特許 7481940 極狭開先サブマージアーク溶接方法および極狭開先サブマージアーク溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-01

(45)【発行日】2024-05-13

(54)【発明の名称】極狭開先サブマージアーク溶接方法および極狭開先サブマージアーク溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/18 20060101AFI20240502BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20240502BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20240502BHJP

【ＦＩ】

B23K9/18 Z

B23K9/095 501B

B23K9/095 510E

B23K31/00 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020133448

(22)【出願日】2020-08-06

(65)【公開番号】P2022029879

(43)【公開日】2022-02-18

【審査請求日】2022-12-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001298

【氏名又は名称】弁理士法人森本国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中谷 光良

(72)【発明者】

【氏名】阿部 洋平

(72)【発明者】

【氏名】藤本 貴大

(72)【発明者】

【氏名】安部 正光

【審査官】石川 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２３３５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００１２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２１４８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０７５５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２００９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公平０６－０７５７８７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開昭６３－０３０１７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／１８

Ｂ２３Ｋ ９／０９５

Ｂ２３Ｋ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の溶接条件のもとで、溶接対象と同じ素材にビードオンプレート溶接を施して、そのビードオンプレート溶接の際のビード幅Ｗ_Ｂと溶着断面積Ａ_Ｒとを計測し、
前記溶接条件から溶接入熱Ｑを求め、
溶接時の開先壁への入熱Ｈ_Ｇを、前記溶接入熱Ｑと、前記ビード幅Ｗ_Ｂと、トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離Ｒを、前記溶着断面積Ａ_Ｒと前記トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
前記入熱Ｈ_Ｇと距離Ｒとで形成されるＨ_Ｇ－Ｒ平面に、実験的に求めた開先溶接時の融合不良の有無の表示をプロットし、
この開先溶接時の融合不良の有無の表示がプロットされたＨ_Ｇ－Ｒ平面に、開先壁における融合不良の有無を基準とする判定線を引き、
前記判定線よりも融合不良の無い領域となるように溶接条件を設定して開先溶接を行うことを特徴とする極狭開先サブマージアーク溶接方法。

【請求項2】

溶接時の開先壁への入熱Ｈ_Ｇを、溶接入熱Ｑと、ビード幅Ｗ_Ｂおよびトーチ－開先壁間距離Ｌの差（Ｗ_Ｂ－Ｌ）との積で表すことを特徴とする請求項１記載の極狭開先サブマージアーク溶接方法。

【請求項3】

トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの距離Ｒを、溶着断面積Ａ_Ｒをトーチ－開先壁間距離Ｌで除したもの（Ａ_Ｒ／Ｌ）のべき乗と、トーチ－開先壁間距離Ｌのべき乗との和で表すことを特徴とする請求項１または２記載の極狭開先サブマージアーク溶接方法。

【請求項4】

トーチ－開先壁間距離Ｌを開先溶接時に計測し、この計測されたトーチ－開先壁間距離Ｌに対して、溶接欠陥の生じない適正範囲となる溶接条件を設定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の極狭開先サブマージアーク溶接方法。

【請求項5】

開先溶接時の溶接条件としての、ＥＮ比と、溶接電流と、電圧と、溶接速度とのうちの少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の極狭開先サブマージアーク溶接方法。

【請求項6】

極狭開先サブマージアーク溶接装置であって、
デジタル式の溶接電源と、
制御装置とを備え、
前記デジタル式の溶接電源は、ＥＮ比と、溶接電流と、電圧との設定値を設定変更できるものであり、
前記制御装置は、
所定の溶接条件のもとで、溶接対象と同じ素材にビードオンプレート溶接を施して、そのビードオンプレート溶接の際のビード幅Ｗ _Ｂ と溶着断面積Ａ _Ｒ とを計測し、
前記溶接条件から溶接入熱Ｑを求め、
溶接時の開先壁への入熱Ｈ _Ｇ を、前記溶接入熱Ｑと、前記ビード幅Ｗ _Ｂ と、トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離Ｒを、前記溶着断面積Ａ _Ｒ と前記トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
前記入熱Ｈ _Ｇ と距離Ｒとで形成されるＨ _Ｇ －Ｒ平面に、実験的に求めた開先溶接時の融合不良の有無の表示をプロットし、
この開先溶接時の融合不良の有無の表示がプロットされたＨ _Ｇ －Ｒ平面に、開先壁における融合不良の有無を基準とする判定線を引き、
開先溶接を行うために、前記判定線よりも融合不良の無い領域となるように溶接条件を設定することを特徴とする極狭開先サブマージアーク溶接装置。

【請求項7】

トーチ－開先壁間距離Ｌを調整するためにトーチを溶接線方向に直交する方向に移動させるための移動装置を有することを特徴とする請求項６記載の極狭開先サブマージアーク溶接装置。

【請求項8】

溶接前の開先についてのデータを取得するためのセンサを有することを特徴とする請求項６または７記載の極狭開先サブマージアーク溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は極狭開先サブマージアーク溶接方法および極狭開先サブマージアーク溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

サブマージアーク溶接（Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ： ＳＡＷ）は、その高溶着効率性や高品質性から、圧力容器等の大型鋼構造物における厚板や極厚板の突合せ溶接に多く使われている。ＳＡＷで厚板や極厚板を溶接する場合、融合不良（Ｌａｃｋ ｏｆ ｆｕｓｉｏｎ ： ＬＦ）などの溶接欠陥を防止するために、開先角度を３０°程度まで広くする必要がある。しかし、開先角度が広いと、必要な溶着断面積が増加し、溶接ビードの積層による溶接の完了までに多大な時間を要する。

【0003】

これに対し、開先角度を１～３°とし、ルート幅を狭くした、狭開先ＳＡＷでは，必要な溶着断面積が少なくなり、溶接時間の短縮が期待できる。狭開先ＳＡＷはこれまでいくつか研究開発が行われてきた。近年では、開先角度をほぼ０°とし、かつ開先幅を１８ｍｍ以下とすることで、溶接対象である極厚板を溶接ビードの初層から最終層まで１層１パスで積層する極狭開先ＳＡＷの研究も進められている。

【0004】

１層１パス施工では、１パスで両側の開先壁を溶融させる必要があるが、開先底のコーナー部はアークプラズマで直接加熱しにくかったり、熱が拡散しやすかったりする等の理由から溶融しにくく、融合不良が生じやすい。また，開先が狭くなると溶接後にスラグが自然にはく離せず、その除去が困難となる。仮に開先壁にアンダカットが生じた場合、そこにスラグが固着し、これを十分に除去できないと、スラグ巻込みの原因となる。これらの溶接欠陥を防止するには，両側の開先壁を溶融しつつ、アンダカットが生じない溶接部形状となる溶接条件を選定する必要がある。しかし、欠陥の生じない溶接条件やトーチ狙い位置についての、すなわち適正な溶接条件についての範囲が狭い。そして、適正な溶接条件範囲が狭いため、溶接中の変動（開先幅の変化や装置の動作ずれ等）で開先幅やトーチ狙い位置が変化してしまって、本来欠陥が生じない溶接条件でも突然欠陥が生じてしまうことがある。

