JP5987663B2 - 鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接入熱が小さく、溶接能率も高い狭開先溶接方法に関し、溶接部の低温靱性に優れる高性能な溶接を可能とする狭開先ガスシールドアーク溶接方法に関する。

厚鋼板の溶接においてはサブマージアーク溶接を用いて造船分野では板厚４０ｍｍ程度まで片面の１ラン溶接（１層１パス片面溶接）による溶接施工が行われている。また、建築分野においては板厚８０ｍｍまで１ラン溶接が行われている。

しかし、１ラン溶接は極めて高能率の溶接施工方法であるが、溶接入熱も非常に大きく、溶接金属や溶接熱影響部（単に「熱影響部」と云う場合がある。）の靭性が劣化する問題や溶接熱影響部の軟化による継手強度の低下の問題がある。

溶接部の高性能化のために溶接入熱量の低減を図る場合には、溶着量減少の観点から開先断面積を小さくすることが志向される。すなわち、高能率で低入熱な溶接を行うためには開先断面積を小さくすることが必須となる。

しかし、単に開先断面積を小さくするだけで、開先の形状に考慮をしないと溶接アーク熱が開先内のある一点に集中し、高温割れやアンダーカットなどさまざまな溶接欠陥が生じるという問題がある。

そのため、こうした問題を解決する手段として特許文献１が提案されている。すなわち、開先を狭開先として、溶接アークを上下方向に揺動し、溶接アーク熱や溶融金属を狭開先内で板厚上下方向に変動させ、溶接アークの熱を開先内で板厚方向に分散させる方法である。

しかしながら、この溶接方法では溶接アークを狭開先の底部に発生させるにあたり、溶接電流を低下させる必要があり、例えば裏波を形成したり、Ｉ開先の開先底部の溶け残しを防止するために開先底部に十分な溶接アーク熱と溶接アーク圧力を与えることが難しいという問題がある。

こうした問題を解決するために、特許文献２では溶接電極を機械的に上下させることにより、狭開先内部での溶接アーク熱の分布を制御する提案がなされている。

しかし、こうした溶接の実現のためには新たに設備を増設する必要があり、コストなどの面で問題がある。さらに、特許文献２では、板厚２０ｍｍの溶接を２ランの溶接法を採用しているので、１ランのサブマージアーク溶接方法に比べ、能率の観点からのメリットも少ない。

特許３８６７１６４号公報 特許４５３８６１６号公報

本発明は、厚鋼板の狭開先溶接において、溶接アーク発生位置を的確に制御し、開先底部の溶け込みを十分に確保した上で、溶接金属の高温割れなどの溶接欠陥を防止することを目的とする。さらに、溶接機の改造を最小限とし設備コストを抑制し、板厚方向の溶接アークガウジング力や、アーク熱を制御し、低コストにて、溶接欠陥を防止しつつ溶接の高能率化と溶接部の高性能化を同時に達成することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を達成するためには、溶接条件の制御に、アークの自己制御特性を活用する定電圧特性を用いるのは不利であるとの知見を得た。さらに検討を進めた結果、溶接アーク電圧をモニタリングし、ワイヤ送給速度をフィードバック制御する垂下特性、あるいは負荷電圧が変化しても溶接電流値があまり変化しない定電流特性を活用することで、上述の課題を解決できることを見出した。

すなわち、狭開先の溶接において、アーク電圧を低減する指令を出すことにより、溶接アーク長を短く保つために溶接アーク発生位置は狭開先の底部に移行するという現象を知見した。

また、垂下特性であればこのとき、ほぼ任意に溶接電流を設定することが可能であるため、溶接アークが開先底部に発生している状態で１０００Ａ以上の大電流を適用することが可能となる。

これらの溶接を低コストで可能とするには、近年普及しつつあるデジタル制御溶接機を適用することに着目した。このデジタル制御溶接機では、溶接時における電流や電圧、溶接速度といった出力をシーケンサを通してデジタル制御する。すなわち、溶接アーク電圧、溶接電流、溶接速度といった溶接条件出力をプログラム制御することが可能となる。溶接機によっては溶接条件を設定するインターフェースが必要となる場合もあるが、近年はタッチパネル式の入力機器が普及してきたため、追加する設備コストは不要となる。ガスシールド溶接機で一般的な電源特性である定電圧特性は溶接アーク電圧を溶接電流で制御するため、原理的に電圧と電流を任意に制御することができない。電流−電圧といった出力を任意に制御するためには溶接アーク電圧をワイヤ送給速度で制御する垂下特性電源を利用することが条件として必要となる。

