JP3209114B2

JP3209114B2 - 大型ワークの片面突合せ溶接方法

Info

Publication number: JP3209114B2
Application number: JP26490596A
Authority: JP
Inventors: 雅智村山; 大輔尾座本; 祐司杉谷
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2001-09-17
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JPH10109165A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、橋梁や造船などに
おける大型ワークの片面突合せ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】橋梁や船舶などの建造物においては曲面
や傾斜面を持つ部分が多く、かかる部分の溶接を自動化
することが急務とされている。曲面や傾斜面を持つワー
クの突合せ溶接方法としては、サブマージアーク溶接、
ガスシールドアーク溶接等が考えられるが、いずれもこ
のような曲面等を持つ大型のワークには適用困難ないし
は適用不可能な一面を有している。

【０００３】まず、両面サブマージアーク溶接は、大入
熱のため効率のよい溶接が施工できるものの、ワークの
反転及び裏面ガウジングを伴うため、溶接の自動化が困
難である。また、溶接姿勢が極端に制限されるため、傾
斜角度が３゜程度までの溶接しか行うことができない。
一方、片面サブマージアーク溶接の場合も、両面サブマ
ージアーク溶接と同様、高能率施工が可能であるが、溶
接装置の操作に熟練度を要し、裏ビードの安定性に欠け
るという問題がある。次に、片面ガスシールドアーク溶
接は、広く一般に短尺部材の自動溶接に適用されてい
る。しかし、一般にルートギャップを６ｍｍ程度とる開
先で施工するため、開先断面積が大きく、低電流施工と
なるので溶接能率が低い。また、ギャップをとらなけれ
ば良好な裏ビードを得ることができないので、長尺部材
ではその拘束方法が問題となり自動機の適用例は見られ
ない。造船の曲がり部材のように傾斜が大きく（従っ
て、サブマージアーク溶接は使用不可）、さらに長尺部
材であるような場合では、ギャップを確保するためにス
トロングバックと呼ばれるコ字状の拘束板でワークを固
定しなければならず、その取付や除去作業に多大な労力
を要し、ストロングバックのために自動化が困難であ
り、作業者の技量による半自動溶接（裏波溶接）で行っ
ているのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な大型ワークの特異性に鑑みてなされたもので、曲面及
び／又は傾斜面を有するワークの片面突合せ溶接の自動
化を可能にし、かつ、高電流による高い溶接能率及び高
品質の溶接を達成することを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る大型ワーク
の片面突合せ溶接方法は、曲面及び／又は傾斜面を有す
るワークを対象とするものであり、開先形状をＶ型又は
Ｙ型とし、ルートギャップを開先面内の仮付け溶接によ
り標準状態で０ｍｍとし、この開先の裏側より裏当材を
設け、外径が１．４〜２．０ｍｍの溶接ワイヤを用い、
アーク回転速度を３０〜１００Ｈｚ、溶接電流を２００
〜８００Ａとする高速回転アーク溶接により上進姿勢で
溶接するとともに、溶接中、アークセンサによるトーチ
高さ制御を行い、アーク１回転における短絡発生率が
０．５〜１．５となるようなアーク電圧により水平から
上進３０゜までの突合せ溶接を行うことを特徴とするも
のである。

【０００６】ここで、短絡発生率とは、溶接アークの１
回転中に発生する短絡回数のことであり、溶接アークの
短絡回数をＮｓ（回／秒）、アークの回転速度をＮ（回
転／秒）とすると、短絡発生率Ｒｓは、Ｒｓ（回／回転）＝Ｎｓ／Ｎ・・・（１）で定義される。

