JP6190774B2 - エレクトロガスアーク溶接方法及びエレクトロガスアーク溶接装置 - Google Patents

エレクトロガスアーク溶接方法及びエレクトロガスアーク溶接装置 Download PDF

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Description

本発明は、エレクトロガスアーク溶接方法及びエレクトロガスアーク溶接装置に関する。より詳しくは、エレクトロガスアーク溶接におけるスラグ排出技術に関する。
エレクトロガスアーク溶接法は、例えば母材の表面(開先面)側に水冷の摺動当金を配置し、その反対の面に裏当金を配置する。そして、母材、摺動当金及び裏当金により囲まれる空間内に、炭酸ガスなどのシールドガスを供給し、溶接トーチから溶接ワイヤを繰り出してアーク溶接を行う。その際、溶接姿勢は、一般に、下から上に向かって溶接を行う立向きの姿勢が採用される。
また、エレクトロガスアーク溶接では、一般に、溶接材料として、鋼製外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤが用いられている。フラックス入りワイヤが用いられている理由は、溶接時にフラックス中に配合されているスラグ形成剤が溶融し、ビードの外観を良好に保つ働きをするためである。しかしながら、フラックス入りワイヤは、溶接時にスラグ形成剤が溶融し、溶融金属直上に多量の溶融スラグが滞留する。溶融金属直上の溶融スラグが厚くなると、ワイヤがスラグに埋もれてしまい、アークの不安定化やビード外観の劣化を招く。また、溶融金属直上の溶融スラグが厚くなると、溶接金属の成分が変動して、強度過多やじん性劣化の問題も生じる。
そこで、従来、エレクトロガスアーク溶接では、摺動当金の下部からスラグを強制的に排出する方法が採られている(特許文献1〜4参照)。例えば、特許文献1に記載の溶接方法では、スラグの排出を確保するために、ビードとの隙間が下へ行くほど広くなるテーパーが設けられた水冷摺動銅当金を用いている。また、特許文献2には、開先側となる面に、当金の表面から内部にかけて漸次減少する幅の溝が溶接進行方向に刻設され、この溝で溶融金属とスラグを含む溶融池からスラグを選択的に吸引する摺動当金が提案されている。
一方、特許文献3には、母材と対向する面を湾曲凹部とし、その上端付近にシールドガスを供給するための開口部を形成すると共に、湾曲凹部の左右両側に平坦な垂直面からなる摺動縁部を設け、その一方の下方に母材表面との間に所定幅の間隙を形成するための切欠部を形成した摺動当金が提案されている。この特許文献3に記載の摺動当金では、溶融池の溶融金属上に滞留する溶融スラグが、湾曲凹部と、溶融金属との間隙から下方へ向かって流出すると共に、切欠部と母材表面との間に形成される間隙から摺動当金の軌道の側方へも流出するため、従来の摺動当金よりも溶融スラグの排出量を増加させることが可能となる。
また、特許文献4には、水冷摺動銅当金の被溶接材開先部に対する面に、上方から下方に順に、溶接ビード形成用の第1の溝と、溶融スラグを排出用の第2の溝とを設けた摺動当金が提案されている。特許文献4の摺動当金では、第1の溝は被溶接材表面に平行に形成されており、第2の溝は第1の溝の下部に連続し被溶接材表面に対して傾斜し、溝幅が上方から下方に順に広く、かつ溝深さが上方から下方に順に深くなるように形成されている。
特開平11−285826号公報 特開2007−90398号公報 特開2010−142814号公報 特開2012−166204号公報
しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。特許文献1に記載されているような溝深さが上方から下方に向かって深くなる摺動当金や、特許文献4に記載されているような溝幅が上方から下方に向かって広くなり、かつ溝深さが上方から下方に向かって深くなる摺動当金を用いた場合、アーク電圧やスラグ物性によっては過度なスラグ排出となり、溶け落ち、スラグ巻又は気孔などの溶接欠陥が発生する。
また、特許文献2に記載の摺動当金は、刻設された溝で溶融スラグを吸引し、排出するものであるが、表面張力が低いスラグ組成の場合は、吸引効果が十分に得られない上に、繰り返し使用すると、溝に入り込んだスラグが凝固し、溶接途中で吸引による排出効果が得られないという問題点がある。更に、特許文献3に記載の摺動当金は、水冷摺動銅当金の切欠き部に溶融スラグだけではなく、溶融金属も流れおちて、ビード形状が劣化するという問題点がある。
そこで、本発明は、効率的にスラグを排出することができるエレクトロガスアーク溶接方法及びエレクトロガスアーク溶接装置を提供することを主目的とする。
前述したように、スラグ排出の促進は、従来、水冷摺動銅当金の構造によって工夫されてきた。しかしながら、スラグの排出量は、アーク安定性や溶接ワイヤのスラグ組成によって変わるため、水冷摺動銅当金の構造だけでは十分に制御することができない。特に、溶接ワイヤの組成は、スラグの溶融物性に影響し、溶接金属の溶け落ちや溶接欠陥、ビード形状の劣化にも関係するが、従来、溶接ワイヤのスラグ物性と水冷摺動銅当金形状について最適なアプローチはなされていない。
そこで、本発明者は、スラグ組成について加味した溶接材料と溶接装置の組み合わせについて検討を行い、長時間かつ繰り返し使用しても効率的なスラグの排出を維持でき、溶接欠陥、ビード形状の劣化、じん性の劣化を防止することができるエレクトロガスアーク溶接方法を見出し、本発明に至った。
