JP6258161B2 - タンデムアーク溶接方法、タンデムアーク溶接装置およびタンデムアーク溶接システム - Google Patents

Description

本発明は、タンデムアーク溶接方法、タンデムアーク溶接装置およびタンデムアーク溶接システムに関する。

例えば橋梁などで用いられる構造物に対する溶接として、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接が行われる場合がある。図１１は、隅肉溶接時の立板および平板の一例を示す図である。図１１に示す例では、立板として鋼床版用Ｕ型鋼（以下、Ｕトラフと称する）が用いられ、平板としてデッキプレートが用いられている。ここで、立板であるＵトラフ、および平板であるデッキプレートの隅肉溶接では、Ｕトラフの内側からの溶接は作業上難しく、Ｕトラフの外側から溶接が行われることとなる。

そして、この隅肉溶接では、隅肉継ぎ手のルート部における疲労亀裂発生を抑制するために、応力集中の緩和を狙って、一定の溶け込みを確保することが有効である。日本における橋や高架の道路等に関する技術基準として定められる道路橋示方書では、Ｕトラフの板厚を１００％とした場合の溶け込み深さの割合、即ち、板厚に対して溶融金属（溶接部の一部で、溶接中に溶融凝固した金属）が達した長さの割合が７５％以上となるように、溶け込みを確保することが求められている。

Ｕトラフとデッキプレートとの接触面には、通常、自然開先と呼ばれる隙間が発生するが、その隙間は極端に狭いため、十分な溶け込みを確保することは難しい。また、溶け込み確保のために印加する溶接電流を高くすると、高温割れが発生し易くなり、また溶接部の形状が悪くなってしまう。隅肉継ぎ手において、溶融金属が開先（溶接する母材間に設けられた溝）の反対側（裏側）まで溶け落ちてしまう溶接欠陥（以降溶け落ちと称する）が発生した場合は特に、高温割れが発生する可能性も高くなる。

そのため、従来は、開先に加工を施し、溶接の溶け込みを確保し易くして、高温割れの発生を抑制してきた。例えば、特許文献１には、平板と立板の突合せ部にレ開先（くさび状空隙）を有するＴ字型の隅肉溶接継手において、開先として開先角度２０度以上３５度以下レ開先を形成し、１電極１パス当たりの入熱量が５ｋＪ／ｃｍ以上、１０ｋＪ／ｃｍ以下でソリッドワイヤを用いたガスメタルアーク溶接により裏波ビードを形成する隅肉溶接方法について記載されている。

特開２００８−２９０１１５号公報

溶接の溶け込みを確保するためには開先を加工することが有効であるが、開先の角度を大きくするための加工は手間がかかる。また、開先の角度を大きくすると、複数層の溶接ビードを形成する多層盛り溶接を行う必要が生じる場合もあり、その場合には溶接の作業時間と溶接材料の使用量とがさらに増加してしまう。
本発明は、隅肉溶接において、適正な溶け込みと良好なビード外観とを得るために要する作業時間および溶接材料の使用量を抑制することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接方法であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間に予め定められた極間距離を設け、前記第２の電極を、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が前記第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置し、前記第１の電極と前記平板とのなす第１の角度を、前記第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくして、前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置を、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置し、前記第２の電極の狙い位置を、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置することを特徴とするタンデムアーク溶接方法である。

また、前記第１の角度は、１０度以上５０度以下であることを特徴とすることができる。
さらに、前記第２の角度は、３５度以上７０度以下であることを特徴とすることができる。
そして、前記第１の角度と前記第２の角度との差は、１０度以上６０度以下であることを特徴とすることができる。

また、前記予め定められた極間距離は、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることを特徴とすることができる。
さらに、前記第１の電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が３０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が２５度であり、前記第２の電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１０度であることを特徴とすることができる。
そして、前記第１の電極及び前記第２の電極について、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角を０度より大きくすることを特徴とすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明は、先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接装置であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間に予め定められた極間距離を設けるとともに、当該第２の電極は、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が当該第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置され、当該第１の電極と当該平板とのなす第１の角度は、当該第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくなるように設けられ、前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置は、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置され、前記第２の電極の狙い位置は、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置されることを特徴とするタンデムアーク溶接装置である。

さらに、他の観点から捉えると、本発明は、先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接システムであって、前記第１の電極と前記第２の電極との間を予め定められた距離に保持する距離保持手段と、前記第２の電極を、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が前記第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置する配置手段と、前記第１の電極と前記平板とのなす第１の角度を、前記第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくなるように保持する角度保持手段とを備え、前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置は、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置され、前記第２の電極の狙い位置は、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置されることを特徴とするタンデムアーク溶接システムである。

