多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物
【課題】
厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減する。
【解決手段】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手に、材質の異なる２種類のワイヤで積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、初層溶接又は仮付け溶接後の初層溶接で前記開先底部の裏面側に裏ビードを形成させる初層裏波溶接工程（初層裏ビード形成工程）と、開先裏面からの累計積層ビード高さが第１の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤで積層溶接する第１の積層溶接工程と、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接する第２の積層溶接工程とを有する。
厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減する。
【解決手段】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手に、材質の異なる２種類のワイヤで積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接方法において、初層溶接又は仮付け溶接後の初層溶接で前記開先底部の裏面側に裏ビードを形成させる初層裏波溶接工程（初層裏ビード形成工程）と、開先裏面からの累計積層ビード高さが第１の特定範囲に到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤで積層溶接する第１の積層溶接工程と、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接する第２の積層溶接工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼の管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の多層盛溶接方法及び多層盛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の容器，配管，構成部品などの溶接構造物に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、溶接などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が析出し易く、結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層の形成により腐食に対する割れ感受性（材料の鋭敏化）が高くなることが知られている。また、溶接部分（溶接金属部及び隣接する熱影響部）には、高い引張残留応力が存在しており、高温水などの厳しい腐食環境下で使用されると、応力腐食割れが発生し易い。この応力腐食割れを防止するためには、前記材料の鋭敏化，引張応力，腐食環境の３因子の中から１つの因子を取り除く必要がある。このため、特に、高温水などの腐食環境下にさらされる溶接部分の表面及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することが強く求められている。
【０００３】
従来から溶接材部分の引張残留応力の低減に関する溶接方法や溶接装置が幾つか提案されている。例えば、特許文献１（特公昭５３−３８２４６号公報）に記載の配管系の熱処理方法では、溶接組み立て後の配管の内部に冷却水を存在させ、前記配管の外部を加熱して管内面と管外面との間に温度差を発生させ、管内面を引張降伏させ、管外面を圧縮降伏させることが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２（特開２００１−１４１６２９号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位の予防保全方法及び装置では、線状の溶接部位を追従しながら高周波加熱コイルを移動させ、この高周波加熱コイルによって溶接部位を応力降伏点の温度より高い温度まで加熱する手順と、過熱領域に冷却水を噴出して急速冷却する手順を有することが提案されている。
【０００５】
一方、特許文献３（特表平９−５１２４８５号公報）に記載の金属部品を接合する方法及び装置では、選定速度（毎分１２７cm以上）で走行する電極先端のチップ近傍に溶接材を連続的に供給する段階と、前記チップからの放電電流によって溶接材料を開先内で連続的に溶融する段階と、溶接ビードを形成する段階とを有し、前記電極はチップに接合及び電気的に接続された非円形断面のブレードを有し、所定数の溶接パス全体で圧縮性のある最終残留応力状態を外部にヒートシンク媒体なしで生成して達成することが提案されている。
【０００６】
また、特許文献４（特公昭６２−１９９５３号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手の多層盛溶接方法では、開先最深部に近い側の層をオーステナイト系溶加材を用いて溶着（溶接）し、前記層に隣接する外側の少なくとも１つの層をマルテンサイト系溶加材を用いて溶接することが提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献５（特開平１１−１３８２９０号公報）に記載の溶接方法及び溶接材料では、溶接によって生成する溶接金属に溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を生じさせ、前記溶接金属が室温時においてマルテンサイト変態の開始温度（例えば２５０℃未満１７０度以下）時より膨張している状態にすることが提案されている。
【０００８】
また、特許文献６（特開平９−２５３８６０号公報）に記載の高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤでは、全溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が
４００℃以下であり、ワイヤ全重量に対してＮｉが７.５〜１２％を含有し、Ｃが０.１％以下、Ｈは２ppm 以下に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送り速度を５〜４０ｇ／分にして溶接することが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特公昭５３−３８２４６号公報（特許第９５７３２４号）
【特許文献２】特開２００１−１４１６２９号公報
【特許文献３】特表平９−５１２４８５号公報（特許第３２１５４２７号）
【特許文献４】特公昭６２−１９９５３号公報（特許第１４１５０５４号）
【特許文献５】特開平１１−１３８２９０号公報（特許第３３５０７２６号）
【特許文献６】特開平９−２５３８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１の場合には、溶接組み立て時に生じていた配管内面の引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるのに有効な方法であると考えられる。しかしながら、溶接設備と異なる大型の高周波加熱設備が必要であるばかりでなく、溶接完了後に、配管の内周部に冷却水を供給しながら外周部を高温加熱するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１１】
また、上記特許文献２の場合には、引張残留応力を低減するための工夫がされている。しかしながら、溶接完了後に、線状の溶接部位表面上を移動させる高周波コイルにより高温加熱し、過熱領域を冷却水の噴射により急速冷却しているため、移動式の加熱及び水冷設備が必要になると共に、この高温加熱及び急速冷却を実施するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１２】
一方、上記特許文献３の場合には、外部にヒートシンク媒体を使用せずに、熱効率の高い溶接施工及び狭い開先継手の伝導性自己冷却効果により、引張残留応力及び溶接ひずみを低減する工夫がされている。しかしながら、この引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるまでに至らない可能性が高い。また、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極は、製作費が高価になり、また、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。開先内に供給して溶融させるワイヤ（溶加材）は、溶接対象の開先継手材と同じ組成のオーステナイト系ワイヤが使用され、このワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤは使用されていない。
【００１３】
また、上記特許文献４の場合には、管内面の引張残留応力を低減するために、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて溶接している。引張残留応力の低減に有効であるが、まだ引張応力が残留しており、圧縮応力に変化させるまでに至っていない。また、実施例に記載されているマルテンサイト系ワイヤは、開先内の中間層の溶接部分のみに使用されており、開先表面の最終層の溶接部分には使用されていない。さらに、開先継手の角度が広いため、板厚の厚い開先継手を溶接する場合には、溶接すべき開先断面積及び開先肩幅が増加し、１層１パスずつ積層する溶接が困難であり、１層多パスの多層盛溶接が必要になり、引張残留応力及び収縮変形が増す可能性があり、圧縮応力に改善することは困難である。また、溶接方法については、不明であるが、実施例から想定すると、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではなく、溶接ワイヤ（溶加材）を電極にするアーク溶接法の可能性が高い。
【００１４】
また、上記特許文献５の場合には、溶接継手の疲労強度を向上するために、マルテンサイト変態を生じさせる溶接材料（溶接ワイヤに該当）を用いて溶接している。溶接対象は主に低合金鉄鋼材料（高張力鋼材など）の溶接構造物であり、材質が異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。また、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、すみ肉継手やＴ継手や十字継手の溶接表面部分、又はＸ開先継手の両面溶接の表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象ではない。さらに、溶接方法については、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接法であり、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではない。
【００１５】
また、上記特許文献６の場合には、高張力鋼の溶接割れの防止に有効であると考えられるが、材質の異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。この他にも、マルテンサイト変態を生じさせる溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法が幾つか提案されているが、主に高張力鋼材の溶接が対象であり、オーステナイト系ステンレス鋼材の溶接ではないようである。また、前記特許文献６と同様に、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、溶接表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象になっていない。
【００１６】
本発明の目的は、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛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】
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために、管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手に材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接することを特徴とする。
【００１８】
本発明は、特に、ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまでオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、前記第１の積層溶接工程後に、前記第一の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とする多層盛溶接方法にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の多層盛溶接方法によれば、開先継手の裏面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善し、応力腐食割れを防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
本発明は、上記目的を達成するために、厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接するアーク溶接を行う多層盛溶接方法において、少なくとも非消耗電極方式のパルスアーク又は直流アークによる初層溶接又は仮付け溶接後の初層溶接で前記開先底部の裏面側に裏ビードを形成させる初層裏波溶接工程と、この初層裏波溶接工程後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、前記開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する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繰返し行う第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する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繰返し行う第２の積層溶接工程とを有することを特徴とする多層盛溶接方法を提案する。
【００２２】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテ
ンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２３】
特に、前記初層裏波溶接工程では、形成すべき裏ビード幅の適正範囲を４〜７mm、好ましくは４〜６mmに特定し、前記パルスアーク溶接のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、あるいは前記直流アーク溶接の平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定値の適正範囲に形成するとよい。
【００２４】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２５】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させた後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接し、この積層溶接後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２６】
特に、前記累計積層ビード高さは、開先継手の板厚の１／５以上，４／５以下の範囲に特定し、また、前記残存開先深さは、開先継手の板厚の４／５以下，１／５以上の範囲に特定し、この特定した範囲に到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを送給及び開先内で溶融させて積層溶接するようにするとよい。
【００２７】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接する、あるいは前記インコネル系ワイヤ又は前記他のオーステナイト系ワイヤを送給及び溶融させて、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００２８】
また、前記開先継手の開先形状は、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成するようにするとよい。
【００２９】
また、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接するようにすることもできる。
【００３０】
また、前記第２の積層溶接工程では、この以前の第１の積層溶接工程で前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した時の最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量の溶接条件に変更して使用し、あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の溶接条件を再使用し、また、前記マルテンサイト系ワイヤは、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを用い、このマルテンサイト系ステンレスワイヤを前記開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００３１】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを前記アーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００３２】
また、前記初層裏波溶接工程，第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で使用する非消耗電極方式のパルスアーク溶接では、溶接毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは大別した３つの前記溶接工程で複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までパルスアーク溶接を行うようにするとよい。
【００３３】
また、前記第１の積層溶接工程，第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給及び溶融させるか又は通電加熱しながらアーク溶接部分に送給及び溶融させる非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。
【００３４】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３５】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３６】
特に、前記開先継手の開先形状は、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成するとよい。
【００３７】
溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材により、開先底部の突き合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接工程で、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００３８】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接するアーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有する、あるいは前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有す
るステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３９】
すなわち、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程により、片面溶接で重要な開先継手の裏面側に完全溶け込みの裏ビードを確実に形成できるばかりでなく、例えば、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。
【００４０】
特に、開先裏面からの累計積層ビード高さＨｂは、開先継手の板厚Ｔの１／５以上，４／５以下の範囲に特定し、あるいは開先表面からの残存開先深さ（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂ）は、開先継手の板厚Ｔの４／５以下，１／５以上の範囲に特定することにより、目標とする特定の高さ位置まで開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を充填できるばかりでなく、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することができる。
【００４１】
また、前記第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程により、開先継手材と融合性の良い溶接金属部を開先上面部まで良好に充填できるばかりでなく、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。
【００４２】
また、前記第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程により、この積層溶接による溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００４３】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接する、あるいは前記インコネル系ワイヤ又は前記他のオーステナイト系ワイヤを送給及び溶融させて、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接することにより、１層パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、１層２パス溶接によって、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層ま
で良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００４４】
さらに、前記第１の積層溶接工程，第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【００４５】
また、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程を設けることにより、特定寸法の開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材により、開先底部の突き合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができるばかりでなく、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００４６】
また、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上，最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接することにより、目標とする特定値のパルス周波数のパルスアークを初層裏波溶接，第１及び第２の積層溶接工程の各溶接で確実に出力できるばかりでなく、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融，溶け込み深さを促進することができる。
