JP2012011400A

JP2012011400A - 溶接継手の製造方法及びその方法を実施するための溶接装置

Info

Publication number: JP2012011400A
Application number: JP2010147765A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kojima; 一浩児嶋; Tetsuo Nose; 哲郎野瀬; Hiroshige Inoue; 裕滋井上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP5408055B2

Abstract

【課題】板厚が５０ｍｍを超えるような厚鋼板よりなる溶接継手を２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いて製造する際、開先断面積が変動しても、入熱量が変動しないように溶接して、高靭性な溶接継手が得られるようにする。
【解決手段】２本の溶接トーチを搭載する台車を、溶接しようとする鋼板の開先に沿って一定の速度で上昇させ、溶接電圧を一定となるように制御するとともに、溶接電流の変化に応じてワイヤ送給速度を変化させて溶接電流が一定となるよう制御して、溶接時の入熱を一定にして２電極立向エレクトロガスアーク溶接することにより溶接継手を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いた溶接継手の製造方法及びその方法を実施するための装置に関し、特に、開先形状の変動に対する入熱量の変動を抑制して、高靭性な溶接継手が得られるようにした方法及び装置に関する。

近年、鋼構造物の大型化にともない、その建造には、従来よりも板厚が厚く、より高強度の鋼板が用いられるようになってきており、そのような鋼板の溶接にあたっては、板厚の増大に対応した施工の高能率化、高品質化、また、溶接継手の高強度化が要求されている。

従来、厚鋼板の立向溶接には、高能率１パス溶接が可能なエレクトロガスアーク溶接法（ＥＧＷ法）が多用されていたが、例えば、コンテナ船等では、大型化にともない船側外板ではさらに厚い板厚の鋼板が用いられるようになり、従来の１パスでのＥＧＷ法では健全な溶接部、及び十分な継手特性を得ることが困難となってきた。
このため、ＥＧＷ法をベースに、溶接部の溶け込み安定化とさらなる溶接能率の向上を図ることを目的に、特許文献１、２に示す２電極立向エレクトロガス溶接法が開発された。
しかし、近年では、５０ｍｍ超、特に７０ｍｍ以上の極厚鋼板がコンテナ船等で使用されるようになるなど、鋼材への入熱がさらに大入熱となる傾向があり、溶接継手の靭性確保が困難な状況が見られるようになってきた。

ここで、図１を参照して、２電極立向エレクトロガス溶接法を用いた自動溶接による溶接継手の製造方法について説明する。
２電極立向エレクトロガス溶接では、縦方向に配置された２枚の鋼板１、１の上下方向に延びる開先２に２本のフラックス入り溶接ワイヤ３、３を供給しつつ、上方に向かって溶接が行われる。
溶接を自動的に行うために、溶接ワイヤ３、３を支持案内する第１と第２の溶接トーチ４、５は、開先２に沿って取付けられたレール７に支持案内されて上昇する台車６に搭載される。溶接中に発生する溶融プールの流出を防止するために、開先表面側に台車６とともに上昇する水冷式銅当金８が、また、開先裏面側にはセラミックス製などの裏当材９が配置される。
台車には、溶接トーチの他に溶接トーチを揺動させる駆動装置や台車の駆動装置及びそれらの制御装置などが搭載される。

第１と第２の溶接トーチ４、５は、それぞれ溶接電源１２、１３に接続され、各溶接トーチに案内される溶接ワイヤと鋼板との間に一定の電圧を供給される。溶接電源１２、１３は、例えば、裏面側の溶接ワイヤに正極性の電圧が供給され、表面側の溶接ト−チ５に逆極性の電圧を供給するように接続される。表面側の溶接トーチ５と接続される溶接電源１３と鋼板１の間には電流検出手段１４が介挿されている。また、ワイヤ送給装置１０、１１、台車の走行装置、溶接電源の動作は、制御装置１５からの指令によって制御される。

