JP5260469B2

JP5260469B2 - ガスシールドアーク溶接方法

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Publication number: JP5260469B2
Application number: JP2009245250A
Authority: JP
Inventors: 泰之横田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: CN102049598A; JP2011088199A

Description

本発明は、フラックス入りワイヤを使用して単電極又は多電極で溶接するガスシールドアーク溶接方法に関し、特に、プライマを塗布した鋼板をすみ肉溶接する際に、溶接ビード表面に気孔欠陥が発生することを抑制するのに好適のガスシールドアーク溶接方法に関する。

従来、造船又は橋梁の水平すみ肉溶接において、ビード表面に発生する気孔欠陥を低減する方法として、溶融金属又は溶融スラグの粘性及び融点等を調整するためにワイヤ成分の最適化を行うか、又は多電極１プール溶接施工が行われている。この多電極１プール溶接施工とは、２電極で1つの溶融池を形成するガスシールドアーク溶接方法である。

特許文献１においては、アルカリ金属酸化物の１種類以上、アルカリ金属を除く酸化物、Ｍｇ、Ｓｉ及びＭｎを含有する所定の組成のフラックス入りワイヤを、先行電極及び後行電極として使用し、両電極間を１５乃至５０ｍｍにしてガスシールドアーク溶接を行う方法が開示されている。この従来方法により、１ｍ／分以上の高速溶接において、溶接作業性が良好で、かつ耐気孔性が優れたガスシールドアーク溶接が可能である。

特許文献２には、先行電極と後行電極の双方又は一方に、溶着金属の拡散性水素量が１５．０乃至４０．０ミリリットル／１００ｇであるルチール系フラックス入りワイヤを使用し、両電極の極間距離を２０乃至５０ｍｍとし、実質的に１プールを形成して水平すみ肉溶接を行う方法が開示されている。この方法により、造船、橋梁等の分野で多用されているプライマ塗布鋼板の水平すみ肉溶接において、特に、高能率で耐ピット性に優れた高速水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法が得られるとされている。

特許文献３には、直径が１．２乃至２．０ｍｍの溶接ワイヤを使用し、第１電極と第３電極との間隔を７０ｍｍ以上とし、各電極に７５０Ａ以下の溶接電流を供給し、第１及び第２電極によって第１の溶融池（プール）を形成し、第３電極により第２の溶融池を形成して、２ｍ／分以上の溶接速度で溶接を実施する方法が開示されている。この方法により、特殊な大容量溶接棒を必要とせず、ビード外観・形状及びアーク安定性等の溶接作業性が優れ、且つ、ピット、ブローホール及び融合不良等の溶接欠陥が発生しない。

特許文献４には、フラックスコアドワイヤを使用して、２電極にて水平すみ肉溶接する方法において、後行電極の溶接電流を先行電極の０．８乃至０．９倍の範囲になるようにすると共に、両電極間の距離を１０乃至１００ｍｍの範囲内となるようにし、また先行電極の後退角及び後行電極の前進角が、夫々５乃至１０°の範囲内となるようにすみ肉溶接する方法が開示されている。この方法により、湯流れがない安定した湯溜まりが形成されて、欠陥がないビードが得られ、溶接速度を高速化した場合でも、良好なビードが得られるとされている。

特開平６−２３４０７５号公報特開平６−３１２２６７号公報特開平７−２５６４５５号公報特開平９−２７７０４２号公報

しかしながら、上述の従来方法では、単電極溶接で溶接速度が８０ｃｍ／分以上、２電極溶接では溶接速度が１５０ｃｍ／分以上の条件になった場合に、溶接ビード表面の気孔欠陥を完全に防止することはできないという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、単電極溶接で溶接速度８０ｃｍ／分以上、２電極溶接で溶接速度１５０ｃｍ／分以上の条件においても、溶接ビード表面に気孔欠陥が発生せず、健全な溶接ビードを得ることができ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。