【００４７】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させた後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。また、この積層溶接後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。
【００４８】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、上述した第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程によって製作することにより、開先継手の多層盛溶接及び残留応力低減が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部から初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。さらに、この第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程を設けることにより、特定寸法の開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、上述したように、溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。
【００４９】
また、上述したように、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤに交換して、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接することにより、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コ
スト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【００５０】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有することにより、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有することにより、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００５１】
以下、本発明の内容について、図１〜図１３の実施例を用いて具体的に説明する。
【００５２】
図１は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。また、図２は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す一実施例であり、（１）は継手部材の狭い開先内に非消耗性の電極及びワイヤを挿入した状態の溶接前の開先断面、（２）は初層裏波溶接した時の溶接断面、（３）はオーステナイト系ワイヤを用いて開先底部から板厚Ｔの３／５程度の高さＨｂまで積層溶接し、その後にマルテンサイト系ワイヤに交換して開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接した時の溶接断面、（４）は(３)と同様に、オーステナイト系ワイヤを用いて板厚Ｔの１／４程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後にマルテンサイト系ワイヤに交換して残り深い部分から開先上面部まで積層溶接した時の溶接断面である。また、図３は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例であり、図２の積層溶接と異なる方法で積層溶接した時の溶接断面である。
【００５３】
すなわち、図１に示すように、最初の開先形状の製作工程５１は、溶接対象の継手部材を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする工程である。この継手部材１，２は、図２（１）に示すように、開先裏面１ｂ，２ｂ側に裏ビード１５を形成させると共に、開先表面１ａ，２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント，火力発電プラント，化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手であって、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５部分）に残留する応力を圧縮応力に変化させることが重要である。
【００５４】
前記製作工程５１では、例えば、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材１９の幅を含む開先幅ｗを最小で４mm以上，最大で８mm以下の寸法、開先上面部までの片面角度θを１０°以下の狭い開先形状に仕上げることにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材１９により、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、後述する初層裏ビード形成工程（初層裏波溶接工程とも称す）で、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。なお、前記開先形状及びインサートについては、図８で詳細に後述する。
【００５５】
次の溶接準備工程５２では、溶接台車５,溶接トーチ７,ワイヤ４などの取付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａの立上げ，溶接動作の準備，溶接条件の設定を行う。ワイヤ４は、開先継手材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。図２（１）に示したように、狭い継手部材１，２の開先内３に非消耗性の電極６とこの電極６先端に点弧するアーク１０で溶融させるワイヤとを挿入して溶接を施工する。
【００５６】
この非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ2Ｏ3入りＷ，Ｙ2Ｏ3入りＷ，
ＴｈＯ2 入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。本溶接試験によれば、太径電極の横幅を狭く偏平形状に加工しなくても、開先内３に挿入可能な細径の丸電極６(例えば外径φ１.６，φ２.４の電極棒の先端のみを円錐形状に加工)であっても、図示していないシールドガス流入の雰囲気内で、この丸電極６先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、消耗時の再加工，溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。
【００５７】
また、前記細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状に形成した非消耗性の電極、あるいは開先幅ｗより狭い偏平形状に該当する非円形断面形状を有する他の非消耗性の電極を用いて溶接を行うことも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００５８】
次の初層裏ビード形成工程５３では、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接，開先底部の裏面側に適正範囲の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接を行う工程である。特に、裏ビード形成が必要な初層裏波溶接（初層裏ビード形成工程５３）では、図２(２)に示すように、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７mm、好ましくは４〜６mmに特定し、そして、裏面側１ｂ，２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように施工するとよい。例えば、非消耗電極方式のパルスアーク溶接の場合は、ピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、また、直流アーク溶接の場合には、平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定の適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６mmの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行うようにすることもできる。なお、この初層裏波溶接については、さらに図７及び図８で後述する。
【００５９】
次の第１の積層溶接工程４１は、図１及び図２に示したように、初層裏ビード形成工程（初層裏波溶接工程）の終了後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する溶接動作を繰返し行う工程である。この第１の積層溶接工程４１により、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填することができる。
【００６０】
なお、ワイヤ４については、開先継手の部材１，２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ（例えば、外径がφ０.８〜φ１.２で、Ｙ３０４系かＹ３０８系，Ｙ３１６系の市販ワイヤ）を用いており、図２及び図３に示したように、開先内３で溶融させて１層１パスずつ積層溶接４１するようにしている。また、前記開先継手部材１，２の材質が異なる他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系，ＳＵＳ３２１系など）の場合には、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤを用いればよい。
【００６１】
初層裏波溶接後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、少なくとも初層裏波溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１／２〜２／３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００６２】
また、前記第１の積層溶接工程４１では、開先裏面から積層すべき累計積層ビード高さＨｂを開先継手の板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定し、開先表面から残存すべき残存開先深さＨを板厚Ｔの４／５以下，１／５以上の範囲（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂに該当）に特定するとよい。そして、特定した前記累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内で溶融させて積層溶接（第１の積層溶接工程４１）することにより、上述したように、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填することができる。同時に、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００６３】
なお、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接すべき累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残存する開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持，腐食進行の防止を損なうおそれがあって好ましくない。前記積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚の大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接すべき累計の積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残存する開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、前記マルテンサイト系ワイヤ５７に交換して最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせる膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができなくなって好ましくない。また、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いる場合も、最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎることになるので好ましくない。
【００６４】
また、第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件，２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ／cm〜１２ｋＪ／cmの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２２０Ａのアーク条件）に変更して１層１パスずつ積層溶接４１するように、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件
（例えば、約４ｋＪ／cmか約６ｋＪ／cmか約８ｋＪ／cmか約１０ｋＪ／cmか約１２ｋＪ／cmに特定した低い入熱条件）に設定して積層溶接４１するように、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０.５〜２.０mmの範囲内になるように送給するとよい。
【００６５】
また、溶接中は、図７で後述する第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。このように第１の積層溶接工程４１を施工することにより、開先裏面から所定の積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填すことができる。
【００６６】
さらに、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。次の第２の積層溶接工程４２は、図１及び図２に示したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤ５７を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する溶接動作を繰返し行う工程である。この第２の積層溶接工程４２により、開先内の残り部分から開先上面部の最終層までマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができるばかりでなく、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６７】
また、この第２の積層溶接工程４２では、図３に示したように、１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接することにより、１層１パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも開先幅の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。また、上述したように、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【００６８】
また、図３に示したように、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１された第１の溶接金属部４１１と、前記第１の溶接金属部４１１と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を用いて積層溶接４２された第２の溶接金属部４２２とを有する溶接構造物とすることもできる。
【００６９】
このように、オーステナイト系ワイヤ５６とマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接４１，４２すること、あるいは前記第１の溶接金属部４１１の上部に材質の異なる前記第２の溶接金属部４２２を積層することにより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。
【００７０】
なお、前記第２の積層溶接工程４２で使用するマルテンサイト系ワイヤ５７は、溶接時の冷却過程でマルテンサイト変態を生じ、通常の室温（例えば２０℃）時に、マルテンサイト変態の開始温度(例えば１００〜３００℃)時よりも膨張した状態になる溶接金属であり、しかも、溶接対象のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤを用いるとよい。例えば、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤ（外径がφ０.８〜φ１.２のワイヤ）を用いればよい。
【００７１】
また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤに交換して用いることもできる。そして、この交換した前記ワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させ、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接に到達するまで順番に１層１パスずつ積層するように非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を繰返し行うようにしてもよい。
【００７２】
さらに、この交換した前記ワイヤを通電加熱しながらアーク溶接部分に送給して溶融させ、あるいは前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給して溶融させ、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接に到達するまで積層溶接４２する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。なお、ワイヤの通電加熱は、ワイヤと継手部材との間にワイヤ通電加熱電源を接続して作動させれば、実施可能となり、ワイヤ電流の大きさで制御し、また、選択スイッチで通電のありなしも可能となる。このワイヤ通電加熱は必要な溶接パスを選択して実施すればよい。
【００７３】
また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で、溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰り返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上，最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定めるとよい。そして、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接することにより、目標とする特定値のパルス周波数のパルスアークを初層裏波溶接、第１及び第２の積層溶接工程の各溶接で確実に出力できるばかりでなく、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融，溶け込み深さを促進することができる。また、開先底部から開
先上面部までの積層溶接を良好に仕上ることができる。
【００７４】
なお、パルスアーク溶接時のパルス周波数が最も低い約１Ｈｚ(パルス周期時間：１ｓ)の場合は、例えば、溶接速度が９０mm／min 以上の速度領域で溶接ビードのリップル形状（貝殻模様のような波目）が約１.５mm 以上に荒くなり易い。一方、パルス周波数が高い約３００Ｈｚ，約５００Ｈｚの場合には、パルス周期時間が極端に短くなるため、給電ケーブルの延長（例えば１０倍の１００mm以上に延長）が必要な時に、このケーブル延長に伴うリアクタの増加によって、矩形状のピーク電流波形が台形状や三角形状に変化するので、事前にピーク電流値を少し高めに補正することが望ましい。このパルス周波数を約
１５０Ｈｚ以下に下げた場合には、例えば、給電ケーブルを１００ｍまで長く延長しても、ほぼ矩形状のピーク電流波形を出力することが可能である。
【００７５】
図４は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の他の一実施例を示す説明図である。図１との主な相違点は、初層裏ビード形成工程５３の部分を第１の積層溶接工程４１の中に併合して施工するようにしたことである。他の部分は図１と同じであり、説明を省略する。
【００７６】
すなわち、図４に示した第１の積層溶接工程４１では、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接するようにしている。積層溶接の方法については、上述した通りである。また、その後に最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接４２する第２の積層溶接工程４２も上述した通りである。このように積層溶接することにより、上述した目的を達成することができる。
【００７７】
図５は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の他の一実施例を示す説明図である。図１及び図４との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ５８又は前記開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を第２の積層溶接工程４２で用いることである。また、図６は、図５に示した積層溶接の概要を示す一実施例である。
【００７８】
すなわち、第１の積層溶接４１の終了後に施工する第２の積層溶接工程では、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接
４２する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繰返し行うようにしている。また、この第２積層溶接工程４２では、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは、図６（１）（２）に示したように、１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するとよい。
【００７９】
さらに、開先継手の同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１された第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１と接する開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を用いて積層溶接４２された第３の溶接金属部４２３とを有する多層盛溶接構造物とすることもできる。
【００８０】
なお、前記インコネル系ワイヤは、ステンレス鋼との異材溶接が可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３），インコネル６２５ワイヤ
（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【００８１】
このように、第２の積層溶接工程で積層溶接４２すること、あるいは第１の溶接金属部４１１の上部に材質の異なる第２の溶接金属部４２３を積層することにより、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９による溶接金属で確実に充填することができるばかりでなく、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、上述したように、１層１パス溶接が可能な狭い開先の溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも開先幅の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍
に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。また、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【００８２】
図７は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物に係わる溶接装置の一実施を示す概略構成図である。溶接対象の継手部材１，２は、厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管や案内管などの管部材であり、開先底部の裏面側に裏ビード１５形成（完全溶け込み）を有する初層裏波溶接、開先上部までの多層盛溶接が必要な狭開先継手ある。また、前記管部材と異なる形状製品の平板部材の狭開先継手であってもよい。図７に示す実施例では、レール上を走行する溶接台車５に搭載されている溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装着した非消耗性の電極６と、ワイヤ４を案内するワイヤホルダ２５の両方とを開先内３に挿入し、シールドガス３３の流入雰囲気で発生させるアーク１０中及び溶融プール中にワイヤ４を送給し、開先底部の裏面側に裏ビード１５を形成させる初層裏波溶接を行っている状況を示している。表面側の溶接部に流入するシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ2 入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。これらの混合ガスを
使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００８３】
ＴＩＧ溶接電源８は、前記溶接トーチ７先端の電極６と継手部材１，２との間に接続されており、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要なピーク電流とベース電流，アーク電圧などの各条件値を任意に出力でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。パルスアーク溶接と異なる直流アーク溶接を選択した場合には、溶接電流（平均電流）に該当する所望の直流電流，アーク電圧（平均アーク電圧）を出力することができる。
【００８４】
溶接制御装置９ａは、溶接トーチ７及びワイヤ４を搭載した溶接台車５の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置，上下位置を必要に応じて指令制御し、電極６先端部へのワイヤ４の供給、このワイヤ４の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整し、さらに、継手部材１，２の裏面側に配備してある裏面側監視装置１７を駆動するものである。操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段，トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時のピーク電流とそのピーク電流時間，ベース電流とそのベース電流時間、又はパルス周波数とピーク電流の時間比率，電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧，ピークワイヤ送りとベースワイヤ送り，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、前記溶接トーチ７の位置ずれや、省略しているワイヤ４の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８５】
また、直流アーク溶接を選択した場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均電流，電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ，ワイヤ４の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８６】
また、前記操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段は、仮付け溶接で出力すべき小入熱の仮付け条件，初層裏波溶接で出力すべき初層条件，特定の累計積層ビード高さＨｂに到達するまで積層溶接する第１の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件、さらに、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定，記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段に該当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又はこの溶接条件調整手段に該当する溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、仮付け溶接，初層裏波溶接、その後２層目溶接，３層目から開先上面部の最終層までの各溶接が順番に実行できるようになっている。
【００８７】
また、継手部材の上部にある溶接台車５には、表面側の溶接状態を監視するための第１のカメラ３５を、溶接トーチ７とワイヤホルダ２５との上部中間に配備している。この第１のカメラ３５と一対のカメラ制御器３６によって撮像する表面側の溶接状態の映像を第１の映像モニタ装置３７に画面表示して監視できるようにしている。前記第１のカメラ
３５，第１の映像モニタ装置３７に該当する他の第１の映像手段，第１の映像表示手段であってもよい。前記第１の映像モニタ装置３７の画面には、図７の左下段に示すように、開先表面１ａ，２ａ側から開先内３に挿入した電極６とワイヤ４、表側のアーク１０及び溶融プール１８、この溶融プール１８及び電極６の後方に形成する表側の溶接ビード３９の状態を表示している。この表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、開先内の電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれ（例えば左右方向，上下方向のワイヤ位置ずれ）をなくすことができる。また、溶接条件の因子も調整又は制御することもできる。
【００８８】
一方、継手部材１，２の裏面側には、裏面側監視装置１７を配備している。この裏面側監視装置１７には、裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部を撮像する第２のカメラ１１、この撮像周辺部を照らす照明手段３２（例えば小径の照明ランプ）、前記裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部の裏ビード１５を保護するためのバックシールドガス３４（例えばＡｒガス）を流すガス流出ボックスを装備している。また、第２の映像モニタ装置
１３は、図７の右下段に示すように、カメラ制御器１２と一対の前記第２のカメラ１１又はこの第２のカメラ１１に該当する撮像手段によって撮像する裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部の映像をリアルタイムで画面表示するものである。同時に、この映像の大きさ又は溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂを示す寸法、初層裏波溶接で形成すべき裏面側の溶融プール幅又は裏ビード幅の適正範囲を示す特定値１４を第２の映像モニタ装置１３の画面内に表示するようにしている。この第２の映像モニタ装置１３は、これに該当する他の映像表示手段であってもよい。裏面側の溶融プール幅又は裏ビード幅を特定する適正範囲は、４〜７mm、好ましくは約４〜６mm（又は約５±１mm）であり、この適正範囲を特定した数値及びこの数値に該当する線引きライン（点線）又は寸法矢印を監視可能な状態に画面表示している。
【００８９】
このように、前記第２の映像モニタ装置１３の画面又はこの第２の映像モニタ装置１３に該当する第１の映像表示手段の画面に直接表示することにより、初層裏波溶接で重要な裏面側の溶融プール及び裏ビードの形成状態や大きさ、裏面側に突き出ているインサート材１９の溶融状態、特定値の裏ビード幅Ｂを映像として監視及び観察でき、溶接中の裏ビード幅が適正範囲に形成されているか否かを容易に判定することができる。特に、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂの適正範囲を約４〜６mmに特定し、この特定値を前記第１の映像モニタ装置１３の画面内に直接色分け表示して明瞭に監視可能な状態にする。その後に、裏面側の裏ビード幅Ｂが前記特定値の適正範囲に形成するように、初層溶接条件を出力させて前記パルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うことにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に形成することが確実にでき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００９０】
また、画像処理装置３８は、裏面側のインサート材１９を含む溶融プール１６及びこの周辺部の画像を処理して、裏面側の溶融プール１６の幅Ｂ又はこの溶融プール１６近傍の裏ビード１５幅Ｂをリアルタイムで検出し、また、インサート材の幅Ｃをも検出するものである。この画像処理装置３８に該当する他の検出処理手段であってもよい。溶接制御装置９ａ側にリアルタイムで送信される検出データは、溶接制御装置９ａ内で複数の値を平均化する処理を順次行い、その平均化処理した検出値と目標の前記特定値とを比較及び判定処理する。そして、この判定処理の結果に基づいて、裏面側の溶融プールＢ幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂが特定値の適正範囲（約４〜６mm又は約５±１mmの範囲）に形成するように、パルスアーク溶接時のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度のいずれか１つ以上の条件因子、あるいは前記条件因子の他に、ピーク電流時間中かベース電流時間中のワイヤ送り速度又は両時間中のワイヤ送り速度の値を含むいずれか１つ以上の条件因子を増減制御するようにしている。また、直流アーク溶接の場合には、平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を増減制御するようにしている。
【００９１】
例えば、前記画像処理装置３８で検出する裏面側の溶融プール幅の検出値Ｂｓが前記特定値の適正範囲より小さくなる状態（Ｂｓ＜Ｂ１＝４mm）であれば、ピーク電流Ｉｐ（パルスアーク溶接の時）や平均電流Ｉａ（直流アーク溶接の時）を増加（Ｉｐ＋ΔＩ又は
Ｉａ＋ΔＩ）させる。反対に、溶融プール幅の検出値Ｂｓが前記特定値の適正範囲より大きくなる状態（Ｂｓ＞Ｂ２＝６mm）であれば、ピーク電流（パルスアーク溶接の時）や平均電流（直流アーク溶接の時）を減少（Ｉｐ−ΔＩ又はＩａ−ΔＩ）させるとよい。溶融プール幅の検出値Ｂｓが適正範囲内の状態（例えばＢ１＝４≦Ｂｓ≦Ｂ２＝６mm）であれば、出力中の溶接条件をそのまま保持するとよい。
【００９２】
このように、検出値の判定結果に基づいて条件因子を適正に増減制御することにより、アーク力及び入熱量の増減によって溶融プール幅及びその溶融プール近傍の裏ビード幅を適正範囲内に短時間で回復することができる。また、ピーク電流又はベース電流（パルスアーク溶接の時），平均電流（直流アーク溶接の時）の増減と同時に、ピーク電圧又は平均アーク電圧又はワイヤ送り速度を増減する制御を行うことにより、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に確実に形成することができる。さらに、前記１つ以上の条件因子を増減調整又は増減制御すると共に、表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれをなくし、蛇行や融合不良のない良好な裏ビード幅を特定値の適正範囲に形成することができるばかりでなく、溶接士の負担を大幅に軽減でき、溶接品質の向上や生産性の向上を図ることができる。
【００９３】
図８は、狭開先継手の溶接施工の概要を示すものであり、（１）は溶接前の断面、(２)は本溶接前に仮付け溶接した時の断面、（３）は本溶接１パス目で初層裏波溶接した時の断面、（４）は前記継手部材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて２パス目まで溶接した時の断面、（５）は累計の積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの約２／５に到達するまで積層溶接した時の断面、（６）は前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接した時の断面である。この継手部材１，２は、上述したように、原子力発電プラントや火力発電プラントなどで使用される厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管や案内管などの管部材又は平板部材の溶接製品であり、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部まで積層する溶接施工及び溶接部分に残留する引張応力の圧縮応力化又は大幅低減が必要な狭開先継手ある。
【００９４】
この狭開先継手の一例では、図８（１）に示すように、開先底部の中央にインサート材１９を表面側１ａ，２ａ及び裏面側１ｂ，２ｂに各々突き出すように設けている。このインサート材１９は、前記継手部材１，２の材質と同質系のオーステナイト系ステンレス鋼材である。このインサート材１９を設けることにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができる。また、初層裏波溶接で必要な適正範囲
（約４〜６mm）の裏ビード幅Ｂを裏面側に確実に凸形状に形成することが容易にできる。さらに、このインサート材１９は、前記開先継手材と同質材であって、化学組成の一つであるＳ（重量％）が前記開先継手材より高めの０.００８〜０.０１５％含有しているインサート材１９を用いるとよい。特に、前記Ｓの含有量が高めの前記インサート材１９を用いることにより、Ｓの含有量が少ない通常のインサート材１９使用の溶接時よりも、アーク形状が細く絞られ、深さ方向への溶融金属の対流及び溶け込みが促進し、１０〜２０％程度少ない溶接電流（又は入熱量）の溶接条件で裏面側１ｂ，２ｂに裏ビード１５が確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を得ることができる。なお、Ｓ
（重量％）の含有量が０.０１５％を超えると、溶接割れの感受性が高まるので好ましくない。
【００９５】
一方、インサート材１９の幅を含む開先底部の開先幅ｗは、ここでは約６mmに設定した例を示しているが、例えば、最小値の約４mm又は約５mm、あるいは少し広めの約７mm又は最大値の約８mmの概略寸法、又はこれらの概略寸法に近い少数点含みの寸法（例えば約
５.３mm，６.４mm，７.５mm など）に予め形成するとよい。同時に、この狭開先継手の上部までの片面角度θを１０°以下に形成（例えば、約２.５°，約５°，約７.５°，約
１０°に形成）することにより、開先表面１ａ，２ａの上部まで狭い開先内３を１層１パスずつ積層する多層盛溶接を確実に施工することができる。また、溶接パス毎の入熱量や多層盛溶接の累計入熱量，溶接熱による収縮変形を従来溶接より大幅に低減できるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減や溶接工数の低減を図ることもできる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ2＊tanθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加，累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２.５mm の範囲に形成すること、好ましくは約１.５mm 前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融させることができる。
【００９６】
本実験によれば、前記インサート材１９の幅を含む開先底部の開先幅ｗを４mm未満に形成すると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難に至る。一方、開先底部の開先幅ｗが８mmを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、前記開先幅ｗは、上述したように、最小でも４mm以上、最大でも８mm以下の寸法に形成することが好ましい。なお、１層１パスずつ積層する溶接が途中で難しくなる場合には、図３に示したように、必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接することにより、開先内の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。
【００９７】
本溶接の初層裏波溶接の以前に行う仮付け溶接では、図８（２）に示すように、継手部材１，２の裏面側１ｂ，２ｂの継ぎ部及びインサート材１９の突き出し部が溶融しない浅い溶け込みの低入熱アーク及びワイヤ送りなしの仮付け条件を出力させて、表面側１ａ，２ａから開先底部の継ぎ部とインサート材１９の突き出し部とを溶融接合２０するように、ワイヤ４送りなしの仮付け溶接２０を行うとよい。このように仮付け溶接することにより、裏面側まで溶融しない浅い溶け込みの溶接ビードが開先底部に良好に形成でき、溶接対象の開先継手を確実に接合固定することができる。また、本溶接の初層裏波溶接時にワイヤ送りが容易になると共に、裏ビード形成への悪影響をなくすことができる。
【００９８】
そして、本溶接で裏ビード１５形成が必要な初層裏波溶接２１では、裏面側まで溶融させる入熱アークの初層条件を出力させ、図８（３）に示すように、裏面側１ｂ，２ｂまで完全に溶け込むように溶融させると共に、溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード１５の幅Ｂが特定値の約４〜６mmの範囲（又は約５±１mmの範囲）に形成するようにしている。例えば、パルスアーク溶接の場合は、図７に示した第１の映像モニタ装置１３に画面表示する裏面側の溶融プール１６及びその溶融プール近傍の裏ビード１５の状態や大きさを示す映像と、目標の裏ビード幅Ｂの適正範囲を示す特定値とを監視し、溶接中の裏ビード幅が前記特定値の範囲に形成するように、必要に応じてピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度，ピーク電流時間中かベース電流時間中のワイヤ送り速度又は両時間中のワイヤ送り速度の値を含むいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御するとよい。初層溶接時のワイヤ送りは少量（例えば積層溶接時の半分以下）で充分である。また、直流アーク溶接の場合には、同様の裏ビード幅が前記特定値の範囲に形成するように、必要に応じて平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御するとよい。
【００９９】
例えば、溶融プール幅又は裏ビード幅が前記特定値の適正範囲より小さくなる又は大きくなる状態であれば、ピーク電流（パルスアーク溶接の時）や平均電流（直流アーク溶接の時）を増減調整すると、アーク力及び入熱量の増減によって溶融プール幅及びその溶融プール近傍の裏ビード幅を短時間で適正範囲内に回復することができ、応答性の緩やかな溶接速度又は走行速度の調整より優位である。前記ピーク電流や前記平均電流の次に、ベース電流の増減調整かアーク長又はアーク電圧の調整が有効であり、裏ビード幅を適正範囲内に回復することができる。また、ワイヤ送り速度の調整は、溶着金属の増減及び溶融プールの温度変化によって裏ビード幅と表面側のビード高さとの両方を微調整することができる。さらに、表面側の前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。
【０１００】
本実験によれば、例えば、裏面側の溶融プール幅が約２.５mm 以下になると、裏ビードが形成したり、形成しなかったりする極めて不安定な状態になり、さらに小さくなると、全くでない溶融不足（裏ビードなし）の欠陥溶接の結果に至った。一方、裏面側の溶融プール幅が約７.５mm を超える大きさになると、下向き姿勢での裏ビード形状が１mm以上凸形状に盛り上り（下側に沈み込む形状）、反対に、上向き姿勢での裏ビード形状は１mm程度凹んでしまう結果になり、溶接姿勢の違いによって裏面側の裏ビードが凹凸形状に変化した。さらに、裏面側の溶融プール幅が約９mmを超えると、溶け落ちる欠陥溶接に至った。したがって、上述したように、裏面側の溶融プール幅及び裏ビード幅を４〜７mmの範囲、好ましくは４〜６mm（５±１mm）の範囲に特定して確実に形成させ、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビードを得るようにしている。
【０１０１】
このように、裏面側の溶融プール幅及び裏ビード幅が前記特定値の適正範囲に形成するように、前記パルスアーク溶接又は直流アーク溶接を施工することにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を前記特定値の適正範囲に形成することが確実にでき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。特に、高度な溶接技術を要する配管の全姿勢溶接，管材の横向き姿勢の溶接，平板材の上向き姿勢の初層裏波溶接２１に適している。さらに、前記１つ以上の条件値を調整又は制御すると共に、表面側の前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれをなくし、蛇行や融合不良のない良好な裏ビード幅を特定値の適正範囲に形成することができる。ここでは少量のワイヤ送りを示したが、このワイヤ送りを停止（ワイヤなし）にして初層裏波溶接を実施することも可能である。また、ここでは継手部材１，２の開先底部中央にインサート材
１９を設ける溶接例を示したが、インサート材１９なしの開先継手であっても、例えば、下向き姿勢や立向き上進姿勢で初層裏波溶接２１を実施すれば、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に形成でき、凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることが可能である。
【０１０２】
次に、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接２２では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、図８（４）に示すように、少なくとも初層溶接時に形成した前記裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１／２〜２／３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【０１０３】
