JP5884209B1 - Vertical narrow groove gas shielded arc welding method - Google Patents

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Abstract

本発明は、高機能でかつ高精度の溶接自動化技術を活用して開先形状や溶接姿勢等に応じた精密な溶接トーチのウイービングを行うことにより、厚鋼材、特には板厚が40mm以上の厚鋼材の溶接に適用できる、高品質でかつ高効率な立向き狭開先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。所定の開先条件として、板厚:40mm以上の2枚の厚鋼材を、ウイービングを用いる立向き多層溶接により接合するガスシールドアーク溶接方法において、初層溶接条件、特に溶接トーチ角度や溶接入熱量、ウイービング条件を適正に制御し、初層溶接における接合深さを20mm以上50mm以下とする。The present invention uses high-performance and high-precision welding automation technology to perform weaving of a precise welding torch according to the groove shape, welding posture, etc. An object of the present invention is to provide a high-quality and high-efficiency vertical narrow groove gas shielded arc welding method applicable to welding of thick steel materials. As a predetermined groove condition, in a gas shielded arc welding method in which two thick steel materials having a plate thickness of 40 mm or more are joined by vertical multi-layer welding using weaving, the first layer welding conditions, particularly the welding torch angle and welding heat input amount. The weaving conditions are appropriately controlled so that the joining depth in the first layer welding is 20 mm or more and 50 mm or less.

Description

本発明は、狭開先ガスシールドアーク溶接方法に関するものであって、特には2枚の厚鋼材の突き合わせ溶接に適用することができる、立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。
本発明において、「狭開先」とは、開先角度が25°以下でかつ被溶接材となる鋼材間の最小開先幅が、当該鋼材の板厚の50%以下であることを意味する。
The present invention relates to a narrow gap gas shield arc welding method, and more particularly to a vertical narrow gap gas shield arc welding method that can be applied to butt welding of two thick steel materials.
In the present invention, “narrow groove” means that the groove angle is 25 ° or less and the minimum groove width between steel materials to be welded is 50% or less of the thickness of the steel material. .

鋼の溶接施工に用いられるガスシールドアーク溶接は、CO単独のガス、あるいはArとCOとの混合ガスを溶融部のシールドに用いる消耗電極式が一般的であり、自動車、建築、橋梁および電気機器等の製造分野において幅広く用いられている。The gas shielded arc welding used for steel welding construction is generally a consumable electrode type using CO 2 alone gas or a mixed gas of Ar and CO 2 for the shield of the molten part. Widely used in the field of manufacturing electrical equipment and the like.

ところで近年、鋼構造物の大型化・厚肉化に伴い、製作過程での溶接、特に鋼材の突き合わせ溶接における溶着量が増大し、さらには溶接施工に多くの時間が必要となり、施工コストの増大を招いている。   By the way, in recent years, with the increase in size and thickness of steel structures, the amount of welding in the manufacturing process, especially butt welding of steel materials, has increased, and more time is required for welding work, resulting in increased construction costs. Is invited.

これを改善する方法として、板厚に対して小さい間隙の開先をアーク溶接法により多層溶接する、狭開先ガスシールドアーク溶接の適用が考えられる。この狭開先ガスシールドアーク溶接は、通常のガスシールドアーク溶接と比べ溶着量が少なくなるので、溶接の高能率化・省エネルギー化が達成でき、ひいては施工コストの低減をもたらすものと期待される。   As a method for improving this, it is conceivable to apply narrow gap gas shielded arc welding in which a gap having a small gap with respect to the plate thickness is subjected to multilayer welding by arc welding. Since this narrow gap gas shielded arc welding has a smaller amount of welding than normal gas shielded arc welding, it is expected that the efficiency and energy saving of welding can be achieved, and that the construction cost can be reduced.

一方、立向きの高能率溶接には、通常、エレクトロスラグ溶接が適用されているが、1パス大入熱溶接が基本であり、板厚が60mmを超える溶接では入熱過多となり靭性低下が懸念されている。また、1パス溶接には板厚の限界があり、特に板厚が65mmを超える溶接は、未だ技術確立できていないのが現状である。   On the other hand, electroslag welding is usually applied to vertical high-efficiency welding, but 1-pass large heat input welding is fundamental, and welding with a plate thickness exceeding 60 mm causes excessive heat input and there is a concern of reduced toughness. Has been. In addition, there is a limit to the plate thickness in one-pass welding, and in particular, the technology has not yet been established for welding in which the plate thickness exceeds 65 mm.

このため、狭開先ガスシールドアーク溶接を立向き溶接に適用した、高品質でかつ高能率な溶接方法を開発することが望まれている。
このような狭開先ガスシールドアーク溶接を立向き溶接に適用した溶接方法として、例えば、特許文献1には、両面U型開先継手を対象とする両側多層溶接方法が開示されている。この溶接方法では、イナートガスを用いたTIG溶接による積層溶接を行っており、イナートガスを用いることでスラグやスパッタの発生を抑制し、積層欠陥を防ぐこととしている。
しかしながら、非消耗電極式であるTIG溶接は、消耗電極である鋼ワイヤを用いるMAG溶接やCO溶接と比較して、溶接法そのものの能率が大きく劣る。
For this reason, it is desired to develop a high-quality and high-efficiency welding method in which narrow gap gas shielded arc welding is applied to vertical welding.
As a welding method in which such narrow groove gas shielded arc welding is applied to vertical welding, for example, Patent Document 1 discloses a double-sided multi-layer welding method for a double-sided U-shaped groove joint. In this welding method, lamination welding is performed by TIG welding using an inert gas, and the use of inert gas suppresses the generation of slag and spatter and prevents the lamination defects.
However, TIG welding, which is a non-consumable electrode type, is greatly inferior in efficiency of the welding method itself as compared with MAG welding or CO 2 welding using a steel wire as a consumable electrode.

また、特許文献2には、スパッタや融合不良を抑制するために溶接トーチのウイービングを行う、狭開先の立向き溶接方法が開示されている。
しかし、この溶接方法では、溶接トーチのウイービング方向が、開先深さ方向ではなく、鋼板表面方向であるため、溶融金属が垂れる前に溶接トーチをウイービングさせる必要があり、溶接電流を150A程度の低電流とし、1パス当たりの溶着量(≒入熱量)を抑える必要が生じる。
そのため、この溶接方法を板厚の大きい厚鋼材の溶接に適用する場合には、少量多パスの積層溶接となり、溶け込み不良等の積層欠陥が多くなる他、溶接能率が大きく低下する。
Further, Patent Document 2 discloses a vertical welding method with a narrow groove in which weaving of a welding torch is performed in order to suppress spatter and poor fusion.
However, in this welding method, since the weaving direction of the welding torch is not the groove depth direction but the steel plate surface direction, it is necessary to weave the welding torch before the molten metal droops, and the welding current is about 150A. It is necessary to reduce the welding amount per pass (≈ heat input amount) with a low current.
For this reason, when this welding method is applied to the welding of a thick steel material having a large plate thickness, the welding becomes a small amount of multi-pass laminating, increasing the number of stacking faults such as poor penetration, and greatly reducing the welding efficiency.

さらに、特許文献3には、特許文献2と同様、融合不良を抑制するために溶接トーチのウイービングを行う、立向き溶接方法が開示されている。
ここで開示される面角度(開先角度)は26.3〜52°と広めではあるが、ここでの溶接トーチのウイービングは開先深さ方向に対しても行われるため、1パス当たりの溶着量を比較的多くとることが可能である。
しかし、開先深さ方向のウイービング量が小さく、また溶接金属および溶接ワイヤ組成が考慮されていないため、1パス当たりの溶着量(≒入熱量)を抑える必要が生じ、1パス当たりの溶接深さは10mm程度と浅くなる。
そのため、この溶接方法を板厚の大きい厚鋼材の溶接に適用する場合には、やはり少量多パスの積層溶接となって、溶け込み不良等の積層欠陥が多くなる他、溶接能率が低下する。
Furthermore, as in Patent Document 2, Patent Document 3 discloses a vertical welding method in which weaving of a welding torch is performed in order to suppress poor fusion.
Although the surface angle (groove angle) disclosed here is as wide as 26.3 to 52 °, since the weaving of the welding torch here is also performed in the groove depth direction, It is possible to take a relatively large amount of welding.
However, since the amount of weaving in the groove depth direction is small and the composition of the weld metal and welding wire is not considered, it is necessary to suppress the amount of welding per pass (≈ heat input), and the welding depth per pass The depth is as shallow as about 10 mm.
For this reason, when this welding method is applied to the welding of a thick steel material having a large plate thickness, it is also a small amount of multi-pass laminating welding, resulting in an increase in laminating defects such as poor penetration and a reduction in welding efficiency.

