JP2014050854A - タンデムサブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接速度が１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎと高速な条件で、火力発電ボイラ火炉の水冷壁を溶接しても、優れた溶接品質が得られるタンデムサブマージアーク溶接方法提供する。
【解決手段】肉厚が４．５ｍｍ以上で外径が２５．４ｍｍ以上の鋼管の外面と、板厚が４．５ｍｍ以上の平鋼とを、電極ワイヤの直径Ｄ、溶接速度Ｓ、先行電極の電流Ｉ_Ｌ、先行電極の電流Ｉ_Ｌと後行電極の電流Ｉ_Ｔとの比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）、先行電極の後退姿勢での傾斜角度α、後行電極の前進姿勢での傾斜角度β、先行電極と後行電極の動作角γ、先行電極と後行電極との距離Ｇ、先行電極のアーク電圧、後行電極のアーク電圧、チップ母材間距離を特定の範囲にすると共に、先行電極の極性を直流ワイヤプラス、後行電極の極性を交流とし、塩基度Ｂが０．６〜０．９の範囲にある溶融フラックスを用いて、平鋼の長手方向に水平すみ肉姿勢でタンデムサブマージアーク溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉粒状溶接フラックスの中に２本の電極ワイヤを送り込んで溶接を行うタンデムサブマージアーク溶接方法に関する。より詳しくは、溶接速度が１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎの範囲のタンデムサブマージアーク高速溶接方法に関する。

ボイラを製造する際、火炉壁の溶接速度は製造効率に対して大きな影響要因であり、高速溶接を達成するために様々な検討が図られている。従来検討されてきた溶接プロセスは、ガスシールドアーク溶接とサブマージアーク溶接である。ガスシールドアーク溶接は、溶加材として働く消耗電極ワイヤを一定の速度で送給しながら電極チップで給電し、消耗電極ワイヤと被溶接材間にアークを発生させる溶接方法である。その際、アルゴン（Ａｒ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）の混合ガスやＣＯ_２などのシールドガスを流し、溶接部を周囲の大気より保護する。また、ガスシールドアーク溶接では、アークの安定性などに配慮し、電流の種類としては、通常、直流ワイヤプラス（以下、「ＤＣＥＰ」と記す。）が採用される。

一方、サブマージアーク溶接は、母材上にあらかじめ散布した粉粒状溶接フラックスの中に消耗電極ワイヤを送り込み、消耗電極ワイヤと被溶接材間にアークを発生させる溶接方法である。サブマージアーク溶接は、ガスシールドアーク溶接と違って、シールドガスは使用せず、電流の種類としては、ＤＣＥＰ又は交流（以下、「ＡＣ」と記す。）が採用される。また、高速溶接性及び溶接品質の両立の観点から、タンデムサブマージアーク溶接も検討されている。タンデムサブマージアーク溶接は、溶接フラックスの中に２本の電極ワイヤを送り込み溶接する方法であり、高速溶接においても十分な溶着金属量が確保できるという特徴がある。

一方、タンデムサブマージアーク溶接プロセスには、多くのパラメーターがあり、その条件設定が高速溶接性及び溶接品質に対して非常に重要である（特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１には、良好なビード形状が得られる小脚長高速水平すみ肉溶接を実現するために、フラックス入りワイヤを用いて行う２電極１プール方式の水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法が提案されている。この特許文献１に記載の小脚長高速水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法では、先行電極のワイヤ突き出し長さ（ＷＬ_１）と後行電極の突き出し長さ（ＷＬ_２）との関係が、（ＷＬ_１＋５ｍｍ）＜ＷＬ_２≦４５ｍｍを満足し、かつ、少なくとも後行電極はルチール系フラックス入りワイヤとし、溶接速度１．０ｍ／ｍｉｎ以上で脚長３〜４ｍｍビードを形成するようにしている。

また、特許文献２には、溶接Ｈ形鋼の製造を高能率化するために、２電極のすみ肉潜弧溶接を適用し、先行電極と後行電極のワイヤ径、電流比、電圧、傾度、角度、極間距離、フランジとの最短距離等を一定範囲に規制することによりアンダーカットやオーバラップなどの欠陥なしに高能率の製造を行う溶接方法が提案されている。この特許文献２に記載のＴ継手の２電極水平すみ肉潜弧溶接方法では、Ｌ極ワイヤ径：３．２〜６．４ｍｍ、Ｔ極ワイヤ径：３．２〜７．０ｍｍ、Ｌ極電流とＴ極電流の比（Ｉ_Ｔ／Ｉ_Ｌ）：０．６〜１．０、Ｌ極電圧（Ｖ_Ｌ）：Ｖ_Ｌ≦４５Ｖ、Ｔ極電圧（Ｖ_Ｔ）：Ｖ_Ｔ≦５０Ｖ、Ｌ極電極傾度（ａ）：３〜３０°、Ｔ極電極傾度（ｂ）：３〜３５°、Ｌ極電極角度（ｃ）：−１０〜＋１０°、Ｔ極電極角度（ｄ）：０〜３０°、Ｌ極とＴ極の極間距離（ｌ）：１０〜１２０ｍｍ、Ｌ極とフランジの最短距離（ｅ）：０〜１０ｍｍ、Ｔ極とフランジの最短距離（ｆ）：１〜１３ｍｍにしている。