本発明によれば、隅肉溶接において、適正な溶け込みと良好なビード外観とを得るために要する作業時間および溶接材料の使用量を抑制することができる。

本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システムの概略構成の一例を示す図である。 先行極および後行極のトーチ角度、狙い位置の一例を説明するための図である。 極間距離の一例を説明するための図である。 （ａ）（ｂ）は、前進角および後退角の一例を説明するための図である。 実施例および比較例において、溶接ワイヤとして用いられたソリッドワイヤおよびフラックス入りワイヤの化学組成を示す図である。 実施例および比較例における立板の板厚および溶接条件を示す図である。 実施例における各種条件を示す図である。 実施例および比較例における各種条件を示す図である。 実施例における評価結果を示す図である。 実施例および比較例における評価結果を示す図である。 隅肉溶接時の立板および平板の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜システム構成＞
まず、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１について説明する。図１は、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１の概略構成の一例を示す図である。ここで、タンデムアーク溶接とは、２つの独立した電極（先行極および後行極）を配置し、先行極と後行極との間を予め定められた間隔に保ちながら、それぞれ独立した溶接条件にて制御し溶接する溶接方法である。

図１に示すように、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１は、溶接ロボット１０と、ロボットコントローラ２０と、溶接電源３０ａ、溶接電源３０ｂと、送給装置４０ａ、送給装置４０ｂとを備えている。そして、タンデムアーク溶接システム１は、先行極１３および後行極１４により、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目部分に対して隅肉溶接を行う。ここで、隅肉溶接の対象となる平板としては、例えばデッキプレートが用いられ、隅肉溶接の対象となる立板としては、例えばＵトラフが用いられる。また、本実施の形態では、第１の電極の一例として、先行極１３を用いている。また、第２の電極の一例として、後行極１４を用いている。

溶接ロボット１０は、電極からアークを出し、その熱で溶接の対象である母材を溶接する。ここで、溶接ロボット１０は、電極を保持する溶接トーチとして、溶接トーチ１１および溶接トーチ１２という２つの溶接トーチを有している。そして、溶接ロボット１０は、溶接トーチ１１および溶接トーチ１２を上下左右に移動または回転させて、溶接を行う。

また、溶接トーチ１１および溶接トーチ１２はそれぞれ、その先端に電極を保持している。ここで、溶接トーチ１１が保持する電極であり、溶接進行方向の前方に配置されて先行する電極を先行極１３とする。また、溶接トーチ１２が保持する電極であり、先行極１３から溶接進行方向とは反対方向に予め定められた距離を設けて配置される電極を後行極１４とする。先行極１３および後行極１４は、消耗電極として作用する溶接材料（以降溶接ワイヤと称する）を、コンタクトチップと呼ばれる円筒形の導体の先端から一定の突出し長さ（例えば、１５〜３０ｍｍ）で突き出したものとする。

さらに、溶接トーチ１１および溶接トーチ１２は、シールドガスを噴出する機構を備えたものであっても良い。シールドガスは、主に溶融金属やアーク等を大気から保護するためのものであり、例えば、１００％ＣＯ_２、１００Ａｒ、ＡｒにＣＯ_２を混合させたもの等を用いればよい。特に、１００％ＣＯ_２を用いた場合には溶け込み効果が大きく好ましい。また、シールドガス不良を防止する観点から、ガス流量の上限は４０リットル／ｍｉｎ、下限は１５リットル／ｍｉｎであることが好ましい。

ロボットコントローラ２０は、溶接ロボット１０の動作を制御する。ここで、ロボットコントローラ２０は、予め溶接ロボット１０の動作パターン、溶接開始位置、溶接終了位置、溶接条件等を定めたティーチングデータを保持し、溶接ロボット１０に対してこれらを指示して溶接ロボット１０の動作を制御する。また、ロボットコントローラ２０は、溶接作業中、溶接トーチをウィービングさせた時の突出し長さの変化（電流の変化）を検出し、溶接トーチ１１および溶接トーチ１２の位置を制御する。本実施の形態において、距離保持手段、配置手段、角度保持手段の一例として、ロボットコントローラ２０を用いている。

溶接電源３０ａ、溶接電源３０ｂは、電極に電力を供給する。ここで、溶接電源３０ａが先行極１３に電力を供給し、溶接電源３０ｂが後行極１４に電力を供給することで、先行極１３および後行極１４にてアークが発生する。

送給装置４０ａ、送給装置４０ｂは、溶接作業の進行に合わせて溶接トーチ１１および溶接トーチ１２に溶接ワイヤを送る。ここで、送給装置４０ａは、先行極１３を保持する溶接トーチ１１に対して溶接ワイヤを送り、送給装置４０ｂは、後行極１４を保持する溶接トーチ１２に対して溶接ワイヤを送る。

