JP2001079673A

JP2001079673A - ボックス柱のダイアフラム溶接方法

Info

Publication number: JP2001079673A
Application number: JP26291499A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Nishi; 泰彦西
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ボックス柱にダイアフラムを高能率でエレク
トロスラグ溶接する。【解決手段】板厚１６〜６５ｍｍのダイアフラム３の
端部両面に設けた裏当て金２をボックス１内面に当接さ
せることにより、ダイアフラム３の端面、両裏当て金２
およびボックス１内面とで形成される密閉空間４を溶接
開先として、直径１．６ｍｍのソリッドワイヤを用い
て、使用溶接電流範囲を３８０Ａ±１０Ａとする１電極
の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法にて溶接する
ボックス柱のダイアフラム溶接方法において、ダイアフ
ラム３端面とボックス２内面との間隙であるル−ト間隙
Ｔを１６〜１９ｍｍの間に設定するとともに、溶接電圧
Ｖを（１）式に設定して溶接するボックス柱のダイアフ
ラム溶接方法。０．１３ｔ＋４３＜Ｖ＜０．１３ｔ＋４６…………
（１）ただし、ｔ：ダイアフラムの板厚（ｍｍ）、Ｖ：溶接電
圧（Ｖ）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、非消耗ノズル式
エレクトロスラグ溶接法によるボックス柱のダイアフラ
ム溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば超高層ビル等に使用されるボック
ス柱は、４枚の鋼材（スキンプレ−ト）をボックス状に
溶接して製作される。そして、ボックス柱の梁材が接合
される部分の内面には、ボックス柱の強度を補強するた
めの板厚１６ｍｍ〜６５ｍｍ程度の鋼材からなるダイア
フラムが取り付けられている。

【０００３】ボックス柱のスキンプレ−トにダイアフラ
ムを溶接する溶接方法としては、一般に非消耗式エレク
トロスラグ溶接法が採用されている。この非消耗式エレ
クトロスラグ溶接法は、図８に示すように、ボックス柱
のスキンプレ−ト２１の内面に一端２２ａが当接する１
対の裏当て金２２でダイアフラム２３の一辺を挟み込
み、これら１対の裏当て金２２とスキンプレ−ト２１お
よびダイアフラム２３の端面２３ａで形成される密閉空
間２４を溶接開先として、この中に溶接ノズル２５を挿
入し、まずア−ク熱によりフラックスを溶かしてスラグ
を生成させ、ついで溶融スラグ中を流れる抵抗熱を利用
してワイヤ、および母材を溶融して接合する自動溶接法
である。

【０００４】そして、この溶接法の長所としては、開先加工が不要である。一般的にはＩ開先であるの
で、ダイアフラムはガス切断ままでよい。溶接時間を短縮できる。溶接による角変形がない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た非消耗式エレクトロスラグ溶接法により、ダイアフラ
ムをボックス柱に溶接する場合には、次のような問題点
がある。

【０００６】非消耗式エレクトロスラグ溶接法における
ル−ト間隙は、従来２０〜２５ｍｍ程度に設定するよう
にしているので、能率を向上させるために溶接速度を速
くしようとすると、ワイヤ送給速度を上げざるを得ず、
その結果入熱量が小さくなる。そのため、母材の溶け込
み量が少なくなり、溶接部に溶け込み不足を生じやすく
なる。

【０００７】また、ワイヤ送給速度を上げるとともに溶
接電流も増加させると、溶け込み量は大きくなるが、割
れ感受性が高まり、溶接部に高温割れが発生するととも
に、靭性も劣化する。

【０００８】したがって、ル−ト間隙が２０〜２５ｍｍ
程度である従来のエレクトロスラグ溶接法においては、
溶接部の品質を劣化させることなく、溶接能率を向上さ
せることは困難である。

【０００９】また、ル−ト間隙を小さくして溶接能率を
向上させようとした場合、従来の溶接条件（溶接電流、
溶接電圧、ワイヤ送給速度）をそのまま適用すると、溶
接入熱量が小さくなり、溶け込み不足が生じやすくな
る。

