は、アークの点弧と短絡及びワイヤの短絡移行との繰り返しが可能な平均溶接電流及び平均溶接電圧を設定して出力させるショートアーク溶接、あるいはワイヤ溶滴の形成可能な高いピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース時間内に溶滴移行可能な低いベース電流かベース電圧を設定して交互に出力させるパルスアーク溶接を選択して施工するとよい。このアーク溶接時のワイヤ溶融速度は、平均溶接電流にほぼ比例して増加するため、平均溶接電流と同期させて可変するとよい。消耗電極方式のアーク溶接（ＭＩＧ溶接）の場合には、ワイヤに直接給電（平均溶接電流を流す）してアーク溶接するため、溶接スパッタが発生し易いが、上述したように、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すこことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。さらに、上述したパスルアーク溶接を行うと、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。また、前記消耗電極方式のアーク溶接に使用するシールドガスは、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋２〜５％Ｏ２入りの混合ガスをシールドガスに用いるとよい。数パーセントの酸素ガスを混合することにより、純Ａｒガスと比べてアークのふらつきを小さく、ワイヤ溶滴の移行を促進することができる。さらに、ＭＩＧ溶接の代わりに、大電流でワイヤ溶融量が格段に高いサブマージアーク溶接を施工することも可能である。
また、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。このワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うと、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施形態に係るステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法を説明する図である。
【図２】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図３】多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【図４】ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。
【図５】ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。
【図６】図５に示す手順で積層溶接した際の溶接断面を説明する図である。
【図７】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図８】図７に示す手順で積層溶接（非消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【図９】図７に示す手順で積層溶接（消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【図１０】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図１１】多層盛溶接による溶接断面を説明する図であ。
【図１２】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法に係わる溶接装置を説明する図である。
【図１３】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の溶接手順を説明する図である。
【図１４】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の溶接手順説明する図である。
【図１５】図１４に示した多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【図１６】温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す図である。
【図１７】マルテンサイト系ワイヤ、オーステナイト系ワイヤにおける温度と伸びとの関係を模式的に示す図である。
【図１８】マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す図である。
【図１９】多層盛溶接方法により溶接した配管の断面写真の例である。
【図２０】多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例を示す図である。
【図２１】多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例を示す図である。
【図２２】初層裏波溶接から最終層の溶接までの全てをオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１，２ 開先継手部材
１ｂ，２ｂ 開先裏面
３ 開先内
４ 溶接台車
５ ワイヤ
６ 電極
７ 溶接トーチ（ＴＩＧトーチ）
７７ ＭＩＧトーチ
８ ＴＩＧ溶接電源
８８ ＭＩＧ溶接電源
９ａ，９９ａ 溶接制御装置
９ｂ ９９ｂ 操作ペンダント
１０ アーク
１１ ワイヤ送給モータ
１５ 裏ビード
１６ 裏面側の溶融プール
１８ 表面側の溶融プール
２１ 初層溶接のビード断面
３０ 最終層のビード断面
３５ カメラ
３６ カメラ制御器
３７ 映像モニタ装置
４１ 第１の積層溶接工程
４２ 第２の積層溶接工程
４３ 第３の積層溶接工程
４４ 第４の積層溶接工程
４５ 第５の積層溶接工程
４６ 第６の積層溶接工程
５１ 開先形状の製作工程
５２ 溶接準備工程
５６ オーステナイ系ワイヤ
５７ マルテンサイト系ワイヤ
５８ Ｎｉ基合金系ワイヤ
５９ 他のオーステナイト系ワイヤ
６１ 非消耗電極方式のアーク溶接
６２ 消耗電極方式のアーク溶接
８１ ワイヤ通電加熱電源
４１１ 第１の溶接金属部
４２２ 第２の溶接金属部
４３３ 第３の溶接金属部
４４４ 第４の溶接金属部
４５５ 第５の溶接金属部
４６６ 第６の溶接金属部
Ｈｂ 累計の積層ビード高さ
Ｈ 残存開先深さ
ｗ 開先底部幅
ｆ ルートフェイス
θ 片面角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼の多層盛溶接技術に係り、特に溶接部分の残留応力を改善することのできる多層盛溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントや火力発電プラントの容器、配管、構成部品などの溶接構造物に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、溶接などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が析出し易く、結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層が形成されることにより腐食に対する割れ感受性（材料の鋭敏化）が高くなることが知られている。また、溶接部分（溶接金属部及び隣接する熱影響部）には、高い引張残留応力が存在しており、高温水などの厳しい腐食環境下で使用されると、応力腐食割れが発生し易い。
【０００３】
この応力腐食割れを防止するためには、前記材料の鋭敏化、引張応力、腐食環境の３因子の中から1つ以上の因子を取り除く必要がある。このため、特に、高温水などの腐食環境下にさらされる溶接部分の表面及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することが強く求められている。
【０００４】
従来から溶接材部分の引張残留応力の低減に関する溶接方法や溶接装置が幾つか提案されている。例えば、特許文献１記載の配管系の熱処理方法では、溶接組み立て後の配管の内部に冷却水を存在させ、前記配管の外部を加熱して管内面と管外面との間に温度差を発生させ、これにより管内面を引張降伏させ、管外面を圧縮降伏させることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位の予防保全方法及び装置では、線状の溶接部位を追従しながら高周波加熱コイルを移動させ、この高周波加熱コイルによって溶接部位を応力降伏点の温度より高い温度まで加熱する手順と、過熱領域に冷却水を噴出して急速冷却する手順を有することが提案されている。
【０００６】
また、特許文献３記載の金属部品を接合する方法及び装置では、選定速度（毎分１２７ｃｍ以上）で走行する電極先端のチップ近傍に溶接材を連続的に供給する段階と、前記チップからの放電電流によって溶接材料を開先内で連続的に溶融する段階と、溶接ビードを形成する段階とを有し、前記電極はチップに接合及び電気的に接続された非円形断面のブレードを有し、所定数の溶接パス全体で圧縮性のある最終残留応力状態を外部にヒートシンク媒体なしで生成して達成することが提案されている。
【０００７】
また、特許文献４記載のオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手の多層盛溶接方法では、開先最深部に近い側の層をオーステナイト系溶加材を用いて溶着（溶接）し、前記層に隣接する外側の少なくとも１つの層をマルテンサイト系溶加材を用いて溶接することが提案されている。
【０００８】
また、特許文献５記載の溶接方法及び溶接材料では、溶接によって生成する溶接金属に溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を生じさせ、前記溶接金属が室温時においてマルテンサイト変態の開始温度（例えば２５０℃未満１７０度以下）時より膨張している状態にすることが提案されている。
【０００９】
また、 特許文献６記載の高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤでは、全溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が４００℃以下であり、ワイヤ全重量に対してＮｉが７．５〜１２％を含有し、Ｃが０．１％以下、Ｈは２ｐｐｍ以下に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送り速度を５〜４０ｇ／分にして溶接することが提案されている。
【特許文献１】特公昭５３−３８２４６号公報
【特許文献２】特開２００１-１４１６２９号公報
【特許文献３】特表平９−５１２４８５号公報
【特許文献４】特公昭６２−１９９５３号公報
【特許文献５】特開平１１−１３８２９０号公報
【特許文献６】特開平９−２５３８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１記載の方法は、溶接組み立て時に生じていた配管内面の引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるのに有効な方法であると考えられる。しかしながら、溶接設備の外に大型の高周波加熱設備が必要であるばかりでなく、溶接完了後に、配管の内周部に冷却水を供給しながら外周部を高温加熱するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１１】
また、上記特許文献２記載の方法は、引張残留応力を低減することができる。しかしながら、溶接完了後に、線状の溶接部位表面上を移動させる高周波コイルにより高温加熱し、加熱領域を冷却水の噴射により急速冷却しているため、移動式の加熱及び水冷設備が必要になると共に、この高温加熱及び急速冷却を実施するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１２】
また、上記特許文献３記載の方法では、外部にヒートシンク媒体を使用せずに、熱効率の高い溶接施工及び狭い開先継手の伝導性自己冷却効果により、引張残留応力及び溶接ひずみを低減することができる。しかしながら、この引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるまでに至らない可能性が高い。また、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極は、製作費が高価になり、また、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。また、開先内に供給して溶融させるワイヤ（溶加材）は、溶接対象の開先継手材と同じ組成のオーステナイト系ワイヤが使用され、このワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤは使用されていない。
【００１３】
また、上記特許文献４記載の方法では、管内面の引張残留応力を低減するために、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて溶接している。この方法は引張残留応力の低減に有効であるが、まだ引張応力が残留しており、圧縮応力に至っていない。また、実施例に記載されているマルテンサイト系ワイヤは、開先内の中間層の溶接部分のみに使用されており、開先表面の最終層の溶接部分には使用されていない。さらに、開先継手の角度が広いため、板厚の厚い開先継手を溶接する場合には、溶接すべき開先断面積及び開先肩幅が増加し、１層1パスづつ積層する溶接が困難である。このため、１層多パスの多層盛溶接が必要になり、引張残留応力及び収縮変形が増す可能性があり、圧縮応力に改善することは困難である。さらに、溶加材(ワイヤ)を溶着(溶接)する溶接方法については、具体的な方法が記載されていない。
【００１４】
また、上記特許文献５記載の方法では、溶接継手の疲労強度を向上するために、マルテンサイト変態を生じさせる溶接材料（溶接ワイヤに相当）を用いて溶接している。溶接対象は主に低合金鉄鋼材料（高張力鋼材など）の溶接構造物であり、材質が異るオーステナイト系ステンレス鋼材の溶接に適用することができない。また、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、すみ肉継手やＴ継手や十字継手の溶接表面部分、又はＸ開先継手の両面溶接の表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分を対象とするものではない。さらに、溶接方法については、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接法であり、非消耗性のタングステンを電極とするアーク溶接法ではない。
【００１５】
また、上記特許文献６記載の方法は、高張力鋼の溶接割れの防止に有効であると考えられるが、材質の異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。
【００１６】
この他にも、マルテンサイト変態を生じさせる溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法が幾つか提案されているが、主に高張力鋼材の溶接が対象であり、オーステナイト系ステンレス鋼材の溶接ではない。また、前記特許文献６と同様に、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、溶接表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分を対象とするものではない。
【００１７】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接ま積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１９】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、第１の溶融金属部の表面から開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与した。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、以上の構成を備えるため、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法を説明する図であり、図１（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図、図１（３）は非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/２の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図、図１（４）は図１（３）と同様に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、板厚Ｔの約３／４の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図である。
【００２２】
図１（１）に示すように、継手部材１、２は、開先裏面１ｂ、２ｂから開先表面１ａ、２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手の場合には、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５及びその近傍）に残留する応力を圧縮応力に改善することが重要である。
【００２３】
また、図１（２）に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装備した非消耗性の電極６先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８より給電して、開先内でアーク１０を発生させ、そのアーク１０溶接部分にワイヤ５を送給及び溶融させて溶接するようにしている。ＴＩＧ溶接電源８は、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要な高いピーク電流と低いベース電流、アーク電圧などの各条件値を任意に設定でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。パルスアーク溶接と異なる直流アーク溶接を選択した場合には、平均溶接電流に相当する直流電流、アーク電圧（平均アーク電圧）を設定することができる。
【００２４】
溶接制御装置９ａは、溶接トーチ７及びワイヤ５を搭載した溶接台車４（図１では図示省略）の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令制御し、アーク１０溶接部分へワイヤ５を供給するワイヤ供給装置１１を指令制御し、ワイヤ５の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整するものである。
