JP2015150571A - 多電極片面サブマージアーク溶接方法、溶接物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多電極片面サブマージアーク溶接で得られる裏波ビードの外観不良を低減する。【解決手段】溶接装置１は、第１ワイヤ１１０を用いた第１溶接ユニット１０と、第２ワイヤ１２０を用いた第２溶接ユニット２０と、第３ワイヤ１３０を用いた第３溶接ユニット３０と、第４ワイヤ１４０を用いた第４溶接ユニット４０によって、鋼板に片面サブマージアーク溶接を行う。このとき、第１溶接ユニット１０では、第１送給装置１１を用いて、第１ワイヤ１１０の送給速度を一定速度に制御するとともに、給電方式が交流且つ外部特性が定電圧特性に設定された第１溶接電源１２を用いて、第１ワイヤ１１０に対する給電を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、多電極片面サブマージアーク溶接方法、溶接物の製造方法に関する。

消耗電極式アーク溶接法の一種として、粉状の金属や人工酸化物あるいは鉱物などで構成されるフラックスを鋼板に設けた開先の表面に散布するとともに、鋼板の開先に堆積させたフラックスの中で、送給されてくる電極ワイヤに電流を流して電極ワイヤからアークを発生させることで、電極ワイヤと鋼板とを溶融混合して一体化するサブマージアーク溶接法が知られている。このサブマージアーク溶接法は、被覆アーク溶接法、ティグアーク溶接法、ガスシールドアーク溶接法などの他のアーク溶接法に比べて、大電流が使えることで溶込みが深く、高能率という特長がある。

ここで、特許文献１には、サブマージアーク溶接法において、外部特性として垂下特性または定電流特性を有する溶接電源を用いて電極ワイヤに給電を行うとともに、溶接電圧設定信号と溶接電圧フィードバック信号との差の信号の大きさによって電極ワイヤ送給速度を制御することが記載されている。

また、引用文献２には、開先に沿って電極ワイヤを複数並べて配置するとともに、鋼板の裏面側に裏当材を配置することにより、鋼板の表面側から裏面側までを、複数の電極ワイヤを用いて１回の走行で溶接する多電極片面サブマージアーク溶接法が記載されている。この多電極片面サブマージ溶接法は、鋼板の全厚を１回の走行（これを１ランと呼ぶ）で完全溶込み施工でき、鋼板を反転させる必要がないことから、造船や橋梁などの分野で広く活用されている。

特開２０００−１１７４４２号公報 特開２００７−２６８５５１号公報

上述した多電極片面サブマージアーク溶接では、複数の電極ワイヤのうち、主として、鋼板に対し最初に溶接を行う電極ワイヤ（先行極）によって、鋼板の裏面側に裏波ビードが形成される。

しかしながら、先行極の電極ワイヤに対し、垂下特性または定電流特性を有する溶接電源を用いて給電を行うとともに、アーク電圧に基づいて送給速度をフィードバック制御する構成を採用した場合に、得られる裏波ビードに外観不良が生じることがあった。

本発明は、多電極片面サブマージアーク溶接で得られる裏波ビードの外観不良を低減することを目的とする。

本発明は、先行極と当該先行極に続く後行極とを用いた多電極片面サブマージアーク溶接方法であって、前記先行極および前記後行極では、それぞれ、直径２．４ｍｍ以上のワイヤを用い、それぞれのワイヤに給電を行う電源の給電方式および外部特性と、それぞれのワイヤの送給速度の速度制御方式とが、前記先行極では、前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御に設定され、前記後行極では、
（ａ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
（ｂ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
（ｃ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
（ｄ）前記給電方式が交流、前記外部特性が垂下特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
（ｅ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
のいずれかに設定されることを特徴とする。
このような多電極片面サブマージアーク溶接方法において、前記後行極は、前記先行極に続く複数の電極を含んで構成され、前記後行極を構成する前記複数の電極のそれぞれでは、前記給電方式、前記外部特性および前記速度制御方式が前記（ａ）乃至前記（ｅ）のいずれかに設定されることを特徴とすることができる。
また、前記後行極を構成する前記複数の電極のうち、前記先行極から見て最も後側に位置する最終極では、前記給電方式、前記外部特性および前記速度制御方式が前記（ｃ）または前記（ｄ）に設定されることを特徴とすることができる。
さらに、前記定電圧特性を有する前記電源を用いる場合に、動作点における電流に対する電圧の傾きである微分値ｄＶ／ｄＩが−１２．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以上であることを特徴とすることができる。
さらにまた、前記定電流特性または前記垂下特性を有する前記電源を用いる場合に、動作点における電流に対する電圧の傾きである微分値ｄＶ／ｄＩが−２４．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以下であることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明は、先行極と当該先行極に続く後行極とを用いた片面サブマージアーク溶接にて、母材を溶接してなる溶接物の製造方法であって、前記先行極および前記後行極では、それぞれ、直径２．４ｍｍ以上のワイヤを用い、それぞれのワイヤに給電を行う電源の給電方式および外部特性と、それぞれのワイヤの送給速度の速度制御方式とが、前記先行極では、前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御に設定され、前記後行極では、
（ａ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
（ｂ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
（ｃ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
（ｄ）前記給電方式が交流、前記外部特性が垂下特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
（ｅ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
のいずれかに設定されることを特徴とする。

本発明によれば、多電極片面サブマージアーク溶接で得られる裏波ビードの外観不良を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 第１溶接ユニット〜第４溶接ユニットのそれぞれにおける溶接電源および送給装置の構成を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、溶接電源の外部特性を説明するための図である。 第１実施例および第１比較例における実験装置の構成を説明するための図である。 第２実施例および第２比較例における実験装置の構成を説明するための図である。 第３実施例および第３比較例における実験装置の構成を説明するための図である。 （ａ）は第１実施例および第１比較例における各鋼板および開先の寸法を、（ｂ）は第２実施例および第２比較例における各鋼板および開先の寸法を、（ｃ）は第３実施例および第３比較例における各鋼板および開先の寸法を、それぞれ説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る溶接装置１の概略構成を示す図である。この溶接装置１は、４つの電極（ワイヤ）を用いて、鋼板からなるワーク（図示せず）に片面サブマージアーク溶接（４電極片面サブマージアーク溶接）を行うものである。

溶接装置１は、第１ワイヤ１１０を用いて溶接を行う第１溶接ユニット１０と、第２ワイヤ１２０を用いて溶接を行う第２溶接ユニット２０と、第３ワイヤ１３０を用いて溶接を行う第３溶接ユニット３０と、第４ワイヤ１４０を用いて溶接を行う第４溶接ユニット４０とを備えている。また、溶接装置１は、第１溶接ユニット１０〜第４溶接ユニット４０を搭載するとともに図中右側から左側に向かう移動方向Ａに沿って走行する台車９０と、台車９０を駆動する台車駆動装置５０と、第１溶接ユニット１０〜第４溶接ユニット４０および台車駆動装置５０の動作を制御する制御装置６０とを備えている。さらに、溶接装置１は、内部に表フラックス（図示せず）を収容するとともに図中下方に向けて表フラックスを供給する第１フラックス供給装置７０および第２フラックス供給装置８０を備える。なお、この例では、制御装置６０、第１フラックス供給装置７０および第２フラックス供給装置８０も、台車９０に搭載されている。

これらのうち、第１溶接ユニット１０は、図中上方から下方に向かう供給方向Ｂに沿って第１ワイヤ１１０を送給する第１送給ローラ１１ａを備えた第１送給装置１１と、送給されてくる第１ワイヤ１１０に接触して溶接電流（第１溶接電流）を供給する第１コンタクトチップ１２ａと接続された第１溶接電源１２とを有する。また、第１溶接ユニット１０は、第１ワイヤ１１０が巻き回されるとともに第１ワイヤ１１０の供給元となるリール（図示せず）をさらに備える。

また、第２溶接ユニット２０は、図中上方から下方に向かう供給方向Ｂに沿って第２ワイヤ１２０を送給する第２送給ローラ２１ａを備えた第２送給装置２１と、送給されてくる第２ワイヤ１２０に接触して溶接電流（第２溶接電流）を供給する第２コンタクトチップ２２ａと接続された第２溶接電源２２とを有する。また、第２溶接ユニット２０は、第２ワイヤ１２０が巻き回されるとともに第２ワイヤ１２０の供給元となるリール（図示せず）をさらに備える。