【0005】

一方、近年ではデジタル波形制御が可能な大容量の溶接電源が開発されており、従来の可動鉄心形と比較して出力の安定性や再現性が向上し、ＥＮ比、周波数、位相差などについて、出力波形をより精密に制御可能である。たとえば、ＥＮ比により溶接ワイヤの送給速度すなわち溶着断面積を制御できる。このように，デジタル波形制御電源ではＥＮ比等のパラメータにより溶接部形状の制御が可能となり、極狭開先ＳＡＷにおいて融合不良やアンダカットなどの溶接欠陥を防止することが期待できる。

【0006】

一方、公知技術として、特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。このうち、特許文献１には、溶接線に対し左右倣いと上下倣いとを自動で行う装置が記載されている。この装置によれば、開先形状の変化に対して、トーチ狙い位置の自動追従が可能である。特許文献２には、ビード断面高さと溶着断面積から積層時のビード形状を定式化し、各層のトーチ狙い位置を決定するアルゴリズムを用いる溶接方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開昭６３－３０１７５号公報

【文献】特公平６－７５７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところが、特許文献１に記載のものでは、溶接中の変動に対し溶接条件を適正化できないため、１層１パス施工では溶接欠陥が生じる。特許文献２に記載のものは、１層１パス施工に対応しておらず、入力された溶接条件に対してトーチ狙い位置のみを決定するため、溶接中の変動に対して溶接条件を適正化できない。

【0009】

そこで本発明は、このような問題を解決して、極狭開先ＳＡＷにおいて、溶接中の変動に対して溶接欠陥の生じない溶接条件、トーチ狙い位置を制御するアルゴリズムによる溶接方法および溶接装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的を達成するため、本発明の極狭開先サブマージアーク溶接方法は、
所定の溶接条件のもとで、溶接対象と同じ素材にビードオンプレート溶接を施して、そのビードオンプレート溶接の際のビード幅Ｗ_Ｂと溶着断面積Ａ_Ｒとを計測し、
前記溶接条件から溶接入熱Ｑを求め、
溶接時の開先壁への入熱Ｈ_Ｇを、前記溶接入熱Ｑと、前記ビード幅Ｗ_Ｂと、トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離Ｒを、前記溶着断面積Ａ_Ｒと前記トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
前記入熱Ｈ_Ｇと距離Ｒとで形成されるＨ_Ｇ－Ｒ平面に、実験的に求めた開先溶接時の融合不良の有無の表示をプロットし、
この開先溶接時の融合不良の有無の表示がプロットされたＨ_Ｇ－Ｒ平面に、開先壁における融合不良の有無を基準とする判定線を引き、
前記判定線よりも融合不良の無い領域となるように溶接条件を設定して開先溶接を行うことを特徴とする。

【0011】

このようにすると、融合不良が生じないようにしながら、極狭開先サブマージアーク溶接を行うことができる。

【0012】

本発明の極狭開先サブマージアーク溶接方法によると、溶接時の開先壁への入熱Ｈ_Ｇを、溶接入熱Ｑと、ビード幅Ｗ_Ｂおよびトーチ－開先壁間距離Ｌの差（Ｗ_Ｂ－Ｌ）との積で表すことが好適である。

【0013】

また本発明の極狭開先サブマージアーク溶接方法によると、トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの距離Ｒを、溶着断面積Ａ_Ｒをトーチ－開先壁間距離Ｌで除したもの（Ａ_Ｒ／Ｌ）のべき乗と、トーチ－開先壁間距離Ｌのべき乗との和で表すことが好適である。

【0014】

さらに本発明の極狭開先サブマージアーク溶接方法によると、トーチ－開先壁間距離Ｌを開先溶接時に計測し、この計測されたトーチ－開先壁間距離Ｌに対して、溶接欠陥の生じない適正範囲となる溶接条件を設定することが好適である。

【0015】

さらに本発明の極狭開先サブマージアーク溶接方法によると、開先溶接時の溶接条件としての、ＥＮ比と、溶接電流と、電圧と、溶接速度とのうちの少なくとも１つを制御することが好適である。

【0016】

本発明の極狭開先サブマージアーク溶接装置は、デジタル式の溶接電源と、
制御装置とを備え、
前記デジタル式の溶接電源は、ＥＮ比と、溶接電流と、電圧との設定値を設定変更できるものであり、
前記制御装置は、
所定の溶接条件のもとで、溶接対象と同じ素材にビードオンプレート溶接を施して、そのビードオンプレート溶接の際のビード幅Ｗ _Ｂ と溶着断面積Ａ _Ｒ とを計測し、
前記溶接条件から溶接入熱Ｑを求め、
溶接時の開先壁への入熱Ｈ _Ｇ を、前記溶接入熱Ｑと、前記ビード幅Ｗ _Ｂ と、トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
トーチ狙い位置における溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離Ｒを、前記溶着断面積Ａ _Ｒ と前記トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて表し、
前記入熱Ｈ _Ｇ と距離Ｒとで形成されるＨ _Ｇ －Ｒ平面に、実験的に求めた開先溶接時の融合不良の有無の表示をプロットし、
この開先溶接時の融合不良の有無の表示がプロットされたＨ _Ｇ －Ｒ平面に、開先壁における融合不良の有無を基準とする判定線を引き、
開先溶接を行うために、前記判定線よりも融合不良の無い領域となるように溶接条件を設定することを特徴とする。

【0017】

このようなものであると、本発明の方法にもとづき融合不良が生じない溶接を実施することができる装置を得ることができる。

【0018】

本発明の極狭開先サブマージアーク溶接装置によると、トーチ－開先壁間距離Ｌを調整するためにトーチを溶接線方向に直交する方向に移動させるための移動装置を有することが好適である。

【0019】

このようなものであると、トーチ狙い位置にずれが生じた場合に、そのずれを修正することができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によると、溶接中に開先幅が変動するような場合であっても、融合不良が生じないようにしながら、極狭開先サブマージアーク溶接を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】狭開先に対してサブマージアーク溶接を行ったときの良好な溶融状態を示す図である。

【図2】狭開先に対してサブマージアーク溶接を行ったときにコーナー部に融合不良が生じた状態を示す図である。

【図3】狭開先に対してサブマージアーク溶接を行ったときに溝壁にアンダカットが生じた状態を示す図である。

【図4】溶接欠陥の発生状況を観察するための実験装置を示す図である。

【図5】各ルート幅Ｗ_Ｂの値での溶接部断面のマクロ試験結果を示す図である。

【図6】ビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を示す図である。

【図7】ルート幅Ｗ_Ｒとビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を示す図である。

【図8】各トーチ狙い位置Ｐでの溶接部横断面のマクロ試験結果を示す図である。

【図9】トーチ狙い位置Ｐとビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を説明する図である。

【図10】トーチ狙い位置Ｐとビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を示す図である。

【図11】トーチ－開先壁間距離Ｌを示す図である。

【図12】トーチ－開先壁間距離Ｌと開先壁での溶融面積Ａ_Ｇとの関係を示す図である。

【図13】トーチ－開先壁間距離Ｌと開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇとの関係を示す図である。