本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、フラックス入りワイヤを使用した単電極又は多電極のガスシールドアーク溶接方法において、溶接方向における前記単電極の１０乃至４０ｍｍ後方にて、又は前記多電極のうち最後尾電極の溶接方向における１０乃至４０ｍｍ後方にて、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤにより構成されるフィラ電極を溶接プールに挿入しつつ溶接速度を１００乃至２００ｃｍ／分としてガスシールドアーク溶接することを特徴とする。

本発明者等は、溶接ビード表面の気孔欠陥の発生を防止すべく、種々実験研究を重ねた結果、鋼板に塗布されたプライマが溶接の熱により気化した場合に、この気化ガスが溶融金属中で気泡となり、溶融金属表面から放出されるが、この放出位置が最後尾電極の後方１０乃至４０ｍｍの間の領域であることを知見した。そこで、この領域からの気泡の放出を防止するために、本発明においては、この領域にフィラワイヤを供給し、溶融金属の積極的な凝固を図ることにより、気泡が溶融金属の表面から放出されないようにした。これにより、溶接ビードの表面に気泡欠陥が生じることを防止できる。

本発明によれば、プライマの気化ガスが浮上してくる溶融プール表面に、消耗電極を挿入することにより、溶融金属の凝固を促進し、溶融金属表面から気泡が放出されることを防止し、溶接ビード表面に気泡欠陥が発生することを防止できる。

本発明の第１実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法を示す平面図である。同じくその溶融金属部分を示す縦断面図である。図１の側面図である。本発明の第２実施形態に係る溶接方法を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１乃至図３は本発明の第１実施形態を示す図である。この第１実施形態は、単電極ガスシールドアーク溶接の場合のものである。図１及び図３に示すように、下板１が水平に配置され、立板２がこの下板１に垂直になるように立設された状態に配置されている。そして、この立板２と下板１との隅部を、すみ肉溶接する。溶接トーチ３がこの隅部に向けて傾斜して設置され、溶接トーチ３から供給されたフラックス入りワイヤ６がこの隅部の狙い位置（立板狙い位置及び下板狙い位置）に向けて送給される。そして、このトーチ３から供給される溶接ワイヤ６を単電極とし、この単電極の溶接進行方向の後方の距離ｘの位置に、トーチ４からフィラワイヤ７が供給される。

下板１及び立板２は、鋼板であるが、その対象鋼種は特には制限されない。本実施形態は、種々の鋼種のすみ肉溶接に適用することができる。また、使用する溶接ワイヤ６も種々のフラックス入りワイヤを使用することができる。

更に、フィラワイヤ７としては、フラックス入りワイヤ又はソリッドワイヤを使用することができる。フィラワイヤ７として、これらの溶接用ワイヤを使用するが、アーク放電はさせない。しかし、フィラワイヤ７を加熱して昇温した状態で溶融プールに供給するために、フィラワイヤ７に通電して抵抗発熱により加熱することもできる。又は、フィラワイヤ７には通電せずに、室温の状態のワイヤを溶融プールに供給してもよい。

本実施形態においては、この単電極溶接ワイヤ６とフィラワイヤ７との間隔Ｘは１０乃至４０ｍｍである。

次に、本実施形態の動作と共に、Ｘの数値限定理由について説明する。図２に示すように、下板１の鋼板の表面には、プライマ１ａが塗布されている。このプライマ１ａの上に立板２の鋼板が立設されている。この状態で、トーチ３から送給された溶接ワイヤ６と鋼板との間でアークを形成すると、下板１と立板２との間の隅部が溶融し、溶融金属１０（溶融プール）が形成される。

そして、溶接トーチ３が通過した後の隅部には、溶融金属１０が凝固して溶接金属１２が形成されると共に、この溶接金属１２の表面上には、フラックス入りワイヤ中のフラックスが溶接熱により溶融した後凝固して、スラグ１１が形成されている。

鋼板の表面に防錆塗料であるプライマ１ａが塗布されていると、このプライマ１ａが溶接時の熱により気化し、気泡１３となって溶融金属１０内を浮上する。従来、この気泡１３が溶融金属１０の表面近傍に到達した時点で、溶融金属１０が凝固すると、凝固後の溶接金属表面、即ち、溶接ビードの表面に気孔欠陥が発生している。