さらに、第３溶接ユニット３０は、図中上方から下方に向かう供給方向Ｂに沿って第３ワイヤ１３０を送給する第３送給ローラ３１ａを備えた第３送給装置３１と、送給されてくる第３ワイヤ１３０に接触して溶接電流（第３溶接電流）を供給する第３コンタクトチップ３２ａと接続された第３溶接電源３２とを有する。また、第３溶接ユニット３０は、第３ワイヤ１３０が巻き回されるとともに第３ワイヤ１３０の供給元となるリール（図示せず）をさらに備える。

さらにまた、第４溶接ユニット４０は、図中上方から下方に向かう供給方向Ｂに沿って第４ワイヤ１４０を送給する第４送給ローラ４１ａを備えた第４送給装置４１と、送給されてくる第４ワイヤ１４０に接触して溶接電流（第４溶接電流）を供給する第４コンタクトチップ４２ａと接続された第４溶接電源４２とを有する。また、第４溶接ユニット４０は、第４ワイヤ１４０が巻き回されるとともに第４ワイヤ１４０の供給元となるリール（図示せず）をさらに備える。

なお、本実施の形態の溶接装置１においては、台車９０に第１溶接電源１２、第２溶接電源２２、第３溶接電源３２および第４溶接電源４２を搭載し、台車９０とともにこれら第１溶接電源１２〜第４溶接電源４２を走行させるように構成しているが、これに限られるものではない。例えば、これら第１溶接電源１２〜第４溶接電源４２を台車９０の外部に固定して配置し、ケーブル等を用いて第１溶接電源１２〜第４溶接電源４２と台車９０上の各構成要素とを接続するようにしてもかまわない。

また、第１フラックス供給装置７０は、内部に収容した表フラックスを図中下方に向けて供給する第１フラックス供給口７０ａを備えている。そして、第１フラックス供給装置７０による表フラックスの供給量は、第１フラックス供給装置７０に設けられたバルブ（図示せず）によって調整される。

さらに、第２フラックス供給装置８０は、内部に収容した表フラックスを図中下方に向けて供給する第２フラックス供給口８０ａを備えている。そして、第２フラックス供給装置８０による表フラックスの供給量は、第２フラックス供給装置８０に設けられたバルブ（図示せず）によって調整される。

この溶接装置１では、移動方向Ａからみて、最下流側に１電極目となる第１ワイヤ１１０が、第１ワイヤ１１０よりも上流側に２電極目となる第２ワイヤ１２０が、第２ワイヤ１２０よりも上流側に３電極目となる第３ワイヤ１３０が、第３ワイヤ１３０よりも下流側且つ最上流側に４電極目となる第４ワイヤ１４０が、それぞれ配置されている。また、この溶接装置１において、第１フラックス供給装置７０は移動方向Ａからみて第１ワイヤ１１０よりも下流側に、第２フラックス供給装置８０は移動方向Ａからみて第２ワイヤ１２０よりも上流側且つ第３ワイヤ１３０よりも下流側に、それぞれ配置されている。そして、溶接装置１を図中上方からみたときに、第１フラックス供給口７０ａ、第１ワイヤ１１０、第２ワイヤ１２０、第２フラックス供給口８０ａ、第３ワイヤ１３０および第４ワイヤ１４０は、移動方向Ａに沿う直線に沿って、この順に並べられている。

また、この溶接装置１では、第１ワイヤ１１０〜第４ワイヤ１４０として、それぞれの直径が２．４ｍｍ以上且つ６．４ｍｍ以下のものを用いている。ここで、第１ワイヤ１１０〜第４ワイヤ１４０は、４つすべてが同じ直径であってもよいし、３つを同じ直径とする一方で１つを異なる直径としてもよいし、２つを同じ直径とする一方で２つを別の同じ直径としてもよいし、４つすべてを異なる直径としてもよい。

さらに、この溶接装置１で用いる第１ワイヤ１１０〜第４ワイヤ１４０は、それぞれ、基本的にフラックスを有しないソリッドワイヤで構成される。ただし、これらのうちの１つ以上をフラックス入りワイヤで構成してもかまわない。

なお、以下の説明では、第１ワイヤ１１０を含む第１溶接ユニット１０を「先行極」、と称することがある。また、第２ワイヤ１２０を含む第２溶接ユニット２０、第３ワイヤ１３０を含む第３溶接ユニット３０および第４ワイヤ１４０を含む第４溶接ユニット４０を「後行極」、と総称することがある。さらに、第２ワイヤ１２０を含む第２溶接ユニット２０を「第１中間極」、第３ワイヤ１３０を含む第３溶接ユニット３０を「第２中間極」、第４ワイヤ１４０を含む第４溶接ユニット４０を「最終極」、と称することがある。

図２は、溶接装置１を構成する第１溶接ユニット１０〜第４溶接ユニット４０のそれぞれにおける溶接電源（第１溶接電源１２〜第４溶接電源４２）および送給装置（第１送給装置１１〜第４送給装置４１）の構成を説明するための図である。ここで、図２は、各溶接ユニットと、各溶接電源における給電方式および外部特性と、各送給装置におけるワイヤ速度制御方式との関係を示している。

まず、第１溶接ユニット１０について説明を行う。
第１溶接ユニット１０を構成する第１溶接電源１２は、給電方式としてＡＣ（Alternating Current）を採用した交流電源であり、その外部特性は定電圧特性である。また、第１送給装置１１は、ワイヤ速度制御方式として、第１ワイヤ１１０を一定速度で送給する定速制御を行う。

次に、第２溶接ユニット２０について説明を行う。本実施の形態において、第２溶接ユニット２０は、以下に説明する５つの組み合わせ（第１構成〜第５構成）のうちのいずれか１つによって構成される。

（ａ）第１構成
第１構成における第２溶接電源２２は、給電方式としてＤＣ（Direct Current）を採用した直流電源であり、その外部特性は定電圧特性である。また、第１構成における第２送給装置２１は、ワイヤ速度制御方式として、第２ワイヤ１２０を一定速度で送給する定速制御を行う。

（ｂ）第２構成
第２構成における第２溶接電源２２は、給電方式としてＡＣを採用した交流電源であり、その外部特性は定電圧特性である。また、第２構成における第２送給装置２１は、ワイヤ速度制御方式として、第２ワイヤ１２０を一定速度で送給する定速制御を行う。このように、第２構成は、第１溶接ユニット１０と同じ組み合わせとなっている。

（ｃ）第３構成
第３構成における第２溶接電源２２は、給電方式としてＡＣを採用した交流電源であり、その外部特性は定電流特性である。また、第３構成における第２送給装置２１は、ワイヤ速度制御方式として、アーク電圧に基づくフィードバック制御によって第２ワイヤ１２０を逐次適切な速度で送給する電圧ＦＢ（Feed Back）変速制御を行う。

（ｄ）第４構成
第４構成における第２溶接電源２２は、給電方式としてＡＣを採用した交流電源であり、その外部特性は垂下特性である。また、第４構成における第２送給装置２１は、ワイヤ速度制御方式として、アーク電圧に基づくフィードバック制御によって第２ワイヤ１２０を逐次適切な速度で送給する電圧ＦＢ変速制御を行う。

（ｅ）第５構成
第５構成における第２溶接電源２２は、給電方式としてＤＣを採用した直流電源であり、その外部特性は定電流特性である。また、第５構成における第２送給装置２１は、ワイヤ速度制御方式として、アーク電圧に基づくフィードバック制御によって第２ワイヤ１２０を逐次適切な速度で送給する電圧ＦＢ変速制御を行う。

また、第３溶接ユニット３０および第４溶接ユニット４０については、第２溶接ユニット２０と同じく、上述した第１構成（ａ）〜第５構成（ｅ）のうちの、いずれか１つによって構成することができる。ここで、第２溶接ユニット２０、第３溶接ユニット３０および第４溶接ユニット４０は、３つすべてを同じ構成としてもよいし、２つを同じ構成とする一方で１つを異なる構成としてもよいし、３つすべてをそれぞれ異なる構成としてもよい。

