JP2016007620A - 溶接方法及び溶接構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低い入熱で深い溶け込みが得られる溶接方法を提供する。
【解決手段】実施の形態に係る溶接方法は、配置工程及び溶接工程を有する。配置工程では、溶接の対象となる第１の母材と第２の母材とをギャップを空けて配置する。溶接工程では、前記配置された第１及び第２の母材どうしを、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、マグ溶接法を用いて完全溶け込み溶接する。さらに、前記第１及び第２の母材の厚さは、４ｍｍ以上、２４ｍｍ以下の範囲内にある。また、前記ギャップは、前記第１及び第２の母材の厚さの０．０５倍以上、０．４倍以下の範囲内にある。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明の実施形態は、溶接方法及び溶接構造物に関する。

従来、建設業、自動車産業、造船、橋梁、発電機器などの大型構造物の製造には、接合プロセスの一つである溶接が、必要不可欠な基盤技術として適用されている。特に、上記した大型構造物に用いられる厚板鋼板の溶接においては、溶け込みの深い溶接方法を適用することが製造工数の削減につながる。

ここで、深い溶け込みが得られる溶接方法として種々のものが開発されている。例えば、第１の溶接方法は、ステンレス鋼材又は低炭素鋼材からなる継手部の表面又は裏面に溶け込み促進剤を塗布し、非消耗電極方式のアーク溶接を用いることによって、両面溶接を可能とする。これにより、第１の溶接方法は、開先加工を施さない、いわゆるＩ型継手又はＴ型継手のままで、接合不足のない完全溶け込み溶接を行う。

また、第２の溶接方法は、例えば、ステンレス鋼材からなるＴ型継手に対し、非消耗電極方式のアーク溶接にて、溶け込み深さ促進性のフラックス材が充填されたフラックス入りワイヤをアーク溶接部分に送給しながら、貫通溶接することを可能とする。これにより、第２の溶接方法は、開先加工を施さないＴ型継手のままで、接合不足のない完全溶け込み溶接を行う。

特開２００７−１９６２６６号公報 特許第５１５３３６８号公報

しかしながら、第１の溶接方法は、前述したように、溶け込み促進剤を継手部に塗布する必要があるため、溶け込み促進剤の購入にかかる材料費の増加、及び塗布作業に要する工数の増加を招く。しかも、溶け込み促進剤を塗布する量や塗布する範囲のばらつきによって、溶け込み深さが変動するリスクが高い。さらに、第１の溶接方法は、消耗電極方式であるマグ溶接と比べて溶け込み深さの浅い非消耗電極方式のアーク溶接を用いるため、この溶接に適用可能な鋼材の厚さは、一般には６ｍｍ以下となる。

一方、第２の溶接方法も、非消耗電極方式のアーク溶接を用いるため、溶接に適用可能な鋼材の厚さは、同様に６ｍｍ以下である。さらに、第２の溶接方法は、溶け込み促進性を有するフラックス材が充填されたフラックス入りワイヤが必要となり、製造コストの増大を余儀なくされる。

本発明が解決しようとする課題は、比較的低い入熱で深い溶け込みが得られる溶接方法及び溶接構造物を提供することである。

実施の形態に係る溶接方法は、配置工程及び溶接工程を有する。配置工程では、溶接の対象となる第１の母材と第２の母材とをギャップを空けて配置する。溶接工程では、前記配置された第１及び第２の母材どうしを、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、マグ溶接法を用いて完全溶け込み溶接する。さらに、前記第１及び第２の母材の厚さは、４ｍｍ以上、２４ｍｍ以下の範囲内にある。また、前記ギャップは、前記第１及び第２の母材の厚さの０．０５倍以上、０．４倍以下の範囲内にある。

第１の実施形態に係る溶接方法の配置工程を説明するための断面図。 図１Ａに示す溶接方法において第１及び第２の母材の第１の面側からの溶接工程を説明するための断面図。 図１Ａに示す溶接方法において第１及び第２の母材の第２の面側からの溶接工程を説明するための断面図。 比較例１の溶接方法を説明するための断面図。 第２の実施形態に係る溶接方法の配置工程を説明するための断面図。 図３Ａの溶接方法における溶接工程を説明するための断面図。 第３の実施形態に係る溶接方法の配置工程を説明するための断面図。 図４Ａに示す溶接方法において第１の母材の第１の面側からの溶接工程を説明するための断面図。 図４Ａに示す溶接方法において第１の母材の第２の面側からの溶接工程を説明するための断面図。 比較例２の溶接方法を説明するための断面図。 第４の実施形態に係る溶接方法の配置工程を説明するための断面図。 図６Ａの溶接方法における溶接工程を説明するための断面図。 第１〜第４の実施形態とは構成の異なる他の実施形態の溶接方法として、突起部を含むＴ型継手について説明するための正面図。 図７Ａに示すＴ型継手をＡ方向からみた矢視図。 図７Ｂに示すＴ型継手とは突起部の構造が異なる他の実施形態に係るＴ型継手の側面図。 第１〜第４の実施形態、図７Ａ、図８に示す実施形態とは構成の異なる他の実施形態の溶接方法として、突起部を含むＩ型継手について説明するための正面図。 図９Ａに示すＩ型継手をＢ方向からみた矢視図。 図９Ｂに示すＩ型継手とは突起部の構造が異なる他の実施形態に係るＩ型継手の側面図。 実施例１のＩ型継手における断面のマクロ写真。 比較例３のＩ型継手における断面のマクロ写真。 比較例４のＩ型継手における断面のマクロ写真。 実施例３のＴ型継手における断面のマクロ写真。 実施例４のＴ型継手における断面のマクロ写真。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。後述する第１〜第４の実施形態の溶接方法は、次の条件を満たす配置工程及び溶接工程をそれぞれ有している。配置工程では、溶接の対象となる第１の母材と第２の母材とをギャップ（隙間）を空けて配置する。溶接工程では、前記配置された第１及び第２の母材どうしを、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、マグ溶接法（消耗電極式のアーク溶接技術のうちで、シールドガスに不活性ガスと炭酸ガスとを混合して使う溶接技術）を用いて完全溶け込み溶接する。

