JP7244283B2 - ３電極片面ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被溶接材により形成された開先の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法に関し、特に板厚が２２ｍｍを超える被溶接材の溶接において、裏ビード及び表ビード形状が良好で、スパッタ発生量が少なく、溶接欠陥が無い健全な溶接金属が高能率に得られる３電極片面ガスシールドアーク溶接方法に関する。
各種溶接構造物の建造時の溶接において、合理化及び効率化のために種々の高能率溶接法が採用されている。中でも突合せ溶接の比率が高い造船や橋梁等では片面溶接が適用されている。
片面溶接方法としては、従来からサブマージアーク溶接方法が造船の板継溶接として盛んに実施されている。例えば特許文献１には片面サブマージアーク溶接装置が開示されており、特許文献２や特許文献３には、３電極または４電極を使用して片面サブマージアーク溶接する方法が開示されている。
しかし、特許文献１に開示されている片面サブマージアーク溶接装置は、実施設備が大がかりとなり、短尺溶接では煩雑で適用できない等の問題がある。
一方、短尺溶接が可能な片面ガスシールドアーク溶接方法が実用化されている。特許文献４～６には、開先裏面に裏当材を当接して先行電極にソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤ、後行電極にフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接で片面溶接する技術の開示がある。これらは被溶接材の板厚１２～２５ｍｍを２電極で片面ガスシールドアーク溶接するというものである。しかし、特許文献４～６の開示技術においても、被溶接材の板厚が２２ｍｍを超えると、裏ビードが出ない場合や裏ビードの形状が不良になる場合があり、また初層と２層目の間に融合不良が生じたり、さらに、初層に高温割れが生じる場合が多く、実際の施工においては種々の問題があった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、特に被溶接材の板厚が２２ｍｍを超える短尺から長尺の溶接において、裏ビード及び表ビード形状が良好で、スパッタ発生量が少なく、溶接欠陥が無い健全な溶接金属が高能率に得られる３電極片面ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。
本発明の要旨は、被溶接材における開先角度３０～５５°のＶまたはＹ形状の開先裏面に裏当材を当接して３電極片面ガスシールドアーク溶接する３電極片面ガスシールドアーク溶接方法であって、該開先内に鋼粒を被溶接材板厚の１／５～１／２の高さまで充填し、先行電極ワイヤと中間電極ワイヤとの電極間距離、及び中間電極ワイヤと後行電極ワイヤとの電極間距離をそれぞれ８０～３００ｍｍとし、先行電極ワイヤの溶接電流密度を２５０Ａ／ｍｍ2以上、中間電極ワイヤの溶接電流密度を２２０Ａ／ｍｍ2以上及び後行電極ワイヤの溶接電流密度を２００Ａ／ｍｍ2以上とし、かつ先行電極ワイヤの揺動を６５～１１５回／分、中間電極ワイヤと後行電極ワイヤの揺動をそれぞれ３０～９０回／分で溶接することを特徴とする。
また、先行電極ワイヤはソリッドワイヤ、中間電極ワイヤはワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計が１質量％以下であるメタル系フラックス入りワイヤ、後行電極ワイヤはワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計を４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤを用いることを特徴とする。
さらに、中間電極ワイヤの極性はワイヤマイナスであることも特徴とする３電極片面ガスシールドアーク溶接方法にある。
本発明の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法によれば、特に被溶接材の板厚が２２ｍｍを超える短尺から長尺の溶接において、裏ビード及び表ビード形状が良好で、スパッタ発生量が少なく、融合不良やスラグ巻き込みなどの溶接欠陥が無い健全な溶接金属が高能率に得られる。
本発明者らは、上記課題を解決するために、板厚が２２ｍｍを超える被溶接材の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法について、裏ビード及び表ビード形状が良好で、スパッタ発生量が少なく、融合不良やスラグ巻き込み等の溶接欠陥が無い健全な溶接金属を高能率に得るべく詳細に検討した。