なお、第１ワイヤ１１０〜第４ワイヤ１４０の送給速度は、台車９０の移動方向Ａへの移動速度（溶接速度）に基づいて決めることができる。例えば定速制御の場合には、溶接速度に基づいて送給速度の基準値を作業者が決め、この送給速度の基準値を維持するように定速制御を行う。また、例えば電圧ＦＢ変速制御の場合には、溶接速度を基準として送給速度の基準値を作業者が決め、送給速度の基準値に対し、アーク電圧をフィードバックさせて変速制御を行う。

次に、上述した各溶接電源の外部特性について説明を行う。
図３は、溶接電源の外部特性を説明するための図である。ここで、図３（ａ）は定電圧特性を、図３（ｂ）は定電流特性を、図３（ｃ）は垂下特性を、それぞれ例示している。また、図３（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は出力電流Ｉ（Ａ）であり、縦軸は出力電圧Ｖ（Ｖ）である。溶接電源に入力される電流または電圧の指示に応じて外部特性曲線は移動（変化）する。図３（ａ）には４段階の指示電圧に対応する外部特性曲線を、また、図３（ｂ）〜（ｃ）には４段階の指示電流に対応する外部特性曲線を、それぞれ例示している。なお、溶接電源の場合、出力電流Ｉは溶接電流に対応し、出力電圧Ｖはアーク電圧にその他の電圧ロス要因（ケーブル内消費、接点抵抗等）を加えた合計値に対応する。

まず、図３（ａ）に示す定電圧特性について説明を行う。
定電圧特性の場合、出力電流Ｉの変動に対して出力電圧Ｖの変動が小さくなっている。

次に、図３（ｂ）に示す定電流特性について説明を行う。
定電流特性の場合、出力電流Ｉの変動に対して出力電圧Ｖの変動が大きくなっている。これを逆の観点からみれば、定電流特性では、出力電圧Ｖが大きく変動しても出力電流Ｉの変動は小さいということになる。

続いて、図３（ｃ）に示す垂下特性について説明を行う。
垂下特性の場合、定電流特性の場合と同様に、出力電流Ｉの変動に対して出力電圧Ｖの変動が大きくなっている。ただし、垂下特性の場合は、定電流特性の場合に比べて、出力電圧Ｖの変動は緩やかであり、かつ電流値によって変化する。

ここで、図３（ａ）〜（ｃ）には、それぞれの外部特性とともに、アーク長Ｌのアークを発生させるためのアーク特性も示している。それぞれにおいて、いずれかの外部特性の曲線とアーク特性の曲線との交点が、目的とするアーク長Ｌのアークを発生させる動作点Ｐ（特定の出力電流Ｉおよびこれに対応する特定の出力電圧Ｖ）となる。なお、以下の説明では、目的とするアーク長Ｌのアークを発生させるための動作点Ｐにおける、電流に対する電圧の傾きを微分値ｄＶ／ｄＩと呼ぶ。

ここで、垂下特性や定電流特性を有する溶接電源は、溶込み深さの変動が少ないとされており、サブマージアーク溶接には好適とされている。ただし、垂下特性や定電流特性を有する溶接電源ではアーク電圧が変化しやすいことから、電圧ＦＢ変速制御によるワイヤの送給と組み合わせることが一般的である。垂下特性や定電流特性を有する溶接電源と電圧ＦＢ変速制御とを組み合わせた場合には、アーク長Ｌが短くなれば、アーク電圧の低下に応じてワイヤの送給速度を下げることでアーク長Ｌが元の長さに戻り、一方、アーク長Ｌが長くなれば、アーク電圧の上昇に応じてワイヤの送給速度を上げることでアーク長Ｌが元の長さに戻る、ということになる。

一方、定電圧特性を有する溶接電源は、細径のワイヤを用いるマグ溶接やミグ溶接には好適とされている。また、定電圧特性を有する溶接電源は、直径２．０ｍｍ以下のワイヤを用いたサブマージアーク溶接に用いられることもある。ただし、定電圧特性を有する溶接電源では溶接電流が変化しやすいことから、定速制御によるワイヤの送給と組み合わせることが一般的である。定電圧特性を有する溶接電源と定速制御とを組み合わせた場合には、アーク長Ｌが短くなれば、溶接電流が自動的に大きくなることでアーク長Ｌが元の長さに戻り、一方、アーク長が長くなれば、溶接電流が自動的に小さくなることでアーク長Ｌが元の長さに戻る、ということになる。

ではここで、本実施の形態の多電極片面サブマージアーク溶接方法における溶接条件の特徴について説明を行っておく。

＜各ワイヤの直径について＞
片面サブマージアーク溶接法では、強いアーク力で開先を溶かし、裏波ビードを形成する必要がある。ただし単に溶接電流が高ければ良いというものでなく、高速送給でワイヤを沢山溶かすとアーク直下に湯溜まりが形成されてしまい、自らアーク力を緩衝させてしまい、溶込みを小さくしてしまう。したがって、溶接電流は高くするが、ワイヤ溶融量は多くしないのが望ましく、この条件を適えるのは電流密度（Ａ／ｍｍ^２）の低い条件、すなわちワイヤ径を太くするとともに、ワイヤを低速で送給することが好適である。ガスシールドアーク溶接では一般的に直径１．６ｍｍ以下となる細径のワイヤが用いられるが、片面サブマージアーク溶接用としては、直径２．４ｍｍ以上のワイヤが好適である。さらに望ましくは直径３．２ｍｍ以上、さらには直径４．８ｍｍ以上のワイヤを用いることが望ましい。上限を設ける技術的制限は特にないが、ワイヤの送給性や切断性の点から直径６．４ｍｍ以下までが実用的である。

＜電極の数について＞
先行極は開先を深く溶かして、溶融池および裏波ビードを形成する役目があり、溶接条件はこの役割に特化するため、例え母材の板厚が薄くて、溶融池が母材の表面に達したとしても、単電極では表ビード外観が良好とならない。これに対し、最終極は主に表ビードの外観を整えるための役割を持つため、先行極とは異なる溶接条件となる。このように片面サブマージアーク溶接では役割分担をする必要があることから、２本以上のワイヤを用いた複数電極化が必須である。一般的には、鋼板の板厚が厚くなるにつれてワイヤの数は増える。電極の数に上限を設ける技術的制限は特にないが、片面溶接用としては、例えば図１に示す４電極システムまで実用化されている。

それぞれの極間には適度な間隔が設けられる。板厚や溶接速度、用いる溶接機やワイヤ送給の各種制御によって一概ではなく、適宜調整されるものである。なお、極間によってはフラックスの供給口（図１に示す第１フラックス供給口７０ａや第２フラックス供給口８０ａ）が設けられる場合もある。

＜先行極におけるワイヤ速度制御方式、外部特性および給電方式について＞
［先行極におけるワイヤ速度制御方式について］
多電極片面サブマージアーク溶接において、先行極は、主として裏波ビードを形成するために用いられる。本発明者らは、裏波溶接では溶込みの駆動力が顕著に裏波品質に影響を及ぼし、裏波ビードの過剰あるいは裏波不足になりやすいことを見いだした。そして、本発明者らは溶込みの駆動力について実験を重ね、一般的な継手では電流および電圧因子で正しいが、片面溶接ではこれらではなく、ワイヤの送給速度が最も影響度が大きいことを見いだした。

すなわち、ワイヤの送給速度が過剰であれば、ワイヤは鋼板裏面に表面張力主体で支えられている溶融池を容易に押し下げ、過剰裏波を形成する。さらに送給速度が速ければワイヤが溶融池を突き破ってしまうこともある。

逆にワイヤの送給速度が不足すれば、溶融池は鋼板裏面から押されることなく、裏波不足になる。これらの現象は理論上、不可避的に生じるアーク長Ｌの変化に対し、タイムロスなしにワイヤの送給速度が反応し、アーク長Ｌを元に戻すことが出来れば生じないはずである。しかしながら、実際にはワイヤを送給するワイヤモータは工業製品であり、反応にはある程度の遅延が生じる。この反応時間の遅延に対し、裏波ビードの高さは堅牢な性質を有しておらず、容易にその変化の影響を受けてしまうのである。

この問題を鑑み、裏波溶接を形成するに影響を及ぼす先行極には、電流や電圧が変化しても送給速度には影響を及ぼさず、送給速度一定とする制御（定速制御）が望ましいことを明らかにした。上述したとおり、これまで太径サブマージアーク溶接ではワイヤ送給一定制御は従来不適とされている制御法である。この理由としては、太径ワイヤは全断面が一様に溶融し難く、結果としてワイヤ溶融速度が不安定化し、ひいてはアーク長Ｌの安定化も期待できないからである。しかしながら、片面溶接で裏波ビードを形成する場合に限っては、むしろアーク長Ｌの安定化よりも送給速度安定化のほうが、形状安定化効果が高い。

