JP5758573B2 - 鋼材の多電極サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の多電極サブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管などの大径鋼管の造管溶接に用いて好適なものに関する。

大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には２電極以上のサブマージアーク溶接が適用されている。パイプ生産能率向上の観点から鋼管の内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する両面一層盛り溶接が一般的で、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。

両面一層盛り溶接では内面溶接金属と外面溶接金属が重なる領域で未溶融部がないように十分な溶込み深さを確保するため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視することで、溶接入熱が過剰となり、溶接部特に溶接熱影響部の靭性が劣化する問題がある。

溶接部の高靭性化のためには、溶接入熱を低減するのが有効であるが、特に板厚の大きな鋼管では必要な入熱が大きくなるため、可能な限り入熱を低減することが課題となっている。しかし入熱を低減すると溶込み不足を生じる危険性が増大するため、従来より入熱低減と深溶込みの両立を目的に種々の提案がなされている。

例えば特許文献３には高電流密度でのサブマージアーク溶接方法が提案されており、アークエネルギーをできるだけ板厚方向に投入することにより、必要な溶込み深さだけを確保し、鋼材幅方向の母材の溶解を抑制することで過剰な溶接入熱を省いて、入熱低減と深溶込みの両立が図られている。

特開平１１−１３８２６６号公報 特開平１０−１０９１７１号公報 特開２００６−２７２３７７号公報

しかしながら、特許文献３記載のサブマージアーク溶接方法では、入熱低減と深溶込みが両立できるものの、溶込み中央部近傍のビード幅が狭くなりやすく、梨型割れの溶接欠陥が発生しやすいという問題があった。

そこで、本発明は板厚２５ｍｍ以上の鋼材を２電極以上のサブマージアーク溶接で内外面一層盛溶接するに際し、入熱量を低下させても梨型割れの溶接欠陥を抑制しながら十分な溶込みが得られる鋼材の多電極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。

本発明者らは、多電極サブマージアーク溶接で鋼材の両面一層盛溶接を、開先形状、溶接条件、電極配置を種々に変化させて行い溶接金属断面形状および溶接欠陥について調査した。

その結果、板厚２５ｍｍ以上の鋼材を２電極以上のサブマージアーク溶接で内外面一層盛溶接する場合、開先形状、溶接条件、電極配置を適正に設定することで、入熱量を低下させても十分な溶込みが得られ、梨型割れの溶接欠陥も抑制できることを見出した。本発明は、上述の知見に基づくものであり、その要旨は以下の通りである。
１．板厚２５ｍｍ以上の鋼材を２電極以上のサブマージアーク溶接で内外面一層盛り溶接する際、内面溶接と外面溶接の両方について、第１電極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ^２以上とし、鋼材表面位置における第１電極と第２電極のワイヤ中心間距離を２５ｍｍ以上とし、第１電極と第２電極との電流比が（１）式および（２）式を満足し、さらに開先角度、開先深さ、第１電極電流、溶接速度が（３）式を満足することを特徴とする鋼材の多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｉ_２ＩＷ／Ｉ_１ＩＷ≦０．８ （１）
Ｉ_２ＯＷ／Ｉ_１ＯＷ≦０．８ （２）
０＜Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ≦０．３０ｔ （３）
（１）、（２）、（３）式において、
Ｌ_ＩＷ＝（−１．０７×θ_ＩＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＩＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＩＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＩＷ＋ｄ_ＩＷ＋５．６
Ｌ_ＯＷ＝（−１．０７×θ_ＯＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＯＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＯＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＯＷ＋ｄ_ＯＷ＋４．６
ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、
Ｉ_１ＩＷ：内面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＩＷ：内面溶接の第２電極の電流（Ａ）、
Ｉ_１ＯＷ：外面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＯＷ：外面溶接の第２電極の電流（Ａ）、
Ｖ_ＩＷ：内面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、Ｖ_ＯＷ：外面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、
θ_ＩＷ：内面開先角度（ｄｅｇ）、θ_ＯＷ：外面開先角度（ｄｅｇ）、
ｄ_ＩＷ：内面開先深さ（ｍｍ）、ｄ_ＯＷ：外面開先深さ（ｍｍ）
２．１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。

本発明によれば、低い入熱量の多電極サブマージアーク溶接で、十分な溶込み深さを有し、梨型割れの溶接欠陥が抑制された内外面１層盛溶接部が得られ産業上極めて有用である。

