JP2010131616A - タンデム揺動溶接方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能なタンデム揺動溶接方法を提供する。
【解決手段】先行電極と後行電極による溶融池が1プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、先行電極と後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と左右極間距離を制御して多層盛溶接を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、橋梁、鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板多層盛溶接継手に適用されるタンデム溶接方法に関する。
2本の溶接ワイヤを使用するタンデム溶接方法は、単電極のアーク溶接法に比べて溶着量が倍加するため高能率の溶接ができるものとして知られている。このようなタンデム溶接方法の従来技術1としては、開先幅(但し、この開先幅は、積層途中の場合の前層ビード幅である)が25mm未満の場合は、先行電極ワイヤ及び後行電極ワイヤの狙い位置を開先幅の中央とし、開先幅が25mm以上の場合は、先行電極ワイヤを片方の開先壁方向に、後行電極ワイヤを他方の開先壁方向の狙い位置として揺動溶接で多層盛溶接するものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかし、従来技術1は、先行電極ワイヤ及び後行電極ワイヤの前後方向の極間距離が大きい2プールタンデム溶接方法が前提条件となっている。
一方、従来技術2として、先行ワイヤ先端と後行ワイヤ先端間の距離を10〜20mmとした1プールタンデム溶接方法がある(例えば、特許文献2参照)。
しかし、従来技術2は、先行トーチ及び後行トーチを共に揺動させないストレートのトーチ運棒法となっているが、揺動させるものもある(例えば、特許文献3参照)。
特開平11−129072号公報 特開2001−225168号公報 特開平11−170051号公報
しかし、従来技術1は、開先幅が25mm未満の場合、先行電極ワイヤと後行電極ワイヤの狙い位置は同じ、すなわち、左右方向の極間距離はゼロであり、電極の揺動領域も先行と後行で片側ずつ分担するのではなく、1電極の揺動アーク溶接法と同様に開先幅全域を揺動するものである。
この方法では、開先幅が広い場合(15〜25mm)の場合、溶接方向の揺動軌跡間隔である揺動ピッチが荒くなり、揺動端部で溶接欠陥が発生しやすいという問題がある。
また、揺動ピッチを小さくするために揺動速度を速くすると、アークの安定性が低下し、欠陥が発生しやすくなる。
さらに、2プールタンデム溶接であるため、図7に示すように溶込み底部が不連続になったり、ビード表面形状が不連続になるなどの問題がある。
また、従来技術2のように1プールタンデム溶接では、先行ワイヤによる溶融金属が後行ワイヤから発生するアーク力によって押しとどめられるため、図9に示すように、溶融池の電極間に溶融金属が盛り上がった、いわゆる「溶鋼溜まり」が発生するため、多層盛溶接では溶融池の挙動が複雑で不安定になりやすいという問題がある。
また、1プールタンデム溶接で揺動を行う溶接法では、揺動幅は、基本的に1電極の場合と同じである。1電極溶接における揺動幅は、一般的に、揺動端でアークの一部が開先側壁に振れるように開先幅に応じて設定する。
従って、1プールタンデム溶接で同様の揺動を行った場合には、上記の溶鋼溜まりの挙動が揺動端で不安定になりやすく、アークの安定性が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能なタンデム揺動溶接方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、本発明に係るタンデム揺動溶接方法は、消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、
先行電極と後行電極による溶融池が1プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、
前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とする。
