JP2019000908A - 多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を実施可能とするすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置を提供する。
【解決手段】先行極4の極性が逆極性であり、先行極4のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°、後行極5のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°、且つ、θL≦θTであり、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が、5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足する。
【選択図】図1
【解決手段】先行極4の極性が逆極性であり、先行極4のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°、後行極5のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°、且つ、θL≦θTであり、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が、5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足する。
【選択図】図1
Description
本発明は、多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置に関し、より詳細には、粉粒状溶接フラックスの内部に2本以上の電極ワイヤを送り込んで溶接を行う多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置に関する。
造船分野における水平すみ肉溶接において、防錆用塗料の気化に基づく気孔欠陥を低減することが要求されている。例えば、特許文献1では、先行極にソリッドワイヤを用いるとともに、後行極にフラックス入りワイヤ(FCW)を用いた水平すみ肉溶接用のタンデムガスシールドアーク溶接方法が開示されている。この特許文献1では、深溶込み効果が得られ、気化した防錆用塗料の排出を可能とすることで気孔欠陥の低減が可能であるとしている。
また、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するタンデムサブマージアーク溶接として、例えば、特許文献2には、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、先行電極と後行電極の動作角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用いて、溶接速度が160〜200cm/minの水平すみ肉姿勢で溶接することが開示されている。
また、特許文献3においても、先行電極及び後行電極の電極ワイヤの直径、各電極ワイヤと溶接線とのなす角度、極間距離などを、それぞれ特定の範囲に設定して溶接する大脚長水平すみ肉サブマージアーク溶接方法が開示されている。
特許文献1に記載の方法は、シールドガスを用いるタンデムガスシールドアーク溶接法である。板厚が大きいものに対しては、深溶込み効果を十分確保するために、先行極と後行極の電流、電圧の値を増大させなければならない。しかしながら、このタンデムガスシールドアーク溶接法で電流および電圧の値を過度に増大させると、溶融金属量増加に伴うビードの垂れ、先行極と後行極間の溶融金属流動現象に起因するアーク長変動、または溶接中に発生する過大な電磁気力に起因したアーク不安定等が生じる。このため、特許文献1に記載の方法では、板厚が12mmを超えるものに対しては、アーク長変動やアーク不安定の影響で深溶込み効果が不十分であるために気孔欠陥を抑制することは考慮されていない。さらに、特許文献1に記載のタンデムガスシールドアーク溶接法は、先行極にソリッドワイヤ、後行極にFCWを用いる必要があり、ワイヤの種類や線径の条件が変わる他の溶接方法には適さない。
また、特許文献1に記載の方法では、アークの安定と先行極及び後行極間の溶融金属の安定とを両立しつつ、良好なビード形状かつ十分な深溶込み効果を確保するためには、溶接速度が、実用上120cm/min程度までに限られるという課題がある。
また、特許文献1に記載の方法では、アークの安定と先行極及び後行極間の溶融金属の安定とを両立しつつ、良好なビード形状かつ十分な深溶込み効果を確保するためには、溶接速度が、実用上120cm/min程度までに限られるという課題がある。
また、特許文献2に記載の水平すみ肉タンデムサブマージアーク溶接方法では、160〜200cm/minでの高速溶接を可能としているものの、対象としている鋼板はボイラ火炉壁のような板厚8mm未満の鋼板であり、板厚が12mmを超える厚鋼板に対しては、十分な深溶込み効果を得ることができず、気孔欠陥を低減することができない。
さらに、特許文献3に記載の水平すみ肉サブマージアーク溶接方法では、先行極ワイヤ直径を1.2〜2.0mmとし、先行極の立板からの傾斜角が40°未満に設定されているため、深溶込み効果を好適に得ることができず、気孔欠陥を低減することができない。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を実施可能とするすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置を提供することにある。