【０００７】本発明の作用効果及び構成上の制限条件は
以下のとおりである。

【０００８】（１）良好な裏ビードの形成が可能とな
る。片面突合せ溶接においては、特にその初層の溶接時
において良好な裏ビードを形成することが重要であり、
適正な溶接アーク長に設定しなければ、良好な裏ビード
は形成されない。溶接アーク長とアーク電圧は直線的な
関係にあり、溶接アーク長を計測することは困難である
ので、実作業上はアーク電圧を管理することにより、良
好な裏ビードを得るという手段をとる。しかしながら、
アーク電圧で裏ビードを管理しようとする場合には、以
下に示す問題によりアーク電圧を一定に管理しても、裏
ビードの品質がばらつくことがある。ワイヤ送給速度の変動（ワイヤ送給経路の送給抵抗の
変動等による）母材における電圧降下の変動（アークの発生点が移動
することによる）溶接チップの摩耗によるチップ先端の通電点での接触
抵抗の変動トーチ高さの変動によりワイヤ突出長が変動すること
によるワイヤ突出部における電圧降下の変動したがって、アーク電圧の絶対値を管理するだけでは良
好な裏ビードを得るのは困難である。そこでまず、本発
明においては、アークセンサによるトーチ高さ制御を行
うことによりトーチ高さを一定に保つようにする。トー
チ高さが変動すると、ワイヤ突出長が変化し、アーク長
や溶接電流が変化するため、短絡回数による裏ビード形
状を管理するためにはトーチ高さを一定に保つ必要があ
るからである。

【０００９】次に、回転アーク溶接において短絡発生率
とアーク電圧は、実験によると図１に示すような関係に
ある。図１は溶接電流Ｉａが４５０Ａのときのグラフで
ある。上記の（１）式で示される短絡発生率Ｒｓが適正
な範囲にあると裏ビード形状は良好になるが、短絡発生
率が少ないときは裏ビード形状が凸になり、短絡発生率
が多くなると裏ビード形状が細くなる。この理由は、短
絡発生率が適正範囲にあるときにはアーク力の分散と溶
融池への溶滴移行と母材の溶込みが良くバランスしてい
るものと考えられるが、短絡発生率が高くなると、大き
な短絡が増加し、それに伴ってスパッタの発生も増加す
る。そして、溶融池の上下運動が激しくなるために開先
ルート部が十分に溶融されずに、溶着金属が下方向に細
く押し出された結果となる。短絡発生率が小さい場合
は、スプレー移行の安定したアークとなり、開先ルート
部に十分な熱が行き渡るために、裏ビードが太く凸型に
形成されるものと考えられる。また、図２に上記による
裏ビード形状を模式的に示す。溶接電流が本発明の範囲
（２００〜８００Ａ）の場合には、裏ビード形状が良好
となる短絡発生率は０．５〜１．５の範囲が適当であ
る。

【００１０】（２）高速回転アーク溶接により高電流施
工が可能となる。ギャップレス施工には高電流が必要と
なるが、従来のストリンガーではアーク力が中央に集中
しすぎるため、わずかな精度不良（ギャップ）にも対応
できない。また、電流を下げると入熱が不足し、裏ビー
ドの形成が不十分となる。これに対し、高速回転アーク
溶接ではアーク力を分散できるので、アーク力が中央に
集中しすぎることがなく高電流施工が可能となり、高い
溶接能率を達成することができる。また、高電流施工に
より十分な入熱を確保できるのでギャップレス及び面内
仮付けの有無にかかわらず良好な裏ビードを形成でき
る。さらに、アーク力が分散しているために精度不良
（ギャップ）にも対応可能である。また、より高能率と
するには、タンデムの多電極とし、先行の溶接ワイヤの
みは高速回転アーク溶接を行うものとする。後行の溶接
ワイヤは回転、非回転、あるいは揺動のいずれの方式の
ものでもよい。上記の溶接電流の制限は先行溶接ワイヤ
に対して適用される。また、溶接ワイヤの外径を１．４
〜２．０ｍｍとした理由は、ビードの高温割れ及び傾斜
角度毎の裏ビード形成性を考慮したものであり、１．４
ｍｍ未満では高温割れが発生しやすく、また２．０ｍｍ
を超えると溶接ワイヤの剛性が増加し、送給性が損なわ
れるためである。さらに、溶接電流を２００〜８００Ａ
とした理由は、２００Ａ未満では良好な裏ビードが形成
されず、また８００Ａを超えると溶滴移行が安定せず、
安定な溶融池を確保できないためである。

【００１１】（３）開先断面積を減少することができ
る。高速回転アーク溶接による高電流施工が可能である
ため、開先はギャップレスとすることができ、その拘束
も開先面内に仮付けビードをおくだけでよいので、簡便
にギャップレスを確保することができ開先断面積を減少
することができる。そのため、高い溶接能率を達成する
ことができる。また、裏ビードの形成のために裏当材を
用いる。

【００１２】（４）回転アークのアークセンサにより高
性能な溶接線自動ならい及びトーチ高さ制御が可能であ
る。回転アークのアークセンサの特長は周知のとおり溶
接線の自動ならい及びトーチ高さ制御を高精度に実現で
きることにある。また、開先面内の仮付けや多少のギャ
ップ（仮付けによりギャップは３ｍｍ程度以下にでき
る）があってもアークセンサの機能に何ら支障はない。

