JP6683505B2 - 特殊トーチを用いた溶接方法 - Google Patents
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Description
フラックスコアードワイヤはフラックスの効果によって美しいビードが得られるもの、姿勢溶接が容易かつ高能率な溶接条件で溶接が可能となるものや、大溶着量が得られるもの等、有益な効果がある。また、ソリッドワイヤでは、ビード形状や姿勢溶接が難しい等の溶接作業性面で劣る場合があることから、シームレスフラックスコアードワイヤがより好ましく用いられる。
しかし特許文献1には拡散性水素低減効果についての着想は無く、最適な組み合わせワイヤ設計については記載されていない。また、水素吸引性能を効果的に発現させる為のトーチ構成についても当然検討されていない。
また、特許文献3には、特定の組成のスラグ系フラックスコアードワイヤが開示されている。当該スラグ系フラックスコアードワイヤは、溶着金属中のNiの含有量が少ない場合においても、溶着金属に良好な低温靱性が得られる高張力鋼用溶接ワイヤである。しかし、シーム有りフラックスコアードワイヤとしつつ、良好なアーク安定性及び溶接性を得るには、アルカリ金属を適量含有する必要があるが、該アルカリ金属は拡散性水素量増加の要因となる為、積極的に含有させることができない。
[1] 特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、
前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に、前記コンタクトチップ及び前記コンタクトチップ先端から供給される溶接ワイヤの周囲を囲むように配置される吸引ノズルを有し、
前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有し、
前記シールドノズルと前記吸引ノズル間の空間にシールドガスを供給するとともに、
ワイヤ表面から気化した水素源を含む、前記吸引ノズルと前記コンタクトチップ間の空間のガスを負圧により吸引することを特徴とする溶接方法。
[2] 前記シーム部において、前記鋼製外皮の金属の両端のクリアランスが20μm未満である長さをLaとし、20μm以上40μm未満である長さをLbとし、40μm以上100μm未満である長さをLcとした際に、Lseam=2.0×La+1.5×Lb+Lcで表される値が0.1〜1.5mmである、前記[1]に記載の溶接方法。
[3] 前記フラックスコアードワイヤのワイヤ径が直径1.2〜2.0mmであり、かつ、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記フラックスの割合が8〜30質量%である、前記[1]又は[2]に記載の溶接方法。
[4] 前記フラックス中にスラグ形成剤を含有し、前記スラグ形成剤は金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1の化合物と不純物とからなり、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記スラグ形成剤の割合が3〜21質量%である、前記[1]〜[3]のいずれか1に記載の溶接方法。
[5] 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物:3.5〜20.5質量%、
金属フッ化物:0〜0.5質量%(0を含む)、及び
金属炭酸塩:0〜0.5質量%(0を含む)
を含む、前記[4]に記載の溶接方法。
[6] 前記金属酸化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
TiO2:1.5〜15.0質量%、
SiO2:0.15〜4.0質量%、
ZrO2:0〜3.0質量%(0を含む)、
Al2O3:0〜2.0質量%(0を含む)、及び
(Na2O+K2O+Li2O):0.01〜0.8質量%
を含む、前記[4]又は[5]に記載の溶接方法。
[7] 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物:0〜1.5質量%(0を含む)、
金属フッ化物:1.5〜8.5質量%、及び
金属炭酸塩:0〜5.0質量%(0を含む)
を含む、前記[4]に記載の溶接方法。
[8] 前記金属フッ化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
CaF2:0〜5.0質量%(0を含む)、
BaF2:0〜5.0質量%(0を含む)、
SrF2:0〜5.0質量%(0を含む)、及び
(CaF2+BaF2+SrF2):1.5〜8.0質量%
を含む、前記[4]又は[7]に記載の溶接方法。
[9] 前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
(CaCO3+BaCO3):0〜5質量%(0を含む)
を含む、前記[4]、[7]及び[8]のいずれか1に記載の溶接方法。
