JP5354236B1 - 鋼板のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

低入熱で、溶接部の高靭性化を図るとともに、深い溶込みを可能とし、かつ溶接速度が３ｍ／分以下であるような厚肉材の溶接において、十分に広いビード幅を得ることができるサブマージアーク溶接方法を提供する。溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径を3.9〜4.１mmとし、溶接進行方向の最後尾に、溶接線を挟んで両側に２本の電極を配置し、かつその２本の電極の鋼板の表面におけるワイヤ先端位置を溶接線に対して垂直な同一線上に配置するとともに、ワイヤ先端位置と溶接線との距離Ｗ（mm）を５〜20mmとする。

Description

本発明は、鋼板のサブマージアーク溶接に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接に好適なサブマージアーク溶接に関するものである。

ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接には、２電極以上を用いるサブマージアーク溶接（たとえば特許文献１，２参照）が普及しており、大径鋼管の生産性向上の観点から、内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する高能率な両面一層盛り溶接が広く採用されている。

両面一層盛り溶接では、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属とが十分に重なり、未溶融部が生じないように、溶込み深さを確保する必要があるので、1000Ａ以上の大電流を供給して溶接を行なうのが一般的である。

一方で、大径鋼管のシーム溶接では、溶接部とりわけ熱影響部の靭性が劣化するという問題があり、溶接部の靭性向上のためには可能な限り溶接入熱を低減する必要がある。しかし、溶接入熱を低減すれば、溶込み不足を生じる危険性が高まり、未溶融部が生じ易くなり、かつアンダーカット等の表面欠陥が発生しやすくなるという問題がある。

そのため、大径鋼管のシーム溶接における溶込み深さの確保と溶接部の靭性向上とを両立させ、かつ広いビード幅を得てアンダーカット（undercut）等の表面欠陥を防止する溶接技術が検討されている。

たとえば特許文献３には、ガスメタルアーク溶接とサブマージアーク溶接を併用する溶接方法が開示されており、ガスメタルアーク溶接により深い溶込みを確保した後、溶着量の大きいサブマージアーク溶接の１本のトーチに２本のワイヤを溶接線方向に対して直角に配置して溶接を行なうことによって、広いビード幅を得て、アンダーカット等の表面欠陥の防止を図っている。

しかしながら、特許文献３に開示された技術では、溶接速度が３ｍ／分を超える場合にビード幅を広げる効果が得られるが、３ｍ／分以下の溶接速度では、特に板厚が20mmを超えるような厚肉材を溶接する際に、ビード幅を広げる効果は十分に得られない。そのため、溶接電圧を高める等の方法で、ビード幅を広げる必要があり、その結果、溶接入熱を低減することは困難であるという問題がある。しかも、ガスメタルアーク溶接とサブマージアーク溶接を併用するので、機器の構成が複雑になり、溶接条件の管理や機器のメンテナンスに要する負荷が増大する。

特許文献４には、多電極で高速溶接を行なうサブマージアーク溶接方法が開示されており、未凝固の溶接金属に磁場を印加することによって、湯流れを制御して、アンダーカット等の表面欠陥の防止を図っている。

しかしながら、特許文献４に開示された技術では、ビード幅を広げる効果は得られるものの、磁場を印加する装置を導入しなければならないので、装置の構成が複雑になり、溶接と磁場の設定条件の管理や装置のメンテナンスに要する負荷が増大する。

特開平11-138266号公報 特開平10-109171号公報 特開平7-266047号公報 特開2002-120068号公報

本発明は、低入熱で、溶接部の高靭性化を図るとともに、深い溶込みを可能とし、かつ溶接速度が３ｍ／分以下であるような厚肉材の溶接において、十分に広いビード幅を得ることができるサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは、サブマージアーク溶接にて電極の配置を種々変更して得られる溶接継手を調査し、その結果、溶接進行方向の最後尾に、２本の電極を溶接線に対して垂直な同一線上の溶接線を挟んで両側に配置して、その最後尾の電極の位置と角度を規定することによって、低入熱で溶接部の高靭性化を図り、かつ十分な溶込みが得られ、しかもビード幅の広い溶接継手が得られることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１） 溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径を3.9〜4.１mmとし、前記溶接進行方向の最後尾に、溶接線を挟んで両側に２本の電極を配置し、かつ該２本の電極の前記鋼板の表面におけるワイヤ先端位置を前記溶接線に対して垂直な同一線上に配置するとともに、前記ワイヤ先端位置と前記溶接線との距離Ｗ（mm）を５〜20mmとする３電極以上を用いた鋼板のサブマージアーク溶接方法。

