JP2021181102A

JP2021181102A - アーク溶接機及びアーク溶接方法

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Publication number: JP2021181102A
Application number: JP2020086825A
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、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、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有し、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は直径３．２〜４．０ｍｍの電極ワイヤを、他の電極ワイヤは直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、最も溶接進行側にあるトーチが鋼板に垂直な向きから溶接進行方向に０＜θ＜３０°傾いており、電極電流を５００Ａ以上とすることができることを特徴とするアーク溶接用トーチを複数備え、最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上であることを特徴とする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、電極の周囲からシールドガスを噴出できるトーチ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、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）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、電極とノズルとの間に設けられたＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスの通路と、上記ノズルを冷却する手段を有し、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は直径３．２〜４．０ｍｍの電極ワイヤを、他の電極ワイヤは直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることができるアーク溶接用トーチを複数備え、上記複数のアーク溶接用トーチのうち、最も溶接進行側にあるトーチが鋼板に垂直な向きから溶接進行方向に０°超、３０°以下傾いており、最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上であ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）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前記（１）又は（２）のアーク溶接機。

（４）前記（１）〜（３）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、上記複数のアーク溶接用トーチのうち、最も溶接進行側にあるトーチを、鋼板に垂直な向きから溶接進行方向に０°超、３０°以下傾けてアーク溶接を行うことを特徴とするアーク溶接方法。

（５）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（４）のアーク溶接方法。

（６）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（４）又は（５）のアーク溶接方法。

（７）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（４）〜（６）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。

本発明のアーク溶接機に用いるアーク溶接用トーチの概略を示す図である。本発明のアーク溶接機におけるアーク溶接用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。埋もれアークの概略を示す図である。本発明のアーク溶接方法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。本発明のアーク溶接方法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。

アーク溶接用トーチ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、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、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。

また、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。

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トーチ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。

使用するトーチの数は、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。配置は特に限定されない。たとえば、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。

このようにアーク溶接用トーチ１０を配置し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、アーク溶接用トーチの先端を、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。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。さらに、ブローホールの発生を抑制できる。

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

各トーチから噴出する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、４０〜１５０ｌ／ｍｉｎが好ましい。

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］
図１に示すアーク溶接用トーチを、１本目のトーチを鋼板に対して垂直から−１５°になるように配置し、２本目は−５°、３本目は１０°傾けて配置した（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、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、それぞれのシールド治具に２００ｌ／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。

［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１に試験条件を示す。電極間の距離は１０〜３５ｍｍとし、位相は１電極目：ＤＣ／ＡＣ、２電極目：ＡＣ（位相０〜３６０°）、３電極目：ＡＣ（位相９０〜３６０°）、４電極目：ＡＣ（位相０〜３６０°）で、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２に示す。

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アーク溶接用トーチ
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
２１鋼板
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、
電極とノズルとの間に設けられたＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガスの通路と、上記ノズルを冷却する手段を有し、
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は直径３．２〜４．０ｍｍの電極ワイヤを、他の電極ワイヤは直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤを送出し、電極電流を５００Ａ以上とすることができるアーク溶接用トーチを複数備え、
上記複数のアーク溶接用トーチのうち、最も溶接進行側にあるトーチが鋼板に垂直な向きから溶接進行方向に０°超、３０°以下傾いており、
最大制御電流が６００Ａ以上、最大制御電圧が５０Ｖ以上である
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。
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請求項１又は２に記載のアーク溶接機。
請求項１〜３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、上記複数のアーク溶接用トーチのうち、最も溶接進行側にあるトーチを、鋼板に垂直な向きから溶接進行方向に０°超、３０°以下傾け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４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４又は５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４〜６のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。