【図14】図１３より導出される「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」と「Ｌ」との関係を示す図である。

【図15】図１３より導出される「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」と「Ｌ」との関係を示す図である。

【図16】図１３より導出される「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」と「Ｌ」との関係を示す図である。

【図17】図１３より導出される「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」と「Ｌ」との関係を示す図である。

【図18】アーク溶接における溶融池の形成状態を示す図である。

【図19】アーク溶接における溶融池の形成状態を示す図である。

【図20】アーク溶接における溶融池の形成状態を示す図である。

【図21】アーク溶接における溶融池の形成状態を示す図である。

【図22】極狭開先サブマージアーク溶接における入熱の状況を示す図である。

【図23】溶融池表面から開先底のコーナー部までの距離を説明する図である。

【図24】開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを示す図である。

【図25】開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを示す図に、トーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図26】開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを示す図に、入熱量Ｑが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図27】開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを示す図に、ビード幅Ｗ_Ｂが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図28】開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを示す図に、溶着断面積Ａ_Ｒが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図29】開先壁への入熱Ｈ_Ｇを横軸、溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離Ｒを縦軸としたときの、極狭開先溶接時の融合不良判定モデル例を示す図である。

【図30】図２９にトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図31】図２９に溶着断面積Ａ_Ｒが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図32】図２９に入熱量Ｑが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図33】図２９にビード幅Ｗ_Ｂが変化したときのトーチ－開先壁間距離Ｌをプロットした図である。

【図34】本発明の実施の形態の極狭開先サブマージアーク溶接装置を示す図である。

【図35】図３４の溶接装置を用いた溶接工程のフローを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明は実験的手法に基づいて完成された。以下、その実験的手法を参照したうえで本発明について詳述する。

【0023】

図１～図３は、狭開先に対してサブマージアーク溶接を行ったときの状況を示す。ここで１１は開先の溝壁、１２は溝底、１３は溝底のコーナー部、Ｗ_Ｒはルート幅すなわち溝壁１１、１１どうしの間隔、１４は溶融池である。このうち、図１は、良好な溶融状態を示す。すなわち、溝壁１１、溝底１２、コーナー部１３が、それぞれ適度な深さまで溶融している。これに対し、図２はコーナー部１３において融合不良ＬＦが生じた状態を示す。図３は、図における右側の溝壁１１にアンダカット１５が生じた状態を示す。

【0024】

［実験］
溶接欠陥は、図１～図３に示すルート幅Ｗ_Ｒと、トーチ狙い位置Ｐすなわちルート幅Ｗ_Ｒの方向における溶接トーチの位置とに影響を受けると見込まれる。そこで、ルート幅Ｗ_Ｒとトーチ狙い位置Ｐとの変化が溶接欠陥に及ぼす影響を評価するため、シングルトーチで開先溶接を実施した。各溶接条件で溶接欠陥を判定し、ビード高さｈ、溶込み深さＤを計測した。また、開先溶接時と溶接部の形状を比較するため、ビードオンプレート溶接も実施した。得られた結果から融合不良判定モデルを作成するために、シングルトーチおよびタンデムトーチを用いて、ビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒを変化させた溶接条件で ビードオンプレート溶接を実施し、各溶接条件でのビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒを計測した。次に、それらの溶接条件で開先溶接を実施し、融合不良を判定した。

【0025】

用いた実験装置の概略を図４に示す。この図４は、タンデムトーチで開先溶接するときの装置構成であって、１６、１７はその溶接トーチ、１８は溶接トーチ１６、１７を移動させるためのキャリッジ、１９は溶接ワイヤのフィーダ、２０は溶接電源である。溶接電源２０には、デジタル波形制御できるものを使用した。２１は試験体であるが、この試験体２１の材質は、２^１/_４Ｃｒ－１Ｍｏ鋼であった。開先溶接での極狭開先を模擬するため、試験体２１を構成する１対の長さ４００ｍｍ×幅７０ｍｍ×板厚３０ｍｍの材料どうしの間に、長さ４００×幅ｗ（寸法の違うものを複数種類準備した）×板厚２５ｍｍのインサート材２４をはさみ、開先角度０°、開先深さ２０ｍｍの試験体とした。この開先試験体について大型鋼構造物と同等の冷却速度となるように、試験体側面に水冷銅板２２を設置した。また、溶接時の変形を抑制するためストロングバック２３を取り付けた。矢印２５は、溶接方向を示す。予熱、パス間温度は２００～２５０℃とし、後熱処理は実施しなかった。ビードオンプレート溶接では、長さ４００ｍｍ×幅７０ｍｍ×板厚２０ｍｍの平板試験体を使用した。溶接ワイヤおよびフラックスは、ＪＩＳ Ｚ３１８３ Ｓ６４２－２ＣＭ相当のものを使用した。実験条件は種々のものを採用したが、溶接現象を分かりやすくするため単電極のシングルトーチとし、トーチ角度は０°（垂直）とした。溶接条件は、ＥＮ比（交番電流における負電流の比）０．５の矩形波、溶接電流６００Ａ、溶接電圧３３Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、ＣＴＷＤ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｔｉｐ ｔｏ Ｗｏｒｋ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）３０ｍｍを「基準条件」とした。上述のインサート材の幅ｗを変化させることで、ルート幅Ｗ_ＲをＷ_Ｒ＝８～１８ｍｍで変化させた。トーチ狙い位置Ｐは、開先の中心の位置を０ｍｍとし、溶接線方向に対して直交方向に１～３ｍｍの範囲で変化させた。

【0026】

実験に際しては、実施工で想定されるシングルトーチまたは２電極を直列に配置したタンデムトーチ とした。電極角度は、シングルトーチでは０°、タンデムトーチでは先行電極は０°、後行電極は１５°とした。タンデムトーチでのトーチ間隔は１５ｍｍとした。溶接条件は、ＥＮ比を０．０～１．０、溶接電流を４００～８００Ａ、電圧を２０～４０Ｖ、溶接速度を３０～４３ｃｍ／ｍｉｎ（シングルトーチ）、６０～８１ｃｍ／ｍｉｎ（タンデムトーチ）でそれぞれ変化させた。ＣＴＷＤは、３０ｍｍで一定とした。開先試験体のルート幅Ｗ_Ｒは１４ｍｍ、トーチ狙い位置Ｐは０ｍｍとした。

