JP2017030049A - エレクトロガスアーク溶接方法及びエレクトロガスアーク溶接装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以上のように、各特許文献の溶接方法では、スパッタ発生量の増大と、溶込み不良が発生して、溶接品質や溶接作業性が低下する問題があった。
1対の被溶接板の端部同士を、開先が上下方向に延在し、裏面側よりも表面側が幅広となるように対向配置させ、1対の前記被溶接板の前記開先が形成された部位の前記表面側に、前記開先に沿って上方へ摺動可能な摺動板を当接させ、前記被溶接板の前記裏面側に、固定された裏当材を当接させ、単数又は複数の溶接トーチのトーチ先端を前記開先内に挿入させて配し、
前記溶接トーチと溶接電源部との間、及び前記被溶接板と前記溶接電源部との間に3m以上の長さのパワーケーブルを接続し、
前記溶接トーチから前記開先内に挿入された溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に、アーク電圧を印加して溶接電流を流し、前記摺動板を上方へ摺動させながらシールドガス雰囲気下で立向突合せ溶接を行うエレクトロガスアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤに15〜30%のフラックス率を有するフラックス入りワイヤ、前記シールドガスにCO2濃度が50%以上のガス、前記溶接電流としてパルス電流を用い、
前記パルス電流は、ピーク電流値に至るまでの立上り時間が0.1〜5.0msであり、パルスの周波数が20〜200Hzであることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、シールドガス組成、フラックス入りワイヤ、溶接電流の条件が最適化されて、フラックス入りワイヤ先端の溶滴移行を安定させることができる。これにより、入熱量を低減して溶接部の靱性を向上させ、しかも、スパッタの発生を抑えて作業性を向上できる。なお、本明細書における「A〜B」の範囲とは、A及びBの値を含む範囲を意味する。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、パルスベース期間において、安定に離脱できる溶滴が、パルスピーク期間に形成でき、溶滴移行を安定させることによって、より作業性を良好にすることができる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、溶接入熱が所定範囲に抑えられることで、被溶接板のHAZ軟化による強度低下を低減できる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、溶接入熱の低減効果と、溶接ワイヤの溶融による溶接金属の供給効果とのバランスが良好となる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、溶接部の靱性が高められ、溶接部の機械的性能を向上できる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、溶接ワイヤが溶融しやすくなり、フラックスの飛散を抑制できる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、それぞれの溶接トーチから出るアークが引き付けられ、アークを溶接トーチ間の中央側に寄せる他、スパッタもアークと同じ方向に引き付けられる。そのため、全体として安定した溶接が行えるようになる。
このエレクトロガスアーク溶接方法によれば、被溶接板を必要量溶かすことができ、溶込み不良を防ぐことができる。
前記溶接トーチと溶接電源部との間、及び前記被溶接板と前記溶接電源部との間に3m以上の長さのパワーケーブルを接続し、
前記溶接トーチから前記開先内に挿入された溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に、アーク電圧を印加して溶接電流を流し、前記摺動板を上方へ摺動させながらシールドガス雰囲気下で立向突合せ溶接を行うエレクトロガスアーク溶接装置であって、
前記溶接ワイヤは、15〜30%のフラックス率を有するフラックス入りワイヤであり、
前記シールドガスは、CO2濃度が50%以上のガスであり、
前記溶接電源部は、前記溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に流れる前記溶接電流として、ピーク電流値に至るまでの立上り時間が0.1〜5.0ms、パルスの周波数が20〜200Hzのパルス電流を供給可能な電源であることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接装置を提供する。
このエレクトロガスアーク溶接装置によれば、シールドガス組成、フラックス入りワイヤ、溶接電流の条件が最適化されて、フラックス入りワイヤ先端の溶滴移行を安定させることができる。これにより、入熱量を低減して溶接部の靱性を向上させ、しかも、スパッタの発生を抑えて作業性を向上できる。
<第1構成例>
