構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法
【課題】溶接する構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接トーチ５０を配管１ａ，１ｂの突合せ面２に垂直にして配管１ａの軸方向に配置し、溶接トーチ５０を突合せ面２に対向させて配管１ａの周方向に移動させながら、それぞれの突合せ面２に肉盛層３ａ，３ｂを形成する（Ｂ）。肉盛層３ａ，３ｂにそれぞれ開先４ａ，４ｂを形成し（Ｃ）、配管１ａの開先４ａと配管１ｂの３開先４ｂを対向させて配置する（Ｄ）。配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接を行い、開先４ａと開先４ｂの間に溶接金属部５を形成する。各肉盛層内に、配管の母材と肉盛層の境界部から、肉盛層の溶接線に直交する方向（配管の軸方向）に伸びるデンドライトが形成される。
【解決手段】溶接トーチ５０を配管１ａ，１ｂの突合せ面２に垂直にして配管１ａの軸方向に配置し、溶接トーチ５０を突合せ面２に対向させて配管１ａの周方向に移動させながら、それぞれの突合せ面２に肉盛層３ａ，３ｂを形成する（Ｂ）。肉盛層３ａ，３ｂにそれぞれ開先４ａ，４ｂを形成し（Ｃ）、配管１ａの開先４ａと配管１ｂの３開先４ｂを対向させて配置する（Ｄ）。配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接を行い、開先４ａと開先４ｂの間に溶接金属部５を形成する。各肉盛層内に、配管の母材と肉盛層の境界部から、肉盛層の溶接線に直交する方向（配管の軸方向）に伸びるデンドライトが形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法に係り、特に、応力腐食割れ（以下、ＳＣＣという）を抑制するのに好適な構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼製の配管（または板材）を突合せ溶接する場合には、一般的に、接合する配管（または板材）の突合せ面に開先を形成し、それらの開先で溶接を行って配管（または板材）同士を接合することが行われている。しかしながら、このような溶接では、溶接継手構造の表面に引張残留応力が発生するため、溶接継手構造が腐食環境に曝された場合にはＳＣＣが発生し、この溶接継手構造を有する構造部材の健全性が損なわれる可能性があった。
【０００３】
このため、溶接後における溶接継手構造の引張残留応力を低減するために、各種の技術が開発され、適用されている。しかし、残留応力改善技術（例えば、熱処理）の適用により溶接継手構造におけるＳＣＣを抑制することができるが、残留応力改善技術を適用するための工程を構造部材の製造工程に追加する必要があり、製造工程が長くなる。そこで、製造工程短縮のため、残留応力改善工程を削減することが望まれている。
【０００４】
一方、ＳＣＣが、主に溶接熱影響部（ＨＡＺ）で発生することが知られている。そこで、耐応力腐食割れ性に優れた溶接金属を、溶接後の溶接熱影響部の表面に肉盛溶接して、溶接継手構造におけるＳＣＣを抑制する溶接方法が、特開２００９−５０８８９号公報及び特開２００５−２８４０５号公報で提案されている。しかし、このような耐応力腐食割れ性に優れた溶接金属の肉盛方法でも、肉盛部の端部に溶接熱影響部が形成されるため、溶接継手構造におけるＳＣＣ発生の懸念を完全に払拭することはできない。
【０００５】
また、配管（または板材）の開先に肉盛溶接を施した後、２つの配管（または板材）の肉盛部同士を、突合せ溶接する方法が、特開２０００−２５４７７４号公報、開２００９−３９７３４号公報及び特開昭６１−２４９６８１号公報に記載されている。特開２０００−２５４７７４号公報は、溶接割れを抑制する溶接方法を記載している。この溶接割れを抑制する溶接方法では、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製の導入側ノズルの端部に肉盛溶接を行い、この肉盛溶接部（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系溶材）にＦｅ基超合金製の出口レジューサを溶接している。これによって、突合せ溶接部での溶接割れを抑制している。
【０００６】
特開２００９−３９７３４号公報は、溶接部で発生したＳＣＣの進展を抑制することができる配管の肉盛溶接方法を記載している。この溶接方法では、溶接する一対の配管のそれぞれの端部に、配管内面に発生するＳＣＣの進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させる肉盛溶接層を形成し、これらの肉盛溶接層にそれぞれ開先を加工し、一対の配管の肉盛溶接同士を溶接にて接合している。デンドライト組織がＳＣＣの進展方向と交差する方向に形成されるので、デンドライト組織によってＳＣＣの進展が抑制される。
【０００７】
特開昭６１−２４９６８１号公報に記載された溶接方法は、部品（母材）の炉水に接触する表面に肉盛溶接を行い、一対の部品を溶接にて接合している。この溶接においても、肉盛溶接部の端部付近に溶接熱影響部が形成される。特開昭６１−２４９６８１号公報でも、肉盛溶接部の端部付近に溶接熱影響部においてＳＣＣが発生する可能性がある。このため、特開昭６１−２４９６８１号公報では、溶接後に熱処理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−５０８８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８４０５号公報
【特許文献３】特開２０００−２５４７７４号公報
【特許文献４】特開２００９−３９７３４号公報
【特許文献５】特開昭６１−２４９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
突合せ溶接部での溶接割れを抑制している特開２０００−２５４７７４号公報では、溶接部におけるＳＣＣの発生を抑制することはできない。特開２００９−３９７３４号公報に記載された溶接方法は、発生したＳＣＣの進展を抑制することを目的としており、ＳＣＣの発生を抑制するものではない。特開昭６１−２４９６８１号公報では、肉盛溶接部の端部付近に形成される溶接熱影響部においてＳＣＣが発生する可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、溶接する構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、肉盛層を形成した一対の構造部材と、それぞれの構造部材の肉盛層同士を接合した溶接金属部とを有し、それぞれの肉盛層内に、肉盛層に形成される肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されていることにある。
【００１２】
各構造部材の肉盛層同士を接合した溶接金属部を有し、それぞれの肉盛層内に、肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されているので、その溶接線と直交する方向における引張残留応力が低減され、構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００１３】
肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成される肉盛層を、接合される一対の構造部材のそれぞれの溶接側端部に形成し、一対の構造部材に形成されたそれぞれの肉盛層に開先を形成し、それぞれの開先同士を対向させてその一対の構造部材を溶接にて接合することによっても、上記した目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溶接する構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１における構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図２】図１に示す構造部材の溶接方法において配管の突合せ面に実行される肉盛溶接の具体的な説明図である。
【図３】図２に示す肉盛溶接によって形成された肉盛層の溶融金属が凝固する際に成長するデンドライト組織の状態を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例である実施例２における配管に適用した構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図５】図４に示す構造部材の溶接方法において施工された配管の肉盛溶接部における残留応力分布を示す説明図である。
【図６】図４に示す構造部材の溶接方法で形成された配管の溶接継手構造部の内面における配管軸方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図７】図４に示す構造部材の溶接方法で形成された配管の溶接継手構造部の内面における配管周方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である実施例３における板部材に適用した構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図９】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造部の一面であるＡ面における溶接線に直交する方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１０】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造のＡ面における溶接線に平行な方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１１】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造の他面であるＢ面における溶接線に直交する方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１２】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造のＢ面における溶接線に平行な方向の残留応力分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
発明者らは、応力腐食割れの発生を抑制することができる構造部材の溶接継手構造について種々の検討を行った。この結果、発明者らは、構造部材の溶接端部に形成する肉盛層に、溶接線と直交する方向に伸びるデンドライト組織を形成することによって、構造部材の母材と肉盛溶接部の境界付近での引張残留応力を低減することができ、構造部材の溶接継手構造において構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生が抑制できることを新たに見出した。本発明は、発明者らが見出したこの新たな知見に基づいて成されたのである。
【００１７】
この新たな知見を考慮して得られた本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の好適な一実施例である実施例１における構造部材の溶接方法を、図１を用いて説明する。
【００１９】
本実施例の構造部材の溶接方法は、配管１ａ，１ｂの突合せ溶接に適用される。配管１ａの一端に突合せ面２が形成されている（図１(Ａ）参照）。８が配管１ａの外面であり、９が配管１ａの内面である。図示されていないが、配管１ｂの一端にも突合せ面２が形成されている。図１において、ｘ方向が配管の軸方向、ｙ方向が配管の半径方向、ｚ方向が配管の周方向を表している。
【００２０】
