JP3739219B2 - 棒鋼溶接の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスタッドジベルやスタッド用鉄筋等の棒鋼のスタッド溶接法に関するものである。さらに詳しくは、溶接アーク発生中のアーク電圧が一定となるように棒鋼の高さの位置を制御するとともに、このアーク電圧に基づく棒鋼の押込量の最適値により溶接制御し、溶接品質の安定化を図る溶接方法に関するものである。また、スタッド溶接時に用いるセラミックス製のアークシールド材の代わりに粉粒体フラックスをアークシールド材として用いるＳＡＰ（サブマージアークプレス）溶接法など、棒鋼の先端に発生させるアークの加熱による溶接方法には本発明の適用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
スタッド溶接は、鋼板とスタッドジベルやスタッド鉄筋等の棒鋼を瞬時に溶接できる方法として土木、建築等の分野で数多く使用されている。しかしながら、スタッド溶接部は超音波探傷等の非破壊検査の適用が困難であるため、溶接品質の安定化が不可欠の課題となっている。
【０００３】
従来のスタッド溶接部の品質の安定化の手段としては、例えば特開平３−２５８４６２号公報に開示されているように、棒鋼を押込む際の押込速度を高速から低速に切り替える方法がある。アークスタートと同時に棒鋼を所定の高さに引上げ、棒鋼及び鋼板を加熱溶融させる。溶接アークを一定時間保持した後、先ず棒鋼を比較的速い速度（２００ｍｍ／ｓ程度）で押込むことによって溶融金属の冷却を防ぎ、溶融金属に接触する瞬間に比較的遅い速度（３０ｍｍ／ｓ程度）に切り替えてさらに押込むことによって溶融金属の飛散を防いでいる。この方法によってスタッド溶接品質を向上させることに成功している。また、棒鋼を押込む際の押込動作をサーボモータで制御することによって、棒鋼の押込時の移動量及び移動速度の再現性を高め、溶接品質の安定化を達成している。
【０００４】
しかしながら、スタッドなど棒鋼の溶接では、前記の押込速度を厳密に制御しても、溶接品質にバラツキが生じる場合がある。
【０００５】
例えば、デッキプレート貫通型スタッド溶接においてアンダーカット等の溶接欠陥が多く発生する。デッキプレート貫通型スタッド溶接は、図３に示すように溶接部をアークシールド３で包囲した状態で溶接アーク２５でデッキプレート２３を溶かし、棒鋼１と母材２を溶接する。しかし、母材２とデッキプレート２３の間には隙間２４が存在しており、この隙間量Ｌは溶接前のデッキプレート上からは測定することができない。この隙間が予想以上に大きくなると、前記のスタッド溶接法のように押込量が予め設定されたスタッド溶接では、スタッド先端が母材上の溶融金属に届かず、図４に示すようなアンダーカット２７が発生してしまうことになる。
【０００６】
また、デッキプレートを挿まない通常のスタッド溶接においても、棒鋼の長さ誤差やセッティング時の取付け誤差によって棒鋼の溶接条件が変化した場合は、押込量が不足もしくは過多となり、最適値から外れるために溶接品質にバラツキが生じてしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、棒鋼の位置をサーボモータで制御することのできるスタッド溶接機において、アーク電圧に基づいて棒鋼１と母材２との間の距離を予測し、アーク発生中の棒鋼の位置およびその後の押込量を、個々の溶接状況に応じて最適に制御し、上記のような場合においても高い溶接品質を維持できるような溶接方法の提供を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、下記（１）〜（３）が提供される。
【０００９】
（１）棒鋼と鋼板の間に溶接アークを発生させ、棒鋼及び鋼板を該溶接アークで加熱して局部的に溶融させた後、棒鋼を鋼板に押込むことによって溶接する棒鋼の溶接において、アーク発生中のアーク電圧を計測し、このアーク電圧計測値から、下記式により棒鋼の押込量ｄを求めることを特徴とする棒鋼溶接の制御方法。
【００１０】
ｄ ＝ ａ×Ｖ ＋ ｂ 〔ｄ：押込量、Ｖ：アーク電圧、ａ，ｂ：定数〕