［先行極における外部特性について］
次に、先行極の外部特性であるが、従来技術としては垂下特性が常識的である。垂下特性は上述のとおり、電圧値の変動に対して電流値の変動が小さい。構造がシンプルで安価、メンテナンスが容易な溶接機構造として、エレクトロニクス素子を用いず、漏洩リアクタンスを利用した鉄芯可動式溶接機が旧来から用いられているが、この方式では垂下特性しか作れなかったという時代的な事情もある。

電流値が溶込み深さに最も影響を及ぼす非裏波溶接への適用においては溶込み安定化に有効である一方、裏波溶接における裏波ビードの形状安定化には、電流値の変動は影響因子として上位ではない。一方、アーク長Ｌも送給速度の変動に比べると裏波安定化への影響は大きくないものの、過剰にアーク長Ｌが急変した場合は悪影響をもたらす。例えばアーク長Ｌがゼロ、すなわちアークが消失すると溶接自体が止まってしまう、あるいは再点弧の際に爆発的にアークが発生するので、その力で裏波ビードを正常に形成できなくなる。一方、アーク長Ｌが過剰になると、やはりアークが維持出来ず直後にアークが消失したり、単位面積当たりのアーク力が減ったりして裏波ビードを形成できなくなる。

さらに、溶接ビード形状の不整、磁気吹きの影響を受けた蛇行、母材をえぐってしまうアンダカットといった欠陥発生をもたらす。つまりアーク長Ｌの安定化制御は必要である。

裏波安定化のために送給速度一定を前提とすると、アーク長Ｌを安定化させる手段として送給速度制御以外の制御対象が必要となる。消耗電極式溶接ワイヤの溶融速度は式（１）で表されることが知られており、二乗となっている電流値（溶接電流Ｉ）が最も影響度が大きいことが示唆される。

Ｍｗ=Ｋ１・Ｉ＋Ｋ２・Ｉ^２・ρ・Ｌ …（１）
Ｍｗ：ワイヤ溶融速度
Ｉ：溶接電流
ρ：電気抵抗率
Ｌ：ワイヤ突出し長さ
Ｋ１、Ｋ２：定数

これより、送給速度一定を前提としてアーク長Ｌを安定化させる手段としては、溶接電流Ｉを積極的に変化させることが効果的となる。例えば、アーク長Ｌが短くなれば溶接電流Ｉを急上昇させることでワイヤ溶融速度Ｍｗが低下し、アーク長Ｌは元に戻る。一方、アーク長Ｌが長くなれば電流を急低下させることでワイヤ溶融速度Ｍｗが上昇し、やはりアーク長Ｌは戻るのである。この現象は一般的にアーク長の自己制御作用と呼ばれている。アーク長の自己制御作用には電流の急峻な変化が必要であり、これを実現する外部特性は定電圧特性だけである。したがって、裏波溶接を安定化するために必要なワイヤ送給速度一定を実現するため、間接的因子として、先行極に対応する溶接電源の外部特性が定電圧特性である必要がある。

このような『ワイヤ速度制御：定速』および『外部特性：定電圧特性』の組合せは、直径１．６ｍｍ以下の細いワイヤによるガスシールドアーク溶接法で用いられている。これは、ワイヤが細いゆえに溶融性が優れるため、アーク長の自己制御作用が非常に有効となるからである。しかしながら、直径２．４ｍｍ以上となるワイヤでは、これよりも細いワイヤに比べて溶融性が劣るため、非片面溶接に用いるとアーク長の自己制御作用は俊敏には作用せず、アークおよびビード形状不安定をもたらすのである。

［先行極における給電方式について］
続いて、先行極の給電方式であるが、片面溶接の先行極には交流が必須である。多電極片面サブマージアーク溶接では各極の電流が高いので、電流の供給に伴って電流経路の周囲に強い磁場が発生する。各極の距離が近いと磁場の相互作用、いわゆるアーク相互干渉を起こしたり、配電や母材に起因した磁気吹きによる磁力が発生したりするので、アークに不安定化をもたらす。これは磁場方向が固定となる直流で顕著であり、交流を用いれば方向性がなくなるので、アークへの悪影響は大幅に低減される。したがって、全電極について交流が望ましいが、最低限、裏波ビードを形成する先行極については交流が必須となる。

以上のような理由により、先行極は、『ワイヤ速度制御：定速』、『外部特性：定電圧特性』および『給電方式：交流』、の組み合わせを採用している。

なお、現在最も普及している大電流サブマージアーク溶接機は、安価な鉄芯稼働式による交流機である。この方式では必然的に外部特性は垂下特性となる。本発明では、先行極は交流機という点で従来と共通であるが、外部特性が定電圧特性である点が異なる。この組合せは一般的な鉄芯稼働式では得ることが出来ない。定電圧特性を得るためには、サイリスタやインバータのようなエレクトロニクス素子を使った回路設計とすることで生成可能となる。あるいは最大電流容量の大きな鉄芯稼働式の低電流域側のみを用いることで実用域の定電圧特性を得る特殊手段もある。

＜後行極におけるワイヤ速度制御方式、外部特性および給電方式について＞
多電極片面サブマージアーク溶接では視認することが出来ないものの、鋼板上に堆積した表フラックスの中で形成されている溶融池は、基本的にすべてのワイヤの溶融金属が繋がったワンプールと呼ばれる長大な液体金属である。上述したとおり、先行極が裏波ビードの形状に対して最大の影響度を有するが、ワンプールであれば、影響度としては相対的に小さくなるものの、後行極もまた裏波ビードの形状に影響を及ぼすことになる。例えば、先行極となる１電極目で良好な形状の液体状態の裏波ビードを形成できたとしても、後行極となる２電極目以降で１電極目が形成した溶融池を裏面側に押し出すように作用すれば、最終的な凝固状態の裏波ビードは不整なものとなる。したがって、２電極目以降にも先行極と同じ、『ワイヤ速度制御：定速』および『外部特性：定電圧特性』を適用することができる。ここで、給電方式は先行極と同じく交流が望ましいが、２電極目以降における極性の影響度は、１電極目に対して相対的に小さくなるので、直流でも実用的となる。

一方、鋼板の板厚が厚くなって電極数も多くなると、１プールとはいえども後行極で形成される溶融池の圧力が多少変化しても、距離的に遠い溶融池の裏面側には大きな影響を及ぼさなくなる。このような場合には、従来から用いられている、『ワイヤ速度制御：電圧ＦＢ変速制御』および『外部特性：垂下特性』を適用することもできる。垂下特性の代わりに目標性質が同じである『外部特性：定電流特性』の溶接電源を用いても問題ないことは自明である。後行極は役割として、表ビードの形状を整える必要もあり、この目的では送給速度が変化しても電流値やアーク長Ｌを優先して安定化させた方が効果的な場合がある。このような要求に対しては、『ワイヤ速度制御：電圧ＦＢ変速制御』、『外部特性：垂下特性または定電流特性』、さらにアーク相互干渉や磁気吹きによる偏向が起きにくい『給電方式：交流』の組合せが好適となる。

＜その他＞
［裏当てについて］
片面溶接では、一般的に裏波ビードを受け止める溝付の銅製若しくは固体酸化物製の裏当て材が用いられる。なお、固体酸化物とは具体的にはセラミック製あるいはガラスが該当する。ガラスの場合は一般的にガラス繊維を編み込んだテープ状のものが用いられる。何も裏当て材がなければ、過剰なアーク力が初層に作用した際に溶融池を落下させ、アークが消失して溶接続行不能に陥る。何らかの裏当て材を用いていれば、このような最悪の事態は防ぐことが出来る。

母材となる鋼板底面が密着できていれば、裏波ビードの形状はアーク力が不安定でも安定化するはずだが、実際には大きな鋼板は平らではなく、多少は湾曲したり、波打ちしたりしていることが多いので、必ずしも密着はしない。そこで、不可避的に生じる鋼板底面と裏当て材との間のギャップを埋めるために、裏当てフラックスを事前に散布しておくこともある。そうすると、裏面側の溶融池の垂れ落ちを防ぐことがある程度可能となる。さらには、裏当て材を敷かず、裏当てフラックスを厚く散布し、その下に敷いたエアホースに気体を注入することで裏当てフラックスを押し上げ、密着性を向上する方法もある。この場合、裏当てフラックスには溶融池垂れ落ちを防ぐために硬化性樹脂との粉体積層構造とすることもある。