[10] 前記特殊トーチにおける前記コンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−bが15〜40mmであり、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−kと前記距離Dt−bとが
Dt−k(mm)≧0.3×Dt−b(mm)、かつ
Dt−k(mm)≦Dt−b(mm)−8
の関係を満たす、前記[1]〜[9]のいずれか1に記載の溶接方法。
ここで、フラックスとは、鉄粉又は合金などの金属粉、及び、金属酸化物粉や金属フッ化物粉等を混合した物質を意味する。
一方、シーム有りフラックスコアードワイヤでは、シーム部が水分の排出口となり、アーク領域に到達する前に熱エネルギーにより水分をワイヤ外に排出できる。ワイヤ外に排出された水分は、一般的なガスシールドアーク溶接では、シールドガスの気流に乗ってアークに移送され、結果的に溶融金属に吸収される。
また、特殊トーチを用いてシールドガスの一部を吸引することにより、該溶融金属と水分(アーク中では高温で解離し、水素原子となると解される)との接触を防止し、無害化することが可能である。
さらに、シーム有りフラックスコアードワイヤと特殊トーチを用いた溶接方法において、適用するシーム有りフラックスコアードワイヤの構造やフラックスの設計によって、さらに良好な結果が得られることを見出した。
本発明におけるフラックスコアードワイヤとは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有するもの(シーム有りフラックスコアードワイヤ)である。
ここで、鋼製外皮とは、圧延鋼帯のことを意味する。
また、本明細書において、フラックスコアードワイヤの組成(質量割合)はいずれも設計値であるが、該設計値と概ね同組成のフラックスコアードワイヤが得られる。また、ワイヤの組成は、電子線マイクロアナライザやX線回折法によるフラックス粒子の組成同定とワイヤ全体を溶解した溶液の化学分析(ICP発光分光分析法、原子吸光光度法等)により同定することができる。
そこで、シーム部において、フラックスコアードワイヤの鋼製外皮の金属の両端を重ね合わせた合わせ代に関する係数としてLseamを定義し、水分排出効率の点から好ましい範囲を規定する。
なお、バット形状とは、図2(A)に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端の位置が一致するように突き合わせたものである。ラップ形状とは、図2(B)に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端近傍が上下に重なり合うように加工したものである。アップル形状とは、図2(C)に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端近傍を折り曲げた後に、折り曲げ部が一致するように突き合せたものである。
また、図2(B)及び図2(C)についても同様に、任意の箇所におけるクリアランスの幅W1とW2が、W1≠W2のように等しくない場合もあるし、W1=W2と等しい場合もある。クリアランスの幅が20μm未満である長さをLa、20μm以上40μm未満である長さをLb、40μm以上100μm未満である長さをLcとし、幅が100μm以上の長さについては、Lseamの値には影響しない。また、La、Lb、Lcはそれぞれ0μmの(存在しない)場合もあり得る。
また、フラックスコアードワイヤ全質量に対するフラックスの割合は、ワイヤの製造性の観点から、8〜30質量%が好ましく、10質量%以上がより好ましく、25質量%以下がより好ましい。
スラグ形成剤は、金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1の化合物を含むため、表面に水分を吸着し易く、スラグ系フラックスコアードワイヤを用いて溶接した溶接金属中の拡散性水素量が増加し易いことから通常、高張力鋼や厚板での溶接には使用上の注意が必要である。スラグ形成剤には、上記化合物以外に不純物が含まれる。
上記スラグ形成剤を含むワイヤを用い、特殊トーチを組み合わせて溶接を行うことで、より良好な溶接作業性と低水素による扱いやすさ(低温割れの懸念が少なくなる)を両立することができる。
スラグ形成剤が少ない場合には溶接ビード表面にスラグの焼き付きが発生しやすく、多過ぎる場合にはビードが凸形状となる傾向がある。
TiO2は2.5質量%以上がさらに好ましく、12.0質量%以下がさらに好ましい。SiO2は0.2質量%以上がさらに好ましく、3.0質量%以下がさらに好ましい。ZrO2は2.5質量%以下がさらに好ましく、Al2O3は1.5質量%以下がさらに好ましい。
また、前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、(CaCO3+BaCO3):0〜5質量%(0を含む)含むことも好ましく、少量の含有ではアークの集中性が向上し、2質量%以上の含有ではシールドガスを使用せずに溶接する場合の溶接金属性能(耐ブローホール性)が向上する為好ましい。
金属フッ化物としては、AlF3、CeF3、MgF2、KF、NaF、LiF、K2SiF6(珪フッ化カリウム)、Na3AlF6(氷晶石)等が挙げられる。