溶接にあたっては、溶接ワイヤ３、３がそれぞれ一定速度で供給される。また、台車６は、低速走行と高速走行の２段の走行速度で走行するように、制御装置１５の指令に基づき台車走行制御手段１６により制御される。
溶接の進行に伴い開先内には溶融プールが形成され、台車６はまず低速で上昇する。台車の走行速度が低速で上昇している場合は、溶融プール表面（以下、湯面という場合がある。）の上昇速度の方が、台車の上昇速度より大きくなるように設定されているので、溶融プ−ルの表面が溶接トーチ先端に近づくので、溶接ト−チ４、５の溶接チップからのワイヤ突き出し長が短くなり、溶接電流値が上昇してゆく。その後、溶接電流値が所定値を上回ると、制御装置１５は、台車走行制御手段１６に台車６を高速走行させるように指令を出す。そして、台車６が高速で上昇し、再び溶融プールの表面から溶接ト−チの先端が離れ、ワイヤの突き出し長が長くなり、溶接電流値が所定値以下となると、制御装置１５から台車走行制御手段１６に台車の低速走行の指令が出力され、台車６は低速で上昇する。
この動作を繰り返すことにより、溶融プ−ルの表面と溶接ト−チの先端との距離が略一定となり、ワイヤの突き出し長が略一定に制御される。

このような溶接制御方法を用いた溶接継手の製造方法によれば、２本の溶接ト−チを用いて自動で溶接を行うことができるので、板厚の厚い母材を溶接する時においても、開先辺各部の溶込みが良好で、しかも溶接速度が速いので、作業効率が良く溶接を行うことができる。
しかし、以上のような従来の溶接制御方法を用いてさらに板厚が厚い鋼板、特に板厚が５０ｍｍ超の鋼板の溶接継手を製造する際、鋼板の形成された開先部の途中に、ルートギャップ等の工作精度に起因して開先断面積が変動した箇所がある場合に、次のような問題が生じてきた。

例えば、途中に開先幅が基準の幅よりも広い箇所がある場合、台車がその箇所に到達すると、溶接ワイヤの送給速度が一定に制御されているので、溶融プールの上昇速度が低下するようになる。その結果、台車は低速走行の期間の時間が、基準の幅の箇所を溶接している場合に比べて長くなる。このため、その箇所の溶接速度が低下して入熱量が大きくなる。
厚板の溶接では、基本的に大入熱での溶接となっているが、開先幅の増大している箇所では、溶接速度の低下による入熱量の増加分がさらに重畳されるため、入熱が過大となり、溶接熱影響部の幅が増大して、溶接継手の靭性が確保できない結果となる。
また、途中に開先の狭い箇所がある場合には逆に入熱が過少となり、溶接継手部の強度が過大になり、この場合でも溶接継手の靭性が確保できない結果となる。

このような状況から、靭性を確保した溶接継手を製造するには、開先幅が変動しても、溶接速度を変えないで、単位時間当たりの溶着金属量を開先断面積に応じて変化させることが必要となる。
そのための手段としては、開先幅や開先角度などの開先形状を検知して、検知した開先形状に応じて、ワイヤ供給速度を制御することが考えられるが、溶接環境では外乱となる要因も多く、開先形状をリアルタイムに正確に検知することは困難であり、コストもかかるという問題がある。
また、アーク溶接の特性を利用して、低コストで実施できる溶着金属量の制御方法として、被溶接物の形状変化などの要因により溶接電流値が変化した場合に、それに対応して自動的にワイヤの送給速度を変化させて、常に一定の大きさの溶接ビードとすることなども、特許文献３等によって知られているが、従来は、均一な溶接ビードの形成と同時に入熱量を一定にすることについては、特に考慮されていなかった。

特開平１０−１１８７７１号公報特開平１１−２８５８２６号公報特開昭６３−２９５０６２号公報

そこで、本発明は、特に板厚が５０ｍｍを超えるような厚鋼板の溶接継手をエレクトロガスアーク溶接方法を用いて製造するにあたり、開先断面積が変動しても、入熱量が変動しないような溶接制御手段を、費用のかかる特別な機器を用いることなく提供することにより、高靭性な溶接継手が得られるようにすることを課題とする。