即ち、本発明に係るエレクトロガスアーク溶接方法は、被溶接材の開先表面に摺動銅当金を当接し、前記摺動銅当金及び溶接トーチを上昇させながらアーク溶接を行うエレクトロガスアーク溶接方法であって、前記溶接ワイヤとして、鋼製外皮内にフラックスが充填され、ワイヤ全質量あたり、C:0.01〜0.50質量%、Si:0.10〜1.00質量%、Mn:0.50〜4.00質量%、Mo:0.10〜1.00質量%、Ti:0.05〜0.40質量%、SiO:0.10〜1.00質量%を含有すると共に、Al:0.30質量%以下(0%を含む)、S:0.050質量%以下(0%を含む)、P:0.050質量%以下(0%を含む)、TiO:0.30質量%以下(0%を含む)、Al:0.30質量%以下(0%を含む)に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなり、SiO含有量を[SiO]、Si含有量を[Si]、Al含有量を[Al]、Al含有量を[Al]、TiO含有量を[TiO]、Ti含有量を[Ti]としたとき、下記数式(A)を満たす組成を有するフラックス入りワイヤを使用し、前記摺動銅当金は、前記開先に接触する面に曲率をもった溝を有し、前記開先の幅をaとしたとき、前記溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、前記溝深さDが0.5〜5.5mm、前記溝幅Wと前記溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0であるものとし、前記溶接ワイヤの送給速度は一定にし、前記溶接ワイヤの突出し長さが一定になるように、溶接電流に基づいて前記溶接トーチの上昇速度を制御する。
Figure 0006190774
前記フラックス入りワイヤは、更に、ワイヤ全質量あたり、Mg:0.50質量%以下、Ni:2.0質量%以下、Cr:1.0質量%以下、B:0.005質量%以下を含有していてもよい。
また、前記フラックス入りワイヤは、更に、ワイヤ全質量あたり、MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOのうち少なくとも1種の酸化物を、合計で0.80質量%以下含有することもできる。
更に、前記フラックス入りワイヤには、直径が1.5〜3.5mmであり、フラックス充填率が15〜30質量%であるものを使用することができる。
一方、本発明に係るエレクトロガスアーク溶接方法では、前記溶接トーチの上昇速度の制御は、ローパスフィルターにより検出された溶接電流から高周波成分を除去する工程と、前記ローパスフィルターを通過した溶接電流値と、予め設定された溶接電流指令値とを比較する工程と、を有し、前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を0.98〜2.93Hzに設定してもよい。
また、アーク電圧を周期的に変動させながら溶接を行うこともできる。
本発明に係るエレクトロガスアーク溶接装置は、被溶接材の開先表面に当接される摺動銅当金と、前記開先内に溶接ワイヤを送給する溶接トーチと、前記溶接トーチを、溶接線に対して、前後方向、上下方向及び左右方向に移動させるトーチ移動機構と、溶接電流に基づいて前記溶接トーチの上昇速度を制御する制御部とを有し、前記摺動銅当金は、前記開先に接触する面に曲率をもった溝を有し、前記開先の幅をaとしたとき、前記溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、前記溝深さDが0.5〜5.5mm、前記溝幅Wと前記溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0である。
本発明によれば、摺動銅当金の構造に加えて、溶接材料の組成を特定しているため、効率的にスラグを排出することが可能となる。
本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法を模式的に示す断面図である。 開先形状を示す断面図である。 Aは図1に示す摺動銅当金2の構成を模式的に示す平面図であり、BはAに示すZ−Z線による断面図である。 突出し長さが一定になるよう制御する方法を示すブロック図である。 本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法で用いる溶接装置の構成例を示す図である。 すみ肉溶接に適用する場合の溶接方法を示す断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。図1は本発明の実施形態に係るエレクトロガスアーク溶接方法を模式的に示す断面図であり、図2は開先形状を示す断面図である。また、図3Aは図1に示す摺動銅当金2の構成を模式的に示す平面図であり、図3Bは図3Aに示すZ−Z線による断面図である。
図1に示すように、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法は、被溶接材(母材1)に形成された開先の一方の面側に摺動銅当金2を当てると共に、他方の面側に裏当材3を当てる。ここで、開先形状としては、例えば図2に示すようなV開先を適用することができる。そして、母材1、摺動銅当金2及び裏当材3により囲まれる開先内に、シールドガスを供給しつつ溶接トーチ4から溶接ワイヤ5を送給し、溶接トーチ4及び摺動銅当金2を上昇させながらアーク溶接を行う。
このとき、溶接ワイヤ5には、鋼製外皮内にフラックスが充填され、C、Si、Mn、Mo、Ti及びSiOを特定量含有すると共に、Al、S、P、TiO及びAlを特定量以下に規制し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、下記数式(A)を満たす組成のフラックス入りワイヤを使用する。なお、下記数式2における[SiO]はSiO含有量、[Si]はSi含有量、[Al]はAl含有量、[Al]はAl含有量、[TiO]はTiO含有量、[Ti]はTi含有量である。
Figure 0006190774
また、図3A,Bに示すように、摺動銅当金2は、開先に接触する面に曲率をもった溝12を有し、開先の幅をaとしたとき、溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、溝深さDが0.5〜5.5mm、溝幅Wと溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0のものを使用する。更に、溶接時は、溶接ワイヤ5の送給速度を一定とし、溶接電流に基づいて溶接トーチの上昇速度を制御する。
次に、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法における各種条件設定の理由について説明する。
[溶接ワイヤ5]
