JP2014217855A - サブマージアーク溶接による厚板鋼板の多層盛溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極厚鋼板の角接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接しても溶接欠陥の生じにくい溶接手法を確立する。【解決手段】肉厚６０mmを越える極厚鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成するにあたり、初層溶接後スラグを残置した状態で該溶接線の上面をグラスファイバー製断熱材で被覆して所定時間保温し、その保温時間経過後第２層溶接を行い、その後溶接が終了した後、一定時間経過後に次層溶接を行う。【選択図】 なし

Description

本発明は、鉄骨、橋梁等の鋼構造物に使用される板厚６０mmを越える厚板鋼板製柱状体を製作する場合に使用されるサブマージアーク溶接に関し、さらに詳しくは、スキンプレートの角溶接部分をサブマージアーク溶接を使用して多層盛溶接する方法に関する。

近年、鋼構造物を用いた建築物の高層化に伴い、厚板鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成することが盛んに行われるようになっている。

特開平１１−１３８２６７号公報

ところが、ボックス状に組んだ極厚鋼板の角接合部をサブマージアーク溶接を使用して多層盛溶接し、柱状鉄骨とする場合、溶接金属の引っ張り特性に問題があることがある。
これは、多層溶接時においても溶接金属内に発生した溶接欠陥(低温割れ)の発生が引っ張り強度に悪影響を及ぼしているものと推測される。

本発明は、このような点に着目して、ボックス状に組んだ極厚鋼板の角接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接しても溶接欠陥の生じにくい溶接手法を確立することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、サブマージアーク溶接で角溶接部の初層溶接をした後、所定時間断熱材でワーク全体を被覆して保温することで、溶接金属内の拡散性水素量の低減化を促し、第２層以降に生じ易い低温割れを防止すようにしたことを特徴としている。

本発明では、板厚６０mmを越える極厚鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成するにあたり、初層溶接後に初層溶接個所で間スラグを残置した状態でワーク全体をグラスファイバー製断熱材で被覆し、溶接終了後所定時間経過後、第２層溶接を行い、以後溶接終了後一定時間経過後次層溶接を行うようにしたことを特徴としている。

本発明では、初層溶接後スラグを除去することなく、さらにワーク全体をグラスファイバー製断熱材で被覆して、溶接部分を自後熱効果で保温するようにしていることから、多層溶接時に溶接金属内に発生する溶接欠陥(低温割れ)発生を防止することができる。特に溶接部の温度管理が面倒な長尺の厚板鋼板製柱状体の溶接に効果が見られる。

サブマージアーク溶接による厚板鋼板の多層盛溶接方法を適用する試験材を示す正面図である。 溶接部での各パスでの溶着金属の状態を示す正面図である。 本発明方法を適用している状態での試験材の正面図である。 溶接時の温度履歴を測定する温度測定点位置を示す図である。 初層温度履歴を示す図である。 各試験体の溶接部での縦断面のマクロ写真であり、(ａ)は試験体Ｓ８Ｎ、(ｂ)は試験体Ｓ８Ｓ、(ｃ)は試験体Ｓ８Ｉの断面である。 各試験体の溶接部での斜め縦断面のマクロ写真であり、(ａ)は試験体Ｓ８Ｎ、(ｂ)は試験体Ｓ８Ｓ、(ｃ)は試験体Ｓ８Ｉの断面である。 マクロ試験に使用する斜め縦断面を示す斜視図である。 試験体Ｓ８Ｎの溶接断面をピクリン酸腐食した後のマクロ写真であり、(ａ)は試験体Ｓ８Ｎの斜め縦断面、(ｂ)は試験体Ｓ８Ｎの縦断面である。 引張試験の結果を示すグラフである。 衝撃試験の結果を示すグラフである。

本発明は、板厚６０mm以上の厚肉鋼板を箱型に組み付け、その接合部をサブマージアーク溶接(ＳＡＷ)の多層溶接を用いて接合するに当たり、ＳＡＷ溶接で第１層(初層)溶接のあとスラグを除去することなく、ワーク全体を断熱材で被覆保温するようにしたものである。