また、特許文献4には、極厚材の1パス溶接を可能にした2電極のエレクトロガスアーク溶接装置が開示されている。
この2電極のエレクトロガスアーク溶接装置の使用により、板厚:70mm程度までの厚鋼材の接合が可能になるものの、2電極化により入熱量が360kJ/cm程度と大幅に増加するため、鋼板への熱影響が大きく、継手に高い特性(強度、靭性)が要求される場合、このような特性を満足させることは非常に困難である。
また、この2電極のエレクトロガスアーク溶接装置では、開先において、裏面側にはセラミックの裏当てを、表面(溶接機側)には水冷式の銅当金の押し付け機構を設けることが不可欠であり、溶融金属の垂れの心配が無い反面、溶接装置が複雑となる。
さらに、この2電極のエレクトロガスアーク溶接装置では、表面(溶接機側)に銅当金の押し付け機構を設けることが不可欠であるため、1パス溶接が基本であり、多パスの積層溶接として低入熱化を図ることは困難である。
Patent Document 4 discloses a two-electrode electrogas arc welding apparatus that enables one-pass welding of an extremely thick material.
Although the use of this two-electrode electrogas arc welding apparatus enables the joining of thick steel materials up to a plate thickness of about 70 mm, the amount of heat input greatly increases to about 360 kJ / cm due to the use of two electrodes. When the thermal effect is large and the joint is required to have high characteristics (strength and toughness), it is very difficult to satisfy such characteristics.
In addition, in this two-electrode electrogas arc welding apparatus, it is indispensable to provide a ceramic backing on the back surface and a water-cooled copper metal pressing mechanism on the front surface (welder side) in the groove. On the other hand, there is no concern about dripping of molten metal, but the welding apparatus becomes complicated.
Furthermore, in this two-electrode electrogas arc welding apparatus, it is indispensable to provide a copper-plating pressing mechanism on the surface (welder side), so 1-pass welding is fundamental and low-pass as multi-pass laminating welding. It is difficult to achieve heat.

特開2009−61483号公報JP 2009-61483 A 特開2010−115700号公報JP 2010-115700 A 特開2001−205436号公報JP 2001-205436 A 特開平10−118771号公報JP-A-10-118771

上記したように、厚鋼材の溶接に適用することができる、高品質でかつ高能率な立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法は、未だ開発されていないのが現状である。
一方、溶接自動化技術(溶接ロボット)の軽量・高機能・高精度化が進み、これまで困難であった開先形状と溶接姿勢に適した溶接トーチのウイービングが可能となり、これを活用することにより、鋼材、開先形状、溶接姿勢および溶接材料(ワイヤ)に適した溶接施工(条件設定)が可能となってきている。
As described above, a high-quality and high-efficiency vertical narrow groove gas shielded arc welding method that can be applied to welding of thick steel materials has not yet been developed.
On the other hand, as welding automation technology (welding robot) has become lighter, more functional, and more accurate, weaving of the welding torch suitable for the groove shape and welding posture, which has been difficult until now, becomes possible. Welding construction (condition setting) suitable for steel materials, groove shapes, welding postures and welding materials (wires) has become possible.

木発明は、高機能でかつ高精度の溶接自動化技術を活用して開先形状や溶接姿勢等に応じた精密な溶接トーチのウイービングを行うことにより、厚鋼材、特には板厚が40mm以上の厚鋼材の溶接に適用できる、高品質でかつ高能率な立向き狭開先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。   The wood invention uses a high-function and high-precision welding automation technology to perform weaving of a precise welding torch according to the groove shape, welding posture, etc. An object of the present invention is to provide a high-quality, high-efficiency, vertical narrow groove gas shielded arc welding method applicable to welding of thick steel materials.

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、厚鋼材に立向き狭開先ガスシールドアーク溶接を適用する場合の溶接条件について、鋭意研究を重ねた。
その結果、厚鋼材の立向きの狭開先ガスシールドアーク溶接を行うにあたり、溶接金属および熱影響部において所望の機械的特性を得るとともに、溶接の高能率化を実現するには、2パス以上の多層溶接として1パスあたりの溶接入熱量を抑制し、初層溶接における接合深さ(溶接深さ)を20mm以上50mm以下とすることが重要であることを知見した。
Now, in order to solve the above-mentioned problems, the inventors have conducted intensive research on welding conditions in the case of applying vertical narrow groove gas shielded arc welding to a thick steel material.
As a result, when performing narrow gap gas shielded arc welding of thick steel materials in the vertical direction, two or more passes are required to obtain desired mechanical properties in the weld metal and the heat affected zone, and to achieve high welding efficiency. As a multi-layer welding, it was found that it is important to suppress the welding heat input per pass and to make the joining depth (welding depth) in the first layer welding 20 mm or more and 50 mm or less.

そして、上記した2パス以上の多層溶接として1パスあたりの溶接入熱量を抑制し、初層溶接における所定の接合深さを得るための溶接条件について、さらに研究を進めた。その結果、開先条件を所定の条件とした上で、初層の溶接条件、特に溶接トーチ角度およびウイービング条件を適正に制御することで、立向き溶接において問題となる溶融金属の垂れの抑制を含むビード形状の安定化と溶接欠陥の発生防止とを図りつつ、上記した初層溶接における接合深さが達成できた。これにより、板厚が40mm以上の厚鋼材であっても、高品質でかつ高能率な立向き狭開先ガスシールドアーク溶接を行うことが可能になるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
Further, further research was conducted on the welding conditions for obtaining a predetermined joining depth in the first layer welding by suppressing the welding heat input per pass as the above-described multilayer welding of two or more passes. As a result, with the groove condition set as a predetermined condition, the welding conditions of the first layer, in particular the welding torch angle and the weaving conditions, are properly controlled to suppress the dripping of molten metal, which is a problem in vertical welding. The joining depth in the first layer welding described above could be achieved while stabilizing the bead shape included and preventing the occurrence of welding defects. Thereby, even if it was a thick steel material with a plate thickness of 40 mm or more, it was found that high-quality and high-efficiency vertical narrow groove gas shield arc welding can be performed.
The present invention is based on the above findings.

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.開先角度を25°以下、開先ギャップを20mm以下として、板厚が40mm以上である2枚の厚鋼材を、ウイービングを用いる立向き多層溶接により接合する立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法において、
初層溶接時に、溶接トーチの角度を水平方向に対して25°以上75°以下、溶接入熱を30kJ/cm以上170kJ/cm以下にするとともに、板厚方向へのウイービング深さを15mm以上50mm以下、かつ初層溶接における溶接ビード幅をWとした場合に、板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅を(W−6)mm以上Wmm以下として、溶接トーチのウイービングを行い、
前記初層溶接における接合深さを20mm以上50mm以下とする立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
1. A vertical narrow gap gas shield arc welding method in which two thick steel materials having a groove angle of 25 ° or less, a groove gap of 20 mm or less, and a plate thickness of 40 mm or more are joined by vertical multilayer welding using weaving. In
During the first layer welding, the angle of the welding torch is 25 ° to 75 ° with respect to the horizontal direction, the welding heat input is 30 kJ / cm to 170 kJ / cm and the weaving depth in the plate thickness direction is 15 mm to 50 mm. Welding the torch with the maximum weaving width in the thickness direction and in the direction perpendicular to the welding line being (W-6) mm to Wmm, where W is the weld bead width in the first layer welding. ,
A vertical narrow groove gas shield arc welding method in which a joining depth in the first layer welding is 20 mm or more and 50 mm or less.

2.前記初層溶接のウイービングにおいて、溶接線方向から見た溶接トーチのウイービングパターンがコ字形である前記1に記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 2. 2. The vertical narrow gap gas shield arc welding method according to 1, wherein the weaving pattern of the welding torch viewed from the direction of the welding line is a U-shape in the first layer welding weaving.

3.前記初層溶接における溶接金属のS量およびO量の合計が450質量ppm以下でかつ、N量が120質量ppm以下である前記1または2に記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 3. The vertical narrow groove gas shielded arc welding method according to 1 or 2, wherein the total amount of S and O of the weld metal in the first layer welding is 450 mass ppm or less and the N content is 120 mass ppm or less.

4.前記初層溶接で用いる溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計が1.5質量%以上3.5質量%以下である前記1〜3のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 4). The vertical narrow groove gas shielded arc welding according to any one of the above 1 to 3, wherein the total amount of Si and Mn of the welding wire used in the first layer welding is 1.5% by mass or more and 3.5% by mass or less. Method.

5.前記初層溶接で用いる溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計が0.08質量%以上0.5質量%以下である前記1〜4のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 5. The vertical narrow groove gas as described in any one of 1 to 4 above, wherein the total amount of Ti, Al and Zr of the welding wire used in the first layer welding is 0.08% by mass or more and 0.5% by mass or less. Shielded arc welding method.

6.シールドガスとして20体積%以上のCOガスを含有するガスを用いる前記1〜5のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。6). 6. The vertical narrow groove gas shielded arc welding method according to any one of 1 to 5, wherein a gas containing 20% by volume or more of CO 2 gas is used as the shielding gas.

7.前記初層溶接において、平均溶接電流が270A以上360A以下の範囲である請求項1〜6のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 7). The vertical narrow groove gas shielded arc welding method according to any one of claims 1 to 6, wherein in the first layer welding, an average welding current is in a range of 270A to 360A.

