JP6152203B1 - エレクトロスラグ溶接方法、大型構造物の製造方法および四面ボックス柱の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶け込み不良が生じにくい複数電極のエレクトロスラグ溶接方法を提供する。【解決手段】第１溶接ワイヤ６と溶接金属２２間に第１の直流電圧Ｖ１を印加し、かつ、第２溶接ワイヤ８と溶接金属２２間に第１の直流電圧Ｖ１とは逆の極性の第２の直流電圧Ｖ２を印加して、溶接金属形成隙間内のフラックスが溶融したスラグ２８に通電することによるスラグ２８の発熱によって、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８と母材を溶融させる。好ましくは、第１溶接ワイヤ６は開先のルート側に配置され、第２溶接ワイヤ８は開先の開口側に配置され、第１の直流電圧Ｖ１は負の電圧であり、第２の直流電圧Ｖ２は正の電圧である。【選択図】図６

Description

この発明は、エレクトロスラグ溶接方法、大型構造物の製造方法および四面ボックス柱の製造方法に関する。

大型構造物を鉄で製造する場合、厚板の溶接が必要となる。大型構造物の一例として、四面ボックス柱がある。四面ボックス柱は、主として高層建築、橋梁等の大きな力を受ける柱部材に使用され、正方形または長方形の断面を有している。一般に、四面ボックス柱は、４か所の角部において４枚の厚板（鋼板）をサブマージアーク溶接して製造される。

近年、建築物の超高層化に伴い、四面ボックス柱にも高い強度が要求され、材料の鋼板の板厚も６０ｍｍ以上が必要となる場合がある。サブマージアーク溶接は、一回の溶接で盛れる溶接金属の量には限界がある。このため、サブマージアーク溶接を厚板に用いる場合には、多層盛りが必要で複数回溶接線上をサブマージアーク溶接しなければならないため、溶接時間が長くなり製造効率が悪化する。したがって、四面ボックス柱を製造する際にサブマージアーク以外の溶接を用いて製造効率を改善することも検討されている。

特開２０１４−２４０９２号公報（特許文献１）は、エレクトロスラグ溶接またはエレクトロガスアーク溶接を用いて、箱型断面鋼板の角部を同時に溶接する技術を開示する。エレクトロスラグ溶接またはエレクトロガスアーク溶接は、厚板を１パスで自動溶接できる方法として知られている。

特開２０１４−２４０９２号公報 特開昭５７−５０２９３号公報

特開２０１４−２４０９２号公報には、エレクトロスラグ溶接またはエレクトロガスアーク溶接で溶接することが記載されているが、エレクトロガス溶接は、基本的にはアーク溶接であって、不活性ガスまたは炭酸ガスを溶接部に供給する必要があり、ガス供給設備が複雑であるとともに、耐風性にも問題があった。ガスよりも供給が容易なフラックスを使用し、耐風性が良く、ブローホールの発生を抑止でき、ヒュームも少ないという点からは、エレクトロスラグ溶接を適用できれば望ましい。

特開２０１４−２４０９２号公報に開示された方法では、溶接する角部一か所あたり電極ワイヤを１本しか使用しておらず、６０ｍｍ以上の厚板に使用すると溶接時間が非常に長くなるとともに、電極から遠い部分に未溶融部分が生じる可能性が高くなる。そこで、角部一か所あたりの電極ワイヤの数を増やすことが考えられる。

特開昭５７−５０２９３号公報（特許文献２）には、２本の電極ワイヤを共に逆極性としてエレクトロスラグ溶接を行ないスラグの流れを安定させ、狭開先の場合の溶接品質を向上させることが開示されている。この場合、逆極性とは、いわゆる棒プラスのことであり、電極ワイヤをプラス、母材をマイナスの極として電流を流すことである。

しかし、本願発明者が行なった実験によると、特開昭５７−５０２９３号公報のように２本の電極ワイヤをともに逆極性として大型角柱（四面ビルドボックス柱）の角を溶接して製作すると、後に図１０で説明するように、表面部に溶け込み不良が生じやすいという問題があることが分かった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、溶け込み不良が生じにくい複数電極のエレクトロスラグ溶接方法と、溶け込み不良が低減される大型構造物の製造方法および四面ボックス柱の製造方法とを提供することである。

