JP6348059B2 - 多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチおよびそれを用いる溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、大径鋼管(large-diameter steel pipe)のシーム溶接(seam welding)などの用途に供して好適な厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接(multiple-electrode submerged arc welding)用の第１電極用溶接トーチ(torch)およびそれを用いる多電極サブマージアーク溶接方法に関する。

サブマージアーク溶接は、溶接部の品質が優れていること、ビード外観が美麗であること、そして何よりスラグ(slag)により溶融池(molten pool)がシールドされるため、大入熱量(large heat input)での溶接が可能であるという特徴を有している。そのため、溶接線が直線で長い厚鋼板の溶接には、２電極以上の多電極サブマージアーク溶接が一般に適用され、高品質で高能率の溶接施工が行われている。

厚鋼板の溶接能率を高めるためには、鋼板表面から溶接金属下端までの距離で定義される溶け込み深さ(penetration depth)と溶着速度(deposition rate)の増大が必要である。サブマージアーク溶接は、ガスシールドアーク溶接に比べて大電流(large welding current)を適用できるため、深い溶け込みを得ることができ、厚鋼板の溶接能率を高めるのに適している。しかしながら、大電流の大入熱溶接が可能であるという利点より、溶接能率(welding efficiency)と欠陥抑制（スラグ巻き込み(slag inclusion)防止等）を重視するあまり、溶接入熱量が過剰になり、溶接部、特に熱影響部（Heat Affected Zone: HAZ）の靭性(toughness)が劣化するという問題がある。

溶接入熱量を抑えた場合、必然的に溶着量(amount of deposit metal)が減少するので、開先断面積(cross-section area of groove)を溶着量の減少分に合わせて減らす必要が生じる。このため、より一層の深溶け込み(deep penetration)溶接を行わなければ、溶け込み不足(lack of penetration)を生じてしまう。従って、上記の問題を解決するには、溶接入熱量の低減と溶け込み深さの増大という両立が困難な課題に対処する必要がある。

この課題に対し、例えば特許文献１には、最後方電極より先行する少なくとも１本の先行電極(leading electrode)ワイヤ径を最後方電極よりも細径(thinner wire)にし、かつ先行電極の少なくとも１極に直流電源(direct-current power source)を使用することからなる小入熱(low heat input)多電極サブマージアーク溶接方法が提案されている。これにより、ワイヤの電流密度(current density)が高くなりジュール発熱が増大し、溶着量が増え、従来どおりの溶け込み深さを確保しながら、溶接入熱を効果的に低減することが可能になるとしている。しかしながら、それでも溶着量増による溶接入熱量の低減効果は十分ではなく、また、溶接材料の強度グレードが高くなると、細径ワイヤの製造工程、すなわち線引(wire drawing)、中間焼鈍(annealing)においてコストが増加するという問題がある。

これに対し、特許文献２には、先行の第１電極としてワイヤ径が３．２ｍｍ以下のフラックス入りワイヤ（flux cored wire）を用いたサブマージアーク溶接方法が開示されている。フラックス入りワイヤは、ワイヤ中に粉体の充填材(filling powder)を含むため、同じワイヤ径のソリッドワイヤ(solid wire)に比べて断面積上の金属部分が少ない。そのため、実質的な電流密度が高くなり、ワイヤ溶融速度(wire melting rate)を向上させて溶接入熱当たりの溶着量を増加させることができるので、低入熱溶接で高い溶着速度を達成できる。

この点、ソリッドワイヤでは、同じ径でも金属部分の断面積が大きく、その分電流密度の低下が避けられないので、十分な効果は得られないとしている。なお、この技術においては、高溶着速度を得るために、粉体に含まれる金属成分を粉体重量の８０ｍａｓｓ％以上とすることが望ましいとされている。細径のフラックス入りワイヤは、特に高強度グレードにおいて同じ細径のソリッドワイヤよりも低コストでの製造が可能というメリットもある。