【0027】

ビードオンプレート溶接、開先溶接それぞれの結果に対して、溶接部の形状を確認するため溶接部断面マクロ試験を実施し、ビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒを計測した。試験位置は、溶接定常部であるところの、溶接開始位置および終了位置からそれぞれ１００ｍｍ以上離れた位置とした。

【0028】

［実験結果］
ルート幅Ｗ_Ｒが溶接欠陥に及ぼす影響を評価するため、上述の基準条件（ＥＮ比０．５、溶接電流６００Ａ、電圧３３Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ）に対して、ルート幅Ｗ_Ｂを８～１８ｍｍの範囲で変化させた。各ルート幅Ｗ_Ｂの値での溶接部断面のマクロ試験結果を図５に示す。トーチ狙い位置はＰ＝０ｍｍで一定である。図５には、同条件でのビードオンプレート溶接結果も併せて示す。ルート幅Ｗ_Ｒ＝８ｍｍでは、融合不良は生じなかったが、開先の両壁面が大きく溶融し、アンダカットが生じた。アンダカット部は、スラグが固着し除去できなかった。ルート幅Ｗ_Ｒ＝１２～１５ｍｍでは、アンダカット、融合不良共に生じない良好な溶接部が得られた。ルート幅Ｗ_Ｒ＝１６ｍｍでは、片側（図における左側）の開先壁は溶融するが、反対側（図における右側）は、溶融せず融合不良となり、スラグを除去できなかった。ルート幅Ｗ_Ｒ＝１８ｍｍでは、両壁面ともに溶融せず融合不良となり、両側の溶接止端部でスラグを除去できなかった。このルート幅Ｗ_Ｒ＝１８ｍｍでは、ビードオンプレートでのビード幅Ｗ_Ｂ（約２６．５ｍｍ）と比較してルート幅Ｗ_Ｒは小さかった（１８ｍｍ）が、開先壁は溶融しなかった。

【0029】

次に、トーチ狙い位置Ｐでの開先底からの溶接金属が溶着した高さ（ビード高さｈ）と、開先底から母材側へ溶込んだ深さ（溶込み深さＤ）とを評価した。これらの関係を図６に示す。ここで、２８は溶接トーチ、２９は溶接ワイヤである。ルート幅Ｗ_Ｒとビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を図７に示す。同じ溶接条件であるので溶着断面積は変わらないが、ビード高さｈは、ルート幅Ｗ_Ｒが広くなると低くなり、Ｗ_Ｒ＝１２ｍｍ以上でほぼ一定となった。一方、溶込み深さＤは、ルート幅Ｗ_Ｒ＝８ｍｍのときに最も浅く、ルート幅Ｗ_Ｒが広くなると深くなり、ルート幅Ｗ_Ｒ＝１４ｍｍ以上で一定となった。

【0030】

トーチ狙い位置Ｐが溶接欠陥に及ぼす影響を評価するため、溶接欠陥が生じなかったルート幅Ｗ_Ｒ＝１４ｍｍの試験体に対して、上記の基準条件でトーチ狙い位置Ｐを０～３ｍｍで変化させた。各トーチ狙い位置Ｐでの溶接部横断面のマクロ試験結果を図８に示す。図８に示される溶接部断面において、開先中心から右側を、トーチ狙い位置Ｐの正の方向とした。トーチ狙い位置Ｐ＝１～２ｍｍの範囲では、溶接部の形状が狙いずれ方向（右側）に偏るが、溶接欠陥は生じなかった。一方、Ｐ＝３ｍｍでは、トーチが離れた側の開先壁は溶融せず、融合不良ＬＦが生じた。一方、図６に示すトーチ２８が近づいた側では、広い範囲で開先壁が溶融し、アンダカットが生じスラグが除去できなかった。トーチ狙い位置Ｐとビード高さｈと溶込み深さＤとの関係を図９および図１０に示す。ビード高さｈおよび溶込み深さＤは、トーチ狙い位置Ｐの直下での値である。トーチ狙い位置Ｐ＝０～２ｍｍの範囲では、ビード高さｈと溶込み深さＤとは、トーチ狙い位置Ｐの大きさが変動してもそれぞれ値の変化は認められなかった。これに対し、トーチ狙い位置Ｐ＝３ｍｍとなると、ビード高さｈと溶込み深さＤとは、ともに大きくなった。

【0031】

［融合不良判定モデルの作成］
（溶接欠陥を防止するためのトーチ－開先壁間距離Ｌの条件）
上記の実験結果から、溶接欠陥は、ルート幅Ｗ_Ｒとトーチ狙い位置Ｐとに影響を受けることがわかった。これらのルート幅Ｗ_Ｒやトーチ狙い位置Ｐの値が変わると、溶接トーチと開先壁との距離が変わる。すなわち、ルート幅Ｗ_Ｒとトーチ狙い位置Ｐとの関係は、図１１に示されるトーチ－開先壁間距離Ｌで表現できる。図５および図８において、開先壁が過剰に溶融、ガウジングされアンダカットが生じたことから、アンダカットと、開先壁が溶融した面積とには相関があると考えられる。ここで、開先壁で溶融した面積（図５や図８のように断面表示されたときに現れる面積）を、Ａ_Ｇと定義する（図１２参照）。また、上述のように、開先溶接時の融合不良ＬＦは、開先底のコーナー部１３で生じやすい。すなわち、開先壁を大きく溶融する溶接条件とするほど、融合不良ＬＦを防止できると考えられる。ここで、開先底でコーナー部１３から開先壁側に溶融した幅（溶込んだ深さ）をＷ_Ｇと定義する。上述の基準条件（ＥＮ比０．５、溶接電流６００Ａ、電圧３３Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ）において、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇおよびトーチ狙い位置Ｐを変化させた条件で、溶融面積Ａ_Ｇを計測した結果を図１２に示す。同様の条件で、溶融幅Ｗ_Ｇを計測した結果を図１３に示す。これらの計測結果は、左右の開先壁で別々に計測したものをともに表している。凡例はそれぞれ良好（〇）、アンダカットが発生（△）、融合不良ＬＦが発生（×）である。図１２に示すように、トーチ－開先壁間距離Ｌが小さくなると溶融面積Ａ_Ｇは増加し、アンダカットが生じたＬ＝４ｍｍでは溶融面積Ａ_Ｇは３０ｍｍ^２以上となった。また、図１３に示すように、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇは、トーチ－開先壁間距離Ｌ＝５～６ｍｍで極大となり、トーチ－開先壁間距離Ｌがさらに大きくなると減少し、Ｗ_Ｇ＝０ｍｍとなったときには融合不良ＬＦが生じた。以上より、同一の溶接条件で、トーチ－開先壁間距離Ｌが小さくなると、アンダカットが生じやすく、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇは減少する。一方、トーチ－開先壁間距離Ｌが大きすぎると、開先底を十分に溶融できなくなり融合不良ＬＦが生じる。つまり、上述の基準条件での、極狭開先ＳＡＷで溶接欠陥を防止するトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲は４＜Ｌ≦７．５ｍｍである。

