JP6010988B2

JP6010988B2 - 鋼材の狭開先サブマージアーク溶接方法

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Publication number: JP6010988B2
Application number: JP2012088026A
Authority: JP
Inventors: 早川　直哉; 直哉早川; 矢埜　浩史; 浩史矢埜
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-04-09
Also published as: JP2013215768A

Description

本発明は、溶接入熱量が小さく、溶接能率が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鋼材の狭開先サブマージ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、溶接入熱量も非常に大きく、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って継手強度が確保できない問題がある。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、高能率で低入熱量の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には、開先をＩ型の狭開先として、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が開示されている。

しかしながら、この溶接方法では溶接アークの板厚方向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電極を上下揺動させる設備を増設する必要があり、コストの面で問題である。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、厚鋼板に対し、画期的な低入熱溶接を高能率・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。すなわち厚鋼板の溶接に狭開先を適用し、溶接アークを板厚方向に上下揺動させ、開先をアーク熱で溶解させるとともに、電流を自在に制御することにより開先内部での板厚方向の投入熱量をコントロールすることで、溶接金属の高温割れや溶け込み不足などの溶接欠陥を防止し、従来にない低入熱で高能率の溶接が可能となる。

さらに、溶接機の改造を最小限とし設備コストを抑制し、熱源（溶接アーク）を板厚方向（上下方向）にアークエネルギ（時間、電流）を制御しながら移動させることにより、板厚方向に投入する熱量を制御し、低コストにて、溶接欠陥を防止しつつ、従来の提案溶接方法に比べて溶接の高能率化と溶接部の高性能化を同時に達成する従来にない溶接方法を提供するものである。

本発明者らは、上記課題を達成するためには、アーク長すなわち溶接電圧の制御に、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を活用することで、溶接電圧と溶接電流を独立にコントロールできるため、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。

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。

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は難しいものとなる。また、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ができないデメリットがある。

サブマージアーク溶接ではスラグがアーク周辺を覆うため、溶接部の強度靱性に優れることや、ブローホールが生じにくいなどのメリットがある一方、発生するスラグが開先底部に残りやすい問題があるが、開先底部において大電流を適用することによりアークによってスラグを押しのけることが可能となる。

上述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が好ましい。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となる。追加する設備コストは不要となる。

上述の条件に加えて、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ることによって、狭開先サブマージアーク溶接における板厚方向の熱分布を制御することが可能になり、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。

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、狭開先の中で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、溶接することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
［２］さらに、溶接電流をアーク電圧に応じて変動させる前記［１］に記載のサブマージアーク溶接方法。
［３］さらに、溶接速度をアーク電圧に応じて変動させることを特徴とする前記[１]または［２］に記載のサブマージアーク溶接方法。
［４］２電極以上の電極を用いる多電極サブマージアーク溶接において、第２電極以降に前記[１]〜[３]のいずれか１つに記載の制御を行うサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、厚鋼板の狭開先サブマージアーク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。このことによりサブマージアーク溶接部の靭性や強度に優れるサブマージアーク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）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、本発明の要件を限定した理由について説明する。本発明において、狭開先とは開先の平均幅ａが板厚ｔの１／２より小さい開先とする。つまり開先の平均幅ａは開先断面積を板厚で除した値となり、この値が板厚の１／２よりも小さい状態とする。本発明を多層溶接の初層などに適用する場合においては板厚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。開先の形状がＩ形の場合の例を図４に示す。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、高温割れ抑制及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
狭開先溶接において、本発明では垂下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（以下、単に「アーク」という場合もある。）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。特に、溶け込みをより得ようとする場合には、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。狭開先溶接では、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があり、その解決には溶接電流を高めることが極めて有効である。

（２）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
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する。そして、アークは主に開先内の壁ではなく開先内部で板厚の下部に発生し、溶接条件は均衡する。本発明では、溶接アークの発生位置とは溶接中の電極ワイヤの先端位置（「突き出し長さ」ともいう。）をいうものとする。

一方、溶接アーク電圧の指示を高くすると、電流及び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。開先内の壁と電極ワイヤの距離よりアーク長が長くなるように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。

このように、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。
設定する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。
ここで、溶接アークの発生位置（突き出し長さ）はサブマージアーク溶接では直接観察することができないが、例えば電流、電圧、ワイヤ送給速度を基に実験式を作成し、算出することができる。

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、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。

（３）溶接電流をアーク電圧に応じて変動させる
さらに、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り得るので、アーク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」と称する。）を自在に制御し、ビード形状を制御することができる。つまり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の中心部から上部の範囲で、投入熱量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。

また、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。しかし、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、電流によって熱分布を制御することができない。

また、開先の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。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。

（４）溶接速度をアーク電圧に応じて変動させること
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及び溶着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において、アーク電圧を高めてアークを板厚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、アークに干渉しやすくなるため、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。また、鋼材の板厚が１２〜４０ｍｍで、片面１パスのサブマージアーク溶接においては、溶接電流５００〜１５００Ａ、溶接アーク電圧２５〜４５Ｖ、溶接速度８〜５０ｃｍ／ｍｉｎの範囲の溶接条件にすることが好ましい。

（５）多電極サブマージアーク溶接
サブマージアーク溶接は溶接部の強度靱性に優れ、欠陥も発生しにくいというメリットがあり、板厚が大である溶接部の低温靱性の確保には極めて有効な溶接方法であるが、こうした狭開先溶接に適用する場合、スラグが開先底部に取り込まれやすい欠点がある。その防止のためには大電流の適用により開先底部のスラグを押し出す必要がある。

しかし、例えば板厚が厚くなると、スラグと溶融池がアークの前方にせり出し、開先底部にスラグが残るリスクが高まる。このような場合には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電極以降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し、欠陥のない溶接を行なうことができる。

このような多電極の狭開先溶接は板厚１０ｍｍ以上に適用すると、溶接入熱量の低減の効果が発揮される。例えば、船舶の建造における片面の板継溶接作業に適用すれば、溶接部の低温靭性を確保するのに極めて有効である。

板厚が３０ｍｍを超える場合には、１パス目の溶接に多電極の狭開先溶接を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、板厚も８０ｍｍ以上ではその効果も小さくなる。

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、溶接電流が平均で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平均で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。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。

また、本発明で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。そのため、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。

（実施例１）
板厚２５ｍｍの鋼板に狭開先のサブマージアーク溶接を行った。開先形状はルートギャップ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２５ｍｍとした。フラックスにはＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＣａＯ系の鉄粉系焼成形フラックスを用いた。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、狭開先のサブマージ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、耐熱テープを裏に貼り付け、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。フラックスにはＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＣａＯ系の鉄粉系焼成形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。

（実施例３）
板厚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で、交流電源を用いた。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。フラックスにはＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＣａＯ系の鉄粉系焼成形フラックスを用いた。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。

１溶接速度
２溶接電流
３溶接電圧

Claims

厚鋼板のサブマージアーク溶接方法であって、
垂下特性の電源を用い、狭開先の中で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方向に上下揺動させ、溶接電流を５００〜１５００Ａとして溶接することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
さらに、溶接電流を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に記載のサブマージアーク溶接方法。
さらに、溶接速度を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に記載のサブマージアーク溶接方法。
２電極以上の電極を用いる多電極サブマージアーク溶接の第２電極以降に適用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接方法。