また、累計の積層ビード高さＨｂが３層目の溶接２３以降に到達するまで積層する第１の積層溶接工程では、図８（５）に示すように、少なくとも初層の溶接条件，２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件に変更して１層１パスずつ積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を繰返し行うようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件に設定して積層溶接４１することもできる。また、ワイヤ送り量についても、溶入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０.５〜２.０mmの範囲内になるように送給するとよい。また、溶接中は、図７に示した第２の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。このように第１の積層溶接工程４１を施工することにより、開先裏面から所定の積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で満たすことができる。
【０１０４】
そして、前記第１の積層溶接工程の終了後に、開先内３の残り部分から開先上面部の最終層３０まで積層する第２の積層溶接工程では、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤに交換し、図８（６）に示すように、継続すべき開先内３の残りの溶接部分２６から開先上面部の最終層３０まで１層１パスずつ積層溶接４２するようにしている。また、図３に示したように、１層１パスずつ積層する途中で開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接することもできる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。
【０１０５】
また、第２の積層溶接工程４２では、前記マルテンサイト系ワイヤを通電加熱しながら送給及び溶融させ、あるいは前記マルテンサイト系ワイヤを無通電のまま送給及び溶融させて、図８（６）に示すように、開先内３の残り部分の溶接２６から開先上面部の最終層３０まで１層１パスずつ積層溶接４２することもできる。
【０１０６】
さらに、このマルテンサイト系ワイヤを使用する積層溶接４２では、その以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１した時の最後の溶接条件又はこの最後以前の溶接条件よりも小さい入熱量の適正な溶接条件に変更して溶接することにより、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後以前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、図８（６）に示したように開先表面１ａ，２ａより少し盛り上る（例えは１mm程度の余盛り高さ）ように仕上げている。この最終層の溶接
３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うとよい。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【０１０７】
このように、２種類のワイヤを使い分けて各々積層溶接４１，４２することにより、原子力発電プラント，火力発電プラントなどで使用される厚板の容器や配管などの管部材や平板部材の開先継手の完全溶け込み溶接及び残留応力低減が要求される溶接製品であっても、開先裏面部から開先上面部まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることかできるばかりでなく、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接パス毎の入熱量を小さく抑制した溶接条件を用いることにより、パス毎の溶接及び累計の積層溶接で生じる溶接金属部及びこの周辺部の収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくすることもできる。
【０１０８】
図９は、図２及び図３に示した多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質系の開先継手材）とにおける温度と伸び（１mm長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す説明図である。また、図１０は、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す説明図である。すなわち、図９に示すように、オーステナイト系ワイヤ（又はオーステナイト系ステンレス鋼の開先継手材）の場合は、点線で示すように、温度変化（上昇時と下降時）に対する伸び曲線が同一線上を行き来するように変化している。これに対して、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤの場合には、実線で示すように、温度上昇時の伸び曲線と温度下降時の伸び曲線とが異なるように変化している。特に、温度下降時の過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始
温度Ｍｓ時より膨張した状態になることを示している。
【０１０９】
本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物では、図９に示した温度変化に対する伸び曲線が異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接を施工している。すなわち、図１０に示すように、前記オーステナイト系ワイヤを用いて開先底部側を積層溶接４１し、その後に、マルテンサイト変態を有する前記マルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接４２している。このように材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接４１，４２することにより、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接継手の引張強度試験，曲げ強度試験を行った結果、母材破断による母材以上の高強度，ミクロ割れもない延性強度を有する良好な結果が得られることを確認している。
【０１１０】
図１１は、本発明の多層盛溶接方法で施工した配管溶接の断面写真の一例である。また、この配管溶接時の溶接施工条件を表１に示す。この表１中には比較のために従来法で施工した時の溶接条件を併記しており、主な相違点はマルテンサイト系ワイヤのありとなしである。第１の溶接金属部は、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用い、板厚の約２／５程度の高さ位置まで、非消耗電極方式のアーク溶接の施工（例えば、６〜１０ｋＪ／cmの入熱条件）により積層溶接（６層６パス溶接）している。この上部にある第２の溶接金属部は、その後に、マルテンサイト系のステンレスワイヤ５７に交換して用い、残りの深い部分から開先上部の最終層まで、非消耗電極方式のアーク溶接６１の施工（例えば、約４ｋＪ／cmの低入熱条件）により積層溶接（３３層３３パス溶接）した時の溶接断面である。このように、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接することにより、開先底部の裏面から開先上部の表面まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。同時に、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。なお、第２の溶接金属部は、低入熱量で溶接しているためにパス数が多いが、この入熱量を増加して溶接すれば、パス数を減らすことが容易にできる。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】
最後に、残留応力の測定結果について述べる。図１２は、多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例である。同様に、図１３は、多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例である。配管の材質がＳＵＳ３１６Ｌ系、外径が３１４mm、板厚が２９.５mm 、開先深さが２８mmである。溶接施工は、図３及び図８で説明したように示したように、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ(Ｙ３１６Ｌ系)を用いて開先板厚Ｔの２／５程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後に、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系のステンレスワイヤに交換して残りの深い部分から開先上面部まで低入熱条件で積層溶接している。また、残留応力測定は、Ｘ線回折測定法より精度の良いひずみゲージ開放法（配管内外面の測定箇所にひずみゲージを貼り付け、短冊切りの１次切断開放の工程から最終スリット切りの３次開放の工程を経て、周方向の開放ひずみ値εθと軸方向の開放ひずみ値εｚとの測定結果より、周方向の残留応力σθ，軸方向の残留応力を算出）を用いて測定した結果である。
【０１１３】
配管内面側の溶接裏面部及びその周辺部の残留応力は、図１２に示したように、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）及び溶接線方向の周方向残留応力σθ（◆印の線）の両方ともに、約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力になっている。一方、配管外面側の溶接表面部及びその周辺部の残留応力については、図１３に示したように、溶接部に隣接する部分の周方向残留応力σθ（◆印の線）が最大約１７０ＭＰａの引張応力になっている。これに対して、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）は、溶接部に隣接する部分及び溶接中央部分で約−１００ＭＰａの圧縮応力になっている。
【０１１４】
比較のために、初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例を図１４に示す。配管の材質やサイズ，開先形状，溶接条件及び溶接の施工法はほぼ同じあり、マルテンサイト系ワイヤを使用せずに、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤのみを使用していることが異なっている。この場合には、周方向残留応力σθが約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力であるのに対して、重要な軸方向残留応力σｚが最大で約１００ＭＰａの引張応力に変化している。開先継手の開先幅を狭くし、しかも、低入熱の溶接条件で積層溶接することによって、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を従来より大幅に低減することができるが、図１４に示したように、最大で約１００ＭＰａの引張応力が残っている。
【０１１５】
これに対して、本発明の多層盛溶接方法を施工することにより、図１２に示したように、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を圧縮応力に改善することができる。残留応力改善の結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。また、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【０１１６】
以上述べたように、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及び多層盛溶接構造物によれば、開先継手の多層盛溶接及び残留応力低減が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。また、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接することにより、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１１７】
また、溶接パス毎の入熱量，溶接による収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す一実施例の溶接断面である。
【図３】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例の溶接断面である。
【図４】図１に示した溶接手順概要と異なる他の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図５】図４に示した溶接手順概要と異なる他の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図６】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示すもう一つ別の一実施例の溶接断面である。
【図７】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物に係わる溶接装置の一実施を示す概略構成図である。
【図８】狭開先継手の溶接施工の概要を示す溶接前と積層溶接後の断面である。
【図９】図２及び図３に示した多層盛溶接に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質系の開先継手材）とにおける温度と伸び（１mm長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す説明図である。
【図１０】マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す説明図である。
【図１１】配管多層盛溶接の断面写真の一例である。
【図１２】本発明の多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例である。
【図１３】本発明の多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例である。
【図１４】初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例である。
【符号の説明】
【０１１９】
１，２…開先継手部材、１ｂ，２ｂ…開先裏面、３…開先内、４…ワイヤ、５…溶接台車、６…電極、７…溶接トーチ、８…ＴＩＧ溶接電源、８１…ワイヤ通電加熱電源、９ａ…溶接制御装置、９ｂ…操作ペンダント、１０…アーク、１１…第２のカメラ、１２，
３６…カメラ制御器、１３…第２の映像モニタ装置、１４…裏ビード幅Ｂの特定値、１５…裏ビード、１６…裏面側の溶融プール、１７…裏面側監視装置、１８，３９…表面側の溶融プール、１９…インサート材、２０…仮付け溶接のビード断面、２１…初層裏波溶接のビード断面、２２…２パス目溶接のビード断面、２３…３パス目溶接のビード断面、
３０…最終層のビード断面、３２…照明手段、３３…シールドガス、３４…バックガス、３５…第１のカメラ、３７…第１の映像モニタ装置、３８…画像処理装置、４１…第１の積層溶接工程、４２…第２の積層溶接工程、５１…開先形状の製作工程、５２…溶接準備工程、５３…初層裏ビード形成工程、５６…オーステナイト系ワイヤ、５７…マルテンサイト系ワイヤ、５８…インコネル系ワイヤ、５９…他のオーステナイト系ワイヤ、Ｈｂ…累計の積層ビード高さ、Ｈ…残存開先深さ、ｗ…開先底部幅、ｆ…ルートフェイス、θ…片面角度。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼の管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の多層盛溶接方法及び多層盛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の容器，配管，構成部品などの溶接構造物に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼材は、溶接などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が析出し易く、結晶粒界近傍にＣｒ欠乏層の形成により腐食に対する割れ感受性（材料の鋭敏化）が高くなることが知られている。また、溶接部分（溶接金属部及び隣接する熱影響部）には、高い引張残留応力が存在しており、高温水などの厳しい腐食環境下で使用されると、応力腐食割れが発生し易い。この応力腐食割れを防止するためには、前記材料の鋭敏化，引張応力，腐食環境の３因子の中から１つの因子を取り除く必要がある。このため、特に、高温水などの腐食環境下にさらされる溶接部分の表面及び近傍に残留する引張応力を圧縮応力に改善することが強く求められている。
【０００３】
従来から溶接材部分の引張残留応力の低減に関する溶接方法や溶接装置が幾つか提案されている。例えば、特許文献１（特公昭５３−３８２４６号公報）に記載の配管系の熱処理方法では、溶接組み立て後の配管の内部に冷却水を存在させ、前記配管の外部を加熱して管内面と管外面との間に温度差を発生させ、管内面を引張降伏させ、管外面を圧縮降伏させることが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２（特開２００１−１４１６２９号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接部位の予防保全方法及び装置では、線状の溶接部位を追従しながら高周波加熱コイルを移動させ、この高周波加熱コイルによって溶接部位を応力降伏点の温度より高い温度まで加熱する手順と、過熱領域に冷却水を噴出して急速冷却する手順を有することが提案されている。
【０００５】
一方、特許文献３（特表平９−５１２４８５号公報）に記載の金属部品を接合する方法及び装置では、選定速度（毎分１２７cm以上）で走行する電極先端のチップ近傍に溶接材を連続的に供給する段階と、前記チップからの放電電流によって溶接材料を開先内で連続的に溶融する段階と、溶接ビードを形成する段階とを有し、前記電極はチップに接合及び電気的に接続された非円形断面のブレードを有し、所定数の溶接パス全体で圧縮性のある最終残留応力状態を外部にヒートシンク媒体なしで生成して達成することが提案されている。
【０００６】
また、特許文献４（特公昭６２−１９９５３号公報）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の狭開先継手の多層盛溶接方法では、開先最深部に近い側の層をオーステナイト系溶加材を用いて溶着（溶接）し、前記層に隣接する外側の少なくとも１つの層をマルテンサイト系溶加材を用いて溶接することが提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献５（特開平１１−１３８２９０号公報）に記載の溶接方法及び溶接材料では、溶接によって生成する溶接金属に溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を生じさせ、前記溶接金属が室温時においてマルテンサイト変態の開始温度（例えば２５０℃未満１７０度以下）時より膨張している状態にすることが提案されている。
【０００８】
また、特許文献６（特開平９−２５３８６０号公報）に記載の高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤでは、全溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が
４００℃以下であり、ワイヤ全重量に対してＮｉが７.５〜１２％を含有し、Ｃが０.１％以下、Ｈは２ppm 以下に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送り速度を５〜４０ｇ／分にして溶接することが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特公昭５３−３８２４６号公報（特許第９５７３２４号）
【特許文献２】特開２００１−１４１６２９号公報
【特許文献３】特表平９−５１２４８５号公報（特許第３２１５４２７号）
【特許文献４】特公昭６２−１９９５３号公報（特許第１４１５０５４号）
【特許文献５】特開平１１−１３８２９０号公報（特許第３３５０７２６号）
【特許文献６】特開平９−２５３８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１の場合には、溶接組み立て時に生じていた配管内面の引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるのに有効な方法であると考えられる。しかしながら、溶接設備と異なる大型の高周波加熱設備が必要であるばかりでなく、溶接完了後に、配管の内周部に冷却水を供給しながら外周部を高温加熱するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１１】
また、上記特許文献２の場合には、引張残留応力を低減するための工夫がされている。しかしながら、溶接完了後に、線状の溶接部位表面上を移動させる高周波コイルにより高温加熱し、過熱領域を冷却水の噴射により急速冷却しているため、移動式の加熱及び水冷設備が必要になると共に、この高温加熱及び急速冷却を実施するための作業工数及び費用が必要になる。
【００１２】
一方、上記特許文献３の場合には、外部にヒートシンク媒体を使用せずに、熱効率の高い溶接施工及び狭い開先継手の伝導性自己冷却効果により、引張残留応力及び溶接ひずみを低減する工夫がされている。しかしながら、この引張残留応力を圧縮残留応力に変化させるまでに至らない可能性が高い。また、安価な円形断面のタングステン電極棒と異なる非円筒形（非円形断面）に成形した薄い電極を使用しているため、この薄い電極は、製作費が高価になり、また、開先内に挿入してアーク溶接する時に生じる電極先端の消耗に伴う電極交換費用もコスト高になる。開先内に供給して溶融させるワイヤ（溶加材）は、溶接対象の開先継手材と同じ組成のオーステナイト系ワイヤが使用され、このワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤは使用されていない。
【００１３】
また、上記特許文献４の場合には、管内面の引張残留応力を低減するために、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて溶接している。引張残留応力の低減に有効であるが、まだ引張応力が残留しており、圧縮応力に変化させるまでに至っていない。また、実施例に記載されているマルテンサイト系ワイヤは、開先内の中間層の溶接部分のみに使用されており、開先表面の最終層の溶接部分には使用されていない。さらに、開先継手の角度が広いため、板厚の厚い開先継手を溶接する場合には、溶接すべき開先断面積及び開先肩幅が増加し、１層１パスずつ積層する溶接が困難であり、１層多パスの多層盛溶接が必要になり、引張残留応力及び収縮変形が増す可能性があり、圧縮応力に改善することは困難である。また、溶接方法については、不明であるが、実施例から想定すると、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではなく、溶接ワイヤ（溶加材）を電極にするアーク溶接法の可能性が高い。
【００１４】
また、上記特許文献５の場合には、溶接継手の疲労強度を向上するために、マルテンサイト変態を生じさせる溶接材料（溶接ワイヤに該当）を用いて溶接している。溶接対象は主に低合金鉄鋼材料（高張力鋼材など）の溶接構造物であり、材質が異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。また、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、すみ肉継手やＴ継手や十字継手の溶接表面部分、又はＸ開先継手の両面溶接の表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象ではない。さらに、溶接方法については、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接法であり、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接法ではない。
【００１５】