【００２５】
操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時のピーク電流とそのピーク時間、ベース電流とそのベース時間又はパルス周波数とピーク電流の時間比率、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧、ピークワイヤ送りとベースワイヤ送り、溶接速度又はこの溶接速度に相当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。
【００２６】
また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７(電極６)の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることもできる。直流アーク溶接の場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均溶接電流、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に相当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００２７】
操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段は、小入熱の仮付け条件、初層裏波溶接で出力すべき初層条件、特定の積層ビード高さまで積層溶接する溶接工程で出力すべき複数の積層条件、並びに開先上面部の最終層まで積層溶接する溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定、記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段は、これに相当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又は溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、開先裏面部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する溶接動作を実行できる。
【００２８】
開先内３のアーク１０溶接部分に流すシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ２入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。例えば、Ａｒ＋３〜７％Ｈ２入り、Ａｒ＋５０〜８０％Ｈｅ入りの混合ガスを使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００２９】
非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。例えば、外径φ１．６、又はφ２．４の細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００３０】
また、図１（１）に示したように、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法、開先上面部までの片面角度（垂直面に対する開き角度）θを１０°以下の狭い開先形状に仕上げることにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、特に、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ２＊ｔａｎθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加、累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。
【００３１】
開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成すること、好ましくは約１．５ｍｍ前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融させることができる。また、図示していないインサート材を開先底部中央に挿入することにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に形成することができる。なお、開先底部の開先幅ｗについては、４ｍｍ未満になると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難になる。一方、開先底部の開先幅ｗが８ｍｍを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、開先底部の開先幅ｗの適正範囲を４ｍｍ以上、８ｍｍ以下に特定した。
【００３２】
さらに、図１（３）（４）に示した積層溶接では、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極６を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２とを形成している。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内６で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成し、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極６を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２を形成するとすることもできる。
【００３３】
このように積層溶接４１、４２により、第１の溶接金属部４１１と第２の溶接金属部４２２とを形成することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填できるばかりでなく、この第１の溶接金属部４１１の上部をマルテンサイト系の溶接金属（第２の溶接金属部４２２）で確実に充填することができる。その結果、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００３４】
マルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤ（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２のワイヤ）を使用するとよい。そして、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、このマルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接４２することにより、溶接時の温度下降過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度（１００〜３００℃）時より膨張した状態になるため、このマルテンサイト変態によって溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。なお、マルテンサイト変態による膨張作用及び張力の発生については、図１７及び図１８を参照して後述する。また、配管溶接部における残留応力の測定結果については、図２０〜２２を参照して後述する。
【００３５】
オーステナイト系ワイヤ５６については、開先継手の部材１、２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２で、Ｙ３０８、Ｙ３１６系の市販ワイヤ）を用いている。また、前記開先継手部材１、２の材質が異なる他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３２１系など）の場合には、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて溶接すればよい。また、インコネル（登録商標：Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金）系ワイヤ（すなわちＮｉ基合金系ワイヤ）は、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金のワイヤであり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）あるいはインコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい（かっこ内はニッケルおよびニッケル合金溶加棒規格記号）。
【００３６】
開先裏面から溶接すべき累計積層ビード高さＨｂは、開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定するとよい。あるいは開先表面から残すべき前記残存開先深さＨは、開先表面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／２以上から４／５以下の範囲に特定するとすることもできる。この特定した累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１することにより、上述したように、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に形成することができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００３７】
なお、このオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接すべき累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残すべき残存開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この累計積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚Ｔの大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残すべき残存開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を開先上部の最終層３０まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。
【００３８】
同様に、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、図７、図８及び図９で後述するＮｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材１、２の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する場合も、開先上部の最終層３０まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さＨｂは板厚Ｔの４／５以下にするとよい。好ましくは板厚の１／２以下にするとさらによい。また、前記残存開先深さＨは板厚Ｔの１／５以下にし、好ましくは板厚Ｔの１／２以上にするとよい。
【００３９】
非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、例えば、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。
【００４０】
特に、非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰り返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは最初の初層裏波溶接２１と、２層目以降に積層する積層溶接４１と、この上部に積層する積層溶接４２とで使用する複数の異なる特定値を定めるとよい。そして、この定めた特定値のパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接４１、４２することにより、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、開先底部から開先上面部まで良好な多層盛溶接結果を得ることができる。
【００４１】
なお、パルスアーク溶接時のパルス周波数が最も低い約１Ｈｚ（パルス周期時間：１ｓ）の場合は、例えば、溶接速度が９０ｍｍ/ｍｉｎ以上の速度領域で溶接ビードのリップル形状（貝殻模様のような波目）が約１．５ｍｍ以上と荒くなり易い。一方、パルス周波数が高い約３００Ｈｚ、約５００Ｈｚの場合には、パルス周期時間が極端に短くなるため、給電ケーブルの延長（例えば１０倍の１００ｍｍ以上に延長）が必要なときに、このケーブル延長に伴うリアクタの増加によって、矩形状のピーク電流波形が台形状や三角形状に変化するので、事前にピーク電流値を少し高めに補正することが望ましい。このパルス周波数を約１５０Ｈｚ以下に下げた場合には、例えば、給電ケーブルを１００ｍまで長く延長しても、ほぼ矩形状のピーク電流波形を出力することが可能である。また、耳ざわりな高音のアーク音を激減することもできる。
【００４２】
図２は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図であり、図１（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図である。
【００４３】
また、図３は、多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。溶接に際しては、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/３の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１する。その後に、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接している。
【００４４】
図２（１）に示すように、開先底部の開先幅ｗは、最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法に形成し、開先上面部までの片面角度θを少し広めの２０°以下に形成するとよい。また、開先底部の形状は、Ｕ形だけでなく、Ｖ形であってもよい。溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。特に、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用する消耗電極方式のアーク溶接６２を施工する場合には、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１と比べて、溶け込みが深く、ワイヤ溶着量も多いため、片面角度θが少し広くしても、少ないパス数で良好に積層溶接４３することができる。
【００４５】
また、図２（２）に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７７（ＭＩＧトーチ）内を通過して開先内３へ送給するワイヤ５と継手部材１、２との間にＭＩＧ溶接電源８８より給電して開先内３でアーク１０を発生及びワイヤ５を溶融させて溶接する。消耗電極方式のアーク溶接６２では、ワイヤ５溶融速度が平均溶接電流の大きさにほぼ比例して増加するため、出力すべき平均溶接電流とワイヤ５送り速度とを同期制御して可変できるようにしている。また、アーク溶接部分に給電するＭＩＧ溶接電源８は、溶接モードを選択するスイッチによって直流アーク溶接（又はショートアーク溶接）とパルスアーク溶接との切り換えが可能な溶接電源である。例えば、ショートアーク溶接（又は直流アーク溶接）を選択した場合は、アークの点弧と短絡及びワイヤの短絡移行との繰り返しが可能な平均溶接電流（例えば、１３０Ａ〜２００Ａ）、及びこの電流に適した平均アーク電圧を設定（例えば、１８〜２３Ｖ）して溶接するとよい。ワイヤの溶滴移行可能な臨界電流（ワイヤの径や材質、シールドガスの成分によって変化するが、例えば、１．２ｍｍ径のステンレスワイヤで、２２０Ａ前後）より高い平均溶接電流に増すと、ワイヤの短絡移行及び短絡電流が生じないスプレー移行の直流アーク溶接に変化し、溶接スパッタの少ない溶接が可能になる。上述したショートアーク溶接では、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すこことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。なお、ＭＩＧ溶接の場合は、ワイヤに直接給電してアーク溶接するため、ＴＩＧ溶接時より２倍程度高めの平均アーク電圧を出力させることにより良好な溶接結果が得られる。
【００４６】
また、パルスアーク溶接を選択した場合には、ワイヤ５溶滴の形成可能な高いピーク電流Ｉｐかピーク電圧Ｖｐとそのピーク時間ｔｐ、ベース時間ｔｂ内にワイヤ５溶滴の移行可能な低いベース電流Ｉｂかベース電圧Ｖｂを設定すると共に、平均溶接電流Ｉａ（ワイヤ送り速度Ｗｆ、ベース時間ｔｂかパルス周波数ｆを同期可変させる）、平均溶接電圧を設定及び調整するとよい。パルス周波数ｆｐは、平均溶接電流（Ｉａ＝（Ｉｐ・ｔｐ＋Ｉｂ・ｔｂ）／（ｔｐ＋ｔｂ））の増加に伴って増す（ｆｐ＝１／（ｔｐ＋ｔｂ）＝Ｉａ／（Ｉｐ・ｔｐ＋Ｉｂ・ｔｂ））ことになる。パルスアーク溶接を行うことにより、臨界電流より充分に低い平均溶接電流での溶接であっても、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。また、ＴＩＧ溶接時と比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。
【００４７】
