JP2006035279A

JP2006035279A - 多電極片面サブマージアーク溶接方法

Info

Publication number: JP2006035279A
Application number: JP2004220139A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Oyama; 繁男大山; Hiroshi Nakazawa; 博志中澤
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】３電極または４電極の電極を用いて鋼板の全体を１ランで溶接する片面サブマージアーク溶接において、高能率に健全な溶接金属を得る溶接方法を提供する。
【解決手段】フラックスを裏当てに使用し、３電極または４電極の電極を使用して行う片面サブマージアーク溶接方法において、被溶接材の開先角度を２５〜６０°のＶ形状の開先とし、該開先内に高さ８ｍｍ以下のシーリングビードを全線に施して溶接する。また、開先内に鋼粒または鉄粉をシーリングビード高さに加算して被溶接材板厚の１／５から被溶接材表面の高さまで充填して溶接するのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、３電極または４電極の電極を用いて行う高能率な片面サブマージアーク溶接方法に関する。

従来より、厚鋼板の高能率溶接方法として、片面サブマージアーク溶接方法が造船の大板継溶接を中心に盛んに適用されている。近年さらに効率化の要求は高くなり、フラックスを裏当に使用した３電極以上の電極を用いて、溶接速度を１００ｃｍ／ｍｉｎ以上の高速度で溶接可能な技術が開発されている。例えば、特開平６−２５４６８３号公報（特許文献１）においては、第１電極に直流電流を流し低電圧としてアークを集中させ、第２電極の電圧を高くして安定且つ健全な裏ビードを形成する。また特開平８−９９１７８号公報（特許文献２）においては、各電極のワイヤ径、第１電極と第２電極の溶接電流、電極間距離および裏当てフラックスの散布厚と嵩密度を限定して高速溶接で裏ビードの幅および高さが安定した滑らかな裏ビードを得ている。さらに特開平５−３３７６５１号公報（特許文献３）には、４電極で、各電極のワイヤ径、各電極の溶接電流、電極間距離、裏フラックス成分、表フラックス成分およびワイヤのＣ量を限定して健全な欠陥のない溶接金属を得る技術の開示がある。

しかしながら、最近の造船における国際競争力の激化からさらに高能率化が要望されており、前述の技術でさらに溶接速度を早くして高能率化を図るには問題がある。すなわち、溶接電流を高くすると、裏ビードが出過ぎてビードが不均一になり、かつ裏当銅板からの冷却および溶接金属の凝固が早く、図３の溶接部のマクロ組織の概念図に示すように溶接金属１１がビード中央部でデンドライト（樹枝状晶）が会合した組織となって、この箇所で非常に割れやすくなる。したがって、これ以上の高速化は不可能であり、他の手段からの能率向上が望まれる。

図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、ここでいう片面サブマージアーク溶接方法の例を示す断面図である。図１（ａ）においては、突き合わされた被溶接材１の裏面から、銅当金２上に層状に散布した裏フラックス４をエアーホース５等の押し上げ機構により被溶接材１の裏面に押圧して、表面よりワイヤ３、表フラックス６を用いてサブマージアーク溶接を行う。また図１（ｂ）においては銅当金を使用せず、耐火性キャンバス７内に収納された裏フラックス４をエアーホース５等の押し上げ機構により被溶接材１の裏面に押圧している。これらの方法により被溶接材１の表側と裏側に同時に溶接ビードが形成される。
特開平６−２５４６８３号公報特開平８−９９１７８号公報特開平５−３３７６５１号公報

本発明は、３電極または４電極の電極を用いて鋼板の板厚全体を１ランで溶接する片面サブマージアーク溶接において、高能率に健全な溶接金属を得る溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、フラックスを裏当てに使用し、３電極または４電極の電極を使用して行う片面サブマージアーク溶接方法において、被溶接材の開先角度を２５〜６０°のＶ形状の開先とし、該開先内に高さ８ｍｍ以下のシーリングビードを全線に施して溶接することを特徴とする。
また、開先内に鋼粒または鉄粉をシーリングビード高さに加算して被溶接材板厚の１／５から被溶接材表面の高さまで充填して溶接することも特徴とする。

本発明の多電極片面サブマージアーク溶接方法によれば、被溶接材の開先形状をＶ形状かつシーリングビードを開先内全線に施した開先とし、さらには開先内に鋼粒または鉄粉を充填して適正な溶接条件により溶接することによって高能率に健全な溶接金属を得ることができる。

本発明者等は、多電極片面サブマージアーク溶接方法において、さらなる高能率化、健全なビード形状の確保について、前後工程を含む溶接施工法について種々検討した結果、以下の知見を得た。

