JP2004358546A

JP2004358546A - フラッシュバット溶接装置及び方法

Info

Publication number: JP2004358546A
Application number: JP2003162903A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ishikawa; 肇石川; Ryuji Uemori; 龍治植森; Yasutomo Ichiyama; 靖友一山; Yuzuru Yoshida; 譲吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】本発明は建築、土木などにおいて利用されるフラッシュバット溶接装置および方法に関するものである。
【解決手段】鋼材同士を突合わせて、当該鋼材に電力を供給し前記突合わせ部で発生する熱により鋼材を溶接するフラッシュバット溶接装置において、前記鋼材それぞれに接触し電流を供給する電極と、当該電極を前記鋼材に接触あるいは着脱させる電極着脱装置と、前記電極よりも鋼材突合わせ部から遠い側（以下、外側と称す）に位置し、前記鋼材を保持するためのクランプ部材と、前記鋼材の突合わせ力（以下、加圧力と称す）を制御する加圧力制御装置とを設けたことを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建築、土木などにおいて利用されるフラッシュバット溶接装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なフラッシュバット溶接は図１に示すような工程で行われる。
【０００３】
図１（ａ）の溶接前の図に示すように２つの鋼材１、２を、その鋼材へ給電するための電極３、４でクランプし、わずかなギャップ５を隔てて鋼材同士を配置する。次に図１（ｂ）のスイッチオン・鋼材前進開始の図に示すように、溶接変圧器のスイッチを入れ、鋼材間に二次電圧を印加した状態で、両鋼材をゆっくり前進６させる。図１（ｃ）のフラッシングの図に示すように両鋼材の一部が接触すると、接触局部において溶接電流密度が高くなり、急速加熱され、その部分が溶融、アークを起こす。フラッシング現象はこのような、鋼材の前進により局部短絡、加熱、アークを繰り返しながら、全溶接面の温度を上昇させる。このようにして各鋼材の端面が溶接適温になった時、図１（ｄ）のアプセット・電流オフの図に示すように両鋼材を急速に近接させ、巨大な加圧力でアップセットすると、溶接部にアップセット電流が流れ、短時間通電した後に溶接を終了する（図１（ｅ）は溶接完了を示す図である）。
【０００４】
上記のような従来のフラッシュバット溶接装置は、給電用の電極が鋼材をクランプし、加圧力を加える機能も兼ねるていた。また、溶接精度（突合わせ位置精度）を確保するため、クランプ機能を有する電極は、鋼材の突合わせ部に極力近い位置に配置されていた。
【０００５】
なお、鋼材に加圧力を加えるクランプと給電用の電極を別にした例がある（例えば、特許文献１及び２参照）。この発明では溶接する大断面鋼材個々にクランプ（または反力板、反力帯）を取り付け、その間をアクチュエータで相互に連結し、クランプ間に給電用の電極を取り付けた後に、アクチュエータでフラッシュおよびアップセット工程に対して同期した変位制御により加圧することによって溶接するものである。本溶接法の特徴は大断面鋼材のフラッシュバット溶接機に対して小型化、軽量化して建築現場等において使用を可能にした点にある。このようにフラッシュバット溶接に関して高溶接性などの実溶接の立場から様々な改善技術が提案されている。
【０００６】
一方、上記溶接機および溶接方法とは別に溶接部（溶接熱影響部ＨＡＺ）の機械的性質を向上させるための技術も提案されている。たとえば、溶接部の引張試験や曲げ試験などの機械的特性を確保するための方法が提案されている（例えば、特許文献３及び４参照）。前者は鋼帯を中継ぎ溶接するためにシールドガスを使用するための装置であり、後者は高張力鋼のフラッシュバット溶接のために油を塗布し、溶接時に燃焼させて溶接部の酸化物の量および形態制御を可能にしたものである。しかし、このようなシールド装置は溶接物が大きくなると大規模な設備となり、現地溶接には不向きである。また、油の塗布に関しては燃焼を伴うため安全上の問題が生じる。以上のことから、フラッシュバット溶接を行った場合においても、機械的性質を確保できるようにすることは実用上重要であり、より簡便な方法が求められている。
【０００７】
