JP7327667B2 - ガスシールドアーク溶接方法、溶接継手および溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスシールドアーク溶接方法、その方法を用いて得られる溶接継手およびその溶接継手の製造方法に関する。本発明は、特に、厚鋼板のガスシールドアーク溶接の初層溶接方法に関する。
近年、建築構造物は高層化および大スパン化の傾向にあり、これに伴い建築用厚鋼板として極厚、高強度の厚鋼板が要求されている。一方で、建築物の健全性を確保するためには、鋼構造物における脆性破壊の防止が重要であり、特に溶接部の機械的特性の確保が大きな課題となっている。一般に厚鋼板の溶接では、板厚が大きくなるほど開先面積が大きくなる。このため、開先を溶着金属で充填しつつ充分な溶込みを得るために必要な溶接入熱が大きくなり、溶接部の冷却速度が低下して溶接部の機械的特性低下の原因となっている。
溶接入熱を低減するためには、多層多パス溶接による溶接入熱の低減が有効であるが、溶接パス数が増加するほど施工能率が低下する。このため、片面突合せ溶接において、溶接入熱を低くしながら溶接パス数を減らすためには、開先角度やルートギャップを小さくするなどによって、開先面積を小さくすることが重要となる。しかしながら、開先角度やルートギャップを小さくすると、開先壁の融合不良などの溶接欠陥が発生しやすくなるという課題があった。
このような課題に対して、例えば、特許文献１には、溶接トーチに対して溶接ワイヤが傾斜する機構と回転するワイヤ送給管とを有する溶接装置によって融合不良を抑制する技術が開示されている。また、特許文献２には、磁気オシレートと電流波形制御との組合せによって融合不良を抑制する技術が開示されている。これらの溶接方法は、狭開先溶接における融合不良の抑制に有効であるが、専用の特殊な装置を導入する必要がある。一方、特許文献３には、溶接線を複数区間に区切り、溶接線方向に電極をオシレートすることによって融合不良を抑制する技術が開示されている。しかしながら、この溶接方法では、溶接全長を連続的に溶接することが出来ないため、作業効率の面で課題があった。
上述のように、厚鋼板の片面突合せ溶接を実施するにあたり、従来の溶接方法では、施工能率、溶接部品質、および装置の簡易性を兼ね備えることにおいて課題があった。本発明は、厚鋼板の片面突合せ溶接において、特殊な装置等を用いることなく、優れた施工能率および優れた溶接部品質を得ることができるガスシールドアーク溶接方法における初層溶接方法、その方法を用いて溶接することにより製造される、健全性に優れた溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、ガスシールドアーク溶接を用いた厚鋼板の片面突合せ溶接において、種々の試験条件で溶接継手を製造し、溶接部品質および溶接部特性を評価した。その結果、セラミック製の裏当て材を開先の底面に適用するとともに、開先形状に応じて適正な初層溶接条件を選択することにより、優れた溶接部品質と溶接部特性が得られることを見出した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものであって、本発明の要旨は、次のとおりである。
〔１〕 厚鋼板の片面突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
初層溶接では、開先の底面にセラミック製の裏当て材を取り付け、
かつ、溶接電流Ｉ（Ａ）を２００～４５０Ａおよび溶接電圧Ｖ（Ｖ）を２５～５０Ｖとし、溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）を下記の式１の範囲内で、１パスで行う、ガスシールドアーク溶接方法。
０．４×Ｇ－１≦Ｑ≦０．６×Ｇ＋１ ・・・ （式１）
ここで、式１に示すＧはルートギャップ（ｍｍ）である。
〔２〕 前記開先の角度θを３５°以下とする、〔１〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔３〕 前記開先の角度θを２０°以下、前記ルートギャップＧ（ｍｍ）を７～１５ｍｍとする、〔１〕または〔２〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔４〕 前記初層溶接では、希土類元素（ＲＥＭ）を０．０１５～０．１００質量％含有する溶接ワイヤを用い、極性を正極性として溶接を行う、〔１〕ないし〔３〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔５〕 〔１〕ないし〔４〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法を用いて溶接された、溶接継手。
〔６〕 〔１〕ないし〔４〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法を用いた、溶接継手の製造方法。
