JP5681568B2

JP5681568B2 - 裏置きビード溶接法

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Publication number: JP5681568B2
Application number: JP2011117298A
Authority: JP
Inventors: 塙　洋二; 洋二塙; 伸志佐藤; 康生村井; 法孝江口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP2012245530A

Description

本発明は、建築構造物、土木構造物、機械構造物等における溶接箱形構造体に適用する裏置きビード溶接法に関するものである。

上記のような溶接箱形構造体は、閉空間となるため、少なくとも１箇所（例えば、最終溶接部分）は、外部から溶接を行う必要がある。上記のような溶接箱形構造体を構築するに際し、構造物の強度上、特に疲労強度が問題となる箇所では、隅肉溶接法を適用したのではルート破壊（ルート割れ）の原因となるので、溶け込み溶接を行うことが望まれる。

例えば、Ｔ字継ぎ手の裏置きビード溶接法（「裏波ビード溶接法」とも呼ばれる）では、図１に示すように、一対の溶接母材１、３のうちの一方の溶接母材１（第一溶接母材）の側面に裏置きビード２を形成しておき、この裏置きビード２に沿って、ルート面（ルートフェイス）を小さく取った他方の溶接母材３（第二溶接母材）の開先を配置し、この開先付近にアーク（図中４は、溶接ワイヤを示す）および溶融池が形成され、その際ルートフェイスの一部も溶融し、これらがアーク側（図１の左側）から開先の先端部の隙間を通って裏置きビード２側に流出し、裏置きビード２と一体となって裏ビード５を形成して、溶接母材１、３が接合される。

このような溶接法は、最終的に片面側から溶け込み溶接を行うことができるので、上記のような制約のある溶接箇所の溶接法として適切である。

このような裏置きビード溶接法については、かねてより様々検討されており、例えば特許文献１には代表的な方法が開示されている。しかしながら、このような従来の裏置きビード溶接法では、図２（図１の部分拡大説明図）に示すように、溶接母材３側での止端部（溶接母材３と裏ビート５の境界部）６で裏ビード５がなす角度（図２中θで示す：以下「止端部角度」と呼ぶことがある。）が小さくなるという問題がある。更に、裏置きビード２側に形成される裏ビード５が反対側（アーク放電側）に形成されるビードよりも比較的小さくなるという問題がある。こうした現象は、溶接構造物を構築する上で、その特性を劣化する方向に作用する。

即ち、止端部角度θが小さくなると、隅肉溶接した場合と同様に、止端部６での応力集中が大きくなって割れの原因となる。また裏置きビード２側に形成される裏ビード５が反対側（アーク放電側）に形成されるビードよりも小さくなれば、一対の溶接母材相互の接合強度が小さくなる傾向がある。

上記のような課題を解決するために、例えば特許文献２のような技術も提案されている。この技術では、溶接母材１の側面に裏置きビード２を形成すると共に、もう一方の溶接母材３の側面にも裏置きビードを形成し、両方の裏置きビード２を接合するように裏ビード５を溶接するものである。しかしながら、こうした方法では、施工工程が増加するという問題がある。また、溶接母材３の側面にも裏置きビードを形成することによって、その部分の肉厚が大きくなって、溶接母材３のルート部が溶けにくくなり、溶湯が不安定になって、良好な裏ビードが形成されなという問題もある。

裏置きビード溶接法によって、良好な溶接継ぎ手を形成するには、溶接母材３側においても滑らかな止端部で脚長を有する裏ビードを形成する（即ち、止端部角度θを１８０°に近づくように大きくする）必要があるが、従来の溶接法ではこのような良好な裏ビードが形成されないのが実情である。以下では説明の便宜上、溶接母材３を「立て板」と呼ぶことがある。

また、いずれの技術においても、裏置きビード２は溶接母材１の側面に形成する（ビードオンプレート）ものであるが、溶接母材１が厚さ１０ｍｍ程度の板材の場合には、ビードオンプレートを行うだけでも溶接母材１に歪みが生じて変形し、箱形構造体の寸法精度が悪化するという問題もある。

