JP2014124688A - エレクトロガスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接材である鋼板が溶接線を軸に開先裏面側に向け山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接において、鋼板の仮組み精度が多少悪くても、裏ビードに溶接欠陥を生じることなく溶接できるようにすることを課題とする。
【解決手段】被溶接材である鋼板が、溶接線を軸に開先裏面側を内側にして、角度θｗ：１４０〜１７０°の範囲で山型に折れ曲がって配置された立向突合せ溶接継手を、開先裏面側に固定裏当材を、表面側に水冷摺動銅当金をそれぞれ配置し、消耗電極を用いて溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、前記固定裏当材の前記鋼板に対向する面の内側角度θｂが（θｗ−２８）度〜（θｗ−２）度に形成された固定裏当材を配置して溶接を行うことを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、エレクトロガスアーク溶接方法に関するものであり、特に、被溶接材である鋼板が、溶接線を軸に開先裏面側に向けて山型に折れ曲がって配置された立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接方法に関するものである。

エレクトロガスアーク溶接法は、特許文献１に示されるような高能率な自動溶接法であり、造船，エネルギー産業および建築等の大型構造物の溶接施工に広く採用されている。
エレクトロガスアーク溶接法は、図５（ａ）、（ｂ）にその概要を示すように、垂直に立てられた隣り合う２枚の鋼板１、１により形成される開先２に対し、開先の裏面に固定裏当材（以下、裏当材と略記する。）３を配置し、表面には水冷摺動銅当金４を当てて、裏当材３、摺動銅当金４および鋼板１、１で囲まれた空間に溶接トーチ５の先端を挿入し、溶接トーチ５から前記空間に消耗電極である溶接ワイヤ７を連続的に供給して、溶融プール８と溶接ワイヤ７間に発生するアークの熱により溶接ワイヤ７を溶融し、溶接金属９を形成して溶接する溶接法である。

溶接中は、水冷摺動銅当金４の上部に設けられたシールドガスフード６内に、シールドガス供給用パイプ１２からシールドガスを供給して、前記空間を大気から遮断しブローホールの無い健全な溶接金属を形成するようにされる。また、摺動銅当金４内には、冷却水供給用パイプ１１より冷却水が供給される。

溶接にあたっては、水冷摺動銅当金４および溶接トーチ５を溶接台車（図示せず）に搭載させ、溶接の進行により上昇する溶融プール８の上面に合わせて、溶接トーチ５と水冷摺動銅当金４を順次上昇させる。溶接に伴い溶融プール８上には溶融スラグ１０が生成する。溶融スラグ１０は、溶接ビード表面と水冷摺動銅当金４のビード形成溝１３の間から適宜排出され、溶接ビード表面を覆いながら凝固して溶接ビードの外観を良好にする。また、裏当材３は、裏側からの溶融金属の漏れ落ちを防止するとともに、良好な裏ビードを形成する。
なお、図５では、鋼板１と裏当材３の間にガラステープ１５を介在させた例を示したが、ガラステープ１５を介在させずに裏当材を直接鋼板に取り付けることもできる。

図５に示すような通常の突合せ溶接継手では、フラットな鋼板を同一平面上に配置して溶接が行われるため、裏当材３の鋼板に対向する面（以下、対向面という）１６の形状については平面に対応した形状となっていた。
近年では、特許文献２に開示されているような、大型の円筒体を縦方向に分割した形状の長尺板材を用意し、それを順次突合せ溶接して大型の円筒体を製造する需要が生じており、そのような溶接においては、鋼板１、１を、溶接線を軸に開先裏面側を内側にして、山型に折れ曲がった状態に配置して溶接し、図１に示すように、内側角度θｗ：１４０〜１７０°で折れ曲がった立向突合せ溶接継手を形成するような場合が生じてきた。

特開平１１−２８５８２６号公報 特開２０１１−１１５８２９号公報

図１に示すような山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手をエレクトロガスアーク溶接により形成するには、通常、図２に示すような、鋼板側が傾斜した対向面１６とされ、対向面１６の間に裏ビード余盛用の凹部１７を形成した裏当材３を用い、図３（ａ）裏当材を鋼板面に当接するように配置して溶接が行われる。
通常は、裏当材の対向面１６、１６間の内側角度（対向面内側角度）θｂは、継手の折れ曲がり角度θｗと同等になるようして、裏当材３と鋼板１の間にすき間が形成されないようにしている。