溶接制御装置９９ａは、溶接トーチ７７を搭載した溶接台車４（図示省略）の走行を指令制御し、ＭＩＧ溶接電源８８の出力及びワイヤ供給装置１１を指令制御し、溶接トーチ７７（ワイヤ５）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令調整するものである。さらに、操作ペンダント９９ｂは、溶接制御装置９９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時に使用するピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース電流かベース電圧とそのベース時間、ワイヤ送り速度と同期制御の平均溶接電流、この平均溶接電流に適した平均溶接電圧、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができる。また、ショートアーク溶接時や臨界電流より高い電流になる直流アーク溶接時に使用する平均溶接電流、この平均溶接電流に適した平均溶接電圧、溶接速度の各条件値を設定、調整することができる。さらに、溶接トーチ位置（ワイヤ位置）調整手段により、溶接トーチ７７の位置ずれを調整したりすることもできる。アーク溶接部分に流すシールドガス３４は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋２〜５％Ｏ２入りの混合ガスをシールドガスに用いるとよい。数パーセントの酸素ガスを混合することにより、純Ａｒガスと比べてアークのふらつきを小さく、ワイヤ溶滴の移行を促進することができる。
【００４８】
図３に示した積層溶接では、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、タングステン６をアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３とを有するようにしている。
【００４９】
開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、タングステン６をアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１（ＴＩＧ溶接）を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成している。そして、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２（ＭＩＧ溶接）を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するようにしている。
【００５０】
このように積層溶接４１、４３して、第１の溶接金属部４１１と第３の溶接金属部４３３とを形成することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填できるばかりでなく、この第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系の第３の溶接金属部４３３で確実に充填することができる。その結果、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、消耗電極方式のアーク溶接（ＭＩＧ溶接）を施工することにより、上述したように、溶け込みが深く、ワイヤ溶着量も格段に多いため、溶接速度を速くでき、片面角度θが少し広い開先断面積であっても、少ないパス数で積層溶接４３でき、第３の溶接金属部４３３を良好に得ることができる。
【００５１】
マルテンサイト系ワイヤは、上述したように、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用するとよい。また、フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用することも可能である。フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤは、特に、このワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接に使用するとよい。アーク溶接中に生成するスラグを溶接後に除去する必要があるが、ワイヤの溶融性が良く、アークのふらつきが小さく、少ないシールドガス流量でもポロシティなどの溶接欠陥が発生しない良好な溶接結果を得ることが可能である。また、ＭＩＧ溶接の代わりに、大電流でワイヤ溶融量が格段に高いサブマージアーク溶接を施工することも可能である。
【００５２】
図４は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。溶接前に行う最初の開先形状の製作工程５１において、図１（１）及び図２（１）で説明したように、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする。次の第１の溶接準備工程５２において、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１の施工に必要な溶接台車４に溶接トーチ７、ワイヤ５などを取り付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａを立上げて溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。ワイヤ５は、開先継手材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。
【００５３】
次の第１の積層溶接工程４１において、図１及び図４に示したように、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、初層裏波溶接を含む開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させて積層溶接４１する。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に使用し、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１を形成するようにしている。このように第１の積層溶接工程４１で積層溶接することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に得ることができる。
【００５４】
最初の初層裏波溶接では、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍに特定し、裏面側１ｂ、２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように、１つ以上の条件因子（例えば、ピーク電流か平均溶接電流、ピーク電圧か平均アーク電圧かアーク長、ワイヤ送り速度、溶接速度）を調整又は制御して施工するとよい。裏ビード幅を適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６ｍｍの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行ってもよい。また、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤ５６を使用すると共に、少なくとも初層溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１/２〜２/３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行う。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００５５】
また、第１の積層溶接工程４１において溶接すべき累計積層ビード高さＨｂは、上述したように、開先継手の板厚Ｔの１／５以上から４／５以下、又は板厚Ｔの１／５以上から１／２以下の範囲に特定するとよい。あるいは前記累計積層ビード高さＨｂの代わりに、開先表面から残すべき残存開先深さＨを用い、この残存開先深さＨを板厚Ｔの１／５以上から１／２以下、又は板厚Ｔの１／５以上から１／２以下の範囲に特定することもできる。そして、この第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件、２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ/ｃｍ〜１２ｋＪ/ｃｍの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２００Ａ、平均アーク電圧が９〜１１Ｖのアーク条件）に変更して１層１パスづつ積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。なお、ほぼ一定の適正な溶接条件（例えば、約４ｋＪ/ｃｍ、約６ｋＪ/ｃｍ、約８ｋＪ/ｃｍ、約１０ｋＪ/ｃｍ、あるいは約１２ｋＪ/ｃｍに特定した低い入熱条件）に設定して積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行ってもよい。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０．５〜２．０ｍｍの範囲内になるように送給するとよい。このように第１の積層溶接工程４１で積層溶接４１することにより、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１を良好に形成することができる。
【００５６】
第２の積層溶接工程４２において、図１及び図４にに示したように、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に再使用し、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させて積層溶接４２する。また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極６に再使用し、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って積層溶接４２した第２の溶接金属部を形成するとすることもできる。このように第２の積層溶接工程４２で積層溶接することにより、上述したように、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を良好に得ることができる。また、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、１層1パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、開先左右に振分ける１層２パス溶接を施工することにより、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増すことにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００５７】
また、マルテンサイト系ワイヤ５７を使用する積層溶接４２では、この積層溶接４２の以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１した時の最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量の適正な溶接条件に変更して溶接することにより、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができる。
【００５８】
最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、開先表面１ａ、２ａより少し盛り上る（例えは１ｍｍ程度の余盛り高さ）ように仕上げている。特に、この最終層の溶接３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うとよい。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【００５９】
一方、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更する場合には、図４に示したように、上述した第２の積層溶接工程４２を施工せずに、左側に記載した第２の溶接準備工程５３に移行する。この第２の溶接準備工程５３では、消耗電極方式のアーク溶接６２の施工に必要な別の機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置を立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。そして、溶接準備の終了後に、第３の積層溶接工程４３に移行する。この第３の積層溶接工程４３では、図２（２）及び図３に示したように、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接４３するようにしている。また、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するとすることもできる。このように第３の溶接工程４３３で積層溶接４３することにより、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第３の溶接金属部４３３を良好に得ることができる。その結果、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６０】
図５は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。また、図６は、図５に示す手順で積層溶接した際の溶接断面を説明する図である。図３、図４に示す例との主な相違点は、非消耗電極方式のアーク溶接６１（ＴＩＧ溶接）による施工をなくし、非消耗電極方式のアーク溶接６２（ＭＩＧ溶接）を施工する溶接工程により、開先裏面から開先上面部の最終層まで積層溶接するようにしたことである。
【００６１】
まず、第２の溶接準備工程５３において、消耗電極方式のアーク溶接６２の施工に必要な溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどを取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置を立上げて、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。この溶接準備の終了後に、第６の積層溶接工程４６に移行する。
【００６２】
第６の積層溶接工程４６においては、図４に示した第１の積層溶接工程４１のときと同様に、溶接すべき累計積層ビード高さＨｂを開先裏面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下のの範囲に特定し、あるいは残すべき残存開先深さＨを開先表面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定するとよい。そして、この特定範囲の累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させて積層溶接４６する。また、前記特定範囲の累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、ワイヤ５をアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４６した第６の溶接金属部４６６を形成することもできる。このように第６の積層溶接工程４６で積層溶接することにより、図６に示したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第６の溶接金属部４６６を良好に形成することができる。
【００６３】
次の第３の積層溶接工程４３では、図５及び図６に示したように、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させて積層溶接４３する。また、１層１パスづつ積層溶接する途中で開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接することもできる。さらに、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３を形成するとすることもできる。
【００６４】
このように第３の積層溶接工程４３で積層溶接することにより、オーステナイト系の第６の溶接金属部４６６の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、第６の溶接金属部４６６と異なる材質の第３の溶接金属部４３３を良好に形成することができる。また、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６５】
特に、ＭＩＧ溶接（例えば、ショートアーク溶接）の場合は、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、片面角度θが少し広い開先断面積であっても、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。また、パルスアーク溶接の場合には、臨界電流より充分に低い平均溶接電流での溶接であっても、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。
【００６６】
図７は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。また、図８は、図７に示す手順で積層溶接（非消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。図９は、図７に示す手順で積層溶接（消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【００６７】
図４に示す例との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５６の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する第４の積層溶接工程４４と第５の積層溶接工程４５とを設けたことである。なお、継手部材の加工や組立などをする開先形状の製作工程５１、タングステン６を電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接６１の準備をする第１の溶接準備工程５２、ワイヤ５を電極に使用する消耗電極方式のアーク溶接６２の準備をする第２の溶接準備工程５３は、図４に示す例と同じである。
【００６８】
特に、第４の積層溶接工程４４においては、図７及び図８に示したように、第１の積層溶接工程４１の終了後に、非消耗性のタングステン電極６をアーク溶接の電極に再使用し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させて積層溶接４４するようにしている。また、非消耗性のタングステン電極６をアーク溶接の電極に再使用し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４４した第４の溶接金属部４４４を形成するとすることもできる。
【００６９】
