JP6996993B2 - 片面サブマージアーク溶接方法、および片面サブマージアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、片面サブマージアーク溶接方法、およ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。片面サブマージアーク溶接方法を用いた板継溶接では、基本的に溶接開始から溶接終了まで同じ溶接施工条件で溶接する。なお、ギャップや開先精度不良などによっては溶接条件を変更する場合があるが、これは溶接品質のビード形状を良好にすることを主目的とする調整であり、大幅な溶接条件の変更はしない。

ここで、片面サブマージアーク溶接では、継手終端部に溶接金属の割れ（縦割れ）が発生しやすいという問題がある。特に、継手終端部は割れ（一般的には終端割れと称される）の発生が極めて高く、その防止策として種々の提案がされている。例えば、特許文献１には、鋼板終端手前１０００ｍｍ以上の位置から終端までの溶接を、本溶接の速度に対して７０％以下の溶接速度で行うサブマージアーク溶接方法が開示されている。

特許第６１８４３６２号公報

ところで、近年、溶接作業の効率化の観点から、サブマージアーク溶接に要する溶接時間を短縮することが求められている。特許文献１に記載の溶接方法では、終端から１０００ｍｍ以上の位置において、溶接速度を低下させるため、溶接時間が長くなり、さらなる溶接作業時間の短縮化が課題である。

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、終端部での溶接金属の割れを防止するとともに高能率で溶接を行うことができ、かつ溶接後の手直しを防止することが可能な片面サブマージアーク溶接方法、および片面サブマージアーク溶接装置を提供することである。

本発明の片面サブマージアーク溶接方法は、突き合わされた２枚の鋼板を一の面側から溶接する片面サブマージアーク溶接方法であって、前記鋼板の終端側において、本溶接の溶接速度から該本溶接の速度の８０％以下の溶接速度に低下させながら溶接する溶接速度移行区間と、該溶接速度移行区間の終点から前記鋼板の終端までを前記本溶接の速度の８０％以下の溶接速度で溶接する低溶接速度区間と、を設け、前記溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下に設定し、前記低溶接速度区間を前記鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間に設定する、ことを特徴とする。

本発明に係る片面サブマージアーク溶接方法の一態様は、前記溶接速度移行区間において、前記溶接速度は漸次減少することを特徴とする。

本発明に係る片面サブマージアーク溶接方法の一態様は、前記本溶接の総入熱をＱ（ｋＪ／ｍｍ）、前記低溶接速度区間での溶接の総入熱をＱ’（ｋＪ／ｍｍ）としたとき、Ｑ’／Ｑ＝０．６０～１．３０となるように溶接することを特徴とする。

本発明に係る片面サブマージアーク溶接方法の一態様は、２～４電極で行うことを特徴とする。

本発明の片面サブマージアーク溶接装置は、突き合わされた２枚の鋼板を一の面側から溶接する片面サブマージアーク溶接装置であって、前記溶接の溶接条件が入力されるとともに、該溶接条件に基づいて前記溶接を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記鋼板の終端側において、本溶接の溶接速度から該本溶接の速度の８０％以下の溶接速度に低下させながら溶接する溶接速度移行区間と、該溶接速度移行区間の終点から前記鋼板の終端までを前記本溶接速度の８０％以下の溶接速度で溶接する低溶接速度区間と、を設け、前記溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下、前記低溶接速度区間を前記鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間として、サブマージアーク溶接を行うことを特徴とする。