この発明は要約すると、第１溶融電極と第２溶融電極とを使用して第１母材と第２母材とを溶接するエレクトロスラグ溶接方法であって、上向きの溶接進行方向に交差する断面において、第１母材と第２母材との間に溶接金属形成隙間を形成するように第１母材と第２母材と配置する工程と、溶接金属形成隙間にフラックスを供給する工程と、第１溶融電極と第１母材および第２母材間に第１の直流電圧を印加し、かつ、第２溶融電極と第１母材および第２母材間に第１の直流電圧とは逆の極性の第２の直流電圧を印加して、溶接金属形成隙間内のフラックスが溶融したスラグに通電することによるスラグの発熱によって、第１溶融電極と第２溶融電極と第１母材と第２母材とを溶融させる工程とを備える。

好ましくは、溶融させる工程において、第１溶融電極および第２溶融電極の水平位置を固定した状態とする。

好ましくは、溶融させる工程において、第１溶融電極の水平位置を固定し、第２溶融電極の水平位置を揺動させる。

好ましくは、溶接金属形成隙間には、第１母材と第２母材とによってルート側と前記ルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成される。配置する工程では、裏当金が開先のルート側に配置され、移動式冷却当金が裏当金に溶接金属形成隙間を挟んで対向するように開先の表面側に配置される。溶接金属形成隙間において、第１溶融電極は裏当金側に配置され、第２溶融電極は前記移動式冷却当金側に配置される。

好ましくは、溶接金属形成隙間には、第１母材と第２母材とによってルート側と前記ルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成される。第１溶融電極は開先のルート側に配置され、第２溶融電極は開先の表面側に配置され、第１の直流電圧は負の電圧であり、第２の直流電圧は正の電圧である。

この発明は、他の局面では、第１溶融電極と第２溶融電極とを使用して第１母材と第２母材とを溶接するエレクトロスラグ溶接方法であって、上向きの溶接進行方向に交差する断面において、第１母材と第２母材との間に溶接金属形成隙間を形成するように第１母材と第２母材と配置する工程と、溶接金属形成隙間にフラックスを供給する工程と、第１溶融電極と第１母材および第２母材間に第１の直流電圧を印加し、かつ、第２溶融電極と第１母材および第２母材間に第１の直流電圧と同じ極性の第２の直流電圧を印加して、溶接金属形成隙間内のフラックスが溶融したスラグに通電することによるスラグの発熱によって、第１溶融電極と第２溶融電極と第１母材と第２母材とを溶融させる工程とを備える。溶融させる工程において、第１溶融電極と第２溶融電極との間の極間距離を磁界が相互に干渉しない距離以上とする。

好ましくは、溶融させる工程において、第１溶融電極と第２溶融電極との間の極間距離を４５ｍｍ以上とする。

この発明は、さらに他の局面では、上記いずれかのエレクトロスラグ溶接方法によって、複数の鋼材を溶接して大型構造物を製造する、大型構造物の製造方法である。

この発明は、さらに他の局面では、第１〜第４側面を有する四面ボックス柱の製造方法である。第１側面は、第３側面と対向し、第２側面は、第４側面と対向している。大型四面ボックス柱の製造方法は、組み立て溶接する工程と、エレクトロスラグ溶接方法によって溶接する工程とを備える。組み立て溶接する工程では、第１フランジ、第２フランジを第１側面、第３側面にそれぞれ配置し、ルート側とルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成されるように加工された第１ウエブ、第２ウエブを開先のルート側が四面ボックス柱の内側になるように第２側面、第４側面にそれぞれ配置する。組み立て溶接する工程では、四面ボックス柱の４か所の角部の内側に４つの裏当金を組み立て溶接する。エレクトロスラグ溶接方法によって溶接する工程では、第１フランジと第１ウエブとの間の第１溶接金属形成隙間、第１フランジと第２ウエブとの間の第２溶接金属形成隙間、第２フランジと第１ウエブとの間の第３溶接金属形成隙間、および第２フランジと第２ウエブとの間の第４溶接金属形成隙間を、上記のいずれかのエレクトロスラグ溶接方法によって溶接する。

