JP3385332B2

JP3385332B2 - ２電極片面ガスシールドアーク溶接方法

Info

Publication number: JP3385332B2
Application number: JP01268297A
Authority: JP
Inventors: 友和男長; 下礦三山; 田達郎和; 崎建雄宮; 島義男中
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2003-03-10
Anticipated expiration: 2017-01-27
Also published as: DE69822902T2; JPH10211577A; EP0855240B1; DK0855240T3; DE69822902D1; EP0855240A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲面状の被溶接材
により形成された開先の２電極片面ガスシールドアーク
溶接に関し、特に、耐割れ性およびビード外観が良好で
溶接時のスパッタ発生量が少なく、かつ、高靱性が得ら
れる高能率な２電極片面ガスシールドアーク溶接に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種溶接構造物の建造において、
溶接コスト低減及び高能率化が図れることからガスシー
ルドアーク溶接法の適用が各分野において急速に増大し
ている。中でも突合せ溶接の比率が高い造船や橋梁等の
分野での適用が著しい。しかし、溶接のトータルコスト
低減の観点から短尺から長尺の片面溶接の高速化が大き
な課題となっている。

【０００３】片面溶接方法としては、従来よりサブマー
ジアーク溶接法が造船の板継溶接として盛んに研究され
ている。例えば特公昭60-59072号公報に提示されたサブ
マージアーク溶接法は、特に電極揺動に伴う溶接ビード
溶込み深さの減少及びビード外観形状の劣化を防止し、
初層ビードにおける割れ防止をも、併せて実現しようと
するものである。しかし、このサブマージアーク溶接法
は実施設備が大がかりとなり、短尺溶接では煩雑で適用
できない等の問題がある。

【０００４】また、特公昭61-49027号公報に提示の、フ
ラックス入りワイヤを用い高電流密度のガスシールド下
向溶接法は、細径複合ワイヤを使用し、ワイヤ突出し長
さを大とした上、大電流の高溶接速度で下向溶接を高能
率に行い溶接コストを低減している。しかし、ワイヤ突
出し長が35〜70mmと長いので、シールド不良やワイヤ曲
りぐせによる狙い位置のずれ、更に片面溶接時の初層ビ
ード割れ等の問題がある。

【０００５】特公昭50-7543号公報には、裏当材を当接
した開先内に鋼粒または鉄粉を適量に充填し、細径ワイ
ヤを揺動させながら溶接することが開示されている。し
かし、この方法は、開先間隙を設けなければ良好な溶接
ができず、開先角度も大きいことから開先断面積が大き
く板継き作業能率面に問題がある。

【０００６】また、前記いずれの方法も、曲面状の被溶
接材により形成された開先の溶接の自動化および実用化
に至っていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、曲面
状の被溶接材の短尺から長尺の溶接構造物の片面溶接の
溶接作業性，耐割れ性および裏ビードを良好にして健全
で高靱性の溶接部を得ることを第１の目的とし、板継ぎ
作業能率を安易に高能率にすることを第２の目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）２電極片面ガスシールドアーク溶接方法におい
て、曲面状の被溶接材の、内面を仮付けしたＶまたはＹ
形状の開先の、開先角度を３０〜６５°とし、開先裏面
に裏当材を当て、該開先内に鋼粒または鉄粉を被溶接材
板厚の1/4以上2/3以下の高さまで充填し、先行および後
行の溶接電極ワイヤ間の極間距離を100mm以上600mm以下
とし、先行および後行の溶接電極ワイヤの溶接電流密度
をそれぞれ200Ａ／mm²以上および150Ａ／mm²以上とし、
かつ先行および後行の溶接電極ワイヤをそれぞれ40回／
分以上150回／分以下および30回／分以上120回／分以下
で揺動駆動することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（２）後行溶接電極ワイヤは、ワイヤ全重量に対して重
量％で、ＴｉＯ₂：2.5％以上 7.0％以下ＺｒＯ₂：0.4％以上 1.0％以下Ａｌ₂Ｏ₂：0.1％以上 1.0％以下Ｓｉ：0.2％以上 1.2％以下Ｍｎ：1.0％以上 4.0％以下Ｍｇ：0.1％以上 1.0％以下を含有し、更にＮａおよびＫの１種または２種の合計が
0.03％以上0.3％以下であるフラックスを充填したフラ
ックス入りワイヤである。

【００１０】（３）後行溶接電極ワイヤは更に、ワイヤ
全重量に対して重量％で、Ｎｉ：0.3％以上 3.0％以下Ｔｉ：0.02％以上 0.2％以下Ｂ：0.002％以上 0.015％以下を含有するフラックスを充填したフラックス入りワイヤ
である。

【００１１】（４）少なくとも先行電極ワイヤを第１シ
−ルドガスおよび第２シ−ルドガスで二重シールドす
る。

【００１２】図１，図２および図３を参照して、本発明
の実施に用いた片面ガスシールドアーク溶接装置の概要
を説明する。これらの図面に示した溶接装置は、特願平
８−２９８４３９号８（特開平１０−１３７９３３号）
にて本出願人が特許出願した開先倣い溶接装置である。
図１〜図３において、Ｚ矢印方向が上方向であり、Ｘ矢
印およびＹ矢印方向は水平方向である。以下の説明で
は、Ｙ矢印方向を前方向と、Ｘ矢印方向を右方向と表現
する。図１は、溶接装置１を斜め上方から見下した斜視
図相当の、機構概要を表す簡略図である。ワーク（被溶
接材）Ｗ１，Ｗ２は、図５および図６の（ａ）に示すよ
うに、互いに向いあう縁を突き当てた状態で、作業床面
Ｆ上に設置された図示しない複数の油圧ジャッキにより
下支持され、各ジャッキの支持高の調整により所望の曲
面形状となっている。すなわち３次元的に曲がってい
る。ワ−クＷ１，Ｗ２の突き当てられた縁と縁の間にで
きた開先ｂは、ワークＷ１，Ｗ２が所要の角度で３次元
的に曲げられているので、図示例においては、ワ−クは
左前方が高い登り傾斜になっている。このような曲面形
状を維持するために、開先内面は仮付溶接により仮付け
されている。