上述の条件に加えて、溶接アーク電圧の変化に合わせて、溶接電流、あるいは溶接速度を変化させることによって、狭開先溶接における溶接アーク発生位置での任意の位置において溶接入熱を変化させることが可能となる。特に溶接電流を変化させることによりアークガウジング力を変化させることが可能であるため、アークによって生じた溶融金属を後方に押しやる力を増大させたり、母材をアークにより掘り込む力を増大させるのに非常に有効であり、溶け込みの確保に大変効果がある。

以上の知見に基づく、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
［１］垂下特性あるいは定電流特性の電源を用い、アーク電圧を制御することによってアークの発生位置を制御し、さらに溶接電流と前記アーク電圧を連動させて制御することを特徴とする狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
［２］溶接速度を前記アーク電圧に連動させて制御することによって溶接入熱量と溶着量を制御することを特徴とする前記［１］に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。

［３］平均溶接電流を５００Ａ以上とする前記［１］または［２］に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。

［４］２電極以上の電極を用いる多電極ガスシールドアーク溶接において、第２電極以降に［１］〜［３］のいずれか１つに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法を適用することを特徴とする多電極ガスシールドアーク溶接方法。

本発明によれば、厚鋼板の狭開先溶接を行うにおいて、溶け込み不足や高温割れなどの溶接欠陥を防止しつつ、低入熱での１ラン溶接が可能になる。このことにより溶接部の靭性や強度に優れる溶接継手を高能率に得ることができる。

溶接条件（実施例１） 溶接条件（実施例２） 溶接条件（実施例３） 溶接条件（実施例４） 開先形状の例

本発明を実施するための形態を以下に述べる。まず、本発明の要件限定理由について説明する。

狭開先溶接において、本発明では垂下特性あるいは定電流特性の電源を用いる必要がある。これは開先内で溶接電流を任意に制御するために必要となる。電圧指示を低くすると、溶接アークは均衡する位置を求め、開先内部で板厚の下部方向に移動し、溶接条件は均衡する。

このときの開先内部の溶接アーク熱分布から溶け込み領域の調整を溶接電流の増減を操作する制御により行うことができるようになる。特に、溶け込みをより得ようとするならば溶接速度の低速化では効果がなく、溶接電流を高めることが必要となるため、狭開先溶接のような場合で溶接アーク後方から溶融池が溶接アークに干渉し、溶け込み量が減少する問題を抱えている場合には極めて有効である。

したがって、溶接電流とアーク電圧を連動させて制御することがアーク発生位置におけるアークのガウジング力を自在に制御することになる。このため、溶け込み深さを自在に増大または減少させることが可能となる。

溶接アークを開先において板厚の上方で発生させるには、溶接アーク電圧を高める指示を出せば溶接アークは電源特性により溶接アークの電流−電圧特性が均衡する位置を求めて上昇する。

このとき、あまり溶着量が多すぎると溶融金属の量が増加しすぎるため次の指示で溶接アークを底部に移行させるのを溶融金属が阻害してしまう場合がある。このような場合は溶接電流を低下させるのが有利に働く。定電圧特性とすると、制御パラメータが溶接電流となるため、溶接電流によって熱分布を制御することができない。

したがって、アーク電圧を制御することによってアークの発生位置を制御するので、本発明では、垂下特性あるいは定電流特性の電源を用いることが必要である。さらに、溶接電流とアーク電圧を連動させて制御することによって、アーク発生位置におけるアークガウジング力を自在に制御し、溶着量を制御することができる。

ここで、溶接電流とアーク電圧を連動させて制御するとは、例えばアーク電圧を低下させ、開先底部にアークを発生させつつ電流を高めて必要な溶け込みを確保するというように制御することを云う。

シールドガスは一般的に使われているものならば任意に選択することができるが、電圧を高めたときの溶接アークの安定性の観点から、ＡｒとＣＯ_２、あるいはＡｒとＯ_２の混合ガスが好ましい。シールドガスの量は体積％で、Ａｒが４０〜７０％で、ＣＯ_２が３０〜６０％であることが好ましい。

このように電圧制御によって溶接アークは開先内部を移動するが、同時に溶接電流の出力を指示することによって開先内部の板厚方向の投入溶接入熱量を自在に制御することが可能となる。

