JP2021181099A

JP2021181099A - アーク溶接用トーチ冶具

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Publication number: JP2021181099A
Application number: JP2020086754A
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用の溶接機が使用でき、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】ガスシールドアーク溶接で、電極１１と被溶接部材との間にアークを発生させるアーク溶接用トーチ冶具であって、電極１１を囲繞するノズル１２と、電極１１とノズル１２との間に設けられたシールドガスの通路と、ノズルを冷却する手段を備え、直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることができるトーチ１０を複数備え、トーチ１０のうち最も溶接進行方向前方側のトーチ１０が、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に０°超、３０°以下傾いていることを特徴とするアーク溶接用トーチ冶具。【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ために用いるアーク溶接用トーチ冶具に関する。

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ない、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なう複合溶接方法に関して、ガスシールドアーク溶接を２電極以上で行な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。

また、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、電極の周囲からシールドガスを噴出できるトーチを複数用いて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、大径のワイヤを用いてアーク溶接す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）ガスシールドアーク溶接で、電極と被溶接部材との間にアークを発生させるアーク溶接用トーチ冶具であって、前記電極を囲繞するノズルと、前記電極とノズルとの間に設けられたシールドガスの通路と、前記ノズルを冷却する手段を備え、直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることができるトーチを複数備え、前記トーチのうち最も溶接進行方向前方側のトーチが、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に０°超、３０°以下傾いていることを特徴とするアーク溶接用トーチ冶具。

（２）前記トーチのうち最も溶接進行方向前方側のトーチが、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に５〜３０°傾いていることを特徴とする前記（１）のアーク溶接用トーチ冶具。

（３）前記トーチうち最も溶接進行方向前方側のトーチが送出する電極ワイヤの直径が３．２〜４．０ｍｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）のアーク溶接用トーチ冶具。

本発明によれば、厚鋼板の溶接において、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できるので、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。

本発明のアーク溶接用トーチ冶具を構成するトーチの概略を示す図である。本発明のアーク溶接用トーチ冶具のトーチの配置の一例を示す図である。アーク現象の様子を示す図である。本発明のアーク溶接用トーチ冶具を用いて形成されたビード外観示す写真を用いた図である。本発明のアーク溶接用トーチ冶具を用いて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を、図面を用いて説明する。

本発明では、基本的に、既存の多電極サブマージアーク溶接機を用いて、溶接部にフラックスを散布することなく、本発明のトーチ冶具を配置し、溶接部周辺をシールドガス雰囲気に維持しつつ、アーク溶接機を溶接しようとする鋼板（以下「母材鋼板」という）間に形成された開先に沿って相対的に移動させて、開先を１パスあるいは多パスで溶接を行う。

図１を参照して説明する。本発明のアーク溶接用トーチ冶具を構成するトーチ１０は、電極１１と、電極１１を囲繞するノズル１２を備え、電極とノズルとの間を通路として、シールドガス供給部１３より供給されるシールドガスを流すことができる。また、ノズルを冷却する冷却媒体供給部１４を備える。電極は、直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることが可能である。

トーチ１０は、溶接部に近い位置に配置されるため、アーク溶接を行うと高温となり、ノズル１２の温度が上昇するので、冷却媒体供給部１４に冷却水等の冷却媒体を供給することにより、ノズル１２が冷却される。

電極ワイヤとしては、直径３．２〜６．４ｍｍのワイヤを用いる。このため、溶接トーチの先端部に設けられ、電極ワイヤに溶接電流を通電する通電チップ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。最も溶接進行方向前方側のトーチが送出する電極ワイヤの直径は、スパッタの発生を抑制する観点から、３．２〜４．０ｍｍとすることが好ましい。

本発明は、厚さ１０ｍｍ以上の厚鋼板を母材鋼板とし、その鋼板に形成された開先部に対し本発明のアーク溶接用トーチ冶具を用いて溶接を行う際に好適である。

母材鋼板の厚さを１０ｍｍ以上となると、通常、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。例えば、板厚１００ｍｍの厚鋼板の場合、多パス溶接になり、従来のフラックスを使用するサブマージアーク溶接では、１パスごとにスラグを除去する必要が生じる。本発明では、フラックスを使用しないので、スラグを除去する手間が省け、作業効率が大幅に上昇する。本発明においては、板厚の上限は特に限定されない。