更に、特許文献３には、水平タンデムサブマージアーク溶接における高速溶接性、大脚長性、耐アンダーカット性を向上させるために、先行電極や後行電極の溶接ワイヤの先端を、それぞれ回転させる溶接方法が提案されている。この特許文献３に記載のタンデム回転サブマージアーク溶接方法では、先行電極と後行電極を用い、溶接フラックス下で溶接ワイヤと母材間、あるいは溶接ワイヤ間にアークを発生させ、これにより生じる高熱を利用してタンデムサブマージアーク溶接を行う際に、狙い位置を溶接線より片側にずらした先行電極の溶接ワイヤ先端を、溶接ワイヤ前側が溶接線に近づく方向に回転させ、及び/又は、狙い位置を先行電極と反対側にずらした後行電極の溶接ワイヤの先端を、溶接ワイヤ前側が溶接線に近づく方向に回転させている。

特開平１０−２１６９４３号公報 特開平８−２８１４３６号公報 特開２０１１−５１００５号公報

しかしながら、前述した従来のタンデムサブマージアーク溶接方法には、溶接速度が１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎと高速な条件下で、火力発電ボイラの火炉水冷壁を溶接した場合、十分な溶接品質が得られないという問題点がある。例えば、特許文献１に記載の技術は、２電極のガスシールドアーク溶接方法であり、ボイラ火炉壁の高速溶接には適用することができない。

また、特許文献２に記載の溶接方法は、ワイヤ径が３．２ｍｍ以上と規定されており、高速溶接には不向きである。高速溶接では、溶接物間の隙間を埋めるために十分な溶着金属量（ワイヤ送給量）が要求されるが、溶接電流が同じ条件では、ワイヤ径が太くなるほどワイヤ送給量が少なくなる。このため、ワイヤ径が３．２ｍｍ以上の場合、狙い溶接速度によっては、十分な溶着金属量が確保できないことがある。一方、溶接電流を高くすると溶着金属量を増やすことができるが、ボイラ火炉壁などのように板厚が８ｍｍ未満のものを高電流で溶接すると、母材の溶落ちが発生する虞がある。

また、特許文献３に記載の技術は、先行電極と後行電極をそれぞれ溶接線に対してずらして配置することが特徴であるが、高速溶接において前後の電極をずらすと、溶接ビードが分かれる虞があり、この溶接方法も１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度での溶接には適していない。

そこで、本発明は、溶接速度が１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎと高速な条件で、火力発電ボイラ火炉の水冷壁を溶接しても、優れた溶接品質が得られるタンデムサブマージアーク溶接方法提供することを主目的とする。

本発明者は、ボイラ火炉壁の溶接において、溶接速度を速くしても、良好な溶接品質が得られるタンデムサブマージアーク溶接方法及び溶接条件について、鋭意実験検討を行った。具体的には、高速溶接性を確保するため、直径が１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍと細径の電極ワイヤを使用したタンデムサブマージアーク溶接について検討を行い、先行電極と後行電極の電流や電圧、極間距離及び電極の角度などの溶接条件を、特定の範囲にすることで、良好な溶接品質が得られることを知見した。

即ち、本発明に係るタンデムサブマージアーク溶接方法は、電極ワイヤの直径Ｄ：１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍ、溶接速度Ｓ：１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極の電流Ｉ_Ｌ：（１００×Ｄ＋２００）〜（１００×Ｄ＋３２０）Ａ、先行電極の電流Ｉ_Ｌと後行電極の電流Ｉ_Ｔとの比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）：１．３〜１．８、先行電極の傾斜角度α：後退角で０〜１０°、後行電極の傾斜角度β：前進角で１０〜２０°、先行電極と後行電極の動作角γ：１０〜２０°、先行電極と後行電極との距離Ｇ：（５Ｄ−２）〜（５Ｄ＋１）ｍｍ、先行電極のアーク電圧：２４〜２８Ｖ、後行電極のアーク電圧：２８〜３２Ｖ、チップ母材間距離：１８〜２２ｍｍ、先行電極の極性をＤＣＥＰ、後行電極の極性をＡＣとし、ＣａＯ、ＣａＦ_２、ＭｇＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＭｎＯ、ＦｅＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の含有量（ｍｏｌ％）を、それぞれ［ＣａＯ］、［ＣａＦ_２］、［ＭｇＯ］、［ＢａＯ］、［Ｎａ_２Ｏ］、［Ｋ_２Ｏ］、［ＭｎＯ］、［ＦｅＯ］、［ＳｉＯ_２］、［Ａｌ_２Ｏ_３］、［ＴｉＯ_２］及び［ＺｒＯ_２］としたとき、下記数式１から算出される塩基度Ｂが０．６〜０．９の範囲にある溶融フラックスを用いて、肉厚が４．５ｍｍ以上で外径が２５．４ｍｍ以上の鋼管の外面と、板厚が４．５ｍｍ以上の平鋼とを、前記平鋼の長手方向に水平すみ肉姿勢で溶接する。