特に、溶接部の靭性確保に対しては簡便な溶接技術は確立されていない。建築用鋼ではＪＩＳＧ３１３６に規定されている建築用構造用圧延材（ＳＮ４９０など）に対しては母材の靭性値としてｖＥ_０≧２７Ｊが要求されていることから、溶接部においても、これと同等の靭性値が要求されることになる。しかし、フラッシュバット溶接における溶接部（溶接熱影響部ＨＡＺ）の靭性確保を可能とする改善策はこれまでにほとんど開示されていないのが実情である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２５９８４９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５９８５０公報
【特許文献３】
実開昭５８−８５４８４号公報
【特許文献４】
特許第２８６４３３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示すように、従来のフラッシュバット溶接装置は、電極がクランプ機能を兼用している。
【００１０】
フラッシュバットを含む抵抗溶接では、通常、電極は通電性の良いＣｕあるいはＣｕ系合金が用いられ、電極の発熱を抑えるために水冷電極が使用されるのが普通である。一方、加圧力（突合せ力）効果を得るためには、溶接後、加圧（突合せ）したまま一定時間保持する必要があり、電極は鋼材に接したままである。このため、溶接後に溶接部から電極への抜熱効果も大きく、言い換えると冷却速度が大きいため、鋼材ミクロ組織に硬化組織を生成しやすいという問題がある。
【００１１】
この冷却速度は、クランプ位置と溶接線との間の距離に強く依存し、この距離を小さくするほど大きくなり、硬化組織の生成を促進させることになる。他方、電極が鋼材をクランプする位置８は、溶接線９（溶接後の鋼材突合わせ部）から、初期ギャップａ、フラッシュバット代ｂ、アップセット代ｃに安全代ｄを足した距離とされている。この距離を長くすると、アップセット時に発生する曲げモーメントに対して対応できないため、目違いや溶接線曲がりが発生するようになる。このため、クランプ位置と溶接線との間の距離を極力短くすることが重要となる。
【００１２】
以上のように、電極と溶接線との間の距離は、鋼材の冷却速度の面では大きく、クランプ（溶接精度）の面では小さくしたいという矛盾した問題が存在する。
【００１３】
本発明の目的とするところは、上記問題を同時に解決するものであり、アップセット時の曲げモーメントを低減した上で、鋼材の組織制御、即ち、溶接後の冷却速度制御を行なうことにより、溶接後の硬化組織を低減し、溶接部の材質特性を向上し得る溶接装置およびそれを使用する溶接方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために電極（クランプ）と溶接線の距離、冷却速度と材質特性の関係について詳細に調査した。その結果、以下の点を知見した。
【００１５】
（１）通常のフラッシュバット溶接では板厚にもよるが、１００℃／ｓ前後である。それに対し、溶接後、電極を溶接後直ちに離すと冷却速度は１０℃／ｓ以下まで小さくなる。
【００１６】
（２）ただし、通常のフラッシュバット溶接装置で溶接後クランプ（電極）を離すと加圧力効果が得られず溶接欠陥が発生しやすい。
【００１７】
（３）クランプ位置と溶接線との距離が５０ｍｍ未満では、電極による抜熱効果が顕著であり、冷却速度も著しく大きくなる。
【００１８】
したがって、従来の電極がクランプ機能を兼ねた装置では、フラッシュバット溶接の溶接性と材質特性を確保するための冷却速度の制御を行うことは極めて困難であることがわかる。
【００１９】
それに対して、電極とクランプ機能を別々に設け、内側（溶接線側）に可動式の電極（図では上下に稼働）を設置し、その外側にクランプ機能部により加圧を加えた場合、加圧時の曲げモーメントは内側の電極で抑えることができ、且つ、溶接後に可動電極を制御し（電極移動による鋼材との接触と離脱により）、冷却速度を制御できることを見いだすに至った。
【００２０】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、以下の通りである。
【００２１】
（１）鋼材同士を突合わせて、当該鋼材に電力を供給し前記突合わせ部で発生する熱により鋼材を溶接するフラッシュバット溶接装置において、前記鋼材それぞれに接触し電流を供給する電極と、当該電極を前記鋼材に接触あるいは着脱させる電極着脱装置と、前記電極よりも鋼材突合わせ部から遠い側（以下、外側と称す）に位置し、前記鋼材を保持するためのクランプ部材と、前記鋼材の突合わせ力（以下、加圧力と称す）を制御する加圧力制御装置とを設けたことを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
【００２２】
（２）前記クランプ部材による前記鋼材のクランプ位置が前記鋼材の突合わせ部から５０ｍｍ以上の距離であることを特徴とする上記（１）記載のフラッシュバット溶接装置。
【００２３】