このように第４の積層溶接工程４４で積層溶接することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第４の溶接金属部４４４を良好に得ることができる。その結果、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部４４４に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００７０】
また、第５の積層溶接工程４５においては、図７及び図９に示したように、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させて積層溶接４５するようにしている。また、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って積層溶接４５した第５の溶接金属部４５５を形成するとすることもできる。このように第５の積層溶接工程４５で積層溶接４５することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第５の溶接金属部４５５を良好に形成すことができる。その結果、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、第５の溶接金属部４５５に収縮抑制作用及び張力が生じ、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００７１】
図１ないし図９に示したように、前記第１の溶接金属部４１１の形成に際しては、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、また、前記第２の溶接金属部４２２の形成に際しては、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤ５７を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、前記第３の溶接金属部４３３の形成に際しては、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤ５７を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成することができる。
【００７２】
また、前記第４の溶接金属部４４４の形成に際しては、前記タングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接６１を繰返し行って形成し、前記第５の溶接金属部４５５の形成に際しては、ワイヤ５を電極に使用するアーク溶接に変更し、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成し、また、前記第６の溶接金属部４６６の形成に際しては、前記オーステナイト系ワイヤ５６を電極にして開先内３で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接６２を繰返し行って形成することができる。
【００７３】
また、図１ないし図９に示したように、前記第１の溶接金属部４１１は第１の積層溶接工程４１により形成し、前記第２の溶接金属部４２２は第２の積層工程４２により形成し、前記第３の溶接金属部４３３は第３の積層工程４３により形成し、前記第４の溶接金属部４４４は第４の積層工程４４により形成し、前記第５の溶接金属部４５５は第５の積層工程４５により形成し、前記第６の溶接金属部４６６は第６の積層工程４６により形成する。 表１にこれらの溶接施工条件の一例を示す。
【表１】
【００７４】
図１０は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図であり、図１０（１）は溶接前の継手部材の開先断面を示す図、図１０（２）は溶接装置および溶接中における溶接断面を示す図、図１０（３）は非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先底部から板厚Ｔの約１/２の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図、図１０（４）は図１０（３）と同様に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、板厚Ｔの約３／４の高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、その後に、残りの溶接部分から開先上面部まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接したときの溶接断面を示す図である。なお、図１に示す例との主な相違点は、ワイヤ通電加熱電源８１を設けた点にある。ワイヤ通電加熱電源は、ワイヤホルダ２５を介して送給するワイヤ５を通電加熱する電源である。このワイヤ５への通電加熱は、図１３及び図１４に示す第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程において溶接施工する際に使用し、ワイヤ電流の大きさに応じてワイヤ溶融量を増加することができる。
【００７５】
図１１は、多層盛溶接による溶接断面を説明する図であり、図１０に示す積層溶接と異なる方法で積層溶接したときの溶接断面である。図１２は、ステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法に係わる溶接装置を説明する図である。また、図１３は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の溶接手順を説明する図である。
【００７６】
この例の場合においても、図１０（１）に示すように、継手部材１、２は、開先裏面１ｂ、２ｂ側に裏ビード１５を形成させると共に、開先表面１ａ、２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント、火力発電プラント、化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手の場合には、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５及びその近傍）に残留する応力を圧縮応力に改善することが重要である。開先継手１、２の形状は、開先底部の開先幅ｗを最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法にし、開先上面部までの片面角度θを１０°以下の狭い開先にしている。また、開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成するとよい。このように開先形状を形成することにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より減少することができる。また、初層裏波溶接で裏面側に裏ビード１５が容易に形成できるばかりでなく、この初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までに必要なワイヤ使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。
【００７７】
図１０（２）及び図１２に示すように、アーク溶接は、溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装備した非消耗性の電極６先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８より給電して開先内でアーク１０を発生させ、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて溶接するようにしている。ＴＩＧ溶接電源８は、溶接トーチ７先端の電極６と継手部材１、２との間に接続されており、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要なピーク電流とベース電流、アーク電圧などの各条件値を任意に出力でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。直流アーク溶接を選択した場合には、溶接電流（平均電流）に該当する所望の直流電流、アーク電圧（平均アーク電圧）を出力することができる。また、ワイヤ通電加熱電源８１は、ワイヤホルダ２５を介して送給するワイヤ５を通電加熱する電源である。このワイヤ５への通電加熱は、図１３及び図１４に示す第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接施工するときに使用し、ワイヤ電流の大きさに応じてワイヤ溶融量を増加することができる。
【００７８】
また、溶接制御装置９ａは、図１０（２）及び図１２に示したように、溶接トーチ７及びワイヤ５を搭載した溶接台車４の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、ワイヤ通電加熱電源８１の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置、上下位置を必要に応じて指令制御し、アーク１０溶接部分へのワイヤ５の供給、このワイヤ５の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整するものである。また、操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。
【００７９】
パルスアーク溶接の場合は、操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、ピーク電流とそのピーク電流時間、ベース電流とそのベース電流時間、又はパルス周波数とピーク電流の時間比率、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧、通電加熱するためのワイヤ電流、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、前記溶接トーチ７の位置ずれや、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。一方、直流アーク溶接の場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均電流、電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長、通電加熱するためのワイヤ電流、ワイヤ送り速度、溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ、ワイヤ５の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８０】
さらに、前記操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段には、仮付け溶接で出力すべき小入熱の仮付け条件、初層裏波溶接で出力すべき初層条件、特定の積層ビード高さまで積層溶接する第１の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件、その後に、開先上面部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定、記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段に相当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又はこの溶接条件調整手段に相当する溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、仮付け溶接、初層裏波溶接を含む第１の積層溶接工程での積層溶接４１、第２の積層溶接工程での積層溶接４２又は第３の積層溶接工程での積層溶接４３を順番に実行できるようになっている。
【００８１】
開先内３のアーク１０溶接部分に流すシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ２入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。これらの混合ガスを使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００８２】
ワイヤ５については、２種類のワイヤを使い分けている。すなわち、図１０、図１１及び図１３に示したように、第１の溶接金属部４１１の積層溶接４１１では、開先継手の部材１、２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６（例えば、外径がφ０．８〜φ１．２で、Ｙ３０８、Ｙ３１６の市販ワイヤ）を使用している。前記開先継手部材１、２が他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３２１系など）であれば、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１すればよい。また、前記第１の溶接金属部４１の上部に、積層すべき第２の溶接金属部４２２の積層溶接４２では、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を使用している。このマルテンサイト系ワイヤ５７は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材１、２と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを使用している。さらに、図１４及び図１５を参照して後述するが、第３の溶接金属部４３３の積層溶接４３では、前記マルテンサイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ５８を使用している。このＮｉ基合金系ワイヤ５８は、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【００８３】
一方、非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。例えば、外径φ１．６ｍｍ、又はφ２．４ｍｍの細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００８４】
図１２に示した例では、特に、レール上を走行する溶接台車４に搭載されている溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装着した非消耗性の電極６と、ワイヤ５を案内するワイヤホルダ２５の両方とを開先内３に挿入し、シールドガス３３の流入雰囲気で発生させるアーク１０中及び溶融プール中にワイヤ５を送給し、開先底部の裏面側に裏ビード１５を形成させる初層裏波溶接を行っている状況を示している。また、溶接台車４には、表面側の溶接状態を監視するための第１のカメラ３５を、溶接トーチ７とワイヤホルダ２５との上部中間に配備している。この第１のカメラ３５と一対のカメラ制御器３６によって撮像する表面側の溶接状態の映像を第１の映像モニタ装置３７に画面表示して監視できるようにしている。前記第１のカメラ３５、第１の映像モニタ装置３７に相当する他の第１の映像手段、第１の映像表示手段であってもよい。前記第１の映像モニタ装置３７の画面には、開先表面１ａ、２ａ側から開先内３に挿入した電極６とワイヤ５、表側のアーク１０及び溶融プール１８、この溶融プール１８及び電極６の後方に形成する表側の溶接ビード３９の状態を表示している。前記第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ５位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ５の位置ずれ（例えば左右方向、上下方向のワイヤ位置ずれ）をなくすことができる。また、溶接条件の因子も調整又は制御することもできる。なお、図１２に示した例では、継手部材１、２側を位置決め固定した状態で、溶接台車４に搭載している溶接トーチ７側を走行させて溶接するようにしているが、溶接トーチ７の走行を停止した状態で、継手部材１、２側を走行移動させて溶接する施工であってもよい。
【００８５】
特に、開先低部の初層裏波溶接では、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍに特定し、裏面側１ｂ、２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように施工するとよい。例えば、前記パルスアーク溶接のピーク電流、ベース電流、ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、あるいは前記直流アーク溶接の平均電流、平均アーク電圧又はアーク長、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定の適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６ｍｍの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行ってもよい。また、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、少なくとも初層溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１/２〜２/３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００８６】
本実施形態の多層盛溶接施工では、図１０及び図１１に示したように、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側１ｂ、２ｂに前記特定範囲の裏ビード幅Ｂを形成させた後に、前記初層裏波溶接の部分２１を含む開先裏面１ｂ、２ｂから特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて、積層溶接４１した第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１のビード表面と接する開先内３の残りの溶接部分から開先上面部１ａ、２ａの最終層３０まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤ５７を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接４２した第２の溶接金属部４２２とを有するようにしている。
【００８７】