そして、一般的なタンデムアーク溶接では、電極を傾ける角度（以下、トーチ角度と称する）は２つの電極で同じであるが、本実施の形態では、２つの電極のトーチ角度を異ならせ、後行極１４を先行極１３よりも立てるように配置するものとする。
また、後行極１４は、先行極１３に続いて先行極１３の溶接箇所と同じ箇所を溶接するのではなく、先行極１３の溶接箇所からずれた位置で溶接を行うものとする。付言すると、後行極１４の狙い位置は、後行極１４と立板との距離が先行極１３と立板との距離よりも長くなるように、平板上で溶接進行方向に対して垂直な方向へ先行極１３の狙い位置から一定距離ずらして設定される。

＜トーチ角度および狙い位置＞
次に、トーチ角度および各電極の狙い位置について詳細に説明する。図２は、先行極１３および後行極１４のトーチ角度、狙い位置の一例を説明するための図である。図２に示すように、本実施の形態では、平板２１に対して立板２２が設けられ、両部材の継ぎ目に対して隅肉溶接が行われる。ここで、溶接は、紙面に垂直な方向に進行するものとする。また、平板２１と立板２２とはθ１の角度をなすように重ねられており、θ１は９０度よりも小さく、通常、両部材の継ぎ目には自然開先の隙間が発生する。

そして、図示のように、先行極１３と平板２１とのなす角度（トーチ角度）をθ２、後行極１４と平板２１とのなす角度（トーチ角度）をθ３とすると、先行極１３および後行極１４は、θ３の方がθ２よりも大きくなるように（即ち、θ２の方がθ３よりも小さくなるように）配置される。本実施の形態では、第１の角度の一例として、トーチ角度θ２を用いている。また、第２の角度の一例として、トーチ角度θ３を用いている。

一般的なタンデムアーク溶接では、溶着量を増やして作業時間を短縮する目的で２つの電極を用いるため、先行極１３および後行極１４のトーチ角度を同じ大きさにして配置される。このように先行極１３および後行極１４のトーチ角度を同じにし、後行極１４のトーチ姿勢を先行極１３に合わせた状態で、図２のような母材に対する隅肉溶接を行った場合には、平板２１におけるビードのなじみが悪くなる。ビードとは、１回のパスによって作られた溶融金属であり、パスとは、各種の溶接継手に沿って行う一回の溶接操作である。即ち、母材にビードの端部が溶着せずに、単に重なっただけの状態になるオーバーラップや、ビードが蛇行するビード蛇行等のビード外観不良が発生し易くなる。

そこで、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１では、先行極１３は溶け込みを確保する役割を有し、後行極１４は良好なビード外観を確保する役割を有するものとして、後行極１４を先行極１３よりも立てた状態で隅肉溶接を行う。即ち、図２に示すように、後行極１４のトーチ角度θ３を先行極１３のトーチ角度θ２よりも大きくすることにより、先行極１３により確保した溶接ワイヤの溶け込みを維持しながら、ビードのなじみが悪くなるのを抑制してビード外観も維持されることとなる。

ここで、本実施の形態では、先行極１３のトーチ角度の上限は５０度、下限は１０度とすることが好ましい。また、後行極１４のトーチ角度の上限は７０度、下限は３５度とすることが好ましい。そして、後行極１４のトーチ角度の方が先行極１３のトーチ角度よりも大きくなるように、両者の差について、上限は６０度、下限は１０度とすることが好ましい。
先行極１３のトーチ角度が１０〜５０度の範囲内であれば、溶け込みを十分に確保でき、溶接中に飛散するスパッタも低減される。また、後行極１４のトーチ角度が３５〜７０度の範囲内であれば、ビード形状がより良好になり、スパッタも低減される。さらに、ビード形状を良好に保つには、先行極１３のトーチ角度と後行極１４のトーチ角度との差が１０〜６０度の範囲内であれば良い。

次に、先行極１３の狙い位置は、図２に示すように、開先における立板２２の端部のうち、平板２１と接していない側の端部を溶接可能な位置（例えば、端部直下）にあることが好ましい。
また、後行極１４の狙い位置は、平板２１上で溶接進行方向に対して垂直な方向へ、先行極１３の狙い位置から距離Ｌ１ずれるように設定されるものとする。ここで、本実施の形態では、狙い位置のずれの距離Ｌ１の上限は１０ｍｍ、下限は１ｍｍとすることが好ましい。距離Ｌ１が１ｍｍを下回ると、ビード形状が凸状になり易くなり、スパッタも発生し易くなる。また、距離Ｌ１が１０ｍｍを上回ると、溶融金属の範囲が広くなり、のど厚（溶融金属の断面の厚さ）が不足し易くなり、スパッタも発生し易くなる。そのため、本実施の形態では、スパッタを低減し、より適正な溶け込みと良好なビード形状とを得るために、先行極１３および後行極１４の狙い位置は１〜１０ｍｍずれていることが好ましい。