図1は第1構成例のエレクトロガスアーク溶接装置の概略的な全体構成図、図2はエレクトロガスアーク溶接の様子を模式的に示す説明図である。
図1,図2に示すエレクトロガスアーク溶接装置100は、1対の被溶接板の端部同士を対向させた開先11(図2参照)が、上下方向に沿って配置された被溶接板15A,15Bに対し、立向突合せ溶接を行う溶接装置である。ここで扱う被溶接板15A,15Bは、例えば、板厚が45〜100mmの厚板鋼板であり、例えば、YP390N/mm2以上の高張力鋼板が使用可能である。以下の説明では、エレクトロガスアーク溶接装置を単に溶接装置と略称する。
次に、上記構成の溶接装置100に用いる溶接ワイヤ、シールドガス、溶接電流について説明する。
一般的な入熱量低減の手段としては、例えば、フラックス入りワイヤを用いることや、溶接電流をパルス化すること等が挙げられる。溶接電流値が同じであれば、フラックス入りワイヤはソリッドワイヤよりも溶着効率が高い。したがって、フラックス入りワイヤは、ソリッドワイヤよりも入熱量を低減することが可能となる。なお、ワイヤのフラックス率(ワイヤ中フラックス量/ワイヤ全重量の比)が大きいほど入熱量の低減効果が得られる。しかしながら、フラックス入りワイヤは、ワイヤ芯がフラックスにより形成されるため、溶接中のワイヤ先端において、フラックスが飛散してスパッタになり易く、溶接作業性が劣化する。この作業性の劣化は、フラックス率が高くなる場合やパルス溶接を適用する場合に顕著となる。
(1)フラックス率
ソリッドワイヤでは、エレクトロガス溶接のように、パワーケーブルが長尺となることが原因でパルス電流の波形が鈍った場合、ピンチ力が足りないため、溶接ワイヤ先端から周期的に溶滴が離脱しにくく、溶滴移行が不安定となる。しかし、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用い、フラックス率15〜30%と規定することでパルス電流の波形が鈍った場合にも、溶滴に括れが生じやすくなる。なお、フラックス率が15%を下回ると、溶滴の離脱に対して、十分なピンチ力が得られないため、溶滴移行が不安定になり溶接作業性が劣化する。一方、フラックス率が30%を超えると、フラックスが飛散し始め、溶接作業性が劣化する。なお、ここで言う波形の「鈍り」とはピーク波形の立上り、立下りが緩やかになる状態を指す。
溶接ワイヤに含まれるMn,Ni,B,Ti,SiO2のワイヤ全質量あたりの含有率(質量%)を、以下の範囲に規定することによって、溶接熱影響部の靱性及び溶接作業性がより向上する。
溶接ワイヤ中のMnは、脱酸剤或いは硫黄捕捉剤としての効果を発揮し、溶接金属の強度や靱性を確保するために添加することが好ましい。靱性確保のため1.50質量%以上を含有させることがより好ましい。一方、2.50質量%以下にすると、過剰強度による溶接金属の靭性低下を抑制できる。したがって、Mnの含有量は1.50〜2.50質量%の範囲と規定することが好ましい。
Niは、溶接金属の強度や靱性を確保するために添加することが好ましい。靱性確保のため0.5%以上を含有させることがより好ましい。一方、3.0質量%以下にすると、過剰強度による溶接金属の靭性低下を抑制できる。したがって、Niの含有量は0.5〜3.0質量%の範囲と規定することが好ましい。
Tiは強脱酸元素であり安定な酸化物、炭化物、窒化物を形成して、結晶粒の微細化等に寄与する元素であるため、溶接金属の強度や靱性を確保するために添加することが好ましい。靱性確保のため0.1質量%以上を含有させることがより好ましい。一方、0.5質量%以下にすると、過剰強度による溶接金属の靭性低下を抑制できる。したがって、Tiの含有量は0.1〜0.5質量%の範囲と規定することが好ましい。
Bは安定な窒化物を形成して、結晶粒の微細化等に寄与する元素であるため、溶接金属の強度や靱性を確保するために添加することが好ましい。靱性確保のため0.004質量%以上を含有させることがより好ましい。一方、0.020質量%以下にすると、過剰強度による溶接金属の靭性低下及び割れを抑制できる。したがって、Bの含有量は0.004〜0.020質量%の範囲と規定することが好ましい。
SiO2は溶融池表面に形成する陰極点として、アーク安定のために添加することが好ましい。アーク安定化のために0.1〜1.0質量%で添加することが好ましい。なお、Tiを添加する場合、Tiは安定な酸化物となりSiO2と同様、溶融池表面上で陰極点として働く。SiO2とTi酸化物では熱電子放出性能が異なるため、アーク安定として効果的に働く比率として、Ti/SiO2が0.5〜3.0であることがより好ましい。
溶接ワイヤに内包されるフラックス中における鉄粉の割合は、フラックス全重量に対して40〜90%とすることが好ましい。この範囲では、鉄粉は溶融しやすいため、溶接電流のピーク電流期間におけるフラックスの飛散を抑制できる。また、後述するCO2ガスの利点を向上できる。
溶接装置100に使用するシールドガスは、CO2濃度が50%以上の混合ガス、又は100%のCO2ガスとする。なお、以下の説明においては、上記のCO2濃度が50%以上のガスや100%のCO2ガスを、単にCO2ガスと呼称することがある。エレクトロガス溶接特有の長尺ケーブルによるパルス波形の鈍りに対し、適切に設定したパルス形状と、上記CO2ガスを含むシールドガスのアーク緊縮効果によって、パルスベース期間に離脱可能となる最適な大きさの溶滴を溶接ワイヤ先端に形成できる。その結果、溶接ワイヤ先端の溶滴移行が安定する。