配管１ａの突合せ面２に肉盛溶接が行われ、突合せ面２で配管１ａの肉厚方向の全体に亘って肉盛層３ａが形成される（図１(Ｂ）参照）。突合せ面２への肉盛層３ａの形成は、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に垂直にして配管１ａの軸方向ｘに配置し、溶接トーチ５０を突合せ面２に対向させて配管１ａの周方向ｚに移動させながら溶接金属を溶融させて行われる（図１（Ｂ）及び図２参照）。突合せ面２上に形成された溶融池（ビード）７は、溶接トーチ５０の移動に伴って配管１ａの周方向ｚに移動する。このようなビードを重ねることにより、配管１ａの突合せ面２に肉盛層３ａが形成される。肉盛層３ａの形成に用いられる溶接金属は、配管１ａの母材と同種材あるいは高耐食材であることが好ましい。ちなみに、配管１ａ，１ｂはオーステナイト系ステンレス鋼で作られている。
【００２１】
このような肉盛溶接によると、配管１ａの肉盛層３ａと配管１ａの母材の境界部１２（図３参照）に溶接熱影響部が形成されるが、主たる引張残留応力は配管１ａの半径方向ｙに発生し、ＳＣＣが発生しやすい、配管１ａの軸方向ｘの引張残留応力はほぼ０ＭＰａである。このため、ＳＣＣ発生要因の一つである配管１ａの軸方向ｘの引張残留応力を低減できるため、配管母材の溶接熱影響部での配管の肉厚方向のＳＣＣの発生を抑制することができる。
【００２２】
また、肉盛層３ａを形成する溶接金属の溶融金属１３、すなわち、溶融池における溶融金属１３が凝固する際に溶接金属組織である複数のデンドライトが形成される。溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に垂直になる状態にして、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管１ａの周方向ｚに移動させることにより、これらのデンドライトは、その溶融金属１３が凝固するときに、配管１ａの母材６と肉盛層３ａの境界部１２に直交する方向（配管１ａの軸方向）に成長する。境界部１２は、配管１ａの周方向ｚに形成され、配管１ａの全周に亘って形成される。境界部１２に直交して境界部１２から溶融金属１３に向うデンドライトの成長の状態を図３に模式的に示す。配管１ａが例えばＳＵＳ３０４Ｌステンレス鋼（またはＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼）製である場合、溶融金属１３内には、凝固する際に、フェライト相１０とオーステナイト相１１が形成され、デンドライトが、境界部１２から境界部１２に直交する方向である配管１ａの軸方向に成長する。境界部１２から配管１ａの軸方向に所定厚みの肉盛層３ａが形成されたとき、デンドライトは、配管１ａの軸方向において、その境界部１２から肉盛層３ａの先端に向って伸びている。肉盛層３ａにおける肉盛りの溶接線が、溶融池が移動する方向である配管１ａの周方向ｚに形成される。この溶接線は境界部１２と実質的に平行になっている。このため、デンドライトは、肉盛層３ａの溶接線に直交して形成されるとも言える。
【００２３】
配管１ａに肉盛層３ａが形成された後、肉盛層３ａに開先加工を施し、肉盛層３ａに開先４ａを形成する（図１(Ｃ）参照）。
【００２４】
配管１ａに突合せ溶接される他方の配管１ｂにも、配管１ａと同様に、肉盛層３ｂを形成し、肉盛層３ａに開先加工を行って開先４ｂを形成する。配管１ｂの肉盛層３ｂにも、配管１ａと同様に、配管１ｂの軸方向において、その境界部１２から肉盛層３ｂの先端に向って伸びているデンドライトが存在する。
【００２５】
その後、配管１ａの開先４ａと配管１ｂの開先４ｂを対向させて配置し（図１(Ｄ）参照）、開先４ａと開先４ｂを溶接により接合する（図１(Ｅ）参照）。この配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている開先４ａと開先４ｂの間に配管の半径方向ｙを向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させて溶接ビードを順次形成しながら、開先４ａと開先４ｂの配管１ａ，１ｂの内面側の初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーの配管の半径方向ｙへの移動及び配管の周方向ｚへの移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成して開先４ａと開先４ｂの間を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層３ａと肉盛層３ｂの間に溶接金属部５が形成され、配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接が終了する。これにより、本実施例における構造部材の溶接継手構造が構成される。
【００２６】
溶接金属部５と肉盛層３ａ、３ｂの境界には配管の軸方向ｘに引張残留応力が発生するが、この引張残留応力が存在する領域は母材よりも耐食性の高い金属で形成された肉盛層３ａ，３ｂが存在すると共に、肉盛層３ａ，３ｂ内のそれぞれのデンドライトがこの肉盛層と配管の母材との境界部１２に直交する方向、つまり、肉盛層３ａ，３ｂ内での肉盛溶接の溶接線と直交する方向（配管１ａの軸方向）に境界部１２から溶接金属部５に向かって伸びているため、突合せ溶接された配管１ａ及び配管１ｂにおいて、配管の肉厚方向でのＳＣＣの発生を抑制することができる。これは、肉盛層３ａ，３ｂ内での肉盛溶接の溶接線と直交する方向（配管１ａの軸方向）に境界部１２からデンドライトが伸びるように、溶接トーチ５０（または、溶接ワイヤー）を、突合せ面２に垂直にして配管の軸方向に配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させるので、ＳＣＣが発生しやすい配管の軸方向ｘにおける引張残留応力がほぼ０ＭＰａになるからである。
【００２７】
本実施例の構造部材の溶接方法では、突合せ面２の全体に肉盛溶接を行うことについて述べたが、実施例２に示すように、ＳＣＣ発生が懸念される部分（例えば、配管の内面部分）にのみ肉盛溶接を行ってもよい。
【実施例２】
【００２８】
本発明の他の実施例である実施例２における構造部材の溶接方法を、図４を用いて説明する。
【００２９】
本実施例の構造部材の溶接方法は、外径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼製の配管２１ａ，２１ｂの突合せ溶接に適用される。配管２１ａの一端に突合せ面２７が形成されている（図４(Ａ）参照）。２８が配管２１ａの外面であり、２９が配管２１ａの内面である。図示されていないが、配管２１ｂの一端にも突合せ面２７が形成されている。本実施例は、突合せ面２７の全体ではなく、ＳＣＣの発生が懸念される部分、例えば、配管の内面部分にのみ肉盛層を形成する構造部材の溶接方法である。
【００３０】
配管２１ａの突合せ面２７において内面２９側に、肉盛層を形成するために開先２２（第２開先）を形成する（図４（Ｂ）参照）。開先２２は突合せ面２７から配管２１ａの内面に沿って形成されており、開先２２の突合せ面２７からの長さは、配管２１ａの軸方向ｘにおいて、例えば、２０ｍｍである。開先を形成した環状の当て材２３を、この当て材２３に形成された開先が配管２１ａに形成された開先２２に面するように、配管２１ａ内に配置して配管２１ａの内面に取り付ける（図４（Ｃ）参照）。
【００３１】
当て材２３を取り付けた状態で、配管２１ａに形成された開先２２と当て材２３に形成された開先との間で肉盛溶接が行われる。当て板２３を取り付けることによって、配管２１ａの開先２２に、所定形状の肉盛溶接を行うことができる。この肉盛溶接は、実施例１における突合せ面２７における肉盛溶接と同様に、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に対して垂直にして配管１ａの軸方向ｘに配置し、この状態で、溶接トーチ５０を配管２１ａの周方向ｚに移動させながら配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で溶接ワイヤーを溶融させて行われる（図４（Ｄ）参照）。本実施例では、溶接ワイヤーはオーステナイト系ステンレス鋼製のワイヤーを使用し、肉盛溶接はＴＩＧ溶接で行っている。配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間での肉盛溶接は、具体的には、両開先の、配管２１ａの軸方向ｘにおける底部に溶接ワイヤーの溶融池（ビード）を形成し、溶接トーチ５０を配管２１ａの周方向ｚに移動させることによって、この溶融池も配管２１ａの周方向ｚに移動される。このようにして、その底部で初層の肉盛溶接が行われる。その後、溶接トーチ５０を配管２１ａの軸方向ｘで突合せ面２７に向かって移動させ、初層の肉盛溶接部の上に次層の肉盛溶接を、溶接トーチ５０の姿勢を初層の肉盛溶接時と同じ姿勢に保って、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管２１ａの周方向ｚに移動させる。１つのパスで次層の肉盛溶接が終了しない場合には、溶接トーチ５０を、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で、配管２１ａの半径方向ｙに移動させ、その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管２１ａの周方向ｚに移動させて、次層の１つ目のパスに隣接した、次層の２つ目のパスの肉盛溶接を行う。このように、溶接トーチ５０の、配管２１ａの軸方向ｘで突合せ面２に向かう移動、配管２１ａの半径方向ｙへの移動、及び配管２１ａの周方向ｚへの移動を繰り返して、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で肉盛溶接を行う。この肉盛溶接が、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で、突合せ面２７まで行われたとき、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に、これらの開先の底部から突合せ面２７に達する肉盛層２４ａが形成される（図４（Ｄ）参照）。
【００３２】
本実施例においても、実施例１と同様に、溶融池が凝固するに伴って、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間の底部から配管２１ａの軸方向ｘに伸びるデンドライトが形成される。配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に存在する肉盛層２４ａ内に形成されたデンドライトが、配管２１ａの周方向ｚに形成された、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａの境界部１２から、肉盛溶接の、配管２１ａの周方向ｚに伸びる溶接線に直交する方向（配管２１ａの軸方向ｘ）に伸びている。
【００３３】
上記のように、デンドライトが伸びている肉盛層２４ａを形成することによって、本実施例も、実施例１と同様に、ＳＣＣが発生しやすい配管１ａの軸方向ｘにおける引張残留応力がほぼ０ＭＰａになる。
【００３４】
配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に肉盛層２４ａが形成された後、配管２１ａの内面２９から当て材２３が取り外され、肉盛層２４ａの内面が配管２１ａの内径と同じになるように機械加工され、配管２１ａの溶接側の端部に機械加工により開先２５ａ（第１開先）が形成される（図４（Ｅ）参照）。この状態では、肉盛層２４ａの内面が配管２１ａの内面に連なっている。
【００３５】
配管２１ａに突合せ溶接される他方の配管２１ｂにも、配管２１ａと同様に、肉盛層２４ｂを形成し、肉盛層２４ａの内面を機械加工し、さらに配管２１ｂの溶接端部に開先２５ｂ（第１開先）を形成する。配管２１ｂに形成された肉盛層２３ｂにも、配管２１ａと同様に、配管２１ｂの軸方向において、その境界部１２から肉盛層２３ｂの先端に向って伸びているデンドライトが形成されている。
【００３６】
