JP6119948B1 - 立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明において、「狭開先」とは、開先角度が20°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。
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CO2溶接と比較して、溶接法そのものの能率が大きく劣る。
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、結果的に、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、溶接能率が大きく低下する。
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。そのため、特許文献3の立向き溶接方法では、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。
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。しかし、2電極化により入熱量が360kJ/cm程度と大幅に増加する。このため、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が非常に困難となる。
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。
さらには、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。
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。
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、狭開先として溶着量を低減しつつ、1パスあたりの溶接入熱量を極力抑制することが重要であることを知見した。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えた末に完成されたものである。
1.開先角度を20°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一層溶接または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、
溶接ワイヤとして、REMを0.015〜0.100質量%含有し、かつSeおよびTeのうちから選んだ1種または2種を合計で0.005〜0.100質量%含有する溶接ワイヤを用い、
初層溶接時に、溶接トーチの角度を水平方向に対して10°以上75°以下、溶接入熱を500kJ/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以下とし、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う、
立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
また、本発明の溶接方法は、所定の成分組成を有する溶接ワイヤを用いて、初層溶接条件を適正に制御することにより、通常のガスシールドアーク溶接に比べ、スパッタの発生が少なく、また開先壁面へのアークの這い上がりも防止して溶接ができるため、溶接欠陥が特に少なく溶接の高能率化による省エネルギー化が達成でき、溶接施工コストの大幅な低減が可能となる。
図1(a)〜(c)は、各種開先形状の例を示すものである。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、ここで対象とする開先形状は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、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は、鋼材下段部の開先における開先角度および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。
ここで、本溶接方法は、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。
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における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)初層溶接における溶接ビード高さ)である。
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。
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20°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:20°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り、開先角度が0°(I形開先)であってもよいが、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)°以上、(2.0×t/20)°以下とすることが好ましく、さらに好ましくは(0.8×t/20)°以上、(1.2×t/20)°以下である。例えば、板厚tが100mmの場合、開先角度は2.5°以上、10°以下が好ましく、さらに好ましくは4°以上、6°以下である。
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。
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以下である。
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を用いても、継手の強度や靭性などの性能に大きな問題は生じないためである。
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、鋼材の板厚は100mm以下とすることが好ましい。
以下、本発明の溶接方法で使用する溶接ワイヤの成分組成について、説明する。
REMは、製鋼および鋳造時の介在物の微細化や、溶接金属の靱性改善のために有効な元素である。また、REMは、特に溶接ワイヤを正極性(ワイヤマイナス)とした場合や、溶接電流を大きくした場合に、溶滴の微細化と溶滴移行の安定化、さらには開先面へのアークの発生を一層有利に抑制できるという効果も有する。この溶滴の微細化と溶滴移行の安定化により、スパッタの発生を抑制し、安定したガスシールドアーク溶接を行うことが可能となる。ここで、REM含有量が0.015質量%未満では、この溶滴の微細化と溶滴移行の安定化効果が得られない。一方、REM含有量が0.100質量%を超えると、溶接ワイヤの製造工程で割れが生じたり、溶接金属の靱性の低下を招く。したがって、溶接ワイヤのREM含有量は、0.015〜0.100質量%の範囲とする。好ましくは0.025質量%以上、0.050質量%以下である。
SeおよびTeは、いずれも溶融メタルの粘性を低下させ、溶接ワイヤの先端に懸垂した溶滴の離脱を促進する。また、SeおよびTeは、特に溶接ワイヤを正極性(ワイヤマイナス)とした場合や、溶接電流を大きくした場合に、溶滴の微細化と溶滴移行の安定化、さらには開先面へのアークの発生を一層有利に抑制できるという効果も有する。ここで、SeおよびTeの含有量が合計で0.005質量%未満では、このような効果は得られない。一方、SeおよびTeの含有量が合計で0.100質量%を超えると、アークが不安定となり、均一なビード形状が得られない。したがって、溶接ワイヤのSeおよびTeの合計の含有量は、0.005〜0.100質量%の範囲とする。好ましくは0.010質量%以上、0.080質量%以下である。
溶接トーチ(給電チップ先端)の角度φ:水平方向に対して10°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10°未満では、溶接ビードの形成が困難である。一方、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10°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。
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500kJ/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必要となる。従って、溶接入熱量は、500kJ/cm以下とする。好ましくは、450kJ/cm以下である。
なお、溶接入熱量の下限については特に限定されるものではないが、一般に、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る。ここに、狭開先溶接において溶接入熱量が30kJ/cm未満では開先面の溶融が不足し、融合不良が発生するおそれがある。このため、溶接入熱量は30kJ/cm以上とすることが好ましい。より好ましくは、90kJ/cm以上である。
本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。
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。なお、一層溶接の場合、好ましくは20mm以上、50mm以下である。また、多層溶接の場合、好ましくは25mm以上、40mm以下である。
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以下である。
なお、一層溶接の場合、Wは溶接時に表面(溶接装置(溶接トーチ)側の面)となる鋼材面での開先幅となる。
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い。また、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。また、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る場合がある。従って、溶融金属の垂れ落ちと溶接欠陥の発生を抑制するという観点からは、開先面に沿って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好ましい。
また、上記した開先形状に対し、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M1、M2、M3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0.4Hz以上、0.5Hz以下)、停止時間は0〜0.5秒(好ましくは0.2秒以上、0.3秒以下)程度とすればよい。
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:28〜37V(電流とともに上昇)、溶接速度(上進):1〜15cm/分(好適には4cm/分以上、9cm/分以下)、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。
また、シールドガス組成についても特に限定されず、常法に従い、CO2単独のガス、またはArとCO2との混合ガスなどを用いればよい。
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、一層溶接の場合には、初層溶接が最終層溶接となる。
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、表2に示したREM、SeおよびTe以外の溶接ワイヤの成分組成はいずれも、C:0.10〜0.20質量%、Si:0.6〜0.8質量%、Mn:0.25〜2.0質量%、P:0.01質量%以下、S:0.005質量%以下、Al:0.005〜0.03質量%、O:0.0030質量%以下およびN:0.005質量%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物となる成分組成とした。
さらに、溶接電流は270〜360A、溶接電圧は28〜37V(電流とともに上昇)、平均溶接速度は1.2〜9.2cm/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、いずれの場合にも、シールドガスとしてはCO2単独のガスを用い、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。
◎: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3箇所以上4箇所以下
×:溶接金属の垂れ5箇所以上、または、溶接中断
◎: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
◎:vE0(J)が47J以上
○:vE0(J)が47J未満、かつ27J以上
×:vE0(J)が27J未満
これらの結果を表2に併記する。
一方、比較例であるNo.1、2、4、6、10、12、16〜19は、5箇所以上の溶接金属の垂れがあるか、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るか、および/または、十分な溶接金属の靭性が得られなかった。
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(初層溶接における溶接ビード)
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
Claims (2)
- 開先角度を20°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一層溶接または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、
溶接ワイヤとして、REMを0.015〜0.100質量%含有し、かつSeおよびTeのうちから選んだ1種または2種を合計で0.005〜0.100質量%含有する溶接ワイヤを用い、
初層溶接時に、溶接トーチの角度を水平方向に対して10°以上75°以下、溶接入熱を500kJ/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以下とし、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う、
立向き狭開先ガスシールドアーク溶接方法。 - 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。
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