図１は、本発明を適用した３電極片面ガスシールドアーク溶接方法に用いる被溶接材の開先部を示す。被溶接材１の裏面１ａに裏当材２を当接し、被溶接材１を開先角度θの開先とし鋼粒３を開先底部４に充填する。なお、Ｇはギャップを示す。
前記被溶接材１を用いて種々検討した結果、被溶接材１の裏面１ａに裏当材２を当接し、開先角度θ、鋼粒充填高さ、電極間距離、各電極の溶接電流密度及び各電極の揺動回数を限定することによって、裏ビード及び表ビード形状が良好で、スパッタ発生量が少なく、融合不良やスラグ巻き込み等の溶接欠陥が無い健全な溶接金属が高能率に得られることを見出した。
また、先行電極ワイヤ、中間電極ワイヤ及び後行電極ワイヤの種類及びスラグ形成剤の量を限定することによって、裏ビード及び表ビードの形状、耐欠陥性がさらに良好で、中間電極の極性をワイヤマイナスとすることによって、さらにスパッタ発生量が少なくなることも見出した。
以下、本発明の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法の各限定理由について詳細に説明する。
［開先角度３０～５５°のＶまたはＹ形状の開先］
被溶接材１の開先角度θを３０～５５°とすることによって、裏ビードが均一で形状も良好となる。開先角度θが３０°未満である場合、裏ビードが出ないかビード形状が不均一で不良となる。また開先角度θが３０°未満である場合には、高温割れも生じやすくなる。一方、被溶接材１の開先角度θが５５°を超えると、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じやすくなる。また被溶接材１の開先角度θが５５°を超えると、開先断面積が大きくなるので３電極1パス溶接で片面ガスシールドアーク溶接するのが困難となる。したがって、被溶接材１の開先角度θは３０～５５°とする。
被溶接材１の開先角度θを３０～５５°とすることによって、裏ビードが均一で形状も良好となる。開先角度θが３０°未満である場合、裏ビードが出ないかビード形状が不均一で不良となる。また開先角度θが３０°未満である場合には、高温割れも生じやすくなる。一方、被溶接材１の開先角度θが５５°を超えると、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じやすくなる。また被溶接材１の開先角度θが５５°を超えると、開先断面積が大きくなるので３電極1パス溶接で片面ガスシールドアーク溶接するのが困難となる。したがって、被溶接材１の開先角度θは３０～５５°とする。
なお、開先底部にギャップＧを設ける場合は５ｍｍ以下とする。ギャップＧが５ｍｍを超えると、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じやすくなる。また、Ｙ開先の場合のルートフェイスは３ｍｍ以下とする。ルートフェイスが３ｍｍを超えると、裏ビードが均一に出なくなりやすい。さらに、開先面に仮付けをする場合は、裏ビードを安定して出すために被溶接材１の裏面１ａから７ｍｍ以下とすることが好ましい。
裏当材２は、セラミック固形裏当材を使用するのがマグネットや拘束治具を用いる必要がないので好ましいが、ガラステープ併用の銅板裏当材またはフラックス銅裏当材を用いても同様の効果が得られる。
［鋼粒を被溶接材板厚の１／５～１／２まで充填］
鋼粒３を被溶接材の１／５～１／２まで開先内に充填することによって、アークが安定して裏ビードが均一で形状も良好となる。鋼粒３の開先内への充填が被溶接材１における板厚ｔの１／５未満であると、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じやすくなる。一方、鋼粒３の開先内への充填が被溶接材１における板厚ｔの１／２を超えると、裏ビードが出ないか裏ビード形状が不良となる。
鋼粒３を被溶接材の１／５～１／２まで開先内に充填することによって、アークが安定して裏ビードが均一で形状も良好となる。鋼粒３の開先内への充填が被溶接材１における板厚ｔの１／５未満であると、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じやすくなる。一方、鋼粒３の開先内への充填が被溶接材１における板厚ｔの１／２を超えると、裏ビードが出ないか裏ビード形状が不良となる。
なお、鋼粒３の粒度は、粒径１．５ｍｍ以下であることがアークの安定性及び裏ビードの形状を良好にすることから好ましい。また、成分は主にＦｅからなるが、耐割れ性から鋼粒３の全質量に対する質量％でＣは０．１０質量％以下、Ｓ及びＰは０．０２０質量％以下が好ましく、他の成分は、溶接金属の強度及び靭性を考慮してＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、その他脱酸剤や合金剤を含有させることもできる。以上の粒度と成分を満足すれば、各種サイズの鋼ワイヤをカットした粒状体でもよい。