【００１３】図１において、床面Ｆ上には、水平Ｘ方向
に延びるＸ方向レールＸ１が敷設されており、該レール
Ｘ１よりも前方上方に（床面Ｆより離れて）、レールＸ
１と平行なＸ方向レールＸ２が、図示しない支持柱によ
り支持されている。２本のレールＸ１とＸ２をＸレール
対ＲＸとする。レールＸ１にＸ走行台Ｙ１が、レ−ルＸ
２にＸ走行台Ｙ２が載っており、これらのＸ走行台Ｙ１
とＹ２が支持柱ＹｚおよびＹ方向レ−ルＲＹを支持して
いる。支持柱ＹｚおよびＹ方向レ−ルＲＹは直交し一体
連続である。Ｘ走行台Ｙ１の駆動車輪は、Ｘ走行台Ｙ１
に搭載されたモータＭ１により図示しない減速機構を介
して回転駆動される。モータＭ１が通電され、Ｘ走行台
Ｙ１の駆動車輪が回転駆動されてＸ走行台Ｙ１がレール
Ｘ１上を走行すると、支持柱ＹｚおよびＹ方向レ−ルＲ
ＹがレールＸ１，Ｘ２に沿ってＹ軸に平行な状態でＸ方
向左または右に移動する。

【００１４】Ｙ方向レ−ルＲＹに溶接装置１の走行台車
（Ｙ走行台）４の車輪４ａ〜ｄが載せられている。走行
台車４の車輪４ａ〜ｄの回転軸には、図示しないスプロ
ケットホイールが一体固着されており、該スプロケット
ホイールに、レールＲＹに沿って配設された輪状の図示
しないチェーンベルトが噛み合う。チェーンベルトは、
走行台車４に載置されたモータＭ２により回転駆動さ
れ、それに伴い走行台車４がレールＲＹ上をＹ方向に移
動する。

【００１５】図２に、溶接装置１を図１に示した一点鎖
線矢印２Ａ方向より見た図を示し、図３には、溶接装置
１を図１に示した一点鎖線矢印３Ａ方向より見た図を示
す。走行台車４の中央部には、上下に貫通する穴が開い
ており、該穴を中空で柱状の昇降管１２がＺ方向に昇降
自在に貫通している。昇降管１２の外面には、それぞれ
Ｚ方向に延びるレール１３ａ〜ｃが装着されており、そ
れらは、それと対向する走行台車４の穴の内面に設けら
れたスライダに、Ｚ方向に昇降自在にはまっている。昇
降管１２の下部の外壁には、ｚ方向に延びるネジ棒Ｍ４
ｓを回転駆動する昇降モータＭ４が固着支持されてい
る。走行台車４には、台車部をＺ方向に貫通するねじ穴
があり、該ねじ穴とネジ棒Ｍ４ｓがねじ結合している。
ここで、走行台車４は、Ｙレ−ルＲＹで下支持されてい
るので、昇降モータＭ４がネジ棒Ｍ４ｓを回転駆動する
と、走行台車４に対して昇降管１２が、Ｚ方向に昇降す
る。昇降管１２の軸心を、Ｚ方向に延びる中空の旋回軸
１０が水平回転自在に貫通する。走行台車４の上面から
突出する昇降管１２の上開口近くの外壁に、回転モータ
Ｍ３が固着支持されている。回転モータＭ３の回転軸に
は平歯車が固着されており、水平方向に回転する。旋回
軸１０の上開口の縁には平ギアが一体になっており、該
ギアに回転モータＭ３の平歯車が噛み合う。回転モータ
Ｍ３が通電されると、その回転軸に一体の平歯車が回転
し、ギアを介して旋回軸１０が昇降管１２に対して回転
中心線Ｏを中心として回転する。

【００１６】旋回軸１０の下端部には、センサベース２
が支持されている。旋回軸１０の回転に伴いセンサベー
ス２が水平方向に回転する。回転モータＭ３の回転軸に
は、ポテンショメータＰ１の回転軸が連結されており、
ポテンショメータＰ１は、旋回軸１０の旋回角θを示す
電気信号を発生する。

【００１７】センサベース２の下部の、回転中心線Ｏの
位置には、該中心線Ｏと直交する水平方向（図２では紙
面と垂直な方向，図３ではｘ方向）とＺ方向に移動自在
の第１の開先倣いロ−ラがあり、この第１の開先倣いロ
−ラに２軸型のポテンショメ−タＰ３が結合されてい
る。ポテンショメ−タＰ３は、第１の開先倣いロ−ラを
回転自在に支持する支持杆の水平方向位置を検出するポ
テンショメ−タと、該支持杆のＺ位置を検出するポテン
ショメ−タを有し、回転中心線Ｏの位置での、センサベ
−ス２に対する開先の水平方向位置およびＺ位置を表わ
す電気信号を発生する（図２）。

【００１８】センサベース２の下部の、回転中心線Ｏか
ら所定距離離れた位置には、水平方向（図２では紙面と
垂直な方向，図３ではｘ方向）とＺ方向に移動自在の第
２の開先倣いロ−ラがあり、この第２の開先倣いロ−ラ
に２軸型のポテンショメ−タＰ２が結合されている。ポ
テンショメ−タＰ２も、第２の開先倣いロ−ラを回転自
在に支持する支持杆の水平方向位置を検出するポテンシ
ョメ−タと、該支持杆のＺ位置を検出するポテンショメ
−タを有し、回転中心線Ｏから所定距離離れた位置で
の、センサベ−ス２に対する開先の水平方向位置および
Ｚ位置を表わす電気信号を発生する（図２）。