本発明によれば、厚板を溶接する場合に、溶け込み不良が生じにくくなり、また、電極の位置の制御も容易となる。

本発明の実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接方法の溶接状態を説明するための模式図である。 エレクトロスラグ溶接法で溶接する大型構造物の一例である四面ボックス柱の溶接前の外観を示した斜視図である。 図２に示した四面ボックス柱の角溶接部の開先形状の一例を示す図である。 電極ワイヤを配置する狙い位置の例を示す図である。 エレクトロスラグ溶接を行なうための溶接装置の外観を示す図である。 電極ワイヤに印加する電源の極性とスラグ浴深さとを示す図である。 溶接条件の一例を示す図である。 溶接中の溶接部を撮影した画像である。 開先の形状を検討例と比較した図である。 ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をプラス、表面側電極をマイナスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をマイナス、表面側電極をマイナスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 図１０〜図１３の溶接部の評価結果を示す図である。 ルート側電極の極性と表面側電極の極性を同じ極性に設定した場合のスラグの対流を説明するための模式図である。 ルート側電極の極性と表面側電極の極性を異なる極性に設定した場合のスラグの対流を説明するための模式図である。 ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の奥側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の表面側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を揺動させた場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の奥側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の表面側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を中間位置に固定させた場合の溶接部の断面を撮影した写真である。 本実施の形態のエレクトロスラグ溶接を用いて四面ボックス柱を製造する工程を示したフロー図である。 開先加工されたウエブ２２の断面形状を示す図である。 裏当金３０が組み立て溶接されたウエブ２２を示す図である。 フランジに２枚のウエブが組み立て溶接された状態を示す図である。 組立体が溶接完了した状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

［エレクトロスラグ溶接法］
図１は、本発明の実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接方法の溶接状態を説明するための模式図である。エレクトロスラグ溶接法とは、溶融スラグの抵抗発熱を利用してワイヤおよび母材を溶融する立向溶接法であり、自動溶接に適した方法である。図２は、エレクトロスラグ溶接法で溶接する大型構造物の一例である四面ボックス柱の溶接前の外観を示した斜視図である。

四面ボックス柱は、フランジ３２と、ウエブ２２と、裏当金３０によって構成される。一対の対向するフランジ３２の間に、開先加工された一対の対向するウエブ２２が配置され、内側に裏当金３０が配置されて図２の状態に組み立て溶接によって組立体とされる。組み立て溶接された組立体は、立向きに配置され、角溶接部３４がエレクトロスラグ溶接法によって溶接される。

エレクトロスラグ溶接法は、水冷銅当金１０を摺動させながら上方向に移動し、溶接金属２４を盛り上げて行う溶接法である。水冷銅当金１０には、冷却水パイプ１２，１４によって冷却水が循環している。溶融スラグ２８と溶融金属２６は、水冷銅当金１０および裏当金３０によって、溶接部から流れ出ないように囲まれている。溶融したスラグ浴の中に溶接ワイヤ６，８をノズル２，４から連続的に供給し、主として溶融スラグ２８の抵抗熱によって溶接ワイヤ６，８と母材を溶融する。水冷銅当金１０を摺動させながら上方向に移動させると、溶融金属２６が順次凝固して溶接金属２４が上方向に盛り上げられフランジ３２とウエブ２２とが溶接される。

溶接開始時には、母材であるフランジ３２およびウエブ２２の端面と裏当金３０と水冷された銅当金１０とで囲まれた部分に電極となる溶接ワイヤ６，８を設置しフラックスを充填する。溶接開始直後は溶接ワイヤ６，８と母材との間でアークが発生する。しかし、周囲のフラックスがそのアーク熱により加熱溶融され溶融スラグ２８を形成し，通電方式がアーク通電からスラグ通電へとすぐに変わる。

溶融スラグ２８の導電性は高温になるほど高くなり、溶接ワイヤ６，８からスラグ浴中に流れる電流による抵抗発熱によって、充填されたフラックスは全て溶融され、溶融金属２６の表面は溶融スラグ２８によるスラグ浴で覆われる。

図３は、図２に示した四面ボックス柱の角溶接部の開先形状の一例を示す図である。図３を参照して、フランジ３２とウエブ２２は、ともに板厚が８０ｍｍであり、角溶接部３４の開先はウエブ２２を斜め５°〜２０°の範囲で切り落としたレ型開先であり、ルートギャップは１０〜１４ｍｍである。四面ボックス柱の内面側に鋼製の裏当金３０が組み立て溶接されており、裏当金３０の断面の寸法は、３２ｍｍ×５０ｍｍである。

図４は、電極ワイヤを配置する狙い位置の例を示す図である。図４を参照して、位置Ｐｒは開先のルートに近い電極位置（以下、ルート側の位置という）であり、位置Ｐｓは、組立後のボックス柱の外周表面に近い電極位置（以下、表面側の位置という）である。溶接ワイヤ６はルート側の位置Ｐｒに配置され、溶接ワイヤ８は表面側の位置Ｐｓに配置される。位置Ｐｒは、ウエブ２２の内側面から１５〜２５ｍｍの位置である。位置Ｐｓは、位置Ｐｓよりも表面側寄りの位置であって、揺動幅は２５〜４５ｍｍの範囲である。

