両側溶接方法及び両側溶接構造物
【課題】両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手を対象に、低変形で高能率及び高品質な両側積層溶接部を得ると共に、生産性向上及びコスト低減に有効な両側溶接方法及び両側溶接構造物を提供する。
【解決手段】前記両面Ｕ型開先継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部を初層裏波溶接し、初層溶接部分１５を含む開先３の底部から溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔの１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂに到達するか或いは溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋに到達するか或いは開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の所定の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部Ｂ2から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接する。
【解決手段】前記両面Ｕ型開先継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部を初層裏波溶接し、初層溶接部分１５を含む開先３の底部から溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔの１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂに到達するか或いは溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋに到達するか或いは開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の所定の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部Ｂ2から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型容器、大口配管、および大型構造物等に使用される厚い金属板から成る管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接する両側溶接方法及び両側溶接構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントや火力発電プラント等の建設では、高級な厚板材料を使用する大型溶接構造物が多く、最近、信頼性を重視すると共に工期短縮やコスト低減が強く要求されるようになっている。また、厚板部材の溶接では低変形で高能率及び高品質な溶接部を得るために、合理的で信頼性の高い高能率なＴＩＧ溶接技術が求められている。
【０００３】
特許文献１（特開平５−１１５９７５号公報）に記載されたステンレス鋼板突き合せ継手溶接方法では、両側溶接する際に、裏側の初層溶接に４．８〜６．４ｍｍ径のタングステン電極を用いて直流で、棒マイナスとし、電流５５０〜７５０ＡでＴＩＧ溶接することが提案されている。
【０００４】
特許文献２（特開２０００−７９４７８号公報）に記載された開先溶接方法では、片面溶接が必要な横向き開先継手を対象に、絶縁板を介して２本一対の電極を上下配置及び溶接ワイヤを後方位置に挿通した細長平板状の電極構造体の先端部を横向き開先内に挿入し、上側電極への印加電流が下側電極への印加電流よりも小さくなるように制御した状態で前記開先を溶接することが提案されている。
【０００５】
特許文献３（特開平９−１０３８８３号公報）に記載された自動ティグ溶接施工方法では、引張り強さ７８０Ｎ／ｍｍ２級以下の低炭素鋼板のＸ開先継手を対象に、仕上前層の溶接残し開先深さを２ｍｍ以下、仕上層の溶接電流を２２０〜３５０Ａ、仕上層のビード端部と開先端との距離を２〜５ｍｍ、仕上層のワイヤ溶着量を２５ｇ／分以下として、前記低炭素鋼板の表裏両側の仕上前層及び仕上層を形成することが提案されている。
【０００６】
特許文献４（特開２００３−１０９６８号公報）に記載されたタンク側板の溶接施工法及びこれに用いられる内外面同時溶接装置では、複数の冶具で側板開先合わせを行う第１工程と、側板内外面に溶接機をセットする第２工程と、前記溶接機で仮付けを行う第３工程と、前記冶具を取外す第４工程と、前記側板内外面のＵ開先部を同時に溶接する第５工程と、前記溶接機を移動又は取外す第６工程を有することが提案されている。
【０００７】
特許文献５（特開昭５４−７４２４０号公報）に記載された断熱パイプの高能率溶接法では、片面溶接が必要な耐熱短管の狭開先継手を対象に、ホットワイヤを送給しつつ1層１パスづつＴＩＧ溶接することが提案されている。
特許文献６（特開昭５４−１２５２６９号公報）に記載された狭開先溶接方法では、突き合せ溶接継手の狭開先を、該開先の表側からの溶接により予め設定した所定ののど厚まで溶接し、この溶接後に、前記開先の裏側を溶接し、この溶接後に、前記表側を最終層まで溶接することが提案されている。
【０００８】
特許文献７（特開平９−１３７６号公報）に記載された低残留応力構造の溶接方法では、特定の溶接条件下もしくは種々の溶接条件下で溶接による残留応力解析又は残留変形解析もしくは残留変形測定を行い、残留応力評価点として予め定めた注目点での残留応力値もしくは残留変形値が最も小さくなる積層順序を、複数ある溶接パスの積層順序と逐次比較して選択、又は予め定めた注目点での残留応力値もしくは残留変形値が最も小さくなる種々の溶接条件を前記種々の溶接条件と逐次比較して選択することが提案されている。
【０００９】
特許文献８（特開２００６−１９２４３８号公報）に記載された狭開先継手の多層盛溶接方法は、本出願人が提案したものであり、片面溶接及び溶接裏面部の残留応力改善が必要なオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手（片面Ｕ型開先）を対象に、材質の異なる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開先上部まで積層するアーク溶接を行うことを提案している。
【００１０】
また、特許文献９（特開２００７−２１５１６号公報）に記載された狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置も、本出願人が提案したものであり、片面溶接及び溶接裏面部の残留応力改善が必要な狭開先継手（片面Ｕ型開先）を対象に、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接する第１の積層溶接工程と、残りの開先部分から開先上部の最終層まで第２の入熱量範囲で積層溶接する第２の積層溶接工程とを備えることを提案している。
【特許文献１】特開平５−１１５９７５号公報
【特許文献２】特開２０００−７９４７８号公報（特許３６８４８５８号公報）
【特許文献３】特開平９−１０３８８３号公報（特許２８６００７２号公報）
【特許文献４】特開２００３−１０９６８号公報
【特許文献５】特開昭５４−７４２４０号公報
【特許文献６】特開昭５４−１２５２６９号公報
【特許文献７】特開平９−１３７６号公報（特許３５４２４０７号公報）
【特許文献８】特開２００６−１９２４３８号公報
【特許文献９】特開２００７−２１５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示された技術的思想では、高電流のＴＩＧ溶接によって裏側開先ルート部に深い溶け込みが得られ、裏掘り（裏アツリ）やグラインダ作業を省略できると考えられるが、ＴＩＧ溶接部は裏側の初層部のみであり、他の溶接箇所は溶接ワイヤを電極とするＣＯ２アーク溶接又はＭＩＧ溶接を行っている。また、両面開先継手の各開先角度が６０度前後の大きさで極めて広く、溶接すべき開先断面積やワイヤ使用量が増大するという問題がある。
【００１２】
特許文献２に開示された技術的思想では、横向き開先の上壁側にアンダーカット、下壁側にオーバーラップのない平滑なビードが得られると考えられるが、２本一対の電極を開先幅方向に配置して溶接する必要があるため、例えば、開先幅が９ｍｍ以下の狭い開先継手の溶接には横向き姿勢を含む全ての姿勢も適用することができないという問題がある。
また、２本一対の電極と溶接ワイヤに給電するために３組の電源及び制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになる。さらに、特許文献２では、２つのアークで形成した１つの溶融プール内に通電加熱の溶接ワイヤを送給する溶接法であると共に、片面開先継手の片面溶接が対象であり、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１３】
特許文献３に開示された技術的思想では、所定の機械的特性を損なわずに良好な耐曲げ性能が得られると考えられるが、両側Ｘ開先継手の開先角度が５０〜６０度の大きさで極めて広く、溶接すべき開先断面積やワイヤ使用量が増大し、また、溶接箇所の開先幅が広くなるため、溶接中に溶接トーチを溶接線左右方向に揺動させるウィービング動作も必要になるという問題がある。また、特許文献３には、仕上前層及び仕上層以外の初層溶接や中間層（充填層）の積層溶接や表裏両側の溶接手順などについて何も開示されていない。
【００１４】
特許文献４に開示された技術的思想では、内外面同時溶接による裏ハツリ作業省略、ストロングバック不要化による付帯作業軽減、工期短縮、費用軽減が図れると考えられるが、２組の自動ＴＩＧ溶接機を用いて溶融池磁気制御方式のホットワイヤＴＩＧ溶接を内外面同時に実行するため、２組の溶接電源と溶接トーチ及び磁気発生器、４組のワイヤ送給装置及びワイヤ加熱電源、これらを統括する制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、特許文献４に開示されている第５工程では、内外面Ｕ開先部を同時溶接するようにしているが、多層溶接で必要な積層方法や溶接条件なども何ら開示されていない。また、磁気コイルを溶接トーチ先端近傍に設置する必要があるため、厚板の深い開先や狭い開先継手の溶接適用には不向きである。
【００１５】
特許文献５に開示された技術的思想では、溶接速度増加、溶接時間短縮及び生産性向上が図れると考えられるが、ホットワイヤＴＩＧ溶接のため、溶接電源とワイヤ加熱電源及び制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、積層溶接による開先収縮が考慮されていないため、開先底幅（Ｌ＝５．５〜６ｍｍ）が狭いと、開先壁面にアークが飛んだり、開先壁面に電極面が接触したりする可能性があり、さらに、細径電極の使用に限定され、ホットワイヤによる高電流高速溶接の安定持続が困難となると考えられる。また、特許文献５では、片面Ｕ型開先継手の片面溶接であり、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１６】
特許文献６に開示された技術的思想では、開先深さが深い表側の狭開先溶接で生じる角変形が低減できると考えられるが、開先深さが浅い裏側の開先側は特定ののど厚までガウジングした後にサブマージアーク溶接を行っているため、ガウジングによって切削及び飛散した金属粉を回収したり、また、サブマージアーク溶接で使用したフラックスや固着スラグ等を回収したりする必要があり、作業工数が増加するという問題がある。また、特許文献６では、角変形と異なる開先幅方向の収縮変形、溶接対象の開先形状寸法や溶接条件等、両側溶接で重要なことが何も開示されていない。
【００１７】
特許文献７に開示された技術的思想では、原子力発電プラントの大型溶接構造物を対象に、溶接による残留応力を許容値以下（又は最小）にできると考えられるが、特殊な残留応力解析装置や溶接手順評価装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、特許文献７では、外表面側（又は反対側の内表面側）を約１／２まで溶接した後に内表面側（又は反対側の外表面側）を溶接し、その後に外表面側の残り約１／２を溶接した例を開示しているが、前半の溶接が過剰であり、開先幅方向の収縮変形が大きくなるため、例えば、開先幅が９ｍｍ以下の狭い開先継手の溶接には適用することができないという問題がある。
【００１８】
特許文献８に開示された技術的思想では、継手部材底面側の片面溶接裏面部及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善できるが、両面Ｕ型開先継手の両側溶接を対象にすることは明記されていないし、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１９】
特許文献９に開示された技術的思想では、上記特許文献６の場合と同様に、継手部材底面側の片面溶接裏面部及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善できるが、両面Ｕ型開先継手の両側溶接を対象にすることは明記されていないし、両側溶接のことは何も開示されていない。
本発明の目的は、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手を対象に、低変形で高能率及び高品質な両側積層溶接部を得ると共に、生産性向上及びコスト低減に有効な両側溶接方法及び両側溶接構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接し、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、その後に裏側の両面Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接することを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、第２の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部の裏側に裏ビードを形成する初層溶接工程と、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで積層溶接する裏側積層溶接工程と、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の表側積層溶接工程とを備えることを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００２２】
特に、前記管部材や板部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は４度以上１０度以下の範囲であり、かつ、前記両側溶接において、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と共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成するとよい。また、前記表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さまで表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量を対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、第３の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備えることを特徴とする両側溶接構造物を提案する。
【００２４】
特に、前記積層溶接金属部の断面形状は、両面Ｕ型開先継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、溶接された開先側面の溶け部分を含む開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部より上位の表側積層溶接部分と反対側の裏側積層溶接部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されているとよい。また、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ型開先継手の表裏両側に形成することもできる。
【００２５】
すなわち、第１、第２の本発明の両側溶接方法では、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接すること又はこれに該当する初層溶接工程により、前記開先底部の裏側まで溶融した裏ビードを有する良好な初層溶接ビードを表側開先底部に形成することができる。また、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接すること又はこの積層溶接する第１の表側積層溶接工程により、第１の表側積層溶接金属部を所定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先継手の幅収縮量を抑制することができる。
【００２６】
その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接すること又はこの積層溶接する裏側積層溶接工程により、幅収縮量が少ないＵ型開先継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部に溶け不足がなく、前記裏ビード部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部を開先上部まで確実に形成することができる。また、前記積層溶接による収縮変形を低減することができる。
その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接すること又はこの積層溶接する第２の表側積層溶接工程により、前記第１の表側積層溶接金属部と融合した第２の表側積層溶接金属部を開先上部まで確実に形成することができる。同時に、前記積層溶接による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部と反対側の裏側積層溶接金属部との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。また、前記両側溶接の構成及び実施によって、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００２７】
なお、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５より小さいか、或いは前記残存開先深さが溶接前開先深さの４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ型開先継手部の積層溶接によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
反対に、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の２／５より大きいか、或いは前記残存開先深さが溶接前開先深さの３／５より小さいと、前半の表側積層溶接が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ型開先継手部の幅収縮量が増加し、裏側積層溶接の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。また、開先肩幅収縮量の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側の開先幅が狭くなるため、裏側積層溶接が正常に実行できなくなるような悪影響が生じ易くなるので好ましくない。
【００２８】
前記部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は４度以上１０度以下の範囲であることにより、溶接すべき開先断面積を減少させ、溶接ワイヤの使用量を削減できると共に、普通の電極棒(例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極)の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
また、前記両側溶接では、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共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成することにより、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、良好なワイヤ溶着で充填された高品質な両側積層溶接金属部を高能率に得ることができる。
【００２９】
前記アーク溶接部分に送給する溶接ワイヤは、例えば、前記両面Ｕ型開先継手の部材材質と同類材質の溶接ワイヤ又はオーステナイト系ステンレス鋼の溶接ワイヤを使用すればよい。
また、前記表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さまで前記表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量に対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することにより、前記表側積層溶接による裏側の開先幅収縮が予想以上に生じても、裏側積層溶接の実行可能な開先幅がより確実に確保できると共に、裏側積層溶接の実行が容易となり、品質良好な溶接部を形成することが可能となる。
【００３０】
なお、Ｕ型開先継手の開先底幅が６ｍｍより小さい場合や開先角度が４度より小さい場合には、開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。
反対に、開先底幅が９ｍｍより大きい場合や開先角度が１０度より大きい場合には、開先断面積が増加し、開先壁面の溶け状態が悪くなるため、１層１パスづつ積層する溶接が困難となり、１層２パス溶接に変更する必要があり、溶接パス数の増加に至る。
【００３１】
第３の本発明の両側溶接構造物では、両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の特定上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備えることにより、上述したように、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００３２】
特に、前記積層溶接金属部の断面形状は、両面Ｕ型開先継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、開先側面の溶け部分を含む開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部より上位の表側積層溶接部分と反対側の裏側積層溶接部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減でき、また両側積層溶接による収縮変形を低減でき、溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足のない品質良好な両側積層溶接部を得ることができる。
【００３３】
なお、各溶接ビード高さが１.５ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に各溶接ビード高さが４．５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ/分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。また、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されていることにより、開先上部にアンダーカットや凹みのない余盛りビードを良好に形成することができる。
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用されるＵ型開先継手の表裏両側に形成されていることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００３４】
上記目的を達成するために、第４の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接し、その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後に、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接することを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００３５】
また、上記目的を達成するために、第５の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接する第１の裏側積層溶接工程と、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する第２の表側積層溶接工程と、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する第２の裏側積層溶接工程とを備えることを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００３６】
特に、前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行するとよい。
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行するか又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することもできる。
【００３７】
また、前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であるとよい。
さらに、表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成するとよい。
【００３８】
また、上記目的を達成するために、第６の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ間先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備えることを特徴とする両側溶接構造物を提案する。
【００３９】
特に、表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されているとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されているとよい。また、前記部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲であるとよい。
また、前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であるとよい。
【００４０】
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されているとすることもできる。
すなわち、第４、第５の本発明の両側溶接方法では、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接すること又はこれに該当する第１の表側積層溶接工程により、開先底部の裏面まで溶融した裏ビードを有する初層溶接部を含む第１の表側積層溶接金属部を所定の高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ開先継手の幅収縮量を抑制することができる。
【００４１】
その後に、表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量が所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後又はこれに該当する第１の裏側積層溶接工程の終了後に、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する又はこれに該当する第２の表側積層溶接工程を実行すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接すること又はこれに該当する第２の裏側積層溶接工程を実行することにより、開先幅収縮量が少ないＵ開先継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部に溶け不足がなく、前記裏ビード部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部を所定の高さまで確実に形成することができる。また、前記第１の表側積層溶接金属部の上位部分と良好に融合した第２の表側積層溶接金属部を表側開先上部まで確実に形成することができる。
【００４２】
同様に、前記第１の裏側積層溶接金属部の上位部分と良好に融合した第２の裏側積層溶接金属部を裏側開先上部まで確実に形成することができると共に、前記積層溶接による収縮変形を低減することもできる。さらに、表側積層溶接金属部と反対側の裏側積層溶接金属部との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。また、前記両側溶接の構成及び実施によって、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００４３】
前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行することにより、溶接トーチや溶接機の取り付け取り外し等の段取り作業が簡素化できると共に、溶接待ち時間も短縮でき、さらに、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。
【００４４】
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であることにより、第１の表側積層溶接金属部及び反対側の第１の裏側積層溶接金属部を所定高さまで確実に形成することができると共に、表裏両側の開先幅の収縮変形を抑制することができる。また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であることにより、上記積層溶接による収縮変形を所定値以下に抑制することができる。
【００４５】
なお、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５より小さいか又は前記残存開先深さが溶接前開先深さの４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ開先継手部の積層溶接によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
反対に、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の２／５より大きいか又は前記残存開先深さが溶接前開先深さの３／５より小さいと、前半の表側積層溶接が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ開先継手部の幅収縮量が増加し、裏側積層溶接の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。また、開先肩幅収縮量の所定の上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側の開先幅が狭くなるため、裏側積層溶接が正常に実行できなくなるような悪影響が生じ易くなるので好ましくない。
【００４６】
表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成することにより、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得ることができる。同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【００４７】
なお、各溶接ビード高さが２ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に各溶接ビード高さが５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ／分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。また、溶接ビード幅が６ｍｍより小さい場合は、溶接すべき開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。反対に、前記溶接ビード幅が９ｍｍより大きい場合には、開先幅の広い開先継手になるため、溶接断面積が増加し、溶接パス数の増加になるので好ましくない。
【００４８】
本発明の両側溶接構造物では、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ開先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備えることにより、上述したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００４９】
また、表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されているとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、上述したように、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得ることができる。同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【００５０】
また、前記管部材や板部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲であることにより、溶接すべき開先断面積を減少し、かつ溶接ワイヤの使用量を削減できると共に、普通の電極棒(例えばΦ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
なお、Ｕ開先継手の開先底幅が６ｍｍより小さい場合や開先角度が５度より小さい場合には、開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。
反対に、前記開先底幅が９ｍｍより大きい場合や開先角度が８度よりさらに大きい場合には、溶接すべき開先断面積が増加し、開先壁面の溶け状態が悪くなり易いため、１層１パスづつ積層する溶接が困難となり、１層２パス溶接に変更する必要があり、溶接パス数の増加になるので好ましくない。
【００５１】
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を備えた両側溶接構造物を製造することができると共に、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【発明の効果】
【００５２】
以上述べたように、本発明の両側溶接方法及びその両側溶接構造物によれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、また、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜第１実施形態＞＞
＜溶接対象＞
図１(ａ)は、本発明を適用した実施形態の原子力発電プラント等に用いられる大型容器Ｏを示す斜視図であり、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、両側溶接が必要な継手部材の溶接前の開先断面を示している。
主に原子力機器や火力機器や他の機器に用いられる大型容器Ｏ (図１(ａ)参照)、大口配管、大型構造物等は、厚板の管部材又は板部材である図１(ｂ)に示す継手部材１、２に突き合せて形成した狭い両面Ｕ型開先３、４を、表裏両側から溶接する必要がある。
【００５４】
図１(ａ)に示す大型容器Ｏは、例えば板厚５０ｍｍの鋼板を溶接により接合し、直径５ｍの円筒形状を形成している。
なお、継手部材１、２の材質は、主に耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３１６系、ＳＵＳ３２１系、ＳＵＳ３４７系）であり、他のステンレス鋼であってもよい。また、ステンレス鋼と異なるニッケル合金や低炭素鋼や低合金鋼であってもよい。
【００５５】
＜溶接機の構成＞
図２は、実施形態の両側溶接構造物に係わる開先形状を溶接する溶接装置Ｙの構成概要及びアーク溶接中の継手部材の開先溶接断面を示した概念図である。なお、図２は、継手部材１、２の板厚Ｔの中央部近傍の表側開先内をアーク溶接しているところを示している。
図２に示す継手部材１、２は、上述した原子力機器や火力機器や他の機器に適用される両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手である。
上述の接合に適用されるアーク溶接は、図２に示すように、溶接トーチ６（ＴＩＧトーチ）に装着した開先３内の非消耗性の電極棒５先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８から給電して開先３内でアーク１２を発生させ、そのアーク１２溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤ７を送給し溶着させ溶接している。
【００５６】
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り、公知の市販品を使用すればよい。