また、上記特許文献６の場合には、高張力鋼の溶接割れの防止に有効であると考えられるが、材質の異なるステンレス鋼材の溶接に適用することができない。この他にも、マルテンサイト変態を生じさせる溶接ワイヤを用いて溶接する溶接方法が幾つか提案されているが、主に高張力鋼材の溶接が対象であり、オーステナイト系ステンレス鋼材の溶接ではないようである。また、前記特許文献６と同様に、溶接で生じる引張残留応力の低減箇所は、溶接表面部分であり、継手形状及び溶け込み形状が異なる狭開先継手のような片面溶接で求められている溶接裏面部分が対象になっていない。
【００１６】
本発明の目的は、厚板の開先継手に必要な開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層する多層盛溶接を良好に施工すると共に、溶接終了後の裏面側及び表面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善する又は大幅低減するのに有効なステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛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】
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために、管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手に材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接することを特徴とする。
【００１８】
本発明は、特に、ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまでオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、前記第１の積層溶接工程後に、前記第一の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とする多層盛溶接方法にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の多層盛溶接方法によれば、開先継手の裏面側の溶接部分に残留する引張応力を圧縮応力に改善し、応力腐食割れを防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
本発明は、上記目的を達成するために、厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接するアーク溶接を行う多層盛溶接方法において、少なくとも非消耗電極方式のパルスアーク又は直流アークによる初層溶接又は仮付け溶接後の初層溶接で前記開先底部の裏面側に裏ビードを形成させる初層裏波溶接工程と、この初層裏波溶接工程後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、前記開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する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繰返し行う第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する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繰返し行う第２の積層溶接工程とを有することを特徴とする多層盛溶接方法を提案する。
【００２２】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテ
ンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２３】
特に、前記初層裏波溶接工程では、形成すべき裏ビード幅の適正範囲を４〜７mm、好ましくは４〜６mmに特定し、前記パルスアーク溶接のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、あるいは前記直流アーク溶接の平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定値の適正範囲に形成するとよい。
【００２４】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とを有することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２５】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する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ステンレス鋼の多層盛溶接方法において、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させた後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接し、この積層溶接後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接方法を提案する。
【００２６】
特に、前記累計積層ビード高さは、開先継手の板厚の１／５以上，４／５以下の範囲に特定し、また、前記残存開先深さは、開先継手の板厚の４／５以下，１／５以上の範囲に特定し、この特定した範囲に到達するまで、前記オーステナイト系ワイヤを送給及び開先内で溶融させて積層溶接するようにするとよい。
【００２７】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接する、あるいは前記インコネル系ワイヤ又は前記他のオーステナイト系ワイヤを送給及び溶融させて、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００２８】
また、前記開先継手の開先形状は、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成するようにするとよい。
【００２９】
また、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接するようにすることもできる。
【００３０】
また、前記第２の積層溶接工程では、この以前の第１の積層溶接工程で前記オーステナイト系ワイヤを開先内で溶融させて積層溶接した時の最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件よりも小さい入熱量の溶接条件に変更して使用し、あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後前の溶接条件と同等の溶接条件を再使用し、また、前記マルテンサイト系ワイヤは、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤを用い、このマルテンサイト系ステンレスワイヤを前記開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００３１】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを前記アーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するようにすることもできる。
【００３２】
また、前記初層裏波溶接工程，第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で使用する非消耗電極方式のパルスアーク溶接では、溶接毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上、最大で５００Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは大別した３つの前記溶接工程で複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接までパルスアーク溶接を行うようにするとよい。
【００３３】
また、前記第１の積層溶接工程，第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給及び溶融させるか又は通電加熱しながらアーク溶接部分に送給及び溶融させる非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。
【００３４】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３５】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程と、溶接準備の完了後に、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、この第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する、あるいは線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作することを特徴とするステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３６】
特に、前記開先継手の開先形状は、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成するとよい。
【００３７】
溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材により、開先底部の突き合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、初層裏波溶接工程で、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００３８】
また、本発明は、上記目的を達成するために、厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先底部から開先上面部まで片面溶接及び溶接裏面部分の残留応力低減が必要な開先継手であり、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて前記開先上面部まで積層溶接するアーク溶接を行って製作するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有する、あるいは前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有す
るステンレス鋼の多層盛溶接構造物を提案する。
【００３９】
すなわち、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程により、片面溶接で重要な開先継手の裏面側に完全溶け込みの裏ビードを確実に形成できるばかりでなく、例えば、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。
【００４０】
特に、開先裏面からの累計積層ビード高さＨｂは、開先継手の板厚Ｔの１／５以上，４／５以下の範囲に特定し、あるいは開先表面からの残存開先深さ（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂ）は、開先継手の板厚Ｔの４／５以下，１／５以上の範囲に特定することにより、目標とする特定の高さ位置まで開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を充填できるばかりでなく、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することができる。
【００４１】
また、前記第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程により、開先継手材と融合性の良い溶接金属部を開先上面部まで良好に充填できるばかりでなく、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。
【００４２】
また、前記第１の積層溶接工程後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程により、この積層溶接による溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００４３】
また、前記第２の積層溶接工程では、前記マルテンサイト系ステンレスワイヤを送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接する、あるいは前記インコネル系ワイヤ又は前記他のオーステナイト系ワイヤを送給及び溶融させて、前記開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接するか又は１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接するか又は最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接することにより、１層パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも、１層２パス溶接によって、この開先幅の両壁面を確実に溶融することができ、開先上面部の最終層ま
で良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。
【００４４】
さらに、前記第１の積層溶接工程，第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることにより、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【００４５】
また、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程を設けることにより、特定寸法の開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材により、開先底部の突き合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができるばかりでなく、初層裏波溶接時に、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００４６】
また、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上，最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定め、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接することにより、目標とする特定値のパルス周波数のパルスアークを初層裏波溶接，第１及び第２の積層溶接工程の各溶接で確実に出力できるばかりでなく、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融，溶け込み深さを促進することができる。
【００４７】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法では、初層裏波溶接によって開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させた後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で開先内を確実に充填することができる。また、この積層溶接後に、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接することにより、上述したように、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。
【００４８】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、上述した第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程によって製作することにより、開先継手の多層盛溶接及び残留応力低減が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部から初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。さらに、この第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程の以前に、溶接すべき前記開先継手の開先形状を特定範囲の寸法に形成する製作工程を設けることにより、特定寸法の開先形状を有する開先継手を確実に製作することができる。特に、開先底部の開先幅又はこの開先底部中央に挿入するインサート材の幅を含む開先幅を最小で４mm以上，最大で８mm以下、開先上面部までの片面角度を１０°以下の特定範囲の寸法に形成することにより、上述したように、溶接パス毎の入熱量，溶接熱による収縮変形を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。
【００４９】
また、上述したように、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤに交換して、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接することにより、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コ
スト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【００５０】
また、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接構造物では、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有することにより、上述したように、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができ、同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有することにより、上述したように、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００５１】
以下、本発明の内容について、図１〜図１３の実施例を用いて具体的に説明する。
【００５２】
図１は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。また、図２は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す一実施例であり、（１）は継手部材の狭い開先内に非消耗性の電極及びワイヤを挿入した状態の溶接前の開先断面、（２）は初層裏波溶接した時の溶接断面、（３）はオーステナイト系ワイヤを用いて開先底部から板厚Ｔの３／５程度の高さＨｂまで積層溶接し、その後にマルテンサイト系ワイヤに交換して開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接した時の溶接断面、（４）は(３)と同様に、オーステナイト系ワイヤを用いて板厚Ｔの１／４程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後にマルテンサイト系ワイヤに交換して残り深い部分から開先上面部まで積層溶接した時の溶接断面である。また、図３は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例であり、図２の積層溶接と異なる方法で積層溶接した時の溶接断面である。
【００５３】
すなわち、図１に示すように、最初の開先形状の製作工程５１は、溶接対象の継手部材を所定寸法に機械加工したり、溶接場所に搬送したり、加工後の継手部材や部品を組立したりする工程である。この継手部材１，２は、図２（１）に示すように、開先裏面１ｂ，２ｂ側に裏ビード１５を形成させると共に、開先表面１ａ，２ａ側の開先上面部まで積層する多層盛溶接が必要な容器や配管や案内管など厚板の管部材又は厚板の平板部材を突き合せた狭い開先継手である。特に、原子力発電プラント，火力発電プラント，化学プラントなどで使用されるオーステナイト系のステンレス鋼材からなる狭開先継手であって、多層盛溶接の施工によって裏面側の溶接部分（裏ビード１５部分）に残留する応力を圧縮応力に変化させることが重要である。
【００５４】
前記製作工程５１では、例えば、開先底部の開先幅ｗ又はこの開先底部中央に挿入するインサート材１９の幅を含む開先幅ｗを最小で４mm以上，最大で８mm以下の寸法、開先上面部までの片面角度θを１０°以下の狭い開先形状に仕上げることにより、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。また、開先底部中央に挿入するインサート材１９により、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができ、特に、後述する初層裏ビード形成工程（初層裏波溶接工程とも称す）で、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。なお、前記開先形状及びインサートについては、図８で詳細に後述する。
【００５５】
次の溶接準備工程５２では、溶接台車５,溶接トーチ７,ワイヤ４などの取付け、ＴＩＧ溶接電源８や溶接制御装置９ａの立上げ，溶接動作の準備，溶接条件の設定を行う。ワイヤ４は、開先継手材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を送給できるように準備するとよい。図２（１）に示したように、狭い継手部材１，２の開先内３に非消耗性の電極６とこの電極６先端に点弧するアーク１０で溶融させるワイヤとを挿入して溶接を施工する。
【００５６】
この非消耗性のタングステン電極６は、高融点材のＬａ2Ｏ3入りＷ，Ｙ2Ｏ3入りＷ，
ＴｈＯ2 入りＷの電極棒であり、開先内に挿入可能な細径の丸電極を使用すればよい。本溶接試験によれば、太径電極の横幅を狭く偏平形状に加工しなくても、開先内３に挿入可能な細径の丸電極６(例えば外径φ１.６，φ２.４の電極棒の先端のみを円錐形状に加工)であっても、図示していないシールドガス流入の雰囲気内で、この丸電極６先端と開先底部との間に発生させるアーク１０が開先内３の壁面側にはい上がることなく、溶融すべき開先底部の部分に前記アークを安定に保持することができる。さらに、前記細径の丸電極６は、安価に入手できると共に、丸電極棒の先端のみを簡便な電極研磨器で簡単に円錐加工することができ、消耗時の再加工，溶接トーチへの取付け取り外し作業が容易で使い勝手がよい。
【００５７】
また、前記細径の丸電極６の代わりに、太径の電極下部の横幅を開先幅ｗより狭い偏平形状に形成した非消耗性の電極、あるいは開先幅ｗより狭い偏平形状に該当する非円形断面形状を有する他の非消耗性の電極を用いて溶接を行うことも可能である。この偏平形状の電極は、太径の丸電極下部の横幅を偏平形状に加工するための製作費用を要するが、上述した細径の丸電極６とほぼ同様に、電極先端のみを簡便な電極研磨器によって簡単に円錐加工でき、溶接トーチへの取付け取り外し作業容易である。
【００５８】