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
即ち、先行極と後行極の2電極を用いたすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、前記先行極の極性が逆極性(DCEP)であり、前記先行極のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°であり、前記後行極のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つ、θL≦θTであり、前記先行極の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が式(1)の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1)
即ち、先行極と後行極の2電極を用いたすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、前記先行極の極性が逆極性(DCEP)であり、前記先行極のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°であり、前記後行極のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つ、θL≦θTであり、前記先行極の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が式(1)の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1)
また、3以上の電極を備えるすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極の極性が逆極性であり、前記先行極のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°であり、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つ、θL≦θTであり、前記先行極の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が式(1)の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1)
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1)
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接速度S[cm/min]が、式(2)の条件を満足してもよい。
5.0≦JL/VL・100/S・・・式(2)
5.0≦JL/VL・100/S・・・式(2)
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記先行極のワイヤ直径RL及び前記先行極の突出し長さELが、式(3)の条件を満足してもよい。
6.0≦EL/RL≦12.5・・・式(3)
前記先行極のワイヤ直径RL及び前記先行極の突出し長さELが、式(3)の条件を満足してもよい。
6.0≦EL/RL≦12.5・・・式(3)
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記後行極の溶接電流を交流としてもよい。
前記後行極の溶接電流を交流としてもよい。
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記先行極のワイヤ直径RLが、1.2〜2.0mmであってもよい。
前記先行極のワイヤ直径RLが、1.2〜2.0mmであってもよい。
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記後行極のワイヤ直径RTが、1.6〜6.4mmであってもよい。
前記後行極のワイヤ直径RTが、1.6〜6.4mmであってもよい。
また、上述した2電極または3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記先行極のワイヤ直径RLと、前記後行極のワイヤ直径RTが、式(4)の関係を満足してもよい。
0.8≦RT/RL・・・式(4)
前記先行極のワイヤ直径RLと、前記後行極のワイヤ直径RTが、式(4)の関係を満足してもよい。
0.8≦RT/RL・・・式(4)
また、本発明の溶接装置は、上述した多電極サブマージアーク溶接方法により溶接するものである。
本発明に係るすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置によれば、先行極(3電極以上の場合は溶接方向に対し、最も先方に位置する電極)の極性を逆極性とすることで、深溶込み効果が得られ、また、先行極のトーチ角度θLを5°≦θL≦45°とすることで溶込み方向を鋼板突合せ部に向けることができ、より好適な溶込みが得られる。また、後行極(3電極以上の場合は溶接方向に対し、最も先方に位置する電極)のトーチ角度θTを40°≦θT≦60°とし、且つθL≦θTとすることで、先行極により形成されるビードを平坦化して良好なビード形状に整形することができる。さらに、電流密度JL[A/mm2]と、アーク電圧VL[V]が5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足することで、アークの集中性が向上し、鋼板表面よりも溶接ワイヤが内側に潜り込んだ状態でアークを発生させ、適正なワイヤ溶融量で深溶込み効果を得ることがさらに可能となる。なお、3電極以上の場合において、中間に位置する電極はワイヤ溶融量を適正な範囲に調整するために用いる。そのため、この中間に位置する電極は深溶込み効果ならびにビード整形効果に直接的な影響を及ぼさないことから、トーチ角度や溶接条件等について特に問わない。