【００１０】この発明は、従来技術の上述のような問題
点を解消するためになされたものであり、溶接部に溶け
込み不足や高温割れが発生したり、溶接部の靭性が劣化
したりすることなしに、溶接能率を向上させることので
きるボックス柱のダイアフラム溶接方法を提供すること
を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るボックス
柱のダイアフラム溶接方法は、板厚１６ｍｍから６５ｍ
ｍまでの範囲のダイアフラムの端部両面に設けた裏当て
金をボックス内面に当接させることにより、ダイアフラ
ムの端面、両裏当て金およびボックス内面とで形成され
る密閉空間を溶接開先として、直径１．６ｍｍのソリッ
ドワイヤを用いて、使用溶接電流範囲を３８０Ａ±１０
Ａとする１電極の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接
法にて溶接するボックス柱のダイアフラム溶接方法にお
いて、ダイアフラム端面とボックス内面との間隙である
ル−ト間隙を１６ｍｍから１９ｍｍの間に設定するとと
もに、溶接電圧Ｖを下記（１）式に示す範囲に設定して
溶接するものである。０．１３ｔ＋４３＜Ｖ＜０．１３ｔ＋４６…………（１）ただし、ｔ：ダイアフラムの板厚（ｍｍ）Ｖ：溶接電圧（Ｖ）

【００１２】本発明に係るボックス柱のダイアフラム溶
接方法においては、非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶
接法を用い、ル−ト間隙を１６ｍｍから１９ｍｍの間に
設定する。これは溶接能率を高めるために、ル−ト間隙
を従来の２０〜２５ｍｍよりも小さくしても、後述する
ように溶接電圧を適正な範囲に設定することにより、希
釈率を適正な範囲にすることができ、良好な溶接品質を
確保することができるからである。そして、ル−ト間
隙の上限を１９ｍｍとしたのは、従来の２０ｍｍより小
さくして、溶接能率を向上させるためであり、ル−ト間
隙の下限を１６ｍｍとしたのは、非消耗式ノズルの外径
が１２ｍｍであり、かつ部材間とのギャップが最低２ｍ
ｍづつ必要であるので、最小１６ｍｍ必要となるからで
ある。

【００１３】溶接電圧Ｖ（ボルト）はダイアフラムの板
厚ｔ（ｍｍ）との関係で、上記（１）式の範囲に入るよ
うに設定する。これは、溶接電圧Ｖが下限値未満となる
と、溶け込み不良が発生するからであり、溶接電圧Ｖが
上限値を超えると、高温割れが発生したり、靱性が劣化
するからである。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、図面を
参照して説明する。

【００１５】図１は本発明の実施の形態におけるル−ト
間隙を示す説明図である。本発明のボックス柱のダイア
フラム溶接方法においては、図１に示すように、ダイア
フラム３の端部両面に設けた裏当て金２の端面２ａをボ
ックス柱のスキンプレ−ト１の内面に当接させることに
より、ダイアフラム３の端面３ａ、両当て金２およびス
キンプレ−ト１とで形成される密閉空間４を溶接開先と
して、この中でまずア−ク熱によりフラックスを溶かし
てスラグを生成させ、ついで溶融スラグ中を流れる抵抗
熱を利用してワイヤおよび母材を溶融して接合するエレ
クトロスラグ溶接法により、ボックス柱にダイアフラム
３を溶接する。

【００１６】この溶接方法においては、ル−ト間隙の大
きさＴを、１６ｍｍ〜１９ｍｍに設定するとともに、溶
接電圧Ｖ（ボルト）をダイアフラム３の板厚ｔ（ｍｍ）
との関係で、下記（１）式の範囲となるように設定して
溶接を行なう。０．１３ｔ＋４３＜Ｖ＜０．１３ｔ＋４６…………（１）ただし、ｔ：ダイアフラムの板厚（ｍｍ）Ｖ：溶接電圧（ボルト）

【００１７】上述した溶接方法において、ル−ト間隙Ｔ
を１６ｍｍ〜１９ｍｍに設定するのは、溶接能率を高め
るために、ル−ト間隙を従来の２０〜２５ｍｍよりも小
さくしても、後述するように溶接電圧を適正な範囲に設
定することにより、希釈率を適正な範囲にすることがで
き、良好な溶接品質を確保することができるからであ
る。

【００１８】ル−ト間隙を従来より小さく設定するだけ
では、溶接品質を劣化させずに溶接能率を向上させるこ
とはできず、溶接品質を高度に維持するためには、溶接
電圧を適正範囲に制御しなければならない。

【００１９】すなわち、溶接電圧を過剰に上げすぎる
と、母材の溶け込み量が大きくなることに起因して、溶
接部の炭素濃度が高まり、溶接部において高温割れが発
生したり、溶接部の靭性が劣化する恐れがある。