［表フラックスについて］
サブマージアーク溶接としての最低限の基本構成なので特に説明の必要は無いが、フラックスはホッパーと呼ばれる下にホースの付いた容器（図１に示す第１フラックス供給装置７０や第２フラックス供給装置８０）に入れられ、溶接進行に伴い、先行極の直前、あるいはさらに必要に応じて電極間に設けたホース先端のフラックス供給口から一定速で散布される。

［開先充填材について］
開先内に粉体状の鋼もしくは鋼合金を散布しておくと、溶接時に溶融して溶融金属の一部を形成する。高能率となる効果の他に、ルートギャップが部分的に過大となる場合に、裏波を抜けにくくする。さらに、溶接部近傍の冷却速度を大きくして母材熱影響部の品質劣化を抑制する効果もある。また、裏波溶接の際に、１電極目以降の後行極のワイヤ送給やアーク不安定を和らげる効果がある。ただし、散布量が多すぎると溶けきれずに固体のまま残ってしまい、欠陥となることがあるので、過度な散布をしてはいけない。電流、開先形状のバランスで最適量を決める。粉体の材質としては、いわゆる粒度の細かい鉄粉や、細径の溶接ワイヤを切断して粗い粒状としたものが用いられる。

［定電圧特性を有する溶接電圧の微分値について］
一般的に、溶接機には定電圧特性、垂下特性、定電流特性といった名目で仕様が記載されているため、使用者側がその特性を精査することは少ない。しかしながら、これら外部特性の名称は概念的なものであり、定量的な定義がある訳ではない。最近では使用者が外部特性を調整することができる機種も登場している。動作点電流における定電圧特性として望ましい電圧−電流特性の傾き、すなわち微分値ｄＶ／ｄＩは−１２．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）よりも水平側になっている。言い換えれば、望ましい微分値ｄＶ／ｄＩは−１２．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以上である。微分値ｄＶ／ｄＩが−１２．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以上であれば、アーク長Ｌの変化に対応して電流が大きく変化し、アーク長Ｌの自己制御作用が効果的に働くため望ましい。より望ましくは、微分値ｄＶ／ｄＩが−８．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以上であれば、より裏波形状が安定化する。なお、定電圧特性を含む外部特性一般の性質として、＋側の傾きとなることはあり得ないので、微分値ｄＶ／ｄＩは０が事実上の上限となる。

［定電流特性または垂下特性を有する溶接電圧の微分値について］
定電流特性および垂下特性についても、定量的な定義があるわけではない。定電流特性と垂下特性とは、整流素子を用いて生成したか、鉄芯稼働による漏洩磁束を利用したかの違いともいえるが、アーク長Ｌが変化しても電流一定を指向するという点では同じである。定電流特性と垂下特性とに共通して望ましい電圧−電流特性の傾き、すなわち動作点電流における微分値ｄＶ／ｄＩは−２４．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）よりも鉛直側になっている、言い換えれば、望ましい微分値ｄＶ／ｄＩは−２４．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以下である。微分値ｄＶ／ｄＩが−２４．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以下の特性と送給速度の電圧フィードバック制御とを組み合わせれば、アーク電圧の変化を敏感に捉え、送給速度を変化させることでアーク長Ｌの安定化をはかることができ、表ビード形状の安定化に貢献する。なお、定電流特性および垂下特性を含む外部特性一般の性質として、＋側の傾きとなることはあり得ないので、−∞（無限大）が事実上の下限となる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

（第１実施例および第１比較例）
図４は、第１実施例および第１比較例における実験装置の構成を説明するための図である。なお、図４に示す実験装置の基本構成は、図１に示した溶接装置１と共通である。ここで、図４には、実験装置とともに、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２を含むワーク２００、ワーク２００の表面側に供給される表フラックス３００、ワーク２００の裏面側に配置される裏当て部４００、溶接に伴ってワーク２００に形成される溶接金属５００を、併せて示している。

また、図７（ａ）は、第１実施例および第１比較例における各鋼板および開先の寸法を示している。この例において、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２は、引張強度４９０ＭＰａ級炭素鋼板の板厚３５ｍｍ、幅５００ｍｍ×長さ３０００ｍｍを用いて、それぞれに開先端面処理を行い、突合せ継手とした。開先形状は表面から２９ｍｍまで４５°Ｖ型とし、残り板厚６ｍｍはルートフェースとして垂直とした。ルートギャップは最短部で両側鋼板が接触する０ｍｍとしたが、鋼板の歪みによって不可避的に最大２ｍｍのギャップが生じている箇所があった。各ワイヤ（第１ワイヤ１１０〜第４ワイヤ１４０）はＪＩＳ Ｚ３３５１ ＹＳ−Ｓ６該当品、表フラックス３００はＪＩＳ Ｚ３３５２ ＳＡＣＩ１該当品を用いた。表フラックス３００は１電極目（先行極）より前と、２電極目と３電極目との間に自動的に適量を連続散布される。

鋼板開先裏側には、裏当て部４００として、裏当てフラックス４０１を少量散布した溝付の裏当て銅板４０２を押し当てた。また、各電極について、それぞれに対応するコンタクトチップと鋼板との間に、独立した溶接電源を結線した。なお、各ワイヤは各コンタクトチップの直上に設けた送給ローラによって溶接部に送られる。

そして、図４に示す実験装置を用いて、４電極片面サブマージアーク溶接方法のテストを行った。より具体的には、図４に示す試験装置を用いて、ワイヤ直径、給電方式、外部特性、ワイヤ速度制御、溶接電流、アーク電圧を電極毎に変化させ、その影響を確認した。図４に示す実験装置において、第１ワイヤ１１０の先端と第２ワイヤ１２０の先端との極間距離は４０ｍｍ、第２ワイヤ１２０の先端と第３ワイヤ１３０の先端との極間距離は１２０ｍｍ、第３ワイヤ１３０の先端と第４ワイヤ１４０の先端との極間距離は３０ｍｍとした。そして、この例における溶接速度は４４（ｃｍ／ｍｉｎ）で共通とした。

また、試験結果として、裏波ビード形状、表ビード形状、内部欠陥を評価した。裏波ビード形状は幅１０ｍｍ以上、裏波高さ２ｍｍ以上６ｍｍ以下を理想とし、さらに蛇行が小さく、幅のばらつきが少ないものを非常に良好としてＡ、若干これらの評価が劣るが手直しを要するほどではないものをＢ、裏波ビード形状の不良による手直しが必要なものをＣとして不合格扱いした。表ビード形状についても、裏波ビード形状と同様の評価基準とした。内部欠陥については、超音波探傷試験や断面マクロカット試験を行っても欠陥が見られなかったものを「無し」、融合不良が確認されたものを「有り」とした。

第１実施例および第１比較例における製造条件および試験結果を表１および表２に示す。ここで、表１に示すＮｏ．１−１〜Ｎｏ．１−５は第１実施例であり、表２に示すＮｏ．１−６〜Ｎｏ．１−１１は第１比較例である。

なお、表１および表２に示す給電方式において、「ＡＣ」は交流を意味し、「ＤＣ（ＥＰ）」は直流であってワイヤすなわち電極側を正極とした「Electrode Plus」を意味し、「ＤＣ（ＥＮ）」は直流であってワイヤすなわち電極側を負極とした「Electrode Negative」を意味する。この表記については、後述する表３〜表６においても同じである。

まず、第１実施例について説明を行う。
Ｎｏ．１−１は１電極目に交流・定電圧特性・定速制御を用いており、２電極目以降は従来からの交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を用いているが、良好な裏波ビード形状が得られている。また、最終パスとなる４電極目を交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御としていることで、表ビード形状も非常に良好となっている。

Ｎｏ．１−２はＮｏ．１−１に対して１電極目の溶接電源における外部特性の微分値ｄＶ／ｄＩが小さく、すなわち定電圧特性を弱めた場合であり、それに伴い１電極目による初層溶接でのアーク長の自己制御作用が弱まって不安定化することから、裏波ビード形状がＮｏ．１−１に比べて若干劣っている。とはいえ、交流・定速制御を採用しているので、許容範囲内となる裏波ビード形状が得られている。