本発明によれば、電極ワイヤ径、先行電極及び後行電極の電流、電圧、極間距離などの各種溶接条件を特定の範囲とし、塩基度が特定の範囲にある溶融フラックスを使用しているため、溶接速度が１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎのタンデムサブマージアーク高速溶接であっても、十分な溶着金属量が確保できると共に、溶接ビード幅、溶込み深さ及びビード形状の全てにおいて、優れた溶接品質が得られる。

本発明の実施形態のタンデムサブマージアーク溶接方法を示す模式図である。 図１に示すタンデムサブマージアーク溶接方法における電極の動作角γを示す模式図である。 図１に示すタンデムサブマージアーク溶接方法における極間距離Ｇを示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。図１は本発明の実施形態に係るタンデムサブマージアーク溶接方法を示す模式図であり、図２は図１に示す電極１，２の動作角γを示す模式図であり、図３は極間距離Ｇを示す模式図である。

図１〜３に示すように、本実施形態のタンデムサブマージアーク溶接方法（以下、単に溶接方法ともいう。）は、肉厚が４．５ｍｍ以上で外径（直径）が２５．４ｍｍ以上の鋼管３ａと、板厚が４．５ｍｍ以上の平鋼（メンブレンバー）３ｂとを、平鋼３ｂの長手方向に水平すみ肉姿勢で溶接し、例えば鋼管３ａと平鋼３ｂとが交互に隅肉溶接されたパネルが複数接続された構造のボイラ火炉水冷壁を形成する。ここで、被溶接材である鋼管３ａ及び平鋼３ｂの材質は、特に限定されるものではないが、例えば火力発電用ボイラ火炉の場合は、主に炭素鋼や低合金鋼などが使用される。

具体的には、母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）上に、先行電極１と後行電極２を所定の極間距離Ｇ、所定の傾斜角度α，β、所定の動作角γで配置すると共に、ホッパー４を配置し、ホッパー４から溶接フラックス５を供給する。そして、先行電極１と母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）との間、後行電極２と母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）との間、先行電極１と後行電極２との間をそれぞれ溶接フラックス５で満たし、溶接フラックス５に埋没した状態で、先行電極１と母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）との間及び後行電極２と母材３との間に電圧を印加する。

これにより、先行電極１と母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）との間及び後行電極２と母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）との間にそれぞれアークが発生し、そのアーク熱により、先行電極１、後行電極２及び母材３（鋼管３ａ，平鋼３ｂ）が溶融して、溶融金属６ａとなる。また、溶融金属６ａ上には、溶接フラックス５が溶融してスラグ７ａが形成される。そして、先行電極１、後行電極２及びホッパー４を、溶接方向ｘに前進させると、これらの後方では、溶融金属６ａ及び溶融スラグ７ａが凝固し、ビード（溶接金属）６ｂ及びその上部の凝固スラグ７ｂが形成される。

その際の溶接条件は、電極ワイヤ１，２の直径Ｄは１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍ、溶接速度Ｓは１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎとする。また、先行電極１の電流Ｉ_Ｌは（１００×Ｄ＋２００）〜（１００×Ｄ＋３２０）Ａ、先行電極１の電流Ｉ_Ｌと後行電極２の電流Ｉ_Ｔとの比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．３〜１．８、先行電極１の傾斜角度αは後退角で０〜１０°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１０〜２０°、先行電極１と後行電極２の動作角γは１０〜２０°とする。更に、先行電極１と後行電極２との距離Ｇは（５Ｄ−２）〜（５Ｄ＋１）ｍｍ、先行電極１のアーク電圧は２４〜２８Ｖ、後行電極２のアーク電圧は２８〜３２Ｖ、チップ母材間距離は１８〜２２ｍｍとし、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとする。

一方、溶接フラックス５には、下記数式２から算出される塩基度Ｂが０．６〜０．９の範囲にある溶融フラックスを用いる。なお、下記数式２における［ＣａＯ］、［ＣａＦ_２］、［ＭｇＯ］、［ＢａＯ］、［Ｎａ_２Ｏ］、［Ｋ_２Ｏ］、［ＭｎＯ］、［ＦｅＯ］、［ＳｉＯ_２］、［Ａｌ_２Ｏ_３］、［ＴｉＯ_２］及び［ＺｒＯ_２］は、それぞれＣａＯ、ＣａＦ_２、ＭｇＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＭｎＯ、ＦｅＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の含有量（ｍｏｌ％）である。

次に、本実施形態のタンデムサブマージアーク溶接方法における各種条件設定の理由について説明する。

［溶接速度Ｓ：１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎ］
溶接速度Ｓが１６０ｃｍ／ｍｉｎ未満では「高速な条件」とは言えず、本発明の目的から外れる。また、溶接速度Ｓが１６０ｃｍ／ｍｉｎ未満の場合、従来の溶接方法でも、良好な溶接品質が得られることがある。一方、溶接速度Ｓが２００ｃｍ／ｍｉｎを超えると、後述する条件を採用しても、溶着金属量が不十分となったり、溶接ビード幅、溶込み深さ又はビード形状に不良が発生することがある。よって、本実施形態の溶接方法では、溶接速度Ｓは１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎとする。