第１及び第２の母材は、例えばステンレス鋼などの合金鋼や、炭素鋼といった鋼材である。溶接工程では、溶接姿勢を下向姿勢又は横向姿勢とする。なお、その他の溶接姿勢として、立向姿勢、上向姿勢などが挙げられるが、溶接時にビードが垂れて健全な溶け込み深さが得られなくなる可能性があるため好ましくない。

前述した第１及び第２の母材の厚さは、４ｍｍ以上、２４ｍｍ以下の範囲内にある。また、ギャップは、第１及び第２の母材の厚さの０．０５倍以上、０．４倍以下の範囲内にある。なお、埋れアークの状態とは、溶接ワイヤを、アークで掘られた溶融池（アークなどの熱によって形成された溶融金属のたまり）の中まで突っ込んだ状態である。

ここで、第１及び第２の母材の厚さ（板厚）が４ｍｍより薄いと、溶け込み深さを所定深さに止めることが難しく、溶融金属がギャップの裏側から溶け落ちてしまう可能性があるので好ましくない。一方、第１及び第２の母材の厚さが２４ｍｍより厚いと、溶け込み深さの不足により、完全溶け込み溶接が得られなくなる可能性があるので好ましくない。

また、母材どうしの間のギャップは、母材の厚さに応じた適正な値に設定されることで、健全な完全溶け込み溶接を得ることが可能となる。このギャップが母材の厚さの０．０５倍未満になると、溶接時のアークがギャップに入り込むことが困難となり、溶け込み深さが減少する。一方、ギャップが母材の厚さの０．４倍よりも大きくなると、溶着に必要な金属の量の増加を招き、また、片方の側からの溶接操作に複数回のパスが必要となる可能性があるうえ、溶融金属がギャップの裏側から溶け落ちる可能性があり好ましくない。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施形態の溶接方法は、配置工程及び溶接工程をそれぞれ行う際に前述した条件を満たすことに加え、さらに、配置工程では、図１Ａに示すように、母材（第１の母材）１と母材（第２の母材）２とをＩ型継手（突合せ継手）８として配置する。ここで、本実施形態のようなＩ型継手８を溶接する場合には、母材１、２の厚さ（第１の面１ａ、２ａと第２の面１ｂ、２ｂとの間の厚さ）Ｔ１は、６ｍｍ以上、２４ｍｍ以下（６ｍｍ≦Ｔ１≦２４ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。さらに、本実施形態のようなＩ型継手８を溶接する場合には、ギャップＧ１は、母材１、２の厚さＴ１の０．０５倍以上、０．１倍以下（０．０５×Ｔ１ｍｍ≦Ｇ１≦０．１×Ｔ１ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。

また、溶接工程では、前述したように、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、Ｉ型継手８における第１の面１ａ、２ａ側とその背面側に位置する第２の面１ｂ、２ｂ側とからそれぞれ１パスずつ溶接操作を行う。つまり、図１Ｂに示すように、まず、Ｉ型継手８における第１の面１ａ、２ａ側から、１パスで溶け込み深さＨ１まで、マグ溶接してビード（１回のパスによって作られる溶融凝固した溶接金属）３を形成する。

さらに、図１Ｃに示すように、Ｉ型継手８における第２の面１ｂ、２ｂ側から、１パスで溶け込み深さＨ２までマグ溶接して、ビード４を形成する。詳述すると、図１Ｃに示すように、Ｉ型継手８の第１の面１ａ、２ａ及び第２の面１ｂ、２ｂ側からの１パスずつの溶接操作によってそれぞれ得られる溶け込み深さＨ１、Ｈ２は、母材１、２の厚さＴ１の０．５倍以上、０．９倍以下の範囲内にある。さらに、Ｉ型継手８の第１の面１ａ、２ａ側及び第２の面１ｂ、２ｂ側からの溶け込みによって形成されるビード３及びビード４は、母材１、２の厚さ方向の中央部分又はその近傍で、互いに重なり合っている。これによって、完全溶け込み溶接された溶接構造物１０（溶接されたＩ型継手８）を得る。