（２）前記アーク発生中のアーク電圧の計測値が、一定値となるように、溶接中の棒鋼の高さを制御することを特徴とする前記（１）に記載の棒鋼溶接の制御方法。
【００１１】
（３）前記一定値が、予め設定された所定の値であることを特徴とする前記（２）に記載の棒鋼溶接の制御方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明による棒鋼溶接を行なうための溶接装置の構成例を示す。図１において母材２に打設される棒鋼１は、ホルダ５にクランプされ、かつ先端をアークシールド３に包囲されて母材２に押付けられる。ホルダ５は、基台１０の側板１１と１２との間に渡したガイド９に沿って移動する移動台６上に固定されている。また、移動台６はナット体７を介して螺子棒８に固定されており、サーボモータ１３によって螺子棒８を回転させることによって移動台６上のホルダ５及び棒鋼１の押し引き動作を制御することができる。
【００１３】
本発明者は、図１の装置を用いて種々の溶接条件において溶接欠陥の発生状況を調べた結果、以下のようにアーク電圧と溶接欠陥に相関関係があることを見いだした。
【００１４】
まず、図３に示したようなデッキ貫通溶接を想定した調査を行った。デッキプレート２３は亜鉛メッキ鋼板とし、デッキプレート２３と母材２との隙間量Ｌは厚みの異なるスペーサを挿むことによって種々に変化させた。
【００１５】
図５は、様々な隙間量Ｌに対して、押込量ｄを変化させたときの溶接欠陥の発生状況を示す。隙間量Ｌが小さい場合は押込量ｄを小さく、また隙間量Ｌが大きい場合は押込量ｄを大きくすることによって溶接欠陥の発生を防ぐことができる。
【００１６】
ここで得られた最適な押込量をアーク電圧から推定するために、アーク電圧の測定を行った。図６に隙間量Ｌとアーク電圧Ｖとの関係を示す。デッキプレート溶接では、アーク発生と同時にデッキプレートが溶融し、棒鋼の先端と母材の間でアークが発生する。このため、Ｌが小さいときはアーク長が短くなるためアーク電圧も小さく、Ｌが増加するに従ってアーク長が長くなるためアーク電圧も増加している。
【００１７】
これらの結果から、予備試験において隙間Ｌを変化させたときのアーク電圧Ｖと最適な押込量ｄの関係を予め求めておくことによって溶接品質の安定化を図れることがわかる。この関係は次式に示す簡単な１次式で表すことができる。
【００１８】
ｄ ＝ ａ×Ｖ ＋ ｂ （ａ，ｂは定数）
一例としては、ａ＝０．２５，ｂ＝−１とすることによって、アーク電圧Ｖから最適な押込量ｄを求めることができる。発明者らが試験した範囲では、ｄは必ずＶについての１次式で求めることができるが、比例定数ａ，ｂはスタッドの太さや、鋼材の比抵抗などにより異なるので、厳密には個々の溶接条件毎に求める必要がある。しかし、一旦定数を求めれば、鋼種やスタッド太さが同一条件で施工される一連の溶接については、全く同一の制御で高い品質の溶接が可能となる。一般的に、スタッド溶接施工では同一鋼種、同一径のスタッド材を数千〜数十万本溶接することが多く、定数ａ，ｂは実際に実施する溶接条件に応じ、数種類準備しておけば十分である。
【００１９】
このアーク電圧Ｖは、アーク発生中変動するのが普通であるので、変動幅の平均値やアーク発生後特定時間の瞬間値など一定の再現性を得られるものを使用すれば良いが、変動なく特定のアーク電圧Ｖとなるよう、棒鋼の位置を制御することが好ましい。このようにすることによりＶの測定精度が向上するために上記関係式の精度が高くなり、ひいては本方法の制御の効果が高くなる。
【００２０】
このアーク電圧Ｖの値は、上記関係式において同一の定数ａ，ｂが使用できる溶接条件の範囲では、溶接毎に全く異なる値をとるわけではなく、むしろほぼ等しい値をとるので、このアーク電圧Ｖの一定値をはじめから設定しておき、アーク電圧Ｖがこの設定値になるように棒鋼の位置制御することが、実施形態として最も好ましい。なぜならば、このように制御すれば、前記関係式から求められる一定の押込量で押込むことになるので、アーク電圧Ｖを一定に保持し、その電圧Ｖに基づく一定の押込量で押込むことのみによって本発明の溶接制御が実現でき、高い溶接品質が維持できるからである。
【００２１】
【実施例】
〔実施例１〕