＜極間距離＞
次に、溶接進行方向に沿った先行極１３と後行極１４との間の距離（以下、極間距離と称する）について説明する。図３は、極間距離の一例を説明するための図である。図３に示す例では、極間距離はＬ２であり、後行極１４は、先行極１３から後方に距離Ｌ２離れて配置される。また、図２で説明したように、後行極１４の狙い位置は、先行極１３の狙い位置から距離Ｌ１ずれるように設定されている。

ここで、後行極１４が先行極１３に近づくほど、互いのアークが干渉し合い、ビード形状が悪くなったり、スパッタが多く発生したりしてしまう。そのため、極間距離は一定の長さを保つ必要がある。一方、極間距離を長くすると、先行極１３により溶融した金属が固まった状態で後行極１４による溶接が行われることとなり、オーバーラップが発生し易くなり、スパッタも発生し易くなる。そのため、本実施の形態では、スパッタを低減し、より適正な溶け込みと良好なビード形状とを得るために、極間距離の上限は６０ｍｍ、下限は１０ｍｍとすることが好ましい。

＜前進角および後退角＞
また、先行極１３および後行極１４について、トーチ角度を設けるとともに、各電極を溶接進行方向に対して傾斜させて、前進角や後退角を付けることとしても良い。図４（ａ）（ｂ）は、前進角および後退角の一例を説明するための図である。図４（ａ）に示す例では、先行極１３の前進角がαになるように、先行極１３を溶接進行方向の反対側に向かって傾斜させている。また、図４（ｂ）に示す例では、先行極１３の後退角がβになるように、先行極１３を溶接進行方向に向かって傾斜させている。

一般に、電極に前進角を付けることで、アークにより直接母材を削ることなく、溶融プール熱により溶け込みを出すことが可能となる。そのため、溶け落ちが発生しづらくなり、また、ビードのなじみが良く、ビード形状が良好となる。一方、電極に後退角を付けることで、ビード形状が凸状になり易くなるが、より多くの溶け込みを確保することが可能となる。

そして、本実施の形態では、スパッタを低減し、より適正な溶け込みと良好なビード形状とを得るために、先行極１３について、前進角の上限は３０度、後退角の上限は２５度として、その範囲内で先行極１３を傾けることが好ましい。また、後行極１４について、前進角の上限は４０度、後退角の上限は１０度として、その範囲内で後行極１４を傾けることが好ましい。

＜溶接条件＞
次に、本実施の形態において溶接を行う際の条件について説明する。
まず、溶接作業中の先行極１３と母材との間の溶接電流は、上限を５００アンペア（電流の単位：Ａ）、下限を３００Ａとすることが好ましい。上述したように、先行極１３は、溶け込みを確保する役割を有するが、溶接電流が３００Ａを下回ると、十分な溶け込みを得られない場合がある。一方、溶接電流が５００Ａを上回ると、過度な溶け込みにより、溶け落ちが発生し易くなる。また、先行極１３の溶接電流に対応する溶接電圧としては、上限を４５ボルト（電圧の単位：Ｖ）、下限を２５Ｖとすることが好ましい。

また、溶接作業中の後行極１４と母材との間の溶接電流は、上限を４００Ａ、下限を２５０Ａとすることが好ましい。上述したように、後行極１４は、良好なビード外観を確保する役割を有するが、溶接電流が２５０Ａを下回ると、溶着量が足らず、ビード形状が凸状になり易くなる。一方、溶接電流が４５０Ａを上回ると、溶着量過多となり、平板２１に溶融金属が垂れて、ビード外観が不良になり易くなる。また、後行極１４の溶接電流に対応する溶接電圧としては、上限を４５Ｖ、下限を２５Ｖとすることが好ましい。

溶接トーチ１１および溶接トーチ１２が動作する際の速度である溶接速度は、上限を１００ｃｍ／ｍｉｎ、下限を４０ｃｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。溶接速度が速くなり、１００ｃｍ／ｍｉｎを上回ると、オーバーラップや、アークによって掘られた溝に溶接ワイヤが供給されず溝となって残るアンダーカットが発生し易くなる。一方、溶接速度が遅くなり、４０ｃｍ／ｍｉｎを下回ると、溶着量過多となり、平板２１に溶融金属が垂れて、ビード外観が不良になり易くなる。

