JP2023152736A - 厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法を提供する。【解決手段】板厚22mm以上である厚鋼板を、２電極以上の多電極のガスシールドアーク溶接で狭開先の多層溶接により接合する。その際、第１電極と第２電極の一方を正極性、他方を逆極性とし、第１電極と第２電極を予め定めた平行な溶接線に沿う位置で、第１電極と第２電極と間の距離を5～16mmの範囲に、かつ溶接線の直角方向に対する、第１電極と第２電極とを結ぶ直線の角度αが60°以下とし、正極性とする電極に、REM（希土類元素）を0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤを供給する。これにより、ガス切断等の低コストの開先加工を施す場合であっても開先面の手入れを行うことなく、溶接欠陥発生量を低減でき、溶接施工能率が向上し、溶接施工コストが大幅に低減できる。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接方法に係り、特に、厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法に関する。ここでいう「狭開先」とは、開先角度が25°以下で、かつ被溶接材となる厚鋼板間の最小開先幅が当該鋼材の板厚の50％以下であることを意味する。

鋼材の溶接施工に用いられるガスシールドアーク溶接は、自動車、建築、橋梁および電気機器等の製造分野において幅広く用いられている。近年、鋼構造物の大型化・厚肉化に伴い、製作過程での溶接、特に鋼材の突合せ溶接における溶着量が増大し、さらには溶接施工に多大の時間を要し、施工コストの増大を招いている。そこで、板厚に対して小さい間隙の開先をガスシールドアーク溶接法により多層溶接する、狭開先ガスシールドアーク溶接法の適用が考えられる。狭開先ガスシールドアーク溶接法は、通常のガスシールドアーク溶接法と比べ、溶着量が少なくなり、溶接の高能率化・省エネルギー化が達成でき、ひいては施工コストの低減が期待される。

さらに、最近では、この狭開先ガスシールドアーク溶接法を多電極で行う技術が提案されている。多電極溶接は、開先を充填するための溶着金属（溶接ワイヤが溶けて開先内に付着する金属）量を電極の数だけ多くできるため、単電極溶接に比べて、高い溶接能率を得ることが可能であり、溶接の高能率化に対して有効な手段となっている。

例えば、特許文献１には、厚鋼材を狭開先の多層溶接により接合する狭開先ガスシールドアーク溶接方法が記載されている。特許文献１に記載された技術では、初層溶接を２電極以上の多電極溶接とし、先行する第１電極と第２電極のうち、一方を正極性、他を逆極性とし、第１電極と第２電極を予め定めた平行な溶接線に沿う位置としている。さらに、第１電極と第２電極の溶接ワイヤ先端間の距離を5mm以上16mm以下の範囲とし、溶接線の直角方向に対する第１電極と第２電極の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度を45°以下の範囲とし、厚鋼材の底部における溶接線の直角方向の溶融深さを1.5mm以上としている。これにより、ガス切断やプラズマ切断等の開先加工を施した場合においても、欠陥の発生がなく、溶接施工能率が向上するという効果が得られるとしている。

特許第6137053号公報

しかしながら、一般的に、ガスシールドアーク溶接を正極性で行うと、アークが不安定となり、大量のスパッタが発生することが知られている。特許文献１に記載された技術では、正極性を採用した電極から大量のスパッタが発生し、開先の中や、溶接トーチにスパッタが付着し、溶接欠陥の発生原因となるという場合もあった。さらに、特許文献１に記載された技術で、３電極以上の多電極溶接を行った場合に、溶接金属の中央部分に高温割れが発生する場合があることを知見した。