また、制御装置９ａは、溶接トーチ６や溶接ワイヤ７及びそのワイヤ送給装置１０を搭載した図示しない溶接台車の走行を制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を制御する。さらに、制御装置９ａは、溶接トーチ６の上下左右位置制御、アーク１２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７の送り速度や上下左右位置制御も行う。
操作ペンダント９ｂは、制御装置９ａに接続されており、溶接条件の調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置の調整手段を内蔵している。この操作ペンダント９ｂを介して、制御装置９ａは、各溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、ワイヤ送り速度など）を設定したり、溶接中に個別の条件値を割り込んで適正な値に調整したり、また、トーチ位置及びワイヤ位置も調整したりすることができるように構成されている。
【００５７】
Ｕ型開先３、４内に挿入する電極棒５は、開先底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)より細い太さの円形断面形状を有する非消耗性の丸棒タングステン電極であり、高融点材のＬａ２Ｏ３（酸化ランタン）入りＷ(タングステン)、Ｙ２Ｏ３（酸化セリウム）入りＷ、ＴｈＯ２（酸化イットリウム）入りＷなどの電極棒を使用するとよい。
例えば、外径φ３．２の電極棒５、すなわち円形断面形状の電極先端のみを円錐形状に研磨加工した電極は、開先底幅Ｂo(図１(b)参照)が６≦Ｂo≦９ｍｍの特定範囲のＵ型開先３、４内に挿入可能であると共に、積層溶接による開先幅収縮があっても、開先壁面に電極棒５外面が接触することなく、溶接を安定に継続することができる。
【００５８】
また、３００Ａ前後の高い溶接電流の出力、溶接速度およびワイヤ溶着速度の増加によるアーク溶接を長時間実行することができ、また、電極先端の消耗も極めて少ない。
さらに、電極棒５は、特殊加工が必要な偏平横断面形状の電極と比べて、安価で使い勝手も良く、電極交換の時でも消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用することができる。なお、電極棒５は、公知の市販品を購入して溶接トーチ６に装着使用すればよい。
開先３内のアーク１２溶接部分及び近傍に流出するシールドガス１１については、電位傾度の高いＨ２ガスとＡｒガスとの混合ガス又は数十パーセントのＨｅガスとＡｒガスとの混合ガスを使用すればよい。例えば、Ｈ２ガス３〜５％入りの混合ガスを使用すると、不活性ガスの純Ａｒガス使用と比べてエネルギ密度およびアーク集中性の増加によって溶融性が高まり、溶接速度やワイヤ溶融速度を増加することができる。
【００５９】
アーク１２溶接部分に送給するワイヤ７は、溶接対象の継手部材１、２の材質に適した同類材質のワイヤを使用すればよく、例えば、継手部材１、２がＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼であれば、同等材質のオーステナイト系ステンレスワイヤ（ＳＵＳ３０８系ワイヤ、ＳＵＳ３１６系ワイヤ）を選択すればよい。
このように構成した溶接装置を使用して溶接することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することが可能である。
ここで、図１(ｂ)に示す両面Ｕ型開先３、４を溶接する場合には、その表裏両側(図１(ｂ)の紙面の上下両側)、すなわち図１(ａ)に示す大型容器Ｏの外側および内側を、各々別個の溶接台車(図示せず)に据え付けられた別の前記溶接装置Ｙ、Ｙが運搬され、表裏両側の溶接が行われる。
【００６０】
＜溶接手順＞
次に、溶接装置Ｙを用いた両側溶接構造物の溶接手順について、両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図３を用いて説明する。
図３に示す最初の開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ１１は、図１(ｂ)に示すように、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、加工後の部材や部品を溶接現場で組立したり、また、溶接装置Ｙを装着する溶接台車(図示せず)や溶接トーチ６や溶接ワイヤ７等を取り付けたり、溶接電源８や制御装置９ａの立上げ及び溶接動作の準備を行う工程である。
【００６１】
図１(ｂ)に示す継手部材１、２の表裏両側に形成する狭い両面Ｕ型開先３、４内の開先底幅Ｂoは、６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲であり、開先３、４の両壁面の開先角度２θは、４度以上１０度以下の寸法範囲に形成し、好ましくは開先角度２θを５度以上８度以下に形成する。
これによって、溶接すべき開先３、４の断面積を減少させ、溶接ワイヤ７の使用量を削減できるととともに、太い電極棒５(例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極)の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、溶接ワイヤ７の送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
また、継手部材１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先３、４の底部のルートフェイスｆは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成し、好ましくは、ルートフェイスｆを１ｍｍ以上２ｍｍ以下に形成することにより、開先３、４の底部を容易に溶融でき、良好な裏ビード１５'(図４(ａ)参照)を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
【００６２】
なお、図４(ａ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部を初層溶接した時(図３に示す初層溶接工程Ｓ１２)の溶接断面図である。
続く、図３に示す初層溶接工程Ｓ１２は、図４(ａ)に示すように、両面Ｕ型開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)に初層溶接ビード１５を形成するための初層溶接を行う工程である。
表側の開先３の底部Ｂ1の裏側まで溶融可能な溶接電流、アーク電圧及び溶接速度などの適正な溶接条件を出力させて初層溶接することにより、溶け不足のない良好な裏ビード１５'を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
【００６３】
この両面Ｕ型開先継手の場合には、板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている突き合せ部を初層溶接するため、Ｕ型開先を一方の片側にのみ形成した片面Ｕ型開先継手において他方の片側の板厚底部の突き合せ部を初層溶接する場合と比較し、開先３、４の両壁面からの熱引きが大きくなるため、この熱引き増加を考慮した溶接電流の増加によるアーク溶接を実行することが望ましい。
両面Ｕ型開先継手の裏ビード１５'の形成に必要な初層溶接時の入熱量については、開先３、４の底部の底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)やルートフェイスｆの大きさ、材質の違いによって異なるが、概ね１４〜２０ｋＪ/ｃｍの範囲で形成可能である。
なお、単位長さ当りの入熱量Ｑ（ｋＪ/ｃｍ）は平均溶接電流Ｉa（Ａ）、アーク電圧Ｅa（Ｖ）、溶接速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）との関係より下式によって算出することができる。
【００６４】
Ｑ＝Ｉa×Ｅa／（１００×Ｖ）
図４(ｂ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、初層溶接と同一方向から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時(下記の第１の表側積層溶接工程Ｓ１３)の溶接断面図である。
続く、図３に示す第１の表側積層溶接工程Ｓ１３は、図４(ｂ)に示すように、初層溶接工程１２の後に、初層溶接部分の初層溶接ビード１５を含む開先３の底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から溶接前開先深さ又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂに到達するか、或いは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋに到達するか、或いは、開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接（例えば４パス溶接）する工程である。
【００６５】
この第１の表側積層溶接工程Ｓ１３により、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さＨｂまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
図５は、両側溶接構造物に係わる溶接前開先深さＨo1と表側溶接すべき積層高さビードＨｂの下限値及び上限値の関係を示す図である。
図５に示すように、領域Ａは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３(図３参照)における適正積層高さビードＨｂの領域であり、次工程の裏側積層溶接工程Ｓ１４への適正な切替時期を示している。
領域Ｂは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３における積層高さビードＨｂの不足領域であり、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４において開先肩幅ｗ２(図４(ｂ)参照)を含む開先幅(図４(ｂ)の紙面の左右方向の開先４の両壁面間距離)の収縮量が増加し、第２の表側積層溶接工程Ｓ１５の実行に悪影響がある。
【００６６】
領域Ｃは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３における積層高さビードＨｂの過剰領域であり、開先肩幅ｗ１(図４(ａ)参照)を含む開先３の幅 (図４(ａ)の紙面の左右方向の開先３の両壁面間距離)の収縮量が増加し、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４に悪影響がある。
図４(ｂ)及び図５に示すように、表側のＵ型開先部を積層溶接すべき積層ビード高さＨｂの範囲は、溶接前開先深さＨo1の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1の範囲）であり、また、二等分板厚Ｔ（Ｔ／２）の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２の範囲）であってもよい。
また、残存開先深さＨkの範囲は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲（０．８×Ｈo1≧Ｈk≧０．６×Ｈo1の範囲）であり、溶接前開先深さＨo1から前記積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈk＝Ｈo1−Ｈｂ）で示すこともできる。
【００６７】
なお、積層溶接による肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2及び積層ビード高さＨｂについては後記の図１０及び図１１で詳述する。
このように、積層ビード高さＨｂ等を範囲設定又は上限値設定し、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３を実行することにより、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成できると同時に、まだ溶接していない裏面１ｂ、２ｂ側のＵ型開先４の継手の開き幅収縮量を抑制することができる。
なお、積層ビード高さＨｂ(図４(ｂ)参照)が溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５より小さいか又は前記特定範囲の残存開先深さＨk(図４(ｂ)参照)が溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)の４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ型開先４の継手部の次の積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)によって、表側残り開先部の開先肩幅ｗ1収縮量が大きくなり、この開先肩幅ｗ1収縮量を抑制できなくなり易い。
【００６８】
反対に、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の２／５より大きいか又は前記特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の３／５より小さいと、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ型開先４の継手部の開先幅収縮量が増加し、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。
また、開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側開先肩幅ｗ2が狭くなるため、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)が実行できなくなるような悪影響（例えば、図２に示す溶接トーチ６の電極棒５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【００６９】
図４(ｃ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、裏側の開先４の底部から開先４の上部の最終層まで裏側積層溶接した時(下記の裏側積層溶接工程Ｓ１４)の溶接断面図である。
次の図３に示す裏側積層溶接工程Ｓ１４は、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）に示す裏面１ｂ、２ｂ側のＵ型開先４の継手の開先底部Ｂ2(図１(b)参照)から開先４の上部の最終層１７ａまで裏側積層溶接する工程である。
この裏側積層溶接工程Ｓ１４により、裏側開先肩幅ｗ2の収縮量が少ないＵ型開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部Ｂ2に溶け不足がなく、裏ビード１５'部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部１７を開先４の上部、すなわち裏側累計積層ビード高さΣｈ2まで確実に形成することができる。また、この裏側積層溶接による収縮変形を低減することができる。
【００７０】
図４(ｄ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、表側の残り開先３部分から開先３の上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時(下記の第２の表側積層溶接工程Ｓ１５)の溶接断面図である。
次の図３に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ１５は、図４（ｄ）に示すように、表面１ａ、２ａ側の残り開先３部分(図４（ｃ)参照）から開先上部の最終層１８ａまで表側積層溶接する工程である。
この第２の表側積層溶接工程Ｓ１５により、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先上部（表側累計積層ビード高さΣｈ1）まで確実に形成することができる。同時に、第２の表側積層溶接金属部１８による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。
【００７１】
＜溶接された両側溶接構造物＞
上述した本実施形態の両側溶接構造物では、図１(ｂ)、図４に示すように、両面Ｕ型開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先底部Ｂ1に形成された初層溶接金属部１５(図４参照)を含む表側の開先底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂ(図４(ｂ)参照)に到達するか、又は溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)の４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋ(図４(ｂ)参照)に到達するか、又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量の特定上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部１６と、その後に裏側のＵ型開先４の継手の開先底部Ｂ2(図１(ｂ)参照)から開先上部の最終層１７ａまで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部１７(図４(ｃ)参照)と、第１の表側積層溶接金属部１６と接する表面部分から開先上部の最終層１８ａまで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部１８とを備えている。
【００７２】
このような構成に溶接することにより、両側溶接が必要な厚板から成る管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部(図４(ｄ)参照)を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００７３】
図４(ｄ)に示す表裏両側の積層溶接金属部１６、１７、１８の断面形状は、両面Ｕ型開先３、４の継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図４(ｂ)、図４(ｃ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部の初層溶接ビード１５より上位の表側積層溶接部分１６、１８と反対側の裏側積層溶接部分１７との各溶接ビード高さｈ1、ｈ2が１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減し、また両側積層溶接による収縮変形を低減し、また溶接時間を短縮できると同時に溶け不足のない品質良好な両側積層溶接部１６、１７、１８を得られる。
【００７４】
特に、表裏両側の最終層の溶接部分１７ａ、１８ａが１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されていることにより、図４(ｄ)に示すように、開先３、４上部にアンダーカットや凹みがない良好な余盛りビードを形成することができる。
なお、各溶接ビード高さｈ1、ｈ2が１.５ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が４．５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ/分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。
【００７５】
＜＜第１実施形態の変形形態の溶接手順＞＞
次に、変形形態の溶接手順について、図６、図７を用いて説明する。
図６、図７に図示した変形形態の溶接手順と第１実施形態の図１(ｂ)、図４に示す溶接手順(図３参照)との主な相違点は、第１の表側積層溶接による積層ビード高さＨｂを小さくしていること、もう一つは継手部材１、２の表裏両側の最終層部分を左右に振分ける２パス溶接にしていることである。
なお、溶接姿勢は、下向き姿勢の例を示しているが、他の横向き姿勢や立向き姿勢の両面Ｕ型開先継手であっても、下向き姿勢の場合とほぼ同じように良好に両側溶接を実行することが可能である。
【００７６】
図７は、変形形態の溶接手順概要の一例を示す説明図であり、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図を示している。
図７(ａ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、表側の開先底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時(第１の表側積層溶接工程２３)の溶接断面図である。
まず、図３に示す開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ１１を行った後、図６に示すように、図７(ａ)に示す板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部Ｂ1に初層溶接部の初層溶接ビード１５を形成する初層裏波溶接工程Ｓ２２を行う。ちなみに、図７では、初層裏波溶接工程Ｓ２２の図示を省略している。
図６に示す第１の表側積層溶接工程２３では、図７(ａ)に示すように、初層溶接部１５を含む開先底部Ｂ1(図１(b)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか、又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接工程Ｓ２３（例えば３パス溶接）を行い、第１の表側積層溶接金属部１６を形成する。
【００７７】
この第１の表側積層溶接工程Ｓ２３の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先４の継手の裏側開先肩幅ｗ2を含む開き幅収縮量(図７(ａ)参照)を抑制することができる。
特定範囲の積層ビード高さＨｂは、溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1又は０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２
の範囲である。
【００７８】
また、特定範囲の残存開先深さＨk(図７(ａ)参照)は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲、すなわち
０．８×Ｈo1≧Ｈk≧０．６×Ｈo1
の範囲であり、溶接前開先深さＨo1から積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈk＝Ｈo1−Ｈｂ）で示すこともできる。また、開先肩幅ｗ1、ｗ2(図７(ａ)参照)の収縮量の特定上限値は２ｍｍ以下とすることもできる。
図７(ｂ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時(下記の裏側積層溶接工程Ｓ２４)の溶接断面図である。
続く、図６に示す裏側積層溶接工程Ｓ２４では、図７(ｂ)に示すように、第１の表側積層溶接工程２３の終了後に、裏側のＵ型開先継手の開先４の底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して裏側積層溶接金属部１７を形成している。
【００７９】
この裏側積層溶接工程２４の実行により、上述したように、裏側開先肩幅ｗ2を含む開き幅収縮量が少ないＵ型開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先底部Ｂ２に溶け不足がなく、前記裏ビード１５'部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部１７を開先４上部、すなわち裏側累計積層ビード高さΣｈ2まで確実に形成することができる。また、この裏側積層溶接工程２４による収縮変形を低減することができる。裏側の最終層溶接部分１７ａでは、左右に振分ける２パス溶接１７ａ1、１７ａ2を実行しており、図７(ｂ)に示すように、開先上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
図７(ｃ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時(下記の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５)の溶接断面を示している。
【００８０】
続く、図６に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ２５では、図７(ｃ)に示すように、裏側積層溶接２４工程の終了後に、表側の残り開先３部分である第１の表側積層溶接金属部１６と接触する表面部分から開先３上部の最終層まで第２の表側積層溶接工程を行い、第２の表側積層溶接金属部１８を形成している。第２の表側積層溶接工程Ｓ２５の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先３上部の表側累計積層ビード高さΣｈ1まで確実に形成することができる。
【００８１】
同時に、第２の積層溶接工程Ｓ２５による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７との断面形状をほぼ対称形状(図７(ｃ)参照)に形成することができる。
表側の最終層溶接部分１８ａでは、裏側の最終層溶接部分１７ａと同様に、左右に振分ける２パス溶接１８ａ1、１８ａ2を実行しており、開先３上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
【００８２】
前記の表側積層溶接工程Ｓ２３、Ｓ２５及び裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行では、開先側壁面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図７(ａ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、パス毎の各溶接ビード高さｈ1、ｈ2(図７(ｃ)参照)が１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されており、厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、溶接パス数を削減し、また両側積層溶接による収縮変形を低減し、溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足のない品質良好な両側積層溶接金属部１６、１７、１８を得られる。
また、パス毎の各溶接ビード高さｈ1、ｈ2を保持したまま、溶接速度及びワイヤ溶着速度を増加することにより、生産性をさらに高めることができる。
【００８３】
また、図１(ｂ)、図４及び図７に示したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、表裏両側の積層溶接の実行により、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
表１は、両面Ｕ型開先継手の両側溶接条件の一例であり、図１(ｂ)、図４及び図７に示した初層溶接工程、第１及び第２の表側積層溶接工程、裏側積層溶接工程で使用可能な溶接条件である。板厚５０ｍｍの開先底幅Ｂo（７、８、９ｍｍの３種類）を変化させた両面Ｕ型開先継手（材質ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて下向き姿勢で両側溶接試験を行った。
【００８４】
その結果、表１に示すように、開先底幅Ｂo＝７ｍｍの場合（本発明イ）で１７層１９パス溶接、Ｂo＝８ｍｍの場合（本発明ロ）で１９層２１パス溶接、Ｂo＝９ｍｍの場合（本発明ハ）で２２層２４パス溶接となった。
【表１】
特に、初層溶接では、板厚Ｔ中央部にある開先底部Ｂ１(図１(ｂ)参照)に裏ビード１５'(図４(ａ)参照)を形成するため、例えば、溶接速度を６０ｍｍ/ｍｉｎに下げ、溶接ワイヤ７(図２参照)を少量送って溶接した。
初層溶接工程１２、２２(図３、図６参照)後の２パス目溶接と表裏両側の最終層溶接では、溶け過ぎないようにするため、例えば、溶接速度を約１２０ｍｍ/ｍｉｎ、ワイヤ溶着速度を１０〜１５ｇ/分まで上げると共に、これに適した溶接電流を出力させて溶接した。
【００８５】
他の中間層部分の表裏両側積層溶接工程では、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎに上げて一定とし、主にワイヤ溶着速度を１５〜４０ｇ／分まで増減させて溶接した。
初層溶接部１５を除いた表裏両側積層溶接部１６、１７、１８(図４(ｄ)、図７(ｃ)参照)の入熱量は約９〜１３ｋＪ／ｃｍである。溶接パス毎の入熱量は高くても１５ｋＪ/ｃｍ以下に抑制すると共に、ワイヤ溶着速度を高めて両側溶接することにより、収縮変形を低減し、かつ溶接パス数を削減することができた。
図８は、表１及び図６、図７に示した溶接条件（本発明イ）及び両側溶接方法を実行した両面Ｕ型開先継手（板厚Ｔ：５０ｍｍ、開先底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)：７ｍｍ）の溶接推移を示した図であり、図８(ａ)は表側前半の溶接工程Ｓ２３(図６参照)で特定高さの積層ビード高さＨｂを形成した後の断面図であり、図８(ｂ)は裏側溶接工程Ｓ２４(図６参照)終了後の断面図であり、図８(ｃ)は両側の溶接工程Ｓ２４、Ｓ２５終了後の断面図である。
【００８６】
最初の第1の表側積層溶接工程Ｓ２３では、図８(ａ)に示すように、板厚Ｔの中央部に裏ビード１５'部形成の初層溶接部１５(図４(ａ)参照)から所定の積層ビード高さＨｂまで積層溶接しており、裏ビード１５'部の形成及び開先壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。開先３の壁面側の溶け深さ、すなわち開先３の壁面が溶接によって溶けた深さは左右共に約１ｍｍである。
積層ビード高さＨｂは約９．５ｍｍであり、また、溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)との積層高さ比Ｈｂ／Ｈｏ1は０．３９であり、初層溶接部１５を含む４パス溶接で到達した。
第1の表側積層溶接工程２３で必要な特定範囲の積層ビード高さＨｂは、上述したように、溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲であればよい。
【００８７】
次の図６に示す裏側積層溶接工程２４では、図８(ｂ)に示すように、表側と反対側の裏側開先４の底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)から開先４上部の最終層１７ａ(図７(ｂ)参照)まで積層溶接（裏側累計積層ビード高さΣｈ2）しており、欠陥がない溶け込み良好な溶接断面が得られた。また、裏側の最終層１７ａ部分は、左右に振分ける２パス溶接１７ａ1、１７ａ2(図７(ｂ)参照)を実行しており、１〜１．２ｍｍの余盛り高さを有する幅広で平滑な余盛りビードが得られた。
次の図６に示す第２の表側積層溶接工程２５では、図８(ｃ)に示すように、表側の残り開先３部(図７(ｂ)、図８(ｂ)参照)から開先上部の最終層１８ａ(図７(ｃ)参照)まで積層溶接しており表側累計積層ビード高さΣｈ1(図７(ｃ)参照)となり、裏ビード１５'部や開先３、４の壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。
【００８８】
また、表側の最終層１８ａ(図７(ｃ)参照)部分は、裏側の最終層部分と同様に、左右に振分ける２パス溶接１８ａ1、１８ａ2を実行しており、幅広で平滑な余盛りビードが得られた。合計１７層１９パスの溶接結果であり、表側の積層溶接部と裏側の積層溶接部との断面形状が対称形状になっている。表裏両側の最終層部分は、１パス溶接を実行してもアンダーカットのない平滑な余盛りビードを形成することが可能である。
図９は、図８に示した両側溶接時のパス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度の関係の一例を示す図である。
図９に示すように、表裏両側の残存開先深さＨ（三角印の線）は溶接パスの進行に伴って減少し、反対に、表裏両側の積層高さΣｈ（丸印の線）は溶接パスＰの進行に伴って増加した。また、溶接パス毎のビード高さｈ（四角印の線）は、溶接部開先幅(溶接部開先の左右両壁面間距離)やワイヤ溶着速度Ｖm及び溶接速度Ｖなどによって変化するが、初層及び最終層の溶接部を除けば、約２．３〜４ｍｍであり、溶接パス数の削減に寄与することができた。
【００８９】
図１０は、図８及び図９に示した両側溶接時のパス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ１、ｗ２及び肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2の関係を示す一例の図である。
図１０に示すように、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、溶接パスＰの進行及び収縮変形の増加に伴って減少し、その後に表裏両側の最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、 代わりに測定可能なビード幅ｂ1、ｂ2とした。例えば、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、表側溶接前の初期値（ｗo＝９．７ｍｍ）から第１表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）が終了した時点で、表裏両側共に８．２ｍｍまで減少し、その後に実行した裏側積層溶接工程Ｓ２４によって裏側の開先肩幅ｗ2が最小６．９ｍｍまで減少し、同時に表側の開先肩幅ｗ1も０．２ｍｍ少ない８ｍｍまで減少した。
【００９０】
そして、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に実行した表側残り開先３部の第２表側積層溶接工程Ｓ２５によって表側の開先肩幅ｗ1が最小７．３ｍｍまで減少していた。表裏両側の開先両肩が溶融（肩溶け）した状態では、開先肩幅ｗ1、ｗ2がなくなってしまうため、代わりに測定可能なビード幅ｂ1、ｂ2とした。
表裏両側の肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2（黒四角印の線）は、溶接前の開先肩幅ｗ1、ｗ2が積層溶接によって収縮変形した初期値との偏差（ｗo−ｗ1、ｗo−ｗ2）であり、図１０に示すように、溶接パスＰの進行及び溶接ビードの積み重ねに伴って増加していた。
例えば、第１表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）が終了した時点で、表裏両側の肩幅収縮量Δｗ1、ｗ2は両方共に１．７ｍｍであり、まだ溶接していない裏側も同時に収縮していた。
【００９１】
例えば、第１表側積層溶接工程Ｓ２３によって生じる裏側開先４の肩幅収縮量Δｗ2が２ｍｍより大きくなり過ぎると、裏側の開先４幅が狭くなるため、裏側積層溶接工程Ｓ２４が正常に実行できなくなるような悪影響（例えば、溶接トーチ６の電極５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
従って、表側の肩幅収縮量Δｗ1、裏側の肩幅収縮量Δｗ2の何れかが約２ｍｍに接近する状態又は２ｍｍより少し小さい状態にある時に、第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、表側開先３と反対側の裏側開先４の裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行するとよい。
また、別な方法として、例えば、表側の開先底部Ｂ１(図１(b)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量Δｗ1又は開先底部Ｂ１収縮量を考慮し、裏側のＵ型開先４幅を表側のＵ型開先３幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
【００９２】
裏側のＵ型開先４幅を予め大きく形成することにより、第１表側積層溶接工程Ｓ２３による裏側の開先幅収縮が予想以上に生じた場合でも、裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行可能な開先４幅がより確実に確保できると共に、裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行が容易となり、品質良好な溶接部を形成することが可能となる。
その後、裏側積層溶接工程Ｓ２４が終了した時点で裏側の肩幅収縮量Δｗ2が最大２．８ｍｍであり、また、その後に表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５が終了した時点で表側の肩幅収縮量Δｗ1が最大２．４ｍｍであり、裏側より０．４ｍｍ小さい結果になっていた。
【００９３】
一方、図１０中に示したビード幅ｂ1、ｂ2（黒丸印の線）は、開先壁面の溶け込みを含まない溶接部開先幅に該当する値であり、第１の表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）によって表側のビード幅ｂ1が溶接前の初期値（Ｂo＝７ｍｍ）から６．３ｍｍまで減少していた。その後に実行した裏側積層溶接工程Ｓ２４の部分では、先行の表側４パス溶接(第１の表側積層溶接工程Ｓ２３)によって開先幅が収縮（肩幅収縮量Δｗ1＝Δｗ2＝１．７ｍｍ）しているため、裏側のビード幅ｂ2は、最小６ｍｍから６．５ｍｍまで増加する結果になっていた。