図１の装置を用いて直径１９ｍｍのスタッドジベルの１．２ｍｍのデッキプレート貫通溶接を行った。溶接電源１４（スタッド溶接用直流電源）は、電源ケーブル１５，１６により、マイナス側（ケーブル１５）を棒鋼に、プラス側（ケーブル１６）を母材に接続している。アーク電圧はホルダ５及び母材２から電圧測定ケーブル１７，１８を介して取り出し、押込量演算装置２０に取込まれる。押込量演算装置１９は、Ｖの１次式に従って押込量ｄを算出し、サーボモータ制御装置２０に押込量を出力する。その他の溶接条件は固定とし、溶接電流は１８００Ａ、アークタイムは１．０ｓ，押込量ｄだけ押し込んだ後に、確実な溶着のためのさらに２ｍｍの低速押込みを行った。また、ギャップ方式のアークシールドを用いたため、押込みに先立って棒鋼の引上は行わなかった。
【００２２】
以下に、デッキプレート貫通溶接の準備工程、溶接工程、後処理工程を説明する。
【００２３】
まず、溶接準備工程を説明する。
１）棒鋼１の先端にアークシールド３をかぶせる。
２）ホルダ５に棒鋼１を固定する。
３）棒鋼１の先端が所定の溶接位置に合うように溶接機を固定する。
【００２４】
つぎに溶接工程を説明する。
４）溶接電流の通電を開始する。
５）アーク電圧の計測を開始する。
６）棒鋼を押込む直前までアーク電圧Ｖを計測し、アーク電圧Ｖの平均値を求める。
７）１次式ｄ＝０．２５Ｖ−１に従って、アーク電圧Ｖの平均値から押込量ｄを求める。
８）棒鋼を７）で求めた押込量ｄだけ押込む。
９）溶接電流の通電を止める。
【００２５】
つぎに後処理工程を説明する。
１０）溶接機を取り外す。
１１）アークシールド３を粉砕除去する。
１２）溶接部外観の目視検査を行う。
【００２６】
以上の一連の工程を繰り返すことによって、良好な溶接部品質を得ることができる。
【００２７】
表１はデッキプレート２３と母材２の隙間量Ｌが変化したときの溶接部の品質について、本発明の溶接法と従来の溶接法との比較を行った。なお、従来法ではデッキプレート２３と母材２の隙間量Ｌが２ｍｍである時の溶接条件を用いてすべての溶接を行った。
【００２８】
サーボモータを用いた従来法では、押込量ｄが常に一定であるため、隙間量Ｌが０ｍｍの場合は、押込み時に鉄筋が母材の未溶接部に突当たり、また、隙間量Ｌが３ｍｍの場合は、押込み不足となり多数の溶接欠陥が生じている。一方、本発明の溶接法では隙間量Ｌに応じて押込み量が適正値に制御されているため、全ての溶接試験において良好な溶接品質を得ることができた。
【００２９】
このように、本発明の溶接方法を適用することによって、隙間量Ｌのばらつくデッキプレート貫通溶接においても良好な溶接品質を確保することが可能となる。
【００３０】
【表１】

つぎに本発明の応用例として、太径鉄筋の溶接での実施例を説明する。前述のデッキプレート貫通溶接では、アーク電圧を検出することによって棒鋼の押込量を求めたが、ここでは、アーク電圧を測定しその値が常に一定値になるように棒鋼の高さを制御することによって溶接品質の安定化を図る方法を試みた。
【００３１】
図２に示すように、ここで用いた溶接方法は、ＳＡＰ（サブマージアークプレス）溶接法と呼ばれており、通常のスタッド溶接で用いるアークシールドの代わりに、粉粒体フラックスで溶接部を包囲することによって直径３０ｍｍ程度の太径棒鋼の溶接を可能とすることを特徴とした溶接法である。溶接電源には一般的なサブマージ溶接用の交流電源を用いた。棒鋼には、直径２５ｍｍ，３２ｍｍ，３８ｍｍの異形鉄筋を用いた。
【００３２】
以下に、溶接準備工程、溶接工程、及び後処理工程を説明する。
【００３３】
まず、溶接準備手順を説明する。
１）図１に示した本発明の溶接装置を鋼板上にセットする。
２）鉄筋と鋼板の間にアークスタート時の間隔を保持するためのギャップ保持用金具４をはさむ。棒鋼１の先端と母材２の間隔は５ｍｍとした。
３）溶接部を粉粒体フラックス２１で包囲する。フラックスの成分は表２に示す通りである。
【００３４】
つぎに、溶接行程を説明する。
４）溶接電源の通電を開始し、棒鋼と鋼鈑の間に溶接電流（１０００Ａ）を流す。
５）アーク発生と同時に棒鋼１を所定の高さに引上げる。引上量は５ｍｍとした。