［先行電極ワイヤと中間電極ワイヤとの電極間距離、及び中間電極ワイヤと後行電極ワイヤとの電極間距離をそれぞれ８０～３００ｍｍ］
先行電極ワイヤ（以下、Ｌ極という。）と中間電極ワイヤ（以下、Ｔ１極という。）の電極間距離が８０～３００ｍｍであると、Ｌ極及びＴ１極のアークが安定しスパッタ発生量が少なくなり、また裏ビードが均一で形状も良好となる。Ｌ極とＴ１極の電極間距離が８０ｍｍ未満であると、Ｌ極及びＴ１極のアークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｌ極とＴ１極の電極間距離が３００ｍｍを超えると、溶接装置が大きくなるので好ましくない。したがって、先行電極ワイヤと中間電極ワイヤの電極間距離は、８０～３００ｍｍとする。
先行電極ワイヤ（以下、Ｌ極という。）と中間電極ワイヤ（以下、Ｔ１極という。）の電極間距離が８０～３００ｍｍであると、Ｌ極及びＴ１極のアークが安定しスパッタ発生量が少なくなり、また裏ビードが均一で形状も良好となる。Ｌ極とＴ１極の電極間距離が８０ｍｍ未満であると、Ｌ極及びＴ１極のアークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｌ極とＴ１極の電極間距離が３００ｍｍを超えると、溶接装置が大きくなるので好ましくない。したがって、先行電極ワイヤと中間電極ワイヤの電極間距離は、８０～３００ｍｍとする。
Ｔ１極と後行電極ワイヤ（以下、Ｔ２極という。）の電極間距離が８０～３００ｍｍであると、特にＴ１極のアークが安定してスパッタ発生量が少なくなる。Ｔ１極とＴ２極の電極間距離が８０ｍｍ未満であると、Ｔ１極のアークが不安定となりスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｔ１極とＴ２極の電極間距離が３００ｍｍを超えると、溶接装置が大きくなるので好ましくない。したがって、中間電極ワイヤと後行電極ワイヤとの電極間距離は、８０～３００ｍｍとする。
［先行電極ワイヤの電流密度：２５０Ａ／ｍｍ2以上］
Ｌ極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、裏ビードが均一でビード形状も良好となる。Ｌ極の電流密度が２５０Ａ／ｍｍ2未満であると、裏ビード形状が不良となる。なお、Ｌ極の電流密度の上限は、耐割れ性から３５０Ａ／ｍｍ2であることが好ましい。また、Ｌ極のワイヤ径は、ワイヤ断面積当たりの溶接電流密度が高いことと耐割れ性から１．４～１．６ｍｍであることが好ましい。
Ｌ極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、裏ビードが均一でビード形状も良好となる。Ｌ極の電流密度が２５０Ａ／ｍｍ2未満であると、裏ビード形状が不良となる。なお、Ｌ極の電流密度の上限は、耐割れ性から３５０Ａ／ｍｍ2であることが好ましい。また、Ｌ極のワイヤ径は、ワイヤ断面積当たりの溶接電流密度が高いことと耐割れ性から１．４～１．６ｍｍであることが好ましい。
［中間極ワイヤの電流密度：２２０Ａ／ｍｍ2以上］
Ｔ１極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、Ｌ極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ１極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ2未満であると、Ｌ極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。
Ｔ１極の電流密度を２２０Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、Ｌ極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ１極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ2未満であると、Ｌ極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。
なお、Ｔ１極の電流密度の上限は、スパッタ発生量の抑制から３２０Ａ／ｍｍ2以下であることが好ましい。また、Ｔ１極のワイヤ径は、ワイヤ断面積当たりの溶接電流密度が比較的高くアークを安定にするために１．２～１．６ｍｍであることが好ましい。
［後行極ワイヤの電流密度：２００Ａ／ｍｍ2以上］
