JP3523777B2

JP3523777B2 - ２電極エレクトロガスア−ク溶接方法

Info

Publication number: JP3523777B2
Application number: JP01316698A
Authority: JP
Inventors: 利宏三浦; 敦忠本江
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 1998-01-08
Filing date: 1998-01-08
Publication date: 2004-04-26
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JPH11197884A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエレクトロガスア−
ク溶接方法に関し、特に、極厚鋼の２電極エレクトロガ
スアーク溶接において優れた溶接作業性および良好な裏
ビード形状と、板厚方向のばらつきが少なく、良好な溶
接継手性能が得られる溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロガスアーク溶接は、開先開口
部の一方に摺動銅板を、他方にセラミックスや銅製の裏
当材を配置し、摺動銅板の上方から電極ワイヤを送給し
てガスシールドアーク溶接を行う溶接方法である。エレ
クトロガスアーク溶接方法は、他の溶接法に比べ高能率
であることから、軟鋼、４９０〜５９０Ｎ／ｍｍ²級鋼
等の厚板を用いる船舶、橋梁、石油タンク等の製作に使
用されている。

【０００３】特に最近、大型コンテナ船のシャーストレ
ーキ部や、橋梁の橋桁部では板厚５０ｍｍ以上の極厚鋼
板が使用されるようになってきているが、このような極
厚鋼板を従来の１電極１パス溶接法で溶接した場合に
は、融合不良等の欠陥が発生し易くなると共に、溶接速
度も遅いため、２電極エレクトロガスアーク溶接法が開
発されている。例えば、特開平８−１８７５７９号公報
に電極を２本用いたエレクトロガス溶接方法及びその装
置が開示されている。

【０００４】また、極厚鋼の大入熱エレクトロガスアー
ク溶接用のワイヤとしては、例えば、特開平９−２８５
８９１号公報にワイヤ成分を特定することにより、良好
な低温靱性と優れた溶接作業性の得られるフラックス入
りワイヤが開示されているが、２電極エレクトロガスア
ーク溶接法において、各電極に用いる最適なワイヤの形
態およびその組成を検討した例は見当たらない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】２電極エレクトロガス
アーク溶接は上述のように非常に高能率な溶接方法であ
り、特開平８−１８７５７９号公報にも開示されている
ように、開先をできるだけ狭開先とし、また、裏当材側
の開先を狭く摺動銅板側の開先を広くしたＶ型開先とす
るのが一般的である。しかし、従来の溶接方法のよう
に、両電極にフラックス入りワイヤを用いて２電極エレ
クトロガスアーク溶接を行った場合、裏当材側および電
極間のスラグ被包量が過大になり、溶融プールの摺動銅
板側電極と裏当材側電極との間にスラグが滞留し、スラ
グ跳ねが発生し易くなることがあった。跳ねたスラグは
開先面に付着して、融合不良の原因になると共に、極端
にスラグ跳ねが多い場合には、溶接トーチにスラグが多
量付着し、溶接トーチが開先面に固着し溶接が不能にな
る事もあり、２電極エレクトロガスアーク溶接法の大き
な課題となっていた。

【０００６】この、課題を解決するために、２電極両方
に鋼ワイヤを適用した場合には、アークが不安定にな
り、スパッタの発生が著しく、良好な溶接が不可能であ
ると共に、溶接金属性能も低温靭性が劣化するため適用
が困難であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、種々の成分に調整したワイヤを用いて
溶接作業性を調査した結果、裏当材側電極に用いるワイ
ヤのスラグ生成率と摺動銅板側電極ワイヤのスラグ生成
率をコントロールし、かつ、ワイヤ成分も適正範囲に制
御する方法により、スパッタおよびスラグ跳ねが少なく
かつビード外観の良好な溶接継手が得られることを究明
し、発明を完成した。即ち、２電極エレクトロガスアー
ク溶接方法において、裏当材側電極にスラグ生成率がワ
イヤ溶融量に対する重量％で、０．５％以上２．６％以
下である鋼ワイヤまたは、フラックス入りワイヤを用
い、摺動銅板側電極にスラグ生成率がワイヤ溶融量に対
する重量％で、２．７％以上５．５％以下であるフラッ
クス入りワイヤを用い、さらに、裏当材側電極および摺
動銅板側電極ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、および
Ｂの成分が重量％で、Ｃ：０．０３％以上０．１５％以
下、Ｓｉ：０．４％以下１．５％以下、Ｍｎ：１．２％
以上３．５％以下、Ｔｉ：０．０６％以上０．３０％以
下、Ｂ：０．００４％以上０．０１２％以下、かつスラ
グ剤を全ワイヤ重量に対して重量％で３．０％以下と
し、残部不可避的不純物およびＦｅであることを特徴と
する２電極エレクトロガスアーク溶接方法によりアーク
が安定で、かつ溶接欠陥の少ない良好な作業性と溶接金
属性能が得られた。

