JP3845981B2

JP3845981B2 - エレクトロスラグ溶接方法

Info

Publication number: JP3845981B2
Application number: JP27847497A
Authority: JP
Inventors: 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-10-13
Also published as: JPH11114679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接に係り、とくに、建築や造船における構造部材等超大型構造部材の製造に好適な立向きエレクトロスラグ溶接に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は、大型構造部材の溶接に好適であり、高層ビルの建築に用いられるボックス柱のスキンプレートとダイヤフラムの溶接に広く適用されている。エレクトロスラグ溶接は１パス溶接が可能であり高能率であるが、溶接入熱が、通常のアーク溶接で多パス溶接を行う場合に比べ非常に大きくなる。例えば、板厚80mmを超えるエレクトロスラグ溶接継手の場合には、溶接入熱は1500kJ/cm 近くなる。このような超大入熱溶接継手部では、材質劣化が懸念され、板厚が厚くなる極厚部材の溶接には、高能率のエレクトロスラグ溶接を用いず、通常のアーク溶接を適用し多パス溶接としたり、あるいは部材数を増加し板厚を薄くするなど複雑な設計を行う場合が多い。
【０００３】
このように、高能率なエレクトロスラグ溶接は、適用板厚範囲が狭く、極厚材の溶接には適用できないという問題があった。
この問題に対し、溶接熱影響部に微細析出物を析出させ、結晶粒の成長を抑制し、溶接継手部の材質を改善する、材料面からの試みが数多く提案されている。
例えば特公昭46-42705号公報、特公昭51-44088号公報等にはTiN が、特公昭59-2733 号公報、特公昭59-3537 号公報等にはBNが、特公昭55-47100号公報、特公昭59-45747号公報、特開昭58-213855 公報等にはTiN とBNが、特開平2-254118号公報、特開平2-250917号公報等にはTiN とMnS が、特開昭51-41621号公報、特公平3-53367 号公報にはREM-Ti処理が、特公昭54-43970号公報にはCa-REM-Ti 処理が、特公昭55-31819号公報、特公昭55-31820号公報等にはREM-Ｂ処理が、特公昭63-62567号公報にはNb-Ti 処理が、特開昭62-4829 号公報にはTi- Ｂ処理が提案され、これらにより大入熱溶接熱影響部の組織が微細化され、溶接熱影響部の靱性が改善されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した方法のみでは、溶接入熱が1000kJ/cm を超える超大入熱溶接部の靱性改善は不十分であり、更なる改善が要求されている。
溶接入熱が増大すると、溶接金属や溶接熱影響部は、融点直下に加熱保持される時間が長くなり、オーステナイト結晶粒が粗大化するとともに、冷却速度が減少するため、靱性が低い粗大な粒界フェライトやフェライトサイドプレートを主体とする組織が生成し、溶接部の靱性が著しく低下する。
【０００５】
このような溶接入熱の著しい増大による結晶粒の粗大化や低靱性組織の生成を防止できる有効な解決方法はまだ見いだされておらず、溶接部の靱性を向上させるには、材料面からの更なる検討が必要である。
一方、良好な溶接継手が形成できれば、溶接入熱の低減も溶接部靱性劣化を防止する一つの方法であるということから、溶接入熱の低減が可能な溶接施工法、あるいは溶接方法が要望されている。
【０００６】