本発明は、このような従来技術に鑑み、溶接欠陥の発生を防止して、高い溶接施工能率を達成できる厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、正極性を採用する電極のアーク安定性に影響する要因について鋭意検討した。その結果、多層溶接を２電極以上の多電極溶接として、第１電極と第２電極を予め定めた平行な溶接線に沿う配置とするとともに、第１電極および第２電極のうちの一方を正極性とし、他方を逆極性とする。さらに、溶接施工時の第１電極および第２電極の相対位置を適正に調整したうえで、正極性を採用する電極に供給する溶接ワイヤを、REM（希土類元素）が0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤとする。これらにより、アークが安定し、溶接中に発生するスパッタが大幅に低減でき、開先（厚鋼板）の底部溶融深さを1.5mm以上確保しながら、高い溶接施工能率で厚鋼板の多層溶接が可能であることを知見した。さらに、３電極以上の多電極溶接における高温割れの発生原因について、鋭意検討した。その結果、第２電極以降の電極間距離が適正範囲を外れると、高温割れと呼ばれる溶接欠陥が溶接金属の中央部分に発生することを突き止めた。そして、第２電極以降の極間距離を、10～100mmの範囲に調整すれば、健全なビード（溶接金属）を有する溶接継手が得られることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
［１］板厚ｔ：22mm以上の厚鋼板を開先角度θ：25°以下、底部開先ギャップＧ：7～18mmとする狭開先の多層溶接で接合する厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法であって、
前記多層溶接を、２電極以上の多電極溶接とし、
前記多電極のうち、第１電極と第２電極とを予め定めた平行な溶接線に沿う位置に配置するとともに、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）とし、
さらに前記第１電極と前記第２電極の各溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤ先端間の距離ａを5mm以上16mm以下の範囲とし、また前記溶接線の直角方向に対する、前記第１電極と前記第２電極の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度αを60°以下の範囲とし、さらに、
前記正極性となる電極に供給する前記溶接ワイヤを、REM（希土類元素）：0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤとして、
前記厚鋼板の底部における溶接線の直角方向の溶融深さｐを1.5mm以上とすることを特徴とする厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［２］前記第１電極および前記第２電極の溶接ワイヤの底部開先に対する各供給角度φを垂線に対して0°以上15°以下とすることを特徴とする［１］に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［３］前記第１電極および前記第２電極の溶接ワイヤ先端の側端部と前記厚鋼板の開先面との距離ｄをそれぞれ0.5mm以上3.0mm以下とすることを特徴とする［１］または［２］に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［４］前記第１電極および前記第２電極の給電チップに送給する溶接ワイヤを、曲率半径が150mm以上300mm以下となる範囲で湾曲させた溶接ワイヤとすることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［５］第３電極以降の電極を、前記第１電極および前記第２電極の後方の開先中央に配置し、前記第２電極以降の極間距離を10mm以上100mm以下の範囲とすることを特徴とする［１］ないし［４］のいずれかに記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［６］前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする［１］ないし［５］のいずれかに記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。

本発明によれば、厚鋼板を狭開先ガスシールドアーク溶接で多層溶接する際に、ガス切断等の低コストの開先加工を施す場合であっても開先面の手入れを行うことなく、融合不良等の欠陥を防止することができる。さらに、溶接中のスパッタ発生量を低減して、溶接欠陥発生量を低減でき、溶接施工能率が向上し、従来の溶接継手の製造に比べて、溶接施工コストが大幅に低減でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明は、特に建築、橋梁および造船等の一般構造物の溶接施工に、極めて有用であるという効果もある。

本発明で用いる開先形状を模式的に示す説明図である。 ４電極で溶接施工する際の施工要領を示す設明図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。 ４電極で多層溶接を施した後の溶接継手断面の一例を示す説明図である。

以下、本発明について、具体的に説明する。

本発明は、板厚ｔ：22mm以上の厚鋼板を、開先角度θ：25°以下、底部開先ギャップＧ：7～18mmとする狭開先の多層溶接で接合する狭開先ガスシールドアーク溶接方法である。なお、ここでいう「厚鋼板」には、厚鋼板に加えて、厚肉材、厚板鋼材等をも含むものとする。

本発明で使用する開先は、Ｖ形開先（Ｉ形開先（θ：0°）を含む）とし、その開先形状を、図１に示す。なお、１は厚鋼板、２は開先面である。

［厚鋼板１の板厚ｔ：22mm以上］
厚鋼板１の板厚ｔは22mm以上、好ましくは200mm以下とする。厚鋼板１の板厚ｔが22mm未満である場合には、従来のレ形開先において、開先角度を大きくし開先ギャップを小さくすることにより、本発明で対象とする開先よりも開先断面積が小さくなり、レ形開先の方が溶着量の小さい高能率な溶接となる場合がある。

なお、特殊な構造物も含めても、鋼構造物の板厚は200mm以下であるため、本発明では、厚鋼板の板厚の上限は200mmとすることが好ましい。また、本発明は、軟鋼板から780MPa級の高張力鋼板までの各種厚鋼板に適用することができる。590MPa級高張力厚鋼板の溶接も、予熱なしで可能である。