特開平４−２３８６７０号公報特開平６−２３５４４号公報

本発明は上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、立て板側においても滑らかな止端部で脚長を有すると共に寸法の大きい裏ビードを形成し、溶接歪みが小さく、特性の良好なＴ字継ぎ手を形成できる裏置きビード溶接法を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の裏置きビード溶接法とは、裏置きビードを付けた第一溶接母材と、これと接合する第二溶接母材とを裏置きビード溶接法によってＴ字継ぎ手状に溶接するに際し、前記裏置きビードの幅をＷ（ｍｍ）、高さをＨ（ｍｍ）としたとき、これらの比（Ｗ／Ｈ）が３．０以下となるように裏置きビードを形成して操業する点に要旨を有するものである。

本発明方法においては、溶接電流Ｉ₀（Ａ）と溶接電圧Ｖ₀（Ｖ）の比(Ｉ₀／Ｖ₀）を１１以上として裏置きビードを形成することが好ましい。また、前記裏置きビードの頂点が幅Ｗの中央から外れており、裏置きビードの立ち上がりと頂点の距離が短い側に、前記第二溶接母材を配置し、この立ち上がりと頂点との距離をＤ（ｍｍ）としたとき、距離Ｄと高さＨ（ｍｍ）の比（Ｄ／Ｈ）が１．５以下となるようにしながら第二母材を溶接することも好ましい実施態様である。

本発明の溶接法によれば、形状が良好で寸法の大きい裏ビードを形成することができ、継ぎ手の疲労強度を上昇させることができる。また、本発明方法では、比較的低い入熱量で溶接を行うことができるので、裏置きビード施工時の溶接変形を小さく抑えることが可能となり、最終的な溶接施工に精度の高い仮組み立てが可能となり、生産性向上にも繋がるものとなる。

従来の裏置きビード溶接法の状況を示す説明図である。図１の一部拡大説明図である。本発明方法で裏置きビードを形成するときの説明図である。比（Ｗ／Ｈ）とビード角との関係を示すグラフである。比（Ｉ₀／Ｖ₀）と比（Ｗ／Ｈ）との関係を示すグラフである。低入熱ＭＡＧ溶接によって形成した裏置きビードの形状を示す図面代用写真である。通常ＭＡＧ溶接によって形成した裏置きビードの形状を示す図面代用写真である。非対称の裏置きビードを形成するときの説明図である。実施例における溶接母材の配置状況を示す説明図である。実施例で形成した裏ビードの形状（測定位置）を示す説明図である。

本発明者らは、立て板側においても滑らかな止端部で脚長を有する裏ビードを形成することのできる溶接条件について様々な角度から検討した。その結果、ビードオンプレートによって形成される裏置きビートの形状が、その後の溶接で形成される裏ビードの形状に影響を及ぼすとの知見が得られた。こうした状況を、図面を用いて説明する。

従来の裏置きビード溶接法では、裏置きビード２のビード幅Ｗに対してビード高さＨが低くなる傾向があり（前記図２参照）、裏置きビード２の形状（断面形状）が扁平な状態となっているのが通常である。このように、裏置きビード２の形状が扁平であると、アーク放電側から流出した溶融池で形成される裏ビード５も扁平なものとなり、止端部６が滑らかにならないと考えられた。

これに対して、図３（本発明方法で裏置きビードを形成するときの説明図）に示すように、裏置きビード２ａの形状が凸状になると（即ち、扁平でなくなると）、流出する溶融池が高くまで上がり、裏ビード５ａの寸法を大きくとることができると共に、止端部６が滑らかなものとなる（止端部角度θが大きくなる）。

そして本発明者らは、裏置きビード２ａの幅をＷ（ｍｍ）、高さをＨ（ｍｍ）としたとき、これらの比（Ｗ／Ｈ）が３．０以下となるように裏置きビード２ａを形成してやれば、形状が良好で寸法の大きい裏ビードが形成でき、継ぎ手の疲労強度を上昇させることができることを見出し、本発明を完成した。

ビードオンプレートによって裏置きビードを形成すると、鋼材、溶接材料、シールドガス等の溶接条件によっても裏置きビードの形状が異なるものとなる。ほぼ同じ溶着量で裏置きビードの形状を比較すると、溶接電圧（アーク電圧）を低く抑えたショートアーク（アーク電圧とアーク長は比例する）によって形成した裏置きビードの方が、凸状のものとなる。