【００９４】
なお、真の溶接ビード幅は、図１０中に記載したビード幅ｂと開先壁面側の溶け込みとを加算した値であり、溶接断面の観察によって測定可能となるが、溶接途中で測定することは不可能である。そして、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に実行した表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５によって、表側のビード幅ｂ1が最小６．３ｍｍから６．７ｍｍまで増加する結果になっていた。
なお、開先底幅Ｂoの初期値を上記７ｍｍから８ｍｍに広くした両面Ｕ型開先継手の両側溶接試験では、ビード幅ｂ1、ｂ2及び開先肩幅ｗ1、ｗ2の値より約１ｍｍ大きくなり、溶接パス毎のアーク溶接も安定に実行することができ、溶け込み良好な両側積層溶接断面が得られることを確認した。
【００９５】
また、開先底幅Ｂoが７ｍｍの場合でも、上述したビード幅ｂ1、ｂ2より狭いφ３．２ｍｍ電極棒５が開先３、４内に挿入可能であり、両側溶接が容易に実行でき、図８に示した溶接断面状態のように、低変形で高能率な両側溶接の実行によって溶け込み良好な両側積層溶接断面を得ることができた。
図１１は、板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先３、４の継手おける表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量Δｗ1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。図１１中には溶接良好断面状態と溶接不良断面状態の比較例を示している。
【００９６】
図１１に示すように、表側積層溶接行程Ｓ２３、Ｓ２５による積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1の増加（溶接パスＰの進行）に伴って、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）は増加し、反対に開先肩幅ｗ1（四角印の線）は減少し、最終層の手前で開先両肩が溶融、すなわち肩溶けするため、ビード幅ｂ1が大きく変化しており、同時に、残存開先深さＨｋ（三角印の線）も減少する結果になっている。
特に、表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４以下の時に第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、その後にＳ裏側積層溶接工程２４を実行した場合には、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）が２ｍｍ以下の１．７ｍｍであり、溶け込み良好な溶接断面（図１１中の左側の断面状態）を得ることができた。
【００９７】
これに対して、積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４８の時で、しかも肩幅収縮量Δｗ1が２．４ｍｍになっていた時に第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、その後に裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行した場合には、表側溶接の積層過剰及び収縮過剰によって裏側の開先４幅が狭くなり過ぎて、開先４の壁面への飛びアーク（片寄りアーク）が発生すると共に、図１１中の右側の断面状態のような溶接不良が発生して溶接中止に至った。
このように、表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４を超える領域又は肩幅収縮量Δｗ1が２ｍｍを超える領域では、表側溶接と反対側の裏側溶接に悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表側開先３の積層高さＨｂの上限値を溶接前開先深さＨo1の０．４以下にすることに決定した。
【００９８】
一方、図１１に示したように、表側開先の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．２未満の領域は、初層溶接（１パス目）のみ又は２パス目溶接の部分であり、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）が１ｍｍ未満で小さいが、積層不足の状態にあるため、その後に裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行すると、裏側開先４幅の収縮変形増加と同時に、反対側の表側残り開先３部の幅収縮が増加し易い。さらに、裏側開先底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)の溶接時に表側溶接部分が赤熱酸化する可能性があるため、バックガスシールドをする必要があり、余計な工数増加になるので好ましくない。
また、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に表側残り開先３部を積層溶接工程Ｓ２５を行う時に、前工程の裏側積層溶接工程Ｓ２４によって表側残り開先３部が収縮変形しているため、溶接困難となるような悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
【００９９】
従って、両側溶接が可能な表側開先３の積層高さＨｂの下限値を溶接前開先深さＨo1の０．２以上にすることに決め、その結果、上記積層高さＨｂの適正範囲は溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ／２の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1又は０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２
の範囲にした。
なお、本発明は、前記第１実施形態のみに限定されるものではない。例えば、始めに初層溶接工程を行う開先側を表側とし、この表側と対向する反対側の開先側を裏側として説明したが、表側と裏側とが逆方向であってもよいし、また、表側と裏側の代わりに外側と内側又は左側と右側であってもよい。また、両側溶接の対象が両面Ｕ型開先継手と類似形状の両面Ｈ型開先継手であっても実施可能であり、発明の主旨を逸脱しないことは勿論である。
【０１００】
このように、本発明の両側溶接方法を実行すれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【０１０１】
＜＜第２実施形態＞＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態においては、第１実施形態における裏側積層溶接金属部を２つに分けて形成したものである。
図１２は、両側溶接が必要な継手部材１、２の溶接前の横向開先断面を示しており、溶接前の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図である。
図１２に示すように、継手部材１、２は、主に原子力機器や火力機器や他の機器に使用される厚板の図１(ａ)に示す大型容器や大口配管や大型構造物等の管部材又は板部材であり、突き合せて形成した狭い両面Ｕ開先３、４を横向姿勢又は立向姿勢で両側溶接する必要がある。
【０１０２】
図１３は、第２実施形態の両側溶接構造物の溶接装置Ｙ１、Ｙ２の概略構成を示す説明図であり、図１３(ａ)は溶接装置Ｙ１、Ｙ２の構成概要及び横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面図であり、図１３(ｂ)は表側開先３の反対側である裏側開先４を横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面である。
継手部材１、２の両側溶接を行うための装置として、図１３(ａ)に示す表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先３の継手部を横向姿勢又は立向姿勢で溶接する溶接トーチ６及び溶接機Ｙ１と、図１３(ｂ)に示す裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を横向姿勢又は立向姿勢で溶接する他の溶接トーチ６６及び溶接機Ｙ２とを各々配置しており、表側Ｕ開先３の積層溶接と裏側Ｕ開先４の積層溶接とを区分けして実行することができる。溶接機Ｙ１、Ｙ２は、それぞれ別の溶接台車に据え付けられ、これらの溶接台車を走行させることにより、表側Ｕ開先３の積層溶接作業と裏側Ｕ開先４の積層溶接作業とが行われる。
【０１０３】
従って、継手部材が数メートルもあるような大型構造物であれば、表裏両側に等間隔に離れた位置に２組づつ配置することも可能である。
このように、表側専用の溶接トーチ６及び溶接機Ｙ１と裏側専用の他の溶接トーチ６６及び溶接機Ｙ２とを予め配置することによって、１台のみの溶接トーチ６及び溶接機を両面Ｕ開先近傍の表側と裏側とに交互に取付けたり取外したりする段取り作業に比べ、段取り作業が簡素化できると共に、溶接待ち時間も短縮でき、さらに、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。
表側Ｕ開先３のアーク溶接は、図１３(ａ)に示すように、溶接トーチ６（ＴＩＧトーチ）に装着した開先３内の非消耗性の電極棒５先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８から給電して開先３内でアーク１２を発生させ、そのアーク１２溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤ７を送給し溶着させ溶接している。
【０１０４】
両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するまで表側積層溶接して第１の表側積層溶接金属部１６を形成する。
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−ク溶接の切り換えが可能な溶接電源であり、既に公知の市販品を使用すればよい。
また、制御装置９ａは、溶接トーチ６や溶接ワイヤ７及びそのワイヤ送給装置１０を搭載した図示しない溶接台車の走行を制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を制御する。また、溶接トーチ６の上下左右位置制御、アーク１２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７の送り速度や上下左右位置制御も行う。
【０１０５】
操作ペンダント９ｂは、制御装置９ａに接続されており、溶接条件の調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置の調整手段を内蔵している。この操作ペンダント９ｂを介して、制御装置９ａは、各溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、ワイヤ送り速度など）を設定したり、溶接中に個別の条件値を割り込んで適正な値に調整したり、トーチ位置及びワイヤ位置も調整したりすることができるようになっている。
一方、図１３(ｂ)に示すように、第１の表側積層溶接金属部１６と反対側の裏側Ｕ開先４のアーク溶接は、他の溶接トーチ６６を使用して行い、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するまで後記の裏側積層溶接工程Ｓ３３を行い第１の裏側積層溶接金属部１７を形成するところを示している。この裏側溶接で使用する他のＴＩＧ溶接電源８８や周辺機器は、図１３(ａ)に示す表側溶接で使用する溶接電源８や周辺機器と同じ機能及び構成であり、上述した通りである。
【０１０６】
Ｕ開先３、４内に挿入する電極５、５５は、図１２に示す開先底幅Ｂｏより細い太さの円形断面形状を有する非消耗性の丸棒タングステン電極であり、高融点材のＬａ２Ｏ３(酸化ランタン)入りＷ、Ｙ２Ｏ３（酸化セリウム）入りＷ、ＴｈＯ２（酸化イットリウム）入りＷなどの電極棒を使用するとよい。
例えば、外径φ３．２の電極棒５、５５は、円形断面形状の電極先端のみを円錐形状に研磨加工した電極であり、開先底幅Ｂｏ(図１２参照)が６≦Ｂｏ≦９ｍｍの特定範囲のＵ開先３、４内に挿入可能であると共に、積層溶接による開先幅の収縮があっても、開先壁面に電極棒５面が接触することなく、溶接を安定に継続することができる。
【０１０７】
また、３００Ａ前後の高い溶接電流の出力、溶接速度及びワイヤ溶着速度の増加によるアーク溶接を長時間実行することができ、また、電極先端の消耗も極めて少ない。
さらに、電極棒５、５５は、特殊加工が必要な偏平断面形状の電極と比べて、安価で使い勝手も良く、電極交換の時でも消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用することができる。なお、電極棒５、５５は、公知の市販品を購入して溶接トーチ６、６６に装着使用すればよい。
開先３、４内のアーク１２、１２２溶接部分及びその近傍に流出するシールドガス１１、１１１については、電位頻度の高いＨ２ガスとＡｒガスとの混合ガス又は数十パーセントのＨｅガスとＡｒガスとの混合ガスを使用すればよい。
【０１０８】
例えば、Ｈ２ガス３〜５％入りの混合ガスを使用すると、不活性ガスの純Ａｒガス使用と比べてエネルギ密度及びアーク集中性の増加によって溶融性が高まり、溶接速度やワイヤ溶融速度を増加することができる。また、アーク１２、１２２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７、７７は、溶接対象の継手部材１、２の材質に適した同類の材質のワイヤを使用すればよく、例えば、継手部材１、２がＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼であれば、同等材質のオーステナイト系ステンレスワイヤ（ＳＵＳ３０８系ワイヤ、ＳＵＳ３１６系ワイヤ）を選択すればよい。
【０１０９】
このように構成した２組の溶接トーチ６、６６及び溶接機Ｙ１、Ｙ２を使用して表側溶接と裏側溶接とを実行することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、溶接待ち時間が短縮でき、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。また、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
また、表裏両側の残り開先３、４部から開先３、４上部の最終層まで各々積層溶接する時には、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行、又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ、繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、さらに、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
【０１１０】
上記構成の溶接機Ｙ１、Ｙ２を用いて溶接される図１２に示す両面Ｕ開先継手１、２は、例えば、開先３、４の開先底幅Ｂｏが６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲、好ましくは７ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成され、また、開先３、４両壁面の開先角度２θは５度以上８度以下に形成されている。そのため、溶接すべき開先３、４断面積が減少され、また溶接ワイヤ７、７７の使用量を削減できると共に、太い電極棒５、５５（例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になっている。
【０１１１】
＜第２実施形態の溶接手順＞
次に、溶接機Ｙ１、Ｙ２を用いた両側溶接構造物の溶接手順について、両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図１４および図１５、図１６を用いて説明する。なお、図１５、図１６は、図１のＢ−Ｂ線断面を示しており、溶接手順の過程を示す断面図である。
図１４に示す最初の開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ３１は、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、加工後の部材や部品を溶接現場で組立したり、また、溶接台車や溶接トーチ６、６６や溶接ワイヤ７、７７等を取り付けたり、溶接電源８、８８や制御装置９ａの立上げ及び溶接動作の準備を行う工程である。
【０１１２】
図１５(ａ)は、溶接前の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、両側溶接が必要な継手部材の溶接前の下向開先断面図である。
図１５(ａ)に示す溶接対象の継手部材１、２は、主に原子力機器や火力機器や他の機器に使用される厚板の大型容器(図１(ａ)参照)や大口配管や大型構造物等の管部材又は板部材であり、突き合せて形成した狭い両面Ｕ開先３、４を両側溶接する必要がある。
継手部材１、２の材質は、主に耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３１６系、ＳＵＳ３２１系、ＳＵＳ３４７系）であり、他のステンレス鋼であってもよい。また、ステンレス鋼と異なるニッケル合金や低炭素鋼や低合金鋼であってもよい。
【０１１３】
この継手部材１、２の表裏両側に形成する狭い両面Ｕ開先３、４は、その開先底幅Ｂｏが６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成、好ましくは開先底幅Ｂｏを７ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成する。
また、開先３、４両壁面の開先角度２θは、４度以上１０度以下の寸法範囲に形成、好ましくは開先角度２θを５度以上８度以下に形成することにより、溶接すべき開先断面積を減少させ、また、溶接ワイヤ７、７７の使用量を削減できると共に、太い電極棒５、５５（例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
【０１１４】
また、板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先３、４の底部のルートフェイスｆは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成、好ましくはルートフェイスｆを１ｍｍ以上２ｍｍ以下に形成することにより、開先３、４の開先底部Ｂ3、Ｂ4を容易に溶融でき、良好な裏ビード１５ｂ(図１５(ｂ)参照)を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
なお、図１５(ｂ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、両面Ｕ開先の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
次の図１４に示す初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２は、図１５(ｂ)に示すように、両面Ｕ開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先３の底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅ｗ１の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接する工程である。
【０１１５】
溶接工程Ｓ３２の最初の初層溶接では、開先３の底部Ｂ3の裏側に裏ビード１５ｂを形成する必要があるため、表側の開先３の底部Ｂ3の裏側まで溶融可能な溶接電流、アーク電圧及び溶接速度などの適正な溶接条件で出力させ初層溶接することにより、溶け不足のない良好な裏ビード１５ｂを有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
特に、両面Ｕ開先継手の場合には、板厚Ｔ中央又はその近傍に形成されている突き合せ部を初層溶接するため、一方面側はＵ開先が形成され他方面側は平面状である片面Ｕ開先継手をその板厚底部の突き合せ部を初層溶接する場合と比較して、開先３の両壁面からの熱引きが大きくなり、この熱引き増加を考慮した溶接電流の増加によるアーク溶接を実行することが望ましい。
【０１１６】
両面Ｕ開先継手の裏ビード１５ｂ形成に必要な初層溶接時の入熱量については、開先３、４の底部Ｂ3の底幅Ｂｏやルートフェイスｆ(図１５(ａ)参照)の大きさ、材質の違いによって異なるが、概ね１４〜２０ｋＪ／ｃｍの範囲で形成可能である。なお、単位長さ当りの入熱量Ｑ（ｋ Ｊ／ｃｍ）は平均溶接電流ｌａ（Ａ）、アーク電圧Ｅａ（Ｖ）、溶接速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）との関係より下式によって算出することができる。
Ｑ＝ｌａ×Ｅａ／（１００×Ｖ）
図１７は、表側の溶接前開先深さＨo1と溶接すべき積層ビード高さＨｂの下限値及び上限値の関係の一例を示す図である。
また、初層溶接後の溶接の溶接工程Ｓ３２では、図１５(ｂ)に示すように、初層溶接ビード１５部分を含む開先３の底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂ（図１７に示す第１の表側溶接の適正積層高さ領域Ｄ）に到達するまで積層溶接する。
【０１１７】
図１７によれば、表側のＵ開先部を溶接すべき積層ビード高さＨｂの範囲は、溶接前開先深さＨo1の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｈｏ１≦Ｈｂ≦０．４×Ｈｏ１の範囲）であり、また、二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｔ／２≦Ｈｂ≦０．４×Ｔ／２の範囲）であってもよい。
また、残存開先深さＨk(図１５(ｂ)参照)の範囲は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲（０．８×Ｈｏ１≧Ｈｋ≧０．６×Ｈｏ１の範囲）であり、溶接前開先深さＨo1から積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈｋ＝Ｈｏ１−Ｈｂ）で示すこともできる。また、開先肩幅収縮量の特定上限値は、２ｍｍ以下であるとよい。なお、積層溶接による肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2及び積層ビード高さＨｂについては図１８を用いて詳細に後述する。
【０１１８】
このように範囲設定又は上限値設定して、初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を実行することにより、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成できると同時に、まだ溶接していない裏面１ｂ、２ｂ側のＵ開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
なお、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５より小さいか又は特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の４／５より大きいと、図１７に示した積層高さ下限値(図１７中の黒三角印を結んだ線)を下回り、表側と反対側の裏側Ｕ開先４の継手部の次の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３(図１４参照)によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
【０１１９】
反対に、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の２／５より大きいか又は特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の３／５より小さいと、図１７に示した積層高さ上限値(図１７中の黒丸印を結んだ線)を上回り、前半の表側積層溶接工程Ｓ３２が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ開先４の継手部の開先幅収縮量が増加し、裏側積層溶接工程Ｓ３３、Ｓ３５(図１４参照)の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。
また、肩幅収縮量△w1、△w2の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側開先幅が狭くなるため、次の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３が実行できなくなるような悪影響（例えば、図１３(ｂ)に示す溶接トーチ６６の電極棒５５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【０１２０】
次の図１４に示す第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３は、図１５(ｃ)に示すように、裏面１ｂ、２ｂ側のＵ開先４の継手の開先底部Ｂ4(図１５(ａ)参照)から前記特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量の特定上限値に接近するまで裏側積層溶接する工程である。
なお、図１５(ｃ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の裏側積層溶接した時(第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３)の溶接断面図である。
この第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３の実行により、開先幅収縮量が少ないＵ開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先底部Ｂ4に溶け不足がなく、裏ビード１５部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部１７を特定高さまで確実に形成することができる。
【０１２１】
上述したように、図１７等より、最適な特定範囲の積層ビード高さＨｂは、溶接前開先深さＨo1、Ｈo2又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲であり、最適な特定範囲の残存開先深さＨｋは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2の４／５以下３／５以上の範囲であり、また、開先肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2の特定上限値は２ｍｍ以下であればよい。
次の図１４に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ３４は、図１６(ａ)に示すように、表面１ａ、２ａ側の残り開先３部分から開先上部の最終層１８ｂまで表側積層溶接する工程である。
なお、図１６(ａ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、表側の残り開先３部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時(第２の表側積層溶接工程Ｓ３４)の溶接断面図である。
【０１２２】
この第２の表側積層溶接工程Ｓ３４の実行により、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先上部（表側累計積層ビード高さΣh1(図１６(ｂ)参照)）まで確実に形成することができる。同時に、この第２の表側積層溶接工程Ｓ３４による収縮変形を低減することができる。
次の図１４に示す第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５は、図１６(ｂ)に示すように、表側と反対側の裏面１ｂ、２ｂ側の残り開先４部分から開先上部の最終層１９ａまで裏側積層溶接する工程である。
【０１２３】
なお、図１６(ｂ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時(第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５)の溶接断面図である。
この第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５の実行により、第１の裏側積層溶接金属部１７の上位部分と融合した第２の裏側積層溶接金属部１９を開先上部（表側累計積層ビード高さΣh2）まで確実に形成することができる。同時に、この第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５による収縮変形を低減することができる。また、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７、１９との断面形状をほぼ対称形状に形成することもできる。
【０１２４】
上述した如く、図１５、図１６に示すように、両面Ｕ開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先３の底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量△w1の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部１６と、その後に裏側のＵ開先継手の開先４の底部Ｂ4から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量△w2の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部１７と、第１の表側積層溶接金属部１６と接する表面部分から開先３上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部１８と、第１の裏側積層溶接金属部１７と接する表面部分から開先４上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部１９とを備えることもできる。
このように構成しかつ実施することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【０１２５】
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。また、継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を備えた両側溶接構造物を製造することができる。
また、図１６(ｂ)に示すように、表裏両側の最終層溶接部１８ｂ、１９ａを除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部１５と前記最終層溶接部１８ｂ、１９ａとを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さｈ１、ｈ２が２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されていると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図１５(b)、図１５(ｃ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減し、また、両側積層溶接による収縮変形を低減し、さらに溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足がない品質良好な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部１６、１７、１８、１９を得ることができる。
【０１２６】
なお、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が２ｍｍより小さい場合には、積層する溶接パス数が増加し、反対に、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が５ｍｍより大きい場合には、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ／分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先３、４の壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。
図１８は、板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量△w1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。
図１８中には横向姿勢での溶接良好断面状態と溶接不良断面状態の比較例を示している。
【０１２７】
図１８に示すように、表側積層溶接工程Ｓ３２、Ｓ３４(図１５(ｂ)、図１６(ａ)参照)による積層高さ比Ｈb/Ｈo1の増加（溶接パス番号Ｐの進行）に伴って、肩幅収縮量△ｗ1（黒四角印の線）は増加し、反対に、開先肩幅w1（四角印の線）は減少し、最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、ビード幅ｂの大きさに変化しており、同時に、残存開先深さＨｋ（三角印の線）も減少する結果になっている。
特に、表側Ｕ開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1 が０．４以下の時に初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を終了した場合には、肩幅収縮量△w1が２ｍｍ以下の１．７ｍｍであり、溶け込み良好な溶接断面（左側の断面写真）を得ることができた。また、第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３後に表側残り開先３部を溶接する前の時点でも、肩幅収縮量△w1が０．２ｍｍ増加の１．９ｍｍ（２ｍｍ以下の範囲）であった。
これに対して、積層高さ比Ｈb/Ｈo1 が０．４８の時で、しかも肩幅収縮量△w1（黒四角印の線）が２．４ｍｍになっていた時に初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を終了し、その後に第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３を実行した場合には、表側溶接の積層過剰及び収縮過剰によって裏側の開先４幅が狭くなり過ぎて、開先４の壁面への飛びアーク（片寄りアーク）が発生すると共に、右側の断面写真のような溶接不良が発生して溶接中止に至った。
【０１２８】
このように、表側開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1が０．４を超える領域又は肩幅収縮量△w1（黒四角印の線）が２ｍｍ(図１８中の破線)を超える領域では、表側溶接と反対側の裏側溶接に悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表側Ｕ開先３の積層高さＨｂの上限値を溶接前開先深さＨo1の０．４以下にすることに決定した。溶接パスＰ毎のビード高さｈや肩幅収縮量△w1は、溶接前開先３幅や入熱量やワイヤ溶着速度などの相違によっても多少変化するが、図１８に示した特性と類似乃至相関するような特性になるものと考えられる。
一方、図１８に示したように、表側開先３の積層高さ比H b／Ho1 が０．２未満の領域は、初層溶接（１パス目）のみ又は２パス目溶接の部分であり、肩幅収縮量△w1が１ｍｍ未満で小さいが、積層不足の状態にあるため、その後に第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３(図１５(ｃ)参照)を実行すると、裏側開先４幅の収縮変形増加と同時に、反対側の表側残り開先３部の幅収縮が増加し易い。
【０１２９】
さらに、裏側開先底部Ｂ4の溶接時に表側溶接部分が赤熱酸化する可能性があるため、バックガスシールドをする必要があり、余計な工数増加になるので好ましくない。また、第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３の終了後に表側残り開先３部を第２の積層溶接工程Ｓ３４を行う時に、前工程の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３によって表側残り開先３部が収縮変形しているため、溶接困難となるような悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表裏両側開先３、４の積層高さＨｂの下限値を溶接前開先深さHo1の０．２以上にすることに決め、その結果、積層高さＨｂの適正範囲は、溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈｏ１≦Ｈｂ≦０．４×Ｈｏ１又は０．２×Ｔ／２≦Ｈｂ≦０．４×Ｔ／２
の範囲にした。
【０１３０】
＜＜第２実施形態の変形形態の溶接手順＞＞