［開先角度θ：25°以下］
本発明で使用する開先はＩ形開先を含むＶ形開先とする。

開先部（開先角度θ）が小さいほど、高能率な溶接を可能とする。しかし、開先部の開先角度θが小さいと、融合不良等の欠陥が生じやすい。Ｖ開先では開先角度θが0°の場合、すなわち、Ｉ形開先とすることが、溶着量の観点から最も効率的であるが、溶接熱歪により溶接中に開先が閉じてくる。そのため、溶接熱歪を見込んで、板厚ｔに応じた開先角度θを設定することが好ましい。

具体的には、開先角度θは（0.5×ｔ／20）～（2.0×ｔ／20）°の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは（0.8×ｔ／20）～（1.2×ｔ／20）°の範囲である。なお、板厚ｔが100mmを超える場合の好適範囲の上限は10°とする。

一方、開先角度θが25°を超える場合の溶接は、従来の施工方法でも実施可能であるため、本発明では、開先角度θ：25°を上限とした。

［底部開先ギャップＧ：7～18mm］
底部開先ギャップＧが7mm未満では、２電極以上の多電極で溶接施工することが困難となる。一方、底部開先ギャップＧが18mmを超える溶接は、従来の溶接施工方法でも実施可能である。このようなことから本発明では、底部開先ギャップＧの範囲を、従来の溶接施工方法では溶接施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる範囲である、7mm以上18mm以下の範囲とする。なお、好ましくは8mm以上12mm以下の範囲である。

本発明では、上記した狭開先を用いて、初層および第２層以降の各層をいずれも、２電極以上の多電極溶接で、多層溶接して、溶接接合する。

本発明における厚鋼板の開先加工では、ガス切断やプラズマ切断、レーザ切断等による加工を行う。ただし、機械加工を排除するものではない。狭開先ガスシールドアーク溶接における開先面に必要な溶融深さは、開先面の表面性状（特に、凹部深さや清浄度）によって主に決定される。最も一般的なガス切断による開先加工では、特殊鋼やステンレス鋼等を除き、ガス切断時のガス流量や火口の選択により、切断面の仕上がりに大きな差が生じる。例えば、ガス流量や火口の調整が良好な場合における開先面表面の凹部深さは0.2mm程度以下となるが、特殊な場合、例えば、火口の摩耗などにより火炎流速が通常より落ちた場合などには、1mmを超える凹部深さが生じるおそれがある。しかしながら、このような凹部が生じても、一般構造物等では手入れなしにそのまま溶接に供されることとなる。

そのため、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止するには、溶接施工の際に開先面、特に溶接時の温度が低く、溶融深さが小さくなる傾向にある開先（厚鋼板）の底部を、より深く溶融する必要がある。また、切断面は加工熱により生じた厚い酸化膜で覆われているため、溶接施工の際にはやはり開先面をより深く溶融する必要がある。

このようなことから、本発明では、開先（厚鋼板）の底部における溶融深さを1.5mm以上に限定した。なお、好ましくは2.0mm以上である。ただし、溶融深さが4mmを超えると、開先面の溶接ビード上部にアンダーカットが生じ、溶接欠陥の要因となるので、溶融深さは4mm以下とすることが好ましい。

本発明では、上記した狭開先を用いて、初層および第２層以降の各層をいずれも、２電極以上の多電極溶接で、多層溶接して、高い溶接施工能率のもとで、融合不良等の欠陥や、溶接欠陥の発生を防止して、溶接接合して溶接継手を得る。なお、本発明では、上記した狭開先を用いて、開先（厚鋼板）の底部における溶融深さｐが1.5mm以上となるように、溶接条件を適正に調整する。

［多層溶接を、２電極以上の多電極溶接とし、第１電極と第２電極とを予め定めた平行な溶接線に沿う位置に配置］
本発明では、溶接施工能率向上の観点から、多層溶接は２電極以上の多電極溶接とする。なお、好ましくは、耐高温割れ性の観点から４電極以下である。

狭開先の多層溶接では、１層当たり１パスとする場合、１電極では、溶接熱が開先中央に集中し易いため、厚鋼板１の開先面２における溶融が不足し、融合不良（コールドラップ）や、開先面に付着したスパッタおよびスラグ巻き込み等による欠陥が生じ易い。特に、初層溶接では厚鋼板の温度が低く、溶融深さが小さくなるため、融合不良による欠陥が生じ易い。このようなことから、本発明では、２電極以上の多電極のうち、第１電極と第２電極とを予め定めた平行な溶接線に沿う位置に配置して、溶接するとした。４電極で多層溶接する際の施工要領を図２に示す。なお、７は裏当材である。