〔１〕 厚鋼板の片面突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
初層溶接では、開先の底面にセラミック製の裏当て材を取り付け、
かつ、溶接電流Ｉ（Ａ）を２００～４５０Ａおよび溶接電圧Ｖ（Ｖ）を２５～５０Ｖとし、溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）を下記の式１の範囲内で、１パスで行う、ガスシールドアーク溶接方法。
０．４×Ｇ－１≦Ｑ≦０．６×Ｇ＋１ ・・・ （式１）
ここで、式１に示すＧはルートギャップ（ｍｍ）である。
〔２〕 前記開先の角度θを３５°以下とする、〔１〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔３〕 前記開先の角度θを２０°以下、前記ルートギャップＧ（ｍｍ）を７～１５ｍｍとする、〔１〕または〔２〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔４〕 前記初層溶接では、希土類元素（ＲＥＭ）を０．０１５～０．１００質量％含有する溶接ワイヤを用い、極性を正極性として溶接を行う、〔１〕ないし〔３〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔５〕 〔１〕ないし〔４〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法を用いて溶接された、溶接継手。
〔６〕 〔１〕ないし〔４〕のいずれか１つに記載のガスシールドアーク溶接方法を用いた、溶接継手の製造方法。
本発明によれば、厚鋼板の片面突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接方法の初層溶接で特殊な装置等を用いることなく、１パス溶接で優れた施工能率および優れた溶接部品質を得ることが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
まず、本発明のガスシールドアーク溶接方法の一実施形態について説明する。
本発明は、厚鋼板の片面突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接方法である。この溶接方法では、所定の板厚となる２枚の厚鋼板を突き合わせ、これらの厚鋼板をガスシールドアーク溶接（以下、単に「溶接」と称する場合もある。）により接合する。本発明は、この溶接方法における初層溶接を施工する際の溶接条件を規定するものである。
具体的には、初層溶接では、厚鋼板の開先の底面にセラミック製の裏当て材を取り付け、その後、溶接電流Ｉ（Ａ）を２００～４５０Ａ、溶接電圧Ｖ（Ｖ）を２５～５０Ｖ、および溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）を下記の式１の範囲内となるように（式１を満たすように）制御して、１パスで行う。
本発明の構成要件に関する実施態様について、以下、具体的に説明する。
［厚鋼板］
本発明で適用される厚鋼板は、建築物や船舶などの鉄鋼構造物に用いられる厚鋼板である。鋼板の強度としては、４９０ＭＰａ級鋼板、５５０ＭＰａ級鋼板、５９０ＭＰａ級鋼板、７８０ＭＰａ級鋼板などが例として挙げられる。
厚鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）は、好ましくは２０～１００ｍｍの範囲である。
本発明で適用される厚鋼板は、建築物や船舶などの鉄鋼構造物に用いられる厚鋼板である。鋼板の強度としては、４９０ＭＰａ級鋼板、５５０ＭＰａ級鋼板、５９０ＭＰａ級鋼板、７８０ＭＰａ級鋼板などが例として挙げられる。
厚鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）は、好ましくは２０～１００ｍｍの範囲である。
［開先角度θ］
図１には、２枚の厚鋼板を突き合わせた、厚鋼板の開先形状を説明する板厚方向断面図を示す。図１に示すように、突き合わせた厚鋼板１同士の開先面のなす角度が開先角度（開先の角度）θ（°）である。
図１には、２枚の厚鋼板を突き合わせた、厚鋼板の開先形状を説明する板厚方向断面図を示す。図１に示すように、突き合わせた厚鋼板１同士の開先面のなす角度が開先角度（開先の角度）θ（°）である。
本発明においては、突き合わせ開先角度θは、特に限定されないが、溶接効率の観点から３５°以下の狭開先とすることが好ましい。開先角度θが３５°を超えると、開先断面積が大きくなり、その結果、後続パスにおける溶接パス数が増加し、高い施工能率を得られない。開先角度θが０°未満（すなわち、開先上部が開先底部より狭くなる場合）では開先底部における融合不良が発生するため、開先角度θの下限は０°とする。
なお、希土類元素（ＲＥＭ）を添加した溶接ワイヤを用い、かつ極性を正極性とすることで、開先角度をさらに狭くすることができ、より施工能率を上げることができる。具体的には、開先角度θを０°以上２０°以下とすることがより好ましい。開先角度θは、好ましくは０°以上１０°以下とする。