一般的な大板継（おおいたつぎ）溶接の施工は、ガス切断による開先加工工程（垂直切断、開先角度を定めた斜め切断）、ＣＯ₂溶接による仮組工程、多電極片面サブマージアーク溶接による大板継溶接、必要な場合は補修（グラインダ研削、ガウジング、ＣＯ₂補修溶接）の各工程より行われる。この中で、多電極片面サブマージアーク溶接の溶接速度を早くして高能率化を図るには既に述べたとおり問題があり、前後工程についての高能率化を検討したところその可能性を見出した。

本発明は被溶接材の開先形状としてＶ形開先を採用することを特徴とする。すなわち従来からの多電極片面サブマージアーク溶接方法における被溶接材の開先形状は、仮組の容易性および溶接施工条件範囲の広さから、Ｙ形開先が採用されていた。図４（ａ）、（ｂ）は仮組工程の前工程に位置する開先加工工程を説明する図であって、図４（ａ）はＹ形開先、（ｂ）はＶ形開先の場合であり、図中符号Ａ、，Ｂ、Ｃはそれぞれ切断トーチの方向を示している。図４（ａ）に示すように、Ｙ形開先の場合は被溶接材端面を目標の板幅になるようにＡ方向に垂直切断した後、所定の開先角度になるようにＢ方向に切断するという、一つの端面に対して２度の切断工程が必要である。これに対してＶ形開先を採用することによって図４（ｂ）に示すようにＣ方向の切断を１回するだけで板幅の決定と開先切断ができるようになる。

ところで多電極片面サブマージアーク溶接方法による大板継の溶接長、すなわち被溶接材（鋼板）の長さは装置の規模にもよるが１０ｍ以上の場合が多く、２０ｍ程度のものが主流である。開先加工は一般にはガス切断によって行われるが、従来のＹ形開先では開先切断の際に鋼板の歪等の影響で２０ｍの長さを均一に切断することは難しく、図５に示すようにルートフェース１４の大きさにバラツキが生じ易い。また、垂直切断時も切断による熱の影響で２０ｍを直線に切断することは難しく、仮組の段階で図６（ａ）、（ｂ）に示すように開先内に開先ギャップ（隙間）１５を生ずることがある。

Ｙ形開先を適用した場合、ルートフェース１４の大きさが不均一であること、開先内の一部に開先ギャップ１５があること、また仮組み時の仮付け溶接ビードの影響などにより多電極片面サブマージアーク溶接の裏ビードが不均一になり易い。すなわち、同一開先内でルートフェース１４が小さく、開先ギャップ１５が無く、仮付け溶接ビードがあるところは裏ビードが出にくく、逆にルートフェース１４が小さく、開先ギャップ１５があり、仮付けビードがないところは裏ビードが大きくなり、全体的に裏ビードが不均一となり、割れの危険も大きくなる。割れが発生した場合、補修のため割れがなくなるまでグラインダ研削しなければならない。加えて、裏ビードは船が完成した場合、表側となるため美観的にビードが均一となるよう溶接後グラインダ研削を行うところもある。溶接後のグラインダ研削は工程上、上向姿勢で行わなければならず、重労働であるばかりか高能率化を阻害している一因となっている。

一方、Ｖ形開先を採用した場合ルートフェースの影響は除かれるが、開先内の開先ギャップ、仮付け溶接ビードの影響は解消されたわけではなく、裏ビードの不均一の問題は残る。また、ルートフェースが無いので、従来からの多電極片面サブマージアーク溶接方法では裏ビードが出過ぎるため低電流、低速度での溶接施工条件を余儀なくされる。本発明においては高さ８ｍｍ以下のシーリングビードを開先内全線に施した開先とすることにより、開先内の開先ギャップをなくし、仮付け溶接ビードと同一高さのシーリングビードを設けることにより開先状態は全線同一となり、安定した裏ビードを得ることが可能となる。また、シーリングビードにより裏ビードが出過ぎることも防ぐことができる。

シーリング溶接は裏フラックス４（図１）を当てて仮付け溶接をした状態で、ＣＯ₂半自動溶接などの溶接方法により開先内底部を溶接することにより行なう。またＣＯ₂溶接などのトーチを搭載した台車を走行させて行なう自動溶接によれば高能率に作業することができる。この場合、開先形状をセンサで検知して溶接速度などを調節することによりビード高さが一定になるように制御する装置を設ければ、開先ギャップの変動や仮付け溶接の有無の影響を受けることなく均一な高さのシーリングビードを得ることができる。なおシーリングビードの高さが８ｍｍを超えると、裏ビードが出難くなる。このため高電流で高速度の溶接施工条件を採用した場合に裏ビードが不均一で溶接金属の凝固が早く、図３に示すように溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。またシーリングビード高さは、開先ギャップおよび仮付けビードの影響を受けることなく均一な開先とするために３ｍｍ以上であることが好ましい。