本発明によれば、板厚が40mm以上の厚鋼材を溶接する場合であっても、立向き溶接において問題となる溶融金属の垂れ抑制を含むビード形状の安定化と溶接欠陥を防止しつつ、高品質でかつ高能率な狭開先ガスシールドアーク溶接を実施することができる。
そして、本発明の溶接方法は、通常のガスシールドアーク溶接と比べ溶着量が少なく、溶接の高能率化による省エネルギー化も達成できるので、溶接施工コストの大幅な低減が可能となる。
また、本発明の溶接方法では、特許文献4に示したエレクトロガスアーク溶接装置のような溶融金属の垂れ落ちを防止する水冷式の銅当金の押し付け機構は不要なので、装置の複雑化を回避することができ、さらには、多パスでの溶接施工により1パス当たりの溶接入熱を抑制することができるので、溶接金属および鋼材熱影響部で所望とする機械的特性の確保が容易となる。
According to the present invention, even when a thick steel material having a plate thickness of 40 mm or more is welded, while preventing bead shape stabilization and weld defects including molten metal sag suppression, which is a problem in vertical welding, High quality and high efficiency narrow gap gas shielded arc welding can be performed.
The welding method of the present invention has a smaller amount of welding than ordinary gas shielded arc welding, and can achieve energy saving by increasing the efficiency of welding, so that the welding construction cost can be greatly reduced.
Further, in the welding method of the present invention, a water-cooling type copper metal pressing mechanism for preventing dripping of molten metal as in the electrogas arc welding apparatus shown in Patent Document 4 is unnecessary, so that the apparatus is not complicated. Further, since welding heat input per pass can be suppressed by multipass welding, it is easy to secure desired mechanical properties at the weld metal and steel material heat affected zone.

本発明の溶接方法における各種開先形状を示すものである。The various groove shape in the welding method of this invention is shown. V形の開先形状において、本発明の溶接方法により初層溶接を施工する際の施工要領を示すものである。In the V-shaped groove shape, the construction procedure when performing the first layer welding by the welding method of the present invention is shown. V形の開先形状において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の開先断面を示すものである。In the V-shaped groove shape, the groove cross section after the first layer welding is performed by the welding method of the present invention is shown. 初層溶接のウイービングにおける、溶接線方向から見た溶接トーチのウイービングパターンを示すものであり、(a)がコ字形、(b)が台形、(c)がV字形、(d)が三角形のものである。FIG. 5 shows a weaving pattern of a welding torch viewed from the direction of the welding line in the first layer welding weaving, wherein (a) is U-shaped, (b) is trapezoidal, (c) is V-shaped, and (d) is triangular. Is. 本発明の発明例(No.7)において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の写真であり、(a)は全体の外観を、(b)は開先断面を示すものである。In invention example (No. 7) of this invention, it is a photograph after performing first layer welding with the welding method of this invention, (a) shows the whole external appearance, (b) shows a groove cross section. is there.

以下、本発明を具体的に説明する。
図1(a)〜(c)は、本発明の溶接方法で対象とする各種開先形状を示すものである。図中、符号1が厚鋼材、2が厚鋼材の開先面、3が(Y形開先における)鋼材下段部の開先であり、記号θで開先角度を、Gで開先ギャップを、tで板厚を、hで(Y形開先における)鋼材下段部の開先高さを示す。
同図で示したように、本発明の溶接方法における開先形状はV形開先(I形開先およびレ形開先を含む)およびY形開先のいずれとすることも可能であり、また図1(c)に示すように多数段のY形開先とすることも可能である。
なお、本発明においては、図1(b)および(c)に示すように、Y形開先の場合の開先角度および開先ギャップを、鋼材下段部の開先における開先角度、開先ギャップとする。ここで、鋼材下段部の開先とは、溶接時に裏面(溶接装置(溶接トーチ)側の面を表面、その反対側の面を裏面とする)となる鋼材面から板厚の20〜40%程度までの領域を意味する。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
FIGS. 1A to 1C show various groove shapes targeted by the welding method of the present invention. In the figure, reference numeral 1 is a thick steel material, 2 is a groove surface of the thick steel material, 3 is a groove in the lower part of the steel material (in the Y-shaped groove), a groove angle is denoted by symbol θ, and a groove gap is denoted by G. , T indicates the plate thickness, and h indicates the groove height of the lower part of the steel material (in the Y-shaped groove).
As shown in the figure, the groove shape in the welding method of the present invention can be either a V-shaped groove (including an I-shaped groove and a L-shaped groove) or a Y-shaped groove, In addition, as shown in FIG. 1C, a multi-stage Y-shaped groove may be used.
In the present invention, as shown in FIGS. 1B and 1C, the groove angle and the groove gap in the case of the Y-shaped groove are defined as the groove angle and groove at the groove of the lower steel material step. Let it be a gap. Here, the groove of the lower part of the steel material means 20 to 40% of the plate thickness from the steel material surface which becomes the back surface (the surface on the welding device (welding torch) side is the front surface and the opposite surface is the back surface) during welding. Means an area to the extent.

また、図2は、V形の開先形状において、本発明の溶接方法における初層溶接を施工する際の施工要領を示すものである。図中、符号4が溶接トーチ、5が溶接ワイヤ、6が裏当て材であり、φが水平方向に対する溶接トーチの角度である。なお、溶接線、溶融池および溶接ビードについては、図示を省略している。
ここに、本発明の溶接方法は、図2に示すように、所定の板厚となる2枚の厚鋼材を突き合わせ、これらの厚鋼材同士を、ウイービングを用いる立向き溶接により接合するガスシールドアーク溶接であり、進行方向を上向きとする上進溶接を基本とする。
なお、ここでは、V形の開先形状を例にして示したが、他の開先形状でも同様である。
Moreover, FIG. 2 shows the construction point at the time of constructing the first layer welding in the welding method of the present invention in a V-shaped groove shape. In the figure, reference numeral 4 is a welding torch, 5 is a welding wire, 6 is a backing material, and φ is the angle of the welding torch with respect to the horizontal direction. In addition, about a weld line, a molten pool, and a weld bead, illustration is abbreviate | omitted.
Here, as shown in FIG. 2, the welding method of the present invention is a gas shielded arc in which two thick steel materials having a predetermined plate thickness are butted together and joined by vertical welding using weaving. It is welding and is based on upward welding with the traveling direction upward.
Here, the V-shaped groove shape is shown as an example, but the same applies to other groove shapes.

さらに、図3は、V形の開先形状において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の開先断面を示すものである。図中、符号7が溶接ビードであり、記号Dで初層溶接における接合深さを、Wで初層溶接における溶接ビード幅(初層溶接後の開先間のギャップ)を示す。
なお、初層溶接における接合深さDは、溶接時に裏面となる鋼材面を起点とした場合の初層溶接ビード高さの最小値(起点の鋼材面から最も近い(低い)初層溶接ビード高さ)として定義される。
ここでは、V形の開先形状を例にして示したが、他の開先形状でもDおよびWは同様である。
Furthermore, FIG. 3 shows a groove cross section after first layer welding is performed by the welding method of the present invention in a V-shaped groove shape. In the figure, symbol 7 is a weld bead, symbol D represents the joining depth in the first layer welding, and W represents the weld bead width (gap between the grooves after the first layer welding) in the first layer welding.
In addition, the joining depth D in the first layer welding is the minimum value of the first layer weld bead height when starting from the steel surface that is the back surface during welding (the first layer weld bead height closest (low) from the starting steel surface). S).
Here, a V-shaped groove shape is shown as an example, but D and W are the same in other groove shapes.

次に、本発明の溶接方法において、底部開先角度、底部開先ギャップおよび鋼材の板厚を前記の範囲に限定した理由について説明する。   Next, the reason why the bottom groove angle, the bottom groove gap, and the plate thickness of the steel material are limited to the above ranges in the welding method of the present invention will be described.

開先角度θ:25°以下
鋼材の開先部は小さいほどより早く高能率な溶接を可能とする反面、融合不良等の欠陥が生じやすい。また、開先角度が25°を超える場合の溶接は、従来の施工方法でも実施可能である。このため、本発明では、従来の施工方法では施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる開先角度:25°以下の場合を対象とする。
なお、V形開先において、開先角度が0°の場合はいわゆるI形開先と呼ばれ、溶着量の面からはこの0°の場合が最も効率的であるが、溶接熱ひずみにより溶接中に開先が閉じてくるため、これを見込んで、板厚t(ただし、Y形開先の場合には鋼材下段部の開先高さh)に応じた開先角度を設定することが好ましい。
具体的には、開先角度は(0.5×t/20)〜(2.0×t/20)°の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは(0.8×t/20)〜(1.2×t/20)°の範囲である。例えば、板厚tが100mの場合、開先角度は2.5〜10°の範囲が好ましく、さらに好ましくは4〜6°の範囲である。
ただし、板厚tが100mmを超えると、好適範囲の上限は10°を超えるようになるが、この場合の好適範囲の上限は10°とする。
Groove angle θ: 25 ° or less The smaller the groove portion of the steel material, the faster and highly efficient welding is possible, but defects such as poor fusion tend to occur. Further, welding in the case where the groove angle exceeds 25 ° can be performed by a conventional construction method. For this reason, in this invention, construction is difficult by the conventional construction method, and the case where groove angle: 25 degrees or less where further improvement in efficiency is expected is targeted.
In the V-shaped groove, when the groove angle is 0 °, it is called a so-called I-shaped groove, and from the viewpoint of the amount of welding, this 0 ° is the most efficient. Since the groove is closed inside, it is possible to set the groove angle according to the thickness t (however, in the case of Y-shaped groove, the groove height h of the lower part of the steel material). preferable.
Specifically, the groove angle is preferably in the range of (0.5 × t / 20) to (2.0 × t / 20) °, more preferably (0.8 × t / 20) to The range is (1.2 × t / 20) °. For example, when the plate thickness t is 100 m, the groove angle is preferably in the range of 2.5 to 10 °, more preferably in the range of 4 to 6 °.
However, when the plate thickness t exceeds 100 mm, the upper limit of the preferred range exceeds 10 °, but the upper limit of the preferred range in this case is 10 °.