本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法に用いられる溶接ワイヤ5は、筒状の鋼製外皮と、この外皮の内側に充填されたフラックスとで構成されるフラックス入りワイヤである。なお、フラックス入りワイヤの形態は、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれでもよい。また、フラックス入りワイヤには、表面(外皮の外側)に銅めっきが施されているものと、施されていないものがあるが、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法では、どちらも使用することができる。
以下、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法で用いるフラックス入りワイヤの成分組成の数値限定理由を説明する。なお、以下に示す成分量は、外皮とフラックスを合わせたワイヤ全質量に対する割合である。
<C:0.01〜0.50質量%>
Cは、溶接金属の強度を高める効果がある。しかしながら、溶接ワイヤのC含有量が0.01質量%未満の場合、溶接金属の強度が不足する。一方、溶接ワイヤ中にCが0.50質量%を超えて多量に含まれていると、溶接中に酸素と結合してCOガスとなり、溶滴表面に泡が発生する。そして、この泡が飛散することで、アークが不安定になり、スパッタが発生する。よって、溶接ワイヤのC含有量は0.01〜0.50質量%とする。
<Si:0.10〜1.00質量%>
Siは、脱酸作用のある元素であり、溶接金属の強度や靱性を確保するために必要な元素である。しかしながら、溶接ワイヤのC含有量が0.10質量%未満の場合、脱酸不足により、溶接金属にブローホールが発生する。一方、溶接ワイヤに、1.00質量%を超えて多量にSiが含まれていると、溶接中に溶融金属7上にたまる溶融スラグ8が厚くなって、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靭性が劣化する。よって、溶接ワイヤのSi含有量は0.10〜1.00質量%とする。
<Mn:0.50〜4.00質量%>
Mnは前述したSiと同様に、脱酸素剤又は硫黄捕捉剤として作用するため、溶接金属の強度や靭性の確保に必要な元素である。しかしながら、溶接ワイヤのMn含有量が0.50質量%未満の場合、脱酸不足により溶接金属に溶接欠陥(ブローホール)が発生したり、溶接金属の靭性が不足したりする。一方、溶接ワイヤに、4.00質量%を超えて多量にMnが含まれていると、溶接中に剥離し難いスラグが大量発生し、スラグ巻きなどの溶接欠陥が発生すると共に、溶接金属の強度が増加しすぎて靭性が著しく低下する。よって、溶接ワイヤのMn含有量は、0.50〜4.00質量%とする。
<Mo:0.10〜1.00質量%>
Moは、溶接金属の強度や靭性を確保するために必要な元素である。しかしながら、溶接ワイヤのMo含有量が0.10質量%未満の場合、溶接金属の強度や靭性が不足する。一方、溶接ワイヤに、1.00質量%を超えてMoが含まれていると、溶接金属が強度過多となり、割れなどの溶接欠陥が発生する。よって、溶接ワイヤのMo含有量は0.10〜1.00質量%とする。
<Ti:0.05〜0.40質量%>
Tiは、溶接金属中のフェライト粒を微細化し、靭性を向上させる効果がある。しかしながら、溶接ワイヤのTi含有量が0.05質量%未満の場合、溶接金属の靭性が不足する。一方、Tiは強脱酸元素であるため、溶接ワイヤに0.40質量%を超えてTiが含まれていると、粘性の高いTiOスラグの発生が過多となる。その結果、スラグ排出が抑制され、溶融金属7上にたまる溶融スラグ8が厚くなって、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靭性が劣化する。よって、溶接ワイヤのTi含有量は0.05〜0.40質量%とする。
<SiO:0.10〜1.00質量%>
SiOは、フラックスに含有される酸化物であり、比較的流動性の良い溶融スラグを形成する。また、SiOと共に、後述するMgOやCaOを添加すると、溶融スラグの流動性が更に良好になる。このため、エレクトロガスアーク溶接において、SiOを主体としたスラグ組成にすると、スラグの排出が促進される。また、SiOを主体としたスラグ組成は、ガラス質で剥離もしやすく、ビード全面に広がるため、ビード外観も良好となる。このようなSiOを主体としたスラグ組成を形成するためには、溶接ワイヤにSiOを0.10質量%以上含有させる必要がある。
一方、溶接ワイヤに、SiOを1.00質量%を超えて含有させると、スラグ量が過多になり、排出効果よりも酸化物生成のほうが上回り、溶融金属7上にたまる溶融スラグ8が厚くなって、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靭性が劣化する。よって、溶接ワイヤにおけるSiO含有量は、0.10〜1.00質量%とする。なお、スラグ排出効率向上の観点から、溶接ワイヤのSiO含有量は0.20〜0.60質量%であることが好ましい。
<Al:0.30質量%以下>
Alは、前述したTiと同様に、溶接金属中のフェライト粒を微細化し、靭性を向上させる効果があるが、フェライト粒の微細化効果はTiが最も効果的であり、また、Al酸化物は粘性が高いため、スラグ剥離性を低下させ、ビード外観に影響を及ぼす。このため、溶接ワイヤにAlは極力添加しないことが好ましく、0質量%であることがより好ましい。
一方、Alは強脱酸元素であるため、溶接ワイヤに0.30質量%を超えてAlが含まれていると、スラグの発生が過多となる。その結果、スラグ排出が抑制され、溶融金属7上にたまる溶融スラグ8が厚くなって、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靭性が劣化する。よって、溶接ワイヤのAl含有量は0.30質量%以下に規制する。
<S:0.050質量%以下、P:0.050質量%以下>
