JP2003080396A - 片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高電流で高速度の溶接条件においてもアーク
が安定で、スパッタ発生量が少なく、さらに深い溶込み
が得られる片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法
を提供する。 【解決手段】 片面水平すみ肉ガスシールドアーク溶接
方法において、鋼製外皮にフラックスを充填したワイヤ
のワイヤ全質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：
０．８〜４．０％、アーク安定剤：０．０５〜１．８％
を含み、フラックス充填率が３〜１０％であるフラック
ス入りワイヤを用いて、下板および立板からなる水平す
み肉部材の該立板が傾斜したすみ肉角度θが９０°超の
水平すみ肉部の溶接を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、橋梁における構造
物の内、特にＵトラフ形リブ片側水平すみ肉ガスシール
ドアーク溶接方法に係り、フラックス入りワイヤを用い
てアーク状態がきわめて良好で、スパッタが少なく、深
溶込みの溶接部が得られる片側水平すみ肉ガスシールド
アーク溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、橋梁の分野において鋼床版の補強
材として図３（ａ）に示すような閉断面形式のＵトラフ
形リブ（以下、Ｕリブという。）が、図３（ｂ）に示す
開断面形式の縦リブ（以下、縦リブという。）に比べて
その使用量が増加している。これはＵリブが縦リブに比
べ強度および防錆上好ましく、鋼床版全体の軽量化や溶
接長の低減が図れる等のメリットがあるからである。し
かし、縦リブの溶接では図３（ｂ）に示すように縦リブ
の両側から溶接が行えるため溶け込み量が確保できる
が、Ｕリブの場合、図３（ａ）に示すように片側のみの
溶接になるため、溶け込み量の確保が容易ではない。

【０００３】水平すみ肉ガスシールドアーク溶接が可能
なフラックス入りワイヤとして、例えば、特開平９−９
４６９２号公報に、充填フラックスを含めたワイヤ成分
を限定することにより、溶接速度１ｍ／ｍｉｎの条件下
にてビード形状、ビードのなじみ性およびスラグ剥離性
を改善する技術の開示がある。また、特開平６−２３４
０７５号公報では、フラックス入りワイヤの成分組成を
限定すると共に、２電極で１プール溶接方法を採用する
ことで、アークが安定し、スパッタが少なく、ビード形
状が良好な溶接部が得られる技術の記載がある。

【０００４】しかし、前述の特開平９−９４６９２号公
報記載のフラックス入りワイヤを用いて、高速度かつ高
電流の溶接条件で水平すみ肉溶接を行った場合、アーク
が不安定でスパッタ発生量が多くなると共に、深い溶込
みを得ることができない。また、特開平６−２３４０７
５号公報に記載の２電極溶接による方法は、溶接速度は
高速化されるが、２電極であるので溶接施工上、溶接ト
ーチ周りの設備が大型化し、設備投資が高価になる。さ
らに深い溶込みが得られない等の問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、片側水平す
み肉ガスシールドアーク溶接方法において、高電流で高
速度の溶接条件においてもアークが安定で、スパッタ発
生量が少なく、さらに深い溶込みが得られる片側水平す
み肉ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、片側水
平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、鋼製外
皮にフラックスを充填したワイヤのワイヤ全質量％で、
Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：０．８〜４．０％、ア
ーク安定剤：０．０５〜１．８％を含み、フラックス充
填率が３〜１０％であるフラックス入りワイヤを用い
て、下板および立板からなる水平すみ肉部材の該立板が
傾斜したすみ肉角度θが９０°超の水平すみ肉部の溶接
を行うことを特徴とする。

【０００７】前記アーク安定剤はＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含
む合成物が１．８％以下、Ｎａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成
物とは別に、Ｎａ₂Ｏ源がＮａ₂Ｏ換算値で０．６％以
下、ＴｉＯ₂源がＴｉＯ₂換算値で１．８％以下の１種ま
たは２種以上である。 また、溶接電流がワイヤ径、
１．２ｍｍの場合３００〜５００Ａ、１．４ｍｍの場合
３２０〜５２０Ａ、１．６ｍｍの場合３４０〜５４０Ａ
であることも特徴とする片側水平すみ肉ガスシールドア
ーク溶接方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に示すＵリブに代表される立
板の傾斜によるすみ肉角度θが９０°超のすみ肉溶接部
の片側すみ肉肉ガスシールドアーク溶接方法において
は、図２に示すように構造物の強度の確保立から板の板
厚Ｔに対する溶け込み深さｔ１が溶け込み率（（ｔ１／
Ｔ）×１００）で７０％以上要望される。そこで本発明
者らは、高電流で高速度の溶接条件で行う片側水平すみ
肉ガスシールドアーク溶接方法に用いるフラックス入り
ワイヤの成分組成などについて詳細に検討した。