しかし、実際の溶接では、継手の折れ曲がり角度θｗを設計値どおりの精度で鋼板を仮組することはかなり困難であり、折れ曲がり角度θｗが設計値よりも小さくなって、裏当材の対向面内側角度θｂ（以下、裏当材の角度θｂと略記する。）よりも小さくなると、図３（ｂ）のように鋼板１の表面と裏当材の対向面１６との間に隙間ができ、溶接後の裏ビードにオーバーラップが生じるようになる。
そこで、本発明は、被溶接材である鋼板が溶接線を軸に開先裏面側に向け山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接において、鋼板の仮組み精度が多少悪くても、裏ビードに溶接欠陥を生じることなく溶接できるようにすることを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。その結果、従来のように、裏当材の鋼板対向面全体を鋼板面に当接させるのではなく、裏ビード余盛用の凹部の角部を鋼板面に当接させるようにすれば、裏当材の鋼板対抗面との間にすき間が形成されず、溶融金属の漏れやオーバーラップの形成なく溶接が可能であることを見出して、本発明をなした。
そのような本発明の要旨は以下の通りである。

（１） 被溶接材である鋼板が、溶接線を軸に開先裏面側を内側にして、角度θｗ：１４０〜１７０°の範囲で山型に折れ曲がって配置された立向突合せ溶接継手を、開先裏面側に固定裏当材を、表面側に水冷摺動銅当金をそれぞれ配置し、消耗電極を用いて溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、前記固定裏当材の前記鋼板に対向する面の内側角度θｂが（θｗ−２８）度〜（θｗ−２）度に形成された固定裏当材を配置して溶接を行うことを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。

（２） 前記固定裏当材がセラミックス製であることを特徴とする上記（１）に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
（３） 前記固定裏当材が銅製であることを特徴とする上記（１）に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
（４） 鋼板面と前記固定裏当材の間にガラステープを配置することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
（５） 開先表側に配置される前記水冷摺動銅当金として、鋼板面に当接する面が同一平面上に形成された当金を用いることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
（６） 前記消耗電極がフラックス入りワイヤであることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れかに記載のエレクトロガスアーク溶接方法。

被溶接材である鋼板が溶接線を軸に開先裏面側に向け山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接において、鋼板に対向する面の内側角度θｂが（θｗ−２８）度〜（θｗ−２）度に形成された固定裏当材を配置して溶接を行うことにより、鋼板の仮組み精度が多少悪くても、裏ビードに溶接欠陥を生じることなく溶接することができる。

被溶接材である鋼板が溶接線を軸に開先裏面側に向けて山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手を示す図である。 山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手をエレクトロガスアーク溶接によって形成する際に使用する固定裏当材を示す図である。 鋼板の折れ曲がり角度θｗと裏当材の対向面角度θｂの関係が異なる場合の鋼板と裏当材の態様を示す図であり、（ａ）はθｂ＝θｗ、（ｂ）はθｂ＞θｗ、（ｃ）はθｂ≦θｗ、（ｄ）はθｂ＜θｗ−２８度の場合をそれぞれ示す。 山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接の概要を示す図である。 一般的な立向突合せ溶接継手のエレクトロガスアーク溶接の概要を示す図である。

立向のエレクトロガスアーク溶接においては、溶融金属が継手の形状に合わせた形状の裏当材を用いて溶接が行われる。図１に示すような、開先裏面側に向けて山型に折れ曲がった立向突合せ溶接継手を溶接する場合には、通常、図２に示すような、裏当材３の角度θｂを、継手の折れ曲がり角度θｗと同様の角度に形成した裏当材３が用いられる。

その場合、溶接するために２枚の鋼板を開先を挟んで、所定の角度に仮組みした場合の精度（仮組み精度）が±０度ならば、図３（ａ）に示すようにθｂ＝θｗとすることで特に問題は生じない。しかし、実際には仮組み精度を±０度とすることはかなり困難である。開先精度が悪くてθｂ＞θｗになるときには、裏当材の取付け面と鋼板表面との間に、図３（ｃ）に示すようなすき間が生じて裏ビードがオーバーラップになる。
したがって、開先精度を考慮すると、θｂ＝θｗとしたのでは溶接欠陥の発生を防止できない場合が生じるし、θｂ＞θｗでは、オーバーラップが発生しやすくなるので適当でない。

本発明者は、対向面１６全体を鋼板面に当接させるのではなく、裏ビード余盛用の凹部１７の角部１８（図２参照）を鋼板面に当接させるようにすれば、裏当材の鋼板対抗面との間にすき間が形成されず、溶融金属の漏れやオーバーラップの形成なく溶接が可能であるのではないかと考え、この考えのもとに裏当材の形状について検討した。