［タンデムサブマージアーク溶接］
１本の電極ワイヤを用いて、１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度でサブマージアーク溶接した場合、溶着金属量が不足する。よって、本実施形態の溶接方法では、２本の電極ワイヤ（先行電極１，後行電極２）を使用するタンデムサブマージアーク溶接を行う。

［電極ワイヤ径Ｄ：１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍ］
サブマージアーク溶接では、溶接速度が速くなるに従い、溶着金属量及び溶込み深さが不足になりやすい傾向がある。溶接電流が同じである場合、ワイヤ径が細いほど溶着金属量が多くなり、更に、アークが集中するため、溶込み深さも深くなる。一方、太径のワイヤを用いて溶接電流を上げれば、必要な溶着金属量及び溶込みが得られるが、その場合、アンダーカットや母材３の溶落ちなどの溶接欠陥が発生しやすくなる。

このため、本実施形態の溶接方法では、電極１，２のワイヤ径Ｄの範囲を１．６〜２．４ｍとする。具体的には、直径が１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍの電極ワイヤを使用する。なお、電極ワイヤ径Ｄが１．６ｍｍ未満の場合、凸ビードになりやすく、また、電極ワイヤ径Ｄが２．４ｍｍを超えると、アンダーカットや鋼管３ａ又は平板３ｂの溶落ちなどの溶接欠陥が発生しやすくなる。

［先行電極１の電流Ｉ_Ｌ（Ａ）：（１００×Ｄ＋２００）≦Ｉ_Ｌ≦（１００×Ｄ＋３２０）］
先行電極１の電流Ｉ_Ｌが、（１００×Ｄ＋２００）Ａ未満の場合、溶込みが不足する。一方、溶接電流の適正値はワイヤ径によって変わり、電極ワイヤ径Ｄが前述した範囲の場合、電流Ｉ_Ｌが（１００×Ｄ＋３２０）Ａを超えると、凸ビードになりやすい。よって、本実施形態の溶接方法では、先行電極１の電流Ｉ_Ｌ（Ａ）を、（１００×Ｄ＋２００）以上、かつ、（１００×Ｄ＋３２０）以下とする。

［先行電極１の電流Ｉ_Ｌ（Ａ）と後行電極２の電流Ｉ_Ｔ（Ａ）の比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）：１．３〜１．８］
先行電極１と後行電極２のそれぞれの主な役割は、先行電極１の溶接で溶込み形状を決め、後行電極２が溶着金属の補充とビード幅（又は脚長）の増幅を果すことである。ただし、これらの電流の比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）が１．３未満の場合、後行電極２のアークが先行電極２のアークと干渉し、不整ビードになりやすい。一方、Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔが１．８を超えると、後行電極２の電流Ｉ_Ｔが先行電極１の電流Ｉ_Ｌよりも極端に低くなり、後行電極２による溶着金属の補充とビード幅（又は脚長）の増幅効果が不十分となる。よって、本実施形態の溶接方法では、先行電極１の電流Ｉ_Ｌと後行電極２の電流Ｉ_Ｔ（Ａ）との比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．３〜１．８とする。

［先行電極１と後行電極２の極間距離Ｇ（ｍｍ）：（５×Ｄ−２）≦Ｇ≦（５×Ｄ＋１）］
先行電極１と後行電極２の極間距離Ｇは、ビード形状に影響する重要な因子である。極間距離Ｇが小さすぎると、即ち、先行電極１と後行電極２とが近すぎると、２つのアークが互いに干渉してビード形状が劣化する。本実施形態の溶接方法では、極間距離Ｇが（５×Ｄ−２）ｍｍ未満の場合、このような問題が生じる。

一方、極間距離Ｇが大きすぎると、即ち、先行電極１と後行電極２とが離れすぎると、先行電極１の溶融池と後行電極２の溶融池が分かれ形成され、１つの溶融池にならない。本実施形態の溶接方法の場合、極間距離Ｇが（５×Ｄ＋１）ｍｍを超えると、２つの溶融池が形成され、ビードも２本重ねたビードのような外観となり、ビード幅が狭くなる。よって、本実施形態の溶接方法では、極間距離Ｇは、（５×Ｄ−２）ｍｍ以上、かつ、（５×Ｄ＋１）以下とする。

［先行電極１の極性：ＤＣＥＰ，後行電極２の極性：ＡＣ］
一般に、電極の極性がＤＣＥＰの場合は溶込みが深くなり、ＡＣの場合はワイヤが溶けやすく、溶着金属量が多くなることが知られている。本実施形態の溶接方法において、先行電極１と後行電極２のそれぞれの主な役割は、先行電極１の溶接で溶込み形状を決め、後行電極２が溶着金属の補充及びビード幅（又は脚長）の増幅を果すことである。そこで、先行電極１の極性をＤＣＥＰとし、後行電極２の極性をＡＣとすることにより、先行電極１による深い溶込み、後行電極２による溶着金属補充効果を最大限に発揮できる。なお、前後電極１，２のアーク干渉を避ける観点からも、前後電極１，２は異なる極性にすることが好ましい。