S(硫黄)及びP(リン)は、いずれも不可避滴不純物であり、溶接ワイヤにおけるこれらの元素の含有量がそれぞれ0.050質量%を超えると、溶接金属に割れなどの溶接欠陥が発生する。よって、S含有量及びP含有量はいずれも0.050質量%以下に規制する。なお、溶接ワイヤのS含有量及びP含有量は、できるだけ少ない方が好ましく、より好ましくは0質量%であるが、それぞれ0.050質量%以下であれば、本発明の効果には影響しない。
<TiO:0.30質量%以下、Al:0.30質量%以下>
TiO及びAlは、フラックスに含有される酸化物であるが、粘性の高い溶融スラグを形成するため、これらの含有量はできるだけ少なくすることが好ましく、0質量%であることがより好ましい。特に、溶接ワイヤにおけるTiO含有量及びAl含有量がそれぞれ0.30質量%を超えると、スラグ排出が抑制され、溶接金属の靭性が劣化したり、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生したりする。よって、TiO含有量及びAl含有量は、それぞれ0.30質量%以下に規制する。
<(SiO+2.1Si)/(Al+1.9Al+TiO+1.7Ti)>
前述したように、フラックスに由来するTiOやAl、強脱酸元素であるTi及びAlは、スラグの排出を抑制する。このため、([SiO]+2.1×[Si])/([Al]+1.9×[Al]+[TiO]+1.7×[Ti])が1.0未満である場合、即ち、溶接ワイヤにおけるこれらの成分の含有量が上記数式(A)を満たさない場合は、TiOやAl主体のスラグ組成となり、溶接金属の靭性低下や溶接欠陥の発生を招く。
これに対して、([SiO]+2.1×[Si])/([Al]+1.9×[Al]+[TiO]+1.7×[Ti])が1.0以上である場合、即ち、溶接ワイヤにおけるこれらの成分の含有量が上記数式(A)を満たす場合は、SiO主体のスラグ組成となり、スラグ排出が促進され、溶接欠陥がない、良好なビード外観となる。なお、上記数式(A)におけるSi、Al、Tiの係数は、元素と酸化物のモル質量比であり、添加元素が全て酸化物になった場合を想定して規定している。
<Mg:0.50質量%以下>
Mgは、強脱酸元素であり、溶接金属の酸素量を低減して靱性を向上させる効果があるため、必要に応じて溶接ワイヤに添加することができる。なお、溶接金属の靭性向上の観点から、溶接ワイヤにMgを添加する場合は0.05質量%以上とすることが好ましい。
一方、Mgは強脱酸元素であるため、溶接ワイヤが0.50質量%を超えてMgを含有すると、MgOスラグが過多となる。適量のMgOはSiOと結びつき、流動性の良い溶融スラグとなるが、MgOが過度に増えると、溶接中に剥離しにくいスラグが大量発生し、スラグ巻きなどの溶接欠陥が発生する。よって、溶接ワイヤにMgを添加する場合は、0.50質量%以下とする。
<Ni:2.0質量%以下、Cr:1.0質量%以下、B:0.005質量%以下>
溶接ワイヤに用いるフラックス入りワイヤは、溶接金属の強度又は靭性向上のため、Ni、Cr及びBを含有していてもよい。ただし、これらの元素は、過剰に添加すると、溶接金属に割れが発生しやすくなる。具体的には、溶接ワイヤに、Niを2.0質量%を超えて添加したり、Crを1.0質量%を超えて添加したり、Bを0.005質量%を超えて添加すると、溶接金属に割れが発生しやすくなる。よって、Ni、Cr及びBを添加する場合は、それぞれNi:2.0質量%以下、Cr:1.0質量%以下、B:0.005質量%以下とする。
<MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO、BaO:合計で0.80質量%以下>
MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOは、SiOと融合して、スラグの粘性を低下させ、流動性を向上させる効果がある。ただし、MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOの総含有量が0.80質量%を超えると、スラグ量が過多になり、排出効果よりも酸化物生成の方が上回る。このため、溶融金属7上に溜まる溶融スラグ8が厚くなり、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靭性が劣化する。よって、溶接ワイヤに、MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOを添加する場合は、総含有量が0.80質量%以下になるようにする。なお、溶接ワイヤは、これらの酸化物のうち1種のみを含有していてもよく、また、2種以上を含有していてもよい。
<残部:Fe及び不可避的不純物>
本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法で使用する溶接ワイヤ(フラックス入りワイヤ)の成分組成における残部は、Fe及び不可避的不純物である。
<直径:1.5〜3.5mm>
溶接ワイヤに用いるフラックス入りワイヤの直径は1.5〜3.5mmであることが好ましい。エレクトロガスアーク溶接において、直径1.5mm未満のワイヤを用いると、溶着量が多くなり、溶融金属位置が高くなるため、スラグ排出が抑制される。一方、直径が3.5mmを超えるワイヤを用いると、溶接電流が高くなり、大入熱となるため、得られる溶接金属の靭性が劣化しやすくなる。
<フラックス充填率:15〜30質量%>
溶接ワイヤに用いるフラックス入りワイヤは、フラックス充填率が15〜30質量%であることが好ましい。フラックス充填率が15質量%未満のワイヤを用いると、溶着量の向上効果が得られず、ワイヤがスラグ浴に埋もれやすくなる。一方、フラックス充填率が30質量%を超えるワイヤを用いるとジュール熱効果が高くなり、溶滴移行が不安定になるため、突出し制御が困難となる。なお、ここでいう「フラックス充填率」は、外皮内に充填されるフラックスの質量を、ワイヤ全体(外皮とフラックスの合計)の質量に対する割合で規定したものである。
<外皮>
溶接ワイヤに用いるフラックス入りワイヤの外皮の材質は、ワイヤ全体の組成が前述した範囲内であればよく、軟鋼及びステンレス鋼のいずれでもよい。
<製法>
