JP4957441B2

JP4957441B2 - ガスシールドアーク溶接方法

Info

Publication number: JP4957441B2
Application number: JP2007205025A
Authority: JP
Inventors: 雅智村山
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: JP2009039724A

Description

本発明は、橋梁、造船、建築鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板溶接に適用されるガスシールドアーク溶接方法に関し、特に狭開先継手に対するタンデムの初層溶接方法に関する。

現状の厚板多層盛溶接における開先継手を図８に示す。図８において、１は下板、２は開先３を設けた立板である。
図８（ａ）は、開先３にルートギャップＲＧを５〜８ｍｍ程度設ける場合であり、この場合の開先角度は約３５度が標準であり、裏当材５を用いるのが一般的である。しかし、この方法では、溶接施工前のセット作業が繁雑で時間がかかるという問題がある。
一方、図８（ｂ）は、開先３にルートギャップＲＧを設けない（ＲＧ＝０ｍｍ）場合であり、この場合は（ａ）に示す開先３よりも組立作業が簡便となる。しかし、（ｂ）に示す開先３の開先角度は４５゜以上が一般的であり、このように開先角度の大きい開先でもルート部の溶込みが不確実であることから、溶接後に裏面側からガウジングを行い、ルート部欠陥を除去している。したがって、ガウジングが不可欠であるため、溶接ロボットなどを使用した溶接自動化が困難であるという問題がある。

そのため、橋梁、造船、建築鉄骨、重機等の鋼構造物の溶接施工においては、厚板溶接の高能率化が求められている。溶接の高能率化を図るためには、溶着量を減少すること、溶着速度を増加することが必要である。溶着量を減少するためには、開先を狭開先化することであり、狭開先化による開先断面積の極小化が望まれている。狭開先化の狙いは、開先断面積の極小化による溶接時間の短縮、低入熱化による溶接変形の抑制や溶接性能の改善、特に靱性改善にある。
一方、溶着速度を増加するためには、電極をタンデム化することが望まれている。しかし、開先角度を減少すると、高温割れや開先ルート部の未溶融すなわち溶込み不足が発生するという問題がある。

高温割れは、溶接金属の最終凝固が溶融地表面でないことが原因である。高温割れの抑制に関しては、２電極のワンプール溶接として、凝固を２段階にすることにより、高温割れを抑制するという考え方がある。
従来の２電極ワンプール溶接あるいはタンデムアーク溶接方法としては、例えば特許文献１がある。この溶接方法は先行電極のトーチ運棒を高速回転とし、後行電極のトーチ運棒を非回転すなわちストリンガ運棒（直線運動）とするものである。また、トーチ運棒を、両電極とも高速回転とするものもある（例えば、特許文献２参照）。さらに両電極ともストリンガ運棒とするものは数多く提案されている。

特開２０００−６６７号公報特開平５−３０９４７６号公報

しかし、詳細は後述するが、前記特許文献１や特許文献２のように、先行電極を回転させると、狭開先継手では開先ルート部を溶融させることができない。つまり、開先ルート部の溶込み不足が生じる。一方、両電極ともストリンガ運棒とすると、後行電極がストリンガ運棒のため、後行電極側の溶込みが過大となりやすく、凝固を２段階としても高温割れが発生しやすい。
また、狭開先継手では、トーチの狙い位置がずれると、アークは開先ルート部に向かず側壁（立板または下板）に発生する、いわゆるアークの這い上がりが発生する。したがって、狭開先継手では、トーチの狙い位置が重要であり、アークセンサのようなデバイスレスセンサが望ましいが、両電極ともストリンガ運棒ではアークセンサによる倣い制御を行うことができない。

本発明は、上記のような課題に鑑み、先行電極をストリンガ運棒とし、後行電極を高速回転または高速揺動とすることによって、狭開先継手に対して高温割れおよび開先ルート部の溶込み不足を生じることなく完全溶込みの溶接が可能となり、かつアークセンサによる倣い制御を可能とする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。

前記課題を解決するため、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、溶接進行方向の前後に所定間隔で配置された先行電極と後行電極とにより１つの溶融池を形成しながら狭開先継手の初層溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
前記先行電極は、溶接ロボットアーム先端に取り付けてトーチ運棒をストリンガ運棒とするとともに、狙い位置を開先ルートとし、前記後行電極は、前記先行電極と同じ溶接ロボットアームに取り付けてトーチ運棒を高速回転または高速揺動とするとともに、前記後行電極のアークセンサ信号により、前記先行電極および前記後行電極の溶接線倣い制御を行うことを特徴とする。