［ルートギャップＧ］
図１に示すように、本発明では、突き合わせた厚鋼板１の開先部分の最も狭い下部隙間であるルートギャップを、Ｇ（ｍｍ）で表わしている。開先角度θを０°以上２０°以下とする場合には、本発明におけるルートギャップＧを７～１５ｍｍとすることが好ましい。Ｇが７ｍｍ未満では、開先内に電極を挿入することができず、一方、Ｇが１５ｍｍを超えると１パス溶接で初層溶接を行うことが困難になるからである。Ｇは、より好ましくは８ｍｍ以上であり、より好ましくは１４ｍｍ以下である。
図１に示すように、本発明では、突き合わせた厚鋼板１の開先部分の最も狭い下部隙間であるルートギャップを、Ｇ（ｍｍ）で表わしている。開先角度θを０°以上２０°以下とする場合には、本発明におけるルートギャップＧを７～１５ｍｍとすることが好ましい。Ｇが７ｍｍ未満では、開先内に電極を挿入することができず、一方、Ｇが１５ｍｍを超えると１パス溶接で初層溶接を行うことが困難になるからである。Ｇは、より好ましくは８ｍｍ以上であり、より好ましくは１４ｍｍ以下である。
［セラミック製の裏当て材］
本発明にかかるガスシールドアーク溶接においては、溶け落ちを防止するための裏当て材として溶接後に取り外しが可能なセラミック製の裏当て材を使用する。セラミック製の裏当て材としては、溶け落ちを防止し、裏波ビードを形成できるものであれば、特に限定する必要は無い。セラミック製の裏当て材は、例えば、質量％で、ＳｉＯ2：３０～７０％、Ａｌ2Ｏ3：１０～５０％、ＭｇＯ：３～２０％の組成のものが使用できる。さらに、セラミック製裏当て材の上にガラス繊維を積層したものも使用することができる。
本発明にかかるガスシールドアーク溶接においては、溶け落ちを防止するための裏当て材として溶接後に取り外しが可能なセラミック製の裏当て材を使用する。セラミック製の裏当て材としては、溶け落ちを防止し、裏波ビードを形成できるものであれば、特に限定する必要は無い。セラミック製の裏当て材は、例えば、質量％で、ＳｉＯ2：３０～７０％、Ａｌ2Ｏ3：１０～５０％、ＭｇＯ：３～２０％の組成のものが使用できる。さらに、セラミック製裏当て材の上にガラス繊維を積層したものも使用することができる。
なお、セラミック製の裏当て材を用いる理由は、次の通りである。母材と裏当て材の間に隙間が存在すると該隙間が応力集中部となり疲労亀裂や脆性破壊の起点となるが、セラミック製の裏当て材を使って裏波ビードを形成させることで母材と裏当て材の間の隙間を無くすことが可能だからである。
［溶接電流Ｉ］
初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）が２００Ａより低いとアーク圧力が低くなり、開先底部が溶けにくくなる。一方、初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）が４５０Ａより高いと溶接ワイヤの送給性が不安定になり、溶接が不安定となる。そのため、初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）は、２００～４５０Ａとする。上記溶接電流Ｉ（Ａ）は、好ましくは、２００～３５０Ａである。
初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）が２００Ａより低いとアーク圧力が低くなり、開先底部が溶けにくくなる。一方、初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）が４５０Ａより高いと溶接ワイヤの送給性が不安定になり、溶接が不安定となる。そのため、初層溶接の溶接電流Ｉ（Ａ）は、２００～４５０Ａとする。上記溶接電流Ｉ（Ａ）は、好ましくは、２００～３５０Ａである。
［溶接電圧Ｖ］
また、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）が２５Ｖより低いと安定してアークを維持することが出来ず、溶接が不安定になるとともに溶接ビードが凸形状になりやすい。一方、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）が５０Ｖより高いとアーク圧力が低くなり、開先底部が溶けにくくなる。そのため、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）は、２５～５０Ｖとする。上記溶接電圧Ｖ（Ｖ）は、好ましくは、２８～４０Ｖであり、より好ましくは３０～４０Ｖである。
また、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）が２５Ｖより低いと安定してアークを維持することが出来ず、溶接が不安定になるとともに溶接ビードが凸形状になりやすい。一方、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）が５０Ｖより高いとアーク圧力が低くなり、開先底部が溶けにくくなる。そのため、初層溶接の溶接電圧Ｖ（Ｖ）は、２５～５０Ｖとする。上記溶接電圧Ｖ（Ｖ）は、好ましくは、２８～４０Ｖであり、より好ましくは３０～４０Ｖである。