溶接電源３０ａ、溶接電源３０ｂの特性は、特に問わず、直流電源でも交流電源でも良い。ただし、汎用的な観点から、定電圧特性を持つ溶接電源が好ましい。
また、立板２２、平板２１の材質は問わず、プライマー等の塗料が塗装されていても良い。さらに、立板２２の板厚は特に問わないが、一般的に使用される板厚範囲は６〜１２ｍｍであるため、上限を１２ｍｍ、下限を６ｍｍとすることが好ましい。

送給装置４０ａ、送給装置４０ｂにより送られる溶接ワイヤは、特に限定されず、母材の材質や溶接形態等によって選択され、例えば、ソリッドワイヤやフラックス入りワイヤが使用される。また、先行極１３、後行極１４はともに同じ材料でも良いし、異なる材料であっても良い。さらに、溶接ワイヤの材質も問わず、例えば、軟鋼でも良いし、ステンレスやアルミニウム、チタンといった材質でも良い。
また、溶接ワイヤの径も特に問わないが、本実施の形態において好ましくは、上限は１．６ｍｍ、下限は１．０ｍｍである。

溶接時における電極の突出し長さは、上限を３０ｍｍ、下限を１５ｍｍとすることが好ましい。突出し長さが３０ｍｍを上回ると、溶け込み深さが得られなくなる可能性が高まる。また、突出し長さが１５ｍｍを下回ると、溶接電流が大きくなり、過度な溶け込みにより溶け落ちが発生し易くなる。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と対比して説明する。尚、この実施例および比較例は、上述した数値限定の根拠を与えるものでもある。

図５は、実施例および比較例において、溶接ワイヤとして用いられたソリッドワイヤおよびフラックス入りワイヤの化学組成を示す図である。ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤはそれぞれ、「Ｓ」、「Ｆ」の記号で表すこととし、図５に示す化学組成を有するものが用いられている。例えば、ソリッドワイヤには、Ｃが０．０５％（ｗｔ％：質量パーセント濃度）、Ｓｉが０．５０％、Ｍｎが１．４０％、Ｓが０．０１０％、Ｐが０．０１０％、Ｔｉが０．１０％含まれている。

次に、図６は、実施例および比較例における立板２２の板厚および溶接条件を示す図である。立板２２としては、板厚が６、８、９、１２ｍｍのものが用いられ、各板厚に応じて、溶接電流、溶接電圧、溶接速度の各条件が設定された。例えば、立板２２の板厚が６ｍｍの場合には、先行極１３の溶接電流を３５０Ａ、後行極１４の溶接電流を２８０Ａ、先行極１３の溶接電圧を２８Ｖ、後行極１４の溶接電圧を２９Ｖ、溶接速度を６０ｃｍ／ｍｉｎとして、溶接が行われた。

次に、実施例および比較例における試験結果について説明する。図７は、実施例における各種条件を示す図であり、図８は、実施例および比較例における各種条件を示す図である。図７および図８に示す例では、実施例としてＮｏ．ＴＰ１〜ＴＰ４１が示されており、比較例としてＮｏ．ＴＰ４２〜ＴＰ５１が示されている。

「板厚」は、立板２２の板厚を示し、上述したように、実施例および比較例では、立板２２の板厚として、６、８、９、１２ｍｍのものを用いた。
「立板―平板間角度」は、立板２２が傾斜していることにより発生する平板２１との間の角度である。実施例および比較例では、平板２１と立板２２との継ぎ目部分は自然開先のものを用いており、平板２１と立板２２との間の角度を１２度または１７度とした。
「溶接ワイヤ」は、Ｆ（フラックス入りワイヤ）またはＳ（ソリッドワイヤ）を示し、「シールドガス」は、ＣＯ_２または８０Ａｒ＋２０ＣＯ_２を示す。

「極間」は、先行極１３と後行極１４との間の極間距離であり、図３における距離Ｌ２を示す。実施例では１０〜７０ｍｍの範囲で値を変えており、比較例では０ｍｍ、４５ｍｍ、または６０ｍｍとして試験を行った。
「トーチ角度」は、先行極１３および後行極１４のそれぞれにおいて、先行極１３では図２に示すθ２の角度、後行極１４では図２に示すθ３の角度を示す。また、トーチ角度の角度差は、後行極１４のトーチ角度θ３から先行極１３のトーチ角度θ２を減算した値である。実施例では、先行極１３のトーチ角度θ２を５〜６０度の範囲、後行極１４のトーチ角度θ３を３０〜８０度の範囲とし、角度差を５〜７０度の範囲とした。また、比較例では、先行極１３のトーチ角度θ２を３５度または５０度、後行極１４のトーチ角度θ３を３５度または５０度とし、角度差を、−１５度、０度、または１５度とした。

