JP4642675B2

JP4642675B2 - ２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法

Info

Publication number: JP4642675B2
Application number: JP2006055568A
Authority: JP
Inventors: 雄己栢森; 政男鎌田
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: JP2007229770A

Description

本発明は造船、鉄骨、橋梁などの鋼構造物の製作において、特に厚板部材の水平すみ肉ガスシールドアーク溶接を行うにあたり、ビード形状、外観が良好で溶接部に欠陥のない大脚長のすみ肉ビードが得られる２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に関する。

近年、各種溶接構造物の製作において、ガスシールドアーク溶接方法が溶接能率向上を図ることができることから、その適用が増大している。特に造船、鉄骨、橋梁等の構造物は、全溶接長に占めるすみ肉溶接の割合が多く、高能率化のためにフラックス入りワイヤを使用する２電極水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法が適用されている。

例えば特開平２−２８０９６８号公報（特許文献１）や特開平６−２３４０７５号公報（特許文献２）には２電極で行う水平すみ肉ガスシールドアーク溶接を行う技術の開示がある。しかし、これら技術は長尺部材で脚長４〜６ｍｍの場合の高速化を目的としたもので、各電極により生じる溶融プールを合体させて１プール方式にしてすみ肉ビードを形成しているため、すみ肉溶接部に脚長８ｍｍ以上の大脚長が要求される板厚が３０ｍｍ以上の厚板の場合には不適当な溶接方法である。図１の（ａ）から（ｆ）の各図は２電極による各種条件のすみ肉溶接におけるビード断面形状を示したものである。ここで図１（ｂ）に示したように、前記技術の１プール方式で、脚長確保のために高電流低速度にして１パス溶接で大脚長のビード１４を得ようとした場合、上板２側にアンダーカット６、下板１ビード止端部にオーバーラップ７が生じる。

そこで、先行電極と後行電極の配置を工夫して、先行電極ビード４の上に後行電極ビード５を重ねて大脚長を得ることも行われているが、脚長が１０ｍｍを超えると先行電極のワイヤ狙い位置をルート部から離す距離が大きくなるために、図１（ｃ）に示したようにルート部３の溶け込み不良８やルート部３近くにスラグ巻き込み９が発生しやすくなる。

一方、フラックス入りワイヤの成分組成によって大脚長の水平すみ肉ビードを得る技術として、特開平４−３０００９１号公報（特許文献３）や特開平７−３２８７９５号公報（特許文献４）は、いずれも１電極溶接で脚長１０ｍｍの大脚長を１パス溶接で得られるフラックス入りワイヤを提案したものである。しかし、これらのフラックス入りワイヤを用いても、また、脚長１０ｍｍを超えるとルート部の溶け込み不足、ルート部近くのスラグ巻き込みおよび上板側のアンダーカットが発生しやすくなる。さらに、１電極溶接のために溶接速度が２５〜３０ｃｍ／ｍｉｎと遅く、溶接能率が悪い。
特開平２−２８０９６８号公報特開平６−２３４０７５号公報特開平４−３０００９１号公報特開平７−３２８７９５号公報

本発明は、厚板の水平すみ肉ガスシールドアーク溶接でビード形状、外観が良好で、かつ溶接部にスラグ巻き込みや溶込み不足などの溶接欠陥がない大脚長のすみ肉ビードが高能率に得られる２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨とするところは、フラックス入りワイヤを電極として使用する２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、先行電極のワイヤ狙い位置をルート部から下板側に５〜１０ｍｍ、後行電極のワイヤ狙い位置をルート部から上板側に０〜５ｍｍとし、先行電極と後行電極の電極間距離は３０ｍｍ以上の２プールで、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）を０．４〜０．８、和（ＡＬ＋ＡＴ）を４５０〜８５０Ａとして、先行電極ビードは下板側の脚長を確保しつつ下板のみに置き、後行電極ビードは先行電極ビードの幅の一部から上板にかけて置くことにより、すみ肉ビードを形成することを特徴とする。
またフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を４〜１０質量％含有することも特徴とする２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法にある。

本発明の２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法によれば、ビード形状、外観が良好で、かつ溶接部にスラグ巻き込みや溶込み不足などの溶接欠陥がない大脚長のすみ肉ビードが得られ、溶接能率の向上および高品質の溶接部を提供することができる。