Ｔ２極の電流密度を２００Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、Ｔ１極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ２極の電流密度が２００Ａ／ｍｍ2未満であると、Ｔ１極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。
Ｔ２極の電流密度を２００Ａ／ｍｍ2以上にすることによって、Ｔ１極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ２極の電流密度が２００Ａ／ｍｍ2未満であると、Ｔ１極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。
なお、Ｔ２極の電流密度の上限は、表ビードの形状を良好にすることから３００Ａ／ｍｍ2以下であることが好ましい。また、Ｔ２極のワイヤ径は、表ビード形状を良好にするために１．２～１．６ｍｍであることが好ましい。
［先行電極ワイヤの揺動：６５～１１５回／分］
Ｌ極の揺動を６５～１１５回／分とすることによって、裏ビードが均一に出てビード形状も良好となる。Ｌ極の揺動が６５回／分未満であると、裏ビードの波形が粗くなり良好な裏ビードが得られない。一方、Ｌ極の揺動が１１５回／分を超えると、アークが不安定になり良好な裏ビードが得られない。
Ｌ極の揺動を６５～１１５回／分とすることによって、裏ビードが均一に出てビード形状も良好となる。Ｌ極の揺動が６５回／分未満であると、裏ビードの波形が粗くなり良好な裏ビードが得られない。一方、Ｌ極の揺動が１１５回／分を超えると、アークが不安定になり良好な裏ビードが得られない。
なお、揺動回数は、Ｌ極の一往復動を１回とする。また、Ｌ極の揺動幅（オシレート幅）は、良好な裏ビードを得るために３～５ｍｍであることが好ましい。
［中間電極ワイヤの揺動：３０～９０回／分］
Ｔ１極の揺動を３０～９０回／分とすることによって、Ｌ極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ１極の揺動が３０回／分未満であると、Ｌ極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。一方、Ｔ１極の揺動が９０回／分を超えると、アークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。
Ｔ１極の揺動を３０～９０回／分とすることによって、Ｌ極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かして融合不良が生じることを防止できる。Ｔ１極の揺動が３０回／分未満であると、Ｌ極の溶接金属の開先止端部に融合不良が生じやすくなる。一方、Ｔ１極の揺動が９０回／分を超えると、アークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。
なお、Ｔ１極の揺動幅は、Ｌ極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かすために６～１０ｍｍであることが好ましい。
［後行電極ワイヤの揺動：３０～９０回／分］
Ｔ２極の揺動を３０～９０回／分とすることによって、表ビードの形状が良好となる。Ｔ２極の揺動が３０回／分未満であると、表ビードの波形が粗くなりビード形状が不良となる。一方、Ｔ２極の揺動が９０回／分を超えると、アークが不安定になり表ビードの形状が不良となる。
Ｔ２極の揺動を３０～９０回／分とすることによって、表ビードの形状が良好となる。Ｔ２極の揺動が３０回／分未満であると、表ビードの波形が粗くなりビード形状が不良となる。一方、Ｔ２極の揺動が９０回／分を超えると、アークが不安定になり表ビードの形状が不良となる。
なお、Ｔ２極の揺動幅は、Ｔ１極の溶接金属の開先止端部を完全に溶かすために６～１０ｍｍであることが好ましい。
［先行電極ワイヤ：ソリッドワイヤ］
Ｌ極をソリッドワイヤとすることによって、裏ビードが出やすくビード形状が安定するのでより好ましい。Ｌ極にメタル系フラックス入りワイヤを用いた場合、良好な裏ビード形状が得られる条件範囲がやや狭くなる。また、Ｌ極にルチール系フラックス入りワイヤを用いた場合、裏ビードが出なくなるかビード形状が不良となりやすくなる。したがって先行電極ワイヤは、ソリッドワイヤとすることが好ましいが、これに限定されるものではない。
Ｌ極をソリッドワイヤとすることによって、裏ビードが出やすくビード形状が安定するのでより好ましい。Ｌ極にメタル系フラックス入りワイヤを用いた場合、良好な裏ビード形状が得られる条件範囲がやや狭くなる。また、Ｌ極にルチール系フラックス入りワイヤを用いた場合、裏ビードが出なくなるかビード形状が不良となりやすくなる。したがって先行電極ワイヤは、ソリッドワイヤとすることが好ましいが、これに限定されるものではない。