また、前記初層裏波溶接によって開先底部の裏面側１ｂ、２ｂに前記特定範囲の裏ビード幅Ｂを形成させた後に、前記初層裏波溶接の部分２１を含む開先裏面１ｂ、２ｂから特定の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤを無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて積層溶接４１し、この積層溶接４１の終了後に、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤを無通電のまま開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、１層１パスづつ積層溶接４２するか又は１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４２するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４２するとすることもできる。
【００８８】
このように溶接施工することにより、多層盛溶接及び溶接裏面部分の残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材の開先継手であっても、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる前記第１の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を圧縮応力に改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【００８９】
特に、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。このワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行っているため、、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。さらに、１層1パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、１層２パス溶接によって、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増すことにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００９０】
開先裏面から溶接すべき前記累計積層ビード高さＨｂは、板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定するとよい。そして、この特定した累計積層ビード高さＨｂまで、オーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１し、あるいは前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４１することにより、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材１、２と同質系のオーステナイト系の溶接金属で充填でき、第１の溶接金属部４１１を確実に得ることができる。また、この累計積層ビード高さＨｂの代わりに、残すべき残存開先深さＨを設け（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂに該当）、板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定し、この特定した前記残存開先深さＨまで、前記オーステナイト系ワイヤ５６を溶融させて前記積層溶接５６するようにすることもできる。
【００９１】
なお、溶接すべき前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残すべき前記残存開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この前記累計積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚Ｔの大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまでは、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残すべき前記残存開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を開先上部の最終層３０まで積層溶接４１すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。同様に、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤ５９を使用する場合も、開先上部の最終層３０まで積層溶接４３すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さＨｂは板厚Ｔの４／５以下にするとよい。また、前記残存開先深さＨは板厚Ｔの１／５以下にするとよい。
【００９２】
一方、図１３に示したように、溶接前に行う最初の開先形状の製作工程５１では、溶接対象の継手部材を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする。例えば、この製作工程５１で、図１０（１）で説明したように、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅ｗを最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の寸法、開先上面部までの片面角度（垂直面に対する開き角度）θを１０°以下の狭い開先形状に形成することにより、上述したように、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より減少することができる。また、初層裏波溶接で裏面側に裏ビード１５が容易に形成できるばかりでなく、この初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までに必要なワイヤ使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ２＊ｔａｎθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加、累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。
【００９３】
開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２．５ｍｍの範囲に形成すること、好ましくは約１．５ｍｍ前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融でき、裏ビードを確実に得ることができる。また、インサート材１９を開先底部中央に挿入することにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。なお、開先底部の開先幅ｗについては、４ｍｍ未満になると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難に至る。一方、開先底部の開先幅ｗが８ｍｍを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、開先底部の開先幅ｗの適正範囲を４ｍｍ以上、８ｍｍ以下に特定した。
【００９４】
次の溶接準備工程５２では、溶接台車４、溶接トーチ７、ワイヤ５などの取付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａやワイヤ通電加熱電源８１の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行う。ワイヤ５は、開先継手材１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。
【００９５】
そして、次の第１の積層溶接工程４１では、図１０及び図１３に示したように、前記初層裏波溶接の部分を含む開先裏面より板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の特定範囲の累計積層ビード高さＨｂまで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を通電加熱しながら開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記オーステナイト系ワイヤ５６を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給して溶融させて積層溶接４１する溶接動作を行う。この第１の積層溶接工程４１により、裏面側に凸形状の裏ビード幅を良好が形成できるばかりでなく、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手１、２の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６による第１の溶接金属部４１１を確実に形成することができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００９６】
また、前記第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件、２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ/ｃｍ〜１２ｋＪ/ｃｍの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２２０Ａのアーク条件）に変更し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って１層１パスづつ積層溶接４１するようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件（例えば、約４ｋＪ/ｃｍ、約６ｋＪ/ｃｍ、約８ｋＪ/ｃｍ、約１０ｋＪ/ｃｍあるいは約１２ｋＪ/ｃｍに特定した低い入熱条件）に設定し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って積層溶接４１するようにすることもできる。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０．５〜２．０ｍｍの範囲内になるように送給するとよい。さらに、溶接中は、図１２に示した第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ５位置を調整又は制御するとよい。
【００９７】
次の第２の積層溶接工程４２では、図１０、図１１及び図１３に示したように、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４２するか又は１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４２するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４２するようにしている。また、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させ、又は前記マルテンサイト系ワイヤ５７を無通電のまま開先内３のアーク１０溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接４２して第２の溶接金属部４２２を形成することもできる。
【００９８】
さらに、マルテンサイト系ワイヤ５７を使用する前記積層溶接４２では、この積層溶接４２の以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１したときの最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量（例えば、１０ｋJ/cmを半分の５ｋJ/cmに減少）の適正な溶接条件に変更（例えば、１０ｋJ/cmを半分の５ｋJ/cmに減少）して溶接することにより、第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、第１の溶接金属部と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を開先上面部まで良好に形成することができる。また、最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、開先表面１ａ、２ａより少し盛り上る（例えは１〜２ｍｍ程度の余盛り高さ）ように仕上げるとよい。さらに、この最終層の溶接３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うようにすることもできる。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【００９９】
このように積層溶接４２することにより、オーステナイト系の第１の溶接金属部４１１の上部に、マルテンサイト系ワイヤ５７の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と異なる材質の第２の溶接金属部４２２を良好に得ることができる。この結果、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部４２２に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１００】
また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行う場合には、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。特に、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）することにより、溶接パス毎のワイヤ溶融量が増加でき、少ないパス数で良好に仕上ることができる。ワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。
【０１０１】
図１４は、ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の溶接手順説明する図である。図１３との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を第３の積層溶接工程４２で使用していることである。また、図１５は、図１４に示した多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【０１０２】
特に、第１の積層溶接４１の終了後に施工する第３の積層溶接工程４３では、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、マルテンサイト系ワイヤ５７と異なるＮｉ基合金系ワイヤ５８又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を通電加熱しながら送給及び溶融させ、又は前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を無通電のまま送給及び溶融させて１層１パスづつ積層溶接４３し、あるいは１層１パスづつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスづつ積層溶接４３するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接４３するようにしている。
【０１０３】
また、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層３０まで、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を通電加熱しながら送給及び溶融させ、又は前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を無通電のまま送給及び溶融させて積層溶接４３した第３の溶接金属部４３３より成るとすることもできる。
【０１０４】
このように積層溶接４３することにより、第１の溶接金属部４１１の上部に、前記Ｎｉ基合金系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９の溶接金属を確実に充填でき、前記第１の溶接金属部４１１と材質の異なる第３の溶接金属部４３３を良好に形成することができる。この結果、溶接時の温度下降過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第３の溶接金属部４３３に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。特に、ワイヤを通電加熱することにより、溶接パス毎のワイヤ溶融量が増加でき、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【０１０５】
さらに、図１０ないし図１５に示したように、前記第１の溶接金属部は第１の積層溶接工程によって積層溶接し、前記第２の溶接金属部は前記第２の積層溶接工程によって積層溶接し、前記第３の溶接金属部は前記第３の積層溶接工程によって積層溶接するとすることもできる。これらの溶接施工条件の一例を表２示す。
【表２】
【０１０６】
図１６は、温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す図である。Ｎｉ基合金系ワイヤ（インコネル８２ワイヤ）の平均線膨張係数（□の線）は、例えば、約１００℃時で約１３．４（×１０−６／℃）であり、ＳＵＳ３０４材（◇の線）の約１７．３（×１０−６／℃）よりも３．９（×１０−６／℃）小さい。また、ＳＵＳ３１６Ｌワイヤの平均線膨張係数（△の線）と比べても約２．６（×１０−６／℃）小さい。また、マルテンサイトワイヤの平均線膨張係数（〇の線）は、他の材料の平均線膨張係数と比べて小さく、温度の下降時に、さらに激減する特性を有している。この平均線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することが可能になる。
【０１０７】
図１７は、図１、図３及び図６に示したステンレス鋼の多層盛溶接構造物及び多層盛溶接方法に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質係の開先継手材）とにおける温度と伸び（１ｍｍ長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す図である。また、図１８は、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す図である。