開先ギャップG:20mm以下
鋼材の開先部は小さいほど、より早く高能率な溶接を可能とする。また、開先ギャップが20mmを超える場合の溶接は、溶融金属が垂れ易く施工が困難である。その対策には、溶接電流を低く抑えることが必要となるが、スラグ巻込み等の溶接欠陥が発生し易くなる。そのため、開先ギャップは20mm以下の場合を対象とする。好ましくは4mm以上12mm以下の範囲である。
Groove gap G: 20 mm or less The smaller the groove portion of the steel, the faster and more efficient the welding is possible. In addition, in the case where the groove gap exceeds 20 mm, the molten metal tends to sag and is difficult to construct. As a countermeasure, it is necessary to keep the welding current low, but welding defects such as slag entrainment tend to occur. Therefore, the case where the groove gap is 20 mm or less is targeted. Preferably it is the range of 4 mm or more and 12 mm or less.

板厚t:40mm以上
鋼材の板厚は40mm以上とする。というのは、鋼材の板厚が40mm未満であれば、従来の溶接方法、例えば、特許文献4のエレクトロガスアーク溶接といった1パス溶接を用いても、溶接入熱量を抑制することができるからである。
例えば、板厚t:35mmで、開先角度:20°、開先ギャップ:8mmのV形開先の場合、特許文献4のエレクトロガスアーク溶接を用いた1パス溶接による入熱量は150kJ/cm程度となる。
なお、一般の圧延鋼材を対象とする場合、板厚は一般に100mmが上限である。よって、本発明で対象とする鋼材の板厚の上限は100mm以下とすることが好ましい。
Plate thickness t: 40 mm or more The plate thickness of the steel material is 40 mm or more. This is because if the thickness of the steel material is less than 40 mm, the amount of welding heat input can be suppressed even if a conventional welding method, for example, one-pass welding such as electrogas arc welding in Patent Document 4, is used. .
For example, in the case of a V-shaped groove having a plate thickness t: 35 mm, a groove angle: 20 °, and a groove gap: 8 mm, the heat input by one-pass welding using electrogas arc welding of Patent Document 4 is about 150 kJ / cm. It becomes.
When a general rolled steel material is targeted, the upper limit of the plate thickness is generally 100 mm. Therefore, it is preferable that the upper limit of the thickness of the steel material targeted in the present invention is 100 mm or less.

なお、本発明で対象とする鋼種としては、高張力鋼(例えば、造船用極厚YP460MPa級鋼(引張強さ570MPa級鋼)や建築用TMCP鋼SA440(引張強さ590MPa級鋼))が特に好適である。というのは、高張力鋼は、溶接入熱制限が厳しく、溶接金属に割れが生じ易い他、溶接熱影響により要求される継手強度や靭性が得られない。これに対し本発明では、入熱量:170kJ/cm以下で効率良く溶接が可能であり、590MPa級高張力鋼板、高合金系となる590MPa級耐食鋼の溶接も可能である。当然、軟鋼にも問題なく対応できる。   In addition, as a steel type which is the subject of the present invention, high-strength steel (for example, ultra-thick YP 460 MPa class steel for shipbuilding (tensile strength 570 MPa class steel) or TMCP steel SA440 for architecture (tensile strength 590 MPa class steel)) is particularly used. Is preferred. This is because high-strength steel has severe restrictions on welding heat input, and cracks are likely to occur in the weld metal, and the required joint strength and toughness cannot be obtained due to the effect of welding heat. On the other hand, in the present invention, welding can be efficiently performed at a heat input of 170 kJ / cm or less, and 590 MPa class high-strength steel sheets and 590 MPa class corrosion-resistant steels that become high alloy systems can also be welded. Of course, mild steel can be handled without problems.

以上、本発明の溶接方法において、開先角度、開先ギャップおよび鋼材の板厚を限定した理由について説明したが、本発明では、厚鋼材を狭開先に適した入熱量で効率良く溶接するため2パス以上の多層溶接とし、初層溶接条件を適正に制御しつつ初層溶接における接合深さを所定の範囲とすることが重要である。
以下、これら初層溶接における接合深さの限定理由および初層溶接条件について、説明する。
As described above, the reason for limiting the groove angle, the groove gap, and the steel plate thickness in the welding method of the present invention has been described. In the present invention, a thick steel material is efficiently welded with a heat input suitable for a narrow groove. For this reason, it is important to set the welding depth in the first layer welding within a predetermined range while appropriately controlling the first layer welding conditions with multilayer welding of two or more passes.
Hereinafter, the reason for limiting the joining depth in the first layer welding and the first layer welding conditions will be described.

初層溶接における接合深さD:20mm以上50mm以下
本発明で対象とする板厚:40mm以上の厚鋼材を2パス以上の多層溶接で溶接するには、初層溶接における接合深さを20mm以上とする必要がある。初層溶接における接合深さが20mm未満では、溶接熱が集中するため、溶融金属の垂れが発生する。一方、初層溶接における接合深さが50mmを超えると、溶接入熱が過多となりやすい他、高温割れや、溶接中の熱が分散することによる開先面の融合不良、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生する。従って、初層溶接における接合深さは20mm以上50mm以下とする。好ましくは、25mm以上40mm以下である。
Joining depth D in the first layer welding: 20 mm or more and 50 mm or less In order to weld a steel plate having a thickness of 40 mm or more in the present invention by multi-pass welding of two or more passes, the joining depth in the first layer welding is 20 mm or more. It is necessary to. If the joining depth in the first layer welding is less than 20 mm, the welding heat concentrates, so that dripping of the molten metal occurs. On the other hand, if the joining depth in the first layer welding exceeds 50 mm, welding heat input tends to be excessive, and welding defects such as hot cracking, poor fusion of the groove surface due to dispersion of heat during welding, slag entrainment, etc. Occurs. Therefore, the joining depth in the first layer welding is 20 mm or more and 50 mm or less. Preferably, it is 25 mm or more and 40 mm or less.

溶接トーチ(給電チップ先端)の角度φ:水平方向に対して25°以上75°以下
溶接トーチの角度は垂直より水平に近づけることで、アークが溶接ビード表面より裏面向きとなり、溶融金属の垂れを抑制することができる。ここで、溶接トーチの角度が水平方向に対して25°未満では溶接ビードの形成が困難であり、溶接トーチの角度が水平方向に対して75°超では溶融金属の垂れを抑制することが困難となる。従って、溶接トーチの角度は水平方向に対して25°以上75°以下とする必要がある。好ましくは30°以上45°以下である。
Welding torch (feed tip end) angle φ: 25 ° or more and 75 ° or less with respect to the horizontal direction The angle of the welding torch is closer to the horizontal than the vertical, so that the arc faces the back side from the surface of the weld bead and the molten metal droops. Can be suppressed. Here, if the angle of the welding torch is less than 25 ° with respect to the horizontal direction, it is difficult to form a weld bead, and if the angle of the welding torch exceeds 75 ° with respect to the horizontal direction, it is difficult to suppress dripping of the molten metal. It becomes. Therefore, the angle of the welding torch needs to be 25 ° or more and 75 ° or less with respect to the horizontal direction. Preferably they are 30 degrees or more and 45 degrees or less.