上記のように、先行電極はストリンガ運棒で狙い位置を開先ルートとすることによって、開先ルート部の溶込みの確保が容易になる。後行電極は、先行電極との間隔距離が１つの溶融池（ワンプールまたはセミワンプール）を形成するように所定の間隔距離を保持し、高速回転または高速揺動とすることによって（回転速度または揺動速度は１０Ｈｚ以上であればよい）、溶込み形状を中央集中型から浅く幅広い形状に改善することにより高温割れを抑制し、さらに後行電極のアークセンサ信号により先行電極および後行電極の溶接線倣い制御を行うことによって、高精度に開先ルートを追従することができるため、トーチの狙い位置ズレによるアークの這い上がりなどの溶接不安定や融合不良などの溶接欠陥を防止することができる。
したがって、狭開先継手を高温割れおよび開先ルート部の溶込み不足を生じることなく完全溶込みの自動溶接が可能である。

ここで、本発明に至ったプロセスを図１の溶接試験結果により説明する。開先角度は２５゜としている。
（１）図１(ａ）は、単電極のストリンガ運棒で溶接したときのビード断面の模式図である。同図に示すように、単電極のストリンガ運棒で溶接した場合は溶接金属の中央部に高温割れ３０が発生しやすい。これは、溶接金属の凝固の際の柱状晶の成長方向が融合界面に垂直に会合するため凝固時の収縮ひずみに抵抗しきれず開口するためである。
（２）図１（ｂ）は、単電極の回転アークで溶接したときのビード断面の模式図である。回転速度は５０Ｈｚ、回転直径は３ｍｍとしている。この場合は、アークの回転により熱や圧力が分散されるため、溶込み形状が中央集中型から浅く幅広い形状となり、高温割れは生じにくい。しかし、アーク直下の溶込み深さが減少するため、開先ルート部の溶込み不足が生じやすい。
（３）図１（ｃ）は、ワンプールのタンデム溶接の場合で、先行電極、後行電極共にストリンガ運棒で溶接したときのビード断面の模式図である。この場合は、上記(１）と同じ理由により、後行電極側の溶接金属の中央部に高温割れ３０が生じやすい。先行電極側の溶接金属に高温割れが生じにくいのは、後行電極がストリンガ運棒のため、後行電極側の溶込みが大きく、先行電極側の溶接金属を再溶融しているためである。
（４）図１（ｄ）は、ワンプールのタンデム溶接の場合で、先行電極をストリンガ運棒、後行電極を回転アークとして溶接したときのビード断面の模式図である。回転速度は５０Ｈｚ、回転直径は３ｍｍとしている。この場合は、上記（２）と同じ理由により、後行電極の回転アークにより高温割れは生じない。また、ストリンガ運棒の先行電極の狙い位置を開先ルートとすることにより開先ルート部の溶込みを確保することができる。
したがって、本発明は狭開先継手に対し、図１（ｄ）に示す溶接方法に基づくものである。

また、本発明では、先行電極の先端と後行電極の先端との極間距離を１５〜３５ｍｍの範囲内とすることが望ましい。極間距離を１５ｍｍより小さくすると、先行と後行のアークが干渉してアークが不安定になるとともに、先行と後行の溶融池が一体化し、後行電極側の溶込み深さが過剰となって高温割れが発生しやすくなるからである。逆に、極間距離を３５ｍｍより大きくすると、ワンプールまたはセミワンプール溶接とならず２プールの２ラン溶接となるため、先行電極の溶融池形状が図１の(ａ）図に示すような溶込み深さが大きく溶込み幅が小さい、すなわち細長い溶込み形状となり、高温割れが発生しやすくなる。すなわち、極間距離を１５〜３５ｍｍの範囲内とし、先行電極と後行電極の溶融池を一体化することにより、先行電極の凝固形態が改善され、高温割れが発生しにくくなる。

また、本発明は、ＭＡＧ溶接またはＣＯ₂ガスシールド溶接に適用するものである。ＭＡＧ溶接で溶接ワイヤを逆極性（溶接ワイヤをプラス極）で使用すると溶滴がスプレー移行となり、深溶込みの溶接が得られる。しかし、ＣＯ₂ガスシールド溶接ではグロビュール移行となるためスパッタが多くなって好ましくない。そこで、安価なＣＯ₂１００％のガスを使用するＣＯ₂ガスシールド溶接では、少なくとも先行電極の溶接ワイヤとして、希土類元素を添加したソリッドワイヤを正極性（溶接ワイヤをマイナス極）で使用するものとする。好ましくは、先行、後行の両電極ともに、希土類元素を添加したソリッドワイヤを正極性で使用する方がよい。ここで、希土類元素とは周期表の第３族に属する元素をいう。希土類元素としては特にＣｅ、Ｌａを添加したものが好ましい。このような希土類元素添加のソリッドワイヤを正極性で使用することにより、ＣＯ₂ガスシールド溶接でもスプレー移行となり、スパッタが少なくなる。また、ＣＯ₂シールドガスの解離熱のため、溶込みが大きくなる。

