JP5262641B2

JP5262641B2 - タンデム揺動溶接方法

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Publication number: JP5262641B2
Application number: JP2008308579A
Authority: JP
Inventors: 俊克野木; 雅智村山
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP2010131616A

Description

本発明は、橋梁、鉄骨、重機等の鋼構造物の厚板多層盛溶接継手に適用されるタンデム溶接方法に関する。

２本の溶接ワイヤを使用するタンデム溶接方法は、単電極のアーク溶接法に比べて溶着量が倍加するため高能率の溶接ができるものとして知られている。このようなタンデム溶接方法の従来技術１としては、開先幅（但し、この開先幅は、積層途中の場合の前層ビード幅である）が２５ｍｍ未満の場合は、先行電極ワイヤ及び後行電極ワイヤの狙い位置を開先幅の中央とし、開先幅が２５ｍｍ以上の場合は、先行電極ワイヤを片方の開先壁方向に、後行電極ワイヤを他方の開先壁方向の狙い位置として揺動溶接で多層盛溶接するものがある（例えば、特許文献１参照）。
しかし、従来技術１は、先行電極ワイヤ及び後行電極ワイヤの前後方向の極間距離が大きい２プールタンデム溶接方法が前提条件となっている。

一方、従来技術２として、先行ワイヤ先端と後行ワイヤ先端間の距離を１０〜２０ｍｍとした１プールタンデム溶接方法がある（例えば、特許文献２参照）。
しかし、従来技術２は、先行トーチ及び後行トーチを共に揺動させないストレートのトーチ運棒法となっているが、揺動させるものもある（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−１２９０７２号公報特開２００１−２２５１６８号公報特開平１１−１７００５１号公報

しかし、従来技術１は、開先幅が２５ｍｍ未満の場合、先行電極ワイヤと後行電極ワイヤの狙い位置は同じ、すなわち、左右方向の極間距離はゼロであり、電極の揺動領域も先行と後行で片側ずつ分担するのではなく、１電極の揺動アーク溶接法と同様に開先幅全域を揺動するものである。
この方法では、開先幅が広い場合（１５〜２５ｍｍ）の場合、溶接方向の揺動軌跡間隔である揺動ピッチが荒くなり、揺動端部で溶接欠陥が発生しやすいという問題がある。
また、揺動ピッチを小さくするために揺動速度を速くすると、アークの安定性が低下し、欠陥が発生しやすくなる。
さらに、２プールタンデム溶接であるため、図７に示すように溶込み底部が不連続になったり、ビード表面形状が不連続になるなどの問題がある。

また、従来技術２のように１プールタンデム溶接では、先行ワイヤによる溶融金属が後行ワイヤから発生するアーク力によって押しとどめられるため、図９に示すように、溶融池の電極間に溶融金属が盛り上がった、いわゆる「溶鋼溜まり」が発生するため、多層盛溶接では溶融池の挙動が複雑で不安定になりやすいという問題がある。
また、１プールタンデム溶接で揺動を行う溶接法では、揺動幅は、基本的に１電極の場合と同じである。１電極溶接における揺動幅は、一般的に、揺動端でアークの一部が開先側壁に振れるように開先幅に応じて設定する。
従って、１プールタンデム溶接で同様の揺動を行った場合には、上記の溶鋼溜まりの挙動が揺動端で不安定になりやすく、アークの安定性が低下するという問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、溶接能率を向上させるとともに、揺動端部での溶接欠陥を抑制し、良好なビード形状で安定した積層溶接が可能なタンデム揺動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、本発明に係るタンデム揺動溶接方法は、消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御し、その際に、溶接の全層を通して、前記先行電極の揺動範囲と前記後行電極の揺動範囲とがラップしないように、前記揺動幅を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とする。

本発明のポイントは、上記のように、先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離のほかに、開先幅方向の左右極間距離を設けることに着目し、開先幅の変動に応じて開先幅と左右極間距離を適正に制御することにより、揺動時のタンデム溶接の安定性を向上したことにある。