【００１９】ポテンショメ−タＰ３とＰ２が検出した水
平方向位置の差は、センサベース２（の水平な基準線）
に対する開先の水平方向の曲り（斜め角）に対応し、ポ
テンショメ−タＰ３とＰ２が検出したＺ位置の差は、水
平面に対する開先線の傾斜角（前後角）α（図２）に対
応する。

【００２０】センサベース２の下部の、第１および第２
の開先倣いロ−ラ（Ｐ３，Ｐ２）を結ぶ縦線と直交し、
回転中心線Ｏから所定距離離れた位置に、第１のワ−ク
倣いロ−ラがあり、このロ−ラを回転自在に支持する支
持杆のＺ位置を、ポテンショメ−タＰ５が検出し、該Ｚ
位置を表わす電気信号を発生する（図３）。また、セン
サベース２の下部の、前記縦線と直交し、回転中心線Ｏ
から所定距離離れかつ回転中心線Ｏに関して第１のワ−
ク倣いロ−ラと対向する位置に、第２のワ−ク倣いロ−
ラがあり、このロ−ラを回転自在に支持する支持杆のＺ
位置を、ポテンショメ−タＰ４が検出し、該Ｚ位置を表
わす電気信号を発生する（図３）。ポテンショメ−タＰ
５とＰ４が検出したＺ位置の差は、水平面に対するワ−
クの傾斜角（左右）β（図３）に対応する。

【００２１】第１のワ−ク倣いロ−ラ（Ｐ５）には、ロ
−タリエンコ−ダＰ６が結合されており、該ロ−ラ（Ｐ
５）の所定小角度の回転につき１パルスの電気信号を発
生する。このパルスをカウントすることにより、センサ
ベース２の、開先に沿った移動量が分かり、所定時間の
間のカウントアップ値は、センサベース２の、開先に沿
った移動の速度Ｖ（溶接速度）を表わす。

【００２２】図２を参照すると、第１および第２のワ−
ク倣いロ−ラ（Ｐ５，Ｐ４）の配列方向（図２の紙面に
垂直な方向）に延びる回転軸３１ａが、センサベース２
の略中央を回転自在に貫通している。センサベース２に
はモータＭ７があり、その出力軸は減速機構を介して、
回転軸３１ａに連結され、モータＭ７に通電があると、
モータＭ７の回転軸の回転は減速機構により減速されて
回転軸３１ａに伝えられる。回転軸３１ａには、ト−チ
支持フレ−ム３が固着されている。回転軸３１ａの回転
に伴いト−チ支持フレ−ム３が回転軸３１ａを中心とし
て回動し、フレ−ム３で支持された溶接トーチ３０Ｌ，
３０Ｔの、ワ−クに対する前後角γが変わる。回転軸３
１ａの回転角度を表わす電気信号をポテンショメ−タＰ
７が発生する。

【００２３】溶接トーチ３０Ｌは、トーチの突き出し，
引き込み（接離）駆動を行うモータＭ８を含む接離機
構、ならびに、溶接トーチ３０Ｌを開先の幅方向にオシ
レ−ト（揺動）駆動するオシレートモータＭ９を含むオ
シレ−ト機構を介して、ト−チ支持フレ−ム３で、開先
の深さ方向に昇降（接離）可および開先の幅方向にオシ
レ−ト可に支持されている。溶接ト−チ３０Ｔも、トー
チの突き出し，引き込み（接離）駆動を行うモータＭ１
０を含む接離機構、ならびに、溶接トーチ３０Ｔを開先
の幅方向にオシレ−ト駆動するオシレートモータＭ１１
を含むオシレ−ト機構を介して、ト−チ支持フレ−ム３
で、開先の深さ方向に昇降（接離）可および開先の幅方
向にオシレ−ト可に支持されている。

【００２４】センサベース２にはさらに、ワイヤ供給装
置５がある。ワイヤ供給装置５は、２組のワイヤフィー
ダとそれらを駆動するモータＭ５，Ｍ６からなる。２本
の溶接ワイヤｗａ１，ｗａ２は、走行台車４の上部に載
置されているワイヤパックｗｐより、旋回軸１０内軸心
部をＺ方向に貫通する管１４内を通り、管１４の排出口
１４ａよりワイヤ供給装置５に供給され、その中のワイ
ヤフィーダを通り、溶接トーチ３０Ｌ，３０Ｔにそれぞ
れ供給される。

【００２５】溶接が開始されると、モータＭ５，Ｍ６が
ワイヤフィーダを駆動し、ワイヤｗａ２，ｗａ１をワイ
ヤパックｗｐから溶接トーチ３０Ｔ，３０Ｌにそれぞれ
供給する。溶接トーチ３０ＬのモータＭ８は、溶接トー
チ３０Ｌの突出長（開先ｂとの距離）を所定値（後述す
る制御回路からの通電指令に基づく）に調整し、モータ
Ｍ９が溶接速度Ｖに応じた速さで、溶接トーチ３０Ｌを
オシレート駆動する。また、溶接トーチ３０Ｔのモータ
Ｍ１０は、溶接トーチ３０Ｔの突出長（開先ｂとの距
離）を所定値（後述する制御回路からの通電指令に基づ
く）に調整し、モータＭ１１が溶接速度Ｖに応じた速さ
で、溶接トーチ３０Ｔをオシレート駆動する。