本発明は、母材板厚の厚いエレクトロスラグ溶接継手において、良好な溶接継手を形成するために必要な溶接入熱を低減でき、溶接継手部の材質劣化、とくに溶接熱影響部の靱性劣化を防止できるエレクトロスラグ溶接方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した課題を解決するため、必要最小限の溶接入熱を無駄なく溶接継手の形成に費やすことのできるエレクトロスラグ溶接方法について鋭意検討した。まず、本発明者の検討結果について、ボックス柱のスキンプレートとダイヤフレームの溶接を例に説明する。
【０００８】
ボックス柱のスキンプレート１とダイヤフラムのエレクトロスラグ溶接では、図１（ａ）に示すように、ダイヤフラム２の板厚Ｔが増加すると、溶接によって溶着金属を充填しなければならない開先断面４（断面積Ｓ）が増加し、その結果溶接入熱が増加する。
ワイヤ電極を使用する従来のエレクトロスラグ溶接における溶接入熱HIは、つぎのように決定される。エレクトロスラグ溶接の溶接速度は、図１（ａ）のように、ダイヤフラム２の板厚Ｔ（cm）と突き合わせギャップＧ（cm）とで形成される開先断面４（断面積Ｓ＝Ｔ×Ｇ）内に充填される溶着金属の上昇速度ｈ（cm/s）となる。したがって、溶接入熱HI（J/cm）は、
HI＝（Ｉ×Ｖ）／ｈ＝（Ｉ×Ｖ×Ｓ）／（7.8 Ｗ） ……（１）
（Ｉ：電流（Ａ）、Ｖ：電圧（Ｖ）、Ｗ：溶着速度（g/s ））とあらわされる。
【０００９】
溶着速度Ｗは電流Ｉに比例するから、（１）式は、
HI＝ｋ×Ｖ×Ｓ（ｋ：定数） ……（２）
となり、溶接入熱HIは、電圧が一定の場合、開先断面積Ｓに比例することになる。
Ｉ＝380 Ａ、Ｖ＝48Ｖとして、開先断面積Ｓを変化してエレクトロスラグ溶接を行った場合の溶接入熱HIと開先断面積Ｓの関係を調査し図２に示す。図２から溶接入熱は開先断面積に比例することがわかる。
【００１０】
また、溶接条件の選定においては、継手部の溶け込みを確保するために、溶接金属断面に開先断面が完全に含まれる条件が選定される。エレクトロスラグ溶接では、形成される溶接金属の断面形状はほぼ円形となるため、開先断面の対角線長さＸが溶接金属断面の直径Ｌより小さくなる開先断面形状が選定される。図３に、ダイヤフラムの板厚Ｔが60mmの場合について、開先断面の対角線長さＸおよび溶接金属断面の直径Ｌと突き合わせギャップＧとの関係を示す。図３から、開先断面の対角線長さＸが溶接金属断面の直径Ｌより小さくなる条件は、突き合わせギャップＧが30mm以上、すなわちダイヤフラムの板厚Ｔの0.5 以上とする必要があることがわかる。
【００１１】
このように、従来のワイヤ電極を用いたエレクトロスラグ溶接では、継手部の溶け込みを確保するために、ダイヤフラム板厚によって決まる最小溶接入熱が存在し、さらに最小溶接入熱においても、ダイヤフラムやスキンプレート（母材）を必要以上に溶融しなければならず、継手部には必要以上の入熱が投与されていることがわかった。
【００１２】
本発明者はさらに検討した結果、ワイヤ電極を用いたエレクトロスラグ溶接において過大かつ過剰な溶接入熱が必要となる理由は、溶接開先内に投入される熱源が溶融池へのワイヤ投入部近傍に集中しているためであるという知見を得た。本発明者は、これらの知見からワイヤ電極に代えて帯状電極とすることに思い至った。帯状電極を使用することにより、熱源は電極幅方向に均一に分散され、溶融池の形状もそれに伴って偏平化し、また、突き合わせギャップと母材板厚の比を低くするほどその効果は大きくなり溶接入熱を低減することができることを新たに見いだした。
【００１３】
本発明は、上記した知見に基づきさらに検討して構成されたものである。
