JP2021181097A

JP2021181097A - アーク溶接機及びアーク溶接方法

Info

Publication number: JP2021181097A
Application number: JP2020086736A
Authority: JP
Inventors: 直人藤山; Naoto Fujiyama; 一浩児嶋; Kazuhiro Kojima
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-11-25

Abstract

【課題】厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接機が使用でき、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いないで、ガスシールドアーク溶接できる技術を提供する。【解決手段】厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用いてアーク溶接するためのアーク溶接機であって、アーク溶接する際に、溶接部をシールドガスで覆うシールド手段を備えたアーク溶接機を用いてアーク溶接を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、厚鋼板を多電極で高能率にアーク溶接するアーク溶接機、及びアーク溶接方法に関する。

厚鋼板の溶接には、高効率で溶接ができるサブマージアーク溶接が主に用いられている。サブマージアーク溶接では、フラックスを多量に使用するため、それに要するコストが問題となっている。このため、サブマージアーク溶接と同等の効率性を有し、かつ、溶接材料コストの削減を達成できる溶接方法の開発が求められている。

フラックスの使用量を低減あるいは削減して、厚鋼板を高能率に溶接できるとされる技術として特許文献１、２に示すような技術がある。

特許文献１には、鋼板の突き合わせ部にガスシールドアーク溶接を行い、ガスシールドアーク溶接の後方でサブマージアーク溶接を行う複合溶接方法に関して、ガスシールドアーク溶接を２電極以上で行うとともにガスシールドアーク溶接の第１電極でワイヤ径１．４〜２．４ｍｍの溶接用ワイヤを使用し、かつ第１電極の電流密度を３２０Ａ／ｍｍ^２以上とするとともに、前記ガスシールドアーク溶接の最後尾の電極と前記サブマージアーク溶接の第１電極との電極間距離を４０〜１００ｍｍとする技術が開示されている。

特許文献２には、板厚１２ｍｍ以上の鋼板を、直径３ｍｍ以上のソリッドワイヤを用いて、Ａｒ＋ＣＯ_２の混合ガス雰囲気中で、鋼板表裏面を各１パスでガスシールドアーク溶接する技術が開示されている。

特開２０１０−２２１２９８号公報特公昭５４−３１７５３号公報

フラックスを用いるガスシールドアーク溶接の場合、溶接前にフラックスの散布し、溶接後に除去する必要があり、さらに、使用したフラックスの処理を行う必要があるため、製造コストが高くなる問題がある。

特許文献１の技術は、依然としてフラックスを用いるサブマージアーク溶接が実施されており、コストの改善の点では十分でない。

特許文献２では、フラックスを用いていないが、太径のワイヤを取り扱えるガスシールド溶接トーチを準備する必要があるという問題がある。

そこで、本発明は、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接機が使用でき、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いずにガスシールドアーク溶接できる技術を提供し、厚鋼板の溶接における製造コストの低減を図ることを課題とする。

本発明では、前記の課題に対して、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接機を用い、フラックスを散布することなく、溶接部をガスによりシールドして、シールド雰囲気を維持した状態でアーク溶接し、さらに細径のワイヤを用いることによって上記課題を解決した。本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１）厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、複数の電極ワイヤを用いてアーク溶接するためのアーク溶接機であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、上面部に電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、上記スリットの位置で分割され、上記スリットを覆うように上記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、上記箱体内にＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスを供給するシールドガス供給部を有するシールド治具を備え、上記複数の電極ワイヤのうち最も溶接方向進行側の電極ワイヤの直径が３．２〜４．０ｍｍであり、他の電極ワイヤの直径が３．２〜６．４ｍｍであり、最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上であり、前記厚鋼板へのスパッタ付着量を８．４ｍｇ／ｃｍ^２以下とできることを特徴とするアーク溶接機。

（２）前記シールドガスとして、Ａｒと５〜９０体積％ＣＯ_２の混合ガスを用いることができることを特徴とする前記（１）のアーク溶接機。

（３）アーク切れが１ｍあたり２回以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のアーク溶接機。

（４）前記シールドカス供給部に代えて、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプを有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかのアーク溶接機。

（５）前記（１）〜（４）のいずれかのアーク溶接機を用いて、厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、複数の電極ワイヤを用い、前記シールド治具内にＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスを流しながら、上記複数の電極ワイヤのうち最も溶接方向進行側の電極ワイヤの直径を３．２〜４．０ｍｍ、他の電極ワイヤの直径を３．２〜６．４ｍｍ、各電極の電流を６００Ａ以上、電圧を３０Ｖ以下としてアーク溶接を行うことを特徴とするアーク溶接方法。