【００２６】溶接ト−チ３０Ｌおよび３０Ｔのそれぞれ
の先端には、本発明の実施のために二重シールド（２
０）が装着されている。図４に、溶接ト−チ３０Ｌに装
着されている二重シールド２０の縦断面を拡大して示
す。溶接ト−チ３０Ｌはその先端の溶接チップ６から溶
接ワイヤｗａ１を開先内に給送しかつシ−ルドガスを吹
出すものである。この溶接ト−チ３０Ｌに二重シ−ルド
２０が装着されている。二重シ−ルド２０は、溶接ト−
チ３０Ｌに固着されたアタッチメント２１，このアタッ
チメント２１に固着されている内ノズル２２および外ノ
ズル２３を含む。内ノズル２２は溶接チップ６を包囲し
溶接ト−チ３０Ｌから吹き出されるシ−ルドガス（第１
シ−ルドガス）をチップ６に沿って下方に案内する。こ
の第１シ−ルドガスは、内ノズル２２の下端開口から、
チップ６の外方に露出する溶接ワイヤｗａ１の周辺に吹
き出す。外ノズル２３は下半分が円錐筒状に拡がったも
のであり、この外ノズル２３に溶接ト−チ３０Ｌの外部
から第２シ−ルドガスＧが供給され、これが内ノズル２
３の外周面に沿って下端開口から、第１シ−ルドガスの
外側に吹き出される。溶接ワイヤｗａ１直下の溶融部
は、第１シ−ルドガスと第２シ−ルドガスで二重にシー
ルドされる。以下において、第１シ−ルドガスに加えて
第２シ−ルドガスをも吹き出す態様を「二重シ−ルド」
と称し、第１シ−ルドガスのみを吹き出す態様を「二重
シ−ルドなし」、又は「単一シ−ルド」と称す。

【００２７】次に、連続的に溶接線方向（Ｙ方向）およ
びそれと直交する直角方向（Ｘ方向）に傾斜したが傾斜
（以下スロープという）し、及び溶接線直角方向（Ｘ方
向）傾斜（以下ローテーションという）を有した曲面状
のワ−クＷ１とＷ２の、上述の溶接装置１を用いた片面
溶接を説明する。なお、溶接線方向（Ｙ方向）のワ−ク
の傾斜をスロープと称し、直角方向（Ｘ方向）のワ−ク
の傾斜をローテーションという。

【００２８】ワ−クＷ１，Ｗ２（被溶接材）が形成する
開先は、図６に示すように開先角度３０〜６５°のＶ
（図６の（ａ））またはＹ（図６の（ｂ））形状とし、
溶接中に開先ずれを起こさないように、開先内面を仮付
け溶接により仮付けする。開先の裏面には裏当材ＢＰを
当て、開先内に鋼粒または鉄粉を板厚の1/4以上2/3以下
の高さに散布し、先行溶接電極ワイヤｗａ１（ト−チ３
０Ｌ）に40回／分以上150回／分以下、後行溶接電極ワ
イヤｗａ２（ト−チ３０Ｔ）に30回／分以上120回／分
以下の揺動を与える。この揺動の一単位すなわち一回
は、一往復動である。先行溶接電極ワイヤｗａ１の溶接
電流密度をワイヤ断面積当り200Ａ／ｍｍ²以上、後行溶
接電極ワイヤｗａ２の溶接電流密度をワイヤ断面積当り
150Ａ／ｍｍ²以上とし、先行（Ｌ極）および後行（Ｔ
極）の溶接電極ワイヤｗａ１，ｗａ２の極間距離Ｄｗを
100mm以上600mm以下として２電極片面ガスシールドアー
ク溶接を行うことにより、アークが安定し耐割れ性およ
び良好な表，裏ビードが得られるとともに高能率な溶接
ができる。なお、極間距離Ｄｗは、図８に示すように、
ワ−クに沿っての、先行溶接電極ワイヤｗａ１と後行溶
接電極ワイヤｗａ２との距離である。

【００２９】図７に、数種の板厚の多電極片面ガスシー
ルドアーク溶接における鋼粒散布高さと裏ビードの形状
の関係を示す。その時の溶接諸条件を表１に示す。実験
にあたっては、各板厚に応じて電流，揺動幅（オシレ−
ト幅），揺動回数（オシレ−ト回数；回／分）を変化さ
せた。なお、表１上の「ル−トギャップ」は、開先横断
面での、相対向ワ−クＷ１，Ｗ２間の最短距離を意味す
る。図６の（ｂ）にル−トギャップを示した。

【００３０】

【表１】

【００３１】なお、図７の評価の欄の丸記号はは裏ビー
ド形状良好を意味し、三角記号は裏ビード形状不良を意
味し、×記号は裏ビード形状悪いあるいは溶け落ちが発
生したことを意味する。

【００３２】図７より、各板厚の開先内に鋼粒を板厚の
1/4以上2/3以下の高さに散布して溶接することにより、
裏ビード形状が良好になることが分かる。散布高さが板
厚の2/3を超えると裏ビード形状が悪いか、裏ビードが
形成されない。また1/4未満では溶け落ちが発生した。

【００３３】なお、鋼粒または鉄粉の粒度分布は粒径1.
5mm以下であることがアークの安定性および裏ビードの
形状を良好にすることから好ましい。また、成分は主に
Ｆｅからなるが、耐割れ性からＣは０．１０％以下、Ｓ
およびＰは0.020％以下が好ましく、他の成分は、溶接
金属の強度靱性を考慮してＳi，Ｍn，Ｍoを、その他に
脱酸剤や合金剤を含有させることもできる。以上の粒度
と成分を満足すれば、各種サイズの鋼ワイヤをカットし
た粒状体でも良い。

【００３４】開先角度30°未満では裏ビードの均一性が
悪くなり、開先角度が65°を超えると開先断面積が大き
くなるので溶接能率が低下する。

【００３５】開先内面を仮付けをすることにより、溶接
中のギャップ変動を少なくできる。また、裏当材ＢＰと
してセラミック固形裏当材を使用の場合は、被溶接部裏
面に裏当材ＢＰを接合させるだけの弱い支持力で、被溶
接材に対して裏当材ＢＰを支持すればよく、マグネット
や拘束用治具を用いる必要がなくなる。したがって、労
力の低減が図れる。裏当材ＢＰは、セラミック固形裏当
材の他に、ガラステープ併用の銅板裏当材またはフラッ
クス銅裏当材のいずれを用いても同様の効果が得られ
る。

