JP6949745B2

JP6949745B2 - 片面サブマージアーク溶接方法及び片面サブマージアーク溶接装置

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Publication number: JP6949745B2
Application number: JP2018015838A
Authority: JP
Inventors: 大和横田; 尊信諏訪; 正晴幸村; 茂木幡; 大輔杉山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: US20210039187A1; JP2019130571A; CN111683781A; WO2019151160A1; CN111683781B

Description

本発明は、片面サブマージアーク溶接方法及び片面サブマージアーク溶接装置に関する。

片面サブマージアーク溶接は、板継ぎ溶接として造船を中心に、広い分野に適用されている高能率の溶接施工方法である。一方、片面サブマージアーク溶接では、継手終端部に割れが発生する場合があり、その防止策として種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、溶接継手終端部の継手最終端から始端側に複数層で、段状からなるシーリングカスケードビードを用いて、自動溶接の終端割れを防止する技術が記載されている。

特許文献２には、突き合わせ部の開先形状や各電極の電流値などを規定することにより，広範囲な継手板厚に対し、健全な溶接継手を得ることができる多電極サブマージアーク溶接方法が開示されている。

特開平０８−９９１７７号公報特開２００７−２６８５５１号公報

ところで、シーリングカスケードビードを用いた特許文献１の技術では、シーリングカスケードビードで溶接継手終端部の変形を抑制することにより、割れ防止を図っている。しかしながら、シーリングカスケードビードを形成した箇所には、裏ビードが形成されないため、溶接後に手直しが必要となる。また、予めシーリングカスケードビードを形成する必要があるため、溶接工数が増大するという課題があり、改善の余地があった。

又、特許文献２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法では、具体的な溶接速度に応じた溶接条件の設定については考慮されておらず、より良好な溶接品質が求められる。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範囲な板厚の鋼板に適用することができ、回転変形を抑制して継手終端部での溶接金属の割れを防止し、かつ溶接後の手直しを低減できる片面サブマージアーク溶接方法及び片面サブマージアーク溶接装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
本発明は、複数の電極を用いた一方の面側からのサブマージアーク溶接により突き合わされた２枚の鋼板を接合する片面サブマージアーク溶接方法であって、
前記サブマージアーク溶接中、前記鋼板の終端側領域における、隣り合う前記電極間の極間距離の少なくとも一つを、前記終端側領域より手前の領域における前記極間距離よりも縮小し、
前記極間距離を縮小する移行領域における該極間距離を縮小するために移動する電極の入熱の変動が、前記移行領域の開始点の前記入熱に対して２０％以内である。

又、上記方法において、好ましくは、前記移行領域の電流及び電圧は、前記入熱の変動が一定となるように、前記極間距離の変更速度に応じて変更される。

本発明は、一方の面側からのサブマージアーク溶接により突き合わされる２枚の鋼板を接合する片面サブマージアーク溶接装置であって、
複数の電極と、該複数の電極に対して電力を供給する複数の電源と、を備え、該複数の電極により前記各鋼板の始端から終端まで溶接するように、所定の方向に移動可能な溶接ユニットと、
前記溶接ユニット内に配置され、前記溶接ユニットに対して、前記複数の電極のうち少なくとも一つを進退方向に移動可能な駆動機構と、
前記サブマージアーク溶接中、前記鋼板の終端側領域における、隣り合う前記電極間の極間距離の少なくとも一つを、前記終端側領域より手前の領域における前記極間距離よりも縮小するよう前記駆動機構を制御する制御部と、を有し、
前記極間距離を縮小する移行領域における該極間距離を縮小するために移動する前記電極の入熱の変動が、前記移行領域の開始点の前記入熱に対して２０％以内である。

本発明の片面サブマージアーク溶接方法及び片面サブマージアーク溶接装置によれば、サブマージアーク溶接中、鋼板の終端側領域において、隣り合う電極間の極間距離の少なくとも一つを、前記終端側領域より手前の領域における前記極間距離よりも縮小し前記極間距離を縮小する移行領域における該極間距離を縮小するために移動する電極の入熱の変動が、前記移行領域の開始点の前記入熱に対して２０％以内である。これにより、終端部領域における溶込み形状及びひずみ速度が制御されると共に、移行領域において、移行前と同様のビード幅を得ることができる。したがって、広範囲な板厚の鋼板に適用することができ、回転変形を抑制して継手終端部での溶接金属の割れを防止し、かつ溶接後の手直しを低減できる。