溶接入熱量:30kJ/cm以上170kJ/cm以下
多層溶接では、1パス当たりの入熱量(=溶着量)を大きくすることでパス数を減らし、溶接積層欠陥を低減することができる。しかし、溶接入熱量が大きくなり過ぎると、溶接金属の強度、靭性の確保が難しくなる他、鋼材熱影響部の軟化抑制、結晶粒粗大化による靭性の確保が難しくなる。特に、溶接入熱量が170kJ/cmを超えると、溶接金属の特性確保のため、鋼材希釈を考慮した専用ワイヤが不可欠となり、さらに、鋼材でも、溶接入熱に耐えられる設計の鋼材が不可欠となる。一方、溶融金属を確保し、溶接欠陥のない溶接部を得るためには、溶接入熱量は高い方が有利であり、狭開先において溶接入熱30kJ/cm未満では開先面の溶融が不足し、積層欠陥の発生が避けられない。
従って、溶接入熱量は、30kJ/cm以上170kJ/cm以下とする。好ましくは、90kJ/cm以上160kJ/cm以下である。
Weld heat input: 30 kJ / cm or more and 170 kJ / cm or less In multilayer welding, the number of passes can be reduced by increasing the heat input per pass (= the amount of welding), and weld stacking faults can be reduced. However, if the welding heat input becomes too large, it becomes difficult to secure the strength and toughness of the weld metal, and it becomes difficult to suppress the softening of the heat affected zone of the steel material and to secure the toughness by the coarsening of the crystal grains. In particular, when the welding heat input exceeds 170 kJ / cm, in order to secure the characteristics of the weld metal, a dedicated wire that takes into account the dilution of the steel material becomes indispensable, and even steel materials that are designed to withstand the heat input of welding become indispensable. . On the other hand, in order to secure a molten metal and obtain a welded portion having no weld defects, it is advantageous that the heat input is high, and if the weld heat input is less than 30 kJ / cm in a narrow groove, melting of the groove surface is insufficient. However, the occurrence of stacking faults is inevitable.
Therefore, the welding heat input is 30 kJ / cm or more and 170 kJ / cm or less. Preferably, it is 90 kJ / cm or more and 160 kJ / cm or less.

溶接トーチのウイービングにおける板厚方向へのウイービング深さL:15mm以上50mm以下
本発明の溶接方法は溶接トーチのウイービングを行うものであるが、この溶接トーチのウイービングにおける板厚方向へのウイービング深さLならびに後述する板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅Mを適正に制御することが重要である。
なお、各種ウイービングパターンにおける板厚方向へのウイービング深さLならびに板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅Mは、図4(a)〜(d)に示すとおりになる。
Weaving depth L in the thickness direction in the weaving of the welding torch: 15 mm or more and 50 mm or less The welding method of the present invention performs the weaving of the welding torch, and the weaving depth in the thickness direction in the weaving of this welding torch. It is important to appropriately control L and the maximum weaving width M in the plate thickness direction and the direction perpendicular to the weld line, which will be described later.
In addition, the weaving depth L in the plate thickness direction and the maximum weaving width M in the plate thickness direction and the direction perpendicular to the weld line in various weaving patterns are as shown in FIGS.

ここで、本発明の溶接方法で基本とする立向き上進溶接においては、接合深さと板厚方向のウイービング幅は同程度になるため、板厚方向へのウイービング深さが15mm未満では、初層溶接における接合深さを20mm以上とすることが困難である。一方、板厚方向へのウイービング深さが50mmを超えると、初層溶接における接合深さを50mm以下とすることが困難となるだけでなく、溶接入熱量が過多となって、溶接金属や鋼材の熱影響部において所望の機械的特性を得ることが困難となる他、高温割れや、溶接中の熱が分散することによる開先面の融合不良、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生し易くなる。
従って、板厚方向へのウイービング深さは、15mm以上50mm以下とする。好ましくは、25mm以上35mm以下の範囲である。
Here, in the vertical upward welding that is the basis of the welding method of the present invention, the welding depth and the weaving width in the plate thickness direction are approximately the same, so if the weaving depth in the plate thickness direction is less than 15 mm, It is difficult to make the joining depth in layer welding 20 mm or more. On the other hand, if the weaving depth in the plate thickness direction exceeds 50 mm, it becomes difficult not only to make the joining depth in the first layer welding 50 mm or less, but also the welding heat input becomes excessive, and the weld metal or steel material It is difficult to obtain the desired mechanical properties in the heat-affected zone, and it is easy to generate weld defects such as hot cracks, poor fusion of the groove surface due to heat dispersion during welding, and slag entrainment. .
Therefore, the weaving depth in the plate thickness direction is 15 mm or more and 50 mm or less. Preferably, it is the range of 25 mm or more and 35 mm or less.

溶接トーチのウイービングにおける板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅M:(W−6)mm以上Wmm以下(W:初層溶接における溶接ビード幅)
開先面の未溶融を防ぐためには、板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅を(W−6)mm以上とする必要がある。一方、板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅がWmmを超えると、溶融金属が垂れてしまい溶接が成り立たない。
従って、板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅は、(W−6)mm以上Wmm以下の範囲とする。好ましくは、(W−4)mm以上(W−1)mm以下の範囲である。
Maximum weaving width M: (W-6) mm to W mm in the thickness direction and the direction perpendicular to the welding line in the weaving of the welding torch (W: weld bead width in the first layer welding)
In order to prevent unmelting of the groove surface, the maximum weaving width in the plate thickness direction and the direction perpendicular to the weld line needs to be (W-6) mm or more. On the other hand, when the maximum weaving width in the plate thickness direction and the direction perpendicular to the weld line exceeds Wmm, the molten metal drips and welding cannot be established.
Therefore, the maximum weaving width in the plate thickness direction and the direction perpendicular to the weld line is in the range of (W-6) mm to Wmm. Preferably, it is the range of (W-4) mm or more and (W-1) mm or less.

また、溶接トーチのウイービングパターンについては特に限定されず、図4(a)〜(d)に示すように、溶接線方向(溶接進行方向と一致し、通常は鉛直方向)から見てコの字形、V字形、台形および三角形等とすることができる。なお、図4(a)〜(d)中、溶接トーチの向きが変わる各点(図4(a)でいうとB点およびC点)での溶接トーチの軌跡は、角張るようにしても、丸みを帯びるようにしてもよい。
ただし、立向き上進溶接においては、溶接表面側に近い箇所でのウイービングは溶融金属の垂れ落ちを生じさせ易く、さらに、溶接トーチ動作が開先面とずれると、開先面の均一な溶融が得られず、融合不良等の溶接欠陥が生じ易い。特に、反転動作を必要としない一般的な台形および三角形のウイービングパターンは、装置負荷が小さい反面、溶接表面側に近い箇所での溶接トーチ動作(図4(b)における台形ウイービングパターンのD点→A点、図4(d)における三角形ウイービングパターンのC点→A点)により、溶融金属の垂れ落ちが生じ易い。このため、溶融金属の垂れ落ちを抑制するという観点からは、溶接表面側でのトーチ動作のないコの字形またはV字形のウイービングパターンとすることが好ましい。
さらに、V字形や三角形のウイービングパターンでは、開先ギャップが大きい(例えば、6mm以上)場合、溶接トーチ動作が開先面とずれてしまい(例えば、図4(c)におけるA点→B点の動作において、溶接トーチ先端の軌跡が開先面(溶接トーチに近い側)と平行でなくなるなど)、開先面の均一な溶融が得られず、融合不良等の溶接欠陥が生じ易くなる。従って、このような場合には、開先面と平行に溶接トーチを動作させることが可能なコの字形のウイービングパターンとすることが最適である。
Further, the weaving pattern of the welding torch is not particularly limited, and as shown in FIGS. 4A to 4D, a U-shape when viewed from the welding line direction (which coincides with the welding progress direction and is usually the vertical direction). V-shaped, trapezoidal, triangular, etc. 4A to 4D, the trajectory of the welding torch at each point where the direction of the welding torch changes (point B and point C in FIG. 4A) is made square. You may make it round.
However, in vertical upward welding, weaving near the weld surface tends to cause dripping of the molten metal, and when the welding torch operation deviates from the groove surface, the groove surface is uniformly melted. Cannot be obtained, and welding defects such as poor fusion are likely to occur. In particular, a general trapezoidal and triangular weaving pattern that does not require reversal operation has a small apparatus load, but a welding torch operation at a location close to the welding surface side (point D of the trapezoidal weaving pattern in FIG. 4B) Due to the point A and the point C to the point A in the triangular weaving pattern in FIG. For this reason, from the viewpoint of suppressing dripping of the molten metal, it is preferable to use a U-shaped or V-shaped weaving pattern without a torch operation on the welding surface side.
Further, in a V-shaped or triangular weaving pattern, when the groove gap is large (for example, 6 mm or more), the welding torch operation is shifted from the groove surface (for example, from point A to point B in FIG. 4C). In operation, the locus of the tip of the welding torch is no longer parallel to the groove surface (side close to the welding torch) and the groove surface cannot be uniformly melted, and welding defects such as poor fusion are likely to occur. Therefore, in such a case, it is optimal to use a U-shaped weaving pattern capable of operating the welding torch parallel to the groove surface.