【０００８】また、さらに、裏当材側電極の鋼ワイヤま
たはフラックス入りワイヤに、０．１％以上０．５％以
下のＭｏを添加し溶接金属の強度を確保すること、およ
び裏当材側電極の鋼ワイヤまたはフラックス入りワイヤ
に、０．５％以上４．０％以下のＮｉを添加し靭性の優
れた溶接継手とすることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の２電極エレクトロ
ガスアーク溶接方法についての実施の形態を詳細に説明
する。

【００１０】図１に２電極エレクトロガスアーク溶接装
置を用いて溶接する場合の状態を模式図で示す。溶接ト
ーチ２の裏当材３側に裏当材電極５、溶接部をシールド
するシールドガスのガス供給口９を有する摺動銅板１０
側に摺動銅板側電極４を備え、ワイヤ極間１１を一定に
保ち、かつ裏当材３と摺動銅板１０との間で電極を揺動
方向１に示すように揺動しながら、アーク６により溶接
金属８を形成させて溶接する。

【００１１】溶融スラグ７は、摺動銅板１０側のスラグ
逃がし１２より容易に逃がすことができるが、溶接トー
チ２間や裏当材３側の溶融スラグ７は外部に逃がすこと
は困難で溶接作業性に大きく影響する。

【００１２】したがって、２電極エレクトロガスアーク
溶接方法を効果的に実施するには、裏当材側電極及び摺
動銅板側電極に用いるワイヤのスラグ生成率をコントロ
ールする必要がある。また、ワイヤ成分も適正範囲に制
御しなければならない。

【００１３】先ず、裏当材側電極のワイヤ溶融量に対す
るスラグ生成率を０．５％以上２．６％以下とした点に
ついて説明する。上述のように、２電極エレクトロガス
アーク溶接では、従来フラックス入りワイヤを用いた場
合、ワイヤから生成するスラグ量が溶接ビード表面に排
出されるスラグ量に比べて過剰となり、溶接の進行によ
りスラグ浴高さが増加する傾向を示す。本発明者らは、
この問題を解決するために、ワイヤのスラグ量を検討し
た。裏当材側電極および摺動銅板側電極にスラグ生成量
が減量されるよう調整した鋼ワイヤやフラックス入りワ
イヤを用いて溶接作業性を調査したが、スラグ跳ねが少
なくなる程度までスラグ発生量を低減したワイヤでは逆
に摺動銅板側電極のアークが不安定となり、また摺動銅
板側電極のビード形状も劣化する等の問題が生じ採用で
きなかった。その結果、裏当側電極ワイヤと摺動銅板側
電極ワイヤのスラグ生成量を適性に制御することが必要
であるとの結論に達した。

【００１４】さらに、種々の成分に調整したワイヤを用
いて溶接作業性を調査した結果、裏当材側電極に用いる
ワイヤのスラグ生成率と摺動銅板側電極ワイヤのスラグ
生成率をコントロールし、かつ、ワイヤ成分も適性範囲
に制御する方法により、スパッタおよびスラグ跳ねが少
なくかつビード外観の良好な溶接継手が得られることを
究明した。

【００１５】裏当材側電極のスラグ生成率が０．５％未
満ではスラグによる溶接金属の被包が不充分となること
から、スパッタが多発し、アークが不安定になると共
に、溶接金属性能も劣化する。一方、２．６％を超える
と、裏当材側および両ワイヤ間のスラグ浴高さが過大と
なるため、スラグ跳ね及び融合不良が発生し易くなり、
良好な溶接作業性および良好な溶接金属性能は得られな
い。従って裏当材側電極ワイヤのスラグ生成率は０．５
％以上２．６％以下とする必要がある。

【００１６】また、摺動銅板側では、スラグを銅板側に
排出することが容易であるため、ワイヤのスラグ生成率
を裏当材側電極ワイヤより多くすることが可能である。
しかし、摺動銅板側のビード形状の確保と、裏当材側部
分とのバランスの関係から適性なスラグ率とする必要が
ある。スラグ発生率が２．７％未満ではアークが不安定
でスパッタが多発すると共に、摺動銅板側のビード形状
が不安定になる。また５．５％を超えると摺動銅板側お
よび両電極間のスラグ被包量が過剰となりスラグ跳ねが
多く発生し、安定な溶接は行えないため、摺動銅板側電
極のスラグ生成率は２．７％以上５．５％以下とする必
要がある。