開先形状を示す図。

本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接方法では、鋼材を内外面から溶接する際、
溶込み不足が生じないように内面溶接、外面溶接のそれぞれにおける第１電極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ^２とし、溶接金属の梨型割れを抑制するため、第１電極と第２電極の極間距離を２５ｍｍ以上とし、かつ第１電極と第２電極との電流比は（１）、（２）式を満足させる。
Ｉ_２ＩＷ／Ｉ_１ＩＷ≦０．８ （１）
Ｉ_２ＯＷ／Ｉ_１ＯＷ≦０．８ （２）
ここでＩ_１ＩＷ：内面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_１ＯＷ：外面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＩＷ：内面溶接の第２電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＯＷ：外面溶接の第２電極の電流（Ａ）
また、内面溶接、外面溶接のそれぞれにおける溶込み深さに対する開先形状、溶接速度、電流の影響は、これらをパラメータとするパラメータ式で求まる値（内面溶接金属の溶込み深さはＬ_ＩＷ値、外面溶接金属の溶込み深さはＬ_ＯＷ値）で代表させ、これらの値と板厚からなるパラメータ式である下記（３）式を満足させることで低い溶接入熱で十分な溶込み深さと良好なビード外観を備えた溶接継手を得る。
０＜Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ≦０．３０ｔ （３）
内面溶接金属の溶込み深さ（Ｌ_ＩＷ）は、下記（４）式で、外面溶接金属の溶込み深さ（Ｌ_ＯＷ）は下記（５）式で代表させる。 (4)式で表されるＬ_ＩＷおよび(5)式で表されるＬ_ＯＷを上記(3)式の範囲に制御することにより、低い溶接入熱で十分な溶込み深さと良好なビード外観を得る。

Ｌ_ＩＷ＝（−１．０７×θ_ＩＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＩＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＩＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＩＷ＋ｄ_ＩＷ＋５．６ (4)
Ｌ_ＯＷ＝（−１．０７×θ_ＯＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＯＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＯＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＯＷ＋ｄ_ＯＷ＋４．６ (5)
ここで、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｉ_１ＩＷ：内面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_１ＯＷ：外面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｖ_ＩＷ：内面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、Ｖ_ＯＷ：外面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、θ_ＩＷ：内面開先角度（ｄｅｇ）、θ_ＯＷ：外面開先角度（ｄｅｇ）、ｄ_ＩＷ：内面開先深さ（ｍｍ）、ｄ_ＯＷ：外面開先深さ（ｍｍ）
Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔが０．３０ｔを上回ると、開先断面積に対してワイヤ溶着量が足りずに余盛不足となる。一方、Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔが０以下になると、内面溶接および／または外面溶接の溶込み深さが足りずに内面溶接金属と外面溶接金属とが重ならなくなり、健全な溶接ビードが得られなくなる。好適なＬ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔの範囲は０．１０ｔ〜０．３０ｔの範囲である。以下、実施例によって本発明の作用効果を説明する。

板厚２５．４、３０．９、３８．１ｍｍで板長さ１０００ｍｍの鋼板に図１に示す形状の開先加工を施して内外面１層盛溶接の４電極サブマージアーク溶接を行って溶接継手を作成し、得られた溶接継手の溶込み状態と溶接欠陥の有無について調査した。調査方法は始終端３００ｍｍを除いて溶接長さを等分して３個のマクロ断面試験片を採取し、目視観察した。表１に鋼板の化学成分を、表２に開先形状を、表３に溶接条件を示す。

開先形状では、内外面において開先角度と開先深さを変化させ、溶接条件では、内外面溶接のそれぞれにおいて第１電極と第２電極のワイヤ中心間距離、第１電極の電流密度、第１電極と第２電極との電流比（内面側：Ｉ_２ＩＷ／Ｉ_１ＩＷ、外面側：Ｉ_２ＯＷ／Ｉ_１ＯＷ）を変化させた。

表４に、（Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ）の値、第１電極の電流密度、第１電極と第２電極との電流比と溶接欠陥の有無と溶込み状態とを示す。表4の溶接欠陥の欄において、○は溶接欠陥が発生せず健全な溶接ビードが得られたことを示す。また、表4の溶込みの欄において、溶込み不足とは、断面マクロ試料において内面溶接金属と外面溶接金属とが重なっていないことを示し、○は内面溶接金属と外面溶接金属とが重なっていることを示す。更に表4の余盛の欄において、余盛不足とは開先断面積に対して溶接ワイヤの溶着量が不足し、溶接後に開先が残っている状態を示し、○は開先が溶着金属で満たされていることを示す。