図５は、エレクトロスラグ溶接を行なうための溶接装置の外観を示す図である。図１、図５を参照して、ウエブ２２とフランジ３２との間の開先部の開口から、ノズル４が手前側に挿入され、ノズル２がノズル４の上側から開先部の奥側に挿入される。フランジ３２の角に接触する倣い装置１６によってノズル２，４および水冷銅当金１０の水平位置が決定される。図示しないアーム部にノズル２，４および水冷銅当金１０は固定されている。アームを上方向に移動させることによって、ノズル２，４および水冷銅当金１０がともに上方向に移動し、溶接位置が移動する。

［電極ワイヤの極性］
図６は、電極ワイヤに印加する電源の極性とスラグ浴深さとを示す図である。図７は、溶接条件の一例を示す図である。母材（溶接金属２４）は、接地されている。この接地電位を基準として、ノズル２の電極チップには、電源４１によって直流電圧Ｖ１が印加される。また接地電位を基準として、ノズル４の電極チップには、電源４２によってノズル２とは逆の極性の直流電圧Ｖ２が印加される。

板厚８０ｍｍの場合の溶接条件の一例を説明する。ルート側の電極に相当するノズル２の電極チップには、電圧Ｖ１＝＋３８Ｖ〜＋４２Ｖが印加され、電流は３８０〜４２０Ａである。また表面側の電極に相当するノズル４の電極チップには、電圧Ｖ２＝−３８Ｖ〜−４２Ｖが印加され、電流は３８０〜４２０Ａである。なお、ルート側および表面側ともに、ワイヤ径は１．６ｍｍφのものを使用し、ワイヤ送給速度は１１〜１４ｍ／ｍｉｎである。

本実施の形態では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を逆の極性に設定する点が特徴である。図７の例では、Ｖ１をプラス、Ｖ２をマイナスに設定したが、Ｖ１をマイナス、Ｖ２をプラスに設定しても良い。

このように、２つの電極に互いに逆の極性の直流電圧を印加し、スラグ浴を１５〜３５ｍｍの深さとして通電することによって安定した溶接を行なうことができる。

図８は、溶接中の溶接部を撮影した画像である。図８を撮影した条件ではルート側電極（図８の奥側）の電圧Ｖ１をプラスに設定し、表面側電極（図８の手前側）の電圧Ｖ２をマイナスに設定している。図８には、表面側電極を中心とした同心円状に溶融スラグの表面にスラグ流が発生している様子が見える。このスラグ流について以下検討する。

スラグ流には開先の形状が影響していると考えられる。図９は、開先の形状を検討例と比較した図である。従来、エレクトロスラグ溶接は、本実施の形態のようにフランジとウエブの溶接ではなく、四面ボックス柱のダイアフラムの溶接に広く用いられている。ダイアフラムは、四面ボックス柱の強度を強化するために、竹の節のように四面ボックス柱の内部に配置される平板状部材である。

この場合四面ボックス柱の側面に溶接用孔を開け、溶接金属形成隙間にワイヤを挿入できるようにする。そして、開先内で揺動・停止する水冷式の非消耗ノズルに細径のソリッドワイヤを送給し、常にワイヤの突出し長さを一定に保つようにしつつ溶接の進行に伴って非消耗ノズルを自動上昇させる。

このようなダイアフラムの溶接の場合を比較例として図９（Ａ）に示し、本実施の形態の例を図９（Ｂ）に示した。図９（Ａ）に示すように、ダイアフラムの溶接に用いる場合には、スキンプレートと裏当金（もしくは水冷銅板）とダイアフラムで囲まれる溶接金属形成隙間は、長方形状である。したがって、２電極を使用するダイアフラム溶接の場合には、溶接金属形成隙間は２電極の間のダイアフラムの中心面に対して対象な形状である。

一方、図９（Ｂ）に示すように、本実施の形態のようにフランジとウエブを溶接する場合には、開先が２つの電極に対して非対称となる。このような開先の違いが溶融スラグの流れにどのような影響を与えるのかを検討するために、本願発明者は電極の極性の組み合わせを変えて実験を行なった。

図１０は、ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１１は、ルート側電極をプラス、表面側電極をマイナスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１２は、ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１３は、ルート側電極をマイナス、表面側電極をマイナスにした場合の溶接部の断面を撮影した写真である。

