JP2024053876A - 多層盛り溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接継手の脆化を回避しつつ、溶接能率を向上させることができる多層盛り溶接方法を提供する。【解決手段】溶接入熱上限値及びパス間温度上限値を設けて行う消耗電極式の多層盛り溶接方法であって、母材の温度を検出する工程と、検出された温度がパス間温度上限値よりも所定値以上低い温度である場合、溶接入熱上限値よりも所定量大きな溶接入熱を上限として次層を溶接する溶接工程とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、多層盛り溶接方法に関する。

近年、３００Ａ以上の高電流条件でのＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接が着目されている（例えば、特許文献１）。高電流溶接では、深い溶込みが得られ、溶接ワイヤの溶着速度が高いことにより、厚板溶接を高能率化することができる。また、特許文献２には、上記高電流条件でのＧＭＡ溶接において、溶接電流を周期的に変動させることによって溶接状態を安定化させる技術が開示されている。

特許第６５８１４３８号公報 特許第６７４８５５６号公報

しかし、高電流条件での多層溶接においては、高い入熱による溶接継手の脆化が問題となる。そのため、溶接入熱及びパス間温度の上限に制限が設けられる場合がある。最も一般的な基準は、溶接入熱が４０ｋＪ／ｃｍ以下、パス間温度が３５０℃以下である。したがって、高電流ＧＭＡ溶接を用いても、入熱制限により、溶接能率を十分に向上させることができないという技術的な問題があった。

本開示の目的は、溶接継手の脆化を回避しつつ、溶接能率を向上させることができる多層盛り溶接方法を提供することになる。

本開示に係る多層盛り溶接方法は、溶接入熱上限値及びパス間温度上限値を設けて行う消耗電極式の多層盛り溶接方法であって、母材の温度を検出する工程と、検出された温度が前記パス間温度上限値よりも所定値以上低い温度である場合、前記溶接入熱上限値よりも所定量大きな溶接入熱を上限として溶接する溶接工程とを備える。

本開示によれば、溶接継手の脆化を回避しつつ、溶接能率を向上させることができる。

本実施形態に係る消耗電極式のアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。 埋もれアークの溶接条件を示す模式図である。 本実施形態に係る高能率多層盛り溶接方法を示す概念図である。 本実施形態に係る高能率多層盛り溶接方法の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る高能率多層盛り溶接方法の手順を示すフローチャートである。

本開示の実施形態に係る多層盛り溶接方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。本実施形態に係る溶接方法は、ＧＭＡ溶接、具体的には埋もれアーク溶接を用いた厚板の高能率多層盛り溶接を実現する方法である。

＜アーク溶接装置＞
図１は、本実施形態に係る消耗電極式のアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、ＧＭＡ（Gas Metal Arc）を行う溶接半自動溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給装置３を備える。また、本実施形態に係る高能率多層盛り溶接方法を実施するための温度センサ６を用意する。温度センサ６は、多層盛り溶接におけるパス間温度、具体的には母材４の温度を検出センサである。温度センサ６は、半導体温度センサ、赤外線温度センサ、温度によって色が変化するシール又はチョーク等である。

トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アークの発生に必要な溶接電流Ｉｗを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉｗを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

ワイヤ送給装置３は、溶接ワイヤ５をトーチ２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給装置３は、送給ローラを回転させることによって、ワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ供給する。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

溶接電源１は、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続され、溶接電流Ｉｗを供給する電源部１１と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御部１２とを備える。なお、電源部１１及び送給速度制御部１２を別体で構成しても良い。電源部１１は、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路１１ａ、制御回路１１ｂ、電圧検出部１１ｃ、電流検出部１１ｄを備える。

電圧検出部１１ｃは、溶接電圧Ｖｗを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Ｖｄを制御回路１１ｂへ出力するセンサである。

電流検出部１１ｄは、例えば、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アークを流れる溶接電流Ｉｗを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Ｉｄを制御回路１１ｂへ出力するセンサである。

電源回路１１ａは、商用交流を交直変換するＡＣ－ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。制御回路１１ｂは、設定された溶接条件、検出された溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗに基づいて、電源回路１１ａのインバータ回路をＰＷＭ制御する。母材４及び溶接ワイヤ５間には、所用の溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された場合、トーチ２は溶接電源１へ出力指示信号を出力する。出力指示信号は、図示しない制御通信線を介して溶接電源１に入力され、制御回路１１ｂは、当該出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａに溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの出力を開始させる。

＜埋もれアーク溶接＞
本実施形態の多層盛り溶接方法は、ＧＭＡ溶接、具体的には埋もれアーク溶接を用いて行う。

図２は、埋もれアークの溶接条件を示す模式図である。溶接ワイヤ５に大電流を供給すると、図２に示すように、母材４に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤ５の先端部が溶融部分によって囲まれた空間に進入する。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤ５と、母材４又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