［第１電極および第２電極のうちの一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）］
第１電極と第２電極とを同極性（例えば、第１電極および第２電極ともワイヤプラス）とすると、引き合いの電磁力によって互いのアークが内向きとなり、熱が開先中央に集中することになる。このため、開先面において十分な溶融が得られなくなる。一方、第１電極および第２電極のうち一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）とし、第１電極と第２電極の配置を適正に制御すると、互いの溶接電流による磁場が強い外向きの電磁力を生じ、アークが互いに反発することとなる。その結果、開先面において十分な溶融深さを得ることが可能となる。

このようなことから、本発明では、第１電極および第２電極のうちの一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）とする。

［第１電極と第２電極の各溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤ先端間の距離ａ：5mm以上16mm以下］
第１電極３と第２電極４の各溶接トーチ先端の給電チップ３ａ、４ａから供給する溶接ワイヤ３ｂ、４ｂ先端間の距離（以下、単に「第１－２電極間距離」ともいう。図２（ｂ）参照）ａは、5mm以上16mm以下の範囲に調整する。なお、ここで言う「溶接ワイヤ先端間の距離」とは、各電極における溶接ワイヤ先端の中心間の距離を指すものとする。

第１－２電極間距離ａが5mm未満では、電極間に電流（電子）が流れることで、アークそのものの持つ熱が減少し、開先面２の十分な溶融が得られなくなる。一方、第１－２電極間距離ａが16mmを超えると、電極間の外向きの電磁力は距離に反比例し小さくなり、開先面２を流れる電流によって生じる内向きの電磁力に打ち勝つためのアーク反発力が得られず、互いのアークが内向きとなって、熱が開先中央に集中する。結果的に、開先面２における十分な溶融が得られなくなる。

また、狭開先溶接では、スパッタの開先面への付着による溶接欠陥の抑制が課題となる。しかしながら、第１電極３と第２電極４を予め定めた平行な溶接線８、８に沿うように配置し、その一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）とするとともに、第１－２電極間距離ａを5mm以上16mm以下の範囲に調整する。それにより、スパッタはそれぞれの溶融金属に吸収され、開先面へのスパッタの付着が抑制されるので、健全な溶接部を得ることが可能となる。

このようなことから、第１電極３と第２電極４の各溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤ先端間の距離ａは、5mm以上16mm以下の範囲に調整するものとする。なお、より強いアークの反発により、より深く安定した開先面の溶融を得るには、第１－２電極間距離ａを5mm以上8mm以下の範囲とすることが好ましい。

［溶接線の直角方向に対する、第１電極と第２電極の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度α：60°以下］
本発明では、アークの反発を利用して開先面の溶融を確保している。しかしながら、溶接線の直角方向に対する、第１電極３と第２電極４の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度αが60°を超えると、十分なアークの反発力が得られず、開先面において十分な溶融を得ることができなくなる。そのため、溶接線の直角方向に対する、第１電極と第２電極の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度（以下、単に「第１－２電極配置角度」ともいう、図２（ｂ）参照）αは60°以下に限定するものとする。好ましくは45°以下である。なお、第１－２電極配置角度αは0°であってもよい。

［正極性となる電極に供給する溶接ワイヤ：REM（希土類元素）を0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤ］
REM（希土類元素）は、製鋼時および鋳造時の介在物の微細化や、溶接施工時の溶接金属の靱性改善に、有効な元素である。また、REMを添加した溶接ワイヤを正極性となる電極に供給して溶接を行うと、溶滴の微細化と移行の安定化を図ることができる。この溶滴移行の微細化により、スパッタの発生を抑制し、正極性でも安定したガスシールドアーク溶接が可能となる。このようなことから、本発明では、正極性となる電極に、REM（希土類元素）を0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤを供給することとした。なお、REM（希土類元素）以外の元素は、JIS Z 3312に規定されるように、溶接ワイヤのグレード（鋼種）に応じて、通常、含有される適正量を含むものとする。

REM（希土類元素）の含有量が0.015質量％未満では、上記した溶滴の微細化と移行の安定化が図れない。一方、0.100％を超えて含有すると、ワイヤ製造工程中に割れが生じるため、溶接ワイヤの製造が困難となる。このため、REM（希土類元素）の含有量は0.015～0.100質量％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.025～0.050質量％である。