「前後進角」は、先行極１３および後行極１４のそれぞれにおける前進角、後退角を示す。例えば、「−２５」のようにマイナスの値の場合、後退角として２５度が設定されていることとなる。実施例では、先行極１３の角度を−３０〜３５度の範囲、即ち後退角３０度から前進角３５度までの範囲とし、後行極１４の角度を−２０〜５０度の範囲、即ち後退角２０度から前進角５０度までの範囲とした。また、比較例では、先行極１３の角度を０度または２０度、後行極１４の角度を０度、２０度または３０度とした。

「狙い位置」は、後行極１４の狙い位置における、先行極１３の狙い位置からのずれであり、図２における距離Ｌ１を示す。例えば、「−５」の場合には、後行極１４と立板との距離が先行極１３と立板２２との距離よりも長くなるように、後行極１４の狙い位置が先行極１３の狙い位置よりも平板２１上で溶接進行方向に対して垂直な方向へ５ｍｍずれていることとなる。実施例では１〜１１ｍｍの範囲で値を変えており、比較例では０ｍｍまたは５ｍｍとして試験を行った。

また、図９は、実施例における評価結果を示す図であり、図１０は、実施例および比較例における評価結果を示す図である。図９に示す例では、図７に示すＮｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の各テストＮｏに応じて試験結果が示されており、図１０に示す例では、図８に示すＮｏ．ＴＰ３０〜ＴＰ５１の各テストＮｏに応じて試験結果が示されている。また、評価結果としては、溶接後の状態について、「ビード外観」、「内部欠陥」、「溶け込み」、「スパッタ量」の４項目で評価された結果について示されている。

「ビード外観」は、試験実施者が溶接終了後のビードを目視で確認した結果を示す。ここで、ビード蛇行やオーバーラップ等のビード形状不良がある場合は「×」が記録されている。一方、ピット（ビードの表面に生じた小さなくぼみ穴）がなく、ビード表面の凹凸が２ｍｍを下回り、適正な隅肉サイズおよびのど厚でビード形状に不良がない場合は、最適なビード形状として「○」が記録されている。また、道路橋示方書に従い、ピットが１ｍにつき３個以内、アンダーカットが０．５ｍｍ以下、隅肉サイズおよびのど厚が溶接長さの１０％の範囲で誤差が１ｍｍ以内、ビード表面の凹凸が２〜３ｍｍ、といういずれかの条件に該当する場合には、より良好な結果ではないが許容範囲内であるとして「△」が記録されている。

「内部欠陥」は、日本工業規格JIS Z 3104−1995で定められる放射線透過試験に準拠した方法にて確認された結果を示す。内部欠陥としては、例えば、溶接部の割れや溶け込み不良、溶融金属中に気泡が発生する気孔欠陥、溶融スラグ（溶接部に生じる非金属物質）が浮上せずに溶融金属の中にスラグが残るスラグ巻き込み等が該当する。ここで、欠陥が確認された場合は「×」、欠陥が確認されなかった場合は「○」が記録されている。

「溶け込み」は、試験実施者が溶融金属の断面を観察し、立板２２の板厚を１００％とした場合の板厚に対する溶け込み深さの割合（溶け込み率）を測定した結果を示す。上述したように、道路橋示方書には、立板２２の板厚の７５％以上の溶け込みを確保することが記載されているため、溶け込み率が７５％を下回る場合は「×」、７５〜８０％の場合は「○」、８０％を超える場合はさらに改善できたと判断して「◎」が記録されている。

「スパッタ量」は、発生したスパッタの全質量を測定した結果を示す。ここで、スパッタの測定は、４００ｍｍの溶接を行い、立板２２および平板２１に付着したスパッタ全てを採取し、採取したスパッタの全質量を測定して行われた。このスパッタ量（ｍｇ／４００ｍｍ）について、従来の溶接法のスパッタ量１２０〜１４０ｍｇ／４００ｍｍを基準として、１４０ｍｇ／４００ｍｍを上回ると、従来のスパッタ量よりも多いとして「×」と記録されている。また、スパッタ量が１２０〜１４０ｍｇ／４００ｍｍである場合は、従来と同等であり「△」、スパッタ量が１００〜１２０ｍｇ／４００ｍｍである場合は「○」と記録されている。さらに、スパッタ量が１００ｍｇ／４００ｍｍを下回ると、さらに改善できたと判断して「◎」が記録されている。

そして、実施例であるＮｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、４つの評価項目、即ち「ビード外観」、「内部欠陥」、「溶け込み」、「スパッタ量」の項目について、全て「○」または「◎」となり、より良好な結果を示している。また、実施例であるＮｏ．ＴＰ３０〜ＴＰ４１では、４つの評価項目のうち、「×」は含まれていないが、少なくともいずれかが「△」となり、より良好とはいえないが許容される結果を示している。一方、比較例であるＮｏ．ＴＰ４２〜ＴＰ５１では、４つの評価項目のうちの少なくともいずれかが「×」となり、良好ではない結果を示している。

