JP2004276117A

JP2004276117A - 多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材

Info

Publication number: JP2004276117A
Application number: JP2004154369A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hayakawa; 直哉早川; Masaaki Tokuhisa; 正昭徳久
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP3801186B2

Abstract

【課題】極厚鋼板を大入熱で溶接する場合に懸念された高温割れの発生や開先内部における融合不良、余盛り不足などの発生を効果的に防止した多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材を提供する。
【解決手段】大入熱の多層サブマージアーク溶接によって極厚鋼板を接合する場合に、２パス目の溶接金属が被処理鋼板に接しないようにする。
【選択図】図３

Description

この発明は、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材に関し、特に高層ビルの柱に用いられるボックス柱等の極厚鋼板を溶接する場合に、高温割れの発生を効果的に防止しつつ、高能率の溶接施工を可能ならしめようとするものである。

近年、ビルの高層化および柱なし空間を創出するための大スパン化により、ボックス柱に用いられる鋼板の板厚が極厚化する傾向にある。このような極厚鋼板の溶接には、能率を重視して、可能な限り２電極以上の多電極による１パスのサブマージアーク溶接が適用されているが、設備的な制約や技術的限界から１パス溶接が適用できない場合には何らかの多層溶接が施される。
多層溶接法としては、 CO₂溶接による多層溶接と大入熱サブマージアーク溶接との組み合わせ、またはサブマージアーク溶接単独による多層溶接等がある。

このうち CO₂溶接による多層溶接とサブマージアーク溶接との組み合わせでは、 CO₂溶接のパス数が非常に多くなるため、能率が低いところに問題が残る。
また、パス数が多いため、融合不良などの溶接欠陥が発生し易いところにも問題を残していた。

一方、サブマージアーク溶接による多層溶接法としては、特許文献１に開示されているような、溶接入熱：200 kJ/cm 前後で多層溶接を行う方法がある。
この方法は、 CO₂溶接の多層溶接に比べると、パス数は大幅に減少するものの、製造ラインで溶接するようになることから、ボックス柱１本のライン占有時間が長くなり、オフラインでロボットを利用して溶接できる CO₂溶接に比べると、トータルの能率はパス回数の減少から期待されるほどは改善されないという問題がある。
とはいえ、能率を高めるために入熱を高めると、初層においては、溶接金属の最終凝固部に割れが発生するおそれがあり、また２層目以降の溶接においては、溶融した溶接金属が開先中央に向かって流れ、溶接止端部がオーバーラップ形状になり易く、開先内部での融合不良や余盛り不足などを発生させるという問題がある。
このような欠陥が発生した場合、溶接後、アークガウジングではつり、 CO₂溶接ではつった部分を埋め戻す作業が必要となり、溶接自体は高能率になっても補修が必要となるため、総合的な能率の向上には結びつかない。

初層の大入熱溶接金属の高温割れを防止する溶接法としては、特許文献２に、多段階に開先角度を変化させた開先形状を適用することが提案されている。また、特許文献３には、Ｖ開先の開先角度を40°以上とし、溶接条件を最適化することにより、初層における大入熱溶接金属割れを防止する方法が提案されている。
しかしながら、溶接金属の化学組成が高温割れに対して敏感な組成になっている場合には、これらの方法を適用しても必ずしも高温割れを完全に防止することはできなかった。