次に、第２実施形態の変形形態の溶接手順について、その変形形態の溶接手順を図示した図１９、および図２０を用いて説明する。
変形形態の図１４から図１６に示す第２実施形態との主な相違点は、溶接姿勢が横向姿勢であること又は立向姿勢であってもよいこと、もう一つは継手部材１、２の表裏両側の最終層部分を上下振分け２パス溶接していることである。
図２０は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、第２実施形態の変形形態の溶接手順の過程を示した図である。
図２０(ａ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、表側の開先底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時(後記の第１の表側積層溶接工程Ｓ４２)の横向溶接断面図である。
図１９に示す第１の表側積層溶接工程Ｓ４２は、前記図１４に示した開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ３１の後に行われる工程である。
【０１３１】
第１の表側積層溶接工程Ｓ４２は、図２０(ａ)に示すように、両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部Ｂ3を初層溶接して初層溶接ビード１５および裏ビード１５ｂを形成した後に、初層溶接ビード１５部分を含む開先底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか又は開先肩幅w1、w2の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接、例えば３パス溶接して第１の表側積層溶接金属部１６を形成している。
この第１の表側積層溶接工程Ｓ４３の実行により、横向姿勢の場合でも下向姿勢の場合と同じように、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
次の図１９に示す第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３では、図２０(ｂ)に示すように、前記第１の表側積層溶接工程Ｓ４２の終了後に、裏側のＵ開先継手の開先底部Ｂ4から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量が特定上限値に接近するまで裏側積層溶接して第１の裏側積層溶接金属部１７を形成している。
【０１３２】
なお、図２０(ｂ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、裏側の開先底部Ｂ4(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時(第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３)の横向溶接断面図である。
この第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の実行により、横向姿勢の場合でも下向姿勢の場合と同じように、幅収縮量が少ないＵ開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先４の底部Ｂ4に溶け不足がなく、裏ビード１５ｂ部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部１７を特定高さまで確実に形成することができる。
上述したように、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、前記特定範囲の残存開先深さＨｋは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2の４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の特定上限値は２ｍｍ以下であればよい。
【０１３３】
次の図１９に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ４４では、図２０(c)に示すように、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の終了後に、表側の残り開先３部分、すなわち第１の表側積層溶接金属部１６と接触する表面部分から開先３上部の最終層まで表側積層溶接して第２の表側積層溶接金属部１８を形成している。
なお、図２０(c)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、表側の残り開先３部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時(第２の表側積層溶接工程Ｓ４４)の横向溶接断面図である。
この第２の表側積層溶接工程Ｓ４４の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先３上部（表側累計積層ビード高さΣh1）まで確実に形成することができる。同時に、前記第２の表側積層溶接工程Ｓ４４による収縮変形を低減することができる。
【０１３４】
表側の最終層溶接部分１８ｃは、上下に振分ける２パス溶接１８ｃ1、１８ｃ2を実行しており、開先３上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
次の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５では、図２０(ｄ)に示すように、裏側の残り開先４部分（第１の裏側積層溶接金属部１７と接触する表面部分）から開先４上部の最終層まで裏側積層溶接して第２の裏側積層溶接金属部１９を形成している。
なお、図２０(ｄ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、裏側の残り開先４部分(図２０(ｃ)参照)から最終層まで第２の裏側積層溶接した時(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)の横向溶接断面である。
【０１３５】
この第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５の実行により、上述したように、第１の裏側積層溶接金属部１７の上位部分と融合した第２の裏側積層溶接金属部１９を開先４上部（表側累計積層ビード高さΣh2）まで確実に形成することができる。
同時に、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５による収縮変形を低減することができる。また、裏側の最終層溶接部分１９ｂは、表側の最終層溶接部分１８ｃと同じように、上下に振分ける２パス溶接１９ｂ1、１９ｂ2を実行しており、開先４上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の前記裏側積層溶接金属部１ ７、１９との断面形状をほぼ対称形状に形成することもできる。
【０１３６】
また、図２０に示したように、表裏両側の最終層溶接部１８ｃ、１９ｂを除いた表裏両側の積層溶接金属部１６、１７、１８、１９は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部１５と最終層溶接部１８ｃ、１９ｂとを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲、好ましくは２ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、上述したように、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ（溶融金属の飛散）の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得られる。
同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【０１３７】
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する時には、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
また、図１５、図１６、図２０に示したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、前記表裏両側の積層溶接の実行により、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、上述したように、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。また、継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を有する両側溶接構造物を製造することができる。
【０１３８】
表２は、両面Ｕ開先継手の両側溶接条件の一実施例であり、図２０に示した初層溶接を含む第１及び第２の表側積層溶接工程Ｓ４２、Ｓ４４、第１及び第２の裏側積層溶接工程Ｓ４３、Ｓ４５で使用可能な溶接条件である。板厚５０ｍｍの開先底幅Ｂｏ（７、８ｍｍの２種類）を変化させた両面Ｕ開先継手（材質ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて横向き姿勢で両側溶接試験した。その結果、表２中に示すように、開先底幅Ｂｏが７ｍｍの場合（本発明ニ）は１７層１９パス溶接、また、Ｂｏが８ｍｍの場合（本発明ホ）には、ワイヤ溶着速度の増加によってパス数が同一の１７層１９パス溶接となった。
【表２】
【０１３９】
最初の初層溶接では、両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部にある表側の開先底部Ｂ3に裏ビード１５ｂ(図１５(ａ)、図２０(ａ)参照)を形成する必要があるため、例えば、溶接速度を６０ｍｍ／ｍｉｎに下げ、溶接ワイヤ７を少量送って溶接した。初層溶接後の２パス目溶接と表裏両側の最終層溶接では、溶け過ぎないようにするため、例えば、溶接速度を約１２０〜１ ３ ０ｍｍ／ｍｉｎ、 ワイヤ溶着速度を１０〜２０ｇ／分まで上げると共に、これに適した溶接電流を出力させて溶接した。
他の中間層に該当する第1／第２の表側溶接部分及び第1／第２の裏側溶接部分では、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎに上げて一定とし、また、溶接電流の上限値を３００Ａまでとし、主にワイヤ溶着速度を１５〜３０ｇ／分まで増減させて溶接した。
Ｂｏが８ｍｍの場合(本発明ニ）には、Ｂｏが７ｍｍの場合（本発明ホ）よりも中間層のワイヤ溶着速度（又はワイヤ送り速度）を増加して、溶接パス数が同一になるように積層溶接した。初層溶接部１５を除いた表裏両側積層溶接部の入熱量は約９〜１０ｋＪ／ｃｍである。
【０１４０】
溶接パス毎の入熱量は高くても１５ｋＪ／ｃｍ以下に抑制すると共に、ワイヤ溶着速度を高めて両側溶接することにより、収縮変形を低減及び溶接パス数を削減することができた。
図２１は、板厚５０ｍｍ及び開先底幅７ｍｍの両面Ｕ開先継手を両側溶接した時の溶接パス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度Ｖｍの関係を示す一例の図である。
図２１に示すように、溶接パスの進行に伴って、表裏両側の残存開先深さＨ（三角印の線）は減少し、反対に、表裏両側の積層高さΣｈ（丸印の線）は増加した。また、溶接パス毎のビード高さｈ（四角印の線）は、開先幅やワイヤ溶着速度Ｖｍ及び溶接速度Ｖによって変化するが、初層及び最終層の溶接部を除けば、約２．９〜３．８ｍｍであり、溶接パス数の削減に寄与することができた。ワイヤ溶着速度Ｖｍをさらに増加すれば、ビード高さｈを５ｍｍ近くまで大きくすることが可能である。
【０１４１】
また、図２２は、図２１に示した両側溶接時の溶接パス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ及び肩幅収縮量△ｗの関係を示す一例の図である。なお、図２１及び図２２中には第１の表側溶接工程、第１の裏側溶接工程、第２の表側溶接工程及び第２の裏側溶接工程の順序及びパス領域を示している。
図２２に示すように、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、溶接パス番号Ｐの進行及び収縮変形の増加に伴って減少し、表裏両側の最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、代わりに測定可能なビード幅ｂ１、ｂ２とした。例えば、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2は、表側溶接前の初期値（ｗｏ＝９．９ｍｍ）から第１の表側積層溶接工程Ｓ４２（３パス溶接）が終了した時点で、表裏両側共に８．２ｍｍまで減少し、その後に実行した第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３（３パス溶接）によって、裏側の開先肩幅ｗ2が７．５ｍｍまで減少し、同時に表側の開先肩幅ｗ1も０．２ｍｍ少ない８ｍｍまで減少していた。さらに、表側残り開先部の第２表側積層溶接工程Ｓ４４（７パス溶接）によって、表側の開先肩幅ｗ1が最小で７．５ｍｍまで減少していた。また、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５（６パス溶接）によって、裏側の開先肩幅w2が最小７ｍｍまで減少していた。
【０１４２】
表裏両側の肩幅収縮量△ｗ1、ｗ2（黒四角印の線）は、溶接前の開先肩幅ｗ1、ｗ2が積層溶接によって収縮変形した初期値との偏差（ｗo−ｗ1、ｗo− ｗ2）であり、図２２に示すように、溶接パス(番号)Ｐの進行及び溶接ビードの積み重ねに伴って増加していた。
例えば、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２が終了した時点で、表裏両側の肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2は両方共に１．７ｍｍであり、まだ溶接していない裏側も同時に収縮していた。
例えば、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２によって生じる裏側開先の肩幅収縮量△ｗ2が２ｍｍより大きくなり過ぎると、裏側の開先幅が狭くなるため、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３が正常に実行できなくなるような悪影響（例えば、図１３(ｂ)に示す溶接トーチ６６の電極５５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【０１４３】
従って、表側の肩幅収縮量△ｗ1、裏側の肩幅収縮量△w2の何れかが約２ｍｍに接近する状態又は２ｍｍより少し小さい状態にある時に、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２を終了し、表側開先３と反対側の裏側開先４を積層溶接するようにするとよい。
また、別な方法として、例えば、表側の開先底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接工程Ｓ４２を行う過程で収縮する開先肩幅ｗ2収縮量又は開先底部Ｂ4収縮量を考慮し、裏側のＵ開先４幅を表側のＵ開先３幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
裏側のＵ開先４幅を予め大きく形成しておくことにより、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２による裏側の開先４幅収縮が予想以上に生じた場合でも、溶接可能な開先幅がより確実に確保でき、第１及び第２の裏側積層溶接工程Ｓ４３、Ｓ４５の実行が容易となり、品質良好な溶接部を得ることが可能となる。
【０１４４】
図２２に示したように、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３による裏側の肩幅収縮量△ｗ2が２．４ｍｍであった。また、表側残り開先３部の第２表側積層溶接工程Ｓ４４による表側の肩幅収縮量△w1が最大２．４ｍｍであり、また、裏側残り開先４部の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５による裏側の肩幅収縮量△ｗ2が最大２．９ｍｍであった。
一方、ビード幅ｂ１、ｂ２（黒丸印の線）は、開先壁面の溶け込みを含まない溶接部開先幅に該当する値であり、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２によって、表側のビード幅ｂ１が溶接前の初期値（Ｂｏ＝７．３ｍｍ）から６．６ｍｍまで減少していた。
【０１４５】
なお、真の溶接ビード幅は、図２２中に示したビード幅ｂと開先壁面側の溶け込みとを加算（図２０参照）した値であり、溶接断面の観察によって測定可能となるが、溶接途中で測定することは不可能である。従って、図２２中のビード幅ｂは溶接部分の開先幅に該当する。
次に、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の部分では、先行の表側３パス溶接（第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）によって開先幅が収縮しているため、裏側のビード幅ｂ２は最小６．２ｍｍから６．４ｍｍに変化していた。また、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５の部分では、裏側のビード幅ｂ２が６．７ｍｍまで増加していた。
同様に、第２表側積層溶接工程Ｓ４４の部分では、６．８ｍｍまで増加していた。このように、開先底幅が７ｍｍの場合も、上述したビード幅ｂ１、ｂ２より狭いφ３．２ｍｍ電極棒５が開先３内に挿入可能であり、低変形で高能率な両側溶接が容易に実行でき、溶け込み良好な両側積層溶接断面を得ることができた。なお、開先底幅Ｂｏの初期値を上記７ｍｍから８ｍｍに広くした両面Ｕ開先継手の両側溶接試験では、ビード幅ｂ１、ｂ２及び開先肩幅ｗ1、ｗ2の値より約１ｍｍ大きくなり、溶接パス毎のアーク溶接も安定に実行することができ、溶け込み良好な両側積層溶接断面が得られることを確認した。
【０１４６】
図２３は、表１に示した溶接施工条件（本発明ニ）で両側溶接方法を実行した時の両面Ｕ開先継手（板厚Ｔ５０ｍｍ、 開先底幅Ｂｏ７ｍｍ）の溶接断面写真を示す一例の図であり、図２３(ａ)は表側前半溶接（特定積層高さＨｂを形成する第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）終了後の横向溶接断面、図２３(ｂ)は両側溶接終了(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)後の横向溶接断面である。なお、図２０に示した実施形態の断面では表側溶接部分が左側になっているが、図２３に示す横向溶接断面は表側溶接部分が正反対の右側になっている。
表側Ｕ開先の第１の表側積層溶接工程Ｓ４２では、図２３(ａ)に示す断面写真のように、板厚Ｔの中央部にある開先底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで積層溶接しており、裏ビード１５ｂ(図２０(ａ)参照)形成及び開先壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。
【０１４７】
開先３の壁面側の溶け深さは上下共に約１ｍｍである。上記積層ビード高さＨｂは約９．３ｍｍであり、溶接前開先深さＨo1との積層高さ比Ｈｂ／Ｈｏ１が０．３８となり、上述した特定範囲の上限値０．４以下を満足しており、３パス溶接で到達した。その後に、裏側Ｕ開先の第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３を特定範囲の積層ビード高さＨｂ(図２０(ｂ)参照)まで行い、表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ４４と裏側残り開先４部の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５とを行って合計１７層１９パスで終了した。
その結果、図２３(ｂ)に示す溶接断面写真のように、溶け込み良好であり、また、表側の積層溶接部と裏側の積層溶接部との断面形状がほぼ対称形状であると共に、表裏両側の最終層部分１８ｃ、１９ｂにアンダーカットのない平滑な余盛りビードを有する溶接断面が得られた。
【０１４８】
なお、本発明は、前記第２実施形態のみに限定されるものではなく、例えば、始めに初層溶接を行う開先側を表側とし、この表側と対向する反対側の開先側を裏側としたのであり、表側と裏側とが逆方向であってもよいし、また、表側と裏側の代わりに外側と内側又は左側と右側であってもよい。
また、両側溶接の対象が両面Ｕ開先継手と類似形状の両面Ｈ型開先継手であっても適用可能であり、発明の主旨を逸脱しないことは勿論である。
このように、本発明の両側溶接方法を実行すれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】(ａ)および(ｂ)は、本発明を適用した第１実施形態の原子力発電プラント等に用いられる大型容器を示す斜視図、および図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】第１実施形態の両側溶接構造物に係わる開先形状を溶接する溶接装置の構成概要及びアーク溶接中の継手部材の開先溶接断面を示した概念図である。
【図３】第１実施形態の両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図である。
【図４】(ａ)図は第１実施形態の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層溶接した時の溶接断面図であり、(ｂ)図は第１実施形態の初層溶接と同一方向から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｃ)図は第１実施形態の裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｄ)図は第１実施形態の表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図５】第１実施形態の両側溶接構造物に係わる溶接前開先深さと表側溶接すべき積層高さビードの下限値及び上限値の関係を示す図である。
【図６】第１実施形態の変形形態の溶接手順を示した図である。
【図７】図７(ａ)は第１実施形態の変形形態の表側の開先底部から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、図７(ｂ)は第１実施形態の変形形態の裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時の溶接断面図であり、図７(ｃ)は第１実施形態の変形形態の表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図８】(ａ)図は第１実施形態の変形形態の表側前半溶接工程で特定高さの積層ビード高さを形成終了後の断面図であり、(ｂ)図は第１実施形態の変形形態の裏側溶接工程終了後の断面図であり、(ｃ)図は第１実施形態の変形形態の両側溶接工程終了後の断面図である。
【図９】図８に示した両側溶接時のパス番号と積層高さ、残存開先深さ、ビード高さ及び溶接ワイヤ溶着速度の関係の一例を示す図である。
【図１０】図８及び図９に示した両側溶接時のパス番号とビード幅、開先肩幅及び肩幅収縮量の関係を示す一例の図である。
【図１１】板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先の積層高さ比と開先肩幅、肩幅収縮量、溶接パス番号及び残存開先深さの関係の一例を示す図である。
【図１２】第２実施形態の両側溶接が必要な継手部材の溶接前の横向開先断面を示しており、溶接前の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１３】第２実施形態の両側溶接構造物の溶接装置の概略構成を示す説明図であり、(ａ)図は、溶接装置の構成概要及び横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面図であり、(ｂ)図は、表側開先と反対側の裏側開先を横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面である。
【図１４】第２実施形態の両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図である。
【図１５】第２実施形態の溶接手順の過程を示す断面図であり、 (ａ)図は、溶接前の図１のＢ−Ｂ線断面図であって両側溶接が必要な継手部材の溶接前の下向開先断面図であり、(ｂ)図 は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって両面Ｕ開先の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、 (ｃ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の裏側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図１６】第２実施形態の溶接手順の過程を示す断面図であり、 (ａ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって表側の残り開先部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｂ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図１７】表側の溶接前開先深さＨo1と溶接すべき積層ビード高さＨｂの下限値及び上限値の関係の一例を示す図である。
【図１８】板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先の積層高さ比Ｈb/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量△w1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。
【図１９】第２実施形態の変形形態の溶接手順を示した図である。
【図２０】第２実施形態の変形形態の溶接手順の過程を示した図であり、(ａ)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、(ｂ)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、(c)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって表側の残り開先部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、 (ｄ)図は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時の横向溶接断面である。
【図２１】板厚５０ｍｍ及び開先底幅７ｍｍの両面Ｕ開先継手を両側溶接した時の溶接パス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度Ｖｍの関係を示す一例の図である。
【図２２】図２１に示した両側溶接時の溶接パス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ及び肩幅収縮量△ｗの関係を示す一例の図である。
【図２３】表１に示した溶接施工条件（本発明ニ）で両側溶接方法を実行した時の両面Ｕ開先継手（板厚Ｔ５０ｍｍ、開先底幅Ｂｏ７ｍｍ）の溶接断面写真を示す一例の図であり、(ａ)図は表側前半溶接（特定積層高さＨｂを形成する第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）終了後の横向溶接断面であり、(ｂ)図は両側溶接終了(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)後の横向溶接断面である。
【符号の説明】
【０１５０】
１、２…継手部材、
１ａ、２ａ…継手表面、
１ｂ、２ｂ…継手裏面、
３…表側のＵ型開先、
４…裏側のＵ型開先、
５、５ ５…電極棒、
６、６ ６…溶接トーチ、
７、７ ７…溶接ワイヤ、
８、８ ８…ＴＩＧ溶接電源、
９ａ…制御装置、
９ｂ…操作ペンダント、
１０…ワイヤ送給装置、
１１、１１１…シールドガス、
１２、１２２…アーク、
１５…初層溶接ビード(初層溶接部)、
１６…第１の表側積層溶接金属部、
１７…裏側積層溶接金属部、第１の裏側積層溶接金属部、
１８…第２の表側積層溶接金属部
Ｂ1…表側の開先底部(請求項１から請求項７)
Ｂ2…裏側の開先底部(請求項１から請求項７)
Ｂ3…表側の開先底部(請求項８から請求項１８)
Ｂ4…裏側の開先底部(請求項８から請求項１８)
Ｈｂ…積層ビード高さ
Ｈｋ…残存開先深さ
Ｈo1…溶接前開先深さ
Ｏ…大型容器
Ｔ…板厚
Ｙ、Ｙ１、Ｙ２…溶接装置(溶接機)
Δｗ1…表側の開先肩幅収縮量
Δｗ2…裏側の開先肩幅収縮量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型容器、大口配管、および大型構造物等に使用される厚い金属板から成る管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接する両側溶接方法及び両側溶接構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントや火力発電プラント等の建設では、高級な厚板材料を使用する大型溶接構造物が多く、最近、信頼性を重視すると共に工期短縮やコスト低減が強く要求されるようになっている。また、厚板部材の溶接では低変形で高能率及び高品質な溶接部を得るために、合理的で信頼性の高い高能率なＴＩＧ溶接技術が求められている。
【０００３】
特許文献１（特開平５−１１５９７５号公報）に記載されたステンレス鋼板突き合せ継手溶接方法では、両側溶接する際に、裏側の初層溶接に４．８〜６．４ｍｍ径のタングステン電極を用いて直流で、棒マイナスとし、電流５５０〜７５０ＡでＴＩＧ溶接することが提案されている。
【０００４】
特許文献２（特開２０００−７９４７８号公報）に記載された開先溶接方法では、片面溶接が必要な横向き開先継手を対象に、絶縁板を介して２本一対の電極を上下配置及び溶接ワイヤを後方位置に挿通した細長平板状の電極構造体の先端部を横向き開先内に挿入し、上側電極への印加電流が下側電極への印加電流よりも小さくなるように制御した状態で前記開先を溶接することが提案されている。
【０００５】
特許文献３（特開平９−１０３８８３号公報）に記載された自動ティグ溶接施工方法では、引張り強さ７８０Ｎ／ｍｍ２級以下の低炭素鋼板のＸ開先継手を対象に、仕上前層の溶接残し開先深さを２ｍｍ以下、仕上層の溶接電流を２２０〜３５０Ａ、仕上層のビード端部と開先端との距離を２〜５ｍｍ、仕上層のワイヤ溶着量を２５ｇ／分以下として、前記低炭素鋼板の表裏両側の仕上前層及び仕上層を形成することが提案されている。
【０００６】
特許文献４（特開２００３−１０９６８号公報）に記載されたタンク側板の溶接施工法及びこれに用いられる内外面同時溶接装置では、複数の冶具で側板開先合わせを行う第１工程と、側板内外面に溶接機をセットする第２工程と、前記溶接機で仮付けを行う第３工程と、前記冶具を取外す第４工程と、前記側板内外面のＵ開先部を同時に溶接する第５工程と、前記溶接機を移動又は取外す第６工程を有することが提案されている。
【０００７】
特許文献５（特開昭５４−７４２４０号公報）に記載された断熱パイプの高能率溶接法では、片面溶接が必要な耐熱短管の狭開先継手を対象に、ホットワイヤを送給しつつ1層１パスづつＴＩＧ溶接することが提案されている。
特許文献６（特開昭５４−１２５２６９号公報）に記載された狭開先溶接方法では、突き合せ溶接継手の狭開先を、該開先の表側からの溶接により予め設定した所定ののど厚まで溶接し、この溶接後に、前記開先の裏側を溶接し、この溶接後に、前記表側を最終層まで溶接することが提案されている。
【０００８】
特許文献７（特開平９−１３７６号公報）に記載された低残留応力構造の溶接方法では、特定の溶接条件下もしくは種々の溶接条件下で溶接による残留応力解析又は残留変形解析もしくは残留変形測定を行い、残留応力評価点として予め定めた注目点での残留応力値もしくは残留変形値が最も小さくなる積層順序を、複数ある溶接パスの積層順序と逐次比較して選択、又は予め定めた注目点での残留応力値もしくは残留変形値が最も小さくなる種々の溶接条件を前記種々の溶接条件と逐次比較して選択することが提案されている。
【０００９】
特許文献８（特開２００６−１９２４３８号公報）に記載された狭開先継手の多層盛溶接方法は、本出願人が提案したものであり、片面溶接及び溶接裏面部の残留応力改善が必要なオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手（片面Ｕ型開先）を対象に、材質の異なる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開先上部まで積層するアーク溶接を行うことを提案している。
【００１０】
また、特許文献９（特開２００７−２１５１６号公報）に記載された狭開先溶接方法及び溶接構造物並びにその溶接装置も、本出願人が提案したものであり、片面溶接及び溶接裏面部の残留応力改善が必要な狭開先継手（片面Ｕ型開先）を対象に、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、特定の積層ビード高さまで第１の入熱量範囲で積層溶接する第１の積層溶接工程と、残りの開先部分から開先上部の最終層まで第２の入熱量範囲で積層溶接する第２の積層溶接工程とを備えることを提案している。
【特許文献１】特開平５−１１５９７５号公報
【特許文献２】特開２０００−７９４７８号公報（特許３６８４８５８号公報）
【特許文献３】特開平９−１０３８８３号公報（特許２８６００７２号公報）
【特許文献４】特開２００３−１０９６８号公報
【特許文献５】特開昭５４−７４２４０号公報
【特許文献６】特開昭５４−１２５２６９号公報
【特許文献７】特開平９−１３７６号公報（特許３５４２４０７号公報）
【特許文献８】特開２００６−１９２４３８号公報
【特許文献９】特開２００７−２１５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示された技術的思想では、高電流のＴＩＧ溶接によって裏側開先ルート部に深い溶け込みが得られ、裏掘り（裏アツリ）やグラインダ作業を省略できると考えられるが、ＴＩＧ溶接部は裏側の初層部のみであり、他の溶接箇所は溶接ワイヤを電極とするＣＯ２アーク溶接又はＭＩＧ溶接を行っている。また、両面開先継手の各開先角度が６０度前後の大きさで極めて広く、溶接すべき開先断面積やワイヤ使用量が増大するという問題がある。
【００１２】
特許文献２に開示された技術的思想では、横向き開先の上壁側にアンダーカット、下壁側にオーバーラップのない平滑なビードが得られると考えられるが、２本一対の電極を開先幅方向に配置して溶接する必要があるため、例えば、開先幅が９ｍｍ以下の狭い開先継手の溶接には横向き姿勢を含む全ての姿勢も適用することができないという問題がある。
また、２本一対の電極と溶接ワイヤに給電するために３組の電源及び制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになる。さらに、特許文献２では、２つのアークで形成した１つの溶融プール内に通電加熱の溶接ワイヤを送給する溶接法であると共に、片面開先継手の片面溶接が対象であり、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１３】
特許文献３に開示された技術的思想では、所定の機械的特性を損なわずに良好な耐曲げ性能が得られると考えられるが、両側Ｘ開先継手の開先角度が５０〜６０度の大きさで極めて広く、溶接すべき開先断面積やワイヤ使用量が増大し、また、溶接箇所の開先幅が広くなるため、溶接中に溶接トーチを溶接線左右方向に揺動させるウィービング動作も必要になるという問題がある。また、特許文献３には、仕上前層及び仕上層以外の初層溶接や中間層（充填層）の積層溶接や表裏両側の溶接手順などについて何も開示されていない。
【００１４】
特許文献４に開示された技術的思想では、内外面同時溶接による裏ハツリ作業省略、ストロングバック不要化による付帯作業軽減、工期短縮、費用軽減が図れると考えられるが、２組の自動ＴＩＧ溶接機を用いて溶融池磁気制御方式のホットワイヤＴＩＧ溶接を内外面同時に実行するため、２組の溶接電源と溶接トーチ及び磁気発生器、４組のワイヤ送給装置及びワイヤ加熱電源、これらを統括する制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、特許文献４に開示されている第５工程では、内外面Ｕ開先部を同時溶接するようにしているが、多層溶接で必要な積層方法や溶接条件なども何ら開示されていない。また、磁気コイルを溶接トーチ先端近傍に設置する必要があるため、厚板の深い開先や狭い開先継手の溶接適用には不向きである。
【００１５】
特許文献５に開示された技術的思想では、溶接速度増加、溶接時間短縮及び生産性向上が図れると考えられるが、ホットワイヤＴＩＧ溶接のため、溶接電源とワイヤ加熱電源及び制御装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、積層溶接による開先収縮が考慮されていないため、開先底幅（Ｌ＝５．５〜６ｍｍ）が狭いと、開先壁面にアークが飛んだり、開先壁面に電極面が接触したりする可能性があり、さらに、細径電極の使用に限定され、ホットワイヤによる高電流高速溶接の安定持続が困難となると考えられる。また、特許文献５では、片面Ｕ型開先継手の片面溶接であり、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１６】