［溶接速度Ｓ］
初層溶接の溶接速度Ｓの範囲は、５０～３００ｍｍ／ｍｉｎが好ましい。溶接速度Ｓが遅すぎると、開先底部の溶込みが減少する。一方、溶接速度Ｓが速すぎると、アンダーカットが発生しやすくなる。上記溶接速度Ｓは、より好ましくは、１００ｍｍ／ｍｉｎ以上２５０ｍｍ／ｍｉｎ以下である。上記溶接速度Ｓは、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとのバランスにより、この範囲で適宜選定することができる。
初層溶接の溶接速度Ｓの範囲は、５０～３００ｍｍ／ｍｉｎが好ましい。溶接速度Ｓが遅すぎると、開先底部の溶込みが減少する。一方、溶接速度Ｓが速すぎると、アンダーカットが発生しやすくなる。上記溶接速度Ｓは、より好ましくは、１００ｍｍ／ｍｉｎ以上２５０ｍｍ／ｍｉｎ以下である。上記溶接速度Ｓは、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとのバランスにより、この範囲で適宜選定することができる。
［溶接入熱Ｑ］
さらに、初層溶接の溶接入熱が低すぎると、開先底部が溶けにくくなる。一方、初層溶接の溶接入熱が高すぎると、溶接金属の幅に対して溶接金属の高さが相対的に大きくなり、溶接金属の高温割れが起きやすくなる。そのため、ルートギャップＧ（ｍｍ）と溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）の関係が、下記の式１を満たすように初層溶接の溶接入熱Ｑを設定する。
０．４×Ｇ－１≦Ｑ≦０．６×Ｇ＋１ ・・・ （式１）
ここで、式１に示す「Ｇ」はルートギャップ（ｍｍ）である。
さらに、初層溶接の溶接入熱が低すぎると、開先底部が溶けにくくなる。一方、初層溶接の溶接入熱が高すぎると、溶接金属の幅に対して溶接金属の高さが相対的に大きくなり、溶接金属の高温割れが起きやすくなる。そのため、ルートギャップＧ（ｍｍ）と溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）の関係が、下記の式１を満たすように初層溶接の溶接入熱Ｑを設定する。
０．４×Ｇ－１≦Ｑ≦０．６×Ｇ＋１ ・・・ （式１）
ここで、式１に示す「Ｇ」はルートギャップ（ｍｍ）である。
なお、式１に示す溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）の値は、Ｉ：溶接電流（Ａ）、Ｖ：溶接電圧（Ｖ）、Ｓ：溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、〔Ｉ×Ｖ×６０／Ｓ／１０００〕の式から求めることができる。本発明における溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）は、上記の式１を満足し、かつ１～１２ｋＪ／ｍｍとすることがより好ましい。
上記の式１に示すＱは、（０．４×Ｇ－０．５）以上とすることが好ましく、（０．６×Ｇ＋０．５）以下とすることが好ましい。
上記の式１に示すＱは、（０．４×Ｇ－０．５）以上とすることが好ましく、（０．６×Ｇ＋０．５）以下とすることが好ましい。
［溶接時の極性］
溶接時（初層溶接時）の極性は、正極性（鋼材をプラス極とし、溶接ワイヤをマイナス極として接続すること）および逆極性（鋼材をマイナス極とし、溶接ワイヤをプラス極として接続すること）のいずれも選択することができる。しかし、開先角度θが小さく、ルートギャップＧが小さい場合には、アークが開先面に向かいやすくなり開先底部が溶けにくくなる。そのため、溶接時の極性を正極性にし、かつ、後述のＲＥＭ添加ワイヤ（溶接ワイヤ）を用いて溶接することで、アークが開先底部に集中しやすくなり安定して開先底部を溶融できるため好ましい。
溶接時（初層溶接時）の極性は、正極性（鋼材をプラス極とし、溶接ワイヤをマイナス極として接続すること）および逆極性（鋼材をマイナス極とし、溶接ワイヤをプラス極として接続すること）のいずれも選択することができる。しかし、開先角度θが小さく、ルートギャップＧが小さい場合には、アークが開先面に向かいやすくなり開先底部が溶けにくくなる。そのため、溶接時の極性を正極性にし、かつ、後述のＲＥＭ添加ワイヤ（溶接ワイヤ）を用いて溶接することで、アークが開先底部に集中しやすくなり安定して開先底部を溶融できるため好ましい。
［溶接ワイヤ］
溶接ワイヤの成分は、質量基準（質量％）で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～１．００％、Ｍｎ：０．８０～２．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である溶接ワイヤが挙げられる。なお、特に断わらない限り、質量％は単に「％」と記す。