特開平２−179392号公報特開平２-25819号公報特開平３−118978号公報

この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、従来、初層に大入熱溶接を施した場合に懸念された、初層溶接金属における高温割れの発生や開先内部における融合不良、余盛り不足などの発生を効果的に防止した多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、種々検討を重ねた結果、初層を凝固割れの発生し易い大入熱で溶接したとしても、２パス目の狙い位置を開先中央として溶接を行い、初層溶接金属に発生する可能性のある高温割れ発生位置を２パス目の溶接で溶解することによって、従来懸念された初層における割れの発生を効果的に防止することができ、また、２パス目の溶接金属を１パス目の溶接金属のみに接するようにすることによって、２パス目溶接金属と開先内壁との間に発生し易い融合不良を防止することができ、さらに、後続のパスによる開先中央部への溶接金属の流れ込みを防止することによって、後続のパスの大入熱化およびビード止端部のオーバーラップ発生による融合不良を効果的に防止することができ、かくして極厚鋼板のサブマージアーク溶接をより高品質かつ高能率の下で実施できることの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．少なくとも初層を溶接入熱が 300 kJ/cm以上の大入熱とする多層サブマージアーク溶接によって接合した極厚溶接部材であって、多層肉盛り溶接部における２パス目の溶接金属が被処理鋼板に接していないことを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。

２．上記１において、１パス目のサブマージアーク溶接により形成される初層の深さが、40mm以上であることを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。

３．上記１または２において、２パス目のサブマージアーク溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さが、13mm以上であることを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。

この発明によれば、従来、大入熱溶接を実施する場合に懸念された初層における高温割れの発生は勿論のこと、開先内部における融合不良や余盛り不足などの発生のない極厚溶接部材を安定して得ることができる。

この発明で対象とする極厚溶接部材とは、板厚が少なくとも55mmのものを意味するが、この発明は、特に板厚が60mm以上さらには70mm以上の極厚部材に適用して好適なものである。

以下、この発明を具体的に説明する。
さて、ボックス柱の角継手部を大入熱で溶接するに当たっては、通常、ルートフェースを数mmとり、開先角度30°以上のＶ開先が使用される。
この時、多パス溶接ということになると、初層の高温割れとスラグ剥離が問題となることから、前述したような２段開先や40°以上の開先角度のＶ開先が用いられることもある。

この発明における大入熱溶接において、電極については、１極でも２極以上でも良いが、十分な入熱を与えるためには、２極以上とすることが好ましい。
高温割れの発生は、溶接金属の形状に大きな影響を受け、ビードの深さが幅に対して大きい場合、すなわち大入熱で開先内部に溶接金属を留めるような溶接を行った場合に発生し易く、発生場所は溶接金属の最終凝固部、すなわち溶接金属の中央上部である。
この発明では、この割れが発生する可能性のある開先中央部に集中させて、２パス目の溶接を高電流で行い、割れが発生する可能性のある場所を積極的に再溶解することによって、初層の凝固割れを防止するのである。

このような２パス目の溶接としては、１電極の場合は勿論のこと、２極以上の多電極の場合でも、第１電極の電流を1150Ａ以上、特に鋼板板厚が60mm以上の場合には1200Ａ以上として行うことが望ましい。
というのは、２パス目における先行電極の電流が1150Ａより小さいと、２パス目の溶込みが浅くなり、初層溶接金属を溶かし込む深さが浅くなるために、完全に凝固割れの発生を防止することが難しくなるからである。
ここに、凝固割れの発生を完全に防止するためには、２パス目による初層溶接金属の溶かし込み深さは13mm以上、鋼板板厚が60mm以上の場合には15mm以上とすることが望ましい。

また、２パス目の溶接金属は、１パス目の溶接金属のみに接するようにすることが重要である。
というのは、２パス目が開先内壁と接するような施工では、開先内壁と２パス目溶接金属との間に未溶融部つまり融合不良が生じる場合が発生し、この融合不良部は後続の溶接で溶解しきれずに欠陥として残る可能性が高いためである。
なお、２パス目の溶接金属を１パス目の溶接金属のみに接するようにするには、ワイヤの狙い位置を開先中央付近とすると共に、溶接金属が過多にならないように溶接条件（電極速度など）を調整すれば良い。
従って、２パス目の溶接は、多電極の場合でも単一電極だけの使用としてもかまわない。