図８により、本発明と従来技術を比較して説明すると、本発明は、以下のような効果がある。
［アーク安定性の改善効果］
従来技術では、先行電極と後行電極の両方が同時に、左右の各開先端部に到達するため、溶鋼溜まりの挙動が不安定になりやすく、溶接の安定性に問題があった。
一方、本発明では、左右極間距離を設けているため、図８に示すような配置では、開先の左端部は先行電極だけが、右端部は後行電極だけが到達するため、溶鋼溜まりの挙動が不安定になりにくい。
［揺動幅を小さくできる効果］
従来技術では、先行電極・後行電極とも左右の開先端部まで揺動を行っている。従って、開先幅が増加すれば、揺動幅も基本的に同じだけ増加する必要がある。
揺動速度が一定の場合、開先幅が増加すると揺動ピッチが荒くなるため、欠陥が発生しやすいという問題があった。また、揺動ピッチを減少させるために、揺動速度を速くすると、アークが不安定になるという問題があり、開先幅が所定値以上になると、１層２パスの振り分け施工に切り替える必要があった。
一方、本発明では、少なくとも左右極間距離の分だけは揺動幅を小さくすることができる。従って、開先幅の増加量に対する揺動幅および揺動ピッチの増加率が減少する。そのため、１層１パス施工が可能な開先幅の上限値を大幅（２倍以上）に増加することができる。

また、先行電極の内側の揺動端と後行電極の内側の揺動端間の間隔（以下、この間隔を「振り幅間隔」と呼ぶ）が、ゼロより広がる方向を正とすると、溶接の全層を通してゼロ以上正の値となるように、揺動幅を制御する。
すなわち、先行電極の揺動範囲と後行電極の揺動範囲とがラップしないようにすることにより、揺動ピッチをさらに小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することができる。振り幅間隔はゼロやマイナスでも構わないが、正の値にした方が有効であることを確認した。

また、本発明では、少なくとも先行トーチ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ものである。
本発明のタンデム揺動溶接方法は、溶込みの大きいＣＯ₂１００％のガスを使用するＣＯ₂ガスシールド溶接にて施工されることが多い。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、少なくとも先行トーチの溶接ワイヤに、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（溶接ワイヤをマイナス極）で使用すると、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。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。

以上のように、本発明によれば、溶接能率が向上し、揺動端部での溶接欠陥が抑制され、良好なビード形状を得ることができ、かつ安定した積層溶接が可能であるという効果がある。

以下、本発明のタンデム揺動溶接方法の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明のタンデム揺動溶接方法を示す概念図で、溶接装置と開先断面の模式図である。図２は開先を上面から見た模式図で、先行トーチと後行トーチの配置関係を示すものである。また、図３は本発明におけるトーチ運棒の概要を表した図である。
図１〜図３において、１は先行トーチ、２は後行トーチ、３は先行電極（Ｌ極）、４は後行電極（Ｔ極）、５は溶融池、６は溶着ビード、７は開先である。
また、Ｇは開先幅（または前層ビード幅）、Ｗは揺動幅、ＤSは先行トーチ１と後行トーチ２間の振り幅間隔、ＤFRは溶接方向（前後方向）の極間距離、ＤRLは開先幅方向（左右方向）の左右極間距離、ＤLは先行トーチ１の左側揺動端と開先７の一方の左側側壁との距離（接近幅）、ＤTは後行トーチ２の右側揺動端と開先７の他方の右側側壁との距離（接近幅）、Ｈｂは溶着ビード高さ（厚さ）をあらわす。