これにより、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を行うことができる。
これにより、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を行うことができる。
以下、本発明を実施するための一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。
本実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法において、2電極のサブマージアーク溶接方法は、図1及び図2に示すように、下板1、及び立板2からなる母材に対して、不図示のホッパーから供給される粉粒状溶接フラックス3の内部に、先行極4と後行極5を構成する2本のワイヤ(消耗式電極)40,50を送り込んで溶接を行う方法である。
具体的に、これらのワイヤ40,50は、溶接トーチの内部に挿通され、各トーチの先端から突き出しており、母材上で、後述する所定の極間距離G、所定のトーチ角度θL、θT、所定の傾斜角で配置される。また、先行極4と母材との間、後行極5と母材との間、先行極4と後行極5との間がそれぞれ溶接フラックス3で満たされている。
先行極4及び後行極5のワイヤ40,50は、ソリッドワイヤ、またはFCWのいずれかでもよく、また、特にいずれかに限定されるものではないが、深溶込み効果をより好適に得る為には、先行極4のワイヤ40としてソリッドワイヤが好ましい。加えて、ワイヤ40,50は、希土類元素などの高価な元素を含有しない安価なソリッドワイヤであっても適用できる。また、溶接フラックス3は、すみ肉溶接用の一般的なフラックスである。
先行極4及び後行極5のワイヤ40、50は、それぞれが不図示の溶接用電源と接続され、母材である下板1及び立板2との突合せ部(下板1の上面と立板2の側面との間の隅部)に所定のアーク電圧及び溶接電流の電力が供給される。これにより、先行極4と母材との間、及び後行極5と母材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極4及び後行極5のワイヤ40,50と、母材とが溶融して溶融金属7aとなる。また、溶融金属7a上には、溶接フラックス3が溶融して溶融スラグ8aが形成される。そして、先行極4、後行極5及びホッパーを、溶接方向Xに前進させると、これらの後方では、溶融金属7a及び溶融スラグ8aが凝固し、ビード(溶接金属)7b及びその上部の凝固スラグ8bが形成される。
なお、3電極を有するサブマージアーク溶接については、図3および図4に示す。この場合、溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極4と、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極5との間に、中間極6が配置され、中間極6を構成するワイヤ60もワイヤ40,50と共に溶接フラックス3内に送り込まれて、溶接が行われる。なお、中間極6のワイヤ60も、ソリッドワイヤ、FCWのいずれでもよい。
ここで、本実施形態では、母材の板厚が厚い場合であっても、ピットやブローホールのような気孔欠陥を低減すべく、十分な深溶込み効果が得られるとともに、良好なビード形状を与え、且つ、高速のすみ肉溶接を行うことができるように、各種溶接条件を設定した。
以下、各種溶接条件について、その理由と共に説明する。
以下、各種溶接条件について、その理由と共に説明する。
[先行極4及び後行極5のトーチ角度θL、θT]
トーチ角度は、図2に示すように、先行極及び後行極4,5の中心線(ワイヤ40、50の先端部である突き出し部の中心線)と、下板1の上面とがなす角度で表される。本実施形態では、先行極4のトーチ角度θLが、5°≦θL≦45°であり、後行極5のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つθL≦θTに設定されている。また、溶接線を軸とし、下板1が水平面との間に角度を持って配置されている場合(母材傾斜)であっても重力の作用方向が深溶込み効果を阻害しない場合には本発明の効果を得ることができる。
トーチ角度は、図2に示すように、先行極及び後行極4,5の中心線(ワイヤ40、50の先端部である突き出し部の中心線)と、下板1の上面とがなす角度で表される。本実施形態では、先行極4のトーチ角度θLが、5°≦θL≦45°であり、後行極5のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つθL≦θTに設定されている。また、溶接線を軸とし、下板1が水平面との間に角度を持って配置されている場合(母材傾斜)であっても重力の作用方向が深溶込み効果を阻害しない場合には本発明の効果を得ることができる。
先行極4のトーチ角度θLを、5°以上、且つ45°以下としたのは、トーチ角度θLが5°未満であると、ビード7bがオーバーラップしてしまい、形状として不適になることに加え、先行極4のワイヤ40が、下板1の表面に近接しているため、アーク点が不安定となる場合がある。