その後、配管２１ａの開先２５ａと配管２１ｂの開先２５ｂを対向させて配置し（図４(Ｆ）参照）、開先２５ａと開先２５ｂを溶接により接合する（図４(Ｇ）参照）。この配管２１ａと配管２１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている開先２５ａと開先２５ｂの間に配管の半径方向ｙを向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させて溶接ビードを順次形成しながら、開先２５ａと開先２５ｂの間で配管２１ａ，２１ｂの内面側の初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーの配管の半径方向ｙへの移動及び配管の周方向ｚへの移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成して開先２５ａと開先２５ｂの間を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層２４ａと肉盛層２４ｂの間に溶接金属部２６が形成され、配管２１ａと配管２１ｂの突合せ溶接が終了する。溶接金属部２６の形成にもオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを使用した。肉盛層２４ａ，２４ｂのそれぞれの、配管軸方向ｘの長さは、ほぼ２０ｍｍである。溶接金属部２６の内面における配管軸方向ｘでの幅は、約５ｍｍである。
【００３７】
配管内面２９でのＳＣＣの発生を抑制するためには、その内面２９において、肉盛層２４ａと配管２１ａとの境界部１２で軸方向ｘに引張残留応力を発生させないことが重要である。そこで、上記した図４（Ｂ）から図４（Ｅ）の工程によって内面２９側に肉盛層２４ａを形成した、管状試験体である配管２１ａを作製し、この配管２１ａの内面に複数の歪ゲージを張り付けた。これらのひずみゲージを用い、歪開放法により、配管２１ａの内面２９における軸方向ｘの残留応力を測定した。この測定結果を図５に示す。図５は、配管２１ａの軸方向ｘにおける測定された残留応力の変化を示している。図５において、横軸は、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａとの境界からの配管２１ａの軸方向ｘにおける距離を示している。測定された圧縮残留応力は、肉盛層２４ａ内では若干であるが圧縮残留応力になっている。配管２１ａの母材内では、引張残留応力が肉盛層２４ａ近傍で僅かに生じているが、この引張残留応力の値は５０ＭＰａ以下である。この値は、従来の配管の突合せ溶接法により接合された配管の溶接熱影響部に発生する引張残留応力に比べれば６分の１以下になる。
【００３８】
さらに、図４（Ｂ）から図４（Ｅ）に示す工程により、配管２１ｂの溶接端部の内面に肉盛層２４ｂを形成し、内面に肉盛層２４ａを形成した配管２１ａと内面に肉盛層２４ｂを形成した配管２１ｂを図４（Ｆ）に示す突合せ溶接可能な状態に配置し、図４（Ｆ）に示す突合せ溶接により配管２１ａと配管２１ｂを接合し、突合せ溶接された管状試験体を作成した。肉盛層２４ａ，２４ｂはこの環状試験体の外径は６００ｍｍであり、管状試験体に用いられた配管２１ａ，２１ｂはオーステナイト系ステンレス鋼で作られている。この管状試験体の内面の残留応力を、管状試験体の内面に歪ゲージを貼って歪開放法を用いて測定した。この測定結果を図６及び図７に示す。
【００３９】
図６は、管状試験体内面での軸方向ｘの残留応力の変化を示している。図６において、横軸は金属溶接部２６の軸方向ｘの中心からの配管軸方向ｘの距離を示している。測定された管状試験体内面での軸方向ｘの残留応力は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心近傍で３００ＭＰａの引張残留応力になっており、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍの範囲では引張残留応力になっている。金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘにさらに離れた、配管２１ａ，２１ｂの母材の内面では、軸方向ｘの残留応力が圧縮残留応力になっていた。
【００４０】
図７は、管状試験体内面での周方向ｚの残留応力の変化を示している。図７において、横軸は金属溶接部２６の軸方向ｘの中心からの配管軸方向ｘの距離を示している。測定された管状試験体内面での周方向ｚの残留応力は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±１００ｍｍの範囲では圧縮残留応力になっている。
【００４１】
図６及び図７に示す測定結果から、図４に示す工程に基づいて行った本実施例の構造部材の溶接方法により作成された配管の溶接継手構造は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍの範囲で引張残留応力になっているが、この領域は耐食性の高い肉盛層２４ａ及び２４ｂであるため、この部分でのＳＣＣ発生を抑制できる。また、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部、すなわち、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａの境界部１２、及び配管２１ｂの母材と肉盛層２４ｂの境界部１２では、図６に示された、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍ離れた各位置に相当するため、軸方向ｘの引張残留応力が存在しない（または極めて小さい）。このため、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部における、配管の肉厚方向でのＳＣＣも抑制することができる。金属溶接部２６の軸方向ｘの中心では、３００ＭＰａの引張残留応力が生じているが、一般的に、金属溶接部２６ではＳＣＣが発生しない。
【００４２】
本実施例の構造部材の溶接方法で作製された配管の溶接継手構造において、肉盛層２４ａ及び２４ｂのそれぞれの断面金属組織を観察した。この結果、前述したように、配管の母材と肉盛層の境界部１２から、配管の周方向ｚに伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（軸方向ｘ）に伸びている柱状晶（デンドライト）、すなわち、一つ一つの溶接ビードの断面で初期凝固部（境界部１２に接した凝固部）から最終凝固部（金属溶接部２６に接した凝固部）へ向けて伸長したデンドライトが認められた。また、配管内面２９での肉盛層２４ａの金属組織を観察した場合にも、配管の周方向ｚに伸びる肉盛溶接の溶接線に直交する方向（軸方向ｘ）に伸長したデンドライトが確認された。配管内面２９の肉盛層２４ａにおいて溶接金属部２６境界近傍に配管軸方向ｘに引張残留応力が存在するが、デンドライトの伸長方向が引張残留応力が作用する方向と平行であるため、この肉盛層２４ａ、及び肉盛層２４ａ近傍の配管２１ａの溶接熱影響部における、配管の肉厚方向でのＳＣＣの発生を抑制することができる。
【００４３】
なお、本実施例の配管（構造部材）の溶接継手構造では、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±１０ｍｍ離れた各位置でも、引張残留応力が約１００ＭＰａまで低下するので、肉盛層２４ａ，２４ｂの軸方向ｘの長さを１０ｍｍ程度にしても、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部におけるＳＣＣの発生を抑制することができると考えられる。配管２１ａ，２１ｂの外径により、溶接後において配管に生じる、軸方向ｘ及び周方向ｚのそれぞれの残留応力分布が異なるため、配管寸法に応じて肉盛層の寸法及び形状を変更する必要がある。
【００４４】
外径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼配管を用いて、実施例２の図４（Ｂ）から図４（Ｇ）示す各工程を適用し、肉盛層２４ａ，２４ｂをＮｉ基合金の溶接ワイヤーを用いて形成し、金属溶接部２６をオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを用いて形成した。このような構造部材の溶接方法で得られた構造部材の溶接継手構造においても、図６及び図７に示すそれぞれの残留応力分布を得ることができた。Ｎｉ基合金で配管の内面に肉盛層２４ａ，２４ｂを形成し、オーステナイト系ステンレス鋼で金属溶接部２６を形成した場合でも、実施例２と同様に、構造部材の溶接継手構造におけるＳＣＣの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４５】
本発明の他の実施例である実施例３における構造部材の溶接方法を、図８を用いて説明する。
【００４６】
実施例１及び２は配管の溶接を対象にしたものであるのに対し、本実施例は板部材の溶接を対象にしたものである。本実施例の構造部材の溶接方法は、ＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス鋼製の２つの板部材（板厚５０ｍｍ）の突合せ溶接に適用される。本実施例も、実施例２と同様に、突合せ面全体に肉盛溶接を行うのではなく、ＳＣＣが懸念される部分、特に、板部材の表及び裏のそれぞれの表面部分にのみ肉盛溶接を施している。
【００４７】
平板である板部材４１ａの一端に突合せ面５１が形成されている（図８(Ａ）参照）。板部材４１ａは、２つの表面、すなわち、Ａ面及びＢ面を有する。図示されていないが、板部材４１ａに突合せ溶接される板部材４１ｂの一端にも突合せ面５１が形成されている。実施例３においては、突合せ面５１に直交する方向をｘ軸方向、Ａ面及びＢ面に直交する方向をｙ軸方向、及びｘ軸方向及びｙ軸方向に直交する方向（突合せ面５１に平行な方向）をｚ軸方向という。
【００４８】
板部材４１ａの突合せ面５１においてＡ面及びＢ面２９側に、肉盛層を形成するために開先４２及び４３（第１開先）をそれぞれ形成する（図８（Ｂ）参照）。形成された開先４２及び４３は、突合せ面２７から板部材４１ａの表面に沿って形成されており、ｘ軸方向における突合せ面２７からの長さがそれぞれ５０ｍｍである。開先４４ａを形成した当て材４４が板部材４１ａのＡ面に取り付けられ、開先４５ａを形成した当て材４５が板部材４１ａのＢ面に取り付けられる（図８（Ｃ）参照）。開先４４ａは板部材４１ａに形成した開先４２と向き合っており、開先４５ａは板部材４１ａに形成した開先４３と向き合っている。
【００４９】
当て材４４，４５を取り付けた状態で、開先４４ａと開先４２の間、及び開先４５ａと開先４３の間で、肉盛溶接がそれぞれ行われる。開先４４ａと開先４２の間及び開先４５ａと開先４３の間での肉盛溶接の方法は同じであるので、代表して、開先４４ａと開先４２の間での肉盛り溶接について説明する。この肉盛溶接は、実施例１における突合せ面２における肉盛溶接と同様に、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面５１に対して垂直に（Ａ面に平行に）して軸方向ｘに配置し、この状態で、溶接トーチ５０を突合せ面５１に平行な方向（ｚ軸方向）に移動させながら開先４４ａと開先４２の間で溶接ワイヤーを溶融させて行われる（図８（Ｄ）参照）。本実施例では、溶接ワイヤーはオーステナイト系ステンレス鋼製のワイヤーを使用し、肉盛溶接はＴＩＧ溶接で行っている。
【００５０】
開先４４ａと開先４２の間での肉盛溶接は、具体的には、開先４４ａ及び４２のｘ軸方向における底部に溶接ワイヤーの溶融池（ビード）を形成し、溶接トーチ５０をｚ軸方向に移動させることによって、この溶融池もｚ軸方向に移動される。このようにして、その底部で初層の肉盛溶接が行われる。その後、溶接トーチ５０をｘ軸方向で突合せ面５１に向かって移動させ、初層の肉盛溶接部の上に次層の肉盛溶接を、溶接トーチ５０の姿勢を初層の肉盛溶接時におけるその姿勢と同じ状態に保って、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーをｚ軸方向に移動させる。１つのパスで次層の肉盛溶接が終了しない場合には、溶接トーチ５０を、開先４２と開先４４ａとの間で、ｙ軸方向に移動させ、その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーをｚ軸方向に移動させて、次層の１つ目のパスに隣接した、次層の２つ目のパスの肉盛溶接を行う。このように、溶接トーチ５０の、ｘ軸方向で突合せ面５１に向かう移動、ｙ軸方向への移動、及びｚ軸方向への移動を繰り返して、開先４２と開先４４ａとの間で肉盛溶接を行う。この肉盛溶接が、開先４２と開先４４ａとの間で、突合せ面５１まで行われたとき、開先４２と開先４４ａとの間に、これらの開先の底部から突合せ面５１に達する肉盛層４６ａが形成される。開先４３と開先４５ａとの間でも、同様にして、突合せ面５１に達する肉盛層４７ａが形成される（図８（Ｄ）参照）。肉盛層４６ａ及び４７ａのｘ軸方向における長さは、それぞれほぼ５０ｍｍである。