図２に示すグラフの横軸は溶接電流Ｉｗ、縦軸は溶接電圧Ｖｗを示している。埋もれアーク溶接を実現する溶接条件は、溶接電流Ｉｗの平均電流が３００Ａ以上、好ましくは３００Ａ以上１０００Ａ以下、より好ましくは４００Ａ以上６５０Ａ以下である。溶接電流Ｉｗが３００Ａ未満になると、アーク圧力が弱くなり、溶融金属を押し下げることができず、埋もれアーク溶接を維持することができなくなる。

溶接電圧Ｖｗ（アーク電圧）は、溶接条件等によって変化する上限電圧が存在する。上限電圧は、埋もれアークを維持できる上限の電圧であり、その電圧を超えると、埋もれアーク溶接でなく、通常の直流溶接となる臨界電圧である。上限電圧は、溶接電流Ｉｗの増加関数であり、溶接電流Ｉｗが大きくなる程、高くなる。この上限電圧よりも約４Ｖ低い電圧が下限電圧である。下限電圧より低い電圧では、溶接ワイヤ５の先端位置の下降に伴い、溶接ワイヤ５と溶融池との短絡が頻発し、溶接が不安定化する。

なお、上限電圧及び下限電圧は、溶接ワイヤ５の種類、ワイヤ径、溶接電流Ｉｗ、ワイヤ突出し長さ、開先形状、溶接速度、溶接電源二次側の負荷状態等の様々な影響を受けて変化するが、溶接電流Ｉｗと溶接電圧Ｖｗの関係は概ね図２に示した通りである。

高電流の埋もれアーク溶接を安定化させる溶接条件は以下の通りである。埋もれアーク溶接においては、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の周波数、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを振動させるとよい。電流振幅は、５０Ａ以上、好ましくは１００Ａ以上５００Ａ以下、より好ましくは２００Ａ以上４００Ａ以下に設定するとよい。安定した高電流溶接が可能となる。

一般的なＧＭＡ溶接は、高電流条件では安定しにくく、スパッタも多いため、低電流条件で溶接される場合が多く、再熱部の脆化が問題とならない場合が多い。一方、埋もれアーク溶接は、上記の通り、高電流での安定化制御が確立されており、３００Ａ以上の高電流溶接が可能である。しかし、埋もれアーク溶接においては、高電流溶接による再熱部の脆化が問題となる。本実施形態に係る多層盛り溶接方法は、この埋もれアーク溶接における再熱部の脆化を防ぐ方法として有効に働く。

＜厚板の高能率多層盛り溶接方法＞
以下、埋もれアークによって、９～３０ｍｍの厚板である母材４を能率的に多層盛り溶接する方法を説明する。ここでは、所定の入熱制限が設けられているものとする。例えば、パス間温度上限値は３５０℃、溶接入熱上限値は４０ｋＪ／ｃｍである。

ただし、上述の入熱制限は、パス間温度上限値に到達した際でも、一定の継手じん性が確保される入熱の上限を定めるものである。したがって、パス間温度がパス間温度上限値に到達しないうちは、溶接入熱上限値を超える入熱で溶接を行っても、継手のじん性を確保できる場合がある。そこで本実施形態では、溶接パス数が少ない序盤の溶接時、特にパス間温度が室温近くで非常に低い初層溶接時に、溶接入熱上限値を超える高入熱溶接を行う。この施工方法によれば、継手の脆化を防止しつつ、高能率溶接が可能となる。

ただし、溶接入熱は、３０ｋＪ／ｃｍ以上、８０ｋＪ／ｃｍ以下である。溶接入熱が３０ｋＪ／ｃｍを下回ると、入熱が小さいために、再熱部の脆化は大きな問題にならない。溶接入熱が８０ｋＪ／ｃｍを上回ると、パス間温度によらず入熱量が過大になり、継手の脆化を抑制することができない。

高入熱溶接を行う対象のパスは、パス間温度があらかじめ定めた上限値に対して、１００℃（所定値）以上小さいパスである。より望ましくは上限値よりも２００℃（所定値）以上小さいパスであり、更に望ましくはパス間温度が室温近傍となる第１パスである。