ガスシールドアーク溶接用の溶接ワイヤは、一般的に、直径0.6mm～2.0mmの範囲で製造されているが、同じ電流で溶接する場合は一般的にワイヤ径が細いほどジュール熱によって高い溶着速度が得られる。このため、高能率な溶接施工を実現するためには比較的細いワイヤ径を選択することが好ましい。一方、ワイヤ径が細すぎるとジュール熱によってワイヤが軟化し、溶接が不安定になる。このため、使用する溶接ワイヤの直径は1.0mm以上1.6mm以下の範囲とすることが好ましい。

上記した溶接条件が、本発明における基本の溶接条件であり、このような条件で溶接施工することにより、上記開先の底部における溶接線の直角方向の開先面からの溶融深さｐを1.5mm以上確保できる溶接金属部を有する溶接継手とすることができる。

なお、本発明では、上記した基本の溶接条件に加えて、以下に示す溶接条件をさらに満足させることにより、狭開先内の厚鋼板の底部における開先面からの溶融深さｐをより深く安定して得ることが可能になる。

［第１電極および第２電極の溶接ワイヤの底部開先に対する供給角度φ：垂線に対して0°以上15°以下］
アークには指向性があり、電極（溶接ワイヤ）先端が指す方向に向きやすい性質がある。このアークの指向性を開先面の溶融に有効に活かすためには、電極先端が指す方向を開先面に向けることが有利であり、この電極先端が指す方向は溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度φにより大きく変化する。なお、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの底部開先に対する供給角度φは図２（ａ）に示す。溶接トーチ先端の給電チップ３ａおよび４ａから供給する溶接ワイヤ３ｂおよび４ｂの底部開先に対する供給角度φが垂線に対して0°未満では、電流がより抵抗の小さい経路に流れる。その結果、アークが電極であるワイヤを這い上がり（アークの這い上がり）、狙いとする開先面２、特に底部での溶融を維持することが困難となる。一方、給電チップから供給する溶接ワイヤの底部開先に対する供給角度φが垂線に対して15°を超えると、アークが開先面２に向き過ぎるために溶接ビード形状が凸となり、初層以降の溶接におけるアークでの溶融が不十分となって溶接欠陥を生じ易くなる。このため、第１電極３および第２電極４の溶接ワイヤ３ｂおよび４ｂの各底部開先に対する供給角度φは、垂線に対して0°以上15°以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは5°以上12°以下である。なお、第１電極３および第２電極４の溶接ワイヤの各底部開先に対する供給角度φは、給電チップ３ａおよび４ａ、特に給電チップ先端の傾きと同じになるため、この給電チップ先端の傾きにより、この溶接ワイヤの供給角度φを制御することができる。なお、供給角度φは、それぞれ開先面に向いている方向を＋とした。また、ここでいう垂線とは、底部開先に対する垂線をいう。

［第１電極および第２電極の溶接ワイヤ先端の側端部と厚鋼板の開先面との距離ｄ：0.5mm以上3.0mm以下］
第１電極３および第２電極４の溶接ワイヤ先端の側端部と厚鋼板の開先面２との距離ｄは図２（ａ）に示す。底部開先における溶接ワイヤ３ｂおよび４ｂの先端の側端部と厚鋼板の開先面２との距離ｄが0.5mm未満では、アークがワイヤ上部と開先面２との間で発生し、厚鋼板底部の開先面２を効率良く溶融できない。一方、3.0mmを超えると、アークが開先面２から離れ、開先面２を効率良く溶融できなくなる。このため、溶接ワイヤ先端の側端部と厚鋼板の開先面２との距離ｄは、0.5mm以上3.0mm以下、とすることが好ましい。より好ましいくは0.5～2.0mm、さらに好ましくは0.5～1.0mmである。ここで言う「溶接ワイヤの先端の側端部」とは、各電極で溶融させようとする厚鋼板の開先面２に近い側の側端部を指すものとする。

［第１電極および前記第２電極の給電チップに送給する溶接ワイヤの曲率半径：150mm以上300mm以下］
本発明では、第１電極３および第２電極４の溶接トーチ先端の給電チップ３ａおよび４ａから供給する溶接ワイヤ３ｂおよび４ｂの供給角度φを制御するため、先端を曲げた給電チップを使用する。このとき、溶接ワイヤが先端を曲げた給電チップを通ることになるが、よりスムーズに通過させるためには、いわゆる３点ローラー等を用いて溶接ワイヤを予め湾曲させておくことが好ましい。