（６）前記シールドガスがＡｒと５〜９０体積％ＣＯ_２の混合ガスであることを特徴とする前記（５）のアーク溶接方法。

（７）前記厚鋼板へのスパッタ付着量が８．４ｍｇ／ｃｍ^２以下となることを特徴とする前記（５）又は（６）のアーク溶接方法。

（８）アーク切れが１ｍあたり２回以下であることを特徴とする前記（５）〜（７）のいずれかのアーク溶接方法。

本発明によれば、厚鋼板の溶接においてフラックスの使用が不要となり、溶接材料、及び溶接作業にかかるコストを大幅に低減できる。

本発明の概要を説明するための図である。シールド冶具の概略を示す図であり、図２ａは上面図、図２ｂ〜２ｄは側面図である。シールド冶具の箱体上に断熱ブランケットを載置した状態を示す図であり、図３ａは上面図、図３ｂは側面図である。埋もれアークの概略を示す図である。本発明により形成されたビード外観示す写真を用いた図である。本発明により形成されたビードのＸ線画像を示す写真を用いた図である。溶接ビード断面を示す写真を用いた図である。

以下、本発明の基本的な実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。

図１に示す実施の形態では、既存の多電極サブマージアーク溶接機１を用いて、溶接部を、溶接部をシールドガスで覆うシールド手段であるシールド冶具１０で囲う。溶接部をシールドジグ１０で囲うことで、各電極位置付近のみでなく、電極間や電極が通過した後の凝固未完了の溶接金属部への大気の混入による溶接欠陥の発生を防ぐ。そして、シールド冶具内に、多電極サブマージアーク溶接機１に付属の通電ノズル２を挿入し、シールドガス１５を、シールドガス供給部１６を介してシールド冶具１０内に供給する。シールド冶具１０内をシールドガス雰囲気に維持しつつ、アーク溶接機１を溶接しようとする鋼板（以後、母材鋼板という）２０間に形成された開先に沿って相対的に移動させて、溶接部にフラックスを散布することなく、開先を１パスあるいは多パスで溶接を行う。

母材鋼板２０は１０ｍｍ以上の厚鋼板とし、その鋼板に形成された開先部に対し電極ワイヤ５を複数本用いて溶接を行う。

厚みが１０ｍｍ以上ある母材鋼板は、通常の多電極ガスシールドアーク溶接では、母材鋼板間に形成された開先内を１パス（一層盛り）で溶接できない。たとえば、板厚１００ｍｍの厚鋼板の場合、多パス溶接になるが、本発明では、フラックスを使用しないので、従来のサブマージアーク溶接のように１パスごとにスラグを除去する手間が省けるメリットがある。本発明においては、板厚の上限は特に限定されない。

溶接機としては、電極ワイヤ５を送給・案内する通電ノズル２を支持装置３に複数本設けた多電極サブマージアーク溶接機１を用いる。電極ワイヤ５としては、最も溶接方向進行側の電極ワイヤにはスパッタ抑制の観点から直径を３．２〜４．０ｍｍのワイヤを、他の電極ワイヤには直径３．２〜６．４ｍｍのワイヤを用いる。このため、通電ノズル２の先端部に設けられ、電極ワイヤに溶接電流を通電する給電チップ４の内径もワイヤ径に応じて直径３．２〜６．４ｍｍの内径を有するものを用いる。

電極ワイヤの数は、図１では３本の例を示しているが、母材鋼板の板厚に応じて、たとえば２〜５本の間で適宜選択できる。

シールド冶具１０は、図１〜３に示すように、上面部１２と側壁部１３よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、上面部１２に前記電極ワイヤ５が挿通できるスリット１４を有する箱体１１と、スリット１４の位置で分割され、スリット１４を覆うように箱体１１上に載置されるセラミックファイバー製の耐熱ブランケット１８、１８と、箱体内に配置されるシールドガス供給部１６を備える。

シールドガス供給部１６は、箱体内にＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスが供給され、アーク及び溶融金属を大気から遮蔽（シールド）するための部品であり、たとえば、ガス供給装置と接続されるノズルなどである。箱体の側壁部１３を貫通して、溶接方向に沿って箱体内に配置されるようにシールドガス供給パイプ１７を備えるようにしてもよい。

箱体１１は、上面部１２を構成する天板や側壁部１３を構成する４方の側壁に鋼板を用いて箱状に形成されたもので、母材鋼板の溶接部に形成された開先を覆う幅を有し、好ましくは開先部の長手方向を全て覆うことができる長さを有するように形成される。しかし、箱体の長手方向の長さは、取扱い性を考慮して最大で５ｍ程度とすることが好ましい。側壁部１３の高さは、少なくとも通電ノズルの先端が箱体内に挿入される高さであればよい。