本発明のポイントは、上記のように、先行電極と後行電極による溶融池が1プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離のほかに、開先幅方向の左右極間距離を設けることに着目し、開先幅の変動に応じて開先幅と左右極間距離を適正に制御することにより、揺動時のタンデム溶接の安定性を向上したことにある。
図8により、本発明と従来技術を比較して説明すると、本発明は、以下のような効果がある。
[アーク安定性の改善効果]
従来技術では、先行電極と後行電極の両方が同時に、左右の各開先端部に到達するため、溶鋼溜まりの挙動が不安定になりやすく、溶接の安定性に問題があった。
一方、本発明では、左右極間距離を設けているため、図8に示すような配置では、開先の左端部は先行電極だけが、右端部は後行電極だけが到達するため、溶鋼溜まりの挙動が不安定になりにくい。
[揺動幅を小さくできる効果]
従来技術では、先行電極・後行電極とも左右の開先端部まで揺動を行っている。従って、開先幅が増加すれば、揺動幅も基本的に同じだけ増加する必要がある。
揺動速度が一定の場合、開先幅が増加すると揺動ピッチが荒くなるため、欠陥が発生しやすいという問題があった。また、揺動ピッチを減少させるために、揺動速度を速くすると、アークが不安定になるという問題があり、開先幅が所定値以上になると、1層2パスの振り分け施工に切り替える必要があった。
一方、本発明では、少なくとも左右極間距離の分だけは揺動幅を小さくすることができる。従って、開先幅の増加量に対する揺動幅および揺動ピッチの増加率が減少する。そのため、1層1パス施工が可能な開先幅の上限値を大幅(2倍以上)に増加することができる。
また、先行電極の内側の揺動端と後行電極の内側の揺動端間の間隔(以下、この間隔を「振り幅間隔」と呼ぶ)が、ゼロより広がる方向を正とすると、溶接の全層を通してゼロ以上正の値となるように、揺動幅を制御する。
すなわち、先行電極の揺動範囲と後行電極の揺動範囲とがラップしないようにすることにより、揺動ピッチをさらに小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することができる。振り幅間隔はゼロやマイナスでも構わないが、正の値にした方が有効であることを確認した。
また、本発明では、少なくとも先行トーチの溶接ワイヤとして、希土類元素添加のソリッドワイヤを正極性で使用するものである。
本発明のタンデム揺動溶接方法は、溶込みの大きいCO2100%のガスを使用するCO2ガスシールド溶接にて施工されることが多い。しかし、CO2ガスシールド溶接ではグロビュール移行となるためスパッタが多くなって好ましくない。そこで、少なくとも先行トーチの溶接ワイヤに、好ましくは、先行、後行の両電極ともに、希土類元素を添加したソリッドワイヤを正極性(溶接ワイヤをマイナス極)で使用すると、CO2ガスシールド溶接でもスプレー移行となり、スパッタが少なくなる。また、CO2シールドガスの解離熱のため、溶込みが大きくなる。ここで、希土類元素とは周期表の第3族に属する元素をいう。希土類元素としては特にCe、Laを添加したものが好ましい。
以上のように、本発明によれば、溶接能率が向上し、揺動端部での溶接欠陥が抑制され、良好なビード形状を得ることができ、かつ安定した積層溶接が可能であるという効果がある。
以下、本発明のタンデム揺動溶接方法の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明のタンデム揺動溶接方法を示す概念図で、溶接装置と開先断面の模式図である。図2は開先を上面から見た模式図で、先行トーチと後行トーチの配置関係を示すものである。また、図3は本発明におけるトーチ運棒の概要を表した図である。
図1〜図3において、1は先行トーチ、2は後行トーチ、3は先行電極(L極)、4は後行電極(T極)、5は溶融池、6は溶着ビード、7は開先である。
また、Gは開先幅(または前層ビード幅)、Wは揺動幅、DSは先行トーチ1と後行トーチ2間の振り幅間隔、DFRは溶接方向(前後方向)の極間距離、DRLは開先幅方向(左右方向)の左右極間距離、DLは先行トーチ1の左側揺動端と開先7の一方の左側側壁との距離(接近幅)、DTは後行トーチ2の右側揺動端と開先7の他方の右側側壁との距離(接近幅)、Hbは溶着ビード高さ(厚さ)をあらわす。