また、本発明は、開先角度が４５度以下のレ型またはＶ型またはＹ型の狭開先継手に適用するものである。本発明では上述したように、高温割れや開先ルート部の溶込み不足のない完全溶込み溶接が可能であるため、開先角度が４５度以下で、レ型、Ｖ型、Ｙ型のいずれかの狭開先継手に適用することにより、開先断面積を減少させることができ、高能率、低コストの厚板溶接が可能となる。

以上のように、本発明のガスシールドアーク溶接方法によれば、高温割れおよび溶込み不足を生じることなく狭開先継手の自動溶接が可能となる効果がある。

以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。ここでは、厚板のレ形Ｔ継手の例を示すが、継手形式はこれに限られない。Ｖ形突合せ継手やレ形角継手等にも本発明を適用することができる。なお、本明細書において、厚板とは、板厚が１９ｍｍ以上の鋼板、鋼材をいう。
図２は本発明のガスシールドアーク溶接方法を示す説明図、図３は図２の溶接状況を鉛直面上に投影して表した説明図である。なお、わかりやすくするために多少誇張して図示してある。
これらの図において、１は下板、２は開先加工面３が形成された立板、１１は溶接ワイヤからなる先行電極、１２は同じく溶接ワイヤからなる後行電極、１３は先行アーク、１４は後行アーク、１５は溶融池、１６は溶接ビードである。また、図３において、β１は先行電極１１のトーチ角度（後退角）、β２は後行電極１２のトーチ角度（前進角）を表している。

立板２には開先角度θが２５゜の狭開先３が形成されており、この立板２を下板１上に突き当ててセットしている。したがって、ルートギャップＲＧはゼロに設定されている。また、ルートフェイスＲＦは約３ｍｍとしているが、これは裏面側の隅肉溶接で溶込みをラップさせるためである。

先行電極１１は、狙い位置を開先ルート４としてストリンガ運棒（揺動なし）をするように、トーチ電極を溶接ロボット等のアーム（図示せず）に固定して取り付ける。
狭開先継手の場合は先行電極１１の狙い位置を正確に開先ルート４に設定することが肝要である。開先ルート４から狙い位置がずれると、アークが下板側や立板側の壁面で発生するため、開先ルート部の溶込み不足が生じるからである。
先行電極１１の狙い位置を決めるには、一般的には、タッチセンサ方式が採用されている。例えば図４に示すように、先行電極１１の先端を下板面および開先面に接触させて任意の４点ａ〜ｄの座標位置を求めれば、直線ａｃと直線ｂｄの交点から開先ルート４の位置を求めることができる。なお、下板が完全に水平である場合は、下板との接触点は１点でもよい。
なお、図４において、α１は先行電極１１のトーチ角度（水平角）である。後行電極１２も同様の水平角度でセットされている。

後行電極１２は、高速回転または高速揺動をするように、トーチ電極を上記と同じ溶接ロボットアームに回転または揺動可能に取り付ける。回転速度または揺動速度は１０Ｈｚ以上であればよい。ここでは、回転速度を５０Ｈｚ、後行電極１２先端の回転直径を３ｍｍとしている。また、先行電極１１の先端と後行電極１２の先端との極間距離Ｌは、前述した理由から１５〜３５ｍｍの範囲内が適当である。

後行電極１２に対して適用される高速回転アーク溶接方法および高速揺動アーク溶接方法、ならびにこれらの溶接方法で適用するアークセンサ倣い制御方法はいずれも公知技術であるので詳細は省くが、図５に高速回転アーク溶接方法の原理を、図６にアークセンサ倣い制御方法の原理を示す。
高速回転アーク溶接方法は、図５に示すように、トーチ電極２０を回転モータ２１により歯車機構２２を介して給電部２３を中心に回転（旋回）させ、溶接ワイヤ２４先端部から発生するアーク２５を回転させることによって隅肉継手等の継手部を溶接する技術である。
高速揺動アーク溶接方法の場合は、図示は省略するが、トーチ電極２０をスライド機構等を介して往復移動させればよい。