このように、細径のフラックス入りワイヤは、ワイヤ溶融速度を向上させて溶接入熱当たりの溶着量を増加させることができるので、低入熱溶接で高い溶着速度を達成できる。特に高強度グレードにおいて低コスト製造のメリットがある。しかし、ソリッドワイヤと比較して矯正(wire straightening)後の曲がり癖(winding)が大きいという問題がある。

通常、サブマージアーク溶接トーチは、給電チップ(contact tip)５と給電ケーブル１の接続部２との中間に配置された管状の導電体（エクステンションノズル:extension nozzle）３からなる。軸芯部にワイヤ挿通孔を設け、この挿通孔にワイヤ４を挿通させて、給電チップ５にワイヤ４が接触することによってワイヤに電力が供給される。ところが、曲がり癖が大きいと、図１に示すように、給電チップよりも手前の導電体(conductor)の挿通孔内でワイヤが接触する。その結果、給電点(feeding point)が一定にならず、ワイヤの先端までの長さであるワイヤ突き出し長(wire extension)が一定にならない。特に、ワイヤ送給速度(wire feeding speed)が速い溶接条件の場合、溶接中にワイヤ供給速度がさらに増大し、アーク電圧(arc voltage)が不安定になるという問題がある。

このような状況を避けるためには、ワイヤ矯正を強化してワイヤの直線性を確保し、挿通孔内で物理的に接触しないようにするか、あるいは挿通孔内をワイヤから電気的に絶縁することが必要である。

しかしながら、ワイヤ矯正を強化する方法に頼ると、ワイヤ送給モータ負荷が大きくなる。とくにフラックス入りワイヤのようにワイヤ強度が低い場合ワイヤ自身が変形する懸念が生ずる。また、ペールパック(pail pack)から引き出した後の巻き癖はらせん状、３次元的であり、特にフラックス入りワイヤの場合、これを直線的に矯正することは容易ではない。

特許文献３および４には、挿通孔内に絶縁管(insulation pipe)を配置することを特徴とする溶接トーチに関する技術が開示されている。しかし、これらは給電点(feeding point)よりも先の挿通孔内を絶縁することでワイヤ突き出し長を長くしてジュール発熱(joule heat)を大きくし、溶着速度を高めることを目的としている。したがって、溶接電流の高いサブマージアーク溶接において、不安定なワイヤ供給速度増大やアーク電圧上昇を抑えることができない。また、これに伴い、スラグ巻き込み(slag inclusion)などの溶接欠陥(weld flaw)が発生したり、ワイヤの溶融量が一定にならず溶け込み形状(penetration shape)が不均一になることがある。

また、特許文献５および６には、エクステンションノズル内の短絡(short circuit)をなくし、安定した高速溶接を実現するために、給電点を給電チップ先端から５０〜１００ｍｍ上方とし、この給電点(feeding point)をエクステンションノズルと絶縁体を介して接続する技術が開示されている。しかし、特殊な絶縁治具と絶縁体を必要としており、複数電極の電極角度の設定や給電チップの交換時に作業性が悪いという問題がある。また、給電点を給電チップ先端から５０〜１００ｍｍ上方と溶接部から近くしているため輻射熱(radiant heat)が大きく給電ケーブルの耐久性が問題になる場合がある。

特開昭５２−８２６５２号公報 特開２００７-２６０６９２号公報 特開昭６３−８０９７８号公報 特許３５２９０４３号公報 特開平８−１５５６４９号公報 特開平８−２５７７５４号公報

そこで、本発明は、多電極サブマージアーク溶接で第１電極で細径ワイヤを使う場合など、特にワイヤ送給速度が速くなる溶接条件で溶接を行った場合や、フラックス入りワイヤで矯正後にも巻き癖が大きい場合でも安定した溶接を行うことができる多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチおよびそれを用いた多電極サブマージアーク溶接方法を提供する。