この自動溶接装置10は、台車走行方式の直交座標型溶接装置である。溶接台車11は走行軸(例えば、走行車輪とレール等からなるX軸)により溶接方向に移動する。また、溶接台車11には図示しない溶接電源や溶接制御装置が接続され、もしくは搭載されている。この溶接台車11上には昇降軸(例えば、ボールネジからなるZ軸)12により上下方向に移動する昇降体13が設けられており、昇降体13には揺動軸(例えば、ボールネジからなるY軸)により溶接線に直角な方向、すなわち開先幅方向にスライドする揺動スライダ14が設けられている。揺動スライダ14は、先行トーチ1および後行トーチ2を、所定の揺動幅Wでかつ同じ位相で、同時に揺動させる共通のスライド軸(揺動軸)を備え、さらに後行トーチ2のみ(先行トーチ1のみでもよく、どちらか一方の溶接トーチ)が左右極間調整軸15を介して揺動スライダ14に取り付けられている。すなわち、先行トーチ1のワイヤ先端と後行トーチ2のワイヤ先端間の距離は、溶接方向(前後方向)を「極間距離DFR」であらわし、開先幅方向(左右方向)を「左右極間距離DRL」であらわすものとすると、本発明のタンデム揺動溶接方法においては、1プールタンデム溶接となるように極間距離DFRおよび左右極間距離DRLを保持するとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、先行トーチ1および後行トーチ2の揺動幅Wおよび左右極間距離DRLを適正に制御しながら揺動溶接を行うものである。
本発明と従来技術とを比較すると、次のような相違点がある。
(1)左右極間距離のパス別設定
従来技術では、左右方向の極間距離はゼロであるが、本発明では、開先幅または前層のビード幅に応じて設定する。
(2)トーチ運棒方法(ウィービング領域)
従来技術では、先行トーチおよび後行トーチが開先幅全域をウィービングする。そのため、揺動幅は、開先幅とほぼ同じである(揺動幅W=開先幅G−接近幅DL−接近幅DT)。接近幅は約1mmなので、揺動幅Wは(開先幅G−約2mm)となる。
本発明では、先行トーチ1と後行トーチ2で分担してウィービングを行う。従って、ウィービング幅および揺動ピッチを小さくできるという利点がある。その結果、溶接能率が向上し、かつ揺動端部での溶接欠陥が発生しないという効果がある。
ここで、本発明における揺動幅Wおよび左右極間距離DRLは、次式で表される。
W={G−(DL+DS+DT)}/2 ・・・(1)
DRL=W+DS ・・・(2)
本発明のタンデム揺動溶接方法は、例えば図4のA、Bに示すように、板厚t=19mm以上の厚板の溶接継手に適用されることが多い。また、このほかにはY開先やX開先などにも適用することができる。
開先Aは、裏当金付の片面レ型開先で、開先角度は35゜、ルートギャップRGが3〜8mm程度が一般的である。開先Bは、ギャップなしの片面レ型開先で、開先角度は45〜60°と開先Aよりも大きくすることが一般的である。後述する実施例は、開先Aの場合である。
図5は前層ビード幅と振り幅間隔の関係の一例を示し、図6は前層ビード幅と揺動幅の関係の一例を示すものである。
図5において、前層ビード幅が16mm以下の場合は、振り幅間隔(DS)をY=0.375Xの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が16mm超の場合は、振り幅間隔(DS)をY=6mmと一定にする。
また、図6に示すように、前層ビード幅が16mm以下の場合は、揺動幅(W)をY=0.25Xの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が16mm超の場合は、揺動幅(W)をY=0.5X−4の関係で直線的に変化させる。
このように、前層ビード幅の変動に応じて、揺動幅および振り幅間隔を制御することにより、揺動ピッチを小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することが可能となる。
図7は本発明と特許文献1の2プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。図7において、(a)は従来技術の2プールタンデム溶接の場合、(b)は本発明の場合、(c)は両者の比較図である。
従来技術の場合は、次のような問題がある。
(1)溶込み底部の不連続
2プールタンデム溶接の場合は、シングルトーチによる1層2パスと同じであるため、図7(a)のビード断面形状のように、溶込みラインが双子山状となり、1層1パスよりも欠陥が発生しやすいものとなる。
(2)ビード表面形状の不連続
僅かなトーチ位置(揺動範囲)の変動により、溶着ビード高さが左右で異なり、ビード表面形状が不均一になりやすい。