図１０〜図１３において、電流及び電圧は、いずれも図７に示す範囲で設定されている。

図１４は、図１０〜図１３の溶接部の評価結果を示す図である。図１０および図１３に示した条件（ルート側，表面側）＝（＋，＋），（−，−）の組み合わせでは、いずれも表面側に溶け込み不良が発生している。これに対して図１１および図１２に示した条件（ルート側，表面側）＝（＋，−），（−，＋）の組み合わせでは、いずれも表面側まで良好な溶け込みがみられる。したがって、ルート側電極の極性と表面側電極の極性を異なるように設定することによって、２電極のエレクトロスラグ溶接を８０ｍｍの厚板に適用できることが分かった。

図１５は、ルート側電極の極性と表面側電極の極性を同じ極性に設定した場合のスラグの対流を説明するための模式図である。図１６は、ルート側電極の極性と表面側電極の極性を異なる極性に設定した場合のスラグの対流を説明するための模式図である。

図１５に示すように、ルート側電極（Ｒ極）をプラスとし、表面側電極（Ｆ極）をプラスとすると、Ｆ極を揺動させた場合にＦ極がＲ極に近づいた瞬間には磁界Ｍが強めあい２電極を囲むような大きなスラグ流Ｓが生じる。一方、Ｆ極がＲ極から離れた瞬間には、スラグ流Ｓが弱まる。このため、Ｆ極を揺動させるとスラグ流Ｓに強弱が生じると考えられる。

一方、図１６に示すように、ルート側電極（Ｒ極）をマイナスとし、表面側電極（Ｆ極）をプラスとすると、電極同士が反発するように磁界Ｍが生じるのでスラグ流Ｓはあまり影響を受けずスラグ流は安定すると考えられる。

さらに、電極の揺動が必要か否かについて検討するために、追試験を実行した。まず、ルート側電極と表面側電極の極性が同じ場合について３種類の試験を行なった例について説明する。この場合は、ウエブは厚さ７５ｍｍのものを使用した。

図１７は、ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の奥側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１７（Ｂ）では、２電極周辺の溶け込み量が大きくなっており、表面側では溶け込み不良が発生している。これは、図１７（Ａ）に示すように、２電極の間隔が１５ｍｍと狭いので磁界Ｍが２電極で強めあい強いスラグ流Ｓを発生させ、熱がルート側に寄って発生した結果、表面側で熱量が不足し母材を溶かすに至らなかったと考えられる。

図１８は、ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の表面側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１８（Ｂ）では、図１７（Ｂ）と比較して、ルート側の溶け込み量は適量に減少する一方、表面側は良好な溶け込みとなっている。これは、図１８（Ｂ）に示すように、２電極の距離が４５ｍｍまで離れた結果、それぞれの電極でスラグ流が発生し、熱がルート側に集中することなく表面側にも均一な入熱が行なわれたためと考えられる。したがって、ルート側電極をプラスと表面側電極とを同じ極性に設定した場合でも、２電極の距離を磁界が相互に干渉しない距離（図１８では４５ｍｍ）以上に広げることによって、良好な厚板の溶接が可能である。

図１９は、ルート側電極をプラス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を揺動させた場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図１９（Ｂ）では、図１７（Ｂ）ほどではないが、やはり２電極周辺の溶け込み量が大きくなっており、表面側では溶け込み不良が発生している。図１９（Ａ）に示すように、２電極の間隔が１５ｍｍまで狭くなる瞬間もある。このため、図１７（Ａ）に示したスラグ流Ｓと図１８（Ａ）に示したスラグ流Ｓとが交互に現れるので、結果として表面側で熱量が不足したと考えられる。図１８の結果を考慮すると、表面側電極を揺動させる場合でも、少なくとも２電極間の距離を磁界が相互に干渉しない距離（図１８では４５ｍｍ）以上に保つことが必要である。

続いて、ルート側電極と表面側電極の極性が異なる場合について３種類の試験を行なった例について説明する。

図２０は、ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の奥側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図２０（Ｂ）では、２電極周辺の溶け込み量が大きくなっているものの、表面側では溶け込み不良は発生していない。これは、図２０（Ａ）に示すように、２電極の間隔が１５ｍｍに近づいても、極性が異なっており、２電極の回りをそれぞれ別のスラグ流Ｓが流れるために、図１７に示すほどには表面側への入熱が不足しなかったからであると考えられる。

図２１は、ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を開先の表面側で固定した場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図２１（Ａ）に示すようにこの場合の電極間距離は、４５ｍｍであった。図２１（Ｂ）でも表面側では溶け込み不良は発生していない。エレクトロスラグ溶接では、ワイヤの極性はプラスとするほうが溶接速度を大きくすることができ、能率が良い。このため、入熱が多く必要とされる表面側の電極をプラスに設定することによって、図１８（Ｂ）に示すよりも表面側で溶け込み量が多くなっており、裏当金３０への侵食は少なくなっている。