なお、板厚方向における、ウイービング時の溶接トーチ先端の最深点(例えば、図4(a)、(b)におけるB点およびC点、図4(c)、(d)におけるB点)の鋼材裏面からの距離aは、通常2〜5mm程度である。
また、本発明で対象とする開先形状に対し、コ字形ウイービングや台形ウイービングを適用する場合、図4(a)、(b)中のM、M、Mは、それぞれ2〜18mm、0〜10mm、0〜10mm程度となる。
さらに、ウイービング時の周波数や停止時間(図4に示すA点などの各点における停止時間)は特に限定されるものではなく、例えば周波数は0.25〜0.5Hz(好ましくは0.4〜0.5Hz)、停止時間は0〜0.5秒(好ましくは0.2〜0.3秒)程度とすればよい。
Note that the steel material at the deepest point of the welding torch tip during weaving in the plate thickness direction (for example, points B and C in FIGS. 4 (a) and 4 (b), point B in FIGS. 4 (c) and 4 (d)). The distance a from the back surface is usually about 2 to 5 mm.
When U-shaped weaving or trapezoidal weaving is applied to the groove shape targeted by the present invention, M 1 , M 2 , and M 3 in FIGS. 4A and 4B are 2 to 18 mm, respectively. 0 to 10 mm and 0 to 10 mm.
Further, the frequency and stop time during weaving (stop time at each point such as point A shown in FIG. 4) are not particularly limited. For example, the frequency is 0.25 to 0.5 Hz (preferably 0.4 to 0.5 Hz) and the stop time may be about 0 to 0.5 seconds (preferably 0.2 to 0.3 seconds).

以上、基本条件について説明したが、本発明の溶接方法では、以下の条件をさらに満足させることにより、特に立向き溶接において問題となる溶融金属の垂れを抑制し、ビード形状の一層の安定化を図ることができる。   Although the basic conditions have been described above, in the welding method of the present invention, by further satisfying the following conditions, dripping of molten metal, which is a problem particularly in vertical welding, is suppressed, and the bead shape is further stabilized. Can be planned.

初層溶接における溶接金属のS量およびO量の合計量:450質量ppm以下
安定した立向き上進溶接を実現するには、溶融金属の垂れを防ぎ、かつ安定した溶接ビード形状(凹凸のない平滑なビード)を得る必要があり、特に、溶融金属の垂れを防ぐには、溶融金属の表面張力と粘性の低下させるS量およびO量を低く管理することが重要である。
ここに、溶接金属のS量およびO量の合計量が450質量ppm(以下、単にppmともいう)を超えると、表面張力と粘性の低下に加えて溶接金属の対流が表面で外向きとなり、高温の溶接金属が中央から周辺に向かって対流して、溶融金属が広がりを持ち、溶融金属の垂れが生じ易くなる。このため、溶融金属の表面張力と粘性、湯流れを支配する、溶接金属のS量およびO量は、これらの合計量で450ppm以下とすることが好ましい。より好ましくは400ppm以下である。
Total amount of weld metal S and O in first layer welding: 450 mass ppm or less To achieve stable upward welding, molten metal is prevented from dripping and stable weld bead shape (no irregularities) In order to prevent the molten metal from sagging, it is important to manage the S amount and O amount that reduce the surface tension and viscosity of the molten metal at a low level.
Here, when the total amount of S and O of the weld metal exceeds 450 mass ppm (hereinafter also simply referred to as ppm), in addition to the decrease in surface tension and viscosity, the convection of the weld metal becomes outward on the surface, The high-temperature weld metal convects from the center toward the periphery, the molten metal spreads, and the dripping of the molten metal is likely to occur. For this reason, it is preferable that the total amount of S and O of the weld metal that governs the surface tension and viscosity of the molten metal and the molten metal flow is 450 ppm or less. More preferably, it is 400 ppm or less.

また、溶接ワイヤには、表面張力を下げ、溶接ビードを平坦化する目的で、通常、Sが0.010〜0.025質量%含まれている。溶接金属のS量の低減には、このような溶接ワイヤ自体のS量の低減に加えて、鋼材中のS量を下げることが有効である。
さらに、溶接金属のO量は、シールドガス中のCOの酸化により増加する。例えば、シールドガスとして100%COガスを用いる場合、溶接金属中のO量は、0.040〜0.050質量%程度増加する。このような溶接金属のO量の低減には、溶接ワイヤ自体に通常0.003〜0.006質量%程度含まれるOの低減に加えて、溶接ワイヤへのSiおよびAl添加が有効である。また、溶接電流およびアーク電圧を高くし、溶融金属中のスラグメタル反応(脱酸反応)とスラグの凝集、溶接ビード表面への浮上を十分に行わせることも有効である。
The welding wire usually contains S in an amount of 0.010 to 0.025% by mass for the purpose of lowering the surface tension and flattening the weld bead. In order to reduce the S amount of the weld metal, it is effective to lower the S amount in the steel material in addition to the reduction of the S amount of the welding wire itself.
Furthermore, the amount of O in the weld metal increases due to the oxidation of CO 2 in the shield gas. For example, when 100% CO 2 gas is used as the shielding gas, the amount of O in the weld metal increases by about 0.040 to 0.050 mass%. In order to reduce the amount of O in such a weld metal, addition of Si and Al to the welding wire is effective in addition to the reduction of O which is usually contained in the welding wire itself by about 0.003 to 0.006 mass%. It is also effective to increase the welding current and arc voltage so that the slag metal reaction (deoxidation reaction) in the molten metal, the slag aggregation, and the surface of the weld bead are sufficiently lifted.

初層溶接における溶接金属のN量:120ppm以下
溶接金属中の窒素(N)は、凝固の際に溶接金属より排出され気泡となる。この気泡の発生が湯面の振動を招き、溶融金属の垂れの原因となる。特に、溶接金属中のN量が120ppmを超えると、溶融金属の垂れが生じ易くなることから、初層溶接における溶接金属のN量は120ppm以下とすることが好ましい。より好ましくは60ppm以下である。
N amount of weld metal in first layer welding: 120 ppm or less Nitrogen (N) in the weld metal is discharged from the weld metal and becomes bubbles during solidification. Generation | occurrence | production of this bubble causes the vibration of a molten metal surface, and causes dripping of a molten metal. In particular, if the amount of N in the weld metal exceeds 120 ppm, the molten metal tends to sag. Therefore, the amount of N in the weld metal in the first layer welding is preferably 120 ppm or less. More preferably, it is 60 ppm or less.

また、通常、溶接ワイヤには不純物として窒素(N)が50〜80ppm含まれており、ここから、シールドガスの不純物と大気の混入により、溶接金属中のN量が20〜120ppm程度増加する。一方、通常、アーク溶接のノズル内径は16〜20mm程度であるため、このようなノズルを用いて、このノズル内径を超える接合深さとなる溶接金属部分を完全にシールドすることは困難であり、結果的に、溶接金属中のN量が200ppmを超えてしまう場合もある。
このようなN量の増加を防ぎ、初層溶接における溶接金属のN量を120ppm以下、さらには60ppm以下とするには、通常のアーク溶接のノズルとは別のガスシールド系統を設け、これにより、溶接金属への大気の混入を抑制することが有効である。
In general, the welding wire contains nitrogen (N) as an impurity in an amount of 50 to 80 ppm. From here, the amount of N in the weld metal increases by about 20 to 120 ppm due to mixing of impurities in the shielding gas and the atmosphere. On the other hand, since the inner diameter of the nozzle for arc welding is usually about 16 to 20 mm, it is difficult to completely shield the weld metal portion having a joining depth exceeding the inner diameter of the nozzle using such a nozzle. In particular, the amount of N in the weld metal may exceed 200 ppm.
In order to prevent such an increase in the amount of N and reduce the amount of N in the weld metal in the first layer welding to 120 ppm or less, and further to 60 ppm or less, a gas shield system different from the normal arc welding nozzle is provided. It is effective to suppress the mixing of air into the weld metal.

なお、溶接時の鋼材希釈により、鋼材から溶接金属にS、OおよびNが溶出するため、S:0.005質量%以下、O:0.003質量%以下およびN:0.004質量%以下の鋼材を用いることが、上記した初層溶接における溶接金属のS量、O量およびN量を抑制する上では好適である。   In addition, since S, O and N are eluted from the steel material to the weld metal by dilution of the steel material during welding, S: 0.005 mass% or less, O: 0.003 mass% or less, and N: 0.004 mass% or less It is preferable to use the steel material in order to suppress the S amount, O amount, and N amount of the weld metal in the first layer welding described above.

初層溶接で用いる溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計:1.5質量%以上3.5質量%以下
上記した溶融金属の垂れを防ぎかつ安定した溶接ビード形状の外観を得るには、適正量のスラグを形成することが重要である。スラグは主にSiOとMnOで構成されており、このスラグ量は、溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計に大きく左右される。
ここに、溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計が1.5質量%未満では、溶融金属の垂れを防ぐのに十分なスラグ量が得られない。一方、溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計が3.5質量%を超えると、スラグが塊となり次層以降の溶接に支障を与える場合がある。従って、初層溶接で用いる溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計は、1.5質量%以上3.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは1.8質量%以上2.8質量%以下である。
The total amount of Si and Mn of the welding wire used in the first layer welding: 1.5% by mass or more and 3.5% by mass or less Appropriate for preventing the above-mentioned dripping of molten metal and obtaining a stable weld bead shape appearance It is important to form an amount of slag. The slag is mainly composed of SiO 2 and MnO, and the amount of this slag greatly depends on the total amount of Si and Mn in the welding wire.
Here, when the total amount of Si and Mn in the welding wire is less than 1.5% by mass, a slag amount sufficient to prevent dripping of the molten metal cannot be obtained. On the other hand, if the total amount of Si and Mn in the welding wire exceeds 3.5% by mass, the slag may become a lump and hinder the welding of the subsequent layers. Accordingly, the total amount of Si and Mn of the welding wire used in the first layer welding is preferably 1.5% by mass or more and 3.5% by mass or less. More preferably, it is 1.8 mass% or more and 2.8 mass% or less.

