JP5987737B2 - 鋼材の狭開先溶接方法 - 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鋼材の狭開先溶接方法に関する。

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。

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、溶接アークを板厚方向（上下方向）に揺動し、溶接アーク熱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、この溶接方法では板厚方向の溶接アークの位置を溶接電流によって制御するため、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る。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十分な溶接アーク熱を開先底部に与えることが難しく、開先底部で溶接欠陥が発生しやす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の溶接に２パスの溶接法を採用しているので、１パス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。

特開平１１−１２３５５５号公報 特開２０００−７９４７０号公報

本発明は、上述した、特許文献１、２の問題点を解決することを課題とし、溶接機の改造を最小限として設備コストを抑制し、従来より遥かに小さい入熱での高能率溶接を高品質に実施する溶接方法を提供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鋭意検討し、以下の知見を得た。
１．アーク長（溶接電圧）の制御に、溶接電流を制御因子として用いる定電圧特性を適用することは板厚方向に投入する熱量をコントロールすることができないために不利である。

定電圧特性の電源では制御パラメータが電流となるため、アーク長を短くしようとすれば電流を低下せざるを得ない。電流を低下させると、アークが母材を直接掘り込む力（アークガウジング力）が低下するため、開先底部での溶け込み確保が難しく、電流によって板厚方向での熱分布（投入エネルギ）をコントロールすることもできない。
２．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を活用すると、溶接電圧と溶接電流を独立にコントロールできるので、狭開先の溶接において、溶接アーク電圧を低減する指令を出すと、溶接アーク長を短く保つために溶接アーク発生位置が狭開先の底部に移行する。
３．電源に垂下特性を適用すれば、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例えば１０００Ａ以上の大電流を適用し、十分な溶け込み深さを得ることが容易となる。
４．デジタル制御溶接機を用いると、溶接アーク電圧の変化や板厚方向のアークの位置に合わせて、溶接電流、あるいは溶接速度を変化させて、狭開先溶接における板厚方向の熱分布を制御することが可能で、溶接入熱を従来比１／２程度に抑制しながら、１パスで溶接できる板厚を飛躍的に増大させることが可能となる。

特にアークが開先底部に発生しているときに溶接電流を増加させることが可能であるため、溶け込みの確保に大変効果がある。デジタル制御溶接機は、溶接時における電流や電圧、溶接速度などの出力をＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）を通してデジタル制御するため、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極めて容易である。

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］垂下特性の電源を用い、溶接アーク電圧を変動させることによって溶接アークの発生位置を制御し、フラックスコアードワイヤを用いて溶接することを特徴とする鋼材の狭開先溶接方法。
［２］さらに、溶接電流を前記溶接アーク電圧に応じて変動させる前記［１］に記載の鋼材の狭開先溶接方法。
［３］さらに、溶接速度を前記溶接アーク電圧に応じて変動させる前記［１］または［２］に記載の鋼材の狭開先溶接方法。
［４］前記溶接電流が平均で５００Ａ以上とあることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか１つに記載の鋼材の狭開先溶接方法。
［５］前記狭開先溶接方法に用いる溶接機がデジタル制御であることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか一つに記載の鋼材の狭開先溶接方法。
［６］［１］乃至［５］のいずれか１つに記載の狭開先溶接法を第２電極以後に適用することを特徴とする２電極以上の電極を用いる多電極溶接による鋼材の狭開先溶接方法。

本発明は垂下特性の電源を用いるので、鋼材の狭開先溶接を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１ラン溶接することが可能で、溶接部の靭性や強度に優れる溶接継手を低コストで高能率に得ることができ、産業上極めて有用である。

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

本発明は、厚鋼板の狭開先溶接において溶接アーク電圧を制御して、溶接アークを板厚方向の上下に揺動させ、開先をアーク熱で溶解させるとともに、溶接電流、溶接速度を制御することにより開先内部で板厚方向に投入する熱量をコントロールすることを特徴とする。