本発明の一態様に係る片面サブマージアーク溶接装置は、前記鋼板の終端位置を検知する終端位置検知手段を備えることを特徴とする。

本発明は、終端部での溶接金属の割れを防止するとともに高能率で溶接を行うことができ、かつ溶接後の手直しを防止することが可能な片面サブマージアーク溶接方法、および片面サブマージアーク溶接装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置の概略説明図である。 図２は、本発明の実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法の概略説明図である。 図３は、本発明の実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法の概略説明図である。 図４は、本発明の実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法の概略説明図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る片面サブマージアーク溶接方法は、突き合わされた２枚の鋼板を一の面側から溶接する片面サブマージアーク溶接方法である。この溶接方法は、鋼板の終端側において、本溶接の速度から、この本溶接の速度の８０％以下の溶接速度に低下させながら溶接する溶接速度移行区間と、この溶接速度移行区間の終点から鋼板終端までを本溶接速度の８０％以下の溶接速度（以下、適宜、減速溶接速度という）で溶接する低溶接速度区間と、を設けている。そして、溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下に設定し、低溶接速度区間を鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間に設定している。

本発明者らは、終端から１０００ｍｍ未満の位置において、急激に溶接速度を低下させた場合、溶接速度の低下開始位置においてビード形状が凸ビードになる場合があることを確認した。本実施形態のサブマージアーク溶接方法においては、この凸ビードの発生を抑制するために、溶接速度移行区間を設けている。また、溶接速度移行区間を設けることは、終端割れ改善にも影響を与えていると考えられる。

低溶接速度区間は、終端割れ抑制の観点から、１００ｍｍ以上とされている。また、低溶接速度区間は、溶接の効率の観点から、１０００ｍｍ未満とされている。低溶接速度区間は終端手前７００ｍｍ以下であることが好ましく、４００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、低溶接速度区間は、２００ｍｍ以上であることが好ましい。

溶接速度移行区間は、２００ｍｍ以下の場合は、凸ビード抑制の効果が得られない。また、溶接速度移行区間は、１０００ｍｍ超の場合は、溶接の効率が落ちる。したがって、溶接速度移行区間は、２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下とされている。溶接速度移行区間は、２５０ｍｍ以上が好ましい。また、溶接速度移行区間は、７００ｍｍ以下であることが好ましく、４００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

（溶接速度移行区間）
ここで、本実施形態に係る溶接速度移行区間について、図２を用いて説明する。溶接速度移行区間は、溶接条件の移行範囲である。図２に示す区間ａは本溶接速度で溶接が行われる本溶接速度区間である。区間ｂは、予め設定された終端側の低速度溶接条件で溶接が行われる低溶接速度区間である。本実施形態では、区間ｂの溶接速度は、本溶接よりも２０％以上低速の一定速度とされている。
そして、区間ａと区間ｂとの間である区間ｃは、本溶接速度から前述の区間ｂの低速度溶接条件へと移行するように溶接速度が低下する溶接速度移行区間ｃである。溶接の能率の観点から、区間ｂと区間ｃは合計で１０００ｍｍ未満であることが好ましく、８００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

次に、本発明の実施形態に係る溶接方法に用いる片面サブマージアーク溶接装置の主要部の概略および鋼板について説明する。
（溶接装置）
図１に示すように、溶接装置１００は、架台フレーム１１と、溶接機１２（溶接台車）と、溶接機ビーム１３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、断面視凹状を呈するように形成されており、上方が開放され、内部に図３、４に示す裏当装置５０ａあるいは裏当装置５０ｂが支持されている。そして、裏当装置５０ａの裏当銅板５５あるいは裏当装置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。

そして、本実施形態に係る溶接装置１００は、溶接条件を制御する制御部４を備えている。この制御部４は、溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下し、低溶接速度区間を鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間として、サブマージアーク溶接を行う制御ができる。

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、鋼板２０の溶接開先部Ｍ（図２参照）の表側から鋼板２０を溶接するものである。溶接機１２は、ここでは４本の電極（溶接トーチ）１５を備える。溶接機１２は、溶接機ビーム１３に沿って所定速度で移動しながら、溶接開先部Ｍの表側から電極１５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。電極１５はここでは４本としているが、２本以上であればよい。厚板鋼板の溶接に適用でき、また、高能率化と溶接品質とをより両立しやすくする観点から、電極は２～４本であることが好ましい。そして、本実施形態に係る溶接機１２（溶接台車）は、終端位置検知手段３を備えている。