本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法で使用する溶接ワイヤ(フラックス入りワイヤの製造方法は、特に限定されるものではなく、一般的な製造方法により製造したものを使用することができる。例えば、軟鋼又はステンレスからなる外皮をU字状に成形したものにフラックスを充填した後、筒状型に成形し、目的径まで伸線することにより製造することができる。
[摺動銅当金2]
本実施形態のエレクトロアーク溶接に用いる摺動銅当金2は、開先に接触する面に曲率をもった溝12が設けられている。この摺動銅当金2の溝形状は、溶融スラグの排出に依存する。溝幅W及び溝深さDが大きいとスラグの排出は促進されるが、溶融金属の溶け落ち、及びスラグによってビードが均一に被覆されないことによるビード形状不良やスラグ巻きなどの溶接欠陥が発生する。
一方、溝幅W及び溝深さDが小さいと、スラグの排出が滞り、溶融金属7上に溜まる溶融スラグ8が厚くなって、溶接ワイヤ5が溶融スラグ8に埋まり、溶接金属9の歩留まりが変動して靱性が劣化する。このため、ビードをスラグで均一に被覆することによって、ビード形状不良及び溶接欠陥の発生を防止するためには、溝は過度に大きくしない方がよい。
一方、溝形状を小さくすると、スラグを排出しにくくなる。そこで、本実施形態のエレクトロアーク溶接方法では、前述した組成の溶接ワイヤ(フラックス入りワイヤ)を用いることで、SiOを主体とした溶融スラグを形成する。SiOを主体とした溶融スラグは粘性が低いため、流動性が良く、かつ銅当金との濡れ性も良好な溶融物性を有しているため、過度な溝加工を必要としなくとも、スラグによってビードを均一に被覆して、良好な形状のビードを形成することができる。
前述した組成のフラックス入りワイヤとの組み合わせに適した溝形状は、開先の幅をaとしたとき、溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、溝深さDが0.5〜5.5mm、溝幅Wと溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0である。
<溝幅W:(1.1×a)〜(2.5×a)mm>
溝幅Wは、開先幅aに依存する。溝幅Wが、開先幅aの1.1倍未満の場合、ビード形状が不良となり、また、2.5倍を超えると、溶接金属の溶け落ちやビード形状不良が発生する。よって、溝幅Wは、開先幅aの1.1〜2.5倍の範囲とする。
<溝深さD:0.5〜5.5mm>
溝深さDが0.5mm未満の場合、溶接金属の歩留まりが変動し、靭性が劣化する。また、溝深さDが5.5mmを超えると、スラグがビード上に均一に乗らず、ビード形状不良やスラグ巻きなどの溶接欠陥が発生する。よって、溝深さDは、0.5〜5.5mmの範囲とする。
<溝幅Wと溝深さDとの比(W/D):5.0〜80.0>
溝幅Wと溝深さDとの比(W/D)が5.0未満の場合、前述した組成のフラックス入りワイヤを使用しても、スラグの排出が滞り、溶接金属の歩留まりが変動し、靭性が劣化する。一方、溝幅Wと溝深さDとの比(W/D)が80.0を超えると、ビード形状不良やスラグ巻きなどの溶接欠陥が発生する。よって、溝幅Wと溝深さDとの比(W/D)は5.0〜80.0とする。
<溝形状>
摺動銅当金2の溝12の形状は、曲率を持った形状とする。これにより、良好なビード形状を維持することができる。溝12の曲率半径は、特に限定されるものではないが、30〜180mmであることが好ましい。これにより、スラグにより均一に被覆して、ビード形状を更に向上させることができる。
[溶接ワイヤ5の突出し長さ制御]
溶接時の溶接ワイヤ5の突出し長さは、20〜60mmとすることが好ましい。エレクトロガスアーク溶接において、溶接ワイヤ5の突出し長さが20mm未満の場合、溶接電流が高くなり、大入熱となるので、溶接金属の靭性が劣化する。一方、溶接ワイヤ5の突出し長さが60mmを超えると、ジュール熱効果が高くなり、溶滴移行が不安定になるため、後述する突出し長さを一定にする制御が困難となる。
そして、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接では、前述した溶接ワイヤ5の突き出し長さlが一定になるように、溶接トーチの上昇速度を制御しながら溶接を行う。突出し長さを一定にすると、アークが安定し、溶融スラグ8の搖動を低減することができるため、スラグ排出量の経時変化が小さくなり、常に均一量のスラグ排出が可能となる。その結果、ビード形状不良やスラグ巻き込みといった溶接欠陥を防止することができる。
特に、流動性が良好な溶融スラグが形成される溶接ワイヤを用いた場合は、溶融スラグ8の搖動がより大きくなるため、前述した突出し長さを一定にする制御は必須となる。以下、溶接ワイヤ5の突出し長さを一定にするための具体的制御方法について説明する。図4は突出し長さを一定にする制御方法を示すブロック図である。
溶接ワイヤ5の突出し長さが短くなると溶接電流は大きくなり、突出し長さが長くなると溶接電流は小さくなる。そこで、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接では、溶接電流を検出し、その値に基づいて溶接トーチ5上昇速度、即ち溶接速度を制御する。その際、溶接ワイヤ5の送給速度は変えず、一定にする。
溶接電流に基づいて溶接トーチの上昇速度を制御する方法は、特に限定されるものではないが、例えば図4に示すように、ローパスフィルタF1により高周波成分を除した溶接電流X1を、電流検出値変換器G1に入力する。そして、この電流検出値変換器G1の電流値と、手動操作X2によって設定された溶接電流指令値を電流設定器G2で反転させた値とを比較する。その結果、溶接電流値が溶接電流指令値より大きかった場合は、溶接トーチ4の上昇速度を速め、溶接電流指令値よりも小さかった場合は、溶接トーチ4の上昇速度を遅くする。
溶接トーチ4の速度の制御は、例えば、台車走行モータ速度指令演算器G3において演算を行い、台車走行モータ駆動回路20を通して、溶接トーチ4を移動させる台車の走行モータ21を自動制御することで行うことができる。この制御により、溶接ワイヤ5の突出し長さを一定にすることができる。