本発明においては、後行電極１２に対してアークセンサ倣い制御方法を適用する。アークセンサ倣い制御方法は、図６に示すように、アーク電圧波形または溶接電流波形を下板側（Ｈ側）と立板側（Ｖ側）で、アーク１回転毎に比較し、面積積分値の差（Ｓ_H−Ｓ_V）が指定の値となるようにトーチ電極２０の狙い位置を左右方向に修正することにより、溶接線を自動的に追従する技術である。また、溶接電流が所定の値と一致するように、高さ倣いを行う。

ところで、従来の２電極のＧＭＡＷ（ガス・メタル・アーク溶接）において、両電極あるいは先行電極のみを回転させる方法はあったが、本発明のように、後行電極のみ回転または揺動させる例はない。その理由は、一般的な隅肉や４５゜以上の開先溶接では、アークセンサの倣い制御は、先行電極の電圧波形あるいは電流波形をセンサ信号として採用していたためである。これは、先行のアーク前方には溶接金属が無いが、後行のアークは溶融池上で発生するため、開先を直接アークでセンシングできないためである。
しかし、狭開先継手では、開先角度が小さいので、図２に示すように後行アーク１４も直接開先３に届くため、センシングが可能となる。したがって、後行電極１２のアークセンサ信号により溶接線（開先ルート４）を自動的に倣い制御することができる。また、開先角度にもよるが、後行電極１２の先端の回転直径は２〜６ｍｍが適当である。また、高速用同アーク溶接の場合の揺動距離についても２〜６ｍｍが適当である。

図７は本発明の溶接方法による溶接試験結果を示す初層のビード断面模式図である。
溶接条件は以下のとおりである。
溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎ
シールドガス：１００％ＣＯ₂
溶接電源の極性：正極性（棒マイナス）
開先角度：２５度
極間距離：２５ｍｍ
チップ−開先ルート間距離：Ｅｘ＝２５ｍｍ
（先行電極）
溶接ワイヤ：１．２φ（希土類元素添加ソリッドワイヤ）
溶接電流：Ｉ１＝２５０Ａ
溶接電圧：Ｅ１＝２８Ｖ
トーチ角度：水平角α１＝１２．５゜
後退角β１＝１０゜
トーチ運棒：ストリンガ
（後行電極）
溶接ワイヤ：１．２φ（希土類元素添加ソリッドワイヤ）
溶接電流：Ｉ２＝２８０Ａ
溶接電圧：Ｅ２＝３０Ｖ
トーチ角度：水平角α２＝１２．５゜
前進角β２＝０゜
トーチ運棒：高速回転（回転速度：５０Ｈｚ、回転直径：３ｍｍ）

図７は極間距離２５ｍｍの場合であるが、極間距離１５ｍｍおよび３５ｍｍの場合でも、開先角度２５゜の狭開先継手の炭酸ガスシールドアーク溶接において、高温割れおよび開先ルート部の溶込み不足のない完全溶込みの初層溶接を実施できた。

溶接試験結果の模式断面図。本発明のガスシールドアーク溶接方法の説明図。図２の溶接状況を鉛直面上に投影して表した説明図。先行電極の狙い位置求める方法示す説明図。高速回転アーク溶接方法の原理を示す説明図。アークセンサ倣い制御方法の原理を示す説明図。本発明の溶接方法による溶接試験結果を示す初層のビード断面模式図。従来の厚板多層盛溶接における開先継手の模式図。

符号の説明

１下板
２立板
３開先加工面
４開先ルート
１１先行電極
１２後行電極
１３先行アーク
１４後行アーク
１５溶融池
１６溶接ビード

Claims

溶接進行方向の前後に所定間隔で配置された先行電極と後行電極とにより１つの溶融池を形成しながら狭開先継手の初層溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
前記先行電極は、溶接ロボットアーム先端に取り付けてトーチ運棒をストリンガ運棒とするとともに、狙い位置を開先ルートとし、
前記後行電極は、前記先行電極と同じ溶接ロボットアームに取り付けてトーチ運棒を高速回転または高速揺動とするとともに、前記後行電極のアークセンサ信号により、前記先行電極および前記後行電極の溶接線倣い制御を行うことを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
前記先行電極の先端と前記後行電極の先端との極間距離は、１５〜３５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載のガスシールドアーク溶接方法。
少なくとも前記先行電極の溶接ワイヤとして、希土類元素添加のソリッドワイヤを正極性で使用することを特徴とする請求項１または２記載のガスシールドアーク溶接方法。
開先角度が４５度以下のレ型またはＶ型またはＹ型の狭開先継手に適用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。