さらに、開先内に鋼粒または鉄粉を前記シーリングビード高さに加算して被溶接材板厚の１／５から被溶接材表面の高さまで充填することにしたので、溶接施工条件の許容範囲を広くできる。開先内への鋼粒または鉄粉の充填厚さがシーリングビード高さに加算して板厚の１／５未満であると、裏ビードが出過ぎてビードが不均一となる。このため裏ビードの幅および高さを均一にしようとすると、低電流で低速度の溶接施工条件を採用することになり能率が悪くなる。逆に、開先内への鋼粒または鉄粉の充填厚さがシーリングビード高さに加算して被溶接材の表面を超えると、裏ビードが出難くなる。このため高電流で高速度の溶接施工条件を採用した場合に裏ビードが不均一で溶接金属の凝固が早く、溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。なお、開先内への鋼粒または鉄粉の充填厚さは、造船所の一次側電源変動に起因する溶接条件の変動や溶接長が２０ｍ以上にも及ぶことから安定した裏波ビードを得るためにシーリングビード高さに加算して板厚の１／３以上であることが好ましい。

また、鋼粒または鉄粉の粒度分布は、粒径１．５ｍｍ以下であることがアークの安定性および裏ビードの形状を良好にすることから好ましい。また、成分は主にＦｅからなるが、耐割れ性からＣは０．１０質量％以下、ＳおよびＰは０．０２０質量％以下が好ましく、他の成分は、溶接金属の強度および靱性を考慮してＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、その他脱酸剤や合金剤を含有させることもできる。以上の粒度と成分を満足すれば、各種サイズの鋼ワイヤをカットした粒状体でも良い。

Ｖ形開先の開先角度は、裏ビードおよび表ビードの形成、溶け込み形状および溶着量に影響するので２５〜６０°とする。開先角度が２５°未満であると、アークが発生する点が高くなるので裏ビードが安定して形成できない。また溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。一方、開先角度が６０°を超えると、開先断面積が大きく、溶着金属量を確保するために溶接速度を遅くする必要が生じて溶接能率が悪くなる。なお開先角度の下限は、造船所の溶接電源一次側の電圧変動に起因して溶接条件が変動すること、溶接長が２０ｍ以上にも及ぶことから割れが無く安定した裏波ビードを得るために３０°以上であることが好ましい。

なお本発明はＶ形開先を採用するのでＹ形開先と異なり開先にルートフェース１４（図４（ａ）、図５）が無い。このため図７の開先断面図に示すように仮組溶接時に開先の突き合わせ部が上下にずれるという問題が生ずることがある。そこで本出願人が先に提案した特許第３２１５３１２号公報および特許第３２１５３１３号公報に記載の２板体の相対位置決め装置を用いることによって、被溶接材の開先面にずれがないように固定でき、仮組溶接が容易となった。

本発明の多電極片面サブマージアーク溶接は３電極または４電極で行うが、第１、第２電極と第３電極以降の電極とは別のプールを形成する条件で溶接する。さらに詳しく説明すると、各電極のワイヤ径は４．８ｍｍ以上で、第１電極と第２電極の電極間距離は２０〜７０ｍｍとし、第２電極と第３電極の電極間距離は３電極溶接の場合１００〜１５０ｍｍ、４電極溶接の場合１５０〜３００ｍｍとする。また４電極溶接のときは第３電極と第４電極の電極間距離は２０〜７０ｍｍとする。また各電極の溶接電流については、第１電極の電流値＞第２電極の電流値≧第３電極の電流値≧第４電極の電流値とすることが望ましい。

これらにより図２の溶接部のマクロ組織の概念図に示すように、第１、第２電極による溶接金属１２が凝固した後に第３電極以降の電極による溶接金属１３が凝固した組織になる。このためデンドライトは図２に示すように上方に成長した形になり、図３に示すようなビード幅中央部でデンドライトが会合した組織と異なり割れが発生し難い。なお、サブマージアーク溶接においては凝固した溶接金属はスラグで覆われるが、スラグが溶融状態であるか凝固しても未だ高温の状態であればスラグは導電性があり、後の電極によるアーク発生に対して障害にはならない。

本発明の多電極片面サブマージアーク溶接方法は鋼板の板厚全体を１ランで溶接するものであるが、板厚１０ｍｍ程度から４０ｍｍ程度まで適用できる。また３電極で溶接するか４電極で溶接するかは板厚２０ｍｍ程度まではどちらでも良く、４電極にすれば溶接速度をより高速にできる。また板厚２０ｍｍ程度より大きい場合には４電極にして溶着すべき金属量の増大に対処し、表ビードの余盛り不足の発生を確実に防止することが好ましい。