本発明の片面サブマージアーク溶接方法に適用される溶接装置の概略図である。本発明の片面サブマージアーク溶接方法で溶接する鋼板の平面図である。片面サブマージアーク溶接を行う際の様子を示す鋼板周辺の概略説明図である。片面サブマージアーク溶接を行う際の様子を示す鋼板周辺の概略説明図である。２電極でサブマージアーク溶接を行う場合の極間距離を変更する状態を示す模式図である。３電極でサブマージアーク溶接を行う場合の極間距離を変更する状態を示す模式図である。４電極でサブマージアーク溶接を行う場合の極間距離を変更する状態を示す模式図である。表ビードと裏ビードを示す溶接継手の断面図である。移行領域Ｄ３における溶接機の位置と、極間距離の変更速度との関係を示すグラフである。移行領域Ｄ３における溶接機の位置と、該極間距離を縮小するために移動する電極の入熱との関係を示すグラフである。移行領域Ｄ３における溶接機の位置と、該極間距離を縮小するために移動する電極の電流・電圧との関係を示すグラフである。移行領域の電流・電圧・溶接機の走行速度が一定の場合の表ビード形状を示す図である。本実施形態の極間距離を縮小するために移動する電極の入熱の変動を抑制した場合の表ビード形状を示す図である。増加区間及び減速区間の変更速度の増減の変形例を示す、図７Ａに対応するグラフである。増加区間及び減速区間の変更速度の増減の他の変形例を示す、図７Ａに対応するグラフである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法及び片面サブマージアーク溶接装置を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、片面サブマージアーク溶接装置１０（以下、溶接装置１０とも称す）の主要部の概略について説明する。
図１に示すように、溶接装置１０は、架台フレーム１１と、溶接機（溶接ユニット）１２と、溶接機ビーム１３と、制御部１８と、を主に備える。架台フレーム１１は、鋼製の角材を枠組みして、上方が開放された断面視凹状に形成されており、内部に裏当装置５０ａ或いは裏当装置５０ｂ（図３，図４参照）が支持されている。そして、裏当装置５０ａの裏当銅板５５或いは裏当装置５０ｂの耐火性キャンバス５６上に鋼板２０が載置されている。
溶接機ビーム１３は、溶接機１２を鋼板２０の長手方向に沿って移動させるものである。

溶接機１２は、筐体１２ａ内に、鋼板２０の長手方向に沿って各々配置され、溶接時に先行する第１電極１５ａと、第１電極１５ａに追従して後行する第２電極１５ｂと、を有する。これら電極１５ａ、１５ｂは、それぞれ第１トーチ１６ａ、第２トーチ１６ｂに内挿されて配置されている。又、これらトーチ１６ａ、１６ｂは、所定電圧で電流を供給する第１電源（図示せず）及び第２電源（図示せず）とにケーブルを介して接続されている。第１電極１５ａ及び第２電極１５ｂには、それぞれ第１トーチ１６ａ、第２トーチ１６ｂを介して電流が供給される。なお、電極１５ａ、１５ｂは、溶接ワイヤである。

そして、溶接機１２は、筐体１２ａに対して第１トーチ１６ａを鋼板２０の長手方向に沿って移動させる第１駆動機構（スライダー）１７ａと、筐体１２ａに対して第２トーチ１６ｂを鋼板２０の長手方向に沿って移動させる第２駆動機構（スライダー）１７ｂとを有する。第１駆動機構１７ａ及び第２駆動機構１７ｂは、筐体１２ａ内にそれぞれ配置される。これら第１駆動機構１７ａ及び第２駆動機構１７ｂによって第１トーチ１６ａ及び第２トーチ１６ｂが移動することにより、第１電極１５ａ及び第２電極１５ｂも移動する。

溶接機１２は、架台フレーム１１の上方（鋼板２０の上方）に配置され、溶接機ビーム１３の延在方向（所定の方向）に沿って所定速度で移動しながら、鋼板２０の開先Ｍ（図３参照）の表側から電極１５ａ、１５ｂによって片面サブマージアーク溶接により鋼板２０を溶接する。

さらに、溶接機１２は、制御部１８により、第１駆動機構１７ａと第２駆動機構１７ｂを駆動制御することで、第１電極１５ａと第２電極１５ｂを溶接機ビーム１３に沿って移動させることができ、第１電極１５ａと第２電極１５ｂの極間距離Ｌ１を変えることができる（図５Ａ参照）。なお、溶接機１２は、駆動機構１７ａ，１７ｂの一方のみを設けるようにしても良い。また、本実施形態において、極間距離とは、溶接される鋼板の表面高さにおける電極間同士の距離である。