初層溶接で用いる溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計:0.08質量%以上0.5質量%以下
上記した溶融金属の垂れを防ぎかつ安定した溶接ビード形状の外観を得るのに重要な役割を果たすスラグの物性(粘性)に大きく影響するのが、TiO、Al、Zrである。
ここに、溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計が0.08質量%未満では、溶融金属の垂れを防ぐのに有効なスラグの粘性が得られない。一方、溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計が0.5質量%超えると、スラグの除去、再溶融ともに困難となり、次層以降の溶接に支障が生じる。
従って、初層溶接で用いる溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計は、0.08質量%以上0.5質量%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.15質量%以上0.25質量%以下である。
Total of Ti amount, Al amount and Zr amount of welding wire used in first layer welding: 0.08% by mass or more and 0.5% by mass or less Preventing dripping of the above-mentioned molten metal and obtaining a stable weld bead shape appearance TiO 2 , Al 2 O 3 , and Zr 2 O 3 have a great influence on the physical properties (viscosity) of slag that play an important role in the slag.
Here, when the total of the Ti amount, Al amount, and Zr amount of the welding wire is less than 0.08 mass%, the viscosity of the slag effective for preventing dripping of the molten metal cannot be obtained. On the other hand, if the total amount of Ti, Al and Zr in the welding wire exceeds 0.5% by mass, both removal of slag and remelting become difficult, resulting in hindrance to welding in subsequent layers.
Therefore, the total of the Ti content, Al content and Zr content of the welding wire used in the first layer welding is preferably 0.08 mass% or more and 0.5 mass% or less. More preferably, it is 0.15 mass% or more and 0.25 mass% or less.

なお、上記した以外の溶接ワイヤの成分については、溶接する厚鋼材の成分に応じ適宜選択すればよいが、上記した溶接金属中のS量、O量およびN量を抑制する観点からは、S:0.03質量%以下、O:0.01質量%以下、N:0.01質量%以下とし、さらにSi:0.05〜0.80質量%、Al:0.005〜0.050質量%の範囲とした溶接ワイヤ(例えば、JIS Z 3312 YGW18やJIS Z 3319 YFEG−22C等)を用いることが、好適である。   The components of the welding wire other than those described above may be appropriately selected according to the components of the thick steel material to be welded. From the viewpoint of suppressing the amount of S, O, and N in the above-described weld metal, S : 0.03 mass% or less, O: 0.01 mass% or less, N: 0.01 mass% or less, Si: 0.05-0.80 mass%, Al: 0.005-0.050 mass %, It is preferable to use a welding wire (for example, JIS Z 3312 YGW18, JIS Z 3319 YFEG-22C).

シールドガス組成:COガスを20体積%以上
溶接部の溶け込みは、アークそのものによるガウジング効果と高温状態にある溶接金属の対流によって支配されている。溶接金属の対流が内向きとなる場合、高温の溶接金属が上から下方向に対流するのでアーク直下の溶け込みが増す。一方、溶接金属の対流が外向きとなる場合、高温の溶接金属が中央から左右方向に対流し、溶接ビードが広がりを持つとともに開先面の溶け込みが増す。従って、本発明の目標とする厚鋼材の立向き多層ガスシールドアーク溶接において、溶融(溶接)金属の垂れを抑制し均一な溶接ビード形状を得るには、溶接金属の対流を内向きとすることが好ましい。
ここで、溶接金属の湯流れを支配する酸素(O)を低減する観点で言えば、COガスを低く抑える方が有利であるが、COガスは解離吸熱反応によりアークそのものを緊縮させ、溶接金属の対流をより内向きとする効果がある。
このため、シールドガス組成としては、COガスを20体積%以上とすることが好ましい。より好ましくは60体積%以上である。なお、COガス以外の残部は、Ar等の不活性ガスを用いればよい。また、COガス:100体積%であってもよい。
Shielding gas composition: 20% by volume or more of CO 2 gas The penetration of the weld is governed by the gouging effect by the arc itself and the convection of the weld metal in a high temperature state. When the convection of the weld metal is inward, the hot weld metal convects from the top to the bottom, so the penetration directly under the arc increases. On the other hand, when the convection of the weld metal is directed outward, the high-temperature weld metal is convected from the center in the left-right direction, the weld bead expands and the penetration of the groove surface increases. Therefore, in the vertical multi-layer gas shielded arc welding of the thick steel material targeted by the present invention, in order to suppress the dripping of the molten (welded) metal and obtain a uniform weld bead shape, the convection of the weld metal should be inward. Is preferred.
Here, from the viewpoint of reducing oxygen (O) that governs the flow of molten metal in the weld metal, it is advantageous to keep the CO 2 gas low, but the CO 2 gas contracts the arc itself by a dissociative endothermic reaction, There is an effect of making the convection of the weld metal more inward.
Therefore, as the shield gas composition, it is preferable that the CO 2 gas and 20% by volume or more. More preferably, it is 60 volume% or more. Note that an inert gas such as Ar may be used for the remainder other than the CO 2 gas. Further, CO 2 gas: it may be 100 vol%.

また、溶接部の溶け込みは、アークの指向性およびガウジング効果にも影響される。従って、溶接の極性は、アークの指向性およびガウジング効果のより大きいワイヤマイナス(正極性)とすることが好ましい。   The penetration of the weld is also affected by the directivity of the arc and the gouging effect. Therefore, it is preferable that the polarity of the welding is a wire minus (positive polarity) having a higher arc directivity and a gouging effect.

上記以外の条件については、特に規定する必要はないが、平均溶接電流270A未満では、溶融池が小さく、表面側ではトーチウイービング毎に溶融と凝固を繰り返す多層溶接のような状態となり融合不良、スラグ巻き込みが生じ易い。一方、平均溶接電流が360Aを超えると、溶融(溶接)金属の垂れが生じ易くなる他、溶接ヒュームとスパッタによりアーク点の確認が困難となるため施工中の調整が難しくなる。このため、平均溶接電流は、270〜360Aとすることが好ましい。また、平均溶接電流を270〜360Aとすることで、溶接ヒューム、スパッタの発生を抑えつつ安定した溶込みが得られることから、本発明の溶接を行う上で一層有利となる。
これ以外の条件については定法に従えばよく、例えば、溶接電圧:32〜37V(電流とともに上昇)、溶接速度(上進):3〜15cm/分(好適には4〜9cm/分)、ワイヤ突き出し長さ:20〜45mm、ワイヤ径:1.2〜1.6mm程度とすればよい。
Conditions other than the above need not be specified, but if the average welding current is less than 270A, the molten pool is small, and on the surface side, it becomes a state of multilayer welding that repeats melting and solidification for each torch weaving, resulting in poor fusion, slag Entrainment is likely to occur. On the other hand, if the average welding current exceeds 360 A, dripping of molten (welded) metal is likely to occur, and it becomes difficult to check the arc point by welding fume and spatter, making adjustment during construction difficult. For this reason, it is preferable that an average welding current shall be 270-360A. In addition, by setting the average welding current to 270 to 360 A, stable penetration can be obtained while suppressing generation of welding fumes and spatters, which is further advantageous in performing welding according to the present invention.
Other conditions may be determined according to a standard method, for example, welding voltage: 32 to 37 V (increase with current), welding speed (upward): 3 to 15 cm / min (preferably 4 to 9 cm / min), wire The protruding length may be about 20 to 45 mm, and the wire diameter may be about 1.2 to 1.6 mm.

なお、初層以外の各層における溶接条件については、特に限定されず、基本的には上記した初層の溶接条件と同様とすればよい。
また、溶接完了までの積層数は、積層欠陥を防止する観点から2乃至4層程度とすることが好ましい。なお、本発明の溶接方法では、1層あたり1パスの積層溶接を基本とする。
The welding conditions in each layer other than the first layer are not particularly limited, and may basically be the same as the above-described welding conditions for the first layer.
Moreover, it is preferable that the number of stacks until the completion of welding is about 2 to 4 layers from the viewpoint of preventing stacking faults. The welding method of the present invention is based on the lamination welding of one pass per layer.