【０１０８】
図１７に示すように、オーステナイト系ワイヤ（又はオーステナイト系ステンレス鋼の開先継手材）の場合は、点線で示すように、温度変化（上昇時と下降時）に対する伸び曲線が同一線上を行き来するように変化している。これに対して、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系ワイヤの場合には、実線で示すように、温度上昇時の伸び曲線と温度下降時の伸び曲線とが異なるように変化している。特に、温度下降時の過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度Ｍｓ時より膨張した状態になることを示している。
【０１０９】
本実施形態の多層盛溶接方法では、図１７に示すように温度変化に対する伸び曲線が異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接を施工している。すなわち、図１８に示すように、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて開先底部側を積層溶接４１、４６し、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接４２、４３している。このように２種類のワイヤを使い分けて、第１の溶接金属部又は第６の溶接金属部と第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部とを得るように積層溶接することにより、開先裏面部から開先上面部まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【０１１０】
また、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接継手の引張強度試験、曲げ強度試験を行った結果母材破断による母材以上の高強度、ミクロ割れもない延性強度を有する良好な結果が得られることを確認した。
【０１１１】
図１９は、本実施形態による多層盛溶接方法で施工した配管溶接の断面写真の一例である。また、この配管溶接時の溶接施工条件を表３に示す。
【０１１２】
表３中には比較のために従来法で施工したときの溶接条件を併記している。本実施形態による多層盛溶接方法で施工した場合は、オーステナイト系ワイヤ５６（配管継手材と同質）とマルテンサイト系ワイヤ５７の２種類のワイヤを使用している。従来溶接施工の場合には、前記オーステナイト系ワイヤ５６のみを使用している。ワイヤへの通電加熱は、いずれもなし（ワイヤ電流が０）であり、無通電のままのワイヤを溶融させて各々積層溶接している。
【０１１３】
第１の溶接金属部は、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用い、初層裏波溶接して裏ビードを形成させた後に、この初層溶接部分を含む板厚の約２／５程度の高さ位置まで、非消耗電極方式のアーク溶接施工（例えば、６〜10ｋＪ/ｃｍの入熱条件）により積層溶接（６層６パス溶接）している。また、この上部にある第２の溶接金属部は、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系のステンレスワイヤ５７に交換し、残りの深い部分から開先上部の最終層まで、非消耗電極方式のアーク溶接施工（例えば、約４ｋＪ/ｃｍの低入熱条件）により積層溶接（３３層３３パス溶接）したときの溶接断面である。なお、溶接断面底部の裏ビードは凸形状に形成していたが、断面加工時にカットされて平坦形状になっている。
【０１１４】
このように、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接することにより、開先底部の裏面から開先上部の表面まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができ、同時に、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。なお、第２の溶接金属部は、低入熱量で溶接しているためにパス数が多いが、この入熱量を増加して溶接すれば、パス数を減らすことが容易にできる。
【表３】
【０１１５】
最後に、残留応力の測定結果について述べる。図２０は、本実施形態における多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例を示す図である。同様に、図２１は、多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例を示す図である。配管の材質がＹ３１６Ｌ系、外径が３１４ｍｍ、板厚が２９．５ｍｍ、開先深さが２８ｍｍである。溶接施工は、図１及び図４で説明したように示したように、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ（ＳＵＳ３１６Ｌ系）を用いて開先板厚Ｔの２／５程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後に、マルテンサイト変態を生じるマルテンサイト系のステンレスワイヤに交換して残りの深い部分から開先上面部まで低入熱条件で積層溶接している。なお、溶接断面及び溶接施工条件は図１９及び表３の（１）に示した通りである。残留応力測定は、Ｘ線回折測定法より精度の良いひずみゲージ開放法（配管内外面の測定箇所にひずみゲージを貼り付け、短冊切りの１次切断開放の工程から最終スリット切りの３次開放の工程を経て、周方向の開放ひずみ値εθと軸方向の開放ひずみ値εｚとの測定結果より、周方向の残留応力σθ、軸方向の残留応力を算出）を用いて測定した結果である。
【０１１６】
配管内面側の溶接裏面部及びその周辺部の残留応力は、図２０に示したように、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）及び溶接線方向の周方向残留応力σθ（◆印の線）の両方ともに、約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力になっている。一方、配管外面側の溶接表面部及びその周辺部の残留応力については、図２１に示したように、溶接部に隣接する部分の周方向残留応力σθ（◆印の線）が最大約１７０ＭＰａの引張応力になっている。これに対して、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）は、溶接部に隣接する部分及び溶接中央部分で約−１００ＭＰａの圧縮応力になっている。
【０１１７】
比較のために、初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例を図２２に示す。溶接施工条件は表３の（２）に示した通りである。配管の材質やサイズ、開先形状、溶接条件及び溶接の施工法はほぼ同じあり、マルテンサイト系ワイヤを使用せずに、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤのみを使用していることが異なっている。この場合には、周方向残留応力σθが約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力であるのに対して、重要な軸方向残留応力σｚが最大で約１００ＭＰａの引張応力に変化している。開先継手の開先幅を狭くし、しかも、低入熱の溶接条件で積層溶接することによって、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を従来より大幅に低減することができるが、図２２に示したように、最大で約１００ＭＰａの引張応力が残っている。これに対して、本発明の多層盛溶接方法を施工することにより、図２０に示したように、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を圧縮応力に改善することができる。残留応力改善の結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。また、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法によれば、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部から初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。また、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを積層溶接することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１１９】
特に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【０１２０】
一方、ワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接の場合には、溶接スパッタが発生し易いが、前記非消耗電極方式のアーク溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍増加することができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。パルスアークを出力させることにより、溶接スパッタを大幅に減少できる。
【０１２１】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法によれば、溶接パス毎の入熱量、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２２】
また、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行っているため、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。さらに、溶接パス毎の入熱量、溶接による収縮変形やたわみ変形、熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。 また、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２３】
すなわち、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、溶接すべき累計積層ビード高さが開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した溶接金属部と、この溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した溶接金属部とを有することにより、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１２４】
また、前記特定範囲の累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した溶接金属部と、この溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤと異なるインコネル系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した溶接金属部とを有することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１２５】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した第１の溶接金属部と、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した第２の溶接金属部、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した第３の溶接金属部とを有し、あるいは前記特定範囲の累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させて積層溶接した第６の溶接金属部と、この第６の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した前記第３の溶接金属部とを有することにより、上述したように、溶接時の温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。特に、前記第３の溶接金属部、第６の溶接金属部は、ワイヤをアーク溶接の電極に使用しているため、前記第１の溶接金属部、第２の溶接金属部に比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。また、溶接作業の時間短縮による工数低減もできる。
【０１２６】
また、前記第１の溶接金属部と、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、非消耗性のタングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接した第４の溶接金属部、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして溶融させて積層溶接した第５の溶接金属部とを有することにより、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記第５の溶接金属部は、ワイヤをアーク溶接の電極に使用しているため、前記第４の溶接金属部に比べて、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。
【０１２７】
さらに、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接することにより、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の積層ビード高さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができ、前記第１の溶接金属部又は前記第６の溶接金属部を得ることができる。
【０１２８】
また、前記累計積層ビード高さを開先裏面より板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定し、あるいは前記残存開先深さを開先表面より板厚の１／５以上から１／２以上の範囲に特定してもよい。そして、この特定した累計積層ビード高さ又は残存開先深さまで積層溶接することにより、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。なお、このオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接すべき累計積層ビード高さが板厚の１／５より小さ過ぎる又は残すべき残存開先深さが板厚の４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持、腐食進行の防止を損なうおそれがある。この累計積層ビード高さの最小値は、板厚の大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、前記累計積層ビード高さが板厚の４／５より大き過ぎる又は残すべき残存開先深さが板厚の１／５より小さ過ぎると、その後に、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを開先上部の最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせるマルテンサイト変態による膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。同様に、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを使用する場合も、開先上部の最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができないので好ましくない。したがって、前記累計積層ビード高さは板厚の４／５以下にするとよい。好ましくは板厚の１／２以下にするとさらによい。また、前記残存開先深さは板厚の１／５以下にし、好ましくは板厚の１／２以上にするとよい。
【０１２９】
前記第１の溶接金属部は、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。前記第６の溶接金属部は、前記第１の溶接金属部に代わるものであり、前記オーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することができる。また、初層裏波溶接で開先裏面に形成すべき裏ビード幅は、例えば、４〜７ｍｍ、好ましくは４〜６ｍｍの範囲に特定することにより、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【０１３０】
前記第２の溶接金属部は、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成し、前記第３の溶接金属部は、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。また、上述したように、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３１】
また、前記第４の溶接金属部は、前記タングステン電極を再使用し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成し、前記第５の溶接金属部は、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って形成することにより、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。また、上述したように、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３２】