このとき、溶接ワイヤ5の突出し長さ制御の精度向上の観点から、ローパスフィルタF1のカットオフ周波数を、0.98〜2.93Hzの範囲に設定することが好ましい。ローパスフィルタのカットオフ周波数が0.98Hz未満の場合、溶接トーチ4の上昇速度制御の感度が低下し、溶接ワイヤ5の突出し長さの変化に追従できないことがある。また、カットオフ周波数が2.93Hzを超えると、溶接トーチ4の上昇速度制御の感度が高くなりすぎて、少しの電流変化で上昇速度が変更され、溶接ワイヤ5の突出し長さが変わるため、アークが不安定になることがある。アークが不安定になると、周辺の空気を巻き込み、窒素が溶接金属中に混入するため、靭性が劣化する場合がある。
[溶接装置の構成]
図5は本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法で用いる溶接装置の構成例を示す図である。本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法は、前述した摺動銅当金2と、溶接トーチ4と、トーチ移動機構と、制御部とを少なくとも備えるエレクトロガスアーク溶接装置により実施することができる。エレクトロガスアーク溶接装置には、一般に、溶接電源25、ワイヤ送給装置26及びシールドガス供給機構などが設けられる。
トーチ移動機構は、溶接トーチ4を溶接線に対して、前後方向、上下方向及び左右方向に移動させるものであり、例えば台車22及び走行用レール23などにより構成されている。着脱型の溶接台車22には、溶接トーチ4及び摺動銅当金2が装着されており、走行用レール23をガイドとして移動し、溶接線に対して上下、前後、左右方向に位置調整可能に構成されている。また、溶接台車22は20kg以下で、かつ溶接台車22に設けられているガイドローラー間の幅と走行レール23の幅を相対的に変化させることにより、溶接台車22を走行レール23の所定位置から、容易に着脱可能となっていることが好ましい。
また、制御部は、溶接ワイヤ5の突出し長さが一定になるように、溶接電流に基づいて溶接トーチ4の上昇速度を制御するものであり、例えば操作箱24内に設けられている。この操作箱24は、溶接電源25に接続されており、溶接開始及び停止のためのスイッチ、溶接電流調整、溶接電圧調整、突出し長さ調整、走行速度調整及びワイヤインチングなどを制御する。
[その他の溶接条件]
被溶接材(母材1)の板厚は、特に限定されるものではなく、用途などに応じて適宜選択して使用することができる。なお、母材1が板厚32mmを超える厚板である場合は、溶接トーチ4をオシレートして溶接してもよい。その場合、ウィーバー角度設定機構、設定角度に維持できるウィーバー回転伝達駆動機構、トーチと溶接台車の成す角度を常に一定に保持するトーチ回転伝達機能、ウィービング動作伝達機構を有していることが好ましい。
溶接に用いる電源(溶接電源)の特性は、特に限定されるものではなく、直流電流の溶接電源でもよいし、交流電源であってもよい。ただし、突出し長さが一定になるように制御することから、溶接電源には、定電圧特性を持つものを使用すること好ましい。裏当材3の種類や材質も、特に限定されるものではなく、例えば水冷式銅当金でもよいし、セラミック材や母材1と近い組成の鋼材であってもよい。
アーク電圧が高い程、広範囲にアーク圧がかかるため、スラグの排出には効果的である。しかしながら、アーク電圧が高い状態を長時間継続すると、アーク不安定になる。そこで、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法では、スラグ排出の促進のため、任意の時間毎にアーク電圧値が高くなるようにすることが好ましい。アーク電圧を高くするタイミングは、一定間隔で行ってもよいし、不定期でもよい。また、アーク電圧を、パルスのように周期的に変化させる場合、その波形は特に限定されず、矩形波、三角波及び波型などの各種パルス波形を採用することができる。更に、パルス周波数の範囲も、特に限定されるものではないが、0.1〜500Hzが好ましく、これによりスラグ排出が効果的に得られる。
また、シールドガスは、100体積%CO、100体積%Arの他、ArとCO又はOの混合ガスなどを使用することができる。これらシールドガスの中でも、特に、溶けこみ効果が大きいことから、100体積%COが好ましい。なお、シールドガス不良の防止の観点から、ガス流量は15〜40L/分とすることが好ましい。
[継手形状]
本発明のエレクトロガスアーク溶接は、母材1の形状が前述したV開先の場合以外にも、すみ肉溶接にも適用することができる。図6はすみ肉溶接に適用する場合の溶接方法を示す断面図である。図6に示すように、すみ肉溶接を行う場合は、裏当材は不要である。そして、母材1の表面に摺動銅当金2を当接し、母材1と摺動銅当金2により囲まれる開先内に、シールドガスを供給しつつ溶接トーチから溶接ワイヤを送給し、溶接トーチ及び摺動銅当金を上昇させながらアーク溶接を行えばよい。その他の条件は、V開先の場合と同様である。
以上詳述したように、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法では、溶融スラグ排出に最も効果的である物性の溶融スラグが形成できるフラックス入りワイヤと、特定の溝形状を有する摺動当金を使用し、溶接ワイヤの突出し長さが一定になるように制御しながら溶接しているため、長時間かつ繰り返し使用しても効率的なスラグの排出を維持することができる。その結果、溶接欠陥、ビード形状の劣化、溶接金属の靭性の劣化を防止することができる。
また、本実施形態のエレクトロガスアーク溶接方法は、Mg、Ni、Cr及びBを特定量含有するフラックス入りワイヤを使用することにより、溶接金属の靭性を更に向上させることができる。更に、MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOのうち少なくとも1種の酸化物を含有するフラックス入りワイヤを使用すると、これらがSiOと複合することによって、溶融スラグ粘性が低下するため、溶融金属上に溜まる溶融スラグの排出を更に促進することができる。