上述した溶け込み深さＨ１や溶け込み深さＨ２が、母材１、２の厚さＴ１の０．５倍未満であると、母材１、２の第１及び第２の面のそれぞれの側から１パスずつ溶接操作を行ったとしても、母材１、２の厚さ方向の中央まで材料が溶けていないことになるから、溶接不足が発生する可能性があり好ましくない。一方、溶け込み深さＨ１、Ｈ２が、厚さＴ１の０．９倍より大きいと、溶融金属がギャップの裏側（パスしている面とは逆側の面）まで溶け落ちる可能性があるので好ましくない。

また、本実施形態のようなＩ型継手８を溶接する場合、母材１、２の厚さＴ１が６ｍｍより薄いと、溶け込み深さを所定深さに止めることが難しく、溶融金属がギャップの裏側から溶け落ちてしまう可能性がある。一方、厚さＴ１が２４ｍｍより厚いと、溶け込み深さの不足により、完全溶け込み溶接が得られなくなる可能性がある。

さらに、ギャップＧ１が、厚さＴ１の０．０５倍未満であると、前述したように、溶接時のアークがギャップ内に入り込むことが困難となり、溶け込み深さが減少する。また、本実施形態のようなＩ型継手８の場合、ギャップＧ１が厚さＴ１の０．１倍よりも大きくなると、溶着に必要な金属の量が増加し、しかも、第１の面１ａ、２ａ側及び第２の面１ｂ、２ｂ側からのそれぞれの溶接操作に複数回ずつのパスが必要となる可能性があるうえ、溶融金属がギャップの裏側から溶け落ちる可能性もある。

ここで、比較例１の溶接方法を図２に基づき説明する。比較例１の溶接方法は、図２に示すように、マグ溶接を用いて、例えば厚さＴ１ａが、２０ｍｍの母材１ｃ、２ｃを突合せ溶接する場合を例示している。このような母材１ｃ、２ｃを突合せ溶接する際には、例えば４５°程度の開先角度を持たせたレ型開先、Ｖ型開先、Ｘ型開先などを設けたうえでマグ溶接する必要がある。さらに、これらの開先を完全溶け込み溶接するためには、図２に示すように、例えば１０パス程度の溶接パス（多数回にわたってビート３ａを形成すること）が必要となる。このため、比較例１の溶接方法は、多くの溶接施工時間を要する結果となる。

また、一般に、溶接時の入熱と溶け込み深さには相関関係があり、入熱を増加させることで溶け込み深さが増加することが知られている。したがって、入熱の増加には、定格出力電流の大きい溶接電源を準備する必要があるうえ、溶接ワイヤが自動で送給されかつ溶接時の電流が４００Ａを超える半自動マグ溶接の場合、市販されている汎用の溶接電源では、溶接欠陥を誘発し、健全な溶接部を得ることが難しい。さらに、溶接時の電流が４００Ａを超えるこのような半自動マグ溶接では、溶融金属の溶着量の増加に伴いビードの余盛が増加する一方で、溶け込み深さは増加せず、このため、例えば２４ｍｍ程度の厚さの母材を、少ないパス数で完全溶け込み溶接させることは極めて困難となる。

このような実情を踏まえたうえで、本実施形態の溶接方法は、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、Ｉ型継手８となる母材１、２の厚さＴ１及びギャップＧ１を適宜設定し、さらに２５ｋＪ／ｃｍ以下の比較的低い入熱により、埋れアークの状態で、Ｉ型継手８の第１の面１ａ、２ａ側と第２の面１ｂ、２ｂ側との片側１パスずつのマグ溶接によって、完全溶け込み溶接を実現するものである。つまり、本実施形態の溶接方法では、開先加工が不要であると共にパス数を低減できることから、溶接施工時間の短縮化を図ることができる。なお、埋れアークの状態でマグ溶接を実施する場合、アーク長の変動に対する電流変化の応答性が良好なマグ溶接電源を用いることが好ましい。

既述したように、第１の実施形態によれば、例えば市販されている汎用の溶接材料（母材）を適用し、２５ｋＪ／ｃｍ以下の比較的低い入熱で、深い溶け込みが得られる溶接方法、及びこの溶接方法を用いて溶接された溶接構造物１０を提供するができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図３Ａ、図３Ｂに基づき説明する。第２の実施形態の溶接方法は、配置工程及び溶接工程をそれぞれ行う際に、第１〜第４の実施形態共通の前述した条件を満たすことに加え、さらに、配置工程では、図３Ａに示すように、母材（第１の母材）２１と母材（第２の母材）２２とを、裏当て金２５と共にＩ型継手２８として配置する。

ここで、本実施形態のようなＩ型継手２８を溶接する場合には、母材２１、２２の厚さ（第１の面２１ａ、２２ａと第２の面２１ｂ、２２ｂとの間の厚さ）Ｔ２は、４ｍｍ以上、１２ｍｍ以下（４ｍｍ≦Ｔ２≦１２ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。さらに、本実施形態のようなＩ型継手２８を溶接する場合には、ギャップＧ２は、母材２１、２２における厚さＴ２の０．２倍以上、０．４倍以下（０．２×Ｔ２ｍｍ≦Ｇ２≦０．４×Ｔ２ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。