また、本発明の多電極片面サブマージアーク溶接方法は、被溶接材の長さ、すなわち溶接長が１０ｍ以上での適用において顕著な効果が得られる。したがって、長手方向に均一な裏ビードを得るために、裏当ては図１（ａ）に示したように銅当金にフラックスを層状に、すなわち銅当金の面と平行な層が形成されるように散布し、エアホース等の押し上げ機構で被溶接材の裏面を押圧する方法であることが好ましい。

表１に示す鋼材（材質ＪＩＳＳＭ４００）をＶ形状の開先に切断し、表２に示すワイヤ、表３に示す裏フラックスおよび表４に示す表フラックスを用いて、表５および表６に示す溶接条件で、溶接長１０ｍの多電極片面サブマージアーク溶接を図１（ａ）に示す装置で実施した。なおシーリング溶接はＣＯ₂半自動溶接によって行なった。また開先内に充填した鋼粒は、成分がＣ：０．０５質量％、Ｓｉ：０．０１質量％、Ｍｎ：１．５１質量％、Ｐ：０．００８質量％、Ｓ：０．００６質量％の１ｍｍ径の鋼ワイヤを長さ１ｍｍに切断したものを用いた。

表５に示した試験Ｎｏ．１〜４が本発明例で、表６に示した試験Ｎｏ．５〜１０が比較例である。それぞれの試験例について、溶接後の裏ビードおよび表ビードの外観、裏ビードの高さおよびＸ線透過試験による欠陥の有無について調査した。それらの結果を表７にまとめて示す。

本発明例である試験Ｎｏ．１〜４は、いずれもＶ形状の開先角度および開先内へのシーリングビード高さおよび鋼粒充填高さが適正であるので、裏ビードおよび表ビードともビード形状が良好かつ均一であり溶接金属内部にも欠陥がなく、高能率に溶接でき、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．５は、Ｙ形開先を適用し、ルートフェースの大きさは目標３ｍｍに対し２〜４ｍｍとなっていた。また全線シーリングビードを施さず、仮付け溶接として高さ７ｍｍ以下、溶接長５０ｍｍのビードを３００ｍｍピッチで溶接し、一方、仮付けビードのない箇所で一部０．５ｍｍ程度の開先ギャップが開いている開先状態であった。このためルートフェースが大きくかつ仮付けビード有りの箇所は裏ビードが出にくく、逆にルートフェースが小さくかつ開先ギャップがあるところは裏ビードが大きくなり、裏ビード高さが不均一となった。

試験Ｎｏ．６は、シーリングビードを施さず、かつ開先内への鋼粒充填高さが板厚に対して低いので、裏ビードが出過ぎてビードが不均一であった。
試験Ｎｏ．７は、シーリングビードの高さが高いので、裏ビードが出なかった。
試験Ｎｏ．８は、シーリングビード高さに加算すると鋼粒充填高さが板厚に対し高いので、裏ビードが出なかった。
試験Ｎｏ．９は、開先角度が広いので、開先断面積が大きく溶接金属の溶着量が不足した。
試験Ｎｏ．１０は、開先角度が狭いので、裏ビードが出ず、また一部高温割れも生じた。

（ａ），（ｂ）はそれぞれ片面サブマージアーク溶接方法を示す正面図適正な溶接部のマクロ組織の概念図不適正な溶接部のマクロ組織の概念図開先加工工程を説明する図であって、（ａ）図はＹ形開先、（ｂ）図はＶ形開先の場合Ｙ開先におけるルートフェース高さの不均一を説明する図仮組時の開先内に発生する開先ギャップを説明する図であって、（ａ）図は溶接中央部、（ｂ）図は端部の場合鋼板位置のずれを説明する開先断面図

符号の説明

１被溶接材
２銅当金
３ワイヤ
４裏フラックス
５エアホース
６表フラックス
７耐火性キャンバス
１１溶接金属
１２第１、第２電極による溶接金属
１３第３電極以降の電極による溶接金属
１４ルートフェース
１５開先ギャップ

Claims

フラックスを裏当てに使用し、３電極または４電極の電極を使用して行う片面サブマージアーク溶接方法において、被溶接材の開先角度を２５〜６０°のＶ形状の開先とし、該開先内に高さ８ｍｍ以下のシーリングビードを全線に施して溶接することを特徴とする多電極片面サブマージアーク溶接方法。
開先内に鋼粒または鉄粉をシーリングビード高さに加算して被溶接材板厚の１／５から被溶接材表面の高さまで充填して溶接することを特徴とする請求項１記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。