（２） 前記最後尾の２本の電極のコンタクトチップの先端部中心から鉛直下方に下ろした鉛直線が前記鋼板の表面と交わる位置と前記溶接線との距離Ｍ（mm）が、前記距離Ｗに対してＭ≧Ｗを満たすことを特徴とする上記（１）に記載のサブマージアーク溶接方法。

（３） 前記第１電極に直流電流を供給し、第２電極以降に交流電流を供給することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、溶接入熱を低減して、溶接部の高靭性化と溶込み深さの確保を両立させる。さらに、溶接速度が３ｍ／分以下であるような厚肉材の溶接において、十分に広いビード幅を得ることができるので、サブマージアーク溶接に有利であり、産業上格段の効果を奏する。

図1は本発明のサブマージアーク溶接方法の例を模式的に示す斜視図である。 図２は図１中の電極と鋼板の側面図である。 図３は図１中の各電極のワイヤ先端と最後尾の電極のコンタクトチップ先端中心との鋼板表面における位置を示す平面図である。 図４は開先形状の例を模式的に示す断面図である。 図５は溶接継手の例を模式的に示す断面図である。 図６は溶接継手の他の例を模式的に示す断面図である。 図７は溶接継手の他の例を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明のサブマージアーク溶接方法を適用して鋼板の溶接を行なう例を模式的に示す斜視図であり、図２はその側面図である。図３は、図１中の各電極のワイヤの鋼板表面における先端と最後尾の電極のコンタクトチップ先端中央との鋼板表面における位置を示す平面図である。以下に、図１〜３を参照して、本発明のサブマージアーク溶接方法について説明する。なお、図１〜３には４本の電極を用いる例を示すが、本発明は、３本以上の電極を用いるサブマージアーク溶接方法であり、電極を４本に限定するものではない。

図１に示すように、４本の電極を用いる場合は、矢印Ａで示す溶接進行方向の先頭の電極を第１電極１とし、その第１電極１のワイヤ12の先端位置が進行する鋼板５表面上の軌跡を溶接線６とする。溶接進行方向Ａの２番目の電極を第２電極２として、第１電極１の後方に配置する。さらに第２電極２の後方に、最後尾の２本の電極を、溶接線６を挟んで両側に配置して、第３電極３および第４電極４とする。なお、各電極のコンタクトチップ11，21，31，41には、それぞれワイヤ12，22，32，42を１本ずつ供給する。

まず、第１電極について説明する。

第１電極１のワイヤ12のワイヤ径については、4.1mmを超えると、深い溶込みを得ることができないので、4.1mm以下とする。しかし、ワイヤ径が3.9mm未満では、図６に示すように、溶込み分離が生じ易い。したがって、第１電極１のワイヤ12のワイヤ径は3.9〜4.1mmの範囲内とする。

また、第１電極１のワイヤ12に供給する電流は、溶込み深さをさらに増加させるために、直流電流を供給することが好ましい。

さらに、第１電極１は、図２に示すように、ワイヤ12を鋼板５表面に対して垂直から-15度の範囲内に設定することが好ましい（−：後退角）。第１電極１のワイヤ12をこのように設定することによって、鋼板５に垂直方向よりアークを供給することが可能となるので、溶込みが深くなる。