まず、溶接ワイヤについて、Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ１８、ＴＰ２１〜ＴＰ２９ではフラックス入りワイヤを用い、Ｎｏ．ＴＰ１９、２０ではソリッドワイヤを用いており、どちらの溶接ワイヤを用いてもより良好な結果を示している。また、シールドガスについて、Ｎｏ．ＴＰ１９では８０Ａｒ＋２０ＣＯ_２を用い、Ｎｏ．ＴＰ１〜１８、ＴＰ２０〜２９ではＣＯ_２を用いており、どちらのシールドガスを用いてもより良好な結果を示している。

また、先行極１３と後行極１４との間の極間距離について、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、１０〜６０ｍｍの範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、比較例のＮｏ．ＴＰ４２のように、極間距離を０ｍｍした場合に、トーチ角度、前後進角、狙い位置のずれ等のその他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、良好ではない結果を示している。そのため、極間距離の好ましい下限は、１０ｍｍであるといえる。また、実施例のＮｏ．ＴＰ３５のように、極間距離を７０ｍｍとした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、極間距離の好ましい上限は、６０ｍｍであるといえる。

次に、トーチ角度について、先行極１３のトーチ角度として、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、１０〜５０度の範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、実施例のＮｏ．ＴＰ３１のように、先行極１３のトーチ角度を５度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、先行極１３のトーチ角度の好ましい下限は、１０度であるといえる。また、実施例のＮｏ．ＴＰ３３のように、先行極１３のトーチ角度を６０度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、先行極１３のトーチ角度の好ましい上限は、５０度であるといえる。

また、後行極１４のトーチ角度として、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、３５〜７０度の範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、実施例のＮｏ．ＴＰ３４のように、後行極１４のトーチ角度を３０度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、後行極１４のトーチ角度の好ましい下限は、３５度であるといえる。また、実施例のＮｏ．ＴＰ３２のように、後行極１４のトーチ角度を８０度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、後行極１４のトーチ角度の好ましい上限は、７０度であるといえる。

また、後行極１４のトーチ角度から先行極１３のトーチ角度を減算した角度差として、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、１０〜６０度の範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、実施例のＮｏ．ＴＰ３７のように、角度差を５度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、角度差の好ましい下限は、１０度であるといえる。また、上述したように、先行極１３のトーチ角度の好ましい下限が１０度で、後行極１４のトーチ角度の好ましい上限が７０度であることを考慮すると、角度差の好ましい上限は、両者の差である６０度であるといえる。なお、比較例Ｎｏ．ＴＰ４３〜ＴＰ５０では、角度差を０度または−１５度としており、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、良好ではない結果を示している。

次に、先行極１３の前進角について、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、−２５〜３０度の範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、実施例のＮｏ．ＴＰ３８のように、前進角を−３０度（即ち、後退角を３０度）とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、先行極１３の前進角の好ましい下限は、−２５度（即ち、後退角として２５度）であるといえる。また、実施例のＮｏ．ＴＰ３９のように、前進角を３５度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、先行極１３の前進角の好ましい上限は、３０度であるといえる。

また、後行極１４の前進角について、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、−１０〜４０度の範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、実施例のＮｏ．ＴＰ４０のように、前進角を−２０度（即ち、後退角を２０度）とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、後行極１４の前進角の好ましい下限は、−１０度（即ち、後退角として１０度）であるといえる。また、実施例のＮｏ．ＴＰ４１のように、前進角を５０度とした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、後行極１４の前進角の好ましい上限は、４０度であるといえる。

次に、先行極１３からの後行極１４の狙い位置のずれについて、実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９では、−１〜−１０ｍｍの範囲で値を変えており、より良好な結果を示している。一方、比較例のＮｏ．５１のように、ずれを０ｍｍとした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、良好ではない結果を示している。そのため、後行極１４の狙い位置のずれの好ましい下限は、１ｍｍであるといえる。また、実施例のＮｏ．３０のように、ずれを１１ｍｍとした場合に、その他の条件の値は実施例Ｎｏ．ＴＰ１〜ＴＰ２９の値の範囲内であるが、より良好とはいえない許容範囲内の結果を示している。そのため、後行極１４の狙い位置のずれの好ましい上限は、１０ｍｍであるといえる。