なお、ソリッドワイヤ成分は、ワイヤ全質量に対して、Ｃを耐割れ性から０．１０質量％以下、Ｓｉを脱酸剤及びビード形状の改善から０．５～１．５質量％、Ｍｎを脱酸剤、耐割れ性及び機械的性能から１．５～２．５質量％、Ｔｉを溶接金属の靭性確保から０．１～０．５質量％含むことが好ましい。さらに、溶接金属の強度確保からＭｏを１．５質量％以下、溶接金属の靭性確保からＢを０．０１質量％以下含むことも好ましい。
［中間電極ワイヤ：スラグ形成剤の合計がワイヤ全質量に対して１質量％以下のメタル系フラックス入りワイヤ］
Ｔ１極は、アークが最も不安定になりやすいので、酸化物及び弗素化合物からなるスラグ形成剤の合計をワイヤ全質量に対して１質量％以下のメタル系フラックス入りワイヤを用いることが好ましい。酸化物及び弗素化合物からなるスラグ形成剤の合計が１％を超えると、スラグ生成量が多くなって、Ｔ２極でスラグを完全に溶融できない場合がありスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。一方、Ｔ１極にソリッドワイヤを用いると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。したがって、中間電極ワイヤは、スラグ形成剤の合計がワイヤ全質量に対して１質量％以下のメタル系フラックス入りワイヤとされていることが好ましいが、これに限定されるものではない。
Ｔ１極は、アークが最も不安定になりやすいので、酸化物及び弗素化合物からなるスラグ形成剤の合計をワイヤ全質量に対して１質量％以下のメタル系フラックス入りワイヤを用いることが好ましい。酸化物及び弗素化合物からなるスラグ形成剤の合計が１％を超えると、スラグ生成量が多くなって、Ｔ２極でスラグを完全に溶融できない場合がありスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。一方、Ｔ１極にソリッドワイヤを用いると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。したがって、中間電極ワイヤは、スラグ形成剤の合計がワイヤ全質量に対して１質量％以下のメタル系フラックス入りワイヤとされていることが好ましいが、これに限定されるものではない。
なお、スラグ形成剤は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどの酸化物と、ＮａＦ、ＡｌＦ3、Ｎａ3ＡｌＦ6、Ｎａ2ＳｉＦ6等の弗素化合物の合計をいう。メタル系フラックス入りワイヤのその他は、金属Ｓｉ，Ｆｅ－Ｓｉ、金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｔｉ、Ｆｅ－Ａｌ、Ａｌ－Ｍｇ、鉄粉等の金属及び合金粉である。
［後行電極ワイヤ：ワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計を４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤ］
Ｔ２極は、表ビードの形状を良好にするためにスラグ形成剤の合計をワイヤ全質量に対して４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤを用いることが好ましい。スラグ形成剤の合計が４質量％未満であると、スラグ被包性が悪くなり表ビードの形状が不良となる。一方、スラグ形成剤の合計が９質量％を超えると、スラグ生成量が多くなってスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。したがって、後行電極ワイヤは、ワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計を４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤとされていることが好ましいが、これに限定されるものではない。
Ｔ２極は、表ビードの形状を良好にするためにスラグ形成剤の合計をワイヤ全質量に対して４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤを用いることが好ましい。スラグ形成剤の合計が４質量％未満であると、スラグ被包性が悪くなり表ビードの形状が不良となる。一方、スラグ形成剤の合計が９質量％を超えると、スラグ生成量が多くなってスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。したがって、後行電極ワイヤは、ワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計を４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤとされていることが好ましいが、これに限定されるものではない。