次に、第２電極について説明する。

第２電極２は、図３に示すように、ワイヤ22の鋼板表面における先端位置23が溶接線６上に配置されるように設定する。ワイヤ22のワイヤ径や、ワイヤ22に供給される電流の電流密度は、特に限定しないが、他の電極との間でアークの干渉が生じるのを防止するために、ワイヤ22に交流電流を供給することが好ましい。

また、第２電極２は、図２に示すように、ワイヤ22の先端がコンタクトチップ21よりも溶接進行方向Ａの前方（すなわち第１電極側）に位置するように、ワイヤ22を傾斜させて設定することが好ましい。そのワイヤ22と鉛直線とのなす角β（以下、前進角という）を５°以上とすれば、ビードの幅を広げる効果が顕著に現われるので好ましい。ただし、第２電極２の前進角βが大きすぎると、溶接が不安定になり、スラグ巻き込みが発生し易くなるため、前進角βは20°以下が好ましい。

３本の電極を用いて本発明を適用する場合には、この第２電極２は配置せず、第１電極１の後方に最後尾の２本の電極を溶接線６の両側に配置する。

また、５本以上の電極を用いて本発明を適用する場合は、第２電極２の後方に３番目以降の電極を溶接線６上に配置し、最後尾の２本の電極を溶接線６の両側に配置する。

次に、最後尾の電極について説明する。

最後尾の第３電極３，第４電極４は、図３に示すように、ワイヤ32，42の鋼板表面における先端位置33，43が溶接線６に対して垂直な同一線上に配置されるように設定する。第３電極３のワイヤ32の先端位置33と溶接線６との距離Ｗ_R、および第４電極４のワイヤ42の先端位置43と溶接線６との距離Ｗ_Lが５mm未満では、ビードの幅を広げる効果が得られない。距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lが20mmを超えると、第３電極３および第４電極４の溶接金属が、図７に示すようなビード分離を起こすので、アンダーカット等の表面欠陥を防止できない。したがって、距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lは、いずれも５〜20mmの範囲内とする。距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lは必ずしも同一とする必要はないが、良好な形状のビードを形成して、アンダーカットを防止するために、Ｗ_R＝Ｗ_Lとすることが好ましい。

また、第３電極３，第４電極４は、図２に示すように、ワイヤ32，42の先端がコンタクトチップ31，41よりも溶接進行方向Ａの前方（すなわち第１電極側）に位置するように、ワイヤ32，42を傾斜させて設定することが好ましい。そのワイヤ32，42の前進角βを20°以上とすれば、ビードの幅を広げる効果が顕著に現われるので好ましい。ただし、第３電極３，第４電極４の前進角βが大きすぎると、ビード幅のばらつきが大きくなり易いため、前進角βは50°以下が好ましい。

さらに、第３電極３，第４電極４は、図３に示すように、コンタクトチップ31，41の先端部中心から鉛直下方に下ろした鉛直線が鋼板５表面と交わる位置34，44（以下、コンタクトチップの先端中心位置という）が溶接線６に対して垂直な同一線上に配置されるように設定する。鋼板５表面における第３電極３のコンタクトチップ31の先端中心位置34と溶接線６との距離Ｍ_R、および第４電極４のコンタクトチップ41の先端中心位置44と溶接線６との距離Ｍ_LがそれぞれＭ_R＜Ｗ_R，Ｍ_L＜Ｗ_Lでは、第３電極３および第４電極４の溶込みが、図６に示すように、それぞれ分離して形成されるので、アンダーカット等の表面欠陥を防止できない。距離Ｍ_Rと距離Ｍ_Lは必ずしも同一とする必要はないが、良好な形状のビードを形成して、アンダーカットを防止するために、Ｍ_R＝Ｍ_Lとすることが好ましい。

第３電極３，第４電極４のワイヤ32，42のワイヤ径は必ずしも同一とする必要はないが、良好な形状のビードを形成して、アンダーカットを防止するためには、同じワイヤ径のものを使用することが好ましい。

また、ワイヤ32，42に供給する電流は、電極間でアークの干渉が生じるのを防止するために、交流電流とすることが好ましい。ワイヤ32，42の電圧は、38〜42Ｖの範囲内であれば、ビード幅を広げる効果が顕著に発揮されるので好ましい。