また、トーチ角度θLが45°を超えると、溶込み方向が下板1側に偏向してしまい、鋼板突合せ部への深溶込み効果を得られず、気孔欠陥を低減できない虞がある。
なお、先行極4のトーチ角度θLとしては、20°≦θL≦35°とするのが好ましい。
なお、先行極4のトーチ角度θLとしては、20°≦θL≦35°とするのが好ましい。
また、後行極5のトーチ角度θTは、40°≦θT≦60°とすることで、先行極4により形成されるビード7bの凸形状が平坦化して良好なビード形状に整形される。
[先行極4及び後行極5の傾斜角]
また、傾斜角は、先行極4および後行極5の中心線と溶接方向Xを法線とする面とがなす角度で表される。本実施形態では、この先行極4及び後行極5の溶接方向Xに対する傾斜角は、特に限定されるものではないが、ビード形状を考慮して、それぞれ0°以上かつ15°以下の後退角又は前進角となるように設定することが好ましい。
なお、電極が後退角の場合は、溶込みが深くなる傾向があり、前進角の場合は、溶込みが浅くビードが広がる傾向がある。
また、傾斜角は、先行極4および後行極5の中心線と溶接方向Xを法線とする面とがなす角度で表される。本実施形態では、この先行極4及び後行極5の溶接方向Xに対する傾斜角は、特に限定されるものではないが、ビード形状を考慮して、それぞれ0°以上かつ15°以下の後退角又は前進角となるように設定することが好ましい。
なお、電極が後退角の場合は、溶込みが深くなる傾向があり、前進角の場合は、溶込みが浅くビードが広がる傾向がある。
[極間距離G]
各電極間の距離である極間距離Gは、特に限定されるものではないが、10〜45mmとすることが好ましい。極間距離Gを10mm以上に設定する事によって、電極間のアーク干渉を防ぎつつ好適なビード整形効果を得ることができる。また、極間距離Gを45mm以内とする事で、設備の大型化や不良部発生の抑制により効果的である。
各電極間の距離である極間距離Gは、特に限定されるものではないが、10〜45mmとすることが好ましい。極間距離Gを10mm以上に設定する事によって、電極間のアーク干渉を防ぎつつ好適なビード整形効果を得ることができる。また、極間距離Gを45mm以内とする事で、設備の大型化や不良部発生の抑制により効果的である。
[先行極4及び後行極5のワイヤ40の直径RL、RT]
先行極4のワイヤ40の直径RLは、1.2〜2.0mmとするのが好ましい。先行極4のワイヤ40の直径RLが1.2mm未満であると、電流を増大させる際にワイヤ送給速度を過剰に高速にしなければならず、送給装置が大型化する。一方、先行極4のワイヤ40の直径RLが2.0mmを超えると、後述する電流密度JL[A/mm2]の値を大きくするために電流を増大させる必要があり、溶着金属量の増大を招く。そのため、後行極5によるビード整形効果を好適に得られず、のど厚の増大やオーバーラップ等の外観不良を生じる虞がある。
先行極4のワイヤ40の直径RLは、1.2〜2.0mmとするのが好ましい。先行極4のワイヤ40の直径RLが1.2mm未満であると、電流を増大させる際にワイヤ送給速度を過剰に高速にしなければならず、送給装置が大型化する。一方、先行極4のワイヤ40の直径RLが2.0mmを超えると、後述する電流密度JL[A/mm2]の値を大きくするために電流を増大させる必要があり、溶着金属量の増大を招く。そのため、後行極5によるビード整形効果を好適に得られず、のど厚の増大やオーバーラップ等の外観不良を生じる虞がある。
したがって、先行極4のワイヤ直径RLを、1.2〜2.0mmとすることで、適正な電流を供給し、過大なワイヤ送給速度や、溶着金属量の増大を防止することができ、後行極5による好適なビード整形効果により外観不良を防止することができる。
また、後行極5のワイヤ50の直径RTは、1.6〜6.4mmとするのが好ましい。これにより、後行極5による溶着量をより好適に確保するとともに、先行極4による凸ビード形状を整形することが可能となる。なお、一般的なガスシールドアーク溶接では、ワイヤ直径が2.0mmを超えるものを送給する事は考慮されておらず、好適なビード整形効果と溶着金属量を両立する事が困難となる場合がある。
さらに、先行極4のワイヤ40の直径RLと、後行極5のワイヤ50の直径RTとの比(RT/RL)は、0.8以上に設定するのがよい。これによって、先行極4と後行極5による溶着金属の総量を好適に確保するとともに、後行極5によるビード整形の効果がより好適に得られ、良好なビード形状とすることが可能となる。
RT/RLが0.8未満であると、後行極5のワイヤ50の直径RTが、先行極4のワイヤ40の直径RLよりも過度に細く、アークの広がりが不十分となって、ビード整形効果を好適に得ることができない。
RT/RLのより好ましい範囲は、1.0≦RT/RL≦5.0である。即ち、先行極4と後行極5を同径化すれば、ワイヤの管理が容易となる。また、後行極5のワイヤ50の直径RTの過度な太径化による脚長増加を抑止することができる。
[先行極4の突出し長さEL]
また、先行極4のワイヤ40の直径RLと、先行極4のワイヤ40の突出し長さELとの比(EL/RL)は、6.0≦EL/RL≦12.5に設定されるのが好ましい。EL/RLが6.0未満だと、突出し長さELが過度に短く、溶接終了地点などでコンタクトチップの融着を招く虞がある。また、EL/RLが12.5を超えると、突出し長さELが過度に長く、電流が低下するために送給速度の増加が必要となるほか、ワイヤ狙い位置のズレを生じやすくなるために溶込み方向のズレやビード外観の劣化を引き起こす場合がある。