発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、給電チップと給電ケーブルの接続部との中間に配置された管状の導電体をワイヤから絶縁すること、あるいは/かつ給電点を給電チップ先端から１００〜２００ｍｍとすることがアーク安定化に対して効果的であることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
［１］溶接トーチにおいて、給電チップと給電ケーブルの接続部との中間に配置された管状の導電体を電極ワイヤから絶縁する手段を有することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接用の第１電極(leading electrode)用溶接トーチ。
［２］前記電極ワイヤから絶縁する手段が前記管状の導電体の内壁に配置される耐摩耗性(wear and abrasion proof)を有する絶縁管である前記［１］に記載の多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチ。
［３］溶接トーチにおいて、給電チップ先端と給電ケーブルの接続部との距離が１００ｍｍ〜２００ｍｍである前記［１］に記載の多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチ。
［４］溶接トーチにおいて、給電チップ先端と給電ケーブルの接続部との距離が１００ｍｍ〜２００ｍｍである前記［２］に記載の多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチ。
［５］前記［１］［２］［３］または［４］に記載の多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチを用い、第１電極ワイヤをフラックス入りワイヤとし、該フラックス入りワイヤの径を３．２ｍｍ以下として溶接する多電極サブマージアーク溶接方法。
［６］第１電極の溶接電流を８００Ａ以上として溶接する前記［５］に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。

本発明は、上述の構成をしているので、以下に記載するような優れた効果を奏する。
ａ）多電極サブマージアーク溶接で第１電極に細径ワイヤを使う場合など、特にワイヤ送給速度が速くなる溶接条件で溶接を行ったとき、フラックス入りワイヤで矯正後にも巻き癖が大きい場合でも安定した溶接を行うことができる。その結果、高品質の溶接金属を得ることが可能となる。

また本発明により、多電極サブマージアーク溶接での細径ワイヤ利用による小入熱溶接技術(low heat input welding technology)が確立されるため、以下の効果を享受できる。
ｂ）適正な溶け込み深さを維持しながら溶接入熱を大幅に低減することができ、その結果、溶接金属および溶接熱影響部で優れた低温靭性を得ることができる。
ｃ）高強度鋼管で問題になる溶接熱影響部の軟化(HAZ softening)を抑制できるので、安定した継手強度(weld joint strength)を得ることができる。
ｄ）細径ワイヤを第１電極に使い、ビード幅に対して溶け込み深さの比率が大きい溶接を行った場合に発生し易いスラグ巻き込みなどの溶接欠陥は、フラックス入りワイヤを適用することによって大幅に抑制することができる。その結果、高品質の溶接金属を得ることが可能となる。

ワイヤの曲がり癖が小さい場合（ａ）と大きい場合（ｂ）を比較した図。 挿通孔内を電極ワイヤから絶縁する手段の概念図。 同一の溶接条件下でワイヤ径を種々変化させた場合における、溶接電流と溶着速度との関係を示した図。

以下、本発明を具体的に説明する。上述のとおり、多電極サブマージアーク溶接用の溶接トーチは、給電チップと給電ケーブルの接続部との中間に配置された管状の導電体（「エクステンションノズル」とも称する）からなる。軸芯部にワイヤ挿通孔を設け、この挿通孔にワイヤを挿通させて、給電チップに電極ワイヤ（単に「ワイヤ」ということもある。）が接触することによって電極ワイヤに電力が供給される。

本発明では、挿通孔内をワイヤから絶縁する方法はワイヤに物理的な力を加えることなく、給電チップ先端以外の場所からの給電を確実に抑えることができる点でメリットがある。

図２に、挿通孔内をワイヤから絶縁する方法の概念図を示す。挿通孔内をワイヤから絶縁する中空の絶縁管の材質・寸法はこれを限定するものではない。しかし、常にワイヤと擦れる環境におかれることから、耐摩耗性を有する絶縁管６を使うことが望ましい。耐摩耗性を確保するため絶縁管の硬度はビッカース硬さＨＶ1で８ＧＰａ以上とするのが好ましい。具体的には、耐摩耗性を有する絶縁管６とは、セラミック製の管が挙げられる。さらに具体的には、ムライト、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア製の管である。