裏ビード余盛用の凹部１７の角部１８を鋼板面に当接させるようにするためには、図３（ｂ）に示すように、裏当材の角度θｂ＜鋼板間の角度θｗとする必要がある。
そこで、まず、（θｗ−θｂ）の値が−２〜３２度となるような範囲で、様々な対向面内側角度θｂを有する裏当材を作成し、この作成した裏当材を図４に示すようにセットして、折れ曲がり角度θｗで配置された鋼板の立向のエレクトロガスアーク溶接を行い、θｂ＜θｗとすることの有効性について確認した。なおその際、表面側の摺動銅当金としては、図４に示す、鋼板に当接する面が同一平面上に配置されるフラットなものを用いた。

結果を表１に示すが、（θｗ−θｂ）の値が０度〜３０度の範囲にわたって良好な裏ビードが形成される結果が得られ、図３（ｂ）のように裏ビード余盛用の凹部の角部を鋼板面に当接させるようにすることの有効性が確認された。また、θｂ＞θｗでは図３（ｃ）のようになり、裏ビードにオーバーラップが発生すること、図３（ｄ）のようにθｂがθｗに対して過度に小さくなると溶融金属が漏れるようになることも確認された。

以上の実験により、
０度≦（θｗ−θｂ）≦３０度
の範囲において、良好な結果が得られたので、次に、実際の鋼板間の角度θｗａが設計値θｗよりずれてセットされた場合でも、常にθｂ≦θｗａになり、かつ、θｂ≧θｗａ−３０度になるようにすることについて検討した。
その結果、（θｗ−２８）度≦θｂ≦（θｗ−２）度、とすればよいことを見出した。

すなわち、本発明者らが実際の鋼板の仮組み精度を調査した結果、仮組みした鋼板の折れ曲がり角度は、調査した範囲では設計値の±２度の範囲内にほぼ収まることが確認された。
このことより、裏当材の角度θｂを継手の折れ曲がり角度の設計値θｗより２度小さな値、すなわち、θｂ＝（θｗ−２）度とすることにより、実際の鋼板間の角度θｗａ＝設計値θｗ−２度のような場合であっても、θｂ＝θｗａとなるため、θｂの上限としては、オーバーラップを生じない限度として（θｗ−２）度とした。よりオーバーラップを防止する観点からは、上限は、（θｗ−３）度が好ましい。
また、θｂの下限としては、溶融金属が漏れない限度として、表１より同様に（θｗ−２８度）とした。

次に、開先表面側の摺動銅当金についても検討した。
摺動銅当金としても、鋼板の折れ曲がり角度に合わせて、鋼板に当接する面１４が傾斜した形状とすることが一般的であるが、その場合には、鋼板の仮組み精度との関係で、裏当材と同様の問題が生じることが予想される。

そこで、摺動銅当金の鋼板当接面の形状を検討した結果、摺動銅当金としては、従来の同一平面上に配置された鋼板を溶接するときに使用する摺動銅当金、すなわち、図４に示すように、摺動銅当金の鋼板に当接する面が同一平面上に形成されるものを用いることにより、裏当材の場合と同様な問題を解決できることを見出した。

開先裏面側を内側にして、折れ曲がるように鋼板が配置された場合には、鋼板の角部が開先表面側に突出するようになり、摺動銅当金４の鋼板当接面１４の角部１９を鋼板端部付近の表面に、図４に示すように当接することができる。それによって、裏当材と同様に鋼板１と摺動銅当金４の間から溶融金属が漏れるのを防止することができる。
このようにすれば、折れ曲がり角度θｗの異なる溶接継手に対して、それぞれに対応した摺動銅当金を準備する必要がなく、経済的に有利となる。

以上が、開先裏面側を内側にして折れ曲がった溶接継手をエレクトロガスアーク溶接するのに用いる裏当材と摺動銅当金の基本的な態様であるが、さらに好ましい態様について説明する。

立向のエレクトロガスアーク溶接では、裏当材として、溶接後に裏ビードから簡単に剥がすことができるセラミックス製の裏当材を用いて裏ビードを形成させるようにするのが一般的であるが、銅製の裏当材を使用しても、セラミックス製と同じく、良好な裏ビードを形成させることが出来る。
銅製の裏当材は、繰返し使用できるので経済的であるが、非常に重いことや、裏当材内部に通水穴を設け水冷させることが多いので冷却水の引き込みが必要であることなどの欠点がある。これに対し、セラミックス製の裏当材は銅製裏当材に比べ軽量であるため作業性がよく、より好適に使用できる。
なお、裏当材を鋼製にすると、鋼製裏当材と母材が溶接され、そのまま裏当材が残ることになるが、鋼製裏当材と母材鋼板間の隙間が疲労破壊の起点となりうるので、構造物によっては利用することができない。