アーク溶接トーチ冶具を構成するトーチの数は、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。図２にアーク溶接トーチ冶具を構成するトーチの配置の一例を示す。図２に示すように複数のノズルを、それぞれ異なる角度で設置することができる。なお、図２では、複数のノズルが連結具２１により連結されて１つのアーク溶接トーチ冶具２０を構成しているが、アーク溶接トーチ冶具２０の構成は、複数のトーチが含まれていれば、これに限定されるものではない。

本発明のアーク溶接トーチ冶具においては、冶具を構成する複数のトーチのうち最も溶接進行方向前方側のトーチは、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に０°超、３０°以下、好ましくは５〜３０°、より好ましくは１０〜３０°傾けて配置する。これは、溶融プールが最も前方のトーチよりも先行し、その部分が十分にシールドされずにブローホールが発生することを抑制するためである。さらに後極側にガスが流れ、後極ガス気流との相乗効果でシールド範囲が広がり複数電極における電極間のシールド効果も得られる。

図３にアーク現象の様子を示す。（ａ）は本発明のアーク溶接トーチ冶具を用いてアーク溶接を行ったものであり、溶融プールが先行していない。（ｂ）は最も前方のトーチを被溶接部材と垂直にしたものであり、最も前方のトーチよりも溶融プールが先行している。

このようにトーチ１０が配置されたアーク溶接トーチ冶具を用いてシールドガスを溶接部に供給しながら溶接することにより、溶接部がガスによりシールドされ、シールド雰囲気を維持した状態でアーク溶接を行うことが可能となり、フラックスを散布することなく良好なアーク溶接を行うことができる。

厚鋼板の溶接にあたっては、各トーチの先端を、鋼板上１０〜３０ｍｍ程度の位置にセットする。

アーク溶接は、電極を囲繞するノズルからシールドガスを流して、シールド雰囲気とした後、溶接をスタートし、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。

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。

シールドガスは、種々のガスを用いることができるが、ＣＯ_２、Ａｒ単独のガスあるいは、ＡｒとＣＯ_２の混合ガスを用いることが好ましい。Ａｒ単独の場合はアークの安定する条件範囲が狭いので、ＣＯ_２ガス、又はＡｒと１０〜３０体積％ＣＯ_２の混合ガスが特に好ましい。

シールドガスの供給量は、溶接部周辺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、１００ｌ／ｍｉｎ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。

図１に示すトーチを、１本目のトーチは鋼板に対して垂直から−１５°、２本目は−５°、３本目は１０°傾けて配置したアーク溶接トーチ冶具を用いてアーク溶接を行った（負の角度は溶接進行方向前方側に、正の角度は溶接進行方向後方側に傾いていることを意味するものとする）。１本目と２本目、２本目と３本目のトーチの先端は、それぞれ３５ｍｍ離した。電極ワイヤには、１電極目は３．２ｍｍ径、他は４．０ｍｍ径のものを用いた。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ_２ガスを用い、溶接中、各トーチから１００ｌ／ｍｉｎの量で流した。

厚鋼板には底部角度が７０°で深さ９ｍｍのＶ溝からなる開先加工を施し、シールドガスを流した後、開先内を１パスで溶接した。

溶接時の電流は１本目のトーチからそれぞれ、７００、７００、６００Ａとし、電圧はそれぞれ、２９Ｖ、３３Ｖ、２９Ｖとした。電流は、１本目は直流、２本目、３本目はそれぞれ、位相０°、１２０°の交流電流とした。溶接速度は１ｍ／ｍｉｎとした。

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。

溶接後のビード外観の写真を図４に、ビードをＸ線で撮影した写真を図５に、ビード断面の写真を図６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。

１０トーチ
１１電極
１２ノズル
１３シールドガス供給部
１４冷却媒体供給部
２０アーク溶接トーチ冶具
２１連結具
２２鋼板

Claims

ガスシールドアーク溶接で、電極と被溶接部材との間にアークを発生させるアーク溶接用トーチ冶具であって、
前記電極を囲繞するノズルと、前記電極とノズルとの間に設けられたシールドガスの通路と、
前記ノズルを冷却する手段を備え、直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることができるトーチを複数備え、
前記トーチのうち最も溶接進行方向前方側のトーチが、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に０°超、３０°以下傾いている
ことを特徴とするアーク溶接用トーチ冶具。
前記トーチのうち最も溶接進行方向前方側のトーチが、被溶接部材に対して垂直から溶接進行方向前方側に５〜３０°傾いていることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用トーチ冶具。
前記トーチうち最も溶接進行方向前方側のトーチが送出する電極ワイヤの直径が３．２〜４．０ｍｍ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用トーチ冶具。