溶接ワイヤの成分は、質量基準（質量％）で、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～１．００％、Ｍｎ：０．８０～２．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である溶接ワイヤが挙げられる。なお、特に断わらない限り、質量％は単に「％」と記す。
Ｃ：０．０５～０．１５％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために重要な元素であり、さらに溶鋼の粘性を低下させて流動性を向上する効果がある。Ｃ含有量が０．０５％未満では、このような効果は得られない。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、溶滴および溶融プールの挙動が不安定となるのみならず、溶接金属の靭性低下を招く。したがって、Ｃ含有量は０．０５～０．１５％が好ましい。Ｃ含有量は、より好ましくは０．０５～０．１０％である。
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために重要な元素であり、さらに溶鋼の粘性を低下させて流動性を向上する効果がある。Ｃ含有量が０．０５％未満では、このような効果は得られない。一方、Ｃ含有量が０．１５％を超えると、溶滴および溶融プールの挙動が不安定となるのみならず、溶接金属の靭性低下を招く。したがって、Ｃ含有量は０．０５～０．１５％が好ましい。Ｃ含有量は、より好ましくは０．０５～０．１０％である。
Ｓｉ：０．１０～１．００％
Ｓｉは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。さらに正極性溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴の移行回数を増大させる作用を有する。Ｓｉ含有量が０．１０％未満では、このような効果は得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．００％を超えると、アークが不安定となりスパッタが増加する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０～１．００％が好ましい。Ｓｉ含有量は、より好ましくは０．３０～１．００％である。
Ｓｉは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。さらに正極性溶接におけるアークの広がりを抑え、溶滴の移行回数を増大させる作用を有する。Ｓｉ含有量が０．１０％未満では、このような効果は得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．００％を超えると、アークが不安定となりスパッタが増加する。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０～１．００％が好ましい。Ｓｉ含有量は、より好ましくは０．３０～１．００％である。
Ｍｎ：０．８０～２．６０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。Ｍｎ含有量が０．８０％未満では、脱酸が不足して溶接金属にブロー欠陥が発生する。一方、Ｍｎ含有量が２．６０％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．８０～２．６０％が好ましい。Ｍｎ含有量は、より好ましくは１．００～２．００％である。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な元素である。Ｍｎ含有量が０．８０％未満では、脱酸が不足して溶接金属にブロー欠陥が発生する。一方、Ｍｎ含有量が２．６０％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．８０～２．６０％が好ましい。Ｍｎ含有量は、より好ましくは１．００～２．００％である。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐ含有量が０．０３０％を超えると、正極性炭酸ガスシールドアーク溶接においては溶鋼の粘性を低下させアークが不安定となり、小粒のスパッタが増加する。しかも、溶接金属に高温割れが発生する危険性が増大する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下が好ましい。Ｐ含有量は、より好ましくは０．０２０％以下である。
Ｐ含有量が０．０３０％を超えると、正極性炭酸ガスシールドアーク溶接においては溶鋼の粘性を低下させアークが不安定となり、小粒のスパッタが増加する。しかも、溶接金属に高温割れが発生する危険性が増大する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下が好ましい。Ｐ含有量は、より好ましくは０．０２０％以下である。
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓ含有量が０．０３０％を超えると、小粒のスパッタが増加するとともに、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下が好ましい。Ｓ含有量は、より好ましくは０．０２０％以下である。