図３は、本実施形態に係る多層盛り溶接方法を示す概念図である。図３に示すグラフの横軸はパス間温度、縦軸は溶接入熱を示している。高入熱溶接を行う場合において、継手じん性を担保するために溶接入熱に設けるべき上限は、パス間温度によって異なる。
例えば、図３に示すように、母材４の温度が、パス間温度上限値に対して１００℃以上２００℃未満小さい第１温度範囲にある場合は、あらかじめ定めた溶接入熱上限値より１０ｋＪ／ｃｍ（第１所定量）だけ大きな溶接入熱を入熱上限とするとよい。
母材４の温度が、パス間温度上限値に対して２００℃以上３００℃小さい第２温度範囲にある場合は、あらかじめ定めた溶接入熱上限値より２０ｋＪ／ｃｍ（第２所定量）だけ大きな溶接入熱を入熱上限とするとよい。
母材４の温度が、パス間温度上限値に対して３００℃以上小さい第３温度範囲にある場合は、あらかじめ定めた溶接入熱上限値より３０ｋＪ／ｃｍ（第３所定量）だけ大きな溶接入熱を入熱上限とするとよい。
なお、母材４の温度が、上記第１温度範囲より大きく、パス間温度上限値以下である場合、溶接入熱上限値を入熱上限とする。母材４の温度がパス間温度上限値より大きい場合、母材４の温度がパス間温度上限値以下になるまで、次層の溶接を行わずに待機する。

図４及び図５は、本実施形態に係る多層盛り溶接方法の手順を示すフローチャートである。まず、溶接作業者は、溶接により接合されるべき一対の母材４をアーク溶接装置に配置し、溶接条件等の各種設定を行う（ステップＳ１１）。具体的には、板状の第１母材及び第２母材を用意し、被溶接部である端面を突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。なお、必要に応じて、第１母材及び第２母材にＹ形、レ形等の任意形状の開先を設けても良い。第１及び第２母材は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であり、厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。そして、上記した埋もれアーク溶接を実現する電圧、電流、周波数、電流振幅等を設定する。

各種設定が行われた後、溶接作業者は、温度センサ６を用いて母材４の温度を検出し（ステップＳ１２）、母材４の温度がパス間温度上限値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。母材４の温度がパス間温度上限値超であると判定した場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、溶接作業者は、母材４の温度がパス間上限値以下になるまで待機する。

母材４の温度がパス間温度上限値以下であると判定した場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、溶接作業者は、母材４の温度がパス間温度上限値に対して、１００℃以上２００℃未満小さい第１温度範囲より大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。母材４の温度が第１温度範囲超であると判定した場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、溶接入熱上限値を上限として、次層を溶接する（ステップＳ１５）。

母材４の温度が第１温度範囲超で無いと判定した場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、溶接作業者は、母材４の温度が、パス間温度上限値に対して、１００℃以上２００℃未満小さい第１温度範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１６）。母材４の温度が第１温度範囲にあると判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、溶接入熱上限値よりも１０ｋＪ／ｃｍ（第１所定量）だけ大きな溶接入熱を上限として、次層を溶接する（ステップＳ１７）。

母材４の温度が第１温度範囲に無いと判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、溶接作業者は、母材４の温度が、パス間温度上限値に対して、２００℃以上３００℃未満小さい第２温度範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１８）。母材４の温度が第２温度範囲にあると判定した場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、溶接入熱上限値よりも２０ｋＪ／ｃｍ（第２所定量）だけ大きな溶接入熱を上限として、次層を溶接する（ステップＳ１９）。

母材４の温度が第２温度範囲に無いと判定した場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、溶接作業者は、母材４の温度が、パス間温度上限値に対して、３００℃以上小さい第３温度範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ２０）。母材４の温度が第３温度範囲にあると判定した場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、溶接入熱上限値よりも３０ｋＪ／ｃｍ（第３所定量）だけ大きな溶接入熱を上限として、初層又は次層を溶接する（ステップＳ２１）。

ステップＳ２１の処理を終えた場合、又は母材４の温度が第３温度範囲に無いと判定した場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、溶接作業者は、最終層の溶接を終えたか否かを判定する（ステップＳ２２）。最終層の溶接を終えていないと判定した場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、溶接作業者は、ステップＳ１２に戻り、次層の溶接工程を続ける。最終層の溶接を終えたと判定した場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、多層盛り溶接を終える。

なお、上記の判定順序は一例であり、パス間温度がどの温度範囲に属するのかを判定し、溶接入熱の上限値を決定できれば、その処理順序は特に限定されるものでは無い。

（実施例）
２５ｍｍ厚板（ＳＮ４９０Ｂ）の５層５パス溶接を行う実施例を説明する。
溶接ワイヤ５としてワイヤ径１．４ｍｍのソリッドワイヤ（ＹＧＷ１８）を用い、シールドガスとして炭酸ガスを用いて埋もれアーク溶接を行う。埋もれアーク溶接には、安定化のために、溶接電流Ｉｗを周期的に変動させる上記した電流波形制御を適用する。
母材４の開先角度は３５°、ルートギャップは４ｍｍであり、裏当ては板厚９ｍｍの圧延鋼材ＳＮ４９０Ｂとする。継手に要求するじん性として、２７Ｊ以上のシャルピー吸収エネルギーを定める。
予め定める溶接入熱上限値は４５ｋＪ／ｃｍ、パス間温度上限値は３５０℃とするが、パス間温度が２５０℃以下の場合は４５ｋＪ／ｃｍを超える溶接入熱を許容する。