６）アーク電圧の計測を開始し、所定の時間の平均値を求める。ここでは１秒間の平均値を求めた。
７）求めたアーク電圧の平均値が予め設定された基準値（この場合４５Ｖ）に等しくなるように、棒鋼１の高さを補正する。
８）一定時間（ここでは２０秒程度）、上記３）４）の動作を繰り返し、安定したアーク状態を維持する。
９）あらかじめ求めておいた１次式ｄ＝０．２×Ｖ＋１２に従った押込量ｄ＝２１ｍｍだけ、棒鋼１を所定の速度で押込み、鉄筋の先端と母材とを溶着させる。
１０）溶接電流を停止する。
【００３５】
つぎに、溶接後の後処理の工程を説明する。
１１）溶け残った粉粒体フラックス２１を除去する。
１２）溶接部を覆ている固形スラグを除去する。スラグの除去はピッチングハンマー等によって簡単に粉砕処理することができる。
１３）所定の外観検査を行う。
【００３６】
以上の工程を繰り返すことによって、常時安定した棒鋼の溶接を行うことができる。
【００３７】
表３に、引上げ高さの制御を行わない従来のＳＡＰ溶接法と本発明の溶接法の溶接品質をまとめる。従来法では鉄筋径の増加と共に鉄筋先端が溶融プールに接触しやすくなるため、アンダーカットやスラグインといった溶接欠陥の発生率が増し、適正溶接条件の範囲が狭くなる。これに対し、本発明の溶接法では欠陥の発生は無く極めて良好な溶接品質を確保することができた。
【００３８】
【表２】

【００３９】
【表３】

【００４０】
【発明の効果】
以上で説明したように本発明は、棒鋼の引上げ位置及び押込み量を最適に制御することによって、デッキプレート貫通スタッド溶接におけるデッキプレートと母材の隙間量に依存せず、再現性の良い良好な溶接品質を得ることができる具体的制御方法を提供する。また、これまで品質確保が困難であった太径棒鋼の溶接においも、スラグインやアンダーカット等の溶接欠陥を低減させることができ溶接品質の向上が可能となる。このため、溶接欠陥の補修がきわめて少なくなり、溶接工程の効率化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による棒鋼の溶接を行う溶接装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明のＳＡＰ溶接法への適用例を示す図である。溶接部のみを表示。他は図１に同じ。
【図３】図３は、デッキプレート貫通スタッド溶接の状態を示す図である。
【図４】図４は、デッキプレート貫通スタッド溶接において発生する溶接欠陥の一例を示す図である。
【図５】図５は、デッキプレートの隙間量を変化させたときの押込量と溶接品質の関係を示す図である。
【図６】図６は、デッキプレートの隙間量を変化させたときのアーク電圧を示す図である。
【符号の説明】
１…棒鋼
２…母材
３…アークシールド
４…ギャップ保持用金具
５…ホルダ
６…移動台
７…ナット体
８…螺子棒
９…ガイド
１０…基台
１１、１２…側板
１３…サーボモータ
１４…溶接電源
１５…電源ケーブル（マイナス）
１６…電源ケーブル（プラス）
１７…アーク電圧測定ケーブル（マイナス）
１８…アーク電圧測定ケーブル（プラス）
１９…押込量演算装置
２０…サーボモータ制御装置
２１…粉粒体フラックス
２２…フラックス固定筒
２３…デッキプレート
２４…隙間
２５…アーク
２６…溶接金属
２７…アンダーカット
Ｌ…デッキプレート２３と母材２の隙間量

Claims (3)

1. 棒鋼と鋼板の間に溶接アークを発生させ、棒鋼及び鋼板を該溶接アークで加熱して局部的に溶融させた後、棒鋼を鋼板に押込むことによって溶接する棒鋼の溶接において、アーク発生中のアーク電圧を計測し、このアーク電圧計測値から、下記式により棒鋼の押込量ｄを求めることを特徴とする棒鋼溶接の制御方法。
   ｄ ＝ ａ×Ｖ ＋ ｂ 〔ｄ：押込量、Ｖ：アーク電圧、ａ，ｂ：定数〕
2. 前記アーク発生中のアーク電圧の計測値が、一定値となるように、溶接中の棒鋼の高さを制御することを特徴とする請求項１に記載の棒鋼溶接の制御方法。
3. 前記一定値が、予め設定された所定の値であることを特徴とする請求項２に記載の棒鋼溶接の制御方法。

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