【0032】

（融合不良ＬＦへの影響因子）
図１３に示すように、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇは、トーチ－開先壁間距離Ｌ＝５～６ｍｍで極大となり、Ｌがさらに大きくなると減少した。ここで、ビードオンプレート溶接でのビード幅Ｗ_Ｂと開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇとから、開先壁による溶接部形状への影響を考える。図１３より導出される「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」と「Ｌ」との関係を図１４～図１７に示す。Ｌ≦４ｍｍではアンダカットが生じるため、Ｌ≧４ｍｍを対象とした。図１４において、〇は融合不良ＬＦなし、×は融合不良が生じた。「Ｌ＋Ｗ_Ｇ」は開先底で溶融した幅であり、開先溝の幅方向でどれだけが溶融できたかを表している。Ｌ＋Ｗ_Ｇ＞Ｌの範囲で、融合不良ＬＦの無い良好な溶接部となる。

【0033】

図１４において、横軸の方向に沿って「領域（ａ）」「領域（ｂ）」「領域（ｃ）」と３つの領域に分ける。ここで、ビードオンプレート溶接時のビード幅Ｗ_Ｂを考慮すると、領域（ａ）はＷ_Ｂ／２≦Ｌとなる領域であり、ここでは、図１５に示すようにビード幅Ｗ_Ｂに対しトーチ－開先壁間距離Ｌが大きく、したがってトーチ狙い位置Ｐから開先壁が遠くなるため、ビード幅Ｗ_Ｂはビードオンプレート溶接とほぼ同じとなる。すなわち、Ｌ＋Ｗ_Ｇ＝Ｗ_Ｂ／２となり、融合不良ＬＦとなる。領域（ｂ）は、７．５ｍｍ＜Ｌ＜Ｗ_Ｂ／２であって、図１６に示すようにトーチ－開先壁間距離Ｌはビード幅よりも小さくなるが、開先壁を溶融できず、融合不良ＬＦが生じる。ビードオンプレート溶接と比較して、開先溶接では熱が拡散しやすいため、開先壁は溶融しにくい。領域（ｃ）は、４ｍｍ≦Ｌ≦７．５ｍｍとトーチ－開先壁間距離Ｌが小さくなる領域である。この領域では、溶接トーチから開先壁まで十分な熱量が輸送されるため、図１７に示すように開先壁を溶融する。そのため、Ｌ＋Ｗ_Ｇ＞Ｌとなり、融合不良ＬＦは生じない。

【0034】

しかし、図１３に示したように、トーチ－開先壁間距離Ｌ＝５ｍｍより小さいＬ＝４ｍｍで、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇは減少した。Ｌ＝４ｍｍとなるのは、図７においてルート幅Ｗ_Ｒ＝８ｍｍとなる場合や、図１０においてトーチ狙い位置Ｐ＝３ｍｍとなる場合である。どちらの場合でもビード高さｈは増加し、溶込み深さＤは減少している。一方、トーチ狙い位置の直下におけるビード高さｈと溶込み深さＤとの和は、ルート幅Ｗ_Ｒやトーチ狙い位置Ｐに依らずほぼ一定であった。

【0035】

アーク溶接では、図１８および図１９に示すように、アーク３１に基づくアーク力３２によって溶融池１４を下向きに押し下げる力と、重力によって生じる溶融金属の位置ヘッド３３とが釣り合う状態で、溶融池１４が形成される。ルート幅が狭い狭開先では、アーク力３２よりも溶融金属の位置ヘッド３３の方が大きくなり、溶融金属の先行現象（溶融金属がアーク直下の溶融池表面上に大きく盛り上がり、アークによる入熱が開先の底に届かなくなる現象）が生じやすくなる。図７および図１０において、各ルート幅Ｗ_Ｒおよびルート狙い位置Ｐでビード高さｈと溶け込み深さＤとの和に差異が認められなかったのは、溶接電流の２乗に比例するアーク力３２が強くなったためと考えられる。したがって、トーチ狙い位置直下でビード高さｈが増加すると、溶融池１４を下向きに押し下げる力と位置ヘッド３３とは、開先の溝底１２よりも高い位置で釣り合う（図２０および図２１）。その結果、アークプラズマと開先壁（特に開先底のコーナー部１３）の距離が遠くなり、そのため十分に加熱できなくなって、開先壁での溶融幅Ｗ_Ｇが減少したと考えられる。したがって、融合不良ＬＦを防止するには、溶接トーチ２８と開先底のコーナー部１３との距離が遠くならないよう、トーチ－開先壁間距離Ｌとビード高さｈとを小さくする必要がある。

【0036】

［溶接欠陥の生じない溶接条件範囲］
（融合不良判定モデル）
図１１～図１３に示した、溶接欠陥の生じないトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲（４ｍｍ＜Ｌ≦７．５ｍｍ）は、上述の基準条件（ＥＮ比０．５、溶接電流６００Ａ、電圧３３Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ）のもとでの結果である。これに対し、溶接条件が変わると溶接部形状は変化し、特に融合不良ＬＦは溶接条件の影響を受けやすい。様々な溶接条件に対して融合不良ＬＦを防止する条件範囲を選定するためには、一般に非常に多くの実験を実施する必要がある。しかし、本発明においては、ビードオンプレート溶接による実験結果から、極狭開先ＳＡＷで融合不良ＬＦを防止する条件を判定するモデルを作成した。

【0037】

すなわち、上記の考察から、極狭開先ＳＡＷでの融合不良ＬＦの原因は、アークから開先壁まで輸送される熱量が低下することにある。すなわち、溶接中にどれだけ入熱するかという点と、その入熱熱量がどれだけ幅広く輸送されるかという点とが、重要となる。溶接電流Ｉ［Ａ］、溶接電圧Ｖ［Ｖ］、溶接速度ｖ［ｃｍ／ｍｉｎ］を用いると、溶接入熱Ｑ［ｋＪ／ｍｍ］は、以下の式（１）で算出される。

【0038】

Ｑ＝Ｉ×Ｖ×６０／（ｖ×１０）×１／１０００ （１）

【0039】

ここで、溶接入熱がＱであり、ビードオンプレート溶接でのビード幅がＷ_Ｂである溶接条件の場合、溶接入熱Ｑがビード幅Ｗ_Ｂの範囲に投与されると考える。このとき、同じ条件での極狭開先ＳＡＷでは、図２２に示すように、溶接部の半分を考えるとＱ／２が入熱し、これが片側Ｗ_Ｂ／２の範囲に投与される。このとき、熱源であるアークプラズマからＬ（トーチ－開先壁間距離）だけ離れた位置に開先壁があった場合に、開先壁に輸送される熱量はＷ_Ｂ／２－Ｌとなる。これを開先壁への入熱Ｈ_Ｇ［ｋＪ／ｍｍ・ｍｍ］として、以下の式（２）で定義する。このとき、アークによる入熱はガウス分布であり、溶融池温度はトーチ狙い位置直下で最大となり、溶融池端側となるにつれ低温となるが、簡単のためビード幅方向への入熱は一様であるとする。