溶接母材として、板厚８０mmの２枚のＳＡ４４０Ｃ鋼製のスキンプレート(１)(２)を図１に示すようにＬ型に配置し、その当接部分の外面側に開先(３)を形成し、この開先部分の内側に裏当て金(４)として２５mm角のＳＮ４９０Ｂ材を配置したものを試験材とし、タンデムサブマージアーク溶接機を使用して、図２に示すように、３層４パス仕上げで溶接を行った。図中符号(５)は拘束板、符号(６)は拘束板に設けた貫通孔である。

この３層４パス仕上げで溶接の溶接条件を表１に示す。

本発明に係る溶接方法にあっては、図３に示すように各パス施工後に、次パス施工までフラックス(７)及びスラグ(８)を回収せず、ワーク全体を断熱材(９)で包被して保温した。そして、本発明の実施形態では、１パス目の溶接終了後６時間経過、あるいは溶接部近傍個所でのワークの温度が１００℃以下となった時点で２パス目の溶接を行い、３パス目以降は、前のパスでの溶接終了２時間経過後に次パスの溶接を行った。以下、この溶接方法での試験体をＳ８Ｉという。

厚板鋼板製柱状体を製作する従来のサブマージアーク溶接方法は、各パス施工後に、次直ちにフラックス及びスラグを回収する。１パス終了後に溶接部近傍個所でのワークの温度が２５０℃以下になった時点で次のパスの溶接を行い、この操作を繰り返す。以下、この溶接方法での試験体をＳ８Ｎという。

また、厚板鋼板製柱状体を製作する異なるサブマージアーク溶接方法として、各パス施工後、フラックス及びスラグを回収せず次パス施工までそのままとし、１パス目の溶接終了後６時間経過、あるいは溶接部近傍個所でのワークの温度が１００℃以下となった時点で２パス目の溶接を行い、３パス目以降は、前のパスでの溶接終了２時間経過後に次パスの溶接を行った。以下、この溶接方法での試験体をＳ８Ｓという。

各溶接方法で角溶接する際の温度履歴測定する測定点の配置を図４に示す。この測定点は各試験体１体につき、溶接線に沿う方向でのウエブ側スキンプレート(１)の端部から表面側１００mm位置と５５０mm位置、溶接線と直交する方向での表面側開先端から２０mmの位置、２００mm位置及び裏面側でのウエブ側スキンプレート(１)での開先端から２０mm対応位置、フランジ側スキンプレート(２)では、角部から４０mm位置及び１００mm位置の計１０箇所とし、溶接開始から次溶接まで１０秒間隔で測定した。

各パスでの溶接施工後にワークを断熱材で被覆するＳ８Ｉ試験体と各パス施工後にフラックス及びスラグを回収しないＳ８Ｓ試験体での、ウエブ側スキンプレート(１)の端部から表面側５５０mm位置でかつ、フランジ側角部から４０mm位置の測定点において、１５０℃以上の温度維持時間に初層で約１.７倍、時間にして約５０分の違い、トータルでは、約１.４倍、時間にして約８０分の違いが見られた。

各パスでの溶接施工後にワークを断熱材で被覆するＳ８Ｉ試験体と各パス施工後にフラックス及びスラグを回収しないＳ８Ｓ試験体での、ウエブ側では溶接線と直交する方向での表面側開先端から２０mmの位置でかつ、フランジ側角部から４０mm位置の測定点において、１５０℃以上の温度維持時間に初層で約１.４倍、時間にして約３５分の違い、トータルでは、約１.５倍、時間にして約１００分の違いが見られた。

各パスでの溶接施工後にワークを断熱材で被覆するＳ８Ｉ試験体での測定点別の温度履歴の比較では、溶接線と直交する方向での表面側開先端から２００mm位置で低い温度履歴となったが、それ以外の溶接近傍部(２０〜６０mmの範囲)で１５０℃維持時間に特に大きな差異は見られなかった。このことから、ボックスフランジの溶接部端(ウエブ表面側開先端から２０mm位置、及びフランジ側角部から４０mm位置)の温度を管理することが自後熱効果の確認に有効であることが判明した。