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例では、下記表1〜4に示すフラックス入りワイヤW1〜W70と、下記表3,4に示す摺動銅当金とを使用し、溶接ワイヤの送給速度を一定とし、溶接電流に基づいて溶接ワイヤの突出し長さが一定になるように溶接トーチの上昇速度を調節しながら、エレクトロガスアーク溶接を行った。なお、下記表1,2に示すフラックス入りワイヤの成分組成における残部は、Fe及び不可避的不純物である。なお、下記表1,2おける「−」は、積極的に添加していないことを示しているが、これらの成分についても不可避的不純物として含有されていることがある。
Figure 0006190774
Figure 0006190774
Figure 0006190774
Figure 0006190774
エレクトロガスアーク溶接は、下記の条件で行った。
溶接電流:380A
アーク電圧:35V
溶接速度:8cm/分
入熱量:9.9kJ/mm
母材板厚:19mm
開先形状:V開先
開先角度:40°
ギャップ:5〜10mm(ギャップは開先幅の調整に5〜10mmに変化させた)
シールドガス:100%CO
評価は、以下に示す方法で、ビード外観、アーク安定性、溶接欠陥の有無、シャルピー値について行った。
<ビード外観>
ビード外観は、溶接終了後のビードを目視で判断した。ビード蛇行、ハンピング及びオーバーラップなどのビード形状不良があった場合は×とし、正常な場合は○とした。
<アーク安定性>
アーク安定性は、溶接中のアーク電圧値をデーターロガーで測定し、判断した。具体的には、設定電圧値に対して、±5V以上に、5秒間連続で電圧が変動した場合はアーク不安定とし×とし、5秒以内に収まっていた場合は○とした。また、±5V以上の変動が無い場合はさらに良好として◎とした。
<溶接欠陥>
溶接欠陥は放射線透過試験(RT:JIS Z 3104参照)に準拠した方法で行った。欠陥が確認できた場合は×、無かった場合は○とした。
<靭性>
溶接金属の靭性は、JIS Z 3128に基づき、−20℃ののシャルピー吸収エネルギー(J)で評価した。具体的には、ビード断面中央から試料を抽出し、3回の平均の値をとった。JIS Z 3319のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの規格では、−20℃のシャルピー吸収エネルギー(J)が40J以上であることから、40J未満の以下の場合は×、40Jを上回っていた場合は○、倍の80Jを上回る場合はさらに良好であると判断し、◎とした。
<溶接装置の操作>
溶接は、図5に示す装置を用いて行った。先ず、溶接台車をレールに取り付け、母材に裏当材を取り付けた。フラックス入りワイヤをワイヤ送給装置に装着し、トーチ先端まで送給した。溶接始端部に溶接台車を移動させて、摺動式銅当金を母材に接触させ、摺動式銅当金のセンタリングを行った。トーチ調整部により、ワイヤの狙い角度、狙い位置を調整した。
操作箱パネルで溶接電圧及び溶接電流走行速度を設定し、冷却水量とガス流量を確認した後、操作箱パネル上の溶接開始ボタンを押すことで、アークスタートと同時に、台車を走行させた。操作箱パネル上の突出し長さ調整で、任意の突出し長さに調整し、自動上昇制御をさせながら溶接を行った。溶接終端部で操作箱パネル上の溶接停止ボタンを押し、溶接を停止した。以上の結果を、下記表5,6に示す。
Figure 0006190774
Figure 0006190774
上記表5に示すNo.1〜75は、本発明の範囲内の実施例であり、表6に示すNo.76〜No119は本発明の範囲から外れる比較例である。表5に示すように、実施例のNo.1〜75は、スラグの排出が促進され、アーク安定性、ビード外観、靭性が良好で、溶接欠陥も見られなかった。
これに対して、比較例のNo.76,No.77,No.80,No.81は、摺動銅当金の溝の深さが小さく、W/Dも適正な範囲でなかったため、スラグの排出が抑制され、スラグ浴が厚くなった。その結果、ワイヤが埋もれ、アーク不安定、ビード外観不良、歩留まり変化による溶接金属の靱性低下を引き起こした。また、No.78,No.79,No.82〜85は、摺動銅当金の溝の深さが大きすぎることが原因で、溶融金属の一部溶落が発生し、ビード外観も粗悪であった。
No.86,No.87は、開先幅に対して、摺動銅当金の幅が狭すぎるため、ビードの際にスラグが均一にのらずビード形状不良が発生した。No.88,No.89は、開先幅に対して、摺動銅当金の幅が広すぎるため、ビードの際で、溶融金属の溶落が発生し、ビード形状不良が発生した。No.90〜93は、突出しの制御を行わなかったため、アークが不安定になり、またスラグ浴が搖動したことが原因でビード外観不良が発生した。
No.94は、直径が3.2mmの溶接ワイヤを用いた例であるが、本試験電流380Aに対して、溶着バランスが異なるため、アーク不安定となった。No.95は、直径が1.4mmの溶接ワイヤを用いた例であるが、本試験電流380Aに対して、最適量よりも溶着量が多くなるため、溶融金属の位置が上昇し、埋もれ気味となったことでアーク不安定になった。
No.96,No.97は、フラックス充填率が12質量%又は33質量%の例であるが、本試験電流380Aに対して、溶着バランスが異なるため、アーク不安定となった。No.98は、溶接ワイヤ中のC含有量が高すぎるため、アーク不安定と、強度過多のため靱性が劣化した。No.99は、Si量が過剰の溶接ワイヤを使用しているため、溶融スラグ量が多くなり、スラグ巻が発生した。No.100は、Si量が少ないフラックス入りワイヤを使用しているため、脱酸作用が小さくなり、気孔欠陥が発生した。No.101は、Mn量が少ないフラックス入りワイヤを使用しているため、溶接金属の靭性が劣化した。
No.102は、Mn量を過剰に含有するフラックス入りワイヤを使用しているため、溶接金属が強度過多となり、靭性が劣化した。No.103は、Mo量が多いフラックス入りワイヤを使用しているため、溶接金属が強度過多となり、靭性が劣化した。No.104はPが過剰に添加されているフラックス入りワイヤ、No.105はBを過剰に添加されているフラックス入りワイヤ、No.106はSが過剰に添加されているフラックス入りワイヤを使用したため、溶接金属に割れが発生した。