表1に示す開先形状とした2枚の鋼材に、表2に示す溶接条件で狭開先の立向き上進多層ガスシールドアーク溶接を施した。
ここで、鋼材はいずれも、S:0.005質量%以下、O:0.003質量%以下、N:0.004質量%以下のものを用いた。なお、鋼材の開先加工には、ガス切断を用い、開先面には研削等の手入れは行わなかった。
また、溶接ワイヤは、鋼材強度用またはそれより1ランク上用のグレードの1.2mmφのソリッドワイヤを用いた。なお、使用した溶接ワイヤ中の成分組成はいずれも、S:0.005質量%以下、O:0.003質量%以下、N:0.005質量%以下、Si:0.6〜0.8質量%、Al:0.005〜0.03質量%であった。
さらに、溶接電流は270〜360A、溶接電圧は32〜37V(電流とともに上昇)、平均溶接速度は3〜15cm/分(溶接中に調整)、平均のワイヤ突き出し長さは30mmとし、溶接長さは400mmとした。また、No.11を除き、通常のアーク溶接のノズルとは別のガスシールド系統を設けて、溶接を行った。
なお、初層以外の各層における溶接については、基本的に初層溶接と同じ入熱条件とした。
Narrow groove vertical multi-layer gas shield arc welding was performed on the two steel materials having the groove shape shown in Table 1 under the welding conditions shown in Table 2.
Here, all steel materials used were S: 0.005 mass% or less, O: 0.003 mass% or less, and N: 0.004 mass% or less. Note that gas cutting was used for the groove processing of the steel material, and the groove surface was not subjected to maintenance such as grinding.
As the welding wire, a 1.2 mmφ solid wire of a grade for steel strength or one rank higher than that was used. In addition, as for the component composition in the used welding wire, all are S: 0.005 mass% or less, O: 0.003 mass% or less, N: 0.005 mass% or less, Si: 0.6-0.8 It was mass%, Al: 0.005-0.03 mass%.
Furthermore, the welding current is 270 to 360 A, the welding voltage is 32 to 37 V (increase with the current), the average welding speed is 3 to 15 cm / min (adjusted during welding), the average wire protrusion length is 30 mm, and the welding length Was 400 mm. No. Except for No. 11, welding was performed by providing a gas shield system different from the normal arc welding nozzle.
In addition, about the welding in each layer other than the first layer, it was set as the same heat input condition as the first layer welding fundamentally.

初層溶接後、任意に選んだ5点の断面マクロ組織観察により、ビード幅および接合深さを測定した。なお、ビード幅については、測定した値の最大値を初層溶接ビード幅Wとし、接合深さについては、測定した値の最小値を初層溶接接合深さDとした。   After the first layer welding, the bead width and the joining depth were measured by observing the cross-sectional macrostructure at five points arbitrarily selected. In addition, about the bead width, the maximum value of the measured value was made into the first layer welding bead width W, and about the joining depth, the minimum value of the measured value was made into the first layer welding joint depth D.

また、初層溶接時における溶融金属の垂れを、目視により次のように評価した。
◎:溶接金属の垂れなし
○:溶接金属の垂れ2箇所以下
×:溶接金属の垂れ5箇所以上、または、溶接中断
Moreover, the dripping of the molten metal during the first layer welding was visually evaluated as follows.
◎: No weld metal sag ○: Weld metal sag 2 or less ×: Weld metal sag 5 or more or welding interrupted

さらに、最終的に得られた溶接継手について、超音波探傷検査を実施し、次のように評価した。
◎:検出欠陥なし
○:欠陥長さが3mm以下の合格欠陥のみを検出
×:欠陥長さが3mmを超える欠陥を検出
これらの結果も併せて表2に示す。
Furthermore, the ultrasonic inspection was implemented about the finally obtained welded joint, and it evaluated as follows.
A: No detected defect O: Only a defective defect having a defect length of 3 mm or less is detected. X: A defect having a defect length exceeding 3 mm is detected. These results are also shown in Table 2.

表2に示したとおり、発明例であるNo.1〜14では、初層溶接金属の垂れはないか、あっても2箇所以下であった。また、超音波探傷検査でも、検出欠陥がないか、あっても欠陥長さが3mm以下であった。
一方、比較例であるNo.15〜19は、5箇所以上の溶接金属の垂れがあるか、および/または超音波探傷検査において欠陥長さが3mm超の欠陥が検出された。
As shown in Table 2, No. 1 is an invention example. In 1 to 14, there was no dripping of the first layer weld metal, or even two or less. Further, even in the ultrasonic flaw detection, there was no detection defect, but the defect length was 3 mm or less.
On the other hand, No. which is a comparative example. In Nos. 15 to 19, there were five or more weld metal sags, and / or a defect with a defect length of more than 3 mm was detected in ultrasonic inspection.

また、図5(a)に発明例であるNo.7の初層溶接後の表(溶接施工側)の外観写真を、(b)に断面マクロ組織写真の一例を示す。同図より、ウイービング条件等を適正に制御したNo.7の発明例では、初層溶接における接合深さDが28mm程度と所望の接合深さが得られていることがわかる。また、同時に安定した溶接ビード形状も得られていた。   Further, in FIG. 7 shows an outer appearance photograph of the table after the first layer welding (welding operation side), and FIG. From the same figure, No. which properly controlled the weaving conditions. In Example 7 of the invention, it can be seen that the desired joining depth is obtained with a joining depth D of about 28 mm in the first layer welding. At the same time, a stable weld bead shape was obtained.

1:厚鋼材
2:厚鋼材の開先面
3:鋼材下段部の開先
4:溶接トーチ
5:溶接ワイヤ
6:裏当て材
7:溶接ビード
θ:開先角度
G:開先ギャップ
h:鋼材下段部の開先高さ
t:板厚
φ:水平方向に対する溶接トーチの角度
D:初層溶接における接合深さ
W:初層溶接における溶接ビード幅
L:板厚方向へのウイービング深さ
M:板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅
1: Thick steel material 2: Groove surface of thick steel material 3: Groove of steel lower part 4: Welding torch 5: Welding wire 6: Backing material 7: Weld bead θ: Groove angle G: Groove gap h: Steel material Groove height of lower step t: Plate thickness φ: Angle of welding torch with respect to horizontal direction D: Joining depth in first layer welding W: Weld bead width in first layer welding L: Weaving depth in plate thickness direction M: Maximum weaving width in the thickness direction and in the direction perpendicular to the weld line

Claims (7)

開先角度を25°以下、開先ギャップを20mm以下として、板厚が40mm以上である2枚の厚鋼材を、ウイービングを用いる立向き多層溶接により接合する立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法において、
初層溶接時に、溶接トーチの角度を水平方向に対して25°以上75°以下、溶接入熱を30kJ/cm以上170kJ/cm以下にするとともに、板厚方向へのウイービング深さを15mm以上50mm以下、かつ初層溶接における溶接ビード幅をWとした場合に、板厚方向および溶接線に直角な方向へのウイービング最大幅を(W−6)mm以上Wmm以下として、溶接トーチのウイービングを行い、
前記初層溶接における接合深さを20mm以上50mm以下とする立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
A vertical narrow gap gas shield arc welding method in which two thick steel materials having a groove angle of 25 ° or less, a groove gap of 20 mm or less, and a plate thickness of 40 mm or more are joined by vertical multilayer welding using weaving. In
During the first layer welding, the angle of the welding torch is 25 ° to 75 ° with respect to the horizontal direction, the welding heat input is 30 kJ / cm to 170 kJ / cm and the weaving depth in the plate thickness direction is 15 mm to 50 mm. Welding the torch with the maximum weaving width in the thickness direction and in the direction perpendicular to the welding line being (W-6) mm to Wmm, where W is the weld bead width in the first layer welding. ,
A vertical narrow groove gas shield arc welding method in which a joining depth in the first layer welding is 20 mm or more and 50 mm or less.
前記初層溶接のウイービングにおいて、溶接線方向から見た溶接トーチのウイービングパターンがコの字形である請求項1に記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。   2. The vertical narrow gap gas shield arc welding method according to claim 1, wherein the weaving of the first layer welding has a U-shaped weaving pattern of the welding torch viewed from the welding line direction. 前記初層溶接における溶接金属のS量およびO量の合計が450質量ppm以下でかつ、N量が120質量ppm以下である請求項1または2に記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。   The vertical narrow gap gas shielded arc welding method according to claim 1 or 2, wherein the total amount of S and O of the weld metal in the first layer welding is 450 mass ppm or less and the N content is 120 mass ppm or less. . 前記初層溶接で用いる溶接ワイヤのSi量およびMn量の合計が1.5質量%以上3.5質量%以下である請求項1〜3のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。   The vertical narrow gap gas shielded arc according to any one of claims 1 to 3, wherein the total amount of Si and Mn of the welding wire used in the first layer welding is 1.5 mass% or more and 3.5 mass% or less. Welding method. 前記初層溶接で用いる溶接ワイヤのTi量、Al量およびZr量の合計が0.08質量%以上0.5質量%以下である請求項1〜4のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。   The vertical narrow gap according to any one of claims 1 to 4, wherein the total amount of Ti, Al, and Zr of the welding wire used in the first layer welding is 0.08 mass% or more and 0.5 mass% or less. Gas shield arc welding method. シールドガスとして20体積%以上のCOガスを含有するガスを用いる請求項1〜5のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。Stand facing Narrow Gap gas shielded arc welding method according to claim 1, using a gas containing 20 vol% or more of CO 2 gas as a shielding gas. 前記初層溶接において、平均溶接電流が270A以上360A以下の範囲である請求項1〜6のいずれかに記載の立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。   The vertical narrow groove gas shielded arc welding method according to any one of claims 1 to 6, wherein in the first layer welding, an average welding current is in a range of 270A to 360A.
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