図１及び図５Ａでは、電極（溶接トーチ）として第１電極１５ａ、第２電極１５ｂの２本のみ図示したが、電極数は、アーク溶接される鋼板２０の板厚に応じて適宜選択され、それ以上の本数を設けることは任意である。電極数に関して、電極が１電極では、厚板鋼板の溶接に不向きであり、５電極以上では、溶接の高能率化が可能となるものの、溶接品質との両立のさらなる改善の余地が生じる。電極数が２電極以上であれば、厚板鋼板の溶接に適用できる。一方、電極数が４電極以下であれば、溶接の高能率化を図ることができ、かつ溶接品質もより良好なものとなる。このように、２〜４電極とすることで、厚板にも適用でき、高能率化と溶接品質とをより両立しやすくなる。

したがって、溶接機１２は、例えば、図５Ｂに示すように、第１〜第３電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃを有するものであってもよく、図５Ｃに示すように、第１〜４電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを有するものであってもよい。また、３本以上の電極を持つ溶接機においても、各電極に対して、電源及び駆動機構をそれぞれ設けることができる。

片面サブマージアーク溶接方法（以下、「本溶接」とも言う）とは、図３，４に示すように、突き合わされた鋼板２０，２０の裏面から、裏当銅板５５上に層状に散布した裏当フラックス５２、或いは、耐火性キャンバス５６内に収容された裏当フラックス５２をエアホース５９などの押上機構により押圧して溶接する方法である。片面サブマージアーク溶接方法では、鋼板２０の表側から表フラックス５１を用いてサブマージアーク溶接を行い、鋼板２０の表面と裏面に同時にビードを形成する。なお、図中符号５３はスラグ、符号５４は溶接金属、符号５７はフラックス袋、符号５８は下敷フラックスである。

本実施形態の片面サブマージアーク溶接方法が適用される鋼板２０は、例えば造船用鋼板である。図２及び図３に示すように、鋼板２０の板厚ｔ１は、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、好ましくは１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下、さらに好ましくは１８ｍｍ以上、２５ｍｍ以下とする。また、突き合わされた２枚の鋼板２０の合計の板幅Ｂ１は、３００ｍｍ以上である。さらに、鋼板２０の長さＬａは、１０００ｍｍ以上、３５０００ｍｍ以下である。

２枚の鋼板２０を突き合わせた接合面２２には、開先Ｍが形成されている。開先Ｍの形状は、Ｙ開先、Ｖ開先などの任意の形状とすることができる。
また、本実施形態では、鋼板２０の接合面２２には、断続あるいは連続した面内仮付がなされている。すなわち、本実施形態において、シーリングカスケードビードは形成されていない。

さらに、鋼板２０の始端２８および終端２９には、タブ板３０が取り付けられている。タブ板３０は、片面サブマージアーク溶接において最後に固まる溶融池(クレータ)を溶接継手から逃がす目的で、また、片面サブマージアーク溶接による継手終端部での溶接金属の割れをより効果的に防止するため用いられる。特に、タブ板３０が継手終端部で鋼板２０を拘束することで溶接による熱変形を抑え、継手終端部での割れを防止する。

その後、鋼板２０の本溶接（片面サブマージアーク溶接）を、鋼板２０の始端２８から終端２９にかけて行う。本溶接速度としては、例えば、３００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎ（３０〜１５０ｃｐｍ）である。本溶接速度が３００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎであれば、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下の板厚の鋼板２０に対して安定して溶接品質を確保することができる。

なお、「本溶接」とは、仮付溶接がなされた鋼板２０に対して行う溶接である。また、「本溶接速度」とは、従来において通常行われるサブマージアーク溶接の速度である。通常、本溶接での溶接速度は一定となるが、溶接処理の都合上、溶接箇所によっては、速度がやや低下する場合がある。ただし、本溶接の溶接速度は、本溶接条件の最適速度、すなわち予め設定した本溶接速度となる。

この際、始端２８から終端２９まで同じ溶接条件（例えば、所定の電極数、溶接速度、総入熱量、極間距離）で溶接を行うと、継手終端部において割れが生じる場合がある。例えば、本溶接速度の速い条件では、継手終端部に、鋼板２０の内側から外側に向けて回転変形が生じ、終端割れが生じる場合がある。具体的には、鋼板２０が内側から外側に向けて広がるひずみ速度が増加して割れる方向の駆動力が増加してしまう。また、溶接条件によっては、継手終端部において、耐割れ性の悪い溶込み形状となる場合がある。

ここで、本実施形態では、図１及び図５Ａに示すように、継手終端部において、ひずみ速度が低く、耐割れ性に良好な溶込み形状が得られるように、サブマージアーク溶接中、鋼板２０の終端２９手前少なくとも１５０ｍｍ以上の位置から終端２９までの間の終端側領域Ｄ２と、該終端側領域より手前の領域Ｄ１（始端２８を含むものとする）とで、隣り合う電極１５ａ，１５ｂ間の極間距離Ｌ１を狭くする。即ち、極間距離の変更は、筐体１２ａが開先Ｍに沿って移動している間に、制御部１８が駆動機構１７ａ、１７ｂの少なくとも一方を制御して第１及び第２電極１５ａ、１５ｂを相対移動させることにより実行できる。