同図においては、点線で示される通常のパルス波形から鈍ったパルス電流の波形が、実線で示されている。時刻t1におけるパルス電流は、緩やかな上昇途中の電流値E1となる。
溶接電源部39は、溶接ワイヤ25に出力する駆動電力と、溶接ワイヤ26に出力する駆動電力とを、それぞれ独立して出力できる。本構成の溶接電源部39においては、溶接ワイヤ25,26の少なくとも一方に、パルスモードによるパルス電流を出力する。
(1)立上り時間
パルス電流は、ピーク電流値に至るまでの立上り時間を0.1〜5.0msとする。この立上り時間0.1〜5.0msの範囲は、シールドガスをCO2ガスとし、フラックス入りワイヤを用いた場合における、溶滴を安定させる最適な条件となる。そして、この電流値が緩やかに増加する期間で溶接がなされる。立上がり時間が0.1msを下回る場合はフラックス入りワイヤに急峻なピンチ力がかかり、ワイヤ中のフラックスが飛散することで作業性が劣化する。立上がり時間が5.0msを超える場合はピーク期間中に溶滴離脱が起こり、1mm以上の大玉のスパッタが発生する。
パルス電流のパルスの周波数を20〜200Hzとする。通常のMAG(Metal Active Gas)溶接は溶滴移行を安定化させるために200Hzを超える周波数を必要とする。一方、本構成のエレクトロガスアーク溶接においては、20Hzを下回る場合、又は200Hzを超える場合は溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ発生量が増加する。すなわち、本発明の構成要件となるフラックス入りワイヤと、CO2濃度が50%以上のガスと、20〜200Hzの周波数のパルス電流とを用いることで、溶接ワイヤの溶滴移行を安定させることができる。
一般に、パルス電流を用いる場合は、ソリッドワイヤと、Ar80%以上のArリッチのシールドガスとの組み合わせで、パルスの周波数を200〜300Hzにして行われる。この条件下では、パルス電流の1パルスによりワイヤ先端に1つの液滴が生成される、1パルス1ドロップが達成できる。これにより、スパッタが抑制された優れた溶接作業性が得られ、入熱量の低減も図れる。
次に、エレクトロガスアーク溶接装置の第2構成例を説明する。
図7は第2構成例の溶接装置の概略的な全体構成図である。以降の説明においては、同一の部材や部位に対しては、同一の符号を付与することで、その説明は省略又は簡単化する。
溶接速度:20mm/min
板厚(1電極): 45mm
板厚(2電極): 80mm
ルートギャップ: 10mm
開先角度 : 20°
(1)ビード外観については、アンダーカット、又は垂れ発生の有無を目視により評価した。評価基準は、Aが良好、Bが外観不良有りである。
(2)融合不良については、超音波探傷(UT:Ultrasonic Testing)試験(JIS Z 3060:2002)により、溶込み不良の発生の有無により評価した。評価基準は、Aが溶込み不良無しで、Bが溶込み不良有りである。
(3)スパッタ作業性については、高速ビデオカメラで撮影し、10秒あたりに発生するスパッタの数を、下記基準でA,B,Cの3段階で評価した。
A:100個未満
B:100個以上、200個未満
C:200個以上
(4)靱性については、ソリッドワイヤによる定電圧のエレガスアーク溶接による試験サンプルのシャルピー衝撃試験(JIS Z 2242:2005)の結果と比較し、下記基準でA,B,Cの3段階で評価した。
A:100以上、120以下
B:60以上、100未満
C:60未満
実験例48、49のように、ケーブル長が3m未満であると、波形の鈍りが起こらないためパルス電流の立上がりが0.1ms未満となり、フラックス入りワイヤとCO2ガスの組み合わせでは、溶滴移行が安定せずスパッタを生じて作業性が劣化した。
実験例50、51のように、ケーブル長が100mになると、波形が過度に鈍り、パルス電流の立上がりが5.0msを超え、作業性が悪化した。
実験例52のように、フラックス入りワイヤのフラックス率が15%を下回ると、溶滴の離脱に対して十分なピンチ力が得られないため、溶滴移行が不安定になり溶接作業性が劣化した。
一方、実験例53のように、フラックス率が30%を超えると、フラックスが飛散し始め、溶接作業性が劣化した。
実験例54は、ソリッドワイヤ、CO2ガス、及びパルス電流を組み合わせた溶接方法である。この場合、溶滴移行が不安定になり、ビード外観不良及び溶接作業性が劣化した。
実験例55は、立上がり時間が5.0msを超え、周波数が20Hz未満となった場合である。この場合、ピーク期間中に溶滴離脱が起こり、1mm以上の大玉のスパッタが発生し、溶接作業性が劣化した。
実験例56は周波数が200Hzを超える場合である。この場合、フラックス入りワイヤに急峻なピンチ力がかかり、ワイヤ中のフラックスが飛散することで溶接作業性が劣化した。
15A,15B 被溶接板
17 摺動板
19 裏当材
25,26,28 溶接ワイヤ
39,40 溶接電源部