【０００９】その結果、フラックス入りワイヤに充填す
るフラックスに適正な範囲のＳｉ、Ｍｎからなる脱酸剤
にＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物、Ｎａ₂Ｏ、Ｔｉ
Ｏ₂の単独、または複合添加したアーク安定剤を含有さ
せることにより、溶接時の溶滴の離脱を促進して溶滴の
細粒化および移行回数を増加させてアーク安定化させる
と共に低スパッタ化を図り、さらにフラックス充填率を
低くすることにより、フラックス入りワイヤの欠点であ
る溶込み深さが浅いという問題を解決し得るという知見
を得た。

【００１０】以下に本発明の片側水平すみ肉ガスシール
ドアーク溶接方法に用いるフラックス入りワイヤの成分
組成等限定理由を述べる。Ｓｉはワイヤ質量％（以下、
％という。）で、０．３〜１．８％とする。Ｓｉは脱酸
剤として使用し、溶接金属中の酸素量を低減させる効果
がある。しかし、０．３％未満では溶接金属の粘性が低
くなってビードが下板側に垂れる。さらに脱酸力が不足
して溶接金属にブローホールが発生するようになる。ま
た、１．８％を超えると溶接金属中へのＳｉ成分の歩留
りが過大となって溶接金属の強度が高まり、割れが発生
しやすくなる。

【００１１】Ｍｎは０．８〜４．０％とする。Ｍｎは溶
接金属の脱酸を促進するとともに、溶融金属の流動性を
高め、溶接ビード形状を改善する。Ｍｎが０．８％未満
ではビード形状が凸状になるとともにブローホールが発
生する。また、４．０％を超えると溶滴が大きくなり、
スパッタ低減効果が無くなり、溶着金属への歩留りが過
大となって溶接金属の強度が高まり、割れが発生しやす
くなる。ＳｉおよびＭｎ含有量は鋼製外皮のＳｉおよび
Ｍｎ、金属Ｓｉ、金属ＭｎまたはＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓ
ｉ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ等鉄合金のＳｉ、Ｍｎの換算値で
ある。

【００１２】次にアーク安定剤の添加量とその効果につ
いて記述する。充填フラックスにアーク安定剤を０．０
５〜１．８％添加することによって、アーク状態が良好
で溶滴が小さく安定し、スパッタ発生量が極めて少なく
なる。アーク安定剤が０．０５％未満であると溶滴が移
行した瞬間に発生するアーク切れが阻止できない。ま
た、アーク長の変動が大きく、さらに溶滴移行回数が少
なく溶滴が大きくなり、アークが不安定でスパッタ発生
量も多くなる。アーク安定剤が１．８％を超えるとアー
クが必要以上に長くなり、スパッタ発生量が増加すると
とともにアンダーカットが発生する。なお、アーク安定
剤はＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物、Ｎａ₂Ｏ源を
Ｎａ₂Ｏ換算値およびＴｉＯ₂源をＴｉＯ₂換算値の１種
または２種以上を用いる。

【００１３】充填フラックスのアーク安定剤であるＮａ
₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は１．８％以下とする。
Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は、溶滴が移行した
瞬間に発生するアーク切れを防止し、アーク状態を良好
とし、スパッタ発生量を少なくする。Ｎａ₂ＯおよびＴ
ｉＯ₂を含む合成物が１．８％を超えると、アーク切れ
は防止できるが、アーク長が必要以上に長くなり、スパ
ッタ発生量が増加し、ヒュームの発生量も増加し、さら
にアンダーカットも発生する。