具体的なサイズとしては、幅方向：２０〜３０ｍｍ、高さ方向３０〜５０ｍｍ、長さ方向：最大５ｍが例示される。

箱体１１の上面部１２の幅方向中央には箱体の長手方向にスリット１４が形成される。このスリット１４は、箱体内に通電ノズルを挿入するためのもので、その間隔は、通電ノズル２の外径に多少のゆとりを持たせたものとする。

スリット１４は、上面部１２を形成する天板２枚を、スリットの幅を残して、側壁部１３上に配置することにより形成することができる。またスリットの長さは、箱体の長手方向全長にわたって形成されるが、端部は、多少スリットのない部分があってもよい。
上面部１２を構成する天板は、電極ワイヤ５の先端を溶接スタート位置にセットする際に目視できるようにするため、側壁部１３から取り外し可能なように取付けられるのが好ましい。

このように箱体１１の上面にスリット１４が設けられるため、そのままではスリットからシールドガスが流出する。そのため、耐熱・耐火性で可撓性のある、例えばセラミックファイバー製の耐熱ブランケット１８を箱体１１の上面に載置して、スリット１４からのシールドガスの流出を少なくする。図３では、耐熱ブランケット１８を２分割し、スリット１４の幅方向中央に耐熱ブランケットの合わせ目１９が位置するように配置した例を示す。なお、ブランケットのスタート側の端部は、分離しないようにすることもできる。

箱体１１には、内部をシールドガス雰囲気にするためのシールドガス供給パイプ１７を、通電ノズルと干渉しない位置に配置するとよい。

図２、３では、長尺のパイプに多数のガス吹出し口を設けたシールドガス供給パイプ１７を用い、そのシールドガス供給パイプ１７を、箱体長手方向（図面左側の）端部の側壁を貫通して、箱体長手方向に沿って、開先を挟んで２箇所に配置した例を示す。

シールドガス供給パイプ１７の長さは、箱体の長手方向長さと同程度にすることが好ましい。また、このシールドガス供給パイプ１７の本数や配置位置は特に限定されるものではないが、シールド性の観点からは、図のように１本よりは２本にするほうが好ましく、箱体内の上方に設けるほうが好ましい。

厚鋼板の溶接にあたっては、シールド冶具の箱体１１を、突合せて配置された鋼板間に形成された開先を囲むように母材鋼板２０上にセットする。その際、スリット１４の位置と開先位置が合致するようにする。また、母材鋼板２０の端部には当て板２１を設けて、箱体１１の長手方向の端部を当て板２１で支持して、開先端部から溶接を開始できるようにする。

次に、アーク溶接機１の通電ノズル２を箱体のスリット１４を通して箱体内に挿入し、電極ワイヤ５の先端をスタート位置にセットする。その後、ガス供給パイプ１７からシールドガスを箱体内に所定時間流して箱体内をシールドガスで置換した後、溶接をスタートし、箱体１１内のシールドガス雰囲気を維持しながら開先内を溶接する。

溶接条件としては、通常の多電極サブマージアーク溶接の条件を採用することができる。ただし、厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板をアーク溶接する際には大電流、大電圧を制御できる必要があり、最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上であるアーク溶接機を用いるのが好ましい。

本発明では、フラックスを用いないため、スパッタの発生は避けられない。スパッタの発生を少なくするには、少なくとも先行電極は、サブマージアーク溶接で通常用いられているアーク電圧より低い電圧にして、アークをいわゆる埋もれアークの状態にすることが望ましい。図４に埋もれアークの概略を示す。（ａ）が通常のアーク溶接であり、（ｂ）が埋もれアークである。

埋もれアークの状態とするための条件としては、たとえば、複数の電極ワイヤの直径を４．０ｍｍ以下とし、各電極の電流を６００Ａ以上、電圧を３０Ｖ以下にする方法が挙げられる。このような条件にすることにより、鋼板へのスパッタ付着量が少なく抑えられ、好ましくは８．４ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることができる。

また、アーク切れを少なく抑えることが可能となる。具体的には１ｍあたり２回以下に抑えることができる。

シールドガスとしてはＡｒと５〜９０体積％ＣＯ_２の混合ガスを用いる。アークの安定性の観点からは、Ａｒと１０〜３０体積％ＣＯ_２の混合ガスが好ましい

シールドガスの供給量は、箱体内部がシールドガス雰囲気に維持できる量であればよく、例えば、毎分２００ｍｌが例示できる。

以上説明した実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、上記以外の実施の形態も実施可能である。

次に、本発明の実施可能性及び効果を確認するために実施例を示す。

［実施例１］
厚鋼板に底部角度が７０°で深さ６．５ｍｍのＶ溝からなる開先加工を施し、図２、３に示すシールド冶具で開先をカバーした状態で、溶接前に２００ｌ／ｍｉｎの流量で５分間、冶具内にシールドガスを流して冶具内の雰囲気をシールドガスで置換した後、直径４．０ｍｍのワイヤ電極を３本用いて、表１に示す溶接条件を用いて、開先内を１パスで溶接した。これらの条件は、同じ開先を３電極でサブマージアーク溶接する際に採用される条件と同様の条件である。