Ｎｏ．１−３はＮｏ．１−１と類似しているが、１電極目だけでなく、２電極目も１電極目と同じ交流・定電圧特性・定速制御としている。１電極目に次いで裏波ビード形状の品質に影響を及ぼす２電極目にも定速制御を採用することにより、Ｎｏ．１−１よりもさらに裏波ビード形状の品質が向上した。

Ｎｏ．１−４は全電極を定電圧特性・定速制御としており、２電極目だけは直流としたが、他については交流としている。全電極に溶融池の圧力変化を小さくする制御を取り入れることで、非常に良好な裏波ビード形状が得られている。また、表ビード形状を支配する３、４電極目はアーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けない交流としたため、第１実施例の中で最も優れた表ビード形状および裏波ビード形状が得られた。

Ｎｏ．１−５はＮｏ．１−４と同じく全電極を定電圧特性・定速制御としているが、２極目以降を全て直流としている。Ｎｏ．１−４と違って直流が近い距離に並ぶとアーク相互干渉が起きて影響を及ぼすため、許容範囲内ではあるが、Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−４と比べるとビード外観がやや劣化した。

続いて、第１比較例について説明を行う。
Ｎｏ．１−６は現在使用されている典型である。全電極について交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を採用している。送給速度の変動が裏波溶融池の不安定をもたらせ、内部欠陥や表ビード形状こそ特段問題ないものの、裏波溶接には不適であり、裏波ビード形状の不良が著しかった。

Ｎｏ．１−７はＮｏ．１−６に対して、４電極目に定電圧特性・定速制御を適用したものであるが、最終極となる４電極目だけ溶融池の圧力変化を小さくする制御を加えても、寄与率は１電極目よりも低いため、裏波ビード形状の改善には至らなかった。

Ｎｏ．１−８はＮｏ．１−６やＮｏ．１−７と似ているが、２電極目に定電圧特性・定速制御を適用している。しかし、第１中間極となる２電極目では１電極目に比べて裏波ビードを形成する溶融池へかかる圧力の安定化寄与率が低く、裏波ビード形状の改善効果は得られなかった。

Ｎｏ．１−９は１電極目、２電極目共に従来の交流・垂下特性の溶接電源はそのままに、ワイヤ送給を定速制御としたものである。垂下特性では原理的にアーク長安定化はワイヤ送給制御によって図られなければならないが、定速化しているため、アーク長安定化作用は全く働いていない。ゆえに、アーク長が常に大きく変動し、安定な溶接はできなかった。その結果、裏波ビード形状および表ビード形状共に大きく荒れて不安定であり、内部にも融合不良が発生した。

Ｎｏ．１−１０は１電極目を直流・定電流特性とし、一方でワイヤ速度制御を定速制御とした構成である。直流・定電流特性の溶接電源は一般的に非溶極式、つまり消耗ワイヤからでなく、非消耗タングステン電極からアークを発生するティグ溶接やプラズマ溶接法で用いられる電源方式であるが、アーク長の制御に関しては垂下特性と同じであり、電極側の上下が必要である。本電源を溶極式として用いてもワイヤを定速制御した場合には全くアーク長安定化作用は働かない。したがって、Ｎｏ．１−９と同じく、アーク長が常に大きく変動し、安定な溶接はできなかった。裏波ビード形状および表ビード形状共に大きく荒れて不安定であり、内部にも融合不良が発生した。

Ｎｏ．１−１１は従来の全電極について交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御から、直流・定電流特性・電圧ＦＢ変速制御に替えたものであるが、１電極目が交流・定電圧特性・定速制御となっていないことから、裏波ビード形状は安定化しなかった。表ビード形状については、定電流特性・電圧ＦＢ変速制御が作用しており、直流特有のアーク相互干渉による不安定性が見られたものの、許容範囲内であった。

（第２実施例および第２比較例）
図５は、第２実施例および第２比較例における実験装置の構成を説明するための図である。なお、図５に示す実験装置の基本構成は、図１に示した溶接装置１から第４溶接ユニット４０を取り除いたものとなっている。ここで、図５には、実験装置とともに、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２を含むワーク２００、ワーク２００の表面側に供給される表フラックス３００、ワーク２００の裏面側に配置される裏当て部４００、溶接に伴ってワーク２００に形成される溶接金属５００を、併せて示している。

また、図７（ｂ）は、第２実施例および第２比較例における各鋼板および開先の寸法を示している。この例において、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２は、引張強度４００ＭＰａ級炭素鋼板の板厚３０ｍｍ、幅５００ｍｍ×長さ３０００ｍｍを用いて、それぞれに開先端面処理を行い、突合せ継手とした。開先形状は表面から２５ｍｍまで４５°Ｖ型とし、残り板厚５ｍｍはルートフェースとして垂直とした。ルートギャップは最短部で両側鋼板が接触する０ｍｍとしたが、鋼板の歪みによって不可避的に最大２ｍｍのギャップが生じている箇所があった。各ワイヤ（第１ワイヤ１１０〜第３ワイヤ１３０）はＪＩＳ Ｚ３３５１ ＹＳ−Ｓ６該当品、表フラックス３００はＪＩＳ Ｚ３３５２ ＳＡＣＩ１該当品を用いた。表フラックス３００は１電極目（先行極）より前と、２電極目と３電極目の間に自動的に適量を連続散布される。

鋼板開先裏側には、裏当て部４００として、銅板やセラミック板といった成型固体を用いず、下敷フラックス４１１の上に硬化性樹脂成分が入った裏当てフラックス４１２を少量散布し、下敷フラックス４１１の内部に通したエアホース４１３から気体を注入することで、裏当てフラックス４１２を鋼板裏面に押し当てた。また、各電極について、それぞれに対応するコンタクトチップと鋼板との間に、独立した溶接電源を結線した。なお、各ワイヤは各コンタクトチップの直上に設けた送給ローラによって溶接部に送られる。

そして、図５に示す実験装置を用いて、３電極片面サブマージアーク溶接方法のテストを行った。より具体的には、図５に示す試験装置を用いて、ワイヤ直径、給電方式、外部特性、ワイヤ速度制御、溶接電流、溶接電圧を電極毎に変化させ、その影響を確認した。図５に示す実験装置において、第１ワイヤ１１０の先端と第２ワイヤ１２０の先端との極間距離は４０ｍｍ、第２ワイヤ１２０の先端と第３ワイヤ１３０の先端との距離は１２０ｍｍとした。そして、この例における溶接速度は、４７（ｃｍ／ｍｉｎ）で共通とした。

試験結果として裏波ビード形状、表ビード形状、内部欠陥を評価した。裏波ビード形状は幅９ｍｍ以上、裏波高さ２ｍｍ以上５ｍｍ以下を理想とし、さらに蛇行が小さく、幅のばらつきが少ないものを非常に良好としてＡ、若干これらの評価が劣るが手直しを要するほどではないものをＢ、裏波ビード形状の不良による手直しが必要なものをＣとして不合格扱いした。表ビード形状についても、裏波ビード形状と同様の評価基準とした。内部欠陥については、超音波探傷試験や断面マクロカット試験を行っても欠陥が見られなかったものを「無し」、融合不良が確認されたものを「有り」とした。

第２実施例および第２比較例における製造条件および試験結果を表３および表４に示す。ここで、表３に示すＮｏ．２−１〜Ｎｏ．２−４は第２実施例であり、表４に示すＮｏ．２−５〜Ｎｏ．２−１０は第２比較例である。

まず、第２実施例について説明を行う。
Ｎｏ．２−１は１電極目に交流・定電圧特性・定速制御を用いており、２電極目以降は従来からの交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を用いているが、良好な裏波ビード形状が得られている。また、最終パスとなる３電極目を交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御としていることで、表ビード外観も非常に良好となっている。

Ｎｏ．２−２はＮｏ．２−１に対して２、３電極目の溶接電源における外部特性の微分値ｄＶ／ｄＩが大きい、すなわち定電流特性を弱めた場合である。定電流性が弱まると、アーク電圧も変化しにくくなり、アーク長のフィードバック制御もまた効きにくくなる。したがって許容範囲内ではあるものの、アーク長の安定性が裏波ビード形状よりも大きく影響を及ぼす表ビード形状を劣化させる。つまり、表ビード形状を良好なものとするためには、微分値ｄＶ／ｄＩが小さい電圧ＦＢ変速制御のほうが、より好ましいことが示唆される。