すなわち、本発明は、帯状電極を使用する非消耗ノズル式立向きエレクトロスラグ溶接により溶接継手を作製するにあたり、前記溶接継手の溶接用開先を、突き合わせギャップＧ（mm）が10mm以上で、前記突き合わせギャップＧと前記溶接継手の母材板厚Ｔの比、Ｇ／Ｔが0.5 以下となる開先とし、かつ前記帯状電極の幅Ｂ（mm）と前記溶接継手の母材板厚Ｔ（mm）の比、Ｂ／Ｔが0.5 〜1.0 未満となる帯状電極を使用して溶接することを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に好適なエレクトロスラグ溶接装置は、非消耗ノズル式であり、電極を供給する送給ヘッド、送給ヘッドと当金を昇降させるマニピュレータ、制御装置、電源等で構成される。当金は固定式、摺動式のいずれでもよく、またそれらの組み合わせでもよい。その他、通常公知のエレクトロスラグ溶接装置が適用可能であることはいうまでもない。また、本発明では、使用する電極用材料、フラックス等は、通常公知のものがいずれも好適に使用できる。
【００１５】
本発明では、使用する電極は帯状電極とする。
電極を帯状電極とすることにより、熱源が電極幅方向に均一に分散され溶融池の形状もそれに伴って偏平化し、溶接入熱を低減できる。溶接を行うにあたり、帯状電極５は、図１（ｂ）に示すように溶接開先内中央で溶接継手母材板厚方向に対して平行に配置するのが好ましい。使用する帯状電極は、帯状電極の幅Ｂ（mm）と溶接継手の母材板厚Ｔ（mm）の比、Ｂ／Ｔが0.5 〜1.0 未満となる帯状電極とするのが好ましい。Ｂ／Ｔが0.5 未満では、開先内での溶接入熱の分散効果が少なく、溶接入熱低減効果も薄くなる。
【００１６】
本発明では、溶接継手の溶接開先を、突き合わせギャップＧ（mm）が10mm以上で、突き合わせギャップＧと溶接継手母材の板厚Ｔとの比、Ｇ／Ｔが0.5 以下である開先とする。
Ｇ／Ｔが0.5 を超えると、溶接により形成される溶融池の断面形状が楕円から円形に近づき、長径と短径の比が0.7 を超えるため、溶接入熱の低減効果が少なくなる。このため、Ｇ／Ｔは0.5 以下に限定した。また、突き合わせギャップＧ（mm）が10mm未満では、電極と絶縁保護筒とを合わせて溶接開先内に装入するのが困難となる。このようなことから、突き合わせギャップＧは10mm以上とした。
【００１７】
例えば、ボックス柱のスキンプレート１とダイヤフレーム２のエレクトロスラグ溶接においては、図１に示すような板厚Ｔのダイヤフラム２（母材）と突き合わせギャップＧからなる開先断面４を有する溶接開先を用いる。なお、本発明に使用する開先形状は図１に示す形状に限定されるものではなく、構造物部材に適応したいかなる開先形状の溶接継手に適用できることはいうまでもない。
【００１８】
【実施例】
同一板厚の490MPa級鋼板SM490Bをスキンプレート１とダイヤフラム２として、図１に示すように突き合わせ、溶融型フラックスとSi-Mn-Mo系の電極を組み合わせて、表１に示す溶接条件で非消耗ノズル式立向きエレクトロスラグ溶接を実施し溶接継手を作製した。使用した鋼板は板厚（Ｔ）60mmと80mmの２種類とし、使用した電極は同一組成（Si-Mn-Mo系）のワイヤ電極（1.6mm φ）と帯状電極（0.4mm 厚）の２種類とした。なお、帯状電極の幅Ｂは、20〜70mmの範囲で変化した。溶接電流Ｉは380 Ａ、溶接電圧Ｖは50Ｖと一定とし、突き合わせギャップＧを10〜50mm間で変化させることにより溶接速度および溶接入熱HIを変化した。
【００１９】
作製した溶接継手について、超音波探傷試験により溶接欠陥を調査するとともに、溶接熱影響部（ＨＡＺ１mm）のシャルピー衝撃試験（試験温度：０℃）を行い、溶接熱影響部の靱性を調査した。それらの結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
本発明の範囲内でエレクトロスラグ溶接を実施すれば、ワイヤ電極を用いた従来の溶接方法に比べ、溶接入熱を低減して溶接欠陥のない、溶接部靱性に優れた良好な溶接継手が作製できる。