次の初層裏ビード形成工程５３では、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接，開先底部の裏面側に適正範囲の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接を行う工程である。特に、裏ビード形成が必要な初層裏波溶接（初層裏ビード形成工程５３）では、図２(２)に示すように、形成すべき裏ビード幅Ｂの適正範囲を４〜７mm、好ましくは４〜６mmに特定し、そして、裏面側１ｂ，２ｂまで溶融可能な入熱アークの初層条件を出力させ、裏ビード幅ｗが特定範囲に形成するように施工するとよい。例えば、非消耗電極方式のパルスアーク溶接の場合は、ピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、また、直流アーク溶接の場合には、平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御し、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅が前記特定の適正範囲に形成させることにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、目標にしている裏ビード幅を特定値の適正範囲（例えば４〜６mmの範囲）に確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。この初層裏波溶接は、開先底部を浅く溶かすワイヤなしの仮付け溶接した後に行うようにすることもできる。なお、この初層裏波溶接については、さらに図７及び図８で後述する。
【００５９】
次の第１の積層溶接工程４１は、図１及び図２に示したように、初層裏ビード形成工程（初層裏波溶接工程）の終了後に、開先裏面から特定の累計積層ビード高さＨｂに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内３のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する溶接動作を繰返し行う工程である。この第１の積層溶接工程４１により、高温水などの腐食環境下にさらされる内面側又は底面側の溶接裏面部及びこの溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填することができる。
【００６０】
なお、ワイヤ４については、開先継手の部材１，２の材質（例えば、ＳＵＳ３０４系，ＳＵＳ３１６系）と同質系のオーステナイト系ワイヤ（例えば、外径がφ０.８〜φ１.２で、Ｙ３０４系かＹ３０８系，Ｙ３１６系の市販ワイヤ）を用いており、図２及び図３に示したように、開先内３で溶融させて１層１パスずつ積層溶接４１するようにしている。また、前記開先継手部材１，２の材質が異なる他のオーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０９系，ＳＵＳ３２１系など）の場合には、この継手部材の材質に合った同質系のオーステナイト系ワイヤを用いればよい。
【００６１】
初層裏波溶接後に行う２層目の溶接では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、少なくとも初層裏波溶接時に形成した裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１／２〜２／３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【００６２】
また、前記第１の積層溶接工程４１では、開先裏面から積層すべき累計積層ビード高さＨｂを開先継手の板厚Ｔの１／５以上から４／５以下の範囲に特定し、開先表面から残存すべき残存開先深さＨを板厚Ｔの４／５以下，１／５以上の範囲（Ｈ＝Ｔ−Ｈｂに該当）に特定するとよい。そして、特定した前記累計積層ビード高さＨｂ又は残存開先深さＨに到達するまで、オーステナイト系ワイヤ５６を開先内で溶融させて積層溶接（第１の積層溶接工程４１）することにより、上述したように、溶接裏面部から特定の高さ位置まで、開先継手材と同質系のオーステナイト系の溶接金属で確実に充填することができる。同時に、その後に溶接すべき残存開先深さや溶接パス数及び層数を予測することもできる。
【００６３】
なお、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接すべき累計積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎる又は残存する開先深さＨが板厚Ｔの４／５より大き過ぎると、腐食環境下にさらされる溶接裏面部分の耐食性保持，腐食進行の防止を損なうおそれがあって好ましくない。前記積層ビード高さＨｂの最小値は、板厚の大小によって変化するが、少なくとも２層目の溶接ビード高さまではオーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工することが好ましい。一方、オーステナイト系ワイヤ５６を用いて溶接すべき累計の積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの４／５より大き過ぎる又は残存する開先深さＨが板厚Ｔの１／５より小さ過ぎると、その後に、前記マルテンサイト系ワイヤ５７に交換して最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎるため、室温時の溶接金属部に生じさせる膨張効果及び張力が相対的に低下し、反対側の最も離れた溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができなくなって好ましくない。また、前記マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いる場合も、最終層まで積層溶接すべき部分が少な過ぎることになるので好ましくない。
【００６４】
また、第１の積層溶接工程４１では、少なくとも初層の溶接条件，２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件（例えば、４ｋＪ／cm〜１２ｋＪ／cmの低い入熱条件又は平均溶接電流が約１２０Ａ〜２２０Ａのアーク条件）に変更して１層１パスずつ積層溶接４１するように、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件
（例えば、約４ｋＪ／cmか約６ｋＪ／cmか約８ｋＪ／cmか約１０ｋＪ／cmか約１２ｋＪ／cmに特定した低い入熱条件）に設定して積層溶接４１するように、前記非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。ワイヤ送り量については、溶接入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０.５〜２.０mmの範囲内になるように送給するとよい。
【００６５】
また、溶接中は、図７で後述する第１の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。このように第１の積層溶接工程４１を施工することにより、開先裏面から所定の積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填すことができる。
【００６６】
さらに、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。次の第２の積層溶接工程４２は、図１及び図２に示したように、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤ５７を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する溶接動作を繰返し行う工程である。この第２の積層溶接工程４２により、開先内の残り部分から開先上面部の最終層までマルテンサイト系ワイヤによる溶接金属で確実に充填することができるばかりでなく、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【００６７】
また、この第２の積層溶接工程４２では、図３に示したように、１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接することにより、１層１パス溶接が可能な狭い開先の多層盛溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも開先幅の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができる。また、上述したように、ワイヤを通電加熱しながら開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させることによって、ワイヤ無通電時のワイヤ溶融量に比べて溶接パス毎のワイヤ溶融量を増加することができ、開先上面部の最終層溶接まで少ない溶接パス数で良好に仕上ることができる。
【００６８】
また、図３に示したように、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１された第１の溶接金属部４１１と、前記第１の溶接金属部４１１と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、前記オーステナイト系ワイヤ５６と異なるマルテンサイト系ワイヤ５７を用いて積層溶接４２された第２の溶接金属部４２２とを有する溶接構造物とすることもできる。
【００６９】
このように、オーステナイト系ワイヤ５６とマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接４１，４２すること、あるいは前記第１の溶接金属部４１１の上部に材質の異なる前記第２の溶接金属部４２２を積層することにより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。
【００７０】
なお、前記第２の積層溶接工程４２で使用するマルテンサイト系ワイヤ５７は、溶接時の冷却過程でマルテンサイト変態を生じ、通常の室温（例えば２０℃）時に、マルテンサイト変態の開始温度(例えば１００〜３００℃)時よりも膨張した状態になる溶接金属であり、しかも、溶接対象のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手材と融合性の良いマルテンサイト系のステンレスワイヤを用いるとよい。例えば、少なくとも化学組成のＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるマルテンサイト系ステンレスワイヤ（外径がφ０.８〜φ１.２のワイヤ）を用いればよい。
【００７１】
また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤに交換して用いることもできる。そして、この交換した前記ワイヤをアーク溶接部分に送給して溶融させ、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接に到達するまで順番に１層１パスずつ積層するように非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を繰返し行うようにしてもよい。
【００７２】
さらに、この交換した前記ワイヤを通電加熱しながらアーク溶接部分に送給して溶融させ、あるいは前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給して溶融させ、開先内の残り部分の溶接から開先上面部の最終層溶接に到達するまで積層溶接４２する非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにすることもできる。なお、ワイヤの通電加熱は、ワイヤと継手部材との間にワイヤ通電加熱電源を接続して作動させれば、実施可能となり、ワイヤ電流の大きさで制御し、また、選択スイッチで通電のありなしも可能となる。このワイヤ通電加熱は必要な溶接パスを選択して実施すればよい。
【００７３】
また、非消耗電極方式のパルスアーク溶接を行う場合には、前記第１の積層溶接工程及び第２の積層溶接工程で、溶接パス毎又は溶接層毎に出力すべき高いピーク電流と低いベース電流とを交互に繰り返すパルス周波数を最小で１Ｈｚ以上，最大で５００Ｈｚ以下、好ましくは１５０Ｈｚ以下の範囲で使用する１つ以上の特定値を定め、あるいは初層裏波溶接又は仮付け溶接及び初層裏波溶接と、この初層裏波溶接を除いた第１の積層溶接工程と、前記第２の積層溶接工程とで使用する複数の異なる特定値を定めるとよい。そして、この定めたパルス周波数のパルスアークを溶接パス毎又は溶接層毎に出力させて、前記仮付け溶接を含む開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで積層溶接することにより、目標とする特定値のパルス周波数のパルスアークを初層裏波溶接、第１及び第２の積層溶接工程の各溶接で確実に出力できるばかりでなく、直流アーク溶接で出力させる平均電流と同じ平均電流であっても、アーク力及び指向力を強くでき、開先内の両壁面部及び開先底面部の溶融，溶け込み深さを促進することができる。また、開先底部から開
先上面部までの積層溶接を良好に仕上ることができる。
【００７４】
なお、パルスアーク溶接時のパルス周波数が最も低い約１Ｈｚ(パルス周期時間：１ｓ)の場合は、例えば、溶接速度が９０mm／min 以上の速度領域で溶接ビードのリップル形状（貝殻模様のような波目）が約１.５mm 以上に荒くなり易い。一方、パルス周波数が高い約３００Ｈｚ，約５００Ｈｚの場合には、パルス周期時間が極端に短くなるため、給電ケーブルの延長（例えば１０倍の１００mm以上に延長）が必要な時に、このケーブル延長に伴うリアクタの増加によって、矩形状のピーク電流波形が台形状や三角形状に変化するので、事前にピーク電流値を少し高めに補正することが望ましい。このパルス周波数を約
１５０Ｈｚ以下に下げた場合には、例えば、給電ケーブルを１００ｍまで長く延長しても、ほぼ矩形状のピーク電流波形を出力することが可能である。
【００７５】
図４は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の他の一実施例を示す説明図である。図１との主な相違点は、初層裏ビード形成工程５３の部分を第１の積層溶接工程４１の中に併合して施工するようにしたことである。他の部分は図１と同じであり、説明を省略する。
【００７６】
すなわち、図４に示した第１の積層溶接工程４１では、開先底部の裏面側に特定の裏ビード幅を形成させる初層裏波溶接又は仮付け溶接及び前記初層裏波溶接を含み、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達する又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、開先継手の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接するようにしている。積層溶接の方法については、上述した通りである。また、その後に最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接４２する第２の積層溶接工程４２も上述した通りである。このように積層溶接することにより、上述した目的を達成することができる。
【００７７】
図５は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の他の一実施例を示す説明図である。図１及び図４との主な相違点は、マルテンサイト系ワイヤ５７の代わりに、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ５８又は前記開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤ５９を第２の積層溶接工程４２で用いることである。また、図６は、図５に示した積層溶接の概要を示す一実施例である。
【００７８】
すなわち、第１の積層溶接４１の終了後に施工する第２の積層溶接工程では、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接
４２する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繰返し行うようにしている。また、この第２積層溶接工程４２では、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて、開先内３の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで１層１パスずつ積層溶接する、あるいは、図６（１）（２）に示したように、１層１パスずつ積層する途中で必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接する、あるいは最終層の溶接パスを３パス以上に増して積層溶接するとよい。
【００７９】
さらに、開先継手の同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用いて積層溶接４１された第１の溶接金属部４１１と、この第１の溶接金属部４１１と接する開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで、前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９を用いて積層溶接４２された第３の溶接金属部４２３とを有する多層盛溶接構造物とすることもできる。
【００８０】
なお、前記インコネル系ワイヤは、ステンレス鋼との異材溶接が可能な高ニッケル合金であり、例えば、インコネル８２ワイヤ（ＹＮｉＣｒ−３），インコネル６２５ワイヤ
（ＹＮｉＣｒＭｏ−３）を用いればよい。
【００８１】
このように、第２の積層溶接工程で積層溶接４２すること、あるいは第１の溶接金属部４１１の上部に材質の異なる第２の溶接金属部４２３を積層することにより、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで前記インコネル系ワイヤ５８又は前記他のオーステナイト系ワイヤ５９による溶接金属で確実に充填することができるばかりでなく、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。また、同時に最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、上述したように、１層１パス溶接が可能な狭い開先の溶接だけでなく、１パスでは溶けにくくなる開先幅の壁面であっても、入熱アークが同一条件のまま又は少し低く抑制した条件でも開先幅の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍
に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。また、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【００８２】
図７は、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物に係わる溶接装置の一実施を示す概略構成図である。溶接対象の継手部材１，２は、厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管や案内管などの管部材であり、開先底部の裏面側に裏ビード１５形成（完全溶け込み）を有する初層裏波溶接、開先上部までの多層盛溶接が必要な狭開先継手ある。また、前記管部材と異なる形状製品の平板部材の狭開先継手であってもよい。図７に示す実施例では、レール上を走行する溶接台車５に搭載されている溶接トーチ７（ＴＩＧトーチ）に装着した非消耗性の電極６と、ワイヤ４を案内するワイヤホルダ２５の両方とを開先内３に挿入し、シールドガス３３の流入雰囲気で発生させるアーク１０中及び溶融プール中にワイヤ４を送給し、開先底部の裏面側に裏ビード１５を形成させる初層裏波溶接を行っている状況を示している。表面側の溶接部に流入するシールドガス３３は、不活性の純Ａｒガス、あるいはＡｒ＋数パーセントＨ2 入りの混合ガス又はＡｒ＋数十パーセントＨｅ入りの混合ガスを使用すればよい。これらの混合ガスを
使用すると、純Ａｒガスと比べてエネルギ密度やアークの集中性が高まり、溶融状態及び溶け込みを良くでき、溶接速度も上げることができる。
【００８３】
ＴＩＧ溶接電源８は、前記溶接トーチ７先端の電極６と継手部材１，２との間に接続されており、溶接モードを選択するスイッチによってパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の切り換えが可能な溶接電源である。パルスアーク溶接を選択した場合は、このパルスアーク溶接の給電に必要なピーク電流とベース電流，アーク電圧などの各条件値を任意に出力でき、また、パルス周波数の任意変更（例えば１Ｈｚ〜最大５００Ｈｚ）もできるようになっている。パルスアーク溶接と異なる直流アーク溶接を選択した場合には、溶接電流（平均電流）に該当する所望の直流電流，アーク電圧（平均アーク電圧）を出力することができる。
【００８４】
溶接制御装置９ａは、溶接トーチ７及びワイヤ４を搭載した溶接台車５の走行を指令制御し、ＴＩＧ溶接電源８の出力を指令制御し、溶接トーチ７（電極６）の左右位置，上下位置を必要に応じて指令制御し、電極６先端部へのワイヤ４の供給、このワイヤ４の左右位置及び上下位置を必要に応じて調整し、さらに、継手部材１，２の裏面側に配備してある裏面側監視装置１７を駆動するものである。操作ペンダント９ｂは、溶接制御装置９ａに接続されており、溶接条件調整手段，トーチ位置及びワイヤ位置調整手段を内蔵している。操作ペンダント９ｂに内蔵されている溶接条件調整手段により、パルスアーク溶接時のピーク電流とそのピーク電流時間，ベース電流とそのベース電流時間、又はパルス周波数とピーク電流の時間比率，電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用するピーク電圧又はベース電圧又は平均アーク電圧，ピークワイヤ送りとベースワイヤ送り，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、前記溶接トーチ７の位置ずれや、省略しているワイヤ４の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８５】
また、直流アーク溶接を選択した場合には、前記溶接条件調整手段により、直流アーク溶接で出力すべき平均電流，電極高さの制御（ＡＶＣ制御）に使用する平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度，溶接速度又はこの溶接速度に該当する走行速度の各条件値を設定したり、これらの条件値を溶接中に割り込んで調整したりすることができるようになっている。また、パルスアーク溶接の場合と同様に、トーチ位置及びワイヤ位置調整手段により、溶接トーチ７の位置ずれ，ワイヤ４の位置ずれを調整したりすることができるようになっている。
【００８６】
また、前記操作ペンダント９ｂに内蔵している溶接条件調整手段は、仮付け溶接で出力すべき小入熱の仮付け条件，初層裏波溶接で出力すべき初層条件，特定の累計積層ビード高さＨｂに到達するまで積層溶接する第１の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件、さらに、開先内の残りの溶接部分から開先上面部の最終層まで積層溶接する第２の積層溶接工程で出力すべき複数の積層条件を設定，記憶及び再生が可能な機能を有している。この溶接条件調整手段に該当する機能を有する溶接データファイルや他の手段であってもよい。また、前記操作ペンダント９ｂは、溶接実行手段を兼用しており、前記溶接条件調整手段又はこの溶接条件調整手段に該当する溶接データファイルに予め設定された層別又はパス別の各溶接条件に基づいて、仮付け溶接，初層裏波溶接、その後２層目溶接，３層目から開先上面部の最終層までの各溶接が順番に実行できるようになっている。
【００８７】
また、継手部材の上部にある溶接台車５には、表面側の溶接状態を監視するための第１のカメラ３５を、溶接トーチ７とワイヤホルダ２５との上部中間に配備している。この第１のカメラ３５と一対のカメラ制御器３６によって撮像する表面側の溶接状態の映像を第１の映像モニタ装置３７に画面表示して監視できるようにしている。前記第１のカメラ
３５，第１の映像モニタ装置３７に該当する他の第１の映像手段，第１の映像表示手段であってもよい。前記第１の映像モニタ装置３７の画面には、図７の左下段に示すように、開先表面１ａ，２ａ側から開先内３に挿入した電極６とワイヤ４、表側のアーク１０及び溶融プール１８、この溶融プール１８及び電極６の後方に形成する表側の溶接ビード３９の状態を表示している。この表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、開先内の電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれ（例えば左右方向，上下方向のワイヤ位置ずれ）をなくすことができる。また、溶接条件の因子も調整又は制御することもできる。