【００５１】
本実施例においても、実施例１と同様に、肉盛溶接時に溶融池が凝固するに伴って、肉盛層４６ａ内で開先４２と開先４４ａとの間の底部からｘ軸方向に伸びるデンドライトが形成される。開先４２と開先４４ａとの間に存在する肉盛層２４ａ内に形成されたデンドライトが、ｚ軸方向に形成された、板部材４１ａの母材と肉盛層４６ａの境界部１２から、ｚ軸方向に伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）に伸びている。開先４３と開先４５ａとの間に存在する肉盛層４７ａ内においても、デンドライトが、ｚ軸方向に形成された、板部材４１ｂの母材と肉盛層４７ａの境界部１２から、ｚ軸方向に伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）に伸びている。
【００５２】
肉盛層４６ａ及び４７ａが形成された後、板部材４１ａのＡ面から当て材４４が取り外され、板部材４１ａのＢ面から当て材４５が取り外される。そして、肉盛層４６ａのＡ面側がＡ面と同じ面になるように機械加工され、肉盛層４７ａのＡ面側がＢ面と同じ面になるように機械加工される。板部材４１ａの溶接側の端部（突合せ面５１側）に機械加工により開先４８（第１開先）が形成される（図８（Ｅ）参照）。この状態で、肉盛層４６ａの表面が板部材４１ａのＡ面に連なっており、肉盛層４７ａの表面が板部材４１ａのＢ面に連なっている。
【００５３】
板部材４１ａに突合せ溶接される他方の板部材４１ｂに対しても、図８（Ｂ）から図８（Ｅ）の各工程が実行され、板部材４１ａと同様に、肉盛層４６ｂ，４７ｂを形成して溶接端部に開先４８（第１開先）を形成する。板部材４１ａの溶接端部と板部材４１ｂの溶接端部を対向させたとき、それぞれに形成された開先４８がＸ型になる。
【００５４】
その後、板部材４１ａの開先４８と板部材４１ｂの開先４８を対向させて配置し（図８(Ｆ）参照）、両方の開先４８を溶接により接合する（図８(Ｇ）参照）。これらの板部材４１ａと板部材４１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている両開先４８間にｙ軸方向を向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）をｚ軸方向に移動させて溶接ビードを順次形成しながら、対向する両開先４８の間のＡ面側の底部で板部材４１ａと板部材４１ｂを接合する初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）のｙ軸方向でＡ面に向かう移動、ｘ軸方向への移動及びｚ軸方向への移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成してＡ面側での対向する両開先４８（図８（Ｆ）で上部の開先４８）を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層４６ａと肉盛層４６ｂの間に溶接金属部４９が形成される。そして、対向する両開先４８の間のＢ面側の底部で板部材４１ａと板部材４１ｂを接合する初層溶接が行われ、その後、多層多パスの溶接ビードを形成してＢ面側での対向する両開先４８（図８（Ｆ）で下部の開先４８）を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層４７ａと肉盛層４７ｂの間に溶接金属部５０が形成され、板部材４１ａと板部材４１ｂの突合せ溶接が終了する。溶接金属部４９及び５０の形成にもオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを使用した。肉盛層４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂのそれぞれのｘ軸方向の長さは、ほぼ５０ｍｍである。溶接金属部４９のＡ面でのｘ軸方向での幅及び溶接金属部５０のＢ面でのｘ軸方向での幅は、それぞれ約２０ｍｍである。
【００５５】
以上のようにして作製したＳＵＳ３１６Ｌを用いたオーステナイト系ステンレス鋼板部材の溶接継手構造において、Ａ面及びＢ面でのそれぞれの残留応力を歪ゲージを用いた歪開放法で測定した。これらの測定結果を図９、図１０、図１１及び図１２に示す。
【００５６】
図９は突合せ溶接された、平板である板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＡ面における溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、図１０は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＡ面における溶接線に平行な方向（ｚ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、図１１は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＢ面における溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、及び図１２は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＢ面における溶接線に平行な方向（ｚ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化をそれぞれ示している。
【００５７】
いずれの測定結果においても、溶接金属部（溶接金属部４９または５０）のｘ軸方向の中心近傍では３００ＭＰａ以上の引張残留応力が生じている。肉盛層４６ａ，４６ｂ（または肉盛層４７ａ，４７ｂ）はｘ軸方向において溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍの範囲内にあり、これらの領域の外側に存在する板部材４１ａ，４１ｂのそれぞれの母材では、いずれの測定でも引張残留応力が１５０ＭＰａ未満になっている。
【００５８】
図９から図１２に示された測定結果から、図８に示す本実施例の構造部材の溶接方法で作製した板部材の溶接継手構造は、ｘ軸方向において溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍまでの範囲内では１５０ＭＰａ以上の引張残留応力が生じているが、この領域は、Ａ面側では溶接金属部４９及び耐食性の高い肉盛層４６ａ、４６ｂが存在し、Ｂ面側では溶接金属部５０及び耐食性の高い肉盛層４７ａ、４７ｂが存在しているため、ＳＣＣの発生を抑制できる。また、板部材の母材における溶接熱影響部、すなわち、板部材４１ａの母材と肉盛層４６ａ及び４７ａのそれぞれとの境界部１２、及び板部材４１ｂの母材と肉盛層４６ｂ及び４７ｂのそれぞれとの境界部１２は、ｘ軸方向において、溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍの各位置に位置している。このため、肉盛層４６Ａａ，４６ｂ，４７Ａａ，４７ｂのそれぞれに上記したデンドライトが形成されるので、それぞれの境界部１２における引張残留応力が１５０ＭＰａ未満に低減され、板部材の母材における溶接熱影響部における、肉厚方向でのＳＣＣの発生も抑制することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ａ，１ｂ，２１ａ，２１ｂ…配管、２，２７，５１…突合せ面、３Ａａ，３ｂ，２４ａ，２４ｂ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ…肉盛層、４Ａａ，４ｂ，２２，２５ａ，２５ｂ，４２，４３，４４Ａａ，４５ａ，４８…開先、５，２６，４９，５０…溶接金属部、６…母材、１０…フェライト相、１１…オーステナイト相、１３…溶融金属、４１ａ，４１ｂ…板部材、５０…溶接トーチ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法に係り、特に、応力腐食割れ（以下、ＳＣＣという）を抑制するのに好適な構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オーステナイト系ステンレス鋼製の配管（または板材）を突合せ溶接する場合には、一般的に、接合する配管（または板材）の突合せ面に開先を形成し、それらの開先で溶接を行って配管（または板材）同士を接合することが行われている。しかしながら、このような溶接では、溶接継手構造の表面に引張残留応力が発生するため、溶接継手構造が腐食環境に曝された場合にはＳＣＣが発生し、この溶接継手構造を有する構造部材の健全性が損なわれる可能性があった。
【０００３】
このため、溶接後における溶接継手構造の引張残留応力を低減するために、各種の技術が開発され、適用されている。しかし、残留応力改善技術（例えば、熱処理）の適用により溶接継手構造におけるＳＣＣを抑制することができるが、残留応力改善技術を適用するための工程を構造部材の製造工程に追加する必要があり、製造工程が長くなる。そこで、製造工程短縮のため、残留応力改善工程を削減することが望まれている。
【０００４】
一方、ＳＣＣが、主に溶接熱影響部（ＨＡＺ）で発生することが知られている。そこで、耐応力腐食割れ性に優れた溶接金属を、溶接後の溶接熱影響部の表面に肉盛溶接して、溶接継手構造におけるＳＣＣを抑制する溶接方法が、特開２００９−５０８８９号公報及び特開２００５−２８４０５号公報で提案されている。しかし、このような耐応力腐食割れ性に優れた溶接金属の肉盛方法でも、肉盛部の端部に溶接熱影響部が形成されるため、溶接継手構造におけるＳＣＣ発生の懸念を完全に払拭することはできない。
【０００５】
また、配管（または板材）の開先に肉盛溶接を施した後、２つの配管（または板材）の肉盛部同士を、突合せ溶接する方法が、特開２０００−２５４７７４号公報、開２００９−３９７３４号公報及び特開昭６１−２４９６８１号公報に記載されている。特開２０００−２５４７７４号公報は、溶接割れを抑制する溶接方法を記載している。この溶接割れを抑制する溶接方法では、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製の導入側ノズルの端部に肉盛溶接を行い、この肉盛溶接部（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系溶材）にＦｅ基超合金製の出口レジューサを溶接している。これによって、突合せ溶接部での溶接割れを抑制している。
【０００６】
特開２００９−３９７３４号公報は、溶接部で発生したＳＣＣの進展を抑制することができる配管の肉盛溶接方法を記載している。この溶接方法では、溶接する一対の配管のそれぞれの端部に、配管内面に発生するＳＣＣの進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させる肉盛溶接層を形成し、これらの肉盛溶接層にそれぞれ開先を加工し、一対の配管の肉盛溶接同士を溶接にて接合している。デンドライト組織がＳＣＣの進展方向と交差する方向に形成されるので、デンドライト組織によってＳＣＣの進展が抑制される。
【０００７】
特開昭６１−２４９６８１号公報に記載された溶接方法は、部品（母材）の炉水に接触する表面に肉盛溶接を行い、一対の部品を溶接にて接合している。この溶接においても、肉盛溶接部の端部付近に溶接熱影響部が形成される。特開昭６１−２４９６８１号公報でも、肉盛溶接部の端部付近に溶接熱影響部においてＳＣＣが発生する可能性がある。このため、特開昭６１−２４９６８１号公報では、溶接後に熱処理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−５０８８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８４０５号公報
