JP2021181100A

JP2021181100A - シールド性に優れた多電極ガスシールドアーク溶接用シールド冶具

Info

Publication number: JP2021181100A
Application number: JP2020086769A
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】多電極サブマージアーク溶接機で開先を有する鋼板を突き合わせてアーク溶接方法において、溶接線に沿って延伸するシールドガス噴出部を備え、さらに、溶接線に対して、シールド噴出部の外側に設けられたガス噴出方向ガイドを備えるアーク溶接用シールド冶具を用い、シールドガス噴出部からＡｒとＣＯ２の混合ガス、又はＣＯ２ガスであるシールドガスを流して溶接部周辺をシールド雰囲気とした後、シールド雰囲気を維持しながら開先内を溶接する。【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を散布し、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、適切な冶具を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）鋼板のアーク溶接に使用するシールド冶具であって、溶接予定線に沿って延伸するシールドガス噴出部、及び前記溶接予定線に対して、前記シールドガス噴出部の外側に設けられたガス噴出方向ガイドを、溶接予定線を挟み両側に備え、ＡｒとＣＯ２の混合ガス、又はＣＯ２ガスであるシールドガスを用いることを特徴とするアーク溶接用シールド冶具。

（２）前記シールドガス噴出部を冷却するための冷却媒体供給部を備えることを特徴とする前記（１）のアーク溶接用シールド冶具。

（３）前記シールドガス噴出部は、２つの側壁部に挟まれ設けられることを特徴とする前記（１）又は（２）のアーク溶接用シールド冶具。

（４）前記シールドガス噴出部は、前記鋼板に対して５〜９０°の角度をなすことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかのアーク溶接用シールド冶具。

（５）前記シールドガス噴出部のシールドガス噴出口にメッシュ構造体が設けられたことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかのアーク溶接用シールド冶具。

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。

シールド冶具及びトーチの概略を示す図であり、（ａ）は溶接方向が紙面に平行な側面図、（ｂ）は溶接方向が紙面に垂直な正面図である。シールド冶具及びトーチの概略の他の一例を示す図であり、（ａ）は溶接方向が紙面に平行な側面図、（ｂ）は溶接方向が紙面に垂直な正面図である。シールドガス噴出部と鋼板のなす角を説明する図である。シールドガス噴出口の概略を示す図であり、（ａ）は開口部を設けたのみの噴出口、（ｂ）は噴出口にメッシュ構造体を設けた図である。

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、溶接トーチを挟むようにシールド冶具を配置し、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。

本発明のアーク溶接用シールド冶具の実施の形態の一例を、図１を参照して説明する。図１はトーチ１とシールド冶具１０の概略を示す図であり、（ａ）は紙面に平行な方向を溶接方向とした図、（ｂ）は紙面に平行な方向を溶接方向とした図である。シールド冶具１０はトーチ１側に、溶接予定線に沿って延伸するシールドガス噴出部１１を備える。シールドガス噴出部１１は、長手方向に複数に分割されたガスの吹出し口であってもよいし、長手方向にひと繋がりつながりとなった吹出し口でもよい。ただし、大気混入によるブローホールの発生などを防ぐために、電極間および電極が通過した後の凝固未完了の溶接金属部にも十分にシールドガスが供給される構造でなければならない。シールドガスはシールドガス供給部１２より供給され、シールドガス噴出部１１より噴出される。

本実施形態のアーク溶接用シールド冶具は、さらに、ガス噴出方向ガイド１３を備える。ガス噴出方向ガイド１３はシールド冶具１０の端と鋼板２の距離に応じて適宜長さを変更可能で、ガス噴出方向ガイド１３の先端が鋼板と接触しないが、鋼板との隙間がほとんどないように設置するのが好ましい。ガス噴出方向ガイド１３は着脱可能な形態で設けてもよい。