溶接電流ではなく、溶接速度を制御することによっても投入熱量を制御することができる。例えば、裏波溶接を実施する場合のような開先底部への投入熱量をできるだけ均質化したい場合などには、溶接アーク電圧を高めて溶接アークを板厚表面側で発生させる場合などに、溶接速度を極めて遅くすることにより開先底部で投入熱量が少ない部分が発生することを抑制することが可能となる。

特に、板厚１２ｍｍ以上の厚板を溶接する場合には溶融金属が溶接進行方向にせり出し、溶接アークに干渉しやすくなるため、溶接アーク圧力によって溶融金属のせり出しを抑えつつ、板厚上方に熱量を集めてビード断面形状を表面側に広がる形状を造り込み、溶接金属の高温割れを抑制するのに都合が良い。

溶接速度をアーク電圧に連動させて制御するとは、具体的には例えば、入熱量を変化させないようにアーク電圧が増加したら、溶接電流は減少させるような制御をすることが好ましい。

板厚が２０ｍｍを超える厚い場合には多電極溶接とし、溶け込み形成機能を第１電極に持たせ、第１電極のアーク発生位置は固定とし、第２電極以降のアーク発生位置を上下方向に制御することにより厚板の高能率狭開先溶接をより容易とすることができる。

このような狭開先溶接を行うにおいては板厚１０ｍｍ以上に適用することで溶接入熱量の低減の効果を大いに発揮する。例えば、造船における片面板継溶接に適用すれば、溶接部の低温靭性を確保するのに極めて有効である。

このような厚鋼板の溶接において十分な溶け込みを確保するには、平均溶接電流を５００Ａ以上であることが望ましく、さらに好ましくは平均溶接電流が８００Ａ以上である。
ここで、平均溶接電流は溶接電流の総和を時間で除した単位時間当たりの電流として計算される。

こうした溶接においてはワイヤの突き出し長さが必然的に長くなる。そのため、溶接アークの狙い位置の精度が重要になり、ワイヤのターゲット性確保の観点から、および５００Ａ以上の大電流を適用するという観点からもワイヤ径は２．０ｍｍ以上を適用するのが望ましく、好ましくは２．４ｍｍ以上である。ここで、ワイヤのターゲット性とは、ワイヤ送給時におけるワイヤの直進性をいう。一方、ワイヤ径が太すぎれば開先のギャップを小さくすることができず、溶接入熱が増大する。したがって、ワイヤ径４．０ｍｍ以下とするのが好ましい。

溶接アークの発生位置は溶接アーク電圧に追随するが、追随する速度は溶接アーク電圧を制御するためのワイヤ送給速度制御の比例ゲインが大きいほどより速く追随する。しかし、あまり大きくしすぎると溶接アーク電圧が不安定になるため、通常のビードオン溶接が安定にできる溶接範囲に設定する必要がある。

ワイヤ送給速度Ｖｆ（ｍ／ｍｉｎ）は次の式であらわされる。

Ｖｆ（ｍ／ｍｉｎ）＝Ｖ０（ワイヤ初期速度，ｍ／ｍｉｎ）＋Ｋ（比例ゲイン）×ΔＶ（測定値と設定値の差、Ｖ）
ここで、Ｋは０．２〜１０の範囲が好ましく、さらに好ましくは０．４〜３．５の範囲である。

溶接アーク電圧はあまり低すぎると溶接自体が不安定となるので、溶接電流値に応じた適当な溶接アーク電圧を選択する必要がある。少なくとも、ビードオン溶接で短絡のために溶接が不安定となる電流−電圧の組合せの範囲に属する条件を選択するのは避けなければならない。

以上の検討から、本発明に依れば、ガスシールドアーク溶接において、板厚１０〜３０ｍｍの鋼板を、ルートギャップ４〜１０ｍｍで、ワイヤ径２．０〜４．０ｍｍのソリッドワイヤ、シールドガスは、体積％でＡｒが４０〜７０％、ＣＯ_２が３０〜６０％、流量４０から６５ｌ／ｍｉｎで、平均溶接電流５００Ａ以上、の条件で施工することが好ましく、欠陥のない溶接継手が得られる。溶接速度は１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎの範囲、溶接入熱量は２０〜１２０ｋＪ／ｃｍの範囲で溶接速度を決定する。