【特許文献３】特開２０００−２５４７７４号公報
【特許文献４】特開２００９−３９７３４号公報
【特許文献５】特開昭６１−２４９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
突合せ溶接部での溶接割れを抑制している特開２０００−２５４７７４号公報では、溶接部におけるＳＣＣの発生を抑制することはできない。特開２００９−３９７３４号公報に記載された溶接方法は、発生したＳＣＣの進展を抑制することを目的としており、ＳＣＣの発生を抑制するものではない。特開昭６１−２４９６８１号公報では、肉盛溶接部の端部付近に形成される溶接熱影響部においてＳＣＣが発生する可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、溶接する構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる構造部材の溶接継手構造及びその溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、肉盛層を形成した一対の構造部材と、それぞれの構造部材の肉盛層同士を接合した溶接金属部とを有し、それぞれの肉盛層内に、肉盛層に形成される肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されていることにある。
【００１２】
各構造部材の肉盛層同士を接合した溶接金属部を有し、それぞれの肉盛層内に、肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されているので、その溶接線と直交する方向における引張残留応力が低減され、構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００１３】
肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成される肉盛層を、接合される一対の構造部材のそれぞれの溶接側端部に形成し、一対の構造部材に形成されたそれぞれの肉盛層に開先を形成し、それぞれの開先同士を対向させてその一対の構造部材を溶接にて接合することによっても、上記した目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溶接する構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１における構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図２】図１に示す構造部材の溶接方法において配管の突合せ面に実行される肉盛溶接の具体的な説明図である。
【図３】図２に示す肉盛溶接によって形成された肉盛層の溶融金属が凝固する際に成長するデンドライト組織の状態を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例である実施例２における配管に適用した構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図５】図４に示す構造部材の溶接方法において施工された配管の肉盛溶接部における残留応力分布を示す説明図である。
【図６】図４に示す構造部材の溶接方法で形成された配管の溶接継手構造部の内面における配管軸方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図７】図４に示す構造部材の溶接方法で形成された配管の溶接継手構造部の内面における配管周方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である実施例３における板部材に適用した構造部材の溶接方法の手順を示す説明図である。
【図９】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造部の一面であるＡ面における溶接線に直交する方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１０】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造のＡ面における溶接線に平行な方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１１】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造の他面であるＢ面における溶接線に直交する方向の残留応力分布を示す説明図である。
【図１２】図８に示す構造部材の溶接方法で形成された板部材の溶接継手構造のＢ面における溶接線に平行な方向の残留応力分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
発明者らは、応力腐食割れの発生を抑制することができる構造部材の溶接継手構造について種々の検討を行った。この結果、発明者らは、構造部材の溶接端部に形成する肉盛層に、溶接線と直交する方向に伸びるデンドライト組織を形成することによって、構造部材の母材と肉盛溶接部の境界付近での引張残留応力を低減することができ、構造部材の溶接継手構造において構造部材の肉厚方向における応力腐食割れの発生が抑制できることを新たに見出した。本発明は、発明者らが見出したこの新たな知見に基づいて成されたのである。
【００１７】
この新たな知見を考慮して得られた本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の好適な一実施例である実施例１における構造部材の溶接方法を、図１を用いて説明する。
【００１９】
本実施例の構造部材の溶接方法は、配管１ａ，１ｂの突合せ溶接に適用される。配管１ａの一端に突合せ面２が形成されている（図１(Ａ）参照）。８が配管１ａの外面であり、９が配管１ａの内面である。図示されていないが、配管１ｂの一端にも突合せ面２が形成されている。図１において、ｘ方向が配管の軸方向、ｙ方向が配管の半径方向、ｚ方向が配管の周方向を表している。
【００２０】
配管１ａの突合せ面２に肉盛溶接が行われ、突合せ面２で配管１ａの肉厚方向の全体に亘って肉盛層３ａが形成される（図１(Ｂ）参照）。突合せ面２への肉盛層３ａの形成は、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に垂直にして配管１ａの軸方向ｘに配置し、溶接トーチ５０を突合せ面２に対向させて配管１ａの周方向ｚに移動させながら溶接金属を溶融させて行われる（図１（Ｂ）及び図２参照）。突合せ面２上に形成された溶融池（ビード）７は、溶接トーチ５０の移動に伴って配管１ａの周方向ｚに移動する。このようなビードを重ねることにより、配管１ａの突合せ面２に肉盛層３ａが形成される。肉盛層３ａの形成に用いられる溶接金属は、配管１ａの母材と同種材あるいは高耐食材であることが好ましい。ちなみに、配管１ａ，１ｂはオーステナイト系ステンレス鋼で作られている。
【００２１】
このような肉盛溶接によると、配管１ａの肉盛層３ａと配管１ａの母材の境界部１２（図３参照）に溶接熱影響部が形成されるが、主たる引張残留応力は配管１ａの半径方向ｙに発生し、ＳＣＣが発生しやすい、配管１ａの軸方向ｘの引張残留応力はほぼ０ＭＰａである。このため、ＳＣＣ発生要因の一つである配管１ａの軸方向ｘの引張残留応力を低減できるため、配管母材の溶接熱影響部での配管の肉厚方向のＳＣＣの発生を抑制することができる。
【００２２】
また、肉盛層３ａを形成する溶接金属の溶融金属１３、すなわち、溶融池における溶融金属１３が凝固する際に溶接金属組織である複数のデンドライトが形成される。溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に垂直になる状態にして、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管１ａの周方向ｚに移動させることにより、これらのデンドライトは、その溶融金属１３が凝固するときに、配管１ａの母材６と肉盛層３ａの境界部１２に直交する方向（配管１ａの軸方向）に成長する。境界部１２は、配管１ａの周方向ｚに形成され、配管１ａの全周に亘って形成される。境界部１２に直交して境界部１２から溶融金属１３に向うデンドライトの成長の状態を図３に模式的に示す。配管１ａが例えばＳＵＳ３０４Ｌステンレス鋼（またはＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼）製である場合、溶融金属１３内には、凝固する際に、フェライト相１０とオーステナイト相１１が形成され、デンドライトが、境界部１２から境界部１２に直交する方向である配管１ａの軸方向に成長する。境界部１２から配管１ａの軸方向に所定厚みの肉盛層３ａが形成されたとき、デンドライトは、配管１ａの軸方向において、その境界部１２から肉盛層３ａの先端に向って伸びている。肉盛層３ａにおける肉盛りの溶接線が、溶融池が移動する方向である配管１ａの周方向ｚに形成される。この溶接線は境界部１２と実質的に平行になっている。このため、デンドライトは、肉盛層３ａの溶接線に直交して形成されるとも言える。
【００２３】
配管１ａに肉盛層３ａが形成された後、肉盛層３ａに開先加工を施し、肉盛層３ａに開先４ａを形成する（図１(Ｃ）参照）。
【００２４】
配管１ａに突合せ溶接される他方の配管１ｂにも、配管１ａと同様に、肉盛層３ｂを形成し、肉盛層３ａに開先加工を行って開先４ｂを形成する。配管１ｂの肉盛層３ｂにも、配管１ａと同様に、配管１ｂの軸方向において、その境界部１２から肉盛層３ｂの先端に向って伸びているデンドライトが存在する。
【００２５】
その後、配管１ａの開先４ａと配管１ｂの開先４ｂを対向させて配置し（図１(Ｄ）参照）、開先４ａと開先４ｂを溶接により接合する（図１(Ｅ）参照）。この配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている開先４ａと開先４ｂの間に配管の半径方向ｙを向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させて溶接ビードを順次形成しながら、開先４ａと開先４ｂの配管１ａ，１ｂの内面側の初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーの配管の半径方向ｙへの移動及び配管の周方向ｚへの移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成して開先４ａと開先４ｂの間を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層３ａと肉盛層３ｂの間に溶接金属部５が形成され、配管１ａと配管１ｂの突合せ溶接が終了する。これにより、本実施例における構造部材の溶接継手構造が構成される。
【００２６】
溶接金属部５と肉盛層３ａ、３ｂの境界には配管の軸方向ｘに引張残留応力が発生するが、この引張残留応力が存在する領域は母材よりも耐食性の高い金属で形成された肉盛層３ａ，３ｂが存在すると共に、肉盛層３ａ，３ｂ内のそれぞれのデンドライトがこの肉盛層と配管の母材との境界部１２に直交する方向、つまり、肉盛層３ａ，３ｂ内での肉盛溶接の溶接線と直交する方向（配管１ａの軸方向）に境界部１２から溶接金属部５に向かって伸びているため、突合せ溶接された配管１ａ及び配管１ｂにおいて、配管の肉厚方向でのＳＣＣの発生を抑制することができる。これは、肉盛層３ａ，３ｂ内での肉盛溶接の溶接線と直交する方向（配管１ａの軸方向）に境界部１２からデンドライトが伸びるように、溶接トーチ５０（または、溶接ワイヤー）を、突合せ面２に垂直にして配管の軸方向に配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させるので、ＳＣＣが発生しやすい配管の軸方向ｘにおける引張残留応力がほぼ０ＭＰａになるからである。