【００３６】なお、開先内面への仮付けは溶接長全線ま
たは部分的でも良い。また、仮付けビードの高さは裏ビ
ードを安定に出すために7mm以下で、かつ、仮付けを完
全にするために2mm以上とすることが好ましい。

【００３７】また、ルートギャップは5mm以下、Ｙ開先
でのルートフェイス（図６の（ｂ）参照）は3mm以下で
あることが、板継ぎ溶接の安易さおよび裏ビードが安定
して出るので好ましい。ルートギャップが5mmを超える
と開先断面積が広くなるので溶接能率が低下する。

【００３８】先行溶接電極ワイヤｗａ１のワイヤ断面積
当りの溶接電流密度が200Ａ／mm²未満では、安定した裏
ビードが得られない。特に仮付け部での未溶融部が発生
する。

【００３９】後行溶接電極ワイヤｗａ２のワイヤ断面積
当りの溶接電流密度が150Ａ／ｍｍ²未満では、溶け込み
不良が発生する。

【００４０】なお、先行溶接電極ワイヤｗａ１は、JIS
Z 3312およびZ 3325に規定される軟鋼および高張力鋼
用，低温用鋼用のソリッドワイヤのいずれにおいても良
好な結果が得られるが、特に溶接金属に高い靱性を要求
される場合はJIS Z 3325に規定される低温用鋼用ソリッ
ドワイヤを用いることが好ましい。

【００４１】また、ワイヤ径は、ワイヤ断面積当りの溶
接電流密度が高いことから、溶接作業性および裏ビード
形状を良好とするために、先行電極ワイヤｗａ１では1.
4mm以上2.0mm以下、後行電極ワイヤｗａ２では1.2mm以
上2.0mm以下であることが好ましい。

【００４２】先行電極ワイヤｗａ１（ト−チ３０Ｌ）の
揺動回数（回／分）は、裏ビード形状を良好にするため
に40回／分以上150回／分以下とする。40回／分未満で
はビード波形が粗くなり良好な裏ビード形状が得られな
い。150回／分超ではアークが不安定となり良好な裏ビ
ード形状が得られない。また、後行電極ワイヤｗａ２の
揺動回数（回／分）は、表ビード形状を良好にするため
に30回／分以上120回／分以下とする。30回／分未満で
はビード波形が粗くなり良好な表ビード形状が得られな
い。120回／分超ではアークが不安定となり良好な表ビ
ード形状が得られない。

【００４３】電極揺動幅（オシレ−ト幅）は、ビード表
面を良好にする目的で板厚に応じて段階的に変化させ
る。板厚10mm程度では先行電極ワイヤｗａ１の揺動幅は
4mm、後行電極ワイヤｗａ２の揺動幅は6mmとするのが好
ましく、板厚25mm程度では先行電極ワイヤｗａ１の揺動
幅を10mm、後行電極ワイヤｗａ２の揺動幅を15mmとする
のが好ましい。

【００４４】先行（Ｌ極）と後行電極（Ｔ極）の電極間
距離Ｄｗ（図８）は、100mm未満ではアークが不安定と
なり、かつ裏ビードが出すぎとなり、600mmを超えると
靱性改善には効果があるものの装置が大きくなるので好
ましくない。

【００４５】なお、溶接速度は板厚に応じて決められる
が、板厚10mm程度の場合40cm/min以上45cm/min以下、板
厚25mm程度では15cm/min以上20cm/min以下で良好な溶接
が可能となる。

【００４６】電極（ワイヤｗａ１，ｗａ２）の揺動は、
溶接線と直角方向かつ被溶接材板面と平行、または、溶
接線と直角方向かつ水平面と平行のいずれとしても、同
様の効果が得られる。

【００４７】板面に対するワイヤ進入角度γ（図２）
は、先行および後行電極とも垂直または前進角１５°程
度まで良好なビード形状が得られる。

【００４８】次に本発明における後行電極ワイヤｗａ２
に用いるフラックス入りワイヤの成分限定根拠を記述す
る。ＴｉＯ₂：2.5％以上 7.0％以下ＴｉＯ₂は、溶接ビードに対するスラグ形成剤およびア
ーク安定剤としての性質を示すが、ワイヤ全重量に対し
て2.5％未満では良好な表ビード形状が得られない。ま
た7.0％を超えると溶接金属中に酸素量が増加し、大形
の非金属介在物が増加するためミクロ組織が微細化され
ず、靱性が低下するのでその範囲を2.5％以上 7.0％以
下とした。ＺｒＯ₂：0.4以上1.0％以下ＺｒＯ₂は、スラグの凝固速度と溶融金属のスラグ被包
性を高めビード外観を良好にする。またＴｉＯ₂と同様
に、高温での蒸気圧が低く溶滴の細粒化にも効果があり
スパッタが減少する。しかし、0.4％未満ではこの効果
が得られず、表ビード外観が不良になるとともにスパッ
タ発生量が多くなる。また1.0％を超えると凝固温度が
高いためスラグ巻き込み等の欠陥が発生し易くなるので
その範囲を0.4以上1.0％以下とした。Ａｌ₂Ｏ₃：0.1％以上 1.0％以下Ａｌ₂Ｏ₃は、ＺｒＯ₂と同様にスラグの凝固速度と溶融
金属のスラグ被包性を高めビード外観を良好にする。し
かし、0.1％未満ではこの効果が得られない。また1.0％
を超えるとスラグ巻き込み等の欠陥が発生し、スラグの
剥離性が低下するのでその範囲を0.1％以上 1.0％以下
とした。Ｓｉ：0.2以上 1.2％以下Ｓｉは、脱酸剤として作用し溶接金属の酸素量を低減さ
せる上で効果がある。しかし、0.2％未満では脱酸力が
不足しブローホールが発生し、また1.2％を超えるとフ
ェライトを固溶硬化させ靱性を低下させるので、その範
囲を0.2以上 1.2％以下とした。Ｍｎ：1.0以上 4.0％以下Ｍｎは、脱酸を補助し溶融金属の流動性を高め、ビード
形状を改善するとともに、強度靱性を改善する上でも効
果がある。しかし、1.0％未満では脱酸不足となり溶接
欠陥が発生し易く、また4.0％を超えると溶接金属が脱
酸過剰となりピットやブローホールが発生し易くなるの
でその範囲を1.0以上 4.0％以下とした。