【００１４】Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は、Ｓ
ｉＯ₂を含む三元系の合成物、Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂の
割合が種々変化した合成物であっても同様な効果が得ら
れ、本発明技術思想に含まれる。Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂
を含む合成物はチタン酸ソーダであり、例えば、水酸化
ナトリウムとルチールを所望の割合で配合して高温処理
する方法で得られることができるが、Ｎａ₂Ｏが１０〜
５０％で、ＴｉＯ₂が５０〜９０％の範囲内での割合の
合成物とすることが望ましい。例えば、１３Ｎａ ₂Ｏ−
８０ＴｉＯ₂、２０Ｎａ₂Ｏ−７３ＴｉＯ₂、４２Ｎａ₂Ｏ
−５３ＴｉＯ₂、あるいは１３Ｎａ₂Ｏ−２５ＳｉＯ₂−
５８ＴｉＯ₂を主要成分とする合成物などが挙げられる
が、これらに限定されるものではない。

【００１５】アーク安定剤のＮａ₂Ｏ源をＮａ₂Ｏ換算値
で０．６％以下とする。Ｎａ₂Ｏ源はＮａ₂ＯおよびＴｉ
Ｏ₂またはＳｉＯ₂を含む合成物以外の添加成分であり、
溶接中のアーク長変動を少なくし、溶滴移行回数の増
加、即ち、溶滴の細粒化を促進させる効果を持つ。しか
しながら、０．６％を超えると溶滴移行回数は減少し、
アーク長のみが長くなる傾向があり、その結果、スパッ
タ発生量が増加するとともにアンダーカットも発生す
る。Ｎａ₂Ｏ源には炭酸ソーダ、ソーダガラスがある。

【００１６】アーク安定剤のＴｉＯ₂源をＴｉＯ₂換算値
で１．８％以下とする。ＴｉＯ₂源はＮａ₂ＯおよびＴｉ
Ｏ₂またはＳｉＯ₂を含む合成物以外の添加成分であり、
アーク安定剤として溶滴先端に発生するアークの発生面
積を拡大させることにより、溶滴移行を安定させる下向
きの電磁ピンチ効果を促進させる効果を有する。しかし
ながら、１．８％を超えると下向きの電磁ピンチ力が過
大となり、溶滴移行を不安定にする。ＴｉＯ₂源には酸
化チタン、ルチール、チタンスラグ、イルミナイト等が
ある。

【００１７】本発明に使用するフラックス入りワイヤの
充填フラックス充填率は３〜１０％とする。フラックス
充填率が３％未満であると、フラックス充填および成形
が困難となり、生産性が悪くなる。また、フラックス充
填率が１０％を超えるとスラグ発生量、スパッタ発生量
が増え、さらに溶接金属溶込みが浅くなり溶け込み率７
０％以上が得られなくなる。しかし、より高い生産性
と、低スラグ発生量、低スパッタ、および安定した深い
溶込みを得ることを考慮した場合、フラックス充填率は
４〜８％が望ましい。

【００１８】溶接電流は、ワイヤ径１．２ｍｍの場合３
００〜５００Ａ、１．４ｍｍの場合３２０〜５２０Ａ、
１．６ｍｍの場合３４０〜５４０Ａとする。溶接電流が
ワイヤ径１．２ｍｍの場合３００Ａ未満、１．４ｍｍの
場合３２０Ａ未満および１．６ｍｍの場合３４０Ａ未満
の場合、アークが不安定でスパッタ発生量多くなる。ま
た、溶込み深さが浅くなり溶け込み率７０％以上が得ら
れなくなる。溶接電流がワイヤ径１．２ｍｍの場合５０
０Ａ超、１．４ｍｍの場合５２０Ａ超および１．６ｍｍ
の場合５４０Ａ超になると、溶け込み率は大きくなる
が、アークの吹きつけが過大となりスパッタ発生量が多
くなるとともにアンダーカットが生じやすくなりビード
形状が劣化する。