絶縁管を用いる場合とは異なり、給電チップ先端と給電ケーブルの距離を制限する場合は、挿通孔内でワイヤが接触すれば分流(shunt current)は生ずる。しかしながら、給電チップ先端と給電ケーブルの距離が長い場合と比較して、分流ポイントが減るため、あるいは分流経路が長くなって（遠回りして）抵抗が大きくなるため、分流は小さくなると考えられる。このため、給電点ばらつきによるアーク電圧不安定は生じにくくなったと推定される。
さらに、給電チップ先端と給電ケーブルの接続部との距離が１００ｍｍ未満となると、溶接部からの輻射熱が大きく給電ケーブルの耐久性が問題になる場合があるため、１００ｍｍ以上を確保する。給電チップ先端と給電ケーブルの接続部との距離が２００ｍｍを超えると、挿通孔内にワイヤが接触しアーク電圧が不安定になることがあるため、好ましくは、これを２００ｍｍ以下とする。

上記の効果により、多電極サブマージアーク溶接で細径ワイヤを第１電極に使う場合など、特にワイヤ送給速度が速くなる溶接を行った場合、フラックス入りワイヤで矯正後にも巻き癖が大きい場合でも安定した溶接を行うことができる。その結果、高品質の溶接金属を得ることが可能となる。上述のとおり、フラックス入りワイヤは、ワイヤ中に粉体の充填材を含むため、同じワイヤ径のソリッドワイヤに比べて断面積上の金属部分が少ない。そのため、実質的な電流密度が高くなる。これによりワイヤ溶融速度を向上させて溶接入熱当たりの溶着量を増加させることができるので、低入熱溶接で高い溶着速度を達成できる。

ここに、第１電極ワイヤの径は３．２ｍｍ以下が好ましい。ここで、第１電極というのは、多電極の中で溶接進行方向に先頭に位置する電極をいう。ワイヤ径が３．２ｍｍ超では、十分な電流密度の向上、ひいては溶け込み深さおよび溶着速度の増大が望めないから、第１電極ワイヤの径は３．２ｍｍ以下が好ましい。なお、第１電極ワイヤの径の下限については１．６ｍｍとするのが好ましい。ワイヤ径を１．６ｍｍ未満とすると、ワイヤ送給速度が速くなりすぎ安定した制御ができ難くなる。また、ワイヤの抵抗発熱(joule heat)が大きくなりすぎ、ワイヤが溶けすぎるため、アーク長が一定にならず溶接条件が不安定になる場合があるからである。

また、フラックス入りワイヤ中に含まれる粉体成分としてはこれを制限するものではない。しかし、高溶着速度を得るためには、粉体に含まれる金属成分を粉体重量の９０ｍａｓｓ％以上とすることが望ましい。金属酸化物成分が含まれる場合は、その含有量は２〜１０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

なお、本発明では、第１電極以外の電極については、特に制限はなく、通常のソリッドワイヤを用いることができる。また、他の電極にフラックス入りワイヤを用いても本発明の効果を減ずるものではない。また、ワイヤ径についても特に制限はなく、従来から使用される４．０〜６．４ｍｍの径のワイヤを使用することができる。

次に、図３に、同一の溶接条件下でワイヤ径が変化した場合における、溶接電流と溶着速度との関係について調べた結果を示す。同図に示したとおり、ワイヤ径を細くするほど、同じ溶接電流値での溶着量は増大し、この傾向は、溶接電流が８００Ａ以上で顕著になる。従って、径が３．２ｍｍ以下の細径のワイヤを用い、８００Ａ以上の溶接電流で溶接すれば、開先断面積を減少させ、トータルの溶着量を低減した場合であっても、深い溶け込みを得ることができ、かつ低い溶接入熱量での溶接が可能になる。好ましくは１０００Ａ以上である。なお、溶接電流があまりに大きくなると、溶接入熱量の増大が避けられず、ＨＡＺ部靱性に悪影響を及ぼすので、溶接電流の上限は１４００Ａとするのが好ましい。