本発明者らは、前記課題を解決するために先行電極と後行電極のワイヤ狙い位置、電極間距離、先行電極電流と後行電極電流の比および和などにつき詳細に検討した。その結果、溶融プールを２プールとして先行電極で形成する先行電極ビードは下板側の脚長を確保できる程度とし、後行電極でルート部を溶かしながら上板側の脚長を確保するとともに先行電極で形成された先行電極ビードの下板側止端部を残すように先行電極と後行電極の電流の比および和を調整することによってビード形状、外観が良好で、かつ溶接部にスラグ巻き込みや溶込み不足などの溶接欠陥がない大脚長のすみ肉ビードが得られことを見出した。以下、本発明の２電極大脚長水平すみ肉溶接方法を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の２電極大脚長水平すみ肉溶接方法により得られたビード断面形状を示す。この図に見るように、先行電極ビード４は下板側の脚長Ｓ１を確保しつつ下板１のみに置き、後行電極ビード５は先行電極ビード４の幅の一部から上板２にかけて置くものである。図２は本発明における電極の配置を示す模式図であって、（ａ）は先行電極Ｌと後行電極Ｔの狙い位置を示す溶接線方向から見た図、（ｂ）は溶融プールの形成状態を示す上方から見た図である。図２（ａ）において、先行電極Ｌのワイヤ狙い位置をルート部３から下板側（Ａ）に５〜１０ｍｍ、後行電極Ｔのワイヤ狙い位置をルート部３から上板側（Ｂ）に０〜５ｍｍとすることによって、図１（ａ）に示すようにアンダーカット、オーバーラップ、溶け込み不良およびスラグ巻き込みのない８〜１３ｍｍの大脚長の下板側脚長Ｓ１および上板側脚長Ｓ２が得られる。

先行電極Ｌのワイヤ狙い位置とルート部３との下板側の距離Ａ（図２（ａ））が５ｍｍ未満であると、下板側の脚長Ｓ１が小さくなるとともに、図１（ｄ）に示すように後行電極Ｔによって形成された後行電極ビード５が先行電極ビード４を覆ってオーバーラップ７が生じる。一方、先行電極Ｌのワイヤ狙い位置とルート部３との下板側の距離Ａが１０ｍｍを超えると、図１（ｅ）に示すように先行電極ビード４と後行電極ビード５との重ねしろが少なくビード外観が不良になるとともに上板２側に８〜１３ｍｍの大脚長Ｓ２を得ることが困難となる。

後行電極Ｔのワイヤ狙い位置とルート部３との上板側の距離Ｂ（図２（ａ））が０ｍｍ未満であると、上板側の脚長Ｓ２が小さくなる。また、下板側止端部がややオーバーラップ気味になる。一方、後行電極Ｔのワイヤ狙い位置とルート部３との上板側の距離Ｂが５ｍｍを超えると、図１（ｆ）に示すように上板側止端部にアンダーカット６が生じる。また、先行電極ビード４と後行電極ビード５との重ねしろが少なくビード外観が不良になるとともにルート部３の溶け込み不良が発生する。

なお、先行電極の仰角Ｌαは４０〜９０°、後行電極の仰角Ｔαは４０〜６０°（図２（ａ）参照）、両電極の溶接進行方向に対するトーチ角度は０〜３０°の前進角（トーチの先端が先に進行する向きの傾き角）または後退角、チップ−母材間距離はガスシールドの状態を良好に維持することを考慮して２５±５ｍｍであることが好ましい。

図２（ｂ）に示す先行電極Ｌと後行電極Ｔの極間距離Ｄは３０ｍｍ以上とする。極間距離Ｄは、目標脚長、ワイヤ種類および溶接条件等によって先行電極Ｌの溶融プール１０の大きさが異なることを考慮して決定する。極間距離Ｄが３０ｍｍ未満であると、先行電極Ｌの溶融プール１０が未凝固の状態で後行電極Ｔの溶融プール１１が生成し、これら溶融プールが重なって１プールとなり、下板側止端部にオーバーラップ７、上板側止端部にアンダーカット６が生じる。さらに、アークが相互に干渉してスパッタ発生量が多くなる。

なお、極間距離が長すぎると、先行電極ビード４のスラグが剥離してスラグ巻き込みの原因となり、先行電極ビード４と後行電極ビード５のなじみが悪くなりビードの外観不良となる。また溶接開始部と終端部の溶接残し部が長くなり手直しが多くなる。したがって、先行電極Ｌと後行電極Ｔの極間距離Ｄは、１００ｍｍ未満であることが好ましい。