【００１７】ここで、スラグの生成率とは、板厚２５ｍ
ｍのＪＩＳＳＭ４９０Ｂ鋼板を用い、表１に示す条件
で溶接長２００ｍｍの１電極のエレクトロガスアーク溶
接を行い、生成した全スラグ重量を測定し、ワイヤの溶
融量量当たりの百分率に換算したものである。

【００１８】

【表１】なお、摺動銅板側電極ワイヤがフラックス入りワイヤで
あることを限定した理由は、鋼ワイヤでは２．７％以上
のスラグ生成率が得られず、アーク安定性も劣るためで
ある。

【００１９】次に、ワイヤの成分限定理由について詳述
する。２電極エレクトロガスアーク溶接では、ワイヤ突
出し長さが大きい上に高電流で溶接を行うためワイヤの
金属脱酸剤および合金成分の歩留が低くなる傾向にあ
る。さらに溶接入熱も２００から５００ｋＪ／ｃｍと非
常大きく、溶着金属のフェライト組織が粗大化し易いた
め、ワイヤには充分な量の脱酸剤と合金剤を添加する必
要がある。また、本発明の２電極エレクトロガスアーク
溶接方法における溶融池形状は、本質的には一体化した
いわゆる１プールの形態であるが、その溶融池底部の形
状は電極直下部が深くなった複雑な形状をしており、裏
当側電極ワイヤと摺動銅板側電極ワイヤとの成分バラン
スが必要である。本発明では、特に裏当材側電極のスラ
グ量が必要最小限のレベルであるため、従来のフラック
ス入りワイヤの場合のようなスラグによる精錬作用が非
常に少なく、裏当材側電極ワイヤの脱酸材は充分な量が
必要である。

【００２０】以下、それぞれの成分についての含有量限
定理由を詳述する。先ず、Ｃ、ＳｉおよびＭｎである
が、これらの元素は主に溶融金属の脱酸剤として作用す
る成分であり、ワイヤ中のＣが０．０３％未満では、脱
酸不足となり溶接金属の靭性が不足する。一方Ｃが０．
１５％を超える場合には、溶接金属の強度が過大となる
上に、凝固割れが発生し易くなるため、Ｃの適性範囲は
０．０３％以上０．１５％以下の範囲である。Ｓｉ、Ｍ
ｎも脱酸材として作用し、ワイヤのＳｉが０．４％未満
の場合には脱酸不足により溶接金属中に非金属介在物が
残留し、靭性が劣化する。一方Ｓｉが１．５％を超える
場合には、逆に溶接金属の強度が過大となると共に、ス
パッタの発生が多くなる等、溶接作業を劣化させるた
め、その適性範囲は０．４％以上１．５％以下である。

【００２１】ＭｎはＣ、Ｓｉと同様に脱酸剤として作用
すると共に、Ｓｉとのバランスによりスラグの流動性を
調整し、特に、裏当材側のビード形状に大きく影響す
る。また、溶接金属の靭性向上にも大きく作用する。Ｍ
ｎが１．２％未満では、脱酸不足となり、溶接金属の靭
性が劣化すると共に、裏当材側ビード形状が乱れる。ま
たＭｎが３．５％を超える場合には溶接金属の強度が過
大となり、良好な低温靭性が得られない。

【００２２】ワイヤ中のＴｉは、強脱酸剤として作用す
るとともに、溶接金属組織におけるフェライトの生成核
を形成し、結晶粒微細化の効果を示す。ワイヤ中のＴｉ
が０．０６％未満では、結晶粒微細化による靭性向上効
果が認められず、また逆に０．３％を超えると、溶着金
属の強度が過大となり靭性が劣化すると共に、裏当材側
ビード形状も劣化させるため、その適性範囲は０．０６
％以上０．３％以下の範囲である。

【００２３】また、ワイヤ中のＢは初析フェライトを微
細化すると共に、２電極エレクトロガスアーク溶接金属
において、特に最終凝固部に形成される粒状晶部の靭性
向上に作用する。ワイヤ中のＢが０．００４％未満で
は、結晶粒微細化および靭性向上効果が得られず、０．
０１２％を超えると溶接割れが発生しやすくなるため、
Ｂの適性範囲は０．００４％以上０．０１２％以下の範
囲である。