即ち、本実施形態では、終端側領域Ｄ２における極間距離を、終端側領域より手前の領域Ｄ１における電極数、溶接速度、入熱量等の溶接条件に応じた所定値に変更することで、ひずみ速度を低下させると共に、第１及び第２電極１５ａ，１５ｂによって溶込み形状を変化させ、耐割れ性の良い溶込み形状を確保する。これにより、継手終端部において、割れ防止を図ることができると共に、良好な表ビード外観を有する溶接継手の製作が可能となる。特に、溶接速度が速い場合、終端割れが生じやすいが、本実施形態の溶接方法によれば、溶接速度が速い場合においても、溶込み形状を良好にできるとともにひずみ速度を低減することができ、終端割れの防止を実現できる。従来のサブマージアーク溶接方法においては、溶接中に極間距離を変えるという視点がなく、本実施形態に係るサブマージアーク溶接方法は、溶込み形状およびひずみ速度に着眼して、発明者らが鋭意検討した結果、創作に至ったものである。

ここで、割れに対する材料の強さを示す指標としての溶込み形状の評価について説明する。評価対象となる溶接部において、溶接方向と垂直な方向の面で切り出し、研磨及び適切なエッチング処理を行って、図６のような断面を得る。ここで、第２電極１５ｂにより形成される表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１と、第１電極１５ａにより形成される裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２の交差面ＣＬから、鋼板２０の裏面までの距離をＨとし，溶接金属ＭＴ１，ＭＴ２の交差面ＣＬの幅をＷとし、Ｈ／Ｗの値が０．１以上、０．８以下である場合、耐割れ性に対する良好な溶込み形状であるとした。Ｈ／Ｗの値が０．１未満である場合、裏ビード形状の安定性が劣化するため好ましくない。一方、Ｈ／Ｗの値が０．８を超えると、割れが生じやすくなるので、溶込み形状が不良となる。さらに、Ｈ／Ｗは、０．３以上、０．６以下であると、より良好な溶込み形状となる。

溶込み形状（Ｈ／Ｗ）は、第１電極１５ａが溶接してから第２電極１５ｂが到達するまでの時間（溶接速度と極間距離）と入熱によって、第２電極１５ｂが溶接するときの溶融池の温度が変化する点が影響する。この溶融池の温度が変化すると、第２電極１５ｂの溶込み深さが変化するので、Ｈ／Ｗが変化する。

なお、図５Ｂに示す、電極数が３電極の場合には、表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１は第３電極１５ｃにより形成され、裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２は第１及び第２電極１５ａ、１５ｂにより形成される。この場合、第２電極１５ｂと第３電極１５ｃの極間距離を変えることが好ましい。
ただし、表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１は第２及び第３電極１５ｂ，１５ｃにより形成され、裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２は第１電極１５ａにより形成されてもよい。この場合、第１電極１５ａと第２電極１５ｂの極間距離を変えることが好ましい。

また、図５Ｃに示す、電極数が４電極の場合には、表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１は第３及び第４電極１５ｃ、１５ｄにより形成され、裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２は第１及び第２電極１５ａ、１５ｂにより形成される。このため、電極数が３電極又は４電極のいずれにおいても、溶接金属ＭＴ１，ＭＴ２の交差面ＣＬが与えられる。また、この場合、第２電極１５ｂと第３電極１５ｃの極間距離を変えることが好ましい。
ただし、表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１は第４電極１５ｄにより形成され、裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２は第１、第２及び第３電極１５ａ、１５ｂ，１５ｃにより形成されてもよい。この場合、第３電極１５ｃと第４電極１５ｄの極間距離を変えることが好ましい。
或いは、表ビードを構成する溶接金属ＭＴ１は第２、第３及び第４電極１５ｂ，１５ｃ，１５ｄにより形成され、裏ビードを構成する溶接金属ＭＴ２は第１電極１５ａにより形成されてもよい。この場合、第１電極１５ａと第２電極１５ｂの極間距離を変えることが好ましい。

第１及び第２電極１５ａ，１５ｂ間の極間距離Ｌ１の変更は、鋼板２０の終端手前の任意の位置から終端２９までの間で行われればよい。ただし、鋼板２０の長さＬａに対応して変形量が小さい位置から極間距離Ｌ１を変更させることが望ましい。例えば、極間距離Ｌ１の変更は、好ましくは、鋼板２０の終端２９手前１５０ｍｍ以上の位置、より好ましくは、鋼板２０の終端２９手前３００ｍｍ以上の位置、さらに好ましくは、鋼板２０の終端２９手前５００ｍｍ以上の位置、特に好ましくは、鋼板２０の終端２９手前１０００ｍｍ以上の位置とする。