なお、スラグ形成剤は、ＴｉＯ2を３～６質量％含み、その他はＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどの酸化物と、ＮａＦ、ＡｌＦ3、Ｎａ3ＡｌＦ6、Ｎａ2ＳｉＦ6等の弗素化合物の合計をいう。また、ルチール系フラックス入りワイヤには、溶接金属の強度及び靭性を調整するために、前記酸化物及び弗素化合物の他、金属Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ、金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｔｉ、Ｆｅ－Ａｌ、Ａｌ－Ｍｇ、鉄粉等の金属及び合金粉を含む。
［中間電極ワイヤの極性はワイヤマイナス］
ガスシールドアーク溶接の電極の極性は、一般的に溶接作業性が良好で溶け込み深さが得られるワイヤプラス（以下、ＤＣＥＰという。）が用いられるが、本発明の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法においては、Ｔ１極でアークが不安定でスパッタ発生量が多くなるので、Ｔ１極の極性はワイヤマイナス（以下、ＤＣＥＮという。）としてアークを安定させスパッタ発生量を抑制することが好ましい。
ガスシールドアーク溶接の電極の極性は、一般的に溶接作業性が良好で溶け込み深さが得られるワイヤプラス（以下、ＤＣＥＰという。）が用いられるが、本発明の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法においては、Ｔ１極でアークが不安定でスパッタ発生量が多くなるので、Ｔ１極の極性はワイヤマイナス（以下、ＤＣＥＮという。）としてアークを安定させスパッタ発生量を抑制することが好ましい。
なお、本発明を適用した３電極片面ガスシールドアーク溶接方法において使用するシールドガスはＣＯ2ガス等である。
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
表１に示す成分の鋼板を表６及び表７に示すＶまたはＹ開先に加工してセラミック固形裏当材を開先裏面に当接して表２に示す成分鋼粒を開先内に充填して、表３に示すソリッドワイヤ、表４に示すメタル系フラックス入りワイヤ及び表５に示すルチール系フラックス入りワイヤを用いて、表６及び表７に示す各種条件で３電極片面ガスシールドアーク溶接を実施した。なお、シールドガスは炭酸ガスを用い、流量は各電極５０リットル／分とした。試験体の長さは１５００ｍｍとした。なお、表６、７において、先行電極ワイヤ（Ｌ）と中間電極ワイヤ（Ｔ１）との電極間距離は、Ｔ１の欄に、中間電極ワイヤ（Ｔ１）と後行電極ワイヤ（Ｔ２）との電極間距離は、Ｔ１の欄に、それぞれ記載している。
調査項目は、各電極のアークの安定性とスパッタ発生量、裏ビード及び表ビード形状を調査した後、Ｘ線透過試験を実施して溶接欠陥の有無を調査した。なお、欠陥があった試験は欠陥箇所を切断して欠陥の発生位置及び欠陥の種類を調査した。それらの結果を表８に示す。
表６及び表８中試験Ｎｏ．１～試験Ｎｏ．９は本発明例、表７及び表８中試験Ｎｏ．１０～試験Ｎｏ．２０は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１、試験Ｎｏ．２及び試験Ｎｏ．６～試験Ｎｏ．９は、開先角度、鋼粒充填高さ、Ｌ極とＴ１極の電極間距離、Ｔ１極とＴ２極の電極間距離、Ｌ極の電流密度と揺動回数、Ｔ１極の電流密度と揺動回数及びＴ２極の電流密度と揺動回数が本発明において規定した範囲内であり、Ｌ極にソリッドワイヤ、Ｔ１極にスラグ形成剤の合計を適量含むメタル系フラックス入りワイヤ及びＴ２極にスラグ形成剤の合計が適量なルチール系フラックス入りワイヤを用い、Ｔ１極の極性がＤＣＥＮであるので、各電極ともアークが安定してスパッタ発生量が少なく、裏ビード及び表ビードの形状が良好で溶接欠陥がなく、極めて満足な結果であった。
なお、試験Ｎｏ．３は、Ｌ極にワイヤ記号Ｍ２のメタル系フラックス入りワイヤを用いたので、裏ビード形状がやや不安定であった。また、試験Ｎｏ．４は、Ｔ１極にワイヤ記号Ｓ２のソリッドワイヤを用いたので、Ｔ１極のスパッタ発生量がやや多かった。さらに、試験Ｎｏ．５は、Ｔ１極の極性がＤＣＥＰであるので、Ｔ１極のアークがやや不安定でスパッタ発生量がやや多かった。