（実施例１）
板厚２５ｍｍの鋼板に狭開先のガスシールドアーク溶接を行った。開先形状は、図５に示すルートギャップ７ｍｍのＩ形開先とし、鋼製裏当てを付け、片面１ラン突合せ溶接を行った。溶接機の電源特性は垂下特性で、直流電源を用い、電極側を陽極とした。溶接条件は図１に示すパターンで、溶接機の出力をプログラム制御した。２．４ｍｍφのソリッドワイヤを用い、母材−チップ間距離は２０ｍｍとした。

シールドガスは、体積％で７０％Ａｒ、３０％ＣＯ_２とし、同軸で５０ｌ／ｍｉｎの流量で溶接を行った。十分な溶け込みを得ながら、高温割れなどの溶接欠陥が抑制され、溶接部の靭性に優れ、かつ熱影響部の軟化も抑制し、十分な継手強度を持つ良好な溶接継手が作製された。

（実施例２）
板厚１１ｍｍの鋼材に、狭開先のガスシールド溶接アーク溶接を行った。開先形状はルートギャップ５ｍｍのＩ形開先とし、耐熱テープを裏に張り付け、片面溶接を実施した。溶接機の電源特性は垂下特性で、交流電源を用いた。２．０ｍｍφのソリッドワイヤを用い、母材−チップ間距離は２０ｍｍとした。

シールドガスは５０％Ａｒ、５０％ＣＯ_２とし、同軸で５０ｌ／ｍｉｎの流量で溶接を行った。溶接条件は図２に示すパターンで、溶接機の出力をプログラム制御した。裏波も良好な欠陥のない溶接部を得ることができた。

（実施例３）
板厚２８ｍｍの鋼材に狭開先ガスシールドアーク溶接を行った。開先形状はルートギャップ８ｍｍのＩ形開先とし、鋼製裏当てを付け、片面１ラン突合せ溶接を行った。溶接機の電源特性は垂下特性で、直流電源を用い、電極側を陽極とした。３．２ｍｍφのソリッドワイヤを用い、母材−チップ間距離は２０ｍｍとした。

シールドガスは４０％Ａｒ、６０％ＣＯ_２とし、同軸で５５ｌ／ｍｉｎの流量で溶接を行った。溶接条件は図３に示すパターンで、溶接機の出力をプログラム制御した。十分な溶け込みを得ながら、高温割れなどの溶接欠陥が抑制され、溶接部の靭性に優れ、かつ熱影響部の軟化も抑制し、十分な継手強度を持つ良好な溶接継手が作製された。

（実施例４）
板厚３２ｍｍの鋼材に狭開先ガスシールドアーク溶接を行った。開先形状はルートギャップ８ｍｍのＩ形開先とし、鋼製裏当てを付け、２電極の片面１ラン突合せ溶接を行った。溶接機の電源特性は垂下特性とし、２電極とも交流電源を用い、第２電極は第１電極に対し、１２０°遅れの位相差とした。電極間距離は鋼板表面でワイヤ中心からの距離が５０ｍｍとし、電極角度は第１電極が後退角８°、第２電極が前進角８°とした。２．４ｍｍφのソリッドワイヤを第１電極および第２電極に適用し、母材−チップ間距離は２０ｍｍとした。

シールドガスは１００％ＣＯ_２とした。溶接条件は図４に示すパターンで、電流、電圧をプログラム制御した。溶接入熱は８７ｋＪ／ｃｍと見積もられ、３２ｍｍの片面溶接としては極めて小さい入熱となった。このような小さい入熱においても十分な溶け込みを得ながら、高温割れの欠陥が抑制された、健全な溶接ビードが得られた。

１ 溶接速度
２ 溶接電流
３ 溶接電圧

Claims (4)

1. 板厚１０ｍｍ以上の鋼板の片面の１ランのガスシールドアーク溶接方法であって、
   垂下特性あるいは定電流特性の電源を用い、アーク電圧を変化させることによってアークの発生位置を板厚の上下方向に変化させ、さらに溶接電流と前記アーク電圧を連動させて変化させることを特徴とする狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
2. 溶接速度を前記アーク電圧に連動させて変化させることによって溶接入熱量と溶着量を変化させることを特徴とする前記請求項１に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
3. 平均溶接電流を５００Ａ以上とすることを特徴とする請求項１または２に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
4. ２電極以上の電極を用いる多電極ガスシールドアーク溶接において、第２電極以降に請求項１〜３のいずれか１つに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法を適用することを特徴とする多電極ガスシールドアーク溶接方法。

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