【0040】

Ｈ_Ｇ＝Ｑ／２（Ｗ_Ｂ／２－Ｌ） （２）

【0041】

融合不良のもう一つの原因は、ビード高さｈが増加することにある。ビード高さｈが増加すると、アークプラズマから開先底のコーナー部までの距離が遠くなり、このコーナー部を十分に加熱できなくなる。ここで、極狭開先ＳＡＷ時の溶融池のビード高さｈ［ｍｍ］は、ビードオンプレート溶接での溶着断面積Ａ_Ｒ［ｍｍ^２］と、トーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて、以下の式（３）で表される。

【0042】

ｈ＝Ａ_Ｒ／２Ｌ （３）

【0043】

トーチ狙い位置における溶融池表面を原点とすると、この原点から開先底のコーナー部までの距離の二乗ｒ^２は、ビード高さｈとトーチ－開先壁間距離Ｌとを用いて、以下の式（４）で表される（図２３）。

【0044】

ｒ^２＝ｈ^２＋Ｌ^２ （４）

【0045】

式（２）によって算出されるＨ_Ｇと、式（４）によって算出されるｒ^２とを、それぞれ融合不良ＬＦの発生に影響を及ぼすパラメータとして判定モデルを作成した。Ｈ_Ｇとｒ^２とを変化させるために、ビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒの異なる溶接条件でビードオンプレート溶接を実施し、各溶接条件でのビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒを計測した。次に、それらの溶接条件で開先溶接を実施し、融合不良ＬＦの発生の有無を判定した。実験方法および試験体の形状は、前述の通りとした。また、開先試験体のルート幅Ｗ_Ｒ＝１４ｍｍ、トーチ狙い位置Ｐ＝０ｍｍ、トーチ－開先壁間距離Ｌ＝７ｍｍで、これらは一定とした。

【0046】

各溶接条件におけるビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒから算出される、開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２と、開先溶接での融合不良ＬＦの判定結果とを、図２４に示す。凡例は、融合不良無し（〇）、片側の開先壁で融合不良（◇）、両側の開先壁で融合不良（×）である。横軸のＨ_Ｇの値が大きいほど開先壁への溶接入熱が大きいことを示し、縦軸のｒ^２の値が大きいほど熱源と開先底のコーナー部とが遠くなることを示す。図２４において、たとえば同じｒ^２＝７０ｍｍ^２程度の条件で比較すると、Ｈ_Ｇ＝０．８ｋＪ／ｍｍ・ｍｍでは両側の開先壁で融合不良ＬＦが生じたが、Ｈ_Ｇ＝１２．５ｋＪ／ｍｍ・ｍｍ以上の条件では融合不良ＬＦは 生じなかった。つまりＨ_Ｇが大きい条件ほど融合不良ＬＦが生じにくいといえる。また、同じＨ_Ｇ＝１０ｋＪ／ｍｍ・ｍｍ程度の条件で比較すると、ｒ^２＝７５ｍｍ^２では片側の開先壁で融合不良ＬＦが生じたが、ｒ^２＝６３ｍｍ^２では融合不良ＬＦは生じなかった。すなわち、開先壁への入熱Ｈ_Ｇごとに融合不良ＬＦが生じない距離の二乗ｒ^２の限界値が存在するといえる。図２４中に示すように、ビードオンプレート溶接で得られたビード幅Ｗ_Ｂおよび溶着断面積Ａ_Ｒから、開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２を導出し、融合不良ＬＦの判定条件を求めることができた。

【0047】

各溶接条件での開先の溶融幅（溶込んだ深さ）Ｗ_Ｇの計測結果を図２５に示す。色が濃く明度が低いプロット程、Ｗ_Ｇが大きいことを示している。ここでの溶融幅Ｗ_Ｇは、両開先壁での平均値である。両側で 融合不良ＬＦとなった条件ではＷ_Ｇ＝０ｍｍ、片側で融合不良ＬＦとなった条件ではＷ_Ｇ＝０．１～０．３ｍｍと小さな値となった。一方、融合不良ＬＦが生じなかった条件ではＷ_Ｇ＝０．３ｍｍ以上の値となった。また、開先壁への入熱Ｈ_Ｇが大きくなり、かつ距離の二乗ｒ^２が小さくなると、溶融幅はＷ_Ｇ＝０．９ｍｍまで増加した。

【0048】

［融合不良の生じないトーチ－開先壁間距離Ｌ］
上述のように、基準条件（ＥＮ比０．５、溶接電流６００Ａ、電圧３３Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ）のもとで、溶接欠陥が生じないトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲（４ｍｍ＜Ｌ≦７．５ｍｍ）を求めることができた。しかし、これは基準条件下のものであり、溶接条件が変われば、溶接欠陥が生じないトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲も変化する。そこで、以下においては、融合不良判定モデル上でトーチ－開先壁間距離Ｌの影響を評価し、溶接条件に応じた融合不良の生じないトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲をモデルから決定する。

【0049】

図１３で示したところの、トーチ－開先壁間距離Ｌを、図２５においてプロットした。この図２５において、凡例は、良好（●）、アンダカット（▲）、開先溝の片側で融合不良（◆）、開先溝の両側で融合不良（×）である。上述の式（２）、式（４）より、Ｌ＞４ｍｍの範囲では１／Ｌ^２項の影響は小さいため、判定モデル上でＬを変化させるとほぼ２次曲線に近い形となる。上述の実験では、図１３に示したように、Ｌ＝５～６ｍｍにおいて溶融幅Ｗ_Ｇ＝１．５ｍｍで極大となり、そのときに融合不良は生じなかった。ところが、これよりもＬが大きくなるにつれてＷ_Ｇは減少し、Ｌ＝８ｍｍでは開先溝の片側で、Ｌ＝９ｍｍでは開先溝の両側で、それぞれ融合不良が生じた。また、Ｌ＝４ｍｍでは、融合不良は生じなかったが、溶融幅Ｗ_Ｇが減少した。これらの実験結果を判定モデルと比較すると、判定モデル上ではＬ＝５～６ｍｍでＲ^２が極小となり、Ｗ_Ｇが大きい領域にプロットされ、融合不良の生じない判定となった。これに対し、この範囲よりもＬが大きくなるにつれて、開先壁への入熱Ｈ_Ｇは減少し、距離の二乗ｒ^２は増加し、Ｗ_Ｇが小さい領域にプロットされ、Ｌ＝８ｍｍ以上では融合不良の判定となった。一方、トーチ－開先壁間距離Ｌ＝４ｍｍでは、開先壁への入熱Ｈ_Ｇは増加するが、あわせて距離の二乗ｒ^２も増加し、プロットはＷ_Ｇが小さい領域（融合不良側）に近づいた。以上より、Ｌを変化させた実験結果と判定モデルの結果とは一致した。作成した判定モデルを用いることで、融合不良の生じないＬの範囲を算出することができた。