【００２０】また、溶接電圧が低すぎると、母材の溶け
込み量が不足して、溶接部の継手強度が劣化する恐れが
ある。

【００２１】そこで、このようなことを考慮して、溶接
電圧は前記（１）式の範囲としたのである。

【００２２】溶接電圧の範囲を、（１）式の範囲に設定
するようにした根拠を詳述すると、次の通りである。

【００２３】エレクトロスラグ溶接部の品質は、母材希
釈率という概念で判定することができる。この希釈率Ｃ
は、図２の模式図に示すように、１対の裏当て金２とス
キンプレ−ト１およびダイアフラム３とで囲まれた領域
の断面積（開先断面積）Ａと、１対の裏当て金２、スキ
ンプレ−ト１およびダイアフラム３の母材溶け込み部分
の合計の断面積Ｂとを使用して、（２）式で表わされ
る。Ｃ＝｛Ｂ／（Ａ＋Ｂ）｝×１００（％）…………（２）

【００２４】そして、希釈率Ｃが小さいということは、
溶け込み量が少ないということであり、ある一定値以下
であると、溶け込み不足と判断される。

【００２５】また、希釈率Ｃが大きいということは、溶
け込み量が多いということであり、その結果母材溶融部
の炭素が溶接金属に希釈され、溶接金属中の炭素濃度が
上昇し、溶接部に高温割れが発生したり、溶接部の靭性
が低下しやすくなる。

【００２６】したがって、希釈率Ｃは一定の範囲内に入
らなければならない。希釈率Ｃの下限値は、上述したよ
うに、溶け込み量が不足しないという条件で決定される
が、溶け込み量が不足しているか否かの判定は、一般に
超音波探傷に頼っている。そして、その場合の判定方法
としては、図３に示す溶け込み幅Ｗがダイアフラム３の
板厚ｔよりも片側で３ｍｍ大きい、すなわち溶け込み幅
Ｗは（３）式のような関係となることが望ましい。Ｗ≧ｔ＋６ｍｍ…………（３）

【００２７】これは片側で３ｍｍ以上の溶け込みがない
と、超音波探傷によって溶け込みを確認することができ
ず、不合格とせざるを得ない場合があるという品質保証
上の問題からである。

【００２８】溶け込み幅がダイアフラム３の板厚ｔ＋６
ｍｍとなるための希釈率Ｃとダイアフラム３の板厚ｔと
の関係を、ル−ト間隙をパラメ−タとして計算により求
め、図４に示す。ダイアフラム３の板厚ｔが大きくなる
にしたがって、前記（Ａ＋Ｂ）の面積の形状は楕円にな
るが、楕円の長径と短径の比は実験結果から（ｔ／Ｔ）
^1/2とした。

【００２９】ル−ト間隙Ｔの最小値１６ｍｍ、ダイアフ
ラム３の板厚ｔの最小値１６ｍｍの場合、前記（２）式
におけるＡの面積（ｍｍ²）は１６×１６、（Ａ＋Ｂ）
で示される円の面積（ｍｍ²）は、円の半径が幾何学的
に｛８²＋（８＋３）²｝^1/ ²＝１３．６ｍｍであるの
で、（π・１３．６²）となり、所定の溶け込み量が確
保できる希釈率Ｃの下限値は５６％となる。

【００３０】図４から明らかなように、ダイアフラムの
板厚が１６ｍｍ〜６５ｍｍの範囲では、ル−ト間隙Ｔが
１６ｍｍよりも大きくなっても、またダイアフラム３の
板厚ｔが１６ｍｍよりも大きくなっても、溶け込み不足
の発生しない適正な希釈率は５６％よりも小さいので、
希釈率の下限値を５６％とするように溶接条件を設定す
れば、ル−ト間隙Ｔおよびダイアフラム３の板厚ｔが変
化しても、溶け込み不足は発生しない。

【００３１】次に、前述した高温割れや靭性劣化を発生
させない希釈率Ｃの上限値は、次のようにして求まる。

【００３２】図５は炭素量０．１６％を含有する板厚２
２ｍｍの鋼材でダイアフラム、スキンプレ−トおよび裏
当て金を形成し、炭素量０．０８２％の溶接ワイヤ（直
径１．６ｍｍのソリッドワイヤ）を用いてエレクトロス
ラグ溶接を行なったときの、希釈率と溶接金属中の炭素
量の関係および割れ発生の有無を示す図である。

【００３３】溶接条件は、溶接電流を３８０Ａ±１０Ａ
とし、溶接電圧を４０Ｖから５１ｖの間で変化させ、溶
接部の希釈率を変化させた。

【００３４】図５から明らかなように、溶接金属の炭素
量Ｚは鋼材の炭素量Ｚ₁と溶接ワイヤの炭素量Ｚ₂およ
び希釈率Ｃから（２）式により計算される値（図５中実
線で示す）にほぼ等しく、溶接金属中の炭素含有量が
０．１３％以上で割れの発生がみられる。Ｚ＝Ｚ₁・Ｃ＋Ｚ₂（１−Ｃ）…………（２）