溶接ワイヤの曲率半径が150mm未満ではワイヤの送給抵抗が大きくなり、安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。一方、溶接ワイヤの曲率半径が300mmを超えると、給電チップ先端が曲がった状態でのワイヤの送給抵抗軽減に効果がないため、やはり安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。このようなことから、第１電極３および第２電極４の給電チップ３ａおよび４ａに送給する溶接ワイヤ３ｂおよび４ｂの曲率半径は150mm以上300mm以下とすることが好ましい。より好ましくは175mm以上275mm以下である。

［第３電極以降の電極：第１電極および第２電極の後方の開先中央に配置、並びに隣接する先行電極との距離ｂおよびｃ：10mm以上100mm以下］
初層溶接で溶接盛り高さＨが底部開先ギャップＧを超えると、高温割れのリスクが高くなる。これを回避するには、第３電極５以降の電極（図２の例では、第３電極５および第４電極６）を、第１電極３および第２電極４の後方の開先中央に配置することが有効である。また、これにより積層数の低減が更に可能となり、多層溶接における積層欠陥のリスクを大きく低減できる。なお「開先中央」とは、開先中心から開先ギャップＧの±10％の範囲を許容する。

また、第３電極５以降の電極は、隣接する先行電極との距離で10mm～100mmの範囲に配置することが、耐高温割れ性の観点から好ましい。ここで、隣接する先行電極との距離とは、図２（ｂ）に示すように、第２電極４の溶接ワイヤ４ｂの先端と第３電極５の溶接ワイヤ５ｂの先端間の距離ｂ、および第３電極５の溶接ワイヤ５ｂの先端と第４電極６の溶接ワイヤ６ｂの先端間の距離ｃのことである。なお、第３電極５以降の極性は特に限定されず、ワイヤマイナス（正極性）、ワイヤプラス（逆極性）のいずれであってもよい。

［シールドガス：60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガス］
溶接金属中の酸素量が、シールドガス組成にも大きく影響を受けることから、本発明のガスシールドアーク溶接で使用するシールドガスは、CO₂ガスを60体積％以上、残りをAr等の不活性ガスとする混合ガスを使用することが好ましい。なお、より好ましくはCO₂ガス：100体積％である。本発明では、溶接金属の湯流れを支配する溶接金属中の酸素濃度を高くし、溶接金属の対流を中央から外向きにして、開先内の厚鋼板底部における溶融深さを安定して深くすることが好ましい。

なお、上記以外の条件については、特に限定する必要はなく、定法に従えばよい。例えば、溶接電流：280～360A、溶接電圧：32～37V（電流とともに上昇）、溶接速度：30～90cm/min、ワイヤ突き出し長さ：15～30mm、１パス当りの溶接入熱：10～50kJ/cmとすればよい。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

表１に示す鋼種（グレード）の各種厚鋼板について、図１および表２に示す開先形状となるように、ガス切断により開先加工した。なお、開先面２には研削等の手入れは行わなかった。加工後の開先面２について、レーザ変位計を用いて、開先面２の表面性状を測定し、最大凹部深さを求め、表２に示す。

表２に示す開先形状の厚鋼板（長さ：500mm）について、表１に示す鋼種（グレード）の溶接ワイヤ（鋼ワイヤ）を用いて、初層溶接として表３、表４に示す溶接条件で狭開先ガスシールドアーク溶接を行った。さらに２層以降の多層溶接を行い、狭開先ガスシールドアーク溶接継手（溶接長さ：500mm）を得た。なお、２層以降の溶接条件は初層と同様とした。なお、正極性となる電極には表３に示すように、REM含有溶接ワイヤを供給した。第３電極および第４電極はいずれも、第１電極および第２電極の後方の開先中央に配置し、隣接する先行電極との距離を10～100mmの範囲となるように設置した。

得られた溶接継手を長手方向の５断面で切断し、各断面（断面１～断面５）について、図３に示すように、底部の溶融幅ｗｉ（ｗ１～ｗ５）を測定した。各断面について、得られた断面ごとの溶融幅ｗｉから底部開先ギャップＧ分の長さを減じ、得られた値を２で除し、その値を当該断面における溶融深さｐｉ（ｐ１～ｐ５）とし、５断面の平均値を求め、その平均値を当該溶接継手の底部溶融深さｐとした。得られた結果を表４に示す。