また、先行極4のワイヤ40の直径RLと、先行極4のワイヤ40の突出し長さELとの比(EL/RL)は、6.0≦EL/RL≦12.5に設定されるのが好ましい。EL/RLが6.0未満だと、突出し長さELが過度に短く、溶接終了地点などでコンタクトチップの融着を招く虞がある。また、EL/RLが12.5を超えると、突出し長さELが過度に長く、電流が低下するために送給速度の増加が必要となるほか、ワイヤ狙い位置のズレを生じやすくなるために溶込み方向のズレやビード外観の劣化を引き起こす場合がある。
したがって、先行極4のワイヤ直径RL及び先行極4の突出し長さELが、6.0≦EL/RL≦12.5の条件を満足することで、溶接終了地点などでのコンタクトチップの融着を防止し、溶込み方向のズレやビード外観の劣化を抑制することができる。
[先行極4及び後行極5の極性]
なお、電力を供給する際の先行極4及び後行極5の極性は、深溶込み効果が得られ易く気泡の排出が容易であることや、溶着金属量及びビード形状を考慮して、先行極4は、逆極性(DCEP)とし、後行極5は交流(AC)とするのがよい。後行極5の溶接電流を交流とすることで、溶接中の先行極4と後行極5の電磁気的な干渉を抑制することができ、好適なビード形状を得ることができる。また、電極数が3以上の場合には、先行極4との電磁気的な干渉を抑制するために、中間極6の溶接電流をACとすることがよい。
なお、電力を供給する際の先行極4及び後行極5の極性は、深溶込み効果が得られ易く気泡の排出が容易であることや、溶着金属量及びビード形状を考慮して、先行極4は、逆極性(DCEP)とし、後行極5は交流(AC)とするのがよい。後行極5の溶接電流を交流とすることで、溶接中の先行極4と後行極5の電磁気的な干渉を抑制することができ、好適なビード形状を得ることができる。また、電極数が3以上の場合には、先行極4との電磁気的な干渉を抑制するために、中間極6の溶接電流をACとすることがよい。
[先行極4の電流密度JLとアーク電圧VLとの比(JL/VL)]
先行極4に供給される電力の電流密度JL[A/mm2]、及びアーク電圧VL[V]は、5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。
先行極4に供給される電力の電流密度JL[A/mm2]、及びアーク電圧VL[V]は、5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。
先行極4の電流密度JL[A/mm2]と、アーク電圧VL[V]との比(JL/VL)が、5.0以上、且つ18.5以下の条件を満足することで、アークの集中性が向上し、ワイヤ40が鋼板表面よりも内側に潜り込んだ状態でアークが発生し、適正なワイヤ溶融量で深溶込み効果を得ることが可能となる。
JL/VLが5.0未満であると、ワイヤ40が鋼板表面より内側に潜り込んでアークを発生させることができず、深溶込み効果が得られない。また、JL/VLが18.5を超えると、先行極4によるワイヤ溶融量が過度に増加するため、後行極5によってビード外観を十分に整形することができず、ビード外観が不適となる。
なお、深溶込み効果及びビード整形効果をより好適に得るためには、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]との比(JL/VL)を8.5≦JL/VL≦13.0とすることが望ましい。
特に、上述した先行極4のトーチ角度θLを20°≦θL≦35°とし、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]との比(JL/VL)を8.5≦JL/VL≦13.0とすることで、溶込み方向が母材の突合せ部に集中するほか、後行極5によるビード整形効果が好適に得られ、適切な溶接ビードが得られる。
特に、上述した先行極4のトーチ角度θLを20°≦θL≦35°とし、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]との比(JL/VL)を8.5≦JL/VL≦13.0とすることで、溶込み方向が母材の突合せ部に集中するほか、後行極5によるビード整形効果が好適に得られ、適切な溶接ビードが得られる。
[溶接速度S]
また、深溶込み効果を維持するため、溶接速度S[cm/min]は、5.0≦JL/VL・100/Sの条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。
また、深溶込み効果を維持するため、溶接速度S[cm/min]は、5.0≦JL/VL・100/Sの条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。
これにより、先行極4による深溶込み効果と、後行極5のビード整形効果により、ビード外観を好適なものとすることができる。JL/VL・100/Sが5.0未満だと、溶接速度Sが速すぎるために溶込み形状が浅くなり、気孔欠陥が増加すると共に、アンダーカットなどの欠陥も生じやすくなる。また、溶接速度Sが低速だと、溶着金属量が過度に増加し、ビード外観が劣化すると共に、施工能率が低下する。このため、JL/VL・100/Sの上限値を26.0とすることが好ましい。
以上説明したように、本実施形態の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置によれば、各種溶接条件を設定することで、深溶込み効果により気孔欠陥の低減を可能にしつつ、例えば、母材の板厚が20mmまでのすみ肉溶接を、溶接速度が250cm/min、好ましくは200cm/minまでの高速で行うことができる。