また、極間距離Ｌ１の変更は、終端側領域より手前の領域Ｄ１と終端側領域Ｄ２との間の移行領域Ｄ３で行われればよい。
即ち、鋼板２０の溶接において、鋼板２０の終端２９手前少なくとも１５０ｍｍ以上の位置よりもやや始端２８側である移行領域Ｄ３に第１及び第２電極１５ａ、１５ｂが来たときに、徐々に駆動機構１７ａ、１７ｂの少なくとも一方を制御しはじめ、終端側領域Ｄ２に第１及び第２電極１５ａ、１５ｂがきたときに、極間距離Ｌ１の変更が済んでいるものとする。この移行領域Ｄ３の長さは特に規定されるものではないが、例えば、５０〜５００ｍｍである。

図７Ａは、移行領域Ｄ３における溶接機１２の位置と、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅとの関係を示すグラフであり、図７Ｂは、移行領域Ｄ３における溶接機１２の位置と、入熱との関係を示すグラフであり、図８は、移行領域Ｄ３における溶接機１２の位置と、電流・電圧との関係を示すグラフである。なお、極間距離の変更速度Ｖ_Ｅとは、電極間の極間距離の単位時間あたりの変位である。

具体的に、移行領域Ｄ３においては、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅを図７Ａに示すように変更することで、極間距離Ｌ１を縮小させている。即ち、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅは、極間距離Ｌ１の変更開始から、該変更速度Ｖ_Ｅが最大に至るまでの区間Ａでは、該変更速度Ｖ_Ｅを増加し、その後、区間Ｂの間、該変更速度Ｖ_Ｅを一定とし、さらに、該変更速度Ｖ_Ｅが最大の時点からに極間距離の変更終了までの区間Ｃで、該変更速度Ｖ_Ｅを減少する。

その際、溶接機１２の走行速度、及び第１及び第２電極１５ａ、１５ｂの電流及び電圧が一定の場合（図８の一点鎖線参照）、極間距離Ｌ１を縮小するように変更速度Ｖ_Ｅを変更させると、極間距離Ｌ１を縮小するために移動する電極の入熱は、図７Ｂの一点鎖線で示すように変動する。この結果、ビード幅の変化や溶込深さの変化が発生し、溶接欠陥が生じることがある。

このため、本実施形態では、極間距離Ｌ１を縮小する移行領域Ｄ３における極間距離Ｌ１を縮小するために移動する電極の入熱の変動が、図７Ｂの実線で示すように、移行領域Ｄ３の開始点の入熱に対して２０％以内であるように設定する。この結果、移行領域Ｄ３における入熱の変動が抑制されるので、ビード幅の変化や溶込深さの変化が抑制され、溶接欠陥率が低減して、手直し工数が削減できる。

図９Ａは、極間距離Ｌ１を縮小するために移動する電極が第２電極１５ｂである場合に、移行領域Ｄ３における第１及び第２電極１５ａ、１５ｂの電流・電圧・溶接機１２の走行速度を一定とした際の表ビード形状を示す。この場合、移行領域Ｄ３の表ビードのビード幅が、移行前及び移行後のビード幅に比べて狭くなっていることがわかる。一方、移行領域Ｄ３において極間距離Ｌ１を縮小するために移動する第２電極１５ｂの入熱の変動が、移行前の入熱に対して２０％以内とした際には、表ビードのビード幅は、図９Ｂに示すように、移行前及び移行後のものとほぼ同等となり、良好な表ビード形状が得られていることがわかる。

具体的に、該極間距離Ｌ１を縮小するために移動する電極の入熱は、次式で与えられる。

ここで、ｑ：入熱［ｋＪ／ｍｍ］、Ｉ：電流［Ａ］、Ｅ：電圧［Ｖ］、ｖ_０：溶接機の走行速度［ｍｍ／ｍｉｎ．］、ｖ_Ｅ：極間距離の変更速度［ｍｍ／ｍｉｎ］である。

例えば、第２電極１５ｂを第１電極１５ａに近づけるように、駆動機構１７ｂを駆動させて該変更速度Ｖ_Ｅを変更する場合、図８に実線で示すように、移行領域Ｄ３における第２電極１５ｂの電流及び電圧は、入熱ｑの変動が一定となるように、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅに応じて変更されることが好ましい。

なお、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅの変更は、第１電極１５ａを第２電極１５ｂに近づけるように、駆動機構１７ａを駆動させることでも可能である。ただし、この場合にも、溶接機１２の走行速度、及び第１及び第２電極１５ａ、１５ｂの電流及び電圧が一定であると、極間距離Ｌ１を変更した際に、入熱が変動し、裏ビードの幅の変化や溶込深さの変化が発生してしまう。具体的には、移行領域Ｄ３の裏ビードのビード幅が、移行前の領域Ｄ１、移行後の領域Ｄ２の裏ビードのものと比べて大きくなってしまう。