【００２７】
本実施例の構造部材の溶接方法では、突合せ面２の全体に肉盛溶接を行うことについて述べたが、実施例２に示すように、ＳＣＣ発生が懸念される部分（例えば、配管の内面部分）にのみ肉盛溶接を行ってもよい。
【実施例２】
【００２８】
本発明の他の実施例である実施例２における構造部材の溶接方法を、図４を用いて説明する。
【００２９】
本実施例の構造部材の溶接方法は、外径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼製の配管２１ａ，２１ｂの突合せ溶接に適用される。配管２１ａの一端に突合せ面２７が形成されている（図４(Ａ）参照）。２８が配管２１ａの外面であり、２９が配管２１ａの内面である。図示されていないが、配管２１ｂの一端にも突合せ面２７が形成されている。本実施例は、突合せ面２７の全体ではなく、ＳＣＣの発生が懸念される部分、例えば、配管の内面部分にのみ肉盛層を形成する構造部材の溶接方法である。
【００３０】
配管２１ａの突合せ面２７において内面２９側に、肉盛層を形成するために開先２２（第２開先）を形成する（図４（Ｂ）参照）。開先２２は突合せ面２７から配管２１ａの内面に沿って形成されており、開先２２の突合せ面２７からの長さは、配管２１ａの軸方向ｘにおいて、例えば、２０ｍｍである。開先を形成した環状の当て材２３を、この当て材２３に形成された開先が配管２１ａに形成された開先２２に面するように、配管２１ａ内に配置して配管２１ａの内面に取り付ける（図４（Ｃ）参照）。
【００３１】
当て材２３を取り付けた状態で、配管２１ａに形成された開先２２と当て材２３に形成された開先との間で肉盛溶接が行われる。当て板２３を取り付けることによって、配管２１ａの開先２２に、所定形状の肉盛溶接を行うことができる。この肉盛溶接は、実施例１における突合せ面２７における肉盛溶接と同様に、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面２に対して垂直にして配管１ａの軸方向ｘに配置し、この状態で、溶接トーチ５０を配管２１ａの周方向ｚに移動させながら配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で溶接ワイヤーを溶融させて行われる（図４（Ｄ）参照）。本実施例では、溶接ワイヤーはオーステナイト系ステンレス鋼製のワイヤーを使用し、肉盛溶接はＴＩＧ溶接で行っている。配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間での肉盛溶接は、具体的には、両開先の、配管２１ａの軸方向ｘにおける底部に溶接ワイヤーの溶融池（ビード）を形成し、溶接トーチ５０を配管２１ａの周方向ｚに移動させることによって、この溶融池も配管２１ａの周方向ｚに移動される。このようにして、その底部で初層の肉盛溶接が行われる。その後、溶接トーチ５０を配管２１ａの軸方向ｘで突合せ面２７に向かって移動させ、初層の肉盛溶接部の上に次層の肉盛溶接を、溶接トーチ５０の姿勢を初層の肉盛溶接時と同じ姿勢に保って、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管２１ａの周方向ｚに移動させる。１つのパスで次層の肉盛溶接が終了しない場合には、溶接トーチ５０を、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で、配管２１ａの半径方向ｙに移動させ、その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管２１ａの周方向ｚに移動させて、次層の１つ目のパスに隣接した、次層の２つ目のパスの肉盛溶接を行う。このように、溶接トーチ５０の、配管２１ａの軸方向ｘで突合せ面２に向かう移動、配管２１ａの半径方向ｙへの移動、及び配管２１ａの周方向ｚへの移動を繰り返して、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で肉盛溶接を行う。この肉盛溶接が、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間で、突合せ面２７まで行われたとき、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に、これらの開先の底部から突合せ面２７に達する肉盛層２４ａが形成される（図４（Ｄ）参照）。
【００３２】
本実施例においても、実施例１と同様に、溶融池が凝固するに伴って、配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間の底部から配管２１ａの軸方向ｘに伸びるデンドライトが形成される。配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に存在する肉盛層２４ａ内に形成されたデンドライトが、配管２１ａの周方向ｚに形成された、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａの境界部１２から、肉盛溶接の、配管２１ａの周方向ｚに伸びる溶接線に直交する方向（配管２１ａの軸方向ｘ）に伸びている。
【００３３】
上記のように、デンドライトが伸びている肉盛層２４ａを形成することによって、本実施例も、実施例１と同様に、ＳＣＣが発生しやすい配管１ａの軸方向ｘにおける引張残留応力がほぼ０ＭＰａになる。
【００３４】
配管２１ａの開先２２と当て材２３の開先との間に肉盛層２４ａが形成された後、配管２１ａの内面２９から当て材２３が取り外され、肉盛層２４ａの内面が配管２１ａの内径と同じになるように機械加工され、配管２１ａの溶接側の端部に機械加工により開先２５ａ（第１開先）が形成される（図４（Ｅ）参照）。この状態では、肉盛層２４ａの内面が配管２１ａの内面に連なっている。
【００３５】
配管２１ａに突合せ溶接される他方の配管２１ｂにも、配管２１ａと同様に、肉盛層２４ｂを形成し、肉盛層２４ａの内面を機械加工し、さらに配管２１ｂの溶接端部に開先２５ｂ（第１開先）を形成する。配管２１ｂに形成された肉盛層２３ｂにも、配管２１ａと同様に、配管２１ｂの軸方向において、その境界部１２から肉盛層２３ｂの先端に向って伸びているデンドライトが形成されている。
【００３６】
その後、配管２１ａの開先２５ａと配管２１ｂの開先２５ｂを対向させて配置し（図４(Ｆ）参照）、開先２５ａと開先２５ｂを溶接により接合する（図４(Ｇ）参照）。この配管２１ａと配管２１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている開先２５ａと開先２５ｂの間に配管の半径方向ｙを向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーを配管の周方向ｚに移動させて溶接ビードを順次形成しながら、開先２５ａと開先２５ｂの間で配管２１ａ，２１ｂの内面側の初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーの配管の半径方向ｙへの移動及び配管の周方向ｚへの移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成して開先２５ａと開先２５ｂの間を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層２４ａと肉盛層２４ｂの間に溶接金属部２６が形成され、配管２１ａと配管２１ｂの突合せ溶接が終了する。溶接金属部２６の形成にもオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを使用した。肉盛層２４ａ，２４ｂのそれぞれの、配管軸方向ｘの長さは、ほぼ２０ｍｍである。溶接金属部２６の内面における配管軸方向ｘでの幅は、約５ｍｍである。
【００３７】
配管内面２９でのＳＣＣの発生を抑制するためには、その内面２９において、肉盛層２４ａと配管２１ａとの境界部１２で軸方向ｘに引張残留応力を発生させないことが重要である。そこで、上記した図４（Ｂ）から図４（Ｅ）の工程によって内面２９側に肉盛層２４ａを形成した、管状試験体である配管２１ａを作製し、この配管２１ａの内面に複数の歪ゲージを張り付けた。これらのひずみゲージを用い、歪開放法により、配管２１ａの内面２９における軸方向ｘの残留応力を測定した。この測定結果を図５に示す。図５は、配管２１ａの軸方向ｘにおける測定された残留応力の変化を示している。図５において、横軸は、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａとの境界からの配管２１ａの軸方向ｘにおける距離を示している。測定された圧縮残留応力は、肉盛層２４ａ内では若干であるが圧縮残留応力になっている。配管２１ａの母材内では、引張残留応力が肉盛層２４ａ近傍で僅かに生じているが、この引張残留応力の値は５０ＭＰａ以下である。この値は、従来の配管の突合せ溶接法により接合された配管の溶接熱影響部に発生する引張残留応力に比べれば６分の１以下になる。
【００３８】
さらに、図４（Ｂ）から図４（Ｅ）に示す工程により、配管２１ｂの溶接端部の内面に肉盛層２４ｂを形成し、内面に肉盛層２４ａを形成した配管２１ａと内面に肉盛層２４ｂを形成した配管２１ｂを図４（Ｆ）に示す突合せ溶接可能な状態に配置し、図４（Ｆ）に示す突合せ溶接により配管２１ａと配管２１ｂを接合し、突合せ溶接された管状試験体を作成した。肉盛層２４ａ，２４ｂはこの環状試験体の外径は６００ｍｍであり、管状試験体に用いられた配管２１ａ，２１ｂはオーステナイト系ステンレス鋼で作られている。この管状試験体の内面の残留応力を、管状試験体の内面に歪ゲージを貼って歪開放法を用いて測定した。この測定結果を図６及び図７に示す。
【００３９】
図６は、管状試験体内面での軸方向ｘの残留応力の変化を示している。図６において、横軸は金属溶接部２６の軸方向ｘの中心からの配管軸方向ｘの距離を示している。測定された管状試験体内面での軸方向ｘの残留応力は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心近傍で３００ＭＰａの引張残留応力になっており、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍの範囲では引張残留応力になっている。金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘにさらに離れた、配管２１ａ，２１ｂの母材の内面では、軸方向ｘの残留応力が圧縮残留応力になっていた。
【００４０】
図７は、管状試験体内面での周方向ｚの残留応力の変化を示している。図７において、横軸は金属溶接部２６の軸方向ｘの中心からの配管軸方向ｘの距離を示している。測定された管状試験体内面での周方向ｚの残留応力は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±１００ｍｍの範囲では圧縮残留応力になっている。
【００４１】
図６及び図７に示す測定結果から、図４に示す工程に基づいて行った本実施例の構造部材の溶接方法により作成された配管の溶接継手構造は、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍの範囲で引張残留応力になっているが、この領域は耐食性の高い肉盛層２４ａ及び２４ｂであるため、この部分でのＳＣＣ発生を抑制できる。また、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部、すなわち、配管２１ａの母材と肉盛層２４ａの境界部１２、及び配管２１ｂの母材と肉盛層２４ｂの境界部１２では、図６に示された、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±２０ｍｍ離れた各位置に相当するため、軸方向ｘの引張残留応力が存在しない（または極めて小さい）。このため、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部における、配管の肉厚方向でのＳＣＣも抑制することができる。金属溶接部２６の軸方向ｘの中心では、３００ＭＰａの引張残留応力が生じているが、一般的に、金属溶接部２６ではＳＣＣが発生しない。