No.107はMoを含有していないフラックス入りワイヤを使用したため、溶接金属の靭性不足となった。No.108は、TiO及びAlを主成分とする溶融スラグが形成され、スラグ排出が抑制されたため、スラグ巻及びビード形状不良が発生した。No.109〜115は、酸化物の添加量が過剰のフラックス入りワイヤを使用したため、スラグ排出が抑制され、スラグ巻が発生した。
No.116は、Mgが過剰に添加されているフラックス入りワイヤを使用したため、スラグ排出が抑制され、スラグ巻が発生した。No.117は、SiOが過剰に添加されているフラックス入りワイヤを使用したため、スラグ排出が抑制され、スラグ巻が発生した。No.118は、SiOの添加量が不足しているフラックス入りワイヤを使用したため、TiO及びAlが主成分の溶融スラグが形成され、スラグ排出が抑制されたため、スラグ巻及びビード形状不良が発生した。
以上の結果から、本発明によれば、エレクトロガスアーク溶接時のスラグ排出を促進できるので、最良なアーク安定性、ビード形状、靱性を保ち、溶接欠陥を抑制できることが確認された。
1 母材(被溶接材)
2 摺動銅当金
3 裏当材
4 トーチ
5 ワイヤ
6 溶接金属
7 溶融金属
8 溶融スラグ
9 固着スラグ
12 溝
20 台車走行モータ駆動回路
21 走行モータ
22 台車
23 走行用レール
24 操作箱
25 溶接電源
26 ワイヤ送給装置
27 シールドガス

Claims (7)

  1. 被溶接材の開先表面に摺動銅当金を当接し、前記摺動銅当金及び溶接トーチを上昇させながらアーク溶接を行うエレクトロガスアーク溶接方法であって、
    前記溶接ワイヤとして、
    鋼製外皮内にフラックスが充填され、
    ワイヤ全質量あたり、
    C:0.01〜0.50質量%、
    Si:0.10〜1.00質量%、
    Mn:0.50〜4.00質量%、
    Mo:0.10〜1.00質量%、
    Ti:0.05〜0.40質量%、
    SiO:0.10〜1.00質量%、
    を含有すると共に、
    Al:0.30質量%以下(0%を含む)、
    S:0.050質量%以下(0%を含む)、
    P:0.050質量%以下(0%を含む)、
    TiO:0.30質量%以下(0%を含む)、
    Al:0.30質量%以下(0%を含む)、
    に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
    SiO含有量を[SiO]、Si含有量を[Si]、Al含有量を[Al]、Al含有量を[Al]、TiO含有量を[TiO]、Ti含有量を[Ti]としたとき、下記数式(A)を満たす組成を有するフラックス入りワイヤを使用し、
    Figure 0006190774
    前記摺動銅当金は、
    前記開先に接触する面に曲率をもった溝を有し、
    前記開先の幅をaとしたとき、
    前記溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、
    前記溝深さDが0.5〜5.5mm、
    前記溝幅Wと前記溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0であり、
    前記溶接ワイヤの送給速度は一定にし、前記溶接ワイヤの突出し長さが一定になるように、溶接電流に基づいて前記溶接トーチの上昇速度を制御するエレクトロガスアーク溶接方法。
  2. 前記フラックス入りワイヤは、更に、ワイヤ全質量あたり、
    Mg:0.50質量%以下、
    Ni:2.0質量%以下、
    Cr:1.0質量%以下、
    B:0.005質量%以下
    を含有する請求項1に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
  3. 前記フラックス入りワイヤは、更に、ワイヤ全質量あたり、MgO、LiO、NaO、KO、CaO、SrO及びBaOのうち少なくとも1種の酸化物を、合計で0.80質量%以下含有する請求項1又は2に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
  4. 前記フラックス入りワイヤは、直径が1.5〜3.5mmであり、フラックス充填率が15〜30質量%である請求項1〜3のいずれか1項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
  5. 前記溶接トーチの上昇速度の制御は、
    ローパスフィルターにより検出された溶接電流から高周波成分を除去する工程と、
    前記ローパスフィルターを通過した溶接電流値と、予め設定された溶接電流指令値とを比較する工程と、を有し、
    前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を0.98〜2.93Hzに設定する
    請求項1〜4のいずれか1項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
  6. アーク電圧を周期的に変動させながら溶接を行う請求項1〜5のいずれか1項に記載のエレクトロガスアーク溶接方法。
  7. 被溶接材の開先表面に当接される摺動銅当金と、
    前記開先内に溶接ワイヤを送給する溶接トーチと、
    前記溶接トーチを、溶接線に対して、前後方向、上下方向及び左右方向に移動させるトーチ移動機構と、
    溶接電流に基づいて前記溶接トーチの上昇速度を制御する制御部と、
    を有し、
    前記摺動銅当金は、
    前記開先に接触する面に曲率をもった溝を有し、
    前記開先の幅をaとしたとき、
    前記溝幅Wが(1.1×a)〜(2.5×a)mm、
    前記溝深さDが0.5〜5.5mm、
    前記溝幅Wと前記溝深さDとの比(W/D)が5.0〜80.0
    であるエレクトロガスアーク溶接装置。
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