また、溶接工程では、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、図３Ｂに示すように、Ｉ型継手２８として配置された母材２１、２２についての裏当て金２５をあてがう第２の面（裏当て金２５の被接触面）２１ｂ、２２ｂの背面側に位置する第１の面２１ａ、２２ａ側から、１パスの溶接操作にてマグ溶接し、母材２１と母材２２と裏当て金２５とを互いに溶着するビード２３を形成する。これにより、完全溶け込み溶接された溶接構造物２０（溶接されたＩ型継手２８）を得る。

ここで、本実施形態のようなＩ型継手２８を溶接する場合、母材２１、２２の厚さＴ２が４ｍｍより薄いときには、消耗電極方式のアーク溶接の一つである例えばティグ溶接などによって、当該Ｉ型継手２８を溶接することが可能となる。さらに、１パスでＩ型継手２８を溶接する本実施形態のような溶接方法の場合、厚さＴ２が１２ｍｍより厚いと、溶け込み深さの不足により、完全溶け込み溶接が得られなくなる可能性がある。

また、本実施形態のようなＩ型継手２８の場合、ギャップＧ２が母材２１、２２の厚さＴ２の０．２倍未満であると、溶接時のアークがギャップ内に入り込むことが困難となり、溶け込み深さが減少する場合がある。さらに、本実施形態のようなＩ型継手２８の場合、ギャップＧ２が厚さＴ２の０．４倍よりも大きくなると、溶着に必要な金属の量が増加し、さらに、第１の面２１ａ、２２ａ側からの溶接操作が多数回必要になる可能性がある。

つまり、本実施形態の溶接方法は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、Ｉ型継手２８となる母材２１、２２の厚さＴ２及びギャップＧ２を適宜設定し、さらに２５ｋＪ／ｃｍ以下の比較的低い入熱により、埋れアークの状態で、Ｉ型継手２８における第１の面２１ａ、２２ａ側から１パスのマグ溶接によって、完全溶け込み溶接を実現するものである。したがって、第２の実施形態に係る溶接方法においても、比較的低い入熱で深い溶け込みを得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態を図４Ａ〜図４Ｃに基づき説明する。第３の実施形態の溶接方法は、配置工程及び溶接工程をそれぞれ行う際に、第１〜第４の実施形態共通の前述した条件を満たすことに加え、さらに、配置工程では、図４Ａに示すように、母材（第１の母材）３１と母材（第２の母材）３２とをＴ型継手３８として配置する。

ここで、本実施形態のようなＴ型継手３８を溶接する場合には、少なくとも母材３１の厚さ（第１の面３１ａと第２の面３１ｂとの間の厚さ）Ｔ３は、６ｍｍ以上、２０ｍｍ以下（６ｍｍ≦Ｔ３≦２０ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。さらに、本実施形態のようなＴ型継手３８を溶接する場合には、ギャップＧ３は、母材３１の厚さＴ３の０．１倍以上、０．２倍以下（０．１×Ｔ３ｍｍ≦Ｇ３≦０．２×Ｔ３ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。なお、本実施形態では、母材３１の厚さと母材３２の厚さは、同じ厚さである。

また、溶接工程では、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、Ｔ型継手３８として母材３２と共に配置された母材３１の第１の面３１ａ側とその背面側に位置する第２の面３１ｂ側とからそれぞれ１パスずつ溶接操作を行う。つまり、図４Ｂに示すように、まず、Ｔ型継手３８における母材３１の第１の面３１ａ側から、１パスで溶け込み深さＨ３１まで、マグ溶接して、母材３１の第１の面３１ａと母材３２との間の境界部分にビード３３を形成する。

さらに、図４Ｃに示すように、母材３１の第２の面３１ｂ側から、１パスで溶け込み深さＨ３２までマグ溶接して、ビード３４を形成する。より具体的には、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、Ｔ型継手３８の第１の面３１ａ及び第２の面３１ｂ側からの１パスずつの溶接操作によってそれぞれ得られる溶け込み深さＨ３１、Ｈ３２は、母材３１、３２の厚さＴ３の０．５倍以上、０．９倍以下の範囲内にある。さらに、Ｔ型継手３８の第１の面３１ａ側及び第２の面３１ｂ側からの溶け込みによって形成されたビード３３及びビード３４は、母材３１の厚さ方向の中央部分又はその近傍で、互いに重なり合っている。これにより、完全溶け込み溶接された溶接構造物３０（溶接されたＴ型継手３８）を得る。

上述した溶け込み深さＨ３１や溶け込み深さＨ３２が、例えば厚さＴ３の０．５倍未満であると、母材３１の第１及び第２の面のそれぞれの側から１パスずつ溶接操作を行ったとしても、母材３１の厚さ方向の中央まで材料が溶けていないことになり、溶接不足が懸念される。一方、溶け込み深さＨ３１、Ｈ３２が、厚さＴ３の０．９倍より大きいと、溶融金属がギャップの裏側（パスしている面とは逆側の面）まで溶け落ちる可能性があるので好ましくない。