また、橋絡移行を利用することによって、ショートアークを形成することができる。こうした観点から、本発明の溶接法においては、溶接電流Ｉ₀（Ａ）と溶接電圧Ｖ₀（Ｖ）の比(Ｉ₀／Ｖ₀）を１１以上として裏置きビードを形成することが好ましい。こうした溶接条件は、同じ溶接電流（アーク電流）を想定した場合に、比較的低い溶接電圧で溶接できる条件を意味するので、以下では「低入熱溶接」と呼ぶことがある。尚、アークが溶接の単位長（１ｃｍ）当たりに発生する電気的エネルギー（溶接入熱量）Ｑは、溶接速度をｖ（ｃｍ／ｍｉｎ)としたとき、下記（１）式で与えられる。
Ｑ＝（６０×Ｉ₀×Ｖ₀)／ｖ（Ｊｏｕｌｅ／ｃｍ） …（１）

本発明で裏置きビードを形成するときの溶接法は、基本的に不活性ガス（例えば、Ａｒ：１００容量％）を用いるＭＩＧ溶接（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔ−ｇａｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ）が代表的な方法として挙げられるが、こうした方法に限らず、シールドガスとして一部にＣＯ₂ガスを含んだ雰囲気で行うＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌａｃｔｉｖｅ−ｇａｓｓｈｉｅｌｄｅｄａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ）も適用できる。また、炭酸ガスアーク溶接法、被覆アーク溶接法等の他の消耗電極式アーク溶接法も適用できるが、ＴＩＧ溶接（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔ−ｇａｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ）等の非消耗電極式アーク溶接法も適用できる（この場合には、溶接ワイヤ４とは別に電極が必要となる）。

また、裏ビード５ａを形成するときの溶接（以下、「本溶接」と呼ぶことがある）は、基本的に裏置きビードを形成するときの溶接法に従えばよく、溶接電流Ｉ₀（Ａ）と溶接電圧Ｖ₀（Ｖ）の比(Ｉ₀／Ｖ₀）を厳密に規定する必要はないが、より良好な裏ビードを形成するためには比(Ｉ₀／Ｖ₀）を１１以上に制御することが好ましい。

溶接材料（溶接ワイヤ）の供給量を溶滴移行に合わせて制御する溶接電源を用い、ＭＡＧ溶接によって裏置きビードを形成した場合に、溶接電流（アーク電流）と溶接電圧（アーク電圧）が裏置きビードの形態に与える影響について調査した。その結果を、下記表１〜４に示す。このうち、表１、３は、低入熱溶接（以下、「低入熱ＭＡＧ溶接」と呼ぶ）を適用した場合の結果を示しており、表２、４は通常の溶接（以下、「通常ＭＡＧ溶接」と呼ぶ）を適用したときの結果を示している。また、表１、２は５０ｋｇ鋼を用いた場合、表３、４は１００ｋｇ鋼を用いた場合の結果を、夫々示している。表１〜４に示したビード角は、ビード１／２高さ位置での接触角（後記図６参照）を示している。

これらの結果に基づき、裏置きビードの幅Ｗ（ｍｍ）と高さＨ（ｍｍ）の比（Ｗ／Ｈ）と、ビード角との関係を図４に示す。ビード角の臨界値として、縦と横が１：１となる４５°を考慮すると、比（Ｗ／Ｈ）を３．０以下にすれば、良好な裏置きビードが形成できることが分かる。この比（Ｗ／Ｈ）の値は、好ましくは２．６以下であり、より好ましくは２．２以下である。また、裏置きビードおよび立て板（第二溶接母材３）の表面張力によって、止端部角度θの大きな裏ビードが形成できることになる。

溶接電流Ｉ₀と溶接電圧Ｖ₀の比（Ｉ₀／Ｖ₀）と、前記比（Ｗ／Ｈ）（即ち、裏置きビードの形態）との関係を図５に示す。即ち、比（Ｉ₀／Ｖ₀）を１１以上とすることによって、比（Ｗ／Ｈ）を小さくできる（即ち、３．０以下にできる）ことが分かる。この比（Ｉ₀／Ｖ₀）の値は、好ましくは１２以上であり、より好ましくは１３以上である。

上記で示したデータのうち、低入熱ＭＡＧ溶接（表３の試験Ｎｏ．８）によって形成した裏置きビードの形状を図６（図面代用写真）に示す。また通常ＭＡＧ溶接（表２の試験Ｎｏ．６）によって形成した裏置きビードの形状を図７（図面代用写真）に、夫々示す。

