JP6003105B2 - 溶接部品質に優れたサブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関するものであり、特に溶接電流の周波数を制御することにより高品質な溶接部が得られるサブマージアーク溶接方法に関する。

一般に、建築や鋼管などの分野においては、厚肉の鋼材が用いられる場合が多い。このような厚肉の鋼材を接合して構造物を製造するにはサブマージアーク溶接法が採用されることが多い。

例えば、特許文献１及び２にはサブマージアーク溶接の高能率な溶接施工が開示されている。しかしながら、溶接フラックスを用いるサブマージアーク溶接では溶込み底部にスラグ巻き込みが発生することがあり、このような溶接欠陥は重大な問題を生じさせる。したがって、溶接欠陥の発生を抑制し健全な溶接部を得ることが課題となっている。

特許文献３及び４には、サブマージアーク溶接部のスラグ巻き込みの発生を抑制するために、溶接フラックスの化学成分を制御して、スラグの高温での粘性を制御する方法などが開示されている。しかし、これら文献に記載の技術ではスラグ巻き込みを抑制するためにフラックスの成分を制御するため、所望する溶接金属の成分が得られないという問題がある。

また、特許文献５及び６にはスラグ巻き込み抑制のために、溶接条件や電極配置を制御する方法が開示されている。しかし、特許文献５、６に記載の技術では溶接電流や電極間距離を制御するため、目的とする溶込み形状が得られないという問題がある。

特開平１１−１３８２６６号公報 特開平１０−１０９１７１号公報 特開２００３−０１０９９５号公報 特開平０７−２５６４８８号公報 特開２００１−１２１２６６号公報 特開２０１１−１３１２５８号公報

本発明は、溶材成分や電極配置などに依らず、スラグの巻き込みを低減し、優れた溶接部品質を得ることができる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、サブマージアーク溶接で種々の溶接条件下において鋼材の溶接継手を作製し、溶接部品質について調査した。その結果、溶接電流に交流電流を適用し、ワイヤ送給速度に応じて溶接電流の交番周波数を制御することでスラグ巻き込みを低減することが可能となり、健全な内部品質を持つ溶接ビードが得られることを見出した。

本発明はこの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
［１］鋼材のサブマージアーク溶接において、溶接電流が交流電流であって、該溶接電流の交番周波数ｆ（Ｈｚ）が（１）式を満足することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
２４≦ｆ×φ／（ｎ×Ｖｆ）≦２６・・・（１）式
ここで、ｎ：自然数、Ｖｆ：ワイヤ送給速度（ｍ／ｍｉｎ）、φ：ワイヤ径（ｍｍ）
［２］電極ワイヤが正極の時のピーク電流Ｉ_ＥＰ（Ａ）と、
該電極ワイヤが負極の時のピーク電流Ｉ_ＥＮ（Ａ）とが（２）式を満足することを特徴とする［１］に記載のサブマージアーク溶接方法。

Ｉ_ＥＰ−Ｉ_ＥＮ≧０・・・（２）式
［３］鋼材を多電極で溶接するにあたり、各電極間の位相差を９０〜２７０°とすることを特徴とする［１］または［２］に記載のサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、サブマージアーク溶接において溶接電流に交流電流を適用し、ワイヤ送給速度に応じて溶接電流の交番周波数を制御することにより、溶接金属成分や溶込み形状を大きく変化させること無くスラグの巻き込みを低減し、優れた溶接部品質を得ることができる。

本発明の開先形状を示す断面図 本発明のビード形状を示す断面図

本発明は、鋼材をサブマージアーク溶接方法により接合するものである。鋼材は、板厚が５〜１００ｍｍを対象とする。溶接電流は、交流電流であることが必要である。交番周波数ｆ（Ｈｚ）を溶接ワイヤのワイヤ径φ（ｍｍ）およびワイヤ送給速度Ｖｆ（ｍ／ｍｉｎ）に応じて下記式（１）を満足するように制御する。
２４≦（ｆ×φ）／（ｎ×Ｖｆ）≦２６・・・（１）式
この（１）式の技術的意義について以下説明する。発明者等は、溶接時において、スムーズな溶滴離脱を促進し、アークの安定性を高めてスラグ巻き込みのような溶接欠陥を防ぐには、溶滴離脱の周波数に合わせて交番周波数を設定することが有効であることを見出した。すなわち、交番周波数を溶滴移行周波数の整数倍とすることで上記課題を解決できるのである。
ワイヤ径φ（ｍｍ）、ワイヤ送給速度Ｖｆ（ｍ／ｍｉｎ）とすると、
１秒あたりのワイヤ送給体積：
Ｖｆ×１０００／６０×（φ／２）^２×π（ｍｍ^３／ｓｅｃ）・・・［Ａ］
ここで、溶滴の直径がワイヤ径φ（ｍｍ）と同等であると仮定した。