［先行電極１のアーク電圧：２４〜２８Ｖ，後行電極２のアーク電圧：２８〜３２Ｖ］
高速溶接の場合、アンダーカットや不整ビードが発生しやすいため、アーク電圧をできるだけ低く設定し、アーク長を短くすることが重要である。ただし、先行電極１のアーク電圧が２４Ｖ未満の場合、ワイヤが母材３に突っ込み、アークが不安定となるため、ビード形状がかえって劣化する。また、先行電極１の電圧が２８Ｖを超えると、アンダーカットや不整ビードが発生する。よって、先行電極１のアーク電圧は、２４〜２８Ｖとする。これにより、高速溶接でも良好な溶接ビードを、安定して形成することができる。

一方、後行電極２の極性はＡＣであるが、アーク電圧が同じである場合、ＡＣ溶接はＤＣ溶接よりも形成されるビード幅が狭く、ワイヤが母材に突っ込みやすい傾向がある。このため、ＡＣの後行電極２については、アーク電圧の範囲（上限・下限）を、ＤＣの先行電極１よりも高く設定する必要があり、本実施形態の溶接方法では、前述した先行電極１よりも４Ｖ高くし、後行電極２のアーク電圧を２８〜３２Ｖとする。

［先行電極１の傾斜角度α：後退角で０〜１０°］
一般的に、溶込み深さを確保するためには、電極は前進姿勢よりも後退姿勢のほうがよい。前述したように、先行電極１は、良好な溶込み形状を得るために重要であり、その傾斜角度αが０°よりも小さいと、前進角となって溶込みが浅くなる他、後行電極２との干渉の観点から、タンデム装置の配置が難しくなる。一方、先行電極１の傾斜角度αが１０°よりも大きいと、ビード形状が劣化する。よって、本実施形態の溶接方法では、先行電極１の傾斜角度αは、後進角で０〜１０°とする。

［後行電極２の傾斜角度β：前進角で１０〜２０°］
一般的に、ビード幅を確保するためには、電極は後退姿勢よりも前進姿勢のほうがよい。前述したように、後行電極２は、良好なビード幅を得るために重要であり、前進姿勢の傾斜角度βが１０°よりも小さいと、ビード幅が狭くなる他、先行電極１との干渉の観点から、タンデム装置の配置が難しくなる。一方、後進電極２における前進姿勢の傾斜角度βが２０°よりも大きいと、ビード形状が劣化する。よって、本実施形態の溶接方法では、後行電極２の傾斜角度βは、前進角で１０〜２０°とする。

［先行電極１と後行電極２の動作角γ：１０〜２０°］
本実施形態の溶接方法で対象としている火力発電用ボイラの火炉水冷壁の溶接では、溶接継手がすみ肉溶接に近いため、電極の動作角γが１０°よりも小さいと、ビードと鋼管３ａ及び平鋼３ｂとのなじみが不良となり、ビード形状が劣化する。一方、電極の動作角γが２０°よりも大きいと溶込みが浅くなる。よって、本実施形態の溶接方法では、先行電極１と後行電極２の動作角γを１０〜２０°とする。

［チップ母材間距離：１８〜２２ｍｍ］
チップ母材間距離が１８ｍｍよりも短いと、先行電極１と後行電極２のチップ先端同士が寄り過ぎて、接触する虞があり、これらが接触した場合、溶接中に短絡してしまうことも考えられる。一方、チップ母材間距離が２２ｍｍよりも長いと、ワイヤの狙い位置のコントロールが難しくなる。よって、本実施形態の溶接方法では、チップ母材間距離を１８〜２２ｍｍとする。

［溶融フラックスの塩基度Ｂ：０．６〜０．９］
溶融フラックスは、各組成原料を一旦溶融して製造されたものであり、短時間で溶融することから、高速溶接に適している。ただし、上記数式２により算出される塩基度Ｂが０．６未満の溶融フラックスを使用すると、ワイヤ合金成分の溶接金属への歩留まりが低下し、所定の溶接金属性能が得られない。一方、溶融フラックスの塩基度Ｂが０．９を超えると、ビード形状及びスラグ剥離性が劣化する。よって、本実施形態の溶接方法では、上記数式２により求められる塩基度Ｂが０．６〜０．９の範囲にある溶融フラックスを使用する。

以上、詳述したように、本実施形態の溶接方法は、ワイヤ径が１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍである２本電極を使用したタンデムサブマージアーク溶接であるため、１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎの高速溶接を行っても、十分な溶着金属量を確保することができる。また、本実施形態の溶接方法では、先行電極と後行電極の電流比、傾斜角度、前進角・後退角、動作角、チップ・母材間距離、電源極性、組み合わせる溶融フラックスの塩基度、母材の板厚及び溶接姿勢などの溶接条件を特定しているため、十分な溶接ビード幅及び溶込み深さ、良好なビード形状が得られ、良好な溶接品質が獲得できる。