また、先行電極の電流値（ＡＬ）は低電流、後行電極の電流値（ＡＴ）は比較的高電流に設定する必要があり、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）を０．４〜０．８とし、両電極電流の和（ＡＬ＋ＡＴ）は、４５０〜８５０Ａとする。

すなわち先行電極電流（ＡＬ）は低くして先行電極ビード４を目標脚長が確保できる程度に小さく形成し、この先行電極ビード４止端部を下板側の脚長Ｓ１とする。しかし、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）が０．４未満であると、先行電極Ｌによる先行溶接ビードの溶着量が少なすぎるので、目標の大脚長を確保するためには後行電極の電流を極めて大きくしなければならず、このときアークが不安定となるともに上板側にアンダーカットが発生しやすくなる。また後行電極の溶融プールが過大になり先行溶接ビードを覆って下板側の止端部にオーバーラップが生じる。

一方、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）が０．８を超えると、先行溶接ビードが大きくなって下板側の止端部がオーバーラップ気味になる。また、先行溶接ビードがルート部に達してルート部付近にスラグ巻き込みが発生したり、後行電極によるルート部の十分な溶け込みが確保できなくなる。

また先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の和（ＡＬ＋ＡＴ）が４５０Ａ未満であると、溶着量が少ないので大脚長を得るためには溶接速度を遅くする必要があり、２電極溶接とするメリットがない。一方、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の和（ＡＬ＋ＡＴ）が８５０Ａを超えると、ワイヤ送給が安定しなくなるとともに、溶着量が多くなるのでアンダーカットおよびオーバラップが発生しやすくなる。

なお、溶接電圧は、各電極の溶接電流値に合わせて適正で、アーク状態および溶融プール状態が安定するアーク電圧に設定する。さらに電源の種類は、上記構成要件を満たしていれば、ＤＣ−ＤＣ、ＤＣ−ＡＣ、ＡＣ−ＤＣ、ＡＣ−ＡＣいずれの組み合わせでも採用できるが、アーク安定性の点でＤＣ−ＤＣ（極性は両極とも電極プラス）での組み合わせが最も好ましい。

さらに、ビード外観、ビード形状およびスラグ剥離性など溶接作業性を良好にするためには、先行電極および後行電極に、ワイヤ全質量に対してスラグ形成剤を４〜１０質量％含有するフラックス入りワイヤを使用することが好ましい。スラグ形成剤が４％未満では、先行ビードが凸気味になりやすく下板側止端部のなじみ性が悪く、また、後行溶接ビードのスラグ被包性が悪くなりスラグ焼き付きが発生する。一方、スラグ形成剤が１０質量％を超えるとスラグ巻き込みが発生しやすくなる。

なお、本発明に言うスラグ形成剤とはＴｉＯ_２を主成分とし、他はＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、鉄酸化物、ＭｇＯおよびＭｎＯなどの酸化物をいう。フラックスにはアーク安定剤としてＫ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏや各種弗化物も含有させるが、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏは本発明に言うスラグ形成材に含まない。

ワイヤ径は、特に限定しないが、先行電極は１．２〜１．６ｍｍ、後行電極は１．４〜１．６ｍｍの組み合わせが好ましい。シールドガスはＣＯ_２が経済的であり通常使用されるが、ＡｒとＣＯ_２の混合ガスも使用できる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

表１に示す各種成分のフラックス入りワイヤ（ワイヤ径１．２〜１．６ｍｍ）を用いて、すみ肉溶接試験体（材質：ＳＭ４９０Ａ、厚さ：３２ｍｍ、幅：３００ｍｍ、長さ：１０００ｍｍ）に表２および表３に示すようにワイヤ狙い位置、溶接条件および電極間距離を変えて２電極の水平すみ肉溶接をした。シールドガスは１００％ＣＯ_２である。

各試験条件におけるビード外観（アンダーカット、オーバーラップおよびビード止端部のなじみ等）とルート部の溶け込み状況、スラグ巻き込みの有無を検査した。またアンダーカットのない試験片のみ脚長を測定した。なお、ルート部の溶け込み状況およびスラグ巻き込みの有無は、マクロ試験片を１０個採取して調査した。各試験の評価は、○を良好、△をやや良好、×を不良とした。それらの結果を表４にまとめて示す。表２ないし表４中、試験Ｎｏ．１〜４が本発明例、試験Ｎｏ．５〜１２は比較例である。