本発明を実施するための形態を以下に述べる。本発明で、狭開先とは開先の平均幅ａ（開先断面積を板厚で除した値）が板厚ｔの１／２より小さい開先とする（図５参照）。

本発明を多層溶接の初層などに適用する場合は、板厚ｔはのど厚とする。開先の形状はＩ形が基本であるが、Ｖ形、Ｙ形にも適用できる。特に厚鋼板の溶接で開先内部にビードを留める場合においては板厚上方の開先が広い２段開先形状とすることが、高温割れ抑制およびスラグ剥離不良の防止の観点からは望ましい。

（１）垂下特性の電源
本発明では開先内で溶接電流を任意に制御するために垂下特性の電源を用いる。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するので、溶接条件は均衡し、開先内部の溶接アーク熱分布から溶け込み領域の調整が、溶接電流の増減により行うことができるようになる。電源は、デジタル制御溶接機を用いることが好ましい。

溶け込みを深くする場合、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狭開先溶接に、垂下特性の電源を用いることは極めて有効である。

（２）溶接アーク電圧による溶接アーク発生位置の制御
溶接アーク電圧の指示を低くすると、アーク長を短くするためワイヤ送給速度が増大し、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、アークは主に開先の壁面（開先壁）ではなく下側（母材側）に発生し、溶接条件は均衡する。本発明で、溶接アークの発生位置は電極ワイヤの先端とする。

一方、溶接アーク電圧の指示を高くすると、電流−電圧が均衡するアーク長を求めてアークが板厚上方に移動する。アーク長が長くなるように溶接アーク電圧を設定すると、アーク発生位置は開先の外部に出て溶接条件は均衡しようとするので、溶接アーク電圧を変動させることによってアークの発生位置を制御することができる。

溶接アーク電圧は開先の幅、ワイヤ径、適用する電流、フラックスなどにより変動するため、適宜最適な電圧を選択する必要がある。

溶接アークの発生位置は溶接アーク電圧に追随して変動するが、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、比例ゲインを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）は次の式で表される。

Ｖｆ（ｍ／ｍｉｎ）＝Ｖ０（ワイヤ初期速度、ｍ／ｍｉｎ）＋Ｋ（比例ゲイン）×ΔＶ（電圧ｖの測定値と設定値の差）
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。

溶接アーク電圧が低すぎる場合、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−電圧範囲に属する条件は避けなければならない。

狭開先溶接における溶接欠陥を防止したり、入熱量を制御するためには、更に、溶接アーク電圧に応じて溶接電流および／または溶接速度を制御することが、望ましい。

溶接アーク電圧は板厚方向のアーク発生位置を示す指標となるので、電圧の変動に応じて溶接電流を制御することによって、板厚方向の入熱量（以下「投入熱量」）を制御し、ビード形状を制御することができる。投入熱量は電流×電圧で表される。

開先底部にアークがあるときに大電流を適用して溶け込みを確保し、アークが板厚上部にあるときは高温割れが発生しないように板厚中部、上部での投入熱量を制御する。

溶着量が多すぎると溶融金属の量が増加して、アークを開先底部に移行させること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。また、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。

定電圧特性の場合は、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。

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および溶着量を制御することができる。例えば、溶接速度を制御することによって、裏波溶接のように開先底部への投入熱量をできるだけ均質化したい場合や、溶接アーク電圧を高めて溶接アークを板厚方向の表面側で発生させる場合に、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めるので、溶接金属の高温割れを抑制するのに都合が良い。

本発明に係る狭開先溶接を板厚１０ｍｍ以上に適用すると溶接入熱量の低減効果が大きい。例えば、船舶の建造に適用すれば、溶接部の低温靭性を確保するのに溶接入熱量の低減は極めて有効である。板厚が１２〜４０ｍｍで片面１パスのサブマージアーク溶接の場合、溶接電流５００〜１５００Ａ、溶接アーク電圧２５〜４５Ｖで、溶接速度は８〜５０ｃｍ／ｍｉｎの範囲とすることが好ましい。

板厚が３０ｍｍを超える場合の多パス溶接では、１パス目の溶接に適用することにより入熱低減、溶接の高能率化に寄与する。ただし、板厚８０ｍｍ以上ではその効果が飽和するようになる。