具体的には、パス間温度が１５０℃超２５０℃以下の場合の溶接入熱は５５ｋＪ／ｃｍを上限、パス間温度が５０℃超１５０℃以下の場合の溶接入熱は６５ｋＪ／ｃｍを上限、パス間温度が５０℃以下の場合の溶接入熱は７５ｋＪ／ｃｍを上限とする。それぞれ順番に、３層目、２層目、１層目に相当する。４層目以降は、溶接終了後の母材４の温度が３５０℃を超えるため、パス間温度が３５０℃以下になるまで待ち、入熱４５ｋＪ／ｃｍ以下で溶接を行う。この方法により、継手のじん性を確保しつつ、全パスを４５ｋＪ／ｃｍ以下で溶接する場合よりも溶接能率を向上させることができる。

以上の通り、本実施形態に係る多層盛り溶接方法によれば、接入熱及びパス間温度に制限が設けられている場合であっても、溶接継手の脆化を回避しつつ、溶接能率を向上させることができる。

パス間温度上限値に比べてパス間温度が１００℃以上低い場合、パス間温度上限値に対して設定された溶接入熱上限値よりも大きな溶接入熱を上限値として溶接することによって、能率的に多層盛り溶接を行うことができる。具体的には、溶接入熱上限値よりも１０ｋＪ／ｃｍ以上大きな値を上限値とすることによって、多層盛り溶接を行うことができる。

また、パス間温度上限値に比べてパス間温度が１００℃以上低い温度領域において、溶接入熱の上限値を段階的に大きな値に設定することによって、より能率的に多層盛り溶接を行うことができる。

特に、図３に示すように、溶接入熱の上限値を段階的に大きな値に設定することによって、より能率的に多層盛り溶接を行うことができる。

更に、埋もれアークを用いて本実施形態の多層盛り溶接方法を実施することによって、溶接継手の脆化を回避しつつ、より能率的に厚板を溶接することができる。

なお、各層の溶接後、適宜、パス間温度がより低い温度範囲になるまで待機し、より高い溶接入熱で次層を溶接するように構成してもよい。また、各層の溶接後、パス間温度が室温付近まで下がるまで毎回待機し、全パスを高入熱で溶接するように構成してもよい。

１：溶接電源、２：トーチ、３：ワイヤ送給装置、４：母材、５：溶接ワイヤ、６：温度センサ、１１：電源部、１１ａ：電源回路、１１ｂ：制御回路、１１ｃ：電圧検出部、１１ｄ：電流検出部、１２：送給速度制御部

Claims (4)

1. 溶接入熱上限値及びパス間温度上限値を設けて行う消耗電極式の多層盛り溶接方法であって、
   母材の温度を検出する工程と、
   検出された温度が前記パス間温度上限値よりも所定値以上低い温度である場合、前記溶接入熱上限値よりも所定量大きな溶接入熱を上限として溶接する溶接工程と
   を備える多層盛り溶接方法。
2. 前記溶接工程は、
   検出された温度が前記パス間温度上限値よりも低い第１温度範囲にある場合、前記溶接入熱上限値よりも大きな第１溶接入熱を上限として溶接する工程と、
   検出された温度が前記第１温度範囲よりも低い第２温度範囲にある場合、前記第１溶接入熱よりも大きな第２溶接入熱を上限として溶接する工程と
   を含む請求項１に記載の多層盛り溶接方法。
3. 前記溶接工程は、
   検出された温度が前記パス間温度上限値に対して、１００℃以上２００℃未満小さい温度範囲にある場合、前記溶接入熱上限値よりも１０ｋＪ／ｃｍだけ大きな溶接入熱を上限として溶接する工程と、
   検出された温度が前記パス間温度上限値に対して、２００℃以上３００℃未満小さい温度範囲にある場合、前記溶接入熱上限値よりも２０ｋＪ／ｃｍだけ大きな溶接入熱を上限として溶接する工程と、
   検出された温度が前記パス間温度上限値に対して、３００℃以上小さい温度範囲にある場合、前記溶接入熱上限値よりも３０ｋＪ／ｃｍだけ大きな溶接入熱を上限として溶接する工程と
   を含む請求項１に記載の多層盛り溶接方法。
4. 溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上の溶接電流を供給することによって、前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多層盛り溶接方法。

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