また、試験Ｎｏ．１～試験Ｎｏ．９につき、別途溶接金属の機械的性能を調査した結果、引張試験（ＪＩＳ Ｚ ２２０１ Ａ２号）は板厚中央部の引張強さが５５０～６２０ＭＰａ、衝撃試験（ＪＩＳ Ｚ ２２０２ ４号）は表側表面下２ｍｍの吸収エネルギーが試験温度０℃で１００～１４０Ｊ、裏面下２ｍｍの吸収エネルギーが０℃で６０～１００Ｊ得られた。
比較例中試験Ｎｏ．１０は、開先角度θが狭いので、裏ビード形状が不均一で、高温割れも生じた。また、Ｔ１極の極性がＤＣＥＰであるので、Ｔ１極のアークがやや不安定でスパッタ発生量がやや多かった。
試験Ｎｏ．１１は、開先角度θが広いので、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じたので溶接を中止した。
試験Ｎｏ．１２は、鋼粒の充填高さが低いので、裏ビードが出すぎて溶け落ちが生じたので溶接を中止した。
試験Ｎｏ．１３は、鋼粒の充填高さが高いので、裏ビードが出なかった。また、Ｔ２極のワイヤ記号Ｆ６のルチール系フラックス入りワイヤのスラグ形成剤の合計が多いので、最終層開先部にスラグ巻き込み欠陥が生じた。
試験Ｎｏ．１４は、Ｌ極とＴ１極の電極間距離が短いので、Ｌ極及びＴ１極のアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、Ｔ１極にワイヤ記号Ｍ４のスラグ形成剤の合計が多いメタル系フラックス入りワイヤを用いたので、最終層開先部にスラグ巻き込み欠陥が生じた。
試験Ｎｏ．１５は、Ｔ１極とＴ２極の電極間距離が短いので、Ｔ１極のアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、Ｌ極にワイヤ記号Ｆ１のルチール系フラックス入りワイヤを用いたので、裏ビードの形状が不良であった。さらに、Ｔ２極にワイヤ記号Ｆ５のスラグ形成剤の少ないルチール系フラックス入りワイヤを用いたので、表ビードの形状が不良であった。
試験Ｎｏ．１６は、Ｌ極の電流密度が低いので、裏ビードが出なかった。また、Ｔ１極の揺動回数が少ないので、２層目の開先部に融合不良が生じた。さらに、Ｔ１極の極性がＤＣＥＰであるので、Ｔ１極のアークがやや不安定でスパッタ発生量がやや多かった。
試験Ｎｏ．１７は、Ｔ１極の電流密度が低いので、２層目の開先部に融合不良が生じた。また、Ｌ極にワイヤ記号Ｍ２のメタル系フラックス入りワイヤを用いたので、裏ビードが安定しなかった。
試験Ｎｏ．１８は、Ｔ２極の電流密度が低いので、最終層開先部に融合不良が生じた。また、Ｔ１極の揺動回数が多いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
試験Ｎｏ．１９は、Ｌ極の揺動回数が少ないので、裏ビードの波形が粗くなった。また、Ｔ２極の揺動回数が少ないので、表ビードの波形が粗くなった。
試験Ｎｏ．２０は、Ｌ極の揺動回数が多いので、Ｌ極のアークが不安定で裏ビード形状が不良であった。また、Ｔ２極の揺動回数が多いので、Ｔ２極のアークが不安定で表ビードの形状が不良であった。
１ 被溶接材
２ 裏当材
３ 鋼粒
４ 開先底部
２ 裏当材
３ 鋼粒
４ 開先底部
Claims (3)
- 被溶接材における開先角度３０～５５°のＶまたはＹ形状の開先裏面に裏当材を当接して３電極片面ガスシールドアーク溶接する３電極片面ガスシールドアーク溶接方法であって、
該開先内に鋼粒を被溶接材板厚の１／５～１／２の高さまで充填し、
先行電極ワイヤと中間電極ワイヤとの電極間距離、及び中間電極ワイヤと後行電極ワイヤとの電極間距離をそれぞれ８０～３００ｍｍとし、
先行電極ワイヤの溶接電流密度を２５０Ａ／ｍｍ2以上、中間電極ワイヤの溶接電流密度を２２０Ａ／ｍｍ2以上及び後行電極ワイヤの溶接電流密度を２００Ａ／ｍｍ2以上とし、
かつ先行電極ワイヤの揺動を６５～１１５回／分、中間電極ワイヤと後行電極ワイヤの揺動をそれぞれ３０～９０回／分で溶接することを特徴とする３電極片面ガスシールドアーク溶接方法。 - 先行電極ワイヤはソリッドワイヤ、中間電極ワイヤはワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計が１質量％以下であるメタル系フラックス入りワイヤ、後行電極ワイヤはワイヤ全質量に対してスラグ形成剤の合計を４～９質量％含むルチール系フラックス入りワイヤを用いることを特徴とする請求項１に記載の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法。
- 中間電極ワイヤの極性はワイヤマイナスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３電極片面ガスシールドアーク溶接方法。
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