特に、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。また、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、例えば、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。これに対して、ワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接（例えばＭＩＧ溶接）の場合には、ワイヤに直接給電（平均溶接電流を流す）してアーク溶接するため、溶接スパッタが発生し易いが、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。さらに、例えば、ワイヤ溶滴の形成可能な高いピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース時間内に溶滴移行可能な低いベース電流かベース電圧を設定して交互に出力させるパルスアーク溶接を行うと、１パルスで１溶滴移行でき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。
【０１３３】
なお、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接構造物の溶接に使用すべきマルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを用いればよい。また、Ｎｉ基合金系ワイヤは、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【０１３４】
一方、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、溶接すべき累計積層ビード高さが開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、この積層溶接の終了後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにし、あるいは前記マルテンサイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにしている。また、溶接すべき累計積層ビード高さ又は残すべき残存開先深さが前記特定範囲に到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、あるいはワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接し、この積層溶接の終了後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用又は使用するアーク溶接に変更し、あるいはワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させて積層溶接するようにすることもできる。このように積層溶接することにより、上述したように、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、温度下降過程でマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。
【０１３５】
同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。あるいは溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止、長寿命化に寄与することができる。
【０１３６】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第１の溶接金属部を形成することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。さらに、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第２の溶接金属部を形成し、又はワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第３の溶接金属部を形成することにより、上述したように、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３７】
また、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第６の溶接金属部を形成し、この第６の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した前記第３の溶接金属部を形成するとすることもできる。このように前記第６の溶接金属部、第３の溶接金属部を形成することにより、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができるばかりでなく、溶接パス毎のワイヤ溶融量が多く、溶接速度が速く、しかも、少ないパス数で溶接することができる。また、溶接作業の時間短縮による工数低減もできる。
【０１３８】
また、前記第１の溶接金属部を形成した後に、この第１の溶接金属部のビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第４の溶接金属部を形成し、あるいはＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接した第５の溶接金属部を形成することにより、上述したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤと異なるＮｉ基合金系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができる。さらに、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１３９】
また、本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第１の積層溶接工程により、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置（累計積層ビード高さ）まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填でき、その第１の溶接金属部を良好に得ることができる。
【０１４０】
さらに、この第１の積層溶接工程で積層溶接されたビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記タングステン電極を再使用し、マルテンサイト系ワイヤを溶融させる前記非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第２の積層溶接工程、又は前記第１の積層溶接工程の終了後に、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程とを有している。あるいは開先裏面から特定範囲の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定範囲の残存開先深さに到達するまで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第６の積層溶接工程と、この第６の積層溶接工程で積層溶接されたビード表面と接する開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程とを有するとすることもできる。
【０１４１】
このように積層工程を設けることにより、上述したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填でき、オーステナイト系の第１の溶接金属部又は第６の溶接金属部の上部に、マルテンサイト系の第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部を良好に形成することができる。その結果、開先継手の多層盛溶接及び残留応力改善が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、溶接時の温度降下過程でマルテンサイト変態を生じる第２の溶接金属部又は第３の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４２】
また、第１の積層溶接工程の終了後に、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させる非消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第４の積層溶接工程、あるいはＮｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第５の積層溶接工程により、第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部を良好に形成することができる。その結果、上述したように、溶接時の温度降下過程で生じる線膨張係数の偏差によって、前記第４の溶接金属部又は第５の溶接金属部に収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４３】
さらに、これらの積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、非消耗電極方式のアーク溶接の施工を準備する第１の溶接準備工程とを設けることにより、特定寸法の狭い開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４ｍｍ以上、最大で８ｍｍ以下の特定範囲の寸法に形成するとよい。また、開先上面部までの片面角度を、例えば、ＴＩＧ溶接の場合で１０°以下、ＭＩＧ溶接の場合で２０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、溶接パス毎の入熱量、溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減、溶接工数の低減を図ることができる。
【０１４４】
また、第１の溶接準備工程では、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用し、非消耗電極方式のアーク溶接の施工に必要な機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＴＩＧ溶接電源や溶接制御装置の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行うとよい。これに対して、消耗電極方式のアーク溶接の施工を準備する第２の溶接準備工程では、ワイヤを電極に使用するアーク溶接に変更し、消耗電極方式のアーク溶接の施工に必要な別の機材である溶接台車、溶接トーチ、ワイヤなどの取付け、ＭＩＧ溶接電源や溶接制御装置の立上げ、溶接動作の準備、溶接条件の設定を行うとよい。
また、この第２の溶接準備の終了後に、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、ワイヤをアーク溶接の電極に使用し、マルテンサイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第３の積層溶接工程、又は前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、Ｎｉ基合金系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ他のオーステナイト系ワイヤを電極にして開先内で溶融させる消耗電極方式のアーク溶接を繰返し行って積層溶接する第５の積層溶接工程を有することにより、オーステナイト系の溶接金属部の上部に、マルテンサイト系の溶接金属部又はＮｉ基合金系の溶接金属部を良好に形成することができる。また、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１４５】
特に、前記累計積層ビード高さは、開先裏面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／５以上から１／２以下の範囲に特定し、また、残すべき前記残存開先深さは、開先表面より板厚の１／５以上から４／５以下、又は板厚の１／２以上から４／５以下の範囲に特定し、この特定した累計積層ビード高さ又は残存開先深さに到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接することにより、特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填でき、第１の溶接金属部又は第の溶接金属部を良好に得ることができる。また、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【０１４６】
本実施形態のステンレス鋼の多層盛溶接方法に使用すべきマルテンサイト系ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤであって、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上、３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤにするとよい。また、フラックス入りの前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを使用することもできる。このような化学成分範囲のマルテンサイト系ワイヤを用いて、上述したように積層溶接することにより、溶接時の温度下降過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始温度（１００〜３００℃）時より膨張した状態になるため、このマルテンサイト変態を生じる溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することができる。また、フラックス入りのマルテンサイト系ステンレスワイヤは、特に、このワイヤをアーク溶接の電極にして溶融させる消耗電極方式のアーク溶接に使用するとよい。アーク溶接中に生成するスラグを溶接後に除去する必要があるが、ワイヤの溶融性が良く、アークのふらつきが小さく、少ないシールドガス流量でもポロシティなどの溶接欠陥が発生しない良好な溶接結果を得ることが可能である。
【０１４７】
一方、Ｎｉ基合金系ワイヤについては、前記ステンレス鋼の異材金属との溶接可能な高ニッケル合金であり、前述のように、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３）、インコネル６２５ワイヤ（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【０１４８】
また、非消耗性のタングステンをアーク溶接の電極に使用する非消耗電極方式のアーク溶接は、高いピーク電流と低いベース電流とを交互に出力させるパルスアーク溶接又は定電流を出力させる直流アーク溶接であればよい。この非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接）の場合は、コールドワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させるため、溶接パス毎のワイヤ溶融量を多くできないが、溶接スパッタの発生がなく、スラグなどの付着物がほとんどない良好な溶接ビード外観を得ることができる。特に、パルスアーク溶接の場合には、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融、溶け込み深さを促進することができる。また、パルスアークにより貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。さらに、ワイヤ通電加熱電源を接続してワイヤを通電加熱（ホットワイヤ）することも可能であり、ワイヤ加熱なし時よりワイヤ溶融量を約１．３〜２倍に増加することが可能である。
【０１４９】
また、前記非消耗電極方式のアーク溶接に使用するシールドガスは、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋３〜７％Ｈ２入りの混合ガス又はＡｒ＋５０〜８０％Ｈｅ入りの混合ガスを用いるとよい。これらの混合ガスをシールドガスに使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。また、非消耗性のタングステン電極は、高融点材のＬａ２Ｏ３入りＷ、Ｙ２Ｏ３入りＷ、ＴｈＯ２入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用し、あるいは前記細径の丸電極の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅より狭い偏平形状にした偏平電極を使用するとよい。例えば、外径φ１．６、又はφ２．４の細径の電極を使用(電極先端のみを円錐形状に加工して使用)することにより、シールドガス流入の雰囲気内で、この細径の電極先端と開先底部との間に発生させるアークが開先内の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。
【０１５０】
さらに、前記細径の丸電極は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、電極消耗時の再加工、溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。また、この細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状にした非消耗性の偏平電極を使用することも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【０１５１】
これに対して、ワイヤをアーク溶接の電極にする消耗電極方式のアーク溶接は、アークの点弧と短絡及びワイヤの短絡移行との繰り返しが可能な平均溶接電流及び平均溶接電圧を設定して出力させるショートアーク溶接、あるいはワイヤ溶滴の形成可能な高いピーク電流かピーク電圧とそのピーク時間、ベース時間内に溶滴移行可能な低いベース電流かベース電圧を設定して交互に出力させるパルスアーク溶接を選択して施工するとよい。このアーク溶接時のワイヤ溶融速度は、平均溶接電流にほぼ比例して増加するため、平均溶接電流と同期させて可変するとよい。消耗電極方式のアーク溶接（ＭＩＧ溶接）の場合には、ワイヤに直接給電（平均溶接電流を流す）してアーク溶接するため、溶接スパッタが発生し易いが、上述したように、ＴＩＧ溶接時と比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を数倍に増すこことができ、溶接速度が速く、溶接パス数が少なく、溶接時間を短縮することができる。さらに、上述したパスルアーク溶接を行うと、１パルスで１溶滴移行が確実にでき、ショートアーク溶接時と比べて溶接スパッタの発生を大幅に低減することができる。また、前記消耗電極方式のアーク溶接に使用するシールドガスは、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋２〜５％Ｏ２入りの混合ガスをシールドガスに用いるとよい。数パーセントの酸素ガスを混合することにより、純Ａｒガスと比べてアークのふらつきを小さく、ワイヤ溶滴の移行を促進することができる。さらに、ＭＩＧ溶接の代わりに、大電流でワイヤ溶融量が格段に高いサブマージアーク溶接を施工することも可能である。