【００１９】以上が本発明の構成であるが、充填フラッ
クスに添加できる成分にはＡｌ、Ｍｇ、Ｚｒなどの脱酸
剤を通常のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワ
イヤと同様に、溶接金属の脱酸不足によるブローホール
の発生および、または機械的性質の調整のため含有させ
る。しかし、これらが過剰に含有されるとスラグ焼き付
きによるスラグ剥離性不良、ビード外観不良、または溶
接金属の強度が過大となり耐割れ性が劣化する。なお、
脱酸剤は溶接金属中に歩留り合金剤として働く以外にも
スラグ化し、溶融スラグの組成および生成量にも影響
し、本発明の目的効果を損なう場合があるので、種類、
含有量は適宜制限することが望ましい。本発明は溶接ビ
ードを覆っているスラグの剥離性を向上させる成分とし
て、Ｂｉ、Ｓ等を本発明の基本的な技術思想に影響を与
えない範囲で適宜添加できる。また、鋼種により強度お
よび靱性の調整としてＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ等の
添加も可能である。

【００２０】本発明に用いるフラックス入りワイヤのワ
イヤ径は、高電流で高速度の溶接条件で水平すみ肉溶接
に用いられるので、ワイヤ送給速度の安定性やワイヤ先
端の狙い位置ずれを考慮して１．２〜１．６ｍｍとす
る。なお、立板端部を開先加工して溶接すれば溶け込み
率は大きくなるが、溶着量が不足して多層溶接となっ
て、溶接能率が悪くなる。一方、本発明においては開先
加工しなくとも、十分な溶け込み率が得られる。

【００２１】また、本発明における立板の傾斜角度は９
０°超とするが、溶け込み率および溶着量の確保から立
板の傾斜角度は９５〜１２０°であることが望ましい。
本発明にて使用するアーク溶接用シールドガスは、ＣＯ
₂ガスを使用して十分な溶接作業性が得られるが、さら
に溶接作業性時の環境面から考慮し、ヒューム発生量が
少なくなるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスを使用してもよい。以
下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

【００２２】

【実施例】表１に本発明例および比較例に使用するため
に試作したフラックス入りワイヤを示す。なお、ワイヤ
外皮はＣ：０．０４％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．
３０％、Ｐ：０．０２０％、Ｓ：０．０１５％の帯鋼を
用い、成形工程でフラックスを充填し、Ｏ字型に成形し
て溶接後ワイヤ径１．２〜１．６ｍｍまで伸線して試作
した。これらの試作ワイヤを用いて、図１に示す立板お
よび下板からなり立板を傾斜したすみ肉試験体（鋼種：
ＳＭ４９０Ｂ、立板：板厚６および９ｍｍ、幅１００ｍ
ｍ、長さ１０００ｍｍ、下板：厚さ２０ｍｍ、幅１５０
ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に表２に示す溶接条件（溶接
電圧：２５〜４０Ｖ、チップ・母材間距離：２５ｍｍ、
シールドガス：ＣＯ₂ ２５リットル／ｍｉｎ）で図２に
示すように水平すみ肉溶接した。

【００２３】

【表１】

【００２４】溶接時にスパッタ発生量の測定、アーク状
態の観察を行い、溶接後にビード外観の観察、溶け込み
深さの測定およびブロホール発生の有無を調べた。な
お、スパッタ発生量は捕集量が１．５０ｇ／ｍｉｎ以下
を良好とした。溶け込み率は溶接後の試験体から断面マ
クロを５個採取し、図２に示すように各断面マクロの溶
け込み深さｔ１を測定し、立板の板厚Ｔに対する溶け込
み率を算出した。溶け込み率は７０％以上を良好とし
た。また、ブロホールの有無は断面マクロを採取した残
りの試験片につき、ビード表面にスリットを入れてビー
ド縦方向に割って破面観察で有無を調べた。それらの結
果を表２にまとめて示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２中、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は本発明例、
Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．２４は比較例である。本発明例であ
るＮｏ．１〜Ｎｏ．９は、使用したワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ
９の、成分（アーク安定剤、ＳｉおよびＭｎの量）およ
びフラックス充填率が適正で、かつ溶接電流も適正であ
るので、アークが安定しスパッタ発生量が少なく、ビー
ド外観が良好で、深い溶け込みが得られ、さらにブロホ
ールの発生もなく極めて満足な結果であった。