また、本実施形態のようなＴ型継手３８を溶接する場合、母材３１の厚さＴ３が６ｍｍより薄いと、溶け込み深さを所定深さに止めることが難しく、溶融金属がギャップの裏側（パスしている面とは逆側の面）から溶け落ちてしまう可能性がある。さらに、本実施形態のようなＴ型継手３８を溶接する場合、厚さＴ３が２０ｍｍより厚いと、溶け込み深さの不足により、完全溶け込み溶接が得られなくなる可能性がある。

また、本実施形態のようなＴ型継手３８の場合、ギャップＧ３が厚さＴ３の０．１倍未満であると、溶接時のアークがギャップ内に入り込むことが困難となり、溶け込み深さが減少する場合がある。さらに、本実施形態のようなＴ型継手３８の場合、ギャップＧ３が厚さＴ３の０．２倍よりも大きくなると、溶着に必要な金属の量が増加し、しかも、第１の面３１ａ側及び第２の面３１ｂ側からのそれぞれの溶接操作に複数回ずつのパスが必要となる可能性があるうえ、溶融金属がギャップの裏側から溶け落ちる可能性もある。

ここで、比較例２の溶接方法を図５に基づき説明する。比較例２の溶接方法は、図５に示すように、マグ溶接を用いて、例えば厚さＴ３ａが、２０ｍｍの母材３１ｃ、３２ｃをＴ型継手として溶接する場合を例示している。これらの母材３１ｃ、３２ｃをすみ肉溶接して所望の強度を得るために、一般に、母材３１ｃ、３２ｃの厚さＴ３ａの０．７倍程度の脚長（この場合、１４ｍｍ程度の脚長）Ｈ３ａを設ける必要がある。つまり、例えば、１４ｍｍの脚長Ｈ３ａを形成するには、母材３１ｃの第１の面３１ｅ側と第２の面３１ｆ側とで例えば６パスずつの合計１２パスの溶接操作（合計１２回のビード３３ａ、３４ａの形成）が必要となる。このため、比較例２の溶接方法は、多くの溶接施工時間を要する結果となる。

これに対して、本実施形態の溶接方法は、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、母材３２と共にＴ型継手３８となる母材３１の厚さＴ３と、ギャップＧ３とを適宜設定し、さらに２５ｋＪ／ｃｍ以下の比較的低い入熱により、埋れアークの状態で、母材３１の第１の面３１ａ側からと第２の面３１ｂ側からとの片側１パスずつのマグ溶接によって、完全溶け込み溶接を達成するものである。つまり、本実施形態の溶接方法では、パス数の低減により溶接施工時間を短縮でき、しかも低入熱にて深い溶け込みの得られる溶接が可能となる。

＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態を図６Ａ、図６Ｂに基づき説明する。第４の実施形態の溶接方法は、配置工程及び溶接工程をそれぞれ行う際に、第１〜第４の実施形態共通の前述した条件を満たすことに加え、さらに、配置工程では、図６Ａに示すように、母材（第１の母材）４１と母材（第２の母材）４２とをＴ型継手４８として配置する。

ここで、本実施形態のようなＴ型継手４８を溶接する場合には、少なくとも母材４１の厚さ（第１の面４１ａと第２の面４１ｂとの間の厚さ）Ｔ４は、４ｍｍ以上、１２ｍｍ以下（４ｍｍ≦Ｔ４≦１２ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。さらに、本実施形態のようなＴ型継手４８を溶接する場合には、ギャップＧ４は、母材４１の厚さＴ４の０．２倍以上、０．３倍以下（０．２×Ｔ４ｍｍ≦Ｇ４≦０．３×Ｔ４ｍｍ）の範囲内にあることがより好ましい。

また、溶接工程では、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、図６Ａ、図６Ｂに示すように、Ｔ型継手４８として母材４２と共に配置された母材４１における第２の面４１ｂの背面側に位置する第１の面４１ａ側から、１パスの溶接操作を行う。つまり、図６Ｂに示すように、母材４１の第１の面４１ａ側から１パスでマグ溶接して、母材４１の溶接対象の端面全体と母材４２との間の境界部分にビード４３を形成する。これにより、完全溶け込み溶接された溶接構造物４０（溶接されたＴ型継手４８）を得る。

ここで、本実施形態のようなＴ型継手４８を溶接する場合、母材４１の厚さＴ４が４ｍｍより薄いと、溶け込み深さを所定深さに止めることが難しく、溶融金属がギャップの裏側（パスしている第１の面４１ａとは逆側の第２の面４１ｂ側）から溶け落ちてしまう可能性がある。さらに、１パスでＴ型継手４８を溶接する本実施形態のような溶接方法の場合、厚さＴ４が１２ｍｍより厚いと、溶け込み深さの不足により、完全溶け込み溶接が得られなくなる可能性がある。

また、本実施形態のようなＴ型継手４８の場合、ギャップＧ４が厚さＴ４の０．２倍未満であると、溶接時のアークがギャップ内に入り込むことが困難となり、溶け込み深さが減少する場合がある。さらに、本実施形態のようなＴ型継手４８の場合、ギャップＧ４が厚さＴ４の０．３倍よりも大きくなると、溶着に必要な金属の量が増加し、さらに、母材４１の第１の面４１ａ側からのパスが多数回必要になる可能性がある。