Ｓ含有量が０．０３０％を超えると、小粒のスパッタが増加するとともに、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下が好ましい。Ｓ含有量は、より好ましくは０．０２０％以下である。
本発明では、これらの成分に、希土類元素（ＲＥＭ）を添加した溶接ワイヤを用い、極性を正極性として溶接を行う。これにより、溶滴がスプレー移行となり、開先面へのスパッタの付着を抑制することができ、さらに開先角度が小さく、かつルートギャップが小さい開先でも開先面へのアーク発生を抑制し、安定的に開先底部を溶融することが可能となる。その結果、さらなる開先面積の縮小、施工能率の向上が可能となる。
ＲＥＭとしては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅなどの元素が挙げられる。溶接ワイヤへのＲＥＭ含有量の合計量が過少の場合、上記の効果は得られない。ＲＥＭ含有量が過多の場合、溶接ワイヤの製造工程で割れが生じることがある。ＲＥＭ含有量が０．０１５％未満では、上記の効果は得られない。ＲＥＭ含有量が０．１００％を超えると、アークの安定化を阻害し、溶接ワイヤの溶融速度の低下を招く。そのため、ＲＥＭ含有量は、ＲＥＭに含まれる各元素の合計で０．０１５～０．１００％とすることが好ましい。ＲＥＭ含有量は、より好ましくは０．０２０～０．０５０％である。
以上より、本発明の溶接に好適に用いられる溶接ワイヤは、質量％で、ＲＥＭ：０．０１５～０．１００％、Ｃ：０．０５～０．１５％、Ｓｉ：０．１０～１．００％、Ｍｎ：０．８０～２．６０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成とする。
さらに、本発明における溶接ワイヤは、種々の規格のワイヤを用いることができる。例えば、ＪＩＳ Ｚ ３３１２で分類されるＹＧＷ１１、ＹＧＷ１８、Ｇ５９ＪＡ１ＵＣ３Ｍ１Ｔ、Ｇ７８Ａ２ＵＣＮ４Ｍ４Ｔなどが挙げられる。ワイヤ径φは、０．６～２．０ｍｍなどが好ましい。
［溶接シールドガス］
溶接シールドガスの組成としては、アークを安定させるために、ＣＯ2ガスを２０体積％以上、残りをＡｒ等の不活性ガスとして含有する混合ガスを使用することが好ましい。溶接作業性を考慮すると、より好ましくは、ＣＯ2ガス１００体積％である。なお、ガス流量は、１０～５０Ｌ／ｍｉｎで行うことが好ましい。
溶接シールドガスの組成としては、アークを安定させるために、ＣＯ2ガスを２０体積％以上、残りをＡｒ等の不活性ガスとして含有する混合ガスを使用することが好ましい。溶接作業性を考慮すると、より好ましくは、ＣＯ2ガス１００体積％である。なお、ガス流量は、１０～５０Ｌ／ｍｉｎで行うことが好ましい。
［多層溶接］
なお、本発明は、厚鋼板の多層溶接の初層溶接に適用するものであり、本発明を実施するにあたり、初層溶接以降の後続パスの溶接条件は、適宜設定されるものである。初層溶接に続く２層目以降の溶接の層数については、鋼材の板厚などに拠るが、前述した板厚である２０～１００ｍｍであれば、５～３０層が好ましい。初層溶接以降の溶接条件は、例えば、溶接電流：２５０～３５０Ａ、溶接電圧：３０～４２Ｖ、溶接速度：２００～６００ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。なお、本発明の溶接方法では、初層溶接は１層１パスとし、２層目以降は１層２パス以上とする。
なお、本発明は、厚鋼板の多層溶接の初層溶接に適用するものであり、本発明を実施するにあたり、初層溶接以降の後続パスの溶接条件は、適宜設定されるものである。初層溶接に続く２層目以降の溶接の層数については、鋼材の板厚などに拠るが、前述した板厚である２０～１００ｍｍであれば、５～３０層が好ましい。初層溶接以降の溶接条件は、例えば、溶接電流：２５０～３５０Ａ、溶接電圧：３０～４２Ｖ、溶接速度：２００～６００ｍｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。なお、本発明の溶接方法では、初層溶接は１層１パスとし、２層目以降は１層２パス以上とする。
次に、本発明の溶接継手およびその製造方法の一実施形態について説明する。
本発明の溶接継手（ガスシールドアーク溶接継手）は、突き合わせた２枚の厚鋼板が上述のガスシールドアーク溶接方法を用いて溶接された溶接継手である。
本発明の溶接継手（ガスシールドアーク溶接継手）は、突き合わせた２枚の厚鋼板が上述のガスシールドアーク溶接方法を用いて溶接された溶接継手である。
本発明の溶接継手の製造方法は、２枚の厚鋼板の開先面が所定の開先角度θとなるように突き合せる工程と、上記の溶接ワイヤを用いて、該厚鋼板に特定の溶接条件で多層溶接を行い、溶接ビードを形成する溶接工程と、を備える。これにより、突き合わせた２枚の厚鋼板を接合し、溶接継手を製造する。この製造方法における、溶接工程での多層溶接の初層溶接に、上述のガスシールドアーク溶接方法を適用する。初層溶接以降の後続パスの溶接条件は、適宜設定されるものであり、例えば初層溶接の溶接条件と同様としてもよい。なお、厚鋼板や溶接条件等の説明は上述の説明と同様であるため、省略する。