図２２は、ルート側電極をマイナス、表面側電極をプラスに設定し、表面側電極を中間位置に固定させた場合の溶接部の断面を撮影した写真である。図２２（Ａ）に示すようにこの場合の電極間距離は、３５ｍｍであった。図２２（Ｂ）でも表面側では溶け込み不良は発生していない。

以上の実験結果より、ルート側電極の極性と表面側電極の極性を互いに異なる極性にすると、スラグ流が一か所に集中することが避けられるので、表面側電極を揺動させない場合でも、良好な溶接部が形成される。したがって、２つの電極を互いに異なる極性とした場合には、２つの電極を揺動させずに静止させておいても良いことが分かった。なお、表面側電極をマイナスとし、ルート側電極をプラスとしても良いが、表面側電極をプラスとし、ルート側電極をマイナスとすると、表面側の溶け込み不良の発生が一層起こりにくくなるのでより好ましい。また、電極を揺動させる場合には、より板厚が厚い母材を溶接する場合に効果が期待できると考えられる。図４、図９では、表面側電極を揺動させる例を示したが、表面側電極を表面付近に固定し、ルート側電極を揺動させても良い。

以上説明した本実施の形態のエレクトロスラグ溶接方法について、再び図面を参照して総括する。なお、以下において、ウエブ２２を第１母材２２とも表記し、フランジ３２を第２母材３２とも表記する。

図１を参照して、本実施の形態のエレクトロスラグ溶接方法は、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８とを使用して第１母材２２と第２母材３２とを溶接するエレクトロスラグ溶接方法である。このエレクトロスラグ溶接方法は、母材を配置する工程と、溶接金属形成隙間にフラックスを供給する工程と、溶融電極と母材とを溶融させる工程とを備える。

母材を配置する工程では、上向きの溶接進行方向に交差する断面において、第１母材２２と第２母材３２と当金１０，３０との間に溶接金属形成隙間を形成するように第１母材２２と第２母材３２と当金１０，３０とを配置する。

溶融電極と母材とを溶融させる工程では、第１溶接ワイヤ６と第１母材２２および第２母材３２間に第１の直流電圧Ｖ１を印加し、かつ、第２溶接ワイヤ８と第１母材２２および第２母材３２間に第１の直流電圧Ｖ１とは逆の極性の第２の直流電圧Ｖ２を印加して、溶接金属形成隙間内のフラックスが溶融したスラグ２８に通電することによるスラグ２８の発熱によって、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８と第１母材２２と第２母材３２とを溶融させる。

上記のように、２つの溶融電極の極性を異なる極性とすることによって、表面側の溶け込み不良が発生しなくなるので、５５ｍｍ以上の厚板の溶接を２電極のエレクトロスラグ溶接によって行うことが可能となる。

図２０〜図２２に示した結果が得られたように、溶融させる工程において、第１溶接ワイヤ６および第２溶接ワイヤ８の水平位置を固定した状態としても良く、また、図１１〜図１２に示した結果が得られたように、溶融させる工程において、第１溶接ワイヤ６の水平位置を固定し、第２溶接ワイヤ８の水平位置を揺動させても良い。

なお、２つの電極の極性を同じにした場合には、図１７に示したように電極間距離が近いと表面側に溶け込み不良が発生するため、電極間距離を正確に制御しなければいけない。これに対し、本実施の形態のように２つの電極の極性を異なる極性とすれば、電極間距離が近くなっても図２０に示したように表面側の溶け込み不良は発生しにくい。したがって、電極を揺動させる場合でも電極の位置の制御が容易となるとともに、表面側電極を揺動させなくても良好に溶接できる。これにより、溶接装置の電極支持機構の構成を簡単にすることができる。

好ましくは、溶接金属形成隙間には、第１母材２２と第２母材３２によって開先が形成される。当金は、開先のルート側に配置される裏当金３０と、開先の表面側に配置される移動式の水冷銅当金１０とによって構成される。水冷銅当金１０は、裏当金３０に溶接金属形成隙間を挟んで対向するように配置される。溶接金属形成隙間において、第１溶接ワイヤ６は裏当金３０側に配置され、第２溶接ワイヤ８は水冷銅当金１０側に配置される。