【００４２】
本実施例の構造部材の溶接方法で作製された配管の溶接継手構造において、肉盛層２４ａ及び２４ｂのそれぞれの断面金属組織を観察した。この結果、前述したように、配管の母材と肉盛層の境界部１２から、配管の周方向ｚに伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（軸方向ｘ）に伸びている柱状晶（デンドライト）、すなわち、一つ一つの溶接ビードの断面で初期凝固部（境界部１２に接した凝固部）から最終凝固部（金属溶接部２６に接した凝固部）へ向けて伸長したデンドライトが認められた。また、配管内面２９での肉盛層２４ａの金属組織を観察した場合にも、配管の周方向ｚに伸びる肉盛溶接の溶接線に直交する方向（軸方向ｘ）に伸長したデンドライトが確認された。配管内面２９の肉盛層２４ａにおいて溶接金属部２６境界近傍に配管軸方向ｘに引張残留応力が存在するが、デンドライトの伸長方向が引張残留応力が作用する方向と平行であるため、この肉盛層２４ａ、及び肉盛層２４ａ近傍の配管２１ａの溶接熱影響部における、配管の肉厚方向でのＳＣＣの発生を抑制することができる。
【００４３】
なお、本実施例の配管（構造部材）の溶接継手構造では、金属溶接部２６の軸方向ｘの中心から軸方向ｘに±１０ｍｍ離れた各位置でも、引張残留応力が約１００ＭＰａまで低下するので、肉盛層２４ａ，２４ｂの軸方向ｘの長さを１０ｍｍ程度にしても、配管２１ａ，２１ｂのそれぞれの母材の溶接熱影響部におけるＳＣＣの発生を抑制することができると考えられる。配管２１ａ，２１ｂの外径により、溶接後において配管に生じる、軸方向ｘ及び周方向ｚのそれぞれの残留応力分布が異なるため、配管寸法に応じて肉盛層の寸法及び形状を変更する必要がある。
【００４４】
外径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼配管を用いて、実施例２の図４（Ｂ）から図４（Ｇ）示す各工程を適用し、肉盛層２４ａ，２４ｂをＮｉ基合金の溶接ワイヤーを用いて形成し、金属溶接部２６をオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを用いて形成した。このような構造部材の溶接方法で得られた構造部材の溶接継手構造においても、図６及び図７に示すそれぞれの残留応力分布を得ることができた。Ｎｉ基合金で配管の内面に肉盛層２４ａ，２４ｂを形成し、オーステナイト系ステンレス鋼で金属溶接部２６を形成した場合でも、実施例２と同様に、構造部材の溶接継手構造におけるＳＣＣの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４５】
本発明の他の実施例である実施例３における構造部材の溶接方法を、図８を用いて説明する。
【００４６】
実施例１及び２は配管の溶接を対象にしたものであるのに対し、本実施例は板部材の溶接を対象にしたものである。本実施例の構造部材の溶接方法は、ＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス鋼製の２つの板部材（板厚５０ｍｍ）の突合せ溶接に適用される。本実施例も、実施例２と同様に、突合せ面全体に肉盛溶接を行うのではなく、ＳＣＣが懸念される部分、特に、板部材の表及び裏のそれぞれの表面部分にのみ肉盛溶接を施している。
【００４７】
平板である板部材４１ａの一端に突合せ面５１が形成されている（図８(Ａ）参照）。板部材４１ａは、２つの表面、すなわち、Ａ面及びＢ面を有する。図示されていないが、板部材４１ａに突合せ溶接される板部材４１ｂの一端にも突合せ面５１が形成されている。実施例３においては、突合せ面５１に直交する方向をｘ軸方向、Ａ面及びＢ面に直交する方向をｙ軸方向、及びｘ軸方向及びｙ軸方向に直交する方向（突合せ面５１に平行な方向）をｚ軸方向という。
【００４８】
板部材４１ａの突合せ面５１においてＡ面及びＢ面２９側に、肉盛層を形成するために開先４２及び４３（第１開先）をそれぞれ形成する（図８（Ｂ）参照）。形成された開先４２及び４３は、突合せ面２７から板部材４１ａの表面に沿って形成されており、ｘ軸方向における突合せ面２７からの長さがそれぞれ５０ｍｍである。開先４４ａを形成した当て材４４が板部材４１ａのＡ面に取り付けられ、開先４５ａを形成した当て材４５が板部材４１ａのＢ面に取り付けられる（図８（Ｃ）参照）。開先４４ａは板部材４１ａに形成した開先４２と向き合っており、開先４５ａは板部材４１ａに形成した開先４３と向き合っている。
【００４９】
当て材４４，４５を取り付けた状態で、開先４４ａと開先４２の間、及び開先４５ａと開先４３の間で、肉盛溶接がそれぞれ行われる。開先４４ａと開先４２の間及び開先４５ａと開先４３の間での肉盛溶接の方法は同じであるので、代表して、開先４４ａと開先４２の間での肉盛り溶接について説明する。この肉盛溶接は、実施例１における突合せ面２における肉盛溶接と同様に、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を突合せ面５１に対して垂直に（Ａ面に平行に）して軸方向ｘに配置し、この状態で、溶接トーチ５０を突合せ面５１に平行な方向（ｚ軸方向）に移動させながら開先４４ａと開先４２の間で溶接ワイヤーを溶融させて行われる（図８（Ｄ）参照）。本実施例では、溶接ワイヤーはオーステナイト系ステンレス鋼製のワイヤーを使用し、肉盛溶接はＴＩＧ溶接で行っている。
【００５０】
開先４４ａと開先４２の間での肉盛溶接は、具体的には、開先４４ａ及び４２のｘ軸方向における底部に溶接ワイヤーの溶融池（ビード）を形成し、溶接トーチ５０をｚ軸方向に移動させることによって、この溶融池もｚ軸方向に移動される。このようにして、その底部で初層の肉盛溶接が行われる。その後、溶接トーチ５０をｘ軸方向で突合せ面５１に向かって移動させ、初層の肉盛溶接部の上に次層の肉盛溶接を、溶接トーチ５０の姿勢を初層の肉盛溶接時におけるその姿勢と同じ状態に保って、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーをｚ軸方向に移動させる。１つのパスで次層の肉盛溶接が終了しない場合には、溶接トーチ５０を、開先４２と開先４４ａとの間で、ｙ軸方向に移動させ、その後、溶接トーチ５０及び溶接ワイヤーをｚ軸方向に移動させて、次層の１つ目のパスに隣接した、次層の２つ目のパスの肉盛溶接を行う。このように、溶接トーチ５０の、ｘ軸方向で突合せ面５１に向かう移動、ｙ軸方向への移動、及びｚ軸方向への移動を繰り返して、開先４２と開先４４ａとの間で肉盛溶接を行う。この肉盛溶接が、開先４２と開先４４ａとの間で、突合せ面５１まで行われたとき、開先４２と開先４４ａとの間に、これらの開先の底部から突合せ面５１に達する肉盛層４６ａが形成される。開先４３と開先４５ａとの間でも、同様にして、突合せ面５１に達する肉盛層４７ａが形成される（図８（Ｄ）参照）。肉盛層４６ａ及び４７ａのｘ軸方向における長さは、それぞれほぼ５０ｍｍである。
【００５１】
本実施例においても、実施例１と同様に、肉盛溶接時に溶融池が凝固するに伴って、肉盛層４６ａ内で開先４２と開先４４ａとの間の底部からｘ軸方向に伸びるデンドライトが形成される。開先４２と開先４４ａとの間に存在する肉盛層２４ａ内に形成されたデンドライトが、ｚ軸方向に形成された、板部材４１ａの母材と肉盛層４６ａの境界部１２から、ｚ軸方向に伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）に伸びている。開先４３と開先４５ａとの間に存在する肉盛層４７ａ内においても、デンドライトが、ｚ軸方向に形成された、板部材４１ｂの母材と肉盛層４７ａの境界部１２から、ｚ軸方向に伸びる肉盛りの溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）に伸びている。
【００５２】
肉盛層４６ａ及び４７ａが形成された後、板部材４１ａのＡ面から当て材４４が取り外され、板部材４１ａのＢ面から当て材４５が取り外される。そして、肉盛層４６ａのＡ面側がＡ面と同じ面になるように機械加工され、肉盛層４７ａのＡ面側がＢ面と同じ面になるように機械加工される。板部材４１ａの溶接側の端部（突合せ面５１側）に機械加工により開先４８（第１開先）が形成される（図８（Ｅ）参照）。この状態で、肉盛層４６ａの表面が板部材４１ａのＡ面に連なっており、肉盛層４７ａの表面が板部材４１ａのＢ面に連なっている。
【００５３】
板部材４１ａに突合せ溶接される他方の板部材４１ｂに対しても、図８（Ｂ）から図８（Ｅ）の各工程が実行され、板部材４１ａと同様に、肉盛層４６ｂ，４７ｂを形成して溶接端部に開先４８（第１開先）を形成する。板部材４１ａの溶接端部と板部材４１ｂの溶接端部を対向させたとき、それぞれに形成された開先４８がＸ型になる。
【００５４】
その後、板部材４１ａの開先４８と板部材４１ｂの開先４８を対向させて配置し（図８(Ｆ）参照）、両方の開先４８を溶接により接合する（図８(Ｇ）参照）。これらの板部材４１ａと板部材４１ｂの突合せ溶接は、向かい合っている両開先４８間にｙ軸方向を向くように溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）を配置し、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）をｚ軸方向に移動させて溶接ビードを順次形成しながら、対向する両開先４８の間のＡ面側の底部で板部材４１ａと板部材４１ｂを接合する初層溶接を行う。その後、溶接トーチ５０（または溶接ワイヤー）のｙ軸方向でＡ面に向かう移動、ｘ軸方向への移動及びｚ軸方向への移動を繰り返しながら、多層多パスの溶接ビードを形成してＡ面側での対向する両開先４８（図８（Ｆ）で上部の開先４８）を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層４６ａと肉盛層４６ｂの間に溶接金属部４９が形成される。そして、対向する両開先４８の間のＢ面側の底部で板部材４１ａと板部材４１ｂを接合する初層溶接が行われ、その後、多層多パスの溶接ビードを形成してＢ面側での対向する両開先４８（図８（Ｆ）で下部の開先４８）を溶接する。このような突合せ溶接により、肉盛層４７ａと肉盛層４７ｂの間に溶接金属部５０が形成され、板部材４１ａと板部材４１ｂの突合せ溶接が終了する。溶接金属部４９及び５０の形成にもオーステナイト系ステンレス鋼製の溶接ワイヤーを使用した。肉盛層４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂのそれぞれのｘ軸方向の長さは、ほぼ５０ｍｍである。溶接金属部４９のＡ面でのｘ軸方向での幅及び溶接金属部５０のＢ面でのｘ軸方向での幅は、それぞれ約２０ｍｍである。
【００５５】
以上のようにして作製したＳＵＳ３１６Ｌを用いたオーステナイト系ステンレス鋼板部材の溶接継手構造において、Ａ面及びＢ面でのそれぞれの残留応力を歪ゲージを用いた歪開放法で測定した。これらの測定結果を図９、図１０、図１１及び図１２に示す。
【００５６】
図９は突合せ溶接された、平板である板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＡ面における溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、図１０は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＡ面における溶接線に平行な方向（ｚ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、図１１は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＢ面における溶接線に直交する方向（ｘ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化、及び図１２は突合せ溶接された板部材（板部材４１ａ，４１ｂ）のＢ面における溶接線に平行な方向（ｚ軸方向）の、ｘ軸方向における残留応力の変化をそれぞれ示している。
【００５７】