しかし、本実施形態においては、単電極（溶接ワイヤ６）の後方のＸの距離（Ｘは１０乃至４０ｍｍ）の位置に、トーチ４から、フィラワイヤ７を供給する。これにより、気泡１３が溶融金属１０の表面に到達する前に、溶融金属の表面の冷却を図ることができ、溶融金属の表面を積極的に凝固させることができる。このように、フィラワイヤの供給により、溶融金属表面の冷却及び凝固を図ることにより、気泡１３が溶接金属１２の表面に出現して、溶接ビードの表面に気泡欠陥が発生することを防止することができる。

本発明者等は、種々実験研究を重ねた結果、気泡１３が溶融金属１０の表面に到達する位置が、単電極の場合は、その単電極の後方１０乃至４０ｍｍの領域であり、多電極の場合は、その最後尾の電極の後方１０乃至４０ｍｍの領域であることを見出した。この領域にフィラワイヤ７を供給することにより、このフィラワイヤ７は、消耗電極として溶融金属の熱により溶融する。このフィラワイヤ７の溶融に際して、溶融金属１０が抜熱され、溶融金属１０が冷却されてその凝固が促進され、気泡が溶融金属１０の表面から抜けることを防止することができる。単電極又は多電極の最後尾の電極と、フィラワイヤとの間の極間距離が１０ｍｍより小さいと、溶融金属内を浮上してきた気泡１３はフィラワイヤよりも更に後方から浮上し、最終的には、ビード表面の気孔欠陥となる。一方，単電極又は最後尾電極の後方に４０ｍｍを超えて離れた位置にフィラワイヤを供給しても、既に溶融金属１０は半凝固状態となっており、また、浮上してきた気泡１３は、フィラ供給位置の前方で既に溶融金属１０の表面に到達している。このため、気泡１３が溶接ビードの表面から放出することを防止することができない。従って、フィラワイヤ７と、単電極又は多電極の最後尾電極との極間距離は、１０乃至４０ｍｍとする必要がある。好ましくは、このフィラワイヤ７と、単電極又は多電極の最後尾電極との極間距離は、１５乃至３０ｍｍである。

次に、図４を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は，多電極溶接の場合、例えば２電極の場合である。図４に示すように、先行極としてトーチ３から溶接ワイヤ６が立板２と下板１との隅部に供給され、後行極としてトーチ５から溶接ワイヤ８が前記隅部に供給される。なお、図４に示す実施形態においては、先行極は後退角をもって傾斜し、後行極は前進角をもって傾斜しているが、先行極と後行極の関係は、このような実施形態に限るものではない。

本実施形態においては、後行極である溶接ワイヤ８と、この後行極の後方に配置されたトーチ４から送出されるフィラワイヤ７との間の極間距離Ｘが１０乃至４０ｍｍである。これにより、図２と同様に、気泡１４が浮上してくる位置にフィラワイヤ７が供給されて溶融金属１０の凝固が促進され、気泡がビード表面の欠陥となることが防止される。なお、本実施形態は、先行極があるので、溶融金属１０は、図示の右端まで存在する。