金属炭酸塩としては、MgCO3、FeCO3、MnCO3、K2CO3、Na2CO3、Li2CO3等が挙げられる。
本発明に係る溶接方法には、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有する特殊トーチを使用する。特殊トーチがかかる構造を有することによって、アーク領域に近いガスを吸引することができる。
すなわち、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離をDt−kとした場合に、前記距離Dt−bと前記距離Dt−kとが下記関係式を満たすことがより好ましい。
Dt−k(mm)≧0.3×Dt−b(mm)、かつ
Dt−k(mm)≦Dt−b(mm)−8
一方、溶接作業性の観点から、距離Dt−bには好ましい範囲(15〜40mm)がある。距離Dt−bは20mm以上がより好ましく、35mm以下がより好ましい。
さらに、アークの輻射熱による損傷を避ける為には、吸引ノズルは母材から8mm以上離すこと(Dt−k(mm)≦Dt−b(mm)−8)が好ましく、10mm以上離すことがより好ましい。
溶接ワイヤが筒内に自動的に送給され、溶接ワイヤを用いてアーク溶接を行うものである。
チップボディに供給されたシールドガスは、さらにチップボディからオリフィスを介してシールドノズルと吸引ノズル間の空間に供給され、アークや溶接金属を保護する。
本発明に係る溶接方法により得られた溶接金属は、通常トーチを用いて溶接した場合に比べて、水素低減率が30%以上となることが好ましく、40%以上がより好ましい。
水素低減率の測定方法は[実施例]にて記載したとおりである。
(水素低減率)
本発明に係る溶接方法により得られた溶接金属について、通常トーチと特殊トーチの両方を用いて拡散性水素量を測定し、その比から水素低減率を求めた。
具体的には、水素低減率は、通常トーチ又は特殊トーチを用いて「JIS Z 3118(2007)鋼溶接部の水素量測定方法」に基づいて実施した結果を、「JIS Z 3118(2007) 7.2項 溶着金属の質量当たりの水素量の算出」に示される式から求めた値を拡散性水素量とし、その比から求めた。
溶接条件は以下のとおりであり、溶接は移動台車を用いた自動溶接とした。また、試行数3回の平均値を結果値として採用した。なお、コンタクトチップ−母材間距離は一部の試験ではJIS準拠としておらず、実施例に記載した。
・溶接電流:270A
・アーク電圧:32V
・溶接速度:350mm/min
・溶接姿勢:下向き
事前に質量を計測した、長さ3.5mトーチ用の溶接用コンジットライナーを直径300mmの円状に3周させ、その中にフラックスコアードワイヤを通過させた。ワイヤを2kg通過させた後に、コンジットライナーの質量を測定し、ワイヤ通過前後の質量の変化をフラックスのこぼれとみなした。
フラックスこぼれの評価結果を表に示すが、表中「A」とは質量変化が0〜0.20gであり、長時間の連続溶接が可能で非常に良好であったことを意味する。また、「B」とは質量変化が0.20g超0.50g以下であり、数時間毎のコンジットライナー清掃が望ましいものの、良好であったことを意味する。「C」とは質量変化が0.50g超であり、数時間毎の定期的なコンジットライナーの清掃が必要の普通の評価であったことを意味する。
SM490A 12mmtの母材を組み合わせて水平すみ肉溶接を行った。溶接長は250mmとし、自動台車を使用して行った。溶接中のアークふらつきやアーク切れを総合的に官能評価した後、ビードの平坦性とスラグ焼き付きを目視試験により評価した。
溶接条件は以下のとおりである。
・溶接電流:270A
・アーク電圧:適正(23〜32Vでワイヤによって調整)
・溶接速度:400mm/min
また、「ビード外観」として、「ビードの平坦性」に関し、「A」とは平坦なビードであったことを意味し、「B」はやや凸形状だが施工に問題ないビードであったことを意味し、「C」は凸形状のビードであり、多層溶接施工ではパス間にグラインダによる手入れが必要と判断されたことを意味する。
「スラグ焼き付き」に関し、「A」とはスラグ剥離後に焼き付きが無かったことを意味し、「B」とはスラグ剥離後に焼き付きが見られるが、施工に問題無い程度であったことを意味し、「C」とはスラグ剥離後に焼き付きが多く、多層溶接施工ではパス間にグラインダやワイヤブラシによる手入れが必要と判断されたことを意味する。
用いたフラックスコアードワイヤの組成、シームの外皮合わせ部の長さ指数(Lseam値)、ワイヤ径等については表に示したとおりである。
溶接に用いた特殊トーチのコンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−b及びコンタクトチップの先端から吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−kは表に示したとおりである。
また、表中、「溶接金属強度クラス」とは溶接金属の引張強さがその数値以上となることを示しており、ここに示した強度以下の母材に適用可能であることを意味する。