【００４９】Ｍｇ：0.1以上 1.0％以下Ｍｇは、高温のアーク中において酸素と反応し、ワイヤ
先端の溶滴の段階で脱酸反応が行われる。その結果、脱
酸生成物が溶融池内に残留しないこと、更には溶融池内
で反応するＳｉ，Ｍｎの脱酸反応を助け、溶接金属の酸
素量を減少させ靱性を向上する上で効果がある。しか
し、0.1％未満では上記効果が不足し、また1.0％を超え
るとアーク長が過大となりビード形状が悪くなるので、
その範囲を0.1以上 1.0％以下とした。Ｎａ，Ｋ：Ｎ
ａ，Ｋの１種または２種の合計で0.003以上 0.3％以下Ｎａ，Ｋは、アーク安定性を高め母材の掘り込みを緩和
する効果がある。しかし、0.03％未満では上記効果が得
られない。また0.3％を超えるとアーク長が長くなりす
ぎスパッタ量，ヒューム量が増加する。

【００５０】また、低温における靱性を要求される場合
は、前記フラックス入りワイヤに、更にＮｉ，Ｔｉおよ
びＢを下記の範囲で添加する。Ｎｉ：0.3以上 3.0％以下Ｎｉは、強度，低温靱性を確保するために添加するが、
0.3％未満では十分な靱性改善効果が得られず、また3.0
％を超えると高温割れが発生し易くなるので0.3以上 3.
0％とした。Ｔｉ：0.02以上 0.2％以下Ｔｉは、強脱酸剤であり溶接金属の酸化を防ぎ、かつＴ
ｉ酸化物の生成により溶接金属のミクロ組織を微細化
し、靱性改善に効果がある。しかし、0.02％未満ではミ
クロ組織の微細化による靱性改善効果が得られず、また
0.2％を超えると炭化物を著しく形成し靱性を損なうの
で、その範囲を0.02以上 0.2％以下とした。

【００５１】Ｂ：0.002以上 0.015％以下Ｂは、溶接金属のミクロ組織を微細化し、靱性改善に効
果がある。しかし、0.002％未満ではミクロ組織の微細
化による靱性改善効果が得られず、また0.015％を超え
ると耐割れ性が劣化するとともに、炭化物を形成し著し
く靱性を損なうので、その範囲を0.002以上 0.015％以
下とした。

【００５２】なお、溶接金属のミクロ組織をさらに微細
にして靱性を改善するためにＡｌ：0.30％以下、Ｚｒ：
0.20％以下の範囲で添加できる。また、溶接金属の強度
の調整として、Ｃｒを2.5％以下、Ｍｏを2％以下で添加
できる。

【００５３】本発明では、開先内に鋼粒または鉄粉を散
布するため、先行電極ワイヤｗａ１にはフラックス入り
ワイヤに比べ溶け込みの深い鋼ワイヤを用いるが、ワイ
ヤ断面積当りの電流密度を高くし、さらには電極ワイヤ
を揺動するためスパッタの発生量が多い。したがって、
シールド効果が高く、スパッタ発生量を少なくするため
に、少なくとも先行電極ワイヤｗａ１を二重シールドす
る。

【００５４】表２に示す溶接諸条件により、特にスパッ
タ発生量の多い先行溶接におけるスパッタ発生量を調査
した。

【００５５】

【表２】

【００５６】電流を300Ａ、400Ａ、500Ａ、の３段階に
変化させ、従来法（単一シ−ルド）と２重シールドした
場合のスパッタ発生量を調査した。通常、従来法でのス
パッタ発生量は電流を高めるにつれて増加するが2.0〜
5.0ｇ／min程度であるので、それ以下を良好と評価し
た。図９に溶接電流とスパッタ発生量の関係を示す。二
重シールドすると、従来法（単一シ−ルド）に比べ電流
の変化に関係なくスパッタ発生量は2.0ｇ／min以下であ
った。

【００５７】以下実施例と比較例を説明する。

【００５８】

【実施例】

−実施例１− 表３に示す鋼材と表４に示す先行電極（ｗａ１）用鋼ワ
イヤおよび表５に示す後行電極（ｗａ２）用のフラック
ス入りワイヤとを組合せ、表６〜表１１に示す開先形
状，鋼粒または鉄粉の散布、曲面状態および溶接条件
で、溶接長1500mmの２電極片面ガスシールドアーク溶接
を行った。溶接速度は板厚に応じて、15m/min以上 450m
/min以下で行った。なお、開先内面の仮付けは、被覆ア
ーク溶接棒を用い300mmおきに30mm長さで６カ所行っ
た。

【００５９】溶接後に、表，裏ビード外観，割れの有無
および衝撃値を調査した。衝撃値は、溶接後の試験体の
板厚中央部からJIS Z2202 4号の衝撃試験片を採取して
０℃でその衝撃値を測定した。

【００６０】なお、割れの有無は浸透探傷試験およびマ
クロ断面で調査した。それらの結果も表６〜表１１にま
とめて示す。なお、表６〜表１１は、１つの大きな表を
６分割したものであり、それらの表を、次の配列として表６表８表１０表７表９表１１隣り合う表中の重複表記部を重ね合せて同一面上に並べ
ることにより、１つの表が現われる。