特許文献６に開示された技術的思想では、開先深さが深い表側の狭開先溶接で生じる角変形が低減できると考えられるが、開先深さが浅い裏側の開先側は特定ののど厚までガウジングした後にサブマージアーク溶接を行っているため、ガウジングによって切削及び飛散した金属粉を回収したり、また、サブマージアーク溶接で使用したフラックスや固着スラグ等を回収したりする必要があり、作業工数が増加するという問題がある。また、特許文献６では、角変形と異なる開先幅方向の収縮変形、溶接対象の開先形状寸法や溶接条件等、両側溶接で重要なことが何も開示されていない。
【００１７】
特許文献７に開示された技術的思想では、原子力発電プラントの大型溶接構造物を対象に、溶接による残留応力を許容値以下（又は最小）にできると考えられるが、特殊な残留応力解析装置や溶接手順評価装置が必要であり、新たな設備投資に伴って製造コストが高騰することになるという問題がある。また、特許文献７では、外表面側（又は反対側の内表面側）を約１／２まで溶接した後に内表面側（又は反対側の外表面側）を溶接し、その後に外表面側の残り約１／２を溶接した例を開示しているが、前半の溶接が過剰であり、開先幅方向の収縮変形が大きくなるため、例えば、開先幅が９ｍｍ以下の狭い開先継手の溶接には適用することができないという問題がある。
【００１８】
特許文献８に開示された技術的思想では、継手部材底面側の片面溶接裏面部及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善できるが、両面Ｕ型開先継手の両側溶接を対象にすることは明記されていないし、両側溶接のことは何も開示されていない。
【００１９】
特許文献９に開示された技術的思想では、上記特許文献６の場合と同様に、継手部材底面側の片面溶接裏面部及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善できるが、両面Ｕ型開先継手の両側溶接を対象にすることは明記されていないし、両側溶接のことは何も開示されていない。
本発明の目的は、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手を対象に、低変形で高能率及び高品質な両側積層溶接部を得ると共に、生産性向上及びコスト低減に有効な両側溶接方法及び両側溶接構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接し、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、その後に裏側の両面Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接することを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、第２の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部の裏側に裏ビードを形成する初層溶接工程と、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで積層溶接する裏側積層溶接工程と、その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の表側積層溶接工程とを備えることを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００２２】
特に、前記管部材や板部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は４度以上１０度以下の範囲であり、かつ、前記両側溶接において、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と共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成するとよい。また、前記表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さまで表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量を対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、第３の本発明は、大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備えることを特徴とする両側溶接構造物を提案する。
【００２４】
特に、前記積層溶接金属部の断面形状は、両面Ｕ型開先継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、溶接された開先側面の溶け部分を含む開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部より上位の表側積層溶接部分と反対側の裏側積層溶接部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されているとよい。また、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ型開先継手の表裏両側に形成することもできる。
【００２５】
すなわち、第１、第２の本発明の両側溶接方法では、前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接すること又はこれに該当する初層溶接工程により、前記開先底部の裏側まで溶融した裏ビードを有する良好な初層溶接ビードを表側開先底部に形成することができる。また、初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接すること又はこの積層溶接する第１の表側積層溶接工程により、第１の表側積層溶接金属部を所定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先継手の幅収縮量を抑制することができる。
【００２６】
その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接すること又はこの積層溶接する裏側積層溶接工程により、幅収縮量が少ないＵ型開先継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部に溶け不足がなく、前記裏ビード部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部を開先上部まで確実に形成することができる。また、前記積層溶接による収縮変形を低減することができる。
その後に表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接すること又はこの積層溶接する第２の表側積層溶接工程により、前記第１の表側積層溶接金属部と融合した第２の表側積層溶接金属部を開先上部まで確実に形成することができる。同時に、前記積層溶接による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部と反対側の裏側積層溶接金属部との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。また、前記両側溶接の構成及び実施によって、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００２７】
なお、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５より小さいか、或いは前記残存開先深さが溶接前開先深さの４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ型開先継手部の積層溶接によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
反対に、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の２／５より大きいか、或いは前記残存開先深さが溶接前開先深さの３／５より小さいと、前半の表側積層溶接が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ型開先継手部の幅収縮量が増加し、裏側積層溶接の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。また、開先肩幅収縮量の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側の開先幅が狭くなるため、裏側積層溶接が正常に実行できなくなるような悪影響が生じ易くなるので好ましくない。
【００２８】
前記部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は４度以上１０度以下の範囲であることにより、溶接すべき開先断面積を減少させ、溶接ワイヤの使用量を削減できると共に、普通の電極棒(例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極)の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
また、前記両側溶接では、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共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成することにより、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、良好なワイヤ溶着で充填された高品質な両側積層溶接金属部を高能率に得ることができる。
【００２９】
前記アーク溶接部分に送給する溶接ワイヤは、例えば、前記両面Ｕ型開先継手の部材材質と同類材質の溶接ワイヤ又はオーステナイト系ステンレス鋼の溶接ワイヤを使用すればよい。
また、前記表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さまで前記表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量に対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することにより、前記表側積層溶接による裏側の開先幅収縮が予想以上に生じても、裏側積層溶接の実行可能な開先幅がより確実に確保できると共に、裏側積層溶接の実行が容易となり、品質良好な溶接部を形成することが可能となる。
【００３０】
なお、Ｕ型開先継手の開先底幅が６ｍｍより小さい場合や開先角度が４度より小さい場合には、開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。
反対に、開先底幅が９ｍｍより大きい場合や開先角度が１０度より大きい場合には、開先断面積が増加し、開先壁面の溶け状態が悪くなるため、１層１パスづつ積層する溶接が困難となり、１層２パス溶接に変更する必要があり、溶接パス数の増加に至る。
【００３１】
第３の本発明の両側溶接構造物では、両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の特定上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備えることにより、上述したように、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００３２】
特に、前記積層溶接金属部の断面形状は、両面Ｕ型開先継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、開先側面の溶け部分を含む開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部より上位の表側積層溶接部分と反対側の裏側積層溶接部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減でき、また両側積層溶接による収縮変形を低減でき、溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足のない品質良好な両側積層溶接部を得ることができる。
【００３３】
なお、各溶接ビード高さが１.５ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に各溶接ビード高さが４．５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ/分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。また、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されていることにより、開先上部にアンダーカットや凹みのない余盛りビードを良好に形成することができる。
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用されるＵ型開先継手の表裏両側に形成されていることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００３４】
上記目的を達成するために、第４の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接し、その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後に、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接することを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００３５】
また、上記目的を達成するために、第５の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接する第１の裏側積層溶接工程と、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する第２の表側積層溶接工程と、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する第２の裏側積層溶接工程とを備えることを特徴とする両側溶接方法を提案する。
【００３６】
特に、前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行するとよい。
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行するか又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することもできる。
【００３７】
また、前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であるとよい。
さらに、表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成するとよい。
【００３８】
また、上記目的を達成するために、第６の本発明は、大型容器、大口配管、または大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ間先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備えることを特徴とする両側溶接構造物を提案する。
【００３９】
特に、表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されているとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されているとよい。また、前記部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲であるとよい。
また、前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であるとよい。
【００４０】
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されているとすることもできる。
すなわち、第４、第５の本発明の両側溶接方法では、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接すること又はこれに該当する第１の表側積層溶接工程により、開先底部の裏面まで溶融した裏ビードを有する初層溶接部を含む第１の表側積層溶接金属部を所定の高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ開先継手の幅収縮量を抑制することができる。
【００４１】
その後に、表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量が所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後又はこれに該当する第１の裏側積層溶接工程の終了後に、前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する又はこれに該当する第２の表側積層溶接工程を実行すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接すること又はこれに該当する第２の裏側積層溶接工程を実行することにより、開先幅収縮量が少ないＵ開先継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部に溶け不足がなく、前記裏ビード部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部を所定の高さまで確実に形成することができる。また、前記第１の表側積層溶接金属部の上位部分と良好に融合した第２の表側積層溶接金属部を表側開先上部まで確実に形成することができる。
【００４２】
同様に、前記第１の裏側積層溶接金属部の上位部分と良好に融合した第２の裏側積層溶接金属部を裏側開先上部まで確実に形成することができると共に、前記積層溶接による収縮変形を低減することもできる。さらに、表側積層溶接金属部と反対側の裏側積層溶接金属部との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。また、前記両側溶接の構成及び実施によって、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００４３】
前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行することにより、溶接トーチや溶接機の取り付け取り外し等の段取り作業が簡素化できると共に、溶接待ち時間も短縮でき、さらに、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。
【００４４】
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
前記所定範囲の積層ビード高さは溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲、前記所定範囲の残存開先深さは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であることにより、第１の表側積層溶接金属部及び反対側の第１の裏側積層溶接金属部を所定高さまで確実に形成することができると共に、表裏両側の開先幅の収縮変形を抑制することができる。また、前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は２ｍｍ以下であることにより、上記積層溶接による収縮変形を所定値以下に抑制することができる。
【００４５】
なお、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５より小さいか又は前記残存開先深さが溶接前開先深さの４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ開先継手部の積層溶接によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
反対に、前記積層ビード高さが溶接前開先深さ又は二等分板厚の２／５より大きいか又は前記残存開先深さが溶接前開先深さの３／５より小さいと、前半の表側積層溶接が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ開先継手部の幅収縮量が増加し、裏側積層溶接の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。また、開先肩幅収縮量の所定の上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側の開先幅が狭くなるため、裏側積層溶接が正常に実行できなくなるような悪影響が生じ易くなるので好ましくない。
【００４６】
表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成することにより、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得ることができる。同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【００４７】
なお、各溶接ビード高さが２ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に各溶接ビード高さが５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ／分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。また、溶接ビード幅が６ｍｍより小さい場合は、溶接すべき開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。反対に、前記溶接ビード幅が９ｍｍより大きい場合には、開先幅の広い開先継手になるため、溶接断面積が増加し、溶接パス数の増加になるので好ましくない。
【００４８】
本発明の両側溶接構造物では、前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ開先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備えることにより、上述したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００４９】
また、表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されているとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、上述したように、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ(溶融金属の飛散)の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得ることができる。同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【００５０】
また、前記管部材や板部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲であることにより、溶接すべき開先断面積を減少し、かつ溶接ワイヤの使用量を削減できると共に、普通の電極棒(例えばΦ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
なお、Ｕ開先継手の開先底幅が６ｍｍより小さい場合や開先角度が５度より小さい場合には、開先断面積は減少するが、積層溶接の進行に伴って開先幅が収縮するため、溶接電流の高出力化が可能な太い電極棒を開先内に挿入して正常溶接することができなくなる。
反対に、前記開先底幅が９ｍｍより大きい場合や開先角度が８度よりさらに大きい場合には、溶接すべき開先断面積が増加し、開先壁面の溶け状態が悪くなり易いため、１層１パスづつ積層する溶接が困難となり、１層２パス溶接に変更する必要があり、溶接パス数の増加になるので好ましくない。
【００５１】
さらに、前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を備えた両側溶接構造物を製造することができると共に、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【発明の効果】
【００５２】
以上述べたように、本発明の両側溶接方法及びその両側溶接構造物によれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、また、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜第１実施形態＞＞
＜溶接対象＞
図１(ａ)は、本発明を適用した実施形態の原子力発電プラント等に用いられる大型容器Ｏを示す斜視図であり、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、両側溶接が必要な継手部材の溶接前の開先断面を示している。
主に原子力機器や火力機器や他の機器に用いられる大型容器Ｏ (図１(ａ)参照)、大口配管、大型構造物等は、厚板の管部材又は板部材である図１(ｂ)に示す継手部材１、２に突き合せて形成した狭い両面Ｕ型開先３、４を、表裏両側から溶接する必要がある。
【００５４】
図１(ａ)に示す大型容器Ｏは、例えば板厚５０ｍｍの鋼板を溶接により接合し、直径５ｍの円筒形状を形成している。
なお、継手部材１、２の材質は、主に耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３１６系、ＳＵＳ３２１系、ＳＵＳ３４７系）であり、他のステンレス鋼であってもよい。また、ステンレス鋼と異なるニッケル合金や低炭素鋼や低合金鋼であってもよい。
【００５５】
＜溶接機の構成＞
図２は、実施形態の両側溶接構造物に係わる開先形状を溶接する溶接装置Ｙの構成概要及びアーク溶接中の継手部材の開先溶接断面を示した概念図である。なお、図２は、継手部材１、２の板厚Ｔの中央部近傍の表側開先内をアーク溶接しているところを示している。
図２に示す継手部材１、２は、上述した原子力機器や火力機器や他の機器に適用される両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手である。
上述の接合に適用されるアーク溶接は、図２に示すように、溶接トーチ６（ＴＩＧトーチ）に装着した開先３内の非消耗性の電極棒５先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８から給電して開先３内でアーク１２を発生させ、そのアーク１２溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤ７を送給し溶着させ溶接している。
【００５６】
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り、公知の市販品を使用すればよい。
また、制御装置９ａは、溶接トーチ６や溶接ワイヤ７及びそのワイヤ送給装置１０を搭載した図示しない溶接台車の走行を制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を制御する。さらに、制御装置９ａは、溶接トーチ６の上下左右位置制御、アーク１２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７の送り速度や上下左右位置制御も行う。
操作ペンダント９ｂは、制御装置９ａに接続されており、溶接条件の調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置の調整手段を内蔵している。この操作ペンダント９ｂを介して、制御装置９ａは、各溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、ワイヤ送り速度など）を設定したり、溶接中に個別の条件値を割り込んで適正な値に調整したり、また、トーチ位置及びワイヤ位置も調整したりすることができるように構成されている。
【００５７】
Ｕ型開先３、４内に挿入する電極棒５は、開先底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)より細い太さの円形断面形状を有する非消耗性の丸棒タングステン電極であり、高融点材のＬａ２Ｏ３（酸化ランタン）入りＷ(タングステン)、Ｙ２Ｏ３（酸化セリウム）入りＷ、ＴｈＯ２（酸化イットリウム）入りＷなどの電極棒を使用するとよい。
例えば、外径φ３．２の電極棒５、すなわち円形断面形状の電極先端のみを円錐形状に研磨加工した電極は、開先底幅Ｂo(図１(b)参照)が６≦Ｂo≦９ｍｍの特定範囲のＵ型開先３、４内に挿入可能であると共に、積層溶接による開先幅収縮があっても、開先壁面に電極棒５外面が接触することなく、溶接を安定に継続することができる。
【００５８】
また、３００Ａ前後の高い溶接電流の出力、溶接速度およびワイヤ溶着速度の増加によるアーク溶接を長時間実行することができ、また、電極先端の消耗も極めて少ない。
さらに、電極棒５は、特殊加工が必要な偏平横断面形状の電極と比べて、安価で使い勝手も良く、電極交換の時でも消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用することができる。なお、電極棒５は、公知の市販品を購入して溶接トーチ６に装着使用すればよい。
開先３内のアーク１２溶接部分及び近傍に流出するシールドガス１１については、電位傾度の高いＨ２ガスとＡｒガスとの混合ガス又は数十パーセントのＨｅガスとＡｒガスとの混合ガスを使用すればよい。例えば、Ｈ２ガス３〜５％入りの混合ガスを使用すると、不活性ガスの純Ａｒガス使用と比べてエネルギ密度およびアーク集中性の増加によって溶融性が高まり、溶接速度やワイヤ溶融速度を増加することができる。
【００５９】
アーク１２溶接部分に送給するワイヤ７は、溶接対象の継手部材１、２の材質に適した同類材質のワイヤを使用すればよく、例えば、継手部材１、２がＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼であれば、同等材質のオーステナイト系ステンレスワイヤ（ＳＵＳ３０８系ワイヤ、ＳＵＳ３１６系ワイヤ）を選択すればよい。
このように構成した溶接装置を使用して溶接することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することが可能である。
ここで、図１(ｂ)に示す両面Ｕ型開先３、４を溶接する場合には、その表裏両側(図１(ｂ)の紙面の上下両側)、すなわち図１(ａ)に示す大型容器Ｏの外側および内側を、各々別個の溶接台車(図示せず)に据え付けられた別の前記溶接装置Ｙ、Ｙが運搬され、表裏両側の溶接が行われる。
【００６０】
＜溶接手順＞
次に、溶接装置Ｙを用いた両側溶接構造物の溶接手順について、両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図３を用いて説明する。
図３に示す最初の開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ１１は、図１(ｂ)に示すように、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、加工後の部材や部品を溶接現場で組立したり、また、溶接装置Ｙを装着する溶接台車(図示せず)や溶接トーチ６や溶接ワイヤ７等を取り付けたり、溶接電源８や制御装置９ａの立上げ及び溶接動作の準備を行う工程である。
【００６１】
図１(ｂ)に示す継手部材１、２の表裏両側に形成する狭い両面Ｕ型開先３、４内の開先底幅Ｂoは、６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲であり、開先３、４の両壁面の開先角度２θは、４度以上１０度以下の寸法範囲に形成し、好ましくは開先角度２θを５度以上８度以下に形成する。
これによって、溶接すべき開先３、４の断面積を減少させ、溶接ワイヤ７の使用量を削減できるととともに、太い電極棒５(例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極)の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、溶接ワイヤ７の送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
また、継手部材１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先３、４の底部のルートフェイスｆは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成し、好ましくは、ルートフェイスｆを１ｍｍ以上２ｍｍ以下に形成することにより、開先３、４の底部を容易に溶融でき、良好な裏ビード１５'(図４(ａ)参照)を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
【００６２】
なお、図４(ａ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部を初層溶接した時(図３に示す初層溶接工程Ｓ１２)の溶接断面図である。
続く、図３に示す初層溶接工程Ｓ１２は、図４(ａ)に示すように、両面Ｕ型開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)に初層溶接ビード１５を形成するための初層溶接を行う工程である。
表側の開先３の底部Ｂ1の裏側まで溶融可能な溶接電流、アーク電圧及び溶接速度などの適正な溶接条件を出力させて初層溶接することにより、溶け不足のない良好な裏ビード１５'を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
【００６３】
この両面Ｕ型開先継手の場合には、板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている突き合せ部を初層溶接するため、Ｕ型開先を一方の片側にのみ形成した片面Ｕ型開先継手において他方の片側の板厚底部の突き合せ部を初層溶接する場合と比較し、開先３、４の両壁面からの熱引きが大きくなるため、この熱引き増加を考慮した溶接電流の増加によるアーク溶接を実行することが望ましい。
両面Ｕ型開先継手の裏ビード１５'の形成に必要な初層溶接時の入熱量については、開先３、４の底部の底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)やルートフェイスｆの大きさ、材質の違いによって異なるが、概ね１４〜２０ｋＪ/ｃｍの範囲で形成可能である。
なお、単位長さ当りの入熱量Ｑ（ｋＪ/ｃｍ）は平均溶接電流Ｉa（Ａ）、アーク電圧Ｅa（Ｖ）、溶接速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）との関係より下式によって算出することができる。
【００６４】
Ｑ＝Ｉa×Ｅa／（１００×Ｖ）
図４(ｂ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、初層溶接と同一方向から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時(下記の第１の表側積層溶接工程Ｓ１３)の溶接断面図である。
続く、図３に示す第１の表側積層溶接工程Ｓ１３は、図４(ｂ)に示すように、初層溶接工程１２の後に、初層溶接部分の初層溶接ビード１５を含む開先３の底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から溶接前開先深さ又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂに到達するか、或いは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋに到達するか、或いは、開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接（例えば４パス溶接）する工程である。
【００６５】
この第１の表側積層溶接工程Ｓ１３により、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さＨｂまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
図５は、両側溶接構造物に係わる溶接前開先深さＨo1と表側溶接すべき積層高さビードＨｂの下限値及び上限値の関係を示す図である。
図５に示すように、領域Ａは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３(図３参照)における適正積層高さビードＨｂの領域であり、次工程の裏側積層溶接工程Ｓ１４への適正な切替時期を示している。
領域Ｂは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３における積層高さビードＨｂの不足領域であり、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４において開先肩幅ｗ２(図４(ｂ)参照)を含む開先幅(図４(ｂ)の紙面の左右方向の開先４の両壁面間距離)の収縮量が増加し、第２の表側積層溶接工程Ｓ１５の実行に悪影響がある。
【００６６】