また、得られた溶接継手について、超音波探傷検査を実施し、溶接欠陥の有無を評価した。なお、検出欠陥なしの場合を◎、検出された欠陥の長さが3mm以下の合格欠陥のみの場合を〇、検出された欠陥の長さが3mm超えの欠陥が検出された場合を×とした。得られた結果を表４に併記した。

本発明例はいずれも、２電極以上の多極溶接で、狭開先の多層溶接を行っても、底部溶融長さが1.5mm以上を示した。また、開先面の手入れを行わなくても、溶接欠陥の検出もない、健全な狭開先ガスシールドアーク溶接継手となっており、溶接施工能率が向上したことがわかる。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、底部溶融長さが1.5mm未満であるか、溶接欠陥が検出されており、健全な狭開先ガスシールドアーク溶接継手が得られていない。

１ 厚鋼板
２ 開先面
３ 第１電極
４ 第２電極
５ 第３電極
６ 第４電極
３ａ、４ａ、５ａ、６ａ 給電チップ
３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ 溶接ワイヤ
７ 裏当材
８ 溶接線
９ 初層の溶接ビード
１０ 溶融池（第２層）
１１ 溶接中の溶接ビード（第２層）

Claims (17)

1. 板厚ｔ：22mm以上の厚鋼板を開先角度θ：25°以下、底部開先ギャップＧ：7～18mmとする狭開先の多層溶接で接合する厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法であって、
   前記多層溶接を、２電極以上の多電極溶接とし、
   前記多電極のうち、第１電極と第２電極とを予め定めた平行な溶接線に沿う位置に配置するとともに、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方をワイヤマイナス（正極性）、他方をワイヤプラス（逆極性）とし、
   さらに前記第１電極と前記第２電極の各溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤ先端間の距離ａを5mm以上16mm以下の範囲とし、また前記溶接線の直角方向に対する、前記第１電極と前記第２電極の溶接ワイヤ先端間を結ぶ直線の角度αを60°以下の範囲とし、さらに、
   前記正極性となる電極に供給する前記溶接ワイヤを、REM（希土類元素）：0.015～0.100質量％含有する鋼ワイヤとして、
   前記厚鋼板の底部における溶接線の直角方向の溶融深さｐを1.5mm以上とすることを特徴とする厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
2. 前記第１電極および前記第２電極の溶接ワイヤの底部開先に対する各供給角度φを垂線に対して0°以上15°以下とすることを特徴とする請求項１に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
3. 前記第１電極および前記第２電極の溶接ワイヤ先端の側端部と前記厚鋼板の開先面との距離ｄをそれぞれ0.5mm以上3.0mm以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
4. 前記第１電極および前記第２電極の給電チップに送給する溶接ワイヤを、曲率半径が150mm以上300mm以下となる範囲で湾曲させた溶接ワイヤとすることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
5. 前記第１電極および前記第２電極の給電チップに送給する溶接ワイヤを、曲率半径が150mm以上300mm以下となる範囲で湾曲させた溶接ワイヤとすることを特徴とする請求項３に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
6. 第３電極以降の電極を、前記第１電極および前記第２電極の後方の開先中央に配置し、前記第２電極以降の極間距離を10mm以上100mm以下の範囲とすることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
7. 第３電極以降の電極を、前記第１電極および前記第２電極の後方の開先中央に配置し、前記第２電極以降の極間距離を10mm以上100mm以下の範囲とすることを特徴とする請求項３に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
8. 第３電極以降の電極を、前記第１電極および前記第２電極の後方の開先中央に配置し、前記第２電極以降の極間距離を10mm以上100mm以下の範囲とすることを特徴とする請求項４に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
9. 第３電極以降の電極を、前記第１電極および前記第２電極の後方の開先中央に配置し、前記第２電極以降の極間距離を10mm以上100mm以下の範囲とすることを特徴とする請求項５に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
10. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
11. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項３に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
12. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項４に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
13. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項５に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
14. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項６に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
15. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項７に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
16. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項８に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
17. 前記ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして60体積％以上のCO₂ガスを含有した混合ガスを用いることを特徴とする請求項９に記載の厚鋼板の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。

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