JP2021181103A

JP2021181103A - アーク溶接機及びアーク溶接方法

Info

Publication number: JP2021181103A
Application number: JP2020086853A
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】溶接線に沿って延伸するＡｒとＣＯ２の混合ガス、又はＣＯ２ガスであるシールドガス噴出部を備えるシールド冶具を備え、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、シールドガス噴出部が、溶接線を挟み両側に備えられていることを特徴とするアーク溶接機。【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、溶接線に沿って延伸するＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガス噴出部を備えるシールド冶具を備え、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、上記シールドガス噴出部が、溶接線を挟み両側に備えられていることを特徴とするアーク溶接機。

（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）のアーク溶接機。

（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）のアーク溶接機。

（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機。

（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機。

（６）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）〜（５）のいずれかのアーク溶接機。

（７）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）〜（６）のいずれかのアーク溶接機。

（８）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）〜（７）のいずれかのアーク溶接機。

（９）前記（１）〜（８）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、前記シールド冶具内に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。

（１０）前記シールドガス噴出部が、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（９）のアーク溶接方法。

（１１）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（９）又は（１０）のアーク溶接方法。

（１２）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（９）〜（１１）のいずれかのアーク溶接方法。

（１３）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（９）〜（１２）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。

シールド冶具及びトーチの概略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。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ＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスである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機に用いられる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。

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、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。

本発明のアーク溶接機に用いられるシールド冶具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と溶接トーチ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。

シールドガスはシールドガス供給部２３より供給される。シールドガス供給部２３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。

シールド冶具冶具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、シールド冶具冶具２０に、冷却媒体供給部２４が設け、冷却媒体供給部２４中に冷却水等の冷却媒体を供給することにより、シールド冶具冶具１０が冷却することができる。

また、シールド冶具冶具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２５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。

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に対してのなす角θ＝０４０〜７０°が例示できる。また、シールド冶具２０は、溶接トーチ１に対して両側に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３（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冶具２０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は厚さ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。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。

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。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５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。

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、直径３．２〜４．８ｍｍ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。

溶接後のビード外観の写真を図６に、ビードをＸ線で撮影した写真を図７に、ビード断面の写真を図８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。

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、２電極目：ＡＣ（位相０〜９０°）、３電極目：ＡＣ（位相９０〜１８０°）、４電極目：ＡＣ（位相０〜９０°）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。

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
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シールドガス供給部
２４冷却媒体供給部
２５固定部
２１溶接トーチ
２５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、
溶接線に沿って延伸するＡｒとＣＯ_２の混合ガス、又はＣＯ_２ガスであるシールドガス噴出部を備えるシールド冶具を備え、
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、
上記シールドガス噴出部が、溶接線を挟み両側に備えられている
ことを特徴とするアーク溶接機。
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機。
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機。
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機。
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１〜５のいずれか１項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１〜６のいずれか１項に記載のアーク溶接機。
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１〜７のいずれか１項に記載のアーク溶接機。
請求項１〜８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、前記シールド冶具内に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。
前記シールドガス噴出部が、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９に記載のアーク溶接方法。
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９又は１０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９〜１１のいずれか１項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９〜１２のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。