領域Ｃは、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３における積層高さビードＨｂの過剰領域であり、開先肩幅ｗ１(図４(ａ)参照)を含む開先３の幅 (図４(ａ)の紙面の左右方向の開先３の両壁面間距離)の収縮量が増加し、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４に悪影響がある。
図４(ｂ)及び図５に示すように、表側のＵ型開先部を積層溶接すべき積層ビード高さＨｂの範囲は、溶接前開先深さＨo1の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1の範囲）であり、また、二等分板厚Ｔ（Ｔ／２）の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２の範囲）であってもよい。
また、残存開先深さＨkの範囲は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲（０．８×Ｈo1≧Ｈk≧０．６×Ｈo1の範囲）であり、溶接前開先深さＨo1から前記積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈk＝Ｈo1−Ｈｂ）で示すこともできる。
【００６７】
なお、積層溶接による肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2及び積層ビード高さＨｂについては後記の図１０及び図１１で詳述する。
このように、積層ビード高さＨｂ等を範囲設定又は上限値設定し、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３を実行することにより、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成できると同時に、まだ溶接していない裏面１ｂ、２ｂ側のＵ型開先４の継手の開き幅収縮量を抑制することができる。
なお、積層ビード高さＨｂ(図４(ｂ)参照)が溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５より小さいか又は前記特定範囲の残存開先深さＨk(図４(ｂ)参照)が溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)の４／５より大きいと、表側と反対側の裏側Ｕ型開先４の継手部の次の積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)によって、表側残り開先部の開先肩幅ｗ1収縮量が大きくなり、この開先肩幅ｗ1収縮量を抑制できなくなり易い。
【００６８】
反対に、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の２／５より大きいか又は前記特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の３／５より小さいと、第１の表側積層溶接工程Ｓ１３が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ型開先４の継手部の開先幅収縮量が増加し、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。
また、開先肩幅ｗ1、ｗ2収縮量の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側開先肩幅ｗ2が狭くなるため、次の裏側積層溶接工程Ｓ１４(図３参照)が実行できなくなるような悪影響（例えば、図２に示す溶接トーチ６の電極棒５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【００６９】
図４(ｃ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、裏側の開先４の底部から開先４の上部の最終層まで裏側積層溶接した時(下記の裏側積層溶接工程Ｓ１４)の溶接断面図である。
次の図３に示す裏側積層溶接工程Ｓ１４は、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）に示す裏面１ｂ、２ｂ側のＵ型開先４の継手の開先底部Ｂ2(図１(b)参照)から開先４の上部の最終層１７ａまで裏側積層溶接する工程である。
この裏側積層溶接工程Ｓ１４により、裏側開先肩幅ｗ2の収縮量が少ないＵ型開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に前記開先底部Ｂ2に溶け不足がなく、裏ビード１５'部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部１７を開先４の上部、すなわち裏側累計積層ビード高さΣｈ2まで確実に形成することができる。また、この裏側積層溶接による収縮変形を低減することができる。
【００７０】
図４(ｄ)は、溶接中の図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図であり、表側の残り開先３部分から開先３の上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時(下記の第２の表側積層溶接工程Ｓ１５)の溶接断面図である。
次の図３に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ１５は、図４（ｄ）に示すように、表面１ａ、２ａ側の残り開先３部分(図４（ｃ)参照）から開先上部の最終層１８ａまで表側積層溶接する工程である。
この第２の表側積層溶接工程Ｓ１５により、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先上部（表側累計積層ビード高さΣｈ1）まで確実に形成することができる。同時に、第２の表側積層溶接金属部１８による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７との断面形状をほぼ対称形状に形成することができる。
【００７１】
＜溶接された両側溶接構造物＞
上述した本実施形態の両側溶接構造物では、図１(ｂ)、図４に示すように、両面Ｕ型開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先底部Ｂ1に形成された初層溶接金属部１５(図４参照)を含む表側の開先底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さＨｂ(図４(ｂ)参照)に到達するか、又は溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)の４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さＨｋ(図４(ｂ)参照)に到達するか、又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量の特定上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部１６と、その後に裏側のＵ型開先４の継手の開先底部Ｂ2(図１(ｂ)参照)から開先上部の最終層１７ａまで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部１７(図４(ｃ)参照)と、第１の表側積層溶接金属部１６と接する表面部分から開先上部の最終層１８ａまで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部１８とを備えている。
【００７２】
このような構成に溶接することにより、両側溶接が必要な厚板から成る管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部(図４(ｄ)参照)を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【００７３】
図４(ｄ)に示す表裏両側の積層溶接金属部１６、１７、１８の断面形状は、両面Ｕ型開先３、４の継手の両側から各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、かつ、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図４(ｂ)、図４(ｃ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、初層溶接部の初層溶接ビード１５より上位の表側積層溶接部分１６、１８と反対側の裏側積層溶接部分１７との各溶接ビード高さｈ1、ｈ2が１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減し、また両側積層溶接による収縮変形を低減し、また溶接時間を短縮できると同時に溶け不足のない品質良好な両側積層溶接部１６、１７、１８を得られる。
【００７４】
特に、表裏両側の最終層の溶接部分１７ａ、１８ａが１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されていることにより、図４(ｄ)に示すように、開先３、４上部にアンダーカットや凹みがない良好な余盛りビードを形成することができる。
なお、各溶接ビード高さｈ1、ｈ2が１.５ｍｍより小さいと、積層する溶接パス数が増加し、反対に、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が４．５ｍｍより大きいと、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ/分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。
【００７５】
＜＜第１実施形態の変形形態の溶接手順＞＞
次に、変形形態の溶接手順について、図６、図７を用いて説明する。
図６、図７に図示した変形形態の溶接手順と第１実施形態の図１(ｂ)、図４に示す溶接手順(図３参照)との主な相違点は、第１の表側積層溶接による積層ビード高さＨｂを小さくしていること、もう一つは継手部材１、２の表裏両側の最終層部分を左右に振分ける２パス溶接にしていることである。
なお、溶接姿勢は、下向き姿勢の例を示しているが、他の横向き姿勢や立向き姿勢の両面Ｕ型開先継手であっても、下向き姿勢の場合とほぼ同じように良好に両側溶接を実行することが可能である。
【００７６】
図７は、変形形態の溶接手順概要の一例を示す説明図であり、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図を示している。
図７(ａ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、表側の開先底部Ｂ1(図１(ｂ)参照)から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時(第１の表側積層溶接工程２３)の溶接断面図である。
まず、図３に示す開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ１１を行った後、図６に示すように、図７(ａ)に示す板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先３の底部Ｂ1に初層溶接部の初層溶接ビード１５を形成する初層裏波溶接工程Ｓ２２を行う。ちなみに、図７では、初層裏波溶接工程Ｓ２２の図示を省略している。
図６に示す第１の表側積層溶接工程２３では、図７(ａ)に示すように、初層溶接部１５を含む開先底部Ｂ1(図１(b)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか、又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接工程Ｓ２３（例えば３パス溶接）を行い、第１の表側積層溶接金属部１６を形成する。
【００７７】
この第１の表側積層溶接工程Ｓ２３の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ型開先４の継手の裏側開先肩幅ｗ2を含む開き幅収縮量(図７(ａ)参照)を抑制することができる。
特定範囲の積層ビード高さＨｂは、溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1又は０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２
の範囲である。
【００７８】
また、特定範囲の残存開先深さＨk(図７(ａ)参照)は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲、すなわち
０．８×Ｈo1≧Ｈk≧０．６×Ｈo1
の範囲であり、溶接前開先深さＨo1から積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈk＝Ｈo1−Ｈｂ）で示すこともできる。また、開先肩幅ｗ1、ｗ2(図７(ａ)参照)の収縮量の特定上限値は２ｍｍ以下とすることもできる。
図７(ｂ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時(下記の裏側積層溶接工程Ｓ２４)の溶接断面図である。
続く、図６に示す裏側積層溶接工程Ｓ２４では、図７(ｂ)に示すように、第１の表側積層溶接工程２３の終了後に、裏側のＵ型開先継手の開先４の底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して裏側積層溶接金属部１７を形成している。
【００７９】
この裏側積層溶接工程２４の実行により、上述したように、裏側開先肩幅ｗ2を含む開き幅収縮量が少ないＵ型開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先底部Ｂ２に溶け不足がなく、前記裏ビード１５'部分と良好に融合した溶け込み部を含む裏側積層溶接金属部１７を開先４上部、すなわち裏側累計積層ビード高さΣｈ2まで確実に形成することができる。また、この裏側積層溶接工程２４による収縮変形を低減することができる。裏側の最終層溶接部分１７ａでは、左右に振分ける２パス溶接１７ａ1、１７ａ2を実行しており、図７(ｂ)に示すように、開先上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
図７(ｃ)は、図１(ａ)の溶接中のＡ−Ａ線断面図であり、表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時(下記の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５)の溶接断面を示している。
【００８０】
続く、図６に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ２５では、図７(ｃ)に示すように、裏側積層溶接２４工程の終了後に、表側の残り開先３部分である第１の表側積層溶接金属部１６と接触する表面部分から開先３上部の最終層まで第２の表側積層溶接工程を行い、第２の表側積層溶接金属部１８を形成している。第２の表側積層溶接工程Ｓ２５の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先３上部の表側累計積層ビード高さΣｈ1まで確実に形成することができる。
【００８１】
同時に、第２の積層溶接工程Ｓ２５による収縮変形を低減することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７との断面形状をほぼ対称形状(図７(ｃ)参照)に形成することができる。
表側の最終層溶接部分１８ａでは、裏側の最終層溶接部分１７ａと同様に、左右に振分ける２パス溶接１８ａ1、１８ａ2を実行しており、開先３上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
【００８２】
前記の表側積層溶接工程Ｓ２３、Ｓ２５及び裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行では、開先側壁面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図７(ａ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、パス毎の各溶接ビード高さｈ1、ｈ2(図７(ｃ)参照)が１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されており、厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、溶接パス数を削減し、また両側積層溶接による収縮変形を低減し、溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足のない品質良好な両側積層溶接金属部１６、１７、１８を得られる。
また、パス毎の各溶接ビード高さｈ1、ｈ2を保持したまま、溶接速度及びワイヤ溶着速度を増加することにより、生産性をさらに高めることができる。
【００８３】
また、図１(ｂ)、図４及び図７に示したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、表裏両側の積層溶接の実行により、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
表１は、両面Ｕ型開先継手の両側溶接条件の一例であり、図１(ｂ)、図４及び図７に示した初層溶接工程、第１及び第２の表側積層溶接工程、裏側積層溶接工程で使用可能な溶接条件である。板厚５０ｍｍの開先底幅Ｂo（７、８、９ｍｍの３種類）を変化させた両面Ｕ型開先継手（材質ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて下向き姿勢で両側溶接試験を行った。
【００８４】
その結果、表１に示すように、開先底幅Ｂo＝７ｍｍの場合（本発明イ）で１７層１９パス溶接、Ｂo＝８ｍｍの場合（本発明ロ）で１９層２１パス溶接、Ｂo＝９ｍｍの場合（本発明ハ）で２２層２４パス溶接となった。
【表１】
特に、初層溶接では、板厚Ｔ中央部にある開先底部Ｂ１(図１(ｂ)参照)に裏ビード１５'(図４(ａ)参照)を形成するため、例えば、溶接速度を６０ｍｍ/ｍｉｎに下げ、溶接ワイヤ７(図２参照)を少量送って溶接した。
初層溶接工程１２、２２(図３、図６参照)後の２パス目溶接と表裏両側の最終層溶接では、溶け過ぎないようにするため、例えば、溶接速度を約１２０ｍｍ/ｍｉｎ、ワイヤ溶着速度を１０〜１５ｇ/分まで上げると共に、これに適した溶接電流を出力させて溶接した。
【００８５】
他の中間層部分の表裏両側積層溶接工程では、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎに上げて一定とし、主にワイヤ溶着速度を１５〜４０ｇ／分まで増減させて溶接した。
初層溶接部１５を除いた表裏両側積層溶接部１６、１７、１８(図４(ｄ)、図７(ｃ)参照)の入熱量は約９〜１３ｋＪ／ｃｍである。溶接パス毎の入熱量は高くても１５ｋＪ/ｃｍ以下に抑制すると共に、ワイヤ溶着速度を高めて両側溶接することにより、収縮変形を低減し、かつ溶接パス数を削減することができた。
図８は、表１及び図６、図７に示した溶接条件（本発明イ）及び両側溶接方法を実行した両面Ｕ型開先継手（板厚Ｔ：５０ｍｍ、開先底幅Ｂo(図１(ｂ)参照)：７ｍｍ）の溶接推移を示した図であり、図８(ａ)は表側前半の溶接工程Ｓ２３(図６参照)で特定高さの積層ビード高さＨｂを形成した後の断面図であり、図８(ｂ)は裏側溶接工程Ｓ２４(図６参照)終了後の断面図であり、図８(ｃ)は両側の溶接工程Ｓ２４、Ｓ２５終了後の断面図である。
【００８６】
最初の第1の表側積層溶接工程Ｓ２３では、図８(ａ)に示すように、板厚Ｔの中央部に裏ビード１５'部形成の初層溶接部１５(図４(ａ)参照)から所定の積層ビード高さＨｂまで積層溶接しており、裏ビード１５'部の形成及び開先壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。開先３の壁面側の溶け深さ、すなわち開先３の壁面が溶接によって溶けた深さは左右共に約１ｍｍである。
積層ビード高さＨｂは約９．５ｍｍであり、また、溶接前開先深さＨo1(図１(ｂ)参照)との積層高さ比Ｈｂ／Ｈｏ1は０．３９であり、初層溶接部１５を含む４パス溶接で到達した。
第1の表側積層溶接工程２３で必要な特定範囲の積層ビード高さＨｂは、上述したように、溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲であればよい。
【００８７】
次の図６に示す裏側積層溶接工程２４では、図８(ｂ)に示すように、表側と反対側の裏側開先４の底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)から開先４上部の最終層１７ａ(図７(ｂ)参照)まで積層溶接（裏側累計積層ビード高さΣｈ2）しており、欠陥がない溶け込み良好な溶接断面が得られた。また、裏側の最終層１７ａ部分は、左右に振分ける２パス溶接１７ａ1、１７ａ2(図７(ｂ)参照)を実行しており、１〜１．２ｍｍの余盛り高さを有する幅広で平滑な余盛りビードが得られた。
次の図６に示す第２の表側積層溶接工程２５では、図８(ｃ)に示すように、表側の残り開先３部(図７(ｂ)、図８(ｂ)参照)から開先上部の最終層１８ａ(図７(ｃ)参照)まで積層溶接しており表側累計積層ビード高さΣｈ1(図７(ｃ)参照)となり、裏ビード１５'部や開先３、４の壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。
【００８８】
また、表側の最終層１８ａ(図７(ｃ)参照)部分は、裏側の最終層部分と同様に、左右に振分ける２パス溶接１８ａ1、１８ａ2を実行しており、幅広で平滑な余盛りビードが得られた。合計１７層１９パスの溶接結果であり、表側の積層溶接部と裏側の積層溶接部との断面形状が対称形状になっている。表裏両側の最終層部分は、１パス溶接を実行してもアンダーカットのない平滑な余盛りビードを形成することが可能である。
図９は、図８に示した両側溶接時のパス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度の関係の一例を示す図である。
図９に示すように、表裏両側の残存開先深さＨ（三角印の線）は溶接パスの進行に伴って減少し、反対に、表裏両側の積層高さΣｈ（丸印の線）は溶接パスＰの進行に伴って増加した。また、溶接パス毎のビード高さｈ（四角印の線）は、溶接部開先幅(溶接部開先の左右両壁面間距離)やワイヤ溶着速度Ｖm及び溶接速度Ｖなどによって変化するが、初層及び最終層の溶接部を除けば、約２．３〜４ｍｍであり、溶接パス数の削減に寄与することができた。
【００８９】
図１０は、図８及び図９に示した両側溶接時のパス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ１、ｗ２及び肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2の関係を示す一例の図である。
図１０に示すように、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、溶接パスＰの進行及び収縮変形の増加に伴って減少し、その後に表裏両側の最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、 代わりに測定可能なビード幅ｂ1、ｂ2とした。例えば、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、表側溶接前の初期値（ｗo＝９．７ｍｍ）から第１表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）が終了した時点で、表裏両側共に８．２ｍｍまで減少し、その後に実行した裏側積層溶接工程Ｓ２４によって裏側の開先肩幅ｗ2が最小６．９ｍｍまで減少し、同時に表側の開先肩幅ｗ1も０．２ｍｍ少ない８ｍｍまで減少した。
【００９０】
そして、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に実行した表側残り開先３部の第２表側積層溶接工程Ｓ２５によって表側の開先肩幅ｗ1が最小７．３ｍｍまで減少していた。表裏両側の開先両肩が溶融（肩溶け）した状態では、開先肩幅ｗ1、ｗ2がなくなってしまうため、代わりに測定可能なビード幅ｂ1、ｂ2とした。
表裏両側の肩幅収縮量Δｗ1、Δｗ2（黒四角印の線）は、溶接前の開先肩幅ｗ1、ｗ2が積層溶接によって収縮変形した初期値との偏差（ｗo−ｗ1、ｗo−ｗ2）であり、図１０に示すように、溶接パスＰの進行及び溶接ビードの積み重ねに伴って増加していた。
例えば、第１表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）が終了した時点で、表裏両側の肩幅収縮量Δｗ1、ｗ2は両方共に１．７ｍｍであり、まだ溶接していない裏側も同時に収縮していた。
【００９１】
例えば、第１表側積層溶接工程Ｓ２３によって生じる裏側開先４の肩幅収縮量Δｗ2が２ｍｍより大きくなり過ぎると、裏側の開先４幅が狭くなるため、裏側積層溶接工程Ｓ２４が正常に実行できなくなるような悪影響（例えば、溶接トーチ６の電極５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
従って、表側の肩幅収縮量Δｗ1、裏側の肩幅収縮量Δｗ2の何れかが約２ｍｍに接近する状態又は２ｍｍより少し小さい状態にある時に、第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、表側開先３と反対側の裏側開先４の裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行するとよい。
また、別な方法として、例えば、表側の開先底部Ｂ１(図１(b)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量Δｗ1又は開先底部Ｂ１収縮量を考慮し、裏側のＵ型開先４幅を表側のＵ型開先３幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
【００９２】
裏側のＵ型開先４幅を予め大きく形成することにより、第１表側積層溶接工程Ｓ２３による裏側の開先幅収縮が予想以上に生じた場合でも、裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行可能な開先４幅がより確実に確保できると共に、裏側積層溶接工程Ｓ２４の実行が容易となり、品質良好な溶接部を形成することが可能となる。
その後、裏側積層溶接工程Ｓ２４が終了した時点で裏側の肩幅収縮量Δｗ2が最大２．８ｍｍであり、また、その後に表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５が終了した時点で表側の肩幅収縮量Δｗ1が最大２．４ｍｍであり、裏側より０．４ｍｍ小さい結果になっていた。
【００９３】
一方、図１０中に示したビード幅ｂ1、ｂ2（黒丸印の線）は、開先壁面の溶け込みを含まない溶接部開先幅に該当する値であり、第１の表側積層溶接工程Ｓ２３（４パス溶接）によって表側のビード幅ｂ1が溶接前の初期値（Ｂo＝７ｍｍ）から６．３ｍｍまで減少していた。その後に実行した裏側積層溶接工程Ｓ２４の部分では、先行の表側４パス溶接(第１の表側積層溶接工程Ｓ２３)によって開先幅が収縮（肩幅収縮量Δｗ1＝Δｗ2＝１．７ｍｍ）しているため、裏側のビード幅ｂ2は、最小６ｍｍから６．５ｍｍまで増加する結果になっていた。
【００９４】
なお、真の溶接ビード幅は、図１０中に記載したビード幅ｂと開先壁面側の溶け込みとを加算した値であり、溶接断面の観察によって測定可能となるが、溶接途中で測定することは不可能である。そして、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に実行した表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ２５によって、表側のビード幅ｂ1が最小６．３ｍｍから６．７ｍｍまで増加する結果になっていた。
なお、開先底幅Ｂoの初期値を上記７ｍｍから８ｍｍに広くした両面Ｕ型開先継手の両側溶接試験では、ビード幅ｂ1、ｂ2及び開先肩幅ｗ1、ｗ2の値より約１ｍｍ大きくなり、溶接パス毎のアーク溶接も安定に実行することができ、溶け込み良好な両側積層溶接断面が得られることを確認した。
【００９５】
また、開先底幅Ｂoが７ｍｍの場合でも、上述したビード幅ｂ1、ｂ2より狭いφ３．２ｍｍ電極棒５が開先３、４内に挿入可能であり、両側溶接が容易に実行でき、図８に示した溶接断面状態のように、低変形で高能率な両側溶接の実行によって溶け込み良好な両側積層溶接断面を得ることができた。
図１１は、板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先３、４の継手おける表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量Δｗ1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。図１１中には溶接良好断面状態と溶接不良断面状態の比較例を示している。
【００９６】
図１１に示すように、表側積層溶接行程Ｓ２３、Ｓ２５による積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1の増加（溶接パスＰの進行）に伴って、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）は増加し、反対に開先肩幅ｗ1（四角印の線）は減少し、最終層の手前で開先両肩が溶融、すなわち肩溶けするため、ビード幅ｂ1が大きく変化しており、同時に、残存開先深さＨｋ（三角印の線）も減少する結果になっている。
特に、表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４以下の時に第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、その後にＳ裏側積層溶接工程２４を実行した場合には、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）が２ｍｍ以下の１．７ｍｍであり、溶け込み良好な溶接断面（図１１中の左側の断面状態）を得ることができた。
【００９７】
これに対して、積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４８の時で、しかも肩幅収縮量Δｗ1が２．４ｍｍになっていた時に第１表側積層溶接工程Ｓ２３を終了し、その後に裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行した場合には、表側溶接の積層過剰及び収縮過剰によって裏側の開先４幅が狭くなり過ぎて、開先４の壁面への飛びアーク（片寄りアーク）が発生すると共に、図１１中の右側の断面状態のような溶接不良が発生して溶接中止に至った。
このように、表側開先３の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．４を超える領域又は肩幅収縮量Δｗ1が２ｍｍを超える領域では、表側溶接と反対側の裏側溶接に悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表側開先３の積層高さＨｂの上限値を溶接前開先深さＨo1の０．４以下にすることに決定した。
【００９８】
一方、図１１に示したように、表側開先の積層高さ比Ｈｂ/Ｈo1が０．２未満の領域は、初層溶接（１パス目）のみ又は２パス目溶接の部分であり、肩幅収縮量Δｗ1（黒四角印の線）が１ｍｍ未満で小さいが、積層不足の状態にあるため、その後に裏側積層溶接工程Ｓ２４を実行すると、裏側開先４幅の収縮変形増加と同時に、反対側の表側残り開先３部の幅収縮が増加し易い。さらに、裏側開先底部Ｂ２(図１(ｂ)参照)の溶接時に表側溶接部分が赤熱酸化する可能性があるため、バックガスシールドをする必要があり、余計な工数増加になるので好ましくない。
また、裏側積層溶接工程Ｓ２４の終了後に表側残り開先３部を積層溶接工程Ｓ２５を行う時に、前工程の裏側積層溶接工程Ｓ２４によって表側残り開先３部が収縮変形しているため、溶接困難となるような悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
【００９９】
従って、両側溶接が可能な表側開先３の積層高さＨｂの下限値を溶接前開先深さＨo1の０．２以上にすることに決め、その結果、上記積層高さＨｂの適正範囲は溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ／２の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈo1≦Ｈb≦０．４×Ｈo1又は０．２×Ｔ／２≦Ｈb≦０．４×Ｔ／２
の範囲にした。
なお、本発明は、前記第１実施形態のみに限定されるものではない。例えば、始めに初層溶接工程を行う開先側を表側とし、この表側と対向する反対側の開先側を裏側として説明したが、表側と裏側とが逆方向であってもよいし、また、表側と裏側の代わりに外側と内側又は左側と右側であってもよい。また、両側溶接の対象が両面Ｕ型開先継手と類似形状の両面Ｈ型開先継手であっても実施可能であり、発明の主旨を逸脱しないことは勿論である。
【０１００】
このように、本発明の両側溶接方法を実行すれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ型開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【０１０１】
＜＜第２実施形態＞＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第２実施形態においては、第１実施形態における裏側積層溶接金属部を２つに分けて形成したものである。
図１２は、両側溶接が必要な継手部材１、２の溶接前の横向開先断面を示しており、溶接前の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図である。
図１２に示すように、継手部材１、２は、主に原子力機器や火力機器や他の機器に使用される厚板の図１(ａ)に示す大型容器や大口配管や大型構造物等の管部材又は板部材であり、突き合せて形成した狭い両面Ｕ開先３、４を横向姿勢又は立向姿勢で両側溶接する必要がある。
【０１０２】
図１３は、第２実施形態の両側溶接構造物の溶接装置Ｙ１、Ｙ２の概略構成を示す説明図であり、図１３(ａ)は溶接装置Ｙ１、Ｙ２の構成概要及び横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面図であり、図１３(ｂ)は表側開先３の反対側である裏側開先４を横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面である。
継手部材１、２の両側溶接を行うための装置として、図１３(ａ)に示す表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先３の継手部を横向姿勢又は立向姿勢で溶接する溶接トーチ６及び溶接機Ｙ１と、図１３(ｂ)に示す裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を横向姿勢又は立向姿勢で溶接する他の溶接トーチ６６及び溶接機Ｙ２とを各々配置しており、表側Ｕ開先３の積層溶接と裏側Ｕ開先４の積層溶接とを区分けして実行することができる。溶接機Ｙ１、Ｙ２は、それぞれ別の溶接台車に据え付けられ、これらの溶接台車を走行させることにより、表側Ｕ開先３の積層溶接作業と裏側Ｕ開先４の積層溶接作業とが行われる。
【０１０３】
従って、継手部材が数メートルもあるような大型構造物であれば、表裏両側に等間隔に離れた位置に２組づつ配置することも可能である。
このように、表側専用の溶接トーチ６及び溶接機Ｙ１と裏側専用の他の溶接トーチ６６及び溶接機Ｙ２とを予め配置することによって、１台のみの溶接トーチ６及び溶接機を両面Ｕ開先近傍の表側と裏側とに交互に取付けたり取外したりする段取り作業に比べ、段取り作業が簡素化できると共に、溶接待ち時間も短縮でき、さらに、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。
表側Ｕ開先３のアーク溶接は、図１３(ａ)に示すように、溶接トーチ６（ＴＩＧトーチ）に装着した開先３内の非消耗性の電極棒５先端と継手部材１、２との間にＴＩＧ溶接電源８から給電して開先３内でアーク１２を発生させ、そのアーク１２溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤ７を送給し溶着させ溶接している。
【０１０４】
両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するまで表側積層溶接して第１の表側積層溶接金属部１６を形成する。
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−ク溶接の切り換えが可能な溶接電源であり、既に公知の市販品を使用すればよい。
また、制御装置９ａは、溶接トーチ６や溶接ワイヤ７及びそのワイヤ送給装置１０を搭載した図示しない溶接台車の走行を制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を制御する。また、溶接トーチ６の上下左右位置制御、アーク１２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７の送り速度や上下左右位置制御も行う。
【０１０５】