好ましくは、図２０〜図２２で結果を示したように、第１溶接ワイヤ６は開先のルート側に配置され、第２溶接ワイヤ８は開先の開口側（表面側）に配置され、第１の直流電圧Ｖ１は負の電圧であり、第２の直流電圧Ｖ２は正の電圧である。エレクトロスラグ溶接では電極をプラスにした方が溶接能率が高くなるため、このように電圧を与えれば、表面側の方がルート側よりも溶接能率が高くなり、表面側に溶け込み不良が発生しにくくなり、またルート側において裏当金３０への侵食量を適切な量に抑えることができる。

本実施の形態の他の局面におけるエレクトロスラグ溶接方法では、溶融電極と母材とを溶融させる工程において、第１溶接ワイヤ６と第１母材２２および第２母材３２間に第１の直流電圧Ｖ１を印加し、かつ、第２溶接ワイヤ８と第１母材２２および第２母材３２間に第１の直流電圧Ｖ１と同じ極性の第２の直流電圧Ｖ２を印加して、溶接金属形成隙間内のフラックスが溶融したスラグ２８に通電することによるスラグ２８の発熱によって、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８と第１母材２２と第２母材３２とを溶融させる。溶融させる工程において、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８との間の極間距離を磁界が相互に干渉しない距離以上とする。好ましくは、溶融させる工程において、第１溶接ワイヤ６と第２溶接ワイヤ８との間の極間距離を４５ｍｍ以上とする。

本実施の形態のエレクトロスラグ溶接方法によって、複数の鋼材を溶接して大型構造物を製造することができる。大型構造物は種々考えられるが、一例として四面ボックス柱の製造方法の詳細を以下に説明する。

［四面ボックス柱の製造方法］
図２３は、本実施の形態のエレクトロスラグ溶接を用いて四面ボックス柱を製造する工程を示したフロー図である。まず工程Ｓ１において、ウエブ２２の両端を斜めに切り落として開先加工を行なう。開先は、例えば図３に示すように１５°の角度にする。図２４は、開先加工されたウエブ２２の断面形状を示す図である。

次に工程Ｓ２において、ウエブ２２の裏面（ボックス柱の内側になる面）に裏当金３０を組み立て溶接する。図２５は、裏当金３０が組み立て溶接されたウエブ２２を示す図である。

続いて、工程Ｓ３において、一方のフランジ３２に２枚のウエブ２２を組み立て溶接する。図２６は、フランジに２枚のウエブが組み立て溶接された状態を示す図である。

そして、工程Ｓ４において他方のフランジでボックス柱の開口側面に蓋をして、組み立て溶接して組立体を形成する。工程Ｓ５で仮組され箱型となった組立体を工程Ｓ５において縦向きにする（ボックス柱を立てる）。

最後に、工程Ｓ６において、組立体の４か所の角部の各々を本実施の形態の２電極エレクトロスラグ溶接によって溶接し、四面ボックス柱が完成する。図２７は、組立体が溶接完了した状態を示す断面図である。溶接金属形成隙間Ｇ１〜Ｇ４にエレクトロスラグ溶接によって溶接金属が形成される。

なお、以上の工程Ｓ１〜Ｓ４は、組立体を仮組する工程であり、他の手順で組立体を形成しても構わない。

四面ボックス柱において、第１側面は、第３側面と対向し、第２側面は、第４側面と対向しているとする。組立体を仮組する工程（Ｓ１〜Ｓ４）では、第１フランジ３２−１、第２フランジ３２−２を第１側面、第３側面にそれぞれ配置し、開先が形成された第１ウエブ２２−１、第２ウエブ２２−２を開先のルート側が四面ボックス柱の内側になるように第２側面、第４側面にそれぞれ配置し、四面ボックス柱の４か所の角部の内側に４つの裏当金３０を組み立て溶接する。

組立体をエレクトロスラグ溶接で溶接する工程（Ｓ６）では、第１フランジ３２−１と第１ウエブ２２−１との間の第１溶接金属形成隙間Ｇ１、第１フランジ３２−１と第２ウエブ２２−２との間の第２溶接金属形成隙間Ｇ２、第２フランジ３２−２と第１ウエブ２２−１との間の第３溶接金属形成隙間Ｇ３、および第２フランジ３２−２と第２ウエブ２２−２との間の第４溶接金属形成隙間Ｇ４を本実施の形態のエレクトロスラグ溶接方法によって溶接する。

このようにして、本実施の形態のエレクトロスラグ溶接方法を、四面ボックス柱の製造に適用することによって、５５ｍｍ以上の板厚の四面ボックス柱を能率よく製造することが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２，４ ノズル、６，８ 溶接ワイヤ、１０ 水冷銅当金、３０ 裏当金、１２，１４ 冷却水パイプ、１６ 倣い装置、２２ ウエブ、２４ 溶接金属、２６ 溶融金属、２８ 溶融スラグ、３２ フランジ、３４ 角溶接部、４１，４２ 電源。