以上説明したように、上記の初層溶接を有する本発明の溶接方法によれば、初層溶接を施す際に、特殊な装置等を用いることなく、１パス溶接で優れた施工能率を得られ、かつ、初層溶接後に得られる溶接継手は優れた溶接部品質を得ることができる。
ここで、「優れた施工能率」とは、開先角度θが３５°以下の狭い開先で溶接を実施可能であることを指す。
また、「優れた溶接部品質」とは、次のことを指す。具体的には、後述の実施例に記載の方法で測定した「溶込み安定性」において、断面マクロサンプル１０断面のうち溶込み幅が最大のものと最小のものの差が２．０ｍｍ以下であることを指し、かつ、同実施例に記載の方法で検査した「高温割れ」において、溶接欠陥である高温割れが発生しないことを指す。なお、これらに加えて、同実施例に記載の方法で評価した「スパッタ」において、開先壁へのスパッタ付着が発生しないことが、溶接部品質として、より好ましい。
また、「優れた溶接部品質」とは、次のことを指す。具体的には、後述の実施例に記載の方法で測定した「溶込み安定性」において、断面マクロサンプル１０断面のうち溶込み幅が最大のものと最小のものの差が２．０ｍｍ以下であることを指し、かつ、同実施例に記載の方法で検査した「高温割れ」において、溶接欠陥である高温割れが発生しないことを指す。なお、これらに加えて、同実施例に記載の方法で評価した「スパッタ」において、開先壁へのスパッタ付着が発生しないことが、溶接部品質として、より好ましい。
本実施例では、板厚５０ｍｍの２枚の厚鋼板を、図１に示すように、突き合わせて開先を形成し、所定の溶接条件で片面ガスシールドアーク溶接により溶接継手を製造した。上述のように、セラミック製の裏当て材として、質量％で、ＳｉＯ2：３０～７０％、Ａｌ2Ｏ3：１０～５０％、ＭｇＯ：３～２０％の組成のものを用いた。また、用いた溶接ワイヤの成分値を表１に示し、初層溶接での溶接条件等の試験条件を表２に示した。
溶接シールドガスには、ＣＯ2ガスを２０体積％以上、残りをＡｒ等の不活性ガスとして含有する混合ガス、あるいは、ＣＯ2ガス１００体積％を用い、またガス流量：１０～５０Ｌ／ｍｉｎの範囲で適宜設定した。
溶接シールドガスには、ＣＯ2ガスを２０体積％以上、残りをＡｒ等の不活性ガスとして含有する混合ガス、あるいは、ＣＯ2ガス１００体積％を用い、またガス流量：１０～５０Ｌ／ｍｉｎの範囲で適宜設定した。
得られた溶接継手について、断面マクロサンプル１０断面の目視検査を実施して、溶接部品質を評価する試験を行った。
さらに、各溶接継手について、断面マクロサンプルを１０断面採取し、図２に示すように、各断面マクロサンプルの開先底部位置における溶接金属の幅Ｗを測定した。そして、開先底部位置における溶接金属の幅ＷからルートギャップＧの長さを減じた値を２で除した値を、「溶込み幅」と定義した。
上記の断面マクロサンプルとは、溶接長５００ｍｍの中で、溶接開始側から１００ｍｍ、１３０ｍｍ、１６０ｍｍ、１９０ｍｍ、２２０ｍｍ、２５０ｍｍ、２８０ｍｍ、３１０ｍｍ、３４０ｍｍ、および３７０ｍｍの各位置で採取した断面マクロを指す。
溶接部品質と溶込みの評価結果を図３および表２に示した。
表２の「溶込み安定性」は、上記の方法で測定した断面マクロサンプル１０断面のうち、溶込み幅が最大のものと最小のものの差が２．０ｍｍ以下の場合を「良」、当該差が２．０ｍｍを超えた場合を「不良」とした。
また、溶接部品質を評価する試験として、上記の方法で採取した断面マクロサンプル１０断面の目視検査を実施し、溶接継手における「高温割れ」の有無を評価した。表２の「高温割れ」は、溶接欠陥である高温割れが１つ以上発生した場合を「有」、高温割れが１つも発生しなかった場合を「無」とした。
また、溶込み評価は、初層溶接後、開先壁に粒径５００μｍ以上のスパッタの付着の有無で評価した。表２の「スパッタ」は、開先壁への上記粒径のスパッタの付着が発生した場合を「有」、上記粒径のスパッタの付着が発生しなかった場合を「無」と表記した。
実施例のうち、開先の底面にセラミック製の裏当て材２を取り付け、初層溶接の溶接電流Ｉを２００～４５０Ａ、初層溶接の溶接電圧Ｖを２５～５０Ｖとし、初層溶接の溶接入熱Ｑが前述の式１を満足するように設定した本発明例では、溶込み不良や高温割れを抑制しつつ安定した溶込み幅を得ることができた。また、実施例のうちＲＥＭを添加した溶接ワイヤ（記号Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ６）を用い、正極性で溶接を実施した本発明例（Ｎｏ．１２～１９、３０）では、開先角度θとルートギャップＧをより狭くしても良好な溶接部品質を得ることができ、さらに、開先壁へのスパッタ付着を抑制することができた。