以上に、４本の電極を用いる例について説明したが、本発明は電極数を４本に限定するものではなく、３本以上の電極を用いるサブマージアーク溶接に適用でき、とりわけ３〜５本の電極を用いる場合に顕著な効果が得られる。なお６電極以上の場合は溶接入熱が過大になり溶接熱影響部の靭性が劣化してしまうので好ましいとはいえない。

なお、ここでいう垂直は、必ずしも厳密な意味ではなく、±15°程度の自由度を許容する。

また、本発明は、種々の板厚や開先形状に適用でき、様々な溶接速度の片面溶接にも両面溶接にも適用できるが、特に溶接速度が３ｍ／分以下であるような厚鋼板（板厚：20mm超）を溶接する場合に適用すれば、深い溶込みと広いビード幅を得るとともに溶接入熱の低減を図ることができるので、熱影響部の靭性向上およびアンダーカットの防止に有効である。

図４に示すように、板厚Ｔが18.0mm，25.4mm，38.1mmの鋼板５に開先角度θを60°，70°，80°、開先深さＤを８mm，10mm，17mmとして開先加工を施した後、４本の電極を用いてサブマージアーク溶接を行なって、図５に示すような溶接継手を作製した。表１に開先形状、表２に溶接条件、表３に電極の配置、表４に溶接電流の設定を示す。

得られた溶接継手のビード外観を目視で観察し、さらにビード定常部の断面を観察して溶込み深さＨ（mm），ビード幅Ｂ（mm）を測定した。その結果を表５に示す。

表５に示す通り、本願発明にかかる発明例では溶込深さの確保ができ従来よりビード幅が増加した。 特に、記号１，２，10では美麗なビード外観が得られた。 比較例の記号５は、最後尾の２本の電極のワイヤ先端位置と溶接線との距離を４mmとしたために、ビード幅が狭かった。記号６は、最後尾の２本の電極のワイヤ先端位置と溶接線との距離Ｗを22mmとしたために、図７に示すようなビード分離が発生した。記号７は、第１電極のワイヤ径を3.2mmとしたために、図７に示すようなビード分離が発生した。記号８は、第１電極のワイヤ径を4.8mmとしたために、溶込みが小さかった。記号９，11は、最後尾の２本の電極のワイヤ先端位置と溶接線との距離Ｗを０mmとしたために、ビード幅が狭かった。

１ 第１電極
11 第１電極のコンタクトチップ
12 第１電極のワイヤ
13 第１電極のワイヤの先端位置
２ 第２電極
21 第２電極のコンタクトチップ
22 第２電極のワイヤ
23 第２電極のワイヤの先端位置
３ 第３電極
31 第３電極のコンタクトチップ
32 第３電極のワイヤ
33 第３電極のワイヤの先端位置
34 第３電極のコンタクトチップの先端中心位置
４ 第４電極
41 第４電極のコンタクトチップ
42 第４電極のワイヤ
43 第４電極のワイヤの先端位置
44 第４電極のコンタクトチップの先端中心位置
５ 鋼板
６ 溶接線

Claims (3)

1. 溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径を3.9〜4.１mmとし、前記溶接進行方向の最後尾に、溶接線を挟んで両側に２本の電極を配置し、かつ該２本の電極の前記鋼板の表面におけるワイヤ先端位置を前記溶接線に対して垂直な同一線上に配置するとともに、前記ワイヤ先端位置と前記溶接線との距離Ｗ（mm）を５〜20mmとする３電極以上を用いた鋼板のサブマージアーク溶接方法。
2. 前記最後尾の２本の電極のコンタクトチップの先端部中心から鉛直下方に下ろした鉛直線が前記鋼板の表面と交わる位置と前記溶接線との距離Ｍ（mm）が、前記距離Ｗに対してＭ≧Ｗを満たすことを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接方法。
3. 前記第１電極に直流電流を供給し、第２電極以降に交流電流を供給することを特徴とする請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。

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