（３）上記（１）または（２）に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、速やかに前記鋼材から電極を離脱することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２４】
（４）上記（１）または（２）記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、前記鋼材から電極を離脱し、再接触し、または該操作を繰返すことにより前記フラッシュバット溶接部の溶接線および熱影響部（以下、溶接部と称す）の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２５】
（５）上記（１）または（２）に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、速やかに前記鋼材から電極を離脱し、その後衝風冷却などの強制冷却により前記溶接部の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２６】
（６）上記（１）または（２）に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、前記鋼材から電極を離脱するまでの時間を制御することによって、前記溶接部の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２７】
（７）上記（３）乃至（６）のいずれかに記載のフラッシュバット溶接方法において、前記溶接部の８００℃〜５００℃の平均冷却速度を０．０１℃／ｓ〜２０℃／ｓの範囲で制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来のフラッシュバット溶接装置の電極から鋼材を保持し加圧力を与えるクランプ機能を分離させ、鋼材との接触および離脱可能な可動機能を有する電極を用いた。さらに、溶接線近傍に電極を、その外側にクランプ機能を配置することをまず考えた。ここで、クランプ機能は、フラッシング、およびアップセット時に鋼材同士を突合わせ部に対し、安定した溶接線を形成させることを目的とするものである。また、溶接欠陥などを防止するためアップセット後、所定の時間加圧することも目的とする。
【００２９】
一方、電極はフラッシュバット溶接をするための溶接の給電のために、まず第一義的に必要である。また、アップセット時にはクランプ機能による加圧時の鋼材をガイドし、曲げモーメントを抑える役目を果たす。
【００３０】
上記の方法では場合によっては、冷却速度が小さすぎる場合も考えられるので、以下の方法により、冷却速度をさらに制御することが有効である。
【００３１】
まず一つは、一旦離脱した電極をある一定時間再接触させる、あるいは、離脱と接触を繰り返すことによって溶接部の冷却速度を制御する方法がある。
【００３２】
また、電極を離脱した後に衝風冷却などの強制冷却装置を利用し、鋼材の冷却速度を制御する方法も有効である。強制冷却の方式等については本発明では言及しないが、冷却速度に合わせて適宜選択すればよい。例えは、衝風冷却、水冷（ミスト状を含む）などである。
【００３３】
さらには、溶接後の、鋼材からの電極を離脱するまでの時間を制御することにより鋼材の冷却速度を制御する方法もある。
【００３４】
これらの方法を任意選択し、所望の冷却速度を得ることができる。
【００３５】
また、本発明においては、溶接部について８００〜５００℃間の平均冷却速度を０．０１〜２０℃／ｓとすることが望ましい。その理由は、０．０１℃／ｓより冷却速度が小さい場合は、溶接に要する時間が著しく長くなるため、フラッシュバット溶接のメリットがなくなることになる。また、２０℃／ｓ超では冷却速度が大きすぎて硬化組織が生成し、溶接部の靭性を著しく低下させるからである。なお、冷却速度は板厚に大きく影響を受けるため、場合に応じて冷却方法を調整する必要あることは言うまでもない。
【００３６】
【実施例】
図３、図４は従来のフラッシュバット溶接方法と請求項１〜３に記載した本発明に係るフラッシュバット溶接装置の一例の働きを示している。
【００３７】
従来、フラッシュバット溶接は図３に示したように、突合わせ位置に配置した２つの溶接鋼材１、２をそれぞれクランプ台１２（固定側電極およびクランプ台１３移動側電極）に設置し、さらに矢印方向に各クランプを移動させて固定側クランプ１０と移動側クランプ１１でそれぞれの鋼材をはさみ、二つの溶接鋼材１、２の端部を突合わせながら大電流を断続的に流してフラッシングを行い、次いで加熱された溶接鋼材１、２をアップセットする。その後、所定時間その状態を保持した後クランプを解除、即ち、電極を鋼材から離脱する。
【００３８】