その結果、ボイラの火炉水冷壁の溶接において、タンデムサブマージアーク溶接方法により、１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎの高溶接速度で、優れた溶接品質を得ることができる。本実施形態の溶接方法は、例えば、火力発電などに用いられるボイラの火炉水冷壁を、製造・補修する際に好適である。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。前述したように、ボイラ火炉壁を構成する鋼管や平鋼には、炭素鋼や低合金鋼が使用されているが、これらの材料間で溶接条件の違いはないことが知られているため、本実施例では炭素鋼を用いて以下の評価を行った。

本実施例においては、図１に示すように、先行電極１と後行電極２を送給ローラーにより連続的に送給すると共に、母材３上に溶接フラックス５を散布し、先行電極１及び後行電極２と母材３との間の空間を溶接フラックス５で満たした。そして、溶接フラックス５に埋没した状態で、先行電極１及び後行電極２と母材３との間に電圧を印加し、これらの間にアークを発生させてサブマージアーク溶接を実施した。

＜第１実施例＞
先ず、第１実施例として、電極ワイヤ径Ｄ、電極数、溶接電流（Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｔ）を変えて、サブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状を評価した。その際、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとし、溶接速度Ｓは２００ｃｍ／ｍｉｎ、アーク電圧は、先行電極１を２６Ｖ、後行電極２を２８Ｖとした。また、先行電極１の傾斜角度αは後退角で５°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１５°とし、これらの動作角γは１５°とした。更に、チップ母材管距離は２０ｍｍとし、溶接フラックスには塩基度Ｂが０．７の溶融フラックスを用いた。

また、ビード形状の評価は、良好のものを○、不整ビード又は外観不良が発生したものを×とした。また、アンダーカット発生状況は、アンダーカットが０．５ｍｍ未満のものを○、０．５ｍｍ以上のものを×とした。溶込み形状は、良好のものを○、溶け込みが浅かったり、溶落ちや幅が狭いなどの溶込み不良が発生したものを×とした。以上の結果を、下記表１に示す。

上記表１に示すように、電極数を１本にしてシングル溶接した比較例１，２，５，６，９，１０，１３，１４は、良好な溶接ビードが得られなかった。一方、本発明の範囲を超える３．２ｍｍのワイヤ径の電極を使用した比較例３では、先行電極１の溶接電流が高く、溶落ちが発生した。また、比較例４もワイヤ径が３．２ｍｍの電極を使用した例であるが、溶落ちを防ぐため、溶接電流を下げたところ、溶込み深さ、ビード幅及び余盛り高さのバランスが悪くなった。

比較例７，１１，１５は、ワイヤ径Ｄに対して、先行電極１の電流Ｉ_Ｌが高すぎて、凸ビードとなり、ビード形状不良であった。一方、比較例８、１２、１６は、先行電極１の電流Ｉ_Ｌが低すぎて、溶込み深さが不十分であった。また、比較例１７〜２１は、ワイヤ径Ｄが１．４ｍｍと本発明の範囲よりも細く、何れの溶接条件においても、良好な溶接ビードは得られなかった。

これに対して、実施例１〜９では、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。

＜第２実施例＞
次に、第２実施例として、溶接速度を変えてタンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状、高速溶接性について評価した。その結果を下記表２に示す。なお、本実施例においては、下記表２に示す条件以外は、前述した第１実施例と同様にした。また、下記表２に示す高速溶接性の評価は、ビード形状及び溶け込み形状が良好でかつアンダーカットが０．５ｍｍ未満のものを○、不整ビード若しくは外観不良が発生したもの、アンダーカットが０．５ｍｍ以上のもの、又は浅溶け込み、溶け落ち、狭ビード若しくは溶け込み不良が発生したものを×とした。

上記表２に示すように、実施例１０〜１３は、高速溶接であっても、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。これに対して、溶接速度Ｓが２００ｃｍ／ｍｉｎを超えている比較例２２，２３は、溶接速度が高すぎて、ビード形状が劣っていた。

＜第３実施例＞
次に、第３実施例として、先行電極１における溶接電流Ｉ_Ｌと、後行電極２における溶接電流Ｉ_Ｔとの比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）を変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状について評価した。その結果を下記表３に示す。なお、本実施例においては、下記表３に示す条件以外は、前述した第１実施例と同様にした。

上記表３に示すように、電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）が本発明の範囲よりも小さい比較例２４，２６，２８，３０は、ビード形状及び溶込み形状が不良となった。一方、電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）が本発明の範囲よりも大きい比較例２５，２７，２９，３１は、溶込み形状不良が発生した。これに対して、電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）が１．３〜１．８の範囲内の実施例１４〜２１は、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。

＜第４実施例＞
次に、第４実施例として、極間距離Ｇを変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状について評価した。その結果を下記表４に示す。なお、本実施例においては、溶接速度Ｓは１６０ｃｍ／ｍｉｎとし、その他下記表４に示した条件以外の溶接条件は、前述した第１実施例と同様にした。