各パスでの溶接施工後にワークを断熱材で被覆するＳ８Ｉ試験体、各パス施工後にフラックス及びスラグを回収しないＳ８Ｓ試験体、各パスでの溶接施工後にフラックス及びスラグを回収するＳ８Ｎ試験体それぞれの各パス施工後に１００℃を保持する時間および１５０℃を保持する時間を、溶接線に沿う方向でのウエブ側スキンプレート(１)の端部から表面側１００mm位置でかつ、フランジ側角部から４０mm位置の測定点において測定した結果を表２に示す。

そして、初層の温度履歴を図５に示す。
この温度履歴から、ワークを断熱材で被覆するＳ８Ｉ試験体はフラックス及びスラグを回収しないＳ８Ｓ試験体や溶接施工後にフラックス及びスラグを回収するＳ８Ｎ試験体に比べてワーク温度を長時間保持できることが確認できた。

図６、図７及び図９は各試験体の溶接部のマクロ写真を示す。図６は各試験体の溶接部での縦断面のマクロ写真、図７は各試験体の溶接部での斜め縦断面のマクロ写真であり、それぞれ(ａ)は試験体Ｓ８Ｎ、(ｂ)は試験体Ｓ８Ｓ、(ｃ)は試験体Ｓ８Ｉの断面の結果である。
ここで斜め縦断面とは図８に示すように、溶接線に沿って深さ方向に変化する傾斜面で切断した縦断面である。

このマクロ写真から、試験体Ｓ８Ｎでは図６(ａ)及び図７(ａ)に示すように丸で囲った部分に目視による割れがみられた。斜め断面マクロで、割れの幅は１５mm程度、深さは２０〜２５mmの位置に相当した。また、縦断面マクロによると割れは、深さ１５mm〜２５mmの位置で発生し、約３０mmのピッチで発生していた。Ｓ８Ｓの試験体及びＳ８Ｉの試験体では割れは確認できなかった。

Ｓ８Ｎの試験体の割れについて、より詳細な割れ位置を確認する目的でピクリン酸腐食によるマクロ試験を実施した。ピクリン酸腐食では、各パスの凝固組織が明確に確認できる特徴があり、割れの起点が溶接金属部(DEPO)または熱影響部(HAZ)へ侵入しているのかを確認した。

図９に示すピクリン酸腐食によるマクロ試験の結果によると、割れは３パス目の境界部近傍から発生していることが予測され、この割れは２パス目の熱影響部(１パス溶接金属内)と溶接金属部、及び３パス目の溶接金属部へと進展していることが分かる。

各試験体の溶着金属をＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して引張試験を行った。試験試料は、各試験体の溶着金属でのスキンプレート上面から１０mmの位置(Ｕ)、２５mm(Ｍ)の位置、４０mm(Ｌ)の位置で各々２本形成した。引張試験の結果を図１０に示す。

保温を実施していないＳ８Ｎ試験体では、上部から２５mm(ＮＴＭ１・ＮＴＭ２)の位置の試験片に割れが確認された。一方、スラグ保温を実施しているＳ８Ｓ試験体では、上部から４０mm(ＳＴＬ１・ＳＴＬ２)の位置の試験片で早期に破断が生じ引張耐力が目標性能を満足しない試験体が確認された。
これに対して断熱材保温を施したＳ８Ｉ試験体では、他の試験体に比較して、いずれも高い耐力値を示した。

各試験体の溶接接続部での金属に対し、JIS Z2202に準拠した衝撃試験を行う。各試験片は、各試験体の溶接金属部(DEPO)、ボンド部(BOND)、熱影響部(HAZ)のそれぞれで上面及び下面からそれぞれ７mmの位置で採取した。衝撃試験の結果を図１１に示す。

図１１から明らかなように、溶接金属部(DEPO)は、断熱材保温を施したＳ８Ｉ試験体が最も高い結果を示した。ボンド部(BOND)にあっては、断熱材保温を施したＳ８Ｉ試験体は上部・下部ともに安定した値を示したが、保温を実施していないＳ８Ｎ試験体および、スラグ保温を実施しているＳ８Ｓ試験体は、上部で高く、下部で低い結果となった。熱影響部(HAZ)では、いずれの試験体も高い値となった。