本実施形態の溶接方法は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、母材４２と共にＴ型継手４８として配置される母材４１の厚さＴ４と、ギャップＧ４とを適宜設定し、さらに２５ｋＪ／ｃｍ以下の比較的低い入熱により、埋れアークの状態で、Ｔ型継手４８における第１の面４１ａ側から１パスのマグ溶接によって、完全溶け込み溶接を実現するものである。したがって、第４の実施形態に係る溶接方法においても、比較的低い入熱で深い溶け込みを得ることができる。

例えば第１〜第４の実施形態の溶接方法に適用されるギャップＧ１〜Ｇ４は、Ｉ型継手８、２８及びＴ型継手３８、４８の構成部品となるそれぞれ一対の母材のうちの少なくとも一方に設けられた突起部によって構成されてもよい。つまり、図７Ａ、図７Ｂに示すように、例えば、母材（第２の母材）５２と共にＴ型継手５８として配置される母材（第１の母材）５１は、その端部（底部）に複数の突起部５７を備えている。

複数の突起部５７は、図７Ｂに示すように、それぞれ直方体状に構成されており、例えば５ｍｍの幅Ｗ１を有している。また、複数の突起部５７は、幅Ｌ５（例えば３００ｍｍ）で構成された母材５１の幅方向に沿って所定の間隔（ピッチＰ１）をおいて配置されている。母材５１における各突起部５７の先端面（底面）は、母材５２の平面部分（上面）と接触する位置に配置される。したがって、各突起部５７の突出量は、母材５１と母材５２との間に確保されるギャップの量となる。このような構成によって、Ｔ型継手５８には、ギャップＧ５が形成されている。

また、図８に示すように、複数の突起部６７を備えたＴ型継手６８を構成してもよい。Ｔ型継手６８において、複数の突起部６７は、母材（第２の母材）６２の平面部分（上面）と接触する母材（第１の母材）６１の端部（底部）に設けられている。各突起部６７は、母材６１の厚さ方向からみて、基端部側から先端部側へ向けて例えば９０°の角度をなし、先端部分が先鋭となっている。複数の突起部６７は、幅Ｌ６（例えば３００ｍｍ）で構成された母材６１の幅方向に沿って所定の間隔（ピッチＰ１）をおいて配置されている。このような構成によって、Ｔ型継手６８には、ギャップＧ６が形成されている。

さらに、図９Ａ、図９Ｂに示すように、複数の突起部７７を備えたＩ型継手７８を構成してもよい。Ｉ型継手７８において、複数の突起部７７は、母材（第２の母材）７２の端部と接触する母材（第１の母材）７１の端部に設けられている。複数の突起部７７は、図９Ｂに示すように、それぞれ直方体状に構成されており、例えば５ｍｍの幅Ｗ１を有している。また、複数の突起部７７は、幅Ｌ７（例えば３００ｍｍ）で構成された母材７１の幅方向に沿って所定の間隔（ピッチＰ１）をおいて配置されている。このような構成によって、Ｉ型継手７８には、ギャップＧ７が形成されている。

また、図１０に示すように、複数の突起部８７を備えたＴ型継手８８を構成してもよい。Ｔ型継手８８において、複数の突起部８７は、母材（第２の母材）８２の端部と接触する母材（第１の母材）８１の端部に設けられている。各突起部８７は、母材８１の厚さ方向からみて、基端部側から先端部側へ向けて９０°の角度をなし、先端部分が先鋭となっている。複数の突起部８７は、幅Ｌ８（例えば３００ｍｍ）で構成された母材８１の幅方向に沿って所定の間隔（ピッチＰ１）をおいて配置されている。このような構成によって、Ｉ型継手８８には、ギャップＧ８が形成されている。

例えば母材自体を切断加工して溶接材料とする際などに、図７Ａ、図７Ｂ、図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０に示したように、少なくとも一方の母材に突起部を形成しておくことで、比較的大型の溶接継手に対しても、所定量のギャップを容易に確保することが可能となる。

次に実施例について説明する。
＜実施例１＞
実施例１では、図１Ａ〜図１Ｃに示した第１の実施形態に係るＩ型継手８の溶接方法を適用し、さらに次の詳細な条件を追加して配置工程及び溶接工程を実施した。

≪実施例１の溶接条件≫
・溶接方法：半自動マグ溶接，両側各１パス溶接
・母材１、２：炭素鋼鋼材（JIS G3101 SS400,縦300mm×横300mm×厚さ20mm）
・溶接ワイヤ：AWS A5.18 ER70S-G,直径1.2mm
・溶接電流：３００Ａ
・溶接電圧：２７Ｖ
・溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
・入熱：１６．２ｋＪ／ｃｍ
・母材１、２の厚さＴ１：２０ｍｍ
・ギャップＧ１：１．５ｍｍ