操作ペンダント９ｂは、制御装置９ａに接続されており、溶接条件の調整手段、トーチ位置及びワイヤ位置の調整手段を内蔵している。この操作ペンダント９ｂを介して、制御装置９ａは、各溶接条件（溶接電流、アーク電圧、溶接速度、ワイヤ送り速度など）を設定したり、溶接中に個別の条件値を割り込んで適正な値に調整したり、トーチ位置及びワイヤ位置も調整したりすることができるようになっている。
一方、図１３(ｂ)に示すように、第１の表側積層溶接金属部１６と反対側の裏側Ｕ開先４のアーク溶接は、他の溶接トーチ６６を使用して行い、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するまで後記の裏側積層溶接工程Ｓ３３を行い第１の裏側積層溶接金属部１７を形成するところを示している。この裏側溶接で使用する他のＴＩＧ溶接電源８８や周辺機器は、図１３(ａ)に示す表側溶接で使用する溶接電源８や周辺機器と同じ機能及び構成であり、上述した通りである。
【０１０６】
Ｕ開先３、４内に挿入する電極５、５５は、図１２に示す開先底幅Ｂｏより細い太さの円形断面形状を有する非消耗性の丸棒タングステン電極であり、高融点材のＬａ２Ｏ３(酸化ランタン)入りＷ、Ｙ２Ｏ３（酸化セリウム）入りＷ、ＴｈＯ２（酸化イットリウム）入りＷなどの電極棒を使用するとよい。
例えば、外径φ３．２の電極棒５、５５は、円形断面形状の電極先端のみを円錐形状に研磨加工した電極であり、開先底幅Ｂｏ(図１２参照)が６≦Ｂｏ≦９ｍｍの特定範囲のＵ開先３、４内に挿入可能であると共に、積層溶接による開先幅の収縮があっても、開先壁面に電極棒５面が接触することなく、溶接を安定に継続することができる。
【０１０７】
また、３００Ａ前後の高い溶接電流の出力、溶接速度及びワイヤ溶着速度の増加によるアーク溶接を長時間実行することができ、また、電極先端の消耗も極めて少ない。
さらに、電極棒５、５５は、特殊加工が必要な偏平断面形状の電極と比べて、安価で使い勝手も良く、電極交換の時でも消耗部の電極先端を簡単に再研磨加工するのみで再使用することができる。なお、電極棒５、５５は、公知の市販品を購入して溶接トーチ６、６６に装着使用すればよい。
開先３、４内のアーク１２、１２２溶接部分及びその近傍に流出するシールドガス１１、１１１については、電位頻度の高いＨ２ガスとＡｒガスとの混合ガス又は数十パーセントのＨｅガスとＡｒガスとの混合ガスを使用すればよい。
【０１０８】
例えば、Ｈ２ガス３〜５％入りの混合ガスを使用すると、不活性ガスの純Ａｒガス使用と比べてエネルギ密度及びアーク集中性の増加によって溶融性が高まり、溶接速度やワイヤ溶融速度を増加することができる。また、アーク１２、１２２溶接部分に送給する溶接ワイヤ７、７７は、溶接対象の継手部材１、２の材質に適した同類の材質のワイヤを使用すればよく、例えば、継手部材１、２がＳＵＳ３０４系やＳＵＳ３１６系のオーステナイト系ステンレス鋼であれば、同等材質のオーステナイト系ステンレスワイヤ（ＳＵＳ３０８系ワイヤ、ＳＵＳ３１６系ワイヤ）を選択すればよい。
【０１０９】
このように構成した２組の溶接トーチ６、６６及び溶接機Ｙ１、Ｙ２を使用して表側溶接と裏側溶接とを実行することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、溶接待ち時間が短縮でき、溶接能力が２倍以上に高まり、生産性向上及びコスト低減が可能となる。また、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
また、表裏両側の残り開先３、４部から開先３、４上部の最終層まで各々積層溶接する時には、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行、又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ、繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、さらに、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
【０１１０】
上記構成の溶接機Ｙ１、Ｙ２を用いて溶接される図１２に示す両面Ｕ開先継手１、２は、例えば、開先３、４の開先底幅Ｂｏが６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲、好ましくは７ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成され、また、開先３、４両壁面の開先角度２θは５度以上８度以下に形成されている。そのため、溶接すべき開先３、４断面積が減少され、また溶接ワイヤ７、７７の使用量を削減できると共に、太い電極棒５、５５（例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になっている。
【０１１１】
＜第２実施形態の溶接手順＞
次に、溶接機Ｙ１、Ｙ２を用いた両側溶接構造物の溶接手順について、両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図１４および図１５、図１６を用いて説明する。なお、図１５、図１６は、図１のＢ−Ｂ線断面を示しており、溶接手順の過程を示す断面図である。
図１４に示す最初の開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ３１は、溶接対象の継手部材１、２を所定寸法に機械加工したり、加工後の部材や部品を溶接現場で組立したり、また、溶接台車や溶接トーチ６、６６や溶接ワイヤ７、７７等を取り付けたり、溶接電源８、８８や制御装置９ａの立上げ及び溶接動作の準備を行う工程である。
【０１１２】
図１５(ａ)は、溶接前の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、両側溶接が必要な継手部材の溶接前の下向開先断面図である。
図１５(ａ)に示す溶接対象の継手部材１、２は、主に原子力機器や火力機器や他の機器に使用される厚板の大型容器(図１(ａ)参照)や大口配管や大型構造物等の管部材又は板部材であり、突き合せて形成した狭い両面Ｕ開先３、４を両側溶接する必要がある。
継手部材１、２の材質は、主に耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３０９系、ＳＵＳ３１６系、ＳＵＳ３２１系、ＳＵＳ３４７系）であり、他のステンレス鋼であってもよい。また、ステンレス鋼と異なるニッケル合金や低炭素鋼や低合金鋼であってもよい。
【０１１３】
この継手部材１、２の表裏両側に形成する狭い両面Ｕ開先３、４は、その開先底幅Ｂｏが６ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成、好ましくは開先底幅Ｂｏを７ｍｍ以上９ｍｍ以下の寸法範囲に形成する。
また、開先３、４両壁面の開先角度２θは、４度以上１０度以下の寸法範囲に形成、好ましくは開先角度２θを５度以上８度以下に形成することにより、溶接すべき開先断面積を減少させ、また、溶接ワイヤ７、７７の使用量を削減できると共に、太い電極棒５、５５（例えばφ３．２ｍｍのタングステン電極）の使用による溶接電流の高出力化と溶接速度の増加、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の短縮が可能になる。
【０１１４】
また、板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている開先３、４の底部のルートフェイスｆは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下に形成、好ましくはルートフェイスｆを１ｍｍ以上２ｍｍ以下に形成することにより、開先３、４の開先底部Ｂ3、Ｂ4を容易に溶融でき、良好な裏ビード１５ｂ(図１５(ｂ)参照)を有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
なお、図１５(ｂ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、両面Ｕ開先の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
次の図１４に示す初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２は、図１５(ｂ)に示すように、両面Ｕ開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先３の底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅ｗ１の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接する工程である。
【０１１５】
溶接工程Ｓ３２の最初の初層溶接では、開先３の底部Ｂ3の裏側に裏ビード１５ｂを形成する必要があるため、表側の開先３の底部Ｂ3の裏側まで溶融可能な溶接電流、アーク電圧及び溶接速度などの適正な溶接条件で出力させ初層溶接することにより、溶け不足のない良好な裏ビード１５ｂを有する初層溶接ビード１５を形成することができる。
特に、両面Ｕ開先継手の場合には、板厚Ｔ中央又はその近傍に形成されている突き合せ部を初層溶接するため、一方面側はＵ開先が形成され他方面側は平面状である片面Ｕ開先継手をその板厚底部の突き合せ部を初層溶接する場合と比較して、開先３の両壁面からの熱引きが大きくなり、この熱引き増加を考慮した溶接電流の増加によるアーク溶接を実行することが望ましい。
【０１１６】
両面Ｕ開先継手の裏ビード１５ｂ形成に必要な初層溶接時の入熱量については、開先３、４の底部Ｂ3の底幅Ｂｏやルートフェイスｆ(図１５(ａ)参照)の大きさ、材質の違いによって異なるが、概ね１４〜２０ｋＪ／ｃｍの範囲で形成可能である。なお、単位長さ当りの入熱量Ｑ（ｋ Ｊ／ｃｍ）は平均溶接電流ｌａ（Ａ）、アーク電圧Ｅａ（Ｖ）、溶接速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）との関係より下式によって算出することができる。
Ｑ＝ｌａ×Ｅａ／（１００×Ｖ）
図１７は、表側の溶接前開先深さＨo1と溶接すべき積層ビード高さＨｂの下限値及び上限値の関係の一例を示す図である。
また、初層溶接後の溶接の溶接工程Ｓ３２では、図１５(ｂ)に示すように、初層溶接ビード１５部分を含む開先３の底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂ（図１７に示す第１の表側溶接の適正積層高さ領域Ｄ）に到達するまで積層溶接する。
【０１１７】
図１７によれば、表側のＵ開先部を溶接すべき積層ビード高さＨｂの範囲は、溶接前開先深さＨo1の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｈｏ１≦Ｈｂ≦０．４×Ｈｏ１の範囲）であり、また、二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲（０．２×Ｔ／２≦Ｈｂ≦０．４×Ｔ／２の範囲）であってもよい。
また、残存開先深さＨk(図１５(ｂ)参照)の範囲は、溶接前開先深さＨo1の４／５以下３／５以上の範囲（０．８×Ｈｏ１≧Ｈｋ≧０．６×Ｈｏ１の範囲）であり、溶接前開先深さＨo1から積層ビード高さＨｂを差引いた値（Ｈｋ＝Ｈｏ１−Ｈｂ）で示すこともできる。また、開先肩幅収縮量の特定上限値は、２ｍｍ以下であるとよい。なお、積層溶接による肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2及び積層ビード高さＨｂについては図１８を用いて詳細に後述する。
【０１１８】
このように範囲設定又は上限値設定して、初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を実行することにより、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成できると同時に、まだ溶接していない裏面１ｂ、２ｂ側のＵ開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
なお、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５より小さいか又は特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の４／５より大きいと、図１７に示した積層高さ下限値(図１７中の黒三角印を結んだ線)を下回り、表側と反対側の裏側Ｕ開先４の継手部の次の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３(図１４参照)によって、表側残り開先部の幅収縮量を抑制できなくなり易い。
【０１１９】
反対に、積層ビード高さＨｂが溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の２／５より大きいか又は特定範囲の残存開先深さＨkが溶接前開先深さＨo1の３／５より小さいと、図１７に示した積層高さ上限値(図１７中の黒丸印を結んだ線)を上回り、前半の表側積層溶接工程Ｓ３２が過剰な実行となり、まだ溶接されていない裏側Ｕ開先４の継手部の開先幅収縮量が増加し、裏側積層溶接工程Ｓ３３、Ｓ３５(図１４参照)の実行時に開先幅が狭過ぎる等の支障が生じたり、表裏両側溶接の終了後に、表側と裏側の溶接断面形状が対称形状にならずに大小異なる形状になったりし易いので好ましくない。
また、肩幅収縮量△w1、△w2の特定上限値が２ｍｍより大きくなり過ぎる場合も、裏側開先幅が狭くなるため、次の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３が実行できなくなるような悪影響（例えば、図１３(ｂ)に示す溶接トーチ６６の電極棒５５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【０１２０】
次の図１４に示す第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３は、図１５(ｃ)に示すように、裏面１ｂ、２ｂ側のＵ開先４の継手の開先底部Ｂ4(図１５(ａ)参照)から前記特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量の特定上限値に接近するまで裏側積層溶接する工程である。
なお、図１５(ｃ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の裏側積層溶接した時(第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３)の溶接断面図である。
この第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３の実行により、開先幅収縮量が少ないＵ開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先底部Ｂ4に溶け不足がなく、裏ビード１５部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部１７を特定高さまで確実に形成することができる。
【０１２１】
上述したように、図１７等より、最適な特定範囲の積層ビード高さＨｂは、溶接前開先深さＨo1、Ｈo2又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲であり、最適な特定範囲の残存開先深さＨｋは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2の４／５以下３／５以上の範囲であり、また、開先肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2の特定上限値は２ｍｍ以下であればよい。
次の図１４に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ３４は、図１６(ａ)に示すように、表面１ａ、２ａ側の残り開先３部分から開先上部の最終層１８ｂまで表側積層溶接する工程である。
なお、図１６(ａ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、表側の残り開先３部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時(第２の表側積層溶接工程Ｓ３４)の溶接断面図である。
【０１２２】
この第２の表側積層溶接工程Ｓ３４の実行により、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先上部（表側累計積層ビード高さΣh1(図１６(ｂ)参照)）まで確実に形成することができる。同時に、この第２の表側積層溶接工程Ｓ３４による収縮変形を低減することができる。
次の図１４に示す第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５は、図１６(ｂ)に示すように、表側と反対側の裏面１ｂ、２ｂ側の残り開先４部分から開先上部の最終層１９ａまで裏側積層溶接する工程である。
【０１２３】
なお、図１６(ｂ)は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であり、裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時(第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５)の溶接断面図である。
この第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５の実行により、第１の裏側積層溶接金属部１７の上位部分と融合した第２の裏側積層溶接金属部１９を開先上部（表側累計積層ビード高さΣh2）まで確実に形成することができる。同時に、この第２の裏側積層溶接工程Ｓ３５による収縮変形を低減することができる。また、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の裏側積層溶接金属部１７、１９との断面形状をほぼ対称形状に形成することもできる。
【０１２４】
上述した如く、図１５、図１６に示すように、両面Ｕ開先３、４の継手の板厚Ｔの中央部又はその近傍にある表側の開先３の底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量△w1の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部１６と、その後に裏側のＵ開先継手の開先４の底部Ｂ4から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか、又は特定範囲の残存開先深さＨｋに到達するか、又は開先肩幅収縮量△w2の特定上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部１７と、第１の表側積層溶接金属部１６と接する表面部分から開先３上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部１８と、第１の裏側積層溶接金属部１７と接する表面部分から開先４上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部１９とを備えることもできる。
このように構成しかつ実施することにより、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができ、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【０１２５】
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。また、継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を備えた両側溶接構造物を製造することができる。
また、図１６(ｂ)に示すように、表裏両側の最終層溶接部１８ｂ、１９ａを除いた表裏両側の積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部１５と前記最終層溶接部１８ｂ、１９ａとを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さｈ１、ｈ２が２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されていると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅ｂ(図１５(b)、図１５(ｃ)参照)が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、溶接パス数を削減し、また、両側積層溶接による収縮変形を低減し、さらに溶接時間を短縮できると同時に、溶け不足がない品質良好な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部１６、１７、１８、１９を得ることができる。
【０１２６】
なお、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が２ｍｍより小さい場合には、積層する溶接パス数が増加し、反対に、各溶接ビード高さｈ１、ｈ２が５ｍｍより大きい場合には、例えば、３５０Ａを超える高電流出力、４０ｇ／分を超えるワイヤ溶融速度が必要になり、また、開先３、４の壁面の溶け状態が悪くなったり、ガスシールド性が悪くなったりして、溶け不足等の溶接欠陥が発生し易くなるので好ましくない。
図１８は、板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量△w1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。
図１８中には横向姿勢での溶接良好断面状態と溶接不良断面状態の比較例を示している。
【０１２７】
図１８に示すように、表側積層溶接工程Ｓ３２、Ｓ３４(図１５(ｂ)、図１６(ａ)参照)による積層高さ比Ｈb/Ｈo1の増加（溶接パス番号Ｐの進行）に伴って、肩幅収縮量△ｗ1（黒四角印の線）は増加し、反対に、開先肩幅w1（四角印の線）は減少し、最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、ビード幅ｂの大きさに変化しており、同時に、残存開先深さＨｋ（三角印の線）も減少する結果になっている。
特に、表側Ｕ開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1 が０．４以下の時に初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を終了した場合には、肩幅収縮量△w1が２ｍｍ以下の１．７ｍｍであり、溶け込み良好な溶接断面（左側の断面写真）を得ることができた。また、第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３後に表側残り開先３部を溶接する前の時点でも、肩幅収縮量△w1が０．２ｍｍ増加の１．９ｍｍ（２ｍｍ以下の範囲）であった。
これに対して、積層高さ比Ｈb/Ｈo1 が０．４８の時で、しかも肩幅収縮量△w1（黒四角印の線）が２．４ｍｍになっていた時に初層を含む第１の表側積層溶接工程Ｓ３２を終了し、その後に第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３を実行した場合には、表側溶接の積層過剰及び収縮過剰によって裏側の開先４幅が狭くなり過ぎて、開先４の壁面への飛びアーク（片寄りアーク）が発生すると共に、右側の断面写真のような溶接不良が発生して溶接中止に至った。
【０１２８】
このように、表側開先３の積層高さ比Ｈb/Ｈo1が０．４を超える領域又は肩幅収縮量△w1（黒四角印の線）が２ｍｍ(図１８中の破線)を超える領域では、表側溶接と反対側の裏側溶接に悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表側Ｕ開先３の積層高さＨｂの上限値を溶接前開先深さＨo1の０．４以下にすることに決定した。溶接パスＰ毎のビード高さｈや肩幅収縮量△w1は、溶接前開先３幅や入熱量やワイヤ溶着速度などの相違によっても多少変化するが、図１８に示した特性と類似乃至相関するような特性になるものと考えられる。
一方、図１８に示したように、表側開先３の積層高さ比H b／Ho1 が０．２未満の領域は、初層溶接（１パス目）のみ又は２パス目溶接の部分であり、肩幅収縮量△w1が１ｍｍ未満で小さいが、積層不足の状態にあるため、その後に第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３(図１５(ｃ)参照)を実行すると、裏側開先４幅の収縮変形増加と同時に、反対側の表側残り開先３部の幅収縮が増加し易い。
【０１２９】
さらに、裏側開先底部Ｂ4の溶接時に表側溶接部分が赤熱酸化する可能性があるため、バックガスシールドをする必要があり、余計な工数増加になるので好ましくない。また、第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３の終了後に表側残り開先３部を第２の積層溶接工程Ｓ３４を行う時に、前工程の第１の裏側積層溶接工程Ｓ３３によって表側残り開先３部が収縮変形しているため、溶接困難となるような悪影響が生じ易くなるため、適用不可と判断した。
従って、両側溶接が可能な表裏両側開先３、４の積層高さＨｂの下限値を溶接前開先深さHo1の０．２以上にすることに決め、その結果、積層高さＨｂの適正範囲は、溶接前開先深さＨo1又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、すなわち、
０．２×Ｈｏ１≦Ｈｂ≦０．４×Ｈｏ１又は０．２×Ｔ／２≦Ｈｂ≦０．４×Ｔ／２
の範囲にした。
【０１３０】
＜＜第２実施形態の変形形態の溶接手順＞＞
次に、第２実施形態の変形形態の溶接手順について、その変形形態の溶接手順を図示した図１９、および図２０を用いて説明する。
変形形態の図１４から図１６に示す第２実施形態との主な相違点は、溶接姿勢が横向姿勢であること又は立向姿勢であってもよいこと、もう一つは継手部材１、２の表裏両側の最終層部分を上下振分け２パス溶接していることである。
図２０は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、第２実施形態の変形形態の溶接手順の過程を示した図である。
図２０(ａ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、表側の開先底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時(後記の第１の表側積層溶接工程Ｓ４２)の横向溶接断面図である。
図１９に示す第１の表側積層溶接工程Ｓ４２は、前記図１４に示した開先継手の製作工程及び溶接準備工程Ｓ３１の後に行われる工程である。
【０１３１】
第１の表側積層溶接工程Ｓ４２は、図２０(ａ)に示すように、両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部Ｂ3を初層溶接して初層溶接ビード１５および裏ビード１５ｂを形成した後に、初層溶接ビード１５部分を含む開先底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか又は開先肩幅w1、w2の収縮量が特定上限値に接近するまで表側積層溶接、例えば３パス溶接して第１の表側積層溶接金属部１６を形成している。
この第１の表側積層溶接工程Ｓ４３の実行により、横向姿勢の場合でも下向姿勢の場合と同じように、第１の表側積層溶接金属部１６を特定高さまで確実に形成することができると共に、まだ溶接していない裏側のＵ開先４の継手の開先幅収縮量を抑制することができる。
次の図１９に示す第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３では、図２０(ｂ)に示すように、前記第１の表側積層溶接工程Ｓ４２の終了後に、裏側のＵ開先継手の開先底部Ｂ4から特定範囲の積層ビード高さＨｂに到達するか又は開先表面１ａ、２ａから特定範囲の残存開先深さＨkに到達するか又は開先肩幅ｗ1、ｗ2の収縮量が特定上限値に接近するまで裏側積層溶接して第１の裏側積層溶接金属部１７を形成している。
【０１３２】
なお、図２０(ｂ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、裏側の開先底部Ｂ4(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時(第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３)の横向溶接断面図である。
この第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の実行により、横向姿勢の場合でも下向姿勢の場合と同じように、幅収縮量が少ないＵ開先４の継手のままの状態で正常に溶接でき、同時に開先４の底部Ｂ4に溶け不足がなく、裏ビード１５ｂ部分と良好に融合した溶け込み部を含む第１の裏側積層溶接金属部１７を特定高さまで確実に形成することができる。
上述したように、前記特定範囲の積層ビード高さＨｂは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2又は二等分板厚Ｔ(Ｔ／２)の１／５以上２／５以下の範囲、前記特定範囲の残存開先深さＨｋは溶接前開先深さＨo1、Ｈo2の４／５以下３／５以上の範囲であり、また、前記開先肩幅収縮量の特定上限値は２ｍｍ以下であればよい。
【０１３３】
次の図１９に示す第２の表側積層溶接工程Ｓ４４では、図２０(c)に示すように、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の終了後に、表側の残り開先３部分、すなわち第１の表側積層溶接金属部１６と接触する表面部分から開先３上部の最終層まで表側積層溶接して第２の表側積層溶接金属部１８を形成している。
なお、図２０(c)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、表側の残り開先３部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時(第２の表側積層溶接工程Ｓ４４)の横向溶接断面図である。
この第２の表側積層溶接工程Ｓ４４の実行により、上述したように、第１の表側積層溶接金属部１６の上位部分と融合した第２の表側積層溶接金属部１８を開先３上部（表側累計積層ビード高さΣh1）まで確実に形成することができる。同時に、前記第２の表側積層溶接工程Ｓ４４による収縮変形を低減することができる。
【０１３４】
表側の最終層溶接部分１８ｃは、上下に振分ける２パス溶接１８ｃ1、１８ｃ2を実行しており、開先３上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。
次の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５では、図２０(ｄ)に示すように、裏側の残り開先４部分（第１の裏側積層溶接金属部１７と接触する表面部分）から開先４上部の最終層まで裏側積層溶接して第２の裏側積層溶接金属部１９を形成している。
なお、図２０(ｄ)は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であり、裏側の残り開先４部分(図２０(ｃ)参照)から最終層まで第２の裏側積層溶接した時(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)の横向溶接断面である。
【０１３５】
この第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５の実行により、上述したように、第１の裏側積層溶接金属部１７の上位部分と融合した第２の裏側積層溶接金属部１９を開先４上部（表側累計積層ビード高さΣh2）まで確実に形成することができる。
同時に、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５による収縮変形を低減することができる。また、裏側の最終層溶接部分１９ｂは、表側の最終層溶接部分１８ｃと同じように、上下に振分ける２パス溶接１９ｂ1、１９ｂ2を実行しており、開先４上部にアンダーカットや凹みがなく、溶接幅が少し広い良好な余盛りビードを形成することができる。さらに、表側積層溶接金属部１６、１８と反対側の前記裏側積層溶接金属部１ ７、１９との断面形状をほぼ対称形状に形成することもできる。
【０１３６】
また、図２０に示したように、表裏両側の最終層溶接部１８ｃ、１９ｂを除いた表裏両側の積層溶接金属部１６、１７、１８、１９は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部１５と最終層溶接部１８ｃ、１９ｂとを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲、好ましくは２ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されていると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されていることにより、上述したように、高価なホットワイヤＴＩＧ溶接装置でなくても、普通のＴＩＧ溶接装置によって溶接でき、溶接スパッタ（溶融金属の飛散）の発生や溶け不足の発生がなく、ワイヤ溶着で充填された高能率で高品質な両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を確実に得られる。
同時に、ワイヤ送給速度の増加による溶接パス数の削減及び溶接時間の大幅短縮が可能になる。
【０１３７】
また、表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する時には、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行することにより、溶接待ち時間が短縮でき、溶接作業能率を大幅に高めることができる。
また、図１５、図１６、図２０に示したように、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、前記表裏両側の積層溶接の実行により、低変形で高品質な両側積層溶接部を有する溶接構造物を高能率で短工期に製作することができる。
特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、上述したように、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。また、継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されていることにより、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレスワイヤで充填された両側Ｕ断面形状の積層溶接金属部を有する両側溶接構造物を製造することができる。
【０１３８】
表２は、両面Ｕ開先継手の両側溶接条件の一実施例であり、図２０に示した初層溶接を含む第１及び第２の表側積層溶接工程Ｓ４２、Ｓ４４、第１及び第２の裏側積層溶接工程Ｓ４３、Ｓ４５で使用可能な溶接条件である。板厚５０ｍｍの開先底幅Ｂｏ（７、８ｍｍの２種類）を変化させた両面Ｕ開先継手（材質ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて横向き姿勢で両側溶接試験した。その結果、表２中に示すように、開先底幅Ｂｏが７ｍｍの場合（本発明ニ）は１７層１９パス溶接、また、Ｂｏが８ｍｍの場合（本発明ホ）には、ワイヤ溶着速度の増加によってパス数が同一の１７層１９パス溶接となった。
【表２】
【０１３９】
最初の初層溶接では、両面Ｕ開先継手１、２の板厚Ｔの中央部にある表側の開先底部Ｂ3に裏ビード１５ｂ(図１５(ａ)、図２０(ａ)参照)を形成する必要があるため、例えば、溶接速度を６０ｍｍ／ｍｉｎに下げ、溶接ワイヤ７を少量送って溶接した。初層溶接後の２パス目溶接と表裏両側の最終層溶接では、溶け過ぎないようにするため、例えば、溶接速度を約１２０〜１ ３ ０ｍｍ／ｍｉｎ、 ワイヤ溶着速度を１０〜２０ｇ／分まで上げると共に、これに適した溶接電流を出力させて溶接した。
他の中間層に該当する第1／第２の表側溶接部分及び第1／第２の裏側溶接部分では、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎに上げて一定とし、また、溶接電流の上限値を３００Ａまでとし、主にワイヤ溶着速度を１５〜３０ｇ／分まで増減させて溶接した。
Ｂｏが８ｍｍの場合(本発明ニ）には、Ｂｏが７ｍｍの場合（本発明ホ）よりも中間層のワイヤ溶着速度（又はワイヤ送り速度）を増加して、溶接パス数が同一になるように積層溶接した。初層溶接部１５を除いた表裏両側積層溶接部の入熱量は約９〜１０ｋＪ／ｃｍである。
【０１４０】
溶接パス毎の入熱量は高くても１５ｋＪ／ｃｍ以下に抑制すると共に、ワイヤ溶着速度を高めて両側溶接することにより、収縮変形を低減及び溶接パス数を削減することができた。
図２１は、板厚５０ｍｍ及び開先底幅７ｍｍの両面Ｕ開先継手を両側溶接した時の溶接パス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度Ｖｍの関係を示す一例の図である。
図２１に示すように、溶接パスの進行に伴って、表裏両側の残存開先深さＨ（三角印の線）は減少し、反対に、表裏両側の積層高さΣｈ（丸印の線）は増加した。また、溶接パス毎のビード高さｈ（四角印の線）は、開先幅やワイヤ溶着速度Ｖｍ及び溶接速度Ｖによって変化するが、初層及び最終層の溶接部を除けば、約２．９〜３．８ｍｍであり、溶接パス数の削減に寄与することができた。ワイヤ溶着速度Ｖｍをさらに増加すれば、ビード高さｈを５ｍｍ近くまで大きくすることが可能である。
【０１４１】