しかしながら、この場合にも、極間距離Ｌ１を縮小する移行領域Ｄ３における移動する電極の入熱の変動が、移行領域Ｄ３の開始点の該入熱に対して２０％以内であるように設定することで、移行領域Ｄ３における移動する電極の入熱の変動が抑制されるので、裏ビードの幅の変化や溶込深さの変化が抑制され、溶接欠陥率が低減して、手直し工数が削減できる。具体的には、移行領域Ｄ３における第１電極１５ａの電流及び電圧は、入熱ｑの変動が一定となるように、極間距離Ｌ１の変更速度Ｖ_Ｅに応じて変更されることが好ましい。

また、移行領域Ｄ３における変更速度Ｖ_Ｅの増減の仕方は、図７Ａに示すものに限定されない。例えば、図１０Ａに示すように、増加区間Ａにおいては、極間距離Ｌ１の変更開始点から、徐々に傾きを大きくしつつ、その後、一定の傾きで変更速度Ｖ_Ｅを増加し、該変更速度Ｖ_Ｅが最大に至る付近では、徐々に傾きを小さくするようにしてもよい。同様に、減少区間Ｃにおいては、変更速度Ｖ_Ｅが最大の時点から、徐々に傾きを大きくしつつ、一定の傾きで変更速度Ｖ_Ｅを減少し、極間距離Ｌ１の変更終了付近では、徐々に傾きを小さくするようにしてもよい。
或いは、図１０Ｂに示すように、増加区間Ａ又は減少区間Ｃにおいて、多段的に変更速度を増加又は減速するようにしてもよい。

なお、極間距離Ｌ１の変更は、溶接機１２が、第１電極と第２電極の２本の電極を持つ場合、第１電極と第２電極との極間距離Ｌ１を２５０ｍｍ以下の範囲で変更する。
又、溶接機１２が、第１電極と第２電極と第３電極の３本の電極を持つ場合、第１電極と第２電極との極間距離Ｌ１を２５０ｍｍ以下の範囲で変更し、第２電極と第３電極との極間距離Ｌ２を２５０ｍｍ以下の範囲で変更すると好ましい。
更に、溶接機１２が、第１電極と第２電極と第３電極と第４電極の４本の電極を持つ場合、第１電極と第２電極との極間距離Ｌ１を２５０ｍｍ以下の範囲で変更し、第２電極と第３電極との極間距離Ｌ２を２５０ｍｍ以下の範囲で変更し、第３電極と第４電極との極間距離Ｌ３を２５０ｍｍ以下の範囲で変更すると好ましい。
また、いずれの場合の各極間距離の変更も、５ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲で変更することがより好ましい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の片面サブマージアーク溶接方法について説明する。なお、本実施形態において使用される溶接装置１０は、第１実施形態のものと同様である。

本実施形態の片面サブマージアーク溶接方法では、鋼板２０の始端２８から終端２９まで一定の溶接速度とした第１実施形態と異なり、鋼板２０の終端手前１５０ｍｍ以上の位置から終端２９までの溶接を、本溶接の溶接速度（以下、適宜、本溶接速度という）に対して７５％以下の溶接速度（以下、適宜、減速溶接速度という）で行う。
また、その際、本溶接の総入熱をＱ（ｋＪ／ｍｍ）、７５％以下の溶接速度での溶接の総入熱をＱ’（ｋＪ／ｍｍ）としたとき、「Ｑ’／Ｑ＝０．６０〜１．３０」としている。

終端側領域Ｄ２における減速溶接速度が、本溶接速度に対して７５％以下とすることで、終端側領域Ｄ２では、ひずみ速度を低下することができ、割れの駆動力を低下することができ、場合によっては、鋼板２０の外側から内側に向けて回転変形が生じる収縮変形となる。なお、減速溶接速度は、好ましくは本溶接速度に対して６０％以下、より好ましくは、５０％以下である。なお、減速溶接速度が、本溶接速度に対して４０％以上であれば、溶接能率を著しく阻害することはない。また、減速溶接速度が、本溶接速度に対して４０％以上であれば、健全な溶接金属を確保するための電流値が高くなり、アークを持続するのが困難とならずビード外観が良好となる。