図１１は、実施例１に係るＩ型継手８の溶接結果を示している。図１Ｃ及び図１１に示すように、母材１、２の第１の面１ａ、２ａ側から形成されたビード３の深さ（溶け込み深さＨ１）は、１２〜１３ｍｍであった。一方、母材１、２の第２の面１ｂ、２ｂ側から形成されたビード４の深さ（溶け込み深さＨ２）も、１２〜１３ｍｍであった。つまり、実施例１は、図１１に示すように、一方の側のビードと他方の側のビードとが互いに重なっており、完全溶け込み溶接が達成されている。なお、上記した１６．２ｋＪ／ｃｍの入熱を、２５ｋＪ／ｃｍ以下の範囲内で適宜変更することで、厚さＴ１が例えば２４ｍｍの母材に対しても完全溶け込み溶接が可能である。

一方、図１２、図１３は、比較例３、４によるＩ型継手の溶接結果を示している。図１２、図１３に示すように、比較例３、４は、母材の厚さが、第１の実施形態（実施例１）の条件の範囲外となる厚さ２５ｍｍの母材を適用して、Ｉ型継手を溶接したものである。なお、比較例３は、母材の厚さ以外の溶接条件は実施例１と同じである。また、比較例４は、溶接条件のうちの上記した母材の厚さ、溶接電圧及び入熱が実施例１とは異なる。比較例４は、溶接電圧が３２Ｖであり、入熱が１９．２ｋＪ／ｃｍである。比較例４のその他の溶接条件は、実施例１と同じである。ここで、比較例３、４は、図１２、図１３に示すように、いずれも、一方の側のビードが他方の側のビードと重なっておらず、溶接不足を確認することができる。

＜実施例２＞
実施例２では、図２Ａ、図２Ｂに示した第２の実施形態に係るＩ型継手２８の溶接方法を適用し、さらに次の詳細な条件を追加して配置工程及び溶接工程を実施した。

≪実施例２の溶接条件≫
・溶接方法：半自動マグ溶接，片側１パス溶接
・母材２１，２２：炭素鋼鋼材（JIS G3101 SS400,縦300mm×横300mm×厚さ10mm）
・溶接ワイヤ：AWS A5.18 ER70S-G,直径1.2mm
・溶接電流：３００Ａ
・溶接電圧：２７Ｖ
・溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
・入熱：１６．２ｋＪ／ｃｍ
・母材２１，２２の厚さＴ２：１０ｍｍ
・ギャップＧ２：２．５ｍｍ

実施例２は、１６．２ｋＪ／ｃｍの入熱により埋れアークの状態で、図３Ｂに示すように、母材２１、２２の裏当て金２５をあてがった第２の面２１ｂ、２２ｂとは逆側の第１の面２１ａ、２２ａ側から１パスでマグ溶接を行うことにより、母材２１と母材２２と裏当て金２５とを互いに溶着するビード２３を介して完全溶け込み溶接を実現した。なお、上記した１６．２ｋＪ／ｃｍの入熱を、２５ｋＪ／ｃｍ以下の範囲内で適宜変更することで、例えば厚さＴ２が１２ｍｍの母材に対しても完全溶け込み溶接が可能となる。

＜実施例３＞
実施例３では、図４Ａ〜図４Ｃに示した第３の実施形態に係るＴ型継手３８の溶接方法を適用し、さらに次の詳細な条件を追加して配置工程及び溶接工程を実施した。

≪実施例３の溶接条件≫
・溶接方法：半自動マグ溶接，両側各１パス溶接
・母材３１，３２：炭素鋼鋼材（JIS G3101 SS400,縦300mm×横300mm×厚さ16mm）
・溶接ワイヤ：AWS A5.18 ER70S-G,直径1.2mm
・溶接電流：３２０Ａ
・溶接電圧：２９Ｖ
・溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
・入熱：１８．５６ｋＪ／ｃｍ
・母材３１（及び母材３２）の厚さＴ３：１６ｍｍ
・ギャップＧ３：２．５ｍｍ

図１４は、実施例３に係るＴ型継手３８の溶接結果を示している。図４Ｃ及び図１４に示すように、母材３１、３２の第１の面３１ａ、３２ａ側から形成されたビード３３の深さ（溶け込み深さＨ３１）は、９〜１０ｍｍであった。一方、母材３１、３２の第２の面３１ｂ、３２ｂ側から形成されたビード３４の深さ（溶け込み深さＨ３２）も、９〜１０ｍｍであった。つまり、図１４に示すように、実施例３は、一方の側のビードと他方の側のビードとが互いに重なっており、完全溶け込み溶接が達成されている。なお、上記した１８．５６ｋＪ／ｃｍの入熱を、２５ｋＪ／ｃｍ以下の範囲内で適宜変更することで、厚さＴ３が例えば２０ｍｍの母材に対しても完全溶け込み溶接が可能となる。

＜実施例４＞
実施例４では、図６Ａ〜図６Ｂに示した第４の実施形態に係るＴ型継手４８の溶接方法を適用し、さらに次の詳細な条件を追加して配置工程及び溶接工程を実施した。