【００８８】
一方、継手部材１，２の裏面側には、裏面側監視装置１７を配備している。この裏面側監視装置１７には、裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部を撮像する第２のカメラ１１、この撮像周辺部を照らす照明手段３２（例えば小径の照明ランプ）、前記裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部の裏ビード１５を保護するためのバックシールドガス３４（例えばＡｒガス）を流すガス流出ボックスを装備している。また、第２の映像モニタ装置
１３は、図７の右下段に示すように、カメラ制御器１２と一対の前記第２のカメラ１１又はこの第２のカメラ１１に該当する撮像手段によって撮像する裏面側の溶融プール１６及びこの周辺部の映像をリアルタイムで画面表示するものである。同時に、この映像の大きさ又は溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂを示す寸法、初層裏波溶接で形成すべき裏面側の溶融プール幅又は裏ビード幅の適正範囲を示す特定値１４を第２の映像モニタ装置１３の画面内に表示するようにしている。この第２の映像モニタ装置１３は、これに該当する他の映像表示手段であってもよい。裏面側の溶融プール幅又は裏ビード幅を特定する適正範囲は、４〜７mm、好ましくは約４〜６mm（又は約５±１mm）であり、この適正範囲を特定した数値及びこの数値に該当する線引きライン（点線）又は寸法矢印を監視可能な状態に画面表示している。
【００８９】
このように、前記第２の映像モニタ装置１３の画面又はこの第２の映像モニタ装置１３に該当する第１の映像表示手段の画面に直接表示することにより、初層裏波溶接で重要な裏面側の溶融プール及び裏ビードの形成状態や大きさ、裏面側に突き出ているインサート材１９の溶融状態、特定値の裏ビード幅Ｂを映像として監視及び観察でき、溶接中の裏ビード幅が適正範囲に形成されているか否かを容易に判定することができる。特に、裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂの適正範囲を約４〜６mmに特定し、この特定値を前記第１の映像モニタ装置１３の画面内に直接色分け表示して明瞭に監視可能な状態にする。その後に、裏面側の裏ビード幅Ｂが前記特定値の適正範囲に形成するように、初層溶接条件を出力させて前記パルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うことにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に形成することが確実にでき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。
【００９０】
また、画像処理装置３８は、裏面側のインサート材１９を含む溶融プール１６及びこの周辺部の画像を処理して、裏面側の溶融プール１６の幅Ｂ又はこの溶融プール１６近傍の裏ビード１５幅Ｂをリアルタイムで検出し、また、インサート材の幅Ｃをも検出するものである。この画像処理装置３８に該当する他の検出処理手段であってもよい。溶接制御装置９ａ側にリアルタイムで送信される検出データは、溶接制御装置９ａ内で複数の値を平均化する処理を順次行い、その平均化処理した検出値と目標の前記特定値とを比較及び判定処理する。そして、この判定処理の結果に基づいて、裏面側の溶融プールＢ幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅Ｂが特定値の適正範囲（約４〜６mm又は約５±１mmの範囲）に形成するように、パルスアーク溶接時のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度のいずれか１つ以上の条件因子、あるいは前記条件因子の他に、ピーク電流時間中かベース電流時間中のワイヤ送り速度又は両時間中のワイヤ送り速度の値を含むいずれか１つ以上の条件因子を増減制御するようにしている。また、直流アーク溶接の場合には、平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度，ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を増減制御するようにしている。
【００９１】
例えば、前記画像処理装置３８で検出する裏面側の溶融プール幅の検出値Ｂｓが前記特定値の適正範囲より小さくなる状態（Ｂｓ＜Ｂ１＝４mm）であれば、ピーク電流Ｉｐ（パルスアーク溶接の時）や平均電流Ｉａ（直流アーク溶接の時）を増加（Ｉｐ＋ΔＩ又は
Ｉａ＋ΔＩ）させる。反対に、溶融プール幅の検出値Ｂｓが前記特定値の適正範囲より大きくなる状態（Ｂｓ＞Ｂ２＝６mm）であれば、ピーク電流（パルスアーク溶接の時）や平均電流（直流アーク溶接の時）を減少（Ｉｐ−ΔＩ又はＩａ−ΔＩ）させるとよい。溶融プール幅の検出値Ｂｓが適正範囲内の状態（例えばＢ１＝４≦Ｂｓ≦Ｂ２＝６mm）であれば、出力中の溶接条件をそのまま保持するとよい。
【００９２】
このように、検出値の判定結果に基づいて条件因子を適正に増減制御することにより、アーク力及び入熱量の増減によって溶融プール幅及びその溶融プール近傍の裏ビード幅を適正範囲内に短時間で回復することができる。また、ピーク電流又はベース電流（パルスアーク溶接の時），平均電流（直流アーク溶接の時）の増減と同時に、ピーク電圧又は平均アーク電圧又はワイヤ送り速度を増減する制御を行うことにより、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に確実に形成することができる。さらに、前記１つ以上の条件因子を増減調整又は増減制御すると共に、表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれをなくし、蛇行や融合不良のない良好な裏ビード幅を特定値の適正範囲に形成することができるばかりでなく、溶接士の負担を大幅に軽減でき、溶接品質の向上や生産性の向上を図ることができる。
【００９３】
図８は、狭開先継手の溶接施工の概要を示すものであり、（１）は溶接前の断面、(２)は本溶接前に仮付け溶接した時の断面、（３）は本溶接１パス目で初層裏波溶接した時の断面、（４）は前記継手部材の材質と同質系のオーステナイト系ワイヤを用いて２パス目まで溶接した時の断面、（５）は累計の積層ビード高さＨｂが板厚Ｔの約２／５に到達するまで積層溶接した時の断面、（６）は前記オーステナイト系ワイヤと異なるマルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接した時の断面である。この継手部材１，２は、上述したように、原子力発電プラントや火力発電プラントなどで使用される厚板のオーステナイト系ステンレス鋼からなる容器や配管や案内管などの管部材又は平板部材の溶接製品であり、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部まで積層する溶接施工及び溶接部分に残留する引張応力の圧縮応力化又は大幅低減が必要な狭開先継手ある。
【００９４】
この狭開先継手の一例では、図８（１）に示すように、開先底部の中央にインサート材１９を表面側１ａ，２ａ及び裏面側１ｂ，２ｂに各々突き出すように設けている。このインサート材１９は、前記継手部材１，２の材質と同質系のオーステナイト系ステンレス鋼材である。このインサート材１９を設けることにより、開先底部の突合せ部に生じ易い段違いやギャップの影響を緩和することができる。また、初層裏波溶接で必要な適正範囲
（約４〜６mm）の裏ビード幅Ｂを裏面側に確実に凸形状に形成することが容易にできる。さらに、このインサート材１９は、前記開先継手材と同質材であって、化学組成の一つであるＳ（重量％）が前記開先継手材より高めの０.００８〜０.０１５％含有しているインサート材１９を用いるとよい。特に、前記Ｓの含有量が高めの前記インサート材１９を用いることにより、Ｓの含有量が少ない通常のインサート材１９使用の溶接時よりも、アーク形状が細く絞られ、深さ方向への溶融金属の対流及び溶け込みが促進し、１０〜２０％程度少ない溶接電流（又は入熱量）の溶接条件で裏面側１ｂ，２ｂに裏ビード１５が確実に形成でき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を得ることができる。なお、Ｓ
（重量％）の含有量が０.０１５％を超えると、溶接割れの感受性が高まるので好ましくない。
【００９５】
一方、インサート材１９の幅を含む開先底部の開先幅ｗは、ここでは約６mmに設定した例を示しているが、例えば、最小値の約４mm又は約５mm、あるいは少し広めの約７mm又は最大値の約８mmの概略寸法、又はこれらの概略寸法に近い少数点含みの寸法（例えば約
５.３mm，６.４mm，７.５mm など）に予め形成するとよい。同時に、この狭開先継手の上部までの片面角度θを１０°以下に形成（例えば、約２.５°，約５°，約７.５°，約
１０°に形成）することにより、開先表面１ａ，２ａの上部まで狭い開先内３を１層１パスずつ積層する多層盛溶接を確実に施工することができる。また、溶接パス毎の入熱量や多層盛溶接の累計入熱量，溶接熱による収縮変形を従来溶接より大幅に低減できるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減や溶接工数の低減を図ることもできる。なお、この片面角度θを広くした開先継手を多層盛溶接することは可能であるが、板厚Ｔ又は開先深さＨの増加と共に、溶接すべき開先断面積Ａが増大（Ａ＝Ｈ2＊tanθ＋Ｈ＊ｗ）するため、溶接パス数の増加や溶接作業時間の増加，累計入熱量及び収縮変形も増加することになる。これを抑制するべく、前記片面角度θを１０°以下に限定した。開先底部のルートフェイスｆについては、約１〜２.５mm の範囲に形成すること、好ましくは約１.５mm 前後に形成することにより、裏面側まで容易に溶融させることができる。
【００９６】
本実験によれば、前記インサート材１９の幅を含む開先底部の開先幅ｗを４mm未満に形成すると、狭すぎるため、その開先内に挿入する電極６の外面と開先内３の壁面との隙間が極端に狭く、しかも、初層溶接及びその後の溶接による熱収縮によって開先幅全体が収縮し、開先壁面への電極６の接触やアーク発生が起こり易く、開先上部までの積層溶接が困難に至る。一方、開先底部の開先幅ｗが８mmを超えると、広すぎるため、開先面積の増加によって溶接パス数及びワイヤ使用量が増加し、溶接工数も増す結果となる。したがって、前記開先幅ｗは、上述したように、最小でも４mm以上、最大でも８mm以下の寸法に形成することが好ましい。なお、１層１パスずつ積層する溶接が途中で難しくなる場合には、図３に示したように、必要に応じて開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接することにより、開先内の両壁面を確実に溶融でき、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。
【００９７】
本溶接の初層裏波溶接の以前に行う仮付け溶接では、図８（２）に示すように、継手部材１，２の裏面側１ｂ，２ｂの継ぎ部及びインサート材１９の突き出し部が溶融しない浅い溶け込みの低入熱アーク及びワイヤ送りなしの仮付け条件を出力させて、表面側１ａ，２ａから開先底部の継ぎ部とインサート材１９の突き出し部とを溶融接合２０するように、ワイヤ４送りなしの仮付け溶接２０を行うとよい。このように仮付け溶接することにより、裏面側まで溶融しない浅い溶け込みの溶接ビードが開先底部に良好に形成でき、溶接対象の開先継手を確実に接合固定することができる。また、本溶接の初層裏波溶接時にワイヤ送りが容易になると共に、裏ビード形成への悪影響をなくすことができる。
【００９８】
そして、本溶接で裏ビード１５形成が必要な初層裏波溶接２１では、裏面側まで溶融させる入熱アークの初層条件を出力させ、図８（３）に示すように、裏面側１ｂ，２ｂまで完全に溶け込むように溶融させると共に、溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード１５の幅Ｂが特定値の約４〜６mmの範囲（又は約５±１mmの範囲）に形成するようにしている。例えば、パルスアーク溶接の場合は、図７に示した第１の映像モニタ装置１３に画面表示する裏面側の溶融プール１６及びその溶融プール近傍の裏ビード１５の状態や大きさを示す映像と、目標の裏ビード幅Ｂの適正範囲を示す特定値とを監視し、溶接中の裏ビード幅が前記特定値の範囲に形成するように、必要に応じてピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度，ピーク電流時間中かベース電流時間中のワイヤ送り速度又は両時間中のワイヤ送り速度の値を含むいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御するとよい。初層溶接時のワイヤ送りは少量（例えば積層溶接時の半分以下）で充分である。また、直流アーク溶接の場合には、同様の裏ビード幅が前記特定値の範囲に形成するように、必要に応じて平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，溶接速度又は走行速度、ワイヤ送り速度のいずれか１つ以上の条件因子を調整又は制御するとよい。
【００９９】
例えば、溶融プール幅又は裏ビード幅が前記特定値の適正範囲より小さくなる又は大きくなる状態であれば、ピーク電流（パルスアーク溶接の時）や平均電流（直流アーク溶接の時）を増減調整すると、アーク力及び入熱量の増減によって溶融プール幅及びその溶融プール近傍の裏ビード幅を短時間で適正範囲内に回復することができ、応答性の緩やかな溶接速度又は走行速度の調整より優位である。前記ピーク電流や前記平均電流の次に、ベース電流の増減調整かアーク長又はアーク電圧の調整が有効であり、裏ビード幅を適正範囲内に回復することができる。また、ワイヤ送り速度の調整は、溶着金属の増減及び溶融プールの温度変化によって裏ビード幅と表面側のビード高さとの両方を微調整することができる。さらに、表面側の前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。
【０１００】
本実験によれば、例えば、裏面側の溶融プール幅が約２.５mm 以下になると、裏ビードが形成したり、形成しなかったりする極めて不安定な状態になり、さらに小さくなると、全くでない溶融不足（裏ビードなし）の欠陥溶接の結果に至った。一方、裏面側の溶融プール幅が約７.５mm を超える大きさになると、下向き姿勢での裏ビード形状が１mm以上凸形状に盛り上り（下側に沈み込む形状）、反対に、上向き姿勢での裏ビード形状は１mm程度凹んでしまう結果になり、溶接姿勢の違いによって裏面側の裏ビードが凹凸形状に変化した。さらに、裏面側の溶融プール幅が約９mmを超えると、溶け落ちる欠陥溶接に至った。したがって、上述したように、裏面側の溶融プール幅及び裏ビード幅を４〜７mmの範囲、好ましくは４〜６mm（５±１mm）の範囲に特定して確実に形成させ、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビードを得るようにしている。
【０１０１】
このように、裏面側の溶融プール幅及び裏ビード幅が前記特定値の適正範囲に形成するように、前記パルスアーク溶接又は直流アーク溶接を施工することにより、溶接装置を操作する溶接士が代わっても個人差の影響がなくなり、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を前記特定値の適正範囲に形成することが確実にでき、凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることができる。特に、高度な溶接技術を要する配管の全姿勢溶接，管材の横向き姿勢の溶接，平板材の上向き姿勢の初層裏波溶接２１に適している。さらに、前記１つ以上の条件値を調整又は制御すると共に、表面側の前記電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御することにより、電極６の位置ずれ（例えば左右方向の電極位置ずれ）やワイヤ４の位置ずれをなくし、蛇行や融合不良のない良好な裏ビード幅を特定値の適正範囲に形成することができる。ここでは少量のワイヤ送りを示したが、このワイヤ送りを停止（ワイヤなし）にして初層裏波溶接を実施することも可能である。また、ここでは継手部材１，２の開先底部中央にインサート材
１９を設ける溶接例を示したが、インサート材１９なしの開先継手であっても、例えば、下向き姿勢や立向き上進姿勢で初層裏波溶接２１を実施すれば、裏面側に目標としている溶融プール幅及び裏ビード幅を適正範囲に形成でき、凸形状でほぼ均一な裏ビード幅を良好に得ることが可能である。
【０１０２】
次に、初層裏波溶接の終了後に行う２層目の溶接２２では、オーステナイト系ワイヤを使用すると共に、図８（４）に示すように、少なくとも初層溶接時に形成した前記裏ビード１５を再溶融させない入熱条件に抑制した溶接条件（例えば、初層溶接条件の１／２〜２／３の入熱条件）に変更して、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うようにしている。このように２層目溶接の入熱を抑制して溶接することにより、裏ビードの再溶融が確実に防止できると共に、表面側に積層するビード高さを増すことができる。
【０１０３】
また、累計の積層ビード高さＨｂが３層目の溶接２３以降に到達するまで積層する第１の積層溶接工程では、図８（５）に示すように、少なくとも初層の溶接条件，２層目の溶接条件と異なる積層条件であって、溶接パスに該当する複数の適正な溶接条件に変更して１層１パスずつ積層溶接４１するように、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を繰返し行うようにしている。あるいはほぼ一定の適正な溶接条件に設定して積層溶接４１することもできる。また、ワイヤ送り量についても、溶入熱条件に適した溶融可能なワイヤ量であり、例えば、形成すべきビード高さが０.５〜２.０mmの範囲内になるように送給するとよい。また、溶接中は、図７に示した第２の映像モニタ装置３７に画面表示する表面側の溶接状態の監視結果に基づいて、電極６の位置又はこの電極位置及びワイヤ４位置を調整又は制御するとよい。このように第１の積層溶接工程４１を施工することにより、開先裏面から所定の積層ビード高さＨｂまでオーステナイト系ワイヤによる溶接金属で満たすことができる。
【０１０４】
そして、前記第１の積層溶接工程の終了後に、開先内３の残り部分から開先上面部の最終層３０まで積層する第２の積層溶接工程では、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤに交換し、図８（６）に示すように、継続すべき開先内３の残りの溶接部分２６から開先上面部の最終層３０まで１層１パスずつ積層溶接４２するようにしている。また、図３に示したように、１層１パスずつ積層する途中で開先左右に振分けて１層２パスずつ積層溶接することもできる。さらに、最終層の溶接パスを３パス以上に増して溶接することにより、最終層の累計ビード幅をより広くすることができ、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力をさらに小さくすることもできる。
【０１０５】
また、第２の積層溶接工程４２では、前記マルテンサイト系ワイヤを通電加熱しながら送給及び溶融させ、あるいは前記マルテンサイト系ワイヤを無通電のまま送給及び溶融させて、図８（６）に示すように、開先内３の残り部分の溶接２６から開先上面部の最終層３０まで１層１パスずつ積層溶接４２することもできる。
【０１０６】
さらに、このマルテンサイト系ワイヤを使用する積層溶接４２では、その以前にオーステナイト系ワイヤを使用して積層溶接４１した時の最後の溶接条件又はこの最後以前の溶接条件よりも小さい入熱量の適正な溶接条件に変更して溶接することにより、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができるばかりでなく、溶接による収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくすることができる。あるいは前記最後の溶接条件又はこの最後以前の溶接条件と同等の適正な溶接条件を再使用して溶接することにより、少ないパス数で積層できると共に、開先上面部まで良好な溶接結果を得ることができる。さらに、最終層の溶接３０（Ｐ＝Ｎ）では、図８（６）に示したように開先表面１ａ，２ａより少し盛り上る（例えは１mm程度の余盛り高さ）ように仕上げている。この最終層の溶接
３０又は最終層の前層の溶接及び最終層の溶接３０では、溶接トーチ４を左右に揺動させるウィービング溶接を行うとよい。このウィービング溶接によって溶接ビードの両止端部の溶け込みを良くし、貝殻模様のような波目を有する良好な溶接ビード外観を得ることができる。
【０１０７】
このように、２種類のワイヤを使い分けて各々積層溶接４１，４２することにより、原子力発電プラント，火力発電プラントなどで使用される厚板の容器や配管などの管部材や平板部材の開先継手の完全溶け込み溶接及び残留応力低減が要求される溶接製品であっても、開先裏面部から開先上面部まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることかできるばかりでなく、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接パス毎の入熱量を小さく抑制した溶接条件を用いることにより、パス毎の溶接及び累計の積層溶接で生じる溶接金属部及びこの周辺部の収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくすることもできる。
【０１０８】
図９は、図２及び図３に示した多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質系の開先継手材）とにおける温度と伸び（１mm長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す説明図である。また、図１０は、マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す説明図である。すなわち、図９に示すように、オーステナイト系ワイヤ（又はオーステナイト系ステンレス鋼の開先継手材）の場合は、点線で示すように、温度変化（上昇時と下降時）に対する伸び曲線が同一線上を行き来するように変化している。これに対して、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系ワイヤの場合には、実線で示すように、温度上昇時の伸び曲線と温度下降時の伸び曲線とが異なるように変化している。特に、温度下降時の過程（高温領域から冷却する過程）で、マルテンサイト変態が生じ、冷却後の室温時（約２０℃）に、マルテンサイト変態の開始
温度Ｍｓ時より膨張した状態になることを示している。
【０１０９】
本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物では、図９に示した温度変化に対する伸び曲線が異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接を施工している。すなわち、図１０に示すように、前記オーステナイト系ワイヤを用いて開先底部側を積層溶接４１し、その後に、マルテンサイト変態を有する前記マルテンサイト系ワイヤを用いて、開先内の残り部分から開先上面部の最終層まで積層溶接４２している。このように材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接４１，４２することにより、上述したように、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、溶接継手の引張強度試験，曲げ強度試験を行った結果、母材破断による母材以上の高強度，ミクロ割れもない延性強度を有する良好な結果が得られることを確認している。
【０１１０】