また、鋼板２０の溶接において、溶接速度を変化させた場合、過剰な入熱となり低速による割れ防止の効果と溶接品質の確保が困難となる。つまり、減速溶接速度での溶接の総入熱が本溶接速度での総入熱に対して１．３０倍を超えると、割れ防止効果が認められず、溶接品質についても裏ビードの余盛が過剰となり、健全な溶接金属にはならない。一方、減速溶接速度での溶接の総入熱が本溶接速度での総入熱に対して０．６０倍未満では、割れ防止効果は認められるものの、アークを持続することが困難となり、表および裏ビード共に健全な溶接金属を得ることができない。したがって、本溶接の総入熱をＱ（ｋＪ／ｍｍ）、７５％以下の溶接速度での溶接の総入熱をＱ’（ｋＪ／ｍｍ）としたとき、「Ｑ’／Ｑ＝０．６０〜１．３０」としている。

なお、健全な溶接金属をより得やすくする観点から、Ｑ’／Ｑの値は、好ましくは、０．７０以上、より好ましくは、０．８０以上とする。また、終端側領域Ｄ２の割れ防止効果および、健全な溶接金属をより得やすくする観点から、Ｑ’／Ｑの値は、好ましくは、１．２０以下とする。
なお、総入熱Ｑは、下記計算式で算出することができる。

前記式において、Ｑは総入熱（ｋＪ／ｍｍ）、Ｅｉは電圧（Ｖ）、Ｉｉは電流（Ａ）、ｖｉは溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、ｉ＝１，２，３，・・・ｎ、ｉは各電極を示す。また、前記式については、Ｑ’についても同様である。また、ここでの総入熱とは、各電極１５ａ、１５ｂ、・・・の入熱の合計を意味する。また、総入熱は上記計算式で算出した値でもよいが、実測値（計測値）であってもよい。

なお、本実施形態においても、溶接速度の変更範囲は、継手終端部での変形量の観点から、鋼板２０の終端手前３００ｍｍ以上の位置から終端２９までの終端側領域Ｄ２とすることが好ましい。また、本溶接速度から減速溶接速度への移行領域Ｄ３も、５０〜５００ｍｍの範囲で適宜設定されればよい。
さらに、極間距離の変更と溶接速度の変更は、同時に行われてもよいし、上記範囲内であれば、別々に行われてもよい。したがって、極間距離の変更は、鋼板２０の終端手前の任意の位置から終端２９までの間で行われればよい。

このように、溶接速度（筐体１２ａの移動速度）を低速化することで、鋼板２０のひずみ速度が低下するために、割れの駆動力を低下することができるが、同時に耐割れ性の悪い溶込み形状を招く場合がある。これに対し、本実施形態のように、極間距離を変更することで、鋼板２０のひずみ速度を低下させつつ、耐割れ性の良い溶込み形状（Ｈ／Ｗ）を確保し、割れ防止を図ることができる。
例えば、入熱一定で、溶接速度を下げた時には、溶接金属ＭＴ１（図８参照）を形成する電極が溶接する時点での溶融池の温度が低いため、該電極の溶込みは浅くなり、Ｈ／Ｗが大きくなって耐割れ性が劣化する。その際に極間距離を縮めると、溶接金属ＭＴ１を形成する電極が溶接する時点での溶融池の温度が高いため、該電極の溶込みは深くなり、Ｈ／Ｗの耐割れ性が良好な範囲を保つことができる。

特に、溶接効率の観点から溶接速度の低下は小さい方が好ましく、極間距離の変更と併せて溶接速度の変更を行う事で、例えば、減速溶接速度を、本溶接速度に対して７０％より高くしつつ、割れ防止を図ることができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
上記各実施形態では、鋼板２０の始端２８及び終端２９にタブ板３０を取り付けるものとして説明したが、本発明は、タブ板３０を用いずに、サブマージアーク溶接方法を行うものであってよい。また、タブ板を用いる場合は、鋼板の板厚をｔ１、タブ板の板厚をｔ２とすると、鋼板とタブ板の板厚の関係が、ｔ２≧ｔ１であり、２枚の鋼板の板幅Ｂ１は、Ｂ１≧３００ｍｍであり、２枚のタブ板の板幅Ｂ２は、Ｂ２≧１０×ｔ１、且つ１００ｍｍ≦Ｂ２≦２０００ｍｍであり、２枚の鋼板及び前記２枚のタブ板をそれぞれ突き合わせて形成される鋼板の開先及びタブ板の開先を、同じ開先形状とし、鋼板の開先及びタブ板の開先を、少なくとも鋼板の終端側からタブ板の一端部側に亘って仮付溶接する構成としても良い。

以下に、本発明に係る実施例について説明する。本実施例では、サブマージアーク溶接において、終端部領域で所定の電極間距離が縮むように所定の電極を移動させるとともに、移動させる電極の入熱が所定の変動となるようにしている。サブマージアーク溶接の電極数、本溶接条件、極間距離の変更方法（移動させる電極）、動かす電極の入熱（移行前、移行領域）を表１に示す。また、試験結果として、試験体の表ビード形状、裏ビード形状の評価結果、及び高温割れの評価結果を表１に示す。