上記表４に示すように、先行電極１と後行電極２の極間距離Ｇが本発明の範囲から外れている比較例３２〜３５は、ビード形状が不良となった。これに対して、極間距離Ｇが本発明の範囲内である実施例２２〜２５は、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。

＜第５実施例＞
次に、第５実施例として、溶接電圧を変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状について評価した。その際、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとし、ワイヤ径Ｄを１．６ｍｍ、溶接速度Ｓを２００ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極１の溶接電流Ｉ_Ｌは４４０Ａ、後行電極２の溶接電流Ｉ_Ｔは２８０Ａ、これらの電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．６とし、極間距離Ｇは７ｍｍとした。また、先行電極１の傾斜角度αは後退角で５°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１５°とし、これらの動作角γは１５°とした。更に、チップ母材管距離は２０ｍｍとし、溶接フラックスは塩基度Ｂが０．７の溶融フラックスを用いた。その結果を下記表５に示す。

上記表５に示すように、先行電極１又は後行電極２の電圧が低い比較例３６，３８は、アーク不安定で、ビード形状不良などの不具合が発生した。一方、先行電極１又は後行電極２の電圧が高すぎる比較例３７，３９では、アンダーカットなどの不具合が発生した。これに対して、先行電極１のアーク電圧及び後行電極２のアーク電圧が、いずれも本発明の範囲内である実施例２６〜２９は、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。

＜第６実施例＞
次に、第６実施例として、先行電極１と後行電極２の極性を変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状について評価した。その際、ワイヤ径Ｄを１．６ｍｍ、溶接速度Ｓを１６０ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極１の溶接電流Ｉ_Ｌは４４０Ａ、後行電極２の溶接電流Ｉ_Ｔは２８０Ａ、これらの電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．６とし、極間距離Ｇは９ｍｍとした。

また、アーク電圧は、先行電極１を２６Ｖ、後行電極２を２８Ｖとし、先行電極１の傾斜角度αは後退角で５°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１５°、これらの動作角γは１５°とした。更に、チップ母材管距離は２０ｍｍとし、溶接フラックスは塩基度Ｂが０．７の溶融フラックスを用いた。その結果を下記表６に示す。

上記表６に示すように、先行電極をＤＣＥＰ、後行電極をＡＣにした実施例３０を除き、先行電極と後行電極の極性をそれぞれＤＣＥＰとＡＣにしなかった比較例４０〜４２はいずれもビード形状が不良となった。

＜第７実施例＞
次に、第７実施例として、先行電極１と後行電極２の傾斜角度α，β及び動作角γを変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、アンダーカットの発生状況、溶け込み形状について評価した。その際、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとし、ワイヤ径Ｄを１．６ｍｍ、溶接速度Ｓを２００ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極１の溶接電流Ｉ_Ｌは４４０Ａ、後行電極２の溶接電流Ｉ_Ｔは２８０Ａ、これらの電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．６とし、極間距離Ｇは７ｍｍとした。

また、アーク電圧は、先行電極１を２６Ｖ、後行電極２を２８Ｖとし、チップ母材管距離は２０ｍｍとし、溶接フラックスは塩基度Ｂが０．７の溶融フラックスを用いた。その結果を下記表７に示す。

上記表７に示すように、先行電極１の後退姿勢の傾斜角度αが大きい比較例４３は、ビード形状不良となった。後行電極２の前進姿勢の傾斜角度βが小さい比較例４４は、良好な溶接ビードが得られなかった。一方、後行電極の傾斜角度βが大きい比較例４５は、ビード形状不良となった。また、先行電極１と後行電極２の動作角γが小さい比較例４６は、良好なビードが得られなかった。一方、また、先行電極１と後行電極２の動作角γが大きい比較例４７は、溶込み不良となった。

これに対して、先行電極１の後退姿勢の傾斜角度α、後行電極の傾斜角度β、先行電極１と後行電極２の動作角γの全てが、本発明の範囲内である実施例３１〜３９は、ビード形状、アンダーカット及び溶込み形状のいずれも優れていた。

＜第８実施例＞
次に、第８実施例として、チップ母材間距離を変えて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状について評価した。その際、ワイヤ径Ｄを１．６ｍｍ、溶接速度Ｓを２００ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極１の溶接電流Ｉ_Ｌは４４０Ａ、後行電極２の溶接電流Ｉ_Ｔは２８０Ａ、これらの電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．６とし、極間距離Ｇは７ｍｍとした。

また、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとし、アーク電圧は、先行電極１を２６Ｖ、後行電極２を２８Ｖとし、溶接フラックスは塩基度Ｂが０．７の溶融フラックスを用いた。更に、先行電極１の傾斜角度αは後退角で５°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１５°とし、これらの動作角γは１５°とした。その結果を下記表８に示す。

上記表８に示すように、チップ母材間距離が短い比較例４８は、所定の極間及びトーチの傾斜角度を確保するために、先行電極のチップと後行電極のチップが寄り過ぎて、溶接中にチップ同士が接触して溶接中止し、連続ビードとならなかった。一方、チップ母材間距離が長い比較例４９は、溶接中にワイヤの狙い位置が変わって、ビード形状不良となった。これに対して、チップ母材間距離が本発明の範囲内である実施例４０，４１では、良好なビード形状が得られた。