シールドガスとして、ＡｒにＣＯ_２を２０体積％混合した混合ガスを用い、溶接中、２００ｌ／ｍｉｎ×５ｍｉｎの量で流した。

溶接後のビード外観の写真を図５に、ビードをＸ線で撮影した写真を図６に、ビード断面の写真を図７に示す。これらの写真に示されるように、本発明による方法では、サブマージアーク溶接で得られるビード形状と同等のものが得られた。また、ビード内部に欠陥も認められなかった。

以上より、本発明によれば、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接用の溶接装置を使用し、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いないで、ガスシールドアーク溶接できることが確認された。

［実施例２］
実施例１と同様の装置を用いて、種々の板厚の厚鋼板に、種々の形状のＶ溝からなる開先加工を施し、電極の数、電流、電圧、及び電極直径を変化させ、また、溶接速度、シールドガスのＣＯ_２分率、ガス流量、ガス置換時間を変化させて、スパッタ量、アーク切れ、溶接部のブローホールの有無を評価した。表２に試験条件を示す。

各電極間の距離は１０〜３５ｍｍとし、トーチ角度は、１電極目：−１０〜０°、２電極目：−１０〜２０°、３電極目：０〜３０°、４電極目：１０〜４０°とした。位相は１電極目：ＤＣ／ＡＣ（位相０〜３６０°）、２電極目：ＡＣ（位相０〜３６０°）、３電極目：ＡＣ（位相０〜３６０°）、４電極目：ＡＣ（位相０〜３６０°）とし適宜変更した。

スパッタ量は、試験体上に３００ｍｍ×６０ｍｍの薄板を設置し、付着したスパッタの重量を測定し、スパッタ発生量は８．４ｍｇ／ｃｍ２以下のものを「○」とした。アーク切れは、２回以下のものを「○」とした。ブローホールの有無は、実施例１と同様に、ビードをＸ線で撮影した写真により確認した。結果を表３に示す。

本発明の方法によれば、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接用の溶接装置を使用し、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いないで、スパッタ量、アーク切れ回数の少ないガスシールドアーク溶接で、ブローホールのない良好な溶接金属が得られることが確認できた。

１多電極サブマージアーク溶接機
２通電ノズル
３通電ノズル支持装置
４給電チップ
５電極ワイヤ
１０シールド冶具
１１箱体
１２箱体の上面部
１３箱体の側壁部
１４スリット
１５シールドガス
１６シールドガス供給部
１７シールドガス供給パイプ
１８耐熱ブランケット
１９耐熱ブランケットの合わせ目
２０母材鋼板
２１当て板
３０電極
３１溶接金属
３２溶融池
３３スパッタ

Claims

厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、複数の電極ワイヤを用いてアーク溶接するためのアーク溶接機であって、
上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、上面部に電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、
上記スリットの位置で分割され、上記スリットを覆うように上記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、
上記箱体内にＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスを供給するシールドガス供給部
を有するシールド治具を備え、
上記複数の電極ワイヤのうち最も溶接方向進行側の電極ワイヤの直径が３．２〜４．０ｍｍであり、他の電極ワイヤの直径が３．２〜６．４ｍｍであり、
最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上であり、前記厚鋼板へのスパッタ付着量を８．４ｍｇ／ｃｍ^２以下とできることを特徴とするアーク溶接機。
前記シールドガスとして、Ａｒと５〜９０体積％ＣＯ_２の混合ガスを用いることができることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接機。
アーク切れが１ｍあたり２回以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接機。
前記シールドカス供給部に代えて、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク溶接機を用いて、
厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、複数の電極ワイヤを用い、前記シールド治具内にＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスを流しながら、上記複数の電極ワイヤのうち最も溶接方向進行側の電極ワイヤの直径を３．２〜４．０ｍｍ、他の電極ワイヤの直径を３．２〜６．４ｍｍ、各電極の電流を６００Ａ以上、電圧を３０Ｖ以下としてアーク溶接を行うことを特徴とするアーク溶接方法。
前記シールドガスがＡｒと５〜９０体積％ＣＯ_２の混合ガスであることを特徴とする請求項５に記載のアーク溶接方法。
前記厚鋼板へのスパッタ付着量が８．４ｍｇ／ｃｍ^２以下となることを特徴とする請求項５又は６に記載のアーク溶接方法。
アーク切れが１ｍあたり２回以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。