以上の説明で、裏当材をガラステープを介さないで鋼板に当接させる例を示したが、ガラステープを使用することにより、ビード表面が滑らかになるので好ましい。また、突合せる鋼板に目違いがあり、鋼板と裏当材に隙間が生じるようなときに溶融金属の漏れをある程度防ぐことが出来る。
本発明では、θｗ−２８度≦θｂ≦θｗ−２度、である形状の裏当材を使用する。このため、裏ビード余盛用の凹部１７の角部を鋼板面に当接させることにより、溶融金属が漏れないようにしているが、θｂの角度がθｗに対して小さくなってくると、溶融金属が漏れやすくなってくるので、ガラステープを使用することで、より効果的に漏れを防止できる。

本発明で前提とするエレクトロガスアーク溶接法に関し、溶接条件や使用する消耗電極（溶接ワイヤ）の条件などの溶接自体の条件は通常の条件でよく、特定の条件を必要とするものではないが、用いる溶接ワイヤとしては、フラックス入りワイヤが好ましい。ソリッドワイヤでも溶接することができるが、フラックス入りワイヤを使用することにより、溶接時に生成するスラグが表ビード外観を滑らかにすることができる。

本発明は、以上のように構成されるものであるが、以下、さらに実施例を提示して、本発明の実施可能性や効果についてさらに説明する。

表２に示す２枚の鋼板を、同じく表２に示す開先形状になるように、設計値θｗで折れ曲がって突合せ配置し、１ｍの溶接線長さを有する溶接試験体Ｎｏ．１〜２０を準備し、溶接試験体Ｎｏ．１〜１０にはθｂ＝θｗとした固定裏当材Ａをセットし、溶接試験体Ｎｏ．１１〜２０にはθｂ＝θｗ−３度とした固定裏当材Ｂをセットした。ワイヤは、JIS Z 3319 YFEG-11C（ワイヤ径1.6mm）を用いた。次いで、各溶接試験体の開先表側に、図４に示す摺動銅当金の鋼板に当接する面が同一平面上に形成された摺動銅当金を押し当てて、表３に示す溶接条件にてエレクトロガスアーク溶接を実施した。溶接後に各試験体の実測折れ曲がり角度θｗａを計測し、θｗａとθｂの差分と裏のビードの状況を調べた。

結果を表４および表５に示すが、固定裏当材Ａを用いた場合には、θｂ＞θｗａ、すなわち（θｂ−θｗａ）≧０度となった場合、裏ビードにオーバーラップが見られた。これに対し、固定裏当材Ｂを用いた場合には、いずれの場合にも裏ビードのオーバーラップが見られなかった。

長尺板材を順次突合せ溶接して大型の円筒体を製造するための好適な溶接法を提供でき、大型の円筒体の需要に応えることができるので、産業上の利用可能性は大きいものである。

１ 鋼板
２ 開先
３ 裏当材
４ 水冷摺動銅当金
５ 溶接トーチ
６ シールドガスフード
７ 溶接ワイヤ
８ 溶融プール
９ 溶接金属
１０ 溶融スラグ
１１ 冷却水供給用パイプ
１２ シールドガス供給用パイプ
１３ 摺動銅当金のビード形成溝１３
１４ 摺動銅当金の鋼板への当接面
１５ ガラステープ
１６ 裏当材の鋼板に対向する対向面
１７ 裏ビード余盛用の凹部
１８ 凹部１７の角部
１９ 摺動銅当金の当接面の角部

Claims (6)

1. 被溶接材である鋼板が、溶接線を軸に開先裏面側を内側にして、角度θｗ：１４０〜１７０°の範囲で山型に折れ曲がって配置された立向突合せ溶接継手を、開先裏面側に固定裏当材を、表面側に水冷摺動銅当金をそれぞれ配置し、消耗電極を用いて溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、
   前記固定裏当材の前記鋼板に対向する面の内側角度θｂが（θｗ−２８）度〜（θｗ−２）度に形成された固定裏当材を配置して溶接を行うことを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。
2. 前記固定裏当材がセラミックス製であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
3. 前記固定裏当材が銅製であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
4. 鋼板面と前記固定裏当材の間にガラステープを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
5. 開先表側に配置される前記水冷摺動銅当金として、鋼板面に当接する面が同一平面上に形成された当金を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
6. 前記消耗電極がフラックス入りワイヤであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。

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