一方、本発明による装置は図４に示したように、突合わせ位置に配置した２つの溶接鋼材１、２をそれぞれ固定側クランプ台１２および移動側クランプ台１３に設置し、さらに固定側クランプ１０と移動側クランプ１１ではさむ。なお、図４の例では、左側電極及びクランプが固定となっており、右側が可動式となって左側に押しつけることになっている。同時に可動式（上下に稼働する）の固定側電極１４および移動側電極１５も溶接鋼材１、２をクランプする。そして、電極の材料は、銅、銅合金等が用いられ、水冷されるようになっている。図４の例では、クランプ台１２、１３およびクランプ１０、１１は電気的に絶縁している。二つの溶接鋼材１、２の端部を突合わせながら大電流を断続的に流してフラッシングを行い、次いで加熱された鋼材１、２をアップセットする。その後、固定側電極１４および移動側電極１５を溶接鋼材１、２より離脱し所定時間空冷する。このとき、冷却速度の制御は衝風冷却や水冷を実施し８００〜５００℃までの間の冷却速度を制御した。
【００３９】
表１に０．１２〜０．１４％Ｃ鋼を用いて従来法と本発明法によるフラッシュバット溶接後の溶接線の材質特性を示す。溶接試験体１〜４は本発明方法で溶接欠陥もなく良好な靭性値を示す。一方、試験体５は溶接線とクランプと距離とが長く目違いが生じている。試験体６では冷却速度が速く低靭性値とないる。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【発明の効果】
本発明装置およびそれを用いたフラッシュバット溶接方法によると材質特性の優れた溶接構造物が得られ、工業的に非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来一般的なフラッシュバットの主要工程を示す図である。
【図２】従来一般的なフラッシュバットの突合わせ長さを示す図である。
【図３】従来一般的なフラッシュバットの実施形態を示す図である。
【図４】本発明にかかるフラッシュバット溶接機の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１、２鋼材（溶接材料）
３、４電極
５キャップ
６前進
７加圧力（アプセット）
８クランプ位置
９溶接線
１０固定クランプ（電極）
１１移動クランプ（電極）
１２、１３クランプ台
１４固定電極
１５移動電極
ａ初期ギャップ
ｂフラッシュバット代
ｃアプセット代
ｄ安全代

Claims

鋼材同士を突合わせて、当該鋼材に電力を供給し前記突合わせ部で発生する熱により鋼材を溶接するフラッシュバット溶接装置において、前記鋼材それぞれに接触し電流を供給する電極と、当該電極を前記鋼材に接触あるいは着脱させる電極着脱装置と、前記電極よりも鋼材突合わせ部から遠い側に位置し、前記鋼材を保持するためのクランプ部材と、前記鋼材の突合わせ力を制御する加圧力制御装置とを設けたことを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
前記クランプ部材による前記鋼材のクランプ位置が前記鋼材の突合わせ部から５０ｍｍ以上の距離であることを特徴とする請求項１記載のフラッシュバット溶接装置。
請求項１または２に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、速やかに鋼材から電極を離脱することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
請求項１または２に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、鋼材から電極を離脱し、再接触し、また該操作を繰返すことによりフラッシュバット溶接部の溶接線および熱影響部の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
請求項１または２に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、速やかに鋼材から電極を離脱し、その後衝風冷却などの強制冷却により前記溶接部の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
請求項１または２に記載のフラッシュバット溶接装置を使用し、フラッシュバット溶接終了後、鋼材から電極を離脱するまでの時間を制御することによって、前記溶接部の冷却速度を制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
請求項３乃至６のいずれかに記載のフラッシュバット溶接方法において、前記溶接部の８００℃〜５００℃の平均冷却速度を０．０１℃／ｓ〜２０℃／ｓの範囲で制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。