図１１は、本発明の多層盛溶接方法で施工した配管溶接の断面写真の一例である。また、この配管溶接時の溶接施工条件を表１に示す。この表１中には比較のために従来法で施工した時の溶接条件を併記しており、主な相違点はマルテンサイト系ワイヤのありとなしである。第１の溶接金属部は、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ５６を用い、板厚の約２／５程度の高さ位置まで、非消耗電極方式のアーク溶接の施工（例えば、６〜１０ｋＪ／cmの入熱条件）により積層溶接（６層６パス溶接）している。この上部にある第２の溶接金属部は、その後に、マルテンサイト系のステンレスワイヤ５７に交換して用い、残りの深い部分から開先上部の最終層まで、非消耗電極方式のアーク溶接６１の施工（例えば、約４ｋＪ／cmの低入熱条件）により積層溶接（３３層３３パス溶接）した時の溶接断面である。このように、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接することにより、開先底部の裏面から開先上部の表面まで欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。同時に、マルテンサイト系ワイヤによるマルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、重要な開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する応力を圧縮応力に改善することができる。なお、第２の溶接金属部は、低入熱量で溶接しているためにパス数が多いが、この入熱量を増加して溶接すれば、パス数を減らすことが容易にできる。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】
最後に、残留応力の測定結果について述べる。図１２は、多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例である。同様に、図１３は、多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例である。配管の材質がＳＵＳ３１６Ｌ系、外径が３１４mm、板厚が２９.５mm 、開先深さが２８mmである。溶接施工は、図３及び図８で説明したように示したように、配管と同質系のオーステナイト系ワイヤ(Ｙ３１６Ｌ系)を用いて開先板厚Ｔの２／５程度の浅い高さＨｂまで積層溶接し、その後に、マルテンサイト変態を有するマルテンサイト系のステンレスワイヤに交換して残りの深い部分から開先上面部まで低入熱条件で積層溶接している。また、残留応力測定は、Ｘ線回折測定法より精度の良いひずみゲージ開放法（配管内外面の測定箇所にひずみゲージを貼り付け、短冊切りの１次切断開放の工程から最終スリット切りの３次開放の工程を経て、周方向の開放ひずみ値εθと軸方向の開放ひずみ値εｚとの測定結果より、周方向の残留応力σθ，軸方向の残留応力を算出）を用いて測定した結果である。
【０１１３】
配管内面側の溶接裏面部及びその周辺部の残留応力は、図１２に示したように、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）及び溶接線方向の周方向残留応力σθ（◆印の線）の両方ともに、約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力になっている。一方、配管外面側の溶接表面部及びその周辺部の残留応力については、図１３に示したように、溶接部に隣接する部分の周方向残留応力σθ（◆印の線）が最大約１７０ＭＰａの引張応力になっている。これに対して、溶接線直角方向の軸方向残留応力σｚ（〇印の線）は、溶接部に隣接する部分及び溶接中央部分で約−１００ＭＰａの圧縮応力になっている。
【０１１４】
比較のために、初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例を図１４に示す。配管の材質やサイズ，開先形状，溶接条件及び溶接の施工法はほぼ同じあり、マルテンサイト系ワイヤを使用せずに、開先継手材と同質系のオーステナイト系ワイヤのみを使用していることが異なっている。この場合には、周方向残留応力σθが約−１００ＭＰａ以下の圧縮応力であるのに対して、重要な軸方向残留応力σｚが最大で約１００ＭＰａの引張応力に変化している。開先継手の開先幅を狭くし、しかも、低入熱の溶接条件で積層溶接することによって、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を従来より大幅に低減することができるが、図１４に示したように、最大で約１００ＭＰａの引張応力が残っている。
【０１１５】
これに対して、本発明の多層盛溶接方法を施工することにより、図１２に示したように、重要な溶接裏面部及びその周辺部の残留応力を圧縮応力に改善することができる。残留応力改善の結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることもできる。また、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【０１１６】
以上述べたように、本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及び多層盛溶接構造物によれば、開先継手の多層盛溶接及び残留応力低減が必要な厚板の容器や配管などの管部材又は平板部材であっても、開先底部の初層裏波溶接から開先上面部の最終層溶接まで良好に積層溶接することができる。また、オーステナイト系ワイヤとマルテンサイト系ワイヤとを使い分けて積層溶接することより、マルテンサイト変態及び膨張効果によって、室温時の溶接金属部に膨張作用及び張力が生じ、開先底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変えることができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。また、マルテンサイト系ワイヤの代わりに、ニッケル合金のインコネル系ワイヤ又は開先継手材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有する他のオーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接することにより、溶接金属部に線膨張係数の偏差による収縮抑制作用及び張力が生じ、底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。底面側の溶接裏面部及びその近傍に残留する引張応力を圧縮応力に変える又は大幅低減することができる。同時に、最終層の溶接表面部及びその近傍に残留する引張応力を従来より大幅に低減することもできる。
【０１１７】
また、溶接パス毎の入熱量，溶接による収縮変形やたわみ変形，熱影響部の領域を従来より小さくできるばかりでなく、溶接すべき開先断面積を従来より大幅に小さくでき、ワイヤの使用量の削減，溶接工数の低減を図ることができる。さらに、残留応力を改善できる結果、溶接完了後に、残留応力を除去するための高価な加熱処理装置を設けたり、加熱処理を行う必要がなくなり、コスト低減を図ることができるばかりでなく、原子力発電プラントなどの実機適用稼働における残留応力腐食割れ防止，長寿命化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す一実施例の溶接断面である。
【図３】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示す他の一実施例の溶接断面である。
【図４】図１に示した溶接手順概要と異なる他の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図５】図４に示した溶接手順概要と異なる他の溶接手順概要の一実施例を示す説明図である。
【図６】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物の溶接概要を示すもう一つ別の一実施例の溶接断面である。
【図７】本発明のステンレス鋼の多層盛溶接方法及びその多層盛溶接構造物に係わる溶接装置の一実施を示す概略構成図である。
【図８】狭開先継手の溶接施工の概要を示す溶接前と積層溶接後の断面である。
【図９】図２及び図３に示した多層盛溶接に使用するマルテンサイト系ワイヤと、オーステナイト系ワイヤ（又はこのワイヤと同質系の開先継手材）とにおける温度と伸び（１mm長さ当りの伸び）との関係を模式的に示す説明図である。
【図１０】マルテンサイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の上位部分に生じる膨張効果による張力とオーステナイト系ワイヤで積層溶接した溶接断面の裏面部分に生じる圧縮応力との関係を模式的に示す説明図である。
【図１１】配管多層盛溶接の断面写真の一例である。
【図１２】本発明の多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管内面の残留応力測定結果の一例である。
【図１３】本発明の多層盛溶接方法で施工した多層盛溶接構造物の１つである配管外面の残留応力測定結果の一例である。
【図１４】初層裏波溶接から最終層の溶接まで全て前記オーステナイト系ワイヤを用いて溶接施工した配管内面の残留応力測定結果の一例である。
【符号の説明】
【０１１９】
１，２…開先継手部材、１ｂ，２ｂ…開先裏面、３…開先内、４…ワイヤ、５…溶接台車、６…電極、７…溶接トーチ、８…ＴＩＧ溶接電源、８１…ワイヤ通電加熱電源、９ａ…溶接制御装置、９ｂ…操作ペンダント、１０…アーク、１１…第２のカメラ、１２，
３６…カメラ制御器、１３…第２の映像モニタ装置、１４…裏ビード幅Ｂの特定値、１５…裏ビード、１６…裏面側の溶融プール、１７…裏面側監視装置、１８，３９…表面側の溶融プール、１９…インサート材、２０…仮付け溶接のビード断面、２１…初層裏波溶接のビード断面、２２…２パス目溶接のビード断面、２３…３パス目溶接のビード断面、
３０…最終層のビード断面、３２…照明手段、３３…シールドガス、３４…バックガス、３５…第１のカメラ、３７…第１の映像モニタ装置、３８…画像処理装置、４１…第１の積層溶接工程、４２…第２の積層溶接工程、５１…開先形状の製作工程、５２…溶接準備工程、５３…初層裏ビード形成工程、５６…オーステナイト系ワイヤ、５７…マルテンサイト系ワイヤ、５８…インコネル系ワイヤ、５９…他のオーステナイト系ワイヤ、Ｈｂ…累計の積層ビード高さ、Ｈ…残存開先深さ、ｗ…開先底部幅、ｆ…ルートフェイス、θ…片面角度。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管部材又は平板部材を相互に突き合せ、開先底部から開先上面部まで片面溶接を行う開先継手に、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接する多層盛溶接方法において、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、
開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまでオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、
前記第１の積層溶接工程後に、前記第一の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程と
を有することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏波溶接及び積層溶接はオーステナイト系ステンレス鋼よりなる部材に対し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接で行うことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、前記第１の積層溶接工程、第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給及び溶融させるか又は通電加熱しながらアーク溶接部分に送給及び溶融させる非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載された多層盛溶接方法において、前記開先の底部の幅は４mm以上８mm以下であり、前記開先の片面角度が１０°以下の狭開先であることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項５】
請求項４に記載された多層盛溶接方法において、
前記開先底部の中央部にインサート材を表側及び裏側へ突き出すように設けていることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載された多層盛溶接方法において、
前記初層裏波溶接工程で形成する裏ビード幅を４mm〜７mmの範囲としたことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項７】
請求項６に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏ビード幅は、パルスアーク溶接時のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度の少なくともいずれかの条件を変更させて調整することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項８】
請求項６に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏ビード幅は、直流アーク溶接時の平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度の少なくともいずれかの条件を変更させて調整することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項９】
請求項１ないし３のいずれかに記載された多層盛溶接方法において、
前記第一の溶接工程で溶接する積層ビード高さは前記接合部材の厚さの１／５以上，４／５以下であることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１０】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、
前記第二の積層溶接工程は前記第一の積層溶接工程と比して入熱量を小さくすることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載された多層盛溶接方法において、
前記マルテンサイト系ワイヤは少なくともＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるものを使用することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１２】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の開先底部から開先上面部まで、材質の異なる２種類のワイヤを使い分ける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によって積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、
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、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、オーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、前記第１の積層溶接工程後に、前記第１の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作されることを特徴とする多層盛溶接構造物。
【請求項１３】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の開先底部から開先上面部まで、材質の異なる２種類のワイヤを使い分ける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によって積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、
開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、オーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有し、
あるいは前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有することを特徴とする多層盛溶接構造物。
【請求項１４】
請求項１２ないし１３に記載された多層盛溶接構造物において、
前記累計積層ビード高さは前記接合部材の厚さの１／５以上４／５以下であり、前記残存開先深さは前記接合部材の厚さの４／５以下１／５以上であることを特徴とする多層盛溶接構造物。
【請求項１】
管部材又は平板部材を相互に突き合せ、開先底部から開先上面部まで片面溶接を行う開先継手に、材質の異なる２種類のワイヤを使い分けて積層溶接する多層盛溶接方法において、開先底部の裏面側に裏ビードを形成する初層裏波溶接工程と、
開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまでオーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、
前記第１の積層溶接工程後に、前記第一の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程と
を有することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏波溶接及び積層溶接はオーステナイト系ステンレス鋼よりなる部材に対し、非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接で行うことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、前記第１の積層溶接工程、第２の積層溶接工程では、材質の異なる前記ワイヤを無通電のままアーク溶接部分に送給及び溶融させるか又は通電加熱しながらアーク溶接部分に送給及び溶融させる非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行うことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載された多層盛溶接方法において、前記開先の底部の幅は４mm以上８mm以下であり、前記開先の片面角度が１０°以下の狭開先であることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項５】
請求項４に記載された多層盛溶接方法において、
前記開先底部の中央部にインサート材を表側及び裏側へ突き出すように設けていることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載された多層盛溶接方法において、
前記初層裏波溶接工程で形成する裏ビード幅を４mm〜７mmの範囲としたことを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項７】
請求項６に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏ビード幅は、パルスアーク溶接時のピーク電流，ベース電流，ピーク電圧又は平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度の少なくともいずれかの条件を変更させて調整することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項８】
請求項６に記載された多層盛溶接方法において、
前記裏ビード幅は、直流アーク溶接時の平均電流，平均アーク電圧又はアーク長，ワイヤ送り速度の少なくともいずれかの条件を変更させて調整することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項９】
請求項１ないし３のいずれかに記載された多層盛溶接方法において、
前記第一の溶接工程で溶接する積層ビード高さは前記接合部材の厚さの１／５以上，４／５以下であることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１０】
請求項１に記載された多層盛溶接方法において、
前記第二の積層溶接工程は前記第一の積層溶接工程と比して入熱量を小さくすることを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載された多層盛溶接方法において、
前記マルテンサイト系ワイヤは少なくともＮｉが８〜１２重量％、Ｃｒが８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態開始温度が１００℃以上，３００℃以下であるものを使用することを特徴とする多層盛溶接方法。
【請求項１２】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の開先底部から開先上面部まで、材質の異なる２種類のワイヤを使い分ける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によって積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、
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、開先裏面から特定の累計積層ビード高さに到達するまで、又は開先表面から特定の残存開先深さに到達するまで、オーステナイト系ワイヤを開先内のアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第１の積層溶接工程と、前記第１の積層溶接工程後に、前記第１の積層溶接部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤ又は線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤをアーク溶接部分に送給及び溶融させて積層溶接する第２の積層溶接工程とによって製作されることを特徴とする多層盛溶接構造物。
【請求項１３】
管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手の開先底部から開先上面部まで、材質の異なる２種類のワイヤを使い分ける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によって積層溶接するステンレス鋼の多層盛溶接構造物において、
開先裏面から特定の累計積層ビード高さ又は開先表面から特定の残存開先深さまで、オーステナイト系ワイヤを用いて積層溶接された第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、マルテンサイト系ワイヤを用いて積層溶接された第２の溶接金属部とを有し、
あるいは前記第１の溶接金属部と、前記第１の溶接金属部と接する残り部分から開先上面部の最終層まで、線膨張係数の小さい他のオーステナイト系ワイヤ又はニッケル合金のインコネル系ワイヤを用いて積層溶接された第３の溶接金属部とを有することを特徴とする多層盛溶接構造物。
【請求項１４】
請求項１２ないし１３に記載された多層盛溶接構造物において、
前記累計積層ビード高さは前記接合部材の厚さの１／５以上４／５以下であり、前記残存開先深さは前記接合部材の厚さの４／５以下１／５以上であることを特徴とする多層盛溶接構造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−１９８６５７（Ｐ２００６−１９８６５７Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３４７９（Ｐ２００５−１３４７９）
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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