このように、極間距離、トーチ角度、トーチ角度の角度差、前進角および後進角、狙い位置のずれを調整することにより、より良好な結果、またはより良好とはいえないが許容範囲内の結果が得られ、適正な溶け込みおよび良好なビード外観が得られることとなる。さらに、好ましい範囲内の値に設定して溶接を行うことで、より適正な溶け込みおよび良好なビード外観が得られることとなる。

また、比較例として図示していないが、開先を加工し、例えば開先角度を５０度にした場合には、一般的なタンデムアーク溶接として２つの電極のトーチ角度を等しくして溶接を行えば、良好な結果が得られる。さらに、開先加工により、例えば開先角度を５０度にして、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１を用いる場合には、溶接電圧等の溶接条件を調整することで、良好な結果を得ることも可能である。

以上説明したように、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１は、先行極１３と、先行極１３との間に予め定められた極間距離が設けられた後行極１４とを備えている。そして、先行極１３および後行極１４は、先行極１３と平板２１とのなすトーチ角度が、後行極１４と平板２１とのなすトーチ角度よりも小さくなるように配置され、後行極１４の狙い位置は、先行極１３の狙い位置よりもずらして設定される。このような構成にすることにより、開先加工をしていない自然開先に対して隅肉溶接が行われる場合であっても、適正な溶け込みと良好なビード外観とが得られることとなる。

また、本実施の形態では、平板２１と立板２２とを突き合わせた継ぎ目部分が自然開先のものを用いることとしたが、このような構成に限られるものではない。例えば、手間をかけず短い作業時間で開先を加工し、自然開先から開先角度を少し広げたような場合についても、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１により、溶け込みおよびビード外観について良好な結果が得られるといえる。

さらに、本実施の形態に係るタンデムアーク溶接システム１は、単体の溶接ロボット１０に２つの溶接トーチを持たせる構成としたが、このような構成に限られるものではない。例えば、複数の溶接ロボットのそれぞれに溶接トーチを持たせても良い。また、台車等に溶接トーチを設置して台車を動かすことで溶接を行うこととしても良い。この場合、電極が設置された台車は、距離保持手段、配置手段、角度保持手段の一例として用いられる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態には限定されない。本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々に変更したり代替態様を採用したりすることが可能なことは、当業者に明らかである。

１…タンデムアーク溶接システム、１０…溶接ロボット、１１…溶接トーチ、１２…溶接トーチ、１３…先行極、１４…後行極、２０…ロボットコントローラ、３０ａ、３０ｂ…溶接電源、４０ａ、４０ｂ…送給装置

Claims (9)

1. 先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接方法であって、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に予め定められた極間距離を設け、
   前記第２の電極を、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が前記第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置し、
   前記第１の電極と前記平板とのなす第１の角度を、前記第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくして、
   前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置を、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置し、前記第２の電極の狙い位置を、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置すること
   を特徴とするタンデムアーク溶接方法。
2. 前記第１の角度は、１０度以上５０度以下であること
   を特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。
3. 前記第２の角度は、３５度以上７０度以下であること
   を特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。
4. 前記第１の角度と前記第２の角度との差は、１０度以上６０度以下であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタンデムアーク溶接方法。
5. 前記予め定められた極間距離は、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下であること
   を特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。
6. 前記第１の電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が３０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が２５度であり、
   前記第２の電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１０度であること
   を特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。
7. 前記第１の電極及び前記第２の電極について、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角を０度より大きくすること
   を特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。
8. 先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接装置であって、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に予め定められた極間距離を設けるとともに、当該第２の電極は、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が当該第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置され、当該第１の電極と当該平板とのなす第１の角度は、当該第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくなるように設けられ、
   前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置は、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置され、前記第２の電極の狙い位置は、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置されること
   を特徴とするタンデムアーク溶接装置。
9. 先行する第１の電極と、当該第１の電極から溶接進行方向とは反対方向に離れて配置される第２の電極とを用いて、平板と立板とを突き合わせた継ぎ目に対する隅肉溶接を行うタンデムアーク溶接システムであって、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間を予め定められた距離に保持する距離保持手段と、
   前記第２の電極を、前記平板上で前記溶接進行方向に対して垂直な方向へ、前記立板との距離が前記第１の電極と当該立板との距離よりも長くなるようにずらして配置する配置手段と、
   前記第１の電極と前記平板とのなす第１の角度を、前記第２の電極と当該平板とのなす第２の角度よりも小さくなるように保持する角度保持手段とを備え、
   前記平板と前記立板とを突き合わせた前記継ぎ目を自然開先として、前記第１の電極の狙い位置は、当該継ぎ目における当該立板の端部のうち、当該平板と接していない側の端部直下に配置され、前記第２の電極の狙い位置は、当該第１の電極の狙い位置よりも１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離をずらして配置されること
   を特徴とするタンデムアーク溶接システム。

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