いずれの測定結果においても、溶接金属部（溶接金属部４９または５０）のｘ軸方向の中心近傍では３００ＭＰａ以上の引張残留応力が生じている。肉盛層４６ａ，４６ｂ（または肉盛層４７ａ，４７ｂ）はｘ軸方向において溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍの範囲内にあり、これらの領域の外側に存在する板部材４１ａ，４１ｂのそれぞれの母材では、いずれの測定でも引張残留応力が１５０ＭＰａ未満になっている。
【００５８】
図９から図１２に示された測定結果から、図８に示す本実施例の構造部材の溶接方法で作製した板部材の溶接継手構造は、ｘ軸方向において溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍまでの範囲内では１５０ＭＰａ以上の引張残留応力が生じているが、この領域は、Ａ面側では溶接金属部４９及び耐食性の高い肉盛層４６ａ、４６ｂが存在し、Ｂ面側では溶接金属部５０及び耐食性の高い肉盛層４７ａ、４７ｂが存在しているため、ＳＣＣの発生を抑制できる。また、板部材の母材における溶接熱影響部、すなわち、板部材４１ａの母材と肉盛層４６ａ及び４７ａのそれぞれとの境界部１２、及び板部材４１ｂの母材と肉盛層４６ｂ及び４７ｂのそれぞれとの境界部１２は、ｘ軸方向において、溶接金属部のｘ軸方向の中心から±５０ｍｍの各位置に位置している。このため、肉盛層４６Ａａ，４６ｂ，４７Ａａ，４７ｂのそれぞれに上記したデンドライトが形成されるので、それぞれの境界部１２における引張残留応力が１５０ＭＰａ未満に低減され、板部材の母材における溶接熱影響部における、肉厚方向でのＳＣＣの発生も抑制することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ａ，１ｂ，２１ａ，２１ｂ…配管、２，２７，５１…突合せ面、３Ａａ，３ｂ，２４ａ，２４ｂ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ…肉盛層、４Ａａ，４ｂ，２２，２５ａ，２５ｂ，４２，４３，４４Ａａ，４５ａ，４８…開先、５，２６，４９，５０…溶接金属部、６…母材、１０…フェライト相、１１…オーステナイト相、１３…溶融金属、４１ａ，４１ｂ…板部材、５０…溶接トーチ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉盛層を形成した一対の構造部材と、それぞれの前記構造部材の前記肉盛層同士を接合した溶接金属部とを有し、それぞれの前記肉盛層内に、前記肉盛層に形成される肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されていることを特徴とする構造部材の溶接継手構造。
【請求項２】
前記肉盛層が前記構造部材の肉厚方向の全体に亘って形成されている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項３】
前記肉盛層が前記構造部材の肉厚方向の一部に形成されて前記肉盛層の表面が前記構造部材の表面に連なっている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項４】
前記構造部材が管状部材であり、前記デンドライトが形成される前記肉盛層が前記管状部材の内面に形成され、前記肉盛層の表面が前記管状部材の表面に連なっている請求項１または３に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項５】
前記構造部材が板状部材であり、前記デンドライトが形成される前記肉盛層が前記板状部材の肉厚方向の一部に形成されて前記肉盛層の表面が前記板状部材の表面に連なっている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項６】
前記デンドライトが、前記構造部材の母材と前記肉盛層の境界部から、前記直交する方向に伸びている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項７】
前記構造部材がオーステナイト系ステンレス鋼製の構造部材である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項８】
肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成される肉盛層を、接合される一対の構造部材のそれぞれの溶接側端部に形成し、
前記一対の構造部材に形成されたそれぞれの前記肉盛層に第１開先を形成し、
それぞれの前記第１開先同士を対向させて前記一対の構造部材を溶接にて接合することを特徴とする構造部材の溶接方法。
【請求項９】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の全体に亘って形成する請求項８に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１０】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の一部に形成する請求項８に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１１】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の一部に形成する際に、前記肉盛層を形成する、前記構造部材の表面に第２開先を形成し、この第２開先に前記肉盛層を形成する請求項１０に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１２】
前記第２開先での前記肉盛層の形成は、当て材を、前記第２開先に対向させて前記構造部材の表面に取り付け、前記第２開先と前記当て材の間に前記肉盛層を形成し、その後、前記当て材を前記構造部材から取り外す請求項１１に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１３】
前記肉盛層の形成に際して、溶接トーチ及び溶接ワイヤーのいずれかを、前記構造部材の前記溶接側端部に存在する、前記構造部材の端面に垂直になる状態で、移動させる請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１４】
前記構造部材が管状部材であり、前記溶接トーチ及び前記溶接ワイヤーのいずれかを、前記垂直になる状態で、前記管状部材の周方向に移動させる請求項１３に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１５】
前記構造部材が板状部材であり、前記溶接トーチ及び前記溶接ワイヤーのいずれかを、前記肉盛り溶接線と直交する状態で移動させて前記肉盛層を形成する請求項１３に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１】
肉盛層を形成した一対の構造部材と、それぞれの前記構造部材の前記肉盛層同士を接合した溶接金属部とを有し、それぞれの前記肉盛層内に、前記肉盛層に形成される肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成されていることを特徴とする構造部材の溶接継手構造。
【請求項２】
前記肉盛層が前記構造部材の肉厚方向の全体に亘って形成されている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項３】
前記肉盛層が前記構造部材の肉厚方向の一部に形成されて前記肉盛層の表面が前記構造部材の表面に連なっている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項４】
前記構造部材が管状部材であり、前記デンドライトが形成される前記肉盛層が前記管状部材の内面に形成され、前記肉盛層の表面が前記管状部材の表面に連なっている請求項１または３に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項５】
前記構造部材が板状部材であり、前記デンドライトが形成される前記肉盛層が前記板状部材の肉厚方向の一部に形成されて前記肉盛層の表面が前記板状部材の表面に連なっている請求項１に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項６】
前記デンドライトが、前記構造部材の母材と前記肉盛層の境界部から、前記直交する方向に伸びている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項７】
前記構造部材がオーステナイト系ステンレス鋼製の構造部材である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の構造部材の溶接継手構造。
【請求項８】
肉盛りの溶接線と直交する方向に伸びるデンドライトが形成される肉盛層を、接合される一対の構造部材のそれぞれの溶接側端部に形成し、
前記一対の構造部材に形成されたそれぞれの前記肉盛層に第１開先を形成し、
それぞれの前記第１開先同士を対向させて前記一対の構造部材を溶接にて接合することを特徴とする構造部材の溶接方法。
【請求項９】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の全体に亘って形成する請求項８に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１０】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の一部に形成する請求項８に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１１】
前記肉盛層を前記構造部材の肉厚方向の一部に形成する際に、前記肉盛層を形成する、前記構造部材の表面に第２開先を形成し、この第２開先に前記肉盛層を形成する請求項１０に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１２】
前記第２開先での前記肉盛層の形成は、当て材を、前記第２開先に対向させて前記構造部材の表面に取り付け、前記第２開先と前記当て材の間に前記肉盛層を形成し、その後、前記当て材を前記構造部材から取り外す請求項１１に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１３】
前記肉盛層の形成に際して、溶接トーチ及び溶接ワイヤーのいずれかを、前記構造部材の前記溶接側端部に存在する、前記構造部材の端面に垂直になる状態で、移動させる請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１４】
前記構造部材が管状部材であり、前記溶接トーチ及び前記溶接ワイヤーのいずれかを、前記垂直になる状態で、前記管状部材の周方向に移動させる請求項１３に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項１５】
前記構造部材が板状部材であり、前記溶接トーチ及び前記溶接ワイヤーのいずれかを、前記肉盛り溶接線と直交する状態で移動させて前記肉盛層を形成する請求項１３に記載の構造部材の溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−３０２３７（Ｐ２０１２−３０２３７Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７００６４（Ｐ２０１０−１７００６４）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【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２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【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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