ここで、図３には、実施例のデータを初層溶接の各条件で整理し、プロットした相関図を示した。図３の縦軸は溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）とし、図３の横軸はルートギャップＧ（ｍｍ）とした。
図３の相関図に示すように、上述の初層溶接の条件を満足した実施例（△印）では、良好な溶込み安定性と高温割れ抑制を両立することができた。ここでいう「上述の初層溶接の条件」とは、具体的には、初層溶接として、セラミック製の裏当て材を用い、かつ、溶接電流Ｉ：２００～４５０Ａ、溶接電圧Ｖ：２５～５０Ｖ、溶接入熱Ｑが上記式１の範囲内で、１パスで行うこと」を指す。
この上述の初層溶接の条件に加えて、さらに開先角度θ：３５°以下とすること、ルートギャップＧ：７～１５ｍｍとすること、溶接ワイヤ（ＲＥＭ含有量：０．０１５～０．１００質量％）かつ正極性で溶接すること、の全ての条件を満足した実施例（○印）では、良好な溶込み安定性と高温割れ抑制を両立しながら開先壁へのスパッタ付着も抑制することができた。
この上述の初層溶接の条件に加えて、さらに開先角度θ：３５°以下とすること、ルートギャップＧ：７～１５ｍｍとすること、溶接ワイヤ（ＲＥＭ含有量：０．０１５～０．１００質量％）かつ正極性で溶接すること、の全ての条件を満足した実施例（○印）では、良好な溶込み安定性と高温割れ抑制を両立しながら開先壁へのスパッタ付着も抑制することができた。
一方、図３の相関図に示す×印の実施例は、比較例である。Ｎｏ．２０は、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖかつ溶接入熱Ｑは上述の初層溶接条件で行ったが、裏当て材を用いなかった例であり、溶融金属が保持できず、その結果、溶接ができなかった。
Ｎｏ．２１、Ｎｏ．２２は、上述の初層溶接の条件のうち溶接入熱Ｑが低すぎ、その結果、開先底部が溶けにくくなり溶込み不良となった。Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２４は、上述の初層溶接の条件のうち溶接入熱Ｑが高すぎ、その結果、溶接金属の幅に対して溶接金属の高さが大きくなって高温割れが発生した。
Ｎｏ．２５は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電流Ｉが低すぎ、その結果、開先底部が溶けにくくなり溶込み不良となった。Ｎｏ．２６は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電流Ｉが高すぎ、その結果、溶込み不安定となった。
Ｎｏ．２７は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電圧Ｖが低すぎ、その結果、溶込み不安定となった。Ｎｏ．２８は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電圧Ｖが高すぎ、その結果、開先底部が溶けにくくなり溶込み不良となった。
Ｎｏ．２５は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電流Ｉが低すぎ、その結果、開先底部が溶けにくくなり溶込み不良となった。Ｎｏ．２６は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電流Ｉが高すぎ、その結果、溶込み不安定となった。
Ｎｏ．２７は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電圧Ｖが低すぎ、その結果、溶込み不安定となった。Ｎｏ．２８は、上述の初層溶接の条件のうち溶接電圧Ｖが高すぎ、その結果、開先底部が溶けにくくなり溶込み不良となった。
１ 厚鋼板
２ 裏当て材
３ 溶接金属
２ 裏当て材
３ 溶接金属
Claims (4)
- 厚鋼板の片面突合せ溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
初層溶接では、開先の底面にセラミック製の裏当て材を取り付け、
かつ、溶接電流Ｉ（Ａ）を２００～４５０Ａおよび溶接電圧Ｖ（Ｖ）を２５～５０Ｖとし、溶接入熱Ｑ（ｋＪ／ｍｍ）を下記の式１の範囲内で、１パスで行い、
前記開先の角度θを２０°以下、下記の式１に示すルートギャップＧ（ｍｍ）を７～１５ｍｍとする、ガスシールドアーク溶接方法。
０．４×Ｇ－１≦Ｑ≦０．６×Ｇ＋１ ・・・ （式１）
ここで、式１に示すＧはルートギャップ（ｍｍ）である。 - 前記初層溶接では、希土類元素（ＲＥＭ）を０．０１５～０．１００質量％含有する溶接ワイヤを用い、極性を正極性として溶接を行う、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接方法を用いて溶接された溶接継手。
- 請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接方法を用いた、溶接継手の製造方法。
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