Ｎｏ．２−３は全電極を交流・定電圧特性・定速制御としたものであり、２電極目以降にも溶融池の圧力変化を小さくする制御を取り入れることで、非常に良好な裏波ビード形状が得られている。また、表ビード形状を支配する３電極目はアーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けない交流としたため、第２実施例の中で最も優れた表・裏品質が得られた。

Ｎｏ．２−４は１電極目には交流・定電圧特性・定速制御を採用する一方、２電極目は直流・定電流特性・電圧ＦＢ変速制御、３電極目は交流・定電流特性・電圧ＦＢ変速制御としたものである。２電極目の直流・電圧ＦＢ変速制御が裏波形状に若干の悪影響を及ぼすために、最善ではないものの、許容範囲内の裏波ビード形状が得られた。また、表ビードを形成する３電極目（最終極）に対して、垂下特性よりもさらに定電流性に優れる定電流特性を用いることで、アーク長がより安定し、優れた表ビード形状が得られている。

続いて、第２比較例について説明を行う。
Ｎｏ．２−５はＮｏ．２−１に対して、１電極目を交流ではなく直流としたものである。直流はアーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けやすく、ワイヤを定速制御することによってある程度、裏波ビード形状の安定化作用を獲得してもなお、未だ安定形状と呼ぶには不足であった。

Ｎｏ．２−６は現在使用されている典型である。全電極について交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を採用している。内部欠陥や表ビード形状こそ特段問題ないものの、変速制御であることが裏波溶接には不適であり、裏波ビード形状に不良が発生した。

Ｎｏ．２−７は２電極目に交流・垂下特性・電流ＦＢ変速制御を組み合わせている。垂下特性はアーク長の動きに対して電流があまり動かないので、電流をモニターしたフィードバック制御は電圧フィードバックよりもアーク長制御手段として劣っている。アーク長の制御が上手く働かず、かつワイヤ送給も一定速度ではないので、裏波ビード形状の不良だけでなく、融合不良の内部欠陥、表ビード形状の不良も発生した。

Ｎｏ．２−８は全電極について、交流・定電流特性・電流ＦＢ変速制御を組み合わせたものである。アーク長の制御が上手く働かず、かつワイヤ送給も一定速度ではないので、裏波ビード形状の不良だけでなく、融合不良の内部欠陥、表ビード外観の不良も発生し、Ｎｏ．２−７よりもさらに全体品質が劣った。

Ｎｏ．２−９は１電極目として交流・定電圧特性・電圧ＦＢ変速制御を組み合わせている。定電圧特性はアーク長の動きに対して電圧があまり動かないので、電圧をモニターしたフィードバック制御はアーク長制御手段として性能が低く、また裏波ビードを形成する１電極目はワイヤの送給速度が一定であることが最も形状安定化に重要であることから、本構成では良好な裏波ビード形状が得られなかった。また、１電極目による初層の著しい不安定が原因で、２電極目との会合部に融合不良も発生した。

Ｎｏ．２−１０は１電極目として交流・定電流特性・定速制御を組み合わせているが、この組合せではアーク長の安定化制御が働かないので、溶接が不安定であり、裏波ビード形状の不良だけでなく、１電極目による初層の著しい不安定が原因で、２電極目との会合部に融合不良も発生した。

（第３実施例および第３比較例）
図６は、第３実施例および第３比較例における実験装置の構成を説明するための図である。なお、図６に示す実験装置の基本構成は、図１に示した溶接装置１から第３溶接ユニット３０、第４溶接ユニット４０および第２フラックス供給装置８０を取り除いたものとなっている。ここで、図６には、実験装置とともに、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２を含むワーク２００、ワーク２００の表面側に供給される表フラックス３００、ワーク２００の裏面側に配置される裏当て部４００、溶接に伴ってワーク２００に形成される溶接金属５００、開先に予め供給される開先充填材６００を併せて示している。

また、図７（ｃ）は、第３実施例および第３比較例における各鋼板および開先の寸法を示している。この例において、第１鋼板２０１および第２鋼板２０２は引張強度５２０ＭＰａ級炭素鋼板の板厚１４ｍｍ、幅５００ｍｍ×長さ３０００ｍｍを用いて、それぞれに開先端面処理を行い、突合せ継手とした。開先形状はルートフェース無しの５０°Ｖ型とした。ルートギャップは最短部で両側鋼板が接触する０ｍｍとしたが、鋼板の歪みによって不可避的に最大２ｍｍのギャップが生じている箇所があった。各ワイヤ（第１ワイヤ１１０および第２ワイヤ１２０）はＪＩＳ Ｚ３３５１ ＹＳ−Ｓ６該当品、表フラックス３００はＪＩＳ Ｚ３３５２ ＳＡＣＩ１該当品を用いた。表フラックス３００は１電極目（先行極）より前に自動的に適量を連続散布される。また、表フラックス３００とは別に、鉄粉からなる開先充填材６００を、手動で事前に開先内に散布しておいた。開先充填材６００の充填高さは鋼板表面位置から３ｍｍで管理した。この開先充填材６００は溶接時に各ワイヤや表フラックス３００と共に溶融し、溶融池を形成する。

鋼板開先裏側には、裏当て部４００として、銅板やセラミック板といった成型固体あるいは裏当てフラックスを用いず、ガラス繊維を織って数ｍｍ厚にしたガラステープと呼ばれる軟質裏当て材４２１を貼り付けた。ガラステープは軟らかいので鋼板の波打などに影響を受けず、裏面に密着させることが出来る。溶接時にはアーク近傍が溶融するが、非溶融部がクッションの役割として裏波の過度の溶落を防ぐ役割がある。また、各電極について、それぞれに対応するコンタクトチップと鋼板との間に、独立した溶接電源を結線した。なお、各ワイヤは各コンタクトチップの直上に設けた送給ローラによって溶接部に送られる。

そして、図６に示す実験装置を用いて、一部（後述するＮｏ．３−８）を除き、２電極片面サブマージアーク溶接方法のテストを行った。より具体的には、図６に示す試験装置を用いて、ワイヤ直径、給電方式、外部特性、ワイヤ速度制御、溶接電流、アーク電圧を電極毎に変化させ、その影響を確認した。図６に示す実験装置において、第１ワイヤ１１０の先端と第２ワイヤ１２０の先端との極間距離は７０ｍｍとした。そして、この例における溶接速度はそれぞれの製造条件において一定ではあるものの、製造条件に応じて異ならせた。なお、Ｎｏ．３−８は、第１ワイヤ１１０のみを用いた単電極片面サブマージアーク溶接方法によるテストとなっている。

試験結果として裏波ビード形状、表ビード形状、内部欠陥を評価した。裏波ビード形状は幅６ｍｍ以上、裏波高さ１ｍｍ以上４ｍｍ以下を理想とし、さらに蛇行が小さく、幅のばらつきが少ないものを非常に良好としてＡ、若干これらの評価が劣るが手直しを要するほどではないものをＢ、裏波ビード形状の不良による手直しが必要なものをＣとして不合格扱いした。表ビード形状についても、裏波ビード形状と同様の評価基準とした。内部欠陥については、超音波探傷試験や断面マクロカット試験を行っても欠陥が見られなかったものを「無し」、融合不良が確認されたものを「有り」とした。

第３実施例および第３比較例における製造条件および試験結果を表５および表６に示す。ここで、表５に示すＮｏ．３−１〜Ｎｏ．３−４は第３実施例であり、表６に示すＮｏ．３−５〜Ｎｏ．３−１４は第３比較例である。

まず、第３実施例について説明を行う。
Ｎｏ．３−１は１電極目に交流・定電圧特性・定速制御を用いており、２電極目は従来からの交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を用いているが、良好な裏波ビード形状および表ビード形状が得られている。

Ｎｏ．３−２はＮｏ．３−１に対して２電極目を直流・定電流特性・電圧ＦＢ変速制御としたものである。２電極目を直流とするよりも、Ｎｏ．３−１のように交流とする方が、本来は裏波ビード形状の安定性が優れるのであるが、ここでは開先充填材６００を用いていることで、さほどその影響は裏波ビード形状には影響を及ぼしていなかった。一方、２電極法の場合、最終極となる２電極目は表ビード形状の支配電極となるため、許容範囲内ではあるものの、アーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けやすい直流の方が、形状安定性は劣った。