本発明は溶接方向にアークを進行させながらアークを上下方向に移動させるため、高速溶接には適さない。溶接速度は多電極化する場合においても５０ｃｍ／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。
（３）多電極溶接
板厚が２０ｍｍ以上と厚い場合は、２電極以上の多電極溶接とし、第１電極のアーク発生位置を開先底部に固定し、第２電極以後のアーク発生位置を上下方向に制御することにより板厚方向の投入熱量分布を制御することで、欠陥のない狭開先溶接を行うことがより容易となる。
（４）溶接電流
板厚が２０ｍｍ以上の厚鋼板の溶接において十分な溶け込みを確保するには、溶接電流を平均で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。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。交流電流の場合は電流値を２乗して平方根をとった実効値とする。

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る。ワイヤのターゲット性を確保しつつ、溶接電流が５００Ａ以上の大電流を適用するので、ワイヤ径は２．０ｍｍ以上とするが望ましい。さらに、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、ワイヤ径が太くなると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。

本発明では、溶接ワイヤをフラックスコアードワイヤとする。フラックスコアードワイヤは化学成分を内包する粉体の含有比率によりコントロールすることが容易であるメリットがあり、溶接金属成分のコントロールが容易となる。

ガスシールドアーク溶接に適用するとスパッタが少ないため、狭開先内での溶接施工がやりやすいメリットがある。ガスシールドアーク溶接に適用する場合、一般に市販されているワイヤを使うことができ、メタル系と呼ばれる金属粉末の多いものも使うことができる。

また、サブマージアーク溶接と組み合わせて使う場合には、アークが安定するため、内包する粉体には鉄粉などの金属粉末だけとしても問題ない。サブマージアーク溶接にフラックスコアードワイヤを適用する場合はワイヤ溶融速度が高いため、電圧変動に対するアーク発生位置の追従が速いメリットがある。

板厚（ｔ）が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ａが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のフラックスコアードワイヤを用い、母材−チップ間距離は２５ｍｍとした。シールドガスは８０％Ａｒ、２０％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。

板厚（ｔ）が１１ｍｍの鋼材に、狭開先のサブマージ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ａが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のメタル系フラックスコアードワイヤを用い、母材−チップ間距離は２５ｍｍとした。フラックスには焼成形のフラックスを用いた。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。

板厚（ｔ）が３０ｍｍの鋼材に狭開先サブマージ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ａが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。２．０ｍｍφのフラックスコアードワイヤを用い、母材−チップ間距離は２５ｍｍとした。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。

板厚（ｔ）が３２ｍｍの鋼材に狭開先ガスシールドアーク溶接を行った。開先形状は図５に示すルートギャップａが７ｍｍのＩ開先とし、鋼製裏当て金をつけ、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、第１電極には直流電源、第２電極には交流電源を用いた。電極間距離は鋼板表面でワイヤ中心間の距離が７０ｍｍとし、電極角度は第１電極が後退角５度、第２電極が前進角５度とした。

２．４ｍｍφのフラックスコアードワイヤを第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９４ｋＪ／ｃｍと見積もられ、板厚３２ｍｍの片面溶接としては極めて小さい入熱となったが、十分な溶け込みを得ながら、高温割れの欠陥が抑制され、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 (6)

1. 板厚１０ｍｍ以上の鋼材の片面の１ラン溶接である狭開先溶接方法であって、
   垂下特性の電源を用い、溶接アーク電圧を変動させることによって溶接アークの発生位置を板厚の上下方向に揺動させ、フラックスコアードワイヤを用いて溶接することを特徴とする鋼材の狭開先溶接方法。
2. さらに、溶接電流を前記溶接アーク電圧に応じて変動させることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の狭開先溶接方法。
3. さらに、溶接速度を前記溶接アーク電圧に応じて変動させることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の狭開先溶接方法。
4. 前記溶接電流が平均で５００Ａ以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の鋼材の狭開先溶接方法。
5. 前記狭開先溶接方法に用いる溶接機がデジタル制御であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の鋼材の狭開先溶接方法。
6. 請求項1乃至５のいずれか１項に記載の狭開先溶接法を第２電極以後に適用することを特徴とする２電極以上の電極を用いる多電極溶接による鋼材の狭開先溶接方法。

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