【００２４】Ｍｏは溶接金属の焼入れ性を高める成分で
あり、本発明では特に大入熱溶接において溶接金属の強
度確保が必要な場合等に添加する。ワイヤ中のＭｏ量が
０．１％未満ではその効果が得られず、逆に０．５％を
超えて添加すると溶接金属の強度が過大となると共に炭
化物の析出による靭性劣化を引き起こす。

【００２５】また、Ｎｉを０．５％以上４．０％以下
の範囲添加することによって、固溶強化により低温域ま
で安定した靭性の得られる溶接継手とする事が可能とな
る。

【００２６】以上、本発明によれば、２電極エレクトガ
スアーク溶接において、裏当材側電極の溶接作業性と優
れた溶接金属性能が得られることができるが、さらに、
裏当材側電極と摺動銅板側電極ワイヤ成分のバランスに
ついては、その溶接金属成分ができるだけ均一になるよ
うに組み合わせることが好ましい。しかし、本発明の２
電極エレクトロガスアーク溶接方法では、裏当材側電極
の溶接作業性と溶接金属性能の両立が可能であれば、摺
動銅板側では、スラグの被包が充分であるため、裏当材
側に比べ非金属介在物の残留する可能性も低く、摺動銅
板側ワイヤの成分の適性範囲は比較的広く選択すること
ができる。

【００２７】

【実施例】以下、実施例により本発明の２電極エレクト
ロガスアーク溶接方法をさらに詳細説明する。

【００２８】表２に示すスラグ生成率およびワイヤ成分
の異なるワイヤ径１．６ｍｍのフラックス入りワイヤＷ
Ｆ１〜Ｗ１７および鋼ワイヤＷＳ１〜ＷＳ７を作成し
た。スラグの生成率は、鋼ワイヤについては脱酸元素の
添加量で、フラックス入りワイヤについては、脱酸元素
の添加量および、弗化物を中心としたスラグ剤量で調整
した。スラグ剤は３．０％以下（０％を含む）とした。

【００２９】

【表２】そして表３の板厚７０ｍｍの鋼板を用い、同じく表３に
示す溶接条件でそれぞれ立向２電極１パス溶接を行っ
た。何れの試験体も溶接長１０００ｍｍの溶接を行い、
溶接作業性は、アーク安定性、開先中央部の溶込み形状
及びビード外観・形状に関して評価を行った。また、融
合不良や割れのなかった試験体につき溶接金属性能を調
査した。試験片の採取位置は摺動銅板側試験板表面から
板厚の１／４の深さ（＝１７．５ｍｍ）の位置および板
厚の３／４の深さ（＝５２．５ｍｍ）の位置における溶
接金属中央部から、ＪＩＳＺ３１１１Ａ１号引張り
試験片とＪＩＳＺ３１１１４号試験片を採取し室温
引張り試験および−２０℃における衝撃試験を行い、引
張り強さおよび最低吸収エネルギー値で評価した。

【００３０】

【表３】試験ワイヤの組合せおよび試験結果を表４に示すが、本
発明例であるＮｏ．１〜８は良好な溶接作業性と良好な
溶接金属性能が得られた。それに対し、摺動銅板側電極
ワイヤのスラグ生成率が５．５％を超えて過剰な例、Ｎ
ｏ．９ではスラグ跳ねおよび融合不良が発生した。一方
摺動銅板側電極ワイヤのスラグ生成率が２．７％未満で
あるＮｏ．１０の例では、スラグ量が不足したことによ
るスパッタ発生が顕著でありアーク状態も不安定となっ
た。またスラグ量が不足したことにより摺動銅板側ビー
ド外観も劣るものとなった。

【００３１】裏当材側電極ワイヤのスラグ生成率が０．
５％未満のＮｏ．１７は裏当材側電極ビード形状が不良
となると共にスラグの被包不足により靭性も劣化てい
る。また裏当材側電極ワイヤのスラグ生成率が２．６％
を超えたＮｏ．１９の例では、裏当材側および両極間部
でスラグが過剰となり、スラグ跳ねによりアークが不安
定になると共に融合不良が発生した。