この自動溶接装置１０は、台車走行方式の直交座標型溶接装置である。溶接台車１１は走行軸（例えば、走行車輪とレール等からなるＸ軸）により溶接方向に移動する。また、溶接台車１１には図示しない溶接電源や溶接制御装置が接続され、もしくは搭載されている。この溶接台車１１上には昇降軸（例えば、ボールネジからなるＺ軸）１２により上下方向に移動する昇降体１３が設けられており、昇降体１３には揺動軸（例えば、ボールネジからなるＹ軸）により溶接線に直角な方向、すなわち開先幅方向にスライドする揺動スライダ１４が設けられている。揺動スライダ１４は、先行トーチ１および後行トーチ２を、所定の揺動幅Ｗでかつ同じ位相で、同時に揺動させる共通のスライド軸（揺動軸）を備え、さらに後行トーチ２のみ（先行トーチ１のみでもよく、どちらか一方の溶接トーチ）が左右極間調整軸１５を介して揺動スライダ１４に取り付けられている。すなわち、先行トーチ１のワイヤ先端と後行トーチ２のワイヤ先端間の距離は、溶接方向（前後方向）を「極間距離ＤFR」であらわし、開先幅方向（左右方向）を「左右極間距離ＤRL」であらわすものとすると、本発明のタンデム揺動溶接方法においては、１プールタンデム溶接となるように極間距離ＤFRおよび左右極間距離ＤRLを保持するとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、先行トーチ１および後行トーチ２の揺動幅Ｗおよび左右極間距離ＤRLを適正に制御しながら揺動溶接を行うものである。

本発明と従来技術とを比較すると、次のような相違点がある。
（１）左右極間距離のパス別設定
従来技術では、左右方向の極間距離はゼロであるが、本発明では、開先幅または前層のビード幅に応じて設定する。
（２）トーチ運棒方法（ウィービング領域）
従来技術では、先行トーチおよび後行トーチが開先幅全域をウィービングする。そのため、揺動幅は、開先幅とほぼ同じである（揺動幅Ｗ＝開先幅Ｇ−接近幅ＤL−接近幅ＤT）。接近幅は約１ｍｍなので、揺動幅Ｗは（開先幅Ｇ−約２ｍｍ）となる。
本発明では、先行トーチ１と後行トーチ２で分担してウィービングを行う。従って、ウィービング幅および揺動ピッチを小さくできるという利点がある。その結果、溶接能率が向上し、かつ揺動端部での溶接欠陥が発生しないという効果がある。
ここで、本発明における揺動幅Ｗおよび左右極間距離ＤRLは、次式で表される。
Ｗ＝｛Ｇ−（ＤL＋ＤS＋ＤT）｝／２・・・（１）
ＤRL＝Ｗ＋ＤS ・・・（２）

本発明のタンデム揺動溶接方法は、例えば図４のＡ、Ｂに示すように、板厚ｔ＝１９ｍｍ以上の厚板の溶接継手に適用されることが多い。また、このほかにはＹ開先やＸ開先などにも適用することができる。
開先Ａは、裏当金付の片面レ型開先で、開先角度は３５゜、ルートギャップＲＧが３〜８ｍｍ程度が一般的である。開先Ｂは、ギャップなしの片面レ型開先で、開先角度は４５〜６０°と開先Ａよりも大きくすることが一般的である。後述する実施例は、開先Ａの場合である。

図５は前層ビード幅と振り幅間隔の関係の一例を示し、図６は前層ビード幅と揺動幅の関係の一例を示すものである。
図５において、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝０．３７５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、振り幅間隔（ＤS）をＹ＝６ｍｍと一定にする。
また、図６に示すように、前層ビード幅が１６ｍｍ以下の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．２５Ｘの関係で直線的に変化させ、前層ビード幅が１６ｍｍ超の場合は、揺動幅（Ｗ）をＹ＝０．５Ｘ−４の関係で直線的に変化させる。
このように、前層ビード幅の変動に応じて、揺動幅および振り幅間隔を制御することにより、揺動ピッチを小さくでき、揺動端部での溶接欠陥を抑制することが可能となる。

図７は本発明と特許文献１の２プールタンデム溶接技術によるビード断面形状の比較を示す模式図である。図７において、（ａ）は従来技術の２プールタンデム溶接の場合、（ｂ）は本発明の場合、（ｃ）は両者の比較図である。
従来技術の場合は、次のような問題がある。
（１）溶込み底部の不連続
２プールタンデム溶接の場合は、シングルトーチによる１層２パスと同じであるため、図７（ａ）のビード断面形状のように、溶込みラインが双子山状となり、１層１パスよりも欠陥が発生しやすいものとなる。
（２）ビード表面形状の不連続
僅かなトーチ位置（揺動範囲）の変動により、溶着ビード高さが左右で異なり、ビード表面形状が不均一になりやすい。