本発明者らは、２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いて溶接継手を製造するにあたり、開先幅（開先断面積）が変動しても、開先長手方向の入熱量を一定にする手段について検討した。
その結果、ワイヤ送給速度を可変速にし、溶接電流、溶接電圧、台車の上昇速度をプリセットして一定となるように制御すれば、溶融プール表面の上昇速度と台車の上昇速度を同期させることができ、溶接速度を一定にして開先長手方向の入熱量を一定にできることを見出した。
そのような本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いた溶接継手の製造方法において、
２本の溶接トーチを搭載する台車を、溶接しようとする鋼板の開先に沿って一定の速度で上昇させ、溶接電圧を一定となるように制御するとともに、溶接電流の変化に応じてワイヤ送給速度を変化させて溶接電流が一定となるよう制御して、溶接時の入熱を一定にして２電極立向エレクトロガスアーク溶接することを特徴とする溶接継手の製造方法。
（２）板厚５０ｍｍ超の鋼板からなることを特徴とする（１）に記載の溶接継手の製造方法。
（３）２本の溶接トーチを搭載し、溶接しようとする鋼板の開先に沿って一定の速度で上昇する台車と、各溶接トーチに案内される溶接ワイヤと鋼板との間に一定の電圧を供給する溶接電源と、溶接ワイヤの送給速度を可変に制御できる溶接ワイヤ送給手段と、溶接電流を検出する電流検出手段と、検出された溶接電流が予め設定された一定値になるように溶接ワイヤの送給速度を制御するワイヤ送給速度制御手段とを備えることを特徴とする（１）または（２）に記載の溶接継手の製造方法を実施するための２電極立向エレクトロガスアーク溶接装置。

厚鋼板の２電極エレクトロガス溶接方法において、開先断面積が変動しても、入熱量が変動しないような溶接制御手段を、費用のかかる特別な機器を用いることなく提供することができるので、特に板厚が５０ｍｍを超えるような厚鋼板の溶接においても、靭性に優れた溶接継手を得ることができる。

２電極立向エレクトロガスアーク溶接による従来の溶接継手の製造方法及びその製造方法の実施に用いる装置を説明するための図である。２電極立向エレクトロガスアーク溶接による本発明の溶接継手の製造方法及びその製造方法の実施に用いる装置を説明するための図である。本件発明の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法で用いる制御フローを説明するための図である。実施例で用いた開先の１例を示す図である。実施例で用いた開先の他の例を示す図である。実施例における試験片の採取位置を示す図である。

従来の２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いた溶接継手の製造方法では、上記のように、溶接速度は溶融プール表面の上昇に追随しており、開先断面積が広くなると、その分だけ溶接速度が遅くなり入熱が増加することになる。これは、溶融プール表面の上昇速度（溶接速度）に応じてワイヤ送給速度が変化する機構を有していないことが原因と考えられる。

そこで、本発明は、開先断面積が変動しても入熱を一定とする方法について検討した。
開先長手方向の入熱量を一定にするには、溶接速度を一定にする必要があり、そのための前提として、台車の上昇速度を一定にすることを考えた。
その際、従来のように溶接ワイヤの送給速度が一定の場合は、溶接中に開先断面積が変化した場合には、溶融プールの表面は、台車の上昇速度に追随して上昇しなくなるため、溶接ワイヤの送給速度を変化させて両者を同期して上昇させる必要がある。
台車（溶接トーチ）が一定の速度で上昇している場合、溶融プール表面の上昇速度が変化すると溶接トーチのチップと溶融プール表面との間の距離、すなわち溶接ワイヤの突き出し長さが変化して、溶接電流も変化する。本発明では、この現象を利用し、溶接電流の変化に応じてワイヤの送給速度を変化させて、溶接電流が予め設定した一定値になるようにする。これにより、溶接速度を一定に維持して、入熱も一定にできるようにした。

以下、台車の上昇速度を一定とし、ワイヤ送給速度を可変速制御して、溶接電流を一定に制御した場合における本発明のメカニズムを、開先断面積が広い場合と開先断面積が狭い場合について、図３のフロー図を使用して詳細に説明する。

まず、開先断面積が広い場合を説明する。
溶接が開始されると、溶接トーチは溶接開始前に設定された速度で上昇を始める。しかしながら、開先断面積が基準のものよりも広いと、溶融プールの上昇速度は遅く、溶接トーチの上昇速度に追随できない。このため、溶接トーチの溶接チップと溶融プール表面との間隔が広まり、ワイヤ突出長が長くなり、溶接電流が低下する。
この時に、電流が一定となる制御を掛けておけば、ワイヤ送給速度がワイヤ突出長に応じて速くなり、湯面の上昇速度が増加し、やがて溶接トーチの上昇速度と等しくなる。溶接トーチの上昇速度と湯面の上昇速度が一旦等しくなれば、これ以降は、溶接開始前に設定された電流、電圧、溶接速度で溶接が行われ、設定された入熱で溶接が実行される。