一方、溶滴体積：
β×４／３×（φ／２）^３×π（ｍｍ^３）・・・［Ｂ］
ここで、βは溶滴体積修正係数とした。
また、溶滴移行の周波数をＨ（Ｈｚ）とすると、
Ｈ＝［Ａ］／［Ｂ］＝（１／β）×２５×Ｖｆ／φ
交番周波数をｆ（Ｈｚ）とし、ｎを自然数とすると、「交番周波数を溶滴移行周波数の整数倍とする」ことは以下の式で表される。
ｆ＝ｎ×Ｈ＝ｎ×（１／β）×２５×Ｖｆ／φ
これを書き換えると、
（ｆ×φ）／（ｎ×Ｖｆ）＝（１／β）×２５
となる。ここで、本発明者等は（１／β）は０．９６〜１．０４であることを確認した。
したがって、（１）式を得ることができる。

上記の溶接を実施するにあたっては、電極ワイヤが負極の時には溶滴離脱が阻害される場合があるため、溶滴離脱が促進されるよう電極ワイヤが正極のときのピーク電流を高めておくと、より溶接が安定化し内部品質が向上する。したがって、電極ワイヤが正極の時のピーク電流Ｉ_ＥＰは、電極ワイヤが負極の時のピーク電流Ｉ_ＥＮとが（２）式を満足するサブマージアーク溶接方法を採用することが好ましい。
Ｉ_ＥＰ−Ｉ_ＥＮ≧０・・・（２）式
ここで、ピーク電流とは、交流波形１周期の中で電流の絶対値が最大になるときの電流値と定義され、その制御はデジタルインバータ制御型の溶接電源で溶接条件を設定することにより行うことが出来る。

本発明のさらなる実施の形態においては、多電極で溶接する場合には、電極間の電流の位相差を規定することが好ましい。

多電極溶接において上述の効果を得るためには、隣り合う電極のアーク同士が引き合わない方がよい。したがって、当該電極間の電流の位相差は９０〜２７０°とするのが好ましい。

当該電極間の電流の位相差が９０°未満または２７０°を超えるとアークが引き合うため電極間に溶融金属の湯溜りが形成され、これが激しく揺動することによりアーク長が急激に変化しスラグ巻き込みが生じる場合がある。さらに好ましくは１２０〜２４０°である。

本発明はその他の溶接条件、開先形状、電極配置に拘らず効果が得られる。また、サブマージアーク溶接の溶接ワイヤにはソリッドワイヤが用いられるのが一般的であるが、本発明にはソリッドワイヤのみでなくメタルコアードワイヤも適用できる。

板厚３１．８ｍｍの鋼板に、図１に示す開先形状の開先加工を施した後、サブマージアーク溶接を施して溶接継手を作製し、定常部においてビードのＸ線撮影を行い溶接部のスラグ巻き込みを確認した。スラグ巻き込みの評価は、各条件について溶接長１ｍの溶接継手を３体ずつ作製し、スラグ巻き込みの発生数の合計を計測した。表１〜表３にそれぞれ開先形状、溶接条件、電極配置を示し、母材−チップ間距離は全ての電極で一定の３０．０ｍｍとした。表４に溶接金属の欠陥の計測状況をまとめた結果を示す。表４に溶接金属内部の欠陥の有無とその個数を◎：無欠陥、○：5個以下、×：6個以上に区分している。

記号１〜１５は本発明例であり、溶接条件や電極配置に関わらずスラグ巻き込みの頻度が低い優れた内部品質の溶接ビードが得られた。これらの本発明例の中で、記号１４、１５は（２）式を満たし、継手３体すべてにおいて無欠陥の優れた内部品質の溶接ビードが得られた。また、記号４、５、８は各電極間の位相差を９０〜２７０°としており、継手３体すべてにおいて無欠陥の優れた内部品質の溶接ビードが得られた。一方、記号１６〜１９は（１）式を満たさない比較例であり、ビード内部のスラグ巻き込みの発生頻度が高かった。

１ 鋼板
２ 板厚
３ 開先角度
４ 開先深さ
５ 溶接金属

Claims (3)

1. 鋼材のサブマージアーク溶接において、溶接電流が交流電流であって、該溶接電流の交番周波数ｆ（Ｈｚ）が（１）式を満足することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
   ２４≦（ｆ×φ）／（ｎ×Ｖｆ）≦２６・・・（１）式
   ここで、ｎ：自然数、Ｖｆ：ワイヤ送給速度（ｍ／ｍｉｎ）、φ：ワイヤ径（ｍｍ）である。
2. 電極ワイヤが正極の時のピーク電流Ｉ_ＥＰ（Ａ）と、
   該電極ワイヤが負極の時のピーク電流Ｉ_ＥＮ（Ａ）とが（２）式を満足することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接方法。
   Ｉ_ＥＰ−Ｉ_ＥＮ≧０・・・（２）式
3. 鋼材を多電極で溶接するにあたり、各電極間の位相差を９０〜２７０°とすることを特徴とする請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。

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