シールドガス噴出部１１及びガス噴出方向ガイド１３は１つのみ設けても構わないが、図１に示すように、溶接線を挟み両側に備えられるのが好ましい。

このようにシールド冶具１０を配置しシールドガスを溶接部に供給することにより、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、さらに、ガス噴出方向ガイド１３により、溶接時にシールドガスが溶接線の外側に広がることが妨げられるのでシールド性を向上させることができる。その結果、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。

本発明の実施の形態の他の一例を、図２を参照して説明する。図２（ａ）はシールド冶具２０とトーチ１の概略を示す図である。溶接方向は紙面に平行な方向である。シールド冶具２０は溶接方向に延伸する側壁部２１を備え、２つの側壁部の間にシールドガス噴出部２２ａを備える。また、シールドガス噴出部２２ａの先端で、溶接予定線に対して外側に、ガス噴出方向ガイド２３を備える。

シールドガスはシールドガス供給部２４より供給される。シールドガス供給部２４は長尺のパイプ（図２では側壁部２１に挟まれた部分の下方）に多数のガス吹出し口を設けられている。シールドガスは側壁部２１に沿ってシールドガス噴出部２２ａに送られ、シールドガス噴出口２２ｂから噴出される。噴出されたシールドガスは、ガス噴出方向ガイド２３により、外側に広がることが妨げられ、溶接部を効率よくシールドすることができる。

シールド冶具２０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る。そのため、シールド冶具２０には、冷却媒体供給部２５が設けられ、冷却媒体供給部２５中に冷却水等の冷却媒体を供給することにより、シールド冶具２０が冷却される。

また、シールド冶具２０には、シールドガス噴出部が鋼板面に対して５〜９０°、好ましくは４０〜７０°の角度をなすように固定することが可能な固定部２６が設けられている。シールドガス噴出部が鋼板に対してなす角とは、シールドガス噴出口の中心の法線が鋼板となす角をいうものとする（図３）。

図２（ｂ）は、溶接方向を紙面に垂直な方向としたときの、シールド冶具２０とトーチ１の概略を示す図である。シールド冶具２０は、溶接トーチ１を挟むように、シールドガス噴出部が鋼板に対して５〜９０°の角度をなすように配置される。なお、図２（ｂ）においては、構造を理解するために、側壁部２１に垂直な、法線が紙面に垂直となる面は開放となっているが、閉じられていてもよい。

ガス噴出方向ガイド２３はシールド冶具２０の端と鋼板２の距離Ｈに応じて適宜長さを変更可能で、ガス噴出方向ガイド２３の先端が鋼板２と接触しないが、鋼板２との隙間がほとんどないように設置するのが好ましい。ガス噴出方向ガイド２３が設けられることでシールド性が向上する。ガス噴出方向ガイド２３は着脱可能な形態で設けてもよい。

シールド冶具２０の設置位置は、溶接部がガスでシールドされる範囲であれば特に限定されるものではない。好ましい設置位置の例として、シールド冶具２０の端と鋼板２の距離Ｈ＝２０〜９０ｍｍ、シールド冶具２０の端と溶接トーチ１の距離Ｗ＝２０〜５０ｍｍ、シールドガス噴出部２２ｂが鋼板２に対してなす角θ＝４０〜７０°が例示できる。また、シールド冶具２０は、溶接トーチ１に対して左右対称に配置するのが好ましい。

シールドガス噴出口２２ｂは、図４（ａ）に示すように開放としてもよいが、図４（ｂ）のようにメッシュ構造体を設けると、溶接時に発生したスパッタがシールド冶具１０内に飛び散ることを防ぐことができるので好ましい。図４（ｂ）に示したメッシュ構造は一例であり、構造はこれに限定されるものではない。

本発明は、母材鋼板２を厚さ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溶接トーチ１を複数本用いて溶接を行う際に好適である。

母材鋼板の厚さが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。

アーク溶接機としては、電極ワイヤを送給・案内する溶接トーチを複数本設けた多電極サブマージアーク溶接機を用いることができる。電極ワイヤとしては、通常の多電極サブマージアーク溶接と同様に、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。