さらに、２パス目のビードを、開先中央部のみに置くことによって、３パス目以降の溶接金属が開先中央部に向かって流れ込み、オーバーラップとなるのを有利に防止することができる。オーバーラップとなるとその部分が最後まで未溶融部として残る場合があり、好ましくない。特に大入熱化するほど溶融池が大きくなり、溶融金属が流れ易くなるが、上記したように２パス目のビードを開先中央部に置くことによって、かような溶融金属の流れ込みを防止できるため、大入熱化が可能となる。

なお、上述したような、溶接金属の中央部のみにビードを置くような溶接は、２パス目だけに限るものではなく、連続的に行うのであれば、２パス目＋３パス目、さらには２パス目＋３パス目＋４パス目のように多パスとしても良い。
このように、溶接金属の中央部のみにビードを置くような溶接を複数回にわたって行うと、中央部のビード高さが高くなるので、それ以降のパスによる溶接金属層が開先中央部への流れ込みのために薄くなることを効果的に防止でき、必要な溶接パス数を削減できる利点がある。

以下、実施例について述べる。
供試鋼材の成分組成を表１に示す。表１中、鋼板Ａは板厚：70mmの 490 MPa級鋼板、鋼板Ｂは板厚：70mmの 590 MPa級鋼板、鋼板Ｃは板厚：80mmの 490 MPa級鋼板、鋼板Ｄは板厚：55mmの 490 MPa級鋼板である。
また、溶接ワイヤとしては、直径：6.4mm のものと 5.1mmのものを用いた。供試ワイヤの成分組成を表２に示す。表２中、ワイヤａは直径：6.4 mmの 490 MPa級鋼溶接用ワイヤ、ワイヤｂは直径：6.4 mmの 590 MPa級鋼溶接用ワイヤ、ワイヤｃは直径：5.1 mmの 490 MPa級鋼溶接用ワイヤである。
さらに、フラックスとしては、SiO₂-MgO-CaO-Al₂O₃を主成分として鉄粉を添加した焼成型のものを用いた。

実施例１
表１のＡに示した成分組成の板厚：70mmの 490 MPa級鋼板に図１に示すような２段開先加工を施し、これに２電極サブマージアーク溶接により、表３に示す条件下で４パス溶接を行った。用いたワイヤは先行極（Ｌ極）および後行極（Ｔ極）とも表２にａで示した直径：6.4mm のものを用いた。なお、ワイヤの狙い位置は図２に示すとおりである。
図３にビードの積層状態を、また図４にその断面外観を示したが、この発明に従って溶接施工を行った場合には、内部欠陥もなく、良好な溶接ビードが得られた。
また、この時、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは17mm以上であった。

比較例１
実施例１と同じ鋼種および開先形状の鋼板に対し、図５に示す積層法で多層サブマージアーク溶接を行った。溶接条件を表３に併記する。
その結果、初層溶接金属に割れが発生しただけでなく、２パス目止端部が余盛り不足となった。また、２パス目の溶接による初層溶接金属中央部の溶かし込み深さはせいぜい９mm程度であった。

実施例２
表１のＢに示した成分組成の板厚：70mmの 590 MPa級鋼板に図６に示すような開先加工を施し、２電極サブマージアーク溶接により、表４に示す条件下で４パス溶接を行った。
図７に、ビードの積層状態を示したが、この発明に従い溶接施工を行った場合には、内部欠陥もなく、良好な溶接ビードが得られた。
また、この時、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは16mm以上であった。

比較例２
実施例２と同じ鋼種および開先形状の鋼板に対し、同じ積層法にて２電極サブマージアーク溶接を行った。ただし、２パス目は、溶接入熱は同じとしたが、先行極電流を1100Ａとした。溶接条件を表４に併記する。
その結果、初層溶接金属の一部に割れが発生した。２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは11〜14mm程度であり、割れが発生したのは溶かし込み深さが13mmより少ない場合であった。