【0050】

判定モデルを用いて、溶接条件に対応したトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲を決定した。実験結果より、上述の基準条件では、ビード幅Ｗ_Ｂ＝２６．５ｍｍ、溶着断面積Ａ_Ｒ＝６４．６ｍｍ^２であった。また、式（１）より、入熱量Ｑ＝４．０ｋＪ／ｍｍであった。アーク溶接では、ビード幅および溶着断面積は溶接入熱に比例するため、それぞれの値だけを変化させるのは難しい。一方、前述のように、デジタル波形制御電源を用いた場合は、ＥＮ比によって、溶接入熱一定で溶着断面積Ａ_Ｒを±２０％程度変化させることができる。そこで、デジタル波形制御電源により入熱量Ｑ、ビード幅Ｗ_Ｂ、溶着断面積Ａ_Ｒを単独で変化させることが可能な範囲を±２０％として、基準条件から溶接部の形状を変化させ、各トーチ－開先壁間距離Ｌでの開先壁への入熱Ｈ_Ｇおよび距離の二乗ｒ^２の値を算出した。その結果を判定モデル上にプロットしたものを図２６～２８に示す。ここで、入熱量Ｑまたはビード幅Ｗ_Ｂが小さい条件では曲線が全体的に左側にシフトし、融合不良ＬＦの生じないＬの範囲は５ｍｍ≦Ｌ≦６ｍｍまで狭くなる。一方、これらが大きい条件では、曲線は右側にシフトし、４ｍｍ≦Ｌ≦７．５ｍｍで融合不良は生じない（図２６、図２７）。溶着断面積Ａ_Ｒが小さい条件では、曲線は全体的に下側にシフトし、４ｍｍ＜Ｌ≦７．５ｍｍで融合不良ＬＦは生じず、これに対し溶着断面積Ａ_Ｒが大きい条件では、上側にシフトし、いずれのＬでも融合不良が生じる（図２８）。以上のように、判定モデルを用いることで、ビードオンプレート溶接での入熱量Ｑ、ビード幅Ｗ_Ｂ、溶着断面積Ａ_Ｒから、極狭開先ＳＡＷでの適正な溶接条件範囲と、それに対応したＬの範囲とを決定できる。また、入熱量Ｑとビード幅Ｗ_Ｂとを大きくするとともに、溶着断面積Ａ_Ｒを小さくして、判定モデル上で曲線を右下へシフトさせると、融合不良の生じないトーチ－開先壁間距離Ｌの範囲を広げることができる。

【0051】

［一般化］
上述の式（２）は、一般化して次のように書き換えることができる。

【0052】

Ｈ_Ｇ＝Ｃ１×Ｑ（Ｃ２×Ｗ_Ｂ－Ｌ） （２ａ）

【0053】

すなわち、Ｈ_ＧはＱと（Ｗ_Ｂ－Ｌ）との積で表すことができる。この式（２ａ）において、Ｃ１は任意の数、Ｃ２は０．５≦Ｃ２≦１の範囲の任意の数とすることができる。

【0054】

また、上述の式（４）は、式（３）を代入したうえで、一般化して次のように書き換えることができる。

【0055】

Ｒ＝（Ａ_Ｒ／Ｌ）^Ｃ３＋（Ｌ）^Ｃ３ （４ａ）

【0056】

Ｒは、溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離であって、式（４ａ）に示されるように、（Ａ_Ｒ／Ｌ）のべき乗と、（Ｌ）のべき乗との和で表すことができる。Ｃ３は、０＜Ｃ３＜５の範囲の任意の数とすることができる。

【0057】

図２９は、開先壁への入熱Ｈ_Ｇを横軸、原点としての溶融池表面から開先底のコーナー部までの距離Ｒを縦軸としたうえで、Ｃ１＝１、Ｃ２＝０．５、Ｃ３＝１としたときの、極狭開先溶接時の融合不良判定モデル例である。図２４の場合と同様に、破線で示した判定線よりも下ならば融合不良は生じず、判定線よりも上では融合不良となる。図２９において、判定線は、実験結果で一部融合不良となった結果および融合不良となった結果から、最小二乗法により求めた。なお、判定線は、他の適宜の手法によって求めることもできる。

【0058】

上述の繰り返しになるが、ビード幅Ｗ_Ｂと溶着断面積Ａ_Ｒとは溶接条件によって一意に求まる。これに対し、トーチ－開先壁間距離Ｌは、溶接中の変動によって常に変化する可能性がある。たとえば、ビード幅Ｗ_Ｂ＝２６．５ｍｍ、溶着断面積Ａ_Ｒ＝６４．６ｍｍ^２の条件下で、Ｌだけが変化した場合には、融合不良判定モデル上では図３０において実線で表されるようになる。ここでも、同様に、Ｌ＝４～７．５ｍｍの範囲では融合不良は生じないが、Ｌが８ｍｍ以上である場合には融合不良が生じる。図３０において、Ｌ＝８ｍｍというのは、ほぼ判定線上に存在するため、融合不良となった。

【0059】

上記の条件下で、溶着断面積Ａ_Ｒだけを変化させたときの融合不良の判定の様子を図３１に示す。ここでは、溶着断面積Ａ_Ｒ＝７７．４ｍｍ^２の条件下ではＬ＝４～７ｍｍの範囲で、またＡ_Ｒ＝６４．６ｍｍ^２の条件下ではＬ＝４～７．５ｍｍの範囲で、さらにＡ_Ｒ＝５１．７ｍｍ^２の条件下ではＬ＝４～８ｍｍの範囲で、それぞれ融合不良は発生しない。

【0060】

このように，溶接中に変動するトーチ－開先壁間距離Ｌに対して、判定モデル上で判定線より下となるように溶接条件を常に制御することで、融合不良を確実に防止することができる。

【0061】

図３２は、同様に入熱量Ｑだけを変化させた溶接条件での融合不良判定の様子を示す。ここでは、Ｑ＝４．８ｋＪ／ｍｍの条件下ではＬ＝４～８ｍｍの範囲で、またＱ＝４．０ｋＪ／ｍｍの条件下ではＬ＝４～７．５ｍｍの範囲で、さらにＱ＝３．２ｋＪ／ｍｍの条件下ではＬ＝４～７ｍｍの範囲で、それぞれ融合不良は発生しない判定となる。

【0062】

図３３は、同様にビード幅Ｗ_Ｂだけを変化させた溶接条件のもとでの融合不良判定の様子を示す。ここでは、Ｗ_Ｂ＝３２．０ｍｍの条件下ではＬ＝４～９ｍｍの範囲で、またＷ_Ｂ＝２６．５ｍｍの条件下ではＬ＝４～７．５ｍｍの範囲で、さらにＷ_Ｂ＝２１．０ｍｍの条件下ではＬ＝４～６ｍｍの範囲で、いずれも融合不良は発生しない判定となる。