【００１３】（５）水平から上進３０゜までの溶接姿勢
に対応可能である。例えば、ワークの表面に沿って屈曲
自在の走行レールを設け、自動溶接機をこの走行レール
に沿って移動させることにより、曲面や傾斜面を有する
ワークの突合せ溶接が可能となる。但しこの場合、良好
な裏ビードを形成するためには溶融池を安定に保持し十
分な溶込みを得る必要があるので上進溶接とし、傾斜角
が３０゜までは良好な裏ビードが得られ、また、アーク
センサの機能上も差し支えない。また、傾斜角度によっ
て一般には溶接電流、アーク電圧及び溶接速度を制御し
ながら溶接を行う。以上により、曲面及び／又は傾斜面
を有し、かつ長尺部材である大型ワークの片面突合せ溶
接の自動化が可能になるとともに、良好な裏ビードの形
成が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図３は本発明の片面突合せ溶接方
法を示す概要図である。ここでは、走行式の自動溶接機
を使用する例を示すが、天吊り式の溶接ロボットを使用
しても実施することができる。図３において、１は曲面
や傾斜面を有するワークであり、例えば、造船用の複数
の曲がり外板からなるものである。２は溶接線１１、１
２を形成するＶ型又はＹ型の開先で、開先面内はあらか
じめ所定間隔で仮付け溶接されており、この仮付け溶接
により、標準ルートギャップは０ｍｍとなっている。開
先２の裏側にはセラミックス、ガラステープ等からなる
裏当材３を設ける。

【００１５】ワーク１は、図示しない搬送ステージ上に
設置された槍定盤１００上に載置される。槍定盤１００
は多数の高さの異なる槍１０１を設けたもので、ワーク
１をその形態を保持して支持する。上記の搬送ステージ
により矢印方向に間欠的にワーク１を搬入・搬出する。

【００１６】走行式の自動溶接機４がワーク１上にセッ
トされる。この自動溶接機４は走行台車５が屈曲自在の
走行レール６上を走行するようになっている。走行レー
ル６は、例えば、チェーン６１を薄板６２上に取り付け
たもので、薄板６２をマグネット（図示せず）を介して
ワーク１に固定することにより、溶接線の近傍において
その溶接線とほぼ平行に、かつ、ワーク１の表面と平行
に走行レール６を設置することができる。チェーン６１
に走行台車５の鎖車（図示せず）を噛み合わせて自動溶
接機４を走行させる。また、自動溶接機４はタンデムの
２電極を備えており、先行の溶接ワイヤ７は高速回転ア
ーク溶接用、後行の溶接ワイヤ８は揺動式アーク溶接用
として構成されている。回転アーク、揺動式アークの駆
動及び制御機構は公知であるので説明は省略する。例え
ば、前者は特開昭５７−９１８７７号公報、後者は特開
昭５４−１９４４５号公報に開示された技術を利用でき
る。

【００１７】図４は短絡発生率の演算回路を示すブロッ
ク図である。図４において、２１はアーク電圧の検出
器、２２は短絡検出レベル設定器、２３はアーク電圧検
出器２１により検出されたアーク電圧ＥT と短絡検出レ
ベル設定器２２であらかじめ設定されている短絡検出レ
ベルＥS との差を増幅する差動増幅器で、２４は比較器
である。図５（ａ）に示すように、瞬間的に短絡アーク
が発生すると、そのアーク電圧のレベルＥT は、設定さ
れた検出レベルＥS より低くなるので、これを比較器２
４により図５（ｂ）のように短絡信号として処理して出
力する。２５は比較器２４からの短絡信号の周波数Ｆを
電圧Ｖに換算するＦ／Ｖ変換器で、短絡回数Ｎｓを割り
算器２６の分子に送る。一方、２７は高速回転アーク溶
接トーチのモータで、そのモータ回転速度をエンコーダ
で検出し、上記と同様のＦ／Ｖ変換器２８を介してアー
ク回転速度を上記割り算器２６の分母に送り、割り算器
２６にて短絡発生率ＮR を演算し出力する。演算された
短絡発生率ＮR は、図示しないトーチ高さ制御装置に送
られ、その溶接電流における適正範囲の短絡発生率とな
るようにアーク電圧を制御する。なお、上記のモータ回
転速度を検出するのにエンコーダでなくタコジェネレー
タを用いると、Ｆ／Ｖ変換器２８を介さずに直接に割り
算器２６に送ることができる。