また、ワイヤを通電加熱（ワイヤ電流を流す）しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、積層すべき特定の高さ位置まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。このワイヤの通電加熱は必要な溶接パスを選択して行えばよい。また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うと、従来のＭＩＧ溶接など消耗電極方式のアーク溶接で多発する問題のスパッタの発生がなく、きれいなビード外観、安定な溶け込み形状を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施形態に係るステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法を説明する図である。
【図２】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図３】多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【図４】ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。
【図５】ステンレス鋼の多層盛溶接方法を説明する図である。
【図６】図５に示す手順で積層溶接した際の溶接断面を説明する図である。
【図７】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図８】図７に示す手順で積層溶接（非消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【図９】図７に示す手順で積層溶接（消耗電極使用）した際の溶接断面を説明する図である。
【図１０】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及び多層盛溶接方法の他の例を説明する図である。
【図１１】多層盛溶接による溶接断面を説明する図であ。
【図１２】ステンレス鋼の多層盛溶接構造及びその多層盛溶接方法に係わる溶接装置を説明する図である。
【図１３】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の溶接手順を説明する図である。
【図１４】ステンレス鋼の多層盛溶接方法の他の溶接手順説明する図である。
【図１５】図１４に示した多層盛溶接による溶接断面を説明する図である。
【図１６】温度と各材料の平均線膨張係数の関係を示す図である。
【図１７】マルテンサイト系ワイヤ、オーステナイト系ワイヤにおける温度と伸びとの関係を模式的に示す図である。
【図１８】マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す図である。
【図１９】多層盛溶接方法により溶接した配管の断面写真の例である。
【図２０】多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例を示す図である。
【図２１】多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例を示す図である。
【図２２】初層裏波溶接から最終層の溶接までの全てをオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１，２ 開先継手部材
１ｂ，２ｂ 開先裏面
３ 開先内
４ 溶接台車
５ ワイヤ
６ 電極
７ 溶接トーチ（ＴＩＧトーチ）
７７ ＭＩＧトーチ
８ ＴＩＧ溶接電源
８８ ＭＩＧ溶接電源
９ａ，９９ａ 溶接制御装置
９ｂ ９９ｂ 操作ペンダント
１０ アーク
１１ ワイヤ送給モータ
１５ 裏ビード
１６ 裏面側の溶融プール
１８ 表面側の溶融プール
２１ 初層溶接のビード断面
３０ 最終層のビード断面
３５ カメラ
３６ カメラ制御器
３７ 映像モニタ装置
４１ 第１の積層溶接工程
４２ 第２の積層溶接工程
４３ 第３の積層溶接工程
４４ 第４の積層溶接工程
４５ 第５の積層溶接工程
４６ 第６の積層溶接工程
５１ 開先形状の製作工程
５２ 溶接準備工程
５６ オーステナイ系ワイヤ
５７ マルテンサイト系ワイヤ
５８ Ｎｉ基合金系ワイヤ
５９ 他のオーステナイト系ワイヤ
６１ 非消耗電極方式のアーク溶接
６２ 消耗電極方式のアーク溶接
８１ ワイヤ通電加熱電源
４１１ 第１の溶接金属部
４２２ 第２の溶接金属部
４３３ 第３の溶接金属部
４４４ 第４の溶接金属部
４５５ 第５の溶接金属部
４６６ 第６の溶接金属部
Ｈｂ 累計の積層ビード高さ
Ｈ 残存開先深さ
ｗ 開先底部幅
ｆ ルートフェイス
θ 片面角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項２】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第２の溶接金属部は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えてＮｉ基合金系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項３】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第２の溶接金属部は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えて継手部材よりも線膨張係数の小さい他のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項４】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第１の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１記載のステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
第２の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項６】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先加工により形成する開先底部の開先幅は４ないし８ｍｍ、開先の垂直面に対する開き角は１０°以下であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項７】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、パルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
開先底部の裏面側に裏ビードを形成する工程と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第１の溶接金属部を形成する工程と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第２の溶接金属部と形成する工程を備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項８】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を形成する工程は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えてＮｉ基合金系の溶接ワイヤを溶融固化させる工程であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項９】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を形成する工程は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えて継手部材よりも線膨張係数の小さい他のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させる工程であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１０】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１１】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１２】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程は非消耗電極方式のアーク溶接を用い、第２の溶接金属部を形成する工程は消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１３】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程および第２の溶接金属部を形成する工程は、非消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１４】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程および第２の溶接金属部を形成する工程は、消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１５】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし１／２の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備えたことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項１６】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、パルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
開先底部の裏面側に裏ビードを形成する工程と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし１／２の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第１の溶接金属部を形成する工程と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第２の溶接金属部と形成する工程を備えたことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面までマルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項２】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第２の溶接金属部は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えてＮｉ基合金系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項３】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第２の溶接金属部は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えて継手部材よりも線膨張係数の小さい他のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項４】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛構造において、
第１の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１記載のステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
第２の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項６】
請求項１記載のステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先加工により形成する開先底部の開先幅は４ないし８ｍｍ、開先の垂直面に対する開き角は１０°以下であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項７】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、パルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
開先底部の裏面側に裏ビードを形成する工程と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし４／５の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第１の溶接金属部を形成する工程と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第２の溶接金属部と形成する工程を備え、開先裏面側の溶接部およびその近傍に圧縮応力を付与したことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項８】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を形成する工程は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えてＮｉ基合金系の溶接ワイヤを溶融固化させる工程であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項９】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を形成する工程は、マルテンサイト系の溶接ワイヤに代えて継手部材よりも線膨張係数の小さい他のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させる工程であることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１０】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１１】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第２の溶接金属部を構成する溶接ワイヤは外部から電流を供給して加熱することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１２】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程は非消耗電極方式のアーク溶接を用い、第２の溶接金属部を形成する工程は消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１３】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程および第２の溶接金属部を形成する工程は、非消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１４】
請求項７記載のステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
第１の溶接金属部を形成する工程および第２の溶接金属部を形成する工程は、消耗電極方式のアーク溶接を用いることを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【請求項１５】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、消耗電極方式あるいは非消耗電極方式のパルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接したステンレス鋼の多層盛溶接構造において、
開先底部の裏面側に形成された裏ビードを備えた初期裏波溶接部と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし１／２の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第１の溶接金属部と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて形成した第２の溶接金属部とを備えたことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造。
【請求項１６】
ステンレス鋼の端部に開先加工を施した継手部材を相互に突き合わせて形成される開先内に、パルスアーク溶接または直流アーク溶接により溶接ワイヤを溶融させて多層盛溶接部分を形成して継手部材を相互に溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、
開先底部の裏面側に裏ビードを形成する工程と、
開先裏面から前記継手部材の板厚の１／５ないし１／２の高さまで、前記継手部材と同材質のオーステナイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第１の溶接金属部を形成する工程と、
第１の溶融金属部の表面から開先上面まで、マルテンサイト系の溶接ワイヤを溶融固化させて第２の溶接金属部と形成する工程を備えたことを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００６−２０５１８３（Ｐ２００６−２０５１８３Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７１７８（Ｐ２００５−１７１７８）
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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