終端位置検知手段３は、溶接機１２の架台フレーム１１から溶接方向に延在するアーム２と、このアーム２の先端側に設けられたセンサー１と、を備えている。本実施形態において、アーム２は、例えば１０００ｍｍ以下の長さとされている。この場合、溶接時に過剰に空間を必要とせず溶接を行うことができる。センサー１は、例えば磁気センサーであり、被溶接材である鋼板２０の存在を検知することができ、鋼板の終端位置を把握できるようになっている。具体的には、溶接を開始して、センサー１の下方に鋼板２０が存在しなくなった場合は、溶接を制御している制御部４に終端位置情報を知らせる。センサー１は、磁気センサーに限定されるものではなく、接触センサーなど、汎用的なセンサーを使用できる。実際の操業においては、種々のサイズの鋼板が溶接されるため、このように終端位置検知手段３を備えると、使い勝手の良い溶接装置となる。

ここで、片面サブマージアーク溶接方法とは、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、あるいは、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。多電極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３、４において、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。

鋼板２０としては、例えば造船用鋼板が挙げられ、その長さは、例えば１０～３０ｍである。図２に示すように、この鋼板２０には、鋼板２０同士を突き合わせ、溶接開先部Ｍの位置で、断続あるいは連続した面内仮付がなされている。面内仮付が断続してなされているとは、鋼板２０同士の接合箇所（溶接箇所）の全てで面内仮付がなされているのではなく、接合箇所（溶接箇所）の数箇所で面内仮付がなされていることを意味する。そして、その箇所数は溶接において特に問題が生じない範囲で設定すればよい。また、面内仮付が連続してなされているとは、鋼板２０同士の接合箇所（溶接箇所）の全てで面内仮付がなされていることを意味する。なお、連続した面内仮付がなされているものは、１層のみからなるシーリングビードと同等のものであり、２層以上からなるシーリングカスケードビードとは異なるものである。ここで、シーリングカスケードビードとは、２層以上（多層）で、かつ段状になっているものをいう。面内仮付は、従来公知の仮付溶接の方法により行えばよい。
この鋼板２０の始端３１および終端３２には、クレータを処理するためのタブ２１，２２が取り付けられている。なお、本実施形態に用いるタブ２１，２２には、スリットなどは特に設けない。なお、タブ板は、設けても設けなくても良い。また、タブ板は、例えば溶接方向に対して、長さ３００ｍｍのものを用いることができる。

鋼板２０の溶接は、鋼板２０の始端３１から終端３２にかけて行う。この溶接の際、溶接速度の速い本溶接速度では、鋼板２０の内側から外側に向けて回転変形が生じる開口変形αとなる。ここで、「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。すなわち、本発明のように、継手終端部（あるいは継手始端部）において減速溶接速度を規定しない場合の溶接速度である。本溶接速度としては、例えば、４００～１５００ｍｍ／ｍｉｎである。

本実施形態において、鋼板２０の終端３２とは、溶接が終了する側の最端部のことであり、鋼板２０とタブ２１との接続部位を意味する。
また、継手終端部とは、サブマージアーク溶接において一般的に認識されている部位であり、終端３２およびその周辺を意味する。継手終端部は、例えば鋼板２０の長さが１０～３０ｍのとき、例えば鋼板２０の終端手前１０００ｍｍの位置から終端３２までの範囲の部位とすることができる。

（溶接速度の減速後の速度率：本溶接速度に対して８０％以下）
終端３２側の所定領域において、溶接速度の減速後の速度率を本溶接速度に対して８０％以下とすることで、図２に示すように、終端３２側の所定領域は収縮変形βとなり、継手終端部の角変形が小さくなり終端割れの発生が抑制される。終端３２側の所定領域をより収縮変形にしやすくする観点から、減速後の速度率は、好ましくは７０％以下、より好ましくは６０％以下、さらに好ましくは４０％である。なお、減速後の速度率が４０％以上であれば、溶接能率を著しく阻害することがない。また、減速後の速度率が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より良好となる。