実施例1はLseamが小さな値の例である。このワイヤではフラックスのこぼれの評価が低くなる。実施例16はスラグ率とアルカリ金属酸化物の添加量が低い例である。このワイヤではスラグ焼き付きとアーク安定性の評価が低くなる。実施例27〜34は実施例4と同一のワイヤを用いた例である為、フラックスこぼれの評価は省略している。
また、実施例4および27〜30はコンタクトチップ先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−bを変化させ、かつコンタクトチップ先端から吸引ノズル先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−kを適切に調整した例である。どれも良好な水素低減率が得られている。
実施例4および31〜34は距離Dt−bを同一として距離Dt−kを変化させた例である。距離Dt−kが長くなる程、水素低減率が高くなる傾向がある。
2 水素源
3 鋼製外皮
4 シーム部
Claims (10)
- 特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、
前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に、前記コンタクトチップ及び前記コンタクトチップ先端から供給される溶接ワイヤの周囲を囲むように配置される吸引ノズルを有し、
前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有し、
前記シールドノズルと前記吸引ノズル間の空間にシールドガスを供給するとともに、
ワイヤ表面から気化した水素源を含む、前記吸引ノズルと前記コンタクトチップ間の空間のガスを負圧により吸引することを特徴とする溶接方法。 - 前記シーム部において、前記鋼製外皮の金属の両端のクリアランスが20μm未満である長さをLaとし、20μm以上40μm未満である長さをLbとし、40μm以上100μm未満である長さをLcとした際に、Lseam=2.0×La+1.5×Lb+Lcで表される値が0.1〜1.5mmである、請求項1に記載の溶接方法。
- 前記フラックスコアードワイヤのワイヤ径が直径1.2〜2.0mmであり、かつ、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記フラックスの割合が8〜30質量%である、請求項1又は2に記載の溶接方法。
- 前記フラックス中にスラグ形成剤を含有し、前記スラグ形成剤は金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1の化合物と不純物とからなり、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記スラグ形成剤の割合が3〜21質量%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶接方法。
- 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物:3.5〜20.5質量%、
金属フッ化物:0〜0.5質量%(0を含む)、及び
金属炭酸塩:0〜0.5質量%(0を含む)
を含む、請求項4に記載の溶接方法。 - 前記金属酸化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
TiO2:1.5〜15.0質量%、
SiO2:0.15〜4.0質量%、
ZrO2:0〜3.0質量%(0を含む)、
Al2O3:0〜2.0質量%(0を含む)、及び
(Na2O+K2O+Li2O):0.01〜0.8質量%
を含む、請求項4又は5に記載の溶接方法。 - 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物:0〜1.5質量%(0を含む)、
金属フッ化物:1.5〜8.5質量%、及び
金属炭酸塩:0〜5.0質量%(0を含む)
を含む、請求項4に記載の溶接方法。 - 前記金属フッ化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
CaF2:0〜5.0質量%(0を含む)、
BaF2:0〜5.0質量%(0を含む)、
SrF2:0〜5.0質量%(0を含む)、及び
(CaF2+BaF2+SrF2):1.5〜8.0質量%
を含む、請求項4又は7に記載の溶接方法。 - 前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
(CaCO3+BaCO3):0〜5質量%(0を含む)
を含む、請求項4、7及び8のいずれか1項に記載の溶接方法。 - 前記特殊トーチにおける前記コンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−bが15〜40mmであり、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Dt−kと前記距離Dt−bとが
Dt−k(mm)≧0.3×Dt−b(mm)、かつ
Dt−k(mm)≦Dt−b(mm)−8
の関係を満たす、請求項1〜9のいずれか1項に記載の溶接方法。
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