ボンド部(BOND)で、Ｓ８Ｎ試験体およびＳ８Ｓ試験体にあって上部と下部との衝撃値に差が生じたのは、Ｓ８Ｉと比べて保温状況に差異があつた為と考えられる。下部では、スラグ保温の効果が低く保温の有無による差があまり無く、試験体全体を保温材で保温したとＳ８Ｉでは、試験体全体の保温効果が大きいため、下部でも良好な衝撃特性が得られたと予測される。

以上の結果から、ＳＡ４４０材での極厚８０mmのＳＡＷ多層溶接(４パス連続溶接)では、何の保温を行わない場合には、水素に起因した横割れが溶接金属内に発生するが、スラグや断熱材による保温効果によって、原因である水素をより拡散させることにより、水素割れの発生を抑制できることが確認できた。

また、スラグによる保温効果よりも断熱材による保温効果がより効果的であり、溶接金属中の水素量を低減しうる自後熱効果が得られる１５０℃あるいは１００℃の保持時間が、断熱材保温のほうがスラグ断熱よりも長時間にわたって保持できることが確認できた。

断熱材による自後熱効果によって、スラグ断熱に比較して溶接金属の引張強性能、衝撃性能を向上させることが確認できた。

さらに、板厚８０mmのＳＡ４４０鋼材のＳＡＷ多層盛溶接の実施においては、溶接後断熱材を用いてウエブ面の表面４０mmの位置での温度管理の下に、１パス溶接後１日放置張るものとし、１０５℃以上保持時間を５.０時間、１００℃以上保持時間を８.５時間以上を目安に管理することにより、低温割れの発生を回避できることが分かった。

本発明は、スキンプレートの角溶接部分をサブマージアーク溶接で多層盛溶接する板厚６０mmを越える厚板鋼板製柱状体の溶接に利用することができる。

１…ウエブ側スキンプレート、２…フランジ側スキンプレート、３…開先、４…裏当て金、５…拘束板、６…拘束板に設けた貫通孔、７…フラックス、８…スラグ、９…断熱材。

請求項１に記載の本発明では、板厚６０mmを越える極厚鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成するにあたり、初層溶接後に初層溶接個所で間スラグを残置した状態でワーク全体をグラスファイバー製断熱材で被覆して６時間以上保温し、溶接終了後所定時間経過後、第２層溶接を行い、以後溶接終了後６時間以上経過後次層溶接を行うようにしたことを特徴としている。また、請求項２に記載の本発明では、肉厚６０mmを越える極厚鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成するにあたり、初層溶接後スラグを残置した状態でワーク全体をグラスファイバー製断熱材で被覆して溶接部温度が１００℃以下に低下するまで保温し、その保温時間経過後第２層溶接を行い、以後溶接終了後一定時間経過後次層溶接を行うようにしたことを特徴としている。

本発明では、初層溶接後スラグを除去することなく、さらにワーク全体をグラスファイバー製断熱材で６時間以上被覆あるいは、溶接部温度が１００℃以下に低下するまで保温して、溶接部分を自後熱効果で保温するようにしていることから、多層溶接時に溶接金属内に発生する溶接欠陥(低温割れ)発生を防止することができる。特に溶接部の温度管理が面倒な長尺の厚板鋼板製柱状体の溶接に効果が見られる。

Claims (3)

1. 肉厚６０mmを越える極厚鋼板をボックス状に組んでその接合部をサブマージアーク溶接で多層盛溶接して鉄骨柱に形成するにあたり、
   初層溶接後スラグを残置した状態でワーク全体をグラスファイバー製断熱材で被覆して所定時間保温し、その保温時間経過後第２層溶接を行い、以後溶接終了後一定時間経過後次層溶接を行うようにしたことを特徴とするサブマージアーク溶接による厚板鋼板の多層盛溶接方法。
2. 各層溶接後に６時間以上保温する請求項１に記載のサブマージアーク溶接による厚板鋼板の多層盛溶接方法。
3. 初層溶接後の溶接部温度が１００℃以下に低下するまで保温する請求項１に記載のサブマージアーク溶接による厚板鋼板の多層盛溶接方法。