また、図２２は、図２１に示した両側溶接時の溶接パス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ及び肩幅収縮量△ｗの関係を示す一例の図である。なお、図２１及び図２２中には第１の表側溶接工程、第１の裏側溶接工程、第２の表側溶接工程及び第２の裏側溶接工程の順序及びパス領域を示している。
図２２に示すように、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2（黒三角印の線）は、溶接パス番号Ｐの進行及び収縮変形の増加に伴って減少し、表裏両側の最終層の手前で開先両肩が溶融（肩溶け）するため、代わりに測定可能なビード幅ｂ１、ｂ２とした。例えば、表裏両側の開先肩幅ｗ1、ｗ2は、表側溶接前の初期値（ｗｏ＝９．９ｍｍ）から第１の表側積層溶接工程Ｓ４２（３パス溶接）が終了した時点で、表裏両側共に８．２ｍｍまで減少し、その後に実行した第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３（３パス溶接）によって、裏側の開先肩幅ｗ2が７．５ｍｍまで減少し、同時に表側の開先肩幅ｗ1も０．２ｍｍ少ない８ｍｍまで減少していた。さらに、表側残り開先部の第２表側積層溶接工程Ｓ４４（７パス溶接）によって、表側の開先肩幅ｗ1が最小で７．５ｍｍまで減少していた。また、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５（６パス溶接）によって、裏側の開先肩幅w2が最小７ｍｍまで減少していた。
【０１４２】
表裏両側の肩幅収縮量△ｗ1、ｗ2（黒四角印の線）は、溶接前の開先肩幅ｗ1、ｗ2が積層溶接によって収縮変形した初期値との偏差（ｗo−ｗ1、ｗo− ｗ2）であり、図２２に示すように、溶接パス(番号)Ｐの進行及び溶接ビードの積み重ねに伴って増加していた。
例えば、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２が終了した時点で、表裏両側の肩幅収縮量△ｗ1、△ｗ2は両方共に１．７ｍｍであり、まだ溶接していない裏側も同時に収縮していた。
例えば、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２によって生じる裏側開先の肩幅収縮量△ｗ2が２ｍｍより大きくなり過ぎると、裏側の開先幅が狭くなるため、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３が正常に実行できなくなるような悪影響（例えば、図１３(ｂ)に示す溶接トーチ６６の電極５５と開先４の壁面との接触による溶接中断や開先４の壁面へのアーク飛び）が生じ易くなるので好ましくない。
【０１４３】
従って、表側の肩幅収縮量△ｗ1、裏側の肩幅収縮量△w2の何れかが約２ｍｍに接近する状態又は２ｍｍより少し小さい状態にある時に、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２を終了し、表側開先３と反対側の裏側開先４を積層溶接するようにするとよい。
また、別な方法として、例えば、表側の開先底部Ｂ3から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接工程Ｓ４２を行う過程で収縮する開先肩幅ｗ2収縮量又は開先底部Ｂ4収縮量を考慮し、裏側のＵ開先４幅を表側のＵ開先３幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成することもできる。
裏側のＵ開先４幅を予め大きく形成しておくことにより、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２による裏側の開先４幅収縮が予想以上に生じた場合でも、溶接可能な開先幅がより確実に確保でき、第１及び第２の裏側積層溶接工程Ｓ４３、Ｓ４５の実行が容易となり、品質良好な溶接部を得ることが可能となる。
【０１４４】
図２２に示したように、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３による裏側の肩幅収縮量△ｗ2が２．４ｍｍであった。また、表側残り開先３部の第２表側積層溶接工程Ｓ４４による表側の肩幅収縮量△w1が最大２．４ｍｍであり、また、裏側残り開先４部の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５による裏側の肩幅収縮量△ｗ2が最大２．９ｍｍであった。
一方、ビード幅ｂ１、ｂ２（黒丸印の線）は、開先壁面の溶け込みを含まない溶接部開先幅に該当する値であり、第１の表側積層溶接工程Ｓ４２によって、表側のビード幅ｂ１が溶接前の初期値（Ｂｏ＝７．３ｍｍ）から６．６ｍｍまで減少していた。
【０１４５】
なお、真の溶接ビード幅は、図２２中に示したビード幅ｂと開先壁面側の溶け込みとを加算（図２０参照）した値であり、溶接断面の観察によって測定可能となるが、溶接途中で測定することは不可能である。従って、図２２中のビード幅ｂは溶接部分の開先幅に該当する。
次に、第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３の部分では、先行の表側３パス溶接（第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）によって開先幅が収縮しているため、裏側のビード幅ｂ２は最小６．２ｍｍから６．４ｍｍに変化していた。また、第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５の部分では、裏側のビード幅ｂ２が６．７ｍｍまで増加していた。
同様に、第２表側積層溶接工程Ｓ４４の部分では、６．８ｍｍまで増加していた。このように、開先底幅が７ｍｍの場合も、上述したビード幅ｂ１、ｂ２より狭いφ３．２ｍｍ電極棒５が開先３内に挿入可能であり、低変形で高能率な両側溶接が容易に実行でき、溶け込み良好な両側積層溶接断面を得ることができた。なお、開先底幅Ｂｏの初期値を上記７ｍｍから８ｍｍに広くした両面Ｕ開先継手の両側溶接試験では、ビード幅ｂ１、ｂ２及び開先肩幅ｗ1、ｗ2の値より約１ｍｍ大きくなり、溶接パス毎のアーク溶接も安定に実行することができ、溶け込み良好な両側積層溶接断面が得られることを確認した。
【０１４６】
図２３は、表１に示した溶接施工条件（本発明ニ）で両側溶接方法を実行した時の両面Ｕ開先継手（板厚Ｔ５０ｍｍ、 開先底幅Ｂｏ７ｍｍ）の溶接断面写真を示す一例の図であり、図２３(ａ)は表側前半溶接（特定積層高さＨｂを形成する第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）終了後の横向溶接断面、図２３(ｂ)は両側溶接終了(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)後の横向溶接断面である。なお、図２０に示した実施形態の断面では表側溶接部分が左側になっているが、図２３に示す横向溶接断面は表側溶接部分が正反対の右側になっている。
表側Ｕ開先の第１の表側積層溶接工程Ｓ４２では、図２３(ａ)に示す断面写真のように、板厚Ｔの中央部にある開先底部Ｂ3(図１５(ａ)参照)から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで積層溶接しており、裏ビード１５ｂ(図２０(ａ)参照)形成及び開先壁面と融合した良好な溶け込みを有する溶接断面が得られた。
【０１４７】
開先３の壁面側の溶け深さは上下共に約１ｍｍである。上記積層ビード高さＨｂは約９．３ｍｍであり、溶接前開先深さＨo1との積層高さ比Ｈｂ／Ｈｏ１が０．３８となり、上述した特定範囲の上限値０．４以下を満足しており、３パス溶接で到達した。その後に、裏側Ｕ開先の第１の裏側積層溶接工程Ｓ４３を特定範囲の積層ビード高さＨｂ(図２０(ｂ)参照)まで行い、表側残り開先３部の第２の表側積層溶接工程Ｓ４４と裏側残り開先４部の第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５とを行って合計１７層１９パスで終了した。
その結果、図２３(ｂ)に示す溶接断面写真のように、溶け込み良好であり、また、表側の積層溶接部と裏側の積層溶接部との断面形状がほぼ対称形状であると共に、表裏両側の最終層部分１８ｃ、１９ｂにアンダーカットのない平滑な余盛りビードを有する溶接断面が得られた。
【０１４８】
なお、本発明は、前記第２実施形態のみに限定されるものではなく、例えば、始めに初層溶接を行う開先側を表側とし、この表側と対向する反対側の開先側を裏側としたのであり、表側と裏側とが逆方向であってもよいし、また、表側と裏側の代わりに外側と内側又は左側と右側であってもよい。
また、両側溶接の対象が両面Ｕ開先継手と類似形状の両面Ｈ型開先継手であっても適用可能であり、発明の主旨を逸脱しないことは勿論である。
このように、本発明の両側溶接方法を実行すれば、両側溶接が必要な厚板の管部材や板部材の両面Ｕ開先継手であっても、低変形で高品質な両側積層溶接部を得ることができ、特に、原子力機器や火力機器の両側溶接構造物に適用されることにより、従来の溶接施工と比べて生産性向上、コスト低減、工数削減及び合理化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】(ａ)および(ｂ)は、本発明を適用した第１実施形態の原子力発電プラント等に用いられる大型容器を示す斜視図、および図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】第１実施形態の両側溶接構造物に係わる開先形状を溶接する溶接装置の構成概要及びアーク溶接中の継手部材の開先溶接断面を示した概念図である。
【図３】第１実施形態の両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図である。
【図４】(ａ)図は第１実施形態の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層溶接した時の溶接断面図であり、(ｂ)図は第１実施形態の初層溶接と同一方向から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｃ)図は第１実施形態の裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｄ)図は第１実施形態の表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図５】第１実施形態の両側溶接構造物に係わる溶接前開先深さと表側溶接すべき積層高さビードの下限値及び上限値の関係を示す図である。
【図６】第１実施形態の変形形態の溶接手順を示した図である。
【図７】図７(ａ)は第１実施形態の変形形態の表側の開先底部から特定の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、図７(ｂ)は第１実施形態の変形形態の裏側の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接した時の溶接断面図であり、図７(ｃ)は第１実施形態の変形形態の表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図８】(ａ)図は第１実施形態の変形形態の表側前半溶接工程で特定高さの積層ビード高さを形成終了後の断面図であり、(ｂ)図は第１実施形態の変形形態の裏側溶接工程終了後の断面図であり、(ｃ)図は第１実施形態の変形形態の両側溶接工程終了後の断面図である。
【図９】図８に示した両側溶接時のパス番号と積層高さ、残存開先深さ、ビード高さ及び溶接ワイヤ溶着速度の関係の一例を示す図である。
【図１０】図８及び図９に示した両側溶接時のパス番号とビード幅、開先肩幅及び肩幅収縮量の関係を示す一例の図である。
【図１１】板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先の積層高さ比と開先肩幅、肩幅収縮量、溶接パス番号及び残存開先深さの関係の一例を示す図である。
【図１２】第２実施形態の両側溶接が必要な継手部材の溶接前の横向開先断面を示しており、溶接前の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１３】第２実施形態の両側溶接構造物の溶接装置の概略構成を示す説明図であり、(ａ)図は、溶接装置の構成概要及び横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面図であり、(ｂ)図は、表側開先と反対側の裏側開先を横向姿勢でアーク溶接中の溶接断面である。
【図１４】第２実施形態の両側溶接構造物の溶接手順概要を示した図である。
【図１５】第２実施形態の溶接手順の過程を示す断面図であり、 (ａ)図は、溶接前の図１のＢ−Ｂ線断面図であって両側溶接が必要な継手部材の溶接前の下向開先断面図であり、(ｂ)図 は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって両面Ｕ開先の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、 (ｃ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の裏側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図１６】第２実施形態の溶接手順の過程を示す断面図であり、 (ａ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって表側の残り開先部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時の溶接断面図であり、(ｂ)図は、溶接中の図１のＢ−Ｂ線断面図であって裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時の溶接断面図である。
【図１７】表側の溶接前開先深さＨo1と溶接すべき積層ビード高さＨｂの下限値及び上限値の関係の一例を示す図である。
【図１８】板厚５０ｍｍの両面Ｕ開先継手おける表側開先の積層高さ比Ｈb/Ｈo1と開先肩幅ｗ１、肩幅収縮量△w1、溶接パス番号Ｐ及び残存開先深さＨｋの関係の一例を示す図である。
【図１９】第２実施形態の変形形態の溶接手順を示した図である。
【図２０】第２実施形態の変形形態の溶接手順の過程を示した図であり、(ａ)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって表側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さＨｂまで第１の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、(ｂ)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって裏側の開先底部から特定範囲の積層ビード高さまで第１の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、(c)図 は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって表側の残り開先部分から最終層まで第２の表側積層溶接した時の横向溶接断面図であり、 (ｄ)図は、溶接中の図１(ａ)のＣ−Ｃ線断面図であって裏側の残り開先部分から最終層まで第２の裏側積層溶接した時の横向溶接断面である。
【図２１】板厚５０ｍｍ及び開先底幅７ｍｍの両面Ｕ開先継手を両側溶接した時の溶接パス番号Ｐと積層高さΣｈ、残存開先深さＨ、ビード高さｈ及びワイヤ溶着速度Ｖｍの関係を示す一例の図である。
【図２２】図２１に示した両側溶接時の溶接パス番号Ｐとビード幅ｂ、開先肩幅ｗ及び肩幅収縮量△ｗの関係を示す一例の図である。
【図２３】表１に示した溶接施工条件（本発明ニ）で両側溶接方法を実行した時の両面Ｕ開先継手（板厚Ｔ５０ｍｍ、開先底幅Ｂｏ７ｍｍ）の溶接断面写真を示す一例の図であり、(ａ)図は表側前半溶接（特定積層高さＨｂを形成する第１の表側積層溶接工程Ｓ４２）終了後の横向溶接断面であり、(ｂ)図は両側溶接終了(第２の裏側積層溶接工程Ｓ４５)後の横向溶接断面である。
【符号の説明】
【０１５０】
１、２…継手部材、
１ａ、２ａ…継手表面、
１ｂ、２ｂ…継手裏面、
３…表側のＵ型開先、
４…裏側のＵ型開先、
５、５ ５…電極棒、
６、６ ６…溶接トーチ、
７、７ ７…溶接ワイヤ、
８、８ ８…ＴＩＧ溶接電源、
９ａ…制御装置、
９ｂ…操作ペンダント、
１０…ワイヤ送給装置、
１１、１１１…シールドガス、
１２、１２２…アーク、
１５…初層溶接ビード(初層溶接部)、
１６…第１の表側積層溶接金属部、
１７…裏側積層溶接金属部、第１の裏側積層溶接金属部、
１８…第２の表側積層溶接金属部
Ｂ1…表側の開先底部(請求項１から請求項７)
Ｂ2…裏側の開先底部(請求項１から請求項７)
Ｂ3…表側の開先底部(請求項８から請求項１８)
Ｂ4…裏側の開先底部(請求項８から請求項１８)
Ｈｂ…積層ビード高さ
Ｈｋ…残存開先深さ
Ｈo1…溶接前開先深さ
Ｏ…大型容器
Ｔ…板厚
Ｙ、Ｙ１、Ｙ２…溶接装置(溶接機)
Δｗ1…表側の開先肩幅収縮量
Δｗ2…裏側の開先肩幅収縮量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接し、
初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、
その後に裏側の前記Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、
その後に前記表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項２】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部の裏側に裏ビードを形成する初層溶接工程と、
初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、
その後に裏側の前記Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで積層溶接する裏側積層溶接工程と、
その後に前記表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の表側積層溶接工程とを
備えることを特徴とする両側溶接方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の両側溶接方法において、
前記管部材や板部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は、６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、
開先両壁面の開先角度は、４度以上１０度以下の範囲であり、
かつ、前記両側溶接において、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と共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の両側溶接方法において、
前記表側の開先底部から前記溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さまで前記表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量に対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項５】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、
該第１の表側積層溶接金属部の形成後、裏側の前記両面Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、
前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備える
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項６】
請求項５に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部の断面形状は、前記両面Ｕ型開先継手の両側に各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、
かつ、溶接された前記開先側面の溶け部分を含む該開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、
前記初層溶接部より上位の前記表側積層溶接した部分と前記裏側積層溶接した部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される前記両面Ｕ型開先継手の表裏両側に形成される
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項８】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接し、
その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量が所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後に、
前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項９】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、
その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接する第１の裏側積層溶接工程と、
前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する第２の表側積層溶接工程と、
前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する第２の裏側積層溶接工程と
を備えることを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０のうちの何れか一項に記載の両側溶接方法において、
表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行するか又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１２】
請求項８または請求項９に記載の両側溶接方法において、
前記所定範囲の積層ビード高さは、溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、
前記所定範囲の残存開先深さは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、
前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は、２ｍｍ以下である
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のうちの何れか一項に記載の両側溶接方法において、
表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１４】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ開先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備える
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１５】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の前記積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されるとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１６】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
前記管部材や板部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲である
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１７】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
前記所定範囲の積層ビード高さは、溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、
前記所定範囲の残存開先深さは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、
前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は、２ｍｍ以下である
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１８】
請求項１４から請求項１７のうちの何れか一項に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部を初層裏波溶接し、
初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接し、
その後に裏側の前記Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接し、
その後に前記表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項２】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部の裏側に裏ビードを形成する初層溶接工程と、
初層溶接部分を含む開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、
その後に裏側の前記Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで積層溶接する裏側積層溶接工程と、
その後に前記表側の残り開先部分から開先上部の最終層まで積層溶接する第２の表側積層溶接工程とを
備えることを特徴とする両側溶接方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の両側溶接方法において、
前記管部材や板部材の表裏両側に形成するＵ型開先継手の開先底幅は、６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、
開先両壁面の開先角度は、４度以上１０度以下の範囲であり、
かつ、前記両側溶接において、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と共にアーク溶接部分に通電加熱なしの溶接ワイヤを溶着させて、初層溶接以降の溶接ビード高さを１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の両側溶接方法において、
前記表側の開先底部から前記溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さまで前記表側積層溶接する過程で収縮する開先肩幅収縮量又は開先底部収縮量に対応し、裏側のＵ型開先幅を表側のＵ型開先幅より０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で予め大きく形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項５】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ型開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、
前記両面Ｕ型開先継手の板厚中央部又はその近傍に形成されている表側の開先底部に形成された初層溶接部を含む表側の開先底部から溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲である積層ビード高さに到達するか或いは溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲である残存開先深さに到達するか或いは開先肩幅収縮量の上限値が２ｍｍに接近するまで表側積層溶接して形成された第１の表側積層溶接金属部と、
該第１の表側積層溶接金属部の形成後、裏側の前記両面Ｕ型開先継手の開先底部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接して形成された裏側積層溶接金属部と、
前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで表側積層溶接して形成された第２の表側積層溶接金属部とを備える
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項６】
請求項５に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部の断面形状は、前記両面Ｕ型開先継手の両側に各々１層１パスづつ積層溶接された溶け込み状態に形成され、表裏両側の最終層が１パス溶接又は３パス以下の複数パス溶接されており、
かつ、溶接された前記開先側面の溶け部分を含む該開先内の溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成され、
前記初層溶接部より上位の前記表側積層溶接した部分と前記裏側積層溶接した部分との各溶接ビード高さが１.５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲に形成されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される前記両面Ｕ型開先継手の表裏両側に形成される
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項８】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接し、
その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量が所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接した後に、
前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接すると共に、前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項９】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接する両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで表側積層溶接する第１の表側積層溶接工程と、
その後に表側と反対側の裏側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで裏側積層溶接する第１の裏側積層溶接工程と、
前記表側の残り開先部から開先上部の最終層まで表側積層溶接する第２の表側積層溶接工程と、
前記裏側の残り開先部から開先上部の最終層まで裏側積層溶接する第２の裏側積層溶接工程と
を備えることを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の両側溶接方法において、
前記両面Ｕ開先継手の両側を横向き姿勢又は立向き姿勢で溶接施工する場合、前記表側又はこれに該当する外側又は左側のＵ開先継手を溶接する１台以上の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記表側積層溶接を実行し、前記表側と反対側の裏側又はこれに該当する内側又は右側のＵ開先継手部を溶接する１台以上の他の溶接トーチ及び溶接機を配置して前記裏側積層溶接を実行する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０のうちの何れか一項に記載の両側溶接方法において、
表裏両側の残り開先部から開先上部の最終層まで各々積層溶接する場合、表側と裏側とを１パスづつ又は複数パスづつ交互に繰返し実行するか又は表側の溶接位置と裏側の溶接位置とが時間的及び空間的に大きく離れた別位置でそれぞれ繰返し実行する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１２】
請求項８または請求項９に記載の両側溶接方法において、
前記所定範囲の積層ビード高さは、溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、
前記所定範囲の残存開先深さは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、
前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は、２ｍｍ以下である
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のうちの何れか一項に記載の両側溶接方法において、
表側の初層溶接部と表裏両側の最終層溶接部とを除いた表裏両側の開先内を各々積層溶接する時には、パス毎の溶接ビード高さを２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成すると同時に、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅を６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成する
ことを特徴とする両側溶接方法。
【請求項１４】
大型容器、大口配管、大型構造物等に使用される厚板の管部材や板部材を突き合せて形成した両面Ｕ開先継手をＴＩＧ溶接された両側溶接構造物において、
前記両面Ｕ開先継手の板厚中央部又はその近傍にある表側の開先底部から所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の表側積層溶接金属部と、その後に裏側のＵ開先継手の開先底部から前記所定範囲の積層ビード高さに到達するか又は所定範囲の残存開先深さに到達するか又は開先肩幅収縮量の所定の上限値に接近するまで積層溶接された第１の裏側積層溶接金属部と、前記第１の表側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の表側積層溶接金属部と、前記第１の裏側積層溶接金属部と接する表面部分から開先上部の最終層まで積層溶接された第２の裏側積層溶接金属部とを備える
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１５】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
表裏両側の最終層溶接部を除いた表裏両側の前記積層溶接金属部は、１層１パスづつ積層されており、かつ、表側の初層溶接部と前記最終層溶接部とを除いた表裏両側のパス毎の溶接ビード高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲に形成されるとともに、開先側面の溶け部分を含む溶接ビード幅が６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲に形成されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１６】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
前記管部材や板部材の表裏両側に形成する両面Ｕ開先継手の開先底幅は６ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲であり、開先両壁面の開先角度は５度以上８度以下の範囲である
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１７】
請求項１４に記載の両側溶接構造物において、
前記所定範囲の積層ビード高さは、溶接前開先深さ又は二等分板厚の１／５以上２／５以下の範囲であり、
前記所定範囲の残存開先深さは、溶接前開先深さの４／５以下３／５以上の範囲であり、
前記開先肩幅収縮量の所定の上限値は、２ｍｍ以下である
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【請求項１８】
請求項１４から請求項１７のうちの何れか一項に記載の両側溶接構造物において、
前記積層溶接金属部は、原子力機器や火力機器に適用される両面Ｕ開先継手の表裏両側に形成され、かつ、前記継手部材のオーステナイト系ステンレス鋼と同質の溶接ワイヤが溶融接合されている
ことを特徴とする両側溶接構造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図８】
【図１１】
【図１８】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図８】
【図１１】
【図１８】
【図２３】
【公開番号】特開２００９−６１４８３（Ｐ２００９−６１４８３Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３２６２３（Ｐ２００７−２３２６２３）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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