反対に、開先断面積が狭い場合には、溶接が開始されると、溶接トーチは溶接開始前に設定された速度で上昇を始めるが、開先断面積が基準のものよりも狭いため、湯面の上昇速度は速くなる。このため、溶接チップと溶融プール表面との間隔が短くなり、ワイヤ突出長が減少し、溶接電流が上昇する。
この時に電流が一定となる制御を掛けておけば、ワイヤ送給速度がワイヤ突出長に応じて遅くなり、湯面の上昇速度も遅くなるため、やがてトーチの上昇速度と等しくなる。溶接トーチの上昇速度と湯面の上昇速度が一旦等しくなれば、これ以降は、溶接開始前に設定された電流、電圧、溶接速度で溶接が行われ、設定された入熱で溶接が実行される。

以上のようにして本発明では、開先断面積が変動する開先であっても、一定の入熱量で溶接した溶接継手が製造できる。
なお、本発明の製造方法では、以上説明した工作精度が原因でルートギャップ等が変動している場合に限らず、溶接途中において熱変形が原因で開先形状が変形しても、入熱が一定の状態を維持して溶接することができる。

本発明において、以上説明した溶接継手の製造方法を実施するには、基本的に、図１に示す溶接装置を用いて、２電極立向エレクトロガスアーク溶接を実施するが、図２に示すように、さらにワイヤ送給速制御手段１７を設けて、台車の上昇速度を一定とし、ワイヤ送給速度を可変速制御して、溶接電流を一定に制御する点で従来の装置とは異なる。
すなわち、図２に示す溶接装置において、図１を用いて説明した従来の溶接装置にさらに、ワイヤ送給速度を可変速制御するワイヤ送給速制御手段１７を設けるとともに、台車走行制御手段１６に、台車の上昇速度を予め設定された一定値に制御にする機能を付加する。また、溶接電源１２、１３とそれに付随する制御装置１５としては、一定の電圧を供給するとともに、電流検出手段１４により溶接電流を検出して、その変動に応じてワイヤ送給制御手段１７によってワイヤ送給速度を可変速制御して、溶接電流を予め設定された一定値に制御する機能を付加する。
そのような機能を有する溶接電源１２、１３及び制御装置１５としては、市販されているデジタルインバータ制御方式の溶接電源を有する溶接装置（例えば、ダイヘン社のデジタルオートＤＭ５００（登録商標）など）を用いることにより、実現することができる。
また、従来の定電圧インバータ溶接電源においては、特開２００７−１９０５９４号公報、特許第３８８６０２９号公報等に開示されている電流一定の制御機構を別途追加することで上述の制御機能を実現することができる。

なお、上記では特に明記していないが、２本の溶接ワイヤの送給を同時に制御することはいうまでもない。また、２本の溶接ワイヤの極性や、溶接電流の検出方法は、図１、２に関して説明したものに限定されるものではなく適宜変更することができる。
また、図２では、電源装置１２、１３と制御装置１５などを別体としているが、一体であってもよい。

次に実施例を用いて、本発明の実施可能性及び効果についてさらに説明する。
表１に示す供試鋼材と溶接ワイヤを用いて、表２に示す溶接条件によって２電極での立向エレクトロスラグ溶接を実施して溶接継手を製造した。
なお、用いた供試鋼材は、日本海事協会が定めるＫＥ４７−Ｈ鋼の規格に準ずる鋼材であり、溶接ワイヤは、日本海事協会が定めるＫＥＷ６３Ｙ４７に準ずる１．６ｍｍφのフラックス入りワイヤである。

図４及び図５に示すように、ルートギャップを変化させた溶接試験体及び開先角度を変化させた溶接試験体を準備し、図１、２に示されるような、開先に沿って上昇する台車に２個の溶接トーチと、試験体の開先表側に密着する水冷式銅当金を取付けた溶接装置を用い、開先裏面にセラミックス製の耐火裏当材を取付けて、２電極立向エレクトロスラグ溶接を実施した。その際、シールドガスは炭酸ガスを使用した。
本発明の溶接方法では、サーボモータで駆動される台車を一定の速度で上昇させ、溶接電流が一定になるようにワイヤ送給速度を可変速制御する方式を採用した。
これに対し、比較例の溶接方法では、ワイヤ送給速度を一定速度とし、溶接電流に応じて台車の上昇速度を２段階に切り替える方式を採用した。

