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
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Description
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、Li2O、Na2O、K2O、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。
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TiO2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。
SiO2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、SiO2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、SiO2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、SiO2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SiO2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SiO2を0.10質量%以上含有させる必要がある。
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。
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。
TiO2及びAl2O3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TiO2含有量及びAl2O3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、TiO2含有量及びAl2O3含有量は、それぞれ0.30質量%以下に規制する。
前述したように、フラックスに由来するTiO2やAl2O3、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、([SiO2]+2.1×[Si])/([Al2O3]+1.9×[Al]+[TiO2]+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、TiO2やAl2O3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。
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。
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、Li2O、Na2O、K2O、CaO、SrO及びBaOは、SiO2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、Li2O、Na2O、K2O、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、Li2O、Na2O、K2O、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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%CO2
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。
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。
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)
- 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%、
SiO2:0.10〜1.00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)、
TiO2:0.30質量%以下(0%を含む)、
Al2O3:0.30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、
SiO2含有量を[SiO2]、Si含有量を[Si]、Al2O3含有量を[Al2O3]、Al含有量を[Al]、TiO2含有量を[TiO2]、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。 - 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。 - 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、Li2O、Na2O、K2O、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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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