≪実施例４の溶接条件≫
・溶接方法：半自動マグ溶接，片側１パス溶接
・母材４１、４２：炭素鋼鋼材（JIS G3101 SS400,縦300mm×横300mm×厚さ10mm）
・溶接ワイヤ：AWS A5.18 ER70S-G,直径1.2mm
・溶接電流：３２０Ａ
・溶接電圧：２９Ｖ
・溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
・入熱：１８．５６ｋＪ／ｃｍ
・母材４１（及び母材４２）の厚さＴ４：１０ｍｍ
・ギャップＧ４：２．５ｍｍ

図１５は、実施例４に係るＴ型継手４８の溶接結果を示している。図６Ｂ及び図１５に示すように、母材４１の厚さ方向（溶け込みの深さ方向）の全領域（母材４１の端面全体）にわたって、ビード（ビード４３）が形成されていた。つまり、図１５に示すように、実施例４では、完全溶け込み溶接の達成を確認できた。なお、上記した１８．５６ｋＪ／ｃｍの入熱を、２５ｋＪ／ｃｍ以下の範囲内で適宜変更することで、厚さＴ４が例えば１２ｍｍの母材に対しても完全溶け込み溶接が可能となる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、比較的低い入熱で深い溶け込みが得られる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１…母材（第１の母材）、２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２…母材（第２の母材）、１ａ，２ａ，２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ…第１の面、１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ，２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ…第２の面、３，４，２３，３３，３４，４３…ビード、８，２８，７８，８８…Ｉ型継手、１０，２０，３０，４０…溶接構造物、２５…裏当て金、３８，４８，５８，６８…Ｔ型継手、５７，６７，７７，８７…突起部、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…母材の厚さ、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７，Ｇ８…ギャップ、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３１，Ｈ３２…溶け込み深さ。

Claims (10)

1. 溶接の対象となる第１の母材と第２の母材とをギャップを空けて配置する配置工程と、
   前記配置された第１及び第２の母材どうしを、２５ｋＪ／ｃｍ以下の入熱により埋れアークの状態で、マグ溶接法を用いて完全溶け込み溶接する溶接工程と、を有し、
   前記第１及び第２の母材の厚さは、４ｍｍ以上、２４ｍｍ以下の範囲内にあり、
   前記ギャップは、前記第１及び第２の母材の厚さの０．０５倍以上、０．４倍以下の範囲内にある、溶接方法。
2. 前記配置工程では、前記第１及び第２の母材をＩ型継手として配置し、
   前記溶接工程では、前記Ｉ型継手として配置された前記第１及び第２の母材の第１の面側とその背面側に位置する第２の面側とからそれぞれ１パスずつ溶接操作を行い、
   前記第１及び第２の母材の厚さは、６ｍｍ以上、２４ｍｍ以下の範囲内にあり、
   前記ギャップは、前記第１及び第２の母材の厚さの０．０５倍以上、０．１倍以下の範囲内にある、請求項１記載の溶接方法。
3. 前記配置工程では、前記第１及び第２の母材を裏当て金と共にＩ型継手として配置し、
   前記溶接工程では、前記Ｉ型継手として配置された前記第１及び第２の母材についての前記裏当て金をあてがう第２の面の背面側に位置する第１の面側から、１パスの溶接操作を行い、
   前記第１及び第２の母材の厚さは、４ｍｍ以上、１２ｍｍ以下の範囲内にあり、
   前記ギャップは、前記第１及び第２の母材の厚さの０．２倍以上、０．４倍以下の範囲内にある、請求項１記載の溶接方法。
4. 前記配置工程では、前記第１及び第２の母材をＴ型継手として配置し、
   前記溶接工程では、前記Ｔ型継手として前記第２の母材と共に配置された前記第１の母材の第１の面側とその背面側に位置する第２の面側とからそれぞれ１パスずつ溶接操作を行い、
   少なくとも前記第１の母材の厚さは、６ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲内にあり、
   前記ギャップは、前記第１の母材の厚さの０．１倍以上、０．２倍以下の範囲内にある、請求項１記載の溶接方法。
5. 前記配置工程では、前記第１及び第２の母材をＴ型継手として配置し、
   前記溶接工程では、前記Ｔ型継手として前記第２の母材と共に配置された前記第１の母材における第２の面の背面側に位置する第１の面側から、１パスの溶接操作を行い、
   少なくとも前記第１の母材の厚さは、４ｍｍ以上、１２ｍｍ以下の範囲内にあり、
   前記ギャップは、前記第１の母材の厚さの０．２倍以上、０．３倍以下の範囲内にある、請求項１記載の溶接方法。
6. 前記第１及び第２の面側からの１パスずつの溶接操作によってそれぞれ得られる溶け込み深さは、少なくとも前記第１の母材の厚さの０．５倍以上、０．９倍以下の範囲内にあり、
   前記第１及び第２の面側からの溶け込みによって形成される各ビードは、互いに重なり合っている、請求項２又は４記載の溶接方法。
7. 前記溶接工程では、溶接姿勢を下向姿勢又は横向姿勢とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の溶接方法。
8. 前記ギャップは、前記第１及び第２の母材のうちの少なくとも一方に設けられた突起部によって構成される、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の溶接方法。
9. 前記第１及び第２の母材は、炭素鋼又はステンレス鋼である、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の溶接方法。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の溶接方法を用いて形成された溶接構造物。

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