溶接後の溶接試験体の溶接継手における区分Ａ〜Ｇの溶接金属部分から、図６（ａ）に示す要領で引張試験片（ＪＩＳＡ2号丸棒試験片）を、図６（ｂ）に示す要領でシャルピー試験片（2ｍｍＶノッチ、10ｍｍフルサイズ）をそれぞれ採取した。
なお、溶接長方向において開先形状が変化する変わり目部分（例えばＡとＢの境目）の前後１０ｃｍは不安定域であるため、当該部分からは試験片採取は行っていない。
そして、採取した試験片を用いて引張試験とシャルピー試験を実施した。

次に、得られた試験結果を次のような評価基準で評価した。
まず、個々の溶接試験体のＡ〜Ｇ〜採取した試験片の降伏強度（ＹＰ）、引張強度（ＴＳ）、シャルピー試験の結果を次の基準で評価した。
ＹＰ；４００ＭＰａ以上を合格とした。
ＴＳ；６００ＭＰａ以上を合格とした。
シャルピー試験；-２０℃での吸収エネルギーが50Ｊ以上を合格とした。
さらに、１つの溶接試験体において、ＡからＥ、又はＦからＧの全ての採取位置で以上の合否基準を満たすものを合格とした。逆に何れかの位置で１か所でも基準を満たさない試験体は不合格とした。
表３に、評価結果を示す。

本発明例では、台車の走行速度を一定とし、開先幅に応じた溶着金属量が得られるように、ワイヤ送給速度を制御した結果、開先のルートギャップや開先角度が変動しても、一定の溶接速度で溶接が行われるため、開先ごとの入熱の変動が無く、溶接金属の特性は殆ど変動せず安定した溶接継手が得られていた。

一方、比較例では、台車の走行速度を２段階に切り替える既存の２電極立向エレクトロガス溶接制御を行ったため、溶接速度が溶融池の湯面上昇に追随してしまった。この結果、開先のルートギャップ８ｍｍのＡ部分では溶接速度が速くなりすぎて、７０mm厚の鋼板には入熱が過少となり、強度が過剰で靭性が劣化した溶接継手となった。
また、ルートギャップが１４ｍｍのＤ部分と１６ｍｍのＥ部分では溶接速度が遅くなり７０ｍｍという極厚鋼板使用による入熱増加と、ルートギャップが広くなったことによる入熱増加が重畳したため、入熱が過大となり、必要な焼入れ性が確保されず、溶接金属の引張強さとシャルピー衝撃吸収エネルギーが共に劣化した溶接継手となった。

以上に記したように、本発明を用いると開先形状の変動に左右されず、常に安定した靭性を有する溶接継手が製造できるので、産業界における価値はきわめて高い。

１鋼板（被溶接物）
２開先
３溶接ワイヤ
４第１の溶接トーチ
５第２の溶接トーチ
６レール
７台車
８銅当金
９裏当材
１０、１１ワイヤ送給装置
１２、１３溶接電源
１４電流検出手段
１５制御装置
１６台車走行制御手段
１７ワイヤ送給制御手段

Claims

２電極立向エレクトロガスアーク溶接を用いた溶接継手の製造方法において、
２本の溶接トーチを搭載する台車を、溶接しようとする鋼板の開先に沿って一定の速度で上昇させ、溶接電圧を一定となるように制御するとともに、溶接電流の変化に応じてワイヤ送給速度を変化させて溶接電流が一定となるよう制御して、溶接時の入熱を一定にして２電極立向エレクトロガスアーク溶接することを特徴とする溶接継手の製造方法。
板厚５０ｍｍ超の鋼板からなることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手の製造方法。
２本の溶接トーチを搭載し、溶接しようとする鋼板の開先に沿って一定の速度で上昇する台車と、各溶接トーチに案内される溶接ワイヤと鋼板との間に一定の電圧を供給する溶接電源と、溶接ワイヤの送給速度を可変に制御できる溶接ワイヤ送給手段と、溶接電流を検出する電流検出手段と、検出された溶接電流が予め設定された一定値になるように溶接ワイヤの送給速度を制御するワイヤ送給速度制御手段とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接継手の製造方法を実施するための２電極立向エレクトロガスアーク溶接装置。