実施例３
表１のＣに示した成分組成の板厚：80mmの 490 MPa級鋼板に図８に示すような開先加工を施し、２電極サブマージアーク溶接により、表５に示す条件下で４パス溶接を行った。
図９に、ビードの積層状態を示したが、内部欠陥もなく、良好な溶接ビードが得られていた。
また、この時、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは16mm以上であった。

比較例３
実施例３と同じ鋼種および開先形状の鋼板に対し、同じ積層法にて２電極サブマージアーク溶接を行った。ただし、２パス目は電極速度を下げて入熱量を増やし、２パス目の溶接金属が開先壁に達する条件とした。
その結果、２パス目溶接金属と開先壁との間に融合不良が発生した。また、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは16mm以上であった。

実施例４
表１のＤに示した成分組成の板厚：55mmの 490 MPa級鋼板に図10に示すような開先加工を施し、２電極サブマージアーク溶接により、表６に示す条件下で４パス溶接を行った。
その結果、内部欠陥もなく、良好な溶接ビードが得られていた。
また、この時、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは13mm以上であった。

比較例４
実施例４と同じ鋼種および開先形状の鋼板に対し、同じ積層法にて２電極サブマージアーク溶接を行った。ただし、２パス目は、溶接入熱は同じであるが、先行極電流を1100Ａとした。溶接条件を表６に併記する。
その結果、初層溶接金属の一部に割れが発生した。また、２パス目の溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さは12〜13mm程度でり、割れが発生したのは溶かし込み深さが13mmより少ない場合であった。

以上、実施例では、４パスでサブマージアーク溶接を行った場合について開示したが、この発明はこれだけに限るものではなく、図11に積層状態を、また図12に断面外観を示すように、溶接金属が１パス目の溶接金属のみに接するように施工した２パス目の溶接金属の上に、引き続く３パス目のビードを置き、その後に４パス目および５パス目を実施するようにしても良い。
とくに、２パス目の溶接が終了した時点で開先部が広く残されている場合には、開先中央部に３パス目のビードを置かないと、ビードが開先部に広がりすぎて厚みがとれず、開先部を埋めるのに必要なパス数が増加する（図13参照）不利が生じる。
なお、３パス目においても、開先内壁との間に融合不良を生じさせないためには、溶接金属が鋼板に接しないように溶接することが重要である。

実施例１および比較例１における開先形状を示した図である。ワイヤの狙い位置を示した図である。実施例１に従い多層サブマージアーク溶接を実施した場合のビードの積層状態を示した図である。実施例１に従い多層サブマージアーク溶接を実施した場合のビードの断面外観を示した図である。比較例１に従い多層サブマージアーク溶接を実施した場合のビードの積層状態を示した図である。実施例２および比較例２における開先形状を示した図である。実施例２に従い多層サブマージアーク溶接を実施した場合のビードの積層状態を示した図である。実施例３および比較例３における開先形状を示した図である。実施例３に従い多層サブマージアーク溶接を実施した場合のビードの積層状態を示した図である。実施例４および比較例４における開先形状を示した図である。この発明に従い５パスのサブマージアーク溶接を実施した場合のビードの積層状態を示した図である。この発明に従い５パスのサブマージアーク溶接を実施した場合のビードの断面外観を示した図である。２パス目の溶接が終了した時点で開先部が広く残されている場合に、それ以降のビードが開先部に広がりすぎて厚みがとれず、開先部を埋めるのに必要なパス数が増加した状態を示した図である。

Claims

少なくとも初層を溶接入熱が 300 kJ/cm以上の大入熱とする多層サブマージアーク溶接によって接合した極厚溶接部材であって、多層肉盛り溶接部における２パス目の溶接金属が被処理鋼板に接していないことを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。
請求項１において、１パス目のサブマージアーク溶接により形成される初層の深さが、40mm以上であることを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。
請求項１または２において、２パス目のサブマージアーク溶接による初層溶接金属の溶かし込み深さが、13mm以上であることを特徴とする、多層サブマージアーク溶接による極厚溶接部材。