【００６１】

【表３】

【００６２】

【表４】

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】

【表７】

【００６６】

【表８】

【００６７】

【表９】

【００６８】

【表１０】

【００６９】

【表１１】

【００７０】表６〜表１１中のＮｏ．１〜８が本発明に
よる溶接方法の実施例、Ｎｏ．９〜２８が比較例であ
る。本発明の実施例であるＮｏ．１〜８は、開先形状，
鋼粒または鉄粉の散布高さ，電極の揺動回数，溶接電流
密度および後行電極ｗａ２のワイヤ成分が適正で、しか
も少くとも先行溶接電極ワイヤｗａ１を二重シールドし
たので、表，裏ビード外観共良好であり高温割れ等の欠
陥も無く衝撃値も極めて良好な結果であった。

【００７１】比較例中Ｎｏ．９は、開先角度が狭いので
裏ビードが不均一になり、後行電極ワイヤｗａ２（表５
上のＦ５）のＳｉおよびＭｎが低いので、ブローホール
が発生した。Ｎｏ．１０は、開先が広く、溶接による盛
り上がりが少なく、また裏ビードが出過ぎた。さらに、
後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ６）のＳｉが高いので靱性が
低く、またＭｇが高いので表ビードの外観が不揃いとな
った。Ｎｏ．１１は、鋼粒の散布量が低いので、溶融金
属の溶け落ちが発生した。Ｎｏ．１２は、鋼粒の散布量
が高いので、裏ビードが出なかった。Ｎｏ．１３は、後
行電極ワイヤｗａ２（Ｆ７）のＭｎが高いので、ブロー
ホールが発生した。またＮａ，Ｋの合計量が多いので、
スパッタ発生量が多くなった。

【００７２】Ｎｏ．１４は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ
８）のＭｇが少ないので、靱性が低く、またＮａ，Ｋの
合計量が少ないので、アークが不安定となった。Ｎｏ．
１５は、先行電極ワイヤｗａ１の溶接電流密度が低いの
で、裏ビードが出なかった。Ｎｏ．１６は、後行電極ワ
イヤｗａ２の溶接電流密度が低いので、表ビードの外観
が不良であった。Ｎｏ．１７は、先行電極ワイヤｗａ１
の揺動回数が少ないので、裏ビードが不揃いになった。
Ｎｏ．１８は、後行電極ワイヤｗａ２の揺動回数が少な
いので、表ビード外観が不良であった。Ｎｏ．１９は、
先行電極ワイヤｗａ１の揺動回数が多いので、アークが
不安定となり裏ビードが不揃いになった。Ｎｏ．２０
は、後行電極ワイヤｗａ２の揺動回数が多いので、アー
クが不安定となり表ビードが不良であった。Ｎｏ．２１
は、先行および後行電極ワイヤｗａ１，ｗａ２の極間距
離Ｄｗが小さいので、アークが不安定となり、また溶接
金属の溶け落ちが発生した。Ｎｏ．２２は、後行電極ワ
イヤｗａ２（Ｆ９）のＴｉＯ₂が少ないので、表ビード
の外観が不良であった。Ｎｏ．２３は、後行電極ワイヤ
ｗａ２（Ｆ１０）中のＴｉＯ₂が多いので、靱性が低か
った。Ｎｏ．２４は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ１１）
のＺｒＯ₂が少ないので、溶融金属へのスラグ被包性が
悪く、ビード外観が不良で、スパッタ発生量も多くなっ
た。Ｎｏ．２５は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ１２）の
ＺｒＯ₂が多いので、スラグ巻込みが発生した。Ｎｏ．
２６は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ１３）のＡｌ₂Ｏ₃が
少ないので、溶接金属へのスラグ被包性が悪く表ビード
外観が不良であった。Ｎｏ．２７は、後行電極ワイヤｗ
ａ２（Ｆ１４）のＡｌ₂Ｏ₃が多いので、スラグ巻き込み
欠陥が発生し、かつスラグ剥離が悪くなった。Ｎｏ．２
８は、二重シールドしていないので、スパッタ発生量が
多くなった。 −実施例２− 表１２に示す低温用鋼材と表４に示す鋼ワイヤおよび表
１３に示すフラックス入りワイヤとを組合せ、実施例１
と同様に２電極片面ガスシールドアーク溶接を行った。
なお、各試験とも先行および後行電極ワイヤｗａ１，ｗ
ａ２を二重シールドした。また、靱性の評価は、−20℃
での衝撃値を調べた。それらの結果を表１４，表１５，
表１６にまとめて示す。なお、表１４〜表１６は、１つ
の大きな表を３分割したものであり、それらの表を、次
の配列として表１４表１５表１６隣り合う表中の重複表記部を重ね合せて同一面上に並べ
ることにより、１つの表が現われる。

【００７３】

【表１２】

【００７４】

【表１３】

【００７５】

【表１４】

【００７６】

【表１５】

【００７７】

【表１６】

【００７８】表１４〜表１６中のＮｏ．２９〜３３が本
発明による溶接方法の実施例、Ｎｏ．３４〜３９が比較
例である。本発明例であるＮｏ．２９〜３３は、開先形
状，鋼粒または鉄粉の散布高さ，電極の揺動回数，溶接
電流密度および後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ１５〜Ｆ１
８：表１３）の充填フラックス成分が適正で、しかも先
行および後行溶接電極ワイヤｗａ１，ｗａ２を二重シー
ルドしてあるので、表，裏ビード外観共良好であり、高
温割れ等の欠陥も無く靱性も極めて良好な結果であっ
た。

【００７９】比較例中Ｎｏ．３４は、後行電極ワイヤｗ
ａ２（Ｆ１９）のＮｉが少ないので、靱性が低かった。
Ｎｏ．３５は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ２０）のＮｉ
が多いので、高温割れが発生した。Ｎｏ．３６は、後行
電極ワイヤｗａ２（Ｆ２１）のＴｉが少ないので、靱性
が低かった。Ｎｏ．３７は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ
２２）のＴｉが多いので、靱性が低かった。Ｎｏ．３８
は、後行電極ワイヤｗａ２（Ｆ２３）のＢが少ないの
で、靱性が低かった。Ｎｏ．３９は、後行電極ワイヤｗ
ａ２（Ｆ２４）中のＢが多いので、靱性が低かった。