また、本溶接速度としては、具体的には、４００～１５００ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましい。本溶接速度が４００～１５００ｍｍ／ｍｉｎであれば、板厚８～４０ｍｍの範囲でより安定して溶接品質を確保することができる。したがって、本溶接速度は、４００～１５００ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。なお、好ましくは６００ｍｍ／ｍｉｎ以上、さらに好ましくは８００ｍｍ／以上である。

また、減速溶接速度は、２００ｍｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。減速溶接速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ以上であれば、溶接能率を著しく阻害することがない。また、減速溶接速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ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より良好となる。さらに、減速時の溶接速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ以上であれば、アーク持続可能な電流値を採用した場合は、表および裏ビードの溶接品質が確保できる。したがって、減速溶接速度は、２００ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましい。なお、溶接速度移行区間における、溶接速度は、漸次、減少することが好ましい。

（溶接入熱）
鋼板２０の溶接において、本溶接の総入熱をＱ（ｋＪ／ｍｍ）、低溶接速度区間での溶接の総入熱をＱ’（ｋＪ／ｍｍ）としたとき、Ｑ’／Ｑ＝０．６０～１．３０となるように溶接することが好ましい。Ｑ’／Ｑ＝１．３０以下の場合、収縮変形βを生じさせ終端割れを抑制できるとともに、余盛が過剰になることを抑制して健全な溶接金属を得ることができる。低溶接速度区間での溶接の総入熱Ｑ’が本溶接の総入熱Ｑに対して０．６０倍以上の場合、アークを良好に持続し、健全な溶接金属を得ることができる。

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３２側の所定領域をより収縮変形βにしやすくし、かつ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は各電極のことを示す。

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１５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。

減速溶接速度での溶接の総入熱は、電流、電圧、および、溶接速度のうちの１つ以上で調整することができる。すなわち、電極１５に供給する電流、電極１５に供給する電圧、溶接速度において、これらのうちいずれか１つで調整してもよく、２つあるいは３つを同時に用いて調整してもよい。

また、減速溶接速度での溶接の総入熱は、作動させる電極数を減らして調整することができる。
電極数を減らす場合は、例えば、本溶接で２～４本の電極１５を用いる場合に、作動させる電極数を１～３本に減らすことで減速溶接速度での溶接の総入熱を調整することができる。すなわち、本溶接で作動させる電極数よりも、減速溶接速度での溶接で作動させる電極数を減らして調整する。なお、作動させる電極とは、電流を供給してアークを発生させる電極を意味する。このように調整することによって、電極１５に供給する電流の制御がより容易となり、溶接能率がより向上する。

また、本発明の溶接方法は、２～４本の電極１５、すなわち２～４電極で行うことが好ましい。電極１５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１５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、本発明の溶接方法は、２～４電極で行うことが好ましい。

また、本実施形態の一態様では、例えば、鋼板の終端手前１０００ｍｍ未満の位置から溶接速度を低下させ始めることが可能である。この場合、溶接機が１０００ｍｍ未満のアーム２を有する終端位置検知手段３を備える場合であっても、終端位置を適切に検出して片面サブマージアーク溶接を行うことが可能である。すなわち、アーム２の長さを１０００ｍｍ未満にできるため、溶接作業空間を過剰に必要とせずサブマージアーク溶接を行うことが可能である。

以下、本発明の実施例について説明する
端面に斜面を形成した２枚の鋼板について、端面を相互に対向させて突合せてＹ字形開先を形成している。このＹ字形開先は、開先角が５０°、開先の深さが１７ｍｍ、ルートギャップが０ｍｍである。また、鋼板の長さは２０００ｍｍ～３０００ｍｍ、鋼板の厚さは２０ｍｍであり、この鋼板は、船級認定鋼板ＤＨ３６としている。