【００２７】比較例中、Ｎｏ．１０は、使用したワイヤ
記号Ｗ１０のアーク安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含
む合成物が低いので、アークが不安定でスパッタ発生量
が多くなった。また、Ｓｉが低いので、溶接金属の粘性
が低くなってビードが下板側に垂れ、ブロホールも発生
した。Ｎｏ．１１は使用したワイヤ記号Ｗ１１のアーク
安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成物とＴｉＯ₂
源のＴｉＯ₂換算値との合計が高いので、スパッタ発生
量が多く、アンダーカットも発生した。また、Ｓｉが高
いので、クレータ部に高温割れが発生した。

【００２８】Ｎｏ．１２は使用したワイヤ記号Ｗ１２の
アーク安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成物が高
いので、ヒューム発生量およびスパッタ発生量が多く、
さらにアンダーカットも発生した。また、Ｍｎが低いの
で、ビード外観が凸ビードになりブロホールも発生し
た。Ｎｏ．１３は使用したワイヤ記号Ｗ１３のアーク安
定剤であるＮａ₂Ｏ源のＮａ₂Ｏ換算値が高いので、スパ
ッタ発生量が多くアンダーカットも発生した。また、Ｍ
ｎが高いのでクレータ部に高温割れが発生した。

【００２９】Ｎｏ．１４は使用したワイヤ記号Ｗ１４の
アーク安定剤であるＴｉＯ₂源のＴｉＯ₂換算値が高いの
でスパッタ発生量が多くアンダーカットも発生した。Ｎ
ｏ．１５は使用したワイヤ記号Ｗ１５のフラックス充填
率が低いので、ワイヤ製造時の生産性が悪くフラックス
の充填率にバラツキがあり、アークが不安定でスパッタ
発生量が多くなり、アンダーカットも発生した。

【００３０】Ｎｏ．１６は使用したワイヤ記号Ｗ１６の
フラックスの充填率が高いのでスラグ生成量が多く、ス
パッタ発生量が多くなり、さらに溶け込み率も低くなっ
た。Ｎｏ．１７およびＮｏ．１９は溶接電流が低いの
で、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなった。ま
た、溶け込み率も低くなった。Ｎｏ．１８およびＮｏ．
２０は、溶接電流が高いので、アークの吹きつけが過大
となりスパッタ発生量が高く、さらにアンダーカットが
生じた。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の片側水平
すみ肉ガスシールドアーク溶接方法によればアーク状態
がきわめて良好で、スパッタ発生量が少なく、深い溶け
込みが得られ、溶接の高能率化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対象とする傾斜した立板すみ肉溶接部
を示す断面図である。

【図２】本発明における溶け込み率算出の説明図であ
る。

【図３】閉断面形式のＵトラフ形リブの断面図（ａ）お
よび開断面形式の縦リブ（ｂ）を示す断面図である。

【符号の説明】 １ 立板 ２ 下板 ３ 溶接金属 Ｔ 立板の板厚 ｔ１ 溶け込み深さ θ すみ肉角度

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接
   方法において、鋼製外皮にフラックスを充填したワイヤ
   のワイヤ全質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：
   ０．８〜４．０％、アーク安定剤：０．０５〜１．８％
   を含み、フラックス充填率が３〜１０％であるフラック
   ス入りワイヤを用いて、下板および立板からなる水平す
   み肉部材の該立板が傾斜したすみ肉角度θが９０°超の
   水平すみ肉部の溶接を行うことを特徴とする片側水平す
   み肉ガスシールドアーク溶接方法。
2. 【請求項２】 アーク安定剤は、Ｎａ₂ＯとＴｉＯ₂を含
   む合成物が１．８％以下、Ｎａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成
   物とは別に、Ｎａ₂Ｏ源をＮａ₂Ｏ換算値で０．６％以
   下、ＴｉＯ₂源をＴｉＯ₂換算値で１．８％以下の１種ま
   たは２種以上であることを特徴とする請求項１記載の片
   側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
3. 【請求項３】 溶接電流が下記範囲であることを特徴と
   する請求項１または請求項２記載の片側水平すみ肉ガス
   シールドアーク溶接方法。 ワイヤ径、１．２ｍｍの場合 ３００〜５００Ａ １．４ｍｍの場合 ３２０〜５２０Ａ １．６ｍｍの場合 ３４０〜５４０Ａ