【0063】

［溶接装置］
図３４は、本発明の実施の形態の極狭開先サブマージアーク溶接装置を示す。ここで４１は溶接対象、４２はシングルトーチ構造の溶接トーチである。溶接トーチ４２は、走行台車４３に搭載されることで、溶接対象４１に設けられた極狭開先４４の長さ方向に沿って溶接方向４５へ移動可能である。溶接トーチ４２は、１軸スライダ４６に取り付けられることで、極狭開先４４の幅方向に位置調節できるように構成されている。４７はレーザセンサで、溶接トーチ４２と一体化されることで、１軸スライダ４６によって溶接トーチ４２と一緒に極狭開先４４の幅方向に移動されるように構成されている。そしてレーザセンサ４７は、溶接個所よりも前方で極狭開先４４を認識し、現在のトーチ４２の位置と、トーチ４２から左右の開先壁までの距離Ｌ_１、Ｌ_２とを計測する。また図３４において、４８はデジタル溶接電源、４９は制御装置（ＰＣ）である。制御装置４９は、各溶接条件でのビード幅Ｗ_Ｂと溶着断面積Ａ_Ｒとをあらかじめデータベースとして保有しておき、以下の処理１と処理２とを行うアルゴリズムを有する。

【0064】

すなわち、処理１では、制御装置４９は、計測された距離Ｌ_１、Ｌ_２の値にもとづき、融合不良とならない条件を融合不良判定モデルから選定して、溶接電源４８に、ＥＮ比、溶接電流、電圧の値を指示するとともに、走行台車４３に溶接速度の値を指示する。

【0065】

処理２では、制御装置４９は、トーチ４２の狙い位置が常に開先の中心（Ｌ_１＝Ｌ_２）となり、かつＬ_１、Ｌ_２＞４ｍｍとなるように、１軸スライダ４６による溶接トーチ４２の移動量ΔＬを決定する。すなわち制御装置４９は、現在のトーチ狙い位置と目的の狙い位置との差を移動量として１軸スライダ４６に指示することで、トーチ狙い位置が常に適正となるように制御する。

【0066】

デジタル溶接電源４８にて制御される溶接条件は、以下の範囲とすることが適切である。すなわち、ＥＮ比：０．０～１．０、溶接電流：４００～８００［Ａ］、溶接電圧：２０～４０［Ｖ］、溶接速度：３０～８１［ｃｍ／ｍｉｎ］とすることが適切である。

【0067】

［溶接のフロー］
図３４の溶接装置を用いた溶接工程を図３５のフローチャートを参照しながら説明する。図３５のステップＳ１１で工程が開始されたなら、まずステップＳ１２において、図３４のレーザセンサ４７により溶接対象４１の開先４４のデータを取得する。このレーザセンサ４７による取得データは制御装置４９に送られ、制御装置４９は、ステップＳ１３において、トーチ４２から左右の開先壁までの距離Ｌ_１、Ｌ_２のデータを取得する。そして制御装置４９は、ステップＳ１４において、上述の融合不良判定モデルを用いて、取得された距離Ｌ_１、Ｌ_２のデータの条件下で融合不良が生じるかどうかを判断する。

【0068】

ステップＳ１４において融合不良が生じると判断された場合には、ステップＳ１５において、溶接条件の変更すなわち新たな溶接条件の選定を行う。そして、その選定結果を受けて、ステップＳ１６では、溶接電源４８において設定されるべきＥＮ比に変更があったかどうかが判断される。変更があった場合は、溶接電源４８においてＥＮ比の設定値を変更するように制御装置４９が制御する（ステップＳ１７）。ステップＳ１６においてＥＮ比の設定値に変更がなかった場合およびステップＳ１７において溶接電源４８でのＥＮ比の設定値の変更が行われた場合には、次に、ステップＳ１８で、溶接電源４８において設定されるべき溶接電流に変更があったかどうかが判断される。変更があった場合は、溶接電源４８において溶接電流の設定値を変更するように制御装置４９が制御する（ステップＳ１９）。ステップＳ１８において溶接電流の設定値に変更がなかった場合およびステップＳ１９において溶接電源４８での電流の設定値の変更が行われた場合には、次に、ステップＳ２０で、溶接電源４８において設定されるべき電圧に変更があったかどうかが判断される。変更があった場合は、溶接電源４８において電圧の設定値を変更するように制御装置４９が制御する（ステップＳ２１）。ステップＳ２０において電圧の設定値に変更がなかった場合およびステップＳ２１において溶接電源４８での電圧の設定値の変更が行われた場合には、次に、ステップＳ２２で、走行台車４３において設定されるべき溶接速度に変更があったかどうかが判断される。変更があった場合は、走行台車４３の移動速度すなわちその移動量の設定値を変更するように制御装置４９が制御する（ステップＳ２３）。

【0069】

ステップＳ２２において溶接速度に変更がなかった場合と、ステップＳ２３において走行台車４３の移動量の設定値の変更が行われた場合と、前述のステップＳ１４において融合不良判定モデルを用いて判定した結果、融合不良は生じないと判定された場合とには、ステップＳ２４において、ステップＳ１３で取得した距離Ｌ_１、Ｌ_２のデータから、制御装置４９によって、Ｌ_１とＬ_２とが等しいかどうかが判断される。Ｌ_１とＬ_２とが等しいと判断された場合には、ステップＳ１２に戻って、それ以後の工程を繰り返す。Ｌ_１とＬ_２とが等しくないと判断された場合には、ステップＳ２５において、これを等しくするように、制御装置４９から１軸スライダ４６に、それに対応した移動量ΔＬが指示される。Ｌ_１とＬ_２とが等しくなるように１軸スライダ４６が移動量ΔＬだけ溶接トーチ４２を移動させたなら、同様にステップＳ１２に戻って、それ以後の工程を繰り返す。

【0070】

上記した各溶接パラメータの影響度について説明する。ＥＮ比が大きくなると、ビードオンプレート溶接時のビード幅Ｗ_Ｂは減少し、溶着断面積Ａ_Ｒは増加する。溶接電流が大きくなると、ビード幅Ｗ_Ｂ、溶着断面積Ａ_Ｒはともに増加する。電圧が高くなると、ビード幅Ｗ_Ｂは増加するが溶着断面積Ａ_Ｒは変化しない。溶接速度が大きくなると、ビード幅Ｗ_Ｂはやや減少し、溶着断面積Ａ_Ｒは減少する。

【符号の説明】

【0071】

４１ 溶接対象
４２ 溶接トーチ
４３ 走行台車
４６ １軸スライダ
４７ レーザセンサ
４８ デジタル溶接装置
４９ 制御装置
Ｗ_Ｂ ビード幅
Ａ_Ｒ 溶着断面積
Ｌ トーチ－開先壁間距離
Ｑ 溶接入熱
Ｈ_Ｇ 開先壁への入熱
Ｒ 溶融池表面から開先底のコーナー部までの一般化した距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】