一方、本発明の場合は、図７(ｂ）、（ｃ）に実線で示すように、１プールタンデムによる左右極間距離を設けた揺動溶接であるため、２プールタンデム溶接と比較して、先行の溶込みが若干減少すると共に、後行の溶込みが若干増加する傾向にあり、溶込み深さが均一化し、かつビード高さも均一化される効果がある。

以下に、本発明の実施例について説明する。表１に溶接条件の一例を示す。なお、第７層は最終層であり、図５と図６とは別のルールで溶接パラメータを設定して仕上溶接を行う。

ここで、溶着ビード高さは、各層のビード高さの設定値とその累積値（開先底面が基準）を示す。事前実験により、適正値を求めている。
溶接速度は、記号Ｇ、Ｈから定まる溶着断面積とＥ、Ｆから定まるワイヤ送給速度から、一義的に定められる。
前層ビード幅は、初層は設定されたルートギャップＲＧであり、２層目以降の前層ビード幅はＨの累積ビード高さから定まる。
振り幅間隔（ＤS）の定義は図３に示すとおりである。実験により求めた適正値とする。
接近幅（ＤL、ＤT）の定義は図３に示すとおりである。実施例では、１．０ｍｍ一定としているが、開先形状に応じてパスおよび先行／後行で調整する。
揺動速度は、実施例では２５ｍｍ／sec一定としているが、同様に開先形状やパスに応じて調整する場合がある。
揺動幅（Ｗ）は、前層ビード幅、振り幅間隔、揺動接近幅により、一義的に定まる。
左右極間距離は、振り幅間隔および揺動幅により一義的に定まる（両者の合計）。

図１０は本実施例のビード断面形状を示す模式図であり、溶接欠陥のない、きわめて良好な形状を呈している。

なお、本発明では、図１に示すような直交座標型の溶接装置を用いた場合に限られるものではなく、例えば図１１に示すような一体型タンデム溶接トーチを用い、先行トーチアーク点を中心として、旋回軸の周りに後行トーチアーク点を回動させる方法によっても、左右極間距離を変更することができる。また、旋回中心は後行トーチアーク点を基準に先行トーチアーク点を回動させてもよい。なお、一体型タンデム溶接トーチというのは、２本の溶接トーチが１つのガスシールドノズルの中に設けられている構造のものであり、例えば特開２００３−３９１７２号公報に開示するようなトーチ構造である。また、旋回軸は、図１１に示す方式以外に弓型ラック式（円弧ラック）のスライド軸を用いても良い。

本発明のタンデム揺動溶接方法を示す概念図。先行トーチと後行トーチの配置関係を示す模式図。本発明におけるトーチ運棒の概要図。本発明のタンデム揺動溶接方法を適用できる溶接継手形状の例を示す図。前層ビード幅と振り幅間隔の関係を示す図。前層ビード幅と揺動幅の関係を示す図。本発明と従来技術によるビード断面形状の比較を示す模式図。本発明と従来技術による１プールタンデム溶接の揺動パターンの比較説明図。従来技術の１プールタンデム溶接の説明図。本発明の溶接実験結果を示すビード断面模式図。本発明における他の溶接装置の構成例を示す概念図。

符号の説明

１先行トーチ
２後行トーチ
３先行電極
４後行電極
５溶融池
６溶着ビード
７開先
１０自動溶接装置
１１溶接台車
１２昇降軸
１３昇降体
１４揺動スライダ
１５左右極間調整軸

Claims

消耗電極式アーク溶接による厚板の多層盛溶接において、
先行電極と後行電極による溶融池が１プールとなるように、電極間の溶接方向の前後極間距離及び開先幅方向の左右極間距離を保持し、
前記先行電極と前記後行電極を、同じ位相かつ同じ振幅で、開先幅方向に揺動させるとともに、開先幅または前層ビード幅に応じて、揺動幅と前記左右極間距離を制御し、
その際に、溶接の全層を通して、前記先行電極の揺動範囲と前記後行電極の揺動範囲とがラップしないように、前記揺動幅を制御して多層盛溶接を行うことを特徴とするタンデム揺動溶接方法。
少なくとも先行トーチ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記載のタンデム揺動溶接方法。