電極ワイヤの数は、図２では４本の例を示しているが、母材鋼板の板厚に応じて２〜５本の間で適宜選択できる。その際、溶接トーチの先端は、２つのシールド冶具に挟まれる位置に配置するようにする。

シールド冶具２０の具体的なサイズとしては、幅方向２０〜４０ｍｍ、高さ方向１００〜３００ｍｍ、長さ方向２００〜５００ｍｍが例示できる。

シールド冶具に用いる材料は、アーク溶接部付近で用いられるものであるため耐熱性が要求され、ステンレスや銅が例示できる。

シールドガス供給部は、図２では、側壁部の長手方向に沿って１箇所に配置した例を示されているが、本数や配置位置は特に限定されるものではない。シールドガス供給部の長さは、シールド冶具の長手方向長さと同程度にすることが好ましい。

厚鋼板の溶接にあたっては、シールド冶具を、溶接トーチを挟むように、鋼板上１０〜３０ｍｍ程度の位置にセットする。

アーク溶接は、シールドガス供給部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、２００ｌ／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２に示すシールド冶具を溶接トーチの両側に配置した。鋼板からジグまでの距離Ｈは３０ｍｍ、ジグから溶接トーチ中心までの距離Ｗは３５ｍｍとし、ジグは溶接トーチに対して３５°傾けて左右対称に配置した。また、ガス噴出方向ガイドを脱着した条件および装着した条件の２条件で溶接した。

厚鋼板には底部角度が６０°で深さ１１ｍｍ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、直径３．２〜４．４ｍｍのワイヤ電極を３本用いて、開先内を１パスで溶接した。

溶接トーチは、１本目のトーチを鋼板と垂直になるように配置し、２本目は１０°、３本目は２０°傾けて配置した。１本目と２本目のトーチの先端は１７ｍｍ離し、２本目と３本目は１５ｍｍ離した。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ_２ガスを用い、溶接中、それぞれのシールド冶具に２００ｌ／ｍｉｎの量で流した。

溶接時の電流は１本目からそれぞれ、９００、８００、７００Ａとし、電圧はすべて３０Ｖ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、ガス噴出方向ガイド有無によるシールド性を確認するために、溶接金属部より分析用試験片を採取し、酸素量および窒素量を測定した。

本条件にて多電極ガスシールドアーク溶接をした場合、ガス噴出方向ガイド有無に関わらず、ブローホールを形成せずに溶接が可能である。

ガス噴出方向ガイドを装着しない場合、酸素量は３５０ｐｐｍ、窒素量は９０ｐｐｍであった。一方、ガス噴出方向ガイドを装着した場合、酸素量は３００ｐｐｍ、窒素量は５０ｐｐｍであった。ブローホールの発生低減、溶接金属部靭性の観点からガス噴出方向ガイドを装着して溶接することが望ましい。

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。

１溶接トーチ
２鋼板
１０アーク溶接用シールド冶具
１１ガス噴出部
１２シールドガス供給部
１３ガス噴出方向ガイド
２０アーク溶接用シールド冶具
２１側壁部
２２ａガス噴出部
２２ｂガス噴出口
２３ガス噴出方向ガイド
２４シールドガス供給部
２５冷却媒体供給部
２６固定部

Claims

鋼板のアーク溶接に使用するシールド冶具であって、
溶接予定線に沿って延伸するシールドガス噴出部、及び前記溶接予定線に対して、前記シールドガス噴出部の外側に設けられたガス噴出方向ガイドを、溶接予定線を挟み両側に備え、
ＡｒとＣＯ２の混合ガス、又はＣＯ２ガスであるシールドガスを用いる
ことを特徴とするアーク溶接用シールド冶具。
前記シールドガス噴出部を冷却するための冷却媒体供給部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用シールド冶具。
前記シールドガス噴出部は、２つの側壁部に挟まれ設けられる
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シールド冶具。
前記シールドガス噴出部は、前記鋼板に対して５〜９０°の角度をなす
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用シールド冶具。
前記シールドガス噴出部のシールドガス噴出口にメッシュ構造体が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク溶接用シールド冶具。