【００３５】もちろん、溶接電流は割れの発生に大きく
影響するので、溶接電流が異なれば割れの発生する溶接
金属中の炭素含有量も異なることが予想されるが、今回
の実験に使用した溶接電流範囲である３８０Ａ±１０Ａ
の間では、割れの発生する溶接金属中の炭素含有量に差
はなかった。

【００３６】すなわち、直径１．６ｍｍのソリッドワイ
ヤを使用し、溶接電流を３８０Ａ±１０Ａの範囲とした
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接では、鋼材の炭素
量Ｚ ₁と溶接ワイヤの炭素量Ｚ₂が与えられた時、溶接
金属の炭素量Ｚが０．１３％となるような希釈率Ｃ_MAX
が希釈率Ｃの上限値となる。

【００３７】鋼材の炭素量Ｚ₁と溶接ワイヤの炭素量Ｚ
₂は低いほど希釈率Ｃの上限値は上がるが、一般的にボ
ックス柱に使用される鋼材の炭素量は０．１０％から
０．１６％の範囲であり、溶接ワイヤの炭素量は０．０
４％から０．０８５％の範囲であるので、それぞれの炭
素量の上限値を用いて（２）式により希釈率の上限値を
求めると、希釈率の上限値Ｃ_MAXは６０％となる。

【００３８】以上の結果から、希釈率が５６％から６０
％の間になるような条件で溶接すれば、ル−ト間隙が１
６ｍｍから１９ｍｍの範囲においても、健全な溶接品質
を確保できることが分かる。

【００３９】そこで、希釈率と溶接電圧の関係を調査し
た結果、図６に示すように、ダイアフラムの板厚毎に希
釈率と溶接電圧は比例関係にあることを見いだした。

【００４０】すなわち、エレクトロスラグ溶接部の希釈
率は、ダイアフラムの板厚と溶接電圧によって決まり、
ル−ト間隙が変化してもこの関係は変化しなかった。

【００４１】したがって、ダイアフラムの板厚を変数と
して溶接電圧を適切に選定すれば、希釈率が５６％から
６０％の間になるように溶接することが可能である。

【００４２】図６を基に、ダイアフラムの板厚と希釈率
を５６〜６０％の範囲とする適正な溶接電圧との関係を
整理し、図７に示す。この図において、直線Ａはダイア
フラムの板厚と溶接電圧の下限値との関係を示し、直線
Ｂはダイアフラムの板厚と溶接電圧の上限値との関係を
示す。そして、前記（１）式は、図７から導き出された
ものである。

【００４３】

【実施例】非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法によ
り、板厚２２ｍｍ、４０ｍｍおよび６０ｍｍのダイアフ
ラムを、ル−ト間隙および溶接電圧を本発明の溶接方法
の条件に設定して、ボックス柱に溶接する試験を行なっ
た。比較例として、ル−ト間隙および溶接電圧を本発明
の溶接方法の条件を外れた条件に設定して、試験を行な
った。なお、板厚２２ｍｍのダイアフラムを溶接する場
合には、溶接ノズルを揺動させずに行なったが、板厚４
０ｍｍおよび６０ｍｍのダイアフラムを溶接する場合に
は、溶接ノズルを揺動させて溶接を行なった。

【００４４】また、溶接ワイヤには炭素量０．０８５％
含有の１．６ｍｍ径のソリッドワイヤを、ダイアフラ
ム、スキンプレ−トおよび裏当て金には炭素量０．１６
％含有の鋼材を使用し、溶接電流は３８０Ａ±１０Ａと
した。

【００４５】そして、溶接後の溶け込み幅、希釈率を計
測し、割れの有無を調べた。溶接条件と溶接結果とを表
１に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】実施例１〜実施例６に示す板厚２２ｍｍの
ダイアフラムを溶接した場合においては、希釈率が５６
〜６０％の範囲に入るような溶接電圧で、溶接を行なっ
ているので、溶け込み幅が十分であるとともに、溶接部
に割れも発生せず、良好な溶接品質を得ることができ
た。

【００４８】これに反して、比較例１〜比較例５に示す
板厚２２ｍｍのダイアフラムを溶接した場合において
は、希釈率が５６〜６０％の範囲を外れる溶接電圧で溶
接しているので、溶け込み幅が少ない（溶け込み不良）
ものや、溶接金属に割れが発生するものがあり、溶接結
果は不良であった。