Claims (9)

1. 第１溶融電極と第２溶融電極とを使用して第１母材と第２母材とを溶接するエレクトロスラグ溶接方法であって、
   上向きの溶接進行方向に交差する断面において、前記第１母材と前記第２母材との間に溶接金属形成隙間を形成するように前記第１母材と前記第２母材と配置する工程と、
   前記溶接金属形成隙間にフラックスを供給する工程と、
   前記第１溶融電極と前記第１母材および前記第２母材間に第１の直流電圧を印加し、かつ、前記第２溶融電極と前記第１母材および前記第２母材間に前記第１の直流電圧とは逆の極性の第２の直流電圧を印加して、前記溶接金属形成隙間内の前記フラックスが溶融したスラグに通電することによる前記スラグの発熱によって、前記第１溶融電極と前記第２溶融電極と前記第１母材と前記第２母材とを溶融させる工程とを備える、エレクトロスラグ溶接方法。
2. 前記溶融させる工程において、前記第１溶融電極および前記第２溶融電極の水平位置を固定した状態とする、請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
3. 前記溶融させる工程において、前記第１溶融電極の水平位置を固定し、前記第２溶融電極の水平位置を揺動させる、請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
4. 前記溶接金属形成隙間には、前記第１母材と前記第２母材とによってルート側と前記ルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成され、
   前記配置する工程では、裏当金が前記開先の前記ルート側に配置され、移動式冷却当金が前記裏当金に前記溶接金属形成隙間を挟んで対向するように前記開先の前記表面側に配置され、
   前記溶接金属形成隙間において、前記第１溶融電極は前記裏当金側に配置され、前記第２溶融電極は前記移動式冷却当金側に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
5. 前記溶接金属形成隙間には、前記第１母材と前記第２母材とによってルート側と前記ルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成され、
   前記第１溶融電極は前記開先のルート側に配置され、前記第２溶融電極は前記開先の表面側に配置され、前記第１の直流電圧は負の電圧であり、前記第２の直流電圧は正の電圧である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
6. 第１溶融電極と第２溶融電極とを使用して第１母材と第２母材とを溶接するエレクトロスラグ溶接方法であって、
   上向きの溶接進行方向に交差する断面において、前記第１母材と前記第２母材との間に溶接金属形成隙間を形成するように前記第１母材と前記第２母材と配置する工程と、
   前記溶接金属形成隙間にフラックスを供給する工程と、
   前記第１溶融電極と前記第１母材および前記第２母材間に第１の直流電圧を印加し、かつ、前記第２溶融電極と前記第１母材および前記第２母材間に前記第１の直流電圧と同じ極性の第２の直流電圧を印加して、前記溶接金属形成隙間内の前記フラックスが溶融したスラグに通電することによる前記スラグの発熱によって、前記第１溶融電極と前記第２溶融電極と前記第１母材と前記第２母材とを溶融させる工程とを備え、
   前記溶融させる工程において、前記第１溶融電極と前記第２溶融電極との間の極間距離を磁界が相互に干渉しない距離以上とする、エレクトロスラグ溶接方法。
7. 前記溶融させる工程において、前記第１溶融電極と前記第２溶融電極との間の極間距離を４５ｍｍ以上とする、請求項６に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接方法によって、複数の鋼材を溶接して大型構造物を製造する、大型構造物の製造方法。
9. 第１〜第４側面を有する四面ボックス柱の製造方法であって、
   前記第１側面は、前記第３側面と対向し、前記第２側面は、前記第４側面と対向し、
   第１フランジ、第２フランジを前記第１側面、前記第３側面にそれぞれ配置し、ルート側と前記ルート側よりも間隔の広い表面側とを有する開先が形成されるように加工された第１ウエブ、第２ウエブを開先のルート側が前記大型四面ボックス柱の内側になるように前記第２側面、前記第４側面にそれぞれ配置し、前記大型四面ボックス柱の４か所の角部の内側に４つの裏当金を組み立て溶接する工程と、
   前記第１フランジと前記第１ウエブとの間の第１溶接金属形成隙間、前記第１フランジと前記第２ウエブとの間の第２溶接金属形成隙間、前記第２フランジと前記第１ウエブとの間の第３溶接金属形成隙間、および前記第２フランジと前記第２ウエブとの間の第４溶接金属形成隙間を、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接方法によって溶接する工程とを備える、四面ボックス柱の製造方法。