100,200 エレクトロガスアーク溶接装置
Claims (9)
- 1対の被溶接板の端部同士を、開先が上下方向に延在し、裏面側よりも表面側が幅広となるように対向配置させ、1対の前記被溶接板の前記開先が形成された部位の前記表面側に、前記開先に沿って上方へ摺動可能な摺動板を当接させ、前記被溶接板の前記裏面側に、固定された裏当材を当接させ、単数又は複数の溶接トーチのトーチ先端を前記開先内に挿入させて配し、
前記溶接トーチと溶接電源部との間、及び前記被溶接板と前記溶接電源部との間に3m以上の長さのパワーケーブルを接続し、
前記溶接トーチから前記開先内に挿入された溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に、アーク電圧を印加して溶接電流を流し、前記摺動板を上方へ摺動させながらシールドガス雰囲気下で立向突合せ溶接を行うエレクトロガスアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤに15〜30%のフラックス率を有するフラックス入りワイヤ、前記シールドガスにCO2濃度が50%以上のガス、前記溶接電流としてパルス電流を用い、
前記パルス電流は、ピーク電流値に至るまでの立上り時間が0.1〜5.0msであり、パルスの周波数が20〜200Hzであることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接方法。 - 前記パルス電流を、パルスピーク電流IPが400〜800A、パルスピーク期間tpが1.0〜4.0ms、ベース電流IBが100〜200A、の条件に設定す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。
- 1対の前記被溶接板の板厚が45〜100mmであって、前記開先への溶接入熱を20〜75kJ/mmにすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記溶接ワイヤとして、直径が1.2〜2.0mmのものを用いることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記溶接ワイヤとして、ワイヤ全質量あたり、Mn:1.50〜2.50質量%、SiO2:0.1〜1.0質量%、Ni:0.5〜3.0質量%、Ti:0.1〜0.5質量%、B:0.004〜0.020質量%を含有するフラックス入りワイヤを用いることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記溶接ワイヤに内包されるフラックス中における鉄粉の割合を、前記フラックスの全重量に対して40〜90%とすることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記開先内に複数の前記溶接トーチを挿入して、前記溶接トーチの少なくとも1本を前記表面側に配置し、少なくとも1本を前記裏面側に配置し、前記表面側に配置された溶接トーチに印加する電流と、前記裏面側に配置された溶接トーチに印加する電流との極性を逆にすることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 複数の前記溶接トーチのうち、前記被溶接板の裏面に最も近い溶接トーチのトーチ先端から突出される前記溶接ワイヤの先端が、前記被溶接板の裏面からの水平距離で15〜25mmの位置に配置されることを特徴とする請求項7に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 1対の被溶接板の端部同士を、開先が上下方向に延在し、裏面側よりも表面側が幅広となるように対向配置させ、1対の前記被溶接板の前記開先が形成された部位の前記表面側に、前記開先に沿って上方へ摺動可能な摺動板を当接させ、前記被溶接板の前記裏面側に、固定された裏当材を当接させ、単数又は複数の溶接トーチのトーチ先端を前記開先内に挿入させて配し、
前記溶接トーチと溶接電源部との間、及び前記被溶接板と前記溶接電源部との間に3m以上の長さのパワーケーブルを接続し、
前記溶接トーチから前記開先内に挿入された溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に、アーク電圧を印加して溶接電流を流し、前記摺動板を上方へ摺動させながらシールドガス雰囲気下で立向突合せ溶接を行うエレクトロガスアーク溶接装置であって、
前記溶接ワイヤは、15〜30%のフラックス率を有するフラックス入りワイヤであり、
前記シールドガスは、CO2濃度が50%以上のガスであり、
前記溶接電源部は、前記溶接ワイヤと1対の前記被溶接板との間に流れる前記溶接電流として、ピーク電流値に至るまでの立上り時間が0.1〜5.0ms、パルスの周波数が20〜200Hzのパルス電流を供給可能な電源であることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接装置。
Priority Applications (3)
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