このようにして、本発明により、多電極の場合も、単電極の場合と同様に気泡欠陥を防止できるという効果を奏する。

次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と対比して説明する。直径が１．６ｍｍのフラックス入りワイヤを、単電極又は多電極（実際は２電極）の溶接ワイヤとして使用し、以下の条件で溶接試験を行った。溶接条件は以下のとおりである。
（１）供試鋼板及び継手形状
厚さが１２ｍｍ、横が１００ｍｍ、縦が１０００ｍｍの鋼板を使用して、Ｔ型すみ肉継手を形成した。なお、鋼板の表面には、膜厚が４０μｍのプライマが塗布されている。
（２）溶接姿勢
水平すみ肉溶接により溶接した。
（３）シールドガス
１００％ＣＯ_２ガスであり、流量は２５リットル／分である。
（４）ワイヤ突き出し長さ
給電チップ先端からのワイヤ突き出し長さは、２５ｍｍである。
（５）溶接ワイヤの電源特性
電源特性は、直流電極プラス（ＤＣワイヤ（＋））である。
（６）ワイヤ径
ワイヤ径は、１．６ｍｍである。
（７）溶接電流及び電圧
単電極の場合は、溶接電圧が３４Ｖ、溶接電流が３５０Ａであり、２電極の場合は、先行極の溶接電圧が３６Ｖ、溶接電流が４５０Ａであり、後行極の溶接電圧が３６Ｖ、溶接電流が４００Ａである。
（８）トーチ角度
溶接ワイヤのトーチ角度は、単電極の場合は、水平に対して４５°の角度をなし、２電極の場合は、先行極及び後行極の双方が水平に対して５０°の角度をなすように、トーチを配置した。
（９）前進角及び後退角
単電極の場合は、トーチを溶接方向に垂直の方向に向けた。即ち、前進角及び後退角が０°である。２電極の場合は、先行極が後退角１０°、後行極が前進角１０°である。
（１０）狙い位置
単電極の場合は、狙い位置は立板狙い（図３参照）が０ｍｍ、下板狙い（図３参照）が２ｍｍである。２電極の場合は、先行極が立板狙いが０ｍｍ、下板狙いが０ｍｍであり、後行極は立板狙いが０ｍｍ、下板狙いが２ｍｍである。
（１１）極間距離
単電極又は後行極とフィラワイヤとの極間距離は、２５ｍｍである。
（１２）溶接速度
単電極の場合の溶接速度は、１００ｃｍ／分と、１５０ｃｍ／分との２種類、２電極の場合の溶接速度は、１５０ｃｍ／分と、２００ｃｍ／分との２種類である。
（１３）フィラワイヤ径
フィラワイヤ径は、０．９ｍｍ、１．２ｍｍ、２．０ｍｍの３種類である。
（１４）フィラワイヤの電源特性
フィラワイヤの電源特性は、直流のワイヤプラス（＋）又はワイヤマイナス（−）である。

この溶接試験における単電極の場合の溶接条件及びビード表面欠陥個数を、表１及び表２に、また、２電極の場合の溶接条件及びビード表面欠陥個数を、表３及び表４に示す。

これらの表１乃至４に示すように、単電極及び２電極の全ての実施例は、フィラワイヤとの極間距離が１０乃至４０ｍｍであるため、ビード表面の気泡欠陥は観察できず、優れた溶接ビードを得ることができた。

これに対し、比較例２乃至５，比較例２５乃至２９、比較例５２乃至５７、比較例７７乃至８１は、フィラワイヤを溶融金属に挿入しているものの、フィラワイヤとの極間距離が５ｍｍであり、本発明の下限値より短いため、フィラワイヤ挿入位置よりも後方に気泡が浮上してビード表面の気泡欠陥を防止することができなかった。また、比較例２０乃至２３、比較例４５乃至５０、比較例７１乃至７５、比較例９６乃至１００もフィラワイヤを溶融金属に挿入しているものの、フィラワイヤとの極間距離が、本発明の上限値４０ｍｍを超えるため、フィラワイヤの挿入位置よりも前方に気泡が浮上して、ビード表面の気泡欠陥を防止することができなかった。

このように、本実施例においては、単電極で溶接速度８０ｃｍ／分以上、多電極で溶接速度１５０ｃｍ／分以上の高速溶接においても、ビード表面の気孔欠陥がなく、健全な溶接ビードを得ることができる。

１：下板
２：立板
３、４、５：トーチ
６、８：溶接ワイヤ
７：フィラワイヤ
１０：溶融金属
１２：溶接金属
１３：気泡

Claims

フラックス入りワイヤを使用した単電極又は多電極のガスシールドアーク溶接方法において、溶接方向における前記単電極の１０乃至４０ｍｍ後方にて、又は前記多電極のうち最後尾電極の溶接方向における１０乃至４０ｍｍ後方にて、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤにより構成されるフィラ電極を溶接プールに挿入しつつ溶接速度を１００乃至２００ｃｍ／分としてガスシールドアーク溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。