特に、本実施形態では、少なくとも、先行極4の極性を逆極性とし、先行極4のトーチ角度θLを5°≦θL≦45°、後行極5のトーチ角度θTを40°≦θT≦60°、且つ、θL≦θTとし、先行極4の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]を、5.0≦JL/VL≦18.5の条件を満足するようにすることで、母材の板厚が厚い場合であっても、良好なビード形状を維持しつつ、深溶込み効果を有するすみ肉溶接を高速で行うことができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。さらに、本発明は、これらの記載に基づいて、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、本実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法は、先行極4及び後行極5により1つの溶融池を形成する1プール溶接であっても、先行極4及び後行極5により2つの溶融池を形成する2プール溶接のいずれであってもよい。また、本発明の溶接方法では、ウィービングが行われてもよい。さらに、溶接姿勢は特に問わず、水平すみ肉溶接としてよいし、下向きすみ肉溶接としてもよい。
本発明の有効性を立証するため、先行極及び後行極のそれぞれについて、ワイヤ直径、溶接電流、アーク電圧、電流密度、溶接速度、トーチ角度、前進角又は後退角、ワイヤ突出し長さ、及び極性を変更した各種溶接条件において、サブマージアークによるすみ肉溶接試験を行った。なお、後行極のワイヤはソリッドワイヤを用い、極間距離は15mmとして溶接試験を行っている。
使用した下板及び立板の鋼板の化学組成を表1に、先行極及び後行極に用いたソリッドワイヤの化学組成を表2に、先行極に用いたFCWの化学組成を表3に、溶接フラックスの化学組成を表4に、それぞれ示す。なお、表2及び表3のソリッドワイヤの化学組成における残部は、Fe及び不可避不純物である。また、表4の溶接フラックスの化学組成における残部は、酸化物、フッ化物と不可避的不純物で構成されている。例えば、酸化物としては、CaO,TiO2,Al2O3,FeO,BaO,K2O,Na2Oのうち一種以上を含有し、その酸化物の含有量は合計で0.01〜3.00%の範囲である。また、フッ化物としては、CaF2、NaF2、K2SiF2のうち一種以上を含有し、合計で0.01〜5.00%程度の範囲である。さらに、各試験において、下板及び立板に使用された母材の板厚は、12mmである。また、3電極の場合には、先行極と後行極を除く中間極の溶接条件を表5の条件としている。
溶接品質は、ピット、ビード外観については目視による外観検査で、ブローホールについてはX線透過試験により評価した。ピットについては、ピット無しは○、ピット有りは×(不合格)とした。また、ブローホールについては、溶接長100mmに対してブローホールが3個未満は◎、溶接長100mmに対してブローホールが3個以上、6個未満は○、溶接長100mmに対してブローホールが6個以上は×(不合格)とした。ビード外観については、ビード形状良好なものは◎、外観不良はないが、表面波目模様が粗いものは○、ビード蛇行、アンダーカット、オーバーラップなどの外観不良があるものは×(不合格)とした。
試験結果を、各溶接条件と共に表6に示す。
試験結果を、各溶接条件と共に表6に示す。
表6に示すように、先行極の極性、先行極のトーチ角度θL(5°≦θL≦45°)、後行極のトーチ角度θT(40°≦θT≦60°)、トーチ角度θL、θTの大きさ(θL≦θT)、先行極の電流密度JLとアーク電圧VLの比(JL/VL)のいずれの5つの条件が、本発明で規定する範囲内である各試験No.1〜No.47では、いずれのワイヤ径、溶接速度、前進角又は後進角、突出し長さ、後行極の極性、極間距離、母材傾斜、3電極目の有無においても、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルを満たした。
一方、先行極の極性が正極性である試験No.48では、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルに達せず、先行極の溶接電流を交流とした試験No.49では、ブローホールが合格レベルに達しなかった。
また、先行極のトーチ角度θLが本発明で規定する下限値未満である試験No.50では、ビード外観が合格レベルに達せず、上限値を超える試験No.51では、ピット、及びブローホールが合格レベルに達しなかった。また、後行極のトーチ角度θTが本発明で規定する下限値未満である試験No.52、及び上限値を超える試験No.53では、いずれもビード外観が合格レベルに達しなかった。
さらに、先行極の電流密度JLとアーク電圧VLの比が、本発明で規定する下限値未満である試験No.54では、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルに達せず、先行極の電流密度JLとアーク電圧VLの比が、本発明で規定する上限値を超える試験No.55では、ビード外観が合格レベルに達しなかった。
また、先行極のトーチ角度θLと後行極のトーチ角度がθTがθL≦θTを満たさない試験No.56ではビード外観が合格レベルに達しなかった。
なお、試験No.1〜4を比較すると、No.1及びNo.3では、上述した5つの条件を満たし、特に、先行極のトーチ角度θLを20°≦θL≦35°とすることで、ビード外観が向上することがわかる。