【００８０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、短
尺から長尺の曲面状の溶接構造物の片面溶接を、溶接作
業性，耐割れ性および裏、表ビードが良好で、健全で高
靱性の溶接部が得られるとともに、開先断面積を小さく
でき、溶接中に複雑な操作を必要としない１ラン溶接の
ため、板継ぎ作業能率を安易に大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を一態様で実施する装置装置１を斜め
上方から見下した斜視図であり、機構要素は簡略化して
示す。

【図２】図１に示す溶接装置１を図１に示した一点鎖
線矢印２Ａ方向より見た側面図であり、一部分は断面を
示す。

【図３】図１に示す溶接装置１を図１に示した一点鎖
線矢印３Ａ方向より見た正面図であり、一部分は断面を
示す。

【図４】図１に示す溶接ト−チ３０Ｌに装備された二
重シールド２０の拡大縦断面図である。

【図５】図１に示す被溶接材Ｗ１，Ｗ２の斜視図であ
る。

【図６】（ａ）は、図１に示す被溶接材Ｗ１，Ｗ２間
のＶ開先を示す拡大正面図、（ｂ）は被溶接材Ｗ１，Ｗ
２がＹ開先の場合の、該開先を示す拡大正面図である。

【図７】明細書上の表１に示す溶接条件で、数種の板
厚の被溶接材の開先を溶接したときの、板厚と鋼粒散布
高さとの組合せの分布を示すグラフであり、組合せ点
に、裏ビ−ド形状の良否を示す記号を付した。

【図８】図１に示す溶接装置１の、先行電極ワイヤｗ
ａ１と後行電極ワイヤｗａ２との間の距離すなわち極間
距離Ｄｗを示す側面図である。

【図９】溶接電流値とスパッタ発生量との関係を示す
グラフであり、従来法は単一シ−ルドの場合を示す。

【符号の説明】

１：溶接装置２：センサ
ベース３：ト−チ支持フレ−ム４：Ｙ走行
台車４ａ〜ｄ：車輪５：ワイヤ
供給装置６：溶接チップ８：制御回
路９：ペンダント１０：旋回
軸１２：昇降管１３ａ〜
ｃ：レール１４：管１４ａ：排
出口２０：二重シ−ルド２１：アタ
ッチメント２２：内ノズル２３：外ノ
ズル３０Ｌ，３０Ｔ：溶接トーチ３１ａ：回
転軸ｂ：開先Ｆ：水平床
面Ｍ１〜Ｍ１１：モータＭ４ｓ：ネ
ジ棒Ｘ１，Ｘ２：Ｘ方向レールＲＸ：Ｘレ
ール対Ｙ１，Ｙ２：Ｘ走行台Ｙｚ：支持
柱ＲＹ：Ｙ方向レ−ルＯ：回転中
心線Ｐ１〜Ｐ５，Ｐ７：ポテンショメータＰ６：ロー
タリエンコーダＷ１，Ｗ２：ワーク（被溶接材）ｗａ１，ｗ
ａ２：溶接電極ワイヤｗｐ：ワイヤパック

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 9/095 ５０１Ｂ２３Ｋ 9/095 ５０１Ｆ 9/127 ５０３ 9/127 ５０３Ｌ 9/16 9/16 Ｍ 9/29 9/29 Ｌ 35/368 35/368 Ｂ (72)発明者和田達郎千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号日鐵溶接工業株式会社機器事業部内 (72)発明者宮崎建雄熊本県玉名郡長洲町大字有明１番地日立造船株式会社有明工場内 (72)発明者中島義男熊本県玉名郡長洲町大字有明１番地日立造船株式会社有明工場内 (56)参考文献特開平９−206945（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−3545（ＪＰ，Ａ) 特開平10−109165（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−67245（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/00 - 9/29

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２電極片面ガスシールドアーク溶接方法
において、曲面状の被溶接材の、内面を仮付けしたＶま
たはＹ形状の開先の、開先角度を３０〜６５°とし、開
先裏面に裏当材を当て、該開先内に鋼粒または鉄粉を被
溶接材板厚の1/4以上2/3以下の高さまで充填し、先行お
よび後行の溶接電極ワイヤ間の極間距離を100mm以上600
mm以下とし、先行および後行の溶接電極ワイヤの溶接電
流密度をそれぞれ200Ａ／mm²以上および150Ａ／mm²以上
とし、かつ先行および後行の溶接電極ワイヤをそれぞれ
40回／分以上150回／分以下および30回／分以上120回／
分以下で揺動駆動することを特徴とする２電極片面ガス
シールドアーク溶接方法。
【請求項２】後行溶接電極ワイヤは、ワイヤ全重量に
対して重量％で、ＴｉＯ₂：2.5％以上 7.0％以下ＺｒＯ₂：0.4％以上 1.0％以下Ａｌ₂Ｏ₂：0.1％以上 1.0％以下Ｓｉ：0.2％以上 1.2％以下Ｍｎ：1.0％以上 4.0％以下Ｍｇ：0.1％以上 1.0％以下を含有し、更にＮａおよびＫの１種または２種の合計が
0.03％以上0.3％以下であるフラックスを充填したフラ
ックス入りワイヤである、請求項１記載の２電極片面ガ
スシールドアーク溶接方法。
【請求項３】後行溶接電極ワイヤは、ワイヤ全重量に
対して重量％で、Ｎｉ：0.3％以上 3.0％以下Ｔｉ：0.02％以上 0.2％以下Ｂ：0.002％以上 0.015％以下を含有するフラックスを充填したフラックス入りワイヤ
である請求項２記載の２電極片面ガスシールドアーク溶
接方法。
【請求項４】少なくとも先行電極ワイヤを第１シ−ル
ドガスおよび第２シ−ルドガスで二重シールドする、請
求項１、請求項２又は請求項３記載の２電極片面ガスシ
ールドアーク溶接方法。