板厚60mmの場合、従来のワイヤ電極を用いたエレクトロスラグ溶接では、融合不良の発生を避けて良好な溶け込みを確保するためには、1260kJ/cm 以上の溶接入熱が必要とされる（試験No.1-1〜No.1-2）が、ＨＡＺ１mmでの０℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーvE₀は30〜38J と低い。一方、本発明の範囲では、試験No.1-6〜No.1-9に示すように、溶接入熱を392 kJ/cm まで低下しても融合不良等の溶接欠陥は発生せず、また、ＨＡＺ１mmでのvE₀は158J（試験No.1-9）であり溶接熱影響部の靱性は高く、良好な溶接継手となっている。
【００２２】
板厚80mmの場合、従来のワイヤ電極を用いたエレクトロスラグ溶接では、融合不良の発生を避けて良好な溶け込みを確保するためには、2138kJ/cm 以上の溶接入熱が必要とされ（試験No.2-1〜No.2-2）、ＨＡＺ１mmでのvE₀は19〜27J と低い。一方、本発明の範囲であれば、試験No.2-9に示すように、溶接入熱を528 kJ/cm まで低下しても融合不良等の溶接欠陥は発生せず、また、ＨＡＺ１mmでのvE₀は151Jであり溶接熱影響部の靱性は高く、良好な溶接継手となっている。
【００２３】
しかし、試験No.2-10 、No.2-11 のように、帯状電極の幅Ｂが母材の板厚Ｔの0.5 未満では、熱源が溶接開先中央部に集中する傾向が生じ、溶接開先端部に融合不良が発生している。
以上のように、本発明の溶接方法は、従来のワイヤ電極を用いたエレクトロスラグ溶接にくらべ、1/2 〜1/3 の溶接入熱で溶接欠陥のない良好な溶接継手を作製でき、溶接入熱の低減により溶接継手部の材質劣化を防止できる。
【００２４】
なお、本発明は、エレクトロスラグ溶接に限定して説明したが、エレクトロスラグ溶接に代えて、エレクトロガス溶接を適用してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、極厚の部材を溶接する際に溶接入熱の低減が可能となり、溶接継手部の材質劣化を防止でき、構造物の信頼性が向上するうえ、溶接施工現場における作業環境の改善、さらには溶接熱による部材の熱変形を飛躍的に軽減できるなど、産業上格段の効果を期待できる。さらに、本発明によれば、従来のエレクトロスラグ溶接方法で材質劣化の観点から耐えられる母材板厚は90mmが限界であるといわれていたが、本発明によれば、溶接入熱を従来の1/2 以下に低減できるため、従来適用できなかった板厚まで適用限界板厚を拡大できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボックス柱における溶接用開先（ａ）、および本発明における開先内電極の位置（ｂ）を模式的に示す説明図である。
【図２】開先断面積Ｓと溶接入熱HIの関係を示すグラフである。
【図３】開先断面対角線長さＸと溶接金属断面直径Ｌとに及ぼす突き合わせギャップＧの影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１スキンプレート
２ダイヤフラム
３当金
４開先断面
５電極

Claims

帯状電極を使用する非消耗ノズル式立向きエレクトロスラグ溶接により溶接継手を作製するにあたり、前記溶接継手の溶接用開先を、突き合わせギャップＧ（mm）が10mm以上で、前記突き合わせギャップＧと前記溶接継手の母材板厚Ｔの比、Ｇ／Ｔが0.5 以下となる開先とし、かつ前記帯状電極の幅Ｂ（mm）と前記溶接継手の母材板厚Ｔ（mm）の比、Ｂ／Ｔが0.5 〜1.0 未満となる帯状電極を使用して溶接することを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法。