なお、試験に使われる２枚の鋼板は溶接構造用圧延鋼材ＳＭ４００Ｂであり、そのサイズは厚さ２０ｍｍ、幅７５０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、ワイヤはＪＩＳＺ３３５１ＹＳ−Ｓ６のソリッドワイヤ、フラックスはＪＩＳＺ３３５２ＳＡＣｌ１のボンドフラックスである。

表ビードの形状および裏ビードの形状は、移行領域において表面および裏面のビード形状を観察し、ビード幅の変動が移行前と変わらないものを良好、移行領域でビード幅が低下又は増加したものを不良とし、表１に示している。
高温割れは、溶接完了後、鋼板の終端から手前４００ｍｍの範囲で、Ｘ線透過試験（ＪＩＳＺ３１０４）にて内部割れの有無を確認し、割れの有り、無しを表１に示している。

さらに、電極数が２電極の場合、表ビードを構成する溶接金属は、第２電極により形成され、裏ビードを構成する溶接金属は、第１電極により形成される。電極数が３電極の場合、表ビードを構成する溶接金属は、第３電極により形成され、裏ビードを構成する溶接金属は、第１電極と第２電極により形成される。電極数が４電極の場合、表ビードを構成する溶接金属は、第３電極と第４電極により形成され、裏ビードを構成する溶接金属は、第１電極と第２電極により形成される。

表１において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１は実施例で、Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．３０は比較例である。即ち、Ｎｏ．２８〜Ｎｏ．３０では、始端から終端まで同じ溶接条件でサブマージアーク溶接を行っており、継手終端部において高温割れが確認される。また、Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２７では、継手終端部において、極間距離を縮小するように電極を移動させるため、継手終端部における高温割れは防止されている。しかしながら、Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２７では、移行領域における極間距離を縮小するために移動する電極の入熱の変動が、移行前の該電極の入熱に対して２０％を越えているため、移行領域での表ビード又は裏ビードのビード幅が変化している。

一方、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１では、継手終端部において、極間距離を縮小するように電極を移動させると共に、移行領域における極間距離を縮小するために移動する電極の入熱の変動が、移行前の該電極の入熱に対して２０％以内であるので、高温割れが防止されると共に、移行領域での表ビード形状及び裏ビード形状がいずれも良好であり、本発明の効果が確認されている。

１０片面サブマージアーク溶接装置
１１架台フレーム
１２溶接機（溶接ユニット）
１２ａ筐体
１３溶接機ビーム
１５ａ第１電極
１５ｂ第２電極
１５ｃ第３電極
１５ｄ第４電極
１６ａ第１トーチ
１６ｂ第２トーチ
１７ａ第１駆動機構（スライダー）
１７ｂ第２駆動機構（スライダー）
１８制御部
２０鋼板
２２接合面
２８始端
２９終端
３０タブ板

Claims

複数の電極を用いた一方の面側からのサブマージアーク溶接により突き合わされた２枚の鋼板を接合する片面サブマージアーク溶接方法であって、
前記サブマージアーク溶接中、前記鋼板の終端側領域における、隣り合う前記電極間の極間距離の少なくとも一つを、前記終端側領域より手前の領域における前記極間距離よりも縮小し、
前記極間距離を縮小する移行領域における該極間距離を縮小するために移動する前記電極の入熱の変動が、前記移行領域の開始点の前記入熱に対して２０％以内である片面サブマージアーク溶接方法。
前記移行領域の電流及び電圧は、前記移動する電極の入熱の変動が一定となるように、前記極間距離の変更速度に応じて変更される請求項１に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
一方の面側からのサブマージアーク溶接により突き合わされる２枚の鋼板を接合する片面サブマージアーク溶接装置であって、
複数の電極と、該複数の電極に対して電力を供給する複数の電源と、を備え、該複数の電極により前記各鋼板の始端から終端まで溶接するように、所定の方向に移動可能な溶接ユニットと、
前記溶接ユニット内に配置され、前記溶接ユニットに対して、前記複数の電極のうち少なくとも一つを進退方向に移動可能な駆動機構と、
前記サブマージアーク溶接中、前記鋼板の終端側領域における、隣り合う前記電極間の極間距離の少なくとも一つを、前記終端側領域より手前の領域における前記極間距離よりも縮小するよう前記駆動機構を制御する制御部と、を有し、
前記極間距離を縮小する移行領域における該極間距離を縮小するために移動する前記電極の入熱の変動が、前記移行領域の開始点の前記入熱に対して２０％以内である片面サブマージアーク溶接装置。