表４において、記号１，２，７，８，９，１６，１７は本発明例で、内面溶接および外面溶接において第１電極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ^２以上で、鋼材表面位置における第１電極と第２電極のワイヤ中心間距離が２５ｍｍ以上、第１電極と第２電極との電流比が０．８以下で、上記（１）式、（２）式、（３）式を満足しており、内面溶接金属と外面溶接金属とが重なるために必要十分な溶込み深さを得ながら梨型割れの溶接欠陥を抑制することができ、低入熱で健全な溶接ビードが得られている。

一方、記号３〜６、１０〜１５、１８〜２０は比較例で、記号３は（３）式を満たさず、内面に余盛不足が生じ、記号４は（３）式を満たさず、内外面に溶込み不足が生じ、記号５は外面第1電極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ^２を満たさず内外面に溶込み不足が生じた。

記号６は外面側溶接の１−２電極ワイヤ中心間距離が２２ｍｍで外面側に梨型割れが生じ、記号１０は（３）式を満たさず、内外面に余盛不足が生じ、記号１１は（３）式を満たさず、内外面に溶込み不足が生じた。

記号１２は外面溶接の第１電極と第２電極の電流比が０．８を越え、外面側に梨型割れが発生した。記号13は外面第1電極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ^２を満たさず溶込み不足が生じた。

記号１４は（３）式を満たさず、内外面に溶込み不足が生じ、記号１５は外面側溶接の１−２電極ワイヤ中心間距離が２２ｍｍで外面側に梨型割れが生じ、記号１８は、（３）式を満たさず、内外面に余盛不足が生じた。

記号１９は（３）式を満たさず、内外面に溶込み不足が生じた。記号２０は第１電極と第２電極の電流比が０．８以上で、梨型割れが発生している。

すなわち、（Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ）が０．３０ｔを上回ると、開先断面積に対してワイヤ溶着量が足りずに余盛不足となり、一方、（Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ）が０以下になると、内面溶接および／または外面溶接の溶込み深さが足りずに内面溶接金属と外面溶接金属とが重ならなくなり、健全な溶接ビードが得られなくなっている。

以上より、板厚２５ｍｍ以上の鋼材を内外面から溶接する際、第１電極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ^２以上とし、第１電極と第２電極のワイヤ中心間距離を２５ｍｍ以上とし、第１電極と第２電極との電流比を上記（１）式、（２）式を満足するように規定し、更に、上記（４）式で求まる値Ｌ_ＩＷ、（５）式で求まる値Ｌ_ＯＷが上記（３）式を満足するように溶接条件および開先形状を選定すると溶込み不足が生じないことが確認された。

Claims (2)

1. 板厚２５ｍｍ以上の鋼材を２電極以上のサブマージアーク溶接で内外面一層盛り溶接する際、内面溶接と外面溶接の両方について、第１電極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ^２以上とし、鋼材表面位置における第１電極と第２電極のワイヤ中心間距離を２５ｍｍ〜３０ｍｍとし、第１電極と第２電極との電流比が（１）式および（２）式を満足し、さらに開先角度、開先深さ、第１電極電流、溶接速度が（３）式を満足することを特徴とする鋼材の多電極サブマージアーク溶接方法。
   Ｉ_２ＩＷ／Ｉ_１ＩＷ≦０．８ （１）
   Ｉ_２ＯＷ／Ｉ_１ＯＷ≦０．８ （２）
   ６．１６≦Ｌ_ＩＷ＋Ｌ_ＯＷ−ｔ≦０．３０ｔ （３）
   （１）、（２）、（３）式において、
   Ｌ_ＩＷ＝（−１．０７×θ_ＩＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＩＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＩＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＩＷ＋ｄ_ＩＷ＋５．６
   Ｌ_ＯＷ＝（−１．０７×θ_ＯＷ ^{−０．７６}）×Ｖ_ＯＷ＋（１．３８×１０^−６×θ_ＯＷ＋７．５６×１０^−３）×Ｉ_１ＯＷ＋ｄ_ＯＷ＋４．６
   ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、
   Ｉ_１ＩＷ：内面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＩＷ：内面溶接の第２電極の電流（Ａ）、
   Ｉ_１ＯＷ：外面溶接の第１電極の電流（Ａ）、Ｉ_２ＯＷ：外面溶接の第２電極の電流（Ａ）、
   Ｖ_ＩＷ：内面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、Ｖ_ＯＷ：外面溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、
   θ_ＩＷ：内面開先角度（ｄｅｇ）、θ_ＯＷ：外面開先角度（ｄｅｇ）、
   ｄ_ＩＷ：内面開先深さ（ｍｍ）、ｄ_ＯＷ：外面開先深さ（ｍｍ）
2. 請求項１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。

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