＜第９実施例＞
次に、第９実施例として、塩基度が異なる溶融フラックスを用いて、タンデムサブマージアーク溶接を行い、ビード形状、スラグ剥離製、ワイヤ化学成分の歩留まりについて評価した。その際、先行電極１の極性をＤＣＥＰ、後行電極２の極性をＡＣとし、ワイヤ径Ｄを１．６ｍｍ、溶接速度Ｓを２００ｃｍ／ｍｉｎ、先行電極１の溶接電流Ｉ_Ｌは４４０Ａ、後行電極２の溶接電流Ｉ_Ｔは２８０Ａ、これらの電流比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）は１．６とし、極間距離Ｇは７ｍｍとした。

また、アーク電圧は、先行電極１を２６Ｖ、後行電極２を２８Ｖとし、チップ母材管距離は２０ｍｍとした。更に、先行電極１の傾斜角度αは後退角で５°、後行電極２の傾斜角度βは前進角で１５°、これらの動作角γは１５°とした。その結果を下記表９に示す。なお、下記表９に示すスラグ剥離性は、良好なものを○、不良のものを×として評価した。また、ワイヤ化学成分の歩留まりは、ワイヤ合金成分であるＣｒの溶接金属へ歩留まり率が８０％以上を○、８０％未満を×として評価した。なお、ここでいう「Ｃｒの歩留まり率」は、下記数式３により算出される値である。

上記表９に示すように、塩基度Ｂが低い溶融フラックスを使用した比較例５０は、ビード形状及びスラグ剥離性は良好であったが、Ｃｒの歩留まり率が低く、ワイヤ化学成分の溶着金属中への歩留まりが悪かった。一方、塩基度Ｂが高い溶融フラックスを使用した比較例５１は、ビード形状及びスラグ剥離性も不良となった。これに対して、塩基度Ｂが本発明の範囲内である溶融フラックスを使用した実施例４２，４３は、良好なビード形状が得られ、スラグ剥離性及びワイヤ化学成分の溶着金属中への歩留まりも優れていた。

なお、本実施例では、鋼管３ａ及び平鋼３ｂのいずれも炭素鋼を用いているが、低合金鋼を用いた評価でも、同様の結果が得られた。

１、２ 電極
３ 母材
３ａ 鋼管
３ｂ 平鋼
４ ホッパー
５ 溶接フラックス
６ａ 溶融金属
６ｂ ビード（溶接金属）
７ａ スラグ
７ｂ 凝固スラグ
ｘ 溶接方向
α、β 傾斜角度
γ 動作角
Ｇ 電極間距離

Claims (2)

1. 電極ワイヤの直径Ｄ：１．６ｍｍ、２．０ｍｍ又は２．４ｍｍ、
   溶接速度Ｓ：１６０〜２００ｃｍ／ｍｉｎ、
   先行電極の電流Ｉ_Ｌ：（１００×Ｄ＋２００）〜（１００×Ｄ＋３２０）Ｖ、
   先行電極の電流Ｉ_Ｌと後行電極の電流Ｉ_Ｔとの比（Ｉ_Ｌ／Ｉ_Ｔ）：１．３〜１．８、
   先行電極の傾斜角度α：後退角で０〜１０°、
   後行電極の傾斜角度β：前進角で１０〜２０°、
   先行電極と後行電極の動作角γ：１０〜２０°、
   先行電極と後行電極との距離Ｇ：（５Ｄ−２）〜（５Ｄ＋１）ｍｍ、
   先行電極のアーク電圧：２４〜２８Ｖ、
   後行電極のアーク電圧：２８〜３２Ｖ、
   チップ母材間距離：１８〜２２ｍｍ、
   先行電極の極性を直流ワイヤプラス、
   後行電極の極性を交流とし、
   ＣａＯ、ＣａＦ_２、ＭｇＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＭｎＯ、ＦｅＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の含有量（ｍｏｌ％）を、それぞれ［ＣａＯ］、［ＣａＦ_２］、［ＭｇＯ］、［ＢａＯ］、［Ｎａ_２Ｏ］、［Ｋ_２Ｏ］、［ＭｎＯ］、［ＦｅＯ］、［ＳｉＯ_２］、［Ａｌ_２Ｏ_３］、［ＴｉＯ_２］及び［ＺｒＯ_２］としたとき、下記数式（Ｉ）から算出される塩基度Ｂが０．６〜０．９の範囲にある溶融フラックスを用いて、
   肉厚が４．５ｍｍ以上で外径が２５．４ｍｍ以上の鋼管の外面と、板厚が４．５ｍｍ以上の平鋼とを、前記平鋼の長手方向に水平すみ肉姿勢で溶接するタンデムサブマージアーク溶接方法。
   

   
2. 前記鋼管及び／又は前記平鋼は、炭素鋼又は低合金鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のタンデムサブマージアーク溶接方法。

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