一方、本発明の場合は、図7(b)、(c)に実線で示すように、1プールタンデムによる左右極間距離を設けた揺動溶接であるため、2プールタンデム溶接と比較して、先行の溶込みが若干減少すると共に、後行の溶込みが若干増加する傾向にあり、溶込み深さが均一化し、かつビード高さも均一化される効果がある。
以下に、本発明の実施例について説明する。表1に溶接条件の一例を示す。なお、第7層は最終層であり、図5と図6とは別のルールで溶接パラメータを設定して仕上溶接を行う。
Figure 2010131616
ここで、溶着ビード高さは、各層のビード高さの設定値とその累積値(開先底面が基準)を示す。事前実験により、適正値を求めている。
溶接速度は、記号G、Hから定まる溶着断面積とE、Fから定まるワイヤ送給速度から、一義的に定められる。
前層ビード幅は、初層は設定されたルートギャップRGであり、2層目以降の前層ビード幅はHの累積ビード高さから定まる。
振り幅間隔(DS)の定義は図3に示すとおりである。実験により求めた適正値とする。
接近幅(DL、DT)の定義は図3に示すとおりである。実施例では、1.0mm一定としているが、開先形状に応じてパスおよび先行/後行で調整する。
揺動速度は、実施例では25mm/sec一定としているが、同様に開先形状やパスに応じて調整する場合がある。
揺動幅(W)は、前層ビード幅、振り幅間隔、揺動接近幅により、一義的に定まる。
左右極間距離は、振り幅間隔および揺動幅により一義的に定まる(両者の合計)。
図10は本実施例のビード断面形状を示す模式図であり、溶接欠陥のない、きわめて良好な形状を呈している。
なお、本発明では、図1に示すような直交座標型の溶接装置を用いた場合に限られるものではなく、例えば図11に示すような一体型タンデム溶接トーチを用い、先行トーチアーク点を中心として、旋回軸の周りに後行トーチアーク点を回動させる方法によっても、左右極間距離を変更することができる。また、旋回中心は後行トーチアーク点を基準に先行トーチアーク点を回動させてもよい。なお、一体型タンデム溶接トーチというのは、2本の溶接トーチが1つのガスシールドノズルの中に設けられている構造のものであり、例えば特開2003−39172号公報に開示するようなトーチ構造である。また、旋回軸は、図11に示す方式以外に弓型ラック式(円弧ラック)のスライド軸を用いても良い。
本発明のタンデム揺動溶接方法を示す概念図。 先行トーチと後行トーチの配置関係を示す模式図。 本発明におけるトーチ運棒の概要図。 本発明のタンデム揺動溶接方法を適用できる溶接継手形状の例を示す図。 前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図。 前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図。 本発明と従来技術によるビード断面形状の比較を示す模式図。 本発明と従来技術による1プールタンデム溶接の揺動パターンの比較説明図。 従来技術の1プールタンデム溶接の説明図。 本発明の溶接実験結果を示すビード断面模式図。 本発明における他の溶接装置の構成例を示す概念図。
符号の説明
1 先行トーチ
2 後行トーチ
3 先行電極
4 後行電極
5 溶融池
6 溶着ビード
7 開先
10 自動溶接装置
11 溶接台車
12 昇降軸
13 昇降体
14 揺動スライダ
15 左右極間調整軸

Claims (3)

  1. 消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、
    先行電極と後行電極による溶融池が1プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、
    前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とするタンデム揺動溶接方法。
  2. 先行電極の内側の揺動端と後行電極の内側の揺動端間の間隔(以下、この間隔を「振り幅間隔」と呼ぶ)が、ゼロより広がる方向を正とすると、溶接の全層を通してゼロ以上正の値となるように、前記揺動幅を制御することを特徴とする請求項1記載のタンデム揺動溶接方法。
  3. 少なくとも先行トーチの溶接ワイヤとして、希土類元素添加のソリッドワイヤを正極性で使用することを特徴とする請求項1または2記載のタンデム揺動溶接方法。
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