Ｎｏ．３−３は１電極目、２電極目共に定電圧特性・定速制御を用いているが、１電極目は交流、２極目は直流とした。上述したように２電極目は表ビード形状の支配電極となるため、許容範囲内ではあるものの、アーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けやすい直流の方が、Ｎｏ．３−１のような両極交流よりも形状安定性は劣った。

Ｎｏ．３−４は両電極共に交流・定電圧特性・定速制御の共通構成としている。裏波ビード形状に最も強く影響を及ぼすワイヤの送給制御は共に定速化し、表ビード形状を支配する２電極目はアーク相互干渉や磁気吹きの影響を受けない交流としたため、第３実施例の中で最も優れた表・裏品質が得られた。

続いて、第３比較例について説明を行う。
Ｎｏ．３−５は現在使用されている典型である。両極共に交流・垂下特性・電圧ＦＢ変速制御を採用している。内部欠陥や表ビード形状こそ特段問題ないものの、変速制御であることが裏波溶接には不適であり、裏波ビード形状の不良が著しかった。また、上述した第１実施例や第２実施例に対して鋼板の板厚が小さいため、裏波ビード形状の不良が表ビード形状にも影響を及ぼしやや劣化させた。

Ｎｏ．３−６は１電極目として交流・定電流特性・定速制御を組み合わせているが、この組合せではアーク長の安定化制御が働かないので、溶接不安定であり、裏波ビード形状の不良だけでなく、１電極目による初層の著しい不安定が原因で、２電極目との会合部に融合不良も発生した。第１実施例や第２実施例のように電極数が多ければ、１電極目による裏波ビード形状の不良が表ビード形状に影響をあまり及ぼさないが、この例は２電極施工であるため、裏波ビード形状の不安定が表ビード形状に影響を及ぼし劣化を招いた。

Ｎｏ．３−７は１電極目が定電圧特性・定速制御という組合せは本発明の範疇であるが、ワイヤ直径が２．０ｍｍと細い。結果は、裏波ビードを形成することが出来ず、鋼板の裏面側に凹みが生じていた。裏波ビードを形成するためには、強いアーク力とそれを邪魔しない溶融池の厚み低減との両立が必要である。この組合せを適えるには電流密度が小さくすることが有効であり、ワイヤ直径が大きいほど有利である。つまり、ワイヤ直径が２．０ｍｍでは不足であるといえる。

Ｎｏ．３−８は定電圧特性・定速制御という組合せは本発明の範疇であるが、１電極のみで裏波ビード形成と表ビード形成とを同時に仕上げるべく、挑戦したものである。しかし、裏波ビードについては良好な形状を得ることが出来たものの、表ビード形状を良好にすることはできなかった。１電極目の役割は裏波ビードを形成することに特化するため、溶接条件に制限があり、表ビード形状は、幅の狭い凸状にならざるを得ない。２電極以上であれば、後行極（特に最終極）で表ビード形状を良好にするための溶接条件を用いて、先行極で形成された細くて凸の溶融池形状を整えることができるが、１電極施工ではこの役割分担が出来ないので、裏波溶接には不適である。

Ｎｏ．３−９は先行極に交流・定電流特性・電圧ＦＢ変速制御を採用している。内部欠陥や表ビード形状こそ特段問題ないものの、変速制御であることが裏波溶接には不適であり、裏波ビード形状の不良が著しかった。

Ｎｏ．３−１０の先行極、Ｎｏ．３−１１、Ｎｏ．３−１２の後行極は定電圧特性・電圧ＦＢ変速制御としているが、直流、交流にかかわらず、定電圧特性はアーク長の動きに対して電圧があまり動かないので、電圧をモニターしたフィードバック制御はアーク長制御手段として性能が低いため、溶接不安定であり、裏波ビード形状、表ビード形状共に外観不良が生じ、会合部に融合不良も発生した。

Ｎｏ．３−１３、Ｎｏ．３−１４の後行極は定電流特性・定速制御としているが、直流、交流にかかわらず、この組合せではアーク長の安定化制御が働かないので、溶接不安定であり、裏波ビード形状、表ビード形状共に外観不良が生じ、会合部に融合不良も発生した。

なお、第１実施例では、４電極片面サブマージアーク溶接において、裏当て部４００として裏当てフラックス４０１および裏当て銅板４０２を用いる場合について説明を行った。また、第２実施例では、３電極片面サブマージアーク溶接において、裏当て部４００として下敷フラックス４１１、裏当てフラックス４１２およびエアホース４１３を用いる場合について説明を行った。さらに、第３実施例では、２電極片面サブマージアーク溶接において、裏当て部４００として軟質裏当て材４２１を用いる場合について説明を行った。ただし、多電極片面サブマージ溶接における電極の数と裏当て部４００の構成とについては、上述した組み合わせに限定されるものではなく、その組み合わせを適宜変更して差し支えない。

１…溶接装置、１０…第１溶接ユニット、１１…第１送給装置、１２…第１溶接電源、２０…第２溶接ユニット、２１…第２送給装置、２２…第２溶接電源、３０…第３溶接ユニット、３１…第３送給装置、３２…第３溶接電源、４０…第４溶接ユニット、４１…第４送給装置、４２…第４溶接電源、５０…台車駆動装置、６０…制御装置、７０…第１フラックス供給装置、８０…第２フラックス供給装置、９０…台車、１１０…第１ワイヤ、１２０…第２ワイヤ、１３０…第３ワイヤ、１４０…第４ワイヤ、２００…ワーク、２０１…第１鋼板、２０２…第２鋼板、３００…表フラックス、４００…裏当て部、５００…溶接金属、６００…開先充填材

Claims (6)

1. 先行極と当該先行極に続く後行極とを用いた多電極片面サブマージアーク溶接方法であって、
   前記先行極および前記後行極では、それぞれ、直径２．４ｍｍ以上のワイヤを用い、
   それぞれのワイヤに給電を行う電源の給電方式および外部特性と、それぞれのワイヤの送給速度の速度制御方式とが、
   前記先行極では、前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御に設定され、
   前記後行極では、
   （ａ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
   （ｂ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
   （ｃ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   （ｄ）前記給電方式が交流、前記外部特性が垂下特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   （ｅ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   のいずれかに設定されること
   を特徴とする多電極片面サブマージアーク溶接方法。
2. 前記後行極は、前記先行極に続く複数の電極を含んで構成され、
   前記後行極を構成する前記複数の電極のそれぞれでは、前記給電方式、前記外部特性および前記速度制御方式が前記（ａ）乃至前記（ｅ）のいずれかに設定されること
   を特徴とする請求項１記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。
3. 前記後行極を構成する前記複数の電極のうち、前記先行極から見て最も後側に位置する最終極では、前記給電方式、前記外部特性および前記速度制御方式が前記（ｃ）または前記（ｄ）に設定されること
   を特徴とする請求項２記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。
4. 前記定電圧特性を有する前記電源を用いる場合に、動作点における電流に対する電圧の傾きである微分値ｄＶ／ｄＩが−１２．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以上であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。
5. 前記定電流特性または前記垂下特性を有する前記電源を用いる場合に、動作点における電流に対する電圧の傾きである微分値ｄＶ／ｄＩが−２４．０×１０^−３（Ｖ／Ａ）以下であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。
6. 先行極と当該先行極に続く後行極とを用いた片面サブマージアーク溶接にて、母材を溶接してなる溶接物の製造方法であって、
   前記先行極および前記後行極では、それぞれ、直径２．４ｍｍ以上のワイヤを用い、
   それぞれのワイヤに給電を行う電源の給電方式および外部特性と、それぞれのワイヤの送給速度の速度制御方式とが、
   前記先行極では、前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御に設定され、
   前記後行極では、
   （ａ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
   （ｂ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電圧特性、前記速度制御方式が一定速度制御
   （ｃ）前記給電方式が交流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   （ｄ）前記給電方式が交流、前記外部特性が垂下特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   （ｅ）前記給電方式が直流、前記外部特性が定電流特性、前記速度制御方式がアーク電圧に基づく電圧フィードバック制御
   のいずれかに設定されること
   を特徴とする溶接物の製造方法。

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