本発明例である試験Ｎｏ．１〜４は、先行電極のワイヤ狙い位置、後行電極のワイヤ狙い位置、電極間距離ならびに先行電極電流と後行電極電流の比（ＡＬ／ＡＴ）および和（ＡＬ＋ＡＴ）が適正で、使用したフラックス入りワイヤのスラグ形成剤量も適正であるので、アンダーカットやオーバーラップがなくビード止端部のなじみも良好で、かつ溶接部にスラグ巻き込みや溶込み不足などの溶接欠陥がない大脚長のすみ肉ビードが得られ、きわめて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．５は、先行電極のワイヤ狙い位置がルート部から下板側に短いので、下板側の脚長Ｓ１が小さくなり、後行電極ビードが先行電極ビードを覆って下板側の止端部にオーバーラップが生じた。

試験Ｎｏ．６は、先行電極のワイヤ狙い位置がルート部から下板側に長いので、先行電極ビードと後行電極ビードとの重ねしろが少なくビード外観が不良で、上板側の脚長Ｓ２が不足した。

試験Ｎｏ．７は、後行電極のワイヤ狙い位置がルート部から下板側であるので、上板側の脚長Ｓ２が小さく、下板側の止端部がややオーバーラップ気味となった。
試験Ｎｏ．８は、後行電極のワイヤ狙い位置がルート部から上板側に長いので、アンダーカットが生じた。また、ルート部に溶け込み不足が生じた。

試験Ｎｏ．９は、極間距離が短いので、下板側止端部にオーがーラップ、上板側止端部にアンダーカットが生じた。また、スパッタ発生量も多くなった。
試験Ｎｏ．１０は、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）が小さいので、アークがやや不安定で上板側にアンダーカット、下板側の止端部にオーバーラップが生じた。

試験Ｎｏ．１１は、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）が大きいので、下板側の止端部がオーバーラップ気味になり、ルート部付近にスラグ巻き込みおよび溶け込み不足が生じた。また、使用したフラックス入りワイヤのスラグ形成剤が少ないので、下板側止端部のなじみ性が悪く、スラグ焼き付きおよび上板側にアンダーカットも生じた。

試験Ｎｏ．１２は、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の和（ＡＬ＋ＡＴ）が大きいので、上板側にアンダーカット、下板側にオーバーラップが生じた。また、使用したフラックス入りワイヤのスラグ形成剤が多いので、スラグ巻き込みも生じた。

２電極による各種条件のすみ肉溶接におけるビード断面形状を示した図で、（ａ）は本発明のもの、（ｂ）ないし（ｆ）は本発明以外の条件のもの本発明における電極の配置を示す模式図であって、（ａ）は先行電極Ｌと後行電極Ｔの狙い位置を示す溶接線方向から見た図、（ｂ）は溶融プールの形成状態を示す上方から見た図

符号の説明

１下板
２上板
３ルート部
４先行電極ビード
５後行電極ビード
６アンダーカット
７オーバーラップ
８溶け込み不良
９スラグ巻き込み
１０先行電極の溶融プール
１１後行電極の溶融プール
１４ビード
Ｌ先行電極
Ｔ後行電極
Ｄ極間距離
Ｌα 先行電極の仰角
Ｔα 後行電極の仰角

Claims

フラックス入りワイヤを電極として使用する２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、先行電極のワイヤ狙い位置をルート部から下板側に５〜１０ｍｍ、後行電極のワイヤ狙い位置をルート部から上板側に０〜５ｍｍとし、先行電極と後行電極の電極間距離は３０ｍｍ以上の２プールで、先行電極電流（ＡＬ）と後行電極電流（ＡＴ）の比（ＡＬ／ＡＴ）を０．４〜０．８、和（ＡＬ＋ＡＴ）を４５０〜８５０Ａとして、先行電極ビードは下板側の脚長を確保しつつ下板のみに置き、後行電極ビードは先行電極ビードの幅の一部から上板にかけて置くことにより、すみ肉ビードを形成することを特徴とする２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を４〜１０質量％含有することを特徴とする請求項１記載の２電極大脚長水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。