本実施例では、電極を２～４本備える溶接装置を用いている。表１～３に溶接の条件を示す。なお、表１は本溶接条件、表２は鋼板の終端側で低速度化された後の溶接条件であり、表に示す溶接条件以外の条件は従来公知の条件である。

以下に実施例の評価方法について示す。
（ビード形状）
ビードの外観は、目視にて観察し、特に良好なものを「◎」、良好なものを「〇」、悪いものを「×」、終端割れが生じて評価できないものは「なし」としている。
（終端割れ）
また、終端割れの「あり」、「なし」は、目視にて観察している。

表３に示すように、Ｎｏ．１～１３は、すべての評価項目において良好である。一方、Ｎｏ．１４は、溶接速度移行区間が短いため、ビード形状が凸ビードとなり、ビード形状が悪い。Ｎｏ．１５は、低溶接速度区間が短すぎるため、終端割れが生じている。Ｎｏ．１６は、低溶接速度区間の溶接速度が速いため終端割れが生じている。

以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。

１ 制御部
２ アーム
３ 終端位置検知手段
４ 制御部
１１ 架台フレーム
１２ 溶接機
１３ 溶接機ビーム
１５ 電極
２０ 鋼板
２１，２２ タブ
３１ 始端
３２ 終端
５０ａ，５０ｂ 裏当装置
５１ 表フラックス
５２ 裏当フラックス
５３ スラグ
５４ 溶接金属
５５ 裏当銅板
５６ 耐火性キャンバス
５７ フラックス袋
５８ 下敷フラックス
５９ エアホース
１００ 溶接装置
ａ 本溶接速度区間
ｂ 低溶接速度区間
ｃ 溶接速度移行区間

Claims (6)

1. 突き合わされた２枚の鋼板を一の面側から溶接する片面サブマージアーク溶接方法であって、
   前記鋼板の終端側において、
   本溶接の溶接速度から該本溶接の速度の８０％以下の溶接速度に低下させながら溶接する溶接速度移行区間と、
   該溶接速度移行区間の終点から前記鋼板の終端までを前記本溶接の速度の８０％以下の溶接速度で溶接する低溶接速度区間と、を設け、
   前記溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下に設定し、
   前記低溶接速度区間を前記鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間に設定することを特徴とする片面サブマージアーク溶接方法。
2. 前記溶接速度移行区間において、前記溶接速度は漸次減少することを特徴とする請求項１に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
3. 前記本溶接の総入熱をＱ（ｋＪ／ｍｍ）、前記低溶接速度区間での溶接の総入熱をＱ’（ｋＪ／ｍｍ）としたとき、
   Ｑ’／Ｑ＝０．６０～１．３０
   となるように溶接することを特徴とする請求項１または２に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
4. ２～４電極で行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の片面サブマージアーク溶接方法。
5. 突き合わされた２枚の鋼板を一の面側から溶接する片面サブマージアーク溶接装置であって、
   前記溶接の溶接条件が入力されるとともに、該溶接条件に基づいて前記溶接を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記鋼板の終端側において、
   本溶接の溶接速度から該本溶接の速度の８０％以下の溶接速度に低下させながら溶接する溶接速度移行区間と、
   該溶接速度移行区間の終点から前記鋼板の終端までを前記本溶接速度の８０％以下の溶接速度で溶接する低溶接速度区間と、を設け、
   前記溶接速度移行区間を２００ｍｍ超１０００ｍｍ以下、前記低溶接速度区間を前記鋼板の終端手前１００ｍｍ以上１０００ｍｍ未満の位置から終端までの区間として、サブマージアーク溶接を行うことを特徴とする片面サブマージアーク溶接装置。
6. 前記鋼板の終端位置を検知する終端位置検知手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の片面サブマージアーク溶接装置。

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