また、試験No.11〜14を比較すると、No.11及びNo.12では、上述した5つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ径を好ましい範囲(1.2〜2.0mm)とすることで、ブローホールが低減し、及びビード外観が向上していることがわかる。
さらに、試験No.17〜21を比較すると、No.17及びNo.18では、上述した5つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ直径RLと後行極のワイヤ直径RTの比(RT/RL)を好ましい範囲(0.8〜5.0)とすることで、ブローホールが低減し、及びビード外観が向上していることがわかる。
また、試験No.1と試験No.22、23とを比較すると、後行極の溶接電流を交流とするほうが、直流(DCEP、DCEN)とするよりもブローホールが低減し、ビード外観が良好であることがわかる。
また、試験No.24〜27を比較すると、No.24及びNo.25では、上述した5つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ直径RLと先行極の突出し長さELとの比(EL/RL)を好ましい範囲(6.0≦EL/RL≦12.5)とすることで、より良好なビード外観が得られることがわかる。
さらに、試験No.32〜39を比較すると、No.32及びNo.34のように、上述した5つの条件を満たしつつ、先行極の傾斜角を前進角又は後進角で15°の範囲内とすることで、ビード外観が向上することがわかる。
また、試験No.40〜43を比較すると、No.40及びNo.41のように、上述した5つの条件を満たしつつ、極間距離を10〜45mmの範囲内とすることでブローホールが低減することがわかる。
4 先行極
5 後行極
EL 先行極の突出し長さ
JL 先行極の電流密度
RL 先行極のワイヤ直径
RT 後行極のワイヤ直径
S 溶接速度
VL 先行極のアーク電圧
θL 先行極のトーチ角度
θT 後行極のトーチ角度
5 後行極
EL 先行極の突出し長さ
JL 先行極の電流密度
RL 先行極のワイヤ直径
RT 後行極のワイヤ直径
S 溶接速度
VL 先行極のアーク電圧
θL 先行極のトーチ角度
θT 後行極のトーチ角度
Claims (9)
- 先行極と後行極の2電極を用いたすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、
前記先行極の極性が逆極性であり、
前記先行極のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°であり、前記後行極のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つ、θL≦θTであり、
前記先行極の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が式(1)の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1) - 3以上の電極を備えるすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、
溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極の極性が逆極性であり、
前記先行極のトーチ角度θLが5°≦θL≦45°であり、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極のトーチ角度θTが40°≦θT≦60°であり、且つ、θL≦θTであり、
前記先行極の電流密度JL[A/mm2]とアーク電圧VL[V]が式(1)の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL≦18.5・・・式(1) - 溶接速度S[cm/min]が、式(2)の条件を満足する、請求項1又は2に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
5.0≦JL/VL・100/S・・・式(2) - 前記先行極のワイヤ直径RL及び前記先行極の突出し長さELが、式(3)の条件を満足する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
6.0≦EL/RL≦12.5・・・式(3) - 前記後行極の溶接電流を交流とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
- 前記先行極のワイヤ直径RLが、1.2〜2.0mmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
- 前記後行極のワイヤ直径RTが、1.6〜6.4mmである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
- 前記先行極のワイヤ直径RLと、前記後行極のワイヤ直径RTが、式(4)の関係を満足する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
0.8≦RT/RL・・・式(4) - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の多電極サブマージアーク溶接方法により溶接することを特徴とする溶接装置。
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