ＡＰＩ(American Petroleum Institute)−Ｘ６５相当の成分組成を有する外径３４ｉｎｃｈ、３１．２ｍｍ厚のパイプに、表１に示す溶接条件で、多電極サブマージアーク溶接による溶接長１０ｍのビードオンプレート試験を実施した。第１電極にはすべてワイヤ径が２．４ｍｍのフラックス入りワイヤを用いた。ここでは、フラックス入りワイヤの粉体成分は、金属成分１００％のものを使った。軟鋼の外皮と充填される粉体の重量比率は３：１である。第２電極の溶接ワイヤとしては、Ｃ：０．１９ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．５ｍａｓｓ％および０．１ｍａｓｓ％Ｔｉを含む４．０ｍｍφのソリッドワイヤを用いた。第３電極、第４電極の溶接ワイヤとしては、Ｃ：０．０５ｍａｓｓ％、および０．２ｍａｓｓ％Ｔｉを含有する４．０ｍｍφのソリッドワイヤを用いた。

本実施例において、細径ワイヤを使う第１電極の溶接実績を０．１秒のサンプリングピッチでモニタし（瞬時値）、その電流変動の標準偏差σが１５Ａ以下となるように目標とした。溶接電圧も同様とした。電流変動の標準偏差を求めたのは、溶接時の溶接電流の安定度を評価するためである。ここで、溶接電流が不安定とは電流値の標準偏差σが１５Ａ以上の場合である。また、電圧が不安定とは電圧値の標準偏差σが１．５Ｖ以上の場合である。

表中、「トーチ絶縁」とは、給電チップと給電ケーブルの接続部との中間に配置された管状の導電体を電極ワイヤから絶縁する手段の有無を意味している。「−」で表されているのは、当該部分に絶縁する手段がない場合である。「ムライト管」および「Ｓｉ_３Ｎ_４管」はそれぞれセラミック素材の種類名を記載した絶縁管を意味している。「給電距離」とは給電チップ先端と給電ケーブルの中心との距離を意味している。
また、スラグ巻き込みを中心とした溶接欠陥の有無を調べるため、Ｘ線透過試験(radiographic examination)を溶接長全長にわたって実施し、２ｍｍφ超えの欠陥個数をカウントした。

表１に示したとおり、絶縁管がない溶接トーチを用いた場合には、溶接電流が１０５０Ａ以下の場合は溶接アークの不安定状態は観察されない。しかし、溶接電流が１１５０Ａ以上と高くなり、ワイヤ送給速度が大きくなる場合ではアーク電圧変動が大きくなり電流も不安定となる。溶接電流または溶接電圧が不安定であると、これに伴ってスラグ巻き込みも増える傾向にあることがわかる。一方、細径フラックス入りワイヤを用いる第１電極に、本発明による絶縁管を配した溶接トーチを使うことにより、ワイヤ送給速度が大きくなる１３００Ａの高電流条件下で多電極サブマージアーク溶接を行った場合でも電流変動は抑えられ、標準偏差σが１５Ａ以下となっている。これにより溶接欠陥も抑えられ、高品質の溶接金属が得られている。なお、実施例Ｎｏ．１８は、給電距離が７０ｍｍと短く溶接は安定しているが、溶接輻射熱により給電ケーブルが損傷するため発明範囲外である。

１ 給電ケーブル
２ 給電ケーブルの接続部
３ 中間に配置された管状の導電体（エクステンションノズル）
４ 電極ワイヤ
５ 給電チップ
６ 絶縁管

Claims (3)

1. 給電チップと給電ケーブルの接続部との中間に配置された管状の導電体を電極ワイヤから絶縁する手段を有する多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用トーチであって、前記電極ワイヤから絶縁する手段が前記管状の導電体の内壁全面に配置される耐摩耗性を有するセラミックス製の絶縁管である多電極サブマージアーク溶接用の第１電極用溶接トーチを用い、
   第１電極ワイヤをフラックス入りワイヤとし、該フラックス入りワイヤの径を１．６ｍｍ以上３．２ｍｍ以下として溶接する多電極サブマージアーク溶接方法。
2. 前記第１電極用溶接トーチにおいて、給電チップ先端と給電ケーブルの接続部との距離が１００ｍｍ〜２００ｍｍである請求項１に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
3. 前記第１電極用溶接トーチにおいて用いられる第１電極の溶接電流を８００Ａ以上として溶接する請求項１または２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。

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