【００１８】上記のように構成された自動溶接機４を使
用してワーク１の片面突合せ溶接を行う。自動溶接機４
は、アークセンサにより溶接線１２の自動ならい及びト
ーチ高さ制御を行いながら走行レール６上を移動し、溶
接線１２の開先２を先行溶接ワイヤ７の高速回転アーク
溶接により突合せ溶接する。また、後行溶接ワイヤ８の
揺動式アーク溶接により、多層溶接が可能なため、より
高能率の溶接を実施することができる。開先面内の仮付
けにより、ルートギャップは標準状態で０ｍｍとなって
おり、前述のように開先断面積を減少でき、さらに高速
回転アーク溶接により高電流施工が可能であることか
ら、高い溶接能率を達成できる。また、上記のようにア
ークセンサによるトーチ高さ制御により短絡発生率が
０．５〜１．５となるようなアーク電圧で制御している
ため、良好な裏ビードを形成することができる。さら
に、自動溶接機４は屈曲自在な走行レール６に沿って移
動するので、ワーク１の表面に対応した溶接姿勢をとる
ことができる。また、上進溶接とする必要があるため、
ワーク１の表面形状によってはビードが断続的になる場
合も生じるが、アークセンサの機能はこのようなビード
継ぎにも十分に対応可能である。

【００１９】

【実施例】上記の自動溶接機４を使用し、片面突合せ溶
接を行った結果を以下に示す。各条件は以下のとおりで
ある。ワーク：軟鋼材５０ｋｇ級（板厚１６ｍｍ）開先形状：Ｖ開先５０° ギャップ：０ｍｍ（標準）開先面内仮付け：長さ５０ｍｍ、のど厚５ｍｍ裏当材：セラミックス及びガラステープ溶接ワイヤ：先行ソリッドワイヤ（１．４ｍｍ）後行フラックスコアードワイヤ（１．２ｍｍ）シールドガス：ＣＯ₂１００％溶接条件：表１参照

【００２０】

【表１】

【００２１】その結果、各々の上進角度において裏ビー
ド形状はきわめて良好であり、かつ、多層溶接後のビー
ド形状もきわめて良好であった。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
曲面や傾斜面を有する長尺部材のワークを自動的に、か
つ高能率、高品質に片面突合せ溶接をすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接アークの短絡発生率とアーク電圧の関係を
示すグラフである。

【図２】短絡発生率及びアーク電圧による裏ビード形状
を示す図である。

【図３】本発明の片面突合せ溶接方法を示す概要図であ
る。

【図４】短絡発生率の演算回路のブロック図である。

【図５】アーク電圧の短絡波形図及び短絡信号の波形図
である。

【符号の説明】１ワーク２開先３裏当材４自動溶接機５走行台車６走行レール７先行溶接ワイヤ８後行溶接ワイヤ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 33/00 Ｂ２３Ｋ 33/00 Ｚ (56)参考文献特開平８−66772（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−144844（ＪＰ，Ａ) 特開平７−185811（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/095 B23K 9/00 B23K 9/035 B23K 9/073 B23K 9/127 B23K 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】曲面及び／又は傾斜面を有するワークの
片面突合せ溶接方法において、開先形状をＶ型又はＹ型とし、ルートギャップを開先面
内の仮付け溶接により標準状態で０ｍｍとし、この開先
の裏側より裏当材を設け、外径が１．４〜２．０ｍｍの
溶接ワイヤを用い、アーク回転速度を３０〜１００Ｈ
ｚ、溶接電流を２００〜８００Ａとする高速回転アーク
溶接により上進姿勢で溶接するとともに、溶接中、アー
クセンサによるトーチ高さ制御を行い、アーク１回転に
おける短絡発生率が０．５〜１．５となるようなアーク
電圧により水平から上進３０゜までの溶接姿勢で突合せ
溶接を行うことを特徴とする大型ワークの片面突合せ溶
接方法。
【請求項２】タンデムの多電極とし、少なくとも先行
の溶接ワイヤのみは高速回転アーク溶接を行うことを特
徴とする請求項１記載の大型ワークの片面突合せ溶接方
法。