【００３２】ワイヤ中のＣが０．０３％未満の例Ｎｏ．
９では、溶接金属の脱酸不足により靭性が劣化した。ま
た裏当材側電極のワイヤ中Ｃ量が０．１５％を超えたＮ
ｏ．１１では溶接金属板厚中央部および裏当材側に一
部、割れが発生した。裏当材側電極ワイヤ中Ｓｉが０．
４％未満のＮｏ．１２では、脱酸不足により靭性が劣化
した。ワイヤ中Ｓｉが１．５％を超えたＮｏ．１４はス
パッタの発生が多くなると共に溶接金属の強度が過大と
なり、靭性が劣っている。

【００３３】裏当材側電極ワイヤ中のＭｎが１．２％未
満であるＮｏ．１８では、裏当材側溶接金属が脱酸不足
気味となり、ビード形状が劣ると共に溶接金属の靭性も
劣化した。また裏当材側電極ワイヤ中のＭｎが３．５％
を超えた例Ｎｏ．１３では、溶接金属の強度が過大とな
ると共に、靭性も劣化した。

【００３４】ワイヤ中のＴｉが０．０６％未満の例Ｎ
ｏ．１７では靭性が劣化した。また、ワイヤ中のＴｉ量
が０．３０％を超えた例、Ｎｏ．１５では裏当材側ビー
ド形状が劣化するとともに、溶接金属の強度が過大とな
り、靭性が劣化した。

【００３５】ワイヤ中のＢ量が０．００４％未満のＮ
ｏ．２０は焼入れ性不足により、溶接金属の強度および
靭性が低く、ワイヤ中のＢ量が０．０１２％を超えたＮ
ｏ．１６は溶接金属に割れが発生した。

【００３６】

【表４】また、表５に示す化学成分の１．６ｍｍ径のワイヤを作
製し、表３の溶接条件で２電極エレクトロガスアーク溶
接を行い、溶接金属の強度と−４０℃における衝撃試験
を行った結果を表６に示す。

【００３７】

【表５】

【００３８】

【表６】表６から、本発明例Ｎｏ．２１〜２５は−４０℃で良好
な靭性が得られているのに対し、ワイヤ中Ｍｏ量が０．
５％を超えるＮｏ．２６の例では溶接金属の強度が過大
となり、靭性が劣っている。またＮｉが０．５％未満の
Ｎｏ．２７では固溶強化の度合いが不足し良好な靭性が
得られないことがわかる。また、Ｎｉの添加量が４．０
％を超える例Ｎｏ．２８では、溶接割れが発生した。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明の２電極エレクトロ
ガスアーク溶接方法によれば、極厚鋼を２電極で立向１
パス溶接した際に良好な溶接作業性及び優れた溶接金属
性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２電極エレクトロガスアーク溶接装置を用いて
溶接する場合の状態を模式図で示した図である。

【符号の説明】

１揺動方向２溶接トーチ３裏当材４摺動銅板側電極５裏当材側電極６アーク７溶融スラグ８溶接金属９ガス供給口１０摺動銅板１１ワイヤ極間１２スラグ逃がし

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 35/368 Ｂ２３Ｋ 35/368 Ｆ (56)参考文献特開平９−94665（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−176683（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−107244（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−115951（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/00 B23K 9/173 B23K 35/30 - 35/368

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２電極エレクトロガスアーク溶接方法に
おいて、裏当材側電極にスラグ生成率がワイヤ溶融量に
対する重量％で、０．５％以上２．６％以下である鋼ワ
イヤまたは、フラックス入りワイヤを用い、摺動銅板側電極にスラグ生成率がワイヤ溶融量に対する
重量％で、２．７％以上５．５％以下であるフラックス
入りワイヤを用い、さらに、裏当材側電極および摺動銅板側電極ワイヤ中の
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、およびＢの成分が重量％で、Ｃ：０．０３％以上０．１５％以下、Ｓｉ：０．４％以下１．５％以下、Ｍｎ：１．２％以上３．５％以下、Ｔｉ：０．０６％以上０．３０％以下、Ｂ：０．００４％以上０．０１２％以下、かつスラグ剤を全ワイヤ重量に対して重量％で３．０％
以下とし、残部不可避的不純物およびＦｅであることを
特徴とする２電極エレクトロガスアーク溶接方法。
【請求項２】裏当材側電極および摺動銅板側電極ワイ
ヤ中のＭｏ成分が重量％で、０．１％以上０．５％以下
であることを特徴とする請求項１に記載の２電極エレク
トロガスアーク溶接方法。
【請求項３】裏当材側電極および摺動銅板側電極ワイ
ヤ中のＮｉ成分が重量％で、０．５％以上４．０％以下
であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
２電極エレクトロガスアーク溶接方法。