本発明で形成される裏置きビードは、断面形状が対称である必要はなく、例えば図８（ａ）に示すように、裏置きビード２ｂの頂点Ｐが幅Ｗの中央から外れているような状態（非対称）であっても良い。例えば図８（ｂ）に示すように、少なくとも立て板（第二溶接母材３）側のビード角が大きければ、上記と同様の効果が得られることになる。

このような裏置きビード２ｂを形成した場合には、裏置きビード２ｂの立ち上がりと頂点Ｐとの距離が短い側に立て板２を配置し、その立ち上がりと頂点Ｐとの距離（短い側の距離）をＤ（ｍｍ）としたとき、距離Ｄと高さＨ（ｍｍ）の比（Ｄ／Ｈ）が１．５以下となるようにしながら溶接母材を溶接することが好ましい。即ち、比（Ｗ／Ｈ）が３．０以下となるような状況が、少なくとも立て板を配置する側だけに形成するだけで、本発明の効果が達成できることになる。尚、Ｄ／Ｈはより好ましくは１．３以下であり、更に好ましくは１．２以下である。

上記のような形態の裏置きビード２ｂを形成するに当っては、溶接母材１を傾斜させて形成すれば良い。例えば図８（ａ），（ｂ）に示した状態では、図８の右側を下げるように傾斜させることによって、上記のような形態の裏置きビード２ｂ形成することができる。このような裏置きビード２ｂを形成することは、溶接母材１側の止端部６ａを潤らかにすることにもなるので、その止端部６ａの疲労強度向上にも繋がる。

本発明方法で用いられる溶接母材（金属板）の種類については、特に限定されない。また、溶接母材の厚さについても限定されないが、通常板厚が３〜５０ｍｍのものを想定したものである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

形状が１００×３００×１０（ｍｍ）の一対の鋼板（溶接母材）を用意し（同厚同士）、ＭＡＧアーク溶接（溶接装置：「ＳＥＮＳＡＲＣＡＢ５００」株式会社神戸製鋼所製）によって、下記の溶接条件でＴ字継ぎ手溶接を行った。このときの溶接接合部の状況を図９に示す（図中７は、溶接母材同士を一時固定する拘束板を示す）。尚、試験板長さ（３００ｍｍ）は、裏置きビードの長さに相当するものである。このときの裏置きビードの溶接条件と、裏置きビードの形状（ＷおよびＨ）は、下記表５に示す通りである。

［溶接条件］
母材材質：ＳＭ４００
溶接材料（溶接ワイヤ）：ＭＧ５０Ｒ（直径：１．２ｍｍ）
裏置きビード用電源：商品名「ＴＰＳ５０００ＭＶ／ＶＲ７０００ＣＭＴ」Ｆｒｏｎｉｕｓ社製

次に、下記表６に示す溶接条件（溶接姿勢、溶接速度、電流、電圧）で本溶接を行なった（シールドガス組成：８０容量％Ａｒ＋２０容量％ＣＯ₂）。その結果、形状が良好（止端部形状が滑らかで、寸法の大きい）な裏ビードが形成されていることが確認できた（表６の試験Ｎｏ．１１〜１３）。尚、表６に示した角度φおよび溶接寸法Ｓの測定位置は、図１０に示す通りである。

１第一溶接母材
２，２ａ，２ｂ裏置きビード
３第二溶接母材
４溶接ワイヤ
５，５ａ裏ビード
６，６ａ止端部

Claims

裏置きビードを付けた第一溶接母材と、これと接合する第二溶接母材とを裏置きビード溶接法によってＴ字継ぎ手状に溶接するに際し、前記裏置きビードの幅をＷ（ｍｍ）、高さをＨ（ｍｍ）としたとき、これらの比（Ｗ／Ｈ）が３．０以下となるように裏置きビードを形成して操業することを特徴とする裏置きビード溶接法。
溶接電流Ｉ₀（Ａ）と溶接電圧Ｖ₀（Ｖ）の比(Ｉ₀／Ｖ₀）を１１以上として裏置きビードを形成する請求項１に記載の裏置きビード溶接法。
前記裏置きビードの頂点が幅Ｗの中央から外れており、裏置きビードの立ち上がりと頂点の距離が短い側に、前記第二溶接母材を配置し、この立ち上がりと頂点との距離をＤ（ｍｍ）としたとき、距離Ｄと高さＨ（ｍｍ）の比（Ｄ／Ｈ）が１．５以下となるようにしながら第二溶接母材を溶接する請求項１または２に記載の裏置きビード溶接法。