【００４９】また、実施例１〜実施例６における溶接速
度は、４．４〜５．６ｃｍ／ｍｉｎと、従来の溶接法に
おけるル−ト間隙２５ｍｍの場合の溶接速度３．６〜
３．７ｃｍ／ｍｉｎに比べて速くなっており、溶接能率
を向上させることができる。

【００５０】また、実施例７〜実施例１１に示す板厚４
０ｍｍのダイアフラムを溶接した場合においても、希釈
率が５６〜６０％の範囲に入るような溶接電圧で、溶接
を行なっているので、溶け込み幅が十分であるととも
に、溶接部に割れも発生せず、良好な溶接品質を得るこ
とができた。

【００５１】これに反して、比較例６〜比較例８に示す
板厚４０ｍｍのダイアフラムを溶接した場合において
も、希釈率が５６〜６０％の範囲を外れるような溶接電
圧で溶接しているので、溶け込み幅が少ない（溶け込み
不良）ものや、溶接金属に割れが発生するものがあり、
溶接結果は不良であった。

【００５２】また、実施例７〜実施例１１における溶接
速度は、２．５〜２．９ｃｍ／ｍｉｎと、従来の溶接法
におけるル−ト間隙２５ｍｍの場合の溶接速度１．９ｃ
ｍ／ｍｉｎに比べて速くなっており、溶接能率を向上さ
せることができる。

【００５３】また、実施例１２〜実施例１４に示す板厚
６０ｍｍのダイアフラムを溶接した場合においても、希
釈率が５６〜６０％の範囲に入るような溶接電圧で、溶
接を行なっているので、溶け込み幅が十分であるととも
に、溶接部に割れも発生せず、良好な溶接品質を得るこ
とができた。

【００５４】これに反して、比較例９〜比較例１１に示
す板厚６０ｍｍのダイアフラムを溶接した場合において
も、希釈率が５６〜６０％の範囲を外れるような溶接電
圧で溶接しているので、溶け込み幅が少ない（溶け込み
不良）ものや、溶接金属に割れが発生するものがあり、
溶接結果は不良であった。

【００５５】また、実施例１２〜実施例１４における溶
接速度は、１．７〜２．０ｃｍ／ｍｉｎと、従来の溶接
法におけるル−ト間隙２５ｍｍの場合の溶接速度１．５
ｃｍ／ｍｉｎに比べて速くなっており、溶接能率を向上
させることができる。

【００５６】

【発明の効果】この発明により、ボックス柱にダイアフ
ラムをエレクトロスラグ溶接するに際して、溶接品質を
低下させることなく、溶接能率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるル−ト間隙を示す
説明図である。

【図２】希釈率を説明するための模式図である。

【図３】この発明の実施の形態において必要とされる溶
け込み幅の説明図である。

【図４】ル−ト間隙をパラメ−タとしたダイアフラムの
板厚と溶け込み不足を発生させない希釈率との関係を示
す図である。

【図５】希釈率と溶接金属中の炭素量の関係および割れ
発生の有無を示す図である。

【図６】ダイアフラムの板厚をパラメ−タとした希釈率
と溶接電圧の関係を示す図である。

【図７】ダイアフラムの板厚と溶接電圧の下限値および
上限値の関係を示す図である。

【図８】ボックス柱にダイアフラムをエレクトロスラグ
溶接法で溶接する方法の説明図である。

【符号の説明】

１スキンプレ−ト２裏当て金３ダイアフラム４密閉空間Ｔル−ト間隙の大きさｔダイアフラムの板厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板厚１６ｍｍから６５ｍｍまでの範囲の
ダイアフラムの端部両面に設けた裏当て金をボックス内
面に当接させることにより、ダイアフラムの端面、両裏
当て金およびボックス内面とで形成される密閉空間を溶
接開先として、直径１．６ｍｍのソリッドワイヤを用い
て、使用溶接電流範囲を３８０Ａ±１０Ａとする１電極
の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法にて溶接する
ボックス柱のダイアフラム溶接方法において、ダイアフ
ラム端面とボックス内面との間隙であるル−ト間隙を１
６ｍｍから１９ｍｍの間に設定するとともに、溶接電圧
Ｖを下記（１）式に示す範囲に設定して溶接することを
特徴とするボックス柱のダイアフラム溶接方法。０．１３ｔ＋４３＜Ｖ＜０．１３ｔ＋４６